专利名称：位置检测装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及磁性检测型的位置检测装置，用于汽车或产业机器等的旋转部位或直线移动部位的位置检测。
背景技术：
以往，在检测旋转角度位置的磁性式编码器的情况下，如日本专利申请公开 H06-88704(专利文献1)所示，利用设置在圆板状磁铁附近的磁性传感器对因多级地被磁化的圆板状磁铁旋转而产生的磁场方向的改变进行检测。图IOA是专利文献1表示的磁性旋转编码器的俯视图，附图标记相对于专利文献有所变化。图IOB及IOC是为了使该磁性旋转编码器的构造和动作容易理解而由本申请的发明人制作的用于说明的立体图及侧视图。在现有技术中，把沿旋转轴方向被磁化的圆板状磁铁分割为90°的扇形磁铁板81A 81D，并以使邻接的磁铁板的极性N、S彼此相反的方式配置，固定成一体来形成圆板状旋转体81。在该例中，三个磁性传感器82a，82b，82c与旋转体81的板面相隔距离地以60°间隔配置在以旋转体81的旋转轴Ox为中心的同一圆上。图10B，IOC中，以三个磁性传感器中的一个为代表而表示为磁性传感器82，磁性传感器82的磁场检测方向如箭头84所示垂直于旋转体81的板面。伴随着旋转体81以旋转轴Ox为中心进行旋转，当磁性传感器82位于同一磁极上时，磁性传感器82输出同一电极性的磁性检测信号，若磁极颠倒，则磁性检测信号的电极性也颠倒。因此，若旋转体81旋转，则磁性传感器82输出正负交替的磁性检测信号。图10的现有技术中，从三个磁性传感器82a，82b，82c中得到相位彼此相差60°的三个磁性检测信号。图IOC表示如下情况，当旋转体81旋转，磁性传感器82位于邻接的两个磁铁板 81A与81B的边界时，此时沿垂直方向(磁场检测方向84)穿过磁性传感器82的磁场成分大致变成零。在图10A，10B, IOC的现有技术中，因为邻接的磁铁板边界附近的磁通密度小，所以磁性传感器从一侧的磁铁板向另一侧的磁铁板相对移动时磁场的改变变缓慢，其结果是，磁性传感器的检测输出的上升沿、下降沿的斜率小，通过阈值对磁性传感器的检测输出进行逻辑判定而得到的位置检测信号的磁滞宽度变大，导致位置检测时机延迟，而且很难提高旋转角度检测精度。
发明内容
本发明的目的为，提供一种可以减小位置检测时机的延迟并提高检测精度的位置检测装置。根据第一方面发明的位置检测装置，其为磁性检测型的位置检测装置，其特征在于，包括由软磁性材料形成的环状磁性基板；层叠于所述磁性基板上，且相互隔着间隔地排列于第一圆周上的偶数个圆弧状的磁铁板；层叠于各所述磁铁板上，且相互形成空隙地排列于第二圆周上并由软磁性材料形成的偶数个圆弧状的磁轭板；以及在层叠方向上与所述磁轭板的排列的面相隔一定距离且能够绕周向相对移动而配置的磁性传感器，邻接的所述磁轭板之间的空隙，与邻接的所述磁铁板之间的间隔相等或比邻接的所述磁铁板之间的间隔小，并位于所述间隔的中央，各所述磁铁板在层叠方向上被磁化，在邻接的所述磁铁板的彼此相对的端面上的磁化方向为彼此构成相反极性。根据第二方面发明的位置检测装置，其为磁性检测型的位置检测装置，其特征在于，包括由软磁性材料形成的圆弧状磁性基板；层叠于所述磁性基板上，且相互隔着间隔地排列于第一圆周上的两个圆弧状的磁铁板；层叠于各所述磁铁板上，且相互形成空隙地排列于第二圆周上并由软磁性材料形成的两个圆弧状的磁轭板；以及在层叠方向上与所述磁轭板的排列的面相隔一定距离且能够绕周向相对移动而配置的磁性传感器，邻接的所述磁轭板之间的空隙，与邻接的所述磁铁板之间的间隔相等或比邻接的所述磁铁板之间的间隔小，并位于所述间隔的中央，各所述磁铁板在层叠方向上被磁化，在邻接的所述磁铁板的彼此相对的端面上的磁化方向为彼此构成相反极性。