KR100424375B1 - 비접촉식 회전 위치 센서 및 비접촉식 회전 위치 센서를갖는 스로틀 밸브 조립체 - Google Patents

비접촉식 회전 위치 센서 및 비접촉식 회전 위치 센서를갖는 스로틀 밸브 조립체 Download PDF

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가부시끼가이샤 히다찌 카 엔지니어링
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Abstract

본 발명은 회전 이동하는 물체의 회전 위치를 비접촉으로 감지하는 수단을 제공하는 것이다.
축 방향에 자화된 링형상의 영구 자석을 상하로부터 각각 2개의 자성판에 의해 끼워넣고, 상하의 자성판 사이에서 자성판의 양단부에 상하 2개씩 돌기형상의 자성체를 설치하고, 각각 상하 2개의 돌기형상의 자성체 사이의 에어 갭에 자기 감응 소자를 삽입한다. 이에 의해, 링형상의 영구 자석으로부터의 자속은 대체로 돌기형상의 자성체로 좁혀져서, 자기 감응 소자를 통과한다. 이 자속량은 링형상의 영구 자석의 회전 각도에 거의 비례하고, 자기 감응 소자에 의해 검출되는 신호 출력으로부터 링형상의 영구 자석의 회전 위치, 따라서 링형상의 영구 자석을 지지하는 회전 샤프트의 회전 위치를 비접촉으로 감지할 수 있다.
자속을 자기 감응 소자의 장착부에 효과적으로 집중시킬 수 있기 때문에, 감도가 높은 고정밀도의 비접촉식 회전 위치 센서를 얻을 수 있다.

Description

비접촉식 회전 위치 센서 및 비접촉식 회전 위치 센서를 갖는 스로틀 밸브 조립체{NON-CONTACT ROTATIONAL POSITION SENSOR AND THROTTLE VALVE ASSEMBLY INCLUDING NON-CONTACT ROTATIONAL POSITION SENSOR}
본 발명은 예컨대 내연기관의 스로틀 밸브의 회전축의 회전 각도를 검출하는 회전 위치 센서에 관한 것으로, 특히 비접촉식 회전 위치 센서에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 그와 같은 비접촉식 회전 위치 센서를 구비한 스로틀 밸브 조립체에 관한 것이다.
종래의 이러한 종류의 회전 위치 센서로서는 일본국 특허 제2842482호, 일본국 특허 제2920179호, 미국 특허 제5528139호, 미국 특허 제5789917호 및 미국 특허 제6137288호에 기재된 것이 알려져 있다.
이들 종래 기술에 있어서는, 영구 자석측을 회전자라고 하면, 고정자내의 원주방향의 자속 밀도가 회전자의 회전방향에 대하여 선형적으로 분포되어 있는 것에 착안한 것이고, 고정자내의 자기장 분포가 자석이 장착된 회전자의 회전 위치로 되도록 영향을 미치지 않도록 하기 위해서, 회전자와 고정자와의 대향면의 형상에 관해서는 회전방향에 대하여 수직인 방향의 길이가 균일하게 되도록 구성되어 있다.
이와 같이 회전자와 고정자의 대향면의 형상이 제약을 받기 때문에, 센서를 설치하는 대상 기기에 적합한 설계하는 데에 있어서, 설계 자유도가 낮아지는 문제가 있었다.
본 발명의 목적은 고정자측과 회전자측에 있어서의 자로의 대향면의 형상에 있어서, 회전자의 회전방향에 대하여 수직인 방향의 길이가 균일하지 않더라도 충분한 성능을 얻을 수 있는 비접촉식 회전 위치 센서를 얻는 것에 있다.
상기 목적을 달성하기 위해서 본 발명에 있어서는 회전자를 형성하는 환상 또는 반환상(半環狀)의 영구 자석을 사이에 끼운 상태로 예컨대 한 쌍의 자성판에 의해서 고정자측 자로의 일부를 형성하고, 이 고정자측 자로를 통과하여 형성된 폐자로의 중간에 자속을 집중시키는 스로틀부로서의 자속 수속부를 형성하여, 해당 자속 스로틀부(수속부)에 자기 감응 소자를 배치한다.
또한 다른 발명에서는 환상 또는 반환상의 영구 자석을 스로틀 밸브의 회전축의 단부에 장착하고, 본체에 장착되는 수지 커버에 이 자석을 사이에 끼운 상태로 자기 통로를 형성하는 자성체 조립체를 장착하며, 이 자성체 조립체에는 자속 수속부를 형성하여 그 자속 수속부에 자기 감응 소자를 설치한다.
구체적으로는 환상 또는 반환상의 영구 자석은 회전축에 탈착 가능하게 장착되고, 자성체 조립체의 한쪽에는 회전축의 직경보다 크고 자석의 내경보다 작은 구멍이 중앙에 형성되어 있다.
도1은 본 발명의 제1 실시예의 외관을 도시하는 도면.
도2는 본 발명의 제1 실시예의 내부 구조를 도시하는 도면.
도3은 본 발명의 제1 실시예의 구성 부품인 링형상의 영구 자석의 자화 분포를 도시하는 도면.
도4는 본 발명의 제1 실시예에 있어서의 자속 밀도 벡터 분포를 도시하는 도면.
도5a는 본 발명의 제1 실시예에 있어서의 비접촉 회전 위치 센서의 동작 원리를 설명하는 도면이고, 도5b는 도5a의 선Y-Y를 따라 취한 개념도.
도6은 본 발명의 제2 실시예의 외관을 도시하는 도면.
도7은 본 발명의 제2 실시예의 내부 구조를 도시하는 도면.
도8은 본 발명의 제2 실시예의 구성 부품인 링형상의 영구 자석의 자화 분포를 도시하는 도면.
