(57)【要約】【課題】  アクチュエータ・モータの出力軸における回転位置を非接触で検出する非接触位置検出センサを提供する。【解決手段】  位置センサは、関節の回転機構に取り付けられた磁性体と磁気検出素子と出力電圧増幅回路で構成される。磁性体は、円盤状磁石内側に異形穴により決まる磁石径方向厚みを持ち、ある必要な駆動範囲内での磁石表面磁束密度が回転角に対して線形的に変化するので、精度の高い位置検出が可能である。また、磁束密度波形の直線中央部と１８０度対向した側の、磁極の急峻な切り替わり部を用いて、回転機構の正確な原点位置を検出することが可能である。【選択図】  図１
2007024689.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁気検出方式により回転機構の回転角を非接触で検出する非接触位置検出センサであって、
前記回転機構に取り付けられ、外周の表面磁束密度が回転角に対して変化する円盤型磁石と、
前記円盤型磁石の外周に対向して配設され、前記円盤型磁石の表面磁束密度を半径方向から検出する磁気検出素子と、
前記磁気検出素子の出力信号電圧を増幅する出力電圧増幅回路を備え、
前記円盤型磁石は、内側に異形穴を穿設することにより径方向の磁石厚みを調整して、該異形穴の位相により着磁後の表面磁束波形に差を設けている、
ことを特徴とする非接触位置検出センサ。
【請求項２】
前記円盤型磁石の外周は、真円で且つ前記回転機構の回転軸と略同心となるように取り付けられる、
ことを特徴とする請求項１に記載の非接触位置検出センサ。
【請求項３】
前記円盤型磁石は、前記異形穴の形状により、径方向の磁石厚みを着磁磁化ベクトルに対し最適化している、
ことを特徴とする請求項１に記載の非接触位置検出センサ。
【請求項４】
前記円盤型磁石は、少なくとも前記回転機構の一定の回転範囲において外周の表面磁束密度が回転角に対して線形的に変化するように、前記異形穴の形状により、径方向の磁石厚みを着磁磁化ベクトルに対し最適化している、
ことを特徴とする請求項１に記載の非接触位置検出センサ。
【請求項５】
前記円盤型磁石は、少なくとも前記回転機構の一定の回転範囲において外周の表面磁束密度が回転角に対して線形的に変化するように、該表面磁束の極性が切り替わる一方の回転位置において径方向の磁石厚みが大きくなるように調整されている、
ことを特徴とする請求項４に記載の非接触位置検出センサ。
【請求項６】
前記円盤型磁石の内側に設けられた異形穴は略Ｄ字形状をなし、該Ｄ字の背側中央又は腹側中央を０度に設定して着磁されている、
ことを特徴とする請求項４に記載の非接触位置検出センサ。
【請求項７】
前記円盤型磁石は、外周の表面磁束密度に回転角に対する変化の直線性が低くなる回転位置付近において径方向の磁石厚みを増減して形状変更されている、
ことを特徴とする請求項４に記載の非接触位置検出センサ。
【請求項８】
略Ｕ字形状からなり、該Ｕ字の底部に所定幅及び所定高さを持つスリットが穿設された着磁ヨークと、前記スリットで分割される前記着磁ヨークの左右それぞれに互いに逆方向となるように巻設されたコイルを備え、
前記着磁ヨークのＵ字の底部に請求項１に記載の非接触位置検出センサ用の円盤型磁石を設置し、前記の各コイルに直流電流を通電することによりＵ字の左右の脚部でそれぞれＮ極及びＳ極を形成して得られる着磁磁化ベクトルにより前記円盤型磁石を着磁する、
ことを特徴とする着磁器。
【請求項９】
磁気検出方式により回転機構の回転角を非接触で検出する非接触位置検出センサであって、
前記回転機構の回転軸に同心状に取り付けられた、内側に異形穴を穿設することにより径方向の磁石厚みを調整して、外周が表面磁束密度は回転角に対して線形的に変化する線形変化部とそれ以外の非線形変化部を持つ円盤型磁石と、
前記円盤型磁石の外周に対向して配設され、前記円盤型磁石の表面磁束密度を半径方向から検出する第１の磁気検出素子と、
前記回転軸回りに前記第１の磁気検出素子とは１８０度だけ離れた位置に、前記円盤型磁石の外周に対向して配設され、前記円盤型磁石の表面磁束密度を半径方向から検出する第２の磁気検出素子と、
前記第１及び第２の磁気検出素子の出力信号電圧を増幅する出力電圧増幅回路と、
電圧増幅された前記第１及び第２の磁気検出素子の出力信号を用いて回転軸の回転角及び原点位置を検出する信号処理部と、
を具備することを特徴とする非接触位置検出センサ。
【請求項１０】
前記信号処理部は、一方の磁気検出センサによる前記円盤型磁石外周の線形変化部における表面磁束密度の検出信号を用いて前記回転機構の回転角を検出するのに並行して、他方の磁気検出センサによる前記円盤型磁石外周の非線形変化部における表面磁束密度の検出信号が示す磁極の切り替わり部を前記回転機構の原点位置として検出する、
ことを特徴とする請求項９に記載の非接触位置検出センサ。
【請求項１１】
前記信号処理部は、２つの磁気検出素子が磁性体の磁束密度変化より得る出力電圧を９０度毎に切り替えながら補完することにより、無限回転の角度検出を行なう、
ことを特徴とする請求項９に記載の非接触位置検出センサ。
【請求項１２】
前記信号処理部は、各磁気検出素子がともに線形変化部で角度が検出可能となる期間を用いて角度検出用信号の切り替え操作を行なう、
ことを特徴とする請求項１１に記載の非接触位置検出センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えばアクチュエータ・モータの出力軸における回転位置などを非接触で検出する非接触位置検出センサに係り、特に、モータの出力軸などの検出対象に取り付けられた磁石の回転位置に応じた磁束密度の変化を磁気検出素子で測定して位置検出を行なう非接触位置検出センサに関する。
【０００２】
さらに詳しくは、本発明は、検出対象となる回転機構に取り付けられた磁石外周から発生する表面磁束密度の回転角に応じた変化を、磁石の外周に対向して配設された磁気検出素子で測定して位置検出を行なう非接触位置検出センサに係り、特に、検出対象となる回転機構に取り付けられた磁石の外周の少なくとも必要な駆動範囲において回転角に対する磁石表面磁束密度の変化がほぼ線形的となるように構成された非接触位置検出センサに関する。
【背景技術】
【０００３】
例えば、多関節型ロボットの各関節の動きをアクチュエータ・モータで実現することができる。そして、各モータの回転位置、回転量などを取り出して、回転位置又は角速度の制御を行なうことにより、所望の動作パターンを再現するとともに、姿勢制御を行なうようになっている。人間形のロボットであれば３２個又はその前後の自由度で構成することができる（例えば、特許文献１を参照のこと）。
【０００４】
