JP2023101216A - 回転角度検出装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】小型化および低廉化を図ることができ、かつ検出精度を向上させることが可能な回転角度検出装置を提供する。【解決手段】中空シャフトと共に回転し、中空シャフトの回転方向に極性の異なる着磁部MG1~MG12が交互に並べられたリングマグネット20Aと、着磁部MG1~MG12の磁束を検出するMRセンサと、を備え、複数の着磁部MG1~MG12の中に、中空シャフトが1回転したことを示す磁束を発生する原点検出用着磁部21が含まれる。これにより、回転角度検出装置が電気的に接続されたコントローラは、1つのリングマグネット20Aおよび1つのMRセンサに基づいて、中空シャフトの回転角度および原点の双方を検出することができる。よって、回転角度検出装置の小型化および低廉化を図ることができ、かつ回転角度検出装置の検出精度を向上させることが可能となる。【選択図】図3
Description
本発明は、回転体の回転角度を検出する回転角度検出装置に関する。
例えば、特許文献1には、被検出回転体が結合される回転軸を有する位置検出センサが記載されている。回転軸には、周方向に多数の異極が交互に配置された第1のロータおよび、周方向に一対の異極が配置された第2のロータが、それぞれ固定されている。また、これらのロータを収容するハウジングには、第1のロータに対して径方向外側から対向する第1のセンサおよび、第2のロータに対して径方向外側から対向する第2のセンサが、それぞれ設けられている。
そして、第1のロータに多数の異極を設けることで、第1のセンサからは正弦波状の出力信号が出力され、当該出力信号を用いることで被検出回転体の位置(回転角度)を検出可能としている。その一方で、第2のロータに一対の異極を設けることで、第2のセンサからは矩形波状の出力信号が出力され、当該出力信号を用いることで被検出回転体が何回転したか(原点)を検出可能としている。
しかしながら、特許文献1に記載された位置検出センサでは、回転軸に同軸上に一対のロータを固定する必要があり、かつハウジングにはそれぞれのロータに対応させて一対のセンサを設ける必要があった。したがって、部品点数が増加して大型化を招き、かつ製造コストがアップするという問題があった。また、回転軸の慣性モーメントが大きくなるため、特に被検出回転体の質量が小さいものでは、位置検出の精度が低下するという問題もあった。
本発明の目的は、小型化および低廉化を図ることができ、かつ検出精度を向上させることが可能な回転角度検出装置を提供することにある。
本発明の一態様では、回転体の回転角度を検出する回転角度検出装置であって、前記回転体と共に回転し、前記回転体の回転方向に極性の異なる着磁部が交互に並べられたマグネットと、前記着磁部の磁束を検出する磁気センサと、を備え、複数の前記着磁部の中に、前記回転体が1回転したことを示す磁束を発生する原点検出用着磁部が含まれる。
本発明によれば、小型化および低廉化を図ることができ、かつ検出精度を向上させることが可能な回転角度検出装置を実現できる。
以下、本発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。
<実施の形態1>
図1は回転角度検出装置の概要を示す部分断面図を、図2は12極のリングマグネットおよび2極のリングマグネットの検出磁束を比較する図を、図3は実施の形態1のリングマグネットおよび検出磁束を示す図をそれぞれ示している。
図1は回転角度検出装置の概要を示す部分断面図を、図2は12極のリングマグネットおよび2極のリングマグネットの検出磁束を比較する図を、図3は実施の形態1のリングマグネットおよび検出磁束を示す図をそれぞれ示している。
図1に示される回転角度検出装置10は、例えば、産業用ロボットの関節駆動用サーボモータ(図示せず)に組み込まれるものである。これにより、回転角度検出装置10に電気的に接続され、かつ産業用ロボットを制御するコントローラCTは、関節駆動用サーボモータの回転状態を正確に把握しつつ、当該関節駆動用サーボモータを高精度で制御することが可能となっている。
回転角度検出装置10は、略円盤状に形成された中空のハウジング11を備えている。ハウジング11は、略円筒状に形成された側壁部12と、当該側壁部12の軸方向一側(図中上側)を閉塞する天板部13と、側壁部12の軸方向他側(図中下側)を閉塞する底板部14と、を備えている。そして、天板部13および底板部14の中心部分には、それぞれ貫通孔13a,14aが設けられ、これらの貫通孔13a,14aには、中空シャフト(回転体)16が貫通可能となっている。
また、底板部14には、基板支持部14bが一体に設けられている。基板支持部14bはハウジング11の内側に突出して設けられ、当該基板支持部14bには、MRセンサ15aが実装されたセンサ基板15が固定ねじ等(図示せず)により固定されている。これにより、MRセンサ15aは、ハウジング11に設けられ、かつハウジング11の軸方向中央部に配置される。なお、センサ基板15は、コネクタ部材(図示せず)を介してコントローラCTに電気的に接続され、MRセンサ15aの検出信号(検出磁束[Wb])は、コントローラCTに送出される。
ここで、MRセンサ15aは、中空シャフト16により回転されるリングマグネット20Aの磁束(磁場)を計測する磁気センサであって、具体的には、磁気抵抗効果素子(Magneto Resistive Sensor)を採用する。
回転角度検出装置10は、関節駆動用サーボモータを形成する回転軸と一体回転する中空シャフト16を備えている。中空シャフト16は、貫通孔13a,14aに挿通され、かつ一対の軸受17a,17bを介して、ハウジング11の天板部13および底板部14に回転自在に支持されている。これにより、ハウジング11は、中空シャフト16を回転自在に支持している。
ここで、中空シャフト16は略筒状に形成され、その径方向内側には、他の関節駆動用サーボモータ等を駆動するための電線(配線)が挿通可能となっている。なお、軸受17a,17bには、所謂メタルと呼ばれる滑り軸受を採用する。これにより、中空シャフト16は、ハウジング11に対してスムーズに回転することができる。
