JP2015127652A - 回転検出装置およびモータ - Google Patents

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Abstract

【課題】回転検出装置を省スペースで実現する技術を提供する。【解決手段】回転検出装置100は、シャフト20と、シャフトに固定されたセンサマグネット104と、シャフトの回転時に、センサマグネットにより形成される周期的に変動する磁界を検出するセンサ106と、を備える。センサ106は、ホール効果を利用する素子を有し、該素子の感磁面106aがセンサマグネットの磁化ベクトルMに対して垂直とならないように配置されている。【選択図】図4

Description

本発明は、回転検出装置に関する。
従来、回転体に固定されたマグネットの磁界を磁気センサの一種であるホール素子を用いて検出し、回転体の回転位置を検出する回転検出装置が考案されている。例えば、円筒型磁石の側面にホール素子を近接させ、角度変化に対応した出力の直線部分のみを用いて、所定の角度範囲でアナログ信号を出力する角度センサが知られている(特許文献1参照)。また、回転検出装置において、磁石から出た磁力線をホール素子へ導く磁束ガイド部材を設けた構成も考案されている(特許文献2参照)。
特開2003−324930号公報 米国特許第6016055号明細書 特許第3152625号公報
ところで、回転体はその構成や使用方法によっては、回転軸方向にある程度の遊びが必要な場合がある。このような場合、回転検出センサを、遊びを考慮した位置に配置する必要があり、レイアウトや省スペースの観点から更なる改良の余地がある。
本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、回転検出装置を省スペースで実現する技術を提供することにある。
上記課題を解決するために、本発明のある態様の回転検出装置は、回転軸と、回転軸に固定されたセンサマグネットと、回転軸の回転時に、センサマグネットにより形成される周期的に変動する磁界を検出するセンサと、を備える。センサは、ホール効果を利用する素子を有し、該素子の感磁面がセンサマグネットの磁化ベクトルに対して垂直とならないように配置されている。
ここで、磁化ベクトルとは、マグネット内でS極からN極に向かう方向と定義できる。この態様によると、ホール素子の感磁面がセンサマグネットの磁化ベクトルに対して平行または斜めとなるような位置に、ホール素子を配置できる。そのため、ホール素子の配置の自由度が高まり、回転検出装置を省スペースで実現できる。ここで、感磁面とは、回転検出装置内部のホール効果を生じる半導体薄膜の表面であり、ホール素子が実際に交差する磁束を検出可能な領域と定義できる。一般的には、素子が収納されたケースの外面と平行な面であることが多い。
センサは、センサマグネットの着磁中心を通る磁化ベクトルの延長線上から外れた位置に配置されていてもよい。これにより、センサが捉える磁束が増す。
センサは、回転軸の軸方向から見て、センサマグネットの外周よりも外側に配置されていてもよい。これにより、回転軸の軸方向において、センサおよびセンサマグネットをより近付けることができる。
センサは、該センサの感磁面と回転軸の軸方向とが成す角度が90度±45度の範囲となるように配置されていてもよい。これにより、センサを配置する際のスペース効率が向上し、回転検出装置全体を小径化できる。
センサマグネットから出た磁力線が入る磁性部材を更に備えてもよい。センサは、磁束がセンサマグネットから磁性部材へ向かう経路の途中に設けられていてもよい。これにより、磁束が効率よくセンサに導かれ、安定した出力が得られる。また、磁束密度の高いセンサマグネットを使わなくても、検出に必要な量の磁束をセンサに導くことができる。そのため、低グレードのマグネットを用いることが可能となり、材料コストが低減される。
本発明の他の態様はモータである。このモータは、前述の回転検出装置と、回転軸に固定されたロータと、ロータが収納され、軸方向の両端の少なくとも一方に開口部を有する筒型のハウジングと、を備えている。回転検出装置は、開口部の近傍に取り付けられている。
この態様によると、回転検出装置を備えた、より軸方向に短くまたはより小径なモータを実現できる。
