(57)【要約】【課題】一様で強い磁界強度を得ることができ、製造時の作業性がよく、回転可動範囲が制約されることもない、出力の直線範囲を拡大することが可能な回転角度検出器を得る。【解決手段】中空部１ｃを有する円筒状の磁石を第１の磁石１とする。円柱状の磁石を第２の磁石２とする。第１の磁石１の中空部１ｃにその極性を逆として第２の磁石２を嵌合する。第１の磁石１の上端面１ａと第２の磁石２の上端面２ａとで作られる放射状の磁界の発生面ＰＬ０から所定距離ｚ離間した平行面ＰＬ１上に磁気抵抗素子３を配置する。放射状の磁界の発生中心Ｏ１から距離Ｒ離間した位置を回転軸４の軸心Ｏ２とする。回転軸４の軸心Ｏ２を中心としてその発生中心Ｏ１が回転する放射状の磁界の方向を回転軸４の軸心Ｏ２に対して偏心した位置（Ｏ２から所定距離ｒ離れた位置）で検出する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
中心に中空部を有する軸方向に着磁された円筒状の第１の磁石と、
前記第１の磁石の中空部にその極性を逆として嵌合され一体化された軸方向に着磁された円柱状の第２の磁石と、
前記第１の磁石の端面と前記第２の磁石の端面とで作られる放射状の磁界の発生面から所定距離離間した平行面上に配置され、前記放射状の磁界の発生中心から所定距離離間した位置を回転軸の軸心とし、この回転軸の軸心を中心としてその発生中心が相対的に回転する前記放射状の磁界の方向を前記回転軸の軸心に対して偏心した位置で検出する磁気抵抗素子と
を備えることを特徴とする回転角度検出器。
【請求項２】
請求項１に記載された回転角度検出器において、
前記磁気抵抗素子が固定され、
前記一体化された第１の磁石と第２の磁石とが前記回転軸の軸心を中心として回転する
ことを特徴とする回転角度検出器。
【請求項３】
請求項１に記載された回転角度検出器において、
前記一体化された第１の磁石と第２の磁石とが固定され、
前記磁気抵抗素子が前記回転軸の軸心を中心として回転する
ことを特徴とする回転角度検出器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、磁気抵抗素子を用いて被検出物の回転角を検出する回転角度検出器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、各種部材間の相対的な回転角度を非接触で検出する回転角度検出器として、磁気抵抗素子を利用した角度センサがある。この角度センサは基板面に磁気抵抗素子を備え、この磁気抵抗素子が配置されている基板面と平行な磁界の方向が変化すると、それに応じて磁気抵抗素子の抵抗値が変化する。この磁気抵抗素子の抵抗値の変化から磁界の方向を検出することができ、この磁界の方向から各種部材間の相対的な回転角度を検出することが可能となる（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
この磁気抵抗素子を用いた角度センサは、磁気抵抗素子の出力の周期が磁界の角度に対して１８０゜の正弦波となるため（図１３参照）、絶対角センサとして利用できる角度範囲（角度と出力が１対１になる角度範囲）は、出力の山と谷との間の最大９０゜の範囲しかない。なお、現実的には、山部や谷部は出力感度、直線性が得られないため、使用できる角度範囲は４０゜程度の範囲しかない。
【０００４】
そこで、例えば特許文献２に、磁気抵抗素子の出力の角度範囲（直線範囲）を広げるようにした回転角度検出器が示されている。この特許文献２に示された回転角度検出器では、その概略を図１４に示すように、リング状のヨーク１００の内壁面１００ａに磁石２００を接合し、さらにこのヨーク１００の中心Ｐと磁気抵抗素子３００を搭載したロータ（図示せず）の回転中心とを合わせるとともに、磁気抵抗素子３００の位置を回転中心Ｐから距離ｒだけ離間させた位置としている。
