(57)【要約】【課題】磁気式エンコーダの高調波成分を信号処理により低減し、精度の良い角度信号を得る。【解決手段】等ピッチの着磁が施された回転体１の回転に伴い磁気センサ２から検出される高調波成分を含む２相の正弦波信号を、Ａ／Ｄ変換器４でデジタル信号に変換し、フィルタ部１１で高調波成分を取り除く。この高調波成分の除去された２相の正弦波信号から角度演算部１２で角度信号２０１を演算する。サンプリング制御部１４は、速度に対応したサンプリング信号を生成する。【選択図】図１
2005140737.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
等ピッチの着磁の施された回転体と、該回転体の着磁面に対向して配置された磁気センサと、前記回転体の回転角に応じて周期的に変化する前記磁気センサからの検出信号を増幅する増幅回路と、該増幅回路からの出力信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器と、該Ａ／Ｄ変換器の出力信号から角度信号を生成する角度信号生成回路とから構成される磁気式エンコーダ装置において、
前記角度信号生成回路は、前記検出信号の高調波成分を取り除くフィルタ部と該フィルタ部の出力信号から角度信号を生成する角度演算部と、前記フィルタ部の乗算器係数を設定する係数演算部と、前記角度演算部からの出力信号に応じて前記フィルタ部への入力信号周期を設定するサンプリング制御部とから構成されることを特徴とする磁気式エンコーダ装置。
【請求項２】
前記フィルタ部は複数個のＦＩＦＯレジスタと、同数の係数レジスタと、加算器とから構成され、前記ＦＩＦＯレジスタの値と、前記係数レジスタの値がそれぞれ乗算された後、前記加算器で加算されることによりフィルタ処理されることを特徴とする請求項１記載の磁気式エンコーダ装置。
【請求項３】
前記角度演算部の出力信号から前記回転体の速度を演算し、該速度に応じて前記フィルタ部への入力信号周期を設定することを特徴とする請求項１または２記載の磁気式エンコーダ装置。
【請求項４】
前記フィルタ部への入力信号周期が前記角度信号の３６０度以下の一定角度を等分割した一定の角度の飛びであることを特徴とする請求項１または２記載の磁気式エンコーダ装置。
【請求項５】
等ピッチの着磁の施された回転体と、該回転体の着磁面に対向して配置された磁気センサと、前記回転体の回転角に応じて周期的に変化する前記磁気センサからの検出信号を増幅する増幅回路と、該増幅回路からの出力信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器と、該Ａ／Ｄ変換器の出力信号から角度信号を生成する角度信号生成回路とから構成される磁気式エンコーダ装置において、
前記角度信号生成回路は、前記検出信号の高調波成分を取り除くフィルタ部と該フィルタ部の出力信号から角度信号を生成する第１角度演算部と、前記フィルタ部の乗算器係数を設定する係数演算部と、前記第１角度演算部からの出力信号に応じて前記フィルタ部への入力信号周期を設定するサンプリング制御部と、前記検出信号のノイズ成分を取り除くノイズ処理部と、該ノイズ処理部の出力信号から角度信号を生成する第２角度演算部と、差動部と、加算部から構成され、
第１角度演算部出力信号と第２角度演算部の出力信号の差動信号を、前記第２角度演算部の出力信号に加算する事により角度信号を生成することを特徴とする磁気式エンコーダ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、モータなどの回転体の回転角度を検出するエンコーダ装置に関し、特に、高調波誤差を削減できる磁気式エンコーダ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、磁気式エンコーダは、検出波形が回転体に施された着磁による磁界の歪みや磁気抵抗素子の検出特性の非直線性に起因して高調波成分を含むため、高精度の回転角度の検出が実現できないと言う問題があった。この問題に対して、磁極ピッチより短い間隔に複数の磁気センサを配置し、これらの複数個の磁気センサから得られる検出信号に重み付けをして加算することで高調波誤差を削減する方法が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
