JP2013238485A - エンコーダ及びそれを用いたアクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】ヨーク形状を工夫するにより高精度で歪みの少ない正弦波状の磁束密度分布を有するエンコーダ及びそれを用いたアクチュエータを提供すること。
【解決手段】磁気回路３２，３３は、相対運動方向に垂直方向に積層された磁極を有する永久磁石３２と、この永久磁石３２上に設けられた連続した凹凸形状のヨーク３３とからなっている。ヨーク３３は、歯型状ヨークで、磁性基板部材３３ａと、磁性基板部材３３ａ上に一体形成された連続した凹凸形状部材３３ｂからなっている。ヨーク３３は、永久磁石３２に接合されている。
【選択図】図５

Description

本発明は、エンコーダ及びそれを用いたアクチュエータに関し、より詳細には、ヨーク形状を工夫するにより高精度で歪みの少ない正弦波状の磁束密度分布を有するエンコーダ及びそれを用いたアクチュエータに関する。

近年、相対運動する物体の運動を適当な信号に変換してその位置制御を正確に行う位置センサ（位置検出装置）の開発が進められており、例えば、磁気検出手段と磁石とを用いた位置監視装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
図１（ａ），（ｂ）は、従来の位置検出装置の基本構造を示す模式図で、特許文献１に記載されている図である。多極着磁（図では２極着磁）された永久磁石２と、その背面に設置されるヨーク３とを備えた永久磁石ユニット１を磁界発生手段とし、永久磁石２の各磁極（Ｎ極２ａ及びＳ極２ｂ）から発生する磁界（磁束）を横切って相対移動する磁気検出手段（例えば、ホール素子）４とから構成されるものである。

永久磁石２は、水平方向において多極着磁（２極着磁）されており、図中左側部分の表面がＮ極２ａとなるように着磁されるとともに、図中右側部分の表面がＳ極２ｂとなるように着磁されている。
また、永久磁石２の背面側にヨーク３が配されているが、このヨーク３は、永久磁石２の背面側において各着磁領域間の磁束の通りを円滑にする役割を果たし、効率的な磁界形成を可能とするとともに、永久磁石２の背面側の磁束が周囲に悪影響を与えることがないようにシールドとしての機能も有する。

永久磁石２を備えた永久磁石ユニット１においては、Ｎ極２ａとＳ極２ｂの合成磁界が発生する。この合成磁界（表面磁束密度波形）は、永久磁石ユニット１上に表面磁束密度波形を示してあり、この表面磁束密度波形における縦軸は磁束密度（Ｂ）、横軸は位置である。
合成磁界は、近くに磁性体が存在しない場合、各磁極（Ｎ極２ａ及びＳ極２ｂ）のほぼ中央位置にピーク値を有する。これらピーク値を示す位置をピーク位置Ｐ_１，Ｐ_２とする。また、Ｎ極２ａとＳ極２ｂの境界部分には、磁束密度が直線的に変化する磁束密度直線変化領域Ｌが形成されており、磁気検出手段４は、この磁束密度直線変化領域Ｌ内において位置検出を行う。磁束密度直線変化領域Ｌ内において、磁気検出手段４が図中左右方向に移動すると、その位置によって磁束密度（磁界強度）が変化する。したがって、検出された磁界強度を電気信号に変換することで、その強度に基づいて位置を確定することができる。

また、永久磁石によって形成される磁束密度分布を利用して回転角度を検出する磁石回転子及びこれを用いた回転角度検出装置が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
図２は、従来の磁石回転子を示す構成図で、特許文献２に記載されている図である。測定をしたい回転軸１４に歯車１５を介して多回転する別の歯車１１を設置して、その歯車１１に磁石１２を配して回転させることにより磁気センサ１３の角度精度を見かけ上向上させる手法が開示されている。回転角度と検出される磁束密度との関係は一回転多周期の波形となる。

また、Ｎ極、Ｓ極が交互に配置された磁石列と、磁石列と平行な方向の磁界を検出する第１磁気抵抗素子及び磁石列と垂直な方向の磁界を検出する第２磁気抵抗素子からなり磁石列に沿って平行移動する磁気検出素子とを備え、磁気検出素子により磁石列と磁気検出素子との相対移動量を検出する磁気エンコーダも知られている（例えば、特許文献３参照）。

また、複数個の磁極を円盤面に有する磁気媒体と前記磁極群の移動軌跡に対向するように配された磁気センサの組合せからなる磁気式エンコーダであって、磁気媒体の少なくとも磁極を含む部分がプラスチック磁石で構成され、凹もしくは凸形状の磁極が円周状に且つ等間隔をもって配されている磁気式エンコーダも知られている（例えば、特許文献４参照）。
さらに、高透磁率を有する素材に対して切削加工等を施すことによって容易に形成することができるヨークに対して、単極の永久磁石を接合するだけで多極の磁気回路を形成するようにしたリニアエンコーダが提案されている（例えば、特許文献５参照）。

図３は、従来のリニアエンコーダの磁気回路を示す構成図で、特許文献５に記載されている図である。この磁気回路２５は、軌道方向において所定間隙ｂを隔てて並ぶようにかつ磁電変換素子と対面し得べく例えば５つの突部２６ａが形成されたヨーク２６と、このヨーク２６に接合された単極の永久磁石２７とから成る。そして、これらの突部２６ａが磁極として作用するようになされている。また、ヨーク２６は、偏平な直方体状に形成されて軌道方向において延在すべく配置された基体部２６ｂを有し、突部２６ａ各々、すなわち、各磁極は、夫々直方体状にして該基体部２６ｂの長手方向における１つの面に一体に形成されている。そして、永久磁石２７は偏平な直方体状に形成されて、基体部２６ｂの各面のうち突部２６ａとは反対側の面に接合されている。このような構成により、高透磁率を有する素材に対して切削加工等を施すことによって容易に成形することができるヨークに対して単極の永久磁石を接合するだけで多極の磁気回路を形成していることから、構成が極めて簡単であり、コストの低減が達成されるというものである。

