(57)【要約】  磁界検出素子を駆動する電源線や出力信号線の本数が少なく、低コストで、設置の自由度の高い磁気式エンコーダを提供する。  発磁体を構成する円板状の永久磁石（２）は、回転体（１）の回転軸（１１）に対して、垂直に一方向に平行に磁化されている。磁界検出部（６）を処理回路基板（４）上の回転体（１）の回転中心軸（１０）上に設置する。磁界検出部（６）は、回転軸に垂直な面内のお互いに異なる方向の磁界を検出する配置した図示しない２個の磁界検出素子を近接して備え、回転軸（１１）に対して垂直なＸ−Ｙ平面上のＸ、Ｙの２軸方向の磁界を検出する。
2007055135.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転体に固定され２極に磁化された円板状又はリング状の永久磁石と、前記永久磁石が発生する磁界を検出する磁界検出部と、前記磁界検出部からの信号を処理する信号処理回路とを備え、前記回転体の絶対位置を検出するようにした磁気式エンコーダ装置において、
前記磁界検出部は、前記回転体の回転軸方向に前記永久磁石と空隙を介して配置され、前記永久磁石の回転中心軸の延長上に前記回転軸に垂直な面内の複数軸方向の磁界を検出する磁界検出素子部を備えたことを特徴とする磁気式エンコーダ装置。
【請求項２】
前記複数軸方向が２軸方向であることを特徴とする請求項１に記載の磁気式エンコーダ装置。
【請求項３】
前記複数軸方向が３軸方向であることを特徴とする請求項１に記載の磁気式エンコーダ装置。
【請求項４】
前記磁界検出素子部は、前記各軸方向の磁界を検出する磁界検出素子を半導体技術により近接して形成したものであることを特徴とする請求項１に記載の磁気式エンコーダ装置。
【請求項５】
前記磁界検出素子部は、前記各軸方向の磁界を検出する磁界検出素子パッケージを近接して配置したことを特徴とする請求項１に記載の磁気式エンコーダ装置。
【請求項６】
前記磁界検出部は、前記磁界検出素子部と、前記磁界検出素子部を駆動する駆動回路と、前記磁界検出素子部の出力信号を処理する信号処理部を１パッケージに集積したことを特徴とする請求項１に記載の磁気式エンコーダ装置。
【請求項７】
前記永久磁石は、回転軸に垂直な面内で平行に磁化されたことを特徴とする請求項１に記載の磁気式エンコーダ装置。
【請求項８】
前記永久磁石は、平行異方性を有した永久磁石からなることを特徴とする請求項７に記載の磁気式エンコーダ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
（従来例１）
従来、高精度の位置情報を得る磁気式エンコーダとして、平面内で２極に平行に磁化した円板状の永久磁石が発生する磁界を検出し、回転体の位置の絶対値を検出する磁気式エンコーダが開示されている（例えば特許文献１参照）。
図２２は第１従来技術における磁気式エンコーダの構成を示す斜視図である。
図において、１は回転体、２は回転体１に回転軸１１を介して固定された永久磁石で、回転軸１１に対して、垂直に一方向磁化されている。
６１１乃至６１４は磁界検出素子で、永久磁石２に対して軸方向に空隙を介して配置され固定体７上に固定されている。磁界検出素子６１１乃至６１４は、周方向に互いに機械角で９０度位相をずらして配置されており、回転体１の回転に応じて永久磁石２が発生する磁界の変化を検出する。この検出信号を信号処理回路５で回転角度に変換し、回転体１の絶対値位置を検出している。【０００３】
（従来例２）
また、回転体に取り付けられた平面内で２極に平行に磁化された永久磁石が発生する磁界を、軸方向に空隙を介して等間隔で配置した６個の磁界検出素子で検出し、回転体の位置の絶対値を検出するようにしたものが開示されている（例えば特許文献２参照）。
図２３は第２従来技術における磁気式エンコーダの構成を示す斜視図である。
図において、１は回転体、２は回転体１に回転軸１１を介して固定された永久磁石で、回転軸１１に対して、垂直に一方向磁化されている。
６２１〜６２６は磁界検出素子で、磁界検出素子６２１〜６２６は、機械角で１８０度位相がずれた位置に設けた２個１対のＡ1 相検出素子６２１とＡ２ 相検出素子６２２、Ｂ１相検出素子６２３とＢ２相検出素子６２４、およびＣ１相検出素子６２５とＣ２相検出素子６２６、計３対のもので構成され、固定体７上に配置されている。【０００４】
