JP5258884B2 - 磁気エンコーダおよびアクチュエータ - Google Patents
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Description
本発明は、多極マグネットおよび磁気検出素子を用いてモータ軸などの回転部材の回転角度位置を検出する磁気エンコーダに関する。さらに詳しくは、外部から侵入する磁気ノイズに起因する検出誤差を除去できるようにした磁気エンコーダ、および、当該磁気エンコーダが搭載されたアクチュエータに関する。
磁気エンコーダとしては、測定対象の回転部材に同軸状態に取り付けたリング状の多極マグネットと、この多極マグネットの外周面などに形成した多極着磁面に対峙させたホール素子などの磁気検出素子とを備えたものが知られている。特許文献１には、この形式の磁気エンコーダが開示されている。
特許文献１に開示のエンコーダ装置は、モータ等の回転軸に同軸状態に取り付けた２つの磁気ドラムを備えている。第１のドラムの外周面には２極着磁パターンが形成され、第２のドラムの外周面は周方向に６４分割されて６４極の多極着磁パターンが形成されている。第１のドラムの着磁面に対向して第１、第２の磁気センサが９０度の角度間隔で配置されている。第２のドラムの着磁面に対向して第３、第４の磁気センサが配置されており、これらの磁気センサの角度間隔は９０度の整数倍に設定されている。
特許文献１のエンコーダ装置では、回転軸が回転すると、第１、第２の磁気センサからは９０度位相が異なるＡ相信号とＢ相信号が出力され、これらの出力信号を矩形波に変換して回転方向判別回路に入力することにより、回転方向に応じて、１回転につき＋１または−１の回転回数信号を出力することができる。また、第３、第４の磁気センサからは９０度の整数倍の位相差のあるＣ相信号とＤ相信号が出力される。このエンコーダ装置では、Ａ相〜Ｄ相の各信号に基づいて演算手段や合成回路により所定の信号処理を行うことにより、多極着磁パターンの極数に応じた分解能で絶対回転位置を検出することができる。
実開平６−１０８１３号公報
特許文献１のような多極マグネットを備えた磁気エンコーダでは、多極マグネット（第２のドラム）と２極マグネット（第１のドラム）を近接配置すると、多極マグネットの着磁面に対向して配置された磁気検出素子が２極マグネットからの漏れ磁束を検出し、その検出信号に、２極マグネットに起因する誤差成分が含まれる可能性がある。また、電磁ブレーキ付モータなどのアクチュエータに多極マグネットを備えた磁気エンコーダを取り付けた場合には、磁気エンコーダが電磁ブレーキのブレーキコイルからの漏れ磁束を検出し、その検出信号に、ブレーキコイルに起因する誤差成分が含まれる可能性がある。このような誤差成分を検出信号から除去できないと、磁気エンコーダによる検出精度が低下してしまう。
本発明の課題は、この点に鑑みて、外部からの磁気ノイズに起因する検出誤差を除去して精度良く角度検出を行なうことのできる磁気エンコーダ、および、当該磁気エンコーダが搭載されたアクチュエータを提案することにある。
上記の課題を解決するために、本発明の磁気エンコーダは、
円周方向に等角度間隔でＮ極およびＳ極の各磁極が交互に形成されている円形の多極着磁面を備えた多極マグネットと、
前記多極マグネットの回転に伴う磁界の変化を検出するために、前記多極着磁面に対して、その円周方向における異なる角度位置にそれぞれ配置した第１〜第４磁気検出部とを有し、
前記第１磁気検出部は、前記多極着磁面に対して一定のギャップで感受面が対峙するように隣接配置され、前記多極マグネットの回転に伴い、９０度位相差のある正弦波状のＡ相信号およびＢ相信号をそれぞれ出力するＡ相第１磁気検出素子およびＢ相第１磁気検出素子を備えており、
前記第２磁気検出部は、前記多極着磁面に対して一定のギャップで感受面が対峙するように隣接配置され、前記多極マグネットの回転に伴い、９０度位相差のある正弦波状のＡ相信号およびＢ相信号をそれぞれ出力するＡ相第２磁気検出素子およびＢ相第２磁気検出素子を備えており、
前記第３磁気検出部は、前記多極着磁面に対して一定のギャップで感受面が対峙するように隣接配置され、前記多極マグネットの回転に伴い、Ａ相信号とは逆位相のＡ相反転信号およびＢ相信号とは逆位相のＢ相反転信号をそれぞれ出力するＡ相第３磁気検出素子およびＢ相第３磁気検出素子を備えており、
前記第４磁気検出部は、前記多極着磁面に対して一定のギャップで感受面が対峙するように隣接配置され、前記多極マグネットの回転に伴い、Ａ相信号とは逆位相のＡ相反転信号およびＢ相信号とは逆位相のＢ相反転信号をそれぞれ出力するＡ相第４磁気検出素子およびＢ相第４磁気検出素子を備えており、
