CN104165577B - 旋转角度检测器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种旋转角度检测器，以简单的结构，低价地防止由周围温度的变化导致的旋转角度的检测精度的下降。将磁性传感器(4)作为基点，在磁铁2的相反侧设置双金属片(10)。在该双金属片(10)的隔着磁性传感器(4)与磁铁(2)的一个面(2a)平行相对的面的中央部设置磁性体板(11)。由此，磁铁(2)和磁性体板(11)的间隙量l发生变化，以抵消由周围温度变化导致的磁铁(2)的磁通量密度的变化量，就能够使作用于磁性传感器(4)的磁通量密度一定，防止由周围温度的变化导致的旋转角度检测精度的下降。

Description

旋转角度检测器

技术领域

本发明涉及一种旋转角度检测器，根据磁性传感器检测的磁通量密度的变化检测出检测对象的旋转角度。

背景技术

以往，作为这种旋转角度检测器，以下结构被多次提出：将具有N极和S极的磁铁的旋转体和检测磁通量密度的变化的磁性传感器组合，使旋转体相对于磁性传感器旋转，由此，根据磁性传感器检测到的磁通量密度的变化检测出检测对象的旋转角度。

图10示出了现有的旋转角度检测器的一例。在该图中，1是旋转轴，2是安装于该旋转轴1的顶端的磁铁。磁铁2的平面形状被做成圆形，在直径方向上被磁化。旋转轴1上嵌合固定有齿轮3，齿轮3随着检测对象的旋转而旋转，旋转轴1与该齿轮3一体地旋转。即，旋转轴1将轴心O1作为中心，随着检测对象的旋转而旋转，磁铁2与该旋转轴1一体地旋转。磁铁2被安装于旋转轴1的顶端，以使得该旋转中心和旋转轴1的轴心O1一致。

4是对磁通量密度的变化进行检测的磁性传感器。将相对于磁铁2的直径方向正交的方向作为磁铁2的厚度方向，磁性传感器4被配置在印刷电路板5上，使得其感磁面4a与该磁铁2的厚度方向的一个面(上表面)2a平行相对，并且使该感磁面4a的中心(磁性传感器4的中心)与磁铁2的旋转中心相一致。6是将磁性传感器4作为基点，配置在磁铁2的相反侧的圆板状的磁性体。

印刷电路板5以及磁性体6被保持于金属制的支架7。支架7被安装于箱主体8。旋转轴1的顶端的外周面被做成研钵状，在该被做成研钵状的旋转轴1的外周面和支架7之间设置有轴承9。该轴承9为了与旋转轴1的顶端的研钵状的外周面相配合，对该研钵状的外周面进行轴支承，而被做成变形轴承。另外，专利文献1中也示出了使用了变形轴承的旋转角度检测器。

在该旋转角度检测器200中，齿轮3随着检测对象的旋转而旋转，旋转轴1与该齿轮3一体地旋转，磁铁2将该旋转轴1的轴心O1作为中心而旋转。即，从磁铁2的N极回到S极的磁通量的方向在旋转。由此，作用于磁性传感器4的感磁面4a的磁通量密度发生变化，根据该磁性传感器4检测到的磁通量密度的变化检测出检测对象的旋转角度。

另外，在图10中，采用使用了霍尔元件的磁性传感器、使用了MR元件(磁阻效应元件)的磁性传感器等作为磁性传感器4。采用使用了霍尔元件的磁性传感器4的话，对作用于该磁性传感器4的感磁面4a的向X方向以及Y方向(参照图11)的磁通量密度的变化进行检测。

在该旋转角度检测器200中，将磁性传感器4作为基点，在磁铁2的相反侧设置圆板状的磁性体6，由此，得到以下两个效果。

(1)利用磁性体6和磁铁2之间的吸引力，旋转轴1与磁铁2一起被磁性体6吸引，旋转轴1的顶端的研钵状的外周面被推压至轴承9(变形轴承)的内周面。由此，旋转轴1的轴心O1和磁铁2的旋转中心一致，旋转轴1的向横方向(X、Y方向)的轴偏差就难以产生，旋转角度的检测精度得到提高。

