JP2004264222A - 回転角度センサ用磁気マーカ - Google Patents

Abstract

【課題】円盤型磁気マーカ（７０）や半月型磁気マーカ（２０）の形状を各種変形することにより、例えば、±６０°の広い角度範囲にわたって高精度な直線性を得られる回転角度センサを提供する。
【解決手段】軸（Ｏ）及びその軸（Ｏ）との回動を自在にする枢支部と、前記軸（Ｏ）に付設して一体をなす磁気マーカ（１０）と、前記枢支部に配設され前記磁気マーカ（１０）との角度に応じた電気信号を生成する感磁素子（１）と、を備えた回転角度センサにおいて、軸断面形状が紡錘型の磁性部材であり、前記軸（Ｏ）から直角方向に張り出した突端部（１１），（１２）に磁極（Ｎ），（Ｓ）を設けたことを特徴とする回転角度センサ用磁気マーカである。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ロータとステータに配設された磁気マーカと感磁素子との組み合わせにより角度の変化を検出するように構成された回転角度センサにおける磁気マーカの形状に関する。具体的には、精度の要求されるクレーンのアームを動かすレバーの回転角度を磁気的に非接触で検知して電気信号に変換する用途に好適である。
【０００２】
【従来の技術】
この種の技術として特許文献１がある。この従来例には、十分な検出角度範囲において、回転角度と磁束密度の測定値との直線性（リニアリティ）を良好に保ち、回転角度の計測精度を向上させるものである。すなわち、回転軸と同心円上にスリーブが固定され、回転軸はスリーブ内を貫通し、スリーブには、磁束密度を測定する一対のホール素子が取り付けられている。スリーブの周囲には磁石及び磁性部材から作られた磁気回路が設けられ、磁気回路は回転軸に固定され、回転軸が回転すると回転する。ホール素子はこのときの磁束密度の変化を測定し出力する。磁性部材の間に設けられた隙間により、隙間近辺の磁束密度が低下させることにより、回転角度と磁束密度の測定値の直線性を向上可能にした回転角度センサに関する技術が開示されている。
【０００３】
【特許文献１】
特開平１０−１２２８１０号公報
【０００４】
図７に沿って他の従来例を説明する。図７は従来の円盤型磁気マーカとホールＩＣを用いた回転角度センサにおける磁力線に関連した動作説明図である。円盤型磁気マーカ７０は、原点Ｏを中心とする被測定軸（以下、「軸Ｏ」ともいう）に付加して一体となり回転動作するように配設されている。
【０００５】
ここでは、円盤型磁気マーカ７０とホールＩＣ１との相対的な位置関係を角度で特定できれば説明できるので、図７においては、説明の便宜上、円盤型磁気マーカ７０を図面上で静止させ、軸Ｏを中心として枢支部７（軌跡と共通の符号）が回動自在であり、枢支部７に配設されたホールＩＣ１が、原点Ｏを中心とするＸ−Ｙ座標で軌跡７（枢支部と共通の符号）に沿って衛星動作するアウターロータ形態で説明している。このことは、後述説明に用いる図１〜２も同様である。
【０００６】
円盤型磁気マーカ７０は、直径の両端部を形成する外周上の点７１と点７２が概ねＮ極とＳ極を形成しているが、棒磁石のようにＮ−Ｓの磁極がそれぞれの極点に集中しているわけではない。このように磁性部材が円盤型の場合、その直径が２〜３ｍｍと微小であるため、着磁形態が精密でなく、しかも尖っていない場所に磁極を形成するので、点７１，７２はピンポイントの磁極にならず、点７１，７２を中心とした近辺に、円盤型磁気マーカ７０の上半分がＮ極、下半分がＳ極に分かれる程度に、大まかな磁極を形成している。
【０００７】
従って、磁力線７４〜７９がＹ軸を中心とする４５°〜１３５°の範囲内で、点７１，７２の近辺からまばらに発生している。そして、Ｘ軸上が無磁界部のため、Ｘ軸を中心とする±４５°と１３５°〜２２５°（以下、９０°〜２７０°の範囲内における説明は省略する）の範囲内で、磁力線７４〜７９（以下、磁力線７７〜７９に関する説明も省略する）は、円盤型磁気マーカ７０に出入することなく、原点Ｏを中心とする同心円を描いて円盤型磁気マーカ７０の周回軌道上を周回している。
【０００８】
なお、磁力線７４〜７９は説明の便宜上、模式的に図解したに過ぎず、鉄粉又は磁針を用いての厳密な検証に基づくものではない。このことは、後述説明に用いる図１〜２においても同様である。
