WO2024252459A1 - 位置検出システムおよびアクチュエータ - Google Patents

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magnetized
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sector
rotation
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泰地 田口
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Fanuc Corp
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    • G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/12—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means
    • G01D5/244—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing characteristics of pulses or pulse trains; generating pulses or pulse trains
    • G01D5/245—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing characteristics of pulses or pulse trains; generating pulses or pulse trains using a variable number of pulses in a train
    • G01D5/2454—Encoders incorporating incremental and absolute signals
    • G—PHYSICS
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    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D2205/00—Indexing scheme relating to details of means for transferring or converting the output of a sensing member
    • G01D2205/20—Detecting rotary movement
    • G01D2205/26—Details of encoders or position sensors specially adapted to detect rotation beyond a full turn of 360°, e.g. multi-rotation

Definitions

  • This disclosure relates to position detection systems and actuators.
  • the actuator includes a servo motor and a reducer that are connected to each other.
  • a primary encoder is connected to the motor shaft of the servo motor, and detects the absolute position within one rotation of the motor shaft and the total number of rotations of the motor shaft.
  • a secondary encoder is connected to the output shaft of the reducer, and detects the absolute position within one rotation of the output shaft and the total number of rotations of the output shaft (see, for example, JP 2007-113932 A).
  • the information detected by each encoder is stored in memory.
  • each encoder can be used continuously without using an additional battery.
  • the actuator described above may be incorporated into a specific machine, such as a robot, that has a shaft that can rotate between ⁇ 360° and ⁇ 720° (1 rotation or more and 2 rotations or less). In the specific situation described above, if the shaft rotates between 1 rotation or more and 2 rotations or less, the total number of rotations of the secondary encoder cannot be calculated.
  • a position detection system includes a primary encoder that detects the absolute angle within one rotation of a motor shaft of a motor, and a secondary encoder that detects the absolute angle within one rotation of an output shaft of a reducer coupled to the motor, the secondary encoder including a total rotation determination circuit that calculates the total number of rotations of the output shaft, the total rotation determination circuit including a rotating disk that is magnetized with a specific magnetization pattern and rotates coaxially with the output shaft, and a magnetic resistance switch that is disposed facing the rotating disk, applies a magnetic flux of a predetermined value or more, and switches resistance values with hysteresis characteristics according to the direction of the magnetic flux.
  • FIG. 1 is a schematic side view of a position detection system according to a first embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 4 is a diagram showing a magnetization pattern in the first embodiment.
  • FIG. 2 is a perspective view of a TMR element.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating the relationship between magnetic field and resistance.
  • 6 is a flowchart illustrating calculation of the total rotation of the motor shaft.
  • FIG. 11 is a diagram showing a magnetization pattern in a second embodiment.
  • FIG. 13 is a schematic side view of a position detection system according to a third embodiment.
  • FIG. 2 is an end view showing the rotating disk and stator of the secondary encoder.
  • FIG. 6C is a view similar to FIG. 6B with the addition of a rotating disk for the primary encoder.
  • FIG. 11 is a schematic side view of a position detection system according to a fourth embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 1 is a schematic side view of a position detection system based on a first embodiment of the present disclosure.
  • the position detection system 5 is incorporated into a machine 3 having a shaft, such as a robot 3.
  • a case where the position detection system 5 is incorporated into a robot 3 will be described, but the same applies to a case where the position detection system 5 is incorporated into another machine 3 having a shaft, such as a machine tool.
  • the actuator 6 arranged on the link 1 includes a motor 10, for example a servo motor, which are connected to each other, and a reducer 20 coupled to the motor shaft 13 of the motor 10.
  • the motor 10 includes a rotor 12 which rotates integrally with the motor shaft 13, and a stator 11 which is arranged to surround the rotor 12.
  • the tip of the output shaft 23 of the reducer 20 is connected to the link 2. Therefore, the actuator 6 consisting of the motor 10 and the reducer 20 rotates the link 2 relatively to the link 1 within a predetermined operating range, thereby controlling the positioning.
  • the motor shaft 13 is, for example, a hollow shaft, and a primary encoder 15 is attached to its rear end.
  • the primary encoder 15 is, for example, an incremental encoder, and outputs A-phase, B-phase, and Z-phase signals.
  • the output signals are detected by a detector 16, which detects an absolute position PA1 within one rotation of the motor shaft 13 using a known method.
  • the detector 16 includes a circuit for detecting the position PA1.
  • the detector 16 may further include a memory, such as a volatile memory or a non-volatile memory, for storing the detected information.
  • the detector 16 does not need to be equipped with a circuit for detecting the total number of rotations PB1 of the motor shaft 13.
  • the total number of rotations PB1 of the motor shaft 13 can be calculated as described below.
  • the output shaft 23 extends through the hollow motor shaft 13 towards the motor 10, and a secondary encoder 25 is attached to the rear end of the output shaft 23.
  • the secondary encoder 25 is, for example, an incremental encoder, and outputs A-phase, B-phase and Z-phase signals.
  • the output signals are detected by a detector 26, which detects the absolute position PA2 within one rotation of the output shaft 23 using a known method.
  • the detector 26 includes a circuit for detecting the absolute position PA2 within one rotation of the output shaft 23.
  • the detected information can be stored in a memory within the circuit, for example a volatile memory or a non-volatile memory.
  • a total rotation determination circuit 37 connected to a non-rotatably arranged magnetic resistance switch, for example, a TMR (Tunnel Magneto Resistance) element 36A, detects the total number of rotations PB2 of the output shaft 23, particularly the total number of rotations PB2 of the output shaft 23 after being cut off from the main power supply 19. Similarly, the detected information can be stored in a memory of the total rotation determination circuit 37, for example, a volatile memory or a non-volatile memory.
  • the total rotation determination circuit 37 is connected to the controller 9 via a calculation unit 38 that calculates the total number of rotations PB1 of the motor shaft 13.
  • the primary encoder 15 and the secondary encoder 25 are equipped with rotating disks 15A and 25A, respectively.
  • the magnetic resistance switch for example, a TMR element, applies a magnetic flux of a predetermined value or more and switches the resistance value with hysteresis characteristics according to the direction of the magnetic flux.
  • the information such as the absolute position PA1, absolute position PA2, and total number of rotations PB2 described above is supplied to a controller 9 that controls the robot 3.
  • the controller 9 may be an LSI mounted on the encoders 15 and 25, and the controller 9 may include a memory, such as a volatile memory or a non-volatile memory.
  • the controller 9 equipped with a CPU synthesizes the positions using a known method based on the supplied information and drives and controls the motor 10. This performs a positioning operation to position the link 2 at a target position relative to the link 1. Furthermore, the built-in brake 50 provided on the outer surface of the motor shaft 13 is activated in response to an instruction from the controller 9 to brake the motor shaft 13. Furthermore, the controller 9 also serves to supply/cut off electricity to the primary encoder 15 and secondary encoder 25 via the external main power supply 19 when the robot 3 equipped with the links 1 and 2 is in operation.
  • a specific magnetization pattern 35B is magnetized on the rotating disk 25A of the secondary encoder 25.
  • the magnetization pattern 35B is provided so as to face the TMR element 36A.
  • the magnetization pattern 35B may be provided on a rotating disk 35A other than the rotating disk 25A of the secondary encoder 25. In the following, the explanation will be continued assuming that the magnetization pattern 35B is provided on the rotating disk 25A.
  • FIG. 2A is a diagram showing the magnetization pattern in the first embodiment.
  • the magnetization pattern 35B includes tracks 39 that extend at least partially in the circumferential direction of the rotating disk 25A.
  • the track 39 includes a first magnetized sector A that is magnetized so as to switch from one magnetic pole to the other magnetic pole from the inside to the outside in the radial direction of the rotating disk 25A, and a second magnetized sector D that is magnetized so as to switch from the other magnetic pole to one magnetic pole from the inside to the outside in the radial direction of the rotating disk 25A.
  • the first magnetized sector A and the second magnetized sector D include a radially inner portion and a radially inner portion of the rotating disk 25A.
  • the first magnetized sector A includes a radially inner portion magnetized to a north pole and a radially outer portion magnetized to a south pole.
  • the second magnetized sector D includes a radially inner portion magnetized to a south pole and a radially outer portion magnetized to a north pole.
  • the magnetic poles of the radially outer portion and the radially inner portion of the first magnetized sector A and the second magnetized sector D are reversed to each other.
