JP4046746B2

JP4046746B2 - 回転角検出装置

Info

Publication number: JP4046746B2
Application number: JP2005305709A
Authority: JP
Inventors: 和久栗田; 善彦大西; 拓也瓜生; 学宮木
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2005-10-20
Filing date: 2005-10-20
Publication date: 2008-02-13
Anticipated expiration: 2025-10-20
Also published as: US20070090829A1; US7378841B2; DE102006007256A1; JP2007114045A; DE102006007256B4

Description

この発明は、磁気抵抗体及び永久磁石を用いて被検出体の回転角を検出する回転角検出装置に関するものである。

従来、回転角検出装置として、回転軸の端部に永久磁石が取り付けられているとともに、回転軸の軸線上で永久磁石から離れかつ回転軸に直交して磁気抵抗センサが配置され、この磁気抵抗センサが永久磁石によって発生した回転軸に直交する方向の磁束に対して感応して回転軸の回転角を検出ものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開平１１−９４５１２号公報

上記回転角検出装置では、永久磁石から発生する磁束の大半は磁気抵抗センサが感応する領域以外に漏れてしまい、永久磁石自体が大きくなってしまい、コストが嵩むという問題点があった。

この発明は、上記のような問題点を解決することを課題とするものであって、簡単な構成で永久磁石の小型化が図られ、コストが低減されるとともに、外部からの磁束の影響が低減された回転角検出装置を得ることを目的とするものである。

この発明に係る回転角検出装置は、回転体とともに回転する第１の永久磁石と、この第１の永久磁石と対向して配置され前記回転体とともに回転する第２の永久磁石と、前記第１の永久磁石及び前記第２の永久磁石それぞれのＳ極側に両端面が固定された円弧形状の第１の磁性部材と、前記第１の永久磁石及び前記第２の永久磁石それぞれのＮ極側に両端面が固定され前記第１の磁性部材と対向した円弧形状の第２の磁性部材と、前記第１の磁性部材と前記第２の磁性部材との間に形成された空隙で前記回転体の軸線上に配置されているとともに非回転体に固定される磁気抵抗体とを備え、前記第１の磁性部材及び前記第２の磁性部材は、それぞれ前記磁気抵抗体に指向した突出部、及び磁気抵抗体を囲み外部から前記磁気抵抗体に向かって侵入する外部磁界を阻止する壁部とを有し、前記第１の磁性部材及び前記第２の磁性部材では、それぞれ前記突出部の両側に切り欠き部が形成されており、前記磁気抵抗体は、対向した前記突出部間を流れる、前記第１の永久磁石及び前記第２の永久磁石で生じた磁束の方位の変化を検出することで、前記回転体の回転角を検出するようになっている。

この発明に係る回転角検出装置では、永久磁石で発生した磁束は第１の磁性部材及び第２の磁性部材で案内されて磁気抵抗体に通過し、磁気抵抗体以外の領域への磁束の漏れは低減され、それだけ永久磁石の小型化を図ることができる。
また、磁気抵抗体は、第１の磁性部材及び第２の磁性部材の壁部で囲まれているので、磁気抵抗体に対する外部からの磁界の影響は低減される。

以下、この発明の各実施の形態について図に基づいて説明するが、各図において同一、または相当部材、部位については、同一符号を付して説明する。

実施の形態１．
図１は実施の形態１の回転角検出装置が組み込まれたエンジン用吸気制御装置（以下、吸気制御装置と呼ぶ）を示す側断面図、図２は図１に示された回転角検出装置の斜視図、図３は図２の平面図、図４は図２の側断面図である。
この吸気制御装置では、直流電流により駆動する駆動モータ１の軸２にモータ平歯車３が固定されている。このモータ平歯車３には樹脂製の中間歯車４が歯合している。この中間歯車４には扇形形状の樹脂製の最終平歯車５が歯合している。この最終平歯車５には非磁性材料で構成されカップ状のインサート部材６が埋設されている。このインサート部材６は、回転体であるシャフト９の端部に固定されている。このシャフト９は、ボディ７に対して第１の軸受８ａ、第２の軸受８ｂを介して回転自在に支持されている。シャフト９には絞り弁２０が固定されている。