開口部に設けられたホルダおよびエンドプレートを更に備えてもよい。ホルダは、回転軸の方向と交差するハウジング側の第1面と、該第1面と反対側の第2面を有してもよい。第2面は、凹部が形成されていてもよい。回転検出装置は、凹部に配置されていてもよい。エンドプレートは、磁性材料を含み、ホルダの第2面に当接するとともに、回転検出装置に近接した領域に配置されていてもよい。これにより、磁力線が効率よくセンサに導かれ、安定した出力が得られる。
ハウジングの内周面に固定されたステータマグネットを更に備えてもよい。回転検出装置は、センサがセンサマグネットを挟んでステータマグネットと反対側になるように構成されており、センサ、センサマグネットおよびステータマグネットは、この順で回転軸方向に沿って並んでいてもよい。これにより、センサとステータマグネットとの間にセンサマグネットが配置されるため、ステータマグネットから生じる磁力線がセンサに与える影響が抑制される。
なお、以上の構成要素の任意の組合せ、本発明の表現を方法、装置、システムなどの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。
本発明によれば、回転検出装置を省スペースで実現できる。
第1の実施の形態に係るモータの正面図である。 第1の実施の形態に係るモータの断面図である。 図3(a)、図3(b)は、参考例に係る回転検出装置の概略構成の模式図である。 図4(a)は、第1の実施の形態に係る回転検出装置の概略構成の模式図、図4(b)は、第1の実施の形態の変形例に係る回転検出装置の概略構成の模式図である。 図5(a)〜図5(c)は、第2の実施の形態に係る回転検出装置の概略構成を示す模式図である。 センサの配置に適した領域を説明するための模式図である。
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を適宜省略する。また、以下に述べる構成は例示であり、本発明の範囲を何ら限定するものではない。
(第1の実施の形態)
図1は、第1の実施の形態に係るモータの正面図である。図2は、第1の実施の形態に係るモータの断面図である。
第1の実施の形態に係るDCブラシモータ(以下、「モータ」と称する。)10は、主として、ヨークハウジングとしてのハウジング12と、ロータ14と、コネクタ付きのブラシホルダ16と、金属製のカバー部材であるエンドプレート18と、後述する回転検出装置100と、を備える。ハウジング12は、軸方向Xの一端に開口部12aが形成され、他端に閉塞された底部12bが設けられている。底部12bは、凹部が形成されており、その凹部に軸受17が収容されている。また、ハウジング12の内壁には、円弧状のステータマグネット19が配置されている。また、ハウジング12やエンドプレート18は、低保持力で強磁性体である電磁鋼板で構成されている。
ロータ14は、シャフト20と、コア22と、巻線24と、コミテータ(整流子)26とを備え、シャフト20に固定される。シャフト20は、軸受17および軸受28を介して、ハウジング12およびエンドプレート18に回転可能に支持される回転軸である。また、シャフト20は、出力軸としても機能する。軸受28は、エンドプレート18の中央部に形成されている凹部に収容されている。コア22は、複数の鋼板が積層されたものであり、その中心にはシャフト20が貫通した状態で固定されている。巻線24は、コア22の溝22aに巻き回されており、電流が流れることで磁力を生じさせる。
コミテータ26は、コア22と同様にシャフト20に固定されている。コミテータ26は、接触するブラシ(不図示)を通して通電される電流を巻線24に適切なタイミングで流す接点である。ブラシは、例えば、黒鉛等を主成分とするカーボンブラシである。なお、ブラシは、貴金属等を主成分とするフォーク状の金属ブラシの場合もありうる。
ブラシホルダ16は、ロータ14が収納される筒型のハウジング12の開口部12aに装着され、ブラシを介したロータ14への給電経路が設けられている。給電経路の途中には、チョークコイル32やコンデンサ、バリスタ等のノイズ抑制素子が搭載され、各素子を結ぶ配線が表面に形成された回路基板34が設けられている。
