JP2017009312A - 回転角センサ、それを備えたモータ装置および回転角センサの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】射出成形されるセンサマグネットの抜け防止が可能な回転角センサ、それを備えたモータ装置および回転角センサの製造方法を提供する。【解決手段】ロータシャフト７の一端の先端面中央部に軸線方向に溝部８が形成され、外周面にマグネットホルダー４が設けられる。マグネットホルダー４は、円筒状で径が異なる２つの外周面を有して非磁性体により形成される。マグネットホルダー４の径の小さい方の圧入部６とロータシャフト７とが嵌め合わされ、径の大きい方のマグネット取付部５にセンサマグネット１２が形成される。マグネットホルダー４のマグネット取付部５には円板状の磁石が形成され、同時にロータシャフト７の溝部８に充填された磁性成形材料１１も射出成形され一体化されたセンサマグネット１２が形成される。センサマグネット１２から生じるＮ極からＳ極へ向かう磁界はわずかな磁気ギャップを有して対向するセンサＩＣ９により検出される。【選択図】図２

Description

本発明は、回転角センサ、それを備えたモータ装置および回転角センサの製造方法に関し、特に、ブラシレスモータの回転軸に装着されるセンサマグネットの装着構造に関するものである。

従来、回転変位をＭＲセンサにより非接触で検出する磁気式の回転角（角度）センサがブラシレスモータに用いられている。ブラシレスモータに備えられるロータの回転軸（ロータシャフト）には、ロータの回転位置を検出するための永久磁石からなるセンサマグネットが装着されている。このロータシャフトの一端部にマグネットホルダーを介して、センサマグネットが固定されている回転角センサが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００８−２８６２８５号公報

特許文献１によれば、円環形状のセンサマグネットがマグネットホルダーの先端に取付けられてロータシャフトと一体回転し、センサマグネットの回転による磁界変化をホール素子が検出し、その検出信号を出力する。また、マグネットホルダーとセンサマグネットとを射出成形により一体構造とした上でマグネットホルダーをロータシャフトに圧入固定して回転検出を行なう場合がある。

しかしながら、上記のようなマグネットホルダーを用いたセンサマグネットの固定方法では、ロータの回転にともなうロータシャフトの振動や外部からのブラシレスモータへの衝撃により、センサマグネットのロータシャフトに対するがたつきや抜け落ちが発生する可能性がある。その結果、ブラシレスモータの異音やセンサマグネットの破損が発生するおそれがある。このため、マグネットホルダーの加工による回転方向へのセンサマグネットの回り止めが可能であるのに対して、軸方向へのセンサマグネットの抜け落ちを防ぐ抜け止めが必要とされる。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、射出成形されるセンサマグネットの抜け防止が可能な回転角センサ、それを備えたモータ装置および回転角センサの製造方法を提供することにある。

上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、回転角センサにおいて、軸心に対して回転する回転軸と、前記回転軸に一体回転可能に圧入固定される圧入部と前記圧入部に対して径方向に延長された装着部とを有した保持部材と、前記保持部材に装着され、前記回転軸の回転にともない磁界が回転する磁性部材と、前記保持部材に装着され、前記回転軸の回転とともに回転する磁性部材と、前記磁性部材と対向して配置され、前記磁性部材の磁界の変化を検出する磁気検出部と、を備え、前記磁性部材は、前記回転軸の一端に軸線方向に設けられた凹部に埋め込まれるとともに前記保持部材の前記装着部に沿って径方向に延長されて固定されていることを要旨とする。

上記構成によれば、磁性部材を装着する保持部材を回転軸に固定し、回転軸の一端に設けられた凹部に磁性部材を埋め込み、磁性部材を保持部材とともに回転軸に直接固定する。このため、磁性部材の抜け方向の保持力を大きくすることができる。これにより、最小限の加工と工法の変更とにより新たな部品を追加することなくコストの増加を抑えて、磁性部材が回転軸から抜け落ちるのを防止することができる。

請求項２に記載の発明は、モータ装置において、請求項１に記載の回転角センサを備えたことを要旨とする。

上記構成によれば、回転角センサを用いてモータ装置を形成しブラシレスモータの回転軸の回転角度を検出することができる。これにより、安価な回転角センサを使用し、最小限の加工と工法の変更とにより磁性部材の保持力を大きくさせ、磁性部材が回転軸から抜け落ちるのを防止することができる。

請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の回転角センサの製造方法において、前記回転軸に前記凹部を加工形成する加工工程と、前記回転軸に前記保持部材を圧入固定する圧入工程と、前記保持部材の前記装着部および前記回転軸の前記凹部に磁石材料を充填し射出成形により前記磁性部材を形成する磁石成形工程と、を備えたことを要旨とする。

