WO2021044758A1 - 回転検出器及びそれを備えたモータ - Google Patents
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- 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
- G01D5/244—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 characteristics of pulses or pulse trains; generating pulses or pulse trains
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- H02P6/00—Arrangements for controlling synchronous motors or other dynamo-electric motors using electronic commutation dependent on the rotor position; Electronic commutators therefor
- H02P6/14—Electronic commutators
- H02P6/16—Circuit arrangements for detecting position
Definitions
- the present disclosure relates to a rotation detector and a motor equipped with the rotation detector.
- the present disclosure particularly relates to a rotation detector that detects the amount of rotation of the rotation shaft of a motor.
- an absolute encoder has been widely used to detect a rotation position and a rotation amount of a rotation shaft of a motor or the like.
- the absolute encoder detects the rotation position and the rotation amount with reference to the determined origin position. Since the origin position data is held in the absolute encoder, it is not necessary to adjust the position for returning to the origin even when the power supply is stopped.
- the absolute encoder requires a backup power supply to retain data when the power supply is stopped.
- the battery is used as a backup power source.
- Patent Document 1 rotation detection that detects the amount of rotation of a magnet, and thus the rotation shaft, by detecting changes in the magnetic field accompanying the rotation of a magnet attached to the rotation shaft with the first and second magnetic sensors.
- the vessel is disclosed.
- This rotation detector further has first and second magnetic sensing parts, and drives the pulsed electric power generated in the first and second magnetic sensitive parts due to the change of the magnetic field accompanying the rotation of the magnet. (Refer to FIGS. 15 to 18 in particular).
- the rotation amount detection operation is performed according to the timing when the pulsed electric power is generated. Therefore, if the pulse is not generated for some reason or its value is small, a complicated correction operation occurs and the robustness of the rotation amount detection is lowered.
- An object of the present disclosure is to provide a rotation detector having a simple configuration and enhanced robustness of rotation amount detection, and a motor provided with the rotation detector.
- the rotation detector according to the present disclosure is a rotation detector that detects the amount of rotation of the rotation shaft of the motor, is mounted integrally on the rotation shaft, and has four or more poles in the outer peripheral direction.
- the position changes together with the power generation magnet due to the rotation of the power generation magnet having magnetic poles, at least one power generation element consisting of a magnetizing part and an induction coil, the first magnetic sensor, the second magnetic sensor, and the rotation shaft.
- a magnetic flux control member that may generate an exciting voltage in at least one of the first magnetic sensor and the second magnetic sensor is provided, and the power generated by the power generation element by the rotation of the power generation magnet is used. It drives the first magnetic sensor and the second magnetic sensor.
- the motor according to the present disclosure includes at least a rotor having a rotating shaft, a stator provided coaxially with the rotor and at a predetermined distance from the rotor, and a rotation detector attached to the rotating shaft. Be prepared.
- the rotation detector of the present disclosure can be realized with a simple configuration. According to the rotation detector of the present disclosure, the rotation amount of the rotation shaft can be detected without a battery, and the robustness of the rotation amount detection can be enhanced. According to the motor of the present disclosure, it is possible to realize a motor capable of controlling the rotational state to a desired state.
- Embodiment 1 of this invention It is sectional drawing of the motor which concerns on Embodiment 1 of this invention. It is a schematic diagram which looked at the rotary encoder from the radial direction. It is a schematic diagram which looked at the circuit board from the top. It is a schematic diagram which looked at the rotating plate from the top. It is a schematic block diagram of the functional block of a signal processing circuit. It is a top view which shows the state of the position change of a magnetic pole of a power generation magnet and a magnetic shielding plate when a rotation axis rotates in a clockwise direction. It is a top view which shows the state of the position change of the magnetic pole of a magnet for power generation and a magnetic shielding plate when a rotation axis rotates in a clockwise direction.
- FIG. 1 It is a figure which shows the state of the position change of the magnetic pole of a magnet for power generation, and a magnetic shielding plate when the rotation axis rotates in a counterclockwise direction before and after the power supply is stopped. It is a figure which shows the relationship between the position of the magnetic pole of the power generation magnet which concerns on modification 1 and area information. It is a figure which shows the change of the detection signal of the 1st magnetic sensor and the 2nd magnetic sensor when the rotation axis rotates in the clockwise direction which concerns on modification 2.
- FIG. It is a figure which shows the plane arrangement of the power generation magnet which concerns on modification 3. It is a figure which shows the plane arrangement of another magnet for power generation. It is a figure which shows the plane arrangement of a power generation element.
- FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of the motor 300 according to the first embodiment of the present invention. Note that FIG. 1 schematically illustrates the structures of the motor 300 and the rotary encoder 100, and is different from the actual shape and dimensions.
- the motor 300 includes a motor case 10, a pair of brackets 21 and 22, a rotor 30, a stator 40, a pair of bearings 51 and 52, and a rotary encoder 100.
- the rotor 30 is provided with the radial direction of the motor 300, specifically the motor case 10, in the radial direction, and the inner peripheral direction of the motor 300, specifically, the motor case 10 in the circumferential direction.
- the extending direction of the rotating shaft 32 may be referred to as an axial direction.
- the radial direction of the motor case 10 is the same as the radial direction of the rotating shaft 32, the rotating plate 121 described later, and the power generation magnet 122.
- the inner peripheral direction of the motor case 10 is the same as the outer peripheral direction of the rotating shaft 32, the rotating plate 121, and the power generation magnet 122.
- the side provided with the rotary encoder 100 may be referred to as an upper side or an upper side, and the opposite side, that is, the side provided with the rotor 30 and the stator 40 may be referred to as a lower side or a lower side, respectively.
- the motor case 10 is a tubular metal member with both ends open. Inside the motor case 10, a rotor 30, a stator 40, and a pair of bearings 51 and 52 are housed. An elastic body such as an O-ring may be provided at the contact portion between the motor case 10 and the brackets 21 and 22. By doing so, the airtightness inside the motor case 10 can be maintained.
- the pair of brackets 21 and 22 are flat plate-shaped iron members provided so as to cover the openings at both ends of the motor case 10.
- the rotor 30 is housed inside the motor case 10, and has a rotating shaft 32 at the axis of the rotor core 31. Further, a plurality of magnets (not shown) are arranged along the outer circumference of the rotor core 31, and magnets adjacent to each other have different polarities of magnetic poles.
- the motor 300 is a so-called IPM (Interior Permanent Magnet) motor in which a plurality of magnets are embedded in the rotor core 31.
- the rotating shaft 32 is provided so as to penetrate the bracket 21 provided on the output side and project to the outside of the motor case 10.
- a load (not shown) that is rotationally driven in accordance with the rotation of the rotating shaft 32 is connected to a portion of the rotating shaft 32 that protrudes from the bracket 21.
- the rotating shaft 32 is obtained by processing a magnetic metal such as iron.
- the stator 40 is housed inside the motor case 10.
- the stator 40 is provided on the outer side of the rotor 30 in the radial direction at a predetermined distance from the rotor 30.
- the stator 40 includes a yoke 41 fixed to the inner surface of the motor case 10, a plurality of salient poles (not shown) provided at predetermined intervals along the circumferential direction of the yoke 41, and a plurality of salient poles (not shown). It is composed of a plurality of coils 42 wound around each of the poles.
- the pair of bearings 51 and 52 are attached to the inner surfaces of the pair of brackets 21 and 22, respectively, and rotatably support the rotating shaft 32.
- the rotary encoder 100 is attached to a rotating shaft 32 protruding outward from the upper surface of the bracket 22.
- the rotary encoder 100 has an optical encoder 110 and a magnetic encoder 120. The configuration of the rotary encoder 100 will be described in detail later.
- Case 160 is a bottomed tubular part.
- the case 160 is attached and fixed to the upper surface of the bracket 22 so as to cover the rotary encoder 100.
- the case 160 is formed of a ferromagnetic metal, for example, an iron plate, in order to prevent the influence of a magnetic field from the outside of the case 160.
- the case 160 mechanically protects the rotary encoder 100 and also prevents liquids such as oil and water from adhering to the rotary encoder 100.
- the rotating shaft 32 is made of iron or the like which is a magnetic material. Therefore, the magnetic flux generated by the magnet or the stator 40 provided on the rotor 30 may leak into the case 160 through the rotating shaft 32. When such a situation occurs, the rotary encoder 100 may not be able to correctly detect the amount of rotation of the rotating shaft 32. Therefore, in the rotating shaft 32, the upper portion in the axial direction is made of stainless steel and is joined to the portion made of iron to suppress the leakage of magnetic flux into the case 160.
- the plurality of coils 42 provided in the stator 40 are divided into three sets having a predetermined arrangement relationship.
- a three-phase current having a phase difference of 120 ° in electrical angle flows through each set of coils 42, and the coils 42 are excited.
- a rotating magnetic field is generated in the stator 40.
- Torque is generated by an interaction between the rotating magnetic field and the magnetic field generated by the magnet provided in the rotor 30, and the rotating shaft 32 is supported by the bearings 51 and 52 to rotate.
- the motor control unit 60 is electrically connected to each of the rotary encoder 100 and the plurality of coils 42.
- the rotation state of the motor 300 is controlled to a desired state by correcting the phase and the amount of current flowing through the plurality of coils 42 based on the rotation position and the amount of rotation of the rotation shaft 32 calculated by the rotary encoder 100. be able to.
- the movement amount and locus of the load (not shown) connected to the rotating shaft 32 can be controlled to a desired value.
- the “rotation amount” is the “rotation speed” indicating how many rotations the rotation shaft 32 has rotated, and the rotation shaft 32 has rotated from a predetermined origin position according to the magnetic pole arrangement of the power generation magnet 122 described later.
- Information including an angle range refers to the angle at which the rotating shaft 32 rotates from a predetermined origin position, and in the present embodiment, means the angle at which the rotating shaft 32 rotates from the origin position within one rotation.
- the origin position information is recorded in the transmission pattern 113 of the optical encoder 110, which will be described later. The information on the origin position can be roughly known from the detection signals of the first magnetic sensor 124 and the second magnetic sensor 125 provided in the magnetic encoder 120.
- FIG. 2 is a schematic view of the rotary encoder 100 as viewed from the radial direction.
- FIG. 3 is a schematic view of the circuit board 130 as viewed from above.
- FIG. 4 is a schematic view of the rotating plate as viewed from above.
- FIG. 5 is a schematic configuration diagram of a functional block of a signal processing circuit.
- the rotary encoder 100 includes an optical encoder 110, a magnetic encoder 120, a circuit board 130, a sensor board 140, and a signal processing circuit 200.
- the rotary encoder 100 is the above-mentioned absolute encoder.
- the optical encoder 110 detects the rotation position of the rotation shaft 32.
- the optical encoder 110 may also detect the amount of rotation of the rotating shaft 32.
- the magnetic encoder 120 detects the amount of rotation of the rotating shaft 32 based on the change in the magnetic field detected by the first magnetic sensor 124 and the second magnetic sensor 125.
- the signal processing circuit 200 determines the region information described later based on the detection signals of the first magnetic sensor 124 and the second magnetic sensor 125.
- the optical encoder 110 may be referred to as a rotation position detector
- the rotary encoder 100 may be referred to as a rotation detector.
- the optical encoder 110 has a light receiving element 111, a light emitting element 112, a rotating plate 121, and a transmission pattern 113 (see FIGS. 1 and 4) arranged on the upper surface of the rotating plate 121.
- the rotating plate 121 is rotationally and integrally attached to the rotating shaft 32.
- the rotary plate 121 is shared with the magnetic encoder 120.
- the rotating plate 121 is made of a material that allows magnetic flux to pass through, for example, a non-magnetic metal such as aluminum, a resin, or the like.
- the rotating plate 121 is made of a material that transmits light from the light emitting element 112.
- the light emitting element 112 is attached to the upper surface of the sensor substrate 140, and the light receiving element 111 is attached to the lower surface of the circuit board 130, and they face each other in the axial direction.
- the sensor substrate 140 is fixedly arranged below the rotating plate 121 at intervals from the rotating plate 121.
- the circuit board 130 is fixedly arranged above the rotating plate 121 at intervals from the rotating plate 121.
- a terminal (not shown) of the circuit board 130 and a terminal (not shown) of the sensor board 140 are connected by a connector 150. Power is supplied to the light emitting element 112 via the connector 150.
- the transmission pattern 113 is arranged between the light emitting element 112 and the light receiving element 111 when viewed from the radial direction.
- the transmission pattern 113 has an annular shape, and has a plurality of slits (not shown) for transmitting light from the light emitting element 112 and a plurality of mask patterns (not shown) that block the same light. And are provided alternately along the circumferential direction at a predetermined angular pitch. Therefore, in response to the rotation of the rotating plate 121, light is periodically incident and shielded from the light receiving element 111 facing the light emitting element 112 in the axial direction, and the light receiving element 111 is time-modulated. Generates a light receiving signal. By arithmetically processing this received signal with the signal processing circuit 200 attached to the circuit board 130, the rotational position of the rotating plate 121 and eventually the rotating shaft 32 is detected.
- the magnetic encoder 120 has a power generation magnet 122, a magnetic shielding plate 123, a first magnetic sensor 124, a second magnetic sensor 125, and a power generation element 126, and the power generation magnet 122 is the upper surface of the rotating plate 121. It is attached to.
- the power generation magnet 122 has an annular shape in a plan view, and a plurality of magnetic poles are arranged at an equiangular pitch along the circumferential direction. Further, the polarities of the magnetic poles adjacent to each other are different.
- the number of magnetic poles of the power generation magnet 122 shown in FIG. 4 is 8, but is not particularly limited. For example, as shown in FIGS. 6A, 6B, and 6C, there may be 6 poles. If there are four or more poles, the amount of rotation of the rotating shaft 32 can be detected.
- 6A, 6B, and 6C are schematic plan views showing the changes in the positions of the magnetic poles of the power generation magnet 122 and the magnetic shielding plate 123 when the rotating shaft 32 rotates in the clockwise direction.
- the magnetic shielding plate 123 is a flat plate-shaped component made of a material that shields magnetism such as iron.
- the magnetic shielding plate 123 is attached to the lower surface of the rotating plate 121. That is, as the rotating plate 121 rotates, the power generation magnet 122 and the magnetic shielding plate 123 rotate integrally around the axis of the rotating shaft 32. Further, as shown in FIG. 4, the magnetic shielding plate 123 has a semicircular fan shape in a plan view. However, this shape is changed by the number of magnetic poles. For example, as shown in FIGS. 6A, 6B, and 6C, when the 6-pole power generation magnet 122 is used, the planar shape of the magnetic shielding plate 123 is a fan shape having a central angle of 120 degrees. The power generation magnet 122 and the magnetic shielding plate 123 are arranged concentrically.
- the power generation magnet 122 and the magnetic shielding plate 123 are arranged inside the transmission pattern 113 in the radial direction.
- the present invention is not limited to this, and for example, the power generation magnet 122 and the magnetic shielding plate 123 may be arranged outside the outer circumference of the transmission pattern 113 in the radial direction.
