JP4925389B2

JP4925389B2 - エンコーダ

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Publication number: JP4925389B2
Application number: JP2004085995A
Authority: JP
Inventors: 義行中村; 博羽賀
Original assignee: ハイデンハイン株式会社
Priority date: 2004-03-24
Filing date: 2004-03-24
Publication date: 2012-04-25
Anticipated expiration: 2024-03-24
Also published as: JP2005274249A; DE102005005111A1

Description

本発明はモータ等の回転体や直線移動する被測定物に取り付けられ、被測定物の変位量、すなわち回転数および/または回転角度や、移動位置を検出するエンコーダの、ｎ回転（ｎ＝０を含まない整数および分数）および／または回転方向を測定する計数機構に関する。

一般に、多回転式エンコーダには、１回転内の変位量を検出するための機構の他に、多回転検出用リングマグネットと称する１回転以上の回転数を検出するための磁性回転体を有するものがある。このリングマグネットの配置は、エンコーダの種類や構造により種々の態様のものがあるが、例えば図８に示すように、回転軸２を符号板４取り付け位置から先、つまり基板上部の領域にまで伸張して、その上に配置した構造が知られている。

ここで、図８に例示した構造のエンコーダは、被測定物である回転体等に取り付けられてこれと連動する回転軸２と、この回転軸２を回転自在に支持するベアリング５と、このベアリング５が固定されている基材１とを有する。回転軸２には、その下部側に前記回転体の軸が装着できるように、これと略同径の貫通孔２ａが設けられている。また、ベアリング５支持部上部には符号板（スリット板）４が取り付けられ、さらにその上方には、上記のようにリングマグネット６が取り付けられている。符号板の上方には基材１に固定された基板３が対向配置されていて、この符号板４の符号（スリット）形成部位に対応した位置に固定スリット１０を備えた受光素子９が配置され、基板３上の回路と電気的に接続されている。そして、符号板４の受光素子９取り付け位置下方には、発光素子１１が配置され、この発光素子１１からの発光を符号板４のスリット、および固定スリット１０を介して受光素子９が検出できるようになっている。なお、発光素子１１は、基材１に固定された支持基板１２により支持されている。これらエンコーダの光学系、磁気系の部品の構造や取り付け位置などは、エンコーダの種類により種々の態様がある。

基板３の上方領域で回転軸２に取り付けられているリングマグネット６は、１回転する間に磁極が反転するようになっていて、この磁極の変化を検出する磁気検出素子７が、リングマグネットの周面と対向するように配置されている。また、磁気検出素子７にバイアス磁界を与えるためのバイアスマグネット８が、磁気検出素子７の前記リングマグネット６対向面とは反対側に設けられている。これらの磁気検出素子７、バイアスマグネット８は、図示しない構造により基板３と機械的、電気的に接続されている。

しかし、このように基板３上方領域まで回転軸２を伸張して、リングマグネット６や磁気検出素子７、バイアスマグネット８を取り付ける構造では、基板上にわざわざそのための領域を設けるので、余計なスペースを設けることとなり、エンコーダの体積がその分増加してしまう。

一方、例えば特開平６−３１５９号公報等に開示されているように、符号板４と、基板３の間にリングマグネット６および、磁気検出素子７、バイアスマグネット８を配置した構造も知られている。すなわち、図９に示すように、回転軸２は符号板４の下端面までとなり、この回転軸２と符号板４との接合部上にリングマグネット６が配置されている。そして、基板３のリングマグネット６の盤面と対応する位置に、磁気検出素子７、バイアスマグネット８が対向配置されている。その他の構成は図８と同様であり、同一構成要素には同一符号を付して説明を省略する。なお、特開平６−３１５９号公報では、バイアスマグネットの配置状態は特に何も説明がないことから、一般的な解釈として、磁気検出素子と一体化されていると考えられる。

しかし、このように回転軸２の長さを抑えたとしても、符号板４と、基板３の間にリングマグネット６および、磁気検出素子７、バイアスマグネット８を配置しているため、依然としてこれらのためのスペースが必要であった。

