JP2001059745A - 磁気式エンコーダ用着磁基板 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 面倒で非効率的な多極着磁を行う必要がな
く、磁気検出素子との相対的移動の予定された軌跡から
の位置ズレを検知する信号を自ら発することができる磁
気式エンコーダ用着磁基板を提供する。 【解決手段】 着磁基板１がその表裏面方向に単極着磁
された複数の磁性部材２を備え、磁性部材２は磁気検出
素子との対向面積が両者の相対的移動方向に対してほぼ
直角方向に規則的に増加又は減少するように、例えば三
角形の形状を有している。磁気検出素子による変位検出
の出力信号と共に、その出力信号のデューティ比の変化
から磁性部材２と磁気検出素子の位置ズレを検知でき
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、被検出体の移動に
よる変位を磁気的に検出する磁気式エンコーダに使用さ
れる着磁基板に関する。

【０００２】

【従来の技術】エンコーダは、回転モータやリニアモー
タ等の回転運動あるいは直線運動による変位を検出する
センサの一種である。このエンコーダには、センサ部の
検出方法による違いから光学式と磁気式とがある。両者
を比較すると、磁気式エンコーダーは、センサ部にごみ
や汚れ等が付着しても感度に影響を及ぼさない、発光の
ための電力を消費しない、比較的堅牢である、発光素子
を必要としないためコンパクトである、などの利点を有
する。

【０００３】この磁気式エンコーダには、ロータリーエ
ンコーダとリニアエンコーダとがあり、ロータリーエン
コーダは別名シャフトエンコーダとも呼ばれ、回転軸の
回転変位をディジタル量に変換するものである。従っ
て、ロータリーエンコーダは各種回転モータ、自動車タ
イヤ、アクチュエータ、パソコンのフロッピーディスク
ドライブやマウス等の回転機構を有する装置の回転数や
回転角度を検出するのに用いられている。一方、リニア
エンコーダは直線上の変位をディジタル量に変換するも
のであり、リニアステッピングモータ等のリニア駆動装
置の位置検出センサとして用いられている。

【０００４】従来、磁気式ロータリーエンコーダとして
は、例えば、回転モータの回転軸を包囲するように基板
に取付けられた円筒状の多極磁石と、該多極磁石が回転
することにより交番する磁気を検出するホール素子やＭ
Ｒ素子等の磁気検出素子とで構成されたものが知られて
いる。また、磁気式リニアエンコーダとしては、リニア
駆動部の基板に取付けられたテープ状や棒状の多極磁石
と、リニア駆動部が直線運動することにより交番する磁
気を検出する磁気検出素子とで構成されたエンコーダが
知られている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】前記した従来の磁気式
エンコーダにおいては、ロータリーエンコーダ及びリニ
アエンコーダのいずれも、多極磁石は磁性材料の表面に
Ｎ極及びＳ極が交互に連続して現れるように着磁したも
のが用いられている。そのため、面倒で非効率的な多極
着磁を行う必要があるうえ、多極磁石と基板さらには回
転軸などを精度良く取り付ける必要があった。

【０００６】多極磁石の着磁具合、回転軸の同軸度、基
板の平行度等に問題がる場合には、多極磁石と磁気検出
素子との相対的移動がその予定された軌跡から位置ズレ
することが起こりやすく、検出される出力信号にうねり
が見られたり、検出精度の信頼性の低下を招く結果とな
っていた。

【０００７】本発明は、このような従来の事情に鑑み、
面倒で非効率的な多極着磁を行う必要がなく、磁気検出
素子との位置ズレを検知する信号を自ら発することがで
き、磁気式エンコーダを構成したとき優れた検出精度が
期待できる、磁気式エンコーダ用着磁基板を提供するこ
とを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明が提供する磁気式エンコーダ用着磁基板は、
磁気検出素子に対向して相対的に移動可能に設けた基板
と、該基板上にその表裏面方向に単極着磁された複数の
磁性部材とを備え、該磁性部材の磁気検出素子との対向
面積が両者の相対的移動方向に対してほぼ直角方向に規
則的に増加又は減少しており、磁気検出素子による出力
信号のデューティ比の変化から、前記複数の磁性部材に
対する該磁気検出素子の位置ズレを検知し得ることを特
徴とするものである。

【０００９】

【発明の実施の形態】本発明の磁気式エンコーダ用着磁
基板では、本願出願人による先の出願である特開平９−
１４９０３号公報の線形磁区と同様に、一方向に単極着
磁した複数の磁性部材を使用するので、面倒で非効率的
な多極着磁を行う必要はない。即ち、複数の磁性部材の
有無による磁気の変化を磁気検出素子で検知するので、
磁性部材は磁気検出素子との対向方向に単極着磁すれば
良く、例えば磁気検出素子と対向する基板の表面側がＮ
極及びその反対側（基板裏面側）がＳ極となるように配
向させて着磁する。

