JP4383231B2 - 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７Ａはこの種の非接触型位置センサの従来構成の一例として、特許文献１に記載されている構成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１２，１３と磁気センサ１４とが配置される。
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、その周の２箇所に磁石１５，１６が組み込まれて配置されている。２個の磁石１５，１６はロータ１１の中心に対し、角度（中心角）αが１８０°未満の位置に位置され、同じ極同士が周方向に向かい合うように配置されている。
ステータ１２，１３はそれぞれ半円柱状とされて、空隙１７を介して互いに対向されており、この空隙１７に磁気センサ１４が位置されている。ステータ１２，１３はその中心がロータ１１の中心と所定量ずらされてロータ１１の内部に位置されており、これによりロータ１１との間に設けられる間隙１８が周方向に徐々に変化するように構成されている。

磁気センサ１４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、ロータ１１及びステータ１２，１３は軟磁性材料よりなるものとされる。
この非接触型位置センサでは可動体の回転に伴い、ロータ１１と磁石１５，１６とがステータ１２，１３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１４を通過する磁束が変化する。図７Ｂは特許文献１に記載された回転角と検出磁力の関係を示したものであり、この特性はα＝９０°とした場合のものであり、１８０°（±９０°）を超える広い範囲で直線出力が得られるものとなっている。
一方、図８Ａは特許文献２に記載されている構成を示したものであり、この例では回転変位する可動体に取り付けられるロータ１１は図７Ａと同様、２個の磁石１５，１６が組み込まれているものとされ、このロータ１１の内部に全体としてロータ１１と同心の円筒面を構成するステータ１９が位置されている。

ステータ１９は１２０°ピッチで３分割されており、その中心から径方向に延びる３つの空隙１７を有し、そのうちの１つに磁気センサ１４が配置されている。なお、２個の磁石１５，１６はステータ１９の分割角度ピッチ（１２０°）に合わせた角度（中心角）でロータ１１に配置されている。
図８Ｂは特許文献２に記載されているこの非接触型位置センサの回転角と磁気センサ１４配置部の磁束密度の関係を示したものであり、ロータ１１の回転角に応じて磁束密度が直線的に変化する範囲が約２２０°となっており、これにより約２２０°の範囲において回転角に対する直線的な出力が得られるものとなっている。
特開２００１−２８９６０９号公報 特開２００１−３１７９０９号公報

上述したように、図７及び８に示した従来の非接触型位置センサはいずれも１８０°を超える広い範囲で出力の直線性を有するものとなっており、その点で優れた検出特性を有するものとなっている。
しかしながら、これら非接触型位置センサでは、例えば回転変位する可動体と共に回転するロータ１１の軸受けの精度が悪く、軸ズレが生じると、磁石１５，１６が組み込まれているロータ１１とステータ１２，１３（あるいは１９）間の間隙１８が変化してしまい、よってステータ側の空隙１７に配置されている磁気センサ１４の出力特性が間隙１８の変動の影響を受けて変動し、それにより回転角の検出精度が低下するといった問題が生じるものとなっていた。
この発明の目的はこの問題に鑑み、回転側にたとえ軸ズレが生じたとしても軸ズレによる出力変動が極めて小さく、かつ最大２４０°近辺まで回転角を検出すること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同心のリング状とされて可動体に対する固定側に配置された軟磁性材料よりなる第１及び第２のステータと、可動体に取り付けられて第１及び第２のステータの対向する周面間の間隙内に位置され、それら周面に沿う円弧状をなし、その周方向に隣接一体化されている一対の磁石と、上記間隙内に位置されて第１及び第２のステータ間の磁束の変化を検出する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対する固定側に上記回転軸心方向に所定の間隙を介して対向配置された軟磁性材料よりなる第１及び第２のステータと、可動体に取り付けられて上記間隙内に位置され、上記回転軸心を中心とする円弧状をなし、その周方向に隣接一体化されている一対の磁石と、上記間隙内に位置されて第１及び第２のステータ間の磁束の変化を検出する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ているものとされる。

請求項３の発明では請求項１又は２の発明において、リング状をなす第１及び第２のステータが同じ角度位置で分断されて、それぞれ２つの円弧状部よりなるものとされ、一方の円弧状部の中心角が一対の磁石のなす円弧の中心角とほぼ等しく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、磁気センサが上記一方の円弧状部側に配置され、かつその円弧状部の中心線上に位置しているものとされる。
請求項５の発明では請求項３の発明において、第１及び第２のステータの上記一方の円弧状部から互いに対向して延長部がそれぞれ突出形成され、それら延長部間に磁気センサが位置しているものとされる。

この発明によれば、回転側に軸ズレが生じても磁気センサが位置する間隙は不変であり、磁路の長さも不変であるので軸ズレに起因する出力変動は極めて小さく、よって高い検出精度を有し、かつ最大２４０°近辺まで回転角を検出することができる非接触型位置センサを得ることができる。

