WO2002048652A1

WO2002048652A1 - Codeur magnetique

Info

Publication number: WO2002048652A1
Application number: PCT/JP2001/010816
Authority: WO
Inventors: Toshiyuki Ishibashi; Koji Uemura; Kazunari Matsuzaki
Original assignee: Kabushiki Kaisha Yaskawa Denki
Priority date: 2000-12-14
Filing date: 2001-12-10
Publication date: 2002-06-20
Also published as: TW528856B

Description

磁気式エンコーダ

[技術分野] .

本発明は、磁気式エンコーダ、特に小形化に適した磁気式エンコーダに関するものである。 '

[背景技術] . 従来、回転体の回転数や回転位置を検出するためのエンコーダには、検出原理により分類すると、光学式（光電式）、磁気式、静電式などがあり、'主として光学式と磁気式が用いられている。

磁気式エンコーダとしては、周方向に多極着磁した磁気ドラムと磁気センサからなる磁気ドラム形（たとえば特開昭 5 4— 1 1 8 2 5 9号）や、ギヤもしくはスリットを有するデイスクと磁気センサぉよび永久磁石とからなるリラクタンス形の他に、特開 2 0 0 0— 6 5 5 9 6号公報に示されているように、回転軸に対して垂直な一方向に磁化された円板状の永久磁石からなる発磁体をそなえ、この発磁体に対して軸方向に対向する磁界検出素子をそなえた磁気式エンコーダや、特開平 1 1一 2 3 7 2 5 7号に記載されているように、前記と同様に一方向の磁界をそなえた発磁体の外周を囲む固定枠を設け、この固定枠の内周に、発磁体に対して径方向に対向させ、機械角で 9 0度位相がずれている 1対の磁界検出素子を、互いに 1 8 0度ずらせた位置に 2対設けたものが用いられている。

図 1 5はその 1例を示す斜視図で、 2 0は回転体たとえばモータ、 2 1はその回転軸、 2 2は回転軸 2 1に取り付けた円板状の永久磁石からなる宪磁体で、回転軸 2 1に対して垂直な一方向に磁化した磁界 B (矢印）を形成している。 2 3は図示していない取付手段で回転体 2 0のフレームなどに取り付けられた固定枠で、その内周に互いに 9 0度の位置で磁界検出素子 2 4 a、 2 4 b、 2 4 c、 2 4 dを取り付けている。

' しかるに、磁気ドラム形のエンコーダは、高分解能化すると着磁方法や組立精度が面倒になり、磁気センサとして微細パターン化した磁気抵抗素子が必要になるため、高価で、小形化に適していなかった。また、一方向に磁化された永久磁石円板の軸方向に対向させ、あるいは周囲に空隙を介して径方向に磁界検出素子を取り付けるものでは、発磁体と磁界検出素子との位置がずれて磁界検出素子が磁界の湾曲する部分に設置されると、出力信号の波形に乱れを生じやすく、たとえば、図 1 6に示すように、，発磁体 2 2と固定枠 2 3の位置が偏心すると、各磁界検出素子と磁界とのずれにより検出信号にみだれを生じる。このため磁界検出素子と発磁体との関係位置を正確 ίこ保持させる必要があり、製作が面倒であった。

また、磁界検出素子が回転軸に対して平行に取付けられていない場合は、すなわち、磁界と垂直になっていない場合、波形がひずみ、微小角度の検出精度が悪いという問題があった。

本発明は、上述の欠点を無くし、磁界検出素子を常に磁界の平行な範囲内に設置させることができ、発磁体に対する磁界検出素子の取り付けを容易にし、小形化が可能な磁気ェンコーダを提供する。

[発明の開示]

このため、発磁体を筒状に形成し、その空隙内に、中心軸に対して垂直方向に均等な一方向の磁界を発生させ、この発磁体の前記空隙内に所定の角位相差で複数個の磁界検出手段を配置し、前記発磁体と磁界検出手段とを相対的に回転させるようにしている。

