JP2023075705A - 回転角度センサとこれを用いたパークロックセンサ - Google Patents
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Abstract
Description
図1,2は本発明の第1の実施形態に係る回転角度センサ1Aの概略構成を示している。回転角度センサ1Aは、支持体2と、支持体2に支持された中央磁性体3及び一対の側方磁性体4A,4Bと、磁場検知素子5と、を有している。支持体2は非磁性の金属や樹脂などで形成され、支持体2を不図示の回転軸に固定するための穴21が、支持体2の中心に設けられている。支持体2は不図示の回転軸と回転中心Cを共有し、回転中心Cの周りを回転軸とともに回転可能である。従って、支持体2の回転角度を検知することで回転軸の回転角度を検知することができる。支持体2を磁性金属などの磁性材料で形成して、支持体2にヨークとしての集磁機能を付与し、磁場検知素子5の設置位置における磁束密度を強めることもできる。
-第1の直線L1:中央磁性体3の中心Pと回転中心Cとを結ぶ直線
-第2の直線L2:側方磁性体4A,4Bの中心Qと回転中心Cとを結ぶ直線
-基準ベクトルV1:第2の直線L2の延長線上にあって、側方磁性体4A,4Bの中心Qを始点として回転中心Cから離れる方向を向くベクトル
-磁化方向ベクトルV2:側方磁性体4A,4Bの中心Qを始点として回転中心Cから離れる方向を向き、側方磁性体4A,4Bの磁化方向を示すベクトル
-θ:磁化方向ベクトルV2と基準ベクトルV1のなす角度(単位:°)
-φ:第1の直線L1と基準ベクトルV1のなす角度(または、第1の直線L1と第2の直線L2がなす角度(単位:°)
中央磁性体3の磁化方向は第1の直線L1と平行であるので、第1の直線L1は中央磁性体3の磁化方向と平行である。
図5は第2の実施形態に係る回転角度センサ1Bの概念図であり、図5(a)は回転角度センサ1Bの正面図、図5(b)は回転角度センサ1Bの側面図、図5(c)は回転角度センサ1Bの斜視図を示している。支持体2は、第1の実施形態の円板を、回転中心Cを通らない直線で切断して得られる形状、ないし、D字状の切欠きを有する円形状である。支持体2の側面は、円弧状の曲面部22と、曲面部22の両端を結ぶ平面部23とを有している。中央磁性体3と一対の側方磁性体4A,4Bは平面部23に支持されている。中央磁性体3と一対の側方磁性体4A,4Bは例えば接着剤で平面部23に固定される。中央磁性体3は一対の側方磁性体4A,4Bより磁化方向の長さが長い。本実施形態の回転角度センサ1Bは、中央磁性体3と一対の側方磁性体4A,4Bを支持する構造物が不要であるため、構成が単純である。また、第1の実施形態では中央磁性体3と一対の側方磁性体4A,4Bを円板状の支持体2に取り付けているため、支持体2と中央磁性体3と一対の側方磁性体4A,4Bとからなる構造物の重心が回転中心Cからずれる。このため、用途によっては、偏心の影響が、支持体2が取り付けられる回転軸にまで及ぶ可能性がある。偏心は、中央磁性体3と一対の側方磁性体4A,4Bの一部またはすべての材料を変える(例えば、比重約7.4g/cm3のネオジムの代わりに、比重約4.8g/cm3のフェライトを用いる)ことでも調整することができるが、本実施形態では、支持体2の材料、平面部23の回転中心Cからの位置などを調整することで、偏心をさらに抑制することができる。
