JP5231365B2 - 回転角度検出センサ - Google Patents

Description

この発明は、永久磁石と磁気センサを用いて２部材間の相対的な回転角度を検出可能な非接触型の回転角度検出センサに関する。

この種の回転角度検出センサとして、円柱型の永久磁石と、この永久磁石の一端面から軸方向に離れた位置で同一円周上に配置される複数の磁気センサとを備えたものがある。この種の回転角度検出センサは、相対的な回転角度を検出したい２部材のうち、一方の部材に対して永久磁石が固定され、他方の部材に対して複数の磁気センサが固定され、これら２部材の相対的な同心回転の回転角度を永久磁石の回転磁界に変換し、複数の磁気センサ間の出力差を利用した演算で当該回転角度を求める処理回路を備えている。前記の固定に際しては、可能な限り、永久磁石の中心線、複数の磁気センサが配置される円周の中心、及び２部材の相対回転の回転中心が同一直線上にあるように配置される（特許文献１）。

従来、永久磁石として、円柱型の成形体に径方向に２極着磁されたものが用いられている。この種の永久磁石は、円柱状の中心線を含むアキシアル平面を境として、その半分にＮ極を有し、残り半分にＳ極を有する。複数の磁気センサは、磁束密度を検出することにより回転角度を検出するようになっている。なるべく磁束密度の絶対値の大きい空間に複数の磁気センサを配置した方が、磁気センサと永久磁石の一端面間のギャップが狭くなるのを避けるのに有利である。例えば、永久磁石の中心線に沿った軸方向の磁束密度を複数の磁気センサで検出する場合、軸方向の磁束密度分布曲線のピークが永久磁石の一端面外縁から軸方向に離れた位置にあるから、この位置上が複数の磁気センサの正規の配置位置に設定されている（特許文献２）。

特開２００４−１９１１０１号公報 特開２００５−２９１９４２号公報

しかしながら、永久磁石の一端面から軸方向に離れた空間の軸方向の磁束密度分布を永久磁石の中心線を含む任意の平面上で考えると、その磁束密度分布を示す曲線は、ピーク付近で傾きの穏やかな径方向領域が狭い。このため、円柱型の永久磁石の中心と、複数の磁気センサが同一円周上に配置された当該円周の中心とが相対的に偏心する、いわゆる芯ずれが生じたとき、各磁気センサが磁束密度変化の急な直径方向領域に入り、実際の回転角度に相当する磁気センサの出力と異なった出力となり、回転角度検出センサが求めた回転角度と２部材間の実際の回転角度との間の角度検出誤差が大きくなり易い。この角度検出誤差を低減するため、特許文献２に開示された回転角度検出センサは、円柱型の永久磁石に代えて、永久磁石の一端部を円すい台形状や段付き状に形成したものを採用しているが、特殊形状化によって永久磁石の設計が難しくなる。

上記の事情に鑑み、この発明の課題は、径方向に２極着磁された円柱型の永久磁石を回転角度検出センサに用い、磁気センサと永久磁石の一端面間のギャップが狭くなるのを避けつつ、角度検出誤差を防止することにある。

上記の課題を解決するため、径方向に２極着磁された円柱型の永久磁石の種々において、永久磁石の一端面から軸方向に離れた空間の磁束密度分布を検討した。ここで、「軸方向」とは、永久磁石の中心線に沿った方向をいう。「径方向」とは、軸方向に直交する方向をいう。「円柱型」とは、軸方向全域で同一外径をもった中実体であることをいう。「径方向に２極着磁された」とは、永久磁石の半円柱域にＮ極、残り半円柱域にＳ極が生じるように径方向から着磁されたことをいう。「磁気センサ」とは、径方向の磁束密度を電気信号に変換する機能部位をいう。検討の結果、永久磁石の中心線を含む任意の平面上で径方向の磁束密度分布を示す曲線では、磁石直径よりも大きな径方向領域と小さな径方向領域の２箇所にピーク（絶対値）が存在し、大きな径方向領域は、正のピークから大径側に傾きの穏やかな範囲を含み、小さな径方向領域は、負のピークから大径側又は小径側に傾きの穏やかな範囲を含み、これら傾きの穏やかな範囲を軸方向の磁束密度分布に比して広く得ることができること、大小の径方向領域における傾きの穏やかな範囲間で永久磁石の中心線の軸方向延長上から同じ径方向距離の位置上での絶対値を比較すると、小さな径方向領域の方が大きくなることを見出した。係る知見に基き、この発明は、磁気センサと永久磁石間のギャップが狭くなるのを避けるのに有利な前記小さな径方向領域における傾きの穏やかな範囲で径方向の磁束密度を検出するように磁気センサを配置したので、径方向に２極着磁された円柱型の永久磁石を回転角度検出センサに採用し、磁気センサと永久磁石の一端面間のギャップが狭くなるのを避けつつ、角度検出誤差を防止することができる。

具体的には、この発明は、円柱型の永久磁石と、前記永久磁石の一端面から軸方向に離れた位置で同一円周上に配置される複数の磁気センサとを備え、前記永久磁石は、円柱型であって全体が均質な材料で形成され、かつ径方向に２極着磁された磁石からなる回転角度検出センサにおいて、前記永久磁石は、直径４ｍｍ〜２０ｍｍで軸方向長さ３ｍｍ〜５ｍｍのフェライト磁石又はアルニコ磁石からなり、前記複数の磁気センサは、前記永久磁石の一端面のうち当該磁石直径の２０％以下の中心部分から軸方向に０．５ｍｍ〜３．０ｍｍ離れた位置で径方向の磁束密度を検出するように配置される構成を採用することにより、前記小さな径方向領域における傾きの穏やかな範囲で磁気センサが検出するようにした。