前記発磁体は、筒状の永久磁石で形成させることができ、全体に一方向の磁界'を発生させるように着磁させる。

また、発磁体の空隙内に生じる磁界強度を向上させるため、発磁体の外周に磁路を構成する筒状の軟磁性体を、発磁体に接着させ、あるいは小間隙を介して配置することができる。

なお、発磁体の周方向位置の磁化方向を徐々に変化させて、中央の空隙内に一方向の磁界を形成させるようにしてもよい。 '

周方向位置の磁化方向を徐々に変化させるために、磁ィ匕方向が異なる複数の台形の永久磁石プロックを順次に磁化方向をずらせて周方向に組み合わせて筒状にし、または、ゴム磁石を用いて一方向に着磁した筒状体の 1力所を切り離し、内周面が外側になるように反転させて筒状に戻すことにより、磁化方向が徐々に変化する発磁体を形成させることができる。

また、前記磁界検出手段は、磁界の方向に対して検出感度が最大となる指向性を有する少なくとも 3個の磁界検出素子からなり、このうち少なくとも 2個を指向性の方向が前記中心軸に対して垂直方向に、少なくとも 1個を前記中心軸と平行方向に酉己置している。

また、前記磁界検出手段をホール素子または磁気抵抗効果素子としてもよく、これらを半導体基板内に形成してもよい。 '

このように本発明は、発磁体を筒状に形成し、その中心軸に対して垂直方向に均等な一方向の磁界を発生させ、前記発磁体内側の空隙内に所定の'角位相差で複数個の磁界検出素子を配置しているので、磁界検出素子を空隙内の中央に正確に配置する必要がなく、高い組立精度を必要とせず製作が容易になり、磁界検出素子が発磁体の内側に収納され、小形に構成することができ、回転部分の慣性を小さくできるなどの効果が得られる。

なお、発磁体の外周を囲む軟磁性体をそなえて磁気回路を形成することによって, 発磁体の,空隙内における磁界強度を大きくし、検出精度を向上させることができる _c また、発磁体の磁化方向を周方向位置で徐々に変化させ、中央の空隙に一方向の磁界を形成する筒状体にして用いることにより、空隙内の磁界を強め方向性を良好に保持させることができる。

また、一方向に着磁した筒状のゴム磁石を反転させることにより、磁化方向が徐々に変化する発磁体を簡易に得られる効果がある。

また、少なくとも 3個の磁界検出素子を有し、その検出感度が最大となる方向を回転軸に対して垂直方向に 2個、回転軸に平行方向に 1個配置したので、磁界検出素子の出力変動を容易に補正できる。したがって、検出精度の高い小型の磁気式ェンコーダを得る効果がある。

[図面の簡単な説明]

図 1は本発明の第 1実施例の要部を示す側断面図である。図 2は図 1の A— A線に - 沿う断面図である。図 3は本発明の第 2実施例の要部を示す側断面図である。図 4 は図 3の中央部断面図である。図 5は本発明の第 5実施例の要部を示す側断面図である。図 6は本発明の第 6実施例を示す発磁体の正面図である。図 7は本発明の第 7実施例を示す発磁体の正面図である。図 8は本発明の第 8実施例を示す発磁体とその製作過程を示す説明図である。図 9は本発明のエンコーダにおける出力信号の特性曲線図である。図 1 0は本発明の第 8実施例における出力信号の特性曲線図である。図 1 1は磁気ドラム形のエンコーダの例を簡略に示す斜視図である。図 1 2 は図 1 1の例における偏心した場合の出力信号の特性曲線図である。図 1 3は本発明の第 9実施例の要部を示す側断面図である。図 1 4は図 1 3の検出素子取付け部の斜視図である。図 1 5は従来のエンコーダの例を示す斜視図である。図 1 6は従来のエンコーダにおける偏心した状態を示す説明図である。

