JP5007922B2 - 磁気式エンコーダ装置 - Google Patents
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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装置に関し、特に回転体の軸方向の変動に対して、安定した検出信号が得られ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７は従来の磁気式エンコーダの構成を示す斜視図である。また、図８は検出部の側断面図である。
図７において、１１は回転体(シャフト)、１２は回転体１１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１１の軸に垂直方向と平行に一方向に磁化されている。１３は永久磁石１２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。１４は固定体１３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１２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。また、図８に示すように、永久磁石１２、固定体１３及び磁界検出素子１４から構成される検出部において、固定体１３の断面は長方形であり、永久磁石１２と固定体１３の対向する面は平行となるように構成されている。
図７において、１１は回転体(シャフト)、１２は回転体１１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１１の軸に垂直方向と平行に一方向に磁化されている。１３は永久磁石１２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。１４は固定体１３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１２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。また、図８に示すように、永久磁石１２、固定体１３及び磁界検出素子１４から構成される検出部において、固定体１３の断面は長方形であり、永久磁石１２と固定体１３の対向する面は平行となるように構成されている。
次に角度信号の検出動作について説明する。
図７において、回転体１１が回転すると永久磁石１２も回転し、永久磁石１２の磁界の変化により、磁界検出素子１４から回転体１１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９は信号処理回路のブロック図であり、磁界検出素子１４からの信号を処理して角度信号θに変換する。
図９において、５１、５２は差動アンプ、５３は角度演算回路である。互いに１８０度対向位置に配置されたＡ１相磁界検出素子１４１およびＡ２相磁界検出素子１４３からのそれぞれの検出信号Ｖａ１およびＶａ２が差動アンプ５１に入力され、両信号の差動信号であるＡ相信号Ｖａが得られる。同様に、互いに１８０度対向位置に配置されたＢ１相磁界検出素子１４２およびＢ２相磁界検出素子１４４からのそれぞれの検出信号Ｖｂ１およびＶｂ２が差動アンプ５２に入力され、両信号の差動信号であるＢ相信号Ｖｂが得られる。
図７において、回転体１１が回転すると永久磁石１２も回転し、永久磁石１２の磁界の変化により、磁界検出素子１４から回転体１１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９は信号処理回路のブロック図であり、磁界検出素子１４からの信号を処理して角度信号θに変換する。
図９において、５１、５２は差動アンプ、５３は角度演算回路である。互いに１８０度対向位置に配置されたＡ１相磁界検出素子１４１およびＡ２相磁界検出素子１４３からのそれぞれの検出信号Ｖａ１およびＶａ２が差動アンプ５１に入力され、両信号の差動信号であるＡ相信号Ｖａが得られる。同様に、互いに１８０度対向位置に配置されたＢ１相磁界検出素子１４２およびＢ２相磁界検出素子１４４からのそれぞれの検出信号Ｖｂ１およびＶｂ２が差動アンプ５２に入力され、両信号の差動信号であるＢ相信号Ｖｂが得られる。
