WO2022264204A1

WO2022264204A1 - 磁気式ロータリーエンコーダ

Info

Publication number: WO2022264204A1
Application number: PCT/JP2021/022497
Authority: WO
Inventors: 純一多田
Original assignee: 株式会社五十嵐電機製作所
Priority date: 2021-06-14
Filing date: 2021-06-14
Publication date: 2022-12-22

Abstract

軸ブレが少なく、軸心の精度も高い、安価で高精度の磁気式のロータリーエンコーダを提供する。　回転軸に接続可能に構成された回転主軸と、前記回転主軸を回転可能に支持する固定側ベースと、磁気センサと、磁気センサ出力処理回路と、エンコーダ出力信号生成部とが設けられ、前記固定側ベースに固定された基板と、前記基板を外側から覆うカバー部材と、前記回転主軸と前記固定側ベースとの間に設けられたプリロードナットと、前記固定側ベースを前記装着対象機器に固定する支持部材とを備え、前記回転主軸は、第１の端部に前記回転軸に接続するためのカップリング部を有し、第２の端部に、一対のＮ極とＳ極を有する円板状の磁石が固定され、前記回転主軸は、１個のボールベアリングを介して前記固定側ベースに保持され、前記プリロードナットは、前記第１の端部の側の外周にねじで螺合し、前記１個のボールベアリングに与圧を与える機能を有しており、前記第１の端部に、前記磁石の前記一対のＮ極とＳ極の境界の１つの位置を示すマーキングが表示されている。

Description

磁気式ロータリーエンコーダ

　本発明は、磁気式ロータリーエンコーダに係り、特に、エンドユーザが種々の機器の回転軸に容易に装着して使用可能な磁気式ロータリーエンコーダに関する。

　ロータリーエンコーダは、モータの回転軸や、モータで直接若しくは間接的に駆動される各種の機器の回転軸の、角度位置や回転数、及び回転の方向を測定するために使用される。

　特許文献１には、円筒部を有する本体内に設けられ回転軸を介して被検体に連結された回転円盤の回転変位量を変位信号変換器で電気信号に変換するロータリーエンコーダが開示されている。
　このロータリーエンコーダは、本体の円筒部内に同心的に配置され変位信号変換器の検出部を取付けた円筒部を有する保持体を設け、保持体の円筒部を、周辺に設けられた複数の弾性体により本体の円筒部に変位可能に連結すると共に、保持体の内周面に回転円盤を一対の軸受けにより両側から保持して、軸心に設けられた回転軸を介して被検体に回転可能に連結している。

　特許文献２には、磁石ユニットを保持する磁石ホルダーが、一対の軸受けを介して、円筒状の函体に回転可能に保持された、ロータリーエンコーダが開示されている。磁石ホルダーには、平板状の磁石が固定され、函体内に固定された基板には、一対のＭＲセンサ等が実装されている。函体は、その外周端にばね状の保持部を有し、中空部に、モータの回転軸等の回転体が挿入された状態で、ブラシレスＤＣモータのモータハウジング等に固定されるように構成されている。

特許第３０９４３４９号公報特許第６５７８４９９号公報

　ロータリーエンコーダを使用して、各種の機器の駆動源であるモータを精度よく制御するためには、モータあるいはそれによって駆動される回転体の回転速度、回転数、回転方向等の正確な情報が必要である。
　例えば、自動車に関して運転支援から完全自動運転に至る各レベルの自動運転技術が開発されつつある。そのため、ロータリーエンコーダに関しても、回転角度の検出精度をより向上させるための様々な技術が必要とされている。

　特許文献１に記載の磁気式のロータリーエンコーダの発明は、磁場間隙Ｇを常時均一に保持して適切な波形のパルス出力が得られるように構成すると共に、軸ブレを吸収して磁気円板の接触に基づく故障の発生を防止したロータリーエンコーダを実現することを目的としている。しかし、軸方向に離間した２個のベアリングで支持された回転円板と、回転円板外周に配置された磁気抵抗素子の組み合わせからなるロータリーエンコーダでは、軸ブレを十分には解消できず、高い検出精度を確保するのは困難と考えられる。
　また、特許文献２に記載のロータリーエンコーダの発明によれば、マグネットが固定されたマグネットホルダーと基板上の一対のＭＲセンサとは、函体内に一体的設けられている。しかし、マグネットホルダーは離間した２個のベアリングで支持され、ＭＲセンサとマグネットとの軸方向の長さも長い。そのため、軸ブレの解消や、マグネットと一対のＭＲセンサの中心位置（軸心）を高精度に一致させる作業に困難を伴う。また、マグネットは函体内にあり、ブラシレスＤＣモータの場合、軸の原点位置を決定する作業が別途必要になる。これは、このロータリーエンコーダが、モータと一体に製造することを前提としてモータのハウジングカバー内に装着されるものであり、エンドユーザが機器の回転軸にロータリーエンコーダを容易に装着できることは、意図されていないためである。

　磁気式のロータリーエンコーダは、光学式のロータリーエンコーダと比較して、精度は劣る半面、構造が簡単であり、安価に供給できる利点かあるため、多くの分野で使用されている。このような磁気式のロータリーエンコーダに関して、構造が小型かつ簡単で安価であるという利点を保有したまま、より高精度で信頼性の高い製品を供給することが望まれている。

　本発明の目的は、軸ブレが少なく、軸心の精度が高く、高精度で信頼性が高く、小型でかつエンドユーザが種々の機器の回転軸に容易に装着可能な、磁気式のロータリーエンコーダを提供することにある。