1は回転軸、 2は発磁体、 3は支持板、 4は空隙、 5 a、 5 b、 5 c、 5 d、 5 eは磁界検出素子、 6は取付座、 8は永久磁石プロック、 9は切断部、 1 0は磁性体である。

[発明を実施するため最良の形態]

本発明の実施の形態を図に基づいて詳述する。

(第 1実施例）

本発明の第 1実施例を図 1および図 2に示す。図において、 1は回転軸、 2は筒状の発磁体で、中心軸心に対して垂直方向に均等な一方向の磁界 Bを発生するように着磁させた永久磁石（矢印は磁化方向を示す）、 3はこの発磁体 2を取り付けた支持板で、回転軸 1に固着させている。 4は発磁体 2の筒状内側の空隙、 5 a、 5 b、 5 c、 5 dは磁界検出素子で、空隙 4内に相互に 9 0度の位相差で配置されている。 6は磁界搀出素子の取付座、 7は敢付座 6の支持板である。なお、磁界検出素子への給電回路や出力信号の配線および信号処理回路などは省略している。

発磁体 2.は、外径 4 0 mm、内径 2 0 mm、軸方向長さ 1 0 mmに形成した筒状の N d— F e— B系ボンド磁石（B r = 7 . 3 k G、（B H) m a x = 1 1 MG O e ) からなる永久磁石とし、中心軸に対して垂直方向（径方向）に 2極の着磁を行つた。空隙 4内の磁界 Bを測定したところ、 0 . 2 0 Tの均一な磁界強度が確認された。 ' この空隙 4内に図 2に示すように磁界検出素子 5 a、 5 b、 5 c、 5 d (ホール素子）を配置し、発磁体 2を磁性体 1 0とともに回転させ、回転角による磁界の変化を検出した結果、図 9に示すように、極めて良質な正弦波信号を得ることができた。

このため、磁界検出素子 5 a、 5 b、 5 c、 5 dが空隙 4内の中心か,ら外れて偏心しても 1回転で各磁界検出素子に 1周期の全く等しい波形の良質な正弦波出力信号を得ることができ、発磁体 2との関係位置を正確に保持させる必要がな.く、高レ、組立精度を必要としないので製作が容易になる。

なお、発磁体 2を構成する永久磁石は、希土類系焼結磁石、フェライト系焼結磁石、希土類系ボンド磁石、フヱライト系ボンド磁石、アルニコ磁石、フェライトゴム磁石などを用いることができる。

(第 2実施例）

本発明の第 2実施例を図 3および図 4に示す。図において、 1 0は磁性体であり他の符号は図 1および図 2と同じである。

発磁体 2の材質、形状およぴ着磁等は、第 1実施例と全く同じである。磁性体 1 0は、外径 6 0 mm、内径 4 0 mmの環状に打ち抜いたケィ素鋼板を発磁体 2の軸方向長さに応じて積層した筒状の磁気回路を形成したものである。空隙 4内の磁界を測定したところ、 0 . 2 5 T の均一な磁界強度が確認された。

この空隙 4内に図 4に示すように磁界検出素子 5 a、 5 b、 5 c、 5 d (ホール素子）を配置し、発磁体 2を磁性体 1 0とともに回転させ、回転角による磁界の変化を検出した結果、第 1実施例と同様に図 9に示す、極めて良質な E弦波信号を得ることができた。 . ' '

第 1実施例では、磁束 φが発磁体 2の外側空間を通るため磁気抵抗が大きく、空隙 4内の磁界強度が小さくなつているが、本実施例では発磁体 2の外周に磁性体 1 0を設けて磁気回路を形成させ、磁束 φの磁気抵抗を小さくし、空隙 4内の磁界強度を大きくしている。

