JPH09329411A - 回転位置検出装置 - Google Patents
回転位置検出装置Info
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- JPH09329411A JPH09329411A JP16692696A JP16692696A JPH09329411A JP H09329411 A JPH09329411 A JP H09329411A JP 16692696 A JP16692696 A JP 16692696A JP 16692696 A JP16692696 A JP 16692696A JP H09329411 A JPH09329411 A JP H09329411A
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- Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)
- Transmission And Conversion Of Sensor Element Output (AREA)
Abstract
とにより出力波形の歪を抑制することができる回転位置
検出装置を提供する。 【解決手段】 所定のピッチλでN、S極が着磁された
多極磁気パターンを有する回転ドラム4と、これに対向
して設けられた回転ドラムの回転中心Oとの間で結ばれ
る法線Zからの電気角を基にして得られた所定の間隔を
隔てて配置される複数の磁気抵抗効果素子RAを有する
磁気センサとよりなる回転位置検出装置において、前記
各磁気抵抗効果素子RA〜Rb’の形成位置を、前記電
気角に対応する前記法線からの機械角をθとし、前記多
極磁気パターンの着磁極数をPとした場合に、前記回転
中心を通って前記法線Zとなす角度が数式、θ’=θ
(1−2/P)により規定される角度θ’となる放射線
H1〜H4’と前記磁気センサ6とのそれぞれの交点に
設定するように構成する。これにより、出力波形の位相
のズレを補償する。
Description
を有する磁気センサを用いた回転位置検出装置に関す
る。
オフィースオートメーション、その他の分野での自動化
機械装置等にあっては、直線或いは回転移動体の正確な
位置を求めるために光学式或いは磁気式のエンコーダが
用いられている。この中で磁気式のエンコーダは、構造
が簡単で且つ耐水性、耐油性等の環境条件に対して有利
であることから、多用されている。この磁気式の回転エ
ンコーダを例にとれば、このエンコーダは所定のピッチ
で着磁した回転ドラムと、これに対向させて配置した磁
気センサとよりなり、この磁気センサに設けた例えば磁
気抵抗効果素子からの出力波形を処理することにより、
その相対的或いは絶対的位置を処理することにより、そ
の回転数や回転角度の相対的或いは絶対的位置を求める
ようになっている。
の回転エンコーダ(回転位置検出装置)の一般的構成を
示す斜視図であり、このエンコーダは回転位置の検出対
象となる回転軸2に固定した回転ドラム4と、このドラ
ム外周面に対向させて所定の間隔(スペーシング)mを
隔てて配置した磁気センサ6とにより主に構成される。
上記回転ドラム4の外周面には、所定のピッチλで、
N、S極が着磁された多極磁気パターン8が設けられ
る。図8は上記多極磁気パターンの展開図を示してお
り、磁気センサ6には、上記ピッチλの半分の間隔、す
なわち実質的に電気角で180°となるλ/2の間隔で
配置した2つの磁気抵抗効果素子R1、R2を有してお
り、回転ドラム4の回転に伴う磁界の変化を検出し得る
ようになっている。
実質的にλ/2とは、両素子間の距離が精度良くλ/2
に設定する場合もあるし、また、特開平1−31891
4号公報に示すようにドラムとセンサ間の距離、すなわ
ちスペーシングmを考慮してセンサに接する円を仮定し
た時に定まる仮のピッチに基づいて素子R1,R2間の
距離を設定する場合、或いは後述するように上記電気角
に対応する機械角の放射線をドラム回転中心より引いて
この放射線とセンサとの交点に素子を配置する場合もあ
る点を含めて実質的という言葉を用いている。すなわ
ち、素子R1、R2間の距離は、微小な差異はあるもの
の、実質的にλ/2(電気角で180°)の間隔に設定