ブラシホルダ16は、ハウジング12の開口部12aの形状に応じた円形の蓋部16aと、蓋部16aの外縁部から径方向へ突出した位置に設けられており、外部電源から電流が供給される給電端子が接続されるコネクタ部16bと、を有する。コネクタ部16bの内部には、入力端子(ターミナル)35a,35bが設けられている。
次に、回転検出装置について詳述する。図3(a)、図3(b)は、参考例に係る回転検出装置の概略構成の模式図である。
図3(a)に示す回転検出装置200は、回転軸202と、回転軸202に固定されたセンサマグネット204と、回転軸202の回転時に、センサマグネット204により形成される周期的に変動する磁界(磁場)と相関のある信号を検出するセンサ206と、センサ206が搭載される基板208と、を備える。センサマグネット204は、磁化ベクトルMが回転軸202と平行となるように構成されている。また、センサマグネット204は、磁化ベクトルMが周期的に反転するように、周方向にN極とS極とが交互に複数組形成されている。センサ206は、ホール素子を有している。
そして、回転検出装置200におけるセンサ206は、感磁面206aがセンサマグネット204の磁化ベクトルMに対して垂直となるように配置されている。モータは仕様や用途によってエンドプレイ(回転軸202の軸方向の移動・遊び)が存在するため、センサ206とセンサマグネット204との距離d1をある程度大きめに設定する必要がある。その場合、回転検出装置200の軸方向のスペースを余分に確保する必要があり、回転検出装置の省スペース化という観点からは改善の余地がある。
また、図3(b)に示す回転検出装置300は、回転軸302と、回転軸302に固定されたセンサマグネット304と、回転軸302の回転時に、センサマグネット304により形成される周期的に変動する磁界(磁場)と相関のある信号を検出するリード付きセンサ306と、リード付きセンサ306が搭載される基板308と、を備える。センサマグネット304は、磁化ベクトルMが回転軸302と垂直となるように構成されている。
そして、回転検出装置300におけるセンサ306は、感磁面306aがセンサマグネット304の磁化ベクトルMに対して垂直となるように配置されている。この場合、回転検出装置300におけるセンサ306は、センサマグネット304の外側に配置する必要があり、回転検出装置300の径方向のスペースを多く確保する必要があり、回転検出装置の省スペース化という観点からは改善の余地がある。
本発明者らは、このような知見に基づいて、省スペースな回転検出装置の新たな構成に想到した。
図4(a)は、第1の実施の形態に係る回転検出装置100の概略構成の模式図、図4(b)は、第1の実施の形態の変形例に係る回転検出装置110の概略構成の模式図である。
図4(a)に示す回転検出装置100は、シャフト20と、シャフト20に固定された環状のセンサマグネット104と、シャフト20の回転時に、センサマグネット104により形成される周期的に変動する磁界を検出するセンサ106と、を備える。センサ106は、磁電変換素子の一種であるホール素子を有し、回路基板34の上に搭載されている。なお、センサ106は、回路基板34の両面のどちらに搭載することも可能である。センサマグネット104は、磁化ベクトルMがシャフト20と垂直となるように構成されており、周方向に複数の磁極が並んでいる。
そして、回転検出装置100におけるセンサ106は、感磁面106aがセンサマグネット104の磁化ベクトルMに対して垂直とならないように配置されている。これにより、ホール素子の感磁面106aがセンサマグネット104の磁化ベクトルMに対して平行または斜めとなるような位置に、ホール素子を配置できる。また、センサ106は、センサマグネット104の着磁中心を通る磁化ベクトルMの延長線E上から外れた位置に配置されている。このように、回転検出装置100においては、ホール素子を有するセンサ106の配置の自由度が高まり、回転検出装置100を省スペースで実現できる。
ここで、感磁面106aは、回転検出装置100内部のホール効果を生じる半導体薄膜の表面であり、ホール素子が実際に交差する磁束を検出可能な領域と定義できる。また、一般的には、ホール素子が収納されたケースの外面106bと平行な面であることが多い。また、感磁面は、その面と交差する磁束の直交成分を感知するものと捉えることもできる。着磁中心とは、例えば、マグネットの軸方向の長さ範囲において、マグネット表面磁束の軸方向成分が最小となるポイント、と捉えることができる。