前記第２磁気検出部の前記Ａ相第２磁気検出素子および前記Ｂ相第２磁気検出素子は、前記第１磁気検出部の前記Ａ相第１磁気検出素子および前記Ｂ相第１磁気検出素子に対して、それぞれ、前記多極マグネットの回転中心周りに機械角でほぼ１８０度離れた角度位置に配置されており、
前記第４磁気検出部の前記Ａ相第４磁気検出素子および前記Ｂ相第４磁気検出素子は、前記第３磁気検出部の前記Ａ相第３磁気検出素子および前記Ｂ相第３磁気検出素子に対して、それぞれ、前記多極マグネットの回転中心周りに機械角でほぼ１８０度離れた角度位置に配置されていることを特徴としている。
円周方向に等角度間隔でＮ極およびＳ極の各磁極が交互に形成されている円形の多極着磁面を備えた多極マグネットと、
前記多極マグネットの回転に伴う磁界の変化を検出するために、前記多極着磁面に対して、その円周方向における異なる角度位置にそれぞれ配置した第１〜第４磁気検出部とを有し、
前記第１磁気検出部は、前記多極着磁面に対して一定のギャップで感受面が対峙するように隣接配置され、前記多極マグネットの回転に伴い、９０度位相差のある正弦波状のＡ相信号およびＢ相信号をそれぞれ出力するＡ相第１磁気検出素子およびＢ相第１磁気検出素子を備えており、
前記第２磁気検出部は、前記多極着磁面に対して一定のギャップで感受面が対峙するように隣接配置され、前記多極マグネットの回転に伴い、９０度位相差のある正弦波状のＡ相信号およびＢ相信号をそれぞれ出力するＡ相第２磁気検出素子およびＢ相第２磁気検出素子を備えており、
前記第３磁気検出部は、前記多極着磁面に対して一定のギャップで感受面が対峙するように隣接配置され、前記多極マグネットの回転に伴い、Ａ相信号とは逆位相のＡ相反転信号およびＢ相信号とは逆位相のＢ相反転信号をそれぞれ出力するＡ相第３磁気検出素子およびＢ相第３磁気検出素子を備えており、
前記第４磁気検出部は、前記多極着磁面に対して一定のギャップで感受面が対峙するように隣接配置され、前記多極マグネットの回転に伴い、Ａ相信号とは逆位相のＡ相反転信号およびＢ相信号とは逆位相のＢ相反転信号をそれぞれ出力するＡ相第４磁気検出素子およびＢ相第４磁気検出素子を備えており、
前記第２磁気検出部の前記Ａ相第２磁気検出素子および前記Ｂ相第２磁気検出素子は、前記第１磁気検出部の前記Ａ相第１磁気検出素子および前記Ｂ相第１磁気検出素子に対して、それぞれ、前記多極マグネットの回転中心周りに機械角でほぼ１８０度離れた角度位置に配置されており、
前記第４磁気検出部の前記Ａ相第４磁気検出素子および前記Ｂ相第４磁気検出素子は、前記第３磁気検出部の前記Ａ相第３磁気検出素子および前記Ｂ相第３磁気検出素子に対して、それぞれ、前記多極マグネットの回転中心周りに機械角でほぼ１８０度離れた角度位置に配置されていることを特徴としている。
本発明の磁気エンコーダの第１〜第４磁気検出部が、多極マグネットの直径方向に横切る外部磁界の影響下に置かれたとする。第１磁気検出部および第２磁気検出部では、それらのＡ相第１磁気検出素子およびＡ相第２磁気検出素子が多極マグネットの円形の多極着磁面に対して直径方向の両側に配置されており、それらのＢ相第１磁気検出素子およびＢ相第２磁気検出素子も同様に直径方向の両側に配置されている。したがって、Ａ相第１磁気検出素子の検出信号に乗る外部磁界に起因するノイズ成分と、Ａ相第２磁気検出素子の検出信号に乗る外部磁界に起因するノイズ成分とは、大きさが略同一で正負が逆になる。よって、これらの２つのＡ相信号を合成して平均化すれば、多極マグネットを直径方向に横切る外部磁界に起因するノイズ成分を相殺することができる。Ｂ相第１磁気検出素子およびＢ相第２磁気検出素子についても同様に、外部磁界に起因するノイズ成分を除去できる。また、第３磁気検出部および第４磁気検出部においても同様であり、それらのＡ相第３磁気検出素子およびＡ相第４磁気検出素子のそれぞれの検出信号に乗るノイズ成分を相殺でき、それらのＢ相第３磁気検出素子およびＢ相第４磁気検出素子に乗るノイズ成分を相殺できる。
次に、本発明の磁気エンコーダの第１〜第４磁気検出部が、多極マグネットの回転中心から半径方向の一方向に放射状に延びる外部磁界の影響下に置かれたとする。この場合には、第１および第２磁気検出部におけるＡ相第１磁気検出素子およびＡ相第２磁気検出素子の検出信号であるＡ相信号には、大きさが略同一で、正負も同一のノイズ成分が乗る。同様に、第３および第４磁気検出部におけるＡ相第３磁気検出素子およびＡ相第４磁気検出素子の検出信号であるＡ相反転信号にも、大きさが略同一で、正負も同一のノイズ成分が乗る。ここで、Ａ相信号に含まれるノイズ成分と、Ａ相反転信号に含まれるノイズ成分とは、略同一の大きさであるが、正負が逆である。したがって、Ａ相信号と、Ａ相反転信号を反転させた信号とを合成して平均化することにより、ノイズ成分を除去することができる。Ｂ相信号およびＢ相反転信号の場合も同様であり、Ｂ相信号と、Ｂ相反転信号を反転させた信号とを合成して平均化することによりノズル成分を除去できる。
