JP2960570B2

JP2960570B2 - 磁気式エンコーダ

Info

Publication number: JP2960570B2
Application number: JP11705291A
Authority: JP
Inventors: 俊昭吉田; 昌久伊藤; 武信佐藤; 松男日野
Original assignee: NIPPON OOTOMEESHON KK; Tohoku Tokushuko KK
Current assignee: NIPPON OOTOMEESHON KK; Tohoku Tokushuko KK
Priority date: 1991-02-27
Filing date: 1991-02-27
Publication date: 1999-10-06
Anticipated expiration: 2014-10-06
Also published as: JPH05172504A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、磁気式エンコーダ及び
その製法に関し、特に、油空圧シリンダのピストンロッ
ド、ケーブルシリンダのケーブル及びスライドテーブル
シリンダのテーブル等の直線変位量の検出機能を有し往
復動作を行うシリンダ用の磁気式リニアエンコーダ及び
ＤＣモータの回転センサ、角度センサ等の磁気式ロータ
リーエンコーダ並びにその製法に関する。また、本発明
は、直線方向に往復動作を行うロッドを備えるシリンダ
に関し、特に、可撓性又は屈曲性或は剛性を有するロッ
ドを備えると共に、該ロッドの直線変位量の検出機能を
備える油空圧シリンダに関する。本発明は、特に、産業
用ロボットにおいて、例えばピストンロッド等の直線変
位量を検出すると共に、その制御を行う機械機器の分野
に利用される。

【０００２】

【従来の技術】自動化、省力化の発達に伴って、特に産
業用ロボットにおいて、位置制御機能を付加した油空圧
シリンダが、多方面に使用されている。このような、油
空圧シリンダの位置制御における位置検出方法として
は、磁界を検出する方式が最も安価であるため、各種の
磁気式検出方法が使用されている。これらの磁気式検出
方法によるロッドの位置は、例えば、ロッドの長手方向
に磁気スケールを形成しておき、ロッドの移動を、この
磁気スケールから磁気センサにより読み取って検出して
いる。

【０００３】このようなロッドへの磁気スケールは、例
えば、磁性材料製のロッドの場合には、長手方向に一定
のピッチで溝を少なくとも一列に彫り、その溝を非磁性
材料で埋め、硬質クロームメッキを施して形成してお
り、また、非磁性材料製のロッドの場合には、長手方向
に溝を少なくとも一列に彫り、その溝に沿って所定の間
隔で着磁した磁石を固定して形成している。また、多極
着磁した円柱状の磁石をロッドに直結して、シリンダ内
に収納して、例えば、ピストンロッドに磁気スケールり
を設けるなどしている。

【０００４】他方、磁気センサは、コイルを用いた方
式、ホール素子を用いた方式、半導体磁気抵抗素子を用
いた方式、強磁性体磁気抵抗素子（以下、ＭＲ素子と呼
ぶ）を用いた方式、バイアス磁石型のＭＲ素子を用いた
方式等の方式があるが、弱磁界領域における磁界に対す
る出力電圧の変化が大きく、小さい着磁ピッチの検出が
可能であるところから、ＭＲ素子を用いて変位量の検出
が行われている。

【０００５】

【発明が解決しようとする問題点】しかし、例えば、従
来のピストンロッドにおけるピストンロッドの位置の検
出を、バイアス磁石外付き型のＭＲ素子により行う場合
には、ＭＲ素子基板に対してパターンが形成されている
位置が分からないままに、バイアス磁界を付加している
ために、パターンに対して、正確に４５°の方向に印加
することは困難であった。しかも、ＭＲ素子は温度依存
性が大きいために、バイアス磁界とパターンが形成する
角が４５°からずれた分だけＭＲ素子の温度が上昇した
場合、感度が低下する（例えば−０．２〜０．３％／
℃）と共に、出力電圧の温度変化が生じ、更に、同一の
磁界の強さでＮ極及びＳ極の出力の差が生じるなど、問
題とされている。

【０００６】また、ロッドについては、溝を形成するの
に機械による加工が不可欠で割高であり、しかも、一列
の溝では、ロッドの回転等により検出不能となるため
に、回り止め加工が必要となり、また、複数の溝を形成
するには更に割高となって生産性が低下し問題である。
本発明は、以上のような従来のシリンダのピストンロッ
ド等についての磁気式位置検出における、装置の価格及
び位置制御の精度に係る問題点を解決することを目的と
している。

