KR20130047606A - 자기 인코더 - Google Patents
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Abstract
(과제)
간단하게 정현파 형상의 자속을 발생시킬 수 있어서 저비용의 자기 인코더를 제공한다.
(해결 수단)
제 1 및 제 2 영구자석열(15 및 17)이 동 극성의 자극이 대향하도록 정렬된 복수개의 영구자석(13)과 복수개의 영구자석(13)의 측면에 배치된 자성 요크(14)가 소정의 피치로 자성편열(9)의 이동 방향으로 정렬되어서 구성되어 있다. 제 1 및 제 2 영구자석열(15 및 17)과 대응하는 제 1 및 제 2 자기 검출기(19 및 21)는 영구자석열(15 및 17)과 자성편열(9) 사이에 상대적인 위치의 변위가 생겼을 때에 발생하는 누설 자속을 검출할 수 있는 위치 관계를 가지고 배치되어 있다.
간단하게 정현파 형상의 자속을 발생시킬 수 있어서 저비용의 자기 인코더를 제공한다.
(해결 수단)
제 1 및 제 2 영구자석열(15 및 17)이 동 극성의 자극이 대향하도록 정렬된 복수개의 영구자석(13)과 복수개의 영구자석(13)의 측면에 배치된 자성 요크(14)가 소정의 피치로 자성편열(9)의 이동 방향으로 정렬되어서 구성되어 있다. 제 1 및 제 2 영구자석열(15 및 17)과 대응하는 제 1 및 제 2 자기 검출기(19 및 21)는 영구자석열(15 및 17)과 자성편열(9) 사이에 상대적인 위치의 변위가 생겼을 때에 발생하는 누설 자속을 검출할 수 있는 위치 관계를 가지고 배치되어 있다.
Description
본 발명은 자기 인코더에 관한 것이다.
자석과 자기 검출소자로 구성되는 자기 인코더가 있다. 그러나, 자석만을 사용하는 것에서는 자석의 오차가 그대로 검출되기 때문에 오차가 커진다. 그래서, 오차를 작게 하기 위해서 보정 기구를 설치한 자기 인코더도 제안되어 있지만 보정 기구나 보정 회로가 복잡해진다. 예를 들면, 특허문헌 1(일본 특허 제 4258376호 공보)에 나타내어진 다회전식 인코더에서는 자기 커플링을 이용하고 있지만 자기 결합하고 있는 면적의 비율이 작아 허용 전달 토크가 작다. 그 때문에, 급준(急峻)한 회전시에 탈조(脫調)되어버리는 문제가 있다. 또한, 하나의 자석의 오차가 그대로 검출되기 때문에 오차가 커지는 경우가 있다.
또한, 특허문헌 2(일본 특허 공표 2008-514906호 공보)에 나타내어진 영구여자형 전기 동기기에 있어서의 속도 측정에서 사용되고 있는 인코더에서는 깨끗한 정현파가 얻어지지 않아 정밀도가 향상되지 않는다. 또한, 누설 자속이 많아 자기 센서부에 도달하는 자속이 약하다. 그 때문에, SN비가 오르지 않아 정밀도가 낮다고 하는 문제가 있다.
특허문헌 3(일본 특허 공개 2002-62162호 공보)에 나타내어진 자극 위치 검출기의 구조에서도 누설 자속이 많아 자기 센서부에 도달하는 자속이 약하다. 그 때문에, SN비가 오르지 않아 정밀도가 낮다고 하는 문제가 있다.
특허문헌 4(일본 특허 공개 2008-151774호 공보)에 나타내어진 회전 각도 검출 장치에서는 복수의 홀 센서를 사용해서 정밀도를 높이는 연구가 이루어지고 있지만, 그래도 변형이 남아 정확한 정현파가 얻어지지 않는다.
특허문헌 5(일본 특허 공개 2008-64537호 공보)에 나타내어진 리니어 리졸버에서는 장 스트로크의 경우에 교정이 어렵거나 피치를 미세하게 할 수 없기 때문에 정밀도를 높일 수 없다.
특허문헌 6(일본 특허 공개 2008-289345호 공보)에 나타내어진 리니어모터의 원점 설정 방법에서는 피치를 미세하게 할 수 없거나 정현파 형상의 자속이 얻어지기 어려워 정밀도를 높일 수 없다.
특허문헌 7(일본 특허 공개 2009-247105호 공보)에 나타내어진 샤프트 모터의 위치 검출 기술에서는 피치를 미세하게 할 수 없거나 정현파 형상의 자속이 얻어지기 어려워 정밀도를 높일 수 없다.
특허문헌 8(일본 특허 공개 2006-105757호 공보)에 나타내어진 자기 검출 장치, 특허문헌 9(일본 특허 공개 2006-58256호 공보)에 나타내어진 회전 검출 장치에서도 정현파 형상의 자속이 얻어지기 어려워 정밀도를 높일 수 없다.00
특허문헌 10(일본 특허 공개 2010-71901호 공보)에 나타내어진 위치 검출 장치는 마그넷의 위치 결정 정밀도에 의존한 위치 검출 정밀도이며, 마그넷의 특성 불균일을 고려하면 양산성이 낮은 것이 된다.
종래의 자기 인코더는 출력되는 정현파 형상 신호가 완전한 정현파가 아니라 고차 고조파 성분 등의 변형 성분이 중첩되어 있기 때문에 변형되어 있다. 이러한 파형 변형은 정밀도의 저하를 초래한다. 또한, 파형 변형에 의한 정밀도 저하 회피를 위해서 복수의 자기 센서를 사용하거나, ROM 테이블 등으로 교정을 행하는 시스템을 구축하거나 하며 각 메이커가 연구하고 있었지만, 모두 비용면이나 응답성에 문제가 있었다.
본 발명의 목적은 간단하게 정현파 형상의 자속을 발생시킬 수 있고, 분해능과 내삽 정밀도의 향상을 도모할 수 있는 저비용의 자기 인코더를 제공하는 것에 있다.
본 발명의 다른 목적은 파형 변형이 적은 정현파 형상의 자속을 발생시킬 수 있는 자기 인코더를 제공하는 것에 있다.
본 발명의 자기 인코더는 동(同) 극성의 자극이 대향하도록 정렬되거나, 또는 일방향으로 동 극성의 자극이 나타나도록 비자성재를 개재해서 정렬된 복수의 영구자석으로 이루어지는 영구자석열과, 영구자석열을 따라 간격을 두고 정렬되도록 배치된 복수의 자성편을 갖는 자성편열과, 영구자석열과 자성편열 사이에 상대적인 위치의 변위가 생겼을 때에 발생하는 누설 자속을 검출하는 자기 검출기를 구비하고 있다. 그리고, 복수의 영구자석의 피치 및 복수의 자성편의 피치를 영구자석열과 자성편열 사이에 상대적인 위치의 변위가 연속적으로 발생하고 있을 때에 영구자석열 중의 1개의 영구자석으로부터 나온 자속이 그 1개의 영구자석 옆의 영구자석 또는 비자성재와 대향하는 1개의 자성편을 통과해서 영구자석열 내로 되돌아오는 자로가 형성되도록 정한다.
본 발명에서는 영구자석열과 자성편열 사이에 상대적인 변위를 생기게 함으로써 자로에 포함되는 영구자석으로부터 나오는 자속의 합성 자속이 얻어지게 된다. 그 결과, 영구자석의 수를 늘리면 1개의 영구자석의 영향을 작게 할 수 있고, 변형이 적은 정현파 형상의 자속을 발생시킬 수 있다. 그리고, 이 자속의 누설 자속을 자기 검출기에서 검출함으로써 특별한 보정 회로를 필요로 하지 않고 정현파 형상 신호를 얻을 수 있다. 그 결과, 분해능과 내삽 정밀도의 향상을 도모할 수 있다. 영구자석열은 적어도 2극 이상의 자극이 되도록 2개 이상의 영구자석(물리적으로 분리되어 있어도 좋고, 일체화되어 있어도 좋음)으로 구성된다. 자성편열과 대향하는 영구자석열의 영구자석의 극수가 증가할수록 검출 자속은 정확한 정현파에 근접하여 고정밀도로 된다. 영구자석이 2극과 같이 적은 경우에서는 저비용의 자기 센서를 제공할 수 있다.