また、本発明の磁気エンコーダでは、多極着磁面に対して、その円周方向における異なる角度位置に複数の磁気検出素子が配置されている。これらの検出信号を合成することにより、多極着磁パターンのばらつきに起因する検出信号のばらつきが平均化され、複数の磁気検出素子の個体差による検出信号のばらつきが平均化される。また、磁気検出素子としてホールセンサなどを用いた場合のセンサ周囲温度の変化によるオフセット出力の変化を、異なる角度位置に配置した複数の磁気検出素子の検出出力の変化を平均化することにより相殺できる。よって、これらのばらつきや温度特性などに起因する検出誤差を削減でき、回転位置の検出精度が向上する。
ここで、本発明の磁気エンコーダは、２極マグネットを用いて多極マグネットの磁極位置を求めることにより、回転部材の１回転内のアブソリュート位置を検出可能なアブソリュート式の磁気エンコーダに適用することができる。
すなわち、本発明のアブソリュート式の磁気エンコーダは、
上記構成に加えて、円周方向に沿って２極着磁された円形の２極着磁面を備えた２極マグネットと、前記２極マグネットの回転に伴い、１回転１周期の９０度位相差のある正弦波状のＡ相信号およびＢ相信号をそれぞれ出力する一対の磁気検出素子を備えた２極側磁気検出部とを有しており、前記２極マグネットは、前記多極マグネットに対して同軸状態で隣接配置され、当該多極マグネットと一体回転することを特徴としている。
上記構成に加えて、円周方向に沿って２極着磁された円形の２極着磁面を備えた２極マグネットと、前記２極マグネットの回転に伴い、１回転１周期の９０度位相差のある正弦波状のＡ相信号およびＢ相信号をそれぞれ出力する一対の磁気検出素子を備えた２極側磁気検出部とを有しており、前記２極マグネットは、前記多極マグネットに対して同軸状態で隣接配置され、当該多極マグネットと一体回転することを特徴としている。
２極マグネットからの漏れ磁束は多極マグネットを直径方向に横切る状態に発生し、直径方向に横切る状態で回転する。このような漏れ磁束に起因して第１〜第４磁気検出部の各磁気検出素子の検出信号にノイズ成分が乗ったとしても、上記のように、多極マグネットの直径方向に延びる外部磁界に起因するノイズ成分が相殺されるので、精度良く回転位置を検出できる。また、検出誤差を低減化するために２極マグネットと多極マグネットを離す必要がないので、２極マグネットと多極マグネットを近接配置することができる。よって、磁気エンコーダの小型化、特に、その軸長の短縮化に有利である。
次に、本発明の磁気エンコーダは、サーボモータなどのような電磁ブレーキ付きアクチュエータに搭載するのに適している。このような電磁ブレーキ付きアクチュエータでは、電磁ブレーキのブレーキコイルが回転部材に同軸状態に配置され、その漏れ磁束が、回転部材に取り付けた磁気エンコーダの多極マグネットの半径方向に沿って同一方向に放射状に延びる状態に形成される。かかる漏れ磁束によって、第１〜第４磁気検出部の各磁気検出素子にはノイズ成分が乗り、磁気エンコーダの検出精度が低下することがある。しかしながら、本発明の磁気エンコーダでは、上記のように、このようなノイズ成分が除去されるので、ブレーキコイルの漏れ磁束の影響を受けることなく精度良く回転部材の回転位置を検出できる。また、漏れ磁束による影響を除去できるので、磁気エンコーダを電磁ブレーキに近接配置することができる。よって、磁気エンコーダ付きアクチュエータの小型化、特に、その軸長の短縮化に有利である。
本発明の磁気エンコーダによれば、その多極マグネットの直径方向に延びる外部磁束に起因する磁気検出素子の検出誤差を除去できる。また、その多極マグネットの半径方向に沿って一方向に放射状に延びる外部磁束に起因する磁気検出素子の検出誤差を除去できる。したがって、アブソリュート位置を検出するための２極マグネットからの漏れ磁束による影響、検出対象の回転部材に配置された電磁ブレーキのブレーキコイルからの漏れ磁束による影響を受けずに、回転部材の回転位置を精度良く検出できる。
また、このように漏れ磁束による影響を除去できるので、本発明によれば、２極マグネットを多極マグネットに近接配置することが可能となり、回転部材における電磁ブレーキの近接位置に磁気エンコーダを近接配置することが可能になるので、磁気エンコーダの小型化、磁気エンコーダを備えたアクチュエータの小型化に有利である。
以下に、図面を参照して、本発明を適用した磁気エンコーダおよびアクチュエータの実施の形態を説明する。
