JP2011033595A - 磁気式エンコーダ - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 回転体に取り付けられた永久磁石の磁界を検出する回転軸に対して対向する位置に取り付けられて対となる磁気検出素子の信号を取り出し、角度演算を行う検出信号処理回路を含む回路基板において磁気検出素子と信号処理部を連結する導線パターンを回転軸中心として同心円状に形成する。
【選択図】図2
Description
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に記載の発明は、回転軸に取り付けられ軸方向と垂直な一方向に磁化された円板状またはリング状の永久磁石と、前記永久磁石と空隙を介して設けられたリング状の固定体と、前記固定体内側に配置された複数の磁界検出素子と、前記複数の磁界検出素子の信号を伝え回転角度演算処理を行う回路基板を備え、前記回路基板が前記固定体の上方に固定配置された磁気式エンコーダにおいて、前記複数の磁界検出素子は機械角で90度おきに順に配置された第1、第2.第3、第4の磁界検出素子からなり、前記磁界検出素子は感磁面と平行な平面状に伸びた直線状の端子引出部を有し、前記端子引出部を介して前記回路基板に接続され、前記回転軸に対して対向する位置に取り付けられて対となる磁界検出素子は出力正端子同士および出力負端子同士を接続し、対となる一方の電源正端子と他方の電源負端子を接続することを特徴とするものである。
また、請求項2に記載の発明は、前記第1磁界検出素子の電源正端子と前記第3磁界検出素子の電源負端子、前記第2磁界検出素子の電源正端子と前記第4磁界検出素子の電源負端子を接続し、前記第1磁界検出素子の電源負端子と前記第3の磁界検出素子の電源正端子、前記第2磁界検出素子の電源負端子と前記第4磁界検出素子の電源正端子を接続し、
前記第1磁界検出素子の出力正端子と第3磁界検出素子の出力正端子を接続し、第1の差動増幅器の一方の入力端子に接続し、前記第1磁界検出素子の出力負端子と前記第3の磁界検出素子の出力負端子を接続し、第1の差動増幅器の他方の入力端子に接続し、前記第2磁界検出素子の出力正端子と前記第4磁界検出素子の出力正端子を接続し、第2の差動増幅器の一方の入力端子に接続し、第2磁界検出素子の出力負端子と第4の磁界検出素子の出力負端子を接続し、第2の差動増幅器の他方の入力端子に接続し、前記第1、第2の差動増幅器出力信号から回転角度を演算することを特徴とするものである。
また、請求項3に記載の発明は、回転軸に取り付けられ軸方向と垂直な一方向に磁化された円板状またはリング状の永久磁石と、前記永久磁石と空隙を介して設けられたリング状の固定体と、前記固定体内側に配置された複数の磁界検出素子と、前記固定体の上方に設けられ、前記複数の磁気検出素子の検出信号を伝送する複数層の導線パターンを有する回路基板と、前記複数の磁気検出素子の検出信号から回転角度位置を検出する磁気式エンコーダにおいて、前記複数の磁界検出素子は機械角で90度おきに順に配置された第1、第2.第3、第4の磁界検出素子からなり、対となる対向した前記磁気検出素子の出力正端子同士、および出力負端子同士を回転軸を中心として同心円状に形成した前記回路基板の導線パターンで結線したことを特徴とするものである。
また、請求項4に記載の発明は、前記回路基板の対となる導線パターンを、前記回路基板の別々の層で、回転軸を中心として同一径で同心円状に重なるように形成したことを特徴とするものである。
また、請求項5に記載の発明は、前記磁界検出素子がホール素子であることを特徴とするものである。
請求項3に記載の発明によると、回路基板の導線パターンを回転軸を中心として同心円状に形成することで、円板状の永久磁石からの漏れ磁束による検出信号の導線パターンに重畳する誘起電圧を相殺することができるので、高精度な回転角度を得ることができる。
また、請求項4に記載の発明によると、磁気検出素子の対となる信号線を前記回路基板の別々の層で回転軸を中心として同一径で円状に重なるように形成したことで、外部磁界の回転軸方向成分により検出信号の導線パターンに重畳する誘起電圧を相殺することができるので、高精度な回転角度を得ることができる。
また、請求項5に記載の発明によると、磁気検出素子としてホール素子を用いるため、比較的安価に容易に構成することができる。
図3は、対向位置に配置したホール素子42、44の形状を示す。パッケージの中心部に垂直方向の磁界を検出する感磁部90、91があり、端子(1)は電源正端子、端子(3)は電源負端子、端子(2)は出力正端子、端子(4)は出力負端子である。各々の端子よりパッケージと平行方向に信号を引出す引出部81〜84と85〜88がある。
この引出部を介してホール素子41,42,43,44は前記回路基板15に接続されている。