【０００７】

【問題点を解決するための手段】本発明は、高精度の位
置制御を比較的安価に行うことができる磁気式エンコー
ダを提供することを目的としている。即ち、本発明は、
磁気スケール部材の表面に近接して磁気抵抗素子が設け
られている磁気式リニアエンコーダにおいて、磁気スケ
ール部材の表面の一部または全部に、該磁気スケール部
材の移動方向に一定のピッチで磁化されている高保磁力
の合金メッキ被膜が形成されていることを特徴とする磁
気式エンコーダにあり、また、本発明は、磁気スケール
部材の表面に近接して磁気抵抗素子が設けられている磁
気式エンコーダの製造方法において、磁気スケール部材
の表面の一部または全部に、高保磁力の合金メッキ被膜
をめっき法により形成し、前記合金メッキ皮膜を、前記
磁気スケール部材の移動方向に、一定のピッチで磁化さ
せることを特徴とする磁気式エンコーダの製造方法にあ
る。

【０００８】本発明において、高保磁力の磁性皮膜は、
コバルト（Ｃｏ）７５乃至８７重量％、ニッケル（Ｎ
ｉ）８．５乃至２２重量％、燐（Ｐ）２．５乃至４．５
重量％よりなる組成を有する硬磁性合金メッキ被膜であ
り、先に本発明者等が発明した６００エールステッド以
上の高保磁力を有し、ピストンロッド等の位置制御のた
めの磁気的信号を記録することができる。本発明におけ
る磁性皮膜は、６００エールステッド以上の保磁力を有
するが、コバルトの含有量が７５重量％未満では保磁力
は急激に低下し、またコバルトの含有量が８６重量％を
越すと６００エールステッド以上の保磁力を達成するこ
とができない。またニッケルが８．５乃至２２重量の範
囲外では、６００エールステッド以上の高い保磁力を得
ることはできず、また燐が２．５乃至４．５重量％の範
囲外であるときは、保磁力は６００エールステッド以下
となるので、この狭い範囲に制御する必要がある。

【０００９】本発明において、高保磁力の合金磁性皮膜
は、ロッドにメツキを施すことによってロツド表面に容
易にかつ簡単に形成されるので、ロッドの全面はもとよ
り、ロツドの表面に複数本の列に磁性皮膜を容易に形成
することができる。本発明における磁性層の保磁力は、
本発明の範囲内であれば組成を変えることによって６０
０乃至１０００エールステッドの範囲内で制御可能であ
り、また従来のめっき膜の様に膜厚によって保磁力は変
化しないので、用途に応じて保磁力の大きさ、膜厚を自
由に選択することができる。

【００１０】本発明において、基材に下地処理を施すこ
とにより、どのような材質も基材としてメツキをするこ
とが可能であるので、とくに基材の材質に制約されるこ
とはない。しかし、軸に水平に着磁する場合には非磁性
材料が適しており、また着磁ピッチを狭くするために垂
直に着磁する場合には強磁性の基材にするかまたは基材
が非磁性の場合には強磁性の下地層を設ける事が望まし
い。また、保護膜として硬質クロームめっきまたは非磁
性のＮｉＰめっきを施すことが望ましい。

【００１１】また、本発明において、バイアス磁石一体
型ＭＲ素子は、硬磁性材料からなる基板（例えば硬磁性
フェライト基板）と薄膜形成（蒸着等の手段による）に
適した基板（例えばガラス基板等）をあらかじめ貼り合
わせおき、この貼り合わせた基板（以下複合基板とい
う）を使用して薄膜形成からパターン形成を行い、後に
必要な着磁を行って、ＭＲ素子としたものであり、この
バイアス磁石一体型ＭＲ素子は、検出しようとする磁界
の大きさをリニアに検出する素子であり、バイアス磁界
が１５０エールステッドまでの間では、本発明のＭＲ素
子はその出力がリニアな正弦波形となるので、ロツドの
着磁ピッチλに対して正確な位置の検出を行うことがで
きる。本発明において、磁気センサは、ＭＲ素子の出力
信号を十分大きくすることができるように、磁気的信号
を直接ＭＲ素子で読み取る方式とされ、バイアス磁石一
体型ＭＲ素子とされる。

