JP2013044599A

JP2013044599A - 磁気検出装置

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Publication number: JP2013044599A
Application number: JP2011181610A
Authority: JP
Inventors: Hiromi Sato; 弘実佐藤; Hideki Abe; 英樹阿部; Tsuguhisa Hayashida; 継久林田
Original assignee: Alps Electric Co Ltd
Current assignee: Alps Alpine Co Ltd
Priority date: 2011-08-23
Filing date: 2011-08-23
Publication date: 2013-03-04
Also published as: CN202974304U

Abstract

【課題】特に、センターずれが生じても従来に比べて出力誤差（角度誤差）を小さくすることが可能な磁気検出装置を提供することを目的とする。
【解決手段】軸部３０を有する回転体と、軸受部３１を有して回転体を回転自在に支持する支持体と、前記回転体と前記支持体との間に非接触にて配置された磁石及び磁気センサとを有する。軸受部３１の底面３１ｂの径Ｄ１は、軸部３０の先端面３０ｂの径Ｄ２より大きく形成されている。軸受部３１の第１の側面３１ａ及び軸部３０の第２の側面３０ａはともに底面及び前記先端面に対する垂直方向から傾いて形成されており、第１の側面３１ａの前記底面と平行な面方向に対する傾き角度θ１（鋭角）は、第２の側面３０ａの前記先端面と平行な面方向に対する傾き角度θ２（鋭角）よりも小さい。これによりセンターずれが生じると、軸部３０は横ずれした後、傾く。
【選択図】図５

Description

本発明は、磁気センサと磁石とが非接触にて配置された磁気検出装置に係り、特に磁気センサと磁石間の位置決め精度に関する。

下記特許文献１には回転検出装置に関する発明が開示されている。この発明では、回転軸部を有するギア本体部にリング状磁石が固定支持されており、リング状磁石とは非接触の位置にホール素子が設けられている。ギア本体部は回転可能に支持されており、ギア本体部の回転に伴って、ホール素子に作用するリング状磁石からの磁束密度が変化し、これにより回転状態を検出することが可能になっている。

ところで検出精度を向上させるために、磁石と磁気センサ間の位置決め精度が重要になる。

図９（ａ）では、特許文献１と同様に回転体１に設けられた軸部２が円筒形で突出形成されている。軸部２は凹状の軸受部１０により回転自在に支持されている。軸部２と軸受部１０との間に隙間αが設けられている。また、図９（ａ）に示すように回転体１の下面とギャップ層４との間に磁石５が設けられ、ギャップ層４下に磁気センサ６が設けられる。磁石５と磁気センサ６間はギャップ層４を介して非接触に保たれる。

図９（ａ）では、軸部２の中心軸Ｏ₁（実線）が、ちょうど軸受部１０の中央に位置した状態であるが、図９（ａ）に示すように軸部２の中心軸Ｏ₁（点線）がセンターずれを起こして、軸部２が横方向（Ｘ）にずれると磁石５と磁気センサ６間の位置精度が悪化し、検出精度が低下する問題があった。

また図９（ｂ）は特許文献２と同様に回転体７に設けられた軸部８を半球状で突出させた従来例である。軸部８は半球状に凹んだ軸受部１１により回転自在に支持されている。図９（ｂ）に示すように、磁石５は回転体７に固定支持されている。また、磁気センサ６は磁石５とギャップを介して非接触にて基板側に固定支持されている。図９（ｂ）の従来例によれば、図９（ａ）の形態と異なって、軸部のセンターずれに伴う横ずれ（Ｘ方向へのずれ）は生じにくい。

図９（ｂ）では、軸部８の中心軸Ｏ１（実線）が、ちょうど垂直方向（Ｚ）に一致した状態であるが、軸部８の中心軸Ｏ₁（点線）がセンターずれを起こすと軸部８は軸受部１１の凹曲面を摺動しながら高さ方向に傾き（傾きを矢印βで示した）、磁石５と磁気センサ６間のギャップＧ₀が変動し、検出精度が低下する問題があった。

図１０に示すように、磁石５と磁気センサ６間のギャップＧ₀が変動すると、磁気センサ６に作用する磁場の波形１３，１４は変化する。図１０は、回転角度に対する磁場の波形とＯＮ／ＯＦＦ閾値を示すイメージ図である。ＯＮ／ＯＦＦ閾値は、磁場曲線における最大磁場と最小磁場の間に設定される。

