旋转角度检测传感器的制作方法

1.本发明涉及用于检测例如以能够绕结构体的旋转轴转动的方式安装的盖等旋转部件的开闭的旋转角度检测传感器。


背景技术：

2.以往，为了检测旋转部件的旋转角度，已知有如下传感器：半导体线性传感器、利用例如霍尔元件或磁阻传感器的器件、利用了ic的非接触型位置传感器、或者旋转编码器或电阻式位置传感器。这些传感器需要驱动电源，但能够高精度地检测旋转角度。
3.但是，例如在自动温水清洗坐便器中，为了检测坐便器盖的开闭，并不需要使用昂贵的旋转角度检测传感器来达到那种旋转角度的检测精度。因此，还已知有利用廉价的簧片开关的旋转检测传感器以及旋转角度检测传感器。
4.例如在专利文献1中公开了一种燃气表，其将簧片开关的长度方向与磁铁的旋转轨迹的切线方向大致平行地配置，在磁力线与簧片部交叉时使簧片部磁化为同极而通过排斥力使其打开，在磁力线与簧片部大致平行地通过时使簧片部磁化为异极而通过吸引力闭合，根据簧片开关的开闭输出脉冲信号。
5.在专利文献2中，示出了如下脉冲生成装置以及旋转角度检测装置：当沿着簧片开关的簧片部以对置磁极为异极的方式隔开间隔地配置两个偏置磁铁，并且当将以磁力线与簧片开关的长度方向交叉的方式配置的传感器磁铁移动时，在偏置磁铁之间的中央位置切换簧片开关的输出信号。
6.现有技术文献
7.专利文献
8.专利文献1：日本特开2003-185485号公报；
9.专利文献2：日本特开2006-302732号公报。


技术实现要素：

10.发明所要解决的课题
11.利用了上述半导体元件的旋转角度传感器具有高功能且具有较高的检测精度，但部件成本高，需要驱动电力，运行成本也高。在具有电阻式位置传感器、旋转开关等滑动触点的旋转角度传感器中，滑动触点的寿命较短，需要定期维护，防爆设计变得困难，成本变高。
12.专利文献1的燃气表通过配置于伴随着转动部件的旋转而旋转的磁铁的旋转轨迹外侧的簧片开关来检测转动部件的旋转。簧片开关本身便宜且不需要驱动电力，但随着磁铁的旋转，通过簧片开关的簧片部的磁力线的增减(磁通密度的变化)缓慢，因此旋转的检测依赖于簧片开关的灵敏值。因此，在测量转速的情况下是有效的，但在检测旋转角度的情况下无法期望高精度地检测旋转角度。
13.在专利文献2的脉冲生成装置以及旋转角度检测装置中，以磁铁的长度方向从应
该检测旋转的被检测部的中心轴沿径向延伸的方式配置磁铁，因此装置整体大型化，需要偏置磁铁，因此部件数量变多，成本也增大。
14.本发明的目的在于提供能够通过小型且简单的结构检测旋转部件的旋转角度的旋转角度检测传感器。
15.用于解决课题的手段
16.为了实现上述目的，本发明的旋转角度检测传感器安装于包括固定部和旋转部的结构体，并对旋转部的旋转角度进行检测，所述旋转部相对于固定部以能够绕旋转轴转动的方式被枢轴支承，所述旋转角度检测传感器包括：簧片开关，其安装于结构体的固定部或旋转部，与旋转轴垂直且簧片配置于旋转轴附近；以及扁平的圆环状磁铁，其安装于结构体的旋转部或固定部，以相对于簧片开关形成磁路的方式在旋转轴的方向以规定间隔配置，且中心轴与旋转轴同心地配置，所述磁铁与所述中心轴平行地被多极磁化，随着结构体的旋转部的旋转，在磁铁相对于簧片开关绕中心轴转动时，当磁铁的同极部排列在簧片开关的长度方向时，簧片开关的两个簧片分别被带磁为同极，簧片开关断开，在磁铁的不同的磁极部在簧片开关的长度方向上排列时，簧片开关的两个簧片被带磁为彼此异极，簧片开关接通。
17.根据上述结构，在结构体的旋转部转动时，在磁铁的同极部在簧片开关的长度方向上排列时，簧片开关的两个簧片分别被带磁为同极，因此，簧片彼此因排斥力而相互分离，簧片开关断开。当磁铁的异极部在簧片开关的长度方向上排列时，簧片开关的两个簧片被带磁为彼此异极，因此，簧片彼此通过磁吸附力而相互接触，簧片开关接通。因此，随着结构体的旋转部相对于固定部转动，随着磁铁的多极磁化，簧片开关接通或断开，由此检测结构体的旋转部的旋转。
