JP5617205B2

JP5617205B2 - エンコーダ

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Publication number: JP5617205B2
Application number: JP2009195687A
Authority: JP
Inventors: 康大野; 博史武内
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2009-08-26
Filing date: 2009-08-26
Publication date: 2014-11-05
Anticipated expiration: 2029-08-26
Also published as: JP2011047765A

Description

本発明は、エンコーダに関するものである。

モータの回転軸など回転体の回転数や回転速度を検出する装置として、エンコーダが知られている（特許文献１）。例えば、ロータリーエンコーダは、モータ等の回転軸に取り付けられて用いられる。また、エンコーダの具体的構成として、例えば磁気を用いて回転数などを検出する構成が知られている。

このような構成の磁気式エンコーダは、磁気パターンが形成された磁石部を回転軸と一体的に回転させ、磁石部の磁気パターンの変化を磁気センサによって読み取ることで、モータの駆動軸の回転数などを検出できるようになっている。具体的な構成としては、例えば駆動軸と一体的に回転する回転部が当該駆動軸に固定され、磁石部が回転部に保持された状態で用いられる構成が知られている。

磁石部は、例えば円環状の磁石により形成されている。この円環状の磁石は、内周側の磁極と外周側の磁極とが異なると共に、周方向の１８０°で内周側の磁極と外周側の磁極とが入れ替わるように設けられている。これにより磁石部が磁気センサに対して相対的に回転すると、磁気センサには磁石の内周側から外周側へ向かう磁場と、外周側から内周側へ向かう磁場の変化が、回転の１８０°ごとに交互に検出される。

特開平３−２８７０１４号公報

しかしながら、上記従来のエンコーダでは、例えば中空軸モータを採用した場合など、駆動軸の径が変化すると、それに合わせて磁石部の径を変化させるため、磁石の形状の変更が必要になる場合があるという問題があった。磁石は磁粉末を成形することで製造されるため、その都度、型を製造しなくてはならない不都合があった。

そこで、本発明の態様は、磁石部の径に関係なく、所定の形状の磁石を用いることができるエンコーダを提供するものである。

上記の課題を解決するために、本発明の態様は実施形態に示す図１〜図９に対応付けした以下の構成を採用している。なお、本発明を分かり易く説明するために、一実施形態を示す図面の符号に対応付けて説明するが、本発明は実施形態に限定されるものではない。

本発明の態様のエンコーダ（１）は、磁気パターンが形成され回転軸（ＡＲ）を中心として回転する磁石部（４）と、前記磁石部による磁場を検出する検出部（２）とを備え、前記磁石部は、前記回転軸を中心とする円周（Ｃ）に沿って配置された４つ以上の単位磁石（４ａ）により構成され、前記単位磁石は、前記円周の内周側と外周側との間で径方向の磁場を形成し、前記円周の一周に亘って二回前記磁場を変化させるように配置されていることを特徴とする。
本発明の態様のエンコーダは、磁気パターンが形成され回転軸を中心として回転する磁石部と、前記磁石部による磁場を検出する検出部とを備え、前記磁石部は、前記回転軸を中心とする円周に沿って配置された４つ以上の単位磁石により構成され、かつ、前記単位磁石の前記内周側の磁極と前記外周側の磁極とが異なり、前記単位磁石は、前記円周の内周側と外周側との間で径方向の磁場を形成し、前記回転軸を通る境界線に対称となる位置に配置され、前記磁場の方向は、前記境界線を挟んで変化することを特徴とする。

本発明の態様におけるエンコーダによれば、磁石部の径に関係なく、所定の形状の磁石を用いることができる。

本発明の第１実施形態に係るエンコーダの概略構成を示す側面図である。本発明の第１実施形態に係るエンコーダの概略構成を示す平面図である。本発明の第１実施形態に係る単位磁石の配置例を示す平面図である。本発明の第１実施形態に係る検出部の信号波形を示すグラフである。本発明の第２実施形態に係るエンコーダの磁石部を示す平面図である。本発明の第２実施形態に係る検出部の信号波形を示すグラフである。本発明の実施形態に係る磁石部の第１の変形例を示す平面図である。本発明の実施形態に係る磁石部の第２の変形例を示す平面図である。本発明の実施形態に係る単位磁石の変形例を示す斜視図である。本発明の実施形態に係るフロントヨークの変形例を示す平面図である。

