JP5786067B2 - 磁気式エンコーダ及びセンサ装置 - Google Patents

Description

本発明は、回転部材の回転位置を検出する磁気式エンコーダ、及びこの磁気式エンコーダを用いたセンサ装置に関する。

電動モータ等の回転部材の回転位置を検出するエンコーダとして、光学式のエンコーダ及び磁気式のエンコーダが知られている。典型的な光学式のエンコーダは、発光素子と受光素子を空間を介して対面するように配置し、その間に光を通過・遮断するスリット円板を配置したものである。光学式のエンコーダを用いれば、回転位置を高精度に検出できる。しかし、耐環境性に弱く、油又は埃等が多い使用環境において使用できないという問題がある。

典型的な磁気式のエンコーダは、回転ドラムの外周に複数の磁石を貼り付け、回転ドラムの外周に一定間隔で交互にＮ極及びＳ極が形成されるようにしたものである。回転ドラムの外周の複数の磁石が発する磁界の強さは、ホール素子等のセンサで検出される。磁気式のエンコーダは、耐環境性に強いので、油又は埃等が多い使用環境においても使用できる。しかし、回転位置の検出精度を向上させるのに限界があるという問題がある。なぜならば、回転ドラムの外周に貼り付けられる磁石はボンド磁石等を成型することで製造されるので、磁石の表面形状が安定せずに磁界の強さがばらつくからである。また、そもそも複数の磁石がそれぞれ別々の磁石なので、磁石の着磁にもばらつきがあるからである。

磁気式のエンコーダの一種として、特許文献１には、軸線方向に着磁されたリング状の磁石と、磁石を軸線方向に挟む第一及び第二の磁束ガイド素子と、を備えるエンコーダが開示されている。第一及び第二の磁束ガイド素子それぞれは、磁石の外周面にて軸線方向に伸びる複数の爪を備える。第一の磁束ガイド素子の複数の爪と第二の磁束ガイド素子の複数の爪とは互いに噛み合っている。第一の磁束ガイド素子は磁石の一方の極（Ｎ極又はＳ極）に接続されているので、第一の磁束ガイド素子の爪も磁石の一方の極と同じ極に磁化される。第二の磁束ガイド素子は磁石の他方の極（Ｎ極又はＳ極）に接続されているので、第二の磁束ガイド素子の爪も磁石の他方の極と同じ極に磁化される。第一及び第二の磁束ガイド素子の爪によって、エンコーダの周囲に交互にＮ極及びＳ極が形成される。エンコーダの周囲の磁界の強さは、エンコーダから半径方向に離れて配置されるホール素子によって検出される。

特許文献１に記載のエンコーダによれば、磁極を形成する第一及び第二の磁束ガイド素子が鉄等の軟質磁性材料からなるので、第一及び第二の磁束ガイド素子の形状又は着磁のばらつきが少ない。このため、検出精度の向上が見込まれる。また、使用する磁石の個数が少ないので、製造コストが低減するという効果もある。
特表２０１２−５０６０３４号公報

しかし、発明者は、特許文献１に記載のような磁気式のエンコーダを使用しても、「センサの傾き」がセンサの出力波形に影響し、検出する角度に影響を及ぼすことを知見した。軸線方向に着磁される磁石外周に軸線方向に大きな磁束密度のベクトル（以下、磁束ベクトルという）が存在するからである。磁石外周の支配的な軸線方向の磁束ベクトルは、角度の検出に必要としない方向の磁束ベクトルである。センサが傾いた場合、必要としない方向の磁束ベクトルをセンサが読み取ってしまうので、検出する角度に誤差が生じてしまう。

そこで、本発明の第一の課題は、センサに傾きが生じても、センサの傾きによる角度誤差を低減できる磁気式エンコーダを提供することにある。

また、特許文献１に記載のエンコーダにあっては、ホール素子はエンコーダの法線方向の磁界の強さしか検出できない。このため、回転部材の回転方向を検出するためには、図２２に示すように二個のホール素子２１，２２を位相差が９０°になるように配置し、二個のホール素子２１，２２から９０°位相が異なるＡ相信号及びＢ相信号を出力する必要がある。

しかし、二個のホール素子２１，２２を用いると、ホール素子２１，２２の配置位置に半径方向及び周方向のずれδ１，δ２が生じ易く、このずれδ１，δ２に起因して出力電圧の振幅及び位相に誤差が生じるので、検出精度を高くできないという問題がある。また、二個のホール素子２１，２２が離れていると、外乱（例えば別磁石の磁界、熱）の影響が別々に作用するので、外乱に弱いという問題がある。

そこで本発明の第二の課題は、検出精度を高くすることができる磁気式エンコーダを提供することにある。

上記第一の課題を解決するために、本発明の第一の態様は、軸線方向に着磁される第一の磁石と、前記第一の磁石から軸線方向に離れ、軸線方向に着磁される第二の磁石と、前記第一の磁石によって磁化され、少なくとも一つの第一の歯部を有する第一のヨークと、前記第二の磁石によって磁化され、周方向に前記第一の歯部と交互に配置される少なくとも一つの第二の歯部を有する第二のヨークと、を備える磁気式エンコーダである。

上記第二の課題を解決するために、本発明の第二の態様は、軸線方向に着磁される磁石と、前記磁石の前記軸線方向に配置され、前記磁石によってＮ極及びＳ極の一方に磁化される第一のヨークと、前記磁石の前記軸線方向に配置され、前記磁石によってＮ極及びＳ極の他方に磁化される第二のヨークと、を備える磁気式エンコーダにおいて、前記第一のヨークは、第一の基体と、前記第一の基体から前記軸線方向に伸びる少なくとも一つの第一の歯部と、を有し、前記第二のヨークは、第二の基体と、前記第二の基体から前記軸線方向に伸び、周方向に前記第一の歯部と交互に配置される少なくとも一つの第二の歯部と、を有し、前記第一のヨークの前記第一の歯部の先端は、前記第二のヨークの前記第二の基体の前記第一のヨークとの対向面を超えて前記軸線方向に伸び、前記第二のヨークの前記第二の歯部の先端は、前記第一のヨークの前記第一の基体の前記第二のヨークとの対向面を超えて前記軸線方向に伸びる磁気式エンコーダである。

