JP3881188B2 - 回転位置検出器 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、工作機械の主軸またはモータ等の回転体に装着され、回転体の回転位置を検出する回転位置検出器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種の位置検出器の動作原理について、図５を用いて説明する。位置検出用歯車１０１は、モータ等の回転体の回転軸等に同軸に取り付けられ、一般的に鋼などの磁性体で構成されている。第１の磁気センサ１０３ａは、歯列近傍に配置された二つの磁気抵抗素子およびバイアスマグネットから成る。この磁気抵抗素子は、位置検出用歯車１０１の凸部（歯）の周方向長の約１／４の間隔をあけて配置されている。位置検出用歯車１０１が回転すると、その歯車の凹凸に応じて発生する磁束変化が図６の波形Ａのような電気信号ｘおよびｙとしてセンサ１０３ａより出力される。
【０００３】
この電気信号は第１の磁気センサ１０３ａと位置検出用歯車１０１とのギャップにより大きさが異なり、通常、安定した出力信号を確保するためにギャップを０．１〜０．２ｍｍ程度に調整する必要がある。また、これらの電気信号ｘおよびｙは一般的に２相交流信号であり、次式（１），（２）のように表わされる。
【０００４】
【数１】
ｘ＝Ｖ・sinθ＋Ｖa ・・・（１）
ｙ＝Ｖ・cosθ＋Ｖb ・・・（２）
【０００５】
ここで、Ｖは２相信号の振幅、Ｖaは信号ｘに含まれる直流成分であり、Ｖbは信号ｙに含まれる直流成分である。θは２相信号の位相であり、位置検出用歯車１０１の回転角度をφ、歯数をｎとすると、位相θは次式（３）で表わされる。
【０００６】
【数２】
θ＝ｎ・φ ・・・（３）
【０００７】
これら２相信号ｘおよびｙの振幅をＡＤコンバータ１０６ａおよび１０６ｂによってサンプリングし瞬時値（ｘ，ｙ）に変換される。前記ＡＤコンバータ１０６ａおよび１０６ｂによって変換された瞬時値（ｘ，ｙ）は、除算器１０７に入力される。一般的な回転位置検出装置においては上記式（１），（２）に示した直流成分ＶaおよびＶbを無視しており、このとき除算器１０７の出力は次式（４）のように表わされる。
【０００８】
【数３】
ｘ／ｙ＝sinθ／cosθ＝tanθ ・・・（４）
【０００９】
除算器１０７の出力は変換器１０８によってｔａｎ関数の逆関数により、次のように回転位置θが検出される。
【００１０】
【数４】
θ＝tan^-1（ｘ／ｙ） ・・・（５）
【００１１】
以上のように検出された回転位置θは、位置検出用歯車１０１の凸部（歯）の１個分を１単位とする微小な位置である。また一方、２相信号ｘおよびｙはコンパレータ１０４ａおよび１０４ｂによってパルス信号化されてカウンタ回路１０５に入力される。このカウンタ回路１０５では、前記パルス信号をカウントすることによって上記回転位置θの１周期を超える範囲の回転位置上位桁が検出される。この回転位置上位桁と上記の回転位置θは加算器１０９において加算され、検出歯車１０１の全周にわたる回転位置検出値φが得られる。
【００１２】
上述した位置はインクリメンタル（一方的に増加するのみ）であるため、通常、図５に示される構造のように円周の１ケ所にのみ凹部（歯溝）１１１を有した円板１０２を位置検出用歯車１０１と同軸に密着固定して回転体に取り付ける。この円板近傍に磁気抵抗素子およびバイアスマグネットから成る第２の磁気センサ１０３ｂが配置される。この第２の磁気センサ１０３ｂにより、図６の波形Ｂのような円板１０２の凹部１１１での磁界の変動に応じた電気信号ｚを検出することができる。前述のように歯溝１１１は、位置検出用歯車１０１の１周に１ヶ所形成されているので、電気信号Ｚは１回転内の基準位置を示す信号となる。この基準位置を検出する信号は、センサ１０３ｂの出力をコンパレータ１０４ｃでパルス化しカウンタ回路１０５に入力する。前記センサ１０３ｂの出力信号であるパルス化信号は、前記カウンタ回路をリセットし基準位置からのインクリメンタル量をもって１回転内のアブソリュート位置（絶対位置）としている。
