WO2024079787A1 - 磁気式エンコーダ - Google Patents

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WO2024079787A1
WO2024079787A1 PCT/JP2022/037887 JP2022037887W WO2024079787A1 WO 2024079787 A1 WO2024079787 A1 WO 2024079787A1 JP 2022037887 W JP2022037887 W JP 2022037887W WO 2024079787 A1 WO2024079787 A1 WO 2024079787A1
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WO
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magnetic
magnetic field
magnets
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magnet
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PCT/JP2022/037887
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English (en)
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Inventor
明良 堀田
武史 武舎
Original Assignee
三菱電機株式会社
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Publication date
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/12—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means
    • G01D5/244—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing characteristics of pulses or pulse trains; generating pulses or pulse trains
    • G01D5/245—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing characteristics of pulses or pulse trains; generating pulses or pulse trains using a variable number of pulses in a train

Definitions

  • This disclosure relates to a magnetic encoder having a magnetic detection unit and a position detection unit that move relative to each other.
  • a magnetic encoder has a magnetic detection unit and a position detection unit that move relative to one another.
  • Such magnetic encoders are used in rotary encoders, which are rotation detectors for controlling rotary servo motors, and linear encoders, which are position detectors for controlling linear motors.
  • Patent Document 1 shows a magnetic scale unit having multiple magnetic poles.
  • the magnetic scale unit has a magnetic pole row in which multiple magnetic poles of the same polarity are arranged at equal intervals.
  • the interval between the magnetic poles is greater than the width in the arrangement direction of the magnetic poles, but is less than twice the width in the arrangement direction of the magnetic poles.
  • the magnetic sensor outputs the magnetic field change of the magnetic scale unit as an electrical signal, and position information is obtained from the voltage peak.
  • Patent Document 1 the widths of the multiple magnets of the same polarity are all the same, so there is a problem in that only the peak position of the magnetic field and discrete position information corresponding to the peak position can be obtained.
  • the present disclosure has been made in consideration of the above, and aims to provide a magnetic encoder that can obtain a smooth, long-period sine wave signal and can acquire continuous, highly accurate position information over a wide range.
  • the magnetic encoder of the present disclosure is a magnetic encoder in which a magnetic scale unit and a position detection unit move relative to each other along a first direction
  • the magnetic scale unit includes a first magnetic field source and a second magnetic field source arranged side by side in the first direction and having magnetization directions opposite to each other, a magnetic body arranged at a distance from the first magnetic field source and the second magnetic field source along the magnetization directions of the first magnetic field source and the second magnetic field source, and a base for positioning the first magnetic field source, the second magnetic field source, and the magnetic body.
  • the position detection unit includes a magnetic detection element arranged at a distance from each of the first magnetic field source, the second magnetic field source, and the magnetic body in a region sandwiched between the first magnetic field source, the second magnetic field source, and the magnetic body, and outputs a change in the magnetic field as an electrical signal.
  • the length of the magnetic body in the first direction corresponds to one wavelength of a wavelength determined based on the resolution of position detection of the magnetic scale unit in the first direction
  • the surface facing the first magnetic field source and the second magnetic field source is a curved surface that is most convex at positions corresponding to 1/4 and 3/4 of the wavelength from the end in the first direction.
  • the first magnetic field source is disposed at a position facing the position corresponding to 1/4 of the wavelength of the magnetic body
  • the second magnetic field source is disposed at a position facing the position corresponding to 3/4 of the wavelength of the magnetic body.
  • the magnetic encoder disclosed herein has the advantage of being able to obtain a smooth, long-period sinusoidal signal, enabling continuous, highly accurate position information to be obtained over a wide range.
  • FIG. 1 is a perspective view showing a magnetic encoder according to a first embodiment
  • FIG. 1 is a front view showing a magnetic encoder according to a first embodiment
  • FIG. 1 is a front view of a magnetic encoder according to a comparative example of the first embodiment
  • FIG. 4 is a diagram showing a flow of magnetic flux in a magnetic encoder according to a comparative example of the first embodiment
  • FIG. 13 is a diagram showing a waveform of the strength of a magnetic field applied to a magnetic detection element by a magnetic scale unit of a magnetic encoder according to a comparative example of the first embodiment.
  • FIG. 1 is a diagram showing a flow of magnetic flux in a magnetic encoder according to a first embodiment
  • FIG. 1 is a diagram showing a flow of magnetic flux in a magnetic encoder according to a first embodiment
  • FIG. 13 is a diagram showing a waveform of the strength of a magnetic field applied to a magnetic detection element by a magnetic scale unit of a magnetic encoder according to the first embodiment.
  • FIG. 13 is a diagram showing the waveform of the strength of the magnetic field applied to the magnetic detection element by the magnetic scale unit when the distance between the magnetic scale and the magnetic detection element of the magnetic encoder according to the comparative example of the first embodiment varies.
  • FIG. 13 is a diagram showing the waveform of the strength of the magnetic field applied to the magnetic detection element by the magnetic scale unit when the distance between the magnetic scale and the magnetic detection element of the magnetic encoder according to the first embodiment varies;
  • FIG. 13 is a front view of a magnetic encoder according to a second embodiment of the present invention; FIG.
  • FIG. 13 is a diagram showing the direction of internal magnetization of a magnet group in a magnetic encoder according to a second embodiment.
  • FIG. 13 is a diagram showing a waveform of the strength of a magnetic field applied to a magnetic detection element by a magnetic scale unit of a magnetic encoder according to a second embodiment.
  • FIG. 13 is a front view of a magnetic encoder according to a third embodiment;
  • FIG. 13 is a diagram showing the direction of internal magnetization of a magnet group in a magnetic encoder according to a third embodiment.
  • FIG. 13 is a perspective view showing a configuration of a magnetic encoder according to a fourth embodiment;
  • FIG. 13 is a front view showing the configuration of a magnetic encoder according to a fourth embodiment;
  • FIG. 1 is a perspective view showing a magnetic encoder according to the first embodiment.
  • FIG. 2 is a front view showing a magnetic encoder according to the first embodiment.
  • the magnetic encoder 100 according to the first embodiment includes a magnetic scale unit 101 and a position detection unit 106 that detects a magnetic field generated by the magnetic scale unit 101.
  • the magnetic encoder 100 according to the first embodiment is a linear encoder.
  • the magnetic scale unit 101 includes a magnet 103 that is a first magnetic field generation source, a magnet 104 that is a second magnetic field generation source, a magnetic body 102 that is arranged at an interval from each of the magnets 103 and 104 in the magnetization directions of the magnets 103 and 104, and a non-magnetic base 105 that fixes each of the magnets 103 and 104 and the magnetic body 102.
  • the base 105 may be formed of resin.
  • the position detection unit 106 has a plurality of magnetic detection elements 107 that detect the magnetic field generated from the magnetic scale unit 101, and a substrate 108 on which the magnetic detection elements 107 are attached.
  • the magnetic encoder 100 is shown in a three-dimensional Cartesian coordinate system of xyz.
  • the x direction corresponds to the movement direction of the magnetic scale unit 101
  • the z direction corresponds to the direction in which the magnetic scale unit 101 and the position detection unit 106 face each other
  • the y direction is perpendicular to the x and z directions.
  • the x direction corresponds to the first direction.
  • Tsm indicates the minimum length of the magnetic body 102 in the z direction
  • Lsm indicates the length of the magnetic body 102 in the x direction
  • Lm indicates the magnet width, which is the length in the x direction of each of the magnets 103 and 104
  • G indicates the distance from each of the surfaces of the magnets 103 and 104 to the sensing surface of the magnetic detection element 107.
  • the z direction length dTsm of the convex portion of the magnetic body 102 is in the relationship dTsm>Lsm/50.
  • the x direction length Lsm of the magnetic body 102 is twice the magnet width Lm of each of the magnets 103 and 104. Note that the length Lsm of the magnetic body 102 in the x direction, which is the first direction, corresponds to one wavelength of the wavelength determined based on the position detection resolution of the magnetic scale unit 101 in the x direction.
  • the surface of magnetic body 102 facing magnets 103 and 104 is curved and convex toward magnets 103 and 104.
  • the distance between magnetic body 102 and magnets 103 and 104 is maximum at both ends and the center of magnetic body 102 in the x direction.
  • the distance between magnetic body 102 and magnets 103 and 104 is minimum at a position 1/4 times the x-direction length Lsm of magnetic body 102 and a position 3/4 times Lsm from the end of magnetic body 102 in the x direction.
  • the magnetic scale unit 101 and the position detection unit 106 move relative to one another.
