特許 6945914 ロータリーエンコーダ及びそれを用いた制御精度切替型サーボ制御装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】6945914

(24)【登録日】2021年9月17日

(45)【発行日】2021年10月6日

(54)【発明の名称】ロータリーエンコーダ及びそれを用いた制御精度切替型サーボ制御装置

(51)【国際特許分類】

   G01D 5/245 20060101AFI20210927BHJP

   H02P 6/16 20160101ALI20210927BHJP

【ＦＩ】

   G01D5/245 M

   H02P6/16

【請求項の数】9

【全頁数】23

(21)【出願番号】特願2021-539605(P2021-539605)

(86)(22)【出願日】2020年8月11日

(86)【国際出願番号】JP2020030540

【審査請求日】2021年7月19日

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】591013997

【氏名又は名称】株式会社 五十嵐電機製作所

(74)【代理人】

【識別番号】100060759

【弁理士】

【氏名又は名称】竹沢 荘一

(74)【代理人】

【識別番号】100083389

【弁理士】

【氏名又は名称】竹ノ内 勝

(74)【代理人】

【識別番号】100198317

【弁理士】

【氏名又は名称】横堀 芳徳

(72)【発明者】

【氏名】多田 純一

【審査官】 谷垣 圭二

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１８−１８３０３１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平５−０４５１５１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−０２１９９８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１−１５３９１０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭５８−１２１４１５（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｄ ５／００−５／２５２

Ｇ０１Ｄ ５／３９−５／６２

Ｈ０２Ｐ ６／１６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

モータの回転軸の回転・角度の情報を出力する１個のＭＲセンサユニットを備え、モータの回転・角度情報をデジタル信号として外部に出力するロータリーエンコーダであって、
前記ＭＲセンサユニットは、ホルダーを介して前記回転軸に固定される1個の平板状磁石と、前記モータに固定される基板の一方の面側でかつ前記平板状磁石に対向する位置に設けられた１対のＭＲセンサとを備え、
前記ＭＲセンサユニットは、前記回転軸の回転・角度に関して、インクリメンタル信号とアブソリュート信号を含む１組の信号を出力する機能を備えており、前記１組の信号における前記インクリメンタル信号と前記アブソリュート信号は、前記回転軸の回転・角度に関する精度が互いに異なっており、一方は中精度、他方は高精度の信号であり、
前記ロータリーエンコーダは、中・高精度アブソリュート信号生成ユニットと、中・高精度インクリメンタル信号生成ユニットとを備え、
前記中・高精度アブソリュート信号生成ユニットは、前記１組の信号に基づき、中精度のアブソリュート信号及び高精度のアブソリュート信号を生成する機能を有し、
前記中・高精度インクリメンタル信号生成ユニットは、前記１組の信号に基づき、中精度のインクリメンタル信号及び高精度のインクリメンタル信号を生成する機能を有していることを特徴とするロータリーエンコーダ。

【請求項2】

請求項１において、
前記ＭＲセンサユニットは、前記高精度のアブソリュート信号と、前記中精度のインクリメンタル信号の２系統の信号を出力する機能を備えており、
前記中・高精度アブソリュート信号生成ユニットは、
前記高精度のアブソリュート信号に含まれる角度情報と前記中精度のインクリメンタル信号に含まれる位相情報とに基づき、前記高精度のインクリメンタルＡ、Ｂ信号を生成する機能を備え、
前記中・高精度インクリメンタル信号生成ユニットは、
前記高精度のアブソリュート信号に含まれる位相情報と前記中精度のインクリメンタル信号に含まれる角度情報とに基づき、前記中精度のアブソリュートＡ、Ｂ、Ｚ信号を生成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】

請求項２において、
前記中・高精度アブソリュート信号生成ユニットは、前記中精度のアブソリュートＡ、Ｂ、Ｚ信号と、前記ＭＲセンサユニットの出力に基づく前記高精度のアブソリュートＡ、Ｂ、Ｚ信号とを出力する機能を備え、
前記中・高精度インクリメンタル信号生成ユニットは、前記高精度のインクリメンタルＡ、Ｂ信号と、前記ＭＲセンサユニットの出力に基づく前記中精度のインクリメンタルＡ、Ｂ信号とを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】

請求項１において、
エンコーダ出力制御ユニットを備え、
前記エンコーダ出力制御ユニットは、ユーザインタフェースにより設定された初期設定条件に従って、前記中・高精度アブソリュート信号生成ユニット、及び前記中・高精度インクリメンタル信号生成ユニッの出力情報を生成し不揮発性メモリに記録すると共に、予め設定された条件に従って、前記高精度のアブソリュート信号及び前記中精度のアブソリュート信号と、前記高精度のインクリメンタル信号及び前記中精度のインクリメンタル信号からなる２系統の信号を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5】

請求項４において、
前記中・高精度アブソリュート信号生成ユニット、前記中・高精度インクリメンタル信号生成ユニット、及び前記エンコーダ出力制御ユニットは、ＦＰＧＡ若しくはＡＳＩＣにより構成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6】

請求項４において、
前記平板状磁石は、外径が５．０ｍｍ〜１０．０ｍｍの磁石であり、単発着磁された一対のＮＳの磁極を有しており、
前記基板の前記１対のＭＲセンサが固定されている面とは反対側の面上で、かつ前記ＭＲセンサの背面となる位置に、複合磁性ワイヤ及びコイルを有する大バルクハウゼン効果発電モジュールが固定されており、
前記大バルクハウゼン効果発電モジュールは、外部電力の供給が失われた時に前記ロータリーエンコーダに電力を供給する機能を有し、
前記エンコーダ出力制御ユニットは、前記中精度のインクリメンタル信号と前記大バルクハウゼン効果発電モジュールで発生する２パルス／回転のパルス電流の出力を組み合わせて、バッテリレスモード情報を生成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7】

ロータリーエンコーダの出力に基づいて、モータ本体の回転を制御するモータドライバを備え、初期設定条件に従って、前記いずれか１組のモータ制御用の信号によりモータを駆動するサーボ制御装置であって、
前記ロータリーエンコーダは、請求項１に記載の前記ロータリーエンコーダであり、
前記モータドライバは、前記ロータリーエンコーダが装着されるモータの種類に応じて、前記モータ制御用の信号としてアブソリュート信号とインクリメンタル信号のいずれか一方の信号をエンコーダ出力として取得する機能を有しており、
前記モータドライバは、制御精度切替予測・制御ユニット及びモータ駆動信号生成ユニットを備えており、
前記制御精度切替予測・制御ユニットは、前記取得した前記モータ制御用のインクリメンタル信号若しくは前記モータ制御用のアブソリュート信号における、前記高精度のモータ制御用信号と前記中精度のモータ制御用信号を切り替えるタイミングを予測し、
前記モータ駆動信号生成ユニットは、運転指令に基づき、前記高精度のモータ制御用信号若しくは前記中精度のモータ制御用信号に基づくモータ駆動信号を生成することを特徴とする制御精度切替型サーボ制御装置。

【請求項8】

請求項７において、
前記制御精度切替予測・制御ユニットは、前記モータの回転数Ｎを取得し、前記運転指令と前記モータの回転数Ｎとから、前記モータの回転数が精度切替回転数Ｎｓを超える切替時点を予測し、前記切替時点が近いと判定された場合、制御の切替準備モードに移行し、
前記モータ駆動信号生成ユニットでは、前記切替準備モードにおいて、前記高精度信号と前記中精度信号を同時に生成し、前記切替時点に到達した場合、前記モータ駆動信号の出力を切り替えることを特徴とする制御精度切替型サーボ制御装置。

【請求項9】

請求項７において、
前記ロータリーエンコーダ及び前記モータドライバは、ユーザインタフェースを介して、駆動対象となる前記モータのタイプや仕様を設定可能に構成されていることを特徴とする制御精度切替型サーボ制御装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、モータの回転・角度情報をデジタル信号として外部に出力するロータリーエンコーダ、及びそれを用いたサーボ制御装置に係り、特に、モータの回転速度に応じてモータの制御信号の精度を切替えるのに適した情報を生成するロータリーエンコーダ、及びそれを用いたサーボ制御装置に関するものである。

