JP4001849B2 - 磁気式ロータリポジションセンサ - Google Patents

Description

本発明は磁束の変化を電圧に変換する磁電変換素子を用いて非接触で回転角の絶対位置を電気的な出力として検出する磁気式ロータリポジションセンサに関するものである。

従来、回転角の絶対位置を電気的な出力として検出するロータリポジションセンサとしては、ポテンショメータを使用した接触式ロータリポジションセンサが知られている。このポテンショメータは抵抗素子上でワイパーを摺動させて、電気抵抗値の変化として回転角の絶対位置を検出するもので、ワイパの機械的回転角と抵抗値の変化との関係は直線的に変化するものが一般的である。

しかし、抵抗素子とワイパとの機械的摺動接触部では摩耗が発生し、抵抗値の変化や摩耗粉による接触不良等が発生しやすく、最終的には断線に至るので、信頼性の低さや寿命的な限界などの問題があった。

そこで、接触式ロータリポジションセンサの不具合を解消するため、摺動接触部を持たずに非接触で回転角の絶対位置を検出するものとして、磁気式ロータリポジションセンサがこれまでにいくつか提案されている。これらの代表的な方式は、機械的な回転角の変化を磁界の変化に置き換え、ホール効果センサ等の磁電変換素子を用いた磁気センサと組み合わせて、電気的出力を非接触で取り出すものである。

図８は特許文献１に示された従来の磁気式ロータリポジションセンサの一部を示す斜視図、図９は図８に示した磁気式ロータリポジションセンサの一部を示す平面図である。図に示すように、軟質磁性材料からなる円筒状のヨーク１の中に半円筒状のマグネット２ａ、２ｂが対向して配置され、マグネット２ａ、２ｂによって発生する磁界の中央部に２個の磁気センサ（ホール効果センサ）３ａ、３ｂが近接して配置されている。

この磁気式ロータリポジションセンサにおいては、磁気センサ３ａ、３ｂを固定した状態で、ヨーク１、マグネット２ａ、２ｂを磁気センサ３ａ、３ｂの周りに回転させた場合には、磁極Ｎと磁極Ｓとによって発生する磁界の方向と磁気センサ３ａ、３ｂの感磁面とのなす角度すなわち回転角をθとし、あらかじめ定められた定数をＶＡとしたとき、磁気センサ３ａ、３ｂの出力電圧ＶＨは次式で表される。

ＶＨ＝ＶＡsinθ （１）
すなわち、円筒内の磁界は平行な磁界とはならず、中心から遠ざかるにつれて若干湾曲した形状となるが、中心部の磁束密度は一定の値なので、円筒の中心に磁気センサ３ａ、３ｂの感磁部を置いた場合、中心の磁束密度をＢとすると、回転角θの変化に対して磁気センサ３ａ、３ｂが感知する磁束密度Ｂｃの値は次式で表される。

Ｂｃ＝Ｂsinθ （２）
このように、回転角θの変化に対して、磁束密度Ｂが変化しないで一定の値の場合は、磁束密度Ｂｃは回転角θの変化に対して正弦波状に変化することになり、磁気センサ３ａ、３ｂの出力電圧ＶＨも当然正弦波状に変化することになる。したがって、磁気センサ３ａ、３ｂの出力電圧ＶＨは図１０に示すように、回転角θに対して正弦波状に変化することになる。そして、回転角θが小さい範囲では、出力電圧ＶＨは回転角θに対してほぼ直線的に変化すると近似できる。

図１１は特許文献２に示された従来の他の磁気式ロータリポジションセンサの一部を示す図である。図に示すように、回転軸１１に軟質磁性材料からなる円筒状のヨーク１２が固定され、ヨーク１２の内周に円筒状のマグネット１３が固定され、マグネット１３は内周にＮ、Ｓ２極が対向するように着磁されている。また、マグネット１３の内周側には、主空隙を介して軟質磁性材料からなる半円筒状の固定子ヨーク１４ａ、１４ｂが配置され、固定子ヨーク１４ａ、１４ｂには穴１５が設けられ、穴１５にピン（図示せず）が挿入されて、固定子ヨーク１４ａ、１４ｂが位置決めされている。また、固定子ヨーク１４ａと固定子ヨーク１４ｂとの間には空隙１６が設けられ、空隙１６の中に磁気センサ（ホール効果センサ）１７が組み込まれている。

図１２は図１１に示した磁気式ロータリポジションセンサの磁束線の様子を図形化した図である。この磁気式ロータリポジションセンサにおいては、原理的には回転角に対して出力電圧を直線的に変化させることができる。