図２４は、信号処理回路のブロック図である。
信号処理回路には、Ａ１相検出素子６２１とＡ２相検出素子６２２、Ｂ１相検出素子６２３とＢ２相検出素子６２４、およびＣ１相検出素子６２５とＣ２相検出素子６２６に対して、それぞれ第１差動増幅器８１、８２、８３が設けられている。第１差動増幅器８１〜８３は、１対の磁界検出素子同士の出力信号の差を取ることにより偶数次の高調波成分を除去するものである。
さらに、第１差動増幅器８１と８２、第１差動増幅器８２と８３の後段には、それぞれ第２差動増幅器８４、８５を設けてある。
この第２差動増幅器８４、８５は、第１差動増幅器８１と８２、第１差動増幅器８２と８３により偶数次の高調波成分を除去した後の差動出力信号を二つずつ組み合わせて和を取ることにより、差動出力信号に含まれる３次の高調波成分を除去し、エンコーダを高精度化していた。【０００５】
（従来例３）
また、回転軸に固定された円板状の永久磁石の円周上の一端にＮ極、他端にＳ極を形成し、永久磁石と一定の空隙を隔てて、軸心上に磁気抵抗素子を対抗配置した角度センサが開示されている（例えば特許文献３参照）。
図２５は第３従来例における角度センサの斜視図、図２６は角度センサの回転角度と出力電圧の関係を示すグラフである。
円板状の永久磁石１２が回転すると、その回転角度に応じて、磁気抵抗素子１３に作用する磁界の強さが変化し、これにより磁気抵抗素子１３の抵抗が変化する。この抵磁気抵抗素子１３の抵抗変化を電圧変化として検出すると、図２６に示すようなシャフト１１の回転角度位置に応じた出力信号が得られる。磁気抵抗素子１３の出力電圧は、シャフト１１が一方向に９０度回転する毎に、直線的に増加と減少を交互に繰り返す。そして、この出力電圧波形の直線部分が、回転角度に比例することを利用している。              【０００６】
（従来例４）
また、回転体の回転軸上に磁石を取付け、異なる検出方向に配置された複数の磁気抵抗素子を有する磁気センサを、磁石が回転する方向に垂直に設置して、物体の回転を検出する回転検出器が開示されている（例えば特許文献４参照）。
図２７は第４従来技術における回転検出器の構成を示す斜視図である。
図において、２２は、円柱形の外形で、上面にＮ極とＳ極の２極に着磁した永久磁石、３７は、磁気センサで、永久磁石２２の上面から離れた位置に設置され、永久磁石２２に対して、垂直方向の磁界を検出する磁気抵抗パターンと磁気検出面方向の磁界を検出する磁気抵抗パターンが形成されている。
永久磁石２２が回転すると磁気センサ３７が磁界の回転を検出し、１回転１波形の信号を出力する。出力の変化から回転体の回転を検出する。さらに、磁気センサ３７を２個設置した場合は、回転方向も検出できる。
【特許文献１】特開２０００−６５５９６号公報
【特許文献２】特開２００１−３３２７７号公報
【特許文献３】特公平７−１１９６１９号公報
【特許文献４】特開平７−２７７７６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
第１従来技術で開示された磁気式エンコーダは、回転体に取り付けられた永久磁石が発生する磁界は歪の小さい正弦波状となるので高精度のエンコーダが得られる。しかし磁界検出素子を４個以上必要とするため、磁界検出素子を駆動する電源線や出力信号線の本数が多くなる。従って、配線や磁界検出素子の設置などが複雑になりコストが高くなる問題があった。また、磁界検出素子を等間隔で設置する必要があるが、設置精度がエンコーダ精度に大きく影響する問題があった。さらに配線数が多いのでノイズを拾いやすく信頼性が低い問題があった。【０００８】
また、第２従来技術で開示された磁気式エンコーダ装置は、磁界検出素子のサイズが大きいため、各磁界検出素子を回転軸中心から離して設置する必要があり、磁界検出部としてはサイズが大きくなる問題があった。また精度良く等間隔で配置することが難しいため、永久磁石の偏心や回転軸のぶれにより検出精度が劣化する問題があった。さらに各磁界検出素子の特性バラツキがあり、２次、３次の整数倍の高調波成分を完全に除去することができない問題があった。また永久磁石の近くに磁界検出素子のみが搭載され、磁界検出素子を駆動する駆動回路や信号増幅回路は永久磁石と離れて設置されているので、電源線や出力信号線の本数が多くなる問題や、耐ノイズ性が低下する問題があった。【０００９】