前記複数の磁気センサは、前記永久磁石の一端面のうち当該磁石直径の１０％以下の中心部分から軸方向に０．５ｍｍ〜１．５ｍｍ離れた位置で径方向の磁束密度を検出するように配置されることが好ましい。

上述の径方向の磁束密度分布の曲線を分析した結果、前記永久磁石の一端面のうち当該磁石直径の１０％以下の中心部分から軸方向に０．５ｍｍ〜１．５ｍｍ離れた位置では、永久磁石全体が軸方向に対して１／２０の勾配で傾いたとしても、その傾きの影響による径方向の磁束密度の変化が他の領域より少ないことが分かった。この位置で磁気センサが検出するように配置すれば、芯ずれだけでなく、永久磁石と複数の磁気センサを配置した同一円周との間に前記の勾配が相対的に生じたときでも角度検出誤差を防止することができる。

前記同一円周の中心及び当該永久磁石の中心線間に許容された芯ずれ量が設定されている場合、その芯ずれ量に基いて磁石直径を決定することにより、磁気センサを磁石直径の２０％以下の中心部分から軸方向に離れた位置に配置することができる。

具体的には、前記磁石直径は、前記同一円周の最大径と、当該同一円周の中心及び当該永久磁石の中心線間に許容された芯ずれ量の和の５倍以上であるようにすればよい。ここで、「同一円周の最大径」とは、複数の磁気センサの１つを他の磁気センサに重ね合わせる仮想回転移動の中心（すなわち、複数の磁気センサが配置される同一円周の中心）を考えたとき、その１つの磁気センサが中心から最も遠いところに描く回転軌跡円の直径をいう。

前記芯ずれ量を生じる代表例として、前記永久磁石が固定される軸と、当該軸を軸受部で支持すると共に前記複数の磁気センサが固定されるハウジングとを備え、前記芯ずれ量は、前記軸と前記ハウジング間に設定された径方向すきまに基いて定まる構成が挙げられる。

前記径方向すきまは、例えば、ハウジングに設けられた軸受部と軸間のはめあい、軸受部が転がり軸受からなる場合のラジアル内部すきま、外輪とハウジング間のはめあいである。芯ずれ量の設定が許容されるので、軸を支持する軸受部として、芯ずれ量の範囲内に永久磁石を維持できる軸受部を使用すればよく、例えば、転がり軸受に予圧を与えて負のラジアルすきまにしたり、滑り軸受と軸の嵌め合い等級を緩くしたりしても高い出力精度をもつ回転角度検出センサを構成することができる。

特に、前記永久磁石は前記軸の一端に固定され、前記磁石直径は、前記同一円周の最大径と前記径方向すきまの和の１０倍以上であることが好ましい。

前記軸と前記ハウジング間に径方向すきまを設定すると、軸が径方向すきまに応じて軸が傾き得る。軸の一端に永久磁石が固定される場合、軸の傾きにより前記の勾配をもった傾きが生じる。磁石直径が前記和の１０倍以上であれば、この種の回転角度検出センサにおいて、永久磁石の一端面のうち当該磁石直径の１０％以下の中心部分から軸方向に離れた位置に磁気センサを配置することができるので、前記勾配が相対的に生じたときでも角度検出誤差を防止することができる。

前記複数の磁気センサが一体にまとめられたセンサアレイを採用することができる。センサアレイは、磁気センサを個々に配置する手間がなく、センサの構成を簡略化することができて便利である。その代わり、複数の磁気センサは、センサアレイに固有の配置中心をもった同一円周上に固定される。磁石直径に基いて磁気センサの径方向位置を決定すれば、センサアレイを採用しても所定の径方向位置に磁気センサを配置することができる。

軸と、当該軸を軸受部で支持するハウジングと、前記複数の磁気センサを実装された回路基板とを備え、前記永久磁石は軸の一端に固定され、前記軸の他端は前記ハウジングの外部に露出し、前記ハウジングは、前記永久磁石及び前記複数の磁気センサを内包し、かつ前記軸の一端と軸方向に対向する平坦部をもったハウジング蓋を有し、前記回路基板は、前記ハウジング蓋の平坦部に固定されている構成を採用することにより、ユニット化することができる。

ユニット化された回転角度検出センサは、相対回転を行う２部材の一方の部材を軸としたり、一方の部材に軸を接続し、また、他方の部材をハウジングとしたり、他方の部材にハウジングを固定したりすることにより、他の機器に組み込んで２部材間の相対的な回転角度を検出することができる。例えば、一般産業機械、建設機械の駆動軸と機体間のように、相対回転を行う２部材間の回転角度検出に利用される。

前記のユニット化を行う場合、前記軸受部は、前記軸と前記ハウジング間に組み込まれた転がり軸受からなり、前記ハウジング蓋で前記軸受部の外輪を押して予圧が与えられる構成を採用することができる。このユニットは、転がり軸受に予圧を与えることで軸受剛性を高め、軸の芯ずれを防止し、予圧用の蓋を複数の磁気センサの支持に利用することができる。

前記の予圧が与えられる場合、前記ハウジング蓋、前記軸、並びに前記軸受部の内外輪及び転動体は強磁性材料で形成され、前記ハウジング蓋の前記平坦部の周囲に前記外輪との接触部が設けられ、前記複数の磁気センサは、前記ハウジング蓋、前記軸及び前記軸受部により形成された磁気シールド空間内に配置される構成を採用することができる。