【００１２】バイアス磁石一体型ＭＲ素子は、保持部材
に支持して設けることができる。この場合、磁気スケー
ル部材の磁性メッキ皮膜に近接する位置、例えば、磁気
スケール部材の着磁ピッチλの１／４の位置に固定され
るのが好ましい。したがって、バイアス磁石一体型ＭＲ
素子保持部材のバイアス磁石一体型ＭＲ素子の保持面
は、磁気スケール部材の表面に合わせて、平面状、円弧
状、円環状、又は曲面状等適宜の形状に形成することが
できる。例えば、磁気スケール部材が、平板状の部材で
ある場合には、バイアス磁石一体型ＭＲ素子保持部材の
保持面は、該部材の平面に対応して平面状に形成するこ
とができる。また、磁気スケール部材が、例えばピスト
ンロッド等の密実又は中空の円筒状部材である場合又は
例えばロータリーエンコーダのように回転する部材であ
る場合には、バイアス磁石一体型ＭＲ素子保持部材の保
持面は、該円筒状部材のメッキ面の一部に対応する位置
に平面状に、又は該円筒状部材又は回転する部材と同心
の環状に、或いはこれら部材の円筒等の形状に対応し
て、適宜の湾曲形状に形成することができる。

【００１３】

【作用】本発明は、磁気スケール部材の表面の一部また
は全面に、該磁気スケール部材の移動方向に一定のピッ
チで磁化されている高保磁力の合金メッキ被膜を形成さ
せたので、磁気スケール部材表面に形成された磁性合金
皮膜は、高保磁力を有しており、該被膜に記録された磁
気的信号を、該合金被膜から外部へ漏洩する磁束とし
て、バイアス磁石一体型ＭＲ素子によって容易に検出可
能であり、したがって、磁気センサ部を小型軽量化する
ことができる。

【００１４】しかも、本発明においては、メッキ処理を
施すことにより、希望する高保磁力の磁気合金皮膜を、
適宜ロツドの上にしかも容易に形成できるので、従来ロ
ッドに比較して、機械加工や非磁性材料の埋め込みある
いは多極着磁した円柱状磁石の付加など、割高な作業が
不要となる。また、本発明においては、メッキ処理によ
り、磁性合金被膜がロッドに、ほぼ均一に形成できるた
め、位置制御のための磁気的信号をロッド全周に記録す
ることができ、ロッドの回り止めは不要となる。

【００１５】本発明において、磁気センサは、バイアス
磁石一体型であるために、磁気抵抗素子パターンとバイ
アス磁石の角度を、例えば４５°にきわめて近くするこ
とができ、温度変化に伴う出力電圧の変化がきわめて小
さくなって、高精度高安定な信号処理が可能となる。こ
のように、本発明においては、磁気的信号を直接ＭＲ素
子で読み取る方式であるので素子の出力信号を十分大き
くすることができる。

【００１６】

【実施例】以下に本発明の実施の態様を例示し説明する
が、本発明は、以下の例示及び説明により、何等制限さ
れるものではない。図１は、本発明の一実施例のシリン
ダについての概略の斜視図であり、シリンダロッドに着
磁を施した事例をを示す。図２は、図１に示される事例
に使用される３端子型のバイアス磁石一体型ＭＲ素子の
概略の斜視図であり、図３は、図１の事例における着磁
を施したシリンダロッドとバイアス磁石一体型ＭＲ素子
の配置を示す正面図である。図４は図１に示される事例
における位置検出信号の様子を示してある。図５バイア
ス磁石一体型ＭＲ素子と抵抗で組んだブリッジ回路であ
る。図６は出力特性例である。

【００１７】図１の例において、ロッド１は、直径６ｍ
ｍのＳＵＳ３０４の丸棒に下地処理をした後、重量比で
Ｃｏ８６．５％、Ｎｉ９．５％、Ｐ４．０％よりなる保
磁力８５０（Ｏｅ）のメッキ被膜２を施されており、メ
ツキ皮膜は、軸方向に磁極が交互に現れるように円周上
に着磁してある。さらにこの着磁膜を保護するために、
その外側に硬質クロームメッキの保護膜が形成されてい
る。着磁ピッチλ（Ｎ極−Ｎ極）は任意にできるが、こ
こでは４ｍｍ一定としてある。この着磁ロッドはピスト
ンシリンダ３に組み込まれている。

