JPH07260412A - 回転位置センサ - Google Patents

回転位置センサ

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JPH07260412A
JPH07260412A JP7045957A JP4595795A JPH07260412A JP H07260412 A JPH07260412 A JP H07260412A JP 7045957 A JP7045957 A JP 7045957A JP 4595795 A JP4595795 A JP 4595795A JP H07260412 A JPH07260412 A JP H07260412A
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magnetic
magnets
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 特殊な幾何学的形状の採用により、従来技術
の問題点及び線形ホール効果位置センサを使用するとき
に障害となる問題点を解決する磁石構造体を提供するこ
と。 【構成】 角度センサは、略「C」字形の断面を有する
極片210に支持された所定の形状の二重磁石構造体2
00を備えている。磁石及び極片は、完全なロータの回
転軸線250の周りで同心状の略円形の線形磁界を形成
する。ホール効果装置510が二つの磁石212、21
4の間の開放部分又は空隙217、218内に挿入さ
れ、また、適正に画成された磁界に露呈される。特別な
磁石材料を使用し、また、回転軸線からホール効果セン
サを十分に超える点まで伸長する磁石の幾何学的形態と
することにより、精密でしかも許容公差の大きい磁気回
路が形成される。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、概ね、位置検知技術、
特に、苛酷で且つ条件の厳しい環境に使用するための堅
牢で且つ精密な回転又は位置角度センサに関する。
【0002】
【従来の技術】位置角度を検出するための各種の技術が
公知である。位置を測定する装置について、光学、電
気、静電気及び磁界のあらゆる型式のものが使用されて
いる。
【0003】これらのエネルギを検出に利用する多数の
公知の装置がある。その公知の装置の幾つかの例として
は、抵抗接触型センサ、誘導結合比率検出器、可変リラ
クタンス装置、静電容量結合比率検出器、ファラディ効
果を利用する光検出器、光作動型比率検出器、無線波指
向性比較器、及び静電比率検出器がある。その他、多過
ぎて枚挙のいとまもない程、多くの公知の検出器があ
る。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】これらの検出方法は、
各々、一又は複数の適用例に対し極めて効果的である
が、その何れも全ての位置検出の適用例における全ての
適用条件を満たすものはない。その短所は、コスト、特
定のエネルギ及び磁界による影響、汚染及び環境に対す
る抵抗性、安定性、堅牢さ、直線性、精度又はその他の
同様のファクタに起因するものである。
【0005】一般に、運輸分野への適用例、特に、自動
車への適用例の場合、条件が極めて厳しい。温度は15
0°C以上まで上がり、塩分及び塵のような道路の汚染
物質がエンジンの環境内に飛び込んでくる。これは、運
転の結果、エンジンが未だ極めて高温な状態にあるとき
に生じる。また、これと全く反対に、厳寒な気象状況の
とき、故障せずに、また、特殊な予熱を必要とせずにエ
ンジンが作動することが期待される。
【0006】現在のスロットル型位置検出センサは、滑
り接点構造体と組み合わせた抵抗型センサを使用して製
造されている。この滑り接点は、抵抗器の要素を「探知
し」、その位置に比例した電圧を発生させる。この抵抗
型センサは、今日までの何れのその他の技術も及ばない
程、スロットル位置検出の適用例にて最大のコスト効果
を発揮するものである。しかしながら、これらの抵抗型
スロットルの位置センサには、問題がない訳ではない。
【0007】自動車の位置センサは、業界で震動(di
thers)と称される数百万回又は数十億回の小震動
動作に耐えなければならない。これらの震動は、機械的
動作及び振動が位置センサに伝達される結果である。更
