JP5036030B2

JP5036030B2 - 環状磁気エンコーダ

Info

Publication number: JP5036030B2
Application number: JP2006218400A
Authority: JP
Inventors: 正稚冨岡
Original assignee: Uchiyama Manufacturing Corp
Current assignee: Uchiyama Manufacturing Corp
Priority date: 2006-08-10
Filing date: 2006-08-10
Publication date: 2012-09-26
Anticipated expiration: 2026-08-10
Also published as: JP2008039744A; WO2008018313A1; US20100001717A1; US8089269B2; DE112007001875B4; DE112007001875T5

Description

本発明は、自動車用エンジンの制御の為のクランク角やカムシャフト角等の絶対位置検出用磁気エンコーダ、その他の産業機械用の磁気エンコーダに関する。

近時、自動車用エンジンを制御するため、エンジンのクランク角やカムシャフト角の絶対位置検出がなされるようになった。この絶対位置検出の為の装置としては、回転側に、周方向にＮ極及びＳ極を交互且つ等ピッチで着磁形成した等ピッチ着磁域と、この着磁域の一部をＮ極又はＳ極の不等ピッチ部分とした不等ピッチ着磁域とを含む円環状磁気エンコーダを同心的に固着し、固定側にこの円環状磁気エンコーダに対峙するよう磁気センサを配置して構成されたものが挙げられる（例えば、特許文献１参照）。このような絶対位置検出装置では、回転側の回転に伴う等ピッチ部分と不等ピッチ部分の磁気変化を磁気センサによって検出し、不等ピッチ着磁域における検出出力を原点位置とし、等ピッチ着磁域における検出出力のパルス数との相対差により、上記クランク角やカムシャフト角の絶対位置を検出するものである。

図６（ａ）（ｂ）は、上記のような絶対位置検出装置に用いられる磁気エンコーダの一例の部分展開図と、この磁気エンコーダにおける磁束密度の波形図を示す。図６（ａ）は円環状磁気エンコーダ５０の部分切欠図であって、周方向にＮ極及びＳ極を交互且つ等ピッチで着磁形成した等ピッチ着磁域の一部に複数（奇数であって、図例では５個）の磁極分に相当するＳ極の不等ピッチ着磁域５１を形成した例を示している。この不等ピッチ着磁域５１の両側にはＮ極及びＳ極が交互且つ等ピッチで着磁形成された等ピッチ着磁域５２が連なる。不等ピッチ着磁域５１と両側の各１個のＮ極とよりなる領域を不等ピッチ領域（図の太実線で囲まれた部分）５３とし、この不等ピッチ領域５３における不等ピッチ着磁域５１の占める面積比率は約７１％となる。図６（ｂ）は、図６（ａ）におけるセンサ測定ラインＬ（円環状磁気エンコーダ５０の幅方向中心線）に沿って磁気センサを円環状磁気エンコーダ５０の周方向に相対走査させて検出された磁束密度の波形図を概念的に示している。
独国特許出願公開第１９８００７７４号公報

ところで、図６（ａ）に示す磁気エンコーダ５０のように、他の部位（等ピッチ着磁域５２）と極幅が違う部位（不等ピッチ着磁域５１）がある場合、図６（ｂ）で示されるように、磁束密度のつり合いの為、不等ピッチ着磁域５１の両端部分で磁束密度の波形が乱れる。即ち、図６（ｂ）のように波形のゼロクロスピッチＰ１，Ｐ２…でみると、そのピッチ幅にバラ付きが生じる。図のように、波形のゼロクロスピッチ幅のバラ付きが大きいと、角度位置検出精度が低下する。特に、図６（ａ）に示す磁気エンコーダ５０のように、不等ピッチ着磁域５１を単に複数極分を占めるような領域に割り当てただけでは、上記ピッチ幅のバラ付きが大きくなることは不可避であることが本発明者等の検証で判明した。

本発明は、上記の実情に鑑みなされたもので、着磁パターンの形状を特定することにより、絶対位置検出が精度よくなし得る環状磁気エンコーダを提供することを目的としている。

