JP3758174B2 - 非接触型位置センサ - Google Patents

Description

この発明は回転変位を非接触で検出する非接触型位置センサに関する。

図６Ａはこの種の非接触型位置センサの従来構成例を示したものであり、この例では回転変位する可動体（図示せず）にロータ１１と一対の磁石（永久磁石）１２，１３が取り付けられ、可動体に対する固定側に一対のステータ１４，１５と磁気センサ１６とが配置されている。
ロータ１１は可動体の回転軸心を中心とするリング状とされ、このロータ１１の内周面に一対の半円弧状をなす磁石１２，１３が全体としてリングを構成するように配置されている。これら磁石１２，１３は円弧の径方向に互いに逆向きに着磁されている。なお、ロータ１１及び一対の磁石１２，１３は取り付け部材（取り付け板）等を介して可動体に取り付けられる。

ステータ１４，１５は磁石１２，１３がなす円筒内に位置され、それぞれ半円柱状とされて、その周面と磁石１２，１３の内周面との間には所定の間隙１７が設けられている。これらステータ１４，１５は径方向に伸びる空隙１８を介して互いに対向されており、この空隙１８に磁気センサ１６が位置されている。
磁気センサ１６は例えばホール素子を用いて構成されたホールＩＣとされ、空隙１８内においてステータ１４，１５間の磁界の強さを検出するものとされる。ロータ１１及びステータ１４，１５は共に軟磁性材料よりなるものとされる。

上記のような構成とされた非接触型位置センサ１９によれば、可動体の回転に伴い、ロータ１１と磁石１２，１３とがステータ１４，１５の回りを回転して磁界が回転し、この磁界の回転により磁気センサ１６を通過する磁束が変化する。従って、磁気センサ１６の出力電圧の変化によって可動体の回転変位位置を検出することができるものとなっている（例えば、特許文献１参照）。
特許第２９２０１７９号公報

上述したように、従来の非接触型位置センサは可動体の回転変位を磁界の変化によって検出することにより、非接触で可動体の回転変位位置を検出することができるものとなっているものの、構成上、検出可能な変位量（回転角）に限界があり、検出範囲を大きく取ることができないといった問題があった。
即ち、上述した非接触型位置センサ１９では両磁石１２，１３の境界線と空隙１８の伸長方向とがちょうど直交している状態からロータ１１が時計回りに（右へ）回転するに従い、磁気センサ１６を通過する磁束は０から徐々に増加し、両磁石１２，１３の境界線が空隙１８の位置にくると、磁束が最大となる。一方、ロータ１１がこれとは逆に反時計回りに（左へ）回転すると、磁気センサ１６を通過する磁束の向きは時計回りに回転した場合と逆向きになり、回転するに従い、磁気センサ１６を通過する磁束は徐々に増加し、両磁石１２，１３の境界線が空隙１８の位置にくると、磁束が最大となる。

図６Ｂはこのような磁束の変化による非接触型位置センサ１９の出力と変位量（回転角）の関係を示したものであり、検出可能な回転角は最大で１８０°（−９０°〜＋９０°）となる。
この発明の目的はこのような状況に鑑み、従来より検出範囲を大きく取れるようにし、２４０°近辺まで回転変位検出が可能な非接触型位置センサを提供することにある。

請求項１の発明によれば、回転変位する可動体の回転変位位置を検出する非接触型位置センサは、可動体の回転軸心を中心とするリング状とされて可動体に取り付けられた軟磁性材料よりなるロータと、そのロータの外周面にその周方向に配列されて隣接固定された一対の円弧状をなす磁石と、可動体に対する固定側に上記回転変位方向に配列されて配置され、一対の磁石の外周面を所定の間隙を介して囲む円筒面に内周面がそれぞれ位置された軟磁性材料よりなる第１及び第２の円弧状をなすステータと、磁気センサとよりなり、一対の磁石はその円弧の中心角がそれぞれほぼ１２０°とされて、径方向に互いに逆向きに着磁され、第１及び第２のステータのなす円弧の中心角はそれぞれほぼ２４０°及びほぼ１２０°とされて、それらステータの互いに対向する端面間には空隙がそれぞれ設けられており、それら２つの空隙のうち、少なくとも一方に磁気センサが配置されているものとされる。

