JP2006138738A

JP2006138738A - Magnetic type encoder device

Info

Publication number: JP2006138738A
Application number: JP2004328569A
Authority: JP
Inventors: Motomichi Oto; 基道大戸; Takefumi Kabashima; 武文椛島; Yuji Arinaga; 雄司有永
Original assignee: Yaskawa Electric Corp
Current assignee: Yaskawa Electric Corp
Priority date: 2004-11-12
Filing date: 2004-11-12
Publication date: 2006-06-01

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a magnetic type encoder device that prevents the occurrence of an eddy current due to a rotating magnetic field and can perform angle detection with high precision with wide-range rotation speed of from a low speed rotation to a high speed rotation. <P>SOLUTION: The magnetic type encoder device comprises a magnetic type encoder 10 having a permanent magnet 12 fixed to a rotator 11 and a magnetic field detection element 14 that faces the permanent magnet 12 via a clearance and is attached to a fixed body 13, and a signal processing circuit (not shown) for processing a signal from the magnetic field detection element 14. The fixed body 13 is constituted by a magnetic substance wire. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、回転体の回転位置を検出する磁気式エンコーダに関し、特に低速回転から高速回転まで高精度を維持できる磁気式エンコーダ装置に関する。 The present invention relates to a magnetic encoder that detects the rotational position of a rotating body, and more particularly to a magnetic encoder device that can maintain high accuracy from low speed rotation to high speed rotation.

従来、モータ軸などの回転体の回転角度を検出するため、２極着磁した円板状の永久磁
石を回転体に固定し、この円板状の永久磁石からの磁界を固定体に固定した磁界検出素子で検出し、回転体の絶対位置を検出するようにした磁気式エンコーダ装置が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
図７は従来の磁気式エンコーダの斜視図である。
図７において、１１は回転体(シャフト)、１２は回転体１１に回転軸を同一になるように固定された円板状の永久磁石で、回転体１１の軸に垂直方向と平行に一方向に磁化されている。１３は永久磁石１２の外周側に設けられたリング状の固定体で磁性体のブロック材で構成されている。１４は固定体１３に互いに周方向に９０度間隔で取り付けられた４個の磁界検出素子で、永久磁石１２の外周面に対して空隙を介して対向し、かつ互いに機械角で９０度位相をずらして配置されている。
次に動作について説明する。
回転体１１が回転すると、磁界検出素子１４は回転角に対して正弦波状の磁束密度を検出する。各磁界検出素子１４からの出力信号を処理することによって回転体１１の回転角を検出している。
ＷＯ９９／０１３２９６号公報（第４頁−５頁、図１） Conventionally, in order to detect the rotation angle of a rotating body such as a motor shaft, a disk-shaped permanent magnet magnetized with two poles is fixed to the rotating body, and the magnetic field from the disk-shaped permanent magnet is fixed to the fixed body. A magnetic encoder device that is detected by a magnetic field detection element and detects the absolute position of a rotating body is disclosed (for example, see Patent Document 1).
FIG. 7 is a perspective view of a conventional magnetic encoder.
In FIG. 7, 11 is a rotating body (shaft), 12 is a disk-shaped permanent magnet fixed to the rotating body 11 so that the rotation axis is the same, and is in one direction parallel to the axis of the rotating body 11 in a direction perpendicular to the axis. Is magnetized. Reference numeral 13 denotes a ring-shaped fixed body provided on the outer peripheral side of the permanent magnet 12 and is made of a magnetic block material. Four magnetic field detection elements 14 are attached to the fixed body 13 at intervals of 90 degrees in the circumferential direction. The four magnetic field detection elements are opposed to the outer peripheral surface of the permanent magnet 12 via a gap and have a mechanical angle of 90 degrees with respect to each other. They are staggered.
Next, the operation will be described.
When the rotating body 11 rotates, the magnetic field detection element 14 detects a sinusoidal magnetic flux density with respect to the rotation angle. The rotation angle of the rotating body 11 is detected by processing the output signal from each magnetic field detection element 14.
WO99 / 013296 (pages 4-5, FIG. 1)

