JP2006010346A - ポジションセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】 自動車におけるステアリング等の外部運動子が回転部材に配置される磁石（静磁場）を回転させることによって生じる磁束変化を磁気抵抗素子を介して検出し、外部運動子の移動量を測定する磁気検出方式のポジションセンサにおいて、磁石保持部材を形成するために要するコストおよび時間の削減と省資源化が可能であり、かつ熱かしめによる困難な組立工程を伴わない回転機構を有することが可能となるポジションセンサを提供すること。
【解決手段】 回転部材に対してほぼ筒状の外周部の磁石保持部材とともに装着されている磁石の回転運動によって生じる磁束変化を磁気抵抗素子によって検出する磁気検出方式のポジションセンサであって、前記磁石の外周部に周設される前記磁石保持部材が曲げ加工によって成形されていることを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ポジションセンサーに係り、特に、磁気抵抗素子によって磁石（静磁界）の磁束変化を検出する磁気検出方式のポジションセンサに関する。

一般に、ポジションセンサは、自動制御装置を構成する検出部、制御部、操作部のうち、検出部の役割を担う重要な部品である。このポジションセンサの代表的な種類として、マイクロスイッチなどの接触型と、近接スイッチなどの非接触型がある。本発明に係る磁気検出方式のポジションセンサは非接触型に分類されている。非接触型のポジションセンサは被検出部と接触していないため、摩耗等による検出誤差を生じるおそれがない。そのため、非接触型のポジションセンサは様々な分野で使用されている。

具体的な使用例として、磁気検出方式のポジションセンサは、自動車等のステアリング、アクセル、そしてブレーキ等が操作されることによってステアリング等が移動する量（以後、移動量と略称する）を検出するために使用されている。例えば、図７に示すように、ポジションセンサ１０１には自動車のステアリング等（図示しない）と連接するための回転軸１０２の先端部がケース１０１ａから突出形成されている。この回転軸１０２がステアリング等の移動量にあわせて回転すると、ケース１０１ａ内において回転軸本体１０２ａに取り付けられているウォーム１０２ｂが、回転機構１１１の構成部品の一つでありウォームホイールの役割を果たす回転部材１０３に回転運動を与える。これにより、回転部材１０３に挿入された磁石１０４（静磁界）が回転部材１０３と共に回転することによって、当該磁場の磁束変化が生じることとなる。そして、図８に示すように、回転機構１１１に添うように基板１０８をもって設置されている磁気抵抗素子１０７が当該磁場の変化を検出することによって、回転部材１０３の回転角度、すなわち移動量を測定することができるように形成されている（例えば、特許文献１を参照）。

この回転部材１０３の一般的な形状は、図７および図９に示すように内部が円筒状に形成されている。そして回転部材１０３は、ピン１０６によってポジションセンサ１０１のケース１０１ａに回転自在に支持されており、さらに軸方向への移動を制限されている。また、図７および図９に示すように、回転部材１０３の内部には、回転部材１０３の中心から周方向に向かって磁極が対極をなす環状の磁石１０４と、磁石１０４を保護するための磁石保持部材１０５が挿入されている。

従来、磁石保持部材１０５は、金属の丸棒等を切削加工して円筒状に形成されていた。また、回転部材１０３の内部に配置される磁石１０４と磁石保持部材１０５は、有機樹脂材料で成形されている回転部材１０３の縁にある平板突起部１０３ｂを熱かしめすることによって外側から押えることによって、軸方向移動しないように固定されていた。

特開２００３−２６９９９２号公報

しかしながら、回転機構１１１の構成部品である磁石１０４と磁石保持部材１０５には、以下に記述する４つの問題点が生じていた。

第１の問題点は、磁石保持部材１０５を金属の丸棒等から切削加工によって形成すると、切削に要するコストが高く、多くの切削時間を要するということである。

第２の問題点は、磁石保持部材１０５の切削加工は切削する部分を廃棄処分しなければならないため、現代社会に求められている省資源等の環境に対するニーズを満たすことが出来ないことである。

第３の問題点は、脆性材料である磁石１０４は加工することが困難であるため、磁石１０４の寸法に誤差を生じやすく、磁石１０４の外径の寸法が磁石保持部材１０５の内径の寸法よりも大きい場合、磁石保持部材１０５を挿入する時に磁石１０４が破損することである。

