JP5015890B2 - 磁気式ロータリエンコーダの製造方法および製造装置 - Google Patents

Description

本発明は、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製造方法およびその製造に使用する製造装置に関する。

一般的に、磁気式ロータリエンコーダは、磁気ドラム及び磁気センサを備える。磁気ドラムは、回転軸に固定されその円周方向に磁気パターンを着磁したドラムであり、磁気センサは、前記磁気ドラムの円周方向の一定角度位置に、前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では、磁気パターンから放出される磁界強度の強弱信号を磁気センサにて検出して、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。

磁気パターンと磁気センサとは、磁気パターンの形状、及び磁気センサ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を保って配置する必要がある。磁気センサと磁気パターンとが前記設計ギャップ寸法よりも接近した場合には、磁気センサの出力は飽和し、磁気センサは、最も近接する磁気パターンのみならず、その近傍に位置する磁気パターン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、前記設計ギャップ寸法よりも磁気センサと磁気パターン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、磁気センサは、一般的に、前記設計ギャップ寸法を基準として、磁気パターンに対して±数十μｍの位置精度にて配置される必要がある。

磁気パターンに対して磁気センサを設計ギャップ寸法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、磁気センサを前記治具基準で位置決めし固定して、その後、前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、前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、前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。

このように前記設計ギャップ寸法を決めるために、特許文献１のように、磁気センサの出力をモニタしながら磁気センサの位置を微調整すると磁気センサの微調整に時間を要し、また、高精度のセンサを用いて微調整する必要があった。そのため、設計ギャップ寸法の調整が容易ではなかった。また、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、磁気センサを前記治具基準で位置決めし固定して、その後、前記治具を取り去る方法の場合、磁気センサと磁気ドラムとが平行に配置されないまま位置決めされ、設計ギャップ寸法から大幅にはずれる場合があった。

また、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んだりし、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容易な方法で小さくすることができる、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製造方法および製造装置を提供することを目的とする。

本発明の磁気式ロータリエンコーダの製造方法は、磁気センサユニットに対向して前記磁気センサユニットから所定の距離だけ離間して磁気ドラムを保持する対向保持工程と、前記対向保持工程により生じた前記磁気センサユニットと前記磁気ドラムとの間の空間に平板上に突起を有するスペーサと前記スペーサとは異なる平面状のシートを配置する配置工程と、前記配置工程後に前記スペーサおよび前記シートの平面部分と垂直方向に前記磁気センサユニットを前記磁気ドラムに押し当てる押し当て工程と、前記押し当て工程後に前記磁気センサユニットと前記磁気ドラムとを固定する固定工程と、前記固定工程後に前記スペーサおよび前記シートを取り去る取り去り工程とを備えたものである。

また、本発明の磁気式ロータリエンコーダの製造装置は、平板上に突起を有するスペーサと前記スペーサとは異なる平面状のシートと、前記シートおよび前記スペーサを間に挟んで磁気センサユニットを磁気ドラムに押し当てる押圧機構とを備えたものである。

本発明の磁気式ロータリエンコーダの製造方法および製造装置によれば、磁気式ロータリエンコーダの磁気センサユニットに設けられた磁気センサと磁気パターンとの隙間寸法のバラツキを正確にかつ容易に小さくすることができ、容易に高精度の磁気式ロータリエンコーダを製造することができる。

本発明の実施形態の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製造方法および製造装置について、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式ロータリエンコーダ１５０の製造工程の一場面を示す模式図である。図１において、磁気センサ１００が設けられた磁気センサユニット１２０が台２００に載せられており、磁気センサユニット１２０に対向して、表面に磁気パターン１３１を着磁した磁気ドラム１３０が一定の距離だけ離間して対向保持されている。磁気センサユニット１２０と磁気ドラム１３０との間の空隙には、スペーサ１４０とシート１４１とが配置されている。スペーサ１４０の磁気センサユニット１２０に対向する面は、突起１４２が設けられている。また、磁気センサユニット１２０の磁気センサ１００の表面には、センサカバー１２２が設けられている。