  • the polarities of the radially inner portion and the radially inner portion of the first magnetized sector A and the polarities of the radially inner portion and the radially inner portion of the second magnetized sector D may be reversed from those described above.
  • the first magnetized sector A and the second magnetized sector D are adjacent to each other in the circumferential direction at the origin O of the rotating disk 25A.
  • the first magnetized sector A extends from the origin O in a clockwise direction on the rotating disk 25A
  • the second magnetized sector D extends from the origin O in a counterclockwise direction on the rotating disk 25A.
  • the clockwise direction is defined as the positive direction.
  • the first magnetized sector A and the second magnetized sector D extend in opposite directions from the origin O to a position corresponding to an angle of 150°.
  • the unmagnetized sectors B and C extend from a position corresponding to an angle of 150° to a position corresponding to an angle of 210°.
  • the first magnetized sector A and the second magnetized sector D may extend in opposite directions from the origin O to a position corresponding to an angle of 10° to 30°.
  • the non-magnetized sectors B and C may extend from a position corresponding to an angle of 10° to 30° to a position corresponding to an angle of 320° to 350°. In this case, it is possible to increase the detection range, which will be described later.
  • FIG. 2B is a perspective view of a TMR element.
  • TMR element 36A includes a reference layer 41, a recording layer 43, and an insulating layer 42 disposed between them.
  • reference layer 41 a first portion magnetized to an N pole and a second portion magnetized to a S pole are juxtaposed to each other.
  • the poles of the first and second portions of reference layer 41 are determined during manufacture, and the poles do not change thereafter. Note that the magnetic poles of the first and second portions may be reversed.
  • the TMR element 36A in the initial state, is located at the origin O and at a central position between the radially outer portion and the radially inner portion of the rotating disk 25A. Strictly speaking, in the initial state, the center of the insulating layer 42 of the TMR element 36A is located between the first magnetized sector A and the second magnetized sector D, and between the radially outer portion and the radially inner portion.
  • Figure 3 is a diagram showing the relationship between magnetic field and resistance.
  • the horizontal axis represents the external magnetic field H acting on the TMR element 36A
  • the vertical axis represents the resistance R of the TMR element 36A.
  • the TMR element 36A has hysteresis, in which the change in magnetization lags behind the change in the magnetic field.
  • the resistance R maintains its original value. In other words, when the TMR element 36A moves relatively from the first magnetized sector A toward the unmagnetized sector B, the resistance R remains low. Furthermore, when the TMR element 36A moves relatively from the second magnetized sector D toward the unmagnetized sector C, the resistance R remains high.
  • FIG. 4 is a flow chart explaining the calculation of the total rotation of the motor shaft.
  • the operation described in FIG. 4 is performed by the controller 9 when the actuator 6 is disconnected from the main power supply 19 and the motor shaft 13 of the motor 10 and the output shaft 23 of the reducer 20 rotate by inertia and stop.
  • the controller 9 operates the total rotation determination circuit 37 and the calculation unit 38 as necessary.
  • step S1 the detection unit 26 detects the angle ⁇ s (movement angle) of the output shaft 23 with respect to the origin O. Then, in step S2, the total rotation determination circuit 37 determines in which of sectors A to D on the track 39 the angle ⁇ s is located.
  • step S2 If it is determined in step S2 that the angle ⁇ s is in the first magnetized sector A, the process proceeds to step S3.
  • step S3 the angle ⁇ s is located in the positive direction, and in this case, the total rotation determination circuit 37 determines that the output shaft 23 is making its second rotation since being disconnected from the main power supply 19.
  • step S4 the calculation unit 38 calculates the integer part of "N ⁇ s/360" as the total number of rotations PB1 of the motor shaft 13 after the cutoff. Furthermore, the calculation unit 38 can also calculate the movement angle ⁇ p of the motor shaft 13 during the second rotation of the output shaft 23 as "N ⁇ s".
  • step S2 If it is determined in step S2 that the angle ⁇ s is in the second magnetized sector D, the process proceeds to step S5.
  • step S5 the angle ⁇ s is in the negative direction, and in this case, the total rotation determination circuit 37 determines that the output shaft 23 is making its first rotation since being disconnected from the main power supply 19.
  • step S6 the calculation unit 38 calculates the total number of rotations PB1 of the motor shaft 13 after the cutoff as the integer part of "N ⁇ (360- ⁇ s)/360". Furthermore, the calculation unit 38 can also calculate the movement angle ⁇ p of the motor shaft 13 during the first rotation of the output shaft 23 as "N(360- ⁇ s)".
  • step S7 the total rotation determination circuit 37 acquires the resistance R of the TMR element 36A and determines whether the resistance R is greater than a predetermined value R0.
  • the predetermined value R0 is a value between the high value (High) and the low value (Low) shown in FIG. 3.
  • the total rotation determination circuit 37 determines that the angle ⁇ s is in the non-magnetized sector B, and proceeds to steps S3 and S4. Then, in the same manner as described above, the calculation unit 38 calculates the total number of rotations PB1 of the motor shaft 13, etc.
  • the total number of rotations PB1 of the motor shaft 13 and the total number of rotations PB2 of the output shaft 23 can be accurately calculated without power even after the main power supply 19 is cut off.
  • FIG. 5 is a diagram showing the magnetization pattern in the second embodiment.
  • an additional TMR element 36B (additional magnetic resistance switch) is arranged at a position facing the TMR element 36A in the diametrical direction of the annular magnetization pattern 35B.
  • the additional TMR element 36B is arranged facing a rotating disk with the magnetization pattern 35B, for example, rotating disk 25A.
  • the track 39 of the magnetization pattern 35B on the rotating disk 25A includes additional unmagnetized sectors E and F.
  • the additional unmagnetized sectors E and F are located opposite the unmagnetized sectors B and C in the radial direction of the annular magnetization pattern 35B.
  • the additional unmagnetized sectors E and F are located near the origin O.
  • the additional unmagnetized sector E is located radially outside the magnetization pattern 35B, and the additional unmagnetized sector F is located radially inside the magnetization pattern 35B.
  • the circumferential length of the additional unmagnetized sectors E, F in the magnetization pattern 35B is preferably the same as the circumferential length of the unmagnetized sectors B, C, but may be different.
  • the circumferential length of the additional unmagnetized sectors E, F is equal to the circumferential length of the unmagnetized sectors B, C, the unmagnetized sectors B, C and the additional unmagnetized sectors E, F are arranged in positions that are point-symmetrical to each other with respect to the center of the magnetization pattern 35B.
  • the center of the insulating layer 42 of the TMR element 36A is located at the center position on the boundary line between unmagnetized sectors E and F, and the center of the insulating layer 42 of the additional TMR element 36B is located at the center position on the boundary line between unmagnetized sectors B and C.
  • resistance R and resistance R' have the same value, it is known that some kind of error has occurred.
  • Such an error may be, for example, a failure of at least one of TMR element 36A and additional TMR element 36B, and/or the generation of a strong external magnetic field affecting TMR elements 36A and 36B. Therefore, in the second embodiment, it is possible to detect, via controller 9, that TMR elements 36A and 36B have failed, that a strong external magnetic field is being generated, etc.
  • FIG. 6A is a schematic side view of a position detection system based on a third embodiment.
  • An extension 23a for example a hollow tube, is connected to the output shaft 23 of the reducer 20, and this extension 23a passes through the hollow motor shaft 13 and extends to the motor 10 side.
  • the output shaft 23 of the reducer 20 and the extension 23a may be formed integrally.
  • the extension 23a may be a part of the output shaft 23. Therefore, hereinafter, the "extension 23a" may be expressed as the "output section 23".
  • a circular first support member 18 extending in the radial direction is attached to the rear end of the motor shaft 13.
  • the first support member 18 is provided with an annular protrusion 18a, which preferably engages with the rear end of the motor shaft 13.
  • the radially outer portion of the first support member 18 extends in the axial direction of the motor shaft 13 so as to be spaced away from the motor 10.
  • a rotating disk 15A for the primary encoder 15 is provided on the rear end surface of the portion extending in the axial direction. In other words, the rotating disk 15A is supported by a portion of the first support member 18.
  • a cylindrical extension member 71 is attached to the rear end of the housing 10a of the actuator 6.
  • the rear end face of the extension member 71 extends radially inward.
  • a second support member 28 is attached via a bearing 79 to the inner circumferential surface of the portion extending radially inward.
  • the inner diameter of the second support member 28 is approximately equal to the inner diameter of the extension portion 23a.