に、スロットル型位置センサの寿命中、百万回、又はそ
れ以上の全ストロークに亙るサイクル動作が行われる。
抵抗型センサにおいて、これらの動作が信号の質に影響
を与える可能性がある。
【0008】こうした短所にも拘わらず、スロットル型
位置センサは、抵抗型センサである。接点要素のインタ
ーフェースを改良しようとする長年に亙る試みは、こう
した装置の性能を著しく向上させている。取り付け及び
製造時における同様の改良の結果、コスト的に有利な特
徴が維持されている。交換用の構成要素は、同様のコス
ト上の利点を提供する一方で、スロットル型位置センサ
の性能基準を満足させなければならない。
【0009】自動車のセンサが極端な温度及び汚染との
組み合わせに露呈されるため、当業者は、極めて堅牢で
且つ耐久性のある構成要素を開発することが必要となっ
た。一つの特別なセンサ群、特に、磁石エネルギを利用
するセンサが、こうした条件の厳しい適用例で急速に採
用されつつある。これは、磁石装置が汚染物質の影響を
受け難いことと、構成要素が耐久性を有するためであ
る。
【0010】アンチ・ロック・ブレーキを掛けたり、及
び点火タイミングを設定するために、トーン(ton
e)車輪に磁石検出技術を適用することは、比較的容易
なことである。トーン車輪によって提供されるインパル
ス波は、全ての状況を通じて極めて簡単な電子回路によ
り容易に検出される。
【0011】磁石位置センサは、特に、ホール効果IC
検出器を使用するものも研究されている。業界の多数の
者は、これらのセンサは、最終的に、現在の抵抗型セン
サの技術に優る利点を提供するであろうと考えている。
しかしながら、本発明以前に、低コスト、信頼性及び精
密な出力を必要程度に組み合わせたものを実現し得るセ
ンサは開発されていない。
【0012】磁気回路は、通常の水分及び塵汚染物質に
露呈されたとき、優れた性能を示す。しかしながら、直
線性及び許容公差が厳しいという別問題がある。センサ
は、半径方向及び軸方向双方への力を受け、これらの力
は、静止部分(ステータ)に関するセンサのロータ部分
の整合状態を変化させる。装置には、少なくとも一つの
軸受が設けられており、この軸受は、一定量の遊び又は
動きを持っている。この遊びの結果、ロータがステータ
に関して動く。
【0013】具合の悪いことに、従来技術の磁気回路
は、ロータとステータとの物理的動きによる影響を極め
て受け易い。上述のように、この動作は、回転軸線に対
し平行な軸方向に生じ、又は回転軸線に対して垂直な半
径方向に生じ、或いはその双方を組み合わせた方向に生
じる。
【0014】典型的な磁気回路は、一つの磁石、又は磁
石の組み合わせ体を使用して、空隙に磁界を発生させ
る。次に、ホール効果装置、又は磁気抵抗性材料又はそ
の他の何らかの磁界センサである磁界センサをその空隙
中に挿入する。このセンサは、空隙の断面部分内の中央
で整合される。磁力線は、空隙内の何れでも拘束され
ず、空隙の中央にて最大の密度で且つ一定の強さとなる
傾向となる。空隙の周りの磁界を遮断するものから、空
隙の寸法を変化させるものまで、センサによって監視さ
れる磁界の強さを変化させる各種の手段を設けることが
出来る。
【0015】センサの周りの磁界を変化させる配置及び
方法にも拘わらず、磁気回路には、従来から解決されて
いない幾つかの問題点がある。ロータとステータとの間
の軸方向及び半径方向への遊びの結果として、センサが
空隙に関して動く結果、センサで測定される磁界の強さ
が変化する。この効果は、単一の軸線の周りではセンサ
感度を持つが、垂直な磁界に対してはセンサ感度を持た
ない、ホール効果、磁力抵抗型及びその他の同様のセン
サの場合、特に顕著となる。
【0016】磁力線が拡大して空隙から飛び出す周知の
現象は、この効果を良く示し、この場合、ホール効果セ
ンサは、空隙内に正確に配置されなかったならば、空隙
に対して正確に平行な磁界強さのベクトル成分を測定す
る。この空隙の中央にて、このベクトル成分は、全磁界
の強さに等しい。そのベクトルの合計が、その箇所にお
ける実際の磁界強さである場合であっても、この磁力線
に対して垂直なベクトル成分は、センサによって無視さ
れる。センサが空隙の中央から動くと、磁界は拡がり、
又は膨張し始め、その結果、大きいベクトル成分が空隙
