TWI494545B - 旋轉數檢測器 - Google Patents

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Yoshinao Tatei
Takeshi Musha
Hajime Nakajima
Takashi Okamuro
Masanori Nimura
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Mitsubishi Electric Corp
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Description

旋轉數檢測器
本發明係有關於一種使用磁線(magnetic wire)計數(count)使用在用於產業業FA機器或車載用途等之各式各樣領域的旋轉體之旋轉數的旋轉數檢測器。
在一般的旋轉數檢測器之中，就藉由使用磁線與拾訊器線圈(pickup-coil)之本身發電的旋轉數檢測器而言，有例如於專利文獻1及專利文獻2所示的習知技術。在專利文獻1中，使用將著磁有S/N各1極的磁鐵、以及具有大巴克豪生(Barkhausen)效應之磁線與拾訊器線圈予以組合的發電裝置，而利用來自發電裝置的電力供應來進行檢測器的電源備援(backup)。發電元件係以相對於1旋轉具90度之相位差的方式配置有2個的發電裝置。
此外，專利文獻2係放射狀地配置複數個磁導線與線圈之組合而將其電感(inductance)變化轉換成電氣信號。
在此，大巴克豪生效應係指藉由磁線在磁鐵的S/N極交界附近一起磁化反轉之現象，從而利用拾訊器線圈檢測該磁化反轉，藉此不依據馬達(motor)等被檢測物之旋轉速度而恆常地獲得固定的發電脈衝(pulse)。
(先前技術文獻) (專利文獻)
[專利文獻1]日本特開2008-14799號公報。
[專利文獻2]日本實開昭63-117504號公報。
當將著磁有S/N各1極的磁鐵與發電元件予以組合時，發電元件的發電量係在將發電元件配置在磁鐵的中心、亦即配置在旋轉中心時最大。雖亦依磁線的製法而不同，但當將發電元件配置在磁鐵外周附近時，只能獲得配置在磁鐵之旋轉中心時之4成左右的發電量。亦即，如專利文獻1之圖式所示，當避開磁鐵之中心來配置發電元件時，會有來自各個發電元件的發電量相較於將1個發電元件配置在磁鐵之中心上時降低，導致檢測器之可靠性降低的問題。
此外，當磁鐵的中心與旋轉中心偏離時，磁鐵在偏心状態下旋轉，亦即從發電元件觀看時，發電元件相對於磁鐵的位置(自磁鐵中心的位移量)係隨著磁鐵的旋轉角度而變化，惟當將發電元件配置在磁鐵之中心附近時，發電量相對於發電元件對於磁鐵之位置變動的變動量少。相對於此，當避開磁鐵之中心來配置發電元件時，發電量相對於發電元件對於磁鐵之位置變動的變動量大，使發電量之變異大增而導致檢測器的可靠性降低。
如專利文獻1所示，為了辨識旋轉方向，相對於1旋轉具有90度之相位差而配置2個發電裝置，而且為了解決前述之課題，欲將發電元件配置於磁鐵之旋轉中心上方時，必須以堆 疊之方式配置2個發電元件。此時，會發生如下所示之2個課題。其一為例如令發電元件之線圈的外徑設為5mm左右時，將發電元件堆疊2個時，厚度會成為10mm，該厚度份將致使檢測器增厚的課題。其二為若令磁鐵與至下側之發電元件(磁線)為止的距離為Gmm時，至上側之發電元件為止的距離會成為G+5mm，且離磁鐵的距離會在2個發電元件不同，而產生因在輸出脈衝產生差異而有檢測可靠性的降低之疑慮的課題。
