JPH0476048B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、たとえば駆動源によつて作業端を駆
動するようにしたいわゆる電動ロボツトなどにお
いて、電動機の総回転数および360°以内の回転角
度を検出するために好適に実施されるエンコーダ
装置に関する。

背景技術 典型的な既成技術では、モータの回転軸からの
動力は減速機によつて減速されて作業端に伝達さ
れ、この作業端の回転角度を検出するためにモー
タの前記出力軸に作業端のための減速機と同一減
速比を有するもう１つの検出用減速機を設け、前
記検出用減速機の減速出力軸の回転角度をポテン
シオメータによつて検出し、これによつて作業端
の概略の回転角度の絶対値を知ることができ、一
方モータの出力軸にはいわゆるインクリメンタル
エンコーダが設けられ、出力軸の360°以内の回転
角度を高精度で検出することができるような構成
になつている。

発明が解決しようとする問題点 上述したような既成技術では、検出用の減速機
を必要としエンコーダ装置が大型化するとともに
その検出用減速器のバツクラツシユによつて測定
誤差を生じるという問題があつた。またインクリ
メンタルエンコーダは回転軸に装着された回転部
材の両側に発光素子と受光素子とをそれぞれ設
け、回転部材に形成されている透光部分または遮
光部分を検出する構成を有しており、停電時には
このようなインクリメンタルエンコーダをバツテ
リによつて動作させようとすれば、インクリメン
タルエンコーダの消費電力が大きいのでバツテリ
の容量は大きくなければならずエンコーダ関連の
電源が大型化するようになる。

したがつて本発明の目的は、装置全体を大型化
することなく高精度の回転角度検出ができるよう
にしたエンコーダ装置を提供することである。

本発明の他の目的は、停電期間において角変位
した回転軸の回転角度を電源復帰時において高精
度で検出することができるようにしたエンコーダ
装置を提供することである。

問題点を解決するための手段 本発明は、回転軸２に装着され全円周にわたり
透孔部分１４，１５と遮光部分とが交互に繰り返
し形成されている回転円板部材８と、 前記回転円板部材８に関して前記回転軸２の軸
線方向の一方で固定位置に配置され、前記透孔部
分１４，１５と遮光部分に向けて光を発射する発
光素子９と、 上記回転円板部材に関して回転軸の軸線方向の
他方側で固定位置に配置され、前記発光素子９か
ら透孔部分１４，１５を介する光を受光する受光
素子１０，１１と、 受光素子１０，１１の出力を計数し、これによ
つて回転軸の回転角度を検出する回転角度検出手
段１８と、 回転軸２に非磁性材料から成る部材２０を介し
て固定される永久磁石片２１と、 固定位置に設けられ、永久磁石片２１の磁界を
検出する磁気検出素子２２，２３と、 磁気検出素子２２，２３の出力を計数し記憶す
る計数回路２９と、 発光素子９と受光素子１０，１１と回転角度検
出手段１８とを電力付勢する電源回路３１，３２
と、 電源回路３１，３２の停電時においても常時、
前記計数回路２９を電力付勢するバツテリ手段３
０とによつて構成されるエンコーダ装置である。

また本発明は、回転軸２に装着され全円周にわ
たり透孔部分１４，１５と遮光部分とが交互に繰
り返し形成されている回転円板部材８と、 前記回転円板部材８に関して前記回転軸２の軸
線方向の一方側で固定位置に配置され、前記透孔
部分１４，１５と遮光部分に向けて光を発射する
発光素子９と、 上記回転円板部材に関して回転軸の軸線方向の
他方側で固定位置に配置され、前記発光素子９か
ら透孔部分１４，１５を介する光を受光する受光
素子１０，１１と、 受光素子１０，１１の出力を計数し、これによ
つて回転軸の回転角度を検出する回転角度検出手
段１８と、 回転軸２に部材２０を介して固定される突起
と、 固定位置に設けられ、突起に接触するアクチユ
エータを有するマイクロスイツチと、 マイクロスイツチの出力を計数し記憶する計数
回路２９と、 発光素子９と受光素子１０，１１と回転角度検
出手段１８とを電力付勢する電源回路３１，３２
と、 電源回路３１，３２の停電時においても常時、
前記計数回路２９を電力付勢するバツテリ手段３
０とによつて構成されるエンコーダ装置。

