(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
スケールを構成してなる２組の格子パターンが形成された回転ディスクと、
前記スケールと相対的に移動し、前記２組の格子パターンに対応した２組のＭＲ素子組を備えた磁気センサと、
前記２組のＭＲ素子組からの信号をそれぞれ位相信号に変換する位相変調部と、
前記位相変調部で得られた位相信号間の位相差から位相差信号を生成し、前記位相差信号に所定のバイアス信号を加えることによって３相の、モータの磁極検出信号を生成する磁極検出信号生成部と、
前記位相変調部で得られた２組の位相信号の一方の位相信号に基づいてモータの位置検出信号を生成する位置検出信号生成部と、を備え、
前記２組の格子パターンは、前期２組の格子パターン間におけるバーニア周期のピッチ数がモータの磁極対数と等しくなるようなそれぞれ等ピッチのパターンが形成されることを特徴とするエンコーダ。
【請求項２】
請求項１記載のエンコーダを備えたことを特徴とするエンコーダ付回転型モータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回転型モータやリニアモータ用のエンコーダおよびエンコーダ付モータに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、産業用ロボットの回転駆動部分あるいは工作機械の直線駆動部分に用いられると共に、永久磁石をもつ回転型モータあるいはリニアモータの位置制御や速度制御を行うため、移動体の位置とモータの磁極位置の情報を制御装置側に伝えるエンコーダが用いられている。以下、エンコーダに関して、回転型モータの場合を例に取って説明する。
エンコーダは一般にインクリメンタルエンコーダとアブソリュートエンコーダに分けることができる。一方のアブソリュートエンコーダは、回転軸位置検出信号から磁極検出信号も生成できるが、形状が大きくなり、コストも高くなるという問題がある。他方のインクリメンタルエンコーダは、アブソリュートエンコーダに対して小型でコストも安いという特徴をもつが、回転軸位置検出信号の他に、モータの磁極検出信号生成するためのセンサや回路が必要となる。
図１７は、従来の回転軸位置検出に用いるインクリメンタルエンコーダの斜視図である。図において、９１は回転ディスク、９２は位置検出用格子パターン、９３は位置センサ、９４は磁極検出用格子パターンである。磁極検出用格子パターン９４は、モータの極対数に対応して歯部９５および切り欠き部９６が形成されており、発光素子と受光素子で構成された３個の磁極センサ９７、９８、９９で検出する。３個の磁極センサ９７、９８、９９は、モータの磁極対ピッチを３６０°としてお互いに１２０°ずつ離れた位置に配置され、３相の磁極検出信号Ｕ、Ｖ、Ｗを生成するようになっている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
このように、インクリメンタルエンコーダでは位置検出と磁極検出のため、位置センサと磁極センサをそれぞれ別々に設けていることから、センサ毎に設置時の調整が必要となり、調整に時間や労力などの手間がかかっていた。また、別々の場所でセンサが複数個必要となるため、結局小型化出来ない上にコスト高になっていた。本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、位置センサと磁極センサをそれぞれ別々に設ける必要がなく、センサを一台にして位置検出と磁極検出を行うことができると共に、センサの設置時の調整が容易で、しかも小型・低コストのエンコーダおよびこのエンコーダを備えたエンコーダ付モータを提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１のエンコーダは、スケールを構成してなる２組の格子パターンが形成された回転ディスクと、前記スケールと相対的に移動し、前記２組の格子パターンに対応した２組のＭＲ素子組を備えた磁気センサと、前記２組のＭＲ素子組からの信号をそれぞれ位相信号に変換する位相変調部と、前記位相変調部で得られた位相信号間の位相差から位相差信号を生成し、前記位相差信号に所定のバイアス信号を加えることによって３相の、モータの磁極検出信号を生成する磁極検出信号生成部と、前記位相変調部で得られた２組の位相信号の一方の位相信号に基づいてモータの位置検出信号を生成する位置検出信号生成部と、を備え、前記２組の格子パターンは、前期２組の格子パターン間におけるバーニア周期のピッチ数がモータの磁極対数と等しくなるようなそれぞれ等ピッチのパターンが形成されるものである。上記手段により、エンコーダの１箇所にセンサを配置するだけでモータの位置検出信号と磁極検出信号が出来るため調整が容易で且つ、小型で低コストのセンサが実現できる。
