JP2012088276A - 回転検出器 - Google Patents

Abstract

【課題】高分解能、高耐久性、高信頼性を備えた磁性体歯車と磁気センサとバイアス磁石を用いたアブソリュートエンコーダである回転検出器を提供すること。
【解決手段】回転体の回転軸５に同軸に取り付けられた２個の磁性体歯車１，２と、この磁性体歯車１，２の各々に対向するように配置された２個の磁気センサ７，８と、磁性体歯車１，２の回転に応じて磁気センサ７，８に印加される磁束密度が変化するように配置されたバイアス磁石６とを備えている。磁気センサ７，８の各々は、磁性体歯車１，２の回転に応じて１歯あたり９０度位相差を有するＡ／Ｂ相の正弦波出力を１位相だけ出力するアブソリュートエンコーダであり、磁性体歯車１，２の歯数が１歯だけ異なるように構成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、工作機械や産業用ロボットなどの関節の回転角度検出に用いられるアブソリュートエンコーダである回転検出器に関し、より詳細には、磁性体歯車と磁気センサとバイアス磁石を用いたアブソリュートエンコーダや多極磁石と磁気センサを用いたアブソリュートエンコーダに関する。

近年、工作機械や産業用ロボットにおいて、エンコーダには高分解能、高耐久性、高信頼性が求められている。これまで工作機械や産業用ロボットで使用されてきた光学式エンコーダは、高分解能は実現できているが、ＬＥＤやフォトディテクタなど光学部品を使用するため、油、埃、粉塵、熱などに弱いことが問題視されており、工作機械や産業用ロボットが稼動する過酷な環境で使用されるエンコーダには、高耐久性、高信頼性を備えた磁気式エンコーダが使用され始めている。

高分解能を実現可能な磁気式エンコーダには、例えば、特許文献１に記載されているような多極着磁磁石（マグネットスケール）と磁気センサを用いたエンコーダと、特許文献２に記載されているような磁性体歯車と磁気センサとバイアス磁石（単極着磁磁石）を用いたエンコーダとがあるが、上述した特許文献１に記載されているような多極着磁磁石は、単極磁石よりも熱に弱いため、上述した特許文献２に記載されているような、さらに高耐久性や高信頼性を備えた磁性体歯車と磁気センサとバイアス磁石を用いたエンコーダが主流となっている。

近年の産業用ロボットのエンコーダには、インクリメンタルタイプ（相対位置検出型）とアブソリュートタイプ（絶対位置検出型）の２種類がある。インクリメンタルタイプは相対値出力で、回転角の変化分に対してパルスが出力されるが、停電中に動いた量が分からないため、電源投入時の原点復帰動作が必要であり、構造が比較的簡単のため安価である。これに対して、アブソリュートタイプは絶対値出力で、回転角の絶対値が出力され、電源投入時の原点復帰動作は不要あるが、構造が比較的複雑のため高価である。

このように、最近では工作機械や産業用ロボットの高性能化に伴い、これらに使用されるモータには、電源投入時から精度よくトルク制御を行わなければならないものがあり、産業用モータのエンコーダには、絶対角度検知が可能なアブソリュートエンコーダが望まれている。

特開平５−２８８５７１号公報 特開平９−２８０８８７号公報 特開平５−２８８５６８号公報 特開２００４−３２５０７８号公報

しかしながら、これまで高分解能、高耐久性、高信頼性を備えた磁性体歯車と磁気センサとバイアス磁石を用いたエンコーダでは、完全なアブソリュートエンコーダは実現できていなかった。例えば、特許文献３や特許文献４に記載されているように、特殊加工を施した磁性体歯車を用いることでインデックス信号や特殊なコードを発生させ、擬似的なアブソリュートエンコーダを実現していたが、これらでは電源投入時に絶対角度を検出することはできないという問題がある。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、高分解能、高耐久性、高信頼性を備えた磁性体歯車と磁気センサとバイアス磁石を用いたアブソリュートエンコーダや多極磁石と磁気センサを用いたアブソリュートエンコーダである回転検出器を提供することにある。

