JP2016503174A - マルチターンアブソリュート磁気エンコーダ - Google Patents

Abstract

マルチターンアブソリュート磁気エンコーダは、（Ｍ＋１）個の計数ユニットと、シングルターン信号処理ユニット（６）と、マルチターン信号処理ユニット（１２）とを有する。それぞれの計数ユニットは、円筒リング永久磁石（１４）が取り付けられた計数ホイール（４、１０）と、トンネル磁気抵抗角度変位センサ（１１）とを有する。磁気抵抗角度変位センサ（１１）は、円筒リング永久磁石（１４）の軸から一定の半径範囲内にある永久磁石（１４）の検知面内の領域に配置され、検知面内では、永久磁石（１４）によって生成された磁場成分の角度は円筒リング永久磁石の回転角に線形に比例する。シングルターン信号処理ユニット（６）は、第１の計数ユニットのセンサ信号に基づいて、入力シャフト（３）の絶対角度位置を特徴付けるコードを計算して出力する。マルチターン信号処理ユニット（１２）は、第２の計数ユニットから第（Ｍ＋１）の計数ユニットのセンサ信号に基づいて、入力シャフトの回転数（整数）を計算して出力する。【選択図】図１

Description

本発明は、測定技術の分野の装置に関し、特に、シャフトの絶対回転数を測定するのに使用されるマルチターンアブソリュート磁気エンコーダに関する。

磁気エンコーダ技術は、モータ速度制御、ロボット位置制御、および種々の精密回転測定器などの分野で使用されている。絶対角度位置およびシャフトの回転数は非常に重要な制御パラメータであるので、回転数を計数しながらより高い精度を達成できることが大変望ましい。

現在、２つのタイプのアブソリュートエンコーダ技術、すなわち、光学エンコーダ技術と磁気エンコーダ技術が広く使用されている。光学エンコーダ技術は、泡、明るい光、ほこり、漏出物、および測定精度を低下させる他の要因の影響を受ける。磁気エンコーダ技術は、光学エンコーダ技術に比べて、これらの要因の影響を受けず、高い分解能および十分な安定性を有し、光起電力技術に内在する欠点を完全に解消することができる。したがって、磁気エンコーダ技術は優れた選択肢である。

ギア式マルチターンエンコーダ技術は、単純で直観的な技術であり、マルチターンエンコーダにおいて広く使用されてきた。この場合、入力シャフトは減速ギアを使用して出力シャフトに接続され、出力シャフトの回転速度は減速ギアによって減速される。この機構は、それぞれの減速レベルの回転を測定するための磁気センサと組み合わされ、その後、その回転は入力シャフトの回転数に変換されうる。減速ギア比を１０：１と仮定すると、入力シャフトが１０回転すると出力シャフトが１回転する。回転シャフトが周囲の増分に等しい１０個に分割される場合、低いレベルのシャフトが回転するごとに高いレベルのシャフトが１増分だけ移動することで、入力シャフトの絶対位置測定値および回転数が得られる。同様に、第２の出力シャフトは、減速ギアを介して第１の出力シャフトに接続してもよく、第２の出力シャフトの速度も減速される。同様に、第２の減速ギア装置のギア比を１０：１と仮定すると、入力シャフトが１００回転すると、第１のギアシャフトは１０回転し、第２のギア装置は１回転する。この機械的減速ギア機構を利用して、入力シャフトの総回転数を計算することができる。したがって、減速ギア段の数により、マルチターンエンコーダが測定できる入力シャフトの最大回転数がそのまま決まることになる。

さらに、磁気アブソリュートエンコーダ技術の測定精度は、磁気抵抗角度センサの性能特性および永久磁石設計に左右される。ホールセンサ（Ｈａｌｌ ｓｅｎｓｏｒ）と比べて、トンネル磁気抵抗センサのような磁気抵抗センサは、磁場感度に優れ、消費電力が小さく、小型である。トンネル磁気抵抗角度変位センサは、相互に直交する２つのトンネル磁気抵抗センサを備えることができる。トンネル磁気抵抗角度変位センサは、回転永久磁石の磁場から、永久磁石によって生成された磁場の配向角φのサインおよびコサインを表す２つの出力を生成し、これらの成分は、以下の関係式を使用して角度を計算するのに使用されうる。
ＯＵＴ１＝ＣＯＳ（φ）
ＯＵＴ２＝ＳＩＮ（φ）

その後、逆正接関数を使用して、磁気抵抗角度変位センサの出力ＯＵＴ１およびＯＵＴ２から回転磁場の角度φを計算することができる。
φ＝ＡＴＡＮ（ＯＵＴ２／ＯＵＴ１）

永久磁石が角度αだけ回転した場合、永久磁石によって生成された磁場は、ｒおよび一定の角度で定義された点に位置するトンネル磁気抵抗センサを通過して検知される。磁石の角度αと磁場の角度φは、０〜３６０°で線形関係を成し、トンネル磁気抵抗センサによって検知された磁場の角度φは、シャフトの機械的回転角を示す永久磁石の機械的角度αを表す。

