JP4076116B2 - 磁気式のポジションセンサ - Google Patents

Description

【０００１】
本発明は、磁気式のポジションセンサであって、磁界内に少なくとも２つの固定子部材が配置されていて、これらの固定子部材間の測定エアギャップ内にホールセンサが配置されており、可動な対象物に追従する手段が、固定子部材によって張設された面に対して平行に配置されている形式のもの関する。
【０００２】
角度比例式の信号を発信するホール・角度センサは公知である。この場合、回転運動の検出は、２つの固定子半部間に形成されたエアギャップ内にあるホールセンサを介して行われる。
【０００３】
回転子は軸上に堅固に配置されており、この軸は対象物に結合されていて、この対象物の位置変化が検出されるようになっている。
【０００４】
固定子部材はセンサケーシングに固定されている。ホールセンサは、軸の回転方向に対して半径方向で固定子部材間の測定エアギャップ内に配置されており、これによって、電気的な接続部は、固定子部材を越えて突き出していて、プリント基板上の評価回路に電気的に接続されている。
【０００５】
この場合、センサの組立コストが高価になるという欠点がある。何故ならば、固定子を組み立てる作業と、ホールセンサをプリント基板に電気的に接続する作業との別個の方法段階が必要だからである。
冒頭に述べた形式のポジションセンサは、イギリス国特許第２２７２０６０号明細書により公知である。この公知のポジションセンサにおいては、磁界内に少なくとも２つの固定子部材が配置されており、測定エアギャップは固定子部材によって制限されていて、この測定エアギャップ内にホールセンサが配置されている。この場合、ホールセンサは直接的に、また固定子部材は補助支持体を介して共通の支持部材上に配置されている。このような構成においても、特に固定子部材を補助支持体を介してプリント基板上に組み付ける高価な組立コストを必要とするという欠点がある。
【０００６】
そこで本発明の課題は、簡単で安価に製造可能な磁気式のポジションセンサを提供することである。
【０００７】
この課題は本発明によれば、前記支持部材が、固定子部材の半径方向に延びる部分に対して平行に整列されており、前記固定子部材が、これらの固定子部材を支持部材に固定するための、支持部材に向かって折り曲げられた領域を有しており、回転子が設けられていて、該回転子が２分割して構成されていて、弱磁性の第１及び第２の回転子部材より成っており、各弱磁性の回転子部材が少なくとも１つの円形セグメントを有していて、これらの回転子部材が互いに相対回動不能に堅固に結合されており、これによって第１の回転子部材の円形セグメントが、第２の回転子部材のセグメント間隙に向き合っており、固定子 部材が回転子部材の間に配置されていて、軸方向で磁界を生ぜしめる磁石が回転子部材間にも、また固定子部材間にも配置されていることによって解決された。
【０００８】
特に、支持部材が、固定子部材の半径方向に延びる部分に対して平行に整列されていていることによって、磁気式のポジションセンサの構造形状は縮小され、固定子部材及び磁界ゾンデを、別の電子素子と一緒に、１回の方法段階で支持部材上に組み付けることができる。
【０００９】
有利には、固定子部材が、固定子部材を支持部材に固定するための、支持部材の方向で折り曲げられた領域を有している。この折り曲げられた領域の端部は、組立時に、プリント基板の銅張上に直接載せられて、突き合わせて例えばリフローはんだ付けによって固定される。
【００１０】
本発明の別の構成要件によれば、固定子部材の折り曲げられた領域に、折り曲げられた第２の領域が接続されており、該第２の領域が、支持部材に対して平行に構成されていて、この支持部材に結合されている。この変化実施例では、第２の折り曲げられた領域が、支持部材の銅張に面状に結合されており、これによって、支持部材上の固定子の良好な付着性が得られる。この部分も、表面はんだ付け(Oeberflaechenloetung）によって支持部材上に簡単に固定することができる。
