(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転体に固定され、且つ、前記回転体の回転軸と垂直な一方向に磁化された円板状の永久磁石と、前記永久磁石の半径方向または軸方向に空隙を介して対向するように固定体に配置さ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た磁気式エンコーダにおいて、
前記磁界検出素子は、前記回転体の回転中心に対して同心円状に配置されると共に、互いに周方向に機械角で６０度位相がずれている２個１対の磁界検出素子を互いに機械角で１８０度位相をずらした位置に３対設けてあり、前記信号処理回路は、互いに１８０度位相をずらして対向する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と共に、前記３対の磁界検出素子に対して３個設けられた第１差動増幅器と、前記３個の第１差動増幅器により偶数次の高調波成分を除去した差動出力信号を任意に二つずつ組み合わせることにより、前記偶数次の高調波成分を除去した後の差動出力信号に含まれる３次の高調波成分を除去する第２差動増幅器と、前記第２差動増幅器で得た信号から回転角の絶対位置を演算する角度演算回路とより構成してあることを特徴とする磁気式エンコーダ。
【請求項２】
前記磁界検出素子が、ホール素子またはＭＲ素子である請求項１に記載の磁気式エンコーダ。
【請求項３】
請求項１または２に記載の磁気式エンコーダと、それによって回転位置を検出されるモータを備えたことを特徴とする磁気式エンコーダ付モータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、産業用ロボット、ＮＣ工作機械等に用いられるモータの回転位置を検出する磁気式エンコーダおよび磁気式エンコーダ付モータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、回転体の回転位置を検出する磁気式エンコーダは，図５のようになっている。
図５は、従来の磁気式エンコーダであって、（ａ）はその構成図、（ｂ）は磁界検出素子から出力される各相信号を処理する信号処理回路のブロック図である。
図５（ａ）において、１は回転体、１Ａは回転体１の回転軸、２は回転軸１Ａの端部に固定された円板状の発磁体を構成する永久磁石で、永久磁石２の表面は回転軸１Ａに垂直な一方向に磁化されている。３は永久磁石２の外周側に設けられたリング状の固定体、７は回転体１の回転中心に対し同心円状にして設けられ、且つ、固定体３の周方向に互いに等間隔に配設された磁界検出素子であって、４個の磁界検出素子７１、７２、７３、７４から構成されている。このような各磁界検出素子は、永久磁石２の外周面に対して空隙を介して対向し、且つ、互いに機械角で９０度位相をずらしてＡ1相検出素子７１とＢ1相検出素子７３を設け、さらにＡ1相検出素子７１に対して機械角で１８０度位相をずらしてＡ2相検出素子７２を、Ｂ1相検出素子７３に対して機械角で１８０度位相をずらしてＢ2相検出素子７４を設けている。
次に、磁界検出素子から出力される各相信号を処理する信号処理回路について説明する。
図５（ｂ）において、８は信号処理回路であって、Ｖ71とＶ72の差動信号Ｖaを出力する差動増幅器８１と、Ｖ73とＶ74の差動信号Ｖbを出力する差動増幅器８２と、差動信号ＶaとＶbとからａｒｃｔａｎ（Ｖa／Ｖb）の演算を行って回転角度を演算する角度演算回路８３とを設けている。ここで、Ａ1相検出素子７１とＡ2相検出素子７２の検出信号に着目すると、両者の基本信号は１８０度位相がずれているため、正負が逆転しているが、基本信号に重畳している偶数次の高調波成分の位相はシフトしない。
したがって、Ａ1相検出素子７１とＡ2相検出素子７２の差動信号Ｖaを用いることで偶数次の高調波を含有しない波形を得ることができる。同様にして得られたＢ1相検出素子７３とＢ2相検出素子７４の差動信号Ｖbと、Ａ1相検出素子７１とＡ2相検出素子７２の差動信号Ｖaを、角度演算回路８３を用いて分割することにより、回転体１の角度情報を得ることができる。