回転角度検出装置10は、リングマグネット(マグネット)20Aを備えている。リングマグネット20Aは、中空シャフト16の径方向外側に設けられ、かつハウジング11の内部に配置されている。リングマグネット20Aは、例えば、フェライト磁性体からなる磁石である。また、リングマグネット20Aは、中空シャフト16に対して、エポキシ樹脂等からなる接着剤(図示せず)により固定され、中空シャフト16の回転により回転される。すなわち、リングマグネット20Aは、ハウジング11の内部において、中空シャフト16と共に回転する。
リングマグネット20Aは、MRセンサ15aと同様にハウジング11の軸方向中央部に配置されている。これにより、リングマグネット20Aの径方向外側に、所定の隙間(エアギャップ)を介してMRセンサ15aが対向配置される。よって、MRセンサ15aは、中空シャフト16の回転に伴い、リングマグネット20Aを形成する複数の着磁部(12極)の磁束を検出(計測)する。
ここで、リングマグネット20Aの着磁部の数(極数)に応じて、MRセンサ15aから出力される検出信号(検出磁束)の波形は変化する。以下、MRセンサ15aを用いて回転角度を検出するのに適した着磁部の数(極数)について検討する。
図2の上段のグラフは、リングマグネット20Aを「12極」とした場合の検出信号の波形を示している。これに対し、図2の下段のグラフは、リングマグネット20Aを「2極」とした場合の検出信号の波形を示している。なお、横軸は中空シャフト16の回転角度[deg]を示し、縦軸はMRセンサ15aの検出磁束[Wb]を示している。また、検出磁束が「0」の部分を境界(基準)に、上方に突出した部分がN極の着磁部の検出磁束の波形を示し、下方に突出した部分がS極の着磁部の検出磁束の波形を示している。
そして、図2の上段のグラフのように、リングマグネット20Aを「12極」とすると、MRセンサ15aによる検出磁束が、横軸の方向(回転角度の方向)に対して滑らかな円弧で繋いだ「正弦波」となる。このように、MRセンサ15aの検出磁束を「正弦波」とすることで、MRセンサ15aによる検出磁束を、中空シャフト16の回転角度(0deg~360deg)の変化に対して常に変化させることが可能となる。これにより、コントローラCTは、MRセンサ15aの検出信号に応じて、中空シャフト16の回転角度を精度良く検出することができる。
その一方で、図2の下段のグラフのように、リングマグネット20Aを「2極」とすると、MRセンサ15aによる検出磁束は「矩形波」となる。つまり、横軸の方向(回転角度の方向)に対して真っ直ぐに延びた部分(破線楕円で囲った部分)が形成されることになる。これにより、中空シャフト16の回転角度が約30deg~150degの間および約210deg~330degの間、言い換えれば、中空シャフト16の殆どの回転角度の範囲において、検出磁束は一定の値を示す。よって、コントローラCTは、中空シャフト16の回転角度を正しく検出することができない。
以上のことから、中空シャフト16の回転角度を精度良く検出させるためには、リングマグネット20Aの着磁部(極数)は多い方(多極)が良い。そこで、本実施の形態においては、12極のリングマグネット20Aを、最適なものとして採用している。
ただし、図2の上段のグラフのように、N極側の複数のピーク値およびS極側の複数のピーク値は、何れもN極側およびS極側において同じ大きさの検出磁束となる。よって、このままの状態の検出信号(検出磁束)を用いると、コントローラCTは、区別のつかない複数のピーク値を検出するため、中空シャフト16の原点(中空シャフト16が1回転したのか否か)を検出することができない。
そこで、本実施の形態においては、合計12個の着磁部(12極)のうちの1つの着磁部を、インデックス(目印)となる磁束を発生する着磁部(原点検出用着磁部)としている。これにより、コントローラCTに、中空シャフト16の原点も検出させることが可能となる。
<リングマグネットの詳細>
以下、本実施の形態に係るリングマグネット20Aの構造について、図面を用いて詳細に説明する。
以下、本実施の形態に係るリングマグネット20Aの構造について、図面を用いて詳細に説明する。
図1および図3に示されるように、リングマグネット20Aは、径方向内側が中空シャフト16に固定され、かつ径方向外側がMRセンサ15aと対向するように環状に形成されている。リングマグネット20Aは、合計12個の着磁部MG1~MG12を備えている。具体的には、奇数番号の着磁部(MG1,3,5,7,9,11)の径方向外側が「N極」となっており、偶数番号の着磁部(MG2,4,6,8,10,12)の径方向外側が「S極」となっている。
すなわち、リングマグネット20Aは、中空シャフト16の回転方向に極性の異なる着磁部MG1~MG12(N極およびS極)を、交互に並べて環状に形成されている。なお、本実施の形態では、環状に形成された磁性体を、その周方向に沿う12箇所をN極およびS極に交互に着磁してリングマグネット20Aとしている。ただし、略瓦状に形成されかつ着磁されたマグネット(図示せず)を、それぞれ中空シャフト16の周囲に貼り付けるようにしても良い。
また、本実施の形態では、図3に示されるように、12個の着磁部MG1~MG12のうち、着磁部MG5(図中網掛部参照)が、原点検出用着磁部21(強磁部)となっている。つまり、複数の着磁部MG1~MG12の中に原点検出用着磁部21が含まれ、かつ原点検出用着磁部21(着磁部MG5)は、中空シャフト16が1回転したことを示す磁束(大)を発生する。具体的には、原点検出用着磁部21は、他の着磁部MG1~MG4,MG6~MG12に対して磁力が異なっており、原点検出用着磁部21の磁力は、他の着磁部MG1~MG4,MG6~MG12の磁力よりも大きくなっている。なお、原点検出用着磁部21(着磁部MG5)を含む着磁部MG1~MG12の体積は、何れも同じ大きさとなっている。
これにより、リングマグネット20Aと対向するMRセンサ15aは、図3の下段のグラフに示されるような正弦波状の検出信号(検出磁束[Wb])を出力する。具体的には、原点検出用着磁部21(着磁部MG5)がMRセンサ15aと対向すると、グラフの網掛部分に示されるように、他のN極の着磁部MG1,MG3,MG7,MG9,MG11よりも検出磁束の大きさが大きくなる。なお、図面上では、黒点部分(1箇所の●印)の検出磁束AN[Wb]は、その他の白点部分(5箇所の○印)の検出磁束BN[Wb]の略1.5倍の大きさとなっている(AN≒1.5×BN)。実際には、●印の検出磁束AN[Wb]を100%のリップルとすると、○印の検出磁束BN[Wb]は90%程度のリップルとなる(リップル差=約10%)。