図6(a)は第3の実施形態に係る回転角度センサ1Cの概念図であり、図1と同様、回転角度センサ1Cの正面図を示している。支持体2の構成は第2の実施形態と同じである。すなわち、支持体2は平板であり、平板の側面は、円弧状の曲面部22と、曲面部22の両端を結ぶ平面部23とを有している。支持体2の構成の詳細については第2の実施形態を参照されたい。回転角度センサ1Cは、平面部23に支持された軟磁性体6をさらに有している。中央磁性体3及び一対の側方磁性体4A,4Bは軟磁性体6に支持されている。軟磁性体6は平板であり、NiFeなどの材料で製造することができる。中央磁性体3及び一対の側方磁性体4A,4Bは軟磁性体6の所定の位置に固定される。中央磁性体3は一対の側方磁性体4A,4Bより、磁化方向の長さが長い。中央磁性体3及び一対の側方磁性体4A,4Bは磁力によって固定してもよく、その場合、中央磁性体3及び一対の側方磁性体4A,4Bを非磁性の樹脂で封止してもよい、中央磁性体3及び一対の側方磁性体4A,4Bは接着剤によって固定してもよい。本実施形態では、中央磁性体3と一対の側方磁性体4A,4Bと軟磁性体6を、一つの組立体として、予め準備することができる。従って、中央磁性体3と一対の側方磁性体4A,4Bの支持体2への取付けを、回転角度センサ1Cが取り付けられる製品の製造工場で行う必要がある場合でも、取付作業を容易に行うことができる。軟磁性体6はヨークとして機能するため、中央磁性体3と一対の側方磁性体4A,4Bと軟磁性体6を通る循環磁束が形成され、磁束強度を強めることができる。
図7は第4の実施形態に係る回転角度センサ1Dの概念図であり、図7(a)は回転角度センサ1Dの正面図、図7(b)は回転角度センサ1Dの側面図、図7(c)は回転角度センサ1Dの斜視図を示している。支持体2の構成は第2の実施形態と同じである。すなわち、支持体2は平板であり、平板の側面は、円弧状の曲面部22と、曲面部22の両端を結ぶ平面部23とを有している。支持体2の構成の詳細については第2の実施形態を参照されたい。本実施形態の回転角度センサ1Dは、支持体2に支持された支持部材7をさらに有している。支持部材7は、平面部23に支持された第1の平板部71と、第1の平板部71から径方向外側に突き出す第2の平板部72と、第1の平板部71から径方向内側に突き出す第3の平板部73と、を有し、中央磁性体3と一対の側方磁性体4A,4Bは第2の平板部72に支持され、第3の平板部73は支持体2のいずれか一方の平面に支持されている。中央磁性体3と一対の側方磁性体4A,4Bは第1の平板部71に支持されてもよい。第1の平板部71と第2の平板部72、及び第2の平板部72と第3の平板部73は互いに直交している。第3の平板部73には穴74が設けられ、支持体2の穴21と対向する位置にねじ穴24が切られている。支持部材7は穴74を貫通し、ねじ穴24に累合するねじ8によって支持体2に固定される。第1の平板部71は支持体2の裏面と揃えられているが、支持体2から張り出していてもよい。支持部材7は樹脂で作成することができ、且つ強度を確保できる限り薄く形成することができるため、コストダウンが可能となる。
図8は第5の実施形態に係る回転角度センサ1Eの概念図であり、図8(a)は回転角度センサ1Eの正面図、図8(b)は回転角度センサ1Eの側面図、図8(c)は回転角度センサ1Eの斜視図を示している。支持体2は、平板部25と、平板部25から突き出す3つのステー26~28とを有している。平板部25の構成は第2の実施形態と同じである。すなわち、平板部25は平板であり、平板の側面は、円弧状の曲面部22と、曲面部22の両端を結ぶ平面部23とを有している。3つのステー26~28は、平板部25から突き出し、L字状に折り曲げられた、帯状の部材である。中央磁性体3及び一対の側方磁性体4A,4Bは3つのステー26~28にそれぞれ支持されている。中央磁性体3及び一対の側方磁性体4A,4Bはステー26~28の先端の近傍で、ステーの回転中心Cと反対側を向く面29にそれぞれ支持されている。ステー26~28は平板部25と同じ厚さを有し、平板部25と一体形成される。ステー26~28は強度が確保できる限り薄くすることができるため、平板部25も薄く形成することができる。ステー26~28は折り曲げず、直線状の部材でもよい。その場合、中央磁性体3及び一対の側方磁性体4A,4Bは、磁極面ではなく、2つの磁極面と直交する側面でステー26~28に取り付けられる。ステー26~28は折り曲げ加工で作ることができるため、ステー26~28を含む支持体2は金属で形成することが望ましいが、樹脂で形成することもできる。ステー26~28を含む支持体2は非磁性金属で形成することができるが、磁性金属などの磁性材料で形成して、支持体2にヨークとしての集磁機能を付与し、磁場検知素子5の設置位置における磁束密度を強めることもできる。