されている。この磁気抵抗効果素子、すなわちMR素子
R1、R2は、例えばガラス基板等の表面に磁界の強度
によってその電気抵抗が変化する材料、例えばNi・F
eやNi・Co等の薄膜を蒸着等の手法によって形成し
ている。
参照しつつ説明する。この種のMR素子の磁界に対する
抵抗変化は、図9(A)に示すような特性を有し、磁界
の方向に関係なく、磁界の大きさに比例して抵抗が変化
し、ある値で飽和する。ここで回転ドラム4が回転して
MR素子R1、R2に、図9(B)に示すような大きさ
が正弦波状に変化する磁界Bが加わったものと仮定す
る。このような磁界BがMR素子R1、R2に加わる
と、それぞれピッチλの半波整流波形に似た抵抗値(図
9(C))となり、当然のこととしてMR素子R1、R
2の抵抗波形はλ/2の位相差となっている。従って、
これらのMR素子R1、R2を図9(D)に示すように
直列接続して検出直流電源10より電圧Vを印加すれ
ば、その接続点より出力eaを取り出すことができる。
この時の出力波形は図9(E)に示すように周期がλの
略正弦波出力を得ることができる。
るが、実際には、MR素子の抵抗変化量は2%程度と非
常に小さく、しかも、相対的な回転量、或いは回転角を
求めるインクリメンタル相を考慮すれば、正逆回転を認
識するためにA相とB相の2つの信号が必要となる。そ
こで、図10に示すように実際には8つのMR素子R
A、RB、Ra、Rb、Ra’、Rb’、RA’、R
B’を用い、これらをそれぞれ1/4λ、すなわち電気
角で90°の間隔だけ隔てて順次配列し、図11に示す
ように配線接続している。尚、ここでのλも先に説明し
た仮のピッチを含む概念である。
A、RB、Ra、Rbが検出直流電源のプラス側に接続
されることからプラス側磁気抵抗効果素子として構成さ
れ、他方、図中右側の4つのMR素子Ra’、Rb’、
RA’、RB’がマイナス側(接地)に接続されること
からマイナス側磁気抵抗効果素子として構成される。こ
こでMR素子RA、RA’、Ra、Ra’はA相側の信
号を出力するものであり、MR素子RB、RB’、R
b、Rb’はB相側の信号を出力するものである。各M
R素子の対、例えばRAとRA’、RaとRa’、RB
とRB’、RbとRb’はそれぞれ先に説明したMR素
子R1とR2の関係を有しており、従って、両素子間は
実質的に(λ/2)×奇数倍、すなわち電気角で180
°の奇数倍の間隔を隔てて配置されている。そして、A
相信号用のMR素子RA、RA’、Ra、Ra’はブリ
ッジ状に接続されており(図11(A)参照)、両接続
点VA 、Va を例えばオペアンプ等よりなるA相側増幅
器12の−端子と+端子にそれぞれ入力することにより
両接続点VA 、Va の出力を差動増幅するようになって
いる。これにより、MR素子の抵抗変化量の少なさを補
償するようになっている。
RB’、Rb、Rb’もブリッジ状に接続されており
(図11(B)参照)、両接続点VB 、Vb をB相側増
幅器14の−端子と+端子にそれぞれ入力することによ
り、両接続点VB 、Vb の出力を差動増幅するようにな
っている。また、このようにA相信号用のMR素子とB
相信号用のMR素子を実質的に1/4λずつ間隔を隔て
て配置することにより、理想的には図12に示すように
A相信号とB相信号は電気角で90°位相がずれた状態
で出力され、正逆回転の回転方向に応じて進む相が変わ
るので、これにより正回転であるか、逆回転であるかを
認識する。
ピッチとしてλを用いるか、仮のピッチを用いるかは別
として、全て一定の値となるように設定されているが、
MR素子間の間隔をセンサ周辺部に行く程、少しずつ次
第に大きく設定するようにしてセンサ中心部と周辺部と
の回転ドラムに対する間隔の相異を補償するようにした
素子配列も提案されている。図13はそのような素子配
列を示す図であり、ここでは理解を容易化するためにド
ラム4の曲率を大きく誇張して記してある。図13にお
いて、回転ドラム4の曲率のために磁気センサ6の素子
取り付け面とドラム4との間隔がセンサの中心部から周
辺部に行く程、例えばm1、m2、m3と僅かずつであ
るが大きくなり、この間隔の差が原因で前述のように等
間隔でMR素子を配列すると出力波形にある程度の歪が