第４の問題点は、回転機構の組立工程の際に行なわれる平板突起部１０３ｂの熱かしめには以下の困難な作業を要することである。すなわち、平板突起部１０３ｂは有機樹脂材料である磁石保持部材１０５の突起部（図示しない）を引き延ばすための成形作業をして磁石１０４を固定しなければならないため、前記作業には困難を伴っていたということである。また、磁石１０４と磁石保持部材１０５は、有機樹脂材料で成形されている平板突起部１０３ｂを熱かしめすることによって軸方向移動を防止するように固定されるため、熱かしめによって磁石１０４に熱と応力とが加えられてしまう。例えば、熱かしめによる固定が必要以上に強い場合は、磁石１０４の自発磁化の減少や磁石１０４の破損が生じてしまう。その一方で、熱かしめが弱い場合は、図１０に示すような隙間Ｓによって磁石１０４と磁石保持部材１０５が固定できないこととなる等の問題点があった。

本発明は上記の問題点を鑑みてなされたものであり、磁石保持部材を形成するために要するコストおよび時間の削減と省資源化が可能であり、かつ熱かしめによる困難な組立工程を伴わない回転機構を有することが可能となるポジションセンサを提供することを目的とする。

前述した課題を達成する本発明におけるポジションセンサーの第１の特徴は、磁石の外周部に周設されるほぼ筒状の磁石保持部材が曲げ加工によって成形されていることである。この第１の特徴によって、従来の切削に要する無駄な作業工程、コストそして時間を大幅に削減することが可能となる。また、材料を切削する必要がないため、省資源等の環境に対するニーズを満たすことが可能となる。なお、上磁石保持部材は、１枚の板材などを円環状に曲げ加工したものだけではなく、１対の半円環状（Ｕ字型）を磁石に対向させたものなどとしても良い。

第２の特徴は、磁石保持部材の材質を強磁性体で形成することである。この第２の特徴によって、磁石の外周部に配置されている強磁性体製の磁石保持部材を通して磁石の磁束が磁気閉回路を形成するため、磁石が安価で磁力が弱くても、磁気抵抗素子は磁束変化を効率よく検出することが可能となる。

第３の特徴は、磁石保持部材の継目を磁石の対極軸上に配置することである。この第３の特徴によって、磁束漏れによって磁場が変化しても磁気抵抗素子における出力の角度誤差を少なくすることが可能となる。

第４の特徴は、回転部材、磁石および磁石保持部材に互いに係合する凹部または凸部を形成することである。この第４の特徴によって、磁石および磁石保持部材は回転部材と回転方向において相対移動不可能な状態に固定されるため、磁気抵抗素子による出力の角度誤差を少なくすることが可能となる。

第５の特徴は、回転部材に弾性変形して磁石保持部材を係止する爪部を有することである。第５の特徴によって、爪部を引っかける、いわゆるスナップフィット方式で磁石と磁石保持部材を固定することが可能となり、磁石と磁石保持部材における固着作業工程の容易化および短縮化が可能となる。

第６の特徴は、磁石に磁石保持部材を支持するフランジを有することを特徴とする。第６の特徴によって、磁石は磁石保持部材を介して固定するため、磁石の破損を防止することが可能となる。

本発明のポジションセンサは、従来要した非効率な加工や多大な時間を、簡単で短時間にできる加工方法や組立方法に変更できるため、コスト削減、品質保持および省資源化を実現するポジションセンサを提供することが可能となるなど極めて優れた効果を奏する。

以下、本発明にかかるポジションセンサの実施形態を図１から図６について説明する。

はじめに、図１を用いて、本発明にかかるポジションセンサの回転機構（図６の回転機構１１１に相当）に組み込まれる構成部品を説明する。ここでいう回転機構とは、回転部材３、磁石４、そして磁石保持部材５の３点の部品のことをいう。

回転部材３の材質は、ポジションセンサの設計要求によって決定される。すなわち、回転部材３に加わる応力の大きさ等によってその材質を選択すればよい。よって、回転部材３の材質は本発明の実施に際して特に限定されることはない。本実施形態においては、安価で成形が容易な有機樹脂材料を用いて回転部材３は形成されている。

回転部材３は、有底円筒状に形成された円筒部３ａの外周に、図６のウオーム１０２ｂに噛合する歯車３ｇが形成されている。また、円筒部３ａの開口部の縁３ｄには、弾性変形自在な爪部３ｂが形成されている。この爪部３ｂは磁石４および磁石保持部材５を固定するためのものである。さらに、円筒部３ａの底面部には、凹部３ｃと内部円筒部３ｆが形成されている。凹部３ｃは底面の周方向の一部に形成されており、貫通した孔としても良い。凹部３ｃと内部円筒部３ｆは、磁石４の位置決めを行うためのものである。そのため、内部円筒部３ｆの外径は、磁石４の内径と同等の寸法をもって形成されている。そして、内部円筒部３ｆには、回転部材３をポジションセンサに回転自在に装着するためのピン（図６のピン１０６に相当）が挿入されるピン用孔部６ｅが形成されている。