根据第三方面发明的位置检测装置，其为磁性检测型的位置检测装置，其特征在于，包括由软磁性材料形成且朝一方向延长的磁性基板；层叠于所述磁性基板上，且相互隔着间隔地排列于所述磁性基板的长度方向的至少三个磁铁板；层叠于各所述磁铁板上， 且相互形成空隙地排列并由软磁性材料形成的至少三个磁轭板；以及以与所述磁轭板的排列的面相隔一定距离且能够相对移动的方式配置的磁性传感器，邻接的所述磁轭板之间的空隙，比邻接的所述磁铁板之间的间隔小，并位于所述间隔的中央，各所述磁铁板在层叠方向上被磁化，在邻接的所述磁铁板的彼此相对的端面上的磁化方向为彼此构成相反极性。本发明具有以下效果因为可以使磁力线集中于磁轭板的空隙附近，所以相对于空隙附近位置的磁通密度的变化变得急剧，其结果是，位置检测的时机延迟变小，位置检测精度提高。
图IA是本发明的第一实施例的立体图，图IB是第一实施例的俯视图，图IC是第一实施例的侧视图；图2是用于说明磁性传感器以及处理该磁性传感器的磁性检测信号输出的逻辑判定电路的框图；图3A、;3B表示磁性检测信号的波形例和对磁性检测信号进行逻辑判定而得到的位置检测信号的波形；图4A是在第一实施例及现有技术变形例的磁性传感器位置对磁通密度的模拟结果进行比较的图表；图4B是图4A中的空隙G附近的放大图；图5是本发明的第二实施例的立体图；图6是本发明的第三实施例的立体图；图7是本发明的第四实施例的立体图；图8是本发明的第五实施例的立体图；图9是本发明的第六实施例的俯视图；图IOA是现有技术的旋转编码器的俯视图，图IOB是图IOA的立体图，图IOC是图 IOA的侧视图。
具体实施例方式以下，详细说明本发明的实施例。(第一实施例)图IA是表示本发明第一实施例的磁性检测型位置检测装置的立体图，图IB是其俯视图，图IC表示侧视图。在该实施例中，旋转体10由如下部件构成，即环状磁性基板11、 在该磁性基板的板面上沿周向排列安装的偶数个(该示例中为两个)圆弧状磁铁板12A， 12B、在该磁铁板的每一个上重叠安装的偶数个圆弧状的磁轭板13A，13B。位置检测装置包括旋转体10、以与该磁轭板的板面隔着一定间距且能够相对旋转的方式设置的磁性传感器14。环状磁性基板11由导磁率高的软磁性材料例如坡莫合金(〃一 7 口 4 )或硅钢板制成。圆弧状磁铁板12A，12B是由例如铁素体系或钐钴系或钕系等的强磁性材料通过切削加工或成型加工而形成，其具有自与环状磁性基板11相同的内径和外径的环状磁铁按照相等弧长分割成偶数个的形状。每个磁铁板的圆弧中心角都彼此相等，他们的和小于360 度，将磁铁板以相互隔着间隔D的方式在磁性基板11上沿周向排列于同一圆周上。另外， 各磁铁板12A，12B在磁性基板11及磁轭板13A，13B的层叠方向(在该实施例中为旋转轴 Ox方向)上以相互构成相反极性的方式被磁化。圆弧状磁轭板13A，13B也排列于同一圆周上，磁轭板13A周向的两个端面与邻接的磁轭板13B的端面接近，并以留出空隙G的方式相对。空隙G比邻接的磁铁板12A，12B 的彼此相对的端面间的间隔D小，并位于间隔D的周向中央。形成间隙G的磁轭板13A，13B 相对的端面，如图所示既可以互相平行，也可以是与周向成直角的面。同样，形成间隔D的磁铁板12A，12B相对的端面，既可以互相平行，也可以是与周向成直角的面。磁性基板11、 磁铁板12A，12B、磁轭板13A，i;3B在旋转轴Ox方向上层叠，彼此例如利用模型(未图示)将外周面固定而形成旋转体10。