JP3136921B2 - 磁気センサおよび磁気センサを搭載したモータ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は磁気センサおよび、この
磁気センサを搭載したモータに関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、ＯＡ，ＨＡ，ＦＡ，音響映像機器
等ほとんどすべての分野で、モータに対して高度な制御
技術や構造の小形，軽量，薄形，低コスト化等の要望が
一段と高まってきている。

【０００３】したがって、モータの動作にも低速から高
速まで、よりなめらかで安定した回転速度制御や、より
精度良い停止位置制御が求められている。これらの要望
に応えるために、最適なセンサの開発とモータの開発が
必要になってきた。

【０００４】以下に、従来の磁気センサとそのセンサを
搭載したモータについて説明する。図１３は従来の磁気
センサの構成を示したものである。図において、１１は
シャフト１３に固定され、外周面にＮ極及びＳ極が交互
に等間隔に連続的に着磁された円筒状の磁気ドラム、１
２は磁気ドラム１１の外周面に近接するように配置さ
れ、磁気ドラムの磁界の変化を検出する強磁性磁気抵抗
素子等の磁気センサ素子である。

【０００５】従来のセンサは、磁気ドラム１１の回転に
より磁気センサ素子１２と直角方向に交わる磁気ドラム
１１の磁界の変化を磁気センサ素子１２の抵抗値の変化
として取り出し、この抵抗値の変化を回路処理すること
により、磁気ドラム１１の磁極の通過に対応する電圧信
号を発生する。図１４に従来のセンサにより発生した電
圧信号波形を示す。次に、この電圧信号をディジタル処
理することにより磁気ドラム１１の回転速度や回転角度
等を検出測定する。

【０００６】図１５は前記従来の磁気センサを搭載した
モータを示している。図において、磁気ドラム１１はモ
ータ１４のシャフト１３に取り付けられ、磁気ドラム１
１の外周面に近接する状態で磁気センサ素子１２を固定
してある。

【０００７】従来のセンサを搭載したモ−タは、磁気セ
ンサ素子１２が２つの検出パターンを内蔵しており、図
１６で示されるような電気角が９０度ずれた２つの出力
信号φＡ、φＢが得られるようになっている。この２つ
の出力信号によりモータの回転方向が判別できる。ま
た、前記出力信号をパルス回路処理することにより４倍
の分解能を有する出力信号を得ることができる。

【０００８】図１７は、図１６で示した出力信号により
モータの回転速度制御，停止位置制御を行う制御装置を
示している。前記制御装置による制御方法を簡単に述べ
ると、モ−タ１４の回転に伴う磁気ドラム１１の磁束の
変化を図１６に示す２相の電気信号φＡ、φＢとして磁
気センサ素子１２が検出し、前記電気信号を波形処理回
路１５で信号処理する。前記処理した信号を位置制御回
路１６、速度制御回路１７にフィ−ドバックし、システ
ム１８により制御を行う。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上述した従来
のセンサでは、磁界の変化を磁気センサ素子１２により
磁気ドラム１１の外周上のある１点で検出しているた
め、磁気ドラムの外周面に着磁されたＮ極及びＳ極の磁
気パターンの着磁バラツキや磁気ドラムおよび磁気セン
サ素子の取り付け精度等により、磁気センサ素子１２の
出力信号の振幅が図１８に示すように回転状態に伴って
変化する。特に、１回転毎に回転ムラが発生しやすかっ
た。また、出力信号の振幅に差がでるだけでなく、信号
精度も悪くなるという問題点があった。

【００１０】前記課題に対し、磁気ドラムの着磁バラツ
キの低減化や磁気ドラムおよび磁気センサ素子の取り付
けの調整が可能であるが、多くの工数を要しコストアッ
プになり製造上限界があった。

【００１１】また、出力信号の分解能を上げる場合、基
本信号から一定の電気角だけずらした多相の出力信号を
用いるが、この場合には、磁気ドラムの周りに数個の磁
気センサ素子を配置し、所定の電気角のずれた出力信号
が得られるように機械的精度の高い調整が必要となり、
製造上問題であった。

【００１２】このようなことから、従来の磁気センサを
搭載したモータでは、上述した磁気センサの信号精度の
悪さによりモータの回転速度制御において回転ムラが発
生したり、停止位置制御においても停止位置精度が悪く
なるという問題点を有していた。