この発明の実施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は第１のステータ２１と第２のステータ２２と一対の磁石２３，２４と磁気センサ２５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。
ステータ２１，２２は可動体の回転軸心を中心とする同心のリング状とされ、可動体に対する固定側に配置される。ステータ２２はステータ２１の内側に位置され、互いに対向するステータ２１の内周面とステータ２２の外周面との間には所定の間隙２６が形成されている。なお、この例ではステータ２１，２２は同じ角度位置で分断されて、それぞれ２つの円弧状部よりなるものとされ、即ちステータ２１は円弧状部２１ａと２１ｂとよりなり、ステータ２２は円弧状部２２ａと２２ｂとよりなるものとされる。円弧状部２１ａと２１ｂとは周方向において空隙２７を介して両端面が対向されており、同様に円弧状部２２ａと２２ｂとは空隙２８を介して両端面が対向されている。

一対の磁石２３，２４は可動体に取り付け部材（図示せず）等を介して取り付けられ、可動体の回転に伴って回転するものとされる。これら磁石２３，２４はステータ２１と２２との間の間隙２６内に位置され、それらの周面に沿う、つまり可動体の回転軸心を中心とする円弧状をなすものとされる。磁石２３と２４とは周方向に隣接されて互いに固定一体化されており、径方向に互いに逆向きに着磁されている。
磁石２３，２４はその円弧の中心角がそれぞれ１２０°とされており、またその回転軸心方向の幅は図１Ａに示したようにステータ２１，２２の回転軸心方向の幅より小とされている。ステータ２１，２２の分断角度位置は一対の磁石２３，２４のなす円弧の中心角と等しくされ、よってステータ２１，２２の一方の円弧状部２１ａ，２２ａの中心角はほぼ２４０°となっており、他方の円弧状部２１ｂ，２２ｂの中心角はほぼ１２０°となっている。

磁気センサ２５は間隙２６内に位置され、ステータ２１及び２２間の磁束の変化を検出するものとされる。この例では磁気センサ２５はステータ２１，２２の円弧状部２１ａ，２２ａ側に配置され、円弧状部２１ａ（２２ａ）の中心線上に位置されている。なお、磁気センサ２５は図示しない固定手段（固定部材）に固定されている。
上記のような構造において、ステータ２１，２２は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２３，２４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２５は例えばホール素子を用いて構成されたホールＩＣとされる。図１Ａ中、２５ａは磁気センサ２５の端子を示す。
なお、磁気センサ２５はこの例では間隙２６内に１つ設置されているが、故障時の対応や特性比較のために複数設置してもよい。また、この例では着磁方向が異なる２つの磁石２３，２４を用いるものとなっているが、例えばこれら磁石２３，２４を着磁方向が途中で変えられた１個の磁石によって構成するようにしてもよい。

図２Ａ〜Ｃは磁石２３，２４とステータ２１，２２とによって構成される磁束線（点線で示す）が磁石２３，２４の回転によって変化する様子を示したものであり、磁石２３，２４がステータ２１，２２の円弧状部２１ａ，２２ａとちょうど対向し、両磁石２３，２４の境界線が磁気センサ２５の位置と一致している図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、磁気センサ２５を通過する磁束は正逆両方向等しく、つまり実効的に０となる。
これに対し、図２Ｂの状態から磁石２３，２４が回転すると、回転に従い、磁気センサ２５に実効的に作用する磁束が徐々に増大し、磁石２３，２４が例えば時計回りにθ／２（＝１２０°）回転して図２Ａに示したように磁石２３の周方向端面が磁気センサ２５の位置にくると、磁気センサ２５を通過する磁束は最大となる。
一方、磁石２３，２４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、磁気センサ２５を実効的に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回転して磁石２４の周方向端面が図２Ｃに示したように磁気センサ２５の位置にくると、磁気センサ２５を通過する磁束が最大となる。

このように磁石２３，２４の回転に伴い、磁気センサ２５を実効的に通過する磁束密度及び磁束の方向は変化し、磁気センサ２５はこの磁束の変化に応じた電圧を出力するものとなる。
図３は上述したような非接触型位置センサの回転角と出力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。
以上、説明したように、この例によれば最大２４０°の回転角を検出することができる。また、可動体と共に回転する磁石２３，２４の軸ズレ（回転軸ズレ）が生じたとしても、磁気センサ２５が位置するステータ２１，２２間の間隙２６は不変であり、磁路の長さも不変であるので、軸ズレに起因する出力変動はほとんど発生せず、従来の非接触型位置センサと比べて、軸ズレによる出力変動は極めて小さいものとなる。

