JP2006322811A - 磁気エンコーダ及び被検出部材 - Google Patents

Abstract

【課題】狭いスペース内でも、移動検出及び原点検出の両機能を発現し得ると共に、コストの高騰を来たさない新規な磁気エンコーダ及びこれに用いる被検出部材を提供する。
【解決手段】可動側部材２及び固定側部材１のいずれか一方に直線移動方向に沿って設けられた被検出部材５と、他方に設けられた検出手段６とよりなり、上記被検出部材５が、複数のＮ極及びＳ極が上記移動方向に沿って交互に繰り返し着磁された第１領域５ａと、該第１領域５ａと平行で長手方向の一部に欠如部分５ｃを有する第２領域５ｂとを備え、前記検出手段６が、上記第１領域５ａに対向配置され、前記可動側部材２の直線移動に伴うＮ極及びＳ極の磁気変化による移動パルス信号を検出する第１検出部材７と、上記第２領域５ｂに対向配置され、該直線移動に伴う上記欠如部分５ｃ及び非欠如部分の磁気変化による原点信号を検出する第２検出部材８とよりなることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、自動車のパワーウインドウ、パワーシート、ブレーキ踏込み部分、事務機器、更には各種産業機械等において、直線的往復移動をする部分の相対的移動状態を磁気的に検出する磁気エンコーダ及びこれに用いられる被検出部材に関する。

上記のような直線的往復移動をする部分には、固定側部材及び可動側部材の相対的移動状態を磁気的に検出する為の磁気エンコーダが装備されることがある。そして、これらの相対的移動状態の検出としては、移動速度、移動距離、移動方向等の検出に加え、これらの検出値をより確度の高いものとする為、同時に原点検出も行われるようになされている場合がある。移動速度、移動距離、移動方向等の検出は、移動方向に沿ってＳ極、Ｎ極を交互に着磁形成した被検出部材（検出スケール）を固定側部材及び可動側部材の一方に固着し、被検出部材の直線移動に伴うＳ極、Ｎ極の磁気変化による移動パルスを、他方の部材に固定された磁気センサによって検出するよう構成された磁気エンコーダによってなされる。また、原点検出は、移動方向に沿った被検出部材の１箇所に、他の部位とは磁気特性が異なる部位を設け、可動側部材の移動時に発せられる信号を原点信号として検出するよう構成された磁気エンコーダによってなされる。

特許文献１及び特許文献２には、直線移動部を有する機構において上記のような原点検出機能をも備えた磁気エンコーダが開示されている。特許文献１の磁気エンコーダは、２つの相対移動部材の一方に、被検知部として、移動方向に沿ってＮ極、Ｓ極が交互に繰り返す移動検出用の多極着磁部と、移動方向に沿った１箇所に原点検出用の着磁部とを形成し、他方にこれら着磁部に対向するよう磁気センサを設けたものであり、被検知部として、磁性剤の塗布、めっき若しくはスパッタリング、更には磁性部材を接着剤により貼着したもの、等の磁性皮膜からなる例が開示されている。また、特許文献２の磁気エンコーダは、スプライン軸受の移動状態を検出するものであり、スプライン軸に上記と同様の多極着磁部及び原点検出用の着磁部を形成し、移動側部材（外筒）に各着磁部に対応する磁気センサが設けられており、被検知部としてのスケールは、強磁性体（Ｆｅ−Ｃｒ−Ｃｏなど）から構成されることが開示されている。
特開平７−８３２２８号公報 特開平１０−６１６６５号公報

上記特許文献１、２に開示された磁気エンコーダにおける被検出部は、磁性皮膜やＦｅ−Ｃｒ−Ｃｏなどの合金からなるが、前者の場合は皮膜形成の為の高精度な技術を必要とし、また、後者の場合は剛体であるから、所望形状に加工するための煩雑な工程を必要とする。また、両者とも、原点検出用の被検出部も着磁する必要がある為、着磁工程が煩雑となり、製造コストの高騰を来たすことにもなる。

本発明は、上記実情に鑑みなされたものであり、狭いスペース内でも、移動検出及び原点検出の両機能を発現し得ると共に、コストの高騰を来たさない新規な磁気エンコーダ及びこれに用いる被検出部材を提供することを目的としている。