上記構成によれば、回転軸の一端の中央部に凹部を加工形成し（回転軸加工工程）、保持部材と回転軸とを軸線方向に圧入固定する（保持部材圧入工程）。その後、回転軸の凹部および保持部材の装着部に磁石材料を充填し、射出成形により磁性部材を形成する（磁石成形工程）。その結果、磁性部材は、回転軸の凹部にも一体的に形成されるので、抜け方向への保持力を持たせることができる。これにより、最小限の加工と工法の変更とにより新たな部品を追加することなくコストの増加を抑えて、磁性部材が回転軸から抜け落ちるのを防止することができる。

本発明によれば、射出成形されるセンサマグネットの抜け防止が可能な回転角センサ、それを備えたモータ装置および回転角センサの製造方法を提供できる。

本発明の一実施形態に係る回転角センサを備えたモータ装置の概略図。 図１の回転角センサの要部拡大断面図。 図２を軸線方向上方から見た磁性部材の着磁磁場配向を示す図。 回転角センサの磁性部材の製造プロセスを示す図。 （ａ）〜（ｃ）は、射出成形により回転角センサの磁性部材を形成する各工程を説明する概略図。（ａ）は、回転軸の凹部を形成する加工工程、（ｂ）は、保持部材を回転軸に圧入固定する圧入工程、（ｃ）は、磁性部材の成形工程を示す図。

以下、本発明の実施形態のモータ装置に用いられる回転角センサについて、図に基づいて説明する。なお、以下の説明において、径方向および軸線方向とは、回転軸の半径方向および軸（軸心）方向を指す。

図１は、本発明の一実施形態に係る回転角センサ１を備えたモータ装置の概略図である。
モータ装置は、例えば車両に搭載され、ステアリング操作を補助する電動パワーステアリング装置（例えば、ラックアシスト・パラレルタイプ等のＥＰＳ）の駆動源用の電動モータとして用いられる。

図１に示すように、モータ装置は、電動モータ２と電子制御ユニット（以下、ＥＣＵという）３とから構成されている。電動モータ２は、ＥＣＵ３によって回転制御される。電動モータ２は、例えば３相のブラシレスモータが使用され、ＥＣＵ一体型モータであるＭＣＵ（モータコントローラユニット）として構成されている。また、電動モータ２の回転軸（以下、ロータシャフトという）７の回転速度は、モータ装置に内蔵された回転角センサ１によって検出される回転角度から演算される。

回転角センサ１は、磁界の変化を検知する非接触型磁気式の角度センサである。この回転角センサ１は、電動モータ２のロータシャフト７、ロータシャフト７の一端に形成されたマグネットホルダー４、マグネットホルダー４の一端の開口部に配置された永久磁石（磁性部材、以下、センサマグネットという）１２およびセンサチップからなるセンサＩＣ（磁気検出部）９から構成されている。

センサマグネット１２はロータシャフト７と一体回転可能に固定される。センサＩＣ９はセンサ基板１０に形成されてケースに収容され、磁気ギャップを介してセンサマグネット１２と対向して配置され、センサマグネット１２の回転によって生じる磁界変化を検出し、その検出信号をセンサ基板１０上のセンサ回路に出力する。センサＩＣ９として磁気抵抗効果素子を用いたＭＲセンサが使用される。ＭＲセンサとして、例えば、低コストで磁気抵抗効果比が大きいトンネル磁気抵抗効果を利用したＴＭＲセンサが使用される。このＴＭＲセンサは、低消費電力で出力電圧が大きく広範囲の温度において安定した角度精度を得ることができる。

次に、図２は、図１の回転角センサ１の要部拡大断面図である。
図２に示すように、金属製（例えば、アルミニウム合金等）のロータシャフト７の一方の先端面中央部には軸線方向に溝部（凹部、例えば、雌ねじ等）８が形成され、外周面にはマグネットホルダー４が設けられる。マグネットホルダー４は、円筒状で径が異なる２つの外周面を有して両端が開放された非磁性体の金属（例えば、ステンレス鋼等）により形成されている。マグネットホルダー４の径の小さい方の外周面側の圧入部６とロータシャフト７とが嵌め合わされ、径の大きい方の外周面側のマグネット取付部（装着部）５に沿って径方向に延長されてセンサマグネット１２が形成される。

センサマグネット１２には、希土類系（例えば、ネオジム等）のボンド磁石（例えば、プラスチックマグネット、ゴムマグネット等）が用いられており、磁性成形材料（磁石材料）１１が磁界中でマグネット取付部５内に射出成形された後に着磁（磁化）される。マグネットホルダー４のマグネット取付部５内には円板状のボンド磁石が形成され、このとき、同時にロータシャフト７の溝部８に充填された磁性成形材料１１も射出成形され一体化されたセンサマグネット１２が形成される。

