JP2008215843A - 回転センサ - Google Patents

Abstract

【課題】磁石を用いた回転センサにおいて組み付けがし易く、かつ長期に亘って信頼性を確保できる回転センサを提供する。
【解決手段】被測定回転体の回転に応じて回転すると共に磁石２５０を保持する磁石保持部材２１０を備え、磁石には当該磁石の回転中心部分に貫通孔２５１が形成され、磁石保持部材には当該磁石保持部材への磁石仮止め状態において磁石の貫通孔を貫通すると共に当該貫通孔から一部が突出する突起部２１３が設けられ、当該突起部は溶融部材からなり、かつ磁石保持部材への磁石取り付け状態において突起部の磁石から突出した端部が溶融されて磁石と溶着し、磁石と磁石保持部材が被測定回転体の回転に連動して一体に回転するようになっている。
【選択図】図１

Description

本発明は、回転体の回転角度を検出するのに使用する回転センサに関する。

従来から、例えば回転するシャフトの回転数を検知する回転センサが知られている（例えば、特許文献１参照）。この特許文献１に記載の回転センサは、円板状に形成された磁石が回転軸に支持されており、この回転軸を中心として所定の方向に回転可能に構成されている。また、この回転センサは２つの磁気センサを備えている。２つの磁気センサは、共に等しい温度特性を有するホール素子であり、円板の中心と一方の磁気センサを通る直線、及び円板の中心と他方の磁気センサとを通る直線とがなす角度が概ね９０度になるように配置されている。そして、各磁気センサは、磁石の円周の直下に共に配置されている。

また、磁石を回転軸である回転体に一体となるように取り付けて被測定用回転体と一体に回転する回転センサも知られている（例えば、特許文献２参照）。この特許文献２に記載された回転センサは、センサ磁石固定用ボスを軸に圧入し、センサ磁石を回転子鉄心に当接させることでセンサ磁石を所定の位置に固定するようになっている。

このようなセンサ磁石固定用ボスを軸に圧入することで磁石を被測定回転体と一体に回転する技術の他に例えば回転センサが被測定回転体の０°〜３６０°を測定する小舵角検出用歯車及びこの歯車に噛合して被測定回転体の回転に応じて被測定回転体の大舵角を検出する歯車を備えた回転センサも知られている。そして、このような回転センサにおいて、例えば大舵角検出用の歯車に磁石を固定する際にスナップフィットによって磁石を磁石保持部材に固定したりインサート成型により磁石を磁石保持部材に一体成型したりしている。
特開２００３−７５１０８号公報（特許請求の範囲、図１〜図２等） 特開平９−１２１５２５号公報（特許請求の範囲、図２〜図３等）

しかしながら、上述したような従来の回転センサにおいて、磁石を被測定回転体やこれと連動して回転する歯車に取り付けるにあたって幾つかの問題点が生じている。具体的には、スナップフィットによる磁石の固定方式を利用した場合、回転センサの使用中に回転センサ自体が受ける振動により回転軸線方向に磁石がずれてしまうことがある。そして、このようなずれが発生すると、被測定用回転体の正しい回転角度を検出することができなくなり、回転センサの信頼性を低下させる虞がある。

また、磁石を歯車などの磁石固定部材にインサート成型により一定化して固定した場合、金型費用が高価になるためコスト高を招くと共に、回転センサの組み付け工程中の特別な工程にインサート成型工程を設けなければならず、回転センサの組み付け工程を設計する上での自由度がなくなる。

また、磁石を圧入により磁石保持部材に取り付ける場合、磁石と磁石保持部材の両者の公差を厳密に管理する必要があり、磁石保持部材と磁石の部品コストが高くなると共に、一般的に用いられる非磁性材である樹脂を磁石保持部材に用いた場合、圧入に際して磁石保持部材にひび割れ等が発生し、磁石が磁石保持部材にしっかりと固定されない虞がある。

