CN117460928A - 运动检测器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种检测器，其通过使用多个磁场发生源将高周期的交变磁场高效地施加到磁性线而实现了小型化。检测器(100)具备：旋转体(110)，其具有6个磁场发生源(112)；以及单个发电传感器(120)。6个磁场发生源位于距旋转体的旋转轴为相等距离的位置，并且沿着旋转体的周向以相等间隔配置，在旋转体的周向上相邻的2个磁场发生源的磁场的朝向不同，发电传感器具备显现出大巴克豪森跳变的磁性线(121)和卷绕于磁性线的线圈(122)，磁性线配置在与旋转体的旋转轴正交的直线上，磁性线的中心位置(121a)位于旋转体的旋转轴上。
Description
技术领域
本发明涉及使用发电传感器来检测运动体的运动的检测器。
背景技术
具有大巴克豪森(Barkhausen)效应(大巴克豪森跳变)的磁性线以韦根线(Wiegand wire)或脉冲线(pulse wire)的名称而闻名。该磁性线具备芯部和以包围该芯部的方式设置的表皮部。芯部和表皮部中的一方是即使在弱磁场中也会发生磁化方向的反转的软(软磁性)层，芯部和表皮部中的另一方是如果不施加强磁场则磁化方向不会反转的硬(硬磁性)层。
当硬层与软层沿着线的轴向在相同的朝向上被进行了磁化时，如果与该磁化方向为相反方向的外部磁场强度增加而达到软层的磁化方向反转的磁场强度，则软层的磁化方向会反转。此时，大巴克豪森效应显现，并在被卷绕于该磁性线的线圈中感生出脉冲信号。将软层的磁化方向反转时的磁场强度在本说明书中称为“动作磁场”。另外，将磁性线和线圈统称为发电传感器。
当上述的外部磁场强度进一步增加并达到硬层的磁化方向反转的磁场强度时，硬层的磁化方向会反转。将硬层的磁化方向反转时的磁场强度在本说明书中称为“稳定化磁场”。
为了使大巴克豪森效应显现，需要以硬层与软层的磁化方向一致为前提而仅使软层的磁化方向反转。在硬层与软层的磁化方向不一致的状态下，即使仅软层的磁化方向进行了反转，也不会产生脉冲信号，或者即使产生了也非常小。
该磁性线的输出电压由于无论磁场的变化速度如何都是恒定的，并具有相对于输入磁场的磁滞特性，所以具有无颤振(chattering)等特征。因此，该磁性线也与磁铁和计数器电路组合而被用于位置检测器等。另外，在没有外部电力的供应的情况下，通过磁性线的输出能量，包含周边电路在内就能够进行动作。
在对发电传感器施加了交变磁场的情况下，对于1个周期产生1个正脉冲信号和1个负脉冲信号的共计2个脉冲信号。通过将作为磁场的发生源的磁铁设为运动体，根据作为运动体的磁铁与发电传感器的位置关系使得对发电传感器施加的磁场发生变化，能够检测运动体的运动。
但是，仅使用单个发电传感器的话，在运动体的运动方向发生了变化的情况下无法识别运动方向。如在专利文献1的图1中可见的那样，如果使用多个发电传感器，则能够识别运动方向，但会导致检测器的尺寸和成本的增加。
在专利文献2中记载了使用单个发电传感器和并非发电传感器的别的传感器要素。在该文献中还记载了使用单个磁铁(双极)的情况、以及使用多个磁铁(多极)来提高分辨率。
另外，作为由单个磁铁进行的检测(专利文献2的图2)的结构例，可举出专利文献3的图1。使双极磁铁与发电传感器相对的结构由于能够将直径减小到发电传感器的全长，因此适于小型化。作为用于提高分辨率(专利文献2的图3)的结构例，可举出专利文献4的图1。这种运动检测器的主要用途有对以1圈旋转为单位的转速的检测。使用了发电传感器的运动检测器存在本来应该输出的脉冲信号根据情况未被输出的问题，在每旋转1圈仅输出2个脉冲的单个磁铁(双极)的结构中，通常精度不足，无法准确地检测转速。