ロボットの関節用アクチュエータとしてサーボ・モータを用いるのが一般的である。これは、取扱いが容易で、小型且つ高トルクで、しかも応答性に優れているという理由に依拠する。特に、ＡＣサーボ・モータ（若しくはＤＣブラシレス・モータ）は、ブラシがなく、メンテナンス・フリーであることから、無人化された作業空間で自由歩行などの自律的な動作を行なう脚式ロボットの関節アクチュエータとして適用することができる。ＡＣサーボ・モータは、回転子（ロータ）側に永久磁石（メイン・マグネット）を、固定子（ステータ）側に複数相（例えば３相）のコイルを配置して、正弦波磁束分布と正弦波電流により回転子に対して回転トルクを発生させるようになっている。
【０００５】
また、アクチュエータ・モータから高出力トルクを得るために、モータの出力端に減速部を設けるのが一般的である。減速部には、例えば遊星歯車機構（例えば、特許文献２を参照のこと）が適用される。遊星歯車機構は、恒星としての太陽歯車と、惑星としての遊星歯車と、遊星歯車の公転軌道を規定する内歯歯車で構成される歯車構造であり、この他に、遊星歯車の軸中心をつなぐ遊星キャリアを備えている。遊星歯車機構を用いた減速機によれば、駆動軸と同軸上で減速をすることが可能なため、複段数の連結により強力な減速比を得ることができる。
【０００６】
ここで、ロボット装置に所望の動作を行なわせるためには、サーボ制御用の制御指標値として、モータ（若しくは減速器）の出力軸の回転位置など、アクチュエータの現在位置を測定する必要がある。例えば、脚式移動ロボットにおいては、転倒回避など姿勢安定制御を実現するために、アクチュエータ・モータには高度な位置決め制御が要求される。
【０００７】
位置検出センサは、接触型センサと非接触型センサに大別される。接触型センサは、抵抗体とブラシを基本構成要素とし、抵抗体上をブラシが移動すると電気抵抗が変化することから、機械的変位量を電圧出力に変換して測定することができる。接触型センサは、安価であるが、ブラシの摩耗による特性の劣化や摩耗粒子の飛翔による環境汚染などの問題がある。
【０００８】
一方、非接触型センサはこのような問題がない。非接触センサとして、光学式式（赤外線を含む）、電磁誘導方式、磁気検出方式などを挙げることができる。
【０００９】
光学式の位置センサは、例えば、発光素子と位置検出素子間にスリット板を置いた構造で、回転機構が回転したときに螺旋状のスリットを透過する光の位置の変化を位置検出素子で光電変換し、回転角を検出することができる。しかしながら、構造が複雑で大型となることや、外部から光遮蔽が必要である、汚れやくもりなどによる信頼性が低下する、スリット加工精度が必要である、素子のコストにより高額になる、といった問題点がある。
【００１０】
また、電磁誘導方式の位置センサは、誘導コイルと磁気ヘッドの組み合わせで構成され、例えば磁界の中でコイルを回転させた際に誘起される起電力を使って回転角度を検出することができる（例えば、特許文献３を参照のこと）。しかしながら、構造が複雑で大型となることやコストが高いといった問題がある。
【００１１】
磁気検出方式の位置センサは、円盤型磁石の外周又は端面に対向して、ある一定の空隙を持った場所に磁気検出素子を配設して構成される。円盤型磁石には、外周又は端面から発生する表面磁束密度が円盤の回転角とともに変化するように着磁が施されている。モータの出力軸など位置検出の対象となる回転機構に円盤型磁石を取り付け、その回転に伴う磁石の磁束密度の変化を磁気検出素子で磁電変換して読み取ることで、回転角を検出することができる。
【００１２】
なお、磁気検出素子はさまざまであるが、着磁された永久磁石の検出が可能なものは、磁電変換作用を持つ磁気抵抗（ＭＲ）素子やホール素子が一般的である。
【００１３】
磁気検出方式の位置検出センサは、光学式や電磁誘導方式に比べ、構造が簡素で小型且つ低コストに製作することができる。例えば、脚式移動ロボットのように多くの関節アクチュエータを有する機械装置に適用する場合、その利点は倍数で効いてくる。
【００１４】
ここで、円盤型磁石の外周で表面磁束密度の回転角に対する変化を与えると、磁気検出素子を外周に対向して配設し、半径方向から磁気検出を行なう。あるいは磁石の端面で表面磁束密度の回転角に対する変化を与えると、磁気検出素子を端面に対向して配設し、回転軸方向から磁気検出を行なう。いずれの構造を採用するかは、センサの半径方向並びに軸方向の寸法が影響を与える設計事項である。本明細書では、円盤型磁石の外周で表面磁束密度の回転角に対する変化を与えるタイプのものを扱う。
【００１５】
回転角に対する磁石の表面磁束密度が線形的であれば、磁気検出素子の出力信号の処理が容易であり、検出精度が向上するとされている。例えば、関節アクチュエータに対して磁気検出方式の位置センサを利用する場合、関節の駆動範囲などある必要な回転角の範囲内で、円盤型磁石表面の磁束密度が回転角に対して線形的に変化することが望ましい。
【００１６】
磁石外径側を回転軸に対して偏心させ、磁気検出素子との距離を変化させることで磁束密度波形を線形化する方法が考えられる。
【００１７】
例えば、磁石形状の外周を変化させ、ホール素子と磁石間の間隙を変化させることにより所望する出力波形を得る回転角度検出装置について提案がなされている（例えば、特許文献４を参照のこと）。この回転角度検出装置は、磁性体からなる回転軸に固定され、且つ外径の大きさが円周方向に徐々に変化する外周面を有する回転磁石体と、磁石及び磁性体部材からなり、回転磁性体と磁気的に結合を行なう第１の端面及び回転磁性体の外周面と対向するように近接配置された第２の端面を有する静止磁性体と、回転磁性体の外周面と静止磁性体の第２の端面との間に配置された磁気センサで構成され、外周面から磁気センサまでの距離の変化が磁気センサに出力に対応するので、出力信号の変化か大きい
【００１８】
また、磁石と回転体の外周形状の影響による距離の変位で変化する磁束密度を、その中間点に設置したセンサで検出する磁気センサについて提案がなされている（例えば、特許文献５を参照のこと）。この磁気センサは、磁石と、この磁石により印加される磁束の密度に応じた電圧を出力する磁気検出素子と、回転角度を検出すべき検出回転体に接続されるとともに回転に伴う磁石との空間距離変化により磁気検出素子に印加される磁束密度を変化させる磁性体からなる回転体を備えている。
【００１９】
しかしながら、磁石外径側を回転軸に対して偏心させて磁束密度波形を線形化する方法では、磁石外径を偏心させる分だけ全体のサイズが大きくなる、磁石の加工や組立て精度が必要である、といった問題がある。
【００２０】
また、軸方向の磁石厚みを回転角に対して変化させ、面方向に設置した磁気検出素子で磁束密度波形を線形化する方法も考えられる。
【００２１】
例えば、磁石の厚みを変化させることにより磁石と磁気センサ間の間隙を変位させた非接触型回転角センサについて提案がなされている（例えば、特許文献６参照のこと）。この非接触型回転角センサは、円筒壁をホール素子側に有してマグネットの磁束を導き、マグネットと一体に回転するための基底部を有し、円筒壁の高さを回転角に基づいて変化させることにより、ホール素子との間隙が変化しつつ周回するヨークを付加し、円筒壁の延長上にホール素子を配置し、反対側に円柱状のマグネットをヨーク円筒の中心軸と同軸に配置している。
