JP2548726B2

JP2548726B2 - 回転角検出装置

Info

Publication number: JP2548726B2
Application number: JP62126147A
Authority: JP
Inventors: 忠男米田
Original assignee: NTN Toyo Bearing Co Ltd
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 1987-05-22
Filing date: 1987-05-22
Publication date: 1996-10-30
Anticipated expiration: 2011-10-30
Also published as: JPS63290915A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕この発明は、各種電気機械、機器のサーボシステムに
おいて回転部の回転角あるいは位相角の検出、フィード
バックのためにサーボモータ等に取付けて使用される回
転角検出装置に関し、特に絶対角の検出が可能な回転角
検出装置に関する。

〔従来の技術と問題点〕

上記のような回転角検出装置としては、光電式アブソ
リュートエンコーダやシンクロ、レゾルバ、マイクロシ
ン等の誘導型検出装置があるが、光電式アブソリュート
エンコーダは、高分解能を確保するためにはコードディ
スクのコードパターンが複雑になるなど、製作に高度の
技術が必要で、それだけ高価になる一方、従来の誘導型
回転角検出装置では、最近の精密制御技術で要求される
精度、分解能が得難く、また部品の小型化、軽量化が求
められている今日、巻線を含めて機械的構造が複雑で、
装置が嵩張りかつ重いという問題があった。

この発明は、上記の事情に鑑みなされたもので、その
目的は小型、軽量で高精度を達成することができ、さら
に高分解能を達成することが可能な安価な回転角検出装
置を提供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

上記の問題点を解決するためになされたこの発明の回
転角検出装置は、まず周をｎ等分（ｎは３以上の整数）
した各等分点Pi（ｉ＝0,……,n−１）にそれぞれビット
情報を担うビット情報ターゲットBi（ｉ＝0,……,n−
１）を設けたロータと、上記ロータのビット情報ターゲ
ットBiのビット情報をそれぞれ検出する上記の10進数ｎ
−１の２進数表示の桁数以上のｍ個（ｍは２以上の整
数）のビット情報検出部Sj（ｊ＝0,……,m−１）を設け
たステータとを具備し、かつ上記ロータのビット情報タ
ーゲットBiの情報は、上記ロータの回転によって上記ス
テータ情報検出部Sjで検出されるｎ個のｍビットのデー
タがすべて互いに異なるように設けた回転角検出装置に
おいて、上記ロータが回転時に取る上記ｎ個の２値デー
タにそれぞれ対応するｎ個の絶対角を検出するようにし
たものである。

さらに、この発明は、上記の回転角検出装置と、これ
により検出される各絶対角を基準点とする上記のロータ
とステータとの間の相対角を検出する相対角検出装置と
を具備してロータの絶対角を高分解能で検出するように
したものである。

〔作用〕

上記の構成を有するこの発明の回転角検出装置におい
て、ロータは１回転する間に、その各ビット情報ターゲ
ットBiが所定の絶対角基準点（０゜）を次々に通過する
が、その各瞬間にたとえばこの絶対角基準点から周方向
同じ向きに上記ｎ個のターゲットBiのビット情報を読ん
で得られるｎ個のｎビットの２値データはすべて互いに
異なるから、これらの各２値データは上記絶対角基準点
を含む360゜をｎ等分したｎ個の絶対角の１つにそれぞ
れ１対１で対応させることができる。

従って、ステータに設けたビット情報検出部によって
各ビット情報ターゲットBiのビット情報を検出し、これ
により構成される２値データを知ることにより各瞬間に
おけるロータの絶対角を知ることができる。ビット情報
検出部は各ビット情報ターゲットBi毎に１つずつｎ個設
ける必要はなく、10進数ｎ−１の２進数表示の桁数以上
のｍ個（ｍは２以上の整数）設ければ、十分ｎ個の２値
データを識別することができる。

さらに、この発明によれば、上記の回転角検出装置に
より検出される各絶対角を基準点とするロータとステー
タとの間の相対角を検出する相対角検出装置を設けるこ
とによってロータの絶対角を高分解能で検出することが
できる。

〔実施例〕

以下、この発明の回転角検出装置の実施例について図
面を参照しつつ説明する。

第１図に示すこの発明の回転角検出装置の実施例は絶
対角検出部１および相対角検出部２よりなり、絶対角検
出部１は絶対角検出装置３、判別装置４、整列器５、お
よび８ビット出力部６で構成されている。また、相対角
検出部２は相対角検出装置７、R/D（レゾルバーディジ
タル）変換器８、原点信号発生器９、および10ビット出
力部10で構成されている。