よって、1箇所の突出点(●印)をコントローラCTに検出させることで、コントローラCTは中空シャフト16の1回転(中空シャフト16の回転基準となる原点)を検出することが可能となる。具体的には、コントローラCTは、当該コントローラCTに設けられたRAM等(図示せず)に記憶された比較閾値ThN[Wb]と、検出磁束AN[Wb]の大ピーク値(●印)および検出磁束BN[Wb]の小ピーク値(○印)とを比較する(AN>ThN>BN)。これにより、コントローラCTは、0deg~360degの間において唯一のN極の大ピーク値(●印)を検出することができ、これを中空シャフト16の原点として把握する。
ただし、0deg~360degの間における唯一の大ピーク値を「N極」とせずに、「S極」としても良い。これによっても、コントローラCTは、中空シャフト16の原点を検出することができる。また、着磁部MG1~MG12の磁力は、熱履歴に応じて減磁される。よって、熱履歴を考慮してコントローラCTにより比較閾値ThNの大きさを調整させても良い。
<着磁方法の例>
上述のようなリングマグネット20Aを着磁するには、例えば、径方向に磁界を発生する着磁装置(図示せず)が用いられる。具体的には、着磁装置には、リングマグネット20Aの着磁部MG1~MG12(12極)に対応させて、合計12個の磁力発生部が設けられている。そして、着磁部MG5に対応した磁力発生部のコイルのターン数(巻数)が、他の着磁部MG1~MG4,MG6~MG12に対応した磁力発生部のコイルのターン数よりも多くなっている。
上述のようなリングマグネット20Aを着磁するには、例えば、径方向に磁界を発生する着磁装置(図示せず)が用いられる。具体的には、着磁装置には、リングマグネット20Aの着磁部MG1~MG12(12極)に対応させて、合計12個の磁力発生部が設けられている。そして、着磁部MG5に対応した磁力発生部のコイルのターン数(巻数)が、他の着磁部MG1~MG4,MG6~MG12に対応した磁力発生部のコイルのターン数よりも多くなっている。
すなわち、着磁部MG5に対応した磁力発生部が発生する磁力MP1が、他の磁力発生部が発生する磁力MP2よりも大きくなっている(MP1>MP2)。これにより、図3に示されるようなリングマグネット20Aを形成することができる。
なお、着磁部MG5に対応した磁力発生部の磁力を大きくするために、当該磁力発生部におけるターン数を他の磁力発生部と同じターン数とする一方で、コイルの線径を他の部分のコイルの線径よりも大きくしても良い。
以上詳述したように、実施の形態1の回転角度検出装置10によれば、中空シャフト16と共に回転し、中空シャフト16の回転方向に極性の異なる着磁部MG1~MG12が交互に並べられたリングマグネット20Aと、着磁部MG1~MG12の磁束を検出するMRセンサ15aと、を備え、複数の着磁部MG1~MG12の中に、中空シャフト16が1回転したことを示す磁束を発生する原点検出用着磁部21が含まれる。
これにより、回転角度検出装置10が電気的に接続されたコントローラCTは、1つのリングマグネット20Aおよび1つのMRセンサ15aに基づいて、中空シャフト16の回転角度および原点の双方を検出することができる。よって、回転角度検出装置10の小型化および低廉化を図ることができ、かつ回転角度検出装置10の検出精度を向上させることが可能となる。
また、原点検出用着磁部21(着磁部MG5)の磁力MP1が、複数の着磁部MG1~MG12を形成する他の着磁部MG1~MG4,MG6~MG12の磁力MP2よりも大きくなっている(MP1>MP2)。
これにより、既存の着磁装置を小改良するだけでリングマグネット20Aを着磁することが可能となる。よって、製造コストがアップすることを抑制できる。
<実施の形態2>
次に、実施の形態2について図面を用いて詳細に説明する。なお、上述した実施の形態1と同様の機能を有する部分については同一の記号を付し、その詳細な説明を省略する。
次に、実施の形態2について図面を用いて詳細に説明する。なお、上述した実施の形態1と同様の機能を有する部分については同一の記号を付し、その詳細な説明を省略する。
図4は実施の形態2のリングマグネットおよび検出磁束を示している。
図4に示されるように、実施の形態2に係るリングマグネット20Bは、実施の形態1のリングマグネット20A(図3参照)に比して、12個の着磁部MG1~MG12のうち、着磁部MG5(原点検出用着磁部21)の隣の着磁部MG6(図中網掛部参照)においても、原点検出用着磁部22(強磁部)となっている点が異なっている。
すなわち、実施の形態2では、複数(12個)の着磁部MG1~MG12のうちの隣り合う一対の異極の着磁部MG5,MG6が、それぞれ原点検出用着磁部21,22となっている。
これにより、リングマグネット20Bと対向するMRセンサ15a(図1参照)は、図4の下段のグラフに示されるような正弦波状の検出信号(検出磁束[Wb])を出力する。具体的には、原点検出用着磁部21,22(着磁部MG5,MG6)がそれぞれMRセンサ15aと対向すると、グラフの網掛部分に示されるように、他のN極およびS極の着磁部MG1~MG4,MG7~MG12よりも検出磁束の大きさが大きくなる。なお、図面上では、黒点部分(2箇所の●印)の検出磁束AN,AS[Wb]が、その他の白点部分(10箇所の○印)の検出磁束BN,BS[Wb]の略1.5倍の大きさとなっている(AN≒1.5×BN,AS≒1.5×BS)。実際には、●印の検出磁束AN,AS[Wb]を100%のリップルとすると、○印の検出磁束BN,BS[Wb]は90%程度のリップルとなる(リップル差=約10%)。
よって、2箇所の突出点(●印)のうちの何れか一方をコントローラCTに検出させることで、コントローラCTは中空シャフト16の1回転(中空シャフト16の回転基準となる原点)を検出することができる。
なお、検出磁束AS[Wb]を用いる場合、コントローラCTは、当該コントローラCTに設けられたRAM等(図示せず)に記憶された比較閾値ThS[Wb]と、検出磁束AS[Wb]の大ピーク値(●印)および検出磁束BS[Wb]の小ピーク値(○印)とを比較する(AS>ThS>BS)。これにより、コントローラCTは、0deg~360degの間において唯一のS極の大ピーク値(●印)を検出することができ、これを中空シャフト16の原点として把握する。