　本発明の一態様によれば、ロータリーエンコーダは、装着対象機器の回転軸の回転角度の情報を外部に出力するロータリーエンコーダであって、
　前記回転軸に接続可能に構成された回転主軸と、
　前記回転主軸を回転可能に支持する固定側ベースと、
　磁気センサと、磁気センサ出力処理回路と、エンコーダ出力信号生成部とが設けられ、前記固定側ベースに固定された基板と、
　前記固定側ベースに固定され、前記基板を外側から覆うカバー部材と、
　前記回転主軸と前記固定側ベースとの間に設けられたプリロードナットと、
　前記固定側ベースを、前記装着対象機器に固定する支持部材と、を備え、
　前記回転主軸は、第１の端部に、前記回転軸に接続するためのカップリング部を有し、第２の端部に、一対のＮ極とＳ極を有する円板状の磁石が固定され、
　前記磁気センサは、前記回転主軸と共通の軸線上において所定の磁気ギャップを介して、前記磁石と対向しており、
　前記回転主軸は、１個のボールベアリングを介して、前記固定側ベースに保持され、
　前記プリロードナットは、前記回転主軸の前記第１の端部の側の外周にねじで螺合し、前記１個のボールベアリングのアウターレース又はインナーレースに与圧を与える機能を有しており、
　前記回転主軸、前記固定側ベース及び前記カバー部材は、磁性材料で構成されており、前記基板及び前記磁石は、前記回転主軸、前記固定側ベース及び前記カバー部材で囲まれた磁気シールド空間内に配置されており、
　前記回転主軸の前記第１の端部は、前記磁気シールド空間の外に露出しており、
　前記回転主軸の前記第１の端部に、前記磁石の前記一対のＮ極とＳ極の境界の１つの位置を示すマーキングが表示されており、
　前記マーキングは、前記装着対象機器の前記回転軸の原点を決定するために使用されるものであることを特徴とする。

　本発明によれば、ロータリーエンコーダの磁石と磁気センサとを回転主軸と共通の軸線上に配列すると共に、回転主軸を固定側ベースに１個のボールベアリングを介して保持し、プリロードナットでボールベアリングに与圧を与える構成としている。これにより、磁石と磁気センサの軸芯、及び磁石と磁気センサ間の磁気ギャップＧが所定の公差以内に管理された、高精度で信頼性の高い、かつ小型で構造が簡単な磁気式のロータリーエンコーダを提供することができる。
　そのため、エンドユーザは、ロータリーエンコーダを種々の機器の回転軸に装着するだけで、容易に、高精度で信頼性の高い磁気式のロータリーエンコーダを使用することが可能になる。また、磁石の位置を示すマーキングが磁気シールド空間の外の軸上に表示されているため、エンドユーザは、回転軸の原点位置を決定する作業が不要である。

　本発明の他の態様によれば、前記磁気式のロータリーエンコーダはさらに初期設定部を備え、
　前記初期設定部は、前記装着対象機器の回転軸に関する情報や前記エンコーダ出力信号生成部の出力条件を初期設定値として設定する機能を有しており、
　前記エンコーダ出力信号生成部は、前記初期設定値に基づき、前記磁気センサ出力処理回路から出力される機械角の信号に基づき、前記回転軸の回転に関する信号を生成して出力する機能を備えていることを特徴とする。

　この態様のロータリーエンコーダによれば、エンドユーザがロータリーエンコーダを装着する対象機器の種類や用途に応じて、必要な初期設定を行うことで、回転軸の角度位置や回転数に関して、高精度の情報を取得し、装着対象機器の適切な制御を行うことが容易になる。

本発明の第一の実施例になるロータリーエンコーダの、正面図である。図１のＡ－Ａ断面図である。図１に示したロータリーエンコーダの、側面図である。第一の実施例になるロータリーエンコーダの、回転主軸、固定側ベース、及びボールベアリングの関係を示す図である。第一の実施例になるロータリーエンコーダの、回転主軸の第２の端部の正面を示す図である。第一の実施例になるロータリーエンコーダの、基板の正面図である。図５の基板上に配設された、ロータリーエンコーダの磁気センサユニット及び処理回路の機能ブロックを示す図である。第一の実施例になるロータリーエンコーダの、組立ての工程を示す図である。図６に示した処理回路の動作の一例を示すフローチャートである。図６に示した処理回路における信号の処理の一例を示す図である。第一の実施例における、Ｃａｎ通信回路の構成例を示す図である。本発明の第二の実施例として、第一の実施例のロータリーエンコーダが装着されたブラシレスＤＣモータの一例を示す縦断面図である。図１１Ａに示したブラシレスＤＣモータの横断面図であり、かつ、ロータリーエンコーダとの接続状態を示す図である。第二の実施例における、処理回路の構成例を示す図である。第二の実施例における、処理回路の動作を示すフローチャートである。ロータリーエンコーダが、エスカレータの状態監視装置に組み込まれた、本発明の第三の実施例を示す概念図である。

　以下、図面を参照しながら、本発明の各実施例について説明する。

　本発明の第一の実施例になるロータリーエンコーダについて、図１～図１０を参照しながら説明する。
　まず、第一の実施例になるロータリーエンコーダの全体的な構造について、説明する。図１は、第一の実施例になるロータリーエンコーダの正面図である。図２は図１のＡ－Ａ断面図であり、図３は図１の側面図である。
　ロータリーエンコーダ１００は、回転主軸１１０と、この回転主軸１１０を支持する固定側ベース１２０と、この固定側ベースの外周にねじ１４２で固定されたカバー部材１４０と、このカバー部材の内側に、基板固定ねじ１４４で固定された基板１５０と、固定側ベース１２０を装着対象機器、例えばモータに固定する支持部材としてのばね板１８０とを備えている。
　回転主軸１１０は、その軸方向の中間部が、固定側ベース１２０の円筒部１２２に設けられた１個のボールベアリング１３０を介して、固定側ベース１２０に回転自在に支持されている。基板１５０には、磁気センサや磁気センサ出力処理回路などが設けられている。１９０はコネクタであり、基板１５０上の回路に電力を供給する電力ケーブルや、基板１５０上の回路と外部のＥＣＵ（Electronic Control Unit）３００等との通信を行う通信ケーブルの接続に使用される。なお、ケーブルは図面上省略してある。

　回転主軸１１０、固定側ベース１２０及びカバー部材１４０は、所定の機械的強度を有する磁性材料、例えばＳＵＳ４３０等のステンレス合金鋼で構成されている。基板１５０及び磁石１６０は、回転主軸１１０、固定側ベース１２０及びカバー部材１４０で囲まれた磁気シールド空間１４６内に配置され、外部から加わる磁界の影響を受けないようにシ磁気ールドされている。一方、回転主軸１１０の第１の端部１１４の側は、磁気シールド空間１４６の外に露出した露出部となっており、この露出部に、軸固定用六角ナット等でモータに連結するための、モータ連結用ねじ穴１１６が設けられている。