【００２２】
しかしながら、軸方向の磁石厚みを回転角に対して変化させて磁束密度波形を線形化する方法では、検出装置が厚み方向に大きくなり、回転する磁石の面振れの影響を受ける、磁石の加工や組立て精度が必要となる、といった問題がある。
【００２３】
また、磁気検出素子と対向する磁石の面積を回転角に対して変化させ、素子内を鎖交する磁束量が変化することで磁束密度を変化させ、波形を線形化させる方法も考えられる。
【００２４】
しかしながら、磁気検出素子と対向する磁石の面積を回転角に対して変化させることで磁気検出素子の出力波形を線形化させる方法では、磁気検出素子の大きさや配置による影響を受け易く、磁石の加工や組立精度が必要である。
【００２５】
また、磁石以外の磁性体付加により磁気回路を変化させ、磁束密度を線形化する方法が考えられる。
【００２６】
例えば、磁石に取り付ける磁性体の形状で波形を作る角度センサについて提案がなされている（例えば、特許文献７を参照のこと）。この角度センサは、回転軸に取り付けた磁石に対してホール素子を中立検出位置に対向配置し、ホール素子の出力に基づいて磁石の回転角度を検出するように構成されているが、磁石の両磁極に磁性体をそれぞれ取り付け、最大磁束部分をホール素子の中立検出位置からシャフトの外周方向に遠ざけ、磁束分布を偏在させている。
【００２７】
また、磁石に磁性体を設置し、その間の磁束を検出する磁気式回転角度センサについて提案がなされている（例えば、特許文献８を参照のこと）。この磁気式回転角度センサでは、回転軸と同心のスリーブが固定側に固定されている。スリーブは回転軸が内側を貫通するとともに、外周側に磁束密度を測定するホール素子が取り付けられている。スリーブの周囲には磁石と強磁性体の各ヨークからなる磁気回路が形成されていて、磁気回路は回転軸に固定され、回転軸と一体に回転する。ヨークにより、磁気回路内の空間の磁束密度が急激に減少することがないため、ホール素子により測定される磁束密度と回転角度の直線性が良好に保たれる。
【００２８】
しかしながら、磁石以外の磁性体付加により磁気回路を変化させ、磁束密度を線形化する方法では、構造が複雑で、部品加工・組立て精度が必要である、部品数増加によりコストアップする、といった問題がある。
【００２９】
【特許文献１】特開平１３−１５０３７１号公報
【特許文献２】特開２０００−２５７６７５号公報
【特許文献３】特開２００２−１８８９３８号公報
【特許文献４】特開２００２−３１０６０９号公報
【特許文献５】特開平１０−９８０８号公報
【特許文献６】特開平８−１０５７０６号公報
【特許文献７】特開２００４−２４５８２３号公報
【特許文献８】特開平１０−６２１１２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００３０】
本発明の目的は、例えばアクチュエータ・モータの出力軸における回転位置などを非接触で好適に検出することができる、優れた非接触位置検出センサを提供することにある。
【００３１】
本発明のさらなる目的は、モータの出力軸などの検出対象に取り付けられた磁石の回転角に応じた表面磁束密度の変化を磁気検出素子で測定して位置検出を好適に行なうことができる、優れた非接触位置検出センサを提供することにある。
【００３２】
本発明のさらなる目的は、検出対象となる回転機構に取り付けられた磁石外周における表面磁束密度の回転角に応じた変化を、磁石の外周に対向して配設された磁気検出素子で半径方向から測定して位置検出を好適に行なうことができる、優れた非接触位置検出センサを提供することにある。
【００３３】
本発明のさらなる目的は、検出対象となる回転機構に取り付けられた磁石外周の少なくとも必要な駆動範囲において回転角に対する磁石表面磁束密度の変化がほぼ線形的となるように構成された、優れた非接触位置検出センサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００３４】
本発明は、上記課題を参酌してなされたものであり、その第１の側面は、磁気検出方式により回転機構の回転角を非接触で検出する非接触位置検出センサであって、
前記回転機構に取り付けられ、外周の表面磁束密度が回転角に対して変化する円盤型磁石と、
前記円盤型磁石の外周に対向して配設され前記円盤型磁石の表面磁束密度を半径方向から検出する磁気検出素子と、
前記磁気検出素子の出力信号電圧を増幅する出力電圧増幅回路を備え、
前記円盤型磁石は、内側に異形穴を穿設することにより径方向の磁石厚みを調整して、該異形穴の位相により着磁後の表面磁束波形に差を設けている、
ことを特徴とする非接触位置検出センサである。
【００３５】
本発明では、構造が簡素で、小型化並びに低コスト化が可能な磁気検出方式の非接触位置検出センサに関する。磁気検出式の位置検出センサは、一般に、検出対象となる回転機構に取り付けられた磁石表面で発生する磁束密度の回転角に応じた変化を、磁石表面に対向して配設された磁気検出素子で測定して位置検出を行なう。本発明では、前者の半径方向から磁気検出を行なうタイプの位置検出センサであり、磁石には回転角に対し磁石の外周で表面磁束密度に変化が与えられている。
【００３６】
ある必要な回転角の範囲内で、円盤型磁石表面の磁束密度が回転角に対して線形的に変化することが望ましい。そこで、本発明に係る非接触位置検出センサでは、磁性体である円盤状磁石内側に異形穴を穿設して回転角に応じた磁石径方向厚みの変化を形成することによって、ある必要な駆動範囲内においては磁石表面磁束密度が回転角に対して線形的に変化するように構成した。これによって精度の高い位置検出性能を実現している。
【００３７】
前記円盤型磁石の外周は、真円で且つ前記回転機構の回転軸と略同心となるように構成されている。したがって、外周を基準にして回転機構の回転軸に対し同軸に取り付けることが容易であり、回転角に対し磁石外周と磁気検出素子との距離又は空隙寸法を一定にすることができる。例えば、円盤型磁石の取り付け先となる回転軸の取り付け部をＤ字の異形穴と同一の形状とすることにより、その軸に円盤型磁石を挿入するだけで取り付けが完了する。また、この場合、回転軸側及び異形穴のＤ字の略直線状となる背中部分は、磁気検出素子に対する円盤型磁石の機械的角度位置決めとしての機能を果たす。
【００３８】
一方、前記円盤型磁石の内側は、前記異形穴の形状により、少なくとも前記回転機構の回転角の一定範囲において外周の表面磁束密度が回転角に対して線形的に変化するように、径方向の磁石厚みを着磁磁化ベクトルに対し最適化している。すなわち、該表面磁束の極性が切り替わる一方の回転位置において径方向の磁石厚みが大きくなるように調整し、これによって、一定の回転角の範囲では、磁石外周の表面磁束密度が回転角に対して線形的に変化するようになっている。