  • the substrate 42a which includes the detection unit 16, the detection unit 26, and the TMR element 36A, is attached to the inner circumferential surface of the extension member 71.
  • the second support member 28 extends from the rear end of the actuator 6 towards the reducer 20, and the tip of the portion extending towards the reducer 20 extends radially outward.
  • a rotating disk 25A for the secondary encoder 25 is provided on the rear end surface of the portion extending radially outward. In other words, the rotating disk 25A is supported by a portion of the second support member 28.
  • FIG. 6B is an end view showing the rotating disk and stator of the secondary encoder.
  • the rotating disk 25A for the secondary encoder 25 supported by the second support member 28 is aligned to the origin position.
  • a marker provided in advance on the stator 11 is aligned with a marker provided in advance on the rotating disk 25A.
  • these markers are preferably triangular, for example.
  • the rotating disk 15A for the primary encoder 15 is attached to the rear end of the motor shaft 13 via the first support member 18.
  • the mounting position (phase) of the rotating disk 15A can be arbitrary.
  • the extension member 71 equipped with the substrate 42a is attached to the housing 10a.
  • the positions within one rotation of the rotating disks 15A and 25A are detected by the detectors 16 and 26, respectively, and the absolute positions of the rotating disks 15A and 25A are stored in the memory described above as offset amounts. In this way, after the rotating disks 15A and 25A have been installed and the phase of the motor shaft 13 is stopped at its origin position, the absolute positions within one rotation of the rotating disks 15A and 25A are recorded in the memory as error amounts. This allows the position detection system 5a to be made available for use sooner.
  • FIG. 7 is a schematic side view of a position detection system based on a fourth embodiment of the present disclosure.
  • a new rotating disk 35A is provided coaxially with the rotating disk 25A. It is preferable that the rotating disk 35A is provided so that the rotating disk 25A is disposed between the rotating disk 35A and the rotating disk 15A.
  • the rotating disk 35A is provided at the tip of the output shaft 23 that passes through the rotating disk 25A. Therefore, the rotating disk 35A rotates together with the rotating disk 25A.
  • a magnetization pattern 35B similar to that described above is provided on the rotating disk 35A, and no magnetization pattern 35B is provided on the rotating disk 25A. Therefore, the TMR element 36A is positioned so that it faces the magnetization pattern 35B of the rotating disk 35A.
  • the fourth embodiment has the additional effect of allowing the rotating disk 35A and TMR element 36A to be retrofitted to an existing position detection system.
  • the position detection system 5 in the first embodiment has the advantage of being smaller and lighter than the position detection system 5' that requires a rotating disk 35A, etc.
  • the total number of rotations PB1 of the motor shaft 13 can be accurately calculated without power even after the main power supply 19 is cut off.
  • a primary encoder for detecting an absolute angle within one rotation of a motor shaft of a motor for detecting an absolute angle within one rotation of an output shaft of a reducer coupled to the motor;
  • the secondary encoder includes: A total rotation determination circuit is included which calculates the total number of rotations of the output shaft, The total rotation determination circuit includes: a rotating disk magnetized with a specific magnetization pattern and rotating coaxially with the output shaft; a magnetic resistance switch disposed opposite the rotating disk, for applying a magnetic flux of a predetermined value or more to the magnetic resistance switch and for switching a resistance value with a hysteresis characteristic according to the direction of the magnetic flux; 1.
  • the first magnetization sector is provided in an area of the track at an angle of (360- ⁇ s) degrees or less around the output axis
