JP4775758B2 - 磁気式エンコーダ装置 - Google Patents
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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11は従来の磁気式エンコーダの斜視図である。
図11において、1は回転体(シャフト)、2は回転体1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1の軸に垂直方向と平行に一方向に磁化されている。3は永久磁石2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。4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て配置されている。
回転体1が回転すると、磁界検出素子4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4からの出力信号を処理することによって回転体1の回転角を検出している。
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。
つまり、本発明のある観点による磁気式エンコーダ装置は、回転体に固定され前記回転体の軸に垂直方向に2極に磁化された円板状又はリング状の永久磁石と、前記永久磁石が発生する磁界を検出する複数の磁界検出素子と、前記磁界検出素子の検出信号から前記回転体の回転角度を演算する信号処理回路とを備えた磁気式エンコーダ装置であって、前記磁界検出素子は、前記永久磁石の位置振動による検出電圧の変動を抑制する素子配列を備えたことを特徴としている。
また、この磁気式エンコーダ装置において、前記素子配列は、一対の磁界検出素子を前記回転体の回転軸方向に並べて配置した複数組の磁界検出素子組からなってもよい。
また、この磁気式エンコーダ装置において、前記素子配列は、一対の磁界検出素子を前記永久磁石の側面の相対する位置にそれぞれ配置した複数組の磁界検出素子組からなってもよい。
また、この磁気式エンコーダ装置において、前記複数組が4組であってもよい。
また、この磁気式エンコーダ装置において、前記信号処理回路は、前記磁界検出素子を前記回転体の回転軸方向に並べて配置した一対の磁界検出素子組または、前記永久磁石の側面の相対する位置にそれぞれ配置した一対の磁界検出素子組の前記一対の磁界検出素子組を構成する2個の磁界検出素子の検出信号を加算してもよい。
また、この磁気式エンコーダ装置において、前記信号処理回路は、前記磁界検出素子を前記回転体の回転軸方向に並べて配置した一対の磁界検出素子からなる4組の磁界検出素子組または、前記永久磁石の側面の相対する位置にそれぞれ配置した一対の磁界検出素子からなる4組の磁界検出素子組として構成した前記磁界検出素子組の互いに180度位置にある2組の磁界検出素子組の一方の磁界検出素子組の磁界検出素子ともう一方の磁界検出素子組の磁界検出素子のお互いに軸方向に対して交差する位置にある磁界検出素子の差動信号を検出してもよい。
請求項2乃至4に記載の発明によると、簡単な構成で振動の影響による検出電圧変動を抑えることがでる。
請求項5に記載の発明によると、一対の磁界検出素子組の2個の磁界検出素子の検出信号を加算すれば、振動の影響による検出電圧変動を抑えることができる。
請求項6に記載の発明によると、4組の磁界検出素子組の互いに180度位置にある2組の磁界検出素子組の一方の磁界検出素子組の磁界検出素子ともう一方の磁界検出素子組の磁界検出素子のお互いに軸方向に対して交差する位置にある磁界検出素子の差動信号を検出すれば、振動の影響による検出電圧変動を抑えることができるとともに、磁界検出素子の差動信号を検出するのでコモンモードのノイズが抑制されノイズに強い磁気式エンコーダ装置が実現できる。
図1において、1は回転体(シャフト)、2は回転体1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1の軸に垂直方向と平行に一方向に磁化されている。3は永久磁石2の外周側に設けられ、軟磁性体で構成されたリング状の固定体である。図1では磁界検出素子の配置を示すため、固体体3を点線で示している。
4は固定体3に互いに周方向に90度間隔で取り付けられ、それぞれ2個1組となった4組の磁界検出素子組であり、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相磁界検出素子組41とB1相磁界検出素子組42を設け、さらにA1相検出素子組41に対して機械角で180度位相をずらしてA2相磁界検出素子組43を、B1相磁界検出素子42に対して機械角で180度位相をずらしてB2磁界相検出素子組44を設けてある。
