JP4169536B2 - アクチュエータ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はアクチュエータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
給電により作動して駆動力やトルクを発生するアクチュエータは、供給電流等を駆動力等に変換するための磁気回路を内蔵したものが主流である。精密な駆動が要求される車両用エンジンの吸気バルブ制御用等の分野では、被駆動部材の変位量や回転量を検出すべく、アクチュエータ本体に、該アクチュエータ本体の作動量を検知するセンサを設けたものが用いられる。かかるセンサには磁気検知方式、接触抵抗方式、光方式等があるが、前記吸気バルブ制御用のアクチュエータのように、使用場所が車両のエンジンルームのように環境条件の厳しい場所となる場合には、信頼性の面から磁気検知方式が採用されることが多い。
【０００３】
特開２０００−８８６００号公報には、揺動アクチュエータに磁気検知方式の位置センサを設けたものが開示されている。位置センサは、アクチュエータ本体である揺動アクチュエータの、揺動軸が突出するハウジング端面に磁気検出手段が設けられ、揺動軸には、磁気検出手段と対向する面を着磁面とした円盤状の磁石が同軸で一体的に設けられる。磁石は、着磁面を螺旋状に傾斜するスロープ面とすることで、揺動軸の回転量に応じて磁気検出手段位置における磁束密度を変化せしめる作動量／磁束変換手段となっている。磁気検出手段で検出される磁束密度の大きさにより揺動軸の回転量が知られる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
このような、センサ一体のアクチエータはコンパクトでその点では望ましいが、次の問題がある。すなわち、揺動アクチュエータに内蔵の磁気回路と磁気検知方式の位置センサとが近接することで、位置センサが磁気回路からの漏洩磁束の影響を受けやすく、検出誤差が増大するおそれがあった。
【０００５】
本発明は前記実情に鑑みなされたもので、簡単な構成でアクチュエータ全体を大型化することなく、センサへの漏洩磁束の影響を防止することのできるアクチュエータを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明では、磁気回路を形成する複数の磁石をケース内部に有し、前記磁気回路から前記ケース外部に漏洩磁束を発生するアクチュエータ本体に、該アクチュエータ本体の作動量を検知するセンサを設けたアクチュエータであって、前記センサとして、磁気検出手段と、前記アクチュエータ本体の作動量に応じて磁気検出手段位置における磁束密度を変化せしめる作動量／磁気変換手段とからなる磁気検知方式の位置センサを設けたアクチュエータにおいて、
前記磁気回路により磁場が形成される前記ケース内部の領域の周りに、前記複数の磁石がその磁極面を前記領域に向け、かつ、相隣れる磁石の磁極面が異極となるように、飛び石状に配置され、
前記磁気検出手段を配置する方向を、相隣れる前記磁石で挟まれた隣接部を通り磁石の隣接方向と直交する方向とし、かつ前記磁気検出手段を配置する位置を、前記ケースの外部とする。
【０００７】
磁気検出手段が前記磁気回路の漏洩磁束の影響を受けにくい方向に配置されるので、アクチュエータ本体の作動量の検出誤差を低減することができる。
【０００９】
相隣れる磁石の磁極面が異極となっているので、相隣れる磁石で挟まれた隣接部を通り磁石の隣接方向と直交する方向では、相隣れる磁石の隣接方向と直交する方向の磁束密度が、相隣れる磁石のうち一方の磁石の磁束密度と他方の磁石の磁束密度とで相殺して、大きさが減じられる。したがって、漏洩磁束に対して最も鈍感となる。
【００１０】
請求項２記載の発明では、請求項１の発明の構成において、前記磁気検出手段の向きを、その感磁方向が、前記磁気検出手段位置における前記漏洩磁束の磁束線に対して直交する方向とする。
【００１１】
磁気検出手段の感磁方向と漏洩磁束の磁束線とを直交させることで、センサへの漏洩磁束の影響をさらに抑制することができる。
【００１２】
請求項３記載の発明では、請求項１または２の発明の構成において、前記磁気検出手段および前記作動量／磁気変換手段と前記磁気回路との間に、仕切り板を設けて、前記漏洩磁束を誘導するヨークとする。
【００１３】
漏洩磁束がヨークに誘導され、漏洩磁束が磁気検出手段を横切るのをさらに抑制することができる。
【００１４】
請求項４記載の発明では、請求項３の発明の構成において、前記ヨークには、前記磁気検出手段との対向面に、前記磁気検出手段側に突出する段部を設ける。
【００１５】
