CN104303020A - 磁式旋转角检测器 - Google Patents

Abstract

一种磁式旋转角检测器，其具有：圆盘状的磁铁，其以在每旋转1周时磁极变化n次的方式被磁化，其中，n为大于或等于1的整数；磁体狭缝板，其与所述磁铁一体地旋转，该磁体狭缝板构成为，磁通透过率高的部分和低的部分交替地重复，以使得在每旋转1周时磁通透过率变化m次，其中，m为大于或等于2的整数，且m＞n；磁传感器，其对穿过所述磁体狭缝板的来自所述磁铁的磁性进行检测；以及运算部，其根据所述磁传感器的输出而求出所述磁铁的旋转角度。

Description

磁式旋转角检测器

技术领域

本发明涉及一种磁式旋转角检测器。

背景技术

在磁式旋转角检测器中存在下述方法，即，将把圆盘状的磁体加工成狭缝形状而得到的磁体狭缝安装在电动机中，通过磁传感器对与磁体狭缝的旋转相伴的磁场变化进行检测。

在专利文献1中记载有，在磁编码器中，在磁体狭缝板和平板磁铁之间配置检测体，在检测体中将多个磁阻元件以与磁体狭缝板大致相同直径的圆周状配置。由此，根据专利文献1，由于在磁体狭缝板的整周上配置有磁阻元件，因此，能够将轴跳动、旋转部的安装误差抵消而检测磁体狭缝板的旋转。

专利文献1：日本特开2003-121200号公报

发明内容

可知在专利文献1中记载的技术是通过在磁体狭缝和平板磁铁之间配置磁传感器(磁阻元件)，从而能够检测磁体狭缝的旋转角度的技术。利用了磁体狭缝的在专利文献1中记载的磁式旋转角检测器被称为增量式，可知是通过对由磁体狭缝板的旋转所引起的信号的变化进行计数，从而检测出相对的旋转角度的技术。

另一方面，可知在专利文献1中记载的磁式旋转角检测器中，为了以高分辨率检测绝对的旋转角度，例如，需要在利用了磁体狭缝的磁体狭缝板(旋转圆板)上以同心圆状设置多个频率的信号码道，且需要在检测体上以同心圆状配置多个磁阻元件。在该情况下，旋转圆板的面积变大，并且，检测体的面积也变大，有可能导致磁式旋转角检测器大型化。

本发明就是鉴于上述情况而提出的，其目的在于得到一种磁式旋转角检测器，该磁式旋转角检测器能够将用于以高分辨率检测绝对旋转角度的结构小型化。

为了解决上述课题，并实现目的，本发明的1个技术方案所涉及的磁式旋转角检测器的特征在于，具有：圆盘状的磁铁，其以在每旋转1周时磁极变化n次的方式被磁化，其中，n为大于或等于1的整数；磁体狭缝板，其与所述磁铁一体地旋转，该磁体狭缝板构成为，磁通透过率高的部分和低的部分交替地重复，以使得在每旋转1周时磁通透过率变化m次，其中，m为大于或等于2的整数，且m＞n；磁传感器，其对穿过所述磁体狭缝板的来自所述磁铁的磁性进行检测；以及运算部，其根据所述磁传感器的输出而求出所述磁铁的旋转角度。

发明的效果

根据本发明，由于具有：圆盘状的磁铁，其以在每旋转1周时磁极变化n次的方式被磁化，其中，n为大于或等于1的整数；磁体狭缝板，其与磁铁一体地旋转，该磁体狭缝板构成为，磁通透过率高的部分和低的部分交替地重复，以使得在每旋转1周时磁通透过率变化m次，其中，m为大于或等于2的整数，且m＞n；磁传感器，其对穿过磁体狭缝板的来自磁铁的磁性进行检测；以及运算部，其根据磁传感器的输出而求出磁铁的旋转角度，因此，能够从1条磁码道提取2种频率成分，所以，能够用较小的框体实现高分辨率的磁式旋转角检测器。即，在磁式旋转角检测器中，能够将用于以高分辨率(高解析度)检测绝对旋转角度的结构小型化。

