JP2006300704A

JP2006300704A - 回転角度検出センサ

Info

Publication number: JP2006300704A
Application number: JP2005122225A
Authority: JP
Inventors: Toshimichi Matsuzaki; 敏道松崎
Original assignee: Hitachi Cable Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd
Priority date: 2005-04-20
Filing date: 2005-04-20
Publication date: 2006-11-02

Abstract

【課題】簡素な構成で検出精度の高い回転角度検出センサを提供する。
【解決手段】内周面の片側がＮ極で反対側がＳ極である円筒状の磁石１と、その磁石１に囲まれた内側に該磁石１と同心に配置された円筒状の磁性体からなる固定子２と、上記固定子２と上記磁石１の間を同心に回転し周方向の位置によって不均一な側面形状をした磁性体からなる回転子３と、上記固定子２を通って上記回転子３の回転角度に応じて大きさが変化する磁束を検出する磁束検出器４とを備えた。
【選択図】図１

Description

本発明は、回転に応じて磁束が変化するようにした回転角度検出センサに係り、簡素な構成で検出精度の高い回転角度検出センサに関する。

特許文献１等に示される従来の回転角度検出センサは、磁石の回転に応じて磁束が変化するようにしたものである。すなわち、図１３に示されるように、結合軸１４１と共に回転する側板１４２の内周にＮ極・Ｓ極が周方向に並んだ円筒状の永久磁石１４３を取り付け、その磁石１４３の内側に固定子１４４を設けてある。図１４に示されるように、固定子１４４は磁石１４３と同心に配置された円柱状の磁性体からなり、その固定子１４４は直径に沿って２分され、その２分によって生じたギャップ内に磁束検出器１４５が挟まれている。

結合軸１４１が回転すると、磁石１４３のＮ極・Ｓ極の配置に対する固定子１４４のギャップの角度が変わり、それによって磁束検出器１４５を通る磁束の大きさが変化する。つまり、回転角度に応じて磁束検出器１４５の出力の大きさが変化するので、回転角度が検出できる。

特許第２９２０１７９号公報

磁石は焼結製造法又は鋳造法で作られるので、円筒状に形成する場合、肉厚（内径と外径の差）を薄くすることは困難である。このため、肉厚が厚くなり、質量が増すので、回転の慣性が大きくなる。回転の慣性が大きくなると回転速度の変動に対して追従しにくくなる。よって、回転速度の変動を測定したい場合に、急峻な変動が測定困難になる。

磁石は脆い材料で作られるので、磁石を回転させるためには、ヨークなどの補強材で磁石を補強する必要がある。つまり、磁石の外周をヨークで覆うことになる。これによっても、質量が増すので、回転の慣性が大きくなり、急峻な変動が測定困難になる。

磁石は焼結製造法又は鋳造法などの製法によって形状が制約される。つまり、所望した形状の磁石をなかなか得られない。また、磁石は追加加工をするのにも時間が掛かる。よって、磁石を回転軸等の他部材と結合させるための形状にするのが難しく、それが可能であっても製造コストがかかる。

そこで、本発明の目的は、以下の通りである。

１．回転角度およびその時間的変動を、簡単な構造で精度よく容易に検出できる回転角度検出センサを提供すること。

２．小さいトルク、小さいエネルギで回転角度およびその時間的変動を検出できる回転角度検出センサを提供すること。

３．各部品を短時間で精度よく組み立てることができ、大量に安定した品質の回転角度検出センサが製造できるようにすること。

４．組立性が良く、安価な回転角度検出センサを提供すること。

簡単にまとめると、本発明の目的は、簡素な構成で検出精度の高い回転角度検出センサを提供することにある。

上記目的を達成するために本発明は、内周面の片側がＮ極で反対側がＳ極である円筒状の磁石と、その磁石に囲まれた内側に該磁石と同心に配置された円筒状の磁性体からなる固定子と、上記固定子と上記磁石の間を同心に回転し周方向の位置によって不均一な側面形状をした磁性体からなる回転子と、上記固定子を通って上記回転子の回転角度に応じて大きさが変化する磁束を検出する磁束検出器とを備えたものである。

上記固定子は、上記磁石のＮ極に臨むＮ側固定子片と上記磁石のＳ極に臨むＳ側固定子片とに分割形成され、これらＮ側固定子片とＳ側固定子片との間に上記磁束検出器を挟んでもよい。

