JP4723527B2 - 磁気センサユニット及び磁気式ロータリエンコーダ - Google Patents

Description

本発明は、磁気式ロータリエンコーダ等に用いられる磁気センサユニット、及び該磁気センサユニットを備えた磁気式ロータリエンコーダに関する。

一例として図６に示すように、磁気式ロータリエンコーダ５０は、磁気ドラム１０及び磁気センサ２０を備える。磁気ドラム１０は、回転軸に固定されその円周方向に磁気パターン１１を着磁したドラムであり、磁気センサ２０は、上記磁気ドラムの円周方向の一定角度位置に、上記磁気パターンに近接して配置され磁界強度に応じた電気信号を出力する磁気抵抗(ＭＲ：Magnetic Resistance)素子を含む電気回路を搭載した磁気センサである。このような磁気式ロータリエンコーダ５０では、磁気パターン１１から放出される磁界強度の強弱信号を磁気センサ２０にて検出して、電気信号に変換、解析することにより回転軸の回転角度位置を知ることができる。

磁気パターン１１と磁気センサ２０とは、磁気パターン１１の形状、及び磁気センサ２０に配置された磁気抵抗素子の特性から決定される一定の設計ギャップ寸法ｄを保って配置する必要がある。磁気センサ２０と磁気パターン１１とが上記設計ギャップ寸法ｄよりも接近した場合には、磁気センサ２０の出力は飽和し、磁気センサ２０は、最も近接する磁気パターン１１のみならず、その近傍に位置する磁気パターン１１からも不要な磁界を検出してしまい、出力波形に歪みを生じる。その結果、回転角検出精度は低下してしまう。一方、上記設計ギャップ寸法ｄよりも磁気センサ２０と磁気パターン１１とが離れた場合には、磁界強度が距離の二乗に比例して低下することから、磁気センサ２０の出力は急激に低下し、やはり回転角検出精度は低下してしまう。このような理由から、磁気センサ２０は、一般的に、上記設計ギャップ寸法ｄを基準として、磁気パターン１１に対して±数十μｍの位置精度にて配置される必要がある。

磁気パターン１１に対して磁気センサ２０を上記設計ギャップ寸法ｄにて配置する方法としては、例えば特許文献１に記載されるように、まず磁気センサを設計ギャップ寸法の近傍に配置し、磁気センサの出力をモニタしながら出力波形が最大となり、かつ波形歪みが小さくなるように、磁気センサの位置を微調整する方法、あるいは、磁気センサと磁気ドラムとの間に設計ギャップ寸法に相当する厚さの治具を挟み、磁気センサを上記治具基準で位置決めし固定して、その後、上記治具を取り去る方法のいずれかが一般的である。

その他の方法として、例えば特許文献２では、磁気センサを磁気ドラムに対してスペーサを介して密着させることで両者のギャップ間隔を一定に保つ構造を開示している。

又、例えば特許文献３には、磁気パターンに対して磁気センサを直接に接触させて配置した磁気式エンコーダが開示されている。

一方、磁気センサは、光学式センサと比較して、汚れが付着した場合でも性能への影響がほとんどなく、広い温度範囲で使用できるなど耐環境性能に優れることから、例えば旋盤等の加工機のモータに用いられるエンコーダ用等に用いられ、良好とは言えない周囲環境で使用される場合がある。しかしながら、上記磁気抵抗素子や制御基板上の電気部品は、周囲環境により劣化が生じる可能性があることから、これらを気密封止するパッケージ内に収納されることが望ましい。

特開平６−９４４７５号公報 特開２００１−６６１５１号公報 特開２０００−２７５０５９号公報

磁気式ロータリエンコーダにおいて、上記設計ギャップ寸法は、上述のように磁気抵抗素子の特性、及び磁気パターンの形状によって決まるが、一般的に数百μｍ〜１ｍｍ程度となる。又、磁気ドラムの回転軸は、ラジアル方向の変位を規制するベアリングなどの内部クリアランスや、剛性の影響により数十〜数百μｍのラジアル振れを生じる。このような状況下において、封止部材にて気密封止した磁気センサと、これに対向する磁気ドラムの磁気パターンとが接触しないようにするためには、磁気センサを封止する封止部材が磁気センサ表面から突出する量を可能な限り小さくする必要がある。

