JP4385071B2 - 非接触式回転角度検出装置及びその製造方法 - Google Patents

Description

この発明は、磁束の方位の変化を検出することで、例えばスロットル弁の回転角度を検出する非接触式回転角度検出装置、及びその製造方法に関するものである。

従来、エンジンの燃費向上、排ガス規制対策や車両の走行安定性向上の観点から、エンジンへの燃料噴射量に対する最適な空気量の制御を実現するために用いられる、スロットル弁の回転角度を検出する非接触式回転角度検出装置が知られている（特許文献１参照）。
この非接触式回転角度検出装置では、スロットル弁を駆動する回転軸に結合された樹脂ギヤに、２つの永久磁石と２つのヨークを永久磁石の磁力により組み合わせることで磁気回路とし、この磁気回路が樹脂ギヤ内にインサート成形されている。

特開２００４−８４５０３号公報

上記非接触式回転角度検出装置では、次のような問題点があった。
イ．２つの永久磁石と２つのヨークを用いており、部品点数が多い。
ロ．着磁された２つの永久磁石を組み付ける必要があるため、磁性の判別、周辺機器への磁力による接着等で取り扱いが非常に困難であり生産性が低い。
ハ．インサート成形時の金型内での２対の永久磁石及びヨークの位置決めには組み合わせた永久磁石及びヨークの内外周面を利用しているので、成形金型に挿入する前の組み付け時に精度を要し、かつ永久磁石とヨークは永久磁石の持つ磁力のみで保持しており、これらを成形金型に挿入する前にずれが生じやすい。
ニ．永久磁石とヨークは永久磁石の持つ磁力のみで保持しているので、インサート成形時に樹脂の成形圧により永久磁石がヨークに対してずれる可能性がある。
ホ．インサート成形後は永久磁石の一部が気中に露出しているので、耐錆性が低く長期間の使用において錆が生じる懸念がある。

この発明は、上記のような問題点を解決することを課題とするものであって、部品点数が削減されるとともに、生産性が向上し、また樹脂の成形圧による永久磁石とヨークとの相対移動を防止することができる等の非接触式回転角度検出装置を得ることを目的とする。

また、永久磁石とヨークとの間の隙間を適正化することで、樹脂の成形圧により永久磁石が破損するのを防止することができる等の非接触式回転角度検出装置を得ることを目的とする。

また、着磁された永久磁石をインサート部品としてインサート成形する際に生じる、永久磁石への異物の付着、永久磁石の成形金型への吸着は発生せず、インサート成形の作業性が向上した非接触式回転角度検出装置の製造方法を得ることを目的とする。

この発明に係る非接触式回転角度検出装置は、回転体に固定されるとともに、永久磁石及びヨークが樹脂によるインサート成形で一体化されて構成されたインサート成形体と、このインサート成形体に形成された内部空間に配置された非接触センサとを備え、前記非接触センサは、前記永久磁石で発生する磁力線の方位を検出することで、前記回転体の回転角度を検出する非接触式回転角度検出装置において、円筒形状の前記ヨークは焼き嵌めにより内側に配置された円筒形状の永久磁石に固定され、かつこの嵌め合い代は、前記樹脂の成形圧による、前記永久磁石及び前記ヨークの相対移動を制止する値以上で設定されている。

また、この発明に係る非接触式回転角度検出装置は、回転体に固定されるとともに、永久磁石及びヨークが樹脂によるインサート成形で一体化されて構成されたインサート成形体と、このインサート成形体に形成された内部空間に配置された非接触センサとを備え、前記非接触センサは、前記永久磁石で発生する磁力線の方位を検出することで、前記回転体の回転角度を検出する非接触式回転角度検出装置において、円筒形状の前記永久磁石は、円筒形状の前記ヨークの内側に、永久磁石の外周面とヨークの内周面との間で隙間を有して配置され、かつこの隙間の寸法は、前記樹脂の成形圧により前記永久磁石が破損するときの、前記永久磁石の外半径増加量及び前記ヨークの内半径収縮量を加えたときの値以下に設定されている。

また、この発明に係る非接触式回転角度検出装置の製造方法は、永久磁石が着磁される前の素体とヨークとを同心上を組み合わせる工程と、組み合わされた前記素体及び前記ヨークを金型内に載置し、金型内に前記樹脂を注入して未着磁のインサート成形体を成形する工程と、この未着磁のインサート成形体を平行な磁力線が流れる磁界下に載置して前記素体を着磁させて前記永久磁石に変性し、前記インサート成形体を形成する工程とを備えている。