在专利文献5中，记载了在发电传感器内的线圈中流过电流使其产生磁场，通过监视输出状态来判别发电传感器内的磁性线的磁化方向。在该文献中指出，通过这样的磁化方向的判别，即使在使用单个磁铁的情况下，也能够识别转速。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利第5511748号公报
专利文献2：日本专利第4712390号公报
专利文献3：美国专利第9,528,856号公报
专利文献4：美国专利第8,283,914号公报
专利文献5：日本专利第5730809号公报
发明内容
发明要解决的问题
在检测运动时，使用多个发电传感器易于导致检测器自身的尺寸增加。另一方面，即使发电传感器是单个，判别发电传感器内的磁性线的磁化方向的处理也有可能变得复杂。
因此，本发明的目的在于提供一种检测器，其通过使用单个发电传感器和多个磁场发生源将高周期的交变磁场高效地施加到磁性线而实现了小型化。
用于解决问题的方案
检测器具备：旋转体，其具有6个磁场发生源；以及单个发电传感器。所述6个磁场发生源位于距所述旋转体的旋转轴为相等距离的位置，并且沿着所述旋转体的周向以相等间隔配置，在所述旋转体的周向上相邻的2个所述磁场发生源的磁场的朝向不同。所述单个发电传感器具备显现出大巴克豪森跳变的磁性线和卷绕于所述磁性线的线圈。所述磁性线配置在与所述旋转体的旋转轴正交的直线上，所述磁性线的中心位置位于所述旋转体的旋转轴上。
发明效果
根据本发明，能够提供一种检测器，其通过使用多个磁场发生源将高周期的交变磁场高效地施加到磁性线而实现了小型化。
附图说明
图1是示出第一实施方式的检测器的侧视图。
图2是示出第一实施方式的检测器的俯视图。
图3A是示出第一实施方式的检测器的别的俯视图。
图3B是示出第一实施方式的检测器的磁回路的说明图。
图3C是比较例的检测器的俯视图。
图4是示出第二实施方式的检测器的俯视图。
图5A是示出第二实施方式的检测器的别的俯视图。
图5B是示出第二实施方式的检测器的磁回路的说明图。
图6是示出第三实施方式的检测器的俯视图。
图7A是示出施加到发电传感器的磁场和输出信号的说明图。
图7B是表示施加到磁传感器的磁场和输出信号的说明图。
图7C的(A)是示出发电传感器的检测结果与磁传感器的检测结果的组合的说明图。图7C的(B)是示出发电传感器与磁传感器的同步和输出信号的旋转坐标的说明图。
图7D是示出输出信号的计数数量的说明图。
具体实施方式
以下，基于图示的实施方式说明本发明。不过，本发明不限于以下说明的实施方式。
[第一实施方式]
如图1和图2所示，检测器100具备旋转体110和发电传感器120。
旋转体110具有枢毂(hub)111和6个磁场发生源112。
枢毂111的形状为圆板状、圆柱状或棱柱状等，由软磁性体制成。
旋转体110以枢毂111的轴111a为旋转轴进行旋转。
6个磁场发生源112以距枢毂111的旋转轴111a为相等距离且沿着周向成为相等间隔的方式配置在枢毂111的外周部。
6个磁场发生源112在径向上被充磁，具有位于径向外侧的外侧磁极部和位于径向内侧的内侧磁极部。
在周向上相邻的2个磁场发生源112的外侧磁极部为异极。
此外，也可以将6个磁场发生源112置换为具有6个N极和S极的对的单个环形磁铁。