したがって、トンネル磁気抵抗角度変位センサは、マルチターンアブソリュート磁気エンコーダに適用される場合には、永久磁石の特定の設計要件を有することになるが、これらのセンサは、既存の永久磁石を使用したマルチターンアブソリュート磁気エンコーダで使用されるセンサよりも優れている。既存の磁場センサを使用したアブソリュートエンコーダは、以下の不利点と複雑さを有する。

（１）既存の磁気アブソリュートエンコーダ技術は、磁場角度測定装置としてホールセンサを使用するので、消費電力が大きく、分解能が低い。

（２）ホールセンサを使用した既存の磁気角度エンコーダは永久磁石によって生成されたセンサ表面に垂直な垂直磁場成分を検知しなければならず、トンネル磁気抵抗センサはセンサ表面に平行な磁場成分を検知するので、既存の永久磁石設計は、トンネル磁気抵抗センサには適さない。

（３）既存の永久磁石を使用したアブソリュートエンコーダは、一般に、円筒形の永久磁石を使用するので、永久磁石はシャフトの両端に固定され、そのことによりスペースが増加するが、円筒リング磁石設計は、よりコンパクトな設計にするために、計数ホイール上もしくは中に直接取り付けることができる。

本発明の目的は、先行技術の上述の欠点を克服することであり、この目的は、回転シャフトの絶対位置と回転数とを測定することができるマルチターンアブソリュート磁気エンコーダを提供するために、トンネル磁気抵抗角度センサ、適切な永久磁石、および多段ギア装置を使用することで達成される。

本発明のマルチターンアブソリュート磁気エンコーダは、
（Ｍ＋１）個の計数ユニット（Ｍは１以上の整数）と；、
シングルターン信号処理ユニットと；、
マルチターン信号処理ユニットと；を備え、
それぞれの計数ユニットは、
同軸に取り付けられた永久磁石を備えたエンコーダホイールと、
永久磁石の検知面に配置され、永久磁石によって生成された磁場を検知するのに使用され、検知信号を出力するトンネル磁気抵抗角度変位センサと、を備え、
永久磁石は、円筒リング構造を有し、第１の永久磁石ユニットと第２の永久磁石ユニットとを備え、第１の永久磁石ユニットと第２の永久磁石ユニットはそれぞれ直径方向断面の両側に配置され、永久磁石の直径方向断面は、永久磁石の外径と軸方向長さとによって定義される。

第１の永久磁石ユニットの磁化および前記第２の永久磁石ユニットの磁化は、永久磁石の回転軸に平行な方向に分極されるが、前記第１の永久磁石ユニットと第２の永久磁石ユニットは相対する方向に整列される、または、
前記第１の永久磁石ユニットと第２の永久磁石ユニットは、永久磁石の直径方向断面に垂直な方向に互いに平行に整列した磁化方向を有する。

それぞれの計数ユニット内では、トンネル磁気抵抗角度変位センサが永久磁石の検知面に配置される。

トンネル磁気抵抗角度変位センサは、回転軸から一定の半径方向距離にある永久磁石の検知面内に配置され、この回転永久磁石の検知面の特定の半径方向領域では、磁場成分は永久磁石の回転角に対して線形に変化する角度を有する。さらに、
シングルターン信号処理ユニットは、第１の計数ユニットからの信号を利用して、コード化信号を出力し、
その結果、コードはこのホイールの１回転の絶対位置を表す。

マルチターン信号処理ユニットは、入力シャフトの総回転数を計算するために、第２〜第（Ｍ＋１）の計数ユニットからの信号を受信する。

好ましくは、第１の計数ユニットは、入力シャフトに直接接続される。

好ましくは、第２〜第（Ｍ＋１）の計数ユニットはそれぞれ減速ギア装置を備え、減速ギア装置の出力シャフトは次の減速ギア装置の入力シャフトとしての機能を果たし、計数ホイールは出力シャフトに取り付けられる。それぞれの計数ユニットは信号処理ユニットに接続され、信号処理ユニットは、計数ユニットのトンネル磁気抵抗角度変位センサからの信号を使用して、減速ギア装置の計数ユニットの入力シャフトの回転数を計算して出力する。

好ましくは、Ｍは１〜１０の数字である。

好ましくは、計数ユニットｍは計数ユニットｍ＋１に対して回転比Ｎ：１で回転し、ｍは１〜Ｍの整数、Ｎは２以上の整数である。

好ましくは、計数ユニットｍは計数ユニットｍ＋１に対して回転比１０：１で回転する。

好ましくは、円筒形永久磁石リング構造の外径は３〜２００ｍｍであり、円筒形永久磁石リング構造の内径は１〜１００ｍｍであり、円筒リング永久磁石柱状構造の軸方向長さは１〜５０ｍｍである。

好ましくは、トンネル磁気抵抗角度変位センサは、２つの直交する１軸角度変位センサもしくは２軸ホイートストンブリッジ（Ｗｈｅａｔｓｔｏｎｅ ｂｒｉｄｇｅ）角度変位センサ（この場合、検知軸は互いに対して９０°回転されている）を備える。