本発明の第一の態様によれば、第一の磁石と第二の磁石に生じる磁界を利用して、センサ位置における軸線方向の磁束ベクトルを低減することができる。したがって、センサに傾きが生じても、センサの傾きによる角度誤差が低減する。

上記第二の課題を解決するために、発明者は、磁気式エンコーダの周囲の磁束ベクトルを解析で求めた。その結果、本発明の第二の態様のように、第一のヨークの第一の歯部の先端を第二のヨークの第二の基体の第一のヨークとの対向面を超えて軸線方向に伸ばし、第二のヨークの第二の歯部の先端を第一のヨークの第一の基体の第二のヨークとの対向面を超えて軸線方向に伸ばせば、磁気式エンコーダの周囲のＮ極からＳ極に至る間の磁束ベクトルの大きさを略一定にできると共に、磁束ベクトルの方向の変化を理想的な正弦波に近づけることができることを知見した。磁界の強さＨと磁束密度Ｂとの関係は、透磁率μを用いてＢ＝μＨで表すことができるので、磁束密度は磁界と同義である。理想的な正弦波に近づけた磁界の方向をセンサで検出することで、磁気式エンコーダの検出精度を高くすることができる。

本発明の第一の実施形態の磁気式エンコーダの斜視図 図１の磁気式エンコーダの分解斜視図 図１のＸ方向から見たセンサの読取平面を示す模式図（図３（ａ）はセンサを傾けていない状態を示し、図３（ｂ）はセンサを傾けた状態を示す） 図４（ａ）は従来例の磁気式エンコーダの磁石の断面図、図４（ｂ）は本実施形態の磁気式エンコーダの磁石の断面図 図５（ａ）は本実施形態の磁気式エンコーダの断面図、図５（ｂ）は図５（ａ）の断面における磁束ベクトルの解析結果を示す図 エンコーダの磁石外周からの距離と軸線方向の磁束密度との関係を示すグラフ Ｘ軸の回りにロール角度φ、Ｚ軸の回りにヨー角度ψ傾くセンサの模式図 センサのロール角度φの傾きと角度誤差との関係を示すグラフ 本発明の第二の実施形態の磁気式エンコーダの斜視図 図９の磁気式エンコーダの分解斜視図 軸線方向から見た磁気式エンコーダの拡大図 軸線方向から見た磁気式エンコーダの正面図 磁気式エンコーダの平面図（図１３（ａ）は比較例を示し、図１３（ｂ）及び図１３（ｃ）は本発明例を示す） 磁気式エンコーダのＮ極からＳ極に至るまでの磁束ベクトルの変化を示す図（図１４（ａ）は図１３（ａ）の比較例を示し、図１４（ｃ）は図１３（ｃ）の本発明例を示す） 磁気式エンコーダに半径方向に離間して配置されるセンサの模式図 センサの測定距離Ｌと幅Ｗ、極ピッチＰ，ピッチ円との関係を示した図 センサが読み取る磁界の方向とリサージュ図形との関係を模式的に示した図 幅Ｗと極ピッチＰとの関係を最適化した場合とそうでない場合とで、法線方向の磁束密度及び接線方向の磁束密度がどの程度異なるかを比較した図（図１８（ｂ）は本発明例を示し、図１８（ａ）及び図１８（ｃ）は比較例を示す） 解析により算出したセンサのＡ相信号及びＢ相信号と理想との誤差を示すグラフ 幅Ｗと極ピッチＰとの比Ｐ／Ｗを１．５〜２．７の範囲内で変化させたときのセンサ出力誤差を示すグラフ（図２０（ａ）はピッチ円を２０ｍｍに設定した場合を示し、図２０（ｂ）はピッチ円を３０ｍｍに設定した場合を示し、図２０（ｃ）はピッチ円を４０ｍｍに設定した場合を示す） 第一及び第二の歯部の形状の他の例を示す図（図２１（ａ）は磁気式エンコーダの斜視図を示し、図２１（ｂ）は図２１（ａ）のXXI部拡大図を示す） 従来の磁気式エンコーダに二個のホール素子を設けた例を示す模式図

以下、添付図面に基づいて本発明の第一の実施形態の磁気式エンコーダ（以下、単にエンコーダという）を詳細に説明する。図１は、本実施形態のエンコーダ５１の斜視図を示し、図２は、本実施形態のエンコーダ５１の分解斜視図を示す。

エンコーダ５１は、非磁性体のカラー５３と、カラー５３を挟む軟質磁性材料の第一及び第二のヨーク５４，５５と、第一及び第二のヨーク５４，５５の外側に配置される第一及び第二の磁石５６，５７と、第一及び第二の磁石５６，５７の外側に配置される第一及び第二のバックヨーク５８，５９と、を備える。

第一のヨーク５４は、第一の磁石５６によって例えばＮ極に磁化される。第二のヨーク５５は、第二の磁石５７によって例えばＳ極に磁化される。第一のヨーク５４の第一の歯部５４ｂと第二のヨーク５５の第二の歯部５５ｂとは周方向に交互に配置され、エンコーダ５１の周囲には交互にＮ極及びＳ極が形成される。図１中Ｎ極を「Ｎ」でＳ極を「Ｓ」で示す。

図１中符号５２は、エンコーダ５１から半径方向に離れて配置されるセンサの読取平面を示す。センサ読取平面５２は、エンコーダ５１の軸線方向（回転軸Ｃ１）をＹ方向としたとき、ＸＺ平面内に配置される。センサは、第一の歯部５４ｂから出て第二の歯部５５ｂに入る磁束ベクトルのＸＺ平面に投影された成分を読み取る。

