JPS63212805A

JPS63212805A - 回転角計測装置

Info

Publication number: JPS63212805A
Application number: JP4517587A
Authority: JP
Inventors: Yuzo Seo; 雄三瀬尾
Original assignee: Mitsubishi Kasei Corp
Current assignee: Mitsubishi Kasei Corp
Priority date: 1987-03-02
Filing date: 1987-03-02
Publication date: 1988-09-05

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〕この発明は、自動機器等に用いられる回転角計測装置に
関し、特に、ノイズ、停電等による誤動作を受けにくく
、小形、計量、安価なアブソリュ−トエンコーダに関す
るものである。

〔従来の技術〕

ロボット、自動機器等の制御に使用される絶対位置検出
装置として、従来、レゾルバ、光学式アブソリュートエ
ンコーダ等が使用されてきた。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、レゾルバは巻線と積層コアを有するため
、重量も大きく、高価であり、光学式アブソリュートエ
ンコーダも分解能に対応した数のスリットとフォトセン
サーを必要とするため、大型で高価なものとなっていた
。

この発明は上記の点にかんがみなされたもので、小形で
安価な回転角計測装置を提供することを目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

この発明にかかる回転角計測装置は、ロータ磁石と、こ
れに対向位置させた磁気抵抗素子とからなり、ロータ磁
石は磁界の大きさの絶対値の変動に周期一回転の成分を
含み、磁気抵抗素子は周期的に設けられた磁極の変位を
０本（ｎ≧３）の磁気抵抗体により構成されており、か
つ各磁気抵抗体は磁極に対する感度が磁極の変位方向に
対し、磁極の全周にわたる分布幅を有し、しかも互いに
２π／ｎずつずれた正弦波状の感度分布を有するように
配置されており、さらにｎ木の磁気抵抗体の一方の端子
は全て結合し、他方の各端子にはそれぞれＶｊ　　＝Ｖ−ｓｉｎ　　（ωｔ＋２ｙｒ　・ｊ／ｎ）
で表わされる交流電圧を印加する手段を有し、さらに磁
気抵抗体の結合点に得られる交流信号と、印加した交流
電圧との位相差により回転角を決定する手段を備えたも
のである。

〔作用〕

この発明においては、ロータ磁石の作る磁界の大きさく
絶対値）の変動に、周期が一回転（２π）であるような
成分を含むので、磁気抵抗体の抵抗変化が磁界の大きさ
によって定まるため、このようなロータ磁石を用いるこ
とにより、磁気抵抗体の抵抗変化に、ロータ磁石の一回
転を一周期とする成分を含めることができる。したがっ
て、絶対番地の検出を行うことができる。

〔実施例〕

第１図はこの発明になる回転角計測装置の一実施例の断
面を示したものである。この図で、１はロータ磁石で、
プラスチック・ボンド磁石２およびこれにインサートさ
れた軸３からなる。このロータ磁石１と軸方向の空隙を
介して対向する磁気抵抗素子４、信号処理回路を搭載し
たプリント基板５、軸承６、軸承ハウジングを兼ねた台
座７およびケース８からなる。

第１図の実施例の動作を説明する前に、この発明の計測
原理について説明する。

いま、単位感度を有する磁気抵抗体を角度δの位置に置
いた場合を考える。ロータ磁石１の回転角をθとすると
、上記磁気抵抗体の抵抗変化はθ−δの関数で表わされ
る。また、抵抗変化の最大周期が一回転（２π）である
ことから、上記の抵抗変化量は次のようにフーリエ展開
して表わすことができる。

γ＝Σ　［ａ　ｋ−ｃｏｓ（ｋ　　（θ−δ））ｌｌｌ＋　　ｂ　１−ｓｉｎ（ｋ　　（θ−δ））］＝Σ　［
Ｃｋ−ｃｏｓ（ｋ　　（θ−δ）十〇。）ｌｌｌここで、ａｋｂｌ）ｋ％Ｃｋｘ　θ。はロータ磁石１の
作る磁界によって定まる定数で、ローター回転を一周期
とする変動成分を含むことから０１はＯでない値をとる
。

また、磁気抵抗体の回転方向の角度δの位置における感
度が式％式％）（ただし、αは任意の実数、βは０でない実数、ｎは３
以上の整数、ｊは０〜ｎ−１までの整数で、磁気抵抗体
の番号を示す）で表わされるような感度分布を有する０
本の磁気抵抗体からなる磁気抵抗素子を用い、これを前
記ロータ磁石に対向配置した場合、磁気抵抗体全体での
抵抗変化ｄｒは、各回転角での抵抗変化を全周にわたっ
て積分して、次のようになる。

