WO2007132603A1 - 磁気式エンコーダ装置 - Google Patents

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WO2007132603A1
WO2007132603A1 PCT/JP2007/057677 JP2007057677W WO2007132603A1 WO 2007132603 A1 WO2007132603 A1 WO 2007132603A1 JP 2007057677 W JP2007057677 W JP 2007057677W WO 2007132603 A1 WO2007132603 A1 WO 2007132603A1
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WO
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phase
hall sensors
magnetic field
phase hall
magnetic encoder
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PCT/JP2007/057677
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English (en)
French (fr)
Inventor
Yuji Arinaga
Katsumasa Yoshida
Koji Suzuki
Original Assignee
Kabushiki Kaisha Yaskawa Denki
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • 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

Definitions

  • the present invention relates to a magnetic encoder device that detects the rotational position of a servo motor used in a robot, a machine tool, or the like.
  • FIG. 10 is a configuration diagram of a magnetic encoder showing the first prior art.
  • FIG. 11 is a configuration diagram of a magnetic encoder showing the second prior art.
  • reference numerals 41 to 46 denote six magnetic field detecting elements arranged at positions that are 60 degrees out of phase with each other at the mechanical angle inside the fixed body 30.
  • Magnetic field detection elements 41 to 46 are provided at a position where the mechanical angle is 180 degrees out of phase. A total of 3 pairs of magnetic field detection elements 41 and 42, magnetic field detection elements 43 and 44, and magnetic field detection elements 45 and 46. It consists of a pair.
  • FIG. 12 is a block diagram of a signal processing circuit according to the conventional technique.
  • reference numerals 51 to 53 denote first differential amplifiers
  • the first differential amplifier 51 is an output signal V41 of the magnetic field detecting element 41.
  • the differential signal of the output signal V42 of the magnetic field detection element 42 is calculated and the first differential
  • the amplifier 52 calculates the differential signal between the output signal V43 of the magnetic field detection element 43 and the output signal V44 of the magnetic field detection element 44
  • the first differential amplifier 53 outputs the output signal V45 of the magnetic field detection element 45 and the magnetic field detection element 46.
  • Output signal V46 differential signal is calculated.
  • the first differential amplifiers 51 to 53 remove the even-order harmonic components by taking the difference between the output signals of a pair of magnetic field detection elements located at 180 ° facing positions.
  • Reference numerals 54 and 55 denote second differential amplifiers for calculating differential signals of the first differential amplifiers 51 and 52 and the first differential amplifiers 52 and 53, respectively.
  • the remaining 3rd harmonic components contained in the differential output signal are removed by combining the differential output signals after removing the even harmonic components and summing them.
  • the output signals Va and Vb of the second differential amplifiers 54 and 55 have a sine wave and cosine wave relationship, and the angle calculation circuit 56 calculates tan— 1 (Va ZVb) of both signals to calculate the rotation angle ⁇ . Calculated.
  • Patent Document 1 JP-A 58-162813
  • Patent Document 2 JP 2001-33277 A
  • the magnetic encoder disclosed in the first prior art is magnetized on the outer periphery of a circular magnet and has Hall elements arranged with a gap therebetween, but when the magnetic flux density distribution has distortion, There was a problem that the detection angle accuracy deteriorated because the detection signal of the Hall element contained harmonic components.
  • the magnetic encoder disclosed in the second prior art has six magnetic field detection elements that are 60 degrees out of phase in the circumferential direction with respect to each other in the circumferential direction, and the magnetic field detection elements that are positioned 180 degrees opposite each other. By detecting this differential signal, even-order harmonic components are canceled, and this differential output signal is combined to remove third-order harmonic components.
  • the number of magnetic field detection elements has increased from six to six, and the number of leads connected from the magnetic field detection elements to the signal processing circuit has increased, resulting in a problem of poor reliability and poor workability.
  • there is a limit to high accuracy because it is not possible to remove odd-order harmonic components exceeding the third order.
  • the present invention has been made in view of such problems, and signal processing from a magnetic field detection element. It is an object of the present invention to provide a highly accurate magnetic encoder device capable of suppressing higher-order harmonic components without increasing the number of lead wires to a logic circuit.
  • the present invention is configured as follows.
  • the invention described in claim 1 is a disk-shaped or ring-shaped permanent magnet attached to a rotating body and magnetized in a direction perpendicular to the axial direction of the rotating body, and is opposed to the permanent magnet via a gap.
  • the magnetic field detection elements are sequentially arranged every 90 degrees.
  • A, B, A and B phase Hall sensors and A
  • N is an odd number of 3 or more) C, D, C and D phase Hall sensors
  • the invention described in claim 2 is a disk-shaped or ring-shaped permanent magnet attached to the rotating body and magnetized in one direction perpendicular to the axial direction of the rotating body, and a gap is formed in the permanent magnet.
  • a magnetic encoder comprising a magnetic field detection element attached to a fixed body so as to face each other and a signal processing circuit for processing a signal of the magnetic field detection element force, the magnetic field detection element is provided every 90 degrees.
  • A, B, A and B phase Hall sensors arranged in sequence,
  • the hall sensor output is connected in series.
  • the invention according to claim 3 is characterized in that the N is 3.
  • the invention according to claim 4 is characterized in that the N is 5.
  • the invention according to claim 5 is a disk-shaped or ring-shaped permanent magnet attached to the rotating body and magnetized in one direction perpendicular to the axial direction of the rotating body, and a gap is formed in the permanent magnet.
  • a signal processing circuit for processing a signal of the magnetic field detection element force wherein the magnetic field detection element is attached to the fixed body so as to face each other.
  • the field detection elements are A, B, A and B phase Hall sensors arranged in order every 90 degrees,
  • E, F, E and F phase hall sensors and the A, B, A and B phase hall sensors
  • the invention according to claim 6 is a disk-shaped or ring-shaped permanent magnet attached to the rotating body and magnetized in one direction perpendicular to the axial direction of the rotating body, and a gap is formed in the permanent magnet.