本発明は、このような目的を達成するためになされたもので、請求項１に記載の発明は、回転体の回転軸に同軸に取り付けられた複数の磁性体歯車と、該磁性体歯車の各々に対向するように配置された複数の磁気センサと、前記磁性体歯車の回転に応じて前記磁気センサに印加される磁束密度が変化するように配置されたバイアス磁石を備え、前記磁気センサの各々が、前記磁性体歯車の回転に応じて１歯あたり９０度位相差を有するＡ／Ｂ相の正弦波出力を１位相だけ出力するアブソリュートエンコーダであり、前記磁性体歯車の歯数が１歯だけ異なることを特徴とする。

また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記磁気センサのうち、前記歯数の多い一方の磁性体歯車に対向して配置された一方の磁気センサより得られる９０度位相差を有するＡ／Ｂ相の正弦波出力から演算して得られた１位相内の電気角度から、前記歯数の少ない他方の磁性体歯車に対向して配置された他方の磁気センサより得られる９０度位相差を有するＡ／Ｂ相の正弦波出力から演算して得られた１位相内の電気角度を減算することにより、回転体の機械的な絶対角度検出を行うことを特徴とする。

また、請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の発明において、前記磁気センサが、１つのパッケージ内に封入されていることを特徴とする。

また、請求項４に記載の発明は、請求項１，２又は３に記載の発明において、前記磁気センサが、半導体磁気抵抗素子であることを特徴とする。

また、請求項５に記載の発明は、請求項１乃至４のいずれかに記載の発明において、前記複数の磁性体歯車及び前記複数の磁気センサが、それぞれ２個であることを特徴とする。

また、請求項６に記載の発明は、回転体の回転軸に同軸に取り付けられた複数の磁極数を有する多極磁石と、該多極磁石の各々に対向するように配置され、該多極磁石の回転に応じて磁束密度の変化を検出する複数の磁気センサとを備え、前記磁気センサの各々が、前記多極磁石の回転に応じて１磁極数あたり９０度位相差を有するＡ／Ｂ相の正弦波出力を１位相だけ出力するアブソリュートエンコーダであり、前記多極磁石の磁極数が１対だけ異なることを特徴とする。

また、請求項７に記載の発明は、請求項６に記載の発明において、前記磁気センサのうち、前記磁極数の多い一方の多極磁石に対向して配置された一方の磁気センサより得られる９０度位相差を有するＡ／Ｂ相の正弦波出力から演算して得られた１位相内の電気角度から、前記磁極数の少ない他方の多極磁石に対向して配置された他方の磁気センサより得られる９０度位相差を有するＡ／Ｂ相の正弦波出力から演算して得られた１位相内の電気角度を減算することにより、回転体の機械的な絶対角度検出を行うことを特徴とする。

また、請求項８に記載の発明は、請求項６又は７に記載の発明において、前記磁気センサが、１つのパッケージ内に封入されていることを特徴とする。

また、請求項９に記載の発明は、請求項６，７又は８に記載の発明において、前記磁気センサが、半導体磁気抵抗素子又はホールセンサであることを特徴とする。

また、請求項１０に記載の発明は、請求項６乃至９のいずれかに記載の発明において、前記複数の多極磁石及び前記複数の磁気センサが、それぞれ２個であることを特徴とする。

本発明によれば、回転体の回転軸に同軸に取り付けられた複数の磁性体歯車と、この磁性体歯車の各々に対向するように配置された複数の磁気センサと、磁性体歯車の回転に応じて磁気センサに印加される磁束密度が変化するように配置されたバイアス磁石を備え、磁気センサの各々が、磁性体歯車の回転に応じて１歯あたり９０度位相差を有するＡ／Ｂ相の正弦波出力を１位相だけ出力するアブソリュートエンコーダであり、磁性体歯車の歯数が１歯だけ異なるようにしたので、高分解能、高耐久性、高信頼性を備えた磁性体歯車と磁気センサとバイアス磁石を用いたアブソリュートエンコーダを提供することが可能となった。

また、回転体の回転軸に同軸に取り付けられた複数の磁極数を有する多極磁石と、この多極磁石の各々に対向するように配置され、多極磁石の回転に応じて磁束密度の変化を検出する複数の磁気センサとを備え、磁気センサの各々が、多極磁石の回転に応じて１磁極数あたり９０度位相差を有するＡ／Ｂ相の正弦波出力を１位相だけ出力するアブソリュートエンコーダであり、多極磁石の磁極数が１対だけ異なるようにしたので、高分解能、高耐久性、高信頼性を備えた磁性体歯車と磁気センサとバイアス磁石を用いたアブソリュートエンコーダを提供することが可能となった。

