JP5012130B2

JP5012130B2 - 角度センサ

Info

Publication number: JP5012130B2
Application number: JP2007080274A
Authority: JP
Inventors: 信之眞保
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2007-03-26
Filing date: 2007-03-26
Publication date: 2012-08-29
Anticipated expiration: 2027-03-26
Also published as: JP2008241368A

Description

本発明は、角度センサ用磁石構造体及びこれを用いた角度センサに関するものであり、特に、円筒形状を有し多極着磁された永久磁石の隣接する磁極の境界領域における合成磁界の直線性（リニアリティ）を改善するための技術に関する。

相対運動する物体の運動を適当な信号に変換してその位置制御を正確に行う位置センサ（位置検出装置）の開発が進められており、例えば磁気検出手段（ＧＭＲセンサ）と磁石とを用いて回転角度検出を行う角度センサが提案されている（例えば、特許文献１等を参照）。

特許文献１記載の回転角度検出装置は、磁界の強度を検出するＧＭＲセンサと、ＧＭＲセンサに対してＮ極が対向する磁石と、ＧＭＲセンサに対してＳ極が対向する磁石とを備えており、各磁石はロータの回転方向に沿ってＧＭＲセンサとの対向面積がロータの回転角度に比例して変化するように形成されている。ＧＭＲセンサは、N極とＳ極との境界線に沿うように磁石に対して相対移動する。

すなわち、前述の特許文献１記載の回転角度検出装置では、ロータの回転方向に対して幅が変化する磁石体が付加されており、回転に伴って磁力が変化し、その変化量をＧＭＲセンサで検出するようにしている。したがって、磁力の変化量を捉えて角度検出を行うことが可能であるが、磁石が非常に複雑な非対称形状となり、例えば１つの永久磁石を多極着磁して形成することは難しい。また、複数の磁石を用いて前記着磁状態を実現しようとした場合、個々の永久磁石の形状の加工が難しく、固定も困難であるという問題がある。

磁石構成を簡略化して回転検出等を可能とする角度センサとしては、単純に２極着磁した永久磁石を用いた位置検出装置も知られている（例えば、特許文献２等を参照）。特許文献２には、隣接して配置されたＳ極とＮ極の磁石と、これら磁石に対して相対的に移動可能な部材に、初期状態で前記各磁石の間に位置するように固定され、前記部材の相対位置を検出する為の少なくとも１個以上の磁気検出手段とを備え、前記Ｓ極とＮ極の磁石の間には、これら磁石と前記部材の相対位置検出保証範囲に応じた大きさを持つ無磁極部分が設けられることを特徴とする位置検出装置が開示されている。特許文献２記載の位置検出装置では、２極着磁された永久磁石に対向してホール素子を回転体に固定することにより角度検出を可能としており、簡単な構成により角度検出を可能とするとともに、アクチュエータとしての機能も付与している。

あるいは、磁極を斜めに配置することで、比較的長いストロークでの位置検出を可能とする技術も提案されている（例えば、特許文献３を参照）。特許文献３記載の発明では、２つのＳ極の間に長方形のＮ極領域を斜めに配置し、ホール素子をＮ極領域の長手方向に移動することによりＮ極領域の幅方向での位置が変化し、前記２つのＳ極の影響が変化することによる磁界強度の変化に基づいて位置検出を行うようにしている。
特開２００５−１９５４７１号公報特開平８−１３６２０７号公報特開平６−１１３０３号公報

ところで、前述の特許文献２記載の発明では、Ｓ極とＮ極の間に相対的位置検出保証範囲に応じた大きさを持つ無磁極部分を設けるとともに、Ｓ極とＮ極の間の無磁極部分を広げることで、磁気検出手段の出力の直線的変化部分の範囲を広げるようにしている。しかしながら、無磁極部分を広げるだけでは、検出可能な範囲には自ずと限界があり、例えば角度センサにおいて広範な角度範囲での角度検出はほとんど不可能である。

一方、特許文献３記載の発明のように、２つのＳ極の間に長方形のＮ極領域を斜めに配置し、磁束ガイドで磁極面に平行な方向へ磁束をホール素子に誘導し、当該ホール素子をＮ極領域の幅内で相対移動することで位置検出を行う構造では、３つの磁気媒体を用意する必要または３極の着磁が必要となり着磁操作が煩雑になるばかりか、２つのＳ極をバランス良く着磁する必要があり、また、磁束ガイドを別途必要とする等、やはり装置構成の煩雑化によるコスト上昇等が問題になる。また、角度検出については、何ら考慮されていない。

