JP2008128962A - 絶対角検出装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】構成を簡略化でき、ギヤの噛合音をなくするとともに、回転体の絶対角を高い分解能で高精度に検出可能な絶対角検出装置を提供する。
【解決手段】回転体Aと一体回転するコードホイール1と、コードホイール1に形成されたコードパターン2,3と、コードパターン2,3と対向に配置されたコード検出素子4〜7と、コードホイール1に噛み合わされた第2歯車9と、第2歯車9に取り付けられた回転磁石10と、回転磁石10の回転角θに応じた磁界の方向変化によって位相が異なる正弦信号及び余弦信号を出力する磁気センサ11とから絶対角検出装置を構成する。コード検出素子4〜7の出力信号に基づいてセクタの識別を行い、磁気センサ11の検出信号から算出されるtan−1θの信号に基づいて各セクタ内の絶対角を検出する。
【選択図】図1
【解決手段】回転体Aと一体回転するコードホイール1と、コードホイール1に形成されたコードパターン2,3と、コードパターン2,3と対向に配置されたコード検出素子4〜7と、コードホイール1に噛み合わされた第2歯車9と、第2歯車9に取り付けられた回転磁石10と、回転磁石10の回転角θに応じた磁界の方向変化によって位相が異なる正弦信号及び余弦信号を出力する磁気センサ11とから絶対角検出装置を構成する。コード検出素子4〜7の出力信号に基づいてセクタの識別を行い、磁気センサ11の検出信号から算出されるtan−1θの信号に基づいて各セクタ内の絶対角を検出する。
【選択図】図1
Description
本発明は、絶対角検出装置に係り、特に、回転体の回転を磁気センサにて検出し、磁気センサから出力される正弦信号及び余弦信号により逆正接値(tan−1θ)を求め、この逆正接値に基づいて回転体の絶対角を算出する絶対角検出装置に関する。
本願出願人は先に、この種の絶対角検出装置として、第1及び第2の伝達ギアが配されたロータ部と、第1の伝達ギアに噛み合わされロータ部の回転にしたがって連続的に回転される第1の出力ギアと、当該第1の出力ギアに取り付けられた第1の永久磁石の回転による磁界の方向変化によって抵抗値が変化する第1の磁気センサと、第2の伝達ギアに噛み合わされロータ部が180°回転する毎に間欠的に一定角度だけ回転される第2の出力ギアと、当該第2の出力ギアに取り付けられた第2の永久磁石の回転による磁界の方向変化によって抵抗値が変化する第2の磁気センサとを有し、ロータの回転角度をθとしたとき、第1の磁気センサから出力されるsinθの信号とcosθの信号とからtan−1θに相当する信号Vaを生成して出力すると共に、第2の磁気センサから出力されるsinθの信号とcosθの信号とからロータ部が180°回転する毎に出力値が階段状に変化する信号Vbを生成して出力するものを提案した(例えば、特許文献1参照。)。
特許文献1による絶対角検出装置のtan−1θの信号周期は、sinθの信号周期及びcosθの信号周期(360°)の1/2(180°)になる。したがって、ロータ部が180°回転する毎に出力値が階段状に変化する信号Vbの各出力値によって1セクタが180°に設定されたロータの回転角度範囲を識別し、信号Vaに基づいて1セクタ内のロータの回転角度を検出することにより、1セクタ以上回転するロータの回転角度を検出することができる。
特開2003−329483号公報(図1〜図6)