在图1的实施例中，该旋转体10安装在使用本发明的位置检测装置的未图示的产业机器所具有的旋转部的旋转轴上，磁性传感器14以与磁轭板13A， 13B的板面隔着一定距离相对的方式固定在该产业机器的非可动部。磁性传感器14的磁场检测方向如图中箭头14S所示，垂直于磁轭板13A，13B的板面，也就是说，沿着磁性基板、磁铁板、磁轭板的层叠方向。作为磁性传感器14，可以使用例如霍尔元件或磁阻元件。例如在使用霍尔元件的情况下，如图2所示，磁性传感器14具有4个端子，向一对端子施加恒定电压Vb (恒定电压工作的情况)，从另一对端子输出磁性检测信号\。磁性检测信号Vm通过逻辑判定电路20 被放大，进行逻辑判定，判定结果作为位置检测信号&而被输出。如图IC所示，来自磁铁板12B的磁力线多数进入导磁率高的磁轭板13B，被磁轭板 13B引导并朝向空隙G方向的顶端流动。其结果是，磁力线集中在磁轭板13B的顶端部，从顶端部附近的表面如曲线箭头所示向空气中放射。磁力线在空隙G附近的空气中通过，进入磁轭板13A的顶端部附近的表面，并在磁轭板13A中流动而进入磁铁板12A。从磁铁板 12A流出并进入磁性基板11的大部分磁力线通过磁性基板11返回磁铁板12B。在本实施例中，因为需要使在各空隙G中相对的磁极构成相反极性，空隙G的个数需要是偶数，因此， 设置有相同偶数个的磁铁板和磁轭板。
例如如图IC中虚线所示，当磁性传感器14位于磁轭板1 表面的上方时，磁性传感器14检测沿磁场检测方向14S穿透的磁力线所产生的磁场，并输出对应于该磁场方向的电极性的磁性检测信号\。随着磁性传感器14根据旋转体10的旋转而与空隙G接近，穿透磁性传感器14的磁力线数量增加，但当越过空隙G时磁场检测方向反向，其结果是，磁性传感器14的磁性检测信号Vm的电极性颠倒，而且在磁轭板13A周向上，随着磁性传感器14 离开空隙G，沿反方向穿透的磁力线数量减少。在图1A，IB, IC的实施例的情况下，若旋转体10旋转一周，则如图3A所示，磁性传感器14的磁性检测信号Vm构成一个周期的正负交替的波形。图3A的波形表示如下情况 当磁性传感器14的位置在空隙G的中央时，旋转体10开始旋转，旋转一周后返回原先的空隙G的中央的情况。逻辑判定电路20具有绝对值相等的正负阈值电压+Vth，-Vth,如图3A， 3B所示，当磁性检测信号Vm超过正阈值电压+Vth时，判定输出(即位置检测信号。为ON 状态(逻辑“1”)。即便磁性检测信号Vm小于+Vth，但只要不在负方向上超过-Vth，则维持该ON状态。其次，当磁性检测信号Vm在负方向上超过-Vth时，判定输出为OFF状态(逻辑 “0”)，而且在磁性检测信号Vm超过+Vth之前维持OFF状态。这种特性被称为磁滞现象。如上所述，逻辑判定电路20对被输入的例如图3A所示的磁性检测信号Vm进行逻辑判定，并输出如图3B所示的位置检测信号&。如图3A，3B所示，因为逻辑判定电路20将磁性检测信号Vm与阈值电压+Vth，-Vth进行比较来进行逻辑判定，因此，例如磁性检测信号Vm在从+Vth变到-Vth的角度宽度(磁滞宽度)dA期间，由于逻辑状态维持此前的状态， 故位置检测产生了 dA/2角度的延迟。因此，希望尽可能地减小磁滞宽度dA。图4A表示在图1的第一实施例和图10A，10B, IOC的现有技术中，对穿透磁性传感器14以及82的磁力线的磁场检测方向成分的磁通密度进行模拟计算的结果。其中，在该现有技术中使用了 4个扇形磁铁板，但为了与图1进行比较，图IOA的磁铁板的数量设为两个并形成与图IA相同的圆弧状，从而构成内径及外径分别与图IA的内径及外径相同的两个圆弧状磁铁板(中心角为180° )连接的环状旋转体。以下，将其称为现有技术变形例。