JPWO2007055135A1 - Magnetic encoder device - Google Patents
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Abstract
磁界検出素子を駆動する電源線や出力信号線の本数が少なく、低コストで、設置の自由度の高い磁気式エンコーダを提供する。発磁体を構成する円板状の永久磁石(2)は、回転体(1)の回転軸(11)に対して、垂直に一方向に平行に磁化されている。磁界検出部(6)を処理回路基板(4)上の回転体(1)の回転中心軸(10)上に設置する。磁界検出部(6)は、回転軸に垂直な面内のお互いに異なる方向の磁界を検出する配置した図示しない2個の磁界検出素子を近接して備え、回転軸(11)に対して垂直なX−Y平面上のX、Yの2軸方向の磁界を検出する。Provided is a magnetic encoder having a low number of power supply lines and output signal lines for driving a magnetic field detecting element, a low cost, and a high degree of freedom in installation. The disc-shaped permanent magnet (2) constituting the magnet generator is magnetized perpendicularly and parallel to one direction with respect to the rotating shaft (11) of the rotating body (1). The magnetic field detector (6) is installed on the rotation center axis (10) of the rotating body (1) on the processing circuit board (4). The magnetic field detection unit (6) includes two magnetic field detection elements (not shown) arranged to detect magnetic fields in different directions in a plane perpendicular to the rotation axis, and is perpendicular to the rotation axis (11). A magnetic field in the biaxial directions of X and Y on the XY plane is detected.
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する。 The present invention relates to a magnetic encoder device that detects a rotational position of a rotating body.
(従来例1)
従来、高精度の位置情報を得る磁気式エンコーダとして、平面内で2極に平行に磁化した円板状の永久磁石が発生する磁界を検出し、回転体の位置の絶対値を検出する磁気式エンコーダが開示されている(例えば特許文献1参照)。
図22は第1従来技術における磁気式エンコーダの構成を示す斜視図である。
図において、1は回転体、2は回転体1に回転軸11を介して固定された永久磁石で、回転軸11に対して、垂直に一方向磁化されている。
611乃至614は磁界検出素子で、永久磁石2に対して軸方向に空隙を介して配置され固定体7上に固定されている。磁界検出素子611乃至614は、周方向に互いに機械角で90度位相をずらして配置されており、回転体1の回転に応じて永久磁石2が発生する磁界の変化を検出する。この検出信号を信号処理回路5で回転角度に変換し、回転体1の絶対値位置を検出している。(Conventional example 1)
Conventionally, as a magnetic encoder that obtains highly accurate position information, a magnetic type that detects a magnetic field generated by a disk-like permanent magnet magnetized in parallel with two poles in a plane and detects an absolute value of the position of a rotating body An encoder is disclosed (for example, see Patent Document 1).
FIG. 22 is a perspective view showing the configuration of the magnetic encoder in the first prior art.
In the figure, 1 is a rotating body, 2 is a permanent magnet fixed to the rotating
(従来例2)
また、回転体に取り付けられた平面内で2極に平行に磁化された永久磁石が発生する磁界を、軸方向に空隙を介して等間隔で配置した6個の磁界検出素子で検出し、回転体の位置の絶対値を検出するようにしたものが開示されている(例えば特許文献2参照)。
図23は第2従来技術における磁気式エンコーダの構成を示す斜視図である。
図において、1は回転体、2は回転体1に回転軸11を介して固定された永久磁石で、回転軸11に対して、垂直に一方向磁化されている。
621〜626は磁界検出素子で、磁界検出素子621〜626は、機械角で180度位相がずれた位置に設けた2個1対のA1 相検出素子621とA2 相検出素子622、B1相検出素子623とB2相検出素子624、およびC1相検出素子625とC2相検出素子626、計3対のもので構成され、固定体7上に配置されている。(Conventional example 2)
In addition, a magnetic field generated by a permanent magnet magnetized in parallel to two poles in a plane attached to the rotating body is detected by six magnetic field detecting elements arranged at equal intervals in the axial direction through gaps, and rotated. An apparatus that detects the absolute value of the position of the body is disclosed (for example, see Patent Document 2).
FIG. 23 is a perspective view showing a configuration of a magnetic encoder in the second prior art.
In the figure, 1 is a rotating body, 2 is a permanent magnet fixed to the rotating
図24は、信号処理回路のブロック図である。
信号処理回路には、A1相検出素子621とA2相検出素子622、B1相検出素子623とB2相検出素子624、およびC1相検出素子625とC2相検出素子626に対して、それぞれ第1差動増幅器81、82、83が設けられている。第1差動増幅器81〜83は、1対の磁界検出素子同士の出力信号の差を取ることにより偶数次の高調波成分を除去するものである。
さらに、第1差動増幅器81と82、第1差動増幅器82と83の後段には、それぞれ第2差動増幅器84、85を設けてある。
この第2差動増幅器84、85は、第1差動増幅器81と82、第1差動増幅器82と83により偶数次の高調波成分を除去した後の差動出力信号を二つずつ組み合わせて和を取ることにより、差動出力信号に含まれる3次の高調波成分を除去し、エンコーダを高精度化していた。FIG. 24 is a block diagram of a signal processing circuit.
