JP4304869B2 - 磁気式エンコーダ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁気式エンコーダ、特に小形化に適した磁気式エンコーダに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、回転体の回転数や回転位置を検出するためのエンコーダには、検出原理により分類すると、光学式（光電式）、磁気式、静電式などがあり、主として光学式と磁気式が用いられている。
【０００３】
磁気式エンコーダとしては、周方向に多極着磁した磁気ドラムと磁気センサからなる磁気ドラム形（たとえば特開昭５４−１１８２５９号）や、ギヤもしくはスリットを有するディスクと磁気センサおよび永久磁石とからなるリラクタンス形の他に、特開２０００−６５５９６号公報に示されているように、回転軸に対して垂直な一方向に磁化された円板状の永久磁石からなる発磁体をそなえ、この発磁体に対して軸方向に対向する磁界検出素子をそなえた磁気式エンコーダや、特開平１１−２３７２５７号に記載されているように、前記と同様に一方向の磁界をそなえた発磁体の外周を囲む固定枠を設け、この固定枠の内周に、発磁体に対して径方向に対向させ、機械角で９０度位相がずれている１対の磁界検出素子を、互いに１８０度ずらせた位置に２対設けたものが用いられている。
【０００４】
図１３はその１例を示す斜視図で、２０は回転体たとえばモータ、２１はその回転軸、２２は回転軸２１に取り付けた円板状の永久磁石からなる発磁体で、回転軸２１に対して垂直な一方向に磁化した磁界Ｂ（矢印）を形成している。２３は図示していない取付手段で回転体２０のフレームなどに取り付けられた固定枠で、その内周に互いに９０度の位置で磁界検出素子２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄを取り付けている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかるに、磁気ドラム形のエンコーダは、高分解能化すると着磁方法や組立精度が面倒になり、磁気センサとして微細パターン化した磁気抵抗素子が必要になるため、高価で、小形化に適していなかった。
また、一方向に磁化された永久磁石円板の軸方向に対向させ、あるいは周囲に空隙を介して径方向に磁界検出素子を取り付けるものでは、発磁体と磁界検出素子との位置がずれて磁界検出素子が磁界の湾曲する部分に設置されると、出力信号の波形に乱れを生じやすく、たとえば、図１４に示すように、発磁体２２と固定枠２３の位置が偏心すると、各磁界検出素子と磁界とのずれにより検出信号にみだれを生じる。このため磁界検出素子と発磁体との関係位置を正確に保持させる必要があり、製作が面倒であった。
【０００６】
本発明は、上述の欠点を無くし、磁界検出素子を常に磁界の平行な範囲内に設置させることができ、発磁体に対する磁界検出素子の取り付けを容易にし、小形化が可能な磁気エンコーダを提供する。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
このため、発磁体を筒状に形成し、その空隙内に、中心軸に対して垂直方向に均等な一方向の磁界を発生させ、この発磁体の前記空隙内に所定の角位相差で複数個の磁界検出素子を配置し、前記発磁体と磁界検出素子とを相対的に回転させるようにしている。
前記発磁体は、筒状の永久磁石で形成させることができ、全体に一方向の磁界を発生させるように着磁させる。
また、発磁体の空隙内に生じる磁界強度を向上させるため、発磁体の外周に磁路を構成する筒状の軟磁性体を、発磁体に接着させ、あるいは小間隙を介して配置することができる。
【０００８】
なお、発磁体の周方向位置の磁化方向を徐々に変化させて、中央の空隙内に一方向の磁界を形成させるようにしてもよい。
周方向位置の磁化方向を徐々に変化させるために、磁化方向が異なる複数の台形の永久磁石ブロックを順次に磁化方向をずらせて周方向に組み合わせて筒状にし、または、ゴム磁石を用いて一方向に着磁した筒状体の１カ所を切り離し、内周面が外側になるように反転させて筒状に戻すことにより、磁化方向が徐々に変化する発磁体を形成させることができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