本発明の目的は、磁石を用いた回転センサにおいて組み付けがし易く、かつ長期に亘って信頼性を確保できる回転センサを提供することにある。

上述の課題を解決するために、本発明の請求項１にかかる回転センサは、
被測定回転体の回転に応じて回転する磁石が発生する磁束密度を磁気検出素子で検出して前記被測定回転体の回転角度を検出する回転センサにおいて、
前記被測定回転体の回転に応じて回転すると共に前記磁石を保持する磁石保持部材を備え、前記磁石には当該磁石の回転中心部分に貫通孔が形成され、前記磁石保持部材には当該磁石保持部材への磁石仮止め状態において前記磁石の貫通孔を貫通すると共に当該貫通孔から一部が突出する突起部が設けられ、前記突起部は溶融部材からなり、かつ前記磁石保持部材への磁石取り付け状態において当該突起部の磁石から突出した端部が溶融されて磁石と溶着し、前記磁石と磁石保持部材が前記被測定回転体の回転に連動して一体に回転するようになったことを特徴としている。

本発明における回転センサの構成によれば、磁石保持部材の突起部が磁石の貫通孔を貫通してこの突起部の先端が磁石に溶着されることで、磁石と磁石保持部材が一体に回転するようになる。このような溶着は磁石を磁石保持部材に仮止めした後如何なる工程でも行うことができるので、従来のインサート成型のように工程が限定されず簡単な作業で行うことができる。

また、従来のスナップフィットによる磁石と磁石保持部材との組み付けにおける場合のように、これらの組み付け後に回転センサに加わる振動によって回転方向に両者が相対的にずれるような問題が発生しない。

また、本発明の請求項２にかかる回転センサは、請求項１に記載の回転センサにおいて、
前記磁石保持部材及び磁石には、前記突起部の基端部に前記磁石と当該磁石保持部材間の中心軸線廻りの角度関係を規定するための位置決め部が設けられたことを特徴としている。

本発明に係る回転センサがこのような位置決め部を有することで、磁石を磁石保持部材に取り付ける際に中心軸線回りに互いに正確な角度関係で取り付けることができる。

また、本発明の請求項３にかかる回転センサは、請求項１に記載の回転センサにおいて、
前記磁石には、前記磁石保持部材の突起部が突出して溶融される部分に前記磁石と前記磁石保持部材間の中心軸線廻りの角度関係を規定するための位置決め部が設けられたことを特徴としている。

本発明に係る回転センサがこのような位置決め部を有することで、突起部を溶融させて磁石を磁石保持部材に固定する際に位置決め部を介して磁石と磁石保持部材間の中心軸線廻りの角度関係を確認しながら溶融させることができる。これによって、磁石と磁石保持部材間の中心軸線廻りの角度関係を正確に保った状態で磁石を磁石保持部材に固定することができる。

また、本発明の請求項４にかかる回転センサは、請求項１乃至請求項３の何れかに記載の回転センサにおいて、
前記回転センサは、前記被測定回転体の回転と共に回転するロータと、前記被測定回転体の回転とは独立したステータを有し、前記ロータの周囲には第１の歯車部が形成され、前記ステータには前記第１の歯車部と噛合して前記被測定回転体の回転に応じて回転する第２の歯車部が備わり、前記第２の歯車部が前記磁石保持部材の役割を兼ねることを特徴としている。

本発明に係る回転センサがこのような第１の歯車部と第２の歯車部を有し、第２の歯車部が磁石保持部材を兼ねることで、第２の歯車部の回転中心を被測定回転体の回転中心に対して偏倚させることができる。その結果、第２の歯車部を貫通する突起部を磁石保持部材に形成し易く、磁石保持部材をなす第２の歯車に磁石を固定し易くなる。

また、本発明の請求項５にかかる回転センサは、請求項４に記載の回転センサにおいて、
前記ロータには前記被測定用回転体の０°〜３６０°の回転角度を測定する回転角度測定手段が備わると共に、前記磁気検出素子と前記第２の歯車部に備わった磁石とで前記被測定用回転体の回転数を検出するようになったことを特徴としている。