【背景技術】

【0002】

特許文献１には、１個のＭＲセンサユニット及びブラシレスＤＣサーボモータを用い、ロータリーエンコーダの出力信号に基づいてモータを完全閉ループで高精度に制御できる、サーボ制御装置が開示されている。このようなサーボ制御装置において、高速回転時にはモータが高精度の制御信号に追従しなくなるという課題がある。

【0003】

特許文献２には、レゾルバを連結したサーボシステムにおいて、モータ速度を基準として、ＲＤコンバータの分解能を切り替え、モータ速度が一定以上になれば分解能を低く設定し、応答性を高め、モータ速度が一定以下になれば、分解能を高く設定し、位置決め精度を向上させる、発明が開示されている。
特許文献３には、ロータリーエンコーダにおいて、検出モードを、低速モードと高速モードに切り替える検出装置が開示されている。

【0004】

一方、ロータリーエンコーダでは、バッテリ電源が失われた時の対策も要求される。
特許文献４には、大バルクハウゼンジャンプを利用した電力供給部を有する光学式若しくは磁気式のエンコーダ装置が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特許第６２９１１４９号公報

【特許文献2】特表２０１０−６３２１８号公報

【特許文献3】特開２０１７−２２７４５７号公報

【特許文献4】特開２０１３−１５６２５５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

サーボ制御装置使用されるロータリーエンコーダには、モータの種類や用途に応じた種々の方式のものが知られている。
特許文献２に記載のレゾルバやＲＤコンバータは、ＭＲセンサを採用したロータリーエンコーダに比べて、構造が複雑であり、高価である。
特許文献３に記載のロータリーエンコーダは、消費電力を削減するためにセンサ素子を間欠駆動するものであり、ロボット等のサーボ制御装置には適さない。
特許文献４に記載の磁気センサは、外部電力の供給が失われた時に、測定値の保存のための電気エルネキーを供給できる。しかし、センサは、垂直要素（コンポーネント）を持つ４個のホール素子を対象としており、ホール素子と大バルクハウゼン効果発電モジュールの間に、全てのホール素子を完全に覆う偏向体が配置されている。そのため、複合磁性ワイヤは永久磁石軸から離れた位置にあり、軸方向の長さが長い大型の磁気センサとなっている。

【0007】

本発明の１つの課題は、低速回転域では高精度の位置精度を行いながら高速回転時にモータが制御信号に追従しなくなるという課題を解消する機能を備えつつ、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られる汎用性に富んだ、ロータリーエンコーダ、及びそれを用いたサーボ制御装置を提供することにある。
本発明の他の課題は、高速回転時にモータが制御信号に追従しなくなるという課題を解消する機能を備えつつ、小型で安価な、ロータリーエンコーダ、及びそれを用いたサーボ制御装置を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明の１つの態様によれば、ロータリーエンコーダは、
モータの回転軸の回転・角度の情報を出力する１個のＭＲセンサユニットを備え、モータの回転・角度情報をデジタル信号として外部に出力するロータリーエンコーダであって、
前記ＭＲセンサユニットは、ホルダーを介して前記回転軸に固定される1個の平板状磁石と、前記モータに固定される基板の一方の面側でかつ前記平板状磁石に対向する位置に設けられた１対のＭＲセンサとを備え、
前記ＭＲセンサユニットは、前記回転軸の回転・角度に関して、インクリメンタル信号とアブソリュート信号を含む１組の信号を出力する機能を備えており、前記１組の信号における前記インクリメンタル信号と前記アブソリュート信号は、前記回転軸の回転・角度に関する精度が互いに異なっており、一方は中精度、他方は高精度の信号であり、
前記ロータリーエンコーダは、中精度及び高精度のアブソリュート信号を生成する中・高精度アブソリュート信号生成ユニットと、中精度及び高精度のインクリメンタル信号を生成する中・高精度インクリメンタル信号生成ユニットとを備え、
前記中・高精度アブソリュート信号生成ユニットは、前記１組の信号に基づき、中精度のアブソリュート信号及び高精度のアブソリュート信号を生成する機能を有し、
前記中・高精度インクリメンタル信号生成ユニットは、前記１組の信号に基づき、中精度のインクリメンタル信号及び高精度のインクリメンタル信号を生成する機能を有していることを特徴とする。

【0009】

本発明によれば、低速回転域では高精度の位置精度を行いながら高速回転時にモータが制御信号に追従しなくなるという課題を解消する機能を備えつつ、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られる汎用性に富んだ、ロータリーエンコーダ、及びそれを用いたサーボ制御装置を提供することができる。

【0010】

本発明の他の態様によれば、ロータリーエンコーダの出力に基づいて、モータ本体の回転を制御するモータドライバを備え、初期設定条件に従って、前記いずれか１組のモータ制御用の信号によりモータを駆動するサーボ制御装置であって、前記モータドライバは、前記ロータリーエンコーダが装着されるモータの種類に応じて、前記モータ制御用の信号としてアブソリュート信号とインクリメンタル信号のいずれか一方の信号をエンコーダ出力として取得する機能を有しており、前記モータドライバは、制御精度切替予測・制御ユニット及びモータ駆動信号生成ユニットを備えており、前記制御精度切替予測・制御ユニットは、前記取得した前記モータ制御用のインクリメンタル信号若しくは前記モータ制御用のアブソリュート信号における、前記高精度のモータ制御用信号と前記中精度のモータ制御用信号を切り替えるタイミングを予測し、前記モータ駆動信号生成ユニットは、運転指令に基づき、前記高精度のモータ制御用信号若しくは前記中精度のモータ制御用信号に基づくモータ駆動信号を生成することを特徴とする。

【0011】

この態様によれば、本発明は、小型で安価な平板状磁石を有する汎用型の１個のＭＲセンサユニットを採用しているにも拘わらず、このＭＲセンサユニットの出力に基づき、中精度及び高精度の、アブソリュート駆動信号若しくはインクリメンタル駆動信号を生成できるため、小型で、安価なロータリーエンコーダを用いたサーボ制御装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】本発明の第１の実施例に係る、制御精度切替型サーボ制御装置の構成例を示す図である。

【図2】図１のサーボ制御装置が装着される、ブラシ付ＤＣモータの主要部の構成例を示す縦断面図である。

【図3】第１の実施例のサーボ制御装置における、ロータリーエンコーダの磁気回路の構成例を示す図である。

【図4】第１の実施例における、ロータリーエンコーダの構成例を示す図である。

【図5】第１の実施例における、ユーザインタフェースによる初期設定の入力画面の一例を示す図である。

【図6】第１の実施例における、ロータリーエンコーダの処理のフローを示す図である。

【図7】第１の実施例における、ＭＲセンサの出力とロータリーエンコーダの出力との関係の一例を示す図である。

【図8】第１の実施例における、ブラシ付きＤＣモータの制御回路及び駆動回路の構成例を示す図である。

【図9】第１の実施例における、ブラシ付きＤＣモータの制御フローの一例を示す図である。

【図10】第１の実施例における、モータ駆動信号の制御精度の切替の具体的な例を示す図である。

【図11】本発明の第２の実施例に係る、ブラシレスＤＣサーボモータの構成例を示す図である。

【図12】第２の実施例における、ブラシレスＤＣモータの制御フローの一例を示す図である。

【図13】第２の実施例における、モータ駆動信号の制御精度の切替の具体的な例を示す図である。

【図14】図１２の処理フローにおける、主バッテリの電源が正常な状態から停電した場合の、電源とロータリーエンコーダの出力信号、及び、ブラシレスＤＣモータの駆動信号の関係の一例を示す図である。

【図15】本発明の第３の実施例に係る、ステッピングサーボモータの構成例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【実施例1】

