JPS6027380B2 - 回転信号検出装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明はモータの回転速度・位置を検出するための回
転信号検出装置に関するものである。

従来、モータにおいてロータの位置を検出するために、
界磁磁束の極生で位置信号とするべく磁速密度を検出す
るホール素子を用いるなどの方法が一般に採られており
、またロータの回転速度を検知するためには別途タコジ
ェネ，パルス発電機などを備えて検出手段とするのが一
般的である。この結果速度検出が可能なモータでは、モ
ータ本体、位置検出部、速度検出部をそれぞれ備えるこ
ととなり、モータ本体以外の要素が大きくなるという欠
点があった。等に、小出力モータでは位置検出部、速度
検出部の容積がモータ本体並になるなど寸法的に大型化
しやすい欠点があった。この発明は、上記従来のものに
おける欠点に鑑みてなされたもので、モータの界磁磁束
でもつて速度検出部のエネルギー源とするように構成し
て、極めて小型のモータを実現できる回転信号検出装置
を提供することを目的としている。以下、この発明を図
について説明する。

第１図において、１は回転軸に固定される円板で、円板
１の外周には図のような凹凸が刻まれており、この円板
１はロータ界磁磁束２と一体結合している。ロータ界磁
磁束２はトロイダル状であって機械角度４５ｏ毎にほぼ
均等に８極着磁されているものとする。３は軟磁性材よ
り成るステータ磁路村であり、Ｍ，〜Ｍ６はステータ磁
路材３の上に６０ｏピッチでフラットに固定されるステ
ータ巻線である。

１０１〜１０３はホール素子であり、それらホール素子
は絶縁材５０１〜５０３を介してステ一タ磁路材３に１
２００ピッチで固定されている。

いま、ホール素子１０１に着目してその断面を示したも
のが第１図ｂである。同図ｂの如く、ロータ界滋磁石２
を起磁力源として生じる磁束の経路において、ホール素
子１０１を通る経路としては、ロータ界磁磁石のＮ極か
ら円板１に入り円板１の凸部からホール素子１０１を通
りロータ界磁磁石のＳ極に至る経路３００が主として考
えられる。その他、この近傍からホール素子に入る磁束
も存在するが、これらの経路を通る磁束を総合した結果
、ホール素子１０１を通る磁束がロータの回転に従って
正弦波状に変化するものと見なす。実際比較的方形波状
に着滋されたロータ磁石を用いたとしても、ホール素子
と円板１との間のギャップや着磁磁束の大きさ等により
、ホール素子を通る磁束の基本成分は概ね第４図ａに示
すように変化する。いま、たとえば円板１の凸部がホー
ル素子１０１に対向しているとき、円板１とホール素子
１０１とのギャップが小さいので経路３００１こおける
磁気抵抗が全体として小さくなり、ロータ界磁磁石の起
磁力によって生じる磁束のうち、経路３００を通る磁束
の量が多くなる。

