JP2008224574A - 非接触型角度センサ - Google Patents

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Abstract

【課題】ステータコアの積層を不要とし、簡易かつ安価に構成できる非接触型角度センサを提供する。
【解決手段】回転軸に取り付けられるリング状アウタロータコア41と、その内周面の周方向一半部と他半部に固定され、互いに対向する内周面が逆極性になるように着磁されている円弧状磁石42,43及び44,45と、その内周面に固定された円弧状インナロータコア46,47と、回転軸に対する固定側に配置され、インナロータコア46,47の内側において軸心方向2箇所にそれぞれ配置された各一対のステータコア51〜54と、磁気センサ55とよりなる。対をなすステータコア51,52及び53,54は円板が所定の幅で切除されて2分された形状とされ、磁気センサ55はステータコア51,52の互いに対向する直線部51a,52aの間であって前記2箇所の中央位置における直線部51a,52aの対向方向の磁束の変化を検出するように配置される。
【選択図】図1

Description

この発明は回転軸の回転角度を非接触で検出する非接触型角度センサに関する。
図13はこの種の非接触型角度センサの従来構成例として特許文献1に記載されている回転角度検出装置の構成を示したものであり、図13Aは装置の全体構造を示し、図13Bはその要部(センサ部)の配置関係を示す。
本体ハウジング11には回転軸12が図13Aに示したように軸受13を介して回転自在に挿通支持されており、この回転軸12の先端に円筒カップ状のロータコア14が取り付けられ、このロータコア14の内周側に円柱状のステータコア15が同軸上に位置して配置されている。
ロータコア14には図13Bに示したように互いに180度をなす位置に切欠部16がそれぞれ形成され、これら切欠部16に磁石17がそれぞれ嵌め込まれている。2つの磁石17は図13B中に示したように着磁され、同じ極同士が周方向に向かい合うように配置されている。
ロータコア14の内周面は各磁石17の近傍部分18を除いてステータコア15の外周面と微小な間隙を介して対向され、これにより図13B中に矢印で示したように各磁石17のN極からロータコア14の内部を経由してステータコア15を通過し、ロータコア14の内部を経由して各磁石17のS極に戻る磁束の流れが形成される。
一方、ステータコア15は2分割されて径方向に貫通する空隙19が形成されており、空隙19にはこの例ではホールICよりなる磁気センサ21が2つ横に並んで配置されている。これら磁気センサ21はスペーサ22によって保持され、各磁気センサ21の端子はスペーサ22内を通ってコネクタピン23に接続されている。図13A中、24はコネクタハウジングを示し、コネクタハウジング24と本体ハウジング11とは互いに固定一体化されている。
図13Cはステータコア15の構造を示したものであり、略半円板状の薄板(磁性薄板)15a,15bがそれぞれ積層されて第1ステータコア部15−1及び第2ステータコア部15−2が形成されている。第1、第2ステータコア部15−1,15−2は非磁性板15−3上に搭載固定されており、これにより第1、第2ステータコア部15−1,15−2間に所定の幅の空隙19が構成されている。
上記のような構成において、回転軸12の回転に伴って磁石17が組み込まれたロータコア14が回転すると、磁界が回転し、この磁界の回転によって磁気センサ21を通過する磁束が変化する。従って、磁気センサ21の出力電圧の変化によって回転軸12の回転角度を検出することができるものとなっている。
一方、図14はこの種の回転軸の回転角度を検出するセンサとして特許文献2に記載されているセンサの構成を示したものであり、この例では回転軸31に管状部32aと側板部32bとを備えるロータコア32が取り付けられ、このロータコア32の管状部32aの内側にリング状をなす磁石33が取り付けられている。磁石33は周方向一半部と他半部とが互いに逆向きにラジアル方向(径方向)に着磁されている。
