JP6476700B2 - 永久磁石、位置センサ、永久磁石の製造方法及び着磁装置 - Google Patents

Description

本発明は、物体の位置を磁気的に検出する位置センサに用いられる永久磁石、位置センサ、永久磁石の製造方法及び着磁装置に関する。

物体の位置を磁気的に検出する位置センサとして、二極の永久磁石を用いたものがある。永久磁石が有する二つの磁極の間では、位置によって磁束密度が異なる。このため、磁束密度に基づいて永久磁石に対する相対位置を検出することが可能である。特許文献１には、永久磁石の表面から所定高さ離れた位置を当該表面に平行に移動するホール素子等の磁気検出素子を用いて磁気検出素子と永久磁石との相対位置を検出する位置センサが記載されている。

位置センサで高精度に位置検出を行うためには、位置変化に応じて磁束密度の大きさが直線的に変化することが望ましい。永久磁石の表面から所定高さ離れた位置における当該表面に平行な直線上では、永久磁石の表面に交差する方向の磁束密度の大きさが磁極の境界近傍で直線的に変化する。通常、磁束密度の大きさが直線的に変化する範囲で位置検出が行われる。特許文献１には、永久磁石から離間して磁束密度の大きさが最大となる位置よりも外側に補助磁石を配置することにより、磁束密度の大きさが直線的に変化する範囲を広げる技術が開示されている。磁束密度の大きさが直線的に変化する範囲が広がることにより、位置センサで位置検出が可能な範囲が広がることとなる。

特開２００７−２２５５７５号公報

小型の機器で位置センサを使用するため、又は小スペースで位置センサを使用するために、位置センサの小型化のニーズがある。特許文献１に開示された位置センサは、位置検出が可能な範囲が拡大しているものの、永久磁石の他に補助磁石を配置することによって位置センサの大きさも拡大している。このため、位置検出が可能な範囲を広く保ちながら位置センサを小型化することはできない。

本発明は、斯かる事情に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、位置検出が可能な範囲を広く保ちながらも位置センサの大きさを小さくできる永久磁石、位置センサ、永久磁石の製造方法及び着磁装置を提供することにある。

本発明に係る永久磁石は、二極着磁された磁極面を有する永久磁石において、前記磁極面は非平面状であり、前記磁極面に、前記磁極面上の磁極の境界の位置で最も深く前記境界から離れるほど浅い窪みが、前記境界から両磁極側にわたって形成されており、前記磁極面上の磁束密度の大きさが最大になる磁束密度最大部が、夫々の磁極側に、同一の仮想平面に含まれる直線状に分布しており、前記窪みは、各磁極側の前記磁束密度最大部の間に形成されており、前記磁極面は、前記磁束密度最大部よりも前記境界から遠い側に、前記仮想平面との間の間隙が前記境界から遠いほど広がるように前記仮想平面に対して傾斜した傾斜部を含んでいることを特徴とする。

本発明に係る永久磁石は、前記磁極面上の磁極の境界は、直線状であり、前記窪みは、前記磁極面上の直線状の前記境界に直交する平面内で、一定の曲率半径を保つように形成されていることを特徴とする。

本発明に係る永久磁石は、前記傾斜部が前記仮想平面に対して傾斜した傾きは３０°以上５０°以下であることを特徴とする。

本発明に係る永久磁石は、前記仮想平面からの前記窪みの最大の深さは、０．３ｍｍ以上０．５ｍｍ以下であることを特徴とする。

本発明に係る永久磁石は、両磁極側の直線状の前記磁束密度最大部に交差する方向の長さは、両磁極側の前記磁束密度最大部の間の長さの二倍以下であることを特徴とする。

本発明に係る位置センサは、本発明に係る永久磁石と、該永久磁石の磁極面に対向して配置されてあり、非接触で相対的に移動することが可能な磁気検出素子と、該磁気検出素子による磁気検出の結果に基づいて、前記永久磁石に対する前記磁気検出素子の相対位置を検出する手段とを備えることを特徴とする。

本発明に係る永久磁石の製造方法は、本発明に係る永久磁石を製造する方法であって、等方性の磁性体を前記永久磁石の形状に形成した磁石素体を作成し、断面が三角形の第１電線を、三角形の一辺が前記磁石素体の表面の窪みに対向するようにして配置し、断面が三角形の第２電線を、前記表面の前記窪みから離れた部分に三角形の一辺が対向するようにして、前記第１電線の両脇に並行して配置し、前記第１電線及び前記第２電線に互いに逆方向の電流を流すことを特徴とする。

本発明に係る着磁装置は、本発明に係る永久磁石を製造するために磁石素体に着磁する装置であって、断面が三角形になっており、三角形の一辺を同一方向に向けた状態で並列に配置された三本の電線と、該三本の電線に電流を供給する手段とを備え、前記三本の電線は、中央に配置された電線と他の二本の電線とで逆方向の電流が流れるように結線されていることを特徴とする。

本発明においては、位置センサに用いられる永久磁石は、二極着磁された非平面状の磁極面に、磁極の境界の位置で最も深く境界から離れるほど浅くなる窪みが、両磁極側に亘って形成されている。磁極面に対向した位置と磁極面との間のギャップによって、磁極面に対向した位置での磁束密度の大きさが磁極の境界に直交する方向の位置の変化に応じてほぼ直線的に変化する範囲が広がる。磁束密度の大きさが直線的に変化する範囲は、位置センサで位置検出が可能な範囲である。

本発明においては、永久磁石の磁極面の夫々の磁極側には、磁束密度の大きさが最大になる磁束密度最大部が、同一の仮想平面に含まれる直線状に分布している。また、窪みは、各磁極側の磁束密度最大部の間に形成されている。これにより、磁極面に対向した位置での磁束密度の大きさは、両磁極側の磁束密度最大部の間を結ぶ直線に平行な位置の変化に応じてほぼ直線的に変化する。

