JP2006308371A

JP2006308371A - 非接触回転変位センサ

Info

Publication number: JP2006308371A
Application number: JP2005129666A
Authority: JP
Inventors: Manabu Ichikura; 学市倉
Original assignee: Tokyo Cosmos Electric Co Ltd
Current assignee: Tokyo Cosmos Electric Co Ltd
Priority date: 2005-04-27
Filing date: 2005-04-27
Publication date: 2006-11-09

Abstract

【課題】大きな検出出力が得られるようにし、良好かつ安定した性能を有する非接触回転変位センサを提供する。
【解決手段】一対の軟磁性材リング２１，２２よりなり、一方の部位に取り付けられるロータ２０と、他方の部位に取り付けられ、ロータ２０の外周面と間隙３５を介して対向するリング状磁石３１と、磁石３１の外周面に配されたバックヨーク３２と、磁気センサ３３とを備える。磁石３１は径方向に着磁され、かつ周方向に多極配列された構造を有し、リング２１，２２は空隙３４を介して対向する内周部２５，２６と、その内周部から外側に突出され、互いに近づく方向に曲げられて周方向交互に位置する歯２３，２４とを有する。各歯２３，２４の数は磁石３１の着磁極数の半分とされ、空隙３４内に磁気センサ３３が配される。ロータが磁石の内周側に位置するため、空隙３４の検出磁界を大きくできる。
【選択図】図１

Description

この発明は２つの部位の軸心回りの相対的回転変位を検出するセンサに関し、特に磁気を用い、比較的狭角度の回転変位を非接触で検出する非接触回転変位センサに関する。

図７乃至９はこの種の非接触回転変位センサの従来構成例として、特許文献１に記載されているトルクセンサの構成を示したものであり、図７は各部に分解した斜視図を示し、図８は全体構造の断面図を示す。また、図９は動作を説明するための図である。
この例ではトルクセンサは車両の電動式パワーステアリング装置に用いられてステアリングシャフトに加わる操舵トルクを検出するものとされており、ステアリングシャフトを構成する入力軸１１と出力軸１２とはトーションバー１３を介して同軸上に連結され、この入力軸１１の端部に磁石１４が取り付けられ、出力軸１２の端部に一組の磁気ヨーク１５，１６が取り付けられ、磁気ヨーク１５，１６間に磁気センサ１７が配置されている。

トーションバー１３は両端がそれぞれピン１８により入力軸１１と出力軸１２とに固定されており、入力軸１１と出力軸１２とはトーションバー１３がねじれを生じることで相対的に回転変位するものとなっている。磁石１４はリング状とされて周方向にＮ極とＳ極とが交互に位置するように多極着磁されており、この例では２４極に形成されている。
磁気ヨーク１５，１６は環状体とされて磁石１４の外周に近接して配置され、それぞれ磁石１４のＮ極及びＳ極と同数（１２個）の爪１５ａ，１６ａが図７に示すように全周に等間隔に設けられている。これら磁気ヨーク１５，１６は互いの爪１５ａ，１６ａが周方向にずれて交互に位置するように固定部１９（図８参照）により位置決めされている。磁気センサ１７は軸方向に対向する両磁気ヨーク１５，１６間に設けられた空隙内に挿入され、両磁気ヨーク１５，１６間に生じる磁束密度を検出し、検出した磁束密度を電気信号（電圧信号）に変換して出力するものとなっている。

上記のような構成において、入力軸１１と出力軸１２との間にトルクが生じていない状態、つまりトーションバー１３がねじれていない中立状態では、図９Ｂに示すように磁気ヨーク１５，１６にそれぞれ設けられている爪１５ａ，１６ａの中心と磁石１４のＮ極とＳ極との境界が一致しており、この場合、各磁気ヨーク１５，１６の爪１５ａ，１６ａには磁石１４のＮ極とＳ極から同数の磁力線が出入りし、周方向隣接する磁石１４のＮ極とＳ極とは爪１５ａ，１６ａによって短絡されて閉磁気回路を形成するため、磁気センサ１７が位置する空隙には磁束が洩れず、磁気センサ１７には出力電圧が発生しない。

