JPH04177115A - 回転軸の回転状態検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、回転軸の回転状態たる回転数１回転方向或は
回転変位角を回転軸に対して非接触状態で検出するよう
にした回転軸の回転状態検出装置に関する。

（従来の技術） 例えば、サーボモータ等により駆動されるロボットのア
ームの回転軸に適用される回転変位角検出装置としては
、回転軸に余分な負荷を与えずしかも故障も少ない非接
触式のものが主流となっており、従来、光学的方式或は
電磁的方式のものがある。

即ち、光学的方式のものとしては、例えば、回転軸に光
源からの光の反射板或は遮光板を取付け、回転軸の回転
に応じて反射板或は遮光板を介して得られるパルス状の
光信号を受光部により検出し、その検出信号を計数、演
算処理を行なうことにより算出する構成のものや、回転
軸に回転変位角に応じて異なる２値化信号の得られるコ
ード板を取付け、これに対して受光部で得られる２値化
された光信号により回転変位角を検出する構成のもの等
がある。

また、電磁気的方式によるものでは、例えば回転軸に磁
石を取付けてこれを対向する部分にホール素子或はコイ
ル等を配置して構成することにより、回転軸の回転によ
り変化する磁束を検出してその検出信号を計数、演算処
理を行なって回転数或は回転変位角を検出するものがあ
る。さらに、回転方向の検出に対しては、上述の構成の
ものを組合わせることにより、例えば２段に配置するな
どしてそれらの検出信号の位相差から検出する構成とし
たものがある。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、上述したような従来構成のものでは、光
学的方式、電磁気的方式の何れにおいても、その検出精
度に比例してそれらの構成や計数、演算処理回路が複雑
化し、高価なものとなってしまう問題点があった。また
、耐振動性、耐環境性に強く故障が少ないという点では
電磁気的方式のものが優れるか、検出精度や装置の大き
さの点では光学的方式のものが勝るという夫々の持つ利
点が他方の欠点となる不都合がある。さらに、従来構成
のものでは、回転変位角１回転数及び回転方向等の回転
状態の複数の情報を検出する場合には、検出部の構成ひ
いては全体の構成が複雑且つ大形化してしまうという不
具合があった。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、その目的
は、比較的簡単な構成で回転軸の回転状態即ち回転変位
角１回転数及び回転方向の検出を何れも精度良く行なう
ことができる汎用性が高く、しかも小形且つ安価に成し
得る回転軸の回転状態検出装置を提供するにある。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） 本発明の回転軸の回転状態検出装置は、回転軸の外周面
に配置された磁石と、前記回転軸の外周面と一定間隔を
存した状態で螺旋状に巻回され前記磁石と対向するよう
に配置された磁歪を有する長尺磁性体と、この磁性体に
対して前記回転軸を略１周する間隔を隔てた位置で互い
に逆位相となる磁気弾性波を発生させる第１の励磁手段
と、この第１の励磁手段に対して所定間隔だけずれた配
置状態でその第１の励磁手段と同様にして前記磁性体に
磁気弾性波を発生させる第２の励磁手段と、前記第１の
励磁手段及び第２の励磁手段の夫々に異なる周波数の励
磁電流を与える第１及び第２の電源と、前記磁性体を伝
播する磁気弾性波を検出する検出手段とを設け、前記検
出手段により検出される磁気弾性波に基づいて前記回転
軸の回転状態を検出するところに特徴を有する。

（作用） 本発明の回転軸の回転状態検出装置によれば、第１及び
第２の励磁手段に夫々第１及び第２の電源から励磁電流
を与えると、磁性体に夫々の周波数に応じた磁気弾性波
が発生する。このとき、各励磁手段により発生される磁
気弾性波は、夫々磁性体の両端側において互いに逆位相
であるので、夫々の振幅が同じであれば中央部において
は振幅がゼロとなり、励磁手段の配設された位置で最大
の振幅値を示すようにして指数関数的に分布している。