【０００５】
このような構造とすることにより、特許文献２に示された回転角度検出器では、ロータの回転角度θｍと磁気抵抗素子３００が受ける磁界の角度θｓがθｓ＜θｍという関係になり、磁気抵抗素子３００の出力の直線範囲を拡大することができる。また、磁気抵抗素子３００の回転半径ｒやヨーク１００の半径Ｒなどを変えることにより、磁気抵抗素子３００の出力の直線範囲を任意に変化させることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平１１−８３４２２号公報
【特許文献２】特開２００１−９１２０８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、この特許文献２に示された回転角度検出器では、次のような問題がある。
(１)磁石２００がヨーク１００の内壁面１００ａ側に突出しているため、磁気抵抗素子３００との干渉により、ロータの回転可動範囲が制約される。
(２)ヨーク１００の内壁面１００ａへの磁石２００の接合位置に精度が求められ、作業性が悪い。
(３)磁石２００がヨーク１００に偏って設けられているので、磁石２００に近いところと遠いところでは磁界強度が異なり、遠いところでは十分な磁界強度が得られない可能性がある。
【０００８】
本発明は、このような課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、一様で強い磁界強度を得ることができ、製造時の作業性がよく、回転可動範囲が制約されることもない、磁気抵抗素子の出力の直線範囲を拡大することが可能な回転角度検出器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
このような目的を達成するために本発明は、中心に中空部を有する軸方向に着磁された円筒状の第１の磁石と、第１の磁石の中空部にその極性を逆として嵌合され一体化された軸方向に着磁された円柱状の第２の磁石と、第１の磁石の端面と第２の磁石の端面とで作られる放射状の磁界の発生面から所定距離離間した平行面上に配置され、放射状の磁界の発生中心から所定距離離間した位置を回転軸の軸心とし、この回転軸の軸心を中心としてその発生中心が相対的に回転する放射状の磁界の方向を回転軸の軸心に対して偏心した位置で検出する磁気抵抗素子とを備えることを特徴とする。
【００１０】
この発明において、第１の磁石は、中心に中空部を有する軸方向に着磁された円筒状の磁石とされる。例えば、第１の磁石は、その軸方向の一端（上端面）の極性がＳ極とされ、その軸方向の他端（下端面）の極性がＮ極とされる。一方、第２の磁石は、軸方向に着磁された円柱状の磁石とされる。例えば、第２の磁石は、その軸方向の一端（上端面）の極性がＮ極とされ、その軸方向の他端（下端面）の極性がＳ極とされる。
【００１１】
そして、第１の磁石の中空部にその極性を逆として第２の磁石を嵌合することにより、第１の磁石と第２の磁石とが一体化される。例えば、第１の磁石の上端面の極性がＳ極、下端面の極性がＮ極、第２の磁石の上端面の極性がＮ極、下端面の極性がＳ極であった場合、第１の磁石の上端面（Ｓ極）と第２の磁石の上端面（Ｎ極）とを合わせるようにして、また第１の磁石の下端面（Ｎ極）と第２の磁石の下端面（Ｓ極）とを合わせるようにして、第１の磁石の中空部に第２の磁石を嵌合し、第１の磁石と第２の磁石とを一体化する。
【００１２】
この場合、第１の磁石の中空部に第２の磁石を挿入すると、極性が互い違いとなっていることから、磁気吸引によって第２の磁石が第１の磁石の中空部に吸い込まれ、第１の磁石と第２の磁石とが磁気吸着される。また、第１の磁石の上端面（Ｓ極）と第２の磁石の上端面（Ｎ極）との間に放射状の磁界が発生する。同様に、第１の磁石の下端面（Ｎ極）と第２の磁石の下端面（Ｓ極）との間に放射状の磁界が発生する。
