JP2018004361A - 磁気エンコーダ - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構成によって多極着磁部における磁束波形の乱れを抑制しつつ減磁し難い磁気エンコーダを提供する。【解決手段】環状の磁気ロータ１０と、磁気ロータ１０に所定のギャップを隔てて対向する磁気センサ２０と、備え、磁気ロータ１０が、Ｎ極とＳ極とを周方向に所定のピッチ１１ａで交互に設けた多極着磁部１１と、多極着磁部１１のピッチ１１ａよりも周方向の幅１２ａが大きく、多極着磁部１１の周方向における端部と同極性の原点着磁部１２と、多極着磁部１１及び原点着磁部１２に対して逆極性で隣接する反対極部１３と、を有し、反対極部１３の周方向の幅１３ａが、多極着磁部１１のピッチ１１ａよりも大きく、且つ、原点着磁部１２の周方向の幅１２ａよりも小さい。【選択図】図１

Description

本発明は、環状の磁気ロータが、Ｎ極とＳ極とを交互に設けた多極着磁部と基準点を構成する原点着磁部とを有する磁気エンコーダに関する。

従来、磁気エンコーダは、回転体の回転角度位置の検出等に用いられ、環状の磁気ロータが周方向に多極着磁部と原点着磁部とを有する（例えば、特許文献１〜３参照）。多極着磁部は、Ｎ極とＳ極とが一定のピッチで交互に配置されている。一方、原点着磁部は多極着磁部のピッチよりも幅広に形成されている。磁気エンコーダは、原点着磁部を基準位置として回転体の回転角度位置を検出する。

このような磁気エンコーダにおいては、原点着磁部が多極着磁部のピッチよりも幅広なため、原点着磁部の磁束密度分布と、多極着磁部の磁束密度分布とが異なる。多極着磁部のうち、原点着磁部に隣接する磁極は、原点着磁部の影響を受けて磁束波形に乱れが生じる。このため、多極着磁部において磁気センサが検出する回転角度位置に誤差が生じることがある。

こうした多極着磁部における磁束波形の乱れを抑制するために、一体成形や切削加工により原点着磁部に溝部を形成する技術（例えば特許文献１）や、原点着磁部を島状に着磁して不規則な磁極とする技術（例えば特許文献２）や、原点着磁部と多極着磁部との間に幅狭な緩衝極を隣接させて設ける技術（例えば特許文献３）等が存在する。

特開平７−４９８７号公報 特開２００３−７５１９２号公報 特開２００９−２５１６３号公報

しかし、特許文献１に記載の技術では、原点着磁部における溝加工位置と着磁位置との位置合わせが困難であり、特許文献２に記載の技術では、原点着磁部に対して不規則な磁極の着磁を行うことが困難である。
また、特許文献３に記載の技術では、幅広な原点着磁部に多極着磁部のピッチや原点着磁部よりも幅狭であり逆極性の緩衝極を隣接させる。このため、大きな磁界のなかに緩衝極が位置することになり、緩衝極は周囲から逆方向に大きな磁束を受ける。これにより、緩衝極は磁気安定性が低くなり、外部磁界や熱によって減磁し易い。

上記実状に鑑み、簡単な構成によって多極着磁部における磁束波形の乱れを抑制しつつ減磁し難い磁気エンコーダが望まれている。

本発明に係る磁気エンコーダの特徴構成は、環状の磁気ロータと、前記磁気ロータに所定のギャップを隔てて対向する磁気センサと、備え、前記磁気ロータが、Ｎ極とＳ極とを周方向に所定のピッチで交互に設けた多極着磁部と、前記多極着磁部の前記ピッチよりも前記周方向の幅が大きく、前記多極着磁部の前記周方向における端部と同極性の原点着磁部と、前記多極着磁部及び前記原点着磁部に対して逆極性で隣接する反対極部と、を有し、前記反対極部の前記周方向の幅が、前記多極着磁部の前記ピッチよりも大きく、且つ、前記原点着磁部の前記周方向の幅よりも小さい点にある。