本発明においては、磁極面の窪みの形状は、磁極面上で直線状になっている磁極の境界に直交する平面内で、一定の曲率半径を有する。これにより、磁極面に対向した位置で、両磁極側の磁束密度最大部の間を結ぶ直線に平行に移動した場合の磁束密度の大きさの変化の直線性が向上する。

本発明においては、永久磁石の磁極面は、磁束密度最大部よりも磁極の境界から離れた部分では、両磁極側の磁束密度最大部を含む仮想平面との距離が広がるように傾斜した傾斜部になっている。これにより、磁束密度最大部の近傍で磁束密度が低下し、磁極面に対向した位置での磁束密度の大きさの変化の直線性が向上する。

本発明においては、傾斜部の傾きは、両磁極側の磁束密度最大部を含む仮想平面に対して３０°以上５０°以下である。これにより、磁極面に対向した位置での前記仮想平面に直交する方向の磁束密度の大きさの変化の直線性が適切になる。

本発明においては、磁極面の窪みの深さは、０．３ｍｍ以上０．５ｍｍ以下である。これにより、磁極面に対向した位置での磁束密度の大きさの変化の直線性が適切になる。

本発明においては、永久磁石の長さは、磁束密度最大部の間の距離の二倍以下である。磁極面に対向した位置での磁束密度の大きさが直線状に変化する範囲を長くしながらも、永久磁石全体の長さが短い。

本実施の形態においては、永久磁石は、補助磁石を必要とせずに位置センサでの位置検出が可能な範囲が広い。従って、位置検出が可能な範囲を広く保ちながらも位置センサを小型化することが可能となる等、本発明は優れた効果を奏する。

実施形態１に係る永久磁石の斜視図である。 実施形態１に係る永久磁石の正面図である。 永久磁石内の各部分での磁束の向きを示す模式的断面図である。 本発明に係る位置センサの構成を模式的に示すブロック図である。 磁束を傾けた磁石のモデルを示す斜視図である。 磁束が傾いた磁石のモデルにおける磁束密度をシミュレーションした結果を示す特性図である。 頂面部に窪みが形成された磁石のモデルを示す斜視図である。 窪みが設けられた磁石のモデルにおける磁束密度をシミュレーションした結果を示す特性図である。 窪みが設けられた磁石のモデルにおける磁束密度をシミュレーションした結果を示す特性図である。 頂面部に傾斜部が形成された磁石のモデルを示す斜視図である。 傾斜部が設けられた磁石のモデルにおける磁束密度をシミュレーションした結果を示す特性図である。 磁束密度の大きさの変化の直線性を示す特性図である。 磁石のモデルのサイズを変えた場合の磁束密度の変化の直線性を示す特性図である。 永久磁石を製造するための着磁装置の構成を示す模式図である。 着磁装置に磁性素体を装着した状態を示す模式的断面図である。 実施形態２に係る永久磁石の斜視図である。 実施形態２に係る永久磁石のモデルにおける磁束密度をシミュレーションした結果を示す特性図である。

以下本発明をその実施の形態を示す図面に基づき具体的に説明する。
（実施形態１）
図１は、実施形態１に係る永久磁石１の斜視図であり、図２は、実施形態１に係る永久磁石１の正面図である。永久磁石１は、ブロック状の形状をなす二極の磁石である。永久磁石１は、底面１６と、底面１６の反対側に存在する非平面状の頂面部１５とを有する。頂面部１５は二極着磁された非平面状の磁極面である。この磁極面は、Ｎ極及びＳ極を含み、磁束が交差している面である。磁極の境界１３は略平面状であり、頂面部１５上では境界１３は直線状になっている。底面１６及び四つの側面は平面であり、頂面部１５には凹凸が存在する。頂面部１５上で境界１３よりもＳ極側はＳ極部１１であり、境界１３よりもＮ極側はＮ極部１２である。頂面部１５上での直線状の境界１３に平行な方向をｚ軸方向とする。ｚ軸方向は底面１６に対して平行であり、底面１６に直交する方向をｙ軸方向とし、ｙ軸方向及びｚ軸方向に直交する方向をｘ軸方向とする。ｘ軸方向は境界１３に直交する。

Ｓ極部１１中には、底面１６からの高さが最大になるピーク部１１１が存在している。同様に、Ｎ極部１２中には、底面１６からの高さが最大になるピーク部１２１が存在している。ピーク部１１１及び１２１は、共に頂面部１５上での直線状の境界１３に平行な（ｚ軸方向の）直線状になっている。また、直線状のピーク部１１１及び１２１は、底面１６に平行な同一の仮想平面に含まれている。直線状のピーク部１１１及び１２１を含む仮想平面をｘｚ仮想平面１７とする。ｘｚ仮想平面１７は、略平面状の境界１３に直交する。また、頂面部１５上でのｘｚ仮想平面１７に直交する方向（ｙ軸方向）の磁束密度の大きさは、位置に応じて異なっている。本実施形態では、本発明における磁束密度最大部は、Ｓ極部１１及びＮ極部１２の夫々においてｙ軸方向の磁束密度の大きさが最大になっている部分である。磁束密度最大部は、Ｓ極部１１及びＮ極部１２の夫々において直線状に分布している。Ｓ極部１１中の磁束密度最大部の位置はピーク部１１１の位置に一致しており、Ｎ極部１２中の磁束密度最大部の位置はピーク部１２１の位置に一致している。即ち、直線状のピーク部１１１及び１２１は、夫々に、本発明における磁束密度最大部に相当する。永久磁石１の形状は、ｚ軸方向の並進対称性をほぼ有し、略平面状の境界１３に対する鏡面対称性をほぼ有している。

