JP2010025859A - 磁気センサおよびこの磁気センサを用いたアクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】外部磁界が無い場合も含めて、外部磁界の強度や極性を判別することができるより汎用性の高い磁気センサを提供することを目的とする。
【解決手段】磁芯２が挿入された励磁コイルＬ１と検知コイルＬ２を具備する磁気センサ１であって、励磁コイルＬ１には低周波が印加され、検知コイルＬ２には高周波が印加され、検知コイルＬ２の磁芯２に鎖交する励磁コイルＬ１の磁束と外部磁界（永久磁石４）の磁束により、検知コイルＬ２の磁芯２が周期的に磁気飽和状態と磁気不飽和状態を繰り返すことによって変調された検知コイルＬ２の両端電圧３に基づいて、外部磁界（永久磁石４）の磁束を検出する。
【選択図】 図３

Description

本発明は、外部磁界を検出する磁気センサと、この磁気センサを用いたアクチュエータに関する。

従来、この種のセンサとして、永久磁石の近接を可飽和磁芯に巻かれたコイルのインダクタンス変化として検出する磁気検出装置が特許文献１に記載されている。

この特許文献１に記載の磁気検出装置は、可飽和磁芯と、この可飽和磁芯に巻装されたコイルと、このコイルに交流信号を供給する発信回路と、このコイルにバイアス電流を供給するバイアス電源と、このコイルに発生する交流信号を基準信号と比較する比較回路とを備えている。
特開昭５６−１５８９６７号公報

特許文献１に記載の磁気検出装置は、バイアス電源から正あるいは負の直流電流をコイルに与えることにより、可飽和磁芯に直流バイアス磁界を発生させ、外部磁界に対し飽和特性の中心軸が正あるいは負に移動した特性を得ている。
このため、外部磁界の極性を判別することは比較的容易にできるが、外部磁界が無い場合も含めて、外部磁界の強度までを判別するためには、検知すべき外部磁界の強度に応じてバイアス電源の出力電流値を最適な値に設定する必要あり、センサとして汎用性に欠ける問題があった。

また、上記従来の磁気検出装置は、単に物体の有無を検出するために利用する場合には十分であるが、検出可能な範囲が非常に狭いため、センサと検出対象物との高い組み付け精度が要求される問題もあった。

そこで、本発明は、外部磁界が無い場合も含めて、外部磁界の強度や極性を判別することができるより汎用性の高い磁気センサを提供することを目的とする。

上記の目的を達成すべく成された本発明は、磁芯が挿入された励磁コイルと検知コイルを具備する磁気センサであって、前記励磁コイルには低周波が印加され、前記検知コイルには高周波が印加され、前記検知コイルの磁芯に鎖交する前記励磁コイルの磁束と外部磁界の磁束により、前記検知コイルの磁芯が周期的に磁気飽和状態と磁気不飽和状態を繰り返すことによって変調された前記検知コイルの両端電圧に基づいて、前記外部磁界の磁束を検出することを特徴とするものである。

本発明の磁気センサは、さらなる好ましい特徴として、
「前記検知コイルの両端電圧の振幅の変調率に基づいて、前記外部磁界の磁束を検出すること」、
「前記検知コイルの両端電圧の振幅の変調波と前記励磁コイルに印加される低周波の位相差を検出する手段を有すること」、
「前記励磁コイルの磁芯は軟鉄で、前記検知コイルの磁芯は可飽和磁芯であること」、
を含むものである。

また、本発明は、磁気センサを用いたアクチュエータであって、回転軸を有するモータと、複数のギヤを介して伝達される前記モータの駆動力を出力する出力軸と、前記モータの制御を行う制御部とを有し、前記外部磁界は前記出力軸と一体に回転する出力ギヤに設けられ、前記磁気センサは、前記出力ギヤ回転時に前記外部磁界に対向する位置に設けられていることを特徴とするものである。

本発明の磁気センサは、さらなる好ましい特徴として、
「電源がオンされた時、前記制御部は、前記モータを駆動して前記出力軸を所定方向に回転させ、前記磁気センサが前記外部磁界を検知すると、前記出力軸の回転位置を初期位置に設定すること」、
を含むものである。

本発明によれば、検知コイルの磁芯に鎖交する、外部磁界からの所定量の磁束と周期的に変動する励磁コイルからの磁束によって、検知コイルの磁芯が周期的に磁気飽和と磁気不飽和を繰り返すと、検知コイルのインダクタンスが周期的に変動し、検知コイルの出力電圧（両端電圧）の振幅が変調する現象が発生する。
このため、変調率を検出することにより外部磁界からの磁束の強度を検出できると共に、外部磁界の極性によって１８０度位相が異なる出力信号が得られるため、外部磁界の極性を検出することもできる。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を例示的に説明する。但し、この実施の形態に記載されている構成部品の材質、形状、その相対配置などは、特に特定的な記載がない限りはこの発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではない。