第一实施例的磁性基板11、磁铁板12A，12B、磁轭板13A，13B以及现有技术变形例的磁铁板都为外径11. 5mm、内径8. 5mm、厚度1mm。另外，第一实施例以及现有技术变形例的磁铁板的保持力都为200kA/m。而且，第一实施例中的磁性基板11和磁轭板13A，13B由电磁软铁制成。另外，各圆弧状磁铁板12A，12B的中心角为140°，各圆弧状磁轭板13A， 13B的中心角为168.5°。因此，各间隔D的中心角为40° (在所述外径和内径之间约为 3. 49mm)，空隙 G 为 1.00mm(中心角为 11.46° )。图4A的图表的纵轴表示，当磁性传感器的半径方向上的位置均相距旋转体的中心10mm，磁性传感器与旋转体表面间的距离(以下称为传感器距离)为Imm或2mm时，对穿透磁性传感器的磁力线的磁场检测方向成分的磁通密度进行模拟计算的结果。横轴表示使旋转体旋转的角度，磁性传感器的位置与空隙G的中央(在现有技术变形例的情况下为邻接的磁铁板的接合边界)重合时设为0。由图可知，在相同传感器距离下，第一实施例的空隙附近的磁通密度高于现有技术变形例中的磁铁板接合边界附近的磁通密度，但随着自空隙沿周向离开，磁通密度越小，在该实施例中，磁通密度变得比现有技术变形例的磁通密度低。这种情况表示，在本发明中，由于使用磁性基板11以及磁轭板13A，13B，因此可以从磁铁板表面的宽广区域引导磁力线并使其集中于空隙附近。当然如果传感器距离增大，则在磁性传感器位置处的磁通密度越小。图4B是图4A中的180°位置附近的放大图。若将与逻辑判定电路20中用于逻辑判定的阈值电压+Vth，-Vth对应的磁通密度分别设为0. OlT(特斯拉)、-0. 01T，在传感器距离为Imm的情况下，第一实施例中的磁滞宽度屯约为2. 3°，小于现有技术变形例的约 2.9°。在传感器距离为2mm的情况下，也是第一实施例的磁滞宽度dA比现有技术变形例的磁滞宽度dA小。所以，可知第一实施例的位置检测时机延迟小，位置检测精度高。即，现有的位置检测装置中，若磁铁表面的磁通密度一定，虽然从邻接磁铁板的接合部附近区域流出的磁力线聚集于接合部而使接合部附近空间的磁通密度变高，但是因为从磁铁板表面流出的磁力线向导磁率低的空气中放射，所以随着从接合部离开，从磁铁表面流出的磁力线不会如前述情况那样聚集于接合部附近。与此相对，在本发明中，从磁铁板表面流出的磁通容易通过比空气导磁率高的磁轭板流向空隙G方向，所以可以使空隙附近空间的磁通密度比现有技术的磁通密度高。其结果是，磁性传感器越过空隙时所产生的磁通密度的反转时的斜度(也就是检测磁场的反转时的斜度)变得急剧，磁滞宽度变小。这种效果的产生得益于使用了导磁率高的磁轭板，即便间隔D与空隙G在周向的长度(将各自的长度分别用D和G表示)之间的关系为G = D，也可以产生本发明的上述效果，但是优选0 > G。虽然在现有技术变形例中，通过增强磁铁的保持力或增厚磁铁，也可以减小磁滞宽度，但是所产生的磁力对周围的影响也增大，磁铁的成本也增加，所以不是优选的。在本发明中，由于磁铁被软磁性材料夹持，所以也具有强度提高、磁导率系数也变大且难以退磁的效果。虽然图1A，IB, IC的实施例中表示磁性基板11、磁铁板12A，12B、磁轭板13A，13B 的外径及内径分别相同的情况，但是与磁性基板11及磁轭板13A，13B相比，可以减小磁铁板12A，12B的外径或者/以及增大内径。(第二实施例)图5是表示本发明的位置检测装置的第二实施例。在该实施例中，环状磁性基板 11、排列在同一圆周上的圆弧状磁铁板12A，12B、排列在同一圆周上的圆弧状磁轭板13A， 13B，在同一面上沿半径方向从内侧到外侧依次层叠，从而构成旋转体10。