(57)【要約】【課題】製造効率の高いスケールを用いた位置検出を実現すること。【解決手段】磁性材料を含み、位置検出方向に規則的に凹凸を繰り返す波形表面を備えた板状の位置検出スケール部材と、位置検出スケール部材の波形表面に向けて磁界を発生させる磁界発生手段と、磁界発生手段と位置検出スケール部材との間に配置され、前記磁界の磁束密度の変化を検出する磁気検出手段と、を含む磁気センサユニットと、を備え、被検出対象の表面に位置検出スケール部材を波形表面が外側になるように固定して、被検出対象に固定された位置検出スケール部材の波形表面に対向する位置に、磁気センサユニットを配置しつつ、被検出対象と磁気センサユニットとを相対的に移動させることにより、磁気センサユニットは、被検出対象における、磁気センサユニットが対向している位置および位置の変化の少なくともいずれか一方を検出する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁性材料を含み、位置検出方向に規則的に凹凸を繰り返す波形表面を備えた板状の位置検出スケール部材と、
前記位置検出スケール部材の波形表面に向けて磁界を発生させる磁界発生手段と、前記磁界発生手段と前記位置検出スケール部材との間に配置され、前記磁界の磁束密度の変化を検出する磁気検出手段と、を含む磁気センサユニットと、
を備え、
被検出対象の表面に前記位置検出スケール部材を前記波形表面が外側になるように固定して、前記被検出対象に固定された前記位置検出スケール部材の前記波形表面に対向する位置に、前記磁気センサユニットを配置しつつ、前記被検出対象と前記磁気センサユニットとを相対的に移動させることにより、
前記磁気センサユニットは、前記被検出対象における、前記磁気センサユニットが対向している位置および位置の変化の少なくともいずれか一方を検出することを特徴とする位置検出装置。
【請求項２】
前記位置検出スケール部材は、厚さが一定の波板であることを特徴とする請求項１に記載の位置検出装置。
【請求項３】
前記位置検出スケール部材としての波板は、波底部頂点部分において被検出対象の表面に固定されることを特徴とする請求項２に記載の位置検出装置。
【請求項４】
前記位置検出スケール部材は、対向する２つの歯車の間隙に磁性材料を含む薄板を挿入し、前記２つの歯車で押圧することによって形成されたことを特徴とする請求項２または３に記載の位置検出装置。
【請求項５】
前記位置検出スケール部材は、表面に磁性材料の膜を有する薄板の表面に対して、歯車を押し当てることにより、前記波形表面が形成されたことを特徴とする請求項１に記載の位置検出装置。
【請求項６】
前記位置検出スケール部材を、複数枚、層状に重ねて前記被検出対象の表面に固定することを特徴とする請求項１に記載の位置検出装置。
【請求項７】
対向する２つの歯車の間隙に磁性材料を含む薄板を挿入し、前記２つの歯車で押圧することによって請求項１に記載の位置検出スケール部材を形成することを特徴とする、位置検出装置の製造方法。
【請求項８】
請求項１に記載の位置検出スケール部材を、前記波形表面が外側になるように、中実円柱状または円筒状状の前記被検出対象の表面に配置した状態で、所定の歯ピッチのマスタ歯車を前記波形表面に噛合させて前記被検出対象に押圧しつつ、前記位置検出スケール部材を前記被検出対象に固定することを特徴とする、位置検出装置の製造方法。
【請求項９】
請求項１に記載の前記位置検出スケール部材を、前記波形表面が外側になるように、板状の前記被検出対象の表面に配置した状態で、所定の歯ピッチのマスタラックを前記波形表面に噛合させて前記被検出対象に押圧しつつ、前記位置検出スケール部材を前記被検出対象に固定することを特徴とする、位置検出装置の製造方法。
【請求項１０】
請求項１に記載の位置検出装置に用いられるスケール部材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気を利用した位置検出装置およびその製造方法ならびにスケール部材に関する。
【背景技術】
【０００２】
上記技術分野において、特許文献１〜３には、バイアスマグネットからの磁束密度変化に基づいて歯車の回転を検出する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平３−１９５９７０号公報
【特許文献２】特開平６−１７４４９０号公報