そして、センサ106は、感磁面106aと、着磁中心を通る磁化ベクトルMの延長線Eとが交差しない位置に配置されている。また、センサ106は、シャフト20の軸方向から見て、センサマグネット104の外周面104aよりも径方向の外側に配置されている。そのため、仮にシャフト20が軸方向に移動してもセンサマグネット104とセンサ106とが干渉することがない。そのため、シャフト20の軸方向において、センサ106およびセンサマグネット104をより近付けることができる。例えば、図4(b)に示す回転検出装置110の場合、センサ106を搭載した回路基板34を、センサマグネット104の外周面104aの正面近傍領域まで近付けられる。つまり、シャフト20の径方向から見て、センサマグネット104とセンサ106とが重なるように配置でき、回転検出装置100の薄型化が可能となる。また、センサマグネット104の小径化、小型化が可能となり、材料比を低減できる。
(第2の実施の形態)
図5(a)〜図5(c)は、第2の実施の形態に係る回転検出装置の概略構成を示す模式図である。なお、以下の説明では、第1の実施の形態に係る回転検出装置100と同様の構成については同じ符号を付して説明を適宜省略する。
図5(a)に示す回転検出装置120は、センサマグネット104から出た磁力線Lが入る磁性部材としてエンドプレート18を更に備えている。センサ106は、磁力線Lがセンサマグネット104からエンドプレート18へ向かう経路の途中に設けられている。これにより、磁力線Lが効率よくセンサ106に導かれ、安定したセンサ出力が得られる。また、磁束密度の高いセンサマグネットを使わなくても、検出に必要な量の磁力線をセンサ106に導くことができる。そのため、低グレードのマグネットを用いることが可能となり、材料コストが低減される。
図5(b)に示す回転検出装置130は、エンドプレート108とセンサ106との間に磁性体112が設けられている。磁性体112は、エンドプレート108のセンサ側の面に固定されている。この場合、エンドプレート108は磁性材料でも非磁性材料であってもよい。また、エンドプレート108とセンサ106との距離が長い場合、磁性体112を別途設けることで、磁力線Lがセンサ106の感磁面に多く導くことができる。
図5(c)に示す回転検出装置140は、エンドプレートがない場合を示している。この場合、磁性体112は、支持部材114を介して回路基板34に支持され、センサ106の上方に配置される。このように構成された回転検出装置140も、回転検出装置120や回転検出装置130と同様の作用効果が得られる。
このように、図5(a)〜図5(c)に示した回転検出装置では、磁性体を配置することで透磁率の高い磁路が形成され、センサマグネット104の磁束を効率よくセンサ106に導くことが可能となる。その結果、エンドプレイによるセンサマグネット104の変動が生じても、センサ106による検出精度の低下を抑制でき、より小型のセンサマグネットを用いることも可能となる。また、磁路となる磁性体として、金属製のハウジング12やエンドプレート18を利用することで、追加部品の必要がなくなる。
次に、センサマグネットに対するセンサの配置に適した範囲について説明する。図6は、センサの配置に適した領域を説明するための模式図である。なお、図6は、センサ106のホール素子の感磁面106aが、シャフト20の軸線Axを含む平面に設けられている場合を示している。また、以下では、回転するセンサマグネット104において、磁極の一つがセンサに最も近接した状態での、センサの配置について詳述する。
センサ106を配置する好ましい範囲について、発明者らが鋭意検討したところ、以下に示す範囲に配置することがよい点について想到した。
