JP4678371B2 - 磁気式エンコーダ装置 - Google Patents

Description

本発明は、産業用ロボット、ＮＣ工作機械等に用いられるモータの回転位置を検出する磁気式エンコーダ装置に関し、特に、１回転以内角度の絶対位置検出に加えて、多回転量を検出する磁気式エンコーダ装置に関する。

従来、回転体の回転軸に対して垂直方向の一方向に磁化され回転体に固定された永久磁石の磁界を磁界検出素子で検出し、１回転以内の角度を検出する磁気式エンコーダ装置が開示されている。（例えば、特許文献１参照）。
図８は従来の磁気式エンコーダ装置の斜視図である。
図８において、１は回転体、２は回転体１の端部に固定された円板状の発磁体を構成する永久磁石で、永久磁石２は回転体１の軸方向に対して垂直な一方向に磁化されている。３は永久磁石２の外周側に設けられたリング状の固定体、４は回転体１の回転中心に対し同心円状にして設けられ、且つ、固定体３の周方向に等間隔に配設された磁界検出素子であって、４個の磁界検出素子４１、４２、４３、４４から構成されている。これらの磁界検出素子４は、永久磁石２の外周面に対して空隙を介して対向し、且つ、互いに電気角で９０度位相をずらしてＡ₁相検出素子４１とＢ₁相検出素子４２を設け、さらにＡ₁相検出素子４１に対して電気角で１８０度位相をずらしてＡ₂相検出素子４３を、Ｂ₁相検出素子４２に対して電気角で１８０度位相をずらしてＢ₂相検出素子４４を設けている。
また、図９は信号処理回路のブロック図である。
図９において、５は信号処理回路で、差動増幅器５１、５２および角度演算回路５３から構成される。
次に、動作について説明する。
回転体１が回転すると、回転体１に固定された永久磁石２が回転する。磁界検出素子４は、永久磁石２の発生する磁界を検出し、回転角に対して１回転に１周期の正弦波状の信号を出力する。なお、このように１回転に１周期の信号を出力するエンコーダを１Ｘ型エンコーダと呼ぶ。
差動増幅器５１は、Ａ₁相検出素子４１からの検出信号であるＡ1信号（Ｖ_a1）とＡ_２相検出素子４３からの検出信号であるＡ2信号（Ｖ_a2）の入力を受けて両信号の差動信号Ｖ_aを出力する。また、差動増幅器５２は、Ｂ₁相検出素子４２からの検出信号であるＢ1信号（Ｖ_ｂ1）とＢ_２相検出素子４４からの検出信号であるＢ2信号（Ｖ_ｂ2）の入力を受けて両信号の差動信号Ｖ_ｂを出力する。差動信号Ｖ_aとＶ_bはお互いに９０度位相の異なる信号となる。角度演算回路５３、は差動信号Ｖ_aとＶ_bからａｒｃｔａｎ（Ｖ_a／Ｖ_b）の演算を行って回転角度を演算する。
このように、従来の１Ｘ型エンコーダは、一方向に磁化された永久磁石が発する磁界を磁界検出素子により検出して信号処理回路により角度演算を行い、１回転以内角度を検出していた。
特願平１０−５４１４８２号公報

従来の１Ｘ型エンコーダは、多回転量を検出する手段を持たず、１回転以内の角度のみを検出していた。多回転量を検出するため、従来の１Ｘ型エンコーダの信号処理回路に多回転検出回路を付加し、磁界検出素子４からの信号をこの多回転検出回路に入力することにより、多回転量を検出することは可能である。しかし、瞬時停電等の外部電源遮断時においても多回転量の情報を持ち続けるためには、バッテリ等のバックアップ電源を用いて磁界検出素子４および付加した多回転検出回路に連続して通電する必要がある。この時の消費電力は、きわめて低いものが求められ、高精度の１回転以内角度信号を得るには、磁界検出素子４に適正な電流を流す必要があり、省電力化は困難である。従って、バックアップ電源としてバッテリを用いた場合、バッテリ交換を頻繁に行う必要があり、メンテナンス等により、繰り返しバッテリ電源のみで長時間の連続運転を要求される機械装置への適用が難しく、磁気式エンコーダ装置の適用範囲を狭めるという問題があった。
また、バックアップ電源を用いず多回転量を維持し検出する方法として、ギア等の機械的な手段をさらに加えることも考えられるが、大型化することと、機械的な接触部を持つため磁気エンコーダ装置の寿命を縮めるという問題や、機械的磨耗による信頼性の問題があった。
さらに、アウターロータ型のモータに対しては、ギア等の機械的な手段を用いた小型の減速機構適用するのは難しいという問題もあった。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、低い消費電力で多回転量が検出でき、また、バッテリ電源のみで長時間の連続運転が可能で、さらにアウターロータ型のモータに対しても多回転量を検出できる小型、薄型で長寿命の磁気式エンコーダ装置を提供することを目的とする。

