JP2006214862A - 位置検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】容易に製作することができ、高精度な位置検出装置を得ること。
【解決手段】回転軸２および該回転軸に支持された基台３を有する回転体１と、該回転体の基台上に配置され、周方向に所定のピッチλで、隣接する磁極が互いに同じ磁極となるように、一様な幅Ｈと強度でＮＳ着磁された円筒状の磁気トラック４と、該磁気トラックの一部を覆うように配置され、該磁気トラックの周方向位置によって幅の異なるリング状の集磁部材５と、前記磁気トラックの円周面に対向するように設置され、近傍の磁界強度に感応して磁気強度信号を出力する磁気検出素子６と、を備え、前記回転体の回転角度位置を検出することを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、着磁された磁気トラックを有するアブソリュート磁気エンコーダ等の位置検出装置に関する。

従来のアブソリュート磁気エンコーダとして、磁化の強さの分布をもつ少なくとも１つの磁化パターン列が書込まれた磁気記録媒体（磁気トラック）からの磁場を該記録媒体に近接した少なくとも１つのストライプ状の磁気抵抗効果素子により検出し、その出力値の大きさにより被検出体（動体、回転体）の絶対位置（角度位置）を検出するアブソリュート磁気エンコーダにおいて、磁気抵抗効果素子のストライプ長さ方向が磁気記録媒体表面にほぼ直角で、ストライプ幅方向が磁化パターン列方向と平行であり、ストライプ幅方向に磁化パターンからの磁界が印加されることを特徴とするアブソリュート磁気エンコーダがある（例えば、特許文献１参照）。

また、相対移動する第１および第２の部材と、前記第１の部材（動体、回転体）に設けられ、かつ相対移動方向に記録ピッチλで記録された発磁体を有する磁気媒体（磁気トラック）と、前記第２の部材に設けられ、前記発磁体の磁界に感応する磁気抵抗効果素子を具備する磁気センサとから構成され、前記第１、第２の部材の相対移動によって変化する前記磁気抵抗効果素子の電気信号により前記両部材間の絶対位置（角度位置）を検出するものにおいて、前記磁気媒体に記録する発磁体の幅を前記相対移動方向に従って変えるようにし、前記第１、第２の部材の相対移動に応じてアナログ的に変化する前記磁気抵抗効果素子の出力信号により、前記第１、第２の部材間のずれ量を検出するように構成した絶対位置検出装置がある（例えば、特許文献２参照）。

上記従来の磁気的に動体（回転体）の位置を検出する（回転）位置検出装置は、着磁され、その移動とともに変化する磁界を発生する磁気トラックを備える動体（回転体）と、磁界の変化を検出する磁気抵抗効果素子とにより構成されている。

特開昭６３−２０６６１３号公報 特開昭６４−０３２１１７号公報

しかしながら、上述の磁気トラックを備える従来の位置検出装置では、磁気トラックの製作時に、磁気トラックの長さ方向位置（周方向位置）によって幅方向の着磁長さを変化させる必要があるため、磁気トラックを長さ方向（周方向）に精密に所定ピッチずつ移動させながら、その都度、幅方向の着磁長さを微妙に変化させなければならず、高精度な着磁トラックを製作するのは容易ではなかった。また、複雑に変化する磁界を発生する磁気トラックを製作するのが難しいという問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、容易に製作することができ、高精度な位置検出装置を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の位置検出装置は、回転軸および該回転軸に支持された基台を有する回転体と、該回転体の基台上に配置され、周方向に所定のピッチで、隣接する磁極が互いに同じ磁極となるように、一様な幅と強度でＮＳ着磁された円筒状の磁気トラックと、該磁気トラックの一部を覆うように配置され、該磁気トラックの周方向位置によって幅の異なるリング状の集磁部材と、前記磁気トラックの円周面に対向するように設置され、近傍の磁界強度に感応して磁気強度信号を出力する磁気検出素子と、を備え、前記回転体の回転角度位置を検出することを特徴とする。

この発明によれば、周方向に所定のピッチで、隣接する磁極が互いに同じ磁極となるように、一様な幅と強度でＮＳ着磁された円筒状の磁気トラックと、該磁気トラックの一部を覆うように配置され、該磁気トラックの周方向位置によって幅の異なるリング状の集磁部材と、を備えることにより、磁気トラックの周方向位置によって発生磁界強度を精密に変化させる磁気トラックを容易に製作することができる。

この発明によれば、磁気トラックの周方向位置によって発生磁界強度を精密に変化させる磁気トラックを有する回転体を容易に製作することができ、位置検出精度が高く製造コストの低い位置検出装置を得ることができるという効果を奏する。