【００１１】
特に簡単な構成によれば、固定子部材が打ち抜き・折り曲げ部分より形成されており、該打ち抜き・折り曲げ部分が支持部材上に直接載っている。このように構成された固定子部材は少なくとも１つの屈曲部を有しており、この屈曲部は、支持部材の開口部を貫通してこの支持部材内に導入され、反対側で支持部材に固定される。
【００１２】
固定子部材を打ち抜き・折り曲げ部分として製造したことによって、リベット及び円板(Scheiben）を省くことができ、従って、はんだ付けを用いて組立プロセスを自動化することができる。固定子部材の構成の複数の可能性を組み合わせることもできる。
【００１３】
別の構成によれば、ホールセンサが軸に対して半径方向でずらされて前記測定エアギャップ内に配置されており、この場合、軸が、固定子部材に対して軸方向に配置された回転子に堅固に結合されている。
【００１４】
回転子は２分割して第１の回転子部材と第２の回転子部材とから構成されており、各弱磁性の回転子部材が少なくとも１つの円形セグメントを有していて、２つの回転子部材が軸を介して互いに相対回動不能に堅固に結合されており、これら第１の回転子部材と第２の回転子部材との間に、軸方向で磁界を生ぜしめる磁石が配置されている。第１の回転子部材の円形セグメントは、第２の回転子部材の円形セグメント間のセグメント間隙に軸方向で向き合っており、２つの固定子部材が軸方向で前記２つの回転子部材の間に配置されていて、さらに、軸方向で磁界を生ぜしめる前記磁石は前記２つの固定子部材に囲まれた位置およびひいてはホールセンサに囲まれた位置にも配置されている。
【００１５】
本発明の利点は、回転子を堅固に２分割したことによって、軸方向遊びがセンサ信号に作用することは避けられる、という点にある。何故ならば、回転子と固定子との間に形成される２つのエアギャップは、逆方向で同時に変えることができ、それによってエアギャップの合計は常に一定だからである。
【００１６】
有利には、固定子部材と各１つの固定子部材との間に軸方向で形成された２つのエアギャプの合計は、磁石の軸方向の延びよりも小さく構成されており、これによって磁束は固定子によって補助される。
【００１７】
別の構成によれば、固定子部材が円形セグメントに似た形状に構成されている。
【００１８】
別の構成によれば、少なくとも１つの回転子部材の円形セグメントの外径が、固定子部材の外径よりも小さい。これによって、ホールセンサを、センサの軸の回転軸線に対して平行に、２つの固定子部材間のエアギャップ内に配置することが可能である。このような配置による利点は、磁石の最適な寸法構成が得られるという点にある。何故ならば、２つの回転子部分の軸方向間隔は、自由に変えられるからである。
【００１９】
磁束ガイドの角度との関連性は、磁石の輪郭形状又は磁気化を介して得られるのではなく、回転子の非左右対称形状によって得られるので、磁石に対する要求は最小限なものとなる。
【００２０】
磁石は、軸方向に向けられた磁界を生ぜしめるだけでよい。これは選択的に、回転可能に支承された永久磁石によって又は、固定子に関連して定置に配置された磁石によって生ぜしめられる。この場合、磁石は、永久磁石として又は電磁石として構成されていてよい。
【００２１】
本発明の別の構成によれば、磁石は永久磁石式のリング磁石として構成されている。
【００２２】
有利には、固定子部材は、回転子軸の回転軸線を中心にして同軸的に配置されている。
【００２３】
本発明は多くの実施例が可能である。これらの実施例のうちの１つを、図面を用いて詳しく説明する。
【００２４】
図面中、同じ部材には同じ符号が記されている。
【００２５】
図１には、ペダル１例えば自動車のアクセルペダルが、支承部３内に回転可能に支承された軸２に相対回動不能に（一緒に回転するように）結合されている。戻しばね６は、一方ではアクセルペダル１に一体的に構成された付加部４で支えられていて、他方では軸８を中心にして回転可能なレバー５で支えられており、このレバー５は他方の端部で、アクセルペダル１の回転面９に摩擦当接している。これによって、アクセルペダル１の２つの方向の旋回運動に抗して働く摩擦抵抗（ヒステリシス）が形成され、これによってアクセルペダル１の意図しない振動が十分に抑制される。