前記段差が、作動量／磁気変換手段による磁束を誘導して、磁気検出手段を横切る磁束を強めるので、検出感度が向上する。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図１（Ａ）、図１（Ｂ）に本発明を適用したアクチュエータの構成を示す。発明の理解を助けるため要部のみ描いている。アクチュエータ本体１１の要部であるモータ２は円筒形のケース２１の一端面の中心部からシャフト２２が突出する一般的な構成のものである。ケース２１内には、断面が円弧状に湾曲する板状の１対の磁石２３１，２３２がケース２１の内周面に沿ってモータシャフト２２の周方向に飛び石状に等間隔に配置され、磁気回路２３を形成している。磁石２３１，２３２には例えば永久磁石が用いられる。磁石２３１，２３２はモータシャフト２２の径方向に対向し、磁石２３１，２３２で挟まれた略円形の領域２００には図示しない回転子が収容される。磁石２３１，２３２の対向する磁極面は、磁石２３１がＳ極で、磁石２３２がＮ極であり、異極である。
【００１７】
モータケース２１の側方には、モータシャフト２２に直交する面内でモータシャフト２２と非交叉位置に、モータシャフト２２と図示しないギア機構を介して連動するドライブシャフト３が設けられ、モータ２の回転を、モータシャフト２２と直交する方向に取り出すようになっている。
【００１８】
アクチュエータ本体１１に付設されるセンサ１２は、ドライブシャフト３と同軸に円弧状のヨーク（以下、センサ用ヨークという）４１が取り付けられている。センサ用ヨーク４１はドライブシャフト３と一体に回転する。センサ用ヨーク４１のモータ２側の板面にはドライブシャフト３を中心とする円周上に、センサ用ヨーク４１とともに作動量／磁気変換手段４を構成する円弧状で図１（Ｂ）の上下方向着磁の磁石４２が接着されている。センサ磁石４２は周方向に厚さが漸増し、モータ２側の着磁面が螺旋状のスロープ面となっている。
【００１９】
センサ磁石４２の下側の着磁面と近接対向する位置に磁気検出手段であるホール素子５が設けてある。ドライブシャフト３とともにセンサ磁石４２が回転すると、ホール素子５との対向位置における磁石４２の厚さが変化する。厚いところでは磁束密度が大きく、薄いところでは磁束密度が小さい。このドライブシャフト３の回転に伴うセンサ磁石４２の厚さの変化をホール素子５が磁束密度の変化として検出する。ホール素子５は感磁方向をドライブシャフト３と平行な方向にとって配置され、センサ磁石４２による磁束密度を効率よく検出するようになっている。
【００２０】
ホール素子５は、一般的にはセンサ磁石４２が配置される円周上でセンサ磁石４２の磁極面と対向する位置であれば、ドライブシャフト３の回転角度位置を検出可能であるが、本アクチュエータでは、モータケース２１の内周面に沿ったモータ磁石２３１，２３２の隣接部である磁石非配置部２０１を通る方向で、かつモータシャフト２２の径方向、すなわちモータ磁石２３１，２３２の隣接方向に対して直交する方向に配置されている。この配置による作用については後述する。
【００２１】
また、ホール素子５よりもモータ２側には、前記センサ用ヨーク４１と平行に円板状のヨーク（以下、モータ用ヨークという）６が設けてある。モータ用ヨーク６は、前記モータケース２１の径よりもやや大径のもので、モータ磁石２３１，２３２の漏洩磁束φM を誘導して再びモータ磁石２３１，２３２に返す磁路となっており、ホール素子５に対しては磁気シールド板として作用し、ホール素子５への漏洩磁束の影響を軽減している。
【００２２】
モータ用ヨーク６は、ホール素子５との対向部がホール素子５側に膨出し、台状の段部６１となっている。この段部６１は、センサ磁石４２による磁束φS を誘導する磁路となるヨークとして機能し、ホール素子５を横切る磁束密度を高めて、その検出感度を向上せしめる。
【００２３】
さて、ホール素子５とモータ磁石２３１，２３２との位置関係について説明する。発明者らは、図例のようにモータ磁石２３１，２３２を、回転子が収容される領域２００の周りに飛び石状に配置した磁気回路２３を有するモータ２について、モータケース２１の外周でモータ磁石２３１，２３２による漏洩磁束をプローブを使って測定した。測定は図２（Ａ）、図２（Ｂ）に示すように、モータシャフト２２の周方向の全周にわたって、モータシャフト２２に平行な方向（Ｘ方向）、モータシャフト２２の周方向（Ｙ方向）、およびモータシャフト２２の径方向（Ｚ方向）のそれぞれの方向の磁束密度を測定した。図３にその測定結果を示す。横軸のモータ位置は図２（Ｂ）のプローブ位置、すなわち、本アクチュエータでホール素子５が配置される位置を０deg として、モータシャフト２２の周方向の角度位置で表している。
【００２４】
Ｘ方向の磁束密度は全範囲で略０であった。Ｙ方向の磁束密度は９０°付近および２７０°付近で０を横切り、モータ位置に対する周期性を示した。Ｚ方向の磁束密度はＹ方向の磁束密度と位相が異なり、０°付近および１８０°付近で０を横切り、モータ位置に対する周期性を示した。また、Ｚ方向の磁束密度は、９０°付近および２７０°付近を中心として大きな値をとるが、その大きさはＹ方向の磁束密度の最大値をさらに上回る大きさであった。
【００２５】
