(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁気パターンが形成され回転軸を中心として回転する磁石部と、前記磁石部による磁場を検出する検出部とを備え、
前記磁石部は、内周側と外周側との間で径方向の磁場を形成し、回転方向の一周に亘って少なくとも一回は前記磁場の方向を変化させるように設けられ、少なくとも前記磁場の方向が変化する境界の近傍において前記検出部側に発生する磁力を変化させる磁場変化部を備え、
前記磁場変化部は、磁性材料により形成され、前記磁石部の前記検出部と対向する面に設けられ、前記磁場の方向が変化する前記境界の近傍において前記検出部側に発生する前記磁力を相対的に抑制する磁場抑制部材を備えること
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、
前記磁場変化部は、前記磁石部による１回転内における前記磁場を正弦波状に変化させること
を特徴とするエンコーダ。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のエンコーダにおいて、
前記磁場抑制部材の前記回転軸方向の厚みは、前記境界において最大となり、前記境界から遠ざかるにつれて漸減すること
を特徴とするエンコーダ。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれかに記載のエンコーダにおいて、
前記磁場変化部は、前記磁場の方向が変化しない定常部において前記検出部側に発生する磁力を相対的に増加させる磁場増加部材を備えること
を特徴とするエンコーダ。
【請求項５】
請求項４に記載のエンコーダにおいて、
前記磁場増加部材の前記回転軸方向の厚みは、前記境界から最も離れた位置において最大となり、前記境界に近づくにつれて漸減すること
を特徴とするエンコーダ。
【請求項６】
請求項１から請求項５のいずれかに記載のエンコーダにおいて、
前記磁石部は、前記内周側の磁極と前記外周側の磁極とが異なり、周方向の１８０°で前記内周側の磁極と前記外周側の磁極とが入れ替わるように設けられていること
を特徴とするエンコーダ。
【請求項７】
請求項１から請求項６のいずれかに記載のエンコーダにおいて、
前記検出部は、前記磁石部の回転面と平行な方向の前記磁場を検出する平行磁場検出素子を備えていること
を特徴とするエンコーダ。
【請求項８】
請求項１から請求項７のいずれかに記載のエンコーダにおいて、
前記検出部は、前記磁石部の回転面と垂直な方向の前記磁場を検出する垂直磁場検出素子を備えていること
を特徴とするエンコーダ。
【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）。例えば、ロータリーエンコーダは、モータ等の回転軸に取り付けられて用いられる。また、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】特開平３−２８７０１４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、磁石部の回転による磁場が磁気センサ等の検出部によって矩形波状の信号として検出される。そのため、磁気センサではモータ等の回転軸の１回転内の角度検出ができない場合があるという課題がある。
【０００６】
そこで、本発明は、磁場を検出する検出部によってモータの１回転内の角度検出を行うことができるエンコーダを提供すること目的する。
【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、本発明の態様は実施形態に示す図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】
本発明の態様のエンコーダ（ＥＣ）は、磁気パターンが形成され回転軸（Ｒ）を中心として回転する磁石部（６）と、前記磁石部による磁場を検出する検出部（４）とを備え、前記磁石部は、内周側と外周側との間で径方向の磁場（Ｍ）を形成し、回転方向の一周に亘って少なくとも一回は前記磁場の方向を変化させるように設けられ、少なくとも前記磁場の方向が変化する境界（６ｄ）の近傍において前記検出部側に発生する磁力を変化させる磁場変化部（９）を備えることを特徴とする。
【０００９】
本発明の別態様のエンコーダ（ＥＣ）は、磁気パターンが形成され回転軸（Ｒ）を中心として回転し、内周側と外周側との間で径方向の磁場（Ｍ）を形成し、回転方向の一周に亘って少なくとも一回は前記磁場の方向を変化させるように設けられる磁石部（６）と、前記磁石部による磁場を検出する検出部（４）と、前記検出部により検出される前記磁場を変化させる磁場変化手段（９）と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、磁場変化部によって磁石部の径方向の磁場を変化させ、その磁場の変化を検出部によって検出することで、モータ等の１回転内の角度検出ができるエンコーダを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施形態に係るエンコーダの概略構成を示す断面図である。
