特許 7499131 シールド部材の製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-06-05

(45)【発行日】2024-06-13

(54)【発明の名称】シールド部材の製造方法

(51)【国際特許分類】

   H02K 15/14 20060101AFI20240606BHJP

   H02K 11/01 20160101ALI20240606BHJP

   H02K 11/215 20160101ALI20240606BHJP

   G01D 5/245 20060101ALI20240606BHJP

【ＦＩ】

H02K15/14 Z

H02K11/01

H02K11/215

G01D5/245 110W

【請求項の数】 6

(21)【出願番号】P 2020156865

(22)【出願日】2020-09-18

(65)【公開番号】P2022050760

(43)【公開日】2022-03-31

【審査請求日】2023-08-08

(73)【特許権者】

【識別番号】000002233

【氏名又は名称】ニデックインスツルメンツ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100142619

【弁理士】

【氏名又は名称】河合 徹

(74)【代理人】

【識別番号】100125690

【弁理士】

【氏名又は名称】小平 晋

(74)【代理人】

【識別番号】100153316

【弁理士】

【氏名又は名称】河口 伸子

(72)【発明者】

【氏名】齋藤 豊

【審査官】谿花 正由輝

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１１－００９７０８（ＪＰ，Ａ）

【文献】実開昭４８－１０３８０６（ＪＰ，Ｕ）

【文献】特開２００４－１８０３８４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平１０－２３９４５９（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０２Ｋ １５／１４

Ｈ０２Ｋ １１／０１

Ｈ０２Ｋ １１／２１５

Ｇ０１Ｄ ５／２４５

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

モータの回転軸の軸線方向の一方側の端部にマグネットホルダを介して保持されるマグネットと、前記マグネットに軸線方向の一方側から対向するセンサ基板に配置される磁気センサと、を囲むシールド部材の製造方法であって、
冷間圧延鋼板を前記シールド部材の形状にプレス加工したプレス加工品を製造する工程と、
前記プレス加工品に、以下の条件１－４を満たす熱処理条件で磁気焼鈍加工を少なくとも２回実施する工程と、を行うことを特徴とするシールド部材の製造方法。
条件１ ： 加熱上昇時間６０分
条件２ ： 焼鈍時間４０分以上
条件３ ： 焼鈍温度８５０ ℃ ±１０ ℃
条件４ ： 炉冷時間１２０分

【請求項2】

前記磁気焼鈍加工の後に、前記シールド部材の表面に腐食防止層を形成する処理を行うことを特徴とする請求項１に記載のシールド部材の製造方法。

【請求項3】

前記腐食防止層は、リン含有率１０％以上の高リン無電解ニッケルメッキ層であることを特徴とする請求項２に記載のシールド部材の製造方法。

【請求項4】

前記腐食防止層は、亜鉛メッキ層であることを特徴とする請求項２に記載のシールド部材の製造方法。

【請求項5】

前記腐食防止層は、電着塗装であることを特徴とする請求項２に記載のシールド部材の製造方法。

【請求項6】

前記シールド部材は、前記マグネットおよび前記センサ基板の前記軸線方向の一方側を覆う底部と、前記底部の外周縁から前記軸線方向の他方側へ延びて前記マグネットおよび前記センサ基板の外周側を囲む側壁部と、を備えることを特徴とする請求項１から５の何れか一項に記載のシールド部材の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、エンコーダおよびモータに関する。

【背景技術】

【0002】

モータケースにステータおよびロータを収容したモータにおいて、モータケースの軸線方向の端部にエンコーダケースを固定し、エンコーダケースの内部にロータの回転を検出するエンコーダを収容したエンコーダ付きモータが用いられている。特許文献１には、この種のモータが開示される。

【0003】

特許文献１のモータは、ステータおよびロータを収容する筒状ケースの両端に第１軸受ホルダおよび第２軸受ホルダを固定したモータハウジング（モータケース）を備えており、モータハウジングの軸線方向の端部にカバー（エンコーダケース）が固定される。カバーの内側にはエンコーダが構成される。エンコーダは、回転軸の端部に磁石ホルダを介して固定された永久磁石と、永久磁石と対向するセンサ基板に搭載された磁気センサを備える。センサ基板は、樹脂製の基板ホルダを介して第１軸受ホルダに固定される。エンコーダは、カバーの内側に固定されたシールド部材（シールド板）によって囲まれている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２０１６－８６５５７号公報

