CN117545987A - 角度检测装置 - Google Patents

Abstract

角度检测装置(4)包括：编码器部(6)，其具有N极和S极交替排列的磁道；以及磁传感器部(7)，其隔着间隙与上述磁道对置。在磁道中，在设为基准磁极宽度(P)和基准磁极对数(n)时，磁极宽度为(P)的主磁道(2)和磁极宽度为(Pn/(n‑1))的副磁道(3)沿着片状的编码器用磁性材料(1)的长度方向相邻且相互平行地设置。在编码器部(6)中，片状的编码器用磁性材料(1)以不超过基准长度(L＝2Pn)的长度卷绕在旋转体(5)的外周部或内周部上而固定。具有校正计算部(10)，该校正计算部通过将从磁传感器部(7)的运算部(9)运算出的绝对角度乘以与编码器部(6)的直径相对应的校正系数，来校正旋转体的绝对角度。

Description

角度检测装置

相关申请

本申请要求2021年6月15日申请的JP特愿2021-099722的优先权，通过引用使其整体构成本申请的一部分作为参考。

技术领域

本发明涉及检测旋转轴等的旋转角度的角度检测装置，本发明特别是涉及以高分辨率检测360°以下的范围内的角度以便将机器人的关节等定位于目标位置的角度检测装置。

背景技术

在过去，人们提出了检测旋转角度的各种磁编码器装置。

在专利文献1所公开的磁编码器装置中，圆筒状的基部由烧结金属形成，通过对该基部的外周面、内周面及两端面进行按压来进行精压加工(サイジング)。进而，将基部插入到模具中，将以热塑性树脂和磁性粉末为主要成分的树脂材料注射成型到模腔内。之后，通过多极磁化而形成两排磁编码器磁道，该磁编码器磁道在成形部具有沿圆周方向排列的多个磁极，且磁极对数相互不同。

将这样制作的磁编码器固定在旋转体上，与磁编码器磁道邻接并相对地设置磁传感器。磁传感器具有分别面向两排磁编码器磁道的两个检测元件和运算部，根据两个检测元件检测到的磁信号之间的相位差，以高分辨率计算出旋转体的绝对角度，并作为传感器输出而输出。

在专利文献2中公开的磁式编码器由磁记录旋转体和磁信息检测机构构成，在该磁记录旋转体中，在外周面上贴有以等间距交替磁化了N极和S极的带状磁栅尺部件，上述磁信息检测机构接近该磁记录旋转体而配置。上述磁信息检测机构包括沿磁记录旋转体的旋转方向间隔开配置的两个磁信息检测元件。形成在磁栅尺部件上的磁信息由两个磁信息检测元件进行检测，并且由该检测输出来生成A相、B相和Z相信号。其结果是，可以以相对低的成本实现高精度、可靠性高且通用性高的磁式编码器。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：JP特开2015-75466号公报

专利文献2：JP特开2012-141259号公报

发明内容

发明要解决的课题

在专利文献1所公开的技术中，在冲压加工的烧结芯铁上一体地形成塑料磁体之后，进行磁化以形成由每旋转一圈来确定的磁化极数。

为了在满足可用空间和成本等的限制条件的同时使用多排磁编码器实现高分辨率的角度检测装置，磁传感器需要使用将必要功能集成到单个封装中的量产产品。

为此，磁极宽度和磁极对数等的主要规格是预先确定的，无法对应个别规格。例如，一旦确定了磁极宽度和磁极对数等的规格，编码器部的直径就由这些规格确定，将不能以任意的直径制作，设计的自由度也被限制。此外，由于模制产品是一个接一个地单独磁化，因此难以提高生产率。此外，在下述的方面存在问题，即，难以与旋转体一体地构成成型品，需要将磁化后的部件作为单独的部件安装，旋转体的尺寸变大，由此，旋转体的质量也会增加。

