JPWO2005040729A1 - 磁気式エンコーダ装置およびアクチュエータ - Google Patents
磁気式エンコーダ装置およびアクチュエータInfo
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Abstract
中空構造のアクチュエータの回転角度を検出することができる磁気式エンコーダ装置を得る。 リング状の回転体（１１）と、リング状の回転体（１１）の内周側に内接して固定され、回転体（１１）の中心軸と垂直方向の一方向に磁化されたリング状の永久磁石（１２）と、永久磁石（１２）の内周側に空隙を介して配置され、外周が円状で中空部を有する固定体（１３）と、固定体（１３）の外周部に永久磁石（１２）と空隙を介して配置された磁界検出素子（１４）とを備える。
Description
本発明は、回転体の回転位置を検出する磁気式エンコーダおよび磁気式エンコーダを装備したアクチュエータに関し、特に中空部を有する磁気式エンコーダ装置およびアクチュエータに関する。
従来、モータ軸などの回転体の回転角度を検出するため、２極着磁した円板状の永久磁石を回転体に固定し、この円板状の永久磁石からの磁界を固定体に固定した磁界検出素子で検出し、回転体の絶対位置を検出するようにした磁気式エンコーダ装置が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
図１７は従来の磁気式エンコーダ装置の斜視図である。
図１７において、１１は回転体（シャフト）、１２は回転体１１に回転軸を同一になるように固定された円板状の永久磁石で、回転体１１の軸に垂直方向の一方向に平行に磁化されている。１３は永久磁石１２の外周側に設けられたリング状の固定体、１４は固定体１３に互いに周方向に９０度間隔で取り付けられた４個の磁界検出素子で、永久磁石１２の外周面に対して空隙を介して対向し、かつ互いに機械角で９０度位相をずらしてＡ１相検出素子１４１とＢ１相検出素子１４２を設け、さらにＡ１相検出素子１４１に対して機械角で１８０度位相をずらしてＡ２相検出素子１４３を、Ｂ１相検出素子１４２に対して機械角で１８０度位相をずらしてＢ２相検出素子１４４を設けてある。
特ＷＯ９９／０１３２９６号公報（第４頁−５頁、図１）
図１７は従来の磁気式エンコーダ装置の斜視図である。
図１７において、１１は回転体（シャフト）、１２は回転体１１に回転軸を同一になるように固定された円板状の永久磁石で、回転体１１の軸に垂直方向の一方向に平行に磁化されている。１３は永久磁石１２の外周側に設けられたリング状の固定体、１４は固定体１３に互いに周方向に９０度間隔で取り付けられた４個の磁界検出素子で、永久磁石１２の外周面に対して空隙を介して対向し、かつ互いに機械角で９０度位相をずらしてＡ１相検出素子１４１とＢ１相検出素子１４２を設け、さらにＡ１相検出素子１４１に対して機械角で１８０度位相をずらしてＡ２相検出素子１４３を、Ｂ１相検出素子１４２に対して機械角で１８０度位相をずらしてＢ２相検出素子１４４を設けてある。
ロボットなどに用いられるアクチュエータは、パワー線や信号線を通すために、中空構造が必要となり、アウターロータタイプのアクチュエータが用いられる。このため、回転体の回転角度を検出する磁気式エンコーダ装置も中空構造が要求される。しかし、従来の磁気式エンコーダ装置は、シャフトに固定された永久磁石が回転し、空隙を介して対向した固定体に取り付けられた磁界検出素子で信号を検出する構成であるため、磁気式エンコーダ装置の中心部を中空にすることができないため、中空構造を有するアクチュエータへの適用が困難であった。
また、電磁ブレーキを内蔵する中空アクチュエータに磁気式エンコーダを装備する場合、アクチュエータの軸方向が長くなり、小形化が困難であった。また部品点数が多くなり加工、組立てコストが高くなっていた。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、中空構造のアクチュエータに適用できる磁気式エンコーダ装置および磁気式エンコーダを備えた小型で部品点数の少ない中空構造の電磁ブレーキ付アクチュエータを提供することを目的とする。
また、電磁ブレーキを内蔵する中空アクチュエータに磁気式エンコーダを装備する場合、アクチュエータの軸方向が長くなり、小形化が困難であった。また部品点数が多くなり加工、組立てコストが高くなっていた。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、中空構造のアクチュエータに適用できる磁気式エンコーダ装置および磁気式エンコーダを備えた小型で部品点数の少ない中空構造の電磁ブレーキ付アクチュエータを提供することを目的とする。
上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したものである。
請求項１に記載の発明は、回転体に固定された永久磁石と前記永久磁石に空隙を介して対向し固定体に取り付けられた磁界検出素子とを備えた磁気式エンコーダと、前記磁界検出素子からの信号を処理する信号処理回路とを備えた磁気式エンコーダ装置において、前記回転体はリング状の形状とし、前記永久磁石はリング状に形成されたものを前記回転体の内周側に内接させて固定し、かつ前記回転体の中心軸と垂直方向の一方向に平行に磁化されたものとし、前記固定体は外周が円状で中空部を有したものを前記永久磁石の内周側に空隙を介して配置し、前記磁界検出素子は、前記固定体の外周部に前記永久磁石と空隙を介して配置されていることを特徴としている。
また、請求項２に記載の発明は、前記永久磁石が平行異方性を有し２極に磁化されたことを特徴としている。
また、請求項３に記載の発明は、前記回転体が磁性体からなることを特徴としている。
また、請求項４に記載の発明は、前記固定体が磁性体からなることを特徴としている。
また、請求項５に記載の発明は、前記磁性体が軟磁性粉末の燒結材から構成されていることを特徴としている。
また、請求項６に記載の発明は、前記磁性体が軟磁性体を積層して構成されていることを特徴としている。
また、請求項７に記載の発明は、電磁モータと電磁ブレーキとを備えた中空部を有するアクチュエータが請求項１記載の磁気式エンコーダを備えたことを特徴としている。
また、請求項８に記載の発明は、前記磁気式エンコーダの固定体が前記電磁ブレーキの磁気ヨークの一部を兼用したものであることを特徴としている。
また、請求項９に記載の発明は、前記磁気式エンコーダの固定体が前記電磁ブレーキの磁気ヨークと嵌合構造を有することを特徴としている。
また、請求項１０に記載の発明は、前記電磁モータおよび前記電磁ブレーキと前記磁気式エンコーダ間に磁気シールドを配置したことを特徴としている。
また、請求項１１に記載の発明は、前記電磁ブレーキの電源リードを通すリード穴が前記磁気式エンコーダの固定体に設けられたことを特徴としている。
また、請求項１２に記載の発明は、前記電磁ブレーキの電源リードを通す切り欠き部が前記磁気式エンコーダの固定体の内周側に設けられたことを特徴としている。
また、請求項１３に記載の発明は、前記リード穴および前記切り欠き部が前記固定体の中心と前記固定体に取り付けられた磁界検出素子とを結ぶ線上に配置されたことを特徴としている。
また、請求項１４に記載の発明は、前記リード穴が前記固定体の内周側に配置されたことを特徴としている。
請求項１に記載の発明は、回転体に固定された永久磁石と前記永久磁石に空隙を介して対向し固定体に取り付けられた磁界検出素子とを備えた磁気式エンコーダと、前記磁界検出素子からの信号を処理する信号処理回路とを備えた磁気式エンコーダ装置において、前記回転体はリング状の形状とし、前記永久磁石はリング状に形成されたものを前記回転体の内周側に内接させて固定し、かつ前記回転体の中心軸と垂直方向の一方向に平行に磁化されたものとし、前記固定体は外周が円状で中空部を有したものを前記永久磁石の内周側に空隙を介して配置し、前記磁界検出素子は、前記固定体の外周部に前記永久磁石と空隙を介して配置されていることを特徴としている。
また、請求項２に記載の発明は、前記永久磁石が平行異方性を有し２極に磁化されたことを特徴としている。
また、請求項３に記載の発明は、前記回転体が磁性体からなることを特徴としている。
また、請求項４に記載の発明は、前記固定体が磁性体からなることを特徴としている。
また、請求項５に記載の発明は、前記磁性体が軟磁性粉末の燒結材から構成されていることを特徴としている。
また、請求項６に記載の発明は、前記磁性体が軟磁性体を積層して構成されていることを特徴としている。
また、請求項７に記載の発明は、電磁モータと電磁ブレーキとを備えた中空部を有するアクチュエータが請求項１記載の磁気式エンコーダを備えたことを特徴としている。
また、請求項８に記載の発明は、前記磁気式エンコーダの固定体が前記電磁ブレーキの磁気ヨークの一部を兼用したものであることを特徴としている。
また、請求項９に記載の発明は、前記磁気式エンコーダの固定体が前記電磁ブレーキの磁気ヨークと嵌合構造を有することを特徴としている。
また、請求項１０に記載の発明は、前記電磁モータおよび前記電磁ブレーキと前記磁気式エンコーダ間に磁気シールドを配置したことを特徴としている。
また、請求項１１に記載の発明は、前記電磁ブレーキの電源リードを通すリード穴が前記磁気式エンコーダの固定体に設けられたことを特徴としている。
また、請求項１２に記載の発明は、前記電磁ブレーキの電源リードを通す切り欠き部が前記磁気式エンコーダの固定体の内周側に設けられたことを特徴としている。
また、請求項１３に記載の発明は、前記リード穴および前記切り欠き部が前記固定体の中心と前記固定体に取り付けられた磁界検出素子とを結ぶ線上に配置されたことを特徴としている。
また、請求項１４に記載の発明は、前記リード穴が前記固定体の内周側に配置されたことを特徴としている。
請求項１に記載の発明によると、回転体はリング状の形状を有し、永久磁石はリング状に形成され、かつ回転体の中心軸と垂直方向の一方向に平行に磁化されるとともに回転体の内周側に固定され、固定体は中空部および円状の外周を有し、磁界検出素子は永久磁石の内周側に空隙を介して配置され、かつ前記固定体の外周側に固定されている構成としているので、構造が簡単で低コスト、小型、薄型、絶対値タイプの高精度な中空構造の磁気式エンコーダ装置が実現でき、中空構造のアクチュエータの回転角度を検出することができるという効果がある。