  • the magnetic scale unit 101 is a mover that moves in the x direction.
  • the position detection unit 106 is a stator that is fixed at a certain distance from the magnetic scale unit 101 in the z direction. The position detection unit 106 detects the position of the magnetic scale unit 101 from the change in the magnetic field when the magnetic scale unit 101 passes by.
  • the substrate 108 is strip-shaped with a surface extending parallel to the xy plane, with the x direction being the longitudinal direction. As shown in FIG. 2, multiple magnetic detection elements 107 are arranged on the substrate 108 at equal pitch in the x direction.
  • the pitch at which the magnetic detection elements 107 are arranged is set to a pitch equal to or less than the wavelength of the sine wave formed by the magnetic scale unit 101 so as to prevent the occurrence of areas where position detection is not possible.
  • the magnetic detection elements 107 are arranged in the area between the magnets 103 and 104 and the magnetic material 102, with a space between each of the magnets 103 and 104 and the magnetic material 102, and output the change in the magnetic field as an electrical signal.
  • FIG. 3 is a front view of a magnetic encoder according to a comparative example of embodiment 1.
  • the magnetic scale unit 111 does not include a magnetic material
  • the base 115 has magnets 113 and 114 fixed thereto.
  • the position detection unit 116 has a plurality of magnetic detection elements 117 that detect the magnetic field generated by the magnetic scale unit 111, and a substrate 118 on which the magnetic detection elements 117 are attached.
  • the substrate 118 is strip-shaped with a surface extending parallel to the xy plane, and the x direction is the longitudinal direction.
  • the multiple magnetic detection elements 117 of the position detection unit 116 are arranged on the substrate 118 at equal pitch in the x direction, as shown in FIG. 3.
  • FIG. 4 is a diagram showing the flow of magnetic flux in a magnetic encoder according to a comparative example of embodiment 1.
  • magnetic encoder 110 according to a comparative example of embodiment 1 for example, most of the magnetic flux emitted from magnet 113 dissipates without returning to magnet 114, and only a small portion of the magnetic flux returns to magnet 114. For this reason, in magnetic encoder 110 according to the comparative example, the magnetic flux becomes significantly weaker as it moves away from the surfaces of magnets 113 and 114, and as the distance G from each surface of magnets 113 and 114 to the sensing surface of magnetic detection element 117 increases, the amplitude of the strength of the magnetic field applied to magnetic detection element 117 decreases.
  • FIG. 5 is a diagram showing the waveform of the strength of the magnetic field applied to the magnetic detection element by the magnetic scale unit of the magnetic encoder according to the comparative example of the first embodiment.
  • the magnetization direction of the magnet 113 is the +z direction
  • the magnetization direction of the magnet 114 is the -z direction.
  • the vertical axis shows the magnetic flux density Bz
  • the horizontal axis shows the position of the magnetic scale unit 111. Note that the [a.u.] on the vertical and horizontal axes indicates arbitrary units.
  • the solid line shows the strength of the magnetic field applied to the magnetic detection element 117 by the magnetic scale unit 111 of the magnetic encoder 110 according to the comparative example of the first embodiment
  • the dashed line shows the waveform of a sine wave, which is an ideal waveform.
  • the magnetic encoder 110 according to the comparative example has a steeper rise and fall of the magnetic flux density compared to a sine wave, and the section of the magnet position where the amplitude is close to the maximum value is longer.
  • FIG. 6 is a diagram showing the flow of magnetic flux in the magnetic encoder according to the first embodiment.
  • magnetic flux emitted from magnet 103 flows into magnetic body 102 and flows toward magnet 104 via magnetic body 102. Therefore, a magnetic circuit is formed by magnet 103, magnetic body 102, and magnet 104, suppressing the divergence of magnetic flux, and the magnetic flux density is high in the area surrounded by magnets 103, 104, and magnetic body 102, and the variation in magnetic flux density is small even when away from the surfaces of magnets 113 and 114.
  • FIG. 7 is a diagram showing the waveform of the strength of the magnetic field applied to the magnetic detection element by the magnetic scale unit of the magnetic encoder according to the first embodiment.
  • the magnetization direction of the magnet 103 is the +z direction
  • the magnetization direction of the magnet 104 is the -z direction.
  • the vertical axis shows the magnetic flux density Bz
  • the horizontal axis shows the position of the magnetic scale unit 101. Note that the [a.u.] on the vertical and horizontal axes indicates arbitrary units.
  • the solid line shows the strength of the magnetic field applied to the magnetic detection element 107 by the magnetic scale unit 101 of the magnetic encoder 100 according to the first embodiment
  • the dashed line shows the waveform of an ideal sine wave.
  • the waveform of the strength of the magnetic field applied to the magnetic detection element 107 by the magnetic scale unit 101 is a waveform close to a sine wave.
  • FIG. 8 is a diagram showing the waveform of the strength of the magnetic field applied to the magnetic detection element by the magnetic scale unit when the distance between the magnetic scale and the magnetic detection element of the magnetic encoder according to the comparative example of embodiment 1 varies.
  • the dashed line shows the waveform of an ideal sine wave.
  • the medium-thickness solid line shows the strength of the magnetic field applied to the magnetic detection element 117 by the magnetic scale unit 111.
  • the thick solid line shows the strength of the magnetic field applied to the magnetic detection element 117 by the magnetic scale unit 111 when the distance G from the surfaces of the magnets 113 and 114 to the sensing surface of the magnetic detection element 117 becomes large.
  • FIG. 8 shows the waveform of the strength of the magnetic field applied to the magnetic detection element by the magnetic scale unit when the distance G from the surfaces of the magnets 113 and 114 to the sensing surface of the magnetic detection element 117 becomes large.
  • the thin solid line shows the strength of the magnetic field applied to the magnetic detection element 117 by the magnetic scale unit 111 when the distance G from the surfaces of the magnets 113 and 114 to the sensing surface of the magnetic detection element 117 becomes small.
  • the strength of the magnetic field applied to the magnetic detection element 117 differs greatly from an ideal sine wave, regardless of whether the distance G increases or decreases.
  • the waveform of the strength of the magnetic field applied to the magnetic detection element 117 has a longer section at the magnet position where the wave is flattened and the amplitude approaches the maximum value than a sine wave. For this reason, it is difficult to accurately match the strength of the magnetic field applied to the magnetic detection element 117 with the magnet position, resulting in low position detection accuracy.
  • FIG. 9 is a diagram showing the waveform of the magnetic field strength applied to the magnetic detection element by the magnetic scale unit when the distance between the magnetic scale and the magnetic detection element of the magnetic encoder of embodiment 1 varies.
  • the dashed line shows an ideal sine wave waveform.
  • the medium-thickness solid line shows the magnetic field strength applied to the magnetic detection element 107 by the magnetic scale unit 101.
  • the thick solid line shows the magnetic field strength applied to the magnetic detection element 107 by the magnetic scale unit 101 when the distance G from the surfaces of the magnets 103 and 104 to the sensing surface of the magnetic detection element 107 becomes large.
  • FIG. 9 shows the waveform of the magnetic field strength applied to the magnetic detection element by the magnetic scale unit when the distance between the magnetic scale and the magnetic detection element of the magnetic encoder of embodiment 1 varies.
  • the dashed line shows an ideal sine wave waveform.
  • the medium-thickness solid line shows the magnetic field strength applied to the magnetic detection element 107 by the magnetic scale unit 101.
  • the thick solid line shows the magnetic field
  • the thin solid line shows the magnetic field strength applied to the magnetic detection element 107 by the magnetic scale unit 101 when the distance G from the surfaces of the magnets 103 and 104 to the sensing surface of the magnetic detection element 107 becomes small.
  • the difference between the strength of the magnetic field applied to the magnetic detection element 107 and an ideal sine wave is small.
  • the waveform of the strength of the magnetic field applied to the magnetic detection element 107 is approximately sine wave shaped. Therefore, the strength of the magnetic field applied to the magnetic detection element 107 can be accurately matched to the magnet position, improving the position detection accuracy.
  • the magnetic body 102 has a curved surface that is convex toward the magnets 103 and 104, and the magnetic scale unit 101 can generate a smooth sinusoidal signal with a long period by the magnets 103 and 104.
  • the magnetic body 102 forms a magnetic circuit together with the magnets 103 and 104, so that the absolute position of the magnetic scale unit 101 can be detected continuously and with high accuracy over a wide range.
  • magnets 103 and 104 and magnetic body 102 may also be spaced apart in the z direction.
  • Embodiment 2. 10 is a front view of a magnetic encoder according to embodiment 2.
