JP2014126548A - 位置検出装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】 磁束密度検出手段の出力信号の直線性を向上させることができる位置検出装置を提供する。
【解決手段】 位置検出装置10では、隙間30は、検出範囲θfsにおける相対移動方向の両端の幅gmaxが中央の幅g0よりも大きくなるように設定されている。したがって、隙間30の端部を流れる漏洩磁束および直通磁束は、隙間の幅が相対移動方向で一定である従来形態と比べると、少なくなる。つまり、ホール素子54が隙間30の端部に位置するとき当該ホール素子54を通過する磁束の密度は、従来形態と比べると、小さくなる。そのため、ホール素子54が隙間30の端部を相対移動するとき当該ホール素子54が検出する磁束密度の変化率は、比較的小さくなる。そのため、ホール素子54の出力信号Vの直線性を向上させることができる。
【選択図】図4

Description

本発明は、検出対象の位置を検出する位置検出装置に関する。
基準部材に対し相対移動する検出対象の位置を検出可能な磁気式の位置検出装置が知られている。例えば特許文献1に開示された位置検出装置は、2つの磁石および2つのヨークにより閉磁路を形成し、閉磁路の内側すなわち各ヨーク間の隙間に磁束密度検出手段を設けている。ヨークは平板状であり、各ヨーク間の隙間の幅は、ヨークの長手方向において一定である。一方の磁石は各ヨークの一端部間に設けられ、他方の磁石は各ヨークの他端部間に設けられている。
磁石のN極から出る磁束には、一方のヨークを通って他方の磁石に流れる還流磁束と、一方のヨークから各ヨーク間の隙間を通って他方のヨークに流れる漏洩磁束と、ヨークを通ることなく各ヨーク間の隙間を通ってS極に流れる直通磁束とが含まれる。磁束密度検出手段には、漏洩磁束および直通磁束の一方、または両方が流れる。このとき磁束密度検出手段を通過する磁束の密度は、ヨークに対する磁束密度検出手段の相対位置に応じて変化する。位置検出装置は、磁束密度検出手段が検出する磁束密度に基づき検出対象の位置を検出する。
特開平8−292004号公報
特許文献1に開示された位置検出装置では、磁束密度検出手段を通過する磁束の密度は、各ヨーク間の隙間の端部において直通磁束の影響を受けて急激に変化する。そのため、検出対象の位置と磁束密度検出手段の出力信号との関係は、磁束密度検出手段が各ヨーク間の隙間の中央部を相対移動するとき線形関係に近いが、磁束密度検出手段が各ヨーク間の隙間の端部を相対移動するとき線形関係から遠ざかる。したがって、磁束密度検出手段の出力信号の直線性が低いという問題があった。
本発明は、上述の点に鑑みてなされたものであり、その目的は、磁束密度検出手段の出力信号の直線性を向上させることができる位置検出装置を提供することである。
本発明は、基準部材に対し相対移動する検出対象の位置を検出可能な位置検出装置であって、第1磁束伝達部、第2磁束伝達部、第1磁束発生手段、第2磁束発生手段および磁束密度検出手段を備えている。第1磁束伝達部は、基準部材および検出対象の一方に設けられる。第2磁束伝達部は、第1磁束伝達部との間に隙間が形成されるように設けられている。第1磁束発生手段は、第1磁束伝達部の一端部と第2磁束伝達部の一端部との間に設けられている。第2磁束発生手段は、第1磁束伝達部の他端部と第2磁束伝達部の他端部との間に設けられている。磁束密度検出手段は、隙間に位置し、第1磁束伝達部および第2磁束伝達部に対し相対移動可能であり、基準部材および検出対象の他方に設けられ、通過する磁束の密度に応じた信号を出力する。
特に本発明では、第1磁束伝達部と第2磁束伝達部とが対向する方向を対向方向とし、磁束密度検出手段が第1磁束伝達部に対し相対移動する方向を相対移動方向とすると、隙間の対向方向の幅は、相対移動方向の両端部が中央部よりも大きいことを特徴としている。