エンコーダ５１は、例えば電動モータの出力軸等の回転構成部材に取り付けられ、回転構成部材の動作時には回転軸Ｃ１を中心にして回転する。エンコーダ５１が回転すると、センサが読み取る磁束ベクトルの方向又は大きさは、正弦波状に周期的に変化する。この実施形態のセンサは、磁界（磁界は磁束と同義である）の方向を検出するＡＭＲ(Anisotropic-Magneto-Resistance)センサである。センサには、ＡＭＲセンサ以外に磁界の強度を検出するＭＲ（Magneto-Resistance）センサを用いることもできる。センサは、エンコーダ５１の回転に伴って、９０°の位相差を持つＡ相信号及びＢ相信号を出力するように構成される。

図２のエンコーダ５１の分解斜視図を参照して、エンコーダ５１を構成する第一及び第二の磁石５６，５７、第一及び第二のヨーク５４，５５、カラー５３、第一及び第二のバックヨーク５８，５９の構成を順番に説明する。

リング状の第一の磁石５６は、軸線方向に着磁され、軸線方向の一方の端面５６ａがＳ極に他方の端面５６ｂがＮ極に形成される。第一の磁石５６には例えばネオジム磁石等の希土類磁石が用いられる。

リング状の第二の磁石５７は、第一の磁石５６から軸線方向に離れて配置される。第二の磁石５７は、第一の磁石５６と同様に、軸線方向に着磁され、軸線方向の一方の端面５７ａがＳ極に他方の端面５７ｂがＮ極に形成される。第二の磁石５７の形状は、第一の磁石５６と同一である。第二の磁石５７にも例えばネオジム磁石等の希土類磁石が用いられる。

第一及び第二の磁石５６，５７の軸線方向の内側には、第一及び第二のヨーク５４，５５が配置される。第一及び第二のヨーク５４，５５は、鉄、鋼、ケイ素鋼、パーマロイ等の軟質磁性材料からなる。第一のヨーク５４は、第一の磁石５６の内側の端面５６ｂに接触し、例えばＮ極に磁化される。第二のヨーク５５は、第二の磁石５７の内側の端面５７ａに接触し、例えばＳ極に磁化される。

第一のヨーク５４は、リング状の第一の基体５４ａと、第一の基体５４ａに対して９０°曲げられた複数の第一の歯部５４ｂと、を備える。第一の基体５４ａは、第一の磁石５６と同一のリング状に形成されており、第一の磁石５６の内側の端面５６ｂに接触する。第一の歯部５４ｂは、第一の基体５４ａから軸線方向に第二のヨーク５５に向かって伸びる。第一の歯部５４ｂは、第一の基体５４ａの外周に均等間隔を空けて配置される。第一の歯部５４ｂの断面形状は、四角形、半円、半楕円等である。第一のヨーク５４は、切削、打ち抜き後の曲げ加工等により製造される。

第二のヨーク５５も、リング状の第二の基体５５ａと、第二の基体５５ａに対して９０°曲げられた複数の第二の歯部５５ｂと、を備える。第二の基体５５ａは、第二の磁石５７と同一のリング状に形成されており、第二の磁石５７の内側の端面５７ａに接触する。第二の歯部５５ｂは、第二の基体５５ａから軸線方向に第一のヨーク５４に向かって伸びる。第二の歯部５５ｂは、第二の基体５５ａの外周に均等間隔を空けて配置される。第二の歯部５５ｂの断面形状は、四角形、半円、半楕円等である。第二のヨーク５５は切削、打ち抜き後の曲げ加工等により製造される。

第一のヨーク５４と第二のヨーク５５との間には、アルミニウム、樹脂等の非磁性体のカラー５３が配置される。カラー５３は、第一の磁石５６と第二の磁石５７との間に軸線方向に間隔を開ける役割、第一の歯部５４ｂと第二の歯部５５ｂとの間に周方向に間隔を開ける役割を持つ。カラー５３は筒状に形成されていて、両端の一対の小径部５３ｂと、中央の大径部５３ａと、を備える。一方の小径部５３ｂの外側には、第一の磁石５６及び第一のヨーク５４が嵌められる。他方の小径部５３ｂの外側には、第二の磁石５７及び第二のヨーク５５が嵌められる。大径部５３ａには、第一の歯部５４ｂ及び第二の歯部５５ｂが嵌まる複数の溝５３ｃが周方向に均等間隔を空けて形成される。

第一及び第二の磁石５６，５７の軸線方向の外側には、第一及び第二のバックヨーク５８，５９が配置される。第一及び第二のバックヨーク５８，５９は、鉄、鋼、ケイ素鋼、パーマロイ等の軟質磁性材料からなる。第一のバックヨーク５８は、第一の磁石５６に接触する円盤体５８ａと、カラー５３の内側に嵌められる筒体５８ｂと、を備える。第二のバックヨーク５９も、第一のバックヨーク５８と同様に、第二の磁石５７に接触する円盤体と、カラー５３の内側に嵌められる筒体と、を備える（図示せず）。

上記のように、センサは、第一の歯部５４ｂのＮ極から出て第二の歯部５５ｂのＳ極に入る磁束ベクトルの、ＸＺ平面内の成分Ｖ１を読み取る（図１参照）。Ｙ方向の磁束ベクトルＶ２は、角度の検出に必要としない方向の磁束ベクトルであるが、磁束ベクトルＶ２をセンサが読み取らないようにすることはできない。本実施形態では、磁束ベクトルＶ２が少なくなる位置にセンサを配置し、センサの検出角度に影響が出ないようにしている。

