专利名称：磁性编码装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及检测使用于工业用机器人、NC机床等的马达的旋转位置的磁性编码装置，特别涉及在单转以内角度的绝对位置检测的基础上检测多转旋转量的磁性编码装置。
背景技术：
现有的磁性编码装置由磁场检测元件检测相对于旋转体转轴的垂直方向的一个方向上磁化且固定于旋转体的永久磁铁的磁场，以检测出单转以内的角度(例如，参照专利文献1)。
图8是现有的磁性编码装置的立体图。
在图8中1是旋转体，2是构成固定于旋转体1端部的圆板状发磁体的永久磁铁，并使该永久磁铁2在相对于旋转体1轴向的垂直的一个方向上磁化。3是设置于永久磁铁2外周侧的环状固定体，4是相对于旋转体1的旋转中心以同心圆状设置且在固定体3的周向上等间隔配置的磁场检测元件，并由四个磁场检测元件41、42、43、44构成。这些磁场检测元件4与永久磁铁2的外周面隔着空隙相对，且相互以电角错开90度位相来设置A1相检测元件41和B1相检测元件42，此外，相对于A1相检测元件41以电角错开180度位相来设置A2相检测元件43，相对于B1相检测元件42以电角错开180度位相来设置B2相检测元件44。
此外，图9是信号处理电路的框图。
在图9中，5是信号处理电路，由差动放大器51、52和角度运算电路53构成。
以下对其动作进行说明。
旋转体1旋转时，固定于旋转体1的永久磁铁2也旋转。磁场检测元件4检测永久磁铁2产生的磁场，相对于旋转角旋转1周输出1周期的正弦波信号。同时，如此旋转1周输出1周期信号的编码器称为1X型编码器。
差动放大器51接收到源自A1相检测元件41的检测信号即A1信号(Va1)和源自A2相检测元件43的检测信号即A2信号(Va2)的输入后，输出两个信号的差动信号Va。此外，差动放大器52接收到源自B1相检测元件42的检测信号即B1信号(Vb1)和源自B2相检测元件44的检测信号即B2信号(Vb2)的输入后，输出两个信号的差动信号Vb。差动信号Va和Vb是相互相差90度位相的信号。角度运算电路53为由差动信号Va和Vb进行arctan(Va/Vb)运算以运算旋转角度。
如此，现有的1X型编码器通过磁场检测元件检测在一个方向上磁化的永久磁铁产生的磁场，并通过信号处理电路进行角度运算，以检测出单转以内角度。
日本国特愿平10-541482号公报发明内容现有的1X型编码器不具备检测多转旋转量的器件，仅能检测单转以内的角度。为了检测多转旋转量，在现有的1X型编码器的信号处理电路中附加多转检测电路，通过将源自磁场检测元件4的信号输入此多转检测电路，实现了检测多转旋转量。但是，为了瞬时停电等外部电源遮断时也能持续保持多转旋转量的信息，需要使用蓄电池等备用电源连续通电给磁场检测元件4和附加的多转检测电路。此时的消耗电力要求极低的消耗，为了得到高精度的单转以内角度信号，需要向磁场检测元件4供给适当的电流，很难节省电力。因此，使用蓄电池作为备用电源时需要频繁地进行蓄电池交换，由于保养等原因，很难适用于要求仅靠蓄电池电源反复进行长时间连续运转的机械装置，因此有磁性编码装置的适用范围狭小的问题。
此外，不使用备用电源维持多转旋转量并进行检测的方法虽然也可以考虑增加齿轮等机械部件，但是有大型化及由于具有机械接触部使磁性编码装置寿命缩短的问题、及源于机械磨损的可靠性的问题等。
此外，对于外转子型马达，还存在很难应用使用齿轮等机械部件的小型减速机构的问题。
本发明为解决此种问题而进行，目的是提供一种能够以低消耗电力检测多转旋转量，此外，实现仅靠蓄电池电源的长时间连续运转，还有即使对于外转子型马达也能够检测出多转旋转量的小型、薄型且长寿命的磁性编码装置。
为了解决上述问题，本发明的磁性编码装置是如下构成的。
