JPS6355415A - エンコ−ダ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） この発明は、エンコーダ殊に精度のよい疲珍出力を得る
ようにしたロータリエンコーダの改良に関するものであ
る。

Ａ３ （従来の技術） 自動制御系における位置フィードバック信号の検出には
、ロータリまたはリニアのエンコーダ、シンクロ、レゾ
ルバなどが使われており、産業用ロボットやＮＣ工作機
などのアーム位置や軸位置などの検出にロータリエンコ
ーダがよく使われている。

このようなエンコーダには光学式のもの、磁気式のもの
があり、磁気式のものには歯車式のものやドラム式のも
のがある。しかしながら、光学式のものではスリットを
細かく切ることやそのピッチを細かくすることによって
分解能を上げることができるが、それには限界がある。

また、温度上昇等による固定板と回転板との芯ずれなど
の影響もあり、分解能の向上には限界がある。磁気式の
うち歯車式のものは安価に製作できるが、歯形のできが
悪いと波形が一定しないためピッチ精度が悪く、分解能
にも限度がある。また、磁気式のうちドラム式のものは
、例えば、第１０図のようにドラム２１の外周部に、円
周方向に沿って磁極Ｎ・Ｓを交互に配列するように着磁
し、この磁極表面と対向して適宜ギャップＧを保って磁
気センサ例えば磁気抵抗素子２２（磁気センサ）が配設
されている。そして、ドラム２１が回転すると、磁気抵
抗素子２２からは、磁極の配列ピッチに応じた周期を有
するパルス列が出力され、このパルス列をカウントする
ことによってドラム２１の回転角を表わす検出出力を得
るようになっている。

このものでは、分解能を上げるため、磁極Ｎ・Ｓのピッ
チを細かくすることができるが、磁極ピッチの減少に伴
い、ドラム２１０半径方向における磁束の有効分布範囲
が小さくなるため、磁気抵抗素子２２と磁極ＮＳとのギ
ャップを小さくすることが必要になる。しかしながら、
このギャップを余り小さくすると、ギャップの少しのば
らつきに対しても検出出力のばらつきが生じ、精度が悪
くなるという問題がある。

そして、スリット、着磁、歯形の刻設などの細分化によ
る分解能向上に限界があることから、エンコーダで得ら
れる情報を、内挿法によって更に屋　５ 細分化することによって、高分解を必要とする用途に応
じるものが、特開昭５８−８５１１８号、特開昭５９−
２１１８２２号などで明らかにされている。

ところで、従来の産業用ロボットや各種自動工作機など
では、軸やアームを減速機を介してモータで駆動するよ
うになっており、このモータに例えばロータリエンコー
ダを連結し、モータの回転を検出することによって軸や
アームの位置情報を得ている。この場合、減速機を使用
しているため、モータ回転位置の検出に多小の誤差があ
っても軸やアーム位置の検出精度にほとんど悪影響はな
かった。ところが、極めて低回転数のモータを使用し、
減速比も極めて小さい場合や、殊にダイレクトドライブ
モータのように減速機を必要としない場合、モータ回転
位置の検出精度がアームや軸の位置検出精度にまともに
影響することから、極めて高分解能の位置検出器が要求
される。

例えば、ダイレクトドライブモータを産業用ロボットな
どに使用する場合、１００万パルス／回転板上の分解能
が必要となるにもかかわらず、これに応じるような実用
的なエンコーダはなく、高価なシンクロレゾルバ等が使
われている。

（解決しようとする問題点） 精密な位置検出を行うための高分解能を有する実用的な
エンコーダを得るためには、精密な出力波形を得ること
およびこれに対する内挿を簡単な構成で実現する必要が
あり、この発明は、精密な出力波形を得ることができる
簡単な構造で、安価なエンコーダを提供しようとするも
のである。