しかしながら、本願出願人が先に提案した特許文献1に記載の絶対角検出装置は、ロータ部の外周面部に回転の軸方向に沿って配される第1の伝達ギヤ及び間欠歯を有する第2の伝達ギヤと、第1の伝達ギヤと噛合しロータ部の軸と回転軸方向が平行な第1の出力ギヤと、第2の伝達ギヤと噛合しロータ部の軸と回転の軸方向が平行な第2出力ギヤと、各出力ギア毎に備えられた2つの永久磁石及び磁気センサとを有するので、機構部の構成が複雑になるという問題や、ロータ部が高速回転すると、間欠歯を有する第2の伝達ギヤと第1の伝達ギヤとが噛合するときの騒音(叩き音)が聴感上無視できないレベルになるという問題がある。また、各セクタ内の回転角度の検出を、sinθの信号とcosθの信号によって求めたtan−1θに相当する信号Vaに基づいて行うが、1セクタが180°と大きいため、単位角度当たりの信号Vaの変化量が小さいので、高分解能で高精度に角度を検出するためには複雑な回路構成やソフト処理が必要になるという問題がある。
本発明は、かかる従来技術に課題を解決するためになされたものであり、その目的は、機構部の構成を簡略化でき、回転体が高速回転してもギヤの噛合音を低く抑えることができると共に、複雑な回路構成やソフト処理を用いなくても回転体の絶対角を高分解能で高精度に検出可能な絶対角検出装置を提供することにある。
本発明は、かかる課題を解決するため、絶対角検出装置を、回転体と、該回転体に取り付けられ、該回転体と一体回転するコードホイールと、該コードホイールに形成されたコードパターンと、該コードパターンと対向に配置されたコード検出素子と、前記回転体又は前記コードホイールに増速比が2n(nは自然数)の増速機構を介して連結された回転磁石と、該回転磁石の回転角θに応じた磁界の方向変化によって正弦信号及び余弦信号を出力する磁気センサとを備え、前記コード検出素子の出力信号に基づいて、前記回転体の1回転を4n個(nは自然数)に分割する複数個のセクタのそれぞれを識別すると共に、前記磁気センサの検出信号からtan−1θの信号を生成し、このtan−1θの信号に基づいて前記各セクタ内の絶対角を検出するという構成にした。
かかる構成によると、コードホイールと、増速機構と、回転磁石と、磁気センサとを1つずつ備える構成としたので、機構部の構成の簡略化を図ることができ、また、間欠ギヤを使用しない構成としたので。回転体が高速回転してもギヤの噛合音を低く抑えることができる。さらに、回転体の1回転する毎に回転磁石が2n回転することから、1周期が90°以下のtan−1θの信号を生成でき、各セクタと1周期が90°以下のtan−1θの信号とを対応させて角度を検出することができるので、1セクタを180°とした従来技術に比べて、単位角度当たりの逆正接値(tan−1θ)の変化量を大きく設定することができ、複雑な回路構成やソフト構成を用いなくとも回転体の絶対角を高い分解能で高精度に検出できる。
また、本発明は、前記構成の絶対角検出装置において、前記磁気センサは、sinθ、cosθ、−sinθ及び−cosθの各信号を出力する磁気検出素子を有するという構成にした。
かかる構成によると、sinθ/cosθ、−sinθ/−cosθ、cosθ/−sinθ又は−cosθ/sinθを演算することによってそれぞれの逆正接値を算出できるので、絶対角検出装置のフェールセーフ性を高めることができる。例えば、全ての磁気検出素子が正常な場合、sinθ/cosθの演算及び−sinθ/−cosθの演算による逆正接値を比較参照することによって正しい絶対角度を検出できる。同様にして、−sinθ/cosθの演算及びcosθ/−sin演算の演算による逆正接値を比較参照することによって絶対角を検出することができる。また、各磁気検出素子のうちのひとつが故障した場合でも正しい絶対角度を検出できる。sinθを検出する磁気検出素子が故障した場合を説明すると、sinθ/cosθの演算に代えて、−sinθと−cosθを検出する磁気検出素子から出力される信号に基づき−sinθ/−cosθの演算を代用して逆正接値を求めたり、また−cosθ/sinθの演算に代えて、−sinθとcosθを検出する磁気検出素子から出力される信号に基づきcosθ/−sinθの演算を代用して逆正接値を求めて絶対角を検出することができる。
