WO2005124285A1 - 磁気式エンコーダ装置 - Google Patents

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WO2005124285A1
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rotation
magnetic field
signal
permanent magnet
encoder device
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PCT/JP2005/008598
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Koji Uemura
Yuji Arinaga
Takefumi Kabashima
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Kabushiki Kaisha Yaskawa Denki
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    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/12—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means
    • G01D5/14—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage
    • G01D5/142—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage using Hall-effect devices
    • G01D5/145—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage using Hall-effect devices influenced by the relative movement between the Hall device and magnetic fields
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    • G01D2205/20—Detecting rotary movement
    • G01D2205/26—Details of encoders or position sensors specially adapted to detect rotation beyond a full turn of 360°, e.g. multi-rotation

Definitions

  • the present invention relates to a magnetic encoder device that detects a rotational position of a motor used in an industrial robot, an NC machine tool, and the like, and in particular, detects a multi-rotation amount in addition to detecting an absolute position within one rotation angle.
  • a magnetic encoder device that detects a rotational position of a motor used in an industrial robot, an NC machine tool, and the like, and in particular, detects a multi-rotation amount in addition to detecting an absolute position within one rotation angle.
  • a magnetic encoder detects a magnetic field of a permanent magnet fixed to the rotating body, magnetized in one direction perpendicular to the rotation axis of the rotating body, with a magnetic field detecting element, and detects an angle within one rotation.
  • An apparatus is disclosed. (For example, see Patent Document 1).
  • FIG. 8 is a perspective view of a conventional magnetic encoder device.
  • 1 is a rotating body
  • 2 is a permanent magnet constituting a disk-shaped magnetized body fixed to an end of the rotating body 1
  • a permanent magnet 2 is perpendicular to the axial direction of the rotating body 1. It is magnetized in one direction.
  • 3 is a ring-shaped fixed body provided on the outer peripheral side of the permanent magnet 2
  • 4 is provided concentrically with respect to the rotation center of the rotating body 1 and is arranged at equal intervals in the circumferential direction of the fixed body 3.
  • the magnetic field detecting element includes four magnetic field detecting elements 41, 42, 43, and 44. These magnetic field detecting elements 4 are opposed to the outer peripheral surface of the permanent magnet 2 via a gap, and are shifted from each other by 90 degrees in electrical angle to form an A-phase detecting element 41 and a B-phase detecting element 42.
  • a phase detection element is shifted by 180 degrees in electrical angle with respect to the A phase detection element 41.
  • the element 43 is shifted by 180 degrees in electrical angle with respect to the B-phase
  • FIG. 9 is a block diagram of a signal processing circuit.
  • reference numeral 5 denotes a signal processing circuit, which includes differential amplifiers 51 and 52 and an angle calculation circuit 53.
  • the magnetic field detection element 4 detects the magnetic field generated by the permanent magnet 2 and generates a sine of one cycle per rotation with respect to the rotation angle. Outputs a wavy signal.
  • An encoder that outputs a signal of one cycle per rotation in this way is called an IX-type encoder.
  • the differential amplifier 51 receives the A1 signal (V), which is the detection signal from the A-phase
  • the differential signal V of the signal is output.
  • the differential signals V and V are signals that are 90 degrees out of phase with each other and b a b
  • the angle calculation circuit 53 calculates the ar C tan (V ZV) from the differential signals V and V, and
  • the magnetic field generated by the permanent magnet magnetized in one direction is detected by the magnetic field detecting element, and the angle is calculated by the signal processing circuit to detect the angle within one rotation.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Application No. 10-541482
  • the conventional IX-type encoder has no means to detect the amount of multiple rotations, and only detects angles within one rotation.
  • a multi-rotation detection circuit is added to the signal processing circuit of the conventional IX-type encoder, and the signal from the magnetic field detection element 4 is input to the multi-rotation detection circuit to reduce the multi-rotation amount. It is possible to detect.
  • the magnetic field detecting element 4 and the added multi-rotation detection circuit are connected continuously. Need to be energized.
  • the power consumption is required to be extremely low.
  • the present invention has been made in view of such problems, and can detect a large number of rotations with low power consumption, can operate continuously for a long time only with a battery power supply, and can provide an outer rotor type motor.
  • An object of the present invention is to provide a small, thin, and long-life magnetic encoder device capable of detecting a large number of rotations.
  • a magnetic encoder device is configured as follows.
  • the invention according to claim 1 provides a permanent magnet that is magnetized in one direction perpendicular to the rotation axis of the rotating body and is fixed to the rotating body, and faces the permanent magnet via a gap to the fixed body.
  • a magnetic encoder device provided with a mounted magnetic field detecting element and a signal processing circuit for processing a signal of the magnetic field detecting element force
  • the magnetic field detecting element detects at least two one-rotation angles within one rotation.
  • a signal processing circuit for generating an angle signal within one rotation from a detection signal of the single-turn magnetic field detecting element.
  • the rotating body and the permanent magnet form a ring shape
  • a ring-shaped magnetic yoke is formed around the permanent magnet
  • the fixed body is disposed inside the rotating body. It was done.
  • the fixed body has a ring shape and is made of a ferromagnetic material.
  • the multi-rotation magnetic field detecting element is a magnetoresistive element or a Hall element.
  • the multi-turn magnetic field detecting element is arranged in a circumferential direction of the permanent magnet.
  • the multi-rotation magnetic field detecting element is disposed on a side surface of the permanent magnet via a gap in an axial direction of the rotating body.
  • a multi-rotation magnetic field detection element and a multi-rotation signal processing circuit are provided separately from the angle detection means within one rotation, which comprises a one-rotation magnetic field detection element and a one-rotation signal processing circuit.