これは、モータ磁石２３１，２３２の磁束線が、モータ磁石２３１，２３２の外側では、Ｎ極側の磁極面から垂直に出、大きく湾曲してＳ極側の磁極面に垂直に入ることになるため、それぞれのモータ磁石２３１，２３２の方向（９０°付近および２７０°付近）においてはＺ方向の磁束密度が強くなり、磁石非配置部２０１，２０２の方向（０°付近および１８０°付近）においてはＹ方向の磁束密度が強くなることによるものと認められる。また、磁石非配置部２０１，２０２の方向（０°付近および１８０°付近）の磁束密度が、モータ磁石２３１，２３２の方向（９０°付近および２７０°付近）の磁束密度よりも小さくなるのは、磁石非配置部２０１，２０２の方向では、モータケース２１内周面と対向する磁極面がＮ極となるモータ磁石２３１と、モータケース２１内周面と対向する磁極面がＳ極となるモータ磁石２３２とで、モータ磁石２３１，２３２のモータシャフト２２の径方向の磁束密度が互いに相殺するためと認められる。
【００２６】
このように、磁石非配置部２０１，２０２の方向（０°付近および１８０°付近）では漏洩磁束の磁束密度が小さく、ホール素子５での検出誤差を抑制することができる。
【００２７】
しかも、磁石非配置部２０１，２０２の方向（０°付近および１８０°付近）ではＹ方向の磁束密度が強く現れるが、本アクチュエータでは、ホール素子５の感磁方向をＺ方向にとっているので、実質的に不感であり、ホール素子５における漏洩磁束の影響はさらに僅少となる。
【００２８】
なお、Ｘ方向の磁束密度はごく小さく、またホール素子５の感磁方向をＺ方向にとっているので、ホール素子５におけるこの漏洩磁束の影響は殆どない。
【００２９】
また、本アクチュエータではホール素子５が磁石非配置部２０１を通る方向で、モータシャフト２２の径方向に配置されているが、ホール素子５の感磁方向に直交する面内すなわちドライブシャフト３に直交する面内でホール素子５をずらしたときには、次のように漏洩磁束の影響が現れる。すなわち、Ｙ方向の磁束密度をＢY 、Ｚ方向の磁束密度をＢZ 、モータ位置をθとしたとき、ＢZ ｃｏｓθ＋ＢY ｓｉｎθの磁束密度がホール素子５で検出されることになる。
【００３０】
次に図４、図５に本発明の具体例を示す。前記図１と実質的に同じ作動をする部分には同じ番号を付して説明する。ハウジング７１内にはアクチュエータ本体１１をなすモータ２およびギア機構７２等が格納され、モータ２の回転をドライブシャフト３から取り出すようになっている。ドライブシャフト３は、モータ２の側方で、モータシャフト２２の上下方向に対して水平方向に配置され、ベアリング７３により軸支されている。ギア機構７２はモータ２の上方から、ドライブシャフト３の軸端部分にかけて位置している。
【００３１】
ギア機構７２は、モータ２のケース２１の上端面から突出するモータシャフト２２にヘリカルギア７２１が結合され、これと噛合する第１のギア７２３により、該ギア７２３を挿通するギアシャフト７２２にモータ回転を伝達する。ギアシャフト７２２はドライブシャフト３と平行に設けられる。ギアシャフト７２２には前記第１のギア７２３の他、第２のギア７２４が同軸に結合し、両端で軸支されている。第２のギア７２４はドライブシャフト３の軸端に結合した第３のギア７２５と噛合している。
【００３２】
第３のギア７２５はドライブシャフト３と同軸の円盤状のベース部７４の端面から突設している。また、ベース部７４の端面には、ギア７２５の他、ヨーク４１およびセンサ磁石４２の取り付け用の円弧状の段部７４１が設けられている。段部７４１はギア７２５と略同じ円周上に形成され、略半周分を占める長さとしてある。段部７４１の段上面には円弧状の溝が形成されており、これにヨーク４１および磁石４２がこの順に嵌め込まれている。
【００３３】
センサ磁石４２と対向してホール素子５が設けられている。ホール素子５は感磁方向をドライブシャフト３と平行にとってある。また、ホール素子５の配置は、磁石非配置部２０１（図１参照）を通り、モータシャフト２２の径方向にとってある。
【００３４】
また、ドライブシャフト３が、アクチュエータの仕様として要求される所定の回動角度範囲を回動して、ホール素子５位置をセンサ磁石４２が所定角度範囲を通過したときに、その全範囲において、第３のギア７２５と第２のギア７２４とが噛合するようにギアシャフト７２２とドライブシャフト３との相対的な位置関係が設定される。
【００３５】
ホール素子５の出力特性は磁石４２によって種々のものが得られ、本発明は磁石４２の種類によらずに適用することができる。図６（Ａ）および図６（Ｂ）、図７（Ａ）および図７（Ｂ）、図８（Ａ）および図８（Ｂ）に３種類の磁石を示す。図９は３種類の磁石の、回転角に対する磁束密度の特性である。
【００３６】
図６（Ａ）、図６（Ｂ）は上下着磁で略９０°の円弧状の磁石４２１，４２２を２つ張り合わせて全体として略１８０°の円弧状の磁石４２Ａとしたもので、当接部で最も厚さが薄くなるテーパ形状となっており、ホール素子５と対向する磁極面がスロープ面となっている。一方の磁石４２１はスロープ面側がＮ極で、他方の磁石４２２はスロープ面側がＳ極としてある。両磁石４２１，４２２は極性のみ異なる実質的に等価な磁石である。かかる磁石４２を用いた場合には、両磁石４２１，４２２の当接部位置で磁石４２１，４２２の厚さが０になるとともに両磁石４２１，４２２の磁束密度が相殺して磁束密度が０になるから、ドライブシャフト３の回転角度に応じてホール素子５で検出される磁束密度が途中で０を横切り、磁束密度の符号が反転する。磁束密度が途中で０を横切る角度位置を基準位置（０ｄｅｇ) とすれば、反対方向をホール素子５から負の信号として取り出せる。この場合、温度特性が安定している磁束密度が０の回転角を基準にすることができるので、温度によって０点がドリフトせず、高精度である。磁束密度が途中で０を横切る角度位置を基準位置（０ｄｅｇ) とすれば、反対方向をホール素子５から負の信号として取り出せる。