頂面部１５には、窪み１４が形成されている。窪み１４は、Ｓ極部１１及びＮ極部１２の両方にまたがって形成されており、境界１３の位置で最も深く、境界１３から離れるほど浅くなっている。窪み１４の形状は、頂面部１５上の直線状の境界１３に直交するｘｙ平面（ｘ軸及びｙ軸を含む平面）内で曲率半径が一定になるようになっている。窪み１４は、ピーク部１１１とピーク部１２１との間に形成されている。

Ｓ極部１１中でピーク部１１１よりも境界１３から遠い部分は、傾斜部１１２になっている。傾斜部１１２は、境界１３から遠いほどｘｚ仮想平面１７との間の間隙が広がるように傾斜しており、このため、傾斜部１１２の底面１６からの高さは、境界１３から遠いほど低くなっている。傾斜部１１２のｘｚ仮想平面１７に対する傾きはほぼ一定である。同様に、Ｎ極部１２中でピーク部１２１よりも境界１３から遠い部分は、傾斜部１２２になっている。傾斜部１２２は、境界１３から遠いほどｘｚ仮想平面１７との間の間隙が広がるように傾斜しており、このため、傾斜部１２２の底面１６からの高さは、境界１３から遠いほど低くなっている。傾斜部１１２のｘｚ仮想平面１７に対する傾きはほぼ一定である。

図２に示した永久磁石１のｘ軸方向の長さＢは、ピーク部１１１及び１２１の間のｘ軸方向の長さＡの二倍である。ｘ軸方向は直線状のピーク部１１１及び１２１に交差する方向であるので、直線状のピーク部１１１及び１２１に交差する方向の永久磁石１の長さは、この方向のピーク部１１１及び１２１の間の長さの二倍である。例えば、Ａ＝３ｍｍでありＢ＝６ｍｍである。また、ｘｚ仮想平面１７から窪み１４の底までの深さＤは、典型的には０．３ｍｍ以上０．５ｍｍ以下である。窪み１４の曲率半径Ｃは、Ｃ＝｛（Ａ／２）² ＋Ｄ² ｝／２Ｄで得られる値である。図２に示した傾斜部１１２及び１２２のｘｚ仮想平面１７に対する傾きθは、典型的には３０°以上５０°以下である。

図３は、永久磁石１内の各部分での磁束の向きを示す模式的断面図である。図３には、略平面状の境界１３に直交する断面を示している。また図中には、磁束の向きを矢印で模式的に示しており、ｙｚ仮想平面（ｙ軸及びｚ軸を含む仮想平面）を破線で示している。永久磁石１内の磁束は、両磁極間で非平行であり、ｘｚ仮想平面１７に対して直交していない。境界１３よりもＳ極側の部分では、各位置での磁束は、磁束の向かう先がピーク部１１１を通るｙｚ仮想平面から離れるように、ｙｚ仮想平面に対して傾いている。また、境界１３よりもＮ極側の部分では、各位置での磁束は、磁束の向かう先がピーク部１２１を通るｙｚ仮想平面へ近づくように、ｙｚ仮想平面に対して傾いている。Ｓ極部１１及びＮ極部１２における磁束の向きのｘｚ仮想平面１７に対する角度φは、典型的には０より大きく１５°以下である。なお、角度φは、全ての位置で同一である必要は無い。

図４は、本発明に係る位置センサの構成を模式的に示すブロック図である。永久磁石１の頂面部１５に対向した位置に磁気検出素子２が配置されている。例えば、磁気検出素子２はホール素子である。磁気検出素子２は、ピーク部１１１及び１２１に交差する線に沿った方向（典型的にはｘ軸方向）に相対的に移動することが可能になっている。例えば、相対的に移動することが可能な二つの物体の一方に永久磁石１が固定され、他方に磁気検出素子２が固定されている。磁気検出素子２には、磁気検出素子２の位置でピーク部１１１及び１２１を含むｘｚ仮想平面１７に直交する方向（ｙ軸方向）の磁束密度を測定する磁束密度測定部３が接続されている。磁束密度測定部３は、磁気検出素子２での磁気検出結果に基づいて磁束密度を測定する。例えば、磁束密度測定部３は、ホール素子である磁気検出素子２に電流を供給し、磁気検出素子２は、発生した電圧を示す電圧信号を出力し、磁束密度測定部３は、電圧信号が示す電圧に基づいてｙ軸方向の磁束密度を計算する。磁束密度測定部３には、磁束密度に基づいて永久磁石１に対する磁気検出素子２の相対位置を検出する位置検出処理部４が接続されている。例えば、位置検出処理部４は、ｙ軸方向の磁束密度の値と磁気検出素子２の相対位置とを対応付けたデータを予め記憶しており、磁束密度測定部３が測定した磁束密度の値を入力され、入力された磁束密度に対応付けられた相対位置を求める処理を行う。なお、位置センサは、磁気検出素子２が出力する信号から直接に相対位置を求める形態であってもよい。

位置センサで高精度に位置検出を行うためには、磁気検出素子２の位置変化に応じて磁束密度の大きさが直線的に変化することが望ましい。永久磁石１の形状は、磁束密度の大きさが直線的に変化する範囲を可及的に広げるようにシミュレーションにより決定した。シミュレーションでは、コンピュータにより、磁石のモデルを作成し、発生する磁束密度を有限要素法により計算した。