なお、磁性体 1 0は、ケィ素鋼鉄を発磁体 2の周方向に卷回してもよく、純鉄や軟鋼あるいはアモルファス合金などで筒状に形成したものでもよい。 (第 3実施例）

本実施例は、発磁体 2の永久磁石の材質を変え空隙 4内の磁界強度を更に大きくしたもので、他の構成は第 2実施例と全く同じである。

発磁体 2は、外径 40nim、内径 20mm、軸方向長さ 1 0 mmの N d— F e _ B系焼結磁石（B r = 11. 9 k G、 (BH) ma x = 35MGO e) を用いた。実施例 1と同様に実験した結果、空隙内の磁界強度は 0.44T で、磁界の変化も同様に極めて良質な正弦波信号を得られた。

(第 4実施例）

本実施例は、形状は第 2実施例と同じであるが、永久磁石および磁性体を変えたものである。

発磁体 2は、外径 12mm、内径 1 0 mm、軸方向長さ 1 Ommの筒状にしたフェライトゴム磁石（B r = 1. 5 kG、 (BH) ma x = 0. 5MGO e ) に径方向に 2極着磁を行って形成した。磁性体は、外径 1 3mm、内径 12mmのリング状純鉄を用い、これを発磁体 2の外周に配置した。

空隙内の磁界を測定したところ、 0. 020T の磁界強度が得られた。また、空隙 4内に磁気抵抗素子（MR素子）を配置して磁界の変化を検出した結果、良好な正弦波信号が得られた。

(第 5実施例）

本発明の第 5実施例を図 5に示す。本実施例は、磁性体 10を僅かな空隙を介して支持板 7に取り付けて配置したものである。 . 発磁体 2は、第 4実施例と同じである。支持板 7は非磁性のアルミニウム板を用いた。磁性体 1 0は、発磁体 2と対向する支持板 7に外径 1 3mm、 .内径 12 mm のリング状純鉄を配置した。

(第 6実施例）

本発明の第 6実施例を図 6に示す。本実施例は、発磁体 2の異なる例を示すもので、筒状磁性体の左右雨側の磁化方向を、対称的にそれぞれ周方向位置で順次に

(図ではそれぞれ 8力所の磁化方向を示している) 徐々に変化させている。

このような構成により、中央の空隙 4内に一方向の磁界 Bを容易に形成することができる。 '

(第 7実施例）

本発明の第 7実施例を図 7に示す _ώ 本実施例は、発磁体を台形の永久磁石プロックの組み合わせにより構成したものである。

発磁体 2は、それぞれに磁化方向が異なる台形の永久磁石プロック 8を 8個そなえ、平行な辺に対して磁化方向が垂直になるプロックから、両側に順次磁化方向を 90度ずらせたブロックを隣り合わせるように周方向に組み合わせて接合させ、中央の空隙 4内に一方向の磁界 Βを形成したものである。 . '

永久磁石として、 Nd— F e— B系焼結磁石（B r = 11. 7 kG、 i H c = 22 kO e、 (BH) ma x= 32MGO e ) からなるブロック 8個を用い、外径 72 mm、内径 24mm、長さ 72 mmの筒状とした。

この筒状発磁体の空隙内の磁界を調べたところ、 1. 1 T の強度の磁界が発生し、直径 1 5 mm内ではばらつきが 0. 1% 以下の均一な磁界 Bを形成されていることが分った。また、空隙 4内にガウメータの検出プローブ（ホール素干）を配置し、発磁体 2を回転させて回転角による磁界の変化を検出した結果、極めて良質な正弦波信号を得ることができた。

なお、永久磁石ブロックの数は 8個に限られるものではなく、何偶の永久磁石ブロックを用いてもよい。

(第 8実施例） . ' .

