| 【発明の名称】 |
非接触式回転角センサ及びセンサコア |
| 【発明者】 |
【氏名】間瀬 真
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| 【要約】 |
【課題】生産性及び部品組付性の向上させ、回転角検出精度を向上させること。
【解決手段】非接触式回転角センサのセンサコア12はアウタコア24、インナコア25及び板状マグネット26を備える。アウタコア24は磁性材料より環状に形成される。インナコア25はアウタコア24の内側に配置され、磁性材料よりなる二つのコアピース25A,25Bにより円板状に形成される。両コア24,25の間にはエアギャップ28が設けられる。アウタコア24はハウジング13に固定され、インナコア25は入力軸14と一体回転可能に設けられる。アウタコア24には、磁力検出用ホールIC23が設けられる。板厚方向へ着磁された板状マグネット26は、その両板面が対応する内壁面に接合するように装着用ギャップ29に装着され、これにより固定される。 |
【特許請求の範囲】
【請求項1】 対象物の回転角を磁力変化に置き換えて非接触に検出するようにした非接触式回転角センサであって、ハウジングと、前記ハウジングにおいて回転可能に設けられた入力軸と、磁性材料により環状に形成されたアウタコアと、前記アウタコアの内側において同一軸線上に配置され、磁性材料により円板状に形成されたインナコアと、前記アウタコアと前記インナコアとの間に設けられた第1のエアギャップと、前記アウタコアが前記ハウジングに固定され、前記インナコアが前記入力軸と一体回転可能に設けられることと、前記アウタコアにおいてその径方向に延びる第2のエアギャップと、前記第2のエアギャップに設けられた磁力検出手段と、前記インナコアの直径とほぼ同じ長さで板状に形成され、その板厚の方向に着磁された板状マグネットと、前記インナコアにおいてその直径方向に延び、前記板厚とほぼ同じ大きさの幅をもって対向する一対の内壁面により定められる装着用ギャップと、前記板状マグネットの一対の板面が対応する前記内壁面に接合するように前記板状マグネットが前記装着用ギャップに装着されることとを備えたことを特徴とする非接触式回転角センサ。 【請求項2】 前記第2のエアギャップは前記アウタコアにおいて回転対称となる少なくとも二つの位置に設けられ、前記磁力検出手段は前記少なくとも二つの第2のエアギャップのそれぞれに設けられることを特徴とする請求項1に記載の非接触式回転角センサ。 【請求項3】 対象物の回転角を磁力変化に置き換えて非接触に検出するようにした非接触式回転角センサに使用されるセンサコアであって、磁性材料により環状に形成されたアウタコアと、前記アウタコアの内側において同一軸線上に配置され、磁性材料により円板状に形成されたインナコアと、前記アウタコアと前記インナコアとの間に設けられた第1のエアギャップと、前記アウタコアにおいてその径方向に延びる第2のエアギャップと、前記インナコアの直径とほぼ同じ長さで板状に形成され、その板厚の方向に着磁された板状マグネットと、前記インナコアにおいてその直径方向に延び、前記板厚とほぼ同じ大きさの幅をもって対向する一対の内壁面により定められる装着用ギャップと、前記板状マグネットの一対の板面が対応する前記内壁面に接合するように前記板状マグネットが前記装着用ギャップに装着されることとを備えたことを特徴とするセンサコア。
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【発明の詳細な説明】【0001】 【発明の属する技術分野】この発明は、対象物の回転角を検出するのに使用される回転角センサに係り、特に詳しくは、対象物の回転角を磁力変化に置き換えて非接触に検出するようにした非接触式回転角センサ及びそのセンサに使用されるセンサコアに関する。 【0002】 【従来の技術】従来より、ポテンショメータを使用した接触式回転角センサが知られる。ポテンショメータは、抵抗素子上でワイパを摺動させて電気的抵抗を可変とするものである。従って、抵抗素子とワイパとの摺動部に摩耗粉が生じることがあり、その摩耗粉が原因で抵抗値が誤検出されるおそれがあった。又、摺動部の摩擦抵抗が検出対象物の動作抵抗となることがあり、対象物の動作応答性に影響を与えることがあった。 【0003】そこで、上記接触式回転角センサの不具合を解消することのできる回転角センサとして、摺動部材を持たない非接触式のものが開発された。この非接触式回転角センサとして、対象物の回転角を磁力変化に置き換えて非接触に検出するようにしたものがある。