また、第３従来技術で開示された磁気式エンコーダは、角度の検出範囲が出力電圧の直線性を有する範囲に限定され、しかも低精度である。したがって３６０度範囲の全周にわたって、回転角度を高精度に検出できることを要求されるサーボモータなどには適用できない問題があった。【００１０】
また、第４従来技術で開示された回転検出装置は、粗い位置検出は可能であるが、回転角度を高精度に検出できることを要求されるサーボモータなどには適用できない問題があった。【００１１】
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、構成が簡単で小型化でき、低コストで、さらに、永久磁石の偏心や回転軸のぶれに強く、信頼性の高い高精度磁気式エンコーダ装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記問題を解決するため、本発明は次のように構成したものである。
請求項１に記載の発明は、回転体に固定され２極に磁化された円板状又はリング状の永久磁石と、前記永久磁石が発生する磁界を検出する磁界検出部と、前記磁界検出部からの信号を処理する信号処理回路とを備え、前記回転体の絶対位置を検出するようにした磁気式エンコーダ装置において、前記磁界検出部は、前記回転体の回転軸方向に前記永久磁石と空隙を介して配置され、前記永久磁石の回転中心軸の延長上に前記回転軸に垂直な面内の複数軸方向の磁界を検出する磁界検出素子部を備えたことを特徴としている。
また、請求項２に記載の発明は、前記複数軸方向が２軸方向であることを特徴としている。
また、請求項３に記載の発明は、前記複数軸方向が３軸方向であることを特徴としている。
また、請求項４に記載の発明は、前記磁界検出素子部は、前記各軸方向の磁界を検出する磁界検出素子を半導体技術により近接して形成したものであることを特徴としている。
また、請求項５に記載の発明は、前記磁界検出素子部は、前記各軸方向の磁界を検出する磁界検出素子パッケージを近接して配置したことを特徴としている。
また、請求項６に記載の発明は、前記磁界検出部は、前記磁界検出素子部と、前記磁界検出素子部を駆動する駆動回路と、前記磁界検出素子部の出力信号を処理する信号処理部を１パッケージに集積したことを特徴としている。
また、請求項７に記載の発明は、前記永久磁石は、回転軸に垂直な面内で平行に磁化されたことを特徴としている。
また、請求項８に記載の発明は、前記永久磁石は、平行異方性を有した永久磁石からなることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１３】
請求項１に記載の発明によると、磁界検出部が回転軸に垂直な面内の複数軸方向の磁界を検出する磁界検出素子部を備えているので、磁界検出部1個の簡単な構成で回転角度を検出できる。それ故、リード本数が低減でき、製作・組み立てコストが低減できる。
また、磁界検出部が永久磁石の回転中心軸の延長上に配置されているので、回転軸の偏心やぶれによる検出磁界の変動が小さくなり高精度のエンコーダが実現できる。
また、永久磁石を、内部が中空のリング形状にすれば、モータなどの検出対象の回転軸に永久磁石をマウントできる。従って、エンコーダと検出対象を一体化でき、構成がシンプルで耐振動性が向上するとともに小型化できる。【００１４】
また、請求項２に記載の発明によると、磁界検出部が回転軸に垂直な面内の２軸方向の磁界を検出する磁界検出素子部を備えれば、磁界検出部のサイズを小さくでき、簡単な構成で回転角度を検出できる。【００１５】
また、請求項３に記載の発明によると、磁界検出部が回転軸に垂直な面内の３軸方向の磁界を検出する磁界検出素子部を備えれば、磁界検出部のサイズを小さくでき、さらに、２次および３次の倍数の高調波成分をキャンセルした波形歪の極めて小さい信号を出力することができる。【００１６】
また、請求項４に記載の発明によると、磁界検出素子部の磁界検出素子を半導体技術により近接して形成すれば、素子間の特性のバラツキを小さくすることができ精度の良い検出信号が得られる。【００１７】
また、請求項５に記載の発明によると、磁界検出素子パッケージ近接して配置して磁界検出素子部を構成すれば、簡単な構成で回転軸の偏心やぶれによる検出磁界の変動が小さい高精度のエンコーダが実現できる。【００１８】
