JP4948550B2 - 回転センサ - Google Patents

Description

本発明は、磁気センサを利用して被測定回転体の回転角度を検出する回転センサに関し、特に、被測定回転体に連動して回転するマグネット部の構造に関する。

従来、自動車のステアリングシャフトに連結するステアリングホイール（ハンドル）の操舵角度などを検出する回転センサが知られている。
この回転センサは、例えば、ステアリングシャフトなどの被測定回転体に連動して回転するマグネット部と、磁界（磁束密度）を検出するホール素子などの磁気センサとを備えている。そして、マグネット部により生じる磁界を磁気センサにより検出することで、被測定回転体の回転角度を検出する。

このような回転センサにおいて、マグネット本体をマグネットホルダと呼ばれる収容部材に収容し、マグネットホルダを被測定回転体又はこれに連結された回転軸に取り付けることにより、マグネット本体を固着する構造が提案されている（例えば、特許文献１，２）。
特許文献１に記載の回転センサでは、マグネットホルダにマグネット本体の外周面角部分を保持可能な保持部を設けることにより、破損したマグネット本体が周囲に飛散するのを防止できるようにしている。
特許文献２に記載の回転センサでは、マグネット本体の底面の一部が露出した状態で固定されるようにマグネットホルダをインサート成形により形成している。これにより、マグネットホルダに設けられたマグネット孔とマグネット本体の外形が合致することとなるので、マグネット本体はマグネットホルダに対して強固に固定される。また、マグネット本体の外周面に上面から底面に向かって中心に近づくテーパを付することにより、マグネット本体がマグネットホルダから脱落しないようにしている。

実開平５−４４１４号公報 特許第４１２６１５９号公報

しかしながら、回転センサに用いられるマグネット本体とマグネットホルダの材質が異なる場合、使用環境における温度変化に伴いマグネットホルダとマグネット本体の間にクリアランスが生じてしまう虞がある。例えば、マグネット本体に用いられるネオジウムボンド磁石の線膨張係数（１．２４×１０^-5／℃）とマグネットホルダに用いられるポリアセタールの線膨張係数（９×１０^-5／℃）とは７倍以上の開きがあるので、環境温度によってクリアランスが生じる可能性が十分にある。このようなクリアランスが生じると、マグネット本体と磁気センサとの位置関係が本来の位置関係からずれてしまう。
例えば、図７に示すように、特許文献２に記載の回転センサにおいてマグネットホルダ１２０が熱膨張すると、マグネット本体１１０を収容する収容空間（マグネット孔）１２１が大きくなるためクリアランスが生じる。このクリアランスにより、マグネット本体１１０は収容空間１２１内で移動できるようになるので、マグネット本体１１０の位置は保障されなくなり、振動等により位置ずれが発生する。その結果、検出角度の誤差が大きくなり、回転センサの検出精度が低下してしまう。

本発明は、マグネット本体とマグネットホルダの係合構造を改善することにより、広範な温度変化に対応しうる高精度の回転センサを提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は、上記目的を達成するためになされたもので、被測定回転体に連動して回転するマグネット部と、このマグネット部に対して所定間隔だけ離間して設けられた磁気センサと、を備え、前記磁気センサからの出力に基づいて前記被測定回転体の回転角度を検出する回転センサにおいて、
前記マグネット部は、円盤状のマグネット本体の中空部に、回転軸によって回転可能に軸支される樹脂製のマグネットホルダが係合されることにより構成され、
前記マグネット本体の内周面には、径方向に対向する少なくとも一対の係合凸部と、この一対の係合凸部を周方向に所定角度回転した位置において対向する少なくとも一対の係合凹部が設けられ、
前記マグネットホルダには、前記一対の係合凸部及び前記一対の係合凹部のそれぞれに対応する被係合部が設けられているとともに、前記マグネット本体の一方の主面を係止する係止部が設けられ、前記被係合部は前記マグネット本体の他方の主面側に設けられており、
前記一対の係合凸部及びこれに対応する被係合部は、中心に向かってテーパ状に形成されていることを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の回転センサにおいて、前記マグネットホルダは、外形が前記マグネット本体の中空部に合致するようにインサート成形により形成されていることを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の回転センサにおいて、前記一対の係合凸部と前記一対の係合凹部は、高さが同じであることを特徴とする。

本発明によれば、マグネット本体とマグネットホルダとのクリアランスが温度変化に対して変化したとしても、位置関係は変化せず、低温や高温の環境において振動等の外乱が生じた場合でもマグネットはマグネットホルダに保持されるため、マグネットの安定回転が可能となる。したがって磁気センサからの安定な信号出力が確保され、広範な温度変化に対応しうる高精度の回転センサが実現される。