図７は従来の磁気エンコーダ装置の回転体と磁気センサの関係を示す図である。図７において、Ｓ１〜Ｓ１２は磁気センサ、５３は磁気ドラム、５４は磁気センサユニットである。磁気ドラム５３には外周面に等間隔で着磁が施されている。磁気センサユニット５４には磁気センサＳ１〜Ｓ１２が磁気ドラム５３の磁極ピッチを等分割した距離に等間隔で並べられている。
磁気ドラム５３が回転すると各磁気抵抗素子Ｓ１〜Ｓ１２の抵抗値がπ／６ずつ位相がずれて変化する。各磁気抵抗素子と直列に基準抵抗を接続し、これに基準電圧Ｖｃを印可すると、磁気抵抗素子と基準抵抗の接続点にはπ／６ずつ位相の異なる高調波成分を含む検出信号Ｖ１〜Ｖ１２が得られる。この検出信号に（１）式および（２）式の演算を施し、高調波歪みの小さい２相の検出信号ＡoutおよびＢoutを得ていた。
【数１】
2005140737.tif 000003
【数２】
2005140737.tif 000004
【特許文献１】特開２００２−３０３５３７号公報（図５）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来の磁気式エンコーダ装置は、磁極ピッチより短い間隔に多数の磁気センサを配置する構成になっていて、すべての磁気センサからの検出信号を均一にするための調整作業が必要であり、また、磁気センサを多数使用することになるため、コストアップにつながるというような問題があった。さらに、磁気センサ間の特性のばらつきにより、検出特性にばらつきが発生すると言う問題もあった。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、高調波誤差の小さい低コストで信頼性の高い磁気式エンコーダ装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記問題を解決するため、請求項１の発明は、等ピッチの着磁の施された回転体と、該回転体の着磁面に対向して配置された磁気センサと、前記回転体の回転角に応じて周期的に変化する前記磁気センサからの検出信号を増幅する増幅回路と、該増幅回路からの出力信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器と、該Ａ／Ｄ変換器の出力信号から角度信号を生成する角度信号生成回路とから構成される磁気式エンコーダ装置において、前記角度信号生成回路は、前記検出信号の高調波成分を取り除くフィルタ部と該フィルタ部の出力信号から角度信号を生成する角度演算部と、前記フィルタ部の乗算器係数を設定する係数演算部と、前記角度演算部からの出力信号に応じて前記フィルタ部への入力信号周期を設定するサンプリング制御部とから構成されることを特徴としている。
また、請求項２の発明は、前記フィルタ部は複数個のＦＩＦＯレジスタと、同数の係数レジスタと、加算器とから構成され、前記ＦＩＦＯレジスタの値と、前記係数レジスタの値がそれぞれ乗算された後、前記加算器で加算されることによりフィルタ処理されることを特徴としている。
また、請求項３の発明は、前記角度演算部の出力信号から前記回転体の速度を演算し、該速度に応じて前記フィルタ部への入力信号周期を設定することを特徴としている。
また、請求項４の発明は、前記フィルタ部への入力信号周期が前記角度信号の３６０度以下の一定角度を等分割した一定の角度の飛びであることを特徴としている。