The signal processing circuit includes a first difference between the A1
Further, second
The second
(従来例3)
また、回転軸に固定された円板状の永久磁石の円周上の一端にN極、他端にS極を形成し、永久磁石と一定の空隙を隔てて、軸心上に磁気抵抗素子を対抗配置した角度センサが開示されている(例えば特許文献3参照)。
図25は第3従来例における角度センサの斜視図、図26は角度センサの回転角度と出力電圧の関係を示すグラフである。
円板状の永久磁石12が回転すると、その回転角度に応じて、磁気抵抗素子13に作用する磁界の強さが変化し、これにより磁気抵抗素子13の抵抗が変化する。この抵磁気抵抗素子13の抵抗変化を電圧変化として検出すると、図26に示すようなシャフト11の回転角度位置に応じた出力信号が得られる。磁気抵抗素子13の出力電圧は、シャフト11が一方向に90度回転する毎に、直線的に増加と減少を交互に繰り返す。そして、この出力電圧波形の直線部分が、回転角度に比例することを利用している。 (Conventional example 3)
In addition, an N pole is formed at one end on the circumference of a disk-shaped permanent magnet fixed to the rotating shaft, and an S pole is formed at the other end. Has been disclosed (see, for example, Patent Document 3).
FIG. 25 is a perspective view of the angle sensor in the third conventional example, and FIG. 26 is a graph showing the relationship between the rotation angle of the angle sensor and the output voltage.
When the disk-shaped
(従来例4)
また、回転体の回転軸上に磁石を取付け、異なる検出方向に配置された複数の磁気抵抗素子を有する磁気センサを、磁石が回転する方向に垂直に設置して、物体の回転を検出する回転検出器が開示されている(例えば特許文献4参照)。
図27は第4従来技術における回転検出器の構成を示す斜視図である。
図において、22は、円柱形の外形で、上面にN極とS極の2極に着磁した永久磁石、37は、磁気センサで、永久磁石22の上面から離れた位置に設置され、永久磁石22に対して、垂直方向の磁界を検出する磁気抵抗パターンと磁気検出面方向の磁界を検出する磁気抵抗パターンが形成されている。
永久磁石22が回転すると磁気センサ37が磁界の回転を検出し、1回転1波形の信号を出力する。出力の変化から回転体の回転を検出する。さらに、磁気センサ37を2個設置した場合は、回転方向も検出できる。
In addition, a rotation is detected by attaching a magnet on the rotating shaft of the rotating body and installing a magnetic sensor having a plurality of magnetoresistive elements arranged in different detection directions perpendicularly to the direction in which the magnet rotates. A detector is disclosed (for example, see Patent Document 4).
FIG. 27 is a perspective view showing a configuration of a rotation detector in the fourth prior art.
In the figure,
When the
第1従来技術で開示された磁気式エンコーダは、回転体に取り付けられた永久磁石が発生する磁界は歪の小さい正弦波状となるので高精度のエンコーダが得られる。しかし磁界検出素子を4個以上必要とするため、磁界検出素子を駆動する電源線や出力信号線の本数が多くなる。従って、配線や磁界検出素子の設置などが複雑になりコストが高くなる問題があった。また、磁界検出素子を等間隔で設置する必要があるが、設置精度がエンコーダ精度に大きく影響する問題があった。さらに配線数が多いのでノイズを拾いやすく信頼性が低い問題があった。 In the magnetic encoder disclosed in the first prior art, since the magnetic field generated by the permanent magnet attached to the rotating body is a sine wave with a small distortion, a highly accurate encoder can be obtained. However, since four or more magnetic field detection elements are required, the number of power supply lines and output signal lines for driving the magnetic field detection elements increases. Accordingly, there is a problem that the installation of wiring and magnetic field detection elements becomes complicated and the cost is increased. Further, it is necessary to install the magnetic field detection elements at equal intervals, but there is a problem that the installation accuracy greatly affects the encoder accuracy. Furthermore, since there are many wirings, there was a problem that it was easy to pick up noise and low reliability.
また、第2従来技術で開示された磁気式エンコーダ装置は、磁界検出素子のサイズが大きいため、各磁界検出素子を回転軸中心から離して設置する必要があり、磁界検出部としてはサイズが大きくなる問題があった。また精度良く等間隔で配置することが難しいため、永久磁石の偏心や回転軸のぶれにより検出精度が劣化する問題があった。さらに各磁界検出素子の特性バラツキがあり、2次、3次の整数倍の高調波成分を完全に除去することができない問題があった。また永久磁石の近くに磁界検出素子のみが搭載され、磁界検出素子を駆動する駆動回路や信号増幅回路は永久磁石と離れて設置されているので、電源線や出力信号線の本数が多くなる問題や、耐ノイズ性が低下する問題があった。 In addition, since the magnetic encoder device disclosed in the second prior art has a large size of the magnetic field detection element, it is necessary to install each magnetic field detection element away from the center of the rotation axis, and the size of the magnetic field detection unit is large. There was a problem. In addition, since it is difficult to dispose at equal intervals with high accuracy, there has been a problem that detection accuracy deteriorates due to eccentricity of the permanent magnets and shake of the rotating shaft. Furthermore, there is a variation in the characteristics of each magnetic field detection element, and there is a problem that it is impossible to completely remove the second and third order harmonic components. In addition, only the magnetic field detection element is mounted near the permanent magnet, and the drive circuit and signal amplification circuit for driving the magnetic field detection element are installed away from the permanent magnet, which increases the number of power lines and output signal lines. In addition, there is a problem that noise resistance decreases.
また、第3従来技術で開示された磁気式エンコーダは、角度の検出範囲が出力電圧の直線性を有する範囲に限定され、しかも低精度である。したがって360度範囲の全周にわたって、回転角度を高精度に検出できることを要求されるサーボモータなどには適用できない問題があった。 In addition, the magnetic encoder disclosed in the third prior art is limited to a range in which the angle detection range has linearity of the output voltage, and has low accuracy. Therefore, there is a problem that it cannot be applied to a servo motor or the like that is required to detect the rotation angle with high accuracy over the entire circumference of the 360 degree range.