好ましくは、円筒リング永久磁石の円形端面は、検知面に平行に位置決めされる。

好ましくは、円筒リング永久磁石の検知面と円形端面との間の距離は、１〜５ｍｍである。

好ましくは、第１の永久磁石ユニットと第２の永久磁石ユニットの磁化の大きさは同じである。

好ましくは、永久磁石は、ＲＥＣｏ_５（ＲＥ＝Ｓｍおよび／またはＰｒ）、ＲＥ_２ＴＭ_１７（ＲＥ＝Ｓｍ、ＴＭ＝Ｆｅ、Ｃｕ、Ｃｏ、Ｚｒ、および／またはＨｆ）、ＲＥ_２ＴＭ_１４Ｂ（ＲＥ＝Ｎｄ、Ｐｒ、および／またはＤｙ、ＴＭ＝Ｆｅおよび／またはＣｏ）、ＦｅＣｒＣｏ合金、ＮｂＦｅＢを含む合金を含む材料種類の１つまたは複数から成る、もしくは永久磁石（１００、３００）は、プラスチック、ゴム、もしくは樹脂複合材に埋め込まれた永久磁石粉末から成る。

本発明は、以下の有利な効果を有する。

（１）本発明は、単純かつ直観的であり、高い精度を生み出す構造である絶対位置エンコーダのそれぞれのレベルにおける入力速度を低減するために減速ギア装置を採用する。

（２）本発明は、入力シャフトの絶対角および総回転数を同時に測定することができる。

（３）本発明は、高感度であり、消費電力が非常に小さく、小型であり、ほこり、油などの環境条件に影響を受けない位置測定精度を有するトンネル磁気抵抗角度変位センサを利用する。

（４）円筒リング永久磁石構造は、単純構造であり、それぞれの減速ギアレベルにおいて、既存の計数ホイール構造に直接組み込むことが可能であるので、スペースの節約になる。

（５）本発明で使用される円筒リング永久磁石は、磁場配向を検出する磁気抵抗センサを使用する場合、要求事項として、検知面において永久磁石の機械的回転角に対して線形関係にある磁場配向角を形成する。

（６）本発明で使用される円筒リング永久磁石は、永久磁石の端面から検知面の特定の領域内の検知面までの距離を、トンネル磁気抵抗センサの性能においてセンサの正確な位置に対して感度が低下するまで広範囲にわたって変化させることができる。

磁気マルチターン絶対角度エンコーダの概略図である。 磁気マルチターン絶対角度エンコーダの計数ホイールの断面図である。 磁化が端面に対して垂直に整列した円筒リング永久磁石の上面図である。 垂直磁化円筒リング永久磁石の断面図である。 磁化が端面に対して平行に整列した円筒リング永久磁石の上面図である。 平行磁化円筒リング永久磁石の断面図である。 本発明の永久磁石に対するトンネル磁気抵抗センサの相対位置を示した図である。 本発明の永久磁石に対するトンネル磁気抵抗センサの相対位置の側面断面図である。 垂直磁化円筒リング永久磁石の検知面のベクトル磁場分布を示した図である。 回転垂直磁化円筒リング永久磁石の検知面で検知された磁場角度φと永久磁石の回転角αとの線形関係を示した図である。 回転垂直磁化円筒リング永久磁石の検知面で検知された磁場角度φと回転角αとの非線形関係を示した図である。 回転垂直磁化円筒リング永久磁石の検知面で検知された磁場角度φと永久磁石の回転角αとの非線形関係を有する別の例を示した図である。 回転垂直磁化円筒リング永久磁石の永久磁石回転位相角αの関数として、検知面における磁場の大きさＢｘｙを示した図である。 回転軸からのトンネル磁気抵抗センサの相対位置ｒ／Ｒ_０の関数として、回転垂直磁化円筒リング永久磁石の検知面で検知された磁場角度φと永久磁石の回転角αとの線形フィッティングを適用するためのフィッティングパラメータＲ^２を示した図である。 垂直磁化永久磁石の回転軸からの相対距離ｒ／Ｒ_０の関数として、トンネル磁気抵抗センサによって検知された正規化磁場成分を示した図である。 平行磁化円筒リング永久磁石の検知面におけるベクトル磁場分布を示した図である。 回転平行磁化円筒リング永久磁石の検知面で検知された磁場角度φと永久磁石の回転角αとの線形関係を示した図である。 回転平行磁化円筒リング永久磁石の検知面で検知された磁場角度φと回転角αとの非線形関係を示した図である。 回転平行磁化円筒リング永久磁石の検知面で検知された磁場角度φと永久磁石の回転角αとの非線形関係を有する別の例を示した図である。 回転平行磁化円筒リング永久磁石の永久磁石回転位相角αの関数として、検知面における磁場の大きさＢｘｙを示した図である。 トンネル磁気抵抗センサの回転軸からの相対位置ｒ／Ｒ_０の関数として、回転平行磁化円筒リング永久磁石の検知面で検知された磁気角φと永久磁石の回転角αとの線形フィッティングを適用するためのフィッティングパラメータＲ^２を示した図である。 平行磁化永久磁石の回転軸からの相対距離ｒ／Ｒ_０の関数として、トンネル磁気抵抗センサによって検知された正規化磁場成分を示した図である。 円筒リング永久磁石の回転時の角度エンコーダ内に取り付けられたトンネル磁気抵抗角度変位センサの出力信号を示した図である。

