JP6494097B2 - 回転角度検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、回転角度検出装置に関するものである。

回転軸に取り付けられた磁石の磁束の向きから前記回転軸の角度を磁気的に検出する回転角度検出装置として、例えば、下記特許文献１に記載の回転角度センサーが知られている。
この回転角度センサーは、リング形状の磁石と、磁石を保持する磁石保持ユニットと、を有する。磁石保持ユニットは、Ｄ字形状の差し込み溝を有し、この差し込み溝が、絞り弁軸部材（回転軸）の端部に嵌合する。これにより、磁石が絞り弁軸部材に対して位置決めされる（特許文献１のＦｉｇ．５ｃ参照）。

特表２０００−５０４４２８号公報

しかしながら、上記従来技術には、次のような問題がある。
従来技術では、差し込み溝がＤ字形状であるため、差し込み溝に絞り弁軸部材の端部が圧入されることを想定した場合、圧入による差し込み溝の変形量が半径方向で不均一となる。このため、磁石保持ユニットに保持されるリング形状の磁石の軸心が、絞り弁軸部材の軸心からずれて、回転角度検出の精度が低下する虞がある。

一方で、差し込み溝をＤ字形状にせずに、例えば、磁石の外周の一部を切り落とし、その切り落とし部分を目印にして、絞り弁軸部材に対する周方向の磁石の位置決めを行うことが考えられる。しかしながら、不用意に磁石の一部を切り落とすと、磁石の磁束が歪み、回転角度検出の精度が低下する虞がある。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、回転角度検出の精度の低下を抑制しつつ、回転軸に対する周方向における磁石の位置決めを容易に行える回転角度検出装置の提供を目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明は、回転軸に取り付けられた磁石の磁束の向きから前記回転軸の角度を磁気的に検出する回転角度検出装置であって、前記磁石は、前記回転軸の軸方向と直交する直交方向に一対の磁極を形成するリング形状を有し、前記磁石には、前記一対の磁極の境界線が通る境界領域に、前記直交方向で前記リング形状の軸心を通る中心線に対し非線対称形状となる非線対称部が設けられている、という構成を採用する。

また、本発明においては、前記非線対称部は、前記リング形状の外周に設けられている、という構成を採用する。

また、本発明においては、前記非線対称部は、前記リング形状の軸心に向かって窪む凹形状を有する、という構成を採用する。

また、本発明においては、前記回転軸の端部には、係合突部が設けられ、前記磁石は、前記係合突部が圧入により係合する係合孔部を有する保持部材に保持され、前記係合孔部は、前記境界線及び前記中心線のそれぞれに対し線対称形状である、という構成を採用する。

また、本発明においては、前記磁石は、前記軸方向の一方側において前記回転軸の端部の外径よりも小さい第１の内径を有すると共に、前記軸方向の他方側において前記回転軸の端部の外径よりも大きい第２の内径を有する、という構成を採用する。

本発明においては、回転軸の軸方向と直交する直交方向に一対の磁極を有するリング形状の磁石が、当該一対の磁極の境界線が通る境界領域に非線対称部を有する。この境界領域は、着磁できない領域であり、非線対称形状に変形しても磁束の歪みが生じ難い。このため、回転角度検出の精度の低下を抑制することができる。また、非線対称部を目印にできるため、回転軸に対して誤った方向に磁石を組み付けてしまうことがない。このため、回転軸に対する周方向における磁石の位置決めを容易に行える。
このように、本発明によれば、回転角度検出の精度の低下を抑制しつつ、回転軸に対する周方向における磁石の位置決めを容易に行える回転角度検出装置が得られる。

本発明の実施形態における回転角度検出装置の構成を示す断面図である。 本発明の実施形態における磁石の取り付け構造を示す分解斜視図である。 本発明の実施形態における発磁体を示す平面図である。 本発明の実施形態における発磁体の弁軸への取り付け作業を説明するための図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
図１は、本発明の実施形態における回転角度検出装置１の構成を示す断面図である。
図１に示すように、本実施形態の回転角度検出装置１は、スロットルバルブ１００に設けられている。このスロットルバルブ１００は、図示しないエンジンの吸気ポートに設けられており、そのエンジンの吸気量を調整するものである。

スロットルバルブ１００は、エンジンの吸気ポートに連通する吸気道１０１ａが形成されているスロットルボディ１０１を有する。このスロットルボディ１０１には、吸気道１０１ａを横断するように弁軸１０２（回転軸）が回転自在に支承されている。弁軸１０２には、吸気道１０１ａを開閉するバタフライ型の弁体１０３がネジ止めされている。

弁軸１０２は、軸方向の一方側において、その周面が軸受１０４によって回転自在に支持されている。また、弁軸１０２は、図示しない軸方向の他方側において、その周面が図示しない軸受によって回転自在に支持されている。
弁軸１０２の軸方向の一方側には、回転角度検出装置１が設けられている。また、弁軸１０２の軸方向の他方側は、図示しない電動機に連結されている。