　また、回転主軸１１０は、その第１の端部１１４に、ロータリーエンコーダの装着対象機器の回転軸に接続するためのカップリング部、この例では、差込穴１１２を有している。このカップリング部の差込穴１１２は、その開口部がテーパ面１１３となっている。なお、カップリング部の構造として、上記の例とは逆に、第１の端部に径小の軸部を設け、この径小の軸部を装着対象機器の回転軸に設けたカップリング用の穴に差し込むように構成しても良い。
　あるいはまた、市販の円筒状のカップリング機構を使用し、回転主軸１１０の円柱状の第１の端部１１４と装着対象機器の回転軸の円柱状の端部とを、このカップリング機構の円筒部に差し込み、これらを一体に固定して接続するようにしても良い。

　一方、回転主軸１１０の第２の端部１１７には、磁石固定穴１１８が設けられ、この磁石固定穴に、一対のＮ極とＳ極を有する小型の円板状の磁石１６０が、接着材で固定されている。回転主軸１１０は、第１の端部１１４と第２の端部１１７の中間の位置において、ボールベアリング１３０を介して、固定側ベース１２０に支持されている。
　円板状の磁石としては、フェライト磁石でも良く、ネオジム磁石やサマリウムコバルト磁石等の希土類磁石を採用しても良い。
　カップリング部の差込穴１１２の軸心及び磁石１６０の中心は、回転主軸１１０と共通の軸線Ｏ－Ｏ上に位置している。この共通の軸線Ｏ－Ｏに沿って、磁石１６０と空隙（磁気ギャップ）Ｇを介して、基板１５０上に１対の磁気センサが対向して設置されている。一例として、この磁気ギャップＧは、２．５ｍｍ±０．１ｍｍとなるように管理されている。

　本発明のロータリーエンコーダにおける回転主軸１１０に必要な機能は、その第２の端部で、基板に対して軸ブレ無しに所定の磁気ギャップＧを維持しながら磁石を保持する機能と、その第１の端部をロータリーエンコーダの装着対象機器の回転軸に接続可能とする機能である。
　この実施例では、円板状の磁石１６０の直径は、第２の端部の直径よりも小さいが、用途によっては、磁石１６０の直径が第２の端部の直径よりも若干大きくても良い。この場合、磁石１６０は回転主軸１１０の平坦な端面に接着により固定すれば良い。実用上、磁気センサとして必要な磁石１６０の直径は、７ｍｍ～１１ｍｍの範囲で足りる。
　なお、第１の端部のカップリング部のサイズ、例えば、差込穴１１２の直径は、装着対象機器の回転軸の直径に応じて変えればよい。

　上記の通り、本発明のロータリーエンコーダにおける回転主軸１１０に必要な機能は、小型の円板状の磁石を軸ブレ無しに保持する機能と、ロータリーエンコーダの装着対象機器の回転軸に接続可能とする機能のみである。従って、回転主軸１１０に必要なサイズは、上記の通り、小さなもので良い。そのため、この回転主軸１１０を支える固定側ベース１２０も小さなもので良い。従って、ボールベアリング１３０も１個で足りる。

　図１に示したように、回転主軸１１０の回転主軸１１０の第１の端部１１４の外周面には、マーキングＭ１が付与されている。
　また、回転主軸１１０の第１の端部１１４の外周側に、プリロードナット１７０が設けられ、このプリロードナット１７０は、ねじ部１７４で回転主軸１１０に螺合し、ボールベアリング１３０に当接するように構成されている。１７５は、プリロードナットを工具で回転させるための切り欠き部である。
　ばね板１８０のリング部１８２に、固定側ベース１２０がねじ１８４で固定される。また、ばね板１８０には、装着対象機器に固定するための固定用穴１８６が設けられている。

　ロータリーエンコーダの精度を高めるために、回転主軸１１０の軸心と磁石１６０の中心軸は共通の軸線Ｏ－Ｏ上において、完全に一致し、かつ、基板１５０の面が軸線Ｏ－Ｏに垂直であることが理想である。しかし、通常のボールベアリングを採用した製品では、軸線Ｏ－Ｏに対して磁石１６０の中心軸の微小なずれ（軸ずれ）は避けられない。そこで、この軸ずれを最小にするために、プリロードナット１７０が使用される。この点については、後で述べる。

　次に、図４Ａは、ロータリーエンコーダ１００における、回転主軸１１０、固定側ベース１２０、及びボールベアリング１３０の関係を詳細に示す図である。１個のボールベアリング（転がり軸受）１３０は、環状に１列に配設された複数のボール１３２と、これらのボールを受けるインナーレース１３４及びアウターレース１３６で構成されている。
　このボールベアリング１３０は、プリロードナット１７０の凸部１７２で押圧されて、そのインナーレース１３４が回転主軸１１０の段部１１９に当接し、そのアウターレース１３６が固定側ベース１２０の段部１２４に当接するように構成されている。また、プリロードナット１７０は、嫌気性接着材で回転主軸１１０に固着されている。
　図４Ａの例では、プリロードナット１７０でアウターレース１３６を押圧することにより、ボール１３２がＰａ、Ｐｂの点で、各々、アウターレース１３６及びインナーレース１３４に接して回転する。
　回転主軸１１０の軸ずれを最小化するために、１個のボールベアリングのアウターレースやインナーレースを、プリロードナットで固定することで、回転主軸１１０の軸心を固定する。これにより、回転主軸の軸ずれを抑制できる。すなわち、円板状の磁石１６０と１対の磁気センサとが、回転主軸１１０と共通の軸線Ｏ－Ｏ上に配列された状態で、プリロードナット１７０が、嫌気性接着材で回転主軸１１０に固着されている。
　円板状の磁石と１対の磁気センサの組み合わせの場合、回転主軸１１０の軸心と磁石１６０の中心の、共通の軸線Ｏ－Ｏに対する軸ずれを、±０．１ｍｍ以内に管理することで、高精度の磁気式のロータリーエンコーダを得ることができる。
　ねじ１４２による、カバー部材１４０と固定側ベース１２０の固定部分にも、嫌気性接着材を使用するのが望ましい。

