JP6208562B2

JP6208562B2 - 磁石、測定方法及び着磁装置

Info

Publication number: JP6208562B2
Application number: JP2013244364A
Authority: JP
Inventors: 和仁吉田; 寛士黒坂; 佐藤　康弘; 康弘佐藤; 敏行千葉
Original assignee: 株式会社エムジー
Priority date: 2013-11-08
Filing date: 2013-11-08
Publication date: 2017-10-04
Anticipated expiration: 2033-11-08
Also published as: JP2015095642A

Description

本発明は回転軸の回転角を検出する回転角センサ、並びに磁石とセンサ間の距離を検出する位置センサに利用可能な磁石、測定方法及び着磁装置に関する。

従来、回転軸の回転角・回転速度を検出する回転角センサは回転軸端に取り付けた磁石へ回転軸に対し直角方向に２極以上、あるいは、回転軸方向に対し互いに１８０度、方向の異なる２方向以上の着磁（所謂面着磁）を施し、磁石の周囲に配置した磁気センサにより、回転軸の回転に伴う磁束密度変化を捉えることにより回転角や回転速度を求めていた。このような回転角速度センサが特許文献１に記載されている。

また、磁石とセンサ間の距離を検出する場合は、特許文献４に記載されているような構成で、磁石又はセンサの移動に伴う空隙距離変動で変化する磁束密度をセンサで捉えて、磁束密度変動で変化するセンサ出力を観測することで空隙距離を求めていた。

特開２０１１−５８８７０号公報特開２０１０−２７６５７４号公報特開２００９−２７３７号公報特開２００４−２７１４９５号公報

通常、センサの検出する磁束量は磁石の着磁面とセンサの感磁面間距離の２乗に反比例する。すなわち、回転角センサのあるいは位置センサとして、磁石とセンサを配置する際、その組立て誤差や部品寸法精度のバラつきによって発生する空隙距離の変動に対し、センサの検出する磁束変動量は大きくなる。従来より使用されてきたホール素子やサーチコイルといったセンサであれば、磁束の最小量がセンサを動作させるのに十分な量であれば良かったので、最大空隙量を管理すれば良かったが、近年使われ始めた磁束方向検出型センサは飽和特性を持っている場合が多いため、高磁束密度側にも動作不能領域がある。そのため、このようなセンサを使用する場合は空隙量の最大値と最小値を同時に管理する必要がある。

本発明は、上記問題に鑑み成されたものであり、空隙変化に対する磁束量、あるいは磁束密度変化の小さい磁石を提供することにより、空隙量管理の負担を軽減することを目的とする。

上記課題を解決するために図２に示すような構造の着磁ヨークを使用し、磁石を着磁する。
このヨークは、着磁面の中心に着磁される磁石の着磁領域の幅より十分に狭い領域で、２極に着磁するための着磁面である中央部着磁領域を着磁するヨークのポールピースｅと、ｅより広い領域で隣り合うｅ領域とは逆の極性を着磁する外側着磁領域を着磁するヨークのポールピースｆとで構成される。

このヨーク構造により、磁石着磁面は中央部の狭い領域にＮ−Ｓ１対の極と、その外側の広い領域に中央部とは逆の極性を持つＳ−Ｎ１対の極の計４極が着磁される。すると、図１のように、磁石着磁面上には磁石に近い領域では中央部着磁領域により発生する磁力線ｃ方向の磁束、磁石から遠い領域ではｃ方向とは逆の外側着磁領域により発生する磁力線ｄ方向の磁束が発生する。
つまり、磁気センサを用い磁石との空隙距離を変化させながら、磁束や磁束密度を観測すると、図３のようにある点で磁束の方向が反転する磁束・磁束密度分布が観測される。と同時に、磁束・磁束密度量は図４実線のように、磁束反転域より少し離れて、その変化量が少ない領域が観測される。

磁束の反転する空隙距離調整の手段の１つはヨーク中央部の狭領域の幅を調整することであるが、この領域を広げすぎると、着磁された磁石で隣り合う極間でのみ磁束が発生し、中央の極対を飛び越える磁束が生じないので、注意が必要である。

別の磁束反転の空隙距離調整手段としては、着磁ヨーク中央部コイル線の着磁面からの深さを変えることで着磁ヨーク中央部の発生磁界を制御できるので、これを利用する。
また、外側着磁領域ｂを大きく取る、コイル巻線数を調整する、中央部着磁領域ａでの発生磁界を制御する電流量と、外側着磁領域ｂの発生磁界を制御する電流量とを個別に制御する手段もある。

したがって、本発明の磁石は着磁面に複数の着磁領域を有する磁石であって、前記着磁領域は、前記着磁面の中央部における前記磁石の厚さ方向の極性が互いに逆となる２極の中央部着磁領域と、前記中央部着磁領域の外側に配し、前記中央部着磁領域より面積が広く、かつ前記磁石の厚さ方向の極性が隣接する極と逆になるように前記着磁領域が分割された外側着磁領域を備え、前記中央部着磁領域の面積は前記着磁面の面積の５０％を超えないよう構成することを特徴とする。

また、本発明の測定方法は、前記磁石が、前記着磁面に対し平行方向に感度を有する磁気センサを前記着磁面と対向させて離間配置し、前記磁石を回転させて前記磁気センサの出力の変動を検出することにより、前記着磁面と前記磁気センサの間の回転角、空隙距離を測定することを特徴とする。