发电传感器120配置在以与旋转体110在旋转轴方向上相对的方式配置的基板130上。发电传感器120具备磁性线121和卷绕于磁性线121的线圈122。磁性线121的轴向与旋转轴111a正交，其轴向中心部121a位于旋转轴111a上。
检测器100还具备配置在基板130上的磁传感器140和信号处理电路(未表示)。磁传感器关于旋转轴111a以与磁性线121的轴向第一端部121b呈规定角度的方式配置。
在图3A和3B中示出旋转体110进行旋转且夹着旋转轴111a相对的2个磁场发生源112中的一方位于磁性线121的轴向第一端部121b的下方，另一方位于轴向第二端部121c的下方的情形。
假设枢毂111不是由软磁性体制成的情况，则如图3C所示，磁力线L2会从在周向上相邻的2个磁场发生源112中的一方磁场发生源的内侧磁极部经过磁力线121的轴向中央部向另一方磁场发生源的内侧磁极部穿过。
在本实施方式中，由软磁性体制成的枢毂111具有阻断对于本检测器而言多余的磁力线L2的作用。
由于枢毂111与磁场发生源112成为一体进行旋转，所以2个磁场发生源之间的吸引力不会对旋转体110的旋转运动造成影响。
如图3B所示，产生从在径向上彼此面对的2个磁场发生源112中一方磁场发生源的外侧磁极部经过磁性线121去往另一方磁场发生源的外侧磁极部的磁通L1。
另外，为了产生这样的磁通L1，磁场发生源112的2个磁极的边界部112a只要位于比磁性线121的轴向两端面靠径向内侧的位置即可。
当从发电传感器120输出了脉冲电压时，通过用磁传感器140判别位于其附近的磁铁的极性，能够使用在专利文献2中可见那样的技术来判别旋转方向和位置。在该文献的分类中，相当于“第三组：不规定再磁化的触发方向”。
由于设置有6个磁场发生源，所以发电传感器的1个脉冲相当于旋转60°。根据旋转方向的反转，期待从发电传感器输出的脉冲有时最多会有2个不被输出。由于该±2个脉冲的误差相当于±120°，因此即使存在脉冲不被输出的情况，也不会影响转速的判别。
这样，根据本实施方式，得以实现能判别转速、小型且低成本的运动检测器。
[第二实施方式]
如图4、图5A以及图5B所示，检测器200具备旋转体210、发电传感器120以及磁传感器140。
旋转体210具有枢毂211和6个磁场发生源212。
枢毂211的形状为圆板状、圆柱状或棱柱状等，由软磁性体制成。
旋转体210以枢毂211的轴211a为旋转轴进行旋转。
在枢毂211的上表面的外周缘部，以比上表面中央部下降一级的方式形成有台阶部211b。
6个磁场发生源212以距枢毂211的旋转轴211a为相等距离且沿着周向成为相等间隔的方式配置在台阶部211b。
6个磁场发生源212在旋转轴方向上被充磁，具有朝向旋转轴方向上的一个方向的第一磁极部和朝向旋转轴方向上的另一个方向的第二磁极部。
在周向上相邻的2个磁场发生源212的第一磁极部为异极。
此外，也可以将6个磁场发生源212置换为具有6个N极和S极的对的单个环形磁铁或圆板状磁铁。另外，第二实施方式中的枢毂211也可以不是由软磁性体制成，而且也可以没有磁性。
枢毂211的上表面中央部位于比配置有磁场发生源的台阶部211b更接近磁性线的位置。因此，能够通过枢毂211的上表面中央部将从在周向上相邻的2个磁场发生源212中的一方磁场发生源经过磁性线中央部去往另一个磁场发生源的磁通(对于本检测器而言多余的磁通)阻断。