図１は磁気エンコーダを組み込んだサーボモータの半断面図であり、図２はその概略構成図である。サーボモータ１（アクチュエータ）は、筒状のモータハウジング２の中心を前後方向に延びるモータ軸３（回転部材）を備えている。モータ軸３の先端は、モータハウジング２の前端を閉鎖しているエンドブラケット４の中心部分を貫通してモータハウジング２の前方に突出している。モータハウジング２の後端はカップ状のエンコーダカバー５によって閉鎖されている。モータ軸３は、モータハウジング２に支持された軸受け６、７を介して回転自在な状態に支持されている。モータハウジング２内の前側部分には、モータ軸３と同軸状態で回転子８が一体形成されている。回転子８の外周側にはモータハウジング２の内周面に固定された鉄心９が対向しており、鉄心９にはモータコイル１０が取り付けられている。
モータ軸３の軸受け７側の部分には電磁ブレーキ１１が配置されている。電磁ブレーキ１１は、モータ軸３に同軸状態でスプライン結合されたブレーキディスク１２を備えている。ブレーキディスク１２には、軸方向に対峙するようにディスク状のブレーキ可動部１３が配置されている。ブレーキ可動部１３は不図示のばね力によってストッパ１５をブレーキディスク１２に押し付けている。ブレーキコイル１４を励磁すると、ブレーキ可動部１３がばね力に逆らってブレーキディスク１２の側から離れ、モータ軸３の回転を止めるためのブレーキ力が解除される。ブレーキコイル１４は、モータハウジング２に固定されたブラケット１６に支持されている。
モータハウジング２の後端部に取り付けたエンコーダカバー５の内部にはモータ軸３の後端部分が位置している。このモータ軸３の後端部分には、モータ軸３の絶対回転角度を検出するためのアブソリュート型の磁気エンコーダ１７の回転検出部１８、１９が軸方向に近接して配置されている。
図３Ａは回転検出部１８の正面図であり、図３Ｂは回転検出部１９の正面図である。これらの図も参照して説明すると、磁気エンコーダ１７の回転検出部１８は、モータ軸３に同軸状態に固定された２極マグネット２０と、２極マグネット２０の外周面に対向して配置されたホールセンサなどの磁気検出素子Ａ０、Ｂ０を備えている。また、回転検出部１９は、モータ軸３に同軸状態に固定された多極マグネット２１と、多極マグネット２１の外周面に対向して配置された４組の第１〜第４磁気検出部２２〜２５を備えている。
２極マグネット２０および多極マグネット２１は、モータ軸３に同軸状態に固定されたリング状マグネット材の円形外周面にＳ極とＮ極の各磁極を交互に形成したものである。２極マグネット２０の円形外周面に形成された２極着磁面２０ａには、１８０度離れた位置にＳ極とＮ極が形成されている。多極マグネット２１の円形外周面に形成された多極着磁面２１ａには、Ｓ極とＮ極が等角度間隔で交互に形成されている。例えば、多極着磁面２１ａは２８極に着磁されている。
磁気検出素子Ａ０と磁気検出素子Ｂ０は、２極マグネット２０の回転中心であるモータ軸３の回転中心を中心として９０度離れた角度位置において、それらの感受面が２極着磁面２０ａに一定のギャップで対峙するように配置されている。２極マグネット２０が１回転すると、各磁気検出素子からは、位相差が９０度の正弦波形の検出信号が１周期分出力される。
多極マグネットの２１の多極着磁面２１ａに対向して配置されている第１〜第４磁気検出部２２〜２５は、それぞれ、電気角で９０度離れた状態に隣接配置した２組の磁気検出素子から構成されている。
第１磁気検出部２２は、多極着磁面２１ａに対して一定のギャップで感受面が対峙するように隣接配置され、多極マグネット２１の回転に伴い、９０度位相差のある正弦波状のＡ相信号およびＢ相信号をそれぞれ出力するＡ相第１磁気検出素子Ａ１およびＢ相第１磁気検出素子Ｂ１を備えている。第２磁気検出部２３は、多極着磁面２１ａに対して一定のギャップで感受面が対峙するように隣接配置され、多極マグネット２１の回転に伴い、９０度位相差のある正弦波状のＡ相信号およびＢ相信号をそれぞれ出力するＡ相第２磁気検出素子Ａ２およびＢ相第２磁気検出素子Ｂ２を備えている。
第３磁気検出部２４は、多極着磁面２１ａに対して一定のギャップで感受面が対峙するように隣接配置され、多極マグネット２１の回転に伴い、Ａ相信号とは逆位相のＡ相反転信号およびＢ相信号とは逆位相のＢ相反転信号をそれぞれ出力するＡ相第３磁気検出素子Ａ３およびＢ相第３磁気検出素子Ｂ３を備えている。第４磁気検出部２５は、多極着磁面２１ａに対して一定のギャップで感受面が対峙するように隣接配置され、多極マグネット２１の回転に伴い、Ａ相信号とは逆位相のＡ相反転信号およびＢ相信号とは逆位相のＢ相反転信号をそれぞれ出力するＡ相第４磁気検出素子Ａ４およびＢ相第４磁気検出素子Ｂ４を備えている。
また、第２磁気検出部２３のＡ相第２磁気検出素子Ａ２およびＢ相第２磁気検出素子Ｂ２は、第１磁気検出部２２のＡ相第１磁気検出素子Ａ１およびＢ相第１磁気検出素子Ｂ１に対して、それぞれ、多極マグネット２１の回転中心周りに機械角で１８０度離れた角度位置に配置されている。
第３磁気検出部２４のＡ相第３磁気検出素子Ａ３およびＢ相第３磁気検出素子Ｂ３は、第１磁気検出部２２のＡ相第１磁気検出素子Ａ１およびＢ相第１磁気検出素子Ｂ１に対して、それぞれ、多極マグネット２１の回転中心周りに機械角で略９０度離れた角度位置に配置されている。
