JP2007085743A - 非接触回転変位センサ - Google Patents

Abstract

【課題】 温度変化の影響を受けにくく、回転変位を精度良く検出することができるようにした非接触回転変位センサを提供する。
【解決手段】 回転変位する可動体の回転軸心を中心とするリング状とされて可動体に対する固定側に配置され、一半部３１ａと他半部３１ｂとが互いに逆向きに径方向に着磁された磁石３１と、磁石３１の外周面に配置されたリング状バックヨーク３２と、固定側に配置されて磁石３１の中央に位置された円柱状ヨーク３３と、可動体に取り付けられて磁石３１とヨーク３３との対向する周面間に位置されたロータ３４と、ヨーク３３の周面に固定されて径方向の磁束の変化を検出する磁気センサ３５とよりなり、ロータ３４は空隙３６を介して配列された２つの半円弧状部３４ａ，３４ｂよりなる。磁石３１と磁気センサ３５は共に固定側に配置され、温度変化時に温度差が生じないため、磁気センサ３５における温度補正の誤差を抑えることができる。
【選択図】 図１

Description

この発明は回転変位を非接触で検出する非接触回転変位センサに関する。

図６はこの種の非接触回転変位センサの従来構成例として特許文献１に記載されている回転角検出装置の構成を示したものであり、図６Ａは装置の全体構造を示し、図６Ｂはその要部（センサ部）の配置関係を示す。
本体ハウジング１１には回転変位を検出する可動体として回転軸１２が図６Ａに示したように軸受１３を介して回転自在に挿通支持されており、この回転軸１２の先端に円筒カップ状のロータコア１４が取り付けられ、このロータコア１４の内周側に円柱状のステータコア１５が同軸上に位置して配置されている。

ロータコア１４には図６Ｂに示したように互いに１８０度をなす位置に切欠部１６がそれぞれ形成され、これら切欠部１６に磁石１７がそれぞれ嵌め込まれている。２つの磁石１７は図６Ｂ中に示したように着磁され、同じ極同士が周方向に向かい合うように配置されている。
ロータコア１４の内周面は各磁石１７の近傍部分１８を除いてステータコア１５の外周面と微小な間隙を介して対向され、これにより図６Ｂ中に矢印で示したように各磁石１７のＮ極からロータコア１４の内部を経由してステータコア１５を通過し、ロータコア１４の内部を経由して各磁石１７のＳ極に戻る磁束の流れが形成される。

一方、ステータコア１５は２分割されて径方向に貫通する空隙１９が形成されており、この空隙１９の幅は樹脂製のスペーサ２０によって規定されている。空隙１９にはこの例ではホールＩＣよりなる磁気センサ２１が２つ横に並んで配置されている。これら磁気センサ２１はスペーサ２０によって位置決めされ、各磁気センサ２１の端子はスペーサ２０内を通ってコネクタピン２２に接続されている。なお、図６Ａ中、２３はコネクタハウジングを示し、コネクタハウジング２３と本体ハウジング１１とは互いに固定一体化されている。

上記のような構成において、回転軸１２の回転に伴って磁石１７が組み込まれたロータコア１４が回転すると、磁界が回転し、この磁界の回転によって磁気センサ２１を通過する磁束が変化する。従って、磁気センサ２１の出力電圧の変化によって回転軸１２の回転変位（回転角）を検出することができるものとなっている。
特開２００１−３１７９０９号公報

上述した例のように、従来の非接触回転変位センサは磁石と磁気センサを備え、可動体の回転変位を磁界の変化によって検出することにより、非接触で回転変位を検出することができるものとなっており、磁気センサには一般にホールＩＣが用いられている。
ホールＩＣはホール素子と増幅回路等の所要の回路が集積化されたもので、感度補正機能や温度補正機能（温度特性の補正機能）を一般に備えており、よって例えば使用環境の温度が変化しても、その温度変化に起因する出力変動が抑えられるものとなっている。
しかるに、従来の非接触回転変位センサでは図６に示したように、磁石と磁気センサとは回転側と固定側に別れて配置されており、これら回転側と固定側とは非接触なために周囲からの熱伝導の差や熱容量の差によって温度変化時に温度差が生じるといった状況が発生し、つまり磁石と磁気センサとに温度差が生じるものとなっていた。