また、平行異方性の磁石を用いれば、簡便な着磁装置を用いて容易に、極めて精度良く、一方向に着磁することができる。
また、回転体に磁性体を用いれば、磁石の使用パーミアンスが大きく、発生磁界が強くなり、磁界検出素子から大きな出力信号を得ることが出来る。また外部磁界をシールドする効果も有するため、外部からの磁気ノイズを低減し、Ｓ／Ｎ比を高めることが出来る。
また、固定体に磁性体を用いれば、磁石の使用パーミアンスが大きく、発生磁界が強くなり、磁界検出素子から大きな出力信号を得ることが出来る。
また、固定体を、軟磁性の燒結材で構成すれば、固定体に発生する渦電流が抑制され、低速から高速回転まで、高精度に回転角度を検出できる磁気式エンコーダ装置が実現できる。また燒結材は、型を用いたバッチ成形加工ができるので、加工、組立コストを安くでき、低コストのエンコーダ装置を実現できる。また破砕が容易であるのでリサイクルが可能である。従って環境負荷の小さい磁気式エンコーダ装置を実現できる。
また、固定体を、絶縁体の表面皮膜をコーティングした軟磁性体の薄板を積層して構成すれば、固定体には渦電流が発生せず、回転速度にかかわらず、高精度に回転角度を検出することが可能な磁気式エンコーダ装置が実現できる。
また、請求項７記載の発明によると、中空部を有する磁気式エンコーダを、中空部を有する電磁ブレーキ付のアクチュエータに適用したので、中空構造の電磁ブレーキ付のアクチュエータが実現できる。
また、固定体として、電磁ブレーキの磁気ヨークを磁気式エンコーダの固定体として兼用すれば、軸方向長さが短くなり、アクチュエータがコンパクトとなる。また部品点数が少なくなるので、加工、組立てコストが低減するとともに、信頼性が向上する。
また、磁気エンコーダの固定体が、電磁ブレーキの磁気ヨークと嵌合構造を有すれば、組み立てが容易になる。また固定体へ磁気検出素子を精度良く容易に取りつけることができる。
また、電磁モータおよび電磁ブレーキと磁気式エンコーダ間に磁気シールドを配置すれば、モータ、電磁ブレーキや外部からの磁界ノイズを遮断することができ、磁気式エンコーダの耐ノイズ性が向上する。
また、電磁ブレーキの電源リードを通すリード穴を固定体に設ければ、電源リード線をリード穴を通してアクチュエータ外部へ取り出すことができる。そのためリード線を引き回すスペースが不要となり、アクチュエータを軸方向に小形化できるとともに、組み立てが容易になる。またリード線が屈曲しないので、リード線の信頼性が向上する。
また、磁気式エンコーダの固定体の内周側に切り欠きを設ければ、簡単な加工で、磁気式エンコーダの精度を劣化させることなく電磁ブレーキのリード線を通すことが可能となる。
また、リード穴および切り欠き部は、固定体の中心と磁界検出素子とを結ぶ線上に配置すれば、リード穴あるいは切り欠き部を設けることによる磁気式エンコーダの精度劣化を小さくすることができる。
また、リード穴を固定体の内周側に配置すれば、リード穴を設けることによる磁気式エンコーダの精度劣化をさらに小さくすることができる。
また、平行異方性の磁石を用いれば、簡便な着磁装置を用いて容易に、極めて精度良く、一方向に着磁することができる。
また、回転体に磁性体を用いれば、磁石の使用パーミアンスが大きく、発生磁界が強くなり、磁界検出素子から大きな出力信号を得ることが出来る。また外部磁界をシールドする効果も有するため、外部からの磁気ノイズを低減し、Ｓ／Ｎ比を高めることが出来る。
また、固定体に磁性体を用いれば、磁石の使用パーミアンスが大きく、発生磁界が強くなり、磁界検出素子から大きな出力信号を得ることが出来る。
また、固定体を、軟磁性の燒結材で構成すれば、固定体に発生する渦電流が抑制され、低速から高速回転まで、高精度に回転角度を検出できる磁気式エンコーダ装置が実現できる。また燒結材は、型を用いたバッチ成形加工ができるので、加工、組立コストを安くでき、低コストのエンコーダ装置を実現できる。また破砕が容易であるのでリサイクルが可能である。従って環境負荷の小さい磁気式エンコーダ装置を実現できる。
また、固定体を、絶縁体の表面皮膜をコーティングした軟磁性体の薄板を積層して構成すれば、固定体には渦電流が発生せず、回転速度にかかわらず、高精度に回転角度を検出することが可能な磁気式エンコーダ装置が実現できる。
また、請求項７記載の発明によると、中空部を有する磁気式エンコーダを、中空部を有する電磁ブレーキ付のアクチュエータに適用したので、中空構造の電磁ブレーキ付のアクチュエータが実現できる。
また、固定体として、電磁ブレーキの磁気ヨークを磁気式エンコーダの固定体として兼用すれば、軸方向長さが短くなり、アクチュエータがコンパクトとなる。また部品点数が少なくなるので、加工、組立てコストが低減するとともに、信頼性が向上する。
また、磁気エンコーダの固定体が、電磁ブレーキの磁気ヨークと嵌合構造を有すれば、組み立てが容易になる。また固定体へ磁気検出素子を精度良く容易に取りつけることができる。
また、電磁モータおよび電磁ブレーキと磁気式エンコーダ間に磁気シールドを配置すれば、モータ、電磁ブレーキや外部からの磁界ノイズを遮断することができ、磁気式エンコーダの耐ノイズ性が向上する。
また、電磁ブレーキの電源リードを通すリード穴を固定体に設ければ、電源リード線をリード穴を通してアクチュエータ外部へ取り出すことができる。そのためリード線を引き回すスペースが不要となり、アクチュエータを軸方向に小形化できるとともに、組み立てが容易になる。またリード線が屈曲しないので、リード線の信頼性が向上する。
また、磁気式エンコーダの固定体の内周側に切り欠きを設ければ、簡単な加工で、磁気式エンコーダの精度を劣化させることなく電磁ブレーキのリード線を通すことが可能となる。
また、リード穴および切り欠き部は、固定体の中心と磁界検出素子とを結ぶ線上に配置すれば、リード穴あるいは切り欠き部を設けることによる磁気式エンコーダの精度劣化を小さくすることができる。
また、リード穴を固定体の内周側に配置すれば、リード穴を設けることによる磁気式エンコーダの精度劣化をさらに小さくすることができる。
１０ 磁気式エンコーダ ２１１ ステータヨーク
１１ 回転体 ２１２ 電機子巻線
１２ 永久磁石 ２２ ロータ
１３ 固定体 ２２１ モータ界磁永久磁石
１３１ リード穴 ２２２ ロータヨーク
１３２ 切り欠き部 ３０ 電磁ブレーキ
１４ 磁界検出素子 ３１ フィールド
１４１ Ａ１相検出素子 ３１１ ブレーキヨーク
１４２ Ｂ１相検出素子 ３１２ ブレーキコイル
１４３ Ａ２相検出素子 ３１３ 電源リード
１４４ Ｂ２相検出素子 ３２ アマチュア
１５ 信号処理回路 ３３ バネ
１５１、１５２ 差動アンプ ３４ ブレーキ摩擦板
１５３ 角度演算回路 ３５ ブレーキディスク
１６ 磁気シールド ５０ アクチュエータ固定体
２０ モータ ６０ 結合部材
２１ ステータ
１１ 回転体 ２１２ 電機子巻線
１２ 永久磁石 ２２ ロータ
１３ 固定体 ２２１ モータ界磁永久磁石
１３１ リード穴 ２２２ ロータヨーク
１３２ 切り欠き部 ３０ 電磁ブレーキ
１４ 磁界検出素子 ３１ フィールド
１４１ Ａ１相検出素子 ３１１ ブレーキヨーク
１４２ Ｂ１相検出素子 ３１２ ブレーキコイル
１４３ Ａ２相検出素子 ３１３ 電源リード
１４４ Ｂ２相検出素子 ３２ アマチュア
１５ 信号処理回路 ３３ バネ
１５１、１５２ 差動アンプ ３４ ブレーキ摩擦板
１５３ 角度演算回路 ３５ ブレーキディスク
１６ 磁気シールド ５０ アクチュエータ固定体
２０ モータ ６０ 結合部材
２１ ステータ
以下、本発明の具体的実施例について、図に基づいて説明する。
図１は本発明の磁気式エンコーダ装置の構造を示す断面図である。
図１において、１１は磁性体からなるリング状の回転体、１２は回転体１１の内周側に内接させて固定したリング状に形成された永久磁石で、回転体１１の中心軸と垂直方向の一方向に平行に磁化されている。１３は中空部を有する磁性体からなり、円状の外周を有する固定体である。また１４は磁界検出素子で永久磁石１２の内周側と空隙部を介して対向するように固定体１３の外周側に固定されている。この構成により固定体１３の中心部、すなわち磁気式エンコーダ装置の中心部を中空にすることができる。
具体的な構成の一例を挙げると次のようになる。
回転体１１は外径５０ｍｍ、中空径２０ｍｍの磁性体（ＳＳ４１）。永久磁石１２は外径４０ｍｍの平行異方性を有するＳｍＣｏ系のリング状磁石。固定体１３の材質はＳ４５Ｃ。磁界検出素子１４はホール素子。
図１において、１１は磁性体からなるリング状の回転体、１２は回転体１１の内周側に内接させて固定したリング状に形成された永久磁石で、回転体１１の中心軸と垂直方向の一方向に平行に磁化されている。１３は中空部を有する磁性体からなり、円状の外周を有する固定体である。また１４は磁界検出素子で永久磁石１２の内周側と空隙部を介して対向するように固定体１３の外周側に固定されている。この構成により固定体１３の中心部、すなわち磁気式エンコーダ装置の中心部を中空にすることができる。
具体的な構成の一例を挙げると次のようになる。
回転体１１は外径５０ｍｍ、中空径２０ｍｍの磁性体（ＳＳ４１）。永久磁石１２は外径４０ｍｍの平行異方性を有するＳｍＣｏ系のリング状磁石。固定体１３の材質はＳ４５Ｃ。磁界検出素子１４はホール素子。
次に本発明の磁気式エンコーダ装置の動作について述べる。
回転体１１が回転すると、永久磁石１２も回転し、永久磁石１２の磁界の変化により、磁界検出素子１４から回転体１１の１回転に対し１サイクルの正弦波状の信号が出力される。
図２は信号処理回路のブロック図であり、磁界検出素子１４からの信号を処理して角度信号θに変換する。図２において、１５１、１５２は差動アンプ、１５３は角度演算回路である。互いに１８０度対向位置に配置されたＡ１相検出素子１４１およびＡ２相検出素子１４３からのそれぞれの検出信号Ｖａ１およびＶａ２が差動アンプ１５１に入力され、両信号の差動信号であるＡ相信号Ｖａが得られる。同様に、互いに１８０度対向位置に配置されたＢ１相検出素子１４２およびＢ２相検出素子１４４からのそれぞれの検出信号Ｖｂ１およびＶｂ２が差動アンプ１５２に入力され、両信号の差動信号であるＢ相信号Ｖｂが得られる。
図３は磁界検出素子の出力を示す説明図であり、Ａ相信号ＶａとＢ相信号Ｖｂの波形図を示す。Ａ相信号ＶａとＢ相信号Ｖｂはそれぞれに対応した検出素子の配置から９０度位相の異なる信号となる。
