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JP4373157B2 - Angle detector - Google Patents

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JP4373157B2
JP4373157B2 JP2003291336A JP2003291336A JP4373157B2 JP 4373157 B2 JP4373157 B2 JP 4373157B2 JP 2003291336 A JP2003291336 A JP 2003291336A JP 2003291336 A JP2003291336 A JP 2003291336A JP 4373157 B2 JP4373157 B2 JP 4373157B2
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  • Transmission And Conversion Of Sensor Element Output (AREA)

Description

本発明は、マグネットとホール素子を用いて被検出物の回動角を検出する角度検出装置に関するものである。   The present invention relates to an angle detection device that detects a rotation angle of an object to be detected using a magnet and a Hall element.

ホール素子とマグネットを使用して角度を検出する角度検出装置は従来から様々な構造が提案されており、例えば以下の特許文献1〜特許文献3に記載がある。
特開平10−132506号公報 特開2000−121309号公報 特開昭63−145903号公報
Various structures have been proposed for angle detection devices that detect the angle using a Hall element and a magnet. For example, Patent Documents 1 to 3 below describe.
JP-A-10-132506 JP 2000-121309 A JP 63-145903 A

特許文献1は回転角センサを開示している。図1に示す様に、スロットル開度センサ1の回動軸2にはロータ部3が形成され、このロータ部3には円筒状をなす永久磁石6が固定されている。ハウジング7に固定された支持体10にはホール素子11が収容され、このホール素子11は永久磁石6による磁路内において回動軸2に直交する磁界を検出する。又、永久磁石6の内周面にはそのほぼ中央部に環状の凹部13が形成されている。ホール素子11は、永久磁石6の軸方向の中心位置に配置される為、凹部13の位置はホール素子11による磁界のセンシングの中心位置に合致している。この場合、ホール素子11に対して磁束が均一化され、永久磁石6とホール素子11との相対位置が変化したとしてもそれによるセンサ出力の誤差が低減される。しかしながら、この構造では次の欠点が挙げられる。第1に、出力波形が正弦波なので波形の直線部分は角度に換算して90度程度しか得られない。第2に、ホール素子を90度間隔で二つ配置することができない為、検出角を360度とすることが不可能である。第3に、シャフトを貫通させる構造にできない。第4に、基板平面に対して平行に磁力線が通る為、小型で安価な基板実装タイプの汎用ホール素子を使用することができない。   Patent Document 1 discloses a rotation angle sensor. As shown in FIG. 1, a rotor portion 3 is formed on a rotating shaft 2 of the throttle opening sensor 1, and a cylindrical permanent magnet 6 is fixed to the rotor portion 3. A hall element 11 is accommodated in the support 10 fixed to the housing 7, and the hall element 11 detects a magnetic field orthogonal to the rotating shaft 2 in the magnetic path of the permanent magnet 6. In addition, an annular recess 13 is formed on the inner peripheral surface of the permanent magnet 6 at substantially the center thereof. Since the Hall element 11 is disposed at the axial center position of the permanent magnet 6, the position of the recess 13 coincides with the center position of the magnetic field sensing by the Hall element 11. In this case, the magnetic flux is made uniform with respect to the Hall element 11, and even if the relative position between the permanent magnet 6 and the Hall element 11 is changed, the error in the sensor output due to the change is reduced. However, this structure has the following drawbacks. First, since the output waveform is a sine wave, the straight line portion of the waveform can be obtained in terms of an angle of only about 90 degrees. Secondly, since two Hall elements cannot be arranged at intervals of 90 degrees, it is impossible to set the detection angle to 360 degrees. Thirdly, the structure cannot be made to penetrate the shaft. Fourth, since the magnetic lines of force pass in parallel to the substrate plane, it is not possible to use a general-purpose hall element of a small and inexpensive substrate mounting type.

特許文献2は小型回転角度センサを開示している。図1に示す様に、ホール素子と付属回路とが小型一体化されたハイブリッドホールIC103と、ケース本体100内に回転自在に設けられた回転軸2の上部に形成した側溝3に嵌合されたマグネット1とを備え、ハイブリッドホールIC103がマグネット1の側面の露出部に近接対向して垂直に保持され、回転軸2の中心Oとマグネット1の中心Pとが偏心している。この小型回転角度センサはシャフトを貫通できる構造で、正弦波の近似直線部分を拡大している。しかし、この構造では次の欠点が挙げられる。第1に、磁石と磁気変換素子との間で軸方向や径方向の相対位置が変化すると、出力に影響がある。第2に、基板平面に対して平行に磁力線が通る為、小型で安価な基板実装タイプの汎用ホール素子を使用することができない。   Patent Document 2 discloses a small rotation angle sensor. As shown in FIG. 1, the Hall element and the attached circuit are fitted in a small size integrated hybrid Hall IC 103 and a side groove 3 formed in the upper part of the rotating shaft 2 provided rotatably in the case body 100. The hybrid hall IC 103 is held vertically close to and facing the exposed portion of the side surface of the magnet 1, and the center O of the rotating shaft 2 and the center P of the magnet 1 are eccentric. This small rotation angle sensor has a structure that can penetrate the shaft and enlarges the approximate straight line portion of the sine wave. However, this structure has the following drawbacks. First, if the relative position in the axial direction or radial direction changes between the magnet and the magnetic transducer, the output is affected. Secondly, since magnetic lines of force pass in parallel to the substrate plane, a small and inexpensive substrate mounting type general-purpose Hall element cannot be used.