また、請求項６に記載の発明によると、磁界検出素子部と駆動回路と信号処理部を１パッケージに集積して磁界検出部を構成すれば、小形化が実現できるとともに、リード本数が低減でき、製作・組み立てコストが低減できる。さらに角度情報をデジタル信号で上位コントローラへ通信できるので、耐ノイズ性が向上するとともに出力信号線を長くできる。【００１９】
また、請求項７に記載の発明によると、永久磁石を回転軸に垂直な面内で平行に磁化すれば、永久磁石が発生する磁界が歪の小さい正弦波状となり、高精度のエンコーダを提供できる。【００２０】
また、請求項８に記載の発明によると、永久磁石が平行異方性を有すれば、特別な磁化装置を必要とせずに、容易に永久磁石を面内に平行に磁化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の第１実施例を示す磁気式エンコーダの斜視図である。
【図２】本発明の第１実施例における磁界検出部の拡大図である。
【図３】本発明の第１実施例における信号処理回路のブロック図である。
【図４】本発明の第１実施例における波形整形回路の回路図である。
【図５】本発明の第１実施例における磁界検出部の出力波形図である。
【図６】本発明の第２実施例を示す磁気式エンコーダの斜視図である。
【図７】本発明の第３実施例を示す磁界検出部の構成図である。
【図８】本発明の第３実施例における信号処理回路のブロック図である。
【図９】本発明の第４実施例を示す磁界検出部の構成図である。
【図１０】本発明の第５実施例示す磁界検出部の構成図である。
【図１１】本発明の第５実施例における磁界検出部の拡大図である。
【図１２】本発明の第５実施例における磁界検出素子部の磁界の変化を示すグラフである。
【図１３】本発明の第５実施例における磁界検出素子部の信号出力を示すグラフである。
【図１４】ホール素子の検出磁束密度とホール出力電圧との関係を示すグラフである。
【図１５】本発明の第５実施例におけるセンサ信号処理部の回路図である。
【図１６】２次高調波成分と偏心量との関係を示すグラフである。
【図１７】本発明の第５実施例における差動演算部の出力信号の波形を示すグラフである。
【図１８】本発明の第５実施例における差動演算部の出力信号をＦＦＴ解析したグラフである。
【図１９】本発明の第５実施例における３相２相変換部の出力信号の波形を示すグラフである。
【図２０】本発明の第５実施例における３相２相変換部の出力信号をＦＦＴ解析したグラフである。
【図２１】本発明の第５実施例における信号処理回路のブロック図である。
【図２２】第１従来技術における磁気式エンコーダの構成を示す斜視図である。
【図２３】第２従来技術における磁気式エンコーダの構成を示す斜視図である。
【図２４】第２従来技術における信号処理回路のブロック図である。
【図２５】第３従来例における角度センサの斜視図である。
【図２６】第３従来例における角度センサの回転角度と出力電圧の関係を示すグラフである。
【図２７】第４従来技術における回転検出器の構成を示す斜視図である。
【符号の説明】
【００２２】
１：回転体
１０：回転中心軸
１１：回転軸
１２：永久磁石
１３：磁気抵抗素子
２、２′：永久磁石（発磁体）
３：磁界検出部
３１、３２、３３：磁界検出素子部
３１１、３１２：磁界検出素子（ホール素子）
３２１、３２２：磁界検出素子パッケージ（ホール素子パッケージ）
３３１〜３３６：ホール素子
３４：ホール素子駆動回路
３５：増幅回路
３６：センサ信号処理回路
３６０：入力調整部
３６１〜３６６：差動増幅器
３７０：差動演算部
３７１〜３７３：差動増幅器
３８０：３相２相変換部
３８１、３８２：差動増幅器
４：処理回路基板
５：信号処理回路
５１、５２：増幅器
５３：波形整形回路
５３１、５３２：増幅器
５３３：加算器
５３４：減算器
５３５，５３６：増幅器
５４：角度演算回路
６１１〜６１４：磁界検出素子
６２１〜６２６：磁界検出素子
７：固定体
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
【実施例１】
【００２４】
図１は、本発明の第１実施例を示す磁気式エンコーダの斜視図である。