図３（ａ）は、図１のＸ方向から見たセンサ読取平面５２を示す。図３（ａ）に示すように、センサは、磁石外周の磁束ベクトルＶのうち、ＸＺ平面内の成分Ｖ１を読み取る。図３（ｂ）は、センサ読取平面５２が傾いた状態を示す。図３（ｂ）に示すように、センサが傾くと、センサが読み取る磁束ベクトルがＶ１からＶ１´に変化する。磁束ベクトルのＶ１からＶ１´への変化は検出角度に誤差を生じさせる。従来例のエンコーダでは、磁石外周の軸線方向の磁束ベクトルＶ２は大きく、センサの傾きは検出角度に大きな影響を与える。本実施形態では、磁石外周の軸線方向の磁束ベクトルＶ２を低減又は無くし、ＶとＶ１を一致させるために、以下の工夫がなされている。

図４（ａ）は、従来例のエンコーダの単一のリング磁石６１の軸線に沿った断面図を示す。従来例の磁石６１には、Ｎ極から出てＳ極に入る磁界が形成される。センサ読取平面５２は磁石６１の軸線方向の中心Ａに配置されるので、センサ読取平面５２には軸線方向（Ｙ方向）の大きな磁束ベクトルが作用する。

図４（ｂ）は、本実施形態のエンコーダ５１の第一及び第二の磁石５６，５７を示す。第一及び第二の磁石５６，５７を軸線方向に離れて配置すると、第一の磁石５６と第二の磁石５７の軸線方向の中心Ｂに配置されるセンサ読取平面５２には、第一の磁石５６の下方向を向く磁束ベクトルが作用し、第二の磁石５７の上方向を向く磁束ベクトルが作用する。このため、センサ読取平面５２には、軸線方向の磁束ベクトルは作用しにくくなる。

図５（ａ）は、エンコーダ５１の軸線に沿った断面図を示す。図５（ｂ）は、図５（ａ）の断面Ｐにおける磁束ベクトルの解析結果を示す。センサ読取平面５２における磁束ベクトルＶは、エンコーダ５１に近づけば近づくほど、下方向を向く。第一及び第二の磁石５６，５７を軸線方向に離すことで、センサ読取平面５２における軸線方向の磁束ベクトルＶ２を低減又は無くすことができることがわかる。

図６は、エンコーダ５１の磁石外周からの距離と軸線方向の磁束密度との関係を示すグラフである。この実施形態のセンサの使用目安域は磁石外周から１．５ｍｍから２ｍｍである。従来例では、軸線方向の磁束密度は３５〜４５ｍＴであるが、本実施形態では、軸線方向の磁束密度は０〜１ｍＴまで大きく低減する。

図７は、センサ６２のＸ軸回りのロール角度φ、Ｚ軸回りのヨー角度ψの傾きを示す。図８は、センサ６２をロール角度φだけ傾けたときの角度誤差（角度誤差は解析により算出）を示すグラフである。従来例の場合、ロール角度φが大きくなればなるほど、角度誤差が大きくなる。しかし、本実施形態の場合、ロール角度φを大きくしても、角度誤差は±０．１度未満であり、角度誤差が殆ど発生しない。角度の検出に必要としない軸線方向の磁束密度Ｖ２が低減しているからである。なお、センサをＺ軸回りにヨー角度ψだけ傾けた場合も、センサをＸ軸回りにロール角度φだけ傾けた場合と同じ位の角度誤差になる。すなわち、横軸をヨー角度ψの傾き、縦軸を角度誤差としてグラフを書くと、図８と略同一になる。

本発明の第一の実施形態のエンコーダ５１によれば、以下の効果を奏する。

第一の磁石５６と第二の磁石５７に生じる磁界を利用して、センサ６２の読取位置における軸線方向の磁束ベクトルＶ２を低減又は無くすので、センサ６２の傾きによる角度誤差が低減する。もちろん、センサ６２が傾いていない場合はより角度誤差が低減する。センサ６２の傾きを許容できるので、センサ６２の取付け性が向上する。

第一のヨーク５４と第二のヨーク５５との間に非磁性体のカラー５３を配置するので、第一の磁石５６と第二の磁石５７とを軸線方向に離すことができる。

カラー５３に第一及び第二の歯部５４ｂ，５５ｂが嵌まる溝５３ｃを形成するので、第一の歯部５４ｂ及び第二の歯部５５ｂを周方向に位置決めすることができ、エンコーダ５１の組立て性が向上する。

第一及び第二の磁石５６，５７を第一及び第二のヨーク５４，５５の外側に配置するので、第一及び第二の歯部５４ｂ，５５ｂの軸線方向の長さを短くすることができ、第一及び第二のヨーク５４，５５の加工が容易になる。

第一及び第二のヨーク５４，５５の外側に第一及び第二のバックヨーク５８，５９を配置するので、第一及び第二の磁石５６，５７の磁界がエンコーダ５１の外に漏れるのを防止できる。

以下、添付図面に基づいて本発明の第二の実施形態の磁気式エンコーダを詳細に説明する。図９は、本発明の第二の実施形態のエンコーダ１の斜視図を示す。リング状のエンコーダ１の周囲は周方向にＮ極及びＳ極に交互に磁化されている。図９中Ｎ極を「Ｎ」でＳ極を「Ｓ」で示す。エンコーダ１は例えば電動モータの出力軸等の回転構成部材に取り付けられ、回転構成部材の動作時には回転軸Ｃ１を中心にして回転する。エンコーダ１の周囲の磁界の方向はエンコーダ１から半径方向に離れて配置されるセンサ２によって検出される（図１５参照）。エンコーダ１の回転に伴ってセンサ２は９０°の位相差を持つＡ相信号及びＢ相信号を出力する。このＡ相信号及びＢ相信号の大きさと位相差からエンコーダ１の回転角度と回転方向を算出する。センサ２が出力するＡ相信号及びＢ相信号が理想的な正弦波及び理想的な余弦波に近ければ近いほど、検出精度が向上する。センサ装置はエンコーダ１及びセンサ２によって構成される。