に対して垂直になる。かかるベクトル成分は、センサに
よって検出されないため、センサの測定値は、十分でな
くなる。
【0017】位置及び磁界の強さに関する問題点に加
え、もう一つの問題点も指摘しなければならない。運輸
業界における価値ある位置センサは、温度変化にも拘わ
らず、精密なセンサである。有益な出力を得るために
は、磁石は最初に完全に飽和させる必要がある。飽和し
なかったならば、所定の性能が得られない。しかしなが
ら、完全な飽和状態で作動する結果、当該業界で回復不
能な損失(不可逆的損失)と称される新たな問題が生じ
る。温度の循環、特に、高温への循環は、磁力出力を恒
久的に低下させる。
【0018】また、磁石は、酸化及びその他の形態の腐
食を含むその他の材料と同様の老化過程を経る。これ
は、一般に構造体的損失と称される。精密な出力を提供
する信頼性の高い装置とするためには、この構造体的損
失及び回復不能な損失を理解し且つ対処しなければなら
ない。
【0019】磁気回路の設計におけるもう一つの重要な
配慮事項は、回路がその周囲の強磁性物体による影響を
受け易いことである。運輸業に適用する場合、センサに
極く近接した位置に多量の鉄又は綱があることが多い。
センサは、この外部影響力に応答してはならない。
【0020】従来技術は、例えば、トムチャック(To
mczak)等の米国特許第4,570,118号に記
載されている。この米国特許において、ホール効果のス
ロットル型位置センサの磁気回路を形成するための多数
の異なる実施例が示してある。このトムチャック等の米
国特許には、平坦、円弧状で僅かに偏心され、或いは、
第二及び第三の実施例において、所定の形状の極片を有
する矩形の何れかとした焼結サマリウム・コバルト磁石
を使用する技術が開示されている。この最後の実施例
は、本発明に最も類似し、長さの異なる空隙の全体に逆
極性の所定の形状の磁石が二つ設けられている。
【0021】このトムチャック等の米国特許には、プラ
スチック成形担体により形成された空隙を利用して行わ
れると考えられるものの、磁石を互いに磁気的に結合す
る方法について、何ら説明されていない。更に、この磁
気材料を成形する方法、及び回復不能な損失並びに構造
体的損失を防止する方法について何も記載されていな
い。焼結サマリウムコバルトは、所定の精度で成形する
ことは困難であり、また、この材料は、典型的に焼結後
に研磨される。この研磨工程は、困難でコストが掛かり
且つ不正確である。装置は、所定の温度、及び多分、完
全に飽和した所定の磁気飽和レベルにて直線型であり且
つ精密であると考えられる。しかしながら、かかる装置
は、直線的に且つ精密な方法で機能することは出来ず、
また、製造工程、温度循環及び輸送環境で生ずる振動の
ため、信頼性に欠ける。
【0022】更に、このトムチャック等の設計で形成さ
れた装置は、隣接する強磁性物体による影響を極めて受
け易い。隣接する強磁性材料がエンジン毎に異なる結
果、磁界が歪み、直線性及び精度に悪影響がある。開放
した磁気回路は、外部の物体による影響を受け易い性質
に悪影響を及ぼすのみならず、一般に電磁妨害(EMI
又はEMC)と称される放射エネルギによる影響を受け
易い性質にも悪影響が及ぶ。
【0023】トムチャック等の特許における実施例は、
軸受の遊びによる影響を極めて受け易い。開放した磁気
回路と半径方向に狭小な永久磁石の構造体を組み合わせ
る結果、軸受装置における動きに対する許容公差が零と
なる。磁界が平行で且つ誘導磁石が均一である空隙内の
領域が極めて狭いため、この動作は変換されて、変化す
る磁界となる。
【0024】ラタジェスキー(Ratajski)等の
米国特許第3,112,464号にブラシレス・ホール
効果電位差計の幾つかが示してある。第一の実施例にお
いて、上述のトムチャック等の特許の最後の実施例と同
様に、磁気構造体とケーシングとの間の空隙を変化させ
る、半径方向に磁化された所定の形状の構造体が開示さ
れている。しかしながら、ロータ上に支持された磁石を
半径方向又は軸方向に動かすための手段は何も設けられ
ていない。更に、大形の磁気構造体は、製造が難しく、
また、比較的高価となる。
【0025】ウー(Wu)の米国特許第5,159,2
68号には、ラタジェスキー等と同様の所定の形状の磁