また、請求項５の発明は、等ピッチの着磁の施された回転体と、該回転体の着磁面に対向して配置された磁気センサと、前記回転体の回転角に応じて周期的に変化する前記磁気センサからの検出信号を増幅する増幅回路と、該増幅回路からの出力信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器と、該Ａ／Ｄ変換器の出力信号から角度信号を生成する角度信号生成回路とから構成される磁気式エンコーダ装置において、  前記角度信号生成回路は、前記検出信号の高調波成分を取り除くフィルタ部と該フィルタ部の出力信号から角度信号を生成する第１角度演算部と、前記フィルタ部の乗算器係数を設定する係数演算部と、前記第１角度演算部からの出力信号に応じて前記フィルタ部への入力信号周期を決定するサンプリング信号生成部と、前記検出信号のノイズ成分を取り除くノイズ処理部と、該ノイズ処理部の出力信号から角度信号を生成する第２角度演算部と、差動部と、加算部から構成され、第１角度演算部出力信号と第２角度演算部の出力信号の差動信号を、前記第２角度演算部の出力信号に加算する事により角度信号を生成することを特徴としている。
【発明の効果】
【０００６】
請求項１に記載の発明によると、高調波成分を取り除くために多くの磁気センサを使用することなく、信号処理で高調波成分を取り除いたので、磁気センサの構成が簡単になるとともに、増幅回路やＡ／Ｄ変換器の数も少なくて済み、コストの上昇を抑えることができる。また、センサ間の特性を合わせるための調整作業も不要になり、特性のばらつきが無くなり信頼性が向上する。
請求項２に記載の発明によると、ＦＩＦＯレジスタを使った簡単な構成でフィルタを構成したので、コストの上昇を抑えることができる。
請求項３に記載の発明によると、速度に応じてフィルタ部への入力信号周期を設定したので、回転体の速度に影響されずに高調波分が低減できる。
請求項４に記載の発明によると、フィルタ部への入力信号周期を角度信号の３６０度以下の一定角度を等分割した一定角度の飛びにしたので、回転体が発生する特定の次数の高調波を確実に低減できる。
請求項５に記載の発明によると、高調波成分の小さい第１角度演算部の出力信号と検出周期の短い第２角度演算部の出力信号を組み合わせて角度信号を生成したので、高調波成分が小さく、さらに、更新周期が短く応答の速い角度信号が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
【実施例１】
【０００８】
図１は、本発明の第１実施例を示す磁気式エンコーダ装置の構成を説明するためのブロックである。
図において、１は回転体、２は磁気センサ、３は増幅回路、４はＡ／Ｄ変換器、１０は角度信号生成回路である。回転体１には等ピッチの着磁の施されており、磁気センサ２が回転体１に対向して配置されている。角度信号生成回路１０において、１１はフィルタ部、１２は角度演算部、１３は速度演算部、１４はサンプリング制御部、１５は係数演算部である。また、図２はフィルタ部１１の詳細な構成を示すブロック図である。図において、１１１はＦＩＦＯレジスタ、１１２は係数レジスタ、１１３は乗算器、１１４は加算器である。
本発明が従来技術と異なる点は、従来技術では高調波成分を取り除くために多くの磁気センサを使用しているのに対し、本発明では角度信号生成回路にフィルタ部１を設け、信号処理で高調波成分を取り除いている点である。
【０００９】
次に本発明の第１実施例の動作について説明する。
図１において回転体１が回転すると、磁気センサ２から２相の正弦波の信号が発生する。磁気センサ２からの出力は増幅回路３で増幅され、Ａ／Ｄ変換器４により、２相のデジタル信号ＶａおよびＶｂに変換される。Ａ／Ｄ変換された２相正弦波状信号Ｖａ、Ｖｂは角度信号生成回路１０のフィルタ部１１で高調波成分が取り除かれ、フィルタ処理された２相信号Ｖａ’およびＶｂ’が得られる。角度演算部１２ではＶａ’およびＶｂ’からｔａｎ−１（Ｖａ’／Ｖｂ’）を計算することにより高調波成分の小さい角度信号２０１を得ている。