請求項１の発明に係る磁気エンコーダは、固定側部材と、該固定側部材に対して直線往復移動をする可動側部材との２部材間における相対移動状態を検出する磁気エンコーダであって、上記可動側部材及び固定側部材のいずれか一方に上記直線移動方向に沿って設けられた被検出部材と、他方に設けられた検出手段とよりなり、上記被検出部材が、複数のＮ極及びＳ極が上記移動方向に沿って交互に繰り返し着磁された第１領域と、該第１領域と平行で長手方向の一部に欠如部分を有する第２領域とを備え、前記検出手段が、上記第１領域に対向配置され、前記可動側部材の直線移動に伴うＮ極及びＳ極の磁気変化による移動パルス信号を検出する第１検出部材と、上記第２領域に対向配置され、該直線移動に伴う上記欠如部分及び非欠如部分の磁気変化による原点信号を検出する第２検出部材とよりなることを特徴とする。

本発明においては、請求項２の発明のように、前記第１検出部材が、磁気センサからなり、可動側部材の直線移動に伴う前記第１領域のＮ極及びＳ極の交互の磁気変化を、当該磁気センサをして移動パルス信号として検出するものであり、一方、前記第２検出部材が、磁気センサと永久磁石とよりなり、可動部材の直線運動に伴う前記第２領域の欠如部分及び非欠如部分に基づく上記永久磁石が発する磁界の変化を、当該磁気センサをして原点信号として、検出するものであることとすることができる。また、請求項３の発明のように、前記第１検出部材が、第１領域における前記移動方向に沿って、前記パルス信号の位相が互いにずれた位置になるよう配置された２個の磁気センサからなるものとすることもできる。

更に、請求項５の発明に係る被検出部材は、固定側部材と、該固定側部材に対して直線往復移動をする可動側部材との２部材間における相対的移動状態を検出する磁気エンコーダを構成すべく上記２部材の内の一方に固着される被検出部材であって、複数のＮ極及びＳ極が移動方向に沿って交互に繰り返し着磁された第１領域と、該第１領域と平行で移動方向の一部に欠如部分を有する第２領域とを備え、上記一方の部材に固着された状態では、該第１領域が、他方の部材に固定された前記検出手段を構成するパルス信号検出用の第１検出部材に対向するよう配置され、上記第２領域が、前記検出手段を構成する原点信号検出用の第２検出部材に対向するよう配置されるものであることを特徴とする。

そして、上記発明においては、請求項４或いは請求項６の発明のように、前記被検出部材が、帯状芯金と、該芯金に貼着一体とされた磁性ゴムまたは磁性プラスチックの成型体とよりなるものとすることが望ましいが、磁性ゴムまたは磁性プラスチックの成型体のみで被検出部材とすることも可能である。

請求項１の発明に係る磁気エンコーダによれば、複数のＮ極及びＳ極が可動側部材の直線的移動方向に沿って交互に繰り返し着磁された第１領域の磁気変化が検出手段により検出され、移動パルス信号が出力されることにより、可動側部材の移動速度及び移動位置が検出される。また、第１領域と平行で移動方向の一部に欠如部分を有する第２領域の磁気変化が検出手段により検出され、原点パルス信号として出力される結果、この原点検出情報により移動速度及び移動位置検出情報をより確度の高いものとすることができる。そして、請求項１或いは請求項５の発明に係る磁気エンコーダ或いは被検出部材によれば、上記被検出部材が、複数のＮ極及びＳ極が周方向に沿って交互に繰り返し着磁された第１領域と、該第１領域と同心的で周方向の一部に欠如部分を有する第２領域とを備えたものであるから、少なくとも第１領域のみを着磁すればよく、着磁に要する工数を増やすことなく、原点検出機能を備えた磁気エンコーダを構成することができる。

また、請求項２の発明のように、第１検出部材を、移動パルス信号を検出する磁気センサで構成し、第２検出部材を、磁気センサと永久磁石とより構成し、当該磁気センサが第２領域の欠如部分及び非欠如部分に基づく上記永久磁石が発する磁界の変化を原点信号として検出するものとすれば、磁気センサと永久磁石とのセンサ組立体が１個で済み、コストの高騰を来たすことなく、また狭いスペース内でもこれらを組み付けることができる。更に、請求項３の発明のように、前記第１検出部材が、第１領域における前記移動方向に沿って、前記移動パルス信号の位相が互いにずれた位置になるよう配置された２個の磁気センサからなるものとすれば、この位相差に基づくパルス信号の時間的ずれによってその移動方向をも検出判定することができる。

加えて、前記被検出部材を、請求項４或いは請求項６の発明のように、帯状芯金と、該芯金に貼着一体とされた磁性ゴムまたは磁性プラスチックの成型体とよりなるものとすれば、金属板とゴム材或いはプラスチック材との一体化が容易である上に、磁性ゴム或いは磁性プラスチックはゴム材或いはプラスチック材に磁性粉末を混練するだけで得られるから、被検出部材を簡易且つ低コストで調製することができ、また複雑な形状にすることも可能である。