図面および以下に示す特定の実施例を使用して、本発明の詳細な実施形態について説明する。

図１は、回転する試験対象物の絶対位置および回転数を測定するのに適したシングルターン計数ユニット１とマルチターン計数ユニット２と入力シャフト３とを含む本発明のマルチターンアブソリュート磁気エンコーダの概略図である。シングルターン計数ユニット１は、計数ホイール４に取り付けられた永久磁石（永久磁石計数ホイールとも呼ばれる）と、トンネル磁気抵抗角度変位センサ５と、シングルターン信号処理ユニット６とを備え、計数ホイール４は入力シャフト３に直接取り付けられる。トンネル磁気抵抗角度変位センサ５は、回転永久磁石の角度を検知することによって計数ホイール４の絶対位置を測定するのに使用され、測定結果は入力シャフト３の絶対位置となる。

マルチターン計数ユニット２は、入力シャフトの回転速度を低減するのに使用されるＭ段減速ギア７（この場合、Ｍは整数１）を備える。それぞれの減速ギア段は、対応する入力シャフト８と、出力シャフト９と、計数ホイール１０に同軸に取り付けられた永久磁石と、トンネル磁気抵抗角度変位センサ１１とを有する。マルチターン計数ユニット２はさらにマルチターン信号処理ユニット１２を含み、マルチターン信号処理ユニットは、トンネル磁気抵抗角度変位センサからの信号を使用することでシャフト３の総回転数を検知して計算するために、それぞれのトンネル磁気抵抗角度変位センサに接続される。各段の減速ギア装置のギア比はＮ：１であり、このギア比が出力シャフト９に伝達され、第（Ｍ＋１）の計数ホイールのＭ段に対して繰り返されることにより、それぞれの連続する計数ホイール段は、ギア比Ｎ：１で低減された回転数を有することになる。この場合、Ｎは２以上の整数である。好ましくは、Ｎ＝１０である。各レベルにおいて、減速ギア装置の入力シャフトは前のレベルの出力シャフトに接続される。永久磁石は、それぞれの出力シャフト９の計数ホイール１０内に設置され、出力シャフトと共に回転する。トンネル磁気抵抗角度変位センサ１１は、永久磁石計数ホイール１０の回転を測定し、センサ信号がマルチターン信号処理ユニット１２に供給される。マルチターン信号処理ユニットは、測定センサ信号を対応する計数ホイールの絶対回転位置ひいては入力シャフトの回転数に変換する。減速ギア比により、出力シャフト９は入力シャフト８がＮ回転するごとに１回転し、したがって、回転数と絶対位置との角度変換関係式は、Ｔ１＝（α／３６０）×Ｎである。Ｍレベルの入力シャフト８がＮ回転すると、出力シャフト上に位置する永久磁石計数ホイール１０はそれより多い回転数を計数する要件を満たすことができず、要件を達成するには、より大きい計数レベルおよび関連する減速ギア装置とを追加する必要がある。その方法は、次の高いレベルに桁数を繰り上げる方法と同じであり、第Ｍの計数ユニットがＮ回転する場合には桁数を足して第（Ｍ＋１）の計数ユニットにして、第（Ｍ＋１）の計数ユニットがＮ回転する場合には桁数を足して第（Ｍ＋２）の計数ユニットにする等の形にしなければならない。したがって、計数可能な最大回転数は、計数ユニットの数、変速比Ｎ、もしくは計数システムの基数Ｎによって決まる。減速ギア装置のＭは桁数を表しており、それぞれのＭ計数ユニットは最初のＭレベルの回転数となる。このように、トンネル磁気抵抗角度変位センサからの信号を利用することで、基数Ｎの数字を生成することができ、入力シャフト３の回転数を記録するのに、１０進法では１０の値を使用し、最大でＭ桁を使用することができる。例えば、Ｎ＝１０である場合、第１の計数ユニットの絶対位置は３、第２の計数ユニットの絶対位置は２となり、これは、入力シャフトの２３回転に対応する。

図２は、計数ユニット４、１０の概略断面図である。計数ユニット４、１０は、非磁気計数ホイール１３に取り付けられる円筒リング永久磁石１４を含む。円筒リング永久磁石１４は、２つの永久磁石サブユニット１００、３００を有することができる。図３および図４は、後述するように永久磁石１００を示し、図５および図６は、後述するように永久磁石３００を示している。