含まれてしまう。そこで、この歪を抑制するためにMR
素子を配列するにあたり、回転ドラム4の回転中心Oを
通ってセンサ6と直交する法線Zを仮定し、この交点に
8つのMR素子の略中央のMR素子、例えばMR素子R
a’を配置する。尚、ここでは理解を容易化するために
この交点にMR素子Rbを配置しているが、実際には中
央の2つのMR素子RbとRa’の中間点をこの交点に
位置させる場合が多い。
ぞれ他のMR素子を略λ/4ずつ、すなわち電気角で9
0°ずつ位置ずれさせて配置させるのであるが、ここで
はこの電気角に対応する機械角だけ法線Zより回転した
方向に延びる放射線H1、H2…とセンサ6との交点に
MR素子を配列させる。すなわち、図示例においてドラ
ム4の1つのN・S間が1ピッチλであるから、このλ
のなす機械角を4αとすると、λ/4に対応する機械角
はαであることから法線Zから機械角がα(λ/4に対
応)、2α(2λ/4に対応)等のように整数倍的に順
次大きくなる複数の放射線H1、H2…を回転中心Oよ
り引き、これらの放射線H1、H2…とセンサ6との各
交点にMR素子を配置する。この場合には、センサの中
心より周辺部に行くに従ってMR素子間の間隔は少しず
つ大きくなって行くことになる。このように、電気角に
してλ/4ずつの間隔を隔てて設けるべきMR素子の配
列位置を決定するに際して、その電気角に対応する機械
角の方向に延びる放射線H1、H2…とセンサ6との各
交点を配列位置とすることにより、出力波形の歪をでき
るだけ抑制するようになっている。
位置検出装置にあっては、上記ピッチλの値は例えば1
00μm程度で比較的小さく、ドラム1回転で例えば1
000パルス程度の出力が得られるようになっている。
また、ドラム1回転のパルス数が上述のように多いとセ
ンサ6をドラム4に非常に接近させて効果的に磁気強度
の変化を検出しなければならないことから、ドラム4と
センサ6との間の間隔m或いはm1も非常に小さく、例
えば80μm程度に設定しなければならない。
所には、湿度や温度の変動が激しかったり、或いは振動
も激しいような使用環境が非常に厳しい場所もある。例
えば自動車のステアリングの回転角度を求めるような回
転位置検出装置では上記したように使用環境が非常に厳
しく、そのために、振動等に対する信頼性を上げるため
に回転ドラム4とセンサ6との間の間隔m或いはm1を
ある程度以上に大きく設定し、振動等に起因して発生す
る恐れのある両者の接触を避けなければならない。この
ように両者の間隔m或いはm1をより大きく設定するこ
とは、MR素子により磁気強度の変化を効果的に検出す
るためには多極磁気パターン8のピッチλを従来よりも
大きく設定しなければならないことを意味し、このこと
はドラム1回転当たりのパルス数が少なくなり、しかも
磁気センサ6のMR素子の取り付け部の全体の長さが大
きくなることを余儀なくさせてしまう。
λが非常に小さい場合には、センサのMR素子の取り付
け部の長さも小さくて済むことから図14に示すように
微視的に見ればセンサ表面とドラム表面は略平行となっ
ていることから各センサとドラムとの間の間隔は略同一
とみなせたが、上述のように使用環境が厳しいところで
用いる装置にあっては着磁ピッチλの拡大に起因してセ
ンサ長さも大きくなり、その結果、センサ中央部のMR
素子とドラムとの間と周辺部のMR素子とドラムとの間
隔の差が過度に大きくなりすぎてしまい、図13に示し
たような配列位置決定手法を用いても出力波形に無視し
得ない歪が含まれることを避けることができなかった。
手法を用いて形成した大ピッチのセンサのA相出力とB
相出力の波形を示すが、両波形は正常時には90°の位
相差であるが、ここでは91.9°の位相差が生じてし
まい、歪率も4.84%とかなり大きいものであった。
ここで、歪率とは、A相出力とB相出力をリサージュ波
形とした時の、中心からの最大距離と最小距離との差
と、最大距離との比をいう。本発明は、以上のような問
題点に着目し、これを有効に解決すべく創案されたもの
である。本発明の目的は、MR素子の取り付け位置を僅
かに調整することにより出力波形の歪を抑制することが
できる回転位置検出装置を提供することにある。
に含まれる歪波は、MR素子の中央部の出力と周辺部側
