JP2005172721A - アブソリュート磁気エンコーダ - Google Patents

Abstract

【課題】 磁極トラック数を増やすことなく高分解能のアブソリュート磁気センサを得ること。
【解決手段】 サーボモータ１の回転軸５に取り付けたアブソリュート磁気エンコーダ２０のエンコーダ回転子２３は、２極磁石からなる第１ドラム２１と、Ｑビットの多極磁極トラック３１および基準トラック３２を備えた第２ドラム２２を有し、第１ドラム３１に対向配置したＸ相、Ｙ相磁気センサ２４Ｘ、２４Ｙからの１回転１周期の９０度位相の異なる検出信号と、第２ドラム２２に対向配置したＡ、Ｂ、Ｚ相磁気センサ３３〜３５から得られる９０度位相の異なるＡ、Ｂ相信号および基準信号とに基づき、信号処理部２７でアブソリュート信号が生成される。分解能を高めるために多極磁極トラック３２のビット数Ｑを増やしても、磁極トラック数を増加する必要がないので、軸長を長くすることなく高分解能化を実現できる。
【選択図】 図６

Description

本発明は、サーボモータ回転軸などの回転体の絶対回転位置を表すアブソリュート信号を生成するアブソリュート磁気エンコーダに関するものである。更に詳しくは、磁気ドラムの外周面に形成される磁極トラック数を増加させて軸長を長くすることなく、高い分解能でアブソリュート信号を生成可能なアブソリュート磁気エンコーダに関するものである。

図９（ａ）および（ｂ）は、一般的に知られているアブソリュート磁気エンコーダの検出部分の構成を示す正面図および側面図である。この図に示すように、測定対象のモータ回転軸などの回転体に固定される磁気ドラム１０１の外周面には、Ｎトラック、図示の例では２の０乗桁から２の３乗桁までの４本の磁極トラック１０２〜１０５がドラム軸線１０１ａの方向に並べられている。各磁極トラック１０２〜１０５には、それぞれ、ホール素子などの磁気センサ２０２〜２０５が対向配置されている。図１０には、各桁の磁気センサ２０２〜２０５から得られる各桁のビット信号を示してある。

この構成のアブソリュート磁気エンコーダでは、分解能を高めるためにビット数を増やすと、それに伴って、トラック数が増加し、磁気ドラム１０１の軸長が長くなってしまう。このことは、高分解能のアブソリュート磁気エンコーダを小型軽量化するための障害となる。

本発明の課題は、磁気ドラムの外周面に形成される磁極トラック数を増加させることなく、高分解能化を実現可能なアブソリュート磁気エンコーダを提案することにある。

上記の課題を解決するために、本発明のアブソリュート磁気エンコーダは、
測定対象の回転部材に同軸状態に固定される第１ドラムおよび第２ドラムを備えた回転子と、
前記第１ドラムの外周面に形成された２極磁石と、
前記第２ドラムの外周面に等角度間隔で形成されたＱビット（Ｑは正の整数）の磁極を備えた多極トラックと、
前記第２ドラムの外周面に等角度間隔で形成されたＺ個（Ｚは正の整数）の基準磁極を備えた基準トラックと、
前記第１ドラムの外周面に対向配置され、９０度位相の異なるＸ相およびＹ相信号を出力するＸ相磁気センサおよびＹ相磁気センサと、
前記多極トラックの外周面に対向配置され、９０度位相の異なるＡ相信号およびＢ相信号を出力するＡ相磁気センサおよびＢ相磁気センサと、
前記基準トラックの外周面に対向配置され、前記基準磁極の位置を表す基準信号を出力するＺ相磁気センサと、
前記Ｘ相信号および前記Ｙ相信号に基づき前記回転子の回転角度をＰビット（精度α）で演算する第１回転子角度演算回路と、
前記第１回転子角度演算回路の演算結果、並びに前記Ａ相信号、Ｂ相信号およびＺ相信号に基づき前記回転子の回転角度をＱビット（精度β（＞α））で演算する第２回転子角度演算回路と、
前記第１および第２回転子角度演算回路の演算結果に基づき前記回転子の絶対回転位置を表すアブソリュート信号を生成するアブソリュート信号生成回路とを有することを特徴としている。