特開２００７−２２５５７５号公報 特開２００８−２０９３４０号公報 特開平６−１９４１１２号公報 特開２００４−３１７４５３号公報 特開平５−３４６１１９号公報

磁石形状を変えて磁束密度分布の波形形状をコントロールすることは、上述した特許文献２に記載されている。つまり、磁石回転子の着磁ピッチのずれを防ぎ、回転角度を高い精度で検出する回転角度検出装置が提案されている。そして、軟磁性の内周リング部と、この内周リング部を取り囲むように配置した外周リング部とで構成され、外周リング部は、円周方向に配列した複数の異方性磁石片を有し、異方性磁石片は１軸異方性を有し、かつ外周面が突出した凸曲面であり、異方性磁石片同士は互いに配向方向が異なるように構成されている。

また、上述した特許文献５には、高透磁率を有する素材に対して切削加工等を施すことによって容易に成形することができるヨークに対して単極の永久磁石を接合するだけで多極の磁気回路を形成していることが記載されている。
本発明は、どのようなヨークの形状パラメータを変更すれば理想正弦波に近い波形が得られるか、また、そのようなヨーク付の磁石がアクチュエータと兼用できる可能性があるかについて検証したところ、ヨーク形状を工夫することで任意の波形を作ることができることを見出した。特に、高精度のエンコーダには歪みの少ない正弦波状の磁束密度分布が必要であり、本発明のような構成を採ることにより、正弦波に近い波形を得ることができ、アクチュエータとして兼用できることを実現したものである。

しかしながら、上述したいずれの特許文献にも、本発明のような構成、つまり、歯形状ヨーク及び梯子状ヨーク並びにそれらの構造による効果については何ら開示されていない。したがって、従来のものでは、高精度で歪みの少ない正弦波状の磁束密度を有するエンコーダ及びそれを用いたアクチュエータを実現することはできない。
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、ヨーク形状を工夫するにより高精度で歪みの少ない正弦波状の磁束密度を有するエンコーダ及びそれを用いたアクチュエータを提供することにある。

本発明は、このような目的を達成するためになされたもので、請求項１に記載の発明は、直線運動又は回転運動の相対運動をなす物体の一方に設けられた磁気センサと、該磁気センサと対面するように前記物体の他方に設けられた磁気回路とを備えたエンコーダにおいて、前記磁気回路が、前記相対運動方向に垂直方向に着磁された永久磁石と、該永久磁石上に設けられた連続した凹凸形状のヨークとからなることを特徴とする。

また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記永久磁石の着磁方向が、前記永久磁石と前記ヨークとの接面に対し垂直方向であることを特徴とする。
また、請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の発明において、前記磁気回路が、前記相対運動方向に平行かつ前記永久磁石の着磁方向を含む面で切断した面において、前記凹凸形状の凸部が左右対称の形状で、かつ前記凸部と前記着磁方向に垂直な直線との交点を結ぶ線分の長さが、前記凸部の底部から頂部に行くに従って段階的又は連続的に変化する領域を有することを特徴とする。

また、請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の発明において、前記凸部と前記着磁方向に垂直な直線との交点を結ぶ線分の長さが、前記凸部の底部から頂部に行くに従って段階的又は連続的に減少する領域を有することを特徴とする。
また、請求項５に記載の発明は、請求項１乃至４のいずれかに記載の発明において、前記凹凸形状の凸部の底面の面積が、前記凸部の頂部の面積より大きいことを特徴とする。

また、請求項６に記載の発明は、請求項１乃至５のいずれかに記載の発明において、前記凹凸形状が、テーパー形状を有することを特徴とする。
また、請求項７に記載の発明は、請求項１乃至６のいずれかに記載の発明において、前記ヨークが、歯型状ヨークであることを特徴とする。
また、請求項８に記載の発明は、請求項７に記載の発明において、前記歯型状ヨークが、磁性基板部材と、該磁性基板部材上に一体形成された連続した凹凸形状部材からなることを特徴とする。

また、請求項９に記載の発明は、請求項１乃至６のいずれかに記載の発明において、前記ヨークが、梯子状ヨークであることを特徴とする。
また、請求項１０に記載の発明は、請求項９に記載の発明において、前記梯子状ヨークが、前記永久磁石上に設けられた連続した凹凸形状部材と、該凹凸形状部材と一体形成された側面板部材とからなることを特徴とする。

また、請求項１１に記載の発明は、請求項１乃至１０のいずれかに記載の発明において、前記ヨークが、直接、前記永久磁石上に設けられていることを特徴とする。
また、請求項１２に記載の発明は、請求項１又は２に記載の発明において、前記磁気回路が、径方向に着磁された円筒型永久磁石と、該円筒型永久磁石の側面上に設けられた連続した凹凸形状のヨークとを有することを特徴とする。

また、請求項１３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の発明において、前記磁気回路が、円筒の長さ方向に着磁された円筒型永久磁石と、該円筒型永久磁石の底面上に設けられた連続した凹凸形状のヨークとを有することを特徴とする。
また、請求項１４に記載の発明は、請求項１乃至１３のいずれかに記載の発明において、前記凹凸形状が、断面矩形、断面台形、断面逆台形、断面三角形、断面菱形、断面猪口型、断面半円型及びその組み合わせのいずれかを含むことを特徴とする。

また、請求項１５に記載の発明は、請求項１乃至１４のいずれかに記載の発明において、前記ヨークが、前記永久磁石に接合されていることを特徴とする。
また、請求項１６に記載の発明は、請求項１５に記載の発明において、前記ヨークが、前記永久磁石に接着剤を介して接合されていることを特徴とする。
また、請求項１７に記載の発明は、請求項１乃至１６のいずれかに記載の発明において、前記磁気センサが、ホール素子であることを特徴とする。

また、請求項１８に記載の発明は、請求項１乃至１７のいずれかに記載のエンコーダを用いたことを特徴とするアクチュエータである。
また、請求項１９に記載の発明は、請求項１乃至１７のいずれかに記載のエンコーダと、該エンコーダの前記永久磁石の着磁方向かつ前記永久磁石と対向するように設けられたヨークと、該ヨークを囲むように設けられたコイルとを備え、前記コイルの中心線と前記相対運動方向とが平行であることを特徴とするアクチュエータである。