【特許文献３】特開２００７−１０５０４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記文献に記載の技術では、非常に大きな検出対象について、精度良く位置検出するためには、大型の歯車に対して細かい歯を大量に形成しなければならず、製造効率が悪かった。つまり、スケール製作費が高価で製作時間も長くなっていた。
【０００５】
本発明の目的は、上述の課題を解決する技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するため、本発明に係る位置検出装置は、
磁性材料を含み、位置検出方向に規則的に凹凸を繰り返す波形表面を備えた板状の位置検出スケール部材と、
前記位置検出スケール部材の波形表面に向けて磁界を発生させる磁界発生手段と、前記磁界発生手段と前記位置検出スケール部材との間に配置され、前記磁界の磁束密度の変化を検出する磁気検出手段と、を含む磁気センサユニットと、
を備え、
被検出対象の表面に前記位置検出スケール部材を前記波形表面が外側になるように固定して、前記被検出対象に固定された前記位置検出スケール部材の前記波形表面に対向する位置に、前記磁気センサユニットを配置しつつ、前記被検出対象と前記磁気センサユニットとを相対的に移動させることにより、
前記磁気センサユニットは、前記被検出対象における、前記磁気センサユニットが対向している位置および位置の変化の少なくともいずれか一方を検出することを特徴とする。
【０００７】
上記目的を達成するため、本発明に係る位置検出装置の製造方法は、
対向する２つの歯車の間隙に磁性材料を含む薄板を挿入し、２つの歯車で押圧することによって上記位置検出スケール部材を形成することを特徴とする。
【０００８】
上記目的を達成するため、本発明に係る位置検出装置の他の製造方法は、
上記位置検出スケール部材を、前記波形表面が外側になるように、中実円柱状または円筒状の前記被検出対象の表面に配置した状態で、所定の歯ピッチのマスタ歯車を前記波形表面に噛合させて前記被検出対象に押圧しつつ、前記位置検出スケール部材を前記被検出対象に固定することを特徴とする。
【０００９】
上記目的を達成するため、本発明に係る位置検出装置のさらに他の製造方法は、
上記位置検出スケール部材を、前記波形表面が外側になるように、板状の前記被検出対象の表面に配置した状態で、所定の歯ピッチのマスタラックを前記波形表面に噛合させて前記被検出対象に押圧しつつ、前記位置検出スケール部材を前記被検出対象に固定することを特徴とする。
【００１０】
上記目的を達成するため、本発明に係るスケール部材は、上記位置検出装置に用いられる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、製造効率の高いスケールを用いた位置検出を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の第１実施形態に係る位置検出装置の構成を示す図である。
【図２】本発明の第１実施形態に係る位置検出装置の機能を示す図である。
【図３】本発明の第１実施形態に係るスケール部材の製造方法を説明する図である。
【図４】本発明の第１実施形態に係るスケール部材の固定方法を示す図である。
【図５】本発明の第１実施形態に係るスケール部材の固定方法を示す図である。
【図６】本発明の第１実施形態に係るスケール部材の固定方法を示す図である。
【図７】本発明の第１実施形態に係るスケール部材の製造方法を示すフローチャートである。
【図８】本発明の第１実施形態に係る位置検出装置の効果を示す図である。
【図９】本発明の第１実施形態に係る位置検出装置の効果を示す図である。
【図１０】本発明の第２実施形態に係るスケール部材の製造方法を説明する図である。
【図１１】本発明の第３実施形態に係るスケール部材の構成を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下に、図面を参照して、本発明の実施の形態について例示的に詳しく説明する。ただし、以下の実施の形態に記載されている構成要素はあくまで例示であり、本発明の技術範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。
【００１４】
［第１実施形態］
本発明の第１実施形態としての位置検出装置１００について、図１を用いて説明する位置検出理装置１００は、位置検出対象における位置および位置の変化（速度）の少なくともいずれか一方を検出する装置である。
【００１５】
図１に示すように、位置検出装置１００は、位置検出スケール部材１０１と、磁気センサユニット１０２とを含む。
【００１６】