本発明は、このような従来の実情に鑑みて提案されたものであり、簡単な構造でありながら、互いに異なる磁極が隣接する磁極の境界領域において合成磁界の直線性（リニアリティ）を高めることが可能で、広範な角度検出が可能な角度センサ用磁石構造体及び角度センサを提供することを目的とする。

前述の目的を達成するために、本発明の角度センサは、複数極に着磁された円筒形状を有する永久磁石と、前記永久磁石に対向配置され前記永久磁石の互いに異なる磁極が隣接する境界領域を横切って周方向に相対的に移動し、前記永久磁石の磁極面に垂直な磁束密度成分を検出することによって角度検出を行う磁束検出手段とを備えた角度センサであって、前記境界領域は、少なくとも前記磁束検出手段が横切る位置において永久磁石の周方向に対して斜めに形成されていることを特徴とする。

本発明の角度センサにおいては、互いに異なる磁極が隣接する磁極の境界領域が磁束検出手段の移動方向に対して斜めに形成されていることが大きな特徴点である。境界領域を斜めに形成することで、直線性（リニアリティ）の向上が実現され、検出可能な角度範囲が大幅に拡大される。検出可能な角度範囲を拡大するための構成としては、前記境界領域の方向の変更のみで済み、着磁も容易で着磁治具も簡単なもので済む。また、例えば傾斜角度を調整することにより、磁束検出素子の出力調整も容易に行える。

なお、磁極を斜めに配置する例としては、先の特許文献３記載の位置センサ装置を挙げることができるが、前述の通り、特許文献３記載の発明では、斜めに配置されるＮ極の両側にＳ極を配置することが必要であり、磁束ガイドで磁極面に平行な方向へ磁束をホール素子に誘導し、当該ホール素子をＮ極領域の長手方向に移動することによりＮ極領域の幅方向での位置が変化し、前記２つのＳ極の影響が変化することによる磁束ガイドで誘導される磁束密度の変化に基づいて位置検出を行うというのが基本原理である。これに対して、本発明では、互いに異なる磁極が隣接する磁極の境界領域を横切って磁束検出手段が移動し、永久磁石の磁極面に垂直な磁束密度成分を検出することが前提で、境界領域を挟んだ２極間の磁界変化を利用するというのが基本原理であり、本質的な技術思想が大きく異なる。

本発明の角度センサ用磁石構造体においては、互いに異なる磁極が隣接する境界領域を斜めに形成しているので、当該境界領域において合成磁界の直線性（リニアリティ）を高め、検出可能な角度範囲を拡大することが可能である。したがって、本発明の磁石構造体を用いることで、広範な角度範囲に亘って角度検出が可能な角度センサを提供することが可能である。また、本発明によれば、装置構成を簡略化することが可能であり、コストの低減を図ることも可能である。

以下、本発明を適用した角度センサ用磁石構造体及びこれを用いた角度センサについて、図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本実施形態の角度センサ用磁石構造体（永久磁石１）における着磁状態を示すものである。角度センサ用磁石構造体を構成する永久磁石１は、ここでは円筒形状を有する永久磁石であり、上下に分割される形で多極着磁（２極着磁）されている。すなわち、図中上側部分の表面がＮ極２となるように着磁されるとともに、図中下側部分の表面がＳ極３となるように着磁されている。

多極着磁（２極着磁）の場合、前記Ｎ極２とＳ極３の境界部分には、いわゆるニュートラルゾーン（無着磁領域４）が発生するが、これはＮ極２とＳ極３の境界において不可避なものである。なお、前記Ｎ極２とＳ極３を複数個（２個）の永久磁石を組み合わせて構成することで、無着磁領域４を実質的に発生させなくすることも可能である。本実施形態の角度センサ用磁石構造体（永久磁石１）においては、後述の磁束検出手段が横切る位置において、前記無着磁領域４が永久磁石１の周方向（図中、矢印Ｘ方向）に対して斜めに形成されている。