図１０はエンコーダ１の分解斜視図を示す。エンコーダ１は、軸線方向の一方の端面がＮ極に他方の端面がＳ極に形成されるように磁化されるリング状の磁石４を備える。磁石４には例えばネオジム磁石等の希土類磁石が用いられる。なお、磁石４は単一の磁石から構成されてもよいし、周方向に分割された複数の円弧状のセグメント磁石から構成されてもよいし、軸線と直交する断面で分割された複数のリング状の磁石から構成されてもよいし、第一及び第二のヨークの外側に配置される第一及び第二の磁石から構成されてもよい（図１、図２参照）。

この実施形態の磁石４は同一の形状の第一及び第二のヨーク５，６によって挟まれる。第一及び第二のヨーク５，６は鉄、鋼、ケイ素鋼、パーマロイ等の軟質磁性材料からなり、磁石４の一方の端面の磁束を磁石４の外周面に導く機能を持つ。

第一のヨーク５は、リング状の第一の基体５ａと、第一の基体５ａに対して９０°曲げられた複数の第一の歯部５ｂと、を備える。第一の基体５ａは磁石４と同一のリング状に形成されており、磁石４の一方の端面（Ｎ極の端面）に接触している。第一の歯部５ｂは第一の基体５ａから磁石４の外周面にて軸線方向に第二のヨーク６に向かって伸びている。第一の歯部５ｂは第一の基体５ａの外周に均等間隔を空けて配置される。第一の歯部５ｂの断面形状は四角形に形成される。第一のヨーク５は切削、打ち抜き後の曲げ加工等により製造される。

第二のヨーク６も、リング状の第二の基体６ａと、第二の基体６ａに対して９０°曲げられた複数の第二の歯部６ｂと、を備える。第二の基体６ａは磁石４と同一のリング状に形成されており、磁石４の他方の端面（Ｓ極の端面）に接触している。第二の歯部６ｂは第二の基体６ａから磁石４の外周面にて軸線方向に第一のヨーク５に向かって伸びている。第二の歯部６ｂは第二の基体６ａの外周に均等間隔を空けて配置される。第二の歯部６ｂの断面形状は四角形に形成される。第二のヨーク６は切削、打ち抜き後の曲げ加工等により製造される。なお、第一及び第二の歯部５ｂ，６ｂは磁石４の外周に接していてもよいし、これらの間にすきまがあってもよい。

第一のヨーク５の第一の基体５ａが磁石４のＮ極に面しているので、第一のヨーク５の複数の第一の歯部５ｂの外周はＮ極に磁化される。第二のヨーク６の第二の基体６ａが磁石４のＳ極に面しているので、第二のヨーク６の複数の第二の歯部６ｂの外周はＳ極に磁化される。Ｎ極に磁化された複数の第一の歯部５ｂは均等に磁界を発する。第一の歯部５ｂが発する磁界は隣の第二の歯部６ｂに入る。センサ２は第一の歯部５ｂから出て第二の歯部６ｂに入る磁界の方向を検出する（図１３（ｃ）参照）。

隣り合う第一の歯部５ｂ同士の間隔は隣り合う第二の歯部６ｂ同士の間隔に等しく、第一の歯部５ｂと第二の歯部６ｂとはすきまを持った状態で噛み合う。図１１に示すように、隣り合う第一の歯部５ｂと第二の歯部６ｂとの間には周方向にすきまｇ１がある。また、第一の歯部５ｂと第二のヨーク６の第二の基体６ａとの間には半径方向にすきまｇ２がある。第二の歯部６ｂと第一のヨーク５の第一の基体５ａとの間にも半径方向にすきまｇ２がある。

図１１に示すように、第一の歯部５ｂの幅Ｗと第二の歯部６ｂの幅Ｗは等しい。隣接する第一の歯部５ｂの幅方向の中心と第二の歯部６ｂの幅方向の中心との距離が極ピッチＰである。幅Ｗと極ピッチＰとの比は１：２．０以上２．４以下に設定される。なお正確にいえば、幅Ｗ及び極ピッチＰはいずれも図１２におけるピッチ円上の円弧の長さである。すなわち、幅Ｗは第一の歯部５ｂ及び第二の歯部６ｂによって区画されるピッチ円上の円弧の長さであり、極ピッチＰは第一の歯部５ｂの幅方向の中心と第二の歯部６ｂの幅方向の中心によって区画されるピッチ円上の円弧の長さである。ピッチ円の直径＝（第一及び第二の歯部５ｂ，６ｂの外径＋第一及び第二の歯部５ｂ，６ｂの内径）×１／２である。

図１３の左欄はエンコーダ１の平面図を示す。図１３（ｂ）の左欄の矢印(I)に示すように、第一のヨーク５の第一の歯部５ｂの先端は、第二のヨーク６の第二の基体６ａの第一のヨーク５との対向面６ｃを超えて軸線方向に伸びている。第二のヨーク６の第二の歯部６ｂの先端は、第一のヨーク５の第一の基体５ａの第二のヨーク６の対向面５ｃを超えて軸線方向に伸びている。好ましくは、図１３（ｃ）の左欄に示すように、第一のヨーク５の第一の歯部５ｂの先端は、第二のヨーク６の第二の基体６ａの対向面６ｃとは反対側の表面６ｄまで伸びている。第二のヨーク６の第二の歯部６ｂの先端は、第一のヨーク５の第一の基体５ａの対向面５ｃとは反対側の表面５ｄまで伸びている。図１３（ａ）の左欄は、第一のヨーク５の第一の歯部５ｂの先端が第二のヨーク６の第二の基体６ａの第一のヨーク５との対向面６ｃまで伸びておらず、第二のヨーク６の第二の歯部６ｂの先端が第一のヨーク５の第一の基体５ａの第二のヨーク６の対向面５ｃまで伸びていない比較例を示す。