  • the magnetic encoder 200 according to embodiment 2 includes a magnet group 123 which is a first magnetic field generation source and a magnet group 124 which is a second magnetic field generation source.
  • Each of the magnet group 123 and the magnet group 124 is formed of a plurality of magnets 10.
  • Each of the magnet group 123 and the magnet group 124 and the magnetic body 202 are fixed by a base body 205.
  • the surface of the magnetic body 202 facing the magnet group 123 and the magnet group 124 is a curved surface that is convex toward the magnet group 123 and the magnet group 124.
  • the distance between the magnetic body 202 and each of the magnet group 123 and the magnet group 124 is maximum at both ends and the center of the magnetic body 202 in the x direction.
  • the distance between the magnetic body 202 and each of the magnet groups 123 and 124 is smallest at a position 1/4 of the x-directional length Lsm of the magnetic body 202 and at a position 3/4 of Lsm from the end of the magnetic body 202 in the x-direction.
  • FIG. 11 is a diagram showing the direction of internal magnetization of the magnet group in the magnetic encoder according to the second embodiment.
  • a magnet width modulation method is used that changes the magnet width Lm, which is the length of the magnet 10 in the first direction, the x-direction.
  • the arrows in the magnet group 123 and the magnet group 124 shown in FIG. 11 indicate the direction of internal magnetization after magnetization.
  • the tip of each arrow indicates the N pole, and the base end indicates the S pole. Therefore, all the magnets 10 constituting the magnet group 123 have an N pole on the side facing the position detection unit 206.
  • All the magnets 10 constituting the magnet group 124 have an S pole on the side facing the position detection unit 206.
  • each magnet 10 is simply referred to as the magnetization direction.
  • all the magnets 10 constituting the magnet group 123 are magnetized in the same magnetization direction, and all the magnets 10 constituting the magnet group 124 are magnetized in the magnetization direction opposite to that of the magnets 10 constituting the magnet group 123.
  • the number of magnets 10 constituting magnet group 123 and the number of magnets 10 constituting magnet group 124 are the same, and are three or more.
  • the distance between magnets 10 is constant.
  • Magnet width Lm increases and decreases in the x direction according to a sine function, which is a sine wave function. That is, in each of magnet group 123 and magnet group 124, magnet width Lm increases in the x direction from the end to the center. In other words, in each of magnet group 123 and magnet group 124, magnet width Lm increases stepwise from one end to the center in the x direction, and then decreases stepwise from the center to the other end in the x direction. Meanwhile, distance Ld between magnets 10 is constant.
  • the number of magnets 10 constituting magnet group 123 is seven.
  • the number of magnets 10 constituting magnet group 124 is also seven.
  • the position a distance a away in the -x direction from the -x end of the magnet 10 that is placed at the farthest position from magnet group 124 among the magnets 10 constituting magnet group 123 corresponds to 0 degrees of the sine function.
  • the position a distance a away in the +x direction from the +x end of the magnet 10 that is placed at the farthest position from magnet group 123 among the magnets 10 constituting magnet group 124 corresponds to 360 degrees of the sine function.
  • the position a distance a away in the +x direction from the +x end of the magnet 10 that is placed at the closest position to magnet group 124 among the magnets 10 constituting magnet group 123, and the position a distance a away in the -x direction from the -x end of the magnet 10 that is placed at the closest position to magnet group 123 among the magnets 10 constituting magnet group 124 correspond to 180 degrees of the sine function.
  • the distance a is set so that the midpoint between the -x end of the magnet 10 that is located farthest from magnet group 124 among the magnets 10 that make up magnet group 123 and the +x end of the magnet 10 that is located closest to magnet group 124 corresponds to 90 degrees in the sine function, and the midpoint between the +x end of the magnet 10 that is located farthest from magnet group 123 among the magnets 10 that make up magnet group 124 and the -x end of the magnet 10 that is located closest to magnet group 123 corresponds to 270 degrees in the sine function.
  • the position detection unit 206 is similar to the position detection unit 106 of the magnetic encoder 100 according to the first embodiment, and has a plurality of magnetic detection elements 207 that detect the magnetic field generated by the magnetic scale unit 201, and a substrate 208 on which the magnetic detection elements 207 are attached.
  • the magnetic scale unit 201 and the position detection unit 206 move relative to one another.
  • the magnetic scale unit 201 is a mover that moves in the x direction.
  • the position detection unit 206 is a stator that is fixed at a fixed distance in the z direction from the magnetic scale unit 201.
  • the position detection unit 206 detects the position of the magnetic scale unit 201 from the change in the magnetic field when the magnetic scale unit 201 passes by.
  • the substrate 208 is strip-shaped with a surface extending parallel to the xy plane, with the x direction being the longitudinal direction. As shown in FIG. 10, multiple magnetic detection elements 207 are arranged on the substrate 208 at equal pitches in the x direction.
  • the pitch at which the magnetic detection elements 207 are arranged is set to a pitch equal to or less than the wavelength of the sine wave formed by the magnetic scale unit 201, so as to prevent the occurrence of areas where position detection is not possible.
  • FIG. 12 is a diagram showing the waveform of the magnetic field strength applied to the magnetic detection element by the magnetic scale unit of the magnetic encoder of embodiment 2.
  • the vertical axis shows the magnetic flux density Bz
  • the horizontal axis shows the position of the magnetic scale unit 201. Note that [a.u.] on the vertical and horizontal axes indicates arbitrary units.
  • the solid line shows the magnetic field strength applied to the magnetic detection element 207 by the magnetic scale unit 201 of the magnetic encoder 200 of embodiment 2
  • the dashed line shows the waveform of an ideal sine wave.
  • the waveform of the magnetic field strength applied to the magnetic detection element 207 by the magnetic scale unit 201 is close to a sine wave.
  • the waveform of the magnetic field strength applied to the magnetic detection element 207 by the magnetic scale unit 201 of the magnetic encoder 200 according to embodiment 2 is closer to a sine wave.
  • the magnetic encoder 200 according to the second embodiment has a waveform of the magnetic field strength applied to the magnetic detection element 207 by the magnetic scale unit 201 that is closer to a sine wave than the waveform of the magnetic field strength applied to the magnetic detection element 107 by the magnetic scale unit 101 of the magnetic encoder 100 according to the first embodiment, and therefore can further improve the position detection accuracy compared to the magnetic encoder 100 according to the first embodiment.
  • the magnet width is changed to generate a sinusoidal change in the magnetic field, but the magnet width may be kept the same and the magnetic force of each magnet 10 may be changed to generate a sinusoidal change in the magnetic field.
  • Methods for changing the magnetic force include gradually changing the thickness of the magnet 10, gradually changing the distance from the magnetic detection element 207, gradually changing the magnetization rate of the magnet 10, or gradually changing the magnetic material of the magnet 10.
  • Embodiment 3. 13 is a front view of a magnetic encoder according to embodiment 3.
  • the magnetic encoder 300 according to embodiment 3 includes a magnet group 133 which is a first magnetic field generation source and a magnet group 134 which is a second magnetic field generation source.
  • Each of the magnet group 133 and the magnet group 134 is formed of a plurality of magnets 10.
  • Each of the magnet group 133 and the magnet group 134 and the magnetic body 302 are fixed by a base body 305.
  • the surface of the magnetic body 302 facing the magnet group 133 and the magnet group 134 is a curved surface that is convex toward the magnet group 133 and the magnet group 134.
  • the distance between the magnetic body 302 and each of the magnet group 133 and the magnet group 134 is maximum at both ends and the center of the magnetic body 302 in the x direction.
  • the distance between the magnetic body 302 and each of the magnet groups 133 and 134 is smallest at a position 1/4 of the x-directional length Lsm of the magnetic body 302 and at a position 3/4 of Lsm from the end of the magnetic body 302 in the x-direction.
  • FIG. 14 is a diagram showing the direction of internal magnetization of the magnet group in the magnetic encoder according to the third embodiment.
  • a magnet interval modulation method is used to change the interval between the magnets 10.
  • the arrows in the magnet group 133 and the magnet group 134 shown in FIG. 14 indicate the direction of internal magnetization after magnetization.
  • the tip of each arrow indicates the N pole, and the base end indicates the S pole. Therefore, all the magnets 10 constituting the magnet group 133 have an N pole on the side facing the position detection unit 306.
  • All the magnets 10 constituting the magnet group 134 have an S pole on the side facing the position detection unit 306.
