JP2020060439A - 磁気エンコーダ及び磁気エンコーダ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】省スペースでありながら測定対象のゆがみを測定することができる磁気エンコーダ及び磁気エンコーダ装置を提供する。
【解決手段】測定対象のゆがみを測定するための磁気エンコーダ２であって、磁気透過性材料により構成され、第１の表面２１１と、第１の表面２１１の反対側に形成された第２の表面２１２と、を備えた環状ベース２１と、環状ベース２１の第１の表面２１１又は第２の表面２１２のいずれかに設けられた磁気エンコーダユニット２２と、を備え、磁気エンコーダユニット２２には、いずれも円環状を呈すると共に、互い違いに配置された複数のＮ極エリアと、複数のＳ極エリアとを有し、環状ベース２１の中心軸線は、全てのＮ極エリアと全てのＳ極エリアとの円心を通過している。
【選択図】図１

Description

本発明は磁気エンコーダ及び磁気エンコーダ装置に関し、特に省スペースでありながら測定対象のゆがみを測定することができる磁気エンコーダ及び磁気エンコーダ装置に関する。

測定対象のゆがみを検出するためには磁気エンコーダが必要とされるが、所謂ラジアル異方性磁石を利用した絶対位置型の磁気エンコーダとしては以下の特許文献１が知られている。特許文献１の図４には、Ｓ極とＮ極からなる磁極が環状ベースの軸線を囲むように配置される旨が記載されている。

また、特許文献１の図４の第１の円環２１２１は、Ｓ極とＮ極が軸線を囲むように円周方向に沿ってそれぞれ９０度ずつ延伸し、合計４個のＳ極とＮ極が互い違いに配置される。

また、特許文献１の図４に示されるように、第２の円環２１２２は、軸方向に沿って、前記第１の円環２１２１との間に中性スペーサリングを挟むように間隔をあけて設けられ、Ｓ極とＮ極がそれぞれ４５度ずつ延伸し、合計８個のＳ極とＮ極が互い違いに配置される。

更に、第３の円環２１２３は、軸方向に沿って、前記第２の円環２１２２との間に中性スペーサリングを挟むように間隔をあけて設けられ、Ｓ極とＮ極がそれぞれ２２．５度ずつ延伸し、合計１６個のＳ極とＮ極が互い違いに配置される。

すなわち、第２の円環２１２２の磁極の数は第１の円環２１２１の磁極の数の２倍であり、第３の円環２１２３の磁極の数は第２の円環２１２２の磁極の数の２倍である。

このため、特許文献１の図４に示すように、磁極は、軸方向に沿ってＳ極、Ｎ極、Ｓ極、Ｎ極・・・のように、Ｎ極とＳ極が順番に配置されている。

一方、特許文献１の図７には他の実施形態の従来技術も説明されており、軸線を囲うようにそれぞれ９０度ずつ延伸する合計４個のＳ極とＮ極により、第１のエリア３１２１が形成されている。また、この第１のエリア３１２１よりも軸線から更に外側（径方向の外側）には第１のエリア３１２１を囲むように第２のエリア（特許文献１の図７の符号３１２２）が形成されている。

第２のエリア３１２２の磁極エリアは、互い違いに配置された合計１６個のＮ極エリアとＳ極エリアとからなる。すなわち、第１のエリア３１２１の１つのＮ極エリアには、第２のエリア３１２２の合計４つのＮ極とＳ極が対応し、第１のエリア３１２１の１つのＳ極エリアには、第２のエリア３１２２の合計４つのＮ極とＳ極が対応する。

このため、特許文献１の図７の従来の実施形態では、径方向にＮ極、Ｓ極、Ｎ極、Ｓ極という具合にＮ極とＳ極が互い違いに配置されることとなる。また、特許文献１の図７の従来技術によれば、第１のエリア３１２１と第２のエリア３１２２の間には円環状の中性スペーサリング３１６が設けられている。

以上のように、特許文献１に記載された磁気エンコーダによれば、特許文献１の図７の従来技術のように、第１のエリア３１２１と第２のエリア３１２２の間に、中性スペーサリング３１６を挟み両者の干渉を低減している。