【００３７】
図７（Ａ）、図７（Ｂ）は上下着磁の略１８０°の円弧状の磁石４２Ｂで、周方向の一端から他端にかけて厚さが変化するテーパ形状となっており、ホール素子５と対向するスロープ面側の磁極がＮ極若しくはＳ極の１種類である。したがって、磁束密度は同じ方向で、ドライブシャフト３の回転角度に応じて大きさが漸増若しくは漸減することになる。
【００３８】
図８（Ａ）、図８（Ｂ）は上下着磁の略９０°の円弧状の磁石４２３，４２４を２つ張り合わせて全体として略１８０°の円弧状の磁石としたもので、一方の磁石４２３はホール素子５と対向する磁極面がＮ極で、他方の磁石４２４はホール素子５と対向する磁極面がＳ極としてある。両磁石４２３，４２４は極性のみ異なる実質的に等価な磁石である。厚さは一定である。かかる磁石を用いた場合には、両磁石４２３，４２４の当接部位置で磁束密度が相殺して０になるから、ドライブシャフト３の回転角度に応じてホール素子５で検出される磁束密度が途中で０を横切り、磁束密度の符号が反転する。磁束密度が０を横切る回転角度以外では磁束密度の大きさは一定である。
【００３９】
図６（Ａ）、図６（Ｂ）のもの（テーパ形状 二極上下着磁）は、ドライブシャフト３の回転に対して漸増または漸減するだけの図７（Ａ）、図７（Ｂ）のもの（テーパ形状 上下着磁）や、所定の角度で符号のみが切り換わる図８（Ａ）、図８（Ｂ）のもの（二極上下着磁）に比して、優れた出力特性が実現する。すなわち、前記のごとく、０点の安定性の他、リニアリティのよいものが得られる。そして、磁石の厚肉部と薄肉部との厚さの差が同じであれば、同じ量のドライブシャフト３の回転に対して磁束密度変化が倍増するから、図６（Ａ）、図６（Ｂ）のものは図７（Ａ）、図７（Ｂ）のものに比して分解能が倍増することになる。
【００４０】
なお、ホール素子およびセンサ磁石と、磁気回路とを仕切るヨークは磁束漏洩に対して要求される特性によっては必ずしも設ける必要はない。
【００４１】
また、ホール素子の感磁方向を、モータ磁石の隣接部方向において最も強く磁束密度が生じる、モータシャフトの径方向にとることで、磁気回路の漏洩磁束の影響を最小にしているが、磁束漏洩に対して要求される特性によっては必ずしもこれに限定されるものではない。
【００４２】
また、センサ磁石による磁気を検出する磁気検出手段として、ホール素子をもちいているが、必ずしもこれに限定されるものではない。
【００４３】
また、本発明の趣旨から、図１の例のようにホール素子５は磁石非配置部２０１の中心を通る方向に配置するのがよいが、必ずしもこれに限定されるものではない。
【００４４】
また、磁気回路は２つの磁石から構成されたものを示しているが、磁気回路により磁場が形成される領域の周りに複数の磁石が配置されるものにも適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（Ａ）は本発明を適用したアクチュエータの構成図であり、（Ｂ）は（Ａ）におけるＸ矢視図である。
【図２】（Ａ）、（Ｂ）は前記アクチュエータの作用を説明するために行った測定の測定方法を示す図である。
【図３】前記測定結果を示すグラフである。
【図４】本発明を適用したアクチュエータの具体例の部分断面側面図である。
【図５】図４のＹ矢視になる前記アクチュエータの別の部分断面側面図である。
【図６】（Ａ）は前記具体例に用いる磁石の第１の例の平面図であり、（Ｂ）はその側面図である。
【図７】（Ａ）は前記具体例に用いる磁石の第２の例の平面図であり、（Ｂ）はその側面図である。
【図８】（Ａ）は前記具体例に用いる磁石の第３の例の平面図であり、（Ｂ）はその側面図である。
【図９】前記３つの磁石を使ったアクチュエータの測定結果を示すグラフである。
【符号の説明】
１１ アクチュエータ本体
１２ センサ
２ モータ
２００ 領域
２０１，２０２ 磁石非配置部（隣接部）
２１ ケース
２２ シャフト
２３１，２３２ 磁石
３ ドライブシャフト
４ 移動量／磁気変換手段
４１ センサ用ヨーク
４２ 磁石
５ ホール素子（磁気検出手段）
６ モータ用ヨーク（ヨーク）
６１ 段部
【発明の属する技術分野】
本発明はアクチュエータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
給電により作動して駆動力やトルクを発生するアクチュエータは、供給電流等を駆動力等に変換するための磁気回路を内蔵したものが主流である。精密な駆動が要求される車両用エンジンの吸気バルブ制御用等の分野では、被駆動部材の変位量や回転量を検出すべく、アクチュエータ本体に、該アクチュエータ本体の作動量を検知するセンサを設けたものが用いられる。かかるセンサには磁気検知方式、接触抵抗方式、光方式等があるが、前記吸気バルブ制御用のアクチュエータのように、使用場所が車両のエンジンルームのように環境条件の厳しい場所となる場合には、信頼性の面から磁気検知方式が採用されることが多い。