作 用 本発明に従えば、検出用の減速機を必要とせ
ず、したがつてエンコーダ装置を大形化すること
なく回転軸の回転角度を高精度に検出することが
できる。

また本発明に従えば、バツテリ手段３０によつ
て計数回路２９を常時、したがつて電源回路３
１，３２の停電時においても、電力付勢するよう
にし、発光素子９と受光素子１０，１１と回転角
度検出手段１８とは、比較的電力消費量が大きい
電源回路３１，３２によつて電力付勢するように
し、これによつてバツテリ手段３０が大形化する
ことなく、その電源回路３１，３２の停電時にお
いても、回転軸２の回転数の検出を常に行うこと
ができる。

実施例 第１図は本発明に従うエンコーダ装置を備えた
電動ロボツトのブロツク図である。この電動ロボ
ツトでは、モータ１の回転軸２は歯車４ａ，４ｂ
を含む減速機３によつて減速され、出力軸５から
作業端６を回転駆動する。モータ１の回転軸２に
は回転角度検出手段であるインクリメンタルエン
コーダ７が設けられる。

第２図はインクリメンタルエンコーダ７の原理
を示す斜視図である。インクリメンタルエンコー
ダ７は回転軸２に装着された回転円板部材８と、
この回転円板部材８に関して回転軸２の軸線方向
の一方側（第２図の左方）に設けられた発光素子
９と、回転円板部材８に関して回転軸２の軸線方
向の他方側（第２図の右方）に設けられた受光素
子１０，１１とを含む。回転円板部材８は金属な
どの遮光性部材から成り、半径方向にずれて配置
された第１トラツク１２と第２トラツク１３とを
有する。第１トラツク１２は回転円板部材８の全
円周にわたり、等間隔をあけて形成された検出用
透孔１４を有する。第２トラツク１３もまた回転
円板部材８の全円周にわたり、等間隔をあけて形
成された検出用透孔１５を有する。第１トラツク
１２の検出用透孔１４と第２トラツク１３の検出
用透孔１５とは、回転円板部材８の周方向に電気
角で90°位相がずれている。

発光素子９から検出用透孔１４を介する光は、
受光素子１０によつて検出される。発光素子９か
ら検出用透孔１５を介する光は、受光素子１１に
よつて検出される。第１図も同時に参照して受光
素子１０，１１からの出力はラインｌ１，ｌ２を
経て回転方向弁別回路１６に入力される。受光素
子１０，１１からラインｌ１，ｌ２に導出される
信号波形は、回転円板部材８の回転中において第
３図(1)および第３図(2)にそれぞれ示されていると
おりであつて、これらの検出出力は前述したよう
に電気角で90°ずれた位相差を有している。回転
方向弁別回路１６は、回転円板部材８が矢符１７
の方向（第２図参照）へ回転するとき、受光素子
１０，１１からの出力に対応する第３図(3)に示さ
れるパルスをラインｌ３に導出する。ラインｌ４
の出力は回転円板部材８が矢符１７の方向に回転
するときハイレベルとなり、このときラインｌ５
の出力はローレベルである。回転円板部材８が矢
符１７の方向とは逆方向に回転するとき、ライン
ｌ４の出力はローレベルであり、ラインｌ５の出
力はハイレベルになる。アツプダウンカウンタ１
８は、ラインｌ３を介する第３図(3)のパルスをラ
インｌ４がハイレベルのとき加算してアツプカウ
ントし、ラインｌ５がハイレベルのとき減算して
ダウンカウントする。