また、請求項２の発明は、エンコーダ付回転型モータに係るものであって、請求項１記載のエンコーダを備えている。
【０００５】
【発明の実施の形態】
以下、図を用いて本発明の実施例を説明する。
（第１の実施例）
図１は本発明の第１の実施例を示すエンコーダとその信号処理ブロック図である。
１は回転ディスク、２は格子パターン、３は磁気センサである。本エンコーダは検出部Ｄと信号処理部Ｓから構成される。このうち、検出部Ｄは回転ディスク１および磁気センサ３から構成されると共に、信号処理部Ｓは位相変調部４、磁極検出信号生成部５、位置検出信号生成部６、発信器７および分周器８から構成される。
【０００６】
図２は検出部の斜視図であり、図３は、磁気センサの構成を説明するための断面図である。
磁気センサ３はＭＲ素子（磁気抵抗素子：ＭＲ１〜ＭＲ４）とバイアス磁石３３で構成され、磁性鋼板でつくられた回転ディスク１上の格子パターン２に対向して配置されている。すなわち、１つの格子パターン列に対して１組４個のＭＲ素子ＭＲ１〜ＭＲ４が配置され、バイアス磁界用永久磁石３３によりバイアス磁界が加えられる。２組のＭＲ素子組とバイアス磁界用永久磁石がセンサケース３４内に納められている。格子パターン２がＭＲ素子の下を移動すると、ＭＲ素子に加わる磁界の強さが変化し、ＭＲ素子の抵抗が変化する。
【０００７】
図４はＭＲ素子組の接続を説明するための図である。
電源端子３７、３８間に直流電圧が加えられた場合、格子パターンの移動によってＭＲ素子の抵抗が変化すると、出力端子３５、３６の電圧が変化し、パターンピッチ１ピッチに対して１サイクルの２相の正弦波状の信号が得られる。
【０００８】
図５は格子パターンの図を示す。
格子パターン２は、２組のそれぞれ等ピッチの格子パターン２１および２２を持ち、ピッチ数は回転ディスク１回転あたり、それぞれ格子パターン２１が１２８、格子パターン２２が１２４である。両格子パターン間のピッチ数の差が１となる回転角をバーニア周期とするとバーニア周期のピッチ数は、両格子間のピッチ数の差（１２８−１２４）から、１回転あたり４ピッチとなる。
【０００９】
図６は本エンコーダが適用されるモータの断面図を示す。
モータは積層コア１０１に電機子巻線１０２を有する固定子１００と、固定子１００と磁気的空隙を介して表面に永久磁石１０３を有する回転子１０４で構成された永久磁石型同期電動機の例を示している。永久磁石１０３の磁極対数は４（磁極数は８）で、バーニア周期のピッチ数はこの値に合わせている。
図１において、磁気センサ３は２組の素子組３１および３２を持ち、それぞれ格子パターン２１および２２に対応している。素子組３１からは回転ディスク１回転あたり１２８サイクルの２相の正弦波状のセンサ信号ａ１、ｂ１が得られ、素子組３２からは回転ディスク１回転あたり１２４サイクルの２相の正弦波状のセンサ信号ａ２、ｂ２が得られる。
この信号は信号処理部の位相変調部４へ入力される。位相変調部４では、搬送波信号ｍｓをセンサ信号で変調することにより２組のセンサ信号ａ１、ｂ１およびａ２、ｂ２に対する位相信号φ１及びφ２に変換する。
【００１０】
次に、位相変調部の動作について説明する。
位相変調部４は、２組のそれぞれのスリット列に対応した２組の位相変調回路部４１、４２から構成されている。
図７は位相変調回路部４のブロック図である。
位相変調回路部４は、多相変換部４１、マルチプレクサ４２、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）４３、コンパレータ４４から構成される。多相変換部４１は、２相のセンサ信号を重み付けして加算することにより、４相や８相といった多相信号へ変換する。
【００１１】
図８は８相の多相信号ｓ１〜ｓ８の波形を示す。