자성편의 피치를 P=360°(전기각)로 했을 때에 영구자석의 피치(τp)(전기각)는 P/4<τp<P의 범위 내의 값으로 하는 것이 바람직하다. 이렇게 하면 보다 정확한 정현파 형상의 출력을 얻을 수 있고, 고정밀도이며 또한 고분해능인 자기 인코더를 제공할 수 있다.
영구자석열은 복수의 영구자석 각각의 양측에 자성 요크가 배치된 구조를 가져도 좋다. 이렇게 하면 자속의 흐름을 효율적으로 높일 수 있고, 또한 영구자석의 동 극을 마주보게 할 때에는 발생하는 반발력을 작게 할 수 있어 영구자석열의 제조 작업을 용이하게 할 수 있다. 물론 영구자석열은 복수의 영구자석이 직접 접합된 구조로 해도 좋다. 이렇게 하면, 영구자석의 양을 늘릴 수 있다.
영구자석열의 양단에 위치하는 자성 요크끼리를 자기적으로 연결해서 영구자석열로부터의 누설 자속을 모으는 연결 요크를 설치해도 좋다. 이 경우, 자기 검출기는 연결 요크를 통과하는 누설 자속을 검출하도록 배치한다. 연결 요크를 사용하면 자기 검출기에서 검출되는 자속의 강도가 강해지기 때문에 보다 고감도로 되어 정밀도 및 분해능을 향상시킬 수 있다.
자기 검출기의 배치 위치는 누설 자속을 검출할 수 있는 위치이면 어디라도 좋다. 예를 들면, 자기 검출기를 자성편열을 사이에 개재해서 영구자석열과 대향하는 위치에 배치해도 좋다. 또한, 자기 검출기를 자성편열과 영구자석열의 양쪽과 대향하는 위치에 배치해도 좋다. 또한, 자기 검출기를 영구자석열의 연장선 상에서 자성 요크에 인접한 위치에 배치해도 좋다. 이들의 위치이면 확실하게 자속을 검출할 수 있다.
영구자석열의 길이와 자성편열의 길이는 어느쪽이 길어도 좋다. 자성편열을 구성하는 복수의 자성편은 자성편보다 자기 저항이 큰 연결부에 의해 연결된 일체 구조를 갖고 있어도 좋다. 이러한 일체 구조를 갖고 있으면 자성편열의 제조 및 부착이 용이해진다.
자성편열을 구성하는 복수의 자성편은 정현파 자속이 얻어지는 것이면 무엇이든지 좋고, 예를 들면 영구자석측으로부터 본 그 윤곽 형상은 직사각형, 원형 또는 장방형의 윤곽 형상이라도 좋다. 또한, 자성편열을 구성하는 복수의 자성편은 자성편열이 연장되는 방향 및 영구자석열을 향하는 방향과 직교하는 방향으로부터 본 윤곽 형상이 원형인 원기둥 형상을 갖고 있어도 좋다. 또한, 자성편열을 구성하는 복수의 자성편은 자성편열이 연장되는 방향으로부터 본 윤곽 형상이 원형인 원기둥 형상을 갖고 있어도 좋다. 또한, 영구자석 및 자성 요크는 자성편열의 주위를 둘러싸도록 형성된 환상 형상을 갖고 있어도 좋다. 또한, 이 경우 자성편열로서는 영구자석열이 연장되는 방향으로부터 본 윤곽 형상이 원형인 원기둥 형상을 갖고 있어도 좋다. 그리고, 이 경우에는 영구자석 및 자성 요크도 원환상 형상을 갖고 있으면 영구자석열과 자성편열 사이의 간격이 일정해지기 때문에 정현파 자속에 발생하는 변형이 작아진다.
보다 구체적으로는 자성편열은 회전축의 회전에 의해 직접 또는 간접적으로 회전하는 원판의 외주면을 따라 원환상의 열을 이루도록 상기 원판에 고정할 수 있다. 이 경우, 자성편열에 대향하도록 원호상으로 연장되는 2 이상의 영구자석열을 자성편열과 대향하도록 배치한다. 이렇게 자기 인코더를 구성하면, 위상이 다른 적어도 2개의 정현파 형상 신호를 얻어서 회전축의 회전 위치를 간단하게 검출할 수 있다. 이 경우에 있어서도 자성편의 피치를 P=360°(전기각)로 했을 때에 영구자석의 피치는 P/4<τp≤P/2의 값으로 하는 것이 바람직하다. 또한, 영구자석열은 복수의 영구자석 각각의 양측에 자성 요크가 배치된 구조를 갖고 있는 것이 바람직하다. 또한, 영구자석열의 양단에 위치하는 자성 요크끼리를 자기적으로 연결해서 영구자석열로부터의 누설 자속을 모으는 연결 요크를 설치하고, 자기 검출기를 연결 요크를 통과하는 누설 자속을 검출하도록 배치하는 것이 바람직하다. 이렇게 하면, 위상이 다른 2 이상의 정현파 자속을 발생시킬 수 있어서 고정밀도의 자기 인코더를 제공할 수 있다. 또한, 자성편의 피치를 P=360°(전기각)로 했을 때에 영구자석의 피치를 P/4<τp<P의 값으로 한 뒤에 2개의 자성편열을 기계적으로 180° 어긋난 위치에 배치한다. 그리고, 2개의 자성편열에 대응해서 설치되는 2개의 자기 검출기의 한쪽 위치를 2개의 자성편열을 연결하는 가상선에 대하여 회전축의 회전 방향으로 P/4 어긋난 위치로 하고, 2개의 자기 검출기의 다른쪽 위치를 이 가상선에 대하여 회전축의 회전 방향과는 반대 방향으로 P/4 어긋난 위치로 한다. 이러한 배치 구성을 채용하면 각각의 자기 검출기에 쇄교하는 자속의 방향이 역전된다. 그 결과, 2개의 자기 검출기의 출력을 차동에 의해 접속함으로써 큰 SN비가 되고, 또한 외부로부터의 자계의 영향을 캔슬할 수 있어 외부 자계의 외란에 강하고, 보다 고정밀도의 자기 인코더를 제공할 수 있다.
영구자석열을 회전축을 중심으로 하는 원환상의 영구자석열을 이루도록 구성하고, 자성편열을 회전축을 중심으로 하는 원환상의 자성편열을 이루도록 구성하고, 회전축의 축선을 중심으로 하는 영역에 자기 검출기를 배치해도 좋다. 이렇게 하면, 영구자석열을 동 극성의 자극이 대향하도록 정렬하여 구성했을 경우에는 자성편열이 1회전하면 내측의 자장은 자성편의 수만큼 회전하고, 영구자석열이 1회전하면 내측의 자장은 영구자석 수의 절반만큼의 수만큼 회전하게 된다. 그 때문에, 고분해능인 자기 센서를 간소한 구조로 구성할 수 있다. 또한, 복수의 영구자석의 자기가 합성된 것을 검출하기 때문에, 자석 1개의 오차의 영향이 작아서 높은 정밀도가 얻어진다. 또한, 원환상의 영구자석열과 원환상의 자성편열은 회전축의 지름 방향으로 정렬되어서 배치되어 있어도 좋다. 또한, 원환상의 영구자석열과 원환상의 자성편열은 회전축의 축선 방향으로 정렬되도록 배치해도 좋다. 그리고, 이 경우에 있어서 한 쌍의 자기 검출기가 검출할 수 있는 자속의 방향이 기계적으로 180° 어긋난 상태가 되도록 한 쌍의 자기 검출기를 배치했을 경우, 한 쌍의 자기 검출 장치의 출력이 차동이 되도록 한 쌍의 자기 검출기의 출력부를 접속함으로써 얻어지는 정현파 형상 신호는 큰 SN비가 되고, 또한 외부로부터의 자계의 영향을 캔슬할 수 있어 외부 자계의 외란에 강하고, 보다 고정밀도의 자기 인코더를 얻을 수 있다.