アツプダウンカウンタ１８の出力はラインｌ６
に導出され、ラインｌ４がハイレベルであるとき
第３図(4)で示される出力を導出する。アツプダウ
ンカウンタ１８は回転軸２に関し回転円板部材８
が一回転するたび毎にラインｌ６から検出される
計数値をリセツトする。こうしてラインｌ６から
の回転軸２の回転角度を表わす回転角度信号によ
つて、回転軸２の360°以内の回転角度を高精度で
検出することができる。アツプダウンカウンタ１
８は、ラインl¹４からのリセツト信号によつて計
数値が零となるようにリセツトされる。回転軸２
に関連して回転数検出手段１９が設けられる。第
４図は回転数検出手段１９の斜視図であり、第５
図はその側面図である。回転数検出手段１９は、
回転軸２に固定された回転円板部材２０を有す
る。回転円板部材２０は、非磁性材料の金属また
は合成樹脂などから成る。回転円板部材２０の一
表面には、永久磁石片２１が装着されている。永
久磁石片２１の磁界によつて、回転円板部材２０
の円周方向に間隔をあけて配置されたリードスイ
ツチ２２，２３のスイツチング態様が変化する。
リードスイツチ２２は、ガラスなどから成る封止
体２４内の空間に設けられた一対の電極２５，２
６を有し、電極２５，２６は永久磁石片２１の磁
界によつてスイツチング態様が変化する。リード
スイツチ２３は、リードスイツチ２２と同様の構
成を有する。リードスイツチ２２，２３のスイツ
チング態様の変化によつて、極めて微少な消費電
力のもとに、回転円板部材２０の円周方向に位相
差をもつた電気信号が、第３図(1)および第３図(2)
にそれぞれ示されるように導出される。

回転軸２が矢符１７の方向に回転するときリー
ドスイツチ２２，２３からは第３図(5)および第３
図(6)で示される信号がラインｌ７，ｌ８をそれぞ
れ介して回転方向弁別回路２８に与えられる。回
転方向弁別回路２８は、リードスイツチ２２，２
３からの位相差に基づいて回転円板部材２０が矢
符１７の方向に回転するときラインｌ１０にハイ
レベルの信号を導出し、このときラインｌ１１は
ローレベルである。回転方向弁別回路２８は、回
転円板部材２０が矢符１７の逆方向に回転すると
きラインｌ１０にはローレベルの信号を導出し、
ラインｌ１１にハイレベルの信号を導出する。回
転方向弁別回路２８は、ラインｌ９にリードスイ
ツチ２２，２３からの出力に基づいて第３図(7)の
波形を有する信号を導出する。ラインｌ９からの
信号は、またラインｌ１４を介してアツプダウン
カウンタ１８にリセツト信号として与えられる。
ラインｌ９〜ｌ１１からの信号は、アツプダウン
カウンタ２９に受信される。このアツプダウンカ
ウンタ２９は、ラインｌ１０からの信号がハイレ
ベルであるときラインｌ９のパルスを加算してア
ツプカウントし、ラインｌ１１がハイレベルであ
るときラインｌ９のパルスを減算してダウンカウ
ントする。

リードスイツチ２２，２３からラインｌ７，ｌ
８を介して得られるパルスおよびラインｌ９から
得られるパルスは回転軸２および回転円板部材２
０の１回転ごとに得られ、したがつてアツプダウ
ンカウンタ２９の計数値は回転軸２の回転数を表
わし、回転軸２および回転円板部材２０が矢符１
７の方向に回転したときのアツプダウンカウンタ
２９のラインｌ１２に導出される計数値信号が第
３図(8)で示される波形を有する。

回転方向弁別回路２８およびアツプダウンカウ
ンタ２９は半導体回路によつて実現され、したが
つて消費電力は小さい。回転方向弁別回路２８お
よびアツプダウンカウンタ２９は、バツテリ３０
によつて電力付勢される。

回転方向弁別回路１６、アツプダウンカウンタ
１８およびインクリメンタルエンコーダ７の発光
素子９並びに受光素子１０，１１は、商用交流電
源３１からの電力を変圧整流する電源回路３２の
電力によつて電力付勢される。回転方向弁別回路
１６，アツプダウンカウンタ１８は、半導体回路
によつて実現されることができる。発光素子９
は、回転角度の検出時において常時電力付勢され
て発光し、たとえば発光ダイオードなどによつて
実現されその消費電力は比較的大きい。