本発明に係る回転センサがこのような構成を有することで、被測定用回転体の回転角度を広範囲に検出できる。

また、本発明の請求項６にかかる回転センサは、請求項４又は請求項５に記載の回転センサにおいて、
前記第２の歯車部を２個以上備えることを特徴としている。

本発明に係る回転センサが、第２の歯車部を２個以上備えることで、被測定回転体に磁石を取り付けることができないような構造の回転センサに対しても適用可能となる。

本発明によると、磁石を用いた回転センサにおいて組み付けがし易く、かつ長期に亘って信頼性を確保できる回転センサを提供することができる。

以下、本発明の一実施形態にかかる回転センサ１について図面に基いて説明する。なお、この説明においては自動車のステアリング装置においてこの回転センサを被測定回転体であるステアリングシャフト（以下、「シャフト」とし、図面中では、特に図示せず）に取り付けてハンドルの回転角度を検出する場合について説明する。

本発明の一実施形態にかかる回転センサ１は、図１に示すように、被測定回転体であるシャフト（図示せず）に取り付けられて被測定回転体と一体に回転するロータ１０と、ロータ１０の回転とは独立してシャフトとは異なる部分（例えば、ブラケットを介してステアリングコラム）に固定状態で取り付けられるステータ（ここでは図示せず）とを備えている。そして、ロータ１０は円筒形状を有し、強度に優れた樹脂からできており、その内部にロータ１０とステータとの隙間を一定に保持する結合部１１が備わると共に、外周にロータ１０の小角度（０°〜３６０°）を測定するためのリング状磁石１５０を備えている。そして、リング状磁石１５０の周方向に所定の中心角度をなして２つのホール素子１３，１４が備わっている。なお、ホール素子１３，１４は後述するステータに取り付けられた基板２１に固定されており、ロータ１０のリング状磁石１５０の回転とは独立して回転しないようになっている。

また、ロータ１０の周囲全周に亘って第１の歯車１００が形成されており、後述するシャフトの小角度（０°〜３６０°の回転角度）を測定するための役目を果たしている。

図示しないステータには基板２１とホルダ２２を備えている。そして、基板２１とホルダ２２は同心の取り付け穴２１ａ，２２ａを介して図示しないネジ等の締結具で共にステータに取り付けられている。

基板２１には、回転角度を検出する図示しない電気部品や電子部品が実装されている。また、ホルダ２２にはロータ側の第１の歯車１００と噛合する第２の歯車２００が回転自在に固定されると共に、第２の歯車２００には図２に示す磁石ホルダ（磁石保持部）２１０が備わっている。第２の歯車２００及び磁石ホルダ２１０は基板２１に取り付けられた歯車支持部２２０を介して両者が一体となって回転自在に取り付けられている。

磁石ホルダ２１０にはこの磁石ホルダ２１０と一体に回転するように円板状磁石２５０が固定されると共に、この円板状磁石２５０の外周部近傍に所定の回転角度を隔てて２つのホール素子２３，２４が取り付けられている。この２つのホール素子２３，２４は、基板２１に取り付けられている。

なお、リング状磁石１５０は周方向に亘ってＮ極とＳ極が厚み方向に周期的に変化するような磁石を用いている。そして、このシャフトの回転に伴うリング状磁石１５０の回転に応じた磁束密度の変化を一方のホール素子１３と他方のホール素子１４で検出する。そして、この両者の検出したホール素子１３，１４の出力の位相差に基づいて図示しない演算部でロータの０°〜３６０°の回転角度を検出するようになっている。

また、上述したように、第２の歯車２００と一体に回転する円板状磁石２５０を保持する磁石ホルダ２１０の上部には当該磁石ホルダ２１０とは独立して基板２１に固定して取り付けられたホール素子２３，２４が備わっている。また、円板状磁石２５０は例えば平面視で半円がＮ極で、残りの半円がＳ極で形成されており、円板状磁石２５０の周方向に亘ってその磁束密度が周期的に変化するようになっている。そして、円板状磁石２５０の回転に伴う磁束密度の変化をホール素子２３，２４でそれぞれ検出し、各ホール素子２３，２４における検出出力の位相差を利用して円板状磁石２５０の回転角度を検出するようになっている。

即ち、第１の歯車１００の回転に応じて第２の歯車２００が回転すると、第２の歯車２００と一体になった円板状磁石２５０が回転し、この円板状磁石２５０の回転角度を上述したロータ１０の回転角度検出と同様の方法で２つのホール素子２３，２４を介して検出するようになっている。