本発明に係る回転検出器の磁性体歯車と磁気センサとバイアス磁石を用いたアブソリュートエンコーダの概略上面図である。 ８枚の歯数を有する磁性体歯車が機械角で３６０°回転した場合における、歯数が８枚の磁性体歯車に対向して配置された磁気センサからの出力を示す図である。 ７枚の歯数を有する磁性体歯車が機械角で３６０°回転した場合における、歯数が７枚の磁性体歯車に対向して配置された磁気センサからの出力を示す図である。 各２個の磁性体歯車の機械角に対する、各磁気センサの出力から演算される電気角［ｄｅｇ］を示す図である。 歯数が８枚の磁性体歯車に対向して配置された磁気センサの出力から演算される電気角αから、歯数が７枚の磁性体歯車に対向して配置された磁気センサの出力から演算される電気角βを減算した値を示す図である。 本発明に係る回転検出器の多極磁石と磁気センサを用いたアブソリュートエンコーダの概略上面図である。 Ａ相及びＢ相を説明するための歯車の歯のピッチを示す図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。

図１は、本発明に係る回転検出器の磁性体歯車と磁気センサとバイアス磁石を用いたアブソリュートエンコーダを説明するための概略上面図で、図中符号１は歯数がＮ枚の磁性体歯車、２は歯数がＮ−１枚の磁性体歯車、３は磁気センサを実装している実装基板、４はリードフレーム、５は回転体の回転軸、６は単極着磁されたバイアス磁石、７は歯数がＮ枚の磁性体歯車に対向して配置された一方の磁気センサ、８は歯数がＮ−１枚の磁性体歯車に対向して配置された他方の磁気センサ、９ａは歯数がＮ枚の磁性体歯車に対向して配置された一方の磁気センサのチップ、９ｂは歯数がＮ−１枚の磁性体歯車に対向して配置された他方の磁気センサのチップを示している（Ｎは３以上の整数）。

本発明の回転検出器は、歯数がＮ枚の一方の磁性体歯車１と、歯数がＮ−１枚の他方の磁性体歯車２と、実装基板３にリードフレーム４を介して実装されている２個の磁気センサ７，８と、単極着磁されたバイアス磁石６とを備えたアブソリュートエンコーダである。つまり、回転体の回転軸５に同軸に取り付けられた２個の磁性体歯車１，２と、この磁性体歯車１，２の各々に対向するように配置された２個の磁気センサ７，８と、磁性体歯車１，２の回転に応じて磁気センサ７，８に印加される磁束密度が変化するように配置されたバイアス磁石６とを備えている。

また、本発明の回転検出器は、磁気センサ７，８の各々が、磁性体歯車１，２の回転に応じて１歯あたり９０度位相差を有するＡ／Ｂ相の正弦波出力を１位相だけ出力するアブソリュートエンコーダであり、磁性体歯車１，２のどちらかの歯数が１歯だけ異なるように構成されている。

一方の磁気センサ７は、歯数がＮ枚の磁性体歯車１に対向して所定の間隔をおいて配置され、他方の磁気センサ８は、歯数がＮ−１枚の磁性体歯車２に対向して所定の間隔をおいて配置されている。また、一方の磁気センサ７のチップ９ａは、歯数がＮ枚の磁性体歯車１に対向して配置され、他方の磁気センサ８のチップ９ｂは、歯数がＮ−１枚の磁性体歯車２に対向して配置されている。

このように、各２個の磁性体歯車１，２に、所定の距離を隔てて対向するように各２個の磁気センサ７，８を配置し、磁気センサ７，８の背面に単極着磁されたバイアス磁石６を着磁方向が実装基板３に垂直になるように配置されている。

この際、実装基板３にバイアス磁石６と同サイズの穴を空け、２個の磁気センサ７，８により近づけてバイアス磁石６を配置しても良い。バイアス磁石６が２個の磁気センサ７，８に近ければ近い方が大きな出力電圧が得られるため、磁気センサ７，８の背面に密着させて使用することが好ましい。

また、バイアス磁石６は、磁気センサ７，８に対し、それぞれ１つずつあっても良い。もし、２個の磁性体歯車１，２の距離が離れた場合には、バイアス磁石６は、磁気センサ７，８に対し、それぞれ１つずつ用意した方が、磁石を小さくできコストダウンを図ることができる。

