JP4883026B2 - 回転角度検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、２つの部材（例えば、回転部材と非回転部材）の相対回転角度を検出する回転角度検出装置に関する。

（従来の技術）
従来の回転角度検出装置の一例を、図６、図７を参照して説明する。なお、符号は後述する実施例と共通である。
図６（ａ）、（ｂ）は、電子スロットルにおいて、スロットルバルブと一体に回転する最終ギヤ２３を示すものであり、電動モータの回転を受けてスロットルバルブと一体に回転する。
電子スロットルには、スロットルバルブの回転角度を検出するための回転角度検出装置が設けられている。

この回転角度検出装置は、スロットルバルブの回転角度を非接触で検出するものであり、最終ギヤ２３に設けられた磁気回路部３１と、バルブハウジング（固定部材）に設けられた磁気検出部３２とを備え、磁気回路部３１と磁気検出部３２との相対回転角度の変化を、磁気検出部３２に搭載された磁気検出素子（ホール素子等）に与えられる磁気変化によって検出する。
磁気回路部３１は、略円筒形状を呈して直径方向に分割された磁性材料よりなる一対のヨーク３３と、このヨーク３３の分割部に同一方向に磁極が向いて配置された一対の永久磁石（以下、磁石と称す）３４とからなる。そして、磁気回路部３１は、最終ギヤ２３を成す樹脂の内部にインサート成形される。

（従来技術の問題点）
磁気回路部３１は、図７（ａ）に示すように、一対のヨーク３３の両端に磁石３４を配置した略楕円の筒状を呈するもので、組み付けられた磁気回路部３１を樹脂成形型の内部に挿入してインサート成形を行うと、ヨーク３３に加わる樹脂の成形圧によってヨーク３３間の磁石３４が割れる可能性がある。
そこで、図７（ｂ）に示す円柱状の成形用コア３７を、図７（ｃ）に示すようにヨーク３３間に挿入し、ヨーク３３の受ける荷重が磁石３４に加わらないようにして、最終ギヤ２３の内部に磁気回路部３１をインサート成形している。
具体的に、磁気回路部３１は略楕円形状を呈しており、インサート成形前における楕円の最小直径寸法をａ、円柱形状を呈する成形用コア３７の外径寸法をｂとした場合、ａ＜ｂ（但し、ａとｂの差による隙間ｃは小さい）に設けられている。

このように、磁気回路部３１の内部に成形用コア３７を挿入した状態でインサート成形を行うことによりヨーク３３と磁石３４の間に隙間ｃが生じ、その隙間には樹脂が入り込む。
しかし、隙間ｃに入り込んだ樹脂は、経時変化によりクリープし、磁石３４とヨーク３３の隙間距離が変化する可能性がある。クリープにより磁石３４とヨーク３３の隙間距離が変化すると、磁気検出素子を通る磁気が変化することになり、回転角度検出装置のセンサ特性が変化する可能性がある。
特開２００４−３０１１１８号公報

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、磁気回路部を樹脂の内部にインサート成形する構成を採用して、長期に使用してもセンサ特性が変化しない信頼性の高い回転角度検出装置の提供にある。

［請求項１の手段］
請求項１の手段を採用する回転角度検出装置は、一対のヨークの対向距離が広がる方向をＸ方向とした場合、一対のヨークと一対の磁石とがＸ方向に沿う当接面にて面接触する。
これにより、経時変化によりヨークの対向距離が変化したとしても、磁石とヨークとが当接面を介して磁気の受渡を継続するため、磁気検出素子を通る磁気の変化が抑えられ、回転角度検出装置のセンサ特性が変化する不具合を回避できる。
即ち、磁気回路部を樹脂の内部にインサート成形する構成を採用して長期に使用しても、回転角度検出装置のセンサ特性が変化せず、高い信頼性を得ることができる。

［請求項２の手段］
請求項２の手段を採用する回転角度検出装置におけるヨークの端部は、対向するヨークの端部との間に隙間を備える。
即ち、対向するヨークは、直接接触せずに、磁石を介して磁気回路を形成するものである。

