專利名稱：磁編碼裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及檢測旋轉(zhuǎn)體的旋轉(zhuǎn)位置的磁編碼裝置。
背景技術(shù)：
以往，檢測旋轉(zhuǎn)體的旋轉(zhuǎn)位置的磁編碼裝置例如如

圖14所示的那樣，由具有外周由磁性涂料或磁鐵材料組成的記錄媒體20的磁鼓30和通過空隙與其外周相對的磁阻元件40構(gòu)成。
若用4位的例子進行說明，則磁鼓30設置沿軸向并列的4磁道的記錄媒體20，在各磁道上以一定的間距磁化為N、S極而形成各位(20、21、22、23)的信號。
磁阻元件40在各磁道上配置2個，其間隔是位信號的1/2間距。各位信號通過波形成形，如圖15所示的那樣，作為將旋轉(zhuǎn)體10的1圈等量分割的4種矩形波形的信號而輸出，利用其合成信號檢測絕對位置。
另外，還公開了將圓盤狀的磁鐵固定在旋轉(zhuǎn)體上并在磁鐵的上面沿一個方向磁化為N、S極，而與磁鐵相對地設置1個磁傳感器通過利用磁傳感器檢測磁場的變化來檢測固定了磁鐵的旋轉(zhuǎn)體的旋轉(zhuǎn)位置的磁編碼裝置(例如，特開昭62-237302號公報)。
另外，還公開了為了使磁場的變化成為正弦波狀而在旋轉(zhuǎn)體的外周設置起伏并沿起伏形狀形成磁記錄媒體的磁編碼裝置(例如，特開昭58-162813號公報、特開昭63-243718號)。
然而，在上述圖14所示的先有技術(shù)中，存在以下問題。
(1)由于記錄各位信號的磁道沿軸向排列，所以，增加位數(shù)時，軸向的長度就增長，難于實現(xiàn)小型化。
(2)增加磁道數(shù)時，磁化位置增加，從而加工工時增加。
(3)由于與各磁道對應地設置磁阻元件，所以，增加位數(shù)時，配線數(shù)增多，組裝作業(yè)復雜，從而作業(yè)工時增加，成本提高。
另外，在上述特開昭62-237302號所示的先有技術(shù)中，存在以下問題。
(1)由于磁傳感器是1個，所以，不能求旋轉(zhuǎn)體的絕對位置。
(2)由于磁傳感器檢測磁鐵的磁極分界線附近的磁通，所以，雖然可以利用輸出波形的線性部分，但是，正弦波波形的精度降低，從而1圈的檢測精度降低。
另外，在上述特開昭63-243718號等所示的先有技術(shù)中，雖然在旋轉(zhuǎn)體的外周設置了磁場以正弦波狀變化的起伏，但是，例如在檢測微電機等的旋轉(zhuǎn)的超小型旋轉(zhuǎn)檢測器中，由于旋轉(zhuǎn)體的外形極小，所以，很難將旋轉(zhuǎn)體的外形正確地加工成正弦波狀的凹凸或橢圓形，從而不能得到檢測精度高的旋轉(zhuǎn)檢測器。
因此，本發(fā)明的目的旨在提供結(jié)構(gòu)簡單、精度高、成本低、可以求小型的絕對值位置的磁編碼裝置。
發(fā)明的公開本發(fā)明在具有固定在旋轉(zhuǎn)體上的永久磁鐵、通過空隙與上述永久磁鐵相對的安裝在固定體上的磁場檢測元件和處理上述磁場檢測元件的信號的信號處理電路的磁編碼裝置中，上述永久磁鐵形成為圓盤狀，并且在與上述旋轉(zhuǎn)體的軸垂直方向的一個方向磁化，上述磁場檢測元件通過間隙配置在上述永久磁鐵的外周側(cè)。
另外，上述固定體由環(huán)狀的磁性體形成，在圓周方向具有空隙，將上述磁場檢測元件設置在上述空隙中。
另外，上述磁場檢測元件是將電氣角相互偏離90度相位的2個1對的磁場檢測元件設置2對在相互錯開180度相位的位置，上述信號處理電路設置處理相互相對的磁場檢測元件間的差動信號的差動放大器，檢測上述旋轉(zhuǎn)體的位置的絕對值。
另外，上述磁場檢測元件是將對上述旋轉(zhuǎn)體的軸檢測徑向磁場的徑向磁敏部和對上述旋轉(zhuǎn)體的軸檢測圓周方向的圓周方向磁敏部接近地配置的磁場檢測元件，將上述磁場檢測元件至少設置1個。