上記固定子は、上記Ｎ側固定子片とＳ側固定子片とが向き合う箇所に、上記磁束検出器に磁束を集中させるための面取りが形成されていてもよい。

上記固定子は、樹脂からなるベース板に上記磁石と共に固定されていてもよい。

上記ベース板は、上記磁石の中心を通る回転軸を軸承する軸受けを有してもよい。

上記回転子は、上記磁石と同心の半円筒状に形成されていてもよい。

上記半円筒状の回転子は、周方向の端部に丸み又は面取りが形成されていてもよい。

上記回転子は、上記磁石と同心の円筒状に形成され、その周の一部に切り欠き又は窓が形成されていてもよい。

上記円筒状の回転子は、上記切り欠き又は窓の周方向の端部に丸み又は面取りが形成されていてもよい。

上記回転子は、上記磁石と同心に配置された円筒状の樹脂からなる樹脂回転子と一体に形成されていてもよい。

上記回転子は、上記磁石の中心を通る回転軸に固定されていてもよい。

上記固定子は、上記磁石と同心に配置された円弧状又は円環状の板を積層して形成されていてもよい。

上記固定子は、磁性粉末を固めて形成されていてもよい。

本発明は次の如き優れた効果を発揮する。

（１）簡素な構成で、しかも検出精度が高い。

以下、本発明の一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。

図１に示されるように、本発明に係る回転角度検出センサは、内周面の片側がＮ極で反対側がＳ極である円筒状の磁石１と、その磁石１に囲まれた内側に磁石１と同心に配置された円筒状の磁性体からなる固定子２と、固定子２と上記磁石１の間を同心に回転し周方向の位置によって不均一な側面形状をした磁性体からなる回転子３と、固定子２を通って回転子３の回転角度に応じて大きさが変化する磁束を検出する磁束検出器４とを備えたものである。

固定子２は、軟磁性材料であることが望ましい。また、回転子３も軟磁性材料であることが望ましい。

固定子２は、磁石１のＮ極に臨むＮ側固定子片２Ｎと磁石１のＳ極に臨むＳ側固定子片２Ｓとに分割形成され、これらＮ側固定子片２ＮとＳ側固定子片２Ｓとの間に磁束検出器４を挟んだものである。図示のように、Ｎ側固定子片２Ｎ及びＳ側固定子片２Ｓは、それぞれほぼ半円柱状に形成されており、各々の周方向の端面が向き合うことで、２箇所のギャップｇを形成している。磁束検出器４は、それぞれのギャップｇに設置されている。

固定子２は、円盤状の非磁性体からなるベース板５（図２参照）に磁石１と共に固定されている。すなわち、固定子２と磁石１は一体であり、どちらも固定である。そして、ベース板５が非磁性体であることにより、磁束が磁石１から集中的にベース板５を通って固定子２に至ることはない。

回転子３は、磁石１の内径より径が小さく、固定子２の外径より径が大きく、磁石１と固定子２で囲まれた空間の一部を占め、この空間内で回転するものである。後述する磁束の変化を起こすために、周方向の位置によって不均一な側面形状なっている。ここでは、回転子３は、磁石１と同心の半円筒状に形成されている。すなわち、周方向に１８０度にわたって側面には磁性体による円筒面があり、残りの１８０度にわたっては側面には空間しかない。

また、ここでは、回転角度の検出対象である回転軸６が磁石１の中心を通っており、固定子２及びベース板５の中心部は回転軸６が貫通する穴７になっている。回転子３は、その片端部を覆う回転板８（図２参照）を介して回転軸６に固定されている。回転軸６は、磁束に影響を与えないよう、非磁性体であることが望ましい。

図２に示されるように、磁石１、回転子３、固定子２は、軸方向の高さがほぼ同じになっており、磁束検出器４は固定子２の端面をほぼ全部覆う感知面を有し、この感知面を通る磁束を検出することができる。磁石１と固定子２はベース板５に固定されているが、回転子３はベース板５には固定されず回転軸６に固定されている。

以下、図１と図３を用いて動作原理を説明する。

まず、図１の状態では、回転子３が磁石１のＮ極と一致するような回転角度に位置している。このとき、磁束は、磁石１のＮ極から回転子３に向かい、Ｎ側固定子片２Ｎ、ギャップｇ、Ｓ側固定子片２Ｓを通って磁石１のＳ極に至る。これにより、Ｎ極を出るほとんど全ての磁束がギャップｇを通ることになる。

一方、回転子３が図１の状態から右へ９０度回転した図３の状態では、回転子３が磁石１のＮ極とＳ極に半分ずつかかっている回転角度に位置している。このとき、回転子３が位置している側では、磁石１のＮ極から出た磁束の一部は、回転子３に捕捉され、回転子３の肉厚内部を周方向に通り、磁石１のＳ極に至る。回転子３がない側では、磁石１のＮ極から出た磁束は、Ｎ側固定子片２Ｎ、ギャップｇ、Ｓ側固定子片２Ｓを通って磁石１のＳ極に至る。このため、固定子２を通過する磁束は、図１の状態に比べて半分程度となる。よって、ギャップｇを通る磁束も半分程度となる。