また、A1相磁界検出素子組41は軸方向に並べて配置した2個の磁界検出素子411及び412で構成されており、B1相磁界検出素子組42は軸方向に並べて配置した2個の磁界検出素子421及び422で構成されており、A2相磁界検出素子組43は軸方向に並べて配置した2個の磁界検出素子431及び432で構成されており、B2相磁界検出素子組44は軸方向に並べて配置した2個の磁界検出素子441及び442で構成されている。
本実施例が従来技術と異なる点は、従来の磁界検出素子に変えて、一対の磁界検出素子からなる磁界検出素子組を配置した点である。
回転体1が回転すると、永久磁石2も回転し、永久磁石2の磁界の変化により、磁界検出素子4から回転体1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4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、51〜54は加算回路で、55、56は差動アンプ、57は角度演算回路である。
加算回路51は、A1相磁界検出素子組41の2個のA1相磁界検出素子からの検出信号Va11とVa12を加算し、加算した信号Va1を出力する。また、加算回路52は、A2相磁界検出素子組43の2個のA2相磁界検出素子からの検出信号Va21とVa22を加算し、加算した信号Va2を出力する。加算された信号Va1とVa2は差動アンプ55に入力され、差動アンプ55は差動信号であるA相信号Vaを出力する。
同様にしてB相信号Vbが得られる。
図3は差動アンプの出力を示す波形図であり、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57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1が回転したときの、角度演算回路57の出力を示す。
arctan(Va/Vb)の演算処理により回転体1の回転角度に対して直線的に変化する角度信号θが得られる。
図5は、従来の磁気式エンコーダのおける振動による永久磁石と磁界検出素子の位置関係を示す模式図で、図5(a)は振動がない場合で、図5(b)は振動している場合で、振動によって永久磁石2に傾きが発生した場合を示している。
図5(a)に示すように、振動がない場合、磁界検出素子と永久磁石との距離は一定であるため、各磁界検出素子に振動による磁束の変化は発生せず、角度演算結果に影響しない。
しかし、図5(b)に示すように、例えば、振動によって永久磁石2に傾きが発生し、A1相磁界検出素子45及びA2相磁界検出素子47と永久磁石2との距離が接近すると、振動が無い場合に比べて、A1相磁界検出素子45及びA2相磁界検出素子47の検出電圧が大きくなる。従って、角度演算に用いるVa/Vbの値が変化することになり、角度計算結果には誤差が生じることになる。
図6は本発明の第1の実施例における永久磁石の傾きと磁界検出素子の位置関係を示す模式図である。
図において411及び412はA1相磁界検出素子組の磁界検出素子である。
軸振動が発生し、永久磁石が図に示すように傾いた場合、磁界検出素子411の検出電圧は低下するが、磁界検出素子412の電圧は大きくなる。したがって磁界検出素子411と磁界検出素子412の出力電圧を加算して取り出すことにより、振動による検出電圧の変動の影響をキャンセルすることができる。
B相についても同じ回路構成であるので、その説明を省略し、A相の回路構成について説明する。
図7において、55、56は差動アンプである。
差動アンプ55には、A1相磁界検出素子411の検出電圧Va11とA2相磁界検出素子432の検出電圧Va22が入力され、両者の差動信号(Va11−Va22)が出力される。また、差動アンプ56には、A1相磁界検出素子412の検出電圧Va12とA2相磁界検出素子431の検出電圧Va21が入力され、両者の差動信号(Va12−Va21)が出力される。58はオペアンプで、2つの差動信号が加算した信号(Va11−Va22)+(Va12−Va21)の反転信号が出力される。
本回路構成では、互いに180度位相の異なる磁界検出素子の検出信号を差動アンプで差動増幅するので、コモンモードのノイズが抑制され、ノイズに強い検出ができる。
本回路構成でも、振動による検出電圧の変動の影響をキャンセルすることができることは明らかである。
