CN1243956C - 磁编码装置 - Google Patents

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Abstract

本发明的磁编码装置具有固定在旋转体1上的永久磁铁2、通过空隙与永久磁铁2相对地安装在固定体3上的磁场检测元件4和处理磁场检测元件4的信号的信号处理电路，永久磁铁2形成为圆盘状，并且在与周旋体1的轴垂直方向的一个方向磁化，磁场检测元件4通过空隙配置在永久磁铁2的外周侧。另外，也可以用环状的磁性体形成固定体1，在圆周方向设置空隙，并将磁场检测元件设置在该空隙中。这样，便可得到结构简单、分解力非常高、检测精度高的小型的磁编码装置。

Description

磁编码装置
技术领域
本发明涉及检测旋转体的旋转位置的磁编码装置。
背景技术
以往，检测旋转体的旋转位置的磁编码装置例如如图14所示的那样，由具有外周由磁性涂料或磁铁材料组成的记录媒体20的磁鼓30和通过空隙与其外周相对的磁阻元件40构成。
若用4位的例子进行说明，则磁鼓30设置沿轴向并列的4磁道的记录媒体20，在各磁道上以一定的间距磁化为N、S极而形成各位(20、21、22、23)的信号。
磁阻元件40在各磁道上配置2个，其间隔是位信号的1/2间距。各位信号通过波形成形，如图15所示的那样，作为将旋转体10的1圈等量分割的4种矩形波形的信号而输出，利用其合成信号检测绝对位置。
另外，还公开了将圆盘状的磁铁固定在旋转体上并在磁铁的上面沿一个方向磁化为N、S极，而与磁铁相对地设置1个磁传感器通过利用磁传感器检测磁场的变化来检测固定了磁铁的旋转体的旋转位置的磁编码装置(例如，特开昭62-237302号公报)。
另外，还公开了为了使磁场的变化成为正弦波状而在旋转体的外周设置起伏并沿起伏形状形成磁记录媒体的磁编码装置(例如，特开昭58-162813号公报、特开昭63-243718号)。
然而，在上述图14所示的先有技术中，存在以下问题。
(1)由于记录各位信号的磁道沿轴向排列，所以，增加位数时，轴向的长度就增长，难于实现小型化。
(2)增加磁道数时，磁化位置增加，从而加工工时增加。
(3)由于与各磁道对应地设置磁阻元件，所以，增加位数时，配线数增多，组装作业复杂，从而作业工时增加，成本提高。
另外，在上述特开昭62-237302号所示的先有技术中，存在以下问题。
(1)由于磁传感器是1个，所以，不能求旋转体的绝对位置。
(2)由于磁传感器检测磁铁的磁极分界线附近的磁通，所以，虽然可以利用输出波形的线性部分，但是，正弦波波形的精度降低，从而1圈的检测精度降低。
另外，在上述特开昭63-243718号等所示的先有技术中，虽然在旋转体的外周设置了磁场以正弦波状变化的起伏，但是，例如在检测微电机等的旋转的超小型旋转检测器中，由于旋转体的外形极小，所以，很难将旋转体的外形正确地加工成正弦波状的凹凸或椭圆形，从而不能得到检测精度高的旋转检测器。
因此，本发明的目的旨在提供结构简单、精度高、成本低、可以求小型的绝对值位置的磁编码装置。
发明内容
本发明在具有固定在旋转体上的永久磁铁、通过空隙与上述永久磁铁相对的安装在固定体上的磁场检测元件和处理上述磁场检测元件的信号的信号处理电路的磁编码装置中，上述永久磁铁形成为圆盘状，并且在与上述旋转体的轴垂直方向平行的方向磁化，上述磁场检测元件通过间隙配置在上述永久磁铁的外周侧。
另外，上述固定体由环状的磁性体形成，在圆周方向具有空隙，将上述磁场检测元件设置在上述空隙中。
另外，上述磁场检测元件是将电气角相互偏离90度相位的1对磁场检测元件在相互错开180度相位的位置设置2对，上述信号处理电路设有处理相互对置的磁场检测元件间的差动信号的差动放大器，检测上述旋转体的位置的绝对值。
另外，上述磁场检测元件是将对上述旋转体的轴检测径向磁场的径向磁敏部和对上述旋转体的轴检测圆周方向的圆周方向磁敏部接近地配置的磁场检测元件，将上述磁场检测元件至少设置1个。