磁石33の内側にはステータコア34,35が配置されている。これらステータコア34,35は半円柱状をなし、互いの間に径方向に延びる空隙36が形成されている。空隙36内にはホール素子よりなる磁気センサ37が配置されている。ステータコア34,35はそれぞれ薄板(磁性薄板)が積層されて構成されている。
この図14に示したセンサも、図13に示したセンサと同様、回転軸31の回転に伴って磁石33が取り付けられているロータコア32が回転すると、磁界が回転し、この磁界の回転によって磁気センサ37を通過する磁束が変化することから、磁気センサ37の出力電圧の変化によって回転軸31の回転角度を検出することができる。
特許第3843969号公報 特開平8−35809号公報
上述したように、従来のこの種の磁気を利用する非接触型角度センサにおいてはステータコア(固定側のコア)は所要の大きさ(厚み)とすべく、例えば珪素鋼板などの薄板を所要数積層して構成とするといったことが一般に行われている。
しかるに、ステータコアは図13や図14に示したように対をなし、それらの間に磁気センサが配置される空隙を構成するものであって、所要の空隙を精度良く形成するためには薄板を精度良く積層する必要があり、つまり高精度な積層構造を実現する必要がある。
このため、例えば特許文献1においては各薄板に位置決め用の凹凸を設け、凹凸を順次重ね合わせて積層した後、最後にパンチ等で加圧して凸部を凹部に圧入することにより積層構造を得るといったことが行われており、また特許文献2では薄板に位置決めピン(止めピン)用の穴を設け、位置決めピンによって位置決めするといったことが行われている。
しかしながら、このように薄板に凹凸や穴を設けると、薄板の磁気特性の劣化を招くことになり、また例えば薄板を形成するためのプレス金型が複雑となり、高価になるといった問題がある。加えて、薄板の高精度な積層固定作業は面倒で手間がかかるといった問題もある。
この発明の目的はこのような問題に鑑み、ステータコアの積層を不要とし、簡易かつ安価に構成することができる非接触型角度センサを提供することにある。
請求項1の発明によれば、回転軸の回転角度を検出する非接触型角度センサは、回転軸の軸心を中心とするリング状とされて回転軸に取り付けられる軟磁性材料よりなるアウタロータコアと、そのアウタロータコアの内周面の周方向一半部と他半部にそれぞれ固定配置され、互いに対向する内周面が逆極性になるように着磁されている一対の円弧状磁石と、それら磁石の内周面にそれぞれ固定配置された軟磁性材料よりなる一対の円弧状インナロータコアと、回転軸に対する固定側に配置され、一対のインナロータコアの内側において前記軸心方向の2箇所にそれぞれ配置された各一対の軟磁性材料よりなるステータコアと、固定側に配置された磁気センサとよりなり、対をなすステータコアは円板が所定の幅で切除されて2分されてなる形状とされて、その直線部が互いに対向され、かつ円弧部がインナロータコアの内周面と間隙を介して対向され、2箇所のステータコアは前記軸心方向から見て互いに重なる形状・配置とされており、磁気センサは前記互いに対向する直線部の間であって前記2箇所の中央位置における前記直線部の対向方向の磁束の変化を検出するように配置される。
請求項2の発明では請求項1の発明において、対をなすステータコアはその互いに対向する直線部がその直線部の直線方向にずらされているものとされる。
請求項3の発明では請求項1又は2の発明において、磁石がラジアル方向に着磁されているものとされる。
請求項4の発明では請求項1又は2の発明において、一対の磁石がそれぞれ前記周方向に配列された複数の磁石よりなるものとされる。
請求項5の発明では請求項1乃至4のいずれかの発明において、磁石に対してアウタロータコアの軸心方向の大きさが大とされている。
請求項6の発明では請求項5の発明において、アウタロータコアは回転軸側端部を閉塞する閉塞板部を具備するものとされる。
この発明によれば、ステータコアは従来のような積層構造ではなく、1枚の単なる板(薄板)で構成され、よって積層用に従来設けていた凹凸や穴は不要であって簡単な抜き金型でプレス加工することによってステータコアを形成することができるため、その分簡易かつ安価に非接触型角度センサを構成することができる。
