(57)【要約】【課題】熱変動による検出不良の発生を抑制することができるエンコーダを提供する。【解決手段】磁場を検出する検出部（Ｄ）を備えるエンコーダであって、前記検出部に対して所定の距離（ｇ）で配置され、磁気パターンが形成された磁石部（６）と、前記磁石部を保持する回転部（３）と、熱変形により前記距離を変化させる補正部材（１０）とを備えることを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁場を検出する検出部を備えたエンコーダであって、
前記検出部に対して所定の距離に配置され、磁気パターンが形成された磁石部と、
前記磁石部を保持する回転部と、
熱変形により前記距離を変化させる補正部材と、
を備えることを特徴とするエンコーダ。
【請求項２】
請求項１に記載のエンコーダにおいて、
前記補正部材の前記熱変形によって前記磁場を変化させること
を特徴とするエンコーダ。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載のエンコーダにおいて、
前記補正部材は、温度変化に伴う前記磁場の変化を低減させるために、前記距離を変化させること
を特徴とするエンコーダ。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載のエンコーダであって、
前記補正部材は、前記回転部に配置されていること
を特徴とするエンコーダ。
【請求項５】
請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載のエンコーダにおいて、
前記磁石部は、少なくとも前記補正部材を介して前記回転部に固定されていること
を特徴とするエンコーダ。
【請求項６】
請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載のエンコーダにおいて、
前記検出部は、少なくとも前記補正部材を介して基板に固定されていること
を特徴とするエンコーダ。
【請求項７】
請求項１ないし請求項６のいずれか一項に記載のエンコーダにおいて、
前記回転部に前記磁石部を保持する保持部が設けられ、
前記保持部に前記補正部材が固定されていること
を特徴とするエンコーダ。
【請求項８】
請求項１ないし請求項７のいずれか一項に記載のエンコーダにおいて、
前記回転部を回転させる駆動軸が、前記補正部材を介して前記回転部に固定されていること
を特徴とするエンコーダ。
【請求項９】
請求項１ないし請求項８のいずれか一項に記載のエンコーダにおいて、
前記回転部を回転させる駆動軸が嵌入される嵌入部が前記回転部に設けられ、
前記補正部材は、前記嵌入部に配置されること
を特徴とするエンコーダ。
【請求項１０】
請求項１ないし請求項９のいずれか一項に記載のエンコーダにおいて、
第１の温度Ｔ１における前記検出部と前記磁石部材との距離と平行な方向の前記補正部の寸法Ｌが下記の式（１）で表されることを特徴とするエンコーダ。
Ｌ＝Ｇ１・ｍ／｛α・（Ｔ２−Ｔ１）・ｄＭ・（１−ｍ）｝…（１）
なお、前記式（１）において、
Ｔ２は、前記第１の温度Ｔ１よりも高い第２の温度、
Ｇ１は、前記第１の温度Ｔ１において前記距離を一定にしたときの前記検出部が検出する磁束密度、
ｍは、前記距離を一定にして、温度を前記第１の温度Ｔ１から前記第２の温度へ上昇させたときの前記磁束密度の変化の割合、
αは、前記補正部材の線膨張係数、
ｄＭは、前記第１の温度Ｔ１において前記距離を変化させたときの前記磁束密度の変化率、である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エンコーダに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
モータの回転軸など回転体の回転数や回転速度を検出する装置として、エンコーダが知られている（特許文献１）。エンコーダは、例えばモータの回転軸に取り付けられて用いられる。エンコーダの具体的構成として、例えば磁気を用いて回転数などを検出する構成が知られている。
【０００３】