以下に本発明の最良の実施の形態について、図面に基づいて説明する。図１は本発明の磁気エンコーダが組み込まれた直線往復移動構造体を示す要部の斜視図、図２は図１におけるＸ−Ｘ線縦断面図、図３は図１の平面図、図４は図３におけるＹ−Ｙ線縦断面図、図５は同磁気エンコーダにおける検出手段による波形図であり、（ａ）は同第１検出部材の一方による波形図、（ｂ）は同他方による波形図、（ｃ）は第２検出部材による波形図である。図６は第２実施例の図４と同様図である。

図１乃至図４は、直状のガイド体（固定側部材）１に対して、スライド体（可動側部材）２がガイド体１の長手方向に沿ってスライド可能に組付けられた直線往復移動構造体Ａを示す。スライド体２はガイド体１に対し、ガイド体１を包持するように係合し、ガイド体１の両側部にはその長手方向に沿って断面半円形のガイド溝１ａ、１ａが形成されている。スライド体２の内面には、複数の転動ボール２ａ…が保持されており、該転動ボール２ａ…がガイド溝１ａ、１ａ内を転動するようにして、スライド体２がガイド体１に対して円滑に往復移動し得るよう構成されている。このような直線往復移動構造体Ａが適用される装置においては、ガイド体１が装置の機体に固設され、スライド体２が装置において所望の直線往復移動をする可動部分に固定される。

上記直線往復移動構造体Ａは、図例のものに限定されず、例えば、ガイド体１が円柱状その他の形状のものであってもよく、また、スプライン軸受やボールねじ等と同様な構造のものであっても良い。更に、ガイド体１が可動側部材、スライド体２が固定側部材であっても良いことも言うまでもない。

ガイド体１の上面には、帯状芯金３と、該芯金３の上面に貼着一体とされた磁性ゴムシート（成型体）４とよりなる被検出部材５が、長手方向に沿って半埋設状態で固着されている。磁性ゴムシート４は、ゴム材にフェライト等の磁性粉末を混練してなるもので、ガイド体１の長手方向に沿って平行な第１領域５ａと、第２領域５ｂとを備えている。スライド体２には、後記する検出手段６を構成する第１検出部材７及び第２検出部材８が内蔵され、これら第１検出部材７及び第２検出部材８の検出面が、上記両領域５ａ、５ｂ上に夫々対面するよう配置されている。

上記第１領域５ａは、着磁領域とされ、その長手方向全体に亘って多数のＮ極、Ｓ極が交互且つ等間隔で着磁形成されている。一方、第２領域５ｂは、非着磁領域とされ、その磁性ゴムシート４の表面における長手方向１箇所に凹部（欠如部分）５ｃが形成されている。上記芯金３は、ＳＰＣＣ等の冷間圧延鋼板を板金加工して、図例のような帯状に形成したものである。また、磁性ゴムシート４は、ＮＢＲ、Ｈ−ＮＢＲ、ＡＣＭ、ＡＥＭ、ＦＫＭ等から選ばれたいずれかのゴム材にフェライト系、希土類系等の磁性粉末を事前に混練し、上記芯金３に接着剤を介し或いは加硫成型により貼着一体とされる。上記凹部５ｃは、ゴム材の成型時に同時に形成され、図４の拡大部分でも理解される通り、ゴム材自体が凹まされたような形状とされる。磁性ゴムシート４は、図例のように芯金３と貼着一体に成型されたものの他、単独で成型されたものも採用可能である。

次に、第１領域５ａ及び第２領域５ｂと第１検出部材７及び第２検出部材８との配置関係について説明する。第１検出部材７は、２個の磁気センサ７ａ、７ｂからなり、両磁気センサ７ａ、７ｂは、上記第１領域５ａにおけるＮ極、Ｓ極の着磁パターン面に対し、Ｎ極及びＳ極を１サイクルとした場合に９０度に相当する位相分ずれた状態で対向配置されている。また、第２検出部材８は、第２領域５ｂに対向するよう配置された磁気センサ８ａと、その背後に一体とされた永久磁石８ｂとが組合わさってなり、この永久磁石８ｂのＮ極、Ｓ極の配列方向は第２領域５ｂの被検出面に垂直な方向とされる。尚、上記位相のずれは９０度に限らず、移動方向の検出が可能な他の位相差で以って両磁気センサ７ａ、７ｂを配置し得ることは言うまでもない。

