JP2004264136A

JP2004264136A - 位置検出装置

Info

Publication number: JP2004264136A
Application number: JP2003054240A
Authority: JP
Inventors: Ichiro Okada; 一朗岡田
Original assignee: Asahi Kasei Electronics Co Ltd
Current assignee: Asahi Kasei Electronics Co Ltd
Priority date: 2003-02-28
Filing date: 2003-02-28
Publication date: 2004-09-24

Abstract

【課題】高精度な位置検出装置を得ること。
【解決手段】回転軸１ａを中心に回転するスキュー着磁された着磁ロータ１は、周方向に所定の等ピッチで交番着磁されている。２はＳ極、３はＮ極である。また、各着磁部分の長手方向は、軸方向から斜めに傾いている。磁気センサ４，５は着磁ロータ１に対向するように且つその軸方向と平行する方向に１列になるように１個の基板に固定されている。着磁ロータ１の回転に伴って、磁気センサ４，５には位相がずれた磁界が印加され、磁気センサ４，５からの信号間の位相もずれるので、位置検出信号を得ることができる。２個の磁気センサの各々と着磁ロータとの距離、角度は共に等しいから、２個の磁気センサ部の磁束密度は位相が違う以外は全く同一に変化することになり、検出精度が向上し、実装位置ずれによる検出精度の低下が少ない。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は産業機械、自動車等の機械製品や、携帯情報端末のジョグダイヤルなどの回転検出装置、あるいはプリンタのキャリッジ位置検出リニアパルスエンコーダなどの位置検出装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
多極に交番着磁したロータと磁気センサを対向させておき、ロータの回転に伴いセンサ部で変化する磁束密度をホール出力電圧に変換し、さらにシュミットトリガ回路などを介してパルス出力するロータリパルスエンコーダなどの位置検出装置がよく知られている（例えば、非特許文献１参照）。
【０００３】
また、多極に交番着磁されたリニアスケールと磁気センサを対向させておき、スケールと磁気センサとが互いにスケールの長手方向に相対移動することに伴いセンサ部で変化する磁束密度をホール出力電圧に変換し、さらにシュミットトリガ回路などを介してパルス出力するリニアパルスエンコーダなどの位置検出装置も存在している。
【０００４】
ここでリニアスケールは半径無限大の交番着磁ロータと考えることができるから、以下特に必要のある場合を除き、ロータリパルスエンコーダを例に取り説明する。
【０００５】
磁気センサとしては、リードスイッチのような機械式のもの、ピックアップコイル、ホール素子や磁気抵抗素子など半導体を応用したものが広く使用されている。また、ここに挙げた例のうちリードスイッチ以外の磁気センサの出力はアナログ波形となるから、これをパルス波形に整形する回路が同時に使用される。この波形整形回路は、磁気センサの出力電圧と、ある設定されたしきい値とを比較して、その大小により出力状態を第１の状態と第２の状態に変化させる回路である。
【０００６】
一般に位置検出装置はパワー系の機器やラインの付近に配置されることが多く、磁気センサからの配線や電源ラインにノイズが乗る事が多い。そのため先述の波形整形回路には、ヒステリシスを持たせたシュミットトリガ回路が利用される。あるいは磁気センサと波形整形回路等を一体化したホールＩＣなどが利用される。
【０００７】
ロータリエンコーダでは回転方向を検知するため、２個のホール素子ＡとＢを、ロータの周方向に電気角でπ／２（＋ｎπ）の位置にずらして配置することが一般的である。ここで電気角とは、センサが交番着磁されたロータのＮ極・Ｓ極各１極を通過する角度を２πとする角度（ラジアン）のことであり、ロータ上の幾何的な角度（機械角）としては、ロータがｎ個のＮ極・Ｓ極対で形成されている場合には、電気角２π＝機械角２π／ｎ（ラジアン）となる。
【０００８】
この場合、２つのセンサが異なる位置に配置されているので、例えば、ロータが右回転しているときには図１３に示すようにＡが先に立ち上がり、またロータが左回転しているときには図１４に示すようにＢが先に立ち上がる波形が出力される。ＡとＢのどちらが先に立ち上がるかを検出することで、ロータの回転方向を判別することができる。
【０００９】
またＡ・Ｂの波形はπ／２だけずれているので、この波形を合成することで、１個のセンサだけで検出する電気角２π当たりのパルス数の倍のパルス数を得ることができ、位置検出装置の精度を向上させることができる。
【００１０】
【非特許文献１】
旭化成電子（株）ホールＩＣカタログ１９９９．７．１−９６３０３ＨＥ版Ｐ３，Ｐ６参照
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