【００３９】
異形穴は略Ｄ字形状をなし、該Ｄ字の背側中央又は腹側中央を０度に設定して着磁されている。外周の表面磁束密度に回転角に対する変化の直線性が低くなる回転位置付近において径方向の磁石厚みを増減して形状変更すれば、直線性はさらに向上する。
【００４０】
このような円盤型磁石を着磁するための着磁器は、例えば、略Ｕ字形状からなり、該Ｕ字の底部に所定幅及び所定高さを持つスリットが穿設された着磁ヨークと、前記スリットで分割される前記着磁ヨークの左右それぞれに互いに逆方向となるように巻設されたコイルで構成される。そして、着磁ヨークのＵ字の底部に円盤型磁石を設置し、各コイルに直流電流を通電すると、Ｕ字の左右の脚部ではそれぞれＮ極及びＳ極が発生し、これによって得られる着磁磁化ベクトルにより着磁することができる。
【００４１】
また、着磁ヨークのＵ字底部に設置される円盤型磁石内側の異形穴の形状に合わせて、着磁ヨークのＵ字形状の最適化を行なうことで、円盤型磁石の線形変化部における回転角に対する表面磁束密度変化の線形性を向上させ、さらに検出有効角度範囲を広げることができる。
【００４２】
要するに、円盤型磁石の内側の異形穴形状と、着磁器による磁化ベクトルの双方を互いに最適化することで、円盤型磁石外周の表面磁束密度の線形変化部における直線度を向上させ、検出有効角度範囲を向上させ、且つ広範囲において高い精度を持つ非接触位置センサを提供することができる。
【００４３】
また、本発明に係る非接触位置センサは、磁束密度波形の線形変化部の中央と１８０度対向した側の磁極の急峻な切り替わり部を用いて、回転機構の正確な原点位置を検出することが可能である。
【００４４】
例えば、２つの磁気検出素子を、円盤型磁石を介して１８０度対向した位置、すなわち回転機構の回転軸回りに１８０度だけ位相差を以って配設すると、一方の磁気検出センサが円盤型磁石外周の線形変化部に差し掛かっているときには、他方の磁気検出センサは非線形変化部でのゼロクロス付近を通過していることになる。また、円盤型磁石外周で線形変化部の範囲が広くなると、その代わりに非線形変化部が狭くなり磁極が急峻に切り替わることになる。
【００４５】
そこで、一方の磁気検出センサによる前記円盤型磁石外周の線形変化部における表面磁束密度の検出信号を用いて前記回転機構の回転角を検出するのに並行して、他方の磁気検出センサによる前記円盤型磁石外周の非線形変化部における表面磁束密度の検出信号が示す磁極の切り替わり部を前記回転機構の原点位置として検出することが可能である。例えば、ロボットの関節アクチュエータの出力軸に適用した場合、正確に規定の姿勢復帰を行なうことが可能となる。
【００４６】
また、信号処理部は、２つの磁気検出素子が磁性体の磁束密度変化より得る出力電圧を９０度毎に切り替えながら補完することにより、無限回転の角度検出を行なうことが可能になる。
【００４７】
この場合、信号処理部は、各磁気検出素子がともに線形変化部で角度検出可能となる期間、すなわち両方の磁気検出素子で出力信号の直線性が十分に保たれている期間を用いて角度検出用信号の切り替え操作を行なうことにより、双方の素子から得られる角度データを適当に用いながらスムーズに切り替えを行なうことができる。
【発明の効果】
【００４８】
本発明によれば、検出対象となる回転機構に取り付けられた磁石の表面磁束密度の回転角に応じた変化を、磁石の外周に対向して配設された磁気検出素子で半径方向から測定して位置検出を好適に行なうことができる、優れた非接触位置検出センサを提供することができる。
【００４９】
また、本発明によれば、検出対象となる回転機構に取り付けられた磁石の外周の少なくとも必要な駆動範囲において回転角に対する磁石表面磁束密度の変化がほぼ線形的となるように構成された、優れた非接触位置検出センサを提供することができる。
【００５０】
本発明に係る磁気検出方式に回転位置検出センサでは、回転機構に取り付けられる磁性体（永久磁石）は、外側形状を真円で且つ回転軸と同心としながら、回転角に対して発生する磁束密度波形を比較的広い範囲で線形的に変化させることが可能である。したがって、例えばロボットの関節アクチュエータのように、ある決められた可動角度の機構に対し、非常に簡単な構造で、小型、非接触、安価な位置センサを提供することが可能となる。
【００５１】
また、磁気検出素子自体の磁束密度に対する出力電圧特性が非線形の場合であっても、その素子特性に適合させた永久磁石の磁束密度波形を、磁石形状及びこれを着磁する着磁ヨークとともに最適設計することで、最終的に位置センサとして利用する磁電変換後の角度−出力電圧波形を線形的にして合成出力することができる。
【００５２】
また、本発明に係る非接触位置検出センサは、さまざまなサイズの機構に適用することができる。
【００５３】
本発明のさらに他の目的、特徴や利点は、後述する本発明の実施形態や添付する図面に基づくより詳細な説明によって明らかになるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５４】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳解する。
【００５５】
本発明は、例えばアクチュエータ・モータの出力軸における回転位置などを非接触で検出する非接触位置検出センサに関する。非接触位置検出センサとして、光学式、電磁誘導式なども挙げられるが、本発明では、構造が簡素で、小型化並びに低コスト化が可能な磁気検出方式の位置検出センサに関する。
【００５６】
磁気検出式の位置検出センサは、一般に、検出対象となる回転機構に取り付けられた磁石表面で発生する磁束密度の回転位置に応じた変化を、磁石表面に対向して配設された磁気検出素子で測定して位置検出を行なう。
【００５７】
ここで、磁石外周で表面磁束密度の回転角に対する変化を与えると、磁気検出素子を外周に対向して配設し、半径方向から磁気検出を行なうことになる。また、磁石端面で表面磁束密度の回転角に対する変化を与えると、磁気検出素子を端面に対向して配設し、回転軸方向から磁気検出を行なうことになる。本発明では、前者の半径方向から磁気検出を行なうタイプの位置検出センサであり、磁石には回転角に対し磁石の外周で表面磁束密度に変化が与えられている。
【００５８】
既に述べたように、回転角に対する磁石の表面磁束密度が線形的であれば、磁気検出素子の出力信号の処理が容易であり、検出精度が向上するとされている。例えば、関節アクチュエータに対して磁気検出方式の位置センサを利用する場合、関節の駆動範囲などある必要な回転角の範囲内で、円盤型磁石表面の磁束密度が回転角に対して線形的に変化することが望ましい。
【００５９】
