專利名稱:磁性編碼裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及檢測使用于工業(yè)用機器人、NC機床等的馬達的旋轉位置的磁性編碼裝置，特別涉及在單轉以內角度的絕對位置檢測的基礎上檢測多轉旋轉量的磁性編碼裝置。
背景技術：
現有的磁性編碼裝置由磁場檢測元件檢測相對于旋轉體轉軸的垂直方向的一個方向上磁化且固定于旋轉體的永久磁鐵的磁場，以檢測出單轉以內的角度(例如，參照專利文獻1)。
圖8是現有的磁性編碼裝置的立體圖。
在圖8中1是旋轉體，2是構成固定于旋轉體1端部的圓板狀發(fā)磁體的永久磁鐵，并使該永久磁鐵2在相對于旋轉體1軸向的垂直的一個方向上磁化。3是設置于永久磁鐵2外周側的環(huán)狀固定體，4是相對于旋轉體1的旋轉中心以同心圓狀設置且在固定體3的周向上等間隔配置的磁場檢測元件，并由四個磁場檢測元件41、42、43、44構成。這些磁場檢測元件4與永久磁鐵2的外周面隔著空隙相對，且相互以電角錯開90度位相來設置A1相檢測元件41和B1相檢測元件42，此外，相對于A1相檢測元件41以電角錯開180度位相來設置A2相檢測元件43，相對于B1相檢測元件42以電角錯開180度位相來設置B2相檢測元件44。
此外，圖9是信號處理電路的框圖。
在圖9中，5是信號處理電路，由差動放大器51、52和角度運算電路53構成。
以下對其動作進行說明。
旋轉體1旋轉時，固定于旋轉體1的永久磁鐵2也旋轉。磁場檢測元件4檢測永久磁鐵2產生的磁場，相對于旋轉角旋轉1周輸出1周期的正弦波信號。同時，如此旋轉1周輸出1周期信號的編碼器稱為1X型編碼器。
差動放大器51接收到源自A1相檢測元件41的檢測信號即A1信號(Va1)和源自A2相檢測元件43的檢測信號即A2信號(Va2)的輸入后，輸出兩個信號的差動信號Va。此外，差動放大器52接收到源自B1相檢測元件42的檢測信號即B1信號(Vb1)和源自B2相檢測元件44的檢測信號即B2信號(Vb2)的輸入后，輸出兩個信號的差動信號Vb。差動信號Va和Vb是相互相差90度位相的信號。角度運算電路53為由差動信號Va和Vb進行arctan(Va/Vb)運算以運算旋轉角度。
如此，現有的1X型編碼器通過磁場檢測元件檢測在一個方向上磁化的永久磁鐵產生的磁場，并通過信號處理電路進行角度運算，以檢測出單轉以內角度。
日本國特愿平10-541482號公報
發(fā)明內容
現有的1X型編碼器不具備檢測多轉旋轉量的器件，僅能檢測單轉以內的角度。為了檢測多轉旋轉量，在現有的1X型編碼器的信號處理電路中附加多轉檢測電路，通過將源自磁場檢測元件4的信號輸入此多轉檢測電路，實現了檢測多轉旋轉量。但是，為了瞬時停電等外部電源遮斷時也能持續(xù)保持多轉旋轉量的信息，需要使用蓄電池等備用電源連續(xù)通電給磁場檢測元件4和附加的多轉檢測電路。此時的消耗電力要求極低的消耗，為了得到高精度的單轉以內角度信號，需要向磁場檢測元件4供給適當的電流，很難節(jié)省電力。因此，使用蓄電池作為備用電源時需要頻繁地進行蓄電池交換，由于保養(yǎng)等原因，很難適用于要求僅靠蓄電池電源反復進行長時間連續(xù)運轉的機械裝置，因此有磁性編碼裝置的適用范圍狹小的問題。
此外，不使用備用電源維持多轉旋轉量并進行檢測的方法雖然也可以考慮增加齒輪等機械部件，但是有大型化及由于具有機械接觸部使磁性編碼裝置壽命縮短的問題、及源于機械磨損的可靠性的問題等。
