JP2010139351A - 回転角度センサ - Google Patents

Abstract

【課題】磁気シールド効果を損なわず組み立て容易な回転角度センサを提供する。
【解決手段】円筒状のケース１０内に回動可能にロータ２０が配置され、ロータの後端を囲むようにケース１０内にキャップ状磁気シールド１１が設けられ、その内側にロータの後端に固定された磁石２１と、その磁石と対向して配線基板１４に実装された磁気センサＩＣ１５とを配置し、キャップ状磁気シールド１１の側壁に形成された切り欠き１１ａから配線基板の端子部１４Ａを外に突出させ、切り欠き１１ａを覆うように円筒状磁気シールド１２がキャップ状磁気シールド１１に装着されている。
【選択図】図２

Description

この発明は自動車や産業機器などに使用される回転軸の回転角度を検出する回転角度センサに関する。

従来の技術として、回転軸に連結されて回転するロータの先端に磁石を設け、磁石と間隔をおいて対向する例えば磁気抵抗素子のような磁気センサによりロータの回転角度を検出する回転角度センサがある。検出回転角度が外部磁界の影響を受けにくくするため、磁石と磁気センサを囲むように磁気シールドを設けた回転角度センサが特許文献１に示されている。

この特許文献１に示されている回転角度センサの断面を図９に示す。軟磁性体の椀状の磁気シールドケース４Ｓ内に配線基板３が固定され、その配線基板３上に磁気センサＭＳが設けられ、磁気シールドケース４Ｓの開口を軟磁性体のカバー４Ｂで塞いでいる。この磁気センサＭＳと対向するように磁石２Ｍが回転シャフト２の先端に固定されている。磁石２Ｍはその磁束が磁気センサＭＳを配線基板３の板面と平行な方向に透過するよう配置されている。回転シャフト２を外部の機器の回転軸に連結させ、磁石２Ｍを回動させることにより磁石２Ｍの磁束方向の変化を磁気センサＭＳが検出する。なお、このような磁気センサＭＳはＩＣとして市販されている。
特開平６−２４９６０７号公報

この図９の構成では、磁気シールドケース４Ｓの側壁に形成された穴に端子ホルダ５を挿通固定し、その端子ホルダ５に貫通保持された複数の端子５Ｔを配線基板３上の配線と接続することにより、磁気センサＭＳからの検出信号は配線基板３上の配線を通り、端子５Ｔにより磁気シールドケース４Ｓの外に導出され、また、端子５Ｔから磁気センサＭＳへの給電が行われる。このような構造では磁気シールドケース４Ｓ内への配線基板３の取り付け、端子ホルダ５のケース４Ｓへの取り付け、及び配線基板３上の配線と端子ホルダ５の端子５Ｔとの接続などを含む、回転角度センサの組立工程が複雑である欠点がある。

この発明は、上記課題を解決し、組み立てが容易で、かつ磁気シールド効果を損ねない構造の回転角度センサを提供することである。

この発明による回転角度センサは、ケースと、上記ケース内に回動自在に収容され、先端部がケースから突出したロータと、上記ケース内に装着され、円形底板とその周縁から中心線と平行に筒状に延長された側壁とを有し、上記円形底低板の周縁の少なくとも１つの円弧部から上記側壁の先端まで切り欠きが形成されたキャップ状磁気シールドと、上記キャップ状磁気シールドの上記側壁の内側において上記ロータの後端に固定された磁石と、上記磁気シールドの上記側壁内に装着され、上記磁石と間隔をあけて上記ロータの中心軸と直角な板面を有し、側縁から同一板面内で上記切り欠きから外に突出形成された電気接続のための端子部を有する配線基板と、上記キャップ状磁気シールドに上記切り欠きを覆うように装着された円筒状磁気シールドと、上記磁石と間隔をあけて対向し、上記配線基板上に実装された磁気センサＩＣと、を含むように構成される。

この発明の構成によれば、配線基板の端子部をキャップ状磁気シールドの側壁の切り欠きから突出させるとともに、切り欠きの空き部分を円筒状磁気シールドで塞ぐようにしているので、磁気遮蔽効果が高く、しかも配線接続に煩わされることなく部品を容易に組み立てることができる。