  • a magnetic encoder comprising a magnetic field detection element attached to a fixed body so as to face each other and a signal processing circuit for processing a signal of the magnetic field detection element force, the magnetic field detection element is provided every 90 degrees.
  • A, B, A and B phase Hall sensors arranged in sequence,
  • E, F, E and F phase hall sensors and the A, B, A and B phase hall sensors
  • the invention according to claim 7 is characterized in that the N is 3 and the N force.
  • the Hall elements arranged in 360ZN or 180ZN are arranged for the four Hall elements arranged in order every 90 degrees, and are connected in parallel. Harmonic components can be suppressed.
  • a coder device can be provided.
  • the Hall elements arranged in 360ZN or 180ZN are arranged for the four Hall elements arranged in order every 90 degrees, and are connected in series. Harmonic components can be suppressed and the signal of the fundamental component becomes larger, so the SZN of the output signal is improved.
  • 360ZN or 180ZN and 360 / N or 180ZN are arranged for four Hall elements arranged in order every 90 degrees.
  • the number of harmonic components can be removed and the signal of the fundamental component becomes larger, so the SZN of the output signal is improved.
  • FIG. 1 is a configuration diagram of a position signal detector of a magnetic encoder device showing a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a connection diagram of the Hall sensor of the magnetic encoder device according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a graph showing the detection principle of the magnetic encoder device according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 Connection diagram of Hall sensor of magnetic encoder device according to second embodiment of the present invention
  • FIG. 5 Graph showing the detection principle of magnetic encoder device of the second embodiment of the present invention
  • FIG. 6 is a configuration diagram of a position signal detection unit of a magnetic encoder device showing a third embodiment of the invention.
  • FIG. 7 is a configuration diagram of a position signal detector of a magnetic encoder device showing a fourth embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a connection diagram of the Hall sensor of the magnetic encoder device according to the fourth embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a configuration diagram of a position signal detector of a magnetic encoder device showing a fifth embodiment of the invention.
  • FIG. 12 is a block diagram of a signal processing circuit of a magnetic encoder according to the second prior art.
  • FIG. 1 is a configuration diagram of a position signal detection unit of a magnetic encoder device showing a first embodiment of the present invention.
  • 2 is a permanent magnet attached to a rotating body (not shown), and is magnetized in one direction perpendicular to the axial direction of the rotating body as indicated by an arrow M in the figure.
  • Arrow R indicates the direction of rotation.
  • 4 is a Hall sensor that detects the magnetic field of the permanent magnet 2 and converts it into a voltage.
  • Hall sensor 4 consists of A phase, B phase, A phase, B phase hall sensor, and A phase, B phase, A phase, B phase hall, which are arranged in order around the permanent magnet 2 with a gap around 90 degrees.
  • a total of eight Hall sensor forces are configured: C phase, D phase, C phase, and D phase Hall sensors.
  • FIG. 2 is a connection diagram of the Hall sensor of the magnetic encoder device according to the present embodiment.
  • reference numeral 70 denotes a position signal detection unit comprising eight hall sensors. Also, a is the positive input terminal of Hall sensor 4, b is the negative input terminal, c is the positive output terminal, and d is the negative output terminal.
  • the input sides of the eight hall sensors are connected in series and are driven by a power source 9 arranged in the signal processing circuit 80.
  • the output side is a parallel connection in which positive output terminals and negative output terminals are connected to each other as a set of Hall sensors at 60 degrees. That is, for phase A hall sensors and phase C hall sensors, connect phase A hall sensor positive output terminal c and phase C hall sensor positive output terminal c, and phase A hall sensor negative output terminal d and phase C hall sensor negative output. Terminal d is connected.
  • A, B, A and B are arranged in order every 90 degrees.
  • A, B, A and B phase Hall sensors and C, D, C and D phase Hall sensors The point is that the outputs are connected in parallel.
  • the number of lead wires from the position signal detector to the signal processing circuit is usually the number of sensors X 2 and the power line as signal lines.
  • each Hall sensor 4 detects a change in the magnetic field and outputs a sinusoidal signal with one cycle per rotation.
  • the output signal of each Hall sensor force includes even-order and odd-order harmonic components in addition to the fundamental signal of one period per rotation. It will be explained that the third-order and even-order harmonic components can be suppressed in this embodiment.
  • FIG. 3 is a graph showing the detection principle in this example.
  • Val is the fundamental wave output signal obtained from the A-phase hall sensor force
  • Vcl is the fundamental wave output signal obtained from the phase C hall sensor force
  • Va3 is the third harmonic signal of the output signal from the phase A hall sensor
  • Vc3 Is the third harmonic signal with the output signal power of the phase C Hall sensor.
  • Vacl is an output signal when the outputs of the A-phase Hall sensor and C-phase Hall sensor are connected in parallel.
  • the A-phase and C-phase hall sensors are arranged at a mechanical angle of 60 degrees, and both hall sensors are connected in parallel.
  • the third-order harmonic components contained in the output signal have a phase difference of 180 degrees in electrical angle, and the third-order harmonic components are cancelled.
  • a signal with a small third-order harmonic component can be obtained between the output terminals connected in parallel (between the terminals cd).
  • the output signals of the four sets of Hall sensor force connected in parallel are amplified by the differential amplifiers 81 to 84 in the signal processing circuit 80 shown in FIG.
  • the output signal from 83 is differentially amplified by the differential amplifier 85, and the output signals from the differential amplifiers 82 and 84 are differentially amplified by the differential amplifier 86.
  • Output signal from differential amplifier 81 and 83 The output signals from the differential amplifiers 82 and 84 are the output signals from the Hall sensor pair that are 180 degrees opposite to each other, and even-order harmonic components are removed by differential amplification.