石構造体が記載されている。該明細書に記載された構造
体は、ラタジェスキー等の開示内容と同一の欠点があ
る。更に、このウーの特許の装置は、外部の磁性物体か
らの保護手段は開示されていない。
【0026】アルフォーズ(Alfors)等の米国特
許第5,164,668号には、半径方向及び軸方向へ
の遊びによる影響を受ける程度が小さいセンサが記載さ
れている。この開示された装置は、精度及び直線性を実
現するためには、一定形状の大形の磁石を必要とする。
この磁石構造体の寸法のため、軸受系に更なる要求が課
される。この明細書には、磁石材料、回復不能な損失及
び構造体的損失を補正する方法、又は外部の強磁性物体
から遮へいする方法は、何ら記載されていない。大形の
磁石、軸受系の改良及び更なる遮へい効果を組み合わせ
るため、より高価な構造となる。
【0027】本発明は、特殊な幾何学的形状の磁石構造
体を使用することによって、従来技術の上述の問題点及
び線形ホール効果位置センサを使用するときに障害とな
る問題点を解決するものである。
【0028】
【課題を解決するための手段】この磁石構造体は、回転
軸線より略半径方向に極片を超えて伸長する表面磁石を
備えている。これらの極片は、磁石で閉磁性回路を形成
する。
【0029】
【実施例】カバーを取り外した図1の平面図及び図2の
断面図に、本発明の好適な実施例が示してある。これら
の図面にて、ロータリーセンサは、概ね参照符号100
で示してある。該センサは、円弧状の外周を有し、略
「C」字形の断面を有する磁石構造体200を備えてい
る。磁石構造体200は、透磁性極片210と、所定の
形状の磁石212、214と、成形ロータカップ220
とを備えている。
【0030】極片210は、空隙が磁石と境を接するよ
うに、磁石212、214に接合されている。この二つ
の磁石を使用することは、一つの磁石しか使用しない場
合に生ずる、空隙を介する損失を著しく軽減する。極片
210により形成された閉磁気回路は、軸受の遊びによ
る影響を少なくし且つ外部の強磁性物体による影響を少
なくすることでその性能を向上させる。この開示の目的
上、永久磁石の外部の磁束を高透磁性材料で抑制する場
合に、閉磁気回路が形成される。空気は、低透磁性材料
であると考えられる。極片210は、必要とされる磁石
212、214の寸法を更に小さくし、該極片210
は、成形金属、即ち焼結金属で製造することが出来る。
極片210は、ANSI430ステンレス鋼のようなシ
ート状の鋼で形成することがより望ましい。
【0031】所定の形状の磁石212、214は、接合
フェライトのような磁気材料を成形して形成することが
望ましい。接合フェライトは、顕著なコスト上の利点が
あり、また、腐食及びその他の環境的劣化に起因する構
造体的損失の点でその他の同様の磁性材料に優る顕著な
利点がある。当業者に理解され得るように、その他の磁
性材料も採用可能である。
【0032】磁石212、214は、極片210の外径
から回転軸線250に極く接近し、又は設計が許容する
ならば、該回転軸線と一直線となる点まで伸長する必要
がある。このように磁石212、214が半径方向に著
しく伸長する結果、磁石構造体200の半径方向への動
きによる作用が著しく軽減される。
【0033】更に、図2に最も良く示すように、磁石2
12、214には、張出し構造体474、472が形成
されている。これらの張出し部分は、極片210を超え
て且つ極片210の一部に沿って伸長する。これらの張
出し構造体472、474が、磁界212、214間の
空隙を通る線形磁界線の領域をより大きくすることによ
り、ホール効果装置510の「スイートゾーン」(sw
eet zone)を拡げる働きをする。この線形磁界
線の領域が大きい結果、半径方向及び軸方向双方の遊び
に対する許容公差が大きくなる。
【0034】成形ロータカップ220は、例えば、スロ
ットル本体から伸長し、スロットルバタフライを支持す
るシャフトに係合し得るようにした面を備えている。次
に、成形ロータカップ220は、図1の断面図に符号2
50で示した軸線の周りを回転し、これに伴い、磁石構
造体200の他の部分を支持する。成形ロータカップ2
20は、ハウジング300、シール350、ヘリカルば
ね360及びカバー310により保持されている。
【0035】カバー310は、ハウジング300に係合
