JP2014224736A - 回転角度検出器 - Google Patents

Abstract

【課題】磁気センサと磁石との間の横方向への軸ずれの許容範囲を広くし、簡単な構成で、安価に、回転角度の検出精度を高める。
【解決手段】磁石２の磁気センサ４の感磁面４ａに平行に対向する面２ａの中央部に穴２ｂを形成する。これにより、磁気センサ４の感磁面４ａに作用する磁石２Ａからの磁束の流れが比較的水平とされ、磁気センサ４の感磁面４ａに作用するＸ方向およびＹ方向の磁束密度が均一となり、磁気センサ４と磁石２との間の横方向への軸ずれによる磁束密度の変動が小さくなり、回転角度の検出精度の悪化が抑えられる。
【選択図】 図１

Description

この発明は、磁気センサが検出する磁束密度の変化から検出対象の回転角度を検出する回転角度検出器に関するものである。

従来より、この種の回転角度検出器として、Ｎ極とＳ極の磁石を有する回転体と、磁束密度の変化を検出する磁気センサとを組み合わせ、回転体を磁気センサに対して回転させることにより、磁気センサが検出する磁束密度の変化から検出対象の回転角度を検出するという構成のものが数多く提案されている。

図１０に従来の回転角度検出器の一例を示す。同図において、１は回転軸、２はこの回転軸１の先端に取り付けられた磁石である。磁石２は、その平面形状が円形とされ、径方向に着磁されている。回転軸１にはギア３が嵌合固定されており、検出対象の回転に伴ってギア３が回転し、このギア３と一体となって回転軸１が回転する。すなわち、検出対象の回転に伴って回転軸１が軸心Ｏ１を中心として回転し、この回転軸１と一体となって磁石２が回転する。磁石２は、その回転中心が回転軸１の軸心Ｏ１と一致するように、回転軸１の先端に取り付けられている。

４は磁束密度の変化を検出する磁気センサである。磁気センサ４は、磁石２の径方向に対して直交する方向を磁石２の厚み方向とし、この磁石２の厚み方向の一方の面（上面）２ａにその感磁面４ａを平行に対向させて、かつその感磁面４ａの中心（磁気センサ４の中心）を磁石２の回転中心と一致させるようにして、プリント基板５上に配置されている。６は磁気センサ４を基点として磁石２と反対側に配置された円板状の磁性体である。

プリント基板５および磁性体６は金属製のホルダ７に保持されている。ホルダ７はケース本体８に取り付けられている。回転軸１の先端はその外周面がすり鉢状とされており、このすり鉢状とされた回転軸１の外周面とホルダ７との間には、軸受９が設けられている。この軸受９は、回転軸１の先端のすり鉢状の外周面に合わせ、このすり鉢状の外周面を軸支すべく、変形ベアリングとされている。なお、変形ベアリングを用いた回転角度検出器については、特許文献１にも示されている。

この回転角度検出器２００では、検出対象の回転に伴ってギア３が回転し、このギア３と一体となって回転軸１が回転し、この回転軸１の軸心Ｏ１を中心として磁石２が回転する。すなわち、磁石２のＮ極からＳ極に戻る磁束の方向が回転する。これにより、磁気センサ４の感磁面４ａに作用する磁束密度が変化し、この磁気センサ４が検出する磁束密度の変化から検出対象の回転角度が検出される。

なお、図１０において、磁気センサ４としては、ホール素子を用いた磁気センサ、ＭＲ素子（磁気抵抗効果素子）を用いた磁気センサなどが用いられる。ホール素子を用いた磁気センサ４では、その磁気センサ４の感磁面４ａに作用するＸ方向およびＹ方向（図１１参照）への磁束密度の変化を検出する。

この回転角度検出器２００では、磁気センサ４を基点として磁石２と反対側に円板状の磁性体６を設けていることにより、次のような２つの効果が得られる。

(１)磁性体６と磁石２との間の吸引力により、回転軸１が磁石２とともに磁性体６に引きつけられ、回転軸１の先端のすり鉢状の外周面が軸受９（変形ベアリング）の内周面に押し付けられる。これにより、回転軸１の軸心Ｏ１と磁石２の回転中心とが一致し、回転軸１の横方向（Ｘ，Ｙ方向）への軸ずれが生じにくくなり、回転角度の検出精度が高められる。
(２)磁気センサ４を磁石２と磁性体６とで挟むことにより、磁気収束効果により磁気センサ４の周辺部の磁束密度が高められ、その結果、磁気センサ４の出力のＳ／Ｎ比が向上し、回転角度の検出精度が高められる。