図9(a)は第6の実施形態に係る回転角度センサ1Fの概念図であり、図1と同様、回転角度センサ1Fの正面図を示している。中央磁性体3は上述の実施形態と同様、磁石であるが、一対の側方磁性体4A,4Bは軟磁性体とされている。軟磁性体は中央磁性体3によって磁化されており、一種の磁石として振舞う。軟磁性はNiFeなどの材料から形成される。本実施形態では一対の側方磁性体4A,4Bとして磁石を用いる必要がないため、高価な磁石の体積を減らし、コストダウンを図ることができる。本実施形態では、支持体2は円板であるが、支持体2の構成は何ら制限されず、第2~第5の実施形態と組わせることができる。
図10は、上述した回転角度センサ1Aを有するパークロックセンサ9の概念図を示している。パークロックセンサ9は自動車の自動変速機11のパークロック装置12に使用される。パークロック装置12は、シフトレバーをパーキング位置に操作したときに、自動変速機11の出力軸13をロックして車輪の回転を阻止する。出力軸13には第1の歯車14が一体的に形成されている。第1の歯車14の近傍には支点15Aを中心に揺動可能なパーキングポール15が設けられている。パーキングポール15には、第1の歯車14と対向し第1の歯車14と係合可能な第2の歯車16が形成されている。パーキングポール15は駆動装置17の動きにより、第2の歯車16が第1の歯車14に係合する位置と、第2の歯車16が第1の歯車14から離脱した位置を移動することができる。シフトレバーがパーキング位置に操作されると、モータ18の駆動により回転軸19が回転する。駆動装置17は回転軸19に接続されており、回転軸19の回転をパーキングポール15の搖動運動に変換する。この様なパークロック装置12においては、パークロック装置12の制御のために回転軸19の回転角度を検知する必要がある。この目的で、パークロックセンサ9が回転軸19に設けられている。本実施形態においては、上述の回転軸はモータ18と駆動装置17の間の回転軸19である。
まず、実施例と比較例について、支持体2の回転角度と磁場検知素子5の設置位置での磁束密度との関係、及び支持体2の回転角度と回転角度センサの角度誤差との関係を求めた。結果を図11に示す。角度誤差は、各角度位置における、検知された回転角度と実際の回転角度との差である。比較例の回転角度センサは図3に示す比較例とほぼ同じであり、円形の支持体2の外周縁部に沿って中央磁性体3と一対の側方磁性体4A,4Bを配置している。より詳細には、中央磁性体3と一対の側方磁性体4A,4Bが軟磁性体のヨークに取り付けられ、ヨークがボルト8で支持体2に固定されている。実施例は図6に示す第4の実施形態とほぼ同じである。実施例は比較より最小磁束密度が大きく、角度誤差が小さい。しかも、磁石の総体積は比較例と比べて約40%減少している。
2 支持体
3 中央磁性体
4A,4B 側方磁性体
5 磁場検知素子
6 軟磁性体
7 支持部材
9 パークロックセンサ
26~28 ステー
C 回転中心
図7は第4の実施形態に係る回転角度センサ1Dの概念図であり、図7(a)は回転角度センサ1Dの正面図、図7(b)は回転角度センサ1Dの側面図、図7(c)は回転角度センサ1Dの斜視図を示している。支持体2の構成は第2の実施形態と同じである。すなわち、支持体2は平板であり、平板の側面は、円弧状の曲面部22と、曲面部22の両端を結ぶ平面部23とを有している。支持体2の構成の詳細については第2の実施形態を参照されたい。本実施形態の回転角度センサ1Dは、支持体2に支持された支持部材7をさらに有している。