以下、図面を参照して、本発明の第１実施形態を説明する。
図１は、本実施形態に係るエンコーダの概略構成を示す側面図であり、図２はその平面図である。
図１及び図２に示すように、エンコーダ１は、例えばモータなどの回転体の回転数や回転速度を検出する装置である。エンコーダ１は、検出部２、回転部３、及び磁石部４を有している。

検出部２は、例えば回転部３及び磁石部４を覆う不図示のカバー等に固定され、回転部３及び磁石部４の近傍に配置されている。検出部２は、光学的なパターンを読み取る受光センサ５、磁場を検出する一対の磁気センサ６ａ，６ｂ、磁気センサ６ａ，６ｂに対応して設けられた一対のバイアス磁石７ａ，７ｂ、及び信号処理基板８などを備えている。一対の磁気センサ６ａ，６ｂは、図２に示すように、同一の円周Ｃ上で周方向に約９０°離間して設けられている。

なお、図２では、バイアス磁石７ａ，７ｂ（磁気センサ６ａ，６ｂ）を除き、検出部２の図示は省略している。バイアス磁石７ａ，７ｂは、磁気センサ６ａ，６ｂに検出可能な磁場方向の合成磁場を該バイアス磁石７ａ，７ｂの磁場と磁石部４の磁場とを用いて生じさせるように配置されている。信号処理基板８は、受光センサ５からの信号（検出信号）と、磁気センサ６ａ，６ｂからの信号（検出信号）を処理する基板である。本実施形態における磁気センサ６ａ，６ｂとしては、ＭＲ素子又はホール素子を用いることができる。

回転部３は、モータの駆動軸ＭＲと一体的に回転可能に固定された円板状の部材であり、モータの駆動軸ＭＲの回転軸ＡＲを中心として回転可能に設けられている。図２に示すように、回転部３の外周部には、一回転内の絶対位置を示すＭ系列信号からなるアブソリュートパターン９と、繰り返しパターン（インクリメンタルパターン）１０が全周に亘って形成されている。アブソリュートパターン９と繰り返しパターン１０は、図１に示す受光センサによって読み取り可能な位置に形成されている。

磁石部４は、回転軸ＡＲを中心としてリング状に配置されて所定の磁気パターンを形成する複数の単位磁石４ａにより構成されている。単位磁石４ａは、回転部３に固定されることで回転軸ＡＲを中心として回転可能に設けられている。単位磁石４ａは、図２に示すように、平面視で矩形状に設けられている。本実施形態では、単位磁石４ａの形状は、回転軸ＡＲを中心とする円周Ｃに沿う方向の幅ｗ１が、円周Ｃの径方向の幅ｗ２よりも大きい平面視で長方形状に形成され、長辺の垂直二等分線Ｌ１が円周Ｃの中心（回転軸ＡＲ）を通るように配置されている。また、Ｎ極とＳ極が円周Ｃの径方向に配置され、円周Ｃの内周側と外周側との間で径方向の磁場を形成するようになっている。

図３は、単位磁石４ａの配置例を示す平面図である。単位磁石４ａは、円周Ｃの半周に亘ってＳ極を内周側に向けて配置され、もう半周に亘ってＮ極を内周側に向けて配置されている。すなわち、単位磁石４ａは、円周Ｃの内周側の磁極と外周側の磁極とが異なり、円周Ｃの周方向の１８０°で内周側の磁極と外周側の磁極とが入れ替わるように配置されている。そのため、円周Ｃの一周に亘って磁場の方向が二回変化するようになっている。
また、本実施形態における単位磁石４ａは、回転軸ＡＲを中心とする円周Ｃに沿って等間隔に配置され、磁場の方向が逆転する境界線Ｌ２に対称に配置されている。

このように、磁石部４の回転方向の１８０°ごとに磁場の方向を逆転させるためには、単位磁石４ａの個数は４以上が好ましいし、或いは単位磁石４ａの個数は４以上の偶数であることが好ましい。例えば単位磁石４ａが２個の場合には、円周Ｃに沿ってカーブした形状の単位磁石４ａを用いる必要が生じる場合がある。この場合、磁石部４の径の変化に応じて、単位磁石４の形状の変更が必要になる場合がある。