本発明の環状磁気エンコーダは、円環状磁性体の周方向に沿って、Ｎ極及びＳ極の磁極を交互且つ等ピッチで着磁形成した環状磁気エンコーダであって、円環状磁性体の周方向の少なくとも１箇所に、上記磁極の複数分に相当する不等ピッチ領域を有し、この不等ピッチ領域は、中央の１個の特定極部と、その周辺に位置し該特定極部とは異極の異極部とよりなり、該特定極部及び異極部による着磁パターンは、不等ピッチ領域の中央横断線に対して線対称に形成されると共に、特定極部の面積が不等ピッチ領域の面積の４０〜６０％であり、前記特定極部の形状が、前記中央横断線に対して線対称のＨ形とされていることを特徴とする。

本発明において、前記特定極部の形状としては、請求項２の発明のように、前記中央横断線に対して線対称の八角形とされているもの等が好ましく採用される。そして、請求項３の発明のように、前記特定極部における円環状磁性体の周方向両側に位置する前記異極部が、当該特定極部によって分断されているものとすることができる。更に、請求項４の発明のように、前記円環状磁性体が、磁性ゴム又は磁性樹脂の成型体からなるものとすることができる。

本発明に係る環状磁気エンコーダは、円環状磁性体の周方向の少なくとも１箇所に、上記磁極の複数分に相当する不等ピッチ領域を有し、この不等ピッチ領域は、中央の１個の特定極部と、その周辺に位置し該特定極部とは異極の異極部とよりなるから、この不等ピッチ領域では、特定極部によるセンサ検出磁束密度の波形が、他の等ピッチで磁極が形成された領域とは異なる。従って、この特定極部を原点位置として、絶対位置検出等に用いることができる。そして、特定極部及び異極部による着磁パターンは、不等ピッチ領域の中央横断線に対して線対称に形成されているから、特定極部及びその両側部位の異極部に対応する磁束密度の波形は、この中央横断線に対して線対称に発現される。しかも、特定極部の面積が不等ピッチ領域の面積の４０〜６０％（以下、面積率と言う）とされているから、特定極部及びその周辺の異極部における磁束密度の相互の調和により、特定極部の両側付近の磁極部による磁束密度の乱れが少なくなり、ゼロクロスピッチのバラ付きが小さくなる。従って、この環状磁気センサを磁気センサと組み合わせて角度検出用として用いた場合、角度位置検出精度が向上する。因みに、上記面積率が４０％未満の場合異極部の影響が強くなり、また、面積率が６０％超の場合特定極部の影響が強くなり、いずれもゼロクロスピッチのバラ付きが大きくなる傾向となる。

特定極部の形状を、請求項１或いは請求項２の発明のような中央横断線に対し線対称のＨ形或いは八角形とすれば、特定極部及びその両側部位の異極部に対応する磁束密度の波形が中央横断線に対して線対称となる上に、上記面積率の設定が簡易になし得る。即ち、このようなＨ形或いは八角形は、その基本形となる方形の辺部や角部を切り欠いて形成されるから、着磁装置の着磁ヨークを作成する際、この切欠量の適宜調整によりその作成がし易く、上記面積率の適正化が容易になし得る。

これら発明において、請求項３の発明のように、特定極部における円環状磁性体の周方向両側に位置する前記異極部が、当該特定極部によって分断されているものとすると、特定極部の磁束密度波形に対する異極部の影響が少なく、波形に歪が生じることが少なく、原点検出精度も向上する。また、請求項４の発明のように、円環状磁性体が、磁性ゴム又は磁性樹脂の成型体からなるものとすれば、所望形状の形成及び所望パターンの着磁形成が容易であるので、上記面積率の設定も容易に行うことができる。

以下に本発明の最良の実施の形態について図面に基づいて説明する。図１（ａ）（ｂ）は本発明の環状磁気エンコーダの一実施形態を示し、（ａ）はラジアルタイプの部分切欠斜視図、（ｂ）はアキシャルタイプの部分切欠斜視図を夫々示している。図２（ａ）（ｂ）は図１（ａ）の環状磁気エンコーダを側面から見た部分展開図と、その磁束密度の波形図を示す。図３（ａ）（ｂ）及び図４（ａ）（ｂ）は同実施形態の臨界例の図２（ａ）（ｂ）と同様図、図５（ａ）（ｂ）は他の実施形態の図２（ａ）（ｂ）と同様図である。