近年、電気回路部品のチップオンボード化が進むにつれて少スペースでも多くの電子部品を実装することが可能になってきている。エンコーダにおいても、このような電子部品の小型化のメリットを生かす構造が期待されるが、符号板と基板との位置関係は、精度上の問題から受光素子の高さに依存される。このため、受光素子の高さが低くなるとそれに伴い符号板と基板との間のスペース(隙間)も少なくなっていき、マグネットを配置することが困難となる。
特開平６−３１５９号公報

本発明の目的は、多回転検出用の磁性部材に要する専用スペースが不要とし、小型化、薄型化が可能なエンコーダを提供することである。

また、信号振幅幅を大きく取れるような理想的な構成部材の配置位置が可能な多回転検出部を備えたエンコーダを提供することである。

（１）被測定物の変位量を測定するエンコーダ本体に、
変位量計測のための符号板と、
ｎ回転（ｎ＝０を含まない整数および分数）を計数するための磁性回転体と、
これら符号板と磁性回転体とが取り付けられる回転軸と、
前記磁性回転体の少なくとも一部領域と対向配置され、この磁性回転体の磁気を検出する磁気検出素子とを少なくとも有し、
前記磁性回転体は、前記符号板を介して磁気検出素子と対向するように符号板の固定面側に接して配置されるように前記回転軸に取り付けられているエンコーダ。
（２）前記磁気検出素子が搭載された基板の反対側の面に前記磁気検出素子にバイアス磁界を与える磁性部材を有する上記（１）のエンコーダ。
（３）前記バイアス磁界を与える磁性部材と、磁気検出素子と、磁性回転体とは、磁気検出素子の磁気検出面において、磁性部材と磁性回転体のそれぞれの磁界強度が略等しくなるように配置されている上記（２）のエンコーダ。
（４）前記バイアス磁界を与える磁性部材と、磁気検出素子と、磁性回転体とは、略等間隔に配置されている上記（３）のエンコーダ。

本発明によれば、多回転検出用の磁性部材に要する専用スペースが不要となり、エンコーダの小型化、薄型化が可能になる。

また、多回転検出用の磁性部材、磁気検出素子、およびバイアスマグネットの位置関係を最適化することができ、出力信号がより大きく、高効率化の可能な多回転検出部を備えたエンコーダを提供することができる。

本発明のエンコーダは、被測定物の変位量（回転量）を測定するエンコーダ本体に、少なくとも変位量計測のための符号板（スリット板）と１回転以上の回転数および／または回転方向を計測するための磁性回転体、より具体的にはリングマグネットとを有し、前記磁性回転体の少なくとも一部の領域と対向配置され、この磁性回転体の回転を検出するセンサーである磁気検出素子とを有し、前記磁性回転体は、前記符号板を介して磁気検出素子と対向配置されているものである。また、好ましくは、前記磁気検出素子が搭載された基板の反対側の面に前記磁気検出素子にバイアス磁界を与える磁性部材を有する。

このように、エンコーダにおけるｎ回転検出用の磁性回転体を、１回転検出用の符号板の固定面側に配置することにより、磁性回転体や磁性部材の専用スペースが不要となり、エンコーダの小型化、薄型化が可能となる。また、好ましくは磁気検出素子にバイアス磁界を与える磁性部材を磁気検出素子が搭載された基板の反対側の面に配置することで、前記磁性回転体と磁性部材の位置関係を最適化することができ、磁気検出素子の磁気検出面において、磁性部材と磁性回転体のそれぞれの磁界強度を略等しくすることができる。

ここで、エンコーダ本体とは、通常被測定物の変位量、具体的には回転量などを測定するために必要な符号板（スリット板）、およびこの符号板の符号（スリット）を検出するために必要な光学素子と、ｎ回転（ｎ＝０を含まない整数および分数）以上の回転や回転方向を検出するための磁性回転体、およびこの磁性回転体の磁気変化を検出する磁気検出素子と、必要により各素子から得られた信号を処理するための電気回路等を備えるものであり、エンコーダの基本構造をなすものである。また、被測定物としては、例えばモータや内燃機関、およびこれらに接続されて回転動作を伝達したり、従動する回転機構等が挙げられる。

