JP2007093569A - 変位を測定するために用いる永久磁石および変位量センサユニット並びにその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】着磁や機械部品を介することによる変位量センサの誤差を排し、変位量センサユニットの高精度化を図ることを目的とする。
【解決手段】この回転角度センサユニットは、周方向に磁束密度分布を有する磁場を形成する回転子と、前記回転子が発生する磁束または磁場または磁束密度を検知する磁気センサとによって構成される回転角度センサユニットであって、回転子は複数の異方性磁石片によって構成されており、隣り合う磁石片は互いに配向方向が異なる。回転子を形成して着磁をする際に着磁用巻線の位置にばらつきがあっても、磁極ピッチのばらつきを少なくすることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、永久磁石によって形成される磁束密度分布を利用して回転角度や直線変位量を検出するために用いる永久磁石およびそれを用いる変位量センサに関するものである。

従来から磁気を利用した回転角度センサは考案されており、実用にもなっている。一例として特許文献１に記載される回転角度センサを図１６に示す。回転物に一つの磁石を設置し、その磁石が発生する磁界の方向を固定した磁気センサで検知して回転物の回転角を測定する。回転角と検出される磁束密度との関係は一回転一周期の波形となる。この検知方法では、回転物の回転角度を非接触で検知することが可能となり、従来の抵抗しゅう動式に比べて格段に信頼性が向上することは自明である。この非接触回転角センサには、一つの磁石から発生する磁界は、磁石のＮＳ極の回転する平面と並行する平面上でみると、回転により一方向にはサイン状、その直角方向にはコサイン状の磁束密度が観測されるため、二方向が検出可能な磁気センサ又は一方向が検出可能な磁気センサを二つ組み合わせることによって角度を検出することで絶対的な角度を得ることが可能となる。しかしながら、この回転角センサユニットは、たとえば近年要求の高い精密回転角センサに適用しようとすると、磁気センサ素子自体の角度誤差が大きいため十分な精度が得られないのが実情である。

回転角検出精度の向上のため、さまざまな方法が検討されている。例えば非特許文献１には図１７に示すように、測定をしたい回転軸に歯車を介して多回転する別歯車を設置して、その歯車に永久磁石を配して回転させることにより磁気センサの角度精度を見かけ上向上させる手法が開示されている。回転角と検出される磁束密度との関係は一回転多周期の波形となる。しかし、この手法では歯車の精度、機械部品を介することによるヒステリシスの存在や信頼性に問題が生ずる。

また、例えば特許文献２には図１８に示すように多極着磁された永久磁石を持つ回転子で空間的に分周し、センサの角度感度を全体のユニットとして向上させる手法が開示されている。しかしながら、この多極着磁された磁石を持つ回転子で空間的に分周した回転角センサユニットでも、その角度絶対値は永久磁石の着磁ピッチの均一度に大きく依存する。すなわち、着磁ピッチにばらつきがあると、それが直接回転角の検出角度ずれになる。図１８を用いて、この現象をさらに詳細に説明する。図１８は磁石回転子の一部分を軸方向から見た断面模式図であり、図上のＡ，Ｂ，Ｃで示された部分は着磁用巻線の断面を示す。永久磁石は、各部分のいずれをとっても太矢印で示されているラジアル方向に配向されている、いわゆるラジアルリング磁石であり、図１８は等間隔で８極着磁をする例である。理想的な着磁用巻線の位置がＡとすると、この巻き線位置で着磁される磁石の磁極ピッチも図１８に挿入された回転角に対する磁場強度の模式図中Ａで示されるように、理想的に左右の磁極位置から等間隔となり、回転角π／４で磁束密度がゼロクロスするため回転角の検出角度も理想に近いものになる。一方、着磁用巻線がＢ，あるいはＣの位置にずれて配置されていた場合は、ラジアルリング磁石においては、磁極間の位置は着磁磁場に依存するために、これら巻き線位置で着磁される磁石の磁極ピッチも図１８に挿入された回転角に対する磁場強度の模式図中、ＢもしくはＣで示される曲線のように、理想からずれた波形になり、ゼロクロス点がπ／４からずれるため回転角の検出精度も場所によって悪くなる。以上の着磁ピッチずれの現象は、上記のような着磁用巻線の位置、着磁ヨークの寸法精度、着磁ヨーク内での回転子の中心ずれなどのさまざまな要因で発生する。現在の技術では着磁ピッチのずれは工業的に生産可能な値として約0.5mmが限界であり、高精度の回転角センサを実現するために大きな障害となっている。

