(57)【要約】【課題】  検出精度を落とすことなく、信頼性・耐久性を高めることのできる角度センサを提供することを目的とする。【解決手段】  従来より高強度なリードスイッチ１４、および従来のフェライト磁石より強力な金属磁石からなる永久磁石１２を用いた角度センサ１０において、２〜７ｎｍといった微小な平均粒径を有した磁性体微粒子を含む磁性流体１３を採用することで、磁性体微粒子の偏析が生じるのを防止する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ケース内で傾斜角度の変化に応じて移動する永久磁石と、
前記ケース内に収められ、平均粒径が２ｎｍ以上７ｎｍ未満の磁性体微粒子を含む磁性流体と、
前記ケース外に設けられ、前記永久磁石の移動にともなって反応する磁気感応素子と、
を備えることを特徴とする角度センサ。
【請求項２】
前記永久磁石は、希土類永久磁石であることを特徴とする請求項１に記載の角度センサ。
【請求項３】
ケース内で移動自在に収められた希土類永久磁石と、
前記ケース内に前記希土類永久磁石とともに収められ、当該希土類永久磁石を浮上状態に保持する磁性流体と、
前記ケース内での前記希土類永久磁石の移動にともなって電気信号を発するスイッチと、
を備えることを特徴とする角度センサ。
【請求項４】
前記角度センサを１２時間以上静止状態に保った時点で、前記スイッチが前記電気信号を発するときの前記希土類永久磁石の移動量が、初期状態に対し±５％未満の範囲内であることを特徴とする請求項３に記載の角度センサ。
【請求項５】
前記磁性流体は、前記角度センサを１２時間以上静止状態に保った時点で、前記希土類永久磁石によって前記磁性流体に含まれる磁性体微粒子の偏析を生じないものであることを特徴とする請求項３または４に記載の角度センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、角度センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の角度センサには、永久磁石および磁性流体を用いたものがある。このような角度センサは、ケース内で、永久磁石の磁力に磁性流体が引き寄せられることでケースと永久磁石の間に磁性流体が入り込み、磁性流体上に永久磁石が浮上した状態となっている。また、ケースを挟んで永久磁石と対向する位置には、磁気感応素子（スイッチ）が設けられている。そして、このような角度センサが傾斜すると、ケース内で、永久磁石および磁性流体が重力によって移動し、これによって永久磁石から磁気感応素子に及ぼす磁気が変化する。この磁気の変化に応じてスイッチのＯＮ／ＯＦＦが切り替わることによって、傾斜の有無を検出できるのである（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
【特許文献１】特公平７−１１３５５１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、上記したような構造の角度センサにおいて、より高い信頼性、耐久性が要求された。
信頼性、耐久性を高めようとした場合、角度センサにおいて、特にリードスイッチによって構成される磁気感応素子の強度を高め、大電流に対応できるようにする必要がある。リードスイッチは、弾性を有した一対のスイッチ片が、永久磁石から受ける磁気に応じて弾性変形して接触／離間することで、ＯＮ／ＯＦＦを切り替える構造である。このように可動部分を構成するスイッチ片が変形・破損等した場合には、角度センサとしての機能が損なわれてしまう。
このため、リードスイッチの強度を高めることが考えられるが、強度が高められたリードスイッチを駆動するには、より大きな磁力（の変動）が必要となる。そこで、永久磁石を、磁気特性（特に残留磁束密度）が高く、強い磁場を発生する、いわゆる強力なものにするのが有効である。従来の角度センサは、残留磁束密度が３００〜４００ｍＴ程度のフェライト磁石を用いていたが、これを、残留磁束密度が遥かに高い、金属磁石等に変更するのである。
【０００５】
ところが、永久磁石を強力なものに変更すると、磁性流体上に浮上した永久磁石が沈下してしまうという問題が生じる。
図４（ａ）に示すように、磁性流体１は、溶媒２中に、磁性体微粒子３を分散させたもので、通常は、永久磁石４に引き寄せられた状態であっても、溶媒２に磁性体微粒子３が均一に分散した状態を保っている。しかし、永久磁石４を強力なものに変更すると、図４（ｂ）に示すように、溶媒２中で、磁性体微粒子３のみが永久磁石４に引き寄せられて偏析し、濃度勾配が生じてしまうのである。