另外，上述磁場檢測元件使用霍耳效應元件或磁阻元件。上述永久磁鐵利用鐵氧體系磁鐵、Sm-Co系磁鐵、Nd-Fe-B系磁鐵或用高分子材料將上述各種磁鐵結(jié)合的分散型復合磁鐵中的任意一個形成，也可以使用具有直線各向異性的磁鐵。
通過采用上述方式，不僅結(jié)構(gòu)簡單，并且可以大幅度提高磁場檢測元件的輸出信號的正弦波率，所以，可以高精度地檢測旋轉(zhuǎn)體的位置。
附圖的簡單說明圖1是表示本發(fā)明實施例1的磁編碼裝置的透視圖。
圖2是表示本發(fā)明實施例1的信號處理電路的框圖。
圖3是表示本發(fā)明實施例1的永久磁鐵的磁場分布的說明圖。
圖4是表示本發(fā)明實施例1的1個磁場檢測元件的輸出的說明圖。
圖5是表示本發(fā)明實施例1的信號處理電路的輸出的說明圖。
圖6是表示本發(fā)明實施例2的磁編碼裝置的透視圖。
圖7是表示本發(fā)明實施例2的永久磁鐵的磁場分布的說明圖。
圖8是表示本發(fā)明實施例2的各磁場檢測元件的輸出的說明圖。
圖9是表示本發(fā)明實施例3的磁編碼裝置的圖，圖(a)是透視圖，圖(b)是磁場檢測元件的放大透視圖。
圖10是表示本發(fā)明實施例3的信號處理電路的框圖。
圖11是表示本發(fā)明實施例3的永久磁鐵的磁場分布的說明圖。
圖12是表示本發(fā)明實施例3的信號處理電路的輸出的說明圖。
圖13是表示本發(fā)明實施例3的旋轉(zhuǎn)角度的精度的說明圖。
圖14是表示先有的磁編碼裝置的透視圖。
圖15是表示先有的磁編碼裝置的檢測輸出的波形的說明圖。
實施發(fā)明的最佳的形式下面，根據(jù)附圖詳細說明本發(fā)明。
(實施例1)圖1是表示本發(fā)明實施例1的檢測旋轉(zhuǎn)體的絕對位置的磁編碼裝置的透視圖。
圖中，1是旋轉(zhuǎn)體，2是與旋轉(zhuǎn)體1同軸地固定的中空圓盤狀的永久磁鐵，3是設置在永久磁鐵2的外周側(cè)的環(huán)狀的固定體，4是磁場檢測元件。
永久磁鐵3的材質(zhì)由利用鐵氧體系磁鐵、Sm-Co系磁鐵、Nd-Fe-B系磁鐵或用高分子材料將上述各種磁鐵結(jié)合的分散型復合磁鐵中的任意一個形成，在平面部21上，在和與旋轉(zhuǎn)體1的軸垂直方向平行的一個方向磁化，形成N-S的2極。其尺寸是直徑為3mm，厚度為1mm。
磁場檢測元件4由4個霍耳效應元件構(gòu)成，通過空隙與永久磁鐵2的外周面相對并且電氣角相互錯開90度相位設置A1相檢測元件41和B1相檢測元件42，此外，相對于A1相檢測元件41電氣角錯開180度相位設置A2相檢測元件43，相對于B1相檢測元件42電氣角錯開180度相位設置B2相檢測元件44。
圖2是表示處理從磁場檢測元件4輸出的A1、A2、B1、B2的各相信號的信號處理電路5的電路圖。信號處理電路5設置有輸出A1相和A2相的差動信號Va的差動放大器51、輸出B1相和B2相的差動信號Vb的差動放大器52和根據(jù)差動信號Va和Vb進行arctan(Vb/Va)的運算從而計算旋轉(zhuǎn)角度的角度運算電路53。
圖3是表示永久磁鐵2的磁場分布的說明圖。
下面，說明其動作。
使旋轉(zhuǎn)體1旋轉(zhuǎn)時，1個檢測元件檢測與圖4所示的旋轉(zhuǎn)角位置相應的正弦波狀的磁通密度。由磁場檢測元件4的各相檢測元件41、42、43、44檢測磁通，輸出A1、A2、B1、B2各相的信號。這些信號輸出由圖2所示的信號處理電路進行處理。
旋轉(zhuǎn)體1有偏心地旋轉(zhuǎn)的情況時，所檢測的磁通密度的波形將與偏心量相應地發(fā)生位移。但是，由于A、B相取相互偏離180度相位的A1相與A2相和B1與B2相的差動，所以，偏心量相互抵消，從而可以得到圖5所示的相互偏離90度相位的二個正弦波，即，設旋轉(zhuǎn)角為θ時，可以得到sinθ和cosθ的波形。