回転角度検出装置１は、電動機によって駆動する弁軸１０２の回転角度を検出するものである。この回転角度検出装置１は、弁軸１０２に取り付けられてそれと共に回転する磁石１０を有する発磁体２と、磁石１０の磁束の向きから弁軸１０２の回転角度を磁気的に検出する磁気センサー３と、を有する。発磁体２は、磁気センサー３に対して相対回転可能に弁軸１０２の端部１０２ａに取り付けられている。

磁気センサー３は、磁電変換素子を有し、基板４に実装されている。磁電変換素子としては、例えばホール効果を用いて磁石１０の磁束を検出するホール素子を採用することができる。基板４は、センサーユニット５に取り付けられており、外部をカバー６で覆われている。スロットルボディ１０１は、センサーユニット５を装着するための装着孔１０５を有する。センサーユニット５は、装着孔１０５に嵌合可能な嵌合部７を有する。

嵌合部７には、有底円筒状の溝部７ａが形成されている。溝部７ａは、径方向において発磁体２と対向する側壁面７ａ１と、軸方向において発磁体２と対向する天面７ａ２（底面）と、を有する。また、センサーユニット５には、嵌合部７の周りにリング形状の溝部８が形成されている。溝部８には、シールリング８ａが配置されており、センサーユニット５とスロットルボディ１０１との間がシールされている。

また、センサーユニット５には、コネクタ９が設けられている。コネクタ９には、外部の図示しない制御装置に磁気センサー３の検出信号を出力するための電極９ａが設けられている。このようなセンサーユニット５及びカバー６は、絶縁性を有する合成樹脂材等から形成されている。

次に、磁石１０の取り付け構造について図２及び図３を参照して詳しく説明する。
図２は、本発明の実施形態における磁石１０の取り付け構造を示す分解斜視図である。図３は、本発明の実施形態における発磁体２を示す平面図である。
図２に示すように、発磁体２は、磁石１０と、保持部材２０と、を有する。磁石１０は、保持部材２０を介して弁軸１０２に取り付けられている。

保持部材２０は、所定厚みを有する平板形状を有し、弁軸１０２の端部１０２ａに締結固定されている。保持部材２０は、その一方の面２０ａ側から挿入されるボルト３０（締結部材）によって、弁軸１０２の端部１０２ａに締結固定されている。
弁軸１０２の端部１０２ａには、ボルト３０の軸部３１が螺入可能なネジ孔１０６が設けられている。ネジ孔１０６は、端部１０２ａの端面１０２ａ１に対して垂直に弁軸１０２の軸方向に形成されている。

また、弁軸１０２の端部１０２ａには、係合突部１０７が設けられている。係合突部１０７は、端面１０２ａ１において、ネジ孔１０６を挟んだ両側から軸方向に突出するように形成されている。係合突部１０７は、保持部材２０に設けられた係合孔部２１に軸方向で係合可能な間隔で配置されている。係合突部１０７は、発磁体２の締結固定の際にボルト３０の両脇で係合孔部２１に係合することで、発磁体２の回り止めと位置決めをするようになっている。

保持部材２０は、ボルト３０の軸部３１が挿通される係合孔部２１を有する。係合孔部２１は、保持部材２０の中心に形成されている。係合孔部２１は、平面視で長穴状に形成されている。この係合孔部２１の短辺方向の幅は、ボルト３０の頭部３２の直径よりも小さくなっており、ボルト３０の挿入によって頭部３２と弁軸１０２との間で保持部材２０を挟み込んで締結固定できるようになっている。係合孔部２１は、係合突部１０７が圧入により係合可能な大きさを有し、発磁体２のガタを防止するようになっている。

保持部材２０は、非磁性の金属材から形成されている。本実施形態の保持部材２０は、例えばＳＵＳ３０４から形成されている。保持部材２０の外縁部２２には、磁石１０が保持されている。保持部材２０の外縁部２２は、磁石１０の内周１０ａに埋設されており、弁軸１０２の軸方向から視て、磁石１０と保持部材２０とが重なる部分が形成されている。本実施形態の保持部材２０の外縁部２２は、平面視で六角形状を有している。

磁石１０は、保持部材２０にモールド成形されている。磁石１０は、合成樹脂製の永久磁石である。この磁石１０は、例えば、フェライト磁石等の焼結磁石を粉砕した磁性粉を、ナイロンやポリエチレンの熱可塑性樹脂等の結合剤（バインダ）に分散させ、これを、保持部材２０をセットした成形金型を用いてリング形状に成形した後、着磁して成るものである。当該着磁により、磁石１０は、図３に示すように、弁軸１０２の軸方向と直交する直交方向に一対の磁極１１Ｎ，１１Ｓ（Ｎ極、Ｓ極）を形成する。