Ａ相信号ＶａとＢ相信号Ｖｂは角度演算回路１５３に入力され、ａｒｃｔａｎ（Ｖａ／Ｖｂ）の演算処理により角度信号θが得られる。
回転体１１が回転すると、永久磁石１２も回転し、永久磁石１２の磁界の変化により、磁界検出素子１４から回転体１１の１回転に対し１サイクルの正弦波状の信号が出力される。
図２は信号処理回路のブロック図であり、磁界検出素子１４からの信号を処理して角度信号θに変換する。図２において、１５１、１５２は差動アンプ、１５３は角度演算回路である。互いに１８０度対向位置に配置されたＡ１相検出素子１４１およびＡ２相検出素子１４３からのそれぞれの検出信号Ｖａ１およびＶａ２が差動アンプ１５１に入力され、両信号の差動信号であるＡ相信号Ｖａが得られる。同様に、互いに１８０度対向位置に配置されたＢ１相検出素子１４２およびＢ２相検出素子１４４からのそれぞれの検出信号Ｖｂ１およびＶｂ２が差動アンプ１５２に入力され、両信号の差動信号であるＢ相信号Ｖｂが得られる。
図３は磁界検出素子の出力を示す説明図であり、Ａ相信号ＶａとＢ相信号Ｖｂの波形図を示す。Ａ相信号ＶａとＢ相信号Ｖｂはそれぞれに対応した検出素子の配置から９０度位相の異なる信号となる。
Ａ相信号ＶａとＢ相信号Ｖｂは角度演算回路１５３に入力され、ａｒｃｔａｎ（Ｖａ／Ｖｂ）の演算処理により角度信号θが得られる。
次に本発明の磁気式エンコーダ装置の特性について述べる。
本発明の磁気式エンコーダ装置と基準エンコーダ装置（分解能１０５万ＰＰＲ）を結合し、外部から回転させ、本発明の磁気式エンコーダ装置の検出角度と基準エンコーダの検出角度を測定し比較評価した。
図４は本発明の信号処理回路の出力を示す説明図であり、回転体１１が回転したときの、信号処理回路１５の角度出力を示している。また図５は本発明の検出角度誤差を示す説明図であり、基準エンコーダとの角度誤差を示している。図５から角度誤差０．０８度、精度１２ｂｉｔの高精度な性能を有することがわかった。
本発明の磁気式エンコーダ装置と基準エンコーダ装置（分解能１０５万ＰＰＲ）を結合し、外部から回転させ、本発明の磁気式エンコーダ装置の検出角度と基準エンコーダの検出角度を測定し比較評価した。
図４は本発明の信号処理回路の出力を示す説明図であり、回転体１１が回転したときの、信号処理回路１５の角度出力を示している。また図５は本発明の検出角度誤差を示す説明図であり、基準エンコーダとの角度誤差を示している。図５から角度誤差０．０８度、精度１２ｂｉｔの高精度な性能を有することがわかった。
なお、本実施例において、永久磁石１２はＳｍＣｏ系磁石で説明したが、本発明は、磁石の材質によらず、ＮｅＦｅＢ系磁石、ボンド磁石やフェライト磁石においても同様な効果がある。また、回転体１１、固定体１３の材質はそれぞれ磁性体ＳＳ４１、Ｓ４５Ｃで説明したが、他の磁性体でも良い。また、固定体１３の中空部の形状は円状でなくとも良い。また、磁界検出素子１４はホール素子で説明したが、磁気抵抗素子を使用しても同様の効果を得られる。
本実施例では固定体１３を第１実施例で用いた機械構造材（Ｓ４５Ｃ）等による磁性ブロック材から焼結軟磁性体に代えた。
焼結軟磁性体は直径数１０μｍの微細な鉄粉を数百ｎｍの厚みをもつ絶縁皮膜でコーティングし、バインダーで固め成形加工したものである。そのため粉末間は電気的に絶縁されている。
焼結軟磁性体は直径数１０μｍの微細な鉄粉を数百ｎｍの厚みをもつ絶縁皮膜でコーティングし、バインダーで固め成形加工したものである。そのため粉末間は電気的に絶縁されている。
ここで、渦電流が発生する現象と渦電流が精度に与える影響について説明する。
図６は渦電流の発生を説明する模式図である。
図６に示すように永久磁石１２による回転磁界は磁気回路を構成する固定体１３を通過する。回転体１１に固着された永久磁石１２が回転すると、固定体１３内の磁束変化を打ち消す方向に、固定体表面近傍内側に渦電流が発生する。渦電流の大きさは、固定体に流入する磁束、固定体の半径、回転速度、および固定体の電気伝導度の積に比例する。また正逆どちらに回転しても、渦電流は回転磁界より位相が遅れ、固定体に流入する磁束を減少させ、エンコーダ精度を劣化させる。
すなわち、固定体１３に機械構造材（Ｓ４５Ｃ）等による磁性ブロック材を用いると、回転磁界が渦電流の影響を受け、検出信号の位相が変化すると共に出力電圧を低下させる。また、その影響が回転数とともに増加することが分かる。
本実施例では固定体１３に焼結軟磁性体を用いており、焼結軟磁性体の軟磁性粉末間は電気的に絶縁されているので、エンコーダ精度に影響を及ぼす渦電流は発生しない。
回転速度をパラメータにして、５０００ｍｉｎ−１まで渦電流に起因する角度誤差を測定したが、測定誤差以下であった。
図６は渦電流の発生を説明する模式図である。
図６に示すように永久磁石１２による回転磁界は磁気回路を構成する固定体１３を通過する。回転体１１に固着された永久磁石１２が回転すると、固定体１３内の磁束変化を打ち消す方向に、固定体表面近傍内側に渦電流が発生する。渦電流の大きさは、固定体に流入する磁束、固定体の半径、回転速度、および固定体の電気伝導度の積に比例する。また正逆どちらに回転しても、渦電流は回転磁界より位相が遅れ、固定体に流入する磁束を減少させ、エンコーダ精度を劣化させる。
すなわち、固定体１３に機械構造材（Ｓ４５Ｃ）等による磁性ブロック材を用いると、回転磁界が渦電流の影響を受け、検出信号の位相が変化すると共に出力電圧を低下させる。また、その影響が回転数とともに増加することが分かる。
本実施例では固定体１３に焼結軟磁性体を用いており、焼結軟磁性体の軟磁性粉末間は電気的に絶縁されているので、エンコーダ精度に影響を及ぼす渦電流は発生しない。
回転速度をパラメータにして、５０００ｍｉｎ−１まで渦電流に起因する角度誤差を測定したが、測定誤差以下であった。
図７（ａ）は本発明の第３実施例である磁気式エンコーダ装置の構造を示す断面図、図７（ｂ）は図７（ａ）のＡ−Ａ’断面図である。
本実施例が第１実施例と異なる点は、第１実施例では固定体１３にＳ４５Ｃを用いたが、本実施例では固定体１３を絶縁体で表面コーティングした薄板の軟磁性体である珪素鋼板を積層して構成した点であり、その他の構成は第１実施例と同じである。
本実施例が第１実施例と異なる点は、第１実施例では固定体１３にＳ４５Ｃを用いたが、本実施例では固定体１３を絶縁体で表面コーティングした薄板の軟磁性体である珪素鋼板を積層して構成した点であり、その他の構成は第１実施例と同じである。
図８は本発明の第４実施例を示す中空のアクチュエータの構造を示す断面図である。
図８において１０は磁気式エンコーダ、２０はモータ、３０は電磁ブレーキである。モータ２０は、ステータヨーク２１１および電機子巻線２１２から成るステータ２１と、モータ界磁永久磁石２２１およびロータヨーク２２２から成るロータ２２から構成されている。また、電磁ブレーキ３０はフィールド３１、アマチュア３２、バネ３３、ブレーキ摩擦板３４およびブレーキディスク３５から構成され、フィールド３１はブレーキヨーク３１１およびブレーキコイル３１２から構成されている。なお、アマチュア３２は軸方向へ可動な構成になっている。
また、磁気式エンコーダ１０の回転体１１はモータ２０のロータ２２に非磁性の結合部材６０で結合されており、ロータ２２の回転位置を検出する。また、磁気式エンコーダ１０の固定体１３は電磁ブレーキ３０のブレーキヨーク３１１の一部を兼用している。磁気式エンコーダ１０の構成については、電磁ブレーキ３０のブレーキヨーク３１１の一部が磁気式エンコーダ１０の固定体１３を兼ねていることを除けば第１実施例と同じである。
ここで電磁ブレーキの動作について説明する。
電磁ブレーキ３０が通電されていないときは、バネ３３はアマチュア３２を押し、ブレーキ摩擦板３４を介して、スプラインによって軸方向に移動可能なブレーキディスク３５をアクチュエータ部固定体５０に押し付けるためロータ２２は回転できない。しかし、電磁ブレーキ３０に通電するとフィールド３１とアマチュア３２間に電磁力が働き、アマチュア３２はブレーキヨーク３１１側に吸引される。これによって、ブレーキ摩擦板３４はフリーになり、モータ２０のロータ２２は自由に回転できる。
このように本実施例では電磁ブレーキのブレーキヨークの一部を磁気式エンコーダの固定体として利用し、一体形成している。
図８において１０は磁気式エンコーダ、２０はモータ、３０は電磁ブレーキである。モータ２０は、ステータヨーク２１１および電機子巻線２１２から成るステータ２１と、モータ界磁永久磁石２２１およびロータヨーク２２２から成るロータ２２から構成されている。また、電磁ブレーキ３０はフィールド３１、アマチュア３２、バネ３３、ブレーキ摩擦板３４およびブレーキディスク３５から構成され、フィールド３１はブレーキヨーク３１１およびブレーキコイル３１２から構成されている。なお、アマチュア３２は軸方向へ可動な構成になっている。
また、磁気式エンコーダ１０の回転体１１はモータ２０のロータ２２に非磁性の結合部材６０で結合されており、ロータ２２の回転位置を検出する。また、磁気式エンコーダ１０の固定体１３は電磁ブレーキ３０のブレーキヨーク３１１の一部を兼用している。磁気式エンコーダ１０の構成については、電磁ブレーキ３０のブレーキヨーク３１１の一部が磁気式エンコーダ１０の固定体１３を兼ねていることを除けば第１実施例と同じである。
ここで電磁ブレーキの動作について説明する。
電磁ブレーキ３０が通電されていないときは、バネ３３はアマチュア３２を押し、ブレーキ摩擦板３４を介して、スプラインによって軸方向に移動可能なブレーキディスク３５をアクチュエータ部固定体５０に押し付けるためロータ２２は回転できない。しかし、電磁ブレーキ３０に通電するとフィールド３１とアマチュア３２間に電磁力が働き、アマチュア３２はブレーキヨーク３１１側に吸引される。これによって、ブレーキ摩擦板３４はフリーになり、モータ２０のロータ２２は自由に回転できる。
このように本実施例では電磁ブレーキのブレーキヨークの一部を磁気式エンコーダの固定体として利用し、一体形成している。
図９は本発明の第５実施例を示す中空のアクチュエータの構造を示す断面図である。
図において１３は固定体で、ブレーキヨーク３１１に嵌合するように形成されている。