  • the second magnetization sector is provided in an area having an angle of ⁇ (360 ⁇ s) degrees or less around the output axis, 5.
  • the position detection system of claim 4, wherein the unmagnetized sector is provided in an area of the track at an angle of ⁇ ( ⁇ s-180) degrees or more around the output axis.
  • a calculation unit is provided, When the position of the output shaft is ⁇ s and the reduction ratio of the reducer is 1/N, the calculation unit calculates the movement angle ⁇ p of the motor shaft when the output shaft makes a first rotation as “N(360 ⁇ s)” and calculates the movement angle ⁇ p of the motor shaft when the output shaft makes a second rotation as “N ⁇ s”,
  • the position detection system according to any one of appendixes 1 to 5, wherein the calculation unit calculates the integer part of "N(360- ⁇ s)/360" during the first rotation of the output shaft as the total number of rotations of the motor shaft, and calculates the integer part of "N ⁇ s/360” during the second rotation of the output shaft as the total number of rotations of the motor shaft.
  • the track includes a first magnetized sector that is magnetized to switch from one magnetic pole to the other magnetic pole from the inside to the outside in the radial direction of the rotating disk, a second magnetized sector that is magnetized to switch from the other magnetic pole to the one magnetic pole from the inside to the outside in the radial direction of the rotating disk, and a non-magnetized sector that is not magnetized.
  • the first magnetization sector is provided in an area of the track at an angle of (360- ⁇ s) degrees or less around the output axis
  • the second magnetization sector is provided in an area having an angle of ⁇ (360 ⁇ s) degrees or less around the output axis, 12.
  • the actuator of claim 11, wherein the unmagnetized sector is provided in an area of the track at an angle of ⁇ ( ⁇ s-180) degrees or more around the output axis.
  • a calculation unit is provided, When the position of the output shaft is ⁇ s and the reduction ratio of the reducer is 1/N, the calculation unit calculates the movement angle ⁇ p of the motor shaft when the output shaft makes a first rotation as “N(360 ⁇ s)” and calculates the movement angle ⁇ p of the motor shaft when the output shaft makes a second rotation as “N ⁇ s”, 12.
  • the actuator according to any one of Appendices 8 to 11, wherein the calculation unit calculates the integer part of "N(360- ⁇ s)/360" during a first rotation of the output shaft as a total rotation number of the motor shaft, and calculates the integer part of "N ⁇ s/360" during a second rotation of the output shaft as a total rotation number of the motor shaft.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Transmission And Conversion Of Sensor Element Output (AREA)

Abstract

位置検出システムは、モータのモータ軸の位置を検出するプライマリエンコーダと、減速機の出力軸の位置を検出するセカンダリエンコーダとを含む。前記出力軸の総回転回数を計算する総回転判定回路は、特定の磁化パターンに着磁されていて前記出力軸と同軸で回転する回転ディスクと、前記回転ディスクに対面して配置された磁気抵抗スイッチと、を含む。

Description

位置検出システムおよびアクチュエータ
　本開示は、位置検出システムおよびアクチュエータに関する。
　アクチュエータは、互いに連結されたサーボモータおよび減速機を含んでいる。サーボモータのモータ軸には、プライマリエンコーダが連結されていて、モータ軸の一回転内のアブソリュート位置と、モータ軸の総回転回数とを検出している。同様に、減速機の出力軸には、セカンダリエンコーダが連結されていて、出力軸の一回転内のアブソリュート位置と、出力軸の総回転回数とを検出している（例えば特開2007-113932号公報参照）。各エンコーダにより検出された情報はメモリに保存される。
　特定の事態、例えば主電源が遮断されることによりサーボモータが停止して、減速機の出力軸が惰性で回転する事態において、減速機の出力軸が一回転以内で回転する限りにおいては、セカンダリエンコーダのアブソリュート位置の情報に基づいて、プライマリエンコーダの総回転回数の情報を得ることができる。この場合には、追加のバッテリを使用することなしに、各エンコーダを継続して使用できる。
特開2007-113932号公報
　前述したアクチュエータは、±３６０°以上±７２０°以下（１回転以上２回転以下）の回転動作をしうる軸部を備えた特定の機械、例えばロボットに組み込まれる場合がある。前述した特定の事態において軸部が１回転以上２回転以下で回転する場合には、セカンダリエンコーダの総回転回数を求めることができない。
　主電源からの遮断時においてもバッテリレスでセカンダリエンコーダの総回転回数を検出できる位置検出システムが望まれている。
　本開示の１番目の態様によれば、モータのモータ軸の一回転内の絶対角度を検出するプライマリエンコーダと、前記モータに結合された減速機の出力軸の一回転内の絶対角度を検出するセカンダリエンコーダと、を具備し、前記セカンダリエンコーダは前記出力軸の総回転回数を計算する総回転判定回路を含んでおり、該総回転判定回路は、特定の磁化パターンに着磁されていて前記出力軸と同軸で回転する回転ディスクと、前記回転ディスクに対面して配置されていて所定値以上の磁束を印加し、その磁束の向きに応じて抵抗値をヒステリシス特性を持って切り替える磁気抵抗スイッチと、を含む、位置検出システムが提供される。
　本開示の目的、特徴及び利点は、添付図面に関連した以下の実施形態の説明により一層明らかになろう。
本開示の第一の実施形態に基づく位置検出システムの略側面図である。 第一の実施形態における着磁パターンを示す図である。 ＴＭＲ素子の斜視図である。 磁界と抵抗との間の関係を示す図である。 モータ軸の総回転の算出を説明するフローチャートである。 第二の実施形態における着磁パターンを示す図である。 第三の実施形態に基づく位置検出システムの略側面図である。 セカンダリエンコーダの回転ディスクとステータとを示す端面図である。 プライマリエンコーダの回転ディスクを追加した図６Ｂと同様の図である。 本開示の第四の実施形態に基づく位置検出システムの略側面図である。