(2)通过用磁铁2和磁性体6夹着磁性传感器4，由于磁性收敛效果，磁性传感器4的周边部的磁通量密度被提高，其结果是，磁性传感器4的输出的S/N比提高，旋转角度的检测精度得到提高。

现有技术文献

专利文献

专利文献1日本特开2003-214896号公报

发明内容

发明要解决的课题

然而，采用上述的现有的旋转角度检测器200的话，由于磁铁2的磁通量密度随着周围温度的变化而变化，作用于磁性传感器4的磁通量密度发生变化，因此在周围温度变化这样的环境下就会产生旋转角度的检测误差。

磁通量密度随着周围温度的变化而变化是一直以来众所周知的。即，永磁铁被加热的话，热能增加，构成磁铁的小磁铁(磁矩)就会振动。将该现象称为热波动。加热到一定程度的话，小磁铁就会失去方向性，各自进行随机的运动。将该温度称为居里点。如果将磁铁加热到居里点以上，再回复到室温的话，就会完全失去磁力。将这称为热退磁。磁通量密度随着周围温度的变化而变化，其作为这样的热波动、热退磁而被人们所知。

另外，为了相对于周围温度的变化将测量精度维持在较高的水平，为补偿伴随着温度变化的输出偏移量而进行温度修正，但是在温度修正的校正工序中，实际上需要以多种方式对周围的温度进行设定，存在耗费时间的问题。

本发明正是为了解决这种课题而做出的，其目的在于，提供一种旋转角度检测器，能够以简单的结构，低价地防止由周围温度的变化导致的旋转角度的检测精度的下降。

用于解决课题的手段

为了达成这样的目的，本发明提供一种旋转角度检测器，其具有：旋转轴；将该旋转轴的轴心作为中心旋转的、在直径方向被磁化的磁铁；以及磁性传感器，其对作用于磁性传感器的感磁面的磁通量密度的变化进行检测，将相对于该磁铁的直径方向正交的方向作为该磁铁的厚度方向，该磁性传感器被配置为使得该磁性传感器的感磁面与该磁铁的厚度方向的一个面平行相对，并且使该感磁面的中心与磁铁的旋转中心一致，旋转角度检测器根据磁性传感器检测到的磁通量密度的变化检测出检测对象的旋转角度，旋转角度检测器的特征在于，具有：结构体，所述结构体以磁性传感器作为基点被设置在磁铁的相反侧，结构体的隔着磁性传感器与磁铁的一个面相对的面的中央部的位置根据周围温度变化而机械性地位移；以及磁性体，所述磁性体被安装在结构体的与磁铁的一个面相对的面的中央部，通过由周围温度变化导致的结构体的与磁铁的一个面相对的面的中央部的位置的位移，一方面保持磁性体与磁铁的一个面的平行的位置关系，一方面磁性体和磁铁的一个面之间的距离随着周围温度变化而发生变化。

在本发明中，在将磁性传感器作为基点的磁铁的相反侧设置有结构体，该结构体的隔着磁性传感器与磁铁的一个面相对的面的中央部的位置随着周围温度变化而机械性地位移，在该结构体的与磁铁的一个面相对的面的中央部安装有磁性体。通过由周围温度变化导致的结构体的与磁铁的一个面相对的面的中央部的位置的位移，一方面保持磁性体与磁铁的一个面的平行的位置关系，一方面磁性体和磁铁的一个面之间的距离随着周围温度变化而发生变化。在此，只要通过由周围温度变化所导致的结构体的与磁铁的一个面相对的面的中央部的位置的位移，使磁性体和磁铁的一个面之间的距离发生变化，以抵消由周围温度变化导致的磁铁的磁通量密度的变化量，就能够使作用于磁性传感器的磁通量密度一定，防止由周围温度的变化导致的旋转角度检测精度的下降。

例如，在本发明中，使磁性体和磁铁的一个面之间的距离随着周围温度上升而向远离磁铁的方向变化。周围温度变高的话，磁铁的磁通量密度就下降，作用于磁性传感器的磁铁的磁通量密度降低，但是通过结构体使磁性体发生位移以远离磁铁，由此就能够将作用于磁性传感器的磁铁的磁通量密度保持为一定，防止由周围温度的变化导致的旋转角度检测精度的下降。