（問題点を解決するための手段） この発明は、エンコーダの構造を簡単にし、小形で安価
なものとするための磁気式をとっており、磁気をセンス
する磁心もまた小形で安価なものとしている。そして、
高分解能化のための磁極ピッチの細分化は行わず、磁極
ピッチは比較的大きくとることによって、磁極と磁心と
のギャップを比較的大きくとることができるようにして
いる。そして、感度のよい磁心を使用することによって
、このギャップを比較的大きくとり、ギャップのばＡ７ らつきなどによる精度低下を防いでいる。更に多数の磁
心を使用して出力が平均化するように構成するとともに
、これらの磁心に巻回されるコイルのつなぎ方に工夫を
加えることによって非常に精密な出力波形を得ている。

第１図のリング状多極磁界発生手段１は、第２ａ図のよ
うにその円周に沿って比較的大きい適宜角度ピッチθ１
で順次、交互にＮ、Ｓに着磁されている。そして中心に
回動軸４が装着されて回転子Ｒを形成している。この回
転子Ｒの外側には、ヒステレシスが小さい磁化特性を有
する多数の磁心３が２段に分かれて、磁極Ｎ、Ｓと比較
的大きい適宜ギャップＧを保つとともにその軸心方向を
磁極と対向するようにして、リング状多極磁界発生手段
１と同心的に配設されている。磁心８の配列のピッチθ
２は磁極配列の角度ピッチθ１と同じであることが普通
であるが、整数倍であってもよい。

また、リング状多極磁界発生手段１を固定子側に設け、
磁心８を回転子側に設けることもできる。

そして、これら磁心３には、それぞれコイル２ｉ　（ｉ
　；１〜ｎ）が巻回され、これらのコイル２１は第３図
のように相隣る１段目（図上、上段）のものと２段目（
図上、下図）のものが順次接続されて、磁心３に掛は渡
され、検出コイル２ａ、２ｂを形成している。検出コイ
ル２ａ、２ｂの接続を詳細に示すと第２ｂ図の通りにな
る。第２ｂ図中、上・下は１段目と２段目を示し、コイ
ル２１の両端に付した符号ａａ　ｌ）は固定子Ｓｔ上で
みた、コイル２１の外周側端及び内周側端を示す。

また、Ｔ１１１　Ｔ１２はコイｋ　２　ａの引出端子を
示し、Ｔ２Ｎ。

Ｔ２２はコイル２ｂの引出端子を示す。

このように接続されているため、コイル２ａ、２ｂにつ
いて、端子Ｔｌｌ’＝　Ｔ１２　＋　Ｔ２１〜Ｔ２２間
の出力は１８０度位相がずれたものになる。

ところで、一般に磁心となる磁性材料は、第４ａ図のよ
うなヒステレシスのある磁化特性をもっているが、この
発明において使用する磁心３は第４ｂ図のように、ヒス
テレシスがなく、かつ立上り、立下りが極めて急峻な領
域で使用することによって良好な感度を得ている。

（作　用） 回転子Ｒの回動に伴い、ある磁心３にリング状多極磁界
発生手段１の磁極Ｎ、Ｓが近づき、かつ離れていくと、
これらの磁極による磁界によってその磁心３は磁化され
、コイル２１のインダクタンスが変動する。ところで、
磁心３は感度がよいので、磁心３と磁極Ｎ、Ｓのギャッ
プが比較的大きいことによる微少な磁界に対してもよく
磁化され、かつこのギャップが比較的大きいためそのば
らつきなどによる影響を受けにくいので、コイル２１の
インダクタンスの変動はどの磁極に対しても一様なもの
となる。しかも、磁心８は、１個のコイル２ａｓ　２ｂ
に対して多数設けられているため、コイル２ａ、２ｂの
端子Ｔｕ＋　ＴＩ２又はＴ２１１Ｔ２２からみたインダ
クタンスの変動は、個々の磁心８の磁化の変動に伴うイ
ンダクタンスの変動の総和である。従って、個々の磁心
３によるインダクタンスの変動には、その磁心の寸法や
リング状条極磁磁界発生手段１とのギャップのばらつき
およびリング状多極磁界発生手段１の磁極ピッチのばら
つＩＯ きなどによるばらつきがあったとしても、端子Ｔ１１゜
Ｔ１戊はＴｓｈ＋Ｔｈからみたインダクタンスの変動は
、これらのばらつきがならされて平均化されている。

