JP2021047030A

JP2021047030A - 磁気エンコーダ

Info

Publication number: JP2021047030A
Application number: JP2019168159A
Authority: JP
Inventors: 孝明上池; Takaaki Kamiike
Original assignee: Uchiyama Manufacturing Corp
Current assignee: Uchiyama Manufacturing Corp
Priority date: 2019-09-17
Filing date: 2019-09-17
Publication date: 2021-03-25
Anticipated expiration: 2039-09-17
Also published as: JP7388687B2

Abstract

【課題】磁気検出部により検出される磁性体の磁束密度を高めることができる磁気エンコーダを提供する。【解決手段】直線的に移動自在に配置されるとともに、その移動量を磁気検出部Ｓにより磁気的に検出するために使用される磁気エンコーダ１であって、磁性材料としてフェライト磁性粉が用いられ、前記磁気検出部に対向して配置される被検出面２ａを有した磁性体２を含み、前記磁性体は、移動方向の一方の側に形成されるとともに前記被検出面に対して垂直方向にＮ極及びＳ極からなる一対の磁極が並ぶように配置された第１磁極部２０と、前記移動方向の他方の側に形成され前記被検出面に対して垂直方向に並ぶように配置されるとともに、前記第１磁極部とは反対の一対の磁極が形成された第２磁極部２１と、前記第１磁極部と前記第２磁極部との間に磁化されていない非磁化領域２２とを備えていることを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、直線的に移動自在に配置されるとともに、その移動量を磁気検出部により磁気的に検出するために使用される磁気エンコーダに関する。

従来、センサ等の磁気検出部との相対移動量を磁気検出部により磁気的に検出するために使用される磁気エンコーダとして、例えば下記特許文献１や下記特許文献２が挙げられる。
下記特許文献１及び下記特許文献２には、Ｎ極及びＳ極に着磁された磁化領域に加え、所定の位置に無磁化領域を備える磁性体を含む磁気エンコーダが開示されている。

特開２００６−２５０８５７号公報特開２００６−２９２３９６号公報

ところで、特許文献１の図３の磁気エンコーダのように、例えば磁気検出部に対向して配置される被検出面に対して平行な方向に並んで一対のＮ極及びＳ極が着磁されている場合、希土類磁石等の磁力特性が高い磁石を使用しなければ、磁気検出部により検出される十分な磁束密度を確保できなかった。そのため、従来から、希土類磁石よりも磁力特性が低いフェライト磁石を用いた磁性体を使用しようとしても、磁気検出部による磁性体の移動量の検出精度が低下するおそれがあるため、製品化を図ることはできていなかった。

本発明は、前記実情に鑑みなされたものであり、磁気検出部により検出される磁性体の磁束密度を高めることができる磁気エンコーダを提供することを目的としている。

本発明に係る磁気エンコーダは、直線的に移動自在に配置されるとともに、その移動量を磁気検出部により磁気的に検出するために使用される磁気エンコーダであって、磁性材料としてフェライト磁性粉が用いられ、前記磁気検出部に対向して配置される被検出面を有した磁性体を含み、前記磁性体は、移動方向の一方の側に形成されるとともに前記被検出面に対して垂直方向にＮ極及びＳ極からなる一対の磁極が並ぶように配置された第１磁極部と、前記移動方向の他方の側に形成され前記被検出面に対して垂直方向に並ぶように配置されるとともに、前記第１磁極部とは反対の一対の磁極が形成された第２磁極部と、前記第１磁極部と前記第２磁極部との間に磁化されていない非磁化領域とを備えていることを特徴とする。