　次に、図４Ｂに、ロータリーエンコーダ１００の、回転主軸１１０の第２の端部１１７の正面を示す。図４Ｂに示した、磁石１６０の一対のＮ極とＳ極の境界の１つの位置をＭ２とすると、このＭ２は、図１における、回転主軸１１０の第１の端部の外周面のマーキングＭ１と、同じ回転角度の位置を示している。Ｍ２の位置は、磁気シールド空間１４６内にあるため、磁気シールド空間の外に露出した回転主軸の第１の端部１１４に、マーキングＭ１を付与し、その位置を外部から容易に確認できるようにしている。

　図５は、ロータリーエンコーダ１００の、基板１５０の正面図である。１５０１Ａは第１のＭＲセンサ、１５０１Ｂは第２のＭＲセンサであり、これらは機械角度で９０度異なる角度位置に配置されている。１４４０は、基板１５０を基板固定ねじ１４４でカバー部材１４０に固定するための、基板固定用穴である。基板１５０は、電気絶縁性かつ非磁性の材料からなる片面基板若しくは両面基板である。基板１５０は、第１のＭＲセンサが、磁石１６０の境界位置Ｍ２と対向し、第２のＭＲセンサが、これと機械角度で９０度異なるＭ３の位置になるようにして、カバー部材１４０に固定される。なお、基板１５０は、カバー部材１４０の代わりに、ピンを介して、固定側ベース１２０に固定しても良い。
　ＭＲセンサには、磁気抵抗効果素子（ＭＲ：ＡＭＲ、ＧＭＲ、ＴＭＲ等）のいずれかを用いたセンサを採用することができる。また、磁気センサとして、ホール素子から出力された電圧（ホール電圧）を増幅し、ＩＣ内部の回路で信号処理するホールＩＣを採用しても良い。
　基板１５０には、磁気センサユニット１５００とエンコーダ出力信号生成部１５１０（図６参照）も設けられている。基板１５０は、さらにコネクタ１９０にも接続されている（図示略）。

　図６に、図５の基板１５０上に配設された、ロータリーエンコーダ１００の磁気センサユニット１５００及びエンコーダ出力信号生成部１５１０の機能ブロックを示す。また、図９は、図６に示したエンコーダ出力信号生成部１５１０における信号の処理を示す図である。
　磁気センサユニット１５００は、第１のＭＲセンサ１５０１Ａ、第２のＭＲセンサ１５０１Ｂ、温度センサ１５０１Ｃ、及び、磁気センサ出力処理回路部を備えている。この磁気センサ出力処理回路部は、ＡＤ変換器１５０２、軸ずれ補正処理部１５０３、センサメモリ１５０４、逆正接演算処理部１５０５、アブソリュート信号生成部１５０６、インクリメンタルＡ相・Ｂ相信号生成部１５０７、及び、ＳＰＩ通信部１５０８を備えている。これらは、プログラムを有するマイクロコンピュータで実現することができる。第１、第２のＭＲセンサからは、モータの回転軸の回転に対応してＭＲセンサの電気抵抗値、換言するとセンサの出力信号の電圧がＳＩＮ波、ＣＯＳ波として出力される。磁気センサ出力処理回路部では、ＭＲセンサからのＳＩＮ波、ＣＯＳ波のアナログ信号を量子化し、逓倍処理により、例えば４Ｋパルス／回転に、多分割し、各々、Ａ相、Ｂ相のデジタル信号に変換する。磁気センサ出力処理回路部のアブソリュート信号生成部１５０６では、逆正接演算処理部１５０５から出力される直線状の信号（図９の（Ａ）を参照）を基に、モータの回転・角度（機械角）の絶対値を示す例えば３２Ｋパルス／回転のアブソリュート信号のデータが生成される（図９の（Ｂ）を参照）。なお、ＭＲセンサ１１２２の原点の位置（Ｚ_０）は、図４ＢのＭ２に対応する位置である。磁気センサ出力処理回路部のインクリメンタルＡ相・Ｂ相信号生成部１５０７では、４Ｋパルス／回転のＡ相、Ｂ相のデジタル信号に回転方向の情報を付加して、４Ｋパルス／回転のインクリメンタル信号（機械角）が生成される。これらの情報は、時系列データとして、センサメモリ１５０４等に記録される。

　ＳＰＩ通信部１５０８は、ロータリーエンコーダ１００の磁気センサユニット１５００と、エンコーダ出力信号生成部１５１０やモータの制御回路（ＥＣＵ）との間で、各種の情報を、パラレル信号もしくはシリアル信号に変換し、送受信する機能を有している。例えば、パラレル伝送処理により生成されたＡ相・Ｂ相信号、及び、Ｚ相信号が、シリアル伝送通信の規格に適合したシリアル伝送用の送信データ（ＢＵＳ）に変換され、このＢＵＳ信号が通信ケーブルを介してモータドライバ（ＥＣＵ）へ送信される。

　エンコーダ出力信号生成部１５１０は、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）により構成され、初期設定部１５３０、高精度インクリメンタル信号生成ユニット１５４０、高精度アブソリュート信号（Ａ，Ｂ，Ｚ，Ｕ，Ｖ，Ｗ）生成ユニット１５５０、高精度アブソリュート信号（Ａ＋，Ａ－，Ｂ＋，Ｂ－，Ｚ）生成ユニット１５６０、不揮発性メモリ（ＥＥＰＲＯＭ）１５７０、及び通信制御ユニット１５８０を備えている。通信制御ユニット１５８０は、ＳＰＩ通信部１５８２、Ｃａｎ通信部１５８４を備えている。このＦＰＧＡは、Ｉ／Ｏ部、内部配線、論理回路、クロックネットワーク、メモリ、乗算器等で構成されている。論理回路の基になるプログラム等は外部のＥＥＰＲＯＭに記録されている。

　初期設定部１５３０は、ユーザによる、ロータリーエンコーダ１００の出力条件等の初期設定値を、ユーザインタフェースを介して受け付ける機能を有する。ユーザは、予め、装着対象機器の駆動源であるモータの諸元（種類、極数、スロット数等）及び、用途に応じて、エンコーダ出力信号生成部１５１０のどの機能を採用するかを決定し、初期設定値を設定する。ユーザインタフェースには、例えば、ロータリーエンコーダ１００に接続されるＥＣＵ３００の画面等を使用する。

