JPS61253418A

JPS61253418A - エンコ−ダ装置

Info

Publication number: JPS61253418A
Application number: JP9512685A
Authority: JP
Inventors: Takashi Ito; 隆伊藤; Takao Wada; 多加夫和田
Original assignee: Kawasaki Heavy Industries Ltd
Current assignee: Kawasaki Heavy Industries Ltd
Priority date: 1985-05-02
Filing date: 1985-05-02
Publication date: 1986-11-11
Also published as: JPH0443217B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】産業上の利用分野本発明は、たとえば駆動源によって作業端を駆動するよ
うにした、いわゆる電動ロボットなどにおいて、前記作
業端の総回転数および３６ｏ°以内の回転角度を検出す
るために好適に実施されるエンコーダ装置に関する。

背景技術典型的な既成技術では、モータの回転軸からの動力は減
速機によって減速されて作業端に伝達され、この作業端
の回転角度を検出するためにモータの前記出力輪に作業
端のための減速機と同一減速比を有するもう１つの検出
用減速機を設け、前記検出用減速機の減速出力軸の回転
角度をポテンシオメータによって検出し、これによって
作業端の概略の回転角度の絶対値を知ることができ、一
方モータの出力軸にはいわゆるインクリメンタルエンコ
ーグが設けられ、出力軸の３６０°以内の回転角度を高
精度で検出することができるような構成になっている。

発明が解決しようとする問題点上述したような既成技術では、検出用の減速機を必要と
し、エンコーダ装置が大型化するとともにその検出用減
速機のバックラッシュによって測定誤差を生じるという
問題があった。＊たインクリメンタルエンコーダは回転
軸に装着された回転部材の両側に発光素子と受光素子と
をそれぞれ設け、回転部材に形成されている透光部分ま
たは遮光部分を検出する構成を有しており、停電時には
このようなインクリメンタルエンコーグをバッテリｌ；
よって動作させようとすれば、インクリメンタルエンコ
ーグの消費電力が大きいのでバッテリの容量は大きくな
ければならずエンコーグ関連の電源が大型化するように
なる。

したがって本発明の目的は、装置全体を大型化すること
なく高精度の回転角度検出ができるようにしたエンコー
ダ装置を提供することである。

問題点を解決するための手段本発明は、回転軸に装着され１回転中の回転角度を検出
するレゾルバ装置と、前記回転軸の回転数を１回転毎に零又は極めて僅かな消
費電力のもとに電気信号として導出する回転数検出手段
と、前記回転数検出手段によって導出される回転軸の回転数
に該当する電気信号をス（了するメモリと、停電時において前記回転数検出手段お上びメモリを電力
付勢するバッテリ手段によって構成されることを特徴と
するエンコーダ装置である。

作　　用本発明によれば、検出用の減速機を必要とせずエンコー
ダ装置が大型化することなく高精度に回転角度の検出が
できる。また本発明によれば、停電時に回転数検出手段
および回転数検出手段の出力電気信号を記憶するメモリ
のみをバッテリで電力付勢するようにしたので、消費電
力の大きいレゾルバ装置をバッテリによって電力付勢し
なくともよく、エンコーグ関係の電源が大型化すること
なく停電時および電源復帰時において高精度に回転角度
の検出ができるようになる。

実施例第１図は、本発明に従うエンコーダ装置を備えた電動ロ
ボットのブロック図である。この電動ロボットでは、モ
ータ１の回転軸２は、歯車３ａ。

３ｂを含む減速機４によって減速され、出力軸５によっ
て作業端６が回転駆動される。モータ１の回転軸２には
１回転中の回転角度を検出するレゾルバ７が設けられる
。

第２図は、レゾルバ７の一実施例の電気回路図である。

モータ１の回転軸２と一体的に回転するロータ８にはフ
ィルタ、１０が備えられる。ロータ８の周囲には固定位
置に固定されるコイル１１゜１２が設けられ、このコイ
ル１１．１２は相互に電気的に９０°ずれている。また
ロータ８の周囲にはフィル１０に磁気結合したもう１つ
のコイル１３が設けられ、このコイル１０とコイル１３
とは回転トランス１４を構成する。

第１図をも参照して、励磁装置１５からラインＪ！１ヲ
介してレゾルバ７のコイル１１に電圧■１が与えら°れ
るとともに、また電圧ｖ１はラインノ２を介して位相検
出器１６に与えられる。＊た励磁装置１５からライン１
３を介してレゾルバ７のコイル１２に電圧ｖ２が与えら
れる。この電圧■１、■２は第１式および第２式で示さ
れる。