この発明の非接触式回転角度検出装置によれば、円筒形状のヨークは焼き嵌めにより内側に配置された円筒形状の永久磁石に固定され、かつこの嵌合代は、樹脂の成形圧による、永久磁石及びヨークの相対移動を制止する値以上で設定されているので、部品点数が削減されるとともに、生産性が向上し、また永久磁石とヨークとの相対移動を防止することができる。

また、この発明の非接触式回転角度検出装置によれば、永久磁石とヨークとの間の隙間を適正化することで、樹脂の成形圧により永久磁石が破損するのを防止することができる。

また、この発明の非接触式回転角度検出装置の製造方法によれば、永久磁石は、インサート成形後に着磁されるので、着磁された永久磁石をインサート部品としてインサート成形する際に生じる、永久磁石への異物の付着、永久磁石の成形金型への吸着は発生せず、インサート成形の作業性が向上する。

以下、この発明の各実施の形態について図に基づいて説明するが、各図において同一、または相当部材、部位については、同一符号を付して説明する。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１の非接触式回転角度検出装置（以下、回転角度検出装置と略称する）が組み込まれたエンジン用吸気制御装置１（以下、吸気制御装置と略称する）の正面図、図２は図１の吸気制御装置１を示す正断面図である。
この吸気制御装置１では、直流電流により駆動する駆動モータ２の軸にモータギヤ３が固定されている。このモータギヤ３には樹脂製の減速ギヤ４が歯合している。この減速ギヤ４は、インサート成形体５のスロットルギヤ６が歯合している。

図３は図２のインサート成形体５の断面図、図４は図３のインサート成形体５を矢印ＩＶから視たときの図、図５は永久磁石８及びヨーク９を示す斜視図である。
このインサート成形体５は、板状の連結プレート７と、円筒形状の等方性の永久磁石８と、この永久磁石８の外周面に面接触した円筒形状で炭素鋼製のヨーク９とがインサート成形により一体化されており、また扇形形状のスロットルギヤ６を縁部に有している。
スロットルギヤ６を形成する樹脂は、永久磁石８の両端面及び内周面を覆っている。

連結プレート７は、中心部に小判形状の孔１０が形成されている。
この連結プレート７は、孔１０が嵌入可能に予め形成されたシャフト１１の端部に嵌入された後、端部をカシメ、潰すことでシャフト１１に固定されている。この回転体であるシャフト１１は、吸気通路が形成されたボディ１２に対して第１の軸受１３、第２の軸受１４を介して回転自在に支持されている。シャフト１１にはスロットル弁１５が固定されている。このスロットル弁１５は、スプリング１６の弾性力により、常に吸気通路を閉じる方向に付勢されている。

ボディ１２の片面側には、モータギヤ３、減速ギヤ４及びインサート成形体５を覆ったカバー１７が設けられている。このカバー１７には、永久磁石８及びヨーク９とともに回転角検出装置を構成する、非接触センサ１８がインサート成形により一体化されている。

非接触センサ１８は、シャフト１１の軸線上であって、円筒形状の永久磁石８の内部空間の中心線上に設けられている。
永久磁石８は、図６において、内周側の下半周をＮ極、内周側の上半周をＳ極、外周側の下半周をＳ極、外周側の上半周をＮ極の２極着磁されており、永久磁石８の磁束流れは、内周側のＮ極から永久磁石８の内部空間を通過して内周側のＳ極に入る。その後、Ｓ極で左右に分岐した磁束は、ヨーク９を半周流れて元のＮ極に戻る。
永久磁石８の内部空間では、中央部において磁力線が平行な平行磁界が生じている。

非接触センサ１８は、永久磁石８の磁束の方向を検出してシャフト１１の回転角を検出する磁気抵抗素子が内蔵された磁気検出部（図示せず）と、磁気検出部からの出力信号を演算処理する出力演算部（図示せず）とから構成されている。

図７，８は図３の要部拡大図であり、永久磁石８とヨーク９とは焼き嵌めにより固定されている。また、永久磁石８の軸線方向の長さがヨーク９の軸線方向の長さよりも短く、永久磁石８の両側端面とヨーク９の両側端面との間に段差Ｂがあり、この段差Ｂに樹脂が設けられている。

次に、上記インサート成形体５の製造手順について説明する。
このインサート成形体５では、先ず永久磁石８が着磁される前の円筒形状の素体とヨーク９とを焼き嵌めにより一体化する。この後、一体化された素体及びヨーク９を金型に載置し、金型内に樹脂を注入して未着磁のインサート成形体を成形する。
この後、図９に示すように、空心の着磁コイル３０の中心部に未着磁のインサート成形体５Ａを載置し、この後着磁コイル３０に電流を流す。
これにより、着磁コイル３０の空心に平行磁界が生じ、素体は、内部空間の中央部において平行磁界が生じるように着磁され、素体が永久磁石８に変性したインサート成形体５が製造される。