逆に、円板１の凹部がホール素子に対向しているときは
、経路３００１こおける磁気抵抗は大きくなるため、経
路３００を通る磁束の量は少なくなる。ホール素子から
はホール素子を通る磁束量に比例したホール起電力が得
られるので、ホール素子１０１からのホール起電力はロ
ータの回転につれて第４図ｂのように得られる。つまり
、ロータ界磁磁石２の極性がＮ極のとき正のホール起電
力が得られるとすれば、ロー夕界磁磁石２の極性がＮ，
Ｓ極と変化するに従い、ホール素子の起電力は低周波成
分として正負に変化し、また、円板１の凹凸に従ってそ
の起電力が円板１の歯形で定められた周波数成分で変調
をうけて高周波成分として脈動する。その他２つのホー
ル素子１０２，１０３からのホール起電力についても、
前記ホール素子１０１の場合と同様のことが言え、その
結果ホール素子１０２，１０３からは第４図ｃ，ｄに示
すような起電力波形がえられる。そして第４図ｂ，ｃ，
ｄの間には電気角で２′３灯の位相差がある。尚、同図
では円板１の外周の歯数を２４とした場合のものである
。ここで、ホール素子における動作についての簡単な説
明を第３図にて行なう。第３図ａに示すようにホール素
子にはＡ，Ｂなる入力端子とＰ，Ｑなる出力端子があり
、入力端子と出力端子とは非絶縁状態にある。入力制御
電流ｌｃを端子Ａ，Ｂに流し、外部から磁束をホール素
子に直交させると出力端子Ｐ，Ｑ間に電位差Ｖが発生す
る。この電位差Ｖは、端子Ｂを基準にした端子Ｐの電位
ＶＰと端子Ｂを基準にしたときの端子Ｑの電位Ｖｏとの
差であり、その様子を第３図ｂに示してある。つまり、
第３図ａにおいて磁束が紙面の表から裏へ通る場合の磁
束の方向を第３図ｂの藤軸の十■方向とすると、磁束が
十■方向のときにはＶＰは第３図ｂの点線のように増加
するが、ＶＱは二点鎖線で示されるようにほぼ一定であ
る。逆に、磁束が−■方向のときには、ＶＰ，Ｖｏは前
記十の方向の場合と全く反対の特性を示すところとなる
。かかるＶＰとＶＱとの差を取れば第３図ｂの実線で示
すところのＶが得られる。第４図ｂ，ｃ，ｄに示した３
つのホール素子の起電力波形はいずれも各ホール素子に
おける２つの出力端子間の電位差で表わしたものであり
、かかる３つのホール素子から位置と速度とを検知する
信号を取出す回路として第１図ｃに示すものが考えられ
る。

第１図ｃにおいてホール素子１０１，１０２，１０３は
それぞれ抵抗器Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３によりバイアス電流が
与えられ、これらは共通抵抗器Ｒ４へ通ずる。Ｐ１，Ｑ
１，Ｐ２，Ｑ２及びＰ３，Ｑ３はそれぞれホール素子１
０１，１０２及び１０３の２つの出力端子であり、これ
ら２出力端子間の電位差が第４図ｂ，ｃ，ｄに示したホ
ール起電力である。そして、第４図において、アース接
地を基準にした各出力端子Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３の電位を示
すものが第４図ｅ，ｆ，ｇの実線であり、もう一方の各
出力端子Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３の電位を示すものが第４図ｅ
，ｆ，ｇにおける点線である。比較器１１１，１１２，
１１３はホール素子１０１，１０２，１０３のホール起
電力の極性を判別するものであり、即ちロータ界磁磁石
のＮ，Ｓ極性を判別してロータの位置を検出する。第１
図において回転速度信号を得るには、各々のカソード側
を共に抵抗器ＲＯに接続しているダイオードＤ１，Ｄ２
，Ｄ３のそれぞれのアノード側に各ホール素子の出力端
子Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３を接続する。つまり、第５図ｅ，ｆ
，ｇに実線で示した出力端子Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３の各電位
を同相にて比較したとき、その中で最も電位の高いＰ１
，Ｐ２，Ｐ３のうちのいずれか一つの端子に接続してい
るダイオードのみが導通し、いわゆるダーィオ−ド‘こ
よる整流が行なわれたことになる。かかる動作が繰返さ
れる結果、ダイオードＤＩ〜Ｄ３の共通のカソード端子
Ｍの対アース電位は第４図ｈの実線に示す如く直流状成
分に円板１の外周の歯形の周波数で定められる脈動分が
車畳した形状を呈することとなる。第４図ｈの実線で示
す成分と直流平均電圧部分とを比較器２０１で比較する
ことにより、比較器２０１からは第４図ｊのような交番
方形波状出力が得られる。第４図ｊ図のパルスはロータ
の回転数に比例した周波数を有しており、これをもって
回転速度の信号として用いることが出釆る。上記におい
てダイオードＤＩ〜○３の各アノードに接続するホール
素子１０１〜１０３の各出力端子がＰＩ〜Ｐ３である。

