JP2006258749A - 回転軸、多回転型エンコーダおよび回転軸の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 簡単な作業で、効率よく製造でき、しかも取付精度のばらつきが生じ難い回転磁石を有する回転軸、この回転軸を有するエンコーダ、および回転軸の製造方法を提供する。
【解決手段】 回転磁石を装着するための回転軸取付部を有する回転軸本体と、この回転軸の回転軸取付部に成形されて一体となっているリング状の回転磁石とを有する回転軸、この回転軸を有するエンコーダ、および回転軸本体の回転軸取付部にリング状の回転磁石を一体として成形する回転軸の製造方法とした。
【選択図】図１

Description

本発明は、回転体の回転軸に関し、特に主にモータ等の回転体である被測定物に取り付けられ、被測定物の変位量、すなわち回転数および/または回転角度や、速度を検出する測定装置やエンコーダの回転軸に関する。

一般に、多回転式エンコーダには、例えば特公平６−４１８５３号公報等に開示されているように、１回転内の変位量を検出するための機構の他に、多回転検出用リングマグネットと称する１回転以上の回転数を検出するための磁性回転体を有するものがある。

この文献の多回転式エンコーダは、１回転以内の絶対角度を検出する光学式絶対値エンコーダと、多回転を検出するための磁気エンコーダとを備えている。１回転以内の絶対角度を検出する光学式絶対値エンコーダは、シャフト１に取付けられ、１回転以内の絶対角度を検出するための回転ディスク２と、これに投光するためのLED４と、固定スリット５と、受光素子のフォトダイオードアレイ６と、これらの検出信号を矩形波に波形整形するための波形整形回路等から構成されている。また、多回転を検出するための磁気エンコーダは、回転部にリングマグネットと称する磁石８２を具備した回転ディスク８１と、この回転数を検出するための磁気抵抗素子９と、波形整形回路10と、多回転の検出信号をカウントし、数値を保持しておくための制御回路等とから構成されている。

前記リングマグネット８２は、１回転する間に磁極が反転するようになっていて、この磁極の変化を磁気抵抗素子９が検出することで、１回転を検出することができる。なお、このようなエンコーダの光学系、磁気系の部品の構造や取り付け位置などは、エンコーダの種類により種々の態様がある。

このリングマグネットの１回転する間に磁極が反転するような磁気パターンは、例えば特開昭６３−１８２８０８号公報、特開２００２−３５３０２９号公報などに記載されている方法により着磁される。

これらの文献に記載されている着磁方法は、何れもリングマグネット単体の状態で着磁を行うものであり、その後着磁されたリングマグネットはエンコーダの回転軸に接着される。その際、リングマグネットに付された位置決め用マークと、エンコーダ回転軸の位置決め用マークとを合わせる等して位置決めを行っている。

しかし、位置決めマークを確認しながら接着作業を行うのは困難であり、接着したリングマグネットの位置にばらつきを生じてしまうことが多かった。また、作業者に与える負担も多いため、作業効率を改善する上でも問題があった。
特公平６−４１８５３号公報 特開昭６３−１８２８０８号公報 特開２００２−３５３０２９号公報

本発明の目的は、簡単な作業で、効率よく製造でき、しかも取付精度のばらつきが生じ難い回転磁石を有する回転軸、この回転軸を有するエンコーダ、および回転軸の製造方法を提供することである。

すなわち、上記目的は以下の本発明の構成により達成される。
（１）回転磁石を装着するための回転磁石取付部を有する回転軸本体と、この回転軸の回転磁石取付部に成形されて一体となっているリング状の回転磁石とを有する回転軸。
（２）前記回転磁石取付部には回転磁石を固定するための溝構造を有する上記（１）の回転軸。
（３）さらに、着磁の基準位置を定める構造を有する上記（１）または（２）の回転軸。
（４）上記（１）〜（３）のいずれかの回転軸を有し、
さらに、前記回転磁石上に符号板を有する多回転型エンコーダ。
（５）回転対称に形成され、回転磁石を装着するための回転磁石取付部を有する回転軸本体に、リング状の回転磁石を前記回転磁石取付部に成形して一体とし、
その後着磁処理を行う回転軸の製造方法。
（６）前記着磁の磁極位置は、回転軸に設けられた基準位置に対して決められる上記（５）の回転軸の製造方法。

本発明によれば、製造が容易になり、作業効率が向上し、しかも位置決めのための作業が容易または不要となって、取付精度のばらつきが極めて少ない回転磁石を有する回転軸、この回転軸を有するエンコーダ、回転軸の製造方法を提供することができる。

また、特に多回転型エンコーダに応用した場合、多回転検出用の回転磁石の位置合わせが不要となるばかりか、１回転内の位置検出用スリット板の取付に必要な位置決めマークを着磁位置決め用のマークと共用することができ、位置決め機構や位置決めの作業が簡単で効率よく行うことができる。