次に、永久磁石８の外周面とヨーク９の内周面との間の適正な嵌合代について説明する。
なお、この発明の実施の形態では、金型内に樹脂が注入されるときには、永久磁石８は着磁される前の素体であるが、以下の説明では、金型内に樹脂が注入されるときには既に着磁された永久磁石８である場合の例で説明する。
永久磁石８とヨーク９との間の嵌合代は、インサート成形時の成形圧による永久磁石８とヨーク９との間の位置ずれを起こさないよう設定する。
永久磁石８とヨーク９との間の摩擦力をＦ、永久磁石８とヨーク９との間の摩擦係数をμ、永久磁石８とヨーク９との間の垂直抗力をＮ、接触部圧力をＰ_ｍ、永久磁石８の長さをｌ、永久磁石８の外半径をｒ_２としたとき、樹脂成形時の成形圧力により位置ずれしないための必要保持力Ｈを確保するため、接触部圧力Ｐ_ｍを次式（１）に示すように設定する。

ここで、嵌合代δと接触部圧力Ｐ_ｍとの間では、焼き嵌めされて永久磁石８の外半径ｒ_２とヨーク９の内半径ｒ_３はｒ_２＝ｒ_３＝ｒ_ｍとなることから、次式（２）が成立する。

ここで、永久磁石８の内半径をｒ_１、ヨーク９の外半径をｒ_４、永久磁石８の縦弾性係数とポアソン比をＥ_Ｍｇ、ν_Ｍｇ、ヨーク９の縦弾性係数とポアソン比をＥ_ＹＯ、ν_ＹＯとする。
従って、嵌合代δが次式（３）が成立するように設定とすることで、樹脂成形時の成形圧力によっても位置ずれしない構成を得ることが可能となる。

上記構成の吸気制御装置では、運転者がアクセルペダルを踏み込むと、アクセル開度センサ（図示せず）からのアクセル開度信号がエンジン制御装置（以下、ＥＣＵと略称する）に入力される。ＥＣＵではスロットル弁１５が所定の開度となるように駆動モータ２に通電し、駆動モータ２の軸が回転する。そして、軸と共にモータギヤ３、減速ギヤ４、スロットルギヤ６を有するインサート成形体５が回転する。これにより、インサート成形体５と一体のシャフト１１が所定の回転角度だけ回転し、ボディ１２に形成された吸気通路内においてスロットル弁１５は所定の回転角度に保持される。

一方、磁束方位検出型である非接触センサ１８は、磁気検出部がシャフト１１と一体に回転する永久磁石８からの磁力線の方位を検出する。そして、磁気検出部からの出力信号が出力演算部で演算処理された後、ＥＣＵにスロットル弁１５の開度信号として送られる。この開度信号によってＥＣＵはどれだけ燃料をシリンダ内に噴射するかを判断する。

磁力線の回転範囲は、スロットル弁１５が全閉である０°から全開である９０°の範囲であり、この範囲では、非接触センサ１８は、スロットル弁１５の回転角度に対してそれぞれリニアリティに応答する。

以上説明したように、この実施の形態による回転角検出装置によれば、永久磁石８は、円筒形状であり、またインサート成形後に着磁されるので、成形金型内での永久磁石８の周方向の位置決め機構、位置決め用部品が不要となる。
また、対向した一対の永久磁石を用いた場合に生じる永久磁石同士の位置ずれが原因となる、平行磁界の指向性の低下が防止される。
また、永久磁石８は、２極の磁極形成が同時に行われるので、例えば個々の異なるロットで着磁された一対の永久磁石を用いた場合に生じる永久磁石同士の磁束量のばらつきが発生するようなことはなく、均一な平行磁界を確保し易い。

また、永久磁石８は、等方性磁石を用いているので、永久磁石８の全周にわたって着磁ムラのない均一な着磁状態が得られる。
また、永久磁石８は、インサート成形後に着磁されるので、着磁された永久磁石８をインサート部品としてインサート成形する際に生じる、永久磁石８への異物の付着、永久磁石８の成形金型への吸着は発生せず、インサート成形の作業性が向上する。