したがって、隙間の端部を流れる漏洩磁束および直通磁束は、隙間の幅が相対移動方向で一定である従来形態と比べると、少なくなる。つまり、磁束密度検出手段が隙間の端部に位置するとき当該磁束密度検出手段を通過する磁束の密度は、従来形態と比べると、小さくなる。そのため、磁束密度検出手段が隙間の端部を相対移動するとき当該磁束密度検出手段が検出する磁束密度の変化率は、比較的小さくなる。よって、磁束密度検出手段の出力信号の直線性を向上させることができる。
本発明の第1実施形態による位置検出装置が適用された回転駆動装置の概略構成を説明する図である。 図1のII−II線断面図である。 図1の矢印III部分を拡大して示す断面図である。 図2の位置検出装置のみを示す断面図である。 図2のホール素子の出力特性を示す図である。 本発明の第2実施形態による位置検出装置の断面図である。 図6のホール素子の出力特性を示す図である。 本発明の第3実施形態による位置検出装置の断面図である。 図8のホール素子の出力特性を示す図である。 本発明の第4実施形態による位置検出装置の断面図である。 図10のホール素子の出力特性を示す図である。
以下、本発明の複数の実施形態を図面に基づき説明する。実施形態同士で実質的に同一の構成には同一の符号を付して説明を省略する。
(第1実施形態)
本発明の第1実施形態による位置検出装置は、図1に示す回転駆動装置に適用されている。回転駆動装置80は、図示しないウェイストゲートバルブを開閉駆動するために用いられる。ウェイストゲートバルブは、ターボチャージャーによる過給エンジンにおいて、排気ガスの一部を分流させることによりタービンへの流入量を調節するバルブである。
先ず、回転駆動装置80の構成を図1に基づき説明する。回転駆動装置80は、ハウジング81、ケース82、モータ85、回転体87、出力軸92および位置検出装置10を備えている。
ハウジング81は、モータ収容室を有し、車体または車体に取り付けられた部材に固定される。
ケース82は、ハウジング81の開口部に固定されているカバー部83と、カバー部83から外側に突き出すコネクタ部84とを形成している。
モータ85は、ハウジング81内に設けられており、パワー端子93を介して電子制御装置95に電気的に接続される。モータ85は、電子制御装置95から電力が供給されるとモータ軸86を回転させる。
回転体87は、モータ軸86と同軸上に設けられている円板部材であり、軸心96から外れた位置で周方向へ延びる円弧状の通孔88を有している。回転体87は、モータ軸86に回転伝達可能に連結されている。
出力軸92は、モータ軸86と同軸上に設けられ、ケース82により回転可能に支持され、回転体87に回転伝達可能に連結されている。出力軸92は、図示しないリンク機構を介してウェイストゲートバルブに連結される。
位置検出装置10は、軸方向において回転体87と一致し且つ径方向において軸心96から外れた位置に設けられ、ケース82に対する回転体87の相対的な回転角度を検出可能である。ケース82は、特許請求の範囲に記載の「基準部材」に相当し、回転体87は、特許請求の範囲に記載の「検出対象」に相当する。位置検出装置10は、信号端子94を介して電子制御装置95に電気的に接続される。
上記のように構成された回転駆動装置80は、電子制御装置95から電力が供給されると、モータ85により出力軸92を回転させつつ、回転体87の回転角度に応じた電圧を位置検出装置10から電子制御装置95に出力する。電子制御装置95は、位置検出装置10の出力電圧に基づいてモータ85を駆動し、回転体87の回転角度が目標値に一致するようにフィードバック制御を実行する。
次に、位置検出装置10の構成を図1〜図3に基づき説明する。
位置検出装置10は、第1ヨーク20、第2ヨーク25、第1磁石40、第2磁石45および短絡磁路部50を備えている。
第1ヨーク20は、軟磁性材料から構成され、回転体87の通孔88のうち径方向外側の内壁89に沿うように延びている湾曲部21と、湾曲部21の周方向の一方から径方向内側に突き出す一端部22と、湾曲部21の周方向の他方から径方向内側に突き出す他端部23とを形成している。第1ヨーク20は、回転体87に固定されており、特許請求の範囲に記載の「第1磁束伝達部」に相当する。
