JP2008139108A - ポテンショメータ - Google Patents

Abstract

【課題】小型で有効電気角度が大きいポテンショメータを提供すること。
【解決手段】ポテンショメータ１では、マグネット９が、シャフト５に固定され、シャフト５の回転軸線Ｌに沿って延在する平面Ｆ２に対して対称にＮ極とＳ極とが着磁されている。マグネット９の外周面９ａに、ホール素子１１の感磁面１１ａが対向して配置されている。シャフト５の回転軸線Ｌに対して直交するII−II線断面上において、マグネット９の外周面９ａと平面Ｆ２とは、第１の交点Ｐ１と第２の交点Ｐ２とで交差し、マグネット９の外周面９ａは、シャフト５の回転中心点Ｏからマグネット９の外周面９ａまでの長さＲが、マグネット９の第１の交点Ｐ１から第２の交点Ｐ２に向かって連続的に大きくなる。この場合、出力電圧の波形のピーク値間を広げることができ、出力電圧の波形に関して１％程度の単独直線度が得られる角度範囲を大きくできる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ホール効果を利用して回転角度を検出するポテンショメータに関する。

特許文献１に記載されたポテンショメータは、Ｎ極とＳ極とに着磁された円柱状のマグネットを有し、このマグネットは、中央を貫通するシャフトに固定されている。そして、ホール素子の感磁面が、マグネットの斜面に対向して配置されている。このように構成されたポテンショメータでは、シャフトの回転角度に応じて変化する磁束密度が、ホール素子によって電圧に変換されて出力される。
特開２００１−９１３００号公報

一般的に、ポテンショメータから出力される出力電圧の波形に関して、１％程度の単独直線度が得られる角度範囲を有効電気角度として用いている。上述した従来のポテンショメータでは、ホール素子から出力される出力電圧の波形はｓｉｎ波形であり、有効電気角度は±９０°程度である。

有効電気角度を大きくする手段として、複数のホール素子を配置し、各ホール素子から出力される電圧値を用いて回転角度を演算することが考えられる。しかし、この場合、ホール素子の数が増大すること及び演算のための回路が必要となることから、ポテンショメータが大型化すると共にコストも高くなるという問題がある。

そこで本発明は、小型で有効電気角度が大きいポテンショメータを提供することを課題とする。

本発明に係るポテンショメータは、シャフトに固定されると共に、シャフトの回転軸線に沿って延在する第１の平面に対して対称にＮ極とＳ極とが着磁された略円柱状のマグネットと、マグネットの外周面に対応して配置された感磁面を有するホール素子とを備え、シャフトの回転軸線に対して直交する第２の平面上において、マグネットの外周面と第１の平面とは、第１の交点と第２の交点とで交差し、シャフトの有効電気角度範囲内において、マグネットの外周面は、シャフトの回転中心点からマグネットの外周面までの長さがマグネットの第１の交点から第２の交点に向かって連続的に大きくなる曲面を有することを特徴とする。

このポテンショメータでは、シャフトの回転軸線に沿って延在する第１の平面に対して対称にＮ極とＳ極とが着磁されたマグネットが、シャフトと一緒に回転する。これにより、マグネットの外周面に対向するホール素子の感磁面において磁束密度が変化し、この磁束密度の大きさに応じた電圧値をホール素子が出力する。この出力電圧の波形は、マグネットが平面に対して対称にＮ極とＳ極とに着磁されているので、１周期において点対称な波形となる。そして、シャフトの有効電気角度の範囲内において、マグネットの外周面は、シャフトの中心からマグネットの外周面までの長さがマグネットの第１の交点から第２の交点に向かって連続的に大きくなるので、出力電圧の波形のピーク値間を広げることができる。よって、出力電圧の波形に関して１％程度の単独直線度が得られる角度範囲を広げることができ、有効電気角度を大きくすることが可能となる。