さらに、本発明は、前記コードホイールをなす第一歯車と、前記回転体の回転軸に平行な回転軸をもち前記第一歯車に噛合する第二歯車とを有し、前記回転磁石は、該回転磁石の中心が前記第二歯車の回転中心と一致するように設けられるのが望ましい。
かかる構成によると、絶対角検出装置の機構部の構成を簡略化できる。
本発明の絶対角検出装置は、回転体と、該回転体に取り付けられ、該回転体と一体回転するコードホイールと、該コードホイールに形成されたコードパターンと、該コードパターンと対向に配置されたコード検出素子と、前記回転体又は前記コードホイールに増速比が2n(nは自然数)の増速機構を介して連結された回転磁石の回転角θに応じた磁界の方向変化によって複数の検出信号を出力する磁気センサとを備え、前記コード検出素子の出力信号に基づいて、前記回転体の1回転を4n個(nは自然数)に分割する複数個のセクタのそれぞれを識別すると共に、前記磁気センサの検出信号からtan−1θの信号を生成し、このtan−1θの信号に基づいて前記各セクタ内の角度を検出するという構成からなるので、絶対角検出装置の機構部の構成を簡略化でき、また間欠ギヤを省略する構成とするので、回転体が高速回転してもギヤの噛合音を低く抑えることができる。また、各セクタと1周期が90°以下のtan−1θの信号とを対応させて角度を検出することができるので、単位角度当たりの逆正接値の変化量を大きく設定することができ、複雑な回路構成やソフト処理を用いなくとも回転体の絶対角を高い分解能で高精度に検出できる。
以下、本発明に係る絶対角検出装置の一例を、図1乃至図5にしたがって説明する。図1は実施形態に係る絶対角検出装置の機構部の構成図、図2はセクタ識別用の4個のコード検出素子から出力される信号の出力タイミングと各セクタに割り振られるセクタ識別用デジタルコード列との関係を示す図、図3は実施形態に係る絶対角検出装置に備えられる磁気センサの構成図、図4は実施形態に係る絶対角検出装置の信号処理系の構成図、図5は磁気センサからの出力信号と出力信号から生成されるtan−1θの信号とセクタ分割との関係を示すグラフ図である。
図1に示すように、本例の絶対角検出装置は、回転体Aと、その回転軸と同心に取り付けられるコードホイールとしての第1歯車1と、第1歯車1の回転中心を中心とする円周上に形成された第1及び第2のコードパターン2,3と、第1のコードパターン2に対向して配置された第1及び第2の検出素子4,5と、第2のコードパターン3に対向して配置された第3及び第4の検出素子6,7と、第1乃至第4の検出素子4〜7が実装された回路基板8と、第1歯車1に噛み合わされ第1歯車1の回転に連動して回転し、回転体Aの回転軸に平行な回転軸をもつ第2歯車9と、第2歯車9の回転中心と同心に取り付けられるリング状の回転磁石10と、回転磁石10の回転角θに応じた磁界の方向変化によって第2歯車9(回転磁石10)の1回転を1周期とするsinθ、cosθ、−sinθ、−cosθの各信号を出力する磁気センサ11とから主に構成されている。
第1歯車1と第2歯車9は、回転体Aに対する回転磁石10の増速機構になっている。増速機構は、第1歯車1に対し第2歯車9が増速回転するように、第1歯車1の歯数よりも第2歯車の歯数を小さな数とし、それぞれの歯数が増速比に応じて設定される。その増速比は、任意に設定可能であるが、回転体Aの1回転を等分するセクタの設定を容易にしかつ各セクタ内の角度検出が容易にするために、2以上の自然数倍とすることが望ましい。本実施形態においては、第1歯車1の歯数が112、第2歯車9の歯数が56に設定されており、第1歯車1(回転体A)が1回転する間に第2歯車9(回転磁石10)が2回転するようになっている。したがって、第1歯車が1回転する間に、磁気検出素子11a,11b,11c,11dからsinθ、cosθ、−sinθ、−cosθの各信号が2周期分(1周期が180°)出力される。