また、特許文献１の図４の実施形態によれば、第２の円環２１２２は、軸方向に沿って、前記第１の円環２１２１との間に中性スペーサリングを挟むように間隔が隔てられている。

台湾特許第Ｉ２４１０６３号明細書

しかし、従来の方法では特許文献１の図４の実施形態と図７の実施形態のいずれの形態でも、上述したとおり中性スペーサリングが必要である。そのため中性スペーサリングを円環状の磁極（エリア）の間に挟むため体積が増加する問題がある。

一方、軸方向の磁極も径方向の磁極も特許文献１の図４、図７のように互い違いに配置するのは、所謂ラジアル異方性磁石を利用した絶対位置型の磁気エンコーダとしての機能を発揮させるためである。このような、ラジアル異方性磁石を利用した磁気エンコーダ装置を用いて、回転軸を軸として測定対象を回転させることにより、回転角度を検出し、或いは回転速度を検出することができる。

ところが、従来の磁気エンコーダ装置では、基本的には軸方向におけるゆがみや径方向におけるゆがみを測定することはできないので、回転角度や回転速度に加えてゆがみをも測定しようとする場合には、別途渦電流測定センサを取り付けて測定を行う必要がある。このように、従来の磁気エンコーダ及び磁気エンコーダ装置には尚も改善の余地が残されている。

このような問題に鑑みて、本発明は省スペースでありながら、測定対象のゆがみを測定することができる磁気エンコーダ及び磁気エンコーダ装置を提供することを目的とする。

本発明はこのような問題に鑑みて、以下の構成を備える。

測定対象のゆがみを測定するための磁気エンコーダであって、
磁気透過性材料により構成され、第１の表面と、前記第１の表面の反対側に形成された第２の表面と、を備えた環状ベースと、
前記環状ベースの前記第１の表面又は前記第２の表面のいずれかに設けられた磁気エンコーダユニットと、を備え、
前記磁気エンコーダユニットは、いずれも円環状を呈すると共に、互い違いに配置された複数のＮ極エリアと、複数のＳ極エリアとを有し、前記環状ベースの中心軸線は、全ての前記Ｎ極エリアと全ての前記Ｓ極エリアとの円心を通過している。

本発明の磁気エンコーダの磁気エンコーダユニットには、いずれも円環状を呈すると共に、互い違いに配置された複数のＮ極エリアと、複数のＳ極エリアとを有し、環状ベースの中心軸線は、全てのＮ極エリアと全てのＳ極エリアとの円心を通過するので、省スペースでありながら測定対象のゆがみを測定することができる。

本発明による測定対象のゆがみを測定するための磁気エンコーダの斜視図であり、第１の実施形態を説明するものである。 第１の実施形態の要部拡大図であり、本発明の第１の実施形態による磁気エンコーダユニットを説明するものである。 本発明による測定対象のゆがみを測定するための磁気エンコーダの斜視図であり、第２の実施形態を説明するものである。 第２の実施形態の要部拡大図であり、本発明の第２の実施形態による磁気エンコーダユニットを説明するものである。 本発明の第１の実施形態の磁気エンコーダを測定対象に取り付け、センサと併せて磁気エンコーダ装置として使用する際の斜視図である。 本発明の第２の実施形態の磁気エンコーダを接続部を用いて測定対象に取り付け、センサを磁気エンコーダユニットの外側で、且つ軸方向に沿って取り付けて、磁気エンコーダ装置として使用する際の斜視図である。 円筒状の測定対象に本発明の第２の実施形態による磁気エンコーダを取り付けて、磁気エンコーダ装置として使用する際の斜視図である。 本発明による測定対象のゆがみを測定するために、磁気エンコーダ装置を操作する際のフローチャートである。

図１、図２、及び図５を参照して本発明の磁気エンコーダの第１の実施形態を説明する。ここで、図１は本発明による測定対象４（図５）のゆがみを測定するための磁気エンコーダ２の斜視図であり、また、図２は第１の実施形態の要部拡大図であり、本発明の第１の実施形態による磁気エンコーダユニット２２を説明するものである。また、図５は本発明の第１の実施形態の磁気エンコーダ２を測定対象４に取り付け、センサ３と併せて磁気エンコーダ装置５０として使用する際の斜視図である。