本実施例が第４実施例と異なる点は第４実施例では磁気式エンコーダの固定体１３はブレーキヨーク３１１と一体形成されているのに対し、本実施例ではブレーキヨーク３１１に嵌合するように形成されている点である。一例として、固定体１３の材質には軟磁性の焼結材が、また磁気ヨーク３１１の材質にはＳ１０Ｃが利用できる。
図において１３は固定体で、ブレーキヨーク３１１に嵌合するように形成されている。
本実施例が第４実施例と異なる点は第４実施例では磁気式エンコーダの固定体１３はブレーキヨーク３１１と一体形成されているのに対し、本実施例ではブレーキヨーク３１１に嵌合するように形成されている点である。一例として、固定体１３の材質には軟磁性の焼結材が、また磁気ヨーク３１１の材質にはＳ１０Ｃが利用できる。
図１０は本発明の第６実施例を示す中空のアクチュエータの構造を示す断面図、図１１は図１０のＢ−Ｂ’断面図である。
図において１６は磁気シールドである。
本実施例が第４実施例と異なる点は磁気シールド１６を設けた点である。
磁気シールドの材質としては、例えばＳＳ材が利用できる。
磁気シールドを設ければ、電機子巻線２１２およびブレーキコイル３１２からの磁界ノイズを遮断でき、磁気式エンコーダとモータおよび電磁ブレーキ間の距離を短く出来るという効果もある。
図において１６は磁気シールドである。
本実施例が第４実施例と異なる点は磁気シールド１６を設けた点である。
磁気シールドの材質としては、例えばＳＳ材が利用できる。
磁気シールドを設ければ、電機子巻線２１２およびブレーキコイル３１２からの磁界ノイズを遮断でき、磁気式エンコーダとモータおよび電磁ブレーキ間の距離を短く出来るという効果もある。
図１２は本発明の第７実施例を示す中空のアクチュエータの構造を示す断面図、図１３は図１２のＣ−Ｃ’断面図である。
図において１３１は磁気式エンコーダの固定体１３に形成したリード穴で、３１３は電磁ブレーキの電源リードである。このリード穴１３１に電磁ブレーキのブレーキ電源のリード３１３が通されている。リード穴は円形状とし、リード穴１３１の位置は固定体１３の中心と磁界検出素子１４とを結ぶ線上で、固定体１３の内周側に配置されている。
なお、リード穴は１個所でも良いし、各磁界検出素子の磁束分布がバランスするよう複数個所に設けても良い。ただし、リード穴を複数個所に設けた場合でも１個所のリード穴に往復の２本の電源リードを通した方が良い。リード穴内の２本の電源リードの電流方向はお互いに逆向きになるため磁界の発生が抑えられ、ブレーキコイルに流れる電流が磁界検出素子に影響するのを防ぐことができる。
本実施例が第４実施例と異なる点は磁気式エンコーダ装置１０の固定体１３に電磁ブレーキ３０の電源リード３１３を通すリード穴１３１を設けた点である。
図において１３１は磁気式エンコーダの固定体１３に形成したリード穴で、３１３は電磁ブレーキの電源リードである。このリード穴１３１に電磁ブレーキのブレーキ電源のリード３１３が通されている。リード穴は円形状とし、リード穴１３１の位置は固定体１３の中心と磁界検出素子１４とを結ぶ線上で、固定体１３の内周側に配置されている。
なお、リード穴は１個所でも良いし、各磁界検出素子の磁束分布がバランスするよう複数個所に設けても良い。ただし、リード穴を複数個所に設けた場合でも１個所のリード穴に往復の２本の電源リードを通した方が良い。リード穴内の２本の電源リードの電流方向はお互いに逆向きになるため磁界の発生が抑えられ、ブレーキコイルに流れる電流が磁界検出素子に影響するのを防ぐことができる。
本実施例が第４実施例と異なる点は磁気式エンコーダ装置１０の固定体１３に電磁ブレーキ３０の電源リード３１３を通すリード穴１３１を設けた点である。
ここで、リード穴が角度検出信号に及ぼす影響について説明する。
固定体１３にリード穴を設けることにより、リード穴近傍の磁気抵抗が高くなり、固定体内部の磁気抵抗が均一で無くなる。このため、磁界検出素子１４で検出する磁束密度および磁界検出波形が影響を受け、エンコーダの精度が劣化する。リード穴を設けても、磁気抵抗の不均一性を無視できる程度に固定体の断面を大きくできればエンコーダの精度は劣化しないが、固定体の中空部はできるだけ大きくする必要があり、また電磁ブレーキの電磁吸引力を大きくするにはコイル線径も大きくする必要があるためリード穴も大きくせざるを得ない。このため現実的にはリード穴を設けることによる磁気抵抗の不均一性は避けられない。そこで有限要素法を用いた磁界解析によりエンコーダ精度を劣化させないリード穴の設置位置を検討した。
図１４はリード穴の位置による磁束分布への影響を示す磁束線図である。固定体１３と磁界検出素子１４を結ぶ線の角度を０度とし、リード穴がない場合、リード穴の位置角度が０度および４５度のときの磁束分布を示す。また、図１５はリード穴の位置と角度誤差の関係を示すグラフである。リード穴がない場合に比べ、リード穴位置が０度、４５度のときの角度誤差はそれぞれ１．５倍、４．０倍となった。すなわちリード穴は固定体１３の中心と磁界検出素子とを結ぶ線上に配置すると精度の劣化が小さくなることが分かった。さらに穴径が小さい程、また固定体の内周側に配置するほど精度劣化はさらに小さくなることが分かった。また、リード穴の形状は断面積が同じなら、円周方向に細長い方が精度劣化は小さくなることが分かった。
固定体１３にリード穴を設けることにより、リード穴近傍の磁気抵抗が高くなり、固定体内部の磁気抵抗が均一で無くなる。このため、磁界検出素子１４で検出する磁束密度および磁界検出波形が影響を受け、エンコーダの精度が劣化する。リード穴を設けても、磁気抵抗の不均一性を無視できる程度に固定体の断面を大きくできればエンコーダの精度は劣化しないが、固定体の中空部はできるだけ大きくする必要があり、また電磁ブレーキの電磁吸引力を大きくするにはコイル線径も大きくする必要があるためリード穴も大きくせざるを得ない。このため現実的にはリード穴を設けることによる磁気抵抗の不均一性は避けられない。そこで有限要素法を用いた磁界解析によりエンコーダ精度を劣化させないリード穴の設置位置を検討した。
図１４はリード穴の位置による磁束分布への影響を示す磁束線図である。固定体１３と磁界検出素子１４を結ぶ線の角度を０度とし、リード穴がない場合、リード穴の位置角度が０度および４５度のときの磁束分布を示す。また、図１５はリード穴の位置と角度誤差の関係を示すグラフである。リード穴がない場合に比べ、リード穴位置が０度、４５度のときの角度誤差はそれぞれ１．５倍、４．０倍となった。すなわちリード穴は固定体１３の中心と磁界検出素子とを結ぶ線上に配置すると精度の劣化が小さくなることが分かった。さらに穴径が小さい程、また固定体の内周側に配置するほど精度劣化はさらに小さくなることが分かった。また、リード穴の形状は断面積が同じなら、円周方向に細長い方が精度劣化は小さくなることが分かった。
図１６は本発明の第８実施例を示す磁気式エンコーダの断面図である。
図１６において１３３は固定体１３に設けられた電磁ブレーキのブレーキ電源のリード線３１３を通すための切り欠き部である。切り欠きは固定体１３の中心と磁界検出素子１４とを結ぶ線上に配置している。切り欠きの形状は長方形とした。本実施例が第８実施例と異なる点は、リード穴を固定体内に設けるかわりに、固定体１３の内周部に切り欠き部１３２を設けたことである。
図１６において１３３は固定体１３に設けられた電磁ブレーキのブレーキ電源のリード線３１３を通すための切り欠き部である。切り欠きは固定体１３の中心と磁界検出素子１４とを結ぶ線上に配置している。切り欠きの形状は長方形とした。本実施例が第８実施例と異なる点は、リード穴を固定体内に設けるかわりに、固定体１３の内周部に切り欠き部１３２を設けたことである。
次にリード穴の検出精度への影響の測定結果について述べる。
本発明の磁気式エンコーダ装置と基準エンコーダ装置（分解能１０５万ＰＰＲ）を結合し、外部から回転させ、本発明の磁気式エンコーダ装置の検出角度と基準エンコーダの検出角度を測定し比較評価した。
リード穴を設けたことによる精度劣化は実施例７では０．１２度、実施例８では０．０９度になり、小さいことが分かった。
本発明の磁気式エンコーダ装置と基準エンコーダ装置（分解能１０５万ＰＰＲ）を結合し、外部から回転させ、本発明の磁気式エンコーダ装置の検出角度と基準エンコーダの検出角度を測定し比較評価した。
リード穴を設けたことによる精度劣化は実施例７では０．１２度、実施例８では０．０９度になり、小さいことが分かった。
本発明の磁気式エンコーダ装置は、小型、薄型、低コストで中空構造のエンコーダ装置を実現できるので、ロボットなどに用いられる中空アクチュエータの回転角度を検出する磁気式エンコーダ装置として適用できる。また、本発明の磁気式エンコーダ装置を装備したアクチュエータは半導体製造装置に用いるアクチュエータとして適用できる。
本発明は、回転体の回転位置を検出する磁気式エンコーダおよび磁気式エンコーダを装備したアクチュエータに関し、特に中空部を有する磁気式エンコーダ装置およびアクチュエータに関する。
従来、モータ軸などの回転体の回転角度を検出するため、２極着磁した円板状の永久磁
石を回転体に固定し、この円板状の永久磁石からの磁界を固定体に固定した磁界検出素子で検出し、回転体の絶対位置を検出するようにした磁気式エンコーダ装置が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
図１７は従来の磁気式エンコーダ装置の斜視図である。
図１７において、１１は回転体(シャフト)、１２は回転体１１に回転軸を同一になるように固定された円板状の永久磁石で、回転体１１の軸に垂直方向の一方向に平行に磁化されている。１３は永久磁石１２の外周側に設けられたリング状の固定体、１４は固定体１３に互いに周方向に９０度間隔で取り付けられた４個の磁界検出素子で、永久磁石１２の外周面に対して空隙を介して対向し、かつ互いに機械角で９０度位相をずらしてＡ１相検出素子１４１とＢ１ 相検出素子１４２を設け、さらにＡ１ 相検出素子１４１に対して機械角で１８０度位相をずらしてＡ２ 相検出素子１４３を、Ｂ１相検出素子１４２に対して機械角で１８０度位相をずらしてＢ２ 相検出素子１４４を設けてある。
特ＷＯ９９／０１３２９６号公報（第４頁−５頁、図１）
石を回転体に固定し、この円板状の永久磁石からの磁界を固定体に固定した磁界検出素子で検出し、回転体の絶対位置を検出するようにした磁気式エンコーダ装置が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