まず、頂面部１５上での磁束をｘｚ仮想平面１７に対して傾けるシミュレーションを行った。図５は、磁束を傾けた磁石のモデルを示す斜視図である。磁石のモデルは直方体であり、頂面は底面に平行である。頂面には、図１の永久磁石１のＳ極部１１及びＮ極部１２に対応するＳ極部５１及びＮ極部５２がある。頂面上で磁極の境界５３は直線状になっている。Ｓ極部５１の中央には、ｙ軸方向の磁束密度の大きさが最大となる直線状のピーク部５１１が存在し、Ｎ極部５２の中央には、ｙ方向の磁束密度の大きさが最大となる直線状のピーク部５２１が存在する。頂面上の境界５３、ピーク部５１１及び５２１は互いに平行である。ピーク部５１１及び５２１の間の距離Ａは３ｍｍとし、磁石のモデルのｘ軸方向の長さは９ｍｍとした。有限要素法により、図５中に矢印で示すように、モデル中にｘｚ仮想平面（ｘ軸及びｚ軸を含む仮想平面）に対して傾いた磁束を生成し、頂面から０．４ｍｍ離隔した位置でのｙ軸方向の磁束密度を計算した。

図６は、磁束が傾いた磁石のモデルにおける磁束密度をシミュレーションした結果を示す特性図である。横軸は、磁束密度を計算した地点のｘ軸方向の位置を示す。境界５３の直上の位置を０とし、Ｓ極側の位置をプラス、Ｎ極側の位置をマイナスとしている。図中には、ｘ軸方向の位置が±１．５ｍｍの範囲である結果を示す。縦軸は、頂面から０．４ｍｍ離隔した位置でのｙ軸方向の磁束密度を示し、単位はテスラ（Ｔ）である。ｙ軸のプラスの向きの磁束密度の大きさをプラスとし、ｙ軸のマイナスの向きの磁束密度の大きさをマイナスとしている。図６中には、モデル内の磁束のｘｚ仮想平面に対する傾きφが９０°の場合の計算結果を太い破線で示し、４５°の場合の計算結果を細い実線で示し、３０°の場合の計算結果を細い破線で示し、１５°の場合の計算結果を太い実線で示している。

磁束のｘｚ仮想平面に対する傾きφが９０°の場合は、従来例であり、磁束はｘｚ仮想平面に直交しており、モデル内の磁束は両極間で反平行になっている。図６に示すように、傾きφが９０°の場合は、ｘ軸方向の位置の変化に応じたｙ軸方向の磁束密度の大きさの変化の直線性が得られる範囲は、ｘ＝０近傍の非常に狭い範囲である。４５°、３０°、１５°と磁束のｘｚ仮想平面に対する傾きφを小さくするに従って、磁束密度の大きさの変化の直線性が得られる範囲が広がる。傾きφが１５°の場合は、ｙ軸方向の磁束密度の大きさは、ｘ軸方向の位置の変化に応じて、最大値から最小値まで直線状に近い変化をする。このように、永久磁石１で磁束がｘｚ仮想平面１７に直交する向きから傾いていることにより、磁束密度の大きさの変化の直線性が得られる範囲が広がる。

次に、頂面部１５に窪み１４を設けた場合のシミュレーションを行った。図７は、頂面部に窪みが形成された磁石のモデルを示す斜視図である。磁石のモデルは直方体状であり、頂面部には、Ｓ極部５１、Ｎ極部５２及び境界５３が含まれている。Ｓ極部５１及びＮ極部５２は、ｙ軸方向の磁束密度の大きさが最大となる直線状のピーク部５１１及び５２１を含んでいる。モデル内の磁束のｘｚ仮想平面に対する傾きは１５°である。また、頂面部には、ピーク部５１１及び５２１の間に窪み５６が形成されている。窪み５６はｘｙ平面内で曲率半径が一定になるようになっており、境界５３の位置で深さが最大になっている。磁石のモデルのその他のサイズは、図５に示したモデルと同様である。有限要素法により、ピーク部５１１及び５２１を含むｘｚ仮想平面から０．４ｍｍ離隔した位置でのｙ軸方向の磁束密度を計算した。

図８及び図９は、窪み５６が設けられた磁石のモデルにおける磁束密度をシミュレーションした結果を示す特性図である。横軸は、磁束密度を計算した地点のｘ軸方向の位置を示す。図８はｘ軸方向の位置が境界５３から±５ｍｍの範囲である結果を示し、図９はｘ軸方向の位置が±１．５ｍｍの範囲を拡大したものである。縦軸は、ピーク部５１１及び５２１を含むｘｚ仮想平面から０．４ｍｍ離隔した位置でのｙ軸方向の磁束密度を示す。図８及び図９中には、窪み５６が無い場合の計算結果を太い破線で示し、窪み５６の底までの深さＤが０．３ｍｍである場合の計算結果を太い実線で示し、深さＤが０．４ｍｍである場合の計算結果を細い破線で示し、深さＤが０．７ｍｍである場合の計算結果を細い実線で示し、深さＤが１．５ｍｍである場合の計算結果を一点鎖線で示している。

図８及び図９に示されたように、窪み５６が無い場合は、ｘ＝０前後の位置において、位置の変化に対して磁束密度の変化が大きすぎる。窪み５６を形成することによって、磁束密度の測定位置と磁石との間のギャップが広がり、磁束密度の大きさが低下し、位置の変化に対する磁束密度の変化も低下する。窪み５６の底までの深さＤが０．３ｍｍである場合は、位置の変化に対する磁束密度の変化が低下し、磁束密度の大きさの変化がより直線的になる。同様に、深さＤが０．４ｍｍである場合も、磁束密度の大きさの変化の直線性が得られる。深さＤが０．７ｍｍである場合、及び１．５ｍｍである場合は、磁束密度の大きさが低下し過ぎており、磁束密度の大きさの変化の直線性は悪化している。このように、位置の変化に対する磁束密度の大きさの変化の直線性を得るためには、永久磁石１の窪み１４のｘｚ仮想平面１７から底までの深さは、０．３ｍｍ以上０．５ｍｍ以下であることが望ましい。なお、永久磁石１の大きさを拡大したとしても、ｘｚ仮想平面１７から離隔した位置での磁束密度は飽和してあまり変わらないので、窪み１４の底までの深さは同様に０．３ｍｍ以上０．５ｍｍ以下であることが望ましい。

