WO2013176104A1 - 磁気式回転角検出器 - Google Patents

Abstract

　磁気式回転角検出器は、１回転する毎に磁極がｎ回（ｎは１以上の整数）変化するように着磁された円盤状の磁石と、前記磁石と一体に回転し１回転する毎に磁束透過率がｍ回（ｍは２以上の整数で、ｍ＞ｎ）変化するように磁束透過率の高い部分と低い部分とが交互に繰り返される磁性体スリット板と、前記磁性体スリット板を通った前記磁石からの磁気を検出する磁気センサと、前記磁気センサの出力から前記磁石の回転角度を求める演算部とを備える。

Description

磁気式回転角検出器

　本発明は、磁気式回転角検出器に関する。

　磁気式回転角検出器において、円盤状の磁性体をスリット形状に加工した磁性体スリットをモータに取り付け、磁性体スリットの回転に伴う磁界変化を磁気センサによって検出する方法がある。

　特許文献１には、磁気エンコーダにおいて、磁性体スリット板と平板磁石との間に検出体を配置し、検出体において磁性体スリット板とほぼ同一径の円周状に複数の磁気抵抗素子を配置することが記載されている。これにより、特許文献１によれば、磁性体スリット板の全周に磁気抵抗素子を配置したので、シャフトフレや回転部の取り付け誤差をキャンセルして、磁性体スリット板の回転を検出することができるとされている。

特開２００３－１２１２００号公報

　特許文献１に記載の技術は、磁性体スリットと平板磁石との間に磁気センサ（磁気抵抗素子）を配置することにより、磁性体スリットの回転角度を検出することを可能にするものであると考えられる。磁性体スリットを用いた特許文献１に記載の磁気式回転角検出器は、インクリメンタル方式と呼ばれるものであり、磁性体スリット板の回転による信号の変化を数えることにより、相対的な回転角度を検出するものであると考えられる。

　一方、特許文献１に記載の磁気式回転角検出器において、高い分解能で絶対的な回転角度を検出するためには、例えば、磁性体スリットを用いた磁性体スリット板（回転円板）に同心円状に複数周波数の信号トラックを設ける必要があり、検出体に同心円状に複数の磁気抵抗素子を配置する必要があると考えられる。この場合、回転円板の面積が大きくなってしまうとともに、検出体の面積も大きくなってしまい、磁気式回転角検出器が大型化してしまう可能性がある。

　本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、高い分解能で絶対的な回転角度を検出するための構成を小型にできる磁気式回転角検出器を得ることを目的とする。

　上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の１つの側面にかかる磁気式回転角検出器は、１回転する毎に磁極がｎ回（ｎは１以上の整数）変化するように着磁された円盤状の磁石と、前記磁石と一体に回転し１回転する毎に磁束透過率がｍ回（ｍは２以上の整数で、ｍ＞ｎ）変化するように磁束透過率の高い部分と低い部分とが交互に繰り返される磁性体スリット板と、前記磁性体スリット板を通った前記磁石からの磁気を検出する磁気センサと、前記磁気センサの出力から前記磁石の回転角度を求める演算部とを備えることを特徴とする。

　本発明によれば、１回転する毎に磁極がｎ回（ｎは１以上の整数）変化するように着磁された円盤状の磁石と、磁石と一体に回転し１回転する毎に磁束透過率がｍ回（ｍは２以上の整数で、ｍ＞ｎ）変化するように磁束透過率の高い部分と低い部分とが交互に繰り返される磁性体スリット板と、磁性体スリット板を通った磁石からの磁気を検出する磁気センサと、磁気センサの出力から磁石の回転角度を求める演算部とを備えているので、１つの磁気トラックから２つの周波数成分を取り出すことができるため、高い分解能の磁気式回転角検出器を小さな筐体で実現することができる。すなわち、磁気式回転角検出器において、高い分解能（高い解像度）で絶対的な回転角度を検出するための構成を小型にできる。

図１は、実施の形態１による磁気式回転角検出器の構成図である。 図２は、実施の形態１による回転円板の構成図である。 図３は、実施の形態１による磁気センサの出力信号の一例を示す図である。 図４は、実施の形態１による磁性体スリット板と磁気センサの位置を示す図である。 図５は、実施の形態１による角度演算部で求められる信号の波形を示す図である。 図６は、実施の形態１による角度演算部で求められる信号の波形を示す図である。 図７は、実施の形態２による磁性体スリット板と磁気センサの位置を示す図である。 図８は、実施の形態２による角度演算部で求められる信号の波形を示す図である。 図９は、実施の形態３による磁気式回転角検出器の構成図である。 図１０は、実施の形態３による磁気式回転角検出器で磁石からの磁界強度と距離の関係を示す図である。 図１１は、実施の形態４による磁気式回転角検出器の構成図である。 図１２は、実施の形態４による回転円板の構成図である。 図１３は、実施の形態５による磁気式回転角検出器の構成図である。