【０００９】
ホールＩＣ１はその性質上、図７における±４５°の範囲外、すなわち磁束密度の急増する磁極の点７１，７２近辺では、出力が激変するのでＯＮ−ＯＦＦ動作には適するが、角度変化に対する出力の直線性は期待できない。従って、原点Ｏを中心とする同心円を描いた磁力線７４〜７６が、円盤型磁気マーカ７０の周回軌道上を安定して周回している±４５°の範囲で、回転角度センサを機能させるように用いている。
【００１０】
一般的に、ホールＩＣ（素子）が磁気マーカの無磁界部を基準点とし、その前後の所定ストローク範囲に限れば、二者の相対位置変化に対する出力の直線性が得られる現象は周知である。
【００１１】
図８は、円盤型磁気マーカを備えた回転角度センサにおける±４５°範囲の直線性（％Ｖｉｎ）グラフであり、横軸に回転角度、縦軸に直線性（％Ｖｉｎ）をプロットしている。図８からも読み取れるようにが１％Ｖｉｎを超えることがあり、実用的な直線性は期待できない。
【００１２】
そのため、±４５°の範囲外でも直線性を維持できるようにホール素子を増やした従来例もあった。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、磁束密度を検出するために２個で一対のホール素子等を必要とする従来例ではコストアップするという欠点があった。
そこで、本発明は、ホール素子等の感磁素子を１個で済ませて、なお広範囲な回転角度、特に±５０°を超える角度に対しても安定かつ直線性の良い回転角度センサを提供することを目的としている。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、円盤型磁気マーカ７０の形状を各種変形し、より広い角度範囲にわたって実用的かつ高精度な直線性を得られるようにした。すなわち、請求項１に係る発明は、軸（Ｏ）及びその軸（Ｏ）との回動を自在にする枢支部（７）と、前記軸（Ｏ）に付設して一体をなす磁気マーカ（１０）と、前記枢支部（７）に配設され前記磁気マーカ（１０）との角度に応じた電気信号を生成する感磁素子（１）と、を備えた回転角度センサにおいて、軸断面形状が紡錘型の磁性部材であり、前記軸（Ｏ）から直角方向に張り出した突端部（１１），（１２）に磁極（Ｎ），（Ｓ）を設けたことを特徴とする回転角度センサ用磁気マーカである。
【００１５】
このようにしたことにより、紡錘型磁気マーカ（１０）の突端部（１１），（１２）に磁極（Ｎ），（Ｓ）を集結し、紡錘型磁気マーカ（１０）における磁極（Ｎ），（Ｓ）以外の外周を形成する大直径の円弧（１３），（１４）の外側を取り巻く磁力線（３１），（３２），（３３）を、±６０°の広角度にわたって安定させるので、直線性を保証する角度範囲を±６０°にまで拡大できる。
【００１６】
又、請求項２に係る発明は、前記磁性部材は半月型の中間素材（２）を組み合わせて構成したことを特徴とする請求項１に記載の回転角度センサ用磁気マーカである。
【００１７】
又、請求項３に係る発明は、前記中間素材（２）は鋭角（３）及びその補角をなす鈍角（４）からなる複数の扇形の磁性部材を組み合わせて構成したことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の回転角度センサ用磁気マーカである。
【００１８】
又、請求項４に係る発明は、複数の前記中間素材（２）の弧状部（５）を外向きに対称とし前記鋭角（３）と鈍角（４）を斜向かいに並べて積層することにより前記紡錘型を構成したことを特徴とする請求項１ないし請求項３の何れか１項に記載の回転角度センサ用磁気マーカである。
【００１９】
請求項２〜４の発明のように、既存の切削加工機械を用いて素材から切り出すことにより、前記紡錘型磁気マーカ（１０）の製品寸法が２〜３ｍｍ程度の微細な磁性部材を焼成する以前の段階としては、必要十分な紡錘型に形成することができる。従って、正確な角度センサを、ばらつき無く容易に大量生産できる。
【００２０】
又、請求項５に係る発明は、前記紡錘型の磁性部材の中心に前記軸（１９）と嵌着するための軸孔（１７）を穿設したことを特徴とする請求項１ないし請求項４の何れか１項に記載の回転角度センサ用磁気マーカである。このように軸孔（１７）を設けた磁気マーカ（１６）の場合、被測定軸（１８）の軸芯と磁気マーカ（１６）の軸芯を精密に揃えられて狂わないので、正確な角度センサを、ばらつき無く容易に大量生産できる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、図面に沿って、本発明による一実施例について説明する。