し、例えば、超音波溶接により所定の位置で溶接するこ
とが出来る。カバー310は、リブ312を形成するこ
とにより、反ったり、曲がらないように補強されてい
る。
【0036】磁石212、214により形成された空隙
内には、ホール効果装置510を支持するハイブリッド
回路基板500が設けられている。ホール効果装置51
0は、磁石212、214の外径と軸線250に近い内
径との間のどこかに配置されるが、上述の磁界の拡がり
作用を回避し得るように、その何れかに特に接近しない
ように配置する必要がある。
【0037】ハイブリッド基板500は、加熱し又は同
様の方法でハウジング300に取り付けることが出来
る。ハウジング基板500は、トレー520内の電気回
路を更に支持している。このトレー520は、容器とし
て機能し、適当なポッティング剤をこの容器に入れ、関
係する回路に対して環境からの必要なあらゆる保護を講
ずることが出来る。トレー520は、放射される磁界
(EMI及びEMC)から保護し得るよう電気的に接地
する必要がある。
【0038】ハイブリッド基板500は、線接合部53
0を通じて電気端子410に電気的に相互に接続される
が、多数の任意の電気的な相互接続技術が採用可能であ
ることが十分に理解される。電気コネクタ端子410
は、コネクタ本体400にてハウジング300から外に
出て、標準的なかみ合いコネクタに相互に接続される。
【0039】磁石構造体200は、ハウジング300に
関して略中心軸線250を中心として回転し、これによ
り、磁石212、214を極片210と共に回転させ
る。ホール効果装置510は、ハウジング300に関し
て保持されている。図3に最も良く示すように、磁石2
12、214は、比較的厚い端部及び比較的薄い端部を
有するように略ら旋形の形状をしている。磁石212、
214の双方に対する磁石構造体200の回転角度が等
しい厚い端部211、215には、より小さい空隙21
7がある。より薄い端部213、216には、それに対
応する、より大きい空隙218がある。その結果、空隙
218における磁気誘導の発生が少なく、空隙217に
おける磁気誘導がより大きくなる。
【0040】極片210が軸線250の周りで回転する
結果、ホール効果装置510により直接、測定される誘
導磁界が変化することになる。空隙の形状を適正にする
ことにより、ホール効果装置510から直線的出力が発
生される。しかしながら、かかる装置は、更に設計上の
配慮を為さなかったならば、寿命期間中に、直線的に機
能せず、また、精度や軸受の遊びに対する抵抗力が得ら
れない。
【0041】回復不能な損失が生じないように磁石を安
定化させるためには、第一に、磁石212、214を飽
和させ、次に、これらの磁石を僅かな程度、減磁させる
必要がある。磁石構造体200は、特別な配慮を講じな
かったならば、その磁石端部211、215から磁石端
部213、216まで均一に減磁されない。本出願の基
礎である出願と同時に出願され且つその内容を引用して
本明細書の一部に加えた、係属中の特許出願に記載され
た適当な減磁を行わなかった場合、その結果生じる装置
は、温度のエクスカーション(温度の急激な上昇)の結
果、その精度が失われるか、又は、安定化させるための
減磁によりその直線性が失われる。
【0042】図4、図5及び図6には、明確にするた
め、ロータカップ220を除去した磁石構造体200の
別の実施例が示してある。この図において、磁石構造体
450は、透磁性極片460と、二つの所定の形状の磁
石464、466とを備えている。これらの磁石46
4、466は、好適な実施例における張出し部分が無
い。その他の点では、この磁石構造体は、「スイートゾ
ーン」(sweet zone)が僅かに少ないが、同
等の機能を発揮し得るように設計されている。これらの
磁石464、466は、回転と共に、磁気誘導が変化す
るようにテーパーが付けられている。
【0043】図7、図8には、強磁性板814がカバー
810に成形された状態のカバー310の代替例が示し
てある。カバー810は、リブ312と同様の強化リブ
812を備えている。強磁性板を使用することで、格別
な精度を必要とする適用例の場合、位置センサ100が
外部の強磁性体による影響を受ける程度が更に小さくな
る。EMC及びEMIを考慮するならば、板814は研