　以下に、本発明にかかる磁気式回転角検出器の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
　図１は、本発明の実施の形態１による磁気式回転角検出器の一例を示したものである。磁石４は回転シャフト３に固定されており、磁性体スリット板５と磁石４とは一体となって回転円板１を構成している。例えば、磁性体スリット板５と磁石４とは、それぞれ、回転シャフト３が差し込まれる穴を中心近傍に有する中空の円盤状である。回転円板１は、回転シャフト３と一体となって回転する。磁性体スリット板５を挟んで磁石４と対向する位置に、図示されていない筐体に固定された磁気センサ２が設置されている。回転円板１が回転しても、磁気センサ２の位置は変わらない。磁気センサ２は、磁界の変化に対応して出力が変化する。角度演算部７は、磁気センサ２からの出力から回転円板１の回転角を求めて、出力する。

　回転円板１と磁気センサ２とは、回転シャフト３の回転軸に沿った方向（ｚ方向）において隙間を介して配置されている。回転円板１と磁気センサ２との間隔は、磁石４および磁性体スリット板５の磁気特性、磁気センサ２の磁界の変化に対する感度、磁気式回転角検出器全体の組立上の制約などを考慮して、決定される。なお、回転円板１には、回転シャフト３との締結のためのボスなどの部材が含まれることがあるが、実施の形態１では詳細な説明は省略する。

　図２は、回転円板１の構造を説明するための図である。回転円板１は、磁石４および磁性体スリット板５で構成される。図２では、説明のために磁石４と磁性体スリット板５とを別々に描いているが、実際には図１に示したように磁石４と磁性体スリット板５とは一体となって回転する。例えば、回転シャフト３が磁性体スリット板５と磁石４とにそれぞれ差し込まれることで、磁性体スリット板５と磁石４とがそれぞれ回転シャフト３に固定され、回転シャフト３の回転に伴って磁石４と磁性体スリット板５とは一体となって回転する。

　磁石４の磁化方向は、一般に径方向着磁と呼ばれるものである。例えば、図２において磁石４は、ｘ軸方向にＮ極およびＳ極が着磁された状態である。図１に示した磁気式回転角検出器から磁性体スリット板５を取り除いた状態で磁石４を回転させ、磁気センサ２に印加される磁界を測定した場合、回転シャフト３に固定された磁石４が１回転する毎に磁気センサ２で検出される磁界が１周期で変化する。すなわち、回転シャフト３の１回転に対する周波数をｎとすると、ｎ＝１回の磁界変化となる。

　磁性体スリット板５は、例えば円盤状であり、その周方向に沿って一定の角度Ｐ［ｒａｄ］毎に開口部と遮蔽部とが繰り返される構造となっており、開口部においては図２におけるｚ軸下部の磁石４の磁束をｚ軸上部に透過させ、遮蔽部においてはｚ軸下部の磁石４の磁束のｚ軸上部への透過を妨げるものとなっている。なお、磁性体スリット板５は、物理的に開口部が形成されていなくても、開口部にあたる部分が磁束透過率の高い部材、遮蔽部にあたる部分が磁束透過率の低い部材で形成され、これらが繰り返される構造になっていても構わない。

　図２に示す例では、磁性体スリット板５の開口部の幅と遮蔽部の幅とが、例えば、略Ｐ／２［ｒａｄ］で均等である。回転シャフト３に固定された磁性体スリット板５が１回転すると、磁界が変化する回数がｍ＝２π／Ｐである。図２に示す例では、Ｐ＝２π／１６［ｒａｄ］であり、開口部と遮蔽部が１６組存在している。すなわち、回転シャフト３に固定された磁性体スリット板５の１回転に対する周波数をｍとすると、ｍ＝１６回の磁界変化となる。なお、ｍはｎより大きな整数とする。

　図１に示したように、回転シャフト３の１回転に対する周波数ｎ＝１で着磁された磁石４の上に、回転シャフト３の１回転に対する周波数ｍ＝１６で開口部と遮蔽部が繰り返される磁性体スリット板５を設置し、回転シャフト３を回転させると、磁気センサ２において検出される磁界の強度は、図３に示すように、１回転に対して周波数ｎ＝１の大きな磁界変化の中に周波数ｍ＝１６の細かい磁界変化が重畳されたような波形となる。

