JP5213790B2 - ２つの多極磁石を備えた、角度位置を検出するシステム - Google Patents

Description

本発明は、回転部材の角度位置を検出するシステムに関する。

回転部材の絶対角度位置を検出するのに、多極磁石の主要なトラックおよび多極磁石の第２のトラックが形成された磁石体を有して該回転部材に固定されて回転するエンコーダと、該エンコーダのトラックにより提供される信号を検出することが可能な感応要素の２つのパターンが組み込まれたハウジングを有するセンサとを備えたシステムが知られており、該パターンは、各々のトラックから空隙を隔てて配設され、トラックの角度位置を示す信号を生成するものであり、該センサは、さらに、前記パターンから出力される信号を処理して回転部材の絶対角度位置を検出するための装置を有している。

詳細には、特許文献１において、第２のトラックが主要なトラックとは異なる数の磁極を有する構成が開示されており、バーニヤの原理に従い角度位置を容易に検出することができる。

さらに、このタイプの検出システムには、単一のセンサによって各々のトラックを読み取り、且つ対応する信号を処理できるという利点があり、これにより、コストを抑えながら、システムの設置を大幅に容易化することができる。

欧州公開公報第１３５３１５１号明細書

しかし、単一のセンサを使用することにより、トラックが近接するばかりでなく、比較可能な磁界レベルを感応要素の各パターンが読み取れるように、トラックを同一平面上に配置する必要が生じる。

しかしながら、磁石における２つの近接したトラックは単一の工程で着磁する必要があり、これは、互いのトラックの磁極の数が異なる場合に困難である。実際に、２つのトラックの磁極間のずれは様々であり、詳細には、１つのトラックのＳ極のトラック間の隙間を挟んだ向かい側に、他のトラックのＮ極を着磁することになる。

したがって、ヘッドを着磁する際の制限を考慮すると、主要な磁気トラックと第２の磁気トラックとの二つが互いに接近した上記のようなエンコーダを着磁する場合、当該エンコーダのトラックの着磁品質が十分でなく、この方式による角度位置検出の性能が低下してしまう。

本発明は、従来技術の課題を克服するために、２つの着磁ヘッドを用いてトラックを別々に着磁することが可能なエンコーダを備えた、角度位置を検出するシステムを提供することを目的とする。

この目的のために、本発明は、回転部材の角度位置を検出するシステムであって、多極磁石の主要なトラックと多極磁石の第２のトラックとを有して該回転部材に固定されて回
転するエンコーダ、および該エンコーダのトラックにより提供される信号を検出することが可能な感応要素の２つのパターンを設けたハウジングに組み込まれたセンサを備え、該パターンは、各々の前記トラックから空隙を隔てて配設され、トラックの角度位置を示す信号を生成するものであり、該センサは、さらに、パターンから出力される信号を処理して前記回転部材の絶対角度位置を検出するための装置を有しており、上記エンコーダは、トラックがそれぞれ形成された別個の２つの多極磁石を有しており、該多極磁石は、トラックが径方向平面に配置されるように回転部材に対して位置決めされている角度位置検出システムを提供する。

本発明の他の目的および利点は、添付の図を参照しながら行う、以下の説明に示される。

第１参考提案例のエンコーダの正面図である。 同参考提案例のエンコーダを示す部分縦断面図である。 第２参考提案例のエンコーダを示す部分縦断面図である。 第３参考提案例のエンコーダを示す部分縦断面図である。 同参考提案例の変形例におけるエンコーダのアーマチュアを示す部分正面図である。 本発明の実施形態のエンコーダを示す部分縦断面図である。 本発明の他の実施形態のエンコーダを示す部分縦断面図である。 同実施形態の変形例におけるエンコーダを示す部分縦断面図である。 同実施形態の他の変形例におけるエンコーダを示す部分縦断面図である。 本発明のさらに他の実施形態のエンコーダを示す部分縦断面図である。 同実施形態の変形例におけるエンコーダを示す部分縦断面図である。 本発明のさらに他の実施形態のエンコーダを示す部分縦断面図である。 同実施形態の変形例におけるエンコーダを示す部分縦断面図である。

これらの図を参照して、回転部材（図示せず）の角度位置を検出するシステムを以下に説明する。本願の一例では、回転部材は電気モータのシャフトであり、その角度位置の検出を用いて当該モータが駆動される。

詳細には、上記角度位置は、絶対位置として検出することができる（すなわち、基準位置に対して検出することができる）。このため、この検出システムは、回転部材に固定されて回転する環状のエンコーダを備えており、このエンコーダは、図１に示す多極磁石の主要なトラック１と、多極磁石の第２のトラック２とを有している。多極とは、回転部材の回転方向に沿ってＮ極およびＳ極が交互に連続して延在するものをいう。