また、第１及び第２の励磁手段は所定間隔だけずれた位
置に配設されているので、上述の振幅がゼロとなる中央
点も同様に所定間隔だけずれている。つまり、夫々の励
磁手段により発生される磁気弾性波が合成された磁気弾
性波として磁性体中に伝播している状態である。この状
態で、検出手段は、その位置における磁性体中を伝播す
る磁気弾性波を検出する。

このような状態において、回転軸の外周面に配設された
磁石の磁界が磁性体に作用すると、磁性体中を伝播して
いる磁気弾性波はその位置で減衰されることになり、検
出手段にはそのときに減衰された磁気弾性波の影響を受
けて磁石の位置に応じた信号が検出される。この場合、
第１或は第２の励磁手段の一方のみの励磁による磁気弾
性波では励磁手段が配設された位置において検出し難い
ケースがあるが、両励磁手段は配置状態が所定間隔だけ
ずれた位置にあるので、検出信号を夫々の電源周波数に
対応して分離することにより、互いに検出し難い位置を
補うことができる。この結果、回転軸の回転角度がその
全周に渡って磁石の位置に応じた角度として精度良く検
出できる。

また、異なる周波数で励磁しているので、検出手段を夫
々に対応して設けることなく、１つの検出手段で検出し
た後に分離することができ、簡単な構成でなし得る。

さらに、第１及び第２の励磁手段の配設位置をずらして
いるので、夫々の検出時間の遅れ或は位相差等を検出す
ることにより、回転軸の回転方向或は回転速度をも同時
に検出できる。

（実施例） 以下、本発明を回転機の回転軸に適用した場合の一実施
例について図面を参照しながら説明する。

まず、全体構成を模式的に示す第１図において、回転軸
１にはその外周面の一部に永久磁石２が配置固定されて
いる。筒状の支持体３はこの回転軸１の外周面と一定間
隔を存した状態で配置固定されているもので、その外周
面には磁歪を有する長尺状の磁性体４が上述の磁石２と
対向する位置で螺旋状に巻回されている。この磁性体４
は、例えば、Ｆｅ系アモルファスワイヤを用いており、
支持体３の外周面を１周半程度巻回されている。この磁
性体４には第１及び第２の励磁手段としての励磁コイル
５ａ、５ｂ及び６ａ、６ｂが巻回されている。この場合
、第２図に回転軸１の軸方向からみた断面で示すように
、励磁コイル５ａ、５ｂ及び励磁コイル６ａ、６ｂの各
対は夫々磁性体４の両端側に分けて配置され、回転軸１
の外周面を略１周包囲するような位置に設けられている
と共に、各対は図にも示すように所定間隔だけずれた位
置関係となるように配置されている。励磁コイル５ａ、
５ｂは、逆直列にして接続され周波数ｆ、Ｈｚである第
１の電源たる交流電源７により励磁電流が与えられるよ
うになっている。同様にして、励磁コイル６ａ、６ｂも
逆直列にして接続され交流電源７とは周波数が異なる周
波数ｆ２　Ｈｚである第２の電源たる交流電源８により
励磁電流が与えられるようになっている。これにより、
励磁コイル５８及び５ｂは磁性体４に対して、振幅が同
じで互いに逆位相となる磁気弾性波を発生させ、同様に
励磁コイル６ａ及び６ｂも磁性体４に対して、振幅が同
じで互いに逆位相となる磁気弾性波を発生させる。検出
手段たる検出コイル９は磁性体４の略中央部に対応する
ように配置され、その磁性体４に伝播している磁気弾性
波の振幅及び位相に応じた電圧信号を検出するようにな
っている。

