JP5007922B2 - Magnetic encoder device - Google Patents
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Description
本発明は、回転体の回転位置を検出する磁気式エンコーダ装置に関し、特に回転体の軸方向の変動に対して、安定した検出信号が得られる磁気式エンコーダ装置に関する。 The present invention relates to a magnetic encoder device that detects a rotational position of a rotating body, and more particularly to a magnetic encoder device that can obtain a stable detection signal with respect to fluctuations in the axial direction of the rotating body.
従来、モータ軸などの回転体の回転角度を検出するため、2極着磁した円板状の永久磁石を回転体に固定し、この円板状の永久磁石からの磁界を固定体に固定した磁界検出素子で検出し、回転体の絶対位置を検出するようにした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)。 Conventionally, in order to detect the rotation angle of a rotating body such as a motor shaft, a disk-shaped permanent magnet magnetized with two poles is fixed to the rotating body, and the magnetic field from the disk-shaped permanent magnet is fixed to the fixed body. A magnetic encoder device that is detected by a magnetic field detection element and detects the absolute position of a rotating body is disclosed (for example, see Patent Document 1).
図7は従来の磁気式エンコーダの構成を示す斜視図である。また、図8は検出部の側断面図である。
図7において、11は回転体(シャフト)、12は回転体11に回転軸を同一になるように固定された円板状の永久磁石で、回転体11の軸に垂直方向と平行に一方向に磁化されている。13は永久磁石12の外周側に設けられたリング状の固定体で磁性体のブロック材で構成されている。14は固定体13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、永久磁石12の外周面に対して空隙を介して対向して配置されている。また、図8に示すように、永久磁石12、固定体13及び磁界検出素子14から構成される検出部において、固定体13の断面は長方形であり、永久磁石12と固定体13の対向する面は平行となるように構成されている。
FIG. 7 is a perspective view showing a configuration of a conventional magnetic encoder. FIG. 8 is a side sectional view of the detection unit.
In FIG. 7, 11 is a rotating body (shaft), 12 is a disk-shaped permanent magnet fixed to the
次に角度信号の検出動作について説明する。
図7において、回転体11が回転すると永久磁石12も回転し、永久磁石12の磁界の変化により、磁界検出素子14から回転体11の1回転に対し1サイクルの正弦波状の信号が出力される。
図9は信号処理回路のブロック図であり、磁界検出素子14からの信号を処理して角度信号θに変換する。
図9において、51、52は差動アンプ、53は角度演算回路である。互いに180度対向位置に配置されたA1相磁界検出素子141およびA2相磁界検出素子143からのそれぞれの検出信号Va1およびVa2が差動アンプ51に入力され、両信号の差動信号であるA相信号Vaが得られる。同様に、互いに180度対向位置に配置されたB1相磁界検出素子142およびB2相磁界検出素子144からのそれぞれの検出信号Vb1およびVb2が差動アンプ52に入力され、両信号の差動信号であるB相信号Vbが得られる。
Next, an angle signal detection operation will be described.
In FIG. 7, when the
FIG. 9 is a block diagram of a signal processing circuit, which processes a signal from the magnetic
In FIG. 9, 51 and 52 are differential amplifiers, and 53 is an angle calculation circuit. The detection signals Va1 and Va2 from the A1 phase magnetic
図10は磁界検出素子の出力を示す波形図であり、磁界検出素子14の差動信号であるA相信号VaとB相信号Vbの波形図を示す。A相信号VaとB相信号Vbはそれぞれに対応した検出素子の配置から90度位相の異なる信号となる。
A相信号VaとB相信号Vbは角度演算回路53に入力される。arctan(Va/Vb)の演算処理により回転角に対して直線的に変化する角度信号θが得られる。
FIG. 10 is a waveform diagram showing the output of the magnetic field detection element, and shows a waveform diagram of the A-phase signal Va and the B-phase signal Vb which are differential signals of the magnetic
The A-phase signal Va and the B-phase signal Vb are input to the
このように従来の磁気式エンコーダ装置は、永久磁石と固定体との空隙部は空隙が一定になるように形成され、永久磁石からの磁界を固定体に固定した磁界検出素子で検出し、回転体の絶対位置を検出していた。
しかしながら従来の磁気式エンコーダは、永久磁石と固定体との空隙部は空隙が一定になるように形成され、空隙部の回転軸方向(磁石幅方向)の中央部でピークをもつ磁束密度分布が形成されるが、ピーク近傍において磁束密度が一定となる領域は小さい。このため、永久磁石が軸方向に変動すると、磁界検出素子で検出する磁界が変動し、エンコーダの精度が低下するという問題があった。 However, in the conventional magnetic encoder, the gap between the permanent magnet and the fixed body is formed so that the gap is constant, and the magnetic flux density distribution having a peak at the center in the rotation axis direction (magnet width direction) of the gap is present. Although formed, the region where the magnetic flux density is constant near the peak is small. For this reason, when the permanent magnet fluctuates in the axial direction, there is a problem that the magnetic field detected by the magnetic field detecting element fluctuates and the accuracy of the encoder is lowered.
