JP4543297B2 - Magnetic encoder - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
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、特に小型の磁気式エンコーダに関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、回転体の回転位置を検出する小型の磁気式エンコーダとして、図3のようなものがある。図3は、従来の磁気式エンコーダを示す側面図である。図において、1はヨーク、2は永久磁石、3は磁界検出素子、4は回転軸、5はモータである。この磁気式エンコーダは、回転軸4に対して垂直かつ一様に磁界を発生させる永久磁石2と、ヨーク1の間に磁界の方向に対して指向性と極性を有するホール素子などの磁界検出素子3を備えたもので、この磁界検出素子3aを永久磁石2が生成する磁界内に、軸と垂直方向に指向性が最大になるように配置してあり、さらに、もう一つの磁界検出素子3bを軸方向に90度回転させて配置している。また、磁界検出素子の配置を軸角度の異なる2つの磁界検出手段に対して軸角度は同一で極性の異なる2つの磁界検出手段を配置している(図示しない)。
いま、モータ5の駆動により回転軸4が回転すると、回転軸4に固定したヨーク1が回転する。ヨーク1内の磁界の向きが変化するので、固定した磁界検出素子3によって、1回転につき正弦波と余弦波を得ることができる。この2つの信号を図示していない角度演算器などを用いて演算することにより回転位置を検出することができる。演算方法については例えば、一方の磁気検出素子の電圧出力をVa 、他方の磁気検出素子の電圧出力をVb とすると、回転位置θは、θ=ARCTAN( Va/Vb)で算出することができる。
したがって、このような磁気式エンコーダは磁界の振幅が一定の場合に高精度の位置検出が可能となる。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、従来の永久磁石では磁石が大きいことや複雑な形状をしているため、磁界の平行度が悪い。磁界の平行度が悪いと波形がひずみ、微小角度の検出精度が悪い問題がある。また、永久磁石が複雑な形状を有していることから着磁も困難で有り、実用化を困難なものにしていた。さらに、小型なアクチュエータを作製する場合には、前述の磁気式エンコーダも小型化しなければならないが、磁界を生成する永久磁石は形状が複雑なため加工が困難であり小型化を困難なものにしていた。
そこで、本発明は作製が容易で検出精度が高く、かつ、小型の磁気式エンコーダを提供することを目的とする。
【0004】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明は被検出体と一体に回転する回転軸に対して、垂直かつ一様に磁界を発生する磁界発生手段と、前記磁界の方向に対して指向性と極性を有し、少なくとも1個を前記磁界発生手段が生成する磁界内に回転軸と垂直方向に指向性が最大になるように配置してあり、かつ、少なくとも1個を回転軸のまわりに回転させた位置に配置した磁界検出手段と、前記磁界検出手段から得られた信号を角度情報および位置情報に変換する波形処理回路とからなる磁気式エンコーダにおいて、前記磁界検出手段は少なくとも3個有し、前記磁界検出手段の少なくとも1個の磁界検出感度が最大となる方向が前記2個の磁界検出手段の方向とそれぞれ垂直になるように配置した構成である。
また、前記磁界発生手段を永久磁石と軟磁性体のヨークからなる構造としてもよく、前記永久磁石は気相成長法で形成してもよい。
また、前記磁界検出手段はホール素子または磁気抵抗効果素子としてもよいし、前記ホール素子は半導体からなる基板内に形成され、3個の素子が互いに直交するように形成されていてもよい。
【0005】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を図を用いて詳細に説明する。
本発明の実施例を図1および図2に示す。図1は本発明の磁気式エンコーダを小型のモータと結合させた側面図、図2は図1を矢印の方向から見た正面図である。図において、1はヨーク、2は永久磁石、3は磁界検出素子、4は回転軸、5はモータである。
ヨーク1は、永久磁石2から発する磁界を導くもので、コ字状の3%Si−Feの軟磁性の珪素鋼板を積層し2個のブロックに成形したものからなる。永久磁石2はブロック状のフェライト磁石をヨーク1の中に結合させて形成している。
磁界検出素子3は、3個のホール素子(3a,3b,3c)を用いヨーク1の開口部に配置している。ホール素子3個の検出信号がそれぞれ最大となる方向が互いに垂直になるように設置している。したがって、永久磁石2から発する磁界はヨーク1を通り、磁界検出素子3を設置した空間に均一な磁界を形成する。
また、図示していないが、磁界検出素子3への駆動電源の供給や磁界検出手段からの信号送信を行うための信号線を、波形処理回路に接続している。また、図示しないが、回転軸4は軸受によりケーシングに支持され、磁界検出手段はフレームを介してケーシングに固定されている。
【0006】
次に、本実施例の動作について述べる。
いま、回転軸4の回転によりヨーク1及び永久磁石2がθだけ回転すると、磁界検出素子3aの指向性が最大のベクトル方向と、永久磁石により生成される磁界のベクトル方向はθだけずれる。また、磁界検出素子3a、3bの検出磁界が最大となる方向からそれぞれ軸方向に向かって、ψa 、ψb の角度を有しているとすると、各磁界検出素子3a、3bの補正後の出力Va、Vbはそれぞれ、(1) 式と(2) 式で表される。
Va=Bcosθ/cosψa …(1)
Vb=Bcos(θ+π/2)/cosψb …(2)
さらに、各補正後の出力を用いて、回転軸2の角度の絶対位置Θは、(3) 式として得られる。
Θ=arctan(Va/Vb) …(3)