特許文献3は回転ポジショナを開示している。第1図に示す様に、この回転ポジショナは、円環形状の磁性部材1の一部に永久磁石2を備えてなる閉磁路構造体3と、閉磁路構造体3からの漏洩磁束を検知する磁気センサ6とを有し、閉磁路構造体3及び磁気センサ6を閉磁路構造体の中心軸Cを中心として互いに回転可能とし、磁気センサの検知出力に基づき回転角を検出する。閉磁路構造体3と同一の中心軸を有する円環形状の他の磁性部材7を、該他の磁性部材7と該閉磁路構造体3とで磁気センサ6を挟み込む様に配置している。しかしながら、この回転ポジショナの形状では、磁束がほとんど磁性部材内に流れ、磁気センサに流れる漏洩磁束は微小で、その漏洩磁束変化も図示された特性グラフの様にはできない。   Patent Document 3 discloses a rotary positioner. As shown in FIG. 1, this rotary positioner detects a closed magnetic circuit structure 3 including a permanent magnet 2 in a part of an annular magnetic member 1 and a leakage magnetic flux from the closed magnetic circuit structure 3. The closed magnetic circuit structure 3 and the magnetic sensor 6 are rotatable relative to each other about the central axis C of the closed magnetic circuit structure, and the rotation angle is detected based on the detection output of the magnetic sensor. Another magnetic member 7 having an annular shape having the same central axis as that of the closed magnetic path structure 3 is arranged so that the magnetic sensor 6 is sandwiched between the other magnetic member 7 and the closed magnetic path structure 3. However, in the shape of this rotary positioner, the magnetic flux almost flows in the magnetic member, the leakage magnetic flux flowing through the magnetic sensor is very small, and the leakage magnetic flux cannot be changed as shown in the illustrated characteristic graph.

近年のローコスト化への対応として、軸受部材をベアリングからメタルへ変更する必要がある。しかしながら、メタル軸受を用いると、シャフト(回動軸)のスラストガタ(軸方向ガタ)やラジアルガタ(径方向ガタ)が増えてしまう。又、ローコスト化やスペース効率の改善を狙って、ギヤードモータの出力軸と角度検出器のシャフトを共通化すると、ギヤの遊び分に対応したスラストガタやラジアルガタが必要となる。しかしながら、特許文献2〜特許文献3に開示された様な従来の磁気式角度検出器ではスラストガタやラジアルガタが出力へ影響し、変動や誤差が現われてしまう。   In order to cope with the recent low cost, it is necessary to change the bearing member from a bearing to a metal. However, when a metal bearing is used, thrust backlash (axial backlash) and radial backlash (radial backlash) of the shaft (rotating shaft) increase. If the output shaft of the geared motor and the shaft of the angle detector are used in common for the purpose of cost reduction and space efficiency improvement, thrust play and radial play corresponding to the play of the gear are required. However, in conventional magnetic angle detectors as disclosed in Patent Documents 2 to 3, thrust backlash and radial backlash affect the output, and fluctuations and errors appear.

上述した従来の技術の課題に鑑み、本発明はスラストガタやラジアルガタの影響が少ない磁気式角度検出器を提供することを目的とする。又、検出角が90度以上必要な場合もある為、小径でありながら(例えばφ8mm〜φ30mm程度)測定可能な検出角が90度以上となる磁気式角度検出器を提供することを目的とする。係る目的を達成する為に以下の手段を講じた。即ち、ケースと、該ケースに対して回動自在に取り付けられたシャフトと、その回転軸方向に離間して該シャフトに固定された一対の円盤形状のマグネットと、該一対のマグネットの間に位置し且つホール素子を搭載して該ケースに保持された基板とを備え、該シャフトが回動するとその角度に応じて該ホール素子の出力電圧が変化する角度検出装置において、各マグネットは、円盤形状の厚み方向に着磁されており、且つ円盤形状の直径に沿った磁極境界線で区分された各半円部分が互いに反対方向に着磁されており、両マグネットは互いに対面する対向面側の磁極が互いに逆になっており、両マグネットの互いに対面しない反対面側にはヨーク板が取り付けられていることを特徴とする。   In view of the above-described problems of the conventional technology, an object of the present invention is to provide a magnetic angle detector that is less influenced by thrust backlash and radial backlash. In addition, since the detection angle may be 90 degrees or more, it is an object to provide a magnetic angle detector that has a small diameter (for example, about φ8 mm to φ30 mm) and has a measurable detection angle of 90 degrees or more. . In order to achieve this purpose, the following measures were taken. That is, a case, a shaft rotatably attached to the case, a pair of disk-shaped magnets fixed to the shaft so as to be spaced apart in the rotation axis direction, and a position between the pair of magnets In addition, in the angle detection device that includes a Hall element mounted thereon and a substrate held in the case, and the shaft rotates, the output voltage of the Hall element changes according to the angle. Are magnetized in the thickness direction, and the semicircular portions divided by the magnetic pole boundary along the disk-shaped diameter are magnetized in the opposite directions, and the two magnets are on the opposite side facing each other. The magnetic poles are opposite to each other, and a yoke plate is attached to the opposite surfaces of the two magnets that do not face each other.