請求項２の発明によれば、回転変位する可動体の回転変位位置を検出する非接触型位置センサは、可動体の回転軸心を中心とするリング状とされて可動体に取り付けられた軟磁性材料よりなるロータと、そのロータの内周面にその周方向に配列されて隣接固定された一対の円弧状をなす磁石と、可動体に対する固定側に上記回転変位方向に配列されて配置され、一対の磁石の内周面と所定の間隙を介して対向する円筒面に外周面がそれぞれ位置された軟磁性材料よりなる第１及び第２の円弧状をなすステータと、磁気センサとよりなり、一対の磁石はその円弧の中心角がそれぞれほぼ１２０°とされて、径方向に互いに逆向きに着磁され、第１及び第２のステータのなす円弧の中心角はそれぞれほぼ２４０°及びほぼ１２０°とされて、それらステータの互いに対向する端面間には空隙がそれぞれ設けられており、それら２つの空隙のうち、少なくとも一方に磁気センサが配置されているものとされる。

請求項３の発明によれば、回転変位する可動体の回転変位位置を検出する非接触型位置センサは、可動体に取り付けられた軟磁性材料よりなるロータと、可動体の回転軸心を中心とする円弧状をなし、ロータの上記回転軸心と垂直な平面上に上記回転変位方向に配列されて隣接固定された一対の磁石と、上記回転軸心を中心とする円弧状をなし、可動体に対する固定側に上記回転変位方向に配列されて配置され、上記回転軸心方向において一対の磁石と所定の間隙を介して対向された軟磁性材料よりなる第１及び第２のステータと、磁気センサとよりなり、一対の磁石はその円弧の中心角がそれぞれほぼ１２０°とされて、上記回転軸心方向に互いに逆向きに着磁され、第１及び第２のステータのなす円弧の中心角はそれぞれほぼ２４０°及びほぼ１２０°とされて、それらステータの互いに対向する端面間には空隙がそれぞれ設けられており、それら２つの空隙のうち、少なくとも一方に磁気センサが配置されているものとされる。

請求項４の発明では請求項３の発明において、ロータがリング状をなすものとされる。
請求項５の発明では請求項１乃至４のいずれかの発明において、一対の磁石は着磁方向が途中で変えられた一個の磁石よりなるものとされる。

この発明によれば、回転変位を磁界の変化によって検出する非接触型位置センサにおいて、従来より検出範囲を大きく取ることができ、最大で２４０°まで回転変位検出が可能となる。

この発明を実施するための最良の形態を図面を参照して実施例により説明する。
図１はこの発明による非接触型位置センサの一実施例を示したものであり、この例では非接触型位置センサ２０はロータ２１と一対の磁石２２，２３と第１のステータ２４と第２のステータ２５と磁気センサ２６とによって構成されている。なお、回転変位する可動体の図示は省略している。
ロータ２１は可動体の回転軸心を中心とするリング状とされて可動体に取り付けられ、このロータ２１の外周面に円弧状をなし、厚さが均一な一対の磁石２２，２３が周方向に配列され、互いに隣接されて固定されている。これら円弧状をなす磁石２２，２３は、その円弧の中心角がそれぞれ１２０°とされており、径方向に互いに逆向きに着磁されている。

ステータ２４，２５は円弧状をなし、可動体に対する固定側に可動体の回転変位方向に配列されて配置され、それらの内周面は一対の磁石２２，２３の外周面を所定の間隙２７を介して囲む円筒面に位置されている。これらステータ２４，２５の互いに対向する端面間には空隙２８がそれぞれ設けられており、この空隙２８に磁気センサ２６が配置されている。磁気センサ２６はこの例では２つの空隙２８にそれぞれ配置されており、空隙２８の幅（間隔）は磁気センサ２６が収容できるだけの幅とされ、つまり磁気センサ２６の厚みに相当する最小幅とされている。