特許2842482号公報及び特開平8−35809号公報には、この種の非接触式回転角センサの一例が開示される。 【0004】特許2842482号公報に開示された回転角センサの主要部を図8に示す。この回転角センサは、筒状ケース51と、その中心に回転可能に設けられた接続シャフト52とを備える。ケース51の内周面には、軟磁性体製の二つの半径リング53A,53Bよりなる第1の部材53が固定される。両半径リング53A,53Bの間には、二つの副エアギャップ54が設けられる。一方の副エアギャップ54には電気コイル55が、他方の副エアギャップ54にはホールプローブ56がそれぞれ配置される。接続シャフト52上には軟磁性体よりなる第2の部材57が固定され、同部材57の外周には、二つの薄部材58A,58Bよりなる管状マグネット58が固定される。管状マグネット58は、モールドサマリウムコバルトを管状に磁化することにより製造されたものである。管状マグネット58と第1の部材53との間には、主エアギャップ59が設けられる。ここで、主エアギャップ59はできる限り狭くすることが望ましく、第2の部材57の平均内径を「5mm」とし、管状マグネット58の厚さを「1mm」とした場合、主エアギャップ59の大きさは「0.2mm」のオーダとなる。そして、第1の部材53、管状マグネット58及び第2の部材57の間には磁界が形成される。従って、接続シャフト52と共に第2の部材57及び管状マグネット58が回転することにより、その磁界が回転してホールプローブ56及び電気コイル55を通る磁束密度が変わり、その磁束密度変化が電気信号として出力される。 【0005】特開平8−35809号公報に開示された回転角センサの主要部を図9に示す。この回転角センサは、管状ヨーク61と、その中心に配置された駆動軸62とを備える。両者61,62は互いに一体化して設けられる。軟磁性材料より形成される管状ヨーク61の内周面には、管状の永久磁石(管状マグネット)63が固定される。管状マグネット63は、半径方向に磁化されたものである。駆動軸62の周囲には、二片に分割された管状の固定子64A,64Bが固定される。駆動軸62は、これら固定子64A,64Bの中心で回転が許容される。二片の固定子64A,64Bの間の隙間65には、ホール素子66が設けられる。管状ヨーク61及び管状マグネット63は固定子64A,64Bに対して相対回転可能に設けられ、管状マグネット63と固定子64A,64Bの間にはエアギャップ67が設けられる。そして、管状ヨーク61、管状マグネット63及び固定子64A,64Bの間に磁界が形成される。従って、管状ヨーク61と共に管状マグネット63が回転することにより、磁界が回転してホール素子66を通る磁束密度が変わり、その磁束密度変化が電気信号として出力される。 【0006】 【発明が解決しようとする課題】ところが、前記特許公報2842482号の回転角センサでは、管状マグネット58がモールドサマリウムコバルトを管状に磁化することにより形成され、しかもその厚さが1mm程度と極めて薄いものであることから、物理的に非常に脆くて製造が難しいという問題があった。しかも、管状マグネット58を第2の部材57の外周に装着した上で、同マグネット58を第1の部材53との間に極狭の主エアギャップ59をもって組み付けなければならない。このため、組み付けに際し、管状マグネット58又は第1の部材53が僅かに傾いただけでも両者58,53が互いに接触して管状マグネット58が簡単に損傷してしまうという問題があった。このことが、回転角センサの製造を一層困難なものにし、回転角の検出精度を悪化させることにもなった。 【0007】一方、前記特開平8−35809号公報の回転角センサでも、管状マグネット63の製造が難しいという問題があった。しかも、管状マグネット63を管状ヨーク61の内周面に固定しなければならず、そのマグネット63の内側に所定のエアギャップ67をもって固定子64A,64Bを組み付けなければならない。このため、組み付けに際して、やはり管状マグネット63と固定子64A,64Bとの接触による損傷が問題となり、回転角センサの製造を困難なものにし、回転角の検出精度を悪化させることにもなった。 【0008】この発明は上記事情に鑑みてなされたものであって、その目的は、使用されるマグネットやそれを含むセンサコア及び回転角センサとしての生産性向上と部品組付性の向上を図り、回転角の検出精度の向上を図ることを可能にした非接触式回転角センサ及びセンサコアを提供することにある。 