(57)【要約】【課題】小型で、信頼性が高く、且つ高精度な位置検出が可能な磁気エンコーダを得ることである。【解決手段】回転ドラムの外周部に円筒状ブロック磁石を設けた磁気ドラムと、磁気ドラムにおける円筒状ブロック磁石の外周面に所定の間隔をあけて対向させて配置した磁気センサと、磁気ドラムの中心に結合された回転軸とを備えた磁気エンコーダであって、円筒状ブロック磁石の外周面の円周方向に、磁極を有する複数のトラックを備え、複数のトラックの間に溝が形成されたものである。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転ドラムの外周部に円筒状ブロック磁石を設けた磁気ドラムと、上記磁気ドラムにおける上記円筒状ブロック磁石の外周面に所定の間隔をあけて対向させて配置した磁気センサと、上記磁気ドラムの中心に結合された回転軸とを備えた磁気エンコーダであって、上記円筒状ブロック磁石の外周面の円周方向に、磁極を有する複数のトラックを備え、上記複数のトラックの間に溝が形成された磁気エンコーダ。
【請求項２】
上記複数のトラックが、複数のＮ極とＳ極との磁極が交互に等しい磁極ピッチで形成されたＩＮＣ相トラックと、１極のみの磁極を有するＺ相トラックとであることを特徴とする請求項１に記載の磁気エンコーダ。
【請求項３】
上記磁気センサを形成する第１の抵抗素子と第２の抵抗素子とが、ＩＮＣ相トラックの磁極ピッチの半分の間隔をあけて対向して配置されていることを特徴とする請求項２に記載の磁気エンコーダ。
【請求項４】
上記溝の深さが、ＩＮＣ相トラックの磁極ピッチの０．５倍以上で、円筒状ブロック磁石の外周面に溝加工が可能な最大深さ以下であることを特徴とする請求項２または請求項３に記載の磁気エンコーダ。
【請求項５】
上記溝の幅が、ＩＮＣ相トラックの磁極ピッチの０．８倍から２倍であることを特徴とする請求項２ないし請求項４のいずれか１項に記載の磁気エンコーダ。
【請求項６】
上記複数のトラックが、複数のＮ極とＳ極との磁極が交互に等しい磁極ピッチで形成されたＩＮＣ相トラックを複数有するＩＮＣ相トラック群と１極のみの磁極を有するＺ相のトラックとであり、上記複数のＩＮＣ相トラックは、各ＩＮＣ相トラック間で上記磁極ピッチが異なることを特徴とする請求項１に記載の磁気エンコーダ。
【請求項７】
上記複数のトラックが、複数のＮ極とＳ極との磁極が交互に等しい磁極ピッチで形成されたＩＮＣ相トラックを複数有するＩＮＣ相トラック群であり、上記複数のＩＮＣ相トラックが、各ＩＮＣ相トラック間で上記磁極ピッチが異なることを特徴とする請求項１に記載の磁気エンコーダ。
【請求項８】
上記溝が、非磁性の固体で埋められたことを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載の磁気エンコーダ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高精度の位置決めが必要なサーボモータ等に利用される磁気エンコーダに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
磁気エンコーダは、例えば、回転可能な磁気ドラムと、磁気センサと、磁気ドラムの中心に設けられた回転軸と、この回転軸を回転自在に保持するハウジングとで構成されている。そして、磁気ドラムは、回転ドラムと、回転ドラムの外周部に設けられ、且つ所望の着磁パターンで着磁された磁気相とで形成されている。
最近、工作機械、ＮＣ、ロボット等で使用されるサーボモータは、小型化と、高い信頼性と、位置検出の高精度化とが要求されている。そのため、サーボモータを制御する磁気センサは高信頼化と高精度化とが必要である。
しかし、サーボモータが、ノイズの大きな環境や、電源ラインや磁石等の外部磁場の影響を受けやすい環境で用いられると、磁気エンコーダの磁気センサ出力におけるノイズ比率が増加し、磁気エンコーダの信頼性が低下する。
【０００３】
磁気エンコーダの信頼性の低下を防止する手段は、磁気ドラムの磁気相の磁力を大きくすることであり、磁力の大きな磁気相としては、ブロック状の磁石が挙げられる。
例えば、磁力の大きな磁気ドラムを用いた磁気エンコーダとして、回転ドラムである磁石保持ドラムの外周部に円筒状の成形磁石を接着剤等により固定した磁気ドラムと、磁気ドラムの外周面と所定の間隔を持って対向するように、配設固定された磁気センサとを備えた磁気エンコーダがある（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
また、磁気エンコーダの高精度な位置検出を実現する手段としては、着磁パターンの異なる複数組の磁気エンコーダを設けることが挙げられる。しかし、このような構成では、部品点数が多くなるとともに、装置全体の構造が複雑となり、小型化の要請に反するとの問題があった。
このような課題を克服するものとして、回転ドラムの外周面に、着磁パターンが異なる複数の磁気相、例えば、基準点信号を発するＺ相の他に、磁極配置数が異なるインクリメント相（ＩＮＣ相と記す）を設けた磁気ドラムと、各相に対向した複数の磁気センサとが用いられた磁気エンコーダがある（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平０３−２７４４１３号公報（第３頁、第３図）
【特許文献２】特開平０１−２２３３０９号公報（第２頁、第８図）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