アツプダウンカウンタ１８からラインｌ６に導
出される第３図(4)で示される回転角度信号と、ア
ツプダウンカウンタ２９からラインｌ１２を介し
て導出される第３図(8)で示される回転数信号と
は、演算回路３３に与えられて、これによつて回
転軸２の総回転角度を表わす第３図(9)で示される
信号がラインｌ１３から導出される。商用交流電
源３１の停電時には、回転方向弁別回路１６およ
びアツプダウンカウンタ１８は不能動化され、発
光素子９は発光を停止する。回転方向弁別回路２
８およびアツプダウンカウンタ２９は、バツテリ
３０によつて停電時においても電力付勢されたま
まである。したがつて回転数検出手段１９が角変
位して永久磁石片２１の磁界によつてリードスイ
ツチ２２，２３のスイツチング態様が変化したと
き、その状態は回転方向弁別回路２８によつて回
転方向が弁別され、アツプダウンカウンタ２９の
計数値が変化されてストアされる。したがつて商
用交流電源３１の停電によつてモータ１が消勢さ
れ従つて作業端６がその重力などによつて角変位
し、応じて回転軸２が角変位しても、回転数検出
手段１９，回転方向弁別回路２８およびアツプダ
ウンカウンタ２９のはたらきによつて回転軸２の
回転数が常時検出される。

電源復帰後は、モータ１、回転数弁別回路１６
およびアツプダウンカウンタ１８は電源回路３２
からの電力によつて電力付勢される。また演算回
路３３も電力付勢される。モータ１によつて回転
軸２を回転駆動し、リードスイツチ２２，２３か
ら第３図(5)および第３図(6)でそれぞれ示されるパ
ルスが得られたときアツプダウンカウンタ１８の
計数値を第３図(4)で示されるように零にリセツト
することによつて、それ以後の回転軸２の360°以
内の回転角度を高精度で測定することができる。

上述の実施例では、永久磁石片２１は、回転軸
２に非磁性材料から成る部材２０を介して固定さ
れており、この永久磁石片２１は、回転円板部材
８に取付ける構成となつていない。このように永
久磁石片２１を、部材８とは別個に設けられた部
材２０に取付けることによつて、両部材８，２０
を小形化することができる。もしも仮に、永久磁
石片２１を、部材８のトラツク１２，１３の半径
方向外方に、または半径方向内方に取付けるとす
れば、その部材８の外径を大きくしなければなら
ず、したがつてロボツトのアームには組み込むこ
とができなくなつてしまう。この問題を解決する
ためにもしも仮に、小さい永久磁石片を部材８に
取付けるとすれば、そのような小さい永久磁石片
２１を検出するリードスイツチ２２，２３の位置
精度を高くしなければならず、またそのような小
さい永久磁石片２１とリードスイツチ２２，２３
との間のギヤツプを精密に設定しなければならな
くなり、さらにまた回転軸２のわずかな芯振れに
よつて、誤検出を生じるおそれがある。上述の実
施例では、トラツク１２，１３が形成されている
部材８とは別個に設けられた部材２０に永久磁石
片２１を取付けることによつて、全体の構成を小
形化することができ、またその永久磁石片２１を
むやみに小さくする必要がなくなり、組立精度を
高くする必要がなく、また回転軸２の芯振れによ
る誤検出が発生するおそれをなくしている。

上述の実施例ではリードスイツチ２２，２３は
電力を消費せず、バツテリ３０の電力は回転方向
弁別回路２８およびアツプダウンカウンタ２９に
供給され、これらの回路２８，２９は、たとえば
集積回路などによつて実現され、その消費電力は
ごく僅かで済む。リードスイツチ２２，２３に代
えて、たとえば磁気抵抗素子を用いてもよく、そ
のような磁気抵抗素子の抵抗はたとえば600kΩで
あり、3.6Vで動作し、したがつてその消費電力
はきわめて僅かである。本件発明者の実験によれ
ば、このような磁気抵抗素子を用い、また回転方
向弁別回路２８およびアツプダウンカウンタ２９
を集積回路によつて構成したとき、容量2Ahであ
る２個のバツテリ３０を並列に用いたときのバツ
テリ３０の寿命は、４年であつた。これに対し
て、永久磁石片２１とリードスイツチ２２，２３
の代りに、発光ダイオードと受光素子とを用いて
構成したとき、その発光素子は、たとえば10ｍＡ
程度の消費電流が必要であり、受光素子の出力を
回転方向弁別回路２８に与え、この回転方向弁別
回路２８とアツプダウンカウンタ２９とに、発光
ダイオードとともに、容量2Ahである２個のバツ
テリ３０を用いて常時電力を供給したとき、その
バツテリ３０の寿命は、約400時間にすぎなかつ
た。したがつて上述の実施例のように、永久磁石
片２１とリードスイツチ２２，２３とを用い、あ
るいはまたリードスイツチ２２，２３に代えて磁
気抵抗素子などを用いることによつて、商用交流
電源３１の短時間の停電時だけでなく、長時間の
停電時、さらに、たとえば本件エンコーダ装置の
電源切つて工場から出荷した場合などでも、上述
のバツテリで十分対応することができる。