次に、本実施例の作用について第３図をも参照しながら
説明する。

まず、簡単のために、回転軸１に設けられた永久磁石２
の磁界が作用しない状態を想定して、磁性体４に発生す
る磁気弾性波の状態について説明する。即ち、第１の交
流電源７から周波数ｆ、Ｈ２の励磁電流を励磁コイル５
ａ、５ｂに与えると、励磁コイル５ａと５ｂとでは逆位
相の励磁電流が流れ、これにより、磁性体４には、励磁
コイル５ａ、５ｂの夫々の位置で周波数ｆ、Ｈｚに対応
した互いに逆位相で最大の振幅の磁気弾性波が励起され
、共に磁性体４の中央部に向かって指数関数的に減衰し
ながら伝播する。この結果、両励磁コイル５ａ、５ｂの
中間位置で磁性体４に伝播している磁気弾性波の振幅が
ゼロとなる。また、上述と同様にして第２の交流電源８
から周波数ｆ２Ｈ２の励磁電流を励磁コイル６ａ、６ｂ
に与えると、励磁コイル６ａと６ｂとで逆位相の励磁電
流が流れ、磁性体４には、励磁コイル６ａ、６ｂの位置
で夫々周波数ｆ２Ｈｚに対応した互いに逆位相で最大の
振幅の磁気弾性波が励起されると共に、両励磁コイル６
ａ、６ｂの中間位置で磁性体４に伝播している周波数ｆ
２Ｈｚに対応した磁気弾性波の振幅はゼロとなる。この
結果、磁性体４にはこのように周波数ｆ、、ｆ２Ｈｚに
対応する磁気弾性波が合成された磁気弾性波として伝播
している状態となる。

一方、このように磁性体４中を伝播している磁気弾性波
は検出コイル９に誘起される電圧信号として検出される
。この場合、検出される磁気弾性波の誘起電圧は、異な
る周波数ｆ、及びｆ２の合成であることから、これらを
夫々の周波数成分に分離することができるので、夫々の
周波数ｆ１及びｆ２に対応した位相及び振幅の電圧とし
て検出することができる。

さて、このような状態において、いま、回転軸１の回転
角度が９０″つまり永久磁石２の回転位置が第２図に示
すような角度であるとすると、永久磁石２による磁界は
この位置に伝播している磁性体４中の磁気弾性波を減衰
させるように働く。

この結果、検出コイル９に誘起される電圧を各周波数ｆ
、、ｆ２に分離すると、第３図に示すように、周波数ｆ
１Ｈｚに対応する磁気弾性波の誘起電圧はｖｌとなり、
周波数ｆ２Ｈｚに対応する磁気弾性波の誘起電圧はｖ２
となる。つまり、これらの検出電圧■１及びＶ２から逆
に永久磁石２の位置即ち回転軸１の回転角度が検出でき
るのである。尚、第３図は回転軸１の回転角度に応じて
検出される各周波数の誘起電圧の振幅を示すものである
。

ところで、永久磁石２が励磁コイル５ｇ、５ｂ或は６ａ
、６ｂの位置を通過する近傍においては検出コイル９に
誘起される電圧の振幅は最大値を示した後に急激に減衰
するような変化を示す。このような場合には、例えば永
久磁石２が励磁コイル５ａ近傍に位置するときに検出す
る周波数ｆ１Ｈｚの磁気弾性波では回転角度が精度良く
検出できないが、このとき励磁コイル６ａ或は６ｂは永
久磁石２から離れた位置にあるので、周波数ｆ２Ｈｚの
磁気弾性波は上述のような急激な変化をすることがない
ため、そのときの永久磁石２の回転位置つまり回転軸１
の回転角度を精度良く検出することができる。

このように本実施例は、第１の励磁コイル５ａ。

５ｂ及び第２の励磁コイル６ａ、６ｂを互いに所定間隔
ずらして設け、磁性体４に異なる２つの周波数ｆ１及び
ｆ２Ｈｚの磁気弾性波を励起させるようにした。これに
より、第１或は第２の励磁コイルの夫々により励起され
る合成の磁気弾性波により、互いに検出が困難となる回
転軸１の回転位置を補うようにして検出できるようにな
り、検出精度が向上する。また、第１及び第２の各対の
励磁コイルにより磁性体４に励起させる磁気弾性波を異
なる周波数としたので、検出コイル９において電気的に
誘起電圧を各周波数に分離することができ、検出コイル
９を１個設けるだけで済むので、構成が簡単となりコス
トの低減が図れる。

