JPH0847288A - ロータリーエンコーダ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 簡単な回路構成のエンコーダでモータ制御用
の３相同期信号を電気的に作り出すこと。 【構成】 記録波長λ１，λ２を有する２つのトラック
信号によって夫々位相変調された第１及び第２の信号を
得て、第１の信号Ｓ１から位置パルスを発生し、第２の
信号Ｓ２を１２０°ずつ遅延して３相信号ＤＳ２，２Ｄ
Ｓ２，３ＤＳ２を作り、この３相信号と第１の信号Ｓ１
との位相の一致をとることによって３相信号相互間の位
相関係を保ったまま全体を進相又は遅相してモータの３
相同期制御信号を得るようにする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ＡＣサーボモータ用の
回転制御に用いて最適な、モータ駆動用３相信号に同期
した制御信号を備えたロータリーエンコーダに関する。

【０００２】

【従来の技術】工作機器あるいは産業機械等の位置制御
に用いられるＡＣサーボモータの制御回路は、目標指令
位置と自らの位置を検出してその差異に応じたモータ駆
動用の３相信号（以下、３相モータ駆動信号と云う）を
制御するように構成されている。

【０００３】従って、ＡＣサーボモータに用いられる位
置検出用のロータリーエンコーダは、回転量に応じた位
置パルス出力の他に、上記モータ駆動信号用の３相同期
信号（以下、単に３相同期信号と云う）を出力するよう
に構成されている。

【０００４】ところで、この３相同期信号のパルス数は
モータの極数に応じて決まり、この値はモータ１回転当
り２乃至４程度の値であり、１回転当りの位置パルス数
が５００〜５，０００程度の値をとるモータ又はエンコ
ーダに比べて非常に小さい。

【０００５】また、このパルスはエンコーダの絶対回転
位置に対応する必要があるため、位置パルス生成用のト
ラックとは別個に構成する必要があった。以下の説明に
おいて、モータとエンコーダの回転数は同一と仮定し、
エンコーダの回転数として表わすことにする。

【０００６】図７は従来の磁気式ロータリーエンコーダ
の一例を図示したものである。このエンコーダは、図示
のとおり、ドラムの円周面上に位置パルス生成用のトラ
ックが形成されていることに加えて、円形平面に３相同
期信号生成用のトラックが設けられている。これらのト
ラックはＭＲセンサ、ホールセンサ等を用いて読み取ら
れ、上記３相同期信号を出力するように構成されてい
る。

【０００７】図８は上記２つのトラックとそれらの読み
取り回路を示したものである。３相同期信号トラック８
０１は３つのホールセンサ８０２で読み取り、３相同期
検出回路８０３で検出して出力される。また、パルス信
号トラック８０４は２つのＭＲセンサ８０５を使って読
み取りパルス信号検出回路８０６で検出されて出力され
る。

【０００８】上述のとおり３相同期信号のパルス数はモ
ータ１回転当り２乃至４程度であるから３相信号トラッ
クの記録ピッチは大きくなっている。それに対して、位
置パルスの数はモータ１回転当り５００〜５，０００程
度で非常に大きく、従ってパルス信号トラック８０４の
記録ピッチは非常に小さくなっている。

【０００９】このように、出力パルス数、従って記録波
長の大きく異なる２つのトラックが図７に示すように同
一のドラムに形成され、これを３相モータに取り付け、
３相モータ駆動信号と３相同期信号との位相が一致する
ように調整している。

【００１０】図８において、ホールセンサ８０２は、３
相同期信号用トラック８０１に対して、互いに１２０°
の位相差を持つ３相信号が得られるように空間的に正確
に配置される必要がある。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】従来のロータリーエン
コーダは上述の構成を有しているため、単に３相同期信
号の生成用に必要な直接的な部品に加え、エンコーダと
モータとの結合の際に必要になる３相モータ駆動信号と
３相同期信号との位相調整機構実現の為の部品点数の増
大や製造上の工程数の増大を招いていた。

【００１２】また、上記３相信号の出力は、ホールセン
サと３相同期信号用トラックとの物理的な配置によって
決定されるため、組立て上のバラツキ等により、３相同
期信号の位相のバラツキ、デューティファクタのずれ、
更にはフラッタの増大等の３相同期信号の品位の低下に
つながり、製造上の歩留り低下の原因にもなっていた。