【図２】図１に示すエンコーダの磁石部の平面図である。
【図３】図２のＡ−Ａ’線に沿う断面図である。
【図４】図２のＢ−Ｂ’線に沿う断面図である。
【図５】図１に示すエンコーダの回転角度と磁場との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
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に示すエンコーダ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６、及び回転部３を備え、磁石部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。
【００１３】
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。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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
図２は、図１に示す磁石部６の平面図である。
図１及び図２に示すように、磁石部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６には、所定の磁気パターンが形成されている。図２に示すように、磁石部６の磁気パターンとして、例えば、内周側の磁極Ｎ，Ｓと外周側の磁極Ｎ，Ｓとが異なり、周方向の１８０°毎の境界６ｄで内周側の磁極Ｎ，Ｓと外周側の磁極Ｎ，Ｓとが入れ替わるよう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。
【００１７】
磁石部６は、回転部３に固定され、回転部３の回転と連動して回転軸Ｒを中心として回転するようになっている。このような構成により、磁石部６は、内周側の磁極Ｎ，Ｓと外周側の磁極Ｎ，Ｓとの間で径方向の磁場を形成し、回転方向の一周に亘って磁場の方向を一回変化させるようになっている。
【００１８】
検出部Ｄは、磁石部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６に重なる位置に一対配置されている。各磁気センサ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の回転角度位置、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は、バイアス磁石（不図示）及び磁気抵抗素子４ａ，４ｂ（図３参照）を有している。
【００２０】
バイアス磁石は、磁石部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４ａ，４ｂ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４ａ，４ｂ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４ａ，４ｂ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４ａ，４ｂ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４ａ，４ｂは、磁石部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おり、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】
図３は、図２のＡ−Ａ’線に沿う断面図である。図４は、図２のＢ−Ｂ’線に沿う断面図である。
図３及び図４に示すように、磁気センサ４は、磁石部６の上面（回転面）６ａと平行な方向の磁場Ｍを検出する磁気抵抗素子（平行磁場検出素子）４ａと、磁石部６の上面６ａと垂直な回転軸Ｒ方向の磁場Ｍを検出する磁気抵抗素子（垂直磁場検出素子）４ｂとの２種類の磁気抵抗素子を備えている。
【００２３】
図２〜図４に示すように、磁石部６は、内周側の磁極Ｎ，Ｓと外周側の磁極Ｎ，Ｓとが入れ替わる境界６ｄの近傍の位置と、境界６ｄから離れた位置に、検出部Ｄの磁気センサ４側に発生する磁力を変化させる磁場変化部９を備えている。磁場変化部９は、例えば酸化鉄、酸化クロム、コバルト、フェライトなどの磁性材料からなる磁場抑制部材９ａ及び磁場増加部材９ｂにより構成されている。
【００２４】
磁場抑制部材９ａは、磁石部６が磁気センサ４側に発生する磁力を抑制し、磁場抑制部材９ａがない場合よりも磁気センサ４側に発生する磁力を減少させるように、磁石部６の上面（磁気センサ４，４と対向する面）６ａに設けられている。
磁場増加部材９ｂは、磁石部６が磁気センサ４側に発生する磁力を、磁場増加部材９ｂがない場合よりも増加させるように、磁石部６の下面（磁気センサ４，４の反対側の面）６ｂに設けられている。
【００２５】
図２及び図３に示すように、磁場抑制部材９ａは、磁石部６の内周側の磁極Ｎ，Ｓと外周側の磁極Ｎ，Ｓとが入れ替わる境界６ｄ上に配置され、境界６ｄに線対称な扇型の形状に設けられている。図２及び図４に示すように、磁場増加部材９ｂは、磁石部６の内周側の磁極Ｎ，Ｓと外周側の磁極Ｎ，Ｓとが入れ替わる境界６ｄから周方向に離れた磁場Ｍの方向が変化しない定常部６ｃに配置され、磁場抑制部材９ａと同様の扇型の形状に設けられている。