ここで、前記アブソリュート信号生成回路を、
前記回転子の回転開始時点から最初の前記基準信号が出力される時点までの間は、前記第１回転子角度演算回路の演算結果および前記Ａ、Ｂ相信号に基づき、前記アブソリュート信号を生成し、
前記基準信号が出力された時点において、当該基準信号に基づき前記絶対回転角度の補正を行い、
前記基準信号が出力された時点以降は、前記第２回転子角度演算回路の演算結果に基づき前記アブソリュート信号を生成するように構成すればよい。

また、前記第１ドラムおよび前記第２ドラムは、別部材として構成してもよいが、単一の磁気ドラムとして形成することもできる。

本発明では、２極磁石を用いて１回転１周期の９０度位相の異なるＸ相およびＹ相信号を生成し、これらの信号とＡ、Ｂ相信号を用いて、基準信号が発生するまでの初期動作における回転子の絶対位置を検出できる。また、基準信号が発生した後はＸ、Ｙ相信号と共に、Ａ、Ｂ相信号および基準信号を用いて回転子の絶対位置を検出することができる。

したがって、Ａ、Ｂ相信号を得るための多極トラックのビット数を増加して分解能を高めても、従来のように、それに伴って、磁極トラックのトラック数を増やす必要がない。よって、軸長を長くすることなく、高分解能のアブソリュート磁気エンコーダを得ることができる。

以下に、図面を参照して、本発明を適用したアブソリュート磁気センサを備えたサーボモータの一例を説明する。

図１は本発明によるサーボモータを示す概略構成図である。サーボモータ１の基本的構成は一般的なものと同様であり、筒状のモータハウジング２の両端がエンドブラケット３、４によって封鎖され、これらエンドブラケット３、４の中心部分を貫通した状態にモータ回転軸５が配置されている。モータ回転軸５は、軸受け６、７を介して、エンドブラケット３、４によって回転自在の状態で支持されている。モータハウジング２内のモータ回転軸５の部分には同軸状態でモータ回転子８が一体的に形成されており、このモータ回転子８の外周を一定のギャップで取り囲む状態にモータ固定子９がモータハウジング２の内周面に固定されている。モータ固定子９にはモータ巻線１０が取り付けられている。

モータ回転軸５の先端部分５ａは前側のエンドブラケット３から前方に突出しており、減速機などを介して負荷側に連結される。モータ回転軸５の後端部分５ｂは後側のエンドブラケット４から後方に突出しており、この後端部分５ｂにはアブソリュート磁気エンコーダ２０が配置されている。アブソリュート磁気エンコーダ２０の取り付け部分は、モータハウジング２の後端部分に取り付けたエンコーダカバー２０ａによって覆われている。

アブソリュート磁気エンコーダ２０は、モータ回転軸５の後端部分５ｂに同軸状態に固定した第１ドラム２１および第２ドラム２２を備えたエンコーダ回転子２３と、第１ドラム２１の外周に対向配置した第１磁気センサ群２４と、第２ドラム２２の外周面に対向配置した第２磁気センサ群２５と、エンコーダ基板２６に実装された信号処理部２７とを有している。アブソリュート磁気エンコーダ２０から出力されるアブソリュート信号などに基づき、サーボモータ１のサーボドライバ４０は、上位システム５０からの指令に従って、サーボモータ１を駆動制御する。サーボドライバ４０は、アブソリュート磁気エンコーダ２０からの信号を受信する受信回路部４１および、制御演算回路、パワードライブ回路などを含む制御回路部４２を備えている。

図２は第１ドラム２１および第１磁気センサ群２４を示す構成図であり、図３は第１センサ群２４の検出信号を示す信号波形図である。第１ドラム２１の外周面は２極磁石２１ａにより形成されており、この外周面に対向配置されている第１磁気センサ群２４は、９０度位相の異なる位置に配置したＸ相センサ２４ＸとＹ相センサ２４Ｙとを備えている。したがって、図３に示すように、第１ドラム２１の回転に伴って、９０度位相のずれた正弦波状のＸ相信号およびＹ相信号が得られる。