일방향으로 같은 극성의 자극이 나타나도록 비자성재를 개재해서 정렬된 복수의 영구자석으로부터 영구자석열을 구성할 경우에는, 비자성재는 공기에 의해 구성할 수 있다. 이것은 이웃하는 2개의 영구자석 사이에 간격을 두고, 그 간격을 비자성재로 하는 것을 의미한다.
도 1은 본 발명을 리니어 자기 인코더에 적용한 실시예의 동작을 설명하기 위해서 사용하는 도면이다.
도 2(A)는 도 1의 자기 검출기가 검출하는 자속 밀도이고, 도 2(B)는 자기 검출기의 출력 전압 파형이다.
도 3(A)는 P/2<τp<P일 경우의 영구자석의 피치(τp)와 자성편의 피치(P)의 관계를 나타내고 있고, 도 3(B)는 P/4<τp<P/2일 경우의 영구자석의 피치(τp)와 자성편의 피치(P)의 관계를 나타내고 있다.
도 4(A) 내지 도 4(D)는 자기 검출기의 설치 위치를 나타내는 도면이다.
도 5는 다른 리니어 자기 인코더의 실시예의 개략 구성을 나타내는 도면이다.
도 6은 다른 리니어 자기 인코더의 실시예의 개략 구성을 나타내는 도면이다.
도 7은 다른 리니어 자기 인코더의 실시예의 개략 구성을 나타내는 도면이다.
도 8(A) 및 도 8(B)는 다른 리니어 자기 인코더의 실시예의 개략 구성과 동작을 나타내는 도면이다.
도 9(A) 내지 도 9(H)는 자성편열의 변형예를 나타내는 도면이다.
도 10은 자성 요크를 사용하지 않는 다른 리니어 자기 인코더의 실시예의 개략 구성을 나타내는 도면이다.
도 11(A) 및 도 11(B)는 도 10의 리니어 자기 인코더의 자기 검출기가 검출하는 자속 밀도와 출력 전압 파형을 나타내는 도면이다.
도 12(A) 및 도 12(B)는 본 발명을 회전형의 자기 인코더에 적용한 실시예의 개략 정면도 및 측면도를 나타내고 있다.
도 13(A) 및 도 13(B)는 도 12의 자기 인코더의 자기 검출기가 검출하는 자속 밀도와 출력 전압 파형을 나타내는 도면이다.
도 14(A) 및 도 14(B)는 본 발명을 회전형의 자기 인코더에 적용한 다른 실시예의 개략 정면도 및 측면도를 나타내고 있다.
도 15(A) 및 도 15(B)는 도 14의 자기 인코더의 자기 검출기가 검출하는 자속 밀도와 출력 전압 파형을 나타내는 도면이다.
도 16은 본 발명을 회전형의 자기 인코더에 적용한 다른 실시예의 개략 정면도를 나타내고 있다.
도 17(A) 및 도 17(B)는 도 16의 자기 인코더의 자기 검출기가 검출하는 자속 밀도와 출력 전압 파형을 나타내는 도면이다.
도 18은 본 발명을 회전형의 자기 인코더에 적용한 다른 실시예의 개략 정면도를 나타내고 있다.
도 19(A) 및 도 19(B)는 본 발명을 회전형의 자기 인코더에 적용한 다른 실시예의 개략 정면도 및 측면도를 나타내고 있다.
도 20은 본 발명을 회전형의 자기 인코더에 적용한 다른 실시예의 개략 정면도를 나타내고 있다.
도 21(A) 및 도 21(B)는 도 20의 자기 인코더의 자기 검출기가 검출하는 자속 밀도와 출력 전압 파형을 나타내는 도면이다.
도 2(A)는 도 1의 자기 검출기가 검출하는 자속 밀도이고, 도 2(B)는 자기 검출기의 출력 전압 파형이다.
도 3(A)는 P/2<τp<P일 경우의 영구자석의 피치(τp)와 자성편의 피치(P)의 관계를 나타내고 있고, 도 3(B)는 P/4<τp<P/2일 경우의 영구자석의 피치(τp)와 자성편의 피치(P)의 관계를 나타내고 있다.
도 4(A) 내지 도 4(D)는 자기 검출기의 설치 위치를 나타내는 도면이다.
도 5는 다른 리니어 자기 인코더의 실시예의 개략 구성을 나타내는 도면이다.
도 6은 다른 리니어 자기 인코더의 실시예의 개략 구성을 나타내는 도면이다.
도 7은 다른 리니어 자기 인코더의 실시예의 개략 구성을 나타내는 도면이다.
도 8(A) 및 도 8(B)는 다른 리니어 자기 인코더의 실시예의 개략 구성과 동작을 나타내는 도면이다.
도 9(A) 내지 도 9(H)는 자성편열의 변형예를 나타내는 도면이다.
도 10은 자성 요크를 사용하지 않는 다른 리니어 자기 인코더의 실시예의 개략 구성을 나타내는 도면이다.
도 11(A) 및 도 11(B)는 도 10의 리니어 자기 인코더의 자기 검출기가 검출하는 자속 밀도와 출력 전압 파형을 나타내는 도면이다.
도 12(A) 및 도 12(B)는 본 발명을 회전형의 자기 인코더에 적용한 실시예의 개략 정면도 및 측면도를 나타내고 있다.
도 13(A) 및 도 13(B)는 도 12의 자기 인코더의 자기 검출기가 검출하는 자속 밀도와 출력 전압 파형을 나타내는 도면이다.
도 14(A) 및 도 14(B)는 본 발명을 회전형의 자기 인코더에 적용한 다른 실시예의 개략 정면도 및 측면도를 나타내고 있다.
도 15(A) 및 도 15(B)는 도 14의 자기 인코더의 자기 검출기가 검출하는 자속 밀도와 출력 전압 파형을 나타내는 도면이다.
도 16은 본 발명을 회전형의 자기 인코더에 적용한 다른 실시예의 개략 정면도를 나타내고 있다.
도 17(A) 및 도 17(B)는 도 16의 자기 인코더의 자기 검출기가 검출하는 자속 밀도와 출력 전압 파형을 나타내는 도면이다.
도 18은 본 발명을 회전형의 자기 인코더에 적용한 다른 실시예의 개략 정면도를 나타내고 있다.
도 19(A) 및 도 19(B)는 본 발명을 회전형의 자기 인코더에 적용한 다른 실시예의 개략 정면도 및 측면도를 나타내고 있다.
도 20은 본 발명을 회전형의 자기 인코더에 적용한 다른 실시예의 개략 정면도를 나타내고 있다.
도 21(A) 및 도 21(B)는 도 20의 자기 인코더의 자기 검출기가 검출하는 자속 밀도와 출력 전압 파형을 나타내는 도면이다.
이하, 도면을 참조해서 본 발명의 자기 인코더의 복수의 실시예를 상세하게 설명한다. 또한, 이하의 설명에서 참조하는 도면에는 도시를 명확하게 하기 위해서 일부를 제외하고 단면인 것을 나타내는 해칭을 부여하고 있지 않다.
도 1은 본 발명의 자기 인코더를 리니어 자기 인코더에 적용한 실시예의 동작을 설명하기 위해서 사용하는 도면이다. 도 1에는 본 실시예의 리니어 자기 인코더의 동작 상태를 위에서 아래를 향해서 시계열(時系列)로 나타내고 있다. 도 1에 나타내는 바와 같이, 리니어 자기 인코더(1)는 가동자(3)와 고정자(5)를 갖고 있고, 가동자(3)의 고정자(5)에 대한 위치를 나타내는 신호를 발생시킨다. 가동자(3)는 복수의 자성편(7)으로 이루어지는 1개의 자성편열(9)이 비자성체로 이루어지는 지지체(11)에 의해 지지된 일체 구조를 갖고 있다. 자성편(7)은 종단면 형상이 사다리꼴과 유사한 형상을 갖고 있고, 그 노출 표면부는 평탄하며 지지체(11)의 한쪽 면으로부터 노출되어 있다. 자성편(7)은 예를 들면 규소강 등의 자성 재료로 형성되어 있다. 지지체(11)는 자성편(7)보다 자기 저항이 큰 재료(예를 들면 알루미늄 등)에 의해 형성되어 있다. 이러한 일체 구조를 갖고 있으면, 자성편열(9)의 제조 및 부착이 용이해진다. 본 실시예에서 자성편(7)의 피치(P)란 자성편(7)의 자성편열(9) 방향의 길이와, 이웃하는 2개의 자성편(7) 사이의 지지체(11)를 구성하는 부분의 길이를 더한 길이를 의미한다. 본 실시예에서는 이 자성편(7)의 피치(P)를 전기각으로 360°로 정의한다. 또한, 본 실시예에서는 복수의 자성편(7)을 인서트로 해서 인서트 성형에 의해 일체물의 자성편열(9)을 형성하고 있다. 도시하고 있지 않지만, 가동자(3)의 양단은 가동자(3)의 직선 운동은 허용하지만 회전 운동을 허용하지 않는 베어링 등에 의해 슬라이딩 가능하게 지지되어 있다.