又、磁気センサ２０は、図６に示すように、厚さが百μｍ程度のＦＰＣ（Flexible Print Circuit：フレキシブルプリント基板）２１を介して、当該磁気センサ２０を駆動する制御回路部２２と電気的に接続されるが、ＦＰＣ２１は、通常、磁気センサ２０の回路パターン面に形成されたマウントパットに対してはんだ接合される。よって、ＦＰＣ２１は、磁気センサ２０の磁気抵抗素子が配置される側、すなわち磁気パターン１１側に接合する必要がある。

これらのことら、単純に磁気センサ２０を薄板のカバー２３で封止した場合、磁気センサ２０の表面に接合したＦＰＣ２１が邪魔となり、カバー２３が磁気センサ２０の表面と接触せず空隙を生じる。又、ＦＰＣ２１は、樹脂層と電極とを多層化して製作することから、単純な金属薄板などに比して厚さのばらつきが大きく、さらに、磁気センサ２０と接続するためのはんだ層についても厚さのばらつきが大きい。その結果、ＦＰＣ２１も含めて磁気センサ２０をカバー２３で封止した構造に対してスペーサ治具を挟み込んで機械的にギャップ寸法ｄの位置調整をする場合には、ギャップ寸法ｄのバラツキが大きくなってしまうという問題点があった。

又、特許文献３のように、磁気ドラムと磁気センサとを直接に接触させる構造の場合、接触部分が磨耗することでギャップ寸法が変動したり、磨耗粉がベアリング等の摺動部に入り込み、回転機構の動作に支障を来す危険性があった。

本発明は、上述したような問題点を解決するためになされたもので、磁気センサと磁気パターンとの隙間寸法のバラツキを従来に比して小さくすることができる磁気センサユニット、及び該磁気センサユニットを備えた磁気式ロータリエンコーダを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は以下のように構成する。
即ち、本発明の第１態様における磁気センサユニットは、磁気抵抗素子及び配線パターンが配置されるセンサ基板と、上記センサ基板を保持するハウジングと、上記ハウジングに保持された上記センサ基板を覆い封止し、センサ基板側へ突出して上記センサ基板に当接する高さを有するスペーサ部を有するセンサカバーと、上記配線パターンに電気的に接続されるフレキシブル基板と、を備え、上記センサカバーは、上記フレキシブル基板も含めて上記センサ基板を覆い封止し、上記スペーサ部の上記高さは、上記センサカバーが上記センサ基板側へ移動し上記フレキシブル基板に接触するのを防止する寸法である、ことを特徴とする。

本発明の第１態様における磁気センサユニットによれば、センサカバーに、当該センサカバーがセンサ基板側へ当接する高さを有するスペーサ部を設けたことから、センサカバーのセンサ基板側への移動量が規定される。よって、当該磁気センサユニットを磁気パターンに対向させて配置し、例えばスペーサ治具を用いて機械的に磁気パターンに対して磁気センサユニットの位置調整を行う場合、センサ基板とセンサカバーとの間に寸法が変動可能な空隙を生じることがない。よって、磁気センサユニットと磁気パターンとの間のギャップ寸法を、スペーサ部の高さ寸法を含むセンサカバーの厚さと、上記スペーサ治具の厚さとによってのみ決定することができる。その結果、上記ギャップ寸法のバラツキを従来に比べて小さくすることができる。

本発明の実施形態である磁気センサユニット、及び該磁気センサユニットを備えた磁気式ロータリエンコーダについて、図を参照しながら以下に説明する。尚、各図において、同一又は同様の構成部分については同じ符号を付している。

実施の形態１．
図１は、本実施の形態における磁気センサユニットに備わる磁気センサ１００を示す。尚、（ａ）は磁気センサ１００の正面図であり、（ｂ）はその側面図である。
磁気センサ１００は、センサ基板１１１及びＦＰＣ（フレキシブルプリント基板）１１２から構成され、センサ基板１１１の回路形成面１１１ａには、磁気抵抗素子１１３、該磁気抵抗素子１１３に電気的に接続される配線パターン１１４、配線パターン１１４に電気的に接続されるマウントパット１１５が形成されている。さらにセンサ基板１１１は、少なくとも磁気抵抗素子１１３が配置されていない領域である突起接触領域１１６を回路形成面１１１ａに有する。尚、本実施形態では、突起接触領域１１６は、回路形成面１１１ａ上で、磁気抵抗素子１１３及び配線パターン１１４が配置されていない領域に設定されている。ここで、突起接触領域１１６は、磁気抵抗素子１１３及び配線パターン１１４から一定の絶縁距離が確保された領域であり、本実施形態では、概ねセンサ基板１１１の中央部に位置する。
又、ＦＰＣ１１２は、はんだ層１１７を介してマウントパット１１５に電気的及び機械的に接合されている。