【００１３】
本発明では、このようにして第１の磁石と第２の磁石とを一体化させ、第１の磁石の端面と第２の磁石の端面との間に放射状の磁界を発生させ、この放射状の磁界の発生面から所定距離離間した平行面上に磁気抵抗素子を配置する。例えば、第１の磁石の上端面（Ｓ極）と第２の磁石の上端面（Ｎ極）との間に作られる放射状の磁界の発生面から所定距離離間した平行面上に磁気抵抗素子を配置する。そして、放射状の磁界の発生中心から所定距離離間した位置を回転軸の軸心とし、この回転軸の軸心を中心としてその発生中心が相対的に回転する放射状の磁界の方向を回転軸の軸心に対して偏心した位置で検出する。この場合、回転軸の回転角度θｍと磁気抵抗素子が受ける磁界の角度θｓとの間には、θｓ＜θｍという関係が成り立つものとなる。
【００１４】
なお、本発明では、磁気抵抗素子を固定し、一体化された第１の磁石と第２の磁石とを回転軸の軸心を中心として回転させるようにしてもよく、一体化された第１の磁石と第２の磁石とを固定し、磁気抵抗素子を回転軸の軸心を中心として回転させるようにしてもよい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、中心に中空部を有する軸方向に着磁された円筒状の磁石を第１の磁石とし、軸方向に着磁された円柱状の磁石を第２の磁石とし、第１の磁石の中空部にその極性を逆として第２の磁石を嵌合して第１の磁石と第２の磁石とを一体化し、第１の磁石の端面と第２の磁石の端面とで作られる放射状の磁界の発生面から所定距離離間した平行面上に磁気抵抗素子を配置し、放射状の磁界の発生中心から所定距離離間した位置を回転軸の軸心とし、この回転軸の軸心を中心としてその発生中心が相対的に回転する放射状の磁界の方向を回転軸の軸心に対して偏心した位置で検出するようにしたので、回転軸の回転角度θｍと磁気抵抗素子が受ける磁界の角度θｓとの間にθｓ＜θｍという関係を成り立たせるようにして、磁気抵抗素子の出力の直線範囲を拡大することが可能となる。
【００１６】
また、本発明によれば、第１の磁石の端面と第２の磁石の端面とで作られる放射状の磁界の発生面から所定距離離間した平行面上に磁気抵抗素子を配置しているので、一様で強い放射状の磁界を磁気抵抗素子に作用させることができ、磁界の強さのムラを小さくすることが可能となる。また、放射状の磁界の方向の検出に際し、磁気抵抗素子と干渉するものはなく、回転軸の回転可動範囲が制約されることもない。また、第１の磁石と第２の磁石とを一体化する場合、第１の磁石の中空部にその極性を逆として第２の磁石を嵌合するだけでよく、またこの嵌合に際して厳しい位置決め精度も求められず、製造時の組み付け工程の作業性が格段によいものとなる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明に係る回転角度検出器の一実施の形態の要部を示す図である。
【図２】この回転角度検出器に用いる第１の磁石を示す斜視図である。
【図３】この回転角度検出器に用いる第２の磁石を示す斜視図である。
【図４】第１の磁石の中空部へ第２の磁石を嵌合する様子を示す図である。
【図５】第１の磁石の上端面と第２の磁石の上端面との間の放射状の磁界の発生状況を示す図である。
【図６】回転軸の軸心を中心として放射状の磁界の発生中心が回転する様子を示す図である。
【図７】回転軸の軸心を中心として放射状の磁界の発生中心が回転する様子と合わせて磁気抵抗素子の出力の直線範囲が拡大される様子を示す図である。
【図８】磁気抵抗素子の回転軸の軸心からの距離ｒと回転軸の軸心の放射状の磁界の発生中心からの距離Ｒとの比率（ｒ／Ｒ）を変化させることによって磁気抵抗素子の出力の直線範囲が変化する様子を示す図である。