上記問題を解決するため、本発明の磁気式エンコーダ装置は、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、回転体の回転軸に対して垂直方向の一方向に磁化され前記回転体に固定された永久磁石と、前記永久磁石に空隙を介して対向し固定体に取り付けられた磁界検出素子と、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装置において、前記磁界検出素子は、１回転以内の角度を検出する少なくとも２つの１回転用磁界検出素子と、多回転量を検出する少なくとも２つの多回転用磁界検出素子と、を備え、前記信号処理回路は、１回転用磁界検出素子の検出信号から１回転以内角度信号を生成する１回転信号処理回路と、多回転用磁界検出素子の検出信号から多回転信号を生成する多回転信号処理回路と、を備えたものである。
また、請求項２記載の発明は、前記回転体および永久磁石はリング形状を成し、前記永久磁石の周囲にリング状の磁気ヨークが形成され、前記固定体は前記回転体の内側に配置したものである。
また、請求項３に記載の発明は、前記固定体はリング形状を成し、強磁性体で構成したものである。
また、請求項４に記載の発明は、前記多回転用磁界検出素子を、磁気抵抗素子またはホール素子としたものである。
また、請求項５に記載の発明は、前記多回転用磁界検出素子を、前記永久磁石の周方向に配置したものである。
また、請求項６に記載の発明は、前記多回転用磁界検出素子を、前記回転体の軸方向に空隙を介して、前記永久磁石の側面に配置したものである。

請求項１に記載の発明によると、１回転用磁界検出素子と１回転信号処理回路とで構成される１回転以内角度検出手段とは別に、多回転用磁界検出素子と多回転信号処理回路で構成される多回転検出手段を付加したので、外部電源遮断時には、多回転検出手段のみにバックアップ電源を供給すればよいので、極めて小さい電力で多回転量を検出でき、バックアップ電源として使用するバッテリ等を頻繁に交換しなくて良いので、長時間の連続運転が可能となる。
また、請求項２に記載の発明によると、回転体および永久磁石はリング形状とし、固定体を回転体の内側に配置したのでアウターロータ型のモータに対して極めて小さい電力で多回転量を検出できる。
また、請求項３に記載の発明によると、回転体の内側に配置した固定体をリング形状としたので、多回転量を検出できる中空の磁気式エンコーダ装置を構成できる。
また、請求項４に記載の発明によると、多回転用磁界検出素子に小型で消費電力の小さい磁気抵抗素子またはホール素子を用いることで、多回転機能が付加されても大幅な外形寸法の増加は生じない。従って、すでに、従来技術が適用されている装置へ多回転機能が付加されても、外形上、装置への適用が制限されることが無い。また、機械的な接触部分を持たないので長寿命で信頼性の高い磁気式エンコーダ装置が実現できる。
また、請求項５に記載の発明によると、多回転用磁界検出素子を１回転用磁界検出素子が配置されている永久磁石の外周部の残りの空間に配置したので、薄型に構成することができ、径方向の厚みも薄く構成できる。
また、請求項６に記載の発明によると、回転体１とは反対側の永久磁石２の側面に配置したので、モータが回転体と直結された場合、モータからの輻射熱を直接受けることが無く、小さい消費電流でも安定した信頼性の高い検出ができる。