支持部材7は、平面部23に支持された第1の平板部71と、第1の平板部71から径方向外側に突き出す第2の平板部72と、第1の平板部71から径方向内側に突き出す第3の平板部73と、を有し、中央磁性体3と一対の側方磁性体4A,4Bは第2の平板部72に支持され、第3の平板部73は支持体2のいずれか一方の平面に支持されている。中央磁性体3と一対の側方磁性体4A,4Bは第1の平板部71に支持されてもよい。第1の平板部71と第2の平板部72、及び第2の平板部72と第3の平板部73は互いに直交している。第3の平板部73には穴74が設けられ、支持体2の穴74と対向する位置にねじ穴24が切られている。支持部材7は、穴74を貫通しねじ穴24に累合するねじ8によって、支持体2に固定される。第1の平板部71は支持体2の裏面と揃えられているが、支持体2から張り出していてもよい。支持部材7は樹脂で作成することができ、且つ強度を確保できる限り薄く形成することができるため、コストダウンが可能となる。
図9(a)は第6の実施形態に係る回転角度センサ1Fの概念図であり、図1と同様、回転角度センサ1Fの正面図を示している。中央磁性体3は上述の実施形態と同様、磁石であるが、一対の側方磁性体4A,4Bは軟磁性体とされている。軟磁性体は中央磁性体3によって磁化されており、一種の磁石として振舞う。軟磁性体はNiFeなどの材料から形成される。本実施形態では一対の側方磁性体4A,4Bとして磁石を用いる必要がないため、高価な磁石の体積を減らし、コストダウンを図ることができる。本実施形態では、支持体2は円板であるが、支持体2の構成は何ら制限されず、第2~第5の実施形態と組わせることができる。
まず、実施例と比較例について、支持体2の回転角度と磁場検知素子5の設置位置での磁束密度との関係、及び支持体2の回転角度と回転角度センサの角度誤差との関係を求めた。結果を図11に示す。角度誤差は、各角度位置における、検知された回転角度と実際の回転角度との差である。比較例の回転角度センサは図3に示す比較例とほぼ同じであり、円形の支持体2の外周縁部に沿って中央磁性体3と一対の側方磁性体4A,4Bを配置している。より詳細には、中央磁性体3と一対の側方磁性体4A,4Bが軟磁性体のヨークに取り付けられ、ヨークがボルト8で支持体2に固定されている。実施例は図6に示す第4の実施形態とほぼ同じである。実施例は比較例より最小磁束密度が大きく、角度誤差が小さい。しかも、磁石の総体積は比較例と比べて約40%減少している。
Claims (22)
- 回転中心の周りを回転し、所定の方向に磁化された中央磁性体及び一対の側方磁性体と、
前記中央磁性体及び前記一対の側方磁性体によって形成される磁場を検知する磁場検知素子と、を有し、
前記中央磁性体は、前記中央磁性体と前記一対の側方磁性体の回転方向に関し、前記一対の側方磁性体の間に配置され、前記中央磁性体と前記一対の側方磁性体の径方向外側の磁極は互いに逆であり、
前記一対の側方磁性体のそれぞれについて、
前記側方磁性体の磁化方向を示し、前記側方磁性体の中心を始点として、前記回転中心から離れる方向を向くベクトルを前記側方磁性体の磁化方向ベクトル、
前記回転中心と前記側方磁性体の中心を結ぶ線の延長線上にあって、前記側方磁性体の中心を始点として、前記回転中心から離れる方向を向くベクトルを基準ベクトルとすると、
前記磁化方向ベクトルは基準ベクトルに対して前記中央磁性体側に回転している、回転角度センサ。 - 前記磁化方向ベクトルと前記基準ベクトルのなす角度は90°未満である、請求項1に記載の回転角度センサ。
- 前記一対の側方磁性体のそれぞれについて、前記磁化方向ベクトルと前記基準ベクトルのなす角度をθ、前記中央磁性体の中心と前記回転中心とを結ぶ直線と前記基準ベクトルのなす角度をφとすると、θ=φである、請求項1または2に記載の回転角度センサ。
- 前記一対の側方磁性体のそれぞれについて、前記磁化方向ベクトルと前記基準ベクトルのなす角度をθ、前記中央磁性体の中心と前記回転中心とを結ぶ直線と前記基準ベクトルのなす角度をφとすると、θ<φである、請求項1または2に記載の回転角度センサ。
