JPH03188320A - 磁気エンコーダ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は磁気エンコーダ、特に可動体と非接触に可動体
の移動位置を電気的に検出することのできる改良された
磁気エンコーダに関する。

［従来の技術］ 回転あるいは直線移動する可動体の現位置を正確に検出
することが各種の産業分野において必要であり、特にフ
ィードバック制御あるいは同期制御される機器の位置検
出器として必須である。

このようなエンコーダは、例えば工作機械の主軸回転位
相、送りテーブルの位置検出等に用いられ、あるいは座
標測定機のプローブ位置検出器としても用いられる。

第８図には従来の光電エンコーダが示されておリ、例え
ば回転軸１０の回転位置を検出するために、前記回転軸
１０にはその側面に複数の光透過あるいは光遮蔽スリッ
ト１２が設けられた円板１４が固定されており、このス
リット１２が回転軸１０と共に移動するときに、円板１
４の近傍に設けられた光電素子により電気的にスリット
の移動が検出される。

図示した従来装置において、円板１４と並列してインデ
ックス円板１６が設けられており、このインデックス円
板１６には９０度位相の異なるインデックススリット１
６ａ、１６ｂが設けられ、これら円板１４及びインデッ
クス円板１６を挟んで対置された発光素子１８ａ、１８
ｂそして受光素子２０ａ、２０ｂにより９０度位相の異
なる電気信号をスリット１２の移動と共に検出すること
ができる。

また、図示した従来装置においては、円板１４の１回転
を検出するために、円板１４及びインデックス円板１６
にはそれぞれサブスリット２２゜２４が設けられ、発光
素子２６及び受光素子２８と協動して円板１４の一回転
が検出される。

また、第９図には従来の他のエンコーダとして磁気エン
コーダが示されており、図示していない回転軸に歯車３
０が固定されており、この歯車３０の近傍に、９０度異
なる位相で磁気抵抗素子３２ａ、３２ｂが設けられ、画
素子３２ａ、３２ｂからプリアンプ３４ａ、３４ｂを介
して回転軸の移動信号が検出される。

この磁気エンコーダにおいては、前記歯車３０は磁性体
から形成され、前記各磁気抵抗素子３２ａ、３２ｂの基
台に設けられたマグネット３６によって磁気抵抗素子３
２　ａ、　　３２　ｂにはバイアス磁束が供給され、前
記磁性体からなる歯車３０の移動時に生じる磁束変化に
より磁気抵抗素子３２ａ、３２ｂが回転軸の移動を電気
信号に変換して検出する。

［発明が解決しようとする課題〕 しかしながら、前述した光電エンコーダにおいては、光
透過あるいは光遮蔽スリット１２．２２を形成するため
に円板１４は通常の場合ガラス等の光透過特性に優れた
材料が用いられ、この結果、外部から与えられる振動あ
るいは衝撃に対して十分な耐久性を保つことができない
という課題があった。

また、磁気エンコーダにおいては、磁気抵抗素子３２ａ
、３２ｂに磁気バイアスを与えるためのマグネット３６
が不可欠であり、この結果、工作機械等のように鉄粉、
切り粉の多い作業環境では大きな測定誤差が生じてしま
うという問題があった。

また、前述した各従来装置は、いずれも光電素子あるい
は磁気抵抗素子等が温度による影響を受易く、高精度の
測定が行いにくいという課題があった。本発明は上記従
来の課題に鑑みなされたものであり、その目的は、耐環
境性に優れ信頼性が高く測定精度の高い磁気エンコーダ
を提供することにある。

［課題を解決するための手段］ 上記目的を達成するために、本発明は、従来の発受光素
子あるいは磁気抵抗素子等の半導体素子を用いることな
く、回転軸あるいは直線移動体等の可動体に連結され、
その外周に等ピッチの複数歯を有する磁性材可動歯と近
接して磁性体固定歯を設け、この固定歯には前記可動歯
と対向する面に複数歯が形成され、前記可動歯と固定歯
との相対移動を検出する。

