JP2013096755A - 磁気エンコーダ - Google Patents

Abstract

【課題】 簡単に正弦波状の磁束を発生できて、低コストの磁気エンコーダを提供する。
【解決手段】第１及び第２の永久磁石列１５及び１７が、同極性の磁極が対向するように並べられた複数個の永久磁石１３と複数個の永久磁石１３の側面に配置された磁性ヨーク１４とが所定のピッチで磁性片列９の移動方向に並んで構成されている。第１及び第２の永久磁石列１５及び１７と対応する第１及び第２の磁気検出器１９及び２１は、永久磁石列１５及び１７と磁性片列９との間に相対的な位置の変位が生じたときに発生する漏れ磁束を検出することができる位置関係をもって配置されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、磁気エンコーダに関するものである。

磁石と磁気検出素子とから構成される磁気エンコーダがある。しかし磁石だけを用いるものでは、磁石の誤差がそのまま検出されるため、誤差が大きくなる。そこで誤差を小さくするために補正機構を設けた磁気エンコーダも提案されているが、補正機構や補正回路が複雑になる。例えば、特許文献１（特許第４２５８３７６号公報）に示された多回転式エンコーダでは、磁気カップリングを利用しているが、磁気結合している面積の割合が小さく、許容伝達トルクが小さい。そのため急峻な回転時に脱調してしまう問題がある。またひとつの磁石の誤差がそのまま検出されるため、誤差が大きくなることがある。

また特許文献２（特表２００８−５１４９０６号公報）に示された永久励磁型電気同期機における速度測定で用いられているエンコーダでは、きれいな正弦波が得られず、精度が上げられない。また漏れ磁束が多く、磁気センサ部に届く磁束が弱い。そのためＳＮ比が上がらず、精度が低いという問題がある。

特許文献３（特開２００２−６２１６２号公報）に示された磁極位置検出器の構造でも、漏れ磁束が多く、磁気センサ部に届く磁束が弱い。そのためＳＮ比が上がらず、精度が低いという問題がある。

特許文献４（特開２００８−１５１７７４号公報）に示された回転角度検出装置では、複数のホールセンサを使用して精度を上げる工夫がなされているが、それでも歪みが残り、正確な正弦波が得られない。

特許文献５（特開２００８−６４５３７号公報）に示されたリニアレゾルバでは、長ストロークの場合に校正が難しいことや、ピッチを細かくできないため、精度を上げられない。

特許文献６（特開２００８−２８９３４５号公報）に示されたリニアモータの原点設定方法では、ピッチを細かくできないことや、正弦波状の磁束が得られにくく、精度を上げられない。

特許文献７（特開２００９−２４７１０５号公報）に示されたシャフトモータの位置検出技術では、ピッチを細かくできないことや、正弦波状の磁束が得られにくく、精度を上げられない。

特許文献８（特開２００６−１０５７５７号公報）に示された磁気検出装置、特許文献９（特開２００６−５８２５６号公報）に示された回転検出装置でも、正弦波状の磁束が得られにくく、精度を上げられない。

特許文献１０（特開２０１０−７１９０１号公報）に示された位置検出装置は、マグネットの位置決め精度に依存した位置検出精度であり、マグネットの特性バラツキを考慮すると量産性の低いものとなる。

特許第４２５８３７６号公報 特表２００８−５１４９０６号公報 特開２００２−６２１６２号（特許第３３９５１４７号）公報 特開２００８−１５１７７４号公報 特開２００８−６４５３７号公報 特開２００８−２８９３４５号公報 特開２００９−２４７１０５号公報 特開２００６−１０５７５７号公報 特開２００６−５８２５６号公報 特開２０１０−７１９０１号公報

従来の磁気エンコーダは、出力される正弦波状信号が完全な正弦波ではなく、高次高調波成分等の歪み成分が重畳しているために歪んでいる。このような波形歪みは、精度の低下をもたらす。また波形歪みによる精度低下回避のために複数の磁気センサを使用したり、ＲＯＭテーブルなどで校正を行うシステムを構築したりと、各メーカが工夫していたが、どれもコスト面や応答性に問題があった。

本発明の目的は、簡単に正弦波状の磁束を発生できて、分解能と内挿精度の向上を図ることができる、低コストの磁気エンコーダを提供することにある。

本発明の他の目的は、波形歪みが少ない正弦波状の磁束を発生できる磁気エンコーダを提供することにある。

本発明の磁気エンコーダは、同極性の磁極が対向するように並べられるか、または一方向に同じ極性の磁極が現れるように非磁性材を介して並べられた複数の永久磁石からなる永久磁石列と、永久磁石列に沿って間隔あけて並ぶように配置された複数の磁性片を有する磁性片列と、永久磁石列と磁性片列との間に相対的な位置の変位が生じたときに発生する漏れ磁束を検出する磁気検出器とを備えている。そして複数の永久磁石のピッチ及び複数の磁性片のピッチを、永久磁石列と磁性片列との間に相対的な位置の変位が連続的に生じているときに、永久磁石列中の１つの永久磁石から出た磁束が該１つの永久磁石の隣の永久磁石または非磁性材と対向する１つの磁性片を通って永久磁石列中に戻る磁路が形成されるように定める。

本発明では、永久磁石列と磁性片列との間に相対的な変位を生じさせることにより、磁路に含まれる永久磁石から出る磁束の合成磁束が得られることになる。その結果、永久磁石の数を増やせば、１つの永久磁石の影響を小さくすることができ、ひずみが少ない正弦波状の磁束を生じさせることができる。そしてこの磁束の漏れ磁束を磁気検出器で検出することにより、特別な補正回路を必要とすることなく、正弦波状信号を得ることができる。その結果、分解能と内挿精度の向上を図ることができる。永久磁石列は、少なくとも２極以上の磁極となるように２個以上の永久磁石（物理的に分離していても、一体化されていてもよい）で構成される。磁性片列と対向する永久磁石列の永久磁石の極数が増加するほど、検出磁束は正確な正弦波に近づき、高精度となる。永久磁石が２極のように少ない場合では、低コストな磁気センサを提供できる。

