JP2006242915A - ポテンショメータ - Google Patents

Abstract

【課題】 安定した検出感度を得ることができるポテンショメータを提供する。
【解決手段】 このポテンショメータ１では、マグネット１３の形状が周方向で厚みが変化する略円柱形状とされているため、シャフト３の回転に伴ってホール素子１０と向き合うマグネットの厚みが変化する。これにより、ホール素子１０からの出力電圧が変化し、この電圧変化に基づいてシャフト３の回転位置の検出が可能となっている。そして、このポテンショメータ１では、ホール素子１０がマグネット１３の径方向の外方で、マグネットの外周面１３ｃに対向して配置されているため、シャフト３が軸線Ｌ方向に位置ずれしてもマグネット１３とホール素子１０との間のギャップ変動が抑えられる。これにより、ホール素子１０からの出力電圧が安定し、検出感度を安定化させることが可能となる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電気機器等に組み込まれて回転位置検出に利用される非接触磁気式のポテンショメータに関する。

従来、この種の分野の技術として、例えば特許文献１に記載の非接触式ポテンショメータがある。従来のこのポテンショメータは、回転軸としてのシャフトに固定された円板状のマグネットと、このマグネットによって形成される磁界の磁束密度を感磁して、その磁束密度に応じた電圧を出力するホール素子とを備えている。そして、このポテンショメータでは、シャフトの回転によってホール素子からの出力電圧が変化すると、この電圧変化に基づいてシャフトの回転位置の検出が行われる。
特開昭５７−２７０８１号公報 特開平７−２４３８０４号公報 特開２００１−０９１２９８号公報 特開２００１−０４１７６８号公報

しかしながら、上述した従来のポテンショメータでは、ホール素子がマグネットの着磁面に対向して配置されているため、シャフトの軸線方向の位置ずれに対してマグネットとホール素子との間のギャップが変動しやすい。このようなギャップの変動は、ホール素子からの出力電圧の変動が生じ易く、検出感度の不安定化を招き易い。

本発明は上記課題の解決のためになされたもので、安定した検出感度を得ることができるポテンショメータを提供することを目的とする。

上記課題の解決のため、本発明に係るポテンショメータは、シャフトに固定され、厚さ方向でＮ極とＳ極とに着磁されたマグネットと、マグネットによって形成された磁界の磁束密度を感磁する感磁面を有し、この感磁面で感磁した磁束密度に応じた電圧を出力するホール素子とを備え、マグネットは、周方向で厚みが変化する略円柱形状に形成され、ホール素子は、マグネットの径方向の外方でマグネットの外周面に対向して配置されていることを特徴としている。

このポテンショメータでは、マグネットの形状が周方向で厚みが変化する略円柱形状とされているため、シャフトの回転に伴ってホール素子と向き合うマグネットの厚みが変化する。これにより、ホール素子からの出力電圧が変化し、この電圧変化に基づいてシャフトの回転位置の検出が可能となっている。そして、このポテンショメータでは、ホール素子がマグネットの径方向の外方で、マグネットの外周面に対向して配置されているため、シャフトが軸線方向に位置ずれしてもマグネットとホール素子との間のギャップ変動が抑えられる。これにより、ホール素子からの出力電圧が安定し、検出感度を安定化させることが可能となる。

また、マグネットの厚みは、周方向の全周にわたって直線状又は曲線状に連続的に変化していることが好ましい。この場合、このようなマグネットの構成は、マグネットの全周にわたって磁束密度が連続的に変化するので、シャフトの回転位置の検出可能な範囲（有効電気角）を広範なものとすることができる。

また、ホール素子の感磁面は、シャフトの軸線方向に延在していることが好ましい。こうすると、マグネットによって形成される磁界の磁束密度を、ホール素子の感磁面で精度良く感磁することが可能となるため、シャフトの回転位置検出の精度向上が図られる。

また、ホール素子の感磁面は、マグネットのＮ極側又はＳ極側のいずれか一方の側に偏在して配置されていることが好ましい。こうすると、磁束密度の感磁を一層精度良く行うことが可能となるため、シャフトの回転位置検出の更なる精度向上が図られる。

また、ホール素子の感磁面は、シャフトの軸線方向に対して直交する方向に延在していることが好ましい。このようなホール素子の配置によっても、マグネットによって形成される磁界の磁束密度を精度良く感磁することが可能となるため、シャフトの回転位置検出の精度向上が図られる。

また、ホール素子における感磁面と反対面側には、磁性体又は永久磁石からなるヨークが配置されていることが好ましい。この場合、ホール素子内に確実に磁束を通過させることができ、磁束の漏れを抑制することができる。