これを図に示す実施例について詳述する。
図１および図２において、１は回転軸、２は筒状の発磁体で、中心軸心に対して垂直方向に均等な一方向の磁界Ｂを発生するように着磁させた永久磁石（矢印は磁化方向を示す）、３はこの発磁体２を取り付けた支持板で、回転軸１に固着させている。４は前記発磁体２の筒状内側の空隙、５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄは磁界検出素子で、前記空隙４内に相互に９０度の位相差で配置されている。６は磁界検出素子の取付座、７は取付座６の支持板である。なお、磁界検出素子への給電回路や出力信号の配線および信号処理回路などは省略している。
【００１０】
磁界Ｂは発磁体２を２極着磁して、軸心に対して垂直方向に均等な一方向に設けられており、空隙４内では全域で均一な平行磁界を形成している。このため、磁界検出素子５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄが空隙４内の中心から外れて偏心しても１回転で各磁界検出素子に１周期の全く等しい波形の良質な正弦波出力信号を得ることができ、発磁体２との関係位置を正確に保持させる必要がなく、高い組立精度を必要としないので製作が容易になる。
【００１１】
図３および図４は他の実施例で。図１および図２と同じ部分に同一の符号を付しており、図２に示した実施例における発磁体２の外周に、環状に打ち抜いたケイ素鋼板を発磁体２の軸方向長さに応じて積層した筒状の磁性体１０を設けて磁気回路を形成している。
図１および図２の実施例では、磁束φが発磁体２の外側空間を通るため磁気抵抗が大きく、空隙４内の磁界強度が小さくなっているが、発磁体２の外周に磁性体１０を設けて磁気回路を形成させ、磁束φの磁気抵抗を小さくし、空隙４内の磁界強度を大きくしている。
【００１２】
なお、発磁体２を構成する永久磁石は、希土類系焼結磁石、フェライト系焼結磁石、希土類系ボンド磁石、フェライト系ボンド磁石、アルニコ磁石、フェライトゴム磁石などを用いることができる。
また、磁性体１０は、ケイ素鋼鉄を発磁体２の周方向に巻回してもよく、純鉄や軟鋼あるいはアモルファス合金などで筒状に形成したものでもよい。また、発磁体２に密着させて一体に取り付け、あるいは僅かな空隙を介して、たとえば図５の実施例に示すようにの支持板７に取り付けて配置させることもできる。
【００１３】
図６は、発磁体２の異なる例を示すもので、筒状磁性体の左右両側の磁化方向を、対称的にそれぞれ周方向位置で順次に（図ではそれぞれ８カ所の磁化方向を示している）徐々に変化させて、中央の空隙４内に一方向の磁界Ｂを形成させた永久磁石で構成されている。
【００１４】
また、図７は別の構成の発磁体で、それぞれに磁化方向が異なる台形の永久磁石ブロック８を８個そなえ、平行な辺に対して磁化方向が垂直になるブロックから、両側に順次磁化方向を９０度ずらせたブロックを隣り合わせるように周方向に組み合わせて接合させ、中央の空隙４内に一方向の磁界Ｂを形成させるようにしている。
なお、永久磁石ブロックの数は８個に限られるものではなく、このような磁石の構成は特開平９−９０００９号に示されているものと同様である。
【００１５】
図８は、さらに別の発磁体２とその製作工程を示すもので、まず、図８（ａ）に示すように、所要の筒状に形成したゴム磁石の全体を径方向に２極着磁して発磁体２を形成する。このゴム磁石からなる発磁体２は、そのままで図２などと同様に用いることができるが、任意の１カ所を切断部９で半径方向に切り離し、この切断部９により図８（ｂ）のように離開させると、内側が引き延ばされ外側が圧縮されるため、切断部９に対する磁化方向の関係が順次に変化する。さらに両端を矢印９ａの方向に図８（ｃ）で示すように開き、続けて矢印９ｂの方向に内周面が外周になるように反転させて湾曲させ、図８（ｄ）の状態を経てさらに矢印９ｃ方向に曲げ、両端の切断部９を接合させて図８（ｅ）に示すように、筒状に戻すと周方向位置の磁化方向が徐々に変化して中央の空隙４に一方向の磁界Ｂをそなえた発磁体２を形成させる。