ハウジング蓋、軸、並びに転がり軸受の内外輪及び転動体を強磁性材料で形成し、ハウジング蓋の平坦部の周囲を外輪に接触させれば、ハウジング蓋、軸及び転がり軸受で磁気シールドの一種である強磁性シールドを形成することができる。ハウジング蓋、軸の一端及び外輪の位置関係から、この強磁性シールドを、ハウジング外部から磁気センサへ一直線に向かう磁力線の全てがハウジング蓋等のいずれかと交わるように設けることができる。この強磁性シールドが有効な前記磁気シールド空間内へ外部磁界の磁力線が真直ぐに達することはできず、ハウジング蓋、外輪、転動体、内輪及び軸が一連に形成する迂回路へ導かれる。その磁気シールド空間内に複数の磁気センサが配置されるため、外部磁界による磁束密度の検出誤差を防止することができる。磁気シールドがハウジング蓋、軸及び転がり軸受により形成されるため、ハウジング蓋を取り付けるハウジング本体の素材を自由に選択することができる。例えば、ハウジング本体を樹脂射出成形やアルミニウム合金等で形成することにより、ハウジングを軽量化することも可能になる。

前記平坦部は、この周囲よりも一端側に凹み、前記回路基板は、前記複数の磁気センサと前記永久磁石の一端面間に達しないように樹脂封止されている構成を採用することができる。

ハウジング蓋の平坦部を一端側へ凹入させると、その凹内壁を型として回路基板の樹脂封止を容易に行うことができる。その樹脂封止層は、複数の磁気センサと前記永久磁石の一端面間に達しないため、永久磁石と複数の磁気センサ間のギャップ設定の支障にならない。

軸と、当該軸を軸受部で支持するハウジングとを備え、前記永久磁石は軸の一端に固定され、前記ハウジングは前記永久磁石及び前記複数の磁気センサを内包し、前記複数の磁気センサは、強磁性材料製の前記軸及び他の部材で形成された磁気シールド空間内に位置する構成を採用すれば、軸を利用した磁気シールドにより、外部磁界による角度検出誤差を防止することができる。

前記磁気シールドに係る構成を採用したときの上述の径方向の磁束密度分布の曲線を分析した結果、前記永久磁石が直径４ｍｍ〜６ｍｍで軸方向長さが３ｍｍ〜５ｍｍのフェライト磁石からなるとき、同寸のアルニコ磁石に比して、永久磁石の一端面のうち当該磁石直径の２０％以下の中心部分から軸方向に離れた位置での絶対値が大きいことが分かった。したがって、前記磁気シールドに係る構成と共に係る永久磁石を採用すれば、アルニコ磁石に比して安価なフェライト磁石を用いつつ、磁気センサと永久磁石の一端面間のギャップが狭くなるのを避けることができる。

上述のように、この発明は、径方向に２極着磁された円柱型の永久磁石を回転角度検出センサに用い、径方向の磁束密度を検出する複数の磁気センサの位置と、永久磁石の外寸及び種類と、磁気センサ及び永久磁石間のギャップとを前記の特定の関係にすることにより、磁気センサと永久磁石の一端面間のギャップが狭くなるのを避けつつ、角度検出誤差を防止することができる。

（ａ）は第１実施形態に係る回転角度検出センサの正面図、（ｂ）は第１実施形態に係る回転角度検出センサの側面図、（ｃ）は前記（ａ）の永久磁石の一端面における中心部分の拡大図 図１の解析モデルと共に永久磁石の中心線を含む平面上での磁場解析例を示した磁束分布図 （ａ）は図２の解析モデルの条件１のギャップ０．５ｍｍのときの径方向の磁束密度分布図、（ｂ）は同条件１のギャップ１．０ｍｍのときの径方向の磁束密度分布図、（ｃ）は同条件１のギャップ１．５ｍｍのときの径方向の磁束密度分布図 図２の解析モデルの条件２のギャップ０．５ｍｍのときの径方向の磁束密度分布図 図２の解析モデルの条件２のギャップ１．０ｍｍのときの径方向の磁束密度分布図 図２の解析モデルの同条件２のギャップ１．５ｍｍのときの径方向の磁束密度分布図 図２の解析モデルの同条件２のギャップ３．０ｍｍのときの径方向の磁束密度分布図 （ａ）は図２の解析モデルの条件３のギャップ０．５ｍｍのときの径方向の磁束密度分布図、（ｂ）は同条件３のギャップ１．０ｍｍのときの径方向の磁束密度分布図、（ｃ）は同条件３のギャップ１．５ｍｍのときの径方向の磁束密度分布図 （ａ）は図２の解析モデルの条件４のギャップ０．５ｍｍのときの径方向の磁束密度分布図、（ｂ）は同条件４のギャップ１．０ｍｍのときの径方向の磁束密度分布図、（ｃ）は同条件４のギャップ１．５ｍｍのときの径方向の磁束密度分布図 （ａ）は図２の解析モデルの条件５のギャップ０．５ｍｍのときの径方向の径方向の磁束密度分布図、（ｂ）は同条件５のギャップ１．０ｍｍのときの径方向の磁束密度分布図、（ｃ）は同条件５のギャップ１．５ｍｍのときの径方向の磁束密度分布図 第２実施形態に係る回転角度検出センサの正面図 第３実施形態に係る回転角度検出センサの正面図 実施例１に係る回転角度検出センサの縦断側面図 実施例１の変更例を示す縦断側面図 実施例２に係る回転角度検出センサの縦断側面図

図１に示すように、第１実施形態に係る回転角度検出センサ（以下、単に「第１実施形態」と称する）は、円柱型の永久磁石１と、永久磁石１の一端面から軸方向に離れた位置で同一円周上に配置される複数の磁気センサ２，３とを備える。

永久磁石１は、円柱型であって全体が均質な材料で形成された成形体に対して径方向に２極着磁されたフェライト磁石又はアルニコ磁石からなる。成形体は、径方向に異方性をもつ。永久磁石１は、半円柱域にＮ極、残り半円柱域にＳ極を有する。