さらに、歯数が１歯だけ異なる各２個の磁性体歯車１，２は、歯厚方向への空間ギャップ無しで配置されるか、もしくは焼結などにより２個の磁性体歯車１，２を１体で成型してもよい。そうすることによりエンコーダ自体を小型化・薄型化することができる。

また、歯数が１歯だけ異なる各２個の磁性体歯車１，２は、歯数だけ１歯違えば、同じモジュールｍ（歯のピッチ＝ｍ×π）で作製しても、モジュールｍを変更し、磁性体歯車１，２の外径をあわせて作製しても良い。同じモジュールｍ（歯のピッチ＝ｍ×π）で、歯数が１歯だけ異なる各２個の磁性体歯車１，２を作製すると、歯数の少ない方の磁性体歯車は、歯数の多い方の磁性体歯車より直径が小さくなり、各２個の磁気センサと各２個の磁性体歯車の各ギャップが異なる。大きくギャップが異なると２個の磁気センサ７，８の各出力電圧振幅が異なるためアンプなどの信号処理回路を２個の磁気センサ７，８で変える必要が出る可能性がある。それが問題であるようであれば、モジュールｍを変更し、磁性体歯車１，２の外径をあわせて作製しても良い。

さらには、本発明における、各２個の磁性体歯車１，２の回転方向における相対位置関係は、特に合わせる必要はなく、信号処理側でどこかを零点とすればよいので、組みつけが容易であることは言うまでもない。

また、２個の磁気センサ７，８は、１つのパッケージ内に２個の磁気センサ７，８のチップ９ａ，９ｂを封入したものであってもよい。特に、歯厚方向への空間ギャップ無しで配置されるか、もしくは焼結などにより２個の磁性体歯車１，２を１体で成型した場合においては、２個の磁気センサ同士の距離が短くできるため、１つのパッケージ内に２個の磁気センサ７，８のチップ９ａ，９ｂを封入して、実装誤差による影響を小さくした方がより高分解能のエンコーダが作製可能となる。さらに、エンコーダを高分解能化するために、磁気センサ７，８のチップ９ａ，９ｂを一体化して作製し、ダイボンドの位置ズレ誤差による影響を小さくしても良い。

さらには、歯数がＮ枚の磁性体歯車に対向して配置された一方の磁気センサ７と、歯数がＮ−１枚の磁性体歯車に対向して配置された一方の磁気センサ８は、それぞれ２個の磁性体歯車１，２の回転に応じて１歯あたり９０度位相差をもつＡ／Ｂ相の正弦波出力を１位相だけ出力する磁気センサであれば良い。例えば、このような磁気センサには、旭化成エレクトロニクス製の半導体磁気抵抗素子ＭＳ−００ＸＸシリーズや、ＭＳ−Ｐ０ＸＸシリーズなどがある。

ここで、磁性体歯車の機械角での回転角度をθとすると、歯数がＮ枚の磁性体歯車に対向して配置された一方の磁気センサ７の９０度位相差をもつＡ／Ｂ相の正弦波出力から演算される電気角での回転角度は機械角×歯数＝θ×Ｎとなり、歯数がＮ−１枚の磁性体歯車に対向して配置された他方の磁気センサ８の９０度位相差をもつＡ／Ｂ相の正弦波出力から演算される電気角での回転角度はθ×（Ｎ−１）となる。このことより、歯数がＮ枚の磁性体歯車に対向して配置された一方の磁気センサ７の９０度位相差をもつＡ／Ｂ相の正弦波出力から演算される電気角θ×Ｎから、歯数がＮ−１枚の磁性体歯車に対向して配置された他方の磁気センサ８の９０度位相差をもつＡ／Ｂ相の正弦波出力から演算される電気角θ×（Ｎ−１）を減算することにより機械角での絶対回転角度θが求まることが分かる。

実際、各２個の磁気センサ７，８の９０度位相差をもつＡ／Ｂ相の正弦波出力から演算される電気角度は０°≦電気角＜３６０°であるため、減算結果が負の値になることがあるが、その取り扱いが困難であれば、減算した結果が負の値の場合には、その値に３６０°加算する演算を行えば、すべて正の値のみの機械角θとなることは言うまでもない。