前記磁性回転体は、エンコーダにおいて被測定物の変位量を計測する際、ｎ回転を測定するために用いられる。通常ｎは１以上、つまり１回転以上となるが、場合によっては１／２回転など１回転以下の検出に設定される場合もある。このため、ｎは０を含まない整数および分数となる。この磁性回転体は、前記符号板を介して磁気検出素子と対向配置されている。つまり、磁性回転体を磁気検出素子から見て符号板の裏側に配置することで、磁性回転体が占有する空間を無くすか、極力小さくすることができ、エンコーダをより小型、薄型にすることができる。この符号板の裏側の部分は、通常符号板をエンコーダ回転軸に固定する部分に相当する。このため、前記磁性回転体は、エンコーダ回転軸に埋め込まれるか、エンコーダ回転軸と一体となるようにして配置される。また、好ましくは前記バイアス磁界を与える磁性部材と、磁気検出素子と、磁性回転体とは、磁気検出素子の磁気検出面を基準にしたときに、磁性部材と、磁性回転体とから得られる磁界強度が概ね等しくなるような位置に配置されている。そして、より好ましくは磁性部材と、磁気検出素子と、磁性回転体とは、略等間隔に配置されている。

磁性回転体（リングマグネット）と、磁性部材（バイアスマグネット）と、磁気検出素子との位置関係は、磁界の強さが等しくなるように配置することが理想である。すなわち、磁性回転体と磁性部材の材質が等しく、着磁された磁界が同じ場合、磁気検出素子と磁性部材間の距離、すなわち磁気検出素子の磁気検知面から磁性部材の磁気検出素子対向面までの距離をＡとし、磁気検出素子の磁気検知面から磁性回転体の磁気検出素子対向面までの距離をＢとしたとき、Ａ＝ＢないしＡ≒Ｂの関係を満たすような位置に配置する必要がある。検出素子と磁性回転体の距離が近づくと、磁性部材を配置するために基板を加工したりして形状を変える必要が生じ、基板の形状が複雑になったり、加工を要するためコストアップとなってしまう。

例えば図６に示すような配置では、基板３の表（図示面からみて上面）と裏（図示面からみて下面）とに磁気検出素子７と磁性部材であるバイアスマグネット８とを対向配置し、さらに符号板４の下面側に磁性回転体を配置している。このような配置とすることで、磁気検出素子７とバイアスマグネット８間の距離、すなわち磁気検出素子の磁気検知面７ａからバイアスマグネット８の基板接触面までの距離をＡとし、磁気検出素子７の磁気検知面７ａから符号板４の裏面側に搭載された磁性回転体６の上端面までの距離をＢとしたとき、Ａ＝Ｂの関係を満たすような位置に配置することができる。一方、図７に示すように、磁性回転体６を符号板４上部、すなわち基板３と符号板４とのギャップ空間内に配置すると、磁気検出素子７と磁性回転体６とが近づいてしまい、バイアスマグネット８をＡ＝Ｂの位置に配置するためには基板を加工したりして形状を変える必要が生じ、基板の形状が複雑になったり、加工を要するためコストアップとなってしまう。

磁性回転体と、磁性部材と、磁気検出素子との位置関係において、ＡとＢの距離の差は、磁性回転体と、磁性部材の生じる磁界の強さが略等しい場合、好ましくは２５％以内であり、特に等しい場合が最も好ましい。ここで、距離算出における基準面としては、磁性回転体と磁性部材はそれぞれの対向面、磁気検出素子は磁気検知面となる。

磁性回転体（リングマグネット）は、リング状であっても、ディスク状であってもよく、周方向ないし回転方向に連続的に磁界を生じ、なおかつ１回転以内に磁極あるいは磁気が変化しうる構造のものであればよい。磁性回転体の磁性材料としては、フェライト磁石、希土類系磁石、金属磁石など種々の磁性材料を用いることができ、これらの材料から必要とされる磁気特性に応じて好適なものを選択すればよい。また、前記材料を粉末状にして樹脂で固めた、所謂ボンド磁石を用いることで、種々の形状への加工が容易となり、後述する埋め込み型などの対応に有利である。なお、通常磁性回転体は、１回転で１回または複数回磁極が反転するように形成されている。なお、磁極の反転する位置、または磁気の変化する位置は、エンコーダの構造などにより任意に定めてもよい。

バイアス磁界を与えるための磁性部材とは、所謂バイアスマグネット等と称されるものであり、バイアス磁界を与えうる磁性体であれば特に限定されるものではないが、上述のように磁性回転体の磁界と等しい磁界を与えうるものが好ましいことから磁性回転体と同一材料のものが推奨される。また、要求される磁界強度などの磁気特性に影響を与えない範囲で他の磁性材料を用いてもよく、場合によっては磁気特性を調整する目的から他の磁性材料を用いることもある。