【図９】この回転角度検出器の回路構成の要部を示す図である。
【図１０】この回転角度検出器に用いる磁気抵抗素子の形状を示す図である。
【図１１】本発明に係る回転角検出器を使用した調節弁制御システムのシステム構成図である。
【図１２】電空ポジショナの角度センサと調節弁の配置関係を示す図である。
【図１３】周期が磁界の角度に対して１８０゜の正弦波となる磁気抵抗素子の出力を示す図である。
【図１４】特許文献２に示された回転角度検出器の概略を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明を図面に基づいて詳細に説明する。図１はこの発明に係る回転角度検出器の一実施の形態の要部を示す図であり、同図（ａ）は平面図、同図（ｂ）は側面図である。図１にはその構成を概略的に示している。
【００１９】
図１において、１は中心に中空部１ｃを有する円筒状の磁石（第１の磁石）であり、第１の磁石１はその軸方向に着磁されている。この例では、図２にその外観図を示すように、上端面１ａの極性がＳ極、下端面１ｂの極性がＮ極とされている。
【００２０】
２は円柱状の磁石（第２の磁石）である。この第２の磁石２も軸方向に着磁されている。この例では、図３にその外観図を示すように、上端面２ａの極性がＮ極、下端面２ｂの極性がＳ極とされている。第２の磁石２の外径φ２は第１の磁石１の中空部１ｃの径φ１よりも僅かに小さくされている。
【００２１】
この回転角度検出器１０では、図４に示すように、第１の磁石１の中空部１ｃにその極性を逆として第２の磁石２を嵌合することにより、第１の磁石１と第２の磁石２とが一体化されている。すなわち、第１の磁石１の上端面１ａ（Ｓ極）と第２の磁石２の上端面２ａ（Ｎ極）とを合わせるようにして、また第１の磁石１の下端面（Ｎ極）１ｂと第２の磁石２の下端面（Ｓ極）２ｂとを合わせるようにして、第１の磁石１の中空部１ｃに第２の磁石２を嵌合することによって、第１の磁石１と第２の磁石２とを一体化させている。
【００２２】
この場合、第１の磁石１の中空部１ｃに第２の磁石２を挿入すると、極性が互い違いとなっていることから、磁気吸引によって第１の磁石１の中空部１ｃに第２の磁石２が吸い込まれ、第１の磁石１と第２の磁石２とが磁気吸着される。本実施の形態において、第２の磁石２の外径φ２は第１の磁石１の中空部１ｃの径φ１よりも僅かに小さくされており、第１の磁石１と第２の磁石２との間の隙間は僅かである。すなわち、第２の磁石２は第１の磁石１の中空部１ｃに隙間無く挿入されることから、第１の磁石１と第２の磁石２とは強固な磁気吸着力で一体化された状態を維持する。
【００２３】
また、第１の磁石１と第２の磁石２とを一体化させると、第１の磁石１の上端面１ａ（Ｓ極）と第２の磁石２の上端面２ａ（Ｎ極）との間に放射状の磁界が発生する。同様に、第１の磁石１の下端面１ｂ（Ｎ極）と第２の磁石２の下端面２ｂ（Ｓ極）との間にも放射状の磁界が発生する。図５に第１の磁石１の上端面１ａ（Ｓ極）と第２の磁石２の上端面２ａ（Ｎ極）との間の放射状の磁界の発生状況を示す。
【００２４】
この回転角度検出器１０では、第１の磁石１の上端面１ａと第２の磁石の上端面２ａとで放射状の磁界の発生面ＰＬ０が形成されており、この放射状の磁界の発生面ＰＬ０から所定距離ｚ離間した平行面ＰＬ１上に磁気抵抗素子３が配置されている。この磁気抵抗素子３は、基板（図示せず）上に設けられ、固定されている。
【００２５】
図１において、Ｏ１は一体化された磁石１，２の中心である。この一体化された磁石１，２の中心Ｏ１は放射状の磁界の発生中心でもある。Ｏ２は一体化された磁石１，２に連結された回転軸４の軸心である。この例において、回転軸４は一体化された磁石１，２の下端面に接合されており、回転軸４の軸心Ｏ２は放射状の磁界の発生中心Ｏ１から所定距離Ｒ離間した位置とされている。また、磁気抵抗素子３は、回転軸４の軸心Ｏ２から所定距離ｒ離間した位置に設けられている、なお、Ｏ３は磁気抵抗素子３の中心である。磁気抵抗素子３の構成については後述する。