도9는 본 발명의 제2 실시예에 있어서의 자속 밀도 벡터 분포를 도시하는 도면.
도10은 본 발명의 제3 실시예의 외관을 도시하는 도면.
도11은 본 발명의 제4 실시예의 외관을 도시하는 도면.
도12는 본 발명의 제5 실시예의 내부 구조를 도시하는 도면.
도13은 본 발명의 제6 실시예의 내부 구조를 도시하는 도면.
도14는 본 발명의 제7 실시예의 내부 구조를 도시하는 도면.
도15는 본 발명의 제8 실시예에 이용되는 자성판의 가공전의 형상을 도시하는 도면.
도16은 본 발명의 제8 실시예의 내부 구조를 도시하는 도면.
도17은 본 발명의 제9 실시예의 내부 구조를 도시하는 도면.
도18은 본 발명의 제10 실시예의 내부 구조를 도시하는 도면.
도19는 도20의 선 X-X를 따라 취한 개념도(치수형상, 위치관계는 반드시 일치하지 않지만 기능적으로는 동일 부재를 구비함).
도20은 본 발명의 비접촉식 회전 위치 센서를 장착한 스로틀 밸브 조립체의 일 실시예를 나타내는 분해 사시도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10, 10a : 영구 자석
11, 12, 13, 14, 30, 31, 50, 51 : 자성판
15 : 샤프트
16, 17, 18, 19 : 돌기형상의 자성체
21, 22 : 홀 소자 31a, 31c : 자성판 부위
31b : 자성판 부위(31a)가 링형상의 영구 자석(10)에 직접 대향하는 면
35 : 자성 요크 40 : 수납 커버
41 : 대상 장치의 수납 커버 42 : 회전축 관통용 구멍
45 : 실드 커버 50a, 51a : 돌기 부위
100, 200, 300, 400, 500, 600, 700, 800, 900, 1000 : 비접촉식 회전 위치 센서
도1 내지 도4를 이용하여 본 발명의 제1 실시예를 설명한다.
도1은 본 실시예의 외관을 도시하고, 도2는 그 내부 구조를 알 수 있도록 도시한 도면이다. 도1 및 도2에 도시하는 바와 같이, 본 실시예에서는 링형상(환상)의 영구 자석(10) 및 링형상의 영구 자석(10)을 지지하는 샤프트(회전축; 15)에 의해 회전자를 형성하고, 링형상의 영구 자석(10)을 자성판(자성체 조립체; 11, 12, 13, 14)에 의해 상하로 끼워넣는다.
상측의 자성판(11, 12)은 서로 수평 방향으로 떨어져서 배치된다. 그 결과 양 자성판(11, 12) 사이에 에어 갭(a1, a2, b1, b2)이 형성된다. 이것은 하측의 자성판(13, 14)에 대해서도 마찬가지이다.
자성판(11, 12, 13, 14)에는 각각 자속 스로틀부(자속 수속부)를 형성하는 돌기형상의 자성체(16, 17, 18, 19)가 배치되고, 돌기형상의 자성체(16, 17) 사이에 홀 소자(자기 감응 소자; 21)를 배치하고, 또한 돌기형상의 자성체(18, 19) 사이에 홀 소자(자기 감응 소자; 22)를 배치한다.
자속 스로틀부(자속 수속부)를 형성하는 돌기형상의 자성체(16, 17, 18, 19)는 에어 갭(a1, a2, b1, b2)을 사이에 끼운 상태로 서로 대상인 위치에서, 그리고 자석(10)의 외주 부위에 형성된다. 이 자속 스로틀부(자속 수속부)를 형성하는 돌기형상의 자성체(16, 17, 18, 19)는 자성판(11, 12, 13, 14)과 일체로 형성했지만, 개별 부품으로 형성해 두고 나중에 접착 또는 용접에 의해서 장착할 수 있다.
본 실시예의 정면도가 도5b에 도시되어 있다.
자성판(11, 13 및 12, 14)은 균일한 갭(G1)을 갖고 대면 배치되어 있다.
자성판(11, 12)과 자석(10)의 상면 사이에는 균일한 소갭(g1)이 형성되어 있고, 또한 자성판(13, 14)과 자석(10)의 하면 사이에는 균일한 소갭(g2)이 형성되어 있다.
그 결과 갭(G1)은 자석의 두께(t1)에 소갭(g1, g2)을 부가한 크기로 된다.
또한, 돌기형상의 자성체부(16, 17 및 18, 19) 사이의 갭은 자석(10)의 두께(t1)보다 작다.
자성판(13, 14)의 중심에 형성된 샤프트(15)의 삽입 구멍(51)의 직경(d)은 자석(10)의 내경(D)과 동일하거나 작게 설정되어 있다.
이 삽입 구멍(51)의 직경(d)은 최소 자석의 외경(D0)보다 작을 것이 요구되지만 어느 정도 작게 하는가는 자로의 조건에 의해 결정된다.
또한, 자성판(11, 12)의 중앙의 구멍(52) 및 소갭(a1, a2, b1, b2)은 없어도 무방하다. 이 실시예는 후술한다.
이 자성판(11, 12 및 13, 14)의 중앙의 구멍의 직경(d, d0)은 회전 샤프트(15)를 자로의 일부로서 이용하는지의 여부에 의해서 결정된다. 이 회전 샤프트(15)가 비자성체인 경우에는 자성판의 중앙의 구멍(51, 52)의 직경(d, d0)을 자석(10)의 내경(D)보다 작게 하는 것에 특별한 성능의 변화는 보이지 않지만, 회전 샤프트(15)가 자성체인 경우에는 자기 감응 소자(21, 22)의 장착부의 자속이 회전 샤프트(15)를 통과하여 누설되는 자속의 영향을 받기 때문에, 이것을 고려하여 자성판(11, 12 및 13, 14)의 중앙의 구멍(51, 52)의 직경(d, d0)이 결정된다.