なお、第１の歯車１００の歯数より第２の歯車２００の歯数は少なく形成され、第２の歯車２００によってシャフトの回転数を測定できるようになっている。従って、第１の歯車１００と一体に回転するリング状磁石１５０及びこの磁束密度を検出する２つのホール素子１３，１４からシャフトの０°〜３６０°の小角度を求め、第２の歯車２００と一体に回転する円板状磁石２５０及びこの磁束密度を検出する２つのホール素子２３，２４からシャフトの回転数を求め、これら両者の組み合わせにより、シャフトの−９００°〜＋９００°の絶対回転角度を検出するようになっている。

続いて、第２の歯車２００と一体に回転する円板状磁石２５０の本願発明特有の取り付け構造について説明する。第２の歯車２００は、図２に示すように、その歯車の一方の面に磁石保持用の凹み部２１１を備えた高さの低い円柱状のリブ部２１２を有し、これが上述した磁石ホルダ２１０の一部をなしている。この凹み部２１１の中央部には第２の歯車２００の回転中心軸線と同一の軸線を有する円柱状の突起部２１３が備わっており、この突起部２１３が上述した磁石ホルダ２１０の残りの部分をなしている。なお、この一体化した第２の歯車２００及び磁石ホルダ２１０のうち少なくとも突起部２１３の部分が熱可塑性樹脂でできている。

一方、円板状磁石２５０の中心部分には磁石ホルダ２１０の突起部２１３を貫通させるための貫通孔２５１が備わっている。そして、突起部２１３の高さは、突起部２１３に円板状磁石２５０の貫通孔２５１を貫通させて磁石ホルダ２１０に円板状磁石２５０を保持した際に突起部２１３の先端部が図３に示すように一部突出する程度の高さを有している。

そして、実際の組み付け工程においては、磁石ホルダ２１０の凹み部２１１に円板状磁石２５０と第２の歯車２００が互いに所定の回転角度をなすような状態で取り付けてこの突起部２１３の突出した端部を第２の歯車２００と円板状磁石２５０が一体となって回転するように溶融させる。図４は、このようにして円板状の磁石２５０を第２の歯車２００に固定した状態を示し、突起部２１３の先端が溶融して溶着部２１３Ａとなって円板状磁石２５０の上面に密着していることが分かる。

なお、突起部２１３は上述したように熱可塑性樹脂でできているので、この先端部を所定の温度で加熱するだけで簡単に溶融させることができる。このような溶融工程に伴う作業は簡単な作業のため、回転センサ１の組み立て工程のどの工程でも行うようにできるので、従来の磁石ホルダと磁石を一体化成型するインサート成型の工程に比べて工程設定の自由度が上がり、組み付けがし易くなる。

また、従来のスナップフィッティングによる磁石と歯車との組み付けによって生じていた問題、即ち回転センサの使用中に振動などにより磁石と歯車との間にガタが生じる問題が発生しなくなる。そのため、長期間に亘って回転センサ１の角度検出特性を安定化させることができる。

続いて、上述した実施形態の第１の変形例について説明する。なお、この第１の変形例及び以下に説明する第２の変形例に関して、上述した実施形態と同等の構成については対応する符号を付して詳細な説明を省略する。図５はこの第１の変形例に係る第２の歯車３００及び磁石ホルダ３１０並びに円板状磁石３５０を斜め上方から見た斜視図であり、図６は図５に示した第２の歯車３００及び磁石ホルダ３１０並びに円板状磁石３５０を斜め下方から見た斜視図である。

この変形例については、図５に示すように、第２の歯車３００と一体に形成された磁石ホルダ３１０の凹み部中央に形成された突起部３１３の基端部側に平面視でトラック状の凸部（位置決め部）３１４が形成されている。また、この凸部３１４に対応する形状の凹部（位置決め部）３５４が、図６に示すように、円板状磁石３５０の底部に形成されている。これによって、円板状磁石３５０を第２の歯車３００に対して互いの回転中心軸線廻りに所定の回転角度関係で仮止めすることができる。