絶対角検出装置３はロータ11およびステータ12よりな
り、ロータ11は電磁鋼板を成形したものを数枚重ねて形
成され、その外周部には周をｎ等分（図示実施例におい
てはｎ＝256＝2⁸）した各等分点Pi（ｉ＝0,……,n−
１）にビット情報ターゲットBi（ｉ＝0,……,n−１）が
設けられている。ビット情報ターゲットBiは、ビット１
に対応するものは突極よりなり、ビット０に対応するも
のは無突極またはビット１の突極より十分短い半突極
（破線にて示す）よりなる（もちろんビット０を突極の
ターゲット、ビット１を無突極または半突極のターゲッ
トとすることも可能である）。

ステータ12も同様に電磁鋼板で形成され、その内周に
はｎ−１の２進数表示の桁数以上のｍ個（図示実施例に
おいては、ｎ＝256であるからｍ＝８でよい）のビット
情報検出部Sj（ｊ＝0,……,m−１）をなす突極が設けら
れている。

ここで、絶対角検出装置３の構成および動作について
第２図を参照しつつ詳細に説明する。ただし、第２図に
おいては、図示および説明の簡単化のために、ロータ11
の等分割数をｎ＝12とする。この場合、ビット情報検出
部Sjの数ｍはｍ＝４で十分である。第２図において、ロ
ータ11の12のビット情報ターゲットBi（ｉ＝0,……,1
1）は、たとえば図示のような絶対角基準点（０゜）に
各ターゲットBiが位置する時、そのターゲットBiを最高
位ビットまたは最下位ビットとして右回りまたは左回り
にすべてのターゲットのビット情報を読むことにより得
られる12ビットの２値データが、次表に示すようになっ
ている。

ステータ12の４つの各ビット情報検出部Sj（ｊ＝0,…
…,3）の突極には発振器13に互いに直列に接続された一
次巻線が隣接巻線の巻き方向が逆になるようにして巻回
され、かつ２次巻線が各突極毎に別個の出力s₀,……,s₃
が得られるようそれぞれ独立に巻回されている。発振器13の所定周波数の出力によりステータ12の各一次巻線
を励磁すると、各２次巻線に励磁出力s₀,……,s₃が生じ
るが、ステータ12の各突極およびロータ11、ステータ12
のヨークを通って形成される磁路中のエアギャップが、
ステータ12の突極に対向するロータ11のビット情報ター
ゲットBiが突極、無突極のいずれであるかによって異な
り、リラクタンスに明確な差が生じるため、これを励磁
出力s₀,……,s₃により２値情報として取出すことができ
る。すなわち、たとえばロータ11が第２図の角位置にあ
る時は、第４図に示したように励磁入力に対し出力は
s₀,……,s₃のような波形となり、s₂は他の出力に比べて
小であることによりこの絶対化を表わす２値データとし
て1101が得られ、このようにして４ビットの２値データ
により12ビット（最大16ビット）の２値データに対応す
るロータ11の12（最大16）の絶対角を識別することがで
きる。

このようにして、ロータ11が256のビット情報ターゲ
ットBi（ｉ＝0,……,255）を有し、ステータ12が８つの
ビット情報検出部Sj（ｊ＝0,……,8）を有する第１図の
実施例の絶対角検出装置３は、ロータ11の256の絶対角
に対して組合わせがすべて互いに異なる８つの２値信号
s₀,……,s₇を発生する。これらの２値信号は判別装置４
の８つの判別器4₀、……、4₇にそれぞれ入力され、その
ビットが１か０のいずれであるか判別され、８ビットの
２値データとして整列器５へ同時に並列に入力される。
整列器５は、判別装置４より入力される８ビット２値デ
ータを２進数として取扱う時ロータ11の絶対角の順には
並んでいないため、あらかじめROMに記憶された対照表
を用いて、ロータ11の絶対角の順に並べられた２進数を
８ビット出力部６に出力する。８ビット出力部６は、こ
れらの最大８ビットの２進数を18ビット出力部14へ上位
ビットとして転送する。

このように、上記実施例の絶対角検出装置３は、ロー
タ11の256の絶対角を検出可能な回転角検出装置として
用いることができる。もちろん、ロータ11の分割数ｎは
256に限定されるものではなく、任意である。なお、ロ
ータ11およびステータ12の厚さは数ミリメートルで十分
である。さらに、ロータ11のビット情報ターゲットBiお
よびステータ12のビット情報検出部Sjは、上記実施例の
ようにリラクタンスの変化による誘導起電力の大小を利
用したもののほか、各ターゲットBiをたとえばビット１
は白色、ビット０は黒色で染色することにより形成し、
各ビット情報検出部Sjを反射型フォトセンサにより形成
することも可能である。さらに、各ビット情報に応じて
ロータ11の周縁部を着磁し、その検出をホール素子によ
って行なうことも可能である。