円板状のセンサマグネット１２の径方向の一端側が一方の磁極（例えば、Ｎ極）に着磁され、他端側が他方の磁極（例えば、Ｓ極）に着磁される。ここで、センサマグネット１２から生じるＮ極からＳ極へ向かう磁界（磁力線、図中破線矢印で示す）はわずかな磁気ギャップ（例えば、０．５〜１ｍｍ程度）を有してセンサマグネット１２と対向するセンサＩＣ９を通過することにより検出される。センサＩＣ９は、センサ基板１０上に半田付けされ固定されている。

図３は、図２を軸線方向上方から見たセンサマグネット１２の着磁磁場配向を示す図である。
図３に示すように、円板状のセンサマグネット１２は、マグネットホルダー４内に装着されて、径方向の一端がＮ極に、他端がＳ極に図中矢印で示す磁界方向に着磁された単極構造のボンド磁石（本実施形態では、等方性ネオジボンド磁石）を形成している。ロータシャフト７（図２参照）の回転（図中、回転方向を矢印で示す）にともないセンサマグネット１２から生じる磁界が回転し、センサＩＣ９（図２参照）で検知される磁界の大きさが変化することによりロータシャフト７の回転位置が検出される。

次に、非接触型磁気式の回転角センサ１の製造方法について説明する。
図４は、センサマグネット１２の製造プロセスを示す図、図５（ａ）〜（ｃ）は、射出成形により回転角センサ１のセンサマグネット１２を形成する各工程を説明する概略図である。図５（ａ）は、ロータシャフト７の溝部８を形成する加工工程、（ｂ）は、マグネットホルダー４をロータシャフト７に圧入固定する圧入工程、（ｃ）は、センサマグネット１２の成形工程を示す図である。

まず、ロータシャフト７の一方（ＥＣＵ側）の先端面中央部に溝部８を形成し、溝部８の内周面にタップによりねじ切り加工を行ない雌ねじを形成する（ステップＳ４０１、ロータシャフト加工工程）。

次に、ロータシャフト７とマグネットホルダー４の圧入部６とを軸線方向に圧入固定する（ステップＳ４０２、マグネットホルダー圧入工程）。ロータシャフト７の先端面とマグネットホルダー４のマグネット取付部５の径方向底部平面とが密着しセンサマグネット１２を装着する空間が形成され、マグネット取付部５と溝部８とは連通する。

続いて、マグネット取付部５および溝部８内に磁性粉末材料１１を充填する（ステップＳ４０３、磁性粉末材料充填工程）。ここで、図示しない射出機から供給される溶融された、例えばプラスチックやゴムにネオジム磁石などの粉末を混ぜた磁性粉末材料１１が注入される。

このとき、磁性粉末材料１１は、図示しない着磁機で発生した磁場によって配向されながら充填され、射出成形される（ステップＳ４０４、センサマグネット成形工程）。すなわち、射出成形中にセンサマグネット１２は、着磁機により配向される。上記磁場配向を行なうことにより磁気特性を高め強い磁力を持ったボンド磁石を得ることができるようになる。

その後、マグネット取付部５および溝部８内に成形固定された磁性粉末材料１１に対して磁界を印加することで着磁（磁化）処理を行ない、センサマグネット１２（ボンド磁石）を形成する（ステップＳ４０５、センサマグネット着磁工程）。

具体的には、図５（ａ）に示すように、ロータシャフト７の一方の先端面中央部に溝部８を形成し、雌ねじをねじ切りする（ロータシャフト加工工程）。このとき、ロータシャフト７と軸線方向に対向するようにマグネットホルダー４が配置される。

次に、図５（ｂ）に示すように、マグネットホルダー４とロータシャフト７とが軸線方向に圧入され、圧入部６の内周面とロータシャフト７の外周面とが密着し固定される（マグネットホルダー圧入工程）。

そして、図５（ｃ）に示すように、マグネット取付部５と溝部８とが連通して形成された空間に磁性粉末材料１１が注入され、射出成形によりセンサマグネット１２が形成されマグネットホルダー４およびロータシャフト７と一体的に固定される（センサマグネット成形工程）。

以上のように、ロータシャフト７の軸線方向に溝部８を形成し射出成形することにより、新たな部品を追加する必要がなく低コストでロータシャフト７と一体化したセンサマグネット１２を形成することができる。

次に、上記のように構成された本発明の実施形態に係る回転角センサ１の作用および効果について説明する。

上記実施形態によれば、ボンド磁石からなるセンサマグネット１２を装着するマグネットホルダー４をロータシャフト７に圧入固定し、ロータシャフト７の一方の先端面中央部に設けられた溝部８およびマグネットホルダー４に磁性粉末材料１１を注入する。射出成形されたセンサマグネット７が埋め込まれ、マグネットホルダー４とともにセンサマグネット１２はロータシャフト７に直接固定される。このため、センサマグネット１２の抜け方向の保持力を大きくすることができる。これにより、最小限の加工と工法の変更とにより新たな部品を追加することなくコストの増加を抑えて、センサマグネット１２がロータシャフト７から抜け落ちるのを防止することができる。