図１は、本発明の実施の一形態を示す紡錘型磁気マーカとホールＩＣを用いた回転角度センサにおける磁力線に関連した動作説明図であり、紡錘型磁気マーカ（以下、「磁気マーカ」ともいう）１０は、その突端１１，１２の間隔よりも大きな直径（半径）を有する円弧１３，１４により左右対称の形状に構成された紡錘型の永久磁石である。
【００２２】
すなわち、軸断面形状を紡錘型にした磁性部材による永久磁石から磁気マーカ１０は構成され、軸Ｏから直角方向に張り出した突端部１１，１２に磁極Ｎ，Ｓを設けている。
【００２３】
磁気マーカ１０は、軸Ｏ（原点と共通の符号）に付設され一体的に回転動作する。そして、図７により前述したように、説明の便宜上、磁気マーカ１０を図面上で静止させ、軸Ｏを中心として枢支部７（軌跡と共通の符号）が回動自在であり、枢支部７に配設されたホールＩＣ１が、原点Ｏを中心とするＸ−Ｙ座標で軌跡７（枢支部と共通の符号）に沿って衛星動作するアウターロータ形態で説明している。
【００２４】
周知の感磁素子であるホールＩＣ１は枢支部７に配設され、磁気マーカ１０との角度に応じた電気信号を生成する。磁気マーカ１０が発生する磁場のＮ〜Ｓ勾配に基づき、磁気マーカ１０とホールＩＣ１との二者の相対位置に応じて比例する直線的な電気信号を、ホールＩＣ１が出力することにより回転角度センサを構成している。
【００２５】
紡錘型磁気マーカ１０の場合は、円盤型磁気マーカ７０（図７）とは異なり、突端部１１，１２に磁極Ｎ，Ｓを集結させられるので、紡錘型磁気マーカ１０における磁極Ｎ，Ｓである突端部１１，１２以外の外周を形成する大直径の円弧１３，１４の外側を取り巻く磁力線３１，３２，３３を、±６０°の広角度にわたって安定させる。このことは、磁力線３１，３２，３３が磁極Ｎ，Ｓである突端部１１，１２に出入する以外は、原点Ｏを中心とする同心円状に形成されていることで説明される。
【００２６】
一般的に、磁気マーカの両磁極付近では極端に磁場が強くなり、ホールＩＣ（素子）との組み合わせにより、変化位置に関する比例検出は困難になる代わりに、二者択一的な識別機能が強調されるので、スイッチ動作する位置センサとして有効な領域である。
【００２７】
このような理由で、磁極Ｎ，Ｓである突端部１１，１２であるＹ軸に近づくような超広角度にわたる角度の比例検出はできず、逆に磁気マーカの無磁界部であるＸ軸を基準点として、その前後の所定範囲内に限れば、ホールＩＣと磁気マーカとの相対位置変化に対する出力の直線性が得られることは周知である。
【００２８】
ここで、ホールＩＣ１が、軌跡７に沿って±６０°の範囲で角度変化した場合、＋６０°で強いＮ極の磁場を検出し、±０°で無磁界、−６０°で強いＳ極の磁場を検出する。この時、磁気マーカ１０が発生する磁場のＮ〜Ｓ勾配は角度変化に比例して直線的である。
従って、角度範囲±６０°にまで拡大された範囲にわたり回転角度センサの直線性を保証できる。
【００２９】
紡錘型磁気マーカ１０は、従来例として図７に示した円盤型磁気マーカ７０に比べ、細長いので棒磁石に近い着磁形態となり、その突端１１，１２には、より極点に集中した磁極が形成されている。従って、磁力線３１〜３３は円弧１３，１４のうち突端１１，１２により近い表面から発生する。
【００３０】
これにより、図１からも読み取れるように、Ｘ軸を中心とする±６０°の範囲内で、磁力線３１〜３３は、紡錘型磁気マーカ１０に出入することなく、原点Ｏを中心とする同心円を描くように安定して紡錘型磁気マーカ１０の周回軌道上を取り巻いている。
【００３１】
ホールＩＣ１はその性質上、図１における±６０°の範囲外、すなわち磁束密度の急変する磁極の突端１１，１２近辺での出力は不安定であり、角度変化に対する出力の直線性は期待できない。その代わり、原点Ｏを中心とする同心円を描くように、紡錘型磁気マーカ１０の周回軌道上を、安定して取り巻いている磁力線３１〜３３は±６０°の範囲で、精密に直線性を維持して回転角度センサを機能させる。
【００３２】