磁気ロータにおいて、原点着磁部は、多極着磁部のピッチよりも大きい幅で形成されるため、磁束密度が多極着磁部よりも大きい。そのため、周方向において原点着磁部に近い多極着磁部の端部では、原点着磁部において発生する大きな磁界分布と釣り合うように反対方向の磁界分布が生じ易くなり、磁束波形が総じて原点着磁部の磁束方向とは反対の方向にオフセットする傾向にある。つまり、周方向の多極着磁部のうち原点着磁部に近い領域では、磁束密度の変化が均等にはならない。そうなると、磁気センサは多極着磁部においてピッチに対応する正確な磁束波形を検出できないため、磁気センサによる回転角度位置の検出精度が低下する。

これに対して、本構成では、磁気ロータは、多極着磁部及び原点着磁部に対して逆極性で隣接する反対極部を有し、反対極部の周方向の幅は、多極着磁部のピッチよりも大きく、原点着磁部の周方向の幅よりも小さい。このように、原点着磁部の周方向の幅よりも小さく多極着磁部のピッチよりも周方向の幅の大きい反対極部を設けることで、原点着磁部の両側の反対極部において原点着磁部とは反対方向の磁界を反対極部の周方向の幅に相当した範囲で分布させることができる。これにより、原点着磁部において発生する大きな磁界分布が反対方向の磁界分布と均衡するようになり、多極着磁部における磁束波形が原点着磁部の磁束方向とは逆方向にオフセットする現象が緩和される。その結果、磁気エンコーダは、簡素な構成でありながら回転角度位置の検出精度を良好にすることができる。
また、反対極部の周方向の幅は、原点着磁部の周方向の幅よりも小さいものの多極着磁部のピッチよりも大きいため、反対極部は外部磁界の影響を受け難く減磁し難い。

磁気エンコーダの他の特徴構成は、前記磁気ロータは、回転軸芯方向に着磁されており、前記磁気センサは、前記磁気ロータに対して前記回転軸芯方向に対向して配置されている点にある。

本構成によれば、磁気ロータは回転軸芯方向に磁束が形成され、磁気センサは磁気ロータに対して回転軸芯方向に対向する。これにより、磁気センサは、回転軸芯方向に直交する面部に対向させることができ、磁気センサと磁気ロータとのギャップが一定である。その結果、磁気センサが磁気ロータからの磁束を検出し易くなるため、磁気エンコーダにおいて回転角度位置の検出精度が向上する。

磁気エンコーダの他の特徴構成は、前記磁気ロータは、前記反対極部の前記周方向の幅が前記多極着磁部の前記ピッチの２倍に設定され、前記原点着磁部の前記周方向の幅が前記多極着磁部の前記ピッチの３倍に設定されている点にある。

磁気エンコーダでは、磁気ロータが、周方向に均等に分割された複数の偶数区域に磁極（Ｎ極及びＳ極）を配置することが一般的であり、多極着磁部の各磁極は１区域で構成される。本構成では、反対極部の周方向の幅が多極着磁部のピッチの２倍に設定され、原点着磁部の周方向の幅が多極着磁部のピッチの３倍に設定されている。この場合には、原点着磁部（例えばＮ極）が３区域、原点着磁部の両側に隣接して配置される反対極部（例えばＳ極）が計４区域、多極着磁部が残りの複数の奇数区域を夫々占有する。このように、多極着磁部の区域数が奇数になるため、多極着磁部において反対極部に隣接する２区域に反対極部とは逆極性の磁極を配置することができる。こうして、多極着磁部のピッチを変更せずに原点着磁部及び反対極部を配置することができるため、磁気ロータを簡易に構成することができる。

第１実施形態の磁気エンコーダの要部斜視図である。 図１の縦断面図である。 比較例の磁気エンコーダの要部斜視図である。 比較例の磁気エンコーダにおける磁束密度の分布を示すグラフである。 第１実施形態における磁束密度の分布を示すグラフである。 第１実施形態及び比較例の角度ピッチ誤差の変化を示すグラフである。 第２実施形態の磁気エンコーダの要部斜視図である。