のMR素子の出力との間でMR素子の配列位置に依存す
る位相差が存在する、という知見を得ることにより本発
明に至ったものである。すなわち、上記MR素子の配列
位置に依存して発生する位相差分だけMR素子の取り付
け位置をシフトさせれば出力波形の歪を抑制できること
を見出したものである。本発明は、所定のピッチλで
N、S極が着磁された多極磁気パターンを有する回転ド
ラムと、これに対向して設けられた回転ドラムの回転中
心との間で結ばれる法線からの電気角を基にして得られ
た所定の間隔を隔てて配置される複数の磁気抵抗効果素
子を有する磁気センサとよりなる回転位置検出装置にお
いて、前記各磁気抵抗効果素子の形成位置を、前記電気
角に対応する前記法線からの機械角をθとし、前記多極
磁気パターンの着磁極数をPとした場合に、前記回転中
心を通って前記法線となす角度が下記式により規定され
る角度θ’となる放射線と前記磁気センサとのそれぞれ
の交点に設定するように構成したものである。 θ’=θ(1−2/P)
子の出力間に発生していた位相差をなくすことができ、
全体としての出力波形中の歪を大幅に抑制することがで
きる。特に、着磁ピッチλを大きくして使用環境が厳し
くても耐え得るように装置設計した場合のようにセンサ
の長さ、すなわち寸法が大きくなった時に有効である。
出装置の一実施例を添付図面に基づいて詳述する。図1
は本発明の回転位置検出装置の磁気センサの磁気抵抗効
果素子の配列位置を示す図、図2は本発明に係る回転位
置検出装置の磁気センサの磁気抵抗効果素子の取り付け
位置のシフト量を示す図である。図1において回転位置
検出装置16は、回転ドラム4と複数、ここでは8つの
MR素子RA、RB、Ra、Rb、Ra’、Rb’、R
A’、RB’を用いた磁気センサ6とにより主に構成さ
れる。
その外周面にN・S極を交互に配置した多極磁気パター
ン8を有している。ここてば着磁極数(パルス数)P
は、60程度に設定され、従来の着磁極数、例えば10
00よりもかなり小さくして過酷な使用環境下に耐え得
るようにしている。この回転ドラム4の側面に対向させ
て、これより所定の間隔(スペーシング)を隔てて配置
される磁気センサ6は、後述する方法で位置決めされた
上記8つのMR素子を有しており、これらの各MR素子
は、図11において説明したと同様に接続されているの
で、ここてはその接続状態の説明を省略する。また、回
転ドラム4と磁気センサ6との間の間隔Mは、従来の装
置よりも大きく設定して、ここでは例えば1mm程度に
規定してあり、耐振性を向上させている。
図13にて説明したような方法で設計されたMR素子取
り付け位置よりも、僅かに法線Z側へシフトさせて取り
付けた点にある。各シフト量は、法線Zから離間してい
る程、大きく設定されている。尚、図1においては理解
を容易化するために回転ドラム4の回転中心Oとセンサ
6とを結ぶ法線Z上に1つのMR素子、例えばRa’を
位置させている。次に、各シフト量の決定方法について
説明する。今、図2において回転ドラム4の回転機械角
θ2を考えると、これと電気角γとの関係は、着磁極数
がPであることから次の式のようになる。尚、ここでは
着磁ピッチλを説明の都合上、大きく記載している。 γ=θ2×P/2 ……(1)
R素子Ra’における水平方向及び垂直方向の磁界成分
Hx、Hyを求め、上記式を代入する。尚、磁界強度は
hである。また、センサが感知できる成分は図中、水平
成分のみである点に注意されたい。 Hx=h・sinγ=h・sin(P/2)θ2 ……(2) Hy=h・cosγ=h・cos(P/2)θ2 ……(3)
の波線で示すMR素子Rbについて検討する。この波線
で示すMR素子Rbは、図13において説明した方法で
求められた位置であり、すなわち、電気角λ/4に対応
する機械角θ(図13中ではα)だけ法線Zよりも回転
した放射線H1とセンサ6との交点に位置している。さ
て、このMR素子Rbにおける磁界成分をドラムの回転
中心方向Hyとこれに直交する方向Hxと分けると、そ
れぞれの大きさは先のMR素子Ra’におけるHyとH
xとほぼ同じである。しかしながら、MR素子は図示例
においては水平方向の成分しか感知し得ないことからこ
のMR素子Rbにおける上記各成分Hx、Hyの水平方