【0009】 【課題を解決するための手段】上記目的を達成するために、請求項1に記載の発明は、対象物の回転角を磁力変化に置き換えて非接触に検出するようにした非接触式回転角センサであって、ハウジングと、そのハウジングにおいて回転可能に設けられた入力軸と、磁性材料により環状に形成されたアウタコアと、アウタコアの内側において同一軸線上に配置され、磁性材料により円板状に形成されたインナコアと、アウタコアとインナコアとの間に設けられた第1のエアギャップと、アウタコアがハウジングに固定され、インナコアが入力軸と一体回転可能に設けられることと、アウタコアにおいてその径方向に延びる第2のエアギャップと、その第2のエアギャップに設けられた磁力検出手段と、インナコアの直径とほぼ同じ長さで板状に形成され、その板厚の方向に着磁された板状マグネットと、インナコアにおいてその直径方向に延び、板厚とほぼ同じ大きさの幅をもって対向する一対の内壁面により定められる装着用ギャップと、板状マグネットの一対の板面が対応する内壁面に接合するように板状マグネットが装着用ギャップに装着されることとを備えたことを趣旨とする。 【0010】上記発明の構成によれば、インナコア、板状マグネット及びアウタコアの間には磁界が形成される。従って、対象物に連結された入力軸が対象物の回転に伴って回転することにより、その入力軸と共にインナコア及び板状マグネットが回転し上記磁界が回転することになる。このとき、ハウジングに固定されたアウタコアの第2のエアギャップにおいて磁力検出手段を通る磁束密度が変わり、その磁束密度の変化が対象物の回転角として検出される。ここで、板状マグネットは、管状マグネットのように全周形状とする必要がないことから、それに比べて加工が容易となり、使用される材料が少なくなる。又、板状マグネットは、両板面が対応する内壁面に接合されるように装着用ギャップに装着すればよいので、管状マグネットのように相手部材の全周にわたって組み付ける場合とは異なり、高精度な組み付け姿勢やクリアランスが要求されることはなく、このクリアランスのばらつきが問題となることはない。 【0011】上記目的を達成するために、請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の発明の構成において、第2のエアギャップはアウタコアにおいて回転対称となる少なくとも二つの位置に設けられ、磁力検出手段は少なくとも二つの第2のエアギャップのそれぞれに設けられることを趣旨とする。 【0012】上記発明の構成によれば、請求項1に記載の発明の作用に加え、磁力検出手段が少なくとも二つ設けられることから、その一つが故障しても他のものを磁束密度の検出に使用することが可能となる。 【0013】上記目的を達成するために、請求項3に記載の発明は、対象物の回転角を磁力変化に置き換えて非接触に検出するようにした非接触式回転角センサに使用されるセンサコアであって、磁性材料により環状に形成されたアウタコアと、そのアウタコアの内側において同一軸線上に配置され、磁性材料により円板状に形成されたインナコアと、アウタコアとインナコアとの間に設けられた第1のエアギャップと、アウタコアにおいてその径方向に延びる第2のエアギャップと、インナコアの直径とほぼ同じ長さで板状に形成され、その板厚の方向に着磁された板状マグネットと、インナコアにおいてその直径方向に延び、板厚とほぼ同じ大きさの幅をもって対向する一対の内壁面により定められる装着用ギャップと、板状マグネットの一対の板面が対応する内壁面に接合するように板状マグネットが装着用ギャップに装着されることとを備えたことを趣旨とする。 【0014】上記発明の構成によれば、インナコア、板状マグネット及びアウタコアの間には磁界が形成される。ここで、板状マグネットは、管状マグネットのように全周形状とする必要がないことから、それに比べて加工が容易となり、使用される材料が少なくなる。又、板状マグネットは、両板面が対応する内壁面に接合されるように装着用ギャップに装着すればよいので、管状マグネットのように相手部材の全周にわたって組み付ける場合とは異なり、高精度な組み付け姿勢やクリアランスが要求されることはなく、このクリアランスのばらつきが問題となることはない。 【0015】 【発明の実施の形態】以下、本発明の非接触式回転角センサを具体化した一実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。 【0016】図1は非接触式回転角センサ11の構造を断面図に示す。