　ここで、図３に示された磁気センサ２の出力である周波数ｎ＝１、ｍ＝１６という２つの周波数成分が重畳した信号から、ｎ＝１とｍ＝１６との２つの周波数成分に分離する方法について説明する。

　図４は、図１における磁性体スリット板５および磁気センサ２を、ｚ軸の上方向から見た図である。説明のために、磁性体スリット板５は破線で示している。磁気センサ２は、アレイ状に配置された磁気検出素子群６から構成され、図４では、磁気検出素子群６はＰ／２［ｒａｄ］の間隔で配置された２つの磁気検出素子６１および６２から構成されている。このとき、磁気検出素子６１からの出力をＦ_１（θ）、磁気検出素子６２からの出力をＦ_２（θ）とすると、以下の式（１）で表される。

　磁気センサ２の出力であるＦ_１（θ）およびＦ_２（θ）は、角度演算部７に入力される。ここで、Ｐ／２＝π／ｍであることから、以下の式（２）の関係がある。

　Ａ_１＝Ａ_２、Ｂ_１＝Ｂ_２とすると、Ｆ_１（θ）＋Ｆ_２（θ）は、以下の式（３）のようになる。

　すなわち、Ｆ_１（θ）＋Ｆ_２（θ）からは、周波数ｍの周期変動成分であるｍθ成分が除去され、周波数ｎの周期変動成分であるｎθ成分のみの正弦波が得られる。Ｆ_１（θ）＋Ｆ_２（θ）の様子を、図５に示す。

　さらに、Ｆ_１（θ）＋Ｆ_２（θ）の演算で得られた信号の振幅がＡ_２になるように角度演算部７の内部でゲイン調整し、Ｆ_２（θ）からその結果を引くことにより、以下の式（４）に示されるように、周波数ｍの周期変動成分であるｍθ成分の正弦波出力を得ることができる。

　ただし、この出力においては周波数ｎθの成分が残るが、ｎとｍの差が大きければ、ｎθの成分は小さくなる。式（４）で示される信号の波形の様子を、図６に示す。

　これらの処理により、１つのトラックから周波数ｎと周波数ｍの２つの信号を取り出すことができる。例えば、ｎ＝１の場合、周波数ｎの信号からは、回転シャフト３と一体となって回転する回転円板１が１回転内のどの位置にあるかを検出することができる。さらに、周波数ｍの信号からは、より分解能（解像度）の高い位置検出が可能となる。よって、周波数ｎの信号および周波数ｍの信号から、回転円板１の絶対位置を高い精度で検出することができる。このように、本実施の形態では１つの磁気トラックから２つの周波数成分を取り出すことができるため、高い分解能の磁気式回転角検出器を小さな筐体で実現することができる。すなわち、磁気式回転角検出器において、高い分解能（高い解像度）で絶対的な回転角度を検出するための構成を小型にできる。

　なお、実施の形態１では、ｎ＝１、ｍ＝１６の例を示したが、ｎとｍの値は、これに限ることなく、ｍ＞ｎとなる１以上の整数であればよい。ｎ＝１の場合は回転円板１の絶対位置が検出可能であったが、例えば、ｎ＝２の場合は、回転対称な２点の位置のいずれかであることが検出可能である。

　実施の形態１では、磁気検出素子６１、６２の設置位置と角度演算部７の演算処理によって周波数ｎと周波数ｍの周期変動成分を取り出す例について説明したが、本発明はこの分離方法に限ることなく、例えば、磁気検出素子を１個のみとし、角度演算部７においてフーリエ変換処理の後に周波数ｎの成分と周波数ｍの成分とを分離し、逆フーリエ変換処理によって周波数ｎの正弦波波形と周波数ｍの正弦波波形とを得るものとしてもよい。

実施の形態２．
　本実施の形態２による磁気式回転角検出器の構成を、図７を用いて説明する。図７は、実施の形態２による磁気式回転角検出器における磁性体スリット板５と磁気センサ２の位置関係を説明するための図である。図７を実施の形態１による磁性体スリット板５と磁気センサ２の位置関係を示す図４と比べると、磁気センサ２の磁気検出素子６１および６２の設置位置が異なる以外は、同じである。また、図７においては、ハッチングの部分は磁性体スリット板５の下に磁石４のＳ極があることを示しており、磁性体スリット板５は回転シャフト３の回転軸８を中心として回転している。実施の形態２においては、図７に示すとおり、磁気検出素子６１と６２とが、回転軸８に対して１８０度の位置に設定されている。磁石４の着磁の周波数ｎが２以上のときは、磁気検出素子６１と６２とは、磁石４の着磁ピッチをＱ（Ｑ＝２π／ｎ）としたときに、互いにＱ／２の間隔で配置される。

