(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
２極着磁した円筒形状の永久磁石と、
前記永久磁石の外周に設けられ、前記永久磁石の内側の空間に均一な磁界強度を有する磁気回路を構成する円筒形状の強磁性体と、
前記永久磁石の内側の空間に設けられ、前記磁気回路の回転による磁界の変化を検出する磁界検出素子と、
を備え、
前記永久磁石の材質、密度から決まる前記永久磁石の残留磁束密度をＢｒとし、前記永久磁石の肉厚をｔｍとし、強磁性体の肉厚をｔｙとし、前記永久磁石の肉厚ｔｍを前記永久磁石の肉厚ｔｍと前記強磁性体の肉厚ｔｙの和で除した比で求められる永久磁石の肉厚比をｋｍとし、製造工程における許容誤差をαとした場合において、
前記残留磁束密度と前記肉厚比との関係が、
ｋｍ＝０．８７２−０．３７３×Ｂｒ±α
である磁気式エンコーダ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主に各種産業用機器に使用されるサーボモータなどに搭載され、特に小型化に適した磁気式エンコーダに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より回転体の回転数や回転角度位置を検出するためのエンコーダには、光学式、光電式、磁気式、静電式などがあり、主として光学式と磁気式が用いられている。
磁気式エンコーダとしては、周方向に多極着磁した磁気ドラムと磁界検出素子からなる磁気ドラム型や、歯車形状またはスリットを有するディスクと磁界検出素子および永久磁石からなるリラクタンス型の磁気式エンコーダが用いられているが、小型化に適した磁気式エンコーダとして、２極着磁した永久磁石と磁界検出素子からなる１Ｘ型の磁気式エンコーダがある。
【０００３】
以下に、従来の１Ｘ型の磁気式エンコーダおよびそれに用いられる磁気回路について説明する。
（第１の従来例）
第１の従来例を図６に示す。図６は、従来の円板形状の永久磁石を用いた１Ｘ型磁気式エンコーダの平面断面図である（例えば、特許文献１）。図６において、１０１は円板形状の永久磁石、１０３は永久磁石の磁化の方向、１２１は磁界検出素子である。
ここで、２極着磁した円板形状の永久磁石１０１の発生磁界を磁界検出素子１２１で検出すると、１周期／回転（１Ｘ）の正弦波信号が得られ、この信号から１回転内の絶対角度位置情報が得られる。しかし、磁界検出素子や永久磁石の取り付け精度によって得られる角度位置精度が劣化してしまう。
【０００４】
（第２の従来例）
第２の従来例として、図７に示したように、円筒形状の永久磁石を用いた１Ｘ型磁気式エンコーダが提案されている（例えば、特許文献２）。図７において、１０２は円筒形状の永久磁石、１１１は外壁であり、残りは第１の従来例と同じであるため説明を省略する。
この構成によれば、円筒形状の永久磁石１０２の内側の空間に配置した磁界検出素子１２１で１周期／回転の疑似正弦波信号が得られるので、磁気式エンコーダとして用いることができる。また、円筒形状の永久磁石の内側の空間には均一な磁界が得られるので、磁界検出素子や永久磁石の取り付け精度への配慮は不要である。しかし、外壁１１１の材質や寸法などが規定されておらず、得られる角度位置精度は高くない。
【０００５】
（第３の従来例）
第３の従来例を図８に示す。図８も、円筒形状の永久磁石を用いた１Ｘ型磁気式エンコーダであるが、円筒形状の永久磁石１０２の外側に円筒形状の強磁性体を配置することを明示している。すなわち、図８において、１１２は円筒形状の強磁性体であり、残りは第１および第２の従来例と同じであるため説明を省略する。
この構成によれば、磁界検出素子１２１で高調波歪みの少ない正弦波波形が得られるので、高精度の角度位置情報が得られる。
【特許文献１】ＷＯ９９／１３２９６号公報（第１−５頁、図１）
【特許文献２】特開昭５９−０６１７０２号公報（第１−３頁、図１１）