このような構成のエンコーダは、磁気パターンが形成された磁石部を回転軸と一体的に回転させ、磁石部の磁気パターンの変化を磁気センサによって読み取ることで、モータの回転軸の回転数などを検出できるようになっている。具体的な構成としては、例えば回転軸と一体的に回転する回転部が当該回転軸に固定され、磁石部が回転部に保持された状態で用いられる構成が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−２０５４８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、一般的なエンコーダでは、例えば、磁石部及び磁気センサの温度が上昇すると、磁石部の磁束密度の減少及び磁気センサの出力低下により検出不良が発生する場合があるという問題があった。
【０００６】
そこで、本発明は、熱変動による検出不良の発生を抑制することができるエンコーダを提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の課題を解決するために、本発明は実施の形態に示す図１〜図５に対応付けした以下の構成を採用している。なお、本発明を分かり易く説明するために、一実施形態を示す図面の符号に対応付けて説明するが、本発明は実施形態に限定されるものではない。
【０００８】
本発明に係るエンコーダは、磁場を検出する検出部（Ｄ）を備えたエンコーダ（ＥＣ）であって、検出部に対して所定の距離（ｇ）で配置され、磁気パターンが形成された磁石部（６）と、前記磁石部を保持する回転部（３）と、熱変形により前記距離を変化させる補正部材（１０）とを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、熱変動によるエンコーダの検出不良の発生を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施形態に係るエンコーダの構成を示す断面図。
【図２】図１に示す検出部と磁石部材の距離と磁束密度との関係を示すグラフ。
【図３】本発明の実施形態に係るエンコーダの他の構成を示す断面図。
【図４】本発明の実施形態に係るエンコーダの他の構成を示す断面図。
【図５】本発明の実施形態に係るエンコーダの他の構成を示す断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。
図１は、本実施形態に係るエンコーダＥＣの構成を示す断面図である。
図１を参照して、エンコーダＥＣの構成を説明する。エンコーダＥＣは、モータＭＲなどの回転体の回転数や回転速度を検出する装置である。エンコーダＥＣは、検出部Ｄ、磁石部材（磁石部）６、及び回転部３を有している。エンコーダＥＣは、磁石部材６を保持した回転部３が検出部Ｄに収容された状態で用いられる。
【００１２】
回転部３は、例えばボルト８等によって回転体であるモータＭＲの駆動軸７に固定され、駆動軸７と一体的に回転する部分である。回転部３は、磁石部材６を所定の距離ｇで検出部Ｄの磁気センサ４に対向させて保持している。本実施形態では、磁気センサ４と磁石部材６との距離ｇは、常温（約２５℃）において例えば約１．５ｍｍ程度に設定されている。回転部３が駆動軸７に固定された状態においては円盤面３１ｂ，３１ｃが駆動軸７に垂直となり、回転部３の回転軸Ｒ方向は駆動軸７の延在方向と同一方向となる。回転部３は、円盤部３１、保持部３２、ハブ３３、及び嵌入部３４を有している。
【００１３】
円盤部３１は円板状に形成され、回転部３の本体をなす部分である。円盤部３１は、中央に貫通孔３１ａが設けられ、貫通孔３１ａに挿通されたボルト８によって駆動軸７に固定される。
保持部３２は、円盤部３１の図中上側の円盤面３１ｂに凹状に設けられ、回転部３の回転方向に沿って貫通孔３１ａの周囲に円環溝状に設けられている。
【００１４】
ハブ３３は、円盤部３１の図中下側の円盤面３１ｃから略垂直に突出するように設けられ、上記モータＭＲの駆動軸７に接続される部分である。ハブ３３は、平面視中央部に凹状の嵌入部３４を有している。
嵌入部３４は有底円筒状に形成され、モータＭＲの駆動軸７の端部が嵌入されて固定されるようになっている。
【００１５】
補正部材１０は、例えば回転部３の回転方向に沿って円環状に形成された円環板状の部材である。補正部材１０は、例えば線膨張係数αが約２４×１０−６／℃のアルミニウムにより形成されている。補正部材１０は、円環溝状の保持部３２の内側に配置されている。補正部材１０の底面１０ｂは、例えば接着剤を介して保持部３２に固定されている。補正部材１０の側面１０ｃと保持部３２の側壁３２ａとの間は接着されておらず、これらの間には補正部材１０及び回転部３の熱変形を考慮した適当なクリアランスが設けられている。補正部材１０の上面１０ａには、磁石部材６が固定されている。補正部材１０は磁石部材６と回転部３との間に配置され、回転部３に保持されている。