図１において、１は回転体、２は回転体１に回転軸１１を介して固定された発磁体を構成する永久磁石で、図中の矢印で示すように回転軸１１に対して、垂直に一方向に平行に磁化されている。３は磁界検出部で、磁界検出部３は信号処理回路５とともに処理回路基板４上に設置されている。さらに磁界検出部３は回転体１の回転中心軸１０上に設置された磁界検出素子部３１を備えている。磁界検出素子部３１は回転軸１１に対して垂直なＸ−Ｙ平面上の２軸方向の磁界を検出し、磁界の検出方向は互いに機械角で９０度異なっている。【００２５】
本実施例では、永久磁石２として直径が１０ｍｍ、厚さが２ｍｍのサマリウムコバルト磁石を一方向に平行に磁化したものを用いた。また永久磁石２と２ｍｍの空隙を介して、磁界検出部３を回転中心軸１０上に配置した。【００２６】
本実施例が第１従来技術と異なる部分は、磁界検出部の構成である。
第１従来技術では、回転体の回転中心に対して同心円上に配置し、永久磁石の周方向に互いに機械角で９０度位相がずれている２個１対の磁界検出素子を互いに１８０度位相をずらした位置に２対設けている。これに対して本実施例は、２軸方向の磁界を検出する磁界検出素子部を回転中心軸上に配置している。【００２７】
図２は本実施例における磁界検出部の拡大図である。
図において、３は磁界検出部の一実施例を示すもので、磁界検出部３の磁界検出素子部３１には、平面内で磁界の検出方向が互いに機械角でほぼ９０度異なる磁界検出素子であるホール素子３１１、３１２が半導体技術を用いて形成されている。ホール素子３１１はＸ軸方向の磁界Ｂxを検出し、ホール素子３１２はＹ軸方向の磁界Ｂyを検出する。駆動端子Ａ、 駆動端子Ｂはホール素子３１１、３１２の図示しない駆動回路とつながっており、ホール素子３１１、３１２に駆動電流を流す。永久磁石２が回転するとホール素子３１１、３１２は回転角度に対応した磁界Ｂx、Ｂyを受け、正弦波と余弦波のホール電圧ｖａ、ｖｂを端子ｖａ及び端子ｖｂからそれぞれ出力する。なお磁界検出素子部３１の直径は２００μmであり、ホール素子３１１と３１２の間隔は、２０μｍ以下である。したがって永久磁石２から見れば、ホール素子３１１と３１２は、ほぼ同位置にあるとみなすことができる。【００２８】
図３は本実施例における信号処理回路のブロック図である。
信号処理回路５は、ホール素子３１１の出力信号であるホール電圧ｖａを増幅する増幅器５１と、ホール素子３１２のホール電圧ｖｂを増幅する増幅器５２と、波形整形回路５３と、回転角度を演算する角度演算回路５４とを設けてある。【００２９】
なおホール素子３１１と３１２の感度の差異等で出力信号の振幅値が異なると角度誤差の要因となる。このため、波形整形回路５３には振幅を同じ大きさにするための振幅調整回路を設けている。さらに出力信号のオフセットをキャンセルするオフセット補償回路、および出力信号の位相差を電気角で正確に９０度にする位相調整回路を備えている。
図４は波形整形回路の回路図である。
図において、５３１及び５３２は、オフセット補償回路を構成する演算増幅器、５３３及び５３４は位相調整回路を構成する加算器５３３及び減算器５３４で、また、５３５及び５３６はこの位相調整された信号の振幅を調整する演算増幅器（振幅調整回路）である。演算増幅器５３５及び５３６の出力ＶＡ、ＶＢは角度演算回路５４へ入力される。【００３０】
次に、動作について説明する。
永久磁石２が１回転すると、磁界検出部３は回転角位置に応じた正弦波、余弦波の磁束密度を検出し、図５に示すようなホール電圧ｖａ、ｖｂを出力する。ホール電圧ｖａ、ｖｂは、信号処理回路５の増幅器５１及び５２で増幅された後、波形整形回路５３に入力される。波形整形回路５３ではオフセット、位相、振幅が調整される。
すなわち、増幅器５１及び５２で増幅された２相信号Ｖａ、Ｖｂは図４に示す波形整形回路の増幅器５３１及び５３２でオフセットが除去され、加算器５３３及び減算器５３４に入力され位相差が９０度となるように位相調整される。さらに、加算器５３３及び減算器５３４から出力された信号は増幅器５３５及び５３６で振幅調整される。この振幅調整された波形整形回路５３からの２相の出力信号ＶＡ、ＶＢは、角度演算回路５４に入力され、正接演算により角度信号が生成される。【００３１】