次に、ホール素子42と回転軸11に対して対向するホール素子44の電源負端子(3)は+電源、電源正端子(1)は−電源につながる。永久磁石12のN極側のホール素子44の出力負端子(4)は−出力となり、引出部88を介して回路基板15上の導線64へ繋がる。またホール素子44の出力正端子(2)は+出力となり、引出部86を介して回路基板上の導線63と繋がる。導線64と63は回路基板15上の第1の差動増幅器100へと繋がる。ホール素子42、ホール素子44のそれぞれの出力正端子(2)同士、およびそれぞれの出力負端子(4)同士は結線され第1の差動増幅器に繋がれ、第1の差動増幅器の出力には回転角度に対して正弦波信号が得られる。ホール素子41、43の対についても前記ホール素子42,44と同様に構成、結線され第2の差動増幅器につながれ余弦波関数の出力信号を得る。
回転軸11が回転すると永久磁石12の半径方向磁界の変化を受けて各ホール素子には回転角度位置に応じた信号が検出される。
図5は本発明の第1実施例のある回転角度での磁界方向を示す正面図である。
図6は本発明の第1実施例のある回転角度での磁界方向を示す側面図である。
図7は本発明の第1実施例のある回転角度での磁界方向と信号方向を示す模式図であり、ホール素子42、44の感磁方向はいずれも紙面上向きである。
図7によるとホール素子42の感磁部付近の磁界方向は紙面上方向、ホール素子44の感磁部付近の磁界方向は紙面下方向である。このときホール素子42の出力負端子(4)は−電位、出力正端子(2)は+電位となり、ホール素子44の出力負端子(4)は−電位、出力正端子(2)は+電位となる。
本発明構成の図6および図7によると、ホール素子42の引き出し部〜導線部で構成される回路ループの誘起電圧は引出部84側が+電位となり、ホール素子44の引出部〜導線部で構成される回路ループの誘起電圧は引出部86側が+電位となる。
誘起電圧の重畳したホール素子42、44の検出信号は第1の差動増幅器100の入力前での+入力と−入力間での信号で考えると差動増幅器100の増幅前信号Vaは、
Va={(Va1−ve1)+(Va2+ve2)}/2
このとき、誘起電圧の絶対値| ve1| 、| ve2|は、ホール素子42、44の引出部82、84と引出部86、88で形成する鎖交面積が同一となるため等しくなる。
すなわち第1の差動増幅器100の出力信号Vaoutは増幅率を1とすれば
Vaout=(Va1+Va2)/2
ホール素子42,44に対して90度離れた位置にあるホール素子41、43のペアについても前記同様の構成とし、ホール素子42、44の検出信号の差動増幅器の出力をVaout、ホール素子41、43の検出信号の差動増幅器の出力をVbout、永久磁石の回転角度θとすると
Vaout= V0 cosθ
Vbout= V0 sinθ
となり、誘起電圧成分を含まず、したがって
θ=arctan(Vbout/Vaout)
の演算をすることで、引出部〜導線部の回路ループで発生する誘起電圧の重畳をなくした高精度な角度θを得ることができる。
図8は、本発明の第2実施例の構成を示す斜視図である。 図において、11は回転軸で図示していないモータなどのシャフトに取り付けられ、モータなどのシャフトと一緒に回転する。12は永久磁石で前記回転軸11に固定されている。13はモータなどの固定子に固定されるリング状の形状をした固定体で、前記永久磁石12から空隙を介して外周に配置される。なお前記固定体13は、磁性体でも非磁性体でも構わないが、検出信号を大きくとるため本実施例では磁性体とする。前記固定体13の内側には、前記永久磁石12からの磁界を検出するホール素子41、42、43、44が配置されている。ホール素子41と43および42と44はそれぞれ回転軸に対して対向し、さらにホール素子41と43の対はホール素子42と44の対に対して回転軸を中心に機械角90°ずらして配置している。以上は第1実施例の構成と同じである。
15はガラスエポキシ基板材等からなる複数の層で構成される回路基板で、前記ホール素子41、42、43、44への電源供給や検出信号を伝送する導線パターン、さらには検出信号から回転角度位置を検出する検出信号処理回路が搭載されている。前記回路基板15は、前記固定体13の上方に配置され、固定体13に固定されている。前記回転軸11が回転すると前記回転軸11と一緒に回転する前記永久磁石12の磁界変化を受けて前記ホール素子41、42、43、44には回転角度位置に応じた信号が検出される。
図において、回路基板15は4層基板で、図の表面から順に第1層、第2層、第3層、第4層としている。第1層の導線パターンは実線で、第2層、第3層、第4層の導線パターンは破線で示す。なお、本図ではホール素子42と44の対の検出信号の導線パターンだけを示している。
前記回路基板15に設けた導線パターン61と62および63と64は、図10の接続図に示すようにホール素子42と44の(+)信号出力端子同士と、(−)信号出力端子同士をそれぞれ接続し、径方向に導線パターンが形成されている。導線61と62はそれぞれ基板の第2層、第3層に導線パターンが形成され、回転軸方向にほぼ同位置で重ねている。導線63と64はそれぞれ基板の第3層、第2層に導線パターンが形成され回転軸方向にほぼ同位置で重ねている。
