ロータリエンコーダ用マグネットのノイズフリー磁場検査

文：Koen Vervaeke博士

Magcamの確立された3軸磁場カメラ技術に基づき、ロータリーエンコーダーセンサーマグネットのノイズのない磁場分布を測定する方法について報告します。この方法は、磁石の上方から近い距離で2D平面上の3軸磁場分布を測定し、より大きな距離で実質的にノイズのないデータを得る特許取得済みの「距離フィルター」アルゴリズムを用いて、この磁場分布を3Dボリュームに外挿するものです。この強力な手法により、磁場分布と磁石の固有角度誤差を、最初に測定した面の測定分解能よりも高い分解能で評価することができます。

電気モーターや回転式位置決め装置などの角度エンコーダーに広く使用されている2極ロータリーエンコーダー用磁石の磁気特性を評価する方法を紹介します。この方法では、独自の「距離フィルター」アルゴリズムを使用し、磁石または磁石アセンブリの上方のある特定の（近い）距離で記録された磁場分布を、非常に高速で、測定ノイズを強く抑制しながら別の（大きい）距離へ外挿することができます。これにより、高速かつ高精度な測定が可能となり、生産品質管理にも適しています。

Distance Filterアルゴリズムは、Magcamの磁場カメラシステムと組み合わせて使用されます。磁石から離れる方向に外挿する場合、ノイズが強く抑制されるため、µTeslaの磁場分解能を得ることができます。このため、磁石から遠く離れた場所で直接測定するとS/N比が悪くなるため、距離フィルターアルゴリズムは磁石から遠く離れた磁場分布の決定に非常に有効です。

つまり、測定された磁場画像のすべてのエッジにおいて、磁場が画像エッジの外側に向かってゼロに向かって単調に減少している必要があることを意味します。実際には、磁石の周りの余分なスペースを含めて、十分に広い領域を測定する必要があります。

マグスコープ-距離-フィルター-配給 — 図1.Z0 = 0.3mmにおけるX方向に沿ったBz磁場分布と断面の実測値（左）と、Z1 = 2mmにおけるDistance Filterの結果（右）。

Consider a cylindrical axially magnetized 2-pole rotary encoder magnet, with the cylindrical symmetry axis pointing in the Z direction. The original measurement is in the XY plane at a certain height Z0 above the magnet surface. The magnetic field distribution at a different height Z1 is obtained by the Distance Filter method by supplying one single input parameter Delta, namely the distance between the original measurement plane and the desired plane: Delta = Z1 - Z0. When Delta > 0 the extrapolation takes place in the direction away from the magnet. When Delta < 0, the extrapolation is in the direction towards the sample. When Delta = 0 the original data is retained.

図1は、Z0 = 0.3mmでのBz磁界分布とX方向断面の測定結果（左）と、Z1 = 2mmでのDistance Filterの結果（右）です。これにより、Deltaの値は次のようになります。Delta = 2mm - 0.3mm = 1.7mmとなります。

一般的なエンドアプリケーションでは、Bx,Byセンサーはロータリーエンコーダの磁石の対称軸上に、磁石表面からある距離（通常は数mm）に配置されます。このような距離では、Bxy磁場は通常50mTのオーダーとなります。Bx,Byセンサーは、BxとByを測定し、それらからatan2(By,Bx)を用いて磁場の面内角度を計算する。磁場分布の不均一性により、この角度の測定値には一定の誤差が生じる。このような磁石の品質管理では、この角度誤差を0.1°以上の高い精度で求める必要がある。磁場カメラとディスタンスフィルターを組み合わせることで、以下のような優れた方法でこれを実現することができます。

上記のアプリケーションでBx,Byセンサーの作動距離で直接磁場分布を測定すると、磁石に非常に近い距離（通常0.3～0.5mm）で測定するよりもS/N比が悪くなってしまいます。距離フィルターは、近距離から遠距離までS/N比を「維持」することを可能にし、その結果、事実上ノイズのない磁場分布を得ることができます。

2極軸着磁シリンダーマグネットをMiniCube-3D磁場カメラで測定。 — 図2. MiniCube 3D磁場カメラで測定した2極軸着磁型シリンダーマグネット

3次元磁場分布は、MagcamMiniCube 3D磁場カメラ（図2参照）を用いて、磁石表面から至近距離で測定されます。

上述したように、このアプリケーションに関連する磁場成分は、面内（Bxy）磁場と磁石の中心部の領域における磁場の面内方向（方位角）です。これらの成分は、以下に説明するように解析することができます。

図3.Z = 0.3mm（左）、Z = 2mm（右）の場合、磁石の中央に円形断面を持つBxy（面内）磁場分布。1D Plotsでは、最小値と最大値が自動的に検出される。

Bxy成分は、磁界のBx成分とBy成分から容易に求めることができます（図3）。磁石の中心を中心に、ある半径（この例では0.25mm）の円を補間し、最終的なアプリケーションでBx,Byセンサーが配置される許容範囲によって一般的に決定される。得られた折れ線グラフから、最大値と最小値が自動的に検出され、それらが許容範囲内にあるかどうかを確認するための合否判定に直接使用することができます。