  • the direction of internal magnetization of each magnet 10 is simply referred to as the magnetization direction. In this way, all the magnets 10 constituting the magnet group 133 are magnetized in the same magnetization direction, and all the magnets 10 constituting the magnet group 134 are magnetized in the magnetization direction opposite to that of the magnets 10 constituting the magnet group 133.
  • the position detection unit 306 has a number of magnetic detection elements 307 that detect the magnetic field generated by the magnetic scale unit 301, and a substrate 308 on which the magnetic detection elements 307 are attached.
  • the number of magnets 10 constituting magnet group 133 and the number of magnets 10 constituting magnet group 134 are the same, and are 3 or more.
  • magnet width Lm is constant.
  • the distance between magnets 10 increases and decreases according to a sine function, which is a sine wave function. That is, in each of magnet group 123 and magnet group 124, distance Ld between magnets 10 decreases from the end to the center in the x direction. In other words, in each of magnet group 133 and magnet group 134, distance Ld between magnets 10 decreases stepwise from one end to the center in the x direction, and then increases stepwise from the center to the other end in the x direction.
  • the number of magnets 10 constituting magnet group 133 is nine.
  • the number of magnets 10 constituting magnet group 134 is also nine.
  • the position a distance a away in the -x direction from the -x end of the magnet 10 constituting magnet group 133 that is placed at the farthest position from magnet group 134 corresponds to 0 degrees of the sine function.
  • the position a distance a away in the +x direction from the +x end of the magnet 10 constituting magnet group 134 that is placed at the farthest position from magnet group 133 corresponds to 360 degrees of the sine function.
  • the position a distance a away in the +x direction from the +x end of the magnet 10 constituting magnet group 133 that is placed at the closest position to magnet group 134, and the position a distance a away in the -x direction from the -x end of the magnet 10 constituting magnet group 134 that is placed at the closest position to magnet group 133 correspond to 180 degrees of the sine function.
  • the distance a is set so that the midpoint between the -x end of the magnet 10 that is located farthest from magnet group 134 among the magnets 10 that make up magnet group 133 and the +x end of the magnet 10 that is located closest to magnet group 134 corresponds to 90 degrees in the sine function, and the midpoint between the +x end of the magnet 10 that is located farthest from magnet group 133 among the magnets 10 that make up magnet group 134 and the -x end of the magnet 10 that is located closest to magnet group 133 corresponds to 270 degrees in the sine function.
  • the waveform of the magnetic field strength applied to the magnetic detection element 307 by the magnetic scale unit 301 is closer to a sine wave than the waveform of the magnetic field strength applied to the magnetic detection element 107 by the magnetic scale unit 101 of the magnetic encoder 100 according to embodiment 1. Therefore, the magnetic encoder 300 according to embodiment 3 can further improve the position detection accuracy compared to the magnetic encoder 100 according to embodiment 1.
  • Fig. 15 is a perspective view showing the configuration of a magnetic encoder according to embodiment 4.
  • Fig. 16 is a front view showing a magnetic encoder according to embodiment 4.
  • a magnetic encoder 400 according to embodiment 4 is a rotary encoder.
  • the magnetic encoder 400 according to embodiment 4 includes a ring-shaped magnetic scale unit 401 and a position detection unit 406 that detects a magnetic field generated from the magnetic scale unit 401.
  • the magnetic scale unit 401 is a mover
  • the position detection unit 406 is a stator.
  • the magnetic scale unit 401 has a magnet 403 which is a first magnetic field generating source, a magnet 404 which is a second magnetic field generating source, a magnetic body 402 which is arranged at a distance from the magnets 403 and 404 in the magnetization direction of the magnets 403 and 404, and a non-magnetic base 405 which fixes the magnetic body 402, the magnets 403 and 404.