多相信号は、回転ディスク回転角に対してスリットピッチに等しい周期を持つ正弦波状の波形である。多相信号は、マルチプレクサ４２により、順次サンプリングされる。サンプリングするための搬送波信号ｍｓは、多相信号が８相の場合、３ビットのバイナリ信号（ｄ０、ｄ１、ｄ２）で構成され、発信器７を分周して得られる。最も周期の長いｄ２を位相の基準信号φとして用いる。
【００１２】
図９は搬送波信号ｍｓと、サンプリングされた信号（位相変調信号）のタイムチャートを示したものである。
図９に示した位相変調信号は、回転ディスク１の回転位置が、図８に示した多相信号の電気角で０度と４５度の場合のタイムチャートである。高調波成分がＬＰＦ４３によって除去され、基本波成分が取り出される。さらに、コンパレータ４４で矩形波信号に変換される。これが２値化された位相信号で、基準信号φ とのエッジ位置の差が回転ディスク１の角度を表す情報になる。
【００１３】
図１０は位相信号のタイムチャートを示したものである。
図１０において、回転位置が多相信号の電気角で０°の場合、位相信号は、多相変換部やＬＰＦによる位相遅れによるφｄの位相遅れをもつ信号になる。次に、回転位置が多相信号の電気角で４５°の場合、前述の位相遅れφｄに多相信号の位相である４５° をプラスしたφｄ＋４５°の位相遅れをもつ信号になり、位相信号は４５°変化したことになる。すなわち、位相信号は、センサ信号の位相を表す信号になる。
位相信号φ１とφ２は、磁極検出信号生成部５へ入力され、基準信号φと位相信号φ１は位置信号生成部６へ入力される。ここでは、磁極検出信号生成部についてのみ説明する。
【００１４】
図１１は磁極検出信号生成部５のブロック図、図１２は各部の信号波形を示したものである。
図１１において、５１はフリップフロップであり、φ１の立ち上がりエッジでセットされφ２の立ち上がりエッジでリセットされる。５２はカウンタであり、セット区間（φ１の立ち上がりエッジからφ２の立ち上がりエッジまで）のクロック（ｃｋ）をカウントし、デジタルの位相差信号φ０１を生成する。５３および５４は加算器である。φ０１に対して、デジタルのバイアス信号ＢＶおよびＢＷをφ０１に加算し、図１２に示すようにφ０１に対してそれぞれ１２０°および２４０°の位相差をもつデジタル信号ＤＶおよびＤＷを生成する。ＤＵにはφ０１を使用する。加算回路の動作をＤＶの生成を例にして説明する。
【００１５】
図１３は加算器５３の詳細図であって、４ビットのバイナリ加算器を２個用いて８ビットの加算を行っている。
【００１６】
図１４は加算の動作を説明する図である。
Ｂ１〜Ｂ８はバイアス信号ＢＶで、ＤＶがＤＵに対して１２０° 遅れの信号となるよう２４０°（３６０°−１２０°＝２４０°）分に相当する信号を加えている。位相差３６０°をＦＦ（１６進表示）出力に対応させることにより、φ０１とＢＶの加算結果がＦＦを超える区間（図１４の区間２）についてもＤＵに対して１２０° 遅れの所要の信号が得られる。５５、５６、５７はデジタルコンパレータで、その出力Ｕ、Ｖ、ＷはそれぞれＤＵ、ＤＶ、ＤＷが８０（１６進表示）以上になるとＨレベルになるよう比較レベルが設定されている。Ｕ、Ｖ、Ｗは位相１８０° 点で１、０が反転するお互いに１２０° 位相の異なる２値化された信号となる。これらの信号とモータの磁極位置との関係を回転ディスクの位置調整や位相信号の位相調整によって所定の位置にあわせ、磁極検出信号として用いる。
【００１７】
したがって、スケールを構成してなる格子と、スケールと相対的に移動し、格子パターンに対応した複数組の磁気センサと、位相変調部と、磁極検出信号生成部と、位置検出信号生成部とを備えたエンコーダであって、複数組の格子パターンを等ピッチのパターンで形成すると共に、磁極検出信号は任意の格子パターン間におけるバーニア周期のピッチ数がモータの磁極対数の整数倍と等しくなるような少なくとも１組のバーニア周期を持つ１組または複数組の位相差信号を基に生成するようにしたため、スケール上に通常の位置検出用としても用いられる格子パターンと比較的ピッチの近い格子パターンを使うことで、両格子パターン間の位相差信号から磁極検出信号を生成することが可能である。また、センサを一台にして位置検出と磁極検出の両方が可能なことから、センサの設置時の調整が容易で、しかも小型・低コストのエンコーダを提供することをできる。