本発明の回転軸は、回転磁石を装着するための回転磁石取付部を有する回転軸本体と、この回転軸の回転磁石取付部に一体として成形されているリング状の回転磁石とを有するものであり、好ましくは前記回転磁石取付部には回転磁石を固定するための溝構造を有するものである。この回転軸は、好ましくは多回転型等のエンコーダに用いられる。

このように、回転軸本体に、回転磁石を成形して一体的とすることで、回転磁石を位置決めしながら接着する必要が無くなり、製造が容易になり、回転磁石の取付精度のばらつきも少なくなる。すなわち、回転磁石を回転軸とともに成形して一体的にした後、着磁することで、回転磁石の磁極の位置を極めて高精度に規制することができる。しかも、回転磁石を回転軸に一体的に成形する際には、回転磁石は着磁されていないため、位置決めの必要が無く、製造も極めて容易になる。

なお、着磁の際には、回転軸の位置決め構造や形状を利用して機械的に位置決めできるようにすれば、極めて容易に高精度の位置決めが可能になる。

さらに、この回転軸を多回転型エンコーダに応用した場合、多回転検出用の回転磁石の位置合わせ作業が不要となり、さらに１回転内の位置検出用スリット板の取付に必要な位置決めマーク（機構）を着磁位置決め用のマークと共用することができ、位置決め機構がシンプルになり、位置決めの作業が簡単かつ効率よく行うことができる。

次に、図を参照しつつ本発明の回転軸のより具体的な構成について説明する。図１は本発明の回転軸の代表的な形態を示す断面図、図２はその半面を省略した平面図である。図において、本発明の回転軸は、回転軸本体１とこの回転軸本体１と一体となるように成形されている回転磁石２とを有する。

中空円筒状の回転軸本体１には、その一端部（図示例では上端部）付近に拡径したフランジ状の回転磁石取付部１ａを有し、この回転磁石取付部１ａに形成された段差状の回転磁石取付部１ｂに回転磁石２が一体的に成形されるようになっている。前記回転磁石取付部１ｂには、形成されて回転磁石２が容易に剥離ないし離脱しないように溝部１ｃが形成されている。この、溝部１ｃは、後述するように種々の形状とすることができるほか、それらを組み合わせたり、或いは省略してもよい。

具体的には、例えば図３に示すように奥に向かって台形状の断面に形成することで、丁度中に形成された回転磁石２の材料と、蟻組のように組み合わされ外れにくい構造にすることができる。また、図４に示すように、複数の三角形の凹部を設けることで、鋸歯状に凹部が形成され、形成された回転磁石２の材料が、回転軸本体に複数のくさびを打ち込むような形状となり、この場合にも外れ難い構造となる。なお、図３，４は、図１に示す回転軸取付部１ａの一部拡大断面図である。これらの溝部１ｃ形状、構造は、溝部１ｃの一形態を示したものにすぎず、種々の変形、組み合わせが可能である。

また、このような溝部１ｃは、回転磁石が形成される円周内に全て形成してもよいし、一部にのみ形成してもよい。また、円周内における溝部１ｃの一部の形状、構造を変えてもよい。このように、円周内において溝部を形成しなかったり、その形状、構造を変えることで、回転磁石の回転方向への接合ないし接着強度を向上させることができ、回転防止にも効果的である。

なお、上記図示例では回転軸取付部１ａをフランジ状に形成した例を示したが、回転軸取付部は必ずしもフランジ状に形成されている必要はなく、平坦な回転軸の一部を回転軸取付部としてもよいし、逆に凹部を設けて回転軸取付部としてもよい。回転軸取付部の形状は、形成する回転磁石の大きさや形状、要求される強度、スペースなどを考慮して最適な形状とすればよい。

回転軸本体１には、回転体である被測定物の回転軸に装着するための貫通孔３を有し、さらにその他端側（図示例では下端側）には、被測定物の回転軸に固定するためのロックねじを挿入するねじ孔５が形成されている。

回転軸本体１の一端部端面４には、着磁する際に機械的に位置決めを行うための位置決め孔４ａが形成され、機械的に位置を固定できるようになっている。具体的には、例えば図５に示すように、位置決め孔４ａに対し、予め設定された特定の角度θで磁極が交互に現れるように着磁を行う。その際、位置決め孔４ａに対して位置決めピンなどで位置を固定し、この位置決めピンに対し予め着磁装置の磁極の角度をθに保つようにしておけば、着磁された回転磁石の磁気パターンは図５に示すようになる。

なお、位置決めの構造は、図示例のような位置決め孔である必要はなく、位置決め用の溝や、切欠、ネジやDカット等であってもよい。また、回転軸本体の形状の少なくとも一部を非対称（回転非対称）として、その部分で位置決めできるようにしてもよい。