18.在簧片开关侧配置了背轭的情况下，磁铁的磁力线经由背轭而通过，因此能够防止作用于簧片开关的簧片的磁通的扩散，能够进行更高精度的旋转角度检测。
19.在磁铁和簧片开关分别设置有卡合部，通过磁铁侧的卡合部与簧片开关侧的卡合部卡合，磁铁相对于簧片开关的旋转检测角度被限制为任意的角度。因此，在磁铁相对于簧片开关旋转时，磁铁侧的卡合部与簧片开关侧的卡合部相互卡合，旋转检测角度被可靠地限制为任意的角度。
20.在磁铁仅在与中心轴相关的规定的角度范围的区域以与其他区域相反的方向被磁化的结构的情况下，在规定的角度范围的区域位于簧片开关的长度方向时，簧片开关的两个簧片被带磁为相互异极而接通。因此，仅与规定的角度范围对应而簧片开关接通，检测出结构体的旋转部相对于固定部的规定的角度范围。在沿着旋转角度检测传感器的中心轴配置有簧片开关及磁铁的结构的情况下，簧片开关相对于磁铁仅对应于规定的角度范围而使簧片开关接通，检测出结构体的旋转部相对于固定部的角度范围。
21.发明效果
22.根据本发明，提供一种能够通过小型且简单的结构对旋转部件的旋转角度进行检测的极其优异的旋转角度检测传感器。
附图说明
23.图1a是本发明的旋转角度检测传感器的第一实施方式的主视图。
24.图1b是图1a的a-a线截面图。
25.图1c是图1a的分解立体图。
26.图2a是旋转角度检测传感器的主要部分的平面图。
27.图2b是图2a的主视图。
28.图3a是表示簧片开关断开时簧片开关与磁铁的位置关系的简要平面图。
29.图3b是表示簧片开关接通时簧片开关与磁铁的位置关系的简要平面图。
30.图4是表示簧片开关相对于磁铁的旋转角度的接通及断开的角度范围的简要平面图。
31.图5a是表示磁铁的中心轴方向的距离和在没有背轭的情况下产生的磁力线分布的简要侧视图。
32.图5b是表示在图5a的磁铁旋转的情况下产生的磁力线分布的简要侧视图。
33.图5c是表示磁铁的中心轴方向的距离和有背轭的情况下产生的磁力线分布的简要侧视图。
34.图6a是磁铁的变形例的平面图。
35.图6b是图6a的立体图。
36.图7a是表示簧片开关与磁铁的变形例的位置关系的接通时的简要平面图。
37.图7b是图7a的断开时的简要平面图。
38.图8是表示簧片开关相对于磁铁的旋转角度的接通及断开的角度范围的简要平面图。
39.图9a是旋转角度检测传感器的第二实施例的平面图。
40.图9b是图9a的a-a线截面图。
41.图9c是图9a的分解立体图。
42.图10是示出基于图9a的旋转角度检测传感器的实施例的仿真操作的图形。
43.图11是表示在结构体的固定部和旋转部安装旋转角度检测传感器的例子的外观图。
具体实施方式
44.以下，对图1a～图5c所示的第一实施方式进行详细说明。
45.如图1a～图1c所示，该旋转角度检测传感器10包括基台11、盖部12、磁铁13、簧片开关14以及背轭15。如图11所示，旋转角度检测传感器10安装于要检测旋转的结构体20。在图11中，旋转角度检测传感器10将基台11固定于结构体20的固定部21，将盖部12固定于旋转部22的例如旋转轴23。在基台11容纳有簧片开关14，在盖部12容纳有磁铁13。也可以相反地将基台11固定在结构体20的旋转轴23上、将盖部12固定在结构体20的固定部21上。
46.旋转角度检测传感器10的基台11例如由树脂材料等非磁性材料构成，形成为大致扁平的圆板状，相对于要检测旋转的结构体20的固定部21或旋转部22，旋转角度检测传感器10的中心轴o以与该结构体20的旋转轴23一致的方式安装。基台11在上表面具备向上方敞开的簧片开关容纳部11a，在其上表面周缘具备卡合部11b。在该基台11的下表面周缘形成有环状槽部11c，还具有在半径方向外侧、图1c中向右方延伸的一对旋转限制用的突起11d、11e。