第１図の実施例において、相対角検出部２の相対角検
出装置７は、やはりロータ15およびステータ16よりな
り、ロータ15は、前述の絶対角検出装置３のロータ11の
ビット情報ターゲットBiと同じｎ個の突極Ci（ｉ＝0,…
…,n−１）が形成され、ステータ16には４個の突極Dj
（ｊ＝0,……,3）が隣合う突極どおしがロータ15の突極
Ciのピッチの整数倍＋1/4ピッチ分だけ角度が異なるよ
うにして少なくとも１セット設けられている。また、ロ
ータ15は、第６図に示すように、同じ軸17に並列に固定
され、ロータ11の各ビット情報ターゲットBiとロータ15
の各突極Ciが軸方向に見て互いに同じ角度を取るように
なっている。ここで、相対角検出装置７の構造および作
用をｎ＝12として第３図を参照しつつ原理的に説明す
る。

ロータ15およびステータ16はやはり電磁鋼板で形成さ
れ、ステータ16の突極Djはロータ15の突極Ciに対して位
相的に1/4ピッチずつずらして１セットないし数セット
設ける。ステータ16の各突極Djには発振器13′（前述の
発振器13を共用してもよい）に直列に接続された１次巻
線と、これにより誘導起電力が誘起される２次巻線がそ
れぞれ巻回されている。１次巻線は隣接突極どおしが互
いに異極となるように巻回され、２次巻線は、互いに対
向する極どおしの誘導起電力が逆極性でその差が出力と
して得られるように巻回され、これらの出力は合成され
て相出力および相出力として取り出される。この相
対角検出装置７もロータ15の回転位置による磁路のリラ
クタンスの変化を２次巻線の出力電圧の変化として取出
すようになっている。たとえば、ロータ15とステータ16
が第３図に示すような相対位置関係にある時は、ステー
タの突極D₀の２次巻線出力が最大、突極D₂の出力が最
小、突極D₁、D₃の出力がその中間となる。

従って、図示位置においては、出力端子の出力は最
大値、端子の出力は０となる。この位置からロータ15
が１ピッチだけ右方向に回転した時の出力端子および
の出力電圧の変化を第５図に示す。このように、出力
端子およびには、ロータ15の回転に伴なって振幅変
調波が得られ、その位相は互いに1/4ピッチ分、電気角
で90゜ずれている。これら２つの出力をたとえば10ビッ
ト出力のR/D（レゾルバ／ディジタル）変換器に入力し
て処理すれば、ロータ15の１ピッチ分の角度を1024分割
した角度を単位として相対角を表示することができる。

相対角検出部２の原点信号発生器９は、R/D変換器８
の出力のすべてのビットが０になった瞬間（この時、相
対角０゜で、絶対角が前記の256の絶対角のいずれか１
つに正確に一致する）、絶対角検出部１の整列器５に原
点信号を発する。整列器５は原点信号が入力された瞬間
判別装置４の出力が表わす絶対角によってそれまでの絶
対角を更新し、８ビット出力部６へ出力する。R/D変換
器８の相対角を表す10ビット出力は10ビット出力部10よ
り18ビット出力部14の下位10ビット部へ転送されるが、
この10ビット出力は軸17（第６図）がロータ11、15の１
ピッチ分回転する間に0000000000から1111111111まで変
化する。このようにして、18ビット出力部14は絶対角検
出部10からの絶対角を表わす上位８ビットとその絶対角
を原点とする相対角を表わす下位１ビットによって１回
転の2¹⁸分の１すなわち262144分の１単位という極めて
高い分解能で絶対角を示すデータを出力する。この出力
データは軸17の回転角（位置）信号としてマイクロコン
ピュータ等の制御手段にフィードバックしたり、60進法
データに変換して表示する等の形態で利用される。