  • Multi-rotation detection means is added, so when the external power supply is shut off, backup power only needs to be supplied to the multi-rotation detection means, so the multi-rotation amount can be detected with extremely small power and used as a knock-up power supply. It is not necessary to frequently replace the battery, etc., so long-term continuous operation is possible.
  • the rotating body and the permanent magnet have a ring shape, and the fixed body is arranged inside the rotating body. Can be detected.
  • a hollow magnetic encoder device capable of detecting a multi-rotation amount can be configured.
  • the external dimensions are greatly increased even if the multi-rotation function is added. Does not occur. Therefore, even if the multi-rotation function is added to the device to which the conventional technology is already applied, the application to the device is not limited due to the external shape. Also, since there is no mechanical contact portion, a long-life and highly reliable magnetic encoder device can be realized.
  • the multi-rotation magnetic field detecting element is arranged in the remaining space on the outer peripheral portion of the permanent magnet in which the one-rotation magnetic field detecting element is arranged, so that it can be configured to be thin. The thickness in the radial direction can be reduced.
  • FIG. 1 is a perspective view of a magnetic encoder device showing a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a block diagram of a multi-rotation signal processing circuit of the magnetic encoder device according to the present invention.
  • FIG. 3 is an operation explanatory diagram showing a relationship between a multi-rotation signal and an angle signal within one rotation.
  • FIG. 4 is a perspective view of a magnetic encoder device showing a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a perspective view of a magnetic encoder device according to a third embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a perspective view of a magnetic encoder device showing a fourth embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a diagram showing a configuration of a fixed body part according to a fifth embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a perspective view of a conventional magnetic encoder device.
  • FIG. 9 is a block diagram of a signal processing circuit of a conventional magnetic encoder device.
  • FIG. 1 is a perspective view of a magnetic encoder device according to a first embodiment of the present invention.
  • 1 is a rotating body
  • 2 is a permanent magnet
  • 3 is a fixed body
  • 4 is a 1-turn magnetic field detecting element
  • 5 is a 1-turn signal processing circuit
  • 6 is a multi-turn magnetic field detecting element
  • 7 is a multi-turn signal. It is a processing circuit.
  • the configurations of the rotating body 1, the permanent magnet 2, the fixed body 3, the one-turn magnetic field detecting element 4, and the one-rotation signal processing circuit 5 are the same as those of the related art, and thus the description thereof is omitted.
  • the permanent magnet 2 is formed of a ferrite-based magnet and has a two-pole configuration in which the permanent magnet 2 is magnetized parallel to one direction perpendicular to the axis of the rotating body 1.
  • the size of the permanent magnet 2 is 3 mm in diameter and lmm in thickness.
  • the multi-rotation magnetic field detecting element 6 is composed of two magnetoresistive elements, an Am phase detecting element 61 and a Bm phase detecting element 62, and is arranged on the outer peripheral surface of the permanent magnet 2 on the disk with a gap therebetween, and Also, the phase is shifted by about 90 degrees in electrical angle.
  • the position between the Bm phase detection elements 62 may be a position having an electrical angle of 10 to 170 degrees.
  • the multi-rotation signal processing circuit 7 processes the Am phase signal and the Bm phase signal detected from the multi-rotation magnetic field detection element 6 to generate a multi-rotation signal.
  • FIG. 2 is a block diagram of the multi-rotation signal processing circuit 7.
  • 71 and 72 are amplifiers, and 73 is a counter.
  • the present invention differs from the prior art in that the multi-rotation magnetic field detecting element 6 and the multi-rotation signal processing circuit are different. Road 7 is provided.
  • FIG. 3 is an operation explanatory diagram showing a relationship between a multi-rotation signal and an angle signal within one rotation.
  • the angle signal within one rotation is an angle signal that changes from 0 to (dn- ⁇ ) for one rotation of the rotating body, where the resolution of this signal is dn.
  • the data dc of the angle signal within one rotation when the multi-rotation signal changes is stored in advance, and the data of the angle signal within one rotation at the detection point is stored. If d is greater than dc, add ⁇ (d—dc) Zdn ⁇ to the multi-turn signal k. If d is less than dc, add ⁇ (d + dn—dc) Zdn ⁇ to the multi-turn signal k. It is obtained by doing.
  • the multi-rotation magnetic field detection element 6 and the multi-rotation signal processing circuit 7 are supplied with power from the battery, hold the multi-rotation amount data, and continue to detect the multi-rotation amount.
  • Multi-rotation detection does not require higher detection accuracy than angle signals within one rotation, and can be detected with low power. At this time, power is not supplied to the magnetic field detecting element 4 and the signal processing circuit 5, and an angle signal within one rotation cannot be detected. Even if the external power supply is shut off, the magnetic field detection element for one rotation and the detection signal can be reproduced after the power is restored.
  • the multi-rotation magnetic field detecting element 6 and the multi-rotation signal A multi-rotation detection means consisting of a processing circuit 7 is added.
  • the multi-rotation amount can be detected with an extremely small voltage and power.
  • the power consumption of the backup power supply could be reduced to about 0.3 mW. This is approximately 1/500 of the power consumption when multi-rotation is detected by adding a multi-rotation detection circuit to the conventional magnetic encoder device and sharing the signal of the magnetic field detection element.
  • a multi-rotation magnetoresistive element 6 that is small and has low power consumption is the same circle as the one-rotation magnetic field detecting element 4. Since it is arranged in the space on the circumference, there is no increase in dimensions in the axial and radial directions of the rotating shaft, and a compact structure can be maintained.
  • a ferrite-based magnet was used as the permanent magnet. May be.
  • the signals are adjusted using the amplifiers 71 and 72 in the multi-rotation signal processing circuit 7, it is obvious that the same effect can be obtained by using the comparator.