【特許文献３】特開２００２−２２８４８６号公報（第２−４頁、図４）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところが、第３の従来例の構成においても使用する永久磁石の残留磁束密度などの磁気特性の違いや永久磁石の厚み、円筒形状の強磁性体の厚みなどの形状の違いによって角度位置特性がばらつき、十分に安定した高精度の角度位置情報が得られないという課題があった。
【０００７】
本発明はこのような問題点を鑑みてなされたものであり、高調波歪みが極めて少ない正弦波波形を得ることができ、これにより高精度の角度位置情報が得られる磁気式エンコーダを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したものである。
すなわち、本発明の一の観点による磁気式エンコーダは、２極着磁した円筒形状の永久磁石と、前記永久磁石の外周に設けられ、前記永久磁石の内側の空間に均一な磁界強度を有する磁気回路を構成する円筒形状の強磁性体と、前記磁気回路の回転による磁界の変化を検出する磁界検出素子と、前記磁気回路と前記磁界検出素子との相対的な回転による前記磁界検出素子からの出力信号を処理する処理回路とを備えた磁気式エンコーダにおいて、前記永久磁石の材質、密度から決まる残留磁束密度をＢｒ、前記永久磁石の肉厚をｔｍ、強磁性体の肉厚をｔｙとしたとき、永久磁石の肉厚ｔｍを永久磁石の肉厚ｔｍと強磁性体の肉厚ｔｙの和で除した比で求められる永久磁石の肉厚比ｋｍを、使用する永久磁石の前記残留磁束密度Ｂｒが高いときには肉厚比ｋｍを小さく、前記残留磁束密度Ｂｒが低いときには肉厚比ｋｍを大きくしたことを特徴とする。
また、上記一の観点による磁気式エンコーダは、永久磁石の残留磁束密度Ｂｒが１．０Ｔ以上の場合、永久磁石の肉厚比ｋｍが０．５未満であることを特徴としてもよい。
また、上記一の観点による磁気式エンコーダは、永久磁石の残留磁束密度Ｂｒが０．５５Ｔ以上１．０Ｔ未満の範囲の場合、永久磁石の肉厚比ｋｍが０．５以上ら０．６５未満の範囲であることを特徴としてもよい。
また、上記一の観点による磁気式エンコーダは、永久磁石の残留磁束密度Ｂｒが０．５５Ｔ未満の場合、永久磁石の肉厚比ｋｍが０．６５以上であることを特徴としてもよい。
また、上記一の観点による磁気式エンコーダは、前記磁気回路の内側の空間に前記磁界検出素子を設置したことを特徴としてもよい。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の一の観点による磁気式エンコーダによると、どのような磁気特性の永久磁石を用いても非常に高調波歪みの少ない正弦波波形を得ることができ、これにより角度位置情報が極めて高い磁気式エンコーダを提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
【実施例１】
【００１１】
図１は、本発明の第１の実施例を示す磁気回路の平面断面図である。図１において、１は円筒形状の永久磁石、２は永久磁石の磁化の方向、１１は円筒形状の強磁性体である。このような構成により、円筒形状の永久磁石１の内側の空間に均一な磁界が得られる。
図２は、図１の磁気回路を用いた磁気式エンコーダの平面断面図である。図２において、２１は磁界検出素子であり、残りは図１と同じであるため省略する。このような構成により、磁気回路の内側の均一な磁界を磁界検出素子２１で検出することにより、１周期／回転の正弦波波形の信号が得られ、回転角度位置情報を得ることができる。
本発明が従来技術、特に従来例３と異なる点は、以下のように寸法を規定することである。
【００１２】
円筒形状の永久磁石１の肉厚をｔｍ、円筒形状の強磁性体１１の肉厚をｔｙとし、以下
の式で定義する永久磁石の肉厚比ｋｍを０．３から０．８の範囲で調べた。
ｋｍ＝ｔｍ／（ｔｍ＋ｔｙ）
図３は本発明の磁気回路を用いた磁気式エンコーダの角度誤差曲線を示す。角度誤差は
、磁界検出素子２１が出力した４個の信号に差動処理や位相調整を施してから回転角度を
導出し、基準エンコーダの値を差し引いて求めた。ここで、用いた円筒形状の永久磁石は
Ｓｍ−Ｃｏ系焼結磁石であり、残留磁束密度Ｂｒは１．０６Ｔ、永久磁石の肉厚比ｋｍは
０．３６、０．５０、０．６３の３種類とした。
