JP2008058027A - 回転センサ - Google Patents

Abstract

【課題】回転体の絶対位置を検出することが可能な回転センサを提供すること。
【解決手段】回転センサ１０は、回転中心から径方向に突出した磁極歯５ａ〜５ｇが形成された磁性材料からなる回転軸５にマグネット１１を設け、マグネット１１及び各磁極歯５ａ〜５ｇの外周に磁性材料からなるリング１２を備え、該リング１２の内周面上にホール素子１３を設けた。そして、マグネット１１から出る磁束の流れが回転軸５の中心に関して非点対称となるように回転軸５の中心を避けてマグネット１１を設けた。
【選択図】図３

Description

本発明は、磁気センサによって回転体の回転位置を検出する回転センサに関するものである。

従来、回転体の回転を検出する回転センサには、回転体とともに回転するマグネットによる磁束量の変化をホール素子等により検出するものが知られている。例えば特許文献１には、外周に突極を一定ピッチで形成した２枚の歯車板の間にマグネットを介在させて回転するロータと、ロータの突極に対向する突起部が形成された複数のステータのギャップに磁気センサを配設した回転検出装置が開示されている。この回転検出装置では、磁気センサからロータの回転に比例した電気信号が出力される。従って、この電気信号によりロータの回転が検出される。
実開平６−４６１７号公報

ところが、上記特許文献１では、相対位置でしかロータの回転位置を検出することができない。そのため、ブラシレスモータ等のようにロータの絶対位置を検出する必要がある用途には用いることができないという問題があった。

本発明は上記問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、回転体の絶対位置を検出することが可能な回転センサを提供することにある。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明によれば、磁性材料からなる回転体と、磁性材料からなる固定体と、を備え、前記回転体及び前記固定体のいずれか一方にマグネット及び複数の磁極歯を設けるとともに、前記回転体及び前記固定体のいずれか他方に前記マグネット及び前記磁極歯において発生する磁束を検出する磁気検出手段を設け、前記マグネットを、前記磁極歯において発生する磁束の流れが前記回転体の回転中心に関して非点対称となるように前記回転体の回転中心を避けて配置し、前記複数の磁極歯を、前記回転体及び前記固定体のいずれか他方に向かって突設した。

上記構成によれば、マグネットが回転体の回転中心を避けて配置されていることにより、磁極歯を通過する磁束の流れが前記回転体の回転中心に関して非点対称となるため、各磁極歯おいて発生する磁束の密度が異なってくる。そのため、磁気検出手段によって検出される磁束量が磁気検出手段と対向する位置に来るマグネット及び磁極歯によって異なるので回転体の絶対位置を検出することができる。

請求項２に記載の発明によれば、請求項１に記載の回転センサにおいて、前記マグネット及び前記複数の磁極歯を前記回転体に設け、前記磁気検出手段を前記固定体に設けた。
上記構成によれば、磁気検出手段が回転しないため、磁気検出手段に接続する配線を簡略化することができる。

請求項３に記載の発明によれば、請求項１又は２に記載の回転センサにおいて、前記回転体の回転中心から各磁極歯の先端面までの距離を等距離とした。
上記構成によれば、マグネットから出た磁束が各磁極歯に入るまでに通過する磁路の長さによって各磁極歯で発生する磁束量が決まり、マグネットと各磁極歯との相対位置から各磁極歯で発生する磁束量の相対的な変化が容易に判断できるので、回転センサの設計が簡単になる。

請求項４に記載の発明によれば、請求項１〜３のいずれか一項に記載の回転センサにおいて、前記回転体及び前記固定体のいずれか一方を棒状に形成するとともに、前記回転体及び前記固定体のいずれか他方をリング状に形成し、前記棒状に形成された前記回転体及び前記固定体のいずれか一方の対向面側に、リング状に形成した前記回転体及び前記固定体のいずれか他方を配置した。

上記構成によれば、回転体及び固定体のいずれか一方をリング状に形成して、棒状に形成した回転体及び固定体のいずれか他方を覆っており、回転体と固定体はともに磁性材料であることから、棒状の部材とリング状の部材によって磁気回路が構成されるため、マグネットから出る磁束が外部へ漏洩することを防ぐことができる。

請求項５に記載の発明によれば、請求項１〜４のいずれか一項に記載の回転センサにおいて、前記マグネットは１つである。
上記構成によれば、回転センサに備えられるマグネットは１つであるため回転センサの部品点数を削減することができる。