  • Va and Vb are different sinusoidal signals 90 degrees out of phase with one another, is converted into an angle signal ⁇ by calculation of tan _1 (VaZVb).
  • the output signals of the hall sensors at the opposite positions of 180 degrees in the signal processing circuit are obtained by connecting the output terminals of the hall sensors at 60 degrees in parallel in the position signal detection unit. Since differential amplification is performed, third-order and even-order harmonic components are suppressed, and an accurate angle signal can be obtained with a small number of lead wires.
  • FIG. 4 is a connection diagram of the Hall sensor of the magnetic encoder device showing the second embodiment of the present invention.
  • the layout of the Hall sensor is the same as in Fig. 1.
  • This embodiment is different from the first embodiment in that the output side is connected in series with the hall sensors at 60 degrees as a set.
  • FIG. 5 is a graph showing the detection principle in this embodiment.
  • Val is the output signal of the fundamental wave obtained from the A phase Hall sensor force
  • Vcl is the output signal of the fundamental wave obtained from the C phase Hall sensor force
  • Vacl is when the outputs of the A phase Hall sensor and the C phase Hall sensor are connected in series.
  • Vacl is a signal obtained by vector synthesis of Val and Vcl, and is approximately 1.7 times as large as Val and Vcl.
  • B and D phase Hall sensors Although not shown, B and D phase Hall sensors, A and C phase Hall sensors, and B phase
  • the output signal of the fundamental wave is about 1.7 times smaller than the second harmonic component.
  • the third harmonic component is canceled and a signal about 1.7 times larger than the differential signal of the Hall sensor alone can be obtained. A good output signal can be obtained.
  • FIG. 6 is a configuration diagram of a position signal detector of a magnetic encoder device showing a third embodiment of the present invention.
  • reference numeral 2 denotes a permanent magnet attached to a rotating body (not shown), which is magnetized in one direction perpendicular to the axial direction of the rotating body as indicated by an arrow M in the figure.
  • 4 is a Hall sensor that detects the magnetic field of the permanent magnet 2 and converts it into a voltage.
  • Hall sensor 4 consists of A phase, B phase, A phase, B phase hall sensor, and A phase, B phase, A phase, B phase hall, which are arranged in order around the permanent magnet 2 with a gap around 90 degrees.
  • a total of eight Hall sensor forces are arranged: C phase, D phase, C phase, and D phase Hall sensors.
  • This embodiment differs from the first embodiment in that C-phase, D-phase, C-phase, and D-phase hall sensors are
  • the paired hall sensors are arranged at a mechanical angle of 36 degrees relative to each other, and the outputs of both hall sensors are connected in parallel, so that they are included in the output signals of the paired hall sensors.
  • the 5th harmonic components have a phase difference of 180 degrees in electrical angle with each other, and the 5th harmonic components are cancelled. In other words, a signal with a small fifth-order harmonic component can be obtained between the output terminals connected in parallel (between terminals cd).
  • the output of the Hall sensors in the pair is connected in parallel. By connecting them in series, the output of the Hall sensors in the pair is vector-synthesized, and the fundamental wave is about 1.9 times that of the Hall sensor alone. Output signal can be obtained.
  • C, D, C, and D phase Hall sensors are placed at positions of ⁇ 1 or a 2 degrees, respectively.
  • FIG. 7 is a configuration diagram of a position signal detector of a magnetic encoder device showing a fourth embodiment of the present invention.
  • each of the four Hall sensors is arranged in order of 90 degrees every A phase, B phase, A phase,
  • FIG. 8 is a connection diagram of the Hall sensor of the magnetic encoder device according to the present embodiment.
  • the three Hall sensors, A-phase, C-phase, and E-phase Hall sensors are paired, and the outputs of the three Hall sensors are connected in parallel by connecting their positive outputs and negative outputs.
  • Cancel harmonic components 60 degree position and 5th harmonic component cancel Hall sensor is placed at 36 degrees position respectively, so that the signal connected in parallel is taken out, so the 3rd harmonic component and 5 Second harmonic components can be removed.
  • the number of lead wires from the position signal detector to the signal processing circuit is 10 as in the first and second embodiments, and reliability and workability are not reduced due to the increase in hall sensors. it can.
  • the force of three Hall sensors connected in parallel is connected in series, and the outputs of the three Hall sensors are combined into a vector, which is about 2.7 times the fundamental wave of the Hall sensor alone. Output signal can be obtained.
  • SZN can be improved and a highly reliable and highly accurate magnetic encoder Can be provided.
  • FIG. 9 is a configuration diagram of the position signal detection unit of the magnetic encoder device showing the fifth embodiment of the present invention.
  • 21 is a ring type permanent magnet attached to a rotating body (not shown), and is magnetized in one direction perpendicular to the axial direction of the rotating body as indicated by an arrow M in the figure.
  • Reference numeral 4 denotes a hall sensor disposed inside the ring-type permanent magnet 21 via a gap.
  • This embodiment differs from the third embodiment in that the permanent magnet 2 is a ring-shaped permanent magnet 21. This can be applied to an outer rotor type motor having a hollow shaft that does not rotate.
  • the present invention can be used as a magnetic encoder device that detects the rotational position of a servo motor used in a robot, a machine tool, or the like.