また、回転角センサ１を備えて電動モータ２およびＥＣＵ３からなるモータ装置を形成し、電動モータ２のロータシャフト７の回転角度を検出することができる。これにより、安価なＴＭＲセンサを用いた回転角センサ１を使用し、最小限の加工と工法の変更とによりセンサマグネット１２の保持力を大きくさせ、センサマグネット１２がロータシャフト７から抜け落ちるのを防止することができる。

さらに、ロータシャフト７の一方の先端面中央部に溝部８を形成して内周面にねじ切り加工し（ロータシャフト加工工程）、マグネットホルダー４とロータシャフト７とを軸線方向に圧入固定する（マグネットホルダー圧入工程）。その後、ロータシャフト７の溝部８およびマグネットホルダー４のマグネット取付部５に磁性粉末材料１１を充填し、射出成形によりセンサマグネット１２を形成する（センサマグネット成形工程）。その結果、センサマグネット１２は、ロータシャフト７の溝部８内にも一体形成されるので、抜け方向への保持力を持たせることができる。これにより、最小限の加工と工法の変更とにより新たな部品を追加することなくコストの増加を抑えて、センサマグネット１２がロータシャフト７から抜け落ちるのを防止することができる。

以上のように、本発明の実施形態によれば、射出成形されるセンサマグネットの抜け防止が可能な回転角センサ、それを備えたモータ装置および回転角センサの製造方法を提供することができる。

以上、本発明に係る実施形態について説明したが、本発明はさらに他の形態で実施することも可能である。

上記実施形態では、比較的安価なＴＭＲセンサを使用して回転角センサ１を構成する場合について説明したが、これに限定されるものでなく、ホール素子や他の磁気抵抗素子（例えば、異方性磁気抵抗効果方式のＡＭＲ、巨大磁気抵抗効果方式のＧＭＲ等のＭＲ素子）を使用して回転角センサ１を形成するようにしてもよい。

上記実施形態では、射出成形を行なった後に磁界を印加し、着磁処理を行なう例を示したが、これに限定されるものでなく、磁界を印加しながら射出成形を行なう、すなわち射出成形する工程と着磁する工程とが同時に行なわれるものでもよい。

上記実施形態では、ロータシャフト７の溝部８内周面にタップにより雌ねじをねじ切り加工を行なう場合について説明したが、これに限定されるものでなく、抜け方向の保持力を発生させる他の形状（例えば、凹凸やくさび形状等）を形成するようにしてもよい。

上記実施形態では、単極マグネットのセンサマグネット１２の回転による磁界の変化を検知する例を示したが、これに限定されるものでなく、周方向に異なる磁極が交互に配置されるように着磁された多極マグネット（例えば、２極マグネット）のセンサマグネットを構成してもよい。

上記実施形態では、本発明を電動パワーステアリング装置の駆動源に用いられる比較的大型の電動モータ２に具体化する例を示したが、これに限定されるものでなく、他のタイプの電動パワーステアリング装置（例えば、コラムアシスト、ピニオンアシスト等）や油圧を発生させる電動オイルポンプ装置、または他の装置の駆動源用モータとして用いてもよい。

１：回転角センサ、２：電動モータ、３：ＥＣＵ、
４：マグネットホルダー（保持部材）、５：マグネット取付部（装着部）、６：圧入部、７：ロータシャフト（回転軸）、８：溝部（凹部）、９：センサＩＣ（磁気検出部）、
１０：センサ基板、１１：磁性粉末材料（磁石材料）、
１２：センサマグネット（磁性部材）

Claims (3)

1. 軸心に対して回転する回転軸と、
   前記回転軸に一体回転可能に圧入固定される圧入部と前記圧入部に対して径方向に延長された装着部とを有した保持部材と、
   前記保持部材に装着され、前記回転軸の回転とともに回転する磁性部材と、
   前記磁性部材と対向して配置され、前記磁性部材の磁界の変化を検出する磁気検出部と、を備え、
   前記磁性部材は、前記回転軸の一端に軸線方向に設けられた凹部に埋め込まれるとともに前記保持部材の前記装着部に沿って径方向に延長されて固定されていることを特徴とする回転角センサ。
2. 請求項１に記載の回転角センサを備えたことを特徴とするモータ装置。
3. 請求項１に記載の回転角センサの製造方法において、
   前記回転軸に前記凹部を形成する加工工程と、
   前記回転軸に前記保持部材を圧入固定する圧入工程と、
   前記保持部材の前記装着部および前記回転軸の前記凹部に磁石材料を充填し射出成形により前記磁性部材を成形する成形工程と、を備えたことを特徴とする回転角センサの製造方法。

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