図１０に示すように磁場の波形１３，１４は、回転角度に対して略ＳＩＮ波となるが、ギャップＧ₀の変化が大きいほど、波形１３，１４間の変動も大きくなり、ＯＮ／ＯＦＦ点ａ，ｂの変化が大きくなり、出力誤差（角度誤差）が大きくなる問題があった。

特開２０１０−７１８５２号公報特開２００９−１８０４０９号公報

そこで本発明は上記従来の課題を解決するためのものであり、特に、センターずれが生じても従来に比べて出力誤差（角度誤差）を小さくすることが可能な磁気検出装置を提供することを目的とする。

本発明は、軸部を有する回転体と、前記回転体と高さ方向で対向し、前記軸部との対向位置に軸受部を有して前記回転体を回転自在に支持する支持体と、前記回転体と前記支持体との間に非接触にて配置された磁石及び磁気センサとを有し、前記磁石と前記磁気センサの一方が前記回転体に固定支持され、他方が前記支持体側に固定支持された磁気検出装置において、
前記軸受部は、第１の側面と底面とを有して前記第１の側面から前記底面にかけて凹形状とされており、前記軸部は、前記底面と対向する先端面と、前記第１の側面と対向する第２の側面とを有して前記先端面から前記第２の側面にかけて突起状とされており、
前記軸受部の底面の径Ｄ１は、前記軸部の先端面の径Ｄ２より大きく形成されており、
前記軸受部の第１の側面及び前記軸部の第２の側面はともに前記底面及び前記先端面に対する垂直方向から傾いて形成されており、前記第１の側面の前記底面と平行な面方向に対する傾き角度θ１（鋭角）は、前記第２の側面の前記先端面と平行な面方向に対する傾き角度θ２（鋭角）よりも小さいことを特徴とするものである。本発明では、前記軸部が切頭円錐状で形成されていることが好ましい。

本発明によれば、軸部のセンターずれが生じたとき、軸部はまず横ずれを起こし、続いて、軸部が軸部と軸受部との側面間の角度差に基づいて傾く。このように、センターずれに伴って軸部を横ずれモードと傾きモードとに分散させることができ、これにより従来よりも出力誤差（角度誤差）を小さくでき、検出精度を向上させることができる。

本発明によれば、センターずれに伴って軸部を横ずれモードと傾きモードとに分散させることができ、これにより従来よりも出力誤差（角度誤差）を小さくでき、検出精度を向上させることができる。

図１は、本実施形態の磁気検出装置の斜視図である。図２は、図１に示す磁気検出装置の分解斜視図である。図３は、図１に示す本実施形態の磁気検出装置をＡ−Ａ線に沿って切断した縦断面図である。図４は、図３に示す軸部と軸受部との付近を拡大した部分拡大縦断面図である。なお断面を示す斜線は省略した。図５は、軸部のセンターずれが生じたときに起こる横ずれモード（図５（ａ））と、傾きモード（図５（ｂ））を説明するための部分拡大縦断面図である。なお断面を示す斜線は省略した。図６（ａ）は、本実施形態の磁気検出装置に使用される磁石の一例を示す分解斜視図であり、図６（ｂ）は、図６（ａ）の磁石Ａ及び磁石Ｂを組み合わせた磁石の斜視図（図６（ａ）よりもやや大きく図示した）、図６（ｃ）は、図６（ｂ）に示す着磁面を円周方向に沿って切断した磁石と磁気センサとを備える磁気検出装置の部分拡大縦断面図である。なお図６（ｃ）において、断面を示す斜線は省略した。図７は、本実施例、従来例１及び従来例２の各磁気検出装置におけるセンターずれ量と出力誤差との関係を示すグラフである。図８は、磁石の回転角度と磁気センサに作用する磁場（磁束密度）との関係を示すグラフである。図９は、従来の磁気検出装置の構造を示す部分拡大断面図であり、図９（ａ）は図７に示す従来例１、図９（ｂ）は図７に示す従来例２の磁気検出装置である。図１０は、磁石の回転角度と磁気センサに作用する磁場及びＯＮ／ＯＦＦ閾値との関係を示すイメージ図である。

図１は、本実施形態の磁気検出装置の斜視図であり、図２は、図１に示す磁気検出装置の分解斜視図であり、図３は、図１に示す本実施形態の磁気検出装置をＡ−Ａ線に沿って切断した縦断面図であり、図４は、図３に示す軸部と軸受部との付近を拡大した部分拡大縦断面図である。