図１（ａ）（ｂ）に示す環状磁気エンコーダは、いずれも、磁性粉末を含有するゴム材の成型体からなる円環状磁性体と、補強用円環状芯金とにより構成されるものである。図１（ａ）の環状磁気エンコーダＡは、円筒部１ａと、その一端部に連成された内向鍔部１ｂとよりなる円環状芯金１の外面に上記ゴム材からなる円環状磁性体２が貼着一体（加硫接着等により）とされたものである。この環状磁気エンコーダＡは、上記円環状芯金１の円筒部１ａを覆う円環状磁性体２の円筒部分を着磁部として、ラジアルタイプの磁気エンコーダとされる。そして、円筒部１ａをして不図示の回転側部材に外嵌され、上記着磁部に磁気センサ（不図示）を対峙させることによって絶対位置検出装置が構成される。

また、図１（ｂ）の環状磁気エンコーダＡ１は、円環状芯金１が、円筒部１ａとその一端部に連成された外向鍔部１ｃとよりなり、この外向鍔部１ｃの外端面に上記同様のゴム材の成型体からなる円環状磁性体２が貼着一体（加硫接着等により）とされたものである。この環状磁気エンコーダＡ１は、円環状磁性体２の上記外向鍔部１ｃに貼着された部分を着磁部として、アキシャルタイプの磁気エンコーダとされる。そして、円筒部１ａをして不図示の回転側部材に外嵌され、上記着磁部に磁気センサ（不図示）を対峙させることによって絶対位置検出装置が構成される。

上記環状磁気エンコーダＡ，Ａ１における円環状磁性体２の各被着磁部に対する着磁は公知の着磁装置によってなされる。即ち、各円環状磁性体２の各被着磁部にその周方向に沿って、Ｎ極及びＳ極の磁極２ａ…を交互且つ等ピッチで着磁形成すると共に、周方向の一部に磁極２ａ…の７個分に相当する不等ピッチ領域２０を形成し、その他の等ピッチの磁極２ａ…からなる部分を等ピッチ領域２１としている。図２（ａ）では、太実線で囲まれた部分を不等ピッチ領域２０としている。この不等ピッチ領域２０は、中央の１個の特定極部（Ｓ極）２ｂと、その周辺に位置し該特定極部２ｂとは異極の異極部（Ｎ極）２ｃとよりなる。特定極部２ｂは円環状磁性体２の周方向に直交する向きのＨ形とされ、異極部２ｃはこのＨ形の特定極部２ｂの両側部分２ｃａと上下の切欠部２ｃｂに位置する。該特定極部２ｂ及び異極部２ｃによる着磁パターンは、不等ピッチ領域２０の中央横断線Ｃに対して線対称に形成されると共に、特定極部２ｂの不等ピッチ領域２０に対する面積率が４０〜６０％とされる。図２（ａ）（ｂ）は、この面積率が５０％である例を示している。

図２（ｂ）は、図２（ａ）におけるセンサ測定ラインＬ（円環状磁気エンコーダＡ、即ち、円環状磁性体２の幅方向中央線）に沿って磁気センサを円環状磁気エンコーダＡの周方向に相対走査させて検出された磁束密度の波形図を概念的に示している。この図における縦軸は磁束密度、横軸は走査距離（角度）を示す。図２（ｂ）に示すように、等ピッチ領域２１では磁束密度が小ピッチの繰返し波形となるが、不等ピッチ領域２０では、ブロードで且つ振幅の大きな波形を呈する。従って、この不等ピッチ領域２０の特定極部２ｂを基準（原点）として、等ピッチ領域２１の波数をパルス計測することによって、各部の角度を検出することができる。

図２（ａ）における特定極部２ｂの不等ピッチ領域２０に対する面積率は、上記の通り５０％とされている。そして、その実際の磁束密度波形の測定結果を示す図２（ｂ）では、磁束密度波形のゼロクロスピッチＰ１，Ｐ２…が略等しく、バラ付きが極めて少ないことが理解される。これは、上記面積率を５０％とすることにより、特定極部２ｂとその周囲の異極部２ｃとの磁束密度が程よくつり合い、磁束密度の乱れを生じない為と考えられる。また、特定極部２ｂの両側に位置する異極部２ｃａが、特定極部２ｂによって分断されている、即ち、不連続とされているから、特定極部２ｂの磁束密度波形に歪が生じることが少なく、原点検出が的確になされる。従って、角度位置検出精度が高く、エンジンのクランク角やカムシャフト角の絶対位置検出用としての適性に優れた磁気エンコーダを提供することができる。特定極部２ｂの両側に位置する異極部２ｃａのピッチ幅は、他の等ピッチ領域２１における磁極２ａのピッチ幅と同じとされることが望ましい。