図１に示すように、本発明の第１の実施形態の磁気エンコーダ２は環状ベース２１と、磁気エンコーダユニット２２と、接続部２３を備える。環状ベース２１は板状体であり、且つ平面視にてドーナツ状に形成される。また、図１に示すように、環状ベース２１は上側に向いた第１の表面２１１と、その反対側に形成された第２の表面２１２を有する。

磁気エンコーダユニット２２は、本実施形態では、図２に示すように、第１の表面２１１の外周縁の近くに設けられ、図１、図２に示すように、環状ベース２１の円心側には磁気エンコーダユニット２２は設けられていない。接続部２３は、図５に示すように測定対象４と接続する際に利用され、円環状に形成される。

また、環状ベース２１は、磁気透過性材料からなり、中心軸線２００を円心とする環状に形成されている。

また、磁気エンコーダユニット２２は、いずれも円環状を呈すると共に、互い違いに配置された複数のＮ極エリアと、複数のＳ極エリアとを有し、環状ベース２１の中心軸線２００は、全てのＮ極エリアと全てのＳ極エリアの円心を通過している。すなわち、Ｎ極エリアとＳ極エリアは、円心である中心軸線２００を共通の軸とした同心円状に互い違いに配置される。

なお、第１の実施形態では、図２に示すように、最も外周縁に近いエリアがＳ極エリアに形成され、その内側がＮ極エリアに形成され、その後はＳ極エリア、Ｎ極エリア、Ｓ極エリア、・・・、Ｎ極エリア、という具合に、径方向ｘに沿って円心へ向かい互い違いに配置される。

環状ベース２１は、図１に示すように、第１の表面２１１と第２の表面２１２の法線ｎが中心軸線２００と平行となり、その結果、図２に示すように、Ｎ極エリアとＳ極エリアの磁性境界線２２０は、環状ベース２１の径方向ｘに沿って配列されることとなる。なお、Ｎ極エリア及びＳ極エリアの数は第１の実施形態では２つずつであるが、適宜増減させても良い。

また、接続部２３は図２に示す内周縁２１３に隣接するように設けられ、環状ベース２１を図５の測定対象４と接続する際に用いられる。なお、接続部２３は必ずしも必要なく、測定対象４と接続できれば適宜省略しても差し支えない。

続いて、図３、図４、及び図６を参照して本発明の第２の実施形態を説明する。ただし、第２の実施形態において第１の実施形態と同一の構成については同一の符号を付して説明を省略する。ここで、図３は本発明による測定対象４（図６参照）のゆがみを測定するための磁気エンコーダ２の斜視図である。

また、図４は第２の実施形態の要部拡大図であり、本発明の第２の実施形態による磁気エンコーダユニット２２を説明するものである。更に、図６は本発明の第２の実施形態の磁気エンコーダ２を測定対象４に取り付け、センサ３を磁気エンコーダユニット２２の外側で、且つ軸方向ｙに沿って取り付けて使用する際の斜視図である。第２の実施形態でも第１の実施形態と同様に測定対象４のゆがみを測定できる。第１の実施形態との異なる点は以下のとおりである。

すなわち、第２の実施形態では、図３に示すように、環状ベース２１は中心軸線２００と平行となるように延伸し、中心軸線２００を円心とした管状体に形成される。そして、第２の実施形態では、図３に示すように第１の表面２１１と第２の表面２１２の法線ｎが、中心軸線２００と垂直となり、且つ第２の表面２１２は中心軸線２００に臨む。

また、第２の実施形態においては、磁気エンコーダユニット２２は、図３に示すように第１の表面２１１に設けられた管状体である。また、図６に示すように、Ｎ極エリアとＳ極エリアの磁性境界線２２０は、環状ベース２１の軸方向ｙに沿って配列される。

また、第１の表面２１１におけるＮ極エリアとＳ極エリアの磁極境界線２２０は、図４に示すように、環状ベース２１の軸方向ｙ（すなわち、中心軸線２００と平行な方向）に沿って配置されている。また、第２の実施形態の磁気エンコーダ２は、図６に示すように、第２の表面２１２側に設けられた接続部２３によって測定対象４と接続される。

