JP4926870B2 - 直角位相における２つの擬似正弦波信号の決定方法 - Google Patents

Description

本発明は、エンコーダから送信された擬似正弦波信号から、直角位相における２つの擬似正弦波信号を決定するための方法、上記方法を実行するための決定システム、および上記決定システムを備えた軸受に関する。

実際のところ、例えば、静止部材に対する回転部材の位置または速度といった角度データを決定する用途においては、必然的に、直角位相における２つの擬似正弦波信号を用いる利点がある。すなわち、これらの信号は、静止部材に対する回転部材の角位置を示しているからである。

２つの信号を用いて角度データを決定するために、特許文献１には、擬似正弦波信号を送信することができるエンコーダを用いること、少なくとも４つの検知素子を有する検知手段が一直線、かつ均等に配設されていること、上述した各検知素子は、エンコーダから送信された信号を示す信号Ｓ_ｉを検知手段に伝達する能力を有していることが開示されている。直角位相における２つの信号を形成するために、特許文献１では、信号Ｓ_ｉの組み合わせを予測している。すなわち、直角位相における２つの信号の１つである信号Ｕは、（Ｓ_１−Ｓ_２）−（Ｓ_３−Ｓ_４）によって算出され、信号Ｖは（Ｓ_１＋Ｓ_２）−（Ｓ_３＋Ｓ_４）によって算出される。

磁気信号を伝達する多重極エンコーダを使用するとき、上記の態様は多数の利点を有している。すなわち、エンコーダの有する多様な磁極の長さによって、直角位相における信号ＵおよびＶを維持することができる。また、任意の磁極の長さであっても、信号ＵまたはＶの増幅に対応して得られる状態を調整することによって、同じ振幅を有する信号ＵおよびＶを得ることができる。さらに、磁気オフセットを除去することができる。
仏国特許公開２ ７９２ ４０３号明細書

しかし、ある特定の動作条件の下では、上記態様は、エンコーダに対する検知素子の位置決めについて特定の制限を受ける。

例えば、信号ＵおよびＶにおける振幅の均等性は、以下に示すことによって影響を受ける。第１には、エンコーダの回転軸のずれである。これによって、エンコーダが１回転する間に、検知素子は様々な長さの極を検知してしまう。第２には、エンコーダにおける異なる長さの極の存在である。異なる長さの極の存在は、磁化不良の原因ともなるが、好適なの配置にも起因する。第３には、エンコーダの極の長さに対して完全に好適ではない増幅率の適用である。

さらに、直角位相における信号ＵおよびＶは、全ての検知素子を通過する直線がエンコーダの面に対して完全に平行ではないとき、すなわち検知手段が傾いているときにも影響が生じる。この現象は、より一層重要であり、磁場における振幅は、エンコーダと検知素子との間の間隔の相違に対して指数関数的に変化する。

最後に、検知素子が読込ビームに接するように配置されていない場合、すなわち検知手段がねじれている場合には、上述した２つの現象が組み合わされる。すなわち、検知素子によって認識される極の長さがそれぞれ異なっており、かつ信号の伝達におけるエッジ効果によって、検知素子によって読み取られる磁場の振幅は同じではなくなってしまう。

本発明は、これらの問題を軽減することを目的としている。具体的には、検知素子によってもたらされる信号を直角位相、および振幅の均等性に対する調整の提唱である。これによって、エンコーダに対する検知素子の位置決め、およびエンコーダにおける潜在的生産の問題の双方に応じて、伝達信号の確実性をより顕著にすることを目的としている。

本発明に係る第１の態様は、上記課題を解決するために、
エンコーダから送信された擬似正弦波信号から直角位相における２つの擬似正弦波信号を決定するための決定方法を提唱する。

すなわち、本発明の第１の態様は、一直線かつ均等に配設され、かつ、上記エンコーダから送信された信号を信号Ｓ_ｉとして伝達する少なくとも４つの検知素子を有する、上記エンコーダの読込距離に配置された検知手段を使用しており、
伝達された上記信号Ｓ_ｉを測定すると共に、（Ｓ_１−Ｓ_２）−（Ｓ_３−Ｓ_４）および（Ｓ_２−Ｓ_３）によって算出される直角位相における信号Ｕおよび信号Ｖを形成するための上記信号Ｓ_ｉの組み合わせを実現することを特徴としている。