本発明に係る磁気エンコーダは、上述の構成としたことで、磁気検出部により検出される磁性体の磁束密度を高めることができる。

第１実施形態に係る磁気エンコーダの一例を模式的に示す概略的斜視図である。（ａ）は同磁気エンコーダの磁束密度の波形を示すグラフである。（ｂ）は同磁気エンコーダにおける磁性体の磁場の配向状態を模式的に示した説明図である。（ａ）及び（ｂ）は同磁気エンコーダに設けられた指標部を説明するための概略的部分斜視図であり、指標部の異なる例を示す図である。（ａ）は第２実施形態に係る磁気エンコーダを模式的に示す概略的斜視図であり、（ｂ）は同磁気エンコーダの概略的平面図である。（ａ）は第３実施形態に係る磁気エンコーダを模式的に示す概略的斜視図であり、（ｂ）は同磁気エンコーダの概略的平面図である。

以下に本発明の実施の形態について、図面に基づいて説明する。なお、一部の図には、他図に付している詳細な符号の一部を省略している。
本実施形態に係る磁気エンコーダ１，１Ａ，１Ｂは、直線的に移動自在に配置されるとともに、その移動量を磁気検出部Ｓにより磁気的に検出するために使用される磁気エンコーダである。磁気エンコーダ１は、磁性材料としてフェライト磁性粉４（図２（ｂ）参照）が用いられ、磁気検出部Ｓに対向して配置される被検出面２ａを有した磁性体２を含む。磁性体２は、移動方向の一方の側に形成されるとともに被検出面２ａに対して垂直方向にＮ極及びＳ極からなる一対の磁極が並ぶように配置された第１磁極部２０と、移動方向の他方の側に形成され被検出面２ａに対して垂直方向に並ぶように配置されるとともに、第１磁極部２０とは反対の一対の磁極が形成された第２磁極部２１と、第１磁極部２０と第２磁極部２１との間に磁化されていない非磁化領域２２とを備えている。以下、詳述する。

まずは図１、図２を参照しながら、第１実施形態に係る磁気エンコーダ１について説明する。図１には、移動方向（図１・白抜矢印参照）が長手方向となる直方体で棒形状の磁性体２を有した磁気エンコーダ１を示している。磁気エンコーダ１は直線的に移動自在に構成された可動部品のホルダー等（不図示）に組付けられ、対向して配置される磁気検出部Ｓにより磁束密度波形から直線位置を検出し、磁気的にその移動量を検出するために使用される。磁性体２は、磁性材料としてフェライト磁性粉４が用いられたフェライト磁石が用いられる。磁石の性質としては、フェライト磁性粉４を焼き固めてなる焼結磁石、バインダーとしてのゴム材とフェライト磁性粉４とを混合して成形したゴム磁石、バインダーとしてのプラスチック材とフェライト磁性粉４とを混合して成形したプラスチック磁石等、いずれでもよい。

図例の磁性体２は、上面が被検出面２ａとなっており、移動方向の一方の側に第１磁極部２０、移動方向の他方側に第２磁極部２１を備えている。また第１磁極部２０と第２磁極部２１との間には、磁化されていない未着磁の非磁化領域２２が設けられている。第１磁極部２０及び第２磁極部２１は、被検出面２ａに対して垂直方向に一対の磁極が並ぶように着磁されている。図例の第１磁極部２０は、被検出面２ａ側にＮ極、被検出面２ａ側とは反対側にＳ極が配置されるように着磁され、第２磁極部２１は第１磁極部２０とは逆の被検出面２ａ側にＳ極、被検出面２ａ側とは反対側にＮ極が配置されるように着磁されている。これにより、第１磁極部２０のＮ極及び第２磁極部２１のＮ極から発する磁束密度が増大し、密な磁力線、強い磁場を形成する。そして第１磁極部２０の移動方向には非磁化領域２２を挟んで対をなす磁極が着磁されている。図例では第１磁極部２０の被検出面２ａ側にＮ極が着磁されており、第２磁極部２１の被検出面２ａ側にＳ極が着磁されている。よって、第１磁極部２０から発する密な磁力線が非磁化領域２２を挟んで第２磁極部２１へ向かう（図１矢印参照）。