そこで、本発明に係る非接触位置検出センサでは、磁性体である円盤状磁石内側に異形穴により決まる磁石径方向厚みを形成することによって、ある必要な駆動範囲内においては磁石表面磁束密度が回転角に対して線形的に変化するように構成した。これによって精度の高い位置検出性能を実現している。
【００６０】
図１には、本発明の一実施形態に係る、磁気検出方式に非接触位置検出センサの構成例を示している。図示の非接触位置検出センサは、回転機構に取り付けられた円盤型磁石１０と、磁石表面に対して配設された磁気検出素子２０と、磁気検出素子２０の出力信号電圧を増幅する出力電圧増幅回路３０を備えている。
【００６１】
円盤型磁石１０の外周表面から発生する磁束密度は回転角に対して変化する。磁気検出素子２０は、円盤型磁石１０の外周に対向して配設され、その表面磁束の回転角に対する変化を半径方向から読み取り、磁束密度を電圧レベルに磁電変換する。出力増幅回路３０は、磁気検出素子２０の出力信号を増幅する。この増幅信号に対して所定の信号処理を施すことにより、円盤型磁石１０が取り付けられた回転機構の回転角を割り出すことができる。
【００６２】
円盤型磁石１０は、例えば等方性の磁性体を着磁ヨークで着磁した永久磁石で構成される。着磁ヨーク並びに着磁方法については後述に譲る。また、着磁された永久磁石の検出が可能な磁気検出素子として磁電変換作用を持つ磁気抵抗（ＭＲ）素子やホール素子、ピックアップ・コイル（巻線コイル）などが挙げられるが、本実施形態ではホール素子を使用するものとする。
【００６３】
関節の駆動範囲などある必要な回転角の範囲内で、円盤型磁石１０表面の磁束密度が回転角に対して線形的に変化することが望ましい。図示の例では、円盤型磁石１０は、その外側形状を真円で且つ回転機構の回転軸と同心としながら、その内側には略Ｄ字形状をした異形穴を穿設し、このＤ字形状の異形穴を利用して、円盤型磁石１０の回転角に応じた径方向の磁石厚みを調整している。具体的には、異形穴により決まる回転角に応じた磁石径方向厚みを着磁磁化ベクトルに対して最適となるように調整することで、ある回転範囲内においてその磁石の表面磁束密度が回転角に対して線形的に変化するようにしている。
【００６４】
磁石外径側を回転軸に対して偏心させることにより、径方向の磁石厚みを調整して磁束密度波形を線形化する方法については既に提案がなされている（前述）。しかしながら、この場合は、磁石外径を偏心させる分だけ全体のサイズが大きくなる、偏心した外周部分を把持して回転機構の回転軸の芯出しをするのは難しく組立精度が低い、といった問題がある。これに対し、本実施形態では、円盤型磁石１０の内側の異形穴により径方向の磁石厚みを調整し、その外側形状が真円であることから、回転機構の回転軸に対し同軸に取り付けることが容易であり、回転角に対し磁石１０外周と磁気検出素子２０との距離又は空隙寸法を一定にすることができる。
【００６５】
例えば、円盤型磁石１０の取り付け先となる回転軸の取り付け部をＤ字の異形穴と同一の形状とすることにより、その軸に円盤型磁石１０を挿入するだけで取り付けが完了する（後述）。また、この場合、回転軸側及び異形穴におけるＤ字の略直線の背中部分は、磁気検出素子２０に対する円盤型磁石１０の機械的角度位置決めとしての機能を果たす。
【００６６】
上述したように、円盤型磁石１０内側にＤ字形状の異形穴を穿設して径方向の磁石厚みを着磁磁化ベクトルに対して最適にすることで、ある回転範囲内において、その磁石１０の外周から発生する表面磁束密度は回転角に対して線形的に変化する。例えば、ロボット装置において、±１３５ｄｅｇの可動角を持つ関節アクチュエータ・モータの出力軸に適用する場合、図２に示すように±１３５ｄｅｇの回転範囲において、円盤型磁石１０の外周から発生する磁石表面磁束密度が回転角に対して線形的に変化するように、径方向の磁石厚みを着磁磁化ベクトルに対して最適化する。このような場合、±１３５ｄｅｇの回転範囲の線形変化部に相当する表面磁束密度を磁気検出素子で磁電変換して回転角度に換算し、精度の高い角度算出が可能になる。
【００６７】
この線形変化部における直線性は、ロボットの関節角など位置検出センサの適用対象における角度検出精度に大きく影響を及ぼす。直線性は、単独直線度（Ｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔ  Ｌｉｎｅａｒｉｔｙ）や、絶対直線度（Ａｂｓｏｌｕｔｅ  Ｌｉｎｅａｒｉｔｙ）で表される。
【００６８】
円盤型磁石１０の外周における磁石表面磁束密度の直線性は、異形穴として切り落とされた略Ｄ字の位相により着磁後の表面磁束波形に差が現れるという作用を利用したものである。ここで、Ｄ字の背側中央を０度に設定して着磁する方法と、腹側中央を０度に設定して着磁する方法が考えられる。
【００６９】
本発明者らは、１８０ｄｅｇ付近で磁束の極性が切り替わるゼロクロス付近を直線的にするためには、径方向の磁石厚みを大きくする方がよいと思料する。そこで、後者の腹側中央を０ｄｅｇに設定して着磁する方法を採用した。図３には、Ｄ字の背側中央を０ｄｅｇに設定して着磁する方法と、腹側中央を０度に設定して着磁する方法それぞれにおいて、回転角度に対して円盤型磁石１０外周の表面磁束密度の変化を測定した結果を示している。図示のように、後者の方法により１８０ｄｅｇ付近での直線性が向上していることが理解できる。
【００７０】
このように、本実施形態に係る非接触位置検出センサは、磁性体である円盤状磁石１０は、内側に持つ異形穴により磁石径方向厚みが回転角に応じて調整されている。そして、内側に持つ異形穴により決まる磁石径方向厚みと、その磁石形状や磁気特性に適応させたヨーク形状を持つ着磁ヨークが発生する磁化ベクトル（大きさ・方向）により、ある必要な回転範囲内における磁石表面磁束密度が回転角に対して線形的に変化する線形変化部を形成することができる。これにより、精度の高い姿勢位置検出が可能となる。着磁ヨークに関しては後述に譲る。
【００７１】
なお、本明細書中では、円盤型磁石１０の外周の表面磁束密度が回転角に対し線形的に変化する回転範囲を線形変化部と呼ぶが、残りの回転範囲ではその変化の線形性が保証されない非線形変化部である。線形変化部の範囲が広くなると、非線形部分は狭くなり非線形側の磁極が急峻に切り替わることになる。この急峻な切り替わり部を用いて回転機構の正確な原点位置を検出することが可能であるが、この点は後述に譲る。
【００７２】
線形変化部における直線性は、ロボットの関節角など位置検出センサの適用対象における角度検出精度に大きく影響を及ぼす。上述したように、異形穴を略Ｄ字とし、且つＤ字の腹側中央を０ｄｅｇに設定して着磁することにより、１８０ｄｅｇ付近で磁束の極性が切り替わるゼロクロス付近において径方向の磁石厚みを大きくし、これによって線形変化部のゼロクロス付近において回転角に対する表面磁束密度の変化を直線的にしている。