まず、本発明の磁気センサ１の基本構成について図１を用いて説明する。

本発明の磁気センサ１は、磁芯２が挿入された励磁コイルＬ１と検知コイルＬ２を有し、励磁コイルＬ１には発振器Ｆ１と抵抗Ｒ１が接続され、検知コイルＬ２には発振器Ｆ２と抵抗Ｒ２が接続される。

励磁コイルＬ１には、発振器Ｆ１から低周波が印加され、磁芯２を電磁石とすることができるように、好ましくは図２（ａ）１のような１０Ｈｚ以上１ｋＨｚ以下の低周波が印加される。
一方、検知コイルＬ２には、発振器Ｆ２から高周波が印加され、好ましくは図２（ａ）２のような１００ｋＨｚ以上１ＭＨｚ以下の高周波が印加される。
なお図２は、横軸が一目盛り０．０５ｓｅｃの時間、縦軸は低周波については一目盛り１．０Ｖ、高周波については一目盛り０．０５Ｖの電圧を示している。

磁芯２としては、高い透磁率を有する材料であれば特に限定されるものではなく、例えばケイ素鋼等の軟鉄、フェライト、センダスト、パーマロイ、アモルファス磁性合金等を用いることができるが、本発明においては励磁コイルＬ１の磁芯としては残留磁化の小さな軟鉄を用いるのが特に好ましく、励磁コイルＬ２の磁芯としては透磁率の大きなフェライト等の可飽和磁芯を用いるのが特に好ましい。

本発明においては、互いのコイルが干渉しにくいように、励磁コイルＬ１と検知コイルＬ２の結合係数は低く設定するのが望ましい。この結合係数は０．４以下が好ましく、より好ましくは０．２以下、特に好ましくは０．１以下である。

次に、図１の磁気センサの原理を説明する。
発振器Ｆ１と発振器Ｆ２を発振すると、検知コイルＬ２の出力電圧３は、発振器Ｆ２の信号と同様に現れる（図２（ａ）２参照）。これは、励磁コイルＬ１と検知コイルＬ２の磁気結合が低く、励磁コイルＬ１の誘導電圧が検知コイルＬ２にほとんど現れないためである。
また、このとき検知コイルＬ２の磁芯２は磁気不飽和状態となっている。

次に、励磁コイルＬ１と検知コイルＬ２が一体に固定された磁気センサ１に外部磁界として永久磁石４を近づけた場合を考える。図３及び図４は永久磁石４のＮ極を磁気センサに近づけた状態を示している。ここで、図２、図３及び図４に記載のｒは、磁気センサ１と永久磁石４の距離を表している。

永久磁石４のＮ極を徐々に磁気センサに近づけていくと、検知コイルＬ２の磁芯２に鎖交する永久磁石４からの一定方向の磁束が徐々に増大する。一方、励磁コイルＬ１には図２（ａ）１のような正弦波が入力され、磁界が周期的に変動している。ある瞬間における励磁コイルＬ１の磁界が永久磁石側でＳ極の磁界になると（図３参照）、永久磁石４の磁束と励磁コイルＬ１の磁束は同じ向きとなり、磁束が検知コイル内で増大し、検知コイルの磁芯が磁気飽和し始めると検知コイルＬ２のインダクタンスが減少し、検知コイルの出力電圧３が振幅変調する（図２（ｂ）参照）。

また、ある瞬間における励磁コイルＬ１の磁界が永久磁石側でＮ極の磁界になると（図４参照）、永久磁石４の磁束と励磁コイルＬ１の磁束は反対向きとなり、磁束が検知コイルＬ２内で打ち消しあい、検知コイルＬ２の磁芯２は磁気飽和せず、検知コイルＬ２のインダクタンスは変化しないため、検知コイルＬ２の出力電圧３は永久磁石４が無い場合と同様となる（図２（ｂ）参照）。

さらに永久磁石４のＮ極を磁気センサに近づけていくと、永久磁石４からの磁束が検知コイルＬ２内でさらに増大し、励磁コイルＬ１に印加される低周波の１周期内で検知コイルＬ２の磁芯が磁気飽和する時間が長くなり、検知コイルＬ２の出力電圧３の変調率が増加していく（図２（ｃ）〜図２（ｅ）参照）。