此外，對于外轉子型馬達，還存在很難應用使用齒輪等機械部件的小型減速機構的問題。
本發(fā)明為解決此種問題而進行，目的是提供一種能夠以低消耗電力檢測多轉旋轉量，此外，實現僅靠蓄電池電源的長時間連續(xù)運轉，還有即使對于外轉子型馬達也能夠檢測出多轉旋轉量的小型、薄型且長壽命的磁性編碼裝置。
為了解決上述問題，本發(fā)明的磁性編碼裝置是如下構成的。
權利要求
1所述的發(fā)明是一種磁性編碼裝置，具有在相對于旋轉體轉軸的垂直方向的一個方向上磁化且固定于前述旋轉體的永久磁鐵、與前述永久磁鐵隔著空隙相對且安裝于固定體的磁場檢測元件、及處理源自前述磁場檢測元件的信號的信號處理電路。
前述磁場檢測元件具有檢測單轉以內角度的至少兩個單轉用磁場檢測元件和檢測多轉旋轉量的至少兩個多轉用磁場檢測元件。
前述信號處理電路具有由單轉用磁場檢測元件的檢測信號生成單轉以內角度信號的單轉信號處理電路和由多轉用磁場檢測元件的檢測信號生成多轉信號的多轉信號處理電路。
權利要求
2所述的發(fā)明為前述旋轉體和永久磁鐵為環(huán)狀，且在前述永久磁鐵的周圍形成有環(huán)狀的磁性軛鐵，前述固定體配置于前述旋轉體的內側。
權利要求
3所述的發(fā)明為前述固定體為環(huán)狀，且由強磁體構成。
權利要求
4所述的發(fā)明為前述多轉用磁場檢測元件為磁阻元件或霍爾元件。
權利要求
5所述的發(fā)明為前述多轉用磁場檢測元件配置在前述永久磁鐵的周向上。
權利要求
6所述的發(fā)明為前述多轉用磁場檢測元件在前述旋轉體的軸向上隔著空隙配置于前述永久磁鐵的側面。
根據權利要求
1所述的發(fā)明，除單轉用磁場檢測元件和單轉信號處理電路構成的單轉以內角度檢測器件以外，附加有多轉用磁場檢測元件和多轉信號處理電路構成的多轉角度檢測器件。由此，外部電源遮斷時，可以僅向多轉檢測器件供給備用電源，能夠以極小的電力檢測多轉旋轉量，由于不需要頻繁交換作為備用電源使用的蓄電池，因此能夠長時間連續(xù)運轉。
根據權利要求
2所述的發(fā)明，旋轉體和永久磁鐵為環(huán)狀，由于固定體配置于旋轉體的內側，因此對于外轉子型馬達能夠以極小的電力檢測出多轉旋轉量。
根據權利要求
3所述的發(fā)明，由于配置于旋轉體內側的固定體為環(huán)狀，因此能夠構成可以檢測多轉旋轉量的中空的磁性編碼裝置。
根據權利要求
4所述的發(fā)明，多轉用磁場檢測元件通過使用小型且消耗電力小的磁阻元件或霍爾元件，即使附加多轉功能也不會大幅度地增加外形尺寸。因此，即使在應用現有技術的裝置上附加多轉功能，也不會在外形上限制向裝置的應用。此外，由于沒有機械的接觸部分，因此能夠實現長壽命且可靠性高的磁性編碼裝置。
根據權利要求
5所述的發(fā)明，由于多轉用磁場檢測元件配置于配置有單轉用檢測元件的永久磁鐵的外周部的剩余空間，因此能夠構成為薄型，徑向厚度也能夠構成為很薄。
根據權利要求
6所述的發(fā)明，由于配置于旋轉體1相反側的永久磁鐵2的側面，因此馬達和旋轉體直接連接時，不會直接接受馬達的輻射熱，即使很小的消耗電流也能夠實現穩(wěn)定且可靠性高的檢測。
圖1是表示本發(fā)明第1實施例的磁性編碼裝置的立體圖。
圖2是本發(fā)明的磁性編碼裝置的多轉信號處理電路的框圖。
圖3是表示多轉信號和單轉以內角度信號關系的動作說明圖。
圖4是表示本發(fā)明第2實施例的磁性編碼裝置的立體圖。