小型化と高信頼化と高精度化とを可能にする磁気エンコーダは、特許文献１に記載の磁気エンコーダと特許文献２に記載の磁気エンコーダとを組み合わせることにより実現できる。すなわち、特許文献１に記載の円筒状のブロック磁石の外周面に、複数の磁気相である着磁トッラクを形成し、各着磁トッラクに対向して複数の磁気センサを設けることである。
【０００７】
このような磁気エンコーダにおいて、小型化するためには、各着磁トラック間の間隔を狭くする必要がある。
しかし、各着磁トラック間の間隔を狭くすると、各着磁トラックが強い磁力を有するとともに、着磁の時に着磁器が発生する強い磁力により着磁トラックの外の領域まで着磁されるので、着磁トラック間の磁気干渉により磁気センサに感知される磁束密度が変動し、磁気センサの出力信号に歪が生じ、磁気エンコーダの位置検出精度が低下するとの問題があった。
【０００８】
本発明は、上記のような問題を解決するためになされたものであり、その目的は、小型で、信頼性が高く、且つ高精度な位置検出が可能な磁気エンコーダを得ることである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係わる磁気エンコーダは、回転ドラムの外周部に円筒状ブロック磁石を設けた磁気ドラムと、磁気ドラムにおける円筒状ブロック磁石の外周面に所定の間隔をあけて対向させて配置した磁気センサと、磁気ドラムの中心に結合された回転軸とを備えた磁気エンコーダであって、円筒状ブロック磁石の外周面の円周方向に、磁極を有する複数のトラックを備え、複数のトラックの間に溝が形成されたものである。
【発明の効果】
【００１０】
本発明に係わる磁気エンコーダは、回転ドラムの外周部に円筒状ブロック磁石を設けた磁気ドラムと、磁気ドラムにおける円筒状ブロック磁石の外周面に所定の間隔をあけて対向させて配置した磁気センサと、磁気ドラムの中心に結合された回転軸とを備えた磁気エンコーダであって、円筒状ブロック磁石の外周面の円周方向に、磁極を有する複数のトラックを備え、複数のトラックの間に溝が形成されたものであり、小型化できるとともに、信頼性が高く、高精度な位置検出が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施の形態１に係わる磁気エンコーダの主要な構成を示す斜視模式図である。
【図２】本発明の実施の形態１に係わる磁気エンコーダに用いられる磁気ドラムの上面の模式図（ａ）と側面の模式図（ｂ）とである。
【図３】本発明の実施の形態１に係わる磁気エンコーダの磁気ドラムにおける円筒状ボンド磁石の着磁状態を示す模式図である。
【図４】本発明の実施の形態１に係わる磁気エンコーダの磁気ドラムにおける円筒状ボンド磁石の内部の磁化の状態と磁石外部の磁場とを示す模式図である。
【図５】本発明の実施の形態１に係わる磁気エンコーダの磁気ドラムにおけるＩＮＣ相トラックに対して所定の間隔をあけて配置された磁気センサユニットを示す模式図である。
【図６】本発明の実施の形態１に係わる磁気エンコーダに用いられた磁気センサユニットの等価回路を示す図である。
【図７】実施例１の磁気エンコーダにおける、ＩＮＣ相トラックの領域の磁束密度の変化を示す図である。
【図８】実施例１の磁気エンコーダにおける、溝の領域の磁束密度の変化を示す図である。
【図９】比較例１の従来の磁気エンコーダに用いられる磁気ドラムの上面の模式図（ａ）と側面の模式図（ｂ）とである。
【図１０】比較例１の従来の磁気エンコーダに用いられる磁気ドラムにおける円筒状ボンド磁石の着磁状態を示す模式図である。
【図１１】比較例１の磁気エンコーダにおける、ＩＮＣ相トラックの領域の磁束密度の変化を示す図である。
【図１２】比較例１の磁気エンコーダにおける、中間相の領域の磁束密度の変化を示す図である。
【図１３】、実施例１の磁気エンコーダにおける、磁気ドラムの円筒状ボンド磁石が発生する磁束密度の振幅ピーク値の軸方向の分布を示す図である。
【図１４】比較例１の磁気エンコーダにおける、磁気ドラムの円筒状ボンド磁石が発生する磁束密度の振幅ピーク値の軸方向の分布を示す図である。
【図１５】溝の深さＶｄが０．２ｍｍの磁気エンコーダにおける、磁気ドラムの円筒状ボンド磁石が発生する磁束密度の振幅ピーク値の軸方向の分布を示す図である。
【図１６】溝の深さＶｄが０．１ｍｍの磁気エンコーダにおける、磁気ドラムの円筒状ボンド磁石が発生する磁束密度の振幅ピーク値の軸方向の分布を示す図である。
【図１７】磁気エンコーダの磁気ドラムにおける円筒状ボンド磁石の溝の深さＶｄと積算磁束量変動比との関係を示す図である。
【図１８】溝の幅Ｗｄが０．５ｍｍの磁気エンコーダにおける、磁気ドラムの円筒状ボンド磁石が発生する磁束密度の振幅ピーク値の軸方向の分布を示す図である。
【図１９】溝の幅Ｗｄが０．７５ｍｍの磁気エンコーダにおける、磁気ドラムの円筒状ボンド磁石が発生する磁束密度の振幅ピーク値の軸方向の分布を示す図である。
【図２０】溝の幅Ｗｄが１．５ｍｍの磁気エンコーダにおける、磁気ドラムの円筒状ボンド磁石が発生する磁束密度の振幅ピーク値の軸方向の分布を示す図である。
【図２１】中間相の幅Ｗｍが０．５ｍｍの磁気エンコーダにおける、磁気ドラムの円筒状ボンド磁石が発生する磁束密度の振幅ピーク値の軸方向の分布を示す図である。
【図２２】中間相の幅Ｗｍが０．７５ｍｍの磁気エンコーダにおける、磁気ドラムの円筒状ボンド磁石が発生する磁束密度の振幅ピーク値の軸方向の分布を示す図である。