在6个磁场发生源是通过对单个构件的多极充磁而形成的情况下，由于其磁通不会到达太远，所以需要将磁性线与磁场发生源更靠近地配置。优选将磁性线与磁场发生源的旋转轴方向的间隔设为磁性线的长度的一半以下。
根据本实施方式，与第一实施方式同样，得以实现能判别转速、小型且低成本的运动检测器。
[第三实施方式]
如图6所示，检测器300具备旋转体310、发电传感器120以及磁传感器140。
旋转体310具有枢毂311和6个磁场发生源312。
枢毂311为六棱柱状，由软磁性体制成。
旋转体311以枢毂311的轴为旋转轴进行旋转。
6个磁场发生源312是棒状的磁铁，并以距枢毂311的旋转轴为相等距离且沿着周向成为相等间隔的方式分别安装于枢毂311的6个外周面。6个磁场发生源312在周向上被充磁。另外，在周向上相邻的2个磁场发生源中，一方磁场发生源的磁极部和与该磁极部相邻的另一方磁场发生源的磁极部为同极。
此外，与第二实施方式同样，在第三实施方式中，也可以在枢毂311的上表面的外周缘部以比上表面中央部下降一级的方式形成台阶部，在该台阶部配置6个磁场发生源312。
[对转速、旋转方向进行判定的方法]
在图2中，将旋转体(或运动体)110的右旋转设为正向旋转，将左旋转设为反向旋转。在图7A中示出旋转时施加到发电传感器120的磁场Ha。另外，用附图标记P表示正向旋转时产生于发电传感器120的正脉冲信号，用附图标记Ps表示成为信号P的输出前提的稳定化磁场，用附图标记N表示负脉冲信号，用附图标记Ns表示成为信号N的输出前提的稳定化磁场。稳定化磁场设为±H2，动作磁场设为±H1。反向旋转时的输出是用与正向旋转时相同的附图标记来表示，但用涂白表示正向旋转时，用涂黑表示反向旋转时。
从磁场发生源112施加到发电传感器120的磁场成为旋转1圈为3个周期的交变磁场。从而，发电传感器120每正向旋转1圈，输出3次正负(P、N)信号，每反向旋转1圈，也与正向旋转时同样地输出3次正负(P、N)信号。
在图7B中，用单点划线表示施加到磁传感器140的磁场Hb。如前所述，磁传感器140关于旋转轴111a是以与轴向第一端部121b呈规定角度的方式配置的。因此，如果上述规定角度为30度，则交变磁场Hb的相位会从图7A所示的交变磁场Ha错开30度。作为磁传感器140，例如能够使用如霍尔元件、磁阻效应元件(SV-GMR、TMR)那样能够判别NS极(图中的正和负)的磁传感器。在该情况下，当从发电传感器120输出了正向旋转的3个P信号、反向旋转的3个N信号时，会从磁传感器140输出检测出负磁场的信号。将其用图中的涂白和涂黑的三角形表示。另外，当从发电传感器120输出了正向旋转的3个N信号、反向旋转的3个P信号时，会从磁传感器140输出检测出正磁场的信号。将其用图中的涂白和涂黑的四边形表示。
在图7C的(A)中示出发电传感器120的输出信号与磁传感器140的检测信号的组合。
在图7C的(B)中示出旋转坐标。从输出正脉冲信号P起，运动体110如附图标记R所示那样进行右旋转，直到检测出下一个信号N'为止的旋转角度为+60度。另一方面，在刚输出正脉冲信号P后运动体110如附图标记L所示那样进行了左旋转的情况下，期待下一个信号是信号N。但是，由于没有经历过稳定化磁场Ns，所以信号N不会被输出，或者即使被输出了也非常小，难以进行评价。因此，直到下一个能够评价的信号P'的左旋转信号被输出为止的旋转角度约为-(60度+α)。这样，即使发生在正向旋转、反向旋转双方中均不施加稳定化磁场的旋转运动，也不会产生同一信号被重复的范围。另外，能够判定的位置的范围小于360度，能够准确地检测运动体110的转速。