これに対して、第４図ｅ，ｆ，ｇにおいて点線で示すよ
うな対アース電位を有するホール素子１０１〜１０３の
もう一方の各出力端子ＱＩ〜Ｑ３をそれぞれダイオード
ＤＩ〜Ｄ３の各アノード側に接続するとしても、ダイオ
ードＤＩ〜Ｄ３の共通カソード端子Ｍにおける対アース
電位は第４図ｈの点線で示すような電位となり、比較器
に通すことによって第４図ｉに示すパルスが得られる。
これを回転速度信号として用いることができる。第２図
は本発明の他の実施例である。

第２図では３つのホール素子から速度を検知する信号を
取出す回路として、トランジスタによる正帰還作用を用
いたものである。第２図においてダイオードＤ４，Ｄ５
，は各々ＤＩ〜Ｄ３のなかの導適しているダイオードの
順電圧降下、トランジスタＴＲ２のベース・ェミッタ間
電圧を打消すものである。今、ダイオード○５のカソー
ド端子Ｋを基準にしたときのダイオードＤ１〜Ｄ３の共
通のカソード端子Ｍの電位は、前記第１実施例の場合と
同様の考えに基づいて第１実施例と同様第４図ｈの実線
の如く示される。従ってトランジスタＴＲ２のベース・
ェミッタ間電圧をほぼ無視できるものとすれば、第４図
ｈに実線で示す電圧は抵抗器Ｒ５の端子間電圧と考える
ことができ、その結果トランジスタＴＲ２のェミッタ電
流則ちほぼコレクタ電流ｉＧ２においても円板の外周の
歯形で定められた周波数成分の脈動を有することとなる
。トランジスタＴＲ２のコレクタ電流ｉｃ２はトランジ
スタＴＲＩのベース電流ｉｓ，であるので、ｉＢ・のｈ
ＦＥ倍に増幅されて通流するトランジスタＴＲＩのコレ
クタタ電流ｉｃ，においても円板外周の歯形で定められ
た周波数成分の脈動を有している。従って、抵抗器Ｒ１
，Ｒ２及びＲ３を経てホール素子１０１，１０２及び１
０３に与えられるそれぞれの入力制御電流においてもｉ
ｃ，と同相の周波数成分の脈動が見られることになる。
かかる、３つのホール素子に与えられるそれぞれの入力
制御電流における脈動の位相と円板１外周の凹凸によっ
て形成されるホール素子を鎖交する磁束における脈動の
位相とは一致している。故に、ホール素子の出力はホー
ル素子への入力制御電流とホール素子に鎖交する磁束の
量との積に比例したものであるので、３つのホール素子
の各起電力におけるロータ界磁磁石２の犠牲変化に等し
い周波数を有するいわば低周波成分の振動は大きいもの
になると同時に、円板１外周の歯形で定められる周波数
成分を有する脈動の振幅も大きいものになる。従って、
この実施例によれば前記第１実施例に比してロータの回
転速度に比例した周波数を有する脈動の振幅が大きいの
で、第１図ｃと同じく比較器２０１から得られる出力パ
ルスにおける振幅がより大きくなり、安定した回転速度
信号を得ることができる。

また、第１図ｃと同じくホール素子１０１，１０２及び
１０３の各出力端子Ｐ１，Ｑ１，Ｐ２，Ｑ２及びＰ３，
Ｑ３を比較器１１１，１１２及び１１３に入力すること
によって各比較器から出力として得られる位置を検出す
る信号のレベルが第１実施例に比してより大きくなるの
で、安定した位置信号として利用できる。なお、抵抗器
Ｒ５はトランジスタＴＲＩのコレクタ電流を制御するた
めのものであり、その結果各ホール素子からの出力の大
きさも制御されることになる。また、トランジスタＴＲ
Ｉがオフしている場合でも、ホール素子１０１〜１０３
に対して最小の入力制御電流を保証するために第２図に
点線で示した比較的高抵抗の抵抗器Ｒ６を入れてもよい
。また、本実施例において、ダイオードＤＩ〜Ｄ３の各
アノードに接続するホール素子１０１〜１０３の各出力
端子をＱＩ〜Ｑ３としても全く同様の効果を有すること
ができる。