【００１３】
図７及び８に、図５中の従来の位置検出器の位置検出用回転体（歯車１０１、円板１０２）の構成図を示す。図７は、多数の歯１１０を有する歯車であり、図５中の歯車１０１である。図８は、１個の凹部１１１を有する歯車とは別体の円板であり、図５中の円板１０２である。前記歯車１０１と前記円板１０２を同心上で接合させ、前記円板１０２の凹部を１回転内の基準位置としている。
【００１４】
他の従来の位置検出用回転体を図９、図１０、図１１に示す。図９のように位置検出用歯車を切削して形成するときに、位置検出用歯車の歯の１つのみ、歯車の全幅に亘って残すように加工し、この歯１１２を一回転内の基準位置として検出する方法もとられている。図９に示す位置検出用回転体を用いた場合、図９の凸部１１２での磁界の変動に応じた電気信号ｚを検出することにより１回転内の基準位置を検出する。図９の位置検出用回転体を用いたときの磁気センサが出力する電気信号を図１２に示す。
【００１５】
また、図１０のように位置検出歯車凸部の一部分を削り取るように加工し、この歯１１６を一回転内の基準位置として検出する方法もとられている。図１０に示す位置検出用回転体を用いた場合、図１０の検出歯車凸部の一部分を削り取るように加工された凹部１１５での磁界の変動に応じた電気信号ｚを検出することにより１回転内の基準位置を検出する。図１０の位置検出用回転体を用いたときの磁気センサが出力する電気信号を図１３に示す。波形Ａの電気信号ｙと波形Ｂの電気信号ｚの差である電気信号波形Ｂ’を任意の基準信号Ｖrefと前記図５のコンパレータ１０４ｃで比較し、カウンタ回路１０５へ入力するパルスか信号を生成する。
【００１６】
また、図１１に示すように位置検出歯車凸部の一部分のみ他の凸部より高くするように加工し、この歯１１６を一回転内の基準位置として検出する方法もとられている。図１１に示す位置検出用回転体を用いたとき、図１１の凸部１１６での磁界の変動に応じた電気信号ｚを検出することにより１回転内の基準位置を検出する。図１１に示す位置検出用回転体を用いたときの磁気センサが出力する電気信号を図１４に示す。波形Ｂを任意の基準信号Ｖrefと前記図５のコンパレータ１０４ｃで比較し、カウンタ回路５へ入力するパルス化信号を生成する。
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
図５、図７及び図８に示す従来の位置検出用回転体の構造は、上述のように構成されていたため、凹部１１１を有する円板１０２を装着する必要があり、部品点数が増加して、コストがかかるという問題がある。また凹部を有する円板の取付け位置がずれると、基準位置が変わってしまい、位置精度が低下するという問題があった。
【００１８】
また、図９に示す従来の位置検出器の回転体の構造は、図５等に示した構造に対して、回転内の基準位置がずれる問題を解消することはできる。しかし、基準位置１１２を形成するために円板の厚み全体にわたって歯切りを行い、その後不要な凸部を切削加工するため、多大な時間とコストがかかるという問題があった。
【００１９】
さらに、図１０に示す従来の位置検出器の回転体の構造においても、図５等に示した構造に対して、回転内の基準位置がずれるという問題は解決できるが、一回転基準位置を検出する部分においてもほぼ全周にわたって歯切りを行う必要があるため、多大な時間とコストがかかるという問題があった。
【００２０】
さらに、近年、モータの小型化によりイナーシャの低いものが作られているが、このようなモータに上述した従来例のような厚みのある回転体を取り付けると、この回転体のイナーシャの影響が大きくなってしまいモータの加減速性能が劣化するという問題があった。
【００２１】