在本发明中，结构体作为结构简单且容易制造的构件，考虑由双金属片构成的构件、由中空的隔膜构成的构件、由波纹管构成的构件以及由形状记忆合金制的弹簧构成的构件。

发明效果

根据本发明，在将磁性传感器作为基点的磁铁的相反侧设置结构体，所述结构体的隔着磁性传感器与磁铁的一个面相对的面的中央部的位置随着周围温度变化而机械性地位移，在该结构体的与磁铁的一个面相对的面的中央部安装磁性体，通过由周围温度变化导致的结构体的与磁铁的一个面相对的面的中央部的位置的位移，一方面保持磁性体与磁铁的一个面的平行的位置关系，一方面磁性体和磁铁的一个面之间的距离随着周围温度变化而发生变化，因此通过由周围温度变化所导致的结构体的与磁铁的一个面相对的面的中央部的位置的位移，使磁性体和磁铁的一个面之间的距离发生变化，以抵消由周围温度变化导致的磁铁的磁通量密度的变化量，就能够使作用于磁性传感器的磁通量密度一定，防止由周围温度的变化导致的旋转角度检测精度的下降。

附图说明

图1是示出本发明所涉及的旋转角度检测器的一个实施形态的关键部的侧剖面图。

图2是示出该旋转角度检测器中的磁铁和磁性传感器的配置关系的俯视图以及侧视图。

图3是比较性地示出使用设置了磁性体板作为凸部的情况和使用平板状的磁性体(不具有凸部的磁性体)的情况下的磁通量的流动。

图4是示出周围温度与双金属片的中央部位置的机械位移量的关系的图。

图5是示出双金属片的中央部位置随着周围温度的变化而机械性地位移了的状态的图。

图6是示出磁铁和磁性体板的间隙量与通过磁性传感器的磁通量密度的关系的图。

图7是示出使用隔膜作为将温度变化转换为机械性的位移的结构体的例子的图。

图8是示出使用波纹管作为将温度变化转换为机械性的位移的结构体的例子的图。

图9是示出使用形状记忆合金制的弹簧作为将温度变化转换为机械性的位移的结构体的例子的图。

图10是示出现有的旋转角度检测器的一例的侧剖面图。

图11是示出现有的旋转角度检测器中的磁铁和磁性传感器的配置关系的俯视图以及侧视图。

具体实施方式

以下基于附图对本发明进行详细说明。图1是示出本发明所涉及的旋转角度检测器的一个实施形态的关键部的侧剖面图。在该图中，与图10相同的符号表示了与参照图10说明的构成要素相同或等同的构成要素，其说明省略。

该旋转角度检测器100与现有的旋转角度检测器200最大的不同点在于，设置双金属片10代替磁性体6，在该双金属片10的隔着磁性传感器4与磁铁2的一个面2a平行相对的面的中央部设置板(磁性体板)11作为向磁铁2侧突出的凸部，该板11是用磁性体制成的。

双金属片10是将热膨胀系数不同的两片合金薄板贴合在一起作为一片板制成的，由于伴随着温度变化的各合金延伸的差异所导致的弯曲，其中央部的位置发生机械性的位移。在本实施形态中，双金属片10被做成以下结构：随着周围温度上升，向远离磁铁2的方向发生位移(随着周围温度降低，向靠近磁铁2的方向发生位移)。

又，在本实施形态的旋转角度检测器100中，旋转轴1的顶端的外周面没有被做成研钵状，而是被做成了相同直径的平坦面。下面，为了和现有的旋转角度检测器200中的旋转轴1进行区分，令本实施形态的旋转角度检测器100中的旋转轴1为1A，令现有的旋转角度检测器200中的旋转轴1为1B。

又，在本实施形态的旋转角度检测器100中，没有使用变形轴承作为轴承9，而是使用通常的轴承。下面，为了和现有的旋转角度检测器200中的轴承9进行区分，令本实施形态的旋转角度检测器100中的轴承9(通常的轴承)为9A，令现有的旋转角度检测器200中的轴承9(变形轴承)为9B。