【００１３】本発明は、上述の従来のエンコーダが有す
る欠点を克服して、３相同期信号の３相の位相関係を無
調整で所望の値に設定でき、３相同期信号を生成するた
めに必要なセンサの数が少なくてすみ、センサの取付状
態や組立のバラツキに起因する３相同期信号の品位の低
下のない安定したエンコーダを提供することを目的とす
る。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上述の課題を解決するた
めに、本発明によれば、記録波長の異なる２つの信号ト
ラックと、夫々のトラックの信号を位相変調信号に変換
して取り出す第１及び第２の位相検出回路と、第１又は
第２の位相検出回路の出力に接続され、回転体の回転量
に応じたＡ／Ｂ相出力又はアップダウン出力パルスを生
成する内挿回路と、第２の位相検出回路の出力に接続さ
れ、該位相検出回路から供給される信号を１２０度ずつ
位相遅延して３相信号を生成する遅延回路と、該遅延回
路の出力に接続され、該遅延回路から供給される３相信
号と上記第１の位相検出回路から供給される位置パルス
の位相の一致を検出してモータ駆動用の３相同期制御信
号を出力する位相比較回路と、を備えたロータリーエン
コーダを提供する。

【００１５】本発明のロータリーエンコーダは、前記２
つのトラック信号の記録波長をλ１，λ２とし、エンコ
ーダ１回転当りの位置パルス数をＰ、モータ駆動用３相
信号のパルス数をＲとしたとき、前記トラック信号の記
録波長λ１，λ２がλ１・Ｐ＝λ２・（Ｐ＋Ｒ）の関係
を満たすように選ぶのが好ましい。また、本発明のロー
タリーエンコーダは前記第１の位相検出回路１０１の出
力と前記内挿回路１０４の入力の間に可変遅延回路１０
３を設け、その可変遅延回路の出力ＤＳ１を前記位相比
較回路の入力として、前記３相信号との位相の一致を検
出するように構成することもできる。このように構成し
た場合には、前記可変遅延回路の遅延量を変えることに
よって、３相信号の各々の位相関係を保持したまま前記
モータの３相同期制御信号の出力される位置をロータリ
ーエンコーダの回転位置に対して電気的に可変すること
ができる。

【００１６】

【作用】本発明のロータリーエンコーダはスケール上の
１つのトラックを読み取って得た位相変調信号の位相を
１２０゜及び２４０°遅延して３相同期信号を作ってい
るので、位相を調整する必要がない。

【００１７】３相同期信号を生成するための検出器とし
ては第２の位相検出回路が１つだけでよく、センサを３
ヵ所に取り付ける構造に比べて、センサの取付状態、組
立てのバラツキ状態がなく、それに起因する３相同期信
号の品位の低下がなくなる。

【００１８】エンコーダをモータに取り付けるとき、モ
ータの３相同期制御信号がエンコーダから正確に得られ
るようにするため従来は機械的に位置合わせを行ってい
たが、本発明によるエンコーダは、位相比較回路におい
て遅延回路で作られた３相同期信号を可変遅延回路の出
力（位置信号）に同期させて全体を進ませたり遅らせた
りすることができるので電気的に簡単に位置合わせがで
きる。

【００１９】

【実施例】次に図面を参照して本発明のエンコーダの一
例について説明する。図１は、本発明の基本原理を説明
する為の構成例を示したものである。

【００２０】同図において、１０１及び１０２は第１及
び第２の位相検出回路であって、全く同一の回路で構成
されている。位相検出回路１０１からの出力信号Ｓ１は
可変遅延回路１０３に供給され、ここでＳ１信号の位相
を調整できるようになっている。なお、可変遅延回路１
０３は必須の回路要素ではなく、これを省略して、位相
検出回路１０１の出力を直接内挿回路１０４及び位相比
較回路１０６に供給するようにすることもできる。更
に、内挿回路１０４の入力として位相検出回路１０２の
出力を供給することもできる。