【図２３】中間相の幅Ｗｍが１．５ｍｍの磁気エンコーダにおける、磁気ドラムの円筒状ボンド磁石が発生する磁束密度の振幅ピーク値の軸方向の分布を示す図である。
【図２４】磁気エンコーダの磁気ドラムにおける円筒状ボンド磁石の溝の幅Ｗｄと積算磁束量変動比との関係、および、磁気エンコーダの磁気ドラムにおける円筒状ボンド磁石の中間相の幅Ｗｍと積算磁束量変動比との関係を示す図である。
【図２５】本発明の実施の形態４に係わる磁気エンコーダに用いられる磁気ドラムの上面の模式図（ａ）と側面の模式図（ｂ）とである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係わる磁気エンコーダの主要な構成を示す斜視模式図である。
図２は、本発明の実施の形態１に係わる磁気エンコーダに用いられる磁気ドラムの上面の模式図（ａ）と側面の模式図（ｂ）とである。
図１に示すように、本実施の形態の磁気エンコーダ１００は、磁気ドラム１と、磁気ドラム１の外周面と所定の間隔をあけて対向させて配置された磁気センサ１１と、磁気ドラム１の中心に結合された回転軸１２とを備えている。
【００１３】
また、図２（ａ）に示すように、磁気ドラム１は、回転ドラム３と回転ドラム３の外周部に設けられた円筒状のブロック磁石である円筒状ボンド磁石２で形成されている。そして、回転ドラム３への円筒状ボンド磁石２の固定は、例えば接着で行われる。
また、図２（ｂ）に示すように、円筒状ボンド磁石２の外周面には、円周方向に複数のＮ極とＳ極との磁極４ａが交互に等しい磁極ピッチで形成された、回転角度を高精度に検出させるＩＮＣ相トラック４と、磁気ドラム１の一周の基準点信号を発生させる１極のみの磁極５ａを有し、且つＩＮＣ相トラック４と平行に形成されたＺ相トラック５と、ＩＮＣ相トラック４とＺ相トラック５との間に設けられた磁化されていない溝６とが形成されている。
【００１４】
図３は、本発明の実施の形態１に係わる磁気エンコーダの磁気ドラムにおける円筒状ボンド磁石の着磁状態を示す模式図である。
図４は、本発明の実施の形態１に係わる磁気エンコーダの磁気ドラムにおける円筒状ボンド磁石の内部の磁化の状態と磁石外部の磁場とを示す模式図である。
図３に示すように、太線矢印で示されたＩＮＣ相トラック４の磁極４ａの磁化方向２０ａと、太線矢印で示されたＺ相トラック５の磁極５ａの磁化方向２０ｂとは、Ｓ極からＮ極方向である。
【００１５】
図３では、磁極の磁化方向を簡単に太線矢印で示したが、図４では、円筒状ボンド磁石２の内部で円弧状に分布をしている磁化２１を、実線矢印で示した。また、円弧状に分布した磁化により発生する磁束の流れ２２を、点線矢印で示した。
そして、磁化分布が円弧状となるのは、使用した円筒状ボンド磁石２が等方性であり、円筒状ボンド磁石２の磁化を、円筒状ボンド磁石２の外周面の外側に配置される着磁器（図示せず）から発生する磁力の分布により、行なうためである。
また、Ｎ極とＳ極との磁極ピッチがＰである円筒状ボンド磁石２は、外周面から中心方向に向かって磁極ピッチＰの半分、すなわち０．５Ｐの深さまでが磁化される。
【００１６】
図５は、本発明の実施の形態１に係わる磁気エンコーダの磁気ドラムにおけるＩＮＣ相トラックに対して所定の間隔をあけて配置された磁気センサユニットを示す模式図である。
図６は、本発明の実施の形態１に係わる磁気エンコーダに用いられた磁気センサユニットの等価回路を示す図である。
図５に示すように、磁気センサユニット１１ａは、磁極ピッチＰの半分、すなわち０．５Ｐの間隔をあけて対向した第１の磁気抵抗素子２３ａと第２の磁気抵抗素子２３ｂとを備えている。そして、磁気センサユニット１１ａは、第１の磁気抵抗素子２３ａおよび第２の磁気抵抗素子２３ｂの長手方向が、ＩＮＣ相トラック４の円周方向と略直角に交差するように配置される。
【００１７】
また、第１の磁気抵抗素子２３ａと第２の磁気抵抗素子２３ｂとの一端側は電気的に結合されるとともに、第２の端子２４ｂと接続している。また、第１の磁気抵抗素子２３ａの他端側は第１の端子２４ａと接続し、第２の磁気抵抗素子２３ｂの他端側は第３の端子２４ｃと接続している。
そして、図６の等価回路に示すように、磁気センサユニット１１ａは、第１の端子２４ａと第３の端子２４ｃとの間に直流電源２５が接続され、第２の端子２４ｂと第３の端子２４ｃとの間に信号の検出器（図示せず）が接続される。
【００１８】
すなわち、磁気ドラム１が回転すると、第１と第２との磁気抵抗素子２３ａ，２３ｂに加わる磁束密度が変化することにより、第１と第２との磁気抵抗素子２３ａ，２３ｂの抵抗値が変化し、磁気ドラム１の回転位置に応じた電気信号が検出器に出力される。
また、図示しないが、Ｚ相トラック５に対しても、磁気センサユニット１１ａと同様な磁気センサユニットが、同様にして配設されている。
すなわち、磁気センサ１１は、ＩＮＣ相トラック４に対して配設された磁気センサユニットとＺ相トラック５に対して配設された磁気センサユニットとを備えている。
【００１９】
次に、本実施の形態の磁気エンコーダ１００が高精度である機構について説明する。
磁気ドラム１の円筒状ボンド磁石２の外周面に、複数のＮ極とＳ極との磁極４ａが交互に等しい磁極ピッチに形成されたＩＮＣ相トラックと１極のみの磁極５ａを有するＺ相トラックとを近接して配置すると、Ｚ相の磁極５ａの近傍のＩＮＣ相とＺ相の磁極５ａがない領域のＩＮＣ相とでは、Ｚ相の影響の違いにより、ＩＮＣ相検出用の磁気センサユニットの配置位置での磁束密度が異なる。すなわち、Ｚ相の磁極５ａが近接しているＩＮＣ相の磁極４ａでは、Ｚ相の磁極５ａがない部分と比較してＩＮＣ相の磁極４ａの磁束密度が強められる。