図１，図２に示す磁気検出装置２０は、カバー２１、シャフト（回転体）２２、磁石２３、磁気センサ２４及びケース（支持体）２５等を有して構成される。図面には、Ｏリング等を図示していない。本実施形態の磁気検出装置２０は、車載用、電子機器用等、使用用途を限定するものでない。

図３に示すようにシャフト２２には上面側（Ｚ２側）に機器本体の駆動軸（図示せず）を挿入するための挿入孔２２ａが設けられ、シャフト２２の下面側（Ｚ１側）には下方向に向けて突出する軸部３０が設けられている。軸部３０及び挿入孔２２ａはシャフト２２の中央に位置し、軸部３０の中心軸と挿入孔２２ａの中心軸は一致している。なお、本実施例ではシャフト２２に挿入孔２２ａが形成された構成を示しているが、シャフト２２に凸部が形成され軸部３０の中心軸と凸部の中心軸が一致している構成のものでもよい。

図３に示すように、軸部３０の周囲に位置するシャフト２２の下面２２ｂにはリング状の磁石２３が固定支持されている。

図６（ａ）は、磁石２３の分解斜視図、図６（ｂ）は、図６（ａ）の磁石Ａ及び磁石Ｂを組み合わせた磁石の斜視図（（ａ）よりもやや大きく図示した）、図６（ｃ）は、図６（ｂ）に示す着磁面を円周方向に沿って切断した磁石と磁気センサとの部分拡大縦断面図である。

図６（ａ）に示すように例えば、磁石Ａの表面はＮ極に着磁され、磁石Ｂの表面はＳ極に着磁されている。したがって図６（ｂ）に示すように磁石Ａと磁石Ｂとを組み立てた磁石２３の表面（磁気センサ２との対向面；着磁面）２３ａは、円周方向に沿ってＮ極とＳ極とが交互に並んでいる。

図６（ｃ）に示す磁石２３は、図６（ｂ）の磁石２３を反転させたものである。
なお図６に示す磁石の構成は一例であって、図６以外の磁石を使用することも可能である。

図３に示すように、シャフト２２はカバー２１とケース２５との間に挟みこまれる。このとき図１に示すようにシャフト２２の挿入孔２２ａは外部に露出した状態であり、機器本体側の駆動部が前記挿入孔２２ａ内に挿入される。

ケース２５は、回転体であるシャフト２２を回転自在に支持する支持体である。ケース２５にはシャフト２２の軸部３０と対向する位置に凹状の軸受部３１が設けられ、軸部３０の先端部分が軸受部３１内に入り込んでいる。

図３に示すように軸受部３１の周囲であってケース２５の内表面には磁気センサ２４が固定支持されている。軸受部３１が設けられる支持体部分と、磁気センサ２４を固定支持する支持体部分は図３のように一体的であることが好ましいが別体とされていてもよい。磁気センサ２４は、プリント基板３２と、プリント基板３２上に固定支持された複数の磁気検出素子２６とを有して構成される。図３，図６に示すように、磁気センサ２４を構成する磁気検出素子２６と磁石２３とが高さ方向（Ｚ）に間隔（ギャップＧ₁）を空けて非接触にて対向している。

シャフト２２の回転により磁石２３が回転すると、磁気センサ２４を構成する磁気検出素子２６は、磁石２３のＮ極からＳ極にかけて生じる磁場変化を受けて電気特性が変化する。そして磁気検出素子２６の検出信号（ＯＮ／ＯＦＦ信号）に基づいて、回転状態（回転角度や回転方向）を知ることができる。

なお磁気検出素子２６はホール素子、磁気抵抗効果素子（ＧＭＲ素子）等、特に限定するものでない。

また、シャフト２２側に磁気センサ２４が固定支持され、ケース２５側に磁石２３が固定支持されてもよいが、磁気センサ２４を回転しないケース２５側に固定したほうが配線の引き回し等を容易化でき好適である。