　以下、添付図面を参照して本開示の実施の形態を説明する。全図面に渡り、対応する構成要素には共通の参照符号を付す。
　図１は本開示の第一の実施形態に基づく位置検出システムの略側面図である。位置検出システム５は、軸部を有する機械３、例えばロボット３に組み込まれている。以下、位置検出システム５がロボット３に組み込まれている場合について説明するが、位置検出システム５が軸部を有する他の機械３、例えば工作機械に組み込まれている場合についても同様である。
　図１においては、リンク１に配置されたアクチュエータ６は、互いに連結されたモータ１０、例えばサーボモータおよび、モータ１０のモータ軸１３に結合された減速機２０を含んでいる。モータ１０は、モータ軸１３と一体的に回転するロータ１２と、ロータ１２を取り囲むように配置されるステータ１１とを含む。減速機２０の出力軸２３の先端は、リンク２に連結されている。従って、モータ１０および減速機２０からなるアクチュエータ６は、リンク２をリンク１に対して所定の動作範囲内で相対的に回転させて位置決め制御する。
　モータ軸１３は例えば中空軸であり、その後端部には、プライマリエンコーダ１５が取付けられている。プライマリエンコーダ１５は、例えばインクリメンタルエンコーダであり、Ａ相、Ｂ相およびＺ相信号を出力する。出力された信号は検出部１６により検出され、公知の手法で、モータ軸１３の一回転内のアブソリュート位置ＰＡ１を検出する。検出部１６は、位置ＰＡ１を検出するための回路を含む。さらに、検出部１６は、検出した情報を保存するメモリ、例えば揮発性メモリまたは不揮発性メモリを含んでもよい。なお、検出部１６は、モータ軸１３の総回転回数ＰＢ１を検出する回路を搭載しなくてもよい。モータ軸１３の総回転回数ＰＢ１については後述するように算出されうる。
　出力軸２３は中空のモータ軸１３を通ってモータ１０側に延びており、出力軸２３の後端部には、セカンダリエンコーダ２５が取付けられている。セカンダリエンコーダ２５は、例えばインクリメンタルエンコーダであり、Ａ相、Ｂ相およびＺ相信号を出力する。出力された信号は検出部２６により検出され、公知の手法で、出力軸２３の一回転内のアブソリュート位置ＰＡ２を検出する。この目的のために、検出部２６は、出力軸２３の一回転内のアブソリュート位置ＰＡ２を検出するための回路を含んでいる。検出された情報は、回路内のメモリ、例えば揮発性メモリまたは不揮発性メモリに保存されうる。
　さらに、回転不能に配置された磁気抵抗スイッチ、例えばＴＭＲ（Tunnel Magneto Resistance）素子３６Ａに接続された総回転判定回路３７は、出力軸２３の総回転回数ＰＢ２、特に主電源１９から遮断された後の出力軸２３の総回転回数ＰＢ２を検出する。同様に、検出された情報は、総回転判定回路３７のメモリ、例えば揮発性メモリまたは不揮発性メモリに保存されうる。総回転判定回路３７は、モータ軸１３の総回転回数ＰＢ１を計算する計算部３８を介してコントローラ９に接続されている。なお、公知であるように、プライマリエンコーダ１５およびセカンダリエンコーダ２５はそれぞれ回転ディスク１５Ａ、２５Ａを備えている。また、磁気抵抗スイッチ、例えばＴＭＲ素子は、所定値以上の磁束を印加し、その磁束の向きに応じて抵抗値をヒステリシス特性を持って切り替える。
　前述したアブソリュート位置ＰＡ１、アブソリュート位置ＰＡ２および総回転回数ＰＢ２等の情報は、ロボット３を制御するコントローラ９に供給される。コントローラ９はエンコーダ１５、２５に搭載されたＬＳＩであってもよく、コントローラ９がメモリ、例えば揮発性メモリ、不揮発性メモリを含んでいてもよい。
　ＣＰＵを備えたコントローラ９は、供給された情報に基づいて公知の手法で位置合成してモータ１０を駆動制御する。これにより、リンク２をリンク１に対して目標位置に位置決めする位置決め動作が行われる。さらに、モータ軸１３の外面側に備えられた内蔵ブレーキ５０は、コントローラ９の指示に応じて起動し、モータ軸１３を制動する。さらに、コントローラ９は、リンク１、２を備えたロボット３の動作時には、プライマリエンコーダ１５およびセカンダリエンコーダ２５に外部の主電源１９を通じて通電／遮断する役目も果たしている。
　図１に示されるように、セカンダリエンコーダ２５の回転ディスク２５Ａには、特定の磁化パターン３５Ｂが磁化されている。磁化パターン３５Ｂは、ＴＭＲ素子３６Ａに対面するように設けられている。後述するように、磁化パターン３５Ｂは、セカンダリエンコーダ２５の回転ディスク２５Ａ以外の他の回転ディスク３５Ａに設けられていても良い。以下においては、磁化パターン３５Ｂは回転ディスク２５Ａに設けられているものとして、説明を続ける。
　図２Ａは第一の実施形態における着磁パターンを示す図である。図２Ａに示されるように、磁化パターン３５Ｂは、回転ディスク２５Ａの周方向に少なくとも部分的に延びるトラック３９を含んでいる。
　図２Ａにおいては、トラック３９は、回転ディスク２５Ａの半径方向内側から外側に向かって一方の磁極から他方の磁極に切替わるよう磁化された第一磁化セクタＡと、回転ディスク２５Ａの半径方向内側から外側に向かって他方の磁極から一方の磁極に切替わるよう磁化された第二磁化セクタＤと、を含んでいる。
　具体的には、第一磁化セクタＡおよび第二磁化セクタＤは回転ディスク２５Ａの半径方向内側部分と半径方向内側部分とを含んでいる。一つの実施例においては、第一磁化セクタＡは、Ｎ極に磁化された半径方向内側部分とＳ極に磁化された半径方向外側部分とを含んでいる。同様に、第二磁化セクタＤは、Ｓ極に磁化された半径方向内側部分とＮ極に磁化された半径方向外側部分とを含んでいる。つまり、第一磁化セクタＡと第二磁化セクタＤとにおいては、それらの半径方向外側部分の磁極と半径方向内側部分の磁極とが互いに反転している。当然のことながら、第一磁化セクタＡの半径方向内側部分と半径方向内側部分との極、ならびに第二磁化セクタＤの半径方向内側部分と半径方向内側部分との極が前述したのと逆であってもよい。
　第一磁化セクタＡと第二磁化セクタＤとは、回転ディスク２５Ａの原点Ｏにおいて周方向に互いに隣接している。言い換えれば、第一磁化セクタＡは原点Ｏから回転ディスク２５Ａの時計回りに延びており、第二磁化セクタＤは原点Ｏから回転ディスク２５Ａの反時計回りに延びている。なお、本開示においては時計回りを正方向としている。
　第一磁化セクタＡは、出力軸２３周りにおける「(360－θ)」度以下の角度のトラック３９の領域に設けられており、第二磁化セクタＤは、出力軸２３周りにおける「－(360－θ)」度以下の角度の領域に設けられている。
　第一磁化セクタＡおよび第二磁化セクタＤを除いた、トラック３９の残りの部分は、磁化されていない無磁化セクタＢ、Ｃである。図２Ａから分かるように、無磁化セクタＢはトラック３９の前述した半径方向外側部分の一部に対応し、無磁化セクタＣはトラック３９の前述した半径方向内側部分の一部に対応する。これら無磁化セクタＢ、Ｃは、出力軸２３周りにおける±(θ－180)度以上の角度のトラック３９の領域に設けられている。
　図２Ａに示される例においては、第一磁化セクタＡおよび第二磁化セクタＤは原点Ｏから１５０°の角度に対応する位置まで互いに反対方向に延びている。そして、無磁化セクタＢ、Ｃは、１５０°の角度に対応する位置から２１０°の角度に対応する位置まで延びている。
　あるいは、図示しない実施例においては、第一磁化セクタＡおよび第二磁化セクタＤは原点Ｏから１０°～３０°の角度に対応する位置まで互いに反対方向に延びてもよい。そして、無磁化セクタＢ、Ｃは、１０°～３０°の角度に対応する位置から３２０°～３５０°の角度に対応する位置まで延びていてもよい。この場合には、後述する検出範囲を増やすことが可能となる。
　図２ＢはＴＭＲ素子の斜視図である。ＴＭＲ素子３６Ａは、参照層４１と記録層４３と、これらの間に配置された絶縁層４２とを含んでいる。参照層４１においては、Ｎ極に磁化された第一部分とＳ極に磁化された第二部分とが互いに並置されている。参照層４１の第一部分および第二部分はその製造時に極が決定され、その後、極が変化することはない。なお、第一部分の磁極と第二部分の磁極とが互いに反転していてもよい。
　記録層４３においては、一方の極、例えばＮ極に磁化された第一部分と他方の極、例えばＳ極に磁化された第二部分とが互いに並置されている。記録層４３の第一部分および第二部分は、ＴＭＲ素子３６Ａに作用する外部磁界Ｈの方向に応じて、それらの極が反転しうる。記録層４３における極の反転作用は、外部磁界Ｈの方向のみに基づく。従って、記録層４３の極が反転するのに外部電力は不要であり、その結果、ＴＭＲ素子３６Ａの動作に電力は必要とされない。それゆえ、ＴＭＲ素子３６Ａを磁気抵抗スイッチとして使用できる。
　再び図２Ａを参照すると、初期状態においては、ＴＭＲ素子３６Ａが原点Ｏで且つ回転ディスク２５Ａの半径方向外側部分と半径方向内側部分との間の中心位置に配置されている。厳密にいえば、初期状態においては、ＴＭＲ素子３６Ａの絶縁層４２の中心が、第一磁化セクタＡと第二磁化セクタＤとの間で且つ半径方向外側部分と半径方向内側部分との間に配置されている。
　図３は磁界と抵抗との間の関係を示す図である。図３においては、横軸はＴＭＲ素子３６Ａに作用する外部磁界Ｈを示しており、縦軸はＴＭＲ素子３６Ａの抵抗Ｒを示している。
　図３の左方に示されるように、参照層４１の第一部分および第二部分の極と記録層４３の第一部分および第二部分の極とが同じである場合には、磁化の向きが互いに平行である。この場合には、ＴＭＲ素子３６Ａに電気が流れやすく、従って、ＴＭＲ素子３６Ａの抵抗Ｒは小さい。