  • the comparator can be placed near the magnetic field detecting element 6 instead of the multi-rotation signal processing circuit 7. In this case, since the binarized signal, which is the output signal of the comparator, is sent to the multi-rotation signal processing circuit 7, there is an effect that noise resistance can be improved.
  • FIG. 4 is a perspective view of a magnetic encoder device according to a second embodiment of the present invention.
  • This embodiment is different from the first embodiment in that the multi-rotation magnetic field detecting element 6 is arranged on the outer peripheral surface of the disk-shaped permanent magnet 2 through a gap in the first embodiment, In the embodiment, the point is that the permanent magnet 2 is arranged on a disk-shaped plane with a gap. It should be noted that the rotating shaft 1 was arranged on a plane opposite to the plane on which it was fixed.
  • the multi-rotation magnetic field detection element 6 is composed of two Hall elements, an Am phase detection element 61 and a Bm phase detection element 62, and is shifted from the rotation direction of the rotator 1 by approximately 90 degrees with respect to each other. It is fixed to the fixed body 3 with a fixing jig. Surface of permanent magnet 2 and multi-turn magnetic field detection The gap of the element 6 is about lmm.
  • the multi-rotation magnetic field detecting element 6 is disposed on the plane on the disk of the permanent magnet 2 opposite to the rotating body 1 via the gap, so that the motor (not shown) rotates.
  • the motor not shown
  • stable detection is possible even with a small current consumption that does not directly receive the radiant heat from the motor.
  • a multi-rotation detecting circuit is added to the signal processing circuit of the conventional magnetic encoder device, and the signal of the magnetic field detecting element within one rotation is shared to reduce the amount of multi-rotation.
  • the power consumption can be reduced to about 1/500 compared to the case of detection, and when a battery is used as a knock-up power supply, the time for replacing the battery can be dramatically increased.
  • FIG. 5 is a perspective view of a magnetic encoder device according to a third embodiment of the present invention.
  • 1 ' is a rotating body
  • 2' is a magnetic field generating rotor
  • 3 ' is a fixed body
  • Reference numeral 21 denotes a ring-shaped permanent magnet
  • reference numeral 22 denotes a ring-shaped magnetic yoke arranged around the ring-shaped magnet 21 and made of a magnetic material.
  • the magnetic field generating rotor 2 ′ includes a ring-shaped permanent magnet 21 and a ring-shaped magnetic yoke 22.
  • 4 is opposed to the ring-shaped permanent magnet 21 via an air gap, and detects the position within one rotation attached to the fixed body 3'.4 are magnetic field detecting elements for one rotation
  • 5 is the magnetic field detecting element from the magnetic field detecting element 4.
  • a single-rotation signal processing circuit 6 for processing signals is opposed to the ring-shaped permanent magnet 2 via a gap, and is two multi-rotation magnetic field detecting elements attached to the fixed body 3 '.
  • the ring-shaped permanent magnet 21 is formed of a ferrite-based magnet, and has a two-pole configuration that is magnetized in one direction parallel to the direction perpendicular to the axis of the rotating body 1.
  • the ring-shaped magnetic yoke 22 is made of a ferromagnetic material such as carbon steel.
  • the magnetic field generating rotor 22 has the effect of reducing the magnetic resistance and concentrating the magnetic field on the magnetic field detecting element 4 for one rotation and the magnetic field detecting element 6 for multiple rotations, thereby improving the SN ratio of the magnetic field detecting element. it can. It also has the effect of blocking external magnetic noise.
  • the material should be ferromagnetic, for example carbon Such as steel.
  • the magnetic field detecting element 4 for one rotation also generates four Hall-effect element forces, opposing the inner peripheral surface of the permanent magnet 21 via a gap, and shifting the phase by 90 degrees in electrical angle from each other.
  • the B1 phase detection element 42 and further shift the phase by 180 degrees in electrical angle with respect to the A1 phase detection element 41, and shift the phase by 180 degrees in electrical angle with respect to the B1 phase detection element 42.
  • a B2 phase detecting element 44 is provided.
  • the multi-rotation magnetic field detecting element 6 becomes a magnetoresistive element, and faces the magnetic field generating rotor 2 ′ in the radial direction of the rotating body 1 via a gap, and shifts the phase by approximately 90 degrees in electrical angle with respect to each other.
  • a phase detection element 61 and a Bm phase detection element 62 are provided.
  • the configurations of the single-rotation signal processing circuit 5 and the multi-rotation processing circuit 7 are the same as those in the first embodiment, and a description thereof will be omitted.
  • This embodiment is different from the first embodiment in that the permanent magnet fixed to the rotating body is formed into a ring shape and the permanent magnet is formed in a ring shape in order to detect the multi-rotation amount of the outer rotor type motor.
  • a magnetic yoke is formed, and a single-turn magnetic field detecting element 4 and a multi-turn magnetic field detecting element 6 are arranged on a fixed body disposed inside a rotating body.
  • the magnetic field generating rotor 2' rotates.
  • the magnetic field generated by the magnetic field generating rotor 2 ′ is detected by the magnetic field detecting element 4 for one rotation, and is converted into an angle signal within one rotation by the one-rotation signal processing circuit 5.
  • the magnetic field generated by the magnetic field generating rotor 2 ′ is detected by the magnetic field detecting element 6 and converted into a multi-rotation signal by the signal processing circuit 7.
  • the method for generating the angle signal within one rotation and the multi-rotation signal is the same as that in the first embodiment, and thus the description thereof is omitted.
  • the size of the rotating body in the axial and radial directions is not increased due to the addition of the function of detecting the amount of multiple rotations, so that a compact structure can be maintained, and extremely small power is required for the outer rotor type rotating body. Multi-rotation amount can be detected.