しかし、本実施の形態の磁気エンコーダ１００は、磁気ドラム１の円筒状ボンド磁石２の外周面における、ＩＮＣ相トラック４とＺ相トラック５との間に、溝６が設けられており、Ｚ相のＩＮＣ相への影響を軽減でき、Ｚ相の磁極５ａの有無にかかわらずＩＮＣ相の磁極４ａの磁束密度は、安定している。
【００２０】
実施例１．
本実施の形態の磁気エンコーダ１００の効果を、実施例により詳細に説明する。
実施例１に示す本実施の形態の磁気エンコーダでは、磁気ドラム１に用いられる円筒状ボンド磁石２は、ネオジム系磁性粉末を用い射出成形で形成した等方性ボンド磁石である。そして、円筒状ボンド磁石２の寸法は、外径Φｏが１００ｍｍ、内径Φｉが９６ｍｍ、厚みＨが６ｍｍである。
また、ＩＮＣ相トラック４は、Ｎ極とＳ極との磁極４ａが交互に等しい磁極ピッチに形成された５１２極を有しており、磁極４ａの長さは磁極ピッチである０．６ｍｍで、磁気ドラム１における円筒状ボンド磁石２の厚み方向である軸方向のトラックの幅は２．５ｍｍである。
また、１極が形成されているＺ相トラック５も、磁極５ａの長さは０．６ｍｍで、軸方向のトラックの幅は２．５ｍｍである。
【００２１】
また、ＩＮＣ相トラック４とＺ相トラック５との間の溝６は、コの字状であり、幅Ｗｄが１ｍｍで、深さＶｄが０．５ｍｍである。そして、溝６の領域は磁化されていないので、磁化が０で、非透磁率は１である。
また、磁気センサ１１を形成する各磁気センサユニット１１ａは、磁気ドラム１の円筒状ボンド磁石２の外周面から０．５ｍｍ離れた位置に配置してある。
実施例１の磁気エンコーダは、磁気ドラム１の円筒状ボンド磁石２における、ＩＮＣ相トラック４の磁極４ａの長さは磁極ピッチＰである０．６ｍｍで、Ｚ相トラックの磁極５ａの長さも０．６ｍｍであるので、各磁極トラック４，５ともに、０．５Ｐの深さである０．３ｍｍの深さまでの磁石内が磁化されている。そして、磁石内での深さが０．３ｍｍを超えると、磁化は徐々に弱くなっていく。
【００２２】
次に、実施例１の磁気エンコーダにおいて、磁気ドラム１の円筒状ボンド磁石２から発生される磁束密度の回転方向の成分を求める磁場解析を行った。
磁場解析は、磁石の磁力を残留磁束密度で０．５Ｔとし、磁気抵抗素子の磁気センサユニット１１ａが配置される位置に相当する、磁気ドラム１の円筒状ボンド磁石２の外周面から０．５ｍｍ離れた位置での磁気ドラム１から発生する磁束密度の回転方向の成分を求めた。
図７は、実施例１の磁気エンコーダにおける、ＩＮＣ相トラックの領域の磁束密度の変化を示す図である。
図８は、実施例１の磁気エンコーダにおける、溝の領域の磁束密度の変化を示す図である。
【００２３】
図７におけるＩＮＣ相トラック４の領域は、具体的には、ＩＮＣ相トラック４の幅方向の中央である。図８における溝６の領域は、具体的には、ＩＮＣ相トラック４におけるＺ相トラック５と対向する端部から、軸方向に０．３８ｍｍ離れた位置である。
図７と図８とにおいて、縦軸は磁束密度であり、横軸は磁気ドラム１の回転方向の位置で、ＩＮＣ相トラック４における１０極分の範囲である。そして、矢印Ｂで示した位置は、磁気ドラム１の軸方向で、Ｚ相の磁極５ａと並んだＩＮＣ相の磁極４ａがある位置である。
【００２４】
図８に示す、溝の領域の位置における磁束密度の変化曲線の振幅は、図７に示す、ＩＮＣ相トラック４の幅の中央の位置における磁束密度の変化曲線の振幅より小さくなっている。しかし、両変化曲線とも、矢印Ｂで示したＺ相の磁極５ａと並んだＩＮＣ相の磁極４ａ（ＩＮＣ相の並列磁極と記す）がある位置の振幅と、Ｚ相の磁極５ａが形成されていないトラックと並んだＩＮＣ相の磁極４ａ（ＩＮＣ相の非並列磁極と記す）がある位置の振幅とに、ほとんど差がなく、本実施の形態の磁気エンコーダでは、磁気ドラム１における円筒状ボンド磁石２のＩＮＣ相の磁極４ａに対するＺ相の磁極５ａの影響が小さいことを示している。
【００２５】
比較例１．
次に、比較例としての従来の磁気エンコーダについて説明する。
図９は、比較例１の従来の磁気エンコーダに用いられる磁気ドラムの上面の模式図（ａ）と側面の模式図（ｂ）とである。
図１０は、比較例１の従来の磁気エンコーダに用いられる磁気ドラムにおける円筒状ボンド磁石の着磁状態を示す模式図である。
【００２６】
図９（ａ）に示すように、従来の磁気エンコーダに用いられる磁気ドラム３１も、回転ドラム３３と回転ドラム３３の外周部に接着で固定された、円筒状ブロック磁石である円筒状ボンド磁石３２で形成されている。
また、図９（ｂ）に示すように、円筒状ボンド磁石３２の外周面には、円周方向に複数のＮ極とＳ極との磁極４ａを交互に等ピッチに形成した、回転角度を高精度に検出させるＩＮＣ相トラック４と、磁気ドラム１の一周の基準点信号を発生させる１極のみの磁極５ａを有し、且つＩＮＣ相トラック４と所定の間隔（中間相と記す）３６をあけて平行に形成されたＺ相トラック５とが備えられている。
図１０に示すように、太線矢印で示されたＩＮＣ相トラック４の磁極４ａの磁化方向２０ａと、太線矢印で示されたＺ相トラック５の磁極５ａの磁化方向２０ｂとは、Ｓ極からＮ極方向である。
【００２７】
比較例１の磁気エンコーダにおける、着磁状態の磁気ドラム３１の円筒状ボンド磁石３２から発生される、磁気センサ位置での回転方向の磁束密度の成分を、磁場解析により求めた。
