JP2010210288A

JP2010210288A - エンコーダ

Info

Publication number: JP2010210288A
Application number: JP2009054062A
Authority: JP
Inventors: Kiichiro Yamabe; 基一郎山邉
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2009-03-06
Filing date: 2009-03-06
Publication date: 2010-09-24

Abstract

【課題】外部磁場を用いて検出精度の高いエンコーダを提供する。
【解決手段】ブレーキ装置ＢＲを有するモータＭＲの回転軸４０に固定され、回転軸４０と一体的に回転する磁場変化部Ｒは、環状部１０に磁性体部１２及び非磁性体からなる重心調整部１３を有し、ブレーキ装置ＢＲを有するモータＭＲからの漏れ磁場を、磁場変化部Ｒによって回転軸４０の回転角度に応じて変化させ、磁気センサ３２Ａ及び３２Ｂにより前記変化させた磁場を検出する。
【選択図】図１

Description

本発明は、エンコーダに関する。

モータの回転軸など回転体の回転数を検出する装置として、エンコーダが知られている（特許文献１）。エンコーダは、例えばモータの回転軸に取り付けられて用いられる。エンコーダの具体的構成として、例えば磁気を用いて回転数を検出する構成が知られている。このような構成のエンコーダは、所定の磁気パターンが形成された磁石部を回転軸と一体的に回転させ、磁石部の磁気パターンの変化を磁気センサによって読み取ることで、モータの回転軸の回転数を検出できるようになっている。

特開２００９−８４５８号公報

しかしながら、例えば、磁気によって回転数を検出するエンコーダを用いる場合、エンコーダ内部の構成要素による磁場以外の磁場が磁気センサの周囲に作用すると、当該磁気センサに対する磁気ノイズとなってしまい、検出誤差の原因となる可能性がある。

このような事情に鑑み、本発明の目的は、検出精度の高いエンコーダを提供することにある。

本発明に係るエンコーダ（ＥＣ）は、回転軸（４０）の回転角度に応じて磁場を変化させる磁場変化部（Ｒ）と、前記磁場を検出する検出部（Ｄ）とを備えることを特徴とする。

本発明によれば、検出精度の高いエンコーダを得ることができる。

本発明の第１実施形態に係るエンコーダの構成を示す断面図。磁場変化部と磁気センサとの位置関係を示す平面図。回転軸を回転させたときのエンコーダの動作図。同、動作図。同、動作図。同、動作図。本発明の第２実施形態に係るエンコーダの構成を示す断面図。磁場変化部と磁気センサとの位置関係を示す平面図。回転軸を回転させたときのエンコーダの動作図。同、動作図。同、動作図。同、動作図。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。
［第１実施形態］
図１は、本実施形態に係るエンコーダＥＣの構成を示す断面図である。
同図に示すように、エンコーダＥＣは、モータなどの回転体の回転数を検出する装置である。エンコーダＥＣは、磁場変化部Ｒ及び検出部Ｄを有している。エンコーダＥＣは、磁場変化部Ｒが検出部Ｄに収容された状態で用いられる。

磁場変化部Ｒは、例えばブレーキ装置ＢＲを有するモータＭＲの回転軸４０に固定され、回転軸４０と一体的に回転する部分である。ブレーキ装置ＢＲは、例えば電磁石を用いて回転のブレーキ制動を行う構成となっており、励磁時に漏れ磁場が発生する構成となっている。

磁場変化部Ｒは、環状部１０及び接続部１１を有している。環状部１０は、磁性体部１２及び重心調整部１３を有している。磁性体部１２は、環状部１０のうち磁性体からなる部分である。磁性体部１２は、回転軸方向に見て環状部１０の半分を占める領域に形成されている。

重心調整部１３は、環状部１０のうち非磁性体からなる部分である。重心調整部１３の構成材料としては、例えばアルミニウムなどが挙げられる。重心調整部１３は、環状部１０のうち磁性体部１２が設けられた残りの領域に配置されており、磁性体部１２の回転重心位置が回転軸４０に重なるように調整されている。

接続部１１は、例えばアルミニウム等の非磁性体からなる部分である。接続部１１は、環状部１０と一体的に形成されている。接続部１１には、回転軸４０に接続されて固定される不図示の固定機構が設けられている。

検出部Ｄは、上記の光反射パターン２４及び磁石部材Ｍによる磁場を検出する部分である。検出部Ｄは、筐体３０及び磁気センサ３２を有している。
筐体３０は、例えば平面視円形のコップ状に形成されている。筐体３０は、モータＭＲに固定されており、回転軸４０とは固定されていない状態で磁場変化部Ｒを収容する。したがって、回転軸４０が回転しても、筐体３０とモータＭＲとの相対位置が変化しないようになっている。