また、請求項２０に記載の発明は、請求項１乃至１７のいずれかに記載のエンコーダと、該エンコーダの前記永久磁石の着磁方向かつ前記永久磁石と対向するように設けられたコイルとを備え、該コイルの中心線と前記永久磁石の着磁方向とが平行であることを特徴とするアクチュエータである。

本発明によれば、直線運動又は回転運動の相対運動をなす物体の一方に設けられた磁気センサと、この磁気センサと対面するように物体の他方に設けられた磁気回路とを備えたエンコーダにおいて、磁気回路が、相対運動方向に垂直方向に積層された磁極を有する永久磁石と、この永久磁石上に設けられた連続した凹凸形状のヨークとからなるので、ヨーク形状を工夫するにより高精度で歪みの少ない正弦波状の磁束密度分布を有するエンコーダ及びそれを用いたアクチュエータを実現することができる。

（ａ），（ｂ）は、従来の位置検出装置の基本構造を示す模式図である。 従来の磁石回転子を示す構成図である。 従来のリニアエンコーダの磁気回路を示す構成図である。 （ａ），（ｂ）は、本発明に係るエンコーダの基本構造を説明するための構成図である。（ｃ）はヨーク直上の磁束密度分布を示す図である。 （ａ），（ｂ）は、本発明に係るエンコーダの実施例１を説明するための構成図である。 図５に示した歯型状ヨークを用いた場合のシミュレーション波形を示す図である。 （ａ），（ｂ）は、図５との波形比較のために用いた矩形形状歯を示す図である。 矩形形状歯を用いた場合のシミュレーション波形を示す図である。 ギャップ２００μｍのときの波形を従来の歯が矩形状の場合と歯にテーパーを設けた本実施例１と理想正弦波を同時にプロットしたグラフを示す図である。 ひずみ率で図９の各波形を比較した図である。 図５に示した歯型状ヨークを用いた場合の横磁場のシミュレーション波形を示す図である。 図７に示した矩形形状ヨークを用いた場合の横磁場のシミュレーション波形を示す図である。 ギャップ２００μｍのときの横磁場の波形を従来の歯が矩形状の場合と歯にテーパーを設けた本実施例１と理想正弦波を同時にプロットしたグラフを示す図である。 ひずみ率で図１３の各波形を比較した図である。 （ａ），（ｂ）は、本発明に係るエンコーダの実施例２を説明するための構成図である。 図１５に示した梯子状ヨークを用いた場合のシミュレーション波形を示す図である。 （ａ），（ｂ）は図１５との波形比較のために用いた矩形形状歯を示す図である。 図１７の矩形形状歯を用いたシミュレーション波形を示す図である。 ギャップ２００μｍのときの波形を歯にテーパーを設けない矩形状の場合と歯にテーパーを設けた本実施例２と理想正弦波を同時にプロットしたグラフを示す図である。 ひずみ率で図１９の各波形を比較した図である。 図１５に示した梯子状ヨークを用いた場合の横磁場のシミュレーション波形を示す図である。 図１７に示した矩形形状ヨークを用いた場合の横磁場のシミュレーション波形を示す図である。 ギャップ２００μｍのときの横磁場の波形を歯にテーパーを設けない矩形形状の場合とテーパーを設けた本実施例２と理想正弦波を同時にプロットしたグラフを示す図である。 ひずみ率で図２３の各波形を比較した図である。 （ａ），（ｂ）は、本発明に係るエンコーダの実施例３を説明するための構成図である。 （ａ）乃至（ｅ）は、各種のヨークの凹凸形状を示す図である。 （ａ）乃至（ｊ）は、他の各種のヨークの凹凸形状を示す図である。 （ａ）乃至（ｈ）は、他の各種のヨークの凹凸形状を示す図である。 （ａ）乃至（ｃ）は、他の各種のヨークの凹凸形状を示す図である。 （ａ）乃至（ｅ）は、他の各種のヨークの凹凸形状を示す図である。 （ａ）乃至（ｇ）は、他の各種のヨークの凹凸形状を示す図である。 （ａ），（ｂ）は、本発明に係るエンコーダの実施例４を説明するための構成図である。 （ａ），（ｂ）は、本発明に係るエンコーダの実施例５を説明するための構成図である。 （ａ），（ｂ）は、本発明のエンコーダを用いたアクチュエータの構成図である。 図３４に示したコイルの磁石直下部分のみのコイル要素を示す図である。 （ａ），（ｂ）は、図３４に示した他のコイルの配置構成を示す図である。 図３４に示したアクチエータにおける他の磁気回路の構成を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の実施例について説明する。
図４（ａ），（ｂ）は、本発明に係るエンコーダの基本構造を説明するための構成図で、図４（ｃ）はヨーク直上の磁束密度分布を示す図である。図中符号３１は磁気センサ（ホール素子あるいはＭＲ素子、ピックアップコイル、磁気インピーダンス素子など磁束密度に比例して出力電圧が得られるセンサ）、３２は永久磁石、３３はヨーク、３３ａは磁性基板部材、３３ｂは凹凸形状部材を示している。

本発明のエンコーダは、図４（ａ）に示すように、直線運動の相対運動をなす物体の一方に設けられた磁気センサ３１と、この磁気センサ３１と対面するように物体の他方に設けられた磁気回路３２，３３とを備え、この磁気回路は、相対運動方向に垂直方向に積層された磁極を有する永久磁石３２と、この永久磁石３２上に設けられた連続した凹凸形状のヨーク３３とからなっている。なお、磁気センサはホール素子あるいは、ＭＲ素子、ピックアップコイル、磁気インピーダンス素子など磁束密度に比例して出力電圧が得られるセンサであれば、あらゆる磁気センサが利用可能である。ヨーク３３により形成される縦磁場（磁石の着磁方法に平行な磁場方向）を検出する場合はホール素子を用いることが好ましく、ヨーク３３により形成される横磁場（磁石の着磁方法に垂直で相対運動方向に平行な磁場方向）を検出する場合にはホール素子あるいはＭＲ素子を用いることが好ましい。