向の成分Hxx、Hyxをそれぞれ求める必要があり、
次の式で与えられる。 Hxx=Hx・cosθ ……(4) Hyx=−Hy・sinθ ……(5)
水平成分Hx’は、上記HxxとHyxの和となる。 Hx’=Hxx+Hyx=Hx・cosθ−Hy・sinθ…(6) ここで、先に求めたHx、Hyを代入する。 Hx’=h・sin(P・θ2/2)cosθ−h・cos(P・θ2 /2)sinθ =h・sin(P・θ2/2−θ)=h・sin{(θ2−2・θ/P )・P/2} =h・sin{(θ2−θ3)・P/2} ……(7) 尚、θ3=2・θ/Pである。
とHx’はHxに対してθ3だけ位相が遅れていること
が判明する。すなわち、この位相の遅れに起因して出力
波形に歪が発生していたのである。そこで、この位相遅
れを補償してなくすために、図2に示す放射線H1より
も角度θ3だけ法線Zの方向へ戻した新たな放射線H
1’とセンサ6との交点に実線で示すようにMR素子R
bを設置する。すなわち、MR素子Rbの位置を、従来
の波線で示した位置より実線に示す位置までシフトさせ
るようにして設ける。これにより、この実線で示す位置
のMR素子Rbの出力は法線Z上におけるMR素子R
a’の出力との間において、位相のズレがなくなり出力
波形に歪が発生することを防止することが可能となる。
のなす機械角θ’と、先の機械角θとの関係は下記式の
ようになる。 θ’=θ(1−2/P) ……(8) 図1に戻って、上記した位相のズレは他のMR素子につ
いても同様に生じるので、上記θ3に相当する角度だけ
放射線H2、H3、H4を法線Zの方向に戻して新たな
放射線H2’、H3’、H4’を形成し、これらの新た
な各放射線とセンサ6とのそれぞれの交点を、それぞれ
MR素子の取り付け位置とする。この場合、θ3の大き
さは、機械角θの大きさによって決定するので、法線Z
から遠く離れる程、すなわち機械角θが大きくなる程、
θ3 の値も大きくなって戻し量も大きくなる点に注意さ
れたい。また、この機械角θは、例えば図13に説明し
た機械角αを整数倍的に増加させた離散的な値をとるこ
とはいうまでもない。更に、図1中において、右側の3
つのMR素子Rb’、RA’、RB’も同様に法線Zの
方向へシフトされるのは勿論である。
線Z上におけるMR素子と同相にあるので予め設定した
位相差が維持され、最終的に求められるA相信号及びB
相信号に歪成分が含まれることを防止することができ
る。尚、この実施例では法線Z上にMR素子Ra’を位
置させた場合を例にとって説明したが、これに限定され
ず、図3及び図4に示すように8つのMR素子の内、中
央部の2つの素子RbとRa’の中央点C1に法線Zが
通るように設定してもよい。これによれば各MR素子の
配列は、法線Zに対して線対称となる。この場合にも各
MR素子の取り付け位置を、法線Zを基準とした各角度
θ’で定まる放射線H1’〜H8’とセンサ6とのそれ
ぞれの交点に設定する。尚、図4において波線で示され
るMR素子は、図13にて説明した従来の位置決め方法
で規定した位置に設けたMR素子を示す。
A相信号とB相信号とを示す信号波形であり、略正弦波
に近い出力信号を得ることができた。また、上記A相信
号とB相信号をオシロスコープのX軸とY軸に印加して
リサージュ波形を形成したところ、図6に示すように略
真円に近い波形を得ることができた。この波形の歪率を
測定したところ歪率は、1.12%程度であり、従来の
センサの歪率略5%に対して大幅な改善を図ることがで
きた。
検出装置によれば、次のように優れた作用効果を発揮す
ることができる。磁気センサの磁気抵抗効果素子の配列
位置を、回転ドラムの曲率に起因して発生する各素子の
出力の位相のズレを補償するように僅かにシフトさせて
設定するようにしたので、A相信号やB相信号の出力波
形に歪が含まれることを大幅に抑制することができる。
従って、回転ドラムとセンサとの間を大きくした結果、
着磁ピッチ及びセンサの寸法が大きくなっても検出精度
の高い、しかも、振動等の激しい悪環境の下でも使用に
耐え得る装置を提供することができる。
抵抗効果素子の配列位置を示す図である。
磁気抵抗効果素子の取り付け位置のシフト量を示す図で
ある。
センサの磁気抵抗効果素子の配列位置を示す図である。