図２は、上述のセンサ基板１１１等を有する本実施形態における磁気センサユニット１２０の構造、及び、該磁気センサユニット１２０を磁気式ロータリエンコーダ１５０に適用した場合における磁気センサユニット１２０の位置決め方法を説明するための概略図である。磁気式ロータリエンコーダ１５０は、上記磁気センサユニット１２０に加えて、磁気パターンを着磁した磁気ドラム１３０を備える。

図２に示すように、磁気センサユニット１２０は、基本的構成として、上記センサ基板１１１と、センサ基板１１１を保持するハウジング１２１と、ハウジング１２１に保持されたセンサ基板１１１を覆い気密封止するセンサカバー１２２とを備える。本実施形態では、磁気センサユニット１２０は、さらに、磁気センサ１００に含まれるＦＰＣ１１２を介してセンサ基板１１１と電気的に接続され磁気抵抗素子１１３からの検出信号を処理する制御回路を有する制御回路基板１２３を備える。尚、制御回路基板１２３は、磁気センサユニット１２０とは別設してもよい。

ハウジング１２１は、その外表面１２１ａに形成した凹部１２１ｂにセンサ基板１１１を位置決めし固定する。このとき、センサ基板１１１は、上記回路形成面１１１ａが磁気ドラム１３０の磁気パターン１３１に対向するように配置される。又、本実施形態では、ハウジング１２１の内部には、上記制御回路基板１２３が位置決めされ固定される。

センサカバー１２２は、非磁性体材料により形成され、例えば図４及び図５に示すような方形状にてなる薄板であり、ＦＰＣ１１２を含めてセンサ基板１１１を覆いその周縁部１２２ａの全てがハウジング１２１の外表面１２１ａに密着固定される。よって、センサカバー１２２は、磁気センサ１００及び制御回路基板１２３を外部環境からハウジング１２１内に気密封止する。
さらにセンサカバー１２２は、センサ基板１１１の突起接触領域１１６に対向する位置にてセンサ基板１１１側へ突出し突起接触領域１１６つまりセンサ基板１１１に当接する高さを有するスペーサ部１２２ｂを有する。又、上記高さは、突起接触領域１１６に当接して当該センサカバー１２２がセンサ基板１１１側へ移動するのを防止する高さと言い換えることもできる。尚、上述のようにセンサカバー１２２がハウジング１２１の外表面１２１ａに密着固定された時点で、スペーサ部１２２ｂは突起接触領域１１６に当接しており、センサカバー１２２がセンサ基板１１１側に移動することはない。センサカバー１２２について、以下にさらに詳しく説明する。

図４には、センサ基板１１１に対向する、センサカバー１２２のセンサ基板対向面１２２ｃに、単純に中実の突起にてなるスペーサ部１２２ｂを形成した形態が示されている。センサカバー１２２の板厚は、数十μｍと薄肉とする必要があり、機械加工によりスペーサ部１２２ｂをセンサカバー１２２に形成することは困難であることから、センサカバー１２２をエッチング等により化学的に処理することでスペーサ部１２２ｂを形成するのが好ましい。

又、スペーサ部１２２ｂは、センサカバー１２２と同一材料にて形成する必要はなく、例えば樹脂材等の非導電性材料にて形成されたスペーサ部１２２ｂを、センサカバー１２２のセンサ基板対向面１２２ｃに、例えば接着剤等により取り付けてもよい。尚、樹脂材にてスペーサ部１２２ｂを形成する場合、上述のようにスペーサ部１２２ｂは、センサカバー１２２がセンサ基板１１１側へ移動するのを防止する作用を行う部材であることから、樹脂材の内、上記作用を阻害するような材質、例えば弾力性に富む材質にてなるものは不適当である。

スペーサ部１２２ｂを非導電性材料にて形成することで、スペーサ部１２２ｂが当接する上記突起接触領域１１６を、センサ基板１１１における配線パターン１１４の形成領域に設定することもできる。即ち、配線パターン１１４を避けてスペーサ部１２２ｂをセンサカバー１２２に配置する必要がなくなり、電気的絶縁性も確保することが可能となる

又、スペーサ部１２２ｂは、図５に示すように、センサカバー１２２をプレス加工等することで中空状に形成することもできる。加工を行う金型の精度や、成形時のスプリングバックなどの影響により、上述した、例えばエッチングによりスペーサ部１２２ｂを形成した場合と比較すると精度は落ちるが、同様の効果を得ることが可能である。又、図４に示す形態に比べて、より安価にスペーサ部１２２ｂ付のセンサカバー１２２を製造することが可能である。