また、ヨーク３３は、歯形状ヨークあるいは梯子状ヨークを用いることができるが、歯形状あるいは梯子状の断面形状は、相対運動方向に平行かつ永久磁石の着磁方向を含む面で切断した面において、凹凸形状の凸部が左右対称の形状で、かつ凸部と着磁方向に垂直な直線との交点を結ぶ線分の長さが、凸部の底部から頂部に行くに従って段階的又は連続的に変化する領域を有することが望ましい。また、凸部と着磁方向に垂直な直線との交点を結ぶ線分の長さが、凸部の底部から頂部に行くに従って段階的又は連続的に減少する領域を有することが望ましい。

また、凹凸形状の凸部の底面の面積が、凸部の頂部の面積より大きく形成されていることが望ましい。また、凹凸形状が、テーパー形状を有していることが望ましい。
このような構成により、容易に入手可能な長方形磁石３２に形状を工夫したヨーク３３を重ね合わせ、このヨーク３３直上に配置したホール素子３１を移動させると、図４（ｃ）に示すように正弦波状の出力波形が得られる。

一般に、歯車にはラック歯車と円筒歯車がある。ラック歯車は、平らな板又は真っ直ぐな棒の一面に等間隔に同形の歯を刻んだものを言い、直線歯車とも言う。これに対して、円筒歯車は、ピッチ面が円筒である歯車で、円板や円筒の外周又は内周に歯を付けたものをいう。
現状の歯車の歯の形状は、数学的な計算から求められる曲線となっている。この歯車に使われる数学的な曲線は、歯車を製造・利用する視点からは歯型曲線と呼ばれる。歯車を用いる場所に適切に応じた歯型曲線が使われる。ほとんどの製品はインボリュート曲線で作られている。

なおラック歯車タイプの場合、本発明の磁石およびヨークの設計形状や配置によって、端点における磁束の集中等が正弦波の歪みを招き、高精度の位置検出に影響を与えることがある。このような場合、ヨーク形状や磁石形状を幅方向や厚さ方向に、あるいは磁気センサからヨーク間のギャップ等も含めて、傾斜状にカスタマイズすることは広く行われており、本発明にも適用可能であることは言うまでもない。

以下は、ラック歯車タイプの磁気回路について説明する。

図５（ａ），（ｂ）は、本発明に係るエンコーダの実施例１を説明するための構成図で、図５（ａ）は斜視図、図５（ｂ）は、図５（ａ）のＡ−Ａ’線断面図である。図中符号３３ａは磁性基板部材、３３ｂは凹凸形状部材を示している。なお、図４（ａ）と同じ機能を有する構成要素には同一の符号を付してある。図４（ａ）において説明したように、磁気回路３２，３３は、相対運動方向に垂直方向に積層された磁極を有する永久磁石３２と、この永久磁石３２上に設けられた連続した凹凸形状のヨーク３３とからなっている。図５（ａ）から明らかのように、この磁気回路は、ラック歯車タイプの磁気回路である。

また、ヨーク３３は、歯型状ヨークであることが望ましく、この歯型状ヨークは、磁性基板部材３３ａと、この磁性基板部材３３ａ上に一体形成された連続した凹凸形状部材３３ｂからなっている。
また、ヨーク３３は、永久磁石３２に重なるよう配置されている。つまり、永久磁石３２の着磁方向は、この永久磁石３２とヨーク３３との接面に対し垂直方向である。さらに、ヨーク３３は、永久磁石３２に接着剤を介して接合されることも可能である。また、接着剤を用いて固定せずとも、磁石とヨークの磁力により保持は可能である。

本実施例１において、本発明に用いることができるヨーク形状の例を図５（ｂ）に示している。この本実施例１では、ヨーク歯は台形形状としており、台形の上辺は０．３８ｍｍ、下辺は０．５ｍｍとし、歯間底面部は０．５ｍｍ、台形の高さを０．２５ｍｍ、磁性基板部厚が０．２５ｍｍとしている。ヨーク材質はＳＰＣＣとしている。磁石はネオジム磁石（残留磁束密度：１３８０ｍＴ、保磁力：１０１１ｋＡ／ｍ、最大エネルギー積：３７０ｋＪ／ｍ^３）とし、磁石サイズは２０．５ｍｍ×２ｍｍ×１ｍｍとしている。

図６は、図５（ｂ）に示した歯型状ヨークを用いた場合のシミュレーション波形を示す図である。横軸がストロークで、磁気センサがヨーク中央直上にあるときをストローク０ｍｍとして磁石もしくは磁気センサを中央から磁石長手方向に沿って一方向に動かしたときの移動量であり、縦軸が磁束密度（Ｚ軸成分）である。また、グラフの実線がギャップ２００μｍ、一点鎖線がギャップ２５０μｍ、破線がギャップ３００μｍを示している。このように、異なるギャップに対していずれの場合にも、高精度で歪みの少ない正弦波状の出力波形を得ることのできることが理解できる。

本実施例１との比較として、図７には、矩形の上辺下辺ともに０．５ｍｍとし、歯間底面部は０．５ｍｍ、矩形の高さを０．２５ｍｍ、磁性基板部厚が０．２５ｍｍとした従来のヨーク歯が矩形の場合の形状図を示し、図８には図７の矩形形状歯を用いた場合のシミュレーション波形を示し、また、図９にはギャップ２００μｍのときの波形を従来の歯が矩形状の場合と歯にテーパーを設けた本実施例１と理想正弦波を同時にプロットしたグラフを示している。なお、波形は振幅が１となるよう規格化したもので比較している。これを見ると、明らかに従来に対し、本実施例１では、理想正弦波に近い波形を確保できている。図１０ではひずみ率で各波形を比較しているが、この結果をみてもテーパーを設ける本実施例１の方がより正弦波に近い形状を確保していると言える。