以上のように、回転子３の回転角度が変わると、磁石１の極と回転子３の側面形状との位置関係が変わることで、固定子２を通過する磁束が変化することになる。その結果、ギャップｇを通る磁束も変化するので、ギャップｇに設けた磁束検出器４で磁束を検出すれば、回転子３の回転角度、すなわち回転軸６の回転角度を知ることができる。

本発明の回転角度検出センサは、従来のものに比べて、磁石１を回転させないので、磁石自体や補強材による回転慣性の増大がなく、回転子３は軽量、堅牢かつ加工容易な磁性体材料で作ることができるため、回転速度の急峻な変動にも追随することができる。

次に、本発明の他の実施形態を説明する。

図４に示した回転角度検出センサは、図１のベース板５を変形したものである。このベース板４１は、回転軸６の軸受けになっていると共に、回転子３を軸方向一方から支持する台座にもなっている。これは、軸受けや台座の部材を削減することを目的としている。ベース板４１の材料としては、ナイロン樹脂、フッ素樹脂等の摩擦、摩耗の少ない樹脂を用いるとよい。

また、このベース板４１は、固定子２と磁石１を同時に一体化するべく樹脂成形される。これは、固定子２や磁石１、あるいはベース板５を個別の部材として回転角度検出センサの組立に供するのでなく、固定子２及び磁石１を一体化したベース板４１をひとつの部材とすることで回転角度検出センサの組立を簡素化することを目的としている。

図５（ａ）の回転子３は、図１の回転角度検出センサに使用したものである。ここで、この半円筒状の回転子３の周方向の端部（破線円で囲む）に着目すると、円筒を切ったような形状であるため、端面５１と内周面５２あるいは外周面５３がほぼ直角になっている。そこで、この端部について、図５（ｂ）あるいは図５（ｃ）のように、端面５１から内周面５２あるいは外周面５３にかけて丸み又は面取りを形成する。これにより、回転時に端面５１が受ける空気抵抗が小さくでき、回転子３の回転が妨げられにくい。

図６の回転子６１は、これまでの回転子３と異なり、磁石１と同心の円筒状に形成される。ただし、周方向の位置によって不均一な側面形状であることが必要であるから、その周の一部に切り欠き又は窓を形成する。図７に種々の側面形状を示す。

図７（ａ）の回転子６１ａは、磁性体を円筒状に形成した側面に、大きさが異なる複数の窓７１を設けてある。各窓７１は、軸方向開口高さは均一であるが周方向開口幅が異なる。これらの窓７１を適宜な周方向の位置に配置することで、前述の回転角度検出原理における磁束の通過、捕捉の態様を任意に作り出すことができる。図７（ｂ）の回転子６１ｂは、周方向開口幅が広い窓７２をひとつだけ設けたものである。図７（ｃ）の回転子６１ｃは、磁性体を円筒状に形成した側面に、大きさが異なる複数の切り欠き７３を設けてある。図７（ｄ）の回転子６１ｄは、周方向開口幅が広い切り欠き７４をひとつだけ設けたものである。いずれの構成も、周方向の位置によって不均一な側面形状であるため、回転角度に応じて固定子２を通過する磁束の大きさを変化させる働きがある。

また、図示しないが、図７の窓７１，７２や切り欠き７３，７４の周方向の端部に、図５（ｂ）、図５（ｃ）で説明したような、丸み又は面取りを形成すると、回転子３の回転が妨げられにくい。

図８の樹脂回転子８１は、図５の回転子３を樹脂で覆ったものである。樹脂回転子８１は、円筒状に成形される。これにより、回転子３の端面がもたらす回転時の空気抵抗の問題が解消できる。また、樹脂回転子８１が円筒状であるので、回転子３が半円筒状であることによる軸のアンバランスを解消できる。

図９の樹脂回転子９１は、図６の回転子６１を樹脂で覆ったものである。樹脂回転子９１は、図７（ａ）〜図７（ｄ）のような側面形状に関係なく、窓等の欠損のない円筒状に成形される。これによる効果は図８の樹脂回転子８１による効果に準ずる。

図１０の回転角度検出センサは、樹脂回転子８１，９１を図２の回転板８と同時に一体成形した樹脂回転子１０１を用いたものである。

図１１の回転角度検出センサは、図４のベース板４１を変形したもので、このベース板１１１には、回転軸６を軸承する軸受け１１２を埋設してある。軸受け１１２は、ベアリング軸受けである。軸受け１１２は、固定子２及び磁石１と同時に樹脂成形によりベース板１１１に一体化される。