  • a Hall element as the magnetic field detecting element, a large output signal can be obtained while the size and shape are small (about 2.5 X 1.5 X 0.6 mm), resulting in excellent noise resistance.
  • the shape of the Hall element is small, the thickness of the rotating body in the axial direction can be reduced. Further, since the thickness in the radial direction can be reduced, the hollow diameter can be increased. The structure is optimal for the shape.
  • a ferrite-based magnet was used as the ring-shaped permanent magnet, but there is an Sm-Co-based magnet! May be formed.
  • FIG. 6 is a perspective view of a magnetic encoder device showing a fourth embodiment of the present invention.
  • This embodiment is different from the third embodiment in that the multi-turn magnetic field detecting element 6 is arranged on the outer peripheral surface of the fixed body 3 in the third embodiment, whereas the magnetic field generating rotor in the present embodiment is different from the third embodiment.
  • the point is that the rotating body 1 'is fixed to the fixed body 3' by a fixing jig (not shown) through a gap in the axial direction of the rotating body 1 '.
  • the multi-rotation amount can be detected with extremely small power with respect to the outer rotor type motor, and the multi-rotation magnetic field detecting element 6 is connected to the magnetic field generation rotor on the side opposite to the rotating body 1 ′.
  • the multi-rotation magnetic field detecting element 6 is connected to the magnetic field generation rotor on the side opposite to the rotating body 1 ′.
  • a motor not shown
  • stable detection is possible even with a small current consumption, so that radiant heat of the motor power is not directly received. Can be.
  • FIG. 7 is a diagram showing a configuration of a fixed body part according to a fifth embodiment of the present invention.
  • 31 is a ring-shaped fixed body, and 32 is an element holder.
  • This embodiment is different from the third embodiment in that the shape of the fixed body is a ring shape. By doing so, the amount of multiple rotations of the outer rotor type motor having the hollow structure can be detected.
  • the material of the ring-shaped fixed body 31 was a ferromagnetic material (for example, carbon steel). By doing so, the magnetic resistance is reduced in the same manner as the effect of the ring-shaped magnetic yoke 22 of the third embodiment, and the magnetic field detecting element for one rotation 4 and the magnetic field detecting element for multiple rotations for detecting the position within one rotation of the magnetic field.
  • An element holder made of a non-magnetic material was provided between the ring-shaped fixed body 31 and the magnetic field detecting element for one rotation 4 and the magnetic field detecting element for multiple rotations 6. This The element holder not only facilitates the position of the magnetic field detection element but also improves the positional accuracy.