この回転角センサ11は、例えば、自動車用エンジンにおいて、スロットルバルブを対象物としてその開度を検出するためのスロットルセンサに使用したり、アクセルペダルを対象物としてその操作量を検出するためのアクセルセンサに使用したりするものである。この回転角センサ11は、対象物の回転角を磁力変化に置き換えて非接触に検出するようにしたセンサコア12を含むものである。 【0017】回転角センサ11は、非磁性材料(例えば「樹脂」)よりなるハウジング13と、そのハウジング13において回転可能に設けられた非磁性材料(例えば「樹脂」)よりなる入力軸14と、上記非接触式のセンサコア12と、基板15を含む電気回路部16とを備える。ハウジング13は、入力軸14を支持するための孔13aを含む支持壁13bと、入力軸14に対応して設けられた入力用開口13cと、電気回路部16に対応して設けられた回路用開口13dと、電気配線の接続に用いられるコネクタ13eとを備える。回路用開口13dには、電気回路部16を密閉するためのカバー17と、そのカバー17との間で電気回路部16をシールするためのパッキン18とが設けられる。支持壁13dの孔13aには軸受19が固定され、その軸受19に対して入力軸14が回転可能に支持される。入力軸14の先端部(図1の下端部)には、対象物との連結に使用されるレバー20が固定される。このレバー20は、入力用開口13cを通じて対象物側のレバーに機械的に連結される。支持壁13bとレバー20との間には、回転トルクとスラスト荷重発生用のスプリング21が設けられる。コネクタ13eの内部には、基板15に接続されたターミナル22が設けられる。 【0018】図2はセンサコア12等の分解断面を示す。図3はセンサコア12及びホールIC23の組み付け状態を斜視図に示す。図4はセンサコア12のみを斜視図に示す。図5にはセンサコア12の平面図を、図6には図5のX−X線断面図を、図7にはセンサコア12の平面図をそれぞれ示す。 【0019】センサコア12はアウタコア24、インナコア25及び板状マグネット26を備える。アウタコア24は、軟質磁性材料により円環状に形成される。この実施の形態では、軟質磁性材料として純鉄焼結材を使用するが、ケイ素鋼、鉄−ニッケル合金、鉄−コバルト合金等を使用することもできる。アウタコア24はその径方向に延びる一対をなす第2のエアギャップ27を有する。これらエアギャップ27は、アウタコア24において180°の回転対称となる二つの位置に配置される。これらエアギャップ27には、本発明の磁力検出手段を構成する上記ホールIC23が設けられる。周知のようにホールIC23は、ホール効果を利用したホール素子を含むものであって、一定電流の下で電圧を測定して磁力の大きさを含む磁界を検出することのできるものである。図3,4に示すように、アウタコア24はその外周に凸条24aを有する(図5〜7において凸条24aの図示が省略されている。)。ホールIC23は、その一側に設けられた複数本のピン23aにより基板15に固定され電気的に接続される。このように基板15に固定された各ホールIC23が対応する第2のエアギャップ27に配置される。ここで、アウタコア24はハウジング13の支持壁13bにインサート成形されるものであり、上記凸条24aはインサート成形での抜け止め及び回り止めとして機能する。 【0020】インナコア25は、アウタコア24の内側において同一軸線上に配置される。インナコア25は、軟質磁性材料よりなる半円板状の二つのコアピース25A,25Bにより円板状に形成される。軟質磁性材料として、アウタコア24で挙げられた材料を使用することができる。二つのコアピース25A,25Bの間には、板状マグネット26を装着するための装着用ギャップ29が設けられる。この装着用ギャップ29は、インナコア25の直径方向に沿って延び、所定幅をもって対向する一対の内壁面29a,29bにより定められる。両コアピース25A,25Bの相対向する端部25c,25dは、装着用ギャップ29が延びる方向に対して斜めに切断された斜面をなしている。 【0021】アウタコア24とインナコア25との間には、環状をなす第1のエアギャップ28が設けられる。アウタコア24は支持壁13b上に固定される。インナコア25は入力軸14の基端(図1,2の上端)に同軸14と一体回転可能に設けられる。図1,2に示すように、入力軸14はその基端に一対の凹部14aを含むフランジ14bを有する。インナコア25の各コアピース25A,25Bは、各凹部14aに整合する凸部25aを有し、その凸部25aを対応する凹部14aに嵌め込んだ状態でフランジ14b上に固定される。 