好ましくは、各マグネットは、軸方向矩形波着磁用ヨークと円筒形バックヨークとを用いて着磁されたものであって、該軸方向矩形波着磁用ヨークにマグネットをセットし、そのマグネットの上に該円筒形バックヨークの円筒軸を磁極境界線と直交する方向に配置して着磁することによって、マグネットの磁極境界線付近の磁束密度変化をなだらかにし、マグネットを円周方向に回動させた時の角度に対してマグネット平面の磁束密度が正弦波或いは三角波に近い形状に変化させている。また、前記基板は該円盤形状のマグネットの円周方向に90度離間して配された二個のホール素子を搭載しており、120度を超える範囲で該シャフトが回動する角度を検出する。或いは、前記基板は一個のホール素子を搭載しており、120度を超えない範囲で該シャフトが回動する角度を検出する。   Preferably, each magnet is magnetized using an axial rectangular wave magnetizing yoke and a cylindrical back yoke, and the magnet is set in the axial rectangular wave magnetizing yoke, and the magnet By placing the cylindrical axis of the cylindrical back yoke in a direction perpendicular to the magnetic pole boundary line and magnetizing it, the magnetic flux density change near the magnetic pole boundary line is smoothed, and the magnet is rotated in the circumferential direction. The magnetic flux density on the magnet plane is changed to a shape close to a sine wave or a triangular wave with respect to the angle when moved. The substrate is mounted with two Hall elements spaced 90 degrees apart in the circumferential direction of the disk-shaped magnet, and detects the angle at which the shaft rotates within a range exceeding 120 degrees. . Or the said board | substrate mounts one Hall element, and detects the angle which this shaft rotates within the range which does not exceed 120 degree | times.

本発明によれば、一対の円盤形状のマグネットの間にホール素子が配置している。各マグネットは、円盤形状の厚み方向に着磁されており、且つ円盤形状の直径に沿った磁極境界線で区分された各半円部分が互いに反対方向に着磁されている。これにより、ホール素子を通過する磁束は従来と異なり基板平面に対して垂直となる。その際、マグネットの磁極境界線付近の磁束密度変化をなだらかにし、マグネットを円周方向に回動させた時の角度に対してマグネット平面の磁束密度が正弦波あるいは三角波に近い形状に変化させている。係る構成により、スラストガタやラジアルガタの影響が少ない磁気式角度検出器を実現できる。又従来よりも小型化することが可能となり、一つのホール素子だけで約120度の角度範囲を検出することができる。   According to the present invention, the Hall element is disposed between a pair of disk-shaped magnets. Each magnet is magnetized in the thickness direction of the disk shape, and the semicircular parts divided by the magnetic pole boundary along the diameter of the disk shape are magnetized in opposite directions. As a result, the magnetic flux passing through the Hall element is perpendicular to the substrate plane, unlike the conventional case. At that time, the magnetic flux density change in the vicinity of the magnetic pole boundary of the magnet is made smooth, and the magnetic flux density on the magnet plane is changed to a shape close to a sine wave or triangular wave with respect to the angle when the magnet is rotated in the circumferential direction. Yes. With this configuration, it is possible to realize a magnetic angle detector that is less affected by thrust backlash and radial backlash. In addition, the size can be reduced as compared with the prior art, and an angle range of about 120 degrees can be detected with only one Hall element.