永久磁石によって形成される磁束密度分布を利用して直線変位量を検出するためのセンサは特許文献３にその一例が開示されている。これは二つの永久磁石の磁化方向が感磁探子の磁場検出方向と同一方向に、且つ互いに逆向きにそれぞれ配置され、近傍に配置される強磁性部との相対位置を検出するものである。これによれば相対位置（変位）と磁場強度の線形性が良く高い位置検出ができるとしている。しかし、部品点数が比較的多く、そのすべてが独立に存在するため、組み込みの際の位置ずれ等によって移動方向に対してオフセットができてしまうことがある。このことから必要移動量に対してある程度大きなサイズでユニットを形成しなければならず、一定以上の小型化が困難である。また、オフセットのために絶対的な位置検出も困難である。

また、別の一例が特許文献４に開示されている。これはスケールの両端にそれぞれ逆方向の磁界を形成する第一、第二の永久磁石を配置し、その間に第一の永久磁石と同一方向の磁界を形成する第三の永久磁石と磁電変換素子により構成するキャリッジを配置するものである。これによれば変位と磁界の直線度が向上し高精度の位置検出ができるとしている。しかし、センサに対して大型のヨークを使うことや複数の外側磁石と内側磁石またはコイルを使うことから、小型化や低コスト化が困難であることや、コイルを採用する場合には外部電源が必要になるという問題点がある。

特開２００５−１２７３７８号公報 特開２０００−６００８０号公報 ２００５ ＳＡＥ International ２００５−０１−０４６２ p.63 Giant Magneto Resistors Sensor Technology and Automotive Applications 特開２００５−１８９０９７号公報 特開平８−２９７００４号公報

本発明は、以上の様な着磁や機械部品を介することによる変位量センサの誤差を排し、変位量センサユニットの高精度化を図るものである。

この問題点を解決するために本願第一の発明の永久磁石は、互いに一体的に接合した複数の磁石片を有し、隣り合う磁極の境界で前記磁石片の配向方向が変わることを特徴とする。

この問題点を解決するために、本願第二の発明の回転角度センサユニットは、周方向に磁束密度分布を有する磁場を形成する回転子と、前記回転子が発生する磁束または磁場または磁束密度を検知する磁気センサとによって構成される回転角度センサユニットであって、回転子は複数の異方性磁石片によって構成されており、隣り合う磁石片は互いに配向方向が異なることを特徴とする。なお、一磁極を構成する磁石片は単数でも複数でも良い。

又、本発明において望ましくは、隣り合う磁極を構成する磁石片は、隣り合う磁極との極間において境界をもっており、その境界では磁石片の配向方向が半径方向に対して回転子の回転方向に傾いていることを特徴とする回転子で構成されている。この磁石片の配向方向の半径方向に対する傾きは５度以上であることが望ましい。さらに望ましくは５度以上、８５度以下の範囲である。

本願第三の発明は、結合材を含む磁石粉末を磁界中で予備成形して予備成形体を作製する工程と、隣り合う予備成形体の配向方向が互いに異なるように金型内に複数の予備成形体を円周状に配置し、これらの予備成形体を圧縮成形して一体化する工程とを有することを特徴とする回転角度センサユニット用回転子の製造方法である。

本願第四の発明は、周方向に磁束密度分布を有する磁場を形成する回転子と、前記回転子が発生する磁束または磁場または磁束密度を検知する磁気センサによって構成される回転角度センサユニットであって、回転子は永久磁石と軟磁性体によって構成されており、前記軟磁性体は永久磁石と磁気センサとの間に設けられており、その軟磁性体が磁極の最外部を構成することを特徴とする回転角度センサユニットである。

本願第五の発明は、結合材を含む磁石粉末を予備成形して第一の予備成形体を作製する工程と、結合材を含む軟磁性粉末を予備成形して第二の予備成形体を作製する工程と、金型内に複数の第一の予備成形体を円周状に配置し、各々の第一の予備成形体の外周側に第二の予備成形体を配置し、これらの予備成形体を圧縮成形して一体化する工程とを有することを特徴とする回転角度センサユニット用回転子の製造方法である。

第五の発明においては、結合材を含む軟磁性粉末を予備成形して第三の予備成形体を作製する工程と、金型内に配置した各々の第一の予備成形体の内周側に第三の予備成形体を配置する工程を追加することもできる。追加した工程により回転子の内周側にはバックヨークにあたる別の軟磁性体部分を一体的に形成することができる。