図１０は磁界検出素子の出力を示す波形図であり、磁界検出素子１４の差動信号である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５３に入力される。ａｒｃｔａｎ（Ｖａ／Ｖｂ）の演算処理により回転角に対して直線的に変化する角度信号θが得られる。
Ａ相信号ＶａとＢ相信号Ｖｂは角度演算回路５３に入力される。ａｒｃｔａｎ（Ｖａ／Ｖｂ）の演算処理により回転角に対して直線的に変化する角度信号θが得られる。
このように従来の磁気式エンコーダ装置は、永久磁石と固定体との空隙部は空隙が一定になるように形成され、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していた。
ＷＯ９９／０１３２９６号公報
しかしながら従来の磁気式エンコーダは、永久磁石と固定体との空隙部は空隙が一定になるように形成され、空隙部の回転軸方向（磁石幅方向）の中央部でピークをもつ磁束密度分布が形成されるが、ピーク近傍において磁束密度が一定となる領域は小さい。このため、永久磁石が軸方向に変動すると、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という問題があった。
永久磁石の軸方向の位置変動は、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する場合に発生する。また、また永久磁石および固定子の取り付け時において、永久磁石と固定子の位置ずれが生じると変動の影響を受けやすくなる。
図１１〜図１４を用いて従来の課題について詳細に説明する。
図１１は、従来の磁気式エンコーダのおける永久磁石と固定体の位置関係を示す側断面図で、永久磁石１２の磁石幅方向の中心が空隙部の中心と一致している場合である。
図１２は、図１１の位置関係における空隙部の磁界分布を示すグラフである。
中央部で磁束密度の大きさがピークとなるような分布を示し、磁束密度が一定となっている領域が小さい。このように、磁束密度分布が中央部でピークを持ち、磁束密度が一定となる領域が小さいのは、永久磁石端部での漏れ磁界が大きくなるためである。
図１１は、従来の磁気式エンコーダのおける永久磁石と固定体の位置関係を示す側断面図で、永久磁石１２の磁石幅方向の中心が空隙部の中心と一致している場合である。
図１２は、図１１の位置関係における空隙部の磁界分布を示すグラフである。
中央部で磁束密度の大きさがピークとなるような分布を示し、磁束密度が一定となっている領域が小さい。このように、磁束密度分布が中央部でピークを持ち、磁束密度が一定となる領域が小さいのは、永久磁石端部での漏れ磁界が大きくなるためである。
図１３は、従来の磁気式エンコーダのおける永久磁石と固定体の位置関係を示す側断面図で、永久磁石１２の磁石幅方向の中心と空隙部の中心がずれている場合である。
図１４は、図１３の位置関係における空隙部の磁界分布を示すグラフである。
図１３のように、永久磁石１２と固定体が軸方向にずれると、空隙部の磁束密度分布は図１４のように軸方向に移動し、磁束密度のピークは固定体１３の軸方向の中心からずれることになる。磁界検出素子は固定体の中心に配置されているので、位置ずれが生じると磁気検出素子が検出する磁界が変動する。従って、磁界検出素子の出力電圧が変動し、回転角度の検出精度が劣化する。
図１４は、図１３の位置関係における空隙部の磁界分布を示すグラフである。
図１３のように、永久磁石１２と固定体が軸方向にずれると、空隙部の磁束密度分布は図１４のように軸方向に移動し、磁束密度のピークは固定体１３の軸方向の中心からずれることになる。磁界検出素子は固定体の中心に配置されているので、位置ずれが生じると磁気検出素子が検出する磁界が変動する。従って、磁界検出素子の出力電圧が変動し、回転角度の検出精度が劣化する。
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、永久磁石および固定体間の回転軸方向への位置ずれによる影響を抑制し、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。