このように、機械的に位置決めを行いながら着磁することができるので、回転磁石の位置決めが容易で、しかも繰り返し精度よく位置決めすることができる。また、回転軸本体１と回転磁石２とは一体的に成形されているので、両者の間で位置のずれが生じることもなく、結果として、極めて高精度でばらつきの極めて少ない回転磁石付き回転軸を得ることができる。

次に、本発明の回転軸の製造方法について簡単に説明する。本発明の回転軸の製造方法は、回転対称に形成され、回転磁石を装着するための回転軸取付部を有する回転軸本体に、リング状の回転磁石を前記回転軸取付部に成形して一体とし、その後着磁処理を行うものであり、好ましくは着磁の磁極位置は、回転軸に設けられた基準位置に対して決められる。

ここで、より具体的な製造方法の一例を図に即して説明する。先ず、例えば図１に示すようなフランジ形状の回転軸取付部１ａを有する回転軸本体を用意する。次に、この回転軸本体と、対になって、回転磁石２が形成される空間を形成するための金型を用意する。この金型は、通常回転軸本体側に配置されるものと、その反対側、つまり回転軸本体と対向する側の１対が用意されるが、複数個の金型を組み合わせてもよい。

次いで、これら金型を組み合わせ、回転軸本体も金型として機能させることで、回転磁石を成形する空間を形成し、形成された空間内に、回転磁石の原料を注入して回転磁石を成形する。あるいは、単に形成空間部位に原料を配置し、加圧することで形成することもできる。

回転磁石の原料としては、所謂ボンド磁石であり、ハードフェライトや希土類合金などの磁性粉末を、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ポリエステル樹脂などの熱硬化性樹脂、またはポリアミド樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリフェニレンスルフィド樹脂などの熱可塑性樹脂をバインダーとして結合、成形して製造される。

具体的には、射出成形と押出成形では熱可塑性樹脂をバインダーとして用いる。通常、このバインダーを加熱溶融状態にし、磁性粉末をその中に混合、混練した後、この混合物を成形機に供給できる粒 (ペレットと呼ばれる) 状に粉砕または造粒し、このペレットを射出成形機または押出成形機に供給して成形を行う。成形温度はバインダーの種類により異なるが、ポリプロピレン樹脂の場合で 200〜250 ℃、ポリアミド樹脂の場合では 250〜300 ℃であり、プレス成形に比べて高い。

成形された回転磁石は、必要により硬化工程等を経て着磁される。着磁は、上述したように、例えば特開昭６３−１８２８０８号公報、特開２００２−３５３０２９号公報などに記載されている方法により着磁される。

このとき、好ましくは回転軸に設けられた基準位置、例えば位置決め用の孔４ａを基準にして着磁される。すなわち、位置決め孔４ａに、位置決め用のロックピンなどを挿入して機械的に位置決めを行い着磁することで、極めて容易に高精度の位置決めを再現よく行うことができ、着磁位置のばらつきが生じ難くなる。

以上のようにして、高精度で着磁位置のばらつきの少ない回転磁石付き回転軸が製造される。なお、上記の製造方法は、回転磁石の製造方法の一例を示したものにすぎず、本発明の回転磁石を製造可能な公知の手法による置換、応用を妨げるものではない。

このような回転軸は、種々のエンコーダや回転計測装置に用いることができる。中でも特に多回転検出型のエンコーダに用いることが好ましい。

図６は本発明の回転軸を用いたエンコーダの一例を示す断面図である。ここでは、光学式の回転内変位量検出部と磁気式の回転計数部とを有する構成の多回転式エンコーダを例示して説明する。

図において、エンコーダは被測定物の軸などに取り付けられ、これと連動する本発明の回転軸１と、この回転軸１を回転自在に支持するベアリング１５と、このベアリングが取り付けられている基材１０とを有する。回転軸１には、その下部側に前記被測定物である回転体の軸が装着できるように、これと略同径の貫通孔３が設けられている。また、ベアリング１５の支持部上方にはフランジ状の回転軸取付部１ａが形成され、その上端面に符号板（スリット板）１４が取り付けられている。そして、回転磁石２は回転軸取付部１ａの符号板（スリット板）１４との接合面下部に回転軸１と一体に取り付けられている。

符号板１４の上方には基材１０に固定された基板１３が対向配置されていて、この符号板１４の符号（スリット）形成部位に対応した位置に、固定スリット２０を備えた受光素子１９が配置され、基板上の回路と電気的に接続されている。そして、符号板１４の受光素子１９取り付け位置下部には、発光素子２１配置され、この発光素子２１からの発光を符号板スリット、固定スリットを介して受光素子が検出できるようになっている。発光素子２１は、エンコーダの基材１０に固定された支持基板２２により支持されている。なお、これらの光学系は、例えば磁性体の符号板（磁気符号板）や磁気検出素子等による磁気式に置き換えてもよい。