고정자(5)는 복수의 영구자석(13)을 구비한 제 1 및 제 2 영구자석열(15 및 17)과, 제 1 및 제 2 영구자석열(15 및 17)에 대응해서 설치된 제 1 및 제 2 자기 검출기(19 및 21)를 구비하고 있다. 본 실시예에서는 제 1 및 제 2 영구자석열(15 및 17)이 동 극성의 자극이 대향하도록 정렬된 6개의 영구자석(13)과 이들 6개의 영구자석(13)의 측면에 배치된 7매의 자성 요크(14)가 소정의 피치(τp)로 가동자(3)의 이동 방향으로 정렬되어서 구성되어 있다. 본 실시예에서는 영구자석(13)의 축선 방향의 두께 치수와 1매의 자성 요크(14)의 축선 방향의 두께 치수를 더한 치수가 영구자석열(15 및 17)에 있어서의 영구자석의 피치(τp)가 된다. 자성 요크(14)는 철 등의 자성 재료로 형성되어 있다. 예를 들면, 규소강으로 이루어지는 복수의 자성강판을 축선 방향으로 적층시켜서 자성 요크(14)를 형성해도 좋다. 자성 요크(14)의 재료로서는 탄소강, 페라이트계 스테인리스, 압분자심 등도 사용할 수 있다.
제 1 및 제 2 영구자석열(15 및 17)과 대응하는 제 1 및 제 2 자기 검출기(19 및 21)는 영구자석열(15 및 17)과 자성편열(9) 사이에 상대적인 위치의 변위가 생겼을 때에 발생하는 누설 자속을 검출할 수 있는 위치 관계를 가지고, 각각 도시하지 않은 수지 몰드부에 의해 일체화되어 있다. 자기 검출기(19 및 21)로서는 홀 센서(N극 S극의 구별을 할 수 있음)를 사용할 수 있고, 또한 자기 저항소자(N극 S극의 구별을 할 수 없음)를 사용해도 좋다.
본 실시예와 같이, 영구자석열(15 및 17)을 복수의 영구자석(13) 각각의 양측에 자성 요크(14)가 배치된 구조로 하면 자속의 흐름을 효율적으로 높일 수 있고, 또한 영구자석(13)의 동 극을 마주보게 했을 때에는 발생하는 반발력을 작게 할 수 있어서 영구자석열의 제조 작업을 용이하게 할 수 있다.
인코더의 가동자(3)와 고정자(5)는 영구자석(13)과 자성편(7)이 소정의 간격을 두고 대향하도록, 예를 들면 리니어모터의 가동자 및 고정자에 각각 설치할 수 있다. 도 1에 있어서 영구자석(13) 중의 화살표는 자화 방향을 나타내고 있다. 또한, 가는 선의 화살표는 가동자(3)가 고정자(5)에 대하여 이동했을 때에 발생하는 자속의 흐름(자로)을 나타내고 있다. 본 실시예에서는 복수의 영구자석(13)의 피치(τp) 및 복수의 자성편(7)의 피치(P)를 영구자석열(15 및 17)과 자성편열(9) 사이에 상대적인 위치의 변위가 연속적으로 발생하고 있을 때에, 영구자석열(15 및 17) 중의 1개의 영구자석(13)으로부터 나온 자속이 그 1개의 영구자석(13) 옆의 영구자석(13)과 대향하는 1개의 자성편(7)을 통과해서 영구자석열(15 및 17) 내로 되돌아오는 자로가 형성되도록 정해져 있다. 구체적으로, 수치로 한정하면 본 실시예에서는 자성편(7)의 피치를 P=360°(전기각)로 했을 때에 τp=P/2가 되도록 피치(τp)를 정하고 있다. 그리고, 제 1 영구자석열(15)과 제 2 영구자석열(17)은 자기적으로 P/4 피치 어긋나게 배치되어 있다. 즉, 제 1 자기 검출기(19)가 검출하는 누설 자속의 자속 밀도(B1)와 제 2 자기 검출기(21)가 검출하는 누설 자속의 자속 밀도(B2)가 도 2(A)에 나타내는 바와 같이 전기각으로 90° 위상이 어긋나도록 제 1 영구자석열(15) 및 제 1 자기 검출기(19)와 제 2 영구자석열(17) 및 제 2 자기 검출기(21)의 위치 관계가 정해져 있다. 그 결과, 본 실시예에 의하면 2상 정현파 출력의 자기 인코더가 얻어진다.
도 1에는 자성편열(9)이 P/4씩 이동했을 때의 자속의 발생 상태를 나타내고 있다. 도 1에 있어서, 1단째의 상태에서는 제 1 영구자석열(15)에 있어서의 이웃하는 2개의 영구자석(13)이 1개의 자성편(7)과 균등하게 대향하고 있고, 발생하는 자속(φ)은 1개의 영구자석(13)과 1개의 자성편(7) 사이를 통과하는 작은 자로를 형성한다. 이때, 제 2 영구자석열(17)에서는 1개의 자성편(7)이 1개의 영구자석(13)과 완전하게 대향하고 있고, 발생하는 합성 자속(φ)은 1개의 영구자석(13)으로부터 나온 자속이 그 1개의 영구자석(13) 옆의 영구자석(13)과 대향하는 1개의 자성편(7)을 통과해서 영구자석열(17) 내로 되돌아오는 자로를 형성하고 있다. 가동자(3)가 P/4 피치 이동하면 도 1의 2단째의 상태가 되고, 제 1 영구자석열(15)에서는 1개의 자성편(7)이 1개의 영구자석(13)과 완전하게 대향하고 있고, 발생하는 합성 자속(φ)은 1개의 영구자석(13)으로부터 나온 자속이 그 1개의 영구자석(13) 옆의 영구자석(13)과 대향하는 1개의 자성편(7)을 통과해서 영구자석열(15) 내로 되돌아오는 자로를 형성하고 있다. 그리고, 제 2 영구자석열(17)에 있어서의 이웃하는 2개의 영구자석(13)이 1개의 자성편(7)과 균등하게 대향하고 있고, 발생하는 자속(φ)은 1개의 영구자석(13)과 1개의 자성편(7) 사이를 통과하는 작은 자로를 형성한다. 또한, 가동자(3)가 P/4 피치 이동하면 도 1의 3단째의 상태가 되고, 제 2 영구자석열(17)을 통과하는 합성 자속(φ)이 1단째의 상태와는 반대 방향으로 흐르는 자로가 형성된다. 또한, 가동자(3)가 P/4 피치 이동하면 도 1의 4단째의 상태가 되고, 제 1 영구자석열(15)을 통과하는 합성 자속(φ)이 2단째의 상태와는 반대 방향으로 흐르는 자로가 형성된다. 또한, 가동자(3)가 P/4 피치 이동하면 도 1의 5단째의 상태가 되고, 1단째의 상태로 되돌아오는 제 1 영구자석열(15)을 통과하는 합성 자속(φ)이 2단째의 상태와는 반대 방향으로 흐르는 자로가 형성된다.
