JP4476614B2

JP4476614B2 - 磁気式ロータリポジションセンサ

Info

Publication number: JP4476614B2
Application number: JP2003426233A
Authority: JP
Inventors: 昌史山本; 弘司萩野; 昌宏堀口
Original assignee: Nidec Servo Corp
Current assignee: Nidec Servo Corp
Priority date: 2003-12-24
Filing date: 2003-12-24
Publication date: 2010-06-09
Anticipated expiration: 2023-12-24
Also published as: JP2005181252A

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。

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としては、先願である特願２００３−２８５１９４号の明細書等に記載された磁気式ロータリポジションセンサがある。

図５は上記の先願の明細書等に記載された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のヨーク１の内面に円弧角α（α≦１８０°）の半円筒状の第１、第２のマグネット２ａ、２ｂが対向して配置され、各々のマグネット２ａ、２ｂ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２ａ、２ｂによって形成された空間内に磁気センサ３が配置され、磁気センサ３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、半径ｒは磁気センサ３の外形寸法幅ｗの１／２以上である。そして、ヨーク１が磁気センサ３に対して中心Ｏを回転中心として回転する。

この磁気式ロータリポジションセンサにおいては、図５に示す状態のときには、磁気センサ３の感磁面に直角に交わる磁束の成分はなく、図５に示す状態からヨーク１が±９０°回転した状態のときには、磁気センサ３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、磁気センサ３の検出磁束密度を直線近似することができる。

そして、このような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２ａ、２ｂ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１の中心Ｏを中心としかつ磁気センサ３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３を配置しているから、磁気センサ３に対するヨーク１の回転角度θの広い範囲に亘って検出誤差が小さくなる。

図６は図５に示した磁気式ロータリポジションセンサの動作説明図で、(ａ)は図５に示した磁気式ロータリポジションセンサにおける回転角度θと検出磁束密度との関係を示すグラフで、曲線ａは磁気センサ３の検出部を通過する磁束量の絶対値の変化を示し、曲線ｂは磁気センサ３の実際の検出磁束密度の変化を示す（なお、回転角度θ、検出磁束密度が共に正である領域では曲線ａ、ｂが重複）。また、(ｂ)〜(ｄ)は図５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２ａ、２ｂと磁気センサ３との位置関係を示す図であり、(ｂ)は回転角度θが最小検出回転角度θminの状態を示し、(ｃ)は回転角度θが０の状態を示し、(ｄ)は回転角度θが最大検出回転角度θmaxの状態を示す。そして、図６(ａ)に示すように、磁気センサ３の検出部を通過する磁束量の絶対値の変化を示す曲線ａは縦軸に対して対称となるが、磁気センサ３に対してヨーク１が回転するから、回転角度θが０のときに磁気センサ３の検出部の極性が反転し、磁気センサ３の実際の検出磁束密度の変化は曲線ｂで示されるようになる。このため、回転角度θが０の位置に変極点が表われ、近似直線ｃで示される磁気センサ３の理想的な検出磁束密度に対する磁気センサ３の実際の検出磁束密度の誤差すなわち直線誤差が生じる。

また、先願である特願２００３−３２１５３４号の明細書等に記載された磁気式ロータリポジションセンサが考えられている。

図７は上記の先願の明細書等に記載された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のヨーク１１の内面に半円筒状の第１、第２のマグネット１２ａ、１２ｂが対向して配置され、各々のマグネット１２ａ、１２ｂ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１２ａ、１２ｂによって形成された空間内に磁気センサ１３ａ、１３ｂが配置され、磁気センサ１３ａ、１３ｂはヨーク１１の中心を中心とする円を考えたとき、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１３ａの中心線と磁気センサ１３ｂの中心線とは一致しており、磁気センサ１３ａ、１３ｂの中心線はヨーク１１の中心を通る。そして、ヨーク１が磁気センサ１３ａ、１３ｂに対してヨーク１１の中心を回転中心として回転する。また、マグネット１２ａ、１２ｂの円周長の中心部に内側に突出した角形の突出部１４が設けられ、マグネット１２ａ、１２ｂの円周長の中心部の起磁力が大きくなっている。

この磁気式ロータリポジションセンサにおいては、マグネット１２ａ、１２ｂの円周長の中心部に突出部１４が設けられ、マグネット１２ａ、１２ｂの円周長の中心部の起磁力が大きくなっているから、磁気抵抗が大きく磁束が通りづらい回転角度θが０°付近の不足する磁束量を補うことができる。このため、磁気センサ１３ａ、１３ｂの検出磁束密度の検出角度範囲中心部の直線誤差を小さくすることができる。