図１５に示すように、センサ２はエンコーダ１から半径方向に離間して配置される。センサ２は磁界の方向で抵抗値が変化する異方性磁気抵抗素子２ａ，２ｂを有する。このセンサ２は磁界の方向で抵抗値が変化するＡＭＲ(Anisotropic-Magneto-Resistance)センサである。センサ２を抵抗変化量が飽和する磁界強度以上の磁界に配置すれば、抵抗値は磁界強度には影響されなくなり、磁界の方向のみに影響されるようになる。このため、センサ２によって磁界の方向を検知することができる。

Ａ相用の異方性磁気抵抗素子２ａはＡ相信号を出力し、Ｂ相用の異方性磁気抵抗素子２ｂはＢ相信号を出力する。Ａ相信号とＢ相信号は９０°の位相差を持つ。Ｂ相用の異方性磁気抵抗素子２ｂはＡ相用の異方性磁気抵抗素子２ａに対して４５°傾けられている。磁束を読むホール素子と異なり、異方性磁気抵抗素子２ａ，２ｂは磁界の方向を読めるので、これらをほぼ同位置に配置することができる。このため、配置位置のずれによる外乱の影響を少なくすることができ、外乱に強いセンサ２が得られる。また、ホール素子ではＮ−Ｎ間で１周期の電圧信号が得られるのに対し、異方性磁気抵抗素子２ａ，２ｂではＮ−Ｎ間で２周期の電圧信号が得られるので、分解能を二倍にすることができる。

図１６はセンサ２の測定距離Ｌとエンコーダ１の幅Ｗ、極ピッチＰ，ピッチ円との関係を示した図である。上記のようにピッチ円は円形であるが、ここでは分かり易くするために直線で示している。上記のように、幅Ｗは第一及び第二の歯部５ｂ，６ｂの幅である。極ピッチＰは隣接する第一の歯部５ｂの幅方向の中心と第二の歯部６ｂの幅方向の中心との距離である。センサ２の測定距離Ｌは、異方性磁気抵抗素子２ａ，２ｂから第一及び第二の歯部５ｂ，６ｂ（正確にいえばピッチ円）までの距離である。センサ２は測定距離ＬがＷ＝Ｋ（Ｌ−α）の位置に配置される。ここで、Ｋはエンコーダの外径及び曲率による影響であり、αはツース形状及び材質による影響である。Ｋ≒１であり、α≒０なので、ＬとＷを等しくすることもできる。

図１７はセンサ２が読み取る磁界の方向とリサージュ図形との関係を模式的に示した図である。磁束はＮ極から出てＳ極に入るので、第一及び第二の歯部５ｂ，６ｂ間には、図１７の左欄の矢印(1)〜(5)で示す磁界の方向が形成される。そして、センサ２はＳ極の上に位置するとき、矢印(1)で示す下側を向く磁界の方向を検出する。エンコーダ１の回転に伴って第一及び第二の歯部５ｂ，６ｂが図中右方向に移動すると、センサ２は矢印(2)〜(4)で示す磁界の方向を順番に検出する。センサ２はＮ極の上に位置するとき、矢印(5)で示す上側を向く磁界の方向を検出する。

図１７の右欄はセンサ２が出力する磁界の方向をリサージュ図形で示したものである。リサージュ図形が真円に近ければ近いほど、センサ２の検出精度が向上する。リサージュ図形を真円に近づけるために、本実施形態ではエンコーダ１に主に以下の二つの工夫がなされている。一つ目は、図１３（ｂ）の左欄の黒塗りの矢印(I)に示すように、第一及び第二の歯部５ｂ，６ｂの先端を第二及び第一の基体６ａ，５ａの表面６ｃ，５ｃよりも軸線方向に伸ばすことである。二つ目は、第一及び第二の歯部５ｂ，６ｂの幅Ｗと極ピッチＰを最適化することである。いずれか一方の工夫だけでも、リサージュ図形を真円に近づけることができる。本実施形態のように二つの工夫を併用することで、よりリサージュ図形を真円に近づけることができる。

まず、図１３及び図１４を参照して一つ目の工夫を説明する。図１３において、解析により求めた磁束ベクトルが白抜きの矢印(II)で示される。矢印(II)で示される磁束ベクトルは、エンコーダ１の周囲（図１６のセンサ２の測定位置）の磁束ベクトルである。図１３の左欄はエンコーダ１の平面図で見た磁束ベクトルを示し、図１３の右欄はエンコーダ１の軸線方向から見た磁束ベクトルを示す。

第一及び第二の歯部５ｂ，６ｂの先端が第二及び第一の基体６ａ，５ａまで伸びていない比較例では、図１３（ａ）の右欄の矢印(II)に示すように、法線方向の磁束密度１１が接線方向の磁束密度１２に比べて大きくなる。そして、図１４（ａ）の右欄に示すように、第一の歯部５ｂのＮ極から第二の歯部６ｂのＳ極に至る間の磁束ベクトルの方向の変化も理想的な正弦波から離れたものとなる。

これに対して、図１３（ｂ）及び（ｃ）の左欄に示すように、第一及び第二の歯部５ｂ，６ｂの先端を第二及び第一の基体６ａ，５ａの表面６ｃ，５ｃよりも軸線方向に伸ばすことで、第一の歯部５ｂの先端から第二の基体６ａに磁束が流れ易くなり、かつ第二の歯部６ｂの先端から第一の基体５ａに磁束が流れ易くなる。このため、図１３（ｂ）及び（ｃ）の右欄に示すように、法線方向の磁束密度１１が比較例に比べて小さくなり、接線方向の磁束密度１２の大きさに近づく。また、図１４（ｃ）の右欄に示すように、磁束ベクトルの方向も反対の極に向かって接線方向に曲げられる。例えばＮ極の磁束ベクトル１１−１，１１−２がＳ極に向かって接線方向に曲げられる。