このような温度差が生じると、磁気センサにおける温度補正が適正に行われないことになり、即ち温度補正に誤差が生じることになり、特に磁石の温度係数が大きい場合（磁気特性の温度による変化が大きい場合）や、内燃機関（エンジン）のスロットル開度などの角度検出あるいは電動パワーステアリングのトルク検出などに用いられる場合のように温度変化の大きい環境で使用される場合にはその誤差は問題となり、回転変位の検出精度を損うものとなっていた。
この発明の目的はこのような問題に鑑み、磁気センサの温度補正の誤差を抑えることができるようにし、よって使用環境の温度変化に対して影響を受けにくく、回転変位を精度良く検出することができるようにした非接触回転変位センサを提供することにある。

請求項１の発明によれば、回転変位する可動体の回転変位を非接触で検出する非接触回転変位センサは、可動体の回転軸心を中心とするリング状とされて可動体に対する固定側に配置され、周方向一半部と他半部とが互いに逆向きに径方向に着磁されている磁石と、その磁石の外周面に固定配置された軟磁性材料よりなるリング状バックヨークと、上記固定側に配置され、中心軸が上記回転軸心と一致されて磁石の中央に位置された軟磁性材料よりなる円柱状ヨークと、可動体に取り付けられて磁石とヨークとの対向する周面間に、それら周面とそれぞれ間隙を保って位置された軟磁性材料よりなるロータと、ヨークの周面に固定されて上記径方向の磁束の変化を検出する磁気センサとよりなり、ロータは回転変位方向に空隙を介して配列された上記回転軸心を中心とする２つの半円弧状部よりなるものとされる。

請求項２の発明では請求項１の発明において、磁気センサがヨークの周面の互いに１８０度をなす位置に位置して２つ設けられているものとされる。
請求項３の発明では請求項１又は２の発明において、ヨークの周面に面取り加工が施されて平面部が形成され、その平面部に磁気センサが設置されているものとされる。

この発明によれば、回転変位を磁束の変化によって検出するための磁石と磁気センサとが従来のように回転側と固定側に別れて配置されるのではなく、共に固定側に配置されるものとなっており、よって使用環境の温度変化時におけるそれらの温度差を小さく抑えることができるものとなっている。
従って、磁気センサに温度補正機能を具備するホールＩＣ等を使用した場合に温度補正の誤差を抑えることができ、温度変化に対して影響を受けにくく、精度良く回転変位を検出することができる非接触回転変位センサを得ることができる。

この発明の実施形態を図面を参照して実施例により説明する。
図１はこの発明による非接触回転変位センサの一実施例を示したものであり、この例では非接触回転変位センサは磁石３１とバックヨーク３２とヨーク３３とロータ３４と磁気センサ３５とによって構成されている。なお、回転変位する可動体の図示は省略している。
磁石３１は可動体の回転軸心を中心とするリング状とされて可動体に対する固定側に配置され、その周方向の一半部３１ａと他半部３１ｂとは互いに逆向きに径方向に着磁されている。

バックヨーク３２及びヨーク３３も可動体に対する固定側に配置され、バックヨーク３２は磁石３１と同心のリング状をなすものとされて磁石３１の外周面に対接され、固定されている。一方、ヨーク３３は円柱状をなすものとされ、その中心軸が可動体の回転軸心と一致されて磁石３１の中央に位置されている。
ロータ３４は可動体に取り付けられて可動体の回転に伴って回転するものとされる。ロータ３４は可動体の回転軸心を中心とする２つの半円弧状部３４ａ，３４ｂよりなり、これら半円弧状部３４ａ，３４ｂは回転変位方向に空隙３６を介して配列され、つまり半円弧状部３４ａと３４ｂとは周方向において空隙３６を介して両端面が対向されている。

