JPS6217609A - 角度位置測定方法と装置 - Google Patents

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 本発明は一般にシャフト・エンコーダに関係し、特に回
転シャフトと固定基準ベアリング間の相対角の出力指示
を与える絶対エンコーダに関係する。

従来の技術 可動面又はアームと基準ベアリングとの間の相対角を指
示するシャフト・エンコーダは公知である。従来のシャ
フト・エンコーダは増分エンコーダ、すなわち各所定の
回転角に対して離散的な出力信号により回転角を指示す
るものと、絶対エンコーダ、すなわち固定基準に対する
角度を示すもののどちらかである。最も一般的なエンコ
ーダは光学エンコーダである。

ディスク上に交番透明及び不透明マークを含む光学増分
シャフト・エンコーダが既知である。光源と光電検出器
がディスクの反対側に取付けられ、これによりディスク
の回転時に放射光は交互に検出されたりされなかったり
する。検出器での特定パターンの検出光は、被測定シャ
フトがどの方向に移動しているかを指示し、検出したマ
ーカ数をカウントすることにより全回転角が見出される
。

又絶対光学シャフト・エンコーダも知られている。これ
は、各行が隣接行と異なり、従って異なる２進数を示す
複数個の径方向に延びる透明な又は不透明な「窓」を定
めた同様のディスクを含む・対応する径方向の光源と検
出器を設ける。ディスクが回転するにつれて、検出した
特定の窓分布はディジタル・プロセッサに送られ、この
プロはツサはサンプリング時に所定の基準に対してどの
角度にディスクがあるかを正確に指示する出力を与える
。分解能はディスク上の行の数と各行の「窓」の数に依
存するため、これらの検出器の与える分解能には制限が
ある。従って、良好な分解能と対応して正確な角度決定
のためには、面倒で高価な非常に大きいディスクを用い
る必要がある。

ｒａｍ中のシャフトを１２察測定することにより絶対角
１ｆｉｌｌ！定を行なうレゾルバと同期機構も知られて
いる。

カブラン他の米国特許第４，１２９，８６２号には、基
準ベアリングに対してシャフトの角度位置をディジタル
的にコード化する装置が示されている。信号発生器は３
段カウンタを介して動作して、第２シヤフトを回転する
モータへの励起信号を与える。第２シヤフトは基準位置
検出器とシ１フフト位置検出器と協動し、記憶レジスタ
中の３段カウンタのカウントの記憶を各々開始し終了さ
せる。第２シヤフトを回転させるモータは固定した一定
の周波数で回転する同期モータでなければならない。シ
ャフトの位置を測定し、これに対応するカウンタの出力
を記憶レジスタとプロセッサを介して度、分、秒で読取
可能である。

発明の要約 本発明の目的は、製造保守が簡単で、相対的に小さく軒
昂であり、従来の任意の交流又はｖＸ流モータであるモ
ータを含み、高分解能を与える絶対シャフト・エンコー
ダを提供することである。

従って本発明により、固定基準角に対する回転シャフト
の角度位置を決定し、シャフトの瞬間位置を繰返し測定
する装置と、モータの３６０度回転を測定する装置と、
移動している３６０度の内の部分を計算することにより
シャフト回転の絶対角の出力指示を発生する装置とを含
む装置が提供される。

本発明の望ましい実施例によると、位置検出装置は、第
１素子に固定して結合したハウジングと、検出可能な部
材を回転駆動する前記ハウジングに取付けたモータと、
検出可能部材の存在を検出するためハウジングに結合さ
れ、発生用装置へ基準信号を与える基準センサと、検出
可能な部材の存在を検出し、発生用装置へシャフト位置
信号を与える位置センサとを含む。

さらに望ましい実施例によると、基準及び位置センサは
光源と光電検出器及び付Ｆｆｌ’ｌｉｆ回路を含む。検
出可能部材は２個の対向して配置したワイヤ・アームを
含むか、又は透明なスリット又は不透明なマーカ線を各
々有する回転する不透明な又は透明なディスクを含む。