以上のことから、ψa とψb の値がわかれば、磁界方向の変動による出力振幅の誤差を補正することができる。そこで、磁界検出素子3a、3bがそれぞれ最大になる位置に置いて、ψa とψb は逐次更新され信号処理回路に含まれる記憶領域に記憶され各磁界検出素子の補正に用いられる。具体的には、磁界検出素子3aの出力が最大になるときに、磁界検出素子3cの出力をV3c3amax とすると、あらかじめ計測された磁界検出素子3cの最大値をV3cmax とすれば、(4) 式で与えられる。
ψa =sin-1(V3c3amax /V3cmax ) …(4)
同様に、磁界検出素子3bについて、磁界検出素子3bの出力が最大になるときに、磁界検出素子3cの出力をV3c3bmax とすると、(5) 式で与えられる。
ψb =sin-1(V3c3bmax /V3cmax ) …(5)
従って、(4) 式、(5) 式で得られた値を(1) 式(2) 式に代入し、(3 )式にてΘを求めることができる。
なお、本実施例では磁界発生素子3のホール素子3個を、それぞれ独立させて配置したが、これに限らず3個のホール素子を互いに磁界最大検出が直交するように半導体基板上に形成してもよい。この構成によっても信号の検出精度は前述の実施例と同様によい結果が得られた。
なお、本実施例では、磁界検出素子としてホール素子を用いたが、磁気抵抗効果素子を用いてもよい。また、永久磁石はブロック状のフェライト磁石を用いたが、これに限らず希土類磁石などをスパッタ法を用いて、軟磁性体の端面に付着させてもよい。
【0007】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、磁界検出手段を少なくとも3個有し、この磁界検出手段の少なくとも1個の磁界検出感度が最大となる方向が他の2個の磁界検出手段の方向とそれぞれ垂直になるように配置したので、磁界検出素子の出力変動を容易に補正できる。したがって、実用化が容易となり、検出精度の高い小型の磁気式エンコーダを得る効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の磁気式エンコーダを用いたモータの全体構成を示す側面図である。
【図2】図1の矢印方向から見た正面図である。
【図3】従来の磁気式エンコーダを示す側面図である。
【符号の説明】
1:ヨーク
2:永久磁石
3:磁界検出素子
4:回転軸
5:モータ[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a magnetic encoder that detects a rotational position of a rotating body, and more particularly to a small-sized magnetic encoder.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, there is a small magnetic encoder as shown in FIG. 3 that detects the rotational position of a rotating body. FIG. 3 is a side view showing a conventional magnetic encoder. In the figure, 1 is a yoke, 2 is a permanent magnet, 3 is a magnetic field detecting element, 4 is a rotating shaft, and 5 is a motor. This magnetic encoder includes a permanent magnet 2 that generates a magnetic field vertically and uniformly with respect to a rotating
Now, when the rotating
Therefore, such a magnetic encoder can detect a position with high accuracy when the amplitude of the magnetic field is constant.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
However, the conventional permanent magnet has a large magnet and a complicated shape, and therefore the parallelism of the magnetic field is poor. If the parallelism of the magnetic field is poor, the waveform is distorted and the detection accuracy of minute angles is poor. Further, since the permanent magnet has a complicated shape, it is difficult to magnetize, making it difficult to put it into practical use. Furthermore, when manufacturing a small actuator, the above-mentioned magnetic encoder must also be miniaturized, but the permanent magnet that generates a magnetic field is difficult to process due to its complicated shape, making it difficult to miniaturize it. It was.
Accordingly, an object of the present invention is to provide a small magnetic encoder that is easy to manufacture, has high detection accuracy, and is small.
