JP4352189B2

JP4352189B2 - 磁気式エンコーダおよび磁気式エンコーダ付モータ

Info

Publication number: JP4352189B2
Application number: JP23451298A
Authority: JP
Inventors: 一成松崎; 武文椛島
Original assignee: Yaskawa Electric Corp
Current assignee: Yaskawa Electric Corp
Priority date: 1998-08-20
Filing date: 1998-08-20
Publication date: 2009-10-28
Anticipated expiration: 2018-08-20
Also published as: JP2000065596A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ロボットや工作機などに使用するサーボモータの回転位置を検出する磁気式エンコーダおよび磁気式エンコーダ付モータに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、回転体の回転位置を検出する磁気式エンコーダは、図６のようになっている（第１の従来例）。図において、１０は回転体、３０は回転体１０に嵌合され、外周に磁性材料あるいは磁性塗料からなる記録媒体２０を備えた磁気ドラム、４０は磁気ドラム３０の外周に空隙を介して対向する磁気抵抗素子である。このような磁気式エンコーダは、４ビットの例で説明すると、磁気ドラム３０は、軸方向に並べられた４トラックの記録媒体２０を設け、各ビット（２^０、２^１、２^２、２^３）の信号を各トラックごとに一定のピッチでＮ、Ｓ極に磁化して形成してある。磁気抵抗素子４０は各トラックに２個配置し、その間隔はビット信号の１／２ピッチにしてある。各ビット信号は波形成形することにより、図７に示すように、回転体１０の１回転を等分割した４種類の矩形波波形の信号として出力され、その合成信号により絶対位置を検出するようにしてある。また、第２の従来例として、回転体に円板状のマグネットを固定し、マグネットの上面に一方向にＮ、Ｓ極が磁化してあり、マグネットに対向して１個の磁気センサを設け、磁界の変化を磁気センサによって検出することにより、マグネットを固定した回転体の回転位置を検出するようにしたものがある。また、第３の従来例として、磁界の変化を正弦波状にするために、回転体の外周に起伏を設けて、起伏形状に沿って、磁気記録媒体を形成したものが開示されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、第１の従来例では、次のような問題があった。
（１）各ビット信号を記録するトラックが軸方向に配列してあるため、ビット数を増やすと、軸方向の長さが長くなり、小形化が難しい。
（２）トラック数が増えると、着磁箇所が増え、加工工数が増える。
（３）各トラックに対応して、磁気抵抗素子を設けるため、ビット数が増えると配線数が多くなり組立作業が複雑となって作業工数が増え、コストが高くなる。
また、第２の従来例では、次のような問題があった。
（１）磁気センサが１個であるので、回転体の絶対位置を求めることができない。
（２）磁気センサがマグネットの磁極境界線付近の磁束を検出するので、出力波形のリニア部分は利用できるが、正弦波波形の精度が低下し、１回転の検出精度は低くなる。また、第３の従来例では、回転体の外周に磁界が正弦波状に変化する起伏を設けてあるが、例えば、マイクロモータ等の回転を検出する超小形回転検出器では、回転体の外形が極めて小さいため、回転体の外形を正確に正弦波状の凹凸や楕円形に加工することが極めて難しく、検出精度の高い回転検出器を得ることができなかった。