さらに、各周波数の誘起電圧の振幅の時間的変化は、回
転速度つまり回転数に対応し、その位相つまり極性は回
転方向に対応するので、回転角度の検出に加えて、簡単
な演算回路を付加するだけで回転軸１の回転数或は回転
方向等の回転状態を検出することができる。

尚、上記実施例においては、回転軸１に設ける磁石を永
久磁石２としたが、これに限らず、例えば電磁石を用い
る構成としても良い。

また、上記実施例においては、励磁手段として励磁コイ
ル５ａ、５ｂ、６ａ、６ｂを用いる構成としたが、これ
に限らず、例えば、磁気ヘッドを用いる構成としても良
い。

さらに、上記実施例においては、検出手段として１個の
検出コイル９を用いる構成としたが、これに限らず、２
つの周波数に対応して２個の検出コイルを用いても良い
し、また、コイルに限らず、ホール素子或は磁気ヘッド
等を用いる構成としても良い等、本発明の要旨を逸脱し
ない範囲内で種々の変形が可能である。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明の回転軸の回転状態検出装
置によれば、次のような優れた効果を奏する。

即ち、長尺状磁性体に対して第１及び第２の励磁手段を
ずらした位置に設は異なる周波数を有する第１及び第２
の電源から励磁電流を与えることにより、異なる周波数
の磁気弾性波を発生させるようにしたので、一方の励磁
手段のみでは検出し難い部分を、他方の励磁手段により
発生している磁気弾性波の成分により検出することがで
き、従って、回転軸の回転位置を精度良く検出すること
ができる。

また、異なる周波数の磁気弾性波を合成した磁気弾性波
を検出するので、検出後に再び各周波数成分に分離する
ことができ、従って、検出手段を複数設ける必要がなく
なり、簡単な構成で成し得る。

さらに、検出手段により検出される信号は、回転軸の回
転速度に応じて時間的な変化をするので、簡単な演算処
理を行うだけで、回転速度或は回転方向を検出すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明の一実施例を示し、第１図は一部を破断し
て示す全体構成の斜視図、第２図は回転軸を軸方向に直
角に切断した断面で示す全体構成図、第３図は検出出力
と回転角度の相関関係を示す作用説明図である。 図面中、１は回転軸、２は永久磁石（磁石）、３は保持
部、４は磁性体、５ａ、５ｂは励磁コイル（第１の励磁
手段）、６ａ、６ｂは励磁コイル（第２の励磁手段）、
７及び８は第１及び第２の交流電源、９は検出コイル（
検出手段）である。 第１図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、回転軸の外周面に配置された磁石と、前記回転軸の
   外周面と一定間隔を存した状態で螺旋状に巻回され前記
   磁石と対向するように配置された磁歪を有する長尺磁性
   体と、この磁性体に対して前記回転軸を略１周する間隔
   を隔てた位置で互いに逆位相となる磁気弾性波を発生さ
   せる第１の励磁手段と、この第１の励磁手段に対して所
   定間隔だけずれた配置状態でその第１の励磁手段と同様
   にして前記磁性体に磁気弾性波を発生させる第２の励磁
   手段と、前記第１の励磁手段及び第２の励磁手段の夫々
   に異なる周波数の励磁電流を与える第１及び第２の電源
   と、前記磁性体を伝播する磁気弾性波を検出する検出手
   段とを具備し、前記検出手段により検出される磁気弾性
   波に基づいて前記回転軸の回転状態を検出することを特
   徴とする回転軸の回転状態検出装置。