図１に示すように、磁気エンコーダ１は、円環状の磁気ロータ１０と、磁気ロータ１０に所定のギャップを隔てて対向する磁気センサ２０を備える。磁気センサ２０は、磁気ロータ１０の回転によって発生する磁束の変化から回転角度位置を検出する。磁気センサ２０には例えばホール素子や磁気抵抗素子等用いられる。

磁気ロータ１０は、回転軸芯Ｘを中心とした周方向に、多極着磁部１１と、原点着磁部１２と、反対極部１３と、を有する。多極着磁部１１、原点着磁部１２、及び反対極部１３には、例えばフィライト磁粉を含有したゴム磁石やプラスチック磁石が用いられ、一体に成形されている。磁気ロータ１０の背面には磁性体プレート１５が配置されている。磁性体プレート１５を設けることで、磁気ロータ１０の磁力が向上する。また、磁気ロータ１０にゴム磁石が用いられている場合には、磁性体プレート１５によって磁気ロータ１０の姿勢を保持することができる。

多極着磁部１１は、Ｎ極とＳ極とを周方向に所定のピッチ１１ａで交互に設けている。原点着磁部１２は、回転角度位置を検出する際の基準位置（原点）として設けられ、多極着磁部１１のピッチ１１ａよりも周方向の幅１２ａが大きく、多極着磁部１１の周方向における端部と同極性の磁極で構成されている。反対極部１３は、多極着磁部１１及び原点着磁部１２に対して隣接し、多極着磁部１１及び原点着磁部１２とは逆極性となる磁極で構成されている。反対極部１３は、周方向の幅１３ａが、多極着磁部１１のピッチ１１ａよりも大きく、且つ、原点着磁部１２の周方向の幅１２ａよりも小さい。ここで、幅とは、磁気ロータ１０の同一の円周方向の長さ（例えば図１に示す磁気ロータ１０の内径側の円周方向の長さ）のことであり、この円周方向の長さは磁極角度によって規定される。

本実施形態では、図１に示すように、磁気ロータ１０は、反対極部１３の周方向の幅１３ａが多極着磁部１１のピッチ１１ａの２倍に設定され、原点着磁部１２の周方向の幅１２ａが多極着磁部１１のピッチ１１ａの３倍に設定されている。なお、磁気ロータ１０の外形や各磁極の磁極角度は、適用される回転部材の径等の諸条件に応じて適宜決められる。

環状の磁気ロータ１０は、周方向において例えば１つの着磁区域が３．７５°に設定され、全周に亘り周方向において均等に分割された９６の着磁区域（Ｎ極４９区域、Ｓ極４９区域）が全周に亘って有するよう構成される。図１に示す例では、多極着磁部１１のＮ極とＳ極の各着磁角度が３．７５°であり、原点着磁部１２はＮ極に着磁され、その着磁角度が１１．２５°に設定されている。また、反対極部１３は、Ｓ極に着磁され、その着磁角度が７．５°に設定されている。

こうして、９６区域のうち、原点着磁部１２がＮ極で３区域を占有し、原点着磁部１２の両側に隣接して配置される反対極部１３がＳ極で計４区域を占有する。多極着磁部１１は、残りの８９区域を占有することになる。ここで、多極着磁部１１の区域数が１以外の奇数となるため、多極着磁部１１において、Ｓ極の反対極部１３に隣接する２区域にＮ極を配置することができる。このように、多極着磁部１１のピッチ１１ａを変更せずに原点着磁部１２及び反対極部１３を配置することができるため、磁気ロータ１０を簡易に構成することができる。

比較例として、図３に磁気エンコーダ１００を示す。磁気ロータ１１０は、多極着磁部１１１と原点着磁部１１２とを有する。原点着磁部１１２の幅１１２ａは、多極着磁部１１１のピッチ１１１ａの３倍に設定されている。なお、ピッチ１１１ａは、本実施形態のピッチ１１ａと同じである。原点着磁部１１２には周方向において多極着磁部１１１の端部１１３が隣接する。端部１１３は多極着磁部１１１の一部であるので、幅１１３ａはピッチ１１１ａに等しい。