２つの半円弧状部３４ａ，３４ｂよりなるロータ３４は磁石３１とヨーク３３との対向する周面間に位置され、磁石３１の内周面との間及びヨーク３３の外周面との間にはそれぞれ所定の間隙３７及び３８が形成されている。
磁気センサ３５はヨーク３３の周面に固定配置されて間隙３８内に位置され、ロータ３４とは非接触とされる。磁気センサ３５はロータ３４及びヨーク３３間の径方向の磁束の変化を検出するものとされる。
上記のような構成において、バックヨーク３２、ヨーク３３及びロータ３４はそれぞれ軟磁性材料よりなるものとされ、これらバックヨーク３２、ヨーク３３及びロータ３４は、例えばプレス加工した電磁鋼板を積層することによって作製される。磁石３１には例えばリング状に成形加工されたボンド磁石が用いられる。磁気センサ３５は例えばホールＩＣとされ、感度補正や温度補正さらにはオフセット補正等の機能を具備するものとされる。なお、図１中、３５ａは磁気センサ３５の端子を示す。

図２Ａ〜Ｃは磁石３１によって形成される磁束線（矢印を付した細線で示す）がロータ３４の回転によって変化する様子を示したものであり、図２Ａは磁石３１の互いに逆向きに着磁されている一半部３１ａと他半部３１ｂの境界線に対し、ロータ３４の両半円弧状部３４ａ，３４ｂ間に形成されている空隙３６がちょうど９０度ずれた位置に位置している状態であって、この状態ではほとんど全ての磁束は図に示したようにロータ３４内を通過して中央のヨーク３３は通過せず、よって磁気センサ３５を通過する磁束は０となる。
図２Ｂは図２Ａの状態からロータ３４が反時計回りに４５度回転した状態を示し、この状態では磁束が中央のヨーク３３を通過するようになり、つまりヨーク３３の中心方向に向って磁束が磁気センサ３５を通過するようになる。

図２Ｃはロータ３４がさらに回転し、図２Ａの状態から反時計回りに７０度回転した状態を示し、磁気センサ３５を通過する磁束はさらに増大する。
このように、ロータ３４の回転に伴い、磁気センサ３５を通過する磁束が変化し、磁気センサ３５はこの磁束の変化に応じた電圧を出力する。
図３に示したグラフは図２Ａ〜Ｃ中にそれぞれ示したように、点線円で規定した位置を磁界検出位置３９として、その磁界検出位置３９の一周の各角度位置θにおける径方向の磁界の強さをそれぞれ示したものであり、磁束の向きがヨーク３３の中心方向に向っている場合の磁界を正としている。なお、角度位置θは点線円に点を付した位置を０度として反時計回りに規定している。また、図３において、０度回転は図２Ａの状態を示し、４５度回転及び７０度回転はそれぞれ図２Ｂ及びＣの状態を示す。

この図３から明らかなように、磁界はロータ３４の空隙３６を境に正負が反転する特性になる。従って、ロータ３４が可動体の回転に伴い、回転変位しても空隙３６が来ない位置に、つまり空隙３６を避ける位置に磁気センサ３５を配置すれば磁気センサ３５はロータ３４の回転変位に応じて単調変化する（単一勾配の）出力特性を示すものとなり、これにより可動体の回転変位（回転角）を検出することができるものとなる。
以上説明したように、この例では回転変位を検出する可動体に取り付けるのは軟磁性材料よりなるロータ３４だけであって、このロータ３４が回転することによって可動体の回転変位を検出することができるものとなっており、磁石３１と磁気センサ３５は従来と異なり、共に可動体に対する固定側に配置されるものとなっている。

従って、例えば使用環境（設置環境）の温度が変化しても、これら磁石３１と磁気センサ３５との間の温度差の発生を抑えることができ、よって磁気センサ３５における温度補正に誤差が生じるといった従来の問題を解消することができる。
なお、上述した例では磁気センサ３５がヨーク３３の周面に一つ配置された構成となっているが、２つの磁気センサ３５をヨーク３３の周面の互いに１８０度をなす位置に設けるようにしてもよく、このように磁気センサ３５を２つ配置すれば、互いに逆勾配の出力を得ることができる。