図１１は、図５（ｂ）に示した歯型状ヨークを用いた場合の横磁場のシミュレーション波形を示す図である。図６においては、縦磁場変化（磁石の着磁方向に平行な磁場ベクトル成分の変化：ホール素子で検知できる磁場方向ベクトル）であったが、横磁場変化（磁石走査方向の磁場ベクトル成分の変化：ＭＲ素子で検知できる磁場方向ベクトル）も計算すると図１１のように歪みの少ない正弦波になっていることがわかる。つまり、磁石の長手方向の磁場ベクトル成分を検知しても同じように正弦波状の出力波形を得ることができ、ＭＲ素子あるいは、基板等に垂直に実装されたホール素子での検知も可能である。また、その波形は、０ｍＴを中心に振動するため、システムに応じて素子や検知磁場方向を適切なものを選べばよい。この場合についても同様に、高精度で歪みの少ない正弦波状の出力波形を得ることのできることが理解できる。本実施例１との横磁場波形の比較として、図７の矩形形状歯を用いた場合の横磁場波形を図１２に示し、また、図１３にはギャップ２００μｍのときの横磁場の波形を従来の歯が矩形状の場合と歯にテーパーを設けた本実施例１と理想正弦波を同時にプロットしたグラフを示している。なお、波形は振幅が１となるよう規格化したもので比較している。これを見ると、横磁場波形についても、明らかに従来に対し、本実施例１では、理想正弦波に近い波形を確保できている。図１４ではひずみ率で各横磁場の波形を比較しているが、この結果をみてもテーパーを設ける本実施例１のほうがより正弦波に近い形状を確保していると言える。

このような構成により、ヨーク形状の工夫により、より細かい波形形状がコントロールでき、また、多極磁石の着磁によるコントロールに比べて、簡単かつ高精度が期待でき、また、ヨークの加工精度が高くて公差も小さいため、波形の固体ばらつきを小さくすることができ、さらに、ヨークのみの交換で同じ磁石でも異なる波形が得られるという効果を奏する。

なお、歯形状ヨークは、切削などの機械加工によって形成してもよく、エッチングなどの化学的溶解法やスパッタリングなどの物理的形成法やこれらの組み合わせで形成してもよい。
なお、磁石及びヨークの設計形状や配置によって、端点における磁束の集中等が正弦波の歪みを招き、高精度の位置検出に影響を与えることがある。このような場合、ヨーク形状や磁石形状を幅方向や厚さ方向に、あるいは磁気センサからヨーク間のギャップ等も含めて、傾斜状にカスタマイズすることは広く行われており、本発明にも適用可能であることは言うまでもない。

図１５（ａ），（ｂ）は、本発明に係るエンコーダの実施例２を説明するための構成図で、図１５（ａ）は斜視図、図１５（ｂ）は、図１５（ａ）のＡ−Ａ’線断面図である。図中符号３３ｃは側面板部材を示している。なお、図５（ａ）と同じ機能を有する構成要素には同一の符号を付してある。図４（ａ）において説明したように、磁気回路３２，３３は、相対運動方向に垂直方向に積層された磁極を有する永久磁石３２と、この永久磁石３２上に設けられた連続した凹凸形状のヨーク３３とからなっている。

また、ヨーク３３は、梯子状ヨークであることが望ましく、この梯子状ヨークは、永久磁石３２上に設けられた連続した凹凸形状部材３３ｂと、この凹凸形状部材３３ｂと一体形成された側面板部材３３ｃとからなっている。
本実施例２において、本発明に用いることができるヨーク形状の例を図１５（ｂ）に示している。この本実施例２では、ヨーク歯は矩形に台形を載せた形状としており、台形の上辺は０．４ｍｍ、下辺は０．５ｍｍとし、矩形上辺及び下辺は０．５ｍｍ、台形の高さを０．２５ｍｍ、矩形の長さが０．２５ｍｍとしている。ヨーク材質はＳＰＣＣとしている。磁石はネオジム磁石（残留磁束密度：１３８０ｍＴ、保磁力：１０１１ｋＡ／ｍ、最大エネルギー積：３７０ｋＪ／ｍ^３とし、磁石サイズは２０．５ｍｍ×２ｍｍ×１ｍｍとしている。

図１６は、図１５（ｂ）に示した梯子状ヨークを用いた場合のシミュレーション波形を示す図である。横軸がストロークで、磁気センサがヨーク中央直上にあるときをストローク０ｍｍとして磁石もしくは磁気センサを中央から磁石長手方向に沿って一方向に動かしたときの移動量であり、縦軸が磁束密度（Ｚ軸成分）である。また、グラフの実線がギャップ２００μｍ、一点鎖線がギャップ２５０μｍ、破線がギャップ３００μｍを示している。このように、異なるギャップに対していずれの場合にも、高精度で歪みの少ない正弦波を得ることのできるが理解できる。

本実施例２との比較として、図１７には、矩形の上辺下辺ともに０．５ｍｍとし、歯間底面部は０．５ｍｍ、矩形の高さを０．５ｍｍとしたテーパーを設けないヨーク歯が矩形の場合の形状図を示し、図１８には追加図５の矩形形状歯を用いた場合のシミュレーション波形を示し、また、図１９にはギャップ２００μｍのときの波形をテーパを設けないヨーク歯が矩形状の場合と歯にテーパーを設けた本実施例２と理想正弦波を同時にプロットしたグラフを示している。なお、波形は振幅が１となるよう規格化したもので比較している。これを見ると、明らかにテーパーを設けないものに対し、本実施例２では、理想正弦波に近い波形を確保できている。図２０ではひずみ率で各波形を比較しているが、この結果をみてもテーパーを設ける本実施例２の方がより正弦波に近い形状を確保していると言える。図２１は、図１５（ｂ）に示した梯子状ヨークを用いた場合の横磁場のシミュレーション波形を示す図である。この場合についても同様に、高精度で歪みの少ない正弦波状の出力波形を得ることのできるが理解できる。