なお、回転体１が偏心して回転するようなことがある場合は、検出した磁束密度の波形は偏心量に応じて変位する。このため第１従来技術では対向する磁界検出素子の出力信号の差動をとり、偏心の影響をなくしていた。しかし本発明では、２軸方向の磁界Ｂx、Ｂyを検出する磁界検出素子部は、ほぼ同位置にあるので、偏心の影響によるホール電圧ｖａ、ｖｂの振幅値の変化率は同じとなる。ホール電圧ｖａ、ｖｂの波形整形回路５３を通した出力ＶＡ、ＶＢの正接演算により角度を求めているので、本発明では、偏心の影響はキャンセルされ、第２従来技術のように対向するホール素子出力の差動をとる必要は無い。
なお波形整形回路５３および角度演算回路５４の処理機能はソフト処理によって行っても良い。【００３２】
１回転１００万分割のエンコーダを基準エンコーダとして、本エンコーダを評価したが１回転を３２０００分割した極めて高い分解能の絶対位置信号が得られた。【００３３】
本実施例では永久磁石として、温度による特性変化が小さいサマリウムコバルト系磁石を用いたが、永久磁石としては、他の希土類磁石、フェライト系磁石、ボンド磁石、SｍFeN系磁石でも同様の効果が得られる。【００３４】
本実施例では、磁界検出素子としてホール素子を使用した場合について説明したが、磁気抵抗素子を使用しても同様の効果が得られる。【００３５】
また絶対角度の演算方法として、本実施例では、正弦波、余弦波からディジタル演算処理する方法を採用したが、位相トラッキング方式や逓倍方式、位相変調方式等により角度を求めても良い。
【実施例２】
【００３６】
図６は、本発明の第２実施例を示す磁気式エンコーダの斜視図である。
図において、２’はリング形状の永久磁石である。
永久磁石２’として内径３ｍｍ、外径が１０ｍｍ、厚さが２ｍｍのネオジウム系ボンド磁石を一方向に平行に磁化したものを用いた。
磁界検出部３は第１実施例と同様に、回転体１の回転中心軸１０上に設置された磁界検出素子部３１を備え、回転軸１１に対して垂直なＸ−Ｙ平面上のＸ、Ｙの２軸方向の磁界を検出している。
本実施例が第１実施例と異なる点は、永久磁石にリング形状の永久磁石を用いた点である。その他の構成については第１実施例と同じであるのでその説明を省略する。【００３７】
このように本実施例ではリング形状の永久磁石を用いたので、モータなどの検出対象の回転軸に永久磁石をマウントできる。従って、エンコーダと検出対象を一体化でき、構成がシンプルで耐振動性が向上するとともに小型化できる。
【実施例３】
【００３８】
図７は本発明の第３実施例を示す磁界検出部の構成図である。
図において、３は磁界検出部の一実施例を示すものである。
３２１、３２２は一方向の磁界を検出するホール素子パッケージである。
ホール素子パッケージの大きさは２ｍｍ角、厚さ０．５ｍｍで、ホール素子パッケージへ駆動電流を供給する図示しない２個の駆動端子とホール電圧を出力する２個の出力端子を備えている。ホール素子パッケージは中心部に外径５０μmの図示しない磁界検出素子を配置し、前記の駆動端子および信号出力端子と接続するともに、樹脂でモールド成形されている。なおホール素子パーケージの磁界検出素子（図示せず）はパッケージ表面に平行な磁界を検出するように形成されている。【００３９】
ホール素子パッケージ３２１、３２２は永久磁石３と１ｍｍの空隙を介して、磁界の検出方向が互いに機械角で大体９０度になるように重ね合わせて回転中心軸１０上に配置されている。なお、２個のホール素子パッケージ３２１と３２２の磁界の検出方向が機械角で正確に９０度になるように設置するのは難しいので、波形整形回路で位相が９０度になるように調整する。【００４０】
図８は本実施例における信号処理回路のブロック図である。
ホール素子パッケージ３２１から出力されるホール電圧Ｖa+、Ｖa-およびホール素子パッケージ３２２から出力されるホール電圧Ｖb+、Ｖb-は信号処理回路５の増幅器５１、５２にそれぞれ差動入力される。以降の波形整形回路５３および角度演算回路５４の処理は第１実施例と同じであるのでその説明を省略する。
また、第１実施例と同様に、１回転１００万分割のエンコーダを基準エンコーダとして、本エンコーダを評価したが１６０００分割した絶対位置信号が得られた。
【実施例４】
【００４１】
図９は本発明の第４実施例を示す磁界検出部の構成図である。
図において、３は磁界検出部の一実施例を示すものである。
２個のホール素子３１１、３１２を配置した磁界検出素子部３１とこのホール素子を駆動するホール素子駆動回路３４およびホール素子出力信号の増幅回路を一パッケージに集積した。【００４２】