本発明の第 8実施例を図 8に示す。本実施例は、さらに別の発磁体 2とその製作工程を示すものである。

永久磁石は、幅 10mm、厚さ 1 mm、長さ 35 mmのフェライトゴム磁石 (B r = 1. 5 k g、 i He = 2.4 kG e、（BH) ma x = 0. 5MGO e) を使用し、外径 1 2mm、内径 10mmの筒状に形成した。 '

発磁体 2の製作はつぎの工程で行つた。 ① まず、図 8 ( a ) に示すように、所要の筒状に形成したゴム磁石の全体を径方向に 2極着磁して発磁体 2を形成する。このゴム磁石からなる発磁体 2は、そのままで図 2などと同様に用いることができる。

② 任意の 1力所を切断部 9で半径方向に切り離し、この切断部 9により図 8

( b ) のように離開させると、内側が引き延ばされ外側が圧縮されるため、切断部

9に対する磁化方向の関係が順次に変化する。

③ さらに両端を矢印 9 aの方向に図 8 ( c ) で示すように開き、続けて矢印 9 b の方向に内周面が外周になるように反転させて湾曲させる。

④ 図 8 ( d ) の状態を経てさらに矢印 9 c方向に曲げ、両^の切断部 9を接合させる。 .

⑤ 図 8 ( e ) に示すように、筒状に戻すと周方向位置の磁化方向が徐々に変化して中央の空隙 4に一方向の磁界 Bをそなえた発磁体 2を形成させる。なお、切断部 9は半径方向でなく、斜め方向に切断してもよい。

この発磁体 2の空隙 4内に発生する磁界 Bを測定したところ、 0 . 0 2 4 T の値が得られ、均一性は第 7実施例の場合と同様であつた。

この発磁体 2と空隙 4内に配置したホール素子とにより磁気エンコーダを構成した。このエンコーダを回転させ、回転角度による検出信号を測定した結果を図 1 0 に示す。この特性図から明らかなように、磁界検出素子が偏心しても極めて良質な正弦波信号が得られており、さらに大きく偏心しても正弦波信号の振幅強度や波形などはほとんど変化がなく、高い組立精度を必要としないことが明らかである。なお、比較するため、図 1 1に示すように、同じ材質のフェライトゴム磁石をリング状にして外周面に多極着磁を施した磁気ドラム 2 5と、その外周面に対向する磁気センサ 2 6を設けたエンコーダを作成した。このエンコーダで試験を行った結果、回転角度と検出信号との特性図は、図 1 2に示すように磁界検出素子の僅かな偏心で検出信号のゆらぎを生じている。

本実施例では、磁界検出素子としてホール素子を用いたが、この素子に代えて磁気抵抗効果素子を用いても、同じく小形にすることができ、良好な特性が得られた (第 9実施例）図 1 3は、磁界検出素子を 1ケ所にまとめた構成にし、発磁体 2の空隙 4内の中' 央部分に軸と平行に配置した断面図である。磁界検出素子を取付座 6に取付けた拡大図を図 14に示す。

磁界検出素子である 3個のホール素子 5 a、 5 c、 5 eは、四角柱の取付座 6の三方の面に、検出信号がそれぞれ最大となる方向が互いに垂直になるように設置している。矢印は指向性が最大のベタトル方向を示す。

回転軸 1が Θだけ回転すると、磁界検出素子 5 aの指向性が最大のべクトル方向と、永久磁石により生成される磁界のベクトル方向は 0だけずれる。また、磁界検出素子 5 a、 5 cの検出磁界が最大となる方向からそれぞれ軸方向に向かって、 φ a、 φ cの角度を有しているとすると、各磁界検出素子 5 a、 5 cの補正後の出力 V a、 V cはそれぞれ、 (1) 式と（2) 式で表される。

V a = c o s θ / c o s φ a ··· (1)

V c = B c o s ( θ + π/2) / c o s c…（2)

さらに、各補正後の出力を用いて、回転軸 1の角度の絶対位置 Θは、（3) 式として得られる。

0=a r c t a n (V a/V c ) ··· (3)