磁場解析に用いた磁気ドラム３１の円筒状ボンド磁石３２は、ネオジム系磁性粉末を用い射出成形で形成した等方性ボンド磁石である。そして、円筒状ボンド磁石３２の寸法は、外径Φｏが１００ｍｍ、内径Φｉが９６ｍｍ、厚みＨが６ｍｍである。
また、ＩＮＣ相トラック４は、Ｎ極とＳ極との磁極４ａが交互に等ピッチに形成された５１２極を有しており、磁極４ａの長さは磁極ピッチである０．６ｍｍで、軸方向のトラックの幅は２．５ｍｍである。
【００２８】
また、１極が形成されているＺ相トラック５も、磁極の長さは０．６ｍｍで、軸方向のトラックの幅は２．５ｍｍである。
また、中間相３６の幅Ｗｍは、実施例１の溝の幅と同様の１ｍｍである。そして、中間相３６では、ＩＮＣ相トラック４およびＺ相トラック５の磁極のあるトラックの端からの距離が０〜０．５ｍｍ間で、磁化がトラックの磁極の値から０となるように減衰している。
すなわち、磁場解析に用いられる比較例１の磁気ドラム３１は、ＩＮＣ相トラック４とＺ相トラック５との間が溝でなく、幅Ｗｍが１ｍｍの中間相３６である以外、実施例１の磁気ドラム１と同様である。
【００２９】
図１１は、比較例１の磁気エンコーダにおける、ＩＮＣ相トラックの領域の磁束密度の変化を示す図である。
図１２は、比較例１の磁気エンコーダにおける、中間相の領域の磁束密度の変化を示す図である。
図１１におけるＩＮＣ相トラックの領域は、具体的には、ＩＮＣ相トラック４の幅方向の中央である。図１２における中間相３６の領域は、具体的には、ＩＮＣ相トラック４におけるＺ相トラック５と対向する端部から、軸方向に０．３８ｍｍ離れた位置である。
図１１と図１２とにおいて、縦軸は磁束密度であり、横軸は磁気ドラム３１の回転方向の位置で、ＩＮＣ相トラック４における１０極分の範囲である。そして、矢印Ｂで示した位置は、磁気ドラム３１の軸方向で、Ｚ相の磁極５ａと並んだＩＮＣ相の磁極４ａがある位置である。
【００３０】
図１１に示す、ＩＮＣ相トラック４の幅の中央の位置における磁束密度の変化曲線は、矢印Ｂで示したＩＮＣ相の並列磁極がある位置の振幅とＩＮＣ相の非並列磁極がある位置の振幅とに、ほとんど差がない。
しかし、図１２に示す、中間相領域の位置における磁束密度の変化曲線は、矢印Ｂで示したＩＮＣ相の並列磁極がある位置の振幅が、ＩＮＣ相の非並列磁極がある位置の振幅より大きくなっており、比較例１の従来の磁気エンコーダでは、磁気ドラム３１における円筒状ボンド磁石３２のＩＮＣ相の磁極４ａに対して、Ｚ相の磁極５ａが影響することを示している。
【００３１】
磁気センサに用いられる、磁気抵抗素子は、その長手方向である軸方向の磁束分布の積算量に応じた影響を受けるので、磁気ドラムの円筒状ボンド磁石が発生する磁束密度の振幅ピーク値の軸方向の分布を求めた。
図１３は、実施例１の磁気エンコーダにおける、磁気ドラムの円筒状ボンド磁石が発生する磁束密度の振幅ピーク値の軸方向の分布を示す図である。
図１４は、比較例１の磁気エンコーダにおける、磁気ドラムの円筒状ボンド磁石が発生する磁束密度の振幅ピーク値の軸方向の分布を示す図である。
【００３２】
図１３と図１４とにおいて、縦軸は磁束密度であり、横軸は磁気ドラムの厚み方向、すなわち軸方向の位置であり、Ｚ相トラック５のＩＮＣ相トラック４から遠い方の端部の位置を０としている。また、図１３と図１４とにおいて、実線は、Ｚ相に磁極５ａがある位置での磁束密度の振幅ピーク値の軸方向の分布を示す曲線であり、点線は、Ｚ相に磁極５ａがない位置での磁束密度の振幅ピーク値の軸方向の分布を示す曲線である
また、図１３と図１４とにおける、Ｃ領域はＺ相トラック５がある領域であり、Ｄ領域はＩＮＣ相トラック４がある領域であり、Ｅ領域は溝６がある領域であり、Ｆ領域は中間相３６がある領域である。
【００３３】
図１３の、実線と点線との磁束密度の分布曲線を比較すると、ＩＮＣ相のあるＤ領域での磁束密度の分布曲線は、Ｚ相に磁極５ａがある位置とＺ相に磁極５ａがない位置とで、違いがほとんど認められない。
しかし、図１４の、実線と点線との磁束密度の分布曲線を比較すると、ＩＮＣ相のあるＤ領域から中間相のあるＦ領域にいたる磁束密度の分布曲線が、Ｚ相に磁極５ａがある位置とＺ相に磁極５ａがない位置とで、異なっている。
そして、Ｚ相に磁極５ａがない位置のＩＮＣ相による磁束量の軸方向の積算値に対するＺ相に磁極５ａがある位置のＩＮＣ相による磁束量の軸方向の積算値の比率（積算磁束量変動比と記す）は、図１４から求めた比較例１の磁気エンコーダが１．０２５であるのに対して、図１３から求めた実施例１の磁気エンコーダでは１．００５であった。すなわち積算磁束量が変動する割合は、実施例１の磁気エンコーダが０．５％と、比較例１の磁気エンコーダの２．５％の１／５で、非常に小さかった。
【００３４】
本実施の形態の磁気エンコーダは、積算磁束量変動比が非常に小さい。すなわち、ＩＮＣ相の磁束量の軸方向の積算値に対するＺ相の磁極の影響が小さいので、ＩＮＣ相の磁束量の軸方向の積算値が安定しており、磁気センサユニットの出力変動が小さく、高精度の位置検出が可能である。
また、本実施の形態の磁気エンコーダは、磁気ドラムに磁極磁気を大きくできる円筒状のブロック磁石である円筒状ボンド磁石が用いられており、ノイズの大きな環境や電源ラインや磁石等の外部磁場の影響を受けやすい環境での使用でも、磁気センサ出力のノイズ比率を低減でき、高信頼化が可能である。
また、本実施の形態の磁気エンコーダは、１つの磁気ドラムに複数の磁気トラックを形成したものであり、小型化が可能である。