磁気式エンコーダの回転体および永久磁石は、例えば、サーボモータのロータに結合され、ロータの回転速度で回転する。永久磁石による回転磁界が固定体に流入すると、固定体の表面には、流入する磁界を減少させる方向に渦電流が発生する。従来、この渦電流により発生する磁界が、固定体上に配置された磁界検出素子に印加され、エンコーダ精度が劣化する問題があった。特に高速で回転するほど、発生する渦電流が大きくなり、エンコーダの精度劣化も大きくなる。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、回転速度にかかわらず、回転角度を高精度に検出することができる磁気式エンコーダ装置を提供することを目的とする。 The rotating body and permanent magnet of the magnetic encoder are coupled to a rotor of a servo motor, for example, and rotate at the rotational speed of the rotor. When the rotating magnetic field generated by the permanent magnet flows into the fixed body, an eddy current is generated on the surface of the fixed body in a direction that reduces the flowing magnetic field. Conventionally, a magnetic field generated by this eddy current is applied to a magnetic field detecting element arranged on a fixed body, and there is a problem that encoder accuracy deteriorates. In particular, the higher the rotation speed, the larger the generated eddy current and the greater the deterioration of the encoder accuracy.
The present invention has been made in view of such problems, and an object thereof is to provide a magnetic encoder device capable of detecting a rotation angle with high accuracy regardless of the rotation speed.

上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したものである。
請求項１に記載の発明は、回転体に固定された永久磁石と前記永久磁石に空隙を介して対向し固定体に取り付けられた磁界検出素子とを備えた磁気式エンコーダと、前記磁界検出素子からの信号を処理する信号処理回路とを備えた磁気式エンコーダ装置において、前記固定体は、磁性体ワイヤから構成されていることを特徴としている。
また、請求項２に記載の発明は、前記磁性体ワイヤは、Fe基もしくはCo基のアモルファスワイヤから構成され、かつ前記アモルファスワイヤの表面を絶縁コーティングしたことを特徴としている。 In order to solve the above problems, the present invention is configured as follows.
The invention according to claim 1 is a magnetic encoder comprising a permanent magnet fixed to a rotating body, and a magnetic field detecting element attached to the fixed body so as to face the permanent magnet through a gap, and the magnetic field detecting element And a signal processing circuit for processing a signal from the magnetic encoder device, wherein the fixed body is made of a magnetic wire.
The invention according to claim 2 is characterized in that the magnetic wire is made of an Fe-based or Co-based amorphous wire, and the surface of the amorphous wire is insulation-coated.

本発明によると、固定体を、軟磁性のワイヤで構成しているので固定体に発生する渦電流が抑制され、低速回転から高速回転まで、高精度に回転角度を検出できる磁気式エンコーダ装置が実現できる。 According to the present invention, since the fixed body is made of a soft magnetic wire, an eddy current generated in the fixed body is suppressed, and a magnetic encoder device capable of detecting a rotation angle with high accuracy from low speed rotation to high speed rotation is provided. realizable.

以下、本発明の具体的実施例について、図に基づいて説明する。 Hereinafter, specific examples of the present invention will be described with reference to the drawings.