本發明為有鑑於前述課題所開發者，其目的係為獲得一種薄型、並且能夠獲得更穩定的發電脈衝、高可靠性的旋轉數檢測器。
為了解決前述課題並達成目的，本發明係為一種旋轉數檢測器，其係藉由發電部檢測安裝於旋轉體之磁鐵的旋轉數者；其中，前述發電部具備N個(N為1以上之自然數)發電元件，該發電元件具備有藉由大巴克豪生效應而磁化反轉的磁線、以及捲繞該磁線的拾訊器線圈；該磁線係在前述發電元件之前述磁線的延伸方向較前述拾訊器線圈的捲繞部分長，且前述磁線係配置在前述磁鐵之旋轉中心的上方。
本發明之旋轉數檢測器係達成使設計自由度提高，並兼顧薄型化與發電可靠性之提升的效果。
1‧‧‧磁鐵
2‧‧‧發電部
4‧‧‧旋轉軸
10‧‧‧磁化反轉產生點
30、40、50‧‧‧發電元件
31、32‧‧‧拾訊器線圈
33‧‧‧磁線
100、200、300、400‧‧‧旋轉數檢測器
第1圖係表示旋轉數檢測器相對於磁鐵的位置與發電量的關 係之曲線圖。
第2圖係實施形態1之旋轉數檢測器的概略構成之立體圖。
第3圖係顯示實施形態1之旋轉數檢測器之發電元件的詳細構成之圖。
第4圖係說明實施形態1之旋轉數檢測器的磁化反轉產生點之圖。
第5-1圖係顯示習知旋轉數檢測器的發電脈衝之例之圖。
第5-2圖係顯示實施形態1之旋轉數檢測器的發電脈衝之例之圖。
第6圖係顯示使用於實施形態1之旋轉數檢測器的其他磁鐵之例之圖。
第7圖係實施形態2之旋轉數檢測器的概略構成之立體圖。
第8圖係實施形態3之旋轉數檢測器的概略構成之立體圖。
第9圖係說明實施形態3之旋轉數檢測器的磁化反轉產生點之圖。
第10圖係實施形態4之旋轉數檢測器的概略構成之立體圖。
第11圖係實施形態4之旋轉數檢測器的概略構成之側面圖。
以下根據圖式詳細地說明本發明之旋轉數檢測器的實施形態。另外，本發明並不侷限於該實施形態。
實施形態1．
第1圖顯示當使著磁有S/N各1極之磁鐵與發電元件組合時，令以發電元件相對於磁鐵之位置(自磁鐵中心的位移量)為橫軸、以來自發電元件的發電量為縱軸時之發電元件的位置與發電 量的關係。如第1圖所示，發電元件的發電量係在將發電元件配置於磁鐵的中心、亦即配置於旋轉中心時為最大。雖亦依磁線的製法而不同，但當將發電元件配置在磁鐵外周附近時，只能獲得配置在磁鐵之旋轉中心時之4成左右的發電量。
此外，當磁鐵的中心與旋轉中心偏離時，磁鐵在偏心状態下旋轉，亦即從發電元件觀看時，第1圖的横軸(自磁鐵中心的位移量)會隨著磁鐵的旋轉角度而變化，惟當將發電元件配置在磁鐵之中心附近時，發電量相對於第1圖之横軸變動的變動量少。亦即，第1圖的曲線之斜率的絕對值小。相對於此，當避開磁鐵之中心而配置發電元件時，發電量相對於横軸變動的變動量(曲線的斜率之絕對值)大，使發電量之變異大增而導致檢測器的可靠性降低。
以下使用第2圖至第6圖來說明本發明實施形態1之旋轉數檢測器的構成。
第2圖係顯示實施形態1之旋轉數檢測器100的概略構成之立體圖。本實施形態之旋轉數檢測器100係具備有旋轉軸(shaft)4、磁鐵1、發電部2、以及處理部(未圖示)，該磁鐵1係安裝於旋轉軸4而形成一體來進行旋轉，該發電部2係隨著磁鐵1的旋轉而產生發電脈衝，而該處理部係使用來自發電部2的發電脈衝進行計數處理。