本実施形態に係る回転センサの上面図である。 本実施形態に係る回転センサの断面図である。 本実施形態に係る回転センサの低温時の熱収縮状態を示す上面図である。 本実施形態に係る回転センサの低温時の熱収縮状態を示す断面図である。 本実施形態に係る回転センサの高温時の熱膨張状態を示す断面図である。 変形例に係る回転センサの断面図である。 従来の回転センサの熱収縮状態を示す断面図である。

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。本実施形態では、被測定回転体の一例として自動車のステアリングシャフトの回転角度を検出する回転センサについて説明する。

図１は本実施形態に係る回転センサの上面図であり、図２は回転センサの断面図である。図２（ａ）には図１のＡ−Ａ断面を示し、図２（ｂ）には図１のＢ−Ｂ断面を示している。
図１，２に示すように、回転センサ１は、図示しないステアリングシャフト（被測定回転体）に連動して回転するマグネット部Ｍと、このマグネット部Ｍに対して所定間隔Ｇだけ離間して設けられた磁気センサ６０（６１ａ，６１ｂ）と、を備えている。マグネット部Ｍは、マグネット本体１０と、マグネットホルダ２０とで構成されている。

マグネット本体１０は、例えば、円盤状のネオジウム系ボンド磁石であり、中央に中空部が形成されている。本実施形態では、マグネット本体１０の着磁状態は特に制限されない。
マグネット本体１０の内周面上部には径方向に対向する一対の係合凸部１１，１１が形成されている。この一対の係合凸部１１，１１は、図１に示すように、中心に向かってテーパ状に形成されている。
また、一対の係合凸部１１，１１を周方向に９０℃回転した位置には、一対の係合凹部１２，１２が設けられている。図２に示すように、これらの係合凸部１１，１１及び係合凹部１２，１２は、何れも同じ高さに形成されている。
なお、係合凸部１１，１１と係合凹部１２，１２との位置関係は上述した場合に限定されず、係合凸部１１，１１を周方向に所定角度だけ回転した位置に係合凹部１２，１２が設けられていればよい。また、係合凸部１１，１１と係合凹部１２，１２は、それぞれ少なくとも一対設けられていればよい。

マグネットホルダ２０は、例えば、ポリアセタール製であり、マグネット本体１０の中空部に合致する外形を有している。マグネットホルダ２０の外周上部には、マグネット本体１０に設けられた一対の係合凸部１１，１１に対応する切欠部（被係合部）２２，２２が設けられ、一対の係合凹部１２，１２に対応して突出部（被係合部）２１，２１が設けられている。係合凸部１１，１１と係合凹部１２，１２の高さは同じとされているので、切欠部２２，２２と突出部２１，２１の高さも同じである。

マグネットホルダ２０の中心部には、回転軸３０の段付の軸端を挿嵌する挿通孔２４が形成されている。つまり、挿通孔２４は、大径部から小径部に縮径する段部２４ａを有している。この段部２４ａも、突出部２１，２１及び切欠部２２，２２と同じ高さに形成されている。
また、マグネットホルダ２０の下部には、マグネット本体１０の一方の面（図２では下面）を係止する鍔状の係止部（係止鍔部）２３が設けられている。この係止鍔部２３の周面には凹凸（歯）が形成されている。

マグネット本体１０の中空部にマグネットホルダ２０が係合されることにより、マグネット部Ｍが構成されている。上述した構成のマグネット部Ｍは、例えば、マグネット本体１０をマグネットホルダ２０の金型内にインサートし、ポリアセタールを注入してマグネットホルダ２０を一体的に形成する、いわゆるインサート成形により実現することができる。
このマグネット部Ｍのインサート成形は、回転センサ１が通常使用される環境温度下（例えば、２５℃）において、マグネット本体１０とマグネットホルダ２０がクリアランスのない状態で当接するように行われる。

回転軸３０の一端（段付の軸端）は、マグネットホルダ２０の挿通孔２４に挿通され、段部２４ａによって係止される。
回転軸３０の他端は、筐体ケース（図示略）に固定されている基板５０に形成された軸受（図示略）によって支持される。回転軸３０の一端側に取り付けられた押え部材４０によってマグネットホルダ２０を下方に付勢することにより、マグネット部Ｍは回転軸３０に軸支される。なお、回転軸３０の一端側を図示しない軸受により支持するようにしてもよい。
このとき、マグネットホルダ２０の係止鍔部２３は、ステアリングシャフトに取り付けられた主動ギア７０と噛合する。したがって、マグネット部Ｍは、ステアリングシャフトに連動して回転する。
なお、マグネットホルダ２０の係止鍔部２３及び主動ギア７０は、マグネットホルダ２０が熱膨張又は熱収縮したときでも噛合状態が保持されるように設計されているものとする。