次に、頂面部１５に傾斜部１１２及び１２２を設けた場合のシミュレーションを行った。図１０は、頂面部に傾斜部が形成された磁石のモデルを示す斜視図である。Ｓ極部５１に傾斜部５１２を設け、Ｎ極部５２に傾斜部５２２を設けた。磁石のモデルは、図１に示す本実施形態の永久磁石１と同等の形状になっている。モデル内の磁束のｘｚ仮想平面に対する傾きは１５°である。窪み５６の底までの深さＤは０．３ｍｍである。モデルのｘ軸方向の長さＢは、ピーク部５１１及び５２１の間の長さＡの二倍である。具体的には、Ａ＝３ｍｍ、Ｂ＝６ｍｍとした。傾斜部５１２及び５２２のｘｚ仮想平面に対する傾きθは互いに同一とした。有限要素法により、ピーク部５１１及び５２１を含むｘｚ仮想平面から０．４ｍｍ離隔した位置でのｙ軸方向の磁束密度を計算した。

図１１は、傾斜部５１２及び５２２が設けられた磁石のモデルにおける磁束密度をシミュレーションした結果を示す特性図である。横軸は、磁束密度を計算した地点のｘ軸方向の位置を示し、縦軸は、ピーク部５１１及び５２１を含むｘｚ仮想平面から０．４ｍｍ離隔した位置でのｙ軸方向の磁束密度を示す。図中には、傾斜部５１２及び５２２がｘｚ仮想平面に対して傾斜していない場合の計算結果を太い破線で示し、傾斜部５１２及び５２２のｘｚ仮想平面に対する傾きθが１０°である場合の計算結果を細い実線で示し、傾きθが２０°である場合の計算結果を細い破線で示し、傾きθが３０°である場合の計算結果を太い一点鎖線で示し、傾きθが４０°である場合の計算結果を細い一点鎖線で示している。更に、傾きθを４０°とし、ピーク部５１１及び５２１の角を取って所定の曲率半径で丸みを付けた場合の計算結果を太い実線で示している。

傾斜が無い場合の計算結果が示すように、磁束密度の大きさの変化の直線性はほぼ保たれたものの、Ｘ＝１．５ｍｍ及びＸ＝−１．５ｍｍの近傍において、位置の変化に対して磁束密度の変化が大きくなる。これは、磁石のエッジの影響であると考えられる。傾斜部５１２及び５２２を形成することによって、ピーク部５１１及び５２１よりも境界５３から離れた位置で磁束密度の測定位置と磁石との間のギャップが広がり、位置の変化に対する磁束密度の変化も低下する。傾斜部５１２及び５２２のｘｚ仮想平面に対する傾きθが１０°である場合は、Ｘ＝１．５ｍｍ及びＸ＝−１．５ｍｍの近傍において磁束密度の変化が低下し、磁束密度の大きさの変化がより直線的になる。傾きθが、２０°、３０°、４０°となるに従って、磁束密度の大きさの変化はより直線的になる。但し、傾きθを大きくし過ぎた場合は、磁束密度の大きさが低下し過ぎて磁束密度の大きさの変化の直線性は悪化する。位置の変化に対する磁束密度の大きさの変化の直線性を得るためには、永久磁石１の傾斜部１１２及び１２２のｘｚ仮想平面１７に対する傾きθは、３０°以上５０°以下であることが望ましい。また図１１に示されたように、ピーク部５１１及び５２１に丸みを付けた場合にも、磁束密度の大きさの変化の直線性は向上する。このように、永久磁石１は、位置の変化に対して磁束密度の大きさが直線的に変化する範囲がｘ＝０前後の範囲から広がっており、その一方で永久磁石１のｘ軸方向の長さは拡大していない。なお、永久磁石１は、磁束密度の大きさの変化の直線性を保ちながら、ｘ軸方向の長さＢをピーク部５１１及び５２１の間の長さＡの二倍よりも若干短くすることも可能である。すなわち、直線状のピーク部１１１及び１２１に交差する方向の永久磁石１の長さは、この方向のピーク部１１１及び１２１の間の長さの二倍以下である。なお、より一般的に、直線状のピーク部１１１及び１２１に交差する方向の永久磁石１の長さは、この方向のピーク部１１１及び１２１の間の長さの二倍以下であってもよい。

図１２は、磁束密度の大きさの変化の直線性を示す特性図である。ピーク部５１１及び５２１の間の長さＡを３ｍｍ、ｘ軸方向の長さＢを６ｍｍ、窪み５６の底までの深さＤを０．３ｍｍ、窪み５６の曲率半径Ｃを３．９ｍｍ、磁束のｘｚ仮想平面に対する傾きφを１５°、磁石のモデルの傾斜部５１２及び５２２のｘｚ仮想平面に対する傾きθを４０°とし、ピーク部５１１及び５２１に丸みを付けて計算を行った。図中には、計算結果を実線で示しており、原点を通る直線に対して変動の最大値が±５％以内になる範囲を示す直線を破線で示している。図１２に示すシミュレーション結果によれば、永久磁石１は、ｘｚ仮想平面１７から所定距離離隔した位置でのｙ軸方向の磁束密度の大きさが、Ｘ＝−１．５〜１．５ｍｍの範囲でｘ軸方向の位置の変化に応じて直線的に変化する。磁束密度の大きさの変化の直線からのずれは、±５％以内の範囲に収まっており、十分な直線性が得られる。図１２に示す計算結果は、底面からピーク部５１１及び５２１までの高さを３ｍｍとした結果である。但し、高さを変更しても、磁束密度の計算結果にはほとんど影響は見られない。従って、永久磁石１では、ｘｚ仮想平面１７から所定距離離隔した位置におけるｙ軸方向の磁束密度の大きさの変化の直線性は、高さに関わらず保たれる。