以上のように形成された実施の形態2においても、上述した実施の形態1と同様の作用効果を奏することができる。これに加えて、実施の形態2では、中空シャフト16の回転方向を検出することも可能となる。
具体的には、コントローラCTにより検出磁束AN[Wb]の大ピーク値(●印)および検出磁束AS[Wb]の大ピーク値(●印)をそれぞれ検出させる。その際に、検出磁束AN[Wb]の大ピーク値(●印)が先に検出され、検出磁束AS[Wb]の大ピーク値(●印)が後で検出されると、コントローラCTは中空シャフト16の回転方向が「時計回り方向CW」であることを把握できる。これに対し、検出磁束AS[Wb]の大ピーク値(●印)が先に検出され、検出磁束AN[Wb]の大ピーク値(●印)が後で検出されると、コントローラCTは中空シャフト16の回転方向が「反時計回り方向CCW」であることを把握できる。
<実施の形態3>
次に、実施の形態3について図面を用いて詳細に説明する。なお、上述した実施の形態1と同様の機能を有する部分については同一の記号を付し、その詳細な説明を省略する。
次に、実施の形態3について図面を用いて詳細に説明する。なお、上述した実施の形態1と同様の機能を有する部分については同一の記号を付し、その詳細な説明を省略する。
図5は実施の形態3のリングマグネットおよび検出磁束を示している。
図5に示されるように、実施の形態3に係るリングマグネット20Cは、実施の形態1のリングマグネット20A(図3参照)に比して、12個の着磁部MG1~MG12のうち、着磁部MG5(原点検出用着磁部21)に連なる着磁部MG6,MG7(図中網掛部参照)においても、原点検出用着磁部22,23(強磁部)となっている点が異なっている。
これにより、リングマグネット20Cと対向するMRセンサ15a(図1参照)は、図5の下段のグラフに示されるような正弦波状の検出信号(検出磁束[Wb])を出力する。具体的には、原点検出用着磁部21,22,23(着磁部MG5,MG6,MG7)がそれぞれMRセンサ15aと対向すると、グラフの網掛部分に示されるように、他のN極およびS極の着磁部MG1~MG4,MG8~MG12よりも検出磁束の大きさが大きくなる。なお、図面上では、黒点部分(2箇所の検出磁束AN[Wb]の部分および1箇所の検出磁束AS[Wb]の部分の●印)が、その他の白点部分(9箇所の検出磁束BN,BS[Wb]の部分の○印)の略1.5倍の大きさとなっている(AN≒1.5×BN,AS≒1.5×BS)。実際には、●印の検出磁束AN,AS[Wb]を100%のリップルとすると、○印の検出磁束BN,BS[Wb]は90%程度のリップルとなる(リップル差=約10%)。
この場合、1箇所の検出磁束AS[Wb]をコントローラCTに検出させることで、コントローラCTは中空シャフト16の1回転(中空シャフト16の回転基準となる原点)を検出することができる。具体的には、コントローラCTは、当該コントローラCTに設けられたRAM等(図示せず)に記憶された比較閾値ThS[Wb]と、検出磁束AS[Wb]の大ピーク値(●印)および検出磁束BS[Wb]の小ピーク値(○印)とを比較する(AS>ThS>BS)。これにより、コントローラCTは、0deg~360degの間において唯一のS極の大ピーク値(●印)を検出することができ、これを中空シャフト16の原点として把握する。
以上のように形成された実施の形態3においても、上述した実施の形態1と同様の作用効果を奏することができる。これに加えて、実施の形態3では、原点検出用着磁部22(着磁部MG6)の両隣にある着磁部MG5,MG7においても、原点検出用着磁部21,23(強磁部)となっている。これにより、コントローラCTは、検出磁束AN[Wb]の大ピーク値(●印)が比較閾値ThN[Wb]を超え、その後、検出磁束AS[Wb]の大ピーク値(●印)が比較閾値ThS[Wb]を超え、さらに、検出磁束AN[Wb]の大ピーク値(●印)が比較閾値ThN[Wb]を超えたことを続けて検出することで、中空シャフト16が120deg~210degの「回転角度範囲」にあることを把握できる。また、実施の形態2と同様に、コントローラCTは、中空シャフト16の回転方向も把握することができる。さらには、コントローラCTは、何れか一方の検出磁束AN[Wb]の大ピーク値を見ることで、原点(検出磁束AS[Wb]の大ピーク値)が出現する予兆も把握することができる。
<実施の形態4,5>
次に、実施の形態4,5について図面を用いて詳細に説明する。なお、上述した実施の形態1と同様の機能を有する部分については同一の記号を付し、その詳細な説明を省略する。
次に、実施の形態4,5について図面を用いて詳細に説明する。なお、上述した実施の形態1と同様の機能を有する部分については同一の記号を付し、その詳細な説明を省略する。
図6は実施の形態4,5のリングマグネットを示す図を示している。
図6に示されるように、実施の形態4,5に係るリングマグネット20D,20Eは、実施の形態1のリングマグネット20A(図3参照)に比して、12個の着磁部MG1~MG12のうち、着磁部MG5(原点検出用着磁部24,27)の形状が、他の着磁部MG1~MG4,MG6~MG12の形状と違う点が異なっている。なお、図6に示される「N極」および「S極」の符号は、リングマグネット20D,20Eの径方向外側の部分の極を示している。
具体的には、実施の形態4のリングマグネット20D(外側突出型)においては、原点検出用着磁部24(着磁部MG5)が、リングマグネット20Dの径方向外側に突出されており、かつ原点検出用着磁部24(着磁部MG5)の体積S1が、他の着磁部MG1~MG4,MG6~MG12の体積S2よりも大きくなっている(S1>S2)。これにより、着磁装置を用いてリングマグネット20Dを着磁する際に、着磁部MG5の磁力MP1が、他の着磁部MG1~MG4,MG6~MG12の磁力MP2よりも大きくなる。
なお、リングマグネット20D(外側突出型)を着磁する着磁装置は、リングマグネット20Dの着磁部MG1~MG12にそれぞれ対応した合計12個の磁力発生部を有し、かつこれらの磁力発生部のコイルのターン数(巻数)は、何れも同じターン数となっている。すなわち、単純な形状の汎用の着磁装置を用いることが可能となっている。
ただし、上述した実施の形態2および実施の形態3と同様の特性を得るために、図中二点鎖線に示されるように、着磁部MG6,MG7においても径方向外側に突出させて、原点検出用着磁部25,26(強磁部)としても良い。