また、このポテンショメータは、１つのマグネット及び１つのホール素子という簡易な構成をもって有効電気角度を大きくすることができるので、ポテンショメータを小型化することができる。

以上説明したように、本発明のポテンショメータは、小型化が可能、且つ有効電気角度を大きくすることができる。

以下、添付図面を参照して、本発明に係るポテンショメータの実施形態について詳細に説明する。

図１及び図２に示すように、ポテンショメータ１の筐体３はカップ状に形成され、筐体３の上部３ａは円筒形をなし、この上部３ａの頂部に設けられた貫通孔３ｂからシャフト５の端部５ａが突出している。上部３ａの内側には軸受け７が配置され、この軸受け７はシャフト５を回転自在に支持している。

筐体３の下部３ｃは、上部３ａより直径の大きい円筒形をなし、下部３ｃの内部空間には、マグネット９及びホール素子１１が収容されている。マグネット９は、略円柱状に形成され（図３参照）、シャフト５の内端に固定されている。マグネット９は、シャフト５の回転軸線Ｌと同軸で回転する。このマグネット９の外周面９ａとホール素子１１の感磁面１１ａとは対向して配置され、マグネット９の回転により、ホール素子１１の感磁面１１ａにおいて磁束密度が変化する。そして、この磁束密度の大きさに応じた電圧値をホール素子１１が出力する。これにより、シャフト５の外端部５ａに連結された部材（例えばロボットアームの関節など）の回転軸線Ｌ周りの回転角を検出することができる。

樹脂で成形された筐体３の下部３ｃの内周面には、円筒形で且つ軟磁性のヨーク１３が接着固定され、ヨーク１３は、マグネット９で形成される磁場の磁束が下部３ｃ内から漏洩することを抑制している。ヨーク１３の内周面には円筒形の基板ホルダ１５が接着され、基板ホルダ１５の下端面には、下部３ｃの内部空間に蓋をするように円形の回路基板１７が接着され、この回路基板１７にはホール素子１１のリード部１１ｂが半田付けされている。基板ホルダ１５の内周面には、窪みが形成され、その窪み内にホール素子１１は嵌め込まれている。ホール素子１１のリード部１１ｂは、回路基板１７の回路と電気的に接続され、ホール素子１１の出力電圧はシャフト５の回転角度に応じて変化する。

図２に示すように、マグネット９のＮ極とＳ極とは、シャフト５の回転軸線Ｌに沿って延在する第１の平面Ｆ１に対して対称に着磁されている。マグネット９の外周面９ａと第１の平面Ｆ１とは、第１の交点Ｐ１と第２の交点Ｐ２とで交差する。ここで、回転軸線Ｌに対して直交して延在する第２の平面Ｆ２上における回転中心点Ｏと第１の交点Ｐ１とを結ぶ直線ＯＰ１と、第２の平面Ｆ２上における回転中心点Ｏとマグネット９の外周面９ａ上の点Ｐとを結ぶ直線ＯＰとのなす角度を角度φとすると、角度φと直線ＯＰの長さＲとの関係は、図４に示す曲線になっている。

角度φは、第１の平面Ｆ１を境にしてＮ極側で０°≦φ≦１８０°となり、０°を基準とした角度φが大きくなるに伴って直線ＯＰの長さＲが連続的に大きくなる。同様に、角度φは、第１の平面Ｆ１を境にしてＳ極側で−１８０°≦φ≦０°となり、０°を基準とした角度φが小さくなるに伴って直線ＯＰの長さＲが連続的に大きくなる。角度φが０°のとき、直線ＯＰ１の長さＲは最小値Ｒminになり、角度φが±１８０°のとき、直線ＯＰ２の長さＲは最大値Ｒmaxになる。このように、第２の平面Ｆ２上において、シャフト５の回転軸線Ｌからマグネット９の外周面９ａまでの長さＲは、マグネット９の第１の交点Ｐ１から第２の交点Ｐ２に向かって連続的に大きくなる。しかも、マグネット９は、第１の平面Ｆ１に関して対称形をなす。