以下図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。図1(A)は、本発明に係る磁気式で且つ非接触式の角度検出装置を示す模式的な断面図である。図示する様に、本角度検出装置は、基本的にケース12とシャフト9と一対のマグネット3,7と基板6とで構成されている。ケース12はほぼ円筒形状を有し、上下両端面が開放されている。シャフト9は一対のメタル軸受11,13を介してケース12に対し回動自在に取り付けられている。本実施形態では、シャフト9が中間部分にフランジ9Sを有している。このフランジ9Sを境にしてシャフト下部9Rがメタル軸受11,13によりケース12に保持されている。フランジ9Sから上のシャフト上部9Tには、マグネット3,7や基板6その他の部品が取り付けられている。尚、シャフト下部9Rはワッシャ10,14及びCリング15でメタル軸受11,13に取り付けられている。一対のマグネット3,7は各々円盤形状を有し、回転軸方向に離間してシャフト上部9Tに固定されている。両マグネット3,7の間隔はカラー4により規制されている。基板6は一対のマグネット3,7の間に位置し、ケース12に保持されている。基板6はその上にホール素子5を搭載している。ホール素子5はホールICの形で基板6に実装してもよい。シャフト上部9Tに組み込まれたマグネット3,7は、ケース12内に収められ、蓋1でカバーされる。係る構成を有する磁気式非接触型の角度検出装置は、シャフト9が回動するとその角度に応じてホール素子5の出力電圧が変化する様になっている。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1A is a schematic cross-sectional view showing a magnetic and non-contact angle detecting device according to the present invention. As shown in the figure, this angle detection device basically includes a case 12, a shaft 9, a pair of magnets 3 and 7, and a substrate 6. The case 12 has a substantially cylindrical shape, and both upper and lower end surfaces are open. The shaft 9 is rotatably attached to the case 12 via a pair of metal bearings 11 and 13. In the present embodiment, the shaft 9 has a flange 9S at the intermediate portion. The shaft lower portion 9R is held in the case 12 by the metal bearings 11 and 13 with the flange 9S as a boundary. Magnets 3 and 7, a substrate 6 and other components are attached to the shaft upper portion 9T above the flange 9S. The shaft lower portion 9 </ b> R is attached to the metal bearings 11 and 13 by washers 10 and 14 and a C ring 15. Each of the pair of magnets 3 and 7 has a disk shape and is fixed to the shaft upper portion 9T so as to be spaced apart in the rotation axis direction. The distance between the magnets 3 and 7 is regulated by the collar 4. The substrate 6 is positioned between the pair of magnets 3 and 7 and is held by the case 12. The substrate 6 has the Hall element 5 mounted thereon. The Hall element 5 may be mounted on the substrate 6 in the form of a Hall IC. The magnets 3 and 7 incorporated in the shaft upper portion 9T are accommodated in the case 12 and covered with the lid 1. In the magnetic non-contact type angle detection device having such a configuration, when the shaft 9 rotates, the output voltage of the Hall element 5 changes according to the angle.

特徴事項として、各マグネット3,7は、円盤形状の厚み方向に着磁されており、且つ円盤形状の直径に沿った磁極境界線で区分された各半円部分が互いに反対方向に着磁されている。両マグネット3,7は互いに対面する対向面側の磁極が互いに逆になっており、両マグネットの互いに対面しない反対面側にはそれぞれヨーク板2,8が取り付けられている。   As a feature, the magnets 3 and 7 are magnetized in the thickness direction of the disk shape, and the semicircular portions divided by the magnetic pole boundary along the diameter of the disk shape are magnetized in opposite directions. ing. The magnets 3 and 7 have opposite magnetic poles facing each other, and yoke plates 2 and 8 are attached to the opposite surfaces of the magnets that do not face each other.

(B)は、各マグネット3,7の着磁方法を表わしている。本実施形態では、各マグネット3,7は、軸方向矩形波着磁用ヨーク16と円筒型バックヨーク17とを用いて着磁されている。軸方向矩形波着磁用ヨーク16にマグネット3,7をセットし、そのマグネット3,7の上に円筒型バックヨーク17の円筒軸を磁極境界線MDと直交する方向に配置して着磁することによって、マグネット3,7の磁極境界線MD付近の磁束密度変化をなだらかにし、マグネットを円周方向に回動させた時の角度に対してマグネット平面の磁束密度が正弦波あるいは三角波に近い形状に変化する様になっている。例えば、本実施形態では、外径がφ9.8mm、内径がφ3mmで厚みが0.8mmのマグネット3,7を(B)に示す方法で着磁している。すなわち、軸方向矩形波着磁用ヨーク16を使用し、マグネット3,7を1つセットし、φ12mmのバックヨーク17を配置して着磁する。この様な方法で着磁されたマグネット3,7を(A)に示した角度検出装置に組み込む場合、マグネット3,7を着磁した時のバックヨーク側に外径φ9.8mm、内径φ3mm、厚さ0.3mmのヨーク板2,8を密着させてシャフト9に固定している。
ここで、軸方向矩形波着磁用ヨークとは、例えば円盤状のマグネットを軸方向(厚み方向)に着磁するためのヨークである。このヨ−クによって着磁されたマグネットを、図8に示すように回転させながらプローブで表面磁束密度を測定してみる。その測定結果が図9の波形図に表されている。マグネットは周方向に沿って表面磁束密度が矩形波形状に分布する様、着磁される。本発明に使うマグネット3,7は、軸方向矩形波着磁用ヨーク16によって、図9に示すように軸方向矩形波着磁されたものである。
(B) represents the magnetizing method of the magnets 3 and 7. In the present embodiment, the magnets 3 and 7 are magnetized by using an axial rectangular wave magnetizing yoke 16 and a cylindrical back yoke 17. Magnets 3 and 7 are set on the axial rectangular wave magnetizing yoke 16, and the cylindrical shaft of the cylindrical back yoke 17 is arranged on the magnets 3 and 7 in a direction perpendicular to the magnetic pole boundary MD and magnetized. As a result, the magnetic flux density change in the vicinity of the magnetic pole boundary MD of the magnets 3 and 7 is smoothed, and the magnetic flux density on the magnet plane is close to a sine wave or triangular wave with respect to the angle when the magnet is rotated in the circumferential direction. It has come to change. For example, in this embodiment, magnets 3 and 7 having an outer diameter of φ9.8 mm, an inner diameter of φ3 mm, and a thickness of 0.8 mm are magnetized by the method shown in FIG. That is, an axial rectangular wave magnetizing yoke 16 is used, one magnet 3 and 7 is set, and a back yoke 17 of φ12 mm is arranged and magnetized. When the magnets 3 and 7 magnetized in this way are incorporated into the angle detection device shown in FIG. 5A, the outer diameter φ9.8 mm, the inner diameter φ3 mm, Yoke plates 2 and 8 having a thickness of 0.3 mm are brought into close contact with each other and fixed to the shaft 9.
Here, the axial rectangular wave magnetizing yoke is, for example, a yoke for magnetizing a disk-shaped magnet in the axial direction (thickness direction). The surface magnetic flux density is measured with a probe while rotating the magnet magnetized by this yoke as shown in FIG. The measurement results are shown in the waveform diagram of FIG. The magnet is magnetized so that the surface magnetic flux density is distributed in a rectangular wave shape along the circumferential direction. As shown in FIG. 9, the magnets 3 and 7 used in the present invention are magnetized by an axial rectangular wave magnetizing yoke 16 as shown in FIG.