本発明の磁気式エンコーダ２では、例えば図５に示すように、Ｎ極エリアとＳ極エリアとが同心円状となるように、且つ径方向ｘに沿って互い違いとなるように配置されることにより、旋回軸Ｌの径方向ｘにおける測定対象４のゆがみを測定し、また、図６に示すように、Ｎ極エリアとＳ極エリアとが同心円状となるように、且つ軸方向ｙに沿って互い違いとなるように配置されることにより、旋回軸Ｌの軸方向ｙにおける測定対象４のゆがみを測定する。

次に、第１の実施形態と第２の実施形態の磁場の方向について説明する。第１の実施形態の磁気エンコーダ２の磁場（磁界）方向（Magnetic field direction、Ｎ極からＳ極への方向）は、中心軸線２００と平行な方向である。すなわち、図１に示すように、Ｎ極の法線ｎを通過するようにＮ極から出て行き再びＳ極へ入る。

一方、第２の実施形態の磁気エンコーダ２の磁場方向は、中心軸線２００と垂直な方向である。すなわち、図３に示すように、Ｎ極の法線ｎを通過するようにＮ極から出て行き再びＳ極に入る。

第１の実施形態と第２の実施形態の磁気エンコーダ２を用いて、測定対象４の旋回軸Ｌの軸方向ｙと径方向ｘにおけるゆがみを測定する方法をより具体的に説明するため、磁気エンコーダ２を搭載した磁気エンコーダ装置５０について説明する。

図５は、本発明の第１の実施形態の磁気エンコーダ２を使用した磁気エンコーダ装置５０の斜視図である。

図５に示すように、磁気エンコーダ装置５０は、測定対象４のゆがみを測定するために、図１で説明した磁気エンコーダ２が、測定対象４を取り囲むように設けられる。また、図５の実施形態では、磁気エンコーダユニット２２は接続部２３によって測定対象４と接続されている。

ここで、図５にて矢印で示したとおり、測定対象４は磁気エンコーダ２を伴って、旋回軸Ｌを軸として矢印の方向に回転する。

また、センサ３は、径方向ＸにＮ極エリアとＳ極エリアが互い違いに設けられた磁気エンコーダユニット２２に隣接するように、且つ磁気エンコーダユニット２２とは隙間をあけるように設けられる。すなわち、磁気エンコーダユニット２２は環状ベース２１の外縁に隣接するように設けられているので、センサ３の位置も環状ベース２１の外縁付近に設けられることとなる。

上述したように、第１の実施形態の磁気エンコーダ２における第１の面２１１と第２の面２１２の法線ｎは、中心軸線２００（図１参照）と平行なので、環状ベース２１の内周縁２１３（図２参照）を接続部２３を介して測定対象４に取り付けて固定する。

ここで、センサ３は、磁気エンコーダユニット２２を検知することができる程度に磁気エンコーダユニット２２に近接しているが、接触はしていない。そのため、測定対象４と共に磁気エンコーダユニット２２が回転しても摩擦は生じない。

なお、センサ３は、磁気エンコーダユニット２２と接触しないように取り付けられれば足り、その取り付け方法は特に限定されない。

また、本実施形態に用いられるセンサ３は、磁気抵抗センサやホールセンサ等の磁気センサから適宜選択すれば足り、特に限定されない。

次に、図６と図７を参照して第２の実施形態（図３、図４）で説明した磁気エンコーダ２を測定対象４に取り付けた磁気エンコーダ装置５０について説明する。ここで、図６は、本発明の第２の実施形態の磁気エンコーダ２を接続部２３を用いて測定対象４に取り付け、センサ３を磁気エンコーダユニット２２の外側で、且つ軸方向ｙに沿って取り付けて、磁気エンコーダ装置５０として使用する際の斜視図である。また、図７は円筒状の測定対象４に本発明の第２の実施形態による磁気エンコーダ２を直接取り付けて、磁気エンコーダ装置５０として使用する際の斜視図である。