磁性回転体、磁性部材の持つ最大エネルギー積は、適用するエンコーダの構造や、磁気検出素子の種類により異なるが、通常０．７９kJ/m³〜７９kJ/m³程度である。

磁気検出素子とは、磁性回転体の磁極、あるいは磁気の変化を検出するものであり、通常磁気検出素子として知られているＭＲ素子（磁気抵抗素子）が用いられるが、これと同等な機能を有するホール素子等の磁気検出素子を用いることも可能である。

次に、図を参照しつつ本発明のより具体的な実施例について説明する。図１は本発明の第１の実施態様を示したエンコーダの断面図である。ここでは、光学式の回転内変位量検出部と磁気式の回転計数部とを有する構成のエンコーダを例示して説明する。

図において、本発明のエンコーダは、被測定物の軸などに取り付けられ、これと連動する回転軸２と、この回転軸２を回転自在に支持するベアリング５と、このベアリングが取り付けられている基材１とを有する。回転軸２には、その下部側に前記被測定物である回転体の軸が装着できるように、これと略同径の貫通孔２ａが設けられている。また、ベアリング５の支持部上方には回転軸拡径部２ｂが形成され、その上端面に符号板（スリット板）４が取り付けられている。そして、磁性回転体６を回転軸拡径部２ｂの符号板（スリット板）４との接合面下部に埋め込むようにして取り付けている。

符号板４の上方には基材１に固定された基板３が対向配置されていて、この符号板４の符号（スリット）形成部位に対応した位置に、固定スリット１０を備えた受光素子９が配置され、基板上の回路と電気的に接続されている。そして、符号板４の受光素子９取り付け位置下部には、発光素子１１が配置され、この発光素子１１からの発光を符号板スリット、固定スリットを介して受光素子が検出できるようになっている。発光素子１１は、基材１に固定された支持基板１２により支持されている。なお、これらの光学系は、例えば磁性体の符号板（磁気符号板）や磁気検出素子等による磁気式に置き換えてもよい。

符号板４を介した磁性回転体６の上方にある基板の下面側には、磁性回転体の磁極ないし磁気の変化を検出するための磁気検出素子７が、磁性回転体の環面と対向するように配置されている。また、前記基板３の磁気検出素子７取り付け部位と対応する上面側には、この磁気検出素子７にバイアス磁界を与えるための磁性部材、つまりバイアスマグネット８が配置されている。これらの磁気検出素子７，バイアスマグネット８は、基板３に図示しない構造により機械的、電気的に接続されている。なお、この明細書における図示例では、各構造部材を固定するために必要な構造、例えばネジ止め、接着、ハンダ付等の詳細は説明を容易にするために省略している。また、基板３や基材１を含む本体全体を覆うカバーの表示も省略している。

このように、磁性回転体６を符号板（スリット板）４下の回転軸２に埋め込むようにして配置することにより、基板３と符号板４とのギャップ空間内に磁性回転体６が存在しなくなり、基板３と符号板４とのギャップをより狭くすることができ、エンコーダのさらなる小型化と、ギャップの最適化を図ることができる。また、磁性回転体と、バイアスマグネットと、磁気検出素子との位置関係が等間隔に近い配置となり、磁性回転体と、バイアスマグネットと、磁気検出素子との位置関係を最適化することができる。

また、今まで磁気検出素子７と接して一体的に配置されていたバイアスマグネット８を、磁気検出素子７と分離して基板３の磁気検出素子７取り付け面とは反対面に配置することで、基板３と符号板４とで形成される空間内に占める磁気検出素子アッセンブリの高さを大幅に減少させることができる。このため、小型化、薄型化した光学センサーに応じて、基板３と符号板４とのギャップ（正確には基板上の光学素子の固定スリット板と符号板とのギャップ）をより狭くして理想的な距離に設定することができ、エンコーダのさらなる小型、薄型化と高性能化に大いに貢献することができる。なお、基板のバイアスマグネット８装着面である上面側は、ハンダや、素子、あるいは素子などの端子等との接触を避けるため、基板とカバーとの間にはある程度のギャップが設けられている。このため、特に専用空間を設けなくとも前記ギャップ空間内にバイアスマグネット８を収納することが可能である。