また、磁石部４と回転部３との間には、図１に示すように、バックヨーク１１が配置されている。すなわち、単位磁石４ａはバックヨーク１１と検出部２との間に配置されている。バックヨーク１１は、例えば低炭素鋼、珪素鋼等の軟磁性材料により回転軸ＡＲを中心とする円環状に形成されている。バックヨーク１１は、図２に示すように、回転部３に固定されると共に、磁石部４を回転軸ＡＲ方向に所定の距離（間隔ｇ１）で検出部２の磁気センサ６ａ，６ｂに対向させて保持している。ここで、図２に示す単位磁石４ａ同士の間隔ｇ２は、図１に示す磁気センサ６ａ，６ｂと単位磁石４ａとの間隔ｇ１よりも狭くなっている。

次に、本実施形態のエンコーダ１の動作について説明する。
モータの駆動軸ＭＲが回転すると、駆動軸ＭＲに固定された回転部３と、回転部３に保持された磁石部４とが一体的に回転する。検出部２はモータの駆動軸ＭＲには接続されていないため、回転せずに静止した状態を維持する。

回転部３と共に磁石部４が回転すると、複数の単位磁石４ａが磁気センサ６ａ，６ｂの下方を通過し、単位磁石４ａが形成する磁場とバイアス磁石７ａ，７ｂが形成する磁場との合成磁場が、磁気センサ６ａ，６ｂによって例えば電気抵抗の変化として検出される。このとき、磁石部４が円周Ｃの径方向に形成する磁場は、回転の１８０°ごとに内周側から外周側へ向かう方向と、外周側から内周側へ向かう方向に、交互に切り替わる。検出部２は、磁気センサ６ａ，６ｂによって検出された磁場の変化を信号処理基板８によって処理することで、磁石部４の磁場の変化に応じた信号を出力する。

図４は、検出部２から出力された信号を、縦軸を電圧、横軸を磁石部の回転角度として示すグラフである。
磁石部４が回転すると、図４に示すように回転の１８０°ごとにＨレベルとＬレベルの信号Ｓ１が交互に繰り返し検出される。ここで、磁気センサ６ａ，６ｂの下方を単位磁石４ａ同士の隙間が通過する際に信号Ｓ１の微小な落ち込みが検出されるが、この落ち込み部ＳＤにおいてもＨレベルとＬレベルとを判断する基準電位ｈ，ｌから十分に離れた信号となっている。したがって、信号のＨレベルとＬレベルとの切り替わりを確実に認識することができる。このような信号Ｓ１を、図２に示す一対の磁気センサ６ａ，６ｂからそれぞれ得ることで、磁石部４の回転数及び回転方向を検出することができる。

また、受光センサ５によってアブソリュートパターン９及び繰り返しパターン１０を検出し、受光センサ５から出力された信号を信号処理基板によって処理することで、一回転内の絶対角度位置や回転速度等を測定することができる。

ここで、本実施形態のエンコーダ１は、磁石部４の磁気パターンを形成するために、回転軸ＡＲを中心とする円周Ｃに沿って配置された複数の単位磁石４ａを用いている。そのため、例えばモータの駆動軸ＭＲの径が変更になった場合であっても、単位磁石４ａの数を増減させることで磁石部４の径を調整することが可能になる。例えば、図３において単位磁石４ａの円周Ｃに沿う方向の幅ｗ１を約６ｍｍ〜８ｍｍ程度に形成した場合には、モータの駆動軸ＭＲの直径φが５０ｍｍ、７０ｍｍ、９０ｍｍと変化した場合であっても、単位磁石４ａの形状を変化させることなく、単位磁石４ａの数の増減によって磁石部４の径の変化に対応することができる。

したがって、本実施形態のエンコーダ１によれば、磁石部４の径の変化に関係なく、所定の形状の単位磁石４ａを用いることができる。よって、モータの駆動軸ＭＲの径が変化しても、その都度、磁石の型を製造しなくてはならない不都合を解消することができる。