这些磁性基板 11、磁铁板12A，12B、磁轭板13A，13B在旋转轴Ox方向上的厚度相等。圆弧状磁铁板12A，12B在层叠方向上，在本实施例中沿半径方向被磁化，邻接的磁铁板的磁化方向在半径方向上彼此构成相反极性。与第一实施例相同，各磁铁板12A，12B 周向的两个端面分别与邻接的磁铁板的一个端面以留出间隔D的方式相对。各磁轭板13A， 13B中，邻接的磁轭板的周向端面也以留出空隙G的方式相对。各空隙G位于相对应的间隔 D的中央。本实施例中空隙G也需要是偶数个，因此，磁铁板以及磁轭板也需要分别为相同的偶数个。磁性传感器14在半径方向外侧与磁轭板13A，13B的外周面相隔距离而配置。磁性传感器14的磁场检测方向14S为与磁轭板13A，13B外周面垂直的半径方向(层叠方向)。 除此之外，各部件的材质可以与第一实施例的对应部件的材质相同。根据第二实施例，也可以提高空隙G附近的磁通密度，所以位置检测的磁滞宽度减小，因此，位置检测时机延迟减小，位置检测精度提高。
(第三实施例)图6表示本发明的第三实施例的位置检测装置。该实施例具有如下结构切断第一实施例的环状旋转体10的环并沿直线方向延伸。因此，磁性基板11呈直线导轨板状延伸，其上的磁铁板以及磁轭板形成为长方形。为了设置至少两个空隙G，设置有三个以上的所希望数量的磁铁板12A，12B, 12C，12D...，且设置有与磁铁板数量相同的磁轭板13A， 13B，13C，13D. · ·。磁性基板 11，磁铁板 12A，12B，12C，12D 以及磁轭板 13A，13B，13C，13D 层叠为一体而形成直进体10’。所述直进体10’安装于图中没有表示的产业机器所具有的位置检测对象的直线可动部，使得该直线可动部的移动方向与直进体10’的长度方向一致。与直进体10’共同构成位置检测装置的磁性传感器14，与磁轭板表面相隔距离地固定在产业机器的非可动部。第三实施例的各构成部件也可以利用与第一实施例的对应部件相同的材质构成。(第四实施例)在图1A，1B，1C的实施例中，为了降低磁铁材料的成本，可以在各磁铁板12A，12B 的周向中间部的一处或多处，形成将磁铁板切断的间隙。图7表示该示例。图7表示如下情况将图1的各磁铁板12A，12B的两端部分别作为磁铁板片12A1，12A2以及12B1，12B2 而剩下，切除中间部而分别形成间隙12Ad，12Bd的情况。因此，磁铁板12A由磁铁板片12A1 及12A2的组构成，磁铁板12B由磁铁板片12B1及12B2的组构成。从而，可以减少磁铁板 12A，12B所需要的磁铁材料的量。如上所述留出间隔地排列磁铁板片12A1，12A2，12B1,12B2,因此，各圆弧状磁铁板片的中心角减小，相对于圆弧长度，如果宽度(半径方向上的长度)一定程度地变大，则也可以不使用圆弧形而使用长方形的磁铁板片。在这种情况下，确定长方形的尺寸和配置，以使长方形的四个角部都不会从磁性基板11及磁轭板13A，13B的内周面及外周面向外伸出。(第五实施例)图5的实施例与图7的实施例同样地，如图8所示，磁铁板12A及12B可以分别由多个磁铁板片12A1，12A2以及12B1,12B2构成，并形成间隙12Ad及12Bd。(第六实施例)图1的实施例表示具有环状旋转体10的位置检测装置的示例，但也可以不是环状的旋转体，而是圆弧状的旋转体。图9表示该示例。在该示例中，具有利用穿过中心轴Ox 的直线将图IB中的旋转体10切断而形成的180°的圆弧状。空隙G位于圆弧周向的中央。 当然，作为圆弧，不一定需要是180°，可以比180°大，也可以比180°小。通过如上所述形成为圆弧状的旋转体10，可以减少磁铁材料的用量，从而可以降低成本。同样在图5的实施例中，也可以使用从环状旋转体10切出的圆弧状的旋转体(未图示)。另外，如图9的单点划线所示，各磁铁板12A，12B可以与图7的实施例同样地由沿周向留出间隔12Ad，12Bd地排列的多个磁铁板片的组构成。工业实用性本发明可用于产业机器的旋转部件或直线可动部件的位置检测。