次に、図１に示した磁気センサ１００について、図２を用いて詳しく説明する。図２は、磁気センサ１００の構成を示す模式図である。図２に示すように、磁気センサ１００は、センサ基板１１１と、センサ基板１１１の回路形成面１１１ａに形成された、磁気抵抗素子１１２、磁気抵抗素子１１２に電気的に接続される配線パターン１１３、配線パターン１１３に電気的に接続されるマウントパット１１４から構成されている。また、２つある磁気抵抗素子１１２の中間部に磁気センサ基準位置１１５が設けられている。ここで、磁気センサ基準位置１１５は、センサ基板１１１の回路形成面１１１ａの中央部に形成されたマークであり、センサカバー１２２を透して視認できるものとする。また、磁気センサ基準位置１１５が外部から視認できない場合であっても、外形寸法から仮想的に磁気センサ基準位置１１５の位置を計算して求めればよい。

つづいて、図３を用いて、最終的な磁気式ロータリエンコーダ１５０の構造を説明する。図３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、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とを備えている。センサカバー１２２は、センサ基板１１１およびハウジング１２１に密着固定されている。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、図示しない回転機構により周方向へ回転される。また、磁気パターン１３１と、磁気センサユニット１２０における前記磁気抵抗素子１１２とは、規定のギャップ１４５を介して対向して配置される。

つづいて、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とをギャップ１４５を介して対向して設置する方法について、図４〜６および図３を用いて順に説明する。

まず、磁気センサユニット１２０を台２００上に保持し、つづいて、図４に示すように、磁気センサユニット１２０の磁気センサ１００が取り付けられた面に対向して、磁気ドラム１３０の側面部の磁気パターン１３１を、所定のギャップ１４５よりも大きい寸法位置に仮配置する（対向保持工程）。次に、図５に示すように、突起１４２を有するスペーサ１４０とシート１４１とを磁気ドラム１３０と磁気センサユニット１２０との隙間の空間に配置する（配置工程）。このとき、磁気センサ１００上の磁気センサ基準位置１１５と、スペーサ１４０の突起１４２とが対向するように、スペーサ１４０が配置される。

つづいて、図６に示すように、磁気ドラム１３０とシート１４１、シート１４１とスペーサ１４０およびスペーサ１４０の突起１４２と磁気センサユニット１２０のセンサカバー１２２とがそれぞれ当接するように、押し当てる押圧機構１４４により、磁気センサユニット１２０を磁気ドラム１３０の方向、すなわち、シート１４１およびスペーサ１４０の平面部分に垂直方向に移動させる（押し当て工程）。

このように、スペーサ１４０とシート１４１とを間に挟み、磁気ドラム１３０と磁気センサユニット１２０とを押し当てたとき、センサカバー１２２は、センサ基板１１１に当接している。また、スペーサ１４０の突起１４２もセンサカバー１２２に当接している。したがって、磁気ドラム１３０と磁気センサユニット１２０とは、スペーサ１４０とシート１４１とを間に挟んだ状態にて、ギャップ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と磁気ドラム１３０とを固定する（固定工程）。その後、まずシート１４１を取り去り、次にスペーサ１４０を取り去る（取り去り工程）。

上述の手順で磁気センサユニット１２０と磁気ドラム１３０との位置決めおよび固定を行うことにより、磁気センサ１００と磁気パターン１３１との間のギャップ１４５は、スペーサ１４０の突起部の板厚と、シート１４１の板厚と、センサカバー１２２の板厚との和となる。したがって、これら３部品の寸法によってギャップ１４５が決定される。このようにして、図３に示したように、磁気センサユニット１２０と磁気ドラム１３０との間のギャップが高精度に制御された磁気式ロータリエンコーダ１５０を得ることができる。