位置検出スケール部材１０１は、板状の長尺部材であり、磁性材料を含み、位置検出方向に規則的に凹凸を繰り返す波形表面を備えている。
【００１７】
磁気センサユニット１０２は、位置検出スケール部材１０１の波形表面に向けて磁界を発生させる磁界発生部１２１と、磁界発生部１２１と位置検出スケール部材１０１との間に配置され、磁界の磁束密度の変化を検出する磁気検出部１２２と、を含む。
【００１８】
そして、中実円柱状、円筒状、または平板状の被検出対象１５０の表面に、位置検出スケール部材１０１を波形表面が外側になるように固定して、被検出対象１５０に固定された位置検出スケール部材１０１の波形表面に対向する位置に、磁気センサユニット１０２を配置しつつ、被検出対象１５０と磁気センサユニット１０２とを相対的に移動させる。
【００１９】
磁気センサユニット１０２は、被検出対象１５０における、磁気センサユニット１０２が対向している位置および位置の変化の少なくともいずれか一方を検出する。
【００２０】
このような構成により、被検出対象１５０の稼動距離、回転角度、あるいはそれらの単位時間当たりの変位を検出する。特に磁気センサユニット１０２に設けられた磁石で発する磁界が、近傍にある磁性体を含む位置検出スケール部材１０１との距離により変化することを検出する。位置検出スケール部材１０１を所定の周期で凹凸を繰り返す波形形状に成形する。位置検出スケール部材１０１が、移動すると、凸部分１１１では、磁気センサユニット１０２に近接し、凹部分１１２では、磁気センサユニット１０２から離間する。
【００２１】
図２は、位置検出スケール部材１０１の波形表面を用いて位置検出を行なう仕組みを説明するための図である。図２（ａ）に示すとおり、磁界発生部１２１としてのバイアスマグネットから放射された磁力線２０１は、磁性材料を含む位置検出スケール部材１０１の表面が近接した場合には、位置検出スケール部材１０１の近接表面、つまり、磁界発生部１２１の中央部分に集中する。そのため、磁気検出部１２２が検出する磁束密度が比較的高くなる。一方、図２（ｂ）に示すとおり、磁界発生部１２１としてのバイアスマグネットから放射された磁力線２０１は、磁性材料を含む位置検出スケール部材１０１の表面が離間した場合には、位置検出スケール部材１０１の近接表面に集中しないため、磁気検出部１２２が検出する磁束密度が比較的低くなる。
【００２２】
したがって、磁気検出部１２２が検出する磁束密度のＨｉ、Ｌｏｗの繰り返しをカウントすることにより、正確かつ振動などの外乱に対してロバストに歯車の数をカウントすることができる。結果的に被検出対象の位置、および速度を求めることが可能となる。
【００２３】
図３は、位置検出スケール部材の製造方法を示す図である。対向する２つの歯車３０２、３０３の間隙３０４に磁性材料を含む長尺薄板３０１を挿入し、２つの歯車３０２、３０３で押圧することで位置検出スケール部材１０１が形成される。すなわち、位置検出スケール部材１０１は、厚さが一定の波板である。所定の歯ピッチの歯車３０２、３０３で波板を成形することで、簡単かつ安価に波型板を成形することができる。
【００２４】
従来の歯車を使ったスケールについては、歯切り板で製造し、スリットを使ったスケールについては、フォトエッチングで製造していたが、図３の方法によれば、簡単に長尺の波板をつくることができる。
【００２５】
なお、このように、２つの歯車を押し当てる方法によれば、その歯車３０２、３０３の間隙を、波板の板圧よりも大きくすることにより、波板の外側凸部が板厚分丸くなり山のエッジがなめらかになる。つまり、センサ側表面を、より正弦波に近い形状で成形することができる。一方、波板の溝側凹部にはエッジがでるが、磁気センサに近い側が丸いことで、出力信号の歪みを小さくすることができる。磁気センサから遠い部分にはエッジがあっても信号自体がなまる。例えば、クリアランスが４００μｍぐらいあれば、信号がなまり、歪みがへる。
【００２６】
薄板３０１を薄くしすぎると、センサ１０２からでる磁界で飽和してしまう。一方、厚すぎると、成形が困難にあり、所望の凹凸が得られない可能性がある。そこで、厚過ぎず、薄すぎない薄板３０１が求められる。例えば、凹凸が０．４のモジュールに対しては、飽和しないためには０．１ｍｍ以上０．１５ｍｍ以下の板厚であることが好ましい。モジュール（ピッチ）が大きくてよければ、板厚を厚くすることができる。要求されるピッチが小さい場合、板厚を薄くしなければならないが、その分、飽和しやすくなる。
【００２７】