第１の変形例に係る回転センサの磁石ホルダ３１０がこのような形状を有することで、第２の歯車３００の磁石ホルダ３１０に円板状磁石３５０を仮止めした際に、この円板状磁石３５０を第２の歯車３００に対して回転方向にずれることなく正確な位置で仮止めすることができる。

そして、この円板状磁石３５０を磁石ホルダ３１０に仮止め固定した後に円板状磁石３５０の貫通孔３５１から突出した突起部３１３の端部を上述の実施形態と同様に加熱して溶融させ、図７に示すように、この溶融した溶着部３１３Ａを介して円板状磁石３５０を第２の歯車３００にしっかりと固定して両者一体に回転できるようにする。

続いて、上述した実施形態の第２の変形例について説明する。第２の変形例では、図８及び図９に示すように、第２の歯車４００及びこれと一体化した磁石ホルダ４１０については、上述した実施形態と同一の構成を有しているが、円板状磁石４５０の貫通孔４５１の上部には平面視でトラック状の開口部（位置決め部）４５２が形成されている。このような開口部４５２が形成されていることで、磁石ホルダ４１０に円板状磁石４５０を仮止めした際に第２の歯車４００に対する円板状磁石４５０の方向を簡単に目視することができる。即ち、磁石ホルダ４１０に対する円板状磁石４５０の回転中心軸線廻りの互いの角度関係を定める必要がある場合にはこれを予め正確に定めて円板状磁石４５０を磁石ホルダ４１０に仮止めできる。このようにして第２の歯車４００と円板状磁石４５０を回転中心軸線回りに適切な相対的角度関係で仮止めした後にこの円板状磁石４５０から突出した磁石ホルダ４１０の突起部４１３の端部を加熱して溶融させ、図１０に示すように突起部４１３が開口部４５２を塞ぐ溶着部４１３Ａとすることで、磁石ホルダ４１０に対する円板状磁石４５０の回転中心軸線廻りの互いの角度関係が定まった状態で第２の歯車４００に円板状磁石４５０をしっかりと固定する。

以上のような各変形例によると、上述した実施形態と同等の効果を発揮することに加えて、磁石ホルダ４１０に対する円板状磁石４５０の回転中心軸線廻りの互いの角度関係を定め、第２の歯車３００（４００）と円板状磁石３５０（４５０）間をそれらの回転中心軸線回りに互いに正確な角度位置で固定できる。

なお、本発明は、以上説明した実施形態及びその変形例に関する回転センサにその構成が限定されるわけではない。即ち、上述の回転センサのリング状磁石とホール素子の代わりに周方向に幅が周期的に変化する導電性のリングからなるセンシング部と、このセンシング部に対向配置されたコイルの発する交流磁界によって、センシング部に生じる渦電流の変化に伴うインピーダンス変化を検出してシャフトの小角度（０°〜３６０°）を求めるようにしても良い。

また、円板状磁石の回転角度を検出するに際して、この磁石の周縁部にホール素子を複数配置する代わりにこの磁石の中心部近傍にＭＲ素子を配置してこのＭＲ素子を介して円板状磁石の回転角度、即ちシャフトの回転数を求めるようにしても良い。

また、前記第２の歯車は２個以上設けられていても良い。第２の歯車を２個以上設ける場合は、少なくとも第２の歯車の１個が第１の歯車と噛合するようにしていれば良く、２個以上の第２の歯車がそれぞれ第１の歯車に噛合するようにしても良く、第２の歯車同士が噛合するようにしても良い。

本発明にかかる回転センサは、高い回転角度検出精度を要求されると共に、組み付け性向上とコスト低減を要求される車両用ステアリング装置の回転角度検出に特に適している。しかしながら、本発明にかかる回転センサは、例えば、ロボットアームのように振動しながら回転する回転軸間の相対回転角度や回転トルクを求めるものであれば、どのようなものにも適用可能である。

