JP4706407B2 - 磁気式エンコーダ装置 - Google Patents

Description

本発明は、回転体の回転位置を検出する磁気式エンコーダ装置に関する。

２極に着磁された円板状の永久磁石を用いて回転体の回転位置を検出する磁気式エンコーダは、既に知られている（特許文献１参照）。
特表ＷＯ９９−１３２９６

特許文献１記載のエンコーダは、回転体に固定され円板状でかつ２極に着磁された永久磁石と、永久磁石の外周側に空隙を介して対向し、固定体に取り付けられた磁界検出素子と、磁界検出素子からのアナログ信号を処理する信号処理回路から構成され、永久磁石として希土類磁石からなる直線異方性のものを用い、磁化の方向を一方向に揃え、固定体をリング状の磁性体で形成し、回転体の絶対位置を検出するものである。

上記の従来の磁気式エンコーダは、９０度位相の異なる正弦波状に変化するＡ相、Ｂ相信号Ｖａ，Ｖｂを用いて回転角度θを決定していた。
すなわち、Ｖａ＝Ｖｃｏｓθ、Ｖｂ＝Ｖｓｉｎθの逆正接をとり、
θ＝ａｔａｎ（Ｖｂ／Ｖａ）
を算出していた。
しかし、この三角関数の演算は計算が複雑であり、ＣＰＵの計算ステップ数が多くなり、従って演算時間が長くなり、高速回転には対応できないという問題があった。
また、エンコーダを高精度化するには、演算精度をあげる必要があり、そのために多くの演算メモリーを必要とし、さらに演算時間も長くなる問題があった。
さらに、エンコーダはサーボモータ等の回転角度センサーとして用いられているが、モータ部の温度上昇を受けるので、エンコーダの使用温度範囲は−４０℃〜１００°Ｃが求められる。しかしながら、永久磁石の残留磁束密度は負の温度特性を有するので、高温になるとエンコーダの出力信号は低下した。
また、エンコーダ精度の低下の要因である、磁気検出素子や電子回路のオフセットが、温度変化に伴い変化し、エンコーダの精度の低下を招く等の問題があった。

上記問題を解決するため、請求項１記載の発明は、磁気式エンコーダ装置に係り、回転体に固定され２極に着磁された永久磁石と、前記永久磁石の外周側に空隙を介して対向して固定体に取り付けられた磁界検出素子と、前記磁界検出素子からの信号を処理する信号処理回路とを備え、前記回転体の位置の絶対値を検出するようにしたエンコーダ装置であって、前記永久磁石が一軸磁気異方性磁石であり、かつ前記永久磁石の形状が正方形で対角軸方向に磁化されたものであることを特徴としている。
請求項２記載の発明は、請求項１記載の磁気式エンコーダ装置において、前記信号処理回路が９０度位相の異なる前記磁界検出信号の正負判別信号回路と加減演算回路から構成されることを特徴としている。
請求項３記載の発明は、請求項１記載の磁気式エンコーダ装置において、前記固定体が強磁性体で、かつ磁束密度が１．０（Ｔ）以下になるように形成したことを特徴としている。
請求項４記載の発明は、請求項１記載の磁気式エンコーダ装置において、前記永久磁石を非磁性のホルダで覆ったことを特徴としている。
請求項５記載の発明は、請求項４記載の磁気式エンコーダ装置において、前記非磁性のホルダが表面に凹凸を形成したことを特徴としている。
請求項６記載の発明は、請求項１〜５のいずれか１項に記載の磁気式エンコーダにおいて前記回転体に固定される前記永久磁石であって、一軸磁気異方性磁石でかつ正方形の形状をし対角軸方向に磁化されたことを特徴としている。

以上の構成によって、以下の効果が得られる。
（１）磁気検出素子の出力信号が三角波状に変化するため、回転角度は加減算のみの簡単な計算で算出でき、処理回路も簡単になる。また、高速で高精度の演算処理が可能となるので、高速応答、高精度のエンコーダ装置を提供できる。
（２）高価なＣＰＵや大容量のメモリーを必要とせず、低コストで処理回路を製作でき、低コストのエンコーダ装置を提供できる。
（３）また、固定体の形状を磁気飽和しないように、磁束密度が１．０（Ｔ）以下になるように形成したので、ギャップ部磁束分布は固定体の磁気飽和の影響を受けず、極めて良好な三角波状の検出信号が得られ、したがってまた、高精度なエンコーダ装置が得られる。
（４）さらに、表面が凹凸形状を有する非磁性ホルダで永久磁石を覆うようにしたので、エンコーダを強制空冷でき、サーボモータの発熱等、周囲の温度変化に影響を受けず、耐環境性に優れたエンコーダが得られる。
以上のように、構造がシンプルな、回転角度の絶対位置を検出する小型、高精度、高速応答、低価格の磁気エンコーダ装置が得られる。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。
（第１実施例）
図１〜図４は本発明の第１実施例を示す図で、図１は回転体の絶対値角度を検出する磁気エンコーダ検出装置の斜視図、図２は第１実施例に係る出力信号波形示す説明図、図３は第１実施例に係る角度検出信号処理回路を示す説明図、図４は本発明の回転角度出力を示す説明図である。
図１において、１はシャフト、２はシャフト１の端部に固定された正方形形状を有する永久磁石である。永久磁石２は１０ｍｍ角であり、この永久磁石２をシャフト１の端部に接着している。また、永久磁石２は一軸磁気異方性のフェライト系を用い、シャフト１の軸に垂直方向と平行に一方向に磁化されている。３は磁性体からなるリング状の固定体、４は永久磁石２の外周面に対して空隙を介して対向して設けた磁界検出素子で、図では４１〜４４の４個ある。