회전 샤프트(15)를 통과하는 자속을 적극적으로 이용하는 경우에는 자성판(11, 12 및 13, 14)의 중앙의 구멍(51, 52)의 직경(d, d0)은 작게 설정된다. 반대로 회전 샤프트(1, 15)를 통과하는 자속의 영향을 피하는 경우에는 자성판(11, 12 및 13, 14)의 중앙의 구멍(51, 52)의 직경(d, d0)이 크게 설정된다. 그러나 자석(10)의 외경(D0)보다 구멍의 직경(d, d0)을 크게 하면 자석(10)과 자성판(11, 12 및 13, 14) 사이의 에어 갭이 커져서 기본적 자속량이 감소하기 때문에 자성판(11, 12 및 13, 14)의 중앙의 구멍의 직경(d, d0)의 상한을 자석(10)의 외경(D0)으로 하는 것이 바람직하다.
자성부재(11 내지 14, 16 내지 19, 회전축)의 이러한 형상이나 배치 관계, 각 갭(g1, g2, G1, G 2)의 치수 관계에 의해서 자석에서 발생하는 자속은 자기 감응 소자(21, 22)가 장착된 2개소의 에어 갭(G2)부로 좁혀져서 수속된다.
회전 샤프트(15)를 통과하는 누설 자로는 돌기형상의 자성체부(16, 17 및 18, 19)에 의해 극단적인 자속의 포화가 발생하지 않도록 조정하는 것에 이용된다.
여기서, 홀 소자(21) 또는 홀 소자(22)는 어느 한쪽만으로도 기능하지만, 고장시의 상호의 백업 또는 고장 진단의 체크용으로 2개 배치된다.
여기서, 링형상의 영구 자석(10)은, 도3의 화살표로 도시하는 바와 같이, 대체로 회전축 방향에 장착되어 있다. 링형상의 영구 자석(10)의 자화의 방향은 회전방향 180°의 영역에 있어서 상방향이고, 그 이외의 영역은 하방향이다.
이 때의 자속 밀도 벡터는 개략도4와 같은 분포를 이룬다. 즉, 링형상의 영구 자석(10)에 의한 자기장은 상하의 자성판(11, 12, 13, 14)에 분류(分流)되어,돌기형상의 자성체(16, 17, 18, 19) 및 홀 소자(21, 22)를 통과한다. 홀 소자(21, 22)를 통과하는 자기장의 방향과 강도는 링형상의 영구 자석(10)의 회전 위치에 의해 변화된다.
여기서, 링형상의 영구 자석(10)의 회전 위치와, 홀 소자(21)를 통과하는 자속량과의 관계에 대하여 도5를 이용하여 설명한다. 도5에는 링형상의 영구 자석(10)에 있어서의 자기장의 방향을 나타낸다.
이 회전 위치에 있어서, 영역(a)과 영역(b)은 정확히 동일한 발산각도에 있고, 각각의 영역의 자기장의 방향은 서로 반대방향으로, 영역(a)과 영역(b)으로부터의 자속은 서로 부정한다. 실제로는, 자화 분포의 방향이 반전되는 영역(a)과 영역(c)의 경계 부근은 자화가 약해져 있기 때문에, 엄밀하게는 상쇄하지 않지만, 대체로 서로 부정한다고 보아도 무방하다.
이 때문에, 나머지 영역(c)에 있어서의 자속의 대부분이 돌기형상의 자성체(16, 17)를 통과한다. 이 양은 영역(c)이 차지하는 면적에 비례한다.
또한, 영역(c)이 차지하는 면적은 링형상의 영구 자석(10)의 회전 각도에 비례한다. 따라서, 홀 소자(21)에 의해 검출되는 자속 밀도는 링형상의 영구 자석(10)의 회전 각도에 대체로 비례한다. 이에 의해, 홀 소자(21)에 의해 검출되는 자속 밀도를 감지함으로써, 링형상의 영구 자석(10)의 회전 각도, 즉 샤프트(15)의 회전 각도가 검출될 수 있게 된다.
또, 본 실시예에서는, 도1에 있어서의 자성판(11, 12) 사이의 간격(a1, a2, b1, b2)은 a1=a2=b1=b2로 되어 있지만, 본 발명은 이것에 한정되지 않고, a1>b1,a2>b2로 하여도 무방하다. 또한, 바람직하게는 a1=a2, b1=b2로 하는 것이 좋다. a1>b1, a2>b2로 함으로써, 자성체(11, 12)간의 자기적 커플링이 약해지고, 홀 소자(21)에 의해 검출되는 자속 밀도와, 링형상의 영구 자석(10)의 회전 각도 사이의 직선 관계가 향상된다.
상하의 자성판(11과 13, 12와 14)은 균일한 갭(G1)을 유지하여 대면한다. 상하의 자성판(11과 13, 12와 14)은 영구 자석(10)과의 사이에 균일한 갭[g1(상측 갭), g2(하측 갭)]을 유지하여 영구 자석(10)과 대면한다. 갭(G1)은 영구 자석(10)의 두께(t1)보다 갭(g1+g2)분만큼 크다. 그러나, 돌기형상의 자성체(16, 17 및 18, 19) 사이의 갭(g3, g4)은 영구 자석(10)의 두께보다 작다. 이 구성에 의해서 영구 자석(10)의 자속을 돌기형상의 자성체(16, 17 및 18, 19)에 있어서 수속시킬 수 있다. 이러한 의미에 있어서, 돌기형상의 자성체(16, 17 및 18, 19)는 자기 스로틀부를 형성한다. 즉, 자성체판(11, 13 및 12, 14)사이에 자속이 통과하기 쉬운 부분으로서 돌기형상의 자성체(16, 17 및 18, 19)를 설치하여, 이 부분에 자속을 집중시키는 것이 본 발명의 원리이다.