図３（ａ）（ｂ）は、上記特定極部２ｂの形状を上記と同様Ｈ形とし、その面積率を４０％とした例を示している。この例の場合、図３（ｂ）に示されるように、特定極部２ｂの両側部分で磁束密度の乱れが見られ、ゼロクロスピッチＰ１，Ｐ２…のバラ付きが図２の例の場合に比べて大きくなっていることが理解される。また、図４（ａ）（ｂ）は、上記特定極部２ｂの形状を上記と同様Ｈ形とし、その面積率を６０％とした例を示している。この例の場合も、図４（ｂ）に示されるように、特定極部２ｂの両側部分で磁束密度の乱れが見られ、ゼロクロスピッチＰ１，Ｐ２…のバラ付きが図２の例の場合に比べて大きくなっていることが理解される。

図３及び図４の例のように、ゼロクロスピッチＰ１，Ｐ２…のバラ付きが大きくなるのは、前者では異極部２ｃの影響が強くなり、後者では特定極部２ｂの影響が強くなることから、特定極部２ｂ及び異極部２ｃの磁束密度のつり合いが、図２の例程良くならないからと考えられる。数多くの試行を行った結果、磁気エンコーダとしての所望の性能を維持する上で、ゼロクロスピッチのバラ付きが許容される範囲は、上記面積率が４０〜６０％であることが判明した。面積率がこの範囲であると、エンジンのクランク角やカムシャフト角の絶対位置検出用としての適性に優れた磁気エンコーダを得ることができる。図２（ｂ）の波形図から理解される通り、望ましくは５０％である。尚、図３及び図４における環状磁気エンコーダＡと、図２の環状磁気エンコーダＡとは、特定極部２ｂの面積率が異なるだけで、他の構成は同一であるから、共通部分に同一の符号を付し、その説明を割愛する。

図５（ａ）（ｂ）は、他の実施形態の図２（ａ）（ｂ）と同様図であり、この実施形態の環状磁気エンコーダＢは、特定極部２ｂの形状が、方形の角部をカットした八角形とされている。この例においても、円環状磁性体２の被着磁部にその周方向に沿って、Ｎ極及びＳ極の磁極２ａ…を交互且つ等ピッチで着磁形成すると共に、周方向の一部に磁極２ａ…の７個分に相当する不等ピッチ領域２０を形成し、その他の等ピッチの磁極２ａ…からなる部分を等ピッチ領域２１としている。図５（ａ）では、上記と同様太実線で囲まれた部分を不等ピッチ領域２０としている。この不等ピッチ領域２０は、Ｓ極に着磁された中央の八角形の特定極部２ｂと、その周辺に位置しＮ極に着磁された異極部２ｃとよりなる。異極部２ｃはこの八角形の特定極部２ｂの両側に分断状態（不連続状態）で位置し、該特定極部２ｂ及び異極部２ｃによる着磁パターンは、不等ピッチ領域２０の中央横断線Ｃに対して線対称に形成されると共に、特定極部２ｂの不等ピッチ領域２０に対する面積率が５０％とされている。

この例の環状磁気エンコーダＢの場合も、図５（ｂ）に示すように、等ピッチ領域２１では磁束密度が小ピッチの繰返し波形となるが、不等ピッチ領域２０では、ブロードで且つ振幅の大きな波形を呈する。従って、この不等ピッチ領域２０の特定極部２ｂを基準（原点）として、等ピッチ領域２１の波数をパルス計測することによって、各部の角度を検出することができる。また、図５（ｂ）では、磁束密度波形のゼロクロスピッチＰ１，Ｐ２…が略等しく、バラ付きが極めて少ないことが理解される。これは、上記同様特定極部２ｂの不等ピッチ領域２０に対する面積率を５０％とすることにより、特定極部２ｂとその周囲の異極部２ｃとの磁束密度が程よくつり合い、磁束密度の乱れを生じない為と考えられる。更に、特定極部２ｂの両側に位置する異極部２ｃが、特定極部２ｂによって分断され、不連続とされているから、特定極部２ｂの磁束密度波形に歪が生じることが少なく、原点検出が的確になされる。従って、上記と同様に、角度位置検出精度が高く、エンジンのクランク角やカムシャフト角の絶対位置検出用としての適性に優れた磁気エンコーダを提供することができる。

