JP2006078406A - 磁気検出式角度センサおよび回転軸と鉛直とのなす角度の決定法 - Google Patents

Abstract

【課題】 広範囲な角度に対して磁気センサ部の磁束密度が直線的に変化し、該磁気センサの出力に対し複雑な信号処理をする必要がない磁気検出式角度センサを提供する。
【解決手段】 磁石１５を取り付けた振り子体１４を用い、振り子体１４が重力に従って回転軸１３の回りを回転するのを周囲に配設した磁気センサ１６が磁束密度変化として検出し、その変化を角度として出力する。その際に、回転軸１３の方向を、鉛直方向および水平方向以外になるよう保持する。回転軸１３が鉛直となす角度を調節することによって、所望の角度範囲で磁気センサ１６から角度変化に対して直線的な特性を有する出力を得ることができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、磁石と磁気センサによって構成される磁気検出式角度センサに関し、詳細には設置されたセンサの傾斜やセンサにかかる加速度を、振り子のゆれ角度として検出する磁気検出式角度センサおよび回転軸と鉛直とのなす角度の決定法に関する。

従来、磁気検出式角度センサとして、磁石を取り付けた振り子体や、磁石の重心を回転軸からずらした振り子状の磁石を用い、振り子が重力に従って回転するのを周囲に配設した磁気センサが磁束密度変化として検出し、その変化を角度として得る手法が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００２−２２１５３０号公報

しかしながら、特許文献１に記載のような磁石（例えば同特許文献１の図４参照）を用いると、角度に対する磁気センサ部の磁束密度は図５に示すように、回転角度に対し正弦波の変化を示すことが実験結果からわかっている。磁気センサにホールセンサを用いた場合、０度近傍では角度に対し直線的に出力が変化するが、±９０度に近い範囲では変化率が小さくなり、検出角度の精度が落ちるという問題がある。また、角度信号を得るために、ルックアップテーブルなどを参照し、磁気センサの出力を演算する必要があるので、信号処理が非常に煩雑になる。

また、特許文献１に記載の着磁方法では、周囲に一様磁場（例えば地磁気、鉄など磁性体から発生する残留磁場など）が発生していると、振り子の磁石の着磁方向が回転軸と直交する方向であるので、振り子の磁石が一様磁場の影響を受け、すなわち、振り子は回転軸の回転方向にモーメントが発生して鉛直方向以外の方向を向くことになり、磁気センサ部は、傾斜していないのに傾斜角度が０度以外という出力をだしてしまう。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、広範囲な角度に対して磁気センサ部の磁束密度が直線的に変化し、該磁気センサの出力に対し煩雑な信号処理をする必要がない磁気検出式角度センサを提供することにある。

また、周囲の一様磁場の影響で出力が変化しない磁気検出式角度センサを提供することにある。

本発明は、このような目的を達成するためになされたもので、筐体と、前記筐体に取り付けられた軸受と、前記軸受に軸支された回転軸と、前記回転軸に重心が当該回転軸から偏心して取り付けられ、磁石を有する振り子体と、前記磁石から発生する磁束密度を検出する磁気センサとを備え、前記回転軸の方向は、鉛直方向または水平方向以外であることを特徴とする。

ここで、前記筐体の水平からの傾斜に対して前記磁気センサがほぼリニアなアナログ出力を有するように対応させて前記回転軸と鉛直とのなす角度（以降、この角度を配置角度ともいう）を設定することができる。なお、筐体の水平に対する傾斜角度とは、回転軸を水平方向と平行にしたときの、回転軸に平行な方向から見た、振り子と傾斜を生じていないときの筐体の鉛直方向とのなす角度を指す。

また、前記振り子体は前記磁石のみで構成することができる。

さらに、前記振り子体は、少なくとも２個の磁石を有し、当該少なくとも２個の磁石は互いにその磁力を打ち消しあうように着磁されていることとすることができる。これによって、磁気センサにかかる外部磁場により、前記振り子体に前記回転軸の回転方向にモーメントが発生しないようにすることができる。

さらに、傾斜または揺動により生じる前記振り子体の単振動を制動するための振り子制動機構を備えることができる。

さらに、前記筐体が水平に設置されたときに、前記磁気センサにおける磁束密度が０となる位置に、前記磁気センサが配設されていることとすることができる。

さらに、前記磁気センサを、ホールセンサとすることができる。なお、磁気センサとしては、磁極の極性によって出力電圧の符号が変化するホール素子、またはリニア出力タイプのホールＩＣが適している。磁極の判別が必要ない場合などは、磁気抵抗効果素子（ＭＲ素子）、磁気抵抗効果ＩＣ（ＭＲＩＣ）などでも良い。上述したセンサの他にも様々な磁気センサが適用可能である。アナログ出力の磁気センサを用いれば、当該センサの回転角度や加速度などを得ることができ、リードスイッチのようにデジタル出力の磁気センサを用いると、ある回転角度や加速度に対して出力がＯＮ／ＯＦＦする回転角度スイッチまたは加速度スイッチを構成することができる。