図６に示すように、磁気エンコーダ装置５０は、第２の実施形態の磁気エンコーダ２が測定対象４に取り付けらることにより構成される。

環状ベース２１の第２の面２１２（図３参照）は、測定対象４側に位置し、環状ベース２１は接続部２３を介して測定対象４に取り付けられる。

図６に示すように、磁気エンコーダユニット２２は、測定対象４の外周に形成された外周面４１から径方向ｘに離れた場所に位置する。すなわち、磁気エンコーダユニット２２と測定対象４は、接続部２３によって接続されているので、互いに離間している。

また、図６に示すように、センサ３は磁気エンコーダ２の磁性境界線２２０が並べられた方向と平行に設けられる。なお、図６の実施形態でもセンサ３は、磁気エンコーダ２２を検知できる程度に近づいた位置に設けられ、且つ磁気エンコーダ２２と接触しない程度に離れている。

なお、図６に示すように、第２の実施形態で説明した磁気エンコーダ２が取り付けられた磁気エンコーダ装置５０の場合、第１の面２１１と第２の面２１２の法線ｎは、図３に示すように、中心軸線２００と垂直となる。

続いて図７の実施形態について説明する。図６との相違点としては、図７の測定対象４は円管状で、図６の接続部２３に相当する構成が存在しない点にある。すなわち、図７の実施形態では、接続部２３を介さずに、磁気エンコーダユニット２の第２の表面２１２が測定対象４の外周面４１に直接取り付けられている。なお、その他の構成については図６と同様なので説明を省略する。

次に、図８を参照し、図５、図６、又は図７の磁気エンコード装置５０を用いて測定対象４のゆがみを測定する方法について説明する。ここで、図８は本発明による測定対象４のゆがみを測定するために、磁気エンコーダ装置５０を操作する際のフローチャートである。

先ずは、測定対象４の旋回軸Ｌと、磁気エンコーダ２の円心（中心軸線２００）がずれていると回転運動に支障をきたし、更に正確な測定ができないため、両者の偏心量を最小化すべく測定対象４の旋回軸Ｌと磁気エンコーダ２の円心を一致させ、同心円上となるように位置合わせをする（ステップＳ１）。

そして、測定対象４が回転運動を開始すると、第１の実施形態（図１、図２）の磁気エンコーダ２を備えた磁気エンコーダ装置５０（図５）は以下のように動作する。

すなわち、回転運動する磁気エンコーダ２の磁気エンコーダユニット２２が、センサ３によって検知される。センサ３は、測定対象４の径方向ｘへの偏向（すなわち、真っ直ぐに延伸せずに「く」の字に曲がっていないか等）によって生じる磁場分布の変化を検出し（ステップＳ２）、磁場分布の変化を電気信号（電圧）に変換して、図示しないマイクロコントロールユニット（ＭＣＵ，Micro Control Unit）に出力する。

マイクロコントロールユニットはこのセンサ３から出力された電気信号に基づいて測定対象４のゆがみの量を計算し（ステップＳ３）、図示しない表示装置によってその数値を表示する。このようにして、測定対象４を回転させた際の、測定対象４の径方向ｘのゆがみを検出することができる。

次に、第２の実施形態（図３、図４）の磁気エンコーダ２を備えた磁気エンコーダ装置５０（図６、図７）の動作を説明する。

まず最初に、測定対象４の旋回軸Ｌと磁気エンコーダ２の円心（中心軸線２００）の偏心量を最小化すべく、測定対象４の旋回軸Ｌと磁気エンコーダ２の円心を一致させる点は同様である（ステップＳ１）。

そして、測定対象４が回転運動を開始すると、これに取り付けられた磁気エンコーダ２の磁気エンコーダユニット２２はセンサ３によって検知される（ステップＳ２）。センサ３は、測定対象４の軸方向ｙへの偏向によって生じる磁場分布の変化を検出し、磁場分布の変化を電気信号（電圧）に変換して、図示しないマイクロコントロールユニットに出力し、マイクロコントロールユニットが演算することにより、測定対象４を回転させた際の、測定対象４の軸方向ｙのゆがみを検出することができる（ステップＳ３）。

以上のように、本発明による磁気エンコーダ２、及び磁気エンコーダ装置５０は、測定対象４のゆがみを測定するが、その際に、図１、図５に示すように環状ベース２１を板状体とし、又は図３、図６、図７に示すように管状体とする。