また、第4従来技術で開示された回転検出装置は、粗い位置検出は可能であるが、回転角度を高精度に検出できることを要求されるサーボモータなどには適用できない問題があった。 Further, the rotation detection device disclosed in the fourth prior art can detect a rough position, but has a problem that it cannot be applied to a servo motor or the like that is required to detect a rotation angle with high accuracy.
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、構成が簡単で小型化でき、低コストで、さらに、永久磁石の偏心や回転軸のぶれに強く、信頼性の高い高精度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 has a simple structure, can be reduced in size, is low in cost, and is resistant to eccentricity of a permanent magnet and shake of a rotating shaft, and has high reliability and high accuracy. An object of the present invention 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。
請求項1に記載の発明は、回転体に固定され2極に磁化された円板状又はリング状の永久磁石と、前記永久磁石が発生する磁界を検出する磁界検出部と、前記磁界検出部からの信号を処理する信号処理回路とを備え、前記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において、前記磁界検出部は、前記回転体の回転軸方向に前記永久磁石と空隙を介して配置され、前記永久磁石の回転中心軸の延長上に前記回転軸に垂直な面内の複数軸方向の磁界を検出する磁界検出素子部を備えたことを特徴としている。
また、請求項2に記載の発明は、前記複数軸方向が2軸方向であることを特徴としている。
また、請求項3に記載の発明は、前記複数軸方向が3軸方向であることを特徴としている。
また、請求項4に記載の発明は、前記磁界検出素子部は、前記各軸方向の磁界を検出する磁界検出素子を半導体技術により近接して形成したものであることを特徴としている。
また、請求項5に記載の発明は、前記磁界検出素子部は、前記各軸方向の磁界を検出する磁界検出素子パッケージを近接して配置したことを特徴としている。
また、請求項6に記載の発明は、前記磁界検出部は、前記磁界検出素子部と、前記磁界検出素子部を駆動する駆動回路と、前記磁界検出素子部の出力信号を処理する信号処理部を1パッケージに集積したことを特徴としている。
また、請求項7に記載の発明は、前記永久磁石は、回転軸に垂直な面内で平行に磁化されたことを特徴としている。
また、請求項8に記載の発明は、前記永久磁石は、平行異方性を有した永久磁石からなることを特徴としている。In order to solve the above problems, the present invention is configured as follows.
The invention according to
The invention according to
The invention according to
According to a fourth aspect of the present invention, the magnetic field detection element section is formed by forming magnetic field detection elements for detecting magnetic fields in the respective axial directions closer to each other by a semiconductor technology.
The invention described in
According to a sixth aspect of the present invention, the magnetic field detection unit includes the magnetic field detection element unit, a drive circuit that drives the magnetic field detection element unit, and a signal processing unit that processes an output signal of the magnetic field detection element unit. It is characterized by being integrated in one package.
The invention according to
The invention according to claim 8 is characterized in that the permanent magnet comprises a permanent magnet having parallel anisotropy.
請求項1に記載の発明によると、磁界検出部が回転軸に垂直な面内の複数軸方向の磁界を検出する磁界検出素子部を備えているので、磁界検出部1個の簡単な構成で回転角度を検出できる。それ故、リード本数が低減でき、製作・組み立てコストが低減できる。
また、磁界検出部が永久磁石の回転中心軸の延長上に配置されているので、回転軸の偏心やぶれによる検出磁界の変動が小さくなり高精度のエンコーダが実現できる。
また、永久磁石を、内部が中空のリング形状にすれば、モータなどの検出対象の回転軸に永久磁石をマウントできる。従って、エンコーダと検出対象を一体化でき、構成がシンプルで耐振動性が向上するとともに小型化できる。According to the first aspect of the present invention, since the magnetic field detection unit includes the magnetic field detection element unit that detects magnetic fields in a plurality of axial directions in a plane perpendicular to the rotation axis, the magnetic field detection unit has a simple configuration. The rotation angle can be detected. Therefore, the number of leads can be reduced, and the production / assembly cost can be reduced.
In addition, since the magnetic field detection unit is disposed on the extension of the rotation center axis of the permanent magnet, fluctuations in the detected magnetic field due to eccentricity or shaking of the rotation axis are reduced, and a highly accurate encoder can be realized.
Further, if the permanent magnet is formed in a ring shape with a hollow inside, the permanent magnet can be mounted on a rotation shaft to be detected such as a motor. Therefore, the encoder and the detection target can be integrated, the structure is simple, the vibration resistance is improved, and the size can be reduced.
また、請求項2に記載の発明によると、磁界検出部が回転軸に垂直な面内の2軸方向の磁界を検出する磁界検出素子部を備えれば、磁界検出部のサイズを小さくでき、簡単な構成で回転角度を検出できる。
Further, according to the invention of
また、請求項3に記載の発明によると、磁界検出部が回転軸に垂直な面内の3軸方向の磁界を検出する磁界検出素子部を備えれば、磁界検出部のサイズを小さくでき、さらに、2次および3次の倍数の高調波成分をキャンセルした波形歪の極めて小さい信号を出力することができる。
According to the invention described in
また、請求項4に記載の発明によると、磁界検出素子部の磁界検出素子を半導体技術により近接して形成すれば、素子間の特性のバラツキを小さくすることができ精度の良い検出信号が得られる。
According to the invention described in
また、請求項5に記載の発明によると、磁界検出素子パッケージ近接して配置して磁界検出素子部を構成すれば、簡単な構成で回転軸の偏心やぶれによる検出磁界の変動が小さい高精度のエンコーダが実現できる。 According to the fifth aspect of the present invention, if the magnetic field detection element unit is configured in the vicinity of the magnetic field detection element package, the detection magnetic field variation due to the eccentricity or shake of the rotating shaft can be reduced with high accuracy with a simple configuration. An encoder can be realized.