図１７は従来の磁気式エンコーダ装置の斜視図である。
図１７において、１１は回転体(シャフト)、１２は回転体１１に回転軸を同一になるように固定された円板状の永久磁石で、回転体１１の軸に垂直方向の一方向に平行に磁化されている。１３は永久磁石１２の外周側に設けられたリング状の固定体、１４は固定体１３に互いに周方向に９０度間隔で取り付けられた４個の磁界検出素子で、永久磁石１２の外周面に対して空隙を介して対向し、かつ互いに機械角で９０度位相をずらしてＡ１相検出素子１４１とＢ１ 相検出素子１４２を設け、さらにＡ１ 相検出素子１４１に対して機械角で１８０度位相をずらしてＡ２ 相検出素子１４３を、Ｂ１相検出素子１４２に対して機械角で１８０度位相をずらしてＢ２ 相検出素子１４４を設けてある。
ロボットなどに用いられるアクチュエータは、パワー線や信号線を通すために、中空構造が必要となり、アウターロータタイプのアクチュエータが用いられる。このため、回転体の回転角度を検出する磁気式エンコーダ装置も中空構造が要求される。しかし、従来の磁気式エンコーダ装置は、シャフトに固定された永久磁石が回転し、空隙を介して対向した固定体に取り付けられた磁界検出素子で信号を検出する構成であるため、磁気式エンコーダ装置の中心部を中空にすることができないため、中空構造を有するアクチュエータへの適用が困難であった。
また、電磁ブレーキを内蔵する中空アクチュエータに磁気式エンコーダを装備する場合、アクチュエータの軸方向が長くなり、小形化が困難であった。また部品点数が多くなり加工、組立てコストが高くなっていた。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、中空構造のアクチュエータに適用できる磁気式エンコーダ装置および磁気式エンコーダを備えた小型で部品点数の少ない中空構造の電磁ブレーキ付アクチュエータを提供することを目的とする。
また、電磁ブレーキを内蔵する中空アクチュエータに磁気式エンコーダを装備する場合、アクチュエータの軸方向が長くなり、小形化が困難であった。また部品点数が多くなり加工、組立てコストが高くなっていた。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、中空構造のアクチュエータに適用できる磁気式エンコーダ装置および磁気式エンコーダを備えた小型で部品点数の少ない中空構造の電磁ブレーキ付アクチュエータを提供することを目的とする。
上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したものである。
請求項１に記載の発明は、中空部を有するアウターロータタイプのアクチュエータの回転位置を検出する磁気式エンコーダ装置であって、前記磁気式エンコーダ装置は、前記アクチュエータのロータに固定されたリング状の回転体と、前記回転体の内周側に内接して固定され、前記回転体の中心軸と垂直方向の一方向に平行に磁化されたリング状の永久磁石と、前記永久磁石の内周側に空隙を介して配置され、外周が円状で前記アクチュエータのパワー線や信号線などの電気配線を通すための中空部を有する固定体と、前記固定体の外周部に前記永久磁石と空隙を介して配置された磁界検出素子と、前記磁界検出素子からの信号を処理する信号処理回路を備えたことを特徴としている。
また、請求項２に記載の発明は、前記永久磁石は平行異方性を有することを特徴としている。
また、請求項３に記載の発明は、前記回転体は磁性体からなることを特徴としている。
また、請求項４に記載の発明は、前記固定体が磁性体からなることを特徴としている。
また、請求項５に記載の発明は、前記磁性体が軟磁性粉末の燒結材から構成されていることを特徴としている。
また、請求項６に記載の発明は、前記磁性体が軟磁性体を積層して構成されていることを特徴としている。
また、請求項７に記載の発明は、アウターロータタイプのアクチュエータであって、前記アクチュエータは、中空部を有する電磁モータと、中空部を有する電磁ブレーキと、前記アクチュエータのパワー線や信号線などの電気配線を通すための中空部を有する磁気式エンコーダを備えたことを特徴としている。
また、請求項８に記載の発明は、前記磁気式エンコーダの固定体は、前記電磁ブレーキの磁気ヨークの一部を兼用したものであることを特徴としている。
また、請求項９に記載の発明は、前記磁気式エンコーダの固定体が前記電磁ブレーキの磁気ヨークと嵌合構造を有することを特徴としている。
また、請求項１０に記載の発明は、前記電磁モータおよび前記電磁ブレーキと前記磁気式エンコーダ間に磁気シールドを配置したことを特徴としている。
また、請求項１１に記載の発明は、前記電磁ブレーキの電源リードを通すリード穴が前記磁気式エンコーダの固定体に設けられたことを特徴としている。
また、請求項１２に記載の発明は、前期リード穴は、前記固定体の内周側に設けられた欠き部であることを特徴としている。
また、請求項１３に記載の発明は、前記リード穴は、前記固定体の中心と前記固定体に取り付けられた磁界検出素子とを結ぶ線上に配置されたことを特徴としている。
また、請求項１４に記載の発明は、前記リード穴が前記固定体の内周側に配置されたことを特徴としている。
また、請求項１５に記載の発明は、前記磁気式エンコーダは、前記電磁モータのロータに固着されたリング状の回転体と、前記回転体の内周側に内接して固定され、前記回転体の中心軸と垂直方向の一方向に平行に磁化されたリング状の永久磁石と、前記永久磁石の内周側に空隙を介して配置され、外周が円状で前記アクチュエータのパワー線や信号線などの電気配線を通すための中空部を有する固定体と、前記固定体の外周部に前記永久磁石と空隙を介して配置された磁界検出素子とを備えたことを特徴としている。
請求項１に記載の発明は、中空部を有するアウターロータタイプのアクチュエータの回転位置を検出する磁気式エンコーダ装置であって、前記磁気式エンコーダ装置は、前記アクチュエータのロータに固定されたリング状の回転体と、前記回転体の内周側に内接して固定され、前記回転体の中心軸と垂直方向の一方向に平行に磁化されたリング状の永久磁石と、前記永久磁石の内周側に空隙を介して配置され、外周が円状で前記アクチュエータのパワー線や信号線などの電気配線を通すための中空部を有する固定体と、前記固定体の外周部に前記永久磁石と空隙を介して配置された磁界検出素子と、前記磁界検出素子からの信号を処理する信号処理回路を備えたことを特徴としている。
また、請求項２に記載の発明は、前記永久磁石は平行異方性を有することを特徴としている。
また、請求項３に記載の発明は、前記回転体は磁性体からなることを特徴としている。
また、請求項４に記載の発明は、前記固定体が磁性体からなることを特徴としている。
また、請求項５に記載の発明は、前記磁性体が軟磁性粉末の燒結材から構成されていることを特徴としている。
また、請求項６に記載の発明は、前記磁性体が軟磁性体を積層して構成されていることを特徴としている。
また、請求項７に記載の発明は、アウターロータタイプのアクチュエータであって、前記アクチュエータは、中空部を有する電磁モータと、中空部を有する電磁ブレーキと、前記アクチュエータのパワー線や信号線などの電気配線を通すための中空部を有する磁気式エンコーダを備えたことを特徴としている。
また、請求項８に記載の発明は、前記磁気式エンコーダの固定体は、前記電磁ブレーキの磁気ヨークの一部を兼用したものであることを特徴としている。
また、請求項９に記載の発明は、前記磁気式エンコーダの固定体が前記電磁ブレーキの磁気ヨークと嵌合構造を有することを特徴としている。
また、請求項１０に記載の発明は、前記電磁モータおよび前記電磁ブレーキと前記磁気式エンコーダ間に磁気シールドを配置したことを特徴としている。
また、請求項１１に記載の発明は、前記電磁ブレーキの電源リードを通すリード穴が前記磁気式エンコーダの固定体に設けられたことを特徴としている。
また、請求項１２に記載の発明は、前期リード穴は、前記固定体の内周側に設けられた欠き部であることを特徴としている。
また、請求項１３に記載の発明は、前記リード穴は、前記固定体の中心と前記固定体に取り付けられた磁界検出素子とを結ぶ線上に配置されたことを特徴としている。
また、請求項１４に記載の発明は、前記リード穴が前記固定体の内周側に配置されたことを特徴としている。
また、請求項１５に記載の発明は、前記磁気式エンコーダは、前記電磁モータのロータに固着されたリング状の回転体と、前記回転体の内周側に内接して固定され、前記回転体の中心軸と垂直方向の一方向に平行に磁化されたリング状の永久磁石と、前記永久磁石の内周側に空隙を介して配置され、外周が円状で前記アクチュエータのパワー線や信号線などの電気配線を通すための中空部を有する固定体と、前記固定体の外周部に前記永久磁石と空隙を介して配置された磁界検出素子とを備えたことを特徴としている。
請求項１に記載の発明によると、回転体はリング状の形状を有し、永久磁石はリング状に形成され、かつ回転体の中心軸と垂直方向の一方向に平行に磁化されるとともに回転体の内周側に固定され、固定体は中空部および円状の外周を有し、磁界検出素子は永久磁石の内周側に空隙を介して配置され、かつ前記固定体の外周側に固定されている構成としているので、構造が簡単で低コスト、小型、薄型、絶対値タイプの高精度な中空構造の磁気式エンコーダ装置が実現でき、中空構造のアクチュエータの回転角度を検出することができるという効果がある。
また、平行異方性の磁石を用いれば、簡便な着磁装置を用いて容易に、極めて精度良く、一方向に着磁することができる。
また、回転体に磁性体を用いれば、磁石の使用パーミアンスが大きく、発生磁界が強くなり、磁界検出素子から大きな出力信号を得ることが出来る。また外部磁界をシールドする効果も有するため、外部からの磁気ノイズを低減し、Ｓ／Ｎ比を高めることが出来る。
また、固定体に磁性体を用いれば、磁石の使用パーミアンスが大きく、発生磁界が強くなり、磁界検出素子から大きな出力信号を得ることが出来る。
また、固定体を、軟磁性の燒結材で構成すれば、固定体に発生する渦電流が抑制され、低速から高速回転まで、高精度に回転角度を検出できる磁気式エンコーダ装置が実現できる。また燒結材は、型を用いたバッチ成形加工ができるので、加工、組立コストを安くでき、低コストのエンコーダ装置を実現できる。また破砕が容易であるのでリサイクルが可能である。従って環境負荷の小さい磁気式エンコーダ装置を実現できる。