なお、切断部９は半径方向でなく、斜め方向に切断してもよい。
【００１６】
【実施例】
（実施例１）
外径４０ｍｍ、内径２０ｍｍ、軸方向長さ１０ｍｍに形成した筒状のＮｄ−Ｆｅ−Ｂ系ボンド磁石（Ｂｒ＝７.３ｋＧ、（ＢＨ）ｍａｘ＝１１ＭＧＯｅ） からなる永久磁石に径方向に２極の着磁を行い、中心軸に対して垂直方向に均等な一方向の磁界を発生させた発磁体２を作成し、その外周に外径６０ｍｍ、内径４０ｍｍのケイ素鋼板を積層した磁性体１０を設けて磁気回路を構成させ、空隙４内の磁界を測定したところ、０.２５Ｔ の均一な磁界強度が確認された。
この空隙４内に図４のように磁界検出素子５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ（ホール素子）を配置し、発磁体２を磁性体１０とともに回転させ、回転角による磁界の変化を検出した結果、図９に示すように、極めて良質な正弦波信号を得ることができた。
【００１７】
（実施例２）
外径４０ｍｍ、内径２０ｍｍ、軸方向長さ１０ｍｍのＮｄ−Ｆｅ−Ｂ系焼結磁石（Ｂｒ＝１１.９ｋＧ、（ＢＨ）ｍａｘ＝３５ＭＧＯｅ） を用いて実施例１と同様に実験した結果、空隙内の磁界強度は０.４４Ｔ で、磁界の変化も同様に極めて良質な正弦波信号を得られた。
【００１８】
（実施例３）
外径４２ｍｍ、内径１０ｍｍ、軸方向長さ１０ｍｍの筒状にしたフェライトゴム磁石（Ｂｒ＝１.５ｋＧ、（ＢＨ）ｍａｘ＝０.５ＭＧＯｅ）に径方向に２極着磁を行って発磁体２を形成し、その外周に外径１３ｍｍ、内径１２ｍｍのリング状純鉄を配置して空隙内の磁界を測定したところ、０.０２０Ｔ の磁界強度が得られ、空隙４内に磁気抵抗素子（ＭＲ素子）を配置して磁界の変化を検出した結果、良好な正弦波信号が得られた。
【００１９】
（実施例４）
台形に形成したＮｄ−Ｆｅ−Ｂ系焼結磁石（Ｂｒ＝１１.７ｋＧ、ｉＨｃ＝２２ｋＯｅ、（ＢＨ）ｍａｘ＝３２ＭＧＯｅ）からなる永久磁石ブロック８個を、図７に示すように構成して、外径７２ｍｍ、内径２４ｍｍ、長さ７２ｍｍの筒状の発磁体２を作成した。
この筒状発磁体の空隙内には、１.１Ｔ の磁界が発生し、直径１５ｍｍ内ではばらつきが０.１％ 以下の均一な磁界Ｂを形成しており、空隙４内にガウスメータの検出プローブ（ホール素子）を配置し、発磁体２を回転させて回転角による磁界の変化を検出した結果、極めて良質な正弦波信号を得ることができた。
【００２０】
（実施例５）
幅１０ｍｍ、厚さ１ｍｍ、長さ３５ｍｍのフェライトゴム磁石（Ｂｒ＝１.５ｋｇ、ｉＨｅ＝２.４ｋＧｅ、（ＢＨ）ｍａｘ＝０.５ＭＧＯｅ）を使用して外径１２ｍｍ、内径１０ｍｍの筒状に形成し、図８の方法により、着磁後に反転させた発磁体２を作成した。この発磁体２の空隙４内に発生する磁界Ｂを測定したところ、０.０２４Ｔ の値が得られ、均一性は実施例４の場合と同様であった。
この発磁体２を用いて、空隙４内にホール素子を用いたガウスメータを磁界検出素子として用い、回転角度による検出信号を測定した結果の特性図を図１０に示している。この特性図から明らかなように、磁界検出素子が偏心しても極めて良質な正弦波信号が得られており、さらに大きく偏心しても正弦波信号の振幅強度や波形などはほとんど変化がなく、高い組立精度を必要としないことが明らかである。
【００２１】
なお、比較するため、図１１に示すように、同じ材質のフェライトゴム磁石をリング状にして外周面に多極着磁を施した磁気ドラム２５と、その外周面に対向する磁気センサ２６を設けたエンコーダを作成した。このエンコーダで試験を行った結果、回転角度と検出信号との特性図は、図１２に示すように磁界検出素子の僅かな偏心で検出信号のゆらぎを生じている。
【００２２】
（実施例６）
実施例５における発磁体と、磁界検出素子としてＭＲ素子を採用し、てい倍回路を含む演算処理回路をそなえた２０４８Ｐ／Ｒのインクリメンタル磁気式エンコーダを構成した結果、外径１５ｍｍ、長さ２５ｍｍの小形にすることができ、図１１のように外周に多極着磁した磁気ドラムとその外側に磁気抵抗効果素子を配置した磁気ドラム式エンコーダの約半分の大きさにすることができ、組立精度の偏心の影響も実施例５と同様に良好な結果を得ることができた。