- the first magnetic sensor 124 and the second magnetic sensor 125 are attached to the lower surface of the sensor substrate 140. As shown in FIG. 3, the first magnetic sensor 124 and the second magnetic sensor 125 are attached to the sensor substrate 140 at a predetermined distance in the circumferential direction and 90 degrees apart along the circumferential direction. ..
- the exciting voltage generated by each of the first magnetic sensor 124 and the second magnetic sensor 125 is transmitted as a detection signal to the signal processing circuit 200 attached to the circuit board 130 via the connector 150.
- the magnetic shielding plate 123 is provided so as to cover half of the power generation magnet 122. Therefore, when the magnetic shielding plate 123 is located between the power generation magnet 122 and the first magnetic sensor 124 when viewed from the axial direction, magnetism is not detected by the first magnetic sensor 124. When the magnetic shielding plate 123 is not located between the power generation magnet 122 and the first magnetic sensor 124, the first magnetic sensor 124 detects magnetism and generates an exciting voltage. Similarly, when the magnetic shielding plate 123 is located between the power generation magnet 122 and the second magnetic sensor 125, magnetism is not detected by the second magnetic sensor 125. When the magnetic shielding plate 123 is not located between the power generation magnet 122 and the second magnetic sensor 125, the second magnetic sensor 125 detects magnetism and generates an exciting voltage.
- the exciting voltage is periodically generated and not generated in each of the first magnetic sensor 124 and the second magnetic sensor 125. The period is repeated. Utilizing this, the amount of rotation of the rotating shaft 32 is detected. This will be described in detail later.
- the magnetic shielding plate 123 is a member that controls the magnetic flux generated by the power generation magnet 122 to flow into the first magnetic sensor 124 or the second magnetic sensor 125.
- the magnetic shielding plate 123 is a magnetic flux control member that may generate an exciting voltage in at least one of the first magnetic sensor 124 and the second magnetic sensor 125.
- the first magnetic sensor 124 and the second magnetic sensor 125 are magnetoresistive sensors including a magnetoresistive element.
- it is not particularly limited to this.
- it may be a Hall sensor including a Hall element.
- the magnetoresistive sensor By using the magnetoresistive sensor, the exciting voltage becomes high, and as a result, the amount of rotation can be detected with high sensitivity and reliability.
- the magnetoresistive element may be an element that exhibits a giant magnetoresistive effect.
- the Hall sensor by using the Hall sensor, the difference in the direction of the magnetic flux detected by the sensor can be detected as the difference in the polarity of the detection signal. Further, an element that exhibits a tunnel magnetoresistive effect can also be used.
- the power generation element 126 is composed of a Wiegand wire 126a, which is a magnetic sensitive portion, and an induction coil 126b provided around the Wiegand wire 126a.
- the Wiegand wire 126a is a magnetic material having different magnetic permeability between the axis and the outside.
- the Wiegand wire 126a exhibits a large Barkhausen effect when a magnetic field of a predetermined value or more is applied to the inside of the induction coil 126b along the longitudinal direction, and is aligned so that the magnetization direction is directed to one of the longitudinal directions.
- the power generation element 126 is attached to the upper surface of the circuit board 130 so that the longitudinal direction coincides with the tangent line in the circumferential direction of the power generation magnet 122.
- the power generation magnet 122 rotates together with the rotating plate 121, magnetic flux flows from one end to the other end of the power generation element 126 at a certain position, and voltage pulses are induced at both ends of the induction coil 126b. That is, power is generated by the power generation element 126. Further rotation by 45 degrees reverses the direction of the magnetic flux flowing through the power generation element 126, and a voltage pulse having the opposite polarity to that immediately before is induced at both ends of the induction coil 126b.
- the signal processing circuit 200 is attached to the upper surface of the circuit board 130, and is electrically connected to the light receiving element 111, the first magnetic sensor 124, and the second magnetic sensor 125.
- the signal processing circuit 200 detects the optical signal processing circuit 210 that receives the received signal from the light receiving element 111 and performs arithmetic processing thereof, and the first magnetic sensor 124 and the second magnetic sensor 125. It has a magnetic signal processing circuit 220 that receives signals and performs arithmetic processing on them.
- illustration and description of the internal configuration of the optical signal processing circuit 210 will be omitted.
- the signal processing circuit 200, the first magnetic sensor 124, and the second magnetic sensor 125 are electrically connected to a power supply 230 provided outside the rotary encoder 100.
- a power supply 230 provided outside the rotary encoder 100.
- the driving power of each of the optical signal processing circuit 210 and the magnetic signal processing circuit 220 is supplied from the power supply 230.
- the driving power of each of the first magnetic sensor 124 and the second magnetic sensor 125 is supplied from the power supply 230.
- the driving power of the magnetic signal processing circuit 220, the first magnetic sensor 124, and the second magnetic sensor 125 is supplied from the power generation element 126.
- the driving power of each of the magnetic signal processing circuit 220, the first magnetic sensor 124, and the second magnetic sensor 125 may be supplied from the power generation element 126.
- the optical signal processing circuit 210 receives the received signal from the light receiving element 111, performs arithmetic processing on the signal, and calculates the rotational position of the rotating shaft 32.
- the magnetic signal processing circuit 220 receives the detection signals from the first magnetic sensor 124 and the second magnetic sensor 125, processes them, and calculates the amount of rotation of the rotating shaft 32. Also, the area information is determined.
- the optical signal processing circuit 210 may be provided with a storage unit (not shown) to store the rotation amount information. Good.
- the phase and the amount of current flowing through the motor 300 are corrected based on the rotation position and the amount of rotation of the rotation shaft 32 calculated by the signal processing circuit 200, and the rotation state of the motor 300 becomes a desired state. Is controlled to be.
- the rotation amount of the rotating shaft 32 is updated as necessary based on the area information determined by the magnetic signal processing circuit 220. To do.
- the magnetic signal processing circuit 220 includes a full-wave rectifier unit 221, a voltage regulator 224, a plurality of comparators 225a, 225b, 226a, 226b, a logical information processing unit 227, a storage unit 228, and a communication unit 229.
- the magnetic signal processing circuit 220 has a disconnection diagnosis unit 223 and a backflow prevention switch 222.
- the full-wave rectifier unit 221 is electrically connected to the power generation element 126.
- the voltage pulse generated by the power generation element 126 is rectified by the full-wave rectifier unit 221.
- the voltage regulator 224 may be a so-called LDO (Low Drop Out) regulator or a so-called shunt regulator.
- the voltage regulator 224 outputs a constant voltage with the system ground potential (SGND) as a reference potential and the inter-terminal voltage of the capacitor C charged with the output voltage of the full-wave rectifier unit 221 as an input voltage.
- the output voltage of the voltage regulator 224 is about 2 to 3 V, but the output voltage is not particularly limited to this.
- the output voltage of the voltage regulator 224 is input to each part of the magnetic signal processing circuit 220 and used to drive these functional blocks. In the same case, the output voltage of the voltage regulator 224 is also used to drive the first magnetic sensor 124 and the second magnetic sensor 125.
- the voltage is output from the voltage regulator 224 during the period when the power generation element 126 generates power and generates a voltage pulse. During this period, the output voltage of the voltage regulator 224 drives the magnetic signal processing circuit 220, the first magnetic sensor 124, and the second magnetic sensor 125.
- the disconnection diagnosis unit 223 is connected to the input terminal of the full-wave rectifier unit 221 to diagnose the presence or absence of disconnection in this portion.
- the backflow prevention switch 222 is connected in series between the full-wave rectifying unit 221 and the voltage regulator 224 to prevent the current from flowing back from the voltage regulator 224 to the full-wave rectifying unit 221.
- the comparators 225a and 225b receive the detection signals of the first magnetic sensor 124, compare them with predetermined voltage values, and input the output voltage as the comparison result to the logic information processing unit 227.
- the comparators 226a and 226b receive the detection signals of the second magnetic sensor 125, compare them with predetermined voltage values, and input the output voltage, which is the comparison result, to the logic information processing unit 227.
- the logical information processing unit 227 calculates the amount of rotation of the rotating shaft 32 based on the output voltages of the comparators 225a, 225b, 226a, and 226b, and determines the area information.
- the storage unit 228 stores the rotation amount and area information of the rotation shaft 32 input from the logical information processing unit 227.
- the storage unit 228 is composed of a non-volatile memory, for example, FRAM (registered trademark).
- the communication unit 229 is connected to the ASIC (application specific integrated circuit) 240 so as to be able to communicate by wire or wirelessly.
- the ASIC 240 forms a part of the signal processing circuit 200, controls communication with a motor amplifier (not shown) provided in the motor control unit 60, and generates rotational position information detected by the optical encoder 110. I do.
- the ASIC 240 generates absolute position information of the rotation shaft 32 from the rotation position information and the multi-rotation information S described later.
- the multi-rotation information S of the rotation shaft 32 is obtained by reading the rotation amount information stored in the storage unit 228 via the communication unit 229 and synthesizing it with the rotation position information calculated by the optical encoder 110. Can be done. For example, assuming that the rotation position from the origin position at a certain time point is ⁇ and the rotation number of the rotation shaft 32 from the start of the motor 300 is n, the multi-rotation information S corresponding to the integrated rotation angle of the rotation shaft 32 is expressed by the formula. It can be expressed in the form shown in (1).
- the multi-rotation information S may be stored in the storage unit 228.
- the motor 300 is a servomotor used for the joint axis of the robot arm
- the amount of movement of the tip of the robot arm can be calculated based on the multi-rotation information S.
- the optical encoder 110 detects both the rotation position and the rotation amount of the rotation shaft 32
- the multi-rotation information S may be calculated only from the detection result of the optical encoder 110. Further, as described above, the absolute position information of the rotation shaft 32 is obtained from the rotation position information and the multi-rotation information S detected by the optical encoder 110.
- the signal processing circuit 200 may have a capacitor C inside.
- the communication unit 229 may be provided in the optical signal processing circuit 210.
- the optical signal processing circuit 210 is configured as an LSI (large-scale integrated circuit).
- the logical information processing unit 227, the comparators 225a, 225b, 226a, 226b and the communication unit 229 may be provided on the same LSI as the optical signal processing circuit 210, or may be composed of different LSIs. May be.
- FIG. 6A, 6B, and 6C are schematic plan views showing the changes in the positions of the magnetic poles of the power generation magnet and the magnetic shielding plate when the rotation axis is rotated in the clockwise direction.
- FIG. 7 is a diagram showing changes in the detection signals of the first magnetic sensor and the second magnetic sensor when the rotation axis is rotated in the clockwise direction.
- 8A, 8B, and 8C are schematic plan views showing the changes in the positions of the magnetic poles of the power generation magnet and the magnetic shielding plate when the rotation axis rotates in the counterclockwise direction.
- FIG. 9 is a diagram showing changes in the detection signals of the first magnetic sensor and the second magnetic sensor when the rotation axis is rotated in the counterclockwise direction.
- the power generation magnets 122 shown in FIGS. 6A to 9 have 6 poles, and the planar shape of the magnetic shielding plate 123 has a fan shape having a central angle of 120 degrees. Further, the components of the rotary plate 121, the sensor board 140, the circuit board 130, and the optical encoder 110 are not shown.
- FIGS. 6A, 6B, 6C, 8A, 8B, and 8C the positions of the power generation element 126, the first magnetic sensor 124, and the second magnetic sensor 125 as viewed from the axial direction are also shown.
- the solid line is the voltage to the power generation element 126 when rotating in the clockwise direction.
- the positions I to VI where the pulse is generated are shown.
- the broken line indicates the positions i to vi where the voltage pulse is generated in the power generation element 126 when rotating in the counterclockwise direction.
- the alternate long and short dash line indicates the outer circumference of the power generation magnet 122 and the position of each magnetic pole at the origin position.
- the positions I to VI and the positions i to vi are the rotation positions of any one magnetic pole of the power generation magnet 122 with respect to the origin position.
- the positions shown in FIGS. 6A, 6B, 6C, 8A, 8B, and 8C are positions in static system coordinates.
- the rotation direction of the rotation shaft 32 in other words, the rotation direction of the power generation magnet 122 and the magnetic shielding plate 123 is based on the direction from the lower side to the upper side along the axial direction. That is, the direction in which the rotary encoder 100 is viewed from the motor 300 is used as a reference along the axial direction.
- the clockwise direction may be referred to as the CW direction (CW: Clockwise)
- the counterclockwise direction may be referred to as the CCW direction (CCW: Counter Clockwise).
- the first magnetism Magnetism is detected by each of the sensor 124 and the second magnetic sensor 125, and an exciting voltage is generated.
- the signal in the state where the exciting voltage is generated is calculated as “1”. Therefore, in the state shown in FIG. 6A, the signal (11) is detected.
- the first number in parentheses represents the detection signal of the first magnetic sensor 124, and the next number represents the detection signal of the second magnetic sensor 125.
- first magnetic sensor 124 and the second magnetic sensor 125 detect signals without distinguishing between the north and south poles of the power generation magnet 122.
- the magnetic shielding plate 123 is located only between the power generation magnet 122 and the second magnetic sensor 125 when viewed from the axial direction. At this time, the second magnetic sensor 125 does not detect magnetism and does not generate an exciting voltage. In the magnetic signal processing circuit 220, the signal in the state where the exciting voltage is not generated is calculated as “0”. Therefore, in the state shown in FIG. 6B, the signal (10) is detected.
- the magnetic shielding plate 123 is located only between the power generation magnet 122 and the first magnetic sensor 124 when viewed from the axial direction. .. At this time, magnetism is not detected by the first magnetic sensor 124 and an exciting voltage is not generated. Therefore, in the state shown in FIG. 6C, the signal (01) is detected.
- the area information roughly corresponds to the rotation position with respect to the origin position, and corresponds to three rotation positions separated by 120 degrees in the circumferential direction.
- the logical information processing unit 227 determines the angle range of the rotating shaft 32 in which the signal (11) is detected as the region 1, and determines the angle range of the rotating shaft 32 in which the signal (10) is detected.
- the region 2 is determined, and the angular range of the rotating shaft 32 in which the signal (01) is detected is determined to be the region 3.
- the signals detected by the first magnetic sensor 124 and the second magnetic sensor 125 are (11) ⁇ (10) ⁇ ( It changes in the order of 01), and the logical information processing unit 227 determines that the angle range of the rotation axis 32 has changed in the order of region 1 ⁇ region 2 ⁇ region 3 based on this change.
- FIGS. 8A, 8B, 8C, and 9 correspond to FIGS. 6A, 6B, 6C, and 7 when the rotation shaft 32 rotates in the CCW direction, only an outline will be described.
- the signals detected by the first magnetic sensor 124 and the second magnetic sensor 125 are in the order of (11) ⁇ (01) ⁇ (10). Change. Based on this change, the logical information processing unit 227 determines that the angular range of the rotation axis 32 has changed in the order of region 1 ⁇ region 3 ⁇ region 2.
- the amount of rotation of the rotating shaft 32 can be calculated. This will be further described.