本発明の第1の観点によれば、磁気式エンコーダ装置は、回転体に取付けられ、前記回転体の回転軸方向と垂直な一方向に磁化され、所定の磁石幅を有する円板状の永久磁石と、前記永久磁石と空隙部を介して対向し、磁界検出素子が配置された固定体と、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、前記空隙部の空隙長が、磁石幅方向で変化し、前記永久磁石の端部での空隙長が中央部での空隙長より短くなるよう前記固定体を形成し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は、前記固定体の前記空隙部に対向する面が、円弧状であってもよい。
また、この磁気式エンコーダ装置は、前記固定体の前記空隙部に対向する面が、前記磁石幅の中央部から両端部に向かってテーパを設けた形状であってもよい。
また、この磁気式エンコーダ装置は、前記固定体の前記空隙部に対向する面が、前記磁石幅の中央部で回転軸方向に対して所定の幅の平行部を有し、前記磁石幅の両端部でテーパを設けた形状であってもよい。
本発明の第1の観点によれば、磁気式エンコーダ装置は、回転体に取付けられ、前記回転体の回転軸方向と垂直な一方向に磁化され、所定の磁石幅を有する円板状の永久磁石と、前記永久磁石と空隙部を介して対向し、磁界検出素子が配置された固定体と、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、前記空隙部の空隙長が、磁石幅方向で変化し、前記永久磁石の端部での空隙長が中央部での空隙長より短くなるよう前記固定体を形成し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は、前記固定体の前記空隙部に対向する面が、円弧状であってもよい。
また、この磁気式エンコーダ装置は、前記固定体の前記空隙部に対向する面が、前記磁石幅の中央部から両端部に向かってテーパを設けた形状であってもよい。
また、この磁気式エンコーダ装置は、前記固定体の前記空隙部に対向する面が、前記磁石幅の中央部で回転軸方向に対して所定の幅の平行部を有し、前記磁石幅の両端部でテーパを設けた形状であってもよい。
上記磁気式エンコーダ装置によると、固定体の永久磁石に対向する面の空隙長を磁石幅の中央部で長く、磁石幅の端部で短くなるようにしたので、磁界が均一となる領域が広がり、永久磁石の回転軸方向の位置変動による磁界検出素子の検出電圧の変動を抑えた磁気式エンコーダ装置が実現できる。
また、この磁気式エンコーダ装置によると、固定体の空隙部に対向する面を円弧状にすれば、磁界が均一となる領域を広げることができるので、永久磁石の回転軸方向の位置変動による磁界検出素子の検出電圧の変動を抑えた磁気式エンコーダ装置が実現できる。
また、この磁気式エンコーダ装置によると、固定体の空隙部に対向する面が、前記空隙部の中央部より回転軸方向の左右に向かってテーパを設けた形状にすれば、磁界が均一となる領域が広げることができるので、永久磁石の回転軸方向の位置変動による磁界検出素子の検出電圧の変動を抑えた磁気式エンコーダ装置が実現できる。
また、この磁気式エンコーダ装置によると、固定体の空隙部に対向する面が、前記空隙部の中央部で磁石幅方向に所定の幅の平行部を有し、前記固定体の両端部ではテーパを設けた形状にすれば、磁界が均一となる領域が広げることができので、永久磁石の回転軸方向の位置変動による磁界検出素子の検出電圧の変動を抑えた磁気式エンコーダ装置が実現できる。
また、この磁気式エンコーダ装置によると、固定体の空隙部に対向する面を円弧状にすれば、磁界が均一となる領域を広げることができるので、永久磁石の回転軸方向の位置変動による磁界検出素子の検出電圧の変動を抑えた磁気式エンコーダ装置が実現できる。
また、この磁気式エンコーダ装置によると、固定体の空隙部に対向する面が、前記空隙部の中央部より回転軸方向の左右に向かってテーパを設けた形状にすれば、磁界が均一となる領域が広げることができるので、永久磁石の回転軸方向の位置変動による磁界検出素子の検出電圧の変動を抑えた磁気式エンコーダ装置が実現できる。
また、この磁気式エンコーダ装置によると、固定体の空隙部に対向する面が、前記空隙部の中央部で磁石幅方向に所定の幅の平行部を有し、前記固定体の両端部ではテーパを設けた形状にすれば、磁界が均一となる領域が広げることができので、永久磁石の回転軸方向の位置変動による磁界検出素子の検出電圧の変動を抑えた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は本発明の磁気式エンコーダ装置における検出部の構成図で、図１（ａ）は平面図、図１（ｂ）は側面図である。また、図２は検出部の側断面図である。