ここで電気角と機械角について説明する。例えば、６０枚の歯を持つ歯車に電磁式検出器を取り付け、歯車が１回転すると、電磁式検出器からの信号は、正弦波６０サイクル分が出力される。ここで信号正弦波の１周期を２πｒａｄ（３６０度）にとって表現した位相を電気角という、また、歯車の１回転を２πｒａｄにとった位相を機械角という。

また、ここでＡ相及びＢ相について説明する。一般的には、歯車の回転を検出する際は、２個の磁気抵抗効果素子を直列に接続した３端子の磁気抵抗素子（単相出力）、あるいは、４個の磁気抵抗効果素子をループ状に接続した４端子の磁気抵抗効果素子（Ａ相／Ｂ相の２相出力）が使用されている。３端子の磁気抵抗効果素子では、歯車の山と谷とに、２個の磁気抵抗効果素子をそれぞれ合わせて配置されている。また、４端子の磁気抵抗効果素子では、図７に示すように、歯車の山と谷にあわせて２個の磁気抵抗効果素子を直列に配置したもの（Ａ相）と、その１／４周期ずれた位置にさらなる２個の磁気抵抗効果素子を直列に配置したもの（Ｂ相）が含まれている。そして、それぞれに、直流電源を接続し、出力端子の電位をそれぞれ出力電圧として取出すようにしている。

本発明によれば、高分解能、高耐久性、高信頼性を備えた磁性体歯車と磁気センサとバイアス磁石を用いたアブソリュートエンコーダを提供することが可能となった。

以下に、磁気抵抗効果素子（ＳＭＲ）を用いた回転検出器の具体的な実施例について説明する。しかしながら、本発明は、これらの実施例に限定されるものではない。

本実施例１では、２個の磁性体歯車の歯数をそれぞれ８枚，７枚とした場合について説明する。

図２は、８枚の歯数を有する磁性体歯車が機械角で３６０°回転した場合における、歯数が８枚の磁性体歯車に対向して配置された磁気センサからの出力を示す図である。ここでは、出力は規格化してある。このように、歯数が８枚の磁性体歯車の１回転に対し、歯数が８枚の磁性体歯車に対向して配置された磁気センサは、９０度位相差をもつＡ／Ｂ相の正弦波出力を８位相分だけ出力する。

図３は、７枚の歯数を有する磁性体歯車が機械角で３６０°回転した場合における、歯数が７枚の磁性体歯車に対向して配置された磁気センサからの出力を示す図である。ここでは、出力は規格化してある。このように、歯数が７枚の磁性体歯車の１回転に対し、歯数が７枚の磁性体歯車に対向して配置された磁気センサは、９０度位相差をもつＡ／Ｂ相の正弦波出力を７位相分だけ出力する。

図４は、各２個の磁性体歯車の機械角に対する、各磁気センサの出力から演算される電気角を示す図である。ここで、各磁気センサの９０度位相差をもつＡ／Ｂ相の正弦波出力から電気角を演算する方法は、式１のように余弦波（Ａ相）と正弦波（Ｂ相）との信号を用いてＴａｎｇｅｎｔ変換して求める方法でもよい。
電気角=ａｒｃｔａｎ（Ｖｓｉｎ／Ｖｃｏｓ）・・・式１

図４において、電気角αは、歯数が８枚の磁性体歯車に対向して配置された磁気センサの出力から演算される電気角を示し、電気角βは、歯数が７枚の磁性体歯車に対向して配置された磁気センサの出力から演算される電気角を示してある。ここで、歯数が８枚の磁性体歯車と、歯数が７枚の磁性体歯車は、同一の回転体の回転軸に固定されているため、各磁性体歯車の機械角は同じ値を取ることは言うまでもない。当然、図４に示されるように、各磁性体歯車の所定の機械角に対して、電気角αと電気角βは異なる値を取る。

図５は、歯数が８枚の磁性体歯車に対向して配置された磁気センサの出力から演算される電気角αから、歯数が７枚の磁性体歯車に対向して配置された磁気センサの出力から演算される電気角βを減算した値を示す図である。図５における「補正なし」は、各２個の磁性体歯車の機械角に対する、各２個の磁気センサから演算されるα−βの値を示し、「補正あり」とは、各２個の磁気センサから演算される電気角α−βの値が負の値だった場合に、α―βに３６０°を加算したものを示している。各２個の磁気センサの９０度位相差をもつＡ／Ｂ相の正弦波出力から演算される電気角度は０°≦電気角＜３６０°であるため、減算結果が「補正なし」のように負の値になることがあるが、その取り扱いが困難であれば、減算した結果が負の値の場合には、その値に３６０°加算する演算を行えば、「補正あり」のように、すべて正の値のみとして扱うことができる。

