JPS60220816A - 回転角センサ - 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】 ［産業上の利用分野］ 本発明は回転角センサに関する。本発明の回転角センサ
は工作機械の回転軸の回転角を検出するのに用いること
ができる。

［従来技術］ 従来、数値制御工作機械等においては、可動台又は、工
具の送り量を制御するためにサーボモータの回転角度を
検出１ている。そのサーボモータの回転軸の回転角を検
出するためのセンサとしては、一般にレゾルバが用いら
れている。しかし、従来のレゾルバは固定子として励磁
コイルを設番プ、回転子として検出コイルを設けたもの
であり、励磁コイルに正弦波状の励磁信号を印加して、
検出コイルから検出される正弦波信号との位相差から回
転軸の回転角を検出するものである。従って、このレゾ
ルバ装置は固定子、回転子のいずれにおいても、鉄心及
び鉄心に巻かれた巻線が必要となり、大型でかつ１聞が
大きい。さらにレゾルバにおいて分解能を上げるために
は固定子巻線の極数を増大させる必要がある。又、回転
子側に検出コイルが設けられているので、検出信号を取
り出すために、ブラシもしくは回転トランスが必要とな
っている。さらにはレゾルバ以外の回転角センサとして
正弦波、又はパルス状に励磁した磁気スケールと一定の
位相差を持って配設された検出ヘッド等を有し、検出ヘ
ッドから一定周波数の励磁信号を入力して、検出ヘッド
から交流検出信号を取り出し、励磁信号との間の位相差
によって検出ヘッドと磁気スケールとの相対的変位量を
検出づ“るものがある。これらのレゾルバ及び磁気スク
ールによるセンサは共に交流励磁が必要であり、検出信
号との間の位相差を検出するための位相差検出回路が特
に必要となる。

［発明の目的］ そこで本発明は、従来の上記の欠点を改良するために成
されたものであり、永久磁石及びその磁場を検出するホ
ール素°子を用いた軽量かつ簡便な構造の回転角センサ
を提供し、回転角を精度食く検出することを目的とする
。

［発明の構成１ 本発明は、回転軸と、該回転軸の回転に伴って回転する
回転板と、該回転板に形成され該回転板の回転する円周
方向に沿って周期的に三角波状に磁化された磁化特性を
有する磁極部と、該磁極部と微小ギセップを隔てて設し
プられた、上記磁化特性の電気角においてπ／２の位相
差を有する少なくとも２つの磁気検出素子を有する磁気
検出器とから成る回転角セン勺に関する。

上記回転軸は、被測定物体の回転軸と直結し、その回転
と共に回転する。この回転軸にはその回転軸の回転に伴
って回転する回転板が設けられている。この回転板の形
状は回転軸に伴って回転すれば良く、平板状、リング状
等が考えられる。この回転板には、それが回転する円周
方向に沿って、少なくとも１周期の三角波状に磁化され
た磁化特性を有する磁極部が設番）られている。この磁
極部の形成は回転板の外周端部に形成してもよい。又、
回転板の一端面上、全体に渡り周期的に三角波状に励磁
した磁極部を構成してもよい。さらには回転板の端面上
において、回転円周方向に沿って、一定幅のリング形状
に三角状に磁化した磁極部を設けてもよい。この三角波
状に磁化された磁化特性を有する磁極部によって発生さ
れる磁場は、該磁極部と微小ギＡ７ツブを隔てて設置ノ
られた一対の磁気検出素子によって検出される。この一
対の磁気検出素子は前記磁化特性における電気角におい
てπ／２の位相差をもって設番ノられている。この磁気
検出素子には、直流磁場を直接検出できるホール素子、
又は磁気抵抗素子が使用できる。

さらに本発明の別の態様として、一つの回転板に対して
一端面に上記三角波状に磁化した磁化特性を有する磁極
部を設け、他の端面にその磁化特性とは異なる周期をも
って三角波状に磁化した磁極部を設けて、その磁極部の
発生づる磁場を検出するそれぞれ一対の磁気検出素子を
前述と同様に電気角π／２の位相差をもって設けたもの
が考えられる。即ち、回転軸の回転方向に対して異なる
周期の三角波状の磁場を得るための磁極部が少なくとも
２つ形成されたものを構成することもできる。磁極部を
少なくとも２つ構成する目的ぽ、回転角センサの検出精
度を上げるためである。