さらに、この検出システムは、エンコーダのトラックにより提供される信号を検出することが可能な感応要素の２つのパターンを設けたハウジングに組み込まれたセンサ（図示せず）を備えている。一実施形態では、この感応要素は、ホールプローブ（Hall probe）、磁気抵抗素子または巨大磁気抵抗素子である。詳細には、各々のパターンは、少なくとも２つの感応要素を含んでいてもよく、特には、仏国特許第２７９２４０３号明細書に記載されているような、整列した複数の感応要素を含んでいる。

このようにして、トラック１，２から空隙を隔ててセンサの各パターンを配設することにより、当該トラックの角度位置を示す信号を生成できる。さらに、センサは、パターンから出力される信号を処理して回転部材の絶対角度位置を検出するための装置を有している。

一実施形態では、第２のトラック２は、主要なトラック１とは異なる数の磁極を有している。詳細には、トラックの開始点と終了点とで互いの磁極を合致させる一方、当該トラックに沿って互いの磁極をずらすことにより、磁極の数を異ならせている。

この実施形態では、特に欧州公開公報第１３５３１５１号明細書に開示されているように、上記処理装置により、バーニヤの原理（magnetic vernier principle）に従い角度位置を検出することができる。

図１を参照して、多極磁石のトラック１，２は環状であり、回転軸心に対して同心状に位置決めされており、主要なトラック１は、第２のトラック２よりも内方に配設されている。しかしながら、これとは逆の配置が考慮されてもよく、すなわち、主要なトラックが第２のトラックよりも外方に配設されていてもよい。

さらに、エンコーダは、それぞれ９０°にわたって延在する４つの区域３を含んでおり、主要なトラック１の一区分および第２のトラック２の一区分が、上記各区域に形成されている。また、主要なトラック１の前記一区分にはＮ−１個の磁極が連続して形成されており、第２のトラック２の前記一区分にはＮ個の磁極が連続して形成されている（図示例ではＮ＝８）。詳細には、この形態により、上記９０°区域ごとに回転部材の絶対角度位置を検出できる。

図２〜図１２を参照して、トラック１，２がそれぞれ形成された別個の２つの多極磁石４，５を有するエンコーダの様々な実施形態および参考提案例を以下に説明する。これにより、異なる２つの着磁ヘッドを別々に使用して各トラック１，２が着磁可能となり、単一の磁石において２つのトラックを着磁する際の固有の問題を回避することができる。

さらに、トラック１，２を着磁した後、これらトラックが径方向に沿って延びる径方向平面Ｒに配置されるように磁石４，５を回転部材に対して位置決めする。このようにして、空隙を隔てて径方向平面に配設されたセンサ側のパターンが、比較可能な磁界レベルを読み取ることにより、対応するトラック１，２の表面読取り（facial reading）を実行することができる。

図１のエンコーダを形成するには、各磁石４，５を環状とし、これらを回転軸心に対して同心状に位置決めする。詳細には、各磁石４，５は、磁性を有する粒子、特にはフェライト粒子が分散した、例えばプラスチック材料またはエラストマー材料からなる環状の母材で構成されるものであってもよい。

図示した各実施形態および参考提案例によると、磁石４，５間に環状の隙間６が形成されている。詳細には、この隙間６は、その幅が０．５〜１．５ミリメートル（ｍｍ）、その深さが磁石４，５の軸方向寸法の０％を越え１００％以下、特には５０％から１００％であるのがよい。これらの形状により、特に、トラック１，２間の磁気干渉を抑え、角度位置の検出性能を最適化することができる。さらに、トラック１，２の間隔を抑えることにより、センサ用のハウジングをコンパクトに維持することができる。その理由は、当該ハウジングの寸法が、トラック１，２に対向してそれぞれ配設されたセンサ側のパターンの間隔に直接左右されるからである。

図２〜図４を参照して、エンコーダを以下に説明する。このエンコーダは、剛性を有する環状のアーマチュア７、特にはプレス成形された金属シートからなるアーマチュアを備え、このアーマチュアに、圧入によって回転部材の外周に結合される軸方向に沿って延びた壁である連結壁８を設けた。図２の第１参考提案例では、各磁石４，５は、それぞれ内側および外側に配設されるようにアーマチュア７の径方向に沿って延びた径方向壁９に設けられている。

図２によると、２つの磁石４，５の厚さはほぼ同一であり、同一の径方向壁９に設けられている。磁石４，５は、径方向壁９と各磁石４，５の裏面との間に膜厚が同一の接着膜１０を設けることによりアーマチュア７に接着されて装着される。したがって、詳細には、磁石４，５をアーマチュア７に装着する前にトラック１，２を着磁することができ、この場合、好ましくは、当該磁石の母材はプラスチック材料からなる。