また、固定体を、絶縁体の表面皮膜をコーティングした軟磁性体の薄板を積層して構成すれば、固定体には渦電流が発生せず、回転速度にかかわらず、高精度に回転角度を検出することが可能な磁気式エンコーダ装置が実現できる。
また、請求項７記載の発明によると、中空部を有する磁気式エンコーダを、中空部を有する電磁ブレーキ付のアクチュエータに適用したので、中空構造の電磁ブレーキ付のアクチュエータが実現できる。
また、固定体として、電磁ブレーキの磁気ヨークを磁気式エンコーダの固定体として兼用すれば、軸方向長さが短くなり、アクチュエータがコンパクトとなる。また部品点数が少なくなるので、加工、組立てコストが低減するとともに、信頼性が向上する。
また、磁気エンコーダの固定体が、電磁ブレーキの磁気ヨークと嵌合構造を有すれば、組み立てが容易になる。また固定体へ磁気検出素子を精度良く容易に取りつけることができる。
また、電磁モータおよび電磁ブレーキと磁気式エンコーダ間に磁気シールドを配置すれば、モータ、電磁ブレーキや外部からの磁界ノイズを遮断することができ、磁気式エンコーダの耐ノイズ性が向上する。
また、電磁ブレーキの電源リードを通すリード穴を固定体に設ければ、電源リード線をリード穴を通してアクチュエータ外部へ取り出すことができる。そのためリード線を引き回すスペースが不要となり、アクチュエータを軸方向に小形化できるとともに、組み立てが容易になる。またリード線が屈曲しないので、リード線の信頼性が向上する。
また、磁気式エンコーダの固定体の内周側に切り欠きを設ければ、簡単な加工で、磁気式エンコーダの精度を劣化させることなく電磁ブレーキのリード線を通すことが可能となる。
また、リード穴および切り欠き部は、固定体の中心と磁界検出素子とを結ぶ線上に配置すれば、リード穴あるいは切り欠き部を設けることによる磁気式エンコーダの精度劣化を小さくすることができる。
また、リード穴を固定体の内周側に配置すれば、リード穴を設けることによる磁気式エンコーダの精度劣化をさらに小さくすることができる。
また、平行異方性の磁石を用いれば、簡便な着磁装置を用いて容易に、極めて精度良く、一方向に着磁することができる。
また、回転体に磁性体を用いれば、磁石の使用パーミアンスが大きく、発生磁界が強くなり、磁界検出素子から大きな出力信号を得ることが出来る。また外部磁界をシールドする効果も有するため、外部からの磁気ノイズを低減し、Ｓ／Ｎ比を高めることが出来る。
また、固定体に磁性体を用いれば、磁石の使用パーミアンスが大きく、発生磁界が強くなり、磁界検出素子から大きな出力信号を得ることが出来る。
また、固定体を、軟磁性の燒結材で構成すれば、固定体に発生する渦電流が抑制され、低速から高速回転まで、高精度に回転角度を検出できる磁気式エンコーダ装置が実現できる。また燒結材は、型を用いたバッチ成形加工ができるので、加工、組立コストを安くでき、低コストのエンコーダ装置を実現できる。また破砕が容易であるのでリサイクルが可能である。従って環境負荷の小さい磁気式エンコーダ装置を実現できる。
また、固定体を、絶縁体の表面皮膜をコーティングした軟磁性体の薄板を積層して構成すれば、固定体には渦電流が発生せず、回転速度にかかわらず、高精度に回転角度を検出することが可能な磁気式エンコーダ装置が実現できる。
また、請求項７記載の発明によると、中空部を有する磁気式エンコーダを、中空部を有する電磁ブレーキ付のアクチュエータに適用したので、中空構造の電磁ブレーキ付のアクチュエータが実現できる。
また、固定体として、電磁ブレーキの磁気ヨークを磁気式エンコーダの固定体として兼用すれば、軸方向長さが短くなり、アクチュエータがコンパクトとなる。また部品点数が少なくなるので、加工、組立てコストが低減するとともに、信頼性が向上する。
また、磁気エンコーダの固定体が、電磁ブレーキの磁気ヨークと嵌合構造を有すれば、組み立てが容易になる。また固定体へ磁気検出素子を精度良く容易に取りつけることができる。
また、電磁モータおよび電磁ブレーキと磁気式エンコーダ間に磁気シールドを配置すれば、モータ、電磁ブレーキや外部からの磁界ノイズを遮断することができ、磁気式エンコーダの耐ノイズ性が向上する。
また、電磁ブレーキの電源リードを通すリード穴を固定体に設ければ、電源リード線をリード穴を通してアクチュエータ外部へ取り出すことができる。そのためリード線を引き回すスペースが不要となり、アクチュエータを軸方向に小形化できるとともに、組み立てが容易になる。またリード線が屈曲しないので、リード線の信頼性が向上する。
また、磁気式エンコーダの固定体の内周側に切り欠きを設ければ、簡単な加工で、磁気式エンコーダの精度を劣化させることなく電磁ブレーキのリード線を通すことが可能となる。
また、リード穴および切り欠き部は、固定体の中心と磁界検出素子とを結ぶ線上に配置すれば、リード穴あるいは切り欠き部を設けることによる磁気式エンコーダの精度劣化を小さくすることができる。
また、リード穴を固定体の内周側に配置すれば、リード穴を設けることによる磁気式エンコーダの精度劣化をさらに小さくすることができる。
以下、本発明の具体的実施例について、図に基づいて説明する。
図１は本発明の磁気式エンコーダ装置の構造を示す断面図である。
図１において、１１は磁性体からなるリング状の回転体、１２は回転体１１の内周側に内接させて固定したリング状に形成された永久磁石で、回転体１１の中心軸と垂直方向の一方向に平行に磁化されている。１３は中空部を有する磁性体からなり、円状の外周を有する固定体である。また１４は磁界検出素子で永久磁石１２の内周側と空隙部を介して対向するように固定体１３の外周側に固定されている。この構成により固定体１３の中心部、すなわち磁気式エンコーダ装置の中心部を中空にすることができる。
具体的な構成の一例を挙げると次のようになる。
回転体１１は外径５０ｍｍ、中空径２０ｍｍの磁性体（ＳＳ４１）。永久磁石１２は外径４０ｍｍの平行異方性を有するＳｍＣｏ系のリング状磁石。固定体１３の材質はＳ４５Ｃ。磁界検出素子１４はホール素子。
図１において、１１は磁性体からなるリング状の回転体、１２は回転体１１の内周側に内接させて固定したリング状に形成された永久磁石で、回転体１１の中心軸と垂直方向の一方向に平行に磁化されている。１３は中空部を有する磁性体からなり、円状の外周を有する固定体である。また１４は磁界検出素子で永久磁石１２の内周側と空隙部を介して対向するように固定体１３の外周側に固定されている。この構成により固定体１３の中心部、すなわち磁気式エンコーダ装置の中心部を中空にすることができる。
具体的な構成の一例を挙げると次のようになる。
回転体１１は外径５０ｍｍ、中空径２０ｍｍの磁性体（ＳＳ４１）。永久磁石１２は外径４０ｍｍの平行異方性を有するＳｍＣｏ系のリング状磁石。固定体１３の材質はＳ４５Ｃ。磁界検出素子１４はホール素子。
次に本発明の磁気式エンコーダ装置の動作について述べる。
回転体１１が回転すると、永久磁石１２も回転し、永久磁石１２の磁界の変化により、磁界検出素子１４から回転体１１の１回転に対し１サイクルの正弦波状の信号が出力される。
図２は信号処理回路のブロック図であり、磁界検出素子１４からの信号を処理して角度信号θに変換する。図２において、１５１、１５２は差動アンプ、１５３は角度演算回路である。互いに１８０度対向位置に配置されたＡ１相検出素子１４１およびＡ２相検出素子１４３からのそれぞれの検出信号Ｖａ１およびＶａ２が差動アンプ１５１に入力され、両信号の差動信号であるＡ相信号Ｖａが得られる。同様に、互いに１８０度対向位置に配置されたＢ１相検出素子１４２およびＢ２相検出素子１４４からのそれぞれの検出信号Ｖｂ１およびＶｂ２が差動アンプ１５２に入力され、両信号の差動信号であるＢ相信号Ｖｂが得られる。
図３は磁界検出素子の出力を示す説明図であり、Ａ相信号ＶａとＢ相信号Ｖｂの波形図を示す。Ａ相信号ＶａとＢ相信号Ｖｂはそれぞれに対応した検出素子の配置から９０度位相の異なる信号となる。
Ａ相信号ＶａとＢ相信号Ｖｂは角度演算回路１５３に入力され、ａｒｃｔａｎ（Ｖａ／Ｖｂ）の演算処理により角度信号θが得られる。
回転体１１が回転すると、永久磁石１２も回転し、永久磁石１２の磁界の変化により、磁界検出素子１４から回転体１１の１回転に対し１サイクルの正弦波状の信号が出力される。
図２は信号処理回路のブロック図であり、磁界検出素子１４からの信号を処理して角度信号θに変換する。図２において、１５１、１５２は差動アンプ、１５３は角度演算回路である。互いに１８０度対向位置に配置されたＡ１相検出素子１４１およびＡ２相検出素子１４３からのそれぞれの検出信号Ｖａ１およびＶａ２が差動アンプ１５１に入力され、両信号の差動信号であるＡ相信号Ｖａが得られる。同様に、互いに１８０度対向位置に配置されたＢ１相検出素子１４２およびＢ２相検出素子１４４からのそれぞれの検出信号Ｖｂ１およびＶｂ２が差動アンプ１５２に入力され、両信号の差動信号であるＢ相信号Ｖｂが得られる。
図３は磁界検出素子の出力を示す説明図であり、Ａ相信号ＶａとＢ相信号Ｖｂの波形図を示す。Ａ相信号ＶａとＢ相信号Ｖｂはそれぞれに対応した検出素子の配置から９０度位相の異なる信号となる。
Ａ相信号ＶａとＢ相信号Ｖｂは角度演算回路１５３に入力され、ａｒｃｔａｎ（Ｖａ／Ｖｂ）の演算処理により角度信号θが得られる。
次に本発明の磁気式エンコーダ装置の特性について述べる。
本発明の磁気式エンコーダ装置と基準エンコーダ装置（分解能１０５万PPR）を結合し、外部から回転させ、本発明の磁気式エンコーダ装置の検出角度と基準エンコーダの検出角度を測定し比較評価した。
図４は本発明の信号処理回路の出力を示す説明図であり、回転体１１が回転したときの、信号処理回路１５の角度出力を示している。また図５は本発明の検出角度誤差を示す説明図であり、基準エンコーダとの角度誤差を示している。図５から角度誤差０．０８度、精度１２ｂｉｔの高精度な性能を有することがわかった。
本発明の磁気式エンコーダ装置と基準エンコーダ装置（分解能１０５万PPR）を結合し、外部から回転させ、本発明の磁気式エンコーダ装置の検出角度と基準エンコーダの検出角度を測定し比較評価した。
図４は本発明の信号処理回路の出力を示す説明図であり、回転体１１が回転したときの、信号処理回路１５の角度出力を示している。また図５は本発明の検出角度誤差を示す説明図であり、基準エンコーダとの角度誤差を示している。図５から角度誤差０．０８度、精度１２ｂｉｔの高精度な性能を有することがわかった。