第2ヨーク25は、軟磁性材料から構成され、回転体87の通孔88のうち径方向内側の内壁91に沿うように延びている湾曲部26と、湾曲部26の周方向の一方から径方向外側に突き出す一端部27と、湾曲部21の周方向の他方から径方向外側に突き出す他端部28とを形成している。第2ヨーク25の湾曲部26は、第1ヨーク20の湾曲部21との間に隙間30を形成している。隙間30は、周方向に延びる円弧状の間隙である。第2ヨーク25は、回転体87に固定されており、特許請求の範囲に記載の「第2磁束伝達部」に相当する。
第1磁石40は、第1ヨーク20の一端部22と第2ヨーク25の一端部27との間に設けられており、特許請求の範囲に記載の「第1磁束発生手段」に相当する。本実施形態では、第1磁石40は、着磁方向が回転体87の径方向と一致し、N極41が径方向外側に位置するとともにS極42が径方向内側に位置するように設けられている。
第2磁石45は、第1ヨーク20の他端部23と第2ヨーク25の他端部28との間に設けられており、特許請求の範囲に記載の「第2磁束発生手段」に相当する。本実施形態では、第2磁石45の磁力は、第1磁石40の磁力と同じである。また、第2磁石45は、着磁方向が回転体87の径方向と一致し、N極46が径方向内側に位置するとともにS極47が径方向外側に位置するように設けられている。つまり、第2磁石45の極性は、第1磁石40の極性とは反対である。
第1ヨーク20および第2ヨーク25は、第1磁石40と第2磁石45とを繋ぐ磁気回路構成部材であり、第1磁石40および第2磁石45と共に閉磁路を形成している。第1磁石40のN極41から出る磁束には、第1ヨーク20を通って第2磁石45に流れる還流磁束と、第1ヨーク20から隙間30を通って第2ヨーク25に流れる漏洩磁束と、第1ヨーク20および第2ヨーク25を通ることなく隙間30を通ってS極42に流れる直通磁束とが含まれる。また、第2磁石45のN極46から出る磁束には、第2ヨーク25を通って第1磁石40に流れる還流磁束と、第2ヨーク25から隙間30を通って第1ヨーク20に流れる漏洩磁束と、第1ヨーク20および第2ヨーク25を通ることなく隙間30を通ってS極47に流れる直通磁束とが含まれる。
短絡磁路部50は、ホールIC53と、漏洩磁界をより集中してホールIC53へ流すための集磁ヨーク51および集磁ヨーク52とを有している。集磁ヨーク51、集磁ヨーク52およびホールIC53は、樹脂製のモールド部材55によりモールドされ、ケース82に固定されている。集磁ヨーク51および集磁ヨーク52は、隙間30において径方向に並ぶように設けられている。ホールIC53は、集磁ヨーク51と集磁ヨーク52との間に設けられており、ホール素子54を有している。ホール素子54は、ホール効果を利用した磁電変換素子であり、特許請求の範囲に記載の「磁束密度検出手段」に相当し、感磁面を通過する磁束の密度に応じた電圧を出力する。ホール素子54を通過する磁束の密度は、回転体87の相対回転に伴いホール素子54と閉磁路との相対位置が変化することによって、増減する。本実施形態では、ホール素子54は1つだけ設けられている。
次に、位置検出装置10の構成部材の特徴について図4および図5に基づき説明する。以下、第1ヨーク20と第2ヨーク25とが対向する方向を対向方向とし、第1ヨーク20および第2ヨーク25が短絡磁路部50に対し相対移動する方向を相対移動方向とする。また、位置検出装置10の検出角度範囲を検出範囲θfsとし、隙間30のうちホール素子54が第1ヨーク20に対し相対移動可能な範囲を可動範囲θmとする。
図4に示すように、第1ヨーク20の湾曲部21のうち隙間30を区画している第1内面24は、検出範囲θfsの相対移動方向の一端の第1位置P1と、検出範囲θfsの相対移動方向の中央の第2位置P2と、検出範囲θfsの相対移動方向の他端の第3位置P3とを通る曲率半径が一定の曲面である。本実施形態では、第1内面24の曲率中心31は、軸心96に対して湾曲部21側に位置している。
