(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転体に固定された永久磁石と、リング状の磁性体で形成された固定体と、前記永久磁石に空隙を介して対向し前記固定体に取り付けられた磁界検出素子と、前記固定体に巻回された誘起電圧検出コイルと、前記磁界検出素子の検出信号から角度を演算する角度検出信号処理回路と、前記磁界検出素子信号と前記誘起電圧検出コイルの信号から角速度を演算する角速度検出信号処理回路とを備え、
前記永久磁石は円板状に形成され、かつ前記回転体の軸と垂直方向の一方向に磁化されており、
前記磁界検出素子を、互いに電気角で１８０度位相がずれる位置に配置した２個１対の磁界検出素子を、互いに電気角が９０度位相がずれる位置に２対配置し、
前記誘起電圧検出コイルは、前記固定体に巻回され、周方向に等間隔で４個配置され、かつ前記磁界検出素子と同位置に配置されるとともに、互いに対向するコイルは検出信号が同位相になるように結合して２対のコイルを形成し、前記２対のコイルは電気角で９０度位相の異なる２相の誘起電圧信号を検出し、
前記角度検出信号処理回路は、互いに対向する磁界検出素子間の差動信号を出力する差動アンプと、前記差動アンプから出力される２相信号を用いて前記回転体の絶対位置を検出する角度演算回路から構成され
前記角速度検出信号処理回路は、前記２対の磁界検出素子の検出する２相の出力信号と、前記２対のコイルが検出する２相の誘起電圧信号を乗算し加算することにより角速度を検出することを特徴とする角度および角速度一体型検出装置。
【請求項２】
前記固定体は周方向に空隙を有し、前記空隙に前記磁界検出素子を設けたことを特徴とする請求項１記載の角度および角速度一体型検出装置。
【請求項３】
回転体に固定された永久磁石と、リング状の磁性体で形成された固定体と、前記永久磁石に空隙を介して対向し前記固定体に取り付けられた磁界検出素子と、前記固定体に巻回された誘起電圧検出コイルと、前記磁界検出素子の出力信号から角度を演算する角度検出信号処理回路と、前記磁界検出素子信号と前記誘起電圧検出コイルの信号から角速度を演算する角速度検出信号処理回路とを備え、
前記永久磁石は円板状に形成され、かつ前記回転体の軸と垂直方向の一方向に磁化されており、
前記磁界検出素子を、互いに電気角で１８０度位相がずれる位置に配置した２個１対の磁界検出素子を、互いに電気角が１２０度位相がずれる位置に３対配置し、
前記誘起電圧検出コイルは、前記固定体に巻回され、周方向に等間隔で６個配置され、かつ前記磁界検出素子と周方向に機械角で３０度ずれた位置に配置され、互いに対向するコイルは検出信号が同位相になるように結合して３対のコイルを形成し、前記３対のコイルは電気角で１２０度位相の異なる３相の誘起電圧信号を検出し、
前記角度検出信号処理回路は、３相２相変換処理回路と角度演算回路から構成され、
前記３相２相変換処理回路は、互いに対向する前記磁界検出素子の出力信号の差動をとり電気角で１２０度位相の異なる３相信号を形成後、前記３相信号間の差動をとり２相信号を形成し、さらに前記２相信号の位相差を電気角で９０度にする直交化演算回路を備え、
前記角度演算回路は、前記直交化された２相信号を用いて前記回転体の絶対位置を検出し、
前記角速度検出信号処理回路は、３相２相変換処理回路と２個の乗算器と加算器を備え
前記３相２相変換処理回路は、前記３対の誘起電圧検出コイルが検出する電気角で１２０度位相の異なる３相の誘起電圧信号間の差動をとり２相信号を形成し、さらに直交化演算回路で前記２相信号の位相差を電気角で９０度に直交化し、３相２相変換された２相の磁界検出素子出力信号と、３相２相変換された２相の誘起電圧信号を乗算し加算することにより角速度を検出することを特徴とする角度および角速度一体型検出装置。
【請求項４】
前記永久磁石は、直線異方性磁石であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の角度および角速度一体型検出装置
【請求項５】
前記永久磁石は、中空状であることを特徴とする請求項１から４までのいずれか１項に記載の角度および角速度一体型検出装置。
【請求項６】