本実施例２との横磁場波形の比較として、図１７の矩形形状歯を用いた場合の横磁場波形を図２２に示し、また、図２３にはギャップ２００μｍのときの横磁場の波形を歯にテーパーを設けない矩形状の場合と歯にテーパーを設けた本実施例２と理想正弦波を同時にプロットしたグラフを示している。なお、波形は振幅が１となるよう規格化したもので比較している。これを見ると、横磁場波形についても、明らかにテーパーを設けないものに対し、本実施例２では、理想正弦波に近い波形を確保できている。図２４ではひずみ率で各横磁場の波形を比較しているが、この結果をみてもテーパーを設ける本実施例１のほうがより正弦波に近い形状を確保していると言える。

このような構成により、ヨーク形状の工夫により、より細かい波形形状がコントロールでき、また、多極磁石の着磁によるコントロールに比べて、簡単かつ高精度が期待でき、また、ヨークの加工精度が高くて公差も小さいため、波形の固体ばらつきを小さくすることができ、さらに、ヨークのみの交換で同じ磁石でも異なる波形が得られるという効果を奏する。

なお、梯子状ヨークは、エッチングなどの化学的溶解法やスパッタリングなどの物理的形成法やこれらの組み合わせで形成してもよいが、打ち抜きによる機械加工を組み合わせることによって低コストでヨークが形成できる。
なお、磁石及びヨークの設計形状や配置によって、端点における磁束の集中等が正弦波の歪みを招き、高精度の位置検出に影響を与えることがある。このような場合、ヨーク形状や磁石形状を幅方向や厚さ方向に、あるいは磁気センサからヨーク間のギャップ等も含めて、傾斜状にカスタマイズすることは広く行われており、本発明にも適用可能であることは言うまでもない。

図２５（ａ），（ｂ）は、本発明に係るエンコーダの実施例３を説明するための構成図で、図２５（ａ）は、永久磁石に棒状ヨークを設けた斜視図で、図２５（ｂ）は、永久磁石に半球状ヨークを設けた斜視図を示している。図中符号４２は永久磁石、４３は棒状（棒）ヨーク、４４は半球状（ダンゴ状）ヨークを示している。なお、図２５（ａ）には各種の棒状ヨークの形状を示している。

図２５（ａ）においては、図５に示す実施例１とは異なり、磁性基板部材３３ａを用いることなく、永久磁石４２上に、直接、棒状ヨーク４３を貼り付けたものである。また、図２５（ｂ）においては、永久磁石４２上に、直接、半球状ヨーク４４を貼り付けたものである。
このような構成により、ヨーク形状を工夫することで、高精度で歪みの少ない正弦波状の磁束密度分布を有するエンコーダを実現することができる。

図２６（ａ）乃至（ｅ）は、各種のヨークの凹凸形状を示す図である。図２６（ａ）は、図４（ｂ）に示した断面矩形のヨーク形状を示す図で、図２６（ｂ）は断面台形、図２６（ｃ）は断面三角形、図２６（ｄ）は断面のこぎり波形、図２６（ｅ）は図２６（ｂ）の底面のない形状を示している。特に、図２６（ｂ）は実施例１で採用している形状で、凸部形状と凹部形状が同じ台形であり、正弦波形状が得られやすい。

図２７（ａ）乃至（ｊ）は、他の各種のヨークの凹凸形状を示す図である。図２７（ａ）は、矩形に台形を乗せた形状を示す図で、図２７（ｂ）は三角形を載せた形状、図２７（ｃ）は図２７（ａ）の傾斜面に段差を設けた形状、図２７（ｄ）は図２７（ｃ）の底面のない形状、図２７（ｅ）は図２７（ｄ）の変形例、図２７（ｆ）は台形に矩形を乗せた形状、図２７（ｇ）は図２７（ｆ）の底面のない形状、図２７（ｈ）は図２７（ｆ）の変形例、図２７（ｉ）は図２７（ｈ）の変形例、図２７（ｊ）は図２７（ｉ）の底面のない形状を示している。特に、図２７（ａ）は実施例２で採用している形状である。また図２７（ｃ），（ｄ），（ｅ），（ｈ），（ｉ），（ｊ）などは、傾斜の異なる２段階のテーパーを持つため、波形形状の調整をより精度良く行なえる。

図２８（ａ）乃至（ｈ）は、他の各種のヨークの凹凸形状を示す図である。図２８（ａ）は断面菱形を示す図で、図２８（ｂ）は断面猪口型、図２８（ｃ）は図２８（ｂ）の底面のない形状、図２８（ｄ）は断面逆台形、図２８（ｅ）は断面階段状、図２８（ｆ）は図２８（ｅ）の変形例、図２８（ｇ）は図２８（ｅ）の変形例、図２８（ｈ）は図２８（ｄ）に矩形を乗せた形状を示している。

図２９（ａ）乃至（ｃ）は、他の各種のヨークの凹凸形状を示す図である。図２９（ａ）は断面Ｍ字型、図２９（ｂ）は断面十字型、図２９（ｃ）は断面家型を示している。
図３０（ａ）乃至（ｅ）は、他の各種のヨークの凹凸形状を示す図である。図３０（ａ）は断面半円型、図３０（ｂ）は図３０（ａ）の底面のない形状、図３０（ｃ）は断面半円溝型、図３０（ｄ）は図３０（ｃ）の変形例、図３０（ｅ）はお椀形を示している。

図３１（ａ）乃至（ｇ）は、他の各種のヨークの凹凸形状を示す図で、上述した各種形状の組み合わせ形状の一例を示しており、そのほかの組合せでも本発明への適用が可能である。
なお、磁石及びヨークの設計形状や配置によって、端点における磁束の集中等が正弦波の歪みを招き、高精度の位置検出に影響を与えることがある。このような場合、ヨーク形状や磁石形状を幅方向や厚さ方向に、あるいは磁気センサからヨーク間のギャップ等も含めて、傾斜状にカスタマイズすることは広く行われており、本発明にも適用可能であることは言うまでもない。