【００３５】
本実施の形態の磁気エンコーダでは、円筒状ボンド磁石は回転ドラムに接着固定されているが、回転ドラムと一体成形したものであっても良く、同様な効果が得られる。
また、円筒状ボンド磁石に設けられる溝の形状は、コの字状の他に、Ｖ字状やＵ字状であっても良く、特に溝の形状に規定されるものではない。
また、円筒状ボンド磁石への溝の形成は、円筒状ボンド磁石の外周加工時に削り出し加工で行うが、着磁後の加工で形成しても良く、同様な効果が得られる。
【００３６】
また、円筒状ボンド磁石の溝を非磁性の固体で埋めても同様な効果が得られる。
このようにすると、円筒状ボンド磁石の強度を向上でき、例えば、炭素繊維からなる非磁性の固体を用いると、高速回転モータの磁気エンコーダにも用いることができるようになる。それと、溝を非磁性の固体で埋めた円筒状ボンド磁石は、非磁性の固体をセットした金型を用い、射出成形で一体に形成できるので、溝形成の後加工が不要となり、円筒状ボンド磁石の製造が簡単となる。
【００３７】
本実施の形態では、円筒状ブロック磁石は、ネオジム系磁性粉末を用いた円筒状ボンド磁石であるが、フェライト系磁性粉末を用いた円筒状ボンド磁石であっても良い。また、ラジアル配向などの異方性磁石、希土類、フェライト等の焼結磁石等を用いても良く、同様の効果を得ることができる。
本実施の形態では、磁気センサを構成する磁気センサユニットに２個の磁気抵抗素子を使用する例を示したが、磁気抵抗素子の数を増し、歪処理等を持たせた構成でも良く、同様の効果を得ることができる。また、ホール素子等の他の磁気素子を用いても良い。
【００３８】
本実施の形態の磁気エンコーダでは、磁気ドラムのＩＮＣ相およびＺ相は、磁気ドラムにおける円筒状ボンド磁石の外周の外側に設置された、着磁器による着磁で形成される。具体的には、磁気ドラムを回転ステージ等で回転させながら、着磁器の発生する磁場で１極ずつを着磁する。
そのため、磁気ドラムに対する着磁器の位置決め誤差により、例えば、磁気ドラムの円筒状ボンド磁石におけるＩＮＣ相トラックとＺ相トラックとの間隔が、規定より狭くなると、従来の磁気エンコーダでは、Ｚ相の磁極によりＩＮＣ相の磁束密度の振幅が、さらに大きくなる。
しかし、ＩＮＣ相トラックとＺ相トラックとの間に溝を設けた本実施の形態の磁気エンコーダでは、Ｚ相の影響は一定となり、ＩＮＣ相の磁束密度の振幅精度が安定している。すなわち、磁気ドラムの着磁器の位置決めに、ばらつきがある場合であっても、高い位置検出精度を有する磁気エンコーダを得ることができ、高い位置決め精度を有する着磁器や回転ステージを備えた着磁装置を用いなくても良い。
【００３９】
また、ボンド磁石は、磁性粉末の製造に起因した磁気特性のばらつきや、ボンド磁石内の磁性粉末密度のばらつき等により、磁気特性にばらつきを生じることがある。特に、固有保磁力が変動すると磁石の着磁のしやすさが変化する。その結果、従来の磁気エンコーダでは、Ｚ相トラックとＩＮＣ相トラックの相間の着磁状態が変動し、その影響でＩＮＣ相の磁束密度が変化することがある。しかし、ＩＮＣ相トラックとＺ相トラックとの間に溝を設けた本実施の形態の磁気エンコーダでは、溝により、これらの変動要因を取り除くことができ、安定した磁束密度の分布を得ることができる。
【００４０】
実施の形態２．
本実施の形態では、磁気エンコーダにおける、積算磁束量変動比と溝の深さＶｄとの関係を調べた。
本実施の形態で用いた磁気エンコーダは、溝の深さＶｄ以外は、実施例１の磁気エンコーダと同じであり、溝の深さＶｄが、０．１ｍｍ、０．２ｍｍ、または０．３ｍｍのものである。
これらの３種類の磁気エンコーダについて、磁気ドラムの円筒状ボンド磁石が発生する磁束密度の振幅ピーク値の軸方向の分布を求めた。
【００４１】
図１５は、溝の深さＶｄが０．２ｍｍの磁気エンコーダにおける、磁気ドラムの円筒状ボンド磁石が発生する磁束密度の振幅ピーク値の軸方向の分布を示す図である。
図１６は、溝の深さＶｄが０．１ｍｍの磁気エンコーダにおける、磁気ドラムの円筒状ボンド磁石が発生する磁束密度の振幅ピーク値の軸方向の分布を示す図である。
溝の深さＶｄが０．３ｍｍの磁気エンコーダにおける、円筒状ボンド磁石が発生する磁束密度の振幅ピーク値の軸方向の分布は、図１３に示した溝の深さＶｄが０．５ｍｍの実施例１の磁気エンコーダの分布図と同様であった。
【００４２】
図１３と図１５と図１６との、Ｚ相に磁極５ａがある位置での磁束密度の振幅ピーク値の軸方向の分布を示す実線の曲線と、Ｚ相に磁極５ａがない位置での磁束密度の振幅ピーク値の軸方向の分布を示す点線の曲線とを比較すると、溝の深さＶｄが深くなるほど、ＩＮＣ相のあるＤ領域での磁束密度の分布曲線は、Ｚ相に磁極５ａがある位置とＺ相に磁極５ａがない位置とでの違いが小さくなり、溝の深さＶｄが０．３ｍｍの磁気エンコーダでは、実施例１のものと同様に、違いがほとんど認められない。
【００４３】
次に、図１３と図１４と図１５と図１６とから、円筒状ボンド磁石の溝の深さＶｄが異なる磁気エンコーダの積算磁束量変動比を求めた。
図１７は、磁気エンコーダの磁気ドラムにおける円筒状ボンド磁石の溝の深さＶｄと積算磁束量変動比との関係を示す図である。
図１７には、溝の深さＶｄが０、すなわち円筒状ボンド磁石に溝を設けていない磁気ドラムの磁気エンコーダについての積算磁束量変動比も記した。
【００４４】