另外，上述磁场检测元件是霍耳效应元件或磁阻元件。上述永久磁铁由铁氧体系磁铁、Sm-Co系磁铁、Nd-Fe-B系磁铁或用高分子材料将上述各种磁铁结合所形成的分散型复合磁铁中的任意一个构成，也可以使用具有直线各向异性的磁铁。
通过采用上述方式，不仅结构简单，并且可以大幅度提高磁场检测元件的输出信号的正弦波率，所以，可以高精度地检测旋转体的位置。
附图说明
图1是表示本发明实施例1的磁编码装置的透视图。
图2是表示本发明实施例1的信号处理电路的框图。
图3是表示本发明实施例1的永久磁铁的磁场分布的说明图。
图4是表示本发明实施例1的1个磁场检测元件的输出的说明图。
图5是表示本发明实施例1的信号处理电路的输出的说明图。
图6是表示本发明实施例2的磁编码装置的透视图。
图7是表示本发明实施例2的永久磁铁的磁场分布的说明图。
图8是表示本发明实施例2的各磁场检测元件的输出的说明图。
图9是表示本发明实施例3的磁编码装置的图，图(a)是透视图，图(b)是磁场检测元件的放大透视图。
图10是表示本发明实施例3的信号处理电路的框图。
图11是表示本发明实施例3的永久磁铁的磁场分布的说明图。
图12是表示本发明实施例3的信号处理电路的输出的说明图。
图13是表示本发明实施例3的旋转角度的精度的说明图。
图14是表示先有的磁编码装置的透视图。
图15是表示先有的磁编码装置的检测输出的波形的说明图。
具体实施方式
下面，根据附图详细说明本发明。
(实施例1)
图1是表示本发明实施例1的检测旋转体的绝对位置的磁编码装置的透视图。
图中，1是旋转体，2是与旋转体1同轴地固定的中空圆盘状的永久磁铁，3是设置在永久磁铁2的外周侧的环状的固定体，4是磁场检测元件。
永久磁铁3的材质由铁氧体系磁铁、Sm-Co系磁铁、Nd-Fe-B系磁铁或用高分子材料将上述各种磁铁结合所形成的分散型复合磁铁中的任意一个构成，在平面部21上，在和与旋转体1的轴垂直方向平行的一个方向磁化，形成N-S的2极。其尺寸是直径为3mm，厚度为1mm。
磁场检测元件4由4个霍耳效应元件构成，通过空隙与永久磁铁2的外周面相对并且电气角相互错开90度相位设置A1相检测元件41和B1相检测元件42，此外，相对于A1相检测元件41电气角错开180度相位设置A2相检测元件43，相对于B1相检测元件42电气角错开180度相位设置B2相检测元件44。
图2是表示处理从磁场检测元件4输出的A1、A2、B1、B2的各相信号的信号处理电路5的电路图。信号处理电路5设置有输出A1相和A2相的差动信号Va的差动放大器51、输出B1相和B2相的差动信号Vb的差动放大器52和根据差动信号Va和Vb进行arctan(Vb/Va)的运算从而计算旋转角度的角度运算电路53。
图3是表示永久磁铁2的磁场分布的说明图。
下面，说明其动作。
使旋转体1旋转时，1个检测元件检测与图4所示的旋转角位置相应的正弦波状的磁通密度。由磁场检测元件4的各相检测元件41、42、43、44检测磁通，输出A1、A2、B1、B2各相的信号。这些信号输出由图2所示的信号处理电路进行处理。
旋转体1有偏心地旋转的情况时，所检测的磁通密度的波形将与偏心量相应地发生位移。但是，由于A、B相取相互偏离180度相位的A1相与A2相和B1与B2相的差动，所以，偏心量相互抵消，从而可以得到图5所示的相互偏离90度相位的二个正弦波，即，设旋转角为θ时，可以得到sinθ和cosθ的波形。
因此，利用以A、B相为输入的角度运算电路53进行θ＝arctan(Vb/Va)的运算，检测绝对位置的旋转角度。
这样，由于使圆盘状的永久磁铁2在平面部21上沿一个方向磁化，并设置了与永久磁铁2的外周面相对的4个磁场检测元件4，所以，各磁场检测元件4可以检测正确的正弦波信号。
检测到1圈的绝对位置时，可以得到将1圈分割32000等分的绝对位置信号，从而可以得到非常高的分解力。
旋转体1的偏心量非常小时，利用将磁场检测元件4在圆周方向以相互间隔90度固定的A相检测元件和B相检测元件的2个检测元件也可以得到sinθ和cosθ的波形的检测信号。
另外，在这样设置A相检测元件和B相检测元件的2个检测元件时，可以检测旋转体1的旋转方向和增量的位置，但是，在不需要求旋转方向时，用1个检测元件也可以得到正弦波信号。