【文献】特開平１１－２７５７９５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

モータに搭載されるエンコーダは、各種ノイズの影響を受けるため、製品の使用環境により出力が変化して角度誤差が発生するおそれがある。例えば、外乱磁界の影響によって角度誤差が発生する。このようなノイズ対策として、特許文献１では、センサ基板および永久磁石を囲む金属製のシールド部材を磁気シールドとして用いる。

【0006】

エンコーダの磁気シールドは、一般的には、電磁軟鉄、パーマロイ、ケイ素鋼、電磁ステンレスといった材料で形成されるが、これらは材料コストが高価である。磁気シールドの磁気特性を良好にするための技術として、従来から、磁気焼鈍加工が行われる。例えば、特許文献２では、ステッピングモータを覆うシールドチューブに対して磁気焼鈍加工を行うことにより、磁気特性を高め、モータから発生するノイズの拡散を低減させる。これにより、低コストな材料で形成した磁気シールドでありながら、高価な材料で形成した磁気シールドに近い磁気遮蔽効果を得ることができる。

【0007】

しかしながら、磁気焼鈍加工は、実施条件や実施回数によっては磁気特性が安定しないという問題がある。特許文献２では、磁気焼鈍加工によってノイズ低減効果が高まることが記載されているが、磁気焼鈍加工の実施条件や実施回数による磁気特性のばらつきについては検証されていない。また、エンコーダの磁気シールドは内部に配置される永久磁石の影響を受けヒステリシスを持つ場合がある。そこで、磁気特性として、保磁力の低減および安定化が求められているが、特許文献２では、保磁力の低減効果については検証されていない。

【0008】

以上の問題点に鑑みて、本発明の課題は、低コストで磁気特性の良好な磁気シールドを備えたエンコーダを提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0009】

上記課題を解決するために、本発明は、回転軸を備えたロータと、前記ロータに径方向で対向するステータと、を備えたモータの回転を検出するエンコーダであって、前記回転軸の軸線方向の一方側の端部に固定されるマグネットホルダと、前記マグネットホルダに保持されるマグネットと、前記マグネットに前記軸線方向の一方側から対向する磁気センサと、前記磁気センサが配置されるセンサ基板と、前記マグネットおよび前記磁気センサを囲むシールド部材と、を有し、前記シールド部材は、冷間圧延鋼板により形成され、少なくとも２回の磁気焼鈍加工が行われていることを特徴とする。

【0010】

本発明によれば、マグネットおよび磁気センサを囲むシールド部材を備えているので、外乱磁界を遮蔽でき、エンコーダの検出角度に対する外乱磁界の影響を低減できる。また、シールド部材は、冷間圧延鋼板により形成され、少なくとも２回の磁気焼鈍加工が行われている。冷間圧延鋼板は、調達が容易で、低コストであり、加工性も優れている。また、冷間圧延鋼板は、磁気焼鈍加工によって保磁力を低減させ磁気シールドとしての磁気特性を向上させるにあたって、１回の磁気焼鈍加工では磁気特性が安定しないが、２回以上磁気焼鈍加工を繰り返すことにより低い保磁力を安定して得ることができる。従って、本発明のエンコーダは、低コストでありながら磁気特性が良好なシールド部材を備えているので、外乱磁界による検出精度の低下を抑制できる。

【0011】

本発明において、前記シールド部材の表面に腐食防止層が設けられていることが好ましい。例えば、前記腐食防止層は、リン含有率１０％以上の高リン無電解ニッケルメッキ層であることが好ましい。このようにすると、腐食防止層は非磁性となり、低リンタイプや中リンタイプの無電解ニッケルメッキ層よりも磁気特性の安定性が高い。従って、磁気特性が良好で、且つ、耐環境性が高く、経年変化に強いシールド部材を備えているので、エンコーダの耐久性を高めることができる。

【0012】

本発明において、前記腐食防止層は、亜鉛メッキ層である構成を採用することができる。あるいは、前記腐食防止層は、電着塗装である構成を採用することができる。これらの腐食防止層は非磁性であるため、磁気特性が良好で、且つ、シールド部材の耐久性を高めることができる。従って、エンコーダの耐久性を高めることができる。

【0013】

本発明において、前記磁気焼鈍加工は、以下の条件１－４を満たす熱処理条件で実施されることが好ましい。このような熱処理条件で２回以上磁気焼鈍加工を行うことにより、安定した保磁力低減効果を得ることができる。
条件１：加熱上昇時間６０分
条件２：焼鈍時間４０分以上
条件３：焼鈍温度８５０℃±１０℃
条件４：炉冷時間１２０分