第1及び第2のコードパターン2,3は、遮光板をもって構成され、第1乃至第4のコード検出素子4〜7としては、発光素子と受光素子とが一体に形成されたフォトインタラプタが用いられる。第1乃至第4のコード検出素子4〜7は、第1及び第2のコードパターン2,3のそれぞれの両側に発光素子と受光素子とが配置されるようにして回路基板8に実装される。本例の絶対角検出装置においては、第1歯車1(回転体A)が1回転する間に、コード検出素子4〜7から図2(e)に示すタイミングで信号D1〜D4が出力されるように、第1歯車1上における第1及び第2のコードパターン2,3の配列と、これに対する第1乃至第4のコード検出素子4〜7の配列とが定められている。
図2(b)に示すように、出力信号D1,D2における高レベルの信号を“1”、低レベルの信号を“0”とすると、出力信号D1,D2を組み合わせたコード列は、図2(a)に示すように、第1歯車の1回転(360°)に対して4つに等分割された各セクタ毎に異なるデジタルコード列をなす。それらのデジタルコード列は、図4に示すセクタ識別部31からセクタ識別信号として出力される。したがって、第1歯車1(回転体A)の1回転が4個のセクタに等分割される場合(1セクタは90°)、各セクタ毎に異なるデジタルコードを割り振ることができ、それらのデジタルコードを検出することにより、各セクタを識別することができる。
例えば、第1歯車1の1回転(360°)を8つに等分割しかつセクタ毎に異なるデジタルコード列を生成するためには、図1のコード検出素子4〜7から図2(d)に示すタイミングで出力される信号D1〜D4用いることによって、図2(e)に示すようなデジタルコード列を生成すればよい。
磁気センサ11は、図3にに示すように、4個の磁気検出素子11a,11b,11c,11dを有し、各磁気検出素子が矩形状の短手方向に磁化された2つの磁気抵抗素子11A,11Aを有して、その磁化方向が各磁気検出素子間で直交するように形成されており、計8つの磁気抵抗素子を抵抗素子とするブリッジ回路(図示略)が構成され、図示しない固定部材に固定された基板上に設けられる。それらの磁気抵抗素子は、異方性磁気抵抗効果をもつ強磁性体膜からなり、その抵抗値が磁気センサにかかる磁束の向き(磁界の方向変化)に応じて変化する。
磁気検出素子11a,11b,11c,11d間の距離が等距離にある点Xが回転磁石10の回転中心と同心に配置されるので、回転磁石10の回転に伴い、磁気検出素子11a,11b,11c,11dから位相が1/4周期(45°)ずつずれたsinθ、cosθ、−sinθ、−cosθの各信号が出力される。なお、磁気検出素子として、磁気抵抗素子、ホール素子などを用いることができる。これらのうちで、温度変化による出力変動が小さいことから、磁気抵抗素子が特に好適である。
図4に示すように、本例の絶対角検出装置の信号処理系は、磁気センサ11から出力されるsinθ、cosθ、−sinθ、−cosθの各信号を増幅する第1乃至第4の増幅器21〜24と、増幅されたsinθ、cosθ、−sinθ、−cosθの各信号をA/D変換するA/D変換器25〜28と、A/D変換されたsinθ、cosθ、−sinθ、−cosθの各信号に基づいて、tan−1θ、即ち、sinθ/cosθ、−sinθ/−cosθ、cosθ/−sinθ又は−cosθ/sinθを演算する演算部29と、第1乃至第4のコード検出素子4〜7から入力される複数ビットのデジタルコードに基づいて回転体Aの1回転を等分割してなる複数のセクタのそれぞれを識別するセクタ識別部31と、演算部29から出力されるtan−1θの信号及びセクタ識別部31から出力されるセクタ識別信号に基づいて回転体Aの絶対角を検出する角度検出器32とから主に構成されている。