以下に、本発明にかかる位置検出装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１の位置検出装置を示す斜視図であり、図２は、図１に示す円筒状の磁気トラック４および集磁部材５を平面に展開して示した展開図であり、図３は、回転体１の上面図であり、図４は、回転体１の縦断面図である。

回転体１は、回転軸２と回転軸２に支持された幅Ｈ、円周長Ｌの円柱状の基台３とを備えている。回転軸２および基台３は、例えば、アルミニウムやＳＵＳのような非磁性材料で製作するのが望ましい。基台３の形状は、端板を有する中空の円筒状としてもよく、円筒状の磁気トラック４を回転軸２を軸心とするように支持可能であれば、どのような形状であってもよい。

基台３の円周面には、磁性粉末を混入した樹脂材料製の磁気トラック４が、幅Ｈ、円周長Ｌの円筒状に形成され設置されている。樹脂材料としては、耐熱性を考慮し、例えばＰＰＳ等のエンジニアリングプラスチックを用いるのがよい。磁気トラック４は、周方向に所定の等ピッチλで、隣接する磁極が互いに同じ極性となるように、円周全長Ｌと一様な幅Ｈに亘って一様な強度でＮＳ着磁を行う。

樹脂材料製の磁気トラック４の外周面上には、磁気トラック４とは別部材の、リング状の集磁部材としての強磁性体膜５が、磁気トラック４の幅方向の一部を覆うように形成されている。強磁性体膜５は強磁性材料で形成されている。強磁性材料としては、例えば、パーマロイ、珪素鋼板、フェライト等を用いてもよいが、回転体１の質量バランスを考慮すると、薄膜状で透磁率の高いアモルファス合金を用いるのが望ましい。リング状の強磁性体膜５は、磁気トラック４の周方向位置によって、その幅を異ならせるように形成する。

一様な幅ＨでＮＳ着磁された磁気トラック４の幅方向の一部が、周方向位置によって幅の異なるリング状の強磁性体膜５で覆われるので、覆われた部分の下に発生している磁束線が強磁性体５により集磁され、磁束線が強磁性体膜５の外側に漏れなくなる。従って、磁気トラック４の発生磁界強度が、周方向位置によって変化することになる。

ＮＳ着磁される磁気トラック４の厚さは、例えば、２ｍｍ程度とするのがよいが、基台３の外径寸法等を勘案して適宜の厚さとすればよい。また、強磁性体膜５の厚さは、図３には、磁気トラック４と同等の厚さとして示されているが、周方向位置によって幅の異なる形状であるため、回転体１の質量バランスを考慮すると、できるだけ薄い薄膜で作製し、回転体１の質量バランスを崩さないようにすることが回転位置検出の精度向上のために望ましい。集磁部材としての強磁性体膜５は、強磁性特性を有する液体を磁気トラック４に塗布し固化させることにより形成してもよい。

図１、図２および図４に示すように、強磁性体膜５の幅は、回転体１の周方向位置によって異なっている。図４に発生磁束８を模式的に示したが、強磁性体膜５の集磁効果により、強磁性体膜５が磁気トラック４を覆う幅寸法に比例して発生磁束８が減少する。

回転体１の質量バランスが崩れた場合、基台３の一部質量を除去した質量除去部１２、または、基台３に質量を付加した質量付加部１３を設け、回転体１の質量バランスを調整するとよい。

磁気検出素子６としては、例えば、自身の近傍の磁気強度に感応して電気抵抗が変化し磁気強度信号を出力する磁気抵抗効果素子（ＭＲ素子）のような磁電変換素子を用いる。磁気トラック４の円周面に微小な間隔を空けて対向するように磁気検出素子６を設置する。磁気検出素子６には演算処理回路７を接続し、回転体１の回転変位に伴なう磁気トラック４の周方向変位に応じて磁気検出素子６近傍の磁界強度を変化させ、これに感応する磁気検出素子６の出力する磁気強度信号を処理し、回転体１の回転角度位置を演算し出力するようにする。

なお、実施の形態１では、磁気検出素子６として、磁気抵抗効果素子のような磁電変換素子を用いたが、磁気検出素子６は、磁気抵抗効果素子に限定されることはなく、着磁ピッチλに対応できる寸法のデバイスであれば、例えば、ホール素子、ＭＩ素子等を用いてもよい。

磁気検出素子６は、磁気トラック４の着磁ピッチに応じた波長の信号を出力し、その信号と位相を反転した信号の両者を加算することで、磁気トラック４の周方向変位に伴って変化する磁界強度を検出する。なお、実施の形態１では、強磁性体膜５の幅を直線的に変化させているため、検出する磁界強度も直線的に変化することになるが、強磁性体膜５の形状は、容易に任意の形状に形成可能であり、例えば、正弦波形状等の所望の波形信号を得られるように形成することができる。