その結果、図４（ｃ）に示すように、磁性体微粒子３が分散してしない（分散量が少ない）領域では、磁性体微粒子３が消失して溶媒２のみとなり、永久磁石４の磁力も及ばず、溶媒２が周囲に広がって永久磁石４が沈下してしまう。すると、永久磁石４と磁気感応素子との距離が近くなって磁気感応素子に与える磁場がさらに強くなり、磁気感応素子の応答性、つまり角度センサが反応する傾斜角度が変わってしまい、検出精度が低下してしまうのである。
【０００６】
このようにして、従来の技術では、磁気感応素子を構成するリードスイッチや永久磁石４を強力にしても、永久磁石４が沈下してしまえば角度センサ自体の精度が低下してしまうため、検出精度を落とすことなく、信頼性・耐久性を高めるのが困難であるのが実状であった。
本発明は、このような技術的課題に基づいてなされたもので、検出精度を落とすことなく、信頼性・耐久性を高めることのできる角度センサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
かかる目的のもと、本発明の角度センサは、ケース内で傾斜角度の変化に応じて移動する永久磁石と、ケース内に収められ、平均粒径が２ｎｍ以上７ｎｍ未満の磁性体微粒子を含む磁性流体と、ケース外に設けられ、永久磁石の移動にともなって反応する磁気感応素子と、を備えることを特徴とする。ここで、永久磁石は、残留磁束密度が９００ｍＴ以上であり、保磁力が高いものが好ましい。より具体的には、永久磁石を、金属磁石、例えばＳｍ−Ｃｏ系、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系等の希土類永久磁石とするのが好ましい。
【０００８】
磁性流体を磁気勾配のある磁場中に置いた時、分散している磁性体微粒子に対して磁気力が作用し、その結果として濃度の偏析が生ずる。作用する力の大きさは磁性体微粒子の磁気モ−メントと磁場勾配の積に比例する。使用する永久磁石の磁化の強さが大きい程、また平均粒径が大きくなるほど偏析が生じ易くなる傾向がある。また、分散した磁性体微粒子の数もまた、偏析の度合いに影響を及ぼしており、濃度(数密度)が高いほど偏析する割合が小さくなる。すなわち、粒子サイズが異なり、同じ飽和磁化を有する二つ磁性流体(体積濃度が同じ)を比較したときには、粒子サイズが小さい磁性流体の方が、粒子サイズが大きい磁性流体よりも、磁性体微粒子個々に生じる磁気モ−メントも小さく、また数密度が大きいため濃度の偏析は小さくなる。また、同じ粒子サイズで異なる飽和磁化を有する磁性流体の場合は飽和磁化の低い磁性流体のほうが濃度が低くなり偏析が起こりやすくなる。
従って、強い永久磁石を利用して偏析がないようにするには、磁性体微粒子のサイズを小さくするか、大きくても飽和磁化を上げるかどちらか考えられる。後者の場合、飽和磁化を上げると製造が難しくなるのと、粘性が高く、本発明のような磁気感応装置の応答性に悪影響を及ぼす点で不利になる。例えば平均１０ｎｍの粒子を有する磁性流体と平均５ｎｍを有する磁性流体（飽和磁化が同じ）を比較した場合に、飽和磁化はほぼ磁性流体中に含まれて磁性体微粒子の体積で決定されるので、後者のほうが前者に比較して８倍粒子の数が多く存在し、濃度(数密度)も高くなる。このことから前記サイズの磁性体微粒子をもつ磁性流体を使用することで、強力な磁力をもつ永久磁石を利用した場合でも、安定かつ高感度な角度特性を維持した大電流対応の角度センサが可能となる。
【０００９】
また、本発明は、ケース内で移動自在に収められた希土類永久磁石と、ケース内に希土類永久磁石とともに収められ、この希土類永久磁石を浮上状態に保持する磁性流体と、ケース内での希土類永久磁石の移動にともなって電気信号を発するスイッチと、を備えることを特徴とする角度センサとすることもできる。
このような角度センサでは、角度センサを１２時間以上静止状態に保った時点で、スイッチが電気信号を発するときの希土類永久磁石の移動量が、初期状態に対し±５％未満の範囲内であるのが好ましい。また、磁性流体は、角度センサを１２時間以上静止状態に保った時点で、希土類永久磁石によって磁性流体に含まれる磁性体微粒子の偏析を生じないものであるのが好ましい。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、強力な永久磁石を用いても、磁性流体の磁性体微粒子の偏析が生じるのを防止することができ、永久磁石が沈降するのを防止することができる。その結果、長期にわたって角度センサの感度が変化するのを抑止することができ、角度センサの信頼性、耐久性を高めることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、添付図面に示す実施の形態に基づいてこの発明を詳細に説明する。