为了容易理解，作为一个例子，将连续的信号设为2个来说明对运动体110的旋转方向进行判定的方法。
判定由包括存储器的信号处理电路(未图示)进行。该信号处理电路具有识别功能、参照功能以及运算功能。首先，信号处理电路通过识别功能将来自发电传感器120的信号识别为P、P'、N以及N'这4个中的任意一个。接着，信号处理电路通过参照功能将在开始转速和旋转方向的计数的初始状态下存储的前1个(前状态)历史信号和其后的伴随旋转而产生的信号(新状态)依次写入到存储器。信号处理电路在预先设定的4种编码化的表格中检索存储于存储器的过去和现在的连续的2个信号，并返回一致的计数值。在图7D中示出该表格的一个例子。信号处理电路每当被输入信号时进行检索，将作为其结果的计数值通过运算功能依次进行加减运算。加减运算后的数值即表示该时间点的转速和旋转方向。通过在信号N与信号P之间设定基准位置，并使用如图7D所示那样的表格，能够准确地计数运动体110的旋转方向和转速。
[使1圈旋转内的位置与转速同步的方法]
在将检测器用作电机的多圈旋转用检测器的情况下，在电机驱动系统的停电期间，用参照图7D在前面叙述的方法来检测转速。在电机驱动系统启动时，信号P、P'、N以及N'在1圈旋转中分别存在2处，因此成为2个区域的二选一，无法确定转速。因此，需要判别转速计数器从基准位置起的位移角度。因此，通过外置1圈旋转绝对型的位置传感器，能够判别位于哪个区域，并确定转速。
关于到此为止说明的实施方式，公开以下附记。
[附记1]
一种检测器，检测旋转体的运动，其中，具备：
旋转体，其具有6个磁场发生源；以及
单个发电传感器，
所述6个磁场发生源位于距所述旋转体的旋转轴为相等距离的位置，并且沿着所述旋转体的周向以相等间隔配置，
在所述旋转体周向上相邻的2个所述磁场发生源的磁场的朝向不同，
所述单个发电传感器具备显现出大巴克豪森跳变的磁性线和卷绕于所述磁性线的线圈，
所述磁性线配置在与所述旋转体的旋转轴正交的直线上，所述磁性线的中心位置位于所述旋转体的旋转轴上。
[附记2]
根据附记1所述的检测器，其中，
所述6个磁场发生源是6个磁铁和在6个部位被实施了充磁的单个磁铁中的任意一者。
[附记3]
根据附记2所述的检测器，其中，
所述6个磁铁或所述单个磁铁的充磁方向与所述旋转体的旋转轴正交。
[附记4]
根据附记2或3所述的检测器，其中，
所述旋转体是由软磁性体形成的枢毂，所述6个磁铁或所述单个磁铁设置于所述枢毂。
[附记5]
根据附记4所述的检测器，其中，
所述6个磁铁或所述单个磁铁配置在所述旋转体的外周部，所述6个磁铁的径向中心位置或所述单个磁铁中的6个充磁部位的径向中心位置位于比所述磁性线的两端部靠径向内侧的位置。
[附记6]
根据附记2所述的检测器，其中，
所述6个磁铁或所述单个磁铁的充磁方向与所述旋转体的旋转轴平行。
[附记7]
根据附记6所述的检测器，其中，
从所述6个磁铁或所述单个磁铁到所述磁性线的距离是所述磁性线的全长的一半以下。
[附记8]
根据附记6或7所述的检测器，其中，
所述旋转体是由软磁性体部形成的枢毂，所述6个磁铁或所述单个磁铁设置于所述枢毂。
[附记9]
根据附记8所述的检测器，其中，
在与所述磁性线相对的所述枢毂的表面的外周缘部，以比所述表面的中央部下降一级的方式形成有台阶部，
在所述台阶部配置有所述6个磁铁或所述单个磁铁
[附记10]
根据附记2所述的检测器，其中，