权利要求
1.一种位置检测装置，其为磁性检测型的位置检测装置，其特征在于，包括 由软磁性材料形成的环状磁性基板；层叠于所述磁性基板上，且相互隔着间隔地排列于第一圆周上的偶数个圆弧状的磁铁板；层叠于各所述磁铁板上，且相互形成空隙地排列于第二圆周上并由软磁性材料形成的偶数个圆弧状的磁轭板；以及在层叠方向上与所述磁轭板的排列的面相隔一定距离且能够绕周向相对移动而配置的磁性传感器，邻接的所述磁轭板之间的空隙，与邻接的所述磁铁板之间的间隔相等或比邻接的所述磁铁板之间的间隔小，并位于所述间隔的中央，各所述磁铁板在层叠方向上被磁化，在邻接的所述磁铁板的彼此相对的端面上的磁化方向为彼此构成相反极性。
2.一种位置检测装置，其为磁性检测型的位置检测装置，其特征在于，包括 由软磁性材料形成的圆弧状磁性基板；层叠于所述磁性基板上，且相互隔着间隔地排列于第一圆周上的两个圆弧状的磁铁板；层叠于各所述磁铁板上，且相互形成空隙地排列于第二圆周上并由软磁性材料形成的两个圆弧状的磁轭板；以及在层叠方向上与所述磁轭板的排列的面相隔一定距离且能够绕周向相对移动而配置的磁性传感器，邻接的所述磁轭板之间的空隙，与邻接的所述磁铁板之间的间隔相等或比邻接的所述磁铁板之间的间隔小，并位于所述间隔的中央，各所述磁铁板在层叠方向上被磁化，在邻接的所述磁铁板的彼此相对的端面上的磁化方向为彼此构成相反极性。
3.如权利要求1或2所述的位置检测装置，其特征在于，所述磁性基板、所述磁铁板及所述磁轭板沿所述磁性基板的旋转轴方向依次层叠。
4.如权利要求1或2所述的位置检测装置，其特征在于，所述磁性基板、所述磁铁板及所述磁轭板，在同一平面上自所述磁性基板的旋转轴朝半径方向外侧依次层叠。
5.如权利要求3或4所述的位置检测装置，其特征在于，所述磁铁板的数量为两个，各磁铁板由相互沿周向隔着间隔地配置的多个磁铁板片的组构成。
6.一种位置检测装置，其为磁性检测型的位置检测装置，其特征在于，包括 由软磁性材料形成且朝一方向延长的磁性基板；层叠于所述磁性基板上，且相互隔着间隔地排列于所述磁性基板的长度方向的至少三个磁铁板；层叠于各所述磁铁板上，且相互形成空隙地排列并由软磁性材料形成的至少三个磁轭板；以及以与所述磁轭板的排列的面相隔一定距离且能够相对移动的方式配置的磁性传感器， 邻接的所述磁轭板之间的空隙，比邻接的所述磁铁板之间的间隔小，并位于所述间隔的中央，各所述磁铁板在层叠方向上被磁化，在邻接的所述磁铁板的彼此相对的端面上的磁化方向为彼此构成相反极性。
全文摘要
本发明提供一种位置检测装置。偶数个圆弧状磁铁板(12A，12B)相互隔着间隔(D)地排列于环状磁性基板(11)上，其上分别层叠圆弧状的磁轭板(13A，13B)，在邻接的磁轭板(13A，13B)的端面间形成空隙(G)。空隙(G)小于间隔(D)，并位于间隔(D)的周向中央。各磁铁板(12A，12B)在厚度方向上被磁化，并且，在邻接的磁铁板的彼此相对的面上，磁化方向彼此相反。
文档编号G01D5/12GK102353390SQ201110148819
公开日2012年2月15日 申请日期2011年6月3日 优先权日2010年6月3日
发明者市仓学 申请人:东京Cosmos电机株式会社