２つの空隙２８はステータ２４，２５によって構成される円周の互いに１２０°をなす位置に位置されており、即ちステータ２４のなす円弧の中心角は約２４０°（２４０°弱）とされ、ステータ２５のなす円弧の中心角は約１２０°（１２０°弱）とされている。
上記のような構造において、ロータ２１及びステータ２４，２５は共に軟磁性材料よりなるものとされ、その材料にはけい素鋼等が使用される。磁石２２，２３には例えばボンド磁石が用いられ、樹脂に混合される永久磁石の粉末にはサマリウムコバルトやフェライトなどの粉末が使用される。磁気センサ２６は例えばホール素子を用いて構成されたホールＩＣとされ、空隙２８においてステータ２４，２５間の磁界の変化を検出するものとされる。図１中、２６ａは磁気センサ２６の端子を示す。

なお、ロータ２１、磁石２２，２３及びステータ２４，２５の幅（回転軸心方向の長さ）はこの例では図１Ａに示したように同一幅とされている。ロータ２１は取り付け部材（取り付け板）等を介して例えば回転軸といったような可動体に取り付けられる。
図２Ａ〜Ｃは磁石２２，２３によって構成される磁束線（点線で示す）がロータ２１の回転によって変化する様子を示したものであり、両磁石２２，２３の境界線がステータ２４の中心線と一致して両磁石２２，２３がステータ２４とちょうど対向している図２Ｂの状態が回転変位位置の検出範囲の中心となり、この時、ほとんど全ての磁束が図に示したようにステータ２４を通り、空隙２８−１，２８−２を通過する磁束は０となる。

これに対し、図２Ｂの状態からロータ２１が回転すると、回転に従い、磁束が空隙２８−１，２８−２を徐々に通過するようになり、ロータ２１が例えば時計回りにθ／２（＝１２０°）回転して図２Ａに示したように両磁石２２，２３の境界線が空隙２８−１の位置にくると、空隙２８−１，２８−２を通過する磁束は最大となる。
一方、ロータ２１がこれとは逆に図２Ｂの状態から反時計回りに回転すると、空隙２８−１，２８−２を通過する磁束の向きは時計回りに回転した場合と逆向きになり、θ／２回転して両磁石２２，２３の境界線が図２Ｃに示したように空隙２８−２の位置にくると、空隙２８−１，２８−２を通過する磁束が最大となる。

このようにロータ２１の回転に伴い、空隙２８−１，２８−２を通過する磁束密度及び磁束の方向は変化し、磁気センサ２６−１，２６−２はこの磁界の変化に応じた電圧を出力するものとなる。なお、この例では２つの磁気センサ２６−１，２６−２を有するものとなっているが、磁気センサはどちらか１つあればよく、その１つの磁気センサの出力電圧の変化によってロータ２１が取り付けられている可動体の回転変位位置を検出することができる。但し、この例のように２つの空隙２８（２８−１，２８−２）にそれぞれ磁気センサ２６（２６−１，２６−２）を配置しておくことにより、例えば一方の磁気センサが故障しても残りの磁気センサ出力を使用して回転変位位置を検出することができるといった利点がある。

図３は上述したような非接触型位置センサ２０の出力と変位量（回転角）の関係を示したものであり、検出可能な回転角は最大で２４０°（−１２０°〜＋１２０°）となる。なお、実際には空隙２８の存在等により、−１２０°及び＋１２０°近辺では出力勾配のなまりが生じるため、この部分を引いた２４０°弱が直線性に優れた検出範囲となる。
以上、説明したように、この例によれば、検出可能な回転角は最大で２４０°となり、最大で１８０°であった図６Ａに示した従来の非接触型位置センサ１９と比べ、検出範囲を大幅に大きくすることができる。

なお、この例のように空隙２８の幅を磁気センサ２６を配置できるだけの最小幅とすることにより、外部への磁束の漏れを抑え、かつ空隙２８を通過する磁束量を大きくすることができ、よってダイナミックレンジが向上し、その分外乱の影響（外部からの磁気の影響）を受けにくいものとすることができる。
また、ロータ２１をこの例のようにリング状とし、つまり磁石２２，２３のなす円弧と対応する円弧状ではなくリング状とすることにより、例えば磁石２２，２３がステータ２４と対向している図２Ｂの状態でも他方のステータ２５はロータ２１の磁石２２，２３が配置されていない部分と対向して磁気的結合をし、よって外部からの磁気シールド効果が得られるものとなる。加えて、ロータ２１はこの部分が存在する分、磁気飽和しにくいものとなり、かつこのようにリング状とすることで、例えば質量的な不均衡による回転変位時（高速回転変位時）の振れを低減することができる。