次にフィルタ部１１の動作について図２を用いて説明する。
フィルタ部１１はＡ相フィルタ部とＢ相フィルタ部があるが、動作については同じであるのでＡ相フィルタ部についてのみ説明する。
図２において、Ａ／Ｄ変換器からの出力Ｖａ、はフィルタ部１１のＦＩＦＯレジスタ１１１に入力される。ＦＩＦＯ１１１ではサンプリング制御部１４の出力信号のタイミングでＶａを取り込むと同時にＦＩＦＯレジスタ１１１内でデータをシフトさせる。ＦＩＦＯレジスタ１１１内にあるｎこのデータｘ１〜ｘｎと係数レジスタ１１２内のｎ個のデータｋ１〜ｋｎが乗算器１１３でそれぞれ乗算された後、加算器１１４で加算されフィルタ処理されたＡ相信号Ｖａ’を得ている。
図１において、回転体１の回転速度が変わると磁気センサ２の検出信号の高調波成分の周波数が変わり、これに応じて遮断周波数を変える必要がある。本実施例では角度信号２０１から速度演算部１３で回転体の速度を演算し、サンプリング制御部１４で速度に応じた周期をもつサンプリング信号をフィルタ部１１に入力することにより遮断周波数を変えている。
【００１０】
このように本実施例では、角度信号生成回路でフィルタ処理した２相の信号Ｖａ’、Ｖｂ’を使って、角度信号を生成しているので高調波歪みが取り除かれ、精度の良い角度信号が得られる。また、従来、高調波を取り除くのに多くの磁気センサを用いていたが、本実施例ではＡ相用とＢ相用の２組で良く、また、増幅回路やＡ／Ｄ変換器の数も少なくて済みコストの上昇を抑えることができる。さらに、センサ間の特性を合わせるための調整作業も不要になり、性能のばらつきが無くなり信頼性が向上する。
【実施例２】
【００１１】
図３は、本発明の第２実施例を示す磁気式エンコーダ装置の構成を説明するためのブロック図である。
第２実施例が第１実施例と異なる点は、図１に示した第１実施例の角度信号生成回路１０から速度演算部１３と係数演算部１５を取り除いている点であり、サンプリング制御部２４は角度信号から直接サンプリング信号を生成する。また、フィルタ部の係数レジスタには、所定のフィルタ効果が得られるデータが予め格納されている。
次に本発明の第２実施例の動作について説明する。
図３の角度信号生成回路２０において、フィルタ部２１でフィルタ処理された２相の信号Ｖａ’、Ｖｂ’は角度演算部２２で角度信号２０１に変換され、サンプリング制御部２４に入力される。サンプリング制御部２４では、、角度演算部２２からの出力信号２０１に基づき、除去すべき高調波成分の次数などから決まる所定の電気角の区間を等分割し、この等分割したそれぞれの角度でサンプリング信号を発生する。本実施例では電気角でπ区間を１２等分し、π／１２毎にＡ／Ｄ変換器４の出力を順次フィルタ部２１のＦＩＦＯレジスタに取り込んでいる。また、係数レジスタには（３）式で計算された乗算器係数ｋ１〜ｋ１２が格納されている。ＦＩＦＯレジスタに取り込まれたデータをｘａ１〜ｘａ１２に対して数３で示す演算を行うことにより、フィルタ処理された２相の信号Ｖａ’、Ｖｂ’を得ている。
ｋｉ＝ｓｉｎθｉ                                                        （３）  
ただし、θｉ＝（π／１２）×ｉ  （ｉ＝１〜１２）
【数３】
2005140737.tif 000005
【００１２】
このように本実施例では、回転角に対して等ピッチでセンサ信号をサンプリングし、この角度のピッチで計算した正弦波の値が乗算器係数として用いられているので、フィルタ部の処理によりサンプリング周波数以内の奇数次の高調波成分が除去される。回転体に施された着磁による磁界の歪みや磁気抵抗素子の検出特性の非直線性に起因して奇数次の高調波が発生するが、この奇数次の高調波成分の影響を除去できるので、精度の良い磁気エンコーダ装置が実現できる。
【実施例３】
【００１３】
図４は、本発明の第３実施例を示す磁気式エンコーダ装置の角度信号生成回路の信号処理ブロック図である。