  • the surface of the magnetic body 402 which faces the magnets 403 and 404 is a curved surface which is convex towards the magnets 403 and 404.
  • the base 405 is cylindrical.
  • the magnetic scale unit 401 is mounted on a rotating shaft (not shown) and rotates. In the present disclosure, in the case of a rotary encoder, the circumferential direction which is the direction of rotation of the magnetic scale unit 401 corresponds to the first direction.
  • the position detection unit 406 comprises a ring-shaped substrate 408 and a magnetic detection element 407 mounted on the substrate 408.
  • the magnetic detection element 407 detects the magnetic field generated by the magnetic scale unit 401.
  • the magnetic detection element 407 is fixed on the substrate 408 at a fixed distance in the z direction from the magnetic scale unit 401.
  • the position detection unit 406 detects the position of the magnetic scale unit 401 based on the change in the magnetic field when the magnetic scale unit 401 rotates. Note that the substrate 408 is not shown in Figure 15.
  • the magnet width modulation method shown in embodiment 2 or the magnet spacing modulation method shown in embodiment 3 may be applied to the magnetic encoder 400 of embodiment 4.
  • the magnetic body 402 forms a magnetic circuit together with the magnet 403 and the magnet 404, so that the absolute position of the magnetic scale unit 401 can be detected with high accuracy.
  • 10,103,104,113,114,403,404 magnets 100,110,200,300,400 magnetic encoders, 101,111,201,301,401 magnetic scale units, 102,202,302,402 magnetic materials, 105,115,205,305,405 base bodies, 106,116,206,306,406 position detection units, 107,117,207,307,407 magnetic detection elements, 108,118,208,308,408 substrates, 123,124,133,134 magnet groups.

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Abstract

磁気式エンコーダ（１００）であって、磁気スケールユニット（１０１）は、第１の方向に並んで配置され、磁化方向が互いに逆向きである磁石（１０３）及び磁石（１０４）と、磁石（１０３，１０４）の磁化方向に沿って、磁石（１０３，１０４）と間隔を空けて配置された磁性体（１０２）とを備え、位置検出ユニット（１０６）は、磁石（１０３，１０４）と磁性体（１０２）とのそれぞれから間隔を空けて配置され、磁界の変化を電気信号として出力する磁気検出素子（１０７）を備え、磁性体（１０２）は、第１の方向における長さが、分解能に基づいて定まる波長の一波長に対応する長さであり、かつ、磁石（１０３，１０４）との対向面が、第１の方向における端部から波長の１／４及び３／４に対応する位置において最も凸となる曲面となっており、磁石（１０３，１０４）の各々は、磁性体（１０２）の対向面が最も凸となる位置に対向する位置に配置される。

Description

磁気式エンコーダ
　本開示は、相対移動する磁気検出ユニット及び位置検出ユニットを有する磁気式エンコーダに関する。
　磁気式エンコーダは、相対移動する磁気検出ユニット及び位置検出ユニットを有する。このような磁気式エンコーダは、回転型サーボモータを制御するための回転検出器であるロータリーエンコーダ及びリニアモータを制御するための位置検出器であるリニアエンコーダなどに用いられている。
　特許文献１には、複数の磁極を有する磁気スケールユニットが示されている。磁気スケールユニットは、同一極性の複数の磁極を等間隔で配列した磁極列を有する。磁極間の間隔は、磁極の配列方向の幅より大きく、かつ磁極の配列方向の幅の２倍より小さい。磁気センサは磁気スケールユニットの磁場変化を電気信号として出力し、電圧のピークから位置情報が取得される。
特開２００１－２２７９０４号公報
　特許文献１では、複数の同一極性の磁石の幅が全て同じであるので、磁場のピーク位置と、ピーク位置に対応する離散的な位置情報しか得られないという問題がある。
　本開示は、上記に鑑みてなされたものであって、滑らかな長周期の正弦波信号を得ることができ、広い範囲で連続的かつ高精度な位置情報が取得できる磁気式エンコーダを得ることを目的とする。
　上述した課題を解決し、目的を達成するために、本開示に係る磁気式エンコーダは、第１の方向に沿って磁気スケールユニットと位置検出ユニットとが相対的に移動する磁気式エンコーダであって、磁気スケールユニットは、第１の方向に並んで配置され、磁化方向が互いに逆向きである第１磁界発生源及び第２磁界発生源と、第１磁界発生源及び第２磁界発生源の磁化方向に沿って、第１磁界発生源及び第２磁界発生源と間隔を空けて配置された磁性体と、第１磁界発生源、第２磁界発生源及び磁性体を位置決めする基体とを備える。位置検出ユニットは、第１磁界発生源及び第２磁界発生源と磁性体とで挟まれた領域に、第１磁界発生源及び第２磁界発生源と磁性体とのそれぞれから間隔を空けて配置され、磁界の変化を電気信号として出力する磁気検出素子を備える。磁性体は、第１の方向における長さが、第１の方向における磁気スケールユニットの位置検出の分解能に基づいて定まる波長の一波長に対応する長さであり、かつ、第１磁界発生源及び第２磁界発生源との対向面が、第１の方向において、第１の方向における端部から波長の１／４及び３／４に対応する位置において最も凸となる曲面となっている。第１磁界発生源は、磁性体の波長の１／４に対応する位置に対向する位置に配置され、第２磁界発生源は、磁性体の波長の３／４に対応する位置に対向する位置に配置される。
　本開示における磁気式エンコーダによれば、滑らかな長周期の正弦波信号を得ることができ、広い範囲で連続的かつ高精度な位置情報が取得できるという効果を奏する。
実施の形態１に係る磁気式エンコーダを示す斜視図 実施の形態１に係る磁気式エンコーダを示す正面図 実施の形態１の比較例に係る磁気式エンコーダの正面図 実施の形態１の比較例に係る磁気式エンコーダにおける磁束の流れを示す図 実施の形態１の比較例に係る磁気式エンコーダの磁気スケールユニットによって磁気検出素子に印加される磁界の強度の波形を示す図 実施の形態１に係る磁気式エンコーダにおける磁束の流れを示す図 実施の形態１に係る磁気式エンコーダの磁気スケールユニットによって磁気検出素子に印加される磁界の強度の波形を示す図 実施の形態１の比較例に係る磁気式エンコーダの磁気スケールと磁気検出素子との距離が変動したときの、磁気スケールユニットによって磁気検出素子に印加される磁界の強度の波形を示す図 実施の形態１に係る磁気式エンコーダの磁気スケールと磁気検出素子との距離が変動したときの、磁気スケールユニットによって磁気検出素子に印加される磁界の強度の波形を示す図 実施の形態２に係る磁気式エンコーダの正面図 実施の形態２に係る磁気式エンコーダにおける磁石群の内部磁化の方向を示す図 実施の形態２に係る磁気式エンコーダの磁気スケールユニットによって磁気検出素子に印加される磁界の強度の波形を示す図 実施の形態３に係る磁気式エンコーダの正面図 実施の形態３に係る磁気式エンコーダにおける磁石群の内部磁化の方向を示す図 実施の形態４に係る磁気式エンコーダの構成を示す斜視図 実施の形態４に係る磁気式エンコーダの構成を示す正面図
　以下に、実施の形態に係る磁気式エンコーダを図面に基づいて詳細に説明する。
実施の形態１．