図8および図9では磁界検出素子の配置を模式的に表すため、シャフトは図示していない。図8および図9において、2は円板状の永久磁石で、回転体1(図示せず)の軸に垂直方向と平行に一方向に磁化されている。3は永久磁石2の外周側に設けられ、軟磁性体で構成されたリング状の固定体である。図9では磁界検出素子の配置を示すため、固体体3の図示を省略している。
41〜44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個の磁界検出素子組で、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相磁界検出素子組41とB1相磁界検出素子組42を設け、さらにA1相磁界検出素子組41に対して機械角で180度位相をずらしてA2相磁界検出素子組43を、B1相磁界検出素子42に対して機械角で180度位相をずらしてB2磁界相検出素子組44を設けてある。
本発明が第1実施例と異なる点は、第1実施例では磁界検出素子組の2個の磁界検出素子を、永久磁石の径方向の空隙に、軸方向に並べて配置していたが、本実施例では永久磁石の側面に配置して点である。
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。
本実施例では永久磁石の磁化方向は回転体11の軸に垂直方向と平行に一方向に磁化されているが、軸方向に正弦波磁界を発生するように磁化させたものでもかまわない。
図10において、11は磁性体からなるリング状の回転体、21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平行に磁化されている。31は中空部を有する磁性体からなり、円状の外周を有する固定体である。また、磁界検出素子4は、永久磁石21の内周側と空隙部を介して対向するように固定体31の外周側に固定され、2個1組となった4組の磁界検出素子組が、互いに機械角で90度位相をずらしてA1相磁界検出素子組41とB1相磁界検出素子組42を設け、さらにA1相検出素子組41に対して機械角で180度位相をずらしてA2相磁界検出素子組43を、B1相磁界検出素子42に対して機械角で180度位相をずらしてB2磁界相検出素子組44を設けてある。
本発明が第1実施例と異なる点は、永久磁石にリング状の永久磁石を用い、その内周側に配置された固定体上に2個1組となった4組の磁界検出素子組を配置して点である。
本実施例では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中空の磁気式エンコーダ装置が実現できる。
本実施例では磁界検出素子が4組の場合を示したが、他の複数個を配置した場合でも同様な効果が得られる。
2 永久磁石
3 固定体
4 磁界検出素子
41 A1相磁界検出素子組
411、412 A1相磁界検出素子
42 B1相磁界検出素子組
421、422 B1相磁界検出素子
43 A2相磁界検出素子組
431、432 A2相磁界検出素子
44 B2相磁界検出素子組
441、442 B2相磁界検出素子
45 A1相磁界検出素子
46 B1相磁界検出素子
47 A2相磁界検出素子
48 B2相磁界検出素子
5 信号処理回路
51、52、53、54 加算回路
55、56 差動アンプ
57 角度演算回路
58 オペアンプ
Claims (3)
- 回転体に固定され前記回転体の回転軸に垂直方向に2極に磁化された円板状又はリング状の永久磁石と、
前記永久磁石が発生する磁界を検出する複数の磁界検出素子と、
前記磁界検出素子の検出信号から前記回転体の回転角度を演算する信号処理回路と、
を備え、
前記永久磁石の位置振動による検出電圧の変動を抑制するように、
前記複数の磁界検出素子は、2の前記磁界検出素子毎に対を成し、該対を成した前記2の磁界検出素子同士が前記回転軸方向で並べて配置され、
前記信号処理回路は、前記対を成した2の磁界検出素子の検出信号同士が加算されるような信号処理により、前記回転体の回転角度を演算する、磁気式エンコーダ装置。 - 前記一対の前記磁界検出素子は、前記回転軸方向で前記永久磁石を挟んで相対する位置にそれぞれ配置される、請求項1記載の磁気式エンコーダ装置。
- 前記対を成した2の磁界検出素子による磁界検出素子組は、2組以上配置され、
前記信号処理回路は、前記回転軸周りに互いに180度位置にある2組の前記磁界検出素子組の一方の磁界検出素子組の磁界検出素子と、もう一方の前記磁界検出素子組の磁界検出素子の互いに軸方向に対して交差する位置にある磁界検出素子の検出信号同士を差動するような信号処理により、前記回転体の回転角度を演算する、請求項1又は2に記載の磁気式エンコーダ装置。
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