図１、図２は、本実施の形態における角度センサ１０の構成を説明するための図である。
図１に示すように、角度センサ１０は、筒状の容器（ケース）１１内に、円板状の永久磁石１２、磁性流体１３、リードスイッチ（磁気感応素子、スイッチ）１４を収めた概略構成となっている。
容器１１内には、サポート部材１５を介し、カップ１６が保持されている。このカップ１６は、非磁性体、例えばアルミニウムで形成され、底面１６ａが湾曲した凹面となっており、このカップ１６内に永久磁石１２および磁性流体１３が収められている。永久磁石１２には、下面にのみ開口した、磁性体からなるヨーク１７が装着され、これによって磁界が下方にのみ出るようになっている。なお、カップ１６の上部は、蓋１８が、いわゆる金属間冷間圧接法等により、気密状に結合されている。
【００１２】
このようなカップ１６内において、磁性流体１３は永久磁石１２の磁力によって永久磁石１２の下面に引き寄せられ、永久磁石１２とカップ１６の底面１６ａとの間に進入し、これによって永久磁石１２は、磁性流体１３によってカップ１６の底面１６ａから浮上した状態で保持される。また、カップ１６の底面１６ａは湾曲した凹面であるため、磁性流体１３および永久磁石１２は、カップ１６の底面１６ａに沿って移動可能で、容器１１の中心軸線を鉛直に保った状態では、底面１６ａの中央に位置するようになっている。
【００１３】
カップ１６の下方には、基板２０がサポート部材１５のピン１５ａに保持されて設けられている。この基板２０には、リードスイッチ１４を構成する一対のスイッチ片２１、２２が設けられている。このリードスイッチ１４は、容器１１の中心軸線上に位置するように設けられている。スイッチ片２１、２２は、それぞれその基端部２１ａ、２２ａが基板２０に固定されており、接点となる先端部２１ｂ、２２ｂ側は、図示しないガラス製の真空容器内に位置し、スイッチ片２１、２２自体が有する弾性により変形可能となっている。また、スイッチ片２１、２２の基端部２１ａ、２２ａは、基板２０に固定された箇所において配線パターン２４、２５に電気的に接続されている。配線パターン２４、２５には、それぞれリード線２６、２７が接続されており、このリード線２６、２７は、容器１１外に導出されている。
【００１４】
このような構成の角度センサ１０は、磁性流体１３によって浮上した状態で保持される永久磁石１２が、容器１１の中心軸線上、つまりカップ１６の底面１６ａの中央部に位置する状態で、傾斜を検出する検出対象物にセットされる。この状態で、カップ１６の底面１６ａの中央部に位置した永久磁石１２の磁界は、リードスイッチ１４に例えば平行となっており、これにより、リードスイッチ１４は例えば「閉」の状態とされる。
検出対象物が傾斜すると、永久磁石１２および磁性流体１３が、湾曲した凹面であるカップ１６の底面１６ａに沿って、カップ１６の中央部から移動する。すると、永久磁石１２からリードスイッチ１４に作用する磁界が、リードスイッチ１４に平行な磁界から垂直な磁界に徐々に移行していく。これにより、リードスイッチ１４のスイッチ片２１、２２を「閉」の状態に保とうとする磁力も変化（減少）する。そして、永久磁石１２の移動量が所定以上となった時点で、リードスイッチ１４に作用する磁界（磁力）と、リードスイッチ１４のスイッチ片２１、２２自体の弾性力とのバランスが逆転し、スイッチ片２１、２２が離間し、リードスイッチ１４は「開」の状態となる。
このときのリードスイッチ１４の変化を、リード線２６、２７を介し、角度センサ１０の外部で電気的に検出することで、検出対象物の傾斜、より具体的には、検出対象物が予め設定した所定角度以上傾斜したか否かを検出できるのである。
【００１５】
さて、上記したような角度センサ１０において、本実施の形態では、永久磁石１２に、金属磁石が用いられている。このような金属磁石を形成する組成物としては、Ｓｍ−Ｃｏ系、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系のものがあり、Ｓｍ2〔Ｃｏ，Ｃｕ，Ｆｅ，Ｚｒ〕17が好適である。
【００１６】
また、磁性流体１３は、溶媒に有機金属化合物および界面活性剤を添加し、この混合物を加熱することにより得ることができるものである。