磁性片のピッチをＰ＝３６０°（電気角）としたときに、永久磁石のピッチτｐ（電気角）はＰ／４＜τｐ＜Ｐの範囲内の値とするのが好ましい。このようにすると、より正確な正弦波状の出力を得ることができ、高精度かつ高分解能な磁気エンコーダを提供することができる。

永久磁石列は、複数の永久磁石のそれぞれの両側に磁性ヨークが配置された構造を有してもよい。このようにすれば、磁束の流れを効率よく高めることができ、また、永久磁石の同極を向かい合わす際には、発生する反発力を小さくすることができ、永久磁石列の製造作業を容易にできる。もちろん永久磁石列は、複数の永久磁石が直接接合された構造にしてもよい。このようにすれば、永久磁石の量を増やすことができる。

永久磁石列の両端に位置する磁性ヨークどうしを磁気的に連結して永久磁石列からの漏れ磁束を集める連結ヨークを設けてもよい。この場合、磁気検出器は、連結ヨークを通る漏れ磁束を検出するように配置する。連結ヨークを用いれば、磁気検出器で検出する磁束の強度が強くなるため、より高感度となり、精度及び分解能を向上できる。

磁気検出器の配置位置は、漏れ磁束を検出できる位置であればどこでよい。例えば、磁気検出器を磁性片列を間に介して永久磁石列と対向する位置に配置してもよい。また磁気検出器を、磁性片列と永久磁石列の両方と対向する位置に配置してもよい。さらに磁気検出器を、永久磁石列の延長線上で磁性ヨークに隣接した位置に配置してもよい。これらの位置であれば、確実に磁束を検出することができる。

永久磁石列の長さと磁性片列の長さは、どちらが長くてもよい。磁性片列を構成する複数の磁性片は、磁性片よりも磁気抵抗の大きな連結部により連結された一体構造を有していてもよい。このような一体構造を有していれば、磁性片列の製造及び取付が容易になる。

磁性片列を構成する複数の磁性片は、正弦波磁束が得られるものであれば、何でもよく、例えば永久磁石側から見たその輪郭形状は、矩形、円形または長方形の輪郭形状でもよい。また磁性片列を構成する複数の磁性片は、磁性片列が延びる方向及び永久磁石列に向かう方向と直交する方向から見た輪郭形状が、円形である円柱形状を有していてもよい。さらに磁性片列を構成する複数の磁性片は、磁性片列が延びる方向から見た輪郭形状が、円形である円柱形状を有していてもよい。さらに永久磁石及び磁性ヨークは、磁性片列の周囲を囲むように形成された環状形状を有していてもよい。なおこの場合、磁性片列としては、永久磁石列が延びる方向からみた輪郭形状が円形である円柱形状を有していてもよい。そしてこの場合は、永久磁石及び磁性ヨークも円環状形状を有していれば、永久磁石列と磁性片列の間の間隔が一定になるため、正弦波磁束に発生する歪みが小さくなる。

より具体的には、磁性片列は、回転軸の回転によって直接または間接的に回転する円板の外周面に沿って円環状の列をなすように該円板に固定することができる。この場合、磁性片列に対向するように円弧状に延びる２以上の永久磁石列を、磁性片列と対向するように配置する。このように磁気エンコーダを構成すると、位相の異なる少なくとも２つの正弦波状信号を得て、回転軸の回転位置を簡単に検出することができる。この場合においても、磁性片のピッチをＰ＝３６０°（電気角）としたときに、永久磁石のピッチはＰ／４＜τｐ≦Ｐ／２の値であとするのが好ましい。また永久磁石列は、複数の永久磁石のそれぞれの両側に磁性ヨークが配置された構造を有しているのが好ましい。さらに永久磁石列の両端に位置する磁性ヨークどうしを磁気的に連結して永久磁石列からの漏れ磁束を集める連結ヨークを設け、磁気検出器を連結ヨークを通る漏れ磁束を検出するように配置するのが好ましい。このようにすると位相の異なる２以上の正弦波磁束を発生させることができて、高精度な磁気エンコーダを提供できる。なお磁性片のピッチをＰ＝３６０°（電気角）としたときに、永久磁石のピッチをＰ／４＜τｐ＜Ｐの値とした上で、２つの磁性片列を機械的に１８０°ずれた位置に配置する。そして２つの磁性片列に対応して設けられる２つの磁気検出器の一方の位置を、２つの磁性片列を結ぶ仮想線に対して回転軸の回転方向にＰ／４ずれた位置とし、２つの磁気検出器の他方の位置をこの仮想線に対して回転軸の回転方向とは逆の方向にＰ／４ずれた位置とする。このような配置構成を採用すると、それぞれの磁気検出器に鎖交する磁束の方向が逆転する。その結果、２つの磁気検出器の出力を差動で接続することで大きなＳＮ比となり、また外部からの磁界の影響をキャンセルすることができて、外部磁界の外乱に強い、より高精度な磁気エンコーダを提供できる。

永久磁石列を回転軸を中心とする円環状の永久磁石列をなすように構成し、磁性片列を回転軸を中心とする円環状の磁性片列をなすように構成し、回転軸の軸線を中心とする領域に磁気検出器を配置してもよい。このようにすると、永久磁石列を同極性の磁極が対向するように並べて構成した場合には、磁性片列が１回転すると内側の磁場は磁性片の数だけ回転、永久磁石列が１回転すると内側の磁場は永久磁石の数の半分の数だけ回転することになる。そのため、高分解能な磁気センサを簡素な構造で構成できる。また、複数の永久磁石の磁気が合成されたものを検出するため、磁石１個の誤差の影響がわずかであり、高い精度が得られる。なお円環状の永久磁石列と円環状の磁性片列は、回転軸の径方向に並んで配置されていてもよい。また円環状の永久磁石列と円環状の磁性片列は、回転軸の軸線方向に並ぶように配置してもよい。そしてこの場合において、一対の磁気検出器が検出できる磁束の方向が機械的に１８０°ずれた状態になるように一対の磁気検出器を配置した場合、一対の磁気検出装置の出力が差動になるように一対の磁気検出器の出力部を接続することで、得られる正弦波状信号は大きなＳＮ比となり、また外部からの磁界の影響をキャンセルすることができ、外部磁界の外乱に強い、より高精度な磁気エンコーダを得ることができる。