以下本発明を具体的な実施例に基づいて詳しく説明する
。

［実施例］ 第１図は本発明の具体的な一実施例にががる回転角セン
サの構成を示す構成断面図である。又、第２図は同実施
例センサにおける回転軸及び回転板に形成された磁極部
を特徴的に図示した斜視図である。回転軸２は被測定物
体の回転軸と係合して回転しうるちのである。この回転
軸２はベアリング軸受２１及び２２により回転自在に軸
支されている。回転軸２には、これと一体向に回転する
回転板４が回転軸に対して垂直に取付けられている。回
転板４の外周端部には磁極部６が形成されている。この
磁極部６は回転板４の法線方向外側に向って、Ｎ極に磁
化した第１の磁極部６ａと方線方向の外側に対して、Ｓ
極に磁化した第２の磁極部６ｂとを有し、空間的な周期
と磁化に関する電気的周期が同一に形成されている。さ
らにこの磁極部６と対向する側に微少ギャプを隔てて、
磁極部６によって生じる磁場の大きさを検出するホール
素子８日及び８ｂが磁気検出器として設番プられている
。ホール素子８ａ及び８ｂは、回転板４と同心的に配設
された金属製の支持筒２６に取付けられている。この支
持筒２６は一端部でその外側に形成された第１のハウジ
ング２４にボルト２８により固着されている。第１のハ
ウジング２４はさらに第２のハウジング３０と係合して
前記回転板４及びホール索子８ａ及び支持１１０２６を
内包するようにケースを構成している。さらに第２のハ
ウジング３０の外周面にはボール素子に電流を供給する
ための及びホール素子によって検出された検出信号を取
り出すためのコネクタ３２が設りられている。ホール素
子８ａによって検出される磁場の大きさに対応した電気
信号は第８図（ａ）に示すＶＡｌのようになる。磁極部
６は三角波状に磁化されているために、電気角π／２に
おいて最大となり、電気角３π／２において最小となる
。

また、ホール素子８ｂは、ホール素子８ａに対して電気
角で、π／２の位相差をもって設けられているために、
ホール素子８ｂによって、回転軸２のθ方向の回転に対
してＶＢＩのような電圧が検出される。この２つの出力
電圧の関係から回転軸の絶対角を測定することができる
。ここで、電気角π／２の位相差に設けられたボール素
子によって検出される２つの信号を利用しているのけ、
同一電圧に対する角度の１価性を与えるためである。

このように本実施例の回転角センナは、電気角π／２の
位相差の関係をもって設けられた一対のホール素子の出
力信号の関係から回転軸の絶対角を検出するものである
。

本実施例では磁極部６ａおよび６ｂを回転板４の側周端
面部に形成しているけれども、第５図に示すように回転
板４の一端面の平面上に形成することもできる。その場
合には当然のことながらホール素子はその磁極部の磁場
強度を最も感度良く検出するために、その磁極の磁化方
向に微小ギャップを隔てて設けられている。