なお、本実施例において、永久磁石１２はＳｍＣｏ系磁石で説明したが、本発明は、磁石の材質によらず、ＮｅＦｅＢ系磁石、ボンド磁石やフェライト磁石においても同様な効果がある。また、回転体１１、固定体１３の材質はそれぞれ磁性体ＳＳ４１、Ｓ４５Ｃで説明したが、他の磁性体でも良い。また、固定体１３の中空部の形状は円状でなくとも良い。また、磁界検出素子１４はホール素子で説明したが、磁気抵抗素子を使用しても同様の効果を得られる。
本実施例では固定体１３を第１実施例で用いた機械構造材（Ｓ４５Ｃ）等による磁性ブロック材から焼結軟磁性体に代えた。
焼結軟磁性体は直径数10μmの微細な鉄粉を数百nmの厚みをもつ絶縁皮膜でコーティングし、バインダーで固め成形加工したものである。そのため粉末間は電気的に絶縁されている。
焼結軟磁性体は直径数10μmの微細な鉄粉を数百nmの厚みをもつ絶縁皮膜でコーティングし、バインダーで固め成形加工したものである。そのため粉末間は電気的に絶縁されている。
ここで、渦電流が発生する現象と渦電流が精度に与える影響について説明する。
図６は渦電流の発生を説明する模式図である。
図６に示すように永久磁石１２による回転磁界は磁気回路を構成する固定体１３ を通過する。回転体１１に固着された永久磁石１２が回転すると、固定体１３内の磁束変化を打ち消す方向に、固定体表面近傍内側に渦電流が発生する。渦電流の大きさは、固定体に流入する磁束、固定体の半径、回転速度、および固定体の電気伝導度の積に比例する。また正逆どちらに回転しても、渦電流は回転磁界より位相が遅れ、固定体に流入する磁束を減少させ、エンコーダ精度を劣化させる。
すなわち、固定体１３に機械構造材（Ｓ４５Ｃ）等による磁性ブロック材を用いると、回転磁界が渦電流の影響を受け、検出信号の位相が変化すると共に出力電圧を低下させる。また、その影響が回転数とともに増加することが分かる。
本実施例では固定体１３に焼結軟磁性体を用いており、焼結軟磁性体の軟磁性粉末間は電気的に絶縁されているので、エンコーダ精度に影響を及ぼす渦電流は発生しない。
回転速度をパラメータにして、5000min−１まで渦電流に起因する角度誤差を測定したが、測定誤差以下であった。
図６は渦電流の発生を説明する模式図である。
図６に示すように永久磁石１２による回転磁界は磁気回路を構成する固定体１３ を通過する。回転体１１に固着された永久磁石１２が回転すると、固定体１３内の磁束変化を打ち消す方向に、固定体表面近傍内側に渦電流が発生する。渦電流の大きさは、固定体に流入する磁束、固定体の半径、回転速度、および固定体の電気伝導度の積に比例する。また正逆どちらに回転しても、渦電流は回転磁界より位相が遅れ、固定体に流入する磁束を減少させ、エンコーダ精度を劣化させる。
すなわち、固定体１３に機械構造材（Ｓ４５Ｃ）等による磁性ブロック材を用いると、回転磁界が渦電流の影響を受け、検出信号の位相が変化すると共に出力電圧を低下させる。また、その影響が回転数とともに増加することが分かる。
本実施例では固定体１３に焼結軟磁性体を用いており、焼結軟磁性体の軟磁性粉末間は電気的に絶縁されているので、エンコーダ精度に影響を及ぼす渦電流は発生しない。
回転速度をパラメータにして、5000min−１まで渦電流に起因する角度誤差を測定したが、測定誤差以下であった。
図７（ａ）は本発明の第３実施例である磁気式エンコーダ装置の構造を示す断面図、図７（ｂ）は図７（ａ）のＡ−Ａ’断面図である。
本実施例が第１実施例と異なる点は、第１実施例では固定体１３にＳ４５Ｃを用いたが、本実施例では固定体１３を絶縁体で表面コーティングした薄板の軟磁性体である珪素鋼板を積層して構成した点であり、その他の構成は第１実施例と同じである。
本実施例が第１実施例と異なる点は、第１実施例では固定体１３にＳ４５Ｃを用いたが、本実施例では固定体１３を絶縁体で表面コーティングした薄板の軟磁性体である珪素鋼板を積層して構成した点であり、その他の構成は第１実施例と同じである。
図８は本発明の第４実施例を示す中空のアクチュエータの構造を示す断面図である。
図８において１０は磁気式エンコーダ、２０はモータ、３０は電磁ブレーキである。モータ２０は、ステータヨーク２１１および電機子巻線２１２から成るステータ２１と、モータ界磁永久磁石２２１およびロータヨーク２２２から成るロータ２２から構成されている。また、電磁ブレーキ３０はフィールド３１、アマチュア３２、バネ３３、ブレーキ摩擦板３４およびブレーキディスク３５から構成され、フィールド３１はブレーキヨーク３１１およびブレーキコイル３１２から構成されている。なお、アマチュア３２は軸方向へ可動な構成になっている。
また、磁気式エンコーダ１０の回転体１１はモータ２０のロータ２２に非磁性の結合部材６０で結合されており、ロータ２２の回転位置を検出する。また、磁気式エンコーダ１０の固定体１３は電磁ブレーキ３０のブレーキヨーク３１１の一部を兼用している。磁気式エンコーダ１０の構成については、電磁ブレーキ３０のブレーキヨーク３１１の一部が磁気式エンコーダ１０の固定体１３を兼ねていることを除けば第１実施例と同じである。
ここで電磁ブレーキの動作について説明する。
電磁ブレーキ３０が通電されていないときは、バネ３３はアマチュア３２を押し、ブレーキ摩擦板３４を介して、スプラインによって軸方向に移動可能なブレーキディスク３５をアクチュエータ部固定体５０に押し付けるためロータ２２は回転できない。しかし、電磁ブレーキ３０に通電するとフィールド３１とアマチュア３２間に電磁力が働き、アマチュア３２はブレーキヨーク３１１側に吸引される。これによって、ブレーキ摩擦板３４はフリーになり、モータ２０のロータ２２は自由に回転できる。
このように本実施例では電磁ブレーキのブレーキヨークの一部を磁気式エンコーダの固定体として利用し、一体形成している。
図８において１０は磁気式エンコーダ、２０はモータ、３０は電磁ブレーキである。モータ２０は、ステータヨーク２１１および電機子巻線２１２から成るステータ２１と、モータ界磁永久磁石２２１およびロータヨーク２２２から成るロータ２２から構成されている。また、電磁ブレーキ３０はフィールド３１、アマチュア３２、バネ３３、ブレーキ摩擦板３４およびブレーキディスク３５から構成され、フィールド３１はブレーキヨーク３１１およびブレーキコイル３１２から構成されている。なお、アマチュア３２は軸方向へ可動な構成になっている。
また、磁気式エンコーダ１０の回転体１１はモータ２０のロータ２２に非磁性の結合部材６０で結合されており、ロータ２２の回転位置を検出する。また、磁気式エンコーダ１０の固定体１３は電磁ブレーキ３０のブレーキヨーク３１１の一部を兼用している。磁気式エンコーダ１０の構成については、電磁ブレーキ３０のブレーキヨーク３１１の一部が磁気式エンコーダ１０の固定体１３を兼ねていることを除けば第１実施例と同じである。
ここで電磁ブレーキの動作について説明する。
電磁ブレーキ３０が通電されていないときは、バネ３３はアマチュア３２を押し、ブレーキ摩擦板３４を介して、スプラインによって軸方向に移動可能なブレーキディスク３５をアクチュエータ部固定体５０に押し付けるためロータ２２は回転できない。しかし、電磁ブレーキ３０に通電するとフィールド３１とアマチュア３２間に電磁力が働き、アマチュア３２はブレーキヨーク３１１側に吸引される。これによって、ブレーキ摩擦板３４はフリーになり、モータ２０のロータ２２は自由に回転できる。
このように本実施例では電磁ブレーキのブレーキヨークの一部を磁気式エンコーダの固定体として利用し、一体形成している。
図９は本発明の第５実施例を示す中空のアクチュエータの構造を示す断面図である。
図において１３は固定体で、ブレーキヨーク３１１に嵌合するように形成されている。
本実施例が第４実施例と異なる点は第４実施例では磁気式エンコーダの固定体１３はブレーキヨーク３１１と一体形成されているのに対し、本実施例ではブレーキヨーク３１１に嵌合するように形成されている点である。一例として、固定体１３の材質には軟磁性の焼結材が、また磁気ヨーク３１１の材質にはＳ１０Ｃが利用できる。
図において１３は固定体で、ブレーキヨーク３１１に嵌合するように形成されている。
本実施例が第４実施例と異なる点は第４実施例では磁気式エンコーダの固定体１３はブレーキヨーク３１１と一体形成されているのに対し、本実施例ではブレーキヨーク３１１に嵌合するように形成されている点である。一例として、固定体１３の材質には軟磁性の焼結材が、また磁気ヨーク３１１の材質にはＳ１０Ｃが利用できる。
図１０は本発明の第６実施例を示す中空のアクチュエータの構造を示す断面図、図１１は図１０のＢ−Ｂ’断面図である。
図において１６は磁気シールドである。
本実施例が第４実施例と異なる点は磁気シールド１６を設けた点である。
磁気シールドの材質としては、例えばＳＳ材が利用できる。
磁気シールドを設ければ、電機子巻線２１２およびブレーキコイル３１２からの磁界ノイズを遮断でき、磁気式エンコーダとモータおよび電磁ブレーキ間の距離を短く出来るという効果もある。
図において１６は磁気シールドである。
本実施例が第４実施例と異なる点は磁気シールド１６を設けた点である。
磁気シールドの材質としては、例えばＳＳ材が利用できる。
磁気シールドを設ければ、電機子巻線２１２およびブレーキコイル３１２からの磁界ノイズを遮断でき、磁気式エンコーダとモータおよび電磁ブレーキ間の距離を短く出来るという効果もある。
図１２は本発明の第７実施例を示す中空のアクチュエータの構造を示す断面図、図１３は図１２のＣ−Ｃ’断面図である。
図において１３１は磁気式エンコーダの固定体１３に形成したリード穴で、３１３は電磁ブレーキの電源リードである。このリード穴１３１に電磁ブレーキのブレーキ電源のリード３１３が通されている。リード穴は円形状とし、リード穴１３１の位置は固定体１３の中心と磁界検出素子１４とを結ぶ線上で、固定体１３の内周側に配置されている。
なお、リード穴は１個所でも良いし、各磁界検出素子の磁束分布がバランスするよう複数個所に設けても良い。ただし、リード穴を複数個所に設けた場合でも１個所のリード穴に往復の２本の電源リードを通した方が良い。リード穴内の２本の電源リードの電流方向はお互いに逆向きになるため磁界の発生が抑えられ、ブレーキコイルに流れる電流が磁界検出素子に影響するのを防ぐことができる。
本実施例が第４実施例と異なる点は磁気式エンコーダ装置１０の固定体１３に電磁ブレーキ３０の電源リード３１３を通すリード穴１３１を設けた点である。