另外，在上述实施例中，说明了使用霍耳效应元件作为磁场检测元件的例子，但是，使用磁阻元件也可以获得同样的效果。
另外，在上述实施例中，说明了使用中空圆盘状的永久磁铁2的例子，但是，永久磁铁2形成中实的圆盘状也可以获得同样的效果。
另外，上述永久磁铁用容易在一个方向磁化的直线各向异性磁铁构成，也可以提高磁化效率。
另外，通过利用磁性体形成固定体3，可以增大检测信号的输出，减小高频成分，同时，还可以降低外部的磁噪音，提高信噪(S/N)比。
(实施例2)
图6是表示本发明实施例2的磁编码装置的透视图。
本实施例是将环状的固定体3沿圆周方向分割为4等分，并在其空隙部配置磁场检测元件4。它的结构和角度检测方法与实施例1相同。固定体3是将作为环状的磁性体的铁分割为4等分，形成4个空隙。将磁场检测元件4配置在该空隙部，和实施例1一样，在圆周方向间隔90度进行安装。固定体3的外径为5mm。永久磁铁2是直径3mm、厚度1mm的圆盘状，与旋转体1的旋转轴的端面粘接固定。磁场检测元件4使用磁阻元件。
在本实施例中，作为固定体3的磁性体，是使用铁，但是，并不限于此，也可以是坡莫合金、铁氧体等，只要是磁性体，不论是哪一种都可以。另外，永久磁铁2是粘接固定在旋转体1的旋转轴的端面上，但是，也可以是旋转轴贯穿永久磁铁2的结构。
图7是表示编码器的磁通分布的图。磁通集中地通过磁性体，在空隙内配置磁场检测元件的位置，磁通密度比先有的磁铁与磁性体间的空隙部大。
其动作和实施例1一样，使旋转体1旋转时，各相的检测元件输出图8所示的信号。图8是A1、A2、B1、B2的各相检测元件41、42、43、44的输出信号。检测与旋转角位置相应的正弦波状的磁通密度。信号输出由图2所示的信号处理电路进行处理，检测旋转角度。检测到1圈的绝对位置时，可以得到将1圈分割成64000等分的绝对位置信号，从而可以比先有方式提高2倍精度。另外，由于不需要先有技术中磁场检测元件的配置空间，所以，磁编码器的外径变为2/3，从而可以实现小型化。
这样，在本实施例中，就具有以下效果。
①由于磁性体不连续，有空隙，磁性体的磁阻增大，不会出现磁饱和，所以，可以得到正确的正弦波信号。
②由于作为磁性体的磁铁的磁通集中地通过磁性体，所以，即使有磁通的紊乱，其紊乱也是缓和的。由于检测平均化的磁通，所以，不易受到磁铁的形状误差或磁铁的配置误差的影响。因此，制作成本小，组装容易。
③由于不需要先有技术中的磁场检测元件的配置空间，所以，可以缩短磁性体与空隙间距离，从而可以进一步使编码器小型化。
④在配置磁场检测元件的位置，磁通密度比先有技术的磁铁与磁性体的空隙部大，所以，检测信号增大。
⑤因此，可以进一步减小磁铁外径，另外，可以减小磁铁与磁性体间的距离，从而可以使编码器进一步小型化。
⑥即使使用低成本的能积小的磁铁，也可以得到足够大的检测信号，所以，可以得到低成本的编码器。
(实施例3)
图9是表示实施例3的磁编码装置的全体结构的图，(a)是透视图，(b)是磁场检测元件的放大透视图。本实施例是用1个磁场检测元件在同一位置同时检测圆周方向和径向的磁场的结构。
永久磁铁2和实施例1一样，使用直线各向异性的磁铁。即，材质由铁氧体系磁铁、Sm-Co系磁铁、Nd-Fe-B系磁铁或将上述各种磁铁用高分子材料结合的分散型复合磁铁形成，在和与旋转体1的旋转轴垂直方向平行的一个方向磁化。固定体3是将非磁性材料的不锈钢加工成环形的物体。固定体3也可以使用磁性体。磁场检测元件4在固定体3的内侧通过空隙与永久磁铁2相对地固定，如图9(b)所示，内藏了检测径向的磁场的磁通密度Br的径向磁敏部45和检测圆周方向的磁场的磁通密度Bθ的圆周方向磁敏部46。
信号处理电路5处理与从磁场检测元件4输出的径向的磁场的磁通密度Br的信号对应的输出Vr和与磁场的磁通密度Bθ的信号对应的输出Vθ。在信号处理电路5中，如图10所示，设置有根据信号Vr和Vθ进行arctan(Vθ/Vr)的运算和考虑Vr、Vθ的正负计算旋转角度的角度运算电路51.