【００１３】本発明は上記従来の問題点を解決するもの
で、磁気ドラムおよび磁気センサ素子の取り付けのバラ
ツキや磁気ドラムの磁気パターンの着磁バラツキの影響
が少なく、出力信号の信号精度のよい磁気センサを提供
することを目的とする。さらに、本磁気センサをモータ
に搭載することにより、回転ムラの少ない回転速度制御
または、停止位置精度の良い停止位置制御が可能なモー
タ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】この目的を達成するため
に本発明は、Ｎ極及びＳ極が交互に等間隔に連続的に着
磁された磁気構造体と、前記磁気構造体の一方の磁極に
対向する複数の極歯と、この複数の極歯に発生した磁束
を収束するための主磁極を備え、かつ互いに平行に配さ
れた第一、第二の磁性体と、前記第一、第二の磁性体の
対向する主磁極の間に配され、透過する磁束の変化を電
気信号に変換する磁電変換器とを備え、前記第一、第二
の磁性体をそれぞれの極歯が前記磁気構造体の相反する
２つの磁極に対向するようにずらして配置すると共に、
前記磁気構造体と前記第一、第二の磁性体とを前記磁気
構造体の磁極の配列方向に相対的に移動可能とした磁気
センサを用い、前記磁気構造体の位置または速度を検出
する。

【００１５】更に、本発明では上記磁気センサをモ−タ
に搭載し、モ−タの駆動を制御する。

【００１６】

【作用】上記構成において、第一および第二の磁性体に
設けられた複数の極歯によって、磁気構造体に着磁され
たＮ極、あるいはＳ極のうち一方の磁束を複数箇所から
同時に検出する。次に前記極歯により検出した磁束を主
磁極で収束し、磁電変換器により前記第一と第二の磁性
体を透過する磁束の変化を出力信号として検出する。そ
して、上記磁気センサにより得られた振幅差の小さい信
号精度の良い出力信号をモ−タ制御に用いる。

【００１７】

【実施例】

（実施例１）以下、本発明の第１の実施例について、図
面を参照しながら説明する。

【００１８】図１は、本発明の磁気センサを搭載したモ
−タの外観を示す斜視図であり、Ａがセンサ部である。

【００１９】図において、１はモ−タ４のシャフト３と
同軸に固定され、外周面にＮ極およびＳ極の磁極を交互
に等間隔で連続的に着磁した磁気構造体の一つである円
筒状の磁気ドラムである。

【００２０】９は先端部に磁気ドラム１の一方の磁極に
対向する複数の極歯と、この複数の極歯に発生した磁束
を収束するための主磁極を備えた第一の磁性体である。
第二の磁性体１０は、第一の磁性体９と同じ構造であ
り、第一の磁性体９の極歯が対向している磁気ドラム１
の磁極と相反する磁極に対向するような位置関係で第一
の磁性体９と平行に配置してある。例えば、第一の磁性
体９が磁気ドラム１のＮ極に対向するとき、第二の磁性
体１０はＳ極に対向する位置関係に配置した。

【００２１】第一のセンサコア５と第二のセンサコア６
は、第一及び、第二の磁性体９、１０を等間隔に複数個
配置し、かつリング状に結合してある。磁電変換器の一
つであるホ−ル素子７は第１の磁性体９と第２の磁性体
１０との間に配置され、第一の磁性体９と第二の磁性体
１０との間の磁束変化を検出する。

【００２２】以上のように構成された磁気センサＡおよ
びそのセンサを搭載したモータについて、図２〜図８を
用いてその動作を説明する。なお、図に示すＮ、Ｓは磁
極を示す。

【００２３】図２は、図１に示す本発明の磁気センサＡ
における磁気ドラム１に対する第一の磁性体９と第二の
磁性体１０の配置を図１の矢印Ｂで示す方向から見た図
である。説明の都合上、磁気ドラム１の外周に着磁され
た磁極と、前記磁極に対向する第一、及び第二の磁性体
９、１０の有する複数の極歯を直線的に表している。第
一の磁性体９に設けられた複数の極歯と第二の磁性体１
０に設けられた複数の極歯とは、それぞれ磁気ドラム１
に着磁した磁気パターンのＮ極またはＳ極の一方の着磁
ピッチに対向しており、図２では第一の磁性体９に設け
られた複数の極歯がＮ極に対向するときに第二の磁性体
１０に設けられた複数の極歯がＳ極に対向するように設
けられている。ここで、７はホ−ル素子である。