【００１６】
磁石部材６は、回転部３の回転方向に沿って円環状に形成された永久磁石である。磁石部材６としては、例えばネオジ鉄系の焼結磁石などが用いられている。磁石部材６には、所定の磁気パターンが形成されている。磁石部材６の磁気パターンとして、例えば駆動軸７の軸方向に見て円環の半分の領域にＮ極に着磁され、円環の他の半分の領域がＳ極に着磁された磁気パターンなどが挙げられる。勿論、他の磁気パターンが形成されていても構わない。磁石部材６の磁気パターンによる磁場の磁束密度は、磁石部材６の温度の変化に伴って可逆的に変化する。例えば、磁石部材６の温度が約２５℃から約１００℃まで上昇すると、磁石部材６の磁気パターンによる磁場の磁束密度は約２０％程度減少するが、温度が元に戻ると磁束密度も元の値に戻る。
【００１７】
磁石部材６は、底面６ｂが例えば接着剤を介して補正部材１０の上面１０ａに固定され、補正部材１０を介して回転部３の保持部３２に固定されている。磁石部材６は、保持部３２の内側に配置され、補正部材１０を介して保持部３２に固定されることで、回転部３に保持されている。磁石部材６の側面６ａと保持部３２の側壁３２ａとは接着されておらず、これらの間には磁石部材６及び回転部３の熱変形を考慮した適当なクリアランスが設けられている。
【００１８】
検出部Ｄは、磁石部材６による磁場を検出する部分である。検出部Ｄは、筐体１と、筐体１を封止する基板５と、基板５を筐体１に固定するボルト２と、基板５に設けられた磁気センサ４とを有している。筐体１は、ほぼ円筒状に形成され、モータＭＲに固定されている。筐体１及び基板５は、回転部３及び駆動軸７とは独立して設けられ、駆動軸７が回転しても、筐体１及び基板５とモータＭＲとの相対位置が変化しないようになっている。回転部３及び磁石部材６は、駆動軸７の軸方向に見たときに、それぞれの中心が筐体１の中心に一致するように位置合わせされた状態で収容されている。
【００１９】
磁気センサ４は、駆動軸７の軸方向に見て、磁石部材６に重なる位置に一対配置されている。各磁気センサ４，４は、基板５が備える不図示の配線などを介して電源部及び制御部に接続されている。制御部は、磁気センサ４，４からの出力に基づいて駆動軸７の回転数及び回転速度を求める処理を行う。各磁気センサ４，４は、バイアス磁石（不図示）及び磁気抵抗素子（不図示）を有している。
【００２０】
バイアス磁石は、磁石部材６の磁場との間で合成磁場を形成する磁石である。バイアス磁石を構成する材料として、例えばサマリウム・コバルトなどの磁力の大きい希土類磁石などが挙げられる。バイアス磁石は、磁気抵抗素子に接触したり、隣接したりしない位置に配置されている。
【００２１】
磁気抵抗素子は、例えば金属配線などによって形成された直交する２つの繰り返しパターンを有している。磁気抵抗素子は、磁場の方向が当該繰り返しパターンに流れる電流の方向の垂直方向に近くなると電気抵抗が低下するようになっている。磁気抵抗素子は、この電気抵抗の低下を利用して磁場の方向を電気信号に変換するようになっている。磁気抵抗素子は、磁石部材６の磁場及びバイアス磁石の磁場による合成磁場を検出するようになっている。検出結果は、電気信号として上記の制御部（不図示）に送信されるようになっている。
【００２２】
エンコーダＥＣにおいて、温度を例えば約２５℃で一定として、磁気センサ４と磁石部材６との距離ｇを変化させると、検出部Ｄによって検出される磁束密度が変化する。
図２及び表１に、距離ｇと検出部Ｄが検出する磁束密度との関係の一例を示す。
【００２３】
【表１】
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【００２４】
図２及び表１に示すように、温度が一定のときに検出部Ｄによって検出される磁束密度は、磁気センサ４と磁石部材６との間の距離ｇの増加に伴って減少することがわかる。本実施形態では、距離ｇは例えば温度が約２５℃のときに約１．５ｍｍに設定されている。そのため、温度が約２５℃のときに検出部Ｄが検出する磁束密度は約９３１．３［Ｇ］である。
【００２５】
また、図２に示すように、距離ｇが約１．０ｍｍから約１．５ｍｍまで変化するときの距離ｇと磁束密度との関係は、一次直線により近似することができる。したがって、温度を約２５℃で一定にして、距離ｇを約１．０ｍｍから約１．５ｍｍの間で変化させるときの０．１ｍｍあたりの磁束密度の変化量は、約１０７．８［Ｇ］である。
【００２６】
