JP2014224738A - 回転角度検出器 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構成で、安価に、周囲温度の変化による回転角度の検出精度の低下を防ぐ。
【解決手段】磁気センサ４を基点として磁石２と反対側にバイメタル１０を設ける。このバイメタル１０の磁気センサ４を挟んで磁石２の一方の面２ａに平行に対向する面の中央部に、磁性体プレート１１を設ける。これにより、周囲温度変化による磁石２の磁束密度の変化分を相殺するように、磁石２と磁性体プレート１０のギャップ量ｌが変化し、磁気センサ４に作用する磁束密度を一定化させて、周囲温度の変化による回転角度の検出精度の低下を防ぐことができるようになる。
【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、周囲温度の変化に応じて磁石２の磁束密度が変化し、磁気センサ４に作用する磁束密度が変化するため、周囲温度が変化するような環境下では回転角度の検出誤差が生じてしまう。

周囲温度の変化に応じて磁束密度が変化することは従来より知られている。すなわち、永久磁石が加熱されると熱エネルギーが加わり、磁石を構成する小さな磁石（磁気モーメント）が振動する。この現象を熱ゆらぎと呼ぶ。ある程度まで加熱されると、小さな磁石は方向性が無くなり、それぞれ勝手な運動を起こす。この温度をキューリー点と呼ぶ。磁石をキューリー点以上に加熱し、室温まで戻すと完全に磁力を失う。これを熱消磁と言う。周囲温度の変化に応じて磁束密度が変化することは、このような熱ゆらぎ、熱消磁として、従来より知られている。

なお、周囲温度の変化に対して測定精度を高く維持するためには、温度変化に伴う出力シフト分をオフセットするために温度補正を行うが、温度補正の校正プロセスでは実際に周囲の温度を何通りかに設定する必要があり時間がかかるという問題がある。

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、簡単な構成で、安価に、周囲温度の変化による回転角度の検出精度の低下を防ぐことが可能な、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、磁気センサを基点として磁石と反対側に設けられ、磁気センサを挟んで磁石の一方の面に対向する面の中央部の位置が、周囲温度変化によって機械的に変位する構造体と、構造体の磁石の一方の面に対向する面の中央部に取り付けられた磁性体とを備え、磁性体は、磁石の一方の面との間の距離が、構造体の周囲温度変化による磁石の一方の面に対向する面の中央部の位置の変位により、磁石の一方の面と平行な位置関係を保ちつつ、周囲温度変化に追従して変化することを特徴とする。

この発明において、磁気センサを基点とする磁石と反対側には、磁気センサを挟んで磁石の一方の面に対向する面の中央部の位置が周囲温度変化によって機械的に変位する構造体が設けられ、この構造体の磁石の一方の面に対向する面の中央部に磁性体が取り付けられている。この磁性体は、磁石の一方の面との間の距離が、構造体の周囲温度変化による磁石の一方の面に対向する面の中央部の位置の変位により、磁石の一方の面と平行な位置関係を保ちつつ、周囲温度変化に追従して変化する。ここで、構造体の周囲温度変化による磁石の一方の面に対向する面の中央部の位置の変位によって、周囲温度変化による磁石の磁束密度の変化分を相殺するように、磁性体と磁石の一方の面との間の距離を変化させるようにすれば、磁気センサに作用する磁束密度を一定化させて、周囲温度の変化による回転角度の検出精度の低下を防ぐことが可能となる。

例えば、本発明では、磁性体と磁石の一方の面との間の距離を、周囲温度が上昇するにつれ、磁石から離れる方向に変化させるようにする。周囲温度が高くなると磁石の磁束密度が低下し、磁気センサに作用する磁石の磁束密度が低下するが、構造体によって磁性体を磁石から離れるように変位させることで、磁気センサに作用する磁石の磁束密度を一定に保ち、周囲温度の変化による回転角度の検出精度の低下を防ぐことが可能となる。

本発明において、構造体は、構成が簡単で製造も容易なものとして、バイメタルで構成したもの、中空のダイアフラムで構成したもの、ベローズで構成したもの、形状記憶合金製のバネで構成したものなどが考えられる。