望ましい実施例によるとさらに、装置はカウントを登録
するため少なくとも１個の多桁カウンタ及び少なくとも
１個の基準ラッチ素子及び少なくとも１個の位置ラッチ
素子へカウントされるクロック信号を供給する発振器を
含む。

又本発明によると、エンコーダ本体に結合した基準素子
に対する回転シャフトの角度位置を決定する方法におい
て、基準素子の位置を検出して対応する基準出力信号を
与え、出力信号に応答してカウン装置にカウントを開始
させ、基準素子の位置を再び検出して対応する第２の基
準出力信号を与え、第２出力信号に応答してカウンタ装
置の値を基準ラッチ素子にロードしてカウンタ装置をリ
セットし、シャフトの位置を検出して対応するシャフト
位置出力信号を与え、シＸ／′フト位置出力信号に応答
してカウンタ装置の値を位置ラッチ素子ヘロードし、基
準ラッチ素子の値に対するシャフト位置ラッチ素子の値
の比に対応する出力信号を発生する段階を含むエンコー
ダ本体に結合して、基準素子に対する回転シャフトの角
度位置を決定する方法が提供される。

本発明の装置は図面と関連して行なわれる以下の詳細な
説明から理解認識できる。

実施例 本発明は固定基準角に対する回転シャフトの絶対角度位
置を測定する方法と装置に関係する。シャフト位置はそ
の瞬間位置の測定により繰返し決定され、この測定は装
置に含まれるモータのロータの３６０度回転に対する間
隔で行なわれる。

第１図を参照すると、本発明により構成動作するディジ
タル角度エンコーダのブロック線図が示されている。エ
ンコーダは回転シャフトとエンコーダの本体に結合した
機械的な検出装置１ｏを含む。回転シャフトと３６０度
モータ回転の位置の測定は、モータ・ロータ・シャフト
に取付けたディスクのような部材上に配置した角度位置
マーカを検出するセンサ素子１２．１４により行なわれ
る。部材中の基準マーカはエンコーダ本体に取付けた固
定基準検出素子により検出され、この素子からの出力信
号はロータの各回転終了時を表わす。

基準マーカと同−又は異なる部材上の位置マーカは位置
検出素子により検出され、この検出素子はモータ・ディ
スクと平行な面に配置し同一軸で回転可能なディスクの
ような回転シャフトに結合した第２部材上に配置されて
いる。位置検出素子からの出力信号は回転シャツｉ・の
部材りに配置した位置センサにより回転モータ部材上の
位置マーカが見られた時を指示する。

装置の発振器１６は固定した所定周波数のクロック発生
器として動作し、発生したりＤツク信号の吠イクルをカ
ウントすることにより時間を計測するカウンタ１８に接
続される。

基準センサ、シャフト位置センサ及びクロックからの出
力信号はゲート及びタイミング論理回路２０へ送られる
。基準センサからの出力信号は２つの機能を有する。第
１に、これはラッチ・レジスタ、すなわちフリップ７０
ツブ２２、基準ラッチとして動作し、この基準ラッチは
センサが基準マーカを見た時のカウンタのカウントを記
憶する。

カウンタに記憶した後直ちに、これはカウンタを零にリ
セットする。基準センナが基準マーカを見る度に、ラッ
チは前のリセットからカウントした所定の信号発生器周
波数のサイクル数を記憶し、カウントした数は３６０度
モータ１回転に対する時間間隔ｔ１を指示する。

位置センサからの出力信号はスリップリング又は他の適
当なカップリングを介して接続され、第２のラッチ・レ
ジスタ又はフリップフロップ２４゜位置ラッチをトリガ
するのに用いられ、この位置ラッチはセンサが位ぼマー
カを見た時のカウンタのカウントを記憶する。位置ラッ
チに記憶されたカウントは従って時間間隔ｔ２、基準セ
ンサ信号と次の位置センサ信号との間の時間を示す。位
置センサからの信号は又中央処理装置（ＣＰＵ）２６を
トリガして、両ラッチの内容を読取り、角度位置の所要
計算を実行し、対応する出力信号を発生するためにも用
いられる。