ここで、歯数が８枚の磁性体歯車に対向して配置された磁気センサの出力から演算される電気角αから、歯数が７枚の磁性体歯車に対向して配置された磁気センサの出力から演算される電気角βを減算した値α−βが各２個の磁性体歯車の機械角と同じ値になることが分かる。

上述したようにして求めた機械角で大まかな絶対角度位置を特定し、求めた大まかな絶対角度位置情報と、磁性体歯車に対向して配置された磁気センサの出力から演算される電気角αの情報とを組み合わせることによって、さらに細かい角度位置情報を求めることにより、高分解能なアブソリュートエンコーダを実現できる。ここで、大まかな絶対角度位置とは、どの歯を磁気センサが検出しているかがわかる程度の精度で角度検出できれば良い。さらに、電気角αは、例えば、ｉＣ−Ｈａｕｓ製のｉＣ−ＮＱなどの逓倍回路などで容易に演算でき、通常は、電気角αは１３ｂｉｔ（電気角＝０．０４４°）の分解能で演算可能である。

上述した本実施例1では、歯車の歯数を簡単のため８枚（３ｂｉｔ）、７枚としたが、通常使用される場合は６４枚（６ｂｉｔ）、６３枚や、１２８枚（７ｂｉｔ）、１２７枚や、２５６枚（８ｂｉｔ）、２５５枚などであってもよい。これらの磁性体歯車と組み合わせた場合、例えば、歯数が８枚、７枚の場合は、歯数で３ｂｉｔ（８枚）、電気角で１３ｂｉｔゆえ組み合わせると１６ｂｉｔ／回転のアブソリュートエンコーダが実現できる。

また、逓倍回路が上記と同様に１３ｂｉｔの分解能で電気角を演算可能であれば、歯数が６４枚（６ｂｉｔ）、６３枚の場合は、１９ｂｉｔ／回転のアブソリュートエンコーダを実現可能であり、歯数が１２８枚（７ｂｉｔ）、１２７枚の場合では２０ｂｉｔ／回転、歯数が２５６枚（８ｂｉｔ）、２５５枚の場合では２１ｂｉｔ／回転のアブソリュートエンコーダとなることは言うまでもない。

このように、本発明によれば、回転体の回転軸に同軸に取り付けられた複数の磁性体歯車と、この磁性体歯車の各々に対向するように配置された複数の磁気センサと、磁性体歯車の回転に応じて磁気センサに印加される磁束密度が変化するように配置されたバイアス磁石を備え、磁気センサの各々が、磁性体歯車の回転に応じて１歯あたり９０度位相差を有するＡ／Ｂ相の正弦波出力を１位相だけ出力するアブソリュートエンコーダであり、磁性体歯車の歯数が１歯だけ異なるようにしたので、小型化・薄型化可能で、高分解能、高耐久性、高信頼性を備えた磁性体歯車と磁気センサとバイアス磁石を用いたアブソリュートエンコーダを提供することが可能となることがわかる。

次に、本実施例２では、回転体の回転軸に磁性体歯車ではなく多極磁石を取り付けた場合について説明する。

図６は、本発明に係る回転検出器の多極磁石と磁気センサを用いたアブソリュートエンコーダを説明するための概略上面図で、図中符号１１は磁極数がＮ対の多極磁石、１２は磁極数がＮ−１対の多極磁石、１３は磁気センサを実装している基板、１４はリードフレーム、１５は回転体の回転軸、１７は磁極数がＮ対の多極磁石に対向して配置された一方の磁気センサ、１８は磁極数がＮ−１対の多極磁石に対向して配置された他方の磁気センサ、１９ａは磁極数がＮ対の多極磁石に対向して配置された一方の磁気センサのチップ、１９ｂは磁極数がＮ−１対の多極磁石に対向して配置された他方の磁気センサのチップを示している（Ｎは３以上の整数）。