請求項６に記載の発明によれば、請求項１〜５のいずれか一項に記載の回転センサにおいて、前記複数の磁極歯を前記回転体及び前記固定体のいずれか一方の一部を加工して形成した。

上記構成によれば、複数の磁極歯を回転体及び固定体のいずれか一方を加工して一体形成するため、磁極歯を別途製作して取り付けずに済むので、回転センサの部品点数を削減することができる。

請求項７に記載の発明によれば、請求項１〜６のいずれか一項に記載の回転センサにおいて、前記回転体及び前記固定体のいずれか一方に前記マグネットを設ける位置を決定するための溝を形成した。

上記構成によれば、回転体又は固定体にマグネットを設けるための溝が形成されているため、マグネットの取り付け作業が容易になり、回転センサの製作時間を短縮できる。

本発明によれば、回転体の絶対位置を検出することが可能な回転センサを提供することができる。

以下、本発明を具体化した実施の形態を図面に従って説明する。
図１に示すようにブラシレスモータ１は中空略円柱状に形成されたハウジング２を備え、該ハウジング２の内周面にはステータ３が固着されている。又、ハウジング２にはロータ４が回転可能に支持されている。ロータ４は回転体としての回転軸５と該回転軸５と一体回転するように設けられたロータマグネット６とから構成されている。回転軸５は軸受け７を介してハウジング２の中心部に回転可能に支持されている。ステータ３はティース８と該ティース８に巻回されたコイル９とから構成されている。又、ブラシレスモータ１には、ロータ４の回転位置を検出する回転センサ１０がロータマグネット６から離れた位置に設けられているため、ロータマグネット６から出る磁束が回転センサ１０を通過することを低減できる。

図２に示すように、回転センサ１０は、回転軸５に形成された磁極歯５ａ〜５ｇ、マグネット１１、固定体としてのリング１２及び磁気検出手段としてのホール素子１３によって構成される。マグネット１１は、回転軸５の外周に設けられたキー溝１４に回転軸５からその一部が径方向外側に向かって突出するように埋め込まれている。各磁極歯５ａ〜５ｇは、回転軸５から径方向外側に向かって突出するように該回転軸５と一体形成されている。そして、各磁極歯５ａ〜５ｇはマグネット１１と同じ幅及び突出高さを有している。更に、マグネット１１及び各磁極歯５ａ〜５ｇは、一定ピッチに配列されている。更に、マグネット１１及び各磁極歯５ａ〜５ｇは、それらの先端面が同一円周上となるように形成されている。そして、マグネット１１及び各磁極歯５ａ〜５ｇの先端面を結ぶ円の中心は、回転軸５の外周の中心と一致している。つまり、マグネット１１及び各磁極歯５ａ〜５ｇの先端面を結ぶ円と回転軸５の外周は、同心円状となるように形成されている。リング１２は回転軸５の外周と同心円状になるようにハウジング２に固着されている。そして、該リング１２の内周面にはホール素子１３が固着されている。ホール素子１３は、マグネット１１及び各磁極歯５ａ〜５ｇと所定のギャップを形成するように配置固定されている。

回転軸５及びリング１２は磁性材料で構成されている。又、マグネット１１の回転軸５の径方向における基端面側がＳ極に着磁され、径方向における先端面側がＮ極に着磁されている。つまり、マグネット１１における磁束は、マグネット１１の基端面側に存在するＳ極から先端面側に存在するＮ極に向かって流れ、マグネット１１の先端面から外部へ出る。マグネット１１のＮ極は回転軸５から突出しているため、マグネット１１において磁束は回転軸５の径方向外側に向かって発生する。又、マグネット１１のＳ極は回転軸５に埋め込まれているため、回転軸５内ではマグネット１１のＳ極に向かって磁束が流れ、各磁極歯５ａ〜５ｇでは回転軸５の径方向内側に向かって磁束が発生する。従って、磁束の流れは、マグネット１１から出て磁性材料であるリング１２に入り、各磁極歯５ａ〜５ｇを介して回転軸５内に入りマグネット１１に戻る。尚、リング１２及び各磁極歯５ａ〜５ｇが磁性材料であることから、リング１２と各磁極歯５ａ〜５ｇとのギャップにおける磁束の流れは、リング１２の内周面及び各磁極歯５ａ〜５ｇの先端面に対して垂直な方向に流れる。そのため、リング１２の内周面上に設けられたホール素子１３を通過する磁束も、ホール素子１３に対して垂直に通過するため、ホール素子１３の検出精度を向上することができる。