本発明の第１実施例を示す磁気式エンコーダ装置の斜視図 本発明の磁気式エンコーダ装置の多回転信号処理回路のブロック図 多回転信号と１回転以内角度信号との関係を示す動作説明図 本発明の第２実施例を示す磁気式エンコーダ装置の斜視図 本発明の第３実施例を示す磁気式エンコーダ装置の斜視図 本発明の第４実施例を示す磁気式エンコーダ装置の斜視図 本発明の第５実施例の固定体部の構成を示す図 従来の磁気式エンコーダ装置の斜視図 従来の磁気式エンコーダ装置の信号処理回路のブロック図

符号の説明

１、１’ 回転体
２ 永久磁石
２’ 磁界発生ロータ
２１ リング形状永久磁石
２２ リング形状磁気ヨーク
３、３’ 固定体
３１ リング形状固定体
３２ 素子ホルダ
４ 磁界検出素子、１回転用磁界検出素子
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、１回転信号処理回路
５１、５２ 差動増幅器
５３ 角度演算回路
６ 多回転用磁界検出素子
６１ Ａｍ相検出素子
６２ Ｂｍ相検出素子
７ 多回転信号処理回路
７１、７２ 増幅器
７３ カウンタ

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

図１は、本発明の第１実施例を示す磁気式エンコーダ装置の斜視図である。
図１において、１は回転体、２は永久磁石、３は固定体、４は１回転用磁界検素子、５は１回転信号処理回路、６は多回転用磁界検出素子、７は多回転信号処理回路である。回転体１、永久磁石２、固定体３、１回転用磁界検出素子４、１回転信号処理回路５の構成については従来技術と同じであるので、その説明を省略する。
なお、本実施例では、永久磁石２は、フェライト系磁石で形成し、回転体１の軸に対して垂直方向の一方向に平行に磁化した２極の構成となっている。永久磁石２の大きさは直径が３ｍｍ 、厚さが１ｍｍ である。
多回転用磁界検出素子６は、Ａｍ 相検出素子６１とＢｍ相検出素子６２の２個の磁気抵抗素子からなり、円板上の永久磁石２の外周面に空隙を介して配置され、かつ互いに電気角で略９０度位相をずらして設けてある。
このＡｍ相とＢｍ相は回転方向を決めるものであるため、Ｖａｍ信号、Ｖｂｍ信号のチャタリングなどによる両信号の発生順序に影響がない範囲の位相角でよく、Ａｍ相検出素子６１とＢｍ相検出素子６２間の位置は電気角で１０度〜１７０度になる位置でも良い。
多回転信号処理回路７は、多回転用磁界検出素子６から検出されるＡｍ相信号およびＢｍ相信号を処理して多回転信号を生成する。
図２は、多回転信号処理回路７のブロック図である。
図２において、７１、７２は増幅器、７３はカウンタである。
本発明が従来技術と異なる点は、多回転用磁界検出素子６と多回転信号処理回路７を備えた点である。