この結果、図１４（ｃ）の右欄に示すように、法線方向の磁束密度１１と接線方向の磁束密度１２の大きさが揃い、Ｎ極からＳ極に至る間の磁束ベクトルの方向の変化も理想的な正弦波に近づく。特に、図１３（ｃ）に示すように、第一及び第二の歯部５ｂ，６ｂの先端を第二及び第一の基体６ａ，５ａの対向面６ｃ、５ｃとは反対側の表面６ｄ，５ｄまで伸ばすことで、より理想的な正弦波に近づく。理想的な正弦波に近づけた磁界の方向をセンサ２で検出することで、エンコーダの検出精度を高くすることができる。

次に、第一及び第二の歯部５ｂ，６ｂの幅Ｗと極ピッチＰの最適化を説明する。図１８は、幅Ｗと極ピッチＰを最適化した場合とそうでない場合とで、法線方向の磁束密度及び接線方向の磁束密度を比較した図である。法線方向の磁束密度と接線方向の磁束密度から磁束ベクトルを求めることができる。法線方向の磁束密度が理想的な正弦波であり、接線方向の磁束密度が理想的な余弦波であれば、リサージュ図形は真円になる。

図１８（ｂ）が本発明例を示し、図１８（ａ）及び（ｃ）が比較例を示す。図１８（ｂ）に示すように、幅Ｗと極ピッチＰとの関係を最適化することで、法線方向の磁束密度が理想的な正弦波に近づき、接線方向の磁束密度が理想的な余弦波に近づく。この結果、リサージュ図形は真円に近づく。

しかし、図１８（ａ）の左欄に示すように、極ピッチＰに対して幅Ｗが占める割合が大きい場合、図１８（ａ）の右欄に示すように、法線方向の磁束密度は大きいまま急激に上方向から下方向に向きが変わり、接線方向の磁束密度は三角形に近くなる。また、図１８（ｃ）の左欄に示すように、極ピッチＰに対して幅Ｗが占める割合が小さい場合、図１８（ｃ）の右欄に示すように、法線方向の磁束密度は直線的に小さくなり、接線方向の磁束密度は台形に近くなる。この結果、図１８（ａ）の場合でも図１８（ｃ）の場合でもリサージュ図形は真円から遠ざかる。

幅Ｗと極ピッチＰとの比を１：２．０以上２．４以下に設定した理由は以下のとおりである。まず発明者は、図１９に示すように、センサ２のＡ相信号及びＢ相信号を解析により算出し、理想との誤差を求めた。理想のＡ相信号及びＢ相信号は９０°位相がずれた理想的な正弦波及び余弦波である。解析により算出したセンサ２のＡ相信号及びＢ相信号出力信号が理想の正弦波及び余弦波に近ければ近いほど、リサージュ図形が真円に近づく。

次に発明者は、図２０に示すように、幅Ｗと極ピッチＰとの比Ｐ／Ｗを１．５〜２．７の範囲内で変化させたときのセンサ出力誤差を求めた。図２０（ａ）〜図２０（ｃ）に示すように、Ｐ／Ｗが１．５から大きくなるにしたがって、センサ出力誤差は小さくなる。Ｐ／Ｗが２．０以上２．４以下のとき、センサ出力誤差は１％以下になる。Ｐ／Ｗが２．４を超えるとき、センサ出力誤差が再び大きくなる。Ｐ／Ｗが２．１以上２．３以下のとき、センサ出力誤差が最小になる。このように、Ｐ／Ｗを最適化することで、エンコーダの検出精度を向上させることができる。

なお、図２０（ａ）は、ピッチ円を２０ｍｍ、極数を２４（１２極対）、極ピッチを２．６２ｍｍに設定した場合を示し、図２０（ｂ）は、ピッチ円を３０ｍｍ、極数を３６（１８極対）、極ピッチを２．６２ｍｍに設定した場合を示し、図２０（ｃ）は、ピッチ円を４０ｍｍ、極数を４８（２４極対）、極ピッチを２．６２ｍｍに設定した場合を示す。ピッチ円、極数、極ピッチは実際に製造されるエンコーダ１を想定して決定されている。

図２１は第一及び第二の歯部５ｂ，６ｂの形状の他の例を示す。図１０に示す第一及び第二の歯部５ｂ，６ｂの断面形状は四角形に形成されているのに対し、この例の第一及び第二の歯部５ｂ，６ｂの断面形状は半円形に形成される。第一及び第二の歯部５ｂ，６ｂの角を丸めることで、よりリサージュ図形を真円に近づけることができる。

本発明の第二の実施形態のエンコーダ１によれば、以下の効果を奏する。第一のヨーク５の第一の歯部５ｂの先端が第二のヨーク６の第二の基体６ａの第一のヨーク５との対向面６ｃを超えて軸線方向に伸び、第二のヨーク６の第二の歯部６ｂの先端が第一のヨーク５の第一の基体５ａの第二のヨーク６との対向面５ｃを超えて軸線方向に伸びるので、エンコーダ１の周囲のＮ極からＳ極に至る間の磁束ベクトルの大きさを略一定にできると共に、磁束ベクトルの方向の変化を理想的な正弦波に近づけることができる。理想的な正弦波に近づけた磁界の方向をセンサ２で検出することで、エンコーダの検出精度を高くすることができる。

第一のヨーク５の第一の歯部５ｂの先端が第二のヨーク６の第二の基体６ａの対向面６ｃとは反対側の表面６ｄまで伸び、第二のヨーク６の第二の歯部６ｂの先端が第一のヨーク５の第一の基体５ａの対向面５ｃとは反対側の表面５ｄまで伸びれば、エンコーダ１の周囲のＮ極からＳ極に至る間の磁束密度の方向の変化を理想的な正弦波により近づけることができる。また、エンコーダ１を作り易くなるし、エンコーダ１を相手部品に取り付けるのも容易になる。

第一及び第二の歯部５ｂ，６ｂの幅Ｗと極ピッチＰとの比を１：２．０以上２．４以下に設定することで、Ｎ極からＳ極に至る間の磁束ベクトルの方向の変化を示すリサージュ図形を真円に近づけることができ、したがって磁束ベクトルの方向の変化を理想的な正弦波に近づけることができる。理想的な正弦波に近づけた磁界の方向をセンサ２で検出することで、エンコーダ１の検出精度を高くすることができる。