図示しないが、固定子２は、磁石１と同心に配置された円弧状又は円環状の板を積層して形成することができる。また、固定子２は、磁性粉末を固めて形成することができる。

図１２の回転角度検出センサは、図１の固定子２を変形したもので、この固定子１２１は、Ｎ側固定子片１２１ＮとＳ側固定子片１２１Ｓとが向き合う箇所に、磁束検出器４に磁束を集中させるための面取りが形成されている。つまり、Ｎ側固定子片１２１ＮとＳ側固定子片１２１Ｓは、それぞれギャップｇがテーパ状に広がるように、周方向両端が斜めに切り落とされている。一方、磁束検出器４は図２で見たような固定子２の端面をほぼ全部覆うものではなく、それより小さい。しかし、面取りの効果により、磁束検出器４に磁束を集中させることができる。

本発明の一実施形態を示す回転角度検出センサの軸方向から見た平断面図である。図１の回転角度検出センサの側断面図である。図１の回転角度検出センサの別の状態を示す平断面図である。本発明の一実施形態を示す回転角度検出センサの側断面図である。（ａ）は本発明の一実施形態を示す回転子の平断面図、（ｂ），（ｃ）は回転子の端部拡大図である。本発明の一実施形態を示す回転子の平断面図である。（ａ）〜（ｄ）は、それぞれ本発明の一実施形態を示す回転子の側面図である。本発明の一実施形態を示す樹脂回転子の平断面図である。本発明の一実施形態を示す樹脂回転子の平断面図である。本発明の一実施形態を示す回転角度検出センサの側断面図である。本発明の一実施形態を示す回転角度検出センサの側断面図である。本発明の一実施形態を示す回転角度検出センサの平断面図である。従来の回転角度検出センサの側断面図である。従来の回転角度検出センサの平断面図である。

符号の説明

１磁石
２固定子
３回転子
４磁束検出器

Claims

内周面の片側がＮ極で反対側がＳ極である円筒状の磁石と、その磁石に囲まれた内側に該磁石と同心に配置された円筒状の磁性体からなる固定子と、上記固定子と上記磁石の間を同心に回転し周方向の位置によって不均一な側面形状をした磁性体からなる回転子と、上記固定子を通って上記回転子の回転角度に応じて大きさが変化する磁束を検出する磁束検出器とを備えたことを特徴とする回転角度検出センサ。
上記固定子は、上記磁石のＮ極に臨むＮ側固定子片と上記磁石のＳ極に臨むＳ側固定子片とに分割形成され、これらＮ側固定子片とＳ側固定子片との間に上記磁束検出器を挟むことを特徴とする請求項１記載の回転角度検出センサ。
上記固定子は、上記Ｎ側固定子片とＳ側固定子片とが向き合う箇所に、上記磁束検出器に磁束を集中させるための面取りが形成されていることを特徴とする請求項２記載の回転角度検出センサ。
上記固定子は、樹脂からなるベース板に上記磁石と共に固定されていることを特徴とする請求項１〜３いずれか記載の回転角度検出センサ。
上記ベース板は、上記磁石の中心を通る回転軸を軸承する軸受けを有することを特徴とする請求項４記載の回転角度検出センサ。
上記回転子は、上記磁石と同心の半円筒状に形成されていることを特徴とする請求項１〜５いずれか記載の回転角度検出センサ。
上記半円筒状の回転子は、周方向の端部に丸み又は面取りが形成されていることを特徴とする請求項６記載の回転角度検出センサ。
上記回転子は、上記磁石と同心の円筒状に形成され、その周の一部に切り欠き又は窓が形成されていることを特徴とする請求項１〜５いずれか記載の回転角度検出センサ。
上記円筒状の回転子は、上記切り欠き又は窓の周方向の端部に丸み又は面取りが形成されていることを特徴とする請求項８記載の回転角度検出センサ。
上記回転子は、上記磁石と同心に配置された円筒状の樹脂からなる樹脂回転子と一体に形成されていることを特徴とする請求項１〜９いずれか記載の回転角度検出センサ。
上記回転子は、上記磁石の中心を通る回転軸に固定されていることを特徴とする請求項１〜１０いずれか記載の回転角度検出センサ。
上記固定子は、上記磁石と同心に配置された円弧状又は円環状の板を積層して形成されていることを特徴とする請求項１〜１１いずれか記載の回転角度検出センサ。
上記固定子は、磁性粉末を固めて形成されていることを特徴とする請求項１〜１１いずれか記載の回転角度検出センサ。