また、第2ヨーク25の湾曲部26のうち隙間30を区画している第2内面29は、検出範囲θfsの相対移動方向の一端の第4位置P4と、検出範囲θfsの相対移動方向の中央の第5位置P5と、検出範囲θfsの相対移動方向の他端の第6位置P6とを通る曲率半径が一定の曲面である。本実施形態では、第2内面29の曲率中心32は、軸心96に対して湾曲部21とは反対側に位置している。
以上により、隙間30は、相対移動方向の中央から両端に向かって連続的に大きくなり、検出範囲θfsにおける相対移動方向の両端の幅gmaxが中央の幅g0よりも大きくなるように設定されている。以下、第1位置P1、第2位置P2、第3位置P3、第4位置P4、第5位置P5および第6位置P6について、図5の特性図を交えて説明する。
図5には、直交座標系において、ケース82に対する回転体87の相対的な回転角度θと、ホール素子54の出力電圧Vとの関係を表す実出力線L1を実線で示している。回転角度θは特許請求の範囲に記載の「回転体の位置」に相当し、出力電圧Vは特許請求の範囲に記載の「出力信号」に相当する。また、図5には、実出力線L1のうち、ホール素子54を通過する検出磁束密度が0となるときの座標を0点p0とすると、0点p0を通り且つ傾きが理想傾きaである理想直線L2を二点鎖線で示している。また、図5には、隙間の幅が相対移動方向で一定である従来形態における回転角度θと出力電圧Vとの関係を表す実出力線L3を一点鎖線で示している。
図5において検出範囲θfsの理想直線L2のうち出力信号Vが最小となる座標を最小点pminとすると、図4において第1位置P1と第4位置P4との間の距離に相当する幅gmaxは、図5の最小点pminに対応するように設定されている。
また、図4において第2位置P2と第5位置P5との間の距離に相当する幅g0は、図5の0点p0に対応するように設定されている。
また、図5において検出範囲θfsの理想直線L2のうち出力信号Vが最大となる座標を最大点pmaxとすると、図4において第3位置P3と第6位置P6との間の距離に相当する幅gmaxは、図5の最大点pmaxに対応するように設定されている。
以上説明したように、第1実施形態による位置検出装置10では、隙間30は、検出範囲θfsにおける相対移動方向の両端の幅gmaxが中央の幅g0よりも大きくなるように設定されている。したがって、隙間30の端部を流れる漏洩磁束および直通磁束は、隙間の幅が相対移動方向で一定である従来形態と比べると、少なくなる。つまり、ホール素子54が隙間30の端部に位置するとき当該ホール素子54を通過する磁束の密度は、従来形態と比べると、小さくなる。そのため、ホール素子54が隙間30の端部を相対移動するとき当該ホール素子54が検出する磁束密度の変化率は、比較的小さくなる。そのため、ホール素子54の出力信号Vの直線性を向上させることができる。
また、第1実施形態では、隙間30は、実出力線L1が理想直線L2の最小点pminと0点p0と最大点pmaxとを通るように設定されている。そのため、検出範囲θfsの端部における検出精度を高めることができる。
また、第1実施形態では、第1内面24および第2内面29は、曲率半径が一定の曲面である。そのため、第1ヨーク20および第2ヨーク25は、形状が単純なものとなり、設計および製造が容易となる。
(第2実施形態)
本発明の第2実施形態による位置検出装置を図6および図7に基づき説明する。
図6に示すように、位置検出装置60は、第1ヨーク61および第2ヨーク64を備えている。第1ヨーク61の湾曲部62と第2ヨーク64の湾曲部65との間の隙間67は、検出範囲θfsにおける相対移動方向の両端の幅gmaxが中央の幅g0よりも大きくなるように設定されている。そのため、第2実施形態によれば、第1実施形態と同様に、ホール素子54の出力信号Vの直線性を向上させることができる。
また、第1ヨーク61の湾曲部62の第1内面63、および、第2ヨーク64の湾曲部65の第2内面66は、図7に示すように実出力線L1が理想直線L2に沿うように形成された自由曲面である。そのため、ホール素子54の出力信号Vの直線性を一層向上させることができる。
(第3実施形態)
