JP2006214985A - ポテンショメータ - Google Patents

Abstract

【課題】 小型で有効電気角の広いポテンショメータを提供する。
【解決手段】 ポテンショメータ１では、第１ヨーク１１に固定されたマグネット１３が、ホール素子１０の感磁面１０ａに対して傾斜するように配置された着磁面１３ａを有する斜切円柱状に形成されている。このため、シャフト３の回転に伴って、マグネット１３の厚みの変化による磁束密度の変化と、エアギャップＧの変化による磁束密度の変化との相乗効果によって、ホール素子１０が感磁する磁束密度の変化量が十分に確保される。この結果として、小型化されたポテンショメータ１でも、シャフト３の回転位置の変化量に対する磁束密度の変化量の直線性を向上させることができ、広範な有効電気角αを得ることができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電気機器等に組み込まれて回転位置検出に利用される非接触磁気式のポテンショメータに関する。

従来、この種の分野の技術として例えば特許文献1に記載の非接触磁気式ポテンショメータがある。このポテンショメータは、回転軸としてのシャフトに固定された円板状の２つのヨークと、このヨーク間に配置され、感磁した磁束密度に応じた電圧を出力するホール素子と、着磁面をホール素子に対して傾斜させて一方のヨークに固着された円板状のマグネットとを備えている。そして、シャフトが回転すると、マグネットからホール素子側に配置されたヨークまでの距離（エアギャップ）の変化によって、ホール素子が感磁する磁束密度が変化し、これに伴ってホール素子からの出力電圧が変化し、この電圧変化に基づいてシャフトの回転位置の検出がなされる。このようなポテンショメータでは、シャフトの回転位置の変化量に対する磁束密度の変化量が直線的な比例関係になっている部分を、回転位置の検出範囲（有効電気角）として定めている。
特開昭５７−２７０８１号公報

ところで、近年ではポテンショメータに対する小型化の要求が高まっている。しかしながら、マグネットの厚みが均等な従来のポテンショメータをそのまま小型化しようとすると、マグネットによって形成される磁界が微弱となることに加え、エアギャップの変化量が絶対的に小さくなるという問題があった。そのため、シャフトの回転角度の変化量に対する磁束密度の変化量の直線性が低下し、十分な有効電気角を得ることが困難であった。

本発明は上記課題の解決のためになされたもので、小型で有効電気角の広いポテンショメータを提供することを目的とする。

上記課題の解決のため、本発明に係るポテンショメータは、互いに対面する第１及び第２のヨークと、第１のヨークに固定されたシャフトと、第１のヨークに固定されると共に、厚さ方向でＮ極とＳ極とに着磁されたマグネットと、第１のヨークと第２のヨークとの間に配置されると共に、マグネットの着磁面に対向して配置された感磁面を有するホール素子とを備え、マグネットは、ホール素子の感磁面に対して傾斜するように配置された着磁面を有する斜切円柱状に形成されていることを特徴としている。

このポテンショメータでは、第１のヨークに固定されたマグネットが、ホール素子の感磁面に対して傾斜するように配置された着磁面を有する斜切円柱状に形成されている。したがって、シャフトの回転に伴ってマグネットが回転したときに、ホール素子の感磁面に対向するマグネットの厚みの変化による磁束密度の変化と、エアギャップの変化による磁束密度の変化との相乗効果によって、ホール素子が感磁する磁束密度の変化量を十分に確保することが可能となる。その結果、ポテンショメータを小型化してもシャフトの回転位置の変化量に対する磁束密度の変化量の直線性を向上させることができ、小型のポテンショメータでも広範な有効電気角を得ることができる。