符号板１４を介した回転磁石２の上方にある基板の下面側には、回転磁石２の磁極ないし磁気の変化を検出するための磁気検出素子１７が、回転磁石の環面と対向するように配置されている。また、前記基板１３の磁気検出素子１７取り付け部位と対応する上面側には、この磁気検出素子１７にバイアス磁界を与えるためのバイアス磁石１８が配置されている。これらの磁気検出素子１７，バイアスマグネット１８は、基板１３に図示しない構造により機械的、電気的に接続されている。なお、この明細書における図示例では、各構造部材を固定するために必要な構造、例えばネジ止め、接着、ハンダ付等の詳細は説明を容易にするために省略している。また、基板１３や基材１０を含む本体全体を覆うカバーの表示も省略している。

このような構造の多回転式アブソリュートエンコーダの場合、通常出力信号の位相を合わせるため、多回転検出用の回転磁石と一回転検出用符号板の位置関係を合わせる必要がある。また、更に回転軸とも位置関係を合わせる必要があり、例えば、その回転軸の位置合わせのためのマーク、つまり基準部として、ネジやDカット、切欠きなどが用いられる。

そして、回転軸の基準位置、例えば回転軸のネジやDカット、切欠きなどに対して一回転検出用符号板の位置（出力信号原点）を合わせ、さらに一回転検出用符号板の位置に対して多回転検出用の回転磁石の位置を機械的又は、電気的に合わせる作業が行われる。

しかし、本発明の回転軸を用いると、一回転検出用符号板の位置を軸の基準マークに合わせるだけで全ての位置合わせ作業を完成することができる。つまり、多回転検出用の回転磁石は、回転軸に直接成形され、この回転軸の基準マークに合わせて着磁しているので回転磁石の位置合わせ作業が不要となる。

このように、本発明の回転軸を用いることで、回転磁石の位置合わせ作業が不要になるばかりか、着磁の際に用いた位置合わせ用のマーク（位置決め機構）を１回転検出用の符号板の位置合わせにも用いることができ、作業工程を減らし、作業効率を大幅に改善することができる。

また、図示例の構造では回転磁石２を符号板（スリット板）４下の回転軸１に一体として配置することができ、基板１３と符号板１４とのギャップ空間内に回転磁石２が存在しなくなり、基板１３と符号板１４とのギャップをより狭くすることができ、ギャップをより最適化することができる。さらに、回転磁石と、バイアスマグネットと、磁気検出素子との位置関係が等間隔に近い配置となり、磁性回転体と、バイアスマグネットと、磁気検出素子との位置関係を最適化することができる。

本発明は、ロボット、自動機等の産業用機器や自動車、飛行機などの移動体等、あらゆる可動部の位置検出、回転検出に用いられる測定器等やエンコーダに応用することが可能である。特に、多回転型絶対値エンコーダにおいて有用な技術であるが、それ以外でも磁気式エンコーダ等に応用することができる。

本発明の回転軸の一態様を示す断面図である。 図１の回転軸の平面図である。 溝部の他の形状を示す部分断面図である。 溝部の他の形状を示す部分断面図である。 回転磁石の着磁パターンと、位置決め孔の関係を示す模式図である。 本発明の回転軸を有する多回転式エンコーダの一例を示す断面図である。

符号の説明

１ 回転軸本体
１ａ 回転軸取付部
２ 回転磁石
３ 貫通孔
１１ 基材
１３ 基板
１４ 符号板
１５ ベアリング
１７ 磁気検出素子
１８ バイアスマグネット
１９ 受光素子
２０ 固定スリット
２１ 発光素子
２２ 支持基板

Claims (6)

1. 回転磁石を装着するための回転磁石取付部を有する回転軸本体と、この回転軸の回転磁石取付部に成形されて一体となっているリング状の回転磁石とを有する回転軸。
2. 前記回転磁石取付部には回転磁石を固定するための溝構造を有する請求項１の回転軸。
3. さらに、着磁の基準位置を定める構造を有する請求項１または２の回転軸。
4. 請求項１〜３のいずれかの回転軸を有し、
   さらに、前記回転磁石上に符号板を有する多回転型エンコーダ。
5. 回転対称に形成され、回転磁石を装着するための回転磁石取付部を有する回転軸本体に、リング状の回転磁石を前記回転磁石取付部に成形して一体とし、
   その後着磁処理を行う回転軸の製造方法。
6. 前記着磁の磁極位置は、回転軸に設けられた基準位置に対して決められる請求項５の回転軸の製造方法。

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