一方向に同じ極性の磁極が現れるように非磁性材を介して並べられた複数の永久磁石から永久磁石列を構成する場合には、非磁性材は空気により構成することができる。このことは隣合う２つの永久磁石の間に間隔をあけて、その間隔を非磁性材とすることを意味する。

本発明をリニア磁気エンコーダに適用した実施例の動作を説明するために用いる図である。 （Ａ）は図１の磁気検出器が検出する磁束密度であり、（Ｂ）は磁気検出器の出力電圧波形である。 （Ａ）はＰ／２＜τｐ＜Ｐの場合の永久磁石のピッチτｐと磁性片のピッチＰとの関係を示しており、（Ｂ）はＰ／４＜τｐ＜Ｐ／２の場合の永久磁石のピッチτｐと磁性片のピッチＰとの関係を示している。 （Ａ）乃至（Ｄ）は、磁気検出器の設置位置を示す図である。 他のリニア磁気エンコーダの実施例の概略構成を示す図である。 他のリニア磁気エンコーダの実施例の概略構成を示す図である。 他のリニア磁気エンコーダの実施例の概略構成を示す図である。 （Ａ）及び（Ｂ）は、他のリニア磁気エンコーダの実施例の概略構成と動作を示す図である。 （Ａ）乃至（Ｈ）は、磁性片列の変形例を示す図である。 磁性ヨークを用いない他のリニア磁気エンコーダの実施例の概略構成を示す図である。 （Ａ）及び（Ｂ）は、図１０のリニア磁気エンコーダの磁気検出器が検出する磁束密度と出力電圧波形を示す図である。 （Ａ）及び（Ｂ）は、本発明を回転型の磁気エンコーダに適用した実施例の概略正面図及び側面図を示している。 （Ａ）及び（Ｂ）は、図１２の磁気エンコーダの磁気検出器が検出する磁束密度と出力電圧波形を示す図である。 （Ａ）及び（Ｂ）は、本発明を回転型の磁気エンコーダに適用した他の実施例の概略正面図及び側面図を示している。 （Ａ）及び（Ｂ）は、図１４の磁気エンコーダの磁気検出器が検出する磁束密度と出力電圧波形を示す図である。 本発明を回転型の磁気エンコーダに適用した他の実施例の概略正面図及び側面図を示している。 （Ａ）及び（Ｂ）は、図１６の磁気エンコーダの磁気検出器が検出する磁束密度と出力電圧波形を示す図である。 本発明を回転型の磁気エンコーダに適用した他の実施例の概略正面図を示している。 （Ａ）及び（Ｂ）は、本発明を回転型の磁気エンコーダに適用した他の実施例の概略正面図及び側面図を示している。 本発明を回転型の磁気エンコーダに適用した他の実施例の概略正面図を示している。 （Ａ）及び（Ｂ）は図１６の磁気エンコーダの磁気検出器が検出する磁束密度と出力電圧波形を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の磁気エンコーダの複数の実施の形態を詳細に説明する。なお以下の説明で参照する図面には、図示を明確にするために、一部を除いて断面であることを示すハッチングを付していない。

（実施例１）
図１は、本発明の磁気エンコーダをリニア磁気エンコーダに適用した実施例の動作を説明するために用いる図である。図１には、本実施の形態のリニア磁気エンコーダの動作状態を上から下に向かって時系列で示してある。図１に示すように、リニア磁気エンコーダ１は、可動子３と、固定子５とを有しており、可動子３の固定子５に対する位置を示す信号を発生する。可動子３は、複数の磁性片７からなる１つの磁性片列９が非磁性体からなる支持体１１により支持された一体構造を有している。磁性片７は、縦断面形状が台形に近似した形状を有しており、その露出表面部は平坦で支持体１１の一方の面から露出している。磁性片７は、例えば珪素鋼等の磁性材料から形成されている。支持体１１は、磁性片７よりも磁気抵抗の大きな材料（例えばアルミニューム等）により形成されている。このような一体構造を有していれば、磁性片列９の製造及び取付が容易になる。本実施例で、磁性片７のピッチＰとは、磁性片７の磁性片列９方向の長さと、隣合う２つの磁性片７の間の支持体１１を構成する部分の長さを加えた長さを意味する。本実施例では、この磁性片７のピッチＰを電気角で３６０°と定義する。なお本実施の形態では、複数の磁性片７をインサートとしてインサート成形により一体物の磁性片列９を形成している。図示していないが、可動子３の両端は、可動子３の直線運動は許容するが、回転運動を許容しない軸受等によってスライド自在に支持されている。

固定子５は、複数の永久磁石１３を備えた第１及び第２の永久磁石列１５及び１７と、第１及び第２の永久磁石列１５及び１７に対応して設けられた第１及び第２の磁気検出器１９及び２１を備えている。本実施例では、第１及び第２の永久磁石列１５及び１７が、同極性の磁極が対向するように並べられた６個の永久磁石１３とこれら６個の永久磁石１３の側面に配置された７枚の磁性ヨーク１４とが、所定のピッチτｐで可動子３の移動方向に並んで構成されている。本実施例では、永久磁石１３の軸線方向の厚み寸法と１枚の磁性ヨーク１４の軸線方向の厚み寸法を加えた寸法が、永久磁石列１５及び１７における永久磁石のピッチτｐとなる。磁性ヨーク１４は、鉄などの磁性材料から形成されている。例えば、珪素鋼からなる複数の磁性鋼板を軸線方向に積層して磁性ヨーク１４を形成してもよい。磁性ヨーク１４の材料としては、炭素鋼、フェライト系ステンレス、圧粉磁心等も用いることができる。

第１及び第２の永久磁石列１５及び１７と対応する第１及び第２の磁気検出器１９及び２１は、永久磁石列１５及び１７と磁性片列９との間に相対的な位置の変位が生じたときに発生する漏れ磁束を検出することができる位置関係をもって、それぞれ図示しない樹脂モールド部によって一体化されている。磁気検出器１９及び２１としては、ホールセンサ（Ｎ極Ｓ極の区別ができる）を用いることができ、また磁気抵抗素子（Ｎ極Ｓ極の区別ができない）を用いてもよい。

本実施例のように、永久磁石列１５及び１７を、複数の永久磁石１３のそれぞれの両側に磁性ヨーク１４が配置された構造にすると、磁束の流れを効率よく高めることができ、また、永久磁石１３の同極を向かい合わす際には、発生する反発力を小さくすることができて、永久磁石列の製造作業を容易にできる。