Ｖ　１　＝＝Ｖｓｉｎａ＋ｔ　　　　　　　＝１１　）
Ｖ２−Ｖｅｏｓωｔ　　　　　　　　　　・・・（２）
ロータ８が矢符１７の方向（第２図参照）へ回転すると
きレゾルバ７のコイル１３からの出力電圧ｖ３は第３式
で示される。

Ｖ３＝Ｋｖ−ｓｉｎ（ωｔ＋θ）　　・（３）Ｋｖは最
大結合係数であり、θはロータ８の回転角度であり、こ
の回転角度θはＯ°〜３６０゜の範囲にある。

この出力電圧Ｖ３はラインノ４を介して位相検出器１６
に与えられる。位相検出器１６では、第３図の参照符１
１１　　で示される電圧ｖ３と第３図の参照符−２で示
される電圧ｖ１どの位相差を検出し、この位相差すなわ
ち回転軸２の回転角度θをデジタル値に変換して、ライ
ンＪ！５を介して演算回路１８に導出する。こうしてラ
イン！５がらの回転軸２の回転角度θを表す回転角度信
号によって回転軸２の３６０°以内の回転角度を高精度
で検出することが可能となる。

モータ１の回転軸２に関連して回転数検出手段１９が設
けられる。

第４図は、回転数検出手段１９の斜視図である。

第１図をも参照して、回転数検出手段１９は、直円柱状
の回転部材２０と、検出ヘッド２１とを含む。回転部材
２０は、非磁性材料、たとえばアルミニウムまたはステ
ンレス鋼から成り、モータ１の回転軸２に同軸に固着さ
れる０回転部材２０の周壁には、周方向に等間隔をあけ
て複数の永久磁石２２が固着されている。永久磁石２２
は長手−直線状に延び、この永久磁石２２の長手方向は
回転部材２０の回転軸線と平行である。この永久磁石２
２は固定位置に取り付けられた検出ヘッド２１と磁気的
に結合されている。検出ヘッド２１の出力はバッテリ２
３によって電力付勢される回転方向弁別回路２４に入力
され、回転部材２０の回転方向および回転数Ｎが検出さ
れる。

検出ヘッド２１は、回転部材２０の回転方向１７に間隔
をあけて配置された検出要素３１，３２゜３３．３４．
３５から構成されている。検出要素３１．３２．３３，
３４，３５はそれぞれ強磁性材料４１．４２，４３，４
４，４５、永久磁石５１，５２．５３．５４．５５およ
び検出フィル６１，６２，６３゜６４．６５を含む。

第５図は、回転部材２０に固着された一つの永久磁石２
２と一つの検出要素３１との関係を説明するための周方
向展開図である。永久磁石２２と永久磁石５１の磁化方
向は相互に逆で永久磁石２２は永久磁石５１よりも磁化
力が強い０強磁性材料４１に加えられる外部磁界は、永
久磁石２２が回転方向１７に回転することにより永久磁
石２２による磁界７０と永久磁石５１による磁界７１の
影響によって第６　ｍ（１）のように変化する。ｔｌｆ
Ｊ６図（２）は検出フィル６１の出力を示し、第６図（
３）は永久磁石２２の位置を示す。

第７図は、永久磁石２２が強磁性材料４１の近傍を通過
する際に生じる強磁性材料４１の磁化の態様を示す断面
図である。強磁性材料４１は異なった保磁力を有するコ
ア４１ａとシェル４１ｂを有する。ここでは、シェル４
１ｂの保磁力がコア４１ａの保磁力より強い材料を用い
ることとして説明する０強磁性材料４１は永久磁石２２
が第５図の位置Ｐ１にあるとき第６図（１）で示すよう
に弱い負の方向の磁界の影響をうけ、保磁力の小さ一１
コア４１ａは外部磁界８０の方向に磁化され、保磁力の
大きいシェル４１ｂは逆の方向に磁化されている。した
がって強磁性材料４１は＄７図（１）の状態にある。永
久磁石２２が強磁性材料４１の近傍の位＠Ｐ２に達する
と、強磁性材料４１に加わる外部磁界８０はコア４１ａ
の保磁力より太き（なり、コア４１ａの磁化の方向が反
転し、第７図（２）の状態になる。永久磁石２２が位ｉ
Ｐ３に達すると再び外部磁界８０の方向が反転し、コア
４１ａの磁化の方向も反転し、第７図（３）の状態にな
る。