权利要求1所述的发明是一种磁性编码装置，具有在相对于旋转体转轴的垂直方向的一个方向上磁化且固定于前述旋转体的永久磁铁、与前述永久磁铁隔着空隙相对且安装于固定体的磁场检测元件、及处理源自前述磁场检测元件的信号的信号处理电路。
前述磁场检测元件具有检测单转以内角度的至少两个单转用磁场检测元件和检测多转旋转量的至少两个多转用磁场检测元件。
前述信号处理电路具有由单转用磁场检测元件的检测信号生成单转以内角度信号的单转信号处理电路和由多转用磁场检测元件的检测信号生成多转信号的多转信号处理电路。
权利要求2所述的发明为前述旋转体和永久磁铁为环状，且在前述永久磁铁的周围形成有环状的磁性轭铁，前述固定体配置于前述旋转体的内侧。
权利要求3所述的发明为前述固定体为环状，且由强磁体构成。
权利要求4所述的发明为前述多转用磁场检测元件为磁阻元件或霍尔元件。
权利要求5所述的发明为前述多转用磁场检测元件配置在前述永久磁铁的周向上。
权利要求6所述的发明为前述多转用磁场检测元件在前述旋转体的轴向上隔着空隙配置于前述永久磁铁的侧面。
根据权利要求1所述的发明，除单转用磁场检测元件和单转信号处理电路构成的单转以内角度检测器件以外，附加有多转用磁场检测元件和多转信号处理电路构成的多转角度检测器件。由此，外部电源遮断时，可以仅向多转检测器件供给备用电源，能够以极小的电力检测多转旋转量，由于不需要频繁交换作为备用电源使用的蓄电池，因此能够长时间连续运转。
根据权利要求2所述的发明，旋转体和永久磁铁为环状，由于固定体配置于旋转体的内侧，因此对于外转子型马达能够以极小的电力检测出多转旋转量。
根据权利要求3所述的发明，由于配置于旋转体内侧的固定体为环状，因此能够构成可以检测多转旋转量的中空的磁性编码装置。
根据权利要求4所述的发明，多转用磁场检测元件通过使用小型且消耗电力小的磁阻元件或霍尔元件，即使附加多转功能也不会大幅度地增加外形尺寸。因此，即使在应用现有技术的装置上附加多转功能，也不会在外形上限制向装置的应用。此外，由于没有机械的接触部分，因此能够实现长寿命且可靠性高的磁性编码装置。
根据权利要求5所述的发明，由于多转用磁场检测元件配置于配置有单转用检测元件的永久磁铁的外周部的剩余空间，因此能够构成为薄型，径向厚度也能够构成为很薄。
根据权利要求6所述的发明，由于配置于旋转体1相反侧的永久磁铁2的侧面，因此马达和旋转体直接连接时，不会直接接受马达的辐射热，即使很小的消耗电流也能够实现稳定且可靠性高的检测。
图1是表示本发明第1实施例的磁性编码装置的立体图。
图2是本发明的磁性编码装置的多转信号处理电路的框图。
图3是表示多转信号和单转以内角度信号关系的动作说明图。
图4是表示本发明第2实施例的磁性编码装置的立体图。
图5是表示本发明第3实施例的磁性编码装置的立体图。
图6是表示本发明第4实施例的磁性编码装置的立体图。
图7是表示本发明第5实施例的固定体部的构成的图。
图8是现有的磁性编码装置的立体图。
图9是现有的磁性编码装置的信号处理电路的框图。
符号说明1、1’ 旋转体2 永久磁铁2’ 磁场发生转子21 环状永久磁铁22 环状磁性轭铁3、3’ 固定体31 环状固定体32 元件保持架4 磁场检测元件、单转用磁场检测元件41 A1相检测元件42 B1相检测元件43 A2相检测元件44 B2相检测元件5 信号处理电路、单转信号处理电路51、52 差动放大器53 角度运算电路6 多转用磁场检测元件61 Am相检测元件62 Bm相检测元件7 多转信号处理电路71、72 放大器73 计数器具体实施方式
以下参照图对本发明的实施方式进行说明。
实施例1图1是表示本发明第1实施例的磁性编码装置的立体图。
在图1中，1是旋转体，2是永久磁铁，3是固定体，4是单转用磁场检测元件，5是单转信号处理电路，6是多转用磁场检测元件，7是多转信号处理电路。由于旋转体1、永久磁铁2、固定体3、单转用磁场检测元件4、单转信号处理电路5的构成与现有技术相同，因此省略其说明。