このように、本実施例では一パッケージにすることで部品点数が少なくなり、組み立て工数が減りコストが低減された。また信号が増幅されて出力されるのでＳＮ比が大きくなり耐ノイズ性が向上した。さらに信号出力が大きくなるので信号線の長さを２０ｍ以上にすることができた。また、ホール素子駆動回路３４を内蔵したので、配線数を削減することが出来た。
【実施例５】
【００４３】
図１０は、本発明の第５実施例を示す磁気式エンコーダにおける磁界検出部の構成図である。
図において、磁界検出部３は、ホール素子６個を集積、配置した磁界検出素子部３３と、磁界検出素子に電源を供給する駆動回路３４と、磁界検出素子部３３からの出力信号を処理するセンサ信号処理部３６から構成されている。
磁界検出素子部３３は回転体１の回転中心軸上に配置され、回転軸に対して垂直なＸ−Ｙ平面上の３軸方向の磁界を検出する。【００４４】
図１１は磁界検出素子部の拡大図である。
磁界検出素子部３３には、回転軸に対して垂直な平面で磁界の検出方向がそれぞれ９０、１５０、２１０、２７０、３３０、３０度であるホール素子３３１，３３２、３３３，３３４、３３５，３３６が半導体技術を用いて形成されている。
磁界検出素子部３３のサイズは０．５ｍｍφであり、磁界検出部３のサイズは１辺が５ｍｍの正方形である。【００４５】
本実施例が第１実施例と異なる点は、磁界検出素子部３３が、回転軸１１に対して垂直なＸ−Ｙ平面上の３軸方向の磁界を検出している点と、３相２相変換回路を備えている点である。
すなわち、第１実施例では、磁界検出素子は、２個１対の磁界検出素子を互いに１８０度位相をずらした位置に２対設けているが、本実施例では、３軸方向に対してそれぞれの１８０度反対の方向を含めた６方向の磁界を検出する６個の磁界検出素子を集積、配置するとともに、磁界検出部３に磁界検出素子部３３からの３相の出力信号を２相に変換する３相２相変換回路を有するセンサ信号処理部を設けた。【００４６】
次に、動作について説明する。
先ず、磁界検出部の動作について説明する。
図１２は永久磁石が回転したときの磁界検出素子部３３の磁界の変化を示すグラフで、径方向に平行に磁化された平行異方性を有する円板状の永久磁石２が一回転するときの磁界検出素子部３３の中心近傍における磁界の変化を示している。
ホール素子が受ける磁界のピーク値は０．２５（Ｔ）、また３次高調波成分は１．０ｅ−４（Ｔ）であるので、基本波の約０．００４％である。このことより、平行異方性を有する円板状の永久磁石が極めて高調波歪の少ない正弦波状の磁界を発生することを示している。【００４７】
磁界の変化は磁界検出素子部３３によって、電気信号に変換される。
図１３は磁界検出素子部の信号出力を示すグラフである。
出力波形は、２次高調波については図示しないが２次および３次の高調波成分を含んだ正弦波状の信号となる。【００４８】
２次の高調波成分は、組み立て誤差等により永久磁石の中心と回転軸中心および磁界検出素子部３３の中心が完全には一致しないために生ずる。すなわちホール素子３３１〜３３６と永久磁石間２の相対距離が永久磁石２の回転角度によって微小ではあるが変化するために発生する。
また、一般にホール素子のホール出力電圧は検出磁界に完全に比例せず、理想特性に対して１％程度の非直線性を有するために、ホール素子信号出力には３次高調波成分が発生する。図１４にホール素子の検出磁束密度とホール出力電圧との関係を示す。
歪のない正弦波磁界を与えてホール素子の出力電圧波形のＦＦＴ解析を行ったが、３次高調波成分は０．６％含まれていた。これはホール素子の検出磁界と出力電圧の非直線性によるものである。【００４９】
次に、センサ信号処理部３６の動作について説明する。
図１５はセンサ信号処理部の回路図である。
センサ信号処理部は入力調整部３６０、差動演算部３７０及び３相２相変換部３８０から構成され、先ず、６個のホール素子３３１乃至３３６の出力信号は、それぞれ入力調整部３６０の差動増幅器３６１乃至３６６により、入力信号のオフセットがキャンセルされ、また各出力信号の振幅の大きさを一定にするように調整される。次に、差動演算部３７０において互いに対向するホール素子、すなわち３３１と３３４、３３２と３３５および３３３と３３６の出力を差動増幅３７１、３７２、３７３へ入力し、２次の倍数の高調波成分をキャンセルした出力Ｖａ１、Ｖｂ１、Ｖｃ１を得る。次に、３相２相変換部３８０において、得られたＶａ１、Ｖｂ１、Ｖｃ１を差動増幅器３８１、３８２に入力し、３次の倍数の高調波成分をキャンセルしたＶａ、Ｖｂを得る。