これに対し、実施の形態5のリングマグネット20E(内側突出型)においては、原点検出用着磁部27(着磁部MG5)が、リングマグネット20Eの径方向内側に突出されており、かつ原点検出用着磁部27(着磁部MG5)の体積S1が、他の着磁部MG1~MG4,MG6~MG12の体積S2よりも大きくなっている(S1>S2)。これにより、着磁装置を用いてリングマグネット20Eを着磁する際に、着磁部MG5の磁力MP1が、他の着磁部MG1~MG4,MG6~MG12の磁力MP2よりも大きくなる。
なお、リングマグネット20E(内側突出型)を着磁する着磁装置においても、実施の形態4のリングマグネット20Dと同様に、単純な形状の汎用の着磁装置を用いることができる。また、リングマグネット20Eの径方向内側に、樹脂製(非磁性体)のスペーサSPを装着するようにする。これにより、リングマグネット20Eを、中空シャフト16(図1参照)にがたつくことなく固定することが可能となる。
さらには、上述した実施の形態1ないし実施の形態3と同様の特性を得るために、図中二点鎖線に示されるように、着磁部MG6,MG7においても径方向内側に突出させて、原点検出用着磁部28,29(強磁部)としても良い。
以上のように形成された実施の形態4,5においても、上述した実施の形態1と略同様の作用効果を奏することができる。
<実施の形態6>
次に、実施の形態6について図面を用いて詳細に説明する。なお、上述した実施の形態1と同様の機能を有する部分については同一の記号を付し、その詳細な説明を省略する。
次に、実施の形態6について図面を用いて詳細に説明する。なお、上述した実施の形態1と同様の機能を有する部分については同一の記号を付し、その詳細な説明を省略する。
図7は実施の形態6のリングマグネットおよび検出磁束を示している。
図7に示されるように、実施の形態6に係るリングマグネット20Fは、実施の形態1のリングマグネット20A(図3参照)に比して、12個の着磁部MG1~MG12のうち、着磁部MG5(図中白抜部参照)が、原点検出用着磁部30(弱磁部)となっている。つまり、実施の形態6では、実施の形態1に対して、磁力の大きさの関係が逆となっている。
そして、原点検出用着磁部30(着磁部MG5)は、中空シャフト16が1回転したことを示す磁束(小)を発生する。具体的には、原点検出用着磁部30は、他の着磁部MG1~MG4,MG6~MG12に対して磁力が異なっており、原点検出用着磁部30の磁力は、他の着磁部MG1~MG4,MG6~MG12の磁力よりも小さくなっている。つまり、着磁部MG5の磁力MP1は、他の着磁部MG1~MG4,MG6~MG12の磁力MP2よりも小さくなっている(MP1<MP2)。なお、原点検出用着磁部30(着磁部MG5)を含む着磁部MG1~MG12の体積は、何れも同じ大きさとなっている。
これにより、リングマグネット20Fと対向するMRセンサ15a(図1参照)は、図7の下段のグラフに示されるような正弦波状の検出信号(検出磁束[Wb])を出力する。具体的には、原点検出用着磁部30(着磁部MG5)がMRセンサ15aと対向すると、グラフの白抜部分に示されるように、他のN極の着磁部MG1,MG3,MG7,MG9,MG11よりも検出磁束の大きさが小さくなる。なお、図面上では、黒点部分(1箇所の●印)の検出磁束An[Wb]は、その他の白点部分(5箇所の○印)の検出磁束Bn[Wb]の略半分(1/2)の大きさとなっている(An≒0.5×Bn)。実際には、○印の検出磁束Bn[Wb]を100%のリップルとすると、●印の検出磁束An[Wb]は90%程度のリップルとなる(リップル差=約10%)。
よって、1箇所の小さな検出磁束の●印の部分をコントローラCTに検出させることで、コントローラCTは中空シャフト16の1回転(中空シャフト16の回転基準となる原点)を検出することが可能となる。具体的には、コントローラCTは、当該コントローラCTに設けられたRAM等(図示せず)に記憶された比較閾値Thn[Wb]と、検出磁束An[Wb]の小ピーク値(●印)および検出磁束Bn[Wb]の大ピーク値(○印)とを比較する(An<Thn<Bn)。これにより、コントローラCTは、0deg~360degの間において唯一のN極の小ピーク値(●印)を検出することができ、これを中空シャフト16の原点として把握する。
ただし、0deg~360degの間における唯一の小ピーク値を「N極」とせずに、「S極」としても良い。これによっても、コントローラCTは、中空シャフト16の原点を検出することができる。また、着磁部MG1~MG12の磁力は、熱履歴に応じて減磁される。よって、熱履歴を考慮してコントローラCTにより比較閾値Thnの大きさを調整させても良い。
以上のように形成された実施の形態6においても、上述した実施の形態1と略同様の作用効果を奏することができる。ただし、実施の形態6のリングマグネット20Fを着磁するには、実施の形態1とは逆に、着磁部MG5に対応した磁力発生部のコイルのターン数(巻数)が、他の着磁部MG1~MG4,MG6~MG12に対応した磁力発生部のコイルのターン数よりも少ない着磁装置を用いる。なお、着磁部MG5に対応した磁力発生部が発生する磁力を小さくできれば良いので、着磁部MG5に対応した磁力発生部のコイルを巻かないようにしても良い。この場合、着磁部MG5は、着磁部MG4および着磁部MG6に対応した磁力発生部からの漏れ磁束で弱着磁される。
<実施の形態7>
次に、実施の形態7について図面を用いて詳細に説明する。なお、上述した実施の形態6と同様の機能を有する部分については同一の記号を付し、その詳細な説明を省略する。
次に、実施の形態7について図面を用いて詳細に説明する。なお、上述した実施の形態6と同様の機能を有する部分については同一の記号を付し、その詳細な説明を省略する。
図8は実施の形態7のリングマグネットおよび検出磁束を示している。
図8に示されるように、実施の形態7に係るリングマグネット20Gは、実施の形態6のリングマグネット20F(図7参照)に比して、12個の着磁部MG1~MG12のうち、着磁部MG5(原点検出用着磁部30)の隣の着磁部MG6(図中白抜部参照)においても、原点検出用着磁部31(弱磁部)となっている点が異なっている。
