JPH0348722A

JPH0348722A - 位置検出装置

Info

Publication number: JPH0348722A
Application number: JP18579989A
Authority: JP
Inventors: Kouichi Yamanoue; 耕一山野上; Minoru Yokota; 稔横田; Joji Nakamura; 錠治中村; Shinichi Konakano; 信一向中野
Original assignee: Nippon Soken Inc
Current assignee: Soken Inc
Priority date: 1989-07-18
Filing date: 1989-07-18
Publication date: 1991-03-01

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、回転運動や直線運動を行う移動体の位置を検
出する位置検出装置に関する。

〔従来の技術］従来、回転運動や直線運動を行う移動体の位置を検出す
る装置としては、例えば特開昭６３−１２２９１１号公
報に示されるように、移動体に装着した永久磁石の移動
範囲の全域に亙って、微小なピッチで検出素子を多数列
設することにより、検出精度を向上させたものがある。

さらに、例えば特開昭６３−１５８４１２号公報に示さ
れるように、エンコーダから出力される位相差９０度の
２つの正弦波信号をてぃ倍することにより、位置検出の
分解能を向上させたものがある。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、上記従来例の前者においては、位置検出
の分解能が検出素子の配列ピッチにょって制限されてし
まうという問題点がある。また、上記従来例の後者にお
いては、エンコーダから出力される正弦波信号に波形歪
みが生じていると、位置検出の精度が低下してしまうと
いう問題点がある。

本発明は上記の点に鑑みてなされたもので、検出素子か
ら出力される信号に波形歪みが生じていても、その波形
歪みに影響されることなく高精度に位置の検出を行うこ
とができ、かつ移動体の位置検出の分解能が向上された
位置検出装置を提供することを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するために、本発明による位置検出装置
は、移動体と固定体とを有し、前記移動体の位置に応じた位
相で、所定周波数の正弦波信号を生成するとともに、こ
の正弦波信号を用いて前記移動体の位置を検出する位置
検出装置において、前記移動体と前記固定体との何れか
一方に配設されるとともに、所定間隔ごとに逆極性に着
磁された複数の磁極を有する多極磁石と、前記多極磁石と対向して前記移動体と前記固定体との何
れか一方に、かつ前記多極磁石における一対の磁極の間
隔を等分するように配置され、前記多極磁石による磁界
を検出して電気信号に変換する複数の検出素子と、前記複数の検出素子から出力される電気信号を選択して
出力するとともに、その選択して出力する電気信号を所
定の周期で切り換える切換手段と、前記所定の周期をＴ
ｌ前記検出素子の素子数をｎとしたときに、前記切換手
段によって選択され出力される電気信号に対して、１／
（Ｔ＊ｎ）を中心周波数とする所定の周波数帯域の電気
信号のみを通過させるフィルタ処理を行うことにより、
正弦波信号を出力する帯域フィルタと、前記切換手段に
おいて所定の検出素子が選択されたときを基準として、
その時点から前記帯域フィルタによって出力される正弦
波信号が所定レベルとなるまでの位相から、前記移動体
の位置を検出する検出手段とを備えるように構成される
。

〔作用〕

上記構成により、複数の検出素子から出力される電気信
号は、所定の周３ｔＩＩＴで順次選択され、帯域フィル
タによってフィルタ処理される。このフィルタ処理では
、検出素子の素子数をｎとしたとき、１／（Ｔ＊ｎ）を
中心周波数とする所定の周波数帯域の電気信号のみの通
過を許容する。このため、全ての検出素子を選択するの
に要する時間を１周期とする基本波成分を示す正弦波信
号が、帯域フィルタから出力される。ここで、検出素子
は多極磁石における一対の磁極の間隔を等分するように
配置されているので、この正弦波信号は多極磁石におけ
る一対の磁極による磁束密度分布に対応している。この
ため、所定の検出素子が選択されたときを基準として、
その時点から前記帯域フィルタによって出力される正弦
波信号が所定レベルとなるまでの位相から、移動体の位
置を検出することができる。

〔実施例〕

以下、本発明の位置検出装置につい一〇、第１の実施例
の構成を図面に従って説明する。

第３図において、１０１は下端面のみが開放された金属
製、例えばアルミニウムよりなる円筒形のハウジングで
ある。このハウジング１０１の上面中央部には、銅系金
属より成る、ドーナツ形の軸受１００が圧入されている
。