そこで、本発明は、構造が簡単で、精度が高く、安価な磁気式エンコーダおよび磁気式エンコーダ付モータを提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記問題点を解決するため、請求項１の本発明は、回転体に取り付けられた磁界を発生する発磁体と、前記発磁体に軸方向に空隙を介して対向するように固定体に取り付けられたホール効果素子からなる磁界検出素子と、前記磁界検出素子からの信号を処理する信号処理回路とを備えた磁気式エンコーダにおいて、前記発磁体は、前記回転体の軸方向端部に配設された円板状または直方体状の永久磁石で構成されると共に、前記回転体の軸方向と垂直な一方向に磁化されたものであり、前記磁界検出素子は、前記回転体の回転中心に対して同心円上に配置されると共に、互いに周方向に機械角で９０度位相がずれている２個１対の磁界検出素子を互いに１８０度位相をずらした位置に２対設けてあり、前記信号処理回路は、互いに対向する前記磁界検出素子間の差動信号を処理する差動アンプを設けてあり、前記回転体の位置の絶対値を検出するようにしたものである。
また、請求項２の本発明は、磁気式エンコーダ付モータに係わるものであって、請求項１に記載の磁気式エンコーダと、それによって回転位置を検出されるサーボモータを備えたものである。
【０００５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を図に基づいて説明する。図１は本発明の実施例を示す磁気式エンコーダであって、（ａ）は磁気式エンコーダの斜視図、（ｂ）は磁界検出素子から出力される各相信号を処理する信号処理回路を示す図である。本発明が従来と異なる構成は以下のとおりである。図において、１は回転体、２は回転体１に回転軸１１を介して固定された発磁体を構成する永久磁石で、材料はフェライト系磁石、Ｓｍ−Ｃｏ系磁石、Ｎｅ―Ｆｅ―Ｂ系磁石、または各種磁石を高分子材料で結合した分散型複合磁石の何れか一つによって形成し、図中の矢印で示すように回転軸１１に対して、垂直に一方向磁化されている。３は永久磁石２と空隙を介して配設された固定体、４は固定体３に互いに周方向に９０度間隔で取り付けられた４個の磁界検出素子で、回転体の回転中心の同心円上にあり、互いに機械角で９０度ずれている２個１対の磁界検出素子を互いに１８０度位相をずらした位置に２対設けている。すなわち、隣り合う４つの素子の位置関係は、Ａ_１相検出素子４１とＢ_１相検出素子４２およびＡ_２相検出素子４３とＢ_２相検出素子４４はそれぞれ機械角で９０度変位しており、Ａ_１相検出素子４１とＡ_２相検出素子４３およびＢ_１相検出素子４２とＢ_２相検出素子４４は、それぞれ機械角で１８０度変位している。また、信号処理回路５は、Ａ_１相とＡ_２相それぞれの出力信号であるＶ_Ａ１とＶ_Ａ２の差動信号Ｖ_Ａを出力する差動アンプ５１と、Ｂ_１相とＢ_２相それぞれの出力信号であるＶ_Ｂ１とＶ_Ｂ２の差動信号Ｖ_Ｂを出力する差動アンプ５２と、差動信号Ｖ_ＡとＶ_Ｂとから回転角度を検出する角度検出回路５３とを設けてある。ここで、絶対角度の検出方法は、位相トラッキング方式や逓倍方式、位相変調方式、ディジタル演算処理等の正弦波、余弦波から角度情報を検出する方法をすべて含むものである。
【０００６】
次に、動作について説明する。磁気式エンコーダは、上記の構成によりＡ_１、Ａ_２、Ｂ_１、Ｂ_２の各相の磁界検出素子４１、４２、４３、４４によって、磁束が検出される。回転体１が１回転すると、一つの検出素子は図２に示すような回転角位置に応じた正弦波状の磁束密度を検出する。回転体１が偏心して回転するようなことがある場合は、検出した磁束密度の波形は偏心量に応じて変位する。しかし、Ａ相、Ｂ相は互いに１８０度位相がずれたＡ_１相とＡ_２相およびＢ_１相とＢ_２相の差動をとるので、偏心量は相殺され、図３に示すような、互いに９０度位相がずれた二つの正弦波、すなわち、回転角をθとしたとき、ｓｉｎθとｃｏｓθの波形が得られるので、Ａ相、Ｂ相を入力とする角度検出回路５３によって処理が行われ、絶対位置の回転角度が検出される。次に本発明の他の実施例について説明する。図４は、本発明の他の実施例を示す斜視図である。図４に示すように、回転軸１１の端部に直方体状の永久磁石２１を設け、図中の矢印で示すように回転軸１１に対して垂直な一方向に磁化するようにしたものである。また、回転軸１１の端部を直方体状に成形し、直方体部分を発磁体として構成しても構わない。さらに、図５に示すように、発磁体は回転軸１１自体を磁性体材料２２として構成し、回転軸１１の軸方向の端部に図中の矢印で示すように回転体の軸に垂直な一方向に磁化するようにしても良い。あるいは発磁体は回転体あるいは回転軸の表面に薄膜永久磁石を構成しても構わず、回転体の軸方向端部に発磁体を構成する配置であればこれらの手段に限定されるものではない。動作については、図１に示した実施例と同じなので省略する。