第六の発明の永久磁石は、互いに一体的に接合した二つの磁石片を有しＮ極とＳ極とを有する実質的に直線的な磁束密度分布を形成する永久磁石であって、隣り合う磁極の境界で前記磁石片の配向方向が変わることを特徴とする。

第七の発明の永久磁石の製造方法は、結合材を含む磁石粉末を磁界中で予備成形して予備成形体を作製する工程と、隣り合う予備成形体の配向方向が互いに異なるように金型内に複数の予備成形体を配置し、これらの予備成形体を圧縮成形して一体化する工程とを有することを特徴とする。

永久磁石の配向方向が磁極間を境に異なるため、着磁用巻線がずれて配置されていた場合でも、容易に着磁方向が変わることがないため磁束密度のゼロクロス位置の変動幅は小さい。したがって着磁される磁石の磁極ピッチは着磁用巻線の位置ずれの影響を受けにくく、磁石片の寸法を高精度に成形することで所期の磁極ピッチを得ることができる。

以下、図１〜７を用いて本発明の回転角度センサユニットの実施形態を一例を挙げて説明する。この発明を、いわゆる二色成形回転子で構成する場合の例であるが、この二色成形回転子は、永久磁石あるいは、磁気記録媒体の粉体に接着用の樹脂バインダを混ぜ、磁石片あるいは磁気記録媒体の単位に分けて仮成形し、この仮成形体を本成形金型にて圧着、一体化した後に樹脂バインダを硬化する工程をとる。また、二色成形回転子は、その部品の一部に別磁気特性材料を使用することも可能であり、たとえば永久磁石回転子のバックヨークに軟磁性体、たとえば鉄系の粉体、を用いて永久磁石を含む磁気回路を構成する、あるいは、回転子の各極のセンサに対向する部分に軟磁性体からなる極表面ヨークを配することも可能である。

ここで、異方性磁石片およびバックヨークの一体成形手段について、図７を用いて詳細に説明する。結合材および平均粒径が５０〜２００μｍの磁石粉末を主とする磁石粉末コンパウンドを、磁石予備成形専用の圧縮成形装置に充填して、成形圧力２００〜４００ＭＰａで予備成形する。予備成形で成形圧力を低めにするのは、本成形の際に磁石粉と軟磁性粉との密着性を高めるためである。なお、磁石予備成形体６´の配向に異方性を付与する場合には、電磁石７，７などによって磁場を与えながら予備成形を行なう。

次に、複数の磁石予備成形体６´を円筒キャビティ内へ組付け、そこに結合材およびアトマイズ鉄粉やＦｅ−Ｃｏ合金粉末、ナノ結晶粉末などの平均粒径が１〜１００μｍの高透磁率軟磁性材料粉末を主とする軟磁性粉末コンパウンド８´を給粉し、磁石予備成形体６´と軟磁性粉末コンパウンド８´とを同時に予備成形圧力より高い６００〜１０００ＭＰａの成形圧力で一体的に本成形する。キャビティ内に装填した予備成形体と後からキャビティ内へ供給される磁石粉または軟磁性粉とが、互いが接触して形成する境界面と平行方向に予備成形圧力より高い成形圧力で加圧されると、両者は同時に圧縮されて境界面の面積が小さくなる。その際に予備成形体を構成する粒子と後からキャビティ内へ供給された粒子とが境界面において互いに相手側領域に入り込み、境界面はその断面において凹凸を有する形状となる。この凹凸により境界面における機械的結合が十分に行なわれる。境界面の凹凸量が大きいほど機械的結合強度は大きくなる。なお、バックヨークも予め低圧力で予備成形を行ない、異方性磁石片とバックヨークの予備成形体どうしをキャビティ内で組合せてから本成形しても良い。さらに、予備成形体の接合面に予め結合材や接着剤などを塗布しておいても良い。本成形後に行う加熱硬化処理により結合材や接着剤が溶けて異方性磁石片とバックヨークとに浸透して接合面を強化する。

また、磁石予備成形体６´と軟磁性粉末コンパウンド８´用の上下パンチを別々に可動できる様にしておくと、予備成形体のパンチ接触面の形状を崩すことなく、同時に加圧することが可能となる。なお、一体成形後には２５０℃以下で熱硬化処理を行ない、さらに必要に応じてエポキシ樹脂塗装などの表面処理を施してから、回転軸を圧入または接着固定し、最後に着磁して磁石回転子となる。