  • the amount of multiple rotations can be detected with extremely small electric power with respect to the outer rotor type motor having the hollow structure.
  • the present invention makes it possible to detect a multi-rotation amount with a small size and low power consumption, so that the present invention can be applied to a small servo motor which needs to detect an absolute position.

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Abstract

　１回転以内の角度検出と多回転量を検出できる小型で消費電力の小さい磁気式エンコーダ装置を得る。 　本発明の磁気式エンコーダ装置は、回転体（1）の回転軸に対して垂直方向の一方向に磁化され回転体（１）に固定された永久磁石（２）と、永久磁石（２）に空隙を介して対向し、固定体（３）に取り付けられた磁界検出素子（４）と、磁界検出素子（４）からの信号を処理する信号処理回路（５）とからなるもので、これに、多回転用磁界検出素子（６）と、この多回転用磁界検出素子（６）の信号から多回転量を検出する多回転信号処理回路（７）からなる多回転検出手段を付加したものである。

Description

磁気式エンコーダ装置
技術分野
[0001] 本発明は、産業用ロボット、 NC工作機械等に用いられるモータの回転位置を検出 する磁気式エンコーダ装置に関し、特に、 1回転以内角度の絶対位置検出に加えて 、多回転量を検出する磁気式エンコーダ装置に関する。
背景技術
[0002] 従来、回転体の回転軸に対して垂直方向の一方向に磁化され回転体に固定され た永久磁石の磁界を磁界検出素子で検出し、 1回転以内の角度を検出する磁気式 エンコーダ装置が開示されている。（例えば、特許文献 1参照)。
図 8は従来の磁気式エンコーダ装置の斜視図である。
図 8において、 1は回転体、 2は回転体 1の端部に固定された円板状の発磁体を構 成する永久磁石で、永久磁石 2は回転体 1の軸方向に対して垂直な一方向に磁ィ匕さ れている。 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は回転体 1の 回転中心に対し同心円状にして設けられ、且つ、固定体 3の周方向に等間隔に配設 された磁界検出素子であって、 4個の磁界検出素子 41、 42、 43、 44から構成されて いる。これらの磁界検出素子 4は、永久磁石 2の外周面に対して空隙を介して対向し 、且つ、互いに電気角で 90度位相をずらして A相検出素子 41と B相検出素子 42を
1 1
設け、さらに A相検出素子 41に対して電気角で 180度位相をずらして A相検出素
1 2 子 43を、 B相検出素子 42に対して電気角で 180度位相をずらして B相検出素子 4
1 2
4を設けている。
また、図 9は信号処理回路のブロック図である。
図 9において、 5は信号処理回路で、差動増幅器 51、 52および角度演算回路 53 から構成される。
次に、動作について説明する。
回転体 1が回転すると、回転体 1に固定された永久磁石 2が回転する。磁界検出素 子 4は、永久磁石 2の発生する磁界を検出し、回転角に対して 1回転に 1周期の正弦 波状の信号を出力する。なお、このように 1回転に 1周期の信号を出力するェンコ一 ダを IX型エンコーダと呼ぶ。
差動増幅器 51は、 A相検出素子 41からの検出信号である A1信号 (V )と八相検
1 al 2 出素子 43からの検出信号である A2信号 (V )の入力を受けて両信号の差動信号 V a2 a を出力する。また、差動増幅器 52は、 B相検出素子 42からの検出信号である B1信
1
号 (V )と 相検出素子 44からの検出信号である B2信号 (V )の入力を受けて両信
M 2 b2
号の差動信号 Vを出力する。差動信号 Vと Vはお互いに 90度位相の異なる信号と b a b
なる。角度演算回路 53、は差動信号 Vと Vから arCtan (V ZV )の演算を行って回 a b a b
転角度を演算する。
このように、従来の IX型エンコーダは、一方向に磁化された永久磁石が発する磁 界を磁界検出素子により検出して信号処理回路により角度演算を行い、 1回転以内 角度を検出していた。
特許文献 1：特願平 10— 541482号公報
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
従来の IX型エンコーダは、多回転量を検出する手段を持たず、 1回転以内の角度 のみを検出していた。多回転量を検出するため、従来の IX型エンコーダの信号処理 回路に多回転検出回路を付加し、磁界検出素子 4からの信号をこの多回転検出回 路に入力することにより、多回転量を検出することは可能である。しかし、瞬時停電等 の外部電源遮断時にぉ 、ても多回転量の情報を持ち続けるためには、バッテリ等の ノ ックアップ電源を用 、て磁界検出素子 4および付加した多回転検出回路に連続し て通電する必要がある。この時の消費電力は、きわめて低いものが求められ、高精度 の 1回転以内角度信号を得るには、磁界検出素子 4に適正な電流を流す必要があり 、省電力化は困難である。従って、ノックアップ電源としてバッテリを用いた場合、バ ッテリ交換を頻繁に行う必要があり、メンテナンス等により、繰り返しバッテリ電源のみ で長時間の連続運転を要求される機械装置への適用が難しぐ磁気式エンコーダ装 置の適用範囲を狭めるという問題があった。
また、ノ ックアップ電源を用いず多回転量を維持し検出する方法として、ギア等の 機械的な手段をさらに加えることも考えられるが、大型化することと、機械的な接触部 を持っため磁気エンコーダ装置の寿命を縮めるという問題や、機械的磨耗による信 頼性の問題があった。
さらに、アウターロータ型のモータに対しては、ギア等の機械的な手段を用いた小 型の減速機構適用するのは難し 、と 、う問題もあった。
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、低い消費電力で多回転量 が検出でき、また、ノ ッテリ電源のみで長時間の連続運転が可能で、さらにアウター ロータ型のモータに対しても多回転量を検出できる小型、薄型で長寿命の磁気式ェ ンコーダ装置を提供することを目的とする。