図４は図１に示した非接触型位置センサに対し、ステータ２１の円弧状部２１ａ及びステータ２２の円弧状部２２ａに、互いに対向するように延長部３１及び３２を回転軸心方向に突出形成し、それら延長部３１と３２の間に磁気センサ２５を配置したものであり、円弧状部２１ａ，２２ａ間の磁束は延長部３１，３２に導かれ、その間の磁束を磁気センサ２５は検出するものとなっている。
このような構成を採用すれば、磁気センサ２５の設置位置や角度に自由度を持たせることができ、その点で取り扱いやすいものとなる。なお、この例では磁石２３，２４の回転軸心方向の幅をステータ２１，２２の幅と等しくすることができる。

次に、ステータ２１と磁石２３，２４とステータ２２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対する固定側に配置されるステータ２１，２２は可動体の回転軸心方向に所定の間隙２６を介して対向配置される。ステータ２１は円弧状部２１ａと２１ｂとよりなり、ステータ２２は円弧状部２２ａと２２ｂとよりなるものとされ、これらステータ２１，２２は可動体の回転軸心を中心とするリング状を全体としてなし、またステータ２１と２２とはこの例では同一形状・構成とされている。

可動体に取り付けられて可動体と共に回転する一対の磁石２３，２４は可動体の回転軸心を中心とする円弧状をなし、その周方向に隣接一体化されて間隙２６内に位置される。これら磁石２３，２４の外径はステータ２１，２２の外径より小とされており、磁気センサ２５は磁石２３，２４の外周側において間隙２６内に配置される。
上記のような構造において、磁石２３，２４はその円弧の中心角がそれぞれ１２０°とされ、またステータ２１，２２の一方の円弧状部２１ａ，２２ａの中心角はほぼ２４０°とされ、他方の円弧状部２１ｂ，２２ｂの中心角はほぼ１２０°とされる。磁気センサ２５は円弧状部２１ａ，２２ａ側に配置され、円弧状部２１ａ（２２ａ）の中心線上に位置されている。なお、磁石２３，２４はこの例では可動体の回転軸心方向に、つまりステータ２１，２２と対向する方向に互いに逆向きに着磁されている。

図６Ａはこの図５に示した非接触型位置センサを上から（回転軸心方向から）見た状態を示したものであり、図６Ｂは磁石２３，２４が回転した状態の一例を示したものである。
この図５，６に示した非接触型位置センサにおいても、磁石２３，２４の回転に伴い、磁気センサ２５を通過する磁束は図１に示した非接触型位置センサと同様に変化し、つまり回転角と磁気センサ２５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。また、図１に示した非接触型位置センサと同様、磁石２３，２４の軸ズレ（回転軸ズレ）が生じたとしても、間隙２６は不変であり、磁路の長さも不変であるので軸ズレに起因する出力変動は小さいものとなる。

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はその平面図。 図１に示した非接触型位置センサにおいて、磁石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回転角と出力の関係を示すグラフ。 請求項５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。 Ａは図５の平面図、ＢはＡに対し磁石が回転した状態を示す平面図。 Ａは非接触型位置センサの従来構成の一例を示す平面図、Ｂはその出力特性（回転角と検出磁力の関係）を示すグラフ。 Ａは非接触型位置センサの従来構成の他の例を示す平面図、Ｂはその出力特性（回転角と磁束密度の関係）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同心のリング状とされて、上記可動体に対する固定側に配置された軟磁性材料よりなる第１及び第２のステータと、
   上記可動体に取り付けられて上記第１及び第２のステータの対向する周面間の間隙内に位置され、それら周面に沿う円弧状をなし、その周方向に隣接一体化されている一対の磁石と、
   上記間隙内に位置されて上記第１及び第２のステータ間の磁束の変化を検出する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、上記可動体に対する固定側に上記回転軸心方向に所定の間隙を介して対向配置された軟磁性材料よりなる第１及び第２のステータと、
   上記可動体に取り付けられて上記間隙内に位置され、上記回転軸心を中心とする円弧状をなし、その周方向に隣接一体化されている一対の磁石と、
   上記間隙内に位置されて上記第１及び第２のステータ間の磁束の変化を検出する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ていることを特徴とする非接触型位置センサ。
3. 請求項１又は２記載の非接触型位置センサにおいて、
   上記リング状をなす第１及び第２のステータが同じ角度位置で分断されて、それぞれ２つの円弧状部よりなるものとされ、一方の円弧状部の中心角が上記一対の磁石のなす円弧の中心角とほぼ等しく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、
   上記磁気センサが上記一方の円弧状部側に配置され、かつその円弧状部の中心線上に位置していることを特徴とする非接触型位置センサ。
5. 請求項３記載の非接触型位置センサにおいて、
   上記第１及び第２のステータの上記一方の円弧状部から互いに対向して延長部がそれぞれ突出形成され、それら延長部間に上記磁気センサが位置していることを特徴とする非接触型位置センサ。

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