此外，在本实施例中，永久磁铁2由铁素体类磁铁形成，其为在相对于旋转体1轴的垂直方向的一个方向上平行地磁化的2极的构成。永久磁铁2的大小为直径3mm，厚度1mm。
多转用磁场检测元件6由Am相检测元件61和Bm相检测元件62两个磁阻元件组成，与圆板状永久磁铁2的外周面隔着空隙配置且电角相互错开大致90度位相。
由于上述Am相和Bm相决定旋转方向，因此其位相角可以是不会因Vam信号、Vbm信号的振荡等而影响两信号发生顺序的范围内的位相角，Am相检测元件61和Bm相检测元件62之间的位置可以是电角10度～170度的位置。
多转信号处理电路7处理由多转用磁场检测元件6检测出的Am相信号和Bm相信号以生成多转信号。
图2是多转信号处理电路7的框图。
在图2中，71、72是放大器，73是计数器。
本发明与现有技术的不同点为具有多转用磁场检测元件6和多转信号处理电路7。
以下对本发明第1实施例的动作进行说明。
由于检测单转以内的角度与现有技术相同，因此仅对多转旋转量的检测进行说明。
随旋转体1的旋转，永久磁铁2旋转时空隙部的磁通密度发生变化。由多转磁场检测元件6检测出此磁通密度的变化并输入多转信号处理电路7。由多转用磁场检测元件6的Am相检测元件61检测出的信号经放大器71放大后成为信号Vam并输入到计数器73。此外，由Bm相检测元件62检测出的信号经放大器72放大后成为信号Vbm并同样输入到计数器73。计数器73通过对Vam、Vbm进行计数来生成多转信号。
图3是表示多转信号和单转以内角度信号关系的动作说明图。
在图3中，单转以内角度信号是此信号的分辨率为dn时，相对于旋转体旋转1周从0到(dn-1)为止变化的角度信号。某个检测点的包含多转旋转量的角度信号为，预先存储多转信号变化时的单转以内角度信号的数据dc，当检测点的单转以内角度信号的数据d大于dc时，通过多转信号k加{(d-dc)/dn}，当d小于dc时则通过多转信号k加{(d+dn-dc)/dn}而获得。
瞬时停电等外部电源遮断时，多转磁场检测元件6和多转信号处理电路7由蓄电池供给电源，保持多转旋转量数据的同时继续检测多转旋转量。由于多转旋转量的检测与单转以内角度信号相比不需要高检测精度，因此能够以小电力进行检测。此时，磁场检测元件4和信号处理电路5中没有供给电源，虽然不能检测出单转以内角度信号，但是对于单转以内角度信号，即使瞬时停电等外部电源遮断时，1X型编码器也能够在电源恢复后由单转用磁场检测元件4的检测信号进行再生。
如此，在本实施例中，除单转用磁场检测元件4和单转信号处理电路5构成的单转以内角度检测器件以外，还附加有多转用磁场检测元件6和多转信号处理电路7构成的多转检测器件。外部电源遮断时，通过仅向消耗电力小的多转检测器件供给备用电源，能够以极小的电力检测出多转旋转量。本实施例中备用电源的消耗电力约为0.3mW。这是现有的磁性编码装置附加多转检测电路后，共用磁场检测元件的信号检测多转旋转量时的消耗电力的约1/500。
此外，不需追加特别的多转检测机构，由于用于检测多转旋转量的磁场检测元件的小型且消耗电力小的多转用磁阻元件6与单转用磁场检测元件4配置于同一圆周上的空隙部，因此不会增加转轴的轴向及径向的尺寸，并能够维持小型构造。
因此，能够提供一种适用于广阔领域的磁性编码装置。
此外，虽然本实施例中使用铁素体类磁铁作为永久磁铁，但也可以由Sm-Co类磁铁或Ne-Fe-B类磁铁或者前述各种磁铁由高分子材料结合的分散型复合磁铁来形成。
此外，虽然多转信号处理电路7使用放大器71、72进行信号调整，但是使用比较器当然也可以得到相同的效果。此外，比较器不限于多转信号处理电路7也可以置于磁场检测元件6的附近。此时，由于比较器的输出信号即2值化的信号输入多转信号处理电路7，因此具有提高抗干扰性的效果。
实施例2图4是表示本发明第2实施例的磁性编码装置的立体图。