［実施形態］
図１はこの発明による回転角度センサの第１実施形態の平面図を示し、図２及び３はそれぞれ図１におけるII-II断面、及びIII-III断面を示す。回転角度センサは、両側に取付け用突部１０Ａ，１０Ｂを有するほぼ円筒状の絶縁体で成型されたケース１０と、ケース１０内に装着され、一端が外に突出したロータ２０と、ロータ２０の、ケース１０内における他端に固定された磁石２１と、ケース１０内に設けられロータ２０の内端を一端で受ける環状軸受け１３と、環状軸受け１３の他端を支持する配線基板１４と、環状軸受け１３の内側において磁石２１とロータ２０の軸方向に間隔をおいて対向するように配線基板１４上に取付けられた磁気センサＩＣ１５と、環状軸受け１３を囲む円筒状磁気シールド１２と、配線基板１４と円筒状磁気シールド１２を内側に収容してケース１０内に配置されたキャップ状磁気シールド１１と、キャップ状磁気シールド１１を背後から支持しケース１１の他端開口を塞ぐカバー１６とを有している。

樹脂を射出成型して形成した円柱状のロータ２０はその先端面から軸方向に伸びる断面が非円形（ここでは略半円形）の連結用凹部２０ｃが形成されており、測定対象の回転軸（図示せず）の、断面が連結用凹部２０ｃの断面と同じ形状の先端部が挿入連結され、ロータ２０が外部回転軸により回動される。以下の説明では、図２に示す回転角度センサにおいて、連結対象側を前方（図の紙面上方）とし、その反対側を後方とすることにする。ロータ２０は軸方向中間部にフランジ２０Ａを有し、ロータ２０の後方端に磁石２１が接着固定されている。強磁性体の磁石２１は切削加工あるいは射出成型により形成される。更に、ロータ２０には円筒状磁気シールド１２の軸方向ほぼ先端に位置し、フランジ２０Ａの厚み内に円筒状磁気シールド１２の先端開口をほぼ塞ぐように軟磁性材の円板磁気シールド２２がインサート成型により埋め込まれている。このようにフランジ２０Ａ内に円板磁気シールド２２を埋め込むことで、円板磁気シールド２２の径を大きくでき、従ってその外周縁と円筒状磁気シールド１２との間隔をより小さくでき、それだけ磁気シールド効果を高めることができる。

樹脂を射出成型して形成したケース１０の前方端は開口を狭めるよう、中心軸方向に延長した前方壁１０Ｃが一体形成されており、その前方壁１０Ｃの内周端から軸方向前方に円筒状スリーブ１０Ｄが延長して一体形成されている。ケース１０には更にその後部の周縁部から箱状の端子収容部１０Ｅが延長して一体形成され、端子収容室１０ｄを形成している。

ロータ２０はケース１０の後方開口から挿入され、ロータ２０のフランジ２０Ａより前方部がケース１０のスリーブ１０Ｄを通して外に突出している。フランジ２０Ａはケース１０の前方壁１０Ｃと環状軸受け１３の前端との間に配置され、フランジ２０Ａと前方壁１０Ｃとの間に挟まれてばね性の環状波座金３０が設けられている。環状軸受け１３は、例えばナイロンやテフロン（登録商標）のような潤滑性、耐摩耗性の優れた樹脂で成型されている。環状波座金３０はロータ２０のフランジ２０Ａを弾性的に環状軸受け１３に押圧させ、磁石２１と磁気センサＩＣ１５との間隔を一定に保つようにしている。この実施例では円筒磁気シールド１２はばね性の軟磁性金属板を丸めて形成している。環状軸受け１３の前方外周にテーパ面１３ａが形成されており、円筒状磁気シールド１２がそのばね力に抗して環状軸受け１３のテーパ面１３ａにより押し広げられながら環状軸受け１３と側壁部１１Ｂとの間に挿入される。

配線基板１４は円形とされ、その外周の一円弧部から矩形の端子部１４Ａが延長され一体形成されている。配線基板１４のほぼ中央には磁気センサＩＣ１５が半田付けで実装され、その磁気センサＩＣ１５の給電用端子、検出信号取り出し用端子等に接続された配線は配線基板１４上を端子部１４Ａまで延長されている。配線基板１４にはその外周縁に隣接して円弧状スリット１４ａが同一円周上にこの例では３つ形成されており、また、それら３つのスリット１４ａより内側に、環状軸受け固定用の結合穴１４ｂが同一円周上に３つ形成されている（図４も参照）。環状軸受け１３の後端に形成された３つの固定用突起１３Ａ（図３に１つが示されている）は結合穴１４ｂに嵌め込まれて環状軸受け１３を固定する。