予備成形と本成形とに分けて成形することで、磁石成形体６とヨーク成形体８の接合力を高めることが可能である。これは粒径の粗い磁石粉末を先に予備成形することで、後から充填される粒径の細かな軟磁性粉末の一部が磁石成形体６側へ食い込み、圧着力を高めるためである。従来の接着剤による接合では、接着層の厚みがばらついたり、接着面の状態によって接着強度が変わるなど、安定した接着強度を得ることは難しい。２０ＭＰａ以上の接着強度を有する接着剤を使用しても、接着面積が１／３程度しか確保できず、平均すると実質５ＭＰａ以下の接着強度しか得られないことが多い。これに対して本発明の製造方法では、異方性磁石片１とバックヨーク２の圧着力は接合面の全域で確保されるため、常に安定してせん断応力で１０ＭＰａ以上、さらには１５ＭＰａ以上となる。本発明の製造方法により形成された接合界面はせん断応力および引張応力の何れに対してもほぼ同等の高い強度を有する。

この二色成形回転子で構成する場合、２種類の精密磁場発生機構が考えられる。一つは、異方性のボンド磁石を用いて上記磁石仮成形品を作り、その仮成形品を組み合わせ、金型の中で本成型、あるいは圧着させる、あるいは、接着剤を界面に塗布して一体の回転子とするものである。この手法によれば、まず、個々の永久磁石仮成形体は金型によって成形されるためにそれぞれの寸法精度は大変揃った物が製造される。これらの寸法精度の揃った部品を金型の中で圧着することにより、個々の永久磁石片の形状が良く揃った物の集合体である回転子が生成される。ここで、永久磁石が等方性である場合には、個々の永久磁石片の形状が揃っていてもその着磁方向は最終的に着磁磁界の方向によるため、着磁精度に依存してしまう。一方、異方性のボンド磁石においてはその着磁方向は元々の異方性を付与した方向に固定されているため、回転子を製造した時点で個々の永久磁石片の形状が揃い、かつ、個々の永久磁石片の中の磁石着磁方向も一義的に決まるため、各磁極特性の大変良く揃った回転子が実現することが可能である。

図１を用いてその原理を説明する。図１は磁石回転子の一部分を軸方向から見た断面模式図であり、図上のＡ，Ｂ，Ｃで示された部分は着磁用巻線にあたる。永久磁石は、各部分のいずれをとっても太矢印で示されているように、磁極が切り替わる面を境にして配向角度が異なる構成としている。理想的な着磁用巻線の位置がＡとすると、この巻き線位置で着磁される磁石の磁極ピッチも図１８に挿入された回転角に対する磁場強度の模式図中Ａで示されるように理想的に左右の磁極位置から等間隔となり、回転角π／４で磁束密度がゼロクロスするため回転角の検出角度も理想に近いものになる。一方、着磁用巻線がＢ，あるいはＣの位置にずれて配置されていた場合でも、前述のラジアルリング磁石と異なり、永久磁石の配向方向が磁極切り替わり部分、すなわち、理想的な場合で磁場がゼロクロス点を境に磁石の配向方向が異なるため、容易に着磁方向が変わることがないため、これら巻き線位置Ｂ，Ｃで着磁される磁石の磁極ピッチも図１に挿入された回転角に対する磁場強度の模式図中Ａで示された理想的なゼロクロス位置のままであり、理想的な磁束密度波形に近いものが得られる。

この手法を用いた回転子の一例を図２に示す。この図では、各磁極は一つの仮成形体によって構成されており、その仮成形体は異方性ボンド磁石によって構成されている。各磁石片は隣り合う磁石片同士で異極、すなわち、ある磁石片がＮ極であれば、隣はＳ極であるように着磁される。

他の実施例を図３に示す。この図では、各磁極は複数の仮成形体によって構成されており、その仮成形体は異方性ボンド磁石によって構成されている。各磁石片は回転子の磁極対数をＫとし、各磁極片のほぼ中央を通る線の角度をθとすると、各磁石片の配向角度をθmとすると、θm=(−Ｋ×θ)+θ に近い角度で配向されている。この構成は、いわゆるハルバッハシリンダと呼ばれる磁気回路であり、一磁極を構成する磁石片の数が増加するに従い、回転子が発生する磁場はサイン波に近づく構成である。磁石片の数が少ない場合でも回転子の表面から離れるに従い空間における磁束密度は平均化され、高調波成分が少なくなり、サイン波形に近づいてくる。この、回転子表面からの距離に従ってサイン波に近づく現象は前記の一磁極一磁石片の構成でも同様であり、回転子表面からの距離と一磁極を構成する磁石片の数により、高調波の次数あるいは、強度が異なってくる傾向がある。