利用这样的结构，由永久磁铁2形成图11所示的磁场，并由磁场检测元件4检测径向和圆周方向的磁通密度Br和Bθ。旋转体1旋转1圈时，磁场检测元件4检测图12所示的与旋转角位置对应的正弦波状的磁通密度Br、Bθ，并向信号处理电路5输入与正弦波状的磁通密度Br、Bθ对应的输出Vr、Vθ。
这里，如图9(b)所示，由于磁场检测元件4的径向磁敏部45和圆周方向的磁敏部46的检测灵敏度和配置位置有微小差异，所以，输出V′θ和V′r的振幅值有若干差别。设振幅比为α，则有
α＝(V′θ/V′r)
因此，为了使两个输出的振幅相同，则令
Vr＝α×V′r，Vθ＝V′θ
然后，便可根据下式求旋转角度θ。即
θ＝arctan(Vθ/Vr)
将图10所示的放大器54和55设置在信号处理电路5中，根据振幅比α调整放大器54的增益，根据输出V′r得到输出Vr，并输入角度运算电路56，便可得到角度信号θ。
利用这样的结构，即使旋转体1偏心地旋转，由于旋转角度θ不是磁铁的中心与磁场检测元件间的距离r的函数，所以，可以高精度地求出旋转位置。
另外，即使磁编码器内部的温度分布随位置而异，由于径向磁敏部45和圆周方向的磁敏部46几乎位于同一位置，所以，磁场检测元件4的温度特性没有差别，从而温度分布对旋转角度θ没有影响。
例如，将由霍耳效应元件构成的磁场检测元件4配置在直径3mm、厚度1mm的永久磁铁2的外周，检测1圈的绝对位置信号。
图12表示高精度的基准编码器(分解力100万脉冲/1圈)的旋转角度与检测角度的关系和检测误差。
由此可知，基准编码器与本发明的磁编码器的最大误差小于0.1度。
据此，可得
360度/0.1度＝3600
从而可将1圈分割成3600等分。因此，可以得到表示将1圈酚成3600等分的非常高的分解力的绝对位置信号。
在上述实施例中，说明了使用霍耳效应元件作为磁场检测元件的例子，但是，使用磁阻元件也可以获得同样的效果。
另外，上述永久磁铁用容易在一个方向磁化的直线各向异性磁铁构成时，可以得到高的磁通密度，从而可以提高检测精度。
这样，在本实施例中，可以获得以下效果。
(1)考虑旋转体偏心旋转的情况，即使得到差动信号，也不必增加磁场检测元件的数量，从而可以降低成本。
(2)为了正确地出现90度或180度的相位差，不必正确地设置各磁场检测元件，所以，可以很容易地在短时间内进行组装调整。
(3)在磁编码器的内部，即使温度分布不同，由于磁场检测元件是1个，所以，特性中不会发生误差，从而可以提高旋转位置的检测精度。
产业上利用的可能性
本发明结构简单、分解力非常高、检测精度高，适用于小型的磁编码器。另外，由于不易受温度分布的影响和制造误差的影响，所以，适用于可靠性高，成本低的磁编码装置。

Claims (7)

1.一种具有固定在旋转体上的圆盘状的永久磁铁、通过空隙与上述永久磁铁的外周侧相对地安装在固定体上的磁场检测元件和处理上述磁场检测元件的信号的信号处理电路的磁编码装置，其特征在于：上述永久磁铁是在与上述旋转体的轴垂直方向平行的方向磁化的磁铁，上述固定体由环状的磁性体形成。
2.按权利要求1所述的磁编码装置，其特征在于：上述固定体在圆周方向具有空隙，将上述磁场检测元件设置在上述空隙中。
3.按权利要求1所述的磁编码装置，其特征在于：上述磁场检测元件是将电气角相互偏离90度相位的1对磁场检测元件在相互错开180度相位的位置设置2对，上述信号处理电路设有处理相互对置的磁场检测元件间的差动信号的差动放大器，检测上述旋转体的位置的绝对值。
4.按权利要求1所述的磁编码装置，其特征在于：上述磁场检测元件是将对上述旋转体的轴检测径向磁场的径向磁敏部和对上述旋转体的轴检测圆周方向的圆周方向磁敏部接近地配置的磁场检测元件，将上述磁场检测元件至少设置1个。
5.按权利要求1到4的任何一个所述的磁编码装置，其特征在于：上述磁场检测元件是霍耳效应元件或磁阻元件。
6.按权利要求1到4的任何一个所述的磁编码装置，其特征在于：上述永久磁铁由铁氧体系磁铁、Sm-Co系磁铁、Nd-Fe-B系磁铁或用高分子材料将上述各种磁铁结合所形成的分散型复合磁铁中的任意一个构成。
7.按权利要求1到4的任何一个所述的磁编码装置，其特征在于：上述永久磁铁是直线各向异性的。
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