【００２３】
【発明の効果】
このように本発明は、発磁体を筒状に形成し、その中心軸に対して垂直方向に均等な一方向の磁界を発生させ、前記発磁体内側の空隙内に所定の角位相差で複数個の磁界検出素子を配置しているので、磁界検出素子を空隙内の中央に正確に配置する必要がなく、高い組立精度を必要とせず製作が容易になり、磁界検出素子が発磁体の内側に収納され、小形に構成することができ、回転部分の慣性を小さくできるなどの効果が得られる。
【００２４】
なお、発磁体の外周を囲む軟磁性体をそなえて磁気回路を形成することによって、発磁体の空隙内における磁界強度を大きくし、検出精度を向上させることができる。
また、発磁体の磁化方向を周方向位置で徐々に変化させ、中央の空隙に一方向の磁界を形成する筒状体にして用いることにより、空隙内の磁界を強め方向性を良好に保持させることができる。
また、一方向に着磁した筒状のゴム磁石を反転させることにより、磁化方向が徐々に変化する発磁体を簡易に得られる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例の要部を示す側断面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ線に沿う断面図である。
【図３】別の実施例の要部を示す側断面図である。
【図４】図３の中央部断面図である。
【図５】他の実施例の要部を示す側断面図である。
【図６】発磁体の異なる例を示す正面図である。
【図７】別の発磁体の例を示す正面図である。
【図８】さらに別の発磁体とその製作過程を示す説明図である。
【図９】本発明によるエンコーダの例における出力信号の特性曲線図である。
【図１０】他の実施例における出力信号の特性曲線図である。
【図１１】磁気ドラム形の例を簡略に示す斜視図である。
【図１２】図１１の例における偏心した場合の出力信号の特性曲線図である。
【図１３】従来の例を示す斜視図である。
【図１４】従来の例における偏心した状態を示す説明図である。
【符号の説明】
１ 回転軸
２ 発磁体
３ 支持板
４ 空隙
５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ 磁界検出素子
６ 取付座
８ 永久磁石ブロック
９ 切断部
１０ 磁性体

Claims (5)

1. 中心軸に対して垂直方向に均等な一方向の磁界を発生する筒状の発磁体による磁界内に所定の角位相差で複数の磁界検出素子を配置し、前記発磁体と前記磁界検出素子との相対的な回転による前記磁界検出素子からの出力信号を処理する磁気式エンコーダにおいて、
   前記発磁体の外周に、磁気回路を形成する筒状の磁性体を備え、前記磁性体は前記発磁体と僅かな空隙を介して前記磁界検出素子を固定する支持板に固定されていることを特徴とする磁気式エンコーダ。
2. 前記発磁体が、筒状の永久磁石からなり、一方向に着磁されている請求項１に記載した磁気式エンコーダ。
3. 中心軸に対して垂直方向に均等な一方向の磁界を発生する筒状の発磁体による磁界内に所定の角位相差で複数の磁界検出素子を配置し、前記発磁体と前記磁界検出素子との相対的な回転による前記磁界検出素子からの出力信号を処理する磁気式エンコーダにおいて、
   前記発磁体が、筒状の永久磁石からなり、周方向位置の磁化方向が徐々に変化していることを特徴とする磁気式エンコーダ。
4. 前記発磁体が、台形にした複数の永久磁石ブロックを、短辺を内側にし、磁化方向を順次に異ならせて筒状に組み合わせたものである請求項３に記載した磁気式エンコーダ。
5. 前記発磁体が、筒状のゴム磁石を一方向の磁界を発生するように着磁した後、１カ所を切り離して内周面が外側になるように反転させて筒状に戻したものである請求項３に記載した磁気式エンコーダ。

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