また、さらに永久磁石４のＮ極を磁気センサに近づけていくと、永久磁石４からの磁束が検知コイルＬ２内でさらに増大し、励磁コイルＬ１の磁界が永久磁石側でＳ極の時は完全に磁気飽和し、励磁コイルＬ１の磁界が永久磁石側でＮ極の場合にも検知コイルＬ２の磁芯２が磁気飽和し始め、検知コイルＬ２の出力電圧３の変調率が減少に転じる（図２（ｆ）〜図２（ｉ）参照）。

そして、さらに永久磁石３のＮ極を磁気センサに近づけていくと、永久磁石３からの磁束が検知コイルＬ２内でさらに増大し、励磁コイルＬ１の磁界が永久磁石側でＳ極の時もＮ極の時も完全に磁気飽和し、検知コイルＬ２の出力電圧３の振幅変調は見られなくなる（図２（ｊ）参照）。

このように、検知コイルＬ２の磁芯に鎖交する、永久磁石４（外部磁界）からの所定量の磁束と発振器Ｆ１の周波数に同期して周期的に変動する励磁コイルＬ１からの磁束によって、検知コイルＬ２の磁芯が周期的に磁気飽和状態と磁気不飽和状態を繰り返すと、検知コイルＬ２のインダクタンスが周期的に変動し、抵抗Ｒ２と直列に接続した検知コイルＬ２の出力電圧３の振幅が変調するため、この変調率を検出することにより永久磁石４からの磁束の強度、言い換えれば永久磁石４の近接の有無を含む永久磁石の位置情報を検出することができる。

上述の説明では、磁気センサ１に永久磁石４のＮ極が近接した場合で説明したが、次に磁気センサ１に永久磁石４のＳ極が近接した場合を考える。
永久磁石４のＳ極を徐々に磁気センサに近づけていくと、前述のＮ極を近づけていった場合と反対方向の磁束が徐々に増大する。一方、励磁コイルＬ１には低周波の正弦波が入力され、磁界が周期的に変動している。ある瞬間における励磁コイルＬ１の磁界が永久磁石側でＳ極の磁界になると、永久磁石４の磁束と励磁コイルの磁束は反対向きとなり、磁束が検知コイル内で打ち消しあい、検知コイルの磁芯は磁気飽和せず、検知コイルＬ２のインダクタンスは変化しないため、検知コイルＬ２の出力電圧３は永久磁石４が無い場合と同様である。

また、ある瞬間における励磁コイルＬ１の磁界が永久磁石側でＮ極の磁界になると、永久磁石４の磁束と励磁コイルＬ１の磁束は同じ向きとなり、磁束が検知コイルＬ２内で増大し、検知コイルＬ２の磁芯２が磁気飽和し始めると検知コイルＬ２のインダクタンスが減少し、検知コイルＬ２の出力電圧３が振幅変調する。

このように、磁気センサ１に永久磁石のＮ極が近接した場合とＳ極が近接した場合とでは、検知コイルＬ２の出力信号の位相が１８０度異なっているため、励磁コイルＬ１への入力信号と検知コイルＬ２の出力信号の位相を比較することにより、外部磁界としての永久磁４石の極性を判別することができる。

次に、本発明の実施例を説明する。
（実施例１）
本実施例は、図１の構成を有する磁気センサ１を構成し、永久磁石４の磁気を検出した例である。本実施例の磁気センサ１は、図示しないコイルボビンに線経Φ０．１１の線材を励磁コイルＬ１には１００回、検知コイルＬ２には３０回、ソレノイド状に巻回して同軸上に並べ、巻き方向を同じにしている。

この励磁コイルＬ１と検知コイルＬ２を巻回したコイルボビンには磁芯２が挿入されている。励磁コイルＬ１の磁芯２には軟鉄が挿入され、検知コイルＬ２の磁芯２にはフェライトが挿入されており、軟鉄とフェライトは０．０５ｍｍの空隙を設けて配置されている。Ｒ１＝１００Ω、Ｒ２＝３．９Ωとした。また磁芯２を挿入したときのインダクタンスは励磁コイルＬ１が５４．２μＨ、検知コイルＬ２が１８．１μＨ、合成インダクタンスＬ０が７６．５μＨとなっている。
よって相互インダクタンスＭは、
Ｍ＝（Ｌ０−（Ｌ１＋Ｌ２））／２
＝２．１
となる。
また、結合係数ｋは、
ｋ＝Ｍ／√（Ｌ１・Ｌ２）
≒０．０６７
となる。

このとき測定機器としてＭＳＯ６０３４Ａ（アジレントテクノロジー（株）商品名）、発振器Ｆ１として１９４６（ウエーブファクトリー（株）商品名）、発振器Ｆ２としてＬＡＧ−１２０Ａ（リーダー電子（株）商品名）を使用した。