圖5是表示本發(fā)明第3實施例的磁性編碼裝置的立體圖。
圖6是表示本發(fā)明第4實施例的磁性編碼裝置的立體圖。
圖7是表示本發(fā)明第5實施例的固定體部的構成的圖。
圖8是現有的磁性編碼裝置的立體圖。
圖9是現有的磁性編碼裝置的信號處理電路的框圖。
符號說明1、1’ 旋轉體2 永久磁鐵2’ 磁場發(fā)生轉子21 環(huán)狀永久磁鐵22 環(huán)狀磁性軛鐵3、3’ 固定體31 環(huán)狀固定體32 元件保持架4 磁場檢測元件、單轉用磁場檢測元件41 A1相檢測元件42 B1相檢測元件43 A2相檢測元件44 B2相檢測元件5 信號處理電路、單轉信號處理電路51、52 差動放大器53 角度運算電路6 多轉用磁場檢測元件61 Am相檢測元件62 Bm相檢測元件7 多轉信號處理電路71、72 放大器73 計數器具體實施方式
以下參照圖對本發(fā)明的實施方式進行說明。
實施例1圖1是表示本發(fā)明第1實施例的磁性編碼裝置的立體圖。
在圖1中，1是旋轉體，2是永久磁鐵，3是固定體，4是單轉用磁場檢測元件，5是單轉信號處理電路，6是多轉用磁場檢測元件，7是多轉信號處理電路。由于旋轉體1、永久磁鐵2、固定體3、單轉用磁場檢測元件4、單轉信號處理電路5的構成與現有技術相同，因此省略其說明。
此外，在本實施例中，永久磁鐵2由鐵素體類磁鐵形成，其為在相對于旋轉體1軸的垂直方向的一個方向上平行地磁化的2極的構成。永久磁鐵2的大小為直徑3mm，厚度1mm。
多轉用磁場檢測元件6由Am相檢測元件61和Bm相檢測元件62兩個磁阻元件組成，與圓板狀永久磁鐵2的外周面隔著空隙配置且電角相互錯開大致90度位相。
由于上述Am相和Bm相決定旋轉方向，因此其位相角可以是不會因Vam信號、Vbm信號的振蕩等而影響兩信號發(fā)生順序的范圍內的位相角，Am相檢測元件61和Bm相檢測元件62之間的位置可以是電角10度～170度的位置。
多轉信號處理電路7處理由多轉用磁場檢測元件6檢測出的Am相信號和Bm相信號以生成多轉信號。
圖2是多轉信號處理電路7的框圖。
在圖2中，71、72是放大器，73是計數器。
本發(fā)明與現有技術的不同點為具有多轉用磁場檢測元件6和多轉信號處理電路7。
以下對本發(fā)明第1實施例的動作進行說明。
由于檢測單轉以內的角度與現有技術相同，因此僅對多轉旋轉量的檢測進行說明。
隨旋轉體1的旋轉，永久磁鐵2旋轉時空隙部的磁通密度發(fā)生變化。由多轉磁場檢測元件6檢測出此磁通密度的變化并輸入多轉信號處理電路7。由多轉用磁場檢測元件6的Am相檢測元件61檢測出的信號經放大器71放大后成為信號Vam并輸入到計數器73。此外，由Bm相檢測元件62檢測出的信號經放大器72放大后成為信號Vbm并同樣輸入到計數器73。計數器73通過對Vam、Vbm進行計數來生成多轉信號。
圖3是表示多轉信號和單轉以內角度信號關系的動作說明圖。
在圖3中，單轉以內角度信號是此信號的分辨率為dn時，相對于旋轉體旋轉1周從0到(dn-1)為止變化的角度信號。某個檢測點的包含多轉旋轉量的角度信號為，預先存儲多轉信號變化時的單轉以內角度信號的數據dc，當檢測點的單轉以內角度信號的數據d大于dc時，通過多轉信號k加{(d-dc)/dn}，當d小于dc時則通過多轉信號k加{(d+dn-dc)/dn}而獲得。