４周期／回転の角度誤差曲線が得られるが、この角度誤差曲線の振幅値（ｐ−ｐ値）を
角度誤差値と呼ぶことにする。図３より、肉厚比ｋｍによって角度誤差曲線の極性が異な
ることが分かるが、この極性より角度誤差値に符号を付加した。
【００１３】
図４は様々な永久磁石での角度誤差値の肉厚比ｋｍに対する依存性を調べた結果を示す。角度誤差値が零となる肉厚比ｋｍが存在する。
また、図５は永久磁石の残留磁束密度Ｂｒと上記角度誤差値が零となる最適な永久磁石の肉厚比ｋｍの関係を示す。
今回用いた永久磁石は、フェライト系焼結磁石（Ｂｒ＝０．４０Ｔ）からＮｄ−Ｆｅ−Ｂ系焼結磁石（Ｂｒ＝１．１７Ｔ）であるが、これらよりも磁気特性（残留磁束密度）が低い永久磁石も高い永久磁石も存在する。そのことを考慮して、高精度な磁気式エンコーダ用の磁気回路における永久磁石の肉厚比ｋｍは、０．３から０．８の範囲であることが望ましい。
【００１４】
また、永久磁石の残留磁束密度Ｂｒが高いときには永久磁石の肉厚比ｋｍを小さく、永久磁石の残留磁束密度Ｂｒが低いときには永久磁石の肉厚比ｋｍを大きくし、角度誤差値が零となるように肉厚比を選び、これから永久磁石の厚みと強磁性体の厚みを決定した磁気式エンコーダを構成すれば、高調波歪の極めて少ない正弦波信号を磁界検出素子から得ることが出来、角度位置情報が極めて高い磁気式エンコーダを実現することができる。
【００１５】
図４および図５の結果から角度誤差値を約1度以内に収めるための本発明のより望ましい条件は、以下の通りとなる。
・永久磁石の残留磁束密度Ｂｒが１．０Ｔ以上では、永久磁石の肉厚比ｋｍが０．５未満。
・永久磁石の残留磁束密度Ｂｒが０．５５Ｔ以上１．０Ｔ未満の範囲では、永久磁石の肉厚比ｋｍが０．５以上０．６５未満の範囲。
・永久磁石の残留磁束密度Ｂｒが０．５５Ｔ未満では、永久磁石の肉厚比ｋｍが０．６５以上。
【００１６】
また、図５から判るように最適な永久磁石の肉厚比ｋｍは、永久磁石の残留磁束密度Ｂｒに対して反比例の関係にあり、以下の近似式で表される。
すなわち、ｋｍ=０.８７２−０.３７３×Ｂｒ±αである。
ここで、αは、磁気式エンコーダの製造工程において生じる寸法公差など不可避な要因に対する許容誤差である。
前述の関係から永久磁石の残留磁束密度Ｂｒに基づいて最適なｋｍを求め、このｋｍを満たす永久磁石１の厚みおよび強磁性体１１の厚みで磁気式エンコーダを構成することによって、より高精度な磁気式エンコーダが実現できる。
【産業上の利用可能性】
【００１７】
本発明の磁気式エンコーダは、簡単な構成で、小径でも高精度・高分解能であり、一回転内の絶対角度を検出でき、どのような磁気特性の永久磁石を用いても高精度の角度位置情報が得られるので、サーボモータや各種産業用機器などの装置に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の第１の実施例を示す磁気回路の平面断面図
【図２】本発明の第１の実施例を示す磁気式エンコーダの平面断面図
【図３】本発明の第１の実施例を示す磁気式エンコーダの角度誤差曲線
【図４】本発明の第１の実施例を示す磁気式エンコーダの角度誤差値の永久磁石の残留磁束密度および永久磁石の肉厚比に対する依存性を示す図
【図５】本発明の第２の実施例を示す磁気式エンコーダの永久磁石の残留磁束密度と最適な永久磁石の肉厚比の関係を示す図
【図６】第１の従来例を示す磁気式エンコーダの平面断面図
【図７】第２の従来例を示す磁気式エンコーダの平面断面図
【図８】第３の従来例を示す磁気式エンコーダの平面断面図
【符号の説明】
【００１９】
１  円筒形状の永久磁石
２  永久磁石の磁化方向
１１  円筒形状の強磁性体
２１  磁界検出素子
１０１  円板形状の永久磁石
１０２  円筒形状の永久磁石
１０３  永久磁石の磁化方向
１１１  外壁
１１２  円筒形状の強磁性体
１２１  磁界検出素子
【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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