磁気センサ６０は、例えば、マグネット本体１０により発生した磁界を電気信号に変換して出力する２つのホール素子６１ａ，６１ｂで構成される。ホール素子６１ａ，６１ｂは、マグネット本体１０の下面周縁部と対向するとともに、回転軸３０を中心としてマグネット本体１０の周方向に９０°をなすように基板５０上に配置されている。
図示しない演算処理部によって、ホール素子６１ａ，６１ｂからの出力に基づいてステアリングシャフトの回転角度が検出される。

図３は本実施形態に係る回転センサの低温時の熱収縮状態を示す上面図であり、図４は回転センサの低温時の熱収縮状態を示す断面図である。図４（ａ）には図３のＡ−Ａ断面を示し、図４（ｂ）には図３のＢ−Ｂ断面を示している。
図３，図４に示すように、回転センサ１が低温環境（例えば、−４０℃）で使用されると、マグネットホルダ２０が熱収縮する。なお、マグネット本体１０及び回転軸３０の熱収縮はマグネットホルダ２０に比較して小さいので、ここでは無視することとする。

マグネットホルダ２０の径方向の熱収縮について考えると、内周側は回転軸３０によって拘束されているが、外周側は拘束されていないので、マグネットホルダ２０の外径が小さくなり、マグネット本体１０との当接部にクリアランスＣが生じる。
このとき、マグネット本体１０の係合凸部１１，１１及びマグネットホルダ２０の切欠部２２，２２は中心に向かってテーパ状に形成されているので、切欠部２２の２辺により係合凸部１１の角が支持されることとなる。したがって、マグネット本体１０がクリアランスＣによりガタつくことはない。
また一対の対抗する切欠部２２，２２が同形のテーパ状であるため回転軸芯を保ったまま収縮し、マグネットの回転軸芯が大きくずれることがない。

一方、マグネットホルダ２０の軸方向の熱収縮について考えると、上面側はマグネット本体１０の係合凹部１２，１２によって拘束され、下面側はマグネットホルダ２０の係止鍔部２３によって拘束されている。したがって、低温時にマグネットホルダ２０が収縮しても、マグネット本体１０とマグネットホルダ２０の軸方向の位置関係は図４の基準線を基準としてずれることがなく、振動が加わってもマグネット本体１０の位置がマグネットホルダ２０に保持される。よって精度の高い角度センシングが可能となる。
このとき、軸方向における熱収縮が拘束されるため、マグネットホルダ２０の内部には圧縮応力が生じるが、段部２４ａ，突出部１１，１１及び切欠部１２，１２はすべて同じ高さとなっているので、軸方向の圧縮応力は比較的均等に分散されることとなる。

図５は本実施形態に係る回転センサの高温時の熱膨張状態を示す断面図である。
図５に示すように、回転センサ１が高温環境（例えば、８５℃）で使用されると、マグネットホルダ２０が熱膨張する。なお、マグネット本体１０及び回転軸３０の熱膨張はマグネットホルダ２０に比較して小さいので、ここでは無視することとする。

マグネットホルダ２０の径方向の熱膨張について考えると、外周側がマグネット本体１０の内周面によって拘束されているので、全体として径方向にはほとんど熱膨張できないと考えてよい。

一方、マグネットホルダ２０の軸方向の熱膨張について考えると、上面側、下面側ともに拘束されていないので、マグネットホルダ２０はマグネット本体１０の中空部から上下に膨出する。しかしながら、マグネットホルダ２０の段部２４aでマグネットは保持されているため、マグネット本体１０とマグネットホルダ２０の位置ずれが生じることはない。したがって、振動が加わっても精度のよい角度センシングが可能となる。

上述したように、本実施形態に係る回転センサ１において、マグネット部Ｍは、円盤状のマグネット本体１０の中空部に、回転軸３０によって回転可能に軸支される樹脂製のマグネットホルダ２０が係合されることにより構成されている。そして、マグネット本体１０の内周面には、径方向に対向する一対の係合凸部１１，１１と、この一対の係合凸部１１，１１を周方向に所定角度（例えば、９０°）回転した位置において対向する一対の係合凹部１２，１２が設けられ、マグネットホルダ２０には、一対の係合凸部１１，１１及び一対の係合凹部１２，１２のそれぞれに対応する切欠部(被係合部)２２，２２と突出部(被係合部)２１，２１が設けられている。
このような構造により、マグネット本体１０はマグネットホルダ２０と一体的に回転するので、ステアリングシャフトの回転を高精度で検出することができる。

マグネットホルダ２０は、マグネット本体１０の一方の面を係止する係止鍔部（係止部）２３を有しているので、マグネットホルダ２０の軸方向の熱収縮を効果的に拘束することができる。したがって、回転センサ１が低温環境で使用され、熱収縮が発生してもマグネット本体１０はマグネットホルダ２０に保持され、振動等による位置ずれが生じないため、測定誤差が生じるのを防止できる。