また、１段目の磁心３に巻回されたコイル２１と２段目
の磁心３に巻回されたコイル２１がそれぞれ順次交互に
接続されているため、回転子Ｒの回転時における外周部
の回転子軸方向への僅かな揺動によるインダクタンス変
化もキャンセルされる。

従って端子筒１〜Ｔ１２間又は３〜勉間に電圧を印加す
ると、それぞれその波形は一様に変動する非常に精密な
波形となる。

（実施例１） リング状多極磁界発生手段は、円周にそって磁極Ｎ、Ｓ
が交互に現われるように着磁したリング状多極マグネッ
トとし、磁心３はその軸心方向がリング状多極磁界発生
手段の磁極のＮＳ方向と対向するようにし、２相出力を
得るため、これらの構成を２連式にした実施例をあげる
。

はぼ円筒形の中空のケーシング５ａおよびほぼ円板状の
蓋５ｂはステンレス鋼製で、ねじ６によ扁１１ って固定され、ケース５を形成している。

ケーシング５ａの内部には、はぼ平板状の樹脂製リング
状ホルダ７、多数の磁心３にコイル２１を巻回して接続
し、検出コイル２ａ、２ｂを形成してエポキシ樹脂で固
めたリング状の固定子Ｓｔｌ、はぼ平板状の樹脂製リン
グ状ホルダ９、前記固定子Ｓｔ１と同様に作られ、９０
度位相ずれの出力を得るよう半磁極ピンチだけ位置をず
らして設けられる固定子Ｓ　ｔｚ　ｓ平板状の樹脂製リ
ング状ホルダ１０を順次嵌装して、ねじ１１によって固
定しである。

固定子Ｓｔ１及び固定子Ｓｔ２は、同じ構造をしており
、第６図のように各１００個のアモルファス磁心３を角
度ピッチθ２で放射状に配列し、第５図のように同位置
に２段に設け、それぞれにコイル２ｉ（ｉ＝１〜１００
）を巻回しである。なお、このピッチ角度θ２は後述の
磁極のピッチ角θ１と同じにしである。そして、これら
コイル２１は、相隣る１段目のもの、２段目のもの、１
段目のもの・・・、相隣る２段目のもの、１段目のもの
、２段目のもの・・・・・・という具合に順次、交互に
かつ外周側端同志または内周側端同志を、順次直列に接
し。

第２ｂ図で１＝１００とした接続となって検出コイル２
　ａ　ｓ　２　ｂを形成している。そして、エポキシ樹
脂８で固めてあり、各コイル２には端子Ｔ１１゜Ｔ１２
及びＴ２１＋　Ｔ２２を設けている。アモルファス磁心
３は、例えば０．１ｔｔＩｎ径の素線３本からなる長さ
４ｗｎの磁心であり、ヒステレシスの小さい典形的な角
形特性の磁化特性をもつ、いわゆる零磁歪磁心である。

この特性は、日本応用磁気学界誌Ｖｏｌ・７　、Ｎｏ、
２．１９８３に紹介されている通りである。そして、０
．１ｗｎ径のエナメル線を１０回巻いて、１簡径程度の
微少な磁気センサとしている。

次に、ケース５には非磁性体の回動軸１２がベアリング
１８ａ、ｌｌｂで軸支されており、回動軸１２には、は
ぼ平板状の樹脂製ホルダ１４、リング状多極マグネット
１、はぼ平板状の樹脂製リング状ホルダ１５、リング状
多極マグネット１、平板状の樹脂製リング状ホルダ１６
を順次嵌装し、図示しない回止めを施したのち、ナツト
１７で固　１Ｂ 定して、回転子Ｒとしている。

リング状多極マグネット１は第６図のように、その円周
方向に順次角度ピッチθ１でＮ、Ｓに着磁し、全部を図
示していないが例えば１００個の磁極からなっている。

そして、リング状多極マグネットｌと磁心３とのギャッ
プＧは、最適の磁界強さく１０〜２０ガウス）を得るた
め、例えば３ミリとしている。そして例えば、前掲の日
本応用磁気学界誌に紹介されている２磁心マルチバイブ
レータブリツジと接続して好適なエンコーダが得られる
。