　図１は、実施の形態１に係る磁気式エンコーダを示す斜視図である。図２は、実施の形態１に係る磁気式エンコーダを示す正面図である。実施の形態１の磁気式エンコーダ１００は、磁気スケールユニット１０１と、磁気スケールユニット１０１が発生させる磁界を検出する位置検出ユニット１０６とを備える。実施の形態１に係る磁気式エンコーダ１００は、リニアエンコーダである。磁気スケールユニット１０１は、第１磁界発生源である磁石１０３及び第２磁界発生源である磁石１０４と、磁石１０３及び磁石１０４の磁化方向において磁石１０３及び磁石１０４の各々と間隔をあけて配置された磁性体１０２と、磁石１０３及び磁石１０４の各々と、磁性体１０２とを固定する非磁性体の基体１０５とを有する。実施の形態１に係る磁気式エンコーダ１００において、基体１０５は樹脂で形成されていてもよい。位置検出ユニット１０６は、磁気スケールユニット１０１から生じる磁界を検出する複数の磁気検出素子１０７と、磁気検出素子１０７が取り付けられる基板１０８とを有する。
　図１及び図２では、ｘｙｚの三次元の直交座標系において磁気式エンコーダ１００を示している。ｘ方向は、磁気スケールユニット１０１の移動方向に対応し、ｚ方向は、磁気スケールユニット１０１と位置検出ユニット１０６とが対向する方向に対応し、ｙ方向は、ｘ方向及びｚ方向に垂直な方向である。本開示において、リニアエンコーダの場合、ｘ方向が第１の方向に対応する。
　図２において、Ｔｓｍは、磁性体１０２のｚ方向の最小長さを示し、Ｌｓｍは、磁性体１０２のｘ方向の長さを示し、Ｌｍは、磁石１０３及び磁石１０４の各々のｘ方向の長さである磁石幅を示し、Ｇは、磁石１０３及び磁石１０４の各々の表面から磁気検出素子１０７の感受面までの距離を示す。ここで、磁性体１０２の凸部のｚ方向の長さｄＴｓｍは、ｄＴｓｍ＞Ｌｓｍ／５０の関係にあるものとする。また、磁性体１０２のｘ方向の長さＬｓｍは、磁石１０３及び磁石１０４の各々の磁石幅Ｌｍの２倍である。なお、磁性体１０２は、第１の方向であるｘ方向における長さであるＬｓｍが、ｘ方向における磁気スケールユニット１０１の位置検出の分解能に基づいて定まる波長の一波長に対応する長さである。
　磁性体１０２は、磁石１０３及び磁石１０４との対向面が、磁石１０３及び磁石１０４側に凸となる曲面となっている。磁性体１０２と磁石１０３及び磁石１０４の各々との間隔は、ｘ方向における磁性体１０２のｘ方向の両端部及び中央で最大となっている。また、磁性体１０２と磁石１０３及び磁石１０４の各々との間隔は、ｘ方向において磁性体１０２の端部から、磁性体１０２のｘ方向の長さＬｓｍの１／４倍の位置及びＬｓｍの３／４倍の位置で最小となっている。
　磁気スケールユニット１０１と位置検出ユニット１０６とは、相対的に移動する。実施の形態１では、磁気スケールユニット１０１は、ｘ方向に移動する可動子である。位置検出ユニット１０６は、磁気スケールユニット１０１からｚ方向に一定距離を離れて固定されている固定子である。位置検出ユニット１０６は、磁気スケールユニット１０１が通過するときの磁界変化から磁気スケールユニット１０１の位置を検出する。
　基板１０８は、ｘｙ平面と平行に延びる面を持つ帯状であり、ｘ方向が長手方向となっている。複数の磁気検出素子１０７は、図２に示すように、ｘ方向に等ピッチで基板１０８上に配置されている。磁気検出素子１０７を配置するピッチは、位置検出できない領域が発生しないようにするために、磁気スケールユニット１０１が形成する正弦波波長以下のピッチに設定されている。磁気検出素子１０７は、磁石１０３及び磁石１０４と磁性体１０２とで挟まれた領域に、磁石１０３及び磁石１０４と磁性体１０２とのそれぞれから間隔を空けて配置され、磁界の変化を電気信号として出力する。
　図３は、実施の形態１の比較例に係る磁気式エンコーダの正面図である。実施の形態１の比較例に係る磁気式エンコーダ１１０は、磁気スケールユニット１１１が磁性体を備えておらず、基体１１５は、磁石１１３と磁石１１４とを固定している。位置検出ユニット１１６は、磁気スケールユニット１１１から生じる磁界を検出する複数の磁気検出素子１１７と、磁気検出素子１１７が取り付けられる基板１１８とを有する。基板１１８は、ｘｙ平面と平行に延びる面を持つ帯状であり、ｘ方向が長手方向となっている。位置検出ユニット１１６の複数の磁気検出素子１１７は、図３に示すように、ｘ方向に等ピッチで基板１１８上に配置されている。
　図４は、実施の形態１の比較例に係る磁気式エンコーダにおける磁束の流れを示す図である。実施の形態１の比較例に係る磁気式エンコーダ１１０では、例えば磁石１１３から出た磁束の多くは磁石１１４に戻ること無く発散してしまい、ごく一部の磁束だけが磁石１１４に戻る。このため、比較例に係る磁気式エンコーダ１１０では、磁石１１３及び磁石１１４の表面から離れると磁束が著しく弱くなり、磁石１１３及び磁石１１４の各々の表面から磁気検出素子１１７の感受面までの距離Ｇが大きくなると、磁気検出素子１１７に印加される磁界の強度の振幅が小さくなる。
　図５は、実施の形態１の比較例に係る磁気式エンコーダの磁気スケールユニットによって磁気検出素子に印加される磁界の強度の波形を示す図である。磁石１１３の磁化方向は＋ｚ方向であり、磁石１１４の磁化方向は－ｚ方向である。図５では、縦軸に磁束密度Ｂｚを示し、横軸に磁気スケールユニット１１１の位置を示している。なお、縦軸及び横軸の［ａ．ｕ．］は、任意単位であることを表している。図５において、実線は実施の形態１の比較例に係る磁気式エンコーダ１１０の磁気スケールユニット１１１によって磁気検出素子１１７に印加される磁界の強度を表しており、破線は、理想的な波形である正弦波の波形を示している。図５に示すように、比較例に係る磁気式エンコーダ１１０は、正弦波と比べると磁束密度の立ち上がり及び立ち下がりが急になるとともに、振幅が最大値に近くなる磁石位置の区間が長くなっている。
　図６は、実施の形態１に係る磁気式エンコーダにおける磁束の流れを示す図である。実施の形態１に係る磁気式エンコーダ１００では、例えば磁石１０３から出た磁束が磁性体１０２に流れ込み、磁性体１０２を介して磁石１０４側に向かう。したがって、磁石１０３、磁性体１０２及び磁石１０４よって磁気回路が形成されて磁束の発散が抑制され、磁石１０３及び磁石１０４と磁性体１０２とで囲まれた領域では磁束密度が高くなり、磁石１１３及び磁石１１４の表面から離れても磁束密度の変動が小さい。
　図７は、実施の形態１に係る磁気式エンコーダの磁気スケールユニットによって磁気検出素子に印加される磁界の強度の波形を示す図である。磁石１０３の磁化方向は＋ｚ方向であり、磁石１０４の磁化方向は－ｚ方向である。図７では、縦軸に磁束密度Ｂｚを示し、横軸に磁気スケールユニット１０１の位置を示している。なお、縦軸及び横軸の［ａ．ｕ．］は、任意単位であることを表している。図７において、実線は実施の形態１に係る磁気式エンコーダ１００の磁気スケールユニット１０１によって磁気検出素子１０７に印加される磁界の強度を示しており、破線は、理想的な正弦波の波形を示している。図７に示すように、実施の形態１に係る磁気式エンコーダ１００では、磁気スケールユニット１０１によって磁気検出素子１０７に印加される磁界の強度の波形は、正弦波に近い波形である。
　図８は、実施の形態１の比較例に係る磁気式エンコーダの磁気スケールと磁気検出素子との距離が変動したときの、磁気スケールユニットによって磁気検出素子に印加される磁界の強度の波形を示す図である。図８において、破線は、理想的な正弦波の波形を示している。図８において、線の太さが異なる三つの実線のうち、太さが中の実線は、磁気スケールユニット１１１によって磁気検出素子１１７に印加される磁界の強度を示している。図８において、太い実線は、磁石１１３及び磁石１１４の各々の表面から磁気検出素子１１７の感受面までの距離Ｇが大きくなった場合に磁気スケールユニット１１１によって磁気検出素子１１７に印加される磁界の強度を示している。図８において、細い実線は、磁石１１３及び磁石１１４の各々の表面から磁気検出素子１１７の感受面までの距離Ｇが小さくなった場合に磁気スケールユニット１１１によって磁気検出素子１１７に印加される磁界の強度を示している。実施の形態１の比較例に係る磁気式エンコーダ１１０は、可動子と固定子との距離が変動し、磁石１１３及び磁石１１４の各々の表面から磁気検出素子１１７の感受面までの距離Ｇが変化した場合において、距離Ｇが大きくなったとしても、距離Ｇが小さくなったとしても、磁気検出素子１１７に印加される磁界の強度は、理想的な波形である正弦波との差が大きい。また、磁気検出素子１１７に印加される磁界の強度の波形は、正弦波よりも波が潰れて振幅が最大値に近くなる磁石位置の区間が長くなっている。このため、磁気検出素子１１７に印加される磁界の強度と磁石位置とを正確に対応させることが難しく、位置検出精度が低くなってしまう。
　図９は、実施の形態１に係る磁気式エンコーダの磁気スケールと磁気検出素子との距離が変動したときの、磁気スケールユニットによって磁気検出素子に印加される磁界の強度の波形を示す図である。図９において、破線は、理想的な正弦波の波形を示している。図９において、線の太さが異なる三つの実線のうち、太さが中の実線は、磁気スケールユニット１０１によって磁気検出素子１０７に印加される磁界の強度を示している。図９において、太い実線は、磁石１０３及び磁石１０４の各々の表面から磁気検出素子１０７の感受面までの距離Ｇが大きくなった場合に磁気スケールユニット１０１によって磁気検出素子１０７に印加される磁界の強度を示している。図９において、細い実線は、磁石１０３及び磁石１０４の各々の表面から磁気検出素子１０７の感受面までの距離Ｇが小さくなった場合に磁気スケールユニット１０１によって磁気検出素子１０７に印加される磁界の強度を示している。実施の形態１に係る磁気式エンコーダ１００は、可動子と固定子との距離が変動し、磁石１０３及び磁石１０４の各々の表面から磁気検出素子１０７の感受面までの距離Ｇが変化した場合において、距離Ｇが大きくなったとしても、距離Ｇが小さくなったとしても、磁気検出素子１０７に印加される磁界の強度は、理想的な波形である正弦波との差が小さい。また、磁気検出素子１０７に印加される磁界の強度の波形は、ほぼ正弦波の形状である。このため、磁気検出素子１０７に印加される磁界の強度と磁石位置とを正確に対応させることができ、位置検出精度を高めることができる。