附图说明

图1是实施方式1所涉及的磁式旋转角检测器的结构图。

图2是实施方式1所涉及的旋转圆板的结构图。

图3是表示实施方式1所涉及的磁传感器的输出信号的一个例子的图。

图4是表示实施方式1所涉及的磁体狭缝板和磁传感器的位置的图。

图5是表示通过实施方式1所涉及的角度运算部求出的信号的波形的图。

图6是表示通过实施方式1所涉及的角度运算部求出的信号的波形的图。

图7是表示实施方式2所涉及的磁体狭缝板和磁传感器的位置的图。

图8是表示通过实施方式2所涉及的角度运算部求出的信号的波形的图。

图9是实施方式3所涉及的磁式旋转角检测器的结构图。

图10是表示在实施方式3所涉及的磁式旋转角检测器中，来自磁铁的磁场强度和与磁铁相距的距离之间的关系的图。

图11是实施方式4所涉及的磁式旋转角检测器的结构图。

图12是实施方式4所涉及的旋转圆板的结构图。

图13是实施方式5所涉及的磁式旋转角检测器的结构图。

具体实施方式

下面，基于附图，对本发明所涉及的磁式旋转角检测器的实施方式进行详细说明。此外，本发明并不限定于本实施方式。

实施方式1.

图1是表示本发明的实施方式1所涉及的磁式旋转角检测器的一个例子的图。磁铁4固定在旋转轴3上，磁体狭缝板5和磁铁4成为一体而构成旋转圆板1。例如，磁体狭缝板5和磁铁4分别为在中心附近具有供旋转轴3插入的孔的中空圆盘状。旋转圆板1与旋转轴3一体地旋转。在隔着磁体狭缝板5而与磁铁4相对的位置处，设置有固定于未图示的框体上的磁传感器2。即使旋转圆板1旋转，磁传感器2的位置也不改变。磁传感器2的输出与磁场的变化相对应地变化。角度运算部7根据来自磁传感器2的输出而求出旋转圆板1的旋转角，并输出。

旋转圆板1和磁传感器2在沿着旋转轴3的旋转轴心的方向上(z方向)隔着间隙而配置。旋转圆板1和磁传感器2的间隔，是考虑磁铁4以及磁体狭缝板5的磁特性、磁传感器2相对于磁场变化的灵敏度、磁式旋转角检测器整体的组装方面的限制等而决定的。此外，有时旋转圆板1包含用于与旋转轴3结合的轴衬等部件，但在实施方式1中省略详细说明。

图2是用于说明旋转圆板1的构造的图。旋转圆板1由磁铁4以及磁体狭缝板5构成。在图2中，为了进行说明而分别描绘出磁铁4和磁体狭缝板5，但实际上如图1所示，磁铁4和磁体狭缝板5一体地旋转。例如，旋转轴3分别插入至磁体狭缝板5和磁铁4中，由此，磁体狭缝板5和磁铁4分别固定在旋转轴3上，磁铁4和磁体狭缝板5伴随旋转轴3的旋转而一体地旋转。

磁铁4的磁化方向是通常被称为径向磁化的形式。例如，在图2中，磁铁4处于在x轴方向上磁化出N极以及S极的状态。在从图1所示的磁式旋转角检测器上拆下磁体狭缝板5的状态下，使磁铁4旋转而测定对磁传感器2施加的磁场的情况下，固定在旋转轴3上的磁铁4每旋转1周，由磁传感器2检测的磁场以1个周期发生变化。即，如果将与旋转轴3旋转1周相对应的频率设为n，则形成n＝1次的磁场变化。

磁体狭缝板5是例如圆盘状，形成为开口部和遮挡部沿其周向每隔一定角度P[rad]重复的构造，在开口部处，使图2中的z轴下部的磁铁4的磁通向z轴上部透过，在遮挡部处阻碍z轴下部的磁铁4的磁通向z轴上部的透过。此外，磁体狭缝板5也可以构成为没有物理形式的开口部，而是使得相当于开口部的部分由磁通透过率高的部件形成，相当于遮挡部的部分由磁通透过率低的部件形成，将它们重复设置。