すなわち、実施の形態7では、複数(12個)の着磁部MG1~MG12のうちの隣り合う一対の異極の着磁部MG5,MG6が、それぞれ原点検出用着磁部30,31となっている。
これにより、リングマグネット20Gと対向するMRセンサ15a(図1参照)は、図8の下段のグラフに示されるような正弦波状の検出信号(検出磁束[Wb])を出力する。具体的には、原点検出用着磁部30,31(着磁部MG5,MG6)がそれぞれMRセンサ15aと対向すると、グラフの白抜部分に示されるように、他のN極およびS極の着磁部MG1~MG4,MG7~MG12よりも検出磁束の大きさが小さくなる。なお、図面上では、黒点部分(2箇所の●印)の検出磁束An,As[Wb]が、その他の白点部分(10箇所の○印)の検出磁束Bn,Bs[Wb]の略半分(1/2)の大きさとなっている(An≒0.5×Bn,As≒0.5×Bs)。実際には、○印の検出磁束Bn,Bs[Wb]を100%のリップルとすると、●印の検出磁束An,As[Wb]は90%程度のリップルとなる(リップル差=約10%)。
よって、2箇所の小さな検出磁束の●印の部分のうちの何れか一方をコントローラCTに検出させることで、コントローラCTは中空シャフト16の1回転(中空シャフト16の回転基準となる原点)を検出することができる。
なお、検出磁束As[Wb]を用いる場合、コントローラCTは、当該コントローラCTに設けられたRAM等(図示せず)に記憶された比較閾値Ths[Wb]と、検出磁束As[Wb]の小ピーク値(●印)および検出磁束Bs[Wb]の大ピーク値(○印)とを比較する(As<Ths<Bs)。これにより、コントローラCTは、0deg~360degの間において唯一のS極の小ピーク値(●印)を検出することができ、これを中空シャフト16の原点として把握する。
以上のように形成された実施の形態7においても、上述した実施の形態6と略同様の作用効果を奏することができる。これに加えて、実施の形態7では、中空シャフト16の回転方向を検出することも可能となる。
具体的には、コントローラCTにより検出磁束An[Wb]の小ピーク値(●印)および検出磁束As[Wb]の小ピーク値(●印)をそれぞれ検出させる。その際に、検出磁束An[Wb]の小ピーク値(●印)が先に検出され、検出磁束As[Wb]の小ピーク値(●印)が後で検出されると、コントローラCTは中空シャフト16の回転方向が「時計回り方向CW」であることを把握できる。これに対し、検出磁束As[Wb]の小ピーク値(●印)が先に検出され、検出磁束An[Wb]の小ピーク値(●印)が後で検出されると、コントローラCTは中空シャフト16の回転方向が「反時計回り方向CCW」であることを把握できる。
<実施の形態8>
次に、実施の形態8について図面を用いて詳細に説明する。なお、上述した実施の形態6と同様の機能を有する部分については同一の記号を付し、その詳細な説明を省略する。
次に、実施の形態8について図面を用いて詳細に説明する。なお、上述した実施の形態6と同様の機能を有する部分については同一の記号を付し、その詳細な説明を省略する。
図9は実施の形態8のリングマグネットおよび検出磁束を示している。
図9に示されるように、実施の形態8に係るリングマグネット20Hは、実施の形態6のリングマグネット20F(図7参照)に比して、12個の着磁部MG1~MG12のうち、着磁部MG5(原点検出用着磁部30)に連なる着磁部MG6,MG7(図中白抜部参照)においても、原点検出用着磁部31,32(弱磁部)となっている点が異なっている。
これにより、リングマグネット20Hと対向するMRセンサ15a(図1参照)は、図9の下段のグラフに示されるような正弦波状の検出信号(検出磁束[Wb])を出力する。具体的には、原点検出用着磁部30,31,32(着磁部MG5,MG6,MG7)がそれぞれMRセンサ15aと対向すると、グラフの白抜部分に示されるように、他のN極およびS極の着磁部MG1~MG4,MG8~MG12よりも検出磁束の大きさが小さくなる。なお、図面上では、黒点部分(2箇所の検出磁束An[Wb]の部分および1箇所の検出磁束As[Wb]の部分の●印)が、その他の白点部分(9箇所の検出磁束Bn,Bs[Wb]の部分の○印)の略半分(1/2)の大きさとなっている(An≒0.5×Bn,As≒0.5×Bs)。実際には、○印の検出磁束Bn,Bs[Wb]を100%のリップルとすると、●印の検出磁束An,As[Wb]は90%程度のリップルとなる(リップル差=約10%)。
この場合、1箇所の検出磁束As[Wb]をコントローラCTに検出させることで、コントローラCTは中空シャフト16の1回転(中空シャフト16の回転基準となる原点)を検出することができる。具体的には、コントローラCTは、当該コントローラCTに設けられたRAM等(図示せず)に記憶された比較閾値Ths[Wb]と、検出磁束As[Wb]の小ピーク値(●印)および検出磁束Bs[Wb]の大ピーク値(○印)とを比較する(As<Ths<Bs)。これにより、コントローラCTは、0deg~360degの間において唯一のS極の小ピーク値(●印)を検出することができ、これを中空シャフト16の原点として把握する。
以上のように形成された実施の形態8においても、上述した実施の形態6と略同様の作用効果を奏することができる。これに加えて、実施の形態8では、原点検出用着磁部31(着磁部MG6)の両隣にある着磁部MG5,MG7においても、原点検出用着磁部30,32(弱磁部)となっている。これにより、コントローラCTは、検出磁束An[Wb]の小ピーク値(●印)が検出(比較閾値Thn[Wb]を超えず)され、その後、検出磁束As[Wb]の小ピーク値(●印)が検出(比較閾値Thn[Wb]を超えず)され、さらに、検出磁束An[Wb]の小ピーク値(●印)が検出されたこと(比較閾値Thn[Wb]を超えないこと)を続けて検出することで、中空シャフト16が120deg~210degの「回転角度範囲」にあることを把握できる。また、実施の形態7と同様に、コントローラCTは、中空シャフト16の回転方向も把握することができる。さらには、コントローラCTは、何れか一方の検出磁束An[Wb]の小ピーク値を見ることで、原点(検出磁束As[Wb]の小ピーク値)が出現する予兆も把握することができる。
<実施の形態9,10>
次に、実施の形態9,10について図面を用いて詳細に説明する。なお、上述した実施の形態6と同様の機能を有する部分については同一の記号を付し、その詳細な説明を省略する。