【0022】板状マグネット26は、インナコア25の直径より若干短い長さで板状に形成され、その板厚の方向に着磁されたものである。板状マグネット26は、上記装着用ギャップ29の二つの内壁面29a,29bに接合される板面26a,26bを有する。板状マグネット26の板厚は装着用ギャップ29の幅とほぼ同じ大きさに設定される。本実施の形態で、板状マグネット26には、1−5系サマリウムコバルト、フェライト又はネオジム等が材料として使用される。ここで、図1,3〜5に示すように、板状マグネット26は、両コアピース25A,25Bに挟まれるように装着用ギャップ29に装着される。即ち、板状マグネット26の両板面26a,26bが対応する内壁面29a,29bに接合するように板状マグネットが26が装着用ギャップ29に装着される。装着に際して、板状マグネット26をインナコア25の内壁面29a,29bに接着剤を使用して固定することも考えられる。しかし、接着剤による固定では、ヒートショックによる接着剤の割れや剥がれにより両者25,26が脱落するおそれがあることから、本実施の形態では、板状マグネット26を入力軸14のフランジ14bにインサート成形することにより、同マグネット26が固定される。 【0023】ここで、センサコア12等の組み付け方法を図2に従って説明する。ホールIC23は予め基板15に実装される。ハウジング13の支持壁13bの孔13aには、予め軸受19が固定される。アウタコア24は、ハウジング13の支持壁13b上に予めインサート成形される。インサート成形以外の方法として、圧入や熱かしめによる固定方法を採用してもよい。板状マグネット26は、入力軸14のフランジ14bに対して予めインサート成形される。インナコア25を構成する両コアピース25A,25Bは、板状マグネット26を挟むように入力軸14の凹部14aに圧入される。圧入以外に、インナコア25も板状マグネット26と共に入力軸14のフランジ14bにインサート成形してもよい。入力軸14、インナコア25及び板状マグネット26のアッセンブリは、ハウジング13に予め固定されたアウタコア24及び軸受19に対して組み付けられる。その後、ホールIC23を実装した基板15がハウジング13に組み付けられる。この際、ホールIC23は、アウタコア24に設けられた第2のエアギャップ27の中に挿入され配置される。このようにしてセンサコア12等がハウジング13に組み付けられる。 【0024】以上説明したようにこの実施の形態の回転角センサ11の構成によれば、センサコア12を構成するインナコア25、板状マグネット26及びアウタコア24の間には、図7に破線で示すように磁界が形成される。ここで、レバー20を介して対象物に連結された入力軸14が対象物の回転に伴って回転することにより、その入力軸14と共にインナコア25及び板状マグネット26が回転し図7に破線で示す磁界が回転することになる。このとき、ハウジング13に固定されたアウタコア24の二つの第2のエアギャップ27においてホールIC23を通る磁束密度が変わり、その磁束密度の変化が対象物の回転角として検出される。ホールIC23は、この磁束密度の変化を電圧変化に置き換えて出力することになる。この実施の形態の回転角センサ11によれば、約90degの検出範囲で対象物の回転角を検出することができ、その範囲で直線的な出力特性を得ることができる。 【0025】この実施の形態のセンサコア12を使用した回転角センサ11によれば、板状マグネット26は、従来例の管状マグネット58,63のように全周形状とする必要がないので、それに比べて加工が容易となり、使用される材料が少なくて済む。即ち、従来例の管状マグネット58,63では、他の部材57,61の外周面又は内周面に密着するように、その全内周又は全外周を正円にする必要があり、そのために高精度な加工が要求された。しかしながら、この実施の形態の板状マグネット26では、曲げ加工する必要のない板材を使用すればよいので、その違いの分だけ板状マグネット26を容易かつ安価に製造することができる。この意味で、センサコア12及び回転角センサ11を容易かつ安価に製造することができる。つまり、使用される板状マグネット26やそれを含むセンサコア12及び回転角センサ11としての生産性を向上させることができるようになる。 【0026】この実施の形態では、板状マグネット26は、両板面26a,26bが対応する内壁面29a,29bに接合されるように装着用ギャップ29に装着すればよい。