此外，为了制造磁编码器装置，需要制造用于芯铁的模具和用于注塑成型塑料磁体的模具，这产生了制造成本高的课题。

专利文献2所公开的技术中使用的带状磁栅尺重量轻，不需要成型模具等，因此可以解决上述问题，但关于分辨率的提高，没有任何记载。此外，虽然可以通过Z相信号来检测附在圆周的一部分上的磁栅尺部件的两端，但在检测到磁栅尺部件的端部的状态时不输出A相或B相信号。因此，例如在将角度检测信号用于旋转设备的控制等时，存在无法使用通常的控制方式的课题。

本发明的目的在于解决上述课题，本发明的目的在于，提供设计自由度高，能实现小型化和轻量化，可谋求制作成本的降低，依赖于多排磁编码器的原理的高分辨率的角度检测装置。

解决问题的技术方案

在下文中，为了容易理解和方便，参考实施方式的附图标号来说明本发明。

本发明的角度检测装置4、4A、4B包括：具有N极和S极交替排列的磁道的编码器部6、6A、6B；以及隔着间隙δ与上述磁道对置的磁传感器部7；

在上述磁道中，在设为基准磁极宽度P及基准磁极对数n时，磁极宽度为P的主磁道2和磁极宽度为Pn/(n-1)的副磁道3沿着片状的编码器用磁性材料1的长度方向相邻且相互平行地设置，在上述编码器部6、6A、6B中，上述片状的编码器用磁性材料1以不超过基准长度L＝2Pn的长度卷绕在旋转体5、5A、5B的外周部或内周部上而固定；

上述磁传感器部7包括：两个磁检测元件8，该两个磁检测元件8分别面向上述主磁道2及上述副磁道3输出磁信号；以及运算部9，该运算部9根据这些磁检测元件8的磁信号运算出上述旋转体5、5A、5B的绝对角度；

上述角度检测装置包括校正计算部10，该校正计算部10将已运算出的上述绝对角度乘以与上述编码器部6、6A、6B的直径相对应的校正系数，来校正上述旋转体5、5A、5B的绝对角度。

按照该构造，片状的编码器用磁性材料1卷绕于旋转体5、5A、5B的外周部或内周部而固定，用作角度检测装置4、4A、4B的编码器部6、6A、6B。由此，即使改变编码器部的直径，也不需要制作模具，能够容易地制造任意直径的编码器部6、6A、6B。运算部9可以基于两个磁检测元件8的磁信号以高分辨率运算出旋转体5、5A、5B的绝对角度。校正计算部10将运算出的绝对角度乘以对应于编码器部6、6A、6B的直径的校正系数，使得即使编码器部的直径不是L/π，仍可以高分辨率精确地检测具有圆周长度L的旋转体5、5A、5B的绝对角度。另外，如果将现有的旋转部件11A、11B、11C用作上述旋转体，则无需追加作为其它部件的编码器，能够简化角度检测装置的结构，能够实现小型化和轻量化。

当基准长度为L的上述编码器用磁性材料1以任意长度切断，卷绕在旋转体5、5A、5B的外周或内周上的上述编码器部6、6A、6B的直径为S时，校正计算部10可以将上述基准长度L除以直径S与圆周率π的乘积而得到的值L/(πS)作为上述校正系数。

如果编码器部6、6A、6B的直径不等于L/π的直径S，则来自磁传感器部7所输出的传感器输出与实际角度不同，但如果将L/πS作为校正系数与传感器输出相乘，则得到正确的角度。

所包括的编码器部6、6A、6B可以通过将上述主磁道2和上述副磁道3的长度L1为上述基准长度L以下的上述编码器用磁性材料1卷绕而固定在周长比上述长度L1长的上述旋转体5、5A、5B的外周部或内周部上形成。

该角度检测装置还可以包括：极限角度存储部12，该极限角度存储部12位于上述磁道两端部且存储与磁传感器部7的输出相对应的极限角度；以及检测范围判断部13，该检测范围判断部13判断从上述磁传感器部7输出的绝对角度是否在该极限角度范围内，并输出表示是否脱离了极限角度的识别信号。