センサ106の配置に好ましい領域R1は、センサマグネット104の外周面104aより外側の領域であって、センサマグネット104の外周面104aの着磁中心Cを通る磁化ベクトルMの延長線E1より上方(エンドプレート18側)の四角領域である。より詳述すると、センサマグネット104の外周面104aを基準とした延長線E1と平行な方向の範囲は、センサ106に十分な磁力線が届くような範囲に設定すればよい。例えば、センサマグネット104の外周面104aから径方向の範囲r1は、15mm以下、好ましくは12mm以下、より好ましくは6mm以下である。この範囲であれば、感磁特性・スペース効率・生産性を高いレベルで満足できる。
一方、領域R1における軸線Axと平行な方向の範囲は、センサマグネット104の厚みをtとすると、磁化ベクトルMの延長線E1から上方に2tの距離までが好ましい。この範囲であれば、感磁特性・スペース効率・生産性を高いレベルで満足できる。
なお、領域R1にセンサ106の感磁面106a全体が含まれている必要はなく、感磁面106aの中心が含まれるようにセンサ106が配置されていればよい。
また、センサ106の配置として更に好ましい領域R2は、センサマグネット104の外周面104aより外側の領域であって、センサマグネット104の上端面104bを通る延長線E2を中心とした四角領域である。より詳述すると、センサマグネット104の外周面104aから径方向の範囲r2が3mm以下が好ましい。
一方、領域R2における軸線Axと平行な方向の範囲は、モータのエンドプレイの距離をyとすると、センサマグネット104の上端面104bを中心として±y(合計2y)の範囲が好ましい。これらの範囲であれば、感磁特性・スペース効率・生産性をより高いレベルで満足できる。
次に、センサ106を配置する際のホール素子の感磁面106aの向きについて説明する。上述の各回転検出装置では、センサ106の感磁面106aとシャフト20のAxとが成す角度αが90度±45度の範囲、より好ましくは90度±10度となるように配置されているとよい。これにより、センサ106を配置する際のスペース効率が向上し、回転検出装置全体を小径化できる。特に、感磁面106aが回転軸Axと直交(α=90度)となるようにセンサ106を配置すると、回転検出装置を軸方向に薄くできる。
そして、図1や図2に示すモータ10では、上述の回転検出装置が開口部12aの近傍に取り付けられている。これにより、より軸方向に短くまたはより小径なモータ10を実現できる。
センサマグネット104は、その磁化ベクトルMが回転軸Axに対し直交するように着磁されているとよい。また、ホール素子の感磁面106aにおいて必要な磁束密度は、搭載するホール素子の感度にも依存するが、1mT以上が望ましい。したがって、これらを実現するようにセンサマグネット104の着磁中心の磁束密度を設定するとよい。また、エンドプレート18を強磁性体で構成するとよい。なお、センサ106は、ホール素子に加え、ホール素子の出力をA/D変換する信号処理回路や演算回路等を一体化したホールICを有するものであってもよい。なお、センサマグネット104は、その磁化ベクトルが回転軸Axに対し斜めまたは平行となるように着磁されていてもよい。この場合、センサ106の配置や感磁面106aの向きを磁化ベクトルMの方向を考慮して設定すればよい。
また、モータ10は、開口部12aに設けられたブラシホルダ16およびエンドプレート18を更に備えている。そして、ブラシホルダ16は、シャフト20の軸方向と交差するハウジング12側の第1面16cと、第1面16cと反対側の第2面16dを有している。第2面16dは、凹部16eが形成されている。そして、回転検出装置100は、凹部16eに配置されている。エンドプレート18は、磁性材料を含み、ブラシホルダ16の第2面16dに当接するとともに、回転検出装置100に近接した領域に配置されている。これにより、磁力線が効率よくセンサ106に導かれ、安定した出力が得られる。
また、モータ10は、図2に示すように、ハウジング12の内周面に固定されたステータマグネット19を更に備えている。回転検出装置100は、センサ106がセンサマグネット104を挟んでステータマグネット19と反対側になるように構成されている。また、センサ106、センサマグネット104およびステータマグネット19は、この順でシャフト20の軸方向Axに沿って並んでいる。これにより、センサ106とステータマグネット19との間にセンサマグネット104が配置されるため、ステータマグネット19から生じる磁力線がセンサ106に与える影響が抑制される。