【０００３】
特開２０００−８８６００号公報には、揺動アクチュエータに磁気検知方式の位置センサを設けたものが開示されている。位置センサは、アクチュエータ本体である揺動アクチュエータの、揺動軸が突出するハウジング端面に磁気検出手段が設けられ、揺動軸には、磁気検出手段と対向する面を着磁面とした円盤状の磁石が同軸で一体的に設けられる。磁石は、着磁面を螺旋状に傾斜するスロープ面とすることで、揺動軸の回転量に応じて磁気検出手段位置における磁束密度を変化せしめる作動量／磁束変換手段となっている。磁気検出手段で検出される磁束密度の大きさにより揺動軸の回転量が知られる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
このような、センサ一体のアクチエータはコンパクトでその点では望ましいが、次の問題がある。すなわち、揺動アクチュエータに内蔵の磁気回路と磁気検知方式の位置センサとが近接することで、位置センサが磁気回路からの漏洩磁束の影響を受けやすく、検出誤差が増大するおそれがあった。
【０００５】
本発明は前記実情に鑑みなされたもので、簡単な構成でアクチュエータ全体を大型化することなく、センサへの漏洩磁束の影響を防止することのできるアクチュエータを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明では、磁気回路を形成する複数の磁石をケース内部に有し、前記磁気回路から前記ケース外部に漏洩磁束を発生するアクチュエータ本体に、該アクチュエータ本体の作動量を検知するセンサを設けたアクチュエータであって、前記センサとして、磁気検出手段と、前記アクチュエータ本体の作動量に応じて磁気検出手段位置における磁束密度を変化せしめる作動量／磁気変換手段とからなる磁気検知方式の位置センサを設けたアクチュエータにおいて、
前記磁気回路により磁場が形成される前記ケース内部の領域の周りに、前記複数の磁石がその磁極面を前記領域に向け、かつ、相隣れる磁石の磁極面が異極となるように、飛び石状に配置され、
前記磁気検出手段を配置する方向を、相隣れる前記磁石で挟まれた隣接部を通り磁石の隣接方向と直交する方向とし、かつ前記磁気検出手段を配置する位置を、前記ケースの外部とする。
【０００７】
磁気検出手段が前記磁気回路の漏洩磁束の影響を受けにくい方向に配置されるので、アクチュエータ本体の作動量の検出誤差を低減することができる。
【０００９】
相隣れる磁石の磁極面が異極となっているので、相隣れる磁石で挟まれた隣接部を通り磁石の隣接方向と直交する方向では、相隣れる磁石の隣接方向と直交する方向の磁束密度が、相隣れる磁石のうち一方の磁石の磁束密度と他方の磁石の磁束密度とで相殺して、大きさが減じられる。したがって、漏洩磁束に対して最も鈍感となる。
【００１０】
請求項２記載の発明では、請求項１の発明の構成において、前記磁気検出手段の向きを、その感磁方向が、前記磁気検出手段位置における前記漏洩磁束の磁束線に対して直交する方向とする。
【００１１】
磁気検出手段の感磁方向と漏洩磁束の磁束線とを直交させることで、センサへの漏洩磁束の影響をさらに抑制することができる。
【００１２】
請求項３記載の発明では、請求項１または２の発明の構成において、前記磁気検出手段および前記作動量／磁気変換手段と前記磁気回路との間に、仕切り板を設けて、前記漏洩磁束を誘導するヨークとする。
【００１３】
漏洩磁束がヨークに誘導され、漏洩磁束が磁気検出手段を横切るのをさらに抑制することができる。
【００１４】
請求項４記載の発明では、請求項３の発明の構成において、前記ヨークには、前記磁気検出手段との対向面に、前記磁気検出手段側に突出する段部を設ける。
【００１５】
前記段差が、作動量／磁気変換手段による磁束を誘導して、磁気検出手段を横切る磁束を強めるので、検出感度が向上する。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図１（Ａ）、図１（Ｂ）に本発明を適用したアクチュエータの構成を示す。発明の理解を助けるため要部のみ描いている。アクチュエータ本体１１の要部であるモータ２は円筒形のケース２１の一端面の中心部からシャフト２２が突出する一般的な構成のものである。ケース２１内には、断面が円弧状に湾曲する板状の１対の磁石２３１，２３２がケース２１の内周面に沿ってモータシャフト２２の周方向に飛び石状に等間隔に配置され、磁気回路２３を形成している。磁石２３１，２３２には例えば永久磁石が用いられる。磁石２３１，２３２はモータシャフト２２の径方向に対向し、磁石２３１，２３２で挟まれた略円形の領域２００には図示しない回転子が収容される。磁石２３１，２３２の対向する磁極面は、磁石２３１がＳ極で、磁石２３２がＮ極であり、異極である。
【００１７】
モータケース２１の側方には、モータシャフト２２に直交する面内でモータシャフト２２と非交叉位置に、モータシャフト２２と図示しないギア機構を介して連動するドライブシャフト３が設けられ、モータ２の回転を、モータシャフト２２と直交する方向に取り出すようになっている。
【００１８】