これに対し、トルクが印加されてトーションバー１３にねじれが生じると、磁石１４と一組の磁気ヨーク１５，１６との相対位置が図９ＡやＣに示すように周方向に変化し、各爪１５ａ，１６ａの中心と磁石１４のＮ極とＳ極との境界がずれる。これにより、各磁気ヨーク１５，１６には互いに逆の極性を有する磁力線が増加するため、両磁気ヨーク１５，１６間の空隙に磁束が流れるようになり、その方向及び量に対応した出力電圧を磁気センサ１７は出力する。よって、この出力から入力軸１１と出力軸１２との相対的回転変位量を検出できるものとなっている。

このように、従来の非接触回転変位センサは多極に着磁されたリング状磁石を内側に備え、その磁石の周囲に非接触で相対的に回転変位する一対の軟磁性材よりなるリング部材を配置して、それらリング部材間に流れる磁束の変化を検出する構造となっており、特許文献２には多極着磁されたリング状磁石に替えて複数の磁石を環状に配列し、それら環状配列された複数の磁石の周囲に一対の磁性リング部材を特許文献１のセンサと同様に配置する構成が記載されている。
特開２００３−１４９０６２号公報特表２００４−５１９６７２号公報

上述したように、磁気を用い、非接触で相対的回転変位を検出する従来の非接触回転変位センサは、環状に配列された複数の磁石あるいは多極に着磁されたリング状磁石を内周側に有し、その周囲に軟磁性材よりなる一対のリング部材を配置して、それらリング部材の外周側において両リング部材間の磁束の変化を磁気センサで検出するものとなっていた。
しかしながら、このような構成では磁石に対して外周側に位置する一対のリング部材は、その面積が磁石の表面積に対して相対的に大きくなり、つまり大きな面積を有するため、一対のリング部材間に生じる磁界は弱くなってしまい、よって大きな検出出力が得られないものとなっていた。

また、一対のリング部材間に生じる磁界が弱い分、外部磁界の影響を受けやすく、さらにリング部材の面積が大きい点でも外部磁界の影響を受けやすいものとなっていた。
この発明の目的はこのような問題に鑑み、検出磁界を大きくすることで従来より大きな検出出力を得られるようにし、外部磁界の影響を受けにくく、良好かつ安定した性能を有する非接触回転変位センサを提供することにある。

請求項１の発明によれば、２つの部位の軸心回りの相対的回転変位を非接触で検出する非接触回転変位センサは、軟磁性材よりなる一対のリングによって構成され、２つの部位の一方に取り付けられるロータと、２つの部位の他方に取り付けられ、ロータの外周面と所定の間隙を介して対向するリング状磁石と、その磁石の外周面に配置された軟磁性材よりなるバックヨークと、磁気センサとを備えるものとされ、磁石は径方向に着磁され、かつ周方向に多極配列された構造を有し、一対のリングは上記軸心方向に空隙を介して互いに対向する内周部と、その内周部から径方向外側に向って突出され、かつ互いに近づく方向に曲げられて周方向交互に互いに離間して位置し、上記外周面を構成する歯とをそれぞれ有するものとされ、両リングの歯の数はそれぞれ磁石の着磁極数の半分とされ、磁気センサは上記空隙内に配されて空隙内の磁束の変化を検出する構造とされる。

請求項２の発明では請求項１の発明において、各歯の上記外周面を構成する部分の形状がほぼ矩形をなすものとされる。

この発明によれば、磁石を外周側とし、一対のリングによって磁気回路を構成するロータを磁石の内周側に配置しているため、それらリングを磁石の外周側に配置する場合に比し、リングの面積を磁石の表面積に対し、相対的に小さくすることができ、よって一対のリング間に生じる検出磁界を大きくすることができる。
従って、大きな検出出力を得ることができ、その分外部磁界の影響を受けにくく、良好かつ安定した性能を有する非接触回転変位センサを得ることができる。