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型角度センサの一実施例の要部構成(磁気部品の構成)を示したものであり、図2はそのうちの固定側部分の構成を示したものである。また、図3は図1の構成を上から見た状態を示したものである。
リング状をなすアウタロータコア41は回転角度を検出すべき回転軸に取り付けられるもので、このアウタロータコア41の内周面にこの例では4つの磁石42〜45が固定配置されている。これら磁石42〜45は円弧状とされてアウタロータコア41の内周面に周方向に配列されて配置されており、磁石42,43は周方向一半部に位置し、磁石44,45は周方向他半部に位置されている。
図4はこれら磁石42〜45の着磁方向を示したものであり、この例では磁石42,43は外周面がS極、内周面がN極となるように着磁され、これに対して磁石44,45は外周面がN極、内周面がS極となるように着磁されており、磁石42,43と磁石44,45は互いに対向する内周面が逆極性になるように着磁されている。なお、各磁石42〜45はこの例ではそれぞれ矢印で示したように平行着磁されている。
磁石42,43の内周面にはそれら磁石42,43に渡って円弧状をなすインナロータコア46が固定配置され、同様に磁石44,45の内周面にはそれら磁石44,45に渡って円弧状をなすインナロータコア47が固定配置されている。これらインナロータコア46,47はそれぞれ磁石42,43及び磁石44,45の内周面の全面を覆う大きさとされ、周方向においてインナロータコア46とインナロータコア47の互いに対向する2箇所の端面間は同一距離、離間されている。なお、磁石42と44の端面間及び磁石43と45の端面間も同様に離間されている。また、この例ではアウタロータコア41、磁石42〜45及びインナロータコア46,47の高さ(アウタロータコア41のなすリングの軸心方向(Z方向)の大きさ)は同一高さとされている。
インナロータコア46,47の内側には図2に示したような配置構成を有するステータコア51〜54と磁気センサ55とが収容される。これらステータコア51〜54及び磁気センサ55は回転軸に対する固定側に配置固定される。ステータコア51,52はインナロータコア46,47のZ方向一端側に位置され、またステータコア53,54はインナロータコア46,47のZ方向他端側に位置される。つまり、インナロータコア46,47の内側においてZ方向2箇所にそれぞれ対をなすステータコア51,52と53,54とが配置されている。
対をなすステータコア51,52は円板がその径方向に所定の幅で切除されて2分されてなる形状とされており、略半円形をなすステータコア51,52はそれらの直線部51a,52aが所定の間隙を介して互いに対向され、円弧部51b,52bがインナロータコア46,47の内周面と所定の間隙を介して対向されている。対をなすステータコア53,54もステータコア51,52と同様の構成とされて略半円形をなすものとされ、それらの直線部53a,54aが所定の間隙を介して互いに対向され、円弧部53b,54bがインナロータコア46,47の内周面と所定の間隙を介して対向されている。なお、ステータコア51と53及び52と54はそれぞれZ方向から見て互いに重なる形状・配置とされている。
磁気センサ55はZ方向においてステータコア51,52とステータコア53,54の間であって、かつステータコア51,52の互いに対向する直線部51a,52a間に位置され、ステータコア51,52とステータコア53,54が位置しているZ方向2箇所の中央位置における直線部51a,52a(53a,54a)の対向方向の磁束の変化を検出するものとされる。
上記のような構成において、アウタロータコア41、インナロータコア46,47及びステータコア51〜54はそれぞれ軟磁性材料よりなるものとされる。磁石42〜45には例えばボンド磁石が用いられる。磁気センサ55は例えばホールICとされる。図1,2中、55aは磁気センサ55の端子を示す。なお、ステータコア51〜54はこの例ではそれぞれ1枚の板とされ、つまり従来と異なり、例えば珪素鋼板などの1枚の板を単にプレス加工するだけで形成されている。