また、磁石部４は、単位磁石４ａの内周側の磁極と外周側の磁極とが異なり、周方向の１８０°で内周側の磁極と外周側の磁極とが入れ替わるように配置されている。そのため、磁石部４の回転の一周に亘って二回のみ磁場の方向が変化する。したがって、一周に亘って二回より多く磁場の方向が変化する場合と比較して、信号Ｓ１の周波数が高くなることを防止できる。

また、単位磁石４ａはバックヨーク１１と検出部２との間に配置されているので、検出部２側における単位磁石４ａの磁力が増加する。したがって、検出部２において磁場を検出しやすくすることができ、ノイズなどの外乱の影響を低減することができる。
また、単位磁石４ａの円周Ｃに沿う方向の幅ｗ１が径方向の幅ｗ２よりも大きくなっているので、磁石部４に配置する単位磁石４ａの数を少なくすることができる。

また、単位磁石４ａ同士の間隔ｇ２が磁気センサ６ａ，６ｂと単位磁石４ａとの間隔よりも狭くなっている。そのため、単位磁石４ａ同士の間隔ｇ２が磁気センサ６ａ，６ｂと単位磁石４ａとの間隔ｇ１よりも広い場合と比較して、単位磁石４ａ同士の隙間による検出部２の信号Ｓ１の落ち込みを抑制することができる。
また、単位磁石４ａは、磁場の方向が逆転する境界線Ｌ２に対称に配置されているので、磁場の変化を対称にして、検出部２により出力される信号Ｓ１を安定させることができる。

また、単位磁石４ａの個数を４以上又は４以上の偶数とすることで、単位磁石４ａを磁場の方向が逆転する境界線Ｌ２に対称に配置することが可能になる。
また、複数の単位磁石４ａが回転軸ＡＲを中心としてリング状に配置されることで、リング状の磁石を用いる場合と同様の効果を得ることができる。

また、本実施形態における磁石部４を用いれば、中空軸型のエンコーダを容易に製造することが可能となる。これにより、駆動軸が中空状である中空軸モータを用意に採用することができる。また、上記中空軸モータは、中空状の駆動軸の内部に配線や配管等を通すことができ、ユーザーにおける装置設計の自由度が向上する。

次に、本発明の第二実施形態について、図１〜図３を援用し、図４〜図５を用いて説明する。本実施形態では、磁石部４と検出部２との間にフロントヨーク１２が配置されている点で、上述の第一実施形態で説明したエンコーダ１と異なっている。その他の点は第一実施形態と同様であるので、同一又は同等の部分には同一の符号を付して説明は省略する。

図５（ａ）は、本実施形態の磁石部を示す平面図である。図５（ｂ）は図５（ａ）のＡ−Ａ線に沿う矢視断面図である。
本実施形態の磁石部４は、第一実施形態と同様に、複数の単位磁石４ａを備えている。磁石部４は、図１に示す第一実施形態と同様にバックヨーク１１と検出部２との間に配置され、単位磁石４ａと検出部２との間にはフロントヨーク１２が配置されている。

フロントヨーク１２は、例えばバックヨーク１１と同様の材料により形成され、回転軸ＡＲを中心とする円周Ｃの一周に亘って連続して設けられている。また、フロントヨーク１２は、回転軸ＡＲを中心とする円周Ｃに沿って配置された単位磁石４ａの内周側と外周側とで分割されている。内周側の第１のフロントヨーク１２ａと外周側の第２のフロントヨーク１２ｂとの間には、単位磁石４ａに沿う円周Ｃの径方向に所定の間隙ｇ３が形成されている。

次に、本実施形態のエンコーダの動作について説明する。
第一実施形態と同様に、モータの駆動軸ＭＲが回転すると、回転部３と磁石部４とが一体的に回転し、検出部２の磁気センサ６ａ，６ｂによって回転の１８０°ごとに変化する磁石部４の磁場が検出され、信号処理基板８から磁石部４の磁場の変化に応じた信号Ｓ２が出力される。