【００７３】
図４には、Ｄ字の腹側中央を０ｄｅｇに設定して着磁した場合の回転角度に対する表面磁束密度の変化の直線度を評価した結果を示している。同図によれば、図中記号Ａで示されている回転角が１２０ｄｅｇ並び２４０ｄｅｇ付近では磁束密度を上げ、逆に、記号Ｂで示されている回転角が６０ｄｅｇ並びに３００ｄｅｇ付近では磁束密度を下げることにより、直線性が向上することが分かる。
【００７４】
したがって、Ａ部付近の磁石密度（すなわち径方向の厚み）をより大きくするとともに、逆にＢ部付近の磁石密度（すなわち径方向の厚み）をより小さくするように形状変更することで、さらに直線性を向上させることができる。
【００７５】
図５〜図８には、外周の表面磁束密度に回転角に対する変化の直線性が低くなる回転位置付近において径方向の磁石厚みを増減して形状変更する様子を示している。
【００７６】
例えば、図５に示すように、異形穴としてのＤ字の厚みすなわちＤカット厚さを変えることで、該当する回転角における磁石厚みが増し、Ａ部付近の表面磁束密度が変化する。また、図６に示すようにＤカットのエッジ部にＣ形状やＲ形状を残すことにより、該当する回転角における磁石厚みが増し、Ａ部付近の表面磁束密度が変化する。また、図７並びに図８に示すように、Ｄカットの腹部付近を拡張して、該当する回転角における磁石厚みを小さくすることにより、Ｂ部付近の表面磁束密度が変化する。
【００７７】
要するに、円盤型磁石１０の中心からの径方向の磁石厚みによって、表面磁束密度を変化させ、回転角に対する波形の直線度を柔軟にコントロールすることができる、という点を十分に理解されたい。
【００７８】
なお、円盤型磁石１０内側の異形穴の形状をいずれの方法で変更する場合も、外側形状は真円のままとする。
【００７９】
続いて、略Ｄ字形状の異形穴を内側に持つ円盤型磁石１０を着磁するための着磁器について説明する。
【００８０】
図９には、着磁器の構成を上面及び横面から示している。着磁器は、略Ｕ字形状の着磁ヨークからなる。Ｕ字の底部には所定幅及び所定高さを持つスリットが穿設されており、このスリットで分割される着磁ヨークの左右には、互いに逆方向となるようにコイルが巻設され、これらのコイルに直流電流を通電することによりＵ字の左右の脚部でそれぞれＮ極及びＳ極を形成することができる。
【００８１】
着磁の対象となる円盤型磁石１０は、磁石設置台で挟持して着磁ヨークのＵ字内に収容される。図１０には、着磁ヨークを用いて円盤型磁石１０に対して着磁を行なう様子を模式的に示している。同図では、Ｕ字の紙面右側の脚部がＮ極、左側の脚部がＳ極となり、紙面反時計回りの磁化方向を持つ着磁磁化ベクトルが形成される。そして、Ｕ字の底部に設置された円盤型磁石１０の、スリットに対向する部位が０ｄｅｇに、その反対側の部位が１８０ｄｅｇとなる。
【００８２】
着磁ヨークのＵ字形状は、円盤型磁石１０の形状や磁気特性に適応させている。すなわち、この着磁ヨークは、例えば等方性の磁性体からなる円盤型磁石１０を着磁する際に、ある回転範囲で回転角度に対する表面磁束密度の変化が線形的となるような、着磁磁化ベクトルを形成することができる。図１１には、磁界シミュレーション計算により求めた、着磁ヨークにより形成される着磁磁化（磁束密度）ベクトルを示している。但し、同図では、異形穴のＤ字の腹部を下にして円盤型磁石１０が設置されている。等方性の磁性体であれば、着磁磁化ベクトルに倣って磁化される。
【００８３】
本発明者らは、実機測定と磁界シミュレーションの結果より、図１０で記号Ｄ及びＥで示した部分が、円盤型磁石１０の線形変化部における表面磁束密度の変化の線形性に対し影響を及ぼすという知見を得ている。
【００８４】
Ｄ部では、ストレート長や底部に差し掛かるＲの大きさを変更することで、１８０度から図４に示したＡ部付近での着磁磁化ベクトルが変化する。
【００８５】
また、Ｅ部では、スリット幅や厚みを変更することで、０度から図４に示したＢ部付近での着磁ベクトルが変化する。
【００８６】
これらの結果は、ヨーク部の形状を変更することによって、磁性体設置部に発生する磁化ベクトルすなわち磁界の強さと方向をコントロールすることができることを示している。
【００８７】
よって、着磁ヨークのＵ字底部に設置される円盤型磁石１０内側に穿設される異形穴の形状に合わせて、着磁ヨークのＵ字形状の最適化を行なうことで、円盤型磁石１０の線形変化部における回転角に対する表面磁束密度変化の線形性を向上させ、さらに検出有効角度範囲を広げることができる。なお、図３には円盤型磁石１０外周の表面磁束密度の回転角に対する変化を示したが、この円盤型磁石１０は、円盤型磁石１０の内側の異形穴の形状に合わせてＵ字形状の最適化を行なった着磁ヨークを用いて着磁したものである。
【００８８】
要するに、円盤型磁石１０の内側の異形穴形状と、着磁器による磁化ベクトルの双方を互いに最適化することで、円盤型磁石１０外周の表面磁束密度の線形変化部における直線度を向上させることにより、検出有効角度範囲を向上させ、且つ広範囲において高い精度を持つ非接触位置センサを提供することができる。
【００８９】
図３には円盤型磁石１０外周の表面磁束密度の回転角に対する変化を示した。同図によれば、角度位置センサとしての検出有効角度範囲となる磁束密度波形の線形変化部の中央とは１８０ｄｅｇだけ対向した側では、磁極が急峻に切り替わることが分かる。そこで、磁束密度波形の線形変化部の中央と１８０ｄｅｇだけ対向した側の磁極の急峻な切り替わり部を用いて、回転機構の正確な原点位置を検出することが可能である。
【００９０】
図１２には、原点位置検出機能付きの非接触位置センサの構成例を示している。図示の非接触位置検出センサは、回転機構に取り付けられた円盤型磁石１０と、磁石表面に対して配設された２つの磁気検出素子２０及び２５と、各磁気検出素子２０及び２５の出力信号電圧を増幅する出力電圧増幅回路３０と、電圧増幅された各磁気検出素子２０及び２５の検出信号に基づいて回転機構の回転位置及び原点位置を検出する信号処理部４０を備えている。そして、２つの磁気検出素子２０及び２５は、１８０ｄｅｇだけ対向した位置、すなわち回転機構の回転軸回りに１８０ｄｅｇだけ位相差を以って配設されている。円盤型磁石１０の構成並びに表面磁束密度の特性は上述と同様なのでここでは説明しない。
【００９１】
図１３には、２つの磁気検出素子２０及び２５の検出信号を示している。これら２つの磁気検出素子２０及び２５は、図３に示すような回転角に対する表面磁束密度特性を持つ円盤型磁石１０の磁束密度を、１８０ｄｅｇだけ対向した位置から検出しているので、これらの検出信号には１８０ｄｅｇの位相差がある。
【００９２】
一方の磁気検出センサが円盤型磁石１０外周の線形変化部のゼロクロス付近を通過しているときには、他方の磁気検出センサはその非線形変化部でのゼロクロス付近を通過していることになる。線形変化部に差し掛かった磁気検出センサは角度検出区間であり、非線形変化部に差し掛かった磁気検出センサは原点検出区間である。