【００１８】図２の例において、着磁ロッドに記録され
ている磁気信号を検出するためのバイアス磁石一体型Ｍ
Ｒ素子１４は保持部材３７中に埋設されている。バイア
ス磁石一体型ＭＲ素子１４の基板は、硬質磁性材料１３
とガラス１２よりなる複合材料で、そのガラス表面に異
方性磁気抵抗効果を有するＮｉ−Ｆｅ−Ｃｏ系の材料を
真空蒸着により形成されている。本例において、硬磁性
材料１３は、着磁されており、パターン部５、６、１０
及び１１にはバイアス磁界が印加されている。パターン
部は、電源端子７、８、出力端子４、９、及び、磁界検
出パターン部は、５、６、１０、１１からなっている。
パターン部は該強磁性薄膜をエッチングして作られて
る。磁界検出パターン５、６及び１０、１１は、互いに
ほぼ直交し、バイアス磁界に対し、パターン５、１０は
−π／４の角度になるよう配置されている。パターン
５、６及び１０、１１からなる２組の磁界検出パターン
は、（１／４＋ｎ）λ（ｎは整数）の距離だけ離して配
置してあり、着磁ロッドの変位量とともに移動方向が検
出できるようにしてある。変位量は、着磁ロッドの着磁
信号に対応する出力信号をカウント回路でカウントする
ことによって得られ、移動方向は、２組のパターンから
の出力信号の位相の違いから位相判別回路を用いること
によって得られる。

【００１９】図１及び図３に、着磁ロッド１とバイアス
磁石一体型ＭＲ素子１４の位置関係を示す。バイアス磁
石一体型ＭＲ素子１４の２組の磁界検出パターン５、６
及び１０、１１は、着磁ロッド１の軸方向と平行になる
ように配置してある。バイアス磁石一体型ＭＲ素子１４
と着磁ロッド１のクリアランスは、着磁ピッチλの半分
以下とした。

【００２０】図４に、実施例における着磁ロッドの変位
の検出信号の様子を示す。図４の縦軸はバイアス磁石一
体型強磁性体磁気抵抗素子の出力、横軸は着磁ロッドの
変位量を表す。図４からわかるように、素子の出力は４
ｍｍ周期で変動し、着磁ピッチと一致する。従って、こ
の出力の周期の数をカウントすることで素子を通過した
着磁ピッチの数が分かり、着磁ロッドの変位量が検出で
きる。

【００２１】今、図５に示すように、上述したバイアス
磁石一体型ＭＲ素子１４の１５、１６で構成された一組
のパターンと抵抗１７、１８からなるブリッジ回路を形
成し、直流電圧Ｖ_０を印加す。信号磁界Ｈ_ｓがバイアス
磁界Ｈ_Ｂに対し、ほぼ面内直角方向から印加されている
とすると、合成磁界Ｈ_ｃｏｍは、Ｈ_ｃｏｍ＝（Ｈ_Ｂ ^２＋Ｈ_ｓ ^２）^１／２であり、信号磁界Ｈｓがバイアス磁界Ｈ_Ｂに対してなす
角度θは、 θ＝ｔａｎ^−１（Ｈ_ｓ／Ｈ_Ｂ）と表される。例えば、バイアス磁界Ｈ_Ｂは、１５０（Ｏ
ｅ）以上の飽和磁場を与えてある。この時の電圧変化Δ
Ｖは、周知のように、 ΔＶ＝ＫＶ_ｏｃｏｓ２（θ−π／４）と表される。ここで、Ｋは材料等によって決まる定数で
あり、−π／４は合成磁界Ｈ_ｃｏｍとパターンとのなす
角である。

【００２２】ところで、信号磁界Ｈ_ｓは、着磁媒体から
の磁界である。ＭＲ素子は、面内磁場方向に感度を持
ち、図１及び図３のような着磁媒体との配置関係になっ
ているので、ＭＲ素子が検出する磁界は、媒体軸方向と
平行な成分に限られる。したがって、一般に多極着磁し
た場合の信号磁界Ｈ_ｓは、Ｈ_ｓ＝Ｈｓｉｎ（２πｘ／λ）とおける。Ｈは、着磁媒体の残留磁束密度、厚み、曲
率、着磁媒体とＭＲ素子パターンとの距離によって決ま
る磁界の大きさ（定数）である。

【００２３】ｙ＝ｃｏｓ２｛ｔａｎ^−１｛（Ｈ／Ｈ_Ｂ）ｓｉｎ（２πｘ／λ）｝−π／４｝で示される波形を図６に示す。この波形より、信号磁界
Ｈｓはバイアス磁界Ｈ_Ｂより小さいほど正弦波波形に近
似するので内挿回路を用いて高分解能化を図ることがで
きる。