このように、磁界検出素子部からの出力信号が２次および３次の高調波成分を含んでいても、センサ信号処理部によってこれらの高調波成分を低減できる。【００５０】
図１６は２次高調波成分と偏心量との関係を示すグラフである。
永久磁石２の回転中心と磁界検出素子部３３の中心軸の偏位差（偏心量）とともに２次高調波成分が増加するが、互いに対向するホール素子出力の差動をとることによりキャンセルできることを示している。【００５１】
次に本実施例における測定結果について説明する。
図１７はセンサ信号処理部３６の差動演算部３７０の出力信号の波形を示すグラフで、永久磁石２を６０００ｒｐｍで回転したときの差動増幅器３７１、３７２、３７３の出力信号Ｖａ１、Ｖｂ１、Ｖｃ１の波形を示す。
また、図１８は差動演算部３７０の出力信号をＦＦＴ解析したグラフで、差動増幅器３７１の出力信号Ｖａ１をＦＦＴ解析したものである。差動増幅器３７１の出力信号Ｖａ１には、ホール素子のホール出力電圧の非直線性により、０.７％の３次高調波成分が含まれていることが分かる。
図１９はセンサ信号処理部３６の部の出力信号の波形を示すグラフ、図２０は３相２相変換部の出力信号をＦＦＴ解析したグラフである。
図２０に示すように、３相２相変換部３８０によって、３次高調波成分は０．０１％以下に低減されることが分かる。【００５２】
次に信号処理回路５の構成及び動作を説明する。
図２１は信号処理回路５のブロック図である。
図において、５３は２相信号の振幅調整、位相調整を行う波形整形回路、５４は角度演算回路である。波形整形回路５３の構成については、第１実施例と同じであるのでその説明を省略する。波形整形回路からの出力信号ＶＡ、ＶＢは、角度演算回路５４に入力され、正接演算により角度信号が生成される。この角度信号は図示しない通信回路手段を通じて上位コントローラへ送信される。【００５３】
１回転１００万分割のエンコーダを基準エンコーダとして本エンコーダの性能を評価したが１回転を１２４０００分割した絶対位置信号が得られた。第１従来技術のエンコーダは同様な評価で１回転３２０００分割した分解能が得られていたが、本発明により分解能が４倍向上したことが分かる。【００５４】
このように、本実施例では、６個の磁界検出素子を集積した磁界検出素子部を回転軸中心上に配置し、一方向に磁化された円板状の永久磁石の回転軸上の磁界を検出しているので、きわめて歪の小さい信号を得ることができる。
また、磁界検出部に磁界検出素子部と駆動回路とセンサ信号処理部を集積し、パーケージ化したので、さらに高調波成分の信号が得られるとともに、静電ノイズや電磁ノイズに対する耐ノイズ性能が格段に向上した。
なお、組み立て誤差等発生する２次の高調波成分が充分小さい場合は、３個の磁界検出素子で磁界検出素子部を構成しても良い。【００５５】
本実施例では永久磁石として、温度による特性変化が小さいサマリウムコバルト系磁石を用いた。永久磁石としては、他の希土類磁石、フェライト系磁石、ボンド磁石、SｍFeN系磁石でも同様の効果が得られる。【００５６】
また本実施例では、磁界検出素子としてホール素子を使用した場合について説明したが、磁気抵抗素子を使用しても同様の効果が得られる。【００５７】
また絶対角度の演算方法として、実施例では、正弦波、余弦波からディジタル演算で角度を求めたが、位相トラッキング方式や逓倍方式、位相変調方式等により角度を求めても良い。【００５８】
また、本実施例では、６個の磁界検出素子を用い、３軸方向の磁界を検出することによって３次高調波が低減できることを示したが、５個または１０個の磁界検出素子を用いて５軸方向の磁界を検出すれば５次の高調波成分を低減できることは明らかである。
【産業上の利用可能性】
【００５９】
本発明は、工作機やロボットなどのアクチュエータとして用いられるサーボモータの回転角度を検出する磁気式エンコーダ装置に適用できる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【国際調査報告】
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