- the regions 1 to 3 correspond to the angle range of the rotation axis 32 from the origin position, respectively. Since power is generated when both ends of the power generation element 126 straddle magnetic poles having different polarities, the positions where the power generation element 126 generates a voltage pulse are shown in FIGS. 6A, 6B, 6C, 8A, 8B, and 8C. It does not match the position of each magnetic pole from the origin position shown in. Since the timing at which the magnetic flux flows from one end to the other end of the power generation element 126 differs between the rotation in the CW direction and the rotation in the CCW direction, the position where the voltage pulse is generated is displaced by a predetermined angle in the circumferential direction. ing.
- the area information stored in the storage unit 228 is rewritten at the detected timing. Even when the rotation speed changes, the information stored in the storage unit 228 is rewritten and re-saved.
- FIG. 10A is a diagram showing a state of change in the positions of the magnetic poles of the power generation magnet and the magnetic shielding plate when the rotation axis rotates in the counterclockwise direction before and after the power supply is stopped.
- FIG. 10B is a diagram showing a state of change in the positions of the magnetic poles of the power generation magnet and the magnetic shielding plate when the rotation axis rotates in the counterclockwise direction before and after the power supply is stopped.
- the rotating shaft 32 of the motor 300 may unintentionally rotate before and after the stop. For example, this may occur when moving equipment equipped with a motor 300.
- the optical encoder 110 Since the optical encoder 110 is in a non-powered state while the power supply 230 is stopped, the rotation position of the rotation shaft 32 and the like cannot be detected. After the power supply 230 is restored, the rotation position with respect to the origin position is calculated, but it cannot be determined whether or not the rotation amount has changed. Even in the magnetic encoder 120, even if the rotating shaft 32 rotates within a range in which no voltage pulse is generated, the magnetic signal processing circuit 220 including the logical information processing unit 227 is in a non-powered state, so that the amount of rotation changes. Cannot be detected.
- the rotation amount of the motor 300 is correctly updated based on the area information stored in the storage unit 228 immediately before the power supply 230 is stopped and the rotation position detected by the optical encoder 110. be able to.
- the signal processing circuit 200 including the logical information processing unit 227 is in the power supply state.
- the actual angle range of the rotating shaft 32 is in the region 3
- the information stored in the storage unit 228 is stored in the region 2 because no voltage pulse is generated from the state shown in FIG. 10A. Remains.
- the magnetic signal processing circuit 220 detects that the rotation shaft 32 has rotated before and after the return of the power supply 230 based on the rotation position detected by the optical encoder 110.
- the logical information processing unit 227 determines that the transition from the area 3 to the area 2 is made based on the rotation position.
- the magnetic signal processing circuit 220 including the logical information processing unit 227 bases the rotation amount stored in the storage unit 228 before the power supply 230 is stopped based on the rotation position detected by the optical encoder 110 after the power supply 230 is restored. And update. Specifically, the area information is transferred from the area 3 to the area 2, and the rotation speed is incremented by +1.
- the amount of rotation of the rotating shaft 32 can be correctly detected even when the power supply 230 is stopped. Further, even after the power supply 230 is restored, the rotational state of the motor 300 can be controlled to a desired state.
- the rotary encoder (rotation detector) 100 includes at least a magnetic encoder 120, and detects at least the amount of rotation of the rotation shaft 32 of the motor 300.
- the magnetic encoder 120 is rotationally and integrally attached to the rotating shaft 32, and has a plurality of magnetic poles having different polarities in the outer peripheral direction, in this case, a power generation magnet 122 having four or more magnetic poles, and a wigant that is a magnetic sensitive portion. It includes at least one power generating element 126 including a wire 126a and an induction coil 126b, a first magnetic sensor 124, and a second magnetic sensor 125.
- the magnetic encoder 120 changes its position together with the power generating magnet 122 due to the rotation of the rotating shaft 32, and generates an exciting voltage in at least one of the first magnetic sensor 124 and the second magnetic sensor 125. It is provided with a magnetic shielding plate (magnetic flux control member) 123 that may be used.
- the magnetic encoder 120 drives the first magnetic sensor 124 and the second magnetic sensor 125 with the electric power generated by the power generation element 126 by the rotation of the power generation magnet 122.
- a so-called battery-less rotary encoder (rotation detector) 100 can be realized with a simple configuration. Further, the multi-rotation information S of the rotation shaft 32 can be easily detected. In addition, the number of component parts can be reduced as compared with the conventional configuration shown in Patent Document 1. Therefore, the rotary encoder 100 can be miniaturized.
- the magnetization direction is reversed and voltage pulses are induced at both ends of the induction coil 126b.
- the reversal speed in the magnetization direction depends on the magnetic properties of the Wiegand wire 126a and does not depend on the rotation speed of the rotation shaft 32.
- the magnitude of the voltage pulse generated by the power generation element 126 can be set to a predetermined value regardless of the rotation speed of the rotation shaft 32. Can be done.
- the power generation element 126 is sufficient even at a low speed rotation in which a sufficient amount of power generation is not obtained to drive the first magnetic sensor 124 or the second magnetic sensor 125 only by electromagnetic induction depending on the rotation speed. The amount of power generation can be obtained.
- the first magnetic sensor 124 and the second magnetic sensor 125 are arranged at predetermined intervals along the circumferential direction, in this case 120 degrees apart, and the power generation magnet 122.
- the magnetic poles of the above are arranged in 6 poles along the circumferential direction, and the polarities of the magnetic poles adjacent to each other are different.
- the power generation element 126 generates power twice.
- an exciting voltage is generated in the first magnetic sensor 124, and the second magnetic sensor 125 and the power generation magnet 122 are used for power generation.
- An exciting voltage is generated in the second magnetic sensor 125 when there is no magnetic shielding plate 123 between the magnets 122.
- the power generation magnet 122 rotates integrally with the rotation shaft 32, and a part of the power generation magnet 122 is covered with the magnetic shielding plate 123. Therefore, each of the first magnetic sensor 124 and the second magnetic sensor 125 detects the presence or absence of magnetism only when the power generation magnet 122 is not covered with the magnetic shielding plate 123 in a plan view. In this way, by simplifying the detection signals of the first magnetic sensor 124 and the second magnetic sensor 125 into a binary set of 0 or 1, the calculation of the rotation amount, particularly the calculation of the rotation speed and the area information. Can be easily performed.
- the magnetic shielding plate 123 has a fan shape, and the power generation magnet 122 and the magnetic shielding plate 123 are arranged concentrically.
- the change in the magnetic field received from the power generation magnet 122 can be correctly detected by the first magnetic sensor 124 and the second magnetic sensor 125 according to the rotation of the rotating shaft 32.
- the rotary encoder 100 includes a storage unit 228 that stores the detection information of the first magnetic sensor 124 and the second magnetic sensor 125 and the amount of rotation of the rotating shaft 32, and the first magnetic sensor 124 and the second magnetic sensor 125. Further, a logical information processing unit 227 for determining area information corresponding to the three rotation positions of the rotation axis 32 based on the detection information is further provided, and the area information is stored in the storage unit 228.
- the amount of rotation of the rotating shaft 32 can be easily calculated. Even when the rotary encoder 100 is in a non-power supply state in which power is not supplied from the power supply 230, the rotation amount can be calculated based on the rotation amount and area information stored in the storage unit 228 composed of the non-volatile memory.
- the rotary encoder 100 further includes an optical encoder (rotational position detector) 110 that detects the rotational position of the rotary shaft 32.
- optical encoder rotational position detector
- the logical information processing unit 227 reads out the area information stored in the storage unit 228, and the rotation position and the storage unit detected by the optical encoder 110.
- the rotation amount of the rotation shaft 32 is updated based on the area information read from 228.
- the rotation amount of the rotating shaft 32 can be correctly detected even when the power supply 230 that supplies the drive power to the rotary encoder 100 is stopped, and the rotation state of the motor 300 can be kept in a desired state even after the power supply 230 is restored. Can be controlled.
- the motor 300 of the present embodiment is attached to the rotor 30 having the rotating shaft 32, the stator 40 provided coaxially with the rotor 30 and at a predetermined distance from the rotor 30, and the rotating shaft 32.
- the rotary encoder 100 and the above are provided at least.
- FIG. 11 is a diagram showing the relationship between the position of the magnetic pole of the power generation magnet and the area information according to the first modification.
- the solid line and the broken line are the same as those shown in FIGS. 6A, 6B, 6C, 8A, 8B, and 8C, respectively.
- the magnetic pole arrangement of the power generation magnet 122 shown in FIG. 11 is the same as that shown in FIG.
- the magnetic poles of the power generation magnet 122 are arranged in eight poles at an equiangular pitch along the circumferential direction.
- the polarity of the magnetic poles adjacent to each other is different.
- the shape and arrangement of the magnetic shielding plate 123 (which I think needs to be shown) are the same as those shown in FIG.
- the semicircular fan-shaped magnetic shielding plate 123 is arranged concentrically with the power generation magnet 122 in a plan view.
- the signals detected by the first magnetic sensor 124 and the second magnetic sensor 125 are four sets of (11), (10), (00), and (01), and there are four regions.
- the rotating shaft 32 moves to a predetermined region, for example, when the rotating shaft 32 rotates in the CW direction and transitions from the region corresponding to the signal (01) to the region corresponding to the signal (11). , The rotation speed countdown process is performed at the position I.
- the rotation shaft 32 rotates in the CCW direction and transitions from the region corresponding to the signal (11) to the region corresponding to the signal (01)
- the rotation speed countdown process is performed at the position viii.
- the rotation amount of the motor 300 particularly the angle range of the rotation shaft 32 from the origin position can be set narrower than in the case shown in the first embodiment, and the detection accuracy of the rotation amount can be improved.
- the remaining two regions are adjacent to one of the three regions. For this reason, it may not be possible to know whether or not the rotation amount is correctly detected unless the temporal change of the area information is determined.
- the two regions adjacent to one of the four regions differ depending on the position of the original region.
- the regions corresponding to the signals (01) and (10) are adjacent to the regions corresponding to the signal (11), respectively.
- the regions corresponding to the signals (11) and (00) are adjacent to the regions corresponding to the signal (01), respectively.
- the logical information processing unit 227 compares the immediately preceding area information stored in the storage unit 228 with the newly stored area information, and logics in a predetermined order according to the rotation of the power generation magnet 122. When the area information is not output from the information processing unit 227, the logical information processing unit 227 generates and outputs an error flag as the error detection information, and stores the error flag in the storage unit 228.
- the signal processing circuit 200 confirms the error flag stored in the storage unit 228, and is provided in the motor control unit 60, which is a host controller, and inside the motor control unit 60. Warn the motor amplifier (not shown) that the current amount of rotation may not be correct.
- the area information that should not be output originally for example, the signal (00) detected by the first magnetic sensor 124 and the second magnetic sensor 125 is the logical information processing unit 227.
- the logical information processing unit 227 compares the immediately preceding area information saved in the storage unit 228 with the newly saved area information, outputs an error flag, and outputs the storage unit 228. Save to.
- the area information is not output from the logical information processing unit 227 in the order determined according to the rotation of the power generation magnet 122, or the area information that should not be output originally is output from the logical information processing unit 227.
- the area information determined by the logical information processing unit 227 is not a value predicted from the area information immediately before being stored in the storage unit 228.
- the logical information processing unit 227 compares the immediately preceding area information saved in the storage unit 228 with the newly saved area information, outputs an error flag, and stores the error flag in the storage unit 228.
- the signal processing circuit 200 confirms the error flag stored in the storage unit 228 and notifies the above-mentioned warning.
- the amount of rotation of the rotating shaft 32 can also be detected by using a power generation magnet 122 in which four pole poles are arranged at an equiangular pitch along the circumferential direction instead of the power generation magnet 122 shown in FIG. Is possible.
- the first signal is transmitted by the first magnetic sensor 124 and the second signal is generated by the second magnetic sensor 125, respectively, as in the examples shown in FIGS. 6A to 9.
- the power generation element 126 generates power twice.
- the number of poles of the power generation magnet 122 is an integral multiple of a set of magnetic poles having different polarities. That is, the number of poles of the power generation magnet 122 is an even number. By doing so, the amount of rotation of the motor 300 can be detected regardless of whether the rotation shaft 32 rotates in the CW direction or the CCW direction.
- FIG. 12 is a diagram showing changes in the detection signals of the first magnetic sensor and the second magnetic sensor when the rotation axis is rotated in the clockwise direction according to the second modification.
- the arrangement of the power generation magnet 122 and the magnetic shielding plate 123 in this modification is the same as shown in FIGS. 8A, 8B, and 8C.
- the polarity of the magnetic poles of the power generation magnet 122 is not detected, and only the change in the magnetic field applied to the first magnetic sensor 124 and the second magnetic sensor 125 is detected. It detects and generates a signal.
- the first magnetic sensor 124 and the second magnetic sensor 125 a sensor capable of detecting the difference in the direction of the detected magnetic flux is used.
- a hall sensor can be used.
- each area can be further divided into two parts for judgment.
- a total of 6 regions of regions 1a, 1b, 2a, 2b, 3a, and 3b can be detected. Therefore, the rotation amount of the motor 300, particularly the angle range of the rotation shaft 32 from the origin position can be set narrower than in the case shown in the first embodiment, and the detection accuracy of the rotation amount can be improved.
- the three regions shown in FIGS. 6A to 9 are subdivided into six regions.
- two regions adjacent to one region can be made different depending on the position of the original region.
- the logical information processing unit 227 when the area information determined by the logical information processing unit 227 is not a value predicted from the area information immediately before being stored in the storage unit 228, the logical information processing unit 227 , The area information immediately before being saved in the storage unit 228 and the newly saved area information can be compared, and an error flag can be output. Moreover, the error flag can be stored in the storage unit 228. It is also possible to warn the motor control unit 60 and the like that the current amount of rotation may not be correct.
- a magnetic sensor is used to detect the difference in the direction of the magnetic flux generated by the power generation magnet 122.
- the difference in polarity of the voltage pulse generated in the power generation element 126 may be detected.
- a comparator or the like may be provided as a voltage polarity discriminating unit in front of the full-wave rectifier.
- FIG. 13 is a diagram showing a planar arrangement of the power generation magnet 122 according to the third modification.
- FIG. 14 is a diagram showing a planar arrangement of another power generation magnet 122.
- FIG. 15 is a diagram showing a planar arrangement of the power generation element 126.
- a plurality of magnets magnetized in a single pole and arranged at an equiangular pitch along the circumferential direction may be used as the power generation magnet 122.
- the planar shape of each magnet may be circular or square.
- the planar shape of each magnet may be arcuate.
- a plurality of power generation elements 126 may be provided. In that case, it is preferable to arrange each power generation element 126 along the circumferential direction.
- the power generation elements 126 are arranged at predetermined intervals along the circumferential direction so that the power generation elements 126 do not generate power at the same position.
- the plurality of power generation elements 126 are regarded as one, and after the first signal is detected by the first magnetic sensor 124 and the second signal is detected by the second magnetic sensor 125, the first magnetic sensor is detected.