図３および図４は、本発明の好適な実施態様の永久磁石１００の一実施形態の概略図である。永久磁石１００は、円筒リング形状であり、永久磁石ユニット１０１と永久磁石ユニット１０２とから成り、永久磁石ユニット１０１と永久磁石ユニット１０２は直径方向断面１１０に関して対称に配置される。永久磁石ユニット１０１の磁化方向１０３と永久磁石ユニット１０２の磁化方向１０４は、軸に沿って逆平行方向に配向される。好ましくは、永久磁石ユニット１０１の磁化１０３と永久磁石ユニット１０２の磁化１０４は、同じ大きさである。

当業者は、永久磁石１００を所望のサイズに設計することができる。好ましくは、永久磁石１００は、内径１〜１００ｍｍ、外径３〜２００ｍｍ、軸方向長さ１〜５０ｍｍの円筒リングである。

永久磁石１００の検知面１２０は、永久磁石１００の端面に隣接して平行に配置される。好ましくは、検知面１２０は、円筒リングの端面から１〜５ｍｍだけ離間される。本特許では、永久磁石１００は検知面１２０内に磁場成分１２１を生成する。この場合、軸から一定の半径方向距離内にある特定の検知領域１２２に対応する検知面１２０の一部、特に、この検知領域内の磁場成分１２１は、永久磁石１００の角度に対して線形に変化する角度を有する。これに関して、以降で詳細に説明する。

好ましくは、永久磁石１００の材料の組成は、アルニコ（Ａｌｎｉｃｏ）である。あるいは、永久磁石１００の組成は、ＭＯ・６Ｆｅ_２Ｏ_３（Ｍ＝Ｂａ、Ｓｒ、もしくは両方の組み合わせ）などのフェライトセラミック材料である。あるいは、永久磁石１００の組成は、ＲＥＣｏ_５（ＲＥ＝Ｓｍおよび／またはＰｒ）、ＲＥ_２ＴＭ_１７（ＲＥ＝Ｓｍ、ＴＭ＝Ｆｅ、Ｃｕ、Ｃｏ、Ｚｒ、および／またはＨｆ）、もしくはＲＥ_２ＴＭ_１４Ｂ（ＲＥ＝Ｎｄ、Ｐｒ、および／またはＤｙ、ＴＭ＝Ｆｅおよび／またはＣｏ）である。あるいは、永久磁石材料１００は、ＮｂＦｅＢもしくはＦｅＣｒＣｏの合金から成る。あるいは、永久磁石１００は、プラスチック、ゴム、もしくは樹脂複合材に埋め込まれた永久磁石粉末から成る。

図５および図６は、本発明の別の実施形態の永久磁石３００の概略図である。永久磁石３００は、円筒リング形状であり、永久磁石ユニット３０１と永久磁石ユニット３０２とから成り、永久磁石ユニット３０１と永久磁石ユニット３０２は直径方向断面３１０に関して対称に配置される。永久磁石ユニット３０１の磁化方向３０３と永久磁石ユニット３０２の磁化方向３０４は、直径に沿って同じ方向に配向される。好ましくは、永久磁石ユニット３０１の磁化３０３と永久磁石ユニット３０２の磁化３０４は、同じ大きさである。

当業者は、永久磁石３００を所望のサイズに設計することができる。好ましくは、永久磁石３００は、内径１〜１００ｍｍ、外径３〜２００ｍｍ、軸方向長さ１〜５０ｍｍの円筒リングである。

検知面３２０は、永久磁石３００の端面の前に平行に配置される。好ましくは、検知面３２０は、円筒リングの端面から１〜５ｍｍだけ離間される。本特許では、永久磁石３００は検知面３２０に沿って磁場成分３２１を生成する。この場合、軸方向領域から特定の半径の円筒リング内にある特定の検知領域３２２に対応する検知面３２０、特に、この検知領域内の磁場成分３２１は、永久磁石３００の角度に対して線形に変化する角度を有する。これに関して、以降で詳細に説明する。

好ましくは、永久磁石材料３００の組成は、アルニコである。あるいは、永久磁石３００の材料の組成は、ＭＯ・６Ｆｅ_２Ｏ_３（Ｍ＝Ｂａ、Ｓｒ、もしくは両方の組み合わせ）などのフェライトセラミック材料である。あるいは、永久磁石３００の組成は、ＲＥＣｏ_５（ＲＥ＝Ｓｍおよび／またはＰｒ）、ＲＥ_２ＴＭ_１７（ＲＥ＝Ｓｍ、ＴＭ＝Ｆｅ、Ｃｕ、Ｃｏ、Ｚｒ、および／またはＨｆ）、もしくはＲＥ_２ＴＭ_１４Ｂ（ＲＥ＝Ｎｄ、Ｐｒ、および／またはＤｙ、ＴＭ＝Ｆｅおよび／またはＣｏ）である。あるいは、永久磁石材料３００は、ＮｂＦｅＢもしくはＦｅＣｒＣｏの合金から成る。あるいは、永久磁石３００は、プラスチック、ゴム、もしくは樹脂複合材に埋め込まれた永久磁石粉末から成る。