도 2(A)에 있어서, 자속 밀도(B1 및 B2)가 0일 때에는 1개의 자성편이 1개의 영구자석(13)과 완전하게 대향하고 있을 때이다. 그리고, 자속 밀도(B1 및 B2)가 피크를 향하고 또한 피크로부터 0을 향하는 과정에서는 1개의 영구자석(13)으로부터 나온 자속이 그 1개의 영구자석(13) 옆의 영구자석(13)과 대향하는 1개의 자성편(7)을 통과해서 영구자석열(15) 내로 되돌아오고, 복수의 영구자석의 자속이 합성되어서 자로를 형성하고 있을 때이다. 도 2(B)는 도 2(A)의 자속이 발생하고 있을 때에 제 1 및 제 2 자기 검출기(19 및 21)로부터 출력되는 전압 파형을 나타내고 있다. 또한, 영구자석(13)의 수를 늘리면 1개의 영구자석(13)의 영향을 작게 할 수 있고, 변형이 적은 정현파 형상의 자속을 발생시킬 수 있다. 그리고, 이 자속의 누설 자속을 자기 검출기(19 및 21)에서 검출함으로써 특별한 보정 회로를 필요로 하지 않고 정현파 형상 신호를 얻을 수 있다. 이 정현파 신호를 공지 기술에 의해 신호 처리함으로써 가동자(3)의 고정자(5)에 대한 위치를 나타내는 신호를 얻을 수 있다. 그 결과, 본 실시예에 의하면 리니어 자기 인코더의 분해능과 내삽 정밀도의 향상을 도모할 수 있다. 영구자석열은 적어도 2극 이상의 자극이 포함되도록 2개 이상의 영구자석(13)(물리적으로 분리되어 있어도 좋고, 일체화되어 있어도 좋음)으로 구성된다. 자성편열(9)과 대향하는 영구자석열(15 및 17)의 영구자석(13)의 극수가 증가할수록 검출 자속은 정확한 정현파에 근접하여 고정밀도로 된다. 또한, 영구자석(13), 자성 요크(14), 자성편(7)에 위치나 특성의 불균일이 있어도 평활화된 출력을 얻을 수 있다.
또한, 영구자석(13)의 피치(τp)(전기각)는 P/4<τp<P의 값으로 하는 것이 바람직하다. 도 3(A)는 P/2<τp<P일 경우의 영구자석(13)의 피치(τp)와 자성편(7')의 피치(P)의 관계를 나타내고 있고, 도 3(B)는 P/4<τp<P/2일 경우의 영구자석(13)의 피치(τp)와 자성편(7')의 피치(P)의 관계를 나타내고 있다. 도 3에 있어서 영구자석열(16)은 1개만 나타내고 있고, 자기 검출기(20)도 1개만 나타내고 있다. 또한, 도 3에 있어서는 자성편(7')의 단면 형상이 직사각형상을 나타내고 있다.
자기 검출기(20)의 배치 위치는 누설 자속을 검출할 수 있는 위치이면 어디라도 좋다. 예를 들면, 도 4(A)에 나타내는 바와 같이 자성편열(9')을 사이에 개재해서 영구자석열(16)과 대향하는 위치에 자기 검출기(20)를 배치하여 누설 자속(φ)을 검출하도록 해도 좋다. 또한, 도 4(B) 및 도 4(C)에 나타내는 바와 같이 자기 검출기(20)를 자성편열(9') 및 영구자석열(16)의 양쪽과 대향하는 위치에 배치해서 누설 자속(φ)을 검출하도록 해도 좋다. 또한, 자기 검출기(20)를 영구자석열(16)의 연장선 상에서 자성 요크(14)에 인접한 위치에 배치해서 누설 자속(φ)을 검출하도록 해도 좋다. 이들의 위치에서도 확실하게 자속(φ)을 검출할 수 있다.
영구자석열을 구성하는 영구자석의 수는 2개 이상이면 좋다. 도 5는 영구자석열(16)이 2개의 영구자석(13)으로 구성되어 있는 실시예를 나타내고 있다. 이 영구자석열(16)에서도 2개의 영구자석(13)은 동 극성의 자극이 대향하도록 정렬되어 있고, 각 영구자석(13)의 양단에는 자성 요크(14)가 배치되어 있다. 본 실시예와 같이, 영구자석(13)이 2극일 경우에서는 저비용의 자기 인코더를 제공할 수 있다.
도 6에 나타내는 바와 같이, 영구자석열(16)의 양단에 위치하는 2개의 자성 요크(14)끼리를 자기적으로 연결해서 영구자석열(16)로부터의 누설 자속을 모으는 연결 요크(23 및 24)를 설치해도 좋다. 연결 요크(23 및 24)의 일단은 자성 요크(14)에 연결되고, 연결 요크(23 및 24)의 타단은 갭(25)을 개재해서 대향하고 있다. 그리고, 갭(25) 내에 자기 검출기(20)를 배치하고 있다. 이러한 구조를 사용하면, 자기 검출기(20)는 연결 요크(23 및 24)를 통과하는 누설 자속(φ)을 검출한다. 연결 요크(23 및 24)를 사용하면 자기 검출기(20)에서 검출되는 자속의 강도가 강해지기 때문에 보다 고감도가 되어 정밀도 및 분해능을 향상시킬 수 있다.
도 7에 나타내는 바와 같이, 영구자석열(16')은 영구자석(13)만으로 구성해도 좋다. 즉, 자성 요크(14)를 사용하지 않아도 자기 저항의 변화가 발생하기 때문에 자기 인코더로서 충분히 기능한다.
또한, 도 8(A) 및 도 8(B)에 나타내는 바와 같이 영구자석열(116)의 길이를 자성편열(109)의 길이보다 길게 해도 좋다. 이 실시예에서는 영구자석열(116)이 가동자(103)를 구성하고 있고, 자성편열(109)과 자기 검출기(20)가 고정자를 구성하고 있다. 이 경우에 있어서, 자성편열(109)에 포함되는 자성편(107)의 수는 도 8(A)에 나타내는 바와 같이 짝수라도 좋고, 또한 도 8(B)에 나타내는 바와 같이 홀수라도 좋다. 또한, 본 실시예에 있어서 영구자석열(116)을 고정자로 하고, 자성편열(109)과 자기 검출기(20)를 가동자로 해도 좋은 것은 물론이다.
자성편열을 구성하는 복수의 자성편의 영구자석측으로부터 본 윤곽 형상은 정현파 자속이 얻어지는 것이면 임의이다. 또한, 영구자석열을 구성하는 영구자석의 형상도 정현파 자속이 얻어지는 것이면 임의이다.
도 9(A) 내지 도 9(H)는 자성편의 변형예 및 영구자석의 변형예를 나타내고 있다. 도 9(A)는 도 3 및 도 4에 나타낸 자성편열(9')과 같은 것이다. 이 자성편열(9')에서는 자성편(7')이 영구자석열(16)측으로부터 본 윤곽 형상 및 종단면 형상이 함께 직사각형상을 나타내고 있다. 이러한 평판 형상의 자성편(7')이면, 도 1의 실시예에서 사용하는 자성편(7)과 같이 각에 모따기가 필요 없기 때문에 자성편열의 생산성이 향상된다.
도 9(B)의 자성편열(29)은 복수의 자성편(27)이 연결편(28)에 의해 연결된 구조를 갖고 있다. 이 구조의 자성편열(29)은 자성편(27)과 연결편(28)을 주조나 프레스 성형 등에 의해 일체 성형할 수 있으므로 생산성이 향상된다.
도 9(C)의 (a) 및 (b)에 나타낸 자성편(37)은 영구자석열(16)측으로부터 본 윤곽 형상이 원형을 나타내고 있다. 복수의 원형의 자성편(37)이 장척 형상의 지지체(11') 상에 접착되어서 자성편열(39)이 구성되어 있다.
도 9(D)의 (a) 및 (b)에 나타낸 자성편(47)은 영구자석열(16)측으로부터 본 윤곽 형상은 직사각형이지만, 횡방향으로부터 본 형상이 원형이 되는 원기둥 형상을 나타내고 있다. 그리고, 복수의 원기둥 형상의 자성편(47)이 지지체(11')에 매설된 상태로 지지되어서 자성편열(49)이 구성되어 있다.
도 9(E)에 나타낸 자성편(57)은 구(球) 형상을 나타내고 있다. 그리고, 복수의 구 형상의 자성편(57)이 지지체(11')에 매설된 상태로 지지되어서 자성편열(59)이 구성되어 있다.