47.盖部12由树脂材料等非磁性材料构成，形成为与基台11同样的扁平的圆板状，安装于要检测旋转的结构体20的旋转部22或固定部21。盖部12在下表面具备向下方开口的凹陷部12a，在下表面周缘具备卡合部12b。在盖部12载置于基台11上时，该卡合部12b与盖部12的卡合部12b嵌合而在基台11上被支承为能够绕中心轴o相对转动。并且，盖部12具备从其外周面向外侧延伸的一对旋转限制用的突起12c、12d。
48.如图1c所示，盖部12的一对突起12c及12d从中心轴o向一侧即在图1c中向右侧偏移配置，越过盖部12的下缘向下方延伸。由此，在图1c中盖部12绕逆时针方向转动时，盖部12的突起12c与基台11的突起11d抵接而限制盖部12绕逆时针的转动。另外，当盖部12绕顺时针方向转动时，盖部12的突起12d与基台11的突起11e抵接而限制盖部12绕顺时针的转动，转动的角度的范围被限制为180度。
49.磁铁13例如由铁氧体、钕等永久磁铁形成为扁平的中空圆环状。磁铁13被容纳并固定在盖部12的凹陷部12a内并与盖部12的中心轴o同心地配置。磁铁13安装于结构体20的旋转部22或固定部21。磁铁13以相对于簧片开关14形成磁路的方式在旋转部22的旋转轴的方向上隔开规定间隔而配置。
50.如图2a详细所示，磁铁13在规定的角度范围、作为一例为30度的区域13a中如图2b所示以上方为s极、下方为n极的方式，在其他区域以上方为n极、下方为s极的方式与旋转角度检测传感器的中心轴o平行地多极磁化。将磁铁13的区域13a称为被反向磁化的区域，将其他区域13b称为被正向磁化的区域。
51.簧片开关14是公知的结构，其长度方向相对于基台11的中心轴o垂直地配置。簧片开关14安装于印刷基板14a上，印刷基板14a嵌合固定于基台11的簧片开关容纳部11a内，由此一对簧片14d、14e(参照图3a)以位于基台11的中心轴o附近的方式相对于基台11定位，引出簧片14b、14c从印刷基板14a引出至外部。这样，簧片开关14安装于结构体20的固定部21或旋转部22，与旋转部22的旋转轴垂直且簧片14b、14c配置于旋转轴附近。
52.背轭15由具有与磁铁13大致相同的外径及内径的圆环状的磁性体材料形成，嵌入并固定于基台11的下表面的环状槽部11c内。
53.通过上述的磁铁13、簧片开关14以及背轭15的配置，根据接近簧片开关14的簧片的两端的磁铁13的磁极的种类，簧片开关14如以下那样接通或断开。
54.例如，如图3a所示，在磁铁13的s极接近于簧片开关14的簧片14d、14e的情况下，各簧片14d、14e的外端分别成为n极，对应于此，内端分别成为s极。因此，簧片14d、14e相互通过排斥力而分离，簧片开关14断开。即，在磁铁13的区域13a相对于簧片开关14的长度方向垂直地配置的情况下，在簧片开关14的长度方向上排列磁铁13的同极部，簧片开关14断开。
55.与此相对，如图3b所示，在磁铁13的s极、n极分别接近于簧片开关14的簧片14d、14e的情况下，各簧片14d、14e的外端分别成为n极、s极，对应于此，内端分别成为s极、n极。因此，簧片14d、14e相互通过磁吸引力而接触，簧片开关14接通。即，在磁铁13的区域13a与簧片开关14的长度方向平行的情况下，在簧片开关14的长度方向上排列有磁铁的异极部，簧片开关14接通。
56.本发明实施方式的旋转角度检测传感器10如以下那样动作。
57.首先，相对于结构体20的固定部21或旋转部22安装旋转角度检测传感器10的基台11，将盖部12安装于该结构体20的旋转部22或固定部21。当结构体20的旋转部22相对于固
定部21绕旋转轴23旋转时，伴随该旋转，盖部12也相对于基台11绕中心轴o旋转。因此，如图4所示，在簧片开关14的长度方向的两个延长方向上分别在30度的角度范围内簧片开关14接通，在其他角度范围内断开。当磁铁13的区域13a相对于簧片开关14相对地位于该角度范围内时，簧片开关14接通，检测到结构体20相对于固定部21的旋转部22处于对应的角度范围。