【0014】

本発明において、前記シールド部材は、前記マグネットおよび前記センサ基板の軸線方向の一方側を覆う底部と、前記底部の外周縁から前記軸線方向の他方側へ延びて前記マグネットおよび前記センサ基板の外周側を囲む側壁部と、を備えることが好ましい。このようにすると、ステータによって遮蔽されていない側をシールド部材によって覆うことができるので、外乱磁界を効果的に遮蔽できる。従って、エンコーダの検出角度に対する外乱磁界の影響を低減できる。

【0015】

次に、本発明は、上記のエンコーダを有するモータである。このようにすると、エンコーダの検出角度に対する外乱磁界の影響が少ないエンコーダ付きモータを提供できる。

【発明の効果】

【0016】

本発明によれば、エンコーダがマグネットおよび磁気センサを囲むシールド部材を備えているので、外乱磁界を遮蔽でき、エンコーダの検出角度に対する外乱磁界の影響を低減できる。また、シールド部材は、冷間圧延鋼板により形成され、少なくとも２回の磁気焼鈍加工が行われている。冷間圧延鋼板は、調達が容易で、低コストであり、加工性も優れている。また、本発明者らは、磁気焼鈍加工によって保磁力を低減させ磁気シールドとしての磁気特性を向上させるにあたって、１回の磁気焼鈍加工では磁気特性が安定しないが、２回以上磁気焼鈍加工を繰り返すことにより低い保磁力を安定して得ることができることを確認した。従って、本発明のエンコーダは、低コストでありながら磁気特性が良好なシールド部材を備えているので、外乱磁界による検出精度の低下を抑制できる。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】本発明に係るエンコーダを備えたモータの断面図である。

【図2】シールド部材の斜視図および平面図である。

【図3】磁気焼鈍加工による磁気特性の変化を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0018】

（全体構成）
以下に、図面を参照して、本発明を適用したモータの実施形態を説明する。図１は本発明に係るエンコーダ１０を備えたモータ１の断面図である。モータ１は、回転軸２０を備えたロータ２と、ロータ２の外周側に配置されるステータ３と、ステータ３を収容する筒状のモータケース４と、モータケース４の一端に固定される第１軸受けホルダ５と、モータケース４の他端に固定される第２軸受けホルダ６と、ロータ２の回転を検出するエンコーダ１０を備える。エンコーダ１０は、エンコーダケース７に収容される。

【0019】

ロータ２は、回転軸２０と、回転軸２０の外周面に固定されるロータマグネット２１を備える。回転軸２０は磁性材からなる。回転軸２０は、第１軸受けホルダ５の中央に形成された凹部に保持される第１軸受２２、および、第２軸受けホルダ６の中央に形成された凹部に保持される第２軸受２３に回転可能に保持される。本形態では、第１軸受２２および第２軸受２３はボールベアリングである。

【0020】

回転軸２０は、モータ１の径方向の中心において軸線方向Ｌへ延びている。本明細書において、軸線方向Ｌの一方側をＬ１、軸線方向Ｌの他方側をＬ２とする。第１軸受けホルダ５は、モータケース４の軸線方向Ｌの一方側Ｌ１の端部に固定され、第２軸受けホルダ６は、モータケース４の軸線方向Ｌの他方側Ｌ２の端部に固定される。回転軸２０は、第１軸受けホルダ５から軸線方向Ｌの他方側Ｌ２へ突出する出力軸２０Ａを備える。従って、本形態では、軸線方向Ｌの他方側Ｌ２は出力側であり、軸線方向Ｌの一方側Ｌ１は反出力側である。

【0021】

モータケース４は、アルミ等の非磁性金属からなる。ステータ３は、積層コアからなるステータコア３０と、ステータコア３０に設けられた複数の突極３１のそれぞれにインシュレータ３２を介して巻回されたコイル３３を備える。ステータコア３０は、モータケース４の内側に焼き嵌めあるいは圧入により固定される。ステータ３の一方側Ｌ１には、環状の配線基板３４が配置される。配線基板３４は、インシュレータ３２から突出する端子ピン３５を介してコイル３３に電気的に接続される。

【0022】

モータケース４の側面には、モータケース４に形成された切欠き部４０を覆うリード線ホルダ４１が固定される。コイル３３への給電用のリード線（図示せず）は、リード線ホルダ４１の内部へ引き回され、切欠き部４０からモータケース４の内側へ引き込まれて配線基板３４に接続される。

【0023】

モータ１はＡＣサーボモータであり、ステータ３は３相のコイル３３を備える。本形態では、コイル３３が配置されるスロット数は１２である。また、ロータマグネット２１は、外周面にＮ極とＳ極が周方向に交互に着磁された８極着磁マグネットである。つまり、本形態のモータ１は、８極１２スロットである。なお、モータ１の極数およびスロット数は、上記と異なっていてもよい。