磁石についても特に種類の限定はないが、通常量産されているフェライト系、サマリウム−コバルト系、ネオジ系など様々な磁石が適用可能である。磁気検出式角度センサの小型化を進める上では、磁石の小型化が必須であるので、小さくても強磁場を発生するサマリウム−コバルト系やネオジ系の磁石を用いるのが好ましい。

筐体、軸受、回転軸、振り子体、については非磁性体材料で作製されているものを用いるのが好ましい。磁性体材料のものを用いると、磁気センサ部に不必要な磁束を発生させるおそれがあり、その磁束で角度情報が狂う可能性がある。また、振り子体の磁石と磁性体材料の間に吸引力が働き、振り子体が所望の角度に変化しないおそれがある。

振り子体は、常に鉛直方向を向くよう、その重心が回転軸とは違う箇所になるようにするが、重心の位置により振り子体の単振動の周期が決定される。よって、これが所望の周期になるよう振り子体の設計を行う必要がある。例えば、当該センサの応答速度を早くしたければ、単振動の周期を短くする必要があるので、重心位置を回転軸に近づければよい。

当該センサの配置角度については、磁気センサと磁石の位置関係、磁石の特性やサイズなどを勘案して、各々最適な角度に設定する必要がある。

振り子制動機構については、ダンパを用いることができる。振り子体の周囲をオイルなどで充填することによってもダンパの効果がある。また、振り子体が非常に小さく、軸受と回転軸の摩擦が非常に小さい場合は、振り子体周囲を筐体で囲うだけでも、周囲の空気がダンパの効果を有する場合がある。

また、水平に対する傾斜角度αが０度のとき磁気センサの出力が０になるような磁石と磁気センサの配置関係にすることによって、磁気検出式角度センサがある方向に傾いたときにプラスの出力を、それとは逆方向に傾いたときにマイナスの出力を出すように構成することができ、したがって、磁気検出式角度センサの出力に対し煩雑な信号処理をする必要がなく、多様なアプリケーションに対して好都合に対応することが可能になる。

さらに、本発明は、磁気検出式角度センサを使用して、前記筐体の水平からの傾斜に対する前記磁気センサの出力特性を、前記回転軸と鉛直とのなす角度を変えて測定し、前記測定結果に基づいて、所望の前記筐体の水平からの傾斜角度範囲に対して前記磁気センサがほぼリニアなアナログ出力を有する前記回転軸と鉛直とのなす角度を求めることを特徴とする。

本発明によれば、筐体と、前記筐体に取り付けられた軸受と、前記軸受に軸支された回転軸と、前記回転軸に重心が当該回転軸から偏心して取り付けられ、磁石を有する振り子体と、前記磁石から発生する磁束密度を検出する磁気センサとを備え、前記回転軸の方向は、鉛直方向または水平方向以外であるので、広範囲な角度に対して磁気センサ部の磁束密度が直線的に変化し、該磁気センサの出力に対し複雑な信号処理をする必要がなく、多様なアプリケーションに対して好都合に対応することが可能な磁気検出式角度センサを実現することができる。

また、当該センサにかかる外部磁場（すなわち、振り子体が有する磁石以外によって当該センサにかかる磁場）により、前記振り子体に前記回転軸の回転方向にモーメントが発生しないよう、前記磁石が着磁されているので、周囲の一様磁場の影響で出力が変化することはなく、多様なアプリケーションに対して好都合に対応することが可能な磁気検出式角度センサを実現することができる。

以下、図面を参照して本発明を実施するための最良の形態について説明する。

図１は、本発明の磁気検出式角度センサの一実施例を示す側方断面図である。図中の１１は筐体、１２は軸受、１３は回転軸、１４は振り子体、１５は磁石、１６は磁気センサを示す。磁気センサ１６中のハッチングをかけた部分に磁気センサ１６の感磁部が配置されている。図１の下方向が鉛直方向であり、配置角度θは、回転軸１３と鉛直方向とのなす角度であり、約４０度である。磁気センサ１６は、この実施例では旭化成電子（株）製のホール素子ＨＱ３０２Ｃ（商品名）を用いた。回転軸１３の中心から磁気センサ１６の感磁部までの距離は１．６ｍｍであり、感磁部は振り子体１６の中心線から０．４８ｍｍオフセットした場所に配置されている。