【００２４】この状態を図２の矢印Ｃ方向から見た図が
図３である。図２、３に示す状態のとき、第一の磁性体
９と第二の磁性体１０との間の磁界は、図４の矢印で示
すように磁気ドラム１と第一、第二の磁性体に生じる磁
界と第一の磁性体９から第二の磁性体１０に向かう磁界
になり、ホール素子７は第一の磁性体９から第二の磁性
体１０に向かう磁界を検出する。

【００２５】次に、図２の状態から磁気ドラム１が移動
して第一の磁性体９に設けられた複数の極歯がＳ極に対
向し、第二の磁性体１０に設けられた複数の極歯がＮ極
に対向したときの磁気ドラム１に対する第一の磁性体９
と第二の磁性体１０の配置位置を図１の矢印Ｂ方向から
見た図が図５であり、この状態を図５の矢印Ｄ方向から
見た図が図６である。

【００２６】図５、６に示す状態になったとき、第一の
磁性体９と第二の磁性体１０との間の磁界は、図７の矢
印で示すように磁気ドラム１と第一、第二の磁性体９、
１０に生じる磁界と第二の磁性体１０から第一の磁性体
９に向かう磁界になり、ホール素子７は第二の磁性体１
０から第一の磁性体９に向かう磁界を検出する。このよ
うに、磁気ドラム１の回転により第一の磁性体９と第二
の磁性体１０の複数の極歯にはＮ極およびＳ極の磁極が
交互に対向し、第一の磁性体９と第二の磁性体１０との
間に設けられたホール素子７には方向の異なる磁界が交
互に印加される。ホール素子７はこの磁界変化を検出し
て電気信号に変換し、図８に示すような正弦波状の出力
波形を出力する。前記正弦波状の出力波形は振幅差の小
さい信号精度の良い波形である。

【００２７】以上のように本実施例では、モ−タの駆動
軸に同軸に備えられた磁気ドラムの着磁を、第一及び第
二の磁性体に備えられた複数の極歯から同時に検知し、
主磁極により収束することにより、磁気ドラムの外周の
１点で検出する従来の方法にくらべて、磁気ドラムおよ
び磁気センサ素子の取り付けのバラツキや磁気ドラムの
磁気パターンの着磁バラツキによる影響が減少し大きな
出力信号が得られ、出力信号の振幅差の小さい信号精度
の良い磁気センサを提供することができる。

【００２８】更に、本実施例による磁気センサを搭載し
たモータにおいては、モ−タの制御に振幅差の小さい信
号精度の良い大きな出力信号を用いるので、高精度の制
御ができ、回転ムラの少ない回転速度制御が可能で、高
精度の停止位置制御も可能なモータを実現できる。 （実施例２）図９は、実施例１の図３における磁気ドラ
ム１から第一、及び第二の磁性体９、１０に透過する磁
束を示している。図において、

【００２９】

【数１】

【００３０】は、磁気ドラム１のＮ極から第一の磁性体
９の極歯に向かう磁束を、

【００３１】

【数２】

【００３２】は、第二の磁性体１０の極歯から磁気ドラ
ム１のＳ極に向かう磁束を示している。また、図の矢印
は磁気ドラム１のＮ極からＳ極に向かう磁束を示してい
る。

【００３３】図より、磁気ドラム１から第一の磁性体９
および第二の磁性体１０の極歯を通過する磁束の一部が
磁気ドラム１のＮ極からＳ極に漏れていることがわか
る。この磁束の漏れの影響により第一の磁性体９および
第二の磁性体１０の極歯に収束する磁気ドラム１の磁束
が弱められる。

【００３４】このため磁気センサＡが収束する磁束は不
安定になり、結果として磁気センサの精度が悪くなる。

【００３５】特に、第一の磁性体９および第二の磁性体
１０の極歯間が小さくなる程、つまり磁気ドラム１の磁
極間隔が小さくなる程、磁気ドラム１の一つの磁極に隣
接する磁極の影響が大きくなり、前記極歯が磁気ドラム
１の一つの磁極から収束する磁束は小さくなり、磁気セ
ンサの精度により影響を与える。