또한, 본 센서를 저비용으로 생산하는 경우, 각 부위의 장착 정밀도는 ±0.2㎜ 정도인 것을 고려하면, 본 실시예에 있어서, 링형상의 영구 자석(10)과 상하의 자성판(11, 12, 13, 14) 사이의 에어 갭의 폭을 각각 0.5㎜ 이상, 바람직하게는 1㎜ 전후로 하는 것이 장착 오차에 의한 센서의 특성에의 영향을 작게 할 수 있다. 이것은 이하에 나타내는 다른 실시예에 있어서도 공통 사항이다.
자성재는 많든 적든 자기 히스테리시스 특성을 갖고 있고, 일반적으로 0.5T또는 1T를 초과하면, 자기 히스테리시스 효과가 점차로 현저해진다. 회전 위치 센서의 회전 위치 정밀도를 고정밀도로 하기 위해서는, 자기 히스테리시스는 매우 작은 범위에서 사용하는 것이 바람직하다. 따라서, 자성재 내부, 대표적으로는 자성판(11, 12, 13, 14)의 내부의 자속 밀도가 0.5T 이하인 것이 바람직하다. 이것은 이하에 나타내는 다른 실시예에 있어서도 공통 사항이다.
또, 본 실시예에서는 영구 자석은 링형상이지만, 원반형상인 것이어도 마찬가지의 기능을 갖게 할 수 있다.
도6 내지 도9를 이용하여 본 발명의 제2 실시예를 나타낸다. 도6은 본 실시예의 외관을 도시하고, 도7은 그 내부 구조를 알 수 있도록 도시한 도면이다. 도6 및 도7에 도시하는 바와 같이, 본 실시예는 상기 제1 실시예와 거의 구조는 변함없지만, 유일하게 상부의 자성판(30)이 1개로 되어 있는 점이 상이하다. 링형상의 영구 자석(10)으로부터의 자속을 분기하여, 돌기형상의 자성체(16, 17)와 돌기형상의 자성체(18, 19)에 분류하기 위해서는, 상하의 자성판 중 어느 한쪽에 수평 방향 에어 갭이 있으면 된다. 이 예에서는, 하측 자성판(13, 14)에 의해 수평 방향 에어 갭을 형성한다. 도8은 링형상의 영구 자석(10)의 자화 분포를 나타내고, 도9는 자속 밀도 벡터 분포 모양을 나타낸다.
본 실시예에서는, 링형상의 영구 자석(10)의 상부에서 자로가 형성되기 때문에, 돌기형상의 자성체(16, 17)와 돌기형상의 자성체(18, 19)에 분류되는 자속의 양이 감소하지만, 상부의 자성판(30)은 1개이어도 무방하므로, 부품수가 줄고, 제작하기 쉽다고 하는 효과가 있다. 또한, 회전 위치 센서를 하부의 면에서 고정하는 경우, 상부는 외측으로 되지만, 외측으로부터의 자성체의 침입에 의한 센서 출력에의 영향을 경감시킬 수 있다고 하는 효과도 있다.
본 발명의 제3 실시예를 도10에 도시한다. 본 실시예는, 상기 제1 실시예의 구조에 있어서, 자성판(11, 12)에 구멍(31, 32)을 형성한 것이다. 구멍의 형상이나 사이즈에 의해, 자성판(11, 12)의 자로에 있어서의 자기 저항 분포를 조정할 수 있다. 이에 의해, 제1 실시예의 회전 위치 센서보다도, 홀 소자에 의해 검출되는 자속 밀도와 회전 각도 사이의 직선성이 개선된다고 하는 효과를 갖는다. 또한, 자성판(13, 14)에도 동일한 구멍을 뚫어, 이 직선성을 더욱 개선할 수도 있다. 또, 여기서는 각 자성판에 1개의 구멍을 형성한 경우를 도시하였지만, 본 발명은 이것에 한정되지 않고, 2개 또는 복수개의 구멍을 이용하여도 무방하다. 이하에 있어서도 마찬가지이다.
본 발명의 제4 실시예를 도11에 나타낸다. 본 실시예는 제2 실시예의 구조에 있어서, 자성판(30)에 구멍(31, 32)을 형성한 것이다. 본 실시예에서는, 제2 실시예에 대하여 홀 소자에 의해 검출되는 자속 밀도와 회전 각도 사이의 직선성이 개선되는 효과를 갖는다.
본 발명의 제5 실시예를 도12에 나타낸다. 본 실시예는 본 발명의 제1 실시예에 있어서, 도2의 2극에 자화된 링형상의 영구 자석(10)을 1극의 절반인 영구 자석(10a)으로 바꿔놓은 것이다. 영구 자석(10a)은 회전축방향 상방향 또는 하방향에 장착되어 있다. 이 경우, 자성판(11)에 진입하는 자속은 대체로 영구 자석(10a)의 자성판(11)에의 수직 투사 면적에 비례하고, 이 수직 투사 면적은 영구 자석(10a)의 회전 각도에 비례한다. 이 때문에, 홀 소자(21)에 의해 검출되는 자속 밀도는 영구 자석(10a)의 회전 각도에 비례한다. 이에 의해 홀 소자(21)에 의해 검출되는 자속 밀도를 감지함으로써, 링형상의 영구 자석(10a)의 회전 각도, 즉 샤프트(15)의 회전 각도가 검출될 수 있다.