図１に示す磁気センサ２，３は、径方向の磁束密度を電気信号に変換する機能部位からなる。例えば、磁気センサ２，３は、径方向の磁束密度検出用に設けられた汎用のホール素子、ＭＲ（Ｍａｇｎｅｔｏ−Ｒｅｓｉｓｔｉｖｅ）素子、ＭＩ（Ｍａｇｎｅｔｏ−Ｉｍｐｅｄａｎｃｅ）素子等の磁気検出素子に設けられた感磁部からなる。感磁部は、径方向に横切る磁束密度に応じた出力変動を生じさせる部位をいう。ホール素子の感磁部は、例えば、径方向に直交する向きに設けられた半導体薄膜部からなる。ＭＲ素子の感磁部は、例えば、強磁性薄膜部、又は一軸異方性強磁性薄膜部の導電路からなる。ＭＩ素子の感磁部は、例えば、微小高周波電流を流してインピーダンス変化を検出される磁性導体部からなる。複数の磁気センサ２，３が一体にまとめられたセンサアレイや、少なくとも１つの磁気センサの他に、適宜に信号増幅回路、ＡＤ変換回路、記憶回路、信号処理回路等と一体にまとめられた集積回路を採用することもできる。

相対回転する関係の２部材のうち、一方の部材とされた軸４の一端に対して永久磁石１が固定され、他方の部材（図示省略）に対して複数の磁気センサ２，３が固定される。その結果、複数の磁気センサ２，３は、永久磁石１の一端面から軸方向に離れた位置で同一円周上に配置され、かつ同一円周の中心回りに９０°の回転角度差をもつように配置される。永久磁石１、複数の磁気センサ２，３、及び２部材は、可能な限り永久磁石１の中心線、複数の磁気センサ２，３が配置された同一円周の中心、及び２部材の相対回転の回転中心軸が直線Ｌ上にあるように配置される。勿論、これらを直線Ｌ上に配置することが理想的である。

なお、第１実施形態は、上述の９０°配置により、複数の磁気センサ２，３間で９０°の位相差をもった出力を得られるようになっている。複数の磁気センサ２，３と永久磁石１の相対的な同心回転の回転角度を複数の磁気センサ２，３間の出力差を利用した演算で求める信号処理回路（図示省略）を備えている。前記相対的な同心回転の中心線は、永久磁石１の中心線と、複数の磁気センサ２，３が配置される同一円周の中心とを含む直線Ｌになっている。前記の信号処理回路は、適宜に採用することができる。例えば、磁気センサ２の出力：Ｖｘ、磁気センサ３の出力：Ｖｙ、回転角度：θとしたとき、｜Ｖｘ｜≦｜Ｖｙ｜では、θ＝ａｒｃｔａｎ（Ｖｘ／Ｖｙ）、｜Ｖｘ｜≧｜Ｖｙ｜では、θ＝ａｒｃｃｏｔ（Ｖｘ／Ｖｙ）で求めることができる。特許文献１に開示されたベクトル回転方式でもよい。複数の磁気センサ２，３は、上述のような９０°配置に限定されず、検出に支障がない範囲で適宜に回転角度差を決めればよい。なお、温度補償のため、磁気センサ２と１８０°の位相差をもった磁気センサ、磁気センサ３と１８０°の位相差をもった磁気センサを追加することもできる。

一方の部材を成す軸４の一端に永久磁石１が固定された状態で、永久磁石１の磁石直径、軸方向長さ、周辺環境を次の条件１〜条件５に設定し、永久磁石１の一端面から軸方向に離れた空間の径方向の磁束密度を解析した。

条件１：図２に解析空間を示すように、永久磁石１に接する軸４及び永久磁石１及び磁気センサ（図示省略）の周囲を軸４と共に囲む他の部材４ａ，４ｂを強磁性とし、永久磁石１と軸４及び他の部材４ａ，４ｂ間を空気とし、図１の永久磁石１及び複数の磁気センサ２，３を軸４及び他の部材４ａ，４ｂで形成された磁気シールド内に配置した条件に相当する解析条件とした。他の部材４ａ、４ｂは、例えば、永久磁石１、複数の磁気センサ２，３を内包するハウジング、磁石ホルダ、磁石ホルダを軸４の本体一端面に締結する螺子部材等である。永久磁石１を軸方向長さ３ｍｍのフェライト磁石とし、その磁石直径１０ｍｍ，６ｍｍ，４ｍｍとした各解析モデルで、永久磁石１の中心線を含む任意の平面上における径方向の磁束分布を解析した。図２中に磁束分布の一例を示す。図２中の横軸Ｘ（ｍｍ）は径方向の位置に設定し、横軸Ｘの０点は永久磁石１の中心線上にある。図２中の縦軸Ｙ（ｍｍ）は軸方向の位置に設定し、縦軸Ｙの０点は永久磁石１の他端面から軸方向に１ｍｍのレベルにある。前記任意の平面上での径方向の磁束密度分布は、永久磁石１の一端面からの軸方向ギャップ０．５ｍｍ，１．０ｍｍ，１．５ｍｍの各位置において軸方向に直交する直線上の分布を求めた。図３（ａ），（ｂ），（ｃ）に各径方向の磁束密度分布の計算結果を示す。図３において、横軸（ｍｍ）は図２の横軸に相当し、縦軸［Ｔ］は径方向の磁束密度（ｔｅｓｌａ）に設定した。

条件２：条件１から、軸４を非磁性、解析空間を非磁気シールド空間に変更し、磁石直径を２０ｍｍとしたモデルおよび永久磁石１の一端面からの軸方向ギャップ３．０ｍｍのモデルを加えた。図４（ａ），図４（ｂ），図４（ｃ），図４（ｄ）に各径方向の磁束密度分布を示す。図４（ａ）〜図４（ｄ）の縦軸、横軸は図３と同じである。

条件３：条件１から、永久磁石１の軸方向長さを５ｍｍに変更した。図５（ａ），（ｂ），（ｃ）に各径方向の磁束密度分布の計算結果を示す。図５の縦軸、横軸は図３と同じである。