図において１３１は磁気式エンコーダの固定体１３に形成したリード穴で、３１３は電磁ブレーキの電源リードである。このリード穴１３１に電磁ブレーキのブレーキ電源のリード３１３が通されている。リード穴は円形状とし、リード穴１３１の位置は固定体１３の中心と磁界検出素子１４とを結ぶ線上で、固定体１３の内周側に配置されている。
なお、リード穴は１個所でも良いし、各磁界検出素子の磁束分布がバランスするよう複数個所に設けても良い。ただし、リード穴を複数個所に設けた場合でも１個所のリード穴に往復の２本の電源リードを通した方が良い。リード穴内の２本の電源リードの電流方向はお互いに逆向きになるため磁界の発生が抑えられ、ブレーキコイルに流れる電流が磁界検出素子に影響するのを防ぐことができる。
本実施例が第４実施例と異なる点は磁気式エンコーダ装置１０の固定体１３に電磁ブレーキ３０の電源リード３１３を通すリード穴１３１を設けた点である。
ここで、リード穴が角度検出信号に及ぼす影響について説明する。
固定体１３にリード穴を設けることにより、リード穴近傍の磁気抵抗が高くなり、固定体内部の磁気抵抗が均一で無くなる。このため、磁界検出素子14で検出する磁束密度および磁界検出波形が影響を受け、エンコーダの精度が劣化する。リード穴を設けても、磁気抵抗の不均一性を無視できる程度に固定体の断面を大きくできればエンコーダの精度は劣化しないが、固定体の中空部はできるだけ大きくする必要があり、また電磁ブレーキの電磁吸引力を大きくするにはコイル線径も大きくする必要があるためリード穴も大きくせざるを得ない。このため現実的にはリード穴を設けることによる磁気抵抗の不均一性は避けられない。そこで有限要素法を用いた磁界解析によりエンコーダ精度を劣化させないリード穴の設置位置を検討した。
図１４はリード穴の位置による磁束分布への影響を示す磁束線図である。固定体１３と磁界検出素子１４を結ぶ線の角度を０度とし、リード穴がない場合、リード穴の位置角度が0度および４５度のときの磁束分布を示す。また、図１５はリード穴の位置と角度誤差の関係を示すグラフである。リード穴がない場合に比べ、リード穴位置が0度、４５度のときの角度誤差はそれぞれ1.5倍、4.0倍となった。すなわちリード穴は固定体１３の中心と磁界検出素子とを結ぶ線上に配置すると精度の劣化が小さくなることが分かった。さらに穴径が小さい程、また固定体の内周側に配置するほど精度劣化はさらに小さくなることが分かった。また、リード穴の形状は断面積が同じなら、円周方向に細長い方が精度劣化は小さくなることが分かった。
固定体１３にリード穴を設けることにより、リード穴近傍の磁気抵抗が高くなり、固定体内部の磁気抵抗が均一で無くなる。このため、磁界検出素子14で検出する磁束密度および磁界検出波形が影響を受け、エンコーダの精度が劣化する。リード穴を設けても、磁気抵抗の不均一性を無視できる程度に固定体の断面を大きくできればエンコーダの精度は劣化しないが、固定体の中空部はできるだけ大きくする必要があり、また電磁ブレーキの電磁吸引力を大きくするにはコイル線径も大きくする必要があるためリード穴も大きくせざるを得ない。このため現実的にはリード穴を設けることによる磁気抵抗の不均一性は避けられない。そこで有限要素法を用いた磁界解析によりエンコーダ精度を劣化させないリード穴の設置位置を検討した。
図１４はリード穴の位置による磁束分布への影響を示す磁束線図である。固定体１３と磁界検出素子１４を結ぶ線の角度を０度とし、リード穴がない場合、リード穴の位置角度が0度および４５度のときの磁束分布を示す。また、図１５はリード穴の位置と角度誤差の関係を示すグラフである。リード穴がない場合に比べ、リード穴位置が0度、４５度のときの角度誤差はそれぞれ1.5倍、4.0倍となった。すなわちリード穴は固定体１３の中心と磁界検出素子とを結ぶ線上に配置すると精度の劣化が小さくなることが分かった。さらに穴径が小さい程、また固定体の内周側に配置するほど精度劣化はさらに小さくなることが分かった。また、リード穴の形状は断面積が同じなら、円周方向に細長い方が精度劣化は小さくなることが分かった。
図１６は本発明の第８実施例を示す磁気式エンコーダの断面図である。
図１６において１３３は固定体１３に設けられた電磁ブレーキのブレーキ電源のリード線３１３を通すための切り欠き部である。切り欠きは固定体１３の中心と磁界検出素子１４とを結ぶ線上に配置している。切り欠きの形状は長方形とした。本実施例が第８実施例と異なる点は、リード穴を固定体内に設けるかわりに、固定体１３の内周部に切り欠き部１３２を設けたことである。
図１６において１３３は固定体１３に設けられた電磁ブレーキのブレーキ電源のリード線３１３を通すための切り欠き部である。切り欠きは固定体１３の中心と磁界検出素子１４とを結ぶ線上に配置している。切り欠きの形状は長方形とした。本実施例が第８実施例と異なる点は、リード穴を固定体内に設けるかわりに、固定体１３の内周部に切り欠き部１３２を設けたことである。
次にリード穴の検出精度への影響の測定結果について述べる。
本発明の磁気式エンコーダ装置と基準エンコーダ装置（分解能１０５万PPR）を結合し、外部から回転させ、本発明の磁気式エンコーダ装置の検出角度と基準エンコーダの検出角度を測定し比較評価した。
リード穴を設けたことによる精度劣化は実施例７では０．１２度、実施例８では０．０９度になり、小さいことが分かった。
本発明の磁気式エンコーダ装置と基準エンコーダ装置（分解能１０５万PPR）を結合し、外部から回転させ、本発明の磁気式エンコーダ装置の検出角度と基準エンコーダの検出角度を測定し比較評価した。
リード穴を設けたことによる精度劣化は実施例７では０．１２度、実施例８では０．０９度になり、小さいことが分かった。
本発明の磁気式エンコーダ装置は、小型、薄型、低コストで中空構造のエンコーダ装置を実現できるので、ロボットなどに用いられる中空アクチュエータの回転角度を検出する磁気式エンコーダ装置として適用できる。また、本発明の磁気式エンコーダ装置を装備したアクチュエータは半導体製造装置に用いるアクチュエータとして適用できる。
１０ 磁気式エンコーダ
１１ 回転体
１２ 永久磁石
１３ 固定体
１３１ リード穴
１３２ 切り欠き部
１４ 磁界検出素子
１４１ Ａ１相検出素子
１４２ Ｂ１相検出素子
１４３ Ａ２相検出素子
１４４ Ｂ２相検出素子
１５ 信号処理回路
１５１、１５２ 差動アンプ
１５３ 角度演算回路
１６ 磁気シールド
２０ モータ
２１ ステータ
２１１ ステータヨーク
２１２ 電機子巻線
２２ ロータ
２２１ モータ界磁永久磁石
２２２ ロータヨーク
３０ 電磁ブレーキ
３１ フィールド
３１１ ブレーキヨーク
３１２ ブレーキコイル
３１３ 電源リード
３２ アマチュア
３３ バネ
３４ ブレーキ摩擦板
３５ ブレーキディスク
５０ アクチュエータ固定体
６０ 結合部材
１１ 回転体
１２ 永久磁石
１３ 固定体
１３１ リード穴
１３２ 切り欠き部
１４ 磁界検出素子
１４１ Ａ１相検出素子
１４２ Ｂ１相検出素子
１４３ Ａ２相検出素子
１４４ Ｂ２相検出素子
１５ 信号処理回路
１５１、１５２ 差動アンプ
１５３ 角度演算回路
１６ 磁気シールド
２０ モータ
２１ ステータ
２１１ ステータヨーク
２１２ 電機子巻線
２２ ロータ
２２１ モータ界磁永久磁石
２２２ ロータヨーク
３０ 電磁ブレーキ
３１ フィールド
３１１ ブレーキヨーク
３１２ ブレーキコイル
３１３ 電源リード
３２ アマチュア
３３ バネ
３４ ブレーキ摩擦板
３５ ブレーキディスク
５０ アクチュエータ固定体
６０ 結合部材
Claims (14)
- 回転体に固定された永久磁石と前記永久磁石に空隙を介して対向し固定体に取り付けられた磁界検出素子とを備えた磁気式エンコーダと、前記磁界検出素子からの信号を処理する信号処理回路とを備えた磁気式エンコーダ装置において、
前記回転体はリング状の形状とし、
前記永久磁石はリング状に形成されたものを前記回転体の内周側に内接させて固定し、
かつ前記回転体の中心軸と垂直方向の一方向に平行に磁化されたものとし、
前記固定体は外周が円状で中空部を有したものを前記永久磁石の内周側に空隙を介して
配置し、
前記磁界検出素子は、前記固定体の外周部に前記永久磁石と空隙を介して配置されていることを特徴とする磁気式エンコーダ装置。 - 前記永久磁石は平行異方性を有し２極に磁化されたことを特徴とする請求項１記載の磁気式エンコーダ装置。
- 前記回転体は磁性体からなることを特徴とする請求項１または２記載の磁気式エンコーダ装置。
- 前記固定体は磁性体からなることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の磁気式エンコーダ装置。
- 前記磁性体は、軟磁性粉末の燒結材から構成されていることを特徴とする請求項４記載の磁気式エンコーダ装置。
- 前記磁性体は、軟磁性体を積層して構成されていることを特徴とする請求項４記載の磁気式エンコーダ装置。
- 電磁モータと電磁ブレーキとを備えた中空部を有するアクチュエータにおいて、請求項１記載の磁気式エンコーダを備えたことを特徴とするアクチュエータ。
- 前記磁気式エンコーダの固定体は、前記電磁ブレーキの磁気ヨークの一部を兼用したものであることを特徴とする請求項７記載のアクチュエータ。
- 前記磁気式エンコーダの固定体は、前記電磁ブレーキの磁気ヨークと嵌合構造を有することを特徴とする請求項７記載のアクチュエータ。
- 前記電磁モータおよび前記電磁ブレーキと、前記磁気式エンコーダ間に磁気シールドを配置したことを特徴とする請求項７記載のアクチュエータ。
- 前記電磁ブレーキの電源リードを通すリード穴を前記磁気式エンコーダの固定体に設けたことを特徴とする請求項７記載のアクチュエータ。
- 前期電磁ブレーキの電源リードを通す切り欠き部を前記磁気式エンコーダの固定体の内周側に設けたことを特徴とする請求項７記載のアクチュエータ。
- 前記リード穴および前記切り欠き部は、前記固定体の中心と前記固定体に取り付けられた磁界検出素子とを結ぶ線上に配置されたことを特徴とする請求項１１または１２記載のアクチュエータ。
- 前記リード穴は、前記固定体の内周側に配置されたことを特徴とする請求項１１記載のアクチュエータ。
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