　高精度インクリメンタル信号生成ユニット１５４０は、磁気センサユニット１５００の１組のアブソリュート／インクリメンタル信号（機械角）と、初期設定の条件に基づき、モータの種類や極数などに応じた、３２Ｋパルス／回転の１組の高精度のインクリメンタルのモータ制御信号（電気角）を生成する機能を有する。１つの例を挙げると、スロット数が６の場合電気角１２０度毎、スロット数が８の場合電気角９０度毎に繰り返される、インクリメンタルのモータ制御信号が生成される。このモータ制御信号は、モータのＥＣＵ内で、ブラシ付きモータやブラシレスＤＣモータを制御するための、インクリメンタルモータ駆動信号を生成するのに使用される。
　また、高精度インクリメンタル信号生成ユニット１５４０は、ロータリーエンコーダ１００の用途に応じて、１組のアブソリュート／インクリメンタル信号（機械角）に基づく、機械角若しくは電気角の信号を生成して出力するように、初期設定することも可能に構成されているのが望ましい。

　高精度アブソリュート信号（Ａ，Ｂ，Ｚ，Ｕ，Ｖ，Ｗ）生成ユニット１５５０は、磁気センサユニット１５００のアブソリュート信号（機械角）と、初期設定の条件に基づき、モータ制御信号として、３２Ｋパルス／回転のＡ，Ｂ，Ｚ，Ｕ，Ｖ，Ｗ信号を含む高精度のアブソリュート信号（電気角）を生成する機能を有する。このモータ制御信号は、モータのＥＣＵ内で、ＰＷＭ等のモータ駆動信号を生成するのに使用される。

　高精度アブソリュート信号（Ａ＋，Ａ－，Ｂ＋，Ｂ－，Ｚ）生成ユニット１５６０では、初期設定の条件がステッピングモータを対象とするものである。ここでは、磁気センサユニット１５００のアブソリュート／インクリメンタル信号（機械角）と、初期設定の条件に基づき、モータの種類や極数などに応じた、３２Ｋパルス／回転の高精度のインクリメンタルのモータ制御信号（電気角）が生成される。ステッピングモータでは、このモータ駆動信号や運転指令等に基づいてモータ駆動信号が生成され、ＰＷＭ駆動回路を介して、ステッピングモータのＡ相用ステータコイル、Ｂ相用ステータコイルに電圧を印加し、これによってロータ磁石が回転する。

　前記したように、円板状の磁石１６０の直径は、回転主軸１１０の第２の端部１１７の直径よりも小さい。また基板１５０に設けられる磁気センサユニット１５００やエンコーダ出力信号生成部１５１０をＦＰＧＡとすることで、基板１５０サイズも小さくできる。
　ＦＰＧＡの内部構成は、プログラムの記述の変更等で柔軟に変更できる。そのため、モータの種類や用途等に応じた、初期設定の内容を予め幅広く想定し、エンコーダ出力信号生成部１５１０が有する機能を豊富なものとすることで、モータの種類や用途の如何に拘わらず種々のニーズに応えることができる。

　図７は、第一の実施例になるロータリーエンコーダの、組立ての工程を示す図である。
Ｓ７０２では、回転主軸１１０を、１個のボールベアリング１３０を介して、固定側ベース１２０に保持する。Ｓ７０４では、プリロードナット１７０により、ボールベアリング１３０のアウターレース１３６を固定側ベース１２０の段部１２４に押し付けることにより、アウターレース１３６の固定側ベース１２０に対する軸方向移動を拘束し、その後、アウターレース１３６と固定側ベース１２０とを嫌気性接着剤で固着する。なお、インナーレース１３４を回転主軸１１０の段部１１９に当接させて、嫌気性接着剤で固着しても良い。
　Ｓ７０６では、回転主軸１１０の第２の端部１１７の円形の穴１１８に、１対のＮ，Ｓ極を有する円板状の磁石１６０を固定する。Ｓ７０８では、磁石１６０の外周のＮ，Ｓ極の境界の１つの位置Ｍ２に対応するマーキングＭ１を、回転主軸１１０の第１の端部１１４の外周面に表示する。Ｓ７１０では、１組の磁気センサ１５０１Ａ、１５０１Ｂが配設された円板状の基板１５０を、円周方向における各磁気センサ１５０１Ａ、１５０１Ｂの位置が、固定側ベース１２０に対して所定の位置関係になるように管理して、固定側ベースに仮止めする。すなわち、図５に示した位置関係が確保されるようにして、基板１５０を、固定側ベース１２０に仮止めする。
　Ｓ７１２では、磁石１６０と１組の磁気センサ１５０１Ａ、１５０１Ｂの軸芯、及び磁石１６０と１組の磁気センサ間の磁気ギャップＧを所定の公差以内に管理して、基板１５０を固定側ベース１２０に固定する。

　次に、第一の実施例になるロータリーエンコーダ１００の動作について、説明する。
　図８は、図６に示したエンコーダ出力信号生成部１５１０の動作の一例を示すフローチャートである。
　まず、初期設定の情報を取得する（Ｓ８０２）。初期設定の条件が、例えばブラシ付きＤＣモータの制御を前提とした、「インクリメンタル信号の生成」である場合には（Ｓ８０４）、磁気センサユニット１５００から出力される、４Kパルス／回転のＡ相、Ｂ相、及びＺ相のインクリメンタル信号を取得して、メモリに記録する（Ｓ８０５）。もし、初期設定が、インクリメンタル信号で駆動されるブラシレスＤＣモータ「インクリメンタル（Ａ，Ｂ，Ｚ，（Ｕ，Ｖ，Ｗ））信号の生成」である場合には、さらに、モータの極数に応じた、U相,V相,W相の位相情報を付加した、３２Kパルス／回転のモータ制御用の情報を生成して不揮発性メモリに記録する（Ｓ８０６）。
　初期設定の条件が、例えばブラシレスＤＣモータの制御を前提とした、「アブソリュート信号の生成」である場合には（Ｓ８１０）、磁気センサユニット１５００から、３２Ｋパルス／回転のＡ相、Ｂ相、及びＺ相の、アブソリュート信号を取得して、メモリに記録する（Ｓ８１１）。さらに、Ｚ相の信号を基準として、Ａ相若しくはＢ相の出力信号の立ち上がり位相に同期する、原点位置Ｚ_０を基準とする、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の各位相情報、及び回転方向の情報を、アブソリュートの情報として生成してメモリに記録する（Ｓ８１２）。さらに、初期設定の情報から、モータの極数に応じた、アブソリュートの情報（Ａ，Ｂ，Ｚ，Ｕ，Ｖ，Ｗ）及び回転方向の情報を生成して不揮発性メモリに記録する（Ｓ８１３、図９の（Ｃ）参照）。
　もし、初期設定の条件が、「アブソリュート（Ａ，Ｂ，Ｚ，（Ｕ，Ｖ，Ｗ）Ｃａｎ信号」の生成である場合には（Ｓ８２０）、アブソリュート（Ａ，Ｂ，Ｚ，Ｕ，Ｖ，Ｗ）の情報をさらにＣａｎ信号に変換して、メモリに記録する（Ｓ８２１～Ｓ８２３）。

