WO1999013296A1 - Codeur magnetique - Google Patents

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Takefumi Kabashima
Kazunari Matsuzaki
Tomohiro Matsuo
Tsuyoshi Asanuma
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Kabushiki Kaisha Yaskawa Denki
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    • G01D2205/80—Manufacturing details of magnetic targets for magnetic encoders

Definitions

  • the present invention relates to a magnetic encoder device for detecting a rotational position of a rotating body.
  • a magnetic encoder device that detects the rotational position of a rotating body is, for example, as shown in FIG. 14, a magnetic drum that is coupled to a rotating body 10 and has a recording medium 20 made of a magnetic paint or a magnet material on the outer periphery. 30 and a magnetoresistive element 40 opposed to the outer periphery thereof with a gap therebetween.
  • each bit (2 °, 2 1, 2 2, 2 3) the signal of each It is formed by magnetizing the N and S poles at a fixed pitch for each track.
  • each bit signal is output as four types of rectangular wave waveform signals obtained by equally dividing one rotation of the rotator 10 as shown in Fig. 15, and the absolute position is detected based on the combined signal. I have to do it.
  • a disk-shaped magnet is fixed to the rotating body, and the N and S poles are magnetized in one direction on the upper surface of the magnet.
  • One magnetic sensor is provided facing the magnet, and the change in the magnetic field is detected by the magnetic sensor.
  • an undulation is provided on the outer periphery of a rotating body, and a magnetic recording medium is formed along the undulation shape (for example, see Japanese Patent Application Laid-Open No. 58-1). No. 62813, Japanese Patent Application Laid-Open No. Sho 63-3-243718).
  • an object of the present invention is to provide a magnetic encoder device that has a simple structure, has high accuracy, is inexpensive, and is small in size and seeks an absolute position.
  • the present invention provides a permanent magnet fixed to a rotating body, a magnetic field detecting element opposed to the permanent magnet via a gap, and attached to the fixed body, and a signal processing circuit for processing a signal from the magnetic field detecting element.
  • the permanent magnet is formed in a disk shape and is magnetized in one direction perpendicular to the axis of the rotating body, and the magnetic field detecting element is located on an outer peripheral side of the permanent magnet. Are arranged via a gap.
  • the fixed body is formed of a ring-shaped magnetic material and has a gap in a circumferential direction, and the magnetic field detecting element is provided in the gap.
  • the magnetic field detecting element is provided with two pairs of two magnetic field detecting elements that are 90 degrees out of phase with each other in electrical angle at positions that are 180 degrees out of phase with each other.
  • a differential amplifier for processing a differential signal between the magnetic field detecting elements facing each other is provided to detect an absolute value of the position of the rotating body.
  • the magnetic field detecting element has a diameter for detecting a radial magnetic field with respect to an axis of the rotating body.
  • a direction magnetic sensing unit and a circumferential magnetic sensing unit for detecting a circumferential magnetic field with respect to the axis of the rotating body are arranged close to each other, and at least one magnetic field detecting element is provided.
  • the magnetic field detecting element uses a Hall effect element or a magnetoresistive element.
  • the permanent magnet may be a ferrite magnet, a Sm-Co magnet, an Nd_Fe-B magnet or a dispersed composite magnet in which the various magnets are combined with a polymer material. One having a linear anisotropy may be used.
  • FIG. 1 is a perspective view showing a magnetic encoder device according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a block diagram showing a signal processing circuit according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is an explanatory diagram showing a magnetic field distribution of the permanent magnet according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is an explanatory diagram showing the output of one magnetic field detecting element according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is an explanatory diagram showing an output of the signal processing circuit according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a perspective view showing a magnetic encoder device according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is an explanatory diagram showing the magnetic field distribution of the permanent magnet according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is an explanatory diagram showing the output of each magnetic field detecting element according to the second embodiment of the present invention.
  • FIGS. 9A and 9B are views showing a magnetic encoder device according to a third embodiment of the present invention, wherein FIG. 9A is a perspective view and FIG. 9B is an enlarged perspective view of a magnetic detection element.
  • FIG. 10 is a block diagram showing a word processing circuit according to a third embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 is an explanatory diagram showing the magnetic field distribution of the permanent magnet according to the third embodiment of the present invention.
  • FIG. 12 is an explanatory diagram showing the output of the signal processing circuit according to the third embodiment of the present invention.
  • FIG. 13 is an explanatory diagram showing the accuracy of the rotation angle according to the third embodiment of the present invention.
  • FIG. 14 is a perspective view showing a conventional magnetic encoder device.