この軸受１００の中央部の穴には、金属製の回転軸１０
２が回転可能な状態で挿入されている。

そして、ハウジング１０１の内側には、回転軸１、０２
に対して直角に固定したロータ１０３が設４Ｊられてい
る。このロータ１０３の外周円周上に、等しい間隔で交
互に逆極性の磁極が形成された例えばフェライトより成
る多極磁石１が圧入又は接台されている。

さらに、ハウジング１０１の内側にはロータ１（］３に
対向し、かつロータ１０３と平行に回路基板１０４が固
定された状態で配設されている。この回路基板１０４の
外側端部で、ロータ１０３と対向する面上に、ロータ１
０３上の多極磁石１における直径方向の幅に対して中心
付近と一敗する位置に、６個のホール素子２１ａ〜２１
ｆよりなるホール素子アレー２１が設けられている。ま
た、このホール素子アレー２１を形成する各ボール素子
２１ａ〜２１ｆは、それぞれ回路基板１０４０面に対し
て垂直方向の磁束を検出するように配置されている。な
お、ホール素子アレー２１の検出面とロータ１０３上の
多極磁石１とのすきまは約０．５Ｍとなるように、ハウ
ジング１０１の内側に設けた突出部１１０によって回路
基板１０４を位置決めしである。

ここで、ロータ１０３の多極磁石１と、ホール素子アレ
ー２１との配置状態を第１図に示す、第１図において、
移動体である多極磁石１の一対の磁極の間隔（磁極ピン
チ）１を６個のホール素子２　］、　ａ〜２１ｆにて等
間隔に区分するようにホール素子アレー２１が配置され
る。

本実施例では、多極磁石１の磁石幅の中心円形が２２鴫
であり、かつ多極磁石１は２０極の磁極（Ｎ極Ｘ２０．
Ｓ極×２０）を持つ構成である。

また、多極磁石ｌの磁極ピッチｌが約３．４６＋ｍａで
あるのに対して、６個のホール素子が、０．５８鴫間隔
で（イ１石幅の中心円に沿って、円弧状に配置されてい
る。

ハウジング１０１の下端面は、ハウジング１０１の内側
に接するカバー１０５によって閉塞される。そして、こ
のカバー１０５とハウジング１０１の突出部１１０とに
よって回路基板１０４が挟持される。また、カバー１０
５の中心部には穴部が設けられており、コードブシュ１
０７がこの穴部を貫通し１、回路基板１０４に対して電
源を供給するとともに、リード線１０６を介して検出信
号を出力するワイヤーハーネス１０９を固定している。

なお、回転軸１０２の下端部は、回路基板１０４の中央
に設けた図示しないスラスト軸受によって、上下方向の
位置決めがなされるように構成される。

また、カバー１０５は、ハウジング１０１の円周に設け
られた４個のねじ１０８によってハウジング１０１に固
定される。

次に、回路基板１０４上に形成される検出回路の構成に
ついて、第２図に従って説明する。

第２図において、２１０は定電圧電源で、前述のワイヤ
ーハーネス１０９を介して外部より電イ原を供給する。

ホール素子２１ａ〜２１／は定電圧電源２１０からの電
源の供給を受けるとともに、その出力端子は各々差動増
幅器２０１〜２０６に接続されている。

差動増幅器３０１〜３０６の出力は、マルチプレクサ（
ＭＰＸ）２０７の入力端子１０〜Ｉ、に接続されている
。そして、このＭＰＸ２０７のコントロール端子Ａ、、
Ｂ、Ｃには、クロック源としてインバータ２１１と水晶
発振器２１４とによる発振回路を備えたカウンタ２０９
の出力端子Ｑ、〜Ｑ、が接続されている。これにより、
ＭＰＸ２０７は、カウンタ２０９が出力するカウント値
に応じて、各ホール素子２１ａ〜２１ｆから出力された
電圧信号を選択し、出力端子りより出力する。

このＭＰＸ２０７の出力端子りは、抵抗Ｒ４〜Ｒ１゜コ
ンデンサＣ，，Ｃ２及び差動増幅器２１２による公知の
バンドパスフィルタ２２０に接続されている。このバン
ドパスフィルタ２２０の出力は、抵抗Ｒ，，Ｒ，と差動
増幅器２１３とによるコンパレータ回路２２１に入力さ
れ、０■と比較される。このとき、バンドパスフィルタ
２２０の出力電圧が０■よりも大きければコンパレータ
回路２２１の出力信号はハイレベルとなり、出力電圧が
０（■）よりも小さければローレベルとなる。