【００２６】
この回転角度検出器１０では、回転軸４の軸心Ｏ２を中心として一体化された磁石１，２が回転する。これにより、回転軸４の軸心Ｏ２を中心として放射状の磁界の発生中心Ｏ１が回転する（図６参照）。この回転角度検出器１０において、磁気抵抗素子３の中心Ｏ３は回転軸４の軸心Ｏ２から所定距離ｒ離間した位置とされている。これにより、磁気抵抗素子３は、回転軸４の軸心Ｏ２を中心としてその発生中心Ｏ１が回転する放射状の磁界の方向を回転軸４の軸心Ｏ２に対して偏心した位置（回転軸４の軸心Ｏ２から所定距離ｒ離間した位置）で検出する。
【００２７】
このとき、磁気抵抗素子３が受ける磁界の角度θｓは回転軸４の回転角度θｍに対して、ｔａｎθｓ＝ｓｉｎθｍ／〔（ｒ／Ｒ）＋ｃｏｓθｍ〕という関係となる。すなわち、回転軸４の回転角度θｍと磁気抵抗素子３が受ける磁界の角度θｓとの間には、θｓ＜θｍという関係が成り立つものとなる。
【００２８】
この回転角度検出器１０では、θｓ＜θｍという関係が成り立ち、磁気抵抗素子３が受ける磁界の角度θｓが実際の回転軸４の回転角度θｍより小さくなる。これにより、図７に特性IIとして示すように、磁気抵抗素子３の出力の直線範囲が拡大されるものとなる。なお、図７において、特性Ｉはθｓ＝θｍの場合の特性である。また、ｒ／Ｒを変化させることによって、図８に特性II〜Ｖとして示すように、ピーク角範囲を変化させて、磁気抵抗素子３の出力の直線範囲を変化させることもできる。なお、図８において、特性Ｉはｒ／Ｒ＝０の場合の特性である。
【００２９】
また、この回転角度検出器１０では、第１の磁石１の上端面２ａと第２の磁石２の上端面２ｂとで作られる放射状の磁界の発生面ＰＬ０から所定距離ｚ離間した平行面ＰＬ１上に磁気抵抗素子３を配置しているので、一様で強い放射状の磁界を磁気抵抗素子３に作用させることができ、磁界の強さのムラを小さくすることが可能となる。また、放射状の磁界の方向の検出に際し、磁気抵抗素子３と干渉するものはなく、回転軸４の回転可動範囲が制約されることもない。また、第１の磁石１と第２の磁石２とを一体化する場合、第１の磁石１の中空部１ｃにその極性を逆として第２の磁石２を嵌合するだけでよく、またこの嵌合に際して厳しい位置決め精度も求められず、製造時の組み付け工程の作業性が格段によいものとなる。
【００３０】
なお、上述した実施の形態では、一体化された磁石１，２の下端面に回転軸４を接合するようにしたが、磁石１，２をホルダに収容し、このホルダに回転軸４を接合するようにしてもよい。また、一体化された磁石１，２の上端面に回転軸４を接合し、一体化された磁石１，２の下端面側に磁気抵抗素子３を配置するようにしてもよい。
【００３１】
また、上述した実施の形態では、磁気抵抗素子３を固定とし、一体化された磁石１，２を回転軸４の軸心Ｏ２を中心として回転させるようにしたが、一体化された磁石１，２を固定とし、磁気抵抗素子３が搭載された基板を回転軸４の軸心Ｏ２を中心として回転させるようにしてもよい。
【００３２】
本実施の形態のように、磁気抵抗素子３を固定とし、一体化された磁石１，２を回転軸４の軸心Ｏ２を中心として回転させるようにすると、磁気抵抗素子３を搭載した基板は動くことなく、しっかり固定でき、回転軸４の接合位置を変更するだけで、多様な出力特性を持たすことができ、同一の部品で様々な仕様に対応することが可能となる。
【００３３】
〔回転角度検出器の回路構成〕