永久磁石の軸方向の位置変動は、モータに接続された負荷の変動およびロータアンバランスなどの影響によりロータの軸が振動する場合に発生する。また、また永久磁石および固定子の取り付け時において、永久磁石と固定子の位置ずれが生じると変動の影響を受けやすくなる。 The position change in the axial direction of the permanent magnet occurs when the rotor shaft vibrates due to the influence of the load connected to the motor and the rotor unbalance. In addition, when the permanent magnet and the stator are attached, if the permanent magnet and the stator are misaligned, they are easily affected by the fluctuation.
図11〜図14を用いて従来の課題について詳細に説明する。
図11は、従来の磁気式エンコーダのおける永久磁石と固定体の位置関係を示す側断面図で、永久磁石12の磁石幅方向の中心が空隙部の中心と一致している場合である。
図12は、図11の位置関係における空隙部の磁界分布を示すグラフである。
中央部で磁束密度の大きさがピークとなるような分布を示し、磁束密度が一定となっている領域が小さい。このように、磁束密度分布が中央部でピークを持ち、磁束密度が一定となる領域が小さいのは、永久磁石端部での漏れ磁界が大きくなるためである。
The conventional problem will be described in detail with reference to FIGS.
FIG. 11 is a side sectional view showing a positional relationship between a permanent magnet and a fixed body in a conventional magnetic encoder, and shows a case where the center of the
FIG. 12 is a graph showing the magnetic field distribution in the gap in the positional relationship of FIG.
The distribution is such that the magnetic flux density has a peak at the center, and the region where the magnetic flux density is constant is small. Thus, the magnetic flux density distribution has a peak at the center and the region where the magnetic flux density is constant is small because the leakage magnetic field at the end of the permanent magnet is large.
図13は、従来の磁気式エンコーダのおける永久磁石と固定体の位置関係を示す側断面図で、永久磁石12の磁石幅方向の中心と空隙部の中心がずれている場合である。
図14は、図13の位置関係における空隙部の磁界分布を示すグラフである。
図13のように、永久磁石12と固定体が軸方向にずれると、空隙部の磁束密度分布は図14のように軸方向に移動し、磁束密度のピークは固定体13の軸方向の中心からずれることになる。磁界検出素子は固定体の中心に配置されているので、位置ずれが生じると磁気検出素子が検出する磁界が変動する。従って、磁界検出素子の出力電圧が変動し、回転角度の検出精度が劣化する。
FIG. 13 is a side sectional view showing a positional relationship between a permanent magnet and a fixed body in a conventional magnetic encoder, and shows a case where the center of the
FIG. 14 is a graph showing the magnetic field distribution in the gap in the positional relationship of FIG.
As shown in FIG. 13, when the
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、永久磁石および固定体間の回転軸方向への位置ずれによる影響を抑制し、回転角度を高精度に検出することができる磁気式エンコーダ装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such problems, and suppresses the influence caused by the positional deviation between the permanent magnet and the fixed body in the rotation axis direction, and can detect the rotation angle with high accuracy. An object is to provide an encoder device.