図１において、１２は回転体１１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１１の軸に垂直方向と平行に一方向に磁化されている。１３は永久磁石１２の外周側に設けられ、軟磁性体１３で構成されたリング状の固定体である。１４は固定体１３に取り付けられた４個の磁界検出素子であり、永久磁石１２の外周面に対して空隙２０を介して対向し、かつ互いに機械角で９０度位相をずらして配置している。
また、図２に示すように、永久磁石１２、固定体１３及び磁界検出素子１４から構成される検出部において、固定体１３の空隙部２０に対向する面は円弧状になっており、中央部の空隙長２１より端部の空隙長２２の方が小さくなっている。
本実施例が従来技術と異なる点は、空隙部の空隙長が、磁石幅方向（回転軸方向）に対して変化し、永久磁石の端部での空隙長が中央部での空隙長より短くなるよう固定体の空隙部に対向する面を円弧状にした点である。なお、角度信号検出動作については、従来技術と同じであるのでその説明を省略する。
図１において、１２は回転体１１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１１の軸に垂直方向と平行に一方向に磁化されている。１３は永久磁石１２の外周側に設けられ、軟磁性体１３で構成されたリング状の固定体である。１４は固定体１３に取り付けられた４個の磁界検出素子であり、永久磁石１２の外周面に対して空隙２０を介して対向し、かつ互いに機械角で９０度位相をずらして配置している。
また、図２に示すように、永久磁石１２、固定体１３及び磁界検出素子１４から構成される検出部において、固定体１３の空隙部２０に対向する面は円弧状になっており、中央部の空隙長２１より端部の空隙長２２の方が小さくなっている。
本実施例が従来技術と異なる点は、空隙部の空隙長が、磁石幅方向（回転軸方向）に対して変化し、永久磁石の端部での空隙長が中央部での空隙長より短くなるよう固定体の空隙部に対向する面を円弧状にした点である。なお、角度信号検出動作については、従来技術と同じであるのでその説明を省略する。
図３は本実施例における磁気式エンコーダ装置の空隙部の磁界分布を示すグラフである。
図において、横軸は回転軸方向の位置で、縦軸は磁束密度である。実線は、本実施例における空隙部の磁束密度分布で、図２の点線で示したＡ−Ｂ線上の位置における磁束分布を示す。本本実施例では磁束密度が一定となる領域が広くなっている。これは固定体１３と永久磁石１２の空隙を磁石幅の端部で狭くしたために、永久磁石端部での漏れ磁界が小さくなったためである。なお、破線は従来の構造における磁束密度分布を比較のため示したものである。
図において、横軸は回転軸方向の位置で、縦軸は磁束密度である。実線は、本実施例における空隙部の磁束密度分布で、図２の点線で示したＡ−Ｂ線上の位置における磁束分布を示す。本本実施例では磁束密度が一定となる領域が広くなっている。これは固定体１３と永久磁石１２の空隙を磁石幅の端部で狭くしたために、永久磁石端部での漏れ磁界が小さくなったためである。なお、破線は従来の構造における磁束密度分布を比較のため示したものである。
図４は永久磁石１２と固定体１３の位置が回転軸方向に相対的にずれた場合における磁束密度分布を模式的に示したグラフである。本実施例では磁束密度が一定となる領域が広くなっているため、永久磁石１２の回転軸方向の位置変動による磁界検出素子への影響を小さくすることができる。
このように本実施例では固定体１３の表面を円弧状としたことにより永久磁石端部の空隙が小さくなり、磁束密度が一定となる領域を広げることができる。このため永久磁石および固定体間の回転軸方向への位置ずれによる磁界検出素子の出力電圧変動を小さくすることができ、回転角度の検出精度を向上できる。
図５は、本発明の第２の実施例を示す磁気式エンコーダ装置の検出部の側断面図である。
固定体１３の空隙部２０に対する面は、磁石幅の中央部から両端部に向かってテーパを設けた形状である。この形状では、永久磁石端部の空隙を小さくできるので、実施例１と同様に磁束密度が一定となる領域を広げることができる。