【0024】

エンコーダケース７は、樹脂等の非磁性材からなる。エンコーダケース７は、第２軸受けホルダ６と軸線方向Ｌに対向する底部７１と、底部７１の外周縁から第２軸受けホルダ６に向けて他方側Ｌ２へ立ち上がる側壁部７２を備える。側壁部７２の先端と第２軸受けホルダ６との隙間はシール材８によりシールされる。側壁部７２には、エンコーダ１０に接続されるエンコーダ配線１９を外部に引き出すためのエンコーダ配線取り出し部７３が設けられている。

【0025】

（エンコーダ）
エンコーダ１０は磁気式エンコーダである。エンコーダ１０は、マグネットホルダ１１を介して回転軸２０に固定されるマグネット１２と、マグネット１２に対して軸線方向Ｌの一方側Ｌ１から対向する磁気センサ１３を備える。マグネット１２は、磁気センサ１３と対向する着磁面にＮ極とＳ極が１極ずつ着磁されている。磁気センサ１３が配置されるセンサ基板１４は、基板ホルダ１５を介して第２軸受けホルダ６に固定される。マグネット１２およびセンサ基板１４は、エンコーダケース７の内側に固定されるカップ状のシールド部材１６によって外周側および一方側Ｌ１が囲まれている。

【0026】

エンコーダ１０は、回転軸２０の回転に伴ってマグネット１２が回転し、マグネット１２の回転による磁界の変化を磁気センサ１３が検出する。磁気センサ１３は、ホール素子などの感磁素子である。磁気センサ１３の出力に基づく検出角度は、センサ基板１４上のコネクタ１７に接続されたエンコーダ配線１９を介して外部に出力される。

【0027】

図２は、シールド部材１６の斜視図および平面図である。シールド部材１６は、円形の底部１６１と、底部１６１の外周縁から他方側Ｌ２へ立ち上がる円筒状の側壁部１６２を備える。底部１６１には、エンコーダケース７の底部７１に設けられた凸部７４に嵌合する嵌合穴１６３が設けられ、嵌合穴１６３の両側に２か所の位置決め穴１６４が設けられている。また、側壁部１６２には、エンコーダ配線１９を通すための切欠き部１６５が設けられている。

【0028】

シールド部材１６は、導電性を有する磁性材からなる。本形態では、シールド部材１６は冷間圧延鋼板（ＳＰＣＣ）をプレス加工して形成され、磁気焼鈍加工が実施されている。磁気焼鈍加工は、以下の条件１－４を全て満たす熱処理条件で２回実施されている。なお、磁気焼鈍加工の実施回数は、２回よりも多くてもよい。
条件１：加熱上昇時間６０分
条件２：焼鈍時間４０分以上
条件３：焼鈍温度８５０℃±１０℃
条件４：炉冷時間１２０分

【0029】

図３は、磁気焼鈍加工による磁気特性の変化を示すグラフである。本発明者らは、電磁軟鉄（純鉄）、パーマロイ、ケイ素鋼、電磁ステンレス鋼などの従来磁気シールドとして使用されてきた素材の磁気特性と、冷間圧延鋼板（ＳＰＣＣ）の磁気特性を比較検討した。その際、１回あるいは２回以上磁気焼鈍加工を行った場合の磁気特性を比較検討した。その結果、図３に示すように、冷間圧延鋼板（ＳＰＣＣ）を使用した場合でも、２回以上磁気焼鈍加工を行えば、磁気焼鈍を１回行っただけの純鉄と同等の磁気特性（保磁力）を
得られることを確認できた。エンコーダ１０の磁気シールドとして使用する場合に、保磁力を１．０Ａ／ｃｍ程度あるいはそれ以下とすることを目標として材料の選定を行うが、低コストな冷間圧延鋼板（ＳＰＣＣ）でも、磁気焼鈍加工を少なくとも２回行えば、良好な磁気特性を安定して得られ、磁気特性が良好な磁気シールドとして使用できることを確認できた。

【0030】

シールド部材１６は、表面に腐食防止層を備える。腐食防止層を形成する処理は、磁気焼鈍加工を行った後に行われる。腐食防止層は、一般的な亜鉛メッキ層でもよいが、好ましくは、無電解ニッケルメッキ層とする。より好ましくは、高リンタイプ（例えば、リン含有率１０％以上）の無電解ニッケルメッキ層とする。もしくは、電着塗装を選択しても良い。