以下、図5に基づいて、磁気センサ11の出力信号から算出されるtan−1θの信号とセクタ分割との関係を説明する。
前記したように、回転体Aが1回転する間に磁気検出素子11a,11b,11c,11dからsinθ、cosθ、−sinθ、−cosθの各信号が2周期分出力されるが、図5において、磁気検出素子11c,11dから出力される−sinθの信号及び−cosθの信号を除き、磁気検出素子11a,11bから出力されるsinθの信号及びcosθの信号だけが示されている。各信号の位相は相互に45°ずれている。これらの各信号を用いて演算部29にてsinθ/cosθの演算を行うと、1周期が90°のtan−1θの信号が得られる。即ち、本例の絶対角検出装置においては、回転体Aが1回転する間に演算部29からtan−1θの信号が4周期分出力される。したがって、角度検出部32において、演算部29から出力される1周期が90°のtan−1θの信号と、セクタ識別部31から出力されるセクタ識別信号(図2(a)のデジタルコード列)とを対応させることによって、回転体Aの絶対角を検出することができる。
なお、例えば回転体Aの1回転を8分割して回転体Aの絶対角を検出するためには、第1歯車1が1回転(360°)する間に第2歯車9を4回転させるように第1歯車と第2歯車の各歯数を設定し、演算部29で得られる1周期が45°のtan−1θの信号と、図2(e)に示す各セクタ毎に異なる8つのデジタルコード列をセクタ識別信号として、それらのセクタ識別信号とtan−1θの信号とを対応させることによって、回転体Aの絶対角を検出すればよい。
また、磁気センサ11は、磁気検出素子11a,11b,11c,11dからsinθ、cosθ、−sinθ及び−cosθの各信号を出力するので、絶対角検出装置のフェールセーフ性を高めることができる。例えば、全ての磁気検出素子が正常な場合、例えば、sinθ/cosθの演算及び−sinθ/−cosθの演算による逆正接値を比較参照して正しい絶対角度を検出でき、同様にして、−sinθ/−cosθの演算及びcosθ/−sin演算の演算による逆正接値を比較参照することによって絶対角を検出することができる。また、それらの磁気検出素子の一部が故障した場合、例えば、sinθを検出する磁気検出素子が故障した場合、sinθ/cosθの演算に代えて、−sinθと−cosθを検出する磁気検出素子から出力される信号に基づき−sinθ/−cosθの演算を代用して逆正接値を求めたり、また−cosθ/sinθの演算に代えて、−sinθとcosθを検出する磁気検出素子から出力される信号に基づきcosθ/−sinθの演算を代用して逆正接値を求めることによって絶対角を検出することができる。
このように、本例の絶対角検出装置は、回転体Aと、該回転体Aに取り付けられ、回転体Aと一体回転する第1歯車(コードホイール)1と、第1歯車1に形成された第1及び第2のコードパターン2,3と、コードパターン2,3と対向に配置された第1乃至第4のコード検出素子4〜7と、第1歯車1に噛み合わされ、第1歯車1に対して増速比が2n(nは自然数)で増速回転する第2歯車9と、第2歯車9に取り付けられた回転磁石10と、回転磁石10の回転角θに応じた磁界の方向変化によって位相が異なる正弦信号及び余弦信号を出力する磁気センサ11とからなるので、機構部の構成を簡略化でき、回転体が高速回転してもギヤの噛合音を低く抑えることができる。また、回転体Aの1回転する毎に回転磁石10が2n回転することから、1周期が90°以下のtan−1θの信号を生成でき、各セクタのそれぞれと1周期が90°以下のtan−1θの信号とを対応させて角度を検出することができるので、1セクタを180°とした従来技術に比べて、単位角度当たりの逆正接値の変化量を大きく設定することができ、複雑な回路構成やソフト処理を用いなくとも回転体の絶対角を高い分解能で高精度に検出できる。例えば、回転体Aの絶対角を0.1°〜0.5°、あるいはそれよりも高い分解能で検出することができる。