磁気センサ３２は、例えば磁場変化部Ｒに対して回転軸４０の軸方向に見て重なる位置に一対配置されている（磁気センサ３２Ａ及び３２Ｂ）。各磁気センサ３２Ａ及び３２Ｂは、磁気抵抗素子（不図示）を有している。磁気センサ３２Ａ及び３２Ｂは、それぞれ筐体３０に保持されている。

図２（ａ）は、磁場変化部Ｒと磁気センサ３２Ａ及び３２Ｂとの間の位置関係を示す平面図である。図２（ｂ）は、磁気センサ３２Ａ及び３２Ｂから出力される波形を示す図である。図２（ａ）に示すように、磁気センサ３２Ａ及び３２Ｂは、回転軸の回転方向に９０°ずれた位置に配置されている。

磁気抵抗素子は、例えば金属配線などによって形成された直交する２つの繰り返しパターンを有している（ブリッジ型）。磁気抵抗素子は、磁場の方向が当該繰り返しパターンに流れる電流の方向の垂直方向に近くなると電気抵抗が低下するようになっている。磁気抵抗素子は、この電気抵抗の低下を利用して磁場の方向を電気信号に変換する。時期抵抗素子が出力する出力信号は、図２（ｂ）に示すように磁場の方向が９０°変化する毎に出力電圧が逆極性となる矩形波となる。矩形波の振幅は、磁気抵抗素子において検出される磁場が強いほど大きくなる。磁気抵抗素子による矩形波は、上記の制御装置（不図示）に送信されるようになっている。制御装置は、磁気センサ３２Ａ及び３２Ｂからの矩形波に基づいて回転軸４０の回転数を求める処理を行う。

次に、上記のように構成されたエンコーダＥＣの動作を説明する。
モータＭＲの回転軸４０が回転すると、当該回転軸４０に一体的に取り付けられた磁場変化部Ｒが回転軸４０と一体的に回転する。モータＭＲに固定された検出部Ｄについては、回転軸４０には接続されていないため、回転せずに静止した状態となる。

図３及び図４に示すように、回転軸４０の回転と共にモータＭＲからは所定の磁場が発生する。モータＭＲの回転を制動する際、ブレーキ装置ＢＲを作動させる場合がある。ブレーキ装置ＢＲを作動させる場合においては、当該ブレーキ装置ＢＲからも漏れ磁場が発生する。以下、モータＭＲからの磁場及びブレーキ装置ＢＲからの磁場をまとめて、モータＭＲ側からの磁場、と表記する。

モータＭＲ側からの磁場は、回転軸４０を介してエンコーダＥＣ内部にも到達する。エンコーダＥＣ内部に到達した磁場の一部は、磁性体からなる磁性体部１２の方へ逃がされる。具体的には、モータＭＲ側からの磁場の一部が、回転軸４０の軸方向から環状部１０の径方向へと逸れるように作用する。このため、モータＭＲ側からの磁場は、磁性体部１２が設けられていない部分（重心調整部１３が設けられた部分）のみを通過して、磁気センサ３２Ａ、３２Ｂに検出される。

磁場変化部Ｒが回転すると、当該磁場変化部Ｒに形成された磁性体部１２が回転方向に移動する。モータＭＲ側からの磁場は磁性体部１２の方向に逃れるため、磁性体部１２が回転することにより、磁気センサ３２Ａ及び３２Ｂ側に到達する磁場の到達領域が回転軸４０の回転に伴って周期的に変化することになる。

図５に示すように、磁気センサ３２Ａ及び３２Ｂによって検出される磁場の強さは、磁性体部１２と磁気センサ３２Ａ及び３２Ｂとが重なる場合に最も弱くなる。また、図６に示すように、磁性体部１２と磁気センサ３２Ａ及び３２Ｂとが重ならない場合、すなわち、重心調整部１３と磁気センサ３２Ａ及び３２Ｂとが重なる場合に、磁場は最も強く検出されることになる。このように、磁気センサ３２Ａ及び３２Ｂによって検出される磁場の強さは、回転軸４０が１８０°回転する毎に変化することになる。磁気センサ３２Ａ及び３２Ｂは、当該磁場の強さの変化の周期を検出することにより、回転軸４０の回転数が検出することができる。