本発明の実施例３は、永久磁石１００、３００とトンネル磁気抵抗角度変位センサ５、１１との間の相対距離を示している。トンネル磁気抵抗センサは、永久磁石からの磁場を感知して信号を出力するために永久磁石の検知面内に配置される。トンネル磁気抵抗センサは、永久磁石の検知面内の回転軸から一定の半径方向距離に配置され、回転永久磁石の検知面におけるこの一定の半径領域では、磁場成分の角度φは、前記永久磁石の回転角αによって線形に変化する。

図７および図８は、本発明の上面図および側面図であり、永久磁石の端面１２０、３２０から距離ｄにある永久磁石１４の検知面とトンネル磁気抵抗角度変位センサ５、１１とを示した図である。この場合、図７に示されているように、永久磁石の検知面原点はＸＹ座標系の中心である。円筒リング永久磁石１４は、内径Ｒ_ｉ、外径Ｒ_ｏ、厚さｔを有する。トンネル磁気抵抗センサ５、１１は、Ｘ軸に対する検知面内の点ｒ（ｘ，ｙ）におけるベクトル磁場の方向を検知し、この方向は角度αで定義される。点ｒにおける磁場成分はＢｘｙ（Ｂｘ，Ｂｙ）で表され、回転角βを規定すると仮定される。角度α、βを計算するのに必要な関係式は、以下の通りである。
α＝ａｔａｎ（ｙ／ｘ）
（ｘ＞０）
α＝ａｔａｎ（ｙ／ｘ）＋π
（ｘ＜０，ｙ＞０）
α＝ａｔａｎ（ｙ／ｘ）−π
（ｘ＜０，ｙ＞０）
β＝ａｔａｎ（Ｂｙ／Ｂｘ）
（Ｂｘ＞０）
β＝ａｔａｎ（Ｂｙ／Ｂｘ）＋π
（Ｂｘ＜０，Ｂｙ＞０）
β＝ａｔａｎ（Ｂｙ／Ｂｘ）−π
（Ｂｘ＜０，Ｂｙ＜０）

この場合、αおよびβは、−１８０°〜＋１８０°である。

トンネル磁気抵抗角度変位センサ５もしくは１１は、角度φ＝β−αを決定するために磁場Ｂｘｙを検知する。

磁気エンコーダの通常の動作では、トンネル磁気抵抗角度変位センサ５、１１は固定された状態であるが、永久磁石１４は回転軸を中心として回転し、軸は測定面の原点であり、ｒは原点からトンネル磁気抵抗角度変位センサ５、１１までの半径であり、回転永久磁石は回転磁場を生成し、その位相および振幅がトンネル磁気抵抗角度変位センサ５、１１によって測定される。これは、永久磁石１４が固定された状態で、トンネル磁気抵抗センサ５、１１が磁場を測定するために周囲が回転されるのと同じである。この場合、永久磁石の角度はαであり、回転磁場の角度はφである。

図９は、永久磁石１００の検知面１２０内の磁場ベクトル分布を示した図である。この検知面１２０では、２次元磁場Ｂｘｙが計算され、この場合、ｒは範囲（０，Ｒ_ｏ）内で変化することができ、磁場の位相角φと回転永久磁石の位相角αとの関係が得られ、その角間の関係は線形である場合と、または非線形である場合がある。例えば、図１０は、永久磁石の回転磁場の曲線２３を示しており、磁場角度φはαの線形関数であることを表しているが、図１１は、永久磁石の回転磁場の曲線２４を示しており、角度φは非線形的かつ不連続的に角度αに依存することを表している。また、図１２に示されているように、永久磁石の角度αと磁場角度φとの関係を表す曲線２５は、不連続性の有無に関係なく、さまざまな程度の非線形を有することができる。図１３は、回転角αの関数としてＢｘｙの大きさの依存性を示した図であり、曲線２６として表されている。回転磁場の大きさは、Ｗ字形の角度変化を有し、最大値と最小値はＢＨとＢＬに対応する。磁気抵抗角度変位センサの場合、センサ信号精度を保証するために、磁場振幅の変化はできる限り小さいのが好ましい。

フィッティングパラメータＲ^２を計算するために、図１０、図１１、図１２に示されているφとαとの関係を示す曲線に線形フィッティングが適用されてもよい。この場合、Ｒ^２は１に近づくにつれてより強い線形挙動を示す。

Ｂ２６の大きさの変化の程度は、以下の関係式を使用して特徴づけられる。
ＮＯＲＭＡＬＩＺＥＤ＿Ｂ＝Ｂ_ＰＰ／Ｂ_Ｌ＝（Ｂ_Ｈ−Ｂ_Ｌ）／Ｂ_Ｌ

この場合、ＮＯＲＭＡＬＩＺＥＤ＿Ｂの値が小さいほど、磁場変化が小さいことを示している。

検知面における磁場角度φと回転磁場角度αとの非線形性の程度を決定するために、（０，Ｒ_ｏ）間のさまざまな値ｒのφ−α曲線に対してカーブフィッティングが適用され、さらにＮＯＲＭＡＬＩＺＥＤ＿Ｂであるαの関数としての磁場変化が同じように示されうる。