なお、ラック歯車におけるインボリュート歯車歯形の寸法などはＪＩＳ規格に基づく標準基準ラック歯車及び相手標準基準ラック歯形として作成され、本発明のラック歯車タイプの磁気回路におけるヨーク形状もこの規格に基づいて作成されるものを含んでいる。
以上は、ラック歯車タイプの磁気回路について説明した。以下は、円筒歯車タイプの磁気回路について説明する。

図３２は、本発明に係るエンコーダの実施例４を説明するための構成図で、円筒高さ方向に着磁された円筒磁石と歯形ヨーク／梯子形ヨークの組合せで、円筒歯車タイプの磁気回路を示している。図中符号５１，６１は磁気センサ、５２，６２は円筒の高さ方向に着磁された円筒形永久磁石、５３は歯型状ヨーク、６３は梯子状ヨークを示している。
本実施例４のエンコーダは、回転運動の相対運動をなす物体の一方に設けられた磁気センサ５１，６１と、この磁気センサ５１，６１と対面するように物体の他方に設けられた磁気回路５２，５３及び６２，６３とを備えている。

磁気回路５２，５３及び６２，６３は、相対運動方向に垂直方向に積層された磁極を有する円筒形永久磁石５２及び６２とその底面上に設けられた連続した凹凸形状の歯型状ヨーク５３もしくは梯子状ヨーク６３からなっている。
また、歯型状ヨーク５３及び梯子状ヨーク６３は、円筒磁石５２及び６２に接合されている。さらに、歯型状ヨーク５３及び梯子状ヨーク６３は、円筒磁石５２及び６２に接着剤を介して接合されることも可能である。
このような構成により、ヨーク形状を工夫することで、高精度で歪みの少ない正弦波状の磁束密度分布を有するエンコーダを実現することができる。

図３３は、本発明に係るエンコーダの実施例５を説明するための構成図で、円筒径方向に着磁された円筒磁石と歯型ヨーク／梯子形ヨークの組合せで、他の円筒歯車タイプの磁気回路を示している。図中符号７１，８１は磁気センサ、７２，８２は円筒径方向に着磁された円筒形永久磁石、７３は歯型状ヨーク、８３は梯子状ヨークを示している。
本実施例５のエンコーダは、回転運動の相対運動をなす物体の一方に設けられた磁気センサ７１，８１と、この磁気センサ７１，８１と対面するように物体の他方に設けられた磁気回路７２，８２及び７３，８３とを備えている。

磁気回路７２，８２及び７３，８３は、相対運動方向に垂直方向に積層された磁極を有する円筒型永久磁石７２及び８２と、この円筒型永久磁石７２及び８２の側面上に設けられた連続した凹凸形状の歯型状ヨーク７３もしくは梯子状ヨーク８３とからなっている。
また、歯型状ヨーク７３及び梯子状ヨーク８３は、永久磁石７２及び８２に接合されている。さらに、歯型状ヨーク７３及び梯子状ヨーク８３は、永久磁石７２及び８２に接着剤を介して接合されることも可能である。
このような構成により、ヨーク形状を工夫することで、高精度で歪みの少ない正弦波状の磁束密度分布を有するエンコーダを実現することができる。

本発明ではヨークと接合されていない磁石表面からの漏れ磁場を利用してアクチュエータを駆動することが可能である。
図３４（ａ），（ｂ）は、本発明のエンコーダを用いたアクチュエータの構成図で、図３４（ａ）は斜視図、図３４（ｂ）は側面図である。具体的には図４に示したエンコーダを用いたアクチュエータを示している。図中符号３４はコイルで３５はヨークであり、その他、図４及び図５に示す構成要素と同じ機能を有する構成要素には同一の符号を付してある。磁気回路３２，３３は、相対運動方向に垂直方向に積層された磁極を有する永久磁石３２と、この永久磁石３２上に設けられた連続した凹凸形状の歯型状ヨーク３３とからなっている。この磁気回路３２，３３のヨーク３３と接合されていない磁石表面の下方に配置されたヨーク３５の外周を囲むようにしてコイル３４が配置され、歯型状ヨーク３３に対応するように磁気センサ３１が取り付けられている。

つまり、本発明のエンコーダと、このエンコーダの永久磁石３２の着磁方向かつ永久磁石３２と対向するように設けられたヨーク３５と、このヨーク３５を囲むように設けられたコイル３４とを備え、コイル３４の中心線と相対運動方向とが平行である。
このような構成により、コイル３４に通電するとコイル内に生じた磁界と磁石３２が反発あるいは吸引し、磁石３２とヨーク３３が、もしくはコイル３４が移動する。コイル３４に連動して磁気センサ３１も移動する機構を備えれば、エンコーダとアクチュエータを兼ねることができる。通常、磁石の移動量を磁気センサ３１で検出し所定の位置あるいは速度になるようコイルに流す電流量と方向を制御してアクチュエータとして機能することになる。

図３５は、図３４に示したコイルの磁石直下部分のみのコイル要素を示す図である。コイル要素３６の近傍では、Ｚ軸正方向に磁場ベクトルが発生しており、その磁場中に電流がＹ軸負方向に流れているコイル要素３６を配置すると、コイル要素３６にローレンツ力が発生し、Ｘ軸負方向の推力が発生する。電流がＹ軸正方向に流れれば、ローレンツ力はＸ軸正方向に発生し、Ｘ軸正方向の推力が発生する。このように電流方向によってＸ軸に沿ったコイルの駆動が可能である。

このコイルの駆動に連動して磁気センサが動く機構を備えれば、ひとつの磁石でアクチュエータとエンコーダを兼ねる構成が可能である。アクチュエータとエンコーダを別々配置する従来の方法に比べ、より小型かつ安価に構成を組むことができる。また、図３５に示す構成の他に、図３６（ａ），（ｂ）のような構成も考えられる。
図３６（ａ），（ｂ）は、図３４に示した他のコイルの配置構成を示す図である。磁石１０１に図３６（ａ）に示すようにコイル対１０２を対向して設置し、コイル対１０２上に記載した矢印方向に電流を流すと、Ｘ軸方向へのローレンツ力が発生し、Ｘ軸方向への駆動が可能である。このコイル対と磁気センサ１０４が連動して駆動する、もしくは磁石とヨークが駆動する機構と備えれば、アクチュエータとエンコーダをひとつの磁石で兼ねた構成が可能である。