因此，利用以A、B相為輸入的角度運算電路53進行θ＝arctan(Vb/Va)的運算，檢測絕對位置的旋轉(zhuǎn)角度。
這樣，由于使圓盤狀的永久磁鐵2在平面部21上沿一個方向磁化，并設置了與永久磁鐵2的外周面相對的4個磁場檢測元件4，所以，各磁場檢測元件4可以檢測正確的正弦波信號。
檢測到1圈的絕對位置時，可以得到將1圈分割32000等分的絕對位置信號，從而可以得到非常高的分解力。
旋轉(zhuǎn)體1的偏心量非常小時，利用將磁場檢測元件4在圓周方向以相互間隔90度固定的A相檢測元件和B相檢測元件的2個檢測元件也可以得到sinθ和cosθ的波形的檢測信號。
另外，在這樣設置A相檢測元件和B相檢測元件的2個檢測元件時，可以檢測旋轉(zhuǎn)體1的旋轉(zhuǎn)方向和增量的位置，但是，在不需要求旋轉(zhuǎn)方向時，用1個檢測元件也可以得到正弦波信號。
另外，在上述實施例中，說明了使用霍耳效應元件作為磁場檢測元件的例子，但是，使用磁阻元件也可以獲得同樣的效果。
另外，在上述實施例中，說明了使用中空圓盤狀的永久磁鐵2的例子，但是，永久磁鐵2形成中實的圓盤狀也可以獲得同樣的效果。
另外，上述永久磁鐵用容易在一個方向磁化的直線各向異性磁鐵構(gòu)成，也可以提高磁化效率。
另外，通過利用磁性體形成固定體3，可以增大檢測信號的輸出，減小高頻成分，同時，還可以降低外部的磁噪音，提高信噪(S/N)比。
(實施例2)圖6是表示本發(fā)明實施例2的磁編碼裝置的透視圖。
本實施例是將環(huán)狀的固定體3沿圓周方向分割為4等分，并在其空隙部配置磁場檢測元件4。它的結(jié)構(gòu)和角度檢測方法與實施例1相同。固定體3是將作為環(huán)狀的磁性體的鐵分割為4等分，形成4個空隙。將磁場檢測元件4配置在該空隙部，和實施例1一樣，在圓周方向間隔90度進行安裝。固定體3的外徑為5mm。永久磁鐵2是直徑3mm、厚度1mm的圓盤狀，與旋轉(zhuǎn)體1的旋轉(zhuǎn)軸的端面粘接固定。磁場檢測元件4使用磁阻元件。
在本實施例中，作為固定體3的磁性體，是使用鐵，但是，并不限于此，也可以是坡莫合金、鐵氧體等，只要是磁性體，不論是哪一種都可以。另外，永久磁鐵2是粘接固定在旋轉(zhuǎn)體1的旋轉(zhuǎn)軸的端面上，但是，也可以是旋轉(zhuǎn)軸貫穿永久磁鐵2的結(jié)構(gòu)。
圖7是表示編碼器的磁通分布的圖。磁通集中地通過磁性體，在空隙內(nèi)配置磁場檢測元件的位置，磁通密度比先有的磁鐵與磁性體間的空隙部大。
其動作和實施例1一樣，使旋轉(zhuǎn)體1旋轉(zhuǎn)時，各相的檢測元件輸出圖8所示的信號。圖8是A1、A2、B1、B2的各相檢測元件41、42、43、44的輸出信號。檢測與旋轉(zhuǎn)角位置相應的正弦波狀的磁通密度。信號輸出由圖2所示的信號處理電路進行處理，檢測旋轉(zhuǎn)角度。檢測到1圈的絕對位置時，可以得到將1圈分割成64000等分的絕對位置信號，從而可以比先有方式提高2倍精度。另外，由于不需要先有技術(shù)中磁場檢測元件的配置空間，所以，磁編碼器的外徑變?yōu)?/3，從而可以實現(xiàn)小型化。
這樣，在本實施例中，就具有以下效果。
①由于磁性體不連續(xù)，有空隙，磁性體的磁阻增大，不會出現(xiàn)磁飽和，所以，可以得到正確的正弦波信號。
②由于作為磁性體的磁鐵的磁通集中地通過磁性體，所以，即使有磁通的紊亂，其紊亂也是緩和的。由于檢測平均化的磁通，所以，不易受到磁鐵的形狀誤差或磁鐵的配置誤差的影響。因此，制作成本小，組裝容易。
③由于不需要先有技術(shù)中的磁場檢測元件的配置空間，所以，可以縮短磁性體與空隙間距離，從而可以進一步使編碼器小型化。