図６は、本実施形態のエンコーダの検出部２から出力された信号Ｓ２を縦軸を電圧、横軸を磁石部の回転角度として示すグラフである。
図６に示すように、本実施形態においては、第一実施形態の検出部２の信号Ｓ１においてみられた落ち込み部ＳＤが平坦化されている。すなわち、本実施形態では、内周側と外周側に異なる磁極が配置された複数の単位磁石４ａにおいて、内周側の磁極を第１のフロントヨーク１２ａによって連結し、外周側の磁極を第２のフロントヨーク１２ｂによって連結している。そして、第１のフロントヨーク１２ａと第２のフロントヨーク１２ｂとの間に所定の間隙ｇ３を設けている。

これにより、第１のフロントヨーク１２ａと第２のフロントヨーク１２ｂとの間に磁場が形成される。したがって、磁気センサ６ａ，６ｂによって検出される磁場が、単位磁石４ａ同士の隙間において低下することを防止し、回転軸ＡＲを中心とする円周Ｃの径方向に形成される磁場を、円周Ｃの一周に亘って均一にすることができる。
なお、図５（ａ）及び図５（ｂ）に示す単位磁石４ａを内周側と外周側とで分割し、第１のフロントヨーク１２ａ及び第２のフロントヨーク１２ｂと同様に、回転軸ＡＲを中心とする円周Ｃの径方向に所定の間隙を設けて配置してもよい。このようにしても、本実施形態と同様の効果を得ることができる。

次に、上述の第一実施形態及び第二実施形態において説明した磁石部４の変形例について説明する。図７及び図８は、磁石部４の変形例を示す平面図である。図９は、第一実施形態における単位磁石４ａの変形例を示す斜視図である。

図７に示す第１の変形例では、単位磁石４ａは回転軸ＡＲを中心とする円周Ｃに沿って配置されているが、磁石部４の内周側と外周側との間に形成される磁場の方向が逆転する境界線Ｌ２の近傍において、単位磁石４ａ同士の間隔ｇ４が狭くなるように配置されている。また、境界線Ｌ２から遠い位置では単位磁石４ａ同士の間隔ｇ５が広くなるように配置されている。単位磁石４ａをこのように単位磁石４ａ同士の間隔を変えて配置することで、円周Ｃ上に配置される単位磁石４ａの個数を削減しつつ、磁場の方向が切り替わる境界を正確に検出することができる。

図８に示す第２の変形例では、回転軸ＡＲを中心とする円周Ｃに沿う方向の幅ｗ３，ｗ４，ｗ５が異なる複数種類の単位磁石４ａ１，４ａ２，４ａ３が配置されている。これにより、磁石部４の径の変化にさらに柔軟に対応することが可能になる。また、磁場の方向が逆転する境界線Ｌ２に近づくにつれて、単位磁石４ａ１，４ａ２，４ａ３の円周Ｃに沿う方向の幅ｗ３，ｗ４，ｗ５が狭くなっている。これにより、境界線Ｌ２の近傍における単位磁石４ａ１同士の隙間の影響をより小さくすることができる。

図９に示す第３の変形例では、単位磁石４ａの磁気センサ６ａ，６ｂ側の面が凹面状に形成され、回転軸ＡＲを中心とする円周Ｃに沿う方向（図の矢印Ｃ１方向）の端部の、回転軸ＡＲと平行な方向の厚みＴ１が、中央部の同方向の厚みＴ２よりも厚くなっている。これにより、端部において磁気センサ６ａ，６ｂと単位磁石４ａとの距離が近くなるため、単位磁石４ａ同士の隙間による信号の落ち込みを低減することができる。

また、上述の図５におけるフロントヨーク１２は、例えば、図１０に示すように配置されてもよい。図１０に示すように、第１のフロントヨーク１２ａは、複数の単位磁石４ａのうち磁極（Ｎ極、Ｓ極）の同極同士を連結するように配置されており、複数の単位磁石４ａのうち磁極の異なる部分において分割して配置されている。また、第２のフロントヨーク１２ｂも、第１のフロントヨーク１２ａと同様に配置されていてもよい。

尚、本発明は上述した実施の形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。例えば、単位磁石の形状は平面視で矩形状には限定されない。例えば、平面視で三角形や扇型の単位磁石を用いてもよいし、これらを矩形状の単位磁石の隙間を埋めるように用いてもよい。また、本実施形態では、バックヨーク及びフロントヨークを備えない構成であってもよい。