特開２００３−２１４８９６号公報

しかしながら、上述した従来の回転角度検出器２００では、回転軸１の横方向への軸ずれを生じにくくさせるために軸受９として変形ベアリングを用いており、回転軸１の先端もすり鉢状としなけらばならず、その構成が複雑化し、高価となる。また、吸引力で回転軸１の先端のすり鉢状の外周面を軸受９（変形ベアリング）に押し付けるので、軸受の摩耗が激しい。また、組み付け時の誤差などによって磁気センサ４の感磁面４ａの中心と磁石２の回転中心との間に軸ずれが発生すると（以下、磁気センサ４と磁石２との間の横方向の軸ずれという）、磁気センサ４を通過する磁束密度が変化してしまい、所定の磁束密度が得られず、回転角度の検出精度が悪化するなどの問題がある。

本発明は、このような課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、磁気センサと磁石との間の横方向への軸ずれの許容範囲を広くし、簡単な構成で、安価に、回転角度の検出精度を高めることができる、回転角度検出器を提供することにある。

このような目的を達成するために本発明は、回転軸と、この回転軸の軸心を中心として回転する径方向に着磁された磁石と、この磁石の径方向に対して直交する方向をその磁石の厚み方向とし，この磁石の厚み方向の一方の面にその感磁面を平行に対向させて，かつその感磁面の中心を磁石の回転中心と一致させるようにして配置され，感磁面に作用する磁束密度の変化を検出する磁気センサとを備え、磁気センサが検出する磁束密度の変化から検出対象の回転角度を検出する回転角度検出器において、磁石は、磁気センサの感磁面に対向する面の中央部に穴を有することを特徴とする。

この発明によれば、磁石の磁気センサの感磁面に対向する面の中央部に穴を設けることにより、磁気センサの感磁面に作用する磁石からの磁束の流れが比較的水平とされ、磁気センサと磁石との間の横方向への軸ずれによる磁束密度の変動が小さくなり、回転角度の検出精度の悪化が抑えられる。

本発明において、磁石の磁気センサの感磁面に対向する面の中央部に設ける穴は、貫通していても、貫通していなくてもよいが、この磁石に設ける穴は、その穴径が磁石の径の１／６、かつ、その穴の深さが１〜２ｍｍであることが好ましい。このようにすると、磁束密度の変動を最も小さくすることが可能となり、回転角度の検出精度の悪化を最小限に抑えることが可能となる。

本発明によれば、磁石の磁気センサの感磁面に平行に対向する面の中央部に穴を設けるようにしたので、磁気センサの感磁面に作用する磁石からの磁束の流れが比較的水平とされ、磁気センサと磁石との間の横方向への軸ずれによる磁束密度の変動が小さくなり、回転角度の検出精度の悪化が抑えられるものとなる、これにより、磁気センサと磁石との間の横方向への軸ずれの許容範囲が広くなり、変形ベアリングに代えて通常の軸受を使用することが可能となり、また磁気センサを基点とする磁石と反対側への磁性体の配置を不要とし、簡単な構成で、安価に、回転角度の検出精度を高めることができるようになる。また、軸受の摩耗も少なく、振動にも強くなる。