上記問題を解決するため、本発明は次のように構成したものである。
本発明の第1の観点によれば、磁気式エンコーダ装置は、回転体に取付けられ、前記回転体の回転軸方向と垂直な一方向に磁化され、所定の磁石幅を有する円板状の永久磁石と、前記永久磁石と空隙部を介して対向し、磁界検出素子が配置された固定体と、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、前記空隙部の空隙長が、磁石幅方向で変化し、前記永久磁石の端部での空隙長が中央部での空隙長より短くなるよう前記固定体を形成したことを特徴としている。
また、この磁気式エンコーダ装置は、前記固定体の前記空隙部に対向する面が、円弧状であってもよい。
また、この磁気式エンコーダ装置は、前記固定体の前記空隙部に対向する面が、前記磁石幅の中央部から両端部に向かってテーパを設けた形状であってもよい。
また、この磁気式エンコーダ装置は、前記固定体の前記空隙部に対向する面が、前記磁石幅の中央部で回転軸方向に対して所定の幅の平行部を有し、前記磁石幅の両端部でテーパを設けた形状であってもよい。
In order to solve the above problems, the present invention is configured as follows.
According to the first aspect of the present invention, a magnetic encoder device is attached to a rotating body, is magnetized in one direction perpendicular to the rotation axis direction of the rotating body, and has a disk-like permanent shape having a predetermined magnet width. In a magnetic encoder device comprising: a magnet; a stationary body opposed to the permanent magnet through a gap; and a signal processing circuit that processes a signal from the magnetic field detection element. The fixed body is characterized in that the gap length of the gap portion changes in the magnet width direction, and the gap length at the end of the permanent magnet is shorter than the gap length at the center portion.
Further, the magnetic encoder apparatus, a surface opposed to the gap portion of the fixed body may be I arcuate der.
Further, the magnetic encoder apparatus, a surface opposed to the gap portion of the fixed body may be I-shaped der having a taper toward both ends from the central portion of the width of the magnets.
Further, in this magnetic encoder device, the surface of the fixed body that faces the gap portion has a parallel portion having a predetermined width with respect to the rotation axis direction at the center portion of the magnet width, and both ends of the magnet width. may it shape der provided with a taper in parts.
上記磁気式エンコーダ装置によると、固定体の永久磁石に対向する面の空隙長を磁石幅の中央部で長く、磁石幅の端部で短くなるようにしたので、磁界が均一となる領域が広がり、永久磁石の回転軸方向の位置変動による磁界検出素子の検出電圧の変動を抑えた磁気式エンコーダ装置が実現できる。
また、この磁気式エンコーダ装置によると、固定体の空隙部に対向する面を円弧状にすれば、磁界が均一となる領域を広げることができるので、永久磁石の回転軸方向の位置変動による磁界検出素子の検出電圧の変動を抑えた磁気式エンコーダ装置が実現できる。
また、この磁気式エンコーダ装置によると、固定体の空隙部に対向する面が、前記空隙部の中央部より回転軸方向の左右に向かってテーパを設けた形状にすれば、磁界が均一となる領域が広げることができるので、永久磁石の回転軸方向の位置変動による磁界検出素子の検出電圧の変動を抑えた磁気式エンコーダ装置が実現できる。
また、この磁気式エンコーダ装置によると、固定体の空隙部に対向する面が、前記空隙部の中央部で磁石幅方向に所定の幅の平行部を有し、前記固定体の両端部ではテーパを設けた形状にすれば、磁界が均一となる領域が広げることができので、永久磁石の回転軸方向の位置変動による磁界検出素子の検出電圧の変動を抑えた磁気式エンコーダ装置が実現できる。
According to the above magnetic encoder device , since the gap length of the surface of the fixed body facing the permanent magnet is longer at the center of the magnet width and shorter at the end of the magnet width, the region where the magnetic field is uniform is expanded. Thus, a magnetic encoder device can be realized in which fluctuations in the detection voltage of the magnetic field detection element due to fluctuations in the position of the permanent magnet in the rotation axis direction are suppressed.
In addition, according to this magnetic encoder device , if the surface of the fixed body facing the gap is made into an arc shape, the region where the magnetic field becomes uniform can be expanded. A magnetic encoder device that suppresses fluctuations in the detection voltage of the detection element can be realized.
Also, according to this magnetic encoder device , if the surface of the fixed body facing the gap is tapered from the center of the gap toward the left and right in the rotational axis direction, the magnetic field becomes uniform. Since the area can be expanded, it is possible to realize a magnetic encoder device in which fluctuations in the detection voltage of the magnetic field detection element due to fluctuations in the position of the permanent magnet in the rotation axis direction are suppressed.
Further, according to this magnetic encoder device , the surface of the fixed body that faces the gap portion has a parallel portion having a predetermined width in the magnet width direction at the center portion of the gap portion, and is tapered at both ends of the fixed body. Since the region where the magnetic field is uniform can be widened, it is possible to realize a magnetic encoder device that suppresses variation in the detection voltage of the magnetic field detection element due to variation in the position of the permanent magnet in the rotation axis direction.