可動子３と固定子５とは、永久磁石１３と磁性片７とが所定の間隔をあけて対向するように、例えばリニアモータの可動子及び固定子にそれぞれ設置することができる。図１において永久磁石１３中の矢印は磁化方向を示している。また細い線の矢印は、可動子３が固定子５に対して移動したときに発生する磁束の流れ（磁路）を示している。本実施例では、複数の永久磁石１３のピッチτｐ及び複数の磁性片７のピッチＰを、永久磁石列１５及び１７と磁性片列９との間に相対的な位置の変位が連続的に生じているときに、永久磁石列１５及び１７中の１つの永久磁石１３から出た磁束が該１つの永久磁石１３の隣の永久磁石１３と対向する１つの磁性片７を通って永久磁石列１５及び１７中に戻る磁路が形成されるように定められている。具体的に、数値で限定すると本実施例では、磁性片７のピッチをＰ＝３６０°（電気角）としたときに、τｐ＝Ｐ／２となるようにピッチτｐを定めている。そして第１の永久磁石列１５と第１２の永久磁石列１７とは、磁気的にＰ／４ピッチずらして配置されている。すなわち第１の磁気検出器１９が検出する漏れ磁束の磁束密度Ｂ１と、第２の磁気検出器２１が検出する漏れ磁束の磁束密度Ｂ２が、図２（Ａ）に示すように電気角で９０°位相がずれるように、第１の永久磁石列１５及び第１の磁気検出器１９と第２の永久磁石列１７及び第２の磁気検出器２１の位置関係が定められている。その結果、本実施例によれば、２相正弦波出力の磁気エンコーダが得られる。

図１には、磁性片列９がＰ／４ずつ移動したときの磁束の発生状態を示している。図１において、１段目の状態では、第１の永久磁石列１５における隣合う２つの永久磁石１３が１つの磁性片７と均等に対向していて、発生する磁束φは１つの永久磁石１３と１つの磁性片７との間を通る小さい磁路を形成する。このとき第２の永久磁石列１７では、１つの磁性片７が１つの永久磁石１３と完全に対向していて、発生する合成磁束φは、１つの永久磁石１３から出た磁束が該１つの永久磁石１３の隣の永久磁石１３と対向する１つの磁性片７を通って永久磁石列１７中に戻る磁路を形成している。可動子３がＰ／４ピッチ移動すると、図１の２段目の状態となり、第１の永久磁石列１５では、１つの磁性片７が１つの永久磁石１３と完全に対向していて、発生する合成磁束φは、１つの永久磁石１３から出た磁束が該１つの永久磁石１３の隣の永久磁石１３と対向する１つの磁性片７を通って永久磁石列１５中に戻る磁路を形成している。そして第２の永久磁石列１７における隣合う２つの永久磁石１３が１つの磁性片７と均等に対向していて、発生する磁束φは１つの永久磁石１３と１つの磁性片７との間を通る小さい磁路を形成する。更に可動子３がＰ／４ピッチ移動すると、図１の３段目の状態となり、第２の永久磁石列１７を通る合成磁束φが１段目の状態とは逆方向に流れる磁路が形成される。更に可動子３がＰ／４ピッチ移動すると、図１の４段目の状態となり、第１の永久磁石列１５を通る合成磁束φが２段目の状態とは逆方向に流れる磁路が形成される。更に可動子３がＰ／４ピッチ移動すると、図１の５段目の状態となり、１段目の状態に戻る第１の永久磁石列１５を通る合成磁束φが２段目の状態とは逆方向に流れる磁路が形成される。

図２（Ａ）において、磁束密度Ｂ１及びＢ２が０のときは、１つの磁性片が１つの永久磁石１３と完全に対向しているときである。そして磁束密度Ｂ１及びＢ２がピークに向かい且つピークから０に向かう過程では、１つの永久磁石１３から出た磁束が該１つの永久磁石１３の隣の永久磁石１３と対向する１つの磁性片７を通って永久磁石列１５中に戻り、複数の永久磁石の磁束が合成されて磁路を形成しているときである。図２（Ｂ）は、図２（Ａ）の磁束が発生しているときに、第１及び第２の磁気検出器１９及び２１から出力される電圧波形を示している。なお永久磁石１３の数を増やせば、１つの永久磁石１３の影響を小さくすることができ、ひずみが少ない正弦波状の磁束を生じさせることができる。そしてこの磁束の漏れ磁束を磁気検出器１９及び２１で検出することにより、特別な補正回路を必要とすることなく、正弦波状信号を得ることができる。この正弦波信号を公知技術により信号処理することにより、可動子３の固定子５に対する位置を示す信号を得ることができる。その結果、本実施例によれば、リニア磁気エンコーダの分解能と内挿精度の向上を図ることができる。永久磁石列は、少なくとも２極以上の磁極が含まれるように２個以上の永久磁石１３（物理的に分離していても、一体化されていてもよい）で構成される。磁性片列９と対向する永久磁石列１５及び１７の永久磁石１３の極数が増加するほど、検出磁束は正確な正弦波に近づき、高精度となる。また永久磁石１３、磁性ヨーク１４、磁性片７に位置や特性のバラツキがあっても、平滑化された出力を得ることができる。

なお永久磁石１３のピッチτｐ（電気角）はＰ／４＜τｐ＜Ｐの値とするのが好ましい。図３（Ａ）は、Ｐ／２＜τｐ＜Ｐの場合の永久磁石１３のピッチτｐと磁性片７´のピッチＰとの関係を示しており、図３（Ｂ）はＰ／４＜τｐ＜Ｐ／２の場合の永久磁石１３のピッチτｐと磁性片７´のピッチＰとの関係を示している。図３において永久磁石列１６は１つだけ示してあり、磁気検出器２０も１つだけ示してある。また図３においては、磁性片７´の断面形状が矩形状を呈している。