この発明の実施形態を図面を参照して実施例により説明する。
図１はこの発明による非接触回転変位センサの一実施例の構成を示したものであり、図１Ａは各部に分解した状態を示し、図１Ｂはそれら各部の配置関係を示している。この例では軟磁性材よりなる一対のリング２１，２２によって構成されるロータ２０とリング状をなす磁石３１とバックヨーク３２と磁気センサ３３とによって非接触回転変位センサが構成され、ロータ２０は図１Ｂに示したように磁石３１の内周側に位置される。
ロータ２０を構成する一対のリング２１，２２はそれぞれ外周側に歯２３，２４を有するものとされ、この例では歯２３，２４はそれぞれ等角間隔（４０°間隔）で９個設けられている。各歯２３，２４はそれぞれリング２１，２２の内周部２５，２６から径方向外側に向って突出形成された基部２３ａ，２４ａと、その基部２３ａ，２４ａの先端から軸心方向に折れ曲がった対向部２３ｂ，２４ｂとよりなり、Ｌ型をなすものとされる。なお、リング２１の歯２３の対向部２３ｂとリング２２の歯２４の対向部２４ｂとは逆方向に、即ち互いに近づく方向に曲げられており、これら対向部２３ｂ，２４ｂはほぼ矩形形状をなすものとされている。

リング２１と２２とは図１Ｂに示したように同軸心とされ、内周部２５，２６が軸心方向に空隙３４を介して互いに対向するように配置され、リング２１の歯２３とリング２２の歯２４とは互いに離間して周方向交互に位置するようにされ、つまり２０°間隔で位置されて、これら歯２３，２４の配列によってロータ２０の外周面が構成される。なお、リング２１と２２とは図１では図示を省略しているが、後述するように非磁性部材を介して互いに非接触で固定一体化される。
リング状をなす磁石３１は径方向に着磁され、かつ周方向にＮ極とＳ極とが交互に位置するように多極着磁されているものとされ、この例では２０°間隔で１８極着磁されているものとされる。

磁石３１は図１Ｂに示したようにロータ２０と同軸心とされてロータ２０の外周面と所定の間隙３５を介して対向配置され、この磁石３１の外周面に軟磁性材よりなるリング状のバックヨーク３２が固定配置される。なお、磁石３１の着磁極数１８極に対し、リング２１，２２の各歯２３，２４の数は上述したように９個であり、つまり各歯２３，２４の数は磁石３１の着磁極数の半分とされる。また、周方向円弧状をなす各歯２３，２４の対向部２３ｂ，２４ｂの中心角は２０°より小とされている。
磁気センサ３３はリング２１と２２とがなす空隙３４内に配され、空隙３４内においてリング２１，２２間に流れる磁束の変化を検出する。磁気センサ３３には例えばホールＩＣが用いられる。

上記のような構成を有する非接触回転変位センサは図７及び８に示した従来のセンサと異なり、磁石３１が外周側に位置し、この磁石３１の内周側に磁気回路を構成するリング２１，２２（ロータ２０）が位置するものとなっている。
リング２１，２２は例えば電磁鋼板などの軟磁性材を打ち抜き、曲げ加工することによって形成され、バックヨーク３２は例えば電磁軟鉄を打ち抜き加工することによって形成される。なお、電磁鋼板を打ち抜き加工し、その電磁鋼板を積層してバックヨーク３２を形成することもできる。磁石３１は例えばボンド磁石とされ、リング状に圧縮成形あるいは射出成形することによって形成される。磁石３１とバックヨーク３２とは接着により固定一体化されるが、例えば磁石３１の成形時にバックヨーク３２と一体成形するようにしてもよい。

次に、上記のような構成を有する非接触回転変位センサの回転変位を検出する箇所への実装構造の一例について説明する。図２はトーションバーを用いたトルクセンサに図１に示した非接触回転変位センサを用いた例を示したものであり、図３はその一部を拡大して示したものである。
シャフト４１と４２とはトーションバー４３を介して同軸上に連結されており、この例ではシャフト４１の端部にロータ２０が取り付けられ、シャフト４２の端部にバックヨーク３２を備えた磁石３１が取り付けられ、これらロータ２０と磁石３１とはトーションバー４３のねじれに伴って相対的に回転変位するものとされる。