磁鐵1係為著磁有S極及N極各1極的直徑方向著磁磁鐵，且使旋轉軸4的旋轉中心與磁鐵的中心大致一致之方式安裝。發電部2係為以一體之方式將發電元件30及40加以封裝(packaging)者，且配置在從磁鐵1朝旋轉軸方向隔開達間隔(gap)G 之位置。發電元件30及40係以相對於磁鐵1的一旋轉具90度位相差之間隔正交配置。如第3圖所示，發電元件30係由2個拾訊器線圈31及32、以及被拾訊器線圈31及32捲繞的1根磁線33所構成。亦即，發電元件30的拾訊器線圈係具有隔開預定間隔並且串聯連接的2個捲繞部分。發電元件40亦為與發電元件30同樣的構成。
如第3圖所示，屬於2個捲繞部分的拾訊器線圈31及32係以隔著間隔L配置，並且串聯連接。因此，屬於磁線33之延伸方向的長度的磁線長度J係大於拾訊器線圈31及32之長度的和。並且，拾訊器線圈31的左端及拾訊器線圈32的右端係連接於處理部。間隔L係相對於線圈之外徑Φ具有L>Φ之關係，而2個發電元件30及40，係如第2圖所示以線圈彼此不干擾之方式，僅將磁線部分疊合在磁鐵1的旋轉中心上。
當使依線圈之2個發電元件30及40疊合時，發電部2的厚度雖係成為2Φ，惟當僅使磁線部分疊合時，發電部2的厚度係成為Φ+2W+α(W：磁線的線徑、α：2條磁線的間隙)。在發電元件30及40中，例如，因Φ=5mm、W=0.2mm左右，故如令α=0.1mm，則相對於2Φ=10mm成為Φ+2W+α=5.5mm，而可實現旋轉數檢測器100之大幅的薄型化。此外，令發電元件30為下側、發電元件40為上側時，相對於磁鐵1與發電元件30的間隔G，磁鐵1與發電元件40的間隔係成為G+W+α，例如，令磁鐵1與發電元件30的間隔G=3mm時，磁鐵1與發電元件40的間隔係成為G+W+α=3.3mm，即能夠將磁鐵1與2個發電元件30及40之間的間隔設定為近似值。當使依線圈之2個發電元件30及40 疊合時，磁鐵1與發電元件40的間隔係成為G+Φ=8mm，使磁鐵1與2個發電元件30及40的間隔之差增大。
接著，針對本實施形態之旋轉數檢測器100的動作加以說明。發電元件30及40係分別對於磁鐵1的旋轉在N→S極的交界附近產生正脈衝、而在S→N極的交界附近產生負脈衝。此時，僅以1個發電元件構成時，因當磁鐵1朝順時鐘(正轉)旋轉而形成N→S極時，與朝逆時鐘旋轉(逆轉)而形成N→S極時同樣地會產生正脈衝，故無法進行旋轉方向的區分。相對於此，當配置2個發電元件時，發電元件30產生正脈衝後，則以發電元件40係產生為正脈衝或負脈衝之任一者即能夠進行正轉與逆轉的區分。
接著，針對本實施形態之發電元件30及40的詳細動作，使用第4圖、第5-1圖、以及第5-2圖加以說明。發電元件30係藉由拾訊器線圈檢測磁線33因大巴克豪生效應而同時磁化反轉時的磁場變化。如第4圖所示，磁化反轉係從屬於位於磁線33之某一點的磁化反轉產生點10產生，且波及至磁線33的整體。該磁化反轉產生點10係依每一導線而相異。當令磁化反轉產生點10與拾訊器線圈31、32的距離分別為X1、X2(=L-X1)、令磁化反轉的速度為V時，於由拾訊器線圈31、32產生的發電脈衝中，會產生(X2/V-X1/V)的時滯(time-lag)T。
第5-1圖係顯示由藉由習知之1個磁線與1個拾訊器線圈(匝數：N)之組合所成的發電元件所獲得的發電脈衝(半頻帶寬度Hw)之例。半頻帶寬度Hw係為在1個拾訊器線圈覆蓋磁線的狀態下，取決於拾訊器線圈的線圈長度之值，例如為50μSec。相對於此，在本實施形態中，根據使由2個拾訊器線圈31、 32(匝數之和：N)所產生的時滯(檢測磁化反轉之時間差)T，如第5-2圖所示，來自串聯連接之拾訊器線圈兩端的出力，係形成疊合偏移時滯T之份量的2個脈衝波形般的波形。亦即，成為Hw’=Hw+T。因此，藉由改變線圈間隔L，即能夠獲得所期望之脈衝半頻帶寬度Hw’。半頻帶寬度Hw’之值，例如成為100μSec等之值。