磁気検出器２０の配置位置は、漏れ磁束を検出できる位置であればどこでもよい。例えば、図４（Ａ）に示すように、磁性片列９´を間に介して永久磁石列１６と対向する位置に磁気検出器２０を配置して漏れ磁束φを検出するようにしてもよい。また図４（Ｂ）及び（Ｃ）に示すように、磁気検出器２０を、磁性片列９´及び永久磁石列１６の両方と対向する位置に配置して漏れ磁束φを検出するようにしてもよい。さらに磁気検出器２０を、永久磁石列１６の延長線上で磁性ヨーク１４に隣接した位置に配置して漏れ磁束φを検出するようにしてもよい。これらの位置であっても、確実に磁束φを検出することができる。

永久磁石列を構成する永久磁石の数は、２以上あればよい。図５は、永久磁石列１６が２つの永久磁石１３によって構成されている実施例を示している。この永久磁石列１６でも、２つの永久磁石１３は同極性の磁極が対向するように並べられており、各永久磁石１３の両端には、磁性ヨーク１４が配置されている。本実施例のように、永久磁石１３が２極の場合では、低コストな磁気エンコーダを提供できる。

図６に示すように、永久磁石列１６の両端に位置する２つの磁性ヨーク１４どうしを磁気的に連結して永久磁石列１６からの漏れ磁束を集める連結ヨーク２３及び２４を設けてもよい。連結ヨーク２３及び２４の一端は、磁性ヨーク１４に連結され、連結ヨーク２３及び２４の他端はギャップ２５を介して対向している。そしてギャップ２５内に、磁気検出器２０を配置している。このような構造を使用すると、磁気検出器２０は、連結ヨーク２３及び２４を通る漏れ磁束φを検出する。連結ヨーク２３及び２４を用いれば、磁気検出器２０で検出する磁束の強度が強くなるため、より高感度となり、精度及び分解能を向上できる。

図７に示すように、永久磁石列１６´は、永久磁石１３だけで構成してもよい。すなわち磁性ヨーク１４を用いなくても、磁気抵抗の変化が発生するため、磁気エンコーダとして十分機能する。

また図８（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、永久磁石列１１６の長さを磁性片列１０９の長さより、長くしてもよい。この実施例では、永久磁石列１１６が可動子１０３を構成しており、磁性片列１０９と磁気検出器２０とが固定子を構成している。この場合において、磁性片列１０９に含まれる磁性片１０７の数は、図８（Ａ）に示すように偶数でもよく、また図８（Ｂ）に示すように奇数でもよい。また本実施例において、永久磁石列１１６を固定子として、磁性片列１０９と磁気検出器２０とを可動子としてもよいのは勿論である。

磁性片列を構成する複数の磁性片の永久磁石側から見た輪郭形状は、正弦波磁束が得られるものであれば、任意である。また永久磁石列を構成する永久磁石の形状も正弦波磁束が得られるものであれば、任意である。

図９（Ａ）乃至（Ｈ）は、磁性片の変形例及び永久磁石の変形例を示している。図９（Ａ）は、図３及び図４に示した磁性片列９´と同じものである。この磁性片列９´では、磁性片７´が、永久磁石列１６側から見た輪郭形状及び縦断面形状が共に矩形状を呈している。このような平板状の磁性片７´であれば、図１の実施例で使用する磁性片７のように、角に面取りが必要ないため、磁性片列の生産性が向上する。

図９（Ｂ）の磁性片列２９は，複数の磁性片２７が連結片２８により連結された構造を有している。この構造の磁性片列２９は、磁性片２７と連結片２８とを鋳造やプレス成形等により一体成形することができるので生産性が向上する。

図９（Ｃ）の（ａ）及び（ｂ）に示した磁性片３７は、永久磁石列１６側から見た輪郭形状が円形を呈している。複数の円形の磁性片３７が、長尺状の支持体１１´の上に接着されて磁性片列３９が構成されている。

図９（Ｄ）の（ａ）及び（ｂ）に示した磁性片４７は、永久磁石列１６側から見た輪郭形状は矩形であるが、横方向から見た形状が円形になる円柱状を呈している。そして複数の円柱状の磁性片４７が支持体１１´に埋設された状態で支持されて、磁性片列４９が構成されている。

図９（Ｅ）に示した磁性片５７は、球状を呈している。そして複数の球状の磁性片５７が支持体１１´に埋設された状態で支持されて、磁性片列５９が構成されている
図９（Ｆ）の（ａ）及び（ｂ）に示した磁性片６７は、永久磁石列１６側から見た輪郭形状は矩形であるが、磁性片列６９の長手方向から見た形状が円形になる円柱状を呈している。そして複数の円柱状の磁性片６７が長手方向に並ぶようにして支持体１１´に支持されて磁性片列６９が構成されている。

図９（Ｇ）の（ａ）及び（ｂ）に示した永久磁石１３´及び磁性ヨーク１４´はそれぞれ円環状を呈しており、複数の永久磁石１３´及び複数の磁性ヨーク１４´が交互に接合されて円筒状の永久磁石列１６´が構成されている。磁性片６７は、永久磁石列１６側から見た輪郭形状は矩形であるが、磁性片列６９の長手方向から見た形状が円形になる円柱状を呈している。そして複数の円柱状の磁性片６７が長手方向に並ぶようにして支持体１１´に支持されて磁性片列６９が構成されている。

図９（Ｈ）の（ａ）及び（ｂ）に示した永久磁石１３″及び磁性ヨーク１４″はそれぞれ円柱状を呈しており、複数の永久磁石１３″及び複数の磁性ヨーク１４″が交互に接合されて円柱状の永久磁石列１６″が構成されている。磁性片列９´は、図９（Ａ）の磁性片列と同じである。

図１０（Ａ）及び（Ｂ）は、一方向に同じ極性の磁極が現れるように非磁性材１２を介して並べられた複数の永久磁石１３と永久磁石の両側に配置された磁性ヨーク１４とからなる永久磁石列３０を用いた実施例の磁気エンコーダで、磁性片列９をＰ／２ピッチ移動させる前と後の状態を示している。非磁性材１２として例えばアルミニュームを用いることができる。永久磁石列３０は、複数の永久磁石１３をインサートとしてインサート成形することができる。なお非磁性材１２は空気でもよい。本実施例において、使用する磁気検出器２０は、ホールセンサでも，ＭＲセンサ（磁気抵抗素子）のどちらでもよい。検出される磁束の極性が一方向のみになるため、特にＭＲ素子を利用する場合には、精度を向上できる。図１１（Ａ）には、磁気検出器２０で検出する漏れ磁束φの磁束密度を示しており、図１１（Ｂ）にはＭＲ素子の出力（検出された電気抵抗）の変化を示している。磁束密度と電気抵抗は同位相で変化する。なお本実施例において、磁性ヨークを用いずに永久磁石１３と非磁性材１２とにより永久磁石列３０を構成してもよい。