本発明の一実施形態に係る回転センサの主要部を斜め上方から見た斜視図である。 図１に示した回転センサの第２の歯車及び磁石ホルダ並びに円板状磁石を組み付ける前の状態を斜め上方から見た斜視図である。 図２に示した円板状磁石を磁石ホルダに仮止めした状態を斜め上方から見た斜視図である。 図２に示した円板状磁石を磁石ホルダに固定した状態を斜め上方から見た斜視図である。 本発明の一実施形態にかかる回転センサの第１の変形例を斜め上方から見た図２に対応する斜視図である。 図４に示した回転センサの第２の歯車及び磁石ホルダ並びに円板状磁石を斜め下方から見た斜視図である。 図５に示した円板状磁石を磁石ホルダに固定した状態を斜め上方から見た斜視図である。 本発明の一実施形態の第２の変形例を斜め上方から見た図２に対応する斜視図である 図８に示した第２の変形例を斜め下方から見た図６に対応する斜視図である。 図６に示した回転センサの第２の歯車及び磁石ホルダ並びに円板状磁石を磁石ホルダに固定した状態を斜め上方から見た斜視図である。

符号の説明

１ 回転センサ
１０ ロータ
１１ 結合部
１３，１４ ホール素子
２１ 基板
２１ａ 取り付け穴
２２ ホルダ
２２ａ 取り付け穴
２３，２４ ホール素子
１００ 第１の歯車
１５０ リング状磁石
２００ 第２の歯車
２１０ 磁石ホルダ
２１１ 凹み部
２１２ リブ部
２１３ 突起部
２１３Ａ 溶着部
２２０ 歯車支持部
２５０ 円板状磁石
２５１ 貫通孔
３００ 第２の歯車
３１０ 磁石ホルダ
３１３ 突起部
３１３Ａ 溶着部
３１４ 凸部
３５０ 円板状磁石
３５１ 貫通孔
３５４ 凹部
４００ 第２の歯車
４１０ 磁石ホルダ
４１３ 突起部
４１３Ａ 溶着部
４５０ 円板状磁石
４５１ 貫通孔
４５２ 開口部

Claims (6)

1. 被測定回転体の回転に応じて回転する磁石が発生する磁束密度を磁気検出素子で検出して前記被測定回転体の回転角度を検出する回転センサにおいて、
   前記被測定回転体の回転に応じて回転すると共に前記磁石を保持する磁石保持部材を備え、前記磁石には当該磁石の回転中心部分に貫通孔が形成され、前記磁石保持部材には当該磁石保持部材への磁石仮止め状態において前記磁石の貫通孔を貫通すると共に当該貫通孔から一部が突出する突起部が設けられ、前記突起部は溶融部材からなり、かつ前記磁石保持部材への磁石取り付け状態において当該突起部の磁石から突出した端部が溶融されて磁石と溶着し、前記磁石と磁石保持部材が前記被測定回転体の回転に連動して一体に回転するようになったことを特徴とする回転センサ。
2. 前記磁石保持部材及び磁石には前記磁石と当該磁石保持部材間の中心軸線廻りの角度関係を協働して規定するための位置決め部がそれぞれ設けられたことを特徴とする、請求項１に記載の回転センサ。
3. 前記磁石には、前記磁石保持部材の突起部が突出して溶融される部分に前記磁石と前記磁石保持部材間の中心軸線廻りの角度関係を協働して規定するための位置決め部が設けられたことを特徴とする、請求項１に記載の回転センサ。
4. 前記被測定回転体の回転と共に回転するロータと、前記被測定回転体の回転とは独立したステータを有し、前記ロータの周囲には第１の歯車部が形成され、前記ステータには前記第１の歯車部と噛合して前記被測定回転体の回転に応じて回転する第２の歯車部が備わり、前記第２の歯車部が前記磁石保持部材の役割を兼ねることを特徴とする、請求項１乃至請求項３の何れかに記載の回転センサ。
5. 前記ロータには前記被測定用回転体の０°〜３６０°の回転角度を測定する回転角度測定手段が備わると共に、前記磁気検出素子と前記第２の歯車部に備わった磁石とで前記被測定用回転体の回転数を検出するようになったことを特徴とする、請求項４に記載の回転センサ。
6. 前記第２の歯車部を２個以上備えることを特徴とする、請求項４又は請求項５に記載の回転センサ。

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