【0013】

本発明の第１の実施例に係るサーボ制御装置を、図１〜図１０を参照しながら説明する。本発明は種々のタイプのモータに適用可能であるが、以下では、本発明をブラシ付きＤＣモータに適用した例について、説明する。
図１は、本発明の第１の実施例に係る制御精度切替型サーボ制御装置１０の構成例を示す図である。
このサーボ制御装置１０は、ロータリーエンコーダ１００、電源２００、モータドライバ４００、及び、モータ本体５００で構成されている。ロータリーエンコーダ１００は、モータ本体５００の一部に装着され、モータ本体５００の回転・角度情報をデジタル信号として出力する。
ロータリーエンコーダ１００は、モータ本体５００の回転軸の回転・角度の情報を出力する１個のＭＲセンサユニット１１０、主バッテリ２１０等に電力を供給するバッテリレス対応ユニット１２０、中精度及び高精度のアブソリュート信号を生成する中・高精度アブソリュート信号生成ユニット１３０、中精度及び高精度のインクリメンタル信号を生成する中・高精度インクリメンタル信号生成ユニット１４０、予め設定された条件に従ってエンコーダの出力を制御するエンコーダ出力制御ユニット１６０、不揮発性メモリ１８０、及び、シリアル／パラレル信号送受信ユニット１９０等を備えている。

【0014】

バッテリレス対応ユニット１２０は、主バッテリの電源が失われた時に、電源２００として機能し、ロータリーエンコーダ１００に一時的に電力を供給すると共に、ユーザインタフェース３００を介して初期設定された条件に従って、モータ本体５００の回転に関する情報を生成し不揮発性メモリ１８０に記録する機能を有する。
ＭＲセンサユニット１１０は、その基本的な構成として、モータの回転軸の回転・角度に関して中精度（例えば、４Ｋパルス／回転）のインクリメンタル信号と高精度（例えば、３２Ｋパルス／回転）のアブソリュート信号の２系統の信号を、アブソリュート／インクリメンタル信号として出力する機能を備えている。
中・高精度アブソリュート信号生成ユニット１３０は、ＭＲセンサユニット１１０の１組のアブソリュート／インクリメンタル信号に基づき、１組の中精度及び高精度のアブソリュート信号を生成する機能を有する。
中・高精度インクリメンタル信号生成ユニット１４０は、ＭＲセンサユニット１１０の１組のアブソリュート／インクリメンタル信号に基づき、１組の中精度及び高精度のインクリメンタル信号を生成する機能を有する。
なお、ＭＲセンサユニット１１０の出力信号の組合わせは、上記の例に限定されるものではなく、サーボ制御装置の用途に応じて、適宜、設定すればよい。例えば、アブソリュート／インクリメンタル信号を、精度の異なる高精度、中精度、低精度の３系統の信号としても良い。また、用途によっては、アブソリュート／インクリメンタル信号に、例えば、３２Ｍパルス／回転程度の超高精度の信号が含まれていても良い。
また、本発明において、高精度と中精度、あるいは、高精度、中精度、低精度等の各精度の関係は、相対的なものであり、ロータリーエンコーダの装着対象となる各種のモータを、低速回転域と高速回転域、あるいは、低速回転域、中速回転域、高速回転域において、各々、最適に制御できるものであればよい。

【0015】

エンコーダ出力制御ユニット１６０は、ユーザインタフェース３００により設定された初期設定条件に従って、バッテリレス対応ユニット１２０、中・高精度アブソリュート信号生成ユニット１３０、及び中・高精度インクリメンタル信号生成ユニット１４０の出力情報を生成し不揮発性メモリ１８０に記録すると共に、予め設定された条件に従って、これらの信号をモータドライバ４００へ出力する機能を備えている。
ユーザインタフェース３００は、スマートフォンやタブレット端末に、所定の機能を備えたプログラムを実行する、専用のアプリケーションをインストールすることで、実現できる。ユーザインタフェース３００とロータリーエンコーダ１００やモータドライバ４００は、通信ネットワークを介して相互に通信可能に構成されている。

【0016】

電源２００は、ロータリーエンコーダ１００やモータドライバ４００に、電源ライン２３０，２４０を介して、制御された所定の、例えば５Ｖの直流電源を提供する。電源２００は、主バッテリ２１０とサブバッテリ２２０で構成されている（図４参照）。サブバッテリ２２０は、大バルクハウゼン効果よる電力を蓄え、主バッテリ２１０の電源が失われた時に、ロータリーエンコーダ１００に電力を供給する。サブバッテリ２２０で、通常運転時にもロータリーエンコーダ１００に電力を供給するように構成しても良い。いずれの場合でも、主バッテリ２１０とサブバッテリ２２０の電源ラインは、電気的には独立した２系統のラインとして構成されている。

【0017】

シリアル／パラレル信号送受信ユニット１９０は、ロータリーエンコーダ１００とモータドライバ４００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４００へ送信される。

【0018】

モータドライバ４００は、図１に示したように、御精度切替予測・制御ユニット４１０、モータ駆動信号生成ユニット４２０、バッテリレスモード対応ユニット４３０、及び、運転指令４４０を記録したメモリ等を備えており、運転指令４４０と、ロータリーエンコーダ１００の出力に基づいて、モータ本体５００の回転を制御する。
すなわち、制御精度切替予測・制御ユニット４１０は、ロータリーエンコーダ１００から出力される、高精度と中精度の２系統の信号を切り替えるタイミングを予測し、運転指令に基づいた、高精度と中精度の２系統の信号のいずれかの信号をモータ駆動信号生成ユニット４２０に供給する。モータ駆動信号生成ユニット４２０では、ロータリーエンコーダ１００の出力、運転指令４４０、及び、モータの負荷等に基づき、高精度と中精度の２系統の信号のいずれかの信号によるモータ駆動信号を生成し、モータドライバに出力する。例えば、インバータ駆動用のＰＷＭ信号を生成して、モータ５００を駆動する。モータドライバ４００は、例えば、マイクロコンピュータで実現しても良い。

【0019】

バッテリレスモード対応ユニット４３０は、ユーザインタフェース３００を介して初期設定された条件に従って、主バッテリ２１０の電源が失われた後の再起動時に、モータドライバ４００の出力を制御する機能を有する。
ユーザは、予め、モータ５００の種類や仕様に応じて、エンコーダ出力制御ユニット１６０から送られてくるどのデータを採用するかを決定し、ユーザインタフェース３００を介して、バッテリレスモード対応ユニット４３０のメモリに記録する。

【0020】

なお、図１に機能ブロックの形で示した、プログラムに基づいて動作する、バッテリレス対応ユニット１２０、中・高精度アブソリュート信号生成ユニット１３０、中・高精度インクリメンタル信号生成ユニット１４０、エンコーダ出力制御ユニット１６０、シリアル／パラレル信号送受信ユニット１９０機能の一部又は全部は、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）により構成されている。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。
ＦＰＧＡの内部構成、換言すると、バッテリレス対応ユニット１２０、中・高精度アブソリュート信号生成ユニット１３０、中・高精度インクリメンタル信号生成ユニット１４０、及びエンコーダ出力制御ユニット１６０の具体的な構成は、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、バッテリレス対応ユニット１２０、中・高精度アブソリュート信号生成ユニット１３０、中・高精度インクリメンタル信号生成ユニット１４０、及びエンコーダ出力制御ユニット１６０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。
なお、ロータリーエンコーダ１００機能をさらに豊富する必要がある場合には、バッテリレス対応ユニット１２０、中・高精度アブソリュート信号生成ユニット１３０、中・高精度インクリメンタル信号生成ユニット１４０、及びエンコーダ出力制御ユニット１６０を、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）で構成しても良い。