図1(A)に示す様に、一対のマグネット3,7のヨーク板2,8が付いていない面を互いに向き合わせて、カラー4を挟んでシャフト9に固定する。この時、マグネット3とマグネット7の磁極は互いに逆方向となる様にする。以上により、上下のマグネット3,7とヨーク板2,8とで磁気回路が形成され、マグネット3とマグネット7との間に磁界が発生する。マグネット3とマグネット7との間にホール素子5と基板6が配置している。マグネット3,7をシャフト9によって回動させれば、所望のホール出力電圧波形を得ることができる。   As shown in FIG. 1A, the surfaces of the pair of magnets 3, 7 that are not provided with the yoke plates 2, 8 face each other, and are fixed to the shaft 9 with the collar 4 interposed therebetween. At this time, the magnetic poles of the magnet 3 and the magnet 7 are opposite to each other. Thus, a magnetic circuit is formed by the upper and lower magnets 3 and 7 and the yoke plates 2 and 8, and a magnetic field is generated between the magnet 3 and the magnet 7. A Hall element 5 and a substrate 6 are disposed between the magnet 3 and the magnet 7. If the magnets 3 and 7 are rotated by the shaft 9, a desired Hall output voltage waveform can be obtained.

マグネット3とマグネット7間の磁力線の向きは、シャフト9の軸方向となる為、ホール素子5は小型で汎用のホールICなど実装部品を使用することができ、安価で小型化が可能になる。又、カラー4の外径からケース12の内径の間の空間を基板6の面積に割り当てられるので、ホール素子5の信号増幅回路や、定電流回路あるいは定電圧回路を全て2つのマグネット3,7の間の基板6に実装することができる為、小型化が可能になる。更に、マグネット3とマグネット7間の磁力線の向きは、シャフト9の軸方向とほぼ平行で均一に近い状態である為、シャフト9のガタによってマグネットに対しホール素子の相対位置が変動しても、ホール素子が受感する磁束密度の変化は少ない。   Since the direction of the lines of magnetic force between the magnet 3 and the magnet 7 is the axial direction of the shaft 9, the Hall element 5 can be small and can use a mounting component such as a general-purpose Hall IC, and can be reduced in size at low cost. Further, since the space between the outer diameter of the collar 4 and the inner diameter of the case 12 can be assigned to the area of the substrate 6, the signal amplifying circuit, the constant current circuit, or the constant voltage circuit of the Hall element 5 are all composed of the two magnets 3, 7 Therefore, downsizing is possible. Furthermore, since the direction of the magnetic lines of force between the magnet 3 and the magnet 7 is almost parallel to the axial direction of the shaft 9 and is nearly uniform, even if the relative position of the Hall element fluctuates with respect to the magnet due to the backlash of the shaft 9, There is little change in magnetic flux density perceived by the Hall element.

図2は、図1に示した角度検出装置から得られるホール出力電圧波形を示すグラフである。グラフから明らかな様に、着磁の条件やヨーク板の厚みによって、正弦波から三角波に近いホール素子出力電圧を形成することができる。ホール素子出力電圧が、シャフト回転角度に対して直線的に変化するのは、360度中立ち上がり約120度と立ち下がり約120度となっている。従って、本構造の磁気式角度検出器は測定可能な検出角度範囲が約120度である。本構造によれば、ホール素子1つで検出角が120度程度となる。尚、120度を超える検出角が必要な場合は、ホール素子を90度間隔で2つ配置し、90度の位相差を有する2つの正弦波から角度を検出する方法を採用することができる。着磁条件やヨーク板の形状の更なる最適化により、シャフト回転角に対するホール素子出力電圧の直線性と電気角の範囲を一層改善できる可能性がある。   FIG. 2 is a graph showing a Hall output voltage waveform obtained from the angle detection device shown in FIG. As is apparent from the graph, a Hall element output voltage close to a triangular wave from a sine wave can be formed depending on the magnetization conditions and the thickness of the yoke plate. The Hall element output voltage changes linearly with respect to the shaft rotation angle at about 120 degrees rising and about 120 degrees falling during 360 degrees. Therefore, the magnetic angle detector of this structure has a measurable detection angle range of about 120 degrees. According to this structure, one Hall element has a detection angle of about 120 degrees. When a detection angle exceeding 120 degrees is required, a method of detecting two angles from two sine waves having a 90-degree phase difference by arranging two Hall elements at 90-degree intervals can be employed. Further optimization of the magnetizing conditions and the shape of the yoke plate may further improve the linearity of the Hall element output voltage with respect to the shaft rotation angle and the range of the electrical angle.