以處理部進行旋轉數的演算時，若發電脈衝的半頻帶寬度Hw為短的常規值時，因必須在該期間進行處理，故處理時間會受到限制，而有要採用的電路零件受限而成為成本(cost)上昇主因的可能性。惟在本實施形態中，藉由以下所述之方式控制並設定時滯T，即能夠獲得相對於習知之發電脈衝半頻帶寬度Hw放寬、並且所期望的半頻帶寬度Hw’。由於發電脈衝半頻帶寬度變大，因此前述處理之可執行的時間寬度會延伸。因此，能夠可進行更高自由度的電路處理，並謀求成本降低。
另外，依每一磁線而相異之磁化反轉產生點10的位置、以及磁化反轉速度V係藉由使用採用拾訊器線圈的檢查裝置而事先地進行檢測，根據由各個檢測出的磁化反轉始發點10之位置、磁化反轉速度V之值設定線圈間隔L，即能夠獲得所期望之半頻帶寬度Hw’的脈衝。亦即，只要知道依每一磁線而相異的磁化反轉始發點10之位置、以及磁化反轉速度V，藉由改變線圈間隔L，即求得所期望的T=(X2/V-X1/V)。因此，假設習知之(拾訊器線圈之捲繞部分為1個時之)半頻帶寬度Hw不明，亦根據Hw’=Hw+T之關係，即能夠將半頻帶寬度Hw’設定為所期望之值以上。此外，半頻帶寬度Hw為已知的情形，係能夠將半頻帶 寬度Hw’設定為所期望之值。因此，因藉由調整線圈間隔L，從而能夠獲得任意的發電脈衝寬度，故在處理電路的設計自由度會提升。
另外，在前述說明中，本實施形態之磁鐵1的著磁係採用分別1極1極地著磁有S極‧N極的直徑方向著磁之例加以說明，惟本實施形態的磁鐵1並不限定於此，例如，亦可為如第6圖之兩面4極磁鐵。在以下之實施形態中亦同。
實施形態2．
以下使用第7圖加以說明本發明實施形態2之旋轉數檢測器200的構成。
第7圖係顯示實施形態2之旋轉數檢測器200的概略構成之立體圖。旋轉數檢測器200的構成基本上係為與實施形態1的旋轉數檢測器100相同，惟發電部2的詳細構成相異。發電部2係為以一體之方式將發電元件30、40、及50加以封裝者，且配置在離磁鐵1朝旋轉軸方向隔開達間隔G之位置。發電元件30、40、及50係以相對於磁鐵1的一旋轉具120度位相差之間隔的方式等間隔地配置。如第3圖所示，發電元件30係由2個拾訊器線圈31及32、以及1根磁線33所構成。發電元件40及50亦為與發電元件30同樣的構成。
拾訊器線圈31及32係與實施形態1同樣地隔著間隔L而配置，並且串聯連接，且拾訊器線圈31的左端及拾訊器線圈32的右端連接於處理部。間隔L係相對於線圈之外徑Φ具有L>Φ之關係，而3個發電元件30、40、及50，係如第7圖所示以線圈彼此不干擾之方式，僅將磁線部分疊合在磁鐵1的中心上。
當使依線圈之3個發電元件30、40、及50疊合時，發電部2的厚度雖成為3Φ，惟當僅使磁線部分疊合時，發電部2的厚度成為Φ+3W+2α(W：磁線的線徑、α：鄰接之磁線的間隙)。在一般的發電元件中，例如，因Φ=5mm、W=0.2mm左右，故如令α=0.1mm，則相對於3Φ=15mm成為Φ+3W+2α=5.8mm，以實現比實施形態1更大幅之檢測器薄型化。此外，令發電元件30為最下段、發電元件50為最上段時，相對於磁鐵1與發電元件30的間隔G，磁鐵1與發電元件50的間隔成為G+2W+2α，例如，令磁鐵1與發電元件30的間隔G=3mm時，磁鐵1與發電元件50的間隔係成為G+2W+2α=3.6mm，即能夠將磁鐵1與3個發電元件30、40、及50之間的間隔設定近似值。當使依線圈之3個發電元件30、40、及50疊合時，磁鐵1與發電元件50的間隔係成為G+2Φ=13mm，磁鐵與3個發電元件的間隔之差會變大。