さらに、位置検出用歯車の凹凸に応じて変化する磁束変化を検出する前記磁気センサ１０３ａと円板の凹部または凸部の磁束変化を検出する前記磁気センサ１０３ｂを位置検出用歯車および基準位置検出用円板の円周方向にそれぞれ並べる必要があった。そのため、センサの配列が２列となるため、センサの幅を狭くできないという問題があった。
【００２２】
次に、図１１に示す従来の位置検出用回転体の構造は、位置検出用歯車のみを有し、基準位置検出用円板が不要である。よって、上述したイナーシャに関する課題およびセンサの幅を狭くするという課題は解決できる。しかし、図１１に示す基準位置検出用凸部１１６において、図１４に示すように波形Ａの電気信号ｘ，ｙの信号に大きな歪が生じる。この歪部分における回転位置θの検出制度が著しく悪化する。よって図１１に示す歯車は、高精度位置検出器の検出用歯車として使用することができない。
【００２３】
本発明は上記実情に鑑みて為されたもので、位置検出用回転体のモータに対するイナーシャの影響を軽減するとともに、位置検出用歯車の加工時間を増やすことなく、高精度にでき、さらに安価にできる位置検出器を提供することを目的とする。
【００２４】
【課題を解決するための手段】
前述の課題を解決するために、本発明にかかる位置検出装置は、異なる特性を有する２種のセンサを有している。また、これらのセンサは、歯列の凹凸形状の表面までの距離に対応した信号を出力できるセンサであり、好ましくは、距離に応じた磁界の変化に基づき信号を生成するセンサである。第１のセンサは、例えば、比較的センサ近傍を測定範囲とし、より遠方に測定対象物が位置する場合は、その出力に影響が現れない特性を有している。すなわち、測定対象物までの距離が短い間は、距離の増加に応じて減少する信号を出力するが、ある程度以上の距離となると、それ以上は、信号が変化しない特性を有している。一方、第２のセンサは、比較的遠方までを測定範囲としている。
【００２５】
そして、この２種の特性の異なるセンサに対応して、回転体の歯列の凹凸形状が決定され、回転体の凹部の深さは複数種設けられている。これらの凹部は、好ましくは共通の深さである第１の深さを有する多くの第１の歯溝と、これより深い第２の深さを有する少数の第２の歯溝から形成される。さらに好ましくは、第２の歯溝は、円周上に１箇所設ける。
【００２６】
また、第１のセンサにとって、第１の深さより浅い範囲が検出可能範囲内となり、第１の深さより深く、第２の深さより浅い範囲については検出可能範囲外となっている。第２のセンサにとっては、少なくとも第１の深さより深く、第２の深さより浅い範囲が検出可能範囲となっている。そして、第１の歯溝と第２の歯溝は、第１のセンサの検出可能範囲において、同一の形状を有している。また、第１のセンサの出力は、二相正弦波信号である。
【００２７】
前述のように、第１のセンサにとって、第１の深さより深く、第２の深さより浅い範囲が測定可能な範囲外にあるので、その出力には、これより深い第２の歯溝の影響が現れない。したがって、深い歯溝部分においても、他の部分とほぼ同様の周期、振幅の波形を出力することができる。また、第２のセンサは、第２の歯溝の深さを検出することができ、例えば、１周に付き１個設けられた深い歯溝を検出することができる。第２のセンサで検出された深い歯溝の位置を基準位置とし、この位置からの第１のセンサで検出した回転角度を回転体の回転位置とする。
【００２８】
以上のように、一つの歯列の中で、歯溝深さを変えることにより、基準位置を設けることができ、回転体を小型または薄くすることができる。また、歯溝深さを一部のみ深くする加工は比較的容易である。