【００１０】また、本発明における磁性部材の形状は、
磁気検出素子との対向面積が両者の相対的移動方向に対
して直角方向に沿い規則的に増加又は減少している。具
体的には、磁性部材は略三角形の形状が好ましく、略二
等辺三角形の形状が更に好ましい。このような形状とす
ることによって、特に略二等辺三角形の頂角をなす二辺
と交差して磁気検出素子が相対的に移動するように配置
することによって、複数の磁性部材と磁気検出素子との
相対的移動がその予定された軌跡から位置ズレしたと
き、この位置ズレを磁気検出素子の出力信号から容易に
検知することができる。

【００１１】通常、ホール素子等の磁気検知素子は、時
間に対する外部磁気の変化を感知することによって、回
転角や回転速度あるいは移動量や移動速度を検知してい
る。しかし、複数の磁性部材の形状が例えば一般的な矩
形であれば、磁気検出素子が予定された正しい軌跡から
位置ズレを起こしても、出力信号の正弦波にほとんど変
化はない。そのため、例えば磁気検知素子が磁性部材か
ら外れたとき、初めて外部磁気を感知することが困難と
なり、急に変位等を正確に検知することができなくな
る。

【００１２】これに対して、本発明においては、前記し
たように磁性部材が好ましくは略三角形、更に好ましく
は略二等辺三角形の形状をなし、磁気検出素子との対向
面積が相対的移動方向に対して直角方向に規則的に増加
又は減少しているので、相対的移動がその予定された一
定の軌跡から位置ズレすると、その位置ズレによって磁
性部材の磁気検出素子との対向面積が規則的に変化す
る。その結果、磁気検出素子により感知される磁気が対
向面積の変化に伴って変化するので、磁気検出素子によ
る出力信号のデューティ比が変化し、このデューティ比
の変化から逆に位置ズレを検知することができる。

【００１３】ここで「デューティ比」とは、磁束密度−
移動角度又は移動距離の関係をプロットした曲線におい
て、磁束密度が任意の基準磁束密度よりも高い値にある
ときの時間の割合をいう。一般的に磁気式エンコーダに
おいては、磁気検出素子と磁束とは相対的に等角速度又
は等速運動しているとみなし得るので、移動角度又は移
動距離の基準磁束密度より高い値と低い値の比は時間の
比に対応し、磁束密度−移動角度又は移動距離の曲線に
おいてデューティ比は基準磁束密度上の長さの比とみな
すことができる。

【００１４】従って、磁気検出素子と磁性部材の相対的
移動が予定された一定軌跡に沿っていれば、磁束密度−
移動角度又は移動距離の曲線でのデューティ比も常に一
定のままである。しかし、両者の相対的移動が予定され
た一定軌跡からそれて位置ズレが起こると、磁気検出素
子に対する磁性部材の対向面積の変化、即ち検知される
磁束密度に変化が生じ、その結果としてデューティ比が
変化するので、予めこのデューティ比と位置ズレとの関
係を測定しておくことにより、検出されたデューティ比
から位置ズレの状態を知ることができる。

【００１５】ただし、予定された相対的移動の軌跡から
の位置ズレに対してデューティ比の変化が余りに小さい
と、具体的にはデューティ比の最大と最小の幅が２５％
程度未満であると、位置ズレの程度を正確に知ることが
難しい。そこで、磁性部材の形状は、複数の磁性部材が
エンコーダを構成できる限りにおいて、磁気検出素子と
の対向面積の増減が相対的移動方向に対して直角方向に
できるだけ大きくなるような形状とすることが望まし
い。

【００１６】尚、本発明の磁気式エンコーダにおいて
は、上記のごとく検出された磁性部材と磁気検出素子と
の位置ズレを修正する手段を備え得ることができる。例
えば、磁気検出素子にＸＹ方向への駆動手段を装備し、
検出された位置ズレの分だけ磁気検出素子を移動させて
修正することが可能である。

【００１７】

【実施例】実施例１ 外径３６ｍｍ、内径１０ｍｍ、厚み１ｍｍの円形のＰＯ
Ｍ製基板を用い、図１に示すように、１８個の磁性部材
２を周方向に沿って等しい間隔に配列した着磁基板１を
作製した。各磁性部材２の形状は、中心から半径方向１
５ｍｍの位置に頂角を及び３５ｍｍの位置に底辺を有す
る略二等辺三角形である。尚、各磁性部材２の頂角αは
全て３１.３°である。また、各磁性部材２の相互の間
隔は、各底辺の間で全て０.１ｍｍとした。