一対の磁極１１Ｎ，１１Ｓの境界線Ｌ１が通る境界領域には、一対の磁極１１Ｎ，１１Ｓが形成される磁界の方向でリング形状の軸心Ｃ１を通る中心線Ｌ２に対し非線対称形状となる非線対称部１３が設けられている。境界線Ｌ１とは、弁軸１０２の軸方向に直交し、且つ、一対の磁極１１Ｎ，１１Ｓを通る直線（中心線Ｌ２）に直交し、磁石１０の軸心Ｃ１を通る線である。また、中心線Ｌ２とは、弁軸１０２の軸方向に直交し、且つ、境界線Ｌ１に直交し、磁石１０の軸心Ｃ１を通る線である。

非線対称部１３は、リング形状の外周１０ｂに設けられている。この非線対称部１３は、リング形状の軸心Ｃ１に向かって窪む凹形状を有する。具体的に、非線対称部１３は、磁石１０の外周１０ｂが真円だった場合の仮想円を基準に設定された軸心Ｃ１に向かって窪み、その溝中央が最も軸心Ｃ１に近くなる平面視円弧形状の溝面を有する。なお、係合孔部２１は、境界線Ｌ１及び中心線Ｌ２のそれぞれに対し線対称形状となっている。

非線対称部１３は、図２に示すように、磁石１０の外周１０ｂに対し一定の深さで直線状に形成されている。磁石１０は、外周１０ｂが弁軸１０２の軸方向に対して傾斜する円錐台形状を有する。このため、非線対称部１３は、弁軸１０２の軸方向に対して傾斜している。具体的に、非線対称部１３は、弁軸１０２の軸方向の他方側、すなわち弁軸１０２に近づくに連れて弁軸１０２の軸心Ｃ２から徐々に離間するように傾斜している。

図４は、本発明の実施形態における発磁体２の弁軸１０２への取り付け作業を説明するための図である。
図４（ａ）に示すように、発磁体２は、専用の取付治具２００を用いて、弁軸１０２に取り付ける。取付治具２００は、磁性体から形成され、磁石１０の磁力により発磁体２を保持する構成となっている。取付治具２００は、磁石１０の内周１０ａの軸方向の一方側に係合する第１係合突部２０１と、磁石１０の非線対称部１３に係合する第２係合突部２０２を有する。

磁石１０に非線対称部１３が設けられたことで、図４（ｂ）に示すように、発磁体２が左右逆向きとなった場合、第２係合突部２０２が磁石１０の外周１０ｂに当たって、磁石１０の内周１０ａに対する第１係合突部２０１の係合を不能にし、磁石１０の左右逆向きの取り付けを防止することができる。
また、第２係合突部２０２は、非線対称部１３の傾斜に応じた傾斜を有する。このため、仮に発磁体２が、上下逆向きとなった場合、第２係合突部２０２と非線対称部１３とを無理に係合させても、取付治具２００に対し、図４（ａ）に示すような正規の姿勢で保持させることを不能にすることができる。

また、図４（ａ）に示すように、磁石１０は、軸方向の一方側において弁軸１０２の端部１０２ａの外径ｂよりも小さい第１の内径ａ１を有すると共に、軸方向の他方側において弁軸１０２の端部１０２ａの外径ｂよりも大きい第２の内径ａ２を有する。この構成によれば、発磁体２を上下逆向きで弁軸１０２の端部１０２ａに取り付けようとしても、磁石１０の一方側の内径は端部１０２ａより小さく、端部１０２ａに当たるため、磁石１０の上下逆向きの取り付けを確実に防止することができる。

続いて、上記構成の回転角度検出装置１の動作について説明する。

図示しない電動機によって弁軸１０２が回転すると、弁軸１０２の端部１０２ａに取り付けられた発磁体２が回転する。発磁体２は、一対の磁極１１Ｎ，１１Ｓが形成されている磁石１０を有する。弁軸１０２と共に発磁体２が回転すると、磁石１０の軸心Ｃ１に対向して配置された磁気センサー３が受ける磁束の向きが変化する。磁気センサー３は、磁電変換素子によって、磁石１０の中央部１１ａ（図３参照）の磁束の向きに応じた検出信号を出力する。この検出信号は、コネクタ９に設けられた電極９ａを介して図示しない制御装置に入力され、スロットルバルブ１００の開閉制御が行われる。