なお、スペーサ１４０は、磁気センサの基準位置１１５と同じ高さに突起１４２を有する、厚さが数百μｍ程度の板状の部材を加工して突起１４２を形成したものである。突起１４２の加工は、機械加工またはエッチング等の化学的処理によってなされるが、エッチング等の化学的処理の方が安価に加工できるので好ましい。
また、スペーサ１４０は、図１にも示したように、突起１４２の水平位置を磁気センサ１００の基準位置１１５に合わせるための、磁気センサユニット１２０を囲うような曲げ面１４８を有していてもよい。曲げ面１４８の寸法や曲げ角度については、スペーサ１４０を磁気センサユニット１２０に設置した時に、曲げ面と磁気センサユニット１２０との間に０．５ｍｍ程度のすき間ができる寸法や角度を設定すればよい。

なお、シート１４１は、その両方の表面が滑らかで、曲げ性のある樹脂製の板状の治具とした。シート１４１に曲げ性を持たせるのは、取り去り工程でシート１４１を取り去る場合に、抜き取り易くするためである。ただし、シート１４１の材料としては、スペーサ１４０の材料とも、加圧により板厚が変化する材料、例えば弾力性に富む材料ではなく、剛性のある材料である必要がある。なぜなら、前述のように、スペーサ１４０とシート１４１との板厚はギャップ１４５を決めるパラメータであるからである。スペーサ１４０とシート１４１との材料を剛性のある材料とすることにより、正確にギャップ１４５の寸法を決めることができる。

また、前述のように、スペーサ１４０の突起部板厚寸法とシート１４１の板厚寸法の合計は、ギャップ１４５からセンサカバー１２２の板厚寸法を差し引いた厚さになるように設定される。スペーサ１４０とシート１４１のそれぞれの板厚寸法は、その合計板厚寸法が一定になればそれぞれ自由に選択できる。

ここで、突起１４２および磁気センサ基準位置１１５の役割をあらためて説明しておく。突起１４２および磁気センサ基準位置１１５が設けられていることにより、磁気センサ１００の回路形成面１１１ａと磁気ドラム１３０の磁気パターン１３１とが非平行な状態のまま押し付けられたとしても、図７にその断面図を示すように、ギャップ１４５の値は、回路形成面１１１ａと磁気パターン１３１とが平行に押し付けられた場合の値とほとんど変化せず、スペーサ１４０およびシート１４１の板厚と、センサカバー１２２の厚み寸法の和からだけで決まる。

このように、突起１４２および磁気センサ基準位置１１５が設けられていることにより、磁気センサ１００の回路形成面１１１ａと磁気ドラム１３０の磁気パターン１３１とが非平行な状態のまま押し付けられ、磁気センサから離れた位置で磁気ドラム１３０の磁気パターン１３１の距離が決められたとしても、ギャップ１４５が大幅に設計値からずれることを防止できる。したがって、突起１４２および磁気センサ基準位置１１５が設けられていない場合より、ギャップ１４５のバラツキを大幅に低減できる。

また、取り去り工程において、まずシート１４１を取り去り、次にスペーサ１４０を取り去るのは、すきまがない状態から両方の表面が滑らかなシート１４１をまず取り去り、その後、突起１４２を有するスペーサ１４０を取り去ることにより、シート１４１およびスペーサ１４０の取り去りによって磁気センサユニット１２０および磁気ドラム１３０の位置ずれが発生するのを防ぐことができる。また、突起のあるスペーサ１４０の突起１４２が破損することなく、スペーサ１４０を何度も繰り返し使用することができる。

以上説明してきたように、本実施の形態における磁気式ロータリエンコーダの製造工程および製造装置によれば、磁気式ロータリエンコーダの磁気センサユニットに設けられた磁気センサと磁気パターンとの隙間寸法のバラツキを正確にかつ容易に小さくすることができ、容易に高精度の磁気式ロータリエンコーダを製造することができる。

実施の形態２．
図８は、この発明を実施するための実施の形態２における磁気式ロータリエンコーダの製造工程の一場面を示す模式図である。図８に示すように、本実施の形態においては、実施の形態１において、スペーサ１４０の両側に曲げ面１４８が設けられていたのに代わり、壁１４９を設けて、壁でスペーサを挟み込むようにしてあることの他は、実施の形態１と同様であるので、詳細な説明を省略する。