また、環状ベース２１に形成されたＮ極エリアとＳ極エリアとは、同心円状に配置されている。すなわち、磁気エンコーダ２の磁気エンコーダユニット２２には、いずれも円環状を呈すると共に、互い違いに配置された複数のＮ極エリアと、複数のＳ極エリアとを有し、環状ベース２１の中心軸線２００は、全てのＮ極エリアと全てのＳ極エリアとの円心を通過している。

このため、従来のように隣接する磁極エリアとの間に磁場の干渉を防ぐための中性スペーサリングを設ける必要がない。

更に、図５に示した実施形態であれば、測定対象４の径方向ｘのゆがみを測定することができ、図６、図７の実施形態であれば軸方向ｙのゆがみを測定することができるので、本発明の目的を達成することができる。

以上の説明は、本発明の実施例に過ぎず、これを以って特許請求の範囲を限定するものではない。また、本発明の特許請求の範囲及び明細書の内容に簡単な付加や変化を加えたに過ぎないものについても、特許請求の範囲に記載された発明の技術的範囲に属するものとする。

２…磁気エンコーダ、２００…中心軸線、２１…環状ベース、２１１…第１の表面、２１２…第２の表面、２１３…内周縁、２２…磁気エンコーダユニット、２２０…磁性境界線、２３…接続部、３…センサ、Ｌ…旋回軸、４…測定対象、４１…外周面、Ｎ…第１の磁極、Ｓ…第２の磁極、ｎ…法線。

Claims (6)

1. 測定対象のゆがみを測定するための磁気エンコーダであって、
   磁気透過性材料により構成され、第１の表面と、前記第１の表面の反対側に形成された第２の表面と、を備えた環状ベースと、
   前記環状ベースの前記第１の表面又は前記第２の表面のいずれかに設けられた磁気エンコーダユニットと、を備え、
   前記磁気エンコーダユニットは、いずれも円環状を呈すると共に、互い違いに配置された複数のＮ極エリアと、複数のＳ極エリアとを有し、前記環状ベースの中心軸線は、全ての前記Ｎ極エリアと全ての前記Ｓ極エリアとの円心を通過している
   ことを特徴とする磁気エンコーダ。
2. 前記環状ベースは板状体に形成されると共に、前記第１の表面と前記第２の表面の法線は前記中心軸線と平行であり、前記磁気エンコーダユニットは前記第１の表面に設けられた板状体であり、且つ前記Ｎ極エリアと前記Ｓ極エリアの間の磁性境界線は前記環状ベースの径方向に沿って配列される
   ことを特徴とする請求項１に記載の磁気エンコーダ。
3. 前記環状ベースは管状体に形成されると共に、前記第１の表面と前記第２の表面の法線は、前記中心軸線と垂直であり、且つ前記第２の表面は前記中心軸線に臨み、前記磁気エンコーダユニットは前記第１の表面に設けられた管状体であり、且つ前記Ｎ極エリアと前記Ｓ極エリアの磁性境界線は前記環状ベースの軸方向に沿って配列される
   ことを特徴とする請求項１に記載の磁気エンコーダ。
4. 所定の旋回軸を回転軸として回転する略円柱状又は略円管状の測定対象に取り付けられ、前記測定対象のゆがみを測定する磁気エンコーダ装置であって、
   前記中心軸線が前記旋回軸と一致し且つ前記測定対象の外周面を取り囲むように設けられた請求項１〜３のいずれか一項に記載の前記磁気エンコーダと、
   前記磁気エンコーダユニットが前記測定対象と共に回転する際に発生する磁界の変化を検出するように、前記磁気エンコーダと間隔をあけて設けられたセンサと、を備える
   ことを特徴とする磁気エンコーダ装置。
5. 前記磁気エンコーダの前記磁気エンコーダユニットは、接続部によって前記測定対象の前記外表面に接続されて前記測定対象と共に回転する、
   ことを特徴とする請求項４に記載の磁気エンコーダ装置。
6. 前記磁気エンコーダの前記磁気エンコーダユニットは、前記中心軸線に向かう内側の表面が前記測定対象の前記外周面に直接取付けられている
   ことを特徴とする請求項４に記載の磁気エンコーダ装置。

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