磨する必要がある。
【0044】本明細書に好適な実施例として記載した角
度、又は回転位置の測定装置は、重量が最小であり、ま
た、磁石構成要素に要求される条件が少ないため、低コ
ストの構造体である。更に、従来実現し得なかったよう
な多数の機能上の利点が得られ、これには、軸受の遊び
による影響を受ける程度が小さいこと、汚染及び環境に
対する抵抗性があること、外部に存在する磁界、エネル
ギ及び物体による影響が少なくいこと、全ストローク動
作及び震動双方に対する耐久性、精度、直線性、簡略化
及び低コスト等がある。
【0045】上記の説明は、本発明の好適な実施例と考
えられるものに関するものであるが、特許請求の範囲に
記載した本発明の範囲を何ら実質的に制限することを意
図するものではない。更に、当業者に明らかであろう特
徴及び設計上の代替策は、本発明に含まれると考えられ
る。本発明の範囲は、特許請求の範囲に記述し且つ特に
記載されている。
【図面の簡単な説明】
【図1】明確にするためカバーを取り除いた、本発明の
好適な実施例の平面図である。
【図2】図1の好適な実施例を示す、図1の線2′に沿
った断面図である。
【図3】磁石及びホール効果装置構造体の概略図であ
る。
【図4】別の代替例による磁石構造体の斜視図である。
【図5】図4の実施例の端面図である。
【図6】図4の実施例の平面図である。
【図7】別の代替例によるカバーの平面図である。
【図8】図7のカバーの断面図である。
【符号の説明】 100 回転位置センサ 200 磁石構造体 210 透磁性極片 211、215 端
部 212、214 磁石 213、216 端
部 217 空隙 218 空隙 220 ロータカップ 250 回転軸線 300 ハウジング 310 カバー 312 リブ 350 シール 360 ヘリカルばね 400 コネクタ本
体 410 電気端子 472、474 張
出し構造体 500 ハイブリッド回路基板 510 ホール効果
装置 520 トレー 530 線接合部
フロントページの続き (72)発明者 ロバート・ジェイ・キャンベル アメリカ合衆国インディアナ州46530,グ ランガー,イーグル・チェイス・ドライブ 52158 (72)発明者 ジェームズ・イー・ホワイト アメリカ合衆国インディアナ州46580,ウ ォーソー,サンフィッシュ・ドライブ 1721 (72)発明者 スコット・エル・スペンス アメリカ合衆国インディアナ州46514,エ ルクハート,シェリ・レーン 22977

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 回転位置センサにして、 該センサの第一の部分をアンカー手段に関して動かない
    よう定着するアンカー手段と、 該アンカー手段に関する動きを前記位置センサに対する
    回転入力手段に結合する手段と、 回転磁気回路であって、回転軸線の周りを回転し、第一
    の磁石手段及び第二の磁石手段を備え、該第一及び第二
    の磁石手段が空隙に対向するようにした回転磁気回路
    と、 前記回路軸線に対して平行な磁界成分を検出する手段で
    あって、前記空隙内に配置され、前記平行な磁界成分が
    前記センサの前記第一の部分に関する前記回転磁気回路
    の相対的な位置を表示し得るようにした、検出手段とを
    備え、 前記第一及び第二の磁石手段が、前記磁界検出手段が前
    記回転軸線から半径方向に伸長する距離よりも長く、前
    記回転軸線から前記回転軸線の周りの半径まで伸長する
    ようにしたことを特徴とする回転位置センサ。
  2. 【請求項2】 請求項1に記載の回転位置センサにし
    て、前記第一の磁石手段が成形した磁石材料から成るこ
    とを特徴とする回転位置センサ。
  3. 【請求項3】 請求項1に記載の回転位置センサにし
    て、前記第一の磁石手段が、接合したフェライトから成
    ることを特徴とする回転位置センサ。
  4. 【請求項4】 請求項3に記載の回転位置センサにし
    て、前記第一の磁石手段が、前記磁束を伝達する極片手
    段上に成形されることを特徴とする回転位置センサ。
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