ここで、マグネット１１により発生する磁束の流れについて詳しく説明する。
先ず、マグネット１１から出た磁束はリング１２に入り、図３において左右に分岐し、リング１２内を通過する。磁束はＳ極からＮ極へと流れる。そして、磁束は磁気抵抗が小さい磁路を通過する。従って、リング１２内を通過した磁束は、各磁極歯５ａ〜５ｇに入りマグネット１１に戻る。

磁性材料は、図４に示すように、外部から加えられる磁界を強くしても磁束密度（単位面積あたりの磁束量）が変化し難い、つまり磁束が通過し難い状態（磁気飽和状態）となる。このため、各磁極歯５ａ〜５ｇの先端面の面積を決定する磁極歯幅Ｌ（図２参照）を調整することで、マグネット１１から近い磁極歯５ａ，５ｇ等を磁気飽和状態にして、磁束が他の磁極歯に入るようにしている。そのため、マグネット１１から遠い磁極歯５ｄにおいてもホール素子１３の検出可能な最低レベル以上の磁束量が磁極歯５ｄに入るので、磁極歯５ｄを確実に検出することができる。又、磁気飽和状態であっても、磁界の強さに応じて磁束密度が変化する。各磁極歯５ａ〜５ｇにおける磁界の強さは、マグネット１１からの距離に対応し、マグネット１１に近い程磁界が強くなる。従って、マグネット１１に近い磁極歯５ａ，５ｇには多くの磁束が通過し、遠くの磁極歯５ｄには少量の磁束が通過する。

図３において、図面左側に分岐した磁束の一部が磁極歯５ａに入り、リング１２内に残った磁束の一部が磁極歯５ｂに入り、更にリング１２内に残った磁束の一部が磁極歯５ｃに入り、最終的にリング１２内に残った磁束が磁極歯５ｄに入りマグネット１１に戻る。同様に、図面右側に分岐した磁束は、リング１２内を通過し、磁極歯５ｄ〜５ｇに入りマグネット１１に戻る。このように、本実施形態の回転センサ１０には、マグネット１１及び各磁極歯５ａ〜５ｇに対して、マグネット１１からリング１２に向かう磁束と、リング１２から各磁極歯５ａ〜５ｇに向かう磁束が発生する。更に、各磁極歯５ａ〜５ｇにおいて、マグネット１１からの距離に応じた量の磁束が通過する。図３に示すマグネット１１中の白抜きの矢印はマグネット１１の着磁方向を表し、曲線で示された矢印が磁束の流れる方向を表すとともに、線の太さが磁束密度の高さを表す。又、マグネット１１がホール素子１３と向かい合った場合における回転軸５の中心からマグネット１１又は各磁極歯５ａ〜５ｇの先端面の一端を結ぶ点線Ａ〜Ｐによって回転軸の回転位置を示す。

尚、上記のようにマグネット１１と各磁極歯５ａ〜５ｇの先端面とリング１２とは同心円状にある。従って、ロータ４が回転してもマグネット１１と各磁極歯５ａ〜５ｇの先端面とリング１２の内周面との距離が変化しないので、マグネット１１及び各磁極歯５ａ〜５ｇとリング１２とがどのような位置関係にあってもロータ４を回転させるために必要な力が変化しないので、ロータ４を円滑に回転させることができる。

ここで、ホール素子１３を通過する磁束量について説明する。回転軸５が回転することによって、マグネット１１と各磁極歯５ａ〜５ｇとがホール素子１３と順次対向し、マグネット１１が点線Ｐ，Ａ間に位置するときは、ホール素子１３とマグネット１１とが対向して回転軸５の径方向外側に磁束が流れ、ホール素子１３がマグネット１１とリング１２との間に発生する磁束量を検出する。次に回転軸５が回転してマグネット１１が点線Ｂ，Ｃ間に位置したときは、ホール素子１３と磁極歯５ａとが対向してリング１２から回転軸５の径方向内側に磁束が流れ、ホール素子１３が磁極歯５ａとリング１２との間に発生する磁束量を検出する。更に回転軸５が回転してマグネット１１が点線Ｄ，Ｅ間に位置したときは、ホール素子１３と磁極歯５ｂが対向して回転軸５の径方向内側に磁束が流れ、ホール素子１３が磁極歯５ｃとリング１２との間に発生する磁束量を検出する。この場合、上記のように磁極歯によって発生する磁束量は異なるため、磁極歯５ｃとリング１２との間に発生する磁束量は磁極歯５ａとリング１２との間に発生する磁束量よりも少ない。従って、マグネット１１が点線Ａ〜Ｐの各位置に来た時にホール素子１３を通過する磁束量は回転軸５の径方向外側に磁束が流れる場合を正とすると図５に示すように変化する。