도 9(F)의 (a) 및 (b)에 나타낸 자성편(67)은 영구자석열(16)측으로부터 본 윤곽 형상은 직사각형이지만, 자성편열(69)의 길이 방향으로부터 본 형상이 원형이 되는 원기둥 형상을 나타내고 있다. 그리고, 복수의 원기둥 형상의 자성편(67)이 장척 방향으로 정렬되도록 해서 지지체(11')에 지지되어서 자성편열(69)이 구성되어 있다.
도 9(G)의 (a) 및 (b)에 나타낸 영구자석(13') 및 자성 요크(14')는 각각 원환상을 나타내고 있고, 복수의 영구자석(13') 및 복수의 자성 요크(14')가 교대로 접합되어서 원통 형상의 영구자석열(16')이 구성되어 있다. 자성편(67)은 영구자석열(16')측으로부터 본 윤곽 형상은 직사각형이지만, 자성편열(69)의 길이 방향으로부터 본 형상이 원형이 되는 원기둥 형상을 나타내고 있다. 그리고, 복수의 원기둥 형상의 자성편(67)이 길이 방향으로 정렬되도록 해서 지지체(11')에 지지되어 자성편열(69)이 구성되어 있다.
도 9(H)의 (a) 및 (b)에 나타낸 영구자석(13") 및 자성 요크(14")는 각각 원기둥 형상을 나타내고 있고, 복수의 영구자석(13") 및 복수의 자성 요크(14")가 교대로 접합되어서 원기둥 형상의 영구자석열(16")이 구성되어 있다. 자성편열(9')은 도 9(A)의 자성편열과 같다.
도 10(A) 및 도 10(B)는 다른 극성의 자극이 비자성 재료를 개재해서 대향하도록 비자성재(12)를 개재해서 정렬된 복수의 영구자석(13)과 영구자석의 양측에 배치된 자성 요크(14)로 이루어지는 영구자석열(30)을 사용한 실시예의 자기 인코더이고, 자성편열(9)을 P/2 피치 이동시키기 전과 후의 상태를 나타내고 있다. 비자성재(12)로서 예를 들면 알루미늄을 사용할 수 있다. 영구자석열(30)은 복수의 영구자석(13)을 인서트로 해서 인서트 성형할 수 있다. 또한, 비자성재(12)는 공기라도 좋다. 본 실시예에 있어서, 사용하는 자기 검출기(20)는 홀 센서나 MR센서(자기 저항소자) 중 어느쪽이라도 좋다. 검출되는 자속의 극성이 일방향으로만 되기 때문에 특히 MR소자를 이용할 경우에는 정밀도를 향상시킬 수 있다. 도 11(A)에는 자기 검출기(20)에서 검출하는 누설 자속(φ)의 자속 밀도를 나타내고 있고, 도 11(B)에는 MR소자의 출력(검출된 전기 저항)의 변화를 나타내고 있다. 자속 밀도와 전기 저항은 동 위상에서 변화된다. 또한, 본 실시예에 있어서 자성 요크를 사용하지 않고 영구자석(13)과 비자성재(12)에 의해 영구자석열(30)을 구성해도 좋다.
도 12(A) 및 도 12(B)는 본 발명을 회전형의 자기 인코더에 적용한 실시예의 개략 정면도 및 측면도를 나타내고 있다. 본 실시예에서는 복수의 원기둥 형상의 자성편(207)으로 이루어지는 자성편열(209)은 회전축(S)의 회전에 의해 직접 또는 간접적으로 회전하는 원판(211)의 외주면을 따라 원환상의 열을 이루도록 원판(211)에 고정되어 있다. 원판(211)은 알루미늄 등의 비자성 재료에 의해 형성되어 있다. 본 실시예에서는 회전축(S)의 중심선으로부터 이웃하는 2개의 자성편(207)의 중심으로 연장시킨 가상선(L1 및 L2) 사이의 각도를 자극편의 피치(P)라고 말한다. 본 실시예에서는 원호상으로 연장되는 2개의 영구자석열(215 및 217)을 자성편열(209)과 대향하도록 배치하고 있다. 영구자석열(217)을 예로 해서 설명하면, 회전축(S)의 중심선으로부터 영구자석(213)의 중심으로 연장시킨 가상선(L3)과, 회전축(S)의 중심선으로부터 이웃하는 2개의 영구자석(213) 사이에 위치하는 자성 요크(214)의 중심으로 연장시킨 가상선(L4) 사이의 각도를 영구자석의 피치(τp)라고 말한다. 본 실시예에서는 자성편의 피치(P)와 영구자석의 피치(τp) 사이에 τp=P/4의 관계가 성립하도록 자성편의 피치(P)와 영구자석의 피치(τp)가 정해져 있다. 복수의 영구자석(213)은 자성 재료로 이루어지는 요크 구성체(222)에 인서트 성형되어 있다. 요크 구성체(222)는 영구자석(213)이 유지되는 영구자석 유지부(222A)와 영구자석 유지부(222A)의 양단에 일체로 설치된 연결 요크(223 및 224)로 구성된다. 연결 요크(223 및 224)는 도 6에 나타낸 연결 요크(23 및 24)와 마찬가지로, 영구자석열(215 및 217)로부터의 누설 자속(φ)을 자기 검출기(219 및 221)에 모으는 기능을 담당하고 있다.
본 실시예에서는 회전축(S)이 회전하면, 도 13(A)에 나타내는 바와 같이 자기 검출기(219)가 검출하는 자속의 자속 밀도(B1)와 자기 검출기(221)가 검출하는 자속의 자속 밀도(B2)가 전기각으로 90° 위상이 어긋난 정현파가 되도록 자기 검출기(219 및 221)의 위치와 자성편의 피치(P)와 영구자석의 피치(τp)가 정해져 있다. 그 결과, 자기 검출기(219 및 221)로부터는 전기각으로 90° 위상이 어긋난 정현파 전압(V1 및 V2)이 출력된다. 이들 정현파 전압(V1 및 V2)을 공지의 신호 기술에 의해 신호 처리함으로써, 회전축(S)의 회전 위치를 나타내는 신호를 얻을 수 있다. 또한, 본 실시예에 있어서는 요크 구성체(222)의 영구자석 유지부(222A)를 두껍게 구성하고 있지만, 영구자석 유지부(222A)를 얇게 형성해도 좋다.
도 14(A) 및 도 14(B)에는 한 쌍의 영구자석열(215 및 217)에 추가하여 별도의 한 쌍의 영구자석열(215' 및 217')을 설치하고 있다. 그리고, 한 쌍의 영구자석열(215 및 217)에 대응해서 설치한 한 쌍의 자기 검출기(219 및 221)와 한 쌍의 영구자석열(215' 및 217')에 대응해서 설치한 한 쌍의 자기 검출기(219' 및 221')를 기계각으로 180° 어긋나게 배치하고 있다. 이들 자기 검출기(219 및 221과 219' 및 221')로서는 홀 센서를 사용하고 있다. 여기에서는 한 쌍의 자기 검출기(홀 센서)의 한쪽을, 검출하는 자속의 방향을 역전시키도록 배치하고 있다. 이 상태에서 자기 검출기(219 및 221과 219' 및 221')가 검출하는 자속의 자속 밀도(B1 및 B2와 B'1 및 B'2)는 도 15(A)와 같이 된다. 이러한 상태에서, 자기 검출기(219)와 자기 검출기(221)의 출력의 차(V1-V2)를 구하고, 자기 검출기(219')와 자기 검출기(221)'의 출력의 차(V'1-V'2)를 구하면 도 15(B)와 같이 된다. 그래서, 한 쌍의 자기 검출기의 출력의 차를 구하도록 한 쌍의 자기 검출기의 출력부를 접속함으로써 얻어지는 전압 신호는 큰 SN비를 갖고, 또한 외부로부터의 자계의 영향을 캔슬할 수 있어 외부 자계의 외란에 강하고 보다 고정밀도의 자기 인코더가 얻어진다. 이 경우에 있어서도 자성편의 피치를 P=360°(전기각)로 했을 때에 영구자석의 피치는 P/4<τp<P의 값으로 하는 것이 바람직하다. 또한, 영구자석열은 복수의 영구자석 각각의 양측에 자성 요크가 배치된 구조를 갖고 있는 것이 바람직하다.