波形のスケール部材１０１を製作するための歯車３０２、３０３は、それぞれ噛合を求められないため、それらの表面形状は、一般的なインボリュート曲線形状に限らず、エッジがなまった波型であってもよい。ワイヤカットで抜くなどの方法で、上下歯車３０２、３０３を正弦波表面でつくってもよい。これにより、波板がより正弦波に近い形となり性能がよくなる。
【００２８】
歯車で作らないのであれば、一つの金型で何度も成形をくりかえす必要が生じ、長さに制約ができるが、このように２つの歯車を押し当てる方法によれば、非常に簡単に長尺のスケール部材を成形することができる。
【００２９】
薄板３０１としては例えば、板厚０．１ｍｍのケイ素鋼板を用いることができる。その他、磁気特性の優れた透磁率が高い材料であれば、他の材料を用いてもよい。磁気保持力（ＨＣ）が低い材料であることが好ましい。例えば材料としては、ケイ素鋼板の他に、純鉄、アモルファス、電磁鉄板、パーマロイなどを候補として挙げることができる。
【００３０】
図４に示すとおり、スケール部材１０１としての波板は、波底部頂点部分（谷部分）４０１において被検出対象１５０としてのスケールベース材の表面にスポット溶接などの方法で強固に固定する。
【００３１】
このとき、波板の内部に空間を確保した状態で固定するため、全体としての重量を軽くすることができる。また、同じ歯ピッチであれば、同一波型板を、直線型、回転型スケールに共用可能となり生産効率を向上させることができる。ここでは、円筒円盤形状および平板形状の被検出対象１５０について示しているが本発明はこれに限定されるものではない。被検出対象１５０としてのスケールベースは、中実円柱状でもよいし、他の形状（角柱など）でもよい。さらにスケール部材１０１を円筒状の被検出対象１５０の内側に固定して、円筒内部で円筒の回転数を検出してもよい。
【００３２】
被検出対象１５０に対する固定の仕方としては、谷をスポット溶接する方法があるが、図５に示すとおり、固定個所は、スケール部材１０１の幅方向中央５０１に限定されるものではなく、幅方向両端５０２でもよいし、幅方向全体５０３でもよい。スケール部材１０１の幅は、１０ｍｍ、１５ｍｍなど、様々な大きさにすることができる。
【００３３】
スケール部材１０１には、正弦波信号を出すトラック５０５と、原点信号出力用のトラック５０６との２トラックが形成され、原点信号出力との正弦波信号出力の差をとることによってセンサ位置を検出する。原点信号出力用のトラック５０６では、一つの歯をなくすことで基準位置５４０が形成される。歯の切除方法としては、レーザで焼き切る方法が挙げられる。先に原点位置の歯を切除してから被検出対象１５０に固定してもよいが、被検出対象１５０に固定してからレーザで歯を切除して原点位置を生成してもよい。
【００３４】
このような波板を用いてスケール部材を形成する場合、一番の課題は、ピッチをいかに揃えるかである。ただ単に図３のように歯車を通しただけの波板では精度がよくない場合がある。そこで、図６に示すように、圧力をかけてマスタ歯車６０１をスケール部材１０１に押しつけて矯正し精度をよくする。このとき、マスタ歯車６０１と被検出対象１５０との両方に高精度なエンコーダをつけて、回転数を制御する。
【００３５】
また、被検出対象１５０が平板形状の場合には、マスタラック６０２をスケール部材１０１に押しつけて矯正し精度をよくする。
【００３６】
すなわち、スケール部材１０１を被検出対象１５０に接着、溶接する際、所定の歯ピッチのマスタ歯車６０１、マスタラック６０２で押さえながら固定することで、ピッチを高精度に維持することができる。さらに、このとき、被検出対象１５０に対する接着または溶接を自動化することができる。
【００３７】
図７は、本実施形態による典型的なスケールの製造方法の流れを示すフローチャートである。まずステップＳ７０１において、測定精度に応じたピッチを有する歯車を用いて波板を生成し、被検出対象の大きさに応じた長さにカットする。
【００３８】
次にステップＳ７０３において、被検出対象としてのベース材の表面に沿ってスケール部材を配置する。次に、ステップＳ７０５において、原点位置の歯を切除する。
【００３９】
さらに、ステップＳ７０７において、マスタ歯車（マスタラック）で矯正しつつ、ベース材にスケール部材を固定する。
【００４０】
以上の構成によれば、所定のスケール信号ピッチの凹凸形状が容易に製作でき、材料も一般的な鉄製の薄板リボン形状材料が使用可能で安価なスケールが製作可能となる。
【００４１】