第８図は強磁性材料４１の外部磁界が第６図（１）のよ
うに変化したときのヒステリシスループである。第７図
（１）の状態から第７図（２）の状態に移るとき内部磁
束密度の大きなジャンプが生じ、第７図（２）の状態か
ら第７図（３）の状態に移るとき小さなジャンプが生じ
る。第６図（２）に示すように検出コイル６１には、前
者のジャンプのとき比較的高いインパルス状電圧が発生
し、後者のジャンプのと軽小さな電圧が発生する。前者
の発生電圧の波高値はたとえば０．５〜１２Ｖであり、
その半値幅は約２０μ秒であり、ＳＮ比が良好である。

後者の発生電圧は前者の発生電圧に比べて十分小さく方
向が逆であるので、後述する回転方向弁別回路２４では
無視される。

永久磁石２２が回転方向１７の逆方向に回転するときに
も同様に検出コイル６１には同じ極性の大きなインパル
ス状電圧が誘起される。

検出要素３２，３３，３４．３５　　も検出要素３１と
同じ構成であり、永久磁石２２の回転時に検出フィル６
２，６３，６４．６５　　に同様の電圧を発生する。

このように検出ヘッド２１は永久磁石、強磁性材料およ
び検出コイルから構成されているので、何等の電力源を
必要とすることなく永久磁石２２の回転を確実に検出す
ることができる。

第９図は検出ヘッド２１の出力を処理し回転部材２０の
回転数および回転方向を求める回転方向弁別回路２４の
構成を示す。検出コイル６１，６２．６３．６４，６５
の出力をそれぞれＢ″、Ａ　、Ｂ　。

Ａ’　、Ｂ’　とする、Ａ、Ａ’　、Ｂ、Ｂ’　、Ｂ”
はそれぞれ波形整形回路８１，８２．８３，８４．８５
に入力され波形が整形される。波形整形回路８１，８２
の出力はそれぞれ７リツプ７０ツブ８７のセット入力端
子、リセット入力端子に入力される。７リツプ７０ツブ
８７の正の出力Ａ１負の出力Ａはそれぞれ立上り検出回
路８９．９０に入力され、７リツプ７０ツブ８７がリセ
ット状態からセットされたときの信号ΔＡとセット状態
からリセットされたときの信号ΔＡが出力される。

波形整形回路８４．８５の出力は論理和回路８６に入力
され、その出力は７リツプ７０ツブ８８のリセット入力
端子に入力される。波形整形回路８３の出力は７リツプ
７０ツブ８８のセット入力端子に入力される。７リツプ
７０ツブ８８の正の出力信号Ｂと立上り検出回路８９の
出力ΔＡを論理積回路９１に入力することにより、回転
方向１７の逆方向の回転パルス（ＣＷ　）が出力され、
７リツプ７０ツブ８８の出力Ｂと立上り検出回路９０の
出力ΔＡを論理積回路９２に入力することにより回転方
向１７の回転パルス（ＣＣＷ）が出力される。

第１０図に信号Ａ　、Ａ　’、Ｂ　、Ｂ　’、Ｂ″、Ａ
、Ｂ、（ＣＷ）、（ＣＣＷ）の関係図を示す、論理積回
路９１゜９２の出力はライン７６、、／７を介してそれ
ぞ紅アップダウンカウンタ９３のアップ入力端子、ダウ
ン入力端子に与えられる。７ツプダツンカウンタ９３で
は回転パルスを計数して予め定めた一回転を示すカウン
ト数に達したときには、回転軸２の回転数Ｎを示す信号
をライン！８を介して演算回路１８に導出する。演算回
路１８では、ライン！８を介して与えられる回転数Ｎを
表わす信号とライン７５を介して与えられる回転角度θ
を表わす信号とによって、回転軸２の総回転角度を表わ
す信号をライン！９から導出する。なお、回転方向弁別
回路２４およびアップダウンカウンタ′９３は半導体回
路によって実現され、したがって消費電力は小さい。回
転方向弁別回路２４およびアップダウンカウンタ９３は
、バッテリ２３によって電力付勢される。

位相検出器１６および励磁装置１５は、商用交流電源９
５からの電力を変圧整流する電源回路９６の電力によっ
て電力付勢される０回転方向弁別回路２４、位相検出器
１６および励磁装置１５は、回転角度の検出時において
常時電力付勢され、その消費電力は大きい、商用交流電
源９５の停電時には、位相検出器１６お上ＶＭｉ磁装置
１５は不能動化され、回転角度検出が停止する０回転方
向弁別回路２４お上りアップダウンカウンタ９３はバッ
テリ２３によって停電時においても電力付勢されたまま
である。したがって回転部材２０が角変位したとき、そ
の状態は回転方向弁別回路２４によって回転方向が弁別
され、アップダウンカウンタ９３の計数値が変化されて
スシアされる。したがって商用文流電［９５の停電によ
ってモータ１が消勢され、そのため作業端６がその重力
などによって角変位し応じて回転軸２が角変位しても回
転数検出手段１９、回転方向弁別回路２４およびアップ
ダウンカウンタ９３の働きによって回転軸２の回転数Ｎ
が常時検出される。