  • FIG. 15 is an explanatory diagram showing a waveform of a detection output of a conventional magnetic encoder device.
  • FIG. 1 shows a magnetic encoder for detecting an absolute position of a rotating body according to a first embodiment of the present invention.
  • 1 is a rotating body
  • 2 is a hollow disk-shaped permanent magnet fixed to the rotating body 1 so that the rotation axis is the same
  • 3 is a ring-shaped fixed body provided on the outer peripheral side of the permanent magnet 2.
  • 4 are magnetic field detecting elements.
  • the permanent magnet 3 is made of a ferrite magnet, an Sm—Co magnet, a Ne—Fe—B magnet, or a dispersion-type composite magnet in which the various magnets are combined with a polymer material.
  • the portion 21 is magnetized in one direction parallel to the direction perpendicular to the axis of the rotating body 1 to form two poles of NS.
  • the dimensions are 3mm in diameter and lmm in thickness.
  • the magnetic field detecting element 4 is composed of four Hall effect elements, faces the outer peripheral surface of the permanent magnet 2 via a gap, and has a phase difference of 90 degrees in electrical angle with respect to the outer peripheral surface of the permanent magnet 2.
  • the element 42 is provided, the a 2 phase detection element 43 is shifted to 1 80 degrees phase in electrical angle with respect to further phase detection element 41, shifting the 1 80 degree phase by an electrical angle with respect to the phase detector element 42 B 2
  • a phase detection element 44 is provided:
  • FIG. 2 is a circuit diagram showing a signal processing circuit 5 that processes each phase signal of A 2 , B 2 output from the magnetic field detection element 4.
  • the signal processing circuit 5 and the differential amplifier 51 for outputting a differential signal V a of A t phase and A 2-phase, a differential amplifier 52 to output the differential signal V b phase and B 2 phase, differential signal V, and V b from arctan (V, / ⁇ ,) is provided with an angle calculation circuit 53 for calculating a rotation angle by performing the calculation of the.
  • FIG. 3 is an explanatory diagram showing the magnetic field distribution of the permanent magnet 2.
  • one detecting element detects a sinusoidal magnetic flux density corresponding to the rotation angle position as shown in FIG.
  • the magnetic flux is detected by the phase detection elements 41, 42, 43, and 44 of the magnetic field detection element 4, and the signals of each phase of A 2 , B 1 , and ⁇ 2 are output. This signal output is processed by the signal processing circuit shown in FIG.
  • the waveform of the detected magnetic density is displaced according to the amount of eccentricity.
  • Alpha since taking the differential of ⁇ phase from each other 1 8 ⁇ degree phase shifted Alpha 1-phase and Alpha 2 phase and phase and a B 2 phase, eccentricity is canceled, as shown in FIG. 5, from each other
  • two sine waves are 90 degrees out of phase, that is, when the rotation angle is 6, a waveform of sin 0 and cos ⁇ is obtained. Therefore, the angle calculation circuit 53 that receives the A and B phases as inputs
  • the disk-shaped permanent magnet 2 is magnetized in one direction along the plane portion 21 and the four magnetic field detecting elements 4 facing the outer peripheral surface of the permanent magnet 2 are provided.
  • Element 4 can detect an accurate sine wave signal.
  • the magnetic field detecting elements 4 are fixed to each other by two detecting elements A-phase detecting element and B-phase detecting element which are fixed at an interval of 90 degrees in the circumferential direction. It is also possible to obtain the detection signal of the waveform of sin 0 and cos ⁇ .
  • the rotation direction and the incremental position of the rotating body 1 can be detected.
  • a single detection element may be used to obtain a sine wave signal.
  • the permanent magnet may be formed of a linear anisotropic magnet that can be easily magnetized in one direction to increase the magnetization efficiency.
  • the output of the detection signal may be increased, the harmonic component may be reduced, the external magnetic noise may be reduced, and the SZN ratio may be increased.
  • FIG. 6 is a perspective view of a magnetic encoder device according to a second embodiment of the present invention.
  • the ring-shaped fixed body 3 is divided into four parts in the circumferential direction, and the magnetic field detecting element 4 is arranged in the gap.
  • Other structures and the angle detection method are the same as those in the first embodiment.
  • Fixed body 3 divides ring-shaped magnetic iron into four equal parts, The gap of the place is made.
  • the magnetic field detecting elements 4 are arranged in the gaps, and are attached at intervals of 90 degrees in the circumferential direction as in the first embodiment.
  • the outer diameter of the fixed body 3 is 5 mm.
  • the permanent magnet 2 is a disk having a diameter of 3 mm and a thickness of 1 mm, and is adhered and fixed to the end face of the rotating shaft of the rotating body 1.