なお、ハルバッハシリンダを一例として記述したが、回転子は必ずしもハルバッハシリンダの要件を満たす必要はなく、センサからの出力を電子回路やソフトウェア的に処理する事で、正弦波ではない波形、例えば高調波が重畳している場合においても、磁極ピッチが正確であり、各磁極から発生する磁場強度分布が揃っていれば、正確な回転位置情報を得る事が可能である。

以上のように構成された回転子を最終的に着磁を行って磁極を形成するわけであるが、着磁の際に、従来の例と同様に着磁ヨークが必要となる。この着磁ヨークの寸法精度あるいは着磁の際の回転子と着磁ヨークの相対位置のずれが従来の例であるとそのまま回転子の着磁波形のずれとなって現れたのであるが、上述のような各磁極片があらかじめ正確に配向されているために、着磁ヨークと回転子の相対位置が多少ずれていても従来の着磁方式によっても正確な磁極間隔管理が可能であり、従来問題になっていたような着磁による磁極間隔のずれが改善される。

なお、磁極間に隣接する磁石片の配向方向が半径方向に近づくと、ラジアル配向円筒磁石に近い構成になる。ラジアル配向円筒磁石は、各部分がほぼ半径方向に配向をされている永久磁石であり、着磁方法によって様々な着磁パターンが取れる反面、着磁時の着磁磁界分布の精度がそのまま磁極精度に転写されるため、前述の等方性永久磁石と同様に正確な磁極間ピッチの実現が難しい。

したがって、磁極間に隣接する磁石片の配向方向が半径方向に近づくと、着磁時の磁極ずれが着磁磁界分布に依存するようになってくる。一例として、半径40mm、磁極数８極、磁極内磁石片数２の回転子を用いて配向方向を変化させた場合の磁極ピッチ精度をとった結果を図４に示す。この結果、磁石片の配向方向を回転子の半径方向から５度以上の角度を付ける事により、0.5度以下の磁極ピッチ精度が出せる事が判明した。又、磁石片の配向方向をさらに傾け、85度以上になると徐々に磁極ピッチ精度が悪くなる。この影響は、前記のラジアル方向配向とは逆に回転方向に平行に配向される事により、磁極間の切り替え部分の精度が下がり、着磁磁界分布にやはり倣いやすくなる事によると考えられる。以上の実験の結果、着磁精度を高めるには磁石片の配向方向を回転子の半径方向から５度以上の角度を付ける事が望ましく、さらに望ましくは磁石片の配向方向を回転子の半径方向から８５度以下の角度を付ける事が望ましい事が判明した。これらの構成により、大変高精度の磁極を得ることが可能になり、従来のセンサ素子を用いても高精度の回転角センサの構成が可能になる。

二色成形回転子で構成する場合のもう一つの精密磁場発生機構は、各磁極表面に軟磁性体粉から構成されるヨークを設置することである。その一例を図５に示す。この構成は、永久磁石は異方性、当方性いずれの磁石も使用可能である。一磁極の永久磁石から出た磁束は、磁極を構成する表面のヨークを通り空間に達する。その後、隣接する磁極を構成するヨークを通り、当該隣接する磁極を構成する永久磁石に達し、バックヨークを通って元の磁極に達してループを描くことになる。永久磁石、バックヨーク、表面のヨークはそれぞれ別部品として仮成形された後組み合わされて金型の中で本成形されるので、それらの寸法精度は各磁極間で大変優れたものとなっている。この構成の場合、磁束が空間に達する表面はほぼ前記ヨークを介する事になり、表面ヨークの形状および配置により空間の磁束密度分布はほぼ決定されるため、永久磁石の着磁幅が多少ずれていても空間の磁束密度分布への影響は軽微である。このため、表面にヨークを配する構成によっても大変高精度の磁極を得ることが可能になり、従来のセンサ素子を用いても高精度の回転角センサの構成が可能になる。

図６に別の構成例を示す。この構成の場合、ヨークは磁石表面から飛び出しておらず、ほぼ円形の外形を保っている事から、センサシステム全体の省スペースに寄与することが可能である。

また、各磁石、ヨークは、本構成によれば各部品を本成形時に圧着するため、相互に「かみこみ」現象で強く圧着されることになる。この「かみこみ」により高い強度での接合が可能となるが、一方「かみこみ」の度合いが大きすぎる場合には磁極間のにじみを生じるため、そのかみこみ量は直径50mmの回転子において、1degを超えない0.5mm以下が望ましい。さらに望ましくは、精密分解能を必要とする0.2degのにじみを超えない0.1mm以下である事がさらに望ましい。