図２は、図１で示すＡ−Ａ線の断面図である。図中符号は、図１で使用したものと同じである。振り子体１４は磁石１５を２つ有しており、その磁石１５の着磁方向は、図３に示すように回転軸１３に略平行方向で、互いに逆向きになされている。このような配置にすることで、２つの磁石１５の磁力が互いに打ち消し合うので、外部磁場が存在しても振り子体１４に回転軸１３の回転方向にモーメントが発生しない。磁石１５は、小型でも強力な磁力を発するサマリウム−コバルト磁石を用いた。磁石１５のサイズは、φ０．５ｍｍ×０．５ｍｍｔであり、お互いの中心間の距離は１．３２ｍｍである。

このとき、磁気検出式角度センサにおいて、水平に対する傾斜角度α（図２参照）に応じて振り子体１４が、その鉛直方向を指すように回転し、それに伴い磁気センサ１６部での磁束密度が変化する。横軸に水平に対する傾斜角度αをとり、縦軸に磁気センサ１６（ホール素子）の出力電圧をとると、図４に示すような結果が得られる。±９０度の傾斜角度αに対し、磁気センサの出力電圧が、ほぼリニアに変化するのがわかる。比較として、図４に配置角度θが９０度のときと、１５度の時の結果も示してある。配置角度θを変更することにより、磁気センサ１６の出力特性を所望のものにできることがわかる。

例えば、磁気検出式角度センサの検出角度が±３０度程度で十分であるアプリケーションで利用する場合は、図４の特性より、配置角度θを１５度にしたとき、磁気センサ１６の出力電圧が大きくなり、かつ水平に対する傾斜角度αに対してほぼリニアに変化するので、好適に対応可能になることがわかる。

±９０度の傾斜角度αを検出する本実施形態では、配置角度θを４０度にしたとき、水平に対する傾斜角度αに対して、出力特性がほぼリニアに変化する構成であったが、磁石１５の強度やサイズ、磁気センサ１６と磁石１５の位置関係などが変化した場合は、当然配置角度θを最適化し、所望の出力特性になるようにする必要がある。

本発明者は、水平に対する傾斜角度αと回転軸の配置角度θに対する振り子体の指示角度との関係を調べ、以下のような関係があることを確認した。例えば、図６に示される特性を示すことがわかった。つまり、θが９０度の時は、水平に対する傾斜角度αと振り子体の指示角度は同じ値を示すが、０＜θ＜９０の範囲内では、水平に対する傾斜角度αと振り子体の指示角度は別の角度を示すことがわかる。よって、あらかじめ、回転軸が鉛直方向と垂直な方向に配置された場合（θ＝９０度）での、水平に対する傾斜角度αに対する磁気センサの出力特性を評価しておき、例えば図６の特性を参照して配置角度θを決定し、所望の特性を得るようにすることができる。

図６で例示したように、配置角度が９０度に近い範囲では、振り子体の指示角度が想定どおりの角度に決まるが、θが０度に近い領域では、図６のとおりに振り子体が回転しない場合がある。そのときは、回転軸と軸受の接触抵抗を低減したり、振り子体の重量を大きくすれば所望の特性を得ることができる。

本実施形態では磁石を２個用いる例を示したが、例えば、特許文献１の図４で示すような磁石を用いた場合は、外部の一様磁場により、磁石が回転軸を介して回転した状態で安定し、その結果、該センサを取り付けられた対象物が傾いていない状態でも、センサの出力は傾いているという信号を出すことがある。よって、外部の磁場により、回転軸の回転方向にモーメントが発生しないよう着磁された磁石を使用する必要がある。

磁石の他の例としては、振り子体を磁石１５で構成し、図７のように回転軸の軸方向と平行に着磁すれば、回転方向にモーメントが発生しない。つまり、振り子体の右半分の領域で厚み方向（図７の矢印の方向）にＮＳの着磁がされており、左半分の領域でも、厚み方向に着磁されているが、その向きが逆に着磁されている磁石が適用可能であり、このようにすることによって、互いの磁力が打ち消しあう。磁石のさらに他の例としては、図８のように回転軸１３と垂直な方向に着磁されており、お互いの磁力を打ち消しあうように２つの磁石を組み合わせた磁石１５を用いることもできる。このような着磁方法であっても、回転軸の回転方向にモーメントが発生しない。この他にも、回転方向にモーメントが働かないような着磁をされた磁石であればどのような磁石でも適用可能である（例えば３つ以上の磁石でも可能である）。