58.在此，如图5a所示，簧片开关14相对于磁铁13越向下方远离，来自磁铁13的反向磁化区域13a的磁通13af就越扩散，与磁铁13的区域13a的角度范围相比，簧片开关14接通的角度范围扩大。因此，如图5b所示，即使由于磁铁13的旋转而使区域13a远离簧片开关14的簧片，磁通13af到达簧片而使簧片开关14接通，因此，簧片开关14的接通的角度范围变宽，旋转角度检测的精度降低。
59.因此，如图5c所示，优选使磁铁13和簧片开关14尽可能接近而使它们的距离d尽可能小，并且通过在簧片开关14的下方配置背轭15来形成磁回路，使从磁铁13延伸的磁通13af和磁通13bf大致平行，并且减少向外部的磁通泄漏。通过该背轭15的配置，使磁铁13的区域13a的角度范围和簧片开关14接通的角度范围大致相同，能够提高旋转角度检测的精度。
60.(磁铁的变形例)
61.图6a及图6b表示磁铁的变形例。作为一个例子，该磁铁13a包括：30度的反向磁化的区域13a、60度的正向磁化的区域13b、30度的反向磁化的区域13c、240度的正向磁化的区域13d。磁铁13a的上下面分别被磁化成4极，因此也称为两面8极磁化。
62.图7a及图7b是表示使用了图6b所示的磁铁13a的旋转角度检测传感器10a的簧片开关与磁铁13a的位置关系的一例的简要平面图，图7a表示接通时，图7b表示断开时。旋转角度检测传感器10a除了磁铁13a以外与旋转角度检测传感器10相同，因此省略说明。如图7a所示，相对于簧片开关14的长度方向，在磁铁13a的区域13a或区域13c和区域13d位于长度方向的情况下，在簧片开关14的长度方向上排列磁铁的异极部，簧片开关14接通。另一方面，如图7b所示，在磁铁13a的区域13b以及13d相对于簧片开关14的长度方向垂直地配置的情况下，在簧片开关14的长度方向上排列有磁铁13a的同极部(n)，簧片开关14断开。
63.图8是表示相对于使用了磁铁的变形例的旋转角度检测传感器10的磁铁的、旋转角度的簧片开关14的接通及断开的角度范围的简要平面图。每当簧片开关14的簧片14d、14e的两端进入磁铁13a的n极、s极、即被磁化成不同极的角度区域时，簧片开关14接通。另一方面，每当簧片开关14的簧片14d、14e的两端进入被磁化为磁铁13a的同极的区域时断开。即，当使旋转角度检测传感器10a动作而使磁铁13a绕中心轴o旋转360度时，在大致30度的范围内接通4次，在其他角度范围内断开。
64.图9a至图9c示出了第二实施方式的旋转角度检测传感器30。旋转角度检测传感器3是与图1所示的旋转角度检测传感器10大致相同的结构，因此对相同的结构部件标注相同的附图标记并省略说明。旋转角度检测传感器30包括基台11、盖部12、磁铁13、簧片开关14以及背轭15。
65.如图9c所示，基台11的簧片开关容纳部11a贯通至下表面，用于容纳簧片开关14的簧片14d、14e的槽部11f、11g从簧片开关容纳部11a沿长度方向贯通。并且，基台11具备从上表面向上方突出的卡合部11h、11i来代替旋转角度检测传感器10的突起11d、11e(参照图
1c)。
66.盖部12具备从上表面与中心轴o同心地延伸的旋转轴安装部12e，该旋转轴安装部12e具有向上方敞开的卡合孔12f。卡合孔12f形成为能够容纳结构体20的旋转部22的一部分、即旋转轴23。卡合孔12f形成为与一部分被切除的旋转轴对应的形状。
67.盖部12在向下方敞开的凹陷部12a内具有向半径方向内侧突出的突起12g，具有从凹陷部12a的内侧的上表面向下方突出的止挡件12h来代替旋转角度检测传感器10的卡合部12c、12d。
68.磁铁13在外周缘具备定位用的切口部13h，该切口部13h在磁铁13被容纳在盖部12的凹陷部12a内时与突起12g卡合而在旋转方向及旋转角度范围被定位。磁铁13被支承为：载置于基台11上时卡合部11b从磁铁13的内侧与上缘卡合而不会相对于基台11脱落、且能够绕中心轴o旋转。这样，分别设置磁铁13侧的成为卡合部的止挡件12h和簧片开关侧的卡合部11h、11i，磁铁13侧的卡合部与簧片开关14侧的卡合部卡合，磁铁13相对于簧片开关14的旋转检测角度被限制为任意的角度。
