JP2005172441A

JP2005172441A - 角度および角速度一体型検出装置

Info

Publication number: JP2005172441A
Application number: JP2003408445A
Authority: JP
Inventors: Takefumi Kabashima; 武文椛島
Original assignee: Yaskawa Electric Corp
Current assignee: Yaskawa Electric Corp
Priority date: 2003-12-08
Filing date: 2003-12-08
Publication date: 2005-06-30

Abstract

【課題】
小型でコストが低く、高精度で高速応答の角度および角速度一体型検出装置を得る。
【解決手段】
本発明の角度および角速度一体型検出装置は、回転体１に固定された永久磁石２と、周方向に空隙部をもつリング状の磁性体で形成された固定体３と、センサユニット８とを備えている。センサユニット８内には、図示しない磁界検出素子と、図示しないコイルが配置してあり、磁界検出素子の信号から回転体１の角度を検出し、磁界検出素子の信号とコイルの誘起電圧信号から回転体１の角速度を検出する。
【選択図】図１

Description

本発明は、回転体の回転角度および回転角速度を同時に検出する角度および角速度一体型検出装置に関する。

従来、モータ軸などの回転体の角度および角速度を検出するため、回転体に固定された永久磁石が発生する磁界を固定体に取り付けられた磁界検出素子の出力信号から角度を演算し、さらに固定体に巻回したコイルに発生する誘起電圧を検出し、磁界検出素子から得られる出力信号とコイルの誘起電圧を用いて角速度を演算して求めるようにした角度および角速度一体型検出装置が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
図８は従来の角度および角速度一体型検出装置を示す斜視図である。
図８において、１は回転体、２は回転体１と回転軸が同一になるように固定された円板状の永久磁石で、回転体１の軸に垂直方向に平行に一方向に磁化されている。３は永久磁石２の外周側に設けられたリング状の固定体で周方向に４分割されている。４は磁界検出素子で、４組の磁界検出素子４１、４２、４３、４４が固定体３の空隙部に互いに周方向に９０°間隔で配置されている。５は固定体３を通過する磁束の時間変化により発生する誘起電圧を検出するコイルで、４組のコイル５１、５２、５３、５４が磁界検出素子４の検出信号と同位相になるように固定体３に卷回してある。
次に動作について説明する。
図８において、回転体１が回転すると、４組の磁界検出素子４から、回転角に対して互いに９０°ずつ位相の異なる正弦波状の信号が検出される。また、４組のコイル５から回転体１の角速度に比例した誘起電圧が発生する。磁界検出素子４の検出信号から回転体３の角度を検出し、磁界検出素子４の検出信号と、コイル５の検出信号の両信号を演算処理することによって回転体３の角速度を検出していた。
特開２００３−１６１６４３

従来の角度および角速度一体型検出装置は、速度信号の検出手段として、固定体３にコイル５を巻回しているため、装置の外径が大きくなる。またコイル５の巻回や配設が容易でなく製造コストが高くなる問題があった。
そこで本発明は、小型でコストが低く、高精度で高速応答の角度および角速度一体型検出装置を提供することを目的とする。

上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したものである。
請求項１に記載の角度および角速度一体型検出装置に係わる発明は、回転体に固定された永久磁石と、周方向に空隙をもつリング状の磁性体で形成された固定体と、前記固定体の磁界を検出する磁界検出素子と、前記固定体を通る磁束を検出するコイルと、前記磁界検出素子の信号から角度を演算する角度検出信号処理回路と、前記磁界検出素子の信号と前記コイルの誘起電圧信号から角速度を演算する角速度信号検出処理回路とを備えた角度および角速度一体型検出装置において、前記磁界検出素子と前記コイルをユニット化して前記空隙に配置したことを特徴としている。
また、請求項２記載の発明は、請求項１記載の角度および角速度一体型検出装置において、前記ユニットは、前記磁界検出素子を基板上に配置し、前記コイルをワイヤで形成し、前記基板上に配置したことを特徴としている。
また、請求項３記載の発明は、請求項１記載の角度および角速度一体型検出装置において、前記ユニットは、前記磁界検出素子を基板上に配置し、前記コイルを前記基板上にプリントパターンで形成したことを特徴としている。
また、請求項４記載の発明は、請求項１から３のいずれか１項に記載の角度および角速度一体型検出装置において、前記固定体は２Ｎ（Ｎは正数）個に等分割したことを特徴としている。
また、請求項５記載の発明は、請求項１から４のいずれか１項に記載の角度および角速度一体型検出装置において、前記固定体は焼結鉄材、ソフトフェライト系材料で形成したことを特徴としている。