気抵抗効果素子の取り付け位置のシフト量を示す図であ
る。
を示す波形図である。
形図である。
示す斜視図である。
す展開図である。
である。
パターンを示す図である。
示す回路図である。
B相信号を示す波形図である。
示す図である。
とセンサとの関係を示す拡大図である。
相信号を示す波形図である。
Claims (4)
- 【請求項1】 所定のピッチλでN、S極が着磁された
多極磁気パターンを有する回転ドラムと、これに対向し
て設けられた回転ドラムの回転中心との間で結ばれる法
線からの電気角を基にして得られた所定の間隔を隔てて
配置される複数の磁気抵抗効果素子を有する磁気センサ
とよりなる回転位置検出装置において、前記各磁気抵抗
効果素子の形成位置を、前記電気角に対応する前記法線
からの機械角をθとし、前記多極磁気パターンの着磁極
数をPとした場合に、前記回転中心を通って前記法線と
なす角度が下記式により規定される角度θ’となる放射
線と前記磁気センサとのそれぞれの交点に設定するよう
に構成したことを特徴とする回転位置検出装置。 θ’=θ(1−2/P) - 【請求項2】 前記磁気抵抗効果素子は、8個設けられ
て、2つのブリッジ回路に差動増幅的に接続されている
ことを特徴とする請求項1記載の回転位置検出装置。 - 【請求項3】 前記法線と前記磁気センサとの交点上に
前記いずれかの磁気抵抗効果素子を設けていることを特
徴とする請求項1または2記載の回転位置検出装置。 - 【請求項4】 前記法線と前記磁気センサとの交点は、
前記磁気抵抗効果素子のいずれか2つ素子の中央点であ
ることを特徴とする請求項1または2記載の回転位置検
出装置。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP16692696A JP2957130B2 (ja) | 1996-06-06 | 1996-06-06 | 回転位置検出装置 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP16692696A JP2957130B2 (ja) | 1996-06-06 | 1996-06-06 | 回転位置検出装置 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH09329411A true JPH09329411A (ja) | 1997-12-22 |
JP2957130B2 JP2957130B2 (ja) | 1999-10-04 |
Family
ID=15840228
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP16692696A Expired - Lifetime JP2957130B2 (ja) | 1996-06-06 | 1996-06-06 | 回転位置検出装置 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2957130B2 (ja) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2012215415A (ja) * | 2011-03-31 | 2012-11-08 | Oriental Motor Co Ltd | アブソリュートエンコーダ装置及びモータ |
-
1996
- 1996-06-06 JP JP16692696A patent/JP2957130B2/ja not_active Expired - Lifetime
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2012215415A (ja) * | 2011-03-31 | 2012-11-08 | Oriental Motor Co Ltd | アブソリュートエンコーダ装置及びモータ |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP2957130B2 (ja) | 1999-10-04 |
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