【００９３】
円盤型磁石１０外周の線形変化部の範囲が広くなると、その代わりに、図１３からも分かるように、非線形変化部は狭くなり磁極が急峻に切り替わる。そこで、信号処理部４０は、一方の磁気検出センサからの出力信号を用いて線形変化部で回転角を検出するのに並行して、他方の磁気検出センサの出力信号から検出される非線形変化部における磁極の急峻な切り替わり部を、回転機構の原点位置として正確に検出することが可能である。例えば、ロボットの関節アクチュエータの出力軸に適用した場合、正確に規定の姿勢復帰を行なうことが可能となる。
【００９４】
また、信号処理部４０は、２つの磁気検出素子２０及び２５が磁性体の磁束密度変化より得る出力電圧を、９０度毎に切り替えながら補完することにより、無限回転の角度検出を行なうことが可能になる。
【００９５】
図１４には、２つの磁気検出素子の検出信号を９０度毎に切り替えながら補完して、無限回転角度を検出する様子を示している。円盤型磁石１０外周の線形変化部の範囲が広くなると、同図中で網掛けにより示すように、各磁気検出素子２０及び２５がともに線形変化部で角度検出可能となる期間が広くなる。信号処理部４０は、磁気検出素子２０及び２５双方の出力信号の直線性が十分に保たれている期間を用いて角度検出用信号の切り替え操作を行なうことにより、双方の素子から得られる角度データを適当に用いながらスムーズに切り替えを行なうことができる。
【００９６】
ここで、検出対象となる回転機構の回転軸が無限回転を行なう場合には、２つの磁気検出素子２０及び２５がそれぞれ線形変化部又は非線形変化部のいずれを検出しているかを特定しなければ、上述した９０度毎の検出信号の切り替え動作を正確に行なうことはできない。図１３に示したように、円盤型磁石１０外周の線形変化部の範囲が広くなると、非線形変化部では表面磁束密度が急峻に変化する。そこで、信号処理部４０は、各磁気検出素子２０及び２５からそれぞれ得られる表面磁束密度を時間微分して、その大小により各々の検出信号の位相関係を判定するようにしてもよい。
【００９７】
また、信号処理部４０は、各磁気検出素子２０及び２５から１８０度毎に発生する原点データを用いることでも補正を行なうことが可能である。
【実施例】
【００９８】
既に述べたように、本発明に係る位置検出センサをロボットの関節アクチュエータの出力軸に適用した場合、正確に規定の姿勢復帰を行なうことが可能となる。この項では、４足歩行ロボットに適用した実施形態について説明する。
【００９９】
図１５には、例えば犬などの４足歩行ロボットの構成を模式的に示している。同図に示すロボットは、頭部１１０と、首部１１１と、胴体１１２と、首部関節１１３と、前脚第１関節１１４と、後脚第１関節１１５と、前脚大腿部１２１と、前脚第２関節１２２と、前脚下腿部１２３と、後脚大腿部１３１と、後脚第２関節１３２と、後脚下腿部１３３を備えている。
【０１００】
４足歩行ロボットの動作は、現時点における各関節の状態（回転角度など）に対し、所望の姿勢における関節の状態を算出し、複数の関節を所望の状態まで所定の速度で回転駆動することにより行なわれる。そして、ロボットにおいて動作生成を行うために必要な駆動部は、動力を発生するモータ、任意の角速度とトルクにする減速機、姿勢位置情報を得る位置センサで構成される。
【０１０１】
図１６には、前脚第２関節部１２２付近の構成を詳細に示している。同図に示すように、前脚第２関節１２２を回動させることにより、前脚大腿部１２１と前脚下腿部１２３とのなす角度を変えるため、前脚下腿部１２３には駆動モータ１２６、減速歯車列１２７、回転角度センサ１２８からなる減速駆動機構１２０が内蔵されている。回転角度センサ１２８として、本発明に係る非接触位置センサを適用することができる。
【０１０２】
そして、減速歯車列１２７の出力軸１２９が係合される前脚大腿部１２１に対し、前脚下腿部１２３が屈曲又は伸長し、所望の姿勢を実現するように関節駆動が行なわれる。その動作は以下の通りである。
【０１０３】
（１）前脚第２関節１２２に配設した位置センサ１２８から現在の位置情報を取得する。例えば現在の関節位置が＋４５ｄｅｇであったとする（但し時計回りを正方向とする）。
（２）次の動作に必要な目標位置を算出する。例えば、目標の関節位置を＋６０ｄｅｇとする。
（３）動作完了位置到達に必要な関節移動量、及び動作速度に応じて、モータ１２６を駆動し、動作し点を中心に前脚第２関節１２２を動作させる。この場合の移動量は＋１５ｄｅｇ（＝６０−４５）である。
（４）位置センサ１２８からの位置情報を取得し、動作完了位置を検出した時点で動作を停止する。この場合の動作完了位置は＋６０ｄｅｇである。
【０１０４】
図１５に示したロボットでは、首部関節１１３、前脚第１関節１１４、後脚第１関節１１５、後脚第２関節１３２においても、図１６に示したものと同様の減速駆動機構１２０が組み込まれ、それぞれの関節を動機的に回転駆動することによりロボット全体としての姿勢や動作を制御することができる。
【０１０５】
図１７及び図１８には、前脚下腿部１２３に内蔵される前脚第２関節１２２の減速駆動機構１２０の具体的構成を示している。但し、図１７Ａは平面図、図１７Ｂは正面図、図１８は斜視図である。
【０１０６】
減速駆動機構は、動力発生源としての駆動モータ１２６と、その回転出力軸に取り付けられたピニオン・ギア１２６ａと、複数のギア１２７ａ〜１２７ｃからなる減速歯車列１２７と、回転角度センサ１２８で構成される。減速歯車列１２７、所望の回転速度とトルクを得るため、ギア１２７ａ及び１２７ｂは軸上の大小の平歯車を持ち、ギア１２７ｃは大きい平歯車を持つ。
【０１０７】
駆動モータ１２６による回転駆動力がピニオン１２６ａからギア１２７ａ、１２７ｂ、１２７ｃへと減速されながら順次伝達される。そして、最終のギア１２７ｃの回転軸が当該減速駆動機構１２０の出力軸１２９となり、その回転位置を回転角度センサ１２８が検出する。
【０１０８】
回転角度センサ１２８は、着磁された円盤型磁石１２８ａと、円盤型磁石ａの外周に対向して配設された磁気検出素子１２８ｃで構成される。
【０１０９】
円盤型磁石１２８ａの外周は真円であり、出力軸１２９の回転軸と同心状に取り付けられる。また、円盤型磁石１２８ａの内側には略Ｄ字形状の異形穴を穿設して径方向の磁石厚みが調整され、Ｄ字の背側に相当する外周部分において表面磁束密度が回転角に対して線形的に変化するように着磁後の表面磁束波形に差が設けられている。そして、磁気検出素子１２８ｃは、円盤型磁石１２８ａの表面磁束密度を半径方向から検出するように取り付けられており、表面磁束密度の線形変化部を利用して、出力軸１２９の回転角を正確に検出することができる。
【０１１０】