また、精度においても、従来のラックやスリットに比べて有利な結果が得られる。図８、スケールと検出部のクリアランスの違いによる各種のスケールの出力特性を示す図であり、図９は、クリアランスの違いによる各種のスケールの歪み特性を示す図である。
【００４２】
図８を見れば分かるとおり、本願の波板では、ラックに比べて出力は小さくなるものの、スリットと同等である。また、図９に示すとおり、本願の波板では、従来のラックやスリットに比べて、クリアランス全体にわたって歪みが小さく、高い精度を実現できる。従来の歯車やラックやスリットの場合には、信号の歪みを小さくしようとすると、クリアランスに制約があるが、本願の波板を用いた場合、広いクリアランスに対応可能となる。
【００４３】
例えば、ー６０ｄＢ以上の信号歪みが、スケールにとって使用可能なエリアとすると、ラック・スリットだと２５０〜５００ミクロンのクリアランスしか許容できない。一方、波板だと、１００〜６００ミクロンで使用可能となる。クリアランスの許容値幅が広いほど、幅広い様々な被検出対象に取り付け可能となり、高い取り付け精度は要求されない。被検出対象機械そのものに剛性がない場合には、クリアランス許容値が大きい方がよいため本願のスケールが効果的である。クリアランス許容値がプラスマイナス１００ミクロンより小さいと取り付けに神経をつかう。クリアランス許容値がプラスマイナス１００ミクロンより大きければ、楽に取り付けられる。本願の場合、クリアランスが小さいところで、より信号の歪みが小さくなる。スケールと検出部のクリアランスが狭い側で低歪で、高精度領域が広くなる。また、歪が小さくなることで波数カウントの精度が向上し、高精度で細かな位置情報を得ることが可能になる。
【００４４】
このように波板の特性が高い理由として、波板のエッジが丸みを帯びていることが挙げられる。図３のように一定の間隙を保持した２つの歯車を用いて波板を作る場合、磁力センサに近い外側表面のエッジがとれ、丸くなり、正弦波に近い形状となる。磁力センサからでている磁界は比較的強いので綺麗にスケールの形を転写できる。その結果、クリアランスによらず小さな歪みとなる。
【００４５】
［第２実施形態］
次に本発明の第２実施形態に係る位置検出装置に用いられるスケール部材１００１について、図１０を用いて説明する。図１０は、本実施形態に係るスケール部材１００１の製造方法を説明するための図である。本実施形態に係るスケール部材１００１の製造方法は、上記第１実施形態と比べると、歯車を一つのみ用いる点で異なる。
【００４６】
非磁性体の基材１０３２の表面に磁性材料の薄い膜１０３１を有する長尺薄板１００３に対して、歯車１００２を押し当てることにより、波形表面が形成されたスケール部材１００１を製造することができる。
【００４７】
この方法によれば、スケール部材１００１の製造装置を小型化することができる。基材１０３２を取り除いた波板を、被検出対象の表面に固定して用いてもよいし、基材１０３２が付いたまま、スケール部材１００１として使用してもよい。
【００４８】
［第３実施形態］
次に本発明の第３実施形態に係る位置検出装置に用いられるスケール部材１１０１について、図１１を用いて説明する。図１１は、本実施形態に係るスケール部材１１０１の斜視図である。本実施形態に係るスケール部材１１０１は、上記第１実施形態と比べると、波板を複数重ねて一つのスケール部材とする点で異なる。その他の構成および動作は、第２実施形態と同様であるため、同じ構成および動作については同じ符号を付してその詳しい説明を省略する。
【００４９】
スケール部材１１０１は、波板１１１１が複数枚層状に重ねられて形成されている。これにより、スケール部材１１０１全体としての厚みを変えることができる。ピッチが細かく、板厚を大きくとれない場合でも、このように層状に重ねることにより、スケール部材全体としての厚みを厚くすることができる。また、ぴったり層状に重ねる必要は無く、空間を空けつつスポット溶接などで固定すれば、スケール全体としての重さを軽くすることができる。
【００５０】
［他の実施形態］
以上、実施形態を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記実施形態に限定されるものではない。本願発明の構成や詳細には、本願発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。
【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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