磁石４の材料は、永久磁石材料であれば、その材料の選択に際して限定はされない。なぜなら、磁気抵抗素子は磁束の方向を検出しているのであって、磁石の強さのみを検出しているわけではないからである。よって、磁石４は安価であるフェライト磁石を用いても問題はない。

磁石４の形状は、環状に成形されている。磁石４の内径は前述した理由で内部円筒部３ｆの外径と同等の寸法を有している。また、磁石４のＮ極とＳ極とは、磁石４の中心軸から外周方向に対磁（図１を参照）するように着磁されている。なお、磁石４の一端には、回転部材３へ挿入する方向にフランジ４ｂが形成されている。フランジ４ｂの外径は、回転部材３の内径と同等の大きさを有する。そして、フランジ４ｂの軸方向の両面にはそれぞれ凸部４ａと凸部４ｃとが形成されている。一方の凸部４ａは磁石４と磁石保持部材５との位置決めを行うためのものであるので、凸部４ａは磁石保持部材５と当接する面、つまりフランジ４ｂの表面側４ｂｏに形成されている。また、他方の凸部４ｃは回転部材３と磁石４との位置決めを行うためのものであるので、凸部４ｃは回転部材３へ挿入する方向の面、つまりフランジ４ｂの裏面側４ｂｒに形成されている。

磁石保持部材５は脆性を有する磁石４を保護するために取り付けられる。よって、その目的のみを達成する場合、磁石保持部材５の材質は特に限定されない。ただし、磁石保持部材５は磁束を拘束する磁気閉回路の役割も果たすことができるため、磁石保持部材５の材質を強磁性体にすることが好適である。これによって、磁気抵抗素子が検出する磁気モーメントを磁石４の環内に拘束することができるため、磁気抵抗素子は磁気モーメントを効率よく検出することが可能となる。

磁石保持部材５は、強磁性金属の板材をプレス加工による曲げ加工によって成形される。フランジ４ｂとの当接部分５ｂには、凸部４ａと係合する凹部５ａが形成されている。凹部５ａは凸部４ａと係合して磁石４と磁石保持部材５との位置決めを行うためものである。また、凹部５ａによって、板材の継目（以後、スリット５ｃと称する）は、Ｎ極とＳ極との対極軸上（以後、対極軸上と略称する）に配置される。スリット５ｃを対極軸上に配置する理由を以下に説明する。

図２は、スリット位置０°と４５°の磁気閉回路を示す概略図であり、図３は、スリット位置０°と４５°の場合における磁気抵抗素子の出力の角度誤差を示すグラフである。

スリット位置とは、磁極（Ｎ極またはＳ極）の位置を０°と規定し、０°からのスリット５ｃの回転角を絶対値で表した角度である。例えば、図２の左図の場合、スリット５ｃの位置がＮ極の位置にあるため、スリット位置は０°となる。また、図２の右図の場合、スリット５ｃの位置がＮ極から時計回りに４５°の位置にあるため、スリット位置は４５°となる。ここで、スリット位置は磁極や回転方向（時計回りまたは反時計回り）を問わないため、スリット位置の角度範囲は０〜９０°となる。

図３のグラフの横軸に記載されている「中心軸からのずれ」とは、図４に示すように、検出素子７の中心が環状の磁石４の「中心軸」（以後、中心軸と略称する）からどれだけ「ずれ」ているかを示している。つまり、図４においては、中心軸上にある磁気抵抗素子７ｃ（破線参照）が矢印の方向にＬの長さ分だけ「ずれ」ている（磁気抵抗素子７（実線参照）の位置にある）ことを示している。ここで、中心軸からのずれは、組立工程や加工寸法誤差によって生じる値である。

図３のグラフからスリット位置における出力の角度誤差の違いは明らかであることが分かる。中心軸からのずれが０ｍｍである場合、スリット位置０°における磁気抵抗素子７の出力の角度誤差は０．９°である。そして、スリット位置０°における出力の角度誤差は中心軸からのずれが大きくなると比例増加していく。この傾向はスリット位置が４５°の場合も同様の傾向を示す。スリット位置４５°における磁気抵抗素子７の出力の角度誤差は２．２°で、中心軸からのずれが大きくなると出力の角度誤差は比例増加していく。