また、請求項6に記載の発明によると、磁界検出素子部と駆動回路と信号処理部を1パッケージに集積して磁界検出部を構成すれば、小形化が実現できるとともに、リード本数が低減でき、製作・組み立てコストが低減できる。さらに角度情報をデジタル信号で上位コントローラへ通信できるので、耐ノイズ性が向上するとともに出力信号線を長くできる。
According to the invention described in
また、請求項7に記載の発明によると、永久磁石を回転軸に垂直な面内で平行に磁化すれば、永久磁石が発生する磁界が歪の小さい正弦波状となり、高精度のエンコーダを提供できる。 According to the seventh aspect of the present invention, if the permanent magnet is magnetized in parallel in a plane perpendicular to the rotation axis, the magnetic field generated by the permanent magnet becomes a sine wave with little distortion, and a highly accurate encoder can be provided. .
また、請求項8に記載の発明によると、永久磁石が平行異方性を有すれば、特別な磁化装置を必要とせずに、容易に永久磁石を面内に平行に磁化することができる。 According to the eighth aspect of the present invention, if the permanent magnet has parallel anisotropy, the permanent magnet can be easily magnetized in parallel in the plane without requiring a special magnetizing device.
1:回転体
10:回転中心軸
11:回転軸
12:永久磁石
13:磁気抵抗素子
2、2′:永久磁石(発磁体)
3:磁界検出部
31、32、33:磁界検出素子部
311、312:磁界検出素子(ホール素子)
321、322:磁界検出素子パッケージ(ホール素子パッケージ)
331〜336:ホール素子
34:ホール素子駆動回路
35:増幅回路
36:センサ信号処理回路
360:入力調整部
361〜366:差動増幅器
370:差動演算部
371〜373:差動増幅器
380:3相2相変換部
381、382:差動増幅器
4:処理回路基板
5:信号処理回路
51、52:増幅器
53:波形整形回路
531、532:増幅器
533:加算器
534:減算器
535,536:増幅器
54:角度演算回路
611〜614:磁界検出素子
621〜626:磁界検出素子
7:固定体1: Rotating body 10: Rotating center shaft 11: Rotating shaft 12: Permanent magnet 13:
3:
321, 322: Magnetic field detection element package (Hall element package)
331 to 336: Hall element 34: Hall element drive circuit 35: Amplifier circuit 36: Sensor signal processing circuit 360: Input adjustment unit 361-366: Differential amplifier 370: Differential operation unit 371-373: Differential amplifier 380: 3 Phase-to-
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は、本発明の第1実施例を示す磁気式エンコーダの斜視図である。
図1において、1は回転体、2は回転体1に回転軸11を介して固定された発磁体を構成する永久磁石で、図中の矢印で示すように回転軸11に対して、垂直に一方向に平行に磁化されている。3は磁界検出部で、磁界検出部3は信号処理回路5とともに処理回路基板4上に設置されている。さらに磁界検出部3は回転体1の回転中心軸10上に設置された磁界検出素子部31を備えている。磁界検出素子部31は回転軸11に対して垂直なX−Y平面上の2軸方向の磁界を検出し、磁界の検出方向は互いに機械角で90度異なっている。FIG. 1 is a perspective view of a magnetic encoder showing a first embodiment of the present invention.
In FIG. 1,
本実施例では、永久磁石2として直径が10mm、厚さが2mmのサマリウムコバルト磁石を一方向に平行に磁化したものを用いた。また永久磁石2と2mmの空隙を介して、磁界検出部3を回転中心軸10上に配置した。
In this embodiment, a
本実施例が第1従来技術と異なる部分は、磁界検出部の構成である。
第1従来技術では、回転体の回転中心に対して同心円上に配置し、永久磁石の周方向に互いに機械角で90度位相がずれている2個1対の磁界検出素子を互いに180度位相をずらした位置に2対設けている。これに対して本実施例は、2軸方向の磁界を検出する磁界検出素子部を回転中心軸上に配置している。The difference between this embodiment and the first prior art is the configuration of the magnetic field detector.
In the first prior art, two pairs of magnetic field detecting elements, which are arranged concentrically with respect to the rotation center of the rotating body and are 90 degrees out of phase with each other in the circumferential direction of the permanent magnet, are 180 degrees out of phase with each other. Two pairs are provided at positions shifted from each other. On the other hand, in the present embodiment, a magnetic field detection element unit for detecting a magnetic field in the biaxial direction is arranged on the rotation center axis.
図2は本実施例における磁界検出部の拡大図である。
図において、3は磁界検出部の一実施例を示すもので、磁界検出部3の磁界検出素子部31には、平面内で磁界の検出方向が互いに機械角でほぼ90度異なる磁界検出素子であるホール素子311、312が半導体技術を用いて形成されている。ホール素子311はX軸方向の磁界Bxを検出し、ホール素子312はY軸方向の磁界Byを検出する。駆動端子A、 駆動端子Bはホール素子311、312の図示しない駆動回路とつながっており、ホール素子311、312に駆動電流を流す。永久磁石2が回転するとホール素子311、312は回転角度に対応した磁界Bx、Byを受け、正弦波と余弦波のホール電圧va、vbを端子va及び端子vbからそれぞれ出力する。なお磁界検出素子部31の直径は200μmであり、ホール素子311と312の間隔は、20μm以下である。したがって永久磁石2から見れば、ホール素子311と312は、ほぼ同位置にあるとみなすことができる。FIG. 2 is an enlarged view of the magnetic field detector in the present embodiment.
In the figure,
図3は本実施例における信号処理回路のブロック図である。
信号処理回路5は、ホール素子311の出力信号であるホール電圧vaを増幅する増幅器51と、ホール素子312のホール電圧vbを増幅する増幅器52と、波形整形回路53と、回転角度を演算する角度演算回路54とを設けてある。FIG. 3 is a block diagram of the signal processing circuit in this embodiment.