例えば図３のようにプリント基板（不図示）上に２個のホール素子４，５を表面実装し、プリント基板ごと着磁ロータ６と対向させる方法が現実にはとられている（図３の（ａ）は左側面図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は右側面図であり、図中、２はＳ極、３はＮ極であって、これらは周方向に交番着磁されている）。図５は、図３の着磁ロータ６の展開図であって、８はホール素子４，５と着磁ロータ６との間の相対移動方向を示す。９はホール素子４，５を個々に固定した２つの外囲器（筐体）である。
【００１２】
しかしこの方法では、着磁ロータの表面の法線とホール素子４，５の感磁面が直交しないため、ホール素子を上述の通り着磁ロータの中心から機械角π／２ｎ（＋ｎπ）の角度をとって取り付けると、出力される信号の位相差はπ／２にならない。逆に正確に信号の位相差をπ／２にしようとするためには、実験的に試行を重ねたり、コンピュータによる有限要素解析などが必要である。また、基板上での実装位置ズレや基板と着磁ロータとのギャップなどが、先述の着磁ロータの表面の法線とホール素子の感磁面との角度にも影響するため、高精度での回転位置検出は困難であった。
【００１３】
そこで図２のように別個の基板（不図示）に各ホール素子４，５を実装するなどして、着磁ロータの法線とホール素子の感磁面が直交するように配置することも行われている。しかしながらこの方法は、複数個の基板が必要なことや、素子を配置するためのスペースが大きくなるなどの欠点があった。
【００１４】
上記の双方に共通することであるが、２個のホール素子をある間隔を持って、着磁ロータとの距離も一定になるように正確に配置することは、調整の工数等を考えるとコスト的にも好ましいとは言えず、精度が犠牲にされているのが現状である。
【００１５】
ところでこのような検出角度（分解能）を向上させるためには、着磁ロータの１周当たりの着磁対数を増やす、即ち着磁ピッチを狭くすることがなされている。しかし、一般に磁石の発生する磁束密度の大きさと磁極の面積とには相関があるので、着磁ピッチを狭くするとセンサ部での磁束密度が減少してしまう。これに対応するため、ホール素子の感度を上げたり、シュミットトリガ回路のしきい値をより小さくする、あるいはロータとホール素子のギャップを詰めることなどが考えられるが、ノイズやロータのガタ・着磁ムラを考えると、これにも限界がある。
【００１６】
そこで図７に示す着磁ロータの展開図のように、多数のホール素子１０〜１３を等しいピッチで着磁ロータに対向させることにより、着磁ロータの発生する磁束密度の大きさを保ちながら、検出分解能を上げる方法が考えられる。しかし現実には前述の通り２個のセンサで発生する位置ずれなどの検出精度を低下させる要因が、さらにセンサの数が増えることにより、より深刻になってしまうため、実用化することは困難であった。
【００１７】
そこで本発明の目的は以上のような問題を解消した位置検出装置を提供することにある。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１の発明は、所定の等ピッチで交番着磁された着磁体と、該着磁体に対向して配置されたｎ個の磁気センサとを具え、前記着磁体と前記磁気センサとの間の相対移動に伴って得られる前記磁気センサからの信号に基づく位置検出信号を出力する位置検出装置であって、前記着磁体は、前記相対移動方向にピッチｐをもって交番着磁され且つ各着磁部分は前記相対移動方向と直交する方向から角度θだけ斜めになっており、前記ｎ個の磁気センサは、前記相対移動方向と直交する方向に１列に配置されていることを特徴とする。
【００１９】
請求項２の発明は、請求項１において、前記着磁体は、回転軸に取り付けられ周方向に交番着磁されていることを特徴とする。
【００２０】
請求項３の発明は、請求項１において、前記着磁体は、直線状であり、その長さ方向に交番着磁されていることを特徴とする。
【００２１】
請求項４の発明は、請求項１〜３のいずれかにおいて、前記ｎ個の磁気センサ間が前記着磁体の着磁ピッチｐを着磁角度θの正接の整数倍で除した距離を持って配置されていることを特徴とする。
【００２２】
請求項５の発明は、請求項１〜４のいずれかにおいて、前記複数個の磁気センサが１つの基板上に形成され、および／または１つの筐体に収められていることを特徴とする。
【００２３】
請求項６の発明は、請求項１〜５のいずれかにおいて、前記磁気センサがホール素子または磁気抵抗素子であることを特徴とする。
【００２４】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の第１の実施例を示すものであって、（ａ）は左側面図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は右側面図である。
【００２５】