図４及び図５に示すいずれの形態においても、センサカバー１２２のセンサ基板対向面１２２ｃからスペーサ部１２２ｂの頂部までの、スペーサ部１２２ｂの高さｈは、センサ基板対向面１２２ｃがセンサ基板１１１側へ押圧されたときでも、センサ基板対向面１２２ｃが、センサ基板１１１上に取り付けられているＦＰＣ１１２に接触するのを防止する寸法にてなる。又、スペーサ部１２２ｂの上記高さｈを含むスペーサ部１２２ｂ部分におけるセンサカバー１２２の厚み寸法を「Ｗ」とする。

次に、磁気ドラム１３０は、アルミニウムやオーステナイト系ステンレス鋼などの非磁性体材料で形成された円板であり、その側面部１３０ａには磁性体物質を蒸着等により付着させて着磁した磁気パターン１３１が形成されている。このような磁気ドラム１３０は、不図示の回転機構により周方向へ回転される。又、磁気パターン１３１と、磁気センサユニット１２０における上記磁気抵抗素子１１３とは、規定のギャップ寸法１４５を介して対向して配置される。

以上のように構成された磁気センサユニット１２０及び磁気ドラム１３０を備えた磁気式ロータリエンコーダ１５０では、磁気ドラム１３０が周方向に回転したとき、磁気ドラム１３０の磁気パターン１３１に上記ギャップ寸法１４５を介して配置された、磁気抵抗素子１１３を有する磁気センサ１００は、磁気パターン１３１から放出される磁界強度の強弱信号を磁気抵抗素子１１３にて検出して、電気信号に変換、解析する。よって、磁気式ロータリエンコーダ１５０により、磁気ドラム１３０の回転角度位置を知ることができる。

次に、上述したような磁気式ロータリエンコーダ１５０において、磁気センサユニット１２０と磁気ドラム１３０とを上記ギャップ寸法１４５を介して対向して設置する方法について説明する。
まず、磁気ドラム１３０の側面部１３０ａの磁気パターン１３１に対向して、磁気センサユニット１２０のセンサカバー１２２を所定のギャップ寸法１４５よりも大きい寸法位置に仮配置する。次に、スペーサ治具１４０を磁気ドラム１３０と磁気センサユニット１２０との隙間に配置する。ここでスペーサ治具１４０は、磁気センサユニット１２０と磁気ドラム１３０とをギャップ寸法１４５を介して位置決めするための板状の治具である。このようなスペーサ治具１４０の板厚寸法は、上記ギャップ寸法１４５から、センサカバー１２２におけるスペーサ部１２２ｂの上記厚み寸法Ｗを差し引いた厚さである。
次に、磁気ドラム１３０及びスペーサ治具１４０、ならびにスペーサ治具１４０及び磁気センサユニット１２０のセンサカバー１２２がそれぞれ当接するように、磁気センサユニット１２０を磁気ドラム１３０の方向に移動させる。

このように、スペーサ治具１４０を間に挟み、磁気ドラム１３０と磁気センサユニット１２０とを押圧させたとき、センサカバー１２２のスペーサ部１２２ｂの頂部は、センサ基板１１１の上記突起接触領域１１６に当接しており、これによりスペーサ部１２２ｂは、スペーサ部１２２ｂの高さ寸法ｈ以上にセンサカバー１２２がセンサ基板１１１側へ移動するのを防止する。換言すれば、センサカバー１２２と磁気センサ１００とはスペーサ部１２２ｂを介して常に当接した状態であることから、上記ギャップ寸法１４５にバラツキを生じることはない。又、このとき、上記高さｈを有するスペーサ部１２２ｂにより、マウントパット１１５部分のＦＰＣ１１２にセンサカバー１２２が接触することも防止される。よって、磁気ドラム１３０と磁気センサユニット１２０とは、スペーサ治具１４０を間に挟んだ状態にて、上記ギャップ寸法１４５を介して配置されることになる。そして、この状態で磁気センサユニット１２０を固定する。その後、スペーサ治具１４０を取り去る。