在图2所示的例子中，磁体狭缝板5的开口部的宽度和遮挡部的宽度，例如大致为P/2[rad]、且是均等的。如果固定在旋转轴3上的磁体狭缝板5旋转1周，则磁场变化的次数为m＝2π/P。在图2所示的例子中，为P＝2π/16[rad]，开口部和遮挡部具有16组。即，如果将与固定在旋转轴3上的磁体狭缝板5旋转1周相对应的频率设为m，则形成m＝16次的磁场变化。此外，m是大于n的整数。

如图1所示，如果在以与旋转轴3旋转1周相对应的频率n＝1被磁化的磁铁4的上方，设置开口部和遮挡部以与旋转轴3旋转1周相对应的频率m＝16而重复的磁体狭缝板5，并使旋转轴3旋转，则磁传感器2所检测的磁场强度，如图3所示，成为如下波形，即，对应于旋转1周，在频率n＝1的大的磁场变化中，叠加有频率m＝16的小的磁场变化。

在此，说明从图3所示的磁传感器2的输出即叠加有频率n＝1、m＝16这2种频率成分的信号中，分离出n＝1和m＝16这2种频率成分的方法。

图4是从z轴的上方观察图1中的磁体狭缝板5以及磁传感器2的图。为了进行说明，以虚线表示出磁体狭缝板5。磁传感器2由配置为阵列状的磁检测元件组6构成，在图4中，磁检测元件组6由以P/2[rad]的间隔配置的2个磁检测元件61以及62构成。此时，如果将来自磁检测元件61的输出设为F₁(θ)，将来自磁检测元件62的输出设为F₂(θ)，则通过以下的式(1)表示。

【数学式1】

F₁(θ)＝A₁sin(nθ)+B₁sin(mθ)

                     …(1)

F₂(θ)＝A₂sin(n(θ+P/2))+B₂sin(m(θ+P/2))

作为磁传感器2的输出的F₁(θ)以及F₂(θ)，输入至角度运算部7。在此，由于P/2＝π/m，因此存在以下的式(2)的关系。

【数学式2】

sin(m(θ+P/2))＝sin(mθ)cos(mP/2)+cos(mθ)sin(mP/2)

＝sin(mθ)cos(π)+cos(mθ)sin(π)         …(2)

＝-sin(mθ)

如果设为A₁＝A₂、B₁＝B₂，则F₁(θ)+F₂(θ)成为以下的式(3)。

【数学式3】

F₁(θ)+F₂(θ)＝{A₁sin(nθ)+B₁sin(mθ)}+{A₂sin(n(θ+P/2))+B₂sin(m(θ+P/2))}

＝{A₁ sin(nθ)+B₁sin(mθ)}+{A₁sin(n(θ+P/2))-B₁sin(mθ)}

＝A₁sin(nθ)+A₁sin(n(θ+P/2))

＝2A₁ sin(n(θ+P/4))cos(nP/4)

＝2A₁sin(n(θ+π/(2m)))cos(nπ/(2m))

                                  …(3)

即，根据F₁(θ)+F₂(θ)得到去除频率m的周期变动成分即mθ成分，仅包含频率n的周期变动成分即nθ成分的正弦波。F₁(θ)+F₂(θ)的情况在图5中示出。

并且，以使得通过F₁(θ)+F₂(θ)的运算得到的信号的振幅成为A₂的方式在角度运算部7的内部进行增益调整，通过从F₂(θ)减去该结果，从而如以下的式(4)所示，能够得到频率m的周期变动成分即mθ成分的正弦波输出。

【数学式4】

F₂(θ)-{F₁(θ)+F₂(θ)}*A₂/{2A₁/cos(nπ/(2m))}

＝A₂sin(n(θ+P/2))+B₂sin(m(θ+P/2))-A₂sin(n(θ+π/(2m)))    …(4)