図１４は、ｒ／Ｒ_ｏの関数として線形フィッティングパラメータＲ^２を示した図である。曲線２７からわかるように、値が１に近い領域２８があり、これは、この領域では、回転磁場の角度φと永久磁石の角度φとがほぼ線形の関係を有することを示している。観察しやすいので、検知面の領域２８はトンネル磁気抵抗センサ５、１１を使用するのに適した領域であるが、領域２９はトンネル磁気抵抗センサ５、１１を使用するのにあまり適していない。

図１５は、検知面内のトンネル磁気抵抗角度変位センサ５、１１の相対位置ｒ／Ｒ_ｏの関数として曲線ＮＯＲＭＡＬＩＺＥＤ＿Ｂを示した図である。領域２８の部分に対する曲線３０からわかるように、トンネル磁気抵抗センサ５、１１の磁場変化は十分に小さく、十分な性能が得られる。

図１４は、永久磁石３００の検知面３２０における磁場ベクトル分布を示した図である。この検知面３２０において、２次元磁場Ｂｘｙが計算される。図１７、図１８、および図１９に示されているように、検知面３２０内では、回転磁場の角度φと永久磁石の角度αは、曲線３１で示されるような線形関係と、曲線３２で示されるような非線形不連続関係と、曲線３３で示されるような中程度の線形関係とを有する。曲線２６の挙動は、検知面３２０の回転磁場の角度φと永久磁石の角度αとの線形関係を示しており、永久磁石の角度は、磁気エンコーダとして使用するのに有益になるように決定される。

図２０は、永久磁石の回転角αの関数として回転磁場Ｂｘｙの大きさの変化を示した図である。この曲線３４から、回転磁場Ｂｘｙは永久磁石の角度αの関数としてＭ字形の周期的変化を有することがわかる。

同様に、試験面２２内の線形領域の範囲を決定するために、さまざまな相対位置ｒ／Ｒ_ｏにおいてφ−α曲線のカーブフィッティングパラメータが得られる。図２１に示されるように、線形性を示すＲ^２フィッティングパラメータは曲線３５で示されており、検知面２２の一部３６はトンネル磁気抵抗センサ５、１１を使用するのに特に適しているが、領域３７はトンネル磁気抵抗センサ５、１１を使用するのにあまり適していない。さらに、トンネル磁気抵抗角度変位センサ５、１１の相対位置ｒ／Ｒ_ｏの関数としてＮＯＲＭＡＬＩＺＥＤ＿Ｂを曲線３８で示した図２２から、領域３６と一致する曲線３８は、理想的でない動作領域である領域３７に比べて小さいことがわかる。

上述の実施例３、実施例４、および実施例５は、永久磁石１４がトンネル磁気抵抗センサを使用して永久磁石の回転磁場の角度φを測定するのに適した特定の検知領域２８、３６が存在する検知面を有することを示している。これらの領域では、永久磁石の角度αと線形関係があり、磁場の大きさの変化は、センサの要件を満たすほど十分に小さい。したがって、デジタル処理回路を使用してトンネル磁気抵抗センサによって測定される磁場の回転角を永久磁石の回転角に変換することにより、磁気角度エンコーダで使用するのに適した永久磁石の回転角を示すコードを計算して出力することができる。

トンネル磁気抵抗角度変位センサ５、１１は、２つの直交する１軸フルブリッジ型トンネル磁気抵抗角度変位センサ、もしくはフルブリッジを形成するために組み合わせられる２つのハーフブリッジ型センサで形成され、この場合、対応する２つのハーフブリッジセンサは逆の検知極を有する。外部磁場が１軸トンネル磁気抵抗角度変位センサの検知軸に対して角度φで印加された場合、さらに他方の１軸トンネル磁気抵抗角度変位センサに検知軸に対して角度π／２−φで外部磁場が印加される。図２３は、計数ホイール４、１０の１回転に対する回転角αの関数として、２つの直交する１軸磁気抵抗角度変位センサ５、１１の出力電圧信号を示した図である。出力曲線は、９０°で位相分離する正弦曲線であるので、正弦関数と余弦関数とを示しており、角度は信号の逆正接関数から計算されてもよい。したがって、上述の分析から、計数ホイール４、１０の上方に位置決めされたトンネル磁気抵抗角度変位センサ５、１１を使用して磁場の角度φを決定することができ、エンコーダの永久磁石の回転角αは回転磁場角度と線形関係にあるので、絶対角度エンコーダ測定を実行するのに必要な要件を満たしていることがわかる。

上述の本発明の好適な実施形態は本発明の可能な変形形態を制限するものではなく、当業者は、本発明の範囲から逸脱せずに、種々の修正や変更を加えることができる。本発明の精神および原理の範囲内で同等もしくは改良された特徴と入れ替えることによって行われた修正はいずれも本発明の範囲内である。

Claims (12)