課題を解決するための手段
上記問題を解決するため、本発明の磁気式エンコーダ装置は、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、回転体の回転軸に対して垂直方向の一方向に磁化さ れ前記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、前記磁界検出素子力 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、前記磁界検出素子は、 1回転 以内の角度を検出する少なくとも 2つの 1回転用磁界検出素子と、多回転量を検出 する少なくとも 2つの多回転用磁界検出素子と、を備え、前記信号処理回路は、 1回 転用磁界検出素子の検出信号から 1回転以内角度信号を生成する 1回転信号処理 回路と、多回転用磁界検出素子の検出信号から多回転信号を生成する多回転信号 処理回路と、を備えたものである。
また、請求項 2記載の発明は、前記回転体および永久磁石はリング形状を成し、前 記永久磁石の周囲にリング状の磁気ヨークが形成され、前記固定体は前記回転体の 内側に配置したものである。
また、請求項 3に記載の発明は、前記固定体はリング形状を成し、強磁性体で構成 したものである。
また、請求項 4に記載の発明は、前記多回転用磁界検出素子を、磁気抵抗素子ま たはホール素子としたものである。 また、請求項 5に記載の発明は、前記多回転用磁界検出素子を、前記永久磁石の 周方向に配置したものである。
また、請求項 6に記載の発明は、前記多回転用磁界検出素子を、前記回転体の軸 方向に空隙を介して、前記永久磁石の側面に配置したものである。
発明の効果
請求項 1に記載の発明によると、 1回転用磁界検出素子と 1回転信号処理回路とで 構成される 1回転以内角度検出手段とは別に、多回転用磁界検出素子と多回転信 号処理回路で構成される多回転検出手段を付加したので、外部電源遮断時には、 多回転検出手段のみにバックアップ電源を供給すればよいので、極めて小さい電力 で多回転量を検出でき、ノ ックアップ電源として使用するバッテリ等を頻繁に交換し なくて良!ヽので、長時間の連続運転が可能となる。
また、請求項 2に記載の発明によると、回転体および永久磁石はリング形状とし、固 定体を回転体の内側に配置したのでアウターロータ型のモータに対して極めて小さ い電力で多回転量を検出できる。
また、請求項 3に記載の発明によると、回転体の内側に配置した固定体をリング形 状としたので、多回転量を検出できる中空の磁気式エンコーダ装置を構成できる。 また、請求項 4に記載の発明によると、多回転用磁界検出素子に小型で消費電力 の小さい磁気抵抗素子またはホール素子を用いることで、多回転機能が付加されて も大幅な外形寸法の増加は生じない。従って、すでに、従来技術が適用されている 装置へ多回転機能が付加されても、外形上、装置への適用が制限されることが無い 。また、機械的な接触部分を持たないので長寿命で信頼性の高い磁気式エンコーダ 装置が実現できる。
また、請求項 5に記載の発明によると、多回転用磁界検出素子を 1回転用磁界検出 素子が配置されている永久磁石の外周部の残りの空間に配置したので、薄型に構成 することができ、径方向の厚みも薄く構成できる。
また、請求項 6に記載の発明によると、回転体 1とは反対側の永久磁石 2の側面に 配置したので、モータが回転体と直結された場合、モータ力もの輻射熱を直接受ける ことが無ぐ小さい消費電流でも安定した信頼性の高い検出ができる。 図面の簡単な説明
[0006] [図 1]本発明の第 1実施例を示す磁気式エンコーダ装置の斜視図
[図 2]本発明の磁気式エンコーダ装置の多回転信号処理回路のブロック図
[図 3]多回転信号と 1回転以内角度信号との関係を示す動作説明図
[図 4]本発明の第 2実施例を示す磁気式エンコーダ装置の斜視図
[図 5]本発明の第 3実施例を示す磁気式エンコーダ装置の斜視図
[図 6]本発明の第 4実施例を示す磁気式エンコーダ装置の斜視図
[図 7]本発明の第 5実施例の固定体部の構成を示す図
[図 8]従来の磁気式エンコーダ装置の斜視図
[図 9]従来の磁気式エンコーダ装置の信号処理回路のブロック図 符号の説明
[0007] 1、 1 ' 回転体
2 永久磁石
2' 磁界発生ロータ
21 リング形状永久磁石
22 リング形状磁気ヨーク
3、 3' 固定体
31 リング形状固定体
32 素子ホルダ
4 磁界検出素子、 1回転用磁界検出素子
41 A1相検出素子
42 B1相検出素子
43 A2相検出素子
44 B2相検出素子
5 信号処理回路、 1回転信号処理回路
51、 52 差動増幅器
53 角度演算回路
6 多回転用磁界検出素子 61 Am相検出素子
62 Bm相検出素子
7 多回転信号処理回路
71、 72 増幅器
73 カウンタ
発明を実施するための最良の形態
[0008] 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。
実施例 1
[0009] 図 1は、本発明の第 1実施例を示す磁気式エンコーダ装置の斜視図である。
図 1において、 1は回転体、 2は永久磁石、 3は固定体、 4は 1回転用磁界検素子、 5は 1回転信号処理回路、 6は多回転用磁界検出素子、 7は多回転信号処理回路で ある。回転体 1、永久磁石 2、固定体 3、 1回転用磁界検出素子 4、 1回転信号処理回 路 5の構成については従来技術と同じであるので、その説明を省略する。
なお、本実施例では、永久磁石 2は、フェライト系磁石で形成し、回転体 1の軸に対 して垂直方向の一方向に平行に磁ィ匕した 2極の構成となっている。永久磁石 2の大き さは直径が 3mm、厚さが lmmである。
多回転用磁界検出素子 6は、 Am相検出素子 61と Bm相検出素子 62の 2個の磁 気抵抗素子からなり、円板上の永久磁石 2の外周面に空隙を介して配置され、かつ 互 ヽに電気角で略 90度位相をずらして設けてある。
この Am相と Bm相は回転方向を決めるものであるため、 Vam信号、 Vbm信号のチ ャタリングなどによる両信号の発生順序に影響がな 、範囲の位相角でよぐ Am相検 出素子 61と Bm相検出素子 62間の位置は電気角で 10度〜 170度になる位置でも 良い。
多回転信号処理回路 7は、多回転用磁界検出素子 6から検出される Am相信号お よび Bm相信号を処理して多回転信号を生成する。
図 2は、多回転信号処理回路 7のブロック図である。
図 2において、 71、 72は増幅器、 73はカウンタである。
本発明が従来技術と異なる点は、多回転用磁界検出素子 6と多回転信号処理回 路 7を備えた点である。
次に本発明の第 1実施例の動作について説明する。