以上のことから、 φ 3 との値がわかれば、磁界方向の変動による出力振幅の誤差を補正することができる。そこで、磁界検出素子 5 a、 5 cがそれぞれ最大になる位置に置いて、と φ c は逐次更新され信号処理回路に含まれる記憶領域に記憶され各磁界検出素子の補正に用いられる。具体的には、磁界検出素子 5 aの出力が最大になるときに、磁界検出素子 5 eの出力を V_5e5amax とすると、あらかじめ計測された磁界検出素子 5 eの最大値を V_5emax とすれば、（4) 式で与えられる。

<>a = s i n"¹ (V_{5e 5amax} / V_{5 emax}) '··(4)

同様に、磁界検出素子 5 cについて、この出力が最大になるときに、磁界検出素子 5 eの出力を V_5e5cmax とすると、 (5) 式で与えられる。

Φ c = s i n— ¹ (V_{5e5 craax} / _5emax ) … ）

従って、 (4) 式、 (5) 式で得られた値を（1) 式 (2) 式に代入し、 (3 ) 式にて Θ を求めることができる。外径 4 O mm、内径 2 0 mm, 軸方向長さ 1 O mmの筒状のフェライト磁石を用いて第 1実施例と同様に実験した結果、信号の検出精度はよい結果が得られた。

なお、本実施例では磁界発生素子 5としてホール素子 3個を、それぞれ独立させて配置したが、これに限らず 3個のホール素子を互いに磁界最大検出が直交するように半導体基板上に形成してもよい。また、磁界検出素子としてホール素子を用いたが、磁気抵抗効果素子を用いてもよい。また、永久磁石はブロック状のフェライト磁石を用いたが、これに限らず希土類磁石などをスパッタ法を用いて、軟磁性体の端面に付着させてもよい。

[産業上の利用可能性]

本発明は、磁気式エンコーダ、特に小形化に適した磁気式エンコーダに利用できる。 · ，

Claims

請求の範囲

1 . 発磁体による磁界内に磁界検出手段を設け、発磁体と磁界検出手段との相対的な回転による磁界検出手段からの出力信号を処理する磁気式エンコーダにおいて、前記発磁体を筒状に形成し、その中心軸に対して垂直方向に均等な一方向の磁界を発生させ、前記発磁体の空隙内に所定の角位相差で磁界検出手段を配置したことを特徴とする磁気式エンコーダ。

2 . 前記発磁体が、筒状の永久磁石からなり、一方向に着磁されている請求項 1記載の磁気式ェンコ一ダ。

3 . 前記発磁体の外周に、磁気回路を形成する筒状の磁性体をそなえた請求項 1または 2記載の磁気式エンコーダ。

4 . 前記発磁体が、周方向位置の磁化方向が徐々に変化して、空隙内に一方向の磁界を形成している請求項 1記載の磁気式ェンコーダ。

5 . 前記発磁体が、台形にした複数の永久磁石ブロックを、短辺を内側にし、磁化方向を順次に異ならせて筒状に組み合わせ、中央の空隙内に一方向の磁界を形成するようにした請求項 4記載の磁気式エンコーダ。

6 . 前記発磁体が、筒状のゴム磁石を一方向の磁界を発生するように着磁した後、 1力所を切り離して内周面が外側になるように反転させて筒状に戻すことにより、磁化方向が徐々に変化して一方向の磁界を形成させた請求項 4記載の磁気式ェンコータ ₀

7 . 前記磁界検出手段は、磁界の方向に対して検出感度が最大となる指向性を有する少なくとも 3個の磁界検出素子か'らなり、このうち少なくとも 2個を指向性の方向が前記中心軸に対して垂直方向に、少なくとも 1個を前記中心軸と平行方向に配置した請求項 1から 6のいずれか 1項に記載の磁気式エンコーダ。

8 . 前記磁界検出手段はホール素子または磁気抵抗効果素子である請求項 1から 7 のいずれか 1項に記載の磁気式エンコーダ。

9 . 前記磁界検出手段は半導体基板内に形成された請求項 1から 8のいずれか 1項に記載の磁気式エンコーダ。