1. マルチターンアブソリュート磁気エンコーダであって、
   第１〜第（Ｍ＋１）の計数ユニット（Ｍは１以上の整数）と；、
   シングルターン信号処理ユニットと；、
   マルチターン信号処理ユニットと；を備え、
   それぞれの前記計数ユニットは、
   計数ホイール内に同軸に取り付けられた永久磁石と；、
   前記永久磁石の検知面で前記永久磁石によって生成された磁場成分を検知して信号を出力するトンネル磁気抵抗角度変位センサと；を備え、
   前記永久磁石は、円筒リング構造を有し、第１の永久磁石ユニットと第２の永久磁石ユニットとを含み、
   前記第１の永久磁石ユニットと前記第２の永久磁石ユニットは、前記永久磁石の直径方向断面に関して対称に配置され、
   前記第１の永久磁石ユニットの磁化と前記第２の永久磁石ユニットの磁化は、前記円筒リング永久磁石の中心軸と並行であるが、逆方向に整列し、または、前記第１の永久磁石ユニットの磁化と前記第２の永久磁石ユニットの磁化は、前記円筒リング永久磁石の直径方向断面に対して垂直に整列し、
   それぞれの前記計数ユニット内において、前記トンネル磁気抵抗角度変位センサは、前記円筒リング永久磁石の軸から一定の半径方向距離内にある永久磁石の検知面の特定の領域に配置され、この一定の半径によって規定された領域内で、前記永久磁石は、検知面内で前記永久磁石の回転角と線形関係にある角度で配向された成分を有する磁場を生成し、
   前記シングルターン信号処理ユニットは、１回転内での前記計数ホイールの回転絶対位置を表すコードを計算するために、前記第１の計数ユニットの出力信号を処理し、
   前記マルチターン信号処理ユニットは、第２の計数ユニットから第（Ｍ＋１）の計数ユニットまでのセンサ信号を使用して、入力シャフトの回転数（整数）を計算して出力する、マルチターンアブソリュート磁気エンコーダ。
2. 前記第１の計数ホイールは、前記入力シャフトに直接取り付けられる、請求項１に記載のマルチターンアブソリュート磁気エンコーダ。
3. 前記第２の計数ユニットから前記第Ｍの計数ユニットはそれぞれ減速ギア装置を含み、それぞれの前記減速ギア装置の出力シャフトは、次の計数ユニットの入力シャフトであり、前記計数ホイールは前記出力シャフトに取り付けられ、
   さらに、前記マルチターン信号処理ユニットは、それぞれの計数ホイールの前記トンネル磁気抵抗角度変位センサ信号から、それぞれの入力シャフトの回転数を計算して出力するのに使用される、請求項１に記載のマルチターンアブソリュート磁気エンコーダ。
4. Ｍの値は１〜１０である、請求項１に記載のマルチターンアブソリュート磁気エンコーダ。
5. 計数ホイール（ｍ＋１）の回転数に対する計数ホイールｍの回転数の回転比はＮ：１である、ただし、ｍは１〜Ｍの整数であり、Ｎは２以上の整数である、請求項１に記載のマルチターンアブソリュート磁気エンコーダ。
6. 計数ホイール（ｍ＋１）の回転数に対する計数ホイールｍの回転数の回転比は１０：１である、請求項５に記載のマルチターンアブソリュート磁気エンコーダ。
7. 前記永久磁石は、外径３〜２００ｍｍ、内径１〜１００ｍｍ、厚さ１〜５０ｍｍを有する、請求項１に記載のマルチターンアブソリュート磁気エンコーダ。
8. 前記トンネル磁気抵抗角度変位センサは、２つの直交する１軸角度センサであるか、もしくは互いに９０°回転された２つのホイートストンブリッジセンサを有する２軸トンネル磁気抵抗角度変位センサである、請求項１に記載のマルチターンアブソリュート磁気エンコーダ。
9. 前記永久磁石は、前記永久磁石の円形端面に隣接して平行に配置された検知面を有する、請求項１に記載のマルチターンアブソリュート磁気エンコーダ。
10. 前記トンネル磁気抵抗角度変位センサは、前記永久磁石の前記検知面内で前記円形端面から１〜５ｍｍの距離内に配置される、請求項１に記載のマルチターンアブソリュート磁気エンコーダ。
11. 前記第１の永久磁石ユニットの磁化と前記第２の永久磁石ユニットの磁化は、同じ大きさである、請求項１に記載のマルチターンアブソリュート磁気エンコーダ。
12. 前記永久磁石は、ＲＥＣｏ_５（ＲＥ＝Ｓｍおよび／またはＰｒ）、ＲＥ_２ＴＭ_１７（ＲＥ＝Ｓｍ、ＴＭ＝Ｆｅ、Ｃｕ、Ｃｏ、Ｚｒ、および／またはＨｆ）、ＲＥ_２ＴＭ_１４Ｂ（ＲＥ＝Ｎｄ、Ｐｒ、および／またはＤｙ、ＴＭ＝Ｆｅおよび／またはＣｏ）、ＦｅＣｒＣｏ合金、ＮｂＦｅＢ合金などの材料の１つまたは複数から成る、もしくは前記永久磁石は、プラスチック、ゴム、もしくは樹脂複合材に埋め込まれた永久磁石粉末から成る、請求項１に記載のマルチターンアブソリュート磁気エンコーダ。

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