なお、カウンタ２０９の出力端子Ｑ２．Ｑ、は、アンド
ゲート２０８を介してリセット端子Ｒに接続されている
。これにより、全ての検出素子２１ａ〜２１ｆからの電
圧信号が選択されると、カウンタ２０９のカウント値が
リセットされる。また、−このアンドゲート２０８は、
フリップフロップ２１５のセット端子にも接続されてお
り、カウンタ２０９のカウント値がりセントされ、ＭＰ
Ｘ２０７によってホール素子２１ａの出力信号が選択さ
れたとき、フリップフロップ２１５の出力端子Ｑからハ
イレベルの信号が出力される。そして、このフリップフ
ロップ２１５のリセット端子Ｒには、コンパレータ回路
２２１の出力信号が入力されているので、この出力信号
がハイレベルとなったとき、フリップフロップ２１５の
出力端子Ｑからローレベルの信号が出力される。

以上のように構成された第１の実施例の作用を各図に従
って説明する。

多極磁石１の表面近傍の磁束密度分布は、第４図（１）
に示す如（、正弦波に近い歪波となる。そして、多極磁
石１の表面から離れるに従って、多極磁石ｌによる磁束
分布密度は正弦波に近づいていく。しかし、ホール素子
２１ａ〜２１ｆの検出位置が多極磁石１の表面から離れ
るにつれて、出力される電圧信号の大きさが急激に小さ
くなり、Ｓ／Ｎ比が低下してしまう。このため本実施例
では、ホール素子２１ａ〜２１ｆを多極磁石１の表面か
ら０．５　ｍｍの位置に配置して、第４図（１）に示す
ような歪波を検出している。この歪波は、ロータ１０３
の回転に伴い、多極磁石の磁極ピッチｌだけ回転するの
に要する時間を１周期として、周期的に繰り返されるも
のである。

そして、本実施例では、多極磁石１の磁極ピッチｌに対
して、この磁極ピッチｌを等分するように６個のホール
素子２１ａ〜２１ｆを配置している。

このため、第４図（］）に示すように、多極磁石１によ
る磁束密度分布を表す歪波の１波長を６等分した領域ａ
〜「の中心付近の磁束密度がホール素子２１ａ〜２１ｆ
によってそれぞれ検出される。

従って、各々のホール素子２１ａ〜２１ｆから出力され
る電圧信号は、第４図（２）に示す如く、多極磁石１に
よる磁束密度分布を量子化したものとなる。

この各々のホール素子２１ａ〜２１ｆから出力された電
圧信号は、差動増幅器２０１〜２０６を介して増幅され
た後、ＭＰＸ２０７によって順次選択され、出力端子り
より出力される。このＭＰＸ２０７からの出力信号に対
して、バンドパスフィルタ２２０は、所定の周波数帯域
の信号のみを通過させるフィルタ処理を行う。

ここで、インバータ２１１による発振周期をＴ。

ホール素子２１ａ〜２１ｆの素子数をｎとすると、バン
ドパスフィルタ２２０のフィルタ処理における中心周波
数ｆ、は、ｆ　ｓ　＝　１．　／　（Ｔ　＊　ｎ　）に設定される
。なお、本実施例では、ホール素子数が６、発振周期は
約３１．２ｔＩＳであるから、バンドパスフィルタ２２
０の中心周波数は約５．３に七に設定しである。

従って、バンドパスフィルタ２２０の中心周波数ｆ、は
、ホール素子２１ａ〜２１ｆから出力される全ての電圧
信号がＭＰＸ２０７によって選択されるのに要する時間
を１周期とする信号の周波数に等しい。このため、バン
ドパスフィルタ２２０から出力される正弦波信号は、多
極磁石１の一対の磁極による磁束密度分布に対応した基
本波成分を示す信号となる。すなわち、この正弦波信号
はホール素子２１ａ〜２１ｆと多極磁石１の一対の磁極
との相対位置を正確に表わしている。