前記相対移動検出のために、前記固定歯には励磁回路か
ら電圧が印加される励磁コイルが捲回され、また前記コ
イルに流れる電流が電流検出回路により検出されている
。

従って、本発明によれば、エンコーダの周囲環境に左右
され難い励磁手段と磁性体からなる固定歯及び可動歯の
組合せによって精度の高い位置検出が可能となる。

また、本発明によれば、前記励磁手段及び電流検出回路
が設けられた励磁コイルを複数組固定配置し、これらの
励磁コイルの固定歯を可動歯に対して異なる位相差で配
設し、これによって位相の異なる、例えば９０度位相の
異なる検出信号を得ることも可能である。

［作用〕 従って、本発明によれば、前記固定歯に捲回された励磁
コイルには通常の場合交流信号あるいはパルス信号が印
加され、このとき、固定歯と可動歯との相対位置により
変化する相互インダクタンスの変化に応じてコイル電流
が変化し、電流検出回路がこのコイル電流変化を検出す
ることによって可動体の位置あるいは位相を検出するこ
とが可能となる。

また、本発明によれば、位相の異なる複数の例えばｓｉ
ｎ波信号及びｃｏｓ波信号を求め、これらを周知の分割
回路によって分割することにより固定歯及び可動歯ピッ
チより十分に細かい分解能で位置検出を行うことが可能
となる。

［実施例］ 以下、図面に基づいて本発明の好適な実施例を説明する
。

第１図には本発明の係る磁気エンコーダが回転エンコー
ダとして構成された好適な実施例が示され、図示してい
ない回転軸には可動歯４０が連結されており、この可動
歯４θは通常、鉄などの磁性体から形成されている。

そして、この可動歯４０の外周には等ピッチで複数歯４
０ａが形成されており、実施例においてこの歯４０ａは
凹凸面から成る。

一方、前記可動歯４０と近接して固定歯４２が固定配置
されており、前記可動歯４０の歯面４０ａと対向する面
には複数の歯４２ａが形成されている。

実施例において、固定歯４２は透磁率が高くフェライト
のような高周波磁界に対して鉄損の少ない磁性体から形
成される。

また、この固定歯４２は実施例においてＵ字状のヨーク
部４２ｂを形成しており、その両端には前記歯４２ａが
それぞれ２個前記可動歯４０の複数歯４０ａと等ピッチ
で、かつ等しい位相で形成されている。

従って、可動歯４０と固定歯４２とはその相対位置の変
化により、磁気的な結合、すなわち可動歯４０と固定歯
４２の間の磁気抵抗が大きく変化することが理解される
。

本実施例において、前記固定歯４２のヨーク部４２ｂに
は励磁コイル４４が捲回されており、この励磁コイル４
４には交流電源等の励磁回路４６から所定電圧が印加さ
れている。

実施例において、この励磁回路は例えば５００ｋＨｚ程
度の高周波交流電圧源からなり、前記コイル４４を高周
波励磁することができる。

更に、前記励磁コイル４４に流れる電流がカレントトラ
ンス４８を含む電流検出回路５０によって検出される。

従って、第１図から明らかなように、電流検出回路５０
にて検出される励磁コイル４４の検出電流ｉは印加電圧
Ｖより遅れ電流となり、このときの遅れ位相は主として
励磁コイル４４のインダクタンスにより左右される。

そして、前述した如く、可動歯４０が回転すると、前記
可動歯４０の歯４０ａと固定歯４２の歯４２ａとの相対
位置が変化し、両者間の磁気抵抗の変化により、前記位
相差に応じて検出電流ｉの遅れ位相が変化することが理
解される。

従って、本発明によれば、印加電圧Ｖに対する検出電流
ｉの位相差または検出電流ｉの振幅変化を得ることによ
って固定歯４２に対する可動歯４０の位置を電気的に検
出することが可能となる。

