JP2018119920A - センサ用磁石ユニット - Google Patents

Abstract

【課題】長期に亘る使用でも軸部材とマグネットとを適正な位置関係に保持するセンサ用磁石ユニットを構成する。【解決手段】軸芯Ｘを中心とする棒状の軸本体２１と、軸本体２１の一端から軸芯Ｘに対し直交方向に延出するアーム部２２とを非磁性材料で一体形成した軸部材２０を備え、軸芯Ｘに直交し、且つ、アーム部２２の延出方向に直交する姿勢でアーム部２２に一体形成されるボンド磁石２５とを備えると共に、ボンド磁石２５に係合してボンド磁石２５の脱落を阻止する脱落阻止部Ｒをアーム部２２に備えた。【選択図】図４

Description

本発明は、センサ用磁石ユニットに関する。

センサ用磁石ユニットに関連する技術として特許文献１には、合成樹脂によって円板部と軸部とを一体化し、円板部に板状の磁石部材を埋設した軸部材が記載されている。

この特許文献１では、ハウジングに対して回転自在に軸部材を支持し、軸部材が回転した際には、ハウジングに備えた磁電変換素子に作用する平行磁場の角度変化に基づいて軸部材の回転角を検知する。

特許文献２には、柱状体の端部にボンド磁石成型体を一体形成した磁石構造体が記載されている。この磁石構造体は、ボンド磁石成型体の熱膨張率を、柱状材料の熱膨張率よりも設定値以上大きく設定している。

この設定により、金型の内部に柱状材を配置した状態で金型内部にボンド磁石成型体の原料を射出し、この後に柱状材よりボンド磁石成型体が大きく収縮する現象から、ボンド磁石成型体が柱状部材を締め付けることになり、ボンド磁石成型体の位置ずれ、脱落が抑制される。

この特許文献２では、ボンド磁石成型体の近傍に磁気センサを配置することにより、磁石構造体が回転した際の磁界の方向を磁気センサで検出し、磁石構造体の回転角度が検出される。

特開２０１６‐９９１９０号公報 特開２０１６‐１５３７６６号公報

特許文献１に記載されるように磁石が埋設された樹脂製の軸部材を用いて構成される回転センサを、例えば、車両に備えた場合には、寒冷地のように極めて低温から、エンジンの熱の影響を受ける高温に亘る環境で使用することになる。

このような広い温度範囲で使用する場合に、樹脂の熱膨張率と、磁石の熱膨張率との差が大きいものでは、温度変化に伴い樹脂と磁石との間に大きい応力が作用する結果、樹脂と磁石との間に間隙を生ずることや、応力の作用で磁石が破損することもあった。また、磁石と樹脂との間に間隙を生じた場合には時間の経過と共に間隙が拡大し、磁石の脱落を招くことも考えられた。

これに対し、特許文献２に記載される構成では、熱膨張率の差から生ずる応力で柱状体に対してボンド磁石成型体を締め付ける構成である。しかしながら、このような構成では、柱状体とボンド磁石成型体とに所定の強度を必要とすることになり、使用可能な材料が限られ、センサの大型化を招くことも想像できた。

このような理由から、高強度の材料を用いずとも長期に亘って使用しても軸部材とマグネットとを適正な位置関係に保持するセンサ用磁石ユニットが求められる。

本発明の特徴は、軸芯を中心とする棒状の軸本体と、当該軸本体の一端から前記軸芯に対し直交方向に延出するアーム部とを非磁性材料で一体形成した軸部材を備え、
前記軸芯に直交し、且つ前記アーム部の延出方向に直交する姿勢で前記アーム部に一体形成されるボンド磁石を備えると共に、前記ボンド磁石に係合して当該ボンド磁石の脱落を阻止する脱落阻止部を前記アーム部に備えている点にある。