The
なおホール素子311と312の感度の差異等で出力信号の振幅値が異なると角度誤差の要因となる。このため、波形整形回路53には振幅を同じ大きさにするための振幅調整回路を設けている。さらに出力信号のオフセットをキャンセルするオフセット補償回路、および出力信号の位相差を電気角で正確に90度にする位相調整回路を備えている。
図4は波形整形回路の回路図である。
図において、531及び532は、オフセット補償回路を構成する演算増幅器、533及び534は位相調整回路を構成する加算器533及び減算器534で、また、535及び536はこの位相調整された信号の振幅を調整する演算増幅器(振幅調整回路)である。演算増幅器535及び536の出力VA、VBは角度演算回路54へ入力される。Note that if the amplitude value of the output signal differs due to the difference in sensitivity between the
FIG. 4 is a circuit diagram of the waveform shaping circuit.
In the figure, 531 and 532 are operational amplifiers constituting an offset compensation circuit, 533 and 534 are
次に、動作について説明する。
永久磁石2が1回転すると、磁界検出部3は回転角位置に応じた正弦波、余弦波の磁束密度を検出し、図5に示すようなホール電圧va、vbを出力する。ホール電圧va、vbは、信号処理回路5の増幅器51及び52で増幅された後、波形整形回路53に入力される。波形整形回路53ではオフセット、位相、振幅が調整される。
すなわち、増幅器51及び52で増幅された2相信号Va、Vbは図4に示す波形整形回路の増幅器531及び532でオフセットが除去され、加算器533及び減算器534に入力され位相差が90度となるように位相調整される。さらに、加算器533及び減算器534から出力された信号は増幅器535及び536で振幅調整される。この振幅調整された波形整形回路53からの2相の出力信号VA、VBは、角度演算回路54に入力され、正接演算により角度信号が生成される。Next, the operation will be described.
When the
That is, the offsets of the two-phase signals Va and Vb amplified by the
なお、回転体1が偏心して回転するようなことがある場合は、検出した磁束密度の波形は偏心量に応じて変位する。このため第1従来技術では対向する磁界検出素子の出力信号の差動をとり、偏心の影響をなくしていた。しかし本発明では、2軸方向の磁界Bx、Byを検出する磁界検出素子部は、ほぼ同位置にあるので、偏心の影響によるホール電圧va、vbの振幅値の変化率は同じとなる。ホール電圧va、vbの波形整形回路53を通した出力VA、VBの正接演算により角度を求めているので、本発明では、偏心の影響はキャンセルされ、第2従来技術のように対向するホール素子出力の差動をとる必要は無い。
なお波形整形回路53および角度演算回路54の処理機能はソフト処理によって行っても良い。When the
The processing functions of the
1回転100万分割のエンコーダを基準エンコーダとして、本エンコーダを評価したが1回転を32000分割した極めて高い分解能の絶対位置信号が得られた。 This encoder was evaluated using an encoder with 1 million divisions per rotation as a reference encoder, but an absolute position signal with extremely high resolution was obtained by dividing 32000 into one revolution.
本実施例では永久磁石として、温度による特性変化が小さいサマリウムコバルト系磁石を用いたが、永久磁石としては、他の希土類磁石、フェライト系磁石、ボンド磁石、SmFeN系磁石でも同様の効果が得られる。 In this example, a samarium-cobalt-based magnet whose characteristic change due to temperature is small was used as the permanent magnet, but the same effect can be obtained with other rare-earth magnets, ferrite-based magnets, bonded magnets, and SmFeN-based magnets. .
本実施例では、磁界検出素子としてホール素子を使用した場合について説明したが、磁気抵抗素子を使用しても同様の効果が得られる。 In the present embodiment, the case where the Hall element is used as the magnetic field detecting element has been described. However, the same effect can be obtained even when the magnetoresistive element is used.
また絶対角度の演算方法として、本実施例では、正弦波、余弦波からディジタル演算処理する方法を採用したが、位相トラッキング方式や逓倍方式、位相変調方式等により角度を求めても良い。 Further, in this embodiment, a digital arithmetic processing method using a sine wave or cosine wave is adopted as the absolute angle calculation method. However, the angle may be obtained by a phase tracking method, a multiplication method, a phase modulation method, or the like.
図6は、本発明の第2実施例を示す磁気式エンコーダの斜視図である。
図において、2’はリング形状の永久磁石である。
永久磁石2’として内径3mm、外径が10mm、厚さが2mmのネオジウム系ボンド磁石を一方向に平行に磁化したものを用いた。
磁界検出部3は第1実施例と同様に、回転体1の回転中心軸10上に設置された磁界検出素子部31を備え、回転軸11に対して垂直なX−Y平面上のX、Yの2軸方向の磁界を検出している。
本実施例が第1実施例と異なる点は、永久磁石にリング形状の永久磁石を用いた点である。その他の構成については第1実施例と同じであるのでその説明を省略する。FIG. 6 is a perspective view of a magnetic encoder showing a second embodiment of the present invention.
In the figure, 2 ′ is a ring-shaped permanent magnet.
As the
Similarly to the first embodiment, the magnetic
This embodiment is different from the first embodiment in that a ring-shaped permanent magnet is used as the permanent magnet. Since other configurations are the same as those of the first embodiment, description thereof is omitted.
このように本実施例ではリング形状の永久磁石を用いたので、モータなどの検出対象の回転軸に永久磁石をマウントできる。従って、エンコーダと検出対象を一体化でき、構成がシンプルで耐振動性が向上するとともに小型化できる。 As described above, since the ring-shaped permanent magnet is used in this embodiment, the permanent magnet can be mounted on the rotation shaft to be detected such as a motor. Therefore, the encoder and the detection target can be integrated, the structure is simple, the vibration resistance is improved, and the size can be reduced.