接著，針對配置3個發電元件之旋轉數檢測器200的動作加以說明。發電元件30、40、及50係分別對於磁鐵1的旋轉在N→S極的交界附近產生正脈衝，而在S→N極的交界附近產生負脈衝。
在實施形態1的旋轉數檢測器100中，當正常地產生脈衝時能夠無問題地辨識旋轉數及旋轉方向，惟當受磁雜訊(magnetic noise)等之外部干擾主因而使脈衝消失1次時，即變得無法進行旋轉方法的辨識，並產生旋轉數的誤計數。在本實施形態的旋轉數檢測器200中，藉由配置3個發電元件，當例如發電元件30的正脈衝消失時，亦能夠在發電元件40產生正脈衝時判斷為正轉、而在發電元件50產生正脈衝時判斷為逆轉，即能夠校正 1次的脈衝遺漏。
同樣地，藉由配置N個發電元件，即能夠校正N-2次的脈衝遺漏。如此，為了校正脈衝遺漏而欲配置更多數的發電元件時，在利用本實施形態的方法重疊發電元件的旋轉數檢測器中，在幾乎不改變檢測器的厚度之情形下，即能夠增加發電元件的數量。
實施形態3．
以下使用第8圖加以說明本發明實施形態3之旋轉數檢測器300的構成。
第8圖係顯示實施形態3之旋轉數檢測器300的概略構成之立體圖。旋轉數檢測器300的構成基本上係為與實施形態2的旋轉數檢測器200相同，惟發電部2的詳細構成相異。發電部2係為以一體之方式將發電元件30、40、及50加以封裝者，且配置在離磁鐵1朝旋轉軸方向隔開達間隔G之位置。發電元件30、40、及50係以相對於磁鐵1的一旋轉具120度位相差之間隔加以配置。如第9圖所示，發電元件30係由1條拾訊器線圈31、以及1條磁線33所構成。發電元件40及50亦為與發電元件30同樣的構成。拾訊器線圈31係配置在磁鐵1之旋轉中心與外緣之剛好中間附近上方，在磁線33之延伸方向的磁線長度J係相對於線圈長度K較長，如第8圖所示，僅3條磁線部分疊合在磁鐵1的旋轉中心上。
根據磁線的材料及/或製法，會有如第9圖之方式令磁化反轉產生點10設定在磁線33之端部者為效率良好地取出發電脈衝者。此時係如第8圖所示將3條磁線的端部彼此疊合在 磁鐵1的旋轉中心，藉此能夠獲得更大的發電脈衝。
實施形態4．
以下使用第10圖以及第11圖說明本發明實施形態4之旋轉數檢測器400的構成。
第10圖係顯示實施形態4之旋轉數檢測器400的概略構成之立體圖，而第11圖係顯示實施形態4之旋轉數檢測器400之概略構成的側面圖。旋轉數檢測器400的構成基本上係為與實施形態3的旋轉數檢測器300相同，惟發電部2的詳細構成相異。發電部2係僅以發電元件30所構成，而發電元件30係由1個拾訊器線圈31、以及1根磁線33所構成。如第11圖所示，拾訊器線圈31係配置在磁鐵1之外側的剛好與磁鐵1相同高度附近，磁線長度的全長係相對於線圈長度K較長，且僅磁線部分通過磁鐵1的旋轉中心上。磁線33係由於大巴克豪生效應，從某部份開始磁化反轉並波及至線整體，故拾訊器線圈31亦可不一定為與磁線33相同之長度。亦即，只要能夠取出所需的電力，如本實施形態的發電元件30僅在磁線33的端部配置拾訊器線圈31，藉此能夠將檢測器進一步就線圈之厚度的部分薄型化。磁線33雖折彎在磁鐵1的外側，惟並不一定要折彎，亦可配合旋轉數檢測器400的設計來決定形狀。藉此，例如容易將發電元件配置在可用的空間(space)，即可謀求設計自由度的提升。