本発明によれば、磁気センサを基点とする磁石と反対側に、磁気センサを挟んで磁石の一方の面に対向する面の中央部の位置が周囲温度変化によって機械的に変位する構造体を設け、この構造体の磁石の一方の面に対向する面の中央部に磁性体を取り付け、磁性体の磁石の一方の面との間の距離を、構造体の周囲温度変化による磁石の一方の面に対向する面の中央部の位置の変位により、磁石の一方の面と平行な位置関係を保ちつつ、周囲温度変化に追従して変化させるようにしたので、構造体の周囲温度変化による磁石の一方の面に対向する面の中央部の位置の変位によって、周囲温度変化による磁石の磁束密度の変化分を相殺するように、磁性体と磁石の一方の面との間の距離を変化させるようにして、磁気センサに作用する磁束密度を一定化させ、周囲温度の変化による回転角度の検出精度の低下を防ぐことが可能となる。

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。 凸部として磁性体プレートを設けた場合と平板状の磁性体（凸部を有さない磁性体）を用いた場合の磁束の流れを比較して示す図である。 周囲温度とバイメタルの中央部の位置の機械的変位量との関係を示す図である。 バイメタルの中央部の位置が周囲温度の変化に応じて機械的に変位した状態を示す図である。 磁石と磁性体プレートのギャップ量と磁気センサを通過する磁束密度との関係を示す図である。 温度変化を機械的変位に変換する構造体としてダイアフラムを用いるようにした例を示す図である。 温度変化を機械的変位に変換する構造体としてベローズを用いるようにした例を示す図である。 温度変化を機械的変位に変換する構造体として形状記憶合金製のバネを用いるようにした例を示す図である。 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、磁性体６に代えてバイメタル１０を設け、このバイメタル１０の磁気センサ４を挟んで磁石２の一方の面２ａに平行に対向する面の中央部に、磁石２側に突出した凸部として磁性体でできたプレート（磁性体プレート）１１を設けたことにある。

バイメタル１０は、熱膨張係数の異なる２枚の合金薄板を張り合わせて１枚の板としたものであり、温度変化に伴う各合金の伸びの違いによる曲がりによって、その中央部の位置が機械的に変位する。本実施の形態では、周囲温度が上昇するにつれ、磁石２から離れる方向に変位する（周囲温度が低下するにつれ、磁石２に近づく方向に変位する）ものとされている。

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、磁性体プレート１１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。また、バイメタル１０としては、インバー、ニッケル−クロム−鉄合金、ニッケル−マンガン−鉄合金、マンガン−銅−ニッケル合金などが用いられている。

この回転角度検出器１００では、バイメタル１０の磁気センサ４を挟んで磁石２の一方の面２ａに平行に対向する面の中央部に磁石２側に突出した凸部として磁性体プレート１１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２からの磁束の流れが比較的水平とされる。

図３に凸部として磁性体プレート１１を設けた場合と平板状の磁性体（凸部を有さない磁性体）６を用いた場合の磁束の流れを比較して示す。図３（ａ）は凸部として磁性体プレート１１を設けた場合の磁束の流れを示し、図３（ｂ）は凸部を有さない磁性体６を用いた場合の磁束の流れを示す。凸部を有さない磁性体６では、磁石２と磁性体６との間の磁束の流れは水平にならないが（近づけても同じ）、凸部として磁性体プレート１１を設けた場合は、磁石２と磁性体プレート１１との間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２からの磁束の流れが磁性体プレート１１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。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。

〔周囲温度変化〕
また、本実施の形態の回転角度検出器１００では、バイメタル１０の中央部の位置が周囲温度変化に応じて機械的に変位する。図４に周囲温度〔℃〕とバイメタル１０の中央部の位置の機械的変位量〔ｍｍ〕との関係を示す。この関係に示されるように、２０℃の時の機械的変位量を０ｍｍとした場合、バイメタル１０の中央部の位置は、温度が上昇するにつれ、磁石２から離れる方向に変位する。同様に、バイメタル１０の中央部の位置は、温度が下降するにつれ、磁石２に近づく方向に変位する。

図５にバイメタル１０の中央部の位置が周囲温度の変化に応じて機械的に変位した状態を示す。図５（ａ）は、周囲温度が下降したことにより、バイメタル１０の中央部の位置が磁石２に近づいた状態を示しており、図５（ｂ）は、周囲温度が上昇したことにより、バイメタル１０の中央部の位置が磁石２から離れた状態を示している。

このように、本実施の形態の回転角度検出器１００では、周囲温度変化に追従して、バイメタル１０の中央部の位置が変位し、このバイメタル１０の中央部の位置の変位に伴って、磁性体プレート１０が磁石２の一方の面２ａと平行な位置関係を保ちつつ、上下動する。