按照该构造，如果当表示极限角度偏离的识别信号输出时，旋转停止，则指示绝对角度的通常传感器信号输出，由此可通过通常的控制方法进行操作来避开无法检测的区域。

旋转体5、5A、5B可以是机器人关节的旋转部件11A、11B、11C。在检测机器人关节的绝对角度时，需要的角度检测范围往往小于360°。在这种情况下，如果将编码器用磁性材料1的接缝配置在不需要进行角度检测的位置，则能够避免上述接缝的影响而实现角度检测装置。另外，如果将现有的机器人关节的旋转部件11A、11B、11C作为旋转体，将编码器用磁性材料1直接卷绕在上述旋转部件11A、11B、11C上而固定，则无需另行安装编码器，能够实现机器人关节的小型化和轻量化。

权利要求书和/或说明书和/或附图所公开的至少两种结构的任意组合也包含在本发明中。特别是，权利要求书中的各项权利要求的两个以上的任意组合也包含在本发明中。

附图说明

本发明由参照附图的以下的优选的实施方式的说明，能够更加清楚地理解。然而，实施方式和附图仅用于图示和说明，不应该用于限制本发明的范围。本发明的范围由权利要求书确定。在附图中，多幅图中相同的标号表示相同或相当的部分。

图1为表示本发明的第1实施方式的角度检测装置的结构例子的图。

图2为表示上述角度检测装置的编码器用磁性材料的结构的立体图；

图3为上述角度检测装置的侧视图；

图4A为上述角度检测装置的控制系统的方框图；

图4B为图4A的控制系统的部分变更的方框图；

图5为表示上述角度检测装置的磁传感器部的检测信号的相位和两者的检测信号的相位差的图；

图6为表示编码器部的直径与L/π不同时的角度检测装置的结构例子的图；

图7为该角度检测装置的校正计算部的方框图；

图8为表示在编码器部的接缝之间形成有间隙的角度检测装置的结构例子的图；

图9为该角度检测装置的控制系统的方框图；

图10为表示将任意角度检测装置应用于机器人关节的例子的图。

具体实施方式

[第1实施方式]

参照图1～图5来说明本发明的实施方式的角度检测装置。

如图1和图3所示那样，角度检测装置4包括具有磁道的编码器部6和隔着间隙δ与磁道对置的磁传感器部7。编码器部6如图2所示，具有N极和S极交替排列的磁道。在磁道中，在设为基准磁极宽度P及基准磁极对数n时，磁极宽度(周方向的宽度)为P的主磁道2和磁极宽度为Pn/(n-1)的副磁道3沿着片状的编码器用磁性材料1的长度方向相邻且相互平行地设置。如图1所示那样，编码器部6通过将上述片状的编码器用磁性材料1以不超过基准长度L的长度卷绕在旋转体5的圆筒状外周部5a上而固定。

图2所示的编码器用磁性材料1例如通过将混炼了磁性粉的橡胶材料硫化为片状，切断为必要的长度后，将N极和S极以由基准磁极宽度P、基准磁极对数n确定的规定的磁极宽度沿长度方向交替磁化，形成具有主磁道2和副磁道3的磁道的方式制作。或者，也可以根据用途将以适合于生产设备或材料的获得性等条件的长度完成磁化的片材切断为所需的长度。另外，令L＝2Pn为基准长度。

例如，当基准磁极宽度P为2mm，基准磁极对数n为32个磁极对时，主磁道2的磁化宽度(磁化间距)p₂(＝P)为2mm，副磁道3的磁化宽度p₃(＝Pn/(n-1))为2.0645mm，以磁性传感器的标准精度检测360°绝对角度的场合，主轨道2的磁极对数(磁极对数)n₂(＝n)为32个磁极对(N极和S极共64个磁极)，副磁道3的磁化磁极对数n₃(＝n-1)为31个磁极对(N极和S极共62个磁极)。此时的磁道长度为基准长度L，L＝2Pn＝128mm。