［請求項３の手段］
請求項３の手段を採用する回転角度検出装置におけるヨークの端部は、磁石におけるＸ方向の端面と対向する突起部を備える。
これにより、樹脂にインサート成形される前において、磁気回路部を筒状に組み付けることができ、生産性の劣化を防ぐことができる。

［請求項４の手段］
請求項４の手段を採用する回転角度検出装置における突起部は、この突起部と磁石とのＸ方向における隙間を囲む迷路形成部材を備える。
このように、突起部と磁石とのＸ方向の隙間が、迷路形成部材によって囲まれることにより、突起部と磁石とのＸ方向の隙間に、樹脂が侵入するのを防ぐことができる。

回転角度検出装置は、磁気回路部と、この磁気回路部の内部空間に配置される磁気検出素子とを備える。
磁気回路部は、磁性材料よりなり対向配置される一対のヨークと、この一対のヨークの両端部の間にそれぞれ配置されて一方のヨークにＮ極、他方のヨークにＳ極の磁束を与える一対の磁石とを備えるものであり、一対のヨークと一対の磁石を組み合わせて筒状に設けられ、樹脂の内部に磁気回路部がインサート成形されてなる。
そして、最良の形態１の回転角度検出装置は、一対のヨークの対向距離が広がる方向をＸ方向とした場合、一対のヨークと一対の磁石とが、Ｘ方向に沿う当接面にて面接触する構成を採用している。

本発明を、車両に搭載される電子スロットルの回転角度検出装置に適用した実施例１を、図１〜図４を参照して説明する。
電子スロットル１は、エンジン（内燃機関）の吸気管の途中部位に介在するように取り付けられて、エンジンに吸い込まれる空気量を制御するものであり、吸気管の一部を成すスロットルボディ２と、このスロットルボディ２に回転自在に支持されるスロットルシャフト３に設けられて吸気管を開閉するスロットルバルブ４と、このスロットルバルブ４を駆動する電動モータ５と、この電動モータ５の発生する出力を減衰してスロットルバルブ４へ伝える歯車減速装置と、スロットルバルブ４を所定の開度へ戻すスプリング装置と、スロットルバルブ４の回転角度を検出する回転角度検出装置６とを備えるものであり、電動モータ５がＥＣＵ（エンジン・コントロール・ユニットの略）によって通電制御される。

スロットルボディ２は、金属材料または樹脂材料によって製造されるものであり、吸気管の一部を成す略円筒状の空気通路が形成されている。
また、スロットルボディ２の外壁面には、ネジ等の締結手段によって着脱可能なギヤカバー１１が設けられている。そして、スロットルボディ２に形成されたモータ収容用の空間に電動モータ５が収容され、スロットルボディ２とギヤカバー１１との間の空間に歯車減速装置、スプリング装置、回転角度検出装置６が収容される。

スロットルシャフト３は、金属材料によって円柱棒形状に形成されており、スロットルボディ２に設けられたドライベアリング１２や転がりベアリング１３によって、スロットルボディ２に対して回転自在に支持される。
スロットルバルブ４は、金属材料または樹脂材料により略円板形状に形成され、スロットルボディ２に設けられた略円筒状の空気通路の開度を調整するバタフライ形の回転弁である。このスロットルバルブ４は、スロットルシャフト３をスロットルボディ２に組み付けた後に、スロットルボディ２に組み付けられて、ネジやカシメ等の結合手段１４によってスロットルシャフト３に固定される。
これにより、スロットルバルブ４は、スロットルシャフト３と一体に回転して、スロットルボディ２に設けられた略円筒状の空気通路の開度を可変し、エンジンに吸い込まれる空気量を調整する。

電動モータ５は、通電方向が切り替わることで回転方向が切り替わるとともに、通電量に応じた回転トルクを発生する周知の直流モータであり、スロットルボディ２に形成されたモータ収容用の空間内に挿入された後、ネジ等の締結手段１５によってスロットルボディ２に固定されている。
歯車減速装置は、電動モータ５の発生する回転トルクを減速してスロットルバルブ４に伝達するものであり、電動モータ５と一体に回転するモータギヤ（ピニオンギヤ）２１と、このモータギヤ２１によって回転駆動される中間ギヤ２２と、この中間ギヤ２２によって回転駆動される最終ギヤ（ギヤロータ）２３とからなり、最終ギヤ２３はスロットルシャフト３と一体に回転する。