瞬時停電等外部電源遮斷時，多轉磁場檢測元件6和多轉信號處理電路7由蓄電池供給電源，保持多轉旋轉量數據的同時繼續(xù)檢測多轉旋轉量。由于多轉旋轉量的檢測與單轉以內角度信號相比不需要高檢測精度，因此能夠以小電力進行檢測。此時，磁場檢測元件4和信號處理電路5中沒有供給電源，雖然不能檢測出單轉以內角度信號，但是對于單轉以內角度信號，即使瞬時停電等外部電源遮斷時，1X型編碼器也能夠在電源恢復后由單轉用磁場檢測元件4的檢測信號進行再生。
如此，在本實施例中，除單轉用磁場檢測元件4和單轉信號處理電路5構成的單轉以內角度檢測器件以外，還附加有多轉用磁場檢測元件6和多轉信號處理電路7構成的多轉檢測器件。外部電源遮斷時，通過僅向消耗電力小的多轉檢測器件供給備用電源，能夠以極小的電力檢測出多轉旋轉量。本實施例中備用電源的消耗電力約為0.3mW。這是現有的磁性編碼裝置附加多轉檢測電路后，共用磁場檢測元件的信號檢測多轉旋轉量時的消耗電力的約1/500。
此外，不需追加特別的多轉檢測機構，由于用于檢測多轉旋轉量的磁場檢測元件的小型且消耗電力小的多轉用磁阻元件6與單轉用磁場檢測元件4配置于同一圓周上的空隙部，因此不會增加轉軸的軸向及徑向的尺寸，并能夠維持小型構造。
因此，能夠提供一種適用于廣闊領域的磁性編碼裝置。
此外，雖然本實施例中使用鐵素體類磁鐵作為永久磁鐵，但也可以由Sm-Co類磁鐵或Ne-Fe-B類磁鐵或者前述各種磁鐵由高分子材料結合的分散型復合磁鐵來形成。
此外，雖然多轉信號處理電路7使用放大器71、72進行信號調整，但是使用比較器當然也可以得到相同的效果。此外，比較器不限于多轉信號處理電路7也可以置于磁場檢測元件6的附近。此時，由于比較器的輸出信號即2值化的信號輸入多轉信號處理電路7，因此具有提高抗干擾性的效果。
實施例2圖4是表示本發(fā)明第2實施例的磁性編碼裝置的立體圖。
本實施例與第1實施例的不同部分為，第1實施例中多轉用磁場檢測元件6與圓板狀永久磁鐵2的外周面隔著空隙配置，而本實施例中其為與永久磁鐵2的圓板狀平面隔著空隙配置。而且配置于固定有轉軸1的平面相反側的平面。
多轉用磁場檢測元件6由Am相檢測元件61和Bm相檢測元件62兩個霍爾元件組成，在旋轉體1的旋轉方向上相互錯開大致90度位相，由未圖示的固定夾具固定于固定體3。永久磁鐵2的表面和多轉用磁場檢測元件6的間隔為約1mm左右。
此外，由于本實施例的動作與第1實施例相同，故省略其說明。
如此，本實施例中，由于多轉用磁場檢測元件6隔著空隙配置于旋轉體1相反側的永久磁鐵2的圓板上的平面，因此未圖示的馬達與旋轉體1直接連接時，不會直接接受馬達的輻射熱，即使以小消耗電流也能穩(wěn)定地進行檢測。
本實施例與第1實施例一樣，與現有的磁性編碼裝置的信號處理電路附加多轉檢測電路后，共用單轉以內磁場檢測元件的信號檢測多轉旋轉量時相比，消耗電力變?yōu)榧s1/500。備用電源使用蓄電池時，能夠令此蓄電池的交換時間飛躍地延長。
實施例3圖5是表示本發(fā)明第3實施例的磁性編碼裝置的立體圖。
圖5中，1’是旋轉體，2’是磁場發(fā)生轉子，3’是固定體。此外，21是環(huán)狀永久磁鐵，22是配置于環(huán)狀永久磁鐵21的外周且由磁性材料構成的環(huán)狀磁性軛鐵。磁場發(fā)生轉子2’由環(huán)狀永久磁鐵21和環(huán)狀磁性軛鐵22構成。4是隔著空隙與環(huán)狀永久磁鐵21相對且安裝于固定體3’的檢測單轉內位置的四個單轉用磁場檢測元件，5是處理源自磁場檢測元件4的信號的單轉信號處理電路，6是隔著空隙與前述環(huán)狀永久磁鐵21相對且安裝于固定體3’的兩個多轉用磁場檢測元件。