本発明に係る第２の態様では、上記方法を実行することによる決定システムを提唱する。

すなわち、本発明の第２の態様は、信号を送信することができるエンコーダと、
一直線に、かつ均等に配設されていると共に、上記エンコーダから送信された上記信号を、それぞれ信号Ｓ_ｉとして伝達することができる少なくとも４つの検知素子と、
上記信号Ｓ_ｉを形成し、かつ信号Ｕおよび信号Ｖを形成するために上記信号Ｓ_ｉを組み合わせることができる処理デバイスと、を有していることを特徴としている。

本発明に係る第３の態様では、上記決定システムを備えた軸受を提唱する。

すなわち、本発明の第３の態様は、上記静止部材に対して上記回転部材の角度データを決定する決定デバイスをさらに備えており、上記決定デバイスは、角度データの決定に直角位相における２つの擬似正弦波信号である信号ＵおよびＶを用いることを特徴としている。

本発明の他の特徴点および利点については、添付の図面を参照して以下に記載する説明において、より明白となるであろう。

本発明において、信号ＵおよびＶを用いることの利点について、以下の効果を言及することができる。検知手段の傾きに対して擬似的に感度を低くすることができる効果を奏する。エンコーダの表面の検知素子の配置の許容範囲に対する感度を低くすることができる効果を奏する。検知手段のねじれに対する感度を低くすることができる効果を奏する。補間手段を用いる場合において、出力信号エラーを減少することができる効果を奏する。

図１および２を参照して、エンコーダから送信された擬似正弦波信号から、直角位相における擬似正弦波信号を決定するシステム、および上記システムにおいて用いられる方法の実施形態について説明する。

本明細書において、擬似正弦波信号とは、本質的な正弦波または少なくとも一部を正弦曲線によって正確に近似できる波を有する任意の信号を意味している。

本発明に係るシステムおよび方法は、とりわけ、例えば静止部材に対する回転部材の位置または速度などの角度データの決定を可能にする。

本発明に係る決定システムは、正弦波信号を送信することができるエンコーダ１およびエンコーダ１の読込距離に配置した検知手段２を備えている。したがって、下記においても説明するように、可動部材と一体となったエンコーダ１、および静止部材と一体となった検知手段２とを備えていることによって、エンコーダ１によって送信された擬似正弦波信号は、所望の角度データを表す。

本実施形態において示すように、エンコーダ１は、一定の長さの磁極１ａ（すなわち、Ｎ極とＳ極）が交互に、かつ連続して形成されている環状の磁性物質である。このようなタイプのエンコーダ１は、従来公知の方法によって、エンコーダ１の移動に応じて磁性の擬似正弦波信号を送信することができる。しかし、他のタイプのエンコーダおよび／または擬似正弦波信号であっても、本発明の範囲に含まれる。例えば、光学的、熱的または音波的性質を有する信号であってもよい。

検知手段２は、少なくとも４つの検知素子３を有しており、検知素子３は一直線に、かつ均等に配設されている。各検知素子は、４つの等距離の仮想ポイントにおいて、エンコーダ１によって送信された信号をそれぞれ信号Ｓ_ｉ（ｉ＝１〜４）として伝達することができる。検知手段２は、考え方によっては、信号処理デバイスと同様のものであるため、一般的な特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ：エーシック）を形成できるように、基板上に集積することによって形成することができる。

典型的な実施形態において、検知素子３は、ホール効果センサー、磁気抵抗器、サーミスター、光学プローブ、および音響プローブを含む群より選択される。

さらに、決定システムは、信号Ｓ_ｉを形成し、かつ、（Ｓ_１−Ｓ_２）−（Ｓ_３−Ｓ_４）によって算出される信号Ｕおよび（Ｓ_２−Ｓ_３）によって算出される信号Ｖを形成するために、信号Ｓ_ｉを組み合わせることができる処理デバイスを備えている。

信号ＵおよびＶは、エンコーダの極の長さを問わず、直角位相を有している。したがって、極の長さが幅広い場合であっても、検知手段２に対するエンコーダ１の位置または速度を決定するために、従来公知の方法によって、信号ＵおよびＶを利用することができる。さらに、信号ＵおよびＶは、エンコーダ１によって送信された擬似正弦波信号の振幅の測定に用いることができる。したがって、信号ＵおよびＶの振幅は、送信した信号の振幅と比例関係を有している。