モータギヤ２１は、電動モータ５の出力軸２４に固定された金属材料よりなる小径の外歯歯車である。
中間ギヤ２２は、金属材料あるいは樹脂材料よりなり、大径ギヤ２２ａと小径ギヤ２２ｂが同芯で設けられた２重歯車であり、スロットルボディ２とギヤカバー１１とにより支持される支持軸２５によって回転自在に支持される。そして、大径ギヤ２２ａがモータギヤ２１と常に噛合し、小径ギヤ２２ｂが最終ギヤ２３と常に噛合する。
最終ギヤ２３は、スロットルシャフト３の端部のカシメ部３ａによって固定された樹脂材料よりなる外歯歯車であり、噛合歯はスロットルバルブ４の回動に伴う範囲のみに設けられている。この樹脂材料よりなる最終ギヤ２３の内部には、スロットルシャフト３との結合を成すカシメ結合金具２６の他に、回転角度検出装置６における磁気回路部３１がインサート成形されている。この磁気回路部３１の詳細は後述する。

スプリング装置は、電動モータ５への電流供給が遮断された際に、スロットルバルブ４の開度を全閉位置と全開位置との中間位置に保持して、車両の退避走行を可能とするもので、スロットルバルブ４を閉じる方向へ付勢力（閉弁力）を与えるリターンスプリング２７と、スロットルバルブ４を開く方向へ付勢力（開弁力）を与えるデフォルトスプリング２８とを組み合わせたものである。なお、図３に示すスプリング装置は、リターンスプリング２７とデフォルトスプリング２８がフック部（結合部）２９を介して逆方向に巻かれた１つのコイルスプリングである。

回転角度検出装置６は、スロットルバルブ４の開度を検出するスロットルポジションセンサであり、スロットルバルブ４の開度に応じた開度信号をＥＣＵに出力する。
回転角度検出装置６は、スロットルバルブ４と一体に回転する略筒状を呈する磁気回路部３１と、ギヤカバー１１（固定部材）に取り付けられて磁気回路部３１の内部に非接触で配置される磁気検出部３２とを備える。
具体的に、回転角度検出装置６は、スロットルシャフト３の端部にカシメ等の結合手段によって固定される樹脂製の最終ギヤ２３の内部にインサート成形された磁気回路部３１と、ギヤカバー１１に設けられて磁気回路部３１の内部空間に配置される磁気検出部３２とからなり、磁気検出部３２は磁気検出素子の一例であるホール素子を搭載する。

磁気回路部３１は、磁性材料（例えば、鉄）よりなり対向配置される一対のヨーク３３と、この一対のヨーク３３の両端部の間にそれぞれ配置されて、一方のヨーク３３にＮ極、他方のヨーク３３にＳ極の磁束を与える一対の磁石３４とからなり、一対のヨーク３３と一対の磁石３４を組み合わせて筒状に配置される。
具体的に、磁気回路部３１は、直径方向に分割された断面が略円筒状を呈した一対のヨーク３３と、２つの対向する分割部のそれぞれに配置された同一方向に磁極の向く一対の磁石３４とから構成され、一方のヨーク３３がＮ極の極性を持ち、他方のヨーク３３がＳ極の極性を持つ。

磁気検出部３２は、磁気回路部３１の内部に同芯的に配置されたステータコア３５と、このステータコア３５を通過する磁束密度を検出するホールＩＣ３６とからなる。
ステータコア３５は、ホールＩＣ３６へ磁束を集中させるためのものであり、例えば直径方向に分割された略円柱状を呈した磁性体製（例えば鉄）であり、その分割部（磁気検出ギャップ）に２つのホールＩＣ３６が固定配置されている。
このホールＩＣ３６は、ホール素子（磁気検出素子の一例）と信号増幅回路とを一体化したＩＣ（集積回路）であり、ホールＩＣ３６を通過する磁束密度に応じた電圧信号を出力する。即ち、スロットルバルブ４の開度に応じた電圧信号をＥＣＵに出力する。
なお、ＥＣＵは、マイクロコンピュータを搭載した周知の電子制御装置であり、ホールＩＣ３６によって検出される実際のスロットル開度が、アクセルペダル開度によって設定された目標開度となるように電動モータ５をフィードバック制御する。