以下、本発明の具体的実施例について、図に基づいて説明する。 Hereinafter, specific examples of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は本発明の磁気式エンコーダ装置における検出部の構成図で、図1(a)は平面図、図1(b)は側面図である。また、図2は検出部の側断面図である。
図1において、12は回転体11に、回転軸を同一になるように固定された円板状の永久磁石で、回転体11の軸に垂直方向と平行に一方向に磁化されている。13は永久磁石12の外周側に設けられ、軟磁性体13で構成されたリング状の固定体である。14は固定体13に取り付けられた4個の磁界検出素子であり、永久磁石12の外周面に対して空隙20を介して対向し、かつ互いに機械角で90度位相をずらして配置している。
また、図2に示すように、永久磁石12、固定体13及び磁界検出素子14から構成される検出部において、固定体13の空隙部20に対向する面は円弧状になっており、中央部の空隙長21より端部の空隙長22の方が小さくなっている。
本実施例が従来技術と異なる点は、空隙部の空隙長が、磁石幅方向(回転軸方向)に対して変化し、永久磁石の端部での空隙長が中央部での空隙長より短くなるよう固定体の空隙部に対向する面を円弧状にした点である。なお、角度信号検出動作については、従来技術と同じであるのでその説明を省略する。
FIG. 1 is a configuration diagram of a detection unit in the magnetic encoder device of the present invention, FIG. 1 (a) is a plan view, and FIG. 1 (b) is a side view. FIG. 2 is a side sectional view of the detection unit.
In FIG. 1,
In addition, as shown in FIG. 2, in the detection unit composed of the
The difference between this embodiment and the prior art is that the gap length of the gap changes with respect to the magnet width direction (rotational axis direction), and the gap length at the end of the permanent magnet is shorter than the gap length at the center. This is the point that the surface of the fixed body that faces the gap is arcuate. Note that the angle signal detection operation is the same as that of the prior art, and the description thereof is omitted.
図3は本実施例における磁気式エンコーダ装置の空隙部の磁界分布を示すグラフである。
図において、横軸は回転軸方向の位置で、縦軸は磁束密度である。実線は、本実施例における空隙部の磁束密度分布で、図2の点線で示したA−B線上の位置における磁束分布を示す。本本実施例では磁束密度が一定となる領域が広くなっている。これは固定体13と永久磁石12の空隙を磁石幅の端部で狭くしたために、永久磁石端部での漏れ磁界が小さくなったためである。なお、破線は従来の構造における磁束密度分布を比較のため示したものである。
FIG. 3 is a graph showing the magnetic field distribution in the gap of the magnetic encoder device according to this embodiment.
In the figure, the horizontal axis is the position in the rotation axis direction, and the vertical axis is the magnetic flux density. A solid line is a magnetic flux density distribution in the gap portion in the present embodiment, and shows a magnetic flux distribution at a position on the AB line indicated by a dotted line in FIG. In this embodiment, the region where the magnetic flux density is constant is widened. This is because the gap between the fixed
図4は永久磁石12と固定体13の位置が回転軸方向に相対的にずれた場合における磁束密度分布を模式的に示したグラフである。本実施例では磁束密度が一定となる領域が広くなっているため、永久磁石12の回転軸方向の位置変動による磁界検出素子への影響を小さくすることができる。
FIG. 4 is a graph schematically showing the magnetic flux density distribution when the positions of the
このように本実施例では固定体13の表面を円弧状としたことにより永久磁石端部の空隙が小さくなり、磁束密度が一定となる領域を広げることができる。このため永久磁石および固定体間の回転軸方向への位置ずれによる磁界検出素子の出力電圧変動を小さくすることができ、回転角度の検出精度を向上できる。
As described above, in this embodiment, the surface of the fixed
図5は、本発明の第2の実施例を示す磁気式エンコーダ装置の検出部の側断面図である。
固定体13の空隙部20に対する面は、磁石幅の中央部から両端部に向かってテーパを設けた形状である。この形状では、永久磁石端部の空隙を小さくできるので、実施例1と同様に磁束密度が一定となる領域を広げることができる。
FIG. 5 is a side sectional view of a detection unit of a magnetic encoder device showing a second embodiment of the present invention.