본 발명의 제6 실시예를 도13에 나타낸다. 본 실시예는 본 발명의 제2 실시예에 있어서, 도7의 2극에 자화된 링형상의 영구 자석(10)을 1극의 절반인 영구 자석(10a)으로 바꿔놓은 것이다. 영구 자석(10a)에서 발생한 자속은 자성판(30)에 진입하고, 돌기형상의 자성체(17, 19)쪽에 분류되어 각각 홀 소자(21, 22) 및 돌기형상의 자성체(16, 18)를 통과하여, 자성판(13, 14)에 진입하며, 영구 자석(10a)에 복귀되는 자로를 형성한다. 돌기형상의 자성체(17, 19)에의 자속의 분류비는 영구 자석(10a)의 자성판(13)에의 수직 투사면의 면적과 영구 자석(10a)의 자성판(14)에의 수직 투사면의 비율로 거의 결정된다. 이 때문에, 홀 소자(21)에 의해 검출되는 자속 밀도는 영구 자석(10a)의 회전 각도에 비례한다. 이에 의해, 홀 소자(21)에 의해 검출되는 자속 밀도를 감지함으로써, 링형상의 영구 자석(10a)의 회전 각도, 즉 샤프트(15)의 회전 각도를 검출할 수 있다.
본 발명의 제7 실시예를 도14에 나타낸다. 본 실시예에서는 링형상의 영구 자석(10), 자성 요크(35) 및 링형상의 영구 자석(10)을 지지하는 샤프트(15)에 의해 회전자를 형성하고, 링형상의 영구 자석(10)을 외측으로부터 포위하는 자성판(31) 및 자성판(31)의 에어 갭에 삽입된 홀 소자(21, 22)에 의해 고정자를 형성한다. 링형상의 영구 자석(10)은 반경방향에 장착되어 있고, 외주면상의 일주면에 걸쳐서 보았을 경우, 2극에 자화되어 있다. 즉, 둘레방향 180°의 범위에 있어서, 반경방향 외측방향에 자화되어 있고, 그 이외의 영역은 반경방향 내측방향에 자화되어 있다. 자성판(31)의 회전자에 가장 가까운 자극을 형성하는 자성판 부위(31a)에는 링형상의 영구 자석(10)으로부터의 자속을 집중시키는 역할을 하고, 자성판 부위(31a)에 있어서의 자기장 분포가 직접 홀 소자(21, 22)의 신호 출력에 영향을 미치지 않기 때문에, 자성판 부위(31a)가 링형상의 영구 자석(10)에 직접 대향하는 면(31b)의 형상은 링형상의 영구 자석(10)의 회전방향에 균일할 필요성은 없다. 자성판 부위(31a)에 집중된 자속은 자성판 부위(31c)를 통과한 후, 홀 소자(21)를 통과하고, 다른 한쪽의 자성판 부위(31c) 및 자성판 부위(31a)를 통과하여, 링형상의 영구 자석(10)에 복귀된다. 본 실시예에서는, 자성판 부위(31a)와 자성판 부위(31c)가 동일 평면상에 있는 경우를 나타냈지만, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 도14에 있어서, 자성판 부위(31c)를 링형상의 영구 자석(10)의 앞쪽 또는 배후를 통과하도록 3차원적으로 구성하여도 무방하다.
본 발명의 제8 실시예를 도16에 나타낸다. 본 실시예는 본 발명의 제1 실시예에 있어서, 돌기형상의 자성체(16, 17, 18, 19) 대신에, 도15에 도시한 자성판(50, 51)에 돌기 부위(50a, 51a)를 형성하고, 돌기 부위(50a, 51a)를 자성판(50)의 면에 대하여 대체로 수직으로 구부린 것을 이용하여, 도16에 도시하는 바와 같이 링형상의 영구 자석(10)을 상하로부터 끼워넣는다. 이 때, 사이에 홀 소자(21, 22)를 끼워넣음으로써, 제1 실시예와 실질적으로 등가인 자로를 형성할 수 있어, 비접촉식 회전 위치 센서의 기능을 가질 수 있다. 본 실시예에 따르면, 제1 실시예에 있어서의 자성판(11, 12, 13, 14)에 돌기형상의 자성체(16, 17, 18, 19)를 배치하는 형상에 비하여, 자성판(50, 51)의 천공과, 돌기 부위(50a, 51a)의 굽힘 가공만으로 해결되기 때문에, 생산성을 높일 수 있다고 하는 효과가 있다.
본 발명의 제1 실시예를 실기(實機)에 적용한 제9 실시예에 대하여 설명한다. 도17에 있어서, 회전각을 검출해야 할 대상 장치의 수납 커버(41)에는 회전축을 밖으로 꺼내기 위한 회전축 관통용 구멍(42)이 형성되어 있고, 수납 커버(41)의 외표면상에, 돌기형상의 자성체(16, 18)가 장착된 자성판(13, 14)과, 홀 소자(21, 22)를 장착한다. 대상 장치의 회전축에는 링형상의 영구 자석(10)과 샤프트(15)가 일체로 된 것을 장착한다. 또한, 그 외측에 자성판(11, 12)과 회전 위치 센서 수납 커버(40)가 일체로 된 것을 장착한다. 일체로 하는 방법으로서는, 예컨대 회전 위치 센서 수납 커버(40)를 수지제로 하고, 삽입 성형에 의한 자성판과 수지와의 일체 성형 가공이 생산성에 있어서 우수하다.
또, 지금까지의 실시예에서는 자성판(11, 12, 13, 14, 30)은 직사각 형상인 판으로 예시했지만, 본 발명은 이것에 한정되지 않고, 그 밖의 형상, 예컨대 원반형이나, 반원반형, 부채형, 사다리꼴형등 어느 형상이어도 무방하다.
본 발명도 포함시켜, 영구 자석을 사용한 각종의 비접촉식 회전 위치 센서가 존재하지만, 대상 장치에 내장된 경우, 비접촉식 회전 위치 센서 근방에 자성체가 배치될 가능성이 있고, 홀 소자 등의 자기 감응 소자의 출력 신호에 영향을 미치게 된다. 그러므로, 제10 실시예에서 도18에 도시하는 바와 같이 비접촉식 회전 위치센서(1000)의 수납 커버(40)에 자성체를 장착한 실드 커버(45)를 장착함으로써, 외부 자성체에 의한 홀 소자 등의 자기 감응 소자의 출력 신호에의 영향을 작게 할 수 있다고 하는 효과가 있다.
