多極式充磁頭用於製作高解析度與高精度磁性尺之可行性研究

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研究生：	張哲綱 Chang, Che-Kang
論文名稱：	多極式充磁頭用於製作高解析度與高精度磁性尺之可行性研究 Feasibility Study of High Resolution and High Precision Magnetic Scale Fabricated by Multi-Pole Magnetizing Head
指導教授：	宋震國 Sung, Cheng-Kuo
口試委員:	金重勳 Chin, Tsung-Shune 張禎元 Chang, Jen-Yuan 王勝清 Wang, Sheng-Ching 徐志豪 Xu, Zhi-Hao
學位類別：	碩士 Master
系所名稱：	工學院 - 動力機械工程學系 Department of Power Mechanical Engineering
論文出版年：	2020
畢業學年度：	108
語文別：	中文
論文頁數：	89
中文關鍵詞：	多極式充磁頭、磁性編碼器、磁極寬、磁極距
外文關鍵詞：	Multi-pole magnetization, Magnetic encoder, Pole pitch, Compensation
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本論文主要探討多極式充磁頭(Multipole magnetizing head) 製作高解析度及高精度磁性尺的可行性，該多極式充磁頭為應用於線性磁性編碼器(Magnetic encoder)之製程端，藉由一次性的多極充磁，提升每條磁性尺磁極距與場強重複性，並縮短磁性編碼器的製作時間與成本，目標為開發具量產能力之磁性編碼器。
多極式充磁頭具有多個極寬(Pole width)，可於單一次充磁(Magnetize)激發下，以相同的電流產生多個磁場將線性磁性尺加以充磁。而此線性磁性編碼器的有效工作長度，則取決於多極式充磁頭的極數多寡與邊緣效應影響的大小。多極式與單極式充磁頭的差異在於，前者的誤差來源為製作多極充磁座加工機台之累積誤差，後者則為線性定位平台之定位精度誤差，兩者相比後可推斷單極式充磁之磁性尺會有較佳的位置精度，但因其製程時間冗長，因此產生了多極式充磁的想法，可在低成本與高產率的情況下，製作出應用於自動化產線之磁性編碼器。
本文分為兩部分，一為充磁頭參數模擬，二為充磁頭製作、磁性尺精度量測與誤差補償。前者模擬重點為，比較不同繞線匝數、充磁電流、充磁間隙與幾何尺寸，探討線性磁性尺上殘留磁場的磁極距(Pole pitch)準確性與磁場強度(Magnetic field strength)分布之一致性，並選定最佳參數設計之多極式充磁頭。後者為實際加工並繞製出多極式充磁頭，雖然實際充磁結果會因繞線平整度、加工誤差與實驗環境相關，但依舊能藉由實驗結果觀察其是否與模擬有相近趨勢，並評估此多極式充磁之可行性。此研究將有助於線性磁線編碼器之量產研發。

The purpose of this study is aimed to investigate the feasibility of fabricating high resolution and high precision magnetic scales by multi-pole magnetization. Unlike the single-pole magnetization, by imitating mold forming process, the multi-pole magnetizing head is used to produce the required number of poles by just one magnetization, which not only minimizes manufacturing time but increases the repeatability of the magnetic pole pitch and flux density.
Our lab has conducted research on magnetic encoders for more than eight years. Multi-pole magnetization was the primary research focus at the beginning. However, we could not obtain a multi-pole head with uniform pole pitch, magnetic flux density and adequate precision at that point in time. Presently, thanks to the advance of high precision machine and machining technique in Taiwan, a few machine shops already have the capability, so we decide back to the beginning to develop the magnetic encoders for automation and even machine tool industry.
The scope of this study includes two parts: one is related to the design simulation and fabrication of multi-pole magnetizing head; second is on accuracy measurement, calibration and error compensation of magnetic scales. The simulation is aimed to seek for the optimal design parameters for fabricating magnetic scale with uniform pole pitch and magnetic field strength, then we will conduct experiment to validate the design. The results show that using multi-pole magnetization for high precision magnetic scale is feasible, this research demonstrates great impact on increase of productivity of manufacturing linear magnetic scale.

摘要----------------------I
Abstract-----------------II
致謝--------------------III
目錄---------------------IV
圖目錄------------------VII
表目錄------------------XII
第一章 緒論---------------1
1-1 前言------------------1
1-2 技術背景--------------4
1-2.1 磁性編碼器架構------4
1-2.2 磁性編碼器的製備----6
1-2.3 磁阻元件感測方式---12
1-3 文獻回顧-------------16
1-4 研究動機-------------29
1-5 本文架構-------------30
第二章 研究理論----------31
2-1 磁化理論-------------31
2-1.1 磁性材料-----------31
2-1.2 磁滯曲線-----------32
2-1.3 充磁過程-----------35
2-2 磁阻效應-------------37
2-2.1 巨磁阻效應---------38
2-2.2 異向性磁阻效應-----38
2-2.3 磁阻元件於磁性編碼器上的應用---40
2-3 霍爾效應-------------------------41
第三章 實驗設備與磁場模擬方法--------42
3-1 實驗設備-------------------------42
3-1.1 充磁設備-----------------------42
3-1.2 花崗岩直規量測載台-------------46
3-1.3 多孔性真空陶瓷吸盤-------------47
3-2 磁場模擬-------------------------49
3-2.1 模型建立與前處理---------------49
3-2.2 求解與後處理-------------------51
3-2.3 模擬結果與討論-----------------54
3-2.4 磁場模擬小結-------------------56
第四章 短行程多極式充磁頭------------58
4-1 磁場模擬-------------------------58
4-1.1 前言---------------------------58
4-1.2 單向多極式充磁頭---------------59
4-1.3 雙向多極式充磁頭---------------62
4-1.4 多極式充磁頭模擬小結-----------66
4-2 實驗結果-------------------------67
4-2.1 單向多極式充磁頭---------------67
4-2.2 雙向多極式充磁頭---------------68
4-3 雙向多極式充磁之模擬驗證---------75
第五章 長行程多極式充磁頭------------78
5-1 500極雙向多極式充磁頭------------78
5-1.1 磁場模擬-----------------------78
5-1.2 實驗結果-----------------------78
5-1.3 誤差補償-----------------------81
第六章 結論與未來工作----------------85
6-1 結論-----------------------------85
6-2 未來工作-------------------------86
參考文獻-----------------------------87

                                

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