ｄｒ＝ｌ　　　（ａ＋β　・ｃｏｓ（δ＋２π　・　ｊ
／ｎ））Σｃ　、・ｃｏｓ（ｋ　　（θ−δ）十〇。）
　ｄδｌ＝π・　β　帝　Ｃ１・ｃｏｓ（θ＋θ。

＋２π・　ｊ／ｎ）すなわち、抵抗変化は、一回転を一周期とし、各線素で
互いに２π／ｎずつ位相の異なる正弦波となる。

上記各磁気抵抗体の一方の端子に式％式％）で表わされる交流電圧を印加し、他方の端子を全ての磁
気抵抗体についてそれぞれ結合し、結合点に得られる交
流信号と、印加した交流電圧の位相差により回転角を下
記のようにして決定する。

各磁気抵抗体の抵抗Ｒ４およびその逆数Ａ。

は、平均値πが各磁気抵抗体で等しいものとして、次の
ように表わされる。

ＲＪ　＝Ｒ＋ｄ　ｒｊ　＝Ｒ＋ｃ　−ｃｏｓ（θ＋θ。

＋２π・ｊ／ｎ）Ｒ２＝　１　／Ｒ−ｃ　　−ｃｏｓ（θ＋θ。

＋２π・ｊ／ｎ）Ｒ２ここで、π・β・ｃｌをＣと記した。また、（ｄｒｊ／
Ｒ）２が１に対して無視できる大きさであると仮定した
。

なお、０本の磁気抵抗体は２π／ｎずつずれた正弦波状
の感度分布を有する例を示したが、これは正弦波はもと
より、正弦波に近似させた階段波、折線波、放物線波等
でもよい。

結合点の電位は次式に示すように、回転角θに応じて印
加電圧と位相の異なる信号が得られる。

Ｖ、＝Σ（Ａ」　・ｖ、）ΣＡ、＝（−Ｖ−Ｃ／２Ｒ）ｓｉｎ（ω・ｔ−θ−θ。）したが
って、これと印加電圧との位相差を計測することにより
回転角を決定することができる。

次に第１図の実施例のロータ磁石１の磁化パターンの例
と、これに対向して一定の角度位置に設置された磁気抵
抗素子４の抵抗変化を第２図の模式図により説明する。

なお、第２図の上方の（ｉ）はいずれもロータ磁石１の
磁化パターンを示しており、下方の（ｉｉ）はいずれも
磁気抵抗素子４の抵抗変化特性を示す。

第２図（ａ）は無着磁部（０）を設けた場合、第２図は
（ｂ）磁極境界部の一方にかっこで示す磁化の弱い部分
を設けた場合、第２図（Ｃ）はＮ極とＳ極をそれぞれ一
つずつ設け（第２図は展開図なのでＳ極の両端は実際に
はいずれもつながっている）、両極の幅を変えた場合、
第２図（ｄ）は一回転を一周期として磁極幅を変えて多
極に着磁した場合を示す。いずれも−回転当り一周期の
変動成分を含む抵抗変化特性が得られる。

磁気抵抗素子４のパターン形状を第３図（ａ）。

（ｂ）に示す。第３図（ａ）は回転角に対して磁気抵抗
素子を構成する各磁気抵抗体の長さを変えた場合であっ
て、感度分布が回転角に対しそれぞれ９０°位相の異な
る、４つの磁気抵抗体４−〇、４−１．４−２．４−３
を有する。この場合、長さに比例する正弦波状の感度分
布が得られる。第３図（ｂ）は回転角に対して磁気抵抗
素子４のスキュー角度σを変えた場合であって、感度分
布が回転角に対しそれぞれ１２ｏ°位相の異なる３つの
磁気抵抗体４−０．４−１．４−２を有する。この場合
、スキュー角度（σ）のｃｏｔに反比例する感度分布が
得られる。この他、回転角に対して磁気抵抗素子４の幅
を変えたり、回転角に対して磁気抵抗体４−０．４−１
．・・・・・・を配置する数に変化を持たせる等の方法
でも目的とする感度分布を得ることができる。

ｎ＝４の場合の信号処理回路の一例を第４図に示す。こ
の回路はクロック信号発生部（発振器）９、分解能に応
じた桁数を有するカウンタ１ｏ、カウント値をアドレス
としてｓｉｎ％ＣＯＳのデジタル値を出力するＲＯＭ１
１−１．１１−２、これらのデジタル値をアナログ値に
変換するＤ／Ａコンバータ１２−１．１２−２、ローパ
スフィルタ１３−１．１３−２および不平衡／平衡変換
器１４−１．１４−２によって、それぞれ位相が９０”
異なる４つの交流信号を生成し、各磁気抵抗体４−０〜
４−３の一方の端子に印加する。

他方の端子は全て結合され、増幅器１５により回転角に
応じて印加交流と位相の異なる信号を得る。この信号の
ゼロクロスをコンパレータ１６により検出し、ゼロクロ
スの瞬間のカウンター値をＤ形フリップ・フロップ１７
に取り込む。この値は回転角に１：１に対応するので、
外部よりフリップ・フロップの出力端子を参照すること
により、角度信号を得ることができる。