  • the magnetic field detecting element 4 used was a magnetoresistive element.
  • iron is used as the magnetic material of the fixed body 3.
  • the present invention is not limited to this, and any magnetic material such as permalloy or ferrite may be used.
  • the permanent magnet 2 is bonded and fixed to the end face of the rotating shaft of the rotating body 1, a structure in which the rotating shaft penetrates the permanent magnet 2 may be used.
  • FIG. 7 is a diagram showing the magnetic flux distribution of the encoder.
  • the magnetic flux is concentrated and passes through the magnetic body, and the magnetic flux density at the position where the magnetic field detecting element is disposed in the air gap is larger than the conventional air gap between the magnet and the magnetic body.
  • FIG. 8 shows the output signals of the phase detection elements 41, 42, 43 and 44 of Al, A2, BI and B2. Detects the sinusoidal magnetic flux density corresponding to the rotation angle position.
  • the signal output is processed by the signal processing circuit shown in FIG. 2, and the rotation angle is detected.
  • the absolute position of one rotation was detected, an absolute position signal obtained by dividing one rotation by 6400 was obtained, and the accuracy was doubled as compared with the conventional method.
  • the outer diameter of the magnetic encoder is reduced to 2/3 and the size is reduced.
  • the present embodiment has the following effects.
  • the outer diameter of the magnet can be further reduced, and the distance between the magnet and the magnetic body can be reduced, and the encoder can be further downsized.
  • FIG. 9 is a view showing the overall configuration of a magnetic encoder device according to a third embodiment, in which (a) is a perspective view and (b) is an enlarged perspective view of a magnetic field detecting element.
  • the present embodiment has a configuration in which one magnetic field detection element simultaneously detects the magnetic field in the circumferential direction and the magnetic field in the radial direction at the same position.
  • the permanent magnet 2 is the same as in the first embodiment, but uses a linearly anisotropic magnet. That is, the material is made of a ferrite magnet, a Sm_Co magnet, an Nd-Fe-B magnet, or a dispersion-type composite magnet in which the above-mentioned various magnets are combined with a polymer material. It is magnetized in one direction parallel to the direction perpendicular to the axis.
  • the fixed body 3 is made of non-magnetic material stainless steel in a ring shape.
  • the fixed body 3 may be made of a magnetic material.
  • the magnetic field detecting element 4 is fixed inside the fixed body 3 so as to face the permanent magnet 2 via a gap, and as shown in FIG. 9 (b), the magnetic flux density B r of the radial magnetic field And a circumferential magnetic sensing part 46 for detecting the magnetic flux density B ⁇ of the circumferential magnetic field.
  • the signal processing circuit 5 processes the output V r corresponding to the signal of the magnetic flux density B r of the radial magnetic field output from the magnetic field detecting element 4 and the output V 6 corresponding to the signal of the magnetic flux density B ⁇ of the magnetic field. . As shown in FIG. 10, the signal processing circuit 5 calculates the rotation angle from the signals V r and V ⁇ in consideration of the operation of arctan (V 6 / V r) and the sign of V r and V ⁇ . An angle calculation circuit 51 for performing calculation is provided.
  • a magnetic field as shown in FIG. 11 is formed from the permanent magnet 2, and the magnetic field detection element 4 detects the magnetic flux densities B r and ⁇ in the radial and circumferential directions.
  • the magnetic field detecting element 4 detects sinusoidal magnetic flux densities B r and B ⁇ ⁇ corresponding to the rotational angle position as shown in FIG. 12, and the signal processing circuit 5 outputs the sinusoidal magnetic flux.
  • the output according to the density B r, 80 and V 0 are input.
  • the radial magnetic sensing part 45 of the magnetic field detecting element 4 is Since there is a slight difference in the position of the detection sensitivity of the directional magnetic sensing part 46, the amplitude values of the outputs V'0 and V'r are slightly different. If the amplitude ratio is ⁇ ,
  • the amplifiers 54 and 55 shown in FIG. 10 are provided in the signal processing circuit 5, and the gain of the booster 54 is adjusted according to the amplitude ratio ⁇ to change the output V′r to the output Vr. And input to the angle calculation circuit 56 to obtain the angle signal ⁇ .
  • the rotation angle 0 is not a function of the distance r between the center of the magnet and the magnetic field detecting element, so that the rotational position can be obtained with high accuracy.
  • the radial magnetic sensing part 45 and the circumferential magnetic sensing part 46 are located at almost the same position, so the temperature characteristics of the magnetic field detecting element 4 are different. And the influence of the temperature distribution on the rotation angle ⁇ disappears.