【0021】

図２は、図１のロータリーエンコーダ１００が装着されたブラシ付きＤＣモータ本体５００の主要部の構成例を示す、縦断面図である。この例では、ブラシ付きＤＣモータ５００の回転軸５１０の一方の端面に、ＭＲセンサユニット１１０の円形の平板状磁石１１１０が磁石ホルダー１１１５を介して固定されている。なお、回転軸５１０の他方の端には、被駆動部材が固定される。
ブラシ付きＤＣモータ５００は、モータハウジング５２０の内部に固定されたステータとして、界磁鉄心５７０とこれに絶縁部材を介して巻かれた界磁コイルとを備えている。回転軸５１０と一体に形成されたロータ５６０は、ロータヨークと、その外周部に固定された例えば８個の永久磁石５６２を有する、８極のロータである。回転軸５１０は、モータハウジング５２０とエンドブラケット５２１に設けられた１対の軸受け５３０により保持されている。
一方、磁性体からなるカップ状カバ−５２２の内側において、ロータリーエンコーダ１００を搭載した絶縁材料からなる基板１７０が、支持ピン１７２を介してエンドブラケット５２１に固定されている。この基板１７０上の、磁石１１１０に対向する位置には、１対のＭＲセンサ１１２２（１１２２Ａ，１１２２Ｂ）を含む、ＭＲセンサユニット１１０が設置されている。１５７は、磁気シールド用の磁性体の円板であり、エンドブラケット５２１に固定されている。

【0022】

図３は、ロータリーエンコーダ１００の磁気回路の構成例を示す図である。
回転軸５１０の軸芯を通る軸線Ｏ−Ｏを中心として、回転軸５１０の端面にＭＲセンサユニット１１０の円形の平板状磁石１１１０が固定されている。平板状磁石１１１０は、その直径が例えば５．０ｍｍ〜１０．０ｍｍのフェライト磁石であり、単発着磁された一対のＮＳの磁極を有している。なお、小型の平板状磁石として、フェライト磁石の代わりに、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。平板状磁石が高価になる分、ロータリーエンコーダの価格の上昇要因となるが、より多くの電力を確保できる利点がある。

【0023】

一方、電気絶縁性かつ非磁性の材料からなるプリント基板１７０は両面基板であり、その一方の面上でかつ磁石１１１０に対向する位置に、１対のＭＲセンサ１１２２が固定されている。プリント基板１７０の他方の面上で、かつＭＲセンサの背面となる位置に、複合磁性ワイヤ１５２及びコイル１５４を有する大バルクハウゼン効果発電モジュール１５０が固定されている。複合磁性ワイヤ１５２は、軸線Ｏ−Ｏを中心とし、かつ、この軸線に直交する方向に配置されている。大バルクハウゼン効果発電モジュール１５０の具体的な例として、例えば、ウィーガンドワイヤとコイルの組み合わせからなる、ウィーガンドモジュールがある。

【0024】

１対のＭＲセンサ１１２２（１１２２Ａ，１１２２Ｂ）は、回転軸５１０の回転に伴い平板状磁石１１１０の磁束Φａを感知してサイン波、コサイン波を出力する。
ロータリーエンコーダ１００は、磁気シールド１５００、すなわち、磁性体からなるカップ状カバ−５２２と、磁性体の円板１５７とで完全に囲まれており、外部から加わる磁界の影響を受けないようにシールドされている。

【0025】

１対のＭＲセンサ１１２２は、平板状磁石１１１０の水平磁場の角度を検知するように構成されている。大バルクハウゼン効果発電モジュール１５０は、ＭＲセンサに近接して平行に配置されているので、平板状磁石１１１０の回転に伴い磁束Φｂにより電力を発生させる。平板状磁石１１１０と１対のＭＲセンサ１１２２との間の空隙は、モータの変形や振動の影響を考慮して、ある程度の長さ、例えば２．０ｍｍ〜４．０ｍｍ程度を確保する必要がある。また、モータの回転等に伴う振動に耐える剛性を持たせるために、基板１７０の厚みｄｐは、例えば、０．８０ｍｍ〜１．００ｍｍ程度が必要である。

【0026】

本願の発明者は、図３に示したロータリーエンコーダ１００として、ウィーガンドモジュールと市販の安価なフェライト磁石を組み合わせたロータリーエンコーダを製作した。そして、実験により、軸線Ｏ−Ｏ方向における、ウィーガンドワイヤと平板状磁石の表面との距離を１０ｍｍ以下とすることにより、所定の期間、１０Ｖ以上の電力、適切な条件では１５Ｖの電力が得られることを確認した。なお、実験した他の条件の具体例をあげると、磁石は、材料がストロンチウムフェライト、直径が８．０ｍｍ、厚さが、２．５ｍｍであり、ウィーガンドモジュールのコイルの直径は５ｍｍであった。

【0027】

図４は、図１のロータリーエンコーダ１００における、ＭＲセンサユニット１１０、バッテリレス対応ユニット１２０、中・高精度アブソリュート信号生成ユニット１３０、中・高精度インクリメンタル信号生成ユニット１４０、及びエンコーダ出力制御ユニット１６０の具体的な構成例を示す図である。
ＭＲセンサユニット１１０は、１対のＭＲセンサ１１２２、温度センサ１１２２Ｃ、及び、センサ出力処理回路部１１２０を備えている。ＭＲセンサユニット１１０では、モータの回転軸に固定された磁石１１１０が角度θ（機械角）だけ回転して各ＭＲセンサに作用する磁界の向きが回転すると、この回転に対応して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波として変動し、回転軸の１回転毎に、各々１周期分のパルス信号が出力される。センサ出力処理回路部１１２０は、ＡＤ変換器１１１２３、軸ずれ補正処理部１１２４、ＲＡＭ等のセンサメモリ１１２５、逆正接演算処理部１１２６、アブソリュート信号生成部１１２７、インクリメンタルＡ相・Ｂ相信号生成部１１２８、及び、回転方向判定部１１２９を備えている。センサ出力処理回路部１１２０では、ＭＲセンサ１１２２ＡからのＳＩＮ波、ＭＲセンサ１１２２ＢからのＣＯＳ波のアナログ信号を量子化し、電気角の内挿処理により、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。ＭＲセンサユニット１１０は、マイクロコンピュータで実現しても良い。

【0028】

大バルクハウゼン効果発電モジュール１５０の複合磁性ワイヤ１５２は、その中心線Ｘ−Ｘが、平板状磁石１１１０のＮＳの境界（＝原点の位置Ｚ０）を通る線Ｙ−Ｙに対して、直交する関係になるようにして、基板１７０に固定される。
なお、ＭＲセンサ１１２２としては、ＧＭＲを含む磁気抵抗効果素子（ＭＲ：ＡＭＲ、ＧＭＲ、ＴＭＲ等）のいずれの素子を採用しても良い。

【0029】

アブソリュート信号生成部１１２７では、逆正接演算処理部１１２６から出力される直線状の信号（図７参照）を基に、モータの回転・角度（機械角）の絶対値を示すアブソリュート信号のデータが生成され、センサメモリ１１２５に保持される。インクリメンタルＡ相・Ｂ相信号生成部１１２８では、逆正接演算処理部１１２６から出力される直線状の信号を基に、インクリメンタル化されたＡ相信号及びＢ相信号のパルスのデータが生成され、センサメモリ１１２５に保持される。回転軸の１回転毎に現われる角度０（原点）の位置に同期して、Ｚ信号も生成される（以下、Ａ相・Ｂ相・Ｚ相信号）。なお、ＭＲセンサ１１２２の原点の位置（Ｚ０）は、モータの回転軸に固定された磁石１１１０上の特定の位置、例えば、ＳＩＮ波のアナログ出力値が０の時点に対応する位置である（図７参照）。回転方向判定部１１２９では、Ａ相とＢ相の位相の関係から、回転軸の回転方向を判定する。これらの情報は、時系列データとして、不揮発性メモリ１８０のＭＲセンサデータ記録部に記録される。

【0030】

バッテリレス対応ユニット１２０は、コイル出力の電流検知部１２１０、コイル出力の整流・電圧制御・蓄電部１２２０、及び、角度情報処理部１２３０を有する。角度情報処理部１２３０は、軸の回転数・回転方向検出部１２３２、初期設定部１２３４、多回転信号生成処理部１２３５、バッテリレスモード判定部１２３６、及び、バッテリレスモード情報生成部１２３８を有する。