比較例の磁気エンコーダ１００（図３）による、磁気センサ１２０の位置での磁束密度の面直交方向成分の分布を図４に示す。磁気ロータ１１０として、外径がφ５５ｍｍであり、内径がφ４０ｍｍである環状体を用いた。磁束密度は、磁気ロータ１１０のφ４７．４ｍｍの位置から回転軸芯Ｘの方向に１．５ｍｍのエアギャップを隔てた位置（磁気センサ１２０の位置）で計測した。図４では、原点着磁部１２に相当する中央の大きな山形波形に隣接する左右の山形波形（破線で囲まれた部分）において磁束密度がマイナス方向にオフセットしている。このため、磁束密度が磁気センサ１２０の検出感度以下となり、磁気センサ１２０において磁束パルスの検出不良が発生するおそれがある。

本実施形態の磁気エンコーダ１（図１）による、磁気センサ２０の位置における磁束密度の面直交方向成分の分布を図５に示す。なお、磁気ロータ１０と磁気センサ２０とのエアギャップ（１．５ｍｍ）、及び、磁気ロータ１０の外径（φ５５ｍｍ）、内径（φ４０ｍｍ）、磁束密度の計測位置（φ４７．４ｍｍ）は、比較例と同じである。
図５に示すように、原点着磁部１２に相当する中央の山状波形に隣接する山状波形（破線で囲まれた部分）では、図４に比べて磁束密度のオフセット量は小さい。このため、回転角度の検出の際に磁気センサ２０において磁束パルスの検出不良が発生する可能性が低い。このことは、以下に説明する図６によっても明らかとなる。

図６は、本実施形態及び比較例における角度ピッチ誤差の変化を示すグラフである。ここで、角度ピッチ誤差は、磁束密度の変化を受けて検出された角度ピッチと、実角度ピッチ（例えば３．７５°）との差分を、実角度ピッチで除算することで算出される。

図６に示すように、原点着磁部１２に相当する中央の山形波形の変位領域に隣接する左右の領域において、角度ピッチ誤差の振れ幅は比較例によりも本実施形態の方が小さい。このことは、比較例によりも本実施形態の方が原点着磁部１２に隣接する多極着磁部１１における角度ピッチ誤差が早く収束していることを示す。

このように、原点着磁部１２の幅１２ａよりも小さく多極着磁部１１のピッチ１１ａよりも幅広の反対極部１３を設けることで、原点着磁部１２の両側の反対極部１３において原点着磁部１２とは反対方向の磁界を反対極部の幅に相当した範囲で分布させることができる。これにより、原点着磁部１２において発生する大きな磁界分布が反対方向の磁界分布と均衡するようになり、多極着磁部１１の磁束が原点着磁部１２の磁性とは反対の側にオフセットする現象が緩和される。その結果、磁気エンコーダ１は、簡素な構成でありながら回転角度の検出精度を良好にすることができる。
また、反対極部１３の幅１３ａは、原点着磁部１２の幅１２ａよりも小さいものの多極着磁部１１のピッチ１１ａよりも大きいため、反対極部１３は外部磁界の影響を受け難く減磁し難い。

図１及び図２に示すように、磁気ロータ１０は、回転軸芯Ｘの方向に着磁されており、磁気センサ２０は、磁気ロータ１０に対して回転軸芯Ｘの方向に対向して配置されている。これにより、磁気センサ２０は、回転軸芯Ｘの方向に直交する面部に対向させることができ、磁気センサ２０と磁気ロータ１０とのギャップが一定となる。その結果、磁気センサ２０が磁気ロータ１０からの磁束を検出し易くなるため、磁気エンコーダ１において回転角度位置の検出精度が向上する。

〔第２実施形態〕
図７に示すように、本実施形態では、磁気ロータ１０において、原点着磁部１２の幅１２ａが多極着磁部１１のピッチ１１ａの２倍に設定され、反対極部１３の幅１３ａが多極着磁部１１のピッチ１１ａの１．５倍に設定されている。