もしも仮に、永久磁石片２１に代えて前述の発
光ダイオードを用いた構成において、消費電力の
低減を図るために、間欠的にその発光ダイオード
を点灯してサンプリングを行うことも考えられる
けれども、そのサンプリング周期のデユーテイ
は、実際上は１：10（すなわち1/10）程度が限度
と思われ、したがつて上述の実施例程に優れた効
果は期待できない。

本発明のさらに他の実施例として、上述のリー
ドスイツチ２２，２３に代えて、回転円板部材２
０に取付けられている永久磁石片２１の磁界変化
によつて誘起起電力を発生する手段を用いてもよ
い。このような誘起起電力発生手段は、電力を何
等消費せず、好都合である。このような誘起起電
力発生手段としては、たとえば前述の永久磁石片
２１の接近に伴なう外部磁界の増減によつて磁化
の強さが急変する棒状の強磁性材料と、この強磁
性材料に巻線された検出コイルとを備え、前記磁
化の強さの急変によつてインパルス状誘起起電力
を発生する構成を有する。

本発明によれば、その他の構成を有する磁気検
出素子が用いられてもよい。

他の実施例として永久磁石片２１とリードスイ
ツチ２２，２３との組合わせに代えて、回転軸２
に固定された部材２０に、突起を形成し、この突
起に接触するアクチユエータを備えるマイクロス
イツチを固定位置に設け、アクチユエータを、回
転軸２、したがつて部材２０の回転に従う突起の
移動経路に沿つて円周方向に間隔をあけて配置さ
れるように構成されてもよい。残余の構成は前述
の実施例と同様である。

効 果 以上のように本発明によれば、構成を大形化す
ることなく、高精度の回転角の検出ができるよう
になる。特に、特許請求の範囲第１項に記載され
た第１発明によれば、回転軸２には非磁性材料か
ら成る部材２０を介して永久磁石片２１が固定さ
れており、この永久磁石片２１の磁界を、固定位
置に設けられる磁気検出素子２２，２３によつて
検出し、磁気検出素子２２，２３の出力を計数し
て記憶する計数回路２９が設けられ、この計数回
路２９はバツテリ手段３０によつて常時、電力付
勢されるので、発光素子９と受光素子１０，１１
と回転角検出手段１８とを電力付勢する電源回路
３１，３２の停電が生じても、回転数の検出が確
実に達成される。しかもこのような計数回路２９
の電力消費量を低減し、バツテリ手段３０を長寿
命とすることができる。

また、第１発明によれば、永久磁石片２１は、
回転軸２に、回転円板部材８とは別個に設けられ
た部材２０を介して固定されており、したがつて
もしも仮に、回転円板部材に永久磁石片２１を取
付けたと仮定したときに、その回転円板部材８が
大形化するという問題が本発明では、生じること
はなく、本発明によれば、全体の構成を小形化す
ることができる。しかも永久磁石片２１を微細に
構成する必要はなく、したがつて磁気検出素子２
２，２３の位置精度が要求されることはなく、ま
た永久磁石片２１と磁気検出素子２２，２３との
ギヤツプを過度に精密にする必要はなく、さら
に、回転軸２の芯振れが生じても、磁気検出素子
２２，２３による誤検出が生じることが防がれ
る。

また第１発明では上述のように永久磁石片２１
を用い、その永久磁石片２１の磁界を磁気検出素
子２２，２３によつて検出するようにしているの
で、永久磁石片２１の電力消費はなく、また磁気
検出素子２２，２３の電力消費は零またはごく僅
かであり、その磁気検出素子２２，２３の出力を
受信する計数回路２９は、たとえば集積回路など
によつて実現され、その計数回路２９の電力消費
を僅かにすることができ、したがつてバツテリ手
段３０の寿命をたとえば４年などときわめて長く
することができるようになる。