本発明に係る回転角度検出器の一実施の形態の要部を示す側断面図である。 この回転角度検出器における磁石と磁気センサとの配置関係を示す平面図および側面図である。 穴を有する磁石と穴を有さない磁石を用いた場合の磁束の流れを比較して示す図である。 磁石の穴の径を変えた場合のＸ方向への軸ずれ時の磁気センサの中心の磁束密度変化（ａ＝０，ｂ＝０の場合、ａ＝１，ｂ＝４．５の場合、ａ＝１，ｂ＝４．５の場合、ａ：穴深さ、ｂ：穴径）を示す図である。 磁石の穴の径を変えた場合のＹ方向への軸ずれ時の磁気センサの中心の磁束密度変化（ａ＝０，ｂ＝０の場合、ａ＝１，ｂ＝４．５の場合、ａ＝１，ｂ＝４．５の場合、ａ：穴深さ、ｂ：穴径）を示す図である。 磁石の穴の深さを変えた場合のＸ方向への軸ずれ時の磁気センサの中心の磁束密度変化（ａ＝０，ｂ＝１．５の場合、ａ＝１，ｂ＝１．５の場合、ａ＝２，ｂ＝１．５の場合、ａ＝貫通，ｂ＝１．５の場合、ａ：穴深さ、ｂ：穴径）を示す図である。 磁石の穴の深さを変えた場合のＹ方向への軸ずれ時の磁気センサの中心の磁束密度変化（ａ＝０，ｂ＝１．５の場合、ａ＝１，ｂ＝１．５の場合、ａ＝２，ｂ＝１．５の場合、ａ＝貫通，ｂ＝１．５の場合、ａ：穴深さ、ｂ：穴径）を示す図である。 磁石の穴の形状（穴深さａ、穴径ｂ）を変えた場合のＺ方向（軸方向）への位置ずれ時の磁気センサの中心の磁束密度変化を示す図である。 磁石に設ける穴の形状の別の例を示す図である。 従来の回転角度検出器の一例を示す側断面図である。 従来の回転角度検出器における磁石と磁気センサとの配置関係を示す平面図および側面図である。

以下、本発明を図面に基づいて詳細に説明する。図１は本発明に係る回転角度検出器の一実施の形態の要部を示す側断面図である。同図において、図１０と同一符号は図１０を参照して説明した構成要素と同一或いは同等の構成要素を示し、その説明は省略する。

この回転角度検出器１００の従来の回転角度検出器２００と最も異なる点は、磁石２の磁気センサ４の感磁面４ａに平行に対向する面２ａの中央部に穴２ｂを形成すると共に、磁気センサ４を基点として磁石２と反対側に配置されていた磁性体６をなくしたことにある。以下、従来の回転角度検出器２００における磁石２と区別するために、本実施の形態の回転角度検出器１００における磁石２を２Ａとし、従来の回転角度検出器２００における磁石２を２Ｂとする。なお、図１では、穴２ｂを底面を有する段差穴として示しているが、その形状や寸法などは後述するように種々考えられる。

また、本実施の形態の回転角度検出器１００では、回転軸１の先端の外周面はすり鉢状とされておらず、同径の平坦面とされている。以下、従来の回転角度検出器２００における回転軸１と区別するために、本実施の形態の回転角度検出器１００における回転軸１を１Ａとし、従来の回転角度検出器２００における回転軸１を１Ｂとする。

また、本実施の形態の回転角度検出器１００では、軸受９として変形ベアリングではなく、通常の軸受を用いている。以下、従来の回転角度検出器２００における軸受９と区別するために、本実施の形態の回転角度検出器１００における軸受９（通常の軸受）を９Ａとし、従来の回転角度検出器２００における軸受９（変形ベアリング）を９Ｂとする。

なお、本実施の形態において、磁石２としてはネオジウム磁石、サマコバ磁石、アルニコ磁石などが用いられており、磁性体６Ａとしては炭素鋼（Ｓ４５Ｃ）、圧延鋼板（ＳＰＣＣ）、一般構造用圧延鋼材（ＳＳ４００）などが用いられている。

この回転角度検出器１００では、磁石２Ａの磁気センサ４の感磁面４ａに平行に対向する面２ａの中央部に穴２ｂを設けているので、磁気センサ４の感磁面４ａに作用する磁石２Ａからの磁束の流れが比較的水平とされる。

図３に穴２ｂを有する磁石２Ａと穴２ｂを有さない磁石２Ｂを用いた場合の磁束の流れを比較して示す。図３（ａ）は穴２ｂを有する磁石２Ａを用いた場合の磁束の流れを示し、図３（ｂ）は穴２ｂを有さない磁石２Ｂを用いた場合の磁束の流れを示す。穴２ｂを有さない磁石２Ｂでは、磁気センサ４が配置される位置付近の磁束の流れは水平にならないが（近づけても同じ）、穴２ｂを有する磁石２Ａでは、磁気センサ４が配置される位置付近の磁束の流れは比較的水平となる。

このように、本実施の形態の回転角度検出器１００では、磁気センサ４の感磁面４ａに作用する磁石２Ａからの磁束の流れが磁石２Ａの穴２ｂによって比較的水平とされるので、磁気センサ４の感磁面４ａに作用するＸ方向およびＹ方向（図２参照）の磁束密度が均一となり、磁気センサ４と磁石２との間の横方向への軸ずれによる磁束密度の変動が小さくなり、回転角度の検出精度の悪化が抑えられる。