このように、９０度位相が異なるＡ相、Ｂ相からなる２相の磁界検出信号と信号処理回路を用いた磁気式エンコーダにより、磁界検出素子の基本信号に重畳した高調波成分の波形の歪み、すなわち理想的な正弦波、余弦波に対する誤差をなくしてエンコーダの精度を高めるようにしている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、従来技術では、磁界検出素子を４個配置し、差動信号を角度演算回路により分割することで、偶数次の高調波を除去することはできるものの、奇数次の高調波を除去することができないため、特に奇数次の高調波のうち３次高調波によりエンコーダの精度が悪化するという問題があった。本発明は上記問題を解決するためになされたもので、磁界検出素子の検出信号に重畳した奇数次の高調波のうち、３次の高調波成分を除去し、高精度の位置情報を得ることができる磁気式エンコーダおよび磁気式エンコーダ付モータを提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、請求項１に記載の本発明は、回転体に固定され、且つ、前記回転体の回転軸と垂直な一方向に磁化された円板状の永久磁石と、前記永久磁石の半径方向または軸方向に空隙を介して対向するように固定体に配置さ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た磁気式エンコーダにおいて、前記磁界検出素子は、前記回転体の回転中心に対して同心円状に配置されると共に、互いに周方向に機械角で６０度位相がずれている２個１対の磁界検出素子を互いに機械角で１８０度位相をずらした位置に３対設けてあり、前記信号処理回路は、互いに１８０度位相をずらして対向する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と共に、前記３対の磁界検出素子に対して３個設けられた第１差動増幅器と、前記３個の第１差動増幅器により偶数次の高調波成分を除去した差動出力信号を任意に二つずつ組み合わせて和を取ることにより、前記偶数次の高調波成分を除去した後の差動出力信号に含まれる３次の高調波成分を除去する第２差動増幅器と、前記第２差動増幅器で得た信号から回転角の絶対位置を演算する角度演算回路とより構成してあることを特徴とするものである。
また、請求項２に記載の本発明は、前記磁界検出素子を、ホール素子またはＭＲ素子としたものである。
また、請求項３に記載の本発明は、磁気式エンコーダ付モータに係わるものであって、請求項１または２に記載の磁気式エンコーダと、それによって回転位置を検出されるモータを備えたものである。
【０００５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を図に基づいて説明する。
図１は、本発明の実施例を示す磁気式エンコーダであって、（ａ）はその構成図、（ｂ）は磁界検出素子から出力される各相信号を処理する信号処理回路のブロック図である。なお、従来技術と同じ構成要素に同一符号を付してその説明を省略し、異なる点のみを説明する。
４は固定体３の内側に互いに機械角で６０度位相をずらした位置に６個配置された磁界検出素子である。磁界検出素子４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４１とＡ2相検出素子４２、Ｂ1相検出素子４３とＢ2相検出素子４４、およびＣ1相検出素子４５とＣ2相検出素子４６、計３対のもので構成されている。
また、５は信号処理回路であって、この信号処理回路５には、第１にＡ1相検出素子４１とＡ2相検出素子４２、Ｂ1相検出素子４３とＢ2相検出素子４４、およびＣ1相検出素子４５とＣ2相検出素子４６に対して、それぞれ第１差動増幅器５１、５２、５３が設けられている。各々の第１差動増幅器５１〜５３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５１と５２、第１差動増幅器５２と５３の後段には、それぞれ第２差動増幅器５４、５５を設けてある。この第２差動増幅器５４、５５は、第１差動増幅器５１と５２、第１差動増幅器５２と５３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残りの３次の高調波成分を除去するものである。
次に、動作について説明する。