次に本発明の第１実施例の動作について説明する。
１回転以内の角度を検出については従来技術と同じであるので多回転量の検出とについてのみ説明する。
回転体１の回転に伴って、永久磁石２が回転すると、空隙部の磁束密度が変化する。この磁束密度の変化を多回転磁界検出素子６で検出し、多回転信号処理回路７へ入力する。多回転用磁界検出素子６のＡｍ相検出素子６１で検出した信号は増幅器７１で増幅され、信号Ｖaｍとなり、カウンタ７３に入力される。また、Ｂｍ相検出素子６２で検出した信号は増幅器７２で増幅され、信号Ｖｂｍとなり、同じくカウンタ７３に入力される。カウンタ７３はＶaｍ、Ｖｂｍをカウントすることにより多回転信号を生成する。
図３は多回転信号と１回転以内角度信号との関係を示す動作説明図である。
図３において、１回転以内角度信号は、この信号の分解能をｄnとすると、回転体１回転に対して０から（ｄn−１）まで変化する角度信号となる。ある検出点における多回転量を含めた角度信号は、多回転信号が変化したときの１回転以内角度信号のデータｄcを予め記憶しておき、検出点における１回転以内角度信号のデータｄがｄcより大きい場合は｛(ｄ−ｄc)／ｄn｝を多回転信号ｋにプラスすることにより、ｄがｄcより小さい場合は｛(ｄ＋ｄn−ｄc)／ｄn｝を多回転信号ｋにプラスすることにより得られる。
瞬時停電などにより外部電源が遮断された場合は、多回転磁界検出素子６および多回転信号処理回路７はバッテリにより電源が供給され、多回転量データを保持すると共に引き続き多回転量を検出する。多回転量の検出は１回転以内角度信号に比べて高い検出精度を要求しないので小さい電力で検出できる。なお、この時、磁界検出素子４および信号処理回路５には電源が供給されず、１回転以内角度信号は検出できないが、１Ｘ型エンコーダでは、１回転以内角度信号については、瞬時停電などにより外部電源が遮断されても、電源復帰後に１回転用磁界検出素子４検出信号から再生できる。
このように、本実施例では、１回転用磁界検出素子４と１回転信号処理回路６とで構成される１回転以内角度検出手段とは別に、多回転用磁界検出素子６と多回転信号処理回路７で構成される多回転検出手段を付加し、外部電源遮断時は、消費電力の小さい多回転検出手段のみにバックアップ電源を供給することにより、極めて小さい電力で多回転量を検出できる。本実施例ではバックアップ電源の消費電力を約0.3mWにすることが出来た。これは、従来の磁気式エンコーダ装置に多回転検出回路を付加し、磁界検出素子の信号を共用することで多回転量を検出する場合の消費電力の約1/500になる。
また、特別な多回転検出機構の追加することなく、多回転量を検出するための磁界検出素子として、小型で消費電力の小さい多回転用磁気抵抗素子６を１回転用磁界検出素子４と同一円周上の空隙部に配置したので、回転軸の軸方向、及び径方向への寸法増加は無く小型な構造を維持できる。
従って、幅広い分野に対して適用可能な磁気式エンコーダ装置を提供することができる。
なお、本実施例では永久磁石にフェライト系磁石を用いたが、Ｓｍ −Ｃｏ 系磁石あるいはＮｅ −Ｆｅ −Ｂ系磁石または前記各種磁石を高分子材料で結合した分散型複合磁石によって形成しても良い。
また、多回転信号処理回路７に増幅器７１，７２を用いて信号の調整を行っているが、コンパレータを用いても同様の効果が得られることは自明である。また、コンパレータを多回転信号処理回路７でなく磁界検出素子６の近傍に置くことも可能である。この場合、コンパレータの出力信号である２値化された信号を多回転信号処理回路７に送るため、耐ノイズ性を向上させることができる効果がある。

図４は本発明の第２実施例を示す磁気式エンコーダ装置の斜視図である。
本実施例が第１実施例と異なる部分は、第１実施例では多回転用磁界検出素子６は円板状の永久磁石２の外周面に空隙を介して配置されているのに対し、本実施例では、永久磁石２の円板状の平面に空隙を介して配置している点である。なお、回転軸１が固定してある平面とは反対側の平面に配置した。
多回転用磁界検出素子６は、Ａｍ 相検出素子６１とＢｍ 相検出素子６２の２個のホール素子からなり、回転体１の回転方向に互いに略９０度位相をずらして、図示しない固定治具により固定体３に固定してある。永久磁石２の表面と多回転用磁界検出素子６のギャップは約１ｍｍ程度である。
なお、本実施例の動作については、第１実施例と同じであるのでその説明を省略する。
このように、本実施例では、多回転用磁界検出素子６を、回転体１とは反対側の永久磁石２の円板上の平面に空隙を介して配置したので、図示しないモータが回転体１と直結された場合、モータからの輻射熱を直接受けることが無く、小さい消費電流でも安定した検出ができる。
本実施例においても第１実施例と同様に、従来の磁気式エンコーダ装置の信号処理回路に多回転検出回路を付加し、１回転以内磁界検出素子の信号を共用することで多回転量を検出する場合と比較して消費電力を約1/500にすることが出来、バックアップ電源としてバッテリを使用した場合、このバッテリの交換時間を飛躍的に伸ばすことができる。