請求項１から４記載のいずれかの角度および角速度一体型検出装置を組み込んだことを特徴とするサーボモータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回転体の回転角度および回転速度を同時に検出する装置およびこれを用いたサーボモータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
サーボモータの主たる制御量は角度、角速度である。一般に、このような物理量を検出する検出器として、図１２に示すような、角度センサにロータリーエンコーダを、角速度センサにタコゼネを用いたものが採用されている（特許文献１、特許文献２参照）。また、角速度信号については、図１３に示すようにエンコーダから出力される角度信号を微分演算、あるいはパルス信号をFV変換して求めている。
【０００３】
【特許文献１】
特開昭６２−５８８９０号公報（第４頁、第２図）
【特許文献２】
特開２０００−２２８８９３号公報（第４頁、第２図）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが従来技術では、回転角度センサ、回転速度センサをそれぞれ別個に設けることになりコストが高くなるとともに、設置スペースが広くなるなどの問題がある。一方、エンコーダから出力される角度信号を微分演算、あるいはパルス信号をFV変換して角速度信号を得る方法では、高周波ノイズの発生や検出精度が問題となる。そこで、本発明は、小型でコストが低く、ノイズの発生がない高精度で高速応答の角度および角速度一体型検出装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明は次の構成にしている。
（１）回転体に固定された永久磁石と、リング状の磁性体で形成された固定体と、前記永久磁石に空隙を介して対向し前記固定体に取り付けられた磁界検出素子と、前記固定体に巻回された誘起電圧検出コイルと、前記磁界検出素子の信号から角度を演算する角度検出信号処理回路と、前記磁界検出素子信号と前記誘起電圧検出コイルの信号から角速度を演算する角速度検出信号処理回路とを備え、
前記永久磁石を円板状に形成し、かつ前記回転体の軸と垂直方向の一方向に磁化するとともに、
前記磁界検出素子を、互いに電気角で１８０度位相がずれる位置に配置した２個１対の磁界検出素子を、互いに電気角が９０度位相がずれる位置に２対配置し、
前記誘起電圧検出コイルは、前記固定体に巻回され、周方向に等間隔で４個配置され、かつ前記磁界検出素子と同位置に配置されるとともに、互いに対向するコイルは検出信号が同位相になるように結合して２対のコイルを形成し、前記２対のコイルは電気角で９０度位相の異なる２相の誘起電圧信号を検出し、
前記角度検出信号処理回路は、互いに対向する磁界検出素子間の差動信号を処理する差動アンプと、前記差動アンプから出力される２相信号を用いて前記回転体の絶対位置を検出する角度演算回路から構成され
前記角速度検出信号処理回路は、前記差動アンプから出力される２相の出力信号と前記２対のコイルが検出する２相の誘起電圧信号を乗算し加算することにより角速度を検出するようにしたものである。
（２）前記固定体は周方向に空隙を有し、前記空隙に前記磁界検出素子を設けたものである。
（３）回転体に固定された永久磁石と、リング状の磁性体で形成された固定体と、前記永久磁石に空隙を介して対向し前記固定体に取り付けられた磁界検出素子と、前記固定体に巻回された誘起電圧検出コイルと、前記磁界検出素子の信号から角度を演算する角度検出信号処理回路と、前記磁界検出素子信号と前記誘起電圧検出コイルの信号から角速度を演算する角速度検出信号処理回路とを備え、
前記永久磁石は円板状に形成され、かつ前記回転体の軸と垂直方向の一方向に磁化されており、
前記磁界検出素子を、互いに電気角で１８０度位相がずれる位置に配置した２個１対の磁界検出素子を、互いに電気角が１２０度位相がずれる位置に３対配置し、
前記誘起電圧検出コイルは、前記固定体に巻回され、周方向に等間隔で６個配置され、かつ前記磁界検出素子と周方向に機械角で３０度ずれた位置に配置され、互いに対向するコイルは検出信号が同位相になるように結合して３対のコイルを形成し、前記３対のコイルは電気角で１２０度位相の異なる３相の誘起電圧信号を検出し、
