JP5333513B2

JP5333513B2 - 回転センサ

Info

Publication number: JP5333513B2
Application number: JP2011109297A
Authority: JP
Inventors: 達也北中; 創横山
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2011-05-16
Filing date: 2011-05-16
Publication date: 2013-11-06
Anticipated expiration: 2031-05-16
Also published as: JP2012242109A; US20120293167A1; DE102012207946A1; DE102012207946A8; US8816678B2

Description

本発明は、歯車の回転を検出する回転センサに関する。

従来より、鉄などの磁性体からなる歯車の回転数または回転方向などを歯車と非接触で検出する回転センサが知られている（特許文献１、２参照）。
特許文献１に記載の回転センサは、歯車の歯の外側に設けられたケース内に、２個のホール素子を有するホールＩＣと、磁石とを備えている。ホール素子は、磁石と歯車との間を流れる磁束に応じた電圧信号を出力する。回転センサは、２個のホール素子から出力される２つの信号の差動出力に基づき、歯車の回転数を検出している。

特開平８−３３８８５０号公報特開２０００−３１０６４６号公報

ところで、特許文献１、２に記載の回転センサは、図１２（Ａ）に示すように、磁石２０に磁気吸引された磁性異物などのコンタミ３がケースに付着することがある。コンタミ３は、歯車２の歯Ａと磁石２０との間の磁束密度の強い場所に位置する。歯車２の回転数が低いとき（例えば１００Ｈｚ）、図１２（Ｂ）から（Ｃ）に示すように、コンタミ３は、歯車２の回転に伴ってケース１０の歯車２側の端面１３を移動する。そしてコンタミ３は、自らが位置する歯車２の歯Ａと磁石２０との間の磁束密度よりも、回転方向後方の歯Ｂと磁石２０との間の磁束密度が強くなると、図１２（Ｃ）から（Ｄ）に示すように、回転方向後方の歯Ｂと磁石２０との間へ向けてケース１０の端面１３を移動する。
このとき、ホール素子３１、３３と歯車２との間をコンタミ３が横切ると、ホール素子３１，３３と歯車２との見かけ上のギャップが小さくなるので、ホール素子３１、３３と歯車２との間の磁気抵抗が低下する。これにより、ホール素子３１、３３の信号の出力タイミングに異常が生じると、回転センサは、実際の歯車２の回転数よりも高い回転数を検出するおそれがある。

一方、図１３に示す回転センサは、３個のホール素子３１、３２、３３を有する。この回転センサは、隣り合う一組のホール素子３１、３２の差動出力と、隣り合う他の一組のホール素子３２、３３の差動出力との位相差に基づき、歯車２の回転方向および回転数を検出する。
図１３（Ｃ）から（Ｄ）に示すように、回転センサの中央のホール素子３２と歯車２との間をコンタミ３が横切ると、ホール素子３２の信号の出力タイミングに異常が生じる。これにより、一組のホール素子３１、３２の差動出力と、他の一組のホール素子３２，３３の差動出力との位相差が変わると、回転センサは、実際の歯車２の回転方向とは逆方向の回転を検出するおそれがある。
本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、検出精度を高めることの可能な回転センサを提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明によると、磁性体から形成された歯車の回転を検出する回転センサは、磁気発生手段、複数の磁気検出素子、検出手段、ケースおよび移動制限手段を備える。
磁気発生手段は、歯車の歯底から歯が突出する方向の一方に設けられる。磁気発生手段側から見た歯車の歯筋に対し略垂直方向に並ぶ複数の磁気検出素子は、歯車と磁気発生手段との間に流れる磁束に応じた信号を出力する。複数の磁気検出素子の信号に基づき、検出手段が歯車の回転を検出する。
ケースは、複数の磁気検出素子を収容する。複数の磁気検出素子の間でケースの歯車側に設けられた移動制限手段は、ケースに付着する磁性異物が磁気検出素子の並ぶ方向に移動することを制限可能である。
これにより、磁気検出素子は、磁性異物の移動による信号を出力することなく、歯車の回転に基づき正常なタイミングで信号を出力する。このため、検出手段は、歯車の回転数または回転方向を正確に検出することが可能になる。したがって、回転センサの検出精度を高めることができる。

また、移動制限手段は、ケースから歯車側に突出し、歯筋と略平行に延びる突条部である。
これにより、磁性異物は、突条部と当接することで、複数の磁気検出素子の並ぶ方向に移動することが制限される。