図7は本発明の第3実施例を示す磁界検出部の構成図である。
図において、3は磁界検出部の一実施例を示すものである。
321、322は一方向の磁界を検出するホール素子パッケージである。
ホール素子パッケージの大きさは2mm角、厚さ0.5mmで、ホール素子パッケージへ駆動電流を供給する図示しない2個の駆動端子とホール電圧を出力する2個の出力端子を備えている。ホール素子パッケージは中心部に外径50μmの図示しない磁界検出素子を配置し、前記の駆動端子および信号出力端子と接続するともに、樹脂でモールド成形されている。なおホール素子パーケージの磁界検出素子(図示せず)はパッケージ表面に平行な磁界を検出するように形成されている。FIG. 7 is a block diagram of a magnetic field detector showing a third embodiment of the present invention.
In the figure,
The Hall element package has a size of 2 mm square and a thickness of 0.5 mm, and includes two drive terminals (not shown) for supplying a drive current to the Hall element package and two output terminals for outputting a Hall voltage. The Hall element package has a magnetic field detection element (not shown) having an outer diameter of 50 μm disposed in the center, and is connected to the drive terminal and the signal output terminal, and is molded with resin. A magnetic field detection element (not shown) of the Hall element package is formed so as to detect a magnetic field parallel to the package surface.
ホール素子パッケージ321、322は永久磁石3と1mmの空隙を介して、磁界の検出方向が互いに機械角で大体90度になるように重ね合わせて回転中心軸10上に配置されている。なお、2個のホール素子パッケージ321と322の磁界の検出方向が機械角で正確に90度になるように設置するのは難しいので、波形整形回路で位相が90度になるように調整する。
The Hall element packages 321 and 322 are arranged on the
図8は本実施例における信号処理回路のブロック図である。
ホール素子パッケージ321から出力されるホール電圧Va+、Va-およびホール素子パッケージ322から出力されるホール電圧Vb+、Vb-は信号処理回路5の増幅器51、52にそれぞれ差動入力される。以降の波形整形回路53および角度演算回路54の処理は第1実施例と同じであるのでその説明を省略する。
また、第1実施例と同様に、1回転100万分割のエンコーダを基準エンコーダとして、本エンコーダを評価したが16000分割した絶対位置信号が得られた。FIG. 8 is a block diagram of a signal processing circuit in this embodiment.
The Hall voltages Va + and Va− output from the
Similarly to the first embodiment, this encoder was evaluated using an encoder with one million rotations per rotation as a reference encoder, but an absolute position signal obtained by dividing 16000 was obtained.
図9は本発明の第4実施例を示す磁界検出部の構成図である。
図において、3は磁界検出部の一実施例を示すものである。
2個のホール素子311、312を配置した磁界検出素子部31とこのホール素子を駆動するホール素子駆動回路34およびホール素子出力信号の増幅回路を一パッケージに集積した。FIG. 9 is a block diagram of a magnetic field detector showing a fourth embodiment of the present invention.
In the figure,
The magnetic field
このように、本実施例では一パッケージにすることで部品点数が少なくなり、組み立て工数が減りコストが低減された。また信号が増幅されて出力されるのでSN比が大きくなり耐ノイズ性が向上した。さらに信号出力が大きくなるので信号線の長さを20m以上にすることができた。また、ホール素子駆動回路34を内蔵したので、配線数を削減することが出来た。
As described above, in this embodiment, the number of parts is reduced by using one package, the number of assembling steps is reduced, and the cost is reduced. Further, since the signal is amplified and output, the SN ratio is increased and the noise resistance is improved. Further, since the signal output is increased, the length of the signal line can be increased to 20 m or more. Further, since the Hall
図10は、本発明の第5実施例を示す磁気式エンコーダにおける磁界検出部の構成図である。
図において、磁界検出部3は、ホール素子6個を集積、配置した磁界検出素子部33と、磁界検出素子に電源を供給する駆動回路34と、磁界検出素子部33からの出力信号を処理するセンサ信号処理部36から構成されている。
磁界検出素子部33は回転体1の回転中心軸上に配置され、回転軸に対して垂直なX−Y平面上の3軸方向の磁界を検出する。FIG. 10 is a block diagram of the magnetic field detector in the magnetic encoder showing the fifth embodiment of the present invention.
In the figure, the magnetic
The magnetic field
図11は磁界検出素子部の拡大図である。
磁界検出素子部33には、回転軸に対して垂直な平面で磁界の検出方向がそれぞれ90、150、210、270、330、30度であるホール素子331,332、333,334、335,336が半導体技術を用いて形成されている。
磁界検出素子部33のサイズは0.5mmφであり、磁界検出部3のサイズは1辺が5mmの正方形である。FIG. 11 is an enlarged view of the magnetic field detection element portion.
The magnetic field
The size of the magnetic field
本実施例が第1実施例と異なる点は、磁界検出素子部33が、回転軸11に対して垂直なX−Y平面上の3軸方向の磁界を検出している点と、3相2相変換回路を備えている点である。
すなわち、第1実施例では、磁界検出素子は、2個1対の磁界検出素子を互いに180度位相をずらした位置に2対設けているが、本実施例では、3軸方向に対してそれぞれの180度反対の方向を含めた6方向の磁界を検出する6個の磁界検出素子を集積、配置するとともに、磁界検出部3に磁界検出素子部33からの3相の出力信号を2相に変換する3相2相変換回路を有するセンサ信号処理部を設けた。This embodiment is different from the first embodiment in that the magnetic field
That is, in the first embodiment, two pairs of magnetic field detection elements are provided at positions where the phase of the magnetic field detection elements is 180 degrees out of phase with each other. 6 magnetic field detection elements for detecting magnetic fields in 6 directions including the opposite direction of 180 degrees are integrated and arranged, and the three-phase output signals from the magnetic field
次に、動作について説明する。
先ず、磁界検出部の動作について説明する。
図12は永久磁石が回転したときの磁界検出素子部33の磁界の変化を示すグラフで、径方向に平行に磁化された平行異方性を有する円板状の永久磁石2が一回転するときの磁界検出素子部33の中心近傍における磁界の変化を示している。
ホール素子が受ける磁界のピーク値は0.25(T)、また3次高調波成分は1.0e−4(T)であるので、基本波の約0.004%である。このことより、平行異方性を有する円板状の永久磁石が極めて高調波歪の少ない正弦波状の磁界を発生することを示している。Next, the operation will be described.
