JP4899410B2 - 磁気式エンコーダ装置 - Google Patents
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Description
図7は従来の磁気式エンコーダ装置の構成図である。
図7において、1は回転体、2は回転体1の端部に固定された円板状の発磁体を構成する永久磁石で、永久磁石2は回転体1の軸方向に対して垂直な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、4は回転体1の回転中心に対し同心円状にして設けられ、且つ、固定体3の周方向に等間隔に配設された磁界検出素子であって、4個の磁界検出素子41、42、43、44から構成されている。これらの磁界検出素子4は、永久磁石2の外周面に対して空隙を介して対向し、且つ、互いに電気角で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に対して電気角で180度位相をずらしてA2相検出素子43を、B1相検出素子42に対して電気角で180度位相をずらしてB2相検出素子44を設けている。
また、図8は信号処理回路のブロック図である。
図8において、6は信号処理回路で、差動増幅器62、63および角度演算回路64から構成される。
回転体1が回転すると、回転体1に固定された永久磁石2が回転する。磁界検出素子4は、永久磁石2の発生する磁界を検出し、回転角に対して1回転に1周期の正弦波状の信号を出力する。なお、このように1回転に1周期の信号を出力するエンコーダを1X型エンコーダと呼ぶ。
差動増幅器62は、A1相検出素子41からの検出信号であるA1信号(Va1)とA2相検出素子43からの検出信号であるA2信号(Va2)の入力を受けて両信号の差動信号Vaを出力する。また、差動増幅器63は、B1相検出素子42からの検出信号であるB1信号(Vb1)とB2相検出素子44からの検出信号であるB2信号(Vb2)の入力を受けて両信号の差動信号Vbを出力する。差動信号VaとVbはお互いに90度位相の異なる信号となる。角度演算回路64、は差動信号VaとVbからarctan(Va/Vb)の演算を行って回転角度を演算する。
このように、従来の1X型エンコーダは、一方向に磁化された永久磁石が発する磁界を磁界検出素子により検出して信号処理回路により角度演算を行い、1回転内角度を検出していた。
この場合、特に、磁界検出素子の消費電流が大きく、バッテリ交換を頻繁に行う必要があった。従って、長時間の連続運転を要求される機械装置への適用が難しく、磁気式エンコーダ装置の適用範囲を狭めるという問題があった。
本発明の一の観点による磁気式エンコーダは、回転体の回転軸に対して垂直方向の一方向に磁化され前記回転体に固定された永久磁石と、前記永久磁石に空隙を介して対向し固定体 等に取り付けられた少なくとも2つ以上の磁界検出素子と、前記磁界検出素子を駆動する駆動回路と、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、前記信号処理回路は、外部電源の供給を感知する電圧モニタ回路を備え、前記電圧モニタ回路の信号に応じて、前記磁界 検出素子の駆動電流を変更することを特徴としている。
また、本発明の他の観点による磁気式エンコーダは、回転体に固定されたリング形状永久磁石とリング形状磁気ヨークで構成された磁界発生ロータと、前記磁界発生ロータに空隙を 介して対向し、固定体に取り付けられた少なくとも2つ以上の磁界検出素子と、前記磁界検出素子を駆動する駆動回路と、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、前記信号処理回路は、外部電源の供給を感知する電圧モニタ回路を備え、前記電圧モニタ回路の信号 に応じて、前記磁界検出素子の駆動電流を変更することを特徴としてもよい。
また、上記磁気式エンコーダは、前記駆動回路は、前記磁界検出素子に駆動電流を供給する定電流源と、前記定電流源の電流値を指令する少なくとも2つ以上の 電流指令値を有する電流設定手段と、前記電圧モニタ回路の信号により前記電流指令値を選択する選択回路を備えたことを特徴としてもよい。
また、上記磁気式エンコーダは、前記信号処理回路は、前記磁界検出素子の信号を増幅する差動増幅器を備え、前記差動増幅器の出力を分岐した一方の出力から1回転内角度信号を生成し、もう一方の出力から多回転信号を生成することを特徴としてもよい。
また、上記磁気式エンコーダは、前記信号処理回路は、前記磁界検出素子の信号を増幅する差動増幅器を備え、前記差動増幅器の出力から1回転内角度信号を生成し、前記磁界検出素子の信号から多回転信号を生成することを特徴としてもよい。
本発明の他の観点による磁気式エンコーダによると、回転体に固定されたリング形状永久磁石を有するアウターロータ構造の磁気式エンコーダにおいて、外部電源の供給を感知する 電圧モニタ回路の信号に応じて、磁界検出素子の駆動電流を変更しているので、バッテリ駆動時に低消費電力化できる。従って頻繁にバッテリを交換する必要が 無いので、保守性の良いアウターロータ構造の磁気式エンコーダ装置を提供することができる。