【0031】

コイル出力の電流検知部１２１０は、磁石１１１０の回転に伴い１８０度毎に１回だけ、大バルクハウゼン効果発電モジュールで発生するパルス電流（コイルのパルス）を検知する機能を有し、軸の回転数・回転方向検出部１２３２で、軸の回転数及び回転方向のデータを生成し、これを受けて、多回転信号生成処理部１２３５において、軸の多回転情報を生成する機能を備えている。コイル出力の整流・電圧制御・蓄電部１２２０は、パルス電流を全波整流し、電圧を所定の基準電圧Ｖｃｃ、例えば５Ｖに制御し、サブバッテリ２２０に蓄電する機能を有している。

【0032】

バッテリレスモード判定部１２３６は、主バッテリ２１０及びサブバッテリ２２０の電圧を検知し、主バッテリ２１０の電圧が基準電圧Ｖｃｃよりも低下した場合、バッテリレスモードと判定する。バッテリレスモード情報生成部１２３８は、バッテリレスモードの判定に基づき、サブバッテリ２２０から電力の供給を受けて、バッテリレスモード時におけるロータリーエンコーダ１００の出力に関する所定の情報を生成し、不揮発性メモリ１８０に記録する。

【0033】

中・高精度アブソリュート信号生成ユニット１３０は、高精度アブソリュート信号生成部１３１０と中精度アブソリュート信号生成部１３２０を備えている。
中・高精度インクリメンタル信号生成ユニット１４０は、高精度インクリメンタル信号生成部１４１０と中精度インクリメンタル信号生成部１４２０を備えている。

【0034】

エンコーダ出力制御ユニット１６０は、バッテリレス時初期設定部１６１０、電源状態判定部１６２０、バッテリレス時出力生成部１６３０、及び、通常時出力生成部１６４０を備えている。
バッテリレス時初期設定部１６１０は、ユーザインタフェース３００を介して、ユーザによる、バッテリレスモード時におけるロータリーエンコーダ１００の出力条件の設定を受け付ける機能を有する。
バッテリレス時出力生成部１６３０では、サブバッテリ２２０の電力が正常な範囲内で、初期設定条件に従って、ＭＲセンサユニット１１０からの例えば４Ｋパルス／回転のインクリメンタル値の出力と、大バルクハウゼン効果発電モジュールで発生する２パルス／回転のパルス電流の出力を、バッテリレスモード情報として生成し、不揮発性メモリ１８０に記録する。
通常時出力生成部１６４０は、バッテリ電源が正常な通常時における、ロータリーエンコーダ１００の出力を制御するものであり、この制御は、ユーザにより初期設定された条件に従って実行される。

【0035】

図５は、ユーザインタフェース３００により、ロータリーエンコーダ１００やモータドライバ４００に対して初期設定を行うための、入力画面３００１、３００２の一例を示す図である。ユーザは、ユーザインタフェース３００を介して、ロータリーエンコーダ１００のバッテリレス対応ユニット１２０、中・高精度アブソリュート信号生成ユニット１３０、中・高精度インクリメンタル信号生成ユニット１４０、エンコーダ出力制御ユニット１６０、及びモータドライバ４００に対して、通常運転時におけるロータリーエンコーダの出力条件や、バッテリレスモード時において、記録すべき情報、処理あるいは実行すべき条件を設定できる。

【0036】

例えば、通常運転モードに関して、初期設定画面３００１により、以下のような条件を選択して、ロータリーエンコーダ１００やモータドライバ４００に設定する。
（１）高精度信号と中精度信号等を切り替えるモータの精度切替回転数Ｎｓは、何ｒｐｍか。
（２）アブソリュート信号やインクリメンタル信号は、高精度信号と中精度信号等に関して、どのような精度（パルス／回転）で出力すべきか。
（３）インクリメンタル信号の場合には、Ｕ，Ｖ，Ｗ相の有無とそのパルス数等。
（４）駆動対象となるモータのタイプや仕様等。
さらに、バッテリレスモードに関して、初期設定画面３００２により、以下のようなものを設定する。
（１）アブソリュート信号、インクリメンタル信号、及び、ウィーガンドモジュール信号は、各々、どのような条件（パルス／回転、回転方向）で出力すべきか。
（２）インクリメンタル信号に関しては、Ｕ，Ｖ，Ｗ相の有無とそのパルス数等。
（３）回転軸の角度情報を記録すべき記録期間の長さ。
（４）再起動の条件はどのようにするか。
ロータリーエンコーダ１００やモータドライバ４００に、このような、初期設定機能を付与することで、小型で安価な平板状磁石を有するＭＲセンサユニットを採用しつつ、バッテリレス時には、限られた電力を有効に活用し、次回モータが起動される際に必要・十分な情報を適切に記録できる。

【0037】

図６は、第１の実施例における、ロータリーエンコーダ１００の処理のフローを示す図である。
最初に、ユーザインタフェース３００により設定された、ロータリーエンコーダ１００の機能に関する、初期設定条件を取得する（Ｓ６００）。ここでは、高精度信号は、３２Ｋパルス／回転のインクリメンタル信号とアブソリュート信号が設定され、中精度信号は、４Ｋパルス／回転のインクリメンタル信号とアブソリュート信号が設定されたものとする。また、バッテリレスモードでは、記録期間の長さＣｎｓ＝５０回転まで、ロータリーエンコーダの動作状態を記録するように、初期設定されたものと仮定する。
次に、エンコーダ出力制御ユニット１６０が、主バッテリ２１０の電圧値を取得し（Ｓ６０２）、主バッテリの電圧が正常か否かを判定する。主バッテリの電圧値が正常の場合（Ｓ６０４でＹＥＳ）、ＭＲセンサユニットから中精度すなわち４Ｋパルス／回転のインクリメンタルＡ，Ｂ信号を取得し（Ｓ６０６）、さらに、高精度すなわち３２Ｋパルス／回転のアブソリュートＡ，Ｂ，Ｚ信号を取得する（Ｓ６０８）。
次に、中・高精度インクリメンタル信号生成ユニット１４０において、インクリメンタル信号の位相情報とアブソリュート信号の角度情報とから、４Ｋパルス／回転及び３２Ｋパルス／回転のインクリメンタル信号を生成し、不揮発性メモリに記録する（Ｓ６１０）。さらに、中・高精度アブソリュート信号生成ユニット１３０において、インクリメンタル信号の角度情報とアブソリュート信号の位相情報とから、４Ｋパルス／回転及び３２Ｋパルス／回転のアブソリュート信号を生成し、不揮発性メモリに記録する（Ｓ６１２）。

【0038】

ここで、Ｓ６０６〜Ｓ６１２における、ＭＲセンサユニット１１０の出力と、中・高精度アブソリュート信号生成ユニット１３０及び中・高精度インクリメンタル信号生成ユニット１４０の出力の関係を、図７を参照して、より詳細に説明する。
ＭＲセンサユニット１１０では、Ａ相、Ｂ相のデジタル信号から、逆正接演算の結果、回転軸の１回転毎の角度０（＝３６０度）の位置に同期して、４Ｋパルス／回転のインクリメンタル値が直線状に増減を繰り返す直角三角形状の信号が生成される。そして、各Ａ相・Ｂ相信号の累積加算値は、次に、回転軸の１回転毎（３６０度毎）の累積加算値に変換され、さらにＥＥＰＲＯＭのアドレスが付与されて、中精度すなわち４Ｋパルス／回転のインクリメンタル信号が生成される（図７（Ａ））。
ＭＲセンサユニット１１０では、この４Ｋパルス／回転のインクリメンタル値がさらに３２Ｋパルス／回転に多分割され、これに回転軸の原点Ｚ０を基準にしたＺ相信号を組み合わせ、さらにＥＥＰＲＯＭのアドレスが付与されて、高精度すなわち３２Ｋパルス／回転のアブソリュート信号が生成される（図７（Ｂ））。