請求項１に記載の発明によると、磁界検出素子とコイルを固定体の空隙部に配置したので、コイルを固定子に巻回する必要が無く、装置を小型化することができる。また、ユニット化したことにより、検出部を固定体の空隙部に容易に、精度良く配置できるため、製作、組み立てが容易になり、製造コストを低くすることができる。
また、請求項２に記載の発明によると、ワイヤで形成したコイルを、基板上に配置したので、小型の比較的ターン数の多いコイルが形成でき、小型で大きな検出信号が得られる。
また、請求項３に記載の発明によると、磁界検出素子を基板上に配置し、コイルを基板上にプリントパターンで形成したので、より小型化できる。
また、請求項４に記載の発明によると、磁界検出素子とコイルを２Ｎ（Ｎは正の整数）個配置するので、検出信号波形が歪んでいた場合、信号波形から高調波成分をキャンセルするので、角度および角速度を高精度に検出することができる。
また、請求項５に記載の発明によると、固定体に導電率の小さい磁性体である焼結鉄材、ソフトフェライト系材料を用いるので、回転体が高速回転しても、固定体に流れる渦電流による角度および角速度の検出精度の劣化を防ぐことができる。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
なお、従来例の構成要素が本発明の構成要素と同じものについてはその説明を省略し、異なる点のみ説明する。

図１は本発明の実施例を示す回転体の角度および角速度を検出する角度および角速度一体型検出装置の斜視図である。
図において、３は固定体で、焼結鉄材やソフトフェライト系材料で形成している。８はセンサユニットである。本発明が従来技術と異なる点は、周方向に等分割したリング状の固定体３の空隙部にセンサユニット８を配置した点である。本実施例では固定体３を４分割し、その空隙部に４個のセンサユニット８１、８２、８３、８４を配置した。Ａ１相センサユニット８１とＢ１相センサユニット８２を互いに電気角で９０度位相をずらして設け、さらにＡ1相センサユニット８１に対して電気角で１８０度位相をずらしてＡ２相センサユニット８３を、Ｂ１相センサユニット８２に対して電気角で１８０度位相をずらしてＢ２相センサユニット８４を設けている。また、Ａ1相センサユニット８１にはＡ１相磁界検出素子４１とＡ１相コイル５１が、Ｂ1相センサユニット８２にはＢ１相磁界検出素子４２とＢ１相コイル５２が、Ａ２相センサユニット８３にはＡ２相磁界検出素子４３とＡ２相コイル５３が、Ｂ２相センサユニット８４にはＢ２相磁界検出素子４４とＢ２相コイル５４が設けてある。
図２はセンサユニット８の構成を示す拡大平面図で、（ａ）はコイルをワイヤで形成した場合、（ｂ）はコイルをプリントパターンで形成した場合の実施例を示す。
図２（ａ）において、８Ａは磁界検出素子、８Ｂはワイヤで形成されたコイル、８Ｃは磁界検出素子８Ａとコイル８Ｂを搭載する基板である。図２（ｂ）において８Ｄはプリントパターンで形成したコイルで、その他の構成は図２（ａ）と同じである。なお磁界検出素子８Ａとしてホール素子を用いた。