ｎ＝４の場合は印加交流電圧発生用の各ＲＯＭ１１−１
．１１−２が２つで済むという利点がある。また、ｎ＝
３の場合は磁気抵抗素子４の各磁気抵抗体が３本で済む
という利点がある。ｎとして５以上の値を用いても同様
の計測は可能であるが、回路が複雑になるのに見合う効
果はなく、好ましい方法とはいえない。

なお、磁気抵抗素子４には高精度でパターンを形成する
必要があるが、これはフォトエツチング等の手段で安価
に精度良く製造することができる。

〔発明の効果〕

この発明は以上詳細に説明したように、ロータ磁石と、
これに対向位置させた磁気抵抗素子とからなり、ロータ
磁石は磁界□の大きさの絶対値の変動に周期一回転の成
分を含み、磁気抵抗素子は周期的に設けられた磁極の変
位を０本（ｎ≧３）の磁気抵抗体により構成されており
、かつ各磁気抵抗体は磁極に対する感度が磁極の変位方
向に対し、磁極の全周にわたる分布幅を有し、しかも互
いに２π／ｎずつずれた正弦波状の感度分布を有するよ
うに配置されており、さらに０本の磁気抵抗体の一方の
端子は全て結合し、他方の各端子にはそれぞれＶｊ　＝Ｖ−ｓｉｎ　　（ωｔ＋２π・ｊ／ｎ）で表わ
される交流電圧を印加する手段を有し、さらに磁気抵抗
体の結合点に得られる交流信号と、印加した交流電圧と
の位相差により回転角を決定する手段を備えたので、一
回転の範囲にわたり絶対位置の検出が可能な回転角計測
装置を構成することが可能である。

また、必要な部品は、ロータ磁石、磁気抵抗素子、回転
機構、信号処理回路のみであり、したがって、この発明
による回転角計測装置は、従来の光学式アブソリュート
エンコーダやレゾルバに比べて、小形・計量・安価に同
一機能を得ることができ、ロボット、工作機械等の自動
化をよりコンパクトに、より安価に行うことができる利
点を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例を示す断面図、第２図は第
１図の実施例におけるロータ磁石の磁化パターンの例と
磁気抵抗素子の抵抗変化の種々の例を模式的に示した図
、第３図は同じく磁気抵抗素子のパターン形状を示す図
、第４図はこの発明に用いる信号処理回路の一実施例を
示す図である。図中、１はロータ磁石、２はプラスチック・ボンド磁石
、３は軸、４は磁気抵抗素子、５はプリント基板、６は
軸承、７は台座、８はケース、９はクロック信号発生部
（発振器）、１０はカウンタ、１１−１．１１−２はＲ
ＯＭ、１２−１．１２−２はＤ／Ａコンバータ、１３−
１．１３−２はローパスフィルタ、１４−１．１４−２
は不平衡／平衡変換器、１５は増幅器、１６はコンパレ
ータ、１７はＤ形フリップ・フロップである。第１図第２図（ｃ）　　　　　（ｄ）一回軟角　　　　　　　　　−回靴角第３図（ａ）第３図（ｂ）

Claims

【特許請求の範囲】

（１）ロータ磁石と、これに対向位置させた磁気抵抗素
子とからなり、前記ロータ磁石は磁界の大きさの絶対値
の変動に周期一回転の成分を含み、前記磁気抵抗素子は
周期的に設けられた磁極の変位をｎ本（ｎ≧３）の磁気
抵抗体により構成されており、かつ前記各磁気抵抗体は
前記磁極に対する感度が磁極の変位方向に対し、前記磁
極の全周にわたる分布幅を有し、しかも互いに２π／ｎ
ずつずれた正弦波状の感度分布を有するように配置され
ており、さらに前記ｎ本の磁気抵抗体の一方の端子は全
て結合し、他方の各端子にはそれぞれＶ＿ｊ＝Ｖ・ｓｉ
ｎ（ωｔ＋２π・ｊ／ｎ）で表わされる交流電圧を印加
する手段を有し、さらに前記磁気抵抗体の結合点に得ら
れる交流信号と、印加した前記交流電圧との位相差によ
り回転角を決定する手段を備えたことを特徴とする回転
角計測装置。ただし、上記ωおよびＶは定数、ｔは時間、ｊは０〜ｎ
−１までの整数で前記磁気抵抗体の番号を表わすものと
する。
（２）ロータ磁石は、それぞれ一つずつのＮ極およびＳ
極を有し、一方の磁極境界の付近に磁束の低下する部分
を有することを特徴とする特許請求の範囲第（１）項記
載の回転角計測装置。
（３）ロータ磁石は、それぞれ一つずつのＮ極およびＳ
極を有し、一方の磁極境界の付近に磁極のない部分を有
することを特徴とする特許請求の範囲第（１）項記載の
回転角計測装置。
（４）ロータ磁石は、その磁極幅が一回転を一周期とし
て変化していることを特徴とする特許請求の範囲第（１
）項記載の回転角計測装置。