【0039】

ロータリーエンコーダ１００では、これらの出力を基に、中・高精度インクリメンタル信号生成ユニット１４０において、４Ｋパルス／回転のインクリメンタル信号に含まれるＡ、Ｂ相の位相情報と３２Ｋパルス／回転のアブソリュート信号に含まれる角度情報とに基づき、高精度すなわち３２Ｋパルス／回転のインクリメンタル信号（図７の（ａ２））が生成される。また、中・高精度アブソリュート信号生成ユニット１３０において、中精度すなわち４Ｋパルス／回転のインクリメンタル信号に含まれる角度情報と３２Ｋパルス／回転のアブソリュート信号に含まれるＡ，Ｂ，Ｚ相の位相情報とに基づき、中精度すなわち４Ｋパルス／回転のアブソリュート信号が生成される（図７の（ｂ１））。
このようにして、中・高精度インクリメンタル信号生成ユニット１４０において、中精度のインクリメンタル信号（図７の（ａ１））と高精度のインクリメンタル信号（図７の（ａ２））が生成され、中・高精度アブソリュート信号生成ユニット１３０において、中精度のアブソリュート信号（図７の（ｂ１））と高精度のアブソリュート信号（図７の（ｂ２））とが生成される。

【0040】

図６に戻り、バッテリレス対応ユニット１２０から、パルス電流に基づく軸の回転数、回転方向のデータを取得して、不揮発性メモリ１８０に記録する（Ｓ６１４）。
すなわち、図７に（Ｃ）として示したように、バッテリレス対応ユニット１２０では、大バルクハウゼン効果発電モジュール１５０の出力に基づく、２パルス／回転の信号も生成される。

【0041】

図６において、主バッテリの電圧値が異常である場合（Ｓ６０４でＮＯ）は、バッテリレスモードを開始する（Ｓ６２０）。まず、初期設定された所定の計測回転数Ｃｎｓを取得する（Ｓ６２２）。次に、ＭＲセンサユニット１１０から、インクリメンタル信号及びアブソリュート信号を取得する（Ｓ６２４）。そして、４Ｋパルス／回転のインクリメンタル信号及びアブソリュート信号を生成し、不揮発性メモリに記録する（Ｓ６２６）。さらに、コイルの出力電流の有無により、軸５１０の回転停止を判定する（Ｓ６２８）。軸５１０が回転を停止していない場合には、回転数の計測回転数Ｃｎを取得し、このＣｎを所定の計測回転数Ｃｎｓと比較する（Ｓ６３２）。計測回転数Ｃｎが所定の計測回転数Ｃｎｓ＝５０回転に達していたら、バッテリレスモード情報を作成し（Ｓ６３４）、その情報を不揮発性メモリ１８０に記録し（Ｓ６３６）、処理を終了する。軸５１０が回転停止していた場合（Ｓ６３０でＹＥＳ）も、バッテリレスモード情報の作成（Ｓ６３４）に進む。軸５１０の回転数が所定の計測回転数Ｃｎｓに達していない場合（Ｓ６３２でＮＯ）には、Ｓ６２４に戻る。

【0042】

図８は、第１の実施例における、ブラシ付きＤＣサーボモータ５００の駆動回路の構成例を示す図である。ＤＣモータの駆動回路は、モータドライバ４００と、ＰＷＭ駆動回路４５０と、トランジスタから成る４つのスイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４をＨ形に組んだＨブリッジ回路とを備えている。第１のスイッチング素子ＳＷ１は、一端が直流モータの一方のブラシ５６５Ａに接続され他端が直流電源（Ｖｃｃ）に接続され、第２のスイッチング素子ＳＷ２は、一端が直流モータの他方のブラシ５６５Ｂに接続され他端が直流電源（Ｖｃｃ）に接続されている。第３のスイッチング素子ＳＷ３は、一端が直流モータの一方のブラシ５６５Ａに接続され他端が接地され、第４のスイッチング素子ＳＷ４は、一端が直流モータの他方のブラシ５６５Ｂに接続され他端が接地されている。
モータドライバ４００の制御精度切替予測・制御ユニット４１０は、切替時点予測部４１２、切替準備制御部４１４、切替実行部４１６を備えている。モータ駆動信号生成ユニット４２０は、高速用のインクリメンタルモータ制御信号を生成する中精度駆動信号生成部４２２と、低速用のインクリメンタルモータ制御信号を生成する高精度駆動信号生成部４２４とを備えている。
ＰＷＭ駆動回路４５０では、モータ駆動信号生成ユニット４２０で生成された低速用若しくは高速用のインクリメンタルモータ制御信号に基づき、ＰＷＭ信号が生成され、このＰＷＭ信号が各スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４のベースに入力されて、モータ５００の回転が制御される。ブラシ付きＤＣモータの回転速度は、ＰＷＭ信号のオン期間のデューティ比により任意に制御できる。

【0043】

次に、図９は、第１の実施例における、ブラシ付きＤＣモータ５００のドライバ４００の処理フローを示す図である。
最初に、運転指令のデータを取得する（Ｓ９０２）。ここでは、精度切替回転数Ｎｓは、±４０ｒｐｍに設定されているものとする。不揮発性メモリから、バッテリレスモード情報を取得し（Ｓ９０４）、バッテリレスモード時にモータが回転していた場合（Ｓ９０６でＹＥＳ）、バッテリレスモードにおけるモータの回転のデータを取得し（Ｓ９０８）、運転指令の初期データを、バッテリレスモード情報で補正する（Ｓ９０９）。
運転指令の初期データが補正された後、若しくは、バッテリレスモード時にモータが回転していなかった場合、モータ駆動信号生成ユニット４２０の高精度駆動信号生成部４２４が起動され、３２Ｋパルス／回転の高精度インクリメンタル駆動信号が生成される。すなわち、ブラシ付きＤＣモータ５００はインクリメンタル信号で駆動されるので、高精度駆動信号生成部４２４が高精度のインクリメンタル信号を、ロータリーエンコーダ１００から取得する（Ｓ９１０）。そして、運転指令とエンコーダで生成された高精度のインクリメンタル信号に基づき、３２Ｋパルス／回転のモータ駆動信号を生成し、ＰＷＭ駆動回路４５０へ出力し、モータを制御する（Ｓ９１２）。

【0044】

切替時点予測部４１２では、次に、モータの回転数Ｎを取得し（Ｓ９１４）、更に、運転指令とモータ回転数Ｎとから、モータの回転数が精度切替回転数Ｎｓを超える切替時点を予測する（Ｓ９１６）。切替時点が近くない場合（Ｓ９１８でＮＯ）、運転終了か否かを判定し、終了であれば（Ｓ９２０でＹＥＳ）運転を停止する（Ｓ９２２）。
切替時点が近いと判定された場合（Ｓ９１８でＹＥＳ）、例えば、モータの回転数と精度切替回転数Ｎｓとの差が２０ｒｐｍ以内でかつ回転数が切替時点に向かって増加する指令である場合、切替準備制御部４１４は、「制御の切替準備」モードとなり（Ｓ９２４）、高精度インクリメンタル信号生成部１４１０に加えて、中精度インクリメンタル信号生成部１４２０も動作を開始し、４Ｋパルス／回転の中精度のモータ駆動信号を生成する。切替時点に到達した場合（Ｓ９２６でＹＥＳ）、切替実行部４１６では、中精度のモータ駆動信号をＰＷＭ駆動回路４５０へ出力してモータを制御すると共に、高精度のモータ駆動信号の出力を停止する（Ｓ９２８）。モータの回転数がさらに高くなった場合には、「制御の切替準備」モードが解除され、高精度インクリメンタル信号生成部１４１０における高精度のモータ駆動信号の生成は停止される。
切替準備制御部４１４及び切替実行部４１６は、中精度のモータ駆動信号から高精度のモータ駆動信号への切替についても、同様に、「制御の切替準備」モードを介在させた制御を行う。すなわち、モータの回転数が精度切替回転数Ｎｓ以下になったら、高精度のモータ駆動信号をＰＷＭ駆動回路４５０へ出力してモータを制御すると共に、中精度のモータ駆動信号の出力を停止する（Ｓ９３０〜Ｓ９３８〜Ｓ９１２）