マグネットホルダ２０は、外形がマグネット本体１０の中空部に合致するようにインサート成形により形成されている。すなわち、マグネット本体１０の係合凸部１１，１１と係合凹部１２，１２にマグネットホルダ２０の切欠部２２，２２と突出部２１，２１が隙間なく係合している。これにより、径方向の熱膨張及び軸方向の熱収縮を効果的に拘束することができる。
したがって、回転センサ１が低温環境で使用され、熱収縮が発生してもマグネット本体１０はマグネットホルダ２０に保持され、振動等による位置ずれが生じないため、測定誤差が生じるのを防止できる。また、回転センサ１が高温環境で使用されたときに、熱膨張により径方向の位置関係が崩れる虞もない。

また、マグネット本体１０に設けられた一対の係合凸部１１，１１と一対の係合凹部１２，１２は高さが同じとされているので、熱膨張又は熱収縮時に基準位置でマグネット本体１０とマグネットホルダ２０が保持されることとなるため、その基準位置における回転軸３０との熱膨張収縮を計算できるため、温度補正がしやすくなる。

さらに、一対の係合凸部１１，１１は、中心に向かってテーパ状に形成されているので、熱収縮時にマグネット本体１０とマグネットホルダ２０の間にクリアランスＣが生じても、マグネット本体１０がガタつくことはなく、マグネットの回転軸芯がずれることがない。

このように、本実施形態の回転センサ１において、マグネット本体１０とマグネットホルダ２０との回転軸方向、回転軸芯ともに位置関係は温度変化に関係なく確保されるので、広範な温度変化（例えば、−４０〜８５℃）に対応しうる高精度の回転センサが実現される。
なお、回転軸３０とマグネットホルダ２０の膨張収縮分の違いで離間距離Ｇが変化することが考えられるが、このときは演算処理部において適当な補正を実行することで対応できる。この変化量はマグネットホルダ２０と回転軸３０の材質の線膨張係数と温度と寸法によって決まるので、環境温度に対する補正量を予め設定しておけばよい。または、あらかじめ環境温度変化による信号変化データを取り温度補正テーブルを作成するなどして演算処理部にて補正してもよい。このようにすれば、より精度の高い角度センシングが実現できる。

以上、本発明者によってなされた発明を実施形態に基づいて具体的に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で変更可能である。
例えば、上記実施形態では、マグネット本体１０の下面周縁部と対向するように磁気センサ６０を配置しているが、マグネット本体１０の周面と対向するように配置してもよい（図６参照）。

また、マグネット本体１０の係合部（係合凸部１１，係合凹部１２）とマグネットホルダ２０の被係合部（突出部２２、切欠部２１）の形状や構造は上記実施形態に示したものに制限されない。
例えば、マグネット部Ｍの内部において両者が係合する、すなわち係合部位が表面に露出しない構造としてもよい。
また、マグネットホルダ２０をインサート成形しない場合の一例として、マグネットホルダ２０にスナップフィット機構（被係合部）を設けることが考えられる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ 回転センサ
１０ マグネット本体
１１ 係合凸部
１２ 係合凹部
２０ マグネットホルダ
２１ 突出部（被係合部）
２２ 切欠部（被係合部）
２３ 係止鍔部（係止部）
２４ 貫通孔
３０ 回転軸
４０ 押え部材
５０ 基板
６０ ホール素子（磁気センサ）
７０ 主動ギア
Ｍ マグネット部

Claims (3)

1. 被測定回転体に連動して回転するマグネット部と、このマグネット部に対して所定間隔だけ離間して設けられた磁気センサと、を備え、前記磁気センサからの出力に基づいて前記被測定回転体の回転角度を検出する回転センサにおいて、
   前記マグネット部は、円盤状のマグネット本体の中空部に、回転軸によって回転可能に軸支される樹脂製のマグネットホルダが係合されることにより構成され、
   前記マグネット本体の内周面には、径方向に対向する少なくとも一対の係合凸部と、この一対の係合凸部を周方向に所定角度回転した位置において対向する少なくとも一対の係合凹部が設けられ、
   前記マグネットホルダには、前記一対の係合凸部及び前記一対の係合凹部のそれぞれに対応する被係合部が設けられているとともに、前記マグネット本体の一方の主面を係止する係止部が設けられ、前記被係合部は前記マグネット本体の他方の主面側に設けられており、
   前記一対の係合凸部及びこれに対応する被係合部は、中心に向かってテーパ状に形成されていることを特徴とする回転センサ。
2. 前記マグネットホルダは、外形が前記マグネット本体の中空部に合致するようにインサート成形により形成されていることを特徴とする請求項１に記載の回転センサ。
3. 前記一対の係合凸部と前記一対の係合凹部は、高さが同じであることを特徴とする請求項２に記載の回転センサ。

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