本实施例与第1实施例的不同部分为，第1实施例中多转用磁场检测元件6与圆板状永久磁铁2的外周面隔着空隙配置，而本实施例中其为与永久磁铁2的圆板状平面隔着空隙配置。而且配置于固定有转轴1的平面相反侧的平面。
多转用磁场检测元件6由Am相检测元件61和Bm相检测元件62两个霍尔元件组成，在旋转体1的旋转方向上相互错开大致90度位相，由未图示的固定夹具固定于固定体3。永久磁铁2的表面和多转用磁场检测元件6的间隔为约1mm左右。
此外，由于本实施例的动作与第1实施例相同，故省略其说明。
如此，本实施例中，由于多转用磁场检测元件6隔着空隙配置于旋转体1相反侧的永久磁铁2的圆板上的平面，因此未图示的马达与旋转体1直接连接时，不会直接接受马达的辐射热，即使以小消耗电流也能稳定地进行检测。
本实施例与第1实施例一样，与现有的磁性编码装置的信号处理电路附加多转检测电路后，共用单转以内磁场检测元件的信号检测多转旋转量时相比，消耗电力变为约1/500。备用电源使用蓄电池时，能够令此蓄电池的交换时间飞跃地延长。
实施例3图5是表示本发明第3实施例的磁性编码装置的立体图。
图5中，1’是旋转体，2’是磁场发生转子，3’是固定体。此外，21是环状永久磁铁，22是配置于环状永久磁铁21的外周且由磁性材料构成的环状磁性轭铁。磁场发生转子2’由环状永久磁铁21和环状磁性轭铁22构成。4是隔着空隙与环状永久磁铁21相对且安装于固定体3’的检测单转内位置的四个单转用磁场检测元件，5是处理源自磁场检测元件4的信号的单转信号处理电路，6是隔着空隙与前述环状永久磁铁21相对且安装于固定体3’的两个多转用磁场检测元件。
环状永久磁铁21由铁素体类磁铁形成，其为在相对于旋转体1’轴的与垂直方向平行的一个方向上磁化的2极的构成。此外，环状磁性轭铁22由碳素钢等强磁体构成。磁场发生转子2’使磁阻减小，具有使磁场集中于单转用磁场检测元件4和多转用磁场检测元件6的效果，由此能够提高磁场检测元件的SN比。还有遮断外界磁干扰的效果。材料只要是强磁体即可，例如碳素钢等。
单转用磁场检测元件4由四个霍尔效应元件组成，与环状永久磁铁21的内周面隔着空隙相对，且相互以电角错开90度位相来设置A1相检测元件41和B1相检测元件42，此外，相对于A1相检测元件41以电角错开180度位相来设置A2相检测元件43，相对于B1相检测元件42以电角错开180度位相来设置B2相检测元件44。
此外，多转用磁场检测元件6由磁阻元件组成，在旋转体1’的径向上隔着空隙与磁场发生转子2’相对，且相互以电角错开大致90度位相来设置Am相检测元件61和Bm相检测元件62。
由于单转信号处理电路5和多转信号处理电路7的构成与实施例1相同，因此省略其说明。
本实施例与实施例1的不同点为，为了检测外转子型马达的多转旋转量，使固定于旋转体的永久磁铁为环状，进而在永久磁铁的周围形成环状的磁性轭铁，在配置于旋转体内侧的固定体上配置单转用磁场检测元件4和多转用磁场检测元件6。
以下对其动作进行说明。伴随旋转体1’的旋转磁场发生转子2’发生旋转。磁场发生转子2’发出的磁场由单转用磁场检测元件4检测出，并由单转信号处理电路5变换为单转以内角度信号。此外，磁场发生转子2’发出的磁场由磁场检测元件6检测出，并由信号处理电路7变换为多转信号。由于单转以内角度信号和多转信号的生成方法与实施例1相同，因此省略其说明。
本实施例中由于多转旋转量的检测功能的附加并没有增加旋转体轴向及径向的尺寸，因此能够维持小型构造，对于外转子型旋转体能够以极小的电力检测出多转旋转量。
此外，通过使用霍尔元件作为磁场检测元件，由于尺寸形状为小型(约2.5×1.5×0.6mm)的同时能得到很大的输出信号，因此抗干扰特性很强。此外，由于霍尔元件形状小，因此能够很薄地构成旋转体轴向的厚度，还由于能够很薄地构成径向厚度，因此能够使中空径很大，其构成非常适用于中空形状。
此外，虽然本实施例中使用铁素体类磁铁作为环状永久磁铁，但也可以由Sm-Co类磁铁或Ne-Fe-B类磁铁或者前述各种磁铁由高分子材料结合的分散型复合磁铁来形成。