また、マグネットは、厚みが最も薄くなる点と最も厚くなる点とを直線的に結んでシャフトの回転軸線方向に延在する分割面によって第１の領域と第２の領域とに分割され、第１の領域と第２の領域とは、厚み方向においてＮ極とＳ極とが互いに反対になるように着磁されていることが好ましい。このようなマグネットの構成は、マグネットの全周にわたって磁束密度が連続的に変化するので、有効電気角を一層広範なものとすることができる。さらには、シャフトの回転位置の変化量に対する磁束密度の変化量を十分に確保できるので、回転位置の検出精度を向上させることも可能となる。

以上説明したように、本発明に係るポテンショメータによれば、小型化を実現しつつ有効電気角を広くすることができる。

以下、図面を参照しながら本発明に係るポテンショメータの好適な実施形態について詳細に説明する。

図１は本発明に係るポテンショメータの一実施形態を示す分解斜視図であり、図２はその縦断面図である。図１及び図２において、小型化された非接触磁気式のポテンショメータ１は、プラスチック又は非磁性の金属からなる筐体２と、回転軸としてのシャフト３とを有している。筐体２は、略円筒形状を有するキャップ状の筐体本体部４と、扁平な底蓋６とによって構成され、筐体本体部４の下部に底蓋６が嵌め合わされて、内部に円柱状の収容空間Ｓを有している。筐体本体部４の上壁４ｃは肉厚に形成されており、上壁４ｃの中央には収容空間Ｓと外部とを連通させる円形の貫通孔４ａが設けられている。

シャフト３は、例えば金属によって形成されている。このシャフト３の下端側は、収容空間Ｓ内に配置され、上端側は筐体２の貫通孔４ａから突出している。さらに、シャフト３は、貫通孔４ａ内に圧入された樹脂製の軸受部７によって、回転自在に支持されている。また、シャフト３の途中において、上側には溝部３ａが形成され、下側にはフランジ部３ｂが形成され、この溝部３ａにはＣリング８が嵌め込まれる。その結果、Ｃリング８とフランジ部３ｂとの協働により、シャフト３のスラスト方向への位置ずれ防止と、筐体２からの抜け防止とが図られる。

筐体２の収容空間Ｓ内には、円形の回路基板９とホール素子１０とが収容されている。回路基板９は、筐体本体部４の内壁に設けられた段部４ｂに押し当てられて固定されている。回路基板９の中央には、シャフト３の外径よりも大径の貫通孔９ａが設けられ、この貫通孔９ａにシャフト３の下端側が貫通している。さらに、回路基板９の周縁部の一部には、筐体２の外側に向かって張り出す張出部９ｂが形成されている。この張出部９ｂには、ホール素子１０と電気的に接続されるリード線（図示せず）が取り付けられている。また、ホール素子１０は、感磁膜の感磁面１０ａが上方に向けられた状態で回路基板９の上面の所定位置に設置されている。このホール素子１０は、感磁面１０ａで感磁した磁束密度に応じた電圧を出力する。そして、ホール素子１０からの出力電圧はリード線（図示せず）を介して外部に取り出される。

ここで、筐体２から突出するシャフト３の上端側には、操作部としての回転つまみ（図示しない）が取り付けられ、収容空間Ｓ内に収容されたシャフト３の下端側には、所定の間隔をもって互いに対面する第１ヨーク１１及び第２ヨーク１２と、マグネット１３とが装着されている。第１ヨーク１１及び第２ヨーク１２は、磁性体金属によって同径の円板状にそれぞれ形成されており、第１ヨーク１１は収容空間Ｓの上部で、第２ヨーク１２は回路基板１２よりも下方で回路基板１２に近接させて、それぞれシャフト３と同心をなすように固定されている。