【００２１】この可変遅延回路１０３の出力は内挿回路
１０４に供給され、ここで内挿処理が行われた後その出
力にＡ／Ｂ相出力又はアップダウン出力を出す。他方、
位相検出回路１０２の出力Ｓ２は遅延回路１０５に供給
され、ここで１２０度ずつ位相のずれた３つの信号ＤＳ
２，２ＤＳ２，３ＤＳ２を作って位相比較回路１０６に
供給する。

【００２２】位相比較回路１０６は例えばＤ型フリップ
フロップ等により構成する事ができ、この回路からは１
周期に４パルスで各々位相が１２０°ずつずれた３相信
号、即ちＵ相信号、Ｖ相信号及びＷ相信号が得られる。
この信号は３相同期信号そのものである。

【００２３】図２は位相検出回路の一例を示したもの
で、図１の位相検出回路１０１に相当するものである。
同図において、２０１はスケールでトラック１を表わし
ている。このトラック１には波長λ１の信号が記録され
ている。

【００２４】２０２及び２０３は第１及び第２のヘッド
で例えば磁気変調式磁束応答型ヘッドやＭＲセンサ等が
用いられる。これらのヘッド２０２及び２０３はディジ
タル信号、ＥＸ信号をローパスフィルタ２１０で正弦波
に変換した後、励磁アンプ２０９で増幅された周波数ｆ
の正弦波信号で励磁されている。

【００２５】従って、磁気ヘッド２０２及び２０３から
はスケール信号によって変調された、キャリア周波数ｆ
の平衡変調信号が得られ、各々、前置アンプ２０４及び
２０５に導かれ、適当な出力レベルに増幅される。

【００２６】前置アンプ２０４の出力は直接加算アンプ
２０６に供給され、前置アンプ２０５の出力は９０°移
相器２０７を介してキャリア周波数の位相を９０°シフ
トした後、加算アンプ２０６に供給される。従って加算
アンプ２０６からは周波数ｆの正弦波状の位相変調信号
が得られ、この位相変調信号が波形整形回路２０８に導
かれ、そこでディジタル信号に変換されて位相変調信号
Ｓ１を出力する。

【００２７】再び図１を参照すると、位相検出回路１０
１の出力には上記説明のとおりにして信号Ｓ１が出力さ
れる。同様にして位相検出回路１０２の出力には信号Ｓ
２が出力される。

【００２８】信号Ｓ１及びＳ２についてその基本波のみ
を示すと次のようになる。 Ｓ１＝Ｅ１・ｓｉｎ｛ωｔ＋（２πｘ／λ１）｝‥‥（１） Ｓ２＝Ｅ２・ｓｉｎ｛ωｔ＋（２πｘ／λ２）｝‥‥（２） 但し、ω＝２πｆ，ｘは波長λ１内における移動量（円
周上の移動量）である。

【００２９】本発明のロータリーエンコーダは、これら
２つの信号Ｓ１及びＳ２の関係を利用して３相同期信号
を得るようにしたものである。即ち、本発明によれば、
従来のエンコーダのように、３相同期信号生成用の低周
波数のトラックを設ける変わりに周波数（記録波長）が
接近した２つのトラックを設け、ほぼ同一の２つの位相
検出回路を使って夫々のトラックによって位相変調され
た信号Ｓ１及びＳ２を得て、それらの信号の位相関係か
らモータの３相同期制御信号を得るようにしている。

【００３０】次に本発明において、３相同期制御信号が
得られる理由を説明する。ロータリーエンコーダが１回
転する間に出力される位置パルスの数をＰとし、１回転
当りの３相信号の数をＲとし、トラック１の記録波長を
λ１とし、トラック２の記録波長をλ２として、 λ１・Ｐ＝λ２（Ｐ＋Ｒ）‥‥（３） Ｐ／Ｒ＝ｍ ‥‥（４） 但し、ｍは正の整数 となる関係にλ１とλ２を選んでおくと、Ｓ１信号とＳ
２信号は１回転当りＲ回位相が一致する。

【００３１】例えばＰ＝１０００，Ｒ＝４とすると λ１×１０００＝λ２×（１０００＋４） 従って２５０λ１＝２５１λ２となるから図５に示すよ
うに、１／４回転したところでトラック１の２５０番目
のパルスとトラック２の２５１番目のパルスが一致す
る。