図5は回転軸と共に非接触型角度センサの全体構成を回転側と固定側とに分けて示したものであり、図6及び7はその回転側及び固定側をそれぞれ各部に分解して示したものである。図5において61は回転軸を示し、62は磁石ホルダを示す。また、40は前述したアウタロータコア41と磁石42〜45とインナロータコア46,47とよりなる磁石ユニットを示し、50はステータコア51〜54と磁気センサ55とを収容保持した固定側ユニットを示す。
磁石ホルダ62は図6に示したように回転軸61が挿入固定される穴62aを中心に有する円筒状とされ、一方の端面(下面)には一対の脚部62bが互いに180°をなす位置に突設され、さらにこれら脚部62bが位置する位置と90°ずれた位置に一対の脚部62cが突設されている。一対の脚部62bは磁石42,44間及び磁石43,45間の間隙に挿入位置され、一対の脚部62cは磁石42,43間及び磁石44,45間の間隙に挿入位置される。
磁石ユニット40及び回転軸61は磁石ホルダ62に接着固定されて取り付けられる。この際、磁石42〜45は脚部62b,62cによって位置決めされると共に、それら脚部62b,62cに接着固定される。なお、磁石ホルダ62は例えば樹脂製とされ、非磁性とされる。
一方、固定側ユニット50は図7に示したようにセンサホルダ56とステータコア51〜54と磁気センサ55とによって構成される。センサホルダ56は円柱体の中央に磁気センサ55を収容保持する角穴56aが貫通形成され、さらに両端面にそれぞれステータコア51,52及び53,54を位置決め収容する凹部56bが形成された形状とされている。なお、センサホルダ56の一方の端面(下面)に突設されている一対の脚部56cはセンサホルダ56を例えば相手方実装基板やケース等に位置決め固定するために使用される。
ステータコア51〜54はセンサホルダ56の凹部56bにそれぞれ収容位置決めされて固定され、また磁気センサ55は角穴56aに収容位置決めされて固定される。ステータコア51〜54及び磁気センサ55のセンサホルダ56への固定は接着固定とされる。センサホルダ56は例えば樹脂製とされ、非磁性とされる。
上記のようにして形成された固定側ユニット50に対し、磁石ホルダ62を介して回転軸61に取り付けられた磁石ユニット40を被せることによって非接触型角度センサが構成される。
次に、上記のような構成を有する非接触型角度センサの動作について説明する。
今、図3に示したように磁気センサ55が位置するステータコア51,52間の間隙と、磁石42,44間、磁石43,45間の間隙とがちょうど90°ずれた位置に位置しているとする。この状態では磁石42,43によって磁化されているインナロータコア46から磁石44,45によって磁化されているインナロータコア47に至るほとんど全ての磁束はステータコア51,52及びこれらステータコア51,52の下側にあるステータコア53,54を通過し、これら磁束の通過方向(磁界の方向)は磁気センサ55の磁束検出方向と直交方向となるため、磁気センサ55を通過する磁束は0となる。
これに対し、回転軸61の回転に伴い、磁石ユニット40が回転すると、ステータコア51,53の円弧部51b,53bに対向するインナロータコア46,47の内周面の割合が変化し、一方この変化とは逆にステータコア52,54の円弧部52b,54bに対向するインナロータコア46,47の内周面の割合が変化するため、ステータコア51,53と52,54とは逆の極性で磁化されていき、磁束が磁気センサ55を通過するようになる。
このように、回転軸61の回転に伴い、磁気センサ55を通過する磁束が変化し、磁気センサ55はこの磁束の変化に応じた電圧を出力する。なお、回転軸61の回転角度変位をより直線的に磁気センサ55が検出できるようにする構成の具体的数値例を示せば下記となる。
即ち、例えば磁気センサ55の厚み(≒ステータコア51,52間、53,54間の間隙)を1.5mmとした場合、ステータコア51〜54の外周直径を6mm以上、ステータコア51,53間及び52,54間の間隔を3mm程度とするのが好ましい。なお、例えばステータコア51,53間及び52,54間の間隔が狭すぎると磁気センサ55のZ方向の検出位置を正しく合わせるのが面倒になる。