69.簧片开关14不安装在印刷基板14a上，而是直接容纳在簧片开关容纳部11a内，该簧片14d、14e通过槽部11f、11g内而作为引出簧片向外侧引出。在此，簧片开关14以覆盖簧片的玻璃管进入磁铁13的内径部的方式配置，磁铁13与簧片开关14的簧片14b、14c的距离缩短，整体小型化。簧片开关14在基台11的簧片开关容纳部11a内，在间隙填充树脂材料并固化而被固定保持。
70.背轭15在其半径方向两端分别具有切口部15a、15b，避免该切口部15a、15b向外侧引出的簧片14d、14e。
71.如图3a所示，第二实施方式的旋转角度检测传感器30在磁铁13的区域13a位于相对于簧片开关14的长度方向垂直的位置的情况下，在簧片开关14的长度方向上排列磁铁13的同极部，簧片开关14分别断开。从该状态起，结构体20的旋转部22旋转，盖部12通过该旋转轴23旋转，如图3b所示，当磁铁13的区域13a位于簧片开关14的长度方向时，磁铁13的异极部在簧片开关14的长度方向上排列，簧片开关14接通。这样，旋转角度检测传感器30能够检测旋转部22相对于结构体20的固定部21的旋转角度处于规定角度范围。
72.发明人试制了第二实施方式的旋转角度检测传感器30，进行了旋转角度检测动作的磁仿真。作为磁铁13，使用了将外径φ12、内径φ8、厚度1mm的筒型各向同性铁氧体磁铁在30度的角度范围内进行了两面4极磁化的磁铁。作为簧片开关14，使用日本艾礼富(nippon aleph)制造的簧片开关rd-18b，作为背轭15，使用外径φ12、内径φ8、厚度0.5mm的冷轧钢板(称为spcc)。如图5c所示，相对于簧片开关14，在上侧离开1mm而配置磁铁13，向下侧离开1mm而配置背轭15。
73.在以簧片开关14的长度方向为横轴时，使上述旋转角度检测传感器30动作，将使磁铁13绕中心轴o旋转360度时的、簧片开关14的接通/断开动作角度通过磁仿真计算出的结果如图10的图形所示。簧片开关14以180度对称的方式动作，相对于其两长度方向(横轴)分别在30度的角度范围内接通，并且具有4度的滞后范围，在142度的角度范围内断开。可知通过背轭15的配置，滞后范围变窄，角度测定的精度提高。在试制的旋转角度检测传感器30的实际动作中，也得到了与仿真同等的结果。
74.本发明能够在不脱离其主旨的范围内以各种方式实施。磁铁13不限于铁氧体磁
铁，也可以使用其他种类的磁铁，例如钕磁铁等。背轭15以在上下方向上夹着簧片开关14的方式与磁铁13对置地配置，但也可以省略背轭15。磁铁13的区域13a不限于上述实施方式，也可以在大于30度的角度范围或者小于30度的角度范围内被反向磁化。另外，两面8极磁化的磁铁13a不限于第一实施方式的旋转角度检测传感器10a，显然也能够应用于第二实施方式的旋转角度检测传感器30。在两面8极磁化以外也可以将多个部位作为被反向磁化的区域13a，作为在旋转角度范围中的多个部位的角度范围内检测角度的旋转角度检测传感器10、10a、30。
75.符号说明
76.10、10a、30旋转角度检测传感器；11基台；11a簧片开关容纳部；11b卡合部；11c环状槽部；11d、11e突起；11f，11g槽部；11h、11i卡合部；
77.12盖部；12a凹陷部；12b卡合部；
78.12c、12d突起；12e旋转轴安装部；12f卡合孔；12g突起；12h止挡件；
79.13、13a磁铁；
80.13a、13c反向磁化的区域；13b，13d正向磁化的区域；13af、13bf磁通；13h切口部；
81.14簧片开关；14a印刷基板；14b、14c引出簧片；14d、14e簧片；15背轭；
82.15a、15b切口部；20结构体；21固定部；22旋转部；23旋转轴