条件４：条件１から、永久磁石１をアルニコ磁石に変更した。図６（ａ），（ｂ），（ｃ）に各径方向の磁束密度分布の計算結果を示す。図６の縦軸、横軸は図３と同じである。

条件５：条件１から、求める径方向の磁束密度分布を、永久磁石１の一端面の中心線上からギャップ０．５ｍｍ，１．０ｍｍ，１．５ｍｍをそれぞれ通り、軸方向に対して１／２０の勾配をもった直線上に変更した。図７（ａ），（ｂ），（ｃ）に各径方向の磁束密度分布の計算結果を示す。図７の縦軸、横軸は図３と同じである。永久磁石１を傾けた側である図７中のグラフ左側は解析位置が磁石に近い側であり、右側が遠い側である。条件５は、条件１から永久磁石１の全体が軸方向に対して同勾配で傾いた状態を解析したことに相当する。

図３（ａ），（ｂ），（ｃ）〜図７（ａ），（ｂ），（ｃ）の各磁束密度分布において、分布曲線の傾きが穏やかで図１の磁気センサ２，３の配置に適した径方向の位置範囲を磁石直径に対する比で特定した一覧を表１に示す。

表１中の各セルの条件下では、当該セル内の％値をＮとしたとき、複数の磁気センサ２，３が永久磁石１の一端面のうち磁石直径のＮ％以下の中心部分Ａから軸方向に当該セルのギャップだけ離れた位置が磁気センサ２，３の検出に好適である。

表１からすると、磁気センサ２，３の検出に好適な径方向範囲は、永久磁石１の素材、磁石直径、軸方向長さ、周辺環境の変化の影響を受ける。

例えば、磁気シールドのない条件２の場合は、磁気シールドのある条件１と比して、磁石中心付近の分布曲線の傾きが小さく、条件１と比して、芯ずれによる角度検出誤差を小さくするのにより好適である。ただし、条件２は磁気シールドされず外部の磁力の影響を受け易い条件なので、外部磁力が存在するところでは、条件２の各径方向範囲に対応した位置を採用するのに不向きである。

永久磁石１の軸方向長さが５ｍｍの条件３は、３ｍｍの条件１と磁石中央付近の曲線の傾きの傾向は類似しているが、径方向の磁束密度の絶対値は条件３の方が大きい。このため、永久磁石１の一端面から磁気センサ２，３までのギャップｇを離したい場合には、軸方向長さを大きくすることが有効である。

アルニコ磁石を使用した条件４の場合、フェライト磁石を使用した条件１と比較すると、磁石直径が大きいほうが中心部分付近の径方向の磁束密度の絶対値が大きくなる。このため、永久磁石１の一端面と磁気センサ２，３間のギャップｇを大きく取らなければならない場合には、アルニコ磁石を採用して磁石直径を大きくすることにより、ギャップｇを大きく設定することが可能となる。

また、条件１、条件３と条件４とを比較すると、磁石中心付近の磁束密度の絶対値は、条件１、条件３の磁石直径６ｍｍ、４ｍｍの方が大きい。このため、この条件１の磁石直径を採用すれば、アルニコ磁石に比して安価なフェライト磁石を用いて、永久磁石１の一端面と磁気センサ２，３間のギャップｇを大きく設定することができる。

また、条件１と条件５とを比較すると、永久磁石１に近い側（グラフ左側）は遠い側（グラフ右側）に比べて磁束密度の変化は大きくなっている。条件５では、グラフ左側の傾きが大きくなることから、磁気センサ２，３に好適な径方向範囲が条件１よりも狭くなっている。

図３〜７のいずれも永久磁石１の一端面中心から径方向に大きく離れると、磁束密度の曲線の傾きはなだらかになるが（例えば１０ｍｍ付近では傾きが小さい）、磁束密度の絶対値が中央付近よりも小さくなる。このため、磁気センサ２，３と永久磁石１のギャップｇを狭く設定しなければならず、磁気センサ２，３の位置が永久磁石１の中心線より遠くなることによりセンサの構成が大きくなってしまうなどのデメリットがある。したがって、磁気センサ２，３は、永久磁石１の一端面の中心部分Ａから軸方向に離れた位置に配置したほうがよい。

芯ずれのみを考慮して磁気センサ２，３の配置範囲を決定する場合、軸方向に直交する直線上の径方向の磁束密度分布を解析した条件１〜条件４の各径方向範囲に注目すればよい。条件１〜条件４の各径方向範囲からすると、永久磁石１の一端面のうち磁石直径の２０％以下の中心部分から軸方向に０．５ｍｍ〜３．０ｍｍ離れた位置は、条件１〜条件４の全てにおいて磁気センサ２，３の検出に好適な位置に該当する。

芯ずれだけでなく、永久磁石１の全体が軸方向に対して傾くことを考慮して磁気センサ２，３の配置範囲を決定する場合、さらに軸方向に対して前記勾配をもった直線上の径方向の磁束密度分布を解析した条件５の各径方向範囲にも注目すればよい。条件５の各径方向範囲からすると、永久磁石１の一端面のうち磁石直径の１０％以下の中心部分から軸方向に０．５ｍｍ〜３．０ｍｍ離れた位置は、条件１〜条件５の全てにおいて磁気センサ２，３の検出に好適な位置に該当する。

上述の解析結果を踏まえると、永久磁石１は、直径４ｍｍ〜２０ｍｍで軸方向長さ３ｍｍ〜５ｍｍのフェライト磁石又はアルニコ磁石からなる前提では、複数の磁気センサ２，３は、永久磁石１の一端面のうち磁石直径の１０％以下の中心部分Ａから軸方向に０．５ｍｍ〜３．０ｍｍ離れた位置で検出することが好ましいと考えられる。