　なお、初期設定の条件が、例えばステッピングモータの制御を前提とした、アブソリュート信号（Ａ＋，Ａ－，Ｂ＋，Ｂ－，Ｚ）の生成である場合には、磁気センサユニットから、３２Ｋパルス／回転のＡ相、Ｂ相、及びＺ相の、アブソリュート信号を取得して、メモリに記録し（Ｓ８２１）、Ｚ相の信号を基準として、Ａ相若しくはＢ相の出力信号の立ち上がり位相に同期する、（Ａ＋，Ａ－，Ｂ＋，Ｂ－，Ｚ）の各位相の情報、及び回転方向の情報を生成して、メモリに記録する。さらに、初期設定の情報基づき、モータの極数に合わせて、３２Ｋパルス／回転のアブソリュート（Ａ＋，Ａ－，Ｂ＋，Ｂ－，Ｚ＋，Ｚ－）の情報を生成し、メモリに記録する。もし、初期設定の条件が、さらに、Ｃａｎ信号の生成も条件に含む場合には、アブソリュート（Ａ＋，Ａ－，Ｂ＋，Ｂ－，Ｚ＋，Ｚ－）の情報をＣａｎ信号に変換して、メモリに記録する。

　図１０は、第一の実施例における、基板１５０に設けられたＣａｎ通信部１５８４を含む、Ｃａｎ通信回路の構成例を示す図である。
　ＣＡＮ通信では、情報を"０"と"１"で構成されたデジタル信号に変換して送信する。その際に、"０"を「ドミナント」、"１"を「レセッシブ」と呼び、ドミナントとレセシブが同時に送信された場合はドミナントが優先される。ロータリーエンコーダの装着対象機器が、自動車に装備された電動機器である場合には、Ｃａｎ通信が採用される機会が多い。

　本発明によれば、ロータリーエンコーダの磁石と磁気センサとを回転主軸と共通の軸線上に配列すると共に、回転主軸を固定側ベースに１個のボールベアリングを介して保持し、プリロードナットでボールベアリングに与圧を与える構成としたため、磁石と磁気センサの軸芯、及び磁石と磁気センサ間の磁気ギャップＧを所定の公差以内に管理することが容易である。そのため、高精度で信頼性の高い、かつ小型で構造が簡単な磁気式のロータリーエンコーダを提供することができる。また、ロータリーエンコーダを構成する部品のサイズが小さいため、小型で安価な、ロータリーエンコーダを提供することができる。
　さらに、磁石の位置を示すマーキングが磁気シールド空間の外の軸上に表示されているため、ブラシレスＤＣモータの場合、軸の原点位置を決定する作業が不要である。

　次に、本発明の第二の実施例として、第一の実施例のロータリーエンコーダが装着されたブラシレスＤＣモータについて、説明する。
　図１１Ａは、第一の実施例のロータリーエンコーダが装着されたブラシレスＤＣモータの一例を示す縦断面図である。また、図１１Ｂは、図１１ＡのブラシレスＤＣモータの横断面図であり、かつ、ロータリーエンコーダとの接続状態を示す図である。
　ブラシレスＤＣモータ２００は、カップ状のモータハウジング２１０の内部に６個の界磁鉄心２２０を備え、これらに絶縁部材を介して３相（Ｕ，Ｖ，Ｗ）の界磁コイル２２２が巻かれている。各界磁鉄心の間には、スロット２２４がある。各界磁コイル２２２には、インバータから、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の各相の電力が印加される。
　一方、４極の永久磁石２３０を有するロータ２３２が、回転軸２１４と一体に形成され、これらが、モータハウジング２１０及びエンドカバー２１２に設けられた１対の軸受２１１，２１３により、回転自在に保持されている。回転軸２１４の左端側は、出力軸であり、例えば、減速機構を介して、被駆動部材に連結される。一方、回転軸２１４の右端には、ロータリーエンコーダ１００の回転主軸１１０が軸固定用六角ナット２４０によって固定されている。固定のために、六角ナットの代わりに他種のねじやキーを用いても良い。さらに、ロータリーエンコーダ１００の固定側ベース１２０が、ばね板１８０を介して、モータハウジング２１０に固定されている。ばね板１８０は、モータの偏荷重による回転軸２１４の微小な傾きを吸収する機能がある。
　図１１Ｂに示したように、ロータリーエンコーダ１００回転主軸１１０は、そのマーキングＭ１の位置が、ブラシレスＤＣモータのいずれか１つのスロット２２４の中央の位置に一致するようにして、回転軸２１４に連結されている。

　図１２は、第二の実施例における、エンコーダ出力信号生成部１５１０の構成例を示す図である。
　エンコーダ出力信号生成部１５１０の初期設定部１５３０は、モータの種類・スロット数等を設定する機能１５３２や、エンコーダの出力条件を設定する機能１５３４を備えている。また、参照情報１５３６として、モータの電流波形やエンコーダの出力の情報を例えばＥＣＵから取得し、これらを表示する機能も備えている。なお、アブソリュートＣａｎ信号（Ａ，Ｂ，Ｚ，Ｕ，Ｖ，Ｗ）生成ユニット１５５２は、図８のＳ８２０以下の処理を実行する機能を備えている。
　ブラシレスＤＣモータ２００は、ＥＣＵ２５０、インバータ駆動制御部２６０、インバータ回路２６２、電流検出／制御部２６４を備えている。ＥＣＵ２５０は、運転指令、ロータリーエンコーダ１００の出力、電流検出値などに基づいて、インバータを駆動するための駆動信号を生成し、モータ２００を駆動する。　ブラシレスＤＣモータのＥＣＵは、ロータリーエンコーダ１００からのモータ制御信号Ａ，Ｂ，Ｚ，Ｕ，Ｖ，Ｗと、運転指令と、モータの電流の検出値等に基づいて、３相のインクリメンタルのモータ駆動信号を生成してインバータを駆動し、ブラシレスＤＣモータ２００の運転、例えば正弦波駆動を行う。なお、ブラシレスＤＣモータ２００のＥＣＵ２５０が、参照情報１５３６を表示する機能を有するように構成されていても良い。