図９はこの回転角度検出器１０の回路構成の要部を示す図である。同図において、３−１〜３−４は強磁性体の薄膜抵抗であり、ブリッジ接続されている。強磁性体の薄膜抵抗３−１〜３−４は基板面に磁気抵抗パターンとして形成されている。このブリッジ接続された強磁性体の薄膜抵抗（磁気抵抗パターン）３−１〜３−４によって磁気抵抗素子３が構成されている。
【００３４】
この回転角度検出器１０において、磁気抵抗パターン３−１〜３−４よりなる磁気抵抗素子３は、図１０に示されるように、強磁性体からなる線状電極をつづら折りで連なるようにほゞ角形に形成した抵抗パターンを１つの磁気抵抗パターンとし、４つの磁気抵抗パターンをブリッジ接続した形とされている。
【００３５】
この回転角度検出器１０は、定電流Ｉによって駆動され、磁気抵抗パターン３−１と３−４との接続点と磁気抵抗パターン３−２と３−３との接続点との間に生じる電圧をＶｏｕｔとして検出する。この場合、磁気抵抗パターン３−１の抵抗値をＲ１、磁気抵抗パターン３−２の抵抗値をＲ２、磁気抵抗パターン３−３の抵抗値をＲ３、磁気抵抗パターン３−４の抵抗値をＲ４とすると、検出電圧Ｖｏｕｔは、
Ｖｏｕｔ＝Ｉ×（Ｒ２×Ｒ４−Ｒ１×Ｒ３）／（Ｒ１＋Ｒ２＋Ｒ３＋Ｒ４）  ・・（１）
として表される。
【００３６】
〔調節弁制御システム〕
図１１は本発明に係る回転角度検出器を使用した調節弁制御システムのシステム構成図である。同図において、１１は上位コントローラ、１２は調節弁、１３は調節弁１２の弁開度を制御する電空ポジショナである。
【００３７】
電空ポジショナ１３は、電空変換部１３−１とパイロットリレー１３−２と角度センサ１３−３を備えており、上位コントローラ１１からの設定開度情報および調節弁１２からの角度センサ１３−３を介する実開度情報に基づいて駆動制御信号を生成し、この駆動制御信号を電空変換部１３−１にて空気圧信号に変換し、パイロットリレー１３−２を介して調節弁１２へ与え、調節弁１２の開度を制御する。
【００３８】
角度センサ１３−３は、調節弁１２の弁開度をフィードバックレバー（図１２に示す１４）の回転角度位置として検出するセンサであり、この角度センサ１３−３として本発明に係る回転角度検出器を用いている。
【００３９】
図１２は電空ポジショナ１３の角度センサ１３−３と調節弁１２との配置関係を示す図である。調節弁１２は駆動部１２Ａと弁軸１２Ｂと弁１２Ｃとを備えている。駆動部１２Ａは、ダイアフラムを有してなり、電空ポジショナ１３からの導入空気圧に応じ弁軸１２Ｂを上下動させて、弁１２Ｃの開度を調整する。
【００４０】
この弁軸１２Ｂのリフト位置、すなわち弁１２Ｃの開度を検出するべく、角度センサ１３−３と弁軸１２Ｂとの間にフィードバックレバー１４が連結されている。フィードバックレバー１４は、弁軸１２Ｂのリフト位置に応じて角度センサ１３−３の中心Ｏ２を軸心として、回動する。このフィードバックレバー１４の回転角度位置から弁１２Ｃの開度を知ることができる。
【００４１】
〔実施の形態の拡張〕
以上、実施の形態を参照して本発明を説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではない。本発明の構成や詳細には、本発明の技術思想の範囲内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。
【符号の説明】
【００４２】
１…磁石（第１の磁石）、１ａ…上端面、１ｂ…下端面、１ｃ…中空部、２…磁石（第２の磁石）、２ａ…上端面、２ｂ…下端面、３…磁気抵抗素子、４…回転軸、１０…回転角度検出器。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図４】
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【図５】
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