次に、実施の形態9,10について図面を用いて詳細に説明する。なお、上述した実施の形態6と同様の機能を有する部分については同一の記号を付し、その詳細な説明を省略する。
図10は実施の形態9,10のリングマグネットを示す図を示している。
図10に示されるように、実施の形態9,10に係るリングマグネット20K,20Lは、実施の形態6のリングマグネット20F(図7参照)に比して、12個の着磁部MG1~MG12のうち、着磁部MG5(原点検出用着磁部33,36)の形状が、他の着磁部MG1~MG4,MG6~MG12の形状と違う点が異なっている。なお、図10に示される「N極」および「S極」の符号は、リングマグネット20K,20Lの径方向外側の部分の極を示している。
具体的には、実施の形態9のリングマグネット20K(内側窪み型)においては、原点検出用着磁部33(着磁部MG5)が、リングマグネット20Kの径方向外側に窪んでおり、かつ原点検出用着磁部33(着磁部MG5)の体積S1が、他の着磁部MG1~MG4,MG6~MG12の体積S2よりも小さくなっている(S1<S2)。これにより、着磁装置を用いてリングマグネット20Kを着磁する際に、着磁部MG5の磁力MP1が、他の着磁部MG1~MG4,MG6~MG12の磁力MP2よりも小さくなる。
なお、リングマグネット20K(内側窪み型)を着磁する着磁装置は、リングマグネット20Kの着磁部MG1~MG12にそれぞれ対応した合計12個の磁力発生部を有し、かつこれらの磁力発生部のコイルのターン数(巻数)は、何れも同じターン数となっている。すなわち、単純な形状の汎用の着磁装置を用いることが可能となっている。
ただし、上述した実施の形態7および実施の形態8と同様の特性を得るために、図中二点鎖線に示されるように、着磁部MG6,MG7においても径方向外側に窪ませて、原点検出用着磁部34,35(弱磁部)としても良い。
なお、原点検出用着磁部33の径方向内側に、樹脂製(非磁性体)のスペーサSPを装着するようにする。これにより、リングマグネット20Kを、中空シャフト16(図1参照)にがたつくことなく固定することが可能となる。
これに対し、実施の形態10のリングマグネット20L(外周カット型)においては、原点検出用着磁部36(着磁部MG5)の外周部分が平坦面となるように所定量カット(図中二点鎖線参照)されている。これにより、原点検出用着磁部36(着磁部MG5)の体積S1が、他の着磁部MG1~MG4,MG6~MG12の体積S2よりも小さくなっている(S1<S2)。よって、着磁装置を用いてリングマグネット20Lを着磁する際に、着磁部MG5の磁力MP1が、他の着磁部MG1~MG4,MG6~MG12の磁力MP2よりも小さくなる。
なお、リングマグネット20L(外周カット型)を着磁する着磁装置においても、実施の形態9のリングマグネット20Kと同様に、単純な形状の汎用の着磁装置を用いることができる。
さらには、上述した実施の形態7および実施の形態8と同様の特性を得るために、図中二点鎖線に示されるように、着磁部MG6,MG7においても、その外周部分が平坦面となるように所定量カットして、原点検出用着磁部37,38(弱磁部)としても良い。
以上のように形成された実施の形態9,10においても、上述した実施の形態6と略同様の作用効果を奏することができる。
<実施の形態11>
次に、実施の形態11について図面を用いて詳細に説明する。なお、上述した実施の形態1と同様の機能を有する部分については同一の記号を付し、その詳細な説明を省略する。
次に、実施の形態11について図面を用いて詳細に説明する。なお、上述した実施の形態1と同様の機能を有する部分については同一の記号を付し、その詳細な説明を省略する。
図11は実施の形態11の回転角度検出装置および検出磁束を示している。
図11に示されるように、実施の形態11に係る回転角度検出装置40は、センサ基板15に第1MRセンサ41と第2MRセンサ42とが実装されている。何れも同じ磁気センサであって、具体的には一対の第1,第2MRセンサ41,42は、中空シャフト16(図1参照)の回転方向に、15degの分だけ互いにずれて配置されている。
これにより、リングマグネット20Aと対向する第1,第2MRセンサ41,42は、それぞれ図11の下段のグラフに示されるような正弦波状の検出信号(検出磁束[Wb])を出力する。なお、実線のグラフが第1MRセンサ41の検出信号を示し、一点鎖線のグラフが第2MRセンサ42の検出信号を示している。
具体的には、中空シャフト16の回転に伴い、原点検出用着磁部21(着磁部MG5)が第1,第2MRセンサ41,42と対向すると、15degの分だけずれて検出信号が出力される。このとき、検出磁束の大きな黒点部分(2箇所の●印)の検出磁束AN1,AN2[Wb]が、比較閾値ThN[Wb]よりも大きくなる。これにより、コントローラCT(図1参照)は、0deg~360degの間においていずれか一方のN極の大ピーク値(いずれか一方の●印)を検出することで、これを中空シャフト16の原点として把握する。
ただし、0deg~360degの間における一対の大ピーク値を「N極」とせずに、一対の大ピーク値を「S極」にすることもできる。また、上述した実施の形態6のように、インデックスとなる磁束を発生する着磁部(原点検出用着磁部)を、弱磁部としても良い。これによっても、コントローラCTは、中空シャフト16の原点を検出することができる。さらに、着磁部MG1~MG12の磁力は、熱履歴に応じて減磁される。よって、熱履歴を考慮してコントローラCTにより比較閾値ThNの大きさを調整させても良い。
以上のように形成された実施の形態11においても、上述した実施の形態1と略同様の作用効果を奏することができる。これに加えて、実施の形態11では、実施の形態2と同様に、中空シャフト16の回転方向を検出することも可能となる。
具体的には、コントローラCTは、検出磁束AN1[Wb]の大ピーク値(●印)を先に検出し、検出磁束AN2[Wb]の大ピーク値(●印)を後で検出すると、中空シャフト16の回転方向が「時計回り方向CW」であることを把握できる。これに対し、コントローラCTは、検出磁束AN2[Wb]の大ピーク値(●印)を先に検出し、検出磁束AN1[Wb]の大ピーク値(●印)を後で検出すると、中空シャフト16の回転方向が「反時計回り方向CCW」であることを把握できる。