図４（ａ）および（ｂ）は第２ドラム２２および第２磁気センサ群２５を示す正面構成図および側面構成図である。第２ドラム２２の外周面２２ａには多極トラック３１と基準トラック３２がドラム軸線２２ｂの方向に並べられた状態で形成されている。多極トラック３１は、等角度間隔で形成されたＱビット（Ｑは正の整数）の磁極を備えており、基準トラック３２は、等角度間隔で形成されたＺ個（Ｚは正の整数）の基準磁極を備えている。第２ドラム２２の外周面に対向配置されている第２磁気センサ群２５は、多極トラック３１に対向配置されたＡ相磁気センサ３３およびＢ相磁気センサ３４と、基準トラック３２に対向配置されたＺ相磁気センサ３５とを備えている。Ａ相磁気センサ３３およびＢ相磁気センサ３４からは、位相が９０度異なるＡ相信号およびＢ相信号が出力され、Ｚ相磁気センサ３５からは各基準磁極の位置を表すＺ相信号（基準信号）が出力される。図５にはこれらのＡ相、Ｂ相およびＺ相信号の信号波形を示してある。

図６はアブソリュート磁気センサ２０の信号処理部２７の概略ブロック図である。信号処理部２７は、Ｘ相信号およびＹ相信号の波形整形回路６１、６２と、波形整形後のＸ相信号およびＹ相信号に基づきエンコーダ回転子２３の回転角度を精度αで演算する第１回転子角度演算回路６３を備えている。また、Ａ相信号、Ｂ相信号およびＺ相信号（基準信号）のそれぞれを波形整形する波形整形回路６４、６５、６６と、波形整形後のこれらの信号と、第１回転子角度演算回路６３の演算結果に基づき、エンコーダ回転子２３の回転角度を精度β（＞α）で演算する第２回転子角度演算回路６７と、第１および第２回転子角度演算回路６３、６７の演算結果に基づきエンコーダ回転子２３の絶対位置を表すアブソリュート信号を生成するアブソリュート信号生成回路６８とを備えている。このアブソリュート信号生成回路６８で生成されたアブソリュート信号は、出力回路６９を介して、サーボドライバ４０に向けて出力される。

図７を参照して、この構成のアブソリュート磁気センサ２０の検出動作を説明する。サーボモータ１の起動初期、すなわち、モータ回転軸と一体回転するエンコーダ回転子２３の回転開始時点ｔ０から最初の基準信号Ｚが出力される時点ｔ１までの間は、第１回転子角度演算回路６３の演算結果およびＡ、Ｂ相信号に基づき、アブソリュート信号が生成される。この時の検出精度はα（＝３６０／（２＾Ｐ×２））であり、分解能はＰビットである。換言すると、モータ起動初期において、アブソリュート磁気センサ２０は、精度α、分解能Ｐビットのアブソリュートエンコーダとして動作する。

最初の基準信号Ｚが出力されると、第２回転子演算回路６７は、当該基準信号Ｚに基づき絶対位置の補正を行い、補正後の時点ｔ２からは、アブソリュート信号生成回路６８は、第２回転子角度演算回路６７の演算結果に基づきアブソリュート信号を生成する。したがって、時点ｔ２以降では、アブソリュート磁気センサ２０が、精度β（＝３６０／（２＾Ｑ×２））、分解能Ｑのアブソリュートエンコーダとして動作する。なお、１回転当りの基準信号Ｚの個数は１以上の整数であり、各ビットの関係は、２＾Ｑ＞２＾Ｐ＞Ｚとなっている。

このように、本例のアブソリュート磁気エンコーダ２０では、２極磁石を用いて１回転１周期の９０度位相の異なるＸ相およびＹ相信号を生成し、これらの信号とＡ、Ｂ相信号を用いて、基準信号Ｚが発生するまでの初期設定運転における回転子の絶対位置を検出している。また、基準信号Ｚが発生した後はＸ、Ｙ相信号と共に、Ａ、Ｂ相信号および基準信号Ｚを用いて高い精度でエンコーダ回転子２３の絶対位置を検出している。よって、分解能を高めるための多極トラック３１のビット数Ｑを増加しても、それに伴って磁極トラックのトラック数を増やす必要がない。よって、軸長を長くすることなく、高分解能のエンコーダを実現でき、当該エンコーダが組み込まれているモータなどの回転機械の小型、コンパクト化に有利である。

（その他の実施の形態）
なお、上記の例では、エンコーダ回転子２３を、第１ドラム３１および第２ドラム３２から構成している。この代わりに、これらを単一の磁気ドラムとして形成することもできる。図８（ａ）および（ｂ）は、単一の磁気ドラム７１からなるエンコーダ回転子２３Ａを示す正面構成図および側面構成図である。これらの図において、図２および４における各部分に対応する部位には同一の符号を付してある。