図２は半月型磁気マーカとホールＩＣを用いた回転角度センサにおける磁力線に関連した動作説明図であり、半月型磁気マーカ２０のＮ極２１とＳ極２２とそこから発生する磁力線３４〜３６の形態を明示している。半月型磁気マーカ２０は、従来例として図７に示した円盤型磁気マーカ７０に比べて、細長いので棒磁石に近い着磁形態となり、そのＮ極２１とＳ極２２は、より極点に集中した磁極が形成されている。
【００３３】
従って、図２からも読み取れるように、Ｘ軸を中心とする±５０°の範囲内では、磁力線３４〜３６が、半月型磁気マーカ２０に出入することなく、原点Ｏを中心とする同心円を描くように、半月型磁気マーカ２０の周回軌道上を安定して取り巻いており、±５０°の範囲で、精密に直線性を維持して回転角度センサを機能させる。
【００３４】
なお、半月型磁気マーカ２０の場合、半月型の直径の両端部より幾分か扇型を狭めた位置に、磁極としてＮ極２１とＳ極２２を形成するので、図１に示した紡錘型磁気マーカ１０を使用したものに比べると直線性を保証できる範囲が狭くなる欠点が残る。
【００３５】
図３（ａ）は被測定軸に紡錘型磁気マーカを備えた回転角度センサの平面図であり、同図（ｂ）はその側面図、（ｃ）は紡錘体の成形方法の一例である。図３において、板状の紡錘型磁気マーカ１０は被測定軸１５に軸心を揃えて接着される。
【００３６】
なお、ホールＩＣ１が固定され、紡錘型磁気マーカ１０を接着された被測定軸１５が回転する構造に限らず、その逆にホールＩＣ１が回転する構造でも良い。そのことは、本発明の実施形態の全てにわたり、ロータとステータの何れか一方に磁気マーカを、残る他方にホールＩＣを配設しても構わない。
【００３７】
同図（ｃ）に示すように、磁気マーカ１０用の磁性部材は半月型の中間素材２を組み合わせて構成され、中間素材２は鋭角３及びその補角をなす鈍角４の中心角からなる複数の扇形の磁性部材を組み合わせて構成されている。
【００３８】
そして、複数の中間素材２の弧状部５を外向きに対称とし鋭角３と鈍角４を斜向かいに並べて積層することにより紡錘型磁気マーカ１０を構成している。
【００３９】
このように、既存の切削加工機械を用いて素材から切り出すことにより、紡錘型磁気マーカ１０の製品寸法が２〜３ｍｍ程度の微細な磁性部材を焼成する以前の段階としては、必要十分な紡錘型に形成することができる。
【００４０】
このように、焼成及び着磁する以前の段階で、素材から切り出した複数の磁性材料を合体して紡錘型の原形を整えてから炉で焼成した複数の紡錘体６を着磁装置（図示せず）に並べて同時に着磁処理している。
従って、正確な角度センサを、ばらつき無く容易に大量生産できる。
【００４１】
ただし、前述した紡錘体の成形方法は、切削研磨加工機械の都合により、直接に紡錘型の形状を完成させることが困難であるために、既存の工作機械を用いて製造するための製造技術を示しているに過ぎない。従って、紡錘体を効率良く製造する方法が他にもあれば、それでも構わない。
【００４２】
図４は、軸孔１７を設けて被測定軸１８との精密結合できる紡錘型磁気マーカ１６を備えた回転角度センサであり（ａ）はその平面図、（ｂ）はその側面図である。軸孔１７は被測定軸１８のくびれ部（「軸」ともいう）１９に嵌入され、芯合わせ専用の冶具等を用いなくとも軸心を精密に揃えて組立てることができる。
【００４３】
このように、紡錘型の磁性部材の中心に軸１９と嵌着するための軸孔１７を穿設した磁気マーカ１６の場合、被測定軸１８の軸芯と磁気マーカ１６の軸芯を精密に揃えることが容易にできるので、ばらつき無い回転角度センサを大量生産できる。
又、製造後は、これらの軸心が狂わないので、正確な動作性能を維持できる。
【００４４】
図５は紡錘型磁気マーカを備えた回転角度センサ（±４５°限定の超高精度タイプ）における±４５°の直線性（％Ｖｉｎ）グラフであり、図８と同様に、横軸に回転角度、縦軸に直線性（％Ｖｉｎ）をプロットしている。図５からも読み取れるように±４５°の範囲外では直線性が０．４％Ｖｉｎを超えることが無く、高度な直線性が得られることを確認できた。
【００４５】
図６は紡錘型磁気マーカを備えた回転角度センサ（±６０°の汎用タイプ）における±６０°の直線性（％Ｖｉｎ）グラフであり、図５，８と同様に、横軸に回転角度、縦軸に直線性（％Ｖｉｎ）をプロットしている。図６からも読み取れるように±６０°の範囲外では直線性が０．６％Ｖｉｎを超えることが無く、高度な直線性を得られることを確認できた。