- the power generation element 126 generates power a plurality of times until a signal different from the first signal is detected by 124 or a signal different from the second signal is detected by the second magnetic sensor 125. It is said.
- FIG. 16 is a schematic view of the rotary encoder according to the modified example 4 as viewed from the radial direction.
- the same parts as those in the first embodiment are designated by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted.
- the configuration according to this modification is different from the configuration shown in the first embodiment in that a reflective encoder is used as the optical encoder 110.
- the optical encoder 110 has a light receiving / receiving element 114 attached to the lower surface of the circuit board 130, and a reflection pattern 115 attached to the upper surface of the rotating plate 121.
- the light from the light receiving / receiving element 114 is reflected by the reflection pattern 115 and received by the light receiving / receiving element 114, so that the rotational position of the rotating plate 121 and the rotating shaft 32 is detected.
- the same effect as that of the configuration shown in the first embodiment can be obtained. It is necessary to prevent the light from the light receiving / receiving element 114 from being blocked by the magnetic shielding plate 123. Therefore, it is preferable that the magnetic shielding plate 123 is attached to the side opposite to the surface on which the reflection pattern 115 is provided. That is, it is preferable that it is attached to the lower surface of the rotating plate 121 as shown in the first embodiment.
- FIG. 17A is a diagram showing a plane arrangement relationship between the power generation magnet 122, the magnetic shielding plate, and the power generation element 126 according to the second embodiment of the present invention.
- FIG. 17B is a plan layout view of each component in the magnetic encoder.
- the same parts as those in the first embodiment are designated by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted.
- the configuration according to the present embodiment is different from the configuration shown in the first embodiment in that the arrangement of the magnetic poles of the power generation magnet 122 and the arrangement of the power generation element 126 are as shown below.
- the power generation magnet 122 of the present embodiment a plurality of magnetic poles having different polarities, in this case eight poles, are arranged along the circumferential direction.
- the power generation magnet 122 has a so-called double annular shape in which two magnetic poles having different polarities are arranged on the outer peripheral side and the inner peripheral side along the radial direction. Both ends of the power generation element 126 are arranged so as to follow the radial direction.
- the direction of the magnetic flux flowing between the magnetic poles having different polarities and the longitudinal direction of the Wiegand wire 126a of the power generation element 126 can be aligned in the same radial direction.
- a magnetic field of the same strength continues to be applied to the Wiegand wire 126a in the longitudinal direction while the set of magnetic poles arranged in the radial direction passes below the power generation element.
- the strength of the magnetic field applied in the longitudinal direction of the wigant wire 126a fluctuates with time. That is, it gradually becomes stronger, becomes strongest when the direction of the magnetic flux coincides with the longitudinal direction of the Wiegand wire 126a, and then gradually becomes weaker.
- the magnetization direction of the Wiegand wire 126a may not be sufficiently reversed depending on the rotation speed of the rotating shaft 32, the size of the magnetic pole, the length of the Wiegand wire 126a, and the magnetic field strength of the power generation magnet 122. In some cases, the amount of power generated by the power generation element 126 cannot be sufficiently secured.
- the strength and application time of the magnetic field applied in the longitudinal direction to the Wiegand wire 126a can be secured, the amount of power generated by the power generation element 126 can be secured and the magnetic encoder 120 can be stably secured. Can be driven.
- the power generation magnet 122 of the present embodiment has a plurality of magnetic poles having different polarities arranged along the circumferential direction, the first magnetic sensor 124 and the second magnetism occur as the rotation shaft 32 rotates. An exciting voltage is periodically generated in each of the sensors 125 and detected as a signal. As a result, the same effect as that of the configuration shown in the first embodiment can be obtained.
- FIG. 17B the positions of the power generation element 126, the first magnetic sensor 124, and the second magnetic sensor 125 as viewed from the axial direction are also shown.
- the solid line indicates the positions I to VIII where the voltage pulse is generated in the power generation element 126 when rotating in the clockwise direction
- the broken line indicates the counterclockwise direction.
- the positions i to viii where the voltage pulse is generated in the power generation element 126 when rotating in the clockwise direction are shown.
- the magnetic shielding plate has a semicircular fan shape in a plan view.
- FIG. 18 is a schematic view of the rotary encoder according to the third embodiment of the present invention as viewed from the radial direction.
- FIG. 19 is a schematic view of the circuit board viewed from above.
- FIG. 20 is a schematic view of the rotating plate as viewed from above.
- the same parts as those in the first embodiment are designated by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted.
- the configuration according to the present embodiment is different from the configuration shown in the first embodiment in that a position detection magnet 170 is provided instead of the magnetic shielding plate 123.
- the configuration according to the present embodiment is different from the configuration shown in the first embodiment in that a reflective encoder is used as the optical encoder 110.
- the configuration and operation of the optical encoder 110 are the same as those shown in the modified example 4.
- the first magnetic sensor 124 and the second magnetic sensor 125 are attached to the upper surface of the circuit board 130, respectively. Since the light emitting element 112 shown in FIG. 2 is also omitted, the sensor board 140 and the connector 150 are also omitted. As a result, the rotary encoder 100 can be miniaturized in the axial direction. Moreover, the cost can be reduced.
- the position detection magnet 170 is attached to the upper surface of the rotating plate 121.
- the position detection magnet 170 is attached to the inner peripheral side of the power generation magnet 122 at intervals from the power generation magnet 122.
- the position detection magnet 170 has a semicircular arc shape in a plan view.
- the rotation of the power generation magnet 122 with the rotation of the rotation shaft 32 periodically generates a voltage pulse in the power generation element 126, which is the same as the configuration shown in the first embodiment and the first modification.
- an exciting voltage is periodically generated in the first magnetic sensor 124 and the second magnetic sensor 125, respectively. Detected as a signal.
- the exciting voltage of the first magnetic sensor 124 in other words, the generation timing of the detection signal and the generation timing of the detection signal by the second magnetic sensor 125 are the same as those shown in the first modification.
- the amount of rotation of the rotating shaft 32 can be detected based on the detection signals of the first magnetic sensor 124 and the second magnetic sensor 125. ..
- the planar shape of the position detection magnet 170 is appropriately changed according to the magnetic pole arrangement of the power generation magnet 122. For example, as shown in FIGS. 6A to 9, when the magnetic poles of the power generation magnet 122 are arranged in 6 poles along the circumferential direction, the planar shape of the position detection magnet 170 has a central angle of 120 degrees. It becomes an arc shape. In either case, the power generation magnet 122 and the position detection magnet 170 are arranged concentrically.