上述の手順で磁気センサユニット１２０の位置決め、固定を行うことで、磁気センサ１００と磁気パターン１３１との間のギャップ寸法１４５は、スペーサ治具１４０の板厚と、センサカバー１２２におけるスペーサ部１２２ｂの上記厚み寸法Ｗとの和となり、それら２部品の寸法によってのみギャップ寸法１４５が決定される。
よって、磁気センサ１００及び制御回路基板１２３をハウジング１２１内に気密封止する必要がある環境で用いられる磁気センサユニット１２０において、スペーサ部１２２ｂを有するセンサカバー１２２を用いることで、磁気センサ１００及び制御回路基板１２３をハウジング１２１内に気密封止でき、かつ、スペーサ治具１４０を用いた機械的手法にて磁気センサユニット１２０と磁気ドラム１３０との位置決めを行う場合において、ギャップ寸法１４５のバラツキを従来に比べて低減可能な磁気センサユニット１２０を提供することができる。

尚、図２に示すように、通常、磁気センサ１００に備わるセンサ基板１１１の回路形成面１１１ａが磁気パターン１３１と平行になるよう、磁気センサ１００は、ハウジング１２１の凹部１２１ｂに設置、固定されるが、図３に示すように、回路形成面１１１ａと磁気パターン１３１とが非平行な状態にて、磁気センサ１００がハウジング１２１に固定されてしまう場合も考えられる。しかしながら、このような場合においても、スペーサ部１２２ｂを有するセンサカバー１２２を用いることで、上述の正規な場合と同様に、ギャップ寸法１４５は、スペーサ治具１４０の板厚と、センサカバー１２２におけるスペーサ部１２２ｂの上記厚み寸法Ｗとの和のみによって決まる。よって、図３に示すような場合でも、ギャップ寸法１４５のバラツキを従来に比べて低減可能な磁気センサユニット１２０を提供することができる。

本発明の実施形態における磁気センサユニットに備わる磁気センサの構成を示す図である。 本発明の実施形態における磁気センサユニット、及び該磁気センサユニットを備えた磁気式ロータリエンコーダの構成を示す図である。 図２に示す構成において、磁気センサが傾いてハウジングに固定された状態を示す図である。 図２に示す磁気センサユニットに備わるセンサカバーの形状の一例を示す図である。 図２に示す磁気センサユニットに備わるセンサカバーの形状の他の例を示す図である。 従来の磁気式ロータリエンコーダの構成を示す図である。

符号の説明

１００…磁気センサ、１１１…センサ基板、１１２…ＦＰＣ、１１３…磁気抵抗素子、
１１４…配線パターン、１１６…突起接触領域、１２０…磁気センサユニット、
１２１…ハウジング、１２２…センサカバー、１２２ｂ…スペーサ部、
１２２ｃ…センサ基板対向面、１３０…磁気ドラム、１３１…磁気パターン、
１４０…スペーサ治具、１５０…磁気式ロータリエンコーダ。

Claims (7)

1. 磁気抵抗素子及び配線パターンが配置されるセンサ基板と、
   上記センサ基板を保持するハウジングと、
   上記ハウジングに保持された上記センサ基板を覆い封止し、センサ基板側へ突出して上記センサ基板に当接する高さを有するスペーサ部を有するセンサカバーと、
   上記配線パターンに電気的に接続されるフレキシブル基板と、を備え、
   上記センサカバーは、上記フレキシブル基板も含めて上記センサ基板を覆い封止し、
   上記スペーサ部の上記高さは、上記センサカバーが上記センサ基板側へ移動し上記フレキシブル基板に接触するのを防止する寸法である、
   ことを特徴とする磁気センサユニット。
2. 上記スペーサ部は、上記センサカバーを凹状に変形して形成される、請求項１記載の磁気センサユニット。
3. 上記スペーサ部は、上記センサカバーのセンサ基板対向面に形成した凸部にてなる、請求項１記載の磁気センサユニット。
4. 上記センサカバーは、非磁性体にてなる薄板材にてなり、上記スペーサ部は、上記センサカバーを化学的に処理して形成される、請求項３に記載の磁気センサユニット。
5. 上記スペーサ部は、非導電性材料にて成型される、請求項３に記載の磁気センサユニット。
6. 請求項１から５のいずれか１項に記載の磁気センサユニットを備えたことを特徴とする磁気式ロータリエンコーダ。
7. 上記磁気センサユニットに備わる磁気抵抗素子に対して規定のギャップ寸法を介して対向して配置され上記磁気抵抗素子にて検知される磁気パターンを着磁した磁気ドラムを備え、上記磁気センサユニットは、上記磁気パターンの検出により上記磁気ドラムの回転角度位置を検出する、請求項６記載の磁気式ロータリエンコーダ。

Images