なお、上述の回転検出装置は、モータに限らず回転を検出する必要がある様々な機構に用いることができる。また、回転検出装置を備えたモータとしては、ブラシ付きモータだけでなくブラシレスモータであってもよい。
以上、本発明を上述の実施の形態を参照して説明したが、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、実施の形態の構成を適宜組み合わせたものや置換したものについても本発明に含まれるものである。また、当業者の知識に基づいて実施の形態における組合せや処理の順番を適宜組み替えることや各種の設計変更等の変形を実施の形態に対して加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施の形態も本発明の範囲に含まれうる。
10 モータ、 12 ハウジング、 12a 開口部、 14 ロータ、 16 ブラシホルダ、 16c 第1面、 16d 第2面、 16e 凹部、 18 エンドプレート、 19 ステータマグネット、 20 シャフト、 34 回路基板、 100 回転検出装置、 104 センサマグネット、 104a 外周面、 104b 上端面、 106 センサ、 106a 感磁面、 106b 外面、 108 エンドプレート、 110 回転検出装置、 112 磁性体、 114 支持部材、 120,130,140 回転検出装置。

Claims (8)

  1. 回転軸と、
    回転軸に固定されたセンサマグネットと、
    前記回転軸の回転時に、前記センサマグネットにより形成される周期的に変動する磁界を検出するセンサと、を備え、
    前記センサは、ホール効果を利用する素子を有し、該素子の感磁面が前記センサマグネットの磁化ベクトルに対して垂直とならないように配置されていることを特徴とする回転検出装置。
  2. 前記センサは、前記センサマグネットの着磁中心を通る磁化ベクトルの延長線上から外れた位置に配置されていることを特徴とする請求項1に記載の回転検出装置。
  3. 前記センサは、前記回転軸の軸方向から見て、前記センサマグネットの外周よりも外側に配置されていることを特徴とする請求項1または2に記載の回転検出装置。
  4. 前記センサは、該センサの感磁面と前記回転軸の軸方向とが成す角度が90度±45度の範囲となるように配置されていることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の回転検出装置。
  5. 前記センサマグネットから出た磁力線が入る磁性部材を更に備え、
    前記センサは、前記磁力線が前記センサマグネットから前記磁性部材へ向かう経路の途中に設けられていることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の回転検出装置。
  6. 請求項1乃至5のいずれか1項に記載の回転検出装置と、
    前記回転軸に固定されたロータと、
    前記ロータが収納され、軸方向の両端の少なくとも一方に開口部を有する筒型のハウジングと、を備え、
    前記回転検出装置は、前記開口部の近傍に取り付けられていることを特徴とするモータ。
  7. 前記開口部に設けられたホルダおよびエンドプレートを更に備え、
    前記ホルダは、前記回転軸の方向と交差するハウジング側の第1面と、該第1面と反対側の第2面を有し、
    前記第2面は、凹部が形成されており、
    前記回転検出装置は、前記凹部に配置されており、
    前記エンドプレートは、
    磁性材料を含み、
    前記ホルダの前記第2面に当接するとともに、前記回転検出装置に近接した領域に配置される、
    ことを特徴とする請求項6に記載のモータ。
  8. 前記ハウジングの内周面に固定されたステータマグネットを更に備え、
    前記回転検出装置は、前記センサが前記センサマグネットを挟んで前記ステータマグネットと反対側になるように構成されており、
    前記センサ、前記センサマグネットおよび前記ステータマグネットは、この順で回転軸方向に沿って並んでいることを特徴とする請求項7に記載のモータ。
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