図１７から明らかなように、磁気ドラムのＩＮＣ相トラックとＺ相トラックとの間に溝を設けると積算磁束量変動比が低下する。また、本実施の形態で検討した磁気エンコーダでは、溝の深さが０．３ｍｍ以上で、積算磁束量変動比は非常に小さくなるとともに、その値はほぼ一定となる。
本実施の形態で検討した磁気エンコーダは、実施例１の磁気エンコーダ同様で、磁極ピッチＰが０．６ｍｍであるので、溝の深さが０．３ｍｍ以上、すなわち磁極ピッチＰの０．５倍以上であると、積算磁束量変動比が非常に小さくなり、位置検出精度が向上する。
【００４５】
磁気エンコーダは、円筒状ボンド磁石を備えた磁気ドラムの寸法や磁極数などの構成が、実施例１のものに限定されず、各種のものがある。しかし、これらの磁気エンコーダにおいても、溝の深さが磁極ピッチＰの０．５倍以上であると、積算磁束量変動比が非常に小さくなり、位置検出精度が特に向上する。
また、溝の深さの上限は、円筒状ボンド磁石の溝の加工性から決まり、円筒状ボンド磁石の外周面に溝加工が可能な最大深さが上限となる。
すなわち、本実施の形態の磁気エンコーダでは、円筒状ボンド磁石の溝の深さが、磁極ピッチＰの０．５倍以上で、円筒状ボンド磁石の外周面に溝加工が可能な最大深さ以下が好ましい。
また、本実施の形態でも、円筒状ボンド磁石の溝を非磁性の固体で埋めても良く、実施の形態１の磁気エンコーダと同様な効果が得られる。
【００４６】
実施の形態３．
本実施の形態では、磁気エンコーダにおける、積算磁束量変動比と溝の幅Ｗｄとの関係を調べた。
本実施の形態で用いた磁気エンコーダは、溝の幅Ｗｄ以外、実施例１の磁気エンコーダと同じであり、溝の幅Ｗｄが、０．５ｍｍ、０．７５ｍｍ、または１．５ｍｍのものである。
これらの３種類の磁気エンコーダについて、磁気ドラムの円筒状ボンド磁石が発生する磁束密度の振幅ピーク値の軸方向の分布を求めた。
同時に、中間相の幅Ｗｍが、０．５ｍｍ、０．７５ｍｍ、または１．５ｍｍである以外、比較例１の磁気エンコーダと同じものについても、磁気ドラムの円筒状ボンド磁石が発生する磁束密度の振幅ピーク値の軸方向の分布を求めた。
【００４７】
図１８は、溝の幅Ｗｄが０．５ｍｍの磁気エンコーダにおける、磁気ドラムの円筒状ボンド磁石が発生する磁束密度の振幅ピーク値の軸方向の分布を示す図である。
図１９は、溝の幅Ｗｄが０．７５ｍｍの磁気エンコーダにおける、磁気ドラムの円筒状ボンド磁石が発生する磁束密度の振幅ピーク値の軸方向の分布を示す図である。
図２０は、溝の幅Ｗｄが１．５ｍｍの磁気エンコーダにおける、磁気ドラムの円筒状ボンド磁石が発生する磁束密度の振幅ピーク値の軸方向の分布を示す図である。
図２１は、中間相の幅Ｗｍが０．５ｍｍの磁気エンコーダにおける、磁気ドラムの円筒状ボンド磁石が発生する磁束密度の振幅ピーク値の軸方向の分布を示す図である。
図２２は、中間相の幅Ｗｍが０．７５ｍｍの磁気エンコーダにおける、磁気ドラムの円筒状ボンド磁石が発生する磁束密度の振幅ピーク値の軸方向の分布を示す図である。
図２３は、中間相の幅Ｗｍが１．５ｍｍの磁気エンコーダにおける、磁気ドラムの円筒状ボンド磁石が発生する磁束密度の振幅ピーク値の軸方向の分布を示す図である。
【００４８】
次に、図１８と図１９と図２０とから、磁気ドラムにおける円筒状ボンド磁石の溝の幅Ｗが異なる磁気エンコーダの積算磁束量変動比を求めた。
溝の幅Ｗｄが、０．５ｍｍ、０．７５ｍｍ、１．５ｍｍの各磁気エンコーダの積算磁束量変動比は、１．０２１、１．０１３、１．００２であり、積算磁束量が変動する割合は２．１％、１．３％、０．２％であった。
また、図２１と図２２と図２３とから、磁気ドラムにおける円筒状ボンド磁石の中間相の幅Ｗｍが異なる磁気エンコーダの積算磁束量変動比を求めた。
中間相の幅Ｗｍが、０．５ｍｍ、０．７５ｍｍ、１．５ｍｍの各磁気エンコーダの積算磁束量変動比は、１．０３３、１．０２９、１．００８であり、積算磁束量が変動する割合は３．３％、２．９％、０．８％であった。
【００４９】
溝が上記幅Ｗｄである各磁気エンコーダの積算磁束量変動比の値および実施例１の溝の幅Ｗｄが１ｍｍである磁気エンコーダの積算磁束量変動比の値と、溝の幅Ｗｄとの関係を求めた。また、中間相が上記幅Ｗｍである各磁気エンコーダの積算磁束量変動比の値および比較例１の中間相の幅Ｗｍが１ｍｍである磁気エンコーダの積算磁束量変動比の値と、中間相の幅Ｗｍとの関係を求めた。
図２４は、磁気エンコーダの磁気ドラムにおける円筒状ボンド磁石の溝の幅Ｗｄと積算磁束量変動比との関係、および、磁気エンコーダの磁気ドラムにおける円筒状ボンド磁石の中間相の幅Ｗｍと積算磁束量変動比との関係を示す図である。
図２４において、黒丸は溝を有する円筒状ボンド磁石を用いた磁気エンコーダの積算磁束量変動比であり、白丸は中間相を有する円筒状ボンド磁石を用いた磁気エンコーダの積算磁束量変動比である。
【００５０】
図２４から明らかなように、ＩＮＣ相トラックとＺ相トラックとの間の幅によらず、ＩＮＣ相トラックとＺ相トラックとの間に溝がある方が、積算磁束量変動比が小さくなり、磁気エンコーダの位置検出精度が向上する。
また、溝の幅Ｗｄが広くなるほど、積算磁束量変動比が小さくなる。しかし、溝の幅Ｗｄが１ｍｍ以上になると、積算磁束量変動比が小さくなる割合が低下する。それと、溝の幅Ｗｄが大きくなると、円筒状ボンド磁石の軸方向が長くなり、すなわち厚みが厚くなり、磁気エンコーダが大きくなるとともに、円筒状ボンド磁石のコストが増大する。
【００５１】