又、磁極部８ａ、８ｂは第９図の如く、回転板４の一端
面上の周辺部にリング状に形成することもできる。

次に本発明の第２実施例にかがる回転角レンサについて
述べる。本実施例では回転角の検出の精度を上げるため
に、磁極部が２っ設番ノられている第４図は本実施例の
回転角ヒンサの構成を示ず構成断面図である。第１図と
対応する部分については同一の番号を付した。第１図と
異なるところは、磁極部の構成と磁場を検出するホール
素子の取り付は位置である。回転板４の一端面上には三
角波状に磁化した磁極部６が設けられ、その回転板４の
他の端面には、前記の磁化特性とは周期を異にする磁極
部６０が形成されている。回転板４は２つの磁極部６及
び６ｏを磁気的に遮蔽する働きを有している。磁極部６
によって生じる磁場の大きさを検出するために、ホール
素子８ａ及び８ｂが支持筒２６に固定され、磁極部６ｏ
によって発生する磁場を検出するためにホール素子１０
ａ、ｌＯｂが支持筒２６に支持されている。第１の磁極
部６は第５図に図示するように方位角２πに対して電気
角２πの周期の三角波状の磁化が形成されている。その
磁場を検出するホール素子８ａ１８ｂは図示する如く空
間方位角及び電気角においてπ／２の位相差をなして設
置ノられている。又、第２の磁極部６０は、第６図に示
すように方位角２πに対して２周期即ち方位角２πと電
気角４πとが対応する。そして、その磁場を検出するボ
ール素子１０ａ１１０ｂは電気角においてπ／２、空間
方位角においてπ／４の位置関係に設けられている。そ
れらのホール素子によって検出される出力電圧信号は第
８図（ａ）及び第８図（ｂ）に示すようになる。ここで
横軸α１及びα２は電気角であり、第８図（ａ）の横軸
は空間方位角θに対応している。第８図（ｂ）において
は、電気角２πが空間方位角のπ、電気角４πが空間方
位角２πに対応している。

第３図はこのような回転角センサから出力される電気信
号を処理して回転角を検出するための回転角検出８置の
全体の構成を示した７　Ｃｌツクダイヤフラムである。

ホール素子８ａ１８ｂ１１０ａ。

１０ｂの出力信号はマルチプレクサ−５６に入力し、マ
ルチプレクサ−５６の出力信号はＡ／Ｄ変換器５４によ
ってデジタル信号に変換され、ＣＰＵ５０に入力する。

ＣＰｔＪ５０には所定のプログラムを記憶するためのメ
モリー５２が接続されている。第７図は本実施例装置に
おいて使用された８１算機の処理を示づフローチャート
である。８１ｎ機はステップ１００から実行を開始し各
ホール素子の出力信ＭＶＡ１、ＶＢｌ、ＶＡ２、ＶＢ２
を読み込む。次にステップ１０２からホール素子８ａ、
８ｂの出力信号であるＶＡＩ、ＶＢｌから第１の磁極部
によって発生された磁場から検出される検出角α１を演
篩する。次にステップ１０４で第２の磁極部６０によっ
て生じる磁場から検出される信号ＶＡ２、ＶＢ２から第
２の位相角α２を算出する。ステップ１０６で上記の位
相角α１及びα２から絶対回転ＩＲをめ、ステップ１０
８でその結果を出力する。なお、ステップ１０６におい
て０は整数化を示すガラス記号であり、１０００は電気
角２πを何分側にするかを表わＪ分割数である。

第７図（ｂ）は第１の位相角α１及び第２の位相角α２
を計算するためのサブルーチンである。

即ち、本サブルーチンでは、検出角が第８（ａ）図にお
いて、第１象現から第４象現のいずれに属するかによっ
て８１鋒処理の方法を決めている。即１５、ステップ２
００の判定は第１象現であるかを判定し、ステップ２０
４は第２象現であるかを判定する。同様にしてステップ
２０８は第３象現かを、ステップ２１２は第４象現かを
判定するものである。第１象現にある場合には、ステッ
プ２０２の計算式により位相角がめられる。即ち、ここ
でＶＡはボール素子８ａの出力信号の電圧レベルであり
、Ｖｍはその検出値の最大値である。即ち、回転角が第
１象坦にあるときＯからπ／２の範囲においてホール素
子８ａの検出する磁場は直線的に磁場の強さを増加する
と考えられる。又、第２象現ではステップ２０６に記載
されたｇ１１置による。即ち、第２象現ではπ／２から
πの間において、最大値Ｖｍから０まで直線的に減少す
ると考えられる。さらに第３象現においては、ステップ
２１０に記載する計算式によってめられる。

即ち、第３象現ではπから３π／２の間において、出力
信号は０から−ｖＩｌｌの間で直線的に変動づると考え
られる。さらに第４象現にある場合には、ステップ２１
４による計算式に基づいて行なわれる。

このようにして第１の磁極部６によって第１の位相角α
１が測定される。同様にして第２の位相角α２について
も同じサブルーチンを利用してめることができる。この
ようにしてめた第１及び第２の位相角は計算式１０６に
より処理されて絶対角Ｒが検出される。即し、位相角α
２は、方位角の１周期に対して電気角の２周期が磁化さ
れた磁極部から検出される電気角であり、単位方位内当
たりの検出磁場の変動が、第１の磁極部によって検出さ
れるものに比べて大きくなっている。