図８は上記の先願の明細書等に記載された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、(ａ)は基本構成そのものを示す図、(ｂ)はマグネット２１ｂ（２１ａ）の円周長位置と着磁量との関係を示すグラフで、(ｂ)のＡ〜Ｃ位置は(ａ)のＡ〜Ｃ位置と対応する。図に示すように、円筒状のヨーク１１の内面に半円筒状の第１、第２のマグネット２１ａ、２１ｂが対向して配置され、各々のマグネット２１ａ、２１ｂ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２１ａ、２１ｂによって形成された空間内に磁気センサ１３ａ、１３ｂが配置されている。また、マグネット２１ａ、２１ｂの円周長の中心部の着磁量が大きくなっており、マグネット２１ａ、２１ｂの円周長の中心部の起磁力が大きくなっている。

この磁気式ロータリポジションセンサにおいても、マグネット２１ａ、２１ｂの円周長の中心部の着磁量が大きくなっており、マグネット２１ａ、２１ｂの円周長の中心部の起磁力が大きくなっているから、磁気センサ１３ａ、１３ｂの検出磁束密度の検出角度範囲中心部の直線誤差を小さくすることができる。

なお、この種の従来技術について記載されている文献としては、特許文献１、２を挙げることができる。

米国特許第５５４４０００号明細書米国特許第５７８９９１７号明細書

しかし、図５に示した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３の検出磁束密度の検出角度範囲中心部の直線誤差を小さくすることができない。また、図７、図８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１２ａ、１２ｂの形状、マグネット２１ａ、２１ｂの着磁分布が特殊になるから、マグネットの配向、着磁ヨークおよび着磁方法を十分に検討して、専用の金型、着磁ヨーク等を製作する必要があるので、多くの製造時間を要し、また製造コストが高価となる。

本発明は上述の課題を解決するためになされたもので、磁電変換素子の検出磁束密度の直線誤差が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磁界を検出する検出部の平面と平行であってかつ上記ヨークの中心線に直交する方向の外形寸法幅の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、上記第１、第２のマグネットの円周長の中心部に磁性材片を配置する。

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、第１、第２のマグネットの円周長の中心部の透磁率が大きいから、磁電変換素子の検出角度範囲中心部の検出磁束密度の直線誤差を小さくすることができる。

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のヨーク３１の内面に半円筒状の第１、第２のマグネット３２ａ、３２ｂが対向して配置され、各々のマグネット３２ａ、３２ｂ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３２ａ、３２ｂによって形成された空間内に磁気センサ３３ａ、３３ｂが配置され、マグネット３２ａ、３２ｂによって発生する磁界中に磁気センサ３３ａ、３３ｂが配置されている。また、磁気センサ３３ａ、３３ｂはヨーク３１の中心を中心とする円を考えたとき、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３３ａの中心線と磁気センサ３３ｂの中心線とは一致しており、磁気センサ３３ａ、３３ｂの中心線はヨーク３１の中心を通る。すなわち、円周上１８０度の間隔で２個の磁気センサ３３ａ、３３ｂが配置されている。また、上記円の半径は磁気センサ３３ａ、３３ｂの外形寸法幅の１／２以上である。そして、ヨーク３１が磁気センサ３３ａ、３３ｂに対してヨーク３１の中心を回転中心として回転する。また、マグネット３２ａ、３２ｂの円周長の中心部の内側に角形の磁性材片３４が配置され、マグネット３２ａ、３２ｂの円周長の中心部と磁気センサ３３ａ、３３ｂとの間の透磁率が、マグネット３２ａ、３２ｂの他の部分と磁気センサ３３ａ、３３ｂとの間の透磁率よりも大きくなっている。