この特徴構成によると、例えば、温度が大きく変化する環境で使用する場合にボンド磁石とアーム部との線膨張係数の差に起因して各々の間に僅かな間隙を生じても、アーム部に形成された脱落阻止部がボンド磁石に係合するため、軸部材とボンド磁石との位置関係を適正に維持すると同時にボンド磁石の脱落も阻止する。また、軸本体が回転する際には、軸体からのトルクをアーム部からボンド磁石に作用させるため、例えば、アーム部の延出方向に沿う領域の一部でボンド磁石との間に僅かな隙間が形成されても、軸体の回転を確実にボンド磁石に伝えることも可能となる。
従って、高強度の材料を用いずとも長期に亘って使用しても軸部材とマグネットとを適正な位置関係に保持し、軸部材の回転量の適正な検知を可能にするセンサ用磁石ユニットが構成された。

他の構成として、前記アーム部の延出方向に沿う方向視における前記アーム部の断面形状を、前記軸本体と前記アーム部との境界位置から前記アーム部の外端面に近付くほど幅広となる台形に成形することにより前記脱落阻止部が構成されても良い。

これによると、アーム部の断面形状の設定によりボンド磁石が、アーム部材から離間する方向への変位を脱落阻止部が抑制してボンド磁石の脱落を確実に阻止する。

他の構成として、前記アーム部において前記ボンド磁石との接触面に凸部または凹部を形成することにより前記アーム部の延出方向での前記ボンド磁石の移動を規制する規制部が形成されても良い。

これによると、アーム部の延出方向にボンド磁石を変位させる力が作用した場合にも規制部がボンド磁石の変位を規制し、ボンド磁石を適正な位置を保持する。

他の構成として、前記アーム部の２つの端部位置が、前記軸芯から等距離に設定され、前記ボンド磁石の２つの端部位置が、前記軸芯から等距離に設定され、前記アーム部の２つの端部位置の一方にスプリングの付勢力を作用させる係合片が形成されても良い。

これによると、アーム部の回転バランスと、ボンド磁石との回転バランスとを適正に取ることが可能になるため、軸本体が回転する際に軸本体に偏った力を作用させることなく、円滑な回転を実現する。また、アーム部に係合片を形成しているため、スプリングの付勢力によってボンド磁石の姿勢を初期姿勢に維持することも容易に行える。

角度センサの断面図である。 角度センサの分解状態の断面図である。 角度センサの分解斜視図である。 センサ用磁石ユニットの斜視図である。 センサ用磁石ユニットの正面図である。 センサ用磁石ユニットの側面図である。 センサ用磁石ユニットの斜視図である。 センサ用磁石ユニットの平面図である。 センサ用磁石ユニットの底部側から見た斜視図である。 比較例と本実施形態と線膨張係数の差を一覧化した図である。 別実施形態（ｂ）のセンサ用磁石ユニットの斜視図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
〔角度センサ〕
図１〜図３に示すように、樹脂ケースＡの内部のマグネット空間Ａｍに対し、軸芯Ｘを中心に回転自在にセンサ用磁石ユニットＢを収容し、樹脂ケースＡに磁気センサＣを備え、センサ用磁石ユニットＢを操作する操作アーム１を備えて角度センサ１００が構成されている。

この角度センサ１００では、センサ用磁石ユニットＢの軸本体２１の外端に操作アーム１が連結され、マグネット空間Ａｍにはセンサ用磁石ユニットＢを所定の姿勢に付勢するトーションスプリング２が収容されている。また、センサ用磁石ユニットＢのボンド磁石２５の磁力線が作用する位置に磁気センサＣが配置されている。

この構成から、トーションスプリング２の付勢力に抗して操作アーム１が軸芯Ｘを中心に回転作動した場合には、この作動に伴うセンサ用磁石ユニットＢからの磁力線の変化を磁気センサＣで検知し、この検知結果から操作アーム１の作動量が判定される。尚、操作アーム１に作用する操作力が解除された場合にはトーションスプリング２の付勢力によりセンサ用磁石ユニットＢが初期姿勢に復帰する。

この角度センサ１００は、自動車等の車両において例えば、アクセルペダルやブレーキペダルの踏み込み量を検知する部位や、アクチュエータの作動角を検知する部位に用いられる。尚、この角度センサ１００は車両以外の機器に備えることも可能である。