【００２６】
図３及び図４に示すように、磁場抑制部材９ａの回転軸Ｒ方向の厚みＴａは、磁石部６の内周側の磁極Ｎ，Ｓと外周側の磁極Ｎ，Ｓとが入れ替わる境界６ｄにおいて最大となり、境界６ｄから遠ざかるにつれて漸減するように設けられている。一方、磁石部６の下面６ｂに設けられた磁場増加部材９ｂの厚みＴｂは、境界６ｄから周方向の９０°の最も離れたに位置において最大となり、境界６ｄに近づくにつれて漸減するように設けられている。また磁場抑制部材９ａ及び磁場増加部材９ｂの厚みは、磁石部６の径方向において一定となっている。
【００２７】
図５は、横軸を磁石部６の回転角度、縦軸を磁石部６の磁力として、磁石部６を１回転させたときに磁気センサ４によって測定される磁力の変化を示すグラフである。
本実施形態の磁場変化部９は、例えば以下の方法により、磁石部６による１回転内における磁場を正弦波状に変化させるように形成されている。
【００２８】
まず、磁石部６に磁場変化部９を設けない状態で、磁石部６を回転軸Ｒを中心として１回転させ、磁気センサ４によって磁石部６が一回転する際の磁力の変化を測定する。ここで、磁石部６は、図２に示すように、内周側の磁極Ｎ，Ｓと外周側の磁極Ｎ，Ｓとが異なり、周方向の１８０°で内周側の磁極Ｎ，Ｓと外周側の磁極Ｎ，Ｓとが入れ替わるように設けられている。
【００２９】
したがって、磁石部６には内周側の磁極Ｎ，Ｓと外周側の磁極Ｎ，Ｓとの間で径方向の磁場が発生し、磁石部６を一回転させると内周側の磁極Ｎ，Ｓと外周側の磁極Ｎ，Ｓとが入れ替わる境界６ｄにおいて磁場の方向が逆転する。すると、磁石部６の磁場Ｍとバイアス磁石の磁場との合成磁場がほぼ９０°変化する。そのため、磁石部６の境界６ｄを磁気センサ４の下方に配置し、その状態を０°として回転を開始すると、図５に二点鎖線で示すように、磁気センサ４によって、１８０°毎に磁力の正負が逆転する矩形波状の信号Ｓ０が検出される。
【００３０】
次に、磁石部６の上面６ａに磁場抑制部材９ａを形成するための磁性材料を配置し、磁性材料の厚みを変化させ、変化させた厚みごとに磁気センサ４によって検出される磁力を測定する。磁石部６の上面６ａに磁性材料を配置することで、磁気センサ４によって検出される磁力は、磁性材料がない場合よりも減少する。また、磁性材料の厚みを厚くすると磁気センサ４によって検出される磁力はより減少し、薄くすると磁性材料がない場合の磁力に近づく。
【００３１】
同様に、磁石部６の下面６ｂに磁場増加部材９ｂを形成するための磁性材料を配置し、磁性材料の厚みを変化させ、変化させた厚みごとに磁気センサ４によって検出される磁力を測定する。磁石部６の下面６ｂに磁性材料を配置することで、磁気センサ４によって検出される磁力は、磁性材料がない場合よりも増加する。また、磁性材料の厚みを厚くすると磁気センサ４によって検出される磁力はより増加し、薄くすると磁性材料がない場合の磁力に近づく。
【００３２】
これにより、磁石部６の上面６ａ、下面６ｂに磁性材料を配置した場合の磁性材料の厚みと、磁気センサ４によって検出される磁力との関係式が得られる。このようにして得られた関係式に基づいて、図５に示すように、矩形波状の信号Ｓ０が実線で示す正弦波状の信号Ｓ１に変化するように、磁場抑制部材９ａ及び磁場増加部材９ｂの位置と厚みを調整する。以上により、磁石部６による１回転内における磁場を正弦波状に変化させる磁場変化部９が得られる。
【００３３】
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。
【００３４】
回転部３の回転と共に磁石部６が回転すると、磁石部６の磁気パターンによって形成される磁場Ｍ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の磁気抵抗素子４ａは、磁石部６の上面６ａに平行な方向の磁場Ｍとバイアス磁石の磁場との合成磁場を検出する。また、各磁気センサ４の磁気抵抗素子４ｂは、磁石部６の回転軸Ｒに平行な方向の磁場Ｍとバイアス磁石の磁場との合成磁場を検出する。
【００３５】
磁気センサ４によって検出された合成磁場は、電気信号として制御部に送信され、図５に実線で示す正弦波状の信号Ｓ１が得られる。制御部は、得られた正弦波状の信号Ｓ１に基づいてモータの１回転内の角度、回転数及び回転速度を算出する。
【００３６】
このように、本実施形態のエンコーダＥＣは、磁石部６が発生させる磁気センサ４側の磁力を変化させる磁場変化部９を備えたことで、磁気センサ４によって検出される信号Ｓ０の波形を変化させ、モータＭＲの１回転内の角度を検出することが可能になる。すなわち、本実施形態の磁場変化部９は、磁石部６による１回転内における磁場を正弦波状に変化させるように設けられている。したがって、モータＭＲの１回転内で磁気センサ４によって検出される信号Ｓ１の波形を正弦波状に変化させ、制御部によってモータＭＲの１回転内の角度を算出することが可能になる。
【００３７】