【００２９】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。図１および図２は、実施の形態の概略構成を示す図である。位置検出用回転体１４は、略円板状の外周部に凹凸が形成され、歯車形状を有する。また、この回転体１４の歯溝の１個が、他の歯溝１２より深い歯溝１３となっている。この位置検出用回転体１４の外周部に隣接して第１の磁気センサ３ａが配置されている。第１の磁気センサ３ａは、二つの磁気抵抗素子と、バイアスマグネットを含む。二つの磁気抵抗素子は、位置検出用回転体１４の周方向に、この回転体の凸部（歯）の周方向ピッチの１／４の間隔をもって配置されている。位置検出用回転体１４が回転すると、これの外周の凹凸によって発生する磁束の変化が、第１の磁気センサ３ａの二つの磁気抵抗素子により検出される。この検出信号は、図３のＡに示す２相交流信号である電気信号ｘ，ｙとなる。電気信号ｘ，ｙは、次式（６），（７）で表される。
【００３０】
【数５】
ｘ＝Ｖ・sinθ＋Ｖa ・・・（６）
ｙ＝Ｖ・cosθ＋Ｖb ・・・（７）
【００３１】
ここで、Ｖは２相信号の振幅、Ｖa，Ｖbはそれぞれ信号ｘ，ｙに含まれる直流成分である。また、θは２相信号の位相である。位置検出用歯車１４の回転角度をφ、歯数をｎとすると、位相θは、次式（８）で表される。
【００３２】
【数６】
θ＝ｎ・φ ・・・（８）
【００３３】
これらの２相信号ｘ，ｙの振幅をＡＤコンバータ６ａ，６ｂによってサンプリングし、瞬時のｘ，ｙの値に変換する。この瞬時値（ｘ，ｙ）は、除算器７に入力される。直流成分Ｖa，Ｖbを無視すれば、除算器７の出力は次式（９）により表され、さらに変換器８にて位相θ、すなわち回転体１４の凹凸のピッチ内の回転位置θに変換される。これが、式（１０）に示される。
【００３４】
【数７】
ｘ／ｙ＝sinθ／cosθ＝tanθ ・・・（９）
θ＝tan^-1（ｘ／ｙ） ・・・（１０）
【００３５】
第２のセンサ３ｂは、第１のセンサ３ａに対して、歯溝の深い部分を検出できるセンサであり、センサ３ａに対して磁束検出範囲の広いセンサを用いる。図１４にセンサ３ａ，３ｂのセンサ面と磁性体とのギャップ−センサ出力特性を示す。図１４において、特性曲線ａは前記センサ３ａの特性を示し、特性曲線ｂは前記センサ３ｂの特性を示す。センサ３ａの特性は、センサ面と磁性体のギャップが１ｍｍ以上の場合出力特性の変化は殆ど見られない。一方センサ３ｂの特性は、ギャップが１ｍｍ以上でも出力特性に変化が見られる。
【００３６】
本実施の形態の出力信号を図３に示す。信号ｘ，ｙは前述したとおり、第１の磁気センサ３ａから得られる信号である。信号ｚは、第２の磁気センサ３ｂから得られる信号である。第１の磁気センサ３ａは、ギャップが０．１〜０．２ｍｍで、線形特性の出力が得られるものが用いられており、よって本実施の形態においても、この範囲の値の０．２ｍｍのギャップで配置されている。また、前述したように、この第１の磁気センサ３ａの出力は、ギャップが１ｍｍ以上となるとほとんど変化しない。位置検出用歯車１４の歯溝の深さは、通常のもの（歯溝１２）が０．８ｍｍであり、深い歯溝１３は１．３ｍｍである。よって、第１の磁気センサ３ａの歯底に対するギャップは、通常の歯底に対しては１ｍｍ、深い歯溝１３の歯底に対しては１．５ｍｍとなる。この値は、前述のように、第１の磁気センサ３ａの不感帯であり、第１の磁気センサ３ａの出力は、深い歯溝１３の影響を受けることがない。
【００３７】
一方、第２の磁気センサ３ｂは、ギャップが１ｍｍ以上、２ｍｍ程度まで出力変化があり、したがって、位置検出用回転体１４の歯先１０とのギャップ０．２ｍｍを考慮しても、歯溝深さ１ｍｍおよび１．５ｍｍも十分に検出可能範囲となる。したがって、第２の磁気センサ３ｂの出力は、図３のＢに示すように、深い歯溝１３に対向したときに、より低い値を示す波形となる。このときの位置検出用回転体１４の回転位置を基準位置とし、凹凸の数および式（１０）から求められる位相から回転体１４の回転位置が求められる。
【００３８】