次に、回転軸５の回転位置の検出について説明する。ホール素子１３がマグネット１１とリング１２との間に発生する正の磁束量を検出したときは、マグネット１１が点線Ｐ，Ａ間に位置する回転位置に回転軸５があることが判別できる。回転軸５が回転してマグネット１１が点線Ｐ，Ａ間から点線Ｂ，Ｃ間に移ったときは、ホール素子１３が磁極歯５ａとリング１２との間に発生する負の磁束量を検出する。回転軸５の回転によってホール素子１３を通過する磁束量の変化と、ホール素子１３を通過する磁束量の絶対値（磁極歯５ａとリング１２との間に発生した磁束量）をみることにより、マグネット１１が点線Ｂ，Ｃ間に位置する回転位置に回転軸５があることが判別できる。更に、回転軸５が回転してマグネット１１が点線Ｂ，Ｃ間から点線Ｄ，Ｅ間に移ったときは、ホール素子１３が磁極歯５ｂとリング１２との間に発生した負の磁束量を検出する。回転軸５の回転によってホール素子１３を通過する磁束量の変化と、ホール素子１３を通過する磁束量の絶対値（磁極歯５ｂとリング１２との間に発生した磁束量）をみることにより、マグネット１１が点線Ｄ，Ｅ間に位置する回転位置に回転軸５があることが判別できる。このように、ホール素子１３を通過する磁束量の変化を調べることによって回転軸５の絶対位置をマグネット１１又は各磁極歯５ａ〜５ｇ毎に特定することができる。

以上記述したように、本実施の形態によれば、以下の効果を奏する。
（１）回転中心から径方向に突出した磁極歯５ａが形成された磁性材料からなる回転軸５にマグネット１１を設け、マグネット１１及び磁極歯５ａの外周に磁性材料からなるリング１２を備え、該リング１２の内周面上にホール素子１３を設けた。そして、マグネット１１から出る磁束の流れが回転軸５の中心に関して非点対称となるように回転軸５の中心を避けてマグネット１１を設けた。そのため、各磁極歯５ａ〜５ｇによって発生する磁束量が異なるのでロータ４の回転の絶対位置を把握することができる。

（２）回転軸５の外周に磁性材料からなるリング１２を配置したためマグネット１１から出た磁束はリング１２を介して回転軸５に戻る磁気回路を構成するので、マグネット１１から出る磁束が拡散するのを防ぐことができる。

（３）ホール素子１３を磁性材料であるリング１２の内周面上に備えたため、磁束がホール素子１３を垂直に通過しやすくなり、ホール素子１３の検出精度が向上する。
（４）リング１２と回転軸５とは同心円状にあるため、ロータ４が回転してもマグネット１１と各磁極歯５ａ〜５ｇの先端面とリング１２の内周面との距離が変化しない。そのため、マグネット１１及び各磁極歯５ａ〜５ｇとリング１２とがどのような位置関係にあってもロータ４を回転させるために必要な力が変化しないので、ロータ４を円滑に回転させることができる。

（５）マグネット１１とホール素子１３を１つずつ用いるのみでロータ４の絶対位置を検出できるので、回転センサ１０の部品点数を減らすことができ低コスト化を図ることができる。

（６）マグネット１１を取り付けるためのキー溝１４が回転軸５の外周に設けられているため、マグネット１１を回転軸５に取り付ける作業が容易になる。
（７）回転センサ１０は、ロータマグネット６から離れた位置に設けられているため、ロータマグネット６から出る磁束が回転センサ１０を通過することを低減できる。

（８）各磁極歯５ａ〜５ｇを回転軸５と一体で形成しているため、各磁極歯５ａ〜５ｇを別途製作する必要が無いので、回転センサ１０の部品点数を削減できる。
（９）各磁極歯５ａ〜５ｇの磁極歯幅Ｌを変えることにより各磁極歯５ａ〜５ｇに発生する磁束量を変化させることができるので、マグネット１１から離れた位置の磁極歯５ｄにおいてもホール素子１３が検出できる十分な磁束量を発生させることができる。

（１０）磁力の強いマグネット１１や大きいマグネット１１を用いなくとも、各磁極歯５ａ〜５ｇの磁極歯幅Ｌを変えることによって、マグネット１１から離れた位置の磁極歯５ｄにおいてホール素子１３が検出できる十分な磁束量を発生させることが可能であるため、回転センサ１０の低コスト化及び省スペース化を図ることができる。