具体的には、図１の直線Ｌ上にある軸４及び永久磁石１の中心線と、複数の磁気センサ２，３が配置された同一円周の中心との間に、芯ずれ量δが許容されている。磁石直径は、前記同一円周の最大径ｄと、芯ずれ量δとの和の１０倍以上である。このように配置すれば、芯ずれ量δが生じても、複数の磁気センサ２，３は、永久磁石１の一端面の中心部分Ａから軸方向に離れた位置に留まる。したがって、第１実施形態は、径方向に２極着磁された円柱型の永久磁石を回転角度検出センサに用い、磁気センサ２，３と永久磁石１の一端面間のギャップｇが狭くなるのを避けつつ、永久磁石１と磁気センサ２，３間の相対的な芯ずれ、および傾きが生じても角度検出誤差を防止することができる。

また、第１実施形態は、軸４を支持する軸受部として、芯ずれ量δの範囲内に永久磁石１を維持できる軸受部を使用すればよいので、例えば転がり軸受に予圧を与えて負のラジアルすきまにしたり、滑り軸受と軸４の嵌め合い等級を緩くしたりしても高い出力精度をもつ回転角度検出センサを構成することができる。

第２実施形態を図８に示す。以下、第１実施形態との相違点を中心に述べる。第２実施形態に係る複数の磁気センサ２，３は、永久磁石１の一端面のうち磁石直径の２０％以下の中心部分Ａから軸方向に０．５ｍｍ〜３．０ｍｍ離れた位置で径方向の磁束密度を検出するように配置されている。このように配置すれば、芯ずれ量δが生じても、複数の磁気センサ２，３は、永久磁石１の一端面の中心部分Ａから軸方向に離れた位置に留まる。したがって、第２実施形態は、芯ずれが生じても角度検出誤差を防止することができる。

第３実施形態を図９に示す。第３実施形態は、第２実施形態において、複数の磁気センサ２，３が一体にまとめられたセンサアレイ５を採用したものである。磁石直径は、センサアレイ５に固有の磁気センサ２，３の同一円周の最大径ｄ（図１（ｃ）を参照のこと）と、芯ずれ量δとの和の５倍以上であるように設定されている。

図１０に実施例１を示す。図示のように、実施例１は、軸４と、ハウジング６と、センサアレイが実装された回路基板８とを備える。ハウジング６は、軸４を軸受部７で支持する。永久磁石１は、軸４の一端に固定される。軸４の他端は、ハウジング６の外部に露出している。ハウジング６は、永久磁石１及び回路基板８を内包するように設けられている。また、ハウジング６は、軸受部７が設けられたハウジング本体１０と、軸４の一端と軸方向に対向する平坦部９ａをもったハウジング蓋９とを有する。

軸受部７は、軸４とハウジング本体１０間に複列に組み込まれた一対の転がり軸受からなる。なお、軸受部７は、特に種類を限定されず、図１１に例示するように単列の転がり軸受から構成したり、滑り軸受から構成したりすることもできる。

軸受部７を構成する転がり軸受は、正のラジアルすきまを有する。転がり軸受と、ハウジング本体１０及び軸４とのはめあいによる芯ずれ量は実質的に生じない。したがって、ハウジング本体１０と軸４間に設定された径方向すきまは、正のラジアルすきまで決まり、図１の芯ずれ量δも当該ラジアルすきまに基く。このため、軸受部７は図１の芯ずれ量δ内に芯ずれを維持できる剛性のものが採用されている。永久磁石１の磁石直径は、同一円周の最大径ｄと、径方向すきまに相当するラジアルすきまとの和の１０倍以上である。

ハウジング蓋９は、転がり軸受の外輪を支持する軸受座を形成されたハウジング本体１０の一端側に取り付けられる。回路基板８は、ハウジング蓋９の平坦部９ａに固定されている。

ハウジング蓋９を利用して軸受部７に予圧を与えることもできる。この場合、図示された正規のユニット組立状態において、軸４の軸心は、永久磁石１の中心線等を含む直線Ｌ上にあると考えてよく、軸４に過大な負荷が与えられたときに芯ずれ量δや軸４の傾きが僅かに生じるだけなので、永久磁石１の磁石直径は、同一円周の最大径ｄと、予想される芯ずれ量δとの和の５倍以上であればよいと考えられる。

具体的には、ハウジング蓋９をハウジング本体１０にねじ締結すると、そのねじ締結力により軸受部７の転がり軸受がハウジング本体１０の肩部とハウジング蓋９間に挟まれ、所定の予圧が与えられるようになっている。転がり軸受に予圧を与えられるので、軸受剛性を高め、軸４の芯ずれを防止することができる。図示のように、転がり軸受をハウジング蓋９で直接に押して予圧を与える場合、平坦部９ａの周囲に外輪１１との接触部９ｂが設けられる。なお、予圧は、転がり軸受をハウジング蓋９で直接に軸方向に押す態様に限定されず、転がり軸受とハウジング蓋間にスペーサを介して押すこともできる。単純な平板状のハウジング蓋にしたい場合は、スペーサを採用すればよい。

ハウジング６を他の部材へ容易に取り付けるため、ハウジング本体１０に外フランジ１０ａを設けることが好ましい。外フランジ１０ａにねじ締結用の貫通孔が設けられる。

ハウジング本体１０の他端側の内周と軸４との間をシール１２で密封することが好ましい。磁性粉のハウジング６内への侵入をシール１２で防止することができる。同じ目的から、スリンガ１３をシール１２の外側に設けることがより好ましい。又はハウジング蓋９とハウジング本体１０との間をＯリング１４により密封することも好ましい。

軸４は、永久磁石１を保持する磁石ホルダ１５を備える。内輪１６は、その嵌め合い面の一端部１６ａが軸４の一端よりも突き出るように設けられている。内輪１６の嵌め合い面の一端部１６ａが軸４の一端よりも突き出るため、その一端部１６ａに磁石ホルダ１５の外周部１５ａを嵌合することができる。この嵌合により、磁石ホルダ１５に保持された永久磁石１を半径方向に位置決め可能である。したがって、永久磁石１を簡単に半径方向に位置決めすることができる。