ロータ２０のシャフト４１への取り付けはリング状をなすサポータ４４を介して行われる。サポータ４４は樹脂製、非磁性部材とされ、この例ではロータ２０を構成する一対のリング２１，２２はこのサポータ４４にインサート成形されて所定の配置関係に固定一体化されており、このサポータ４４をシャフト４１に例えば圧入することによりロータ２０がシャフト４１に取り付けられる。
一方、磁石３１とバックヨーク３２のシャフト４２への取り付けはリング状をなすサポータ４５を介して行われ、シャフト４２の回りに固定されたサポータ４５の外周部上に磁石３１とバックヨーク３２とが搭載固定されて取り付けられる。

バックヨーク３２を備えた磁石３１とロータ２０とは上記のように取り付けられて、ロータ２０の回りを磁石３１が囲むように配置され、ロータ２０の外周面と磁石３１の内周面との間には所定の間隙３５が構成される。
磁気センサ３３はコネクタモールド４６に取り付けられて支持されており、磁気センサ３３のピン端子３３ａはコネクタモールド４６にインサート成形されて一端がコネクタ端子をなすリードフレーム４７の他端にハンダ付けされて接続されている。磁気センサ３３はコネクタモールド４６に支持されることによってロータ２０の空隙３４内に位置されている。なお、コネクタモールド４６はシャフト４１，４２の回りに設けられて密封空間を構成する一対のケース４８，４９に挟持された状態で固定されており、これらケース４８，４９はそれぞれ軸受５１，５２を介してシャフト４１及び４２に取り付けられている。図２中、５３，５４はトーションバー４３の両端をそれぞれシャフト４１，４２に固定する固定ピンを示す。

次に、上述したような構成を有し、例えばトルクセンサとして用いることのできる非接触回転変位センサの動作について説明する。
一方のリング２１の歯２３の対向部２３ｂが磁石３１のＮ極面と対向している時、他方のリング２２の歯２４の対向部２４ｂは磁石３１のＳ極面と対向しており、この時、磁石３１から生じる磁束の多くはリング２１の歯２３からその内周部２５へ流れ、磁気センサ３３の位置する空隙３４を通過してリング２２の内周部２６へ流れて、その歯２４から磁石３１へ戻る。

反対に、リング２１の歯２３の対向部２３ｂが磁石３１のＳ極面と対向している時、リング２２の歯２４の対向部２４ｂは磁石３１のＮ極面と対向しており、この時、磁石３１から生じる磁束の多くはリング２２の歯２４からその内周部２６へ流れ、空隙３４を通過してリング２１の内周部２５へ流れて、その歯２３から磁石３１へ戻る。よって、磁気センサ３３は反対の極性を検出することになる。
リング２１の歯２３の対向部２３ｂが磁石３１のＮ極とＳ極との境界に対向している時はリング２２の歯２３の対向部２４ｂも同様に両極の境界に対向し、この時、磁石３１から生じる磁束の多くはリング２１，２２の歯２３，２４の対向部２３ｂ，２４ｂを通過するだけで内周部２５，２６へは流れないため、空隙３４には磁束が流れず、磁気センサ３３には出力電圧が発生しない。

つまり、この発明による非接触回転変位センサは図７乃至９に示したような構成を有する従来のセンサと同様の原理で動作し、磁気センサ３３はロータ２０及び磁石３１が取り付けられた２つの部位の相対的回転変位量及び方向に応じた出力電圧を出力するものとなっているものの、従来のセンサに比し、大きな検出磁界、検出出力を得られるものとなっている。以下、この点について具体的数値例をもとに説明する。
今、図４に示したようにセンサ全体の内外径（内外半径）をＲ_１，Ｒ_２、ロータ２０を構成するリング２１，２２の内周部２５，２６の外径をＲ_３とし、歯２３，２４の径方向突出長をＬ、中心角をθとする。また、磁石３１の径方向厚さをＴ、間隙３５の寸法をＧとし、磁気センサ３３の検出中心の半径位置（磁束検出位置）をＲ_４とする。磁石３１は２０°間隔、１８極に着磁されているものとし、ロータ２０、磁石３１、バックヨーク３２の軸心方向の厚さを共にＨとする。そして、これら各寸法を以下の値とした。