- the shape of the position detection magnet 170 is an arc shape. Therefore, the position detection magnet 170 generates a period in which the magnetic flux generated by itself flows into the first magnetic sensor 124 and a period in which the magnetic flux does not flow in with the rotation of the rotation shaft 32. Similarly, a period during which the magnetic flux generated by itself flows into the second magnetic sensor 125 and a period during which the magnetic flux does not flow into the second magnetic sensor 125 are generated.
- the position detection magnet 170 is a magnetic flux control member that may generate an exciting voltage in at least one of the first magnetic sensor 124 and the second magnetic sensor 125.
- the magnetic flux control member is the position detection magnet 170, and the position detection magnet 170 is excited to the first magnetic sensor 124 when it approaches the first magnetic sensor 124 in response to the rotation of the rotation shaft 32.
- an exciting voltage is generated in the second magnetic sensor 125.
- the reflection pattern 115 is preferably provided on the outer peripheral side of the power generation magnet 122 at intervals from the reflection pattern 115.
- the arrangement of the power generation magnet 122 and the power generation element 126 shown in the second embodiment may be applied to the rotary encoder 100 shown in FIGS. 18 to 20.
- the power generation magnet 122 shown in FIGS. 13 and 14 may be modified and applied to the second embodiment.
- the transmissive encoder may be applied to the rotary encoder 100 shown in the third embodiment.
- a plurality of power generation elements 126 may be arranged.
- the power generation elements 126 are arranged so as to be spaced apart from each other along the circumferential direction.
- the motor case 10 shown in FIG. 1 may have a bottomed tubular shape. In that case, for example, one of the brackets 21 and 22 is omitted. If the bracket 22 is omitted, the rotary encoder 100 is attached to the bottom wall of the motor case 10. In this case as well, it is necessary to take measures for magnetic shielding in the case 160 and the motor case 10 so that the magnetic flux from the rotor 30 and the stator 40 does not leak to the rotary encoder 100.
- the rotation detector of the present disclosure is useful for applying to rotation control of a motor because the robustness of rotation amount detection is enhanced.
- Rotary encoder (rotation detector) 110 Optical encoder (rotational position detector) 111 Light receiving element 112 Light emitting element 113 Transmission pattern 114 Light receiving element 115 Reflection pattern 120 Magnetic encoder 121 Rotating plate 122 Power generation magnet 123 Magnetic shielding plate (magnetic flux control member) 124 First magnetic sensor 125 Second magnetic sensor 126 Power generation element 126a Wiegand wire 126b Induction coil 130 Circuit board 140 Sensor board 150 Connector 160 Case 170 Position detection magnet (magnetic flux control member) 200 Signal processing circuit 210 Optical signal processing circuit 220 Magnetic signal processing circuit 227 Logic information processing unit 228 Storage unit 230 Power supply 300 Motor
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Abstract
回転検出器は、モータの回転軸の回転量を検出する回転検出器であって、回転軸に回転一体に取り付けられ、外周方向に4極以上の磁極を有する発電用磁石と、感磁部と誘導コイルからなる少なくとも1つの発電素子と、第1の磁気センサと、第2の磁気センサと、回転軸の回転によって、発電用磁石と共に位置が変化し、第1の磁気センサと第2の磁気センサのうちの少なくとも1つに励磁電圧を発生させることがある磁束制御部材と、を備え、発電用磁石の回転により発電素子が発電した電力で、第1の磁気センサ及び第2の磁気センサを駆動する。
Description
本開示は、回転検出器及びそれを備えたモータに関する。本開示は、特にモータの回転軸の回転量を検出する回転検出器に関する。
従来、モータの回転軸等の回転位置及び回転量を検出するために、アブソリュートエンコーダが広く用いられている。アブソリュートエンコーダは、決められた原点位置を基準として回転位置及び回転量を検出する。アブソリュートエンコーダでは、原点位置のデータが保持されているので、電源が停止した場合にも原点復帰のための位置調整等が不要である。
一方、アブソリュートエンコーダでは、電源停止時にデータを保持するためのバックアップ電源が必要となる。通常、バッテリーがバックアップ電源として用いられる。しかし、バッテリーを定期的に交換する必要があり、バッテリーのメンテナンスに手間がかかる。そこで、バッテリーレスのエンコーダが複数提案されている。
例えば、特許文献1には、回転軸に取り付けられた磁石の回転に伴う磁界の変化を第1及び第2の磁気センサで検出することで、磁石、ひいては回転軸の回転量を検出する回転検出器が開示されている。この回転検出器は、第1及び第2の感磁部をさらに有しており、磁石の回転に伴う磁界の変化により第1及び第2の感磁部に発生したパルス状の電力を駆動電力として利用している(特に図15~図18を参照)。
しかし、特許文献1に開示された従来の構成では、駆動電力を供給するための第1及び第2の感磁部が必要であり、回転検出器の小型化が困難となっていた。
この構成では、パルス状の電力が発生したタイミングに応じて回転量の検出動作が行われる。よって、何らかの理由でパルスが発生しなかったり、その値が小さかったりすると、煩雑な補正動作が発生し、回転量検出のロバスト性が低くなっていた。
本開示はかかる点に鑑みてなされたものである。本開示の目的は、簡便な構成でかつ回転量検出のロバスト性を高めた回転検出器及びそれを備えたモータを提供することにある。
上記の目的を達成するため、本開示に係る回転検出器は、モータの回転軸の回転量を検出する回転検出器であって、回転軸に回転一体に取り付けられ、外周方向に4極以上の磁極を有する発電用磁石と、感磁部と誘導コイルからなる少なくとも1つの発電素子と、第1の磁気センサと、第2の磁気センサと、回転軸の回転によって、発電用磁石と共に位置が変化し、第1の磁気センサと第2の磁気センサのうちの少なくとも1つに励磁電圧を発生させることがある磁束制御部材と、を備え、発電用磁石の回転により発電素子が発電した電力で、第1の磁気センサ及び第2の磁気センサを駆動する。
本開示に係るモータは、回転軸を有する回転子と、回転子と同軸にかつ回転子と所定の間隔をあけて設けられた固定子と、回転軸に取付けられた回転検出器と、を少なくとも備える。
本開示の回転検出器によれば、簡便な構成で回転検出器を実現できる。本開示の回転検出器によれば、バッテリーレスで回転軸の回転量を検出でき、回転量検出のロバスト性を高められる。本開示のモータによれば、回転状態を所望の状態に制御可能なモータを実現できる。
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものでは全くない。
(実施形態1)
[モータの構成]
図1は、本発明の実施形態1に係るモータ300の断面模式図である。なお、図1は、モータ300及びロータリーエンコーダ100の構造を模式的に図示しているものであって、実際の形状及び寸法とは異なっている。
[モータの構成]
図1は、本発明の実施形態1に係るモータ300の断面模式図である。なお、図1は、モータ300及びロータリーエンコーダ100の構造を模式的に図示しているものであって、実際の形状及び寸法とは異なっている。
モータ300は、モータケース10と一対のブラケット21,22と回転子30と固定子40と一対の軸受51,52とロータリーエンコーダ100とを備えている。なお、以降の説明において、モータ300、具体的にはモータケース10の半径方向を径方向と、モータ300、具体的にはモータケース10の内周方向を周方向と、回転子30に設けられた回転軸32の延びる方向を軸方向と、それぞれ呼ぶことがある。なお、モータケース10の半径方向は、回転軸32、後で述べる回転板121、及び発電用磁石122の半径方向と同じである。モータケース10の内周方向は、回転軸32、回転板121、及び発電用磁石122の外周方向と同じである。軸方向において、ロータリーエンコーダ100が設けられた側を上または上側と、その反対側、つまり、回転子30及び固定子40が設けられた側を下または下側とそれぞれ呼ぶことがある。
モータケース10は、両端が開口された筒状の金属部材である。モータケース10の内部には、回転子30と固定子40と一対の軸受51,52とが収容されている。モータケース10とブラケット21,22との当接部分には、Oリング等の弾性体が設けられるようにしてもよい。このようにすることで、モータケース10内の気密を保つことができる。
一対のブラケット21,22はモータケース10の両端の開口をそれぞれ覆うように設けられた平板状の鉄製部材である。
回転子30はモータケース10の内部に収容されており、回転子コア31の軸心に回転軸32を有している。また、回転子コア31には、その外周に沿って図示しない複数の磁石が配置されており、互いに隣り合う磁石は磁極の極性が異なっている。モータ300は、回転子コア31の内部に複数の磁石が埋め込まれた、いわゆるIPM(Interior Permanent Magnet)モータである。
回転軸32は、出力側に設けられたブラケット21を貫通して、モータケース10の外部に突出するように設けられている。回転軸32のブラケット21から突出した部分に回転軸32の回転に応じて回転駆動される負荷(図示せず)が連結される。回転軸32は鉄等の磁性体金属を加工して得られる。
固定子40は、モータケース10の内部に収容されている。固定子40は、回転子30の径方向外側に回転子30と所定の間隔をあけて設けられている。固定子40は、モータケース10の内側面に固定されたヨーク41と、ヨーク41の周方向に沿って所定の間隔をあけて設けられた複数の突極(図示せず)と、複数の突極のそれぞれに巻回された複数のコイル42とで構成されている。
一対の軸受51,52は、一対のブラケット21,22の内面にそれぞれ取付けられ、回転軸32を回転可能に支持している。
ロータリーエンコーダ100は、ブラケット22の上面から外部に突出した回転軸32に取り付けられている。ロータリーエンコーダ100は、光学式エンコーダ110と磁気式エンコーダ120とを有している。ロータリーエンコーダ100の構成については後で詳述する。
ケース160は、有底筒状の部品である。ケース160は、ロータリーエンコーダ100を覆うように、ブラケット22の上面に取付け固定されている。ケース160は、ケース160の外部からの磁界の影響を防ぐため、強磁性体金属、例えば、鉄の板材から形成される。ケース160は、ロータリーエンコーダ100を機械的に保護するとともに、これらにオイルや水分等の液体が付着するのを防止する役割を果たしている。
なお、前述したように、回転軸32は磁性体である鉄等よりなる。このため、回転子30に設けられた磁石または固定子40で発生した磁束が、回転軸32を通ってケース160の内部に漏れ込むことがある。このようなことが起こると、ロータリーエンコーダ100で回転軸32の回転量を正しく検出できないことがある。このため、回転軸32のうち、軸方向上側の部分をステンレスとし、鉄でできた部分と接合することで、ケース160の内部への磁束の漏れ込みを抑制することもある。
次に、モータ300の動作及びその制御について説明する。
固定子40に設けられた複数のコイル42は、所定の配置関係にある3組に分けられている。それぞれのコイル42の組に互いに電気角で120°の位相差を有する3相の電流が流れてコイル42は励磁される。これにより、固定子40に回転磁界が発生する。この回転磁界と、回転子30に設けられた磁石が発生する磁界との間で相互作用を生じてトルクが発生し、回転軸32が軸受51,52に支持されて回転する。
モータ制御部60は、ロータリーエンコーダ100と複数のコイル42のそれぞれとに電気的に接続されている。ロータリーエンコーダ100で算出された回転軸32の回転位置及び回転量に基づいて、複数のコイル42に流れる電流の位相及び電流量を補正することで、モータ300の回転状態を所望の状態に制御することができる。回転軸32に連結された負荷(図示せず)の移動量及び軌跡を所望の値に制御できる。
ここで、「回転量」とは、回転軸32が何回転したかを表わす「回転数」と、後で述べる発電用磁石122の磁極配置に応じて所定の原点位置から回転軸32が回転した角度範囲とを含む情報をいう。「回転位置」とは、所定の原点位置から回転軸32が回転した角度のことをいい、本実施形態では、1回転以内に原点位置から回転軸32が回転した角度をいう。原点位置の情報は、後で述べる光学式エンコーダ110の透過パターン113に記録されている。原点位置の情報は、磁気式エンコーダ120に設けられた第1の磁気センサ124及び第2の磁気センサ125の検出信号から大まかに知ることができる。
[ロータリーエンコーダの構成]
図2は、ロータリーエンコーダ100を径方向から見た模式図である。図3は、回路基板130を上から見た模式図である。図4は、回転板を上から見た模式図である。図5は、信号処理回路の機能ブロックの概略構成図である。
図2は、ロータリーエンコーダ100を径方向から見た模式図である。図3は、回路基板130を上から見た模式図である。図4は、回転板を上から見た模式図である。図5は、信号処理回路の機能ブロックの概略構成図である。
図1,図2に示すように、ロータリーエンコーダ100は、光学式エンコーダ110と磁気式エンコーダ120と回路基板130とセンサ基板140と信号処理回路200とを有している。ロータリーエンコーダ100は、前述のアブソリュートエンコーダである。
光学式エンコーダ110は回転軸32の回転位置を検出する。光学式エンコーダ110が回転軸32の回転量も併せて検出するようにしてもよい。磁気式エンコーダ120は、第1の磁気センサ124及び第2の磁気センサ125で検出された磁界の変化に基づいて回転軸32の回転量を検出する。信号処理回路200は、第1の磁気センサ124及び第2の磁気センサ125の検出信号に基づいて後で述べる領域情報を判定する。なお、以降の説明において、光学式エンコーダ110を回転位置検出器と、ロータリーエンコーダ100を回転検出器とそれぞれ呼ぶことがある。