도19 및 도20에 근거하여 본 발명의 비접촉식 회전 위치 센서를 장착한 스로틀 밸브 조립체의 일례를 설명한다.
본체(201)에 회전 샤프트(회전축; 203)[샤프트(15)에 상당]가 회전 가능하게 지지되어 있다. 참조부호(200)는 본체의 공기 유로의 개구면적을 제어하는 스로틀 밸브이고, 나사에 의해 회전 샤프트(203)에 고정되어 있다. 참조부호(202)는 수지 커버이고, 본체(201)에 나사(210a 내지 210c)에 의해 고정되어 있다.
수지 커버(202)에는 관통 구멍(204)이 형성되어 있다. 회전 샤프트(203)의 선단부는 이 구멍(204)을 통과하여 수지 커버(202)의 외측으로 연장된다.
수지 커버(202)의 구멍(204) 주위에는 사각형의 오목부가 형성되어 있고, 이 오목부를 형성하는 수지 커버의 외벽면에는 중앙에 구멍(51)을 갖는 자성판(13, 14)이 접착에 의해 접착되어 있다. 자성판(13, 14)은 수평 방향으로 분할되어 있고 도1에 도시한 에어 갭(a1, a2, b1, b2)과 동일한 갭이 양자간에 설치되어 있다.
수지 커버(202)가 본체(201)에 장착된 상태로 회전 샤프트(203)의 선단부는 이 자성판(13, 14)을 넘어서 외측으로 연장되어 있다.
중심에 장착 구멍을 구비한 수지재제의 장착 피스(110)에 환상 또는 반환상의 자석(10)이 고정되어 있고, 이 장착 피스(110)의 중심 구멍에 회전 샤프트(203)의 선단부를 압입하여 양자를 고정한다.
이와 같이 구성함으로써, 회전 샤프트(203)의 선단부에 자성판(13, 14)의 중앙의 구멍(51)의 직경보다 큰 외경을 갖는 자석(10)을 자성판(13, 14)의 외측에 장착할 수 있다.
참조부호(40)는 수지 커버(204)의 오목부에 대응하는 부분을 피복하는 수지성의 보조 커버이다.
이 보조 커버(40)의 내측에는 자성판(13, 14)에 대면하는 위치에 자성판(11, 12)이 접착제에 의해 접착되어 고정된다. 자성판(13, 14)에 형성된 돌기형상 자성부재(16, 18)와, 자성판(11, 12)에 형성된 돌기형상 자성부재(17, 19)는 보조 커버(40)를 수지 커버(202)에 장착한 상태로 한 쌍의 갭(G2)을 형성한다.
이 갭(G2)에는 자기 감응 소자로서의 홀 소자(21, 22)가 장착되어 있다.
이렇게 하여, 상기의 도1 내지 도5a, 도5b에 도시된 비접촉 센서를 스로틀 밸브의 회전 샤프트의 단부에 형성할 수 있다.
실시예에서는 본체(201)에는 모터(207)가 장착되어 있고, 중간 기어(205), 회전 샤프트(203)에 고정된 최종단 기어(206)를 거쳐서 스로틀 밸브축(203)에 모터(207)의 토크가 전달되도록 구성되어 있다.
참조부호(208)는 중간 기어(205)를 지지하는 고정축이다. 본 실시예에서는 중간 기어(205)는 수지재제로 하고, 최종단 기어(206)를 소결 합금제로 한다. 이것은 모터(207)에서 발생하는 전자 노이즈가 자성체성의 최종단 기어(206)로 흡수되어, 센서의 자기 회로에 영향을 미치는 것을 억제할 수 있다.
이 효과는, 중간 기어(205)나 중간 기어(205)의 회전을 지지하는고정축(208)을 자성재에 의해 형성함으로써도 얻을 수 있다.
또, 최종단 기어(206)가 자성재로 구성된 경우, 회전 샤프트를 통과하는 누설 자속의 자기 통로의 일부로서 작용하는 것을 고려해야 한다.
아직, 최종단 기어가 수지재제이더라도, 회전 샤프트에 고정되는 고정력을 얻기 위해서 중심부에 금속 부분을 필요로 하고, 이 금속 부분이 자성재로 구성되는 경우에는 마찬가지로 자석(10)의 회전 샤프트를 통과하여 누설되는 누설 자속의 자기 통로로 되기 때문에 그 자기적 작용을 고려해야 한다.
이들의 점을 고려하여 자성체(13, 14)의 중앙 구멍(51)의 직경 또는 최종단 기어측 자성부재와 자성판(13, 14) 사이의 갭이 설정될 필요가 있다.
본 실시예에서는, 자석(10)과 자성판(13, 14) 사이의 에어 갭(G2)이 자성판(13, 14)과 회전 샤프트(203) 사이의 에어 갭, 자성판과 최종단 기어(206)측의 자성부재 사이의 에어 갭중의 어떠한 것보다도 작아지도록 구성하고, 회전 샤프트(203)를 통과하는 누설 자속이 될 수 있는 한 적어지도록 설정했다.