〔樹脂ケース〕
樹脂ケースＡは、ケース本体１１とカバー体１５とを有し、これらは非磁性で絶縁性の樹脂材料が用いられている。

ケース本体１１には軸芯Ｘを中心とする筒状となる本体筒状部１２が一体形成されると共に、コネクタ部１３が一体形成されている。ケース本体１１には袋孔状のセンサ空間１１ｓが形成され、このセンサ空間１１ｓはコネクタ部１３の開口部分に連通する。

カバー体１５は、軸芯Ｘに直交する姿勢の本体部分と、この本体部分の外周部位から立ち上がる姿勢で軸芯Ｘを中心とする筒状となる縦壁部１６と、この縦壁部１６の突出側の端部から縦壁部１６の突出方向と反対側に延出し縦壁部１６の外方を取り囲むスリーブ部１７とが一体形成されている。また、カバー体１５は、スリーブ部１７の外面から外側に張り出す一対のフランジ部１８を備えている。

また、カバー体１５の本体部分の中央には軸芯Ｘを中心とする孔部１５ａが形成され、この孔部１５ａを取り囲む領域に軸芯Ｘに沿って立ち上がる姿勢の軸受部１５ｂが形成されている。更に、カバー体１５のうち、マグネット空間Ａｍに露出する部位にバネ係止部１５ｃが突設されている。

この樹脂ケースＡでは、本体筒状部１２の外周縁部分と、縦壁部１６の突出側の外周縁部分とを超音波溶着の技術や、レーザビームによる溶着の技術で接合している。これにより、軸芯Ｘを中心とする円形のマグネット空間Ａｍが形成される。

磁気センサＣは、一対のホールＩＣを有する検知ユニット５を備えている。この検知ユニット５は、非磁性体で絶縁性の樹脂材で成るベース部材６に支持され、このベース部材６には、検知ユニット５に導通する複数の電極７が突設されている。

このベース部材６をセンサ空間１１ｓに挿入した状態で固定されることにより、磁気センサＣが適正な位置に配置され、ベース部材６に備えた複数の電極７がコネクタ部１３の内部空間に配置される。

そして、コネクタ部１３に対してコネクタ部材３（図１を参照）を連結することにより、複数の電極７を介して検知ユニット５に電力を供給すると共に、検知ユニット５の検知信号の取り出しが可能となる。

〔センサ用磁石ユニット〕
図４〜図９に示すように、センサ用磁石ユニットＢは非磁性体の一例としてのステンレス材で構成される軸部材２０にボンド磁石２５を一体形成して構成されている。この実施形態では、軸部材２０にステンレス材が用いられているが、非磁性体の材料としてアルミニウム材や、真鍮材を用いることも可能である。

ボンド磁石２５は、磁性体の微粉末を樹脂に含ませた磁石材料を金型により成形し、この後に着磁される。尚、着磁を行う際にはボンド磁石２５に対し図４に示す着磁方向ＭＧに沿う平行磁場を印加する。

軸部材２０は、軸芯Ｘを中心に断面円形となる棒状の軸本体２１と、この軸本体２１の一端から軸芯Ｘに対して直交方向に延出するアーム部２２とを一体形成して構成されている。また、アーム部２２の一方の延出端に軸本体２１と平行姿勢で係合片２３が形成されている。尚、アーム部２２の２つの端部位置を軸芯Ｘから等距離に設定することで軸芯Ｘを中心とする回転バランスが取られている。

また、アーム部２２の延出方向に沿う方向視におけるアーム部２２の断面形状を、軸本体２１とアーム部２２との境界位置から、アーム部２２の軸芯Ｘに沿う方向での外端面に近付くほど幅広となる台形に成形している。これにより、アーム部２２には軸芯Ｘに対して傾斜する姿勢の傾斜面２２ａが形成され、この一対の傾斜面２２ａで脱落阻止部Ｒが構成される。