図１は本発明の磁気式エンコーダ装置の構造を示す斜視図である。
図１において、１１は回転体(シャフト)、１２は回転体１１に回転軸を同一になるように固定された円板状の永久磁石で、回転体１１の軸に垂直方向と平行に一方向に磁化されている。１３は永久磁石１２の外周側に設けられ、軟磁性のワイヤ１３１で構成されたリング状の固定体、１４は固定体１３に互いに周方向に９０度間隔で取り付けられた４個の磁界検出素子で、永久磁石１２の外周面に対して空隙を介して対向し、かつ互いに機械角で９０度位相をずらしてＡ１相検出素子１４１とＢ１相検出素子１４２を設け、さらにＡ１相検出素子１４１に対して機械角で１８０度位相をずらしてＡ２相検出素子１４３を、Ｂ１相検出素子１４２に対して機械角で１８０度位相をずらしてＢ２相検出素子１４４を設けてある。
本実施例が従来技術と異なる点は、従来技術では固定体１３に磁性体のブロック材を用いたが、本実施例では磁性体ワイヤ１３１を用い、コイル状に巻いて固定体１３を構成した点であり、その他の構成は従来技術と同じである。なお、磁性体ワイヤ１３１は表面には絶縁コーティングがされているＦe−Sｉ−Ｂ系アモルファスワイヤを使用した。 FIG. 1 is a perspective view showing the structure of a magnetic encoder device of the present invention.
In FIG. 1, 11 is a rotating body (shaft), 12 is a disk-like permanent magnet fixed to the rotating body 11 so that the rotation axis is the same, and is in one direction parallel to the axis of the rotating body 11 in a direction perpendicular to the axis. Is magnetized. Reference numeral 13 denotes a ring-shaped fixed body that is provided on the outer peripheral side of the permanent magnet 12 and is composed of soft magnetic wires 131. Four magnetic field detection elements 14 are attached to the fixed body 13 at intervals of 90 degrees in the circumferential direction. The A1 phase detection element 141 and the B1 phase detection element 142 are provided so as to face the outer peripheral surface of the permanent magnet 12 with a gap and are shifted from each other by 90 degrees in mechanical angle. On the other hand, the A2 phase detection element 143 is provided by shifting the phase by 180 degrees by the mechanical angle, and the B2 phase detection element 144 is provided by shifting the phase by 180 degrees by the mechanical angle with respect to the B1 phase detection element 142.
The difference between the present embodiment and the prior art is that the magnetic block material is used for the fixed body 13 in the prior art. However, in this embodiment, the fixed body 13 is formed by using a magnetic wire 131 and winding it in a coil shape. In other respects, the other configurations are the same as those of the prior art. The magnetic wire 131 is an Fe-Si-B amorphous wire having an insulating coating on the surface.