【００２６】
戻しばね６の作用は、そのストッパ７によって制限されており、アクセルペダル１が操作されない時に、このストッパ７に付加部４が当接する。
【００２７】
図２には、アクセルペダル１の支承部３における角度センサの配置が示されている。概略的に示されたねじ結合部１２を介して、角度センサのケーシング１０は支承部３に結合されている。
【００２８】
ケーシング１０は差込結合部１３を有しており、この差込結合部１３は、ケーシング１０内でケーシング１０の突起部１６に配置されたプリント基板１４との結合を可能にする。
【００２９】
開口部１１を貫通して支承部３から突き出してガイドされた軸２は、非磁性の軸１５を受容しており、この軸１５は段付けして構成されている。例えばプラスチック軸として構成された段付けされた軸１５上には２つの回転子部材１７ａ及び１７ｂが相対回動不能に配置されていて、これら２つの回転子部材１７ａ，１７ｂは、リング磁石１９と２つの固定子部材１８ａ，１８ｂとを軸方向で取り囲むように配置されている。固定子部材１８ａ及び１８ｂは、プリント基板１４上に配置されている。プリント基板１４の開口部２０を貫通して、回転子部材１７ｂは可動に案内されている。プラスチック軸１５の、軸２とは反対側は、ケーシング１０の受容部２１内で可動にガイドされている。
【００３０】
ケーシング１０は、差込結合部１３及び受容部２１と一体的に構成されている。
【００３１】
センサの原理は、図３に示されていて、以下に詳しく説明されている。
【００３２】
磁石１９は、互いに１８０゜回転せしめられた、弱磁性の材料より成る回転子部材１７ａ，１７ｂの間に配置されている。プラスチック製の軸１５を介して回転子部材１７ａ，１７ｂは互いに堅固に連結されている。
【００３３】
各回転子部材は、最も簡単な場合２つのセグメント１７ａ１，１７ａ２若しくは１７ｂ１及び１７ｂ２を有しており、これらのセグメントは互いに向き合って配置されている。第１の回転子部材１７ａは、互いに１８０゜ずらされたセグメント１７ａ１，１７ａ２を有していて、第２の回転子部材１７ｂは、同様に２つのセグメント１７ｂ１，１７ｂ２を有している。これらの回転子部材は、回転中心部の方向で磁気的に連結されている。２つの回転子部材１７ａ，１７ｂは、軸１５の軸線方向で見て回転子部材１７ａのセグメント１７ａ１に、回転子部材１７ｂのセグメント間隙が向き合って位置するように、互いにずらされている。これと同じことは、第２の回転子部材１７ｂのセグメント１７ｂ１，１７ｂ２のためにも当てはまる。これらのセグメント１７ｂ１，１７ｂ２は、軸１５の軸線方向で見て常に第１の回転子部材１７ａのセグメント間隙に向き合って位置している。この場合、セグメント間隙として、回転子部材１７ａ若しくは１７ｂのそれぞれ２つのセグメント１７ａ１，１７ａ２の間の間隔が示されている。
【００３４】
しかしながら、回転子部材１７ａ，１７ｂがＮ個のセグメントを有していてもよい。この場合は、回転子部材は、１８０゜／Ｎだけ互いにずらして配置される。前述のように、各翼の幅は、１８０゜／Ｎに相応した幅である。これによって、半円形の変化に対して信号の周期性は１／Ｎだけ減少される。
【００３５】
図３に示されたシステムは固定子装置を有しており、該固定子装置は、互いに直接並んで配置された２つのセグメント１８ａ１，１８ａ２より成っている。これらの固定子セグメント１８ａ１，１８ａ２は、回転子部材１７ａと１７ｂとの間に配置されていて、互いに１つのエアギャップ２３を形成しており、このエアギャプ２３内でホールセンサ（磁界センサ）２２が軸１５に対して軸方向に配置されている。
【００３６】