＝B₂sin(m(θ+π/m))+A₂{sin(n(θ+π/m))-sin(n(θ+π/(2m)))}

但是，在该输出中残留有频率nθ的成分，但如果n和m的差较大，则nθ的成分变小。在图6中示出式(4)所示的信号波形的情况。

通过这些处理，能够从1条码道提取频率n和频率m的2种信号。例如，在n＝1的情况下，能够根据频率n的信号，对与旋转轴3一体地旋转的旋转圆板1在旋转1周内处于哪个位置进行检测。并且，能够根据频率m的信号，以更高的分辨率(解析度)进行位置检测。由此，能够根据频率n的信号以及频率m的信号，以高精度检测旋转圆板1的绝对位置。如上所述，在本实施方式中，由于能够从1条磁码道中提取2种频率成分，因此，能够利用较小的框体实现高分辨率的磁式旋转角检测器。即，在磁式旋转角检测器中，能够将用于以高分辨率(高解析度)检测绝对旋转角度的结构小型化。

此外，在实施方式1中，示出了n＝1、m＝16的例子，但n和m的值并不限定于此，只要是成为m＞n且大于或等于1的整数即可。在n＝1的情况下，能够检测旋转圆板1的绝对位置，但例如在n＝2的情况下，能够检测出是处于旋转对称的2个点的位置中的哪一个。

在实施方式1中，对通过磁检测元件61、62的设置位置和角度运算部7的运算处理而提取频率n和频率m的周期变动成分的例子进行了说明，但本发明并不限定于该分离方法，例如，也可以仅设置1个磁检测元件，在角度运算部7中进行傅立叶变换处理之后，将频率n的成分和频率m的成分分离，通过傅立叶逆变换处理而得到频率n的正弦波波形和频率m的正弦波波形。

实施方式2.

利用图7对本实施方式2所涉及的磁式旋转角检测器的结构进行说明。图7是用于说明实施方式2所涉及的磁式旋转角检测器中的磁体狭缝板5和磁传感器2的位置关系的图。对图7与示出实施方式1所涉及的磁体狭缝板5和磁传感器2的位置关系的图4进行比较，除了磁传感器2的磁检测元件61以及62的设置位置不同以外，其余相同。另外，在图7中，阴影部分表示在磁体狭缝板5的下方具有磁铁4的S极，磁体狭缝板5以旋转轴3的旋转轴心8为中心进行旋转。在实施方式2中，如图7所示，磁检测元件61和62设定在相对于旋转轴心8处于180度的位置处。在磁铁4的磁化频率n为大于或等于2时，磁检测元件61和62在将磁铁4的磁化间距设为Q(Q＝2π/n)时，彼此以Q/2的间隔进行配置。

此时，如果将来自磁检测元件61的输出设为F₁(θ)，将来自磁检测元件62的输出设为F₂(θ)，则通过以下的式(5)表示。

【数学式5】

F₁(θ)＝A₁sin(nθ)+B₁sin(mθ)

                                        …(5)

F₂(θ)＝A₂sin(n(θ+Q/2))+B₂sin(m(θ+Q/2))

磁传感器2的输出即F₁(θ)以及F₂(θ)，输入至角度运算部7(参照图1)。在此，由于Q/2＝π/n，因此存在以下式(6)的关系。

【数学式6】

sin(n(θ+Q/2))＝sin(nθ)cos(nQ/2)+cos(nθ)sin(nQ/2)

＝sin(nθ)cos(π)+cos(nθ)sin(π)        …(6)

＝-sin(nθ)

如果设为A₁＝A₂、B₁＝B₂，则F₁(θ)+F₂(θ)成为以下的式(7)。

【数学式7】

F₁(θ)+F₂(θ)＝{A₁sin(nθ)+B₁sin(mθ)}+{A₂sin(n(θ+Q/2))+B₂sin(m(θ+Q/2))}

＝{A₁sin(nθ)+B₁sin(mθ)}+{-A₁sin(nθ)+B₁sin(m(θ+Q/2))}

＝B₁sin(mθ)+B₁sin(m(θ+Q/2))

＝2B₁sin(m(θ+Q/4))cos(nQ/4)

＝2B₁sin(m(θ+π/(2n)))cos(nπ/(2n))

                                                     …(7)