The surface of the fixed
図6は本発明の第3の実施例を示す磁気式エンコーダ装置の検出部の側断面図である。
固定体13の空隙部20に対向する面は、磁石幅の中央部で回転軸方向に対して所定の幅の平行部を有し、磁石幅の両端部でテーパを設けた形状になっている。この形状では、両端部ではテーパを設けたことにより永久磁石端部の空隙を小さくできるので、磁束密度が一定となっている領域を広げることができる。また、中央部に平行部を有するので磁界検出素子の位置が安定する。
FIG. 6 is a side sectional view of a detecting portion of a magnetic encoder device showing a third embodiment of the present invention.
The surface of the fixed
このように固定体の永久磁石に対向する面の空隙長を磁石幅の中央部で長く、磁石幅の端部で短くなる形状とすることにより、回転軸方向の変位の影響を受けにくく、安定した検出信号が獲られる精度の良い磁気式エンコーダ装置が実現できる。
なお、固定体の詳細な形状、すなわち、円弧状の曲率半径やテーパの傾きについては有限要素法などの数値解析技術を用いて決定することができる。
また、固定体の材質はブロック状の軟磁性材料や電磁鋼板、成型加工した粉末磁性材料、
ワイヤコアなどの軟磁性材料を用いて構成することができる。
In this way, by making the gap length of the surface facing the permanent magnet of the fixed body longer at the center of the magnet width and shorter at the end of the magnet width, it is less affected by displacement in the rotation axis direction and stable. Therefore, it is possible to realize a magnetic encoder device with high accuracy from which the detected signal is obtained.
The detailed shape of the fixed body, that is, the arcuate radius of curvature and the inclination of the taper can be determined using a numerical analysis technique such as a finite element method.
In addition, the fixed body is made of block-shaped soft magnetic material, magnetic steel plate, molded powder magnetic material,
A soft magnetic material such as a wire core can be used.
本発明は、工作機やロボットなどのアクチュエータとして用いられるサーボモータの回転角度を検出する磁気式エンコーダ装置に適用できる。 The present invention can be applied to a magnetic encoder device that detects a rotation angle of a servo motor used as an actuator of a machine tool, a robot, or the like.
11 回転体
12 永久磁石
13 固定体
14 磁界検出素子
141 A1相磁界検出素子
142 B1相磁界検出素子
143 A2相磁界検出素子
144 B2相磁界検出素子
20 空隙部
21 中央部の空隙長
22 端部の空隙長
50 信号処理回路
51、52 差動アンプ
53 角度演算回路
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記永久磁石が孔に挿入されたリング状に形成され、前記永久磁石と空隙部を介して対向する複数の磁界検出素子が前記リング状の内面に配置された固定体と、
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、
前記固定体は、前記空隙部の空隙長が磁石幅方向で変化し、前記永久磁石の端部での空隙長が前記永久磁石の中央部での空隙長より短くなるよう、前記空隙部に対向する面が前記磁石幅方向中央で凹んだ形状を有し、
前記複数の磁界検出素子のそれぞれは、前記磁石幅方向において前記凹んだ形状の中央部における前記内面に配置されることを特徴とする磁気式エンコーダ装置。 A disk-shaped permanent magnet attached to the rotating body on the rotating shaft, magnetized in one direction perpendicular to the rotating shaft direction of the rotating body, and having a predetermined magnet width;
A fixed body in which the permanent magnet is formed in a ring shape inserted into a hole, and a plurality of magnetic field detection elements facing the permanent magnet via a gap portion are disposed on the inner surface of the ring shape ,
A signal processing circuit for processing a signal from the magnetic field detection element ;
Equipped with a,
The fixed body, so that the gap length of the gap portion is changed by the magnet width direction, the gap length at the end of the permanent magnet is shorter than the length of the gap in the central portion of the permanent magnet, facing the air gap The surface to be concaved at the center of the magnet width direction,
Each of the plurality of magnetic field detection elements is disposed on the inner surface of the recessed central portion in the magnet width direction .
The surface of the fixed body that faces the gap portion has a parallel portion having a predetermined width with respect to the rotation axis direction at the center portion of the magnet width, and is tapered at both ends of the magnet width. 4. The magnetic encoder device according to claim 1, wherein the magnetic encoder device is a magnetic encoder device.
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