図１２（Ａ）及び（Ｂ）は本発明を回転型の磁気エンコーダに適用した実施例の概略正面図及び側面図を示している。本実施例では、複数の円柱状の磁性片２０７からなる磁性片列２０９は、回転軸Ｓの回転によって直接または間接的に回転する円板２１１の外周面に沿って円環状の列をなすように円板２１１に固定されている。円板２１１はアルミニューム等の非磁性材料により形成されている。本実施例では、回転軸Ｓの中心線から隣合う２つの磁性片２０７の中心に延ばした仮想線Ｌ１及びＬ２間の角度を磁極片のピッチＰと言う。本実施例では、円弧状に延びる２つの永久磁石列２１５及び２１７を、磁性片列２０９と対向するように配置している。永久磁石列２１７を例にして説明すると、回転軸Ｓの中心線から永久磁石２１３の中心に延ばした仮想線Ｌ３と、回転軸Ｓの中心線から隣合う２つの永久磁石２１３の間に位置する磁性ヨーク２１４の中心に延ばした仮想線Ｌ４との間の角度を永久磁石のピッチτｐと言う。本実施例では、磁性片のピッチＰと永久磁石のピッチτｐとの間に、τｐ＝Ｐ／４の関係が成立するように、磁性片のピッチＰと永久磁石のピッチτｐが定められている。複数の永久磁石２１３は、磁性材料からなるヨーク構成体２２２にインサート成形されている。ヨーク構成体２２２は、永久磁石２１３が保持される永久磁石保持部２２２Ａと永久磁石保持部２２２Ａの両端に一体に設けられた連結ヨーク２２３及び２２４とから構成される。連結ヨーク２２３及び２２４は、図６に示した連結ヨーク２３及び２４と同様に、永久磁石列２１５及び２１７からの漏れ磁束φを磁気検出器２１９及び２２１に集める機能を果たしている。

本実施例では、回転軸Ｓが回転すると、図１３（Ａ）に示すように、磁気検出器２１９が検出する磁束の磁束密度Ｂ１と磁気検出器２２１が検出する磁束の磁束密度Ｂ２が、電気角で９０°位相のずれた正弦波となるように磁気検出器２１９及び２２１の位置と磁性片のピッチＰと永久磁石のピッチτｐが定められている。その結果、磁気検出器２１９及び２２１からは、電気角で９０°位相がずれた正弦波電圧Ｖ１及びＶ２が出力される。これらの正弦波電圧Ｖ１及びＶ２を公知の信号技術により信号処理することにより、回転軸Ｓの回転位置を示す信号を得ることができる。なお本実施例においては、ヨーク構成体２２２の永久磁石保持部２２２Ａを厚肉で構成しているが、永久磁石保持部２２２Ａを薄肉で形成してもよい。

図１４（Ａ）及び（Ｂ）には、一対の永久磁石列２１５及び２１７に加えて別の一対の永久磁石２１５´及び２１７´を設けている。そして一対の永久磁石列２１５及び２１７に対応して設けた一対の磁気検出器２１９及び２２１と一対の永久磁石列２１５´及び２１７´に対応して設けた一対の磁気検出器２１９´及び２２１´とを機械角で１８０°ずれる配置している。これらの磁気検出器２１９及び２２１並びに２１９´及び２２１´としては、ホールセンサを用いている。ここでは一対の磁気検出器（ホールセンサ）の一方を、検出する磁束の方向を逆転させるように配置している。この状態で磁気検出器２１９及び２２１並びに２１９´及び２２１´が検出する磁束の磁束密度Ｂ１、Ｂ２、Ｂ´１及びＢ´２は図１５（Ａ）のようになる。このような状態で、磁気検出器２１９と磁気検出器２２１の出力の差（Ｖ１−Ｖ２）を取り、磁気検出器２１９´と磁気検出器２２１´の出力の差（Ｖ´１−Ｖ´２）を取ると、図１５（Ｂ）のようになる。そこで一対の磁気検出器の出力の差をとるように一対の磁気検出器の出力部を接続することで、得られる電圧信号は大きなＳＮ比を有し、また外部からの磁界の影響をキャンセルできて、外部磁界の外乱に強い、より高精度な磁気エンコーダが得られる。この場合においても、磁性片のピッチをＰ＝３６０°（電気角）としたときに、永久磁石のピッチはＰ／４＜τｐ＜Ｐの値にするのが好ましい。また永久磁石列は、複数の永久磁石のそれぞれの両側に磁性ヨークが配置された構造を有しているのが好ましい。

図１６は、本発明のさらに他の実施例の構成を示している。この例では、同極性の磁極が対向するように２×ｎ個（本実施例ではｎ＝２５）の永久磁石３１３と２×ｎ個の磁性ヨーク３１４が交互に並べられて円環状の永久磁石列３１６が構成されている。またｎ±ｍ（ｍはｎより小さい自然数：本実施例ではｍ＝１）個の磁性片３０７がピッチＰで並べられて円環状の磁性片列３０９が構成されている。具体的には、永久磁石３１３の数が５０個で、磁性片３０７の数が２６個である。永久磁石列３１６と磁性片列３０９とは、磁性片列３０９が外側に位置するように同心的に配置されている。図示していないが、永久磁石列３１６及び磁性片列３０９は、支持部材に支持されてそれぞれ一体化されている。そして永久磁石列３１６及び磁性片列３０９の一方が、回転位置検出の対象となる回転軸に直接または間接的に固定されている。本実施例では、磁性片列３０９が回転するものとする。永久磁石列３１６の中心領域すなわち図示しない回転軸の軸線を中心とする領域に磁気検出器３２０Ａおよび３２０Ｂを配置してある。磁気検出器３２０Ａおよび３２０Ｂは出力に９０°の位相差が発生する位置関係で配置されている。この例では永久磁石列３１６と磁気検出器３２０Ａおよび３２０Ｂとは同じ支持部材に支持されている。