First, the operation of the magnetic field detector will be described.
FIG. 12 is a graph showing a change in the magnetic field of the magnetic field
Since the peak value of the magnetic field received by the Hall element is 0.25 (T) and the third harmonic component is 1.0e −4 (T), it is about 0.004% of the fundamental wave. This indicates that a disk-like permanent magnet having parallel anisotropy generates a sinusoidal magnetic field with very little harmonic distortion.
磁界の変化は磁界検出素子部33によって、電気信号に変換される。
図13は磁界検出素子部の信号出力を示すグラフである。
出力波形は、2次高調波については図示しないが2次および3次の高調波成分を含んだ正弦波状の信号となる。The change in the magnetic field is converted into an electric signal by the magnetic field
FIG. 13 is a graph showing the signal output of the magnetic field detection element section.
The output waveform is a sinusoidal signal including second and third harmonic components although not shown for the second harmonic.
2次の高調波成分は、組み立て誤差等により永久磁石の中心と回転軸中心および磁界検出素子部33の中心が完全には一致しないために生ずる。すなわちホール素子331〜336と永久磁石間2の相対距離が永久磁石2の回転角度によって微小ではあるが変化するために発生する。
また、一般にホール素子のホール出力電圧は検出磁界に完全に比例せず、理想特性に対して1%程度の非直線性を有するために、ホール素子信号出力には3次高調波成分が発生する。図14にホール素子の検出磁束密度とホール出力電圧との関係を示す。
歪のない正弦波磁界を与えてホール素子の出力電圧波形のFFT解析を行ったが、3次高調波成分は0.6%含まれていた。これはホール素子の検出磁界と出力電圧の非直線性によるものである。The second-order harmonic component is generated because the center of the permanent magnet does not completely coincide with the center of the rotation axis and the center of the magnetic field
In general, the Hall output voltage of the Hall element is not completely proportional to the detected magnetic field and has a non-linearity of about 1% with respect to the ideal characteristic. Therefore, a third harmonic component is generated in the Hall element signal output. . FIG. 14 shows the relationship between the detected magnetic flux density of the Hall element and the Hall output voltage.
An FFT analysis was performed on the output voltage waveform of the Hall element by applying a sinusoidal magnetic field without distortion, and the third-order harmonic component was 0.6%. This is due to the non-linearity of the detection magnetic field of the Hall element and the output voltage.
次に、センサ信号処理部36の動作について説明する。
図15はセンサ信号処理部の回路図である。
センサ信号処理部は入力調整部360、差動演算部370及び3相2相変換部380から構成され、先ず、6個のホール素子331乃至336の出力信号は、それぞれ入力調整部360の差動増幅器361乃至366により、入力信号のオフセットがキャンセルされ、また各出力信号の振幅の大きさを一定にするように調整される。次に、差動演算部370において互いに対向するホール素子、すなわち331と334、332と335および333と336の出力を差動増幅371、372、373へ入力し、2次の倍数の高調波成分をキャンセルした出力Va1、Vb1、Vc1を得る。次に、3相2相変換部380において、得られたVa1、Vb1、Vc1を差動増幅器381、382に入力し、3次の倍数の高調波成分をキャンセルしたVa、Vbを得る。
このように、磁界検出素子部からの出力信号が2次および3次の高調波成分を含んでいても、センサ信号処理部によってこれらの高調波成分を低減できる。Next, the operation of the sensor
FIG. 15 is a circuit diagram of the sensor signal processing unit.
The sensor signal processing unit includes an
As described above, even if the output signal from the magnetic field detection element unit includes the second and third harmonic components, the sensor signal processing unit can reduce these harmonic components.
図16は2次高調波成分と偏心量との関係を示すグラフである。
永久磁石2の回転中心と磁界検出素子部33の中心軸の偏位差(偏心量)とともに2次高調波成分が増加するが、互いに対向するホール素子出力の差動をとることによりキャンセルできることを示している。FIG. 16 is a graph showing the relationship between the second harmonic component and the amount of eccentricity.
The second harmonic component increases with the difference (eccentricity) between the rotation center of the
次に本実施例における測定結果について説明する。
図17はセンサ信号処理部36の差動演算部370の出力信号の波形を示すグラフで、永久磁石2を6000rpmで回転したときの差動増幅器371、372、373の出力信号Va1、Vb1、Vc1の波形を示す。
また、図18は差動演算部370の出力信号をFFT解析したグラフで、差動増幅器371の出力信号Va1をFFT解析したものである。差動増幅器371の出力信号Va1には、ホール素子のホール出力電圧の非直線性により、0.7%の3次高調波成分が含まれていることが分かる。
図19はセンサ信号処理部36の部の出力信号の波形を示すグラフ、図20は3相2相変換部の出力信号をFFT解析したグラフである。
図20に示すように、3相2相変換部380によって、3次高調波成分は0.01%以下に低減されることが分かる。Next, the measurement results in this example will be described.