環(huán)狀永久磁鐵21由鐵素體類磁鐵形成，其為在相對于旋轉體1’軸的與垂直方向平行的一個方向上磁化的2極的構成。此外，環(huán)狀磁性軛鐵22由碳素鋼等強磁體構成。磁場發(fā)生轉子2’使磁阻減小，具有使磁場集中于單轉用磁場檢測元件4和多轉用磁場檢測元件6的效果，由此能夠提高磁場檢測元件的SN比。還有遮斷外界磁干擾的效果。材料只要是強磁體即可，例如碳素鋼等。
單轉用磁場檢測元件4由四個霍爾效應元件組成，與環(huán)狀永久磁鐵21的內周面隔著空隙相對，且相互以電角錯開90度位相來設置A1相檢測元件41和B1相檢測元件42，此外，相對于A1相檢測元件41以電角錯開180度位相來設置A2相檢測元件43，相對于B1相檢測元件42以電角錯開180度位相來設置B2相檢測元件44。
此外，多轉用磁場檢測元件6由磁阻元件組成，在旋轉體1’的徑向上隔著空隙與磁場發(fā)生轉子2’相對，且相互以電角錯開大致90度位相來設置Am相檢測元件61和Bm相檢測元件62。
由于單轉信號處理電路5和多轉信號處理電路7的構成與實施例1相同，因此省略其說明。
本實施例與實施例1的不同點為，為了檢測外轉子型馬達的多轉旋轉量，使固定于旋轉體的永久磁鐵為環(huán)狀，進而在永久磁鐵的周圍形成環(huán)狀的磁性軛鐵，在配置于旋轉體內側的固定體上配置單轉用磁場檢測元件4和多轉用磁場檢測元件6。
以下對其動作進行說明。伴隨旋轉體1’的旋轉磁場發(fā)生轉子2’發(fā)生旋轉。磁場發(fā)生轉子2’發(fā)出的磁場由單轉用磁場檢測元件4檢測出，并由單轉信號處理電路5變換為單轉以內角度信號。此外，磁場發(fā)生轉子2’發(fā)出的磁場由磁場檢測元件6檢測出，并由信號處理電路7變換為多轉信號。由于單轉以內角度信號和多轉信號的生成方法與實施例1相同，因此省略其說明。
本實施例中由于多轉旋轉量的檢測功能的附加并沒有增加旋轉體軸向及徑向的尺寸，因此能夠維持小型構造，對于外轉子型旋轉體能夠以極小的電力檢測出多轉旋轉量。
此外，通過使用霍爾元件作為磁場檢測元件，由于尺寸形狀為小型(約2.5×1.5×0.6mm)的同時能得到很大的輸出信號，因此抗干擾特性很強。此外，由于霍爾元件形狀小，因此能夠很薄地構成旋轉體軸向的厚度，還由于能夠很薄地構成徑向厚度，因此能夠使中空徑很大，其構成非常適用于中空形狀。
此外，雖然本實施例中使用鐵素體類磁鐵作為環(huán)狀永久磁鐵，但也可以由Sm-Co類磁鐵或Ne-Fe-B類磁鐵或者前述各種磁鐵由高分子材料結合的分散型復合磁鐵來形成。
實施例4圖6是表示本發(fā)明第4實施例的磁性編碼裝置的立體圖。
本實施例與實施例3的不同點為，實施例3中多轉用磁場檢測元件6配置于固定體3’的外周面，而本實施例中，在旋轉體1’的軸向上與磁場發(fā)生轉子2’的側面隔著空隙由未圖示的固定夾具固定于固定體3’。
此外，由于本實施例的動作與第3實施例相同，故省略其說明。
如此，本實施例中，對于外轉子型馬達能夠以極小的電力檢測出多轉旋轉量，由于多轉用磁場檢測元件6隔著空隙配置于旋轉體1’相反側的磁場發(fā)生轉子的平面，因此與實施例2一樣，未圖示的馬達與旋轉體1’直接連接時，不會直接接受馬達的輻射熱，即使以小消耗電流也能穩(wěn)定地進行檢測。