【００２４】ＭＲ素子の出力電圧を大きくする方法に
は、前記ＭＲ素子の磁気抵抗変化率を大きくする以外
に、信号源となる磁性メッキを施したピストンロッドの
着磁を強くすることが考えられるが、シリンダの使用環
境には、磁性粉の存在も十分あり得るのでむやみに着磁
強度を上げることは避けなければならない。また、周知
のように、ＭＲ素子の３端子構造をブリッジ構造にする
ことによって出力電圧を大きくする方法もあり、ブリッ
ジ構造は、（１／２＋ｎ）λの距離を隔てた２組のパタ
ーンで構成される。本例においては、バイアス磁石一体
型ＭＲ素子保持部材３７のバイアス磁石一体型ＭＲ素子
保持面は平坦に形成されているが、もとより、ピストン
ロッドの面に沿うように湾曲して形成することもでき、
また、環状に形成することもできる。

【００２５】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
は、磁気スケール部材の表面の一部または全面に、該磁
気スケール部材の移動方向に一定のピッチで磁化されて
いる高保磁力の合金メッキ被膜を形成させたので、例え
ば、従来のピストンロッド等の磁気スケール部材と比較
して、回り止め加工を必要とすることなく、高精度の位
置制御が可能であり、取扱の容易な磁気式リニアエンコ
ーダ等のエンコーダを安価に製造することが可能とな
る。したがって、本発明は、従来のエンコーダと対比し
て、高精度の位置制御が高度の機械加工を要することな
く可能となり、また、その分、コストが廉価なものとな
る。

【００２６】また、本発明のエンコーダにおいては、磁
気的信号を付与するための磁気スケールの形成が、メッ
キを施すことにより簡単に得られるので、従来のエンコ
ーダでは困難とされていた、ほぼ均一な磁気スケールを
磁気スケール部材の全面に形成することが容易となり、
したがって、位置制御のための磁気的信号を、磁気スケ
ール部材の全面、例えばロッド全周に記録することがで
きることとなり、磁気センサを適宜の箇所に配置するこ
とが可能とすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例におけるシリンダについての
概略の斜視図であり、シリンダロッドに着磁を施した状
態を示す。

【図２】第１図に示される実施例のバイアス磁石一体型
ＭＲ素子３端子タイプの斜視図である。

【図３】着磁を施したシリンダロッドとバイアス磁石一
体型ＭＲ素子の配置関係を示す正面図である。

【図４】第１図に示される実施例における位置検出信号
の様子を示す図である。

【図５】バイアス磁石一体型ＭＲ素子と抵抗で組んだブ
リッジ回路を示す回路図である。

【図６】バイアス磁石一体型ＭＲ素子の出力特性例を示
す図である。

【符号の説明】

１シリンダロッド２Ｃｏ、Ｎｉ、Ｐ系のメッキ部分３シリンダ本体１４及び３６バイアス磁石一体型ＭＲ素子４、９、２１、２５、２８及び３３バイアス磁石一体
型ＭＲ素子の出力端子５、６、１０、１１、１９、２０、２３、２４、２６、
２７、３１及び３２バイアス磁石一体型ＭＲ素子の磁界
検出パターン７、８、２１、２２、２９及び３０バイアス磁石一体
型ＭＲ素子の印加電圧用端子１２、３４ガラス基板１３、３５バイアス磁石３７バイアス磁石一体型ＭＲ素子保持部材

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者日野松男宮城県柴田郡大河原町大谷字下川原30− ４ (56)参考文献特開昭59−164406（ＪＰ，Ａ) 特開昭60−209101（ＪＰ，Ａ) 実開平１−160317（ＪＰ，Ｕ) 実開平２−128519（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G01B 7/00 - 7/34

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】磁気スケール部材の表面に近接して磁気
抵抗素子が設けられている磁気式リニアエンコーダにお
いて、磁気スケール部材の表面の一部または全部に、該
磁気スケール部材の移動方向に一定のピッチで磁化され
ている高保磁力の合金メッキ被膜が形成されていること
を特徴とする磁気式エンコーダ。
【請求項２】高保磁力の合金メッキ皮膜が、コバルト
７５乃至８７重量％、ニッケル８．５乃至２２重量％、
燐２．５％乃至４．５重量％よりなる組成を有する合金
皮膜であることを特徴とする請求項１に記載の磁気式エ
ンコーダ。
【請求項３】磁気スケール部材が直線方向に往復動作
を行うロッドであることを特徴とする請求項１に記載の
磁気式エンコーダ。
【請求項４】磁気スケール部材の表面に近接して磁気
抵抗素子が設けられている磁気式エンコーダの製造方法
において、磁気スケール部材の表面の一部または全部
に、高保磁力の合金メッキ被膜をめっき法により形成
し、前記合金メッキ皮膜を、前記磁気スケール部材の移
動方向に、一定のピッチで磁化させることを特徴とする
磁気式エンコーダの製造方法。