また、本実施形態の磁場変化部９は、磁石部６の上面６ａの境界６ｄの近傍に、磁性材料により形成された磁場抑制部材９ａを備えている。これにより、図５に示す矩形波状の信号Ｓ０の正負が逆転する回転角度が１８０°、３６０°、…の近傍の磁力の変化を緩やかにして、磁気センサ４により得られる信号Ｓ１を正弦波に近づけることができる。
【００３８】
また、    磁場抑制部材９ａの回転軸Ｒ方向の厚みＴａは、磁石部６の境界６ｄにおいて最大となり、境界６ｄから遠ざかるにつれて漸減している。これにより、磁石部６の境界６ｄに近づくにつれて磁力の抑制量を増加させ、境界６ｄから遠ざかるにつれて磁力の抑制量を減少させることができる。したがって、図５に示す矩形波状の信号Ｓ０の正負が逆転する部分の傾きを緩やかにして、磁気センサ４により得られる信号Ｓ１を正弦波に近づけることができる。
【００３９】
また、本実施形態の磁場変化部９は、磁石部６の下面６ｂの境界６ｄから周方向に離れ、磁場の方向が変化しない定常部６ｃに、磁性材料により形成された磁場増加部材９ｂを備えている。これにより、図５に示すように矩形波状の信号Ｓ０が一定値となる部分の磁力を増加させ、磁気センサ４により得られる信号Ｓ１を正弦波に近づけることができる。
【００４０】
また、磁場増加部材９ｂの回転軸Ｒ方向の厚みＴｂは、磁石部６の境界６ｄから最も離れた位置、すなわち境界６ｄの角度位置を０°としたときに、角度位置が９０°と２７０°で最大となり、境界６ｄに近づくにつれて漸減している。これにより、図５に示す回転角度が９０°のときに磁気センサ４により検出される磁力が最大となり、回転角度が２７０°において磁気センサ４により検出される磁力が最小になる。したがって、磁気センサ４により得られる信号を正弦波に近づけることができる。
【００４１】
また、本実施形態の磁石部６は、内周側の磁極Ｎ，Ｓと外周側の磁極Ｎ，Ｓとが異なり、周方向の１８０°で内周側の磁極Ｎ，Ｓと外周側の磁極Ｎ，Ｓとが入れ替わるように設けられている。そのため、磁場変化部９が設けられていない場合には、磁気センサ４によって図５に示す矩形波状の信号Ｓ０が得られる。しかし、上記の磁場変化部９と組み合わせることで、磁気センサ４により正弦波状の信号Ｓ１を得ることが可能になる。
【００４２】
また、本実施形態の磁気センサ４は、磁石部６の上面６ａと平行な方向の磁場を検出する磁気抵抗素子４ａと、磁石部６の上面６ａと垂直な回転軸Ｒ方向の磁場を検出する磁気抵抗素子４ｂとを備えている。これにより、磁気センサ４により上面６ａと平行な方向の磁場と回転軸Ｒ方向の磁場の双方を検出して、それぞれの方向の磁場からそれぞれ正弦波状の信号Ｓ１を得ることが可能になる。したがって、本実施形態の磁気センサ４はセンサの２重化が可能となるので、エンコーダＥＣの信頼性を向上させることができる。
【００４３】
加えて、磁気抵抗素子４ａ，４ｂのいずれか一方が故障した場合であっても、他方により正弦波状の信号Ｓ１が得ることができ、制御部によってモータＭＲの１回転内の角度を算出することが可能になる。これにより、エンコーダＥＣの信頼性及び安全性を向上させることが可能になる。
また、磁気センサ４を磁石部６の周方向に一対備えているので、それぞれの磁気センサ４によりＡ相、Ｂ相が得られ、制御部によって磁石部６の回転方向を算出することができる。したがって、モータＭＲの駆動軸７の回転方向及び多回転量を検出することが可能になる。
【００４４】
以上説明したように、本実施形態のエンコーダＥＣによれば、モータＭＲの１回転内の角度検出を行うことができるだけでなく、二方向の磁場の併用が可能になる。これにより、エンコーダＥＣの分解能、信頼性、及び安全性を向上させることができる。
【００４５】
また、本実施形態における磁気センサ４は、モータＭＲの１回転内の角度を検出しているが、モータＭＲの回転数を検出するようにしてもよい。この場合、例えば、モータＭＲの１回転内の角度は、回転部３に設ける光学パターン（光学式の回転符号板）と該光学パターンを読み取る光学センサとによって検出する。
【００４６】
また、上述のように、磁気センサ４は、磁場変化手段である磁場変化部９を用いることによって、正弦波状の信号を検出することができる。
【００４７】
なお、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、磁気センサは一対ではなく、一つであってもよい。また、磁気抵抗素子は、一方向の磁場のみに対応して配置されていてもよい。また磁気センサはホール素子であってもよい。
【符号の説明】
【００４８】
４ａ  磁気抵抗素子（平行磁場検出素子）、４ｂ  磁気抵抗素子（垂直磁場検出素子）、６  磁石部、６ａ  上面（回転面）、６ｃ  定常部、６ｄ  境界、９  磁場変化部、９ａ  磁場抑制部材、９ｂ  磁場増加部材、Ｄ  検出部、ＥＣ  エンコーダ、Ｍ  磁場、Ｎ，Ｓ  磁極、Ｒ  回転軸、Ｔａ  厚み、Ｔｂ  厚み
【図１】
0005440125.tif 000002
【図２】
0005440125.tif 000003
【図３】
0005440125.tif 000004
【図４】
0005440125.tif 000005
【図５】
0005440125.tif 000006