図3は、シャフト9のガタとホール素子5の位置との関係を示す模式図である。X方向がラジアルガタの方向を表わし、Z方向がスラストガタの方向を表わしている。Y方向は円周の接線方向である。前述した様に、マグネット3とマグネット7間の磁力線の向きは、シャフト9の軸方向とほぼ平行で均一に近い状態である為、シャフト9のガタによってマグネット7に対しホール素子5の相対位置がX方向やZ方向に微小移動したとしても、ホール素子5が受感する磁束密度の変化は少ない。尚、Y方向の相対位置変化の出力への影響は、ブラシと抵抗体などで構成される接触式角度検出器と同程度であるので、特に問題はない。尚、マグネットを片側のみとする構造も考えられるが、これではマグネットに対してホール素子の相対位置がX方向やZ方向に微小移動した時、ホール素子5が受感する磁束密度の変化が大きくなってしまう。   FIG. 3 is a schematic diagram showing the relationship between the play of the shaft 9 and the position of the Hall element 5. The X direction represents the radial play direction, and the Z direction represents the thrust play direction. The Y direction is the tangential direction of the circumference. As described above, the direction of the magnetic lines of force between the magnet 3 and the magnet 7 is almost parallel to the axial direction of the shaft 9 and is almost uniform. Even if it moves slightly in the X direction or the Z direction, the change in magnetic flux density sensed by the Hall element 5 is small. Since the influence of the relative position change in the Y direction on the output is almost the same as that of a contact angle detector composed of a brush and a resistor, there is no particular problem. A structure in which the magnet is only on one side is also conceivable, but in this case, when the relative position of the Hall element moves slightly in the X direction or Z direction with respect to the magnet, the change in magnetic flux density sensed by the Hall element 5 is large. turn into.

マグネット7に対してX方向やZ方向に微小移動したとしても、ホール素子5が受感する磁束密度の変化はほとんどないが、厳密に全ての磁力線の向きがシャフト9と平行に形成されている訳ではなく、マグネット表面は磁束密度が不安定である。上下二つのマグネット3,7の真中付近にホール素子5の受感部がある時、マグネットに対してホール素子の位置が上下方向(スラスト方向)あるいは径方向(ラジアル方向)に移動した時の影響が最も少ない。   Even if the magnet 7 is slightly moved in the X direction or the Z direction, there is almost no change in the magnetic flux density perceived by the Hall element 5, but strictly all magnetic lines of force are formed in parallel with the shaft 9. However, the magnetic flux density is unstable on the magnet surface. When there is a sensing part of the Hall element 5 near the middle of the upper and lower magnets 3, 7, the effect of the position of the Hall element moving in the vertical direction (thrust direction) or radial direction (radial direction) relative to the magnet Is the least.

図4は、マグネットに対するホール素子の相対位置をZ方向に微小変化させた時の変化率の実測値を表わすグラフである。Z方向の0点はホール素子受感部が上下マグネットの中間に位置する地点を指している。パラメータはマグネットに対するホール素子の相対位置をX方向に微小変化させた時のホール素子受感部のシャフト中心からの相対距離とし、7通り取ってある。図4のグラフから明らかな様に、0.2mm程度のスラストガタに対し、ホール出力の変化率は0.5%以下である。   FIG. 4 is a graph showing measured values of the rate of change when the relative position of the Hall element with respect to the magnet is slightly changed in the Z direction. The zero point in the Z direction indicates the point where the Hall element sensing part is located between the upper and lower magnets. The parameters are the relative distances from the shaft center of the Hall element sensing part when the relative position of the Hall element with respect to the magnet is slightly changed in the X direction. As is clear from the graph of FIG. 4, the change rate of the Hall output is 0.5% or less with respect to a thrust backlash of about 0.2 mm.

図5のグラフは図4のグラフと逆で、マグネットに対するホール素子の相対位置をX方向に微小変化させた時の変化率の実測値を表わしている。パラメータはZ方向の相対距離を6通り取ってある。グラフから明らかな様に、ラジアルガタに対しても本角度検出装置は出力変動が少ない。   The graph of FIG. 5 is the reverse of the graph of FIG. 4 and shows the measured value of the rate of change when the relative position of the Hall element with respect to the magnet is slightly changed in the X direction. The parameter has six relative distances in the Z direction. As is apparent from the graph, the angle detection apparatus has little output fluctuation even for radial backlash.