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Abstract

　磁界検出素子から信号処理回路へのリード線数を増加することなく高次の高調波成分を抑制できる高精度の磁気式エンコーダ装置を提供する。 　永久磁石（２）の周囲に空隙を介して９０度おきに順にＡ１相、Ｂ１相、Ａ２相、Ｂ２相ホールセンサを順に配置し、Ａ１相、Ｂ１相、Ａ２相、Ｂ２相ホールセンサに対してそれぞれ６０度位置にＣ１相、Ｄ１相、Ｃ２相、Ｄ２相ホールセンサを配置し、互いに６０度にあるホールセンサを組として正出力端子同士及び負出力端子同士を接続する。

Description

明 細 書
磁気式エンコーダ装置
技術分野
[0001] 本発明は、ロボットや工作機などに使用するサーボ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する。
背景技術
[0002] 従来、円形の磁石の外周上に着磁し、この磁石と空隙を隔てて対向し、互いに 90 度離れた位置にホール素子を配置した位置検出器が開示されて 、る (例えば特許 文献 1参照)。
図 10は、第 1従来技術を示す磁気式エンコーダの構成図である。
図において、シャフト 11に取付けられた円板状の永久磁石 2の外円には同心状に 円筒形の磁性体 3がある。つまり、磁石 2と磁性体 3は空隙を隔てて対向している。こ の空隙にホールセンサ 47、 48が 90度離れて取付けられ、永久磁石 2の回転に伴う 空隙の磁束密度の変化を検出し、回転位置を検出している。
[0003] また、従来、回転軸と垂直な一方向に着磁された円板状の永久磁石に空隙を介し て互いに周方向に機械角で 60度位相をずらした位置に 6個の磁界検出素子を配置 し、偶数次と 3次の高調波成分を除去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 2参照)。
[0004] 図 11は、第 2従来技術を示す磁気式エンコーダの構成図である。
図において、 41〜46は固定体 30の内側に互いに機械角で 60度位相をずらした 位置に配置された 6個の磁界検出素子である。
磁界検出素子 41〜46は機械角で 180度位相がずれた位置に設けた 2個 1対の磁 界検出素子 41と 42、磁界検出素子 43と 44、及び磁界検出素子 45と 46の計 3対の もので構成されている。
[0005] 図 12は、本従来技術の信号処理回路のブロック図である- 図において、 51〜53は第 1差動増幅器で、第 1差動増幅器 51は磁界検出素子 41 の出力信号 V41と磁界検出素子 42の出力信号 V42の差動信号を演算し、第 1差動 増幅器 52は磁界検出素子 43の出力信号 V43と磁界検出素子 44の出力信号 V44 の差動信号を演算し、第 1差動増幅器 53は磁界検出素子 45の出力信号 V45と磁 界検出素子 46の出力信号 V46の差動信号を演算する。前記第 1差動増幅器 51〜5 3は、 180度対向位置にある 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、偶数次高調波成分を除去するものである。
54、 55は第 2差動増幅器で、それぞれ第 1差動増幅器 51と 52、第 1差動増幅器 5 2と 53の差動信号を演算している。偶数時の高調波成分を除去した後の差動出力信 号を 2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残りの 3次 の高調波成分を除去するものである。第 2差動増幅器 54、 55の出力信号 Va、 Vbは 正弦波、余弦波の関係になっており、角度演算回路 56によって両信号の tan—1 (Va ZVb)演算を行い、回転角度 Θを算出している。
特許文献 1 :特開昭 58— 162813号公報
特許文献 2：特開 2001-33277号公報
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0006] また、第 1従来技術に開示された磁気式エンコーダは、円形の磁石の外周上に着 磁し、空隙を隔てホール素子を配置しているが、磁束密度分布が歪みを持つ場合、 ホール素子の検出信号に高調波成分を含むため検出角度精度が悪くなるという問 題があった。
また、第 2従来技術に開示された磁気式エンコーダは、互いに周方向に機械角で 6 0度位相がずれている磁界検出素子を 6個配置し、 180度対向する位置にある磁界 検出素子同士の差動信号を検出することによって偶数次の高調波成分をキャンセル すると共に、この差動出力信号を組み合わせて 3次の高調波成分を除去している。 し力しながら、磁界検出素子数力 個から 6個に増え、磁界検出素子から信号処理 回路へ接続するリード本数が増えるため、信頼性が悪くなり作業性も悪くなるという問 題があった。また、 3次を超える奇数次の高調波成分を除去することができないため、 高精度化に対して限界があった。
[0007] 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、磁界検出素子から信号処 理回路へのリード線数を増加することなく高次の高調波成分を抑制できる高精度の 磁気式エ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、回転体に取付けられ、前記回転体の軸方向と垂直な一 方向に磁化された円板状またはリング状の永久磁石と、前記永久磁石に空隙を介し て対向するように固定体に取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において、前記磁界検 出素子は、 90度おきに順に配置された A、 B、 A及び B相ホールセンサと、前記 A
1 1 2 2
、 B、 A及び B相ホールセンサに対してそれぞれ α = 360ZN又は a = 180ZN (
1 1 2 2
但し、 Nは 3以上の奇数）の位置に配置された C、 D、 C及び D相ホールセンサとを
1 1 2 2
備え、 A、 B、 A及び B相ホールセンサの出力と前記 C、 D、 C及び D相ホール
1 1 2 2 1 1 2 2 センサの出力をそれぞれ並列に接続したことを特徴として 、る。