アクチュエータ本体１１に付設されるセンサ１２は、ドライブシャフト３と同軸に円弧状のヨーク（以下、センサ用ヨークという）４１が取り付けられている。センサ用ヨーク４１はドライブシャフト３と一体に回転する。センサ用ヨーク４１のモータ２側の板面にはドライブシャフト３を中心とする円周上に、センサ用ヨーク４１とともに作動量／磁気変換手段４を構成する円弧状で図１（Ｂ）の上下方向着磁の磁石４２が接着されている。センサ磁石４２は周方向に厚さが漸増し、モータ２側の着磁面が螺旋状のスロープ面となっている。
【００１９】
センサ磁石４２の下側の着磁面と近接対向する位置に磁気検出手段であるホール素子５が設けてある。ドライブシャフト３とともにセンサ磁石４２が回転すると、ホール素子５との対向位置における磁石４２の厚さが変化する。厚いところでは磁束密度が大きく、薄いところでは磁束密度が小さい。このドライブシャフト３の回転に伴うセンサ磁石４２の厚さの変化をホール素子５が磁束密度の変化として検出する。ホール素子５は感磁方向をドライブシャフト３と平行な方向にとって配置され、センサ磁石４２による磁束密度を効率よく検出するようになっている。
【００２０】
ホール素子５は、一般的にはセンサ磁石４２が配置される円周上でセンサ磁石４２の磁極面と対向する位置であれば、ドライブシャフト３の回転角度位置を検出可能であるが、本アクチュエータでは、モータケース２１の内周面に沿ったモータ磁石２３１，２３２の隣接部である磁石非配置部２０１を通る方向で、かつモータシャフト２２の径方向、すなわちモータ磁石２３１，２３２の隣接方向に対して直交する方向に配置されている。この配置による作用については後述する。
【００２１】
また、ホール素子５よりもモータ２側には、前記センサ用ヨーク４１と平行に円板状のヨーク（以下、モータ用ヨークという）６が設けてある。モータ用ヨーク６は、前記モータケース２１の径よりもやや大径のもので、モータ磁石２３１，２３２の漏洩磁束φM を誘導して再びモータ磁石２３１，２３２に返す磁路となっており、ホール素子５に対しては磁気シールド板として作用し、ホール素子５への漏洩磁束の影響を軽減している。
【００２２】
モータ用ヨーク６は、ホール素子５との対向部がホール素子５側に膨出し、台状の段部６１となっている。この段部６１は、センサ磁石４２による磁束φS を誘導する磁路となるヨークとして機能し、ホール素子５を横切る磁束密度を高めて、その検出感度を向上せしめる。
【００２３】
さて、ホール素子５とモータ磁石２３１，２３２との位置関係について説明する。発明者らは、図例のようにモータ磁石２３１，２３２を、回転子が収容される領域２００の周りに飛び石状に配置した磁気回路２３を有するモータ２について、モータケース２１の外周でモータ磁石２３１，２３２による漏洩磁束をプローブを使って測定した。測定は図２（Ａ）、図２（Ｂ）に示すように、モータシャフト２２の周方向の全周にわたって、モータシャフト２２に平行な方向（Ｘ方向）、モータシャフト２２の周方向（Ｙ方向）、およびモータシャフト２２の径方向（Ｚ方向）のそれぞれの方向の磁束密度を測定した。図３にその測定結果を示す。横軸のモータ位置は図２（Ｂ）のプローブ位置、すなわち、本アクチュエータでホール素子５が配置される位置を０deg として、モータシャフト２２の周方向の角度位置で表している。
【００２４】
Ｘ方向の磁束密度は全範囲で略０であった。Ｙ方向の磁束密度は９０°付近および２７０°付近で０を横切り、モータ位置に対する周期性を示した。Ｚ方向の磁束密度はＹ方向の磁束密度と位相が異なり、０°付近および１８０°付近で０を横切り、モータ位置に対する周期性を示した。また、Ｚ方向の磁束密度は、９０°付近および２７０°付近を中心として大きな値をとるが、その大きさはＹ方向の磁束密度の最大値をさらに上回る大きさであった。
【００２５】
これは、モータ磁石２３１，２３２の磁束線が、モータ磁石２３１，２３２の外側では、Ｎ極側の磁極面から垂直に出、大きく湾曲してＳ極側の磁極面に垂直に入ることになるため、それぞれのモータ磁石２３１，２３２の方向（９０°付近および２７０°付近）においてはＺ方向の磁束密度が強くなり、磁石非配置部２０１，２０２の方向（０°付近および１８０°付近）においてはＹ方向の磁束密度が強くなることによるものと認められる。また、磁石非配置部２０１，２０２の方向（０°付近および１８０°付近）の磁束密度が、モータ磁石２３１，２３２の方向（９０°付近および２７０°付近）の磁束密度よりも小さくなるのは、磁石非配置部２０１，２０２の方向では、モータケース２１内周面と対向する磁極面がＮ極となるモータ磁石２３１と、モータケース２１内周面と対向する磁極面がＳ極となるモータ磁石２３２とで、モータ磁石２３１，２３２のモータシャフト２２の径方向の磁束密度が互いに相殺するためと認められる。
【００２６】
このように、磁石非配置部２０１，２０２の方向（０°付近および１８０°付近）では漏洩磁束の磁束密度が小さく、ホール素子５での検出誤差を抑制することができる。
【００２７】
しかも、磁石非配置部２０１，２０２の方向（０°付近および１８０°付近）ではＹ方向の磁束密度が強く現れるが、本アクチュエータでは、ホール素子５の感磁方向をＺ方向にとっているので、実質的に不感であり、ホール素子５における漏洩磁束の影響はさらに僅少となる。