본 발명에 따르면, 고정자측과 회전자측에 있어서의 자로의 대향면의 형상에 있어서, 회전방향에 대하여 직각인 방향의 길이가 균일하지 않더라도, 높은 설계 자유도를 확보한 뒤에, 충분한 성능이 얻어진다고 하는 효과가 있다. 또한, 자속을 효과적으로 자기 감응 소자의 장착부에 집중시킬 수 있기 때문에, 감도가 높은 고정밀도의 비접촉식 회전 위치 센서를 얻을 수 있다. 또한, 이용되는 영구 자석이 회전축 방향에 자화되어 있는 경우, 회전자측에는 영구 자석 이외의 자성재는없더라도, 충분한 검출 감도를 얻을 수 있다. 따라서, 회전자의 관성 모멘트를 줄일 수 있고, 이로 인해 회전 구동용의 액츄에이터의 부하를 경감할 수 있어, 회전자의 응답성이 향상된다고 하는 효과도 있다.

Claims (28)

  1. 외주가 원형 또는 원호상인 영구 자석과, 상기 영구 자석을 지지 고정하는 샤프트와, 상기 영구 자석을 상하로부터 끼워넣는 자성판과, 상기 상하 자성판 중 적어도 한쪽 자성판이 에어 갭을 거쳐서 수평 방향으로 분리되어 있고, 상기 상하의 자성판 사이에 배치된 적어도 하나의 돌기형상의 자성체부와, 상기 돌기형상의 자성체부의 돌기면에 배치된 자기 감응 소자를 갖고,
    상기 영구 자석 및 상기 샤프트로 구성되는 회전자가, 상하에 배치된 상기 자성판에 대하여 상대적으로 회전 가능하고, 상기 영구 자석은 대체로 회전축의 방향으로 자화되어 있고, 상기 영구 자석이 회전함에 의해, 상기 자기 감응 소자를 통과하는 자속량이 변동하는 것을 특징으로 하는 비접촉식 회전 위치 센서.
  2. 제1항에 있어서, 영구 자석이 링형상인 것을 특징으로 하는 비접촉식 회전 위치 센서.
  3. 제1항에 있어서, 영구 자석이 반경방향으로 소정의 폭을 갖는 원호상인 것을 특징으로 하는 비접촉식 회전 위치 센서.
  4. 제1항에 있어서, 영구 자석이 원반형상인 것을 특징으로 하는 비접촉식 회전 위치 센서.
  5. 제2항 또는 제4항에 있어서, 영구 자석이 회전축 방향에서 보았을 때에 적어도 2극으로 자화되어 있는 것을 특징으로 하는 비접촉식 회전 위치 센서.
  6. 제1항에 있어서, 영구 자석을 상하로부터 끼워넣는 자성판에 돌기형상의 자성체를 배치하는 대신에, 자성판의 형상을 양단부에 돌기 부위가 있는 것으로 하고, 그것을 구부려서 상하 2개의 돌기 부위면에 의해 형성되는 에어 갭에 자기 감응 소자를 삽입하는 것을 특징으로 하는 비접촉식 회전 위치 센서.
  7. 제1항에 있어서, 영구 자석과 상하의 자성판 사이의 에어 갭의 폭을 각각 0.5㎜ 이상, 바람직하게는 1㎜ 전후로 한 것을 특징으로 하는 비접촉식 회전 위치 센서.
  8. 외주가 원형 또는 원호상인 영구 자석과, 상기 영구 자석을 지지 고정하는 샤프트와, 상기 영구 자석을 반경방향 외측으로부터 끼워넣는 자성판과, 상기 자성판의 일부를 가늘게 하여 영구 자석으로부터의 자속을 좁히는 자기 회로와, 상기 자기 회로의 자속을 좁히는 부위의 선단부에 형성된 에어 갭과, 상기 에어 갭 내에 배치된 자기 감응 소자를 포함하고,
    상기 영구 자석 및 상기 샤프트로 구성되는 회전자가, 반경방향 외측에 배치된 자성판에 대하여 상대적으로 회전 가능하고, 영구 자석은 대체로 반경방향으로자화되어 있고, 상기 영구 자석이 회전함에 의해, 상기 자기 감응 소자를 통과하는 자속량이 변동되는 것을 특징으로 하는 비접촉식 회전 위치 센서.
  9. 제8항에 있어서, 영구 자석이 회전 원주면상의 일주면에 걸쳐서 보았을 때에 적어도 2극으로 자화되어 있는 것을 특징으로 하는 비접촉식 회전 위치 센서.
  10. 제1항 또는 제8항에 있어서, 자성재 내부의 자속 밀도가 0.5T 이하인 것을 특징으로 하는 비접촉식 회전 위치 센서.
  11. 제1항 또는 제8항에 있어서, 자기 감응 소자가 홀 소자 또는 홀 IC인 것을 특징으로 하는 비접촉식 회전 위치 센서.
  12. 제1항 또는 제8항에 있어서, 자성판과 자성판을 고정하는 부재를 수지 성형에 의한 일체 가공으로 제작한 것을 특징으로 하는 비접촉식 회전 위치 센서.
  13. 자계 발생원으로서의 영구 자석, 자로 형성을 위한 자성체 요크, 및 자기장을 검출하기 위한 자기 감응 소자로 구성되는 비접촉식 회전 위치 센서에 있어서,
    상기 비접촉식 회전 위치 센서의 수납 커버에 자성체 커버를 장착시킴으로써, 또는 상기 비접촉식 회전 위치 센서 수납 커버상에 별도 전용 커버를 설치하고, 그 전용 커버에 자성체 커버를 장착시킴으로써, 상기 비접촉식 회전 위치 센서근방에 배치되는 별도의 자성체가 자기 감응 소자에 의해 검출되는 자속 밀도 신호에 영향을 미치지 않도록 하는 것을 특징으로 하는 비접촉식 회전 위치 센서.
  14. 제1항 또는 제8항에 있어서, 상기 자성판의 돌기형상의 자성체 또는 자속을 좁히는 부위 근처에 적어도 하나의 구멍을 형성한 것을 특징으로 하는 비접촉식 회전 위치 센서.