实施例4图6是表示本发明第4实施例的磁性编码装置的立体图。
本实施例与实施例3的不同点为，实施例3中多转用磁场检测元件6配置于固定体3’的外周面，而本实施例中，在旋转体1’的轴向上与磁场发生转子2’的侧面隔着空隙由未图示的固定夹具固定于固定体3’。
此外，由于本实施例的动作与第3实施例相同，故省略其说明。
如此，本实施例中，对于外转子型马达能够以极小的电力检测出多转旋转量，由于多转用磁场检测元件6隔着空隙配置于旋转体1’相反侧的磁场发生转子的平面，因此与实施例2一样，未图示的马达与旋转体1’直接连接时，不会直接接受马达的辐射热，即使以小消耗电流也能稳定地进行检测。
实施例5图7是表示本发明第5实施例的固定体部的构成的图。
图7中，31是环状固定体，32是元件保持架。本实施例与实施例3的不同点为，固定体的形状为环状。由此能够检测出具有中空构造的外转子型马达的多转旋转量。此外，环状固定体31的材料为强磁体(例如碳素钢)。由此与实施例3的环状磁性轭铁22的效果一样使磁阻减小，具有使磁场集中于检测单转内位置的单转用磁场检测元件4和多转用磁场检测元件6的效果，能够提高检测信号的SN比，具有遮断外界磁干扰的效果。此外，环状固定体31、单转用磁场检测元件4和多转用磁场检测元件6之间设有非磁性体构成的元件保持架。通过此元件保持架，不仅使磁场检测元件的位置容易保持，还能够提高位置精度。
此外，由于本实施例的动作与第3实施例相同，故省略其说明。
如此，本实施例中，对于具有中空构造的外转子型马达能够以极小的电力检测出多转旋转量。
由于根据本发明能够以小型且低消耗电力检测出多转旋转量，因此能够适用于绝对位置检测所需的小型伺服马达。
权利要求
1.一种磁性编码装置，具有在相对于旋转体转轴的垂直方向的一个方向上磁化且固定于前述旋转体的永久磁铁、与前述永久磁铁隔着空隙相对且安装于固定体等的磁场检测元件、及处理源自前述磁场检测元件的信号的信号处理电路的磁性编码装置；其特征为前述磁场检测元件具有检测单转以内角度的至少两个单转用磁场检测元件和检测多转旋转量的至少两个多转用磁场检测元件；前述信号处理电路具有由前述单转用磁场检测元件的检测信号生成单转以内角度信号的单转信号处理电路和由前述多转用磁场检测元件的检测信号生成多转信号的多转信号处理电路。
2.如权利要求1所述的磁性编码装置，其特征为前述永久磁铁为环状，且在前述永久磁铁的周围形成有环状的磁性轭铁，前述固定体配置于前述旋转体的内侧。
3.如权利要求2所述的磁性编码装置，其特征为前述固定体为环状，且由强磁体构成。
4.如权利要求1～3中任意一项所述的磁性编码装置，其特征为前述多转用磁场检测元件为磁阻元件或霍尔元件。
5.如权利要求1～3中任意一项所述的磁性编码装置，其特征为前述多转用磁场检测元件配置在前述永久磁铁的周向上。
6.如权利要求1～3中任意一项所述的磁性编码装置，其特征为前述多转用磁场检测元件在前述旋转体的轴向上隔着空隙配置于前述永久磁铁的侧面。
全文摘要
本发明涉及能够进行单转以内的角度检测和检测多转旋转量的小型且消耗电力小的磁性编码装置。具体为本发明的磁性编码装置是由在相对于旋转体(1)转轴的垂直方向的一个方向上磁化并固定于旋转体(1)的永久磁铁(2)、与永久磁铁(2)隔着空隙相对地安装于固定体(3)的磁场检测元件(4)、及处理源自磁场检测元件(4)的信号的信号处理电路(5)组成的装置的基础上，附加有由多转用磁场检测元件(6)和由此多转用磁场检测元件(6)的信号检测多转旋转量的多转信号处理电路(7)组成的多转检测器件的装置。
文档编号G01D5/18GK1997876SQ20058001880
公开日2007年7月11日 申请日期2005年5月11日 优先权日2004年6月16日
发明者上村浩司, 有永雄司, 椛岛武文 申请人:株式会社安川电机