Ｒ_１＝１８ｍｍ，Ｒ_２＝３０ｍｍ，Ｒ_３＝２２ｍｍ，Ｒ_４＝２０ｍｍ
Ｌ＝３ｍｍ，Ｇ＝０．５ｍｍ，Ｔ＝１．５ｍｍ，Ｈ＝３．５ｍｍ，θ＝１６°
なお、リング２１，２２の各板厚は０．５ｍｍとした。
一方、図５は比較例として、磁石３１がロータ２０に対して内周側に位置する従来の構成を示したものであり、各部の寸法を図４と同様に図５中に示すように定義した。なお、ここではロータ２０の内径をＲ_５としている。各寸法はＲ_４＝２８ｍｍ，Ｒ_５＝２３ｍｍとした以外は上記図４における寸法と同一であり、つまりセンサの外形寸法（内外径Ｒ_１，Ｒ_２及び厚さＨ）を同一とし、このような条件下でこれら図４及び図５の構成の磁束検出位置（Ｒ_４）でのロータ２０と磁石３１との相対的回転変位に伴う磁束密度の変化を磁場解析ソフトウェアを用いてシミュレーションした。

図６はこのシミュレーション結果を示したものであり、図４に示した実施例の方が図５に示した比較例（従来構成例）より大きな検出磁界を得られることがわかる。つまり、センサの大きさが同じであっても、磁石を内周側に設ける従来の構成に比し、この発明による磁石を外周側に設ける構成の方がロータを構成する一対のリングが小さくなり、互いに対向する面積が小さくなる分、リング間に生じる磁界が強くなって、大きな検出出力が得られるものとなり、よってその分外部磁界の影響を受けにくく、良好かつ安定した性能が得られるものとなる。

なお、この発明による非接触回転変位センサは比較的狭角度の回転変位検出に適するものであって、例えば自動車の電動式パワーステアリング装置におけるトルク検出やアクセルペダルの角度検出に用いられる。リング状磁石の着磁極数は上述した例では１８極としているが、これに限るものではなく、用途に応じて適宜選定される。

この発明による非接触回転変位センサの一実施例を示す図、Ａは各部に分解した斜視図、Ｂはその配置関係を示す斜視図。図１に示した非接触回転変位センサの実装構造の一例を示す断面図。図２の部分拡大図。図１に示した実施例のシミュレーション条件を説明するための図。比較例のシミュレーション条件を説明するための図。図４、５に示した実施例及び比較例のシミュレーション結果を示すグラフ。非接触回転変位センサの従来構成例を示す分解斜視図。図７に示したセンサの全体構造を示す断面図。図７、８に示したセンサの動作を説明するための図。

Claims

２つの部位の軸心回りの相対的回転変位を非接触で検出するセンサであって、
軟磁性材よりなる一対のリングによって構成され、上記２つの部位の一方に取り付けられるロータと、
上記２つの部位の他方に取り付けられ、上記ロータの外周面と所定の間隙を介して対向するリング状磁石と、
その磁石の外周面に配置された軟磁性材よりなるバックヨークと、
磁気センサとを備え、
上記磁石は径方向に着磁され、かつ周方向に多極配列された構造を有し、
上記一対のリングは上記軸心方向に空隙を介して互いに対向する内周部と、その内周部から径方向外側に向って突出され、かつ互いに近づく方向に曲げられて周方向交互に互いに離間して位置し、上記外周面を構成する歯とをそれぞれ有するものとされ、
上記両リングの歯の数はそれぞれ上記磁石の着磁極数の半分とされ、
上記磁気センサは上記空隙内に配されて空隙内の磁束の変化を検出する構造とされていることを特徴とする非接触回転変位センサ。
請求項１記載の非接触回転変位センサにおいて、
上記各歯の上記外周面を構成する部分の形状はほぼ矩形をなすものとされていることを特徴とする非接触回転変位センサ。