また、単位距離あたりの磁束密度の変化率ｄＭは、例えば下記の式（ａ）により求めることができる。
【００２７】
ｄＭ＝（１４７０．３−９３１．３）／（１．５−１．０）＝１０７８［Ｇ／ｍｍ］
…（ａ）
【００２８】
エンコーダＥＣの使用時には、モータＭＲ等から発生する熱の影響により、磁石部材６及び磁気センサ４の温度が常温である約２５℃から例えば約８５℃程度の温度に上昇する場合がある。例えば、磁石部材６及び磁気センサ４の温度が上昇すると、上記のように磁石部材６の磁束密度が減少するだけでなく、磁気センサ４の電気的な出力（出力電圧）も減少する場合がある。
【００２９】
したがって、従来のように磁気センサ４と磁石部材６との距離ｇが温度の変化によらずほぼ一定の場合には、温度上昇により磁石部材６の磁束密度及び磁気センサ４の出力電圧が減少し、検出部Ｄが検出する磁束密度は減少する。例えば、エンコーダＥＣの使用開始前の温度が例えば約２５℃であり、使用時に温度が約８５℃に上昇した場合には、検出部Ｄが検出する磁束密度が減少する割合ｍは、例えば約２０％程度である。
【００３０】
本実施形態では、このような熱変動によって検出部Ｄが検出する磁束密度が減少することを抑制するために、回転部３と磁石部材６との間に補正部材１０を配置している。そして、距離ｇと平行な方向の補正部材１０の寸法（厚さ）Ｌを、下記の式（１）により決定している。
【００３１】
Ｌ＝Ｇ１・ｍ／｛α・（Ｔ２−Ｔ１）・ｄＭ・（１−ｍ）｝…（１）
【００３２】
上記の式（１）において、Ｔ１は、エンコーダＥＣの使用開始前の温度（第１の温度）であり、Ｔ２は使用時の温度（第２の温度）である。Ｇ１は、使用開始前の温度Ｔ１で距離ｇを１．５ｍｍとしたときに、検出部Ｄが検出する磁束密度である。ｍは、距離ｇを１．５ｍｍで一定とし、温度を使用開始前の温度Ｔ１から使用時の温度Ｔ２へ上昇させたときの磁束密度の変化の割合である。αは、補正部材１０の線膨張係数である。ｄＭは、上記の式（ａ）により求めた磁束密度の変化率である。
【００３３】
使用開始前の温度Ｔ１を約２５℃、使用時の温度Ｔ２を約８５℃とすると、使用開始前の温度において検出部Ｄが検出する磁束密度Ｇ１は９３１．３［Ｇ］であり、磁束密度の変化の割合ｍは約２０％である。また、補正部材１０の線膨張係数αは２４×１０−６／℃である。したがって、補正部材１０の寸法Ｌは、上記の式（ａ）及び式（１）により、例えば約１５０ｍｍに決定される。
【００３４】
次に、上記のように構成されたエンコーダＥＣの動作を説明する。
モータＭＲの駆動軸７が回転すると、当該駆動軸７に一体的に取り付けられた回転部３及び磁石部材６が駆動軸７と一体的に回転する。モータＭＲに固定された検出部Ｄについては、駆動軸７には接続されていないため、回転せずに静止した状態となる。
【００３５】
回転部３の回転と共に磁石部材６が回転すると、当該磁石部材６の磁気パターンによって形成される磁場とバイアス磁石の磁場との合成磁場が周期的に変化する。各磁気センサ４，４は、当該合成磁場の変化の周期を検出することにより、磁石部材６（駆動軸７）の回転数を検出する。
【００３６】
エンコーダＥＣの使用時には、モータＭＲ等の発生する熱の影響により、磁石部材６及び磁気センサ４の温度が約２５℃から約８５℃程度に上昇する場合がある。磁石部材６及び磁気センサ４の温度が上昇すると、上記のように磁石部材６の磁束密度が減少するだけでなく、磁気センサ４の電気的な出力（出力電圧）も減少する場合がある。
【００３７】
このとき、回転部３と磁石部材６との間に配置された補正部材１０は、温度の変化に伴って熱変形（例、熱膨張などを含む）する。ここで、本実施形態において、磁気センサ４と磁石部材との距離ｇ方向における補正部材１０の寸法Ｌは、上記の式（１）に基づいて約１５０ｍｍに決定されている。また、補正部材１０は線膨張係数αが２４×１０−６／℃のアルミニウムにより形成されている。そのため、温度が約２５℃から約８５℃程度に上昇したときに、補正部材１０は距離ｇ方向（回転軸Ｒと平行な方向）に約０．２１６ｍｍ膨張する。
【００３８】
ここで、補正部材１０はその側面１０ｃが回転部３の保持部３２の側壁３２ａとは接着されておらず、側面１０ｃと側壁３２ａとの間には熱膨張を考慮したクリアランスが設けられている。また、補正部材１０の上面１０ａに固定された磁石部材６も、その側面６ａと保持部３２の側壁３２ａとは接着されておらず、側面６ａと側壁３２ａとの間には熱膨張を考慮したクリアランスが設けられている。
【００３９】