次に本発明の磁気式エンコーダ装置の動作について述べる。
回転体１１が回転すると、永久磁石１２も回転し、永久磁石１２の磁界の変化により、磁界検出素子１４から回転体１１の１回転に対し１サイクルの正弦波状の信号が出力される。
図２は信号処理回路のブロック図であり、磁界検出素子１４からの信号を処理して角度信号θに変換する。図２において、１５１、１５２は差動アンプ、１５３は角度演算回路である。互いに１８０度対向位置に配置されたＡ１相検出素子１４１およびＡ２相検出素子１４３からのそれぞれの検出信号Ｖａ１およびＶａ２が差動アンプ１５１に入力され、両信号の差動信号であるＡ相信号Ｖａが得られる。同様に、互いに１８０度対向位置に配置されたＢ１相検出素子１４２およびＢ２相検出素子１４４からのそれぞれの検出信号Ｖｂ１およびＶｂ２が差動アンプ１５２に入力され、両信号の差動信号であるＢ相信号Ｖｂが得られる。
図３は磁界検出素子の出力を示す説明図であり、磁界検出素子の差動信号であるＡ相信号ＶａとＢ相信号Ｖｂの波形図を示す。Ａ相信号ＶａとＢ相信号Ｖｂはそれぞれに対応した検出素子の配置から９０度位相の異なる信号となる。
Ａ相信号ＶａとＢ相信号Ｖｂは角度演算回路１５３に入力される。図４は信号処理回路の出力を示すグラフで、回転体１１が回転したときの、角度演算回路１５３の出力を示す。ａｒｃｔａｎ（Ｖａ／Ｖｂ）の演算処理により回転角に対して直線的に変化する角度信号θが得られる。
このように本実施例では固定体に磁性体ワイヤを用いたので、固定体に発生する渦電流が抑制され、低速回転から高速回転まで、高精度に回転角度を検出できる磁気式エンコーダ装置が実現できる。
なお、本実施例では固定体にＦe−Sｉ−Ｂ系アモルファスワイヤを使用したが、その他のＦe基のアモルファスワイヤあるいはＣｏ基のアモルファスワイヤを用いても良い。 Next, the operation of the magnetic encoder device of the present invention will be described.
When the rotating body 11 rotates, the permanent magnet 12 also rotates. Due to the change in the magnetic field of the permanent magnet 12, a single-cycle sinusoidal signal is output from the magnetic field detection element 14 for one rotation of the rotating body 11.
FIG. 2 is a block diagram of the signal processing circuit, which processes a signal from the magnetic field detection element 14 and converts it into an angle signal θ. In FIG. 2, 151 and 152 are differential amplifiers, and 153 is an angle calculation circuit. The respective detection signals Va1 and Va2 from the A1 phase detection element 141 and the A2 phase detection element 143 arranged at positions opposed to each other by 180 degrees are input to the differential amplifier 151, and the A phase signal Va which is a differential signal of both signals. Is obtained. Similarly, the respective detection signals Vb1 and Vb2 from the B1 phase detection element 142 and the B2 phase detection element 144 arranged at positions opposite to each other by 180 degrees are input to the differential amplifier 152, and B is a differential signal of both signals. A phase signal Vb is obtained.
FIG. 3 is an explanatory diagram showing the output of the magnetic field detection element, and shows waveform diagrams of the A-phase signal Va and the B-phase signal Vb which are differential signals of the magnetic field detection element. The A-phase signal Va and the B-phase signal Vb are signals that are 90 degrees out of phase from the corresponding arrangement of detection elements.
The A phase signal Va and the B phase signal Vb are input to the angle calculation circuit 153. FIG. 4 is a graph showing the output of the signal processing circuit, and shows the output of the angle calculation circuit 153 when the rotating body 11 rotates. An angle signal θ that linearly changes with respect to the rotation angle is obtained by the arithmetic processing of arctan (Va / Vb).
As described above, since the magnetic wire is used for the fixed body in this embodiment, an eddy current generated in the fixed body is suppressed, and a magnetic encoder device capable of detecting the rotation angle with high accuracy from low speed rotation to high speed rotation is realized. it can.
In this embodiment, an Fe-Si-B amorphous wire is used for the fixed body, but other Fe-based amorphous wires or Co-based amorphous wires may be used.

図５は本発明の第２実施例を示す磁気式エンコーダ装置の断面図である。
図５において、１１は磁性体からなるリング状の回転体、１２は回転体１１の内周側に内接させて固定したリング状に形成された永久磁石で、回転体１１の中心軸と垂直方向の一方向に磁化されている。１３は中空部を有する円状の外周を有する固定体である。第１実施例と同様に磁性体ワイヤを用い、コイル状に巻いて固定体１３を構成している。また１４は磁界検出素子で永久磁石１２の内周側と空隙部を介して対向するように固定体１３の外周側に固定されている。この構成により固定体１３の中心部、すなわち磁気式エンコーダ装置の中心部を中空にすることができる。
具体的な構成の一例を挙げると次のようになる。
回転体１１は外径５０ｍｍ、中空径２０ｍｍの磁性体（ＳＳ４１）。永久磁石１２は外径４０ｍｍの直線異方性を有するＳｍＣｏ系のリング状磁石。固定体１３は直径が数１００μｍのＣｏ−Sｉ−Ｂ系アモルファスワイヤ。磁界検出素子１４はホール素子。
なお、角度検出動作については第１実施例と同じであるのでその説明を省略する。 FIG. 5 is a sectional view of a magnetic encoder device showing a second embodiment of the present invention.
In FIG. 5, 11 is a ring-shaped rotating body made of a magnetic material, 12 is a permanent magnet formed in a ring shape inscribed and fixed on the inner peripheral side of the rotating body 11, and is perpendicular to the central axis of the rotating body 11. Magnetized in one direction. Reference numeral 13 denotes a fixed body having a circular outer periphery having a hollow portion. Similarly to the first embodiment, the fixed body 13 is configured by using a magnetic wire and winding it in a coil shape. Reference numeral 14 denotes a magnetic field detection element which is fixed to the outer peripheral side of the fixed body 13 so as to face the inner peripheral side of the permanent magnet 12 via a gap. With this configuration, the central portion of the fixed body 13, that is, the central portion of the magnetic encoder device can be made hollow.
An example of a specific configuration is as follows.
The rotating body 11 is a magnetic body (SS41) having an outer diameter of 50 mm and a hollow diameter of 20 mm. The permanent magnet 12 is an SmCo-based ring magnet having a linear anisotropy of 40 mm in outer diameter. The fixed body 13 is a Co—Si—B amorphous wire having a diameter of several hundred μm. The magnetic field detection element 14 is a Hall element.
Since the angle detection operation is the same as that in the first embodiment, the description thereof is omitted.