また、永久磁石８の外側全周を囲ったヨーク９は、磁気通路としての機能を果たしており、磁束の外部への漏れ量が低減される。

また、永久磁石８とヨーク９との間は焼き嵌めにより固定されているので、樹脂の成形圧による永久磁石８とヨーク９との相対的な位置ずれが生じるのを防止することができる。
また、永久磁石８とヨーク９との間の接触部圧力Ｐ_ｍにより、成形時に永久磁石８とヨーク９との間の位置ずれが生じない保持力Ｈを確保することができ、保持力を嵌合代により任意に設定することが可能となる。
また、永久磁石８の軸線方向の長さがヨーク９の軸線方向の長さよりも短く、永久磁石８の両側端面とヨーク９の両側端面との間に段差Ｂがあり、この段差Ｂに樹脂が流れ込み、永久磁石８の全表面は、樹脂及びヨーク９により完全に被覆されているので、永久磁石８が外部に露出することが防止され、耐錆性を向上させることができる。

実施の形態２．
図１０はこの発明の実施の形態２の回転角度検出装置の要部断面図である。
この実施の形態では、永久磁石８の外周面とヨーク９の内周面との間には全周にわたって隙間Ａがある。
他の構成は、実施の形態１と同じである。
この隙間Ａについては、適正の範囲を超えた場合には、永久磁石８が成形圧により破損する。
即ち、円筒状の永久磁石８とヨーク９とを組合せた後インサート成形する際に、成形圧は主として永久磁石８の内周側から外側方向に、及びヨーク９の外周側から内側方向に印加されるため、永久磁石８の外径は膨張し、ヨーク９の内径は収縮し、永久磁石８に発生する引張応力の値が所定の値を超えた場合には、永久磁石８は破損する。

次に、永久磁石８とヨーク９との間の隙間Ａの適正値について説明する。
なお、この発明の実施の形態でも、実施の形態１と同様に、金型内に樹脂が注入されるときには、永久磁石８は着磁される前の素体であるが、以下の説明では、金型内に樹脂が注入されるときには既に着磁された永久磁石８である場合の例で説明する。
インサート成形時の成形圧により膨張する永久磁石８の外半径変位ｕ_Ｍｇは次式（４）で求められる。

ここで、永久磁石８に印加される内圧をＰ_１、永久磁石８に印加される外圧をＰ_２とする。
このとき、成形圧により永久磁石８に生じる円周応力σ_ｔは、次式（５）で求められる。

従って、成形圧により永久磁石８の割れが生じないようにするためには、永久磁石８の任意半径ｒにて円周応力σ_ｔが永久磁石８の引張強度σ_yield以下、即ち次式（６）となるように設定する必要がある。

一方、成形圧によりヨーク９は収縮するためその時のヨーク９の内半径変位u_Y0は次式（７）で示される。

ここで、ヨーク９に印加される内圧をＰ_３、ヨーク９に印加される外圧をＰ_４とする。
上記よりσ_ｔ＝σ_yieldとなるときの永久磁石８の外半径変位をｕ'_Ｍｇ、ヨーク９の内半径変位ｕ’_ＹＯとしたとき、永久磁石８とヨーク９との間の隙間δ_ｃについては、次式（８）に示すように、永久磁石８の許容変位に加えてヨーク９の収縮変位分を加味した隙間δ_ｃに設定することにより、成形圧による永久磁石８の破損を防止することが可能となる。

以上説明したように、この実施の形態による回転角度検出装置によれば、実施の形態１と同様の効果を得ることができるとともに、次のような効果がある。
永久磁石８は、ヨーク９の内側に、永久磁石８の外周面とヨーク９の内周面との間で隙間Ａを有して配置され、かつこの隙間Ａの寸法は、樹脂の成形圧により永久磁石８が破損するときの、永久磁石８の外半径増加量及びヨーク９の内半径収縮量を加えたときの値以下の適正値で設定されているので、永久磁石８が樹脂の成形圧で破損するのを防止することができる。

また、永久磁石８の外周面に沿って組み合わされるヨーク９は、外周側より印加される成形圧により径が収縮する方向に変位するため、ヨーク９の収縮分だけ余裕を持って永久磁石８の寸法設定範囲を広くすることができ、永久磁石８に対するヨーク９の組み合わせが簡単となり、それだけ生産性を向上する。

なお、永久磁石８をヨーク９と組み合わせてインサート成形によりインサート成形体５を製造する際に、永久磁石８とヨーク９との間に隙間Ａがあることは、永久磁石８とヨーク９との組み合わせが容易となる利点を有するも、成形時、もしくは成形後に永久磁石８のヨーク９に対する位置ずれが生じる要因となる。
この位置ずれを防止するために、インサート成形前に、永久磁石８とヨーク９との間の隙間Ａに接着剤を充填し、永久磁石８とヨーク９とを予め固定するようにしてもよい。
永久磁石８とヨーク９との間の隙間Ａは、上記適正値に設定されているので、その際に、接着剤が隙間Ａにうまく充填されず、隙間Ａのままの状態であっても、成形圧により永久磁石８が破損するようなことはない。