次に、第１実施例に係る磁気エンコーダ検出装置の動作について述べる。
シャフト１が回転すると、永久磁石２の磁界の変化により、ホール素子４１〜４４から信号Ｖａ１、Ｖａ２およびＶｂ１、Ｖｂ２（図３）を出力し、信号Ｖａ１、Ｖａ２を差動アンプ６１に入れ、および信号Ｖｂ１、Ｖｂ２を差動アンプ６２に入れ、それぞれの差動信号ＶａとＶｂ信号を得る。これがＡ相信号Ｖａ、Ｂ相信号Ｖｂとなる。
次に、差動信号ＶａとＶｂを次式で規格化し、信号出力の最大値を１．０００ｖに設定する。
Ｖａ＝Ｖａ／（｜Ｖａ｜＋｜Ｖｂ｜）
Ｖｂ＝Ｖｂ／（｜Ｖａ｜＋｜Ｖｂ｜）
差動信号ＶａとＶｂの信号出力波形は図２にＡ相信号Ｖａ、Ｂ相信号Ｖｂとして示されている。
図から判るように、差動信号ＶａとＶｂの信号出力波形は三角波状に変化している。

次に、図３において、差動信号ＶａとＶｂの正負を正負判別信号回路６３で判別し、次の加減演算回路６４で、次式の演算により角度信号θを求めている。
（１）Ｖａ＞＝０，Ｖｂ＞＝０、ならば、Ｖ（θ）＝Ｖａ（θ）
（２）Ｖａ＞０，Ｖｂ＜０、ならば、Ｖ（θ）＝１．００ − Ｖｂ（θ）
（３）Ｖａ＜＝０，Ｖｂ＜＝０、ならば、Ｖ（θ）＝２．００ − Ｖａ（θ）
（４）Ｖａ＜０，Ｖｂ＞０、ならば、Ｖ（θ）＝３．００ ＋ Ｖｂ（θ）
Ｖ（θ）は回転角度が３６０度のとき、４．００ｖになるが、最大値を３．６ｖまたは５．０ｖに規格化し出力値が回転角度に対応するように設定しても良い。

図４は本発明の回転角度対出力を示す説明図で、角度０度で出力０から出発し、角度３６０度で出力５となる直線特性の磁気エンコーダ装置が得られる。

なお、磁石材質としてフェライト系磁石を用いたが希土類系磁石、あるいは前記材料を複合したボンド磁石で形成しても良い。
また、磁界検出素子としてホール素子を使用したが、磁気抵抗素子、ＧＭＲを用いても良い。また、エンコーダの精度は若干低下するが、組立てを簡易にし、ローコストにするために、永久磁石にシャフトを貫通させる構成にしても良い。

（第２実施例）
図５は本発明の第２の実施形態の断面図を示している。
第２実施例では、永久磁石２をエポキシ樹脂からなる非磁性のホルダ５で覆うとともに、樹脂表面に凹凸（凹５ａ、凸５ｂ）を設けているのが特徴である。
このように、永久磁石２を樹脂５でモールドすることにより、機械的衝撃等で永久磁石２が破壊することを簡単に防ぐことができた。
また、ロータが回転すると、樹脂５の表面上の凹凸５ａ、５ｂにより空隙部に空気の流れが発生し、永久磁石２、ホール素子４（４１〜４４）、および信号処理回路６（図３）は強制空冷されることになるので、エンコーダはモータ発熱による温度上昇の影響を受けることなく、周囲温度の変化によってエンコーダの精度が低下する問題が解決する。