ここで、固定体に従来技術で示した磁性体のブロック材を用いた場合、永久磁石による回転磁界によって渦電流が発生する現象と渦電流が検出信号に与える影響について説明する。
図６は渦電流の発生を説明する模式図である。
図６に示すように永久磁石１２による回転磁界は磁気回路を構成する固定体１３を通過する。回転体１１に固着された永久磁石１２が回転すると、固定体１３内の磁束変化を打ち消す方向に、固定体表面近傍内側に渦電流が発生する。渦電流の大きさは、固定体に流入する磁束、固定体の半径、回転速度、および固定体の電気伝導度の積に比例する。また正逆どちらに回転しても、渦電流は回転磁界より位相が遅れ、固定体に流入する磁束を減少させ、エンコーダ精度を劣化させる。
すなわち、固定体１３に機械構造材（Ｓ４５Ｃ）等による磁性ブロック材を用いると、回転磁界が渦電流の影響を受け、検出信号の位相が変化すると共に出力電圧を低下させる。また、その影響が回転数とともに増加することが分かる。 Here, a description will be given of a phenomenon in which an eddy current is generated by a rotating magnetic field generated by a permanent magnet and an influence of the eddy current on a detection signal when the magnetic block material shown in the related art is used for the fixed body.
FIG. 6 is a schematic diagram for explaining generation of eddy current.
As shown in FIG. 6, the rotating magnetic field generated by the permanent magnet 12 passes through the fixed body 13 constituting the magnetic circuit. When the permanent magnet 12 fixed to the rotating body 11 rotates, an eddy current is generated in the vicinity of the surface of the fixed body in a direction to cancel the magnetic flux change in the fixed body 13. The magnitude of the eddy current is proportional to the product of the magnetic flux flowing into the stationary body, the radius of the stationary body, the rotational speed, and the electrical conductivity of the stationary body. In addition, whether the rotation is forward or reverse, the phase of the eddy current is delayed from the rotating magnetic field, reducing the magnetic flux flowing into the fixed body and degrading the encoder accuracy.
That is, when a magnetic block material such as a mechanical structure material (S45C) is used for the fixed body 13, the rotating magnetic field is affected by the eddy current, the phase of the detection signal is changed, and the output voltage is lowered. It can also be seen that the effect increases with the rotational speed.

本実施例では固定体に磁性体ワイヤを用い、コイル状に巻いて構成した。磁性体ワイヤ間は電気的に絶縁されており、また、磁性体ワイヤとして用いたアモルファスワイヤは直径が数１００μｍと細いため、エンコーダ精度に影響を及ぼす渦電流が極めて小さくなる。回転速度をパラメータにして、5000min^−１まで渦電流に起因する角度誤差を測定したが、回転速度による誤差の増加は認められなかった。 In this embodiment, a magnetic wire is used as the fixed body and is wound in a coil shape. The magnetic wires are electrically insulated from each other, and the amorphous wire used as the magnetic wire has a thin diameter of several hundreds of micrometers, so that the eddy current that affects the encoder accuracy is extremely small. The angular error due to the eddy current was measured up to 5000 min ⁻¹ using the rotational speed as a parameter, but no increase in error due to the rotational speed was observed.