  • a magnetic field detecting element 4 composed of a Hall effect element was arranged on the outer periphery of a permanent magnet 2 having a diameter of 3 mm and a thickness of 1 mm, and an absolute position signal for one rotation was detected.
  • Figure 12 shows the relationship between the rotation angle and the detection angle and the detection error of a high-precision reference encoder (resolution: 1,000,000 pulses, Z rotation).
  • the maximum error between the reference encoder and the magnetic encoder of the present invention is 0.1 degrees or less.
  • one rotation can be divided by 360.000. Therefore, it is possible to obtain an absolute position signal indicating a very high resolution obtained by dividing one rotation into 360.
  • the present embodiment has the following effects.
  • the present invention is suitable for a high-precision, small-sized magnetic encoder having a simple structure, extremely high resolution. In addition, it is less susceptible to the effects of temperature distribution and manufacturing errors, so it is highly reliable and suitable for inexpensive magnetic encoder devices.

Description

明細書 磁気式エンコーダ装置
(技術分野）
本発明は、 回転体の回転位置を検出する磁気式ェンコーダ装置に関する。
(背景技術）
従来、 回転体の回転位置を検出する磁気式エンコーダ装置は、 例えば図 1 4に 示すように、 回転体 1 0に結合され、 外周に磁性塗料あるいは磁石材料からなる 記録媒体 20を備えた磁気ドラム 30と、 その外周に空隙を介して対向する磁気 抵抗素子 40とから構成されている。
4ビッ トの例で説明すると、 磁気ドラム 3 0は、 軸方向に並べられた 4 トラッ クの記録媒体 20を設け、 各ビット （2° 、 21 、 22 、 23 ) の信号を各トラ ックごとに一定のピッチで N， S極に磁化して形成してある。
磁気抵抗素子 40は各トラックに 2個配置し、 その間隔はビット信号の 1 /2 ピッチにしてある。 各ビッ ト信号は波形成形することにより、 図 1 5に示すよう に、 回転体 1 0の 1回転を等分割した 4種類の矩形波波形の信号として出力され 、 その合成信号により絶対位置を検出するようにしてある。
また、 回転体に円板状のマグネットを固定し、 マグネットの上面に一方向に N ， S極が磁化してあり、 マグネットに対向して 1個の磁気センサを設け、 磁界の 変化を磁気センサによって検出することにより、 マグネットを固定した回転体の の回転位置を検出するようにしたものが開示されている （例えば、 特開昭 6 2 - 23 73 0 2号公報） 。
また、 磁界の変化を正弦波状にするために、 回転体の外周に起伏を設けて、 起 伏形状に沿って磁気記録媒体を形成したものが開示されている （例えば、 特開昭 58— 1 6 28 1 3号、 特開昭 6 3— 24 3 7 1 8号公報） 。
ところが、 上記図 1 4に示した従来技術では、 次のような問題があった。
( 1 ) 各ビッ ト信号を記録するトラックが軸方向に配列してあるため、 ビット数 を増やすと軸方向の長さが長くなり、 小型化が難し 、。