米国特許第５５４４０００号明細書 米国特許第５７８９９１７号明細書

特許文献１に示された磁気式ロータリポジションセンサにおいては、回転角θと出力電圧ＶＨとの関係が原理的に正弦波状になるので、回転角θに対して出力電圧ＶＨが直線的に変化すると近似できる角度は、誤差を小さく抑える必要があるときには、表１に示すように、非常に狭い角度範囲に限られる。たとえば、最大誤差を１％以下に抑えようとすると、回転角θは±２２．５°（全ストロークで４５°）以下に制限される。これより広い角度で使用するとストロークの両端の誤差が益々大きくなるので、その誤差が許容されない場合は、何らかの補正を加える必要があり使用方法が複雑になる。

また、特許文献２に示された磁気式ロータリポジションセンサにおいては、軟質磁性材料からなる半円筒状の固定子ヨーク１４ａ、１４ｂを使用しているから、図１２に示したように、固定子ヨーク１４ａ、１４ｂの中を磁束線が通り、外側のマグネット１３の回転に伴い磁束線の方向はＮとＳの両極性にまたがって変化する。そのため、固定子ヨーク１４ａ、１４ｂの軟質磁性材料の磁化特性によりヒステリシス現象が発生する。その値は軟質磁性材料として電磁軟鉄を使用したとき０．５％程度、高級ケイ素鋼板で０．２％程度、パーマロイ等のさらに高級な材料を使用しても０．１％程度のヒステリシスが残り、この構成でヒステリシスを無くすことは非常に難しい。そして、ヒステリシスを小さく抑えるために、高級な材料を使用したり焼鈍処理を加えたりすると、磁気式ロータリポジションセンサ全体の価格が高価となる。また、磁気式ロータリポジションセンサへの要求特性として、検出値の再現性を重視する用途の場合、たとえ０．１％オーダーのヒステリシスであっても無視できるレベルではなく、精度上大きな値として問題になることが多く、原理的にヒステリシスの発生しない構造が望ましい。

本発明は上述の課題を解決するためになされたもので、原理的にヒステリシスの発生がなく、かつ回転角の広い範囲に亘って検出誤差の小さい磁気式ロータリポジションセンサを提供することを目的とする。

この目的を達成するため、本発明においては、円筒状のヨークの内面に半円筒状で内周面にＮ、Ｓ極が対向するように着磁された第１、第２のマグネットを対向させて配置し、上記第１、第２のマグネットによって発生する磁界中に上記第１、第２のマグネットに対して回転する磁電変換素子を配置し、上記ヨークの中心を中心としかつ上記磁電変換素子の外形寸法幅の１／２以上の値を半径とする円を考えたときに上記円の円周の接線方向の磁界成分を検出する位置に上記磁電変換素子を配置する。

この場合、円周上３６０／ｎ度の間隔でｎ個の上記磁電変換素子を配置してもよい。

この場合、円周上１８０度の間隔で２個の上記磁電変換素子を配置してもよい。

また、円周上９０度の間隔で２個の上記磁電変換素子を配置してもよい。

これらの場合、上記磁電変換素子として、プログラマブルホールＩＣを用いてもよい。

これらの場合、上記第１、第２のマグネットとして、シート成形タイプのものを使用してもよい。

この場合、上記第１、第２のマグネットとして、ＳｍＦｅＮ系希土類ボンド磁石のシート成形タイプを使用してもよい。

本発明に係る磁気式ロータリポジションセンサにおいては、マグネットによって形成された空間には磁性材料はないから、原理的にヒステリシスが発生することがなく、またヨークの中心を中心としかつ磁電変換素子の外形寸法幅の１／２以上の値を半径とする円を考えたときに上記円の円周の接線方向の磁界成分を検出する位置に磁電変換素子を配置しているから、回転角の広い範囲に亘って検出誤差が小さくなる。