図３および図４では、好ましくはエラストマーの母材を有する磁石５が、オーバーモールド成形によりアーマチュア７の径方向壁９に取り付けられ、このオーバーモールド成形後に対応するトラック２が着磁される。この後に、図３の第２参考提案例のように多極のトラック１が設けられた他方の磁石４が、接着によってアーマチュア７に接続されてもよく、特には、磁石４は、オーバーモールド成形された磁石５の厚さが接着膜１０および接着される当該磁石４の厚さの合計に等しくなるようにしてアーマチュア７に取り付けられてもよい。

図４に示された第３参考提案例として、多極のトラック１が設けられた他方の磁石４は、磁石４およびアーマチュア７にそれぞれ設けられた機械的接続の相互手段によりアーマチュア７に接続されている。同図において、好ましくは、磁石４はプラスチックの母材を有し、その裏面には、アーマチュア７の径方向壁である連結壁９に形成された孔１２に留められる小さな突起１１が設けられている（図４ａ）。このような機械的接続は互換性があるので、小さな突起１１を連結壁９に設け、孔１２を磁石４に設けることもできる。機械的接続の相互手段は、磁石４を連結壁９に締結するねじであってもよい。あるいは、磁石４，５の両方を、このような機械的接続の相互手段によってアーマチュア７に接続してもよい。

図５〜図１２を参照して、径方向壁１４に磁石４が設けられた、剛体である第１のアーマチュア１３と、径方向壁１６に磁石５が設けられた、剛体である第２のアーマチュア１５とを有するエンコーダを以下に説明する。

詳細には、２つの磁石４，５は、それぞれのアーマチュア１３，１５に独立して形成されるので、エンコーダを回転部材に組み付ける前に多極のトラック１，２を別々に着磁することができる。前述の参考提案例と同じように、エラストマーが母材の磁石は、好ましくはオーバーモールド成形により取り付けられ、プラスチックが母材の磁石は、好ましくは接着によりまたは機械的に接続される。

図５〜図１０を参照して、アーマチュア１３，１５のうち一方には、圧入によって回転部材の外周に結合される軸方向に沿った連結壁１７が設けられている。さらに、図５〜図８において、他方のアーマチュア１５，１３は、トラック１，２が径方向平面Ｒ上に配置されるように磁石４，５を位置決めした状態で、一方のアーマチュア１３，１５に接続されている。

図５の実施形態では、内方のアーマチュア１３に連結壁１７が設けられており、他方のアーマチュア１５は、一方のアーマチュア１３の外周に軸方向に圧入されて、当該アーマチュア１３に軸方向に係合している。さらに、同図では、磁石４，５間の環状の隙間６に突部１８が設けられており、当該隙間の深さを制限している。より詳細には、内方のアーマチュア１３の径方向壁１４の外周部、および外方のアーマチュア１５の径方向壁１６の内周部にそれぞれ形成された２つの半突部を、圧入する際に互いに径方向に係合させることにより、突部１８が形成される。

図６の実施形態では、内方のアーマチュア１３は、軸方向の連結壁１７が設けられた外方のアーマチュア１５の径方向壁と軸方向に係合しており、両方のアーマチュアはリベット１９により互いに接続されている。変形例として、このリベット接続を、接着（図７）または軸方向圧入（図８）に置き換えてもよい。詳細には、図８において、内方のアーマチュア１３の軸方向壁２０が連結壁１７に圧入されている。

上述したエンコーダにおいて、磁石４，５は、回転シャフトへの組付け前に、トラック１，２を径方向平面Ｒ上に予備位置決めするように互いに予備組み付けされて、単一の部品を形成し、パターンによる表面読取りが可能となっており、この磁石４，５付きエンコーダが回転シャフトに取り付けられる。

図９および図１０では、アーマチュア１５は、さらに、回転部材に対する連結壁２１を有しており、両方のアーマチュア１３，１５は、トラック１，２を径方向平面Ｒ上に位置決めするように配置される。このために、図９の実施形態では、圧入の軸方向作用力を加える工具を配置して、２つの磁石を同一の径方向平面上に位置させることができる。

エンコーダを扱い易くするために、図９の変形例を示す図１０では、磁石４，５のトラック１，２を径方向平面Ｒ上に配置させて当該磁石４，５が予備位置決めされるように、アーマチュア１３，１５を互いに組み付けている。詳細には、この組付けは、アーマチュア１３，１５間に複数接着箇所２２を形成することにより実行することができる。図１０は、このような接着箇所のうち１つの断面を示している。