第１実施形態の磁気エンコーダ１によれば、上述したように被検出面２ａに対して垂直方向にＮ極及びＳ極からなる一対の磁極が並んで配置され、その一対の磁極が磁性体２の移動方向の両側に設けられている。したがって、被検出面２ａに対して垂直方向に発生する磁束密度が増大し、磁気検出部Ｓにより検出される磁束密度が増加傾向となる。本実施形態では、ネオジム等の希土類と比べて、磁束密度が低いとされるフェライト磁性粉４を磁性材料として用いたにも拘らず、磁気検出部Ｓが磁性体２の移動量を検出するために必要な磁束密度を確保することができる。また磁性材料としてフェライト磁性粉４を用いているため、希土類等の高価な磁性粉を用いる場合に比べて経済的な磁性体２を構成できる。
また本実施形態の磁性体２は、移動方向が長手方向で移動方向とは直交する方向が短手方向となる棒形状であるので、磁性体２の移動方向とは直交する方向の寸法が拡大されることを抑えつつ、磁気検出部Ｓにより検出可能な移動量を広げることができる。

ところで、磁気エンコーダを構成する磁性体の一例として、被検出面２ａに対して平行な方向に並んで一対のＮ極及びＳ極が着磁された磁性体の場合は、平行な方向に強い磁束密度が発生するが、被検出面２ａに対して垂直方向の磁束密度が弱くなる傾向がある。そのため、磁性体を構成する磁性材料として、ネオジム等の磁力の強い磁性粉を用いる必要が生じる。しかしネオジム等の希土類は高価な点が問題となる。そこで、このような磁性体を上下２段に配し、被検出面２ａに対して垂直方向の磁束密度を高くする策が考えられるが、この場合は、磁束密度の波形に直線性が得られず、位置（移動量）の検出に誤差が生じてしまう点が問題となる。

図２（ａ）には、第１実施形態に係る磁気エンコーダ１の磁束密度の波形を示している。横軸は検出範囲（ｍｍ）を示し、縦軸は磁束密度（ｍＴ）を示す。図１、図２（ｂ）に示すように磁性体２には非磁化領域２２が存在するため、磁束密度の波形は、被検出面２ａのＮ極の領域からＳ極の領域の範囲までにおいて、非磁化領域２２に対応する箇所では直線性のあるなだらかな波形になる。したがって、磁気検出部Ｓによって検出される磁束密度の波形の直線性を向上させることができる。図２（ａ）に示すように磁束密度の波形の直線性が、磁気検出部Ｓによる検出範囲の間で高ければ、磁気検出部Ｓにより検出する磁性体２の移動量の検出精度を高めることができる。

また図１に示すように第１実施形態に係る非磁化領域２２は、第１磁極部２０及び第２磁極部２１よりも広い領域に設けられている。具体的に図例の非磁化領域２２は、第１磁極部２０の軸方向の寸法の約４倍程度の寸法に設定されている。
このように非磁化領域２２は第１磁極部２０及び第２磁極部２１よりも広く確保されているので、図２（ａ）に示すように磁気検出部Ｓによって検出される磁束密度の波形の直線性をより一層向上させることができ、磁気検出部Ｓにより検出する磁性体の移動量の精度もより一層高めることができる。
また非磁化領域２２の面積の大きさを調整することで、磁気検出部Ｓが検出する磁性体２の移動量に応じた磁束密度の波形をコントロールできる。よって磁気検出部Ｓの検出範囲（可動範囲）に対応するように非磁化領域２２を設定すればよいともいえる。

磁性体２は磁化容易軸がランダムな方向に向く等方性磁石でもよいが、等方性磁力より磁力が強い異方性磁石を用いることが望ましい。この場合、図２（ｂ）に示すようにフェライト磁性粉４の磁化容易軸３が磁気検出部Ｓ側に向うように配向されるよう製造されたものがより望ましい。
この場合、磁性体２の被検出面２ａのＮ極から垂直方向に発生する磁束密度（図１矢印参照）を増大させることができる。したがって、磁気検出部Ｓは磁性体２の移動量を検出するために必要な磁束密度を得ることができ、磁気検出部Ｓにより検出する磁性体２の移動量の検出精度を一層高めることができる。

次に図３（ａ）及び図３（ｂ）を参照しながら、磁気エンコーダ１に設けられた指標部について説明する。
図示されている磁気エンコーダ１は説明のため、第１磁極部２０、第２磁極部２１、非磁化領域２２等、それぞれを区画して示しているが、現物の磁気エンコーダ１に外観上、そのような区画が示されているわけではない。
そこで、図３（ａ）や図３（ｂ）に示すように磁性体２には、移動方向における第１磁極部２０側又は第２磁極部２１側のいずれか一方に、第１磁極部２０又は第２磁極部２１の位置を示唆する第１指標部５が設けられてもよい。
この場合、第１指標部５が設けられている箇所が第１磁極部２０を示す、といったルールに基づき、それを目安にすることによって、移動方向における第１磁極部２０と第２磁極部２１の位置関係を認識した上で磁性体２を所定箇所（例えば上述の可動部品のホルダー（不図示）等）に取り付けることができる。したがって、磁気検出部Ｓに対する磁性体２の第１磁極部２０及び第２磁極部２１の位置関係を取り違えたままで磁性体２が所定箇所に取り付けられることを回避できる。

第１指標部５の構成は、特に限定されず、第１磁極部２０又は第２磁極部２１の位置を示唆できればよい。図３（ａ）には、塗装等のマーキングにより第１磁極部２０の位置を示唆した例を示している。具体的には、この例では第１指標部５として、第１磁極部２０の下方のＳ極が着磁された角部にマーキングすることで第１磁極部２０を示唆している。また図３（ｂ）には、形状にて第１磁極部２０の位置を示唆した例を示している。具体的には、この例では第１指標部５として、第１磁極部２０の下方のＳ極が着磁された角部を凹状にへこんだ形状にすることで第１磁極部２０を示唆している。

続いて図４には第２実施形態に係る磁気エンコーダを示す。
第２実施形態に係る磁気エンコーダ１Ａは、第１指標部５の構成、また第１磁極部２０及び第２磁極部２１が非磁化領域２２よりも広い点が第１実施形態とは異なる例である。その他は第１実施形態と同様である。よって、共通する部位には共通の符号を付し、共通する構成、効果の説明は省略する。

第２実施形態に係る磁気エンコーダ１Ａでは、第１磁極部２０の一方角部がＲ加工状に面取り形成され、被検出面２ａ側から外観で確認可能な第１指標部５が設けられている。これによれば、第１磁極部２０の形成位置が第１指標部５によって示唆されているので、第１指標部５を目安にすることによって、移動方向における第１磁極部２０の位置関係を認識した上で所定箇所に取り付けることができる。また図３（ａ）、図３（ｂ）に示す第１指標部５とは異なり、磁気エンコーダ１Ａでは第１指標部５を被検出面２ａ側から確認できるので、第１磁極部２０及び第２磁極部２１の位置の確認作業が容易になる。

また第２実施形態に係る磁気エンコーダ１Ａにおいても、被検出面２ａに対して垂直方向にＮ極及びＳ極からなる一対の磁極が並んで配置されている。そして、一対の磁極が磁性体２の移動方向の両側に設けられている。したがって、被検出面２ａに対して垂直方向（図４矢印参照）に発生する磁束密度を増大させることができる。
そして、磁気エンコーダ１Ａにおける第１磁極部２０及び第２磁極部２１は、非磁化領域２２よりも広いので、第１磁極部２０及び第２磁極部２１が非磁化領域２２よりも狭い場合に比べて、被検出面２ａから垂直方向に発生する磁束密度のピーク値が、高くなるように設定することができる。

続いて図５には第３実施形態に係る磁気エンコーダを示す。
第３実施形態に係る磁気エンコーダ１Ｂは、第１指標部５の構成が異なり、第１指標部５に加えて被検出面２ａの位置を示唆する第２指標部６が設けられている点でも異なる。第１磁極部２０及び第２磁極部２１が非磁化領域２２よりも広い点は第２実施形態とは同様である。その他は第１実施形態と同様である。よって、共通する部位には共通の符号を付し、共通する構成、効果の説明は省略する。

図５（ｂ）に示すように第３実施形態に係る磁気エンコーダ１Ｂでは、複数の第１指標部５，５が第１磁極部２０の一方角部だけでなく、第２磁極部２１の角部にも斜めにカットされた形状の面取りが形成され、第１指標部５，５が外観でわかるように構成されている。この場合、磁気エンコーダ１Ｂが組付けられる可動部品のホルダー（不図示）は、第１指標部５，５の形状に応じた形状に形成されている。したがって、第１磁極部２０、第２磁極部２１が所望する位置に配置されるようにパズルのようにホルダーに嵌め入れられる構造となっている。これによれば、第１磁極部２０、第２磁極部２１がホルダー内の所望する側に位置していない状態では、磁気エンコーダ１Ｂをホルダーに適正に嵌め入れられない。つまり、第１指標部５，５を目安にホルダーの所定箇所に適正に嵌め入れられることに基づいて、第１指標部５，５によって第１磁極部２０又は第２磁極部２１の位置が示唆されていることになる。また磁気エンコーダ１Ｂも磁気エンコーダ１Ａと同様に第１指標部５，５を被検出面２ａ側から確認できるので、第１磁極部２０及び第２磁極部２１の位置の確認作業が容易になる。

磁気エンコーダ１Ｂを構成する磁性体２には、被検出面２ａとは反対面２ｂに、被検出面２ａの位置を示唆する第２指標部６が設けられている。図５（ａ）に示す第２指標部６は、反対面２ｂから突出して形成された円柱形状に形成され、第１指標部５と同様に第２指標部６が外観でわかるように構成されている。この場合、磁気エンコーダ１Ｂが組付けられる可動部品のホルダーは、第２指標部６の形状に応じた形状に形成され、第２指標部６が嵌め入れられる構造となっている。この例では円柱形状の第２指標部６に形状に応じて、ホルダー側には円柱形状の凹所が形成される。よって、これによれば、第２指標部６が設けられている箇所が被検出面２ａとは反対側の面（２ｂ）を示す、といったルールに基づき、それを目安にすることによって、被検出面２ａの位置を認識した上で、磁性体２を可動部品のホルダー等の所定箇所に取り付けることができる。したがって、磁性体２の被検出面２ａを識別できるので、磁気検出部Ｓに対する磁性体２の被検出面２ａの位置関係を取り違えたままで磁性体２が所定箇所に取り付けられることを回避できる。

また第３実施形態に係る磁気エンコーダ１Ｂにおいても、被検出面２ａに対して垂直方向にＮ極及びＳ極からなる一対の磁極が並んで配置されている点は第１及び第２実施形態と共通し、共通の効果を奏する。そして、磁気エンコーダ１Ａにおける第１磁極部２０及び第２磁極部２１は、非磁化領域２２よりも広いので、第１磁極部２０及び第２磁極部２１が非磁化領域２２よりも狭い場合に比べて、被検出面２ａから垂直方向に発生する磁束密度のピーク値が、高くなるように設定することができる点は第２実施形態と共通する。

上記各実施形態では、棒状体の磁性体２とした磁気エンコーダ１，１Ａ，１Ｂの例について述べたが、これに限らず、例えば、平板形状でも球形状であってもよい。また磁性体２は、上述の焼結磁石等に限定されず、主材となる磁性ゴム材料に樹脂材料を添加してなる磁石でもよい。さらに図例では第１磁極部２０は上方がＮ極、下方がＳ極で第２磁極部２１はその逆とした例を示しているが、これに限定されず、第１磁極部２０の上方がＳ極、下方がＮ極で、第２磁極部２１がその逆であってもよい。また非磁化領域２２の設定エリアは、図例に限定されるものでなく、磁気検出部Ｓによる検出範囲（可動範囲）に応じて直線性を持たせたい領域を考慮して設定するとよい。また、上記実施形態における非磁化領域２２は、積極的な着磁を行っていない領域のことを意味し、ごく弱く磁化されている領域を除外するものではない。さらに磁性体２に設けられた第１指標部５も図例に限定されず、第２磁極部２１側に設けても良いし、例えば凸状、凹状、凹凸状、壁状であってもよい。またたとえば磁性体２の反対面２ｂに凹部を設けるようにしてもよい。その形状は円形でも方形でも三角形でもよく、特に限定されない。磁性体２に設けられた第２指標部６も第１指標部５と同様に図例に限定されるものではない。例えば図５（ａ）に示す程の大きさに限定されず、目印になる例えば凸状、凹状、凹凸状、壁状のものであってもよいし、図３（ａ）に示すように塗装等のマーキングにより被検出面２ａの位置を示唆するものであってもよい。要は、第１指標部５も第２指標部６も、外観上、ＮＳの磁極の位置や被検出面２ａを認識できる構成であればよい。また、第２指標部６は、第３実施形態の磁性体２に限らず、第１又は第２実施形態の磁性体２に適用してもよい。そして磁気エンコーダ１の適用箇所は特に限定されないが、例えば直動するワイヤー、車両のシフト部分、事務機器、各種産業機械等、直線的に往復移動する部分の移動量を検出したい部位で使用される。

１，１Ａ，１Ｂ磁気エンコーダ
Ｓ磁気検出部
２磁性体
２ａ被検出面
２ｂ反対面
２０第１磁極部
２１第２磁極部
２２非磁化領域
３磁化容易化軸
４磁性粉
５第１指標部
６第２指標部

Claims

直線的に移動自在に配置されるとともに、その移動量を磁気検出部により磁気的に検出するために使用される磁気エンコーダであって、
磁性材料としてフェライト磁性粉が用いられ、前記磁気検出部に対向して配置される被検出面を有した磁性体を含み、
前記磁性体は、移動方向の一方の側に形成されるとともに前記被検出面に対して垂直方向にＮ極及びＳ極からなる一対の磁極が並ぶように配置された第１磁極部と、
前記移動方向の他方の側に形成され前記被検出面に対して垂直方向に並ぶように配置されるとともに、前記第１磁極部とは反対の一対の磁極が形成された第２磁極部と、
前記第１磁極部と前記第２磁極部との間に磁化されていない非磁化領域とを備えていることを特徴とする磁気エンコーダ。
請求項１において、
前記磁性体は、前記移動方向が長手方向となる棒形状であることを特徴とする磁気エンコーダ。
請求項１または請求項２において、
前記磁性体は、異方性磁石であり、前記フェライト磁性粉の磁化容易軸が前記磁気検出部側に向うように配向されていることを特徴とする磁気エンコーダ。
請求項１〜請求項３のいずれか１項において、
前記磁性体には、移動方向における前記第１磁極部側又は前記第２磁極部側の少なくともいずれか一方に、前記第１磁極部又は前記第２磁極部の位置を示唆する第１指標部が設けられていることを特徴とする磁気エンコーダ。
請求項１〜請求項４のいずれか１項において、
前記磁性体には、前記被検出面又は前記被検出面とは反対側の面の少なくともいずれか一方に、前記被検出面の位置を示唆する第２指標部が設けられていることを特徴とする磁気エンコーダ。
請求項１〜請求項５のいずれか１項において、
前記非磁化領域は、前記第１磁極部及び前記第２磁極部よりも広い領域に設けられていることを特徴とする磁気エンコーダ。
請求項１〜請求項５のいずれか１項において、
前記第１磁極部及び前記第２磁極部は、前記非磁化領域よりも広い領域に設けられていることを特徴とする磁気エンコーダ。