ところで、このようなエンコーダは前述、２磁心マルチ
バイブレータブリツジと次のように接続されて機能する
ことになる。すなわち前述２磁心マルチバイブレータブ
リツジの、磁気センサで構成される２辺をそれぞれ本実
施例のエンコーダあ磁心及びコイルで形成すると第１１
図の通りになる０ この２磁心マルチバイブレータブリツジの動作は公知の
ものであるため詳述しないが、今回転子＆１４ Ｒが定速回転しているものとすると、固定子Ｓ　ｔｌの
各コイル２　ａ　＊　２　ｂを通る磁界が周期的に変化
するため、出力信号Ｅ　ｏｕｔは第１２図のように時刻
ｔに対して周期的に変化する。この変化の周期Ｔは、回
転速度と磁極の角度ピッチθ１とに応じて定まるもので
、この出力のピーク数をカウントすることによって角度
ピッチθ１を単位とした回転子の回転角を検出できる。

また、一つの周期Ｔにおいてこの出力をサンプリングし
、それをデジタル化した（内挿した）値ＥＤを求めるこ
とによって、角度ピッチθｌ以下での細かい角度検出が
できる。

そして、前述出力信号の山や谷での精度低下は、９０度
位相をずらせて設けられた固定子ｓｔ２の磁心及びコイ
ルとこれに接続されたもう一つの２磁心マルチバイブレ
ータブリツジから出力を得ることによって補われるが、
この点は公知の通りである０ （他の実施例） コイル２０巻き方は、第５図ないし第６図のように直列
巻きにするほか、第８図のように波形巻Ａ　１５ きにするのが普通であり、その他の巻き方とすることも
できる。なお、第８図では磁極Ｎ、Ｓを簡略化して表示
しているが第２図及び第６図と変わるものではない。ま
た、磁心３は交互に１段目のもの及び２段目のものを図
示している。

２相の出力を得るためには、リング状多極マグネット１
と磁心３およびコイル２ａ、２ｂとの組合わせを２連に
するだけでなく、この組合わせは１連とし、第９図のよ
うに、コイル２ａを２　ａｌと２　ａ２の２個にし、順
次１ピツチごとにそれぞれのコイルを巻き、かつそれぞ
れ巻く方向を変えるようにすることもできる。この場合
も巻き方は直列巻きに限るものではなく、波形巻き、そ
の他とすることができる。なお、第９図においても第８
図同様、磁極を簡略化して示し、磁心３も交互に１段目
、２段目のものだけを示している。また、１相の出力を
得る場合は、リング状多極マグネット１と磁心３および
コイル２との組合わせを１連にしてよいことは当然とし
て、更に多くの出力を得たいときは、いくつも連ねるこ
とができる。また、磁心３は必ずしもリング状多極マグ
ネット１の個々の磁極の数と同数にする必要はなく、適
宜ピッチで設けることができ、コイル２も１個または２
個以外とすることができる。

磁心３およびコイル２で固定子Ｓｔを構成することに限
るものではなく、磁心３およびコイル２に回動軸Ｒを嵌
装し、リング状多極マグネット１を固定子Ｓｔとするこ
とができる。

磁心３は、零磁歪のものであればよく、アモルファスに
限るものではないが、現状ではアモルファス磁心が最適
である。

磁心３にコイル２を巻回したうえ、エポキシ樹脂で封入
固形化するばかりでなく、他の樹脂や、他の非磁性かつ
絶縁性の材料に封入することや、これらの材料で製作し
たブロック状の材で支持することができる。

磁極、磁心の数およびこれらのギャップなども適宜に決
めることができる。

ケース５としては必ずしもシールドケースにする必要は
ないが、周囲の磁ケ、ノイズの堅郷冬防ど゛扁１７ ためシールドケースとするのが一般的である。リング状
多極マグネット１や固定子Ｓｔを支持するためのサポー
ト材料、構造やねじなどによる固定のし方もまた適宜な
ものとすることができる。

