JP2008014671A - 磁気式エンコーダ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】製作や組立に要するコストが低く、しかも、ノイズに強く信頼性の高い中空構造タイプの磁気式エンコーダ装置を提供する。
【解決手段】回転体１の中心軸と垂直方向の一方向に平行に磁化されたリング状の永久磁石２をリング状の回転体１に内接して固定し、永久磁石２の内周側に空隙を介して対向しリング状の固定体３を配置し、固定体３上の１箇所に、永久磁石２の径方向磁束を検出する磁界検出素子と周方向磁束を検出する磁界検出素子を近接して配置した磁界検出部４を形成する。
【選択図】図１

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装置の、特に中空部を有する磁気式エンコーダ装置に関する。

ロボットなどに用いられるアクチュエータは、パワー線や信号線を通すために、中空タイプのアクチュエータが用いられる。このため、回転体の回転角度を検出するエンコーダも中空タイプのエンコーダが用いられる。
従来の中空エンコーダとして平行に磁化されたリング状の永久磁石を回転体の内周側に固定し、こ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９は、従来の磁気式エンコーダの構造図である。
図において、１は磁性体からなる回転体、２は回転体１の内周側に固定したリング状の永久磁石で、回転体１の中心軸に垂直平面内で一方向に平行に磁化されている。３は中空部を有する磁性体からなる固定体である。また、４０は固定体３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２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４１とＢ１ 相検出素子４２を設け、さらにＡ１ 相検出素子４１に対して機械角で１８０度位相をずらしてＡ２ 相検出素子４３を、Ｂ１相検出素子４２に対して機械角で１８０度位相をずらしてＢ２ 相検出素子４４を設けてある。
磁界検出素子４１〜４４は、回転体１の回転に応じて永久磁石２が発生する磁界の変化を検出する。この検出信号を信号処理回路５で回転角度に変換し、回転体１の絶対値位置を検出している。
ＷＯ２００５／０４０７２９

特許文献１で開示された中空エンコーダは、発磁体である永久磁石が偏心して回転する場合に発生する角度誤差を低減するために、Ａ相、Ｂ相の差動検出を行っている。そのため４個の磁界検出素子が必要となる。このため、磁界検出素子数が増え、磁界検出素子を駆動する端子や信号を検出する端子が増えるとともに、リード線もそれぞれの磁界検出素子に対して駆動側２本と出力側２本の合計４本が必要であり、磁界検出素子全体では１６本と多くのリード線が必要になるという問題があった。このため製作や組立に要するコストが高くなる問題があった。また磁界検出素子の駆動端子や信号検出端子およびリード本数が増えるため、ノイズに弱く信頼性を低下させる問題があった。

本発明はこのような問題点に鑑みてなされたもので、製作や組立に要するコストが低く、しかも、ノイズに強く信頼性の高い磁気式エンコーダ装置を提供することを目的とする。

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、リング状の回転体に内接して固定され、前記回転体の中心軸と垂直方向の一方向に平行に磁化されたリング状の永久磁石と前記永久磁石の内周側に空隙を介して対向しリング状の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、前記永久磁石の径方向磁束を検出する径方向磁界検出素子と周方向磁束を検出する周方向磁界検出素子を近接して配置し磁界検出部を形成したことを特徴としている。
また、請求項２に記載の発明は、前記径方向磁界検出素子と前記周方向磁界検出素子を径方向に近接して配置したことを特徴としている。
また、請求項３に記載の発明は、前記径方向磁界検出素子と前記周方向磁界検出素子を周方向に近接して配置したことを特徴としている。
また、請求項４に記載の発明は、前記磁界検出部は、径方向磁束を検出する前記磁界検出素子と周方向磁束を検出する前記磁界検出素子を半導体技術により形成したものであることを特徴としている。
また、請求項５に記載の発明は、前記回転体は磁性体からなることを特徴としている。
また、請求項６に記載の発明は、前記固定体は磁性体からなることを特徴としている。