【００３２】同様にして、２／４回転した位置でトラッ
ク１は５００番目のパルスを出し、トラック２は５０２
番目のパルスを出してそれらが一致する。３／４回転位
置でもトラック１とトラック２の７５０番目と７５３番
目のパルスが一致し、４／４回転位置ではトラック１の
１０００番目パルスとトラック２の１００４番目パルス
が一致する。

【００３３】再び図１に戻ると、位相検出回路１０１の
出力に現われるＳ１信号は可変遅延回路１０３に供給さ
れ、そこでＳ１信号の位相を調整できるようになってい
る。位相調整されたＳ１信号ＤＳ１は内挿回路１０４に
供給され、そこでクロックパルスＣＫ信号（周波数Ｎ
ｆ）を使って内挿した分解能の高いＡ／Ｂ相信号を出力
する。また、上記可変遅延回路１０３の出力は位相比較
回路１０６にも供給される。

【００３４】他方、位相検出回路１０２の出力Ｓ２は遅
延回路１０５に供給され、そこでＳ２信号の位相を１２
０°ずつずらして、信号ＤＳ２，２ＤＳ２，３ＤＳ２を
作って位相比較回路１０６に供給する。

【００３５】一般に位相検出回路１０２から供給される
位相変調信号はＳ２＝Ｅ・ｓｉｎ｛ωｔ＋（２πｘ／
λ）｝で表わせる。ここでモータが一定速度ｖで回転し
ているとき、ｘの値はｘ＝ｖｔで表わせるので上記の式
はＳ２＝Ｅ・ｓｉｎ｛ωｔ＋（２πｖｔ／λ）｝とな
る。従ってｖ／λ＝Δｆとおくと、前述したとおりω＝
２πｆであるから、Ｓ２＝Ｅ・ｓｉｎ２π（ｆ＋Δｆ）
ｔとなる。

【００３６】今、Δｆ＝０即ちｖ＝０とすると、これは
静止時を表わしており、この静止時に上述の各々１２０
°の位相差を持つ信号ＤＳ２，２ＤＳ２及び３ＤＳ２を
作る。

【００３７】３相信号ＤＳ２，２ＤＳ２及び３ＤＳ２の
位相差をこのようにして定めた場合、モータが高速回転
している時の位相はこの値からずれた値になる。このず
れの値はＡＣサーボモータ用制御装置の性能によって決
まり、Δｆ／ｆで表わすことができる。

【００３８】即ち、Δｆ／ｆは高速回転時における３相
信号の位相ずれの許容値を表わしており通常０．１〜
０．２以下に選ぶのが好ましい。例えばＭＲヘッドを使
用した場合、ｆ＝５００ｋＨｚとすると、周期ＴはＴ＝
１／ｆであるからＴ＝２μｓとなる。従って遅延量は２
（μｓ）×１２０°／３６０°＝０．６７（μｓ）にな
る。

【００３９】Δｆの値は、上述のΔｆ／ｆが０．１〜
０．２以下と云う条件から５００（ｋＨｚ）×０．１＝
５０（ｋＨｚ），５００（ｋＨｚ）×０．２＝１００
（ｋＨｚ）となり、５０〜１００ｋＨｚに選ぶのが好ま
しい。上述の例においてはｆ＝５００ｋＨｚとしたがｆ
の値は１００ｋＨｚ〜１ＭＨｚの範囲に選ぶのが好まし
い。但し、それ以外でも同様に使用可能である。

【００４０】位相比較回路１０６は、例えばＤ型フリッ
プフロップ等により構成することができ、この回路は１
周期にＲパルス（上述の例では４パルス）で各々位相が
１２０°ずつずれた３相の信号、即ちＵ相信号、Ｖ相信
号及びＷ相信号を出力する。

【００４１】図６は位相比較回路１０６の一構成例で６
０１〜６０３はＤ型フリップフロップ回路を示してい
る。フリップフロップ６０１のＤ入力にはＤＳ２信号が
供給され、クロック端子ＣＫに供給されるＤＳ１に同期
して取り込まれる。