図４に示すように、軸受部３１は、第１の側面３１ａと底面３１ｂとを有して第１の側面３１ａから底面３１ｂにかけて凹形状とされている。また軸部３０は、軸受部３１の底面３１ｂと対向する先端面３０ｂと、第１の側面３１ａと対向する第２の側面３０ａを有して、先端面３０ｂから第２の側面３０ａにかけて突起状とされている。本実施形態における軸部３０は下方向（Ｚ１）に向けて切頭円錐状に突出している。また、軸受部３１も、下方向（Ｚ１）に向けて切頭円錐状に凹んでいる。よって図４に示すように、軸受部３１の底面３１ｂ及び軸部３０の先端面３０ｂはともに平面であり、底面３１ｂの径はＤ１、先端面３０ｂの径はＤ２で形成されている。

図４に示すように、軸受部３１の第１の側面３１ａ、及び軸部３０の第２の側面３０ａはともに、高さ方向（Ｚ１−Ｚ２）から平面方向に向けて傾いて形成されている。第１の側面３１ａは、軸受部３１の底面３１ｂと平行な面方向に対して傾き角度θ１（鋭角）を有して傾いている。また、第２の側面３０ａは、軸部３０の先端面３０ｂと平行な面方向に対して傾き角度θ２（鋭角）を有して傾いている。図４では、第１の側面３１ａ及び第２の側面３０ａが直線状とされているが、曲面であってもよい。

図４に示すように、軸受部３１の底面３１ｂの径Ｄ１＞軸部３０の先端面３０ｂの径Ｄ２とされており、軸受部３１の第１の側面３１ａの傾き角度θ１＜軸部３０の第２の側面ａの傾き角度θ２とされている。

一例を示すと、軸受部３１の底面３１ｂの径Ｄ１は、２〜１０ｍｍ程度、軸部３０の先端面３０ｂの径Ｄ２は、１．８〜９．８ｍｍ程度、軸受部３１の第１の側面３１ａの傾き角度θ１は、６０〜８０°程度、軸部３０の第２の側面ａの傾き角度θ２は、６２〜８２°程度である。

図４では、軸部３０の中心軸Ｏ₂と、軸受部３１の中心垂線Ｏ₃とが一致した状態である。ここで「軸部３０の中心軸Ｏ₂」とは、水平面方向を向く先端面３０ｂの中心に垂直に交わる垂線である。また「軸受部３１の中心垂線Ｏ₃」とは、水平面方向を向く底面３１ｂの中心に垂直に交わる垂線である。

機器本体側の駆動軸が、シャフト２２の挿入孔２２ａに挿入されるとき、前記駆動軸の中心軸（図示しない）が、軸部３０の中心軸Ｏ₂に対してずれて挿入されると、そのずれ量がセンターずれ量となる。

本実施形態では、センターずれが生じている場合、図４で説明したように、軸受部３１の底面３１ｂの径Ｄ１＞軸部３０の先端面３０ｂの径Ｄ２の関係により、図５（ａ）に示すように軸部３０が例えばＸ１方向に横ずれを起こす。軸部３０の先端面３０ｂと第２の側面３０ａとの間の縁部３０ｃが、軸受部３１の底面３１ｂと第１の側面３１ａとの間の縁部３１ｃにまで到達すると、すなわち、軸部３が横方向に（Ｄ１−Ｄ２）／２だけ移動すると、これ以上、軸部３０は横ずれしない。

続いて、図４で説明したように、軸受部３１の第１の側面３１ａの傾き角度θ１＜軸部３０の第２の側面ａの傾き角度θ２の関係により、図５（ｂ）に示すよに、軸部３０が傾く。軸部３０の第２の側面３０ａが、軸受部３１の第１の側面３１ａに接触すると、すなわち、軸部３がθ２−θ１だけ傾くと、これ以上、軸部３０は傾かない。

図７は、本実施形態の磁気検出装置、図８（ａ）に示す従来例１の磁気検出装置、及び図８（ｂ）に示す従来例２の磁気検出装置におけるセンターずれ量と出力誤差（角度誤差）との関係を示すグラフである。実施例での軸受部３１の底面３１ｂの径Ｄ１を、２ｍｍ、軸部３０の先端面３０ｂの径Ｄ２を１．８ｍｍ、軸受部３１の第１の側面３１ａの傾き角度θ１を、７３°、軸部３０の第２の側面ａの傾き角度θ２を７５°とした。

なお図７に示すようにセンターずれ量が０ｍｍのときでも、実施例、従来例１及び従来例２では出力誤差（角度誤差）を生じているが、これは組立時点で生じる位置ずれによるもので、実施例、従来例１及び従来例２は全てセンターずれ量が０ｍｍのときに同じ出力誤差を有している。下記の表１に、センターずれ量と、出力誤差を表示した。