另外，在本实施形态中，使用钕磁铁、钐钴磁铁、铝镍钴磁铁等作为磁铁2，使用碳素钢(S45C)、压延钢板(SPCC)、一般结构用圧延钢材(SS400)等作为磁性体板11。又，作为双金属片10，使用因瓦合金、镍-铬-铁合金、镍-锰-铁合金、锰-铜-镍合金等。

在该旋转角度检测器100中，由于在双金属片10的隔着磁性传感器4与磁铁2的一个面2a平行相对的面的中央部设置有磁性体板11作为向磁铁2侧突出的凸部，因此作用于磁性传感器4的感磁面4a的来自磁铁2A的磁通量的流动就比较水平。

在图3中比较性地示出了设置磁性体板11作为凸部的情况和使用平板状的磁性体(不具有凸部的磁性体)6的情况下的磁通量的流动。图3的(a)示出了在设置磁性体板11作为凸部的情况下的磁通量的流动，图3的(b)示出了在使用了不具有凸部的磁性体6的情况下的磁通量的流动。采用不具有凸部的磁性体6的话，磁铁2和磁性体6之间的磁通量的流动不会变得水平(即使靠近也一样)，但在设置了磁性体板11作为凸部的情况下，磁铁2和磁性体板11之间的磁通量的流动就会变得比较水平。

这样一来，在本实施形态的旋转角度检测器100中，由于作用于磁性传感器4的感磁面4a的来自磁铁2的磁通量的流动因磁性体板11而变得比较水平，因此作用于磁性传感器4的感磁面4a的X方向以及Y方向(参照图2)的磁通量密度就变得均匀，由磁性传感器4和磁铁2之间的向着横方向的轴偏差而导致的磁通量密度的变动就会变小，旋转角度的检测精度的劣化就得到抑制。

又，采用该旋转角度检测器100的话，由于磁性传感器4和磁铁2之间的向着横方向的轴偏差的允许范围扩大了，就能够使用通常的轴承代替变形轴承来作为轴承9。由此，能够以简单的结构，低价地提高旋转角度的检测精度。又，轴承的摩擦损耗也减少，抗震也变强。

[周围温度变化]

又，在本实施形态的旋转角度检测器100中，双金属片10的中央部的位置根据周围温度变化而机械性地位移。在图4中示出了周围温度[℃]和双金属片10的中央部的位置的机械性位移量[mm]的关系。如该关系所示的那样，在将20℃时的机械性位移量设为0mm的情况下，双金属片10的中央部的位置随着温度上升而向远离磁铁2的方向发生位移。同样地，双金属片10的中央部的位置随着温度下降而向靠近磁铁2的方向发生位移。

在图5中示出了双金属片10的中央部的位置根据周围温度的变化而机械性地位移的状态。图5的(a)示出了由于周围温度下降，双金属片10的中央部的位置靠近了磁铁2的状态，图5的(b)示出了由于周围温度上升，双金属片10的中央部的位置远离了磁铁2的状态。

这样，在本实施形态的旋转角度检测器100中，随着周围温度变化，双金属片10的中央部的位置发生位移，随着该双金属片10的中央部的位置的位移，磁性体板11一边保持与磁铁2的一个面2a平行的位置关系一边上下运动。

即，在本实施形态的旋转角度检测器100中，随着周围温度的变化，一方面保持磁性体板11和磁铁2的一个面2a平行的位置关系，另一方面磁性体板11和磁铁2的一个面2a之间的距离l发生变化。下面，将该距离l称为磁铁2和磁性体板11的间隙量。

在图6中示出了磁铁2和磁性体板11的间隙量l[mm]与通过磁性传感器4的磁通量密度[mT]的关系。在图6中，特性I表示周围温度是20℃时的关系，特性II表示周围温度是40℃时的关系，特性III表示周围温度是60℃时的关系。

例如，在将磁性体板11的初期的组装位置设为l＝5mm的情况下，在没有使用双金属片10的情况下，即在没有将温度变化转换为机械性位移的结构体的情况下，周围温度像20℃→40℃→60℃这样上升的话(图6中示出的箭头(1)、(2))，则磁铁2的磁通量密度下降，通过磁性传感器4的磁通量密度像116mT→114mT→112mT这样下降。