図１３は、磁石のモデルのサイズを変えた場合の磁束密度の変化の直線性を示す特性図である。ピーク部５１１及び５２１の間の長さＡを１０ｍｍ、ｘ軸方向の長さＢを２０ｍｍ、窪み５６の底までの深さＤを０．３ｍｍ、窪み５６の曲率半径Ｃを４１．５ｍｍ、磁束のｘｚ仮想平面に対する傾きφを１５°、磁石のモデルの傾斜部５１２及び５２２のｘｚ仮想平面に対する傾きθを４０°とし、ピーク部５１１及び５２１に丸みを付けて計算を行った。図中には、計算結果を実線で示しており、原点を通る直線に対して変動の最大値が±５％以内になる範囲を示す直線を破線で示している。図１３に示すシミュレーション結果によれば、Ａ＝１０ｍｍとした永久磁石１は、ｘｚ仮想平面１７から所定距離離隔した位置でのｙ軸方向の磁束密度の大きさが、Ｘ＝±５ｍｍの範囲でｘ軸方向の位置の変化に応じて直線的に変化する。磁束密度の大きさの変化の直線からのずれは、±５％以内の範囲に収まっており、十分な直線性が得られる。本実施形態に係る永久磁石１は、ピーク部１１１及び１２１の間の長さＡを１ｍｍ以上１０ｍｍ以下の範囲とすることが望ましい。Ａが１０ｍｍより大きい場合は、サイズが大きくなりすぎる。Ａが１ｍｍより小さい場合は、磁束密度の大きさが直線的に変化する範囲の長さが１ｍｍ以下となり、実用性に乏しい。

図１４は、永久磁石１を製造するための着磁装置の構成を示す模式図である。着磁装置は、断面が三角形の第１電線６１と、断面が三角形の二本の第２電線６２とを備えている。また、着磁装置は、並行した三本の三角溝を天面に形成してあるヨーク６３を備えている。第１電線６１及び第２電線６２は、ヨーク６３に形成された三角溝に収められている。即ち、第１電線６１及び第２電線６２は、断面の三角形の一辺を天側に向けて並列に配置されている。二本の第２電線６２は、第１電線６１の両脇に配置されている。また、着磁装置は、電線に電流を供給する電流供給部６４を備えている。第１電線６１及び第２電線６２は、互いに逆方向の電流が流れるように、互いに結線されている。第２電線６２は、電流供給部６４に接続されている。電流供給部６４は、直流の電流を供給し、第１電線６１及び第２電線６２には図中に矢印で示すように互いに逆向きの電流が流れる。

次に、永久磁石１の製造方法を説明する。等方性の磁性体を材料として、図１に示すごとき永久磁石１と同一形状の磁石素体を作成する。ここで、磁石素体とは、永久磁石１の形状に形成されており、後述する着磁装置によって着磁される前の磁性体である。例えば、磁性体を直方体の形状に形成し、頂面を掘削して窪み１４及び傾斜部１１２及び１２２を形成する。また、例えば、粉末状の磁性体を圧縮成形することにより、永久磁石１と同一形状の磁石素体を作成する。作成した磁石素体を、頂面部を下側にして着磁装置に装着する。図１５は、着磁装置に磁性素体７を装着した状態を示す模式的断面図である。図１５に示すように、磁石素体７は、窪み１４が第１電線６１の天側の三角形の断面の一辺に対向し、傾斜部１１２及び１２２が夫々に第２電線６２の天側の三角形の断面の一辺に対向するように配置される。また、磁石素体７は、ピーク部１１１及び１２１が第１電線６１と平行になり、夫々に、第１電極６１と第２電極６２との間に位置するように配置される。また、磁石素体７の傾斜部１１２及び１２２と第２電線２の三角形の断面の一辺及びヨーク６３の天面との間の空間を充填する充填材７１が配置される。充填材７１は、磁石素体７と同一の磁性体であることが望ましい。但し、充填材７１は非磁性材であってもよい。充填材７１によって磁石素体７の位置が安定する。なお、第１電極６１と窪み１４との間を充填する充填材を更に用いてもよい。

図１５に示すように磁石素体７を着磁装置に配置した状態で、図１４に示すように電流供給部６４から第１電線６１及び第２電線６２へ電流を供給する。図１５中に示すように、図１５の手前から奥へ向けた電流が第１電線６１に流れ、逆向きの電流が第２電線６２に流れる。第１電線６１及び第２電線６２の夫々の周りに磁界が発生し、磁石素体７に着磁される。図１５中には、発生する磁界を矢印で示す。夫々の電線の三角形の断面の周りをまわりこむように磁界が発生するので、磁石素体７中に、ピーク部１１１及び１２１を含む仮想平面に対して傾いた磁束が生じる。この結果、ピーク部１１１はＳ極中の磁束密度最大部となり、ピーク部１２１はＮ極中の磁束密度最大部となる。図１５中には、図３中に破線で示したピーク部１１１及びピーク部１２１の夫々を通るｙｚ仮想平面並びに略平面状の境界１３に対応する仮想平面を二点鎖線で示している。以上のようにして、永久磁石１が製造される。