即，根据F₁(θ)+F₂(θ)得到去除频率n的周期变动成分即nθ成分，仅包含频率m的周期变动成分即mθ成分的正弦波。F₁(θ)+F₂(θ)的情况在图8中示出。

在此，在将m和n的关系限定为m＝n×2k(k为自然数)的情况下，F₂(θ)成为以下的式(8)。

【数学式8】

F₂(θ)＝A₂sin(n(θ+Q/2))+B₂ sin(m(θ+Q/2))

＝A₂sin(nθ+nπ/n)+B₂sin(mθ+mπ/n)     …(8)

＝A₂sin(nθ+π)+B₂sin(mθ+2^kπ)

＝-A₂sin(nθ)+B₂ sin(mθ)

由此，对F₁(θ)+F₂(θ)的输出的增益以及相位进行调整而提取sin(mθ)的值，并从F₂(θ)减去该值，由此，能够得到仅包含频率n的周期变动成分即nθ成分的正弦波。

在实施方式2所涉及的磁式旋转角检测器中，与实施方式1所涉及的磁式旋转角检测器相比，能够以更高精度(例如，完全地)分离并提取出频率n和频率m这2种信号。

实施方式3.

图9是本发明的实施方式3所涉及的磁式旋转角检测器的侧视图。本实施方式的基本结构与本发明的实施方式1以及2所涉及的磁式旋转角检测器大致相同，但不同点在于，在磁铁4和磁体狭缝板5之间设置厚度T的非磁体的衬垫9。衬垫9例如是在中心附近具有供旋转轴3插入的孔的中空圆盘状。衬垫9与磁铁4和磁体狭缝板5一体地旋转。例如，旋转轴3分别插入至磁体狭缝板5、衬垫9和磁铁4中，由此，磁体狭缝板5、衬垫9和磁铁4分别固定在旋转轴3上，伴随旋转轴3的旋转，磁铁4、衬垫9和磁体狭缝板5一体地旋转。

下面，使用图10对本实施方式的详细情况进行说明。如果将从磁铁4产生的磁铁4表面(与磁体狭缝板5相对的面)的磁场强度设为1，则从磁铁4产生的在与磁铁4分离的位置处的磁场强度，与距磁铁4的距离的平方成反比地降低。

在实施方式1以及2中，在磁铁4表面的磁场最大的点(磁铁4的与磁体狭缝板5相对的面)的附近，实施通过磁体狭缝实现的磁场的调制。在磁体狭缝板5的厚度薄、来自磁铁4的磁场强度大的情况下，可以想到会导致磁体狭缝板5处于磁饱和，相对于来自磁铁4的磁场变化，无法充分地通过磁体狭缝实现磁场的调制。

在本实施方式中，在磁铁4和磁体狭缝板5之间设置有非磁体的衬垫9，在与磁铁4以衬垫的厚度T的量分离的位置处，实施通过磁体狭缝实现的磁场的调制。由此，在来自磁铁4的磁场强度大的情况下，能够抑制磁体狭缝板5的磁饱和，能够相对于来自磁铁4的磁场变化，充分地(以满足所要求性能的等级)进行通过磁体狭缝实现的磁场的调制。

此外，在本实施方式中，例示出将衬垫的厚度T设定为例如在来自磁铁4的磁场强度为0.7的位置处通过磁体狭缝实施磁场调制的情况，但根据所要求的性能，能够任意地设定衬垫的厚度T。

例如，如果使用本实施方式的方法，则能够任意地设定频率n的正弦波波形和频率m的正弦波波形的输出比例，因此，能够提高角度运算部7的运算处理能力，得到可靠性更高的旋转角检测器。

实施方式4.

图11是表示本发明的实施方式4所涉及的磁式旋转角检测器的一个例子的图。对图11与示出本发明的实施方式1所涉及的磁式旋转角检测器的图1进行比较，除了在旋转圆板1的中央部分设置有与旋转轴3一体地旋转的磁铁14以外，其余基本上相同。磁铁4、磁体狭缝板5以及磁铁14，与旋转轴3一体地旋转。

图12是用于说明旋转圆板1的构造的图。旋转圆板1由磁铁4以及磁体狭缝板5构成。在图12中，为了进行说明而分别描绘出磁铁4和磁体狭缝板5，但实际上如图11所示，磁铁4和磁体狭缝板5一体地旋转。