また、円周上３６０／ｎ度の間隔でｎ個の磁電変換素子を配置したときには、多相出力が容易に得られる。

また、円周上１８０度の間隔で２個の磁電変換素子を配置したときには、磁電変換素子が正常に機能していることを確認することができる。

また、円周上９０度の間隔で２個の上記磁電変換素子を配置したときには、検出誤差を小さくしかつ検出範囲を３６０度まで拡大することができる。

また、磁電変換素子として、プログラマブルホールＩＣを用いたときには、ゲイン設定やマグネットの温度補正を簡単に行なうことができる。

また、第１、第２のマグネットとして、シート成形タイプのものを使用したときには、磁気式ロータリポジションセンサを安価に製造することができる。

また、第１、第２のマグネットとして、ＳｍＦｅＮ系希土類ボンド磁石のシート成形タイプを使用したときには、耐熱性が良好である。

図１は本発明に係る磁気式ロータリポジションセンサの基本構成を示す図である。図に示すように、軟質磁性材料からなる円筒状ヨーク２１の中に円弧角α（α≦１８０度）の半円筒状の第１、第２のマグネット２２ａ、２２ｂが対向して配置され、各々のマグネット２２ａ、２２ｂは内周面にＮ、Ｓ極が対向するように着磁されている。また、マグネット２２ａ、２２ｂによって形成された空間内に２つの磁気センサ２３ａ、２３ｂが配置され、磁気センサ２３ａ、２３ｂはヨーク１の中心Ｏを中心としかつ半径ｒの円を考えたとき、その円の円周の接線方向の磁界成分を検出する位置に配置されており、磁気センサ２３ａの中心線と磁気センサ２３ｂの中心線とは一致しており、磁気センサ２３ａ、２３ｂの中心線は中心Ｏを通る。すなわち、円周上１８０度の間隔で２個の磁気センサ２３ａ、２３ｂが配置されている。また、半径ｒは磁気センサ２３ａ、２３ｂの外形寸法幅ｗの１／２以上である。

図２は図１に示した磁気式ロータリポジションセンサのマグネットによって発生する磁界の様子を示す図である。図２(ａ)に示すように、マグネット２２ａの中心とマグネット２２ｂの中心とを結ぶ線（図２紙面上下方向線）と磁気センサ２３ａ、２３ｂの感磁面（図２(ａ)紙面左右方向面）とが直角のときには、磁気センサ２３ａの検出磁束密度は最大（正で絶対値が最大）であり、図２(ａ)に示す状態からマグネット２２ａ、２２ｂに対してセンサ２３ａ、２３ｂを９０度回転した状態すなわち図２(ｂ)に示す状態のときには、磁気センサ２３ａの検出磁束密度は０であり、図２(ｂ)に示す状態からマグネット２２ａ、２２ｂに対してセンサ２３ａ、２３ｂをさらに９０度回転した状態すなわち図２(ｃ)に示す状態のときには、磁気センサ２３ａの検出磁束密度は最小（負で絶対値が最大）である。すなわち、図２(ｂ)に示す状態のときには、磁気センサ２３ａ、２３ｂの感磁面に直角に交わる磁束の成分はなく、図２(ａ)、(ｃ)に示す状態のときには、磁気センサ２３ａ、２３ｂの感磁面に直角に交わる磁束成分がもっとも大きくなる。すなわち円筒内の磁界が平行な磁界とならず、中心から遠ざかるにつれて若干湾曲した形状になることを積極的に利用すると、半径ｒ、円弧角αを適当に選ぶことにより、磁気回路の構造で決まる定数をＫとすると、磁気センサ２３ａ、２３ｂの磁束密度Ｂｒは次式のように直線近似できる。

Ｂｒ＝Ｋ・θ （３）
そして、ヨーク２１の外径を２０ｍｍ、ヨーク２１の内径を１７ｍｍ、マグネット２２ａ、２２ｂの厚さを１．５ｍｍとしたときには、半径ｒが２〜３ｍｍのとき、特に半径ｒが２．５２ｍｍのときに回転角θに対して磁気センサ２３ａ、２３ｂ部の磁束密度が広い角度範囲で直線的に変化する。

図３(ａ)、(ｂ)はそれぞれ円弧角αを１８０度としたときの回転角θと検出磁束密度、直線性誤差との関係を示すグラフである。これらのグラフから明らかなように、回転角θが中心部１２０度の範囲では±２％以内の誤差であり、回転角θが１８０度でも±約３％の誤差で、直線的な変化が得られている。すなわち約±３％の誤差を許容すれば、回転角θが１８０度のときにも直線的な出力の得られる磁気式ロータリポジションセンサが実現できることが分かる。

一方、回転角θは狭くてもよいが直線性誤差はもっと小さくしたい用途に対しては、たとえば円弧角αを小さくすると、回転角θの狭い範囲の直線性を改善することができる。図４(ａ)、(ｂ)はそれぞれ円弧角αを１３９度としたときの回転角θと検出磁束密度、直線性誤差との関係を示すグラフである。これらのグラフから明らかなように、回転角θが中心部１２０度の範囲（３０〜１５０度の範囲）では、直線性誤差が±０．５％以内に改善されていることが分かる。しかし、回転角θが両端の１８０度では、逆に誤差が増えて約１０％と大きくなるので、回転角θの小さな用途に適している。