また、請求項 2に記載の発明は、回転体に取付けられ、前記回転体の軸方向と垂 直な一方向に磁化された円板状またはリング状の永久磁石と、前記永久磁石に空隙 を介して対向するように固定体に取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において、前記磁 界検出素子は、 90度おきに順に配置された A、 B、 A及び B相ホールセンサと、
1 1 2 2
前記 A、 B、 A及び B相ホールセンサに対してそれぞれ α = 360ZN又は α = 18
1 1 2 2
ΟΖΝ (但し、 Νは 3以上の奇数）の位置に配置された C、 D、 C及び D相ホールセ
1 1 2 2
ンサとを備え、 A、 B、 A及び B相ホールセンサの出力と前記 C、 D、 C及び D相
1 1 2 2 1 1 2 2 ホールセンサの出力をそれぞれ直列に接続したことを特徴として 、る。
また、請求項 3に記載の発明は、前記 Nが 3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 Nが 5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、回転体に取付けられ、前記回転体の軸方向と垂 直な一方向に磁化された円板状またはリング状の永久磁石と、前記永久磁石に空隙 を介して対向するように固定体に取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において、前記磁 界検出素子は、 90度おきに順に配置された A、 B、 A及び B相ホールセンサと、
1 1 2 2
前記 A、 B、 A及び B相ホールセンサに対してそれぞれ α =360ΖΝ又は α =
1 1 2 2 1 1 1
180/N (但し、 Nは 3以上の奇数）の位置に配置された C、 D、 C及び D相ホー
1 1 1 1 2 2 ルセンサと前記 A、 B、 A及び B相ホールセンサに対してそれぞれ α =360/Ν
1 1 2 2 2 2 又は a = 180/N (但し、 Nは前記 Nと異なる 3以上の奇数)の位置に配置された
2 2 2 1
E、 F、 E及び F相ホールセンサとを備え、前記 A、 B、 A及び B相ホールセンサ
1 1 2 2 1 1 2 2
の出力と、前記 C、 D、 C及び D相ホールセンサの出力と、前記 E、 F、 E及び F
1 1 2 2 1 1 2 2 相ホールセンサの出力とをそれぞれ並列に接続したことを特徴として 、る。
また、請求項 6に記載の発明は、回転体に取付けられ、前記回転体の軸方向と垂 直な一方向に磁化された円板状またはリング状の永久磁石と、前記永久磁石に空隙 を介して対向するように固定体に取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において、前記磁 界検出素子は、 90度おきに順に配置された A、 B、 A及び B相ホールセンサと、
1 1 2 2
前記 A、 B、 A及び B相ホールセンサに対してそれぞれ a =360ZN又は a =
1 1 2 2 1 1 1
180/N (但し、 Nは 3以上の奇数）の位置に配置された C、 D、 C及び D相ホー
1 1 1 1 2 2 ルセンサと前記 A、 B、 A及び B相ホールセンサに対してそれぞれ a =360/N
1 1 2 2 2 2 又は a = 180/N (但し、 Nは前記 Nと異なる 3以上の奇数)の位置に配置された
2 2 2 1
E、 F、 E及び F相ホールセンサとを備え、前記 A、 B、 A及び B相ホールセンサ
1 1 2 2 1 1 2 2
の出力と、前記 C、 D、 C及び D相ホールセンサの出力と、前記 E、 F、 E及び F
1 1 2 2 1 1 2 2 相ホールセンサの出力とをそれぞれ直列に接続したことを特徴として 、る。
また、請求項 7に記載の発明は、前記 Nが 3、前記 N力 であることを特徴としてい
1 2
る。
発明の効果
請求項 1に記載の発明によると、 90度おきに順に配置した 4個のホール素子に対し てそれぞれ 360ZN又は 180ZNに配置したホール素子を配置し、それぞれ並列に 接続しているので、 N次の高調波成分を抑制できる。
また、ホール素子の出力を並列に接続しているので、出力信号のリード本数は増え ない。従って、信号処理回路へのリード本数を増やすこと無ぐ高精度の磁気式ェン コーダ装置を提供することができる。
請求項 2に記載の発明によると、 90度おきに順に配置した 4個のホール素子に対し てそれぞれ 360ZN又は 180ZNに配置したホール素子を配置し、それぞれ直列に 接続しているので、 N次の高調波成分を抑制できると共に基本波成分の信号が大き くなるので出力信号の SZNが向上する。
また、ホール素子の出力を直列に接続しているので、出力信号のリード本数は増え ない。従って、信号処理回路へのリード本数を増やすこと無ぐ高精度の磁気式ェン コーダ装置を提供することができる。
また、請求項 5に記載の発明によると、 90度おきに順に配置した 4個のホール素子 に対してそれぞれ 360ZN又は 180ZNの配置と、 360/N又は 180ZNの配置
1 1 2 2 にホール素子を配置し、それぞれ並列に接続しているので、 N次と N次の複数の次
1 2
数の高調波成分を除去することができる。また、ホール素子の出力を並列に接続して いるので、出力信号のリード本数は増えない。
従って、信号処理回路へのリード本数を増やすこと無ぐ高精度の磁気式ェンコ一 ダ装置を提供することができる。
また、請求項 6に記載の発明によると、 90度おきに順に配置した 4個のホール素子 に対してそれぞれ 360ZN又は 180ZNの配置と、 360/N又は 180ZNの配置
1 1 2 2 にホール素子を配置し、それぞれ直列に接続しているので、 N次と N次の複数の次
1 2
数の高調波成分を除去することができると共に基本波成分の信号が大きくなるので 出力信号の SZNが向上する。
また、ホール素子の出力を直列に接続しているので、出力信号のリード本数は増え ない。従って、信号処理回路へのリード本数を増やすこと無ぐ高精度の磁気式ェン コーダ装置を提供することができる。
図面の簡単な説明
[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位置信号検出部の構成 図