なお、磁石２２，２３のなす円弧の中心角はこの例では共に１２０°に設定されているが、例えば磁石端部の着磁の乱れによる出力の直線性の悪化や磁束がステータ２４，２５を介さず、直接磁気センサ２６を通過するといった影響による出力の直線性の悪化がある場合には、それを補うために数度の補正をすることが好ましく、そのような補正をすることで、より高精度な位置検出が可能となる。
図４は上述した非接触型位置センサ２０と異なり、磁石２２，２３が取り付けられたロータ２１の内側にステータ２４，２５が位置された非接触型位置センサ３０を示したものであり、このようにロータ２１（変位側）とステータ２４，２５（固定側）とを反対に配置することもできる。

この例では可動体の回転軸心を中心とするリング状とされて可動体に取り付けられるロータ２１の内周面に一対の円弧状をなす磁石２２，２３が周方向に配列されて隣接固定され、これら磁石２２，２３の内側に、可動体に対する固定側に配置されたステータ２４，２５が位置される。
円弧状をなすステータ２４，２５は可動体の回転変位方向に配列され、それらの外周面は径方向に互いに逆向きに着磁されている磁石２２，２３の内周面と所定の間隙２７を介して対向する円筒面に位置されている。なお、磁石２２，２３のなす円弧の中心角は図１と同様、それぞれ１２０°とされ、またステータ２４，２５のなす円弧の中心角はそれぞれ２４０°弱、１２０°弱とされ、ステータ２４，２５の互いに対向する端面間に設けられている２つの空隙２８には磁気センサ２６がそれぞれ配置されている。

この図４に示した非接触型位置センサ３０においてもロータ２１の回転に伴い、磁気センサ２６を通過する磁束は前述の非接触型位置センサ２０の場合と同様に変化し、検出可能な回転角は最大で２４０°となる。
次に、ロータ２１と磁石２２，２３とステータ２４，２５とが可動体の回転軸心方向に配列対向されているこの発明による非接触型位置センサの構成を図５を参照して説明する。
この例では可動体に取り付けられるロータ２１はリング状とされ、このロータ２１の可動体の回転軸心と垂直な平面上に一対の磁石２２，２３が取り付けられる。両磁石２２，２３は可動体の回転軸心を中心とする円弧状をなし、可動体の回転変位方向に配列されて隣接固定される。

一方、可動体に対する固定側に配置されるステータ２４，２５は可動体の回転軸心方向において磁石２２，２３と所定の間隙２７を介して対向するものとされ、これらステータ２４，２５は可動体の回転軸心を中心とする円弧状とされて可動体の回転変位方向に配列されている。
上記のような構造において、磁石２２，２３はその円弧の中心角がそれぞれ１２０°とされ、またステータ２４，２５のなす円弧の中心角はそれぞれ２４０°弱、１２０°弱とされ、ステータ２４，２５の互いに対向する端面間には空隙２８がそれぞれ設けられて、それら空隙２８に磁気センサ２６が配置される。なお、磁石２２，２３はこの例では可動体の回転軸心方向に、つまりステータ２４，２５と対向する方向に互いに逆向きに着磁されており、またこの例ではロータ２１、磁石２２，２３及びステータ２４，２５の内外径は互いに一致されている。

この図５に示した構造の非接触型位置センサ４０においても、ロータ２１の回転に伴い、磁気センサ２６を通過する磁束は前述の非接触型位置センサ２０，３０と同様に変化し、つまり変位量（回転角）と磁気センサ２６の出力の関係は図３に示したような関係となり、検出可能な回転角は最大で２４０°となる。
なお、ロータ２１はリング状をなすものとされているが、この図５に示した非接触型位置センサ４０ではリング状に限らず、他の形状とすることもでき、例えば円板状としてもよい。

また、上述した各実施例ではいずれも着磁方向が異なる２つの磁石２２，２３を用いるものとなっているが、例えばこれら磁石２２，２３を着磁方向が途中で変えられた一個の磁石によって構成するようにしてもよい。