キャップ状磁気シールド１１は軟磁性材の板をプレス加工して形成され、円形底板１１Ａとその周縁から円筒状に一体延長された側壁１１Ｂとを有する。側壁１１Ｂは、円形底板１１Ａの周縁の少なくとも一円弧部、この例では互いに周方向に間隔をおいた３箇所の円弧部から先端まで中心軸と平行な方向に切り落とされて３つの切り欠き１１ａが形成されており、側壁１１Ｂはそれら切り欠きにより３つの側壁部とされている。少なくとも１つの切り欠き１１ａの幅は配線基板１４の端子部１４Ａを挿通できる幅とされている。これら３つの側壁部１１Ｂは配線基板１４の３つのスリット１１ａに挿通される。切り欠き１１ａの数を複数としたほうがプレス加工しやすい利点がある。

円筒状磁気シールド１２はキャップ状磁気シールド１１の切り欠き１１ａを塞ぐためのものであり、３つの側壁部１１Ｂに内接して設けられる。円筒状磁気シールド１２は軟磁性材の矩形金属板を円筒状に丸めて形成してもよいし、軟磁性材のパイプを所望の長さに切断して形成してもよい。前者の場合、矩形板の対向辺が互いに隣接するように円筒を形成するが、その円筒状磁気シールド１２を環状軸受け１３の外側に挿入することにより対向辺間に隙間が生じても、その隙間を１つの側壁部１１Ｂで塞がれるように配置することで磁気遮蔽効果の低下を防ぐことができる。円筒状磁気シールド１２の一端は配線基板１４上に載せられ、その一端縁には配線基板１４の端子部１４Ａ上の配線と接触しないように切り欠き１２ａが形成されている。

次に、この発明の回転角度センサの組み立てについて説明する。配線基板１４の端子部１４Ａの配線端子には予めリード線１７を接続しておく。図４に示すように配線基板１４のスリット１４ａにキャップ状磁気シールド１１の側壁部１１Ｂを挿入し、スリット１１Ｂから突出した側壁部１１Ｂの内側に環状軸受け１３を挿入し、その環状軸受け１３と側壁部１１Ｂとの間に円筒状磁気シールド１２を圧入することにより一体の磁気シールド配線ユニット４０が形成される。

一方、ケース１０の後方開口からロータ２０を挿入し、その後ろから磁気シールド配線ユニット４０を挿入する。このとき、端子部１４Ａがケース１０の収容室１０ｄ内に収容され、端子部１４Ａからのリード線１７が収容部１０Ｅの側壁の下端に形成された切り欠き１０ｅを通して外に導出される。その磁気シールドユニット４０の背後からカバー１６によりケース１０の後方開口を塞ぎ固定する。

このように、この発明による回転角度センサの組み立ては図９の従来技術におけるようなリード線の導出に関わる組み立ての不便さがなく、簡単である。

図５は、キャップ状磁気シールド１１と円筒状磁気シールド１２が組み合わせられた状態での、配線基板面とほぼ平行な外部磁束Ｆｘが加えられた場合の磁束の流れを模式的に示す。この発明によれば、キャップ状磁気シールド１１の側壁部１１Ｂは円筒状磁気シールド１２と面接触し、かつ隣接側壁部１１Ｂ間の切り欠き１１ａは円筒状磁気シールド１２により塞がれているので、外部磁束Ｆｘはほとんど側壁部１１Ｂと円筒状磁気シールド１２の厚み内を破線で示すように周方向に通って出て行くので、円筒状磁気シールド１２内の磁気センサＩＣに与える影響は非常に小さい。

外部磁界Ｆｘが回転角度センサの前方から入射する場合は、図６に示すように磁束Ｆｘはロータ２０（図示せず）内の円板磁気シールド２２に入って破線で示すように周縁から間隙Ｇを渡って円筒状磁気シールド１２に流れ、更に、キャップ状磁気シールド１１の側壁部１１Ｂを通って円形底板１１Ａに入り、そこから外に出て行く。本来、磁気センサＩＣは配線基板の面内方向（水平方向と呼ぶことにする）の磁束の方向を検出するものであり、配線基板の板面と直角方向（垂直方向と呼ぶことにする）の磁束の影響はほとんど受けないが、板面に対し斜めに磁束が入射すれば、その水平方向成分により影響を受けることになる。図６のようにロータ２０に埋め込まれた円板磁気シールド２２によりそのような前方からの外部磁束の影響を減らすことができる。

図７はこの発明による回転角度センサの第２実施形態の断面を示し、第１実施形態の図２の断面図に対応する。この実施形態は、第１実施形態におけるロータ２０中の円板磁気シールド２２を除去したものであり、それ以外は第１実施形態と同じである。前方からの外部磁束が少ない環境で使用される場合に用いられる。