次に本発明の角度および角速度一体型検出装置の動作について述べる。
図１において、回転体１が回転すると、永久磁石２の磁界の変化により、センサユニット８内の磁界検出素子８Ａから各相の位置信号が検出され、コイル８Ｂまたは８Ｄから角速度に比例した各相の誘起電圧信号が検出される。この信号を信号処理回路に入力し、さらに演算処理によって角度および角速度を検出する。
図３は本発明の実施例の角度および角速度一体型検出装置の信号処理回路を示すブロック図である。
図３において、６は角度検出信号処理回路で７は角速度検出信号処理回路である。角度検出信号処理回路６は、Ａ1相の磁界検出信号Ｖa1とＡ2相の磁界検出信号Ｖa2の差動信号Ｖaを出力する差動アンプ６１と、Ｂ1相の磁界検出信号Ｖb1とＢ２相の磁界検出信号Ｖb2の差動信号Ｖｂを出力する差動アンプ６２と、ＶaとＶbとからａｒｃｔａｎ（Ｖb／Ｖa）の演算を行って角度信号θを演算する角度演算回路６３から構成される。また、速度検出信号処理回路７は、コイル５１と５３が発生する互いに位相が１８０度異なる誘起電圧信号Ｅa1、Ｅa2から差動信号Ｅaを出力する差動アンプ７１と、同様にコイル５２と５４が発生する誘起電圧信号Ｅb1、Ｅb2から差動信号Ｅbを出力する差動アンプ７２と、差動信号Ｖaと差動信号Ｅbの乗算を行う乗算器７４と、差動信号Ｖbと差動信号Ｅaの乗算を行う乗算器７３と、乗算器７３と乗算器７４の出力を加算する加算器７５から構成される。
図４は本発明の実施例の角度および角速度一体型検出装置の信号処理回路の動作を説明する信号波形図である。（ａ）は磁界検出素子の磁界検出信号の差動信号、（ｂ）はコイルの誘起電圧信号の差動信号である。
先ず回転角度の検出動作について説明する。
Ａ相磁界検出信号の差動信号ＶａとＢ相磁界検出信号の差動信号Ｖｂは、磁界検出素子が検出する磁束密度に比例し、回転角度に対して、互いに９０度位相がずれた二つの正弦波、すなわち、回転角をθとしたとき
Ｖa＝Ｂ₀ｃｏｓθ
Ｖb＝Ｂ₀ｓｉｎθ
となる。Ｖa、Ｖbを入力とする角度演算回路６３によって、θ＝ａｒｃｔａｎ（Ｖb／Ｖa）の演算が行われ、絶対位置の角度信号θが得られる。
次に、角速度の検出動作について説明する。
Ａ相誘起電圧信号の差動信号ＥａとＢ相誘起電圧信号の差動信号Ｅｂは、コイルと鎖交する磁束の時間変化に比例する。回転体１が角速度をωで回転しているとき、Ａ相の磁束鎖交数φaをφa＝φ₀ｃｏｓθ、Ｂ相の磁束鎖交数φbをφb＝φ₀ｓｉｎθとすると、
Ｅa＝−ｄφa/ｄt＝ωφ₀ｓｉｎθ
Ｅb＝−ｄφb/ｄt＝ −ωφ₀ｃｏｓθ
となる。すなわち、回転体１がある速度ωで回転している時、Ａ相磁界検出素子の差動信号ＶaとＢ相コイルの誘起電圧信号の差動信号Ｅbの反転信号（−Ｅb）、およびＢ相磁界検出素子の差動信号ＶbとＡ相コイルの誘起電圧信号の差動信号Ｅa は同位相の正弦波波形である。これら信号を乗算し加算することにより、角速度ωに比例する信号が得られる。
Ｖa×（−Ｅb）＋Ｖb×Ｅa＝ωφ₀Ｂ₀（ｃｏｓ²θ＋ｓｉｎ²θ）＝ αω