第４磁気検出部２５のＡ相第４磁気検出素子Ａ４およびＢ相第４磁気検出素子Ｂ４は、第３磁気検出部２４のＡ相第３磁気検出素子Ａ３およびＢ相第３磁気検出素子Ｂ３に対して、それぞれ、多極マグネット２１の回転中心周りに機械角で１８０度離れた角度位置に配置されている。
多極着磁面２１ａにおける２８極の多極着磁パターンでは、一つの磁極から機械角で１８０度離れた位置にある磁極の極性は同一極性であるので、第１磁気検出部２２および第２磁気検出部２３におけるＡ相第１磁気検出素子Ａ１およびＡ相第２磁気検出素子Ａ２は常に同一極性の磁極に対向する。例えば、多極マグネット２１が図３Ｂに示す回転位置にある状態では、Ａ相第１磁気検出素子Ａ１およびＡ相第２磁気検出素子Ａ２はいずれもＳ極に対峙する。第１磁気検出部２２および第２磁気検出部２３におけるＢ相第１磁気検出素子Ｂ１およびＢ相第２磁気検出素子Ｂ２は、Ａ相第１磁気検出素子Ａ１、Ａ相第２磁気検出素子Ａ２に対して電気角で９０度離れた位置にある。よって、磁気検出素子Ａ１、Ａ２が対峙している磁極とは逆極性の磁極に対峙する。図３Ｂに示す状態ではＮ極に対峙する。
一方、第１、第２磁気検出部２２、２３から機械角で９０度回転させた位置にある第３、４磁気検出部２４、２５のＡ相第３磁気検出素子Ａ３およびＡ相第４磁気検出素子Ａ４は、常に、Ａ相第１磁気検出素子Ａ１およびＡ相第２磁気検出素子Ａ２が対峙している磁極とは逆極性の磁極に対峙する。例えば、多極マグネット２１が図３Ｂに示す回転位置にある状態では、Ａ相第３磁気検出素子Ａ３、Ａ相第４磁気検出素子Ａ４は、いずれもＮ極に対向している。第３、４磁気検出部２４、２５の他方のＢ相第３磁気検出素子Ｂ３、Ｂ相第４磁気検出素子Ｂ４は、Ａ相第３磁気検出素子Ａ３、Ａ相第４磁気検出素子Ａ４から電気角で９０度離れた位置にある。したがって、図３Ｂに示す状態では、それぞれＳ極に対峙する。
なお、第３、４磁気検出部２４、２５の配置は第１、第２磁気検出部２２、２３から９０度回転した角度位置以外の角度位置に配置することも可能である。この場合にも、第３、第４磁気検出部２４、２５は、第１、２磁気検出部２２、２３とは異なる角度位置に配置され、且つ、Ａ相第３磁気検出素子Ａ３、Ａ相第４磁気検出素子Ａ４が、Ａ相第１磁気検出素子Ａ１、Ａ相第２磁気検出素子Ａ２とは逆極性の磁極に対峙し、Ｂ相第３磁気検出素子Ｂ３、Ｂ相第４磁気検出素子Ｂ４が、Ｂ相第１磁気検出素子Ｂ１、Ｂ相第２磁気検出素子Ｂ２とは逆極性の磁極に対峙するように配置される。
このように配置した各磁気検出素子は、多極マグネット２１の回転に伴い、多極マグネット２１が１回転する間に２８周期分の正弦波信号を出力する。また、Ａ相第１磁気検出素子Ａ１、Ａ相第２磁気検出素子Ａ２は同位相の正弦波状のＡ相信号を出力し、Ａ相第３磁気検出素子Ａ３、Ａ相第４磁気検出素子Ａ４は、Ａ相信号とは逆位相の正弦波状のＡ相反転信号を出力する。また、Ｂ相第１磁気検出素子子Ｂ１、Ｂ相第２磁気検出素子Ｂ２は、Ａ相第１磁気検出素子Ａ１、Ａ相第２磁気検出素子Ａ２とは９０度位相が異なる正弦波状のＢ相信号を出力する。Ｂ相第３磁気検出素子Ｂ３、Ｂ相第４磁気検出素子Ｂ４は、Ｂ相第１磁気検出素子Ｂ１、Ｂ相第２磁気検出素子Ｂ２とは逆位相の正弦波状のＢ相反転信号を出力する。
図４は第１〜第４各磁気検出部２２〜２５の各磁気検出素子（ホール素子）の出力端子の結線図である。この図に示すように、Ａ相結線回路２６では、Ａ相信号を出力するＡ相第１磁気検出素子Ａ１、Ａ相第２磁気検出素子Ａ２は順方向に並列接続されている。これに対して、Ａ相反転信号を出力するＡ相第３磁気検出素子Ａ３、Ａ相第４磁気検出素子Ａ４は、正負の出力端子が逆の状態で、Ａ相第１磁気検出素子Ａ１、Ａ相第２磁気検出素子Ａ２に対して並列接続されている。Ｂ相結線回路２７においてもＢ相の磁気検出素子Ｂ１〜Ｂ４が同様に結線されている。各磁気検出素子Ａ１〜Ａ４、Ｂ１〜Ｂ４の出力信号を（Ａ１）〜（Ａ４）、（Ｂ１）〜（Ｂ４）で表すと、各磁気検出素子から得られる出力信号の合成信号Ａ、Ｂとして、次式で表す平均化された信号が得られる。
Ａ＝〔｛（Ａ１）＋（Ａ２）｝−｛（Ａ３）＋（Ａ４）｝〕／４
Ｂ＝〔｛（Ｂ１）＋（Ｂ２）｝−｛（Ｂ３）＋（Ｂ４）｝〕／４
Ａ＝〔｛（Ａ１）＋（Ａ２）｝−｛（Ａ３）＋（Ａ４）｝〕／４
Ｂ＝〔｛（Ｂ１）＋（Ｂ２）｝−｛（Ｂ３）＋（Ｂ４）｝〕／４
磁気エンコーダ１７の信号処理部２８は、回転検出部１８の磁気センサ素子Ａ０、Ｂ０からの検出信号に基づいて２極マグネット２０の回転角度θ１を演算する２極角度演算部２９と、上述したＡ相結線回路２６およびＢ相結線回路２７から出力される各４つの磁気センサ素子からの検出信号の合成信号に基づいて多極マグネット２１の回転角度θ２を算出する多極角度演算部３０と、２極角度演算部２９および多極角度演算部３０からの出力に基づいてモータ軸３の絶対回転角度θ０を演算する絶対角度演算部３１を備えている。