以上、いわゆる二色成形の手法を用いた回転子を例にとって説明を行ったが、同様な構成は配向された焼結磁石を精密に加工、バックヨークと共に組み立てを行う事でも実現が可能である。この場合でも必要な構成は二色成形による構成と同じく、異方性をつけた磁石片を、半径方向から角度をつけた配向方向を付ける事による精密磁極制御である。又、同じように機械加工で作成したヨークを各磁極表面に配置する事により磁極制御を行う事も可能である。

磁気センサ素子としては、ホール素子、ＭＲ素子、ＧＭＲ素子、スピンバルブＭＲ素子、グラニュラー形ＧＭＲ素子、トンネルＭＲ素子、など、さまざまな磁気センサが使用可能である。

次に図８〜１５を用いて本発明の直線変位量センサユニットの実施形態を一例を挙げて説明する。永久磁石に異方性ボンド磁石と鉄ヨークで構成される二色成形磁気回路を用いることで上述の問題を解決し高精度磁気センサを得ることができる。図８に互いに一体的に接合した二つの磁石片を有し、隣り合う磁極の境界で前記磁石片の配向方向が変わる永久磁石の例を示す。この永久磁石は、永久磁石あるいは、磁気記録媒体の粉体に接着用の樹脂バインダを混ぜ、磁石片あるいは磁気記録媒体の単位に分けて仮成形し、この仮成形体を本成形金型にて圧着、一体化した後に樹脂バインダを硬化する工程を経て作製される。また、本発明の永久磁石は、その部品の一部に別磁気特性材料を使用することも可能であり、たとえば永久磁石のバックヨークに軟磁性体、たとえば鉄系の粉体を用いて永久磁石を含む磁気回路を構成することも可能である。図８の永久磁石は磁石片１，１´及びバックヨーク２からなりそれぞれが一体的に接合されている。磁石片１，１´は平行配向された異方性磁石片であり接合面１ａを境界として磁石片１，１´でそれぞれ異なる方向（＋θ，−θ）に配向されている。接合面１ａの位置は永久磁石の幅Ｗに対して中央である。磁石片１，１´を着磁するには着磁用巻線を備えた着磁機を用いる。着磁機（図示省略）にセットされた磁石片１，１´の接合面１ａの位置Ａで且つその近傍には着磁用巻線３がある。着磁用巻線３に図８に示す方向の電流を流すと磁界４が形成されて磁石片１，１´はそれぞれＮ極，Ｓ極に着磁される。磁石片１，１´は特定方向に配向されているためにその方向にのみ着磁され、着磁方向はそれぞれ＋θ，−θである。着磁用巻線３の位置がＢ又はＣの位置にずれた場合、磁界４の位置もずれるが磁石片１，１´は配向方向にのみ着磁されるため磁束密度分布はほとんど影響を受けない。

図９に図８の永久磁石の磁束密度分布を示す。磁気センサ９を永久磁石表面にて幅方向に移動させながら磁石表面に対して垂直方向の磁束密度を測定した。着磁用巻線３の位置がＡ，Ｂ，Ｃの何れの場合であっても磁束密度分布はほぼ一致し、ゼロクロス点が接合面１ａの位置で安定して得られることが分かった。

直線変位量を検出するにはゼロクロス点の安定に加えて、できるだけ広い範囲で線形な磁束密度分布を得られることが望ましい。図１０は永久磁石の表面を端部から接合面１ａの位置に向かって徐々に深く削り込む直線凹形状とした例である。永久磁石の寸法は幅Ｗ：５ｍｍ、バックヨークの高さＨ_１：１ｍｍ、磁石片１，１´の高さＨ_２：１ｍｍ、奥行きＬ：１ｍｍである。配向角度θは４５°、磁気センサの位置Ｇは削り込む前の磁石片表面の位置である。削り量Ｄを変えて磁束密度分布を測定したところ削り量Ｄを大きくするほど磁束密度は低下するが広い範囲で線形な磁束密度分布を得られることが分かった。

図１１は図１０と同様の永久磁石を用いて磁気センサの磁石表面からの測定距離Ｇを変えて測定した磁束密度分布である。配向角度θは４５°削り量Ｄは０．５ｍｍとした。測定距離Ｇが大きくなるほど磁束密度は低下するが広い範囲で線形な磁束密度分布を得られることが分かった。