1回転以内の角度を検出については従来技術と同じであるので多回転量の検出と についてのみ説明する。
回転体 1の回転に伴って、永久磁石 2が回転すると、空隙部の磁束密度が変化す る。この磁束密度の変化を多回転磁界検出素子 6で検出し、多回転信号処理回路 7 へ入力する。多回転用磁界検出素子 6の Am相検出素子 61で検出した信号は増幅 器 71で増幅され、信号 Vamとなり、カウンタ 73に入力される。また、 Bm相検出素子 6 2で検出した信号は増幅器 72で増幅され、信号 Vbmとなり、同じくカウンタ 73に入力 される。カウンタ 73は Vam、 Vbmをカウントすることにより多回転信号を生成する。 図 3は多回転信号と 1回転以内角度信号との関係を示す動作説明図である。
図 3において、 1回転以内角度信号は、この信号の分解能を dnとすると、回転体 1 回転に対して 0から (dn—Ι)まで変化する角度信号となる。ある検出点における多回 転量を含めた角度信号は、多回転信号が変化したときの 1回転以内角度信号のデ ータ dcを予め記憶しておき、検出点における 1回転以内角度信号のデータ dが dcより 大きい場合は {(d— dc)Zdn}を多回転信号 kにプラスすることにより、 dが dcより小さい 場合は {(d+dn— dc)Zdn}を多回転信号 kにプラスすることにより得られる。
瞬時停電などにより外部電源が遮断された場合は、多回転磁界検出素子 6および 多回転信号処理回路 7はバッテリにより電源が供給され、多回転量データを保持す ると共に引き続き多回転量を検出する。多回転量の検出は 1回転以内角度信号に比 ベて高い検出精度を要求しないので小さい電力で検出できる。なお、この時、磁界 検出素子 4および信号処理回路 5には電源が供給されず、 1回転以内角度信号は検 出できないが、 IX型エンコーダでは、 1回転以内角度信号については、瞬時停電な どにより外部電源が遮断されても、電源復帰後に 1回転用磁界検出素子 4検出信号 力 再生できる。
このように、本実施例では、 1回転用磁界検出素子 4と 1回転信号処理回路 6とで構 成される 1回転以内角度検出手段とは別に、多回転用磁界検出素子 6と多回転信号 処理回路 7で構成される多回転検出手段を付加し、外部電源遮断時は、消費電力 の小さい多回転検出手段のみにバックアップ電源を供給することにより、極めて小さ V、電力で多回転量を検出できる。本実施例ではバックアップ電源の消費電力を約 0.3mWにすることが出来た。これは、従来の磁気式エンコーダ装置に多回転検出回 路を付加し、磁界検出素子の信号を共用することで多回転量を検出する場合の消費 電力の約 1/500になる。
また、特別な多回転検出機構の追加することなぐ多回転量を検出するための磁界 検出素子として、小型で消費電力の小さい多回転用磁気抵抗素子 6を 1回転用磁界 検出素子 4と同一円周上の空隙部に配置したので、回転軸の軸方向、及び径方向 への寸法増加は無く小型な構造を維持できる。
従って、幅広い分野に対して適用可能な磁気式エンコーダ装置を提供することが できる。
なお、本実施例では永久磁石にフェライト系磁石を用いたが、 Sm -Co系磁石あ るいは Ne -Fe 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 合磁石によって形成しても良い。
また、多回転信号処理回路 7に増幅器 71, 72を用いて信号の調整を行っているが 、コンパレータを用いても同様の効果が得られることは自明である。また、コンパレー タを多回転信号処理回路 7でなく磁界検出素子 6の近傍に置くことも可能である。こ の場合、コンパレータの出力信号である 2値化された信号を多回転信号処理回路 7 に送るため、耐ノイズ性を向上させることができる効果がある。
実施例 2
図 4は本発明の第 2実施例を示す磁気式エンコーダ装置の斜視図である。
本実施例が第 1実施例と異なる部分は、第 1実施例では多回転用磁界検出素子 6 は円板状の永久磁石 2の外周面に空隙を介して配置されているのに対し、本実施例 では、永久磁石 2の円板状の平面に空隙を介して配置している点である。なお、回転 軸 1が固定してある平面とは反対側の平面に配置した。
多回転用磁界検出素子 6は、 Am相検出素子 61と Bm相検出素子 62の 2個のホ ール素子からなり、回転体 1の回転方向に互いに略 90度位相をずらして、図示しな い固定治具により固定体 3に固定してある。永久磁石 2の表面と多回転用磁界検出 素子 6のギャップは約 lmm程度である。
なお、本実施例の動作については、第 1実施例と同じであるのでその説明を省略す る。
このように、本実施例では、多回転用磁界検出素子 6を、回転体 1とは反対側の永 久磁石 2の円板上の平面に空隙を介して配置したので、図示しないモータが回転体 1と直結された場合、モータからの輻射熱を直接受けることが無ぐ小さい消費電流で も安定した検出ができる。
本実施例においても第 1実施例と同様に、従来の磁気式エンコーダ装置の信号処 理回路に多回転検出回路を付加し、 1回転以内磁界検出素子の信号を共用すること で多回転量を検出する場合と比較して消費電力を約 1/500にすることが出来、ノ ック アップ電源としてバッテリを使用した場合、このノ ッテリの交換時間を飛躍的に伸ば すことができる。
実施例 3
図 5は、本発明の第 3実施例を示す磁気式エンコーダ装置の斜視図である。
図 5において、 1 'は回転体、 2'は磁界発生ロータ、 3'は固定体である。また、 21は リング形状永久磁石、 22はリング形状磁石 21の外周に配置され磁性材料で構成さ れたリング形状磁気ヨークである。磁界発生ロータ 2'はリング形状永久磁石 21とリン グ形状磁気ヨーク 22とで構成される。 4はリング形状永久磁石 21に空隙を介して対 向し、固定体 3'に取り付けられた 1回転内の位置を検出する 4つの 1回転用磁界検 出素子、 5は磁界検出素子 4からの信号を処理する 1回転信号処理回路、 6は前記リ ング形状永久磁石 2に空隙を介して対向し、固定体 3'に取り付けられた 2つの多回 転用磁界検出素子である。
リング形状永久磁石 21は、フェライト系磁石で形成し、回転体 1の軸に対して垂直 方向と平行に一方向に磁ィ匕した 2極の構成となっている。また、リング形状磁気ヨーク 22は炭素鋼などの強磁性体で構成されて ヽる。磁界発生ロータ 22は磁気抵抗を減 少させ、 1回転用磁界検出素子 4および多回転用磁界検出素子 6に磁界を集中させ る効果があり、これにより磁界検出素子の SN比を向上させることができる。さらに外 界の磁気ノイズを遮断する効果もある。材質は、強磁性体であれば良ぐ例えば炭素 鋼などである。