【００２８】
なお、Ｘ方向の磁束密度はごく小さく、またホール素子５の感磁方向をＺ方向にとっているので、ホール素子５におけるこの漏洩磁束の影響は殆どない。
【００２９】
また、本アクチュエータではホール素子５が磁石非配置部２０１を通る方向で、モータシャフト２２の径方向に配置されているが、ホール素子５の感磁方向に直交する面内すなわちドライブシャフト３に直交する面内でホール素子５をずらしたときには、次のように漏洩磁束の影響が現れる。すなわち、Ｙ方向の磁束密度をＢY 、Ｚ方向の磁束密度をＢZ 、モータ位置をθとしたとき、ＢZ ｃｏｓθ＋ＢY ｓｉｎθの磁束密度がホール素子５で検出されることになる。
【００３０】
次に図４、図５に本発明の具体例を示す。前記図１と実質的に同じ作動をする部分には同じ番号を付して説明する。ハウジング７１内にはアクチュエータ本体１１をなすモータ２およびギア機構７２等が格納され、モータ２の回転をドライブシャフト３から取り出すようになっている。ドライブシャフト３は、モータ２の側方で、モータシャフト２２の上下方向に対して水平方向に配置され、ベアリング７３により軸支されている。ギア機構７２はモータ２の上方から、ドライブシャフト３の軸端部分にかけて位置している。
【００３１】
ギア機構７２は、モータ２のケース２１の上端面から突出するモータシャフト２２にヘリカルギア７２１が結合され、これと噛合する第１のギア７２３により、該ギア７２３を挿通するギアシャフト７２２にモータ回転を伝達する。ギアシャフト７２２はドライブシャフト３と平行に設けられる。ギアシャフト７２２には前記第１のギア７２３の他、第２のギア７２４が同軸に結合し、両端で軸支されている。第２のギア７２４はドライブシャフト３の軸端に結合した第３のギア７２５と噛合している。
【００３２】
第３のギア７２５はドライブシャフト３と同軸の円盤状のベース部７４の端面から突設している。また、ベース部７４の端面には、ギア７２５の他、ヨーク４１およびセンサ磁石４２の取り付け用の円弧状の段部７４１が設けられている。段部７４１はギア７２５と略同じ円周上に形成され、略半周分を占める長さとしてある。段部７４１の段上面には円弧状の溝が形成されており、これにヨーク４１および磁石４２がこの順に嵌め込まれている。
【００３３】
センサ磁石４２と対向してホール素子５が設けられている。ホール素子５は感磁方向をドライブシャフト３と平行にとってある。また、ホール素子５の配置は、磁石非配置部２０１（図１参照）を通り、モータシャフト２２の径方向にとってある。
【００３４】
また、ドライブシャフト３が、アクチュエータの仕様として要求される所定の回動角度範囲を回動して、ホール素子５位置をセンサ磁石４２が所定角度範囲を通過したときに、その全範囲において、第３のギア７２５と第２のギア７２４とが噛合するようにギアシャフト７２２とドライブシャフト３との相対的な位置関係が設定される。
【００３５】
ホール素子５の出力特性は磁石４２によって種々のものが得られ、本発明は磁石４２の種類によらずに適用することができる。図６（Ａ）および図６（Ｂ）、図７（Ａ）および図７（Ｂ）、図８（Ａ）および図８（Ｂ）に３種類の磁石を示す。図９は３種類の磁石の、回転角に対する磁束密度の特性である。
【００３６】
図６（Ａ）、図６（Ｂ）は上下着磁で略９０°の円弧状の磁石４２１，４２２を２つ張り合わせて全体として略１８０°の円弧状の磁石４２Ａとしたもので、当接部で最も厚さが薄くなるテーパ形状となっており、ホール素子５と対向する磁極面がスロープ面となっている。一方の磁石４２１はスロープ面側がＮ極で、他方の磁石４２２はスロープ面側がＳ極としてある。両磁石４２１，４２２は極性のみ異なる実質的に等価な磁石である。かかる磁石４２を用いた場合には、両磁石４２１，４２２の当接部位置で磁石４２１，４２２の厚さが０になるとともに両磁石４２１，４２２の磁束密度が相殺して磁束密度が０になるから、ドライブシャフト３の回転角度に応じてホール素子５で検出される磁束密度が途中で０を横切り、磁束密度の符号が反転する。磁束密度が途中で０を横切る角度位置を基準位置（０ｄｅｇ) とすれば、反対方向をホール素子５から負の信号として取り出せる。この場合、温度特性が安定している磁束密度が０の回転角を基準にすることができるので、温度によって０点がドリフトせず、高精度である。磁束密度が途中で０を横切る角度位置を基準位置（０ｄｅｇ) とすれば、反対方向をホール素子５から負の信号として取り出せる。
【００３７】
図７（Ａ）、図７（Ｂ）は上下着磁の略１８０°の円弧状の磁石４２Ｂで、周方向の一端から他端にかけて厚さが変化するテーパ形状となっており、ホール素子５と対向するスロープ面側の磁極がＮ極若しくはＳ極の１種類である。したがって、磁束密度は同じ方向で、ドライブシャフト３の回転角度に応じて大きさが漸増若しくは漸減することになる。
【００３８】