【００３６】本実施例では上記課題を解決するため、実
施例１で述べた磁気センサについて第一の磁性体９の極
歯間の中間部と，これに隣接する第二の磁性体１０の極
歯間の中間部とを連結するように第三の磁性体８を配
し、かつこの第三の磁性体８により対向する磁気ドラム
１の２つの磁極を磁気的に結合する。

【００３７】図１０は実施例１の磁気センサの第一の磁
性体９と第二の磁性体１０の極歯間に第三の磁性体８を
備えた第２の実施例の磁気センサの斜視図を示してい
る。

【００３８】図１１は、図１０で示された第２の実施例
の磁気センサについて磁気ドラムから第一、第二、及び
第三の磁性体８、９、１０に透過する磁束の様子を図９
と同様の方向から示した図である。図において第一の磁
性体９の極歯間の中間部と、これに隣接する第二の磁性
体１０の極歯間の中間部とを連結するように第三の磁性
体８を備えている。なお、便宜上第一、第二の磁性体
９、１０は極歯だけを示している。

【００３９】第三の磁性体８は磁気ドラム１により第一
の磁性体９の極歯間でＳ極の磁極を帯びる場合には、前
記極歯間に隣接する第二の磁性体１０の極歯間でＮ極の
磁極を帯びる。また、第三の磁性体８が磁気ドラム１に
より第一の磁性体９の極歯間でＮ極の磁極を帯びる場合
には、前記極歯間に隣接する第二の磁性体１０の極歯間
ではＳ極の磁極を帯びる。このように、第三の磁性体８
にはＮ極とＳ極の磁極が生じ、その磁束もほぼ同量であ
るため互いに磁性を消しあい、第三の磁性体８は磁気的
に中性になる。

【００４０】このため、上述したような第一、第二の磁
性体９、１０の極歯間に対向する磁気ドラム１の磁束の
影響を軽減することができ、第一、第二の磁性体９、１
０の主磁極に収束される磁束が増加し、ホール素子等の
磁電変換素子から得る電圧出力を向上することができ
る。 （実施例３）上記各実施例では一組の第一の磁性体９と
第二の磁性体１０により磁気ドラム１の磁束を収束し、
第一、第二の磁性体９、１０間に備えられたホ−ル素子
７により第一、第二の磁性体９、１０間の磁束の変化を
電気信号として検出していた。

【００４１】本実施例では、前記構成からなる磁束検出
の部分を複数個用いて所定の電気角のずれを持つ多相の
出力信号を得ることにより出力信号の分解能を上げる。

【００４２】本実施例では、図１に示す磁気センサＡを
磁気ドラム１の軸方向に複数個配置し、かつそれぞれの
磁気センサＡを円周方向にずらして配置することにより
図１２に示すような多相の出力信号を得る。そして、こ
の多相の出力信号を用いることにより、より精度の良い
速度、位置制御が可能となる。ここで、多相の出力信号
を得るために上記各センサコアに複数の第一、第二の磁
性体を所定の電気角を有するように配置をずらす精密加
工も、ステッピングモータのステータコアを製造するの
に用いられている機械精度の高い従来の加工方法を使用
して容易に実現できる。

【００４３】なお、上記各実施例に示した考えは、ホ−
ル素子を有する第一、第二の磁性体をリニアモータ駆動
部に、そしてレール上に磁気構造体を設けることにより
直線運動するリニアモータに適用可能なことはいうまで
もない。

【００４４】

【発明の効果】以上のように本発明は、磁気ドラムおよ
び磁気センサ素子の取り付けのバラツキや磁気ドラムの
磁気パターンの着磁バラツキによる影響を減少し、大き
な出力信号が得られ、出力信号の振幅差の小さい信号精
度の良い磁気センサを提供する。そして、本発明の磁気
センサをモータに搭載することにより、回転ムラの少な
い回転速度制御、及び高精度の停止位置制御が可能であ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例における磁気センサを搭
載したモータの外観斜視図