1回転用磁界検出素子 4は 4個のホール効果素子力もなり、永久磁石 21の内周面 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 A1相検出 素子 41と B1相検出素子 42を設け、さらに A1相検出素子 41に対して電気角で 180 度位相をずらして A2相検出素子 43を、 B1相検出素子 42に対して電気角で 180度 位相をずらして B2相検出素子 44を設けてある。
また、多回転用磁界検出素子 6は磁気抵抗素子力 なり、磁界発生ロータ 2'に回 転体 1の径方向に空隙を介して対向し、かつ互いに電気角で略 90度位相をずらして Am相検出素子 61と Bm相検出素子 62を設けてある。
1回転信号処理回路 5および多回転処理回路 7の構成については実施例 1と同じ であるのでその説明を省略する。
本実施例が実施例 1と異なる点は、アウターロータ型のモータの多回転量を検出す るため、回転体に固定された永久磁石をリング形状としさらに永久磁石の周隨こリン グ状の磁気ヨークを形成し、回転体の内側に配置されている固定体に 1回転用磁界 検出素子 4および多回転用磁界検出素子 6を配置した点である。
次に、その動作について説明する。回転体 1 'の回転に伴って、磁界発生ロータ 2' が回転する。磁界発生ロータ 2'の発する磁界を 1回転用磁界検出素子 4にて検出し 、 1回転信号処理回路 5にて 1回転以内角度信号に変換する。また、磁界発生ロータ 2'の発する磁界を磁界検出素子 6にて検出し、信号処理回路 7にて多回転信号に 変換する。 1回転以内角度信号および多回転信号の生成方法については実施例 1と 同じであるのでその説明を省略する。
本実施例では多回転量の検出機能の付加に伴う回転体の軸方向、及び径方向へ の寸法増加はないので小型な構造を維持でき、アウターロータ型の回転体に対して 極めて小さい電力で多回転量を検出できる。
さらに磁界検出素子としてホール素子を用いることにより、寸法形状が小形でありな がら (約 2.5 X 1.5 X 0.6mm)、出力信号が大きく得られるので、耐ノイズ特性に優れる。 また、ホール素子形状が小さいため、回転体の軸方向の厚さを薄く構成することがで き、さらに径方向の厚みを薄く構成できるため中空径を大きくすることができ、中空形 状に最適な構造となる。
なお、本実施例ではリング形状永久磁石にフェライト系磁石を用いたが、 Sm-Co 系磁石ある!、は Ne -Fe- 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って形成しても良い。
実施例 4
[0014] 図 6は、本発明の第 4実施例を示す磁気式エンコーダ装置の斜視図である。
本実施例が実施例 3と異なっている点は、実施例 3では多回転用磁界検出素子 6 を固定体 3，の外周面に配置して ヽるのに対し、本実施例では磁界発生ロータ 2，の 側面に回転体 1 'の軸方向に空隙を介して図示しない固定冶具により固定体 3 'に固 定している点である。
なお、本実施例の動作については、第 3実施例と同じであるのでその説明を省略す る。
このように、本実施例では、アウターロータ型のモータに対して極めて小さい電力で 多回転量を検出でき、多回転用磁界検出素子 6を、回転体 1 'とは反対側の磁界発 生ロータの平面に空隙を介して配置したので、実施例 2と同様に、図示しないモータ が回転体 1 'と直結された場合、モータ力 の輻射熱を直接受けることが無ぐ小さい 消費電流でも安定した検出ができる。
実施例 5
[0015] 図 7は、本発明の第 5実施例の固定体部の構成を示す図である。
図 7において、 31はリング形状固定体で、 32は素子ホルダある。本実施例が実施 例 3と異なる点は、固定体の形状をリング形状とした点である。このようにすることによ り中空構造をもつアウターロータ型のモータの多回転量を検出できる。また、リング形 状固定体 31の材質は強磁性体 (例えば炭素鋼)とした。このようにすることにより実施 例 3のリング形状磁気ヨーク 22の効果と同様に磁気抵抗を減少させ、磁界を 1回転 内の位置を検出する 1回転用磁界検出素子 4および多回転用磁界検出素子 6に磁 界を集中させる効果があり、検出信号の SN比を向上させることができ、外界の磁気ノ ィズを遮断する効果がある。また、リング形状固定体 31と 1回転用磁界検出素子 4お よび多回転用磁界検出素子 6の間に非磁性体で構成した素子ホルダを設けた。この 素子ホルダにより、磁界検出素子の位置が容易になるだけでなぐ位置精度も向上さ せることができる。
なお、本実施例の動作については、第 3実施例と同じであるのでその説明を省略す る。
このように、本実施例では、中空構造をもつアウターロータ型のモータに対して極め て小さい電力で多回転量を検出できる。
産業上の利用可能性
本発明によって小型で低 、消費電力で多回転量を検出することができるようになる ので、絶対位置検出が必要な小型サーボモータに適用できる。

Claims

請求の範囲
[1] 回転体の回転軸に対して垂直方向の一方向に磁ィヒされ前記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、固定体等に取り付けられた磁界 検出素子と、前記磁界検出素子力 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、
前記磁界検出素子は、 1回転以内の角度を検出する少なくとも 2つの 1回転用磁界 検出素子と、多回転量を検出する少なくとも 2つの多回転用磁界検出素子と、を備え 前記信号処理回路は、前記 1回転用磁界検出素子の検出信号から 1回転以内角 度信号を生成する 1回転信号処理回路と、前記多回転用磁界検出素子の検出信号 から多回転信号を生成する多回転信号処理回路と、を備えたことを特徴とする磁気 式エンコーダ装置。
[2] 前記永久磁石はリング形状を成し、前記永久磁石の周隨こリング状の磁気ヨークが 形成され、前記固定体を前記回転体の内側に配置したことを特徴とする請求項 1記 載の磁気式ェンコーダ装置。
[3] 前記固定体はリング形状を成し、強磁性体で構成されたことを特徴とする請求項 2 記載の磁気式ェンコーダ装置。
[4] 前記多回転用磁界検出素子は、磁気抵抗素子またはホール素子であることを特徴 とする請求項 1から 3のいずれか 1項に記載の磁気式エンコーダ装置。
[5] 前記多回転用磁界検出素子は、前記永久磁石の周方向に配置されたことを特徴と する請求項 1から 3のいずれか 1項に記載の磁気式エンコーダ装置。
[6] 前記多回転用磁界検出素子は、前記回転体の軸方向に空隙を介して、前記永久 磁石の側面に配置されたことを特徴とする請求項 1から 3のいずれか 1項に記載の磁 気式エンコーダ装置。
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