図４は上述した非接触回転変位センサの使用例として、モータ駆動の電子制御を行う内燃機関のスロットル制御装置に非接触回転変位センサが実装された状態を示したものであり、図中、４１はスロットルボディを示し、４２はそのスロットルボディ４１に組み付けられるケースを示す。なお、図４ではこれらスロットルボディ４１とケース４２とを分離し、かつケース４２を一部切り欠いて示している。
ケース４２には磁石３１とバックヨーク３２とヨーク３３と磁気センサ３５とが配置され、磁気センサ３５の端子３５ａはリードフレーム４３を介して出力用のコネクタ４４に導かれている。スロットルボディ４１内には弁を開閉する弁駆動歯車４５が収容されており、ロータ３４はこの弁駆動歯車４５に取り付けられている。

スロットルボディ４１は内燃機関本体に接続され、内燃機関の始動によりスロットルボディ４１の温度は上昇し、時間差をおいてケース４２側も温度が上昇していく。この時、磁石３１と磁気センサ３５は同じケース４２側に配置されているため、それらは同様に温度上昇することになる。従って、磁石３１と磁気センサ３５との間の温度差は小さく抑えられ、それにより磁気センサ３５の温度補正の誤差を抑えることができるため、スロットル開度を精度良く検出することができる。
このように、この発明による非接触回転変位センサを用いれば、温度変化の大きい環境で使用される場合においてもその温度変化の影響を受けにくく、また磁石の温度係数が大きくてもその影響を受けることなく、回転変位を精度良く検出することができる。

図５はヨーク３３の周面への磁気センサ３５の設置方法の他の例を示したものであり、この例ではヨーク３３の周面に面取り加工を施して平面部３３ａを形成し、その平面部３３ａに磁気センサ３５を設置するものとなっており、このような設置方法を採用することにより、磁気センサ３５の検出方向を安定化することができ、また設置作業を容易に行うことができるものとなる。

この発明による非接触回転変位センサの一実施例を示す斜視図。 図１に示した非接触回転変位センサにおいて、ロータの回転により磁束線が変化する様子を示す図。 図２における磁界検出位置の磁界状態を示すグラフ。 図１に示した非接触回転変位センサがスロットル制御装置に実装された状態を示す斜視図。 この発明による非接触回転変位センサの他の実施例を示す斜視図。 非接触回転変位センサの従来構成例を説明するための図。

Claims (3)

1. 回転変位する可動体の回転変位を非接触で検出するセンサであって、
   上記可動体の回転軸心を中心とするリング状とされて上記可動体に対する固定側に配置され、周方向一半部と他半部とが互いに逆向きに径方向に着磁されている磁石と、
   その磁石の外周面に固定配置された軟磁性材料よりなるリング状バックヨークと、
   上記固定側に配置され、中心軸が上記回転軸心と一致されて上記磁石の中央に位置された軟磁性材料よりなる円柱状ヨークと、
   上記可動体に取り付けられて上記磁石とヨークとの対向する周面間に、それら周面とそれぞれ間隙を保って位置された軟磁性材料よりなるロータと、
   上記ヨークの周面に固定されて上記径方向の磁束の変化を検出する磁気センサとよりなり、
   上記ロータは回転変位方向に空隙を介して配列された上記回転軸心を中心とする２つの半円弧状部よりなるものとされていることを特徴とする非接触回転変位センサ。
2. 請求項１記載の非接触回転変位センサにおいて、
   上記磁気センサは上記ヨークの周面の互いに１８０度をなす位置に位置して２つ設けられていることを特徴とする非接触回転変位センサ。
3. 請求項１又は２記載の非接触回転変位センサにおいて、
   上記ヨークの周面に面取り加工が施されて平面部が形成され、その平面部に上記磁気センサが設置されていることを特徴とする非接触回転変位センサ。

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