【0031】

（本形態の主な効果）
以上のように、本形態のモータ１は、回転軸２０を備えたロータ２と、ロータ２に径方向で対向するステータ３と、ロータ２の回転を検出するエンコーダ１０を備える。本形態のエンコーダ１０は、回転軸２０の軸線方向Ｌの一方側Ｌ１の端部に固定されるマグネットホルダ１１と、マグネットホルダ１１に保持されるマグネット１２と、マグネット１２に軸線方向Ｌの一方側Ｌ１から対向する磁気センサ１３、および、磁気センサ１３が配置されるセンサ基板１４と、マグネット１２および磁気センサ１３を囲むシールド部材１６と、を有する。シールド部材１６は冷間圧延鋼板（ＳＰＣＣ）により形成され、少なくとも２回の磁気焼鈍加工が行われている。

【0032】

本形態では、マグネット１２および磁気センサ１３を囲むシールド部材１６を備えているので、シールド部材１６によって外乱磁界を遮蔽できる。また、シールド部材１６は、冷間圧延鋼板（ＳＰＣＣ）により形成され、少なくとも２回の磁気焼鈍加工が行われている。冷間圧延鋼板（ＳＰＣＣ）は、調達が容易で、低コストであり、加工性も優れている。また、冷間圧延鋼板（ＳＰＣＣ）は、１回の磁気焼鈍加工では低い保磁力を安定して得ることはできず、磁気特性が不安定であるが、２回以上磁気焼鈍加工を繰り返した場合は、低い保磁力を安定して得ることができる。従って、本形態のエンコーダ１０は、低コストで磁気特性の良好なシールド部材１６を備えており、外乱磁界による検出精度の低下を抑制できる。

【0033】

本形態において、冷間圧延鋼板（ＳＰＣＣ）に対する磁気焼鈍加工は、以下の条件１－４を満たす熱処理条件で実施される。本発明者らは、このような熱処理条件で２回以上磁気焼鈍加工を行うことにより、安定した保磁力低減効果を得ることができることを検証した。
条件１：加熱上昇時間６０分
条件２：焼鈍時間４０分以上
条件３：焼鈍温度８５０℃±１０℃
条件４：炉冷時間１２０分

【0034】

シールド部材１６は、表面に腐食防止層が設けられている。例えば、本形態では、腐食防止層は、リン含有率１０％以上の高リン無電解ニッケルメッキ層である。高リンタイプの無電解ニッケルメッキ層は、非磁性であり、低リンタイプや中リンタイプの無電解ニッケルメッキ層よりも磁気特性の安定性が高い。従って、磁気特性が良好で、且つ、耐環境性が高く、経年変化に強いシールド部材１６として使用できるので、エンコーダ１０の耐久性が高い。

【0035】

なお、腐食防止層は、亜鉛メッキ層もしくは電着塗装である構成を採用することができる。これらの腐食防止層を用いた場合でも、シールド部材１６の耐久性を高めることがで
きる。

【0036】

本形態のシールド部材１６は、マグネット１２およびセンサ基板１４の軸線方向Ｌの一方側Ｌ１を覆う底部１６１と、底部１６１の外周縁から軸線方向Ｌの他方側Ｌ２へ延びてマグネット１２およびセンサ基板１４の外周側を囲む側壁部１６２を備える。このような形状にすることで、ステータ３および第２軸受けホルダ６によって遮蔽される側（軸線方向Ｌの他方側Ｌ２）以外の方向をシールド部材１６によって覆うことができ、外乱磁界を効果的に遮蔽できる。従って、エンコーダ１０の検出角度に対する外乱磁界の影響を低減できる。

【符号の説明】

【0037】

１…モータ、２…ロータ、３…ステータ、４…モータケース、５…第１軸受けホルダ、６…第２軸受けホルダ、７…エンコーダケース、８…シール材、１０…エンコーダ、１１…マグネットホルダ、１２…マグネット、１３…磁気センサ、１４…センサ基板、１５…基板ホルダ、１６…シールド部材、１７…コネクタ、１９…エンコーダ配線、２０…回転軸、２０Ａ…出力軸、２１…ロータマグネット、２２…第１軸受、２３…第２軸受、３０…ステータコア、３１…突極、３２…インシュレータ、３３…コイル、３４…配線基板、３５…端子ピン、４０…切欠き部、４１…リード線ホルダ、７１…底部、７２…側壁部、７３…エンコーダ配線取り出し部、７４…凸部、１６１…底部、１６２…側壁部、１６３…嵌合穴、１６４…位置決め穴、１６５…切欠き部、Ｌ…軸線方向、Ｌ１…軸線方向の一方側、Ｌ２…軸線方向の他方側

【図1】

【図2】

【図3】