また、この回転角度検出器１００では、磁気センサ４と磁石２との間の横方向への軸ずれの許容範囲が広がるので、軸受９として変形ベアリングに代えて通常の軸受を使用することができている。また、磁石２Ａに穴６ｂを設けるのみで、磁気センサ４の感磁面４ａに作用する磁束の流れを比較的水平とすることができるので、磁気センサ４を基点とする磁石２Ａと反対側への磁性体（図１０に示された磁性体６）の配置をなくすことができている。これにより、簡単な構成で、安価に、回転角度の検出精度が高められる。また、軸受の摩耗も少なく、振動にも強くなる。

〔穴２ｂの形状、寸法など〕
図１に示した回転角度検出器１００では、磁石２Ａの穴２ｂを底面を有する段差穴としている。この磁石２の穴２ｂは、段差穴に限られるものではなく、貫通した穴としてもよい。また、穴２ｂの径、深さも色々なパターンが考えられる。

本願の発明者は、穴２ｂの径を磁石２Ａの径の１／６、かつ、穴２ｂの深さを１〜２ｍｍとすると、磁束密度の変動を最も小さくすることができることを実験によって確認した。

〔穴２ｂの径の違いによる磁束密度の影響（Ｘ方向，Ｙ方向）〕
図４に磁石２Ａの穴２ｂの径を変えた場合のＸ方向への軸ずれ時の磁気センサ４の中心の磁束密度変化を示す。図５に磁石２Ａの穴２ｂの径を変えた場合のＹ方向への軸ずれ時の磁気センサ４の中心の磁束密度変化を示す。なお、図４，図５において、穴２ｂの深さ（穴深さ）はａ〔ｍｍ〕、穴２ｂの径（穴径）はｂ〔ｍｍ〕とする。

図４において、（ａ）はａ＝０，ｂ＝０とした場合、（ｂ）はａ＝１，ｂ＝１．５とした場合、（ｃ）はａ＝１，ｂ＝４．５とした場合の磁気センサ４の中心のＸ方向軸ずれ量と磁束密度との関係を示している。図５において、（ａ）はａ＝０，ｂ＝０とした場合、（ｂ）はａ＝１，ｂ＝１．５とした場合、（ｃ）はａ＝１，ｂ＝４．５とした場合の磁気センサ４の中心のＹ方向軸ずれ量と磁束密度との関係を示している。

なお、図４，図５において、磁石２Ａは外径９ｍｍのネオジウム磁石（グレードＳ３６ＳＨ）を使用している。また、磁石２Ａの面２ａから磁気センサ４までの距離は２．２ｍｍ固定としている。

〔穴２ｂの深さの違いによる磁束密度の影響（Ｘ方向，Ｙ方向）〕
図６に磁石２Ａの穴２ｂの深さを変えた場合のＸ方向への軸ずれ時の磁気センサ４の中心の磁束密度変化を示す。図７に磁石２Ａの穴２ｂの深さを変えた場合のＹ方向への軸ずれ時の磁気センサ４の中心の磁束密度変化を示す。なお、図６，図７において、穴２ｂの深さ（穴深さ）はａ〔ｍｍ〕、穴２ｂの径（穴径）はｂ〔ｍｍ〕とする。

図６において、（ａ）はａ＝０，ｂ＝１．５とした場合、（ｂ）はａ＝１，ｂ＝１．５とした場合、（ｃ）はａ＝２，ｂ＝１．５とした場合、（ｄ）はａ＝貫通，ｂ＝１．５とした場合の磁気センサ４の中心のＸ方向軸ずれ量と磁束密度との関係を示している。図７において、（ａ）はａ＝０，ｂ＝１．５とした場合、（ｂ）はａ＝１，ｂ＝１．５とした場合、（ｃ）はａ＝２，ｂ＝１．５とした場合、（ｄ）はａ＝貫通，ｂ＝１．５とした場合の磁気センサ４の中心のＹ方向軸ずれ量と磁束密度との関係を示している。

なお、図６，図７において、磁石２Ａは外径９ｍｍのネオジウム磁石（グレードＳ３６ＳＨ）を使用している。また、磁石２Ａの面２ａから磁気センサ４までの距離は２．２ｍｍ固定としている。