實施例5圖7是表示本發(fā)明第5實施例的固定體部的構成的圖。
圖7中，31是環(huán)狀固定體，32是元件保持架。本實施例與實施例3的不同點為，固定體的形狀為環(huán)狀。由此能夠檢測出具有中空構造的外轉子型馬達的多轉旋轉量。此外，環(huán)狀固定體31的材料為強磁體(例如碳素鋼)。由此與實施例3的環(huán)狀磁性軛鐵22的效果一樣使磁阻減小，具有使磁場集中于檢測單轉內位置的單轉用磁場檢測元件4和多轉用磁場檢測元件6的效果，能夠提高檢測信號的SN比，具有遮斷外界磁干擾的效果。此外，環(huán)狀固定體31、單轉用磁場檢測元件4和多轉用磁場檢測元件6之間設有非磁性體構成的元件保持架。通過此元件保持架，不僅使磁場檢測元件的位置容易保持，還能夠提高位置精度。
此外，由于本實施例的動作與第3實施例相同，故省略其說明。
如此，本實施例中，對于具有中空構造的外轉子型馬達能夠以極小的電力檢測出多轉旋轉量。
由于根據本發(fā)明能夠以小型且低消耗電力檢測出多轉旋轉量，因此能夠適用于絕對位置檢測所需的小型伺服馬達。
權利要求
1.一種磁性編碼裝置，具有在相對于旋轉體轉軸的垂直方向的一個方向上磁化且固定于前述旋轉體的永久磁鐵、與前述永久磁鐵隔著空隙相對且安裝于固定體等的磁場檢測元件、及處理源自前述磁場檢測元件的信號的信號處理電路的磁性編碼裝置；其特征為前述磁場檢測元件具有檢測單轉以內角度的至少兩個單轉用磁場檢測元件和檢測多轉旋轉量的至少兩個多轉用磁場檢測元件；前述信號處理電路具有由前述單轉用磁場檢測元件的檢測信號生成單轉以內角度信號的單轉信號處理電路和由前述多轉用磁場檢測元件的檢測信號生成多轉信號的多轉信號處理電路。
2.如權利要求
1所述的磁性編碼裝置，其特征為前述永久磁鐵為環(huán)狀，且在前述永久磁鐵的周圍形成有環(huán)狀的磁性軛鐵，前述固定體配置于前述旋轉體的內側。
3.如權利要求
2所述的磁性編碼裝置，其特征為前述固定體為環(huán)狀，且由強磁體構成。
4.如權利要求
1～3中任意一項所述的磁性編碼裝置，其特征為前述多轉用磁場檢測元件為磁阻元件或霍爾元件。
5.如權利要求
1～3中任意一項所述的磁性編碼裝置，其特征為前述多轉用磁場檢測元件配置在前述永久磁鐵的周向上。
6.如權利要求
1～3中任意一項所述的磁性編碼裝置，其特征為前述多轉用磁場檢測元件在前述旋轉體的軸向上隔著空隙配置于前述永久磁鐵的側面。
專利摘要
本發(fā)明涉及能夠進行單轉以內的角度檢測和檢測多轉旋轉量的小型且消耗電力小的磁性編碼裝置。具體為本發(fā)明的磁性編碼裝置是由在相對于旋轉體(1)轉軸的垂直方向的一個方向上磁化并固定于旋轉體(1)的永久磁鐵(2)、與永久磁鐵(2)隔著空隙相對地安裝于固定體(3)的磁場檢測元件(4)、及處理源自磁場檢測元件(4)的信號的信號處理電路(5)組成的裝置的基礎上，附加有由多轉用磁場檢測元件(6)和由此多轉用磁場檢測元件(6)的信號檢測多轉旋轉量的多轉信號處理電路(7)組成的多轉檢測器件的裝置。
文檔編號G01D5/18GK1997876SQ200580018806
公開日2007年7月11日 申請日期2005年5月11日
發(fā)明者上村浩司, 有永雄司, 椛島武文 申請人:株式會社安川電機導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan