JP4543728B2 - 磁気エンコーダ - Google Patents

Description

本発明は、例えば自動車、家電製品等に備わる回転部材の回転を検出する検出装置に用いられる磁気エンコーダに関するものである。

従来、この種の磁気エンコーダとしては、自動車の車速を検出する車速センサのように回転速度を検出する検出装置に用いるものが知られている。特許文献１には、周方向に多磁極化された金属の表面を弾性体で被膜したシール装置が開示されており、そのシール装置に対して回転検出センサを近接設置しシール装置の回転数を検出している。

回転検出センサは、磁気エンコーダの磁極数と磁気エンコーダを備える回転体の周長から車速を算出することが可能である。そして、回転数の検出範囲は軸回転の周速と着磁された磁極数によって決まり、高速回転域を常用とする場合は磁極数を少なく、低速回転域を常用する場合は磁極数を多くする必要がある。
実開平５−６９４６４号公報

しかしながら、従来技術では、低速回転から高速回転までの広い範囲で回転数を検出する必要がある場合には、磁気エンコーダと磁気センサを、低速用、高速用それぞれ設ける必要がある。そのため、取り付けスペースの拡大や、部品点数の増加や取り付け工数の増加によるコスト上昇を避けることができなかった。

本発明は上記の従来技術の課題を鑑みなされたもので、その目的とするところは、低速回転から高速回転まで適用可能な磁気エンコーダを提供することにある。

また、本発明の他の目的は、複数の磁力波形を得ることができる磁気エンコーダを提供することにある。

また、本発明の他の目的は、干渉による波形の欠損を抑えた２種類の磁力波形を得ることができる磁気エンコーダを提供することにある。

上記目的を達成するために本発明にあっては、
磁界の強さを検出する検出手段に対して相対回転する環状部材である磁気エンコーダであって、
周方向にＳ極又はＮ極である磁極が交互に並び第一の間隔（波長）で繰返し変動する磁界を発生する第一の磁極列と、
周方向にＳ極又はＮ極である磁極が交互に並び前記第一の間隔（波長）より広い（長い）第二の間隔で繰返し変動する磁界を発生する第二の磁極列と、を有し、
前記第一の磁極列及び前記第二の磁極列は、同心円状に配置されるとともに、前記第一の磁極列の磁極の数が、前記第二の磁極列の磁極の数の奇数倍であり、
前記第二の磁極列で発生する磁界が実質的にゼロとなる磁気エンコーダの表面に対応する位相において、前記第一の磁極列が発生する磁界は実質的にゼロとなり、
前記第一の磁極列及び前記第二の磁極列が発生する磁界が実質的にゼロとなる位相に対応する磁気エンコーダの表面に隣接する、第一の磁極列を構成する第一の磁極と、該第一の磁極と対向する、第二の磁極列を構成する第二の磁極とは同一極であることを特徴とする。

このようにすれば、繰返し変動する周期の間隔が異なる複数の磁力波形を得ることができるので、単一の磁気エンコーダを用いて低速から高速回転域までの広い範囲を検出することができる。

このようにすれば、簡便に且つ安定して周方向に所定の間隔で繰返し変動する磁界を発生することができる。

また、前記第一の磁極列は前記環状部材の内周部に位置し、前記第二の磁極列は前記環状部材の外周部に位置し、
前記磁極の向きは、磁気エンコーダの回転軸と略平行であることが好適である。

このようにすれば、検出手段を環状部材の一方の平面と対向するそれぞれの位置に回転軸と略平行方向に設けることで、高い精度で２つの磁力波形を精度良く検出することができる。

あるいは、前記第一の磁極列は前記環状部材の外周部に位置し、前記第二の磁極列は前記環状部材の内周部に位置し、
前記磁極の向きは、磁気エンコーダの回転軸と略平行であることが好適である。

このようにすれば、検出手段を環状部材の一方の平面と対向するそれぞれの位置に回転軸と略平行方向に設けることで、高い精度で２つの磁力波形を精度良く検出することができる。また、周方向に前記第二の間隔より狭い第一の間隔で繰返し変動する磁界を発生する第一の磁極列を外周部に配置したので、磁極数が多い第一の磁極列において一磁極当たりの体積が増し、磁気エンコーダ作製時の着磁が容易となる。

あるいは、前記第一の磁極列は前記環状部材の一方の平面側に位置し、前記第二の磁極列は前記環状部材の他方の平面側に位置し、
前記磁極の向きは、磁気エンコーダの回転軸と略垂直であることが好適である。

このようにすれば、検出手段を環状部材の外周側又は内周側に回転軸と略垂直方向に設けることで、高い精度で２つの磁力波形を精度良く検出することができる。

ここで、磁気エンコーダの表面に対応する位相とは、磁気エンコーダの表面の所定の点を基準とした場合に、回転軸を中心として磁気エンコーダが磁界を検出する位置と所定の点とがなす角（０〜２π）をいう。

このようにすれば、２つの磁極列によりそれぞれ形成された磁力波形が干渉による波形の欠損を抑えて得られるため、検出手段による正確な回転速度の検出が可能となる。

このようにすれば、２つの磁極列によりそれぞれ形成された磁力波形が干渉による波形
の欠損を抑えて得られるため、検出手段による正確な回転速度の検出が可能となる。

このようにすれば、第一の磁極列及び第二の磁極列が発生する磁界が実質的にゼロとなる位相に対応する磁気エンコーダの表面に隣接する、第一の磁極列を構成する第一の磁極と、第一の磁極と対向する、第二の磁極列を構成する第二の磁極とを同一極とすることが磁気エンコーダの全周にわたり可能となり、２つの磁極列によりそれぞれ形成された磁力波形が干渉による波形の欠損を抑えて得られる。そのため、検出手段による正確な回転速度の検出が全周にわたり可能となる。

本発明によれば、低速回転から高速回転まで適用可能な磁気エンコーダを提供することができる。

以下に実施例及び図面を参照して、この発明を実施するための最良の形態を例示的に詳しく説明する。ただし、この実施例に記載されている構成部品の機能、材質、形状、その相対配置などは、特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。また、以下の説明で一度説明した部材についての材質、形状などは、特に改めて記載しない限り初めの説明と同様のものである。

図１（ａ）は、実施例１に係る磁気エンコーダの上面図、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ−Ａ断面図である。

実施例１に係る磁気エンコーダ１は、磁界の強さを検出する検出手段２、３に対して相対回転する環状部材である。環状部材の大きさは取り付ける回転部材により適宜選択すればよいが、実施例１では、外径が８５ｍｍ、内径が６８ｍｍの磁気エンコーダについて説明する。

検出手段２、３としては磁気センサを用いている。磁気センサとは、磁気エネルギーを検出対象としたセンサであり、具体的には、電磁誘導作用を応用した磁気ヘッド、差動トランス、磁力を電気に変換する作用を利用したホール素子、ＭＲ素子（磁気抵抗効果素子）等が好適である。

磁気エンコーダ１は、周方向に第一の間隔Ｌ１で繰返し変動する磁界を発生する第一の磁極列４と、周方向に前記第一の間隔（波長）Ｌ１より広い（長い）第二の間隔（波長）Ｌ２で繰返し変動する磁界を発生する第二の磁極列５と、を有する。そのため、一つの磁気エンコーダ１により磁界の変動周期が異なる２種類の波形（磁力波形）を発生することができ、部品点数の削減及び取り付けスペースの縮小を図ることができる。また、低速回転から高速回転まで適用可能な単一の磁気エンコーダを提供することができる。

第一の磁極列４及び第二の磁極列５は、磁気エンコーダの回転軸６を中心に同心円状に配置されている。また、第一の磁極列４及び第二の磁極列５は共に、Ｓ極又はＮ極である磁極が交互に並んでいる。そのため、磁気エンコーダの回転軸方向から検出手段２、３により磁界を検出する場合に、周方向に等間隔で繰返し変動する磁界を容易に検出することができる。

なお、実施例１では、第一の磁極列４は８０極、第二の磁極列５は１６極からなり、第一の磁極列４の磁極数は第二の磁極列５の磁極数の５倍（奇数倍）である。

着磁方法は、外径と内径の形状に対応した８０極と１６極の金属ヨークを有する電磁石にて行った。ただし、本願発明に係る磁気エンコーダの作製はこの方法に限られるものではなく、異なる極数を有する磁極列をそれぞれ作製できる方法であればよい。

図３は、検出手段２、３により、磁気エンコーダ１の回転軸方向から、磁気エンコーダ１の外径側及び内径側の磁界を検出した際の磁気エンコーダの位相とその位置における磁界の強さ（磁力、磁束密度）を示したグラフである。ここで、磁界の強さは、Ｓ極とＮ極を区別することなく、その絶対値で示している。また、検出された波形は図１に示す位相θ３まで示してある。

なお、第一の磁極列４は第二の磁極列５に対して内側でも外側でもよいが、より好ましくは、第一の磁極列４は環状部材の外周部に位置し、第二の磁極列５は環状部材の内周部に位置するとよい。これは、第一の磁極列４の磁極数が多いため、周長の長い外径側に配置することで一磁極当たりの体積が増し、磁気エンコーダ作製時の着磁が容易となるからである。ここで、磁極の向きとは、磁極表面の磁力線の向きである。また、実施例１では、磁極の向きは、磁気エンコーダの回転軸６と略平行である。

更に、実施例１では、第二の磁極列５で発生する磁界が実質的にゼロとなる磁気エンコーダの表面の外周位置７、内周位置８に対応する位相（例えば図１に示す位相θ１、θ２、θ３）において、第一の磁極列４が発生する磁界は、実質的にゼロとなるように配置されている。このように配置することで、２つの磁極列によりそれぞれ形成された磁力波形が干渉による波形の欠損を抑えて得られるため、検出手段２、３による正確な回転速度の検出が可能となる。

上述の構成に加えて、第一の磁極列４及び第二の磁極列５が発生する磁界が実質的にゼロとなる位相（例えば、図１に示す位相θ１、θ２、θ３）に対応する磁気エンコーダの表面７、８に隣接する、第一の磁極列４を構成する第一の磁極である磁極４ａ（磁極４ｂ）と、磁極４ａ（磁極４ｂ）と対向する第二の磁極列５を構成する第二の磁極である磁極５ａ（磁極５ｂ）とを同一極とするとよい。

具体的には、実施例１では、磁極４ａと磁極５ａをＳ極、磁極４ｂと磁極５ｂをＮ極とすることで、２つの磁極列によりそれぞれ形成された磁力波形を干渉による波形の欠損なく得ることができ、検出手段２、３による正確な回転速度の検出が可能となる。

実施例２では、第一の磁極列が１１２極、第二の磁極列が１６極からなり、第一の磁極列の磁極数は第二の磁極列の磁極数の７倍（奇数倍）である点が大きく異なる点である。なお、実施例１と同様の構成についての説明は省略する。

図４は、検出手段２、３により、磁気エンコーダ１の回転軸方向から、磁気エンコーダ１の外径側及び内径側の磁界を検出した際の磁気エンコーダの位相とその位置における磁界の強さを示したグラフである。ここで、磁界の強さは、Ｓ極とＮ極を区別することなく、その絶対値で示している。また、検出された波形は図１に示す位相θ３まで示してある。

図４に示すように、実施例２においても２つの磁極列によりそれぞれ形成された磁力波形を干渉による波形の欠損なく得ることができ、検出手段２、３による正確な回転速度の
検出が可能となる。

なお、実施例１、実施例２の構成にあるように、本願発明では、第一の磁極列４の磁極の数は、前記第二の磁極列５の磁極の数の奇数倍であるとよい。このような構成であれば、第一の磁極列４及び第二の磁極列５が発生する磁界が実質的にゼロとなる位相に対応する磁気エンコーダの表面に隣接する、第一の磁極列を構成する第一の磁極と、第一の磁極と対向する、第二の磁極列５を構成する第二の磁極とを同一極にすることが磁気エンコーダの全周にわたり可能となる。

（比較例１）
比較例１で用いる磁気エンコーダ１１は、実施例１と同様、第一の磁極列１４は８０極、第二の磁極列１５は１６極である（図７参照）。ただし、第一の磁極列１４及び第二の磁極列１５が発生する磁界が実質的にゼロとなる位相（例えば、図７に示すθ１、θ２、θ３）に対応する磁気エンコーダの表面１７、１８に隣接する、第一の磁極列１４を構成する第一の磁極である磁極１４ａ（磁極１４ｂ）と、磁極１４ａ（磁極１４ｂ）と対向する、第二の磁極列１５を構成する第二の磁極である磁極１５ａ（磁極１５ｂ）とは異なる極である。

上述の磁気エンコーダ１１を回転させ、検出手段１２、１３により検出すると、第二の磁極列１５が配置されている内径側では、実施例１と同様に１６極検出された。しかし、第一の磁極列１４が配置されている外径側では、実施例１と異なり４８極しか検出されなかった。これは、第一の磁極と第二の磁極とが異なる極であるため、第一の磁極と第二の磁極がその強さを共に弱めあってしまい、特に体積が小さい磁極１４ａ、１４ｂによる磁界の強度が低下したためと考えられる（図５参照）。そのため、比較例１に示す構成では、検出手段１２では検出できない磁極が発生してしまい、回転速度を正確に検出することができない。

（比較例２）
比較例２で用いる磁気エンコーダは、実施例２と同様、第一の磁極列は１１２極、第二の磁極列は１６極である。ただし、第一の磁極列及び第二の磁極列が発生する磁界が実質的にゼロとなる位相に対応する磁気エンコーダの表面に隣接する、第一の磁極列を構成する第一の磁極と、第一の磁極と対向する、第二の磁極列を構成する第二の磁極とは異なる極である。

上述の磁気エンコーダを回転させ、検出手段により検出すると、第二の磁極列が配置されている内径側では、実施例２と同様に１６極検出された。しかし、第一の磁極列１４が配置されている外径側では、実施例２と異なり８０極しか検出されなかった。これは、第一の磁極と第二の磁極とが異なる極であるため、第一の磁極と第二の磁極がその強さを共に弱めあってしまい、特に体積が小さい磁極による磁界の強度が低下したためと考えられる（図６参照）。そのため、比較例２に示す構成では、検出手段では検出できない磁極が発生してしまい、回転速度を正確に検出することができない。

図２（ａ）は、実施例３に係る磁気エンコーダの側面図である。また、図２（ｂ）は図２（ａ）の磁気エンコーダをＢ方向からみた上面図、図２（ｃ）は、図２（ａ）の磁気エンコーダをＣ方向からみた上面図である。

実施例３で用いる磁気エンコーダ２１は、第一の磁極列２４が環状部材の一方の平面２９側に位置し、第二の磁極列２５は環状部材の他方の平面３０側に位置することが特徴である。実施例３では、磁極の向きは、磁気エンコーダの回転軸２６と略垂直である。ここ
で、磁極の向きとは、磁極表面の磁力線の向きであり、図２（ａ）〜（ｃ）に示す方向である。

磁気エンコーダ２１は、磁界の強さを検出する検出手段２２、２３に対して相対回転する環状部材である。

磁気エンコーダ２１は、周方向に第一の間隔Ｌ３で繰返し変動する磁界を発生する第一の磁極列２４と、周方向に前記第一の間隔Ｌ３より広い第二の間隔Ｌ４で繰返し変動する磁界を発生する第二の磁極列２５と、を有する。そのため、一つの磁気エンコーダ２１により磁界の変動周期が異なる２種類の波形（磁力波形）を発生することができ、部品点数の削減及び取り付けスペースの縮小を図ることができる。また、低速回転から高速回転まで適用可能な単一の磁気エンコーダを提供することができる。

第一の磁極列２４及び第二の磁極列２５は、磁気エンコーダの回転軸２６を中心に同心円状に配置されている。また、第一の磁極列２４及び第二の磁極列２５は共に、Ｓ極又はＮ極である磁極が交互に並んでいる。そのため、磁気エンコーダの外周側から検出手段２２、２３により磁界を検出する場合に、周方向に等間隔で繰返し変動する磁界を容易に検出することができる。

なお、実施例３では、第一の磁極列２４は８０極、第二の磁極列２５は１６極からなり、第一の磁極列２４の磁極数は第二の磁極列２５の磁極数の５倍（奇数倍）である。

また、実施例３では、第二の磁極列２５で発生する磁界が実質的にゼロとなる磁気エンコーダの表面の位置２７、２８に対応する位相（例えば、図２に示す位相θ１１、θ１２、θ１３）において、第一の磁極列２４が発生する磁界は実質的にゼロとなるように配置されている。このように配置することで、２つの磁極列によりそれぞれ形成された磁力波形が干渉による波形の欠損を抑えて得られるため、検出手段２２、２３による正確な回転速度の検出が可能となる。

上述の構成に加えて、第一の磁極列２４及び第二の磁極列２５が発生する磁界が実質的にゼロとなる位相（例えば、図２に示すθ１１、θ１２、θ１３）に対応する磁気エンコーダの表面２７、２８に隣接する第一の磁極列２４を構成する磁極２４ａ（磁極２４ｂ）と、磁極２４ａ（磁極２４ｂ）と対向する第二の磁極列２５を構成する磁極２５ａ（磁極２５ｂ）とを同一極とするとよい。

具体的には、実施例３では、磁極２４ａと磁極２５ａをＳ極、磁極２４ｂと磁極２５ｂをＮ極とすることで、２つの磁極列によりそれぞれ形成された磁力波形を干渉による波形の欠損なく得ることができ、検出手段２２、２３による正確な回転速度の検出が可能となる。

（ａ）実施例１に係る磁気エンコーダの上面図である。（ｂ）（ａ）のＡ−Ａ断面図である。 （ａ）実施例３に係る磁気エンコーダの側面図である。（ｂ）（ａ）の磁気エンコーダをＢ方向からみた上面図である。（ｃ）（ａ）の磁気エンコーダをＣ方向からみた上面図である。 実施例１に係る検出波形の一部を示したグラフである。 実施例２に係る検出波形の一部を示したグラフである。 比較例１に係る検出波形の一部を示したグラフである。 比較例２に係る検出波形の一部を示したグラフである。 比較例１に係る磁気エンコーダの上面図である。

符号の説明

１ 磁気エンコーダ
２、３ 検出手段
４ 第一の磁極列
４ａ、４ｂ 磁極（第一の磁極）
５ 第二の磁極列
５ａ、５ｂ 磁極（第二の磁極）
６ 回転軸
７ 表面

Claims (4)

1. 磁界の強さを検出する検出手段に対して相対回転する環状部材である磁気エンコーダであって、
   周方向にＳ極又はＮ極である磁極が交互に並び第一の間隔で繰返し変動する磁界を発生する第一の磁極列と、
   周方向にＳ極又はＮ極である磁極が交互に並び前記第一の間隔より広い第二の間隔で繰返し変動する磁界を発生する第二の磁極列と、
   を有し、
   前記第一の磁極列及び前記第二の磁極列は、同心円状に配置されるとともに、前記第一の磁極列の磁極の数が、前記第二の磁極列の磁極の数の奇数倍であり、
   前記第二の磁極列で発生する磁界が実質的にゼロとなる磁気エンコーダの表面に対応する位相において、前記第一の磁極列が発生する磁界は実質的にゼロとなり、
   前記第一の磁極列及び前記第二の磁極列が発生する磁界が実質的にゼロとなる位相に対応する磁気エンコーダの表面に隣接する、第一の磁極列を構成する第一の磁極と、該第一の磁極と対向する、第二の磁極列を構成する第二の磁極とは同一極であることを特徴とする磁気エンコーダ。
2. 前記第一の磁極列は前記環状部材の内周部に位置し、前記第二の磁極列は前記環状部材の外周部に位置し、
   前記磁極の向きは、磁気エンコーダの回転軸と略平行であ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. 前記第一の磁極列は前記環状部材の外周部に位置し、前記第二の磁極列は前記環状部材の内周部に位置し、
   前記磁極の向きは、磁気エンコーダの回転軸と略平行であ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. 前記第一の磁極列は前記環状部材の一方の平面側に位置し、前記第二の磁極列は前記環状部材の他方の平面側に位置し、
   前記磁極の向きは、磁気エンコーダの回転軸と略垂直であることを特徴とする請求項１に記載の磁気エンコーダ。

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