図において３１はノイズ処理部、３２は第２角度演算部、３３は減算部、３４は加算部である。
本実施例が第１実施例と異なる点は、第１実施例の角度信号生成回路１０にノイズ処理部３１、第２角度演算部３２、減算部３３、加算部３４を付け加えた点である。
【００１４】
次に本発明の第３実施例の動作を説明する。
ノイズ処理部３１はＡ／Ｄ変換器からの２相の信号Ｖａ、Ｖｂを高速にサンプリングし、複数回のサンプリングデータの平均をとる平均化処理によるフィルタをかける。第２角度演算部３２では、ノイズ処理部３１の出力信号により角度信号３０１をつくる。
図６は本実施例の各部の動作波形図である。角度信号生成回路１０内の第１角度演算部からの角度信号２０１の更新周期Ｔ１は比較的長くなるが、第２角度演算部３２からの角度信号３０１は短い周期Ｔ２で更新される。差動部３３で角度信号２０１と角度信号３０１との差を演算し、誤差信号３０２を得る。この演算は、角度信号２０１と、この信号が更新された直後の角度信号３０１との間で行われる。誤差信号３０２は加算部３４で角度信号３０１に加算され、角度信号３０３を得る。
このように本実施例では、第１角度演算部から得られた高調波成分の小さい角度信号の更新周期間を、高速でサンプリングされた第２角度演算部の角度信号で補完するので、高調波誤差が小さく更新周期の短い角度信号が得られる。
【実施例４】
【００１５】
図５は、本発明の第４実施例を示す磁気式エンコーダ装置の角度信号生成回路の信号処理ブロック図である。
第４実施例が第２実施例と異なる点は、第２実施例の角度信号生成回路２０にノイズ処理部３１、第２角度演算部３２、減算部３３、加算部３４を付け加えた点である。
【００１６】
次に本発明の第４実施例の動作について説明する。
ノイズ処理部３１、第２角度演算部３２、差動部３３および加算部３４の動作は第３実施例と同様で、角度信号生成回路２０の出力信号の生成方法が第３実施例と異なるだけである。
このように本実施例では、第２実施例の特徴である特定次数の高調波成分を除去できると共に、高速でサンプリングされた角度信号で補完するので、更新周期の短い角度信号が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の第１実施例を示す磁気式エンコーダ装置の構成を説明するための示すブロック図
【図２】本発明の第１実施例のフィルタ部のブロック図
【図３】本発明の第２実施例を示す磁気式エンコーダ装置の構成を説明するための示すブロック図
【図４】本発明の第３実施例を示す磁気式エンコーダの角度信号生成回路のブロック図
【図５】本発明の第４実施例を示す磁気式エンコーダの角度信号生成回路のブロック図
【図６】本発明の第３実施例の各部の動作波形図
【図７】従来の磁気エンコーダ装置の磁気ドラムと磁気センサの関係を説明する図
【符号の説明】
【００１８】
１  回転体
２  磁気センサ
３  増幅回路
４    Ａ／Ｄ変換器
１０  角度信号生成回路
１１  フィルタ部
１２  角度演算部（第１角度演算部）
１３  速度演算部
１４  サンプリング制御部
１５  係数演算部
２０  角度信号生成回路
２１  フィルタ部
２２  角度演算部（第１角度演算部）
２４  サンプリング制御部
２５  係数演算部
３１  ノイズ処理部
３２  角度演算部（第２角度演算部）
３３  差動部
３４  加算部
５３  磁気ドラム
５４  磁気センサユニット
１１１  ＦＩＦＯレジスタ
１１２  係数レジスタ
１１３  乗算器
１１４  加算器
【図１】
2005140737.tif 000006
【図２】
2005140737.tif 000007
【図３】
2005140737.tif 000008
【図４】
2005140737.tif 000009
【図５】
2005140737.tif 000010
【図６】
2005140737.tif 000011
【図７】
2005140737.tif 000012