第２図は本発明の装置により測定されたタイミング間隔
を図示する。時間ｔ１は３６０度に対応するため、比ｔ
　２／ｌ　１は基準センサの固定角度位置に対する回転
シャフトの角度位置を指示する。

３６０による比ｔ　２／ｌ　１の乗算は度単位での位置
を与える。他の定数による同様の乗算は所要の単位での
結果の読取を可能とする。結果に対する定数の加減算に
より、任意の所ＭＩＡ準ベアリングに対する角度位置が
得られる。

ｔｌに対するｔ２の比がｔｌとｔ２の数値とは独立であ
ることが本発明の特別な特徴である。それ故エンコーダ
は、正確な速度１１Ｊｉｌｌの必要性なしに従来のモー
タを含んでもよい。この比は又固定クロック周波数とも
独立である。モータが遅ければ遅い程、又クロック周波
数が高ければ高い程、２つの時間間隔の間で大きな数が
カウントされるため分解能が高くなる。本発明はモータ
速度より低い回転シャフト速度に対してのみ位「の小値
読取を与えるため高速モータが望ましい。秒当り可能な
高速読取数の必要も又所要のモータ速度を決定する。

現在の所発明者が知っている最も良い方法は、５０００
　ｒｐｍの速度を有するモータと２０８Ｈ２のクロック
周波数を用いることである。

２０．０００．０００／　（５０００／６０）の比はｔ
ｌに対して２４０，０００のカウントを示す。

これは１８桁２進数の分解能で、１万分の１５度、すな
わち５．４秒の分解能に等しい。

第３図を参照すると、本発明の望ましい実施例に従って
構成動作する機械装置が図示されている。

この装置は移動シャフトの角度がそれに対して測定され
る１アーム又は表面（図示Ｕず）に取付けたエンコーダ
本体３０を含む。エンコーダ本体３０には本体３ｏ内で
マーカ部材３６を回転させるように配置したロータ３４
を含むモータ３２が結合されている。本体３０には基準
センサ３８が取付けられている。

回転シャフト４０はエンコーダ本体に対して回転される
第２のアーム、表面又は他の素子に結合される。シャフ
ト４０はモータ３２のロータ３４と同軸的に回転するよ
うに配置されている。少なくとも１個のシャフト位置セ
ンサ４４がシャフト４０に結合したエンコーダ本体内に
取付けられている。複数個のスリップリング４６、ブラ
シ又は他の通信装置が設けられて位置センサをゲート及
び論理回路（第３図には図示せず）に接続する。

本発明の望ましい実施例によると、ＩＱ及び位置センサ
は光源と光電検出器及び付随電子回路を含む。代りに、
他のセンサ装置も使用可能であるさらに望ましい実施例
によると、マーカ部材は、一方が基準センサにより検出
されるように配置され他方が位置センサにより検出され
るように配置されている２本の対向して配置したワイヤ
・アーム４８を含む。代りに、マーカ部材は２つの透明
スリットを有する回転不透明ディスク又は２木の不透明
マーカ線を有する透明ディスク、又は使用する特定のセ
ンサ装ｄにより検出可能な他のマーカ装置を含んでもよ
い。

第１図を参照して、本発明の望ましい実施例の動作は以
下の通りである。基準及び位置センサ１２．１４からの
出力信号は論埋装Ｅ？２０に与えられる。クロック発生
器１８は文論Ｌ！ｌ［ｔ２０に接Ｍされて各種の出力を
時間で正しく同期させ、正確なカウントを可能とする。