【図２】同実施例の磁気センサにおける磁気ドラムに対
する第一および第二の磁性体の配置関係を図１の矢印Ｂ
方向から見た図

【図３】同配置関係を図２の矢印Ｃ方向から見た図

【図４】第１の実施例における磁気センサのホ−ル素子
が、図２、３の磁気センサ状態で検知する磁極の様子を
示す図

【図５】第１の実施例の磁気センサにおける磁気ドラム
に対する第一および第二の磁性体の配置関係を図１の矢
印Ｂ方向から見た図

【図６】同配置関係を図５の矢印Ｄ方向から見た図

【図７】第１の実施例における磁気センサのホ−ル素子
が、図４、５の磁気センサ状態で検知する磁極の様子を
示す図

【図８】第１の実施例の磁気センサによる出力信号波形
を示す図

【図９】本発明の磁気センサにおける第一及び第二の磁
性体の極歯と磁気ドラムの磁束の様子を図３と同じ方向
から見た図

【図１０】第２の実施例における第三の磁性体を備えた
磁気センサの斜視図

【図１１】第一及び第二の磁性体の極歯間に第三の磁性
体を配した時の磁束の様子を図３と同じ方向から見た図

【図１２】第３の実施例の磁気センサによる多相の出力
信号波形図

【図１３】従来の磁気センサの構成を示す図

【図１４】従来の磁気センサによる電圧信号波形図

【図１５】従来の磁気センサを搭載したモータの構成を
示す図

【図１６】２つの検出パターンを内蔵した従来の磁気セ
ンサによる出力信号波形図

【図１７】モータの回転速度制御や停止位置制御を行う
ための制御系のブロック図

【図１８】従来の磁気センサ素子から得られる実際の出
力信号波形図

【符号の説明】

１ 磁気ドラム ３ シャフト ４ モータ ５ 第１のセンサコア ６ 第２のセンサコア ７ ホール素子 ８ 第三の磁性体 ９ 第一の磁性体 １０ 第二の磁性体

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 礒村 宜典 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電 器産業株式会社内 (72)発明者 尾渡 清人 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電 器産業株式会社内 (56)参考文献 特開 昭62−277518（ＪＰ，Ａ) 実開 昭55−12759（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01D 5/00 - 5/62 G01B 7/00 - 7/34 G01P 1/00 - 3/80

Claims (7)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】Ｎ極及びＳ極が交互に等間隔に連続的に着
   磁された磁気構造体と、 前記磁気構造体の一方の磁極
   に対向する複数の極歯と、この複数の極歯に発生した磁
   束を収束するための主磁極を備え、かつ互いに平行に配
   された第一、第二の磁性体と、 前記第一、第二の磁性体の対向する主磁極の間に配さ
   れ、透過する磁束の変化を電気信号に変換する磁電変換
   器とを備え、 前記第一、第二の磁性体をそれぞれの極歯が前記磁気構
   造体の相反する２つの磁極に対向するようにずらして配
   置すると共に、前記磁気構造体と前記第一、第二の磁性
   体とを、前記磁気構造体の磁極の配列方向に相対的に移
   動可能とした磁気センサ。
2. 【請求項２】第一の磁性体の極歯間の中間部と，これに
   隣接する第二の磁性体の極歯間の中間部とを連結するよ
   うに配され，かつ対向する磁気構造体の２つの磁極を磁
   気的に結合する第三の磁性体を備えた請求項１記載の磁
   気センサ。
3. 【請求項３】モ−タの駆動軸に同軸に固定され、外周面
   にＮ極及びＳ極が交互に等間隔に連続的に着磁された円
   筒状の磁気ドラムと、 前記磁気ドラムの一方の磁極に対向する複数の極歯と、
   この複数の極歯に発生した磁束を集束するための主磁極
   を備え、かつ互いに平行に配された第一、第二の磁性体
   と、 前記第一、第二の磁性体の対向する主磁極の間に配さ
   れ、透過する磁束の変化を電気信号に変換する磁電変換
   器とを備え、 前記第一、第二の磁性体を、それぞれの極歯が前記磁気
   ドラムの相反する２つの磁極に対向するように、ずらし
   て配置した磁気センサ。
4. 【請求項４】第一、第二の磁性体を磁気ドラムの外周側
   に等間隔に複数個配し、かつ主磁極をリング状に連結し
   た請求項３記載の磁気センサ。
5. 【請求項５】第一の磁性体の極歯間の中間部と，これに
   隣接する第二の磁性体の極歯間の中間部とを連結するよ
   うに配され，かつ対向する磁気ドラムの２つの磁極を磁
   気的に結合する第三の磁性体を備えた請求項３、または
   ４記載の磁気センサ。
6. 【請求項６】磁気変換器にホ−ル素子を用いた請求項
   １、２、３、４、または５記載の磁気センサ。
7. 【請求項７】請求項１〜６記載の磁気センサのいずれか
   を搭載したモ−タ。