[0004]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-mentioned problems, the present invention has a magnetic field generating means for generating a magnetic field vertically and uniformly with respect to a rotating shaft that rotates integrally with a detected object, and directivity and polarity with respect to the direction of the magnetic field. And at least one is arranged in the magnetic field generated by the magnetic field generating means so that directivity is maximized in the direction perpendicular to the rotation axis, and at least one is rotated around the rotation axis. In a magnetic encoder comprising a magnetic field detection means arranged at a position and a waveform processing circuit for converting a signal obtained from the magnetic field detection means into angle information and position information, the magnetic field detection means has at least three, In this configuration, the direction in which at least one magnetic field detection sensitivity of the magnetic field detection means is maximized is perpendicular to the directions of the two magnetic field detection means.
Further, the magnetic field generating means may be structured by a permanent magnet and a soft magnetic yoke, and the permanent magnet may be formed by a vapor phase growth method.
Further, the magnetic field detecting means may be a Hall element or a magnetoresistive effect element, or the Hall element may be formed in a substrate made of a semiconductor, and three elements may be formed to be orthogonal to each other.
[0005]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
An embodiment of the present invention is shown in FIGS. FIG. 1 is a side view in which the magnetic encoder of the present invention is coupled to a small motor, and FIG. 2 is a front view of FIG. 1 viewed from the direction of the arrow. In the figure, 1 is a yoke, 2 is a permanent magnet, 3 is a magnetic field detecting element, 4 is a rotating shaft, and 5 is a motor.
The
The magnetic
Although not shown, a signal line for supplying drive power to the magnetic
[0006]
Next, the operation of this embodiment will be described.
Now, when the
Va = Bcos θ / cos ψa (1)
Vb = Bcos (θ + π / 2) / cosψb (2)
Furthermore, the absolute position Θ of the angle of the rotating shaft 2 is obtained as equation (3) using the output after each correction.
Θ = arctan (Va / Vb) (3)
From the above, if the values of ψa and ψb are known, it is possible to correct an output amplitude error due to a change in the magnetic field direction. Therefore, ψa and ψb are sequentially updated at positions where the magnetic
ψa = sin −1 (V 3c3amax / V 3cmax ) (4)
Similarly, for the magnetic
ψb = sin −1 (V 3c3bmax / V 3cmax ) (5)
Therefore, the values obtained by the equations (4) and (5) can be substituted into the equations (1) and (2), and Θ can be obtained by the equation (3).
In this embodiment, the three Hall elements of the magnetic
In the present embodiment, the Hall element is used as the magnetic field detection element, but a magnetoresistive element may be used. Further, although the block-shaped ferrite magnet is used as the permanent magnet, the present invention is not limited to this, and a rare earth magnet or the like may be attached to the end surface of the soft magnetic material using a sputtering method.
[0007]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, at least three magnetic field detection means are provided, and the direction in which at least one magnetic field detection sensitivity of the magnetic field detection means is maximized is the direction of the other two magnetic field detection means. The output fluctuations of the magnetic field detection element can be easily corrected. Therefore, practical application is facilitated, and there is an effect of obtaining a small magnetic encoder with high detection accuracy.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a side view showing the overall configuration of a motor using a magnetic encoder of the present invention.
FIG. 2 is a front view seen from the direction of the arrow in FIG.
FIG. 3 is a side view showing a conventional magnetic encoder.
[Explanation of symbols]
1: Yoke 2: Permanent magnet 3: Magnetic field detection element 4: Rotating shaft 5: Motor
Claims (5)
前記磁界の方向に対して指向性と極性を有し、少なくとも1個を前記磁界発生手段が生成する磁界内に回転軸と垂直方向に指向性が最大になるように配置してあり、かつ、少なくとも1個を前記回転軸のまわりに回転させた位置に配置した磁界検出手段と、
前記磁界検出手段から得られた信号を、前記回転軸の角度の絶対位置を表す角度情報に変換する波形処理回路と、
を備え、
前記磁界検出手段は少なくとも3個有し、前記磁界検出手段の少なくとも1個の磁界検出感度が最大となる方向が前記2個の磁界検出手段の方向とそれぞれ垂直になるように配置していることを特徴とする磁気式エンコーダ。A magnetic field generating means for generating a magnetic field perpendicularly and uniformly with respect to a rotating shaft that rotates integrally with the detected object;
It has directivity and polarity with respect to the direction of the magnetic field, and at least one is arranged in the magnetic field generated by the magnetic field generating means so that directivity is maximized in the direction perpendicular to the rotation axis, and a magnetic field detector at least one was placed at a position rotated around the rotary shaft,
A waveform processing circuit for converting a signal obtained from the magnetic field detection means into angle information representing an absolute position of the angle of the rotation axis ;
With
There are at least three magnetic field detection means, and the magnetic field detection means is arranged such that the direction in which at least one magnetic field detection sensitivity of the magnetic field detection means is maximized is perpendicular to the direction of the two magnetic field detection means. Magnetic encoder characterized by
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