（実施例１の特徴）
磁気回路部３１は、樹脂材料よりなる最終ギヤ２３の内部にインサート成形されたものであり、磁気回路部３１が組み付けられた状態で樹脂成形型の内部に配置された後、樹脂成形型の内部に溶融した樹脂が注入され、樹脂の固化後に樹脂成形型より取り出されることで、内部に磁気回路部３１がインサート成形された樹脂製の最終ギヤ２３が製造される。

最終ギヤ２３の内部に磁気回路部３１をインサート成形する際、ヨーク３３に加わる成形圧によってヨーク３３間の磁石３４が割れるのを防ぐために、ヨーク３３とヨーク３３の間には円柱形状を呈する成形用コア３７が挿入される。具体的に、磁気回路部３１は略楕円形状を呈するものであり、インサート成形前における楕円の最小直径寸法をａ、円柱形状を呈する成形用コア３７の外径寸法をｂとした場合、ａ＜ｂ（但し、ａとｂの差による隙間ｃは小さい）に設けられ、ヨーク３３に加わる成形圧を成形用コア３７で受けて、成形圧が磁石３４に加わらないようにしてインサート成形が成される。
このように、磁気回路部３１の内部に成形用コア３７を配置した状態でインサート成形することで、ヨーク３３と磁石３４の間には隙間ｃが生じる。

しかし、経時変化により樹脂製の最終ギヤ２３と磁気回路３１とがクリープし、隙間ｃが変化する可能性がある。
そこで、この実施例１では、一対のヨーク３３の対向距離が広がる方向をＸ方向（軸方向から見て、各ヨーク３３の円弧中心と回転中心とを通る直線方向と平行方向）とした場合、一対のヨーク３３と一対の磁石３４とが、Ｘ方向に沿う当接面３８にて面接触するように設けられている。ヨーク３３に設けられる当接面３８は、回転軸方向に平行な方向と、Ｘ方向とを含む平面よりなる。
磁石３４は直方体形状を呈するものであり、磁石３４の側面（平面）とヨーク３３の当接面３８とが面接触するものである。

ヨーク３３の端部は、対向するヨーク３３の端部との間に隙間を隔てて対向するものであり、ヨーク３３とヨーク３３との間にエアギャップが形成される。そして、エアギャップを成すヨーク３３の端部よりも径方向外側に、ヨーク３３の端部間において磁石３４を挟み付けるための突起部３９が一体に設けられている。
この突起部３９は、Ｘ方向に対して垂直方向で、径方向外側に延びて設けられ、対向する突起部３９の間に磁石３４を挟み付けるように組み立てる。すると、磁石３４の磁力によってヨーク３３が吸着され、最終ギヤ２３にインサート成形される前において、治具を用いなくても磁気回路部３１を略円筒状に組み付けた状態に保つことができる。
このように、最終ギヤ２３にインサート成形される前において、磁気回路部３１を略円筒状に組み付けることができるため、生産性を高めることができる。

（実施例１の効果）
この実施例１の回転角度検出装置６は、上述したように、一対のヨーク３３と一対の磁石３４とがＸ方向に沿う当接面３８にて面接触する。
これにより、経時変化により樹脂製の最終ギヤ２３と磁気回路３１とがクリープして、Ｘ方向の隙間ｃが変化したとしても、磁石３４とヨーク３３とが当接面３８を介して面接触する状態が継続する。この結果、隙間ｃが変化したとしてもホールＩＣ３６を通る磁気の変化が抑えられ、回転角度検出装置６のセンサ特性が変化する不具合を回避できる。
即ち、樹脂製の最終ギヤ２３の内部に磁気回路部３１をインサート成形する構成を採用して長期に亘って使用しても、回転角度検出装置６のセンサ特性の変化が抑えられるため、高い信頼性を得ることができる。