【００４２】同フリップフロップ６０１の出力ＱにはＵ
相信号が出力される。同様にしてフリップフロップ６０
２のＤ入力にはＤＳ２信号より１２０°位相の遅れた２
ＤＳ２信号が供給され、クロック端子ＣＫに供給される
ＤＳ１信号に同期して同フリップフロップに取り込まれ
る。同フリップフロップの出力端子ＱにはＶ相信号が出
力される。同様にしてＤフリップフロップの入力にはＤ
Ｓ２信号よりも２４０°遅延した３ＤＳ２信号が入力し
出力にはＷ相信号が出力される。

【００４３】図３は、上記ＤＳ１信号、ＤＳ２，２ＤＳ
２及び３ＤＳ２信号、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相信号の関係を示
す波形図である。同図において、ＤＳ２信号は時刻ｔ１
よりも前ではＤＳ１信号の立ち上がり時点で論理“０”
になっているので図６のフリップフロップ６０１の出力
Ｕは図３に示すとおり論理“０”（オフ）の状態にあ
る。しかし時刻ｔ１以降ではＤＳ１信号の立ち上がり時
に論理“１”（オン）になっているのでＵ相信号はｔ１
以後はオンになっている。

【００４４】同様にして、２ＤＳ２信号は時刻ｔ２前で
はＤＳ１信号の立ち上がり点で常に論理“０”（オフ）
になっているが時刻ｔ２以後ではＤＳ１信号の立ち上が
り点で論理“１”（オン）になっているのでＶ相信号は
この点でオフからオンに変わる。

【００４５】３ＤＳ２信号についても同様に時刻ｔ３よ
りも前ではＤＳ１信号の立ち上がり時にオフであるが時
刻ｔ３以後ではオンであるから、この時点でＷ相信号は
オフからオンに変わる。

【００４６】Ｕ相、Ｖ相及びＷ相信号がオンからオフに
変わる点は、夫々に対応するＤＳ２信号，２ＤＳ２信号
及び３ＤＳ２信号がＤＳ１信号の立ち上がりでオフとな
っている点に到来したときである。

【００４７】なお、上述の説明でＤＳ１信号と３相信号
（ＤＳ２，２ＤＳ２，３ＤＳ２）の位相が一致する等の
表現を用いて説明してきたが、３相信号ＤＳ２，２ＤＳ
２，３ＤＳ２はＤＳ１の立ち上がり時に確定している必
要があるので、例えばｔ１の点をみるとわかるように、
ＤＳ１とＤＳ２は若干位相がずれているが説明の無用な
混乱を避けるため「一致」と云う用語を使っている。

【００４８】このようにして作られたＵ相、Ｖ相及びＷ
相信号が図４に示してある。同図に示すとおりＵ相信
号、Ｖ相信号及びＷ相信号はそれぞれ１２０度の位相差
でオン・オフし、モータ１回転当りＲ回、上述の例では
４回、オン・オフする。

【００４９】なお、位相比較回路は、上述のディジタル
信号回路の他に、ＤＳ１，ＤＳ２，２ＤＳ２及び３ＤＳ
２信号がアナログ信号の場合にも次のようにして容易に
実現できる。

【００５０】即ち、例えばＤＳ１信号をｓｉｎＡ，ＤＳ
２信号をｓｉｎＢとして、この２つの信号を乗算器で乗
算するとｓｉｎＡ・ｓｉｎＢ＝｛ｃｏｓ（Ａ−Ｂ）−ｃ
ｏｓ（Ａ＋Ｂ）｝／２となるので、この積信号をローパ
スフィルタに通して高域成分ｃｏｓ（Ａ＋Ｂ）を除去す
れば、低域成分ｃｏｓ（Ａ−Ｂ）が得られる。但し振巾
は省略してある。この信号はｓｉｎＡとｓｉｎＢの位相
差を表わす信号であり、位相が一致しているときはＡ＝
Ｂで出力はｃｏｓ０°＝１となる。同様にして、ＤＳ１
と他の信号２ＤＳ２，３ＤＳ２についても乗算器とロー
パスフィルタを使って位相比較器を形成することにより
上述のディジタル信号に対するのと同様の位相比較回路
を構成することができる。

【００５１】上述の説明から明らかなとおり、３相信号
の各相の信号はＤＳ１信号に同期してオン・オフしてい
るので、ＤＳ１信号の位相を調整することによって３相
信号は互いに１２０°の位相差を保ったまま全体的に位
相を進めたり遅らせたりすることができる。