図３には冗長なシステムが示されており、この冗長なシステムにおいては、前述の固定子部材１８ａ１及び１８ａ２に並んでさらに２つの固定子部材１８ｂ１，１８ｂ２が構成されていて、これらの固定子部材は、固定子部材１８ａ１，１８ａ２の第１の対に対して１８０゜回転させて配置されている。固定子セグメント１８ｂ１及び１８ｂ２も１つの測定エアギャプ２３を形成しており、この測定エアギャップ２３内に第２のホールセンサ２２が配置されている。
【００３７】
この実施例において、固定子セグメント１８ａ１，１８ａ２，１８ｂ１及び１８ｂ２は、回転子セグメント１７ａ１，１７ａ２若しくは１７ｂ１，１７ｂ２の外径よりも大きい外径Ｒ２を有している。回転子セグメントは、外径Ｒ１を有しており、この外径Ｒ１は、ホールセンサ２２が、回転子セグメント１７ａ１，１７ａ２；若しくは１７ｂ１，１７ｂ２によって覆われることなしに、測定エアギャップ内で完全にガイドされることができるような寸法で構成されている。
【００３８】
測定エアギャプ２３内でセンサの回転方向に対して軸方向に配置されたホールセンサ２２は、１つだけのプリント基板１４上に配置することができる。
【００３９】
磁石１９は最適な寸法で構成されることができる。何故ならば２つの回転子部材１７ａ，１７ｂの軸方向間隔は自由に選択できるからである。
【００４０】
第１の回転子部材の円形セグメントが、第２の回転子部材のセグメント間隙よりも小さい角度を有していれば、センサ全体の組み付けはより簡略化される。
【００４１】
図３には、分割が５７゜で行われ、冗長信号が生ぜしめられる例が示されている。
【００４２】
２対の固定子セグメント１８ａ１，１８ａ；１８ｂ１，１８ｂ２の間には、例えば６６゜の開放された領域が得られる。
【００４３】
回転子部材１７ａは、簡単な固定子幅（５７゜）の２つのセグメント１７ａ１，１７ａ２を有している。回転子部材１７ｂは、補完的に構成されている。つまり間隙が、回転子部材１７ａの円形セグメント１７ａ１，１７ａ２の幅に相当する大きさを有している。
【００４４】
回転子部材１７ａ，１７ｂが適当な位置（図示の位置に対して±９０゜に相当する）に達すると、この回転子部材１７ａ，１７ｂは、全体的に軸方向で結合若しくは分解することができる。
【００４５】
これによって、組付けが著しく簡略化される。何故ならば、固定子及び電子回路を備えた固定子側（プリント基板１４）も、回転子側（回転子部材１７ａ，１７ｂ、磁石１９及び軸１５）と同様に、前もって組み立てられたユニットとして取り扱うことができるからである。
【００４６】
例えば回転子側は、非磁性の軸１５に前もって取り付けることができ、次いでこの軸１５が軸２に押しつけられる。プラスチック体によって、軸５の磁気的な解除が得られる。この場合は、軸５は弱磁性材料より成っている。軸５が弱磁性材料より成っていれば、これらの軸を段付けして構成する必要はなく、これによって同様に製造の簡略化が得られる。
【００４７】
図４には、前記センサの１実施例が示されており、この実施例においては、固定子セグメント１８ａ１及び１８ａ２若しくは１８ｂ１及び１８ｂ２はプリント基板１４上に直接載せられる。
【００４８】
固定子セグメント１８ａ１及び１８ａ２若しくは１８ｂ１及び１８ｂ２は、打ち抜き成形部分として構成されている。各固定子部材は、その外側のセグメント縁部２９でそれぞれ１つの折り曲げ部２４若しくは２５を有している（図５）。固定子セグメント１８ｂ２の折り曲げ部２４は、固定子セグメント１８ｂ１の折り曲げ部２５と共に測定エアギャップ２３を形成しており、この測定エアギャップ２３内にホールセンサ２２が配置される。
【００４９】
この折り曲げ部、特に図６の１及び図６の２に示した折り曲げられた領域３０，３１に基づいて、固定子の金属薄板の厚さを大きくする必要なしに、効果的な測定面が拡大される。これによって、磁石１９の寸法を小さくすることができ、ひいてはセンサ全体を小さい寸法で構成することができる。
【００５０】
ホールセンサ２２の電気的な接続部２８は、プリント基板１４に係合し、プリント基板１４の下側にフローソルダリングすることができる。