すなわち、本実施の形態の回転角度検出器１００では、周囲温度の変化に追従して、磁石２の一方の面２ａと平行な位置関係を保ちつつ、磁性体プレート１０と磁石２の一方の面２ａとの間の距離ｌが変化する。以下、この距離ｌを磁石２と磁性体プレート１０のギャップ量と呼ぶ。

図６に磁石２と磁性体プレート１０のギャップ量ｌ〔ｍｍ〕と磁気センサ４を通過する磁束密度〔ｍＴ〕との関係を示す。図６において、特性Ｉは周囲温度が２０℃の時の関係を示し、特性IIは周囲温度が４０℃の時の関係を示し、特性IIIは周囲温度が６０℃の時の関係を示す。

例えば、磁性体プレート１０の初期的な組み付け位置をｌ＝５ｍｍとした場合、バイメタル１０を用いない場合には、すなち温度変化を機械的変位に変換する構造体がない場合には、周囲温度が２０℃→４０℃→６０℃と上昇すると（図６に示す矢印（１），(２)）、磁石２の磁束密度が低下し、磁気センサ４を通過する磁束密度が１１６ｍＴ→１１４ｍＴ→１１２ｍＴと低下して行く。

これに対し、バイメタル１０を用いた場合には、すなち温度変化を機械的変位に変換する構造体がある場合には、周囲温度が２０℃→４０℃→６０℃と上昇すると（図６に示す矢印（３），(４)）、この周囲温度の上昇に追従してバイメタル１０の中央部の位置が磁石２から離れる方向に変化し、それに伴い磁性体プレート１０が磁石２に対して上昇し、磁石２と磁性体プレート１０のギャップ量ｌが５ｍｍ→５．３５ｍｍ→５．８５ｍｍと拡がって行く。これにより、磁気センサ４を通過する磁束密度が１１６ｍＴに維持されるものとなり、周囲温度の上昇に伴う磁石２の磁束密度の低下分が相殺される。

このようにして、本実施の形態の回転角度検出器１００では、周囲温度変化による磁石２の磁束密度の変化分を相殺するように、磁石２と磁性体プレート１０のギャップ量ｌが変化し、磁気センサ４に作用する磁束密度を一定化させて、周囲温度の変化による回転角度の検出精度の低下を防ぐことができるようになる。

なお、上述した実施の形態では、温度変化を機械的変位に変換する構造体としてバイメタル１０を用いるようにしたが、バイメタル１０と同様に構成が簡単で製造な容易な構造体として、図７に示すようなダイアフラム１２を用いるようにしてもよく、図８に示すようなベローズ１３を用いるようにしてもよく、図９に示すような形状記憶合金製のバネ１４を用いるようにしてもよい。

〔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、２…磁石、２ａ…磁石の一方の面、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、１０…バイメタル、１１…磁性体プレート、１２…ダイアフラム、１３…ベローズ、１４…形状記憶合金製のバネ、１００…回転角度検出器。

Claims (6)

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、
   前記磁気センサを基点として前記磁石と反対側に設けられ、前記磁気センサを挟んで前記磁石の一方の面に対向する面の中央部の位置が、周囲温度変化によって機械的に変位する構造体と、
   前記構造体の前記磁石の一方の面に対向する面の中央部に取り付けられた磁性体とを備え、
   前記磁性体は、
   前記磁石の一方の面との間の距離が、前記構造体の周囲温度変化による前記磁石の一方の面に対向する面の中央部の位置の変位により、前記磁石の一方の面と平行な位置関係を保ちつつ、周囲温度変化に追従して変化する
   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、
   前記磁性体は、
   前記磁石の一方の面との間の距離が、周囲温度が上昇するにつれ、前記磁石から離れる方向に変化する
   ことを特徴とする回転角度検出器。
3. 請求項２に記載された回転角度検出器において、
   前記構造体は、バイメタルで構成されている
   ことを特徴とする回転角度検出器。
4. 請求項２に記載された回転角度検出器において、
   前記構造体は、中空のダイアフラムで構成されている
   ことを特徴とする回転角度検出器。
5. 請求項２に記載された回転角度検出器において、
   前記構造体は、ベローズで構成されている
   ことを特徴とする回転角度検出器。
6. 請求項２に記載された回転角度検出器において、
   前記構造体は、形状記憶合金製のバネで構成されている
   ことを特徴とする回転角度検出器。

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