図１１および図１２を参照して、エンコーダが第３のアーマチュア２３を備えた実施形態を以下に説明する。この第３のアーマチュア２３には、回転部材に対する連結壁２４が設けられており、第１のアーマチュア１３および第２のアーマチュア１５は当該第３のアーマチュア２３に接続されている。図１１の実施形態では、第３のアーマチュア２３は軸方向に取付空間を有しており、この取付空間の周面に、アーマチュア１３，１５が、その軸方向壁を介してそれぞれ圧入されている。

図１２の変形例では、第３のアーマチュア２３は、第１のアーマチュア１３および第２のアーマチュア１５を互いに接続するオーバーモールド成形部、特にはプラスチック材料のオーバーモールド成形部を有するとともに、回転部材に圧入される連結壁２４を形成する軸方向に沿って延びる金属製のインサートを有している。

１ 多極磁石の主要なトラック
２ 多極磁石の第２のトラック
４，５ 多極磁石
Ｒ 径方向平面

Claims (13)

1. 回転部材に固定されて回転し、多極磁石の主要なトラック（１）と多極磁石の第２のトラック（２）とを有するエンコーダ、および
   前記エンコーダの前記トラック（１，２）により提供される信号を検出することが可能な感応要素の２つのパターンを設けたハウジングに組み込まれたセンサ、
   を備え、
   前記パターンは、各々のトラック（１，２）から空隙を隔てて配設され、前記トラックの角度位置を示す信号を生成するものであり、前記センサが、さらに、パターンから出力される信号を処理して前記回転部材の絶対角度位置を検出するための装置を有している、回転部材の角度位置を検出する角度位置検出システムにおいて、
   前記エンコーダが、トラック（１，２）がそれぞれ形成された別個の２つの多極磁石（４，５）を有しており、当該磁石は、前記トラックが径方向平面（Ｒ）上に配置されるように前記回転部材に対して位置決めされ、前記エンコーダが、径方向壁（１４）に１つの磁石（４）が設けられた第１のアーマチュア（１３）と、径方向壁（１６）に他の磁石（５）が設けられた第２のアーマチュア（１５）とを有していることを特徴とする角度位置検出システム。
2. 請求項１において、各々の磁石（４，５）が環状であり、回転軸心に対して同心状に位置決めされていることを特徴とする角度位置検出システム。
3. 請求項２において、前記磁石（４，５）間に環状の隙間（６）が形成されており、その幅が０．５〜１．５ｍｍであることを特徴とする角度位置検出システム。
4. 請求項３において、前記隙間（６）の深さが、前記磁石（４，５）の軸方向寸法の５０％から１００％であることを特徴とする角度位置検出システム。
5. 請求項１から４のいずれか一項において、各々の磁石（４，５）は、磁性を有する粒子が分散した環状の母材で構成されるものであり、前記粒子は、多極式の前記トラック（１，２）を形成するように着磁されていることを特徴とする角度位置検出システム。
6. 請求項５において、前記母材が、プラスチック材料またはエラストマー材料からなることを特徴とする角度位置検出システム。
7. 請求項１から６のいずれか一項において、前記第２のトラック（２）が、前記主要なトラック（１）とは異なる数の磁極を有することを特徴とする角度位置検出システム。
8. 請求項１から７のいずれか一項において、少なくとも１つの磁石（４，５）が、対応する前記アーマチュア（１３，１５）にオーバーモールド成形によって取り付けられていることを特徴とする角度位置検出システム。
9. 請求項１から８のいずれか一項において、前記アーマチュア（１３，１５）のうち一方に、前記回転部材に対する連結壁（１７）が設けられていることを特徴とする角度位置検出システム。
10. 請求項９において、他方のアーマチュア（１５，１３）も、前記回転部材に対する連結壁（２１）を有していることを特徴とする角度位置検出システム。
11. 請求項１０において、前記磁石のトラック（１，２）が前記径方向平面（Ｒ）上に配置するように前記磁石（４，５）が予備位置決めされた状態で、前記アーマチュア（１３，１５）が組み付けられていることを特徴とする角度位置検出システム。
12. 請求項９において、他方のアーマチュア（１５，１３）が、前記連結壁（１７）が設けられた前記一方のアーマチュア（１３，１５）に接続されていることを特徴とする角度位置検出システム。
13. 請求項１から８のいずれか一項において、前記エンコーダが、前記回転部材に対する連結壁（２４）が設けられた第３のアーマチュア（２３）を有しており、前記第１のアーマチュアおよび前記第２のアーマチュアが当該第３のアーマチュアに接続されていることを特徴とする角度位置検出システム。

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