磁铁4形成为，对应于旋转轴3旋转1周而产生n＝16次的磁场变化，磁体狭缝板5形成为，对应于旋转轴3旋转1周而产生m＝256次的磁场变化。并且，磁铁14形成为，对应于旋转轴3旋转1周而产生1＝1的磁场变化。由此，施加于磁传感器2的磁场成为如下波形，即，在旋转轴每旋转1周时，产生在频率n＝16的大的变化中叠加有频率m＝256的小的变化这样的磁场变化，并且，在该波形中叠加有频率1＝1的大的变化。

作为对该输出进行分离的方法，可以与实施方式1相同地，通过将磁传感器2内的磁检测元件61和磁检测元件62的间隔设为P/2而进行配置，从而得到去除掉每旋转1周为m周期的成分后的输出。另外，也可以如实施方式2所示，通过将磁检测元件61和磁检测元件62的间隔设为Q/2而进行配置，从而得到去除掉每旋转1周为n周期的成分后的输出。也可以通过傅立叶变换处理等，将各频率成分分离。

如上所述，由于能够仅通过1条磁码道而提取出3种不同的频率成分的信号，因此，能够同时实现小型化和高分辨率化。

实施方式5.

图13示出本发明的实施方式5所涉及的磁式旋转角检测器的一个例子。对图13与示出本发明的实施方式1所涉及的磁式旋转角检测器的图1进行比较，除了磁体狭缝板5变为磁体狭缝板51以外，其余相同。

在实施方式1中，磁体狭缝板5独立于磁铁4而分别形成，以与磁铁4成为一体的方式进行设置。在实施方式4中，在磁铁4上通过使用了磁墨的印刷等而形成磁体狭缝板51。由此，与通过粘接等将磁体狭缝板5和磁铁4一体化时相比，无需担心在高速旋转时、高温时被剥离，而能够得到可靠性更高的磁式旋转角检测器。

工业实用性

如上所述，本发明所涉及的磁式旋转角检测器对磁体狭缝板的旋转角度的检测是有效的。

标号的说明

2 磁传感器，4 磁铁，5、51 磁体狭缝板，7 角度运算部。

Claims (7)

1.一种磁式旋转角检测器，其具有：

圆盘状的磁铁，其以在每旋转1周时磁极变化n次的方式被磁化，其中，n为大于或等于1的整数；

磁体狭缝板，其与所述磁铁一体地旋转，该磁体狭缝板构成为，磁通透过率高的部分和低的部分交替地重复，以使得在每旋转1周时磁通透过率变化m次，其中，m为大于或等于2的整数，且m＞n；

磁传感器，其对穿过所述磁体狭缝板的来自所述磁铁的磁性进行检测；以及

运算部，其根据所述磁传感器的输出而求出所述磁铁的旋转角度。

2.根据权利要求1所述的磁式旋转角检测器，其特征在于，

所述运算部分离出所述磁铁旋转1周时的频率n的信号成分和频率m的信号成分，求出所述磁铁的旋转角度。

3.根据权利要求1或2所述的磁式旋转角检测器，其特征在于，

所述磁传感器具有以π/m的间隔配置的多个磁检测元件，其中，π/m的单位是rad即弧度。

4.根据权利要求1或2所述的磁式旋转角检测器，其特征在于，

所述磁传感器具有以π/n的间隔配置的多个磁检测元件，其中，π/n的单位是rad即弧度。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的磁式旋转角检测器，其特征在于，

该磁式旋转角检测器还具有非磁体的衬垫，该非磁体的衬垫设置在所述磁铁和所述磁体狭缝板之间，

在所述磁铁和所述磁体狭缝板之间设有一定间隔。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的磁式旋转角检测器，其特征在于，

该磁式旋转角检测器还具有圆盘状的第2磁铁，该第2磁铁以在每旋转1周时磁极变化k次的方式被磁化，并配置在所述磁铁的内侧，其中，k为大于或等于1的整数，且k＜n。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的磁式旋转角检测器，其特征在于，

将所述磁体狭缝板利用磁墨印刷在所述磁铁的表面上。