電源復帰後は、モータ１、位相検出器１６および励磁装
ｆｉ１５は電源回路９６からの電力によって電力付勢さ
れる。また演算回路１８も電力付勢される。モータ１に
よって回転軸２が再び回転駆動されると、レゾルバ７に
よって再び回転角度θが検出される。

こうしてレゾルバ７によって３６０°以内の回転角度θ
が高精度で測定することができる。また外部磁界の増減
によって、磁化の強さが急速に変化する強磁性素材４１
〜４５に検出コイル６１〜６５を巻くことによって、こ
の検出コイル６１〜６５には磁界の増減の際に高い誘起
起電力を得る　□ことができ、これらの検出コイル６１
〜６５の出力をバッテリ２３によって電力付勢された回
転方向弁別回路２４およびアップダウンカウンタ９３に
よって回転方向の判別および回転パルスの計数を行なう
ようにしたので、停電時にも回転部材２０したがって回
転軸２の位置を検出することができる、そのため、いわ
ゆるアブソリュートエンコーダとして本発明に従うエン
コーダ装置を用いることができる。

なお、レゾルバ７は第３図に示される構成に限定される
ものではなく、その他の構成を有するものであってもよ
い。

回転数検出手段１９は、前述の実施例では強磁性素材４
１〜４５および検出コイル６１〜６５などから構成され
ていたけれども、本発明の考え方に従えば、以下の構成
のものが用いられてもよい。

即ち、回転軸２に一体的に非磁性材料の金属または合成
樹脂などから成る回転円板部材を固定し、この回転円板
部材の一表面に永久磁石を１個固定し、一方、永久磁石
の磁気を検出することができるリードスイッチを２個回
松円板部材の円周方向に間隔をあけて固定位置に配置し
、このリードスイッチからの出力に基づいて回転方向お
よび回転数を検出するようにしてもよい。

本発明は、ロータリエンコーダとしてだけでなく、リニ
アエンコーグとしても実施することができるのは勿論で
ある。

効　　果以上のように本発明によれば、構成を大型化することな
く高精度の回転角度検出ができるようになる。また停電
時において角変位した回転軸の回転角度を電源復帰後に
おいても高精度に検出することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例のエンコーダ装置を備えた電
動ロボットのブロック図、第２図はレゾルバ７の一実施
例の電気回路図、第３図はレゾルバ７における入力電圧
ｖ１お上り出力電圧ｖ３の波形図、＄４図は回転数検出
手段１９の斜視図、第５図は回転部材２０の周方向展開
図、第６図は強磁性材料４１に加わる外部磁界の変化と
検出コイル６１の出力との関係を説明するための図、第
７図は強磁性材料４１の磁化の方向の変化を説明するた
めの断面図、第８図は強磁性材料４１のヒステリシスル
ープを示す図、第９図は回転方向弁　　−別回路２４の
ブロック図、第１０図は検出コイルの出力信号の処理過
程を示すタイムチャートである。１・・・モータ、２・・・回゛転輸、７・・・レゾルバ
、１５・・・励磁装置、１６・・・位相検出器、１８・
・・演算回路、１９・・・回転数検出手段、２０・・・
回転部材、２１・・・検出ヘッド、２３・・・バッテリ
、２４・・・回転方向弁別回路、３１，３２，３３，３
４．３５・・・検出要素、４１．４２，４３，４４．４
５−・・強磁性材料、２２゜５１．５２，５３，５４．
５５・・・永久磁石、６１，６２．６３，６４．６５　
　・・・検出コイル、８１，８２，８３．８４．８５・
・・波形整形回路、８６・・・論理和回路、８７．８８
・・・７リツプ７０ツブ、８９．９０・・・立上り検出
回路、９１．９２・・・論理積回路、９３・・・７ツブ
ダウンカウンタ代理人　　弁理士　画数　圭一部第２図第４図ｊＪ５図第６図

Claims

【特許請求の範囲】回転軸に装着され１回転中の回転角度を検出するレゾル
バ装置と、前記回転軸の回転数を１回転毎に零又は極めて僅かな消
費電力のもとに電気信号として導出する回転数検出手段
と、前記回転数検出手段によつて導出される回転軸の回転数
に該当する電気信号をストアするメモリと、停電時において前記回転数検出手段およびメモリを電力
付勢するバッテリ手段によつて構成されることを特徴と
するエンコーダ装置。