図８（Ａ）、図８（Ｂ）は上下着磁の略９０°の円弧状の磁石４２３，４２４を２つ張り合わせて全体として略１８０°の円弧状の磁石としたもので、一方の磁石４２３はホール素子５と対向する磁極面がＮ極で、他方の磁石４２４はホール素子５と対向する磁極面がＳ極としてある。両磁石４２３，４２４は極性のみ異なる実質的に等価な磁石である。厚さは一定である。かかる磁石を用いた場合には、両磁石４２３，４２４の当接部位置で磁束密度が相殺して０になるから、ドライブシャフト３の回転角度に応じてホール素子５で検出される磁束密度が途中で０を横切り、磁束密度の符号が反転する。磁束密度が０を横切る回転角度以外では磁束密度の大きさは一定である。
【００３９】
図６（Ａ）、図６（Ｂ）のもの（テーパ形状 二極上下着磁）は、ドライブシャフト３の回転に対して漸増または漸減するだけの図７（Ａ）、図７（Ｂ）のもの（テーパ形状 上下着磁）や、所定の角度で符号のみが切り換わる図８（Ａ）、図８（Ｂ）のもの（二極上下着磁）に比して、優れた出力特性が実現する。すなわち、前記のごとく、０点の安定性の他、リニアリティのよいものが得られる。そして、磁石の厚肉部と薄肉部との厚さの差が同じであれば、同じ量のドライブシャフト３の回転に対して磁束密度変化が倍増するから、図６（Ａ）、図６（Ｂ）のものは図７（Ａ）、図７（Ｂ）のものに比して分解能が倍増することになる。
【００４０】
なお、ホール素子およびセンサ磁石と、磁気回路とを仕切るヨークは磁束漏洩に対して要求される特性によっては必ずしも設ける必要はない。
【００４１】
また、ホール素子の感磁方向を、モータ磁石の隣接部方向において最も強く磁束密度が生じる、モータシャフトの径方向にとることで、磁気回路の漏洩磁束の影響を最小にしているが、磁束漏洩に対して要求される特性によっては必ずしもこれに限定されるものではない。
【００４２】
また、センサ磁石による磁気を検出する磁気検出手段として、ホール素子をもちいているが、必ずしもこれに限定されるものではない。
【００４３】
また、本発明の趣旨から、図１の例のようにホール素子５は磁石非配置部２０１の中心を通る方向に配置するのがよいが、必ずしもこれに限定されるものではない。
【００４４】
また、磁気回路は２つの磁石から構成されたものを示しているが、磁気回路により磁場が形成される領域の周りに複数の磁石が配置されるものにも適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（Ａ）は本発明を適用したアクチュエータの構成図であり、（Ｂ）は（Ａ）におけるＸ矢視図である。
【図２】（Ａ）、（Ｂ）は前記アクチュエータの作用を説明するために行った測定の測定方法を示す図である。
【図３】前記測定結果を示すグラフである。
【図４】本発明を適用したアクチュエータの具体例の部分断面側面図である。
【図５】図４のＹ矢視になる前記アクチュエータの別の部分断面側面図である。
【図６】（Ａ）は前記具体例に用いる磁石の第１の例の平面図であり、（Ｂ）はその側面図である。
【図７】（Ａ）は前記具体例に用いる磁石の第２の例の平面図であり、（Ｂ）はその側面図である。
【図８】（Ａ）は前記具体例に用いる磁石の第３の例の平面図であり、（Ｂ）はその側面図である。
【図９】前記３つの磁石を使ったアクチュエータの測定結果を示すグラフである。
【符号の説明】
１１ アクチュエータ本体
１２ センサ
２ モータ
２００ 領域
２０１，２０２ 磁石非配置部（隣接部）
２１ ケース
２２ シャフト
２３１，２３２ 磁石
３ ドライブシャフト
４ 移動量／磁気変換手段
４１ センサ用ヨーク
４２ 磁石
５ ホール素子（磁気検出手段）
６ モータ用ヨーク（ヨーク）
６１ 段部
Claims (4)
- 磁気回路を形成する複数の磁石をケース内部に有し、前記磁気回路から前記ケース外部に漏洩磁束を発生するアクチュエータ本体に、該アクチュエータ本体の作動量を検知するセンサを設けたアクチュエータであって、前記センサとして、磁気検出手段と、前記アクチュエータ本体の作動量に応じて磁気検出手段位置における磁束密度を変化せしめる作動量／磁気変換手段とからなる磁気検知方式の位置センサを設けたアクチュエータにおいて、
前記磁気回路により磁場が形成される前記ケース内部の領域の周りに、前記複数の磁石がその磁極面を前記領域に向け、かつ、相隣れる磁石の磁極面が異極となるように、飛び石状に配置され、
前記磁気検出手段を配置する方向を、相隣れる前記磁石で挟まれた隣接部を通り磁石の隣接方向と直交する方向とし、かつ前記磁気検出手段を配置する位置を、前記ケースの外部としたことを特徴とするアクチュエータ。 - 請求項１記載のアクチュエータにおいて、前記磁気検出手段の向きを、その感磁方向が、前記磁気検出手段位置における前記漏洩磁束の磁束線に対して直交する方向としたことを特徴とするアクチュエータ。
- 請求項１または２いずれか記載のアクチュエータにおいて、前記磁気検出手段および前記作動量／磁気変換手段と前記磁気回路との間に、仕切り板を設けて、前記漏洩磁束を誘導するヨークとしたことを特徴とするアクチュエータ。
- 請求項３記載のアクチュエータにおいて、前記ヨークには、前記磁気検出手段との対向面に、前記磁気検出手段側に突出する段部を設けたことを特徴とするアクチュエータ。
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