図8は磁気センサ55を通過する磁束密度(検出磁束密度)と回転軸61の変位(角度変位)の関係をシミュレーションにより求めた結果を示したものであり、グラフ中、実線が上述した非接触型角度センサの特性を示す。ほぼ180°の角度範囲で単調変化する特性が得られており、これにより回転軸61の回転角度を検出することができるものとなる。
なお、この例では磁気センサ55の中央検出部を挟む両側にはステータコアは存在せず、検出部と少し離れた位置にステータコア51〜54が位置しているが、これら単なる薄板よりなるステータコア51〜54を通過する磁束密度は極めて大となるため、ステータコア51,52間及び53,54間を流れる磁束は大となり、よって磁気センサ55の検出部においても十分磁束が通過し、その磁束を検出できるものとなっている。
上述した実施例では磁気センサ55を1つ配置しているが、1つに限らず、複数配置してもよい。また4つの磁石42〜45を用い、磁石42,43と磁石44,45とを互いに対向する内周面が逆極性となるように着磁して、それらの内周面にそれぞれインナロータコア46及び47を配置しているが、用いる磁石は図9に示したようにほぼ半円弧状の2つの磁石42’,44’としてもよい。この場合、これら磁石42’,44’の内周面にインナロータコア46,47がそれぞれ固定配置される。なお、磁石42〜45の着磁は平行着磁としていたが、これら磁石42’,44’の場合は十分な磁力を得る上で図9中に矢印で示したようにラジアル方向に着磁するのが望ましい。従って、着磁のし易さの点から言えば、4つの磁石42〜45を用いる方が好ましく、さらに磁石を細分化して数を増やすことも可能である。
次に、図10に示した構成について説明する。
この例では対をなすステータコア51,52の円弧部51b,52bの円弧の中心及び対をなすステータコア53,54の円弧部53b,54bの円弧の中心がそれぞれ上述した例のように一致されておらず、ずれた構成となっている。つまり、対をなすステータコア51,52及び53,54はその互いに対向する直線部51a,52a及び53a,54aがその直線部の直線方向に少しずらされた構成となっており、これによりインナロータコア46及び47との間隙が前述の図3に示した構成と異なり、均等ではないものとなっている。
図10に示した状態ではステータコア51,53はインナロータコア47に少し近接し、一方ステータコア52,54はインナロータコア46に少し近接しており、よって図3の構成の場合と異なり、この構成では図10に示した状態でステータコア51,53とステータコア52,54とは逆極性で若干磁化される。従って、磁気センサ55には磁束が少し通過することになり、出力電圧が出力される。
図8中の破線はこの図10に示した構成において、磁気センサ55を通過する磁束密度と回転軸61の変位の関係をシミュレーションにより求めた結果を示したものである。なお、ステータコア51と52及び53と54のずれ量は0.4mmであり、他の条件は図3の構成の場合の条件と同じである。
図8に示したように、ステータコア51,52及び53,54の円弧の中心をずらすことにより、磁気センサ55が検出する磁束密度が0となる角度が検出角度範囲の中心よりずれ、約−10度付近になっている。
ところで、この種の非接触型角度センサは例えば内燃機関のスロットル弁の開度検出などに用いられる。一般に磁気センサの温度によるドリフトは検出磁界が小さいほど変動幅が小さく、このようなスロットル弁の開度検出においてはアイドルポジションの検出精度が高い方が望ましく、つまり磁気センサ55を通過する磁束が0の位置にアイドルポジションを設定するのが望ましい。
この場合、スロットル弁の必要な可動範囲の90度を角度検出範囲とすると、図8中の実線で示した特性(図3に示したステータコア配置の特性)ではグラフ上の+90度付近のC領域を含む範囲Aとなり、つまり勾配が小さくなるC領域も使用することになるため、検出精度が低下する。
これに対し、図8中の破線で示した特性(図10に示したステータコア配置の特性)では−10度から+80度の範囲Bを使用することになり、よって勾配が小さくなるC領域の使用を避けることができ、精度良く角度検出を行うことができる。