④在配置磁場檢測元件的位置，磁通密度比先有技術(shù)的磁鐵與磁性體的空隙部大，所以，檢測信號增大。
⑤因此，可以進一步減小磁鐵外徑，另外，可以減小磁鐵與磁性體間的距離，從而可以使編碼器進一步小型化。
⑥即使使用低成本的能積小的磁鐵，也可以得到足夠大的檢測信號，所以，可以得到低成本的編碼器。
(實施例3)圖9是表示實施例3的磁編碼裝置的全體結(jié)構(gòu)的圖，(a)是透視圖，(b)是磁場檢測元件的放大透視圖。本實施例是用1個磁場檢測元件在同一位置同時檢測圓周方向和徑向的磁場的結(jié)構(gòu)。
永久磁鐵2和實施例1一樣，使用直線各向異性的磁鐵。即，材質(zhì)由鐵氧體系磁鐵、Sm-Co系磁鐵、Nd-Fe-B系磁鐵或?qū)⑸鲜龈鞣N磁鐵用高分子材料結(jié)合的分散型復合磁鐵形成，在和與旋轉(zhuǎn)體1的旋轉(zhuǎn)軸垂直方向平行的一個方向磁化。固定體3是將非磁性材料的不銹鋼加工成環(huán)形的物體。固定體3也可以使用磁性體。磁場檢測元件4在固定體3的內(nèi)側(cè)通過空隙與永久磁鐵2相對地固定，如圖9(b)所示，內(nèi)藏了檢測徑向的磁場的磁通密度Br的徑向磁敏部45和檢測圓周方向的磁場的磁通密度Bθ的圓周方向磁敏部46。
信號處理電路5處理與從磁場檢測元件4輸出的徑向的磁場的磁通密度Br的信號對應的輸出Vr和與磁場的磁通密度Bθ的信號對應的輸出Vθ。在信號處理電路5中，如圖10所示，設置有根據(jù)信號Vr和Vθ進行arctan(Vθ/Vr)的運算和考慮Vr、Vθ的正負計算旋轉(zhuǎn)角度的角度運算電路51。
利用這樣的結(jié)構(gòu)，由永久磁鐵2形成圖11所示的磁場，并由磁場檢測元件4檢測徑向和圓周方向的磁通密度Br和Bθ。旋轉(zhuǎn)體1旋轉(zhuǎn)1圈時，磁場檢測元件4檢測圖12所示的與旋轉(zhuǎn)角位置對應的正弦波狀的磁通密度Br、Bθ，并向信號處理電路5輸入與正弦波狀的磁通密度Br、Bθ對應的輸出Vr、Vθ。
這里，如圖9(b)所示，由于磁場檢測元件4的徑向磁敏部45和圓周方向的磁敏部46的檢測靈敏度和配置位置有微小差異，所以，輸出V′θ和V′r的振幅值有若干差別。設振幅比為α，則有α＝(V′θ/V′r)因此，為了使兩個輸出的振幅相同，則令Vr＝α×V′r， Vθ＝V′θ然后，便可根據(jù)下式求旋轉(zhuǎn)角度θ。即θ＝arctan(Vθ/Vr)將圖10所示的放大器54和55設置在信號處理電路5中，根據(jù)振幅比α調(diào)整放大器54的增益，根據(jù)輸出V′r得到輸出Vr，并輸入角度運算電路56，便可得到角度信號θ。
利用這樣的結(jié)構(gòu)，即使旋轉(zhuǎn)體1偏心地旋轉(zhuǎn)，由于旋轉(zhuǎn)角度θ不是磁鐵的中心與磁場檢測元件間的距離r的函數(shù)，所以，可以高精度地求出旋轉(zhuǎn)位置。
另外，即使磁編碼器內(nèi)部的溫度分布隨位置而異，由于徑向磁敏部45和圓周方向的磁敏部46幾乎位于同一位置，所以，磁場檢測元件4的溫度特性沒有差別，從而溫度分布對旋轉(zhuǎn)角度θ沒有影響。
例如，將由霍耳效應元件構(gòu)成的磁場檢測元件4配置在直徑3mm、厚度1mm的永久磁鐵2的外周，檢測1圈的絕對位置信號。
圖12表示高精度的基準編碼器(分解力100萬脈沖/1圈)的旋轉(zhuǎn)角度與檢測角度的關(guān)系和檢測誤差。
由此可知，基準編碼器與本發(fā)明的磁編碼器的最大誤差小于0.1度。
據(jù)此，可得360度/0.1度＝3600
從而可將1圈分割成3600等分。因此，可以得到表示將1圈酚成3600等分的非常高的分解力的絕對位置信號。
在上述實施例中，說明了使用霍耳效應元件作為磁場檢測元件的例子，但是，使用磁阻元件也可以獲得同樣的效果。