従って、第４図（３）、　（４）に示すように、ロータ
１０３の回転に伴って多極磁石１による磁束密度が変化
すると、この磁束密度を検出するホール素子２１ａ〜２
１ｆの出力電圧が変化し、バンドパスフィルタ２２０か
ら出力される正弦波信号の位相が変化する。このとき、
第４図（５）に示すように、ホール素子２１ａの出力が
選択されたタイミングを基準として、例えば正弦波信号
がＯＶとなるまでの時間Δもがフリンブフロップ２１４
によって検出される。この時間Δｔは、第４図（６）に
示すように、ロータ１０３の回転角に比例して連続的に
変化するので、この時間Δｔにより多極磁石１の位置を
検出することができる。

なお、時間Δｔの計測においては、正弦波信号がＯ■以
外の所定のレベルとなるまでの時間を計測し、この時間
より多極磁石の位置を検出しても良い。

以上の如く、本実施例によれば、ホール素子２１３〜２
１ｆから出力される信号の基本波成分を抽出し、この基
本波成分を示す正弦波信号の位相に基づき、多極磁石１
の位置をアナログ的に検出している。このため、理想的
には無限大の分解能を得ることができ、一対の磁極間の
位置を絶対的に検出することができる。そして、その際
、ホール素子２１ａ〜２１ｆの検出信号から直接基本波
成分を抽出しているため、多極磁石１による磁束密度分
布が歪んでいる場合や、ホール素子等からノイズが発生
している場合にも、それらに影響されることなく、正確
な正弦波信号を出力することができ、高分解能化に通し
ている。

また、本実施例では、各ホール素子２１ａ〜２１ｆの不
平衡電圧等のばらつきによって発生する誤差を低減する
効果もある。つまり、第４図（２）。

（３）、　（４）に示す階段状波形または正弦波形にお
いて、電気角で１８０°の位置付近のホール素子（例え
ば２１ａと２１ｄ）が同量のオフセットで電圧を生じた
場合には、このオフセント成分による誤差信号の周波数
は基本波に対して２倍の周波数となるから、バンドパス
フィルタ２２０で減衰され、その後の信号波形には含ま
れない。

すなわち、多数のホール素子２１ａ〜２１ｆを使用する
ことによって、不平衡電圧等によって生じる誤差信号の
周波数レベルが、基本波に対して充分に高くなるから、
バンドパスフィルタ２２０の通過時に減衰して、基本波
の位相に対して影響を与えることがなくなる。従って、
１チツプ多素子アレー等、高度の集積がなされたホール
素子アレー２１等を用いたときには、個々のホール素子
２１ａ〜２１ｆの不平衡電圧等はほとんど問題とならな
い。

なお、第１実施例では、移動体としての所定の磁極ピッ
チ２で交互に逆極性の磁極が形成された多極磁石１を使
用したが、これ以外にも例えばリラクタンス型として公
知の強磁性体歯車とバイアス用永久磁石とを使用しても
良い。また、検出素子としては、ホール素子以外に強磁
性体薄膜抵抗素子や、磁気抵抗素子等でも良い。また、
移動体は、ロータ１０３のような回転体に限らず、直線
的に変位する公知のリニ゛アエンコーダとしても構成で
きる。

次に、本発明の位置検出装置について、第２の実施例に
おける構成と作用を第５図に従って説明する。なお、前
述の第１実施例と本実施例との相違点はホール素子の配
置方法のみであるため、以下この点について説明する。

第５図（１）、　（２）、　（３）では、多極磁石１の
磁極ピッチβに対して、ホール素子７１ａ−”ｌｉｄ、
７２ａ〜７２ｆ、７３ａ〜７３ｆの素子サイズ又は基板
等への実装面積が比較的大きく、多極磁石１の磁極ピッ
チ２内に必要なすべてのホール素子７１ａ　〜７１ｄ、
７２ａ　〜７２ｆ、７３ａ　〜７３ｆが配置できない場
合の有効な素子配置方式を示している。

すなわち、第５図（１）では、磁極ピンチｐに対し！で、素子配列ピッチｌ、を、β＋　　　（ｎ：素多数）
としてホール素子７１ａ〜７１ｄを配置したものである
。従って、各ホール素子７１ａ〜７１ｄの出力信号を、
前述の第１実施例と同様の処理回路に入力することによ
って、多極磁石１の位置を検出することができる。

結局のところ、多数のホール素子から得られる検出信号
の位相が３６０°／素子数づつ離れていれば良いから、
第５図（２）のように２つのホール素子をｔｍとした等
間隔配置、または第６図（Ｃ）のように３つのホール素
子を１組とした等間隔配置が可能である。