[図 2]本発明の第 1実施例の磁気式エンコーダ装置のホールセンサの接続図
[図 3]本発明の第 1実施例の磁気式エンコーダ装置の検出原理を示すグラフ [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ホールセンサの接続図 [図 5]本発明の第 2実施例の磁気式エンコーダ装置の検出原理を示すグラフ [図 6]本発明の第 3実施例を示す磁気式エンコーダ装置の位置信号検出部の構成 図
[図 7]本発明の第 4実施例を示す磁気式エンコーダ装置の位置信号検出部の構成 図
[図 8]本発明の第 4実施例の磁気式エンコーダ装置のホールセンサの接続図
[図 9]本発明の第 5実施例を示す磁気式エンコーダ装置の位置信号検出部の構成 図
[図 10]第 1従来技術を示す磁気式エンコーダの構成図
[図 11]第 2従来技術を示す磁気式エンコーダの構成図
[図 12]第 2従来技術における磁気式エンコーダの信号処理回路のブロック図 符号の説明
1 回転体
11 シャフト（回転軸）
2 永久磁石
21 リング型永久磁石
3 磁性体
30 固定体
4、 47、 48 ホールセンサ
40 位置信号検出部
41〜46 磁界検出素子
50、 80 信号処理回路
51〜53 第 1差動増幅器
54、 55 第 2差動増幅器
56、 87 角度演算回路
70 位置信号検出部
81〜86 差動増幅器 発明を実施するための最良の形態
[0012] 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
[0013] 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位置信号検出部の構 成図である。
図において、 2は図示しない回転体に取付けられた永久磁石であり、図中矢印 Mで 示すような回転体の軸方向と垂直な一方向に磁ィ匕されている。矢印 Rは回転方向を 示す。 4は永久磁石 2の磁界を検出し電圧に変換するホールセンサである。
ホールセンサ 4は、永久磁石 2の周囲に空隙を介して 90度おきに順に配置された A 相、 B相、 A相、 B相ホールセンサと、 A相、 B相、 A相、 B相ホールセンサに対
1 1 2 2 1 1 2 2
してそれぞれ 60度 = 180ZN、 N = 3の場合に相当）位置に配置された C相、 D 相、 C相、 D相ホールセンサの合計 8個のホールセンサ力 構成されている。
1 2 2
[0014] 図 2は、本実施例における磁気式エンコーダ装置のホールセンサの接続図である。
図において 70は 8個のホールセンサからなる位置信号検出部である。また、 aはホ ールセンサ 4の正入力端子、 bは負入力端子、 cは正出力端子、 dは負出力端子を示 す。 8個ホールセンサの入力側は直列に接続され、信号処理回路 80に配置された 電源 9で駆動されている。
出力側は、互いに 60度にあるホールセンサを組として正出力端子同士及び負出力 端子同士を接続した並列接続となっている。すなわち、 A相ホールセンサと C相ホ ールセンサについては、 A相ホールセンサ正出力端子 cと C相ホールセンサ正出力 端子 cを接続し、 A相ホールセンサ負出力端子 dと C相ホールセンサ負出力端子 d を接続している。 B相ホールセンサと D相ホールセンサ、 A相ホールセンサと C相
1 1 2 2 ホールセンサ、 B相ホールセンサと D相ホールセンサについても同様に接続されて
2 2
いる。
[0015] 本発明が従来技術と異なる部分は、 90度おきに順に配置された A、 B、 A及び B
1 1 2 相ホールセンサに対してそれぞれ 60度位置に C、 D、 C及び D相ホールセンサ
2 1 1 2 2
を配置し、 A、 B、 A及び B相ホールセンサと C、 D、 C及び D相ホールセンサの 出力をそれぞれ並列に接続して 、る点である。
なお、この接続は、図 2に示す位置信号検出部 70で行なうものであり、位置信号検 出部から信号処理回路へのリード線の本数は、通常は信号線としてセンサ数 X 2と 電源線 2本が必要であり、第 2従来技術のように 6個のホールセンサを用いる場合、 6 X 2 + 2 = 14本必要であるが本実施例では 10本にまで削減できる。
[0016] 次に、動作について説明する。
永久磁石 2が回転すると各ホールセンサ 4は磁界の変化を検出し、 1回転に 1周期 の正弦波状の信号を出力する。実際には、各ホールセンサ力もの出力信号は 1回転 に 1周期の基本波信号のほかに偶数次及び奇数次の高調波成分を含んでいる。本 実施例おいて 3次及び偶数次の高調波成分を抑制できることを説明する。
[0017] 図 3は本実施例のおける検出原理を示すグラフである。
図において Valは A相ホールセンサ力 得られる基本波の出力信号、 Vclは C相 ホールセンサ力 得られる基本波の出力信号、 Va3は A相ホールセンサの出力信号 がもつ 3次高調波信号、 Vc3は C相ホールセンサの出力信号力もつ 3次高調波信号 である。 Vaclは A相ホールセンサと C相ホールセンサの出力を並列接続したときの 出力信号である。
本実施例では位置信号検出部 70において、 A相と C相ホールセンサは互いに機 械角で 60度位置に配置し、両ホールセンサを並列に接続しているので、 A相と C相 ホールセンサの出力信号に含まれる 3次高調波成分はお互 、に電気角で 180度の 位相差を持つことになり、 3次高調波成分はキャンセルされる。すなわち、並列接続し た出力端子間 (端子 cd間)からは 3次高調波成分の小さい信号が得られる。
同様にして B相と D相ホールセンサ、 A相と C相ホールセンサ、 B相と D相ホー
1 1 2 2 2 2 ルセンサにおいて、それぞれの並列接続した出力端子間は 3次高調波成分の小さい 信号となる。
[0018] これらの並列接続された 4組のホールセンサ力もの出力信号は、図 2に示す信号処 理回路 80において、それぞれ差動増幅器 81乃至 84で増幅された後、差動増幅器 8 1と 83からの出力信号は差動増幅器 85で差動増幅され、差動増幅器 82と 84からの 出力信号は差動増幅器 86で差動増幅される。差動増幅器 81と 83からの出力信号 及び差動増幅器 82と 84からの出力信号は、お互いに 180度対向位置にあるホール センサ組からの出力信号であり、差動増幅することによって偶数次の高調波成分が 除去される。