以上のように、本実施形態によれば、回転軸４０の回転角度に応じて磁場を変化させ、当該磁場を検出して回転軸４０の回転位置を検出することにより、エンコーダＥＣの検出精度を高めることができる。また、回転軸４０に磁石を固定させる必要が無く、磁気センサ３２Ａ及び３２Ｂのそれぞれについてバイアス磁石を設ける必要が無くなるため、部品点数を削減することができ、小型のエンコーダＥＣを得ることができる。

また、本実施形態によれば、磁性体部１２を回転軸４０から離れた位置に配置することにより、モータＭＲ側からの磁場の全部が磁性体部１２側へ逸れてしまうのを回避することができる。本実施形態では、非磁性体からなる接続部１１を介して磁性体部１２と回転軸４０とが接続されているため、接続部１１において磁場が逸れてしまうのを回避することができる。

また、本実施形態によれば、磁性体部１２の回転重心位置が回転軸４０上に重なるように重心調整部１３を設けることとしたので、回転軸４０の回転を安定させることができる。この重心調整部１３の構成材料として非磁性体が用いられているため、重心調整部１３側に磁場が逸れてしまうのを防ぐことができる。

［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態を説明する。
図７は、本実施形態に係るエンコーダＥＣ２の構成を示す断面図である。本実施形態では、磁場変化部Ｒとして棒磁石を用いている点で、第１実施形態とは異なっている。この点以外は、第１実施形態と同一の構成を用いることができる。同図に示すように、磁場変化部Ｒは、棒磁石１１０を有している。棒磁石１１０は、一端がＮ極、他端がＳ極に着磁されており、長手方向中央部が回転軸４０に固定されている。

図８は、磁場変化部Ｒと磁気センサ３２Ａ及び３２Ｂの位置関係を示す平面図である。棒磁石１１０からは、図の矢印方向に磁場が発生している。本実施形態では、第１実施形態と同様、磁気センサ３２Ａ及び３２Ｂが回転軸４０の回転方向に９０°ずれた位置に配置されている。

モータＭＲ及びブレーキ装置ＢＲが作動すると、それぞれから磁場が発生する（モータＭＲ側からの磁場）。回転軸４０を介してエンコーダＥＣ２に到達する磁場は、図９に示すように、軸方向に見たときの回転軸４０の中心から放射状に広がるように形成される。本実施形態では、図１０に示すように、棒磁石１１０によって常に磁場が形成されている。したがって、磁気センサ３２Ａ及び３２Ｂでは、図１１に示すような、これらの磁場の合成磁場が検出されることになる。

回転軸４０が回転すると、当該回転軸４０と一体的に棒磁石１１０が回転する。棒磁石１１０が回転することにより、合成磁場は図１２のように変化する。図１２（ａ）は棒磁石が基準回転位置（図８及び図１０に示す位置）にある場合にエンコーダＥＣ２内に形成される合成磁場、図１２（ｂ）は棒磁石１１０が基準回転位置から４５°反時計回りに回転したときに形成される合成磁場を示している。

図１２（ｃ）〜図１２（ｈ）は、棒磁石１１０が４５°ずつ反時計回りに回転したときにエンコーダＥＣ内に形成される合成磁場をそれぞれ示している。図１２（ａ）〜図１２（ｈ）では、棒磁石１１０の図示を省略している。図１２（ｅ）では基準回転位置から１８０°、図１２（ｈ）では基準回転位置から３１５°ずれた状態となっている。図１２（ｈ）に示す状態から棒磁石１１０を更に反時計回りに４５°回転させることで、図１２（ａ）に示す状態に戻る。

図１２（ａ）〜図１２（ｈ）に示すように、磁気センサ３２Ａ及び３２Ｂでは、棒磁石１１０が回転する毎に、強さが一定で方向の異なる合成磁場が検出されることとなる。図１２（ａ）に示す場合に磁気センサ３２Ａ及び３２Ｂに検出される合成磁場の方向と、図１２（ｅ）に示す場合に磁気センサ３２Ａ及び３２Ｂに検出される合成磁場の方向とでは、ちょうど９０°傾くことになる。したがって、棒磁石１１０は、回転軸４０が１８０°回転する毎に、合成磁場の方向を９０°変化させることになる。磁気センサ３２Ａ及び３２Ｂでは、棒磁石１１０が１８０°回転する毎に９０°変化した合成磁場の方向が検出され、当該合成磁場の周期的な変化が確実に検出されることとなる。