なお、上述した実施例ではアウタロータコア41と磁石42〜45の高さ(Z方向の大きさ)を同一としているが、図11に示したようにアウタロータコア41’の高さを大きくすれば、中心に収まる固定側ユニット50に対する外部からの磁気をより効果的に遮蔽することができ、磁気シールド効果を高めることができる。この場合、磁石ホルダ62’には図11に示したように外周に段が形成されてアウタロータコア41’内に入り込む小径部62dが設けられる。
図12はさらに磁気シールド効果を高められるようにアウタロータコア41’’の回転軸61側端部を閉塞した例を示したものであり、このように閉塞板部41aをアウタロータコア41’’に設けることにより、より高いシールド効果を得ることができる。なお、この図12に示した構成では磁石ホルダ62’’はアウタロータコア41’’内に収容され、アウタロータコア41’’の閉塞板部41aに回転軸61が接着固定されて取り付けられる。
この発明による非接触型角度センサの一実施例の要部構成を示す斜視図。 図1における固定側部分のみの構成を示す斜視図。 図1に示した構成において磁気センサを通過する磁束が0となる状態を示す平面図。 図1における磁石の着磁方向を説明するための図。 この発明による非接触型角度センサの一実施例の全体構成を一部分解して示した斜視図。 図5における回転側部分の分解斜視図。 図5における固定側部分の分解斜視図。 回転軸の角度変位と磁気センサの検出磁束密度の関係を示すグラフ。 使用する磁石を2つとした場合の着磁方向を説明するための図。 ステータコアの配置を変えた(ずらした)構成を示す平面図。 磁気シールド効果を高めるための構成を示す分解斜視図。 磁気シールド効果をさらに高めるための構成を示す分解斜視図。 非接触型角度センサの従来構成例を説明するための図。 非接触型角度センサの従来構成の他の例を説明するための図。

Claims (6)

  1. 回転軸の回転角度を検出する非接触型角度センサであって、
    前記回転軸の軸心を中心とするリング状とされて前記回転軸に取り付けられる軟磁性材料よりなるアウタロータコアと、
    そのアウタロータコアの内周面の周方向一半部と他半部にそれぞれ固定配置され、互いに対向する内周面が逆極性になるように着磁されている一対の円弧状磁石と、
    それら磁石の内周面にそれぞれ固定配置された軟磁性材料よりなる一対の円弧状インナロータコアと、
    前記回転軸に対する固定側に配置され、前記一対のインナロータコアの内側において前記軸心方向の2箇所にそれぞれ配置された各一対の軟磁性材料よりなるステータコアと、
    前記固定側に配置された磁気センサとよりなり、
    前記対をなすステータコアは円板が所定の幅で切除されて2分されてなる形状とされて、その直線部が互いに対向され、かつ円弧部が前記インナロータコアの内周面と間隙を介して対向され、
    前記2箇所のステータコアは前記軸心方向から見て互いに重なる形状・配置とされており、
    前記磁気センサは前記互いに対向する直線部の間であって前記2箇所の中央位置における前記直線部の対向方向の磁束の変化を検出するように配置されていることを特徴とする非接触型角度センサ。
  2. 請求項1記載の非接触型角度センサにおいて、
    前記対をなすステータコアはその互いに対向する直線部がその直線部の直線方向にずらされていることを特徴とする非接触型角度センサ。
  3. 請求項1又は2記載の非接触型角度センサにおいて、
    前記磁石がラジアル方向に着磁されていることを特徴とする非接触型角度センサ。
  4. 請求項1又は2記載の非接触型角度センサにおいて、
    前記一対の磁石がそれぞれ前記周方向に配列された複数の磁石よりなることを特徴とする非接触型角度センサ。
  5. 請求項1乃至4記載のいずれかの非接触型角度センサにおいて、
    前記磁石に対して前記アウタロータコアの前記軸心方向の大きさが大とされていることを特徴とする非接触型角度センサ。
  6. 請求項5記載の非接触型角度センサにおいて、
    前記アウタロータコアは前記回転軸側端部を閉塞する閉塞板部を具備していることを特徴とする非接触型角度センサ。
JP2007066284A 2007-03-15 2007-03-15 非接触型角度センサ Active JP4809795B2 (ja)

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