また、上記磁気式エンコーダによると、駆動回路が、磁界検出素子に駆動電流を供給する定電流源と、定電流源の電流値を指令する少なくとも2つ以上の電流指 令値を有する電流設定手段と、電圧モニタ回路の信号により前記電流指令値を選択する選択回路を備えれば、電圧モニタ回路の信号にしたがって、バッテリ駆動 時に自動的に磁界検出素子の駆動電流を低減出来る。
図1において、1は回転体、2は回転体1に固定された永久磁石、3は固定体、4は永久磁石2に空隙を介して対向し、固定体3に取り付けられた4つの磁界検出素子、5は磁界検出素子を駆動する駆動回路、6は磁界検出素子4の出力信号から位置信号を生成する信号処理回路である。また、信号処理回路6は外部電源の状態を検出する電圧モニタ回路61を備えている。
永久磁石2は、フェライト系磁石で形成し、回転体1の軸に対して垂直方向の一方向に平行に磁化した2 極の構成となっている。永久磁石2の大きさは直径が3mm 、厚さが1mm である。
磁界検出素子4 は、4 個のホール効果素子からなり、永久磁石2 の外周面に対して空隙を介して対向し、かつ互いに電気角で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 に対して電気角で180 度位相をずらしてA2 相検出素子43 を、B1 相検出素子42 に対して電気角で180 度位相をずらしてB2 相検出素子44 を設けてある。
図2において、51は電流設定手段で、定電圧回路511とデジタルポテンショメータ512から構成されている。また、52は電流指令値を選択する選択回路、53は定電流源である。
図において611は外部電源の供給を感知するモニタ回路、612、613はバックアップ付き電源を出力するためのダイオードである。外部電源の電圧はバッテリ電源の電圧より少し高めに設定してあり、ダイオード612、613による優先回路によって、外部電源が供給されているときは外部電源を出力し、外部電源が遮断されたときはバッテリ電源を出力する。
図4において、62、63は磁界検出素子4からの信号を増幅する差動増幅器、65は差動増幅器の出力をデジタル信号に変換するADコンバータ、66、67は差動増幅器の出力を矩形波信号に変換するコンパレータ、68は多回転信号を生成するカウンタ、69は位置信号を演算するCPUである。CPU69は、ADコンバータ65の出力から1回転内角度を演算する角度演算手段691と、この1回転内角度信号と多回転信号を合成し、位置信号を生成する位置信号生成手段692を備えている。
本実施例が従来技術と異なる点は、外部電源の状態を感知する電圧モニタ回路61の信号に応じて磁界検出素子4の駆動電流を変更する駆動回路5を備えている点である。
先ず、位置信号の生成動作について説明する。
図1において、回転体1が回転すると、回転体1に固定された永久磁石2が回転する。磁界検出素子4は、永久磁石2の発生する磁界を検出し、回転角に対して1回転に1周期の正弦波状の信号を出力する。
また、差動信号Va、Vbはコンパレータ66、67にそれぞれ入力され、矩形波信号に変換される。カウンタ68は、この矩形波信号をカウントすることによって多回転信号を生成する。CPU69の位置信号生成手段692において、1回転内角度信号と多回転信号を合成することにより、多回転量の情報を有する角度信号(位置信号)を生成している。
図2において、定電圧回路511は、安定した一定の電圧をデジタルポテンショメータ512に供給する。デジタルポテンショメータ512は、定電圧回路511の出力電圧を分圧し、外部電源供給時の電流指令値a1及びバッテリ電源供給時の電流指令値a2を選択回路52に入力する。選択回路52には外部電源の状態を知らせるモニタ信号が入力され、外部電源供給時は電流指令値a1が、バッテリ電源供給時は電流指令値a2が選択される。定電流源53は選択された電流指令値に応じた駆動電流を磁界検出素子4に供給する。
なお、4 個の磁界検出素子4の図示しない入力端子は直列に接続されており、共通の駆動電流が供給される。
本発明の磁気式エンコーダは、1回転内角度については、磁界検出素子4からの出力信号が1回転内の絶対角度の位置情報を持つため、外部電源が遮断されても、再度電源が投入された時点でその1回転内角度を知ることできる。従って、外部電源遮断時は多回転信号を検出するのに必要な部分にのみ、バックアップ電源を供給すればよい。
1回転内角度検出に対しては、磁界検出素子4からの出力信号の形状及び大きさが精度に影響するため、磁界検出素子4に比較的大きい駆動電流を流す必要があるが、多回転信号の検出に対しては、磁界検出素子4の出力信号に高い精度を要求せず、磁界検出素子4の駆動電流を小さくしても、その機能を実現できる。
しかし、外部電源が遮断されバッテリ電源が供給されているときは、電圧モニタ回路61は、バッテリ電源が供給されていることを示すモニタ信号を駆動回路5へ入力し、このモニタ信号によって、選択回路52は電流指令値a2選択し、多回転信号のみを生成するのに必要な小さな駆動電流を供給する。
本実施例ではバッテリ電源時にCPUへの電源を停止させているが、CPUにスリープモードがある場合、バッテリ電源を供給しても良い。
