JP4775758B2 - 磁気式エンコーダ装置 - Google Patents

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、特に回転体の振動による検出電圧の変動を抑制できる磁気式エンコーダ装置に関する。

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。
特ＷＯ９９／０１３２９６号公報

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、ロータの回転と同期した速度で回転する。このときモータに接続された負荷の変動およびロータアンバランスなどの影響によりロータの軸が振動し、磁気式エンコーダの永久磁石に振動が発生する場合がある。永久磁石に振動が発生すると、磁界検出素子で検出する磁界が変動し、エンコーダの精度が低下する問題があった。振動は回転速度に依存するため、回転速度によってエンコーダの精度が変化するという問題があった。
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。

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。
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１に記載の発明によると、永久磁石の軸方向の位置振動による磁界検出素子の検出電圧の変動を抑制する機構を備えているので、振動の影響による検出電圧変動を抑えることができ、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。
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。

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。

図１は本発明の第１実施例における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、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。

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。

次にモータ軸の振動による検出電圧の変動抑制の原理について説明する。
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。

先ず、従来の磁気式エンコーダの場合、永久磁石の振動によって検出電圧が変動することを示す。
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。

次に、本発明によると振動による検出電圧の変動が抑制できることを示す。
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。

本実施例では１対の磁界検出素子の磁界検出素子の出力信号を加算して取り出す例を示したが、４組の磁界検出素子組の中のお互いに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組の磁界検出素子ともう一方の磁界検出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、検出された２組の差動信号を加算しても良い。この場合の回路例を図７に示す。
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。

このように一対の磁界検出素子を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を構成することによって、振動による検出電圧変動の少ない信号を得ることができる。

図８は本発明の第２実施例をおける磁気式エンコーダ装置の構成を示す側面図である。また、図９は第２実施例における永久磁石と磁界検出素子との関係を示す斜視図である。
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。

本実施例では、一対の磁界検出素子を永久磁石の側面の相対する位置にそれぞれ配置する構成になっており、Ａ１相磁界検出素子組４１は軸方向に配置したＡ１相磁界検出素子４１１と４１２で構成されており、Ｂ１相磁界検出素子組４２はＢ１相磁界検出素子４２１と４２２で構成され、Ａ２相磁界検出素子組４３はＡ２相磁界検出素子４３１と４３２で構成され、Ｂ２相磁界検出素子組４４はＢ２相磁界検出素子４４１と４４２構成されている。
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（ａ）は本発明の第３実施例における磁気式エンコーダ装置の構成を示す正面図で、図１０（ｂ）は図１０（ａ）のＡ−Ａ断面図である。
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。

このように検出電圧の変動を抑制する機構として、モータ軸方向に２個１組の磁界検出素子を配置し、この２個１組とした磁界検出素子を永久磁石の円周方向に複数組を配置したことにより、機械的共振などによる特定の回転で発生する振動による検出電圧の変動を抑制でき、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。
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。

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。

本発明の第１の実施例を示す磁気式エンコーダの構造を示す斜視図である。 本発明の信号処理回路のブロック図である。 本発明の信号処理回路の差動アンプの出力を示す波形図である。 本発明の信号処理回路の出力を示すグラフである。 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、（ａ）振動が無い場合と、（ｂ）振動している場合である。 本発明の第１の実施例における振動によ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。 本発明の第１の実施例における信号検出回路の一例を示す回路図である。 本発明の第２実施例における磁気式エンコーダ装置の構成を示す側面図である。 本発明の第２実施例における磁気式エンコーダ装置の永久磁石と磁界検出素子との関係を示す斜視図である。 本発明の第３実施例の磁気式エンコーダ装置の構成を示す（ａ）正面図と、（ｂ）Ａ−Ａ断面図である。 従来の磁気式エンコーダの斜視図である。

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
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)

1. 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。
2. 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。
3. 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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