【００５１】
図５にはやはり固定子セグメントが示されている。セグメント１８ａ１の例では、最大の外径Ｒ２を有する縁部に２つの屈曲部２６，２７が配置されており、これらの屈曲部は、プリント基板１４の開口部に係合する。これらの屈曲部２６，２７によって、セグメント１８ａ1，１８ａ２，１８ｂ１，１８ｂ２は、プリント基板上に固定されていて、このプリント基板上で、ホールセンサ２２及びその他の、プリント基板１４上に配置された図示していない電気的なスイッチ部材と共に１回の作業工程でフローソルダリングされる。
【００５２】
図６には、固定子部材のさらに別の固定可能性について図示されている。図６の１には、固定子部材１８ａ１が示されており、この固定子部材１８ａ１は、プリント基板１４に対して所定の間隔を有している。固定子部材１８ａ１若しくは１８ａ２の直角に折り曲げられた領域３０若しくは３１は、プリント基板１４の銅張３２上に突き合わせて(stumpf）載っていて、リフローソルダリングによって結合されている。この場合、折り曲げられた領域３０，３１は同時に、プリント基板１４に対する固定子セグメント１８ａ１の間隔ホルダとして用いられる。
【００５３】
図６の２に示した変化実施例では、固定子部材１８ａ１の第１の９０゜の折り曲げられた領域３０に、第２の９０゜の折り曲げられた領域３３が続いており、この折り曲げられた領域３３は、プリント基板に対して平行に構成されていて、このプリント基板上に面状に載っていてはんだ付けされている。固定子部材１８ａ１は、２つの折り曲げられた領域３０，３３と共に、９０゜回転せしめられたＵ字形を形成している。
【００５４】
図６の１に示した変化実施例においても、また図６の２に示した変化実施例においても、各固定子部材の第１の折り曲げ部３０は、この第１の折り曲げ部３０に対して平行な隣接する固定子部材の第１の折り曲げ部３１と共に、測定エアギャップ２３を形成しており、この測定エアギャップ２３内にホールセンサ２２が配置されている。
【図面の簡単な説明】
【図１】 自動車のアクセルペダルユニットを示す概略図である。
【図２】 自動車のアクセルペダルユニットに配置された磁気式のポジションセンサの断面図である。
【図３】 磁気式のポジションセンサの原理図である。
【図４】 プリント基板上における磁気式のポジションセンサの固定子部材の配置を示す図である。
【図５】 固定子部材を示す図である。
【図６】 図６の１及び図６の２は、それぞれプリント基板上の固定子部材の固定状態を示す変化実施例である。
【符号の説明】
１ アクセルペダル、 ２ 軸、 ３ 支承部、 ４ 付加部、 ５ レバー、 ６ 戻しばね、 ７ ストッパ、 ８ 軸、 ９ 回転面、 １０ ケーシング、 １１ 開口部、 １２ ねじ結合部、 １３ 差込結合部、 １４ プリント基板、 １５ 軸、 １６ 突起部、 １７ａ，１７ｂ 回転子部材、 １７ａ１， １７ａ２；１７ｂ１，１７ｂ２ セグメント、 １８ａ，１８ｂ 固定子部材、 １８ａ１，１８ｂ２ 固定子部材セグメント、 １９ リング磁石、 ２０ 開口部、 ２１ 受容部、 ２２ ホールセンサ（磁界ゾンデ）、 ２４ 固定子セグメント、 ２４，２５ 折り曲げ部、 ２６，２７ 屈曲部、 ２８ 電気的な接続部、 ２９ セグメント縁部、 ３０，３１ 折り曲げられた領域、 ３２ 銅張、 ３３ 折り曲げられた領域

Claims (14)

1. 磁気式のポジションセンサであって、磁界内に少なくとも２つの固定子部材（１８ａ，１８ｂ）が配置されていて、これらの固定子部材間の測定エアギャップ（２３）内にホールセンサ（２２）が配置されており、可動な対象物に追従する手段が、固定子部材によって張設された面に対して平行に配置されており、少なくとも１つの固定子部材とホールセンサとが、共通の支持部材上に配置されている形式のものにおいて、