なお、第６図（３）の例では、ホール素子７３ａ〜７３
ｆから出力される信号の位相順序と、素子配置の順序が
異なる構成となっている。

次に、本発明の第３の実施例について第６図に従って説
明する。

本実施例は、各ホール素子２１ａ〜２１ｆに対して設け
られた差動増幅器２０１〜２０６と、ＭＰＸ２０７との
間にサンプルホールド回路６０１を設けた点のみが前述
の第１実施例と相違する。

このような構成により、例えばロータ１０３が高速に回
転した場合において、検出誤差が生しることを防止する
ことができる。

すなわち、第１の実施例においては、例えばロータ１０
３が高速に回転すると、ＭＰＸ２０７が各ホール素子２
１ａ〜２１ｆの出力信号を選択する時刻がずれているの
で、この間にロータ１０３の回転が生ずる。このため、
基本波成分の周波数がロータ１０３の回転速度の関数と
なり、バンドパスフィルタ２２０の位相特性から、入力
信号の周波数変化による位相変化が加わって、大きな検
出誤差を生じる可能性がある。これに対して本実施例で
は、差動増幅器２０１〜２０６とＭＰＸ２０７との間に
サンプルホールド回路６０１を設けて、アンドゲート２
０８からの信号入力に同期して、各ホール素子２Ｌａ〜
２１ｆからの出力信号を一斉に取り込んで記憶する。こ
れにより、この記憶された出力信号を用いれば、上記′
のような検出誤差が生じることを防止できる。

〔発明の効果〕

以上述べたように、本発明によれば、各検出素子の出力
から直接基本波成分を抽出しているので、波形歪の影響
を受けることがなく、さらに基本波成分を示す正弦波信
号の波長が多極磁石における一対の磁極間隔に対応して
いるので、この正弦波信号により移動体の位置検出を行
うことにより、その分解能を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】第１図は本発明の第１実施例における多極磁石に対する
ホール素子の配置状態を示す説明図、第２図は第１実施
例の信号処理回路の構成を示す回路図、第３図は第１実
施例の全体の構成を示す構成図、第４図（１）〜（６）
は第１実施例の作用を説明する波形図、第５図（１）〜
（３）は本発明の第２実施例における多極磁石に対する
ホール素子の配置状態を示す説明図、第６図は本発明の
第３実施例の信号処理回路の構成を示す回路図である。１・・・多極磁石、２１・・・ホール素子アレー、２１
ａ〜２１ｆ・・・ホール素子、２０７・・・マルチプレ
クサ、２２０・・・バンドパスフィルタ、２２１・・・
コンパレータ回路。１０第１図ＩＩｚ図第３図（３）臣図第図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）移動体と固定体とを有し、前記移動体の位置に応
じた位相で、所定周波数の正弦波信号を生成するととも
に、この正弦波信号を用いて前記移動体の位置を検出す
る位置検出装置において、前記移動体と前記固定体との
何れか一方に配設されるとともに、所定間隔ごとに逆極
性に着磁された複数の磁極を有する多極磁石と、前記多極磁石と対向して前記移動体と前記固定体との何
れか一方に、かつ前記多極磁石における一対の磁極の間
隔を等分するように配置され、前記多極磁石による磁界
を検出して電気信号に変換する複数の検出素子と、前記複数の検出素子から出力される電気信号を選択して
出力するとともに、その選択して出力する電気信号を所
定の周期で切り換える切換手段と、前記所定の周期をＴ
ｌ前記検出素子の素子数をｎとしたときに、前記切換手
段によって選択され出力される電気信号に対して、１／
（Ｔ＊ｎ）を中心周波数とする所定の周波数帯域の電気
信号のみを通過させるフィルタ処理を行うことにより、
正弦波信号を出力する帯域フィルタと、前記切換手段において所定の検出素子が選択されたとき
を基準として、その時点から前記帯域フィルタによって
出力される正弦波信号が所定レベルとなるまでの位相か
ら、前記移動体の位置を検出する検出手段とを備えるこ
とを特徴とする位置検出装置。
（２）前記複数の検出素子から出力される全ての電気信
号を一斉に取り込んで記憶する記憶手段を設け、この記
憶手段に記憶された電気信号に基づいて前記移動体の位
置を検出する請求項第１項記載の位置検出装置。