本発明の回転検出器は、Ｎ対の一方の多極磁石１１と、Ｎ−１対の他方の多極磁石１２と、実装基板１３にリードフレーム１４を介して実装され、多極磁石１１１，１２の回転に応じて磁束密度の変化を検出する２個の磁気センサ１７，１８とを備えたアブソリュートエンコーダである。つまり、回転体の回転軸に同軸に取り付けられたＮ対の磁極数を有する多極磁石１１と、Ｎ−１対の磁極数を有する多極磁石１２と、多極磁石１１，１２の各々に対向するように配置され、多極磁石１１，１２の回転に応じて磁束密度の変化を検出する２個の磁気センサ１７，１８とを備えている。

また、本発明の回転検出器は、磁気センサ１７，１８の各々が、多極磁石１１，１２の回転に応じて１磁極数あたり９０度位相差を有するＡ／Ｂ相の正弦波出力を１位相だけ出力するアブソリュートエンコーダであり、多極磁石１１，１２のどちらかの磁極数が１対だけ異なるように構成されている。

一方の磁気センサ１７は、磁極がＮ対の多極磁石１１に対向して所定の間隔をおいて配置され、他方の磁気センサ１８は、磁極がＮ−１対の多極磁石１２に対向して所定の間隔をおいて配置されている。また、一方の磁気センサのチップ１９ａは、磁極数がＮ対の多極磁石に対向して配置され、他方の磁気センサのチップを１９ｂは、磁極数がＮ−１対の多極磁石に対向して配置されている。

このように、各２個の多極磁石１１，１２に、所定の距離を隔てて対向するように各２個の磁気センサ１７，１８を配置する。さらに、磁極数が１対だけ異なる各２個の多極磁石１１，１２は、空間ギャップ無しで配置されるか、もしくは１体で成型してもよい。そうすることによりエンコーダ自体を小型化・薄型化できる。

さらには、２個の磁気センサ１７，１８は、１つのパッケージ内に２個の磁気センサ１７，１８のチップ１９ａ，１９ｂを封入したものであってもよい。特に、２個の多極磁石１１，１２が、空間ギャップ無しで配置されるか、もしくは１体で成型した場合においては、２個の磁気センサ同士の距離が短くできるため、１つのパッケージ内に２個の磁気センサ１７，１８のチップ１９ａ，１９ｂを封入して、実装誤差による影響を小さくした方がより高分解能のエンコーダが作製可能となる。さらに、エンコーダを高分解能化するために、磁気センサ１７，１８のチップ１９ａ，１９ｂを一体化して作製し、ダイボンドの位置ズレ誤差による影響を小さくしても良い。

さらには、磁極数がＮ対の多極磁石１１に対向して配置された一方の磁気センサ１７と、磁極数がＮ−１対の多極磁石１２に対向して配置された他方の磁気センサ１８は、それぞれ２個の多極磁石１１，１２の回転に応じて磁極数１対あたり９０度位相差をもつＡ／Ｂ相の正弦波出力を１位相だけ出力する磁気センサであれば良い。例えば、このような磁気センサには、旭化成エレクトロニクス製の半導体磁気抵抗素子やホールセンサ、ＨＱ０２２１や、ＨＱ０２２２などがある。

これら２個の磁気センサの出力を用いて実施例１に記載の演算と同様の処理を行えば、絶対角度検出が可能なアブソリュートエンコーダが作製可能である。

このように、本発明によれば、回転体の回転軸に同軸に取り付けられた複数の磁極数を有する多極磁石と、この多極磁石の各々に対向するように配置され、多極磁石の回転に応じて磁束密度の変化を検出する複数の磁気センサとを備え、磁気センサの各々が、多極磁石の回転に応じて１磁極数あたり９０度位相差を有するＡ／Ｂ相の正弦波出力を１位相だけ出力するアブソリュートエンコーダであり、多極磁石の磁極数が１対だけ異なるようにしたので、高分解能、高耐久性、高信頼性を備えた磁性体歯車と磁気センサとバイアス磁石を用いたアブソリュートエンコーダを提供することが可能となった。

本発明は、工作機械や産業用ロボットなどの関節の回転角度検出に用いられるアブソリュートエンコーダである回転検出器に関し、磁性体歯車と磁気センサとバイアス磁石を用いたアブソリュートエンコーダや多極磁石と磁気センサを用いたアブソリュートエンコーダとして用いることができる。