Ａは請求項１の発明による非接触型位置センサの一実施例を示す斜視図、Ｂはその断面図。 図１に示した非接触型位置センサにおいて、ロータの回転により磁束線が変化する様子を示す図。 図１に示した非接触型位置センサの変位量（回転角）と出力の関係を示すグラフ。 請求項２の発明による非接触型位置センサの一実施例を示す斜視図。 請求項３の発明による非接触型位置センサの一実施例を示す斜視図。 Ａは従来の非接触型位置センサを示す斜視図、Ｂはその変位量（回転角）と出力の関係を示すグラフ。

Claims (5)

1. 回転変位する可動体の回転変位位置を検出する非接触型位置センサであって、
   上記可動体の回転軸心を中心とするリング状とされて可動体に取り付けられた軟磁性材料よりなるロータと、
   そのロータの外周面に、その周方向に配列されて隣接固定された一対の円弧状をなす磁石と、
   上記可動体に対する固定側に上記回転変位方向に配列されて配置され、上記一対の磁石の外周面を所定の間隙を介して囲む円筒面に内周面がそれぞれ位置された軟磁性材料よりなる第１及び第２の円弧状をなすステータと、
   磁気センサとよりなり、
   上記一対の磁石は、その円弧の中心角がそれぞれほぼ１２０°とされて、径方向に互いに逆向きに着磁され、
   上記第１及び第２のステータのなす円弧の中心角はそれぞれほぼ２４０°及びほぼ１２０°とされて、それらステータの互いに対向する端面間には空隙がそれぞれ設けられており、
   それら２つの空隙のうち、少なくとも一方に上記磁気センサが配置されていることを特徴とする非接触型位置センサ。
2. 回転変位する可動体の回転変位位置を検出する非接触型位置センサであって、
   上記可動体の回転軸心を中心とするリング状とされて可動体に取り付けられた軟磁性材料よりなるロータと、
   そのロータの内周面に、その周方向に配列されて隣接固定された一対の円弧状をなす磁石と、
   上記可動体に対する固定側に上記回転変位方向に配列されて配置され、上記一対の磁石の内周面と所定の間隙を介して対向する円筒面に外周面がそれぞれ位置された軟磁性材料よりなる第１及び第２の円弧状をなすステータと、
   磁気センサとよりなり、
   上記一対の磁石は、その円弧の中心角がそれぞれほぼ１２０°とされて、径方向に互いに逆向きに着磁され、
   上記第１及び第２のステータのなす円弧の中心角はそれぞれほぼ２４０°及びほぼ１２０°とされて、それらステータの互いに対向する端面間には空隙がそれぞれ設けられており、
   それら２つの空隙のうち、少なくとも一方に上記磁気センサが配置されていることを特徴とする非接触型位置センサ。
3. 回転変位する可動体の回転変位位置を検出する非接触型位置センサであって、
   上記可動体に取り付けられた軟磁性材料よりなるロータと、
   上記可動体の回転軸心を中心とする円弧状をなし、上記ロータの上記回転軸心と垂直な平面上に上記回転変位方向に配列されて隣接固定された一対の磁石と、
   上記回転軸心を中心とする円弧状をなし、上記可動体に対する固定側に上記回転変位方向に配列されて配置され、上記回転軸心方向において上記一対の磁石と所定の間隙を介して対向された軟磁性材料よりなる第１及び第２のステータと、
   磁気センサとよりなり、
   上記一対の磁石は、その円弧の中心角がそれぞれほぼ１２０°とされて、上記回転軸心方向に互いに逆向きに着磁され、
   上記第１及び第２のステータのなす円弧の中心角はそれぞれほぼ２４０°及びほぼ１２０°とされて、それらステータの互いに対向する端面間には空隙がそれぞれ設けられており、
   それら２つの空隙のうち、少なくとも一方に上記磁気センサが配置されていることを特徴とする非接触型位置センサ。
4. 請求項３記載の非接触型位置センサにおいて、
   上記ロータがリング状をなすものとされていることを特徴とする非接触型位置センサ。
5. 請求項１乃至４記載のいずれかの非接触型位置センサにおいて、
   上記一対の磁石は着磁方向が途中で変えられた一個の磁石よりなることを特徴とする非接触型位置センサ。

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