(2) トラック数が増えると、 着磁箇所が増え、 加工工数が増える。 ( 3 ) 各トラックに対応して磁気抵抗素子を設けるため、 ビット数が増えると配 線数が多くなり組立作業が複雑となって作業工数が増え、 コストが高くなる 3 また、 上記特開昭 6 2 - 2 3 7 3 0 2号に示された従来技術では、 次のような 問題があった。
( 1 ) 磁気センサが 1個であるので、 回転体の絶対位置を求めることができない
( 2 ) 磁気センサがマグネットの磁極境界線付近の磁束を検出するので、 出力波 形のリニァ部分は利用できるが、 正弦波波形の精度が低下し、 1回転の検出精度 は低くなる。
また、 上記特開昭 6 3 - 2 4 3 7 1 8号等に示された従来技術では、 回転体の 外周に磁界が正弦波状に変化する起伏を設けてあるが、 例えば、 マイクロモータ などの回転を検出する超小型回転検出器では、 回転体の外形が極めて小さいため 、 回転体の外形を正確に正弦波状の凹凸や楕円形に加工することが極めて難しく 、 検出精度の高い回転検出器を得ることができなかった。
このため、 本発明は、 構造が簡単で、 精度が高く、 安価で小型の絶対値位置を 求める磁気式エンコーダ装置を提供することを目的としている。
(発明の開示）
本発明は、 回転体に固定された永久磁石と、 前記永久磁石に空隙を介して対向 し、 固定体に取り付けられた磁界検出素子と、 前記磁界検出素子からの信号を処 理する信号処理回路とを備えた磁気式エンコーダ装置において、 前記永久磁石は 円板状に形成され、 かつ前記回転体の軸と垂直方向の一方向に磁化され、 前記磁 界検出素子は、 前記永久磁石の外周側に空隙を介して配置している。
また、 前記固定体はリング状の磁性体で形成され周方向に空隙を有し、 前記空 隙に前記磁界検出素子を設けている。
また、 前記磁界検出素子は、 互いに電気角で 9 0度位相がずれている 2個 1対 の磁界検出素子を互いに 1 8 0度位相をずらした位置に 2対設け、 前記信号処理 回路は、 互いに対向する磁界検出素子間の差動信号を処理する差動アンプを設け 、 前記回転体の位置の絶対値を検出するようにしている。
また、 前記磁界検出素子は、 前記回転体の軸に対して径方向磁界を検出する径 方向感磁部と、 前記回転体の軸に対して周方向磁界を検出する周方向感磁部とを 近接して配置したもので、 前記磁界検出素子を少なくとも 1個設けている。 また、 前記磁界検出素子は、 ホール効果素子または磁気抵抗素子を用いている 。 また、 前記永久磁石は、 フェライ ト系磁石、 S m— C o系磁石、 N d _ F e— B系磁石または前記各種磁石を高分子材料で結合した分散型複合磁石のレ、ずれか 一つによって形成しており、 直線異方性を有したものを用いてもよい。
このような手段により、 簡単な構造となり、 かつ磁界検出素子からの出力信号 の正弦波率が大幅に向上するので、 回転体の位置を精度よく検出できる。
(図面の簡単な説明）
図 1は本発明の第 1実施例の磁気式エンコーダ装置を示す斜視図である。 図 2は本発明の第 1実施例の信号処理回路を示すブロック図である。
図 3は本発明の第 1実施例の永久磁石の磁界分布を示す説明図である。
図 4は本発明の第 1実施例の 1個の磁界検出素子の出力を示す説明図である。 図 5は本発明の第 1実施例の信号処理回路の出力を示す説明図である。
図 6は本発明の第 2実施例の磁気式エンコーダ装置を示す斜視図である。 図 7は本発明の第 2実施例の永久磁石の磁界分布を示す説明図である。
図 8は本発明の第 2実施例の各磁界検出素子の出力を示す説明図である。 図 9は本発明の第 3実施例の磁気式エンコーダ装置を示す図で、 （a ) は斜視 図、 （b ) は磁気検出素子の拡大斜視図である。
図 1 0は本発明の第 3実施例の ί言号処理回路を示すブロック図である。
図 1 1は本発明の第 3実施例の永久磁石の磁界分布を示す説明図である。 図 1 2は本発明の第 3実施例の信号処理回路の出力を示す説明図である。 図 1 3は本発明の第 3実施例の回転角度の精度を示す説明図である。
図 1 4は従来の磁気式エンコーダ装置を示す斜視図である。
図 1 5は従来の磁気式エンコーダ装置の検出出力の波形を示す説明図である。
(発明を実施するための最良の形態）
以下、 本発明を図面に基づいて詳細に説明する。
(第 1の実施例）
図 1は本発明の第 1の実施例を示す回転体の絶対位置を検出する磁気式ェンコ —ダ装置の斜視図である。
図において、 1は回転体、 2は回転体 1に回転軸を同一になるように固定され た中空円板状の永久磁石、 3は永久磁石 2の外周側に設けられたリング状の固定 体、 4は磁界検出素子である。