〔穴２ｂの形状による磁束密度分布の影響（Ｚ方向）〕
図８に磁石２Ａの穴２ｂの形状を変えた場合のＺ方向（軸方向）への位置ずれ時の磁気センサ４の中心の磁束密度変化を示す。なお、図８にいて、穴２ｂの深さ（穴深さ）はａ〔ｍｍ〕、穴２ｂの径（穴径）はｂ〔ｍｍ〕とし、穴２ｂの形状としてこの穴深さａと穴径ｂを変えるものとする。

図８において、特性Ｉはａ＝０，ｂ＝０とした場合、特性IIはａ＝１，ｂ＝４．５とした場合、特性IIIはａ＝１，ｂ＝３とした場合、特性IVはａ＝１，ｂ＝１．５とした場合、特性Ｖはａ＝貫通，ｂ＝１．５とした場合の磁気センサ４の中心の磁石２Ａの上端からの距離〔ｍｍ〕と磁束密度〔ｍＴ〕との関係を示している。なお、図８において、磁石２Ａは外径９ｍｍのネオジウム磁石（グレードＳ３６ＳＨ）を使用している。

図４〜図８に示された磁束密度変化から、磁石２に設ける穴２ｂは、その穴深さａ〔ｍｍ〕および穴径ｂ〔ｍｍ〕がａ＝１，ｂ＝１．５である場合に高い効果が得られることが分かる。本願の発明者は、穴２ｂの穴径が磁石２Ａの径の１／６、かつ、その穴の深さが１〜２ｍｍである場合に最も高い効果が得られることを確認した。このようにすると、磁束密度の変動を最も小さくすることが可能となり、回転角度の検出精度の悪化を最小限に抑えることが可能となる。

また、本実施の形態の回転角度検出器１００では、磁石２に設ける穴２ｂの形状、寸法などを変更することで、磁石２の上端からの任意の位置（Ｚ方向（軸方向）））での磁束密度の均一化をコントロールすることができるものとなる。これは、Ｚ方向への位置ずれに対しても強く、磁気センサ６の配置に関して、設計の自由度が高まることを意味している。

なお、この回転角度検出器１００では、磁石２Ａに設ける穴２ｂを深さ方向に径が等しい丸穴としているが、図９（ａ）に示すように円錐状としたり、図９（ｂ）に示すように底面を曲面とするなどしてもよい。このような形状の穴２ｂでも、図９（ａ），（ｂ）に示すように、穴２ｂの穴深さａ、穴径ｂが定められる。

〔実施の形態の拡張〕
以上、実施の形態を参照して本発明を説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではない。本発明の構成や詳細には、本発明の技術思想の範囲内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。

バルブ・アクチュエータの開発において新規技術開発すべき内容に、アクチュエータの回転角度の検出の高精度化（経年変化低減を含む）が挙げられる。アクチュエータの回転角度の検出精度を上げることで、制御するバルブの流量精度を向上させることができ、今後拡大して行くことが予想されるエネルギー管理や省エネルギー要求を満たすことができる。また、非接触の磁気センシング方式により、エネルギー管理を実施する上で長期信頼性を確保することができる。本発明の回転角度検出器は、アクチュエータに限らず、ポジショナへの展開も可能である。

１Ａ…回転軸、２Ａ…磁石、２ａ…磁石の一方の面、２ｂ…穴、３…ギア、４…磁気センサ、４ａ…感磁面、５…プリント基板、７…ホルダ、８…ケース本体、９Ａ…軸受、１００…回転角度検出器。

Claims (2)

1. 回転軸と、この回転軸の軸心を中心として回転する径方向に着磁された磁石と、この磁石の径方向に対して直交する方向をその磁石の厚み方向とし，この磁石の厚み方向の一方の面にその感磁面を平行に対向させて，かつその感磁面の中心を前記磁石の回転中心と一致させるようにして配置され，前記感磁面に作用する磁束密度の変化を検出する磁気センサとを備え、前記磁気センサが検出する磁束密度の変化から検出対象の回転角度を検出する回転角度検出器において、
   前記磁石は、前記磁気センサの感磁面に対向する面の中央部に穴を有する
   ことを特徴とする回転角度検出器。
2. 請求項１に記載された回転角度検出器において、
   前記磁石に設けられた穴は、その穴径が前記磁石の径の１／６、かつ、その穴の深さが１〜２ｍｍである
   ことを特徴とする回転角度検出器。

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