２極角度演算部２９は、例えば、磁気検出素子Ａ０、Ｂ０からの９０度の位相差の検出信号に所定の信号処理を行うことにより、２極マグネット２０の回転角度θ１を算出することができる。
多極角度演算部３０は、Ａ相結線回路２６およびＢ相結線回路２７から出力される合成後のＡ相信号およびＢ相信号、あるいは、各磁気検出素子の検出信号に所定の信号処理を行うことにより、多極マグネット２１の各極対の回転位置を示す回転角度θ２を検出することができる。
絶対角度演算部３１は、２極角度演算部２９からの信号θ１に基づいて多極信号の極対番号数Ｎｉを求め、多極角度信号θ２と合わせて、以下の式に基づいてモータ軸３の全体回転角度θ０を算出する。
θ０＝（Ｎｉ×３６０／Ｐ）＋（θ２／Ｐ）
ここで、０≦Ｎｉ≦Ｐ−１（Ｐ：多極マグネットの極対数）
θ０＝（Ｎｉ×３６０／Ｐ）＋（θ２／Ｐ）
ここで、０≦Ｎｉ≦Ｐ−１（Ｐ：多極マグネットの極対数）
図５Ａおよび図５Ｂは、２極マグネット２０による磁界を示す側面図および平面図である。これらの図を参照して、２極マグネット２０による回転磁界に起因する検出誤差の除去について説明する。
磁気エンコーダ１７では、２極マグネット２０を多極マグネット２１に近接配置している。２極マグネット２０からの漏れ磁束Φ１が多極マグネット２１をその直径方向に横切っているものとする。図５Ｂに示すように、２極マグネット２０のＳ極およびＮ極の漏れ磁束が、第１磁気検出部２２のＡ相第１磁気検出素子Ａ１およびＢ相第１磁気検出素子Ｂ１、並びに、第２磁気検出部２３のＡ相第２磁気検出素子Ａ２およびＢ相第２磁気検出素子Ｂ２の各感受面に対して垂直に鎖交した回転位置において、これら４個の磁気検出素子Ａ１、Ｂ１、Ａ２、Ｂ２の検出信号には最も大きなノイズ成分が含まれることになる。
この場合、第１磁気検出部２２の位置にあるＡ相第１磁気検出素子Ａ１およびＢ相第１磁気検出素子Ｂ１における磁束Φ１の影響による検出信号（Ａ１）、（Ｂ１）の変動は、第２磁気検出部２３の位置にあるＡ相第２磁気検出素子Ａ２およびＢ相第２磁気検出素子Ｂ２における磁束Φ１の影響による検出信号（Ａ２）、（Ｂ２）の変動に対して、正負が逆で、ほぼ同一の大きさになる。従って、Ａ相結線回路２６において、Ａ相第１磁気検出素子Ａ１およびＡ相第２磁気検出素子Ａ２のそれぞれの検出信号を合成して平均化することにより、各検出信号に含まれる２極マグネット２０の漏れ磁束に起因する誤差成分が相殺される。同様に、Ｂ相結線回路２７において、磁気センサ素子Ｂ１、Ｂ２の検出信号を合成して平均化することにより、誤差成分が相殺される。
なお、２極マグネット２０の回転に伴って漏れ磁束Φ１も回転する。第３、第４磁気検出部２４、２５においても同様にして誤差成分が相殺されるので、いずれの回転位置においても、２極マグネット２０からの漏れ磁束に起因する誤差成分を除去できる。
次に、図６Ａおよび図６Ｂは、ブレーキコイル１４を励磁したときに発生するブレーキ磁界を示す側面図および平面図である。これらの図を参照して、電磁ブレーキ１１のブレーキコイル１４を励磁したときに発生するブレーキ磁界に起因する検出誤差の除去について説明する。
サーボモータ１では、磁気エンコーダ１７を電磁ブレーキ１１と近接させて取り付けてある。ブレーキ磁界の磁束Φ２の向きは、多極マグネット２１の回転中心であるモータ軸３の回転中心から半径方向に沿って一方向の放射状に延びている。このような半径方向に延びるブレーキコイルからの漏れ磁束を、第１〜第４磁気検出部２２〜２５の各磁気検出素子が検出すると、当該漏れ磁束に応じた誤差が検出信号に乗ってしまう。
このような半径方向に延びる漏れ磁束に起因する検出誤差は、各磁気検出素子の検出信号において同一の大きさで、正負も一致する誤差成分として現れる。従って、Ａ相結線回路２６において、Ａ相第１磁気検出素子Ａ１およびＡ相第２磁気検出素子Ａ２から得られる各Ａ相信号を合成して平均化すると共に、Ａ相第３磁気検出素子およびＡ相第４磁気検出素子から得られる各Ａ相反転信号を合成して平均化し、さらに、各Ａ相信号を平均化した信号に各Ａ相反転信号を平均化した信号の反転信号を合成し、平均化することにより、Ａ相信号に含まれる誤差成分を除去できる。同様に、Ｂ相結線回路２７において、Ｂ相第１磁気検出素子Ｂ１およびＢ相第２磁気検出素子Ｂ２から得られる各Ｂ相信号を合成して平均化すると共に、Ｂ相第３磁気検出素子Ｂ３およびＢ相第４磁気検出素子Ｂ４から得られる各Ｂ相反転信号を合成して平均化し、さらに、各Ｂ相信号を平均化した信号に各Ｂ相反転信号を平均化した信号の反転信号を合成し、平均化することにより、Ｂ相信号に含まれる誤差成分を除去できる。よって、誤差成分を除去したＡ相信号およびＢ相信号を用いて精度良くモータ軸の回転位置を検出できる。