実施例２を図５を参照して説明する。なお、実施例２において実施例１と同一の符号は同一の機能物を示すものである。
この実施例２の突起部３９は、磁石３４と突起部３９とのＸ方向における隙間ｃを囲む迷路形成部材４１を一体に備えている。
このように、磁石３４と突起部３９のＸ方向の隙間ｃが、迷路形成部材４１によって囲まれて閉塞されることにより、樹脂成形時に磁石３４と突起部３９との隙間ｃに樹脂が侵入するのを防ぐことができ、磁石３４と突起部３９との間に樹脂の無い最終ギヤ２３を製造することができる。

〔変形例〕
上記の実施例では、本発明を電子スロットル１の回転角度検出装置６に適用する例を示したが、例えば、アクセル開度センサや、ロボットアーム部の回転角度センサなど、他の用途の回転角度検出装置６に本発明を適用しても良い。
上記の実施例では、磁気回路部３１が回転し、磁気検出部３２が固定される例を示したが、逆に磁気回路部３１が固定されて、磁気検出部３２が回転するものであっても良いし、磁気回路部３１と磁気検出部３２とが互いに回転するものであっても良い。
上記の実施例では、磁気検出素子の一例としてホール素子を用いたが、磁気抵抗素子（ＭＲＥ）など、他の磁気検出素子を用いても良い。

（ａ）最終ギヤの軸方向に沿う断面図、（ｂ）最終ギヤの軸方向に対して垂直方向に沿う断面図である（実施例１）。 （ａ）インサート成形前における磁気回路部を軸方向から見た図、（ｂ）成形用コアを軸方向から見た図、（ｃ）インサート成形後における磁気回路部を軸方向から見た図である（実施例１）。 電子スロットルの全体構造を示す断面図である。 ギヤカバーの内部構造を示す電子スロットルの説明図である。 インサート成形後における磁気回路部を軸方向から見た図である（実施例１）。 （ａ）最終ギヤの軸方向に沿う断面図、（ｂ）最終ギヤの軸方向に対して垂直方向に沿う断面図である（従来例）。 （ａ）インサート成形前における磁気回路部を軸方向から見た図、（ｂ）成形用コアを軸方向から見た図、（ｃ）インサート成形後における磁気回路部を軸方向から見た図である（従来例）。

符号の説明

６ 回転角度検出装置
２３ 最終ギヤ（磁気回路部をモールドする樹脂）
３１ 磁気回路部
３２ 磁気検出部
３３ ヨーク
３４ 磁石（永久磁石）
３６ ホールＩＣ（磁気検出素子に相当するホール素子を備える）
３８ 当接面
３９ 突起部
４１ 迷路形成部材

Claims (4)

1. 磁性材料よりなり対向配置される一対のヨーク、およびこの一対のヨークの両端部の間にそれぞれ配置されて一方のヨークにＮ極、他方のヨークにＳ極の磁束を与える一対の永久磁石を有し、前記一対のヨークと前記一対の永久磁石を組み合わせて筒状に設けられる磁気回路部と、
   この磁気回路部の内部空間に配置される磁気検出素子とを備え、
   前記磁気回路部が樹脂の内部にインサート成形されてなる回転角度検出装置において、 前記一対のヨークの対向距離が広がる方向をＸ方向とした場合、
   前記一対のヨークと前記一対の永久磁石とは、Ｘ方向に沿う当接面にて面接触することを特徴とする回転角度検出装置。
2. 請求項１に記載の回転角度検出装置において、
   前記ヨークの端部は、対向するヨークの端部との間に隙間を備えることを特徴とする回転角度検出装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の回転角度検出装置において、
   前記ヨークの端部は、前記永久磁石におけるＸ方向の端面と対向する突起部を備えることを特徴とする回転角度検出装置。
4. 請求項３に記載の回転角度検出装置において、
   前記突起部は、当該突起部と前記永久磁石とのＸ方向における隙間を囲む迷路形成部材を備えることを特徴とする回転角度検出装置。

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