インサート部材６及び最終平歯車５と、第１の磁性部材１１ａ、第２の磁性部材１１ｂ、第１の永久磁石１０ａ及び第２の永久磁石１０ｂとは一体化されている。
第１の永久磁石１０ａと第２の永久磁石１０ｂとは対向して配置されている。第１の永久磁石１０ａ及び第２の永久磁石１０ｂそれぞれのＳ極側には、円弧形状の第１の磁性部材１１ａの両端面が固定されている。第１の永久磁石１０ａ及び第２の永久磁石１０ｂそれぞれのＮ極側には、第１の磁性部材１１ａと対向した円弧形状の第２の磁性部材１１ｂが固定されている。

第１の磁性部材１１ａと第２の磁性部材１１ｂとの間に形成された空隙Ｂでは、空隙Ｂの中心において、シャフト９の軸線上に第１の磁気抵抗体１２ａ及び第２の磁気抵抗体１２ｂが軸線方向に間隔をおいて重ねられている。フェールセーフとして一対設けられた第１の磁気抵抗体１２ａ及び第２の磁気抵抗体１２ｂは、それぞれ第１の演算回路部材１３ａ、第２の演算回路部材１３ｂが接続されている。第１の磁気抵抗体１２ａ、第２の磁気抵抗体１２ｂ、第１の演算回路部材１３ａ及び第２の演算回路部材１３ｂは、ハウジング１４にインサートモールド成形により一体化されている。ボディ７に固定されたハウジング１４は、モータ平歯車３、中間歯車４及び最終平歯車５を覆っている。

第１の磁性部材１１ａ及び第２の磁性部材１１ｂは、それぞれ第１の磁気抵抗体１２ａ、第２の磁気抵抗体１２ｂに指向した突出部１１ａ１、１１ｂ１、及び磁気抵抗体１２ａ、１２ｂを囲み外部からの磁界の影響を防止する壁部１１ａ２、１１ｂ２とを有している。突出部１１ａ１、１１ｂ１の両側には、それぞれ切り欠き部Ａが形成されている。
また、第１の磁気抵抗体１２ａ、第２の磁気抵抗体１２ｂは、図４に示すようにシャフト９の軸線方向の磁性部材１１ａ、１１ｂの肉厚ａに対して１．５倍以下の空隙Ｂの高さ内に配置されている。
なお、第１の永久磁石１０ａ、第２の永久磁石１０ｂ、第１の磁性部材１１ａ、第２の磁性部材１１ｂ、第１の磁気抵抗体１２ａ、第２の磁気抵抗体１２ｂ、第１の演算回路部材１３ａ及び第２の演算回路部材１３ｂにより、回転角検出装置を構成している。

この回転角検出装置では、図３及び図４に示すように、第１の永久磁石１０ａから発生する磁束は、矢印Ｉの方向（図３において時計方向）に、即ち第１の永久磁石１０ａのＮ極、第２の磁性部材１１ｂの壁部１１ｂ２、突出部１１ｂ１、空隙Ｂ、第１の磁性部材１１ａの突出部１１ａ１、壁部１１ａ２及び第１の永久磁石１０ａのＳ極により形成された磁気回路経路に沿って流れる。
また、第２の永久磁石１０ｂから発生する磁束は、矢印ＩＩの方向（図３において反時計方向）に、即ち第２の永久磁石１０ｂのＮ極、第２の磁性部材１１ｂの壁部１１ｂ２、突出部１１ｂ１、空隙Ｂ、第１の磁性部材１１ａの突出部１１ａ１、壁部１１ａ２及び第２の永久磁石１０ｂのＳ極により形成された磁気回路経路に沿って流れる。

上記構成の吸気制御装置では、運転者がアクセルペダルを踏み込むと、アクセル開度センサ（図示せず）からのアクセル開度信号がエンジン制御装置（以下、ＥＣＵと呼ぶ）に入力される。ＥＣＵでは絞り弁２０が所定の開度となるように駆動モータ１に通電し、駆動モータ１の軸２が回転する。そして、軸２が回転することにより、中間歯車４、最終平歯車５が回転する。これにより、最終平歯車５と一体のシャフト９が所定の回転角度だけ回転し、ボディ７に形成された吸気通路内において絞り弁２０は所定の回転角度に保持される。