そのため、補正部材１０の距離ｇ方向の熱膨張により、磁石部材６は磁気センサ４に近接させられ、距離ｇが減少する。このとき、磁石部材６の距離ｇ方向の熱膨張は無視することができる。これにより、距離ｇは、エンコーダＥＣの使用前の温度Ｔ１における約１．５ｍｍから、使用時の温度Ｔ２において約１．２８４ｍｍに減少する。
【００４０】
磁気センサ４と磁石部材６との距離ｇが減少すると、検出部Ｄが検出する磁束密度は増加する。使用開始前の温度Ｔ１において検出部Ｄが検出する磁束密度は９３１．３［Ｇ］であり、上記の式（ａ）により単位距離当りの磁束密度の変化率ｄＭは１０７８［Ｇ／ｍｍ］である。したがって、使用開始前の温度Ｔ１において、距離ｇが約１．５ｍｍから約１．２８４ｍｍに減少したときの磁束密度は下記の式（ｂ）により表すことができる。
【００４１】
９３１．３＋（１．５−１．２８４）×１０７８＝１１６４．１５［Ｇ］  …（ｂ）
【００４２】
しかし、実際には使用前の温度Ｔ１である約２５℃から使用時の温度Ｔ２である約８５℃に温度が上昇している。そのため、検出部Ｄが検出する磁束密度は、上記のように使用開始前の温度Ｔ１における測定値よりも約２０％減少する。したがって、使用時の温度Ｔ２である約８５℃において検出部Ｄによって測定される磁束密度は下記の式（ｃ）により表すことができる。
【００４３】
１１６４．１５×（１−０．２）≒９３１．３［Ｇ］…（ｃ）
【００４４】
すなわち、補正部材１０の熱膨張により距離ｇを減少させることで、エンコーダＥＣにおいて検出部Ｄが検出する磁束密度を使用開始前の温度Ｔ１と使用時の温度Ｔ２においてほぼ等しくすることができる。換言すると、補正部材１０を熱変形させ、磁石部材６と磁気センサ４とを近接させることで、検出部Ｄが検出する磁束密度の温度上昇による低下分を相殺することができる。
【００４５】
したがって、本実施形態のエンコーダＥＣによれば、温度の上昇による磁石部材６の磁束密度の減少及び磁気センサ４の出力電圧の低下が生じた場合であっても、検出部Ｄによって検出される磁束密度の低下を抑制することができる。これにより、エンコーダＥＣの熱変動による検出不良の発生を抑制することができる。
【００４６】
本発明の技術範囲は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更を加えることができる。
例えば、上記実施形態において、エンコーダＥＣはバックヨークを備えた構成であってもよい。また、磁石部材６と補正部材１０とを接着する接着剤として、磁石部材６と補正部材１０との間に発生する熱応力を緩和する緩衝材として機能するものを用いてもよい。また、磁石部材６と補正部材１０との間に熱応力を緩和する緩衝材を配置し、緩衝材を介して磁石部材６と補正部材１０とを接着してもよい。
【００４７】
また、上記実施形態では、補正部材１０が回転部３と磁石部材６との間に配置される構成を例に挙げて説明したが、本発明はこの構成には限定されない。
例えば、図３に示すエンコーダＥＣ１のように、駆動軸７が補正部材１０を介して回転部３に固定される構成であってもよい。この場合には、補正部材１０の側面１０ｃと嵌入部３４の側壁３４ａとの間は固定せず、補正部材１０の上面１０ａを嵌入部３４の底壁３４ｂに固定し、底面１０ｂを駆動軸７の上端面７ａに固定する。
【００４８】
また、図４に示すエンコーダＥＣ２のように、磁気センサ４と基板５との間に補正部材１０を配置して、補正部材１０を磁気センサ４の磁石部材６と反対側に配置してもよい。
また、図５に示すエンコーダＥＣ３のように、磁石部材６を回転部３の図示下側の円盤面３１ｃの外周部に補正部材１０を介して固定してもよい。この場合には、補正部材１０の材料として、温度の上昇に伴って収縮し、磁石部材６を磁気センサ４に近接させる材料を選択する。
【００４９】
なお、本実施形態における補正部材１０は、アルミニウムに限らず、黄銅、銅、ニッケル、白金、ＳＵＳ４１０、ＳＵＳ３０４、などであってもよい。
また、本実施形態における補正部材１０は、図１、図３〜図５の配置を組み合わせて複数配置させてもよい。
【符号の説明】
【００５０】
３  回転部、６  磁石部材（磁石部）、７  駆動軸、Ｄ  検出部、ｇ  距離、１０  補正部材、３２  保持部、３４  嵌入部、ＥＣ，ＥＣ１，ＥＣ２，ＥＣ３  エンコーダ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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