本実施形態では、図３に示すように、弁軸１０２の軸方向と直交する直交方向に一対の磁極１１Ｎ，１１Ｓを有するリング形状の磁石１０が、一対の磁極１１Ｎ，１１Ｓの境界線Ｌ１が通る境界領域に非線対称部１３を有する。この境界線Ｌ１が通る境界領域は、着磁できない領域であり、非線対称形状に変形しても磁束の歪みが生じ難い。このため、非線対称部１３を設けても、回転角度検出の精度に影響することは殆どない。また、非線対称部１３は目印となるため、弁軸１０２に対して誤った方向に磁石１０を組み付けてしまうことを防止できる。このため、弁軸１０２に対する周方向における磁石１０の位置決めを容易に行える。

また、本実施形態においては、非線対称部１３は、リング形状の磁石１０の外周１０ｂに設けられている。この構成によれば、境界線Ｌ１が通る境界領域のうち磁石１０の外周１０ｂでの形状変化は、磁石１０の中央部１１ａの磁束に影響を与えることが少ないため、回転角度検出の精度に影響を与えることを防止することができる。
また、非線対称部１３は、リング形状の磁石１０の軸心Ｃ１に向かって窪む凹形状を有する。この構成によれば、例えば、磁石１０の外周１０ｂを平取りするような構成と比較すると、非線対称部１３を所定の深さで形成した場合、磁石１０の体積の減少量が少なく済むため、磁石１０の中央部１１ａにおける磁束の歪みを好適に防止することができる。

また、本実施形態においては、弁軸１０２の端部１０２ａには、係合突部１０７が設けられ、磁石１０は、係合突部１０７が圧入により係合する係合孔部２１を有する保持部材２０に保持され、係合孔部２１は、境界線Ｌ１及び中心線Ｌ２のそれぞれに対し線対称形状である。この構成によれば、係合孔部２１に係合突部１０７を圧入すると、保持部材２０は変形するが、その変形量は、境界線Ｌ１及び中心線Ｌ２のそれぞれに対して線対称となる。そうすると、磁石１０の変形量も保持部材２０と同様になるため、磁石１０の軸心Ｃ１が弁軸１０２の軸心Ｃ２からずれてしまうことを抑制できる。これにより、磁石１０の中央部１１ａの磁束変化を抑制することが可能となり、回転角度検出の精度を維持することができる。

このように、上述の本実施形態によれば、弁軸１０２に取り付けられた磁石１０の磁束の向きから弁軸１０２の角度を磁気的に検出する回転角度検出装置１であって、磁石１０は、弁軸１０２の軸方向と直交する直交方向に一対の磁極１１Ｎ，１１Ｓを形成するリング形状を有し、磁石１０には、一対の磁極１１Ｎ，１１Ｓの境界線Ｌ１が通る境界領域に、上記直交方向でリング形状の軸心Ｃ１を通る中心線Ｌ２に対し非線対称形状となる非線対称部１３が設けられている、という構成を採用することによって、回転角度検出の精度の低下を抑制しつつ、弁軸１０２に対する周方向における磁石１０の位置決めを容易に行うことができる。

以上、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

例えば、上記実施形態では、本発明に係る回転角度検出装置をスロットルバルブに適用した構成について説明したが、本発明はこの構成に限らず、例えば、ギアードモータ等の回転式アクチュエーター全般に適用することができる。

１…回転角度検出装置、１０…磁石、１１Ｎ，１１Ｓ…一対の磁極、２０…保持部材、２１…係合孔部、１０２…弁軸（回転軸）、１０２ａ…端部、１０７…係合突部、ａ１…第１の内径、ａ２…第２の内径、ｂ…外径、Ｃ１…軸心、Ｃ２…軸心、Ｌ１…境界線、Ｌ２…中心線

Claims (4)

1. 回転軸に取り付けられた磁石の磁束の向きから前記回転軸の角度を磁気的に検出する回転角度検出装置であって、
   前記磁石は、前記回転軸の軸方向と直交する直交方向に一対の磁極を形成するリング形状を有し、
   前記磁石には、前記一対の磁極の境界線が通る境界領域に、前記直交方向で前記リング形状の軸心を通る中心線に対し非線対称形状となる非線対称部が設けられており、
   前記磁石は、前記軸方向の一方側において前記回転軸の端部の外径よりも小さい第１の内径を有すると共に、前記軸方向の他方側において前記回転軸の端部の外径よりも大きい第２の内径を有する、ことを特徴とする回転角度検出装置。
2. 前記非線対称部は、前記リング形状の外周に設けられている、ことを特徴とする請求項１に記載の回転角度検出装置。
3. 前記非線対称部は、前記リング形状の軸心に向かって窪む凹形状を有する、ことを特徴とする請求項２に記載の回転角度検出装置。
4. 前記回転軸の端部には、係合突部が設けられ、
   前記磁石は、前記係合突部が圧入により係合する係合孔部を有する保持部材に保持され、
   前記係合孔部は、前記境界線及び前記中心線のそれぞれに対し線対称形状である、ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の回転角度検出装置。

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