以上説明したように、本発明に係るポテンショメータによれば、安定した検出感度を得ることができる。また、シャフトの回転位置の検出を広範囲に行うことができる。

以下、図面を参照しながら本発明に係るポテンショメータの好適な実施形態について詳細に説明する。

図１及び図２に示すように、非接触磁気式のポテンショメータ１は、例えば磁性体金属からなる筐体２と、回転軸としてのシャフト３とを有している。筐体２は、略円筒形状を有するキャップ状の筐体本体部４と、扁平なカバー６とによって構成され、筐体本体部４の底面４ａにカバー６が固定されて、筐体本体部４の内部には円柱状の収容空間Ｓが設けられている。また、筐体本体部４の頂面４ｂ側において、壁部５は肉厚に形成されており、この壁部５の中央には、収容空間Ｓと外部とを連通させる円形の貫通孔４ｃが設けられている。なお、筐体２には、後述するホール素子１０の背面側を取り囲むような凹部２ａが設けられ、筐体２は、ホール素子１０内に確実に磁束を通過させるためのヨークとして機能する。

シャフト３は、例えば非磁性の金属によって形成されている。このシャフト３の下端部３ａは収容空間Ｓ内に配置され、上端部３ｂは筐体２の貫通孔４ｃから突出している。また、シャフト３は、貫通孔４ｃ内に設けられた一対のボールベアリング７，７によって回転自在に支持されている。さらに、シャフト３の略中間部分には溝部３ｃが形成され、シャフト３の下端部３ａ側にはフランジ部３ｄが形成され、この溝部３ｃにはＣリング８が嵌め込まれている。その結果、Ｃリング８とフランジ部３ｄとの協働により、シャフト３のスラスト方向への位置ずれ防止と、筐体２からの抜け防止とが図られる。

また、筐体２から突出するシャフト３の上端部３ｂには、操作部としての回転つまみ（図示しない）が取り付けられ、収容空間Ｓ内に収容されたシャフト３の下端部３ａには、マグネット１３がシャフト３と同心をなすように装着されている。このマグネット１３は、図３に示すように、周方向の全周にわたって厚みが直線的に且つ連続的に変化する略円柱形状に形成され、厚さ方向でＮ極とＳ極とに着磁されている。また、マグネット１３の着磁面１３ａにおいて、その厚みが最も薄い部分と最も厚い部分との結合部分は段部１３ｂとなっている。なお、シャフト３を磁路に含まないようにするために、マグネット１３は、樹脂部材を介してシャフト３の下端部３ａに固定するようにしてもよい。

さらに、図１及び図２に示すように、筐体２の収容空間Ｓ内には、円形の回路基板９とホール素子１０とが収容されている。回路基板９は、筐体本体部４の内壁に設けられた段部４ｄに押し当てられて固定されている。この回路基板９の周縁部の一部には、筐体２の凹部２ａに向かって張り出す張出部９ａが形成されている。ホール素子１０は、３本の端子１０ａを有すると共に、及び脚片１０ｂを介して回路基板９の張出部９ａに固定されている。更にホール素子１０は、マグネット１３の径方向の外方でマグネット１３の外周面１３ｃに対向して配置されている。また、このホール素子１０において、感磁膜の感磁面１０ｃは、シャフト３の軸線Ｌ方向に延在していると共に、マグネット１３のＮ極側に偏在して配置されている。そして、ホール素子１０は、感磁面１０ｃで感磁した磁界の磁束密度に応じた電圧を出力し、この出力電圧は、回路基板９内での所定の処理によって増幅された後、リード線１６を介して外部に取り出される。

このような構成のポテンショメータ１では、シャフト３の上端部３ｂに取り付けられた回転つまみ（図示しない）の操作によって、シャフト３とシャフト３の下端部３ａに装着されたマグネット１３とが軸線Ｌ回りに回転する。このとき、図３に示すように、マグネット１３は周方向の全周にわたって厚みが直線状に且つ連続的に変化する略円柱形状に形成されているので、ホール素子１０の感磁面１０ｃに対向するマグネット１３の厚さは、シャフト３の回転に伴って連続的に変化する。

そこで、マグネット１３の段部１３ｂとホール素子１０の感磁面１０ｃとが向き合う位置を基準位置（回転位置０°）とすれば、ポテンショメータ１では、基準位置からシャフト３を左右いずれかの一方向に回転させていくと、回転位置が約４５°〜約３１５°の範囲では、感磁面１０ｃが感磁する磁束密度が正比例の関係をもって直線状に変化する。また、基準位置の近傍（約４０°及び約３２０°）では、感磁面１０ｃが感磁する磁束密度が最大及び最小となる。したがって、このポテンショメータ１の有効電気角は、シャフト３の回転位置の変化に対して磁束密度が直線状に変化する回転位置約４５°〜約３１５°の範囲であり、この広範な有効電気角の範囲内で、シャフト３の回転位置に対するホール素子１０からの出力電圧を正比例の関係をもって決定することができる。そして、ホール素子１０からの出力電圧はリード線１６を介して外部に取り出され、この出力電圧に基づいてシャフト３の回転位置の検出がなされる。