具体的には、本実施形態において、前記無着磁領域４は、円筒形状を有する永久磁石１の斜め切断面の外周に沿って永久磁石１の周面を１周する形で形成されている。また、互いに異なる前記Ｎ極２とＳ極３が前記無着磁領域４を挟んで隣接し、境界領域４Ａを構成している。図２は、前記永久磁石１の展開図である。前記境界領域４Ａを斜め切断面の外周に沿って形成することにより、磁束検出手段５が横切る位置において、境界領域４Ａが永久磁石１の周方向Ｘ（すなわち、磁束検出手段５の移動方向）に対して斜めに形成されることになる。

前記磁束検出手段５による角度検出においては、磁束密度の直線変化領域の範囲が広いほど検出可能角度範囲γが広くなる。また、磁束密度の直線変化領域の直線性（以下、リニアリティと称する。）が優れるほど、簡単な演算処理で正確な角度検出が可能になる。磁束密度の直線変化領域のリニアリティが低い場合、表面磁束密度波形に応じた煩雑な演算をしなければ正確な角度検出は難しい。

そこで本実施形態においては、図１及び図２に示すように、前記永久磁石１において、境界領域４Ａを磁束検出手段５の移動方向に対して斜めに形成することで、永久磁石１の各磁極（Ｎ極２及びＳ極３）における発生磁界を低下させずに、磁束密度の直線変化領域の幅を広げ、検出可能角度範囲γを広げるようにしている。

ここで、前記境界領域４Ａの傾斜角度θは、前記永久磁石の外径をＤとした場合、前記磁束検出手段５の移動方向（図２中、水平方向）に対して０．５≦Ｄ・ｔａｎθ≦５．０を満たすとすることが好ましく、１．０≦Ｄ・ｔａｎθ≦２．０とすることがより好ましい。Ｄ・ｔａｎθが０．５未満であると、境界領域４Ａ上での磁束密度が低くなり、検出が困難になるおそれがある。逆に、前記Ｄ・ｔａｎθが５．０を越えると、リニアリティの向上が不十分なものとなり、検出可能角度範囲γが狭くなる。

前記無着磁領域４の幅ｗは、任意に設計することができるが、０．０ｍｍ〜２．５ｍｍとすることが好ましく、０．５ｍｍ〜２．０ｍｍとすることがより好ましい。前記無着磁領域４の幅ｗが２．５ｍｍを越えると、発生する磁束が低下するおそれがある。

本発明者らは、種々検討を重ねた結果、境界領域４Ａを斜めに形成することが、磁束密度の直線変化領域の幅を広げ、検出可能角度範囲γを拡大する上で極めて有効であることを見出すに至った。具体的には、以下に記載するような実験を行い、前記境界領域４Ａを斜めに形成することの効果を確認した。

実験に際しては、永久磁石として円筒状のＮｄＦｅＢ系ボンド磁石を用い、これを２極着磁した。用いた永久磁石は、外径３２ｍｍ、内径３０ｍｍ、高さ６ｍｍ、厚さが１ｍｍである。前記２極着磁に際しては、無着磁領域の幅を０．８ｍｍ〜４．０ｍｍ、傾斜角度θを５°〜４５°とし、ホール素子を磁束検出手段として回転に伴う磁束密度の変化を調べた。結果を図３〜図５に示す。図３〜図５において、比較のため、傾斜角度θを９０°（磁束検出手段の移動方向と境界領域を構成する無着磁領域が直交）とした場合についての測定結果も併せて示す。また、傾斜角度θに対するＤ・ｔａｎθの値を表１に示す。

図３では、本発明に基づいて無着磁領域の幅ｗ＝１．５ｍｍ、傾斜角度θ＝３°、Ｄ・ｔａｎθ＝１．６８とした場合における磁束密度の変化を、従来例に相当する傾斜角度θ＝９０°とした場合の磁束密度の変化と比較することができる。図３から明らかなように、境界領域を斜めに形成した場合に直線性（リニアリティ）が格段に向上しており、広範囲に亘って直線性が維持されている。これに対して、境界領域を磁束検出手段の移動方向と略直交して形成した場合には、直線性が低下し、且つ検出可能角度範囲γが狭い。したがって、境界領域を斜めに形成することが、検出角度範囲γを拡大する上で有利であることが実証された。