小型化されたマグネット１３は、第１ヨーク１１及び第２ヨーク１２と同径（例えば３〜２０ｍｍ）の扁平な斜切円柱形状をなしており、着磁面１３ａがホール素子１０の感磁面１０ａに対して傾斜するようにして第１ヨーク１１の下面及びシャフト３に固定されている。また、マグネット１３は、図３に示すように、厚みが最も薄くなる点Ｘと最も厚くなる点Ｙとを直線的に結んでシャフト３の軸線Ｌ方向に延在する分割面Ｄによって、第１の領域１３Ａ及び第２の領域１３Ｂに２分割されている。この第１の領域１３Ａ及び第２の領域１３Ｂは、シャフト３の軸線Ｌ方向にＮ極及びＳ極が互いに反対に着磁されている。すなわち、シャフト３にマグネット１３を装着した状態において、第１の領域１３Ａでは、上側半分がＳ極、下側半分がＮ極に着磁され、第２の領域１３Ｂでは、上側半分がＮ極、下側半分がＳ極に着磁されている。このマグネット１３によって、第１ヨーク１１と第２ヨーク１２との間には、シャフト３の軸線Ｌと平行な磁界が形成される。

このような構成のポテンショメータ１では、シャフト３の上端側に取り付けられた回転つまみ（図示しない）の操作によってシャフト３が回転する。すると、シャフト３の回転に伴ってシャフト３の下端側の第１ヨーク１１、第２ヨーク１２、及びマグネット１３が軸線Ｌ回りに回転し、ホール素子１０の感磁面１０ａに対するマグネット１３の着磁面１３ａの位置関係が変化する。

係る位置関係について図４及び図５を用いて詳細に説明する。図４及び図５は、それぞれシャフト３の回転位置が基準位置及びこの基準位置と反対側の位置にある場合のホール素子１０に対するマグネット１３の位置関係を示す要部拡大側面図である。なお、この説明において、基準位置とはホール素子１０の感磁面１０ａとマグネット１３の厚みが最も薄い部分とが向き合う位置をいうものとし、反対位置とはホール素子１０の感磁面１０ａとマグネット１３の厚みが最も厚い部分とが向き合う位置を言うものとする。

図４に示すように、シャフト３の回転位置が基準位置にある場合、ホール素子１０の感磁面１０ａはマグネット１３の厚みが最も薄くなる点Ｘと略向き合っており、ホール素子１０を挟むマグネット１３の着磁面１３ａから第２ヨーク１２の上面まで距離、すなわち、エアギャップＧが最大となる。一方、基準位置からシャフト３を左右いずれかの方向に回転させていくと、ホール素子１０の感磁面１０ａと向き合うマグネット１３の厚みが徐々に厚くなると共に、エアギャップＧが徐々に小さくなっていく。そして、図５に示すように、シャフト３の回転位置が反対位置まで来ると、ホール素子１０の感磁面１０ａはマグネット１３の厚みが最も厚くなる点Ｙと向き合い、エアギャップＧが最小となる。

また、図６は、シャフト３の回転位置とホール素子１０の感磁面１０ａが感磁する磁束密度との関係を示したグラフである。図６において、横軸は筐体２に対するシャフト３の相対的な回転位置を角度で示し、縦軸はホール素子１０の感磁面１０ａが感磁する磁束密度を示している。また、上述したシャフト３の基準位置を回転位置１８０°とし、反対位置を回転位置０°（３６０°）としている。

図６に示すように、基準位置ではホール素子１０を挟んで形成される第１ヨーク１１と第２ヨーク１２との間の磁界は極めて微弱であり、ホール素子１０の感磁面１０ａでは磁束密度は殆ど検出されない。この基準位置からシャフト３を左右いずれかの一方向に回転させていくと、回転位置がおよそ４５°〜３１５°の範囲では、感磁面１０ａで感磁する磁束密度が正または負の方向に直線状に変化する。さらに、シャフト３の回転位置が反対位置の近傍（約４０°及び約３２０°）まで来ると、感磁面１０ａが感磁する磁束密度が最大となり、この後は反対位置を境界として磁束密度の正負が正弦波状に入れ替わる。したがって、このポテンショメータ１の有効電気角αは、シャフト３の回転位置の変化に対して磁束密度が直線状に変化する回転位置４５°〜３１５°の範囲であり、この有効電気角αの範囲内ではシャフト３の回転位置に対するホール素子１０からの出力電圧を正比例の関係をもって決定することができる。そして、ホール素子１０からの出力電圧は上述したリード線を介して外部に取り出され、この出力電圧に基づいてシャフト３の回転位置の検出がなされる。