位置検出用回転体１４の１回転内の位置の算出は次のように行われる。２相信号ｘ，ｙは、コンパレータ４ａ，４ｂにも入力され、ここでパルス信号化されて更にカウンタ回路５に送られる。このカウンタ回路５では、前記パルス信号をカウントすることによって、前記回転位置θの１周期を超える範囲の回転位置上位桁が検出される。この回転位置上位桁と前記回転位置θは、加算器９により加算され、位置検出用回転体１４の回転位置が検出される。また、信号ｚは、コンパレータ４ｃを介してカウンタ回路５に送られ、このパルス信号ｚによりカウンタ回路５がリセットされる。したがって、深い歯溝１３が検出されるたび、すなわち回転体１４が１回転するたびにカウント値がリセットされ、この位置（基準位置）からの回転位置が算出される。
【００３９】
図１、図２に示すように本発明において特徴的なことは、図１、図２に示す位置検出用回転体の外周に所定の間隔で一体に形成された凹部（歯溝）のうち、１個の凹部のみ他の凹部に対して溝の深い凹部１３を設けたことである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本実施の形態の位置検出器の概略構成を示す図である。
【図２】 本実施の形態の回転位置検出用回転体を示す図である。
【図３】 本実施の形態の磁気センサの出力波形を示す図である。
【図４】 本実施の形態の２種の磁気センサの特性図である。
【図５】 従来の位置検出器の構成の一例を示す図である。
【図６】 図５の位置検出器の磁気センサの出力波形を示す図である。
【図７】 図５の位置検出器の回転位置検出用回転体を図７と共に示す図である。
【図８】 図５の位置検出器の回転位置検出用回転体を図８と共に示す図である。
【図９】 他の従来例の構成を示す図である。
【図１０】 さらに他の従来例の構成を示す図である。
【図１１】 さらに他の従来例の構成を示す図である。
【図１２】 図９の位置検出器の磁気センサの出力波形を示す図である。
【図１３】 図１０の位置検出器の磁気センサの出力波形を示す図である。
【図１４】 図１１の位置検出器の磁気センサの出力波形を示す図である。
【符号の説明】
３ａ 磁気センサ（第１のセンサ）、３ｂ 磁気センサ（第２のセンサ）、１０ 歯先（回転体凸部先端）、１２ 一般の歯溝（回転体凹部）、１３ 深い歯溝（回転体の深い凹部）、１４ 位置検出用回転体。

Claims (2)

1. 円周上に第１の深さの歯溝を繰り返し凹凸を配置した歯列を有し、前記歯列の中心を回転軸とする回転体と、
   前記歯列の近傍に配置され、歯列の表面までの距離に応じた信号を出力するセンサと、
   前記歯列表面までの距離の変化に基づき、前記回転体の回転位置を算出する回転位置算出手段と、
   を有する回転位置検出装置において、
   前記回転体の歯列は、円周上の所定箇所に、第１の深さより深い第２の深さの歯溝を有し、
   前記センサは、
   前記第１の深さより浅い位置が検出可能範囲となり、かつ前記第１の深さより深く前記第２の深さより浅い位置が検出可能範囲外となる特性を有する第１のセンサと、
   少なくとも前記第１の深さより深く、前記第２の深さより浅い位置が検出可能範囲内となる特性を有する第２のセンサと、
   を有し、
   前記第１の深さの歯溝と前記第２の深さの歯溝は、前記第１のセンサの検出可能範囲において、同一の形状を有し、
   前記第１のセンサは、二相正弦波信号を出力するセンサであり、
   前記回転位置算出手段は、前記第１のセンサの出力に基づき前記回転体の回転角度の相対値を歯溝の１ピッチ未満の分解能で算出し、前記第２のセンサの出力に基づき前記回転体の回転の基準となる基準位置を算出する、
   回転位置検出装置。
2. 請求項１に記載の回転位置検出装置において、前記回転体の、前記第２の深さの歯溝は、円周上に１箇所設けられている、回転体位置検出装置。

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