　このとき、磁気検出素子６１からの出力をＦ_１（θ）、磁気検出素子６２からの出力をＦ_２（θ）とすると、以下の式（５）で表される。

　磁気センサ２の出力であるＦ_１（θ）およびＦ_２（θ）は、角度演算部７（図１参照）に入力される。ここで、Ｑ／２＝π／ｎであることから、以下の式（６）の関係がある。

　Ａ_１＝Ａ_２、Ｂ_１＝Ｂ_２とすると、Ｆ_１（θ）＋Ｆ_２（θ）は、以下の式（７）のようになる。

　すなわち、Ｆ_１（θ）＋Ｆ_２（θ）からは、周波数ｎの周期変動成分であるｎθ成分が除去され、周波数ｍの周期変動成分であるｍθ成分のみの正弦波が得られる。Ｆ_１（θ）＋Ｆ_２（θ）の様子を、図８に示す。

　ここで、ｍとｎとの関係をｍ＝ｎ×２ｋ（ｋは自然数）に限定した場合、Ｆ_２（θ）は以下の式（８）のようになる。

　よって、Ｆ_１（θ）＋Ｆ_２（θ）の出力のゲインおよび位相を調整してｓｉｎ（ｍθ）の値を取り出し、Ｆ_２（θ）からこの値を引き去ることにより、周波数ｎの周期変動成分であるｎθ成分のみの正弦波を得ることができる。

　実施の形態２による磁気式回転角検出器では、実施の形態１による磁気式回転角検出器と比べて、周波数ｎと周波数ｍとの２つの信号をより高精度に（例えば、完全に）分離して取り出すことができる。

実施の形態３．
　図９は、本発明の実施の形態３による磁気式回転角検出器の側面図である。本実施の形態の基本的な構成は本発明の実施の形態１および２による磁気式回転角検出器とほぼ同様であるが、磁石４と磁性体スリット板５の間に厚さＴの非磁性体のスペーサ９が設けられる点が異なる。スペーサ９は、例えば、回転シャフト３が差し込まれる穴を中心近傍に有する中空の円盤状である。スペーサ９は、磁石４と磁性体スリット板５と一体となって回転する。例えば、回転シャフト３が磁性体スリット板５とスペーサ９と磁石４とにそれぞれ差し込まれることで、磁性体スリット板５とスペーサ９と磁石４とがそれぞれ回転シャフト３に固定され、回転シャフト３の回転に伴って磁石４とスペーサ９と磁性体スリット板５とは一体となって回転する。

　次に、図１０を用いて、本実施の形態の詳細について説明する。磁石４から発生する磁石４の表面（磁性体スリット板５に対向する面）の磁界強度を１とすると、磁石４から発生する、磁石４から離れた位置での磁界強度は、磁石４からの距離の２乗に反比例して低下する。

　実施の形態１および２では、磁石４の表面の最も磁界の大きいポイント（磁石４における磁性体スリット板５に対向する面）の近傍で、磁性体スリットによる磁界の変調を掛けていることとなる。磁性体スリット板５の厚さが薄く磁石４からの磁界強度が大きい場合、磁性体スリット板５が磁気飽和してしまい、磁石４からの磁界変化に対して磁性体スリットによる磁界の変調が十分に得られない場合が想定される。

　本実施の形態では、磁石４と磁性体スリット板５との間に非磁性体のスペーサ９が設けられており、磁石４からスペーサの厚みＴだけ離れた位置で、磁性体スリットによる磁界の変調を掛けている。これにより、磁石４からの磁界強度が大きい場合に、磁性体スリット板５における磁気飽和を抑制でき、磁石４からの磁界変化に対して磁性体スリットによる磁界の変調を十分に（要求される性能を満たすレベルで）行うことができる。

　なお、本実施の形態では、例えば、磁石４からの磁界強度が０．７の位置で磁性体スリットによる磁界の変調を掛けるようにスペーサの厚みＴを設定している場合を例示しているが、要求される性能に応じて、スペーサの厚みＴを任意に設定できる。

　例えば、本実施の形態の方法を用いると、周波数ｎの正弦波波形と周波数ｍの正弦波波形との出力比率を任意に設定することができるので、角度演算部７の演算処理能力を向上でき、より信頼性の高い回転角検出器を得ることができる。

実施の形態４．
　図１１は、本発明の実施の形態４による磁気式回転角検出器の一例を示したものである。図１１を本発明の実施の形態１による磁気式回転角検出器を示した図１と比べると、回転円板１の中央部分に回転シャフト３と一体となって回転する磁石１４が設置されていること以外は基本的に同じである。磁石４、磁性体スリット板５および磁石１４は、回転シャフト３と一体となって回転する。