差動増幅器 85からの出力信号 Va及び差動増幅器 86からの出力信号 Vbは角度 変換回路 87に入力される。 Va及び Vbは互いに 90度位相の異なる正弦波状の信号 であり、 tan_1 (VaZVb)の演算によって角度信号 Θに変換される。
[0019] このように、本実施例では、位置信号検出部において互いに 60度にあるホールセ ンサの出力端子を並列接続し、信号処理回路において 180度対向位置にあるホー ルセンサ組からの出力信号を差動増幅しているので、 3次及び偶数次の高調波成分 が抑制され、少ないリード線数で、精度の良い角度信号が得られる。
実施例 2
[0020] 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ホールセンサの接続 図である。ホールセンサの配置については図 1と同じである。
本実施例が第 1実施例と異なる点は、互いに 60度にあるホールセンサを組として出 力側を直列接続した点である。
図 5は、本実施例における検出原理を示すグラフである。
図において Valは A相ホールセンサ力 得られる基本波の出力信号、 Vclは C相 ホールセンサ力 得られる基本波の出力信号、 Vaclは A相ホールセンサと C相ホ ールセンサの出力を直列接続したときの出力信号である。 Vaclは、 Valと Vclがべク トル合成された信号となり、 Val, Vclの約 1. 7倍の大きさの信号となる。
なお、第 1実施例と同様に 3次高調波成分はキャンセルされ、 3次高調波成分の小 さい信号が得られることは明らかである。
また、図示しないが、 B相と D相ホールセンサ、 A相と C相ホールセンサ、 B相と
1 1 2 2 2
D相ホールセンサにおいても同様に、それぞれの直列接続した出力端子間には、 3
2
次高調波成分の小さ 、約 1. 7倍の基本波の出力信号を得ることができる。
[0021] このように、本実施例では、 3次高調波成分はキャンセルされるとともに、ホールセン サ単体の差動信号より約 1. 7倍の大きさの信号を得ることができるので、 SZNの良 い出力信号を得ることができる。 実施例 3
[0022] 図 6は、本発明の第 3実施例を示す磁気式エンコーダ装置の位置信号検出部の構 成図である。
図において、 2は回転体（図示せず）に取付けられた永久磁石であり、図中矢印 M で示すような回転体の軸方向と垂直な一方向に磁ィ匕されている。 4は永久磁石 2の磁 界を検出し電圧に変換するホールセンサである。
ホールセンサ 4は、永久磁石 2の周囲に空隙を介して 90度おきに順に配置された A 相、 B相、 A相、 B相ホールセンサと、 A相、 B相、 A相、 B相ホールセンサに対
1 1 2 2 1 1 2 2
してそれぞれ 36度 = 180ZN、 N = 5の場合に相当）位置に配置された C相、 D 相、 C相、 D相ホールセンサの合計 8個のホールセンサ力 構成されている。
1 2 2
本実施例が第 1実施例と異なる点は、 C相、 D相、 C相、 D相ホールセンサを A
1 1 2 2 1 相、 B相、 A相、 B相ホールセンサに対してそれぞれ 36度の位置に配置した点で
1 2 2
ある。
なお、位置信号検出部におけるホールセンサの接続及び信号処理回路との接続 は図 2と同じである。
[0023] 本実施例では、組となるホールセンサを互いに機械角で 36度位置に配置し、両ホ ールセンサの出力を並列に接続しているので、組となるホールセンサの出力信号に 含まれる 5次高調波成分はお互いに電気角で 180度の位相差を持つことになり、 5次 高調波成分はキャンセルされる。すなわち、並列接続した出力端子間 (端子 cd間）か らは 5次高調波成分の小さ 、信号が得られる。
なお、本実施例では組となるホールセンサの出力を並列に接続した力 直列に接 続することにより組となるホールセンサの出力がベクトル合成され、ホールセンサ単体 の約 1. 9倍の基本波の出力信号を得ることができる。
[0024] また、 7次以上の高調波を除去したい場合は、 4つのホールセンサをそれぞれ 90度 おきに A相、 B相、 A相、 B相としてホールセンサを配置し、 α 1 = 360ZN又は α
1 1 2 2
2= 180ΖΝ、 Νは 7以上の整数とし、 A、 Β、 Α及び B相ホールセンサに対してそ
1 1 2 2
れぞれ α 1又は a 2度の位置にそれぞれ C、 D、 C及び D相ホールセンサを配置
1 1 2 2
し、 高調波成分がお互いに電気角で 180度の位相差をもつように組となるホールセン サの出力を接続すれば良い。
実施例 4
[0025] 図 7は、本発明の第 4実施例を示す磁気式エンコーダ装置の位置信号検出部の構 成図である。
図において、 4つのホールセンサをそれぞれ 90度おきに順に A相、 B相、 A相、
1 1 2
B相として配置し、 A相、 B相、 A相、 B相ホールセンサに対してそれぞれ 60度（
2 1 1 2 2
ひ = 180ZN、 N= 3の場合に相当）位置に C相、 D相、 C相、 D相ホールセンサ
1 1 2 2
を配置し、 A相、 B相、 A相、 B相ホールセンサに対してそれぞれ 36度 = 180
1 1 2 2
ZN、 N = 5の場合に相当）位置に E相、 F相、 E相、 F相ホールセンサを配置して
1 1 2 2
いる。
[0026] 図 8は、本実施例における磁気式エンコーダ装置のホールセンサの接続図である。
図において、 A相、 C相及び E相ホールセンサの 3個のホールセンサを組として それぞれの正出力同士及び負出力同士を接続する形で 3個のホールセンサの出力 を並列接続している。 B相、 D相、 F相ホールセンサの組、 A相、 C相、 E相ホー
1 1 1 2 2 2 ルセンサの組、 B相、 D相、 F相ホールセンサの組についても同様に接続されてい
2 2 2
る。
[0027] このように、本実施例では、 A相、 B相、 A相、 B相ホールセンサに対して 3次高
1 1 2 2
調波成分をキャンセルする 60度の位置と 5次高調波成分をキャンセルする 36度の位 置にホールセンサをそれぞれ配置し、並列接続した信号を取り出して 、るので 3次高 調波成分及び 5次高調波成分を除去することができる。