また特許請求の範囲第２項に記載された第２発
明によれば、回転軸２に部材２０を介して突起を
固定し、固定位置には、この突起に接触するアク
チユエータを有するマイクロスイツチを設け、計
数回路２９によつてマイクロスイツチの出力を計
数して記憶するようにし、計数回路２９をバツテ
リ手段３０によつて電源回路３１，３２の停電時
においても常時、電力付勢するようにし、これに
よつてもまた、バツテリ手段３０を長寿命とし、
常に回転数の検出を可能とする。すなわちこのよ
うな突起およびマイクロスイツチを有する構成に
よれば、マイクロスイツチによる電力消費はな
く、そのマイクロスイツチの出力を受信する計数
回路２９は、たとえば集積回路によつて実現する
ことができ、したがつてバツテリ手段３０の寿命
を、たとえば前述のように４年程度として十分に
長くすることが可能になる。しかも突起は部材２
０を介して回転軸２に固定されるので、第１発明
と同様に小形化を図ることができ、しかも突起を
微細に構成する必要はなく、したがつてアクチユ
エータを有するマイクロスイツチの位置精度が要
求されることはなく、さらに、回転軸２の芯振れ
が生じても、マイクロスイツチによる誤検出が生
じることが防がれる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例のブロツク図、第２
図はインクリメンタルエンコーダの斜視図、第３
図は第１図に示された実施例の動作を説明するた
めの波形図、第４図は回転数検出手段１９の斜視
図、第５図は回転数検出手段１９側面図、第６図
はインクリメンタルエンコーダの他の実施例の斜
視図である。 ２……回転軸、７……インクリメンタルエンコ
ーダ、９……発光素子、１０，１１……受光素
子、１６，２８……回転方向弁別回路、１８，２
９……アツプダウンカウンタ、３０……バツテ
リ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 回転軸２に装着され全円周にわたり透孔部分
   １４，１５と遮光部分とが交互に繰り返し形成さ
   れている回転円板部材８と、 前記回転円板部材８に関して前記回転軸２の軸
   線方向の一方側で固定位置に配置され、前記透孔
   部分１４，１５と遮光部分に向けて光を発射する
   発光素子９と、 上記回転円板部材に関して回転軸の軸線方向の
   他方側で固定位置に配置され、前記発光素子９か
   ら透孔部分１４，１５を介する光を受光する受光
   素子１０，１１と、 受光素子１０，１１の出力を計数し、これによ
   つて回転軸の回転角度を検出する回転角度検出手
   段１８と、 回転軸２に非磁性材料から成る部材２０を介し
   て固定される永久磁石片２１と、 固定位置に設けられ、永久磁石片２１の磁界を
   検出する磁気検出素子２２，２３と、 磁気検出素子２２，２３の出力を計数し記憶す
   る計数回路２９と、 発光素子９と受光素子１０，１１と回転角度検
   出手段１８とを電力付勢する電源回路３１，３２
   と、 電源回路３１，３２の停電時においても常時、
   前記計数回路２９を電力付勢するバツテリ手段３
   ０とによつて構成されるエンコーダ装置。 ２ 回転軸２に装着され全円周にわたり透孔部分
   １４，１５と遮光部分とが交互に繰り返し形成さ
   れている回転円板部材８と、 前記回転円板部材８に関して前記回転軸２の軸
   線方向の一方側で固定位置に配置され、前記透孔
   部分１４，１５と遮光部分に向けて光を発射する
   発光素子９と、 上記回転円板部材に関して回転軸の軸線方向の
   他方側で固定位置に配置され、前記発光素子９か
   ら透孔部分１４，１５を介する光を受光する受光
   素子１０，１１と、 受光素子１０，１１の出力を計数し、これによ
   つて回転軸の回転角度を検出する回転角度検出手
   段１８と、 回転軸２に部材２０を介して固定される突起
   と、 固定位置に設けられ、突起に接触するアクチユ
   エータを有するマイクロスイツチと、 マイクロスイツチの出力を計数し記憶する計数
   回路２９と、 発光素子９と受光素子１０，１１と回転角度検
   出手段１８とを電力付勢する電源回路３１，３２
   と、 電源回路３１，３２の停電時においても常時、
   前記計数回路２９を電力付勢するバツテリ手段３
   ０とによつて構成されるエンコーダ装置。