図6は、図1に示した角度検出装置の分解斜視図である。図示する様に、シャフト9はフランジ9Sを境にしてシャフト上部9Tとシャフト下部9Rに分かれている。シャフト上部9Tには図示の各部品が組み込まれる一方、シャフト下部9Rは図7に示すケースに組み込まれる。マグネット7は軸方向着磁されており、着磁した時に着磁ヨーク側だった面にヨーク板8が接合している。マグネット3も同様に軸方向着磁されており、着磁した時に着磁ヨーク側だった面にヨーク板2が接合している。マグネット3とマグネット7はヨーク板2とヨーク板8が付いていない面を互いに向き合わせてシャフト上部9Tに取り付けられる。マグネット3とマグネット7の回転方向の相対位置関係は、マグネット3とマグネット7の磁極が上下で互いに異なる様に配置している。マグネット3とマグネット7の間にカラー4が装着されている。カラー4の周りにホール素子5が装着された基板6を、カラー4の外周に接しない様に配置してある。基板6はケース12に取り付けられており、シャフト9が回転してもカラー4やマグネット3,7に接触することがなく、いわゆる非接触構造となっている。ホール素子5の受感部の上下方向の位置は、マグネット3とマグネット7のちょうど真中に配置されている。ケース12の上端面をカバーする様に、蓋1が取り付けられている。ケースの外周よりも基板6の一部が外側に突出している。基板6の外に突出している部分には、ホール素子5の電気的な入出力を行う端子が形成されている。検出角が120度を超えて必要な時、図示の様にホール素子5は回路基板6に2個90度の間隔をおいて搭載してある。検出角が120度を超えない場合、ホール素子5は1つでよい。   FIG. 6 is an exploded perspective view of the angle detection apparatus shown in FIG. As shown in the figure, the shaft 9 is divided into an upper shaft portion 9T and a lower shaft portion 9R with a flange 9S as a boundary. The components shown in the drawing are incorporated into the shaft upper portion 9T, while the shaft lower portion 9R is incorporated into the case shown in FIG. The magnet 7 is magnetized in the axial direction, and a yoke plate 8 is joined to the surface that was on the magnetized yoke side when magnetized. The magnet 3 is similarly magnetized in the axial direction, and the yoke plate 2 is joined to the surface that was on the magnetized yoke side when magnetized. The magnet 3 and the magnet 7 are attached to the shaft upper portion 9T with the surfaces without the yoke plate 2 and the yoke plate 8 facing each other. The relative positional relationship in the rotational direction of the magnet 3 and the magnet 7 is arranged so that the magnetic poles of the magnet 3 and the magnet 7 are different from each other in the vertical direction. A collar 4 is mounted between the magnet 3 and the magnet 7. The substrate 6 on which the Hall element 5 is mounted around the collar 4 is arranged so as not to contact the outer periphery of the collar 4. The substrate 6 is attached to the case 12 and does not come into contact with the collar 4 or the magnets 3 and 7 even when the shaft 9 rotates, and has a so-called non-contact structure. The vertical position of the sensing part of the Hall element 5 is arranged in the middle between the magnet 3 and the magnet 7. The lid 1 is attached so as to cover the upper end surface of the case 12. A part of the substrate 6 protrudes outward from the outer periphery of the case. A terminal that performs electrical input / output of the Hall element 5 is formed in a portion that protrudes outside the substrate 6. When the detection angle needs to exceed 120 degrees, two hall elements 5 are mounted on the circuit board 6 with an interval of 90 degrees as shown in the figure. When the detection angle does not exceed 120 degrees, one Hall element 5 is sufficient.

図7は、図6に示したシャフト下部9Rが挿入されるケース周りの分解斜視図である。ケース12に一対のメタル軸受11,12が装着されている為、シャフト9がケース12に対して回動可能な構造となっている。シャフト9はCリング15によってスラスト方向に脱落しない構造となっている。ワッシャ10とワッシャ14でスラストガタを調整している。尚、場合によってはメタル軸受は1つでもよい。又ワッシャ10とワッシャ14は省略してもよい。   FIG. 7 is an exploded perspective view around the case where the shaft lower portion 9R shown in FIG. 6 is inserted. Since the pair of metal bearings 11 and 12 are attached to the case 12, the shaft 9 is structured to be rotatable with respect to the case 12. The shaft 9 has a structure that does not fall off in the thrust direction by the C ring 15. The thrust backlash is adjusted by the washer 10 and the washer 14. In some cases, one metal bearing may be used. The washer 10 and the washer 14 may be omitted.