そこで、本実施の形態で検討した磁気エンコーダでは、溝の幅Ｗｄは０．５ｍｍ〜１．２ｍｍが好ましい。本実施の形態で検討した磁気エンコーダは、実施例１の磁気エンコーダと同様で、磁極ピッチＰが０．６ｍｍであるので、溝の幅Ｗｄが磁極ピッチＰの０．８倍から２倍であると、積算磁束量変動比を小さくするのに、特に好ましい。
磁気エンコーダは、円筒状ボンド磁石を備えた磁気ドラムの寸法や磁極数などの構成が、実施例１のものに限定されず、各種のものがある。しかし、これらの磁気エンコーダにおいても、溝の幅Ｗｄが磁極ピッチＰの０．８倍から２倍であると、積算磁束量変動比を小さくでき、位置検出精度を向上させるのに、特に好ましい。
また、本実施の形態でも、円筒状ボンド磁石の溝を非磁性の固体で埋めても良く、実施の形態１の磁気エンコーダと同様な効果が得られる。
【００５２】
実施の形態４．
図２５は、本発明の実施の形態４に係わる磁気エンコーダに用いられる磁気ドラムの上面の模式図（ａ）と側面の模式図（ｂ）とである。
図２５（ａ）に示すように、本実施の形態の磁気エンコーダに用いられる磁気ドラム４１も、回転ドラム４３と回転ドラム４３の外周部に接着で固定された円筒状ブロック磁石である円筒状ボンド磁石４２で形成されている。
また、図２５（ｂ）に示すように、磁気ドラム４１の円筒状ボンド磁石４２の外周面には、平行に並んで形成された、複数のＩＮＣ相トラックからなるＩＮＣ相トラック群４４とＺ相トラック４５とを備えている。そして、ＩＮＣ相トラック群４４を形成する各ＩＮＣ相トラック間で、磁極ピッチが異なる
【００５３】
本実施の形態の磁気ドラム４１の円筒状ボンド磁石４２における、ＩＮＣ相トラック群４４は、磁極ドラム４１の軸方向において、磁極ピッチが最も小さい第１のＩＮＣ相トラック４４ａと、磁極ピッチが中間の第２のＩＮＣ相トラック４４ｂと、磁極ピッチが最も大きい第３のＩＮＣ相トラック４４ｃとの順に並んで形成されている。Ｚ相のトラック４５は、第３のＩＮＣ相トラック４４ｃに隣接して並んで形成されている。
そして、磁極ピッチが異なる第１、第２、第３のＩＮＣ相トラック４４ａ，４４ｂ，４４ｃの間と、第３のＩＮＣ相トラック４４ｃとＺ相トラック４５との間には、各々溝４６が形成されている。
【００５４】
本実施の形態のように、磁気ドラムの円筒状ボンド磁石の外表面に複数のＩＮＣ相トラックを形成した磁気エンコーダは、同時に異なるパルス数の信号を磁気センサに発生させ、同一の磁気エンコーダで、モータの高低両用の回転速度や位置検出を可能にする。
しかし、磁気ドラムの円筒状ボンド磁石の外周面に、近接させて複数のＩＮＣ相トラックを設けると、各トラックのＩＮＣ相の磁極４ａが、隣接した他のトラックのＩＮＣ相の磁極４ａに影響を与え、各ＩＮＣ相の磁極４ａの磁束分布の積算量に誤差を生じ、磁気エンコーダの位置検出精度が低下する。
【００５５】
本実施の形態の磁気エンコーダは、ＩＮＣ相トラック群の各ＩＮＣ相トラックの間と、ＩＮＣ相トラックとＺ相トラックとの間に、溝が形成されているので、各トラックの相間の影響を低減でき、位置検出精度の低下が防止できる。
また、本実施の形態の磁気エンコーダは、磁気ドラムに磁極磁気を大きくできる円筒状のブロック磁石が用いられており、ノイズの大きな環境や電源ラインや磁石等の外部磁場の影響を受けやすい環境での使用でも、磁気センサ出力のノイズ比率を低減でき、高信頼化を実現できる。
また、本実施の形態の磁気エンコーダは、１つの磁気ドラムに複数の磁気トラックを形成したものであり、小型化が可能である。
【００５６】
本実施の形態の磁気エンコーダは、円筒状ブロック磁石である円筒状ボンド磁石の外周面に、３本のＩＮＣ相トラックとＺ相トラックとを備えた磁気ドラムを用いたものであるが、ＩＮＣ相のトラック数は３本に限定されず、磁気エンコーダの仕様に応じて適宜決められる。また、Ｚ相のトラックは設けなくても良く、同様な効果が得られる。
また、本実施の形態でも、円筒状ボンド磁石の溝を非磁性の固体で埋めても良く、実施の形態１の磁気エンコーダと同様な効果が得られる。
【産業上の利用可能性】
【００５７】
本発明に係わる磁気エンコーダは、磁気ドラムに設けられる円筒状ボンド磁石の外周面に形成された複数の磁気トラック間に溝を有するものであり、小型化および高い信頼性と位置検出精度とが要求されるサーボモータに利用できる。
【符号の説明】
【００５８】
１  磁気ドラム、２  円筒状ボンド磁石、３  回転ドラム、４  ＩＮＣ相トラック、
４ａ  磁極、５  Ｚ相トラック、５ａ  磁極、６  溝、１１  磁気センサ、
１１ａ  磁気センサユニット、１２  回転軸、
２０ａ  ＩＮＣ相トラックの磁極の磁化方向、２０ｂ  Ｚ相トラックの磁極の磁化方向、
２１  円弧状に分布をしている磁化、２２  磁化により発生する磁束の流れ、
２３ａ  第１の磁気抵抗素子、２３ｂ  第２の磁気抵抗素子、２４ａ  第１の端子、
２４ｂ  第２の端子、２４ｃ  第３の端子、２５  直流電源、３１  磁気ドラム、
３２  円筒状ボンド磁石、３３  回転ドラム、３６  中間相、４１  磁気ドラム、
４２  円筒状ボンド磁石、４３  回転ドラム、４４  ＩＮＣ相トラック群、
４４ａ  第１のＩＮＣ相トラック、４４ｂ  第２のＩＮＣ相トラック、
４４ｃ  第３のＩＮＣ相トラック、４５  Ｚ相トラック、４６  溝、
１００  磁気エンコーダ。
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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