請求項１に記載の発明によると、径方向磁界検出素子と周方向磁界検出素子を近接して配置し磁界検出部を形成したので、磁界検出部の個数が４個から1個に、磁界検出素子数は４個から２個になり、磁界検出素子の駆動端子や信号検出端子およびリード本数を１／２以下にすることができ、製作や組立に要するコストを低減することができる。また耐ノイズ性に優れた高信頼性の中空構造タイプのエンコーダを提供できる。
また、請求項２に記載の発明によると、径方向磁界検出素子と周方向磁界検出素子を径方向に近接して配置すれば、径方向磁界検出素子と周方向磁界検出素子の検出する磁束の位相差を、精度よく電気角で９０度にすることができる。それゆえ角度検出誤差が小さく、高精度の中空構造タイプのエンコーダを提供できる。
また、請求項３に記載の発明によると、径方向磁界検出素子と周方向磁界検出素子を周方向に近接して配置すれば、磁界検出部を配置する径方向のスペース（ギャップ長）を小さくすることができるので大きい検出信号が得られる。従って、耐ノイズ性に優れた高信頼性の中空構造タイプのエンコーダを提供できる。
また、請求項４に記載の発明によると、径方向磁界検出素子と周方向磁界検出素子を半導体技術により形成すれば、径方向磁界検出素子と周方向磁界検出素子を極めて接近して磁界検出部を構成できるので、さらに高精度の小型の中空構造のエンコーダを提供できる。さらに、ギャップ長を小さくすることができるので耐ノイズ性に優れた高信頼性の中空構造タイプのエンコーダを提供できる。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

図１は本発明の第１実施例を示す磁気式エンコーダの構造図である。
図において、１は磁性体からなる回転体、２は回転体１の内周側に固定したリング状の永久磁石で、回転体１の中心軸の垂直方向に一方向に磁化されている。３は中空部を有する磁性体からなる固定体である。また、４は磁界検出部で永久磁石２と空隙部を介して固定体３上の一個所に固定されている。なお、図中の点線は磁束線を示している。

エンコーダの外径は５０ｍｍ、中空径は２０ｍｍである。永久磁石は外径４０ｍｍの直線異方性を有するＳｍＣｏ系のリング状磁石を用いた。また回転体、固定体の材質はそれぞれＳＳ４１、積層鋼板Ｓ１４を用いた。また、磁界検出部４の磁界検出素子にはホール素子を用いた。
図２は本実施例における磁界検出部の磁界検出素子の配置図である。
径方向磁束を検出するホール素子４５（径方向磁界検出素子）と周方向磁束を検出するホール素子４６（周方向磁界検出素子）を、径方向に２ｍｍ離して配置し磁界検出部４を構成した。図示しないがホール素子４５および４６からのリード線は、それぞれの磁界検出素子に対して駆動側２本と出力側２本の合計４本で、２個の磁界検出素子全体では８本となり、従来の１／２となる。

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。
図３は、本発明の磁気式エンコーダ装置の信号処理回路のブロック図である。
図において、５１、５２は増幅器、５３は規格化回路、５４は角度演算回路である。
図４は本実施例における径方向および周方向磁界検出素子の検出する径方向検出磁束密度および周方向検出磁束密度を示すグラフである。

回転体１が回転すると、永久磁石２も回転し、図４に示すような１回転に対し１サイクルの径方向および周方向磁束密度波形を発生する。径方向磁束を検出するホール素子４５と、周方向磁束を検出するホール素子４６からは回転体１の１回転に対し１サイクルの正弦波状の信号ＶａおよびＶｂが出力される。Ａ相信号ＶａとＢ相信号Ｖｂは互いに９０度位相の異なる信号となる。

ホール素子４５およびホール素子４６で検出された磁界は電気信号に変換され、図３に示す増幅器５１および５２でそれぞれ増幅される。この増幅された信号は規格化回路５３に入力され、信号の振幅が規格化されたＡ相信号ＶＡおよびＢ相信号ＶＢ信号に変換される。規格化処理後の信号波形を図５に示す。Ａ相信号ＶＡおよびＢ相信号ＶＢは角度演算回路５４に入力され、ａｒｃｔａｎ（ＶＡ／ＶＢ）の演算処理により角度信号θが得られる。

次に本発明の磁気式エンコーダ装置の特性について述べる。
本発明のエンコーダと基準エンコーダ（分解能１０５万ＰＰＲ）を結合し、外部から低速で回転させ、本発明のエンコーダ装置の検出角度と基準エンコーダの検出角度を測定、比較評価した。