磁気式エンコーダは、上記の構成により、Ａ1、Ａ2、Ｂ1、Ｂ2、Ｃ1、Ｃ2の各相の磁界検出素子４１、４２、４３、４４、４５、４６によって磁界が検出される。回転体が１回転すると、一つの検出素子は、回転位置に応じた正弦波状の磁束密度を検出する。まず、図１において、各々の磁界検出素子４１〜４６からの信号が、基本波信号の他、偶数次の高調波および奇数次の高調波信号を含んでいることから、第1差動増幅器５１、５２、５３を用いて偶数次の高調波を除去し、その後、第2差動増幅器５４、５５を用いて３次高調波を除去する。
ここで、基本波信号から偶数次の高調波の除去方法について、Ａ1相検出素子４２とＡ2相検出素子４２の出力信号に着目して説明する。
図２は、信号処理回路における偶数次高調波を除去する信号処理の過程をした説明図であって、磁気式エンコーダの回転角に対する出力信号の関係を表したものであり、（ａ）はＡ1相検出素子からの出力信号、（ｂ）はＡ2相検出素子からの出力信号，（ｃ）はＡ1相検出素子の出力信号とＡ2相検出素子の出力信号の差をとった信号である。なお、図２は、後の説明を容易にするために、回転体の回転に応じて得られる基本波と、２次、４次よりなる偶数次の高調波を便宜的に別々に示しており、６次以上の高調波および奇数次の高調波は省略している。
図２（ａ）から図２（ｂ）に至る過程で、基本波は反転するが、偶数次の高調波の位相は変化していないことがわかる。よって、Ａ1相検出素子４１の出力信号Ｖ41からＡ2相検出素子４２の出力信号Ｖ42を減ずることで、図２（ｃ）に示すように、振幅が２倍で２次、４次の高調波を除去した波形を得ることができると共に、６次以上の高調波についても同様であり、偶数次の高調波を除去することが可能となる。このことは、Ｂ1相検出素子４３とＢ2相検出素子４４の出力信号，Ｃ1相検出素子４５とＣ2相検出素子４６の出力信号についても同じである。
次に３次高調波の除去方法について、Ａ1、Ａ2相検出素子４１、４２とＢ1、Ｂ2相検出素子４３，４４に着目して説明する。
図３は、信号処理回路における奇数次高調波を除去する信号処理の過程を示した説明図であって、磁気式エンコーダの回転角に対する出力信号の関係を表したものであり、（ａ）はＡ1相検出素子の出力信号とＡ2相検出素子の出力信号の差をとった信号で、偶数次の高調波を除去した後の奇数次高調波を含んだ信号、（ｂ）はＢ1相検出素子の出力信号とＢ2相検出素子の出力信号の差をとった信号で，奇数次の高調波を含んだ信号、（ｃ）はＡ1相とＡ2相検出素子の出力信号の差と、Ｂ1相とＢ2相検出素子の出力信号の差との和，（ｄ）はＢ1相とＢ2相検出素子の出力信号の差と、Ｃ1相とＣ2相検出素子の出力信号の差との和である。
図１（ｂ）に示す第1増幅器５１、５２、５３において偶数次の高調波を除去した後、基本波形信号の他、３次に代表される奇数次の高調波が存在する。これは、図３（ａ）に示すようなＡ1相検出素子４１の出力信号Ｖ41からＡ2相検出素子４２の出力信号Ｖ42を減じた後の信号、また、図３（ｂ）に示すようにＢ1相検出素子４３の出力信号Ｖ43からＢ2相検出素子４４の出力信号Ｖ44を減じた後の信号として現れる。すなわち、位相差が６０度あることから、両者の３次高調波の信号を比較すると位相が反転していることがわかる。よって、図３（ａ）と図３（ｂ）の信号を足し合わせることで３次高調波を除去することができる。その結果を図３（ｃ）で表す。同様の方法で、Ｂ1相検出素子４３の信号からＢ2相検出素子４４の信号を減じた波形と、Ｃ1相検出素子４５の信号からＣ2相検出素子４６を減じた波形を足し合わせることで、図３（ｄ）に示すような偶数次高調波および３次高調波を含まない波形を得ることができる。
次に，回転角度の算出方法について説明する。
図３（ｃ）と図３（ｄ）の位相差が６０度であることから、図３（ｃ）と図３（ｄ）のそれぞれの波形をＤ，Ｅ、回転角をθとすると、波形Ｄ、Ｅは以下の式のように表す。
【０００６】
【数１】
0004239051.tif 000002
【０００７】
(1)式と(2)式のそれぞれの和をＦ、差をＧとして、Ｆ、Ｇを計算すると、以下のようになる。
【０００８】
【数２】
0004239051.tif 000003
【０００９】
上記のように、(3)、(4)式より波形Ｅと波形Ｆは、正弦波、余弦波の関係になっていることから、以下の式により、回転角度演算回路５６によって処理が行われ、絶対位置の回転角度を算出することができる。
【００１０】
【数３】
0004239051.tif 000004
【００１１】