本実施の形態の磁気式ロータリエンコーダの製造工程および製造装置によっても、磁気センサユニット１２０と磁気ドラム１３０とを正確に位置あわせでき、磁気式ロータリエンコーダの磁気センサユニットに設けられた磁気センサと磁気パターンとの隙間寸法のバラツキを正確にかつ容易に小さくすることができ、容易に高精度の磁気式ロータリエンコーダを製造することができる。

この発明の実施の形態１における磁気式ロータリエンコーダの製造方法および製造装置の構成を示す模式図である。 この発明の実施の形態１における磁気式ロータリエンコーダの磁気センサの構成を示す模式図である。 この発明の実施の形態１における磁気式ロータリエンコーダを説明する断面模式図である。 この発明の実施の形態１における磁気式ロータリエンコーダの製造工程の１工程を説明する断面模式図である。 この発明の実施の形態１における磁気式ロータリエンコーダの製造工程の１工程を説明する断面模式図である。 この発明の実施の形態１における磁気式ロータリエンコーダの製造工程の１工程を説明する断面模式図である。 この発明の実施の形態１における磁気式ロータリエンコーダの製造工程の１工程を説明する断面模式図である。 この発明の実施の形態２における磁気式ロータリエンコーダの製造方法および製造装置の構成を示す模式図である。

符号の説明

１００ 磁気センサ、１１１ センサ基板、１１２ 磁気抵抗素子配置部、１１３ 配線パターン、１１４ マウントパッド、１１６ 磁気センサ基準位置、１２０ 磁気センサユニット、１２１ ハウジング、１２２ センサカバー、１３０ 磁気ドラム、１３１ 磁気パターン、１４０ スペーサ、１４１ シート、１４２ 突起、１４４ 押圧機構、１４５ ギャップ、１４８ 曲げ面、１４９ 壁、１５０ 磁気式ロータリエンコーダ、２００ 台。

Claims (7)

1. 磁気センサユニットに対向して前記磁気センサユニットから所定の距離だけ離間して磁気ドラムを保持する対向保持工程と、
   前記対向保持工程により生じた前記磁気センサユニットと前記磁気ドラムとの間の空間に平板上に突起を有するスペーサと前記スペーサとは異なる平面状のシートを配置する配置工程と、
   前記配置工程後に前記スペーサおよび前記シートの平面部分と垂直方向に前記磁気センサユニットを前記磁気ドラムに押し当てる押し当て工程と、
   前記押し当て工程後に前記磁気センサユニットと前記磁気ドラムとを固定する固定工程と、
   前記固定工程後に前記スペーサおよび前記シートを取り去る取り去り工程と
   を備えたことを特徴とする磁気式ロータリエンコーダの製造方法。
2. 磁気センサユニットは磁気センサ基準位置を有し、前記磁気センサユニットの前記磁気センサ基準位置と、前記スペーサの突起が重なるように前記磁気センサユニットを磁気ドラムに対向させることを特徴とする請求項１に記載の磁気式ロータリエンコーダの製造方法。
3. 取り去り工程は、シートを取り去った後にスペーサを取り去ることを特徴とする請求項１に記載の磁気式ロータリエンコーダの製造方法。
4. 平板上に突起を有するスペーサと前記スペーサとは異なる平面状のシートと、
   前記シートおよび前記スペーサを間に挟んで磁気センサユニットを磁気ドラムに押し当てる押圧機構とを備えたことを特徴とする磁気式ロータリエンコーダの製造装置。
5. 平面状のシート両側の表面は、滑らかであることを特徴とする請求項４に記載の磁気式ロータリエンコーダの製造装置。
6. シートおよびスペーサは、剛性のある材料で構成されていることを特徴とする請求項４に記載の磁気式ロータリエンコーダの製造装置。
7. シートは、曲げ性を有することを特徴とする請求項４に記載の磁気式ロータリエンコーダの製造装置。

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