発振器Ｆ１の周波数は１０Ｈｚとして励磁コイルＬ１の両端電圧を０．８Ｖp-pに調整し、発振器Ｆ２の周波数は１ＭＨｚとして出力電圧を０．２Ｖp-pに合わせて測定した（図２参照）。

次に、図３のように、磁気センサ１の検知コイルＬ２側に永久磁石４のＮ極を徐々に近づけた。図２の上の波形は検知コイルＬ２の出力電圧波形であり、図５は測定結果を纏めたものである。
図５における変調率ｍ（％）は、検知コイルＬ２の出力信号に現れる最大振幅をＡ、最小振幅をＢとしたとき、
ｍ＝（（Ａ−Ｂ）／（Ａ＋Ｂ））×１００
としている。

図５において、永久磁石４と磁極センサ１との距離ｒ＝３０ｍｍになると、振幅変調が始まり、距離ｒ＝１８で変調率が最大となり、その後徐々に変調率は小さくなっている。
変調波を復調して有用な信号を得るためには、なるべく変調率が大きいことが要求され、本実施例の磁気センサでは、変調率１０％以上のときに有用な信号を得ることができた。
すなわち、本実施例の磁気センサ１は、永久磁石４との距離ｒ＝２０ｍｍ〜１５ｍｍのとき、永久磁石４の有無と強度と極性を検出することができる。

（実施例２）
励磁コイルＬ２と検知コイルＬ１の磁芯２として一体型のフェライトを挿入した以外は、実施例１と同様に磁気センサ１を構成し、永久磁石４の磁気を検出した（図６参照）。
磁芯２を挿入したときのインダクタンスは励磁コイルＬ１が２６９．３μＨ、検知コイルＬ２が２５．５μＨ、合成インダクタンスＬ０が３５８．７μＨとなっている。
よって相互インダクタンスＭは、
Ｍ＝（Ｌ０−（Ｌ１＋Ｌ２））／２
＝３１．９５
となる。
また、結合係数ｋは、
ｋ＝Ｍ／√（Ｌ１・Ｌ２）
≒０．３９
となる。

図６の波形は、磁極センサの検知コイル側に永久磁石を近づけたときの検知コイルの出力電圧波形である。図７は、図６の測定結果を纏めたものである。
図７において、磁極センサ１と永久磁石４との距離ｒ＝２０ｍｍになると、振幅変調が始まり、距離ｒ＝１６ｍｍまで変調率が大きくなっている。その後、距離ｒ＝１５ｍｍになると変調率が３８．３％と高くなるが波形が歪んでいる。これは励磁コイルＬ１の磁束が弱く検知コイルＬ２で正弦波を忠実に再現できないためと考えられる。よって、本実施例では、距離ｒ＝１６ｍｍ〜１７ｍｍのときに永久磁石４の有無と強度と極性を検出することができる。

このように、実施例１は、永久磁石４の有無と強度と極性を検出することができる範囲はｒ＝１５ｍｍ〜２０ｍｍであり、実施例２ではｒ＝１６ｍｍ〜１７ｍｍとなり、実施例２より検出範囲が広いことがわかった。

（実施例３）
図８は、磁気センサ１を用いた実施例１のブロック図である。
図８において、６０は、検知コイルＬ２で発生した振幅変調波を復調する包絡線検波回路である。６１は、発振器Ｆ１の正弦波と包絡線検波回路６０の出力の正弦波との位相比較器である。６２はＡ−Ｄ変換器であり、包絡線検波回路６０の出力の振幅をデジタル信号に変換して変調率の信号を後述の制御部に出力している。６３は制御部であり、Ａ−Ｄ変換器６２および位相比較器６１の情報をもとに、永久磁石４に関する情報を検出する。

（応用例）
図９は、実施例３を組み込んだアクチュエータ５５の内部構造図である。
図９において、５０は、回転軸５０ａを有するモータであり、５１は、複数のギヤを介して伝達されるモータ５０の駆動力を出力する出力軸であり、この出力軸５１は出力ギヤ５２と一体に回転する。永久磁石４は、出力軸５１と一体に回転する出力ギヤ５２に設けられ、磁気センサ１は、出力ギヤ５２の回転時に永久磁石４に対向する位置に図示しない基板上に設けられている。アクチュエータが電源オンされた時、制御部６３は、モータ５０を駆動して出力軸５１を所定の一方向に回転させ、磁気センサ１が出力ギヤ５２に取り付けられた永久磁石４の磁界を検出すると、Ａ−Ｄ変換器６２および位相比較器６１の情報をもとに、出力軸５１の回転位置を初期位置に設定する。