スリット位置によって出力の角度誤差が変化する理由は、図２の磁束（矢印）で示すように、磁石保持部材５の中で拘束される磁束がスリット５ｃから漏れているためであると考えられる。磁気抵抗素子（図示しない）は環状の磁石４の内部に示される磁束（磁気モーメント）を検出する。しかし、磁石保持部材５のスリット５ｃから磁束が漏れることによって当該磁場が変化するため、環状内部に示される磁気モーメントの向きが変化するなどの影響を受ける。ここで、スリット位置が０°の場合は、磁束が直線上に漏れるのに対して、スリット位置が４５°の場合は磁束が曲線を描いて（実際には３次元的に曲線を描く）漏れるため、磁界に与える影響がスリット位置によって異なってくる。この磁束漏れの違いが出力の角度誤差に影響を与える原因であると考えられる。

以上の理由より、スリット位置は０°に配置することが好適であることが分かる。ちなみに、ポジションセンサの検出角の間隔が５°以上の場合、スリット位置０°とスリット位置４５°との差が１．４〜１．６°程度しかないため、スリット位置を４５°に配置しても問題はない。

上述のように形成された回転機構２の構成部品は、図５から図６に示す工程を経て組み立てられる。先に述べたように、凹部３ａと凸部４ａ、凸部４ｃと凹部５ｃの位置が一致するように各部品は挿入される。そうすることによって、回転部材３が回転しても磁石４の磁極が常に同じ位置に保たれる。同様にして、スリット位置は常に対極軸上に配置される。

挿入された磁石４と磁石保持部材５は、図６に示すように、回転部材３の爪部３ｂによって中心軸方向が固定される。この固定方法は、いわゆるスナップフィット方式と言われている。ここで、爪部３ｂは磁石保持部材５を介して磁石４を固定するため、磁石４の破損を防止することが可能となる。

以上の実施形態を採用することによって、安価で高品質なポジションセンサを提供することが可能となる。

なお、本発明のポジションセンサは、前述した実施の形態に限定されるものではなく、必要に応じて種々の変更が可能である。例えば、上磁石保持部材５は、１枚の板材などを円環状に曲げ加工したものだけではなく、１対の半円環状（Ｕ字型）を磁石４に対向させたものなどとしても良い。

本発明のポジションセンサに係る回転機構の１実施形態を示す概略図 スリット位置０°と４５°における磁気閉回路を示す概略図 中心軸からのずれと出力の角度誤差の関係を示すグラフ 磁石の中心軸と磁気抵抗素子の位置関係を示す概略斜視図 本発明に係る回転機構の構成部品を組み込む前の断面図 本発明に係る回転機構の構成部品を組み込んだ後の断面図 従来のポジションセンサの概略図 従来のポジションセンサと磁気抵抗素子を有する基板の位置関係を示した概略図 従来の回転機構の構成部品を組み込んだ状態の断面図 従来の回転部材の平板突起部を熱かしめした部分の断面図

符号の説明

２ 回転機構
３ 回転部材
３ａ 円筒状部材
３ｂ 爪部
３ｃ 回転部材の凹部
４ 磁石
４ａ 磁石保持部材固定用凸部
４ｂ フランジ
４ｃ 回転部材固定用凸部
５ 磁石保持部材
５ａ 磁石固定用凹部
５ｂ フランジとの当接部分
５ｃ スリット（継目）
７ 磁気抵抗素子

Claims (6)

1. 回転部材に対してほぼ筒状の外周部の磁石保持部材とともに装着されている磁石の回転運動によって生じる磁束変化を磁気抵抗素子によって検出する磁気検出方式のポジションセンサであって、前記磁石の外周部に周設される前記磁石保持部材が曲げ加工によって成形されていることを特徴とするポジションセンサ。
2. 磁石保持部材の材質が強磁性体であることを特徴とする請求項１に記載のポジションセンサ。
3. 磁石保持部材の継目が磁石の対極軸上に配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載のポジションセンサ。
4. 回転部材、磁石および磁石保持部材に互いに係合する凹部または凸部が形成されていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のポジションセンサ。
5. 回転部材に、弾性変形して磁石保持部材を係止する爪部を有することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のポジションセンサ。
6. 磁石に磁石保持部材を支持するフランジを有することを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のポジションセンサ。