磁石ホルダ１５は、永久磁石１の外径面を嵌め込む筒部１５ｂと、筒部１５ｂに嵌め込まれた永久磁石１の一端面に掛かる抜止め部１５ｃとで永久磁石１を保持する。永久磁石１の外径面を筒部１５ｂに嵌め込むと、永久磁石１を磁石ホルダ１５の外周部１５ａに対して半径方向に位置決めすることができる。軸４は、軸受部７の支持によりハウジング６に対して軸方向に位置決めされている。磁石ホルダ１５を軸４の一端に固定した状態では、軸４の一端に支持された永久磁石１が他端側へ変位することはない。したがって、永久磁石１の一端面に掛かる抜止め部１５ｃにより、永久磁石１とハウジング蓋９に固定された磁気センサ２，３間のギャップｇを維持することができる。

例えば、永久磁石１が直径４ｍｍ〜２０ｍｍで軸方向長さが３ｍｍ〜５ｍｍのフェライト磁石からなる場合、ギャップｇは０．５ｍｍ〜３．０ｍｍの間で適宜に採用することができる。特に、ギャップｇを大きくしたい場合は、前記永久磁石が直径４ｍｍ〜６ｍｍで軸方向長さが３ｍｍ〜５ｍｍのフェライト磁石を採用するとよい。

抜止め部１５ｃは、永久磁石１の一端面のうち、永久磁石半径ｒの８０％を超えた半径方向領域部分に掛かる。このため、抜止め部１５ｃがギャップｇを設定する際に支障とならず、抜止め部１５ｃの軸方向長さと無関係にギャップｇを自由に狭く設定することができる。磁石ホルダ１５は、樹脂射出成形により簡単に製造することができる。磁石ホルダ１５の最終的な固定手段として、軸４の一端に対するねじ締結を採用することができる。

回路基板８は、センサアレイを含む集積回路１７を他端側の基板面に片面実装され、ケーブル１８を接続された状態でハウジング蓋９の平坦部９ａに固定される。回路基板８に接続されたケーブル１８は、ハウジング蓋９のケーブル口から外部に取り出される。回路基板８の他端側の基板面に片面実装すれば、回路基板８の一端側の基板面は、軸４の一端と軸方向に対向する平坦部９ａに対して直接に支持させられる。このため、回路基板８をねじ締結する際のスペーサを省略することができる。

ハウジング蓋９の平坦部９ａは、この周囲に設けられた外輪１１との接触部９ｂよりも一端側に凹む。平坦部９ａを一端側へ凹入させることにより、その平坦部９ａの凹内壁を型として、回路基板８の樹脂封止を容易に行うことができる。なお、平坦部９ａを軸４の一端から突き出た内輪１６の一端側の側面と接触しないように接触部９ｂよりも凹ませることにより、外輪１１と内輪１６の幅が同一でも、内輪１６とハウジング蓋９とが接触しないようになっている。

回路基板８は、複数の磁気センサ２，３と永久磁石１の一端面間に達しないようにするため、集積回路１７の他端よりも一端側で樹脂封止されている。複数の磁気センサ２，３は、軸方向位置に関して実質的に集積回路１７の他端にあると考えてよい。この樹脂封止後、ハウジング蓋９はハウジング本体１０に取り付けられる。樹脂封止層１９は、集積回路１７の他端よりも一端側に形成されるため、永久磁石１と複数の磁気センサ２，３間のギャップｇを設定する際の支障にならない。

なお、ハウジング蓋９のケーブル口も樹脂封止層２０により閉塞されている。平坦部９ａにねじ締結された回路基板８でケーブル口が覆われているため、回路基板８やケーブル口の封止用樹脂の充填を行い易い。回路基板８用の樹脂充填とケーブル口用の樹脂充填とを分けることが可能なため、両樹脂封止層１９，２０を相異なる種類の樹脂で形成することができる。特に、回路基板８用の樹脂封止層１９は、ハウジング６内に位置するため、ケーブル口用の樹脂封止層２０よりも振動吸収性に優れたものを採用することが好ましい。ケーブル口用の樹脂封止層２０は、ハウジング６外に位置するため、回路基板８用の樹脂封止層１９よりも機械的強度、耐候性、防水性に優れたものを採用することが好ましい。

回路基板８の樹脂封止後、ハウジング本体１０に軸４、軸受部７等を組み込み、ハウジング蓋９をハウジング本体１０に取り付けることができる。この取付けにより、複数の磁気センサ２，３は、芯ずれのない状態で考えて永久磁石１の一端面の中心部分Ａから軸方向にギャップｇだけ離れた位置に固定される（図１（ｃ）も参照のこと）。これにより、複数の磁気センサ２，３は、芯ずれ量δが生じても永久磁石１の一端面の中心部分Ａから軸方向にギャップｇ離れた位置で径方向の磁束密度を検出するように配置される。

ハウジング蓋９、軸４、並びに軸受部７の外輪１１、内輪１６及び転動体２１のそれぞれは、適宜の強磁性材料で形成されている。ハウジング蓋９の取付けにより、一端側の転がり軸受の外輪１１と接触部９ｂとの接触が確保され、強磁性材料製の転がり軸受、ハウジング蓋９及び軸４により磁気シールドが形成される。予圧を採用すれば、接触部９ｂと外輪１１との接触をより確実にすることができる。磁気シールドは、ハウジング６の外部から磁気センサ２，３へ一直線に向かう磁力線の全てがハウジング蓋９、軸４、内外輪１６，１１のいずれかと交わるように設けられた強磁性シールドからなる。複数の磁気センサ２，３は、その磁気シールドの有効な磁気シールド空間内に配置される。外部磁界の磁力線は、複数の磁気センサ２，３へ真直ぐに達することはできず、ハウジング蓋９、外輪１１、転動体２１、内輪１６及び軸４が一連に形成する迂回路へ導かれる。このため、外部磁界による磁束密度の検出誤差を防止することができる。