前述の第１実施形態及び第２実施形態では、キャップ状磁気シールド１１の側壁部１１Ｂの内側に円筒状磁気シールド１２を配置する場合を示したが、その場合、円筒状磁気シールド１２の後端は配線基板１４の板面上に乗っており、従って、切り欠き１１ａにおいて円筒状磁気シールド１２の後端とキャップ状磁気シールド１１の円形底板１１Ａとの間に配線基板１４の厚さ分の隙間が生じている。このような隙間をなくすため、側壁部１１Ｂの外側に円筒状磁気シールド１２を装着するようにしてもよい。

第１実施形態をそのように変形した第３実施形態の例を図８の断面図に示す。図８は図２の断面図に対応するものであり、図８においては配線基板１４に第１実施形態でのスリット１４ａは形成せず、配線基板１４はキャップ状磁気シールド１１の側壁部１１Ｂの内側に装着され、側壁部１１Ｂの外側に円筒状磁気シールド１２が装着される。円筒状磁気シールド１２の後端は、配線基板１４の端子部１４Ａにおける前述の切り欠き１２ａ（図４参照）を除いてキャップ状磁気シールド１１の後端と同一面まで延長されている。これにより、水平方向の外部磁束に対し、より遮蔽効果を高めることができる。

この発明による回転角度センサの第１実施形態の平面図。 図１におけるII-II断面図。 図１におけるIII-III断面図。 磁気シールド配線基板ユニットの組み立てを説明するための分解斜視図。 水平方向外部磁束に対する磁気シールド作用を説明するための斜視図。 垂直方向外部磁束に対する磁気シールド作用を説明するための断面図。 この発明による回転角度センサの第２実施形態を示す断面図。 この発明による回転角度センサの第３実施形態を示す断面図。 特許文献１の従来の回転角度センサを示す断面図。

Claims (8)

1. ケースと、
   上記ケース内に回動自在に収容され、先端部がケースから突出したロータと、
   上記ケース内に装着され、円形底板とその周縁から中心線と平行に筒状に延長された側壁とを有し、上記円形底板の周縁の少なくとも１つの円弧部から上記側壁の先端まで切り欠きが形成されたキャップ状磁気シールドと、
   上記キャップ状磁気シールドの上記側壁の内側において上記ロータの後端に固定された磁石と、
   上記磁気シールドの上記側壁内に装着され、上記磁石と間隔をあけて上記ロータの中心軸と直角な板面を有し、側縁から同一板面内で上記切り欠きから外に突出形成された電気接続のための端子部を有する配線基板と、
   上記キャップ状磁気シールドに上記切り欠きを覆うように装着された円筒状磁気シールドと、
   上記磁石と間隔をあけて対向し、上記配線基板上に実装された磁気センサＩＣと、
   を含むことを特徴とする回転角度センサ。
2. 請求項１記載の回転角度センサにおいて、上記円筒状磁気シールドは上記キャップ状磁気シールドの側壁の内側に接して装着されていることを特徴とする回転角度センサ。
3. 請求項１記載の回転角度センサにおいて、上記円筒状磁気シールドは上記キャップ状磁気シールドの側壁の外側に接して装着されていることを特徴とする回転角度センサ。
4. 請求項１乃至３のいずれかに記載の回転角度センサにおいて、上記ケースの前方開口の径が小となるよう前方壁が一体形成されており、上記ロータは上記ケース内でその軸方向の中間部に上記前方壁と係合するフランジを有し、上記フランジと上記配線基板の間に、上記フランジを受ける環状軸受けが設けられていることを特徴とする回転角度センサ。
5. 請求項４記載の回転角度センサにおいて、上記ロータのフランジ内に上記円筒状磁気シールドの前端開口を塞ぐように円板磁気シールドが埋め込まれていることを特徴とする回転角度センサ。
6. 請求項４又は５記載の回転角度センサにおいて、上記フランジと上記前方壁との間にばね性の波座金が装着されていることを特徴とする回転角度センサ。
7. 請求項１乃至６のいずれか記載の回転角度センサにおいて、上記配線基板の周縁にスリットが形成されており、上記側壁を上記スリットに貫通させて上記配線基板が上記キャップ状磁気シールドに装着されていることを特徴とする回転角度センサ。
8. 請求項１乃至７のいずれか記載の回転角度センサにおいて、上記ケースには上記キャップ状磁気シールドから突出した上記端子部を収容する収容部が一体形成されていることを特徴とする回転角度センサ。

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