次に本発明の角度および角速度一体型検出装置の特性について述べる。
図５は、本発明の角度および角速度一体型検出装置の角度の検出精度を示すグラフで、基準エンコーダ（分解能100万パルス／回転）の検出角度に対する本発明の角度および角速度一体型検出装置の検出角度と基準エンコーダとの検出角度誤差を示している。検出の最大誤差は0.08度であり、１回転を4096分割した極めて高い分解能を有する絶対値角度検出が得られることがわかる。
図６は、角速度信号ωの出力電圧波形を示すグラフで、回転体１を 1,000min^-1で回転させ、検出された角速度信号ωの出力電圧波形を示している。回転速度リプルは0.5%以下と良好な値であった。
図７は、角速度信号ωの直線性を示すグラフで、回転体１を -5,000 min^-1から +5,000 min^-1で回転させ、角速度信号ωの出力電圧を調べた。その結果、広い回転角速度範囲にわたって、極めて直線性の良い信号が得られた。
本発明では、永久磁石２が高速回転するときに、固定体３に発生する渦電流の影響による検出精度の低下を防ぐために、固定体３の電気抵抗を等価的に大きくするように固定体３を薄板を積層して形成、あるいは磁性粉で形成、またはソフトフェライト系材料で形成することで、回転体１の高速回転領域でも角度および角速度を高精度で検出することができる。

本発明は、構造がシンプルで堅牢性があり、また高速応答、高精度、小型、低コストの角度および角速度一体型検出装置を実現できるので、ロボットや工作機械に用いられるサーボモータの回転角度および角速度を同時に検出できる装置として適用できる。

本発明の実施例を示す角度および角速度一体型検出装置の斜視図である。本発明の実施例のセンサユニットの構成を示す拡大平面図である。本発明の実施例の信号処理回路のブロック図である。本発明の実施例の信号処理回路の動作を説明する信号波形図である。本発明の実施例の回転角度の検出精度を示すグラフである。本発明の実施例の角速度信号の出力電圧波形示すグラフである。本発明の実施例の角速度信号の直線性を示すグラフである。従来の角度および角速度一体型検出装置を示す斜視図である。

符号の説明

１回転体
２永久磁石
３固定体
４磁界検出素子
４１Ａ1 相磁界検出素子
４２Ｂ1 相磁界検出素子
４３Ａ2 相磁界検出素子
４４Ｂ2 相磁界検出素子
５コイル
５１Ａ1 相コイル
５２Ｂ1 相コイル
５３Ａ2 相コイル
５４Ｂ2 相コイル
６角度検出信号処理回路
６１、６２差動アンプ
６３角度演算回路
７角速度検出信号処理回路
７１、７２差動アンプ
７３、７４乗算器
７５加算器
８センサユニット
８Ａ磁界検出素子
８Ｂ、８Ｄコイル
８Ｃ基板
８１Ａ1 相センサユニット
８２Ｂ1 相センサユニット
８３Ａ2相センサユニット
８４Ｂ2 相センサユニット

Claims

回転体に固定された永久磁石と、周方向に空隙をもつリング状の磁性体で形成された固定体と、前記固定体の磁界を検出する磁界検出素子と、前記固定体を通る磁束を検出するコイルと、前記磁界検出素子の信号から角度を演算する角度検出信号処理回路と、前記磁界検出素子の信号と前記コイルの誘起電圧信号から角速度を演算する角速度信号検出処理回路とを備えた角度および角速度一体型検出装置において
前記磁界検出素子と前記コイルをユニット化して前記空隙に配置したことを特徴とする角度および角速度一体型検出装置。
前記ユニットは、前記磁界検出素子を基板上に配置し、前記コイルをワイヤで形成して前記基板上に配置したことを特徴とする請求項１記載の角度および角速度一体型検出装置。
前記ユニットは、前記磁界検出素子を基板上に配置し、前記コイルを前記基板上にプリントパターンで形成したことを特徴とする請求項１記載の角度および角速度一体型検出装置。
前記固定体は２Ｎ（Ｎは正の整数）個に等分割されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の角度および角速度一体型検出装置。
前記固定体は焼結鉄材、ソフトフェライト系材料で形成したことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の角度および角速度一体型検出装置。