１ 歯数がＮ枚の磁性体歯車
２ 歯数がＮ−１枚の磁性体歯車
３ 磁気センサを実装している基板
４ リードフレーム
５ 回転体の回転軸
６ 単極着磁されたバイアス磁石
７ 歯数がＮ枚の磁性体歯車に対向して配置された一方の磁気センサ
８ 歯数がＮ−１枚の磁性体歯車に対向して配置された一方の磁気センサ
９ａ 歯数がＮ枚の磁性体歯車に対向して配置された一方の磁気センサのチップ
９ｂ 歯数がＮ−１枚の磁性体歯車に対向して配置された一方の磁気センサのチップ
１１ 磁極数がＮ対の多極磁石
１２ 磁極数がＮ−１対の多極磁石
１３ 磁気センサを実装している基板
１４ リードフレーム
１５ 回転体の回転軸
１７ 磁極数がＮ対の多極磁石に対向して配置された一方の磁気センサ
１８ 磁極数がＮ−１対の多極磁石に対向して配置された一方の磁気センサ
１９ａ 磁極数がＮ対の多極磁石に対向して配置された一方の磁気センサのチップ
１９ｂ 磁極数がＮ−１対の多極磁石に対向して配置された一方の磁気センサのチップ

Claims (10)

1. 回転体の回転軸に同軸に取り付けられた複数の磁性体歯車と、
   該磁性体歯車の各々に対向するように配置された複数の磁気センサと、
   前記磁性体歯車の回転に応じて前記磁気センサに印加される磁束密度が変化するように配置されたバイアス磁石を備え、
   前記磁気センサの各々が、前記磁性体歯車の回転に応じて１歯あたり９０度位相差を有するＡ／Ｂ相の正弦波出力を１位相だけ出力するアブソリュートエンコーダであり、前記磁性体歯車の歯数が１歯だけ異なることを特徴とするアブソリュートエンコーダである回転検出器。
2. 前記磁気センサのうち、前記歯数の多い一方の磁性体歯車に対向して配置された一方の磁気センサより得られる９０度位相差を有するＡ／Ｂ相の正弦波出力から演算して得られた１位相内の電気角度から、前記歯数の少ない他方の磁性体歯車に対向して配置された他方の磁気センサより得られる９０度位相差を有するＡ／Ｂ相の正弦波出力から演算して得られた１位相内の電気角度を減算することにより、回転体の機械的な絶対角度検出を行うことを特徴とする請求項１に記載のアブソリュートエンコーダである回転検出器。
3. 前記磁気センサが、１つのパッケージ内に封入されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のアブソリュートエンコーダである回転検出器。
4. 前記磁気センサが、半導体磁気抵抗素子であることを特徴とする請求項１，２又は３に記載のアブソリュートエンコーダである回転検出器。
5. 前記複数の磁性体歯車及び前記複数の磁気センサが、それぞれ２個であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のアブソリュートエンコーダである回転検出器。
6. 回転体の回転軸に同軸に取り付けられた複数の磁極数を有する多極磁石と、
   該多極磁石の各々に対向するように配置され、該多極磁石の回転に応じて磁束密度の変化を検出する複数の磁気センサとを備え、
   前記磁気センサの各々が、前記多極磁石の回転に応じて１磁極数あたり９０度位相差を有するＡ／Ｂ相の正弦波出力を１位相だけ出力するアブソリュートエンコーダであり、前記多極磁石の磁極数が１対だけ異なることを特徴とするアブソリュートエンコーダである回転検出器。
7. 前記磁気センサのうち、前記磁極数の多い一方の多極磁石に対向して配置された一方の磁気センサより得られる９０度位相差を有するＡ／Ｂ相の正弦波出力から演算して得られた１位相内の電気角度から、前記磁極数の少ない他方の多極磁石に対向して配置された他方の磁気センサより得られる９０度位相差を有するＡ／Ｂ相の正弦波出力から演算して得られた１位相内の電気角度を減算することにより、回転体の機械的な絶対角度検出を行うことを特徴とする請求項６に記載のアブソリュートエンコーダである回転検出器。
8. 前記磁気センサが、１つのパッケージ内に封入されていることを特徴とする請求項６又は７に記載のアブソリュートエンコーダである回転検出器。
9. 前記磁気センサが、半導体磁気抵抗素子又はホールセンサであることを特徴とする請求項６，７又は８に記載のアブソリュートエンコーダである回転検出器。
10. 前記複数の多極磁石及び前記複数の磁気センサが、それぞれ２個であることを特徴とする請求項６乃至９のいずれかに記載のアブソリュートエンコーダである回転検出器。

Images