図１において、１は回転軸１ａを中心に回転する、スキュー着磁された着磁ロータである。すなわち、この着磁ロータ１は、周方向に所定の等ピッチで交番着磁されている。２はＳ極、３はＮ極である。また、各着磁部分の長手方向は、軸方向から斜めに傾いている。４，５は着磁ロータ１に対向するように１個の基板（不図示）または１個の筐体（不図示）に固定された磁気センサであって、着磁ロータ１の軸方向と平行する方向に１列に配置されている（１個の外囲器内に磁気センサ４，５を形成した１個の基板を取り付けても良い）。図４は、着磁ロータ１を展開した図であり、この図では、磁気センサ４，５は１個の外囲器９に固定されている（なお、この図は、着磁ロータ１を展開したものであるが、これを直線状の着磁体と置き換えることもできる。この場合、各着磁部分の配列方向に着磁体と磁気センサ４，５とは相対移動する）。
【００２６】
このような構成によれば、着磁ロータ１がスキュー着磁されているので、着磁ロータ１の回転に伴って、２個の磁気センサ４，５には位相がずれた磁界が印加され、２個の磁気センサ４，５からの信号間の位相もずれることになる。したがって、従来の磁気センサ４，５（図２，３）と同様の信号処理によって、位置検出信号を得ることができる。
【００２７】
なお、この２個の磁気センサ４，５からの信号の位相差は、スキュー角（回転軸と各着磁部分の長手方向との交差角）や着磁ロータ１の着磁ピッチで変えることもできるが、２個の磁気センサ間の距離で自由に変えることができる。例えば、電気角でπ／２の位相差を得たい場合、着磁ピッチをｐ，スキュー角をθとすると、２個のセンサの間隔をｐ／２ｔａｎθとすればよい。また、これら２個の磁気センサの各々と着磁ロータとの距離、角度は共に等しいから、２個の磁気センサ部の磁束密度は位相が違う以外は全く同一に変化することになり、検出精度が向上する。
【００２８】
また図６に示す着磁ロータ１の展開図のように、スキュー着磁された着磁ロータ１に対向させて、着磁ロータ１の回転軸方向と平行に、等しいピッチで多数の（図では４個の）磁気センサ１４〜１７を配置することで、着磁ロータ１の着磁ピッチより小さな幅を精度よく検出することができる。この場合、着磁ピッチをｐ，スキュー角をθとすると、ｎ個のセンサの間隔をｐ／ｎｔａｎθとすればよい。
【００２９】
いずれにしても多数の磁気センサは一直線上にならんでいるため、これらの磁気センサを１つの外囲器に実装し、または１つの基板上にアレイ上に形成することで、直線上に多数の素子を精度よく並べることができる。
【００３０】
なお、図８は図７の各磁気センサ１０〜１３の着磁ロータ回転時の検出信号波形を示し、図１０はその各磁気センサ検出信号のゼロクロス検出時のタイミングチャートとこれらのゼロクロス検出出力から論理回路処理を行って得られるロータリエンコーダ出力（図中７）との関係を示す。
図９は図６の各磁気センサ１４〜１７の着磁ロータ回転時の検出信号波形を示し、図１１はその各磁気センサ検出信号のゼロクロス検出時のタイミングチャートとこれらのゼロクロス検出出力から論理回路処理を行って得られるロータリエンコーダ出力（図中２０）との関係を示すものであり、論理回路は、図１２に示すとおりである。
【００３１】
図１２において、２１〜２３は排他的論理和ゲートであり、その入出力端を示す符号１４〜２０は図１１の論理回路処理のタイミングチャートの符号と一致させて示したものであって、１４〜１７は、磁気センサ１４〜１７からの各検出出力の入力端、１８〜２０は各ゲートの出力端を示し、そのうち、２０はロータリエンコーダ出力を示す。
【００３２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、高精度な位置検出装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例を説明する図である。
【図２】従来例を説明する図である。
【図３】他の従来例を説明する図である。
【図４】本発明の実施例を説明する他の図である。
【図５】従来例の着磁ロータの展開図である。
【図６】本発明の着磁ロータの展開図である。
【図７】従来例の着磁ロータの他の展開図である。
【図８】図７の各磁気センサ１０〜１３の着磁ロータ回転時の検出信号波形を示す図である。
【図９】図６の各磁気センサ１４〜１７の着磁ロータ回転時の検出信号波形を示す図である。
【図１０】その各磁気センサ検出信号のゼロクロス検出時のタイミングチャートとこれらのゼロクロス検出出力から論理回路処理を行って得られるロータリエンコーダ出力（図中７）との関係を示す図である。
【図１１】その各磁気センサ検出信号のゼロクロス検出時のタイミングチャートとこれらのゼロクロス検出出力から論理回路処理を行って得られるロータリエンコーダ出力（図中２０）との関係を示す図である。
【図１２】本発明にかかる各磁気センサ出力を処理する論理回路図である。
【図１３】ロータリエンコーダ回転方向を検知するための磁気センサＡ，Ｂの出力タイミングチャートを示す図である。
【図１４】ロータリエンコーダ回転方向を検知するための磁気センサＡ，Ｂの出力タイミングチャートを示す他の図である。
【符号の説明】
１着磁ロータ
２Ｓ極
３Ｎ極
４，５磁気センサ