有機金属化合物としては、加熱により分解されて、磁性体微粒子としての金属微粒子を生成することが可能な化合物であり、例えばコバルトカルボニル等の有機コバルトや鉄等カルボニルの有機鉄を挙げることができる。例えばコバルトカルボニルであるオクタカルボニルコバルト（Ｃｏ2（ＣＯ）8）からコバルトの金属微粒子を得る際の熱分解反応の化学式を以下のようになる。
２Ｃｏ2（ＣＯ）8→Ｃｏ4（ＣＯ）12＋４ＣＯ
Ｃｏ4（ＣＯ）12→４Ｃｏ＋２ＣＯ
また、磁性流体１３を、マグネタイト微粒子等の酸化物粒子を磁性体微粒子として用いたものとすることもできる。
【００１７】
本実施の形態において、磁性流体１３は、従来のフェライト磁石より強力な金属磁石を採用した永久磁石１２を浮上状態に保持するため、有機金属化合物から生成された磁性体微粒子の平均粒径を、２〜７ｎｍとするのが好ましく、さらには２〜５ｎｍとするのがより好ましい。
磁性流体１３を磁気勾配のある磁場中に置いた時、作用する力の大きさは磁性体微粒子の磁気モ−メントと磁場勾配の積に比例する。また、分散した磁性体微粒子の数もまた、偏析の度合いに影響を及ぼしており、濃度(数密度)が高いほど偏析する割合が小さくなる。粒子サイズが異なり、同じ飽和磁化を有する二つ磁性流体１３(体積濃度が同じ)を比較したときには、粒子サイズが小さい磁性流体１３のほうが、粒子サイズが大きいものよりも、磁性体微粒子個々に生じる磁気モ−メントも小さく、また数密度が大きいため濃度の偏析は小さくなる。このことから、平均粒径２〜７ｎｍといった微小なサイズの磁性体微粒子を含む磁性流体１３を使用することで、永久磁石１２に強力な磁力を有する金属磁石を利用した場合でも、磁性体微粒子の偏析を生じにくくすることができるのである。
【００１８】
溶媒は無極性のものを用いることが好ましい。このとき、有機金属化合物から平均粒径２〜７ｎｍの磁性体微粒子を生成するには、例えば、沸点が低い第１の溶媒（以下、低沸点溶媒）と、第１の溶媒より高い沸点を有する第２の溶媒（以下、高沸点溶媒）を混合することで得られる混合溶媒を用いることができる。特に高沸点溶媒は最終的に得られる磁性流体１３の溶媒となるので、磁性体微粒子が安定して分散できるような無極性の溶媒であることが好ましい。
低沸点溶媒の沸点は５０℃以上８０℃以下であることが好ましい。低沸点溶媒として、例えばヘキサン、シクロヘキサン、イソヘキサン、およびこれらの２種以上の混合物等を挙げることができる。
高沸点溶媒の沸点は１５０℃以上２７０℃以下であることが好ましい。高沸点溶媒として、例えばケロシン、デカン、テレピン油、およびこれらの２種以上の混合物等を挙げることができる。この高沸点溶媒は主として最終的に得られる磁性流体１３の溶媒となるため、粘性が低く、揮発性の低いものであることが好ましく、特にケロシンが好ましい。
低沸点溶媒と高沸点溶媒との混合比率は、最終的に得られる磁性流体１３における磁性体微粒子の平均粒径に影響を及ぼす。したがって、希望する平均粒径に応じて、混合比率は調整することができる。
【００１９】
また磁性体微粒子を溶媒中に分散させるための界面活性剤としては、従来使用されているものを適宜使用することができ、例えば、デカグリセリルペンタオレート、デカグリセリルペンタステアレート、デカグリセリルペンタイソステアレート、デカグリセリルヘプタステアレート、デカグリセリルヘプタイソステアレート、デカグリセリルヘプタオレート、デカグリセリルデカイソステアレート、デカグリセリルデカステアレート、デカグリセリルデカオレート、ジグリセリルモノオレート、ジグリセリルジオレート、テトラグリセリルトリステアレート、テトラグリセリルテトラステアレート、テトラグリセリルペンタオレート、ヘキサグリセリルトリステアレート、ヘキサグリセリルペンタオレート、ヘキサグリセリルペンタステアレート等のポリグリセリン脂肪酸エステルを挙げることができる。また、１，５−ソルビタンモノオレート、１，４−ソルビタンモノオレート、１，４−ソルビタンモノステアレート、１，４−ソルビタンモノイソステアレート、１，４−ソルビタンセスキオレート、１，４−ソルビタンセスキイソステアレート等のソルビタン不飽和脂肪酸エステルを挙げることができる。
【００２０】