上記第１検出部材７を構成する磁気センサ７ａ、７ｂとしては、ホール効果（磁気による抵抗変化）により出力するホールセンサや、ＭＲ素子（半導体）がＮ極、Ｓ極を感じると方形波を出力することを利用したＭＲセンサが採用される。また、第２検出部材８を構成する磁気センサ８ａは、鉄心に導線を巻きつけて、永久磁石８ｂが発する磁界の被検出部（被検出部材５）の凹凸による変化で出力値が変化する現象を利用したものである。この凹凸による変化に代え、被検出部のＮ極、Ｓ極による変化で出力値が変化する現象を利用するものとすることができ、この場合は、このセンサ組立体を第１検出部材７に適用させることも可能である。更に、上記ホールセンサと永久磁石とを組合わせて、第２検出部材８とすることも可能である。

上記のように構成された磁気エンコーダにおいて、スライド体２がガイド体１の長手方向に沿ってスライド移動すると、第１検出部材７を構成する２個の磁気センサ７ａ、７ｂは、第１領域５ａにおけるＮ極、Ｓ極による規則的な磁気変化を検出し、図５（ａ）（ｂ）の波形図に示すような移動パルス信号を出力する。従って、このいずれかの単位時間当たりのパルス数を計測することにより、移動速度及び移動距離を算出することができる。また、磁気センサ７ａ、７ｂは、上記のように互いに９０度の位相差を以って配置されているから、その出力パルスは、スライド体２が１方向に移動すると９０度のずれを生じ、反方向に移動すると２７０度のずれを生じることになる。従って、両磁気センサ７ａ、７ｂの出力パルスのずれ角度を検出することにより移動方向の判定も行うことができる。

第２検出部材８は、上記のように磁気センサ８ａと永久磁石８ｂとが組合わさったものであるので、永久磁石８ｂが発する磁界は、これに近接する第２領域５ｂの影響を受ける。第２領域５ｂの磁性ゴムシート４及びその背後の芯金３は磁性体であり、しかも、その長手方向１箇所に凹部（欠如部分）５ｃが形成されているから、スライド体２の移動に伴い、磁気センサ８ａが対向する第２領域５ｂにおける凹部（欠如部分）５ｃ及びそれ以外の部分（非欠如部分）において上記磁界が大きく変化する。磁気センサ８ａはこの磁気変化を検出して、図５（ｃ）の波形図に示すような原点パルス信号を出力する。この原点パルス信号は、スライド体２の１方向の移動毎に１回発現されるから、これ自体の発現回数を計数することにより、スライド体２の往復移動回数の算出も可能であるが、この原点パルス信号を基点として、上記磁気センサ７ａ、７ｂによる出力パルス信号を計数することにより、より確度の高い移動速度、更には移動距離の算出を行うことができる。

上記のような２種の領域５ａ、５ｂ及び検出手段６の組合せにより、一方の領域５ａのみにＮ極、Ｓ極の着磁をすればよく、着磁に要する手間が少なく、また大掛かりな着磁装置を不要とする。しかも、被検出部材５が、芯金４と磁性ゴムシート４との貼着一体物で構成されるから、加硫成型等により凹部５ｃの加工も含めて効率的にこれを製することができ、原点検出機能を備えた磁気エンコーダが簡易に構成され、製造コストの低廉化に大きく寄与する。また、凹部５ｃの形成は、加硫成型後にレーザー加工等により行うこともでき、このようなレーザー加工等によれば、所望箇所に所望形状の凹部５ｃを任意に形成することができ、しかも、複雑な形状の金型も不要とされる。

図６は、本発明の磁気エンコーダ及び被検出部材の第２実施例を示すものであり、上記第１実施例とは、欠如部分の形成態様が異なる。即ち、本実施例では、第２領域５ｂの長手方向１箇所において、芯金３及び磁性ゴムシート４が共に切欠かれ、この切欠部分５ｄが欠如部分とされている。第２領域５ｂをこのように構成すると、切欠部分５ｄとそれ以外の部分（非切欠部分）とでは、上記磁界による磁気変化が大きく、従って、スライド体２の往復直線移動に伴うこの磁気変化の検出がより的確になされ、原点パルス信号の出力精度が向上する。その他の構成・効果は上記と同様であるので、共通部分に同一の符号を付し、ここではその説明を割愛する。