一方、磁束方位検出型である第１の磁気抵抗体１２ａ及び第２の磁気抵抗体１２ｂは、シャフト９と一体的に回転する第１の永久磁石１０ａ、第２の永久磁石１０ｂからの磁束の方位を検出し、第１の磁気抵抗体１２ａ及び第２の磁気抵抗体１２ｂからの出力信号が第１の演算回路部材１３ａ、第２の演算回路部材１３ｂで演算処理された後、出力端子１３ａ１、１３ｂ１を通じてＥＣＵに絞り弁２０の開度信号として送られる。
この開度信号によってＥＣＵはどれだけ燃料をシリンダ内に噴射するかを判断する。第１の磁気抵抗体１２ａ及び第２の磁気抵抗体１２ｂが磁束の方位変化に対応する範囲は、絞り弁２０が全閉である０°から全開である９０°の範囲であり、この範囲では、第１の磁気抵抗体１２ａ及び第２の磁気抵抗体１２ｂは、それぞれリニアリティに応答する。

以上説明したように、この実施の形態の回転角検出装置によれば、第１の永久磁石１０ａ、第２の永久磁石１０ｂで生じた磁束の大部分は、外部に漏れることなく第１及び第２の磁気抵抗体１２ａ、１２ｂを通過するので、永久磁石１０を必要以上に大きくする必要性はなく、小型化されコストが低減される。また、漏れ磁束による周辺の部品への影響が抑制される。
また、第１の磁性部材１１ａ及び第２の磁性部材１１ｂの壁部１１ａ２、１１ｂ２は、第１の磁気抵抗体１２ａ、第２の磁気抵抗体１２ｂを囲んでいるので、第１の磁気抵抗体１２ａ、第２の磁気抵抗体１２ｂは、外部からの磁界の影響が低減される。

また、対向した突出部１１ａ１、１１ｂ１間の空隙Ｂの中心は、シャフト９の中心軸と一致しており、また第１の磁気抵抗体１２ａ、第２の磁気抵抗体１２ｂは、磁性部材１１ａ、１１ｂの肉厚ａに対して１．５倍以下の空隙Ｂの高さ内に配置されている。
この１．５の値は、安定した磁束の流れが得られる境界値であり、本願発明者が磁気解析により得られた値である。
従って、第１の磁気抵抗体１２ａ、第２の磁気抵抗体１２ｂは、この空隙Ｂ内に配置されているので、安定した磁束の流れの中で検出することが可能となる。

また、第１の磁性部材１１ａ及び第２の磁性部材１１ｂは、磁性鋼板をプレス加工して制作されるが、これらの部品は小型であるため、曲げ加工を要する壁部１１ａ２、１１ｂ２、突出部１１ａ１、１１ｂ１の加工には構成上無理が生じるが、突出部１１ａ１、１１ｂ１の両側に、切り欠き部Ａを形成したことで、比較的容易に曲げ加工が可能となる。

実施の形態２．
図５はこの発明の実施の形態２の回転角検出装置を示す斜視図、図６は図５の平面図、図７は、図５の側断面図、図８は図６の回転角検出装置の分解斜視図である。
この実施の形態では、第１の永久磁石１０ａ及び第２の永久磁石１０ｂそれぞれのＳ極側に、両端面が円弧形状の第１の壁部材２１ａが固定されている。第１の永久磁石１０ａ及び第２の永久磁石１０ｂそれぞれのＮ極側に、両端面が円弧形状の第２の壁部材２１ｂが固定されている。
第１の壁部材２１ａには、重ねて円弧形状の第１の案内部材２２ａが固定されている。第１の案内部材２２ａの中間部には、第１の磁気抵抗体１２ａ、第２の磁気抵抗体１２ｂに指向した突出部２２ａ１が形成されている。
第２の壁部材２１ｂには、重ねて円弧形状の第２の案内部材２２ｂが固定されている。第２の案内部材２２ｂの中間部には、第１の磁気抵抗体１２ａ、第２の磁気抵抗体１２ｂに指向した突出部２２ｂ１が形成されている。
他の構成は、実施の形態１と同様である。

実施の形態１では、第１の磁性部材１１ａ及び第２の磁性部材１１ｂは、加工工程において、打ち抜き、曲げ、研削等の各工程を要し、工数が多く、コスト増大が懸念されるのに対して、この実施の形態では、壁部材２１ａ、２１ｂと案内部材２２ａ、２２ｂとに分離し、別部材としたことで、工程数が削減され、コストが低減される。