この磁気式ロータリポジションセンサにおいては、マグネット３２ａ、３２ｂの円周長の中心部に磁性材片３４が配置され、マグネット３２ａ、３２ｂの円周長の中心部の透磁率が大きくなって磁気抵抗が小さくなるから、図５に示した構成では磁束が通りづらい回転角度θが０°付近の不足する磁束量を補うことができる。このため、磁気センサ３３ａ、３３ｂの検出部を通過する磁束量の絶対値を回転角度θが０°付近で増加することができるから、磁気センサ３３ａ、３３ｂの検出部を通過する磁束量の絶対値の変化を示す曲線を回転角度θが０°付近で直線に近づけることができるので、磁気センサ３３ａ、３３ｂの検出磁束密度の検出角度範囲中心部の直線誤差を小さくすることができる。また、マグネット３３ａ、３３ｂの形状、着磁分布を特殊にする必要がないから、専用の金型、着磁ヨーク等を製作する必要がなく、たとえばシート成形タイプのマグネットを使用することができるので、製造時間が短くなり、また製造コストが安価になる。また、透磁率の調整による直線誤差の低減は、磁性材片３４の形状と配置によって行なうことができるので、接触式ポジションセンサで行なわれているトリミング（接触式ポジションセンサの抵抗体を出力電圧の直線性等の特性が向上するように加工すること）のように、出力電圧の直線性を観測しながら磁性材片３４の配置を行なうことができ、また磁性材片３４の形状加工を容易に行なうことができる。また、円周上１８０度の間隔で２個の磁気センサ３３ａ、３３ｂが配置されているから、磁気センサ３３ａ、３３ｂの出力の和が一定であることを監視して、磁気センサ３３ａ、３３ｂが正常に機能していることを確認することができる。

図２はヨーク１、１１、２１の外径を２０ｍｍ、内径を１５ｍｍ、マグネット２ａ、２ｂ、１２ａ、１２ｂ、３２ａ、３２ｂの厚さを２ｍｍ、円弧角αを１６６°、磁気センサ３、１３ａ、１３ｂ、３３ａ、３３ｂの中心部のヨーク１、１１、３１の中心からの距離を２．７２ｍｍ、突出部１４の幅ａを０．５ｍｍ、径方向長さｂを０．７ｍｍ、磁性材片３４の幅ａを０．７ｍｍ、径方向長さｂを０．６８ｍｍとしたときの回転角度θと直線誤差との関係を示すグラフで、曲線ａは図５に示した先願の磁気式ロータリポジションセンサの場合を示し、曲線ｂは図７に示した先願の磁気式ロータリポジションセンサの場合を示し、曲線ｃは図１に示した本発明の磁気式ロータリポジションセンサの場合を示す。そして、図２から明らかなように、磁性材片３４を配置したときには、磁性材片３４を配置しないときと比較して、磁気センサ３３ａ、３３ｂの検出磁束密度の検出角度範囲中心部の直線誤差を小さくすることができ、また突出部１４を設けたときと比較して、磁気センサ３３ａ、３３ｂの検出磁束密度の回転角度θが０°付近（−２０〜２０°）の直線誤差を小さくすることができる。

図３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３２ａ、３２ｂの円周長の中心部に内側に丸形の磁性材片３５が配置され、マグネット３２ａ、３２ｂの円周長の中心部の透磁率が大きくなっている。

また、図４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３２ａ、３２ｂの円周長の中心部に内側にＶ字形の磁性材片３６が配置され、マグネット３２ａ、３２ｂの円周長の中心部の透磁率が大きくなっている。

図３、図４に示した磁気式ロータリポジションセンサにおいても、マグネット３２ａ、３２ｂの円周長の中心部に磁性材片３５、３６が配置され、マグネット３２ａ、３２ｂの円周長の中心部の透磁率が大きくなっているから、磁気センサ３３ａ、３３ｂの検出磁束密度の検出角度範囲中心部の直線誤差を小さくすることができる。また、専用の金型、着磁ヨーク等を製作する必要がないので、製造時間が短くなり、また製造コストが安価になる。

なお、磁気センサ３３ａ、３３ｂ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、上述実施の形態においては、磁性材片として角形の磁性材片３４、丸形の磁性材片３５、Ｖ字形の磁性材片３６を配置したが、他の磁性材片を配置してもよい。

本発明に係る磁気式ロータリポジションセンサの基本構成を示す図である。図１、図５、図７に示した磁気式ロータリポジションセンサの回転角度θと直線誤差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。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。先願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５に示した磁気式ロータリポジションセンサの動作説明図である。他の先願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。他の先願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。

符号の説明

３１…ヨーク
３２ａ…第１のマグネット
３２ｂ…第２のマグネット
３３ａ…磁気センサ
３３ｂ…磁気センサ
３４…磁性材片
３５…磁性材片
３６…磁性材片

Claims

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磁界を検出する検出部の平面と平行であってかつ上記ヨークの中心線に直交する方向の外形寸法幅の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、上記第１、第２のマグネットの円周長の中心部に磁性材片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。