図４では、本発明に基づく無着磁領域の幅ｗを変えた場合を比較している。図４から明らかなように、無着磁領域の幅ｗが大きくなると発生する磁束が小さくなっており、無着磁領域の幅ｗをある範囲に設定することが発生する磁束を確保する上で有利であることが実証された。さらに、図５では、本発明に基づくＤ・ｔａｎθを変えた場合を比較している。図５から明らかなように、Ｄ・ｔａｎθが小さくなると発生する磁束が小さくなっており、Ｄ・ｔａｎθをある範囲に設定することが発生する磁束を確保する上で有利であることが実証された。

前述のように境界領域４Ａが斜めに形成された永久磁石１は、１つの円筒状の磁石を多極着磁（２極着磁）することによって実現することができる。例えば、図６に示すように着磁コイル６を巻回し、当該着磁コイル６に電流を流して着磁を行うことで、図１及び図２に示すような着磁を行うことが可能である。あるいは、複数枚（２枚）の永久磁石を組み合わせて構成することも可能である。この場合には、組み合わされる永久磁石間のギャップが前記無着磁領域４に相当し、その幅ｗは実質的に０ｍｍになる。

本実施形態の角度センサ用磁石構造体（永久磁石１）を角度センサに用いる場合、発生する磁束をなるべく大きくして検出感度を向上させる必要がある。したがって、使用する永久磁石１は、発生する磁力が大きい希土類磁石により形成されていることが好ましい。特に、高磁気特性であるＲ−Ｔ−Ｂ系（Ｒは希土類元素、Ｔは遷移金属元素、Ｂはホウ素である。）ボンド磁石及び焼結磁石や、Ｓｍ−Ｃｏ系焼結磁石等が好ましい。また、本発明には、円筒形状の磁石を使用するため、上記組成系の磁石であり、且つ、等方性磁石またはラジアルリング磁石を用いることが好ましい。前記磁石は着磁に対する自由度が高いため、本発明のようにニュートラル傾斜部または複数のニュートラル傾斜部を有する場合に有効である。

図７は、前述の角度センサ用磁石構造体（永久磁石１）を用いた角度センサの構成例を示すものである。角度センサは、前述の永久磁石１と、永久磁石１の周面に沿って移動し永久磁石１の磁界を検出する磁束検出手段５から構成される。前記磁束検出手段５としては、ホール素子の他、ＭＲセンサ等も用いることができる。ホール素子による検出では、直流電流を印加することで、磁束密度に比例した電圧を出力することができるため、回路が簡単になり、また、停止された位置でも永久磁石１からの磁束によって検出が可能となる。

図７に示す角度センサにおいて、前記磁束検出手段５は、前記境界領域４Ａを横切る方向（円筒状の永久磁石１の周方向）に移動し、検出された磁界に基づいて位置を検出する。したがって、図８に示すように、回転角αを検出することが可能であり、角度センサとして機能する。例えば、前記永久磁石１を回転軸に装着し、前記磁束検出手段５によって角度検出を行えば、回転軸の回転角度を検出することが可能である。この時、永久磁石１と磁束検出手段５が平行に相対的に回転するため、可動手段が一軸であることから簡易な角度センサとすることが可能なる。

前記角度センサにおいては、磁束検出手段５が永久磁石１に対して相対移動し、各角度位置において検出される磁束密度に基づいて回転角αを算出する。この場合、前記永久磁石１を固定し磁束検出手段５を移動するようにしても良いし、逆に磁束検出手段５を固定し永久磁石１を移動するようにしてもよい。

また、磁束検出手段５を複数配置して永久磁石１の全周に亘り角度検出を行うことも可能である。この場合、例えば、図９に示すように、第１の磁束検出手段５Ａと第２の磁束検出手段５Ｂの間に９０°の位相差を持たせる。すなわち、第１の磁束検出手段５Ａと第２の磁束検出手段５Ｂが９０°の角度差を維持したまま一体的に移動するように設置する。