　磁気スケールユニット１０１の絶対位置を検出するためには、磁気スケールユニット１０１のストロークに対して１周期の長い周期の信号を生成することが必要である。実施の形態１に係る磁気式エンコーダ１００は、磁性体１０２が磁石１０３及び磁石１０４側に凸となる曲面を有しており、磁気スケールユニット１０１が磁石１０３及び磁石１０４によって長い１周期を有する滑らかな正弦波信号を生成することができ、また、磁石１０３及び磁石１０４とともに磁性体１０２が磁気回路を形成するため、磁気スケールユニット１０１の絶対位置を広い範囲で連続的に高い精度で検出が可能である。
　なお、ここでは磁石１０３及び磁石１０４と磁性体１０２とがｙ方向に間隔を空けて配置された構造について説明したが、磁石１０３及び磁石１０４と磁性体１０２とがｚ方向に間隔を空けて配置されてもよい。
実施の形態２．
　図１０は、実施の形態２に係る磁気式エンコーダの正面図である。実施の形態２に係る磁気式エンコーダ２００では、第１磁界発生源である磁石群１２３及び第２磁界発生源である磁石群１２４を備える。磁石群１２３及び磁石群１２４の各々は、複数の磁石１０で形成されている。磁石群１２３及び磁石群１２４の各々と、磁性体２０２とは、基体２０５で固定されている。磁性体２０２は、磁石群１２３及び磁石群１２４との対向面が、磁石群１２３及び磁石群１２４側に凸となる曲面となっている。磁性体２０２と磁石群１２３及び磁石群１２４の各々との間隔は、ｘ方向における磁性体２０２のｘ方向の両端部及び中央で最大となっている。また、磁性体２０２と磁石群１２３及び磁石群１２４の各々との間隔は、ｘ方向において磁性体２０２の端部から、磁性体２０２のｘ方向の長さＬｓｍの１／４倍の位置及びＬｓｍの３／４倍の位置で最小となっている。
　図１１は、実施の形態２に係る磁気式エンコーダにおける磁石群の内部磁化の方向を示す図である。実施の形態２に係る磁気式エンコーダ２００では、第１の方向であるｘ方向における磁石１０の長さである磁石幅Ｌｍを変化させる磁石幅変調方式が用いられている。図１１に示す磁石群１２３内の矢印及び磁石群１２４内の矢印は、着磁後の内部磁化の方向を示す。各矢印の先端がＮ極を示し、基端がＳ極を示す。したがって、磁石群１２３を構成する磁石１０はすべて位置検出ユニット２０６と対向する側にＮ極を持つ。磁石群１２４を構成する磁石１０はすべて位置検出ユニット２０６と対向する側にＳ極を持つ。これ以降、各磁石１０の内部磁化の方向を単に磁化方向という。このように、磁石群１２３を構成する磁石１０は、全て同じ磁化方向に着磁されており、磁石群１２４を構成する磁石１０は、全て磁石群１２３を構成する磁石１０の磁化方向と反対の磁化方向に着磁されている。
　磁石群１２３を構成する磁石１０の個数と磁石群１２４を構成する磁石１０の個数とは、同じ個数であり、３個以上である。磁石群１２３及び磁石群１２４の各々において、磁石１０同士の間隔は一定である。磁石幅Ｌｍは、ｘ方向において正弦波関数であるｓｉｎ関数にしたがって増減する。すなわち、磁石群１２３及び磁石群１２４の各々において、磁石幅Ｌｍは、ｘ方向に関して、端部から中央部に行くほど大きくなる。別言すれば、磁石群１２３及び磁石群１２４の各々において、ｘ方向の一端部から中央にかけて磁石幅Ｌｍは段階的に増加した後、ｘ方向の中央から他端部にかけて段階的に減少する。一方、磁石１０同士の間隔Ｌｄは、一定である。
　図１０に示すように、磁石群１２３を構成する磁石１０の個数は７個である。磁石群１２４を構成する磁石１０の個数も７個である。磁石群１２３を構成する磁石１０のうち磁石群１２４から最も離れた位置に設置された磁石１０の－ｘ方向の端部から－ｘ方向に距離ａだけ離れた位置がｓｉｎ関数の０度に対応する。また、磁石群１２４を構成する磁石１０のうち磁石群１２３から最も離れた位置に設置された磁石１０の＋ｘ方向の端部から＋ｘ方向に距離ａだけ離れた位置がｓｉｎ関数の３６０度に対応する。また、磁石群１２３を構成する磁石１０のうち磁石群１２４に最も近い位置に設置された磁石１０の＋ｘ方向の端部から＋ｘ方向に距離ａだけ離れた位置、かつ磁石群１２４を構成する磁石１０のうち磁石群１２３に最も近い位置に設置された磁石１０の－ｘ方向の端部から－ｘ方向に距離ａだけ離れた位置がｓｉｎ関数の１８０度に対応する。
　距離ａは、磁石群１２３を構成する磁石１０のうち、磁石群１２４から最も離れた位置に設置された磁石１０の－ｘ方向の端部と磁石群１２４に最も近い位置に設置された磁石１０の＋ｘ方向の端部との中間位置が、ｓｉｎ関数の９０度に対応し、磁石群１２４を構成する磁石１０のうち、磁石群１２３から最も離れた位置に設置された磁石１０の＋ｘ方向の端部と磁石群１２３に最も近い位置に設置された磁石１０の－ｘ方向の端部との中間位置が、ｓｉｎ関数の２７０度に対応するように設定される。
　位置検出ユニット２０６は、実施の形態１に係る磁気式エンコーダ１００の位置検出ユニット１０６と同様であり、磁気スケールユニット２０１から生じる磁界を検出する複数の磁気検出素子２０７と、磁気検出素子２０７が取り付けられる基板２０８とを有する。
　磁気スケールユニット２０１と位置検出ユニット２０６とは、相対的に移動する。実施の形態２では、磁気スケールユニット２０１は、ｘ方向に移動する可動子である。位置検出ユニット２０６は、磁気スケールユニット２０１からｚ方向に一定距離を離れて固定されている固定子である。位置検出ユニット２０６は、磁気スケールユニット２０１が通過するときの磁界変化から磁気スケールユニット２０１の位置を検出する。
　基板２０８は、ｘｙ平面と平行に延びる面を持つ帯状であり、ｘ方向が長手方向となっている。複数の磁気検出素子２０７は、図１０に示すように、ｘ方向に等ピッチで基板２０８上に配置されている。磁気検出素子２０７を配置するピッチは、位置検出できない領域が発生しないようにするために、磁気スケールユニット２０１が形成する正弦波波長以下のピッチに設定されている。
　図１２は、実施の形態２に係る磁気式エンコーダの磁気スケールユニットによって磁気検出素子に印加される磁界の強度の波形を示す図である。図１２では、縦軸に磁束密度Ｂｚを示し、横軸に磁気スケールユニット２０１の位置を示している。なお、縦軸及び横軸の［ａ．ｕ．］は、任意単位であることを表している。図１２において、実線は実施の形態２に係る磁気式エンコーダ２００の磁気スケールユニット２０１によって磁気検出素子２０７に印加される磁界の強度を示しており、破線は、理想的な正弦波の波形を示している。図１２に示すように、実施の形態２に係る磁気式エンコーダ２００では、磁気スケールユニット２０１によって磁気検出素子２０７に印加される磁界の強度の波形は、正弦波に近い波形である。図７に示した実施の形態１に係る磁気式エンコーダ１００の磁気スケールユニット１０１によって磁気検出素子１０７に印加される磁界の強度の波形と比較すると、実施の形態２に係る磁気式エンコーダ２００の磁気スケールユニット２０１によって磁気検出素子２０７に印加される磁界の強度の波形は、より正弦波に近い波形となっている。
　実施の形態２に係る磁気式エンコーダ２００は、磁気スケールユニット２０１によって磁気検出素子２０７に印加される磁界の強度の波形が、実施の形態１に係る磁気式エンコーダ１００の磁気スケールユニット１０１によって磁気検出素子１０７に印加される磁界の強度の波形よりも正弦波に近いため、実施の形態１に係る磁気式エンコーダ１００よりも位置検出精度をさらに向上させることができる。
　なお、実施の形態２では、磁石幅を変化させて正弦波状の磁界の変化を発生させているが、磁石幅を同一として、各磁石１０の磁力を変化させて正弦波状の磁界の変化を発生させてもよい。磁力を変化させる方法としては、磁石１０の厚さを段階的に変化させる、磁気検出素子２０７との距離を段階的に変化させる、磁石１０の着磁率を段階的に変化させる、あるいは磁石１０の磁石材料を段階的に変化させる、といった方法がある。
実施の形態３．
　図１３は、実施の形態３に係る磁気式エンコーダの正面図である。実施の形態３に係る磁気式エンコーダ３００では、第１磁界発生源である磁石群１３３及び第２磁界発生源である磁石群１３４を備える。磁石群１３３及び磁石群１３４の各々は、複数の磁石１０で形成されている。磁石群１３３及び磁石群１３４の各々と、磁性体３０２とは、基体３０５で固定されている。磁性体３０２は、磁石群１３３及び磁石群１３４との対向面が、磁石群１３３及び磁石群１３４側に凸となる曲面となっている。磁性体３０２と磁石群１３３及び磁石群１３４の各々との間隔は、ｘ方向における磁性体３０２のｘ方向の両端部及び中央で最大となっている。また、磁性体３０２と磁石群１３３及び磁石群１３４の各々との間隔は、ｘ方向において磁性体３０２の端部から、磁性体３０２のｘ方向の長さＬｓｍの１／４倍の位置及びＬｓｍの３／４倍の位置で最小となっている。
　図１４は、実施の形態３に係る磁気式エンコーダにおける磁石群の内部磁化の方向を示す図である。実施の形態３に係る磁気式エンコーダ３００では、磁石１０同士の間隔を変化させる磁石間隔変調方式が用いられている。図１４に示す磁石群１３３内の矢印及び磁石群１３４内の矢印は、着磁後の内部磁化の方向を示す。各矢印の先端がＮ極を示し、基端がＳ極を示す。したがって、磁石群１３３を構成する磁石１０はすべて位置検出ユニット３０６と対向する側にＮ極を持つ。磁石群１３４を構成する磁石１０はすべて位置検出ユニット３０６と対向する側にＳ極を持つ。これ以降、各磁石１０の内部磁化の方向を単に磁化方向という。このように、磁石群１３３を構成する磁石１０は、全て同じ磁化方向に着磁されており、磁石群１３４を構成する磁石１０は、全て磁石群１３３を構成する磁石１０の磁化方向と反対の磁化方向に着磁されている。
　位置検出ユニット３０６は、磁気スケールユニット３０１から生じる磁界を検出する複数の磁気検出素子３０７と、磁気検出素子３０７が取り付けられる基板３０８とを有する。