光学式エンコーダ110は、受光素子111と発光素子112と回転板121と回転板121の上面に配置された透過パターン113(図1,図4を参照)とを有している。なお、回転板121は、回転軸32に回転一体に取り付けられている。回転板121は磁気式エンコーダ120と共有される。回転板121は、磁束を通過させる材質、例えば、アルミニウム等の非磁性体金属や樹脂等からなる。回転板121は、発光素子112からの光を透過させる材料からなる。
発光素子112はセンサ基板140の上面に、受光素子111は回路基板130の下面にそれぞれ取り付けられ、軸方向で対向している。センサ基板140は、回転板121の下方に、回転板121と間隔をあけて固定配置されている。回路基板130は、回転板121の上方に、回転板121と間隔をあけて固定配置されている。回路基板130の図示しない端子とセンサ基板140の図示しない端子とがコネクタ150で接続されている。コネクタ150を介して発光素子112に電力が供給される。また、図1,図2に示すように、径方向から見て、発光素子112と受光素子111との間に透過パターン113が配置される。
図4に示すように、透過パターン113は円環状であり、発光素子112からの光を透過させるための複数のスリット(図示せず)と同じ光を遮蔽する複数のマスクパターン(図示せず)とが周方向に沿って交互に所定の角度ピッチで設けられている。このため、回転板121の回転に応じて、発光素子112と軸方向に対向する受光素子111に対し、周期的に光の入射と遮蔽とが繰り返され、受光素子111は時間的に変調された受光信号を発生する。この受光信号を回路基板130に取り付けられた信号処理回路200で演算処理することにより、回転板121、ひいては回転軸32の回転位置が検出される。
磁気式エンコーダ120は、発電用磁石122と磁気遮蔽板123と第1の磁気センサ124と第2の磁気センサ125と発電素子126とを有しており、発電用磁石122は回転板121の上面に取り付けられている。
発電用磁石122は、平面視で円環状であり、周方向に沿って等角ピッチで複数の磁極が配列されている。また、互いに隣り合う磁極では極性が異なっている。図4に示す発電用磁石122の磁極数は8個であるが、特にこれに限定されない。例えば、図6A,図6B,図6Cに示すように、6極であってもよい。4極以上であれば、回転軸32の回転量を検出できる。図6A,図6B,図6Cは、回転軸32が時計回り方向に回転した場合の発電用磁石122の磁極と磁気遮蔽板123の位置変化の様子を示す平面模式図である。
磁気遮蔽板123は、鉄等の磁気を遮蔽する材料からなる平板状の部品である。磁気遮蔽板123は、回転板121の下面に取り付けられている。つまり、回転板121の回転とともに、発電用磁石122及び磁気遮蔽板123は回転軸32の軸心回りに一体的に回転する。また、図4に示すように、磁気遮蔽板123は、平面視で半円状の扇形形状である。但し、この形状は、磁極の個数によって変更される。例えば、図6A,図6B,図6Cに示すように、6極の発電用磁石122を用いる場合、磁気遮蔽板123の平面形状は、中心角が120度をなす扇形形状となる。発電用磁石122と磁気遮蔽板123とは同心円状に配置されている。
なお、図1,図4に示すように、発電用磁石122及び磁気遮蔽板123は透過パターン113の内周よりも径方向で内側に配置される。ただし、これに限らず、例えば、透過パターン113の外周よりも径方向で外側に発電用磁石122及び磁気遮蔽板123を配置するようにしてもよい。
図2に示すように、第1の磁気センサ124及び第2の磁気センサ125は、センサ基板140の下面に取り付けられている。図3に示すように、第1の磁気センサ124と第2の磁気センサ125とは、周方向に所定の間隔をあけて、周方向に沿って90度離れてセンサ基板140に取り付けられている。第1の磁気センサ124及び第2の磁気センサ125のそれぞれで発生した励磁電圧は、検出信号としてコネクタ150を介して回路基板130に取り付けられた信号処理回路200に伝送される。
図2~図4に示すように、磁気遮蔽板123は発電用磁石122の半分を覆うように設けられている。このため、軸方向から見て、磁気遮蔽板123が発電用磁石122と第1の磁気センサ124との間に位置する場合は、第1の磁気センサ124で磁気は検出されない。磁気遮蔽板123が発電用磁石122と第1の磁気センサ124との間に位置しない場合は、第1の磁気センサ124は磁気を検出して励磁電圧を発生させる。同様に、磁気遮蔽板123が発電用磁石122と第2の磁気センサ125との間に位置する場合は、第2の磁気センサ125で磁気は検出されない。磁気遮蔽板123が発電用磁石122と第2の磁気センサ125との間に位置しない場合は、第2の磁気センサ125は磁気を検出して励磁電圧を発生させる。
よって、回転板121の回転とともに発電用磁石122及び磁気遮蔽板123が回転すると、第1の磁気センサ124及び第2の磁気センサ125のそれぞれにおいて、周期的に励磁電圧が発生する期間と発生しない期間とが繰り返される。このことを利用して回転軸32の回転量が検出される。これについては後で詳述する。
磁気遮蔽板123は、発電用磁石122で発生した磁束が第1の磁気センサ124または第2の磁気センサ125に流れ込むのを制御する部材だと言える。言い換えると、磁気遮蔽板123は、第1の磁気センサ124及び第2の磁気センサ125のうちの少なくとも1つに励磁電圧を発生させることがある磁束制御部材である。
なお、第1の磁気センサ124及び第2の磁気センサ125は磁気抵抗素子を含む磁気抵抗センサである。しかし、特にこれに限定されない。例えば、ホール素子を含むホールセンサであってもよい。磁気抵抗センサを用いることで励磁電圧が高くなり、その結果、回転量を感度良く確実に検出できる。回転量の検出感度を高めるために、磁気抵抗素子は、巨大磁気抵抗効果を発現する素子とすることもできる。一方、ホールセンサを用いることで、センサで検出される磁束の向きの違いを検出信号の極性の違いとして検出できる。また、トンネル磁気抵抗効果を発現する素子を用いることもできる。
発電素子126は、感磁部であるウィーガントワイヤ126aとその周りに設けられた誘導コイル126bとで構成される。ウィーガントワイヤ126aは、軸心と外側で透磁率が異なる磁性体である。ウィーガントワイヤ126aは、所定値以上の磁界が長手方向に沿って誘導コイル126bの内部に印加されると大バルクハウゼン効果を発現し、磁化方向が長手方向の一方に向かうように揃う。発電素子126は、長手方向に沿って誘導コイル126bの内部に流れる磁束の向きが変化すると、ウィーガントワイヤ126aの磁化方向が跳躍的に反転して誘導コイル126bの両端に電圧パルスが誘起されるように構成されている。
図1~図3に示すように、発電素子126は、長手方向が発電用磁石122の周方向の接線と一致するように回路基板130の上面に取り付けられている。このことにより、回転板121とともに発電用磁石122が回転すると、ある位置で発電素子126の一端から他端に向けて磁束が流れて、誘導コイル126bの両端に電圧パルスが誘起される。つまり、発電素子126で発電される。さらに45度だけ回転すると、発電素子126に流れる磁束の向きが反転し、誘導コイル126bの両端に直前とは反対の極性の電圧パルスが誘起される。
信号処理回路200は、回路基板130の上面に取り付けられており、受光素子111や第1の磁気センサ124及び第2の磁気センサ125と電気的に接続されている。
図5に示すように、信号処理回路200は、受光素子111からの受光信号を受け取ってこれを演算処理する光学信号処理回路210と、第1の磁気センサ124及び第2の磁気センサ125の検出信号をそれぞれ受け取ってこれらを演算処理する磁気信号処理回路220とを有している。なお、本願明細書では、光学信号処理回路210の内部構成については図示及び説明を省略する。
信号処理回路200と第1の磁気センサ124及び第2の磁気センサ125とはロータリーエンコーダ100の外部に設けられた電源230に電気的に接続されている。通常の動作時には、光学信号処理回路210及び磁気信号処理回路220のそれぞれの駆動電力は電源230から供給される。同様に、第1の磁気センサ124及び第2の磁気センサ125のそれぞれの駆動電力は電源230から供給される。
一方、電源230が何らかの理由で停止したような場合は、磁気信号処理回路220と第1の磁気センサ124及び第2の磁気センサ125のそれぞれの駆動電力は発電素子126から供給される。なお、通常の動作時に、磁気信号処理回路220と第1の磁気センサ124及び第2の磁気センサ125のそれぞれの駆動電力を発電素子126から供給するようにしてもよい。
光学信号処理回路210は、受光素子111からの受光信号を受け取ってこれを演算処理し、回転軸32の回転位置を算出する。磁気信号処理回路220は、第1の磁気センサ124及び第2の磁気センサ125からの検出信号を受け取ってこれらを演算処理し、回転軸32の回転量を算出する。また、領域情報を判定する。なお、光学式エンコーダ110が回転軸32の回転位置と回転量の両方を検出する場合は、光学信号処理回路210に図示しない記憶部を設け、これに回転量の情報を記憶するようにしてもよい。
信号処理回路200で算出された回転軸32の回転位置及び回転量に基づいて、前述したように、モータ300に流れる電流の位相や電流量が補正され、モータ300の回転状態が所望の状態になるように制御される。電源230から信号処理回路200に電力が供給されない、いわゆる無給電状態となったときに、必要に応じて、磁気信号処理回路220で判定された領域情報に基づいて回転軸32の回転量を更新する。
図5に示すように、磁気信号処理回路220は、全波整流部221と電圧レギュレータ224と複数のコンパレータ225a,225b,226a,226bと論理情報処理部227と記憶部228と通信部229とを有している。磁気信号処理回路220は、断線診断部223と逆流防止スイッチ222とを有している。
全波整流部221は、発電素子126に電気的に接続されている。発電素子126で発電した電圧パルスは全波整流部221で整流される。
電圧レギュレータ224は、いわゆるLDO(Low Drop Out)レギュレータであってもよいし、いわゆるシャントレギュレータであってもよい。電圧レギュレータ224は、システムグランド電位(SGND)を基準電位として、全波整流部221の出力電圧で充電されたキャパシタCの端子間電圧を入力電圧として、一定の電圧を出力する。電圧レギュレータ224の出力電圧が2~3V程度であるが、特にこれに限定されない。
何らかの理由で、信号処理回路200が無給電状態となった場合、電圧レギュレータ224の出力電圧は、磁気信号処理回路220の各部に入力されて、これらの機能ブロックを駆動するために利用される。同じ場合に、電圧レギュレータ224の出力電圧は、第1の磁気センサ124及び第2の磁気センサ125を駆動するためにも利用される。
電圧レギュレータ224から電圧が出力されるのは、発電素子126が発電して電圧パルスを発生させている期間である。この期間に、電圧レギュレータ224の出力電圧によって磁気信号処理回路220、第1の磁気センサ124、及び第2の磁気センサ125が駆動される。
断線診断部223は、全波整流部221の入力端子に接続されて、この部分の断線の有無を診断する。逆流防止スイッチ222は、全波整流部221と電圧レギュレータ224との間に直列接続されて、電圧レギュレータ224から全波整流部221に電流が逆流するのを防止する。
コンパレータ225a,225bは、第1の磁気センサ124の検出信号をそれぞれ受け取って所定の電圧値と比較し、比較結果である出力電圧を論理情報処理部227に入力する。コンパレータ226a,226bは、第2の磁気センサ125の検出信号をそれぞれ受け取って所定の電圧値と比較し、比較結果である出力電圧を論理情報処理部227に入力する。
論理情報処理部227は、各コンパレータ225a,225b,226a,226bの出力電圧に基づいて、回転軸32の回転量を算出し、領域情報を判定する。記憶部228は、論理情報処理部227から入力された回転軸32の回転量及び領域情報を保存する。記憶部228は、不揮発性メモリ、例えば、FRAM(登録商標)で構成される。通信部229は、ASIC(特定用途向け集積回路)240と有線または無線で通信可能に接続されている。ASIC240は、信号処理回路200の一部をなしており、モータ制御部60に設けられたモータアンプ(図示せず)との通信制御、及び、光学式エンコーダ110で検出された回転位置情報の生成を行う。ASIC240は、回転位置情報と後で述べる多回転情報Sとから回転軸32の絶対位置情報を生成する。
通信部229を介して記憶部228に保存された回転量の情報を読み出して、光学式エンコーダ110で算出された回転位置の情報と合成することにより、回転軸32の多回転情報Sを得ることができる。例えば、ある時点における原点位置からの回転位置をθとし、モータ300の起動時からの回転軸32の回転数をnとすると、回転軸32の積算回転角度に相当する多回転情報Sは、式(1)に示す形で表現できる。
S=θ+2πn ・・・(1)
多回転情報Sを記憶部228に保存するようにしてもよい。モータ300がロボットアームの関節軸に用いられるサーボモータである場合は、多回転情報Sに基づいてロボットアームの先端の移動量を算出できる。なお、光学式エンコーダ110が回転軸32の回転位置と回転量の両方を検出する場合は、多回転情報Sは光学式エンコーダ110の検出結果のみから算出してもよい。また、前述したように、光学式エンコーダ110で検出された回転位置情報と多回転情報Sとから回転軸32の絶対位置情報が求められる。
多回転情報Sを記憶部228に保存するようにしてもよい。モータ300がロボットアームの関節軸に用いられるサーボモータである場合は、多回転情報Sに基づいてロボットアームの先端の移動量を算出できる。なお、光学式エンコーダ110が回転軸32の回転位置と回転量の両方を検出する場合は、多回転情報Sは光学式エンコーダ110の検出結果のみから算出してもよい。また、前述したように、光学式エンコーダ110で検出された回転位置情報と多回転情報Sとから回転軸32の絶対位置情報が求められる。
信号処理回路200は内部にキャパシタCを有するようにしてもよい。通信部229が光学信号処理回路210に設けられていてもよい。
光学信号処理回路210はLSI(大規模集積回路)として構成される。磁気信号処理回路220のうち論理情報処理部227とコンパレータ225a,225b,226a,226bと通信部229は光学信号処理回路210と同じLSI上に設けられていてもよいし、それぞれ異なるLSIで構成されていてもよい。
[回転量の算出及び更新並びに領域情報の判定について]
図6A,図6B,図6Cは、回転軸が時計回り方向に回転した場合の発電用磁石の磁極と磁気遮蔽板の位置変化の様子を示す平面模式図である。図7は、回転軸が時計回り方向に回転した場合の第1の磁気センサ及び第2の磁気センサの検出信号の変化を示す図である。図8A,図8B,図8Cは、回転軸が反時計回り方向に回転した場合の発電用磁石の磁極と磁気遮蔽板の位置変化の様子を示す平面模式図である。図9は、回転軸が反時計回り方向に回転した場合の第1の磁気センサ及び第2の磁気センサの検出信号の変化を示す図である。
図6A,図6B,図6Cは、回転軸が時計回り方向に回転した場合の発電用磁石の磁極と磁気遮蔽板の位置変化の様子を示す平面模式図である。図7は、回転軸が時計回り方向に回転した場合の第1の磁気センサ及び第2の磁気センサの検出信号の変化を示す図である。図8A,図8B,図8Cは、回転軸が反時計回り方向に回転した場合の発電用磁石の磁極と磁気遮蔽板の位置変化の様子を示す平面模式図である。図9は、回転軸が反時計回り方向に回転した場合の第1の磁気センサ及び第2の磁気センサの検出信号の変化を示す図である。
なお、説明の便宜上、図6A~図9に示す発電用磁石122を6極とし、磁気遮蔽板123の平面形状を中心角が120度をなす扇形形状としている。また、回転板121、センサ基板140及び回路基板130、及び、光学式エンコーダ110の構成部品の図示を省略している。
図6A,図6B,図6C,図8A,図8B,図8Cにおいて、軸方向から見た発電素子126と第1の磁気センサ124及び第2の磁気センサ125の位置も併せて示している。図6A,図6B,図6C,図8A,図8B,図8Cにおいて、発電用磁石122の中心を通り、径方向に延びる線のうち、実線は時計回り方向への回転時に発電素子126に電圧パルスが発生する位置I~VIを示す。破線は反時計回り方向への回転時に発電素子126に電圧パルスが発生する位置i~viを示す。一点鎖線は、発電用磁石122の外周と原点位置における各磁極の位置とを示す。
ここで、位置I~VI及び位置i~viは、原点位置を基準とした発電用磁石122の任意の1つの磁極の回転位置である。なお、図6A,図6B,図6C,図8A,図8B,図8Cに示す各位置は、静止系座標における位置である。
回転軸32の回転方向、言い換えると、発電用磁石122及び磁気遮蔽板123の回転方向は、軸方向に沿って下側から上側に向かう方向を基準としている。つまり、軸方向に沿って、モータ300からロータリーエンコーダ100を見た方向を基準としている。以降の説明において、時計回り方向をCW方向(CW:Clock Wise)と、反時計回り方向をCCW方向(CCW:Counter Clock Wise)とそれぞれ呼ぶことがある。
図6Aに示すように、軸方向から見て、磁気遮蔽板123が発電用磁石122と第1の磁気センサ124及び第2の磁気センサ125との間に位置していない場合、第1の磁気センサ124及び第2の磁気センサ125のそれぞれで磁気が検出されて励磁電圧が発生する。磁気信号処理回路220では、励磁電圧が発生した状態の信号を「1」として算出する。従って、図6Aに示す状態では、信号(11)が検出される。なお、カッコ内の最初の数字が第1の磁気センサ124の検出信号を表わし、次の数字が第2の磁気センサ125の検出信号を表わしている。
なお、第1の磁気センサ124及び第2の磁気センサ125では、発電用磁石122のN極、S極は区別しないで信号を検出する。
回転軸32がCW方向に回転すると、図6Bに示すように、軸方向から見て、磁気遮蔽板123が発電用磁石122と第2の磁気センサ125との間のみに位置するようになる。このとき、第2の磁気センサ125では磁気が検出されず励磁電圧が発生しない。磁気信号処理回路220では、励磁電圧が発生しない状態の信号を「0」として算出する。従って、図6Bに示す状態では、信号(10)が検出される。
回転軸32がさらにCW方向に回転すると、図6Cに示すように、軸方向から見て、磁気遮蔽板123が発電用磁石122と第1の磁気センサ124との間のみに位置するようになる。このとき、第1の磁気センサ124で磁気が検出されず励磁電圧が発生しない。従って、図6Cに示す状態では、信号(01)が検出される。これらの信号が前述の領域情報に相当する。領域情報は原点位置を基準とした回転位置に大まかに対応しており、周方向に120度ずつ離れた3つの回転位置に対応している。