図５は円弧角αが１３９度の場合の半径ｒが２．５２ｍｍのとき（実線）と半径ｒが０ｍｍのとき（破線）の回転角θと検出磁束密度との関係を示すグラフである。このグラフから明らかなように、磁気センサ２３ａ、２３ｂを中心部（ｒ＝０ｍｍ）に配置すると、磁束密度変化が正弦波状になってしまうのに対して、半径ｒを大きくすることにより中心部の直線範囲を広くすることができる。

図６は図１に示した磁気式ロータリポジションセンサの両磁気センサの回転角θと検出磁束密度との関係を示すグラフであり、線ａは磁気センサ２３ａの検出磁束密度を示し、線ｂは磁気センサ２３ｂの検出磁束密度を示す。このグラフから明らかなように、回転角θに対する磁気センサ２３ａ、２３ｂの検出磁束密度変化が互いに逆になるから、磁気センサ２３ａ、２３ｂの出力の和が一定であることを監視して、磁気センサ２３ａ、２３ｂが正常に機能していることを確認することができる。

このように、図１に示した磁気式ロータリポジションセンサにおいては、マグネット２２ａ、２２ｂによって形成された空間には磁性材料はなく、空気だけなので、ヒステリシス現象は発生しない。また、ヨーク２１の中心を中心としかつ磁気センサ２３ａ、２３ｂの外形寸法幅ｗの１／２以上の値を半径ｒとする円を考えたときに上記円の円周の接線方向の磁界成分を検出する位置に磁気センサ２３ａ、２３ｂを配置しているから、回転角θの広い範囲に亘って検出誤差が小さくなる。また、円周上１８０度の間隔で２個の磁気センサ２３ａ、２３ｂが配置されているから、磁気センサ２３ａ、２３ｂの出力の和が一定であることを監視して、磁気センサ２３ａ、２３ｂが正常に機能していることを確認することができる。

図７は本発明に係る他の磁気式ロータリポジションセンサの基本構成を示す図である。図に示すように、マグネット２２ａ、２２ｂによって形成された空間内に磁気センサ３１ａ、３１ｂが設けられ、磁気センサ３１ａ、３１ｂはヨーク１の中心Ｏを中心としかつ半径ｒの円を考えたとき、その円の円周の接線方向の磁界成分を検出する位置に配置されており、磁気センサ３１ａの中心線と磁気センサ３１ｂの中心線とは直角であり、磁気センサ３１ａ、３１ｂの中心線は中心Ｏを通る。すなわち、円周上９０度の間隔で２個の磁気センサ３１ａ、３１ｂが配置されている。また、半径ｒは磁気センサ３１ａ、３１ｂの外形寸法幅ｗの１／２以上である。

この磁気式ロータリポジションセンサにおいては、たとえば回転角θが４５〜１３５度のときには磁気センサ３１ａの出力を使用し、回転角θが１３５〜２２５度のときには磁気センサ３１ｂを使用するというように、回転角θが９０度ごとに磁気センサ３１ａ、３１ｂの出力を交互に使用することにより、検出誤差を小さくしかつ検出範囲を３６０度まで拡大することができる。

なお、磁気センサ２３ａ、２３ｂ、磁気センサ３１ａ、３１ｂとしてはホール効果センサや磁気抵抗効果センサ、ＭＩ（Magneto-impedance）センサ等の磁電変換素子を用いることができる。そして、感磁部にホール素子を使用し、ＡＤ変換、ＤＳＰ、ＤＡ変換回路等を一体化した構造のプログラマブルホールＩＣが、このような用途のために開発されており、磁束密度と出力電圧との関係を決めるゲイン調整や、磁界の極性と出力電圧の極性を変える機能、あるいは温度変化によるマグネットの磁気特性の変化をキャンセルする温度補償機能等を内蔵しており、かつそれらがプログラマブルとなっているので、現状では最も使いやすいものとなっており、ゲイン設定やマグネットの温度補正を簡単に行なうことができる。