円筒状のマグネット形状を決定するにあたって、理想のマグネットの形状は、ホール素子１１の出力電圧の波形が、図５に示す理想の波形Ｓ１に近づくことが好ましい。図５において、横軸がシャフトの回転角θを示し、縦軸がホール素子１１の出力電圧を示す。理想の波形Ｓ１では、１％程度の単独直線度が得られる有効電気角度は略３６０°である。すなわち、理想の波形Ｓ１は、ピーク値間が略３６０°であると共に、ピーク値間で原点を通る直線を有する波形である。

円筒状のマグネットの断面形状は、断面が真円のマグネットを基準にして決定される。断面が真円のマグネットを用いた場合、図６に示すように、ホール素子１１の出力電圧の波形Ｓ２はＳｉｎ曲線となる。図６において、横軸がシャフトの回転角θ、縦軸が真円のマグネットを用いた場合におけるホール素子１１からの出力電圧を示す。なお、この場合は、１％程度の単独直線度が得られる有効電気角度が９０°程度である。

そこで、本発明に係るポテンショメータ１に適用するマグネット９を製作するにあたって、波形Ｓ２のＳｉｎ曲線上の出力電圧Ｖ２と理想波形Ｓ１の直線上の出力電圧Ｖ１との差の分を考慮して、真円のマグネットの半径を補正し、マグネット９における直線ＯＰの長さＲを決定する。

具体的には、図６に示すように、ある回転角Ａ（例えば回転角６０°）において、波形Ｓ２のＳｉｎ曲線上の出力電圧Ｖ２が理想波形Ｓ１の直線上の出力電圧Ｖ１より大きい場合、出力電圧Ｖ２と出力電圧Ｖ１との差分を解消するように、角度Ａにおける直線ＯＰの長さＲを真円のマグネットの半径より小さい値に設定する。そして、角度Ａにおける直線ＯＰの長さＲが設定されたマグネット９をシャフト５を中心にして図２の状態から角度Ａだけ回転させたとき、マグネット９の外周面９ａと感磁面１１ａとの間のエアギャップｘは広がる。この状態において、ホール素子１１から出力される電圧は、理想波形Ｓ１上の出力電圧Ｖ１に近い値となる。

前述した回転角６０°以外についても、０°から１８０°までの回転角φに対する直線ＯＰの長さＲを決定して、マグネット９のＮ極側の形状を決定する。マグネット９のＳ極側の形状は、回転軸線Ｌに沿って延在する第１の平面Ｆ１に対してＮ極側の形状と対称な形状とされる。このようにして、マグネット９の形状は、図４に示す曲線に決定される。こうして設計されたマグネット９を適用したポテンションメータ１では、出力電圧の波形を理想の波形Ｓ１に近づけることができる。

図４に示すような形状を有するマグネット９が用いられたポテンショメータ１では、マグネット９が第１の平面Ｆ１に対して対称にＮ極とＳ極とに着磁されているので、出力電圧の波形は、１周期において点対称な波形となる。そして、シャフト５の回転軸線Ｌからマグネット９の外周面９ａまでの長さＲを、図４に示すような曲線関数をもって、マグネット９の第１の交点Ｐ１から第２の交点Ｐ２に向かって連続的に大きくした場合、図７に示すように、出力電圧の波形のピーク値間が広がる。このように、出力電圧の波形に関して１％程度の単独直線度が得られる角度範囲を広げることができ、有効電気角度を大きくすることが可能となる。

また、このポテンショメータ１は、１つのマグネット９及び１つのホール素子１１という簡易な構成をもって有効電気角度を大きくすることができるので、ポテンショメータを小型化することができる。