  15. 회전축과,
    상기 회전축에 고정된 환상 또는 반환상의 자석과,
    상기 자석을 사이에 끼워서 상기 회전축의 축선에 따른 방향에 상기 자석의 두께보다 큰 간격을 가지고 대면하고, 상기 자석과의 대향면에 있어서는 균일한 공간을 갖는 자성체 조립체와,
    상기 자성체 조립체에 형성된 상기 공간보다 작은 공간을 갖는 한 쌍의 소공간부와,
    상기 소공간부에 설치된 자기 감응 소자를 가지는 것을 특징으로 하는 비접촉식 회전 위치 센서.
  16. 제15항에 있어서, 상기 자성체 조립체는 한 쌍의 자성판으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 비접촉식 회전 위치 센서.
  17. 제16항에 있어서, 상기 한 쌍의 자성판은 서로 사각형인 것을 특징으로 하는 비접촉식 회전 위치 센서.
  18. 제17항에 있어서, 상기 한 쌍의 사각형인 자성판 중 적어도 어느 한쪽에 상기 회전축의 중심축선을 통과하는 가상 평면에 따른 상기 자성판을 분할하는 분할 공간을 갖는 것을 특징으로 하는 비접촉식 회전 위치 센서.
  19. 제15항에 있어서, 상기 소공간부는 상기 회전축을 사이에 끼운 상태로 대상 위치에 형성되는 것을 특징으로 하는 비접촉식 회전 위치 센서.
  20. 제19항에 있어서, 상기 소공간부는 대면하는 상기 자성체로부터 서로의 방향으로 돌출되는 한 쌍의 돌기의 대면부에 형성되는 것을 특징으로 하는 비접촉식 회전 위치 센서.
  21. 제15항에 있어서, 상기 자성체 조립체는 한 쌍의 자성판으로 이루어지고,
    상기 한 쌍의 자성판 중 적어도 어느 한쪽에 상기 회전축의 중심축선을 통과하는 가상 평면에 따른 상기 자성판을 분할하는 분할 공간을 갖고,
    상기 소공간부는 상기 분할 공간을 사이에 끼운 상태로 대상 위치에 형성되는 것을 특징으로 하는 비접촉식 회전 위치 센서.
  22. 스로틀 밸브의 일단부에 장착된 환상 또는 반환상의 자석과,
    상기 스로틀 밸브가 장비된 본체에 장착되는 수지 커버와,
    상기 수지 커버에 장착되는 보조 커버와,
    상기 수지 커버와 보조 커버에 장착되고, 상기 환상 또는 반환상의 자석을 사이에 끼운 상태로 자로를 형성하는 자로 형성 부재와,
    상기 자로내에 있고 상기 자로를 통과하는 자속을 특정 개소에 집중시키는 자속 수속부와,
    상기 자속 수속부에 장착되고, 상기 스로틀 밸브의 회전에 따른 상기 자속 수속부의 자속 변화를 검출하는 자기 감응 소자로 이루어지는 것을 특징으로 하는 스로틀 밸브 조립체.
  23. 제22항에 있어서, 상기 본체에 장착되고, 상기 스로틀 밸브를 구동하는 모터와, 상기 모터와 상기 자로 사이에 배치된 자성체로 이루어지는 것을 특징으로 하는 스로틀 밸브 조립체.
  24. 제23항에 있어서, 상기 자성체가 상기 모터의 회전을 상기 스로틀 밸브의 회전축에 전달하는 기어 또는 이 기어의 회전축인 것을 특징으로 하는 스로틀 밸브 조립체.
  25. 제22항에 있어서, 상기 수지 커버는 상기 스로틀 밸브가 장착된 회전축이 삽입 통과하는 구멍을 갖고,
    상기 수지 커버측에 장착되는 자성체에는 상기 회전축의 직경보다 크고, 상기 환상 또는 반환상의 자석의 직경보다 작은 구멍이 그 중앙에 형성되어 있으며,
    상기 환상 또는 반환상의 자석은 상기 구멍을 삽입 통과한 상기 회전축의 단부에 장착 가능하게 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 스로틀 밸브 조립체.
  26. 영구 자석과,
    이 영구 자석에서 발생하는 자속을 통과시키는 자로 부재와,
    상기 자로 부재와 상기 영구 자석과의 상대적 회전에 따른 자로내의 자속 변화를 검출하도록 상기 자로내에 배치된 자기 감응 소자와,
    상기 자로 부재와 상기 영구 자석과의 상대적 회전에 따른 자로내의 자속 변화와 회전각 사이의 비선형 특성을 조정하기 위해 상기 자기 통로에 설치된 슬릿을 포함하는 것을 특징으로 하는 비접촉식 회전 위치 센서.
  27. 영구 자석과,
    이 영구 자석에서 발생하는 자속을 통과시키는 자로 부재와,
    상기 자로 부재와 상기 영구 자석의 상대적 회전에 따른 자로내의 자속 변화를 검출하도록 상기 자로내에 배치된 자기 감응 소자와,
    상기 자로 부재를 통과하는 자속을 상기 자기 감응 소자 장착부에 수속시키기 위해서 상기 자로 부재에 설치된 자기 저항부 형성용 슬릿을 포함하는 것을 특징으로 하는 비접촉식 회전 위치 센서.
  28. 영구 자석과,
    이 영구 자석에서 발생하는 자속을 통과시키는 자로 부재와,
    상기 자로 부재를 통과하는 자속을 특정 개소에 수속시키기 위해서 상기 자로 부재에 설치한 자기 수속부와,
    상기 자로 부재와 상기 영구 자석의 상대적 회전에 따른 자로내의 자속 변화를 검출하도록 상기 자기 수속부에 배치된 자기 감응 소자와,
    상기 자로 부재에 비접촉 상태로 상기 자로 부재를 포위하는 자기 실드용 자성 부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 비접촉식 회전 위치 센서.
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