　これに対し、図３の右方に示されるように、参照層４１の第一部分および第二部分の極と記録層４３の第一部分および第二部分の極とが互いに異なる場合には、磁化の向きが反平行となる。この場合には、ＴＭＲ素子３６Ａに電気が流れ難く、従って、ＴＭＲ素子３６Ａの抵抗Ｒは大きい。このように、ＴＭＲ素子３６Ａの抵抗Ｒは、高い値（Ｈｉｇｈ）または低い値（Ｌａｗ）に概ね二極化する。
　さらに、図３から分かるように、外部磁界Ｈをマイナス側から大きくしていくと、外部磁界Ｈがプラスになった後で抵抗Ｒが急激に上昇する。同様に、外部磁界Ｈをプラス側から小さくしていくと、外部磁界Ｈがマイナスになった後で抵抗Ｒが急激に低下する。このようにＴＭＲ素子３６Ａは、磁化の変化が磁界の変化よりも遅れるヒステリシスを有する。
　図２Ａと図３とを比較して分かるように、ＴＭＲ素子３６Ａとトラック３９の第一磁化セクタＡとが対面する場合には、ＴＭＲ素子３６Ａの抵抗Ｒは小さい。これに対し、ＴＭＲ素子３６Ａとトラック３９の第二磁化セクタＤとが対面する場合には、ＴＭＲ素子３６Ａの抵抗Ｒは大きい。
　さらに、ＴＭＲ素子３６Ａとトラック３９の無磁化セクタＢ、Ｃとが対面する場合には、抵抗Ｒは元の値を維持する。言い換えれば、ＴＭＲ素子３６Ａが第一磁化セクタＡから無磁化セクタＢに向かって相対的に移動する場合には、抵抗Ｒは低いままである。さらに、ＴＭＲ素子３６Ａが第二磁化セクタＤから無磁化セクタＣに向かって相対的に移動する場合には、抵抗Ｒは高いままである。
　図４はモータ軸の総回転の算出を説明するフローチャートである。図４に記載される動作は、アクチュエータ６が主電源１９から遮断されてモータ１０のモータ軸１３および減速機２０の出力軸２３が惰性で回転して停止したときに、コントローラ９によって実施される。コントローラ９は総回転判定回路３７および計算部３８を必要に応じて動作させるものとする。
　はじめに、ステップＳ１において、検出部２６は、原点Ｏに対する出力軸２３の角度θｓ（移動角）を検出する。そして、ステップＳ２においては、総回転判定回路３７は、角度θｓがトラック３９における、いずれのセクタＡ～Ｄに在るかを判定する。
　ステップＳ２において角度θｓが第一磁化セクタＡに在ると判定された場合には、ステップＳ３に進む。ステップＳ３においては、角度θｓが正方向の領域に位置しており、この場合には、総回転判定回路３７は、出力軸２３が、主電源１９からの遮断後における２回転目であると判断する。
　次いで、ステップＳ４において、計算部３８が、遮断後におけるモータ軸１３の総回転回数ＰＢ１として、「Ｎ・θｓ／３６０」の整数部分を算出する。さらに、計算部３８は、出力軸２３が２回転目におけるモータ軸１３の移動角θｐを「Ｎθｓ」として算出することもできる。
　また、ステップＳ２において角度θｓが第二磁化セクタＤに在ると判定された場合には、ステップＳ５に進む。ステップＳ５においては、角度θｓが負方向の領域に位置しており、この場合には、総回転判定回路３７は、出力軸２３が、主電源１９からの遮断後における１回転目であると判断する。
　次いで、ステップＳ６において、計算部３８が、遮断後におけるモータ軸１３の総回転回数ＰＢ１を「Ｎ・（３６０－θｓ)／３６０」の整数部分として算出する。さらに、計算部３８は、出力軸２３が１回転目におけるモータ軸１３の移動角θｐを「Ｎ（３６０－θｓ）」として算出することもできる。
　さらに、ステップＳ２において角度θｓが無磁化セクタＢ、Ｃに在ると判定された場合には、ステップＳ７に進む。ステップＳ７においては、総回転判定回路３７は、ＴＭＲ素子３６Ａの抵抗Ｒを取得して、抵抗Ｒが所定値Ｒ０よりも大きいか否かを判定する。所定値Ｒ０は、図３に示される高い値（Ｈｉｇｈ）と低い値（Ｌａｗ）との間の値である。
　図３から分かるように、抵抗Ｒが所定値Ｒ０よりも大きい場合、つまり抵抗ＲがＨｉｇｈである場合には、角度θｓが第二磁化セクタＤから無磁化セクタＣに移動したものと考えられる。この場合には、総回転判定回路３７は、角度θｓが無磁化セクタＣに在るものと判定して、ステップＳ５、Ｓ６に進む。そして、前述したのと同様に、計算部３８はモータ軸１３の総回転回数ＰＢ１等を算出する。
　これに対し、抵抗Ｒが所定値Ｒ０以下である場合、つまり抵抗ＲがＬｏｗである場合には、角度θｓが第一磁化セクタＡから無磁化セクタＢに移動したものと考えられる。この場合は、総回転判定回路３７は、角度θｓが無磁化セクタＢに在るものと判定して、ステップＳ３、Ｓ４に進む。そして、前述したのと同様に、計算部３８はモータ軸１３の総回転回数ＰＢ１等を算出する。
　このように、本開示においては、原点Ｏに対する出力軸２３の角度θが無磁化セクタＢに対応する位置に在ると共に抵抗Ｒが低い場合には、出力軸２３は遮断後の二回転目であると判断している。同様に、原点Ｏに対する出力軸２３の角度θｓが無磁化セクタＣに対応する位置に在ると共に抵抗Ｒが高い場合には、出力軸２３は遮断後の一回転目であると判断している。
　それゆえ、本開示においては、主電源１９からの遮断後においてもモータ軸１３の総回転回数ＰＢ１および出力軸２３の総回転回数ＰＢ２を無電力で正確に算出することができる。
　図５は第二の実施形態における着磁パターンを示す図である。図５においては、環状の磁化パターン３５Ｂの直径方向においてＴＭＲ素子３６Ａに対向した位置に追加のＴＭＲ素子３６Ｂ（追加の磁気抵抗スイッチ）が配置されている。追加のＴＭＲ素子３６Ｂは、磁化パターン３５Ｂを備えた回転ディスク、例えば回転ディスク２５Ａに対面して配置されるものとする。
　そして、回転ディスク２５Ａに設けられた磁化パターン３５Ｂのトラック３９は追加の無磁化セクタＥ、Ｆを含んでいる。図５に示されるように、追加の無磁化セクタＥ、Ｆは、環状の磁化パターン３５Ｂの直径方向において無磁化セクタＢ、Ｃに対向した位置に設けられている。つまり、追加の無磁化セクタＥ、Ｆは原点Ｏの近傍に在る。追加の無磁化セクタＥは磁化パターン３５Ｂの半径方向外側に位置しており、追加の無磁化セクタＦは磁化パターン３５Ｂの半径方向内側に位置している。
　磁化パターン３５Ｂにおける追加の無磁化セクタＥ、Ｆの周方向長さは、無磁化セクタＢ、Ｃの周方向長さと同じであるのが好ましいが、異なっていても良い。追加の無磁化セクタＥ、Ｆの周方向長さと無磁化セクタＢ、Ｃの周方向長さとが等しい場合には、無磁化セクタＢ、Ｃおよび追加の無磁化セクタＥ、Ｆは磁化パターン３５Ｂの中心に対して互いに点対称の位置に配置されている。
　図５に示されるように、初期状態においては、ＴＭＲ素子３６Ａの絶縁層４２の中心が、無磁化セクタＥ、Ｆの境界線上における中心位置にあり、追加のＴＭＲ素子３６Ｂの絶縁層４２の中心が、無磁化セクタＢ、Ｃの境界線上における中心位置にある。
　このような構成において、前述したようにアクチュエータ６が主電源１９から遮断されてモータ１０のモータ軸１３および減速機２０の出力軸２３が惰性で回転して停止するときには、ＴＭＲ素子３６Ａの抵抗Ｒと追加のＴＭＲ素子３６Ｂの抵抗Ｒ’とは常に互いに異なることとなる。
　言い換えれば、抵抗Ｒおよび抵抗Ｒ’が同じ値であれば、何らかのエラーが生じていることが分かる。そのようなエラーは、例えばＴＭＲ素子３６Ａおよび追加のＴＭＲ素子３６Ｂのうちの少なくとも一方が故障していること、および／または、ＴＭＲ素子３６Ａ、３６Ｂに影響を与える強力な外部からの磁場が発生していること、等である。従って、第二の実施形態においては、コントローラ９を通じて、ＴＭＲ素子３６Ａ、３６Ｂが故障していること、強力な外部磁場が発生していること等を検知することができる。
　図６Ａは、第三の実施形態に基づく位置検出システムの略側面図である。図６Ａに示される位置検出システム５ａに関し、前述した実施形態とは異なる点について主に説明する。減速機２０の出力軸２３には、延長部２３ａ、例えば中空管が結合されており、この延長部２３ａは中空のモータ軸１３を通ってモータ１０側に延びている。減速機２０の出力軸２３と延長部２３ａとが一体的に形成されていてもよい。言い換えれば、延長部２３ａは出力軸２３の一部分でありうる。従って、以下においては、「延長部２３ａ」を「出力部２３」と表現する場合がある。
　そして、半径方向に延びる円形の第一支持部材１８がモータ軸１３の後端に取付けられている。第一支持部材１８には環状の突起部１８ａが設けられており、突起部１８ａとモータ軸１３の後端とが係合するのが好ましい。第一支持部材１８の半径方向外側部分は、モータ１０から離間するようにモータ軸１３の軸線方向に延びている。そして、軸線方向に延びる部分の後端面に、プライマリエンコーダ１５用の回転ディスク１５Ａが設けられている。言い換えれば、回転ディスク１５Ａは第一支持部材１８の一部分に支持されている。
　さらに、アクチュエータ６のハウジング１０ａの後端に筒状の延長部材７１が取付けられている。延長部材７１の後端面は半径方向内側に向かって延びている。さらに、半径方向内側に延びる部分の内周面には第二支持部材２８が軸受７９を介して取付けられている。第二支持部材２８の内径は、延長部２３ａの内径に概ね等しい。なお、検出部１６、検出部２６、ＴＭＲ素子３６Ａを備えた基板４２ａは、延長部材７１の内周面に取付けられている。
　第二支持部材２８は、アクチュエータ６の後端から減速機２０側に向かって延び、減速機２０に向かって延びる部分の先端は半径方向外側に延びている。そして、半径方向外側に延びる部分の後端面に、セカンダリエンコーダ２５用の回転ディスク２５Ａが設けられている。言い換えれば、回転ディスク２５Ａは第二支持部材２８の一部分に支持されている。
　以下、位置検出システム５ａの組付方法について述べる。はじめに、プライマリエンコーダ１５用回転ディスク１５Ａが取付けられていない状態でモータ１０をＤＣ励起してロータ１２およびモータ軸１３をその原点位置に停止させる。そして、モータ軸１３を停止させたままとする。