对此，在使用了双金属片10的情况下，即在有将温度变化转换为机械性位移的结构体的情况下，周围温度像20℃→40℃→60℃这样上升的话(图6中示出的箭头(3)、(4))，则双金属片10的中央部的位置随着该周围温度的上升向远离磁铁2的方向变化，磁性体板11也随之相对于磁铁2上升，磁铁2和磁性体板11的间隙量l像5mm→5.35mm→5.85mm这样扩大。由此，通过磁性传感器4的磁通量密度就被维持在116mT，磁铁2的磁通量密度伴随着周围温度的上升的降低量就被抵消。

这样一来，采用本实施形态的旋转角度检测器100的话，磁铁2和磁性体板11的间隙量l发生变化，以抵消由周围温度变化导致的磁铁2的磁通量密度的变化量，就能够使作用于磁性传感器4的磁通量密度一定，防止由周围温度的变化导致的旋转角度检测精度的下降。

另外，在上述的实施形态中，使用双金属片10作为将温度变化转换为机械性位移的结构体，但是作为和双金属片10一样构成简单且容易制造的结构体，也可以使用图7中示出的那样的隔膜12，也可以使用图8中示出的那样的波纹管，也可以使用图9中示出的那样的形状记忆合金制的弹簧14。

[实施形态的扩张]

以上，参照实施形态对本发明进行了说明，但是本发明不仅限于上述的实施形态。对于本发明的结构及详细内容，本领域技术人员可以在本发明的技术思想范围内，进行能够理解的各种变更。

工业应用性

对于阀门执行机构的开发，应进行新技术开发的内容中，列举有执行机构的旋转角度的检测的高精度化(包含经年变化降低)。通过提高执行机构的旋转角度的检测精度，能够提高控制的阀门的流量精度，能够满足预想今后扩大进行的能量管理或节能要求。又，通过非接触的磁性传感方式，能够在实施能量管理的基础上确保长期可靠性。本发明的旋转角度检测器不仅限于执行机构，也能向定位器展开。

符号说明

1A：旋转轴，2：磁铁，2a：磁铁的一个面，3：齿轮，4：磁性传感器，4a：感磁面，5：印刷电路板，7：支架，8：箱主体，9A：轴承，10：双金属片，11：磁性体板，12：隔膜，13：波纹管，14：形状记忆合金制的弹簧，100：旋转角度检测器。

Claims (6)

1.一种旋转角度检测器，其具有：

旋转轴；

将该旋转轴的轴心作为中心旋转的、在直径方向被磁化的磁铁；以及

磁性传感器，其对作用于所述磁性传感器的感磁面的磁通量密度的变化进行检测，将相对于该磁铁的直径方向正交的方向作为该磁铁的厚度方向，该磁性传感器被配置为使得该磁性传感器的感磁面与该磁铁的垂直于厚度方向的一个面平行相对，并且使该感磁面的中心与所述磁铁的旋转中心一致，

所述旋转角度检测器根据所述磁性传感器检测到的磁通量密度的变化检测出检测对象的旋转角度，

所述旋转角度检测器的特征在于，具有：

结构体，所述结构体以所述磁性传感器作为基点被设置在所述磁铁的相反侧，所述结构体的隔着所述磁性传感器与所述磁铁的一个面相对的面的中央部的位置根据周围温度变化而机械性地位移；以及

磁性体，所述磁性体被安装在所述结构体的与所述磁铁的一个面相对的面的中央部，

通过由周围温度变化导致的所述结构体的与所述磁铁的一个面相对的面的中央部的位置的位移，一方面保持所述磁性体与所述磁铁的一个面的平行的位置关系，一方面所述磁性体和所述磁铁的一个面之间的距离随着周围温度变化而发生变化。

2.如权利要求1所记载的旋转角度检测器，其特征在于，

所述磁性体和所述磁铁的一个面之间的距离随着周围温度上升而向远离所述磁铁的方向变化。

3.如权利要求2所记载的旋转角度检测器，其特征在于，

所述结构体由双金属片构成。

4.如权利要求2所记载的旋转角度检测器，其特征在于，

所述结构体由中空的隔膜构成。

5.如权利要求2所记载的旋转角度检测器，其特征在于，

所述结构体由波纹管构成。

6.如权利要求2所记载的旋转角度检测器，其特征在于，

所述结构体由形状记忆合金制的弹簧构成。