第１実施形態と同様に、１つの着磁区域が３．７５°に設定され、全周で９６区域の着座区域を有する場合には、多極着磁部１１の各磁極角度が３．７５°になり、原点着磁部１２の磁極角度が７．５°になり、反対極部１３の磁極角度が５．６２５°となる。

こうして、９６区域のうち、原点着磁部１２がＮ極で２区域を占有し、原点着磁部１２の両側に隣接して配置される反対極部１３がＳ極で３区域を占有する。多極着磁部１１は残りの９１区域を占有することになる。ここで、多極着磁部１１の区域数が１以外の奇数となるため、多極着磁部１１において、Ｓ極の反対極部１３に隣接する２区域にＮ極を配置することができる。このように、本実施形態においても、多極着磁部１１のピッチ１１ａを変更せずに原点着磁部１２及び反対極部１３を配置することができるため、磁気ロータ１０を簡易に構成することができる。

〔別実施形態〕
（１）原点着磁部１２の幅１２ａ及び反対極部１３の幅１３ａは上記の実施形態に限定されない。原点着磁部１２の幅１２ａが、多極着磁部１１のピッチ１１ａよりも大きく、反対極部１３の幅１３ａが、多極着磁部１１のピッチ１１ａよりも大きく、且つ、原点着磁部１２の幅１２ａよりも小さい構成であれば、上記の実施形態以外の原点着磁部１２の幅１２ａ及び反対極部１３の幅１３ａであってもよい。

（２）上記の実施形態では、磁気ロータ１０において、原点着磁部１２をＮ極とし、反対極部１３をＳ極とする例を示したが、原点着磁部１２をＳ極とし、反対極部１３をＮ極としてもよい。

（３）上記の実施形態では、磁気ロータ１０は磁界が回転軸芯Ｘの方向に形成されるよう着磁されている例を示したが、磁気ロータ１０は、磁界が径方向に形成される構成であってもよい。その場合には、磁気センサ２０が磁気ロータ１０の外周面に対向するよう配置される。

（４）上記の実施形態では、磁気エンコーダ１が磁気ロータ１０に磁性体プレート１５を積層して構成する例を示したが、磁気エンコーダ１は磁性体プレート１５を有しない構成であってもよい。

（５）上記の実施形態では、磁気ロータ１０に原点着磁部１２を１つ設ける例を示したが、原点着磁部１２は磁気ロータ１０の周方向において複数箇所に分散配置されてもよい。

本発明に係る磁気エンコーダは、回転体の位置検出等に広く適用することができる。

１ ：磁気エンコーダ
１０ ：磁気ロータ
１１ ：多極着磁部
１２ ：原点着磁部
１３ ：反対極部
１５ ：磁性体プレート
２０ ：磁気センサ

Claims (3)

1. 環状の磁気ロータと、
   前記磁気ロータに所定のギャップを隔てて対向する磁気センサと、備え、
   前記磁気ロータが、
   Ｎ極とＳ極とを周方向に所定のピッチで交互に設けた多極着磁部と、
   前記多極着磁部の前記ピッチよりも前記周方向の幅が大きく、前記多極着磁部の前記周方向における端部と同極性の原点着磁部と、
   前記多極着磁部及び前記原点着磁部に対して逆極性で隣接する反対極部と、を有し、
   前記反対極部の前記周方向の幅が、前記多極着磁部の前記ピッチよりも大きく、且つ、前記原点着磁部の前記周方向の幅よりも小さい磁気エンコーダ。
2. 前記磁気ロータは、回転軸芯方向に着磁されており、
   前記磁気センサは、前記磁気ロータに対して前記回転軸芯方向に対向して配置されている請求項１に記載の磁気エンコーダ。
3. 前記磁気ロータは、前記反対極部の前記周方向の幅が前記多極着磁部の前記ピッチの２倍に設定され、前記原点着磁部の前記周方向の幅が前記多極着磁部の前記ピッチの３倍に設定されている請求項１又は２に記載の磁気エンコーダ。

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