- 前記一対の側方磁性体のそれぞれについて、前記磁化方向ベクトルと前記基準ベクトルのなす角度をθ、前記中央磁性体の中心と前記回転中心とを結ぶ直線と前記基準ベクトルのなす角度をφとすると、θ>φである、請求項1または2に記載の回転角度センサ。
- 前記一対の側方磁性体は、前記中央磁性体の中心と前記回転中心とを結ぶ直線に関して鏡対称である、請求項1から5のいずれか1項に記載の回転角度センサ。
- 前記中央磁性体及び前記一対の側方磁性体は磁石である、請求項1から6のいずれか1項に記載の回転角度センサ。
- 前記中央磁性体は磁石であり、前記一対の側方磁性体は前記中央磁性体によって磁化された軟磁性体である、請求項1から6のいずれか1項に記載の回転角度センサ。
- 前記一対の側方磁性体は磁石であり、前記中央磁性体は前記一対の側方磁性体によって磁化された軟磁性体である、請求項1から6のいずれか1項に記載の回転角度センサ。
- 前記回転中心の周りを回転し、前記中央磁性体と前記一対の側方磁性体を支持する支持体を有する、請求項1から9のいずれか1項に記載の回転角度センサ。
- 前記支持体は円板であり、前記中央磁性体と前記一対の側方磁性体は前記支持体のいずれかの平面に支持されている、請求項10に記載の回転角度センサ。
- 前記支持体は平板であり、前記支持体の側面は、円弧状の曲面部と、前記曲面部の両端を結ぶ平面部とを有し、前記中央磁性体と前記一対の側方磁性体は前記平面部に支持されている、請求項10に記載の回転角度センサ。
- 前記支持体は平板であり、前記支持体の側面は、円弧状の曲面部と、前記曲面部の両端を結ぶ平面部とを有し、
前記平面部に支持された軟磁性体を有し、前記中央磁性体及び前記一対の側方磁性体は前記軟磁性体に支持されている、請求項10に記載の回転角度センサ。 - 前記軟磁性体は平板であり、前記中央磁性体は前記一対の側方磁性体より磁化方向の長さが長い、請求項13に記載の回転角度センサ。
- 前記軟磁性体は平板部と、前記平板部から径方向外側に突き出す突出し部と、を有し、前記中央磁性体は前記突出し部に支持され、前記一対の側方磁性体は前記平板部に支持されている、請求項13に記載の回転角度センサ。
- 前記中央磁性体及び前記一対の側方磁性体は形状及び寸法が等しい、請求項15に記載の回転角度センサ。
- 前記支持体は平板であり、前記支持体の側面は、円弧状の曲面部と、前記曲面部の両端を結ぶ平面部とを有し、
前記支持体に支持された支持部材を有し、前記支持部材は、前記平面部に支持された第1の平板部と、前記第1の平板部から前記径方向外側に突き出す第2の平板部と、前記第1の平板部から径方向内側に突き出し、前記支持体のいずれかの平面に支持された第3の平面部と、を有し、前記中央磁性体と前記一対の側方磁性体は前記第2の平板部または前記第3の平板部に支持されている、請求項10に記載の回転角度センサ。 - 前記支持体は、平板部と、前記平板部から突き出す3つのステーとを有し、前記平板部の側面は、円弧状の曲面部と、前記曲面部の両端を結ぶ平面部とを有し、前記3つのステーは前記平面部から突き出し、前記中央磁性体及び前記一対の側方磁性体は前記3つのステーにそれぞれ支持されている、請求項10に記載の回転角度センサ。
- 前記ステーはL字状に折り曲げられた帯状の部材であり、前記中央磁性体及び前記一対の側方磁性体は、前記ステーの先端の近傍で、前記ステーの前記回転中心と反対側を向く面にそれぞれ支持されている、請求項18に記載の回転角度センサ。
- 前記ステーは前記平板部と同じ厚さを有し、前記平板部と一体形成される、請求項19に記載の回転角度センサ。
- 前記中央磁性体及び前記一対の側方磁性体は直方体である、請求項1から20のいずれか1項に記載の回転角度センサ。
- 請求項1から21のいずれか1項に記載の回転角度センサを有するパークロックセンサ。
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