本実施例のように、同極性の磁極が対向するよう複数の永久磁石３１３を並べて円環状の永久磁石列３１６を構成した場合には、磁性片列３０９が１回転すると内側の磁場（漏れ磁束φ）は磁性片３０７の数だけ回転する。したがって本実施例では内側の２つの磁場（漏れ磁束φ）が図示しない回転軸の回転中心を中心にして２６回転する。なお磁場が回転する原理については、出願人の先願である特願２０１０−２２００７０号に詳しく記載してある。磁気検出器３２０Ａおよび３２０Ｂは、回転するこの２つの磁場（漏れ磁束φ）をそれぞれ検出して信号を出力する。図１７（Ａ）は、磁性片列３０９が回転したときに、磁気検出器３２０Ａが検出する磁束密度及び磁気検出器３２０の出力電圧と、磁気検出器３２０Ｂが検出する磁束密度及び磁気検出器３２０Ｂの出力電圧を示してある。

ちなみに本実施例の構成で、永久磁石列３１６を回転させて磁性片列３０９を固定した場合には、永久磁石列３１６が１回転すると内側の磁場は永久磁石の数の半分の数だけ（すなわち２５回転だけ）回転することになる。図１７（Ｂ）には、永久磁石列３１６が回転したときに、磁気検出器３２０Ａが検出する磁束密度及び磁気検出器３２０Ａの出力電圧と、磁気検出器３２０Ｂが検出する磁束密度及び磁気検出器３２０Ｂの出力電圧を示してある。

本実施例によれば、高分解能な磁気センサを簡素な構造で構成できる。また、複数の永久磁石３１３の磁気が合成されたものを磁気検出器３２０Ａおよび３２０Ｂで検出するため、磁石１個の誤差の影響がわずかであり、高い位置検出精度が得られる。なお図１８に示すように、磁性片列３０９を永久磁石列３１６に内側に配置しても、図１６の実施例と同様に動作する磁気エンコーダを得ることができる。

図１９（Ａ）及び（Ｂ）は、円環状の永久磁石列４１６と円環状の磁性片列４０９を、回転軸Ｓの軸線方向に並べた実施例である。本実施例では、磁性片列４０９が回転軸Ｓに固定された円板４１１上に固定されて回転する。本実施例では、永久磁石列４１６の中心領域すなわち回転軸Ｓの軸線を中心とする領域に磁気検出器４２０Ａ乃至４２０Ｄを配置している。磁気検出器４２０Ａ乃至４２０Ｂはそれぞれの出力に９０°の位相差が発生する位置関係で配置されている。この例では永久磁石列４１６と磁気検出器４２０Ａ乃至４２０Ｄとは同じ支持部材に支持されている。この例では、磁性片列４０９の磁性片の数（ｎ±ｍ）のｎを２５とし、ｍを＋１として磁性片４０７の数を２６としている。この実施例でも、同極性の磁極が対向するよう複数の永久磁石４１３を並べて円環状の永久磁石列４１６を構成しているので、磁性片列４０９が１回転すると内側の２つの磁場（漏れ磁束φ）は磁性片４０７の数だけ回転する。したがって本実施例では内側の２つの磁場（漏れ磁束φ）が回転軸Ｓの回転中心を中心にして２６回転する。磁気検出器４２０Ａ乃至４２０Ｄは、回転するこの２つの磁場（漏れ磁束φ）をそれぞれ検出して位相が９０°ずれた正弦波信号を出力する。

図２０は、図１９の実施例と同様に円環状の永久磁石列５１６と円環状の磁性片列５０９を、回転軸Ｓの軸線方向に並べた実施例である。この例では、磁性片列５０９の磁性片の数（ｎ±ｍ）のｎを２５とし、ｍを＋２として磁性片４０７の数を２７としている。この実施例では、磁性片列５０９が１回転すると、内側に４つの磁場（漏れ磁束φ）が発生し、４つの磁場（漏れ磁束φ）は磁性片４０７の数だけ回転する。本実施例では、一対の磁気検出器５２０Ａ及び５２０Ｂが機械角で１８０°ずれた位置に配置され、一対の磁気検出器５２０Ｃ及び５２０も機械角で１８０°ずれた位置に配置されている。そして一対の磁気検出器５２０Ａ及び５２０Ｂと一対の磁気検出器５２０Ｃ及び５２０Ｄも機械角で４５°ずれた位置に配置されている。このように配置すると、図２１（Ａ）に示すように、一対の磁気検出器５２０Ａ及び５２０Ｂが検出する磁束密度Ｂ１及びＢ２は９０°位相がずれた正弦波となる。また一対の磁気検出器５２０Ｃ及び５２０Ｄが検出する磁束密度Ｂ′１及びＢ′２も、図２１（Ａ）に示すように、９０°位相がずれた正弦波となる。そこで一対の磁気検出器５２０Ａ及び５２０Ｂの出力の差（Ｖ１−Ｖ２）をとると、図２１（ＢＨ）に示す正弦波電圧信号が得られる。また一対の磁気検出器５２０Ｃ及び５２０Ｄの出力の差（Ｖ′１−Ｖ′２）をとると、図２１（Ｂ）に示す正弦波電圧信号が得られる。本実施例によれば、得られる正弦波状信号（Ｖ１−Ｖ２）及び（Ｖ′１−Ｖ′２）は大きなＳＮ比となり、また外部からの磁界の影響をキャンセルすることができて、外部磁界の外乱に強い、より高精度な磁気エンコーダを得ることができる。

本発明によれば、簡単に正弦波状の磁束を発生できて、分解能と内挿精度の向上を図ることができる、低コストの磁気エンコーダを提供することができる。

１ リニア磁気エンコーダ
３ 可動子
５ 固定子
７，１０７，２０７，３０７，４０７，５０７ 磁性片
９，１０９，２０９，３０９，４０９，５０９ 磁性片列
１１ 支持体
１３，１１３，２１３，３１３，４１３，５１３ 永久磁石
１４，４１４，２１４，３１４，４１４，５１４ 磁性ヨーク
１５，１６，１７，１１６，２１６，３１６，４１６，５１６ 永久磁石列
１９，２０，２１ 磁気検出器

Claims (24)