センサ２から９０°位相差を持つＡ相信号及びＢ相信号を出力することで、回転部材の回転方向を検出することができる。

なお、本発明は上記実施形態に限られることなく、本発明の要旨を変更しない範囲で種々変更できる。

上記第一の実施形態のエンコーダの第一及び第二の磁石、第一及び第二のヨーク、カラー、第一及び第二のバックヨークの形状は一例であり、本発明の要旨を変更しない範囲で他の形状を採用し得る。

上記第一の実施形態では、第一及び第二のヨークの外側に第一及び第二の磁石を配置しているが、第一及び第二のヨークの内側に第一及び第二の磁石を配置することもできるし、第一のヨークの外側に第一の磁石を配置し、第二のヨークの内側に第二の磁石を配置することもできる。

上記第一の実施形態では、第一の磁石と第二の磁石とを軸線方向に離すためにカラーを設けているが、カラーの替わりに空隙によって第一の磁石と第二の磁石とを軸線方向に離すこともできる。
上記第一の実施形態では、センサに傾きが生じた場合を説明したが、もちろん、センサが傾いていない場合も本発明の範囲に含まれる。

上記第二の実施形態のエンコーダの磁石、第一及び第二のヨークの形状は一例であり、本発明の要旨を変更しない範囲で他の形状を採用し得る。

上記第二の実施形態のエンコーダのピッチ円、極数、極ピッチは一例であり、本発明の要旨を変更しない範囲で他のピッチ円、極数、極ピッチを採用し得る。

上記第一及び上記第二の実施形態では、センサからＡ相信号及びＢ相信号を出力しているが、どちらか一方のみの信号を出力してもよい。

１…エンコーダ（磁気式エンコーダ），２…センサ，４…磁石，５…第一のヨーク，５ａ…第一の基体，５ｂ…第一の歯部，６…第二のヨーク，６ａ…第二の基体，６ｂ…第二の歯部，Ｗ…第一及び第二の歯部の幅，Ｐ…極ピッチ，５１…エンコーダ（磁気式エンコーダ），５２…センサ読取平面，５３…カラー，５３ｃ…溝，５４…第一のヨーク，５４ｂ…第一の歯部，５５…第二のヨーク，５５ｂ…第二の歯部，５６…第一の磁石，５７…第二の磁石，５８…第一のバックヨーク，５９…第二のバックヨーク，６２…センサ

Claims (10)

1. 軸線方向に着磁される第一の磁石と、
   前記第一の磁石から軸線方向に離れ、軸線方向に着磁される第二の磁石と、
   前記第一の磁石によって磁化され、少なくとも一つの第一の歯部を有する第一のヨークと、
   前記第二の磁石によって磁化され、周方向に前記第一の歯部と交互に配置される少なくとも一つの第二の歯部を有する第二のヨークと、
   を備える磁気式エンコーダ。
2. 前記磁気式エンコーダはさらに、
   前記第一のヨークと前記第二のヨークとの間に配置される非磁性体のカラーを備えることを特徴とする請求項１に記載の磁気式エンコーダ。
3. 前記カラーには、前記第一の歯部及び前記第二の歯部が嵌まる溝が形成されることを特徴とする請求項２に記載の磁気式エンコーダ。
4. 前記第一及び前記第二の磁石は、前記第一及び前記第二のヨークの軸線方向の外側に配置されることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の磁気式エンコーダ。
5. 前記磁気式エンコーダはさらに、
   前記第一及び前記第二の磁石の軸線方向の外側に配置される第一及び第二のバックヨークを備えることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の磁気式エンコーダ。
6. 軸線方向に着磁される磁石と、
   前記磁石の前記軸線方向に配置され、前記磁石によってＮ極及びＳ極の一方に磁化される第一のヨークと、
   前記磁石の前記軸線方向に配置され、前記磁石によってＮ極及びＳ極の他方に磁化される第二のヨークと、を備える磁気式エンコーダにおいて、
   前記第一のヨークは、第一の基体と、前記第一の基体から前記軸線方向に伸びる少なくとも一つの第一の歯部と、を有し、
   前記第二のヨークは、第二の基体と、前記第二の基体から前記軸線方向に伸び、周方向に前記第一の歯部と交互に配置される少なくとも一つの第二の歯部と、を有し、
   前記第一のヨークの前記第一の歯部の先端は、前記第二のヨークの前記第二の基体の前記第一のヨークとの対向面を超えて前記軸線方向に伸び、
   前記第二のヨークの前記第二の歯部の先端は、前記第一のヨークの前記第一の基体の前記第二のヨークとの対向面を超えて前記軸線方向に伸びる磁気式エンコーダ。
7. 前記軸線方向から見たとき、前記第一及び前記第二の歯部の幅Ｗと、隣接する前記第一の歯部の幅方向の中心と前記第二の歯部の幅方向の中心との距離である極ピッチＰとの比が、１：２．０以上２．４以下に設定されることを特徴とする請求項６に記載の磁気式エンコーダ。
8. 前記第一のヨークの前記第一の歯部の先端は、前記第二のヨークの前記第二の基体の前記対向面とは反対側の表面まで伸び、
   前記第二のヨークの前記第二の歯部の先端は、前記第一のヨークの前記第一の基体の前記対向面とは反対側の表面まで伸びることを特徴とする請求項６又は７に記載の磁気式エンコーダ。
9. 請求項１ないし８のいずれかに記載の磁気式エンコーダと、
   磁界の方向を検出するセンサと、を備えるセンサ装置。
10. 前記センサは、前記磁気式エンコーダの回転に伴って９０°の位相差を持つＡ相信号及びＢ相信号を出力することを特徴とする請求項９に記載のセンサ装置。