図７及び表１に示すようにセンターずれ量が０．２ｍｍまでは、実施例は図５（ａ）の横ずれを起こしており、実施例と従来例１との出力誤差は一致している。一方、従来例２では、センターずれ量と出力誤差とは略二次関数の関係であるが、センターずれ量が０．２ｍｍより大きくなると、従来例２では実施例及び従来例１よりも出力誤差が大きくなり、０．２ｍｍ以降、出力誤差の差は、従来例２と、実施例及び従来例１との間で急速に大きくなっていく。

図７に示すようにセンターずれ量が０．２ｍｍより大きくなると、実施例では図５（ｂ）に示すように軸部が傾き始める。そして、実施例では、従来例１よりも出力誤差が小さくなる。これは図９（ａ）で説明した横ずれを生じる場合、そのセンターずれ量と出力誤差とは略一次関数の関係であるが、図９（ｂ）で説明した傾きが生じて磁気センサと磁石間のギャップが変動する場合、センターずれ量と出力誤差とは略二次関数の関係となるからである。図８に示すグラフは、磁気センサと磁石間のギャップが、０．５、０．８、１と異なる場合の磁石の回転角度と磁気検出素子に作用する磁場（磁束密度）との関係を示すグラフである。図８に示すようにギャップが小さくなると磁場は強くなるが、単位距離あたりの磁場強度変化はギャップが小さくなるほど大きくなることがわかる。すなわち磁石が傾き始めて磁気センサに近づく初期よりも、さらに磁石が傾いて磁気センサにより近づく後期のほうが磁気センサに作用する磁場強度の変化量が大きくなる。このため、センターずれ量が０．２ｍｍ以上になり、図５（ａ）の状態から図５（ｂ）のように軸部３０が傾き始めると、出力誤差は、二次関数的な変動に切り替わるが、軸部３０が傾き始めた最初の頃の磁場強度の変動はさほど大きくないため、センターずれに対する出力誤差の傾きを、一次関数による出力誤差の傾きを有する従来例１よりも小さくできる。したがって、センターずれ量が０．２ｍｍより大きくなると、実施例のほうが従来例１よりも出力誤差を小さくできる。

センターずれ量は、機器本体側の駆動軸との関係で決まるものであるため、ある程度センターずれ量がばらつくことを想定して、出力誤差を小さくできるように構成しなければならないが、本実施形態では、センターずれに伴い、軸部３０を横ずれモードから傾きモードに途中で切り替えることができ、これにより、出力誤差を小さく抑えることが可能なセンターずれ量の範囲を広げることができる。換言すれば大きなセンターずれが生じたときでも、従来に比べて出力誤差を許容範囲内に収めることが可能になる。以上により、本実施形態では従来に比べて検出精度を向上させることが可能になる。

２０磁気検出装置
２１カバー
２２シャフト（回転体）
２２ａ挿入孔
２３磁石
２４磁気センサ
２５ケース（支持体）
２６磁気検出素子
３０軸部
３０ａ第２の側面
３０ｂ先端面
３１軸受部
３１ａ第１の側面
３１ｂ底面

Claims

軸部を有する回転体と、前記回転体と高さ方向で対向し、前記軸部との対向位置に軸受部を有して前記回転体を回転自在に支持する支持体と、前記回転体と前記支持体との間に非接触にて配置された磁石及び磁気センサとを有し、前記磁石と前記磁気センサの一方が前記回転体に固定支持され、他方が前記支持体側に固定支持された磁気検出装置において、
前記軸受部は、第１の側面と底面とを有して前記第１の側面から前記底面にかけて凹形状とされており、前記軸部は、前記底面と対向する先端面と、前記第１の側面と対向する第２の側面とを有して前記先端面から前記第２の側面にかけて突起状とされており、
前記軸受部の底面の径Ｄ１は、前記軸部の先端面の径Ｄ２より大きく形成されており、
前記軸受部の第１の側面及び前記軸部の第２の側面はともに前記底面及び前記先端面に対する垂直方向から傾いて形成されており、前記第１の側面の前記底面と平行な面方向に対する傾き角度θ１（鋭角）は、前記第２の側面の前記先端面と平行な面方向に対する傾き角度θ２（鋭角）よりも小さいことを特徴とする磁気検出装置。
前記軸部が切頭円錐状で形成されている請求項１記載の磁気検出装置。