以上詳述したごとく、本実施形態における永久磁石１は、ｘｚ仮想平面１７から離隔した位置でのｙ軸方向の磁束密度の大きさは、ピーク部１１１に対向する位置とピーク部１２１に対向する位置との間の範囲で、ｘ軸方向の位置の変化に対して直線的に変化する。このため、図４に示すごとき位置センサでは、ピーク部１１１に対向する位置とピーク部１２１に対向する位置との間の範囲内で高精度に位置検出を行うことができる。また、永久磁石１のｘ軸方向の長さは、ｙ軸方向の磁束密度の大きさの変化の直線性が保たれるｘ軸方向の範囲の長さの二倍以下である。永久磁石１の他に補助磁石を配置することなく、ｙ軸方向の磁束密度の大きさの変化の直線性が保たれるｘ軸方向の範囲の長さが拡大している。永久磁石１を用いた位置センサは、位置検出が可能な範囲を広く保ちながらも、補助磁石を必要としないので、従来に比べて全体の大きさが小さくなっている。従って、位置検出が可能な範囲を広く保ちながらも位置センサを小型化することが可能となる。なお、永久磁石１を構成する頂面部１５以外の面の形状は、図１に示した形状と厳密に同一でなくてもよい。例えば、底面１６は、ピーク部１１１及び１２１を含む仮想平面に対して厳密に平行でなくてもよい。

（実施形態２）
図１６は、実施形態２に係る永久磁石８の斜視図である。永久磁石８は、底面及び頂面部８４を有する二極の磁石である。頂面部８４は二極着磁された非平面状の磁極面である。底面及び四つの側面は平面である。頂面部８４の半分はＳ極部８１になっており、もう半分はＮ極部８２になっている。磁極の境界８３は略平面状であり、頂面部８４上では境界８３は直線状になっている。略平面状の境界８３を細い二点鎖線で示しており、頂面部８４上での直線状の境界８３は実線で示している。頂面部８４上での境界８３に平行な方向をｚ軸方向とする。底面に直交する方向をｙ軸方向とし、ｙ軸方向及びｚ軸方向に直交する方向をｘ軸方向とする。Ｓ極部８１及びＮ極部８２は傾斜しており、境界８３に近づくほど底面からの高さが低くなっている。このため、Ｓ極部８１及びＮ極部８２は全体で、境界８３の位置で最も深くなる窪みを形成している。

Ｓ極部８１中には、底面からの高さが最大になるピーク部８１１が存在しており、ピーク部８１１はＳ極部８１の端である。同様に、Ｎ極部８２中には、底面からの高さが最大になるピーク部８２１が存在しており、ピーク部８２１はＮ極部８２の端である。ピーク部８１１及び８２１は、共に境界８３に平行（ｚ軸方向に平行）な直線状になっている。直線状のピーク部８１１及び８２１は、底面に平行な同一の仮想平面に含まれている。直線状のピーク部８１１及び８２１を含む仮想平面をｘｚ仮想平面８５とする。また、図中に矢印で示したように、Ｓ極部８１及びＮ極部８２での磁束は、ｘｚ仮想平面８５に直交している。即ち、頂面部８４では両磁極の磁束は反平行になっている。また、図中には、Ｓ極部８１内でピーク部８１１と境界８３との中央に位置するＳ極中央部８１２を太い二点鎖線で示し、Ｎ極部８１内でピーク部８２１と境界８３との中央に位置するＮ極中央部８２２を太い二点鎖線で示している。永久磁石８の形状は、ｚ軸方向の並進対称性をほぼ有し、略平面状の境界８３に対する鏡面対称性をほぼ有している。

永久磁石８の長手方向（ｘ軸方向）の長さＢは、Ｓ極中央部８１２及びＮ極中央部８２２の間のｘ軸方向の長さＡの二倍である。例えば、Ａ＝３ｍｍでありＢ＝６ｍｍである。また、ｘｚ仮想平面８５から境界８３の位置での窪みの底までの深さＤは、典型的には１．５ｍｍ以上２ｍｍ以下である。

永久磁石８を位置センサに用いるためには、実施形態１と同様に、ｘｚ仮想平面８５から所定距離離隔した位置においてｘ軸方向に位置変化に応じてｙ軸方向の磁束密度の大きさが直線的に変化することが望ましい。永久磁石８のモデルを作成し、発生する磁束密度を有限要素法により計算するシミュレーションを行った。Ａ＝３ｍｍ及びＢ＝６ｍｍとし、両磁極の磁束は反平行でｘｚ仮想平面８５に直交しているとし、ｘｚ仮想平面８５から０．４ｍｍ離隔した位置での磁束密度を計算した。境界８３の位置をｘ＝０ｍｍとして、Ｓ極中央部８１２の位置はｘ＝１５ｍｍであり、Ｎ極中央部８２２の位置はｘ＝−１．５ｍｍである。

図１７は、実施形態２に係る永久磁石８のモデルにおける磁束密度をシミュレーションした結果を示す特性図である。横軸は、磁束密度を計算した地点のｘ軸方向の位置を示し、縦軸は、ｘｚ仮想平面８５から０．４ｍｍ離隔した位置でのｙ軸方向の磁束密度を示す。図中には、ｘｚ仮想平面８５から境界８３の位置での窪みの底までの深さＤが０ｍｍである場合の計算結果を太い破線で示し、Ｄ＝０．５ｍｍである場合の計算結果を細い実線で示し、Ｄ＝１．０ｍｍである場合の計算結果を一点鎖線で示し、Ｄ＝１．５ｍｍである場合の計算結果を細い破線で示し、Ｄ＝２．０ｍｍである場合の計算結果を太い実線で示している。