【００１８】この着磁基板１は、上記ＰＯＭ基板に磁性
部材２の形状に対応したスリット部を設け、分子量１０
０万のポリイソブチレン１００重量部、ＮｄＦｅＢ系磁
性粉末８００重量部、及びトルエン１０００重量部をホ
モミキサーを用いて均一に撹拌混合した組成物を充填し
た後、パルス着磁器を用いて２０ｋＧａｕｓｓ以上の着
磁磁場でアキシャル方向に一様な着磁を施すことにより
製造した。

【００１９】得られた磁気式ロータリーエンコーダ用の
着磁基板１に対して１ｍｍ上方にホール素子を配置し、
そのホール素子により生じる出力信号を測定した。その
際、ホール素子の各磁性部材２に対する相対的移動の軌
跡ｒ（着磁基板１の中心から半径方向への距離ｒ）を変
化させ、その軌跡ｒごとに得られた磁束密度と移動角度
の関係を図２に示した。

【００２０】図２において基準磁束密度を７５０Ｇａｕ
ｓｓとすると、デューティ比は磁束密度−移動角度曲線
の７５０Ｇａｕｓｓより高い部分と低い部分の基準磁束
密度上の長さの比となるので、ｒ＝２０ｍｍでは３２
％、ｒ＝２５ｍｍでは６１％、ｒ＝３０ｍｍでは８０％
となり、このｒの範囲でデューティ比が大きく連続的に
変化することが分かる。しかし、ｒ＝１５ｍｍとｒ＝３
５ｍｍでは、軌跡が磁性部材の内径側又は外径側の端に
来るため、どの移動角度でもデューティ比を求めること
ができない。

【００２１】従って、ｒ＝２５〜３５ｍｍの範囲で予め
軌跡ｒとデューティ比の関係を求めておくことにより、
実際に磁気式ロータリーエンコーダの使用時に得られる
デューティ比の値から、磁気検出素子と磁性部材の相対
的移動の位置ズレを知ることができ、よってその位置ズ
レを修正することが可能となる。

【００２２】比較例１ 前記実施例１と同様にして１８個の磁性部材を備えた着
磁基板を作製したが、図３に示すように、各磁性部材２
ａの形状を略台形に変えた。各磁性部材２ａの形状は、
着磁基板１ａの中心から半径方向１５ｍｍと３５ｍｍの
各位置に上底と下底を有する略台形であって、この台形
の両側辺を上底方向に延長した交点のなす角度（頂角
α）は全て１８°である。

【００２３】得られた磁気式ロータリーエンコーダ用の
着磁基板１ａに対して１ｍｍ上方にホール素子を配置
し、ホール素子による出力信号を測定した。その際、実
施例１と同様に、ホール素子の各磁性部材２ａに対する
相対的移動の軌跡ｒを変化させ、その軌跡ｒごとに得ら
れた磁束密度と移動角度の関係を図４に示した。

【００２４】この図４において基準磁束密度を１０００
Ｇａｕｓｓとすると、デューティ比はｒ＝２０ｍｍで７
０％、ｒ＝２５ｍｍで７５％、ｒ＝３０ｍｍで８０％と
なり、ｒ＝１５ｍｍとｒ＝３５ｍｍではどの移動角度で
もデューティ比を求めることができない。しかし、デュ
ーティ比の得られたｒ＝２０〜３０ｍｍにおいても、そ
の変化が極めて小さいため、相対的移動の軌跡の位置ズ
レを精度良く測定することは不可能であった。

【００２５】実施例２ 長さ１２ｍｍ、幅５ｍｍ、厚み１ｍｍの長方形のＰＯＭ
製基板を用い、実施例１と同様にして、図５に示すよう
に、１０個の磁性部材４を基板の長手方向に沿って等し
い間隔に配列した着磁基板３を作製した。各磁性部材４
の形状は、着磁基板３の長辺の両側からそれぞれ０.５
ｍｍの位置に底辺と頂角とを有し、底辺の長さが０.８
ｍｍの略二等辺三角形である。尚、各磁性部材４の二等
辺三角形の頂角αは全て１１.４°である。また、磁性
部材４の着磁は、パルス着磁器を用いて２０ｋＧａｕｓ
ｓ以上の着磁磁場で厚さ方向に一様な着磁を施した。

【００２６】得られた磁気式リニアエンコーダ用の着磁
基板３に対して１ｍｍ上方にホール素子を配置し、ホー
ル素子により生じる出力信号を測定した。その際、ホー
ル素子の各磁性部材４に対する相対的移動の軌跡ｙ（磁
性部材４の頂角側にある着磁基板３の長辺から幅方向反
対側への距離ｙ）を変化させ、その軌跡ｙごとに得られ
た磁束密度と移動角度の関係を図６に示した。