固定体１３の空隙部２０に対する面は、磁石幅の中央部から両端部に向かってテーパを設けた形状である。この形状では、永久磁石端部の空隙を小さくできるので、実施例１と同様に磁束密度が一定となる領域を広げることができる。
図６は本発明の第３の実施例を示す磁気式エンコーダ装置の検出部の側断面図である。
固定体１３の空隙部２０に対向する面は、磁石幅の中央部で回転軸方向に対して所定の幅の平行部を有し、磁石幅の両端部でテーパを設けた形状になっている。この形状では、両端部ではテーパを設けたことにより永久磁石端部の空隙を小さくできるので、磁束密度が一定となっている領域を広げることができる。また、中央部に平行部を有するので磁界検出素子の位置が安定する。
固定体１３の空隙部２０に対向する面は、磁石幅の中央部で回転軸方向に対して所定の幅の平行部を有し、磁石幅の両端部でテーパを設けた形状になっている。この形状では、両端部ではテーパを設けたことにより永久磁石端部の空隙を小さくできるので、磁束密度が一定となっている領域を広げることができる。また、中央部に平行部を有するので磁界検出素子の位置が安定する。
このように固定体の永久磁石に対向する面の空隙長を磁石幅の中央部で長く、磁石幅の端部で短くなる形状とすることにより、回転軸方向の変位の影響を受けにくく、安定した検出信号が獲られる精度の良い磁気式エンコーダ装置が実現できる。
なお、固定体の詳細な形状、すなわち、円弧状の曲率半径やテーパの傾きについては有限要素法などの数値解析技術を用いて決定することができる。
また、固定体の材質はブロック状の軟磁性材料や電磁鋼板、成型加工した粉末磁性材料、
ワイヤコアなどの軟磁性材料を用いて構成することができる。
なお、固定体の詳細な形状、すなわち、円弧状の曲率半径やテーパの傾きについては有限要素法などの数値解析技術を用いて決定することができる。
また、固定体の材質はブロック状の軟磁性材料や電磁鋼板、成型加工した粉末磁性材料、
ワイヤコアなどの軟磁性材料を用いて構成することができる。
本発明は、工作機やロボットなどのアクチュエータとして用いられるサーボモータの回転角度を検出する磁気式エンコーダ装置に適用できる。
１１ 回転体
１２ 永久磁石
１３ 固定体
１４ 磁界検出素子
１４１ Ａ１相磁界検出素子
１４２ Ｂ１相磁界検出素子
１４３ Ａ２相磁界検出素子
１４４ Ｂ２相磁界検出素子
２０ 空隙部
２１ 中央部の空隙長
２２ 端部の空隙長
５０ 信号処理回路
５１、５２ 差動アンプ
５３ 角度演算回路
１２ 永久磁石
１３ 固定体
１４ 磁界検出素子
１４１ Ａ１相磁界検出素子
１４２ Ｂ１相磁界検出素子
１４３ Ａ２相磁界検出素子
１４４ Ｂ２相磁界検出素子
２０ 空隙部
２１ 中央部の空隙長
２２ 端部の空隙長
５０ 信号処理回路
５１、５２ 差動アンプ
５３ 角度演算回路
Claims (4)
- 回転軸上において回転体に取付けられ、前記回転体の回転軸方向と垂直な一方向に磁化され、所定の磁石幅を有する円板状の永久磁石と、
前記永久磁石が孔に挿入されたリング状に形成され、前記永久磁石と空隙部を介して対向する複数の磁界検出素子が前記リング状の内面に配置された固定体と、
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、
前記固定体は、前記空隙部の空隙長が磁石幅方向で変化し、前記永久磁石の端部での空隙長が前記永久磁石の中央部での空隙長より短くなるよう、前記空隙部に対向する面が前記磁石幅方向中央で凹んだ形状を有し、
前記複数の磁界検出素子のそれぞれは、前記磁石幅方向において前記凹んだ形状の中央部における前記内面に配置されることを特徴とする磁気式エンコーダ装置。 - 前記固定体の前記空隙部に対向する面が、円弧状であることを特徴とする請求項１記載の磁気式エンコーダ装置。
- 前記固定体の前記空隙部に対向する面が、前記磁石幅の中央部から両端部に向かってテーパを設けた形状であることを特徴とする請求項１記載の磁気式エンコーダ装置。
- 前記固定体の前記空隙部に対向する面が、前記磁石幅の中央部で回転軸方向に対して所定の幅の平行部を有し、前記磁石幅の両端部でテーパを設けた形状であることを特徴とする請求項１又は３記載の磁気式エンコーダ装置。
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