さらに、信号ＵおよびＶは、減算によって得ることができる。これによって、任意の磁気オフセットを除去することができる。

図１および２に係る実施形態において、検知手段２は４Ｎ（Ｎ＝６）の検知素子３を備えている。２４個の検知素子３は、均等に配設されており、かつ一定の距離δによって互いに分離されている。すなわち、検知素子アレイを形成するように、一列に並べられている（図２参照）。特許文献１に開示されているように、検知素子３アレイを用いることによって、エンコーダ１の多様な長さの極に対して、直角位相における信号ＵおよびＶを維持することができる。その代わり、異なる数の検知素子３を有する４つのグループは、信号ＵおよびＶを得るために用いることができる。

決定動作を実行するとき、６つの隣接する検知素子３を有する４つのグループ４は、各グループに対応する４つの信号Ｓ_ｉを形成するために、各グループ４の信号の合計を算出する。したがって、処理デバイスは、信号Ｓ_ｉを形成するために、各グループ４によって伝達された信号の合計を算出するための装置を備えている。

図面において、検知素子のグループ４は、グループ４の重心（共通重心）に位置する素子５によって図解されている。素子５は、一列に配置されており、かつ６δ＝ｄの距離によって等間隔に分離されている。

さらに、アレイは、検知素子３を実質的に読込ビームの接線に沿って作動させるために、エンコーダ１に対向する側に配置されている。しかし、上記接線に対してアレイ配列がわずかにずれている場合であっても、信号ＵおよびＶの振幅および直角位相の受ける影響は、従来技術よりも小さい。

加えて、信号ＵおよびＶそれぞれの振幅については、各信号を等しくするために、これらの信号のうちの少なくともいずれかを増幅することを実現することができる。したがって、処理デバイスは、さらに、信号ＵおよびＶの少なくともいずれかを増幅するための装置を備えている。

特定の場合において、距離ｄは、測定される擬似正弦波信号の空間的周期の１／４と等しい。すなわち、本実施形態に係るエンコーダ１の場合においては、極の長さの半分であり、信号Ｕと２Ｖとが同じ振幅を有する。上記の均等性が形成した信号の使用に実質的に用いる必要がある場合、決定方法は信号Ｖの２という係数による増幅を予測する。これを実現するために、処理デバイスの増幅器の増幅率は、上記の値に調整することができる。

距離ｄが任意の距離である場合、信号ＵおよびＶは、少なくとも一方の増幅率を上記目的のために調整することによって、振幅を増加させ、等しくすることができる。

図３に示すように、本発明に係る信号ＵおよびＶは、好適な作用点（横座標０．２５＝ｄ／磁気周期）のいずれかの側において接している。一方、従来技術に係る信号Ｕおよび（Ｓ_１＋Ｓ_２）−（Ｓ_３＋Ｓ_４）によって算出される信号Ｗは、明らかに交差している。したがって、好適な点ではない状態において動作した場合、例えば、エンコーダ１の配列がずれている場合、本発明に係る信号の振幅は、同様に維持し続けるのに対し、従来技術に係る信号の振幅は、急速に広がってしまう。

同様に、検知手段２が傾いている場合、本発明に係る信号ＵおよびＶは、従来技術に係る信号よりも、直角位相の損失についてより一層敏感となっている。

本発明に係る決定システムを備えた軸受について、図４を参照して、以下に説明する。図面において、軸受は、転がり軸受方式である。この特定の実施形態は、本発明を限定するものではない。

転がり軸受は、相対的な回転を可能とするために、外側の静止リング（静止部材）６、内側の回転リング（回転部材）７、および上記のリング間に設けられた回転部８を備えている。

エンコーダ１は、回転リング７に相互連結されている。例えば、エンコーダ１は、回転リング７と一体となった接極子９上に形成することによって相互連結する。また、検知手段２は、静止リング６と一体となっている。これによって、検知素子３は、エンコーダ１によって送信された信号から読込距離に配置される。

さらに、転がり軸受は、静止リング６に対する回転リング７の角度データを決定するためのデバイス（決定デバイス）１０を備えている。デバイス１０は、従来公知の２つの擬似信号ＵおよびＶを用いて角度データを決定する。さらに加えて、特に、信号ＵおよびＶの振幅が同じであるとき、決定デバイスは、信号ＵおよびＶを補間するための装置を備えることができる。この装置は、角度データの分解能を向上することができる。