図６は、回転体１が回転したときの、角度信号を示すグラフである。また、図７は角度信号と基準エンコーダの検出角度との差（検出角度誤差）を示すグラフである。
図７から角度誤差０．０８度、精度１２ｂｉｔの高精度な性能を有することがわかった。
なお、実施例はＳｍＣｏ系磁石で説明したが、本発明は、磁石の材質によらず、ＮｅＦｅＢ系磁石、ボンド磁石やフェライト磁石においても同様な効果がある。また磁界検出素子としてはホール素子を用いたが、磁気抵抗素子を用いても同様な効果がある。

図８は本発明の第２実施例を示す磁界検出部の磁界検出素子の配置図である。
図に示すように径方向磁界検出素子４５および周方向磁界検出素子４６をギャップ内で周方向に近接して並べて配置し磁界検出部４を構成した。磁界検出素子４５、４６の配置方法を除けば、他の構造および信号処理回路は実施例１と同じである。

第１実施例では径方向に近接して並べてホール素子４５、４６を配置するので、磁気検出部４を配置するスペースを確保するために４ｍｍのギャップ長が必要であった。しかし本実施例では、ホール素子４５と４６を周方向に配置し磁気検出部４を構成したので、ギャップ長２ｍｍにすることができ、そのため出力信号を大きくすることができる。それゆえＳＮ比が大きくなり耐ノイズ性が向上した。

図示しないが第３実施例は、径方向磁界検出素子４５および周方向磁界検出素子４６からなる磁界検出部を半導体技術により形成したものである。他の構造および処理回路は実施例１と同じである。

半導体技術により、径方向と周方向の２軸分の磁界検出素子を１００μｍ角に形成できるので、実施例１の半分以下のスペースで磁界検出部を構成できる。そのためギャップ長を小さくでき信号出力も大きくなる。また磁界検出素子４５と４６の駆動端子２本と信号出力端子２本の内１本を共通化できる。このため実施例１および２では８本のリード数を必要とするのに対し本実施例では５本のリード線で磁界検出部を構成できる。したがって高出力で耐ノイズ性に優れた小型の中空構造のエンコーダを低コストで提供できる。また、磁界検出素子を極めて近接して磁界検出部を構成できるので、高精度で小型の中空構造のエンコーダを提供できる。

本発明は、小型、薄型、低コストで中空構造の磁気式エンコーダ装置を実現できるので、ロボットなどに用いられる中空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。

本発明の第１実施例を示す磁気式エンコーダの構造図である。 本発明の第１実施例における磁界検出部の磁界検出素子の配置図である。 本発明の磁気式エンコーダ装置の信号処理回路のブロック図である。 本発明の径方向検出磁束密度および周方向検出磁束密度を示すグラフである。 本発明の規格化処理後の信号波形である。 本発明の回転体が回転したときの、角度信号を示すグラフである。 本発明の磁気式エンコーダ装置の検出角度誤差を示すグラフである。 本発明の第２実施例を示す磁界検出部の磁界検出素子の配置図である。 従来の磁気式エンコーダの構造図である。

符号の説明

１ 回転体
２ 永久磁石
３ 固定体
４ 磁界検出素子部
４０ 磁界検出素子
４１ Ａ１相磁界検出素子
４２ Ａ２相磁界検出素子
４３ Ｂ１相磁界検出素子
４４ Ｂ２相磁界検出素子
４５ 径方向磁界検出素子
４６ 周方向磁界検出素子
５ 信号処理回路
５１、５２ 増幅器
５３ 振幅調整回路
５４ 角度演算回路

Claims (6)

1. リング状の回転体に内接して固定され、前記回転体の中心軸と垂直方向の一方向に平行に磁化されたリング状の永久磁石と前記永久磁石の内周側に空隙を介して対向しリング状の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、
   前記永久磁石の径方向磁束を検出する径方向磁界検出素子と周方向磁束を検出する周方向磁界検出素子を近接して配置し磁界検出部を形成したことを特徴とする磁気式エンコーダ装置。
2. 前記径方向磁界検出素子と前記周方向磁界検出素子を径方向に近接して配置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。
3. 前記径方向磁界検出素子と前記周方向磁界検出素子を周方向に近接して配置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。
4. 前記磁界検出部は、前記径方向磁界検出素子と前記周方向磁界検出素子を半導体技術により形成したものである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。
5. 前記回転体は磁性体からなる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。
6. 前記固定体は磁性体からなる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。

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