在这里，将编码器用磁性材料1的主磁道2设为磁化宽度2mm、32个磁极对，将副磁道3设为磁化宽度2.0645mm、31个磁极对，但编码器用磁性材料的磁极的规格可以根据所使用的磁传感器部适当选择。

图1所示的角度检测装置4包括编码器部6和磁传感器部7，编码器部6由编码器用磁性材料1通过粘贴或双面胶带等固定到旋转体5的外周部5a上得到。在旋转体5的中央处形成有孔5b，未图示的旋转轴以相对于旋转体5不旋转的方式插入到上述孔5b中。另外，旋转轴也可以与旋转体5一体地设置。上述“一体”是指旋转轴和旋转体5由单一材料通过锻造、机加工等方法形成为单一物体的一部分或整体，而不是通过组合多个元件来实现。

如图4(A)所示那样，磁传感器部7包括：两个磁检测元件8，这两个磁检测元件8从旋转体5的径向外侧面分别面向主磁道2和副磁道3输出磁信号；以及运算部9，该运算部根据由这些磁检测元件8检测到的磁信号的相位差，高分辨率地计算出旋转体5的绝对角度，并将其作为传感器输出而输出。

如图2所示那样，将在跨越全长设置有基准长度L的磁道的长度L的编码器用磁性材料1如图1所示那样围绕旋转体5的外周部5a一周，制作直径L/π的编码器部6的情况下，如图4(A)及图5所示那样，运算部9利用从主磁道2获得的信号(图5的(A))和从副磁道3获得的信号(图5的(B))之间的相位差(图5的(C))在一次旋转中成为一个极对这一事实，可以以标准精度来检测绝对角度。

又，设置图2所示的基准长度L的磁道的编码器用磁性材料1，按照磁道的长度小于基准磁道长度L的方式切断，卷绕于图1所示的旋转体5上，在此场合，即使在编码器部6的长度方向的一端与另一端之间的接缝T处存在间隙(周向间隙)，如果编码器部6的直径为L/π，则能够在编码器磁体1被固定范围内，以磁传感器的标准精度来检测绝对角度。

图5的(A)为与主磁道2相对应的检测信号的波形，图5的(B)为与副磁道3相对应的检测信号的波形。图5的(C)表示运算部9(图4A)根据图5的(A)、(B)的检测信号获得的相位差的输出信号的波形。运算部(图4A)进行根据预定的计算参数，将得到的上述相位差转换为绝对角度的处理。上述计算参数存储在例如图4(A)所示的磁传感器部7所具有的非易失性存储器等的存储机构Mr中。该存储机构Mr中除了存储上述计算参数外，还以可改写的方式存储磁道的基准磁极宽度P、基准磁极对数n、各磁道2、3的磁化极对数、信号输出方法等的对于装置来说必要的信息。

该角度检测装置4在运算部的后级具有校正计算部10。校正计算部10将从运算部9输出的绝对角度乘以对应于编码器部6的直径的校正系数，以便校正旋转体5的绝对角度。

当具有基准长度L的编码器用磁性材料1切割成任意长度并且卷绕在旋转体5的外周部5a(图1)上的编码器部6的直径为S时，校正计算部10将基准长度L除以直径S与圆周率π的乘积而得到的值L/(πS)用作校正系数。

如果编码器部6的直径不等于L/π，则从磁性传感器输出的传感器输出与实际角度不同，但是可以通过将传感器输出乘以校正系数来获得正确的角度。假设如上述那样，编码器部6的直径是S，从运算部输出的绝对角度可以乘以校正系数L/(πS)。该校正计算部10包括用于存储校正系数的存储功能和运算功能，并且使用上述已存储的校正系数，根据上述运算功能来进行校正计算。在本例子中，在磁传感器部7中，运算部9的后级处设置了校正计算部10，但也可以在运算部处设置校正计算部10。此外，如图4B所示那样，也可以在磁传感器部7附近处设置校正计算部10作为专用电路，校正计算部还可以包括未图示的上位控制部。