1. 同極性の磁極が対向するように並べられるか、または一方向に同じ極性の磁極が現れるように非磁性材を介して並べられた複数の永久磁石からなる永久磁石列と、
   前記永久磁石列に沿って間隔あけて並ぶように配置された複数の磁性片を有する磁性片列と、
   前記永久磁石列と前記磁性片列との間に相対的な位置の変位が生じたときに発生する漏れ磁束を検出する磁気検出器とを備え、
   前記複数の永久磁石のピッチ及び前記複数の磁性片のピッチは、前記永久磁石列と前記磁性片列との間に相対的な位置の変位が連続的に生じているときに、前記永久磁石列中の１つの前記永久磁石から出た磁束が該１つの永久磁石の隣の前記永久磁石または前記非磁性材と対向する１つの前記磁性片を通って前記永久磁石列中に戻る磁路が形成されるように定められていることを特徴とする磁気エンコーダ。
2. 前記磁性片のピッチをＰ＝３６０°（電気角）としたときに、前記永久磁石のピッチはＰ／４＜τｐ≦Ｐ／２の値である請求項１に記載の磁気エンコーダ。
3. 前記永久磁石列は、前記複数の永久磁石のそれぞれの両側に磁性ヨークが配置された構造を有している請求項１に記載の磁気エンコーダ。
4. 前記永久磁石列の両端に位置する前記磁性ヨークどうしを磁気的に連結して前記永久磁石列からの漏れ磁束を集める連結ヨークが設けられ、
   前記磁気検出器は、前記連結ヨークを通る漏れ磁束を検出するように配置されている請求項３に記載の磁気エンコーダ。
5. 前記磁気検出器が、前記磁性片列を間に介して前記永久磁石列と対向する位置に配置されている請求項１，２または３に記載の磁気エンコーダ。
6. 前記磁気検出器が、前記磁性片列及び前記永久磁石列の両方と対向する位置に配置されている請求項１，２または３に記載の磁気エンコーダ。
7. 前記磁気検出器が、前記磁性片列の延長線上で前記磁性ヨークに隣接した位置に配置されている請求項３に記載の磁気エンコーダ。
8. 前記永久磁石列が前記磁性片列よりも長い請求項１，２または３に記載の磁気エンコーダ。
9. 前記磁性片列を構成する複数の磁性片は、前記磁性片よりも磁気抵抗の大きな連結部により連結された一体構造を有している請求項１，２または３に記載の磁気エンコーダ。
10. 前記磁性片列を構成する複数の磁性片は、前記永久磁石側から見た輪郭形状が、矩形、円形または長方形である請求項１，２または３に記載の磁気エンコーダ。
11. 前記磁性片列を構成する複数の磁性片は、前記磁性片列が延びる方向及び前記永久磁石列に向かう方向と直交する方向から見た輪郭形状が、円形である円柱形状を有している請求項１，２または３に記載の磁気エンコーダ。
12. 前記磁性片列を構成する複数の磁性片は、前記磁性片列が延びる方向から見た輪郭形状が、円形である円柱形状を有している請求項１，２または３に記載の磁気エンコーダ。
13. 前記永久磁石及び前記磁性ヨークは、前記磁性片列の周囲を囲むように形成された環状形状を有している請求項３に記載の磁気エンコーダ。
14. 前記永久磁石及び前記磁性ヨークは、前記永久磁石列が延びる方向からみた輪郭形状が円形である円柱形状を有している磁性片列の周囲を囲むように形成された環状形状を有している請求項３に記載の磁気エンコーダ。
15. 前記磁性片列は、回転軸の回転によって直接または間接的に回転する円板の外周面に沿って円環状の列をなすように前記円板に固定されており、前記磁性片列に対向するように円弧状に延びる２以上の前記永久磁石列が、前記磁性片列と対向するように配置されている請求項１に記載の磁気エンコーダ。
16. 前記磁性片のピッチをＰ＝３６０°（電気角）としたときに、前記永久磁石のピッチはＰ／４＜τｐ＜Ｐの値である請求項１５に記載の磁気エンコーダ。
17. 前記永久磁石列は、前記複数の永久磁石のそれぞれの両側に磁性ヨークが配置された構造を有している請求項１５に記載の磁気エンコーダ。
18. 前記永久磁石列の両端に位置する前記磁性ヨークどうしを磁気的に連結して前記永久磁石列からの漏れ磁束を集める連結ヨークが設けられ、
    前記磁気検出器は、前記連結ヨークを通る漏れ磁束を検出するように配置されている請求項１７に記載の磁気エンコーダ。
19. 前記磁性片のピッチをＰ＝３６０°（電気角）としたときに、前記永久磁石のピッチはＰ／４＜τｐ＜Ｐの値であり、
    ２つの前記磁性片列が機械的に１８０°ずれた位置に配置され、
    ２つの前記磁性片列に対応して設けられる２つの前記磁気検出器の一方の位置は、２つの前記磁性片列を結ぶ仮想線に対して前記回転軸の回転方向にＰ／４ずれた位置であり、２つの前記磁気検出器の他方の位置は前記仮想線に対して前記回転軸の前記回転方向とは逆の方向にＰ／４ずれた位置である請求項１７または１８に記載の磁気エンコーダ。
20. 前記永久磁石列が、同極性の磁極が対向するように並べて構成されているときに、前記永久磁石列が回転軸を中心とする円環状の永久磁石列をなすように構成され、前記磁性片列が前記回転軸を中心とする円環状の磁性片列をなすように構成され、
    前記回転軸の軸線を中心とする領域に前記磁気検出器が配置されている請求項１に記載の磁気エンコーダ。
21. 前記円環状の永久磁石列と前記円環状の磁性片列は、前記回転軸の径方向に並んで配置されている請求項２０に記載の磁気エンコーダ。
22. 前記円環状の永久磁石列と前記円環状の磁性片列は、前記回転軸の軸線方向に並んで配置されている請求項２０に記載の磁気エンコーダ。
23. 一対の前記磁気検出器が検出できる磁束の方向が機械的に１８０°ずれた状態になるように前記一対の磁気検出器が配置されている請求項２１または２０に記載の磁気エンコーダ。
24. 前記非磁性材が空気である請求項１に記載の磁気エンコーダ。

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