図11は、本発明の第2実施例の動作を示す模式図であり、図11(a)は前記永久磁石12の磁極が水平方向になった場合、図11(b)は前記永久磁石の磁極が垂直方向になった場合をそれぞれ示している。この図では前記永久磁石12の径方向の磁界と一緒に回路基板15を貫く漏れ磁束の回転軸方向成分の動きを示している。図において、501は磁石の磁極が水平方向の場合の前記回路基板15を貫く紙面上向きの漏れ磁束を、502は磁石の磁極が水平方向の場合の前記回路基板15を貫く紙面下向きの漏れ磁束を、503は磁石の磁極が垂直方向の場合の前記回路基板15を貫く紙面上向きの漏れ磁束を、504は磁石の磁極が垂直方向の場合の前記回路基板15を貫く紙面下向きの漏れ磁束を示している。ファラデーの電磁誘導の法則から、誘起電圧は導線で囲まれる面に鎖交する磁束の時間変化で発生するため、図11(a)に示す前記漏れ磁束501と502は導線パターン65に同じ大きさの誘起電圧を発生する。しかし導線パターン65は回転軸を中心として同心円状の導線パターンにしているため、前記漏れ磁束501と502による誘起電圧は逆の符号となり相殺することができる。同様に前記漏れ磁束503と504による誘起電圧も同様に相殺することができる。
12 永久磁石
13 固定体
15 回路基板
18 検出信号処理回路
41、42、43、44 ホール素子 (磁気検出素子)
61、62、63、64、65、66 導線パターン
71、72、73、74、75、76 導線パターン
81〜84、85〜88 引出部
90、91 ホール素子感磁部
100 第1(第2)の差動増幅器
120 回転体
122,124 永久磁石
130,131 磁気検出素子
180 基台
182 ECU
Claims (5)
- 回転軸に取り付けられ軸方向と垂直な一方向に磁化された円板状またはリング状の永久磁石と、前記永久磁石と空隙を介して設けられたリング状の固定体と、前記固定体内側に配置された複数の磁界検出素子と、前記複数の磁界検出素子の信号を伝え回転角度演算処理を行う回路基板を備え、前記回路基板が前記固定体の上方に固定配置された磁気式エンコーダにおいて、
前記複数の磁界検出素子は機械角で90度おきに順に配置された第1、第2.第3、第4の磁界検出素子からなり、
前記磁界検出素子は感磁面と平行な平面状に伸びた直線状の端子引出部を有し、前記端子引出部を介して前記回路基板に接続され、
前記回転軸に対して対向する位置に取り付けられて対となる磁界検出素子は出力正端子同士および出力負端子同士を接続し、
対となる一方の電源正端子と他方の電源負端子を接続したことを特徴とする磁気式エンコーダ。 - 前記第1磁界検出素子の電源正端子と前記第3磁界検出素子の電源負端子、前記第2磁界検出素子の電源正端子と前記第4磁界検出素子の電源負端子を接続し、
前記第1磁界検出素子の電源負端子と前記第3の磁界検出素子の電源正端子、前記第2磁界検出素子の電源負端子と前記第4磁界検出素子の電源正端子を接続し、
前記第1磁界検出素子の出力正端子と第3磁界検出素子の出力正端子を接続し、第1の差動増幅器の一方の入力端子に接続し、
前記第1磁界検出素子の出力負端子と前記第3の磁界検出素子の出力負端子を接続し、第1の差動増幅器の他方の入力端子に接続し、
前記第2磁界検出素子の出力正端子と前記第4磁界検出素子の出力正端子を接続し、第2の差動増幅器の一方の入力端子に接続し、
第2磁界検出素子の出力負端子と第4の磁界検出素子の出力負端子を接続し、第2の差動増幅器の他方の入力端子に接続し、
前記第1、第2の差動増幅器出力信号から回転角度を演算することを特徴とする請求項1記載の磁気エンコーダ。 - 回転軸に取り付けられ軸方向と垂直な一方向に磁化された円板状またはリング状の永久磁石と、前記永久磁石と空隙を介して設けられたリング状の固定体と、前記固定体内側に配置された複数の磁界検出素子と、前記固定体の上方に設けられ、前記複数の磁気検出素子の検出信号を伝送する複数層の導線パターンを有する回路基板と、前記複数の磁気検出素子の検出信号から回転角度位置を検出する磁気式エンコーダにおいて、
前記複数の磁界検出素子は機械角で90度おきに順に配置された第1、第2.第3、第4の磁界検出素子からなり、
対となる対向した前記磁気検出素子の出力正端子同士、および出力負端子同士を回転軸を中心として同心円状に形成した前記回路基板の導線パターンで結線したことを特徴とする磁気式エンコーダ。 - 前記回路基板の対となる導線パターンを、前記回路基板の別々の層で、回転軸を中心として同一径で同心円状に重なるように形成したことを特徴とする請求項3記載の磁気式エンコーダ。
- 前記磁界検出素子がホール素子であることを特徴とする請求項1ないし請求項4のいずれか1項記載の磁気エンコーダ。
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JP2007218592A (ja) * | 2006-02-14 | 2007-08-30 | Denso Corp | 回転角度検出装置 |
WO2007132603A1 (ja) * | 2006-05-12 | 2007-11-22 | Kabushiki Kaisha Yaskawa Denki | 磁気式エンコーダ装置 |
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