なお、回転軸拡径部２ｂの符号板（スリット板）４との接合面下部に磁性回転体６に対応した凹部を形成し、そこに既に加工済の磁性回転体６を装着してもよいし、この凹部内にボンド磁石の材料（磁性粉および樹脂等）を充填して、加熱加圧等して一体化するように成形してもよい。

図２は本発明の第２の実施態様を示したエンコーダの断面図である。この例では、磁性回転体６自体が回転軸拡径部２ｂの一部を形成するように成形され、符号板（スリット板）４との接合面下部に回転軸２と一体となるように取り付けられている。すなわち図示例では、拡径部２ｂの外周から符号板（スリット板）４との接合面下部にかけて貫通孔２ａ近傍を残して磁性回転体６とし、その下端は回転軸拡径部２ｂの下端に達する位置までを占めるように形成している。なお、符号板４は回転軸２の上端面を基準面として取り付けられる。その他の構成は図１のエンコーダと略同様であり、同一符号には同一符号を付して説明を省略する。

このように、磁性回転体６を符号板（スリット板）４下の回転軸２の拡径部２ｂを構成するように形成し、配置することにより、基板３と符号板４とのギャップ空間内に磁性回転体６が存在しなくなり、基板３と符号板４とのギャップをより狭くすることができ、ギャップをより最適化することができる。また、磁性回転体と、バイアスマグネットと、磁気検出素子との位置関係が間隔に近い配置となり、磁性回転体と、バイアスマグネットと、磁気検出素子との位置関係を最適化することができる。また、図１の構造よりも回転軸の形状が単純となるため回転軸などの加工コストを削減することもできる。

なお、この場合には回転軸拡径部２ｂの貫通孔２ａ周囲だけを有する回転軸２を形成し、そこに拡径部相当の形状に加工した磁性回転体６を装着してもよいし、この拡径部相当部分の成型金型にボンド磁石の材料を充填して、上記形状の回転軸２と共に加熱加圧等して一体化するように成形してもよい。

図３は本発明の第３の実施態様を示したエンコーダの断面図である。この例では、磁性回転体６を回転軸拡径部２ｂの少なくとも一部を構成し、さらにベアリング押さえとしても機能するように形成し、符号板（スリット板）４との接合面下部に回転軸２と一体化するように取り付けている。すなわち図示例では、拡径部２ｂの外周から符号板（スリット板）４との接合面下部にかけて貫通孔２ａ近傍を残して磁性回転体６とし、その下端はベアリング５の支持部上端に達するように形成している。なお、符号板４は回転軸２の上端面を基準面として取り付けられる。その他の構成は図１のエンコーダと略同様であり、同一符号には同一符号を付して説明を省略する。

このように、磁性回転体６を符号板（スリット板）４下の回転軸２の拡径部２ｂの少なくとも一部を構成し、かつベアリング押さえとしても機能するように形成し、配置することにより、基板３と符号板４とのギャップ空間内に磁性回転体６が存在しなくなり、基板３と符号板４とのギャップをより狭くすることができ、ギャップをより最適化することができる。また、磁性回転体と、バイアスマグネットと、磁気検出素子との位置関係が等間隔に近い配置となり、磁性回転体と、バイアスマグネットと、磁気検出素子との位置関係を最適化することができる。また、図２の構造よりも回転軸の形状が単純となるため回転軸などの加工コストを削減することもできる。

なお、この場合にも回転軸拡径部２ｂの貫通孔２ａ周囲だけを有する回転軸２を形成し、そこに拡径部相当の形状に加工した磁性回転体６を装着してもよいし、この拡径部相当部分の成型金型にボンド磁石の材料を充填して、上記形状の回転軸２と共に加熱加圧等して一体化するように成形してもよい。

以上の実施例１〜３で示した例では、回転軸２内に貫通孔２ａを有する貫通型のエンコーダを例に説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、種々の軸形状を持つエンコーダや、ベアリング５を持たず、基材１と回転軸２とを分離したようなキット型エンコーダなど、種々の態様のエンコーダに応用することができる。また、発光素子、受光素子などの光学系は必ずしも備えていなくてもよいし、その構造や配置位置などもエンコーダの構造や機能に応じて最適なものにすればよい。