永久磁石 3は、 材質はフェライ ト系磁石、 Sm— Co系磁石、 Ne— F e— B 系磁石、 または前記各種磁石を高分子材料で結合した分散型複合磁石によつて形 成し、 平面部 21に回転体 1の軸に垂直方向と平行に一方向に磁化され N— Sの 2極となっている。 寸法は直径が 3mm、 厚さが lmmである。
磁界検出素子 4は、 4個のホール効果素子からなり、 永久磁石 2の外周面に対 して空隙を介して対向し、 かつ互いに電気角で 90度位相をずらして 相検出 素子 41と 相検出素子 42を設け、 さらに 相検出素子 41に対して電気 角で 1 80度位相をずらして A2 相検出素子 43を、 相検出素子 42に対し て電気角で 1 80度位相をずらして B2 相検出素子 44を設けてある：
図 2は磁界検出素子 4から出力される 、 A2 、 、 B2 の各相信号を処 理する信号処理回路 5を示す回路図である。 信号処理回路 5は At 相と A2 相の 差動信号 Va を出力する差動アンプ 51と、 相と B2 相の差動信号 Vb を出 力する差動アンプ 52と、 差動信号 V, と Vb とから a r c t a n (V, /λί , ) の演算を行って回転角度を演算する角度演算回路 53とを設けてある。
図 3は永久磁石 2の磁界分布を示す説明図である。
つぎに動作について説明する。
回転体 1を回転させると、 一つの検出素子は図 4に示すような回転角位置に応 じた正弦波状の磁束密度を検出する。 磁界検出素子 4の各相検出素子 41、 42 、 43、 44によって磁束が検出され、 、 A2 、 B1 , Β2 の各相の信号が 出力される。 この信号出力は図 2に示す信号処理回路で処理される。
回転体 1が偏心して回転するようなことがある場合は、 検出した磁朿密度の波 形は偏心量に応じて変位する。 しかし、 Α、 Β相は互いに 1 8◦度位相がずれた Α1 相と Α2 相および 相と B2 相の差動をとるので、 偏心量は相殺され、 図 5に示すような、 互いに 90度位相がずれた二つの正弦波、 すなわち、 回転角を 6としたとき、 s i n 0と c o s Θの波形が得られる。 したがって、 A、 B相を入力とする角度演算回路 5 3によって、
Θ = a r c t a n (V b /V . ) の演算が行われ、 絶対位置の回転角度が検出 される。
このように、 円板状の永久磁石 2を平面部 2 1に沿って一方向に磁化し、 永久 磁石 2の外周面に対向する 4個の磁界検出素子 4を設けてあるので、 各磁界検出 素子 4は正確な正弦波信号を検出できる。
1回転の絶対位置を検出したところ、 1回転を 3 2 0 0 0分割した絶対位置信 号が得られ、 極めて高い分解能が得られた。
なお、 回転体 1の偏心量が極めて小さい場合は、 磁界検出素子 4を互いに周方 向に 9 0度間隔で固定された A相検出素子と B相検出素子の 2個の検出素子によ つて s i n 0と c o s Θの波形の検出信号を得るようにしてもよレ、。
また、 このように、 A相検出素子と B相検出素子の 2個の検出素子を設ける場 合は、 回転体 1の回転方向とインクリメンタルの位置を検出することができるが 、 回転方向を求める必要がないときは、 1個の検出素子で正弦波信号を得るよう にしてもよい。
また、 上記実施例では磁界検出素子をホール効果素子を使用した例について説 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。
また、 上記実施例では中空円板状の永久磁石 2を用いた例について説明したが 、 永久磁石 2は中実の円板状に形成しても同様の効果が得られる。
また、 上記永久磁石は、 一方向に磁化することが容易な直線異方性磁石で構成 し、 磁化効率を高めてもよい。
また、 固定体 3を磁性体によって形成することにより、 検出信号の出力を大き く、 また、 高調波成分を小さくするとともに外部からの磁気ノイズを低減し、 S ZN比を高めるようにしてもよい。
(第 2の実施例）
図 6は本発明の第 2の実施例を示す磁気式エンコーダ装置の斜視図である。 本実施例は、 リング状の固定体 3が周方向に 4分割されその空隙部に磁界検出 素子 4を配置したものである。 他の構造および角度検出方法は第 1の実施例と同 じである。 固定体 3はリング状の磁性体である鉄を 4個に等分に分割して、 4力 所の空隙ができるようにしている。 この空隙部に磁界検出素子 4を配置し、 第 1 の実施例と同様に周方向に 9 0度間隔で取り付けている。 固定体 3の外径は 5 m mである。 永久磁石 2は直径が 3 mm、 厚さが 1 mmの円板状で、 回転体 1の回 転軸の端面に接着固定されている。 磁界検出素子 4は磁気抵抗素子を用いた。 なお、 本実施例では固定体 3の磁性体として、 鉄を用いたが、 これに限られる ものではなく、 パーマロイ、 フェライ トなど磁性体であればなんでもよレ、。 また 、 永久磁石 2は回転体 1の回転軸の端面に接着固定したが、 回転軸を永久磁石 2 に貫通させた構造でもよい。