【００１８】
（第２の実施例）
図１５は本発明の第２の実施例を示す回転ディスクの格子パターンである。
説明を分かり易くするために角度を直線距離に変換したリニアスケールで示している。第１の実施例では格子パターン２１および２２は等ピッチのパターンを使用したが、第２の実施例では、格子パターン２１は第１実施例と同様に等ピッチの格子パターンであるが、格子パターン２２は、格子パターン２１に対し、１磁極対ピッチ内に６０°ずつ位相を変えた６つの位相差（３０°、９０°、１５０°、２１０°、２７０°、３３０°）をもつパターンとこれらの間を直線的な位相でつなぐパターンから構成されている。
図１６は両格子パターン間の位相差信号φ０１および磁極検出信号Ｕの波形を示したものである。
位相差信号φ０１は、あるビット数からなるバイナリ信号であるが、説明を分かり易くするためにＤ／Ａ変換器を通して観た波形を示している。磁極検出信号生成部は、第１の実施例の場合と同じ構成で実現できる。第１の実施例の場合に比べて、位相差１８０°点における検出感度が高くなるので、精度の高い磁極信号がつくれる。
なお、上例では、いずれも回転型モータに用いられるロータリエンコーダに対して磁極検出信号生成方法を説明したが、リニアエンコーダでも同様な磁極検出信号生成方法が可能であることは明らかである。
【００１９】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、スケールを構成してなる格子パターンと、スケールと相対的に移動し、格子パターンに対応した複数組の磁気センサと、位相変調部と、磁極検出信号生成部と、位置検出信号生成部とを備え、複数組の格子パターンは等ピッチのパターンで形成すると共に、磁極検出信号は任意の格子パターン間におけるバーニア周期のピッチ数がモータの磁極対数の整数倍と等しくなるような少なくとも１組のバーニア周期を持つ１組または複数組の位相差信号を基に生成するようにしたので、スケール上に位置検出用の格子パターンと比較的ピッチの近い格子パターンを使って、両格子パターン間の位相差信号から磁極検出信号を生成できる、また、センサを一台にして位置検出と磁極検出の両方が可能なことから、センサ設置時の調整が容易で、且つ小型で低コストのエンコーダが実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例を示すエンコーダの信号処理ブロック図
【図２】第１の実施例における検出部の構成を示す斜視図
【図３】第１の実施例における磁気センサの断面図
【図４】第１の実施例におけるＭＲ素子組の接続図
【図５】第１の実施例における回転ディスクの格子パターン図
【図６】第１の実施例に適用されるモータの磁極配置を説明する図
【図７】位相変調回路各部のブロック図
【図８】多相信号の波形図
【図９】搬送波信号および位相変調信号のタイムチャート
【図１０】位相信号のタイムチャート
【図１１】本発明の実施の形態１の磁極検出信号生成部のブロック図
【図１２】本発明の実施の形態１の磁極検出信号生成部の各部の信号波形図
【図１３】加算回路５３の詳細図
【図１４】加算の動作を説明する図
【図１５】本発明の実施の形態２に関する回転ディスクの格子パターン図
【図１６】本発明の実施の形態２の磁極検出信号生成部の各部の信号波形図
【図１７】従来の磁極信号検出方式を説明する図
【符号の説明】
１  回転ディスク
２、２１、２２  格子パターン
３、３１、３２  磁気センサ
３３  バイアス磁界用永久磁石
３４  センサケース
３５、３６  出力端子
３７、３８  電源端子
４  位相変調部
４１  多相変換部
４２  マルチプレクサ
４３  ローパスフィルタ（ＬＰＦ）
４４  コンパレータ
５  磁極検出信号生成部
５１  フリップフロップ
５２  カウンタ
５３、５４  加算器
５５、５６、５７  デジタルコンパレータ
６  位置検出信号生成部
７  発信器
８  分周器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
0004269246.tif 000016
【図１６】
0004269246.tif 000017
【図１７】
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