Claims

所定の等ピッチで交番着磁された着磁体と、該着磁体に対向して配置されたｎ個の磁気センサとを具え、前記着磁体と前記磁気センサとの間の相対移動に伴って得られる前記磁気センサからの信号に基づく位置検出信号を出力する位置検出装置であって、
前記着磁体は、前記相対移動方向にピッチｐをもって交番着磁され且つ各着磁部分は前記相対移動方向と直交する方向から角度θだけ斜めになっており、前記ｎ個の磁気センサは、前記相対移動方向と直交する方向に１列に配置されていることを特徴とする位置検出装置。
請求項１において、
前記着磁体は、回転軸に取り付けられ周方向に交番着磁されていることを特徴とする位置検出装置。
請求項１において、
前記着磁体は、直線状であり、その長さ方向に交番着磁されていることを特徴とする位置検出装置。
請求項１〜３のいずれかにおいて、
前記ｎ個の磁気センサ間が前記着磁体の着磁ピッチｐを着磁角度θの正接の整数倍で除した距離を持って配置されていることを特徴とする位置検出装置。
請求項１〜４のいずれかにおいて、
前記複数個の磁気センサが１つの基板上に形成され、および／または１つの筐体に収められていることを特徴とする位置検出装置。
請求項１〜５のいずれかにおいて、
前記磁気センサがホール素子または磁気抵抗素子であることを特徴とする位置検出装置。