図7に示すように、論理情報処理部227は、信号(11)が検出される回転軸32の角度範囲を領域1と判定し、信号(10)が検出される回転軸32の角度範囲を領域2と判定し、信号(01)が検出される回転軸32の角度範囲を領域3と判定する。
以上を要約すると、図6Aに示す位置から回転軸32がCW方向に回転すると、第1の磁気センサ124及び第2の磁気センサ125で検出される信号は、(11)→(10)→(01)の順で変化し、論理情報処理部227は、この変化に基づいて、回転軸32の角度範囲が領域1→領域2→領域3の順で遷移したと判定する。
また、図8A,図8B,図8C,図9は、回転軸32がCCW方向に回転した場合の図6A,図6B,図6C,図7にそれぞれ相当しているため、概略のみ説明する。
図8Aに示す位置から回転軸32がCCW方向に回転すると、第1の磁気センサ124及び第2の磁気センサ125で検出される信号は、(11)→(01)→(10)の順で変化する。論理情報処理部227は、この変化に基づいて、回転軸32の角度範囲が領域1→領域3→領域2の順で遷移したと判定する。
これらのことを利用して、回転軸32の回転量を算出することができる。さらに説明する。
図7,図9に示すように、領域1~3は、原点位置からの回転軸32の角度範囲にそれぞれ対応している。なお、発電素子126の両端が異なる極性の磁極間を跨ぐときに発電するため、発電素子126が電圧パルスを発生する位置は、図6A,図6B,図6C,図8A,図8B,図8Cに示す原点位置からの各磁極の位置とは一致しない。CW方向の回転時とCCW方向の回転時とでは、発電素子126の一端から他端に向けて磁束が流れるタイミングが異なるため、両者において、電圧パルスが発生する位置は周方向で所定の角度ずれている。
発電素子126に電圧パルスが発生したときに、直前の電圧パルス発生時に判定された領域情報から予め定められた領域に遷移していれば、回転数をカウントアップ、またはカウントダウンするようにすると、正確に回転数をカウントすることができる。同じ回転数である状態において、領域情報の違いから原点位置からの回転軸32の角度範囲を検出できる。これらの情報に基づいて回転軸32の回転量が算出される。
図6A,図6B,図6C,図7に示す例では、領域2から領域3に遷移したとき、具体的には、領域2から領域3に遷移した直後の電圧パルスが発生する位置IVで回転数をカウントダウンする。
また、1つの領域に対して、電圧パルスが発生する位置がそれぞれ2箇所存在する。よって、何らかの理由で、位置IVで発生する電圧パルスが小さく、領域遷移が検出できない場合には、位置Vで電圧パルスが発生したタイミングで回転数をカウントダウンする。
また、図8A,図8B,図8C,図9に示すように、回転軸32がCCW方向に回転している場合は、領域3から領域2に遷移した直後の電圧パルスが発生する位置ivで回転数をカウントアップする。何らかの理由で、位置ivで発生する電圧パルスが小さく、領域遷移が検出できない場合には、位置iiiで電圧パルスが発生したタイミングで回転数をカウントアップする。
このように領域情報が遷移すると、検出されたタイミングで記憶部228に保存された領域情報が書き換えられる。回転数が変化する場合も記憶部228に保存された情報が書き換えられて再保存される。
次に、回転量の更新処理について説明する。
図10Aは、電源の停止前後で回転軸が反時計回り方向に回転した場合の発電用磁石の磁極と磁気遮蔽板の位置変化の様子を示す図である。図10Bは、電源の停止前後で回転軸が反時計回り方向に回転した場合の発電用磁石の磁極と磁気遮蔽板の位置変化の様子を示す図である。
停電、あるいは設備停止等の理由により、電源230が停止し、その後、復帰した場合において、モータ300の回転軸32が停止前後で意図せずに回転してしまうことがある。例えば、モータ300が備え付けられた設備を移動させる場合等に、このようなことが起こることがある。
電源230の停止中、光学式エンコーダ110は無給電状態であるため、回転軸32の回転位置等は検出できない。電源230の復帰後に、原点位置を基準とした回転位置は算出されるが、回転量が変化したか否かは判定できない。磁気式エンコーダ120においても、電圧パルスが発生しない範囲で回転軸32が回転しても、論理情報処理部227を含む磁気信号処理回路220に対して無給電状態であるため、回転量の変化を検出できない。
一方、本実施形態によれば、電源230の停止直前に記憶部228に保存された領域情報と、光学式エンコーダ110で検出された回転位置とに基づいて、モータ300の回転量を正しく更新することができる。
例えば、図10Aに示す位置で電源230が停止し、図10Bに示す位置で電源230が復帰し、その間に回転軸32がCCW方向に回転した場合を考える。
電源230が復帰した図10Bに示す状態では、論理情報処理部227を含む信号処理回路200は給電状態となる。しかし、図10Bに示すように、実際の回転軸32の角度範囲は領域3にあるが、図10Aに示す状態から電圧パルスが発生していないため、記憶部228に記憶された情報は領域2のままである。
一方、光学式エンコーダ110で回転位置が検出されているため、原点位置からの回転軸32の回転角度が算出される。従って、磁気信号処理回路220は、光学式エンコーダ110で検出された回転位置に基づいて、電源230の復帰前後で回転軸32が回転したことを検出する。この場合、領域3から領域2に遷移していることが回転位置に基づいて論理情報処理部227で判定される。
従って、論理情報処理部227を含む磁気信号処理回路220は、電源230の停止前に記憶部228に保存された回転量を、電源230の復帰後に光学式エンコーダ110で検出された回転位置に基づいて更新する。具体的には、領域3から領域2に領域情報を遷移させるとともに、回転数を+1カウントアップする。
このようにすることで、電源230が停止した場合にも回転軸32の回転量を正しく検出できる。また、電源230の復帰後もモータ300の回転状態を所望の状態に制御できる。
[効果等]
以上説明したように、本実施形態に係るロータリーエンコーダ(回転検出器)100は、磁気式エンコーダ120を少なくとも備えており、少なくともモータ300の回転軸32の回転量を検出する。
以上説明したように、本実施形態に係るロータリーエンコーダ(回転検出器)100は、磁気式エンコーダ120を少なくとも備えており、少なくともモータ300の回転軸32の回転量を検出する。
磁気式エンコーダ120は、回転軸32に回転一体に取り付けられ、外周方向に互いに極性の異なる複数の磁極、この場合は4極以上の磁極を有する発電用磁石122と、感磁部であるウィーガントワイヤ126aと誘導コイル126bからなる少なくとも1つの発電素子126と、第1の磁気センサ124と、第2の磁気センサ125と、を少なくとも備えている。
また、磁気式エンコーダ120は、回転軸32の回転によって、発電用磁石122と共に位置が変化し、第1の磁気センサ124と第2の磁気センサ125のうちの少なくとも1つに励磁電圧を発生させることがある磁気遮蔽板(磁束制御部材)123を備えている。
磁気式エンコーダ120は、発電用磁石122の回転により発電素子126が発電した電力で、第1の磁気センサ124及び第2の磁気センサ125を駆動する。
磁気式エンコーダ120をこのように構成することで、いわゆるバッテリーレスのロータリーエンコーダ(回転検出器)100を簡便な構成で実現できる。また、回転軸32の多回転情報Sを簡便に検出することができる。また、特許文献1に示す従来の構成に比べて、構成部品の点数を減らすことができる。従って、ロータリーエンコーダ100を小型化できる。
また、前述したように、発電素子126の感磁部であるウィーガントワイヤ126aに対し、所定以上の磁界が加わることで、その磁化方向が反転し、誘導コイル126bの両端に電圧パルスが誘起される。このとき、磁化方向の反転速度は、ウィーガントワイヤ126aの磁気的性質に依存し、回転軸32の回転速度には依存しない。
従って、発電素子126をウィーガントワイヤ126aと誘導コイル126bとで構成することで、回転軸32の回転速度に依存せず、発電素子126で発電する電圧パルスの大きさを所定の値とすることができる。例えば、回転速度に依存した電磁誘導のみでは第1の磁気センサ124または第2の磁気センサ125を駆動するのに十分な発電量が得られない程度の低速回転においても、発電素子126で十分な発電量が得られる。
また、本実施形態によれば、第1の磁気センサ124及び第2の磁気センサ125を周方向に沿って所定の間隔をあけて、この場合は120度離して配置するとともに、発電用磁石122の磁極を周方向に沿って6極配置し、かつ互いに隣り合う磁極の極性を異ならせている。
このようにすることで、第1の磁気センサ124で第1の信号、例えば、「1」が、第2の磁気センサ125で第2の信号、例えば、「1」がそれぞれ検出された後、第1の磁気センサ124で第1の信号と異なる信号である「0」が検出されるか、または、第2の磁気センサ125で第2の信号と異なる信号である「0」が検出されるまでの間に、発電素子126で2回の発電が行われる。
従って、前述の領域が遷移する最初のタイミングで発電素子126から第1の磁気センサ124及び第2の磁気センサ125の駆動電力が十分に供給されず、回転量の検出飛びが発生した場合にも、次のタイミングで駆動電力が供給されることにより、回転量が確実に検出される。よって、回転量検出のロバスト性を高めることができる。
磁気式エンコーダ120では、第1の磁気センサ124と発電用磁石122の間に磁気遮蔽板123がないときに第1の磁気センサ124に励磁電圧が発生し、第2の磁気センサ125と発電用磁石122の間に磁気遮蔽板123がないときに第2の磁気センサ125に励磁電圧が発生する。
平面視で、発電用磁石122が回転軸32と一体に回転するとともに、発電用磁石122の一部が磁気遮蔽板123に覆われている。よって、第1の磁気センサ124及び第2の磁気センサ125のそれぞれが、平面視で発電用磁石122が磁気遮蔽板123に覆われていない場合のみに磁気の有無を検出する。このように、第1の磁気センサ124及び第2の磁気センサ125の検出信号を0または1の二値の組に単純化することで、回転量の算出、特に、回転数や領域情報の算出を容易に行うことができる。
平面視で、磁気遮蔽板123は扇形状であり、発電用磁石122と磁気遮蔽板123とは同心円状に配置されていることが好ましい。
このようにすることで、発電用磁石122から受ける磁界変化を、回転軸32の回転に応じて正しく第1の磁気センサ124及び第2の磁気センサ125で検出できる。
ロータリーエンコーダ100は、第1の磁気センサ124及び第2の磁気センサ125の検出情報と回転軸32の回転量を記憶する記憶部228と、第1の磁気センサ124及び第2の磁気センサ125の検出情報に基づき、回転軸32の3つの回転位置に対応する領域情報を判定する論理情報処理部227と、をさらに備えており、領域情報は記憶部228に記憶される。
このようにすることで、回転軸32の回転量を簡便に算出できる。ロータリーエンコーダ100が電源230から電力を供給されない無給電状態になった場合でも、不揮発性メモリで構成された記憶部228に記憶された回転量や領域情報に基づき、回転量を算出できる。
ロータリーエンコーダ100は、回転軸32の回転位置を検出する光学式エンコーダ(回転位置検出器)110をさらに備えている。
信号処理回路200に対して無給電状態から給電状態となったとき、論理情報処理部227は、記憶部228に記憶された領域情報を読み出し、光学式エンコーダ110で検出された回転位置と記憶部228から読み出された領域情報に基づいて回転軸32の回転量を更新する。
このようにすることで、ロータリーエンコーダ100に駆動電力を供給する電源230が停止した場合にも回転軸32の回転量を正しく検出でき、電源230の復帰後もモータ300の回転状態を所望の状態に制御できる。
また、本実施形態のモータ300は、回転軸32を有する回転子30と、回転子30と同軸にかつ回転子30と所定の間隔をあけて設けられた固定子40と、回転軸32に取付けられたロータリーエンコーダ100と、を少なくとも備えている。
本実施形態のロータリーエンコーダ100が回転軸32に取り付けられることで、回転状態を所望の状態に制御可能なモータ300を実現できる。
<変形例1>
図11は、変形例1に係る発電用磁石の磁極の位置と領域情報との関係を示す図である。図11において、発電用磁石122の中心を通り径方向に延びる線のうち、実線及び破線は、図6A,図6B,図6C,図8A,図8B,図8Cに示すのと同様に、それぞれ、時計回り方向への回転時に発電素子126に電圧パルスが発生する位置と反時計回り方向への回転時に発電素子126に電圧パルスが発生する位置である。
図11は、変形例1に係る発電用磁石の磁極の位置と領域情報との関係を示す図である。図11において、発電用磁石122の中心を通り径方向に延びる線のうち、実線及び破線は、図6A,図6B,図6C,図8A,図8B,図8Cに示すのと同様に、それぞれ、時計回り方向への回転時に発電素子126に電圧パルスが発生する位置と反時計回り方向への回転時に発電素子126に電圧パルスが発生する位置である。
図11に示す発電用磁石122の磁極配置は、図4に示すのと同様である。発電用磁石122の磁極配置は、周方向に沿って等角ピッチで8極配置されている。互いに隣り合う磁極の極性は異なっている。図示しないが、磁気遮蔽板123(図示が必要と思う)の形状、配置も図4に示すのと同様である。半円状の扇形の磁気遮蔽板123が、平面視で発電用磁石122と同心円状に配置されている。
このように発電用磁石122及び磁気遮蔽板123が配置される場合、図11に示すように、CW方向及びCCW方向のそれぞれの回転において、発電素子126に電圧パルスを発生する位置は8箇所ずつ存在する。第1の磁気センサ124及び第2の磁気センサ125で検出される信号は、(11)、(10)、(00)、(01)の4組であり、4つの領域が存在する。
この場合において、回転軸32が所定の領域に移動した場合、例えば、回転軸32がCW方向に回転して、信号(01)に対応する領域から信号(11)に対応する領域に遷移した場合、位置Iで回転数のカウントダウン処理を行う。回転軸32がCCW方向に回転して、信号(11)に対応する領域から信号(01)に対応する領域に遷移した場合、位置viiiで回転数のカウントダウン処理を行う。
このようにすることで、モータ300の回転量、特に原点位置からの回転軸32の角度範囲を実施形態1に示す場合よりも狭く設定でき、回転量の検出精度が高められる。
図6A~図9に示す例では、3つの領域のうちの1つの領域に対して残りの2つの領域がそれぞれ隣接する。このため、領域情報の時間的変化まで見定めないと、回転量を正しく検出しているか否かが分からない場合があった。
一方、本変形例によれば、4つの領域のうちの1つの領域に対して隣接する2つの領域は、もとの領域の位置によって異なる。例えば、信号(11)に対応する領域に対して、信号(01)、(10)に対応する領域がそれぞれ隣接する。一方、信号(01)に対応する領域に対して、信号(11)、(00)に対応する領域がそれぞれ隣接する。
このため、論理情報処理部227は、記憶部228に保存された直前の領域情報と新たに保存された領域情報とを比較して、発電用磁石122の回転に応じて定められた順序で論理情報処理部227から領域情報が出力されていない場合、論理情報処理部227は、エラー検出情報としてエラーフラグを生成、出力し、エラーフラグを記憶部228に保存する。ロータリーエンコーダ100が無給電状態から給電状態となったとき、信号処理回路200は記憶部228に保存されたエラーフラグを確認し、上位コントローラであるモータ制御部60、及び、その内部に設けられたモータアンプ(図示せず)等に現在の回転量が正しくない可能性があることを警告する。
図6A~図9に示す例において、本来、出力されるはずのない領域情報、例えば、第1の磁気センサ124及び第2の磁気センサ125で検出される信号(00)が論理情報処理部227から出力された場合も同様に、論理情報処理部227は、記憶部228に保存された直前の領域情報と新たに保存された領域情報とを比較して、エラーフラグを出力し、記憶部228に保存する。
つまり、発電用磁石122の回転に応じて定められた順序で論理情報処理部227から領域情報が出力されていない場合、または、本来、出力されるはずのない領域情報が論理情報処理部227から出力された場合は、論理情報処理部227で判定した領域情報が記憶部228に記憶された直前の領域情報から予測される値ではない場合であると言える。この場合に、論理情報処理部227は、記憶部228に保存された直前の領域情報と新たに保存された領域情報とを比較して、エラーフラグを出力し、記憶部228に保存する。
ロータリーエンコーダ100が無給電状態から給電状態となったとき、信号処理回路200は記憶部228に保存されたエラーフラグを確認し、前述の警告を報知する。
なお、図11に示す発電用磁石122に代えて、周方向に沿って等角ピッチで4極の磁極が配置された発電用磁石122を用いても、回転軸32の回転量を検出することは可能である。
本変形例に示す磁極配置にすることで、図6A~図9に示す例と同様に、第1の磁気センサ124で第1の信号が、第2の磁気センサ125で第2の信号がそれぞれ検出された後、第1の磁気センサ124で第1の信号と異なる信号が検出されるか、または、第2の磁気センサ125で第2の信号と異なる信号が検出されるまでの間に、発電素子126で2回の発電が行われる。
従って、前述の領域が遷移する最初のタイミングで発電素子126から第1の磁気センサ124,及び第2の磁気センサ125の駆動電力が十分に供給されず、回転量の検出飛びが発生した場合にも、次のタイミングでは駆動電力が供給される。このことにより、回転量が確実に検出され、回転量検出のロバスト性を高めることができる。
発電用磁石122の極数は、互いに極性の異なる磁極の組の整数倍である。つまり、発電用磁石122の極数は偶数個である。このようにすることで、回転軸32がCW方向またはCCW方向のいずれに回転する場合にも、モータ300の回転量を検出できる。
<変形例2>
図12は、変形例2に係る、回転軸が時計回り方向に回転した場合の第1の磁気センサ及び第2の磁気センサの検出信号の変化を示す図である。なお、本変形例における発電用磁石122及び磁気遮蔽板123の配置は、図8A,図8B,図8Cに示すのと同様である。
図12は、変形例2に係る、回転軸が時計回り方向に回転した場合の第1の磁気センサ及び第2の磁気センサの検出信号の変化を示す図である。なお、本変形例における発電用磁石122及び磁気遮蔽板123の配置は、図8A,図8B,図8Cに示すのと同様である。
図6A~図9に示す例では、前述したように、発電用磁石122の磁極の極性自体は検知せず、第1の磁気センサ124及び第2の磁気センサ125にそれぞれ加わる磁界の変化のみを検出して信号を生成している。