また、本実施形態の増速機構は、コードホイールに形成する第1歯車1と、回転体Aの回転軸に平行な回転軸をもつ第2歯車9とを噛合させるとともに、回転磁石10の中心(各磁気検出素子との間の距離が同一となる点)と第2歯車9の回転軸とを同心にして第2歯車と一体的に回転磁石10が設けられる構成とすることによって絶対角検出装置の機構部の構成を簡略できる例を説明したが、その他の構成として、第1歯車1をギヤのないコードホイールとし、回転体Aに歯車を取付けて、その歯車と回転体Aの回転軸に平行な回転軸をもつ第2歯車9とを噛合させるものとしてもよいし、回転体Aにギヤを形成し、そのギヤ部と回転体Aの回転軸に平行な回転軸をもつ第2歯車9とを噛合させるものであってもよい。
なお、本実施形態においては、デジタルコードの検出手段を遮光板とフォトインタラプタの組合せをもって形成したが、本発明の要旨はこれに限定されるものではなく、透孔や切り欠きなどの光学パターンとフォトインタラプタとの組合せ、磁気パターンと磁気検出素子との組合せ、又は抵抗体パターンと集電ブラシとの組合せなどをもって構成することもできる。
また、本実施形態においては、第1歯車1にコードパターン2,3を形成したが、本発明の要旨はこれに限定されるものではなく、歯車を有しないコードホイールにコードパターン2,3を形成し、当該コードホイールと同心かつ一体形成された第1歯車と第2歯車9とを噛み合わせる構成とすることもできる。
1 第1歯車(コードホイール)
2,3 コードパターン(遮光板)
4〜7 コード検出素子(フォトインタラプタ)
9 第2歯車
10 回転磁石
11 磁気センサ
11a〜11d 磁気検出素子
21〜24 増幅器
25〜28 A/D変換器
29 演算部
30 信号切替部
31 セクタ識別部
32 角度検出器
2,3 コードパターン(遮光板)
4〜7 コード検出素子(フォトインタラプタ)
9 第2歯車
10 回転磁石
11 磁気センサ
11a〜11d 磁気検出素子
21〜24 増幅器
25〜28 A/D変換器
29 演算部
30 信号切替部
31 セクタ識別部
32 角度検出器
Claims (3)
- 回転体と、該回転体に取り付けられ、該回転体と一体回転するコードホイールと、該コードホイールに形成されたコードパターンと、該コードパターンと対向に配置されたコード検出素子と、前記回転体又は前記コードホイールに増速比が2n(nは自然数)の増速機構を介して連結された回転磁石と、該回転磁石の回転角θに応じた磁界の方向変化によって正弦信号及び余弦信号を出力する磁気センサとを備え、
前記コード検出素子の出力信号に基づいて、前記回転体の1回転を4n個(nは自然数)に分割する複数個のセクタのそれぞれを識別すると共に、
前記磁気センサの前記正弦信号及び余弦信号に基づきtan−1θの信号を生成し、このtan−1θの信号に基づいて前記各セクタ内の絶対角を検出することを特徴とする絶対角検出装置。 - 前記磁気センサは、sinθ、cosθ、−sinθ及び−cosθの各信号を出力する磁気検出素子を有することを特徴とする請求項1に記載の絶対角検出装置。
- 前記増速機構は、前記コードホイールをなす第一歯車と、前記回転体の回転軸に平行な回転軸をもち前記第一歯車に噛合する第二歯車とを有し、前記回転磁石は、該回転磁石の中心が前記第二歯車の回転中心と一致するように設けられることを特徴とする請求項1に記載の絶対角検出装置。
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