また、振り子制動機構については、ダンパを用いることができる。振り子体の周囲をオイルなどで充填することによってもダンパの効果がある。また、振り子体が非常に小さく、軸受と回転軸の摩擦が非常に小さい場合は、振り子体周囲を筐体で囲うだけでも、周囲の空気がダンパの効果を有する場合がある。

また、本実施形態の磁気検出式角度センサは、水平に対する傾斜角度αが０度のとき磁気センサの出力が０になるような磁石と磁気センサの配置関係にしてあり、これによって、磁気検出式角度センサが水平に対する傾斜角度αがプラスの方向に傾いたときにプラスの出力を、マイナスの方向に傾いたときにマイナスの出力を出すようすることができるので、磁気検出式角度センサの出力に対し煩雑な信号処理をする必要がなく、多様なアプリケーションに対して好都合に対応することが可能になる。

また、本実施形態では、磁気センサ１６はホール素子を使用しているが、磁気センサ１６は、ホール素子を使用する構成に限定されるものではない。

また、本実施形態では、本発明の磁気検出式角度センサを取り付けられた対象物の傾斜に伴う磁気センサ１６の出力変化について説明したが、対象物にかかる加速度等によっても、振り子体１４は回転し、磁気センサ１６部の磁束密度は変化するので、磁気検出式角度センサを用いて、その状況を検知できることは言うまでもない。

本発明の磁気検出式角度センサは、該センサを取り付けられた対象物（例えば、デジタルカメラやゲーム機などの電子機器）の傾斜、または該対象物のうける加速度などを検出するセンサとして好適であり、従来の類似のセンサより優れている点は、広範囲な角度に対して磁気センサ部の磁束密度が直線的に変化し、磁気センサの出力に対し複雑な信号処理をする必要がなくなる点と、周囲の一様磁場の影響で出力が変化しない点である。したがって、磁気検出式角度センサの出力特性と配置場所の自由度が大幅に改善され、多様なアプリケーションに対し、好都合に対応することが可能になる。

本発明の磁気検出式角度センサの一実施例を示す側方断面図である。 本発明の磁気検出式角度センサの一実施例を示す図であり、図１のＡ−Ａ線における断面図である。 本発明の磁気検出式角度センサの一実施例を示す図であり、図１の振り子体の詳細図である。 本発明の磁気検出式角度センサの一実施例と従来の磁気検出式角度センサにおける出力特性を示す図である。 従来の磁気検出式角度センサにおける出力特性を示す図である。 水平に対する傾斜角度αと回転軸の配置角度θに対する振り子体の指示角度特性を示す図である。 本発明の磁気検出式角度センサの他の一実施例を示す図であり、磁石で形成した振り子体の詳細図である。 本発明の磁気検出式角度センサのさらに他の一実施例を示す図である。

符号の説明

１１ 筐体
１２ 軸受
１３ 回転軸
１４ 振り子体
１５ 磁石
１６ 磁気センサ

Claims (8)

1. 筐体と、前記筐体に取り付けられた軸受と、前記軸受に軸支された回転軸と、前記回転軸に重心が当該回転軸から偏心して取り付けられ、磁石を有する振り子体と、前記磁石から発生する磁束密度を検出する磁気センサとを備え、前記回転軸の方向は、鉛直方向または水平方向以外であることを特徴とする磁気検出式角度センサ。
2. 前記筐体の水平からの傾斜に対して前記磁気センサがほぼリニアなアナログ出力を有するように対応させて前記回転軸と鉛直とのなす角度を設定したことを特徴とする請求項１に記載の磁気検出式角度センサ。
3. 前記振り子体が前記磁石のみで構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の磁気検出式角度センサ。
4. 前記振り子体は、少なくとも２個の磁石を有し、当該少なくとも２個の磁石は互いにその磁力を打ち消しあうように着磁されていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の磁気検出式角度センサ。
5. 傾斜または揺動により生じる前記振り子体の単振動を制動するための振り子制動機構を備えたことを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の磁気検出式角度センサ。
6. 前記筐体が水平に設置されたときに、前記磁気センサにおける磁束密度が０となる位置に、前記磁気センサが配設されていることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の磁気検出式角度センサ。
7. 前記磁気センサが、ホールセンサであることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の磁気検出式角度センサ。
8. 請求項１〜７のいずれかの磁気検出式角度センサを使用して、前記筐体の水平からの傾斜に対する前記磁気センサの出力特性を、前記回転軸と鉛直とのなす角度を変えて測定し、前記測定結果に基づいて、所望の前記筐体の水平からの傾斜角度範囲に対して前記磁気センサがほぼリニアなアナログ出力を有する前記回転軸と鉛直とのなす角度を求めることを特徴とする磁気検出式角度センサにおける回転軸と鉛直とのなす角度の決定法。
   

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