以下に、第１図に示した実施例の検出作用を第２．３図
に基づいて説明する。

第２Ａ図は可動歯４０の歯４０ａが固定歯４２の歯４２
ａと最も密接した位置を示し、このときコイル４４に印
加される電圧Ｖとコイルの電流ｉとの関係は以下の如（
示される。

ｖ＝Ｖ　ｃｏｓωｔ　　　　　　　　　　　−（１）但
し、 ここで、 ＩＬｃｏｓωｔ ＩｒＳ１ｎωｔ である。

・・・　　（３） １ φ−ｔａｎ　　（ＩＬ　／　Ｉ　ｒ　）ωは可動体４０
の角周波数、 は高周波励磁されたときの鉄損電流、 は高周波交流電圧Ｖによる励磁電流 従って、第２Ｂ図に示されるようにこのときの励磁電圧
Ｖとコイル電流ｉとは位相φ１だけ電流ｉが遅れた特性
となり、またその振幅値もＩｔ、とＩｒとによって定め
られる。

そして、前記Ｉｔ、とＩｒとは可動歯４０と固定歯４２
との相対位置関係によって変化することが理解される。

第３Ａ図には可動歯４０と固定歯４２との対向歯面が最
も離れた状態を示し、このとき、可動歯４０の歯面４０
ａと固定歯４２の歯面４２ａとの間には第２Ａ図の状態
より十分に大きな磁気抵抗が存在し、この結果、可動歯
４０側に導かれる磁束が減少するので、Ｉｔ、が減少す
ることが理解される。

また、このとき、励磁コイル４４のインダクタンスが減
少するので、Ｉｒは増大することが理解される。

この結果、電流ｉの振幅は第３Ａ図の状態では減少し、
一方、遅れ位相φ２は、第２Ａ図の位相φ１より増大す
ることが理解される。

第３Ｂ図はこの状態を示し、第２Ｂ図と比較することに
よって、可動歯４０の回転により検出電流五の振幅また
は位相変化として可動歯４０と固定歯４２との相対位置
が検出される。

以上のようにして、本発明によれば、可動歯４０と固定
歯４２との相対移動を励磁コイル４４の検出電流ｉによ
って測定することが可能となり、この検出は、前述した
ように、電流ｉの遅れ位相φまたは電流ｉの振幅変化に
よって求めることができる。

第４図には本発明に係る磁気エンコーダの第２実施例が
示されており、この実施例においては、固定歯が可動歯
に対して４個それぞれ異なる位相で設けられていること
を特徴とする。

第２実施例における固定歯１４２−１〜１４２−４はそ
れぞれその構成が第１図に示した単一の固定歯４２と同
様の構成であり、図において各固定歯１４２にはそれぞ
れ励磁コイル１４４−１〜１４４−４が捲回されており
、これらに対して励磁回路が所定電圧を印加し、また各
励磁コイル１４４からはカレントトランスを含む電流検
出回路によりコイル電流が検出されている。

第２実施例において、可動体は符号１４０で示されてい
る。

第５図には第２実施例における４個の固定歯１４２の可
動歯１４０の歯面１４０ａに対する位相が示されており
、固定歯１４２−１と対をなす固定歯１４２−３は互い
に１／２ｐだけ位相差を有して組を作る。

そして、残りの固定歯１４２−２，１４２−４は互いに
１／２ｐの位相差を有して組を作り、前記最初の組に対
して１／４ｐの位相差を有している。

従って、本実施例において、−組の固定歯１４２−１，
１４２−３が第１の検出対を形成し、同様にこの検出対
と１／４ｐだけ離れた検出対を固定歯１４２−２．１４
２−４が組となって受は持つ。

第６図には第２実施例の全体的な検出回路が示されてお
り、各固定歯励磁コイル１４２−１〜１４２−４のコイ
ル電流はそれぞれカレントトランス１４８−１〜１４８
−４を含む電流検出回路１５０−１〜１５０−４によっ
て検出されている。