１エンコーダ、２検出部、４磁石部、４ａ，４ａ１，４ａ２，４ａ３単位磁石、１１バックヨーク、１２フロントヨーク、ＡＲ回転軸、Ｃ円周、ｇ１，ｇ２，ｇ３，ｇ４，ｇ５間隔、Ｌ２境界線（境界）、Ｔ１，Ｔ２厚み、ｗ１，ｗ２，ｗ３幅

Claims

磁気パターンが形成され回転軸を中心として回転する磁石部と、前記磁石部による磁場を検出する検出部とを備え、
前記磁石部は、前記回転軸を中心とする円周に沿って配置された４つ以上の単位磁石により構成され、かつ、前記単位磁石の前記内周側の磁極と前記外周側の磁極とが異なり、
前記単位磁石は、前記円周の内周側と外周側との間で径方向の磁場を形成し、前記円周の一周に亘って二回前記磁場を変化させるように配置されていること
を特徴とするエンコーダ。
請求項１に記載のエンコーダにおいて、
前記磁石部は、周方向の１８０°で前記内周側の磁極と前記外周側の磁極とが入れ替わるように配置されていること
を特徴とするエンコーダ。
請求項１又は請求項２に記載のエンコーダにおいて、
前記単位磁石は、バックヨークと前記検出部との間に配置されていること
を特徴とするエンコーダ。
請求項１から請求項３のいずれかに記載のエンコーダにおいて、
前記単位磁石と前記検出部との間にフロントヨークが配置されていること
を特徴とするエンコーダ。
請求項４に記載のエンコーダにおいて、
前記フロントヨークは、前記円周の一周に亘って連続して設けられると共に前記円周の内周側と外周側とで分割されていること
を特徴とするエンコーダ。
請求項４に記載のエンコーダにおいて、
前記フロントヨークは、前記単位磁石の磁極の同極同士を連結するように配置されていること
を特徴とするエンコーダ。
請求項１から請求項３のいずれかに記載のエンコーダにおいて、
前記単位磁石の前記回転軸と平行な方向の厚みは、前記円周に沿う方向の端部の厚みが中央部の厚みよりも厚く設けられていること
を特徴とするエンコーダ。
請求項１から請求項７のいずれかに記載のエンコーダにおいて、
前記円周に沿う方向の幅が異なる複数種の前記単位磁石が配置されていること
を特徴とするエンコーダ。
請求項１から請求項８のいずれかに記載のエンコーダにおいて、
前記単位磁石は、前記内周側と前記外周側との間の磁場の方向が逆転する境界の近傍において前記単位磁石同士の間隔が狭くなるように配置されていること
を特徴とするエンコーダ。
請求項１から請求項９のいずれかに記載のエンコーダにおいて、
前記単位磁石同士の間隔が前記検出部と前記単位磁石との間隔よりも狭いこと
を特徴とするエンコーダ。
請求項１から請求項１０のいずれかに記載のエンコーダにおいて、
前記単位磁石の前記円周に沿う方向の幅が前記径方向の幅よりも大きいこと
を特徴とするエンコーダ。
請求項１から請求項１１のいずれかに記載のエンコーダにおいて、
前記単位磁石は、前記磁場の方向が逆転する境界線に対称に配置されていること
を特徴とするエンコーダ。
請求項１から請求項１２のいずれかに記載のエンコーダにおいて、
前記単位磁石の個数は、偶数であること
を特徴とするエンコーダ。
請求項１から請求項１３のいずれかに記載のエンコーダにおいて、
前記複数の単位磁石は、前記回転軸を中心としてリング状に配置されること
を特徴とするエンコーダ。
磁気パターンが形成され回転軸を中心として回転する磁石部と、前記磁石部による磁場を検出する検出部とを備え、
前記磁石部は、前記回転軸を中心とする円周に沿って配置された４つ以上の単位磁石により構成され、かつ、前記単位磁石の前記内周側の磁極と前記外周側の磁極とが異なり、
前記単位磁石は、前記円周の内周側と外周側との間で径方向の磁場を形成し、前記回転軸を通る境界線に対称となる位置に配置され、
前記磁場の方向は、前記境界線を挟んで変化すること
を特徴とするエンコーダ。