モータの回転を完了したことを指示する基準センサから
の受信時にゲート及びタイミング論埋装２２２０はＬＯ
ＡＩ）信号を基準ラッチ２２へ接続し、カウンタに登録
された数を記憶するよう教示する。非常に短時間の。　
　遅延後に１！置はｒ＜　Ｅ　Ｓ　Ｅ丁信号をカウンタ
に送ってこれを零にする。クロックはカウンタに永久的
に接続されているため、カウンタは直ちに新たなカウン
トを開始する。

位置センサ１４からの信号がマーカ部材上の位冒マーカ
が遮断されたことを示した時、論理装置２ｏはＬＯＡＤ
信号を位置ラッチ２４へ接続し、このラッチ２４はその
瞬間にカウンタに登録されている数を記憶する。同時に
、論理装置はＩＮＴＥＲＲＵＰＴ信号をｃＰＵ２０へ接
続し、これにより２つのラッチに記憶した数を読取り、
（ｔ２／１１）ＸＮ＋にの計算を実行するよう命令する
、ここでＮは度での測定の時の３６０のように用いてい
る測定単位により決定される数で、Ｋは基準センサの固
定位置により定められるもの以外の零基準ベアリングの
使用を指示するため加減譚される定数である。又は、論
理装置は位置信号の代りに基準信号の受信時にＣＰＬＩ
２０へＩ　Ｎ　Ｔ　Ｅ　ＲＲＵ　Ｐ　Ｔ信号を接続して
もよい。

上述した方法はｔｌに続く回転時に（すなわち基準の回
転の後で）行なわれるｔ２の測定を用いてシャフト位置
を計ｎすることを含むことが認められる。これは実時間
でより正確なことがら望ましい。しかしながら、代りに
ｔｌと同一回転時に測定したｔ２を用いて計算を実行可
能である。

サンプリング速度を増大したい場合、シャフトに接続し
た１個以上の位置セン号を設けてもよい。

適切な電子回路の例を第５図に図示する。図面かられか
るように、クロックとして動作する発振回路の出力はカ
ウンタ装置のクロック入力とＤ型フリップフロップとし
て接続した２個のフリップフロップ７４ＡＬＳ１０９に
接続される。これら２個のフリップフロップはセンサ信
号を受入れ、クロック・パルスの受信時にこれを渡す。

図示するように、カウンタは５個の４桁２進カウンタ７
４ＡＳ１６３から構成され、従って２０桁の２進数の最
大カウントを可能とする。カウントを記憶する２個のラ
ッチの各々は３個の７４１８３７４から構成され、その
各々は８１１のＤ型フリップフロップから成る。２４フ
リツプフロツプの内の２０個を用いてカウンタがらの２
０桁数を記憶する。

７４ＡＬＳ１０９装置の内の一方が高速光電センサの出
力を受入れ、クロック・パルスの受信時にそのＱ出力は
ＬＯＡＤ信号を３個の基準ラッチＩＣのクロック入力へ
接続する。他のＮＡＮＤ段を介した通路により生じた遅
延後、ＲＬＳＥＩパルスが５個のカウンタのクリヤ入力
へ送られる。

他方の７４ＡＬＳ１０９は位置センサ信号を受入れ、こ
れをそのＱ端子がらカウントをロードするため３個の位
置ラッチ１ｃへ接続する。その石端子から、コンピュー
タ回路にラッチを読込んで計算を実行するよう命令する
ＩＮＴＥＲＲＵＰＴ信号を接続する。

代りに、同一の機能を実行する他の電子回路、又は他の
機械的又は他の装置を用いてもよい。

当業者には本発明は一例として以上図示し記述したもの
のみに限定されるものではないことが認められる。本発
明の範囲は添附する特許請求の範囲により唯一限定され
るものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による角度位置を決定する装置。 のブロック線図、第２図は本発明による角度位置を決定
する装置により測定されたタイミング間隔を示す図、第
３図は本発明の望ましい実施例により構成動作する位置
検出装置の概略図、第４図は本発明の望ましい実施例の
回路図である。 １２．１４・・・センサ、１６・・・発振器、１８・・
・力・クンタ、２ｏ・・・ゲート及びタイミング論理装
置、２２．２４・・・ラッチ・レジスタ、２６・・・Ｃ
Ｐ　Ｌｌ　。 ３０・・・エンコーダ本体、３２・・・モータ、３６・
・・マーカ部材、３８・・・基準センサ、４０・・・シ
ャフト、４４・・・位置センサ。