　図６Ｂはセカンダリエンコーダの回転ディスクとステータとを示す端面図である。次いで、図６Ｂに示されるように、第二支持部材２８に支持されたセカンダリエンコーダ２５用回転ディスク２５Ａを原点位置に合わせる。具体的には、ステータ１１に予め設けられたマーカと、回転ディスク２５Ａに予め設けられたマーカとを合わせる。図示されるように、これらマーカは、例えば三角形であるのが好ましい。
　その後、第一支持部材１８を介して、プライマリエンコーダ１５用回転ディスク１５Ａをモータ軸１３の後端に取付ける。回転ディスク１５Ａの取付位置（位相）は任意でよい。そして、図６Ａに示されるように、基板４２ａを備えた延長部材７１をハウジング１０ａに取付ける。
　次いで、回転ディスク１５Ａ、２５Ａの一回転内位置を検出部１６、２６によりそれぞれ検出し、回転ディスク１５Ａ、２５Ａのそれぞれの絶対位置をオフセット量として、前述したメモリに記憶しておく。このように、回転ディスク１５Ａおよび回転ディスク２５Ａの取付後で且つモータ軸１３の位相がその原点位置で停止しているときに、回転ディスク１５Ａ一回転内の絶対位置および回転ディスク２５Ａの一回転内の絶対位置を誤差量としてメモリに記録する。これにより、位置検出システム５ａを早期に利用可能な状況にできる。
　ところで、図７は本開示の第四の実施形態に基づく位置検出システムの略側面図である。図７に示される位置検出システム５’においては、新たな回転ディスク３５Ａが回転ディスク２５Ａと同軸に設けられている。回転ディスク２５Ａが回転ディスク３５Ａと回転ディスク１５Ａとの間に配置されるように、回転ディスク３５Ａが設けられるのが好ましい。図７においては、回転ディスク２５Ａを貫通する出力軸２３の先端に回転ディスク３５Ａが設けられている。従って、回転ディスク３５Ａは回転ディスク２５Ａと一緒に回転する。
　図７においては、前述したのと同様な磁化パターン３５Ｂが回転ディスク３５Ａに設けられており、回転ディスク２５Ａには磁化パターン３５Ｂは設けられていない。このため、ＴＭＲ素子３６Ａは回転ディスク３５Ａの磁化パターン３５Ｂに対面するよう位置決めされている。
　このような構成においても、前述したのと同様な効果を奏することが可能となる。さらに、第四の実施形態は、既存の位置検出システムに回転ディスク３５ＡとＴＭＲ素子３６Ａとを後付けできるという追加の効果を有する。なお、第一の実施形態における位置検出システム５は、回転ディスク３５Ａ等を必要とする位置検出システム５’よりも小型でかつ軽量になるという利点がある。
　以上説明した少なくとも一つの実施形態の効果としては、主電源１９からの遮断後においてもモータ軸１３の総回転回数ＰＢ１を無電力で正確に算出することができる。
　本開示の実施形態について詳述したが、本開示は上述した個々の実施形態に限定されるものではない。これらの実施形態は、発明の要旨を逸脱しない範囲で、または請求の範囲に記載された内容とその均等物から導き出される本発明の思想および趣旨を逸脱しない範囲で、種々の追加、置き換え、変更、部分的削除などが可能である。例えば、上述した実施形態において、各動作の順序や各処理の順序は、一例として示したものであり、これらに限定されるものではない。また、上述した実施形態の説明に数値又は数式が用いられている場合も同様である。さらに、前述した実施形態の幾つかを適宜組み合わせることは本開示の範囲に含まれる。
　上記実施形態および変型例に関し、更に以下の付記を開示する。
（付記１）
　モータのモータ軸の一回転内の絶対角度を検出するプライマリエンコーダと、
　前記モータに結合された減速機の出力軸の一回転内の絶対角度を検出するセカンダリエンコーダと、を具備し、
　前記セカンダリエンコーダは、
　前記出力軸の総回転回数を計算する総回転判定回路を含んでおり、
　該総回転判定回路は、
　特定の磁化パターンに着磁されていて前記出力軸と同軸で回転する回転ディスクと、
　前記回転ディスクに対面して配置されていて所定値以上の磁束を印加し、その磁束の向きに応じて抵抗値をヒステリシス特性を持って切り替える磁気抵抗スイッチと、
　を含む、位置検出システム。
（付記２）
　前記磁気抵抗スイッチは、ＴＭＲ素子である、付記1に記載の位置検出システム。
（付記３）
　前記回転ディスクは、前記セカンダリエンコーダの回転ディスクである、付記１または２に記載の位置検出システム。
（付記４）
　前記回転ディスクの表面には、前記特定の磁化パターンに着磁されていて前記回転ディスクの周方向に少なくとも部分的に延びるトラックが設けられており、
　前記トラックは、前記回転ディスクの半径方向内側から外側に向かって一方の磁極から他方の磁極に切替わるよう磁化された第一磁化セクタと、前記回転ディスクの半径方向内側から外側に向かって前記他方の磁極から前記一方の磁極に切替わるよう磁化された第二磁化セクタと、磁化されていない無磁化セクタとを含む、付記１から３のいずれかに記載の位置検出システム。
（付記５）
　前記出力軸の移動角を前記トラックの原点に対して±θｓ度とするとき、
　前記第一磁化セクタは、前記出力軸周りにおける「（３６０－θｓ）」度以下の角度の前記トラックの領域に設けられており、
　前記第二磁化セクタは、前記出力軸周りにおける「－（３６０－θｓ）」度以下の角度の領域に設けられており、
　前記無磁化セクタは、前記出力軸周りにおける±（θｓ－１８０）度以上の角度の前記トラックの領域に設けられている、付記４に記載の位置検出システム。
（付記６）
　さらに、計算部を具備し、
　前記出力軸の位置をθｓ、前記減速機の減速比を１／Ｎとした場合に、前記計算部は、前記出力軸が１回転目における前記モータ軸の移動角θｐを「Ｎ（３６０－θｓ）」として算出し、前記出力軸が２回転目における前記モータ軸の移動角θｐを「Ｎθｓ」として算出し、
　前記計算部は、前記出力軸が１回転目における「Ｎ（３６０－θｓ）／３６０」の整数部分を前記モータ軸の総回転回数として算出すると共に、前記出力軸が２回転目における「Ｎθｓ／３６０」の整数部分を前記モータ軸の総回転回数として算出する、付記１から５のいずれかに記載の位置検出システム。
（付記７）
　前記磁気抵抗スイッチに対して前記回転ディスクの直径方向反対側において、前記回転ディスクに対面して配置された追加の磁気抵抗スイッチを含み、
　前記トラックは、前記無磁化セクタに対して前記回転ディスクの直径方向反対側に設けられた追加の無磁化セクタを含む、付記４に記載の位置検出システム。
（付記８）
　モータと、
　該モータに結合された減速機と、
　前記モータのモータ軸の一回転内の絶対角度を検出するプライマリエンコーダと、
　前記減速機の出力軸の一回転内の絶対角度を検出するセカンダリエンコーダと、を具備し、
　前記セカンダリエンコーダは、前記出力軸の総回転を計算する総回転判定回路を含んでおり、
　該総回転判定回路は、
　特定の磁化パターンに着磁されていて前記出力軸と同軸で回転する回転ディスクと、
　前記回転ディスクに対面して配置されていて所定値以上の磁束を印加し、その磁束の向きに応じて抵抗値をヒステリシス特性を持って切り替える磁気抵抗スイッチと、
　を含む、アクチュエータ。
（付記９）
　　前記磁気抵抗スイッチは、ＴＭＲ素子である、付記８に記載のアクチュエータ。
（付記１０）
　前記回転ディスクは、前記セカンダリエンコーダの回転ディスクである、付記８または９に記載のアクチュエータ。
（付記１１）
　前記回転ディスクの表面には、前記特定の磁化パターンに着磁されていて前記回転ディスクの周方向に少なくとも部分的に延びるトラックが設けられており、
　前記トラックは、前記回転ディスクの半径方向内側から外側に向かって一方の磁極から他方の磁極に切替わるよう磁化された第一磁化セクタと、前記回転ディスクの半径方向内側から外側に向かって前記他方の磁極から前記一方の磁極に切替わるよう磁化された第二磁化セクタと、磁化されていない無磁化セクタとを含む、付記８から９のいずれかに記載のアクチュエータ。
（付記１２）
　前記出力軸の移動角を前記トラックの原点に対して±θｓ度とするとき、
　前記第一磁化セクタは、前記出力軸周りにおける「（３６０－θｓ）」度以下の角度の前記トラックの領域に設けられており、
　前記第二磁化セクタは、前記出力軸周りにおける「－（３６０－θｓ）」度以下の角度の領域に設けられており、
　前記無磁化セクタは、前記出力軸周りにおける±（θｓ－１８０）度以上の角度の前記トラックの領域に設けられている、付記１１に記載のアクチュエータ。
（付記１３）
　さらに、計算部を具備し、
　前記出力軸の位置をθｓ、前記減速機の減速比を１／Ｎとした場合に、前記計算部は、前記出力軸が１回転目における前記モータ軸の移動角θｐを「Ｎ（３６０－θｓ）」として算出し、前記出力軸が２回転目における前記モータ軸の移動角θｐを「Ｎθｓ」として算出し、
　前記計算部は、前記出力軸が１回転目における「Ｎ（３６０－θｓ）／３６０」の整数部分を前記モータ軸の総回転回数として算出すると共に、前記出力軸が２回転目における「Ｎθｓ／３６０」の整数部分を前記モータ軸の総回転回数として算出する、付記８から１１のいずれかに記載のアクチュエータ。
（付記１４）
　前記磁気抵抗スイッチに対して前記回転ディスクの直径方向反対側において、前記回転ディスクに対面して配置された追加の磁気抵抗スイッチを含み、
　前記トラックは、前記無磁化セクタに対して前記回転ディスクの直径方向反対側に設けられた追加の無磁化セクタを含む、付記１１に記載のアクチュエータ。
　　３　　　ロボット
　　５、５ａ、５’　　　位置検出システム
　　６　　　アクチュエータ
　　９　　　コントローラ
　１０　　　モータ
　１０ａ　　　ハウジング
　１１　　　ステータ
　１２　　　ロータ
　１３　　　モータ軸