前記角度検出信号処理回路は、３相２相変換処理回路と角度演算回路から構成され、
前記３相２相変換処理回路は、互いに対向する前記磁界検出素子の出力信号の差動をとり電気角で１２０度位相の異なる３相信号を形成後、前記３相信号間の差動をとり２相信号を形成し、さらに前記２相信号の位相差を電気角で９０度にする直交化演算回路を備え、
前記角度演算回路は、前記直交化された２相信号を用いて前記回転体の絶対位置を検出し、
前記角速度検出信号処理回路は、３相２相変換処理回路と２個の乗算器と加算器を備え
前記３相２相変換処理回路は、前記３対の誘起電圧検出コイルが検出する３対の電気角で１２０度位相の異なる３相の誘起電圧信号間の差動をとり２相信号を形成し、さらに直交化演算回路で前記２相信号の位相差を電気角で９０度に直交化し、３相２相変換された２相の磁界検出素子出力信号と、３相２相変換された２相の誘起電圧信号を乗算し加算することにより角速度を検出するようにした。
（４）前記永久磁石は、直線異方性磁石としたものである。
（５）前記永久磁石は、中空状にしたものである。
（６）請求項１から請求項４記載のいずれかの角度および角速度一体型検出装置を組み込んだサーボモータである。
【０００６】
【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。
（第１実施例）図１は本発明の第１実施例を示す回転体の角度および角速度を検出する角度および角速度一体型検出装置の斜視図である。図において、１は回転体、２は回転体１に回転軸を同一になるように固定された中空円板状の永久磁石で、材質はフェライト系磁石、ＳｍＣｏ系磁石、ＮｅＦｅＢ系磁石、または前記各種磁石を高分子材料で結合した分散型複合磁石のいずれか一つによって形成し、回転体１の軸に垂直方向と平行に一方向に磁化されN−Sの２極となっている。磁界検出素子４は、４個のホール効果素子からなり、永久磁石２の外周面に対して空隙を介して対向し、かつ互いに電気角で９０度位相をずらしてＡ1 相検出素子４１とＢ1 相検出素子４２を設け、さらにＡ1 相検出素子４１に対して電気角で１８０度位相をずらしてＡ2 相検出素子４３を、Ｂ1 相検出素子４２に対して電気角で１８０度位相をずらしてＢ2 相検出素子４４を設けてある。また、固定体を通過する磁束の時間的変化により発生する誘起電圧を検出するサーチコイル５１，５２，５３，５４を、誘起電圧信号が磁界検出素子信号と同位相になるよう固定体に巻回してある。つぎに動作について述べる。回転体１が回転すると、永久磁石２の磁界の変化により、磁界検出素子４からＡ1 、Ａ2 、Ｂ1 、Ｂ2 の各相の信号が出力される。この信号を信号処理回路に入力すると差動信号となり、さらに演算処理によって角度および角速度が検出される。信号処理回路を図２示す。図２は、信号処理回路を示すブロック図で、(a)は角度検出用、(b)は角速度検出用である。角度を検出する信号処理回路６は、磁界検出素子４から出力されるＡ1 、Ａ2 、Ｂ1 、Ｂ2 の各相信号を入力し処理するもので、Ａ1 相とＡ2 相の差動信号Ｖa を出力する差動アンプ６１と、Ｂ1 相とＢ2 相の差動信号Ｖb を出力する差動アンプ６２と、差動信号Ｖa とＶb とからａｒｃｔａｎ（Ｖb ／Ｖa ）の演算を行って回転角度を演算する角度演算回路６３とを設けてある。角速度を検出する信号処理回路７は、サーチコイル５１と５３が発生する位相が１８０度異なる誘起電圧信号Ea1、Ea2から差動信号Eaを出力する差動アンプ７１と、同様にサーチコイル５２と５４が発生する誘起電圧信号Eb1、Eb2から差動信号Eｂを出力する差動アンプ７２と、磁界検出信号と誘起電圧信号の乗算を行う７３，７４の乗算器と乗算器の出力を加算する加算器７５を設けてある。磁界検出素子からの出力波形を図３に示す。図３は、出力波形を示す説明図で、(a)は磁界検出素子の差動信号、(b)は誘起電圧の差動信号である。磁界検出素子の差動信号Ｖa とＶbは、互いに９０度位相がずれた二つの正弦波、すなわち、回転角をθとしたとき、ｓｉｎθとｃｏｓθの波形である。したがって、Ａ、Ｂ相を入力とする角度演算回路５３によって、θ＝ａｒｃｔａｎ（Ｖb ／Ｖa ）の演算が行われ、絶対位置の回転角度が検出される。誘起電圧の差動信号Ea とEbは、VaとVbと同位相の互いに９０度位相がずれた二つの正弦波波形である。ここで磁界検出素子信号Va＝αB0ｃｏｓθ, Vb＝αB0ｓｉｎθのとき、誘起電圧信号は次のようになる。サーチコイルの巻回数をN、回転角速度をωとすれば固定体を通過する磁束はφa=−φ0ｓｉｎθ, φb=φ0ｃｏｓθであるので