<作用与效果>

根据上述说明的角度检测装置4，图1所示的片状的编码用器磁性材料1卷绕在旋转体5的外周部5a上而固定，用作角度检测装置4的编码器部6，由此，即使编码器部6的直径发生变化，也不需要制作模具，任意直径的编码器部6可以很容易地制造。运算部9可以根据两个磁检测元件8的磁信号，以高分辨率来运算旋转体5的绝对角度。校正计算部10将运算出的绝对角度乘以与编码器部6的直径对应的校正系数，从而即使编码器部6的直径不是L/π，仍然以高分辨率正确检测旋转体5的绝对角度。此外，如果使用现有的旋转部件作为旋转体5，则无需追加编码器作为单独的部件，可以简化角度检测装置4的结构，并且能够实现小型化和轻量化。

<关于其它实施方式>

接下来，说明另一种实施方式。在下面的说明中，与各实施方式中先前说明的事项相对应的部分赋予相同的附图标记，并且省略重复的说明。当仅说明构成的一部分时，构成的其它部分与前面说明的构成相同，除非另有说明。相同的配置具有相同的效果。不仅可以将在各实施方式中具体说明的部分进行组合，特别在组合没有问题的情况下也可以将实施方式之间部分地进行组合。

[第2实施方式]

图6为表示编码器部的直径与L/π不同的情况下的角度检测装置4A的结构例子的图。图7为上述角度检测装置的校正计算部10的方框图。

如果基准长度L的编码器用磁性材料卷绕在旋转体上的编码器部的直径与L/π不同，则从磁传感器部输出的传感器输出与实际角度不同。在这种情况下，如果角度检测装置4A设置有校正计算部10并且传感器输出乘以校正系数，则获得正确的绝对角度。

图6表示下述的作为编码器部6A的角度检测装置4A，其中，长度L的编码器用磁性材料1跨越全长设置有基准长度L的磁道，将该编码器用磁性材料1切断为长度L/2，在圆周方向于旋转体5A的外周部5a上卷绕1圈，形成直径为L/(2π)，可检测360°的绝对角度的编码器部6A。

由于编码器部6A的外周的长度为基准长度L的1/2，因此从磁传感器部7输出的绝对角度的检测输出为实际角度的1/2。因此，通过设置图7所示的校正计算部10并将传感器输出乘以校正系数“2”，可以获得实际的绝对角度。

[第3实施方式]

图8表示编码器用磁性材料1卷绕于旋转体5B的外周部5Ba的一部分上的角度检测装置4B，在编码器部6B长度方向的一端与另一端之间存在较大的间隙。即使在编码器部6B的直径S不是L/π(S≠L/π)的情况下，仍然通过由上述图7的校正计算部10进行传感器输出的校正计算，能够检测实际的绝对角度。

例如，在检测机器人关节等的绝对角度等时，需要的角度检测范围往往小于一圈(360°)，编码器用磁性材料可能会出现接缝或间隙。在这种情况下，如果编码器用磁性材料的接缝或间隙位于不需要角度检测的位置，则可以在避免接缝或间隙的影响的同时检测绝对角度。

图10所示的机器人关节要求结构小且轻，如果将编码器用磁性材料1(图2)切断为所需的长度，之后，已知的机器人关节的环状部件那样的旋转部件11A、11B、11C作为旋转体，将编码器用磁性材料1直接卷绕在各旋转部件11A、11B、11C的外周上，构成角度检测装置4B，则不需要安装作为单独部件的编码器，能够实现机器人关节的小型化和轻量化。

如图8的例子那样，在磁道短于旋转体5B的外周部5Ba的情况下，如果磁道不存在于与磁传感器部7相对的位置，为了避免无法检测旋转体5B的当前位置的情况，需要检测磁道的两端部。本实施方式的角度检测装置4B仅通过接通电源就能够检测出绝对角度，因此，如图9所示那样，在磁道的两端部，具有存储从磁传感器部输出的角度(极限角度)的极限角度存储部12。进而，设置检测范围判断部13，该检测范围判断部13比较极限角度存储部12的内容和传感器输出，判断磁传感器部是否在极限角度的范围内并输出识别信号。