このため、従来例の管状マグネット58,63のように相手部材57,61の全内周又は全外周にわたって組み付ける場合とは異なり、高精度な組み付け姿勢やクリアランスが要求されることはなく、このクリアランスのばらつきが問題となることはない。この意味で、センサコア12及び回転角センサ11として部品同士の組付性を向上させることができる。又、クリアランスのばらつきが問題とならないことから、磁気抵抗がばらつくことがなく、回転角センサ11による回転角の検出精度を向上させることができる。 【0027】この実施の形態の回転角センサ11によれば、アウタコア24において回転対称となる二つの位置に設けられる第2のエアギャップ27に合計二つのホールIC23が配置されることから、その一つが故障しても他のものを磁束密度の検出に使用することが可能となる。このため、回転角センサ11にフェイルセーフ機能を持たせることができ、その信頼性を向上させることができるようになる。 【0028】上記のように本実施の形態では、センサコア12の部分に摺動部分を持たない非接触式回転センサ11であることから、従来の接触式回転角センサのように摺動部分の摩耗粉が原因で誤検出を起こすようなことがなく、その意味でセンサとしての信頼性を長期間維持することができる。加えて、従来の接触式回転センサのように摺動部の摩擦抵抗が検出対象物の動作抵抗となるようなことがない。このため、スロットルセンサとして使用したときには、この回転角センサ11があることで対象物であるスロットルバルブの動作応答性を低下させるようなことがない。 【0029】尚、この発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱することのない範囲で以下のように実施することもできる。 【0030】(1)前記実施の形態では、センサコア12に対して二つの第2のエアギャップ27を設け、そのギャップ27のそれぞれにホールIC23を設けたが、センサコアに対して一つ又は三つ以上の第2のエアギャップを設け、そのギャップのそれぞれにホールICを設けてもよい。 【0031】(2)前記実施の形態では、磁力検出手段としてホールIC23を使用したがこれに限られるものではなく、これ以外の検出用素子を使用してもよい。 【0032】(3)前記実施の形態では、一対のコアピース25A,25Bにより円板状のインナコア25を形成し、両コアピース25A,25Bの間に装着用ギャップ29を設けた。これに対し、円板状のインナコアの単体において、その直径方向に延びるように設けられた凹みを装着用ギャップとしてもよい。 【0033】 【発明の効果】請求項1に記載の発明の非接触式回転角センサによれば、板状マグネットを使用したので、使用されるマグネットやそれを含むセンサコア及び回転角センサとしての生産性や部品組付性を向上させることができ、回転角の検出精度を向上させることができるという効果を発揮する。 【0034】請求項2に記載の発明の非接触式回転角センサによれば、請求項1に記載の発明の効果に加え、少なくとも二つの磁力検出手段が設けられることから、回転角センサにフェイルセーフ機能を持たせることができ、その信頼性を向上させることができるという効果を発揮する。 【0035】請求項3に記載の発明のセンサコアによれば、板状マグネットを使用したので、使用されるマグネットやそれを含むセンサコア及び回転角センサとしての生産性や部品組付性を向上させることができ、回転角センサによる回転角の検出精度を向上させることができるという効果を発揮する。
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| 【出願人】 |
【識別番号】000116574 【氏名又は名称】愛三工業株式会社
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| 【出願日】 |
平成11年11月11日(1999.11.11) |
| 【代理人】 |
【識別番号】100097009 【弁理士】 【氏名又は名称】富澤 孝 (外2名)
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| 【公開番号】 |
特開2001−141412(P2001−141412A) |
| 【公開日】 |
平成13年5月25日(2001.5.25) |
| 【出願番号】 |
特願平11−320785 |
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