一方、本変形例では、第1の磁気センサ124及び第2の磁気センサ125として、検出される磁束の向きの違いを検出できるセンサを用いている。例えば、ホールセンサを用いることができる。
このようにすることで、各領域をさらに二分して判定することができる。本変形例によれば、領域1a,1b,2a,2b,3a,3bの計6領域を検出できる。このため、モータ300の回転量、特に原点位置からの回転軸32の角度範囲を実施形態1に示す場合よりも狭く設定でき、回転量の検出精度が高められる。
本変形例によれば、図6A~図9に示す3領域を6領域に細分化する。これにより、1つの領域に対して隣接する2つの領域がもとの領域の位置によって異なるようにできる。
このことにより、変形例1に示すように、論理情報処理部227で判定した領域情報が記憶部228に記憶された直前の領域情報から予測される値ではない場合に、論理情報処理部227は、記憶部228に保存された直前の領域情報と新たに保存された領域情報とを比較して、エラーフラグを出力することができる。かつエラーフラグを記憶部228に保存することができる。モータ制御部60等に現在の回転量が正しくない可能性があることを警告することもできる。
本変形例では、磁気センサによって、発電用磁石122で発生する磁束の向きの違いを検出するようにした。しかし、発電素子126に発生する電圧パルスの極性の違いを検出するようにしてもよい。その場合は、全波整流器の前段に電圧極性判別部として、例えば、コンパレータ等を設けるようにしてもよい。
<変形例3>
図13は、変形例3に係る発電用磁石122の平面配置を示す図である。図14は、別の発電用磁石122の平面配置を示す図である。図15は、発電素子126の平面配置を示す図である。
図13は、変形例3に係る発電用磁石122の平面配置を示す図である。図14は、別の発電用磁石122の平面配置を示す図である。図15は、発電素子126の平面配置を示す図である。
周方向で隣り合う磁極の極性が互いに異なるようにすれば、それぞれ単極に着磁され、周方向に沿って等角ピッチで配置された複数の磁石を発電用磁石122として用いてもよい。この場合、図13に示すように、それぞれの磁石の平面形状を円形としてもよいし、あるいは角形としても良い。図14に示すように、それぞれの磁石の平面形状を円弧状としてもよい。
図15に示すように、発電素子126は複数個設けられていてもよい。その場合、それぞれの発電素子126を周方向に沿って配置するのがよい。
このようにすることで、回転軸32が1回転する間に電圧パルスの発生回数を多くできる。よって、磁気式エンコーダ120への駆動電力を安定して供給できる。なお、各発電素子126が同じ位置で発電しないように、周方向に沿って所定の間隔をあけて配置するのが好ましい。
この場合は、複数の発電素子126を1つとみて、第1の磁気センサ124で第1の信号が、第2の磁気センサ125で第2の信号がそれぞれ検出された後、第1の磁気センサ124で第1の信号と異なる信号が検出されるか、または、第2の磁気センサ125で第2の信号と異なる信号が検出されるまでの間に、発電素子126で複数回の発電が行われる。
従って、前述の領域が遷移する最初のタイミングで発電素子126から第1の磁気センサ124及び第2の磁気センサ125の駆動電力が十分に供給されず、回転量の検出飛びが発生した場合にも、次回以降のいずれかのタイミングでは十分な駆動電力が供給される。このことにより、回転量が確実に検出され、回転量検出のロバスト性を高めることができる。
<変形例4>
図16は、変形例4に係るロータリーエンコーダを径方向から見た模式図である。なお、図16において、実施形態1と同様の箇所については同一の符号を付して詳細な説明を省略する。
図16は、変形例4に係るロータリーエンコーダを径方向から見た模式図である。なお、図16において、実施形態1と同様の箇所については同一の符号を付して詳細な説明を省略する。
本変形例に係る構成は、光学式エンコーダ110として、反射形エンコーダを用いている点で実施形態1に示す構成と異なる。
光学式エンコーダ110は、回路基板130の下面に取り付けられた受発光素子114と、回転板121の上面に取り付けられた反射パターン115とを有している。受発光素子114からの光が反射パターン115で反射され、受発光素子114で受光されることで、回転板121、ひいては回転軸32の回転位置が検出される。
本変形例によっても、実施形態1に示す構成が奏するのと同様の効果を奏することができる。なお、磁気遮蔽板123によって受発光素子114からの光が遮られないようにする必要がある。このため、磁気遮蔽板123は、反射パターン115が設けられた面と反対側に取り付けられるのが好ましい。つまり、実施形態1に示すのと同様に、回転板121の下面に取り付けられるのが好ましい。
(実施形態2)
図17Aは、本発明の実施形態2に係る発電用磁石122と磁気遮蔽板と発電素子126との平面配置関係を示す図である。図17Bは、磁気式エンコーダ内の各部品の平面配置図である。なお、図17A,図17Bにおいて、実施形態1と同様の箇所については同一の符号を付して詳細な説明を省略する。
図17Aは、本発明の実施形態2に係る発電用磁石122と磁気遮蔽板と発電素子126との平面配置関係を示す図である。図17Bは、磁気式エンコーダ内の各部品の平面配置図である。なお、図17A,図17Bにおいて、実施形態1と同様の箇所については同一の符号を付して詳細な説明を省略する。
本実施形態に係る構成は、発電用磁石122の磁極配置及び発電素子126の配置が、以下に示す点で実施形態1に示す構成と異なる。
本実施形態の発電用磁石122は、周方向に沿って互いに極性の異なる複数の磁極、この場合は8極が配列される。同時に、発電用磁石122は、径方向に沿って外周側と内周側とで互いに異なる極性の磁極が2つ配列された、いわば、2重の円環状となっている。発電素子126は、その両端が径方向に沿うように配置されている。
このようにすることで、極性の異なる磁極間に流れる磁束の向きと発電素子126のウィーガントワイヤ126aの長手方向とを同じ径方向に揃えることができる。このことにより、径方向に並んだ1組の磁極が発電用素子の下方を通過する間、ウィーガントワイヤ126aに対して同じ強さの磁界が長手方向に加わり続ける。
実施形態1に示すように、ウィーガントワイヤ126aの長手方向が発電用磁石122の外周の接線方向を向いていると、周方向に並んだ1組の磁極が発電素子126の下方を通過する間、ウィーガントワイヤ126aの長手方向に加わる磁界の強度は時間的に変動する。つまり、徐々に強くなり、磁束の向きがウィーガントワイヤ126aの長手方向と一致するときに最も強くなり、その後、徐々に弱くなる。
このような場合、回転軸32の回転速度や磁極のサイズやウィーガントワイヤ126aの長さ、また、発電用磁石122の磁界強度によっては、ウィーガントワイヤ126aの磁化方向が十分に反転せず、発電素子126での発電量が十分に確保できない場合がある。
一方、本実施形態によれば、ウィーガントワイヤ126aに対して長手方向に加わる磁界の強度及び印加時間を確保できるため、発電素子126での発電量を確保でき、磁気式エンコーダ120を安定して駆動することができる。また、本実施形態の発電用磁石122は、周方向に沿っても互いに極性の異なる複数の磁極が配列されているため、回転軸32の回転とともに、第1の磁気センサ124及び第2の磁気センサ125にそれぞれ周期的に励磁電圧が発生して信号として検出される。このことにより、実施形態1に示す構成と同様の効果を奏することができる。
図17Bにおいて、軸方向から見た発電素子126と第1の磁気センサ124及び第2の磁気センサ125の位置も併せて示している。図17Bにおいて、発電用磁石122の中心を通り、径方向に延びる線のうち、実線は時計回り方向への回転時に発電素子126に電圧パルスが発生する位置I~VIIIを示し、破線は反時計回り方向への回転時に発電素子126に電圧パルスが発生する位置i~viiiを示す。なお、磁気遮蔽板は、図4に示すように、平面視で半円状の扇形形状である。
(実施形態3)
図18は、本発明の実施形態3に係るロータリーエンコーダを径方向から見た模式図である。図19は、回路基板を上から見た模式図である。図20は、回転板を上から見た模式図である。なお、図18~図20において、実施形態1と同様の箇所については同一の符号を付して詳細な説明を省略する。
図18は、本発明の実施形態3に係るロータリーエンコーダを径方向から見た模式図である。図19は、回路基板を上から見た模式図である。図20は、回転板を上から見た模式図である。なお、図18~図20において、実施形態1と同様の箇所については同一の符号を付して詳細な説明を省略する。
本実施形態に係る構成は、磁気遮蔽板123に代えて位置検出用磁石170が設けられている点で実施形態1に示す構成と異なる。本実施形態に係る構成は、光学式エンコーダ110として、反射形エンコーダを用いている点で実施形態1に示す構成と異なる。なお、光学式エンコーダ110の構成及び動作は、変形例4に示すのと同様である。
図18,図19に示すように、ロータリーエンコーダ100では、第1の磁気センサ124と第2の磁気センサ125とはそれぞれ回路基板130の上面に取り付けられている。図2に示す発光素子112も省略されているため、センサ基板140とコネクタ150も省略されている。このことにより、ロータリーエンコーダ100を軸方向に小型化できる。また、コストを低減できる。
図18,図20に示すように、位置検出用磁石170は回転板121の上面に取り付けられている。位置検出用磁石170は、発電用磁石122の内周側に,発電用磁石122と間隔をあけて取り付けられている。位置検出用磁石170は、平面視で半円弧状である。
回転軸32の回転とともに発電用磁石122が回転することで、周期的に発電素子126に電圧パルスが発生することは、実施形態1及び変形例1に示す構成と同様である。一方、回転軸32の回転とともに平面視で半円弧状の位置検出用磁石170が回転することで、第1の磁気センサ124及び第2の磁気センサ125にそれぞれ周期的に励磁電圧が発生して信号として検出される。第1の磁気センサ124での励磁電圧、言い換えると、検出信号の発生タイミングと、第2の磁気センサ125での検出信号の発生タイミングとは、変形例1に示すのと同様である。
このため、実施形態1及び変形例1に示すのと同様に、第1の磁気センサ124及び第2の磁気センサ125での検出信号に基づいて、回転軸32の回転量を検出することができる。
なお、位置検出用磁石170の平面形状は、発電用磁石122の磁極配置に応じて適宜変更される。例えば、図6A~図9に示すように、発電用磁石122の磁極が周方向に沿って6極配置されている場合は、位置検出用磁石170の平面形状は、中心角が120度をなす円弧状となる。いずれの場合も、発電用磁石122と位置検出用磁石170とは同心円状に配置される。
位置検出用磁石170の形状は、円弧状である。このため、位置検出用磁石170は、回転軸32の回転とともに自身で発生した磁束が第1の磁気センサ124に流れ込む期間と流れ込まない期間とを発生させる。同様に、自身で発生した磁束が第2の磁気センサ125に流れ込む期間と流れ込まない期間とを発生させる。言い換えると、位置検出用磁石170は、第1の磁気センサ124及び第2の磁気センサ125のうちの少なくとも1つに励磁電圧を発生させることがある磁束制御部材である。つまり、磁束制御部材は、位置検出用磁石170であり、回転軸32の回転に応じて、位置検出用磁石170が、第1の磁気センサ124に近接するときに第1の磁気センサ124に励磁電圧が発生し、第2の磁気センサ125に近接するときに第2の磁気センサ125に励磁電圧が発生する。
なお、変形例4に示すのと同様に、位置検出用磁石170によって受発光素子114からの光が遮られないようにする必要がある。このため、図18に示すように、反射パターン115は、発電用磁石122の外周側に、これと間隔をあけて設けられるのが好ましい。
(その他の実施形態)
前述の各実施形態及び各変形例に示す各構成要素を適宜組み合わせて新たな実施形態とすることもできる。
前述の各実施形態及び各変形例に示す各構成要素を適宜組み合わせて新たな実施形態とすることもできる。
例えば、実施形態2に示す発電用磁石122及び発電素子126の配置を、図18~図20に示すロータリーエンコーダ100に適用してもよい。図13,図14に示す発電用磁石122を変形して、実施形態2に適用してもよい。透過形エンコーダを、実施形態3に示すロータリーエンコーダ100に適用するようにしてもよい。
実施形態2において、発電素子126を複数個配置するようにしてもよい。この場合も、発電素子126は、周方向に沿って互いに間隔をあけて配置される。
図1に示すモータケース10は有底筒状であってもよい。その場合、例えば、ブラケット21,22のいずれかが省略される。ブラケット22が省略される場合、ロータリーエンコーダ100はモータケース10の底壁に取り付けられる。この場合も、回転子30及び固定子40からの磁束がロータリーエンコーダ100に漏れないように、ケース160やモータケース10に磁気遮蔽用の対策を施す必要がある。
図1では、IPMモータを例に取って説明したが、本願明細書に示すロータリーエンコーダ100が他の種類のモータにも適用可能であることは言うまでもない。
本開示の回転検出器は、回転量検出のロバスト性が高められるため、モータの回転制御に適用する上で有用である。
10 モータケース
21,22 ブラケット
30 回転子
32 回転軸
40 固定子
51,52 軸受
60 モータ制御部
100 ロータリーエンコーダ(回転検出器)
110 光学式エンコーダ(回転位置検出器)
111 受光素子
112 発光素子
113 透過パターン
114 受発光素子
115 反射パターン
120 磁気式エンコーダ
121 回転板
122 発電用磁石
123 磁気遮蔽板(磁束制御部材)
124 第1の磁気センサ
125 第2の磁気センサ
126 発電素子
126a ウィーガントワイヤ
126b 誘導コイル
130 回路基板
140 センサ基板
150 コネクタ
160 ケース
170 位置検出用磁石(磁束制御部材)
200 信号処理回路
210 光学信号処理回路
220 磁気信号処理回路
227 論理情報処理部
228 記憶部
230 電源
300 モータ
21,22 ブラケット
30 回転子
32 回転軸
40 固定子
51,52 軸受
60 モータ制御部
100 ロータリーエンコーダ(回転検出器)
110 光学式エンコーダ(回転位置検出器)
111 受光素子
112 発光素子
113 透過パターン
114 受発光素子
115 反射パターン
120 磁気式エンコーダ
121 回転板
122 発電用磁石
123 磁気遮蔽板(磁束制御部材)
124 第1の磁気センサ
125 第2の磁気センサ
126 発電素子
126a ウィーガントワイヤ
126b 誘導コイル
130 回路基板
140 センサ基板
150 コネクタ
160 ケース
170 位置検出用磁石(磁束制御部材)
200 信号処理回路
210 光学信号処理回路
220 磁気信号処理回路
227 論理情報処理部
228 記憶部
230 電源
300 モータ
Claims (11)
- モータの回転軸の回転量を検出する回転検出器であって、
前記回転軸に回転一体に取り付けられ、外周方向に4極以上の磁極を有する発電用磁石と、
感磁部と誘導コイルからなる少なくとも1つの発電素子と、
第1の磁気センサと、
第2の磁気センサと、
前記回転軸の回転によって、前記発電用磁石と共に位置が変化し、前記第1の磁気センサと前記第2の磁気センサのうちの少なくとも1つに励磁電圧を発生させることがある磁束制御部材と、を備え、
前記発電用磁石の回転により前記発電素子が発電した電力で、前記第1の磁気センサ及び前記第2の磁気センサを駆動する回転検出器。 - 前記磁束制御部材は、前記回転軸の回転に応じて、前記第1の磁気センサと前記第2の磁気センサのうちの少なくとも1つと前記発電用磁石との間に位置することがある磁気遮蔽板であり、
前記第1の磁気センサと前記発電用磁石の間に前記磁気遮蔽板がないときに前記第1の磁気センサに励磁電圧が発生し、前記第2の磁気センサと前記発電用磁石の間に前記磁気遮蔽板がないときに前記第2の磁気センサに励磁電圧が発生する、請求項1に記載の回転検出器。 - 平面視で、
前記発電用磁石と前記磁気遮蔽板とは同心円状に配置されている、請求項2に記載の回転検出器。 - 平面視で、
前記発電用磁石は、前記外周方向及び前記回転軸の半径方向のそれぞれに沿って互いに異なる極性の磁極が配列されており、
前記発電素子の両端は前記半径方向に沿って配置されている、請求項2に記載の回転検出器。 - 前記第1の磁気センサ及び前記第2の磁気センサの検出情報に基づき、前記回転軸の回転位置に関し、少なくとも3つ以上の領域情報を判定する論理情報処理部と、
前記第1の磁気センサ及び前記第2の磁気センサの検出情報と前記回転軸の回転量とを記憶する記憶部と、
をさらに備え、
前記領域情報は前記記憶部に保存される、請求項1に記載の回転検出器。 - 前記第1の磁気センサで第1の信号が、前記第2の磁気センサで第2の信号がそれぞれ検出された後、前記第1の磁気センサで前記第1の信号と異なる信号が検出されるか、または、前記第2の磁気センサで前記第2の信号と異なる信号が検出されるまでの間に、前記発電素子で複数回の発電が行われる、請求項5に記載の回転検出器。
- 前記回転軸の回転位置を検出する回転位置検出器をさらに備え、
前記論理情報処理部に対して無給電状態から給電状態となったとき、
前記論理情報処理部は、前記記憶部に記憶された前記領域情報と前記回転量とを読み出し、前記回転位置検出器で検出された前記回転位置と前記領域情報に基づいて前記回転量の情報を更新する、請求項5に記載の回転検出器。 - 前記論理情報処理部に対して無給電状態から給電状態となったとき、
前記論理情報処理部で判定した領域情報が、前記記憶部に記憶された直前の領域情報から予測される値ではない場合に、
前記論理情報処理部はエラー検出情報を出力し、前記エラー検出情報を前記記憶部に保存する、請求項5記載の回転検出器。 - 前記磁束制御部材は、位置検出用磁石であり、
前記回転軸の回転に応じて、前記位置検出用磁石が、前記第1の磁気センサに近接するときに前記第1の磁気センサに励磁電圧が発生し、前記第2の磁気センサに近接するときに前記第2の磁気センサに励磁電圧が発生する、請求項1に記載の回転検出器。 - 平面視で、前記位置検出用磁石は円弧状であり、
前記発電用磁石と前記位置検出用磁石とは同心円状に配置されている、請求項9に記載の回転検出器。 - 回転軸を有する回転子と、
前記回転子と同軸にかつ前記回転子と所定の間隔をあけて設けられた固定子と、
前記回転軸に取付けられた請求項1~10のいずれか1項に記載の回転検出器と、を少なくとも備えた、モータ。
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