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. （１）固定基準ベアリングに対する回転シャフトの角度
   位置を決定する装置において、 モータの３６０度回転の時間を測定する装置と、モータ
   の回転開始からシャフトの瞬間位置までの時間を測定す
   る装置と、 モータの３６０度回転の時間に対するシャフト位置へ到
   達する時間の比を計算することによりシャフトの絶対回
   転角の出力指示を発生する装置と、を含むシャフトの角
   度位置を決定する装置。
2. （２）特許請求の範囲第１項記載の装置において、前記
   測定装置は、 基準素子に結合したエンコーダ本体と、 検出可能部材を回転駆動する前記本体に結合したモータ
   と、 検出可能部材の存在を検出し、これに応答して発生装置
   へ基準信号を与える本体に結合した基準センサと、 検出可能部材の存在を検出し、これに応答して発生装置
   へシャフト位置信号を与える回転シャフトに結合した位
   置センサと、 を含む角度位置検出装置。
3. （３）特許請求の範囲第１項及び第２項記載の装置にお
   いて、前記基準及び位置センサは光源と光電検出器及び
   付随電子回路を含む角度位置検出装置。
4. （４）特許請求の範囲第１項〜第３項記載の装置におい
   て、前記検出可能部材は、前記基準又は位置センサの一
   方により各々が検出されるよう配置されている２個の対
   向して配置したワイヤ・アームを含む角度位置検出装置
   。
5. （５）特許請求の範囲第２項から第４項記載の装置にお
   いて、前記発生装置は、 カウントされるクロック信号を供給する発振器と、 前記クロック信号をカウントする少なくとも１個の多桁
   カウンタと、 基準センサのリセット間のカウントを登録する少なくと
   も１個の基準ラッチ素子と、 基準リセットから位置センサからの検出指示までのカウ
   ントを登録する少なくとも１個の位置ラッチ素子と、 前記少なくとも１個の基準ラッチ素子と前記少なくとも
   １個の位置ラッチ素子からカウントを受信し、シャフト
   の絶対回転角に対応する出力信号を発生する処理装置と
   、 を含む角度位置検出装置。
6. （６）固定基準ベアリングに対する回転シャフトの角度
   位置を決定する方法において、 モータの３６０度回転の時間を測定する段階と、モータ
   の回転開始からシャフトの瞬間位置までの時間を測定す
   る段階と、 モータの３６０度回転の時間に対するシャフト位置に到
   達する時間の比を計算することによりシャフトの絶対回
   転角の出力指示を発生する段階と、を含むシャフトの角
   度位置決定方法。
7. （７）エンコーダ本体に結合した基準素子に対する回転
   シャフトの角度位置を決定する方法において、基準素子
   の存在を検出し対応する基準出力信号を与える段階と、 出力信号に応答してカウンタのカウントを開始する段階
   と、 以後再び基準素子の存在を検出し対応する第２の基準出
   力信号を与える段階と、 前記第２の基準出力信号に応答してカウンタ装置の値を
   基準ラッチ素子にロードし、カウンタ装置をリセットす
   る段階と、 シャフトの存在を検出しこれに対応してシャフト位置出
   力信号を与える段階と、 シャフト位置出力信号に応答してカウンタの値を位置ラ
   ッチ素子にロードする段階と、 基準ラッチ素子の値に対するシャフト位置ラッチ素子の
   値の比に対応する出力信号を発生する段階と、 を含む回転シャフトの角度位置決定方法。