尚、上記実施例では、第１領域５ａ及び第２領域５ｂが、磁性ゴムシート４に形成されている例について述べたが、磁性ゴムシート４に代え磁性プラスチックシート或いは磁性焼結体であっても良い。また、第２領域５ｂを非着磁領域としたが、第２領域５ｂの表面を凹部（欠如部分）５ｃを除く全面にＳ極又はＮ極の単極に着磁（裏面はその反対極）し、第２検出部材８を第１検出部材７と同様の磁気センサで構成することも可能である。このようにすれば、凹部（欠如部分）５ｃと凹部でない部分（非欠如部分）との磁気変化を磁気センサで検出することができ、第２領域５ｂの着磁も左程煩雑でなく、また、第２検出部材８を小さくすることができ、限られたスペースでの磁気エンコーダの組立ても支障なく行うことができる。更に、ガイド体１に被検出部材５を、スライド体２に検出手段６を設けた例について述べたが、これらを逆にすることも可能であり、加えて、被検出部材５及び検出手段６をガイド体１及びスライド体２に直接設けず、これらに連動する部材に設けることも可能である。

本発明の磁気エンコーダが組み込まれた直線往復移動構造体を示す要部の斜視図である。 図１におけるＸ−Ｘ線縦断面図である。 図１の平面図である。 図３におけるＹ−Ｙ線縦断面図である。 同磁気エンコーダにおける検出手段による波形図であり、（ａ）は同第１検出部材の一方による波形図、（ｂ）は同他方による波形図、（ｃ）は第２検出部材による波形図である。 第２実施例の図４と同様図である。

符号の説明

１ ガイド体（固定側部材）
２ スライド体（可動側部材）
３ 帯状芯金
４ 磁性ゴムシート（成型体）
５ 被検出部材
５ａ 第１領域
５ｂ 第２領域
５ｃ 凹部（欠如部分）
５ｄ 切欠部分（欠如部分）
６ 検出手段
７ 第１検出部材
７ａ 磁気センサ
７ｂ 磁気センサ
８ 第２検出部材
８ａ 磁気センサ
８ｂ 永久磁石

Claims (6)

1. 固定側部材と、該固定側部材に対して直線往復移動をする可動側部材との２部材間における相対的移動状態を検出する磁気エンコーダであって、
   上記可動側部材及び固定側部材のいずれか一方に上記直線移動方向に沿って設けられた被検出部材と、他方に設けられた検出手段とよりなり、
   上記被検出部材が、複数のＮ極及びＳ極が上記移動方向に沿って交互に繰り返し着磁された第１領域と、該第１領域と平行で長手方向の一部に欠如部分を有する第２領域とを備え、前記検出手段が、上記第１領域に対向配置され、前記可動側部材の直線移動に伴うＮ極及びＳ極の磁気変化による移動パルス信号を検出する第１検出部材と、上記第２領域に対向配置され、該直線移動に伴う上記欠如部分及び非欠如部分の磁気変化による原点信号を検出する第２検出部材とよりなることを特徴とする磁気エンコーダ。
2. 請求項１に記載の磁気エンコーダにおいて、
   前記第１検出部材が、磁気センサからなり、可動側部材の直線移動に伴う前記第１領域のＮ極及びＳ極の交互の磁気変化を、当該磁気センサをして移動パルス信号として検出するものであり、一方、前記第２検出部材が、磁気センサと永久磁石とよりなり、可動部材の直線運動に伴う前記第２領域の欠如部分及び非欠如部分に基づく上記永久磁石が発する磁界の変化を、当該磁気センサをして原点信号として、検出するものであることを特徴とする磁気エンコーダ。
3. 請求項１又は２に記載の磁気エンコーダにおいて、
   前記第１検出部材が、第１領域における前記移動方向に沿って、前記パルス信号の位相が互いにずれた位置になるよう配置された２個の磁気センサからなることを特徴とする磁気エンコーダ。
4. 請求項１乃至３のいずれかに記載の磁気エンコーダにおいて、
   前記被検出部材が、帯状芯金と、該芯金に貼着一体とされた磁性ゴムまたは磁性プラスチックの成型体とよりなることを特徴とする磁気エンコーダ。
5. 固定側部材と、該固定側部材に対して直線往復移動をする可動側部材との２部材間における相対的移動状態を検出する磁気エンコーダを構成すべく上記２部材の内の一方に固着される被検出部材であって、
   複数のＮ極及びＳ極が移動方向に沿って交互に繰り返し着磁された第１領域と、該第１領域と平行で移動方向の一部に欠如部分を有する第２領域とを備え、上記一方の部材に固着された状態では、該第１領域が、他方の部材に固定された前記検出手段を構成するパルス信号検出用の第１検出部材に対向するよう配置され、上記第２領域が、前記検出手段を構成する原点信号検出用の第２検出部材に対向するよう配置されるものであることを特徴とする被検出部材。
6. 請求項５に記載の被検出部材において、
   帯状芯金と、該芯金に貼着一体とされた磁性ゴムまたは磁性プラスチックの成型体とよりなることを特徴とする被検出部材。

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