　図１３は、エンコーダ出力信号生成部１５１０の動作を示すフローチャートである。
　最初に、ユーザにより設定された、モータに関する、初期設定条件を取得する（Ｓ１３００）。

　次に、ロータリーエンコーダの回転主軸１１０のカップリング部の差込穴１１２に、モータの回転軸２１４の一端（出力軸側と反対の側）を差し込み、仮止めする（Ｓ１３０２）。
　ブラシレスＤＣモータ２００を駆動し、参考情報の電流測定値から、ロータのいずれか１つの、スロット２２４の位置を確認する（Ｓ１３０４）。そして、この確認した１つのスロットの位置と、ロータリーエンコーダの回転主軸１１０上のマーキングＭ１の位置とを合わせる（Ｓ１３０６）。その後、ロータリーエンコーダの回転主軸１１０のモータ連結用ねじ穴１１６に、軸固定用六角ナット２４０をねじ込み、回転主軸１１０をモータの回転軸２１４に固定する（Ｓ１３０８）。
　さらに、ロータリーエンコーダの固定側ベース１２０を、ばね板１８０を介して、モータ００のモータハウジング２１０（又はエンドカバー２１２）に固定する（Ｓ１３１０）
　そして、ブラシレスＤＣモータ２００を駆動し、初期設定部１５３０で得られる参考情報（１５３４）から、ロータリーエンコーダ１００の出力が正常か否かを、確認する（Ｓ１３１２）。異常有の場合、その原因を把握し、必要な対策を行って出力の正常化を図る（Ｓ１３１４）。

　本実施例によれば、エンドユーザが、モータの回転軸の一端とロータリーエンコーダの回転主軸とを連結することで、ロータリーエンコーダの磁石と磁気センサとが、モータの回転軸と共通の軸線上に高精度に配列される。これにより、磁石と磁気センサの軸芯、及び磁石と磁気センサ間の磁気ギャップＧが所定の公差以内に管理された、高精度で信頼性の高い、かつ小型で構造が簡単な磁気式のロータリーエンコーダを提供することができる。
　そのため、エンドユーザは、ロータリーエンコーダを種々の機器の回転軸に装着するだけで、容易に、高精度で信頼性の高い磁気式のロータリーエンコーダを使用することが可能になる。
　また、ロータリーエンコーダは、初期設定機能を有しており、種々のニーズに応えられる、高精度で信頼性の高い、かつ、小型で安価な磁気式のロータリーエンコーダを提供することができる。また、モータドライバでは、ロータリーエンコーダからのモータ制御信号を基に、モータ駆動信号を生成できるため、モータドライバの構成が簡略化される。
　本実施例のロータリーエンコーダは、自動車に装備された電動機器、例えば電動パワーステアリング装置やドア開閉装置等の駆動源であるモータに、組み込んで使用することができる。その他、各種の機器の駆動源としてのモータに組み込んで使用することができる。

　本発明のロータリーエンコーダは、装着対象機器の前記回転軸が他の部材、例えば、ベルトで駆動される従動型の回転軸に対しても、適用可能である。
　図１４は、本発明の第三の実施例として、本発明のロータリーエンコーダが、エスカレータの状態監視装置に組み込まれて使用される例を示す概念図である。
　図１４において、４０１はトラス構造、４０２は一対の欄干、４０３は複数のステップ（踏段）、４０４は無端状の移動手摺である。４１０はエスカレータ制御装置であり、駆動源としてのモータ４２０の回転を制御する。モータ４２０の駆動力は主駆動軸用チェーン４２２によって、モータから主駆動軸４０６に伝えられる。モータ４２０の回転軸には、駆動側エンコーダが装着されている（図示略）。この駆動側エンコーダは、例えば、本発明の実施例２に示したようなロータリーエンコーダでも良い。４２４は主駆動用スプロケット、４２６は主手摺駆動用スプロケットである。モータ４２０からの駆動力は、主手摺駆動用スプロケット４２６から第１手摺駆動用チェーン４３０を介して手摺駆動軸（図示略）に伝わる。第１手摺駆動機構４４２は、第１手摺駆動用スプロケット４４０、複数の第１手摺駆動ローラ４４３、第１ローラ駆動用チェーン４４４等を有している。第２手摺駆動機構４６０は、第２手摺駆動用スプロケット４５０、複数の第２手摺駆動ローラ４６２等を有している。モータ４２０で駆動される第１手摺駆動機構４４２及び第２手摺駆動機構４６０により、移動手摺４０４が走行し、モータ４２０の駆動力によって、ステップ４０３及び移動手摺４０４が互いに同期して走行する。
　第１手摺駆動用スプロケット４４０の駆動軸には、従動側のエンコーダ１００が取り付けられている。この従動側のエンコーダ１００としては、本発明の実施例１に示したようなロータリーエンコーダを使用する。すなわち、ロータリーエンコーダ１００の回転主軸１１０を、第１手摺駆動用スプロケット４４０の駆動軸に固定する。第１手摺駆動用スプロケット４４０の駆動軸の原点位置は、磁石の位置を示すマーキングＭ１の位置である。
　エンコーダが一旦エスカレータに組み込まれると、回転軸、ここでは第１手摺駆動用スプロケットのゼロ位置が定まり、ロータリーエンコーダから、常にゼロ位置を座標原点にした回転角度のデジタルデータが出力される。

　この従動側のロータリーエンコーダ１００に、初期設定機能を利用して、エスカレータ制御装置４１０へ出力すべき条件等を設定する。
　エスカレータ制御装置４１０は、モータ４２０の回転軸に連結された駆動側エンコーダの出力、すなわち駆動源の回転軸の回転数や回転方向に関する機械角のデータと、第１手摺駆動用スプロケット４４０の駆動軸に連結された従動側エンコーダの出力、すなわち従動型の駆動軸（回転軸）の回転数や回転方向に関する機械角のデータとの比較結果を利用して、主駆動軸用チェーン４２２、第１手摺駆動用チェーン４３０及び第１ローラ駆動用チェーン４４４の弛み量をそれぞれ算出し、各チェーンの弛み量が弛み許容値を超えた場合、弛み量異常を検知して、所定の制御を行う。