以上説明したように、非接触磁気式のポテンショメータ１では、第１ヨーク１１に固定されたマグネット１３が、ホール素子１０の感磁面１０ａに対して傾斜するように配置された着磁面１３ａを有する斜切円柱状に形成されている。このため、シャフト３の回転に伴って第１ヨーク１１及びマグネット１３が軸線Ｌ回りに回転すると、ホール素子１０の感磁面１０ａと向き合う部分のマグネット１３の厚みが増大（減少）すると同時に、エアギャップＧが減少（増大）する。したがって、シャフト３が回転した場合に、マグネット１３の厚みの変化による磁束密度の変化と、エアギャップＧの変化による磁束密度の変化との相乗効果によって、ホール素子１０が感磁する磁束密度の変化量が十分に確保される。その結果として、小型化されたポテンショメータ１でも、シャフト３の回転位置の変化量に対する磁束密度の変化量の直線性を向上させることができ、広範な有効電気角αを得ることができる。

また、ポテンショメータ１では、マグネット１３は、厚みが最も薄くなる点Ｘと最も厚くなる点Ｙとを結んでシャフト３の軸線Ｌ方向に延在する分割面Ｄによって第１の領域１３Ａと第２の領域１３Ｂとに２分割され、第１の領域１３Ａと第２の領域１３Ｂとは、厚み方向においてＮ極とＳ極とが互いに反対になるように着磁されている。このようなマグネット１３の構成は、マグネット１３の全周にわたって磁束密度が連続的に変化するので、図６に示したように、基準位置を中心として約±１４０°にわたる広範な有効電気角αを実現することができる。さらには、シャフト３の回転位置の変化量に対する磁束密度の変化量を一層確保することができるので、シャフト３の回転位置の検出精度を向上させることも可能となる。

本発明に係るポテンショメータの一実施形態を示す分解斜視図である。 図１に示したポテンショメータの縦断面図である。 マグネットの構成を示す斜視図である。 シャフトの回転位置が基準位置にある場合のマグネットとホール素子との位置関係を示す要部拡大側面図である。 シャフトの回転位置が反対位置にある場合のマグネットとホール素子との位置関係を示す要部拡大側面図である。 シャフトの回転位置とホール素子が感磁する磁束密度との関係を示したグラフである。

符号の説明

１…ポテンショメータ、３…シャフト、１０…ホール素子、１０ａ…感磁面、１１…第１ヨーク、１２…第２ヨーク、１３…マグネット、１３ａ…着磁面、１３Ａ…第１の領域、１３Ｂ…第２の領域、Ｄ…分割面。

Claims (2)

1. 互いに対面する第１及び第２のヨークと、
   前記第１のヨークに固定されたシャフトと、
   前記第１のヨークに固定されると共に、厚さ方向でＮ極とＳ極とに着磁されたマグネットと、
   前記第１のヨークと前記第２のヨークとの間に配置されると共に、前記マグネットの着磁面に対向して配置された感磁面を有するホール素子とを備え、
   前記マグネットは、前記ホール素子の前記感磁面に対して傾斜するように配置された前記着磁面を有する斜切円柱状に形成されていることを特徴とするポテンショメータ。
2. 前記マグネットは、厚みが最も薄くなる点と最も厚くなる点とを直線的に結んで前記シャフトの回転軸線方向に延在する分割面によって第１の領域と第２の領域とに分割され、
   前記第１の領域と前記第２の領域とは、厚み方向においてＮ極とＳ極とが互いに反対になるように着磁されていることを特徴とする請求項１記載のポテンショメータ。
   

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