另外，上述永久磁鐵用容易在一個方向磁化的直線各向異性磁鐵構(gòu)成時，可以得到高的磁通密度，從而可以提高檢測精度。
這樣，在本實施例中，可以獲得以下效果。
(1)考慮旋轉(zhuǎn)體偏心旋轉(zhuǎn)的情況，即使得到差動信號，也不必增加磁場檢測元件的數(shù)量，從而可以降低成本。
(2)為了正確地出現(xiàn)90度或180度的相位差，不必正確地設置各磁場檢測元件，所以，可以很容易地在短時間內(nèi)進行組裝調(diào)整。
(3)在磁編碼器的內(nèi)部，即使溫度分布不同，由于磁場檢測元件是1個，所以，特性中不會發(fā)生誤差，從而可以提高旋轉(zhuǎn)位置的檢測精度。
產(chǎn)業(yè)上利用的可能性本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單、分解力非常高、檢測精度高，適用于小型的磁編碼器。另外，由于不易受溫度分布的影響和制造誤差的影響，所以，適用于可靠性高，成本低的磁編碼裝置。
權(quán)利要求
1.一種具有固定在旋轉(zhuǎn)體上的永久磁鐵、通過空隙與上述永久磁鐵相對的安裝在固定體上的磁場檢測元件和處理上述磁場檢測元件的信號的信號處理電路的磁編碼裝置，其特征在于上述永久磁鐵形成為圓盤狀，并且在與上述旋轉(zhuǎn)體的軸垂直方向的一個方向磁化，上述磁場檢測元件通過間隙配置在上述永久磁鐵的外周側(cè)。
2.按權(quán)利要求1所述的磁編碼裝置，其特征在于上述固定體用環(huán)狀的磁性體形成。
3.按權(quán)利要求2所述的磁編碼裝置，其特征在于上述固定體在圓周方向具有空隙，將上述磁場檢測元件設置在上述空隙中。
4.按權(quán)利要求1～3的任一權(quán)項所述的磁編碼裝置，其特征在于上述磁場檢測元件是將電氣角相互偏離90度相位的2個1對的磁場檢測元件設置2對在相互錯開180度相位的位置，上述信號處理電路設置處理相互相對的磁場檢測元件間的差動信號的差動放大器，檢測上述旋轉(zhuǎn)體的位置的絕對值。
5.按權(quán)利要求1所述的磁編碼裝置，其特征在于上述磁場檢測元件是將對上述旋轉(zhuǎn)體的軸檢測徑向磁場的徑向磁敏部和對上述旋轉(zhuǎn)體的軸檢測圓周方向的圓周方向磁敏部接近地配置的磁場檢測元件，將上述磁場檢測元件至少設置1個。
6.按權(quán)利要求1～5的任一權(quán)項所述的磁編碼裝置，其特征在于上述磁場檢測元件使用霍耳效應元件或磁阻元件。
7.按權(quán)利要求1～6的任一權(quán)項所述的磁編碼裝置，其特征在于上述永久磁鐵利用鐵氧體系磁鐵、Sm-Co系磁鐵、Nd-Fe-B系磁鐵或用高分子材料將上述各種磁鐵結(jié)合的分散型復合磁鐵中的任意一個形成。
8.按權(quán)利要求1～7的任一權(quán)項所述的磁編碼裝置，其特征在于上述永久磁鐵是直線各向異性的。
全文摘要
本發(fā)明的磁編碼裝置具有固定在旋轉(zhuǎn)體1上的永久磁鐵2、通過空隙與永久磁鐵2相對地安裝在固定體3上的磁場檢測元件4和處理磁場檢測元件4的信號的信號處理電路,永久磁鐵2形成為圓盤狀,并且在與周旋體1的軸垂直方向的一個方向磁化,磁場檢測元件4通過空隙配置在永久磁鐵2的外周側(cè)。另外,也可以用環(huán)狀的磁性體形成固定體1,在圓周方向設置空隙,并將磁場檢測元件設置在該空隙中。這樣,便可得到結(jié)構(gòu)簡單、分解力非常高、檢測精度高的小型的磁編碼裝置。
文檔編號G01D5/18GK1271416SQ98809525
公開日2000年10月25日 申請日期1998年9月8日 優(yōu)先權(quán)日1997年9月8日
發(fā)明者椛島武文, 松崎一成, 松尾智弘, 淺沼毅 申請人:株式會社安川電機