このように本実施例では中空部を有する磁気式エンコーダの固定体を磁性体ワイヤで構成したので、固定体に発生する渦電流が抑制され、中空部を有するアクチュエータの回転角度を低速回転から高速回転まで、高精度に検出できる磁気式エンコーダ装置が実現できる。
なお、本実施例では固定体にＣｏ−Sｉ−Ｂ系アモルファスワイヤを使用したが、その他のＣｏ基のアモルファスワイヤあるいはＦｅ基のアモルファスワイヤを用いても良い。 Thus, in this embodiment, since the fixed body of the magnetic encoder having the hollow portion is formed of the magnetic wire, the eddy current generated in the fixed body is suppressed, and the rotation angle of the actuator having the hollow portion is changed from low speed to high speed. A magnetic encoder device capable of detecting with high accuracy up to rotation can be realized.
In this embodiment, the Co—Si—B amorphous wire is used as the fixed body, but other Co-based amorphous wires or Fe-based amorphous wires may be used.

本発明の磁気式エンコーダ装置は、ロボットなどに用いられるアクチュエータの回転角度を検出する磁気式エンコーダ装置として適用できる。 The magnetic encoder device of the present invention can be applied as a magnetic encoder device that detects the rotation angle of an actuator used in a robot or the like.

本発明の磁気式エンコーダの構造を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the structure of the magnetic encoder of this invention. 信号処理回路のブロック図である。It is a block diagram of a signal processing circuit. 磁界検出素子の出力を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the output of a magnetic field detection element. 信号処理回路の出力を示すグラフである。It is a graph which shows the output of a signal processing circuit. 本発明の第２実施例の磁気式エンコーダ装置の構造を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the magnetic encoder apparatus of 2nd Example of this invention. 渦電流の発生を説明する模式図である。It is a schematic diagram explaining generation | occurrence | production of an eddy current. 従来の磁気式エンコーダの斜視図である。It is a perspective view of the conventional magnetic encoder.

符号の説明Explanation of symbols

１０磁気式エンコーダ
１１回転体
１２永久磁石
１３固定体
１４磁界検出素子
１４１Ａ１相検出素子
１４２Ｂ１相検出素子
１４３Ａ２相検出素子
１４４Ｂ２相検出素子
１５信号処理回路
１５１、１５２差動アンプ
１５３角度演算回路 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Magnetic encoder 11 Rotating body 12 Permanent magnet 13 Fixed body 14 Magnetic field detection element 141 A1 phase detection element 142 B1 phase detection element 143 A2 phase detection element 144 B2 phase detection element 15 Signal processing circuit 151, 152 Differential amplifier 153 Angle calculation circuit

Claims

回転体に固定された永久磁石と前記永久磁石に空隙を介して対向し固定体に取り付けられた磁界検出素子とを備えた磁気式エンコーダと、前記磁界検出素子からの信号を処理する信号処理回路とを備えた磁気式エンコーダ装置において、
前記固定体は、磁性体ワイヤから構成されていることを特徴とする磁気式エンコーダ装置。 A magnetic encoder comprising a permanent magnet fixed to a rotating body and a magnetic field detecting element attached to the fixed body facing the permanent magnet through a gap, and a signal processing circuit for processing a signal from the magnetic field detecting element In a magnetic encoder device comprising:
The magnetic encoder device, wherein the fixed body is made of a magnetic wire.

前記磁性体ワイヤは、Fe基もしくはCo基のアモルファスワイヤから構成され、かつ前記アモルファスワイヤの表面を絶縁コーティングしたことを特徴とする請求項１記載の磁気式エンコーダ装置。 2. The magnetic encoder device according to claim 1, wherein the magnetic wire is composed of an Fe-based or Co-based amorphous wire, and the surface of the amorphous wire is insulation-coated.