習知的發電元件，雖「磁線的長度」=「拾訊器線圈的長度」係為常識，惟如前述說明，在本發明的實施形態中，使「拾訊器線圈的長度」比「磁線的長度」短。並且，只要使磁線配置在磁鐵之旋轉中心的上方，亦即配置在最獲得發電量、並且 相對於偏心較強的位置，拾訊器線圈亦可配置在線端。藉此，容易將發電元件配置在如前述之可用的空間，而使設計自由度提升。此外，使複數個發電元件僅以未捲繞有拾訊器線圈的磁線部分交叉(cross)(疊合)，藉此能夠兼顧旋轉數檢測器的薄型化與發電可靠性的提升。
再者，本案發明並不侷限於前述實施形態，在不脫離於實施階段中之其要旨的範圍內能夠進行各種之變形。此外，在前述實施形態中包含有各種階段的發明，藉由揭示之複數個的構成要件之適當組合，即能夠導出各種的發明。例如，在即使從實施形態所示之全構成要件刪除幾個構成要件，亦能夠解決在(發明所欲解決的課題)之欄中所述的課題，並獲得在(發明的效果)之欄中所述的效果的情形下，即能夠導出刪除該構成要件的構成作為發明。再者，亦可適當組合跨及不同實施形態的構成要素。
(產業上之可利用性)
根據前述，本發明之旋轉數檢測器係有益於使用磁線計數使用在適於產業用FA機器或車載用途等之各式各樣領域的旋轉體之旋轉數的旋轉數檢測器，特別是適用於薄型、並且能夠獲得更穩定的發電脈衝、高可靠性的旋轉數檢測器。
1‧‧‧磁鐵
2‧‧‧發電部
4‧‧‧旋轉軸
30、40‧‧‧發電元件
31、32‧‧‧拾訊器線圈
33‧‧‧磁線
100‧‧‧旋轉數檢測器

Claims (5)

  1. 一種旋轉數檢測器，係藉由發電部檢測安裝於旋轉體之磁鐵的旋轉數；其中前述發電部具備N個(N為1以上之自然數)發電元件，該發電元件具備有藉由大巴克豪生效應而磁化反轉的磁線、以及捲繞該磁線的拾訊器線圈；該磁線係在前述發電元件之前述磁線的延伸方向較前述拾訊器線圈的捲繞部分長，前述發電元件之各者所具備的前述拾訊器線圈係具有隔開達大於該拾訊器線圈之外徑的間隔並且串聯連接的2個捲繞部分，且前述磁線係配置在前述磁鐵之旋轉中心的上方。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之旋轉數檢測器，其中N係為2以上的自然數，且使N個前述發電元件之各者的前述磁線之未捲繞於前述拾訊器線圈的部分疊合在前述旋轉中心的上方。
  3. 一種旋轉數檢測器，係藉由發電部檢測安裝於旋轉體之磁鐵的旋轉數；其中前述發電部具備N個(N為2以上之自然數)發電元件，該發電元件具備有藉由大巴克豪生效應而磁化反轉的磁線、以及捲繞該磁線的拾訊器線圈；該磁線係在前述發電元件之前述磁線的延伸方向較前述拾訊器線圈的捲繞部分長，前述發電元件之各者所具備的前述拾訊器線圈係具有隔開達大於該拾訊器線圈之外徑的間隔並且串聯連接的2個捲繞部分，且使N個前述發電元件之各者 的前述磁線之未捲繞於前述拾訊器線圈的部分疊合。
  4. 如申請專利範圍第1項至第3項中任一項所述之旋轉數檢測器，其中根據前述發電元件的各者所具備之前述磁線的磁化反轉產生點及磁化反轉的速度，將2個前述捲繞部分的前述間隔設定成，使該發電元件之各者所具備的2個前述捲繞部分分別檢測出該磁化反轉之時間的差成為所期望之值。
  5. 如申請專利範圍第1項至第3項中任一項所述之旋轉數檢測器，其中前述磁鐵係呈圓板形狀且分別著磁有各1極之S極、N極的直徑方向著磁、或者分別著磁有各2極S極、N極的兩面4極著磁。
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