도 16은 본 발명의 또 다른 실시예의 구성을 나타내고 있다. 이 예에서는 동 극성의 자극이 대향하도록 2×n개(본 실시예에서는 n=25)의 영구자석(313)과 2×n개의 자성 요크(314)가 교대로 정렬되어서 원환상의 영구자석열(316)이 구성되어 있다. 또한, n±m(m은 n보다 작은 자연수: 본 실시예에서는 m=1)개의 자성편(307)이 피치(P)로 정렬되어서 원환상의 자성편열(309)이 구성되어 있다. 구체적으로는 영구자석(313)의 수가 50개이고, 자성편(307)의 수가 26개이다. 영구자석열(316)과 자성편열(309)은 자성편열(309)이 외측에 위치하도록 동심적으로 배치되어 있다. 도시하고 있지 않지만, 영구자석열(316) 및 자성편열(309)은 지지 부재에 지지되어서 각각 일체화되어 있다. 그리고, 영구자석열(316) 및 자성편열(309)의 한쪽이 회전 위치 검출의 대상이 되는 회전축에 직접 또는 간접적으로 고정되어 있다. 본 실시예에서는 자성편열(309)이 회전하는 것으로 한다. 영구자석열(316)의 중심 영역, 즉 도시하지 않은 회전축의 축선을 중심으로 하는 영역에 자기 검출기(320A 및 320B)를 배치하고 있다. 자기 검출기(320A 및 320B)는 출력에 90°의 위상차가 발생하는 위치 관계로 배치되어 있다. 이 예에서는 영구자석열(316)과 자기 검출기(320A 및 320B)는 같은 지지 부재에 지지되어 있다.
본 실시예와 같이, 동 극성의 자극이 대향하도록 복수의 영구자석(313)을 정렬하여 원환상의 영구자석열(316)을 구성했을 경우에는 자성편열(309)이 1회전하면 내측의 자장[누설 자속(φ)]은 자성편(307)의 수만큼 회전한다. 따라서, 본 실시예에서는 내측의 2개의 자장[누설 자속(φ)]이 도시하지 않은 회전축의 회전 중심을 중심으로 해서 26회전한다. 또한, 자장이 회전하는 원리에 대해서는 출원인의 선출원인 일본 특허출원 2010-220070호에 상세하게 기재하고 있다. 자기 검출기(320A 및 320B)는 회전하는 이 2개의 자장[누설 자속(φ)]을 각각 검출해서 신호를 출력한다. 도 17(A)는 자성편열(309)이 회전했을 때에 자기 검출기(320A)가 검출하는 자속 밀도 및 자기 검출기(320A)의 출력 전압과, 자기 검출기(320B)가 검출하는 자속 밀도 및 자기 검출기(320B)의 출력 전압을 나타내고 있다.
덧붙여서 말하면, 본 실시예의 구성에서 영구자석열(316)을 회전시켜서 자성편열(309)을 고정했을 경우에는 영구자석열(316)이 1회전하면 내측의 자장은 영구자석 수의 절반의 수만큼(즉 25회전만큼) 회전하게 된다. 도 17(B)에는 영구자석열(316)이 회전했을 때에 자기 검출기(320A)가 검출하는 자속 밀도 및 자기 검출기(320A)의 출력 전압과, 자기 검출기(320B)가 검출하는 자속 밀도 및 자기 검출기(320B)의 출력 전압을 나타내고 있다.
본 실시예에 의하면, 고분해능인 자기 센서를 간소한 구조로 구성할 수 있다. 또한, 복수의 영구자석(313)의 자기가 합성된 것을 자기 검출기(320A 및 320B)에서 검출하기 때문에, 자석 1개의 오차의 영향이 작아서 높은 위치 검출 정밀도가 얻어진다. 또한, 도 18에 나타내는 바와 같이 자성편열(309)을 영구자석열(316)에 내측으로 배치해도 도 16의 실시예와 마찬가지로 동작하는 자기 인코더를 얻을 수 있다.
도 19(A) 및 도 19(B)는 원환상의 영구자석열(416)과 원환상의 자성편열(409)을 회전축(S)의 축선 방향으로 정렬한 실시예이다. 본 실시예에서는 자성편열(409)이 회전축(S)에 고정된 원판(411) 상에 고정되어서 회전한다. 본 실시예에서는 영구자석열(416)의 중심 영역, 즉 회전축(S)의 축선을 중심으로 하는 영역에 자기 검출기(420A 내지 420D)를 배치하고 있다. 자기 검출기(420A 내지 420B)는 각각의 출력에 90°의 위상차가 발생하는 위치 관계로 배치되어 있다. 이 예에서는 영구자석열(416)과 자기 검출기(420A 내지 420D)는 같은 지지 부재에 지지되어 있다. 이 예에서는 자성편열(409)의 자성편의 수(n±m)의 n을 25로 하고, m을 +1로 해서 자성편(407)의 수를 26으로 하고 있다. 이 실시예에서도 동 극성의 자극이 대향하도록 복수의 영구자석(413)을 정렬해서 원환상의 영구자석열(416)을 구성하고 있으므로, 자성편열(409)이 1회전하면 내측의 2개의 자장[누설 자속(φ)]은 자성편(407)의 수만큼 회전한다. 따라서, 본 실시예에서는 내측의 2개의 자장[누설 자속(φ)]이 회전축(S)의 회전 중심을 중심으로 해서 26회전 한다. 자기 검출기(420A 내지 420D)는 회전하는 이 2개의 자장[누설 자속(φ)]을 각각 검출해서 위상이 90° 어긋난 정현파 신호를 출력한다.
도 20은 도 19의 실시예와 마찬가지로, 원환상의 영구자석열(516)과 원환상의 자성편열(509)을 회전축(S)의 축선 방향으로 정렬한 실시예이다. 이 예에서는 자성편열(509)의 자성편의 수(n±m)의 n을 25로 하고, m을 +2로 해서 자성편(507)의 수를 27로 하고 있다. 이 실시예에서는 자성편열(509)이 1회전하면 내측에 4개의 자장[누설 자속(φ)]이 발생하고, 4개의 자장[누설 자속(φ)]은 자성편(507)의 수만큼 회전한다. 본 실시예에서는 한 쌍의 자기 검출기(520A 및 520B)가 기계각으로 180° 어긋난 위치에 배치되고, 한 쌍의 자기 검출기(520C 및 520D)도 기계각으로 180° 어긋난 위치에 배치되어 있다. 그리고, 한 쌍의 자기 검출기(520A 및 520B)와 한 쌍의 자기 검출기(520C 및 520D)도 기계각으로 45° 어긋난 위치에 배치되어 있다. 이렇게 배치하면, 도 21(A)에 나타내는 바와 같이 한 쌍의 자기 검출기(520A 및 520B)가 검출하는 자속 밀도(B1 및 B2)는 90° 위상이 어긋난 정현파가 된다. 또한, 한 쌍의 자기 검출기(520C 및 520D)가 검출하는 자속 밀도(B'1 및 B'2)도 도 21(A)에 나타내는 바와 같이 90° 위상이 어긋난 정현파가 된다. 그래서, 한 쌍의 자기 검출기(520A 및 520B)의 출력의 차(V1-V2)를 구하면 도 21(B)에 나타내는 정현파 전압 신호가 얻어진다. 또한, 한 쌍의 자기 검출기(520C 및 520D)의 출력의 차(V'1-V'2)를 구하면 도 21(B)에 나타내는 정현파 전압 신호가 얻어진다. 본 실시예에 의하면, 얻어지는 정현파 형상 신호 (V1-V2) 및 (V'1-V'2)는 큰 SN비가 되고, 또한 외부로부터의 자계의 영향을 캔슬할 수 있어 외부 자계의 외란에 강하고 보다 고정밀도의 자기 인코더를 얻을 수 있다.
본 발명에 의하면, 간단하게 정현파 형상의 자속을 발생시킬 수 있어서 분해능과 내삽 정밀도의 향상을 도모할 수 있는 저비용의 자기 인코더를 제공할 수 있다.