本発明の第3実施形態による位置検出装置を図8および図9に基づき説明する。
図8に示すように、位置検出装置70は、シフトアクチュエータ68に適用されている。シフトアクチュエータ68は、例えば自動制御式マニュアルトランスミッションまたはデュアルクラッチトランスミッション等から構成された変速機に設けられ、シフト操作およびセレクト操作を行うアクチュエータである。シフトアクチュエータ68の出力部材69は、図示しないハウジングに対し相対直線移動する。出力部材69は特許請求の範囲に記載の「検出対象」に相当し、上記ハウジングは特許請求の範囲に記載の「基準部材」に相当する。
位置検出装置70は、第1ヨーク71、第2ヨーク74、第1磁石40および第2磁石45により閉磁路を形成している。第1ヨーク71は、相対移動方向に延びるように直線状に形成されており、相対移動方向の中央から一端に向かって延びる第1直線部72と、相対移動方向の中央から他端に向かって延びる第2直線部73とを有している。また、第2ヨーク74は、相対移動方向に延びるように直線状に形成されており、相対移動方向の中央から一端に向かって延びる第3直線部75と、相対移動方向の中央から他端に向かって延びる第4直線部76とを有している。
第1ヨーク71は、第2ヨーク74との間に隙間77を形成している。隙間77の幅は、相対移動方向の中央から両端に向かって連続的に大きくなり、検出範囲Sfsにおける相対移動方向の両端の幅gmaxが中央の幅g0よりも大きくなるように設定されている。そのため、第3実施形態によれば、第1実施形態と同様に、ホール素子54の出力信号Vの直線性を向上させることができる。
また、隙間77は、図9に示すように実出力線L1が理想直線L2の最小点pminと0点p0と最大点pmaxとを通るように設定されている。そのため、検出範囲Sfsの端部における検出精度を高めることができる。
また、第1ヨーク71の第1内面78および第2ヨーク74の第2内面79は、2つの平面から構成されている。そのため、第1ヨーク71および第2ヨーク74は、形状が単純なものとなり、設計および製造が容易となる。
(第4実施形態)
本発明の第4実施形態による位置検出装置を図10および図11に基づき説明する。
図10に示すように、位置検出装置100は、第1ヨーク101および第2ヨーク103を備えている。第1ヨーク101の湾曲部102と第2ヨーク103の湾曲部104との間の隙間105は、検出範囲Sfsにおける相対移動方向の両端の幅gmaxが中央の幅g0よりも大きくなるように設定されている。そのため、第4実施形態によれば、第1実施形態と同様に、ホール素子54の出力信号Vの直線性を向上させることができる。
また、第1ヨーク101の湾曲部102の第1内面106、および、第2ヨーク103の湾曲部104の第2内面107は、図11に示すように実出力線L1が理想直線L2に沿うように形成された自由曲面である。そのため、ホール素子54の出力信号Vの直線性を一層向上させることができる。
(他の実施形態)
本発明の他の実施形態では、閉磁路を構成する部材がケースに設けられ、ホールICが回転体に設けられてもよい。
本発明の他の実施形態では、第1磁石および第2磁石に代えて、例えば電磁石などの他の磁束発生手段が設けられてもよい。
本発明の他の実施形態では、位置検出装置は、例えばモータと出力軸との間に設けられる減速機の最終減速部材など、他の回転部材に設けられてもよい。
本発明の他の実施形態では、回転駆動装置は、ウェイストゲートバルブ装置に限らず、例えば可変容量ターボの可変ベーン制御装置、排気スロットルまたは排気切替弁のバルブ作動装置、あるいは、可変吸気機構のバルブ作動装置などの他の装置に適用されてもよい。
本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の形態で実施可能である。
10、60、70、100・・・位置検出装置
20、61、71、101・・・第1ヨーク(第1磁束伝達部)
25、64、74、103・・・第2ヨーク(第2磁束伝達部)
30、67、77、105・・・隙間