また、位置信号検出部から信号処理回路へのリード線の本数は、第 1実施例、第 2 実施例と同様に 10本で良ぐホールセンサの増加による信頼性、作業性の低下が防 止できる。
[0028] なお、本実施例では 3つのホールセンサの出力を並列に接続した力 直列に接続 することにより 3つのホールセンサの出力がベクトル合成され、ホールセンサ単体の 約 2. 7倍の基本波の出力信号を得ることができる。
従って、 SZNを改善することができ、信頼性の高い高精度の磁気式エンコーダ装 置を提供することができる。
実施例 5
[0029] 図 9は、本発明の第 5実施例を示す磁気式エンコーダ装置の位置信号検出部の構 成図である。
図において、 21は図示しない回転体に取付けられたリング型永久磁石であり、図 中矢印 Mで示すような回転体の軸方向と垂直な一方向に磁ィ匕されている。 4はリング 型永久磁石 21の内側に空隙を介して配置されたホールセンサである。
本実施例が第 3実施例と異なる点は、永久磁石 2をリング形状永久磁石 21としてい る点である。これにより、回転しない中空形状のシャフトを有したァウタロータタイプの モータに適用することができる。
産業上の利用可能性
[0030] 本発明は、ロボットや工作機などに使用するサーボモータの回転位置を検出する 磁気式エンコーダ装置として利用できる。

Claims

請求の範囲
[1] 回転体に取付けられ、前記回転体の軸方向と垂直な一方向に磁化された円板状ま たはリング状の永久磁石と、前記永久磁石に空隙を介して対向するように固定体に 取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において、
前記磁界検出素子は、 90度おきに順に配置された A、 B、 A及び B相ホールセ
1 1 2 2 ンサと、前記 A、 B、 A及び B相ホールセンサに対してそれぞれひ =360ZN又は
1 1 2 2
ひ =180ZN (但し、 Nは 3以上の奇数）の位置に配置された C、 D、 C及び D相ホ
1 1 2 2 ールセンサとを備え、
A、 B、 A及び B相ホールセンサの出力と前記 C、 D、 C及び D相ホールセン
1 1 2 2 1 1 2 2 サの出力をそれぞれ並列に接続したことを特徴とする磁気式エンコーダ装置。
[2] 回転体に取付けられ、前記回転体の軸方向と垂直な一方向に磁化された円板状ま たはリング状の永久磁石と、前記永久磁石に空隙を介して対向するように固定体に 取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において、
前記磁界検出素子は、 90度おきに順に配置された A、 B、 A及び B相ホールセ
1 1 2 2 ンサと、前記 A、 B、 A及び B相ホールセンサに対してそれぞれひ =360ZN又は
1 1 2 2
ひ =180ZN (但し、 Nは 3以上の奇数）の位置に配置された C、 D、 C及び D相ホ
1 1 2 2 ールセンサとを備え、
A、 B、 A及び B相ホールセンサの出力と前記 C、 D、 C及び D相ホールセン
1 1 2 2 1 1 2 2 サの出力をそれぞれ直列に接続したことを特徴とする磁気式エンコーダ装置。
[3] 前記 Nが 3であることを特徴とする請求項 1又は 2記載の磁気式エンコーダ装置。
[4] 前記 Nが 5であることを特徴とする請求項 1又は 2記載の磁気式エンコーダ装置。
[5] 回転体に取付けられ、前記回転体の軸方向と垂直な一方向に磁化された円板状ま たはリング状の永久磁石と、前記永久磁石に空隙を介して対向するように固定体に 取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において、
前記磁界検出素子は、 90度おきに順に配置された A、 B、 A及び B相ホールセ ンサと、前記 A、 B、 A及び B相ホールセンサに対してそれぞれ α =360/Ν又
1 1 2 2 1 1 は α =180/Ν (但し、 Νは 3以上の奇数）の位置に配置された C、 D、 C及び D 相ホールセンサと前記 A、 B、 A及び B相ホールセンサに対してそれぞれ α =3
2 1 1 2 2 2
60/Ν又は α =180/Ν (但し、 Νは前記 Νと異なる 3以上の奇数）の位置に配
2 2 2 2 1
置された Ε、 F、 Ε及び F相ホールセンサとを備え、
1 1 2 2
前記 A、 B、 A及び B相ホールセンサの出力と、前記 C、 D、 C及び D相ホー
1 1 2 2 1 1 2 2 ルセンサの出力と、前記 E、 F、 E及び F相ホールセンサの出力とをそれぞれ並列
1 1 2 2
に接続したことを特徴とする磁気エンコーダ装置。
[6] 回転体に取付けられ、前記回転体の軸方向と垂直な一方向に磁化された円板状ま たはリング状の永久磁石と、前記永久磁石に空隙を介して対向するように固定体に 取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において、
前記磁界検出素子は、 90度おきに順に配置された A、 B、 A及び B相ホールセ
1 1 2 2 ンサと、前記 A、 B、 A及び B相ホールセンサに対してそれぞれひ =360/N又
1 1 2 2 1 1 はひ =180/N (但し、 Nは 3以上の奇数）の位置に配置された C、 D、 C及び D 相ホールセンサと前記 A、 B、 A及び B相ホールセンサに対してそれぞれひ =3
2 1 1 2 2 2
60/N又はひ =180/N (但し、 Nは前記 Nと異なる 3以上の奇数）の位置に配
2 2 2 2 1
置された E、 F、 E及び F相ホールセンサとを備え、
1 1 2 2
前記 A、 B、 A及び B相ホールセンサの出力と、前記 C、 D、 C及び D相ホー
1 1 2 2 1 1 2 2 ルセンサの出力と、前記 E、 F、 E及び F相ホールセンサの出力とをそれぞれ直列
1 1 2 2
に接続したことを特徴とする磁気エンコーダ装置。
[7] 前記 Nが 3、 N力 であることを特徴とする請求項 5又は 6記載の磁気式エンコーダ
1 2
装置。
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