更に、アーム部２２の側面のうちボンド磁石２５が一体化する部位には幅方向に突出する規制部２２ｂが形成されている。尚、この規制部２２ｂはアーム部２２に対して凹状となるように形成しても良い。

ボンド磁石２５は、軸芯Ｘに直交し、且つ前述したアーム部２２の延出方向に直交する姿勢でアーム部２２に一体形成される。

このようにボンド磁石２５がアーム部２２に一体形成された状態では、このボンド磁石２５がアーム部２２の外面２２ｓと傾斜面２２ａとを抱き込む形態となる。これにより、軸芯Ｘに沿ってボンド磁石２５をアーム部２２から離間させる外力が作用しても、ボンド磁石２５が傾斜面２２ａに接触するためボンド磁石２５の変位が抑制され、脱落も阻止される。また、ボンド磁石２５をアーム部２２の延出方向に変位させる外力が作用しても、規制部２２ｂがボンド磁石２５に食い込む状態にあるため、ボンド磁石２５の変位が抑制され、脱落も阻止される。

更に、ボンド磁石２５の２つの端部位置を軸芯Ｘから等距離に設定することで軸芯Ｘを中心とする回転バランスが取られている。前述したようにアーム部２２の回転バランスが取られているため、センサ用磁石ユニットＢの回転時に軸本体２１に偏った力を作用させることなく円滑な回転を実現している。

センサ用磁石ユニットＢを製造する際には、軸部材２０のアーム部２２の一部を金型のキャビティに露出させてセットし、このキャビティに対して磁石材料を射出する。これにより、ボンド磁石２５に対してアーム部２２の一部がインサートされる形態で、軸部材２０とボンド磁石２５が一体形成される。

この後に図４に示す着磁方向ＭＧに沿う磁場を印加して、ボンド磁石２５を着磁することによりセンサ用磁石ユニットＢが完成する。

この実施形態では磁石材料としてネオジム磁石の材料の粉末を樹脂に含ませたものを用いている。特に、センサ用磁石ユニットＢでは、軸部材２０の線膨張係数と、ボンド磁石２５（成型後の磁石材料）の線膨張係数との差を小さくすることにより、温度変化に伴うアーム部２２からボンド磁石２５に作用する応力を小さくしてボンド磁石２５の位置精度を高く維持している。

図１０には、比較例と本実施形態と線膨張係数の差を示している。比較例と本実施形態とに用いられるボンド磁石２５は、前述したようにネオジム磁石の材料を樹脂に含ませたものであり（ネオジボンドとして説明）、比較例では、軸部材２０に樹脂（ＰＡ６Ｔ）を用い、本実施形態では軸部材２０にステンレス（ＳＵＳ３０４）を用いている。

同図から明らかなように、ボンド磁石２５の線膨張係数は２１（×１０^-６／℃）であり、比較例において軸部材２０に用いられる樹脂の線膨張係数は６０（×１０^−６／℃）であり、これらの差（線膨張係数差）は３９（×１０^−６／℃）となる。これに対して、本実施形態では軸部材２０用いるステンレスの線膨張係数は１７．８（×１０^−６／℃）であり、線膨張係数差は３．２（×１０^−６／℃）となる。

前述したようにボンド磁石２５は、ネオジム磁石の材料の粉末を樹脂に含ませたものであり、樹脂量に対してネオジム磁石の材料の粉末の量が圧倒的に多く、このボンド磁石２５の線膨張係数はネオジムを含む金属の線膨張係数と略一致する。

従って、軸部材２０に金属材としてのステンレスを用いることにより、この軸部材２０の線膨張係数と、ボンド磁石２５の線膨張係数との差を必然的に小さくすることが可能となる。

このように、軸部材２０にステンレスを用いることにより、温度変化が大きく変化する環境で使用する場合にも、ボンド磁石２５と軸部材２０との線膨張係数差を極めて小さくして軸部材２０（アーム部２２）とボンド磁石２５との相対的な位置関係の精度を高く維持しているのである。