前記強磁性材料は、特に限定されない。例えば、軸受鋼を採用することにより、従来から標準的な軸受鋼製の内外輪及び転動体を有する転がり軸受、一般構造用の軸及びハウジング蓋を用いて磁気シールド空間を形成することができる。なお、ハウジング本体１０は、軽量化のため、アルミニウム合金や樹脂等の非強磁性材料で形成されている。

実施例２を図１２に示す。実施例２も、軸３１をハウジング本体３２の内周に設けられた軸受部３３で回転自在に支持したセンサユニットとして構成されている。軸受部３３は、滑り軸受からなる。軸受部３３は、ハウジング本体３２の内周に形成されている例を示したが別体の滑り軸受を組み込んでもよい。軸３１と軸受部３３には径方向すきまがある。この径方向すきまに基いて芯ずれ量が定まる。永久磁石１は、軸３１の一端を成す磁石ホルダ３４に固定されている。ハウジング蓋３５の固定により集積回路１７が所定の位置に配置される点は実施例１と同じである。

この発明の技術的範囲は、上述の実施形態に限定されず、特許請求の範囲の記載に基く技術的思想の範囲内での全ての変更を含むものである。

１ 永久磁石
２，３ 磁気センサ
４、３１ 軸
５ センサアレイ
６ ハウジング
７、３３ 軸受部
８ 回路基板
９、３５ ハウジング蓋
９ａ 平坦部
９ｂ 接触部
１０、３２ ハウジング本体
１１ 外輪
１６ 内輪
１６ａ 嵌め合い面の一端部
１７ 集積回路
１９，２０ 樹脂封止層
２１ 転動体
Ａ 中心部分
ｄ 同一円周の最大径
ｇ ギャップ
δ 芯ずれ量

Claims (11)

1. 円柱型の永久磁石と、前記永久磁石の一端面から軸方向に離れた位置で同一円周上に配置される複数の磁気センサとを備え、前記永久磁石は、円柱型であって全体が均質な材料で形成され、かつ径方向に２極着磁された磁石からなる回転角度検出センサにおいて、
   前記永久磁石は、直径４ｍｍ〜２０ｍｍで軸方向長さ３ｍｍ〜５ｍｍのフェライト磁石又はアルニコ磁石からなり、
   前記複数の磁気センサは、前記永久磁石の一端面のうち当該磁石直径の２０％以下の中心部分から軸方向に０．５ｍｍ〜３．０ｍｍ離れた位置で径方向の磁束密度を検出するように配置されることを特徴とする回転角度検出センサ。
2. 前記複数の磁気センサは、前記永久磁石の一端面のうち当該磁石直径の１０％以下の中心部分から軸方向に０．５ｍｍ〜３．０ｍｍ離れた位置で径方向の磁束密度を検出するように配置されることを特徴とする請求項１に記載の回転角度検出センサ。
3. 前記磁石直径は、前記同一円周の最大径と、当該同一円周の中心及び当該永久磁石の中心線間に許容された芯ずれ量との和の５倍以上であることを特徴とする請求項１に記載の回転角度検出センサ。
4. 前記永久磁石が固定される軸と、当該軸を軸受部で支持すると共に前記複数の磁気センサが固定されるハウジングとを備え、前記芯ずれ量は、前記軸と前記ハウジング間に設定された径方向すきまに基いて定まる請求項３に記載の回転角度検出センサ。
5. 前記永久磁石は前記軸の一端に固定され、前記磁石直径は、前記同一円周の最大径と前記径方向すきまの和の１０倍以上であることを特徴とする請求項４に記載の回転角度検出センサ。
6. 前記複数の磁気センサが一体にまとめられたセンサアレイを備えることを特徴とする請求項３又は５に記載の回転角度検出センサ。
7. 軸と、当該軸を軸受部で支持するハウジングと、前記複数の磁気センサを実装された回路基板とを備え、前記永久磁石は軸の一端に固定され、前記軸の他端は前記ハウジングの外部に露出し、前記ハウジングは、前記永久磁石及び前記複数の磁気センサを内包し、かつ前記軸の一端と軸方向に対向する平坦部をもったハウジング蓋を有し、前記回路基板は、前記ハウジング蓋の平坦部に固定されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の回転角度検出センサ。
8. 前記軸受部は、前記軸と前記ハウジング間に組み込まれた転がり軸受からなり、前記ハウジング蓋で前記軸受部の外輪を押して予圧が与えられることを特徴とする請求項７に記載の回転角度検出センサ。
9. 前記ハウジング蓋、前記軸、並びに前記軸受部の内外輪及び転動体は強磁性材料で形成され、前記ハウジング蓋の前記平坦部の周囲に前記外輪との接触部が設けられ、前記複数の磁気センサは、前記ハウジング蓋、前記軸及び前記軸受部により形成された磁気シールド空間内に配置されることを特徴とする請求項７又は８に記載の回転角度検出センサ。
10. 前記平坦部は、この周囲よりも一端側に凹み、前記回路基板は、前記複数の磁気センサと前記永久磁石の一端面間に達しないように樹脂封止されていることを特徴とする請求項７から９のいずれか１項に記載の回転角度検出センサ。
11. 軸と、当該軸を軸受部で支持するハウジングとを備え、前記永久磁石は軸の一端に固定され、前記ハウジングは前記永久磁石及び前記複数の磁気センサを内包し、前記複数の磁気センサは、強磁性材料製の前記軸及び他の部材で形成された磁気シールド空間内に位置し、前記永久磁石は、直径４ｍｍ〜２０ｍｍで軸方向長さが３ｍｍ〜５ｍｍのフェライト磁石からなることを特徴とする請求項１から１０のいずれか１項に記載の回転角度検出センサ。

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