　図１２は、回転円板１の構造を説明するための図である。回転円板１は、磁石４および磁性体スリット板５で構成される。図１２では、説明のために磁石４と磁性体スリット板５とを別々に描いているが、実際には図１１に示したように磁石４と磁性体スリット板５とは一体となって回転する。

　磁石４は、回転シャフト３の１回転に対してｎ＝１６回の磁界変化が発生するように形成されており、磁性体スリット板５は、回転シャフト３の１回転に対してｍ＝２５６回の磁界変化が発生するように形成されている。さらに、磁石１４は、回転シャフト３の１回転に対してｌ＝１の磁界変化が発生するように形成されている。よって、磁気センサ２に印加される磁界は、回転シャフトが１回転する毎に、周波数ｎ＝１６の大きな変化の中に周波数ｍ＝２５６の細かい変化が重畳された様な磁界変化が発生し、さらに、その波形に周波数ｌ＝１の大きな変化が重畳されたような波形となる。

　この出力を分離する方法としては、実施の形態１と同様に磁気センサ２内の磁気検出素子６１と磁気検出素子６２との間隔をＰ／２にて配置することにより、１回転ｍ周期の成分を除去した出力を得るようにしてもよい。また、実施の形態２のように磁気検出素子６１と磁気検出素子６２との間隔をＱ／２にて配置することにより、１回転ｎ周期の成分を除去した出力を得るようにしてもよい。フーリエ変換処理などによって、各周波数成分を分離しても良い。

　このように、１つの磁気トラックのみで３つの異なる周波数成分の信号を取り出すことができるため、小型化と高分解能化との両立が可能となる。

実施の形態５．
　図１３は、本発明の実施の形態５による磁気式回転角検出器の一例を示したものである。図１３を本発明の実施の形態１による磁気式回転角検出器を示した図１と比べると磁性体スリット板５が磁性体スリット板５１に変わっている以外は同じである。

　実施の形態１においては、磁性体スリット板５は、磁石４と別に形成し、磁石４と一体となるように設置するものとした。実施の形態４においては、磁石４の上に磁気インクを用いた印刷等によって磁性体スリット板５１を形成する。これにより、磁性体スリット板５と磁石４とを接着等により一体化したときに比べて、高速回転時や高温時の剥がれの懸念が無く、より信頼性の高い磁気式回転角検出器を得ることができる。

　以上のように、本発明にかかる磁気式回転角検出器は、磁性体スリット板の回転角度の検出に有用である。

　２　磁気センサ、４　磁石、５，５１　磁性体スリット板、７　角度演算部。

Claims (7)

1. 　１回転する毎に磁極がｎ回（ｎは１以上の整数）変化するように着磁された円盤状の磁石と、
   　前記磁石と一体に回転し１回転する毎に磁束透過率がｍ回（ｍは２以上の整数で、ｍ＞ｎ）変化するように磁束透過率の高い部分と低い部分とが交互に繰り返される磁性体スリット板と、
   　前記磁性体スリット板を通った前記磁石からの磁気を検出する磁気センサと、
   　前記磁気センサの出力から前記磁石の回転角度を求める演算部と、
   　を備える磁気式回転角検出器。
2. 　前記演算部は、前記磁石が１回転するときの周波数ｎの信号成分と周波数ｍの信号成分とを分離して前記磁石の回転角度を求める
   　ことを特徴とする請求項１に記載の磁気式回転角検出器。
3. 　前記磁気センサは、π／ｍ［ｒａｄ］の間隔で配置された複数の磁気検出素子を有する
   　ことを特徴とする請求項１または２に記載の磁気式回転角検出器。
4. 　前記磁気センサは、π／ｎ［ｒａｄ］の間隔で配置された複数の磁気検出素子を有する
   　ことを特徴とする請求項１または２に記載の磁気式回転角検出器。
5. 　前記磁石と前記磁性体スリット板との間に設けられた非磁性体のスペーサをさらに備え、
   　前記磁石と前記磁性体スリット板との間に一定の間隔が設けられている
   　ことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の磁気式回転角検出器。
6. 　１回転する毎に磁極がｋ回（ｋは１以上の整数で、ｋ＜ｎ）変化するように着磁され、前記磁石の内側に配された円盤状の第２の磁石をさらに備えた
   　ことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の磁気式回転角検出器。
7. 　前記磁性体スリット板は、前記磁石の表面に磁気インクで印刷されている
   　ことを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の磁気式回転角検出器。

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