　１５　　　プライマリエンコーダ
　１５Ａ、２５Ａ、３５Ａ　　　回転ディスク
　１６　　　検出部
　１９　　　主電源
　２０　　　減速機
　２３　　　出力軸
　２５　　　セカンダリエンコーダ
　２６　　　検出部
　３５Ｂ　　　磁化パターン
　３６Ａ、３６Ｂ　　　ＴＭＲ素子（磁気抵抗スイッチ）
　３７　　　総回転判定回路
　３８　　　計算部
　３９　　　トラック
　４１　　　参照層
　４２　　　絶縁層
　４２ａ　　　基板
　４３　　　記録層
　Ａ　　　第一磁化セクタ
　Ｂ、Ｃ、Ｅ、Ｆ　　　無磁化セクタ
　Ｄ　　　第二磁化セクタ

Claims (14)

  1. 　モータのモータ軸の一回転内の絶対角度を検出するプライマリエンコーダと、
    　前記モータに結合された減速機の出力軸の一回転内の絶対角度を検出するセカンダリエンコーダと、を具備し、
    　前記セカンダリエンコーダは、
    　前記出力軸の総回転回数を計算する総回転判定回路を含んでおり、
    　該総回転判定回路は、
    　特定の磁化パターンに着磁されていて前記出力軸と同軸で回転する回転ディスクと、
    　前記回転ディスクに対面して配置されていて所定値以上の磁束を印加し、その磁束の向きに応じて抵抗値をヒステリシス特性を持って切り替える磁気抵抗スイッチと、
    　を含む、位置検出システム。
  2. 　前記磁気抵抗スイッチは、ＴＭＲ素子である、請求項1に記載の位置検出システム。
  3. 　前記回転ディスクは、前記セカンダリエンコーダの回転ディスクである、請求項１に記載の位置検出システム。
  4. 　前記回転ディスクの表面には、前記特定の磁化パターンに着磁されていて前記回転ディスクの周方向に少なくとも部分的に延びるトラックが設けられており、
    　前記トラックは、前記回転ディスクの半径方向内側から外側に向かって一方の磁極から他方の磁極に切替わるよう磁化された第一磁化セクタと、前記回転ディスクの半径方向内側から外側に向かって前記他方の磁極から前記一方の磁極に切替わるよう磁化された第二磁化セクタと、磁化されていない無磁化セクタとを含む、請求項１に記載の位置検出システム。
  5. 　前記出力軸の移動角を前記トラックの原点に対して±θｓ度とするとき、
    　前記第一磁化セクタは、前記出力軸周りにおける「（３６０－θｓ）」度以下の角度の前記トラックの領域に設けられており、
    　前記第二磁化セクタは、前記出力軸周りにおける「－（３６０－θｓ）」度以下の角度の領域に設けられており、
    　前記無磁化セクタは、前記出力軸周りにおける±（θｓ－１８０）度以上の角度の前記トラックの領域に設けられている、請求項4に記載の位置検出システム。
  6. 　さらに、計算部を具備し、
    　前記出力軸の位置をθｓ、前記減速機の減速比を１／Ｎとした場合に、前記計算部は、前記出力軸が１回転目における前記モータ軸の移動角θｐを「Ｎ（３６０－θｓ）」として算出し、前記出力軸が２回転目における前記モータ軸の移動角θｐを「Ｎθｓ」として算出し、
    　前記計算部は、前記出力軸が１回転目における「Ｎ（３６０－θｓ）／３６０」の整数部分を前記モータ軸の総回転回数として算出すると共に、前記出力軸が２回転目における「Ｎθｓ／３６０」の整数部分を前記モータ軸の総回転回数として算出する、請求項１に記載の位置検出システム。
  7. 　前記磁気抵抗スイッチに対して前記回転ディスクの直径方向反対側において、前記回転ディスクに対面して配置された追加の磁気抵抗スイッチを含み、
    　前記トラックは、前記無磁化セクタに対して前記回転ディスクの直径方向反対側に設けられた追加の無磁化セクタを含む、請求項4に記載の位置検出システム。
  8. 　モータと、
    　該モータに結合された減速機と、
    　前記モータのモータ軸の一回転内の絶対角度を検出するプライマリエンコーダと、
    　前記減速機の出力軸の一回転内の絶対角度を検出するセカンダリエンコーダと、を具備し、
    　前記セカンダリエンコーダは、前記出力軸の総回転を計算する総回転判定回路を含んでおり、
    　該総回転判定回路は、
    　特定の磁化パターンに着磁されていて前記出力軸と同軸で回転する回転ディスクと、
    　前記回転ディスクに対面して配置されていて所定値以上の磁束を印加し、その磁束の向きに応じて抵抗値をヒステリシス特性を持って切り替える磁気抵抗スイッチと、
    　を含む、アクチュエータ。
  9. 　前記磁気抵抗スイッチがＴＭＲ素子である、請求項８に記載のアクチュエータ。
  10. 　前記回転ディスクは、前記セカンダリエンコーダの回転ディスクである、請求項８に記載のアクチュエータ。
  11. 　前記回転ディスクの表面には、前記特定の磁化パターンに着磁されていて前記回転ディスクの周方向に少なくとも部分的に延びるトラックが設けられており、
    　前記トラックは、前記回転ディスクの半径方向内側から外側に向かって一方の磁極から他方の磁極に切替わるよう磁化された第一磁化セクタと、前記回転ディスクの半径方向内側から外側に向かって前記他方の磁極から前記一方の磁極に切替わるよう磁化された第二磁化セクタと、磁化されていない無磁化セクタとを含む、請求項８に記載のアクチュエータ。
  12. 　前記出力軸の移動角を前記トラックの原点に対して±θｓ度とするとき、
    　前記第一磁化セクタは、前記出力軸周りにおける「（３６０－θｓ）」度以下の角度の前記トラックの領域に設けられており、
    　前記第二磁化セクタは、前記出力軸周りにおける「－（３６０－θｓ）」度以下の角度の領域に設けられており、
    　前記無磁化セクタは、前記出力軸周りにおける±（θｓ－１８０）度以上の角度の前記トラックの領域に設けられている、請求項１０0に記載のアクチュエータ。
  13. 　さらに、計算部を具備し、
    　前記出力軸の位置をθｓ、前記減速機の減速比を１／Ｎとした場合に、前記計算部は、前記出力軸が１回転目における前記モータ軸の移動角θｐを「Ｎ（３６０－θｓ）」として算出し、前記出力軸が２回転目における前記モータ軸の移動角θｐを「Ｎθｓ」として算出し、
    　前記計算部は、前記出力軸が１回転目における「Ｎ（３６０－θｓ）／３６０」の整数部分を前記モータ軸の総回転回数として算出すると共に、前記出力軸が２回転目における「Ｎθｓ／３６０」の整数部分を前記モータ軸の総回転回数として算出する、請求項１０に記載のアクチュエータ。
  14. 　前記磁気抵抗スイッチに対して前記回転ディスクの直径方向反対側において、前記回転ディスクに対面して配置された追加の磁気抵抗スイッチを含み、
    　前記トラックは、前記無磁化セクタに対して前記回転ディスクの直径方向反対側に設けられた追加の無磁化セクタを含む、請求項１０に記載のアクチュエータ。
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Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2007046182A1 (ja) * 2005-10-18 2007-04-26 Harmonic Drive Systems Inc. ギヤ付きモータの多回転絶対値エンコーダ
JP2008039737A (ja) * 2006-08-10 2008-02-21 Yaskawa Electric Corp 多回転量算出方法、バッテリーレス多回転式絶対値エンコーダ装置およびこれを用いた減速機付アクチュエータ
JP2013538349A (ja) * 2010-08-24 2013-10-10 ムービング マグネット テクノロジーズ （ソシエテ アノニム） 磁気多回転絶対位置検出装置
JP2016503174A (ja) * 2013-01-11 2016-02-01 江▲蘇▼多▲維▼科技有限公司Ｍｕｌｔｉｄｉｍｅｎｓｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｏ．， Ｌｔｄ． マルチターンアブソリュート磁気エンコーダ
JP2016124094A (ja) * 2015-01-08 2016-07-11 ファナック株式会社 複数の回転角検出器により回転角を更新するロボット制御装置

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2007046182A1 (ja) * 2005-10-18 2007-04-26 Harmonic Drive Systems Inc. ギヤ付きモータの多回転絶対値エンコーダ
JP2008039737A (ja) * 2006-08-10 2008-02-21 Yaskawa Electric Corp 多回転量算出方法、バッテリーレス多回転式絶対値エンコーダ装置およびこれを用いた減速機付アクチュエータ
JP2013538349A (ja) * 2010-08-24 2013-10-10 ムービング マグネット テクノロジーズ （ソシエテ アノニム） 磁気多回転絶対位置検出装置
JP2016503174A (ja) * 2013-01-11 2016-02-01 江▲蘇▼多▲維▼科技有限公司Ｍｕｌｔｉｄｉｍｅｎｓｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｏ．， Ｌｔｄ． マルチターンアブソリュート磁気エンコーダ
JP2016124094A (ja) * 2015-01-08 2016-07-11 ファナック株式会社 複数の回転角検出器により回転角を更新するロボット制御装置

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