図１７に示されたように、Ｄ＝０であってＳ極部８１及びＮ極部８２が傾斜していない場合は、ｘ軸方向の位置の変化に応じた磁束密度の大きさの変化の直線性が得られる範囲は、ｘ＝０近傍の非常に狭い範囲である。ｘｚ仮想平面８５から境界８３の位置での窪みの底までの深さＤを０．５ｍｍ、１．０ｍｍ、１．５ｍｍ、２．０ｍｍと大きくするのに従って、磁束密度の絶対値が低下するものの、磁束密度の大きさの変化の直線性が得られる範囲が広がる。Ｄ＝１．５ｍｍ及び２．０ｍｍの場合は、ｘ＝−１．５〜１．５ｍｍの範囲で、ｙ軸方向の磁束密度の大きさは直線状に近い変化をする。深さＤの大きさがより大きい場合は、磁束密度の絶対値の低下が著しくなる。このように、磁束が両磁極で反平行になっている永久磁石８においても、頂面部８４に窪みを設けることにより、磁束密度の大きさの変化の直線性が得られる範囲が広がる。

以上のように、本実施形態における永久磁石８では、ｘｚ仮想平面８５から離隔した位置でのｙ軸方向の磁束密度の大きさは、Ｓ極中央部８１２に対向する位置とＮ極中央部８２２に対向する位置との間の範囲で、ｘ軸方向の位置の変化に対して直線的に変化する。このため、頂面部８４に対向するように磁気検出素子を配置した位置センサでは、Ｓ極中央部８１２に対向する位置とＮ極中央部８２２に対向する位置との間の範囲内で高精度に位置検出を行うことができる。また、永久磁石８のｘ軸方向の長さは、ｙ軸方向の磁束密度の大きさの変化の直線性が保たれるｘ軸方向の範囲の長さの二倍以下である。永久磁石８を用いた位置センサは、位置検出が可能な範囲を広く保ちながらも、補助磁石を必要としないので、従来に比べて全体の大きさが小さくなっている。従って、位置検出が可能な範囲を広く保ちながらも位置センサを小型化することが可能となる。

１、８ 永久磁石
１１、８１ Ｓ極部
１１１、１２１ ピーク部（磁束密度最大部）
１１２、１２２ 傾斜部
１２、８２ Ｎ極部
１３、８３ 境界
１４ 窪み
１５、８４ 頂面部（磁極面）
１７ ｘｚ仮想平面
２ 磁気検出素子
３ 磁束密度測定部
４ 位置検出処理部
６１ 第１電線
６２ 第３電線
６３ ヨーク
６４ 電流供給部
７ 磁石素体

Claims (8)

1. 二極着磁された磁極面を有する永久磁石において、
   前記磁極面は非平面状であり、
   前記磁極面に、前記磁極面上の磁極の境界の位置で最も深く前記境界から離れるほど浅い窪みが、前記境界から両磁極側にわたって形成されており、
   前記磁極面上の磁束密度の大きさが最大になる磁束密度最大部が、夫々の磁極側に、同一の仮想平面に含まれる直線状に分布しており、
   前記窪みは、各磁極側の前記磁束密度最大部の間に形成されており、
   前記磁極面は、前記磁束密度最大部よりも前記境界から遠い側に、前記仮想平面との間の間隙が前記境界から遠いほど広がるように前記仮想平面に対して傾斜した傾斜部を含んでいること
   を特徴とする永久磁石。
2. 前記磁極面上の磁極の境界は、直線状であり、
   前記窪みは、前記磁極面上の直線状の前記境界に直交する平面内で、一定の曲率半径を保つように形成されていること
   を特徴とする請求項１に記載の永久磁石。
3. 前記傾斜部が前記仮想平面に対して傾斜した傾きは３０°以上５０°以下であること
   を特徴とする請求項１又は２に記載の永久磁石。
4. 前記仮想平面からの前記窪みの最大の深さは、０．３ｍｍ以上０．５ｍｍ以下であること
   を特徴とする請求項１乃至３のいずれか一つに記載の永久磁石。
5. 両磁極側の直線状の前記磁束密度最大部に交差する方向の長さは、両磁極側の前記磁束密度最大部の間の長さの二倍以下であること
   を特徴とする請求項１乃至４のいずれか一つに記載の永久磁石。
6. 請求項１乃至５のいずれか一つに記載の永久磁石と、
   該永久磁石の磁極面に対向して配置されてあり、非接触で相対的に移動することが可能な磁気検出素子と、
   該磁気検出素子による磁気検出の結果に基づいて、前記永久磁石に対する前記磁気検出素子の相対位置を検出する手段と
   を備えることを特徴とする位置センサ。
7. 請求項１乃至５のいずれか一つに記載の永久磁石を製造する方法であって、
   等方性の磁性体を前記永久磁石の形状に形成した磁石素体を作成し、
   断面が三角形の第１電線を、三角形の一辺が前記磁石素体の表面の窪みに対向するようにして配置し、
   断面が三角形の第２電線を、前記表面の前記窪みから離れた部分に三角形の一辺が対向するようにして、前記第１電線の両脇に並行して配置し、
   前記第１電線及び前記第２電線に互いに逆方向の電流を流すこと
   を特徴とする永久磁石の製造方法。
8. 請求項１乃至５のいずれか一つに記載の永久磁石を製造するために磁石素体に着磁する装置であって、
   断面が三角形になっており、三角形の一辺を同一方向に向けた状態で並列に配置された三本の電線と、
   該三本の電線に電流を供給する手段とを備え、
   前記三本の電線は、中央に配置された電線と他の二本の電線とで逆方向の電流が流れるように結線されていること
   を特徴とする着磁装置。

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