本発明において、信号ＵおよびＶを用いることの利点について、以下の効果を言及することができる。検知手段２の傾きに対して擬似的に感度を低くすることができる。エンコーダ１の表面の検知素子３の配置の許容範囲に対する感度を低くすることができる。検知手段２のねじれに対する感度を低くすることができる。補間手段を用いる場合において、出力信号エラーを減少することができる。

本発明は、例えば、静止部材に対する回転部材の位置または速度といった、角度データを決定する分野において特に好適に適用することができる。

図１は、本発明の一実施形態に係るエンコーダおよび決定システムにおける検知手段の一部分を示す平面図である。 図２は、図１に示した検知手段における検知素子の配列を示す配置図である。 図３は、従来技術に係る信号ＵおよびＷに対する本発明に係る信号ＵおよびＶの送信機能を示す図である。 図４は、本発明に係る決定システムを備えた転がり軸受の縦断面を示す配置図である。

符号の説明

１ エンコーダ
２ 検知手段
３ 検知素子
４ グループ
５ 素子
６ 静止リング（静止部材）
７ 回転リング（回転部材）
８ 回転部
９ 接触子
１０ デバイス（決定デバイス）

Claims (11)

1. エンコーダから送信された擬似正弦波信号から直角位相における２つの擬似正弦波信号を決定するための決定方法であって、
   一直線かつ均等に配設され、かつ、上記エンコーダから送信された信号を信号Ｓ_ｉとして伝達する少なくとも４つの検知素子を有する、上記エンコーダの読込距離に配置された検知手段を使用しており、
   伝達された上記信号Ｓ_ｉを測定すると共に、（Ｓ_１−Ｓ_２）−（Ｓ_３−Ｓ_４）および（Ｓ_２−Ｓ_３）によって算出される直角位相における信号Ｕおよび信号Ｖを形成するための上記信号Ｓ_ｉの組み合わせを実現することを特徴とする決定方法。
2. 上記信号ＵおよびＶの振幅を均一とするために、上記信号ＵおよびＶの少なくともいずれかの増幅を実現することを特徴とする請求項１に記載の決定方法。
3. 上記信号Ｖは、２という係数によって増幅されることを特徴とする請求項２に記載の決定方法。
4. 隣接する上記検知素子を有す４つのグループの使用を実現すると共に、
   各上記グループに対応する上記信号Ｓ_ｉを形成するために、上記グループにおける信号の合計の算出を実現することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の決定方法。
5. 請求項１から４のいずれか１項に記載の決定方法を用いて、擬似正弦波信号から直角位相における２つの擬似正弦波信号を決定する決定システムであって、
   信号を送信することができるエンコーダと、
   一直線に、かつ均等に配設されていると共に、上記エンコーダから送信された上記信号を、それぞれ信号Ｓ_ｉとして伝達することができる少なくとも４つの検知素子と、
   上記信号Ｓ_ｉを形成し、かつ信号Ｕおよび信号Ｖを形成するために上記信号Ｓ_ｉを組み合わせることができる処理デバイスと、を備えていることを特徴とする決定システム。
6. 上記決定システムは、上記検知素子から伝達された信号の合計を算出するための装置、および上記信号ＵおよびＶの少なくともいずれかを増幅するための装置の少なくともいずれかを備えていることを特徴とする請求項５に記載の決定システム。
7. 上記検知素子は、ホール効果センサー、磁気抵抗器、サーミスター、光学プローブおよび音響プローブを含む群より選択されることを特徴とする請求項５または６に記載の決定システム。
8. 上記エンコーダは、磁気的な信号を伝達する多重極環であることを特徴とする請求項５から７のいずれか１項に記載の決定システム。
9. 請求項５から８のいずれか１項に記載の決定システムを備えた軸受であって、
   静止部材と一体となっているエンコーダと、回転部材と一体となっている検知手段と、上記エンコーダから送信される信号の読込距離に配置されている検知素子と、を備えていることを特徴とする軸受。
10. 上記静止部材に対して上記回転部材の角度データを決定する決定デバイスをさらに備えており、上記決定デバイスは、角度データの決定において、直角位相における２つの擬似正弦波信号である信号ＵおよびＶを用いることを特徴とする請求項９に記載の軸受。
11. 上記決定デバイスは、上記信号ＵおよびＶを補間するための装置を備えており、上記装置は、角度データの分解能を向上することができることを特徴とする請求項１０に記載の軸受。

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