図 7はエンコーダの磁束分布を示した図である。 磁束は磁性体に集中し通過し ており、 空隙内の磁界検出素子を配置する位置での磁束密度が、 従来の磁石と磁 性体間の空隙部より大きい。
動作は第 1の実施例と同様であり、 回転体 1を回転させると、 各相の検出素子 は図 8に示す信号を出力する。 図 8は A l 、 A2 、 B I 、 B 2 の各相検出素子 4 1、 4 2、 4 3、 4 4の出力信号である。 回転角位置に応じた正弦波状の磁束密 度を検出する。 信号出力は図 2に示す信号処理回路で処理され回転角度が検出さ れる。 1回転の絶対位置を検出したところ、 1回転を 6 4 0 0 0分割した絶対位 置信号が得られ、 従来方式より 2倍精度が向上した。 また、 従来技術における磁 気検出素子配置スペースが不要になったので、 磁気エンコーダの外径が 2 / 3に なり小型化できた。
このように、 本実施例では、 つぎの効果がある。
①磁性体が連続せず空隙があるため磁性体の磁気抵抗が大きくなり、 磁気飽和 しないので、 正確な正弦波信号が得られる。
②発磁体である磁石からの磁束は、 磁性体に集中し通過するために、 磁束の乱 れがあってもその乱れは緩和される。 この平均化された磁束を検出するため、 磁 石の形状誤差や磁石の配置誤差の影響を受けにくい。 したがって、 製作コス トも 小さく組立も容易である。
③従来技術における磁気検出素子配置スペースが不要なので磁性体と空隙問距 離を短くでき、 エンコーダをさらに小型化できる。
④磁界検出素子を配置する位置での磁束密度が、 従来技術の磁石と磁性体の空 隙部より、 大きいので検出信号が大きくなる。
⑤そのため、 磁石外径をさらに小さくできる、 また磁石と磁性体間の距離を小 さくでき、 エンコーダをさらに小型化できる。
⑥低コストのエネルギー積が小さい磁石を用いても、 十分な検出信号が得られ るので、 低コス トのエンコーダが得られる。
(第 3の実施例）
図 9は第 3の実施例を示す磁気式エンコーダ装置の全体構成を示す図で、 （ a ) は斜視図、 （b) は磁界検出素子の拡大斜視図である。 本実施例は磁界検出素 子 1個で周方向と径方向の磁界を同一位置で同時に検出する構成である。
永久磁石 2は、 第 1の実施例と同じであるが、 直線異方性の磁石を用いている 。 すなわち、 材質はフェライ ト系磁石、 Sm_C o系磁石、 N d— F e— B系磁 石または前記各種磁石を高分子材料で結合した分散型複合磁石によつて形成し、 回転体 1の回転軸に垂直方向と平行に一方向に磁化されている。 固定体 3は、 非 磁性材料のステンレス鋼をリング形状にしたものである。 固定体 3は磁性体を用 いてもよレ、。 磁界検出素子 4は、 固定体 3の内側に永久磁石 2に空隙を介して対 向するように固定されたもので、 図 9 (b) に示すように、 径方向の磁界の磁束 密度 B rを検出する径方向感磁部 4 5と周方向の磁界の磁束密度 B Θを検出する 周方向感磁部 4 6を内蔵している。
信号処理回路 5は、 磁界検出素子 4から出力される径方向の磁界の磁束密度 B rの信号に対応する出力 V r、 および磁界の磁束密度 B Θの信号に対応する出力 V 6を処理する。 信号処理回路 5には、 図 1 0に示すように、 信号 V rおよび V Θから、 a r c t a n (V 6 /V r ) の演算と、 V r、 V Θの正負を考慮して回 転角度を演算する角度演算回路 5 1を設けてある。
このような構成により、 永久磁石 2から図 1 1に示すような磁界が形成され、 磁界検出素子 4によって、 径方向および周方向の磁束密度 B r、 Β Θが検出され る。 回転体 1が 1回転すると、 磁界検出素子 4は図 1 2に示すような回転角位置 に応じた正弦波状の磁束密度 B r , B Θを検出し、 信号処理回路 5には正弦波状 の磁束密度 B r、 8 0に応じた出カ 、 V 0が入力される。
ここで、 図 9 (b) に示すように、 磁界検出素子 4の径方向感磁部 4 5と周方 向感磁部 4 6の検出感度おょぴ配置位置には、 わずかに差異があるため、 出力 V ' 0と V ' rの振幅値は若干異なる。 振幅比を αとすると、
α = (V Θ /V r ) となる。
それで、 両出力の振幅を同じにするために、
V r = a X V r， V Θ = V 0とする。
これから、 回転角度 0は、 次の式によって求められる。
Θ = a r c t a n (V 9 /V r )