〔磁性回転体とバイアスマグネットの最適化〕
磁性回転体とバイアスマグネットとの位置関係を変化させ、磁気検出素子の出力に与える影響を調べた。

試験は３種類の幅を持った磁性回転体とバイアスマグネットで行い、磁気検出素子であるMR素子の磁気検知面とバイアスマグネットの距離は一定（約２mm）とし、MR素子の磁気検知面から磁性回転体までの距離（Gap）を変化させ、このときのMR素子の出力信号の大きさを比較した。

すなわち、図４に示す構成において、基板３の磁気検出素子７搭載面とは反対側にバイアスマグネット８を配置し、t1＝２．０mmとし、磁気検出素子７の磁気検知面７ａから磁性回転体６の対向面までの距離Gapを3.0/2.5/2.0/1.5/1.0mmと変化させた時のMR素子の出力波形のP-P（ピークトゥピーク）の電圧を測定した（数１０mV程度）。なお、基板３および符号板（図示しない）材料の磁界に与える影響は十分小さいものであり、ここでは無視した。結果を図５に示す。

図５のグラフから明らかなように、バイアスマグネットと磁性回転体の磁力が同等であり、MR素子の磁気検知面とバイアスマグネットの距離がMR素子の磁気検知面から磁性回転体までの距離（Gap）と等しい時、すなわち距離（Gap）＝2.0mmの時にMR素子の出力信号は最大となる。また、両者の距離の差が２５％以内であれば良好な出力が得られることもわかる。

また、その時のMR素子の出力信号波形も距離（Gap）が等しいときが最も安定した波形となっていた。

このことからバイアスマグネットと磁性回転体の磁力が同等な時、MR磁気検知面とバイアスマグネットの距離とMR磁気検知面から磁性回転体までの距離（Gap）を略等しくすることで、磁気検出素子から低歪みで高出力の出力信号が得られることがわかる。

本発明は、ロボット、自動機等の産業用機器や自動車、飛行機などの移動体等、あらゆる可動部の位置検出に用いられるエンコーダに応用することが可能である。特に、多回転型絶対値エンコーダにおいて有用な技術であるが、それ以外でも磁気式エンコーダ等に応用することができる。

本発明エンコーダの第１の実施例を示す断面図である。本発明エンコーダの第２の実施例を示す断面図である。本発明エンコーダの第３の実施例を示す断面図である。実施例４のエンコーダの磁性回転体とバイアスマグネットの位置関係を示す一部断面図である。実施例４のＭＲ素子の各ギャップ毎の出力電圧を示すグラフである。磁性回転体とバイアスマグネットの位置関係を示す一部断面図である。磁性回転体とバイアスマグネットの位置関係を示す一部断面図である。従来のエンコーダの構造を示す断面図である。従来の他のエンコーダの構造を示す断面図である。

符号の説明

１基材
２回転軸
２ａ貫通孔
３基板
４符号板
５ベアリング
６磁性回転体（リングマグネット）
７磁気検出素子
８磁性部材（バイアスマグネット）
９受光素子
１０固定スリット
１１発光素子
１２支持基板

Claims

被測定物の変位量を測定するエンコーダ本体に、
変位量計測のための符号板と、
ｎ回転（ｎ＝０を含まない整数および分数）を計数するための磁性回転体と、
これら符号板と磁性回転体とが取り付けられる回転軸と、
前記磁性回転体の少なくとも一部領域と対向配置され、この磁性回転体の磁気を検出する磁気検出素子とを少なくとも有し、
前記磁性回転体は、前記符号板を介して磁気検出素子と対向するように符号板の固定面側に接して配置されるように前記回転軸に取り付けられているエンコーダ。
前記磁気検出素子が搭載された基板の反対側の面に前記磁気検出素子にバイアス磁界を与える磁性部材を有する請求項１のエンコーダ。
前記バイアス磁界を与える磁性部材と、磁気検出素子と、磁性回転体とは、磁気検出素子の磁気検出面において、磁性部材と磁性回転体のそれぞれの磁界強度が略等しくなるように配置されている請求項２のエンコーダ。
前記バイアス磁界を与える磁性部材と、磁気検出素子と、磁性回転体とは、略等間隔に配置されている請求項３のエンコーダ。