リング状磁界発生手段は、リング状に多数の磁極を着磁
することによって形成したものに限るものではなく、例
えば第１３図のようにリング状に巻回したコイル１８に
磁性体１９ａ、１９ｂを装着し、コイル１８に電流を流
すようにしたものとすることなどにできる。

この発明をリニアエンコーダに実施することもできるが
、ギャップのばらつきをならすことのメリットは少ない
。

（発明の効果） 磁極ピッチを比較的大きくして、磁心と磁極とのギャッ
プを比較的大きくし、かつ感度のよい磁心を使用してい
るので、このギャップのばらつきや回転子と固定子の偏
心などによる磁束分布のばらつきの影響を少なくするこ
とができるため、精度のよい検出ができる。従って、従
来磁気式エンコーダで分解能を上げるため、着磁のピッ
−ｆ−を１、ｔりめて細かくしたことによるような精度
上の問題がなくなる。更に、多数の磁心を使用し、かつ
、この磁心に巻回したコイルの掛は渡し方からしてコイ
ルのインダクタンスの変動を−様なものにしているので
非常に精度のよい出力波形が得られる。

そして、構造を簡単にできる磁気式とし、かつ構造簡単
で小形、安価な磁心をセンサとして使用するので、磁心
を多数使用しているにもかかわらず、構造簡単で、小形
かつ安価なエンコーダを得ることができる。

【図面の簡単な説明】

図面は、この発明の構成、実施例および従来技術を示す
ものであり、第１図は断面図、第２ａ図及び第８図は矢
視図、第２ｂ図は接続図、第４ａ図および第４ｂ図は特
性図、第５図は断面図、第６図及び第７図は矢視図、第
８図、第９図および第１０図は平面図、第１１図は回路
図、第１２図は波形図、第１３図は平面図である。 図面において、１はリング状多極マグネット（崖１９ リング状多極磁界発生手段）、２はコイル、３は磁心、
Ｎ、Ｓは磁極、Ｒは回転子、Ｓｔ　＋　Ｓ　ｔ１＋　Ｓ
ｔ２は固定子である。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. （１）相互に対向する固定子と回転子を有し、この回転
   子又は固定子には、円周に沿って交互に磁極Ｎ、Ｓを形
   成してなるリング状多極磁界発生手段を設け、この固定
   子又は回転子には、ヒステレシスの小さい磁化特性をも
   った磁性体からなる複数の磁心を、前記リング状多極磁
   界発生手段の磁極ピッチと対応したピッチで、かつその
   軸心方向が前記磁極と対向するようにして２段に配設し
   、この磁心にはコイルを巻回し、これらのコイルは、相
   互に隣接する１段目の磁心、２段目の磁心、１段目の磁
   心・・・及び相互に隣接する２段目の磁心、１段目の磁
   心、２段目の磁心に巻回されたものの順に順次、接続さ
   れて２組の検出コイルを形成してなるエンコーダ。
2. （２）前記ヒステレシスの小さい磁化特性を有する磁心
   は、アモルファス磁心である特許請求の範囲第１項記載
   のエンコーダ。
3. （３）前記コイルは直列巻きしてなる特許請求の範囲第
   ３項および第４項記載のエンコーダ。
4. （４）前記コイルは波形巻きしてなる特許請求の範囲第
   ３項および第４項記載のエンコーダ。
5. （５）前記磁心およびコイルを固定子とし、前記リング
   状多極磁界発生手段に回動軸を装着して回転子とし、こ
   の回転子を前記固定子内側に挿設して回動自在に軸支し
   てなる特許請求の範囲第１項記載のエンコーダ。
6. （６）前記リング状多極磁界発生手段を固定子とし、前
   記磁心およびコイルに回動軸を装着して回転子とし、こ
   の回転子を前記固定子内側に挿設して回動自在に軸支し
   てなる特許請求の範囲第１項記載のエンコーダ。