〔角度センサの具体構成〕
この構成から、角度センサ１００を組み立てる場合には、カバー体１５の軸受部１５ｂを中心とする位置にトーションスプリング２を配置しておき、軸受部１５ｂの孔部１５ａにセンサ用磁石ユニットＢの軸本体２１を挿通する。

これにより、孔部１５ａから外方に露出する部位に操作アーム１を連結固定し、トーションスプリング２の一方の端部を係合片２３に係合し、他方の端部をバネ係止部１５ｃに係合する。

この状態で、本体筒状部１２の外周縁部分と、縦壁部１６の外周縁部分とを接合する。また、検知ユニット５を備えたベース部材６は、予めケース本体１１に備えておくことや、樹脂ケースＡの溶着の後に備えられる。このような工程により角度センサ１００が組み立てられる。

〔別実施形態〕
本発明は、上記した実施形態以外に以下のように構成しても良い（実施形態と同じ機能を有するものには、実施形態と共通の番号、符号を付している）。

（ａ）脱落阻止部Ｒを、アーム部２２のうちボンド磁石２５が形成される領域において幅方向に突出する突出体で構成する。この構成では突出構造を傾斜面２２ａに形成する必要はなく、突出体を形成することにより実施形態で説明した規制部２２ｂに兼用することが可能となる。

（ｂ）図１１に示すように、脱落阻止部Ｒを、アーム部２２のうちボンド磁石２５が形成される領域のうち、軸芯Ｘに直交する方向に沿う姿勢の脱落防止孔２２ｇを、アーム部２２に貫通する状態で形成する。

このように構成することにより、金型を用いてボンド磁石２５を成形する際に、磁石材料の一部が脱落防止孔２２ｇに入り込む形態の脱落阻止部Ｒが構成される。その結果としてボンド磁石２５の脱落を阻止することになり、アーム部２２に傾斜面２２ａを形成する必要もない。また、この別実施形態（ｂ）では、脱落防止孔２２ｇがアーム部２２の延出方向に沿う方向へのボンド磁石２５の変位を規制する規制部としても機能する。

（ｃ）軸部材２０に用いる金属材にステンレス以外のものを用いる場合に、ボンド磁石２５の材料を選択することにより、軸部材２０に用いる金属材の線膨張係数に近い値となる線膨張係数のボンド樹脂を用いる。

本発明は、センサ用磁石ユニットに利用することができる。

２ トーションスプリング
２１ 軸本体
２２ アーム部
２２ｂ 規制部
２３ 係合片
２５ ボンド磁石
Ｒ 脱落阻止部
Ｘ 軸芯

Claims (4)

1. 軸芯を中心とする棒状の軸本体と、当該軸本体の一端から前記軸芯に対し直交方向に延出するアーム部とを非磁性材料で一体形成した軸部材を備え、
   前記軸芯に直交し、且つ前記アーム部の延出方向に直交する姿勢で前記アーム部に一体形成されるボンド磁石を備えると共に、前記ボンド磁石に係合して当該ボンド磁石の脱落を阻止する脱落阻止部を前記アーム部に備えているセンサ用磁石ユニット。
2. 前記アーム部の延出方向に沿う方向視における前記アーム部の断面形状を、前記軸本体と前記アーム部との境界位置から前記アーム部の外端面に近付くほど幅広となる台形に成形することにより前記脱落阻止部が構成されている請求項１に記載のセンサ用磁石ユニット。
3. 前記アーム部において前記ボンド磁石との接触面に凸部または凹部を形成することにより前記アーム部の延出方向での前記ボンド磁石の移動を規制する規制部が形成されている請求項１又は２に記載のセンサ用磁石ユニット。
4. 前記アーム部の２つの端部位置が、前記軸芯から等距離に設定され、前記ボンド磁石の２つの端部位置が、前記軸芯から等距離に設定され、前記アーム部の２つの端部位置の一方にスプリングの付勢力を作用させる係合片が形成されている請求項１〜３のいずれか一項に記載のセンサ用磁石ユニット。

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