1 : 리니어 자기 인코더 3 : 가동자
5 : 고정자 7, 107, 207, 307, 407, 507 : 자성편
9, 109, 209, 309, 409, 509 : 자성편열
11 : 지지체 13, 113, 213, 313, 413, 513 : 영구자석
14, 414, 214, 314, 414, 514 : 자성 요크
15, 16, 17, 116, 216, 316, 416, 516 : 영구자석열
19, 20, 21 : 자기 검출기
5 : 고정자 7, 107, 207, 307, 407, 507 : 자성편
9, 109, 209, 309, 409, 509 : 자성편열
11 : 지지체 13, 113, 213, 313, 413, 513 : 영구자석
14, 414, 214, 314, 414, 514 : 자성 요크
15, 16, 17, 116, 216, 316, 416, 516 : 영구자석열
19, 20, 21 : 자기 검출기
Claims (24)
- 동 극성의 자극이 대향하도록 정렬되거나, 또는 다른 극성의 자극이 비자성 재료를 개재해서 대향하도록 정렬된 복수의 영구자석으로 이루어지는 영구자석열과,
상기 영구자석열을 따라 간격을 두고 정렬되도록 배치된 복수의 자성편을 갖는 자성편열과,
상기 영구자석열과 상기 자성편열 사이에 상대적인 위치의 변위가 생겼을 때에 발생하는 누설 자속을 검출하는 자기 검출기를 구비하고,
상기 복수의 영구자석의 피치 및 상기 복수의 자성편의 피치는 상기 영구자석열과 상기 자성편열 사이에 상대적인 위치의 변위가 연속적으로 발생하고 있을 때에, 상기 영구자석열 중의 1개의 상기 영구자석으로부터 나온 자속이 그 1개의 옆의 상기 영구자석 또는 상기 비자성재와 대향하는 1개의 상기 자성편을 통과해서 상기 영구자석열 내로 되돌아오는 자로가 형성되도록 정해져 있는 것을 특징으로 하는 자기 인코더. - 제 1 항에 있어서,
상기 자성편의 피치를 P=360°(전기각)로 했을 때에 상기 영구자석의 피치는 P/4<τp≤P/2의 값인 것을 특징으로 하는 자기 인코더. - 제 1 항에 있어서,
상기 영구자석열은 상기 복수의 영구자석 각각의 양측에 자성 요크가 배치된 구조를 갖고 있는 것을 특징으로 하는 자기 인코더. - 제 3 항에 있어서,
상기 영구자석열의 양단에 위치하는 상기 자성 요크끼리를 자기적으로 연결해서 상기 영구자석열로부터의 누설 자속을 모으는 연결 요크가 설치되고,
상기 자기 검출기는 상기 연결 요크를 통과하는 누설 자속을 검출하도록 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 자기 인코더. - 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 자기 검출기는 상기 자성편열을 사이에 개재해서 상기 영구자석열과 대향하는 위치에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 자기 인코더. - 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 자기 검출기는 상기 자성편열 및 상기 영구자석열의 양쪽과 대향하는 위치에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 자기 인코더. - 제 3 항에 있어서,
상기 자기 검출기는 상기 영구자석열의 연장선 상에서 상기 자성 요크에 인접한 위치에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 자기 인코더. - 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 영구자석열은 상기 자성편열보다 긴 것을 특징으로 하는 자기 인코더. - 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 자성편열을 구성하는 복수의 자성편은 상기 자성편보다 자기 저항이 큰 연결부에 의해 연결된 일체 구조를 갖고 있는 것을 특징으로 하는 자기 인코더. - 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 자성편열을 구성하는 복수의 자성편은 상기 영구자석측으로부터 본 윤곽 형상이 직사각형, 원형 또는 장방형인 것을 특징으로 하는 자기 인코더. - 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 자성편열을 구성하는 복수의 자성편은 상기 자성편열이 연장되는 방향 및 상기 영구자석열을 향하는 방향과 직교하는 방향으로부터 본 윤곽 형상이 원형인 원기둥 형상을 갖고 있는 것을 특징으로 하는 자기 인코더. - 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 자성편열을 구성하는 복수의 자성편은 상기 자성편열이 연장되는 방향으로부터 본 윤곽 형상이 원형인 원기둥 형상을 갖고 있는 것을 특징으로 하는 자기 인코더. - 제 3 항에 있어서,
상기 영구자석 및 상기 자성 요크는 상기 자성편열의 주위를 둘러싸도록 형성된 환상 형상을 갖고 있는 것을 특징으로 하는 자기 인코더. - 제 3 항에 있어서,
상기 영구자석 및 상기 자성 요크는 상기 영구자석열이 연장되는 방향으로부터 본 윤곽 형상이 원형인 원기둥 형상을 갖고 있는 자성편열의 주위를 둘러싸도록 형성된 환상 형상을 갖고 있는 것을 특징으로 하는 자기 인코더. - 제 1 항에 있어서,
상기 자성편열은 회전축의 회전에 의해 직접 또는 간접적으로 회전하는 원판의 외주면을 따라 원환상의 열을 이루도록 상기 원판에 고정되어 있고, 상기 자성편열에 대향하도록 원호상으로 연장되는 2개 이상의 상기 영구자석열이 상기 자성편열과 대향하도록 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 자기 인코더. - 제 15 항에 있어서,
상기 자성편의 피치를 P=360°(전기각)로 했을 때에 상기 영구자석의 피치는 P/4<τp<P의 값인 것을 특징으로 하는 자기 인코더. - 제 15 항에 있어서,
상기 영구자석열은 상기 복수의 영구자석 각각의 양측에 자성 요크가 배치된 구조를 갖고 있는 것을 특징으로 하는 자기 인코더. - 제 17 항에 있어서,
상기 영구자석열의 양단에 위치하는 상기 자성 요크끼리를 자기적으로 연결해서 상기 영구자석열로부터의 누설 자속을 모으는 연결 요크가 설치되고,
상기 자기 검출기는 상기 연결 요크를 통과하는 누설 자속을 검출하도록 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 자기 인코더. - 제 17 항 또는 제 18 항에 있어서,
상기 자성편의 피치를 P=360°(전기각)로 했을 때에 상기 영구자석의 피치는 P/4<τp<P의 값이고,
2개의 상기 자성편열이 기계적으로 180° 어긋난 위치에 배치되고,
2개의 상기 자성편열에 대응해서 설치되는 2개의 상기 자기 검출기의 한쪽의 위치는 2개의 상기 자성편열을 연결하는 가상선에 대하여 상기 회전축의 회전 방향으로 P/4 어긋난 위치이고, 2개의 상기 자기 검출기의 다른쪽의 위치는 상기 가상선에 대하여 상기 회전축의 상기 회전 방향과는 반대 방향으로 P/4 어긋난 위치인 것을 특징으로 하는 자기 인코더. - 제 1 항에 있어서,
상기 영구자석열이 동 극성의 자극이 대향하도록 정렬되어 구성되어 있을 때에, 상기 영구자석열은 회전축을 중심으로 하는 원환상의 영구자석열을 이루도록 구성되고, 상기 자성편열은 상기 회전축을 중심으로 하는 원환상의 자성편열을 이루도록 구성되고,
상기 회전축의 축선을 중심으로 하는 영역에 상기 자기 검출기가 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 자기 인코더. - 제 20 항에 있어서,
상기 원환상의 영구자석열과 상기 원환상의 자성편열은 상기 회전축의 지름 방향으로 정렬되어서 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 자기 인코더. - 제 20 항에 있어서,
상기 원환상의 영구자석열과 상기 원환상의 자성편열은 상기 회전축의 축선 방향으로 정렬되어서 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 자기 인코더. - 제 21 항 또는 제 22 항에 있어서,
한 쌍의 상기 자기 검출기가 검출할 수 있는 자속의 방향이 기계적으로 180° 어긋난 상태가 되도록 상기 한 쌍의 자기 검출기가 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 자기 인코더. - 제 1 항에 있어서,
상기 비자성재는 공기인 것을 특징으로 하는 자기 인코더.
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