【0045】

図１０は、第１の実施例における、モータ駆動信号の精度切替の具体的な例を示す図である。モータの回転数Ｎが、精度切替回転数Ｎｓ、ここでは±４０ｒｐｍの近傍にある場合、切替準備制御部４１４が「制御の切替準備」モードとなり、モータ駆動信号生成ユニット４２０の中精度駆動信号生成部４２２と高精度駆動信号生成部４２４の双方が起動され、３２Ｋパルス／回転の高精度インクリメンタル駆動信号と４Ｋパルス／回転の中精度インクリメンタル駆動信号の双方が生成される。
そして、モータの回転数Ｎが±４０ｒｐｍ以内の場合、切替実行部４１６により、高精度のＰＷＭ信号がＰＷＭ駆動回路４５０へ出力され、モータの回転数Ｎが±４０ｒｐｍ以外の場合、切替実行部４１６により、中精度のＰＷＭ信号がＰＷＭ駆動回路４５０へ出力される。

【0046】

このように、本実施例によれば、低速回転域では高精度インクリメンタル駆動信号でモータを制御し、高速域では中精度のインクリメンタル駆動信号でモータを制御するので、低速回転域では高精度の位置精度を行いつつ、高速回転時にモータが制御信号に追従しなくなるという課題を解消することができる。ロータリーエンコーダは、インクリメンタル／アブソリュート兼用のため、汎用性に富んでいる。また、小型で安価な平板状磁石を有する汎用型の１個のＭＲセンサユニットを採用しているにも拘わらず、ＭＲセンサユニットの出力に基づき中精度駆動信号及び高精度駆動信号を生成できるため、小型で、安価なロータリーエンコーダ、及びそれを用いたサーボ制御装置を提供することができる。
また、本実施例によれば、ロータリーエンコーダやモータドライバが初期設定機能を有しているので、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られる小型で汎用性に富んだ、ロータリーエンコーダ、及びそれを用いたサーボ制御装置を提供することができる。

【実施例2】

【0047】

次に、本発明をブラシレスＤＣモータに適用した、第２の実施例について、図１１〜図１４を参照しながら説明する。
図１１は、第２の実施例に係る、ブラシレスＤＣサーボモータの構成例を示す図である。ブラシレスＤＣモータ５００は、モータハウジング５２０の内部に固定されたステータとして、界磁鉄心５４１とこれに絶縁部材を介して巻かれた界磁コイル５４２とを備えている。回転軸５１０と一体に形成されたロータ５４３は、ロータヨークと、その外周部に固定された例えば８個の永久磁石を有する、８極のロータである。回転軸５１０は、モータハウジング５２０に設けられた１対の軸受け５３０により保持されている。
このブラシレスＤＣサーボモータも、第１の実施例で説明したものと同様の構成の、ロータリーエンコーダ１００、電源２００、ユーザインタフェース３００、モータドライバ４００を備えている。
ブラシレスＤＣモータ５００は、そのステータを構成する各相の界磁コイル群として、Ｕ１，Ｕ２，Ｕ３の界磁コイルが直列に、Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３の界磁コイルが直列に、Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３のコイルが直列に、各々結線されている。これらの３つの界磁コイル群は、各々の一端が中性点で接続されている。

【0048】

モータドライバ４００のモータ駆動信号生成ユニット４２０は、通常運転モードにおいて、運転指令４４０と、モータ制御信号（iu, iv, iw）を基に生成された制御信号と、ロータリーエンコーダ１００からのＡ相・Ｂ相・Ｚ相に関するシリアル／パラレル信号に基づいて、インバータを駆動し、ブラシレスＤＣモータ５００の運転、例えば正弦波駆動を継続する。

【0049】

次に、図１２は、第２の実施例における、ブラシレスＤＣモータ５００のドライバ４００の処理フローを示す図である。
最初に、運転指令のデータを取得する（Ｓ１２０２）。ここでも、精度切替回転数Ｎｓは、±４０ｒｐｍに設定されているものと仮定する。また、不揮発性メモリから、バッテリレスモード情報を取得し、必要な処理を行う（Ｓ１２０４〜Ｓ１２０９）。
運転指令の初期データが補正された後、若しくは、バッテリレスモード時にモータが回転していなかった場合、モータ駆動信号生成ユニット４２０の高精度駆動信号生成部４２４が起動され、３２Ｋパルス／回転の高精度アブソリュート駆動信号が生成される。
すなわち、ブラシレスＤＣモータ５００はアブソリュート信号で駆動されるので、高精度駆動信号生成部４２４が高精度のアブソリュート信号を、ロータリーエンコーダ１００から取得する（Ｓ１２１０）。そして、運転指令とエンコーダで生成された高精度のアブソリュート信号に基づき、３２Ｋパルス／回転のモータ駆動信号を生成し、ＰＷＭ駆動回路へ出力し、モータを制御する（Ｓ１２１２）。
切替時点が近いと判定された場合（Ｓ１２１８でＹＥＳ）、切替準備制御部４１４は、「制御の切替準備」モードとなり（Ｓ１２２４）、高精度アブソリュート信号生成部１３１０に加えて、中精度アブソリュート信号生成部１３２０も動作を開始する。切替時点に到達した場合（Ｓ１２２６でＹＥＳ）、切替実行部４１６では、中精度のアブソリュート駆動信号をモータドライバへ出力してモータを制御し、モータの回転数がさらに高くなった場合には、「制御の切替準備」モードが解除され、高精度アブソリュート信号生成部１３１０における高精度のモータ駆動信号の生成は停止される。
中精度のモータ駆動信号から高精度のモータ駆動信号への切替についても、同様に、「制御の切替準備」モードを介在させた制御を行う（Ｓ１２３０〜Ｓ１２３８〜Ｓ１２１２）

【0050】

図１３は、第２の実施例における、モータ駆動信号の精度切替の具体的な例を示す図である。ブラシレスＤＣモータは、３２Ｋパルス／回転の高精度アブソリュート駆動信号で起動される。そして、モータの回転数Ｎが、精度切替回転数Ｎｓの近傍にある場合、切替準備制御部４１４が「制御の切替準備」モードとなり、モータ駆動信号生成ユニット４２０の中精度駆動信号生成部４２２と高精度駆動信号生成部４２４の双方が起動され、３２Ｋパルス／回転の高精度アブソリュート駆動信号と４Ｋパルス／回転の中精度のアブソリュート駆動信号の双方が生成される。そして、モータの回転数Ｎがさらに高くなると、中精度の駆動信号に基づくＰＷＭ信号がＰＷＭ駆動回路４５０へ出力される。

【0051】

次に、図１４は、ブラシレスＤＣモータの運転中に停電が発生した場合の、電源２００とロータリーエンコーダ１００の出力信号と、ブラシレスＤＣモータ５００の駆動信号の関係の一例を示す図である。
電源が正常な場合、図１４の（ｂ）に示したように、エンコーダ出力は、ＭＲセンサユニット１１０から出力される３２Ｋパルス／回転のＡ，Ｂ，Ｚアブソリュート信号と、これらの信号に基づいて生成される「（ｂ１）モータ駆動信号」、すなわち、Ｚ相、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の各信号を含んだ、中精度・高精度信号となっている。この例では、最初のＵ相信号の立ち上がりと、最初のＡ相信号の立ち上がりが、マグネット原点位置（Ｚ_０）に同期しており、さらに、回転軸１３の１回転３６０°（機械角）毎に、Ｚ相信号が設定されている。
一方、停電が発生した場合、図１４の（ａ）電源電圧に示したように、多回転アブソリュート信号の出力（ｂ１）は停止される。「そして、（ｂ２）パルスカウント／ＭＲセンサ」として示すように、バッテリレスモードに移行し、初期設定条件に基づき、コイル出力からのパルス数と回転方向、ＭＲセンサユニットのアブソリュート／アブソリュート信号のいずれかの信号が、中精度信号として出力される。さらに、計測回転数Ｃｎが所定の計測回転数Ｃｎｓに達したら、パルスカウント／ＭＲセンサの機能が停止する。
この停電が発生した場合のバッテリレスモード情報は、不揮発性メモリに記録され、次回の運転開始度に取得される。