本実施例が第1実施例と異なる点は、第1実施例では、差動増幅器62、63の出力を
コンパレータ66、67に入力しているが、本実施例では、A1相検出素子41の出力信号(Va1)とB1相検出素子42の出力信号(Vb1)をそれぞれコンパレータ66、67に入力している点と、差動増幅器62、63に外部電源のみを供給している点である。
図6において、11は回転体、20はリング形状永久磁石21とリング形状磁石の外周に配置され磁性材料で構成されたリング形状磁気ヨーク22とで構成される磁界発生ロータである。
磁界発生ロータ20を構成する一方の部材であるリング形状永久磁石21は、材質はフェライト系磁石、Sm−Co系磁石、Ne−Fe−B系磁石、または各種磁石を高分子材料で結合した分散型複合磁石によって形成し、回転体1の軸に垂直方向と平行に一方向に磁化(磁化方向を矢印で図6中に示す)されN−Sの2極となっている。また、磁界発生ロータ20を構成する他方の部材であるリング形状磁気ヨーク22は、磁気抵抗を減少させ、磁界を1回転内の位置を検出する磁界検出素子4に磁界を集中させる効果があり、これにより磁界検出素子のSN比を向上させることができる。さらに外界の磁気ノイズを遮断する効果もある。材質は、強磁性体であれば良く、例えば炭素鋼などである。
1回転内の位置および角度を検出する磁界検出素子4は、4個のホール効果素子からなり、永久磁石21の内周面に対して空隙を介して対向し、かつ互いに電気角で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 に対して電気角で180度位相をずらしてA2相検出素子43を、B1相検出素子42 に対して電気角で180度位相をずらしてB2相検出素子44を設けてある。
駆動回路5及び信号処理回路6の構成及びその動作については第1実施例と同じであるので説明を省略する。
2 永久磁石
20 磁界発生ロータ
21 リング形状永久磁石
22 リング形状磁気ヨーク
3 固定体
4 磁界検出素子
41 A1相検出素子
42 B1相検出素子
43 A2相検出素子
44 B2相検出素子
5 駆動回路
51 電流設定手段
511 定電圧回路
512 デジタルポテンショメータ
52 選択回路
53 定電流源
6 信号処理回路
61 電圧モニタ回路
611 モニタ回路
612、613 ダイオード
62、63 差動増幅器
64 角度演算回路
65 ADコンバータ
66、67 コンパレータ
68 カウンタ
69 CPU
691 角度演算手段
692 位置信号生成手段
Claims (5)
- 回転体の回転軸に対して垂直方向の一方向に磁化され前記回転体に固定された永久磁石と、
前記永久磁石に空隙を介して対向し、固定体に取り付けられたホール効果素子からなる少なくとも2つ以上の磁界検出素子と、
前記磁界検出素子を駆動する駆動回路と、
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、
前記信号処理回路は、外部電源の供給を感知する電圧モニタ回路を備え、
前記電圧モニタ回路の信号に応じて、前記磁界検出素子に対して、前記外部電源が供給されている場合には、1回転内信号が得られる十分な駆動電流を供給する一方、前記外部電源が供給されていない場合には、多回転信号のみを生成するのに必要な駆動電流を供給する、磁気式エンコーダ装置。 - 回転体に固定されたリング形状永久磁石とリング形状磁気ヨークで構成された磁界発生ロータと、
前記磁界発生ロータに空隙を介して対向し、固定体に取り付けられたホール効果素子からなる少なくとも2つ以上の磁界検出素子と、
前記磁界検出素子を駆動する駆動回路と、
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、
前記信号処理回路は、外部電源の供給を感知する電圧モニタ回路を備え、
前記電圧モニタ回路の信号に応じて、前記磁界検出素子に対して、前記外部電源が供給されている場合には、1回転内信号が得られる十分な駆動電流を供給する一方、前記外部電源が供給されていない場合には、多回転信号のみを生成するのに必要な駆動電流を供給する、磁気式エンコーダ装置。 - 前記駆動回路は、
前記磁界検出素子に駆動電流を供給する定電流源と、
前記定電流源の電流値を指令する少なくとも2つ以上の電流指令値を有する電流設定手段と、
前記電圧モニタ回路の信号により前記電流指令値を選択する選択回路と、
を備える、請求項1又は2に記載の磁気式エンコーダ装置。 - 前記信号処理回路は、
前記磁界検出素子の信号を増幅する差動増幅器を備え、
前記差動増幅器の出力を分岐した一方の出力から1回転内角度信号を生成し、
もう一方の出力から多回転信号を生成する、請求項1〜3のいずれか1項に記載の磁気式エンコーダ装置。 - 前記信号処理回路は、
前記磁界検出素子の信号を増幅する差動増幅器を備え、
前記差動増幅器の出力から1回転内角度信号を生成し、
前記磁界検出素子の信号から多回転信号を生成する、請求項1〜3のいずれか1項に記載の磁気式エンコーダ装置。
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