以上に説明した実施の形態１では、磁気トラック４を、周方向に所定のピッチλで、隣接する磁極が互いに同じ磁極となるように、一様な幅Ｈと強度でＮＳ着磁し、ＮＳ着磁後の磁気トラック４に、磁気トラック４の周方向位置によって幅を変えたリング状の強磁性体膜５で磁気トラック４の幅方向の一部を覆ったので、磁気トラック４の周方向位置によって発生磁界強度を精密に変化させる磁気トラック４を容易に製作することができる。

また、強磁性体膜５の形状を変えることにより、磁気トラック４のＮＳ着磁のパターンを変えずに所望の波形信号を得ることができる。

また、磁気トラック４の周方向位置によって発生磁界強度を精密に変化させる磁気トラック４を有する回転体１を容易に製作することができ、位置検出精度が高く製造コストの低い位置検出装置を得ることができるという効果を奏する。

実施の形態２．
図５は、本発明の実施の形態２の位置検出装置を示す斜視図であり、図６は、回転体１の縦断面図である。なお、図５では、磁気検出素子および演算処理回路の図示を省略している。図５および図６において、図１〜図４に示すものと同等のものには同じ符号を付し、重複する説明を省略する。

図５および図６に示すように、集磁部材５で覆われていない磁気トラック４の外周面を覆うように、磁気透過部材としてのリング状の非磁性部材１０が形成され配置されている。非磁性部材１０は、回転軸２を挟んで対向する集磁部材５と非磁性部材１０の単位面積当たりの合計質量が等しくなり、回転体１の質量バランスがとれるように設置する。従って、非磁性部材１０は、磁気トラック４の集磁部材５で覆われていない部分を完全に覆う必要はなく、あくまで、回転体１の質量バランスをとるように調整して配置する。また、回転体１の質量バランスをとるために、集磁部材５の外周部まで延長して外周部の一部を覆うように非磁性部材１０を配置してもよい。

集磁部材５として、薄膜ではなく、バルク材のように大きな質量を有する部材を使用する場合は、回転体１の質量バランスが大きく崩れる。そこで、質量バランスを保つために非磁性部材１０を設置する必要がある。図６に発生磁束８を模式的に示したが、集磁手段５の集磁効果により、集磁手段５が磁気トラック４を覆う幅寸法に比例して発生磁束８が減少し、発生磁束８は、非磁性部材１０を透過して外部へ放出される。

また、非磁性部材１０の設置による回転体１の質量バランスの調整の後、さらに質量バランスを微調整する必要がある場合、基台３の一部質量を除去した質量除去部１２、または、基台３に質量を付加した質量付加部１３を設け、回転体１の質量バランスを微調整することも可能である。

以上に説明した実施の形態２では、非磁性部材１０の設置により質量バランスのとれた回転体１が得られるので、回転体１の高速回転および低速回転にかかわらず、どのような回転時にも質量のアンバランスに起因する回転体１の回転ムラが生じることがなく、位置検出精度の高い回転位置検出装置を得ることができる。

実施の形態３．
図７は、実施の形態３の位置検出装置の回転体１を示す縦断面図である。なお、図７では、磁気検出素子および演算処理回路の図示を省略している。図７において、図１〜図６に示すものと同等のものには同じ符号を付し、重複する説明を省略する。

磁気トラック４の外周面に配置した集磁部材５と磁気透過部材１０の外周面を、磁気透過材料により作製された保護部材１１で覆っている。保護部材１１は、磁気トラック４、集磁部材５および磁気透過部材１０が、回転体１の回転時の遠心力により破断するのを防ぎ、かつ、外部環境により破損するのを防ぐ目的で設置する。

保護部材１１は、例えば、集磁部材５および磁気透過部材１０の外周面に樹脂材料を塗布して固化させることや、非磁性金属製の円筒をはめ込むこと等によって形成される。保護部材１１は、回転体１の外周部の磁界分布に変化を与えずに、磁気トラック４、集磁部材５および磁気透過部材１０を保護する。なお、保護部材１１は、回転体１の外周面のみを覆うのではなく、回転体１（基台３）の上面および下面を覆うようにしてもよい。

保護部材１１の設置によって回転体１に質量のアンバランスが生じないように、保護部材１１は、全周に亘って質量分布が均一となるように設置する。

また、質量バランスを微調整する必要がある場合は、基台３の一部質量を除去した質量除去部１２、または、基台３に質量を付加した質量付加部１３を設け、回転体１の質量バランスを微調整することも可能である。