FIG. 17 is a graph showing the waveform of the output signal of the
FIG. 18 is a graph obtained by performing FFT analysis on the output signal of the
FIG. 19 is a graph showing the waveform of the output signal of the sensor
As shown in FIG. 20, it can be seen that the third-order harmonic component is reduced to 0.01% or less by the three-phase to two-
次に信号処理回路5の構成及び動作を説明する。
図21は信号処理回路5のブロック図である。
図において、53は2相信号の振幅調整、位相調整を行う波形整形回路、54は角度演算回路である。波形整形回路53の構成については、第1実施例と同じであるのでその説明を省略する。波形整形回路からの出力信号VA、VBは、角度演算回路54に入力され、正接演算により角度信号が生成される。この角度信号は図示しない通信回路手段を通じて上位コントローラへ送信される。Next, the configuration and operation of the
FIG. 21 is a block diagram of the
In the figure, 53 is a waveform shaping circuit for adjusting the amplitude and phase of a two-phase signal, and 54 is an angle calculation circuit. Since the configuration of the
1回転100万分割のエンコーダを基準エンコーダとして本エンコーダの性能を評価したが1回転を124000分割した絶対位置信号が得られた。第1従来技術のエンコーダは同様な評価で1回転32000分割した分解能が得られていたが、本発明により分解能が4倍向上したことが分かる。 The performance of this encoder was evaluated using an encoder with 1 million rotations per rotation as a reference encoder, but an absolute position signal obtained by dividing 1 rotation into 124000 was obtained. The encoder of the first prior art obtained a resolution obtained by dividing 32,000 revolutions by the same evaluation, but it can be seen that the resolution has been improved by a factor of 4 by the present invention.
このように、本実施例では、6個の磁界検出素子を集積した磁界検出素子部を回転軸中心上に配置し、一方向に磁化された円板状の永久磁石の回転軸上の磁界を検出しているので、きわめて歪の小さい信号を得ることができる。
また、磁界検出部に磁界検出素子部と駆動回路とセンサ信号処理部を集積し、パーケージ化したので、さらに高調波成分の信号が得られるとともに、静電ノイズや電磁ノイズに対する耐ノイズ性能が格段に向上した。
なお、組み立て誤差等発生する2次の高調波成分が充分小さい場合は、3個の磁界検出素子で磁界検出素子部を構成しても良い。As described above, in this embodiment, the magnetic field detection element unit in which six magnetic field detection elements are integrated is arranged on the center of the rotation axis, and the magnetic field on the rotation axis of the disk-shaped permanent magnet magnetized in one direction is applied. Since it is detected, a signal with extremely small distortion can be obtained.
In addition, since the magnetic field detection element unit, the drive circuit, and the sensor signal processing unit are integrated into the magnetic field detection unit and packaged, signals of higher harmonic components can be obtained, and noise resistance against electrostatic noise and electromagnetic noise is outstanding. Improved.
In addition, when the secondary harmonic component which generate | occur | produces an assembly error etc. is small enough, you may comprise a magnetic field detection element part with three magnetic field detection elements.
本実施例では永久磁石として、温度による特性変化が小さいサマリウムコバルト系磁石を用いた。永久磁石としては、他の希土類磁石、フェライト系磁石、ボンド磁石、SmFeN系磁石でも同様の効果が得られる。 In this embodiment, a samarium-cobalt magnet having a small characteristic change due to temperature is used as the permanent magnet. As the permanent magnet, other rare earth magnets, ferrite magnets, bonded magnets, and SmFeN magnets can achieve the same effect.
また本実施例では、磁界検出素子としてホール素子を使用した場合について説明したが、磁気抵抗素子を使用しても同様の効果が得られる。 In this embodiment, the case where the Hall element is used as the magnetic field detection element has been described. However, the same effect can be obtained even when the magnetoresistive element is used.
また絶対角度の演算方法として、実施例では、正弦波、余弦波からディジタル演算で角度を求めたが、位相トラッキング方式や逓倍方式、位相変調方式等により角度を求めても良い。 As an absolute angle calculation method, in the embodiment, the angle is obtained by digital calculation from a sine wave and cosine wave, but the angle may be obtained by a phase tracking method, a multiplication method, a phase modulation method, or the like.
また、本実施例では、6個の磁界検出素子を用い、3軸方向の磁界を検出することによって3次高調波が低減できることを示したが、5個または10個の磁界検出素子を用いて5軸方向の磁界を検出すれば5次の高調波成分を低減できることは明らかである。 Further, in the present embodiment, it has been shown that the third harmonic can be reduced by detecting the magnetic field in three axes using six magnetic field detecting elements, but using five or ten magnetic field detecting elements. It is clear that the fifth-order harmonic component can be reduced by detecting a magnetic field in the 5-axis direction.
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.
Claims (8)
前記磁界検出部は、前記回転体の回転軸方向に前記永久磁石と空隙を介して配置され、前記永久磁石の回転中心軸の延長上に前記回転軸に垂直な面内の複数軸方向の磁界を検出する磁界検出素子部を備えたことを特徴とする磁気式エンコーダ装置。A disk-shaped or ring-shaped permanent magnet fixed to a rotating body and magnetized to two poles, a magnetic field detection unit for detecting a magnetic field generated by the permanent magnet, and a signal processing circuit for processing a signal from the magnetic field detection unit In a magnetic encoder device that detects the absolute position of the rotating body,
The magnetic field detection unit is disposed in the direction of the rotation axis of the rotating body via the permanent magnet and a gap, and a magnetic field in a plurality of axial directions in a plane perpendicular to the rotation axis on an extension of the rotation center axis of the permanent magnet A magnetic encoder device comprising a magnetic field detecting element portion for detecting a magnetic field.
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