なお、２極マグネット２０による磁界や電磁ブレーキ１１によるブレーキ磁界に限らず、他の原因によって、同様な外部磁界がある場合にも、そのような外部磁界による検出誤差を同様に除去できる。
以上説明したように、磁気エンコーダ１７では、２極マグネット２０に起因する検出誤差を低減できるので、２極マグネットと多極マグネット２１を離す必要がなく、２極マグネット２０と多極マグネット２１を近接して配置することができる。よって、磁気エンコーダ１７の小型化が可能となる。また、磁気エンコーダ１７と電磁ブレーキ１１を離す必要がないので、磁気エンコーダ付きのサーボモータ１の小型化が可能となる。
また、Ａ相結線回路２６およびＢ相結線回路２７による上記のような信号処理を行うことにより、多極着磁された着磁面に対向する異なる方位に配置した各磁気センサ素子からの検出信号が合成されるので、多極マグネット２１の多極着磁パターンのばらつきに起因する検出信号のばらつきが平均化されると共に、複数の磁気センサ素子の個体差による検出信号のばらつきが平均化される。また、磁気センサ素子としてホールセンサなどを用いた場合のセンサ周囲温度の変化によるオフセット出力の変化を相殺できる。よって、これらのばらつきや温度特性などに起因する検出誤差を削減でき、モータ軸３の回転位置の検出精度が更に向上する。
次に、多極マグネットによる回転検出部の他の構成例について説明する。図３Ｂに示した回転検出部１９の多極マグネット２１の極数は２８極であったが、多極マグネット２１の極数は、磁気エンコーダ１７が達成すべき分解能などに応じて適宜変更される。上述したように、２８極の多極マグネットでは、機械角で丁度１８０度離れた位置にある２つの磁極の極性は同一極性となっており、多極マグネットの極数が４の整数倍である場合には、常にこのような磁極配置となっている。よって、この場合には、上述のようなセンサ配置および信号処理により、外部磁界に起因する誤差成分を除去できる。
しかしながら、多極マグネットの極数が４の整数倍ではない場合には、機械角で丁度１８０度離れた位置にある２つの磁極の極性は同一極性にならない。図７は、図３Ｂとは極数が異なる多極マグネットによる回転検出部の正面図である。この図に示すように、２６極の多極マグネット１２１においては、機械角で丁度１８０度離れた位置にある２つの磁極の極性は逆極性である。そこで、このような場合には、第１磁気検出部２２のＡ相第１磁気検出素子Ａ１およびＢ相第１磁気検出素子Ｂ１を、第２磁気検出部２３のＡ相第２磁気検出素子Ａ２およびＢ相第２磁気検出素子Ｂ２に対して、それぞれ、機械角で（１８０−δ）度離れた角度位置に配置する。そして、第３磁気検出部および第４磁気検出部についても同様に、Ａ相第３磁気検出素子とＡ相第４磁気検出素子、および、Ｂ相第３磁気検出素子とＢ相第４磁気検出素子の２組の素子を、それぞれ、機械角で（１８０−δ）度離れた角度位置に配置する。そして、上記実施形態と同様の信号処理を行う。
ここで、δは多極マグネット１２１における磁極１極分の角度間隔であり、２６極の場合には、δ＝（３６０／２６）度である。すなわち、機械角で（１８０−δ）度離れた角度位置とは、１８０度に最も近い角度間隔だけ離れている同一極性の磁極の角度位置であり、２６極の場合には、（１８０−（３６０／２６））度は約１６６．２度となる。よって、図７のように構成すれば、１８０にほぼ近い機械角だけ離れた位置に配置した２つの磁気検出センサ素子からの同位相の検出信号を合成して平均化できるので、２８極の多極マグネット２１を使用した場合と同様に、これらの検出信号に乗る２極マグネットからの漏れ磁束に起因するノイズ成分を相殺することができ、誤差成分を除去することができる。
Claims (6)
- 円周方向に等角度間隔でＮ極およびＳ極の各磁極が交互に形成されている円形の多極着磁面を備えた多極マグネットと、
前記多極マグネットの回転に伴う回転磁界の変化を検出するために、前記多極着磁面に対して、その円周方向における異なる角度位置にそれぞれ配置した第１〜第４磁気検出部とを有し、
前記第１磁気検出部は、前記多極着磁面に対して一定のギャップで感受面が対峙するように隣接配置され、前記多極マグネットの回転に伴い、９０度位相差のある正弦波状のＡ相信号およびＢ相信号をそれぞれ出力するＡ相第１磁気検出素子およびＢ相第１磁気検出素子を備えており、
前記第２磁気検出部は、前記多極着磁面に対して一定のギャップで感受面が対峙するように隣接配置され、前記多極マグネットの回転に伴い、９０度位相差のある正弦波状のＡ相信号およびＢ相信号をそれぞれ出力するＡ相第２磁気検出素子およびＢ相第２磁気検出素子を備えており、
前記第３磁気検出部は、前記多極着磁面に対して一定のギャップで感受面が対峙するように隣接配置され、前記多極マグネットの回転に伴い、Ａ相信号とは逆位相のＡ相反転信号およびＢ相信号とは逆位相のＢ相反転信号をそれぞれ出力するＡ相第３磁気検出素子およびＢ相第３磁気検出素子を備えており、