円盤型磁石１２８ａの外側形状が真円であることから、出力軸１２９に対し同軸に取り付けることが容易であり、回転角に対し磁石１２８ａ外周と磁気検出素子１２８ｃとの距離又は空隙寸法を一定にすることができる。
【０１１１】
例えば、図１９に示すように、円盤型磁石１０の取り付け先となる出力軸１２９の先端にＤ字の異形穴と同一の形状をなす係合部を形成することにより、その軸に円盤型磁石１０の異形穴を挿入するだけで取り付けが完了する。また、この場合、回転軸側及び異形穴が形成するＤ字の略直線の背中部分は、磁気検出素子１２８ｃに対する円盤型磁石１２８ａの機械的角度位置決めとしての機能を果たす。
【０１１２】
図２０には、減速駆動機構１２０に回転角度センサ１２８を組み立てる様子を示している。
【０１１３】
まず、円盤型磁石１２８ａと磁気検出センサ１２８ｃを、ギア・ボックス１２５の上カバー１２５ａの上面側に形設された円形凹部１２５ｃの磁石取り付けブロックと矩形凹部２５ｄの磁気検出素子取り付けブロックにそれぞれ組み込む。
【０１１４】
次いで、磁気検出素子１２８ｃのリード線を引き出すようにしてカバー１２５ｂを設ける。
【０１１５】
次いで、出力軸１２９をなすギア１２７ｃのＤ字形上の係合部１２７ｄを、上カバー１２５ａに形設された円形凹部１２５ｃの底面の丸孔に相通させて、円盤型磁石１２８ａの異形穴１２８ｂを係合させるとともに、カバー１２５ｂから突設するようにする。
【０１１６】
次いで、この状態でギア１２７ａ及び１２７ｂの軸の一端を上カバー１２５ａの軸受穴に順次組み込んでから、ピニオン・ギア１２６ａが取り付けられた駆動モータ１２６を組み込む。
【０１１７】
最後に、図示しない裏蓋により減速駆動機構１２０のギア１２７ａと係合部１２７ｄを挿入することにより、回転角度検出における角度位置決め及び回転角度センサの遊びがないように取り付けることができる。
【産業上の利用可能性】
【０１１８】
以上、特定の実施形態を参照しながら、本発明について詳解してきた。しかしながら、本発明の要旨を逸脱しない範囲で当業者が該実施形態の修正や代用を成し得ることは自明である。
【０１１９】
本発明に係る非接触位置検出センサは、さまざまなサイズの機構に適用することができる。本発明に係る非接触位置センサは、例えば、各種ロボットの関節機構部や、遊星減速機への内蔵、各種機器のボリューム・スイッチ、ゲーム・コントローラなどで使用されるジョイスティックなど、さまざまな分野の機器に適用することができる。
【０１２０】
要するに、例示という形態で本発明を開示してきたのであり、本明細書の記載内容を限定的に解釈するべきではない。本発明の要旨を判断するためには、特許請求の範囲を参酌すべきである。
【図面の簡単な説明】
【０１２１】
【図１】図１は、本発明の一実施形態に係る、磁気検出方式に非接触位置検出センサの構成例を示した図である。
【図２】図２は、±１３５ｄｅｇの回転範囲において、円盤型磁石１０の外周から発生する磁石表面磁束密度が回転角に対して線形的に変化する様子を示した図である。
【図３】図３は、Ｄ字の背側中央を０度に設定して着磁する方法と、腹側中央を０度に設定して着磁する方法それぞれにおいて、回転角度に対して円盤型磁石１０の外周の表面磁束密度の変化を測定した結果を示した図である。
【図４】図４は、Ｄ字の腹側中央を０度に設定して着磁した場合の回転角度に対する表面磁束密度の変化の直線度を評価した結果を示した図である。
【図５】図５は、外周の表面磁束密度に回転角に対する変化の直線性が低くなる回転位置付近において径方向の磁石厚みを増減して形状変更する様子を示した図である。
【図６】図６は、外周の表面磁束密度に回転角に対する変化の直線性が低くなる回転位置付近において径方向の磁石厚みを増減して形状変更する様子を示した図である。
【図７】図７は、外周の表面磁束密度に回転角に対する変化の直線性が低くなる回転位置付近において径方向の磁石厚みを増減して形状変更する様子を示した図である。
【図８】図８は、外周の表面磁束密度に回転角に対する変化の直線性が低くなる回転位置付近において径方向の磁石厚みを増減して形状変更する様子を示した図である。
【図９】図９は、着磁器の構成を上面及び横面から示した図である。
【図１０】図１０は、着磁ヨークで円盤型磁石１０を着磁する様子を模式的に示した図である。
【図１１】図１１は、磁界シミュレーション計算により求めた、着磁ヨークにより形成される着磁磁化（磁束密度）ベクトルを示した図である。
【図１２】図１２は、原点位置検出機能付きの非接触位置センサの構成例を示した図である。
【図１３】図１３は、２つの磁気検出素子２０及び２５の検出信号を示した図である。
【図１４】図１４は、２つの磁気検出素子の検出信号を９０度毎に切り替えながら補完して、無限回転角度を検出する様子を示した図である。
【図１５】図１５は、４足歩行ロボットの構成を模式的に示した図である。
【図１６】図１６は、前脚第２関節部１２２付近の構成を詳細に示した図である。
【図１７】図１７は、前脚下腿部１２３に内蔵される前脚第２関節１２２の減速駆動機構１２０の具体的構成を示した図である。
【図１８】図１８は、前脚下腿部１２３に内蔵される前脚第２関節１２２の減速駆動機構１２０の具体的構成を示した図である。
【図１９】図１９は、円盤型磁石１０の取り付け先となる出力軸１２９の先端にＤ字の異形穴と同一の形状をなす係合部に円盤型磁石１０の異形穴を挿入して取り付ける様子を示した図である。
【図２０】図２０は、減速駆動機構１２０に回転角度センサ１２８を組み立てる様子を示した図である。
【符号の説明】
【０１２２】
１０…円盤型磁石
２０、２５…磁気検出素子
３０…出力電圧増幅回路
４０…信号処理部
１１０…頭部
１１１…首部
１１２…胴体
１１３…首部関節
１１４…前脚第１関節
１１５…後脚第１関節
１２０…減速駆動機構
１２１…前脚大腿部
１２２…前脚第２関節
１２３…前脚下腿部
１２５…ギア・ボックス、１２５ａ…上カバー、１２５ｂ…カバー１２５ｃ…円形凹部、１２５ｄ…矩形凹部
１２６…駆動モータ、１２６ａ…ピニオン・ギア
１２７…減速歯車列、１２７ａ〜１２７ｃ…ギア、１２７ｄ…係合部
１２８…回転角度センサ、１２８ａ…円盤型磁石、１２８ｂ…異形穴、１２８ｃ…磁気検出素子
１２９…出力軸
１３１…後脚大腿部
１３２…後脚第２関節
１３３…後脚下腿部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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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１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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