検証の結果として、図４に示す表面形状をもったマグネット９を適用した場合、ポテンショメータ１から出力される出力電圧の波形は、図７に示すように、１％程度の単独直線度が得られる有効電気角度が２６０°程度まで広がった。なお、図２及び図４に示すように、有効電気角度範囲のうちの最小値θＬは、ホール素子１１の感磁面１１ａにマグネット上の点ＰＬが最接近した値である。また、有効電気角度範囲のうちの最大値θＨは、ホール素子１１の感磁面１１ａにマグネット上の点ＰＨが最近接した値である。なお、図７において有効電気角度範囲は、−１３０°≦θ≦１３０°である。

（他の実施形態）
図８、図９に示すように、他の実施形態に係るポテンショメータ２０は、前述したマグネット９と異なる形状のマグネット１０が用いられている。図１０は、横軸が角度φ、縦軸が直線ＯＰの長さＲを示す。角度φは、第１の平面Ｆ１を境にしてＮ極側で０°≦φ≦１８０°となり、点Ｐ１〜点Ｐ４までの角度φの範囲内で、角度φが大きくなるに伴って直線ＯＰの長さＲが連続的に大きくなる。

これに対し、有効電気角度範囲外において、点Ｐ４〜点Ｐ２までの角度φの範囲内では、直線ＯＰの長さＲは一定であり、円弧をなし、直線ＯＰ４と直線ＯＰ１とのなす角度θ１は、有効電気角の最大値θＨより大きい値である。矢印Ｙ方向にマグネット１０を回転させた場合、ホール素子１１の感磁面１１ａにマグネット１０が徐々に近づいて行くので、感磁面１１ａは、マグネット１０から発生する磁界を徐々に強く受けることとなる。そして、点Ｐ４から点Ｐ２までの範囲内で長さＲを徐々に大きくすると、この部分で発生する磁界が感磁面１１ａに悪影響を与え、有効電気角度を狭める結果となる。そこで、点Ｐ４から点Ｐ２までを半径ＯＰ２の円弧状に形成することで、ピーク値すなわち有効電気角度範囲を広げることができる。

なお、マグネット１０は、上述したマグネット９と同様に、第１の平面Ｆ１において対称形をなす。また、角度φが０°のとき、直線ＯＰ１の長さＲは最小値Ｒminとなり、角度φが±θ１のとき、直線ＯＰ３，ＯＰ４の長さＲは最大値Ｒmaxとなる。

例えば、マグネット１０は、残留磁束密度８００［ｍＴ］、保持力５００［ｋＡ／ｍ］を有するＳｍＣｏボンド磁石からなり、ホール素子１１は、シャフト５の回転軸線Ｌと感磁面１１ａとの間の距離が４．０５［ｍｍ］となるように設置される。ホール素子１１において感度は２．５［ｍＶ／Ｇ］、出力電圧範囲０〜５［Ｖ］、磁界０における出力電圧Ｖ０は２．５［Ｖ］であり、ヨーク１３は鉄製である。有効電気角度範囲の最小値θＬは−１６０°、有効電気角度範囲の最大値θＨは１６０°、角度θ１は１７０°とする。長さＲの最小値Ｒminは１．９５［ｍｍ］、長さＲの最大値Ｒmaxは３．５［ｍｍ］とする。このような場合、−１７０°＜φ＜１７０°の範囲で、Ｒ（φ）は、下式（１）のように表される。

式（１）に示されるマグネット９において、シャフト５の回転軸線Ｌからマグネット１０の外周面１０ａまでの長さＲ（φ）は、有効電気角度範囲（−１６０°≦φ≦１６０°）内で、マグネット９の第１の交点Ｐ１から第２の交点Ｐ２に向かって連続的に大きくなる。そして、ポテンショメータ２０における出力電圧は、図１１に示すようなグラフになる。