上述したように、角度センサ１０においては、上記したように、２〜７ｎｍといった微小な平均粒径を有した磁性体微粒子を含む磁性流体１３を採用することで、従来より高強度なリードスイッチ１４、および従来のフェライト磁石より強力な金属磁石を採用した永久磁石１２であっても、磁性体微粒子の偏析が生じるのを防止し、溶媒中への均一な分散状態を維持することができる。これにより、磁性流体１３によって浮上状態に保持された永久磁石１２が、磁性流体１３の偏析によって沈降するのを防止することができる。その結果、長期にわたって、永久磁石１２とリードスイッチ１４との位置関係を維持することができ、角度センサ１０の感度が変化するのを抑止することができる。その結果、角度センサ１０を、従来に無い高い信頼性、耐久性を有したものとすることができるのである。
【００２１】
なお、上記実施の形態では、角度センサ１０の具体的構成を例示したが、もちろんその構成は本発明の主旨を逸脱しない限り、上記実施の形態で挙げた構成を取捨選択したり、他の構成に適宜変更することが可能である。
また、磁性流体１３も、磁性体微粒子の平均粒径を２〜７ｎｍとすることができるのであれば、その製造方法、組成等を何ら問うものでは無い。
【実施例１】
【００２２】
上記したような構成の角度センサ１０において、磁性流体１３を構成する磁性体微粒子の径を２〜７ｎｍの範囲内のものとしたときと、範囲外としたときでの比較を行った。
ここで、角度センサ１０の永久磁石１２としては、残留磁束密度９５０±３０ｍＴ、最大エネルギー積１７５ｋＪ／ｍ3（＝２２ＭＧＯｅ）の金属磁石（永久磁石）を用いた。また、リードスイッチ１４は、最大容量ＡＣ２２０Ｖ、１５Ａのものを用いた。
【００２３】
実施例、比較例として、磁性流体１３に以下のようなものを用いた。
（実施例１）：磁性体微粒子の平均粒径約５ｎｍ、飽和磁化６０ｍＴ、
（実施例２）：磁性体微粒子の平均粒径約５ｎｍ、飽和磁化１００ｍＴ、
（実施例３）：磁性体微粒子の平均粒径約７ｎｍ、飽和磁化１００ｍＴ、
（比較例１）：磁性体微粒子の平均粒径約１０ｎｍ、飽和磁化１００ｍＴ、
（比較例２）：磁性体微粒子の平均粒径約１０ｎｍ、飽和磁化１５０ｍＴ。
【００２４】
所定の傾斜角度（設定角度）でリードスイッチ１４のスイッチ片２１、２２が「開」（ＯＦＦ）になるよう設定された角度センサ１０において、上記実施例１〜３、比較例１、２のそれぞれで、傾斜角度０度の状態で放置し、１、２、３、１２時間経過した時点で、応答角度の変化を確認した。ここで、応答角度は、角度センサ１０を傾斜させた時に、リードスイッチ１４が「開」となったときの傾斜角度を設定角度に対する比で示したものである。
その結果を図３に示す。
この図３に示すように、実施例１〜３では、１、２、３、１２時間後においても、応答角度が１．００（実施例１，２）、あるいは概ね１．０３以内（実施例３）、つまり設定角度をほぼ維持しており、非常に安定していることが分かる。
これに対し、比較例１、２では、既に応答角度が、１時間経過時点で１．０５〜１．０９（５〜９％）、１２時間経過時点では約１．１２〜１．１５（約１２〜１５％）であり、応答角度が設定角度に対して大幅に増加していた。つまり、時間の経過により、角度センサ１０としての感度が鈍化している。これは、磁性流体１３に磁性体微粒子の偏析が生じ、永久磁石１２が沈降することで永久磁石１２とリードスイッチ１４の位置関係が狂った（本来より近くなった）ことが原因であると推察することができる。
【００２５】
このようにして、強力な金属磁石を永久磁石１２に用いた場合であっても、平均粒径が７ｎｍを下回る磁性体微粒子を用いることで、磁性流体１３の偏析を防止することができ、安定した性能の角度センサ１０を実現できることが明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本実施の形態における角度センサの断面図である。
【図２】角度センサの要部を示す斜視断面図である。
【図３】実施例１の結果を示すものであり、角度センサの応答角度と放置時間との関係を示す図である。
【図４】（ａ）は磁性体微粒子が均一に分散した磁性流体で浮上した状態で保持されている永久磁石を示す図、（ｂ）は磁性体微粒子が偏析した状態を示す図、（ｃ）は磁性体微粒子が偏析した結果、沈降した永久磁石を示す図である。
【符号の説明】
【００２７】
１０…角度センサ、１１…容器（ケース）、１２…永久磁石、１３…磁性流体、１４…リードスイッチ（磁気感応素子、スイッチ）、１６…カップ、１６ａ…底面、１７…ヨーク、２０…基板、２１、２２…スイッチ片
【図１】
2005114674.tif 000003
【図２】
2005114674.tif 000004
【図３】
2005114674.tif 000005
【図４】
2005114674.tif 000006