所述6个磁铁或所述单个磁铁的充磁方向是以所述旋转体的旋转轴为中心的圆的圆周方向或圆周切线方向。
[附记11]
根据附记10所述的检测器，其中，
所述旋转体是由软磁性体形成的枢毂，所述6个磁铁或所述单个磁铁设置于所述枢毂。
[附记12]
根据附记1～11中的任意一项所述的检测器，其中，
还具备：
磁传感器，其检测所述发电传感器输出了信号时的来自所述磁场发生源的磁场；以及
电路，其基于所述发电传感器和所述磁传感器根据所述旋转体的旋转而输出的信号，求出所述旋转体的转速和旋转方向。
以上，对本发明的实施方式进行了叙述，但本发明不限于已述的实施方式，能基于本发明的技术思想进行各种变形和变更。
附图标记说明
100、200、300 运动检测器
110、210、310 运动体
111、211、311 软磁性体部
112、212、312 磁场发生源
120、220 发电传感器
121、221 磁性线
122、222 线圈
140 磁传感器。
Claims (12)
1.一种检测器，检测旋转体的运动，其特征在于，具备：
旋转体，其具有6个磁场发生源；以及
单个发电传感器，
所述6个磁场发生源位于距所述旋转体的旋转轴为相等距离的位置，并且沿着所述旋转体的周向以相等间隔配置，
在所述旋转体的周向上相邻的2个所述磁场发生源的磁场的朝向不同，
所述单个发电传感器具备显现出大巴克豪森跳变的磁性线和卷绕于所述磁性线的线圈，
所述磁性线配置在与所述旋转体的旋转轴正交的直线上，所述磁性线的中心位置位于所述旋转体的旋转轴上。
2.根据权利要求1所述的检测器，其中，
所述6个磁场发生源是6个磁铁和在6个部位被实施了充磁的单个磁铁中的任意一者。
3.根据权利要求2所述的检测器，其中，
所述6个磁铁或所述单个磁铁的充磁方向与所述旋转体的旋转轴正交。
4.根据权利要求2或3所述的检测器，其中，
所述旋转体是由软磁性体形成的枢毂，所述6个磁铁或所述单个磁铁设置于所述枢毂。
5.根据权利要求4所述的检测器，其中，
所述6个磁铁或所述单个磁铁配置在所述旋转体的外周部，所述6个磁铁的径向中心位置或所述单个磁铁中的6个充磁部位的径向中心位置位于比所述磁性线的两端部靠径向内侧的位置。
6.根据权利要求2所述的检测器，其中，
所述6个磁铁或所述单个磁铁的充磁方向与所述旋转体的旋转轴平行。
7.根据权利要求6所述的检测器，其中，
从所述6个磁铁或所述单个磁铁到所述磁性线的距离是所述磁性线的全长的一半以下。
8.根据权利要求6或7所述的检测器，其中，
所述旋转体是由软磁性体部形成的枢毂，所述6个磁铁或所述单个磁铁设置于所述枢毂。
9.根据权利要求8所述的检测器，其中，
在与所述磁性线相对的所述枢毂的表面的外周缘部，以比所述表面的中央部下降一级的方式形成有台阶部，
在所述台阶部配置有所述6个磁铁或所述单个磁铁。
10.根据权利要求2所述的检测器，其中，
所述6个磁铁或所述单个磁铁的充磁方向是以所述旋转体的旋转轴为中心的圆的圆周方向或圆周切线方向。
11.根据权利要求10所述的检测器，其中，
所述旋转体是由软磁性体形成的枢毂，所述6个磁铁或所述单个磁铁设置于所述枢毂。
12.根据权利要求1所述的检测器，其中，
还具备：
磁传感器，其检测所述发电传感器输出了信号时的来自所述磁场发生源的磁场；以及
电路，其基于所述发电传感器和所述磁传感器根据所述旋转体的旋转而输出的信号，求出所述旋转体的转速和旋转方向。
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