第５図は本発明の他の実施例であり、第５図ａは機械角
４５ｏ毎に８極着磁されたロータ界磁磁石２と一体結合
している円板１の外周の凹凸を第１図ａのものに比して
若干変更したもので、ロータ界磁磁石の一磁極当りの円
板１の凹凸の割りふりにＮ磁極とＳ磁極とでは変化をつ
けたものである。

即ち、一磁極における円板１の凸部の数を３とした場合
、Ｎ極における円板の凸部がＳ極からＮ極への切換り位
置から刻み始めるのに対して、Ｓ極における円板の凸部
がＮ極からＳ極への切換り位置から機械角でａｍ（ｏ）
遅れて刻み始めるようにしたものである。第５図ｂはホ
ール素子１０１〜１０３の出力からロータの回転速度を
検出する信号を取出す回路を示すものであり、２１１，
２２１は比較器であり、６００は排他的論理和ゲート回
路である。この実施例において、ホール素子１０１，１
０２及び１０３の各々一方の出力端子Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３
の対アース電位は互いに電気角で２竹／３の位相差を有
する所の第６図ａ，ｂ，ｃの実線で示すところとなり、
３つのホール素子のもう一方の出力端子Ｑ１，Ｑ２，Ｑ
３の対アース電位は第６図ａ，ｂ，ｃの点線で示すとこ
ろとなり、これらも互いに電気角で２竹／３の位相差を
有している。

従って、ダイオードＤＩＩ〜０３１のなかのいずれか一
つのダイオードの電圧降下も考慮した端子Ｍの対アース
電位は第６図ｄの実線で示すようになり、この実線は円
板外周の歯形で定められた周波数成分の脈動を有してい
る。また、同様にダイオードＤ１２，Ｄ２２，Ｄ３２の
共通カソード端子Ｎの対アース電位は第６図ｄの点線で
示すところとなり、本点線で示すＮ′点出力も第６図ｄ
の実線で示すＭ点出力と位相差を保ちつつ、円板外周の
歯形で定められた周波数成分の脈動を有している。第６
図ｄの実線で示すＭ点の出力を比較器２１１によって平
均直流成分と比較することによって２１１からは第６図
ｅで示す交番方形波状出力が得られる。また、同時に第
６図ｄの点線で示すＮ点出力を比較器２２１によって平
均直流成分と比較する結果２２１からも第６図ｆのよう
な交番方形波状出力が得られる。第６図ｅ，ｆ図のパル
スはそれぞれロータの回転数に比例した周波数（ここで
はローター回転につき２４のパルス）を有している。こ
こで、第５図ａに示した円板１の凸部における機械角の
いずれｏｍにおいて、８ｍ：壕（Ｎ；職極４？中‘こお
ける円板の凸部の数）を満足するように設計すると、つ
まりここではＮ＝３であるので、８ｍ＝７．５０である
ように８ｍを定めることによって第６図ｅ，ｆに示すよ
うな位相関係を持つパルスが得られる。

（８ｍはつまり凹凸の波の鼻同期分にあたる。かかる第
６図ｅ，ｆの両パルスを排他的論理和ゲート回路６００
に入力することによって６００からは第６図ｇに示すと
ころのパルス出力が得られる。第６図ｇ図のパルス出力
は円板１外周の全歯数の２倍の周波数（ここではロータ
１回転につき４８のパルス）を有しており、これをもつ
て回転速度の信号として用いることができる。また、ホ
ール素子１０１，１０２及び１０３の各々２つの出力端
子Ｐ１，Ｑ１，Ｐ２，Ｑ２及びＰ３，Ｑ３間の各ホール
起電力の極性を比較器を使って判別すれば、ロータの位
置信号として利用出来る。