次に、この発明の回転角検出装置の他の実施例を第７
図および第８図を参照しつつ説明する。この実施例にお
いては、ロータおよびステータをそれぞれ１つずつにし
て絶対角検出器と相対角検出器を得ることができる。こ
の実施例において、ステータ72には絶対角検出のための
ビット情報検出部としての突極72aと相対角検出用の突
極72bが設けられ、ロータ71の周にはビット情報ターゲ
ットとして高突極Ｘと低突極Ｙが等ピッチ間隔で設けら
れている。この実施例においても、前記実施例同様、た
とえば高突極Ｘをビット１、低突極Ｙをビット０に対応
させた時ワーク71の取るすべての絶対角に対してこれら
の高突極Ｘ、低突極Ｙのビット情報により与えられる２
値データが一対一に対応するようになっている。相対角
検出用の突極72bは、それぞれさらに複数の小突極72b′
をロータ71の突極ピッチ間隔と同じピッチ間隔で設ける
ことにより、ロータ71が如何なる回転位置にあってもロ
ータ71との間の磁気回路のリラクタンスの変化を小さく
抑えることができるようになっている。

第８図に、ロータ71の周を256等分して上記のように
高突極Ｘ、低突極Ｙを設け、ステータ72に８つの絶対角
検出用の突極72aと８つの相対角検出用の突極72bを設け
た回転角検出装置を直線状に展開して示す。この実施例
において、ステータ71の絶対角検出用突極72aおよび相
対角検出用突極72bの一次巻線は発振器73により共通に
励磁される。各絶対角検出用突極72aの二次巻線からは
８つのビット情報出力s₀,……,s₈がそれぞれ取出され、
相対角検出用突極72bの二次巻線の出力は端子および
端子の２つの出力にまとめられ、これらの出力を前記
実施例同様に処理することにより１回転の2¹⁸＝262144
分の１という極めて高分解能で絶対角を検出することが
できる。

さらに、第９図に示すこの発明のもう一つの実施例に
おいては、上記の第７図、第８図の実施例のような絶対
角検出用突極72aを設ける代わりに、相対角検出用突極7
2bの小突極72b′の中の１つ72b″が絶対角検出用突極と
して兼用される。この実施例においては、相対角検出用
突極72bの一次巻線を絶対角検出用二次巻線72cの励磁用
として共用することができる。作用、効果については、
第７図、第８図の実施例の場合と全く同様である。

〔発明の効果〕

この発明の回転角検出装置は、構造が簡単で安価であ
るにもかかわらず、高精度、高分解能で絶対角を検出す
ることができるため、モータ等により駆動される回転部
を有する各種機械、装置の回転制御の性能向上およびコ
スト削減に多大の貢献をなし得ることは明らかである。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の回転角検出装置の一実施例のブロッ
ク図、第２図および第３図はその絶対角検出装置および
相対角検出装置の原理をそれぞれ説明するための説明
図、第４図および第５図はそれぞれ第２図および第３図
の出力波形を示す波形図、第６図は絶対角検出装置およ
び回転角検出装置の取付配置の一例を示す説明図、第７
図および第８図はこの発明の回転角検出装置の他の実施
例の説明図、第９図はこの発明の回転角検出装置のさら
に他の実施例の説明図である。１……絶対角検出部、２……相対角検出部、３……絶対
角検出装置、７……相対角検出装置、11、71……ロー
タ、12、72……ステータ、Bi（ｉ＝０、……、ｎ−１）
……ビット情報ターゲット、Sj（ｊ＝０、……、ｍ−
１）……ビット情報検出部。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】周をｎ等分（ｎは３以上の整数）した各等
分点Pi（ｉ＝０、……、ｎ−１）にそれぞれビット情報
を担うビット情報ターゲットBi（ｉ＝０、……、ｎ−
１）を設けたロータと、上記ロータのビット情報ターゲ
ットBiのビット情報をそれぞれ検出する上記の10進数ｎ
−１の２進数表示の桁数以上のｍ個（ｍは２以上の整
数）のビット情報検出部Sj（ｊ＝０、……、ｍ−１）を
設けたステータとを具備し、かつ上記ロータのビット情
報ターゲットBiの情報は、上記ロータの回転によって上
記ステータ情報検出部Sjで検出されるｎ個のｍビットの
データがすべて互いに異なるように設けた回転角検出装
置において、上記ロータが回転時に取る上記ｎ個の２値
データにそれぞれ対応するｎ個の絶対角を検出する絶対
角検出装置と；上記絶対角検出装置により検出されるｎ個の各絶対角を
基準点とする上記ステータとロータとの間の相対角をｌ
ビットの２値データにより2^l（ｌは正の整数）分の１単
位で検出する相対角検出装置と；を具備して１回転の2^n+l分の１単位で絶対角を検出する
ようにしたことを特徴とする回転角検出装置。