図５は、本発明の第３実施例を示す磁気式エンコーダ装置の斜視図である。
図５において、１’は回転体、２’は磁界発生ロータ、３’は固定体である。また、２１はリング形状永久磁石、２２はリング形状磁石２１の外周に配置され磁性材料で構成されたリング形状磁気ヨークである。磁界発生ロータ２’はリング形状永久磁石２１とリング形状磁気ヨーク２２とで構成される。４はリング形状永久磁石２１に空隙を介して対向し、固定体３’に取り付けられた１回転内の位置を検出する４つの１回転用磁界検出素子、５は磁界検出素子４からの信号を処理する１回転信号処理回路、６は前記リング形状永久磁石２に空隙を介して対向し、固定体３’に取り付けられた２つの多回転用磁界検出素子である。
リング形状永久磁石２１は、フェライト系磁石で形成し、回転体１の軸に対して垂直方向と平行に一方向に磁化した２極の構成となっている。また、リング形状磁気ヨーク２２は炭素鋼などの強磁性体で構成されている。磁界発生ロータ２２は磁気抵抗を減少させ、１回転用磁界検出素子４および多回転用磁界検出素子６に磁界を集中させる効果があり、これにより磁界検出素子のＳＮ比を向上させることができる。さらに外界の磁気ノイズを遮断する効果もある。材質は、強磁性体であれば良く、例えば炭素鋼などである。
１回転用磁界検出素子４は４個のホール効果素子からなり、永久磁石２１の内周面に対して空隙を介して対向し、かつ互いに電気角で９０度位相をずらしてＡ１相検出素子４１とＢ１相検出素子４２を設け、さらにＡ１相検出素子４１に対して電気角で１８０度位相をずらしてＡ２相検出素子４３を、Ｂ１相検出素子４２に対して電気角で１８０度位相をずらしてＢ２相検出素子４４を設けてある。
また、多回転用磁界検出素子６は磁気抵抗素子からなり、磁界発生ロータ２’に回転体１の径方向に空隙を介して対向し、かつ互いに電気角で略９０度位相をずらしてＡｍ相検出素子６１とＢｍ相検出素子６２を設けてある。
１回転信号処理回路５および多回転処理回路７の構成については実施例１と同じであるのでその説明を省略する。
本実施例が実施例１と異なる点は、アウターロータ型のモータの多回転量を検出するため、回転体に固定された永久磁石をリング形状としさらに永久磁石の周囲にリング状の磁気ヨークを形成し、回転体の内側に配置されている固定体に１回転用磁界検出素子４および多回転用磁界検出素子６を配置した点である。

次に、その動作について説明する。回転体１’の回転に伴って、磁界発生ロータ２’が回転する。磁界発生ロータ２’の発する磁界を１回転用磁界検出素子４にて検出し、１回転信号処理回路５にて１回転以内角度信号に変換する。また、磁界発生ロータ２’の発する磁界を磁界検出素子６にて検出し、信号処理回路７にて多回転信号に変換する。１回転以内角度信号および多回転信号の生成方法については実施例１と同じであるのでその説明を省略する。
本実施例では多回転量の検出機能の付加に伴う回転体の軸方向、及び径方向への寸法増加はないので小型な構造を維持でき、アウターロータ型の回転体に対して極めて小さい電力で多回転量を検出できる。
さらに磁界検出素子としてホール素子を用いることにより、寸法形状が小形でありながら（約2.5×1.5×0.6mm）、出力信号が大きく得られるので、耐ノイズ特性に優れる。また、ホール素子形状が小さいため、回転体の軸方向の厚さを薄く構成することができ、さらに径方向の厚みを薄く構成できるため中空径を大きくすることができ、中空形状に最適な構造となる。
なお、本実施例ではリング形状永久磁石にフェライト系磁石を用いたが、Ｓｍ−Ｃｏ系磁石あるいはＮｅ−Ｆｅ−Ｂ系磁石または前記各種磁石を高分子材料で結合した分散型複合磁石によって形成しても良い。