即，图8的角度检测装置4B具有编码器部6B，该编码器部6B将主磁道及副磁道的长度L1不超过上述基准长度L的编码器用磁性材料1卷绕在周长比长度L1长的旋转体5B的外周部5Ba上而固定。在该情况下，角度检测装置4B包括：位于磁道两端部且存储与磁传感器部7的输出相对应的极限角度的极限角度存储部12；以及判断从磁传感器部7所输出的绝对角度是否在极限角度的范围内，并输出表示是否脱离了极限角度的识别信号的检测范围判断部13。

按照该方案，如果在表示脱离了极限角度的识别信号被输出时旋转停止，由于输出表示绝对角度的通常的传感器信号，所以能够通过通常的控制方法进行操作来避开无法检测的区域。另外，在极限角度存储部12中，如果从磁道的两端部观察1个～数个磁极对的余量来设定极限角度，则能够增加操作的可靠性。

片状的编码器用磁性材料可卷绕于圆柱形旋转体的内周上而固定。

除了机器人关节之外，各角度检测装置还可用于例如车轮轴承、转向装置、精密定位装置、机床、工业机器等。

如上所述，已经参考附图说明了优选的实施方式，但是在不脱离本发明范围的情况下可以进行各种添加、改变和删除。因此，这样的方案也包含在本发明的范围内。

标号的说明：

标号1表示编码器用磁性材料；

标号2表示主磁道；

标号3表示副磁道；

标号4、4A、4B表示角度检测装置；

标号5、5A、5B表示旋转体；

标号6、6A、6B表示编码器部；

标号7表示磁传感器部；

标号8表示磁检测元件；

标号9表示运算部；

标号10表示校正计算部；

标号11A、11B、11C表示旋转部件；

标号12表示极限角度存储部；

标号13表示检测范围判断部。

Claims (4)

1.一种角度检测装置，该角度检测装置包括：编码器部，该编码器部具有N极和S极交替排列的磁道；以及磁传感器部，该磁传感器部隔着间隙与上述磁道对置，

在上述磁道中，在设为基准磁极宽度P及基准磁极对数n时，磁极宽度为P的主磁道和磁极宽度为Pn/(n-1)的副磁道沿着片状的编码器用磁性材料的长度方向相邻且相互平行地设置，在上述编码器部中，上述片状的编码器用磁性材料以不超过基准长度L＝2Pn的长度卷绕在旋转体的外周部或内周部上而固定；

上述磁传感器部包括：两个磁检测元件，该两个磁检测元件分别面向上述主磁道及上述副磁道输出磁信号；以及运算部，该运算部根据这些磁检测元件的磁信号运算出上述旋转体的绝对角度；

上述角度检测装置包括校正计算部，该校正计算部将已运算出的上述绝对角度乘以与上述编码器部的直径相对应的校正系数，来校正上述旋转体的绝对角度。

2.根据权利要求1所述的角度检测装置，其特征在于，当上述基准长度L的上述编码器用磁性材料以任意长度切断，卷绕在上述旋转体的外周部或内周部上的上述编码器部的直径为S时，上述校正计算部将上述基准长度L除以直径S与圆周率π的乘积而得到的值L/(πS)作为上述校正系数。

3.根据权利要求1或2所述的角度检测装置，其特征在于，所包括的上述编码器部是通过将上述主磁道及上述副磁道的长度L1为上述基准长度L以下的上述编码器用磁性材料卷绕而固定在周长比上述长度L1长的上述旋转体的外周部或内周部上形成的；

该角度检测装置还包括：极限角度存储部，该极限角度存储部位于上述磁道的两端部且存储与上述磁传感器部的输出相对应的极限角度；以及检测范围判断部，该检测范围判断部判断从上述磁传感器部输出的绝对角度是否在上述极限角度的范围内，并输出表示是否脱离了极限角度的识别信号。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的角度检测装置，其特征在于，上述旋转体是机器人关节的旋转部件。