したがって、磁気式エンコーダに６個の磁界検出素子を配置し、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第１差動増幅器と、第１差動増幅器より偶数次の高調波成分を除去した差動出力信号を任意に二つずつ組み合わせることにより、３次の高調波成分を除去する第２差動増幅器よりなる信号処理回路を設けたので、第1および第２差動増幅器で得た信号から回転角の絶対位置を高精度に検出でき、高精度の位置情報を得ること可能となる。
なお、図４に示すように、永久磁石２の平面と空隙を介して対向するように磁界検出素子６１〜６６を配置しても良い。信号処理については、前述した方法と同様である。
また、３次高調波の除去方法において、Ａ1、Ａ2相検出素子とＢ1、Ｂ2相検出素子の組合せ、Ｂ1、Ｂ2相検出素子とＣ1、Ｃ2相検出素子の組合せによる演算の場合を述べたが、Ａ1、Ａ2相検出素子とＣ1、Ｃ2相検出素子の組合せでも構わず、各検出素子間の組合せは適宜選択可能である。
また、磁界検出素子として、ホール素子またはＭＲ素子を用いたものが好ましいが、これの代用ができるものであれば特に限定されることはない。
【００１２】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、６個の磁界検出素子を配置し、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第１差動増幅器と、第１差動増幅器より偶数次の高調波成分を除去した差動出力信号を任意に二つずつ組み合わせることにより、３次の高調波成分を除去する第２差動増幅器よりなる信号処理回路を設けた構成にしたので、磁界検出素子の検出信号に重畳した偶数次の高調波、奇数次の高調波のうち、３次の高調波成分を除去し、回転検出器の分解能および高精度の位置情報を得ることができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例を示す磁気式エンコーダであって、（ａ）はその構成図、（ｂ）は磁界検出素子から出力される各相信号を処理する信号処理回路のブロック図である。
【図２】信号処理回路における偶数次高調波を除去する信号処理の過程を示した説明図であって、磁気式エンコーダの回転角に対する出力信号の関係を表したものであり、（ａ）はＡ1相検出素子からの出力信号、（ｂ）はＡ2相検出素子からの出力信号，（ｃ）はＡ1相検出素子の出力信号とＡ2相検出素子の出力信号の差をとった信号である。
【図３】信号処理回路における奇数次高調波を除去する信号処理の過程を示した説明図であって、磁気式エンコーダの回転角に対する出力信号の関係を表したものであり、（ａ）はＡ1相検出素子の出力信号とＡ2相検出素子の出力信号の差をとった信号で、偶数次の高調波を除去した後の奇数次高調波を含んだ信号、（ｂ）はＢ1相検出素子の出力信号とＢ2相検出素子の出力信号の差をとった信号で，奇数次の高調波を含んだ信号、（ｃ）はＡ1相とＡ2相検出素子の出力信号の差と、Ｂ1相とＢ2相検出素子の出力信号の差との和，（ｄ）はＢ1相とＢ2相検出素子の出力信号の差と、Ｃ1相とＣ2相検出素子の出力信号の差との和である。
【図４】その他の実施例を示す磁気式エンコーダの構成図である。
【図５】従来の磁気式エンコーダであって、（ａ）はその構成図、（ｂ）は磁界検出素子から出力される各相信号を処理する信号処理回路のブロック図である。
【符号の説明】
１：回転体
１Ａ：回転軸
２：永久磁石
３：固定体
４：磁界検出素子
４１：Ａ1相検出素子
４２：Ａ2相検出素子
４３：Ｂ1相検出素子
４４：Ｂ2相検出素子
４５：Ｃ1相検出素子
４６：Ｃ2相検出素子
５：信号処理回路
５１、５２，５３：第１差動増幅器
５４，５５：第２差動増幅器
５６：角度演算回路
６：磁界検出素子
６１：Ａ1相検出素子
６２：Ａ2相検出素子
６３：Ｂ1相検出素子
６４：Ｂ2相検出素子
６５：Ｃ1相検出素子
６６：Ｃ2相検出素子
【図１】
0004239051.tif 000005
【図２】
0004239051.tif 000006
【図３】
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【図４】
0004239051.tif 000008
【図５】
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