したがって、永久磁石を回転軸と垂直な方向の一方向に沿って磁化し、永久磁石と軸方向に空隙を介して対向する４個の磁界検出素子を設けてあるので、各磁界検出素子は正確な正弦波が得られる。例えば、直径が３ｍｍ、厚さが１ｍｍの永久磁石と、ホール効果素子からなる磁界検出素子を配置して、１回転の絶対位置を検出したところ、１回転を３２０００分割した絶対位置信号が得られ、極めて高い分解能を示している。なお、回転体の偏心量が極めて小さい場合は、磁界検出素子を互いに周方向に９０度間隔で固定されたＡ相検出素子とＢ相検出素子によってｓｉｎθとｃｏｓθの波形の検出信号を得るようにしても良い。また、磁界検出素子は、Ａ相検出素子とＢ相検出素子を必ずしも回転体の回転中心に対して同心円上に設ける必要はなく、検出信号の振幅を調整すれば、十分な分解能を得ることも可能である。さらに、磁界検出素子は、Ａ相およびＢ相の検出素子をそれぞれ２つずつ設け互いに機械角で９０度位相がずれているが、これに限定されることなく０度乃至１８０度の範囲の間で位相をずらしても構わない。またさらに、上記実施例では、磁界検出素子をホール効果素子を使用した場合について説明したが、磁気抵抗素子を使用しても同様の効果が得られる。
【０００７】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、構造が極めて簡単な永久磁石と、永久磁石に対向する２個または４個の磁界検出素子を設けるだけで、正確な正弦波信号を得られるので、従来のように、軸方向に長い磁気記録媒体を設けたり、回転体の外形に起伏を設けたり、楕円形にした磁気記録媒体を設ける場合に比べて、構造が簡単で、コストが低く、極めて分解能が高い、高精度の磁気式エンコーダを提供できる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例を示す磁気式エンコーダであって、（ａ）は磁気式エンコーダの斜視図、（ｂ）は磁界検出素子から出力される各相信号を処理する信号処理回路を示す図である。
【図２】本発明の実施例における１個の磁界検出素子の出力を示す説明図である。
【図３】本発明の実施例における信号処理回路の出力を示す説明図である。
【図４】本発明の他の実施例を示す発磁体の斜視図である。
【図５】本発明の別の実施例を示す発磁体の斜視図である。
【図６】従来例を示す斜視図である。
【図７】従来例の検出出力の波形を示す説明図である。
【符号の説明】
１：回転体
２、２１：永久磁石（発磁体）
２２：磁性体材料（発磁体）
３：固定体
４：磁界検出素子
４１：Ａ１相検出素子
４２：Ｂ１相検出素子
４３：Ａ２相検出素子
４４：Ｂ２相検出素子
５：信号処理回路
５１、５２：差動アンプ
５３：角度検出回路

Claims

回転体に取り付けられた磁界を発生する発磁体と、前記発磁体に軸方向に空隙を介して対抗するように固定体に取り付けられたホール効果素子からなる磁界検出素子と、前記磁界検出素子からの信号を処理する信号処理回路とを備え、前記磁界検出素子は、前記回転体の回転中心に対して同心円上に配置されると共に、互いに周方向に機械角で90度位相がずれている2個1対の磁界検出素子を互いに180度位相をずらした位置に2対設けた磁気式エンコーダにおいて、
前記発磁体は、前記回転体の軸方向端部に配設された円板状のSm-Co系磁石またはNe-Fe-B系の永久磁石で構成されると共に、前記回転体の軸方向と垂直な一方向に磁化されたことを特徴とする磁気式エンコーダ。
請求項１に記載の磁気式エンコーダと、それによって回転位置が検出されるモータを備えたことを特徴とする磁気式エンコーダ付モータ。