　本実施例によれば、エンドユーザは、エスカレータの状態監視装置における、従動型の回転軸の一端とロータリーエンコーダの回転主軸とを連結することで、容易に、高精度で信頼性の高い磁気式のロータリーエンコーダを使用することが可能になる。また、磁石の位置を示すマーキングが磁気シールド空間の外の軸上に表示されているため、エンドユーザは、従動型回転軸の原点位置を決定する作業が不要である。

　なお、本発明のロータリーエンコーダを従動型の回転軸と組み合わせる方式は、電子機器の製造ラインのベルトコンベアの状態監視等に使用することもできる。すなわち、本発明のロータリーエンコーダは、従動型の回転軸を有する各種の機器に装着して使用することも可能である。

１００　　ロータリーエンコーダ
１１０　　回転主軸
１１２　　カップリング部（差込穴）
１１４　　回転主軸の第１の端部
１１６　　モータ連結用ねじ穴
１１７　　回転主軸の第２の端部
１１８　　磁石固定穴
１２０　　固定側ベース
１２２　固定側ベースの円筒部
１３０　　ボールベアリング
１３２　　ベアリング
１３４　　インナーレース
１３６　　アウターレース
１４０　　カバー部材
１４２　　カバー部材止めねじ
１４４　　基板固定ねじ
１４６　　磁気シールド空間
１５０　　基板
１６０　　磁石
１７０　　プリロードナット
１７２　　凸部
１７４　　ねじ部
１７５　　切り欠き部
１８０　　ばね板
１８２　　ばね板本体
１８４　　ばね板固定ねじ
１８６　　固定用穴
１９０　　コネクタ（電源・信号ケーブル用）
２００　　モータ
２４０　　軸固定用六角ナット
３００　　ＥＣＵ
４１０　　エスカレータ制御装置
１５００　　磁気センサユニット
１５０１Ｂ　　第２のＭＲセンサ
１５１０　　エンコーダ出力信号生成部

Claims

　装着対象機器の回転軸の回転角度の情報を外部に出力するロータリーエンコーダであって、
　前記回転軸に接続可能に構成された回転主軸と、
　前記回転主軸を回転可能に支持する固定側ベースと、
　磁気センサと、磁気センサ出力処理回路と、エンコーダ出力信号生成部とが設けられ、前記固定側ベースに固定された基板と、
　前記固定側ベースに固定され、前記基板を外側から覆うカバー部材と、
　前記回転主軸と前記固定側ベースとの間に設けられたプリロードナットと、
　前記固定側ベースを、前記装着対象機器に固定する支持部材と、を備え、
　前記回転主軸は、第１の端部に前記回転軸に接続するためのカップリング部を有し、第２の端部に、一対のＮ極とＳ極を有する円板状の磁石が固定され、
　前記磁気センサは、前記回転主軸と共通の軸線上において所定の磁気ギャップを介して、前記磁石と対向しており、
　前記回転主軸は、１個のボールベアリングを介して、前記固定側ベースに保持され、
　前記プリロードナットは、前記回転主軸の前記第１の端部の側の外周にねじで螺合し、前記１個のボールベアリングのアウターレース又はインナーレースに与圧を与える機能を有しており、
　前記回転主軸、前記固定側ベース及び前記カバー部材は、磁性材料で構成されており、前記基板及び前記磁石は、前記回転主軸、前記固定側ベース及び前記カバー部材で囲まれた磁気シールド空間内に配置されており、
　前記回転主軸の前記第１の端部は、前記磁気シールド空間の外に露出しており、
　前記回転主軸の前記第１の端部に、前記磁石の前記一対のＮ極とＳ極の境界の１つの位置を示すマーキングが表示されており、
　前記マーキングは、前記装着対象機器の前記回転軸の原点を決定するために使用されるものであることを特徴とするロータリーエンコーダ。
　請求項１において、
　前記回転主軸は、前記第１の端部と前記第２の端部の中間において、前記１個のボールベアリングを介して、前記固定側ベース支持されており、
　前記磁石と前記磁気センサとが前記回転主軸と共通の軸線上に配列された状態で、前記プリロードナットが、嫌気性接着材で前記回転主軸に固着されていることを特徴とするロータリーエンコーダ。
　請求項１において、
　初期設定部をさらに備え、
　前記初期設定部は、前記装着対象機器の前記回転軸に関する情報や前記エンコーダ出力信号生成部の出力条件を初期設定値として設定する機能を有しており、
　前記エンコーダ出力信号生成部は、前記初期設定値に基づき、前記磁気センサ出力処理回路から出力される機械角の信号に基づき、前記回転軸の回転に関する信号を生成して出力する機能を備えていることを特徴とするロータリーエンコーダ。
　請求項３において、
　前記装着対象機器がモータであり、
　前記初期設定部は、前記モータの種類や前記モータに関する前記エンコーダ出力信号生成部の出力条件を初期設定値として設定する機能を有しており、
　前記エンコーダ出力信号生成部は、前記初期設定値に基づき、前記機械角の信号に基づき、モータ制御用の電気角の信号を生成して出力する機能を備えていることを特徴とするロータリーエンコーダ。
　請求項４において、
　前記マーキングは、前記装着対象機器の前記回転軸を駆動するモータがブラシレスＤＣモータである場合に、前記ブラシレスＤＣモータのスロットのいずれか１つの位置と一致させて前記ブラシレスＤＣモータの原点を決定するために使用されるものであることを特徴とするロータリーエンコーダ。
　請求項３において、
　前記装着対象機器の前記回転軸が他の部材で駆動される従動型の回転軸であり、
　前記初期設定部は、前記従動型の回転軸の種類や前記エンコーダ出力信号生成部の出力条件を初期設定値として設定する機能を有しており、
　前記エンコーダ出力信号生成部は、前記初期設定値に基づき、前記機械角の信号に基づき、前記従動型の回転軸の回転に関する信号を生成して出力する機能を備えていることを特徴とするロータリーエンコーダ。