図６は、本発明の第４実施例を示す磁気式エンコーダ装置の斜視図である。
本実施例が実施例３と異なっている点は、実施例３では多回転用磁界検出素子６を固定体３’の外周面に配置しているのに対し、本実施例では磁界発生ロータ２’の側面に回転体１’の軸方向に空隙を介して図示しない固定冶具により固定体３’に固定している点である。
なお、本実施例の動作については、第３実施例と同じであるのでその説明を省略する。
このように、本実施例では、アウターロータ型のモータに対して極めて小さい電力で多回転量を検出でき、多回転用磁界検出素子６を、回転体１’とは反対側の磁界発生ロータの平面に空隙を介して配置したので、実施例２と同様に、図示しないモータが回転体１’と直結された場合、モータからの輻射熱を直接受けることが無く、小さい消費電流でも安定した検出ができる。

図７は、本発明の第５実施例の固定体部の構成を示す図である。
図７において、３１はリング形状固定体で、３２は素子ホルダある。本実施例が実施例３と異なる点は、固定体の形状をリング形状とした点である。このようにすることにより中空構造をもつアウターロータ型のモータの多回転量を検出できる。また、リング形状固定体３１の材質は強磁性体(例えば炭素鋼)とした。このようにすることにより実施例３のリング形状磁気ヨーク２２の効果と同様に磁気抵抗を減少させ、磁界を１回転内の位置を検出する１回転用磁界検出素子４および多回転用磁界検出素子６に磁界を集中させる効果があり、検出信号のＳＮ比を向上させることができ、外界の磁気ノイズを遮断する効果がある。また、リング形状固定体３１と１回転用磁界検出素子４および多回転用磁界検出素子６の間に非磁性体で構成した素子ホルダを設けた。この素子ホルダにより、磁界検出素子の位置が容易になるだけでなく、位置精度も向上させることができる。
なお、本実施例の動作については、第３実施例と同じであるのでその説明を省略する。
このように、本実施例では、中空構造をもつアウターロータ型のモータに対して極めて小さい電力で多回転量を検出できる。

本発明によって小型で低い消費電力で多回転量を検出することができるようになるので、絶対位置検出が必要な小型サーボモータに適用できる。

Claims (4)

1. 回転体の回転軸に対して垂直方向の一方向に磁化され前記回転体に固定された永久磁石と、
   前記永久磁石に空隙を介して対向し、固定体に取り付けられた磁界検出素子と、
   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、
   １回転以内の角度を検出する少なくとも２つの１回転用磁界検出素子と、
   多回転量を検出する少なくとも２つの多回転用磁界検出素子と、
   を有し、
   前記信号処理回路は、
   前記１回転用磁界検出素子の検出信号から１回転以内角度信号を生成する１回転信号処理回路と、
   前記多回転用磁界検出素子の検出信号から多回転信号を生成する多回転信号処理回路と、を有し、
   前記１回転信号処理回路が生成した１回転以内角度信号と、前記多回転信号処理回路が生成した多回転信号とに基づいて、
   前記１回転以内角度信号の分解能をｄｎとし、検出点における該１回転以内角度信号をｄ（＝０〜（ｄｎ−１））とし、前記多回転信号をｋとし、該多回転信号が変化したときの該１回転以内角度信号のデータをｄｃとして予め記憶しておき、
   ｄ＞ｄｃであれば、ｋ＋（ｄ−ｄｃ）／ｄｎにより、
   ｄ＜ｄｃであれば、ｋ＋（ｄ＋ｄｎ−ｄｃ）／ｄｎにより、
   前記検出点における前記回転体の多回転量を含めた角度信号を生成することを特徴とする磁気式エンコーダ装置。
2. 前記永久磁石はリング形状を成し、前記永久磁石の周囲にリング状の磁気ヨークが形成され、前記固定体を前記回転体の内側に配置したことを特徴とする請求項１記載の磁気式エンコーダ装置
3. 前記固定体はリング形状を成し、強磁性体で構成されたことを特徴とする請求項２記載の磁気式エンコーダ装置。
4. 前記多回転用磁界検出素子は、前記永久磁石の周方向に配置されたことを特徴とする請求項１から３のいずれか1項に記載の磁気式エンコーダ装置。

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