40・・・第1磁石(第1磁束発生手段)
45・・・第2磁石(第2磁束発生手段)
54・・・ホール素子(磁束密度検出手段)
69、87・・・回転体(検出対象)
82・・・ハウジング(基準部材)
g0・・・隙間の中央の幅
gmax・・・隙間の両端の幅

Claims (6)

  1. 基準部材(82)に対し相対移動する検出対象(69、87)の位置を検出可能な位置検出装置(10、60、70、100)であって、
    前記基準部材および前記検出対象の一方に設けられる第1磁束伝達部(20、61、71、101)と、
    前記第1磁束伝達部との間に隙間(30、67、77、105)を形成するように設けられている第2磁束伝達部(25、64、74、103)と、
    前記第1磁束伝達部の一端部(22)と前記第2磁束伝達部の一端部(27)との間に設けられている第1磁束発生手段(40)と、
    前記第1磁束伝達部の他端部(23)と前記第2磁束伝達部の他端部(28)との間に設けられている第2磁束発生手段(45)と、
    前記隙間に位置し、前記第1磁束伝達部および前記第2磁束伝達部に対し相対移動可能であり、前記基準部材および前記検出対象の他方に設けられ、通過する磁束の密度に応じた信号を出力する磁束密度検出手段(54)と、
    を備え、
    前記第1磁束伝達部と前記第2磁束伝達部とが対向する方向を対向方向とし、前記磁束密度検出手段が前記第1磁束伝達部に対し相対移動する方向を相対移動方向とすると、
    前記隙間の対向方向の幅は、相対移動方向の両端の幅(gmax)が中央の幅(g0)よりも大きいことを特徴とする位置検出装置。
  2. 直交座標系において、前記検出対象の位置(θ)と前記磁束密度検出手段の出力信号(V)との関係を示す線図を実出力線(L1)とし、実出力線のうち、前記磁束密度検出を通過する磁束が0となる座標を0点(p0)とし、0点を通り且つ傾きが理想傾きである線図を理想直線(L2)とし、検出範囲(θfs)の理想直線のうち出力信号が最大となる座標を最大点(pmax)とし、検出範囲の理想直線のうち出力信号が最小となる座標を最小点(pmin)とすると、
    前記隙間は、実出力線が少なくとも最小点と0点と最大点とを通るように設定されていることを特徴とする請求項1に記載位置検出装置。
  3. 前記第1磁束伝達部(20、71)のうち前記隙間(30、77)を区画している面を第1内面(24、78)とし、前記第2磁束伝達部(25、74)のうち前記隙間を区画している面を第2内面(29、79)とすると、
    前記第1内面および前記第2内面は、曲率半径が一定の曲面であることを特徴とする請求項2に記載の位置検出装置(10)。
  4. 前記第1磁束伝達部(61、101)のうち前記隙間(67、105)を区画している面を第1内面(63、106)とし、前記第2磁束伝達部(64、103)のうち前記隙間を区画している面を第2内面(66、107)とすると、
    前記第1内面および前記第2内面は、実出力線が理想直線に沿うように形成された自由曲面であることを特徴とする請求項2に記載の位置検出装置(60)。
  5. 前記検出対象(87)は、前記基準部材(82)に対し相対回転移動し、
    前記第1磁束伝達部(20、61)および前記第2磁束伝達部(25、64)は、前記検出対象の相対移動方向に沿うように弧状に形成されていることを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載の位置検出装置(10、60)。
  6. 前記検出対象(69)は、前記基準部材に対し相対直線移動し、
    前記第1磁束伝達部(71、101)および前記第2磁束伝達部(74、103)は、前記検出対象の相対移動方向に沿うように直線状に形成されていることを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載の位置検出装置(70、100)。
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