このように、本実施形態によれば、磁場変化部Ｒが棒磁石１１０を有し、磁気センサ３２Ａ及び３２Ｂを回転軸４０の回転方向に９０°ずれた位置に配置させる構成としたので、棒磁石１１０が１８０°回転する毎に、モータＭＲ側からの磁場と棒磁石１１０による磁場との合成磁場の方向を９０°変化させるように磁気センサ３２Ａ及び３２Ｂに検出させることができる。これにより、検出精度の高いエンコーダＥＣ２を得ることができる。

また、本実施形態においては、棒磁石１１０から発生する磁場によってモータＭＲ側からの磁場が強められるため、バイアス磁石を用いなくても磁気センサ３２Ａ及び３２Ｂによって磁場を確実に検出することができる。

本発明の技術範囲は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更を加えることができる。
上記第１実施形態では、回転軸が１８０°回転する毎に磁場の強度を変化させる形態の場合において、磁性体部１２を環状部１０の半分を占める領域に形成したが、これに限られることは無い。例えば、環状部１０の半分以下の領域に磁性体部１２を形成しても構わないし、半分以上の領域を占めるように磁性体部１２を形成しても構わない。上記第１実施形態では、磁性体部１２を連続した形状として形成したが、これに限られることは無く、磁性体部１２が途切れた形状としても勿論構わない。

また、第１実施形態のように磁場の強度の変化を検出する形態では、磁気センサの数が２つである必要は無く、例えば磁気センサを１つだけ配置する構成であっても良いし、３つ以上の磁気センサを配置する構成であっても構わない。第１実施形態では、２つの磁気センサ３２Ａ及び３２Ｂを回転方向に９０°ずれた位置に配置する構成としたが、これに限られることは無く、磁気センサ３２Ａ及び３２Ｂの位置を選択することができる。

また、第１実施形態では、磁気センサ３２Ａ及び３２Ｂにバイアス磁石を設けない構成としたが、当該バイアス磁石を設ける構成であっても構わない。バイアス磁石を設けることにより、磁気抵抗素子によって検知される磁場を強くすることができ、より高い出力値を得ることができる。

また、第１実施形態では、重心調整部１３を設ける構成としたが、当該重心調整部１３を設けない構成であっても構わないし、重心調整部１３を一部のみ設ける構成であっても構わない。

また、上記第２実施形態に示すような、回転軸４０が１８０°回転する毎に磁場の方向を変化させる形態の場合には、磁場変化部Ｒとして、定常な強度及び方向で磁場を発生させるものであれば、棒磁石１１０以外の他の形状の磁石を用いても構わない。

ＥＣ、ＥＣ２…エンコーダ４０…回転軸Ｒ…磁場変化部Ｄ…検出部１０…環状部１１…接続部１２…磁性体部（回転部）１３…重心調整部３２Ａ、３２Ｂ…磁気センサ１１０…棒磁石

Claims

回転軸の回転角度に応じて磁場を変化させる磁場変化部と、
前記磁場を検出する検出部と
を備えることを特徴とするエンコーダ。
前記磁場変化部は、前記回転軸と一体的に回転する回転部を有し、
前記回転部は、所定形状の磁性体からなる
ことを特徴とする請求項１に記載のエンコーダ。
前記回転部は、前記回転軸から離れた位置に設けられる
ことを特徴とする請求項２に記載のエンコーダ。
前記磁場変化部は、前記回転部の回転重心位置を調整する重心調整部を有する
ことを特徴とする請求項２又は請求項３に記載のエンコーダ。
前記重心調整部は、非磁性体からなる
ことを特徴とする請求項４に記載のエンコーダ。
前記磁場変化部は、所定の磁気パターンが形成された磁石部を有する
ことを特徴とする請求項１から請求項５のうちいずれか一項に記載のエンコーダ。
前記磁石部は、棒磁石を有し、
前記検出部は、複数設けられており、
前記複数の検出部は、前記回転軸の回転方向に９０°ずれた位置に配置されている
ことを特徴とする請求項６に記載のエンコーダ。
前記回転軸は、ブレーキ機構を有するモータ装置の回転軸であり、
前記磁場は、少なくとも前記ブレーキ機構から発生することを含む
ことを特徴とする請求項１から請求項７のうちいずれか一項に記載のエンコーダ。
前記磁場変化部は、前記回転軸が１８０°回転する毎に前記磁場の強度を変化させることを特徴とする請求項１から請求項８のうちいずれか一項に記載のエンコーダ。
前記磁場変化部は、前記回転軸が１８０°回転する毎に前記磁場の方向を変化させることを特徴とする請求項１から請求項９のうちいずれか一項に記載のエンコーダ。