このように第１の磁束検出手段５Ａと第２の磁束検出手段５Ｂを設置して、図９の矢印方向に永久磁石１の周囲を１回転させた場合、各磁束検出手段５Ａ，５Ｂからは図１０に示すような出力が得られる。図１０において、出力Ａは第１の磁束検出手段５Ａからの出力、出力Ｂは第２の磁束検出手段５Ｂからの出力である。ここで、例えばいずれか一方の磁束検出手段５Ａ，５Ｂの出力が所定の閾値を越えた場合、他方の磁束検出手段５Ａ，５Ｂからの出力に基づいて角度検出を行うようにすれば、３６０°全てについて角度検出が可能である。図１０に示す例では、０°〜４５°、１３５°〜２２５°、３１５°〜３６０°については、磁束検出手段５Ａからの出力に基づいて角度検出を行う。４５°〜１３５°、２２５°〜３１５°については、磁束検出手段５Ｂからの出力に基づいて角度検出を行う。なお、ここでは検出手段が２つ設置されている場合について説明したが、必要に応じて、複数の傾斜部を持つように着磁し、２つ以上の検出手段を用いて３６０°角度検出とすることも可能である。

以上の構成を有する角度センサ用磁石構造体及び角度センサにおいては、磁極間の境界領域４Ａを斜めに形成しているので、境界領域４Ａを挟んだ磁極間領域において合成磁界の直線性（リニアリティ）を高めることが可能であり、検出可能な角度範囲γを大幅に拡大することが可能である。また、円筒状の永久磁石１を斜め断面を境に２極着磁するだけで良いので、装置構成も簡便なもので済み、装置コストを低減する上でも有利である。

なお、本発明の角度センサ用磁石構造体及び角度センサは、前記実施形態に限られるものではなく、種々の変更が可能である。例えば、先の実施形態においては、境界領域４Ａを円筒状の永久磁石１の斜め切断面の外周に沿う形で形成したが、図１１に示すように、境界領域４Ａを螺旋状に形成することも可能である。この場合には、螺旋状の無着磁領域４ａの他、永久磁石１の周方向と直交する無着磁領域４ｂも形成されることになるが、角度検出を行う上で、前記無着磁領域４ｂの存在はほとんど影響が無い。図１１に示すような着磁は、一括して行うことは難しいが、例えばＮ極部分とＳ極部分をラバー磁石等により個別に形成し、これを組み合わせることで作製することが可能である。

本発明を適用した角度センサ用磁石構造体（永久磁石）の一例を示す概略斜視図である。図１に示す永久磁石の展開図である。無着磁領域の幅ｗ＝１．５ｍｍ、傾斜角度θ＝３°、Ｄ・ｔａｎθ＝１．６８とした場合における磁束密度の変化を、従来例に相当する傾斜角度θ＝９０°（ｗ＝０．８ｍｍ〜４．０ｍｍ）とした場合の磁束密度の変化と比較して示す特性図である。無着磁領域の傾斜角度θを３°に固定し、幅ｗを０．８ｍｍ〜４．０ｍｍとした場合における磁束密度の変化を示す特性図である。無着磁領域の幅ｗを１．５ｍｍに固定し、傾斜角度θを１°〜４５°とした場合における磁束密度の変化を示す特性図である。円筒形状を有する永久磁石を２極着磁するための着磁方法の一例を示す模式的な斜視図である。本発明を適用した角度センサの一例を示す概略斜視図である。図７に示す角度センサにおける磁束検出手段の移動状態を示す概略平面図である。２つの磁束検出手段の設置状態の一例を永久磁石を展開して示す図である。２つの磁束検出手段からの出力を示す図である。角度センサ用磁石構造体（永久磁石）の他の例を示す概略斜視図である。

符号の説明

１永久磁石、２Ｎ極、３Ｓ極、４無着磁領域、４Ａ境界領域、５，５Ａ，５Ｂ磁束検出手段、６着磁コイル

Claims

複数極に着磁された円筒形状を有する永久磁石と、前記永久磁石に対向配置され前記永久磁石の互いに異なる磁極が隣接する境界領域を横切って周方向に相対的に移動し、前記永久磁石の磁極面に垂直な磁束密度成分を検出することによって角度検出を行う磁束検出手段とを備えた角度センサであって、
前記境界領域は、少なくとも前記磁束検出手段が横切る位置において永久磁石の周方向に対して斜めに形成されていることを特徴とする角度センサ。
前記境界領域が円筒形状の永久磁石の斜め切断面の外周に沿う形で永久磁石の周面に形成されていることを特徴とする請求項１記載の角度センサ。
前記境界領域の傾斜角度θが前記永久磁石の外径Ｄに対して０．５≦Ｄ・ｔａｎθ≦５なる関係を満たすことを特徴とする請求項１または２記載の角度センサ。
前記磁束検出手段がホール素子であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項記載の角度センサ。