前記第４磁気検出部は、前記多極着磁面に対して一定のギャップで感受面が対峙するように隣接配置され、前記多極マグネットの回転に伴い、Ａ相信号とは逆位相のＡ相反転信号およびＢ相信号とは逆位相のＢ相反転信号をそれぞれ出力するＡ相第４磁気検出素子およびＢ相第４磁気検出素子を備えており、
前記第２磁気検出部の前記Ａ相第２磁気検出素子および前記Ｂ相第２磁気検出素子は、前記第１磁気検出部の前記Ａ相第１磁気検出素子および前記Ｂ相第１磁気検出素子に対して、それぞれ、前記多極マグネットの回転中心周りに機械角でほぼ１８０度離れた角度位置に配置されており、
前記第４磁気検出部の前記Ａ相第４磁気検出素子および前記Ｂ相第４磁気検出素子は、前記第３磁気検出部の前記Ａ相第３磁気検出素子および前記Ｂ相第３磁気検出素子に対して、それぞれ、前記多極マグネットの回転中心周りに機械角でほぼ１８０度離れた角度位置に配置されていることを特徴とする磁気エンコーダ。 - 請求項１に記載の磁気エンコーダにおいて、
前記Ａ相信号および前記Ｂ相信号から、前記多極マグネットの直径方向に延びる外部磁束によるノイズ成分、および、前記多極マグネットの半径方向に沿って同一方向に延びる外部磁束によるノイズ成分を除去する信号処理部を有し、
当該信号処理部は、
前記Ａ相第１磁気検出素子および前記Ａ相第２磁気検出素子からそれぞれ出力されるＡ相信号を合成することにより生成したＡ相信号の平均化信号と、前記Ａ相第３磁気検出素子および前記Ａ相第４磁気検出素子からそれぞれ出力されるＡ相反転信号を合成することにより生成したＡ相反転信号の平均化信号を反転させた信号とを合成して、Ａ相信号に含まれるノイズ成分を除去し、
前記Ｂ相第１磁気検出素子および前記Ｂ相第２磁気検出素子からそれぞれ出力されるＢ相信号を合成することにより生成したＢ相信号の平均化信号と、前記Ｂ相第３磁気検出素子および前記Ｂ相第４磁気検出素子からそれぞれ出力されるＢ相反転信号を合成することにより生成したＢ相反転信号の平均化信号を反転させた信号とを合成して、Ｂ相信号に含まれるノイズ成分を除去することを特徴とする磁気エンコーダ。 - 請求項１に記載の磁気エンコーダにおいて、
円周方向に沿って２極着磁された円形の２極着磁面を備えた２極マグネットと、
前記２極マグネットの回転に伴い、１回転１周期の９０度位相差のある正弦波状のＡ相信号およびＢ相信号をそれぞれ出力する一対の磁気検出素子を備えた２極側磁気検出部とを有しており、
前記２極マグネットは、前記多極マグネットに対して同軸状態で隣接配置され、当該多極マグネットと一体回転することを特徴とする磁気エンコーダ。 - 請求項３に記載の磁気エンコーダにおいて、
前記Ａ相信号および前記Ｂ相信号から、前記多極マグネットの直径方向に延びる外部磁束によるノイズ成分、および、前記多極マグネットの半径方向に沿って同一方向に延びる外部磁束によるノイズ成分を除去する信号処理部を有し、
当該信号処理部は、
前記Ａ相第１磁気検出素子および前記Ａ相第２磁気検出素子からそれぞれ出力されるＡ相信号を合成することにより生成したＡ相信号の平均化信号と、前記Ａ相第３磁気検出素子および前記Ａ相第４磁気検出素子からそれぞれ出力されるＡ相反転信号を合成することにより生成したＡ相反転信号の平均化信号を反転させた信号とを合成して、Ａ相信号に含まれるノイズ成分を除去し、
前記Ｂ相第１磁気検出素子および前記Ｂ相第２磁気検出素子からそれぞれ出力されるＢ相信号を合成することにより生成したＢ相信号の平均化信号と、前記Ｂ相第３磁気検出素子および前記Ｂ相第４磁気検出素子からそれぞれ出力されるＢ相反転信号を合成することにより生成したＢ相反転信号の平均化信号を反転させた信号とを合成して、Ｂ相信号に含まれるノイズ成分を除去することを特徴とする磁気エンコーダ。 - 回転部材と、
前記回転部材にブレーキ力を与えるための電磁ブレーキと、
前記回転部材の回転角度位置を検出する磁気エンコーダとを有し、
前記磁気エンコーダは請求項２に記載の磁気エンコーダであり、
前記電磁ブレーキはブレーキコイルを備えており、
前記ブレーキコイルからの漏れ磁束が前記多極マグネットの半径方向に沿って同一方向に延びることを特徴とするアクチュエータ。 - 回転部材と、
前記回転部材にブレーキ力を与えるための電磁ブレーキと、
前記回転部材の回転角度位置を検出する磁気エンコーダとを有し、
前記磁気エンコーダは請求項４に記載の磁気エンコーダであり、
前記電磁ブレーキはブレーキコイルを備えており、
前記ブレーキコイルからの漏れ磁束が前記多極マグネットの半径方向に沿って同一方向に延びることを特徴とするアクチュエータ。
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