第２磁極部とホール素子１０ａ、１０ｂとで構成される
系では、方位角Ｏからπの範囲において精度良く角度を
検出できるけれども、検出角が方位角でＯからπにある
のか、πから２πの範囲に存在するのかが不明である。

従って、その判別を行なうために電気角の周期と方位角
の周期とが一致した第１の磁極部による出力信号を用い
てそのことを判定している。

このように本実施例では２つの磁極部を形成した回転角
センサを用いて回転角を精度良く検出するものである。

［発明の効果］ 以上要するに本発明は、回転軸の回転に伴って回転する
回転板に三角波状に磁化した磁化特性を有する磁極部を
形成し、この磁極部によって発生される磁場の大きさを
電気角π／２の位相差をもって設けられた磁気検出素子
によっ゛Ｃ検出することにより、回転軸の回転角を絶対
的に測定するものである。本発明では三角波状に磁化し
たＩｉ磁極部用いているために回転角とそれによって発
生ずる磁場との直線性が良く検出精度が高い。又、磁場
の大きさを直接磁気検出素子を用いて検出しているため
、従来のように検出コイル及び励磁コイルにより、正弦
波で励磁する必要がなく、又、その位相差を検出するた
めの特別な電気回路を必要としない。従って構造が簡単
である。又、回転角の検出精度を向上させるためには、
磁極部の磁化特性の周期を小さくすることにより容易に
達成できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の具体的な一実施例にかかる回転角セン
サの構成を示した構成断面図である。第２図はそのうち
の特徴部分を図示した斜視図である。第３図は本発明の
具体的な第２実施例にかかる回転角センサを利用した回
転角測定装置の全体の構成を示す構成断面図である。第
４図は本発明の第２実施例にかかる回転角センサの構成
を示した構成断面図である。第５図は同実施例センサに
おける第１磁極部の構成を示す構成図。第６図は同実施
例センサにおける第２磁極部の構成を示す構成平面図で
ある。第７図は同装置において使用された計篩機の処理
を示すフローチャートである。 第８図は第２実施例センサによって出力される電圧信号
の特性を示した特性図である。第９図は第１実施例セン
サにおける磁極部の変形例を示した平面図である。 ２・・・回転軸 ４・・・回転板 ６・・・磁極部（第１磁極部） ８・・・ボール素子 ６０・・・第２磁極部 特許出願人　Ω田■機株式会社 代理人　弁理士　大川　宏 同　弁理士　藤谷　修 同　弁理士　丸山明夫 第１図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）回転軸と、該回転軸の回転に伴って回転する回転
   板と、該回転板に形成され該回転板の回転する円周方向
   に沿って周期的に三角波状に磁化された磁化特性を有す
   る磁極部と、 該磁極部と微小ギャップを隔てて設けられた、上記磁化
   特性の電気角においてπ／２の位相差を有する少なくと
   も２つの磁気検出素子を有する磁気検出器とから成る回
   転角センサ。 （２）前記磁極部は、前記回転板の外周端部に形成され
   ていることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の回
   転角センサ。 〈３）前記磁極部は、前記回転板の一端面上に形成され
   ていることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の回
   転角センサ。 （４）前記磁極部は、前記回転板の一端面上において、
   回転方向に沿ってリング状に形成されていることを特徴
   とする特許請求の範囲第１項記載の回転角センサ。 （５）前記磁極部は、前記回転板の一端面上に形成され
   ていると共に、前記回転板の他端面にも形成されており
   、該他端面上に形成された磁極部は、前記一端面上に形
   成された磁極部とは、磁化の周期が異なる三角波状に磁
   化された磁化特性を有するものであり、前記磁気検出器
   は、該他端面上に形成された磁極部と微小ギャップを隔
   てて設けられ、その磁化特性の電気角においてπ／２の
   位相差を有する位置に設けられた一対の磁気検出素子を
   特徴とする特許請求の範囲第１項記載の回転角センサ。