Ea=−N・ｄφa/ｄt= Nωφ0ｃｏｓθ
Eb=−N・ｄφb/ｄt= Nωφ0ｓｉｎθ
となる。なお検出信号VaとEa およびVbとEbの位相が同一になるようにコイルを巻回、配置する。これら信号を乗算し加算することにより、角速度ωに比例する信号が得られる。
Va×Ea ＋ Vb×Eb = Nωφ0αB0（ｃｏｓ2θ＋ｓｉｎ2θ） = βω
【０００７】
つぎに本発明の角度一体型検出装置の性能を評価した。本発明の角度一体型検出装置を用いた検出角度を、基準となる高精度の基準エンコーダ（分解能１００万パルス／回転）と比較した。その結果を図４に示す。図４は、本発明の角度一体型検出装置の検出角度と基準エンコーダとの誤差を示すグラフである。検出の最大誤差は0.1であり、１回転を３６００分割した極めて高い分解能を有する絶対値角度検出が得られることがわかる。また、角速度の出力電圧波形を調べた結果を図５に示す。回転体を10000rpmで回転させ、検出された角速度の出力電圧波形を示しており、回転速度リプルは0.5%以下と良好な値であった。さらに、直線性について調べた結果を図６に示す。回転体を−100,000rpmから+100,000rpm回転させ、角速度出力電圧を調べた。その結果、広い回転速度範囲にわたって、極めて直線性の良い信号が得られた。なお、回転体１の偏心量が極めて小さい場合は、磁界検出素子４を互いに周方向に９０度間隔で固定されたA相検出素子とB相検出素子の２個の検出素子によってｓｉｎθとｃｏｓθの波形の検出信号を得るようにしても良い。また上記実施例では磁界検出素子をホール効果素子を使用した例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。また、上記実施例では中空円板状の永久磁石２を用いた例について説明したが、永久磁石２は中実の円板状に形成しても同様の効果がある。またサーチコイル５１と５３、および５２と５４が検出する誘起電圧信号が同位相になるようにコイルを巻回、結合することにより差動アンプ７１，７２を省略しても良い。さらに永久磁石２が高速回転するときに、固定体３に発生する渦電流の影響にによる検出精度の低下を防ぐために、固定体の電気抵抗を等価的に大きくするように固定体を薄板を積層して形成、あるいは磁性粉で形成、またはソフトフェライト系材料で形成することで、回転体１の高速回転領域でも角度および角速度を高精度で検出することができる。
【０００８】
（第２実施例）本発明の第2実施例を図７に示す。図７は角度および角速度一体型検出装置の斜視図である。本実施例は、リング上の固定体３が周方向に４分割されその空隙部に磁界検出素子４を配置したものである。なお磁界検出信号と誘起電圧信号の位相を同相にするため、サーチコイル５１，５３と５２，５４の配置を実施例１の場合と入れ替えて配置している。他の構造、角度検出方法および角速度検出方法は第１の実施例と同じである。磁界検出素子は磁気抵抗素子を用いた。なお回転体１の偏心量が極めて小さい場合は、第１の実施例と同様に、固定体３には、周方向に９０度間隔で空隙を２個設け、磁界検出素子４をこの空隙に配置しても高精度な角度および角速度を検出できる。
【０００９】
（第３実施例）本発明の第３実施例を図８に示す。図８は角度および角速度一体型検出装置の斜視図である。本実施例は、２個１対の磁界検出素子を、互いに電気角で１２０度位相がずれる位置に３対配置し、６個の誘起電圧検出コイルを固定体の周方向に６等分割した位置に配置し、互いに対向するコイルの信号が同位相になるように巻回し結合したものである。３対の磁界検出素子からは、電気角で120度位相がシフトしたA相、B相、C相の3相の出力信号が得られる。これら信号を3相2相変換処理回路に入力し、90度位相が異なるVA、VBを得る。また６個のコイルからは、電気角で120度位相がシフトしたEA、EB、ECの3相の誘起電圧出力信号を得、これら信号を3相2相変換処理回路に入力し、90度位相が異なるEA、EBを得る。図９に角度検出信号処理回路および角速度検出信号処理回路を示す。また他の構造は第１の実施例と同じである。この構成手段をとることにより、磁界検出信号および誘起電圧信号に含まれる3次以上の高調波歪が低減されるので、高精度な角度および角速度を検出できる。