Ｒ（φ）の求め方について、簡単に説明する。マグネット１０の形状は、ホール素子１１の出力電圧の波形が、図５に示す理想の波形Ｓ１となるように以下のように決定される。有効電気角度範囲の最小値θＬ（−１６０°）における出力電圧をＶＬ、有効電気角度範囲の最大値θＨ（１６０°）における出力電圧をＶＨとすると、図５に示す理想の波形Ｓ１における直線は、下式（２）のように表される。

また、マグネット１０の形状を示す長さＲは、下式（３）に示す多項式で記述することができる。

更に、マグネット１０は、平面Ｆ２に対して対称に形成されているので、Ｒ（φ）は偶関数でありＲ（φ）＝Ｒ（−φ）を満たす。よって、Ｒ（φ）は、係数Ｃ０、Ｃ２、Ｃ４、Ｃ６を用いて、下式（４）のように記述される。

マグネット１０の形状は、ホール素子１１の出力電圧の波形が式（２）に示す理想の出力電圧の波形に近づくように、式（４）の係数Ｃ０、Ｃ２、Ｃ４、Ｃ６を調整することにより決定される。

また、マグネット１０は０°≦φ≦θ１の範囲内で、角度φが大きくなるに従って直線ＯＰの長さＲが連続的に大きくなるので、長さＲ（φ）は、０°≦φ≦θ１において増加関数となる。そして、長さＲ（φ）は、φ＝０°のとき最小値Ｒminをとり、φ＞θ１の範囲内で最大値Ｒmaxをとる。

例えば、長さＲがシャフト５の回転軸線Ｌとホール素子１１の感磁面１１ａとの距離４．０５［ｍｍ］を超えないように、最大値Ｒmaxを３．５［ｍｍ］と設定する。回転角−１６０°における出力電圧ＶＬを０．３［Ｖ］、回転角１６０°における出力電圧ＶＨを４．７［Ｖ］とし、式（２）においてα＝０．０１３７５となるように、最小値Ｒminを１．９５［ｍｍ］とする。そして、これらの条件を満たすように、式（４）の係数Ｃ０、Ｃ２、Ｃ４、Ｃ６を調整することにより、Ｒ（φ）を決定して、上述した式（１）に示すマグネット１０の形状が決定される。

本発明に係るポテンショメータの第１の実施形態を示す断面図である。 図１のII−II線に沿う断面図である。 図１のポテンショメータに適用したマグネットの斜視図である。 図３のマグネットの外形を示すグラフである。 出力電圧の理想の波形である。 断面が真円のマグネットを用いた場合の出力電圧の波形である。 図１のポテンショメータの出力電圧の波形である。 本発明に係るポテンショメータの第２の実施形態を示す断面図である。 図８のポテンショメータに適用したマグネットの斜視図である。 図９のマグネットの外形を示すグラフである。 図８のポテンショメータの出力電圧の波形である。

符号の説明

１…ポテンショメータ、３…筐体、５…シャフト、９，１０…マグネット、１１…ホール素子、１１ａ…感磁面、１３…ヨーク、Ｆ１…第１の平面、Ｆ２…第２の平面、Ｌ…回転軸線、Ｏ…回転中心点、Ｐ１…第１の交点、Ｐ２…第２の交点。

Claims (1)

1. シャフトに固定されると共に、前記シャフトの回転軸線に沿って延在する第１の平面に対して対称にＮ極とＳ極とが着磁された略円柱状のマグネットと、
   前記マグネットの外周面に対応して配置された感磁面を有するホール素子とを備え、
   前記シャフトの前記回転軸線に対して直交する第２の平面上において、前記マグネットの前記外周面と前記第１の平面とは、第１の交点と第２の交点とで交差し、
   前記シャフトの有効電気角度範囲内において、前記マグネットの前記外周面は、前記シャフトの回転中心点から前記マグネットの前記外周面までの長さが前記マグネットの前記第１の交点から前記第２の交点に向かって連続的に大きくなる曲面を有することを特徴とするポテンショメータ。

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