　磁石群１３３を構成する磁石１０の個数と磁石群１３４を構成する磁石１０の個数とは、同じ個数であり、３個以上である。磁石群１３３及び磁石群１３４の各々において、磁石幅Ｌｍは一定である。磁石１０同士の間隔は、正弦波関数であるｓｉｎ関数にしたがって増減する。すなわち、磁石群１２３及び磁石群１２４の各々において、磁石１０同士の間隔Ｌｄは、ｘ方向に関して、端部から中央部に行くほど小さくなる。別言すれば、磁石群１３３及び磁石群１３４の各々において、磁石１０同士の間隔Ｌｄは、ｘ方向の一端部から中央にかけて段階的に小さくなった後、ｘ方向の中央から他端部にかけて段階的に大きくなる。
　図１３に示すように、磁石群１３３を構成する磁石１０の個数は９個である。磁石群１３４を構成する磁石１０の個数も９個である。磁石群１３３を構成する磁石１０のうち磁石群１３４から最も離れた位置に設置された磁石１０の－ｘ方向の端部から－ｘ方向に距離ａだけ離れた位置がｓｉｎ関数の０度に対応する。また、磁石群１３４を構成する磁石１０のうち磁石群１３３から最も離れた位置に設置された磁石１０の＋ｘ方向の端部から＋ｘ方向に距離ａだけ離れた位置がｓｉｎ関数の３６０度に対応する。また、磁石群１３３を構成する磁石１０のうち磁石群１３４に最も近い位置に設置された磁石１０の＋ｘ方向の端部から＋ｘ方向に距離ａだけ離れた位置、かつ磁石群１３４を構成する磁石１０のうち磁石群１３３に最も近い位置に設置された磁石１０の－ｘ方向の端部から－ｘ方向に距離ａだけ離れた位置がｓｉｎ関数の１８０度に対応する。
　距離ａは、磁石群１３３を構成する磁石１０のうち、磁石群１３４から最も離れた位置に設置された磁石１０の－ｘ方向の端部と磁石群１３４に最も近い位置に設置された磁石１０の＋ｘ方向の端部との中間位置が、ｓｉｎ関数の９０度に対応し、磁石群１３４を構成する磁石１０のうち、磁石群１３３から最も離れた位置に設置された磁石１０の＋ｘ方向の端部と磁石群１３３に最も近い位置に設置された磁石１０の－ｘ方向の端部との中間位置が、ｓｉｎ関数の２７０度に対応するように設定される。
　実施の形態３に係る磁気式エンコーダ３００では、実施の形態２に係る磁気式エンコーダ２００と同様に、実施の形態１に係る磁気式エンコーダ１００の磁気スケールユニット１０１によって磁気検出素子１０７に印加される磁界の強度の波形と比較すると、磁気スケールユニット３０１によって磁気検出素子３０７に印加される磁界の強度の波形は、より正弦波に近い波形となる。このため、実施の形態３に係る磁気式エンコーダ３００は、実施の形態１に係る磁気式エンコーダ１００よりも位置検出精度をさらに向上させることができる。
実施の形態４．
　図１５は、実施の形態４に係る磁気式エンコーダの構成を示す斜視図である。図１６は、実施の形態４に係る磁気式エンコーダを示す正面図である。実施の形態４の磁気式エンコーダ４００は、ロータリーエンコーダである。実施の形態４に係る磁気式エンコーダ４００は、リング状の磁気スケールユニット４０１と、磁気スケールユニット４０１から生じる磁界を検出する位置検出ユニット４０６とを備える。実施の形態４では、磁気スケールユニット４０１が可動子であり、位置検出ユニット４０６が固定子である。
　磁気スケールユニット４０１は、第１磁界発生源である磁石４０３及び第２磁界発生源である磁石４０４と、磁石４０３及び磁石４０４の磁化方向において磁石４０３及び磁石４０４の各々と間隔をあけて配置された磁性体４０２と、磁性体４０２、磁石４０３及び磁石４０４を固定する非磁性体の基体４０５を有する。磁性体４０２は、磁石４０３及び磁石４０４との対向面が、磁石４０３及び磁石４０４側に凸となる曲面となっている。基体４０５は、円筒状である。磁気スケールユニット４０１は、不図示の回転シャフトに設置されており、回転する。本開示において、ロータリーエンコーダの場合、磁気スケールユニット４０１の回転方向である円周方向が第１の方向に対応する。
　位置検出ユニット４０６は、リング状の基板４０８と、基板４０８に設置された磁気検出素子４０７とを備える。磁気検出素子４０７は、磁気スケールユニット４０１から生じる磁界を検出する。磁気検出素子４０７は、磁気スケールユニット４０１からｚ方向に一定距離を離間して基板４０８上に固定されている。位置検出ユニット４０６は、磁気スケールユニット４０１が回転するときの磁界変化に基づいて磁気スケールユニット４０１の位置を検出する。なお、図１５においては、基板４０８の図示を省略している。
　なお、実施の形態４の磁気式エンコーダ４００に、実施の形態２に示した磁石幅変調方式又は実施の形態３に示した磁石間隔変調方式を適用してもよい。
　実施の形態４に係る磁気式エンコーダ４００は、磁石４０３及び磁石４０４とともに磁性体４０２が磁気回路を形成するため、磁気スケールユニット４０１の絶対位置を高い精度で検出が可能である。
　以上の実施の形態に示した構成は、内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。
　１０，１０３，１０４，１１３，１１４，４０３，４０４　磁石、１００，１１０，２００，３００，４００　磁気式エンコーダ、１０１，１１１，２０１，３０１，４０１　磁気スケールユニット、１０２，２０２，３０２，４０２　磁性体、１０５，１１５，２０５，３０５，４０５　基体、１０６，１１６，２０６，３０６，４０６　位置検出ユニット、１０７，１１７，２０７，３０７，４０７　磁気検出素子、１０８，１１８，２０８，３０８，４０８　基板、１２３，１２４，１３３，１３４　磁石群。

Claims (6)

  1. 　第１の方向に沿って磁気スケールユニットと位置検出ユニットとが相対的に移動する磁気式エンコーダであって、
    　前記磁気スケールユニットは、
    　前記第１の方向に並んで配置され、磁化方向が互いに逆向きである第１磁界発生源及び第２磁界発生源と、
    　前記第１磁界発生源及び前記第２磁界発生源の磁化方向に沿って、前記第１磁界発生源及び前記第２磁界発生源と間隔を空けて配置された磁性体と、
    　前記第１磁界発生源、前記第２磁界発生源及び前記磁性体を位置決めする基体とを備え、
    　前記位置検出ユニットは、
    　前記第１磁界発生源及び前記第２磁界発生源と前記磁性体とで挟まれた領域に、前記第１磁界発生源及び前記第２磁界発生源と前記磁性体とのそれぞれから間隔を空けて配置され、磁界の変化を電気信号として出力する磁気検出素子を備え、
    　前記磁性体は、前記第１の方向における長さが、前記第１の方向における前記磁気スケールユニットの位置検出の分解能に基づいて定まる波長の一波長に対応する長さであり、かつ、前記第１磁界発生源及び前記第２磁界発生源との対向面が、前記第１の方向において、前記第１の方向における端部から前記波長の１／４及び３／４に対応する位置において最も凸となる曲面となっており、
    　前記第１磁界発生源は、前記磁性体の前記波長の１／４に対応する位置に対向する位置に配置され、前記第２磁界発生源は、前記磁性体の前記波長の３／４に対応する位置に対向する位置に配置されることを特徴とする磁気式エンコーダ。
  2. 　第１磁界発生源及び第２磁界発生源の各々は、同一方向に磁化方向を持つ複数の磁石で形成された磁石群であり、
    　前記第１磁界発生源の磁石は、前記第１の方向に間隔を空けて配置されており、
    　前記第１磁界発生源の磁石は、全て同じ磁化方向に着磁されており、
    　前記第２磁界発生源の磁石は、前記第１の方向に間隔を空けて配置されており、
    　前記第２磁界発生源の磁石は、全てが前記第１磁界発生源の磁石とは逆の磁化方向に着磁されており、
    　前記第１磁界発生源の磁石及び前記第２磁界発生源の磁石は、磁石幅が、前記第１の方向に沿って段階的に変化す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. 　第１磁界発生源及び第２磁界発生源の各々が、同一方向に磁化方向を持つ複数の磁石で形成された磁石群であり、
    　前記第１磁界発生源の磁石は、前記第１の方向に間隔を空けて配置されており、
    　前記第１磁界発生源の磁石は、全て同じ磁化方向に着磁されており、
    　前記第２磁界発生源の磁石は、前記第１の方向に間隔を空けて配置されており、
    　前記第２磁界発生源の磁石は、全てが前記第１磁界発生源の磁石とは逆の磁化方向に着磁されており、
    　前記第１磁界発生源の磁石同士の間隔及び前記第２磁界発生源の磁石同士の間隔は、前記第１の方向に沿って段階的に変化す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。
  4. 　前記位置検出ユニットが固定子に配置され、前記磁気スケールユニットが可動子に配置され、
    　前記磁気検出素子が、前記第１の方向に沿って複数個設置されることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の磁気式エンコーダ。
  5. 　前記磁気式エンコーダは、リニアエンコーダであることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の磁気式エンコーダ。
  6. 　前記磁気式エンコーダは、ロータリーエンコーダであることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の磁気式エンコーダ。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2013238485A (ja) * 2012-05-15 2013-11-28 Asahi Kasei Electronics Co Ltd エンコーダ及びそれを用いたアクチュエータ
JP2019143991A (ja) * 2018-02-16 2019-08-29 Tdk株式会社 磁気センサシステムおよび磁気スケール

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