【0052】

このように、本実施例によれば、低速域では高精度駆動信号でモータを制御し、高速域では中精度の駆動信号でモータを制御するので、低速回転域では高精度の位置精度を行いつつ、高速回転時にモータが制御信号に追従しなくなるという課題を解消することができる。ロータリーエンコーダは、インクリメンタル／アブソリュート兼用のため、汎用性に富んでいる。また、小型で安価な平板状磁石を有する汎用型の１個のＭＲセンサユニットを採用しているにも拘わらず、ＭＲセンサユニットの出力に基づき中精度駆動信号及び高精度駆動信号を生成できるため、小型で、安価なロータリーエンコーダ、及びそれを用いたサーボ制御装置を提供することができる。
また、本実施例によれば、ロータリーエンコーダやモータドライバが初期設定機能を有しているので、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られる小型で汎用性に富んだ、ロータリーエンコーダ、及びそれを用いたサーボ制御装置を提供することができる。

【実施例3】

【0053】

図１５は、本発明の第３の実施例に係る、ステッピングサーボモータの構成例を示す図である。このステッピングサーボモータは、第１の実施例で説明したものと同様の構成の、ロータリーエンコーダ１００、電源２００、ユーザインタフェース３００、及び、モータドライバ４００を備えている。
モータ５００は、２相ＰＭ型ステッピングモータであり、回転軸５１０と一体のロータ５８０と、モータハウジング５２０内に収容されたステータコア５９２とを備えている。回転軸５１０は、左右のエンドブラケット５２１、５２４に設けられた１対の軸受け５３０により保持されている。ロータ５８０は、ロータ磁石５８２を備えている。ステータコア５９２は、円周方向に等角度間隔で配置され、ロータ５８０に対向する極歯５９５を有する、第１群の突極（Ａ相用突極）５９４Ａと第２群の突極（Ｂ相用突極）５９４Ｂからなる１６個の突極と、これらの突極に巻回された、第１相のステータコイル（Ａ相用ステータコイル）５９６Ａと、第２相のステータコイル（Ｂ相用ステータコイル）５９６Ｂとを備えている。
ロータリーエンコーダ１００は、実施例１のロータリーエンコーダ１００と同様に、１個のＭＲセンサユニット１１０、バッテリレス対応ユニット１２０、中・高精度アブソリュート信号生成ユニット１３０、中・高精度インクリメンタル信号生成ユニット１４０、エンコーダ出力制御ユニット１６０、不揮発性メモリ１８０、及び、シリアル／パラレル信号送受信ユニット１９０を備えている。回転軸５１０の一端に、1個の平板状磁石１１１０が固定されている。エンドブラケット５２１に固定された基板１７０上の対向する位置に、１対のＭＲセンサ１１２２Ａ，１１２２Ｂや、1個の大バルクハウゼン効果発電モジュール１５０が固定されている。

【0054】

ステッピングサーボモータの起動に伴い、モータ駆動信号生成ユニット４２０の高精度駆動信号生成部４２４が起動され、３２Ｋパルス／回転の高精度インクリメンタル駆動信号が生成される。すなわち、ステッピングサーボモータは、第１の実施例のブラシ付きＤＣモータと同様に、インクリメンタル信号で駆動される。そのため、高精度駆動信号生成部４２４は高精度のインクリメンタル信号を、ロータリーエンコーダ１００から取得する。ドライバ４００のモータ駆動信号生成ユニットは、モータ制御信号、すなわち、Ａ相用ステータコイル５９６Ａ、Ｂ相用ステータコイル５９６Ｂに印加する駆動波形の位相カウント情報を決定し、ＰＷＭ駆動回路に位相カウント情報に対応するＰＷＭ指令値を送る。ＰＷＭ駆動回路はこのＰＷＭ指令値に応じて、ステッピングモータのＡ相用ステータコイル５９６Ａ、Ｂ相用ステータコイル５９６Ｂに電圧を印加し、これによってロータ磁石５８２が回転する。

【0055】

ステッピングモータのモータドライバ４００は、第１の実施例に関して図１０を参照して説明したように、３２Ｋパルス／回転のインクリメンタル高精度駆動信号で駆動を開始する。そして、モータの回転数Ｎが、精度切替回転数Ｎｓの近傍にある場合、切替準備制御部４１４が「制御の切替準備」モードとなる。そのため、モータ駆動信号生成ユニット４２０の中精度駆動信号生成部４２２と高精度駆動信号生成部４２４の双方が起動され、３２Ｋパルス／回転の高精度インクリメンタル駆動信号と４Ｋパルス／回転の中精度インクリメンタル駆動信号の双方が生成される。そして、モータの回転数Ｎが±４０ｒｐｍ以内の場合、切替実行部４１６により、高精度のＰＷＭ信号がＰＷＭ駆動回路へ出力され、モータの回転数Ｎが±４０ｒｐｍ以外の場合、切替実行部４１６により、中精度のＰＷＭ信号がＰＷＭ駆動回路へ出力される。

【0056】

本実施例においても、低速域では高精度駆動信号でステッピングモータを制御し、高速域では中精度の駆動信号でステッピングモータを制御するので、高速回転時にステッピングモータが制御信号に追従しなくなるという課題を解消することができる。ロータリーエンコーダは、インクリメンタル／アブソリュート兼用のため、汎用性に富んでいる。また、小型で安価な平板状磁石を有する汎用型の１個のＭＲセンサユニットを採用しているにも拘わらず、ＭＲセンサユニットの出力に基づき中精度駆動信号及び高精度駆動信号を生成できるため、小型で、安価なロータリーエンコーダ、及びそれを用いたステッピングサーボモータを提供することができる。
また、本実施例によれば、ロータリーエンコーダやモータドライバが初期設定機能を有しているので、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られる、小型で汎用性に富んだ、ロータリーエンコーダ、及びそれを用いたステッピングサーボモータを提供することができる。

【0057】

本発明は、上記実施例で述べた種類のモータ以外の、種々のモータにも適用できる。例えば、同期型モータ、誘導モータ等、種々のモータに広く適用できる。また、これらのモータを用いたサーボ制御装置にも適用できる。

【符号の説明】

【0058】

１０ サーボ制御装置
１００ ロータリーエンコーダ
１１０ ＭＲセンサユニット
１１１０ 平板状磁石
１１２２ ＭＲセンサ
１２０ バッテリレス対応ユニット
１３０ 中・高精度アブソリュート信号生成ユニット
１３１０ 高精度アブソリュート信号生成部
１３２０ 中精度アブソリュート信号生成部
１４０ 中・高精度インクリメンタル信号生成ユニット
１４１０ 高精度インクリメンタル信号生成部
１４２０ 中精度インクリメンタル信号生成部
１５０ 大バルクハウゼン効果発電モジュール
１５２ 複合磁性ワイヤ
１５４ コイル
１５７ 磁性体円板
１６０ エンコーダ出力制御ユニット
１７０ 基板
１８０ 不揮発性メモリ
２００ 電源
２１０ 主バッテリ
２２０ サブバッテリ
３００ ユーザインタフェース
４００ モータドライバ
４１０ 制御精度切替予測・制御ユニット
４２０ モータ駆動信号生成ユニット
４３０ バッテリレスモード対応ユニット
４４０ 運転指令
５００ モータ本体
５１０ モータの回転軸
５２０ モータハウジング
５３０ 軸受

【要約】

モータが、低速回転域で高精度の位置精度を行う場合、高速回転時に制御信号に追従しなくなるという課題を解消する。
ＭＲセンサユニットを備えたロータリーエンコーダであって、このＭＲセンサユニットは、回転軸の回転・角度に関する精度が互いに異なるアブソリュート信号とインクリメンタル信号とからなる１組の信号を出力する機能を備え、前記ロータリーエンコーダは、前記１組の信号に基づき、高精度及び中精度のアブソリュート信号と、高精度及び中精度のインクリメンタル信号を生成し、モータ制御用アブソリュート信号及びモータ制御用インクリメンタル信号として出力する機能を備えている。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】