図１２は図１０と同様の永久磁石を用いて配向角度θを変えて測定した着磁パターンである。測定距離Ｇは０ｍｍ、削り量Ｄは０．５ｍｍとした。配向角度θが大きくなるほど磁束密度は低下するが広い範囲で線形な磁束密度分布を得られることが分かった。

図１３は永久磁石の表面を円弧凹形状になるように端部から接合面１ａの位置に向かって徐々に深く削り込んだ例である。永久磁石の寸法は幅Ｗ：５ｍｍ、バックヨークの高さＨ_１：１ｍｍ、磁石片１，１´の高さＨ_２：１ｍｍ、奥行きＬ：１ｍｍである。配向角度θは４５°、測定距離Ｇを変えて磁束密度分布を測定したところ測定距離Ｇが大きくなるほど磁束密度は低下するが広い範囲で線形な磁束密度分布を得られることが分かった。

図１４は一つの磁石辺を一方向に配向し、配向方向に対して垂直方向に磁気センサを移動させながら配向方向に対して垂直方向の磁束密度を測定して得られた磁束密度分布である。この永久磁石の磁気センサと対向する面は凸形状であり、永久磁石の中心軸上に中心を持つ円の一部と実質的に同一形状である。この永久磁石の特徴は複数の永久磁石を接合することなく適当な表面形状を与えることで単一の磁石でゼロクロス点を有する線形な磁束密度分布を得られることである。永久磁石の表面を円弧形状にするには金型を用いて成形するか又は後加工によっても高精度に仕上げることができる。

（比較例１）
図１９に二つの焼結磁石を別々に着磁した後に接着により一体的に接合した永久磁石の磁束密度分布の例を示す。磁石の寸法と磁束密度の測定方法は図９の永久磁石と同様である。接着層の影響によりゼロクロス点が複数できてしまう。

図２０に一つの等方性永久磁石を用いた場合の磁束密度分布の例を示す。着磁用巻線の位置のばらつきがゼロクロス点を変動させる。理由は図１８で説明した通りである。

図２１に一体の異方性磁石を用いた場合の磁束密度分布の例を示す。配向方向は着磁面に対して垂直方向である。着磁用巻線の位置のばらつきがゼロクロス点を変動させる。理由は図１８で説明した通りである。

本発明の直線変位量センサユニットに用いる永久磁石の製造方法を図１５で説明する。基本的には図７で説明した回転角度センサユニット用回転子の製造方法と同様であり、二色成形法によって作製することが好ましい。これは磁極ごとに仮成形体を形成し、それを最終的にまとめて一体成形するため、成形体の寸法は金型によって決まり取り付け精度やギャップの問題は生じない。また、予備成形工程で各磁石片の配向方向を変えることによってゼロクロス点のあいまいさやばらつきを抑えることができる。これは二色成形におけるゼロクロス点のあいまいさやばらつきは金型の寸法精度の影響を受けるが、この精度を磁石と着磁用巻線の位置ずれに比べて非常に高精度に加工することは容易である。さらに配向方向を変えるとゼロクロス点での磁束密度の傾きを任意に変えることができるためセンサ設計において自由度が高まる利点がある。

本発明に係る回転角度センサユニットは、従来と同等の磁気センサを用いた場合においても高精度の回転角センサユニットを実現することが可能となり、たとえば自動車の操舵角度、スロットル角度、アクセルペダル角度、タイヤ角度、クランク角等、さまざまな角度の精密な検出により自動車制御のさらに向上が図れる。また、産業応用分野においてはサーボモータの回転角度、ロボットのアーム角度などの検出に、従来光学式などの大型角度センサが必要であったものが小さい構成をとる事が可能となり、より小型で高精度の制御が可能となる。

本発明に係る直線変位センサユニットは、従来と同等の磁気センサを用いた場合においても高精度のセンサユニットを実現することが可能となる。たとえばリニア駆動の各種ポジションセンサ、自動車用チルト、テレスコピック制御装置、ヘッドライトのオートレベリング装置、座席シートの位置検出、エアサスペンション制御装置、スロットル制御装置、VCMモータの位置検出装置、カメラのレンズ位置検出装置に適用すれば、ゼロクロス位置がはっきりしているため絶対位置が検出可能になることや、構成部品点数を少なくできるため装置の小型化に寄与することができる。