また、実施の形態１では、曲げ加工性の容易性を図るために切り欠き部Ａを形成したが、この切り欠き部Ａは、外部からの磁束の侵入通路となり、その点からは好ましいことではなかった。
これに対して、この実施の形態２では、そのような切り欠き部Ａが不要となり、実施の形態１と比較して、第１の磁気抵抗体１２ａ、第２の磁気抵抗体１２ｂに対する外部からの磁界の影響がより低減される。

なお、上記の実施の形態では、壁部材２１ａ、２１ｂと案内部材２２ａ、２２ｂは同一の磁性鋼板を用いたが、案内部材２２ａ、２２ｂは主に磁束通路となり、壁部材２１ａ、２１ｂは主に外部からの磁界の影響を低減させるものであり、機能が異なる。
従って、案内部材２２ａ、２２ｂは、壁部材２１ａ、２１ｂと比較して磁気特性の優れた材料を用いることで、より磁気回路における磁気抵抗を低減させることができる。

実施の形態３．
図９はこの発明の実施の形態３の回転角検出装置を示す分解斜視図、図１０は図９の回転角検出装置の斜視図、図１１は図１０の側面図である。
この実施の形態では、第１の案内部材２２ａ及び第２の案内部材２２ｂは、連結されて一体化されたリング部材２５で構成されている。
その他の構成は、実施の形態２と同様である。
実施の形態２では、第１の案内部材２２ａ及び第２の案内部材２２ｂの組み付け時の位置ずれが生じ、それぞれの中心軸線が一致しない状態で組み付けられる恐れがある。
これに対して、このものの場合、一体化されたリング部材２５であり、そのような不都合が生じない。また、部品点数が削減されるとともに、上記の組み付け工数も無く、コストが低減される。

実施の形態４．
図１２はこの発明の実施の形態４の回転角検出装置を示す斜視図、図１３は図１２の側面図である。
この実施の形態では、リング部材２５の肉厚は、第１の永久磁石１０ａ、第２の永久磁石１０ｂと当接する部位では、薄肉部２５ｂが形成されている。
その他の構成は、実施の形態３と同様である。
実施の形態２では、第１の永久磁石１０ａ、第２の永久磁石１０ｂを挟んで第１の案内部材２２ａ、第２の案内部材２２ｂが配設されており、図６に示すように磁束は矢印Ｉ、ＩＩに示すように流れる。
しかしながら、実施の形態３では、第１の案内部材２２ａ及び第２の案内部材２２ｂは、連結されたリング部材２５であり、第１の永久磁石１０ａ、第２の永久磁石１０ｂからの磁束の一部は、迂回することなく矢印ＩＩＩ（図１１参照）に示すように流れてしまい、第１の磁気抵抗体１２ａ、第２の磁気抵抗体１２ｂを流れる磁束量が低減される。
これに対して、このものの場合、リング部材２５に薄肉部２５ｂを形成したことで、矢印ＩＩＩの方向に流れる漏れ磁束量は低減される。

本願発明者は、薄肉部２５ｂの肉厚と、第１の磁気抵抗体１２ａ、第２の磁気抵抗体１２ｂに必要とする磁束密度との関係を磁気解析により求めた。
図１４はそのときに、解析結果を示す図である。
この図から分かるように、永久磁石１０ａ、１０ｂの全高ａに対する薄肉部２５ｂの肉厚ｂの割合が１２％以下であれば、第１の磁気抵抗体１２ａ、第２の磁気抵抗体１２ｂには必要とする磁束密度が得られることが分かった。
従って、永久磁石１０ａ、１０ｂの全高ａに対する薄肉部２５ｂの肉厚ｂの割合を１２％以下にすることで、リング部材２５を用いたことにより得られる効果を確保しつつ、シャフト９の回転角を確実に検出することが可能となる。

なお、各実施の形態の回転角検出装置は、絞り弁の開度を検出するエンジン用吸気制御装置に組み込まれたものについて説明したが、このもの以外の各種の回転体の回転角を検出する装置にも適用することができるのは勿論である。

この発明の実施の形態１の回転角検出装置が組み込まれたエンジン用吸気制御装置を示す側断面図である。図１に示された回転角検出装置の斜視図である。図２の平面図である。図２の側断面図である。この発明の実施の形態２の回転角検出装置を示す斜視図である。図５の平面図である。図５の側断面図である。図６の回転角検出装置の分解斜視図である。この発明の実施の形態３の回転角検出装置を示す分解斜視図である。図９の回転角検出装置の斜視図である。図１０の側面図である。この発明の実施の形態４の回転角検出装置を示す斜視図である。図１２の側面図である。永久磁石全高に対する薄肉部肉厚の割合と、空隙における磁束密度との関係を示す図である。