前記各部となった１／２ｐ位相の異なる出力は互いにオ
ペアンプ１５２−１，１５２−２によって差動増幅され
、固定歯１４０の１ｐを一周期とする２相交流信号を得
ることができ、前記１／４ｐの位相差によってそれぞれ
ｓｉｎ出力及びＣＯ５出力が得られる。

図から明らかなように、前記励磁コイル１４４には共通
の励磁回路１４６から、実施例において交流電圧が供給
されている。

第７図には第２実施例における各部の検出電流波形がそ
の一例として示されており、励磁コイル１４４−１の電
流は第７図（Ａ）にて示され、他の励磁コイルに対して
も同様に異なる位相で電流が検出される。

そして、電流検出回路１５０−１，１５０−２の出力は
第７図（Ｂ）、　　（Ｃ）で示され、この差動増幅１５
２−１が第７図（Ｄ）の出力に現われる。

同様にして、オペアンプ１５２−２の出力は第７図（Ｅ
）で示され、図から明らかなように、９０度異なる位相
で両出力が得られ、これらの両信号を用いて周知の信号
分割回路によって分解能の高い検出回路を得ることが可
能となる。

以上のようにして、本発明によれば、可動体と非接触に
可動体の位置を検出可能であり、前記検出出力を計数す
ることによって移動絶対量が求められ、また必要に応じ
て可動体の移動位相を得ることが可能となる。

前述した実施例においては、励磁回路が高周波交！？ｌ
Ｓ流を励磁コイルに供給しているが、この励磁回路とし
てはパルス電圧によるパルス励磁出力とすることもでき
、出力電流の瞬時値をデジタル変換して処理することも
可能である。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明によれば、可動体の回転量
、回転位相あるいは位置を非接触で磁気的に検出するこ
とができ、この検出は磁性体からなる固定歯と励磁手段
との組合せによって得ることができるので、装置を堅牢
に構成し、また温度変化その他に対しても十分な耐久性
を有する装置を提供可能であり、工作機械その他の作業
環境の劣悪な場合においても故障のない高精度の検出作
用を行うことが可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る磁気エンコーダの基本的な第１実
施例を示す説明図、 第２Ａ図は第１実施例における可動歯と固定歯とが近接
した状態の作用説明図、 第２Ｂ図は第２Ａ図における励磁電圧と検出電流の波形
図、 第３Ａ図は第１実施例における可動歯が固定歯から最も
離れた状態を示す作用説明図、第３Ｂ図は第３Ａ図にお
ける波形説明図、第４図は本発明に係る磁気エンコーダ
の複数の固定歯を持った第２実施例を示す説明図、第５
図は第２実施例における可動歯と固定歯との配置説明図
、 第６図は第２実施例における回路構成図、第７図は第２
実施例における各部波形図、第８．９図は従来における
エンコーダの一例を示す説明図である。 ４０．１４０　　・・・　可動歯 ４２．１４２　　・・・　固定歯 ４４．１４４　　・・・　励磁コイル ４６．１４６　　・・・　励磁回路

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 可動体に連結され、その外周に等ピッチの複数歯を有す
   る磁性体からなる可動歯と、 前記可動歯と近接して固定配置され、該可動歯と対向す
   る面に複数歯が形成された磁性体からなる固定歯と、 前記固定歯を励磁するコイルと、 前記コイルに所定電圧を印加する励磁回路と、前記コイ
   ルに流れる電流を検出する電流検出回路と、を備え、 前記可動体の移動時に生じるコイル電流の変化を検出し
   て可動体の位置を検出する磁気エンコーダ。 （２）請求項（１）記載の磁気エンコーダにおいて、 前記可動歯と近接して異なる位相差で複数の固定歯が固
   定配置され、 前記各固定歯には、それぞれ励磁コイル、励磁回路及び
   電流検出回路が設けられ、 各電流検出回路から位相の異なる複数のコイル電流が検
   出されることを特徴とする磁気エンコーダ。