本発明を適用したサーボモータを示す概略構成図である。 図１のアブソリュート磁気エンコーダの第１ドラムおよび第１磁気センサ群を示す概略構成図である。 図２の第１磁気センサから得られるＸ相およびＹ相信号を示す信号波形図である。 図１の第２ドラムおよび第２磁気センサ群を示す正面構成図および側面構成図である。 図４の第２センサ群から得られるＡ、Ｂ、Ｚ相信号を示す信号波形図である。 図１のアブソリュート磁気エンコーダの信号処理部の概略ブロック図である。 図１のアブソリュート磁気エンコーダの動作を示す説明図である。 図１のアブソリュート磁気エンコーダの検出部分の別の形態を示す正面構成図および側面構成図である。 従来のアブソリュート磁気エンコーダの検出部分の正面構成図および側面構成図である。 図９の検出部分から得られる信号を示す信号波形図である。

符号の説明

１ サーボモータ
２ モータハウジング
３、４ エンドブラケット
５ モータ回転軸
５ａ 回転軸の先端部分
５ｂ 回転軸の後端部分
６、７ 軸受け
８ モータ回転子
９ モータ固定子
１０ モータ巻き線
２０ エンコーダ
２１ 第１ドラム
２１ａ ２極磁石
２２ 第２ドラム
２２ａ 外周面
２３、２３Ａ エンコーダ回転子
２４ 第１磁気センサ群
２４Ｘ Ｘ相センサ
２４Ｙ Ｙ相センサ
２５ 第２磁気センサ群
２７ 信号処理回路
３１ 多極トラック
３２ 基準トラック
３３ Ａ相磁気センサ
３４ Ｂ相磁気センサ
３５ Ｚ相磁気センサ
６１、６２、６４、６５、６６ 波形整形回路
６３ 第１回転子角度演算回路
６７ 第２回転子角度演算回路
６８ アブソリュート信号生成回路
４０ サーボドライバ
４１ 信号受信部
４２ 制御回路部
５０ 上位システム

Claims (3)

1. 測定対象の回転部材に同軸状態に固定される第１ドラムおよび第２ドラムを備えた回転子と、
   前記第１ドラムの外周面に形成された２極磁石と、
   前記第２ドラムの外周面に等角度間隔で形成されたＱビット（Ｑは正の整数）の磁極を備えた多極トラックと、
   前記第２ドラムの外周面に等角度間隔で形成されたＺ個（Ｚは正の整数）の基準磁極を備えた基準トラックと、
   前記第１ドラムの外周面に対向配置され、９０度位相の異なるＸ相およびＹ相信号を出力するＸ相磁気センサおよびＹ相磁気センサと、
   前記多極トラックの外周面に対向配置され、９０度位相の異なるＡ相信号およびＢ相信号を出力するＡ相磁気センサおよびＢ相磁気センサと、
   前記基準トラックの外周面に対向配置され、前記基準磁極の位置を表す基準信号を出力するＺ相磁気センサと、
   前記Ｘ相信号および前記Ｙ相信号に基づき前記回転子の回転角度をＰビットで演算する第１回転子角度演算回路と、
   前記第１回転子角度演算回路の演算結果、並びに前記Ａ相信号、Ｂ相信号およびＺ相信号に基づき前記回転子の回転角度をＱビットで演算する第２回転子角度演算回路と、
   前記第１および第２回転子角度演算回路の演算結果に基づき前記回転子の絶対回転位置を表すアブソリュート信号を生成するアブソリュート信号生成回路とを有するアブソリュート磁気エンコーダ。
2. 請求項１において、
   前記アブソリュート信号生成回路は、
   前記回転子の回転開始時点から最初の前記基準信号が出力される時点までの間は、前記第１回転子角度演算回路の演算結果および前記Ａ、Ｂ相信号に基づき、前記アブソリュート信号を生成し、
   前記基準信号が出力された時点において、当該基準信号に基づき前記絶対回転角度の補正を行い、
   前記基準信号が出力された時点以降は、前記第２回転子角度演算回路の演算結果に基づき前記アブソリュート信号を生成するアブソリュート磁気エンコーダ。
3. 請求項１または２において、
   前記第１ドラムおよび前記第２ドラムは、単一の磁気ドラムとして形成されているアブソリュート磁気エンコーダ。

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