以上に説明した実施の形態３では、保護部材１１の設置により、回転体１が保護されるので、外部環境に影響されずに長期間に亘って高精度に位置検出を行なうことができる位置検出装置が得られる。

なお、実施の形態１〜３は、磁気検出素子６に対して回転体１が回転し、その回転角度位置を検出する回転位置検出装置を示したが、位置検出装置としては、直線的に変位する動体と、該動体上に配置され、長さ方向に所定のピッチで、隣接する磁極が互いに同じ磁極となるように、一様な幅と強度でＮＳ着磁された平板状の磁気トラックと、該磁気トラックの一部を覆うように配置され、該磁気トラックの長さ方向位置によって幅の異なる帯状の集磁部材と、前記磁気トラックの面に対向するように設置され、近傍の磁界強度に感応して磁気強度信号を出力する磁気検出素子と、を備え、前記動体の変位位置を検出するようにしたリニア位置検出装置であってもよい。

上記のように構成したリニア位置検出装置では、磁気トラックを、長さ方向に所定のピッチで、隣接する磁極が互いに同じ磁極となるように、一様な幅と強度でＮＳ着磁し、ＮＳ着磁後の磁気トラックに、磁気トラックの長さ方向位置によって幅を異ならせた帯状の集磁部材で磁気トラックの幅方向の一部を覆ったので、磁気トラックの長さ方向位置によって発生磁界強度を精密に変化させる磁気トラックを容易に製作することができる。

また、集磁部材の形状を変えることにより、磁気トラックのＮＳ着磁のパターンを変えずに所望の波形信号を得ることができる。

また、磁気トラックの長さ方向位置によって発生磁界強度を精密に変化させる磁気トラックを有する動体を容易に製作することができ、位置検出精度が高く製造コストの低いリニア位置検出装置を得ることができるという効果を奏する。

以上のように、本発明にかかる位置検出装置は、容易に低コストで製作することのできる高精度な位置検出装置として、従来の位置検出装置に換えて利用することができる。

本発明の実施の形態１の位置検出装置を示す斜視図である。 磁気トラックおよび強磁性体膜を平面に展開して示す展開図である。 回転体の上面図である。 回転体の縦断面図である。 本発明の実施の形態２の位置検出装置を示す斜視図である。 回転体の縦断面図である。 本発明の実施の形態３の磁気検出装置の回転体を示す縦断面図である。

符号の説明

１ 回転体
２ 回転軸
３ 基台
４ 磁気トラック
５ 強磁性体膜（集磁部材）
６ 磁気検出素子（磁気抵抗効果素子）
７ 演算処理回路
８ 発生磁束
１０ 非磁性部材（磁気透過部材）
１１ 保護部材
１２ 質量除去部
１３ 質量付加部

Claims (6)

1. 回転軸および該回転軸に支持された基台を有する回転体と、
   該回転体の基台上に配置され、周方向に所定のピッチで、隣接する磁極が互いに同じ磁極となるように、一様な幅と強度でＮＳ着磁された円筒状の磁気トラックと、
   該磁気トラックの一部を覆うように配置され、該磁気トラックの周方向位置によって幅の異なるリング状の集磁部材と、
   前記磁気トラックの円周面に対向するように設置され、近傍の磁界強度に感応して磁気強度信号を出力する磁気検出素子と、
   を備え、前記回転体の回転角度位置を検出することを特徴とする位置検出装置。
2. 前記集磁部材が、強磁性体膜であることを特徴とする請求項１に記載の位置検出装置。
3. 前記強磁性体膜が、強磁性特性を有する液体を前記磁気トラックに塗布し固化させることにより形成されていることを特徴とする請求項２に記載の位置検出装置。
4. 前記磁気トラックの前記集磁部材で覆われていない部分に、前記回転体の質量バランスをとるための磁気透過部材を設置したことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の位置検出装置。
5. 前記集磁部材および磁気透過部材の外周面を、磁気を透過する保護部材で覆ったことを特徴とする請求項４に記載の位置検出装置。
6. 直線的に変位する動体と、
   該動体上に配置され、長さ方向に所定のピッチで、隣接する磁極が互いに同じ磁極となるように、一様な幅と強度でＮＳ着磁された平板状の磁気トラックと、
   該磁気トラックの一部を覆うように配置され、該磁気トラックの長さ方向位置によって幅の異なる帯状の集磁部材と、
   前記磁気トラックの面に対向するように設置され、近傍の磁界強度に感応して磁気強度信号を出力する磁気検出素子と、
   を備え、前記動体の変位位置を検出することを特徴とする位置検出装置。
   
   
   

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