【００５２】このように３相同期信号の位相を電気的に
簡単に調整できることにより、従来のエンコーダのよう
にモータに取り付ける際に特別な位相調整機構を必要と
することはなく、モータが要求する３相同期信号をエン
コーダ出力から容易に作ることができる。

【００５３】以上、本発明の１実施例として磁気スケー
ルの場合について説明したが、本発明はこれに限定され
るものではない。例えば光学式スケール等の場合にも応
用できることは勿論のことである。

【００５４】

【発明の効果】本発明のロータリーエンコーダは上述の
構成を備えているので、３相同期信号Ｕ相、Ｖ相及びＷ
相信号間の位相関係を無調整で所望の値即ち１２０°ず
つ遅延した値に設定することができる。

【００５５】また、３相同期信号を生成する為に必要な
センサが１個ですみ、センサの取付け状態あるいは、組
立ての際のバラツキに起因する３相同期信号の品位の低
下、例えば、３相信号間の位相のずれがなく、各パルス
のデューティファクタが安定し、回転に伴うフラッタが
極めて少ない。また、このエンコーダとモータとを組合
わせる場合、３相同期信号と３相モータ駆動信号の位相
を電気的に調整できるので、調整用の高価な機構が不要
となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のエンコーダの一例のブロック図であ
る。

【図２】本発明のエンコーダに用いる位相検出回路の一
例のブロック図である。

【図３】図１のエンコーダの動作の一部を示すタイムチ
ャートである。

【図４】モータ１回転当りのＵ，Ｖ，Ｗ相信号の様子を
示すタイムチャートである。

【図５】スケール上のトラック１とトラック２の関係を
示す線図である。

【図６】位相比較回路の一例を示す回路図である。

【図７】ドラム上に記録される３相同期信号トラックと
パルス信号トラックの一例を示す模式図である。

【図８】従来のエンコーダの一例のブロック図である。

【符号の説明】

１０１ 第１の位相検出回路 １０２ 第２の位相検出回路 １０３ 可変遅延回路 １０４ 内挿回路 １０５ 遅延回路 １０６ 位相比較回路 １０７ スケール

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 記録波長の異なる２つの信号トラック
   と、 夫々のトラックの信号を位相変調信号に変換して取り出
   す第１及び第２の位相検出回路と、 第１又は第２の位相検出回路の出力に接続され、回転体
   の回転量に応じたＡ／Ｂ相出力又はアップダウン出力パ
   ルスを生成する内挿回路と、 第２の位相検出回路の出力に接続され、該位相検出回路
   から供給される信号を１２０°ずつ位相遅延して３相信
   号を生成する遅延回路と、 該遅延回路の出力に接続され、該遅延回路から供給され
   る３相信号と上記第１の位相検出回路から供給される位
   置パルスの位相の一致を検出してモータ駆動用の３相同
   期制御信号を出力する位相比較回路と、 を備えたロータリーエンコーダ。
2. 【請求項２】 請求項１に記載したロータリーエンコー
   ダにおいて、前記２つのトラック信号の記録波長をλ
   １，λ２とし、エンコーダ１回転当たりの位置パルス数
   をＰ、モータ駆動用３相信号のパルス数をＲとしたと
   き、前記トラック信号の記録波長λ１，λ２がλ１・Ｐ
   ＝λ２・（Ｐ＋Ｒ）の関係を満たすように選ばれている
   ことを特徴とするロータリーエンコーダ。
3. 【請求項３】 請求項１に記載したロータリーエンコー
   ダにおいて、前記第１の位相検出回路の出力と前記内挿
   回路の入力の間に可変遅延回路を設け、該可変遅延回路
   の出力を前記移相比較回路に供給して前記３相信号との
   位相の一致を検出するようにしたロータリーエンコー
   ダ。
4. 【請求項４】 請求項３に記載したロータリーエンコー
   ダにおいて、前記可変遅延回路の遅延量を可変すること
   により、３相信号の各々の位相関係を保持したまま、該
   ３相同期制御信号の出力される位置をロータリーエンコ
   ーダの回転位置に対して電気的に可変できるようにした
   ことを特徴とするロータリーエンコーダ。