尚、上記実施形態では、特定極部２ｂの形状をＨ形或いは八角形としているが、これらの形状は基本となる方形の辺部や角部を切欠いた形状であり、その為、着磁装置の着磁ヨークを作製する際、上記面積率を４０〜６０％に調整設定することが容易になし得ることから、望ましい形状とされるが、面積率が４０〜６０％であって、中央横断線Ｃに対して線対称であれば、これに限定されず、他の形状も採用することができる。また、特定極部２ｂをＳ極、異極部２ｃをＮ極としたが、この極性は逆であっても良い。極性を逆にした場合は、各磁束密度の波形図は形状が上下逆となる。不等ピッチ領域２０は、円環状磁性体２の周方向複数個所に設けることも可能である。複数個所に設けることにより、多様な絶対位置検出を行うことができる。また、不等ピッチ領域２０を磁極２ａの７個分に相当する領域としたが、奇数個であれば、３個、５個或いは９個以上に相当する領域とすることもできる。

更に、円環状磁性体２として磁性粉末を含有するゴムの成型体からなる例について述べたが、磁性粉末を含有する樹脂の成型体（プラスチックマグネット）や、焼結磁石であっても良い。また、本発明の環状磁気エンコーダは、自動車用エンジン制御の為のクランク角やカムシャフト角等の絶対位置検出用に限らず、自動車のＡＢＳ或いはＴＣＳ制御、その他の産業機械用としての応用も可能である。

（ａ）（ｂ）は本発明の環状磁気エンコーダの一実施形態を示し、（ａ）はラジアルタイプの部分切欠斜視図、（ｂ）はアキシャルタイプの部分切欠斜視図を夫々示す。（ａ）は図１（ａ）の環状磁気エンコーダを側面から見た部分展開図、（ｂ）はその磁束密度の波形図である。（ａ）（ｂ）は同実施形態の臨界例の図２（ａ）（ｂ）と同様図である。（ａ）（ｂ）は同実施形態の他の臨界例の図２（ａ）（ｂ）と同様図である。（ａ）（ｂ）は他の実施形態の図２（ａ）（ｂ）と同様図である。（ａ）は従来の環状磁気エンコーダの部分展開図、（ｂ）はこの磁気エンコーダにおける磁束密度の波形図である。

符号の説明

２円環状磁性体
２ａ磁極
２ｂ特定極部
２ｃ異極部
２０不等ピッチ領域
Ａ，Ａ１環状磁気エンコーダ
Ｂ環状磁気エンコーダ
Ｃ中央横断線

Claims

円環状磁性体の周方向に沿って、Ｎ極及びＳ極の磁極を交互且つ等ピッチで着磁形成した環状磁気エンコーダであって、
上記円環状磁性体の周方向の少なくとも１箇所に、上記磁極の複数分に相当する不等ピッチ領域を有し、この不等ピッチ領域は、中央の１個の特定極部と、その周辺に位置し該特定極部とは異極の異極部とよりなり、該特定極部及び異極部による着磁パターンは、不等ピッチ領域の中央横断線に対して線対称に形成されると共に、特定極部の面積が不等ピッチ領域の面積の４０〜６０％であり、前記特定極部の形状が、前記中央横断線に対して線対称のＨ形とされていることを特徴とする環状磁気エンコーダ。
円環状磁性体の周方向に沿って、Ｎ極及びＳ極の磁極を交互且つ等ピッチで着磁形成した環状磁気エンコーダであって、
上記円環状磁性体の周方向の少なくとも１箇所に、上記磁極の複数分に相当する不等ピッチ領域を有し、この不等ピッチ領域は、中央の１個の特定極部と、その周辺に位置し該特定極部とは異極の異極部とよりなり、該特定極部及び異極部による着磁パターンは、不等ピッチ領域の中央横断線に対して線対称に形成されると共に、特定極部の面積が不等ピッチ領域の面積の４０〜６０％であり、前記特定極部の形状が、前記中央横断線に対して線対称の八角形とされていることを特徴とする環状磁気エンコーダ。
請求項１又は請求項２に記載の環状磁気エンコーダにおいて、
前記特定極部における円環状磁性体の周方向両側に位置する前記異極部が、当該特定極部によって分断されていることを特徴とする環状磁気エンコーダ。
請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の環状磁気エンコーダにおいて、
前記円環状磁性体が、磁性ゴム又は磁性樹脂の成型体からなることを特徴とする環状磁気エンコーダ。