尚、上記実施の形態は、以下の態様で実施してもよい。
・上記実施形態では、各磁極歯５ａ〜５ｇを径方向外側に突出させ、ホール素子１３を各磁極歯５ａ〜５ｇの外側に配置したが、リング１２の径方向内側に磁極歯を突出させ、ホール素子１３を磁極歯の内側に配置してもよい。

・上記実施形態では、回転軸５を回転体として回転させたが、リング１２を回転体として回転させてもよい。
・上記実施形態では、マグネット１１が回転軸５から一部突出して回転軸５に設けられたが、回転軸５の中に完全に埋め込まれてもよい。

・上記実施形態では、マグネット１１と各磁極歯５ａ〜５ｇが一定ピッチで配置されたが、一定ピッチで配置されなくともよい。
・上記実施形態では、回転軸５の外周にリング１２を配置しリング１２の内側にホール素子１３を設けたが、リング１２を配置せずハウジング２の内側にホール素子１３を設けてもよい。

・上記実施形態では、回転軸５の回転中心からマグネット１１及び各磁極歯５ａ〜５ｇの先端面までの距離を同じ、即ち同じ円周上となるように形成したが、中心から先端面までの距離が異なるように形成してもよい。

・上記実施形態では、磁極歯５ａ〜５ｇの数が７つであったがこれに限らず、１つ以上６つ以下、又は８つ以上であってもよい。このように磁極歯の数を増やすことによって、ロータ４の回転位置を検出する精度が向上する。

・上記実施形態では、マグネット１１が１つであったがこれに限らず、回転体としての回転軸５においてマグネット１１により発生する磁束が回転軸５の中心に関して非点対称となれば幾つ用いてもよい。

・上記実施形態では、マグネット１１及び各磁極歯５ａ〜５ｇは回転軸５に対して垂直な同一面上にあったが、同一平面上から軸方向にずれてもよい。
・上記実施形態では、ブラシレスモータ１の回転位置を検出するために回転センサ１０を用いたが、その他の回転体の回転位置の検出に用いてもよい。

・上記実施の形態では、磁気検出素子としてホール素子１３を用いたが、これ以外の磁気検出素子、例えば磁気抵抗素子を用いてもよい。

ブラシレスモータの一部断面図。 図１のＡ‐Ａ線断面図。 回転軸の断面における磁束の流れを示す説明図。 磁界と磁束密度の関係を示すグラフ図。 ホール素子が検出する磁束量の回転角による変化を示すグラフ図。

符号の説明

５…回転軸、５ａ〜５ｇ…磁極歯、１０…回転センサ、１１…マグネット、１２…リング、１３…ホール素子、１４…キー溝。

Claims (7)

1. 磁性材料からなる回転体と、
   磁性材料からなる固定体と、を備え、
   前記回転体及び前記固定体のいずれか一方にマグネット及び複数の磁極歯を設けるとともに、前記回転体及び前記固定体のいずれか他方に前記マグネット及び前記磁極歯において発生する磁束を検出する磁気検出手段を設け、
   前記マグネットを、前記磁極歯において発生する磁束の流れが前記回転体の回転中心に関して非点対称となるように前記回転体の回転中心を避けて配置し、
   前記複数の磁極歯を、前記回転体及び前記固定体のいずれか他方に向かって突設したことを特徴とする回転センサ。
2. 請求項１に記載の回転センサにおいて、
   前記マグネット及び前記複数の磁極歯を前記回転体に設け、前記磁気検出手段を前記固定体に設けたことを特徴とする回転センサ。
3. 請求項１又は２に記載の回転センサにおいて、
   前記回転体の回転中心から各磁極歯の先端面までの距離を等距離としたことを特徴とする回転センサ。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の回転センサにおいて、
   前記回転体及び前記固定体のいずれか一方を棒状に形成するとともに、前記回転体及び前記固定体のいずれか他方をリング状に形成し、
   前記棒状に形成された前記回転体及び前記固定体のいずれか一方の対向面側に、リング状に形成した前記回転体及び前記固定体のいずれか他方を配置したことを特徴とする回転センサ。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載の回転センサにおいて、
   前記マグネットは１つであることを特徴とする回転センサ。
6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載の回転センサにおいて、
   前記複数の磁極歯を前記回転体及び前記固定体のいずれか一方の一部を加工して形成したことを特徴とする回転センサ。
7. 請求項１〜６のいずれか一項に記載の回転センサにおいて、
   前記回転体及び前記固定体のいずれか一方に前記マグネットを設ける位置を決定するための溝を形成したことを特徴とする回転センサ。

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