【００２７】図６において基準磁束密度を７００Ｇａｕ
ｓｓとすると、デューティ比はｙ＝１.５ｍｍで１９
％、ｙ＝２.５ｍｍで４０％、ｙ＝３.５ｍｍで６２％と
なり、このｙの範囲でデューティ比が大きく連続的に変
化することが分かる。しかし、ｙ＝０.５ｍｍとｙ＝４.
５ｍｍでは、どの移動距離でもデューティ比を求めるこ
とができない。

【００２８】従って、ｙ＝１.５〜３.５ｍｍの範囲で予
めｙとデューティ比の関係を求めておくことにより、磁
気式リニアエンコーダの使用時に得られるデューティ比
の値から、磁気検出素子と磁性部材の相対的移動の位置
ズレを知ることができ、よってその位置ズレを修正する
ことが可能となる。

【００２９】比較例２ 前記実施例２と同様にして１０個の磁性部材を備えた着
磁基板を作製したが、図７に示すように、各磁性部材４
ａの形状を長方形に変えた。各磁性部材４ａの形状は、
着磁基板３ａの長辺の両側からそれぞれ０.５ｍｍの位
置に短辺を有し、その短辺の長さが０.５ｍｍ、長辺の
長さが４ｍｍである。また、各磁性部材４ａの相互の間
隔は全て０.５ｍｍとした。

【００３０】得られた磁気式リニアエンコーダ用の着磁
基板３ａに対して１ｍｍ上方にホール素子を配置し、ホ
ール素子の出力信号を測定した。その際、実施例２と同
様に、ホール素子の各磁性部材４ａに対する相対的移動
の軌跡ｙを変化させ、その軌跡ｙごとに得られた磁束密
度と移動角度の関係を図８に示した。

【００３１】この図８において基準磁束密度を７００Ｇ
ａｕｓｓとすると、デューティ比はｙ＝１.５ｍｍとｙ
＝３.５ｍｍでほぼ同じく４５％であるが、ｙ＝０.５ｍ
ｍとｙ＝４.５ｍｍではどの移動角度でもデューティ比
を求めることができない。また、デューティ比が得られ
たｙ＝１.５〜３.５ｍｍの範囲においても、そのデュー
ティ比にほとんど変化がないため、相対的移動の軌跡の
位置ズレを測定することは不可能であった。

【００３２】

【発明の効果】本発明によれば、面倒で非効率的な多極
着磁を行う必要がなく、磁気検出素子との相対的移動の
予定された軌跡からの位置ズレを検知する信号を自ら発
することができ、従ってその位置ズレを修正することが
可能となり、より正確な変位等の測定が可能な磁気式エ
ンコーダ用着磁基板を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１による磁気式ロータリーエン
コーダ用の着磁基板を示す概略の平面図である。

【図２】図１の着磁基板から得られる磁束密度−移動角
度曲線を相対的移動の軌跡ｒごとに示すグラフである。

【図３】比較例１による磁気式ロータリーエンコーダ用
の着磁基板を示す概略の平面図である。

【図４】図３の着磁基板から得られる磁束密度−移動角
度曲線を相対的移動の軌跡ｒごとに示すグラフである。

【図５】本発明の実施例２による磁気式リニアエンコー
ダ用の着磁基板を示す概略の平面図である。

【図６】図５の着磁基板から得られる磁束密度−移動距
離曲線を相対的移動の軌跡ｙごとに示すグラフである。

【図７】比較例２による磁気式リニアエンコーダ用の着
磁基板を示す概略の平面図である。

【図８】図７の着磁基板から得られる磁束密度−移動距
離曲線を相対的移動の軌跡ｙごとに示すグラフである。

【符号の説明】

１、１ａ、３、３ａ 着磁基板 ２、２ａ、４、４ａ 磁性部材

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 磁気検出素子に対向して相対的に移動可
   能に設けた基板と、該基板上にその表裏面方向に単極着
   磁された複数の磁性部材とを備え、該磁性部材の磁気検
   出素子との対向面積が両者の相対的移動方向に対してほ
   ぼ直角方向に規則的に増加又は減少しており、磁気検出
   素子による出力信号のデューティ比の変化から、前記複
   数の磁性部材に対する該磁気検出素子の位置ズレを検知
   し得ることを特徴とする磁気式エンコーダ用着磁基板。
2. 【請求項２】 前記磁性部材が略三角形の形状を有する
   ことを特徴とする、請求項１に記載の磁気式エンコーダ
   用着磁基板。