また、上述のように、具体的な磁気回路として、ヨーク２１の外径を２０ｍｍ、ヨーク２１の内径を１７ｍｍとして、厚さが１．５ｍｍのマグネット２２ａ、２２ｂを使用しているが、このような簡単な形状で厚さの薄いマグネット２２ａ、２２ｂとしてはシート成形タイプのマグネットが適している。そして、０．５ｍｍ程度の厚さのシート成形タイプのマグネットも製造可能であり、均一な薄板形状に圧延成形された材料から、センサ用のマグネットが容易に切り出して製作できるので、高価な金型を必要としないため、磁気式ロータリポジションセンサを安価に製造することができる。また、ＳｍＦｅＮ系希土類ボンド磁石のシート成形タイプは温度係数が小さく、耐熱性も１５０℃と高いので、このポジションセンサを自動車用等に用いるときは最適の材料である。

また、磁気センサ２３ａ、２３ｂとマグネット２２ａ、２２ｂとの間の相対角度、磁気センサ３１ａ、３１ｂとマグネット２２ａ、２３ｂとの間の相対角度を変えるためには、磁気センサ２３ａ、２３ｂ側、磁気センサ３１ａ、３１ｂ側を固定し、マグネット２２ａ、２２ｂ側をロータとして回転軸に結合して回転角θを入力するのが普通であるが、マグネット２２ａ、２２ｂ側を固定して、磁気センサ２３ａ、２３ｂ側、磁気センサ３１ａ、３１ｂ側を回転しても差し支えない。

また、上述実施の形態においては、円周上１８０度の間隔で２個の磁気センサ２３ａ、２３ｂを配置したが、円周上３６０／ｎ度の間隔でｎ個の磁電変換素子を配置してもよく、この場合には多相出力が容易に得られる。

本発明に係る磁気式ロータリポジションセンサの基本構成を示す図である。 図１に示した磁気式ロータリポジションセンサのマグネットによって発生する磁界の様子を示す図である。 図１に示した磁気式ロータリポジションセンサの円弧角αを１８０度としたときの回転角θと検出磁束密度、直線性誤差との関係を示すグラフである。 図１に示した磁気式ロータリポジションセンサの円弧角αを１３９度としたときの回転角θと検出磁束密度、直線性誤差との関係を示すグラフである。 半径ｒが２．５２ｍｍのときと半径ｒが０ｍｍのときの回転角θと検出磁束密度との関係を示すグラフである。 図１に示した磁気式ロータリポジションセンサの両磁気センサの回転角θと検出磁束密度との関係を示すグラフである。 本発明に係る他の磁気式ロータリポジションセンサの基本構成を示す図である。 従来の磁気式ロータリポジションセンサの一部を示す斜視図である。 図８に示した磁気式ロータリポジションセンサの一部を示す平面図である。 図８に示した磁気式ロータリポジションセンサの磁気センサの出力電圧ＶＨの変化を示すグラフである。 従来の他の磁気式ロータリポジションセンサの一部を示す図である。 図１１に示した磁気式ロータリポジションセンサの磁束線の様子を図形化した図である。

符号の説明

２１…ヨーク
２２ａ…第１のマグネット
２２ｂ…第２のマグネット
２３ａ…磁気センサ
２３ｂ…磁気センサ
３１ａ…磁気センサ
３１ｂ…磁気センサ

Claims (7)

1. 円筒状のヨークの内面に半円筒状で内周面にＮ、Ｓ極が対向するように着磁された第１、第２のマグネットを対向させて配置し、上記第１、第２のマグネットによって発生する磁界中に上記第１、第２のマグネットに対して回転する磁電変換素子を配置し、上記ヨークの中心を中心としかつ上記磁電変換素子の外形寸法幅の１／２以上の値を半径とする円を考えたときに上記円の円周の接線方向の磁界成分を検出する位置に上記磁電変換素子を配置したことを特徴とする磁気式ロータリポジションセンサ。
2. 円周上３６０／ｎ度の間隔でｎ個の上記磁電変換素子を配置したことを特徴とする請求項１に記載の磁気式ロータリポジションセンサ。
3. 円周上１８０度の間隔で２個の上記磁電変換素子を配置したことを特徴とする請求項２に記載の磁気式ロータリポジションセンサ。
4. 円周上９０度の間隔で２個の上記磁電変換素子を配置したことを特徴とする請求項１に記載の磁気式ロータリポジションセンサ。
5. 上記磁電変換素子として、プログラマブルホールＩＣを用いたことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の磁気式ロータリポジションセンサ。
6. 上記第１、第２のマグネットとして、シート成形タイプのものを使用したことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の磁気式ロータリポジションセンサ。
7. 上記第１、第２のマグネットとして、ＳｍＦｅＮ系希土類ボンド磁石のシート成形タイプを使用したことを特徴とする請求項６に記載の磁気式ロータリポジションセンサ。

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