本発明に係る角度検出装置の縦断面図及び角度検出装置に組み込まれるマグネットの着磁方法を示す模式図である。It is the longitudinal cross-sectional view of the angle detection apparatus which concerns on this invention, and the schematic diagram which shows the magnetizing method of the magnet integrated in an angle detection apparatus. 本発明に係る角度検出装置の出力特性を示すグラフである。It is a graph which shows the output characteristic of the angle detection apparatus which concerns on this invention. ホール素子とマグネットとの位置関係を表わす模式図である。It is a schematic diagram showing the positional relationship of a Hall element and a magnet. スラストガタに対する出力変動を示すグラフである。It is a graph which shows the output fluctuation | variation with respect to thrust backlash. ラジアルガタに対する出力変動を表わすグラフである。It is a graph showing the output fluctuation | variation with respect to radial backlash. 本発明に係る角度検出装置の分解斜視図である。It is a disassembled perspective view of the angle detection apparatus which concerns on this invention. 本発明に係る角度検出装置の分解斜視図である。It is a disassembled perspective view of the angle detection apparatus which concerns on this invention. 軸方向矩形波着磁を示す模式的な斜視図である。It is a typical perspective view which shows axial direction rectangular wave magnetization. 軸方向矩形波着磁を示す模式的な波形図である。It is a typical wave form diagram which shows an axial rectangular wave magnetization.

符号の説明Explanation of symbols

1・・・蓋、2・・・ヨーク板、3・・・マグネット、4・・・カラー、5・・・ホール素子、6・・・基板、7・・・マグネット、8・・・ヨーク板、9・・・シャフト、10・・・ワッシャ、11・・・メタル軸受、12・・・ケース、13・・・メタル軸受、14・・・ワッシャ、15・・・Cリング DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Lid, 2 ... York plate, 3 ... Magnet, 4 ... Collar, 5 ... Hall element, 6 ... Substrate, 7 ... Magnet, 8 ... Yoke plate , 9 ... Shaft, 10 ... Washer, 11 ... Metal bearing, 12 ... Case, 13 ... Metal bearing, 14 ... Washer, 15 ... C-ring

Claims (4)

ケースと、該ケースに対して回動自在に取り付けられたシャフトと、その回転軸方向に離間して該シャフトに固定された一対の円盤形状のマグネットと、該一対のマグネットの間に位置し且つホール素子を搭載して該ケースに保持された基板とを備え、
該シャフトが回動するとその角度に応じて該ホール素子の出力電圧が変化する角度検出装置において、
各マグネットは、円盤形状の厚み方向に着磁されており、且つ円盤形状の直径に沿った磁極境界線で区分された各半円部分が互いに反対方向に着磁されており、
両マグネットは互いに対面する対向面側の磁極が互いに逆になっており、
両マグネットの互いに対面しない反対面側にはヨーク板が取り付けられていることを特徴とする角度検出装置。
A case, a shaft rotatably attached to the case, a pair of disk-shaped magnets fixed to the shaft so as to be spaced apart from each other in the rotation axis direction, and positioned between the pair of magnets; A Hall element mounted thereon and a substrate held in the case,
In the angle detection device in which the output voltage of the Hall element changes according to the angle when the shaft rotates,
Each magnet is magnetized in the thickness direction of the disk shape, and each semicircular part divided by the magnetic pole boundary along the diameter of the disk shape is magnetized in the opposite direction,
Both magnets have opposite magnetic poles facing each other,
An angle detection device, wherein a yoke plate is attached to opposite sides of the magnets that do not face each other.
各マグネットは、軸方向矩形波着磁用ヨークと円筒形バックヨークとを用いて着磁されたものであって、該軸方向矩形波着磁用ヨークにマグネットをセットし、そのマグネットの上に該円筒形バックヨークの円筒軸を磁極境界線と直交する方向に配置して着磁することによって、マグネットの磁極境界線付近の磁束密度変化をなだらかにし、マグネットを円周方向に回動させた時の角度に対してマグネット平面の磁束密度が正弦波或いは三角波に近い形状に変化することを特徴とする請求項1記載の角度検出装置。 Each magnet is magnetized using an axial rectangular wave magnetizing yoke and a cylindrical back yoke. A magnet is set on the axial rectangular wave magnetizing yoke, and the magnet is placed on the magnet. By arranging and magnetizing the cylindrical axis of the cylindrical back yoke in a direction perpendicular to the magnetic pole boundary, the magnetic flux density change in the vicinity of the magnetic pole boundary of the magnet is smoothed, and the magnet is rotated in the circumferential direction. 2. The angle detection device according to claim 1, wherein the magnetic flux density on the magnet plane changes to a shape close to a sine wave or a triangular wave with respect to the angle of time. 前記基板は該円盤形状のマグネットの円周方向に90度離間して配された二個のホール素子を搭載しており、120度を超える範囲で該シャフトが回動する角度を検出することを特徴とする請求項1記載の角度検出装置。 The substrate is equipped with two Hall elements arranged 90 degrees apart in the circumferential direction of the disk-shaped magnet, and detects the angle at which the shaft rotates within a range exceeding 120 degrees. The angle detection device according to claim 1, wherein 前記基板は一個のホール素子を搭載しており、120度を超えない範囲で該シャフトが回動する角度を検出することを特徴とする請求項1記載の角度検出装置。 2. The angle detection device according to claim 1, wherein the substrate has one Hall element mounted thereon, and detects an angle at which the shaft rotates within a range not exceeding 120 degrees.
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