なお、実際には、接着剤の不足及びはみ出しが生じないようにするための接着剤の吐出量管理や、問題無く充填されているかの確認が困難である場合がある。
実施の形態１の焼き嵌めにより永久磁石８とヨーク９とを一体化した例では、このような不都合は無い。

なお、上記実施の形態１，２では、スロットル弁の開度を検出するエンジン用吸気制御装置に組み込まれた回転角度検出装置について説明したが、この発明は、このもの以外の各種の回転体の回転角度を検出する装置にも適用することができるのは勿論である。

この発明の実施の形態１における非接触式回転角度検出装置が組み込まれたエンジン用吸気制御装置の正面図である。 図１のエンジン用吸気制御装置の正断面図である。 図２のインサート成形体の断面図である。 図３のインサート成形体を矢印ＩＶから視たときの図である。 図２の永久磁石及びヨークを示す斜視図である。 図２のインサート成形体における磁気通路を示す図である。 図３の要部拡大図である。 図７の要部拡大図である。 図２のインサート成形体の永久磁石が着磁される様子を示す図である。 この発明の実施の形態２の非接触式回転角度検出装置を示す要部拡大断面図である。

符号の説明

１ エンジン用吸気制御装置、２ 駆動モータ、３ モータギヤ、５ インサート成形体、５Ａ 未着磁のインサート成形体、６ スロットルギヤ、８ 永久磁石、９ ヨーク、１１ シャフト（回転体）、１５ スロットル弁、１８ 非接触センサ、３０ 着磁コイル。

Claims (6)

1. 回転体に固定されるとともに、永久磁石及びヨークが樹脂によるインサート成形で一体化されて構成されたインサート成形体と、
   このインサート成形体に形成された内部空間に配置された非接触センサとを備え、
   前記非接触センサは、前記永久磁石で発生する磁力線の方位を検出することで、前記回転体の回転角度を検出する非接触式回転角度検出装置において、
   円筒形状の前記ヨークは焼き嵌めにより内側に配置された円筒形状の永久磁石に固定され、かつこの嵌合代は、前記樹脂の成形圧による、前記永久磁石及び前記ヨークの相対移動を制止する値以上で設定されていることを特徴とする非接触式回転角度検出装置。
2. 回転体に固定されるとともに、永久磁石及びヨークが樹脂によるインサート成形で一体化されて構成されたインサート成形体と、
   このインサート成形体に形成された内部空間に配置された非接触センサとを備え、
   前記非接触センサは、前記永久磁石で発生する磁力線の方位を検出することで、前記回転体の回転角度を検出する非接触式回転角度検出装置において、
   円筒形状の前記永久磁石は、円筒形状の前記ヨークの内側に、永久磁石の外周面とヨークの内周面との間で隙間を有して配置され、かつこの隙間の寸法は、前記樹脂の成形圧により前記永久磁石が破損するときの、前記永久磁石の外半径増加量及び前記ヨークの内半径収縮量を加えたときの値以下に設定されていることを特徴とする非接触式回転角度検出装置。
3. 前記隙間には、接着剤が介在していることを特徴とする請求項２に記載の非接触式回転角度検出装置。
4. 前記永久磁石の軸線方向の長さが前記ヨークの軸線方向の長さよりも短く、永久磁石の両側端面とヨークの両側端面との間に段差があり、この段差に前記樹脂が設けられ、永久磁石の両端面は、樹脂により被覆されていることを特徴する請求項１〜３の何れか１項に記載の非接触式回転角度検出装置。
5. 前記インサート成形体は、駆動モータからの駆動により回転するスロットルギヤを有しており、このスロットルギヤの回転により、エンジンの空気量を調整するスロットル弁が作動することを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の非接触式回転角度検出装置。
6. 請求項１〜５の何れか１項に記載の非接触式回転角度検出装置の製造方法であって、
   前記永久磁石が着磁される前の素体と前記ヨークとを同心上を組み合わせる工程と、組み合わされた前記素体及び前記ヨークを金型内に載置し、金型内に前記樹脂を注入して未着磁のインサート成形体を成形する工程と、この未着磁のインサート成形体を平行な磁力線が流れる磁界下に載置して前記素体を着磁させて前記永久磁石に変性し、前記インサート成形体を形成する工程とを備えたことを特徴とする非接触式回転角度検出装置の製造方法。

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