【００４６】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１に係る発明によれば、紡錘型磁気マーカの突端部に磁極を集結し、紡錘型磁気マーカにおける磁極以外の外周を形成する大直径の円弧の外側を取り巻く磁力線を、±６０°の広角度にわたって安定させるので、直線性を保証する角度範囲を±６０°にまで拡大できる。
【００４７】
又、請求項２〜４の発明によれば、既存の切削加工機械を用いて素材から切り出すことにより、紡錘型磁気マーカの製品寸法が２〜３ｍｍ程度の微細な磁性部材を焼成する以前の段階としては、必要十分な紡錘型に形成することができる。
従って、正確な角度センサを、ばらつき無く容易に大量生産できる。
【００４８】
又、請求項５に係る発明によれば、被測定軸の軸芯と磁気マーカの軸芯が精密に揃って狂わないので、正確な角度センサを、ばらつき無く容易に大量生産できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の一形態を示す紡錘型磁気マーカとホールＩＣを用いた回転角度センサにおける磁力線に関連した動作説明図である。
【図２】半月型磁気マーカとホールＩＣを用いた回転角度センサにおける磁力線に関連した動作説明図である。
【図３】（ａ）は被測定軸に紡錘型磁気マーカを備えた回転角度センサの平面図、（ｂ）はその側面図、（ｃ）は紡錘体の成形方法の一例である。
【図４】軸孔を設けて被測定軸との精密結合できる紡錘型磁気マーカを備えた回転角度センサであり（ａ）はその平面図、（ｂ）はその側面図である。
【図５】紡錘型磁気マーカを備えた回転角度センサ（±４５°限定の超高精度タイプ）における±４５°範囲の直線性グラフである。
【図６】紡錘型磁気マーカを備えた回転角度センサ（±６０°の汎用タイプ）における±６０°範囲の直線性グラフである。
【図７】従来の円盤型磁気マーカとホールＩＣを用いた回転角度センサにおける磁力線に関連した動作説明図である。
【図８】従来の円盤型磁気マーカを備えた回転角度センサにおける±４５°範囲の直線性グラフである。
【符号の説明】
１ ホールＩＣ
２ 半月型の中間素材
３ 鋭角の中心角
４ 鈍角の中心角
５ 弧状部
６ 紡錘体
７ 枢支部、軌道
１０，１６ 紡錘型磁気マーカ
１１，１２ 突端部
１３，１４ 円弧
１５ 被測定軸
１７ 軸孔
１８ 被測定軸
１９ 軸のくびれ部
２０ 半月型磁気マーカ
２１ Ｎ極
２２ Ｓ極
３１〜３６ 磁力線
７０ 円盤型磁気マーカ
Ｎ，Ｓ 磁極
Ｏ 軸
Ｘ，Ｙ 軸

Claims (5)

1. 軸（Ｏ）及びその軸（Ｏ）との回動を自在にする枢支部（７）と、
   前記軸（Ｏ）に付設して一体をなす磁気マーカ（１０）と、
   前記枢支部（７）に配設され前記磁気マーカ（１０）との角度に応じた電気信号を生成する感磁素子（１）と、を備えた回転角度センサにおいて、
   軸断面形状が紡錘型の磁性部材であり、前記軸（Ｏ）から直角方向に張り出した突端部（１１），（１２）に磁極（Ｎ），（Ｓ）を設けたことを特徴とする回転角度センサ用磁気マーカ。
2. 前記磁性部材は半月型の中間素材（２）を組み合わせて構成したことを特徴とする請求項１に記載の回転角度センサ用磁気マーカ。
3. 前記中間素材（２）は鋭角（３）及びその補角をなす鈍角（４）からなる複数の扇形の磁性部材を組み合わせて構成したことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の回転角度センサ用磁気マーカ。
4. 複数の前記中間素材（２）の弧状部（５）を外向きに対称とし前記鋭角（３）と鈍角（４）を斜向かいに並べて積層することにより前記紡錘型を構成したことを特徴とする請求項１ないし請求項３の何れか１項に記載の回転角度センサ用磁気マーカ。
5. 前記紡錘型の磁性部材の中心に前記軸（１９）と嵌着するための軸孔（１７）を穿設したことを特徴とする請求項１ないし請求項４の何れか１項に記載の回転角度センサ用磁気マーカ。

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