なお、 図 1 0に示した増幅器 5 4および 5 5を信号処理回路 5の中に設け、 増 Φ畐器 5 4のゲインを振幅比 αに応じて調整して出力 V ' rから出力 V rを得て、 角度演算回路 5 6に入力し、 角度信号 Θを得る。
このような構成により、 回転体 1が偏心して回転したとしても、 回転角度 0は 磁石の中心と磁界検出素子間の距離 rの関数でないため、 精度良く回転位置が求 められる。，
また、 磁気エンコーダ内部の温度分布が位置によって異なっていても、 径方向 感磁部 4 5と周方向感磁部 4 6はほぼ同一位置にあるため、 磁界検出素子 4の温 度特性には差がなくなり、 回転角度 θには温度分布の影響はなくなる。
例えば、 直径が 3 mm、 厚さが 1 mmの永久磁石 2の外周に、 ホール効果素子 からなる磁界検出素子 4を配置して、 1回転の絶対位置信号を検出した。
図 1 2は、 高精度の基準エンコーダ （分解能 1 0 0万パルス Z回転） の回転角 度と検出角度との関係および検出誤差を示している。
これによると、 基準エンコーダと本発明の磁気式エンコーダの最大誤差が 0 . 1度以下であることがわかる。
このことから、 3 6 0度 0 . 1度 = 3 6 0 0
となり、 1回転を 3 6 0 0分割できることになる。 したがって、 1回転を 3 6 0 0分割した極めて高い分解能を示す絶対位置信号を得ることができる。
上記実施例では、 磁界検出素子をホール効果素子を使用した例について説明し たが、 磁気抵抗素子を使用しても同様の効果が得られる。
また、 上記永久磁石は、 一方向に磁化することが容易な直線異方性磁石で構成 すると、 高い磁束密度が得られ、 検出精度を高めることができる。 このように、 本実施例では、 つぎの効果がある。
( 1 ) 回転体が偏心して回転することを考慮し、 差動信号を得るようにしても、 磁界検出素子の数が増えることがなく、 安価となる。
( 2 ) 9 0度あるいは 1 8 0度の位相差が正確に出るように、 各磁界検出素子を 正確に設置する必要がないので、 組み立て調整を容易に短時間で行うことができ る。
( 3 ) 磁気式エンコーダの内部で温度分布が異なっても、 磁界検出素子が 1個で あるため、 特性に誤差が生じることがないため、 回転位置の検出精度が向上する
(産業上の利用可能性）
本発明は、 構造が簡単で、 極めて分解能の高い、 高精度で小型の磁気式ェンコ ーダに適している。 また、 温度分布の影響や製作誤差の影響を受けにくいため、 信頼性が高く、 安価な磁気式エンコーダ装置に適している。

Claims

請求の範囲
1 . 回転体に固定された永久磁石と、 前記永久磁石に空隙を介して対向し、 固定 体に取り付けられた磁界検出素子と、 前記磁界検出素子からの信号を処理する信 号処理回路とを備えた磁気式ェンコーダ装置において、
前記永久磁石は円板状に形成され、 かつ前記回転体の軸と垂直方向の一方向に 磁化され、 前記磁界検出素子は、 前記永久磁石の外周側に空隙を介して配置した ことを特徴とする磁気式ユンコーダ装置。
2 . 前記固定体はリング状の磁性体で形成された請求項 1記載の磁気式ェンコ —ダ装置。
3 . 前記固定体は周方向に空隙を有し、 前記空隙に前記磁界検出素子を設けた 請求項 2記載の磁気式ェンコーダ装置。
4 . 前記磁界検出素子は、 互いに電気角で 9 0度位相がずれている 2個 1対の 磁界検出素子を互いに 1 8 0度位相をずらした位置に 2対設け、 前記信号処理回 路は、 互いに対向する磁界検出素子間の差動信号を処理する差動アンプを設け、 前記回転体の位置の絶対値を検出するようにした請求項 1から 3までのいずれか 1項に記載の磁気式ェンコ一ダ装置。
5 . 前記磁界検出素子は、 前記回転体の軸に対して径方向磁界を検出する径方 向感磁部と、 前記回転体の軸に対して周方向磁界を検出する周方向感磁部とを近 接して配置したもので、 前記磁界検出素子を少なくとも 1個設けた請求項 1記載 の磁気式エンコーダ装置。
6 . 前記磁界検出素子は、 ホール効果素子または磁気抵抗素子を用いた請求項 1から 5までのいずれか 1項に記載の磁気式エンコーダ装置。
7 . 前記永久磁石は、 フェライ ト系磁石、 S m— C o系磁石、 N d— F e—B 系磁石または前記各種磁石を高分子材料で結合した分散型複合磁石のいずれか一 つによって形成したことを特徴とする請求項 1から 6までのいずれか 1項に記載 の磁気式エンコーダ装置。
8 . 前記永久磁石は、 直線異方性であることを特徴とする請求項 1から 7まで のいずれか 1項に記載の磁気式ェンコーダ装置。
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