出力軸５１の初期位置の設定は、永久磁石４の磁界のピーク値を検出して行うことができる。具体的には、制御部６３が磁界の大きさを逐次記憶し、磁界の大きさの増減の変化点を検出すると出力ギヤ５２を反転させ、磁界のピーク値で出力軸５１を初期位置に設定すれば、出力軸５１を初期位置に正確に設定することができる。

本例のアクチュエータ５５は、例えば車両用の空気調整装置の気流調整弁の駆動源として用いることができる。
一般に車両用の空気調整装置の気流調整弁は、電源オフ時にそのままの位置で停止する。このため、電源オン時に気流調整弁を初期位置に設定し直さないと、所定の開度に調整することができない。
本例のアクチュエータ５５をこのような車両用の空気調整装置の気流調整弁の駆動源として用いることにより、電源オン時に上述のように出力軸５１を初期位置に正確に設定して、出力軸５１で操作される気流調節弁の初期設定を正確に行うことができる。

また、本発明の磁気センサ１によれば、検出範囲が広いため、外部磁界（永久磁石４）を取り付けた出力ギヤ５２と磁気センサ１との組み立て精度のバラツキを吸収でき、出力軸５１の初期位置を確実に検知することができる。

さらに、本発明の磁気センサ１によれば、ホール素子に比べて感度のバラツキが非常に小さく、特に車両等に設置されて高温環境下で使用されるアクチュエータに用いた場合、従来のホール素子を磁気センサとして用いたアクチュエータに比べて信頼性の高いものとなる。

本発明の実施例にかかる磁気センサの基本構成図である。 本発明の実施例にかかる磁気センサの出力波形である。 本発明の実施例にかかる磁気センサに永久磁石のＮ極が近接したときの基本構成図である。 本発明の実施例にかかる磁気センサに永久磁石のＮ極が近接したときの基本構成図である。 本発明の実施例にかかる励磁コイルは鉄芯が挿入、検知コイルはフェライトが挿入されたときの測定結果である。 図５における磁気センサの出力波形である。 本発明の実施例にかかる励磁コイルと検知コイルにフェライトが挿入されたときの測定結果を示す。 本発明の磁気センサを用いた実施例のブロック図である。 図８の実施例を用いたアクチュエータの内部構造図である。

符号の説明

１ 磁気センサ
２ 磁芯
３ 出力電圧
４ 永久磁石
Ｌ１ 励磁コイル
Ｌ２ 検知コイル
ｒ 距離
５０ モータ
５０ａ 回転軸
５１ 出力軸
５２ 出力ギヤ
５５ アクチュエータ
６０ 包絡線検波回路
６１ 位相比較器
６２ Ａ−Ｄ変換器
６３ 制御部

Claims (6)

1. 磁芯が挿入された励磁コイルと検知コイルを具備する磁気センサであって、
   前記励磁コイルには低周波が印加され、前記検知コイルには高周波が印加され、
   前記検知コイルの磁芯に鎖交する前記励磁コイルの磁束と外部磁界の磁束により、前記検知コイルの磁芯が周期的に磁気飽和状態と磁気不飽和状態を繰り返すことによって変調された前記検知コイルの両端電圧に基づいて、前記外部磁界の磁束を検出することを特徴とする磁気センサ。
2. 前記検知コイルの両端電圧の振幅の変調率に基づいて、前記外部磁界の磁束を検出することを特徴とする請求項１に記載の磁気センサ。
3. 前記検知コイルの両端電圧の振幅の変調波と前記励磁コイルに印加される低周波の位相差を検出する手段を有することを特徴とする請求項１に記載の磁気センサ。
4. 前記励磁コイルの磁芯は軟鉄で、前記検知コイルの磁芯は可飽和磁芯であることを特徴とする請求項１に記載の磁気センサ。
5. 前記請求項１ないし４のいずれか１項に記載の磁気センサを用いたアクチュエータであって、
   回転軸を有するモータと、複数のギヤを介して伝達される前記モータの駆動力を出力する出力軸と、前記モータの制御を行う制御部とを有し、前記外部磁界は前記出力軸と一体に回転する出力ギヤに設けられ、前記磁気センサは、前記出力ギヤ回転時に前記外部磁界に対向する位置に設けられている、ことを特徴とするアクチュエータ。
6. 電源がオンされた時、前記制御部は、前記モータを駆動して前記出力軸を所定方向に回転させ、前記磁気センサが前記外部磁界を検知すると、前記出力軸の回転位置を初期位置に設定する、ことを特徴とする請求項５に記載のアクチュエータ。

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