   前記支持部材（１４）が、固定子部材（１８ａ，１８ｂ）の半径方向に延びる部分に対して平行に整列されており、前記固定子部材（１８ａ，１８ｂ）が、これらの固定子部材（１８ａ，１８ｂ）を支持部材（１４）に固定するための、支持部材（１４）に向かって折り曲げられた領域（３０，３１）を有しており、回転子が設けられていて、該回転子が２分割して構成されていて、弱磁性の第１及び第２の回転子部材（１７ａ，１７ｂ）より成っており、各弱磁性の回転子部材（１７ａ，１７ｂ）が少なくとも１つの円形セグメント（１７ａ１，１７ａ２，１７ｂ１，１７ｂ２）を有していて、これらの回転子部材（１７ａ，１７ｂ）が互いに相対回動不能に堅固に結合されており、これによって第１の回転子部材（１７ａ）の円形セグメント（１７ａ１，１７ａ２）が、第２の回転子部材（１７ｂ）のセグメント間隙に向き合っており、固定子部材（１８ａ，１８ｂ）が回転子部材（１７ａ，１７ｂ）の間に配置されていて、軸方向で磁界を生ぜしめる磁石（１９）が回転子部材（１７ａ，１７ｂ）間にも、また固定子部材（１８ａ，１８ｂ）間にも配置されていることを特徴とする、磁気式のポジションセンサ。
2. 前記折り曲げられた領域（３０，３１）が支持部材（１４）上に突き合わせてはんだ付けされている、請求項１記載の磁気式のポジションセンサ。
3. 固定子部材（１８ａ，１８ｂ）の前記折り曲げられた領域（３０，３１）に、折り曲げられた第２の領域（３３，３４）が接続されており、該第２の領域が、支持部材（１４）に対して平行に形成されていて、この支持部材（１４）に結合されている、請求項２記載の磁気式のポジションセンサ。
4. 固定子部材（１８ａ，１８ｂ）の少なくとも１つの屈曲部（２６，２７）が支持部材（１４）の開口部内に挿入されて、ここではんだ付けされている、請求項１記載の磁気式のポジションセンサ。
5. 固定子部材（１８ａ，１８ｂ）が打ち抜き・折り曲げ部分より形成されており、該打ち抜き・折り曲げ部分が支持部材（１４）上に直接載っている、請求項１から４までのいずれか１項記載の磁気式のポジションセンサ。
6. 固定子部材（１８ａ，１８ｂ）が少なくとも１つの折り曲げ部（２４，２５）を有しており、この場合、互いに隣接して配置された２つの固定子部材（１８ａ，１８ｂ）の折り曲げ部（２４，２５）の間に、ホールセンサ（２２）を受容する測定エアギャップ（２３）が形成されている、請求項１又は５記載の磁気式のポジションセンサ。
7. ホールセンサ（２２）が軸（１５）に対して平行に測定エアギャップ（２３）内に配置されており、該軸（１５）が、固定子部材（１８ａ，１８ｂ）を軸方向で取り囲む回転子（１７ａ，１７ｂ）に結合されている、請求項６記載の磁気式のポジションセンサ。
8. 回転子部材（１７ａ，１７ｂ）と各１つの固定子部材（１８ａ，１８ｂ）との間に軸方向で形成された２つのエアギャプの合計が、磁石（１９）の軸方向の延びよりも小さく構成されている、請求項１記載の磁気式のポジションセンサ。
9. 固定子部材（１８ａ，１８ｂ）が円形セグメントに似た形状に構成されている、請求項１記載の磁気式のポジションセンサ。
10. 少なくとも１つの回転子部材（１７ａ，ｌ７ｂ）の円形セグメント（１７ａ１，１７ａ２，１７ｂ１，１７ｂ２）の外径（Ｒ１）が、固定子部材（１８ａ，１８ｂ）の外径（Ｒ２）よりも小さい、請求項９記載の磁気式のポジションセンサ。
11. 磁石（１９）が永久磁石式のリング磁石として構成されている、請求項１から１０までのいずれか１項記載の磁気式のポジションセンサ。
12. リング磁石（１９）が回転子軸（１５）に固定されている、請求項１１記載の磁気式のポジションセンサ。
13. 固定子部材（１８ａ，１８ｂ）が、回転子軸（１５）の回転軸線を中心にして同軸的に配置されている、請求項１から１０までのいずれか１項記載の磁気式のポジションセンサ。
14. 回転子部材（１７ａ，１７ｂ）と回転子軸（１５）とから成る回転子が全体で軸方向に組立可能若しくは分解可能である、請求項１記載の磁気式のポジションセンサ。

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