ここで、このポテンショメータ１では、ホール素子１０がマグネット１３の径方向の外方で、マグネット１３の外周面１３ｃに対向して配置されている。そのため、シャフト３が軸線Ｌ方向に位置ずれしても、マグネット１３の外周面１３ｃとホール素子１０の感磁面１０ｃとの間のギャップ変動が抑えられる。このようなギャップ変動の抑制は、ホール素子１０からの出力電圧を安定化し、その結果として検出感度の安定化を図ることが可能となっている。

また、ホール素子１０の感磁面１０ｃは、シャフト３の軸線Ｌ方向に延在していると共に、マグネット１３のＮ極側に偏在して配置されている。これにより、図４に示すように、マグネット１３のＮ極側からマグネット１３の径方向の外方に向かう磁界の磁束密度を、ホール素子１０の感磁面１０ｃで精度良く感磁することが可能となるため、シャフト３の回転位置検出の精度向上が図られる。さらには、ホール素子１０における感磁面１０ｃの背面側には、ヨークとして機能する筐体２が位置していることから、ホール素子１０内に確実に磁束を通過させることができ、磁束の漏れを抑制することができる。このことは、ホール素子１０が感磁する磁束密度の変化量を十分に確保することを可能とし、検出精度の一層の向上を実現する。なお、ホール素子１０の感磁面１０ｃは、マグネット１３の外周面１３ｃに対向しているので、ヨーク等を介さずにマグネット１３からの磁束を直接感磁することができる。

本発明は上記実施形態に限られるものではない。例えば、マグネット１３の形状は、周方向の全周にわたって厚みが曲線状（例えば２次曲線状）に且つ連続的に変化する略円柱形状としてもよい。こうすると、マグネット１３の寸法やホール素子１０の位置などの関係によっては、図３に示したように、周方向の全周にわたって厚みが直線状に変化する場合と比べて、シャフト３の回転位置の変化量に対する磁束密度の変化量の直線性が向上し、広範な有効電気角を得ることが可能となる。また、ホール素子１０の感磁面１０ｃは、マグネット１３のＳ極側に偏在して配置してもよい。この場合には、マグネット１３の径方向の外方からマグネット１３のＳ極側に向かう磁界の磁束密度を、ホール素子１０の感磁面１０ｃで精度良く感磁することが可能となる。また、非磁性の金属によって筐体２を形成する場合には、ホール素子１０において、感磁膜の感磁面１０ｃの背面側に金属片又は永久磁石片からなるヨークを配置することにより、ホール素子１０内に確実に磁束を通過させることができる。

さらに、ホール素子１０の配置形態の変形例として、図５及び図６に示すように、ホール素子１０の感磁面１０ｃを、シャフト３の軸線Ｌ方向に対して直交する方向に延在するように配置してもよい。この場合には、図６に示すように、感磁面１０ｃをマグネット１３のＮ極とＳ極との境界部分に配置することで、シャフト３の軸線Ｌ方向に沿う磁界の磁束密度をホール素子１０の感磁面１０ｃで精度良く感磁することが可能となる。なお、この変形例においても、ホール素子１０における感磁面１０ｃの背面側には、ヨークとして機能する筐体２が位置しているため、磁束の漏れを抑制することができ、検出精度の向上が図られる。

本発明に係るポテンショメータの一実施形態を示す断面図である。 図１におけるＩＩ−ＩＩ線断面図である。 マグネットの形状を示した斜視図である。 マグネットとホール素子との位置関係を示した断面図である。 変形例に係るポテンショメータを示した断面図である。 変形例に係るポテンショメータにおけるマグネットとホール素子との位置関係を示した図である。

符号の説明

１…ポテンショメータ、３…シャフト、１０…ホール素子、１０ｃ…感磁面、１３…マグネット、１３ｃ…外周面、Ｌ…軸線。

Claims (6)

1. シャフトに固定され、厚さ方向でＮ極とＳ極とに着磁されたマグネットと、
   前記マグネットによって形成された磁界の磁束密度を感磁する感磁面を有し、この感磁面で感磁した磁束密度に応じた電圧を出力するホール素子とを備え、
   前記マグネットは、周方向で厚みが変化する略円柱形状に形成され、
   前記ホール素子は、前記マグネットの径方向の外方で前記マグネットの外周面に対向して配置されていることを特徴とするポテンショメータ。
2. 前記マグネットの厚みは、周方向の全周にわたって直線状又は曲線状に連続的に変化していることを特徴とする請求項１記載のポテンショメータ。
3. 前記ホール素子の前記感磁面は、前記シャフトの軸線方向に延在していることを特徴とする請求項１又は２記載のポテンショメータ。
4. 前記ホール素子の前記感磁面は、前記マグネットのＮ極側又はＳ極側のいずれか一方の側に偏在して配置されていることを特徴とする請求項３記載のポテンショメータ。
5. 前記ホール素子の前記感磁面は、前記シャフトの軸線方向に対して直交する方向に延在していることを特徴とする請求項１記載のポテンショメータ。
6. 前記ホール素子において、前記感磁面と反対面側には、磁性体又は永久磁石からなるヨークが配置されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項記載のポテンショメータ。

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