着磁用巻線の位置ずれによる本発明の回転角度センサユニットに用いる磁石回転子の磁束密度分布への影響を示す図である。 本発明の実施例である回転角度センサユニットを示す図である。 本発明の別の実施例である回転角度センサユニットを示す図である。 回転子の半径方向に対する磁極片の配向角度と磁極ピッチのばらつきとの関係を示すグラフである。 本発明の更に別の実施例である回転角度センサユニットを示す図である。 本発明の更に別の実施例である回転角度センサユニットを示す図である。 本発明で用いる回転子の製造方法を説明する図である。 本発明の直線変位センサユニットに用いる永久磁石を示す図である。 本発明の直線変位センサユニットに用いる永久磁石の磁束密度分布を示す図である。 本発明の直線変位センサユニットに用いる別の永久磁石の磁束密度分布を示す図である。 本発明の直線変位センサユニットに用いる別の永久磁石の磁束密度分布を示す図である。 本発明の直線変位センサユニットに用いる別の永久磁石の磁束密度分布を示す図である。 本発明の直線変位センサユニットに用いる別の永久磁石の磁束密度分布を示す図である。 本発明の直線変位センサユニットに用いる別の永久磁石の磁束密度分布を示す図である。 本発明の永久磁石の製造方法を説明する図である。 従来の回転角度センサユニットを示す図である。 従来の別の回転角度センサユニットを示す図である。 着磁用巻線の位置ずれによる従来の回転角度センサユニットに用いる磁石回転子の磁束密度分布への影響を示す図である。 比較例の直線変位センサユニットに用いる永久磁石の磁束密度分布を示す図である。 比較例の直線変位センサユニットに用いる永久磁石の磁束密度分布を示す図である。 比較例の直線変位センサユニットに用いる永久磁石の磁束密度分布を示す図である。

符号の説明

１：異方性磁石片
２：バックヨーク
６´：磁石予備成形体
６：磁石成形体
７：電磁石
８´：軟磁性粉末コンパウンド
８：ヨーク成形体

Claims (10)

1. 互いに一体的に接合した複数の磁石片を有し、隣り合う磁極の境界で前記磁石片の配向方向が変わることを特徴とする永久磁石。
2. 周方向に磁束密度分布を有する磁場を形成する回転子と、前記回転子が発生する磁束または磁場または磁束密度を検知する磁気センサとによって構成される回転角度センサユニットであって、回転子は複数の異方性磁石片によって構成されており、隣り合う磁石片は互いに配向方向が異なることを特徴とする回転角度センサユニット。
3. 隣り合う磁極を構成する磁石片は、隣り合う磁極との極間において境界をもっており、その境界では磁石片の配向方向が半径方向に対して回転子の回転方向に傾いていることを特徴とする請求項１に記載の回転角度センサユニット。
4. 傾き角度が５度以上であることを特徴とする請求項２に記載の回転角度センサユニット。
5. 傾き角度が５度以上８５度以下の範囲であることを特徴とする請求項３に記載の回転角度センサユニット。
6. 結合材を含む磁石粉末を磁界中で予備成形して予備成形体を作製する工程と、隣り合う予備成形体の配向方向が互いに異なるように金型内に複数の予備成形体を円周状に配置し、これらの予備成形体を圧縮成形して一体化する工程とを有することを特徴とする回転角度センサユニット用回転子の製造方法。
7. 周方向に磁束密度分布を有する磁場を形成する回転子と、前記回転子が発生する磁束または磁場または磁束密度を検知する磁気センサによって構成される回転角度センサユニットであって、回転子は永久磁石と軟磁性体によって構成されており、前記軟磁性体は永久磁石と磁気センサとの間に設けられており、その軟磁性体が磁極の最外部を構成することを特徴とする回転角度センサユニット。
8. 結合材を含む磁石粉末を予備成形して第一の予備成形体を作製する工程と、結合材を含む軟磁性粉末を予備成形して第二の予備成形体を作製する工程と、金型内に複数の第一の予備成形体を円周状に配置し、各々の第一の予備成形体の外周側に第二の予備成形体を配置し、これらの予備成形体を圧縮成形して一体化する工程とを有することを特徴とする回転角度センサユニット用回転子の製造方法。
9. 互いに一体的に接合した二つの磁石片を有しＮ極とＳ極とを有する実質的に直線的な磁束密度分布を形成する永久磁石であって、隣り合う磁極の境界で前記磁石片の配向方向が変わることを特徴とする永久磁石。
10. 結合材を含む磁石粉末を磁界中で予備成形して予備成形体を作製する工程と、隣り合う予備成形体の配向方向が互いに異なるように金型内に複数の予備成形体を配置し、これらの予備成形体を圧縮成形して一体化する工程とを有することを特徴とする永久磁石の製造方法。
    

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