なお、本実施例６では、リニアアクチュエータについて説明したが、図３７に示すような円弧運動や円周運動にも適用できるのは言うまでもない。なお、図中符号１３２は永久磁石、１３３は梯子状ヨーク、１３４はコイル、１３５はヨークを示している。磁気回路は、永久磁石１３２と梯子状ヨーク１３３とで積層構成されて円筒状をなしている。コイル１３４は、ヨーク１３５の円弧に沿って周運動をするように矢印方向に移動可能となる。つまり、本発明のエンコーダと、このエンコーダの永久磁石１３２の着磁方向かつ永久磁石１３２と対向するように設けられたコイル１３４とを備え、このコイル１３４の中心線と永久磁石１３２の着磁方向とが平行である。

１ 永久磁石ユニット
２ 永久磁石
２ａ Ｎ極
２ｂ Ｓ極
３ ヨーク
４ ホール素子
１１，１５ 歯車
１２ 磁石
１３ 磁気センサ
１４ 回転軸
２５ 磁気回路
２６ ヨーク
２６ａ 突部
２６ｂ 基体部
２７ 永久磁石
３１ 磁気センサ（ホール素子）
３２ 永久磁石
３３ ヨーク
３３ａ 磁性基板部材
３３ｂ 凹凸形状部材
３３ｃ 側面板部材
３４ コイル
３５ コイル要素
３６ 対向ヨーク
４２ 永久磁石
４３ 棒状（棒）ヨーク
４４ 半球状（ダンゴ状）ヨーク
５１，６１，７１，８１ 磁気センサ
５２，６２，７２，８２ 円筒形永久磁石
５３，７３ 歯型状ヨーク
６３，８３ 梯子状ヨーク
１０２ コイル対
１０４ 磁気センサ
１３２ 永久磁石
１３３ 梯子状ヨーク
１３４ コイル
１３５ ヨーク

Claims (20)

1. 直線運動又は回転運動の相対運動をなす物体の一方に設けられた磁気センサと、該磁気センサと対面するように前記物体の他方に設けられた磁気回路とを備えたエンコーダにおいて、
   前記磁気回路が、前記相対運動方向に垂直方向に着磁された永久磁石と、該永久磁石上に設けられた連続した凹凸形状のヨークとからなることを特徴とするエンコーダ。
2. 前記永久磁石の着磁方向が、前記永久磁石と前記ヨークとの接面に対し垂直方向であることを特徴とする請求項１に記載のエンコーダ。
3. 前記磁気回路が、前記相対運動方向に平行かつ前記永久磁石の着磁方向を含む面で切断した面において、前記凹凸形状の凸部が左右対称の形状で、かつ前記凸部と前記着磁方向に垂直な直線との交点を結ぶ線分の長さが、前記凸部の底部から頂部に行くに従って段階的又は連続的に変化する領域を有することを特徴とする請求項１又は２に記載のエンコーダ。
4. 前記凸部と前記着磁方向に垂直な直線との交点を結ぶ線分の長さが、前記凸部の底部から頂部に行くに従って段階的又は連続的に減少する領域を有することを特徴とする請求項３に記載のエンコーダ。
5. 前記凹凸形状の凸部の底面の面積が、前記凸部の頂部の面積より大きいことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のエンコーダ
6. 前記凹凸形状が、テーパー形状を有することを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載のエンコーダ。
7. 前記ヨークが、歯型状ヨークであることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載のエンコーダ。
8. 前記歯型状ヨークが、磁性基板部材と、該磁性基板部材上に一体形成された連続した凹凸形状部材からなることを特徴とする請求項７に記載のエンコーダ。
9. 前記ヨークが、梯子状ヨークであることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載のエンコーダ。
10. 前記梯子状ヨークが、前記永久磁石上に設けられた連続した凹凸形状部材と、該凹凸形状部材と一体形成された側面板部材とからなることを特徴とする請求項９に記載のエンコーダ。
11. 前記ヨークが、直接、前記永久磁石上に設けられていることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれかに記載のエンコーダ。
12. 前記磁気回路が、径方向に着磁された円筒型永久磁石と、該円筒型永久磁石の側面上に設けられた連続した凹凸形状のヨークとを有することを特徴とする請求項１又は２に記載のエンコーダ。
13. 前記磁気回路が、円筒の長さ方向に着磁された円筒型永久磁石と、該円筒型永久磁石の底面上に設けられた連続した凹凸形状のヨークとを有することを特徴とする請求項１又は２に記載のエンコーダ。
14. 前記凹凸形状が、断面矩形、断面台形、断面逆台形、断面三角形、断面菱形、断面猪口型、断面半円型及びその組み合わせのいずれかを含むことを特徴とする請求項１乃至１３のいずれかに記載のエンコーダ。
15. 前記ヨークが、前記永久磁石に接合されていることを特徴とする請求項１乃至１４のいずれかに記載のエンコーダ。
16. 前記ヨークが、前記永久磁石に接着剤を介して接合されていることを特徴とする請求項１５に記載のエンコーダ。
17. 前記磁気センサが、ホール素子であることを特徴とする請求項１乃至１６のいずれかに記載のエンコーダ。
18. 請求項１乃至１７のいずれかに記載のエンコーダを用いたことを特徴とするアクチュエータ。
19. 請求項１乃至１７のいずれかに記載のエンコーダと、該エンコーダの前記永久磁石の着磁方向かつ前記永久磁石と対向するように設けられたヨークと、該ヨークを囲むように設けられたコイルとを備え、前記コイルの中心線と前記相対運動方向とが平行であることを特徴とするアクチュエータ。
20. 請求項１乃至１７のいずれかに記載のエンコーダと、該エンコーダの前記永久磁石の着磁方向かつ前記永久磁石と対向するように設けられたコイルとを備え、該コイルの中心線と前記永久磁石の着磁方向とが平行であることを特徴とするアクチュエータ。

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