本発明は上述の各実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることは言うまでもない。例えば、上述の各実施の形態では、12極のリングマグネット20Aないし20Lとして説明したが、本発明はこれに限らず、回転角度検出装置10,40に必要とされる仕様に応じて、例えば、8極程度に極数を減らしても良いし、14極以上に極数を増やしても構わない。
また、上述の各実施の形態では、磁気センサにMRセンサを用いたものを示したが、本発明はこれに限らず、その他の磁気センサ、例えば、AMR(Anisotropic Magneto Resistive)センサやGMR(Giant Magneto Resistive)センサ等を用いることもできる。
その他、上述した各実施の形態における各構成要素の材質,形状,寸法,数,設置箇所等は、本発明を達成できるものであれば任意であり、上述した各実施の形態に限定されない。
10…回転角度検出装置、11…ハウジング、12…側壁部、13…天板部、13a…貫通孔、14…底板部、14a…貫通孔、14b…基板支持部、15…センサ基板、15a…MRセンサ(磁気センサ)、16…中空シャフト(回転体)、17a…軸受、17b…軸受、20A…リングマグネット(マグネット)、20B…リングマグネット(マグネット)、20C…リングマグネット(マグネット)、20D…リングマグネット(マグネット)、20E…リングマグネット(マグネット)、20F…リングマグネット(マグネット)、20G…リングマグネット(マグネット)、20H…リングマグネット(マグネット)、20K…リングマグネット(マグネット)、20L…リングマグネット(マグネット)、21~29…原点検出用着磁部(強磁部)、30~38…原点検出用着磁部(弱磁部)、40…回転角度検出装置、41…第1MRセンサ(磁気センサ)、42…第2MRセンサ(磁気センサ)、CT…コントローラ、MG1~MG12…着磁部、SP…スペーサ
Claims (8)
- 回転体の回転角度を検出する回転角度検出装置であって、
前記回転体と共に回転し、前記回転体の回転方向に極性の異なる着磁部が交互に並べられたマグネットと、
前記着磁部の磁束を検出する磁気センサと、
を備え、
複数の前記着磁部の中に、前記回転体が1回転したことを示す磁束を発生する原点検出用着磁部が含まれる、
回転角度検出装置。 - 請求項1に記載の回転角度検出装置において、
前記原点検出用着磁部は、複数の前記着磁部を形成する他の前記着磁部に対して磁力が異なる、
回転角度検出装置。 - 請求項2に記載の回転角度検出装置において、
前記原点検出用着磁部の磁力が、複数の前記着磁部を形成する他の前記着磁部の磁力よりも大きい、
回転角度検出装置。 - 請求項3に記載の回転角度検出装置において、
前記原点検出用着磁部の体積が、複数の前記着磁部を形成する他の前記着磁部の体積よりも大きい、
回転角度検出装置。 - 請求項2に記載の回転角度検出装置において、
前記原点検出用着磁部の磁力が、複数の前記着磁部を形成する他の前記着磁部の磁力よりも小さい、
回転角度検出装置。 - 請求項5に記載の回転角度検出装置において、
前記原点検出用着磁部の体積が、複数の前記着磁部を形成する他の前記着磁部の体積よりも小さい、
回転角度検出装置。 - 請求項1から請求項6の何れか1項に記載の回転角度検出装置において、
複数の前記着磁部のうちの隣り合う一対の異極の前記着磁部が、それぞれ前記原点検出用着磁部である、
回転角度検出装置。 - 請求項1から請求項7の何れか1項に記載の回転角度検出装置において、
前記回転体の回転方向に一対の前記磁気センサがずれて配置されている、
回転角度検出装置。
Priority Applications (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2022001703A JP2023101216A (ja) | 2022-01-07 | 2022-01-07 | 回転角度検出装置 |
US18/149,670 US20230221147A1 (en) | 2022-01-07 | 2023-01-04 | Rotation angle detector |
CN202310013570.3A CN116412750A (zh) | 2022-01-07 | 2023-01-05 | 旋转角度检测装置 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2022001703A JP2023101216A (ja) | 2022-01-07 | 2022-01-07 | 回転角度検出装置 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2023101216A true JP2023101216A (ja) | 2023-07-20 |
Family
ID=87052257
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2022001703A Pending JP2023101216A (ja) | 2022-01-07 | 2022-01-07 | 回転角度検出装置 |
Country Status (3)
Country | Link |
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JP (1) | JP2023101216A (ja) |
CN (1) | CN116412750A (ja) |
-
2022
- 2022-01-07 JP JP2022001703A patent/JP2023101216A/ja active Pending
-
2023
- 2023-01-04 US US18/149,670 patent/US20230221147A1/en active Pending
- 2023-01-05 CN CN202310013570.3A patent/CN116412750A/zh active Pending
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
US20230221147A1 (en) | 2023-07-13 |
CN116412750A (zh) | 2023-07-11 |
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