符号の説明

１駆動モータ、７ボディ、９シャフト（回転体）、１０ａ第１の永久磁石、１０ｂ第２の永久磁石、１１ａ第１の磁性部材、１１ｂ第２の磁性部材、１１ａ１突出部、１１ａ２壁部、１２ａ第１の磁気抵抗体、１２ｂ第２の磁気抵抗体、２０絞り弁、２１ａ第１の壁部材、２１ｂ第２の壁部材、２２ａ第１の案内部材、２２ｂ第２の案内部材、２２ａ１突出部、２２ｂ１突出部、２５リング部材、２５ａ突出部、２５ｂ薄肉部、Ａ切り欠き部、Ｂ空隙。

Claims

回転体とともに回転する第１の永久磁石と、
この第１の永久磁石と対向して配置され前記回転体とともに回転する第２の永久磁石と、
前記第１の永久磁石及び前記第２の永久磁石それぞれのＳ極側に両端面が固定された円弧形状の第１の磁性部材と、
前記第１の永久磁石及び前記第２の永久磁石それぞれのＮ極側に両端面が固定され前記第１の磁性部材と対向した円弧形状の第２の磁性部材と、
前記第１の磁性部材と前記第２の磁性部材との間に形成された空隙で前記回転体の軸線上に配置されているとともに非回転体に固定される磁気抵抗体とを備え、
前記第１の磁性部材及び前記第２の磁性部材は、それぞれ前記磁気抵抗体に指向した突出部、及び磁気抵抗体を囲み外部から前記磁気抵抗体に向かって侵入する外部磁界を阻止する壁部とを有し、
前記第１の磁性部材及び前記第２の磁性部材では、それぞれ前記突出部の両側に切り欠き部が形成されており、
前記磁気抵抗体は、対向した前記突出部間を流れる、前記第１の永久磁石及び前記第２の永久磁石で生じた磁束の方位の変化を検出することで、前記回転体の回転角を検出するようになっている回転角検出装置。
回転体とともに回転する第１の永久磁石と、
この第１の永久磁石と対向して配置され前記回転体とともに回転する第２の永久磁石と、
前記第１の永久磁石及び前記第２の永久磁石それぞれのＳ極側に両端面が固定された円弧形状の第１の壁部材と、
前記第１の永久磁石及び前記第２の永久磁石それぞれのＮ極側に両端面が固定され前記第１の壁部材と対向した円弧形状の第２の壁部材と、
前記回転体の軸線上に配置されているとともに非回転体に固定される磁気抵抗体と、
前記第１の壁部材に重ねて固定され前記第１の永久磁石及び前記第２の永久磁石で生じた磁束の通路になるとともに前記磁気抵抗体に指向した突出部を有する第１の案内部材と、
前記第２の壁部材に重ねて固定され前記第１の永久磁石及び前記第２の永久磁石で生じた磁束の通路になるとともに前記磁気抵抗体に指向した突出部を有する第２の案内部材とを備え、
前記第１の壁部材及び前記第２の壁部材は、前記磁気抵抗体を囲み前記磁気抵抗体に向かって侵入する外部磁界を阻止し、
前記磁気抵抗体は、対向した前記突出部間を流れる、前記第１の永久磁石及び前記第２の永久磁石で生じた磁束の方位の変化を検出することで、前記回転体の回転角を検出するようになっている回転角検出装置。
前記第１の案内部材及び前記第２の案内部材は、前記第１の壁部材及び前記第２の壁部材よりも磁気特性が優れている請求項２に記載の回転角検出装置。
前記第１の案内部材及び前記第２の案内部材は、連結されて一体化されたリング部材である請求項２または請求項３に記載の回転角検出装置。
前記リング部材の肉厚は、前記第１の永久磁石及び前記第２の永久磁石との当接部位では前記突出部よりも薄い請求項４に記載の回転角検出装置。
前記回転体は、吸気通路内の開口度を調整する絞り弁に固定されたシャフトであり、非回転体は、前記絞り弁を収納したボディに固定されたハウジングである請求項１ないし請求項５の何れか１項に記載されている回転角検出装置。
前記磁気抵抗体は、前記ハウジングにインサートモールド成形で一体化されている請求項６に記載されている回転角検出装置。