【００１０】
（第4実施例）本発明の第４実施例を図１０に示す。図１０は角度および角速度一体型検出装置の斜視図である。本実施例は、互いに電気角で１８０度位相がずれる位置に配置した２個１対の磁界検出素子を、互いに電気角で１２０度位相がずれる位置に３対配置し、４個の誘起電圧検出コイルを固定体の周方向に４等分割した位置に配置し、互いに対向するコイルの信号が同位相になるように巻回し結合したものである。また各コイルの巻回幅を電気角で１２０度にしたものである。角度および角速度を検出する信号処理回路を図１１に示す。他の構造は第１の実施例と同じである。この構成手段をとることにより、誘起電圧信号に含まれる3次以上の高調波歪が低減されるので、高精度な角速度を検出できる。
【００１１】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明の角度および角速度一体型検出装置は、磁界検出素子の信号から角度を演算する処理回路と、磁界検出素子信号とコイル誘起電圧信号から角速度を演算する処理回路を備えているので、つぎの効果がある。
（１）構造がシンプルな、回転角度および角速度を同時に検出する小型、高精度、高速応答、低価格の検出装置を提供できる。
（２）従来のように回転角度センサと角速度センサを別個に用意する必要がなく、回転角度信号を微分処理して角速度を算出する必要がないため、直接精度の高い速度検出が可能であり、検出のダイナミックレンジも広い。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１実施例を示す構造図である。
【図２】 本発明の実施例の信号処理回路を示すブロック図である。
【図３】 本発明の実施例の回転角度、回転角速度の出力を示す説明図である。
【図４】 本発明の実施例の回転角度の検出精度を示す説明図である。
【図５】 本発明の実施例の角速度の出力波形を示す説明図である。
【図６】 本発明の実施例の角速度の出力電圧を示す説明図である。
【図７】 本発明の第２実施例を示す構造図である。
【図８】 本発明の第３実施例を示す構造図である。
【図９】 本発明の第３実施例の信号処理回路を示すブロック図である。
【図１０】 本発明の第４実施例を示す構造図である。
【図１１】 本発明の第４実施例信号処理回路を示すブロック図である。
【図１２】 従来のサーボモータの速度制御を示すブロック図である。
【図１３】 従来の他のサーボモータの速度制御を示すブロック図である。
【符号の説明】
１ 回転体
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
４５ C１ 相検出素子
４６ C２ 相検出素子
５ サーチコイル
５１ 誘起電圧Ea1 検出コイル
５２ 誘起電圧Eb1 検出コイル
５３ 誘起電圧Ea2 検出コイル
５４ 誘起電圧Eb2 検出コイル
５５ 誘起電圧Ec1 検出コイル
５６ 誘起電圧Ec2 検出コイル
６ 角度検出信号処理回路
６１、６２ 差動アンプ
６３ 角度演算回路
７ 角速度検出信号処理回路
７１、７２ 差動アンプ
７３、７４ 乗算器
７５ 加算器
８１、８２、８３、８４、８５ 差動アンプ
８６ 直交化演算回路
【図１】
0004258831.tif 000002
【図２】
0004258831.tif 000003
【図３】
0004258831.tif 000004
【図４】
0004258831.tif 000005
【図５】
0004258831.tif 000006
【図６】
0004258831.tif 000007
【図７】
0004258831.tif 000008
【図８】
0004258831.tif 000009
【図９】
0004258831.tif 000010
【図１０】
0004258831.tif 000011
【図１１】
0004258831.tif 000012
【図１２】
0004258831.tif 000013
【図１３】
0004258831.tif 000014