また、本発明の着磁装置は、磁石の着磁面を複数の領域に着磁するヨークと、前記ヨークを励磁する複数のコイルを備える着磁装置であって、着磁する前記複数の領域の中央部における前記磁石の厚さ方向の極性が互いに逆となる２極の中央部着磁領域と、前記中央部着磁領域の外側に配し、前記中央部着磁領域より面積が広く、かつ前記磁石の厚さ方向の極性が隣接する極と逆になるように前記複数の領域を分割した外側着磁領域を備え、前記中央部着磁領域の面積は前記着磁面の面積の５０％を超えないよう構成することを特徴とする。

また、本発明の着磁装置では、前記ヨークは、着磁する前記複数の領域に対応するポールピースを備え、各々の前記ポールピースの幅を変えることによって、前記磁石の着磁する前記複数の領域の面積を変えることを特徴とする。

ヨークのポールピースの幅を変えることにより、着磁される磁石の着磁面−センサ間空隙距離−磁束密度特性を制御することができる。

また、ヨークの着磁面とコイルの位置関係を変えることにより、着磁される磁石の着磁面−センサ間空隙距離−磁束密度特性を制御する着磁を行うことができる。

また、着磁装置におけるコイル巻線数、あるいはコイル電流の制御により、着磁される磁石の着磁面−センサ間空隙距離−磁束密度特性を制御する着磁を行うことができる。

本発明により、磁石着磁面と磁気センサ間の空隙距離を縮めても、センサの検出する磁束密度に上限値を設定可能で有り、空隙距離管理の負荷を軽減することが可能となる。

本発明に係わるセンサと磁石、及びその磁力線の位置関係図である。本発明に係わる着磁ヨークの基本構造図である。本発明に係わる磁石着磁面上の磁束ベクトル分布図である。本発明に係わる磁石・センサ間空隙距離−磁束密度特性図である。本発明に係わる磁石回転に伴う磁束密度変化図である。本発明に係わる着磁ヨーク実施例図である。本発明に係わる磁石の磁極分布図である。従来技術の着磁ヨーク構造図である。

着磁ヨーク構造として、図６に示すように中央部に１．８ｍｍ間隔で３箇所にコイル溝を配し、２極の着磁に対応させたポールピースとする。各々のポールピースには、径１ｍｍのコイル線が２巻分巻かれた状態にし、このコイル溝の中心溝から左右に１０ｍｍ離れた位置にもコイル溝を設ける。

中心部のコイル溝群端部の溝とその外側に設けたコイル溝とで構成するポールピースには１巻相当のコイル線を巻き、コイルに電流を流した際に発生する磁気極性は隣り合うポールピースに発生する磁気極性とは逆の極性となるように巻線する。

この着磁ヨークの中央部に直径１２ｍｍ厚さ５ｍｍの厚さ方向に配向させた最大エネルギー積１６ｋＪ／ｍ^３のフェライトプラスチック磁石を密着させ、最大電流１０ｋＡの瞬間電流を流して着磁すると、磁石は図７のような極性分布を持つ磁石となる。

こうして着磁された磁石の着磁面上にその面に対し平行方向に感度を持つホール素子等の磁気センサを置き、磁石を回転させるとセンサからの出力は正弦波に近似するが、その出力最大値を磁石着磁面と磁気センサ間の空隙距離毎にプロットすると、出力特性曲線は図４実線のように空隙距離の変動に対してセンサ出力変動の小さい領域が認められる形となる。

参考までに通常製作される図８のような標準的着磁ヨークを用いて、上記記述と同形状、同素材、同特性の磁石を同じ最大電流１０ｋＡで着磁した場合のセンサ−磁石間空隙距離出力特性は図４破線のようになり、本発明の実施例と比べると、空隙距離変動に対するセンサ出力変動の安定する領域は認められない。

出力安定域の空隙距離、出力絶対値はコイル間隔の調整や磁石素材の選択により調整可能であり、使用する磁気センサの特性に合わせることが可能である。

ａ中央部着磁領域
ｂ外側着磁領域
ｃ中央部着磁領域により発生する磁力線
ｄ外側着磁領域により発生する磁力線
ｅ中央部着磁領域を着磁するヨークのポールピース
ｆ外側着磁領域を着磁するヨークのポールピース
ＮＮ極を示す
ＳＳ極を示す

Claims

着磁面に複数の着磁領域を有する磁石であって、前記着磁領域は、前記着磁面の中央部における前記磁石の厚さ方向の極性が互いに逆となる２極の中央部着磁領域と、前記中央部着磁領域の外側に配し、前記中央部着磁領域より面積が広く、かつ前記磁石の厚さ方向の極性が隣接する極と逆になるように前記着磁領域が分割された外側着磁領域を備え、前記中央部着磁領域の面積は前記着磁面の面積の５０％を超えないよう構成することを特徴とする磁石。
請求項１に記載の前記磁石の前記着磁面に対し、平行方向に感度を有する磁気センサを前記着磁面と対向させて離間配置し、前記磁石を回転させて前記磁気センサの出力の変動を検出することにより、前記着磁面と前記磁気センサの間の回転角、空隙距離を測定することを特徴とする測定方法。
磁石の着磁面を複数の領域に着磁するヨークと、前記ヨークを励磁する複数のコイルを備える着磁装置であって、着磁する前記複数の領域の中央部における前記磁石の厚さ方向の極性が互いに逆となる２極の中央部着磁領域と、前記中央部着磁領域の外側に配し、前記中央部着磁領域より面積が広く、かつ前記磁石の厚さ方向の極性が隣接する極と逆になるように前記複数の領域を分割した外側着磁領域を備え、前記中央部着磁領域の面積は前記着磁面の面積の５０％を超えないよう構成することを特徴とする着磁装置。
前記ヨークは、着磁する前記複数の領域に対応するポールピースを備え、各々の前記ポールピースの幅を変えることによって、前記磁石の着磁する前記複数の領域の面積を変えることを特徴とする、請求項３に記載の着磁装置。