図６は他のホルダ形状を示している。
（ａ）は永久磁石２をエポキシ樹脂からなる非磁性のホルダ５で覆うとともに、正方形の永久磁石２の辺に対応する外形部分を凹面に形成しているのが特徴である。このように、永久磁石２を樹脂５でモールドすることにより、機械的衝撃等で永久磁石２が破壊することを簡単に防ぐことができると共に、ロータが回転すると、樹脂５の表面上の凹面により空隙部に空気の流れが発生し、永久磁石２、ホール素子４（４１〜４４）、および信号処理回路６（図３）は強制空冷されることになるので、エンコーダはモータ発熱による温度上昇の影響を受けることなく、周囲温度の変化によってエンコーダの精度が低下する問題が解決する。
（ｂ）は正方形の永久磁石２の角部を環状の非磁性のホルダ５の内部で支えるようにし、正方形の永久磁石２の辺と環状のホルダ５との間に空隙が生じているのが特徴である。このように環状ホルダ５で永久磁石２の４角を支持することにより、機械的衝撃等で永久磁石２が破壊することを簡単に防ぐことができると共に、ロータが回転すると、環状ホルダ５と永久磁石２の辺の間の空隙に空気の流れが発生し、永久磁石２、ホール素子４（４１〜４４）、および信号処理回路６（図３）は強制空冷されることになるので、エンコーダはモータ発熱による温度上昇の影響を受けることなく、周囲温度の変化によってエンコーダの精度が低下する問題が解決する。
なお、エンコーダの周囲温度が高くならない場合は、ホルダ形状を円筒状に形成し、材質は非磁性の金属を使用しても良い。
また、固定体は磁性材ＳＳ４１を用いた。固定体内の磁束密度が１．０（Ｔ）以上になると、固定体が磁気飽和し、その影響でホール素子の検出磁束密度波形が三角波状から外れ、回転角の検出精度が低下する要因となる。それで、磁束密度が０．９（Ｔ）になるよう形状を構成した。また、モータ形状にあわせ外径を角形とした。

以上述べたように、本発明の磁気エンコーダ装置は、形状が正方形で、対角軸方向に一方向に磁化した永久磁石を用い、信号処理回路を、９０度位相の異なる磁界検出信号の正負判別信号回路と加減演算回路で構成したので以下の効果がある。
（１）磁気検出素子の出力信号は三角波状に変化する。
このため回転角度は加減算のみの簡単な計算で算出でき、処理回路も簡単になる。また高速で高精度の演算処理が可能となるので、高速応答、高精度のエンコーダ装置を提供できる。
（２）高価なＣＰＵや大容量のメモリーを必要とせず、低コストで処理回路を製作でき、低コストのエンコーダ装置を提供できる。
（３）固定体の形状を磁気飽和しないように、磁束密度が１．０（Ｔ）以下になるように形成したので、ギャップ部磁束分布が磁気飽和の影響を受けず、極めて良好な三角波状の検出信号が得られる。このため高精度なエンコーダ装置を提供できる。
（４）さらに、表面が凹凸形状を有する非磁性ホルダで永久磁石を覆うようにしたので、エンコーダを強制空冷でき、サーボモータの発熱等、周囲の温度変化に影響を受けず、耐環境性に優れたエンコーダを提供できる。
以上のように、構造がシンプルな、回転角度の絶対位置を検出する小型、高精度、高速応答、低価格の磁気エンコーダ装置を提供できる。

本発明の実施例１を示す構造図である。 本発明の実施例１の出力信号波形示す説明図である。 本発明の処理回路を示す説明図である。 本発明の回転角度出力を示す説明図である。 本発明の実施例２を示す構造図である。 本発明の実施例２の他の磁石ホルダ形状を示す説明図である。 従来の磁気エンコーダ装置の構造図である。 従来の磁気エンコーダ装置の信号出力波形」を示す説明図である。 従来の磁気エンコーダ装置の信号処理回路を示すブロック図である。

符号の説明

１ 回転体（シャフト）
２ 永久磁石
３ 固定体
４ 磁界検出素子
４１ Ａ１相検出素子
４２ Ｂ１相検出素子
４３ Ａ２相検出素子
４４ Ｂ２相検出素子
５ 磁石ホルダ
６ 角度検出信号処理回路
６１、６２ 差動アンプ
６３ 正負判別信号回路
６４ 加減演算回路
７ 従来の角度検出信号処理回路
７１、７２ 差動アンプ
７３ 角度演算回路

Claims (6)

1. 回転体に固定され２極に着磁された永久磁石と、前記永久磁石の外周側に空隙を介して対向して固定体に取り付けられた磁界検出素子と、前記磁界検出素子からの信号を処理する信号処理回路とを備え、前記回転体の位置の絶対値を検出するようにしたエンコーダ装置であって、
   前記永久磁石は、一軸磁気異方性磁石であり、かつ前記永久磁石の形状が正方形で対角軸方向に磁化されたものであることを特徴とする磁気式エンコーダ装置。
2. 前記信号処理回路は、９０度位相の異なる前記磁界検出信号の正負判別信号回路と加減演算回路から構成されることを特徴とする請求項１記載の磁気式エンコーダ装置。
3. 前記固定体は、強磁性体で、かつ磁束密度が１．０（Ｔ）以下になるように形成したことを特徴とする請求項１記載の磁気式エンコーダ装置。
4. 前記永久磁石を非磁性のホルダで覆ったことを特徴とする請求項１記載の磁気式エンコーダ装置。
5. 前記非磁性のホルダは表面に凹凸を形成したことを特徴とする請求項４記載の磁気式エンコーダ装置。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の磁気式エンコーダにおいて前記回転体に固定される前記永久磁石であって、一軸磁気異方性磁石でかつ正方形の形状をし対角軸方向に磁化されたことを特徴とする、磁気式エンコーダ用永久磁石。
   

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