以上、本実施例によれば、ロータの回転速度を検知する
ために用いる信号が第１、第２、第３実施例の場合に比
して２倍の周波数として得られるので、より精密な回転
速度検出が可能となる。

さらに、第５図ａにおける。−タ界滋磁石の磁極のＮ極
のところをＳ極に、Ｓ極のところをＮ極にしたものにつ
いても全く同様の効果を有することができる。なお、ホ
ール素子にかわり磁気抵抗素子を用いる場合には、磁気
抵抗素子はそれを通る磁束の極性を判別できないので、
速度検出に用いることは問題がないが位置信号の検出に
供するためには、たとえば磁気抵抗素子を別途永久磁石
などの磁気バイアス用の起磁力源の上に乗せるなどして
、ロータ界磁磁石がＮ極とＳ極とでは磁気抵抗素子への
磁気バイアス量に相対差を設ける等の処理が必要である
。

しかし、この様にロータの犠牲検知が可能な処理を施し
た素子であれば、以上の第１、第２、第３の実施例にお
ける説明においてホール素子にかわつて、全て磁気抵抗
素子に代替することができる。以上説明したように本発
明によれば起磁力源たる界磁磁石によって生じる磁束を
もってモー夕の回転速度を検出するためのエネルギー源
とすることができ、またこの磁束を受ける複数個の磁気
感応素子を通る磁束に磁束変化手段によって疎密を生成
させ、これら複数個の磁気感応素子からの各出力を整流
することによってモータの回転数に比例した周波数成分
を取出すことができるので、別途制御エネルギー源をも
って回転検出手段を設ける必要がない。

従ってモータ構成を小型にすることができる。また磁気
感応素子を通る磁束に磁束変化手段によって疎密を生成
させたとき、かかる磁気感応素子の出力を増幅手段によ
って増幅し、この増幅手段による出力をもって前記磁気
感応素子への入力制御電流の制御をなし、その結果少な
くとも１個の磁気感応素子の出力を正帰還的に増幅させ
る。従って、モータの回転数に比例した周波数を有する
交流成分のゲインが増大するので安定した回転速度検出
が行われる。また、同時ロータの位置検出にも安定した
信号が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図ａ，ｂ及びｃは本発明の第１の実施例を示す上面
図、側面図及び回路図、第２図は本発明の第２の実施例
を示す回路図、第３図ａ及びｂはホール素子の原理を説
明する回路図及び特性図、第４図は第１図ないし第３図
におけるモータの動作を説明するための波形図、第５図
ａ及び“ま本発明の第３の実施例を示す上面図及び回路
図、第６図は第５図におけるモータの動作を説明するた
めの波形図である。 図中、１は円板、２はロータ界磁磁石、３はステータ磁
路材、１０１〜１０３はホール素子、Ｐ１，Ｑ１，Ｐ２
，Ｑ２及びＰ３，Ｑ３はそれぞれホール素子１０１，１
０２及び１０３の出力端子である。 なお、図中同一符号は同一又は相当部分を示す。第１図 第１図 第３図 第２図 第４図 第４図 第５図 第６図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 回転体上にあつて複数極に着磁されて成る磁束源、
   この磁束源と一体固定され、前記磁束源の着磁ピツチよ
   りも短いピツチで回転円周方向に均等ピツチの凹凸が刻
   まれて前記磁束源の磁束を部分的に疎密に変化させる軟
   磁性材よりなる磁束変化手段、この磁束変化手段に対向
   する位置の静止体上にあつて前記磁束変化手段により部
   分的に疎密に変化している状態の前記磁束源の磁束を検
   出する複数の磁気感応素子、これら複数の磁気感応素子
   の出力を整流し加算することにより前記磁束変化手段の
   作る回転速度信号を取出す手段を設けてなる回転信号検
   出装置。 ２ 複数の磁気感応素子は、回転速度信号を取出す手段
   の出力に応動してその入力電流供給量が電流供給手段に
   よつて制御されることを特徴とする特許請求の範囲第１
   項記載の回転信号検出装置。