さらに、ケースと移動制限手段とは、非磁性体から一体で形成される。これにより、回転センサの製造コストを低減することができる。

また、磁気検出素子は、歯車の歯筋に対し略垂直方向に並ぶ第１磁気検出素子、第２磁気検出素子および第３磁気検出素子をこの順で有する。
移動制限手段は、第２磁気検出素子の歯車側に設けられる。
これにより、第１磁気検出素子と第３磁気検出素子との間を第２磁気検出素子を跨いで磁性異物が移動することが抑制される。したがって、回転センサは、歯車の回転方向の検出精度を高めることができる。

さらに、複数の磁気検出素子の並ぶ方向において、移動制限手段の幅は、第２磁気検出素子の幅よりも大きく、第１磁気検出素子と第３磁気検出素子との間の幅よりも小さい。歯車側から見て、第２磁気検出素子は、移動制限手段の内側に位置する。
これにより、第１磁気検出素子と第２磁気検出素子との間、及び第２磁気検出素子と第３磁気検出素子との間の磁性異物の移動を制限することができる。

本発明の第１実施形態による回転センサの断面図である。本発明の第１実施形態による回転センサの拡大断面図である。本発明の第１実施形態による回転センサの平面図である。本発明の第１実施形態による回転センサに付着するコンタミの動きを示す説明図である。本発明の第１実施形態による回転センサの出力特性を示すグラフである。本発明の第１実施形態による回転センサの出力特性を示すグラフである。本発明の第２実施形態による回転センサの断面図である。本発明の第２実施形態による回転センサの拡大断面図である。本発明の第２実施形態による回転センサの平面図である。本発明の第２実施形態による回転センサに付着するコンタミの動きを示す説明図である。本発明の第２実施形態による回転センサの出力特性を示すグラフである。従来の回転センサに付着するコンタミの動きを示す説明図である。従来の回転センサに付着するコンタミの動きを示す説明図である。

以下、本発明の複数の実施形態を図面に基づいて説明する。
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態による回転センサを図１〜図６に示す。回転センサ１は、鉄などの磁性体からなる歯車２の回転数および回転方向を歯車２と非接触で検出する。回転センサ１は、平歯車、はすば歯車、やまば歯車、ラック、かさ歯車、冠歯車、ハイポイドギヤおよびウォームギヤなど、種々の歯車の回転数または回転方向を検出することが可能である。

回転センサ１は、ケース１０、磁気発生手段としての磁石２０、検出手段としての集積回路３０、磁気検出素子としてのホール素子３１、３２、３３および移動制限手段としての突条部４０などを備えている。
図１〜図３に示すように、ケース１０は、樹脂から略円筒状に形成され、磁石２０、３個のホール素子３１、３２、３３、集積回路３０および端子１１などをモールドしている。ケース１０は、歯車２の歯底から歯が突出する方向の一方に設置される。ケース１０の径外方向の一方には、コネクタ１２が設けられている。
磁石２０は、歯車２の歯底から歯が突出する方向の両側に異種の磁極を有する。磁石２０の励磁する磁界の磁束は、歯車２に流れる。

ケース１０の径方向に、第１ホール素子３１、第２ホール素子３２および第３ホール素子３３がこの順で設けられている。３個のホール素子３１、３２、３３は、歯車２の歯筋に対し略垂直方向に並んでいる。ホール素子３１、３２、３３は、歯車２と磁石２０との間に流れる磁束密度に応じた電圧信号を出力する。ホール素子３１、３２、３３から出力された電圧信号に基づき、集積回路３０が歯車２の回転数および回転方向を検出する。集積回路３０から出力されるセンサ出力は、コネクタ１２の端子１１から出力される。

突条部４０は、ケース１０と一体に樹脂から形成されている。突条部４０は、第２ホール素子３２の歯車２側で、ケース１０の歯車２側の端面から歯車２側に突出し、３個のホール素子の並ぶ方向に略垂直に延びている。突条部４０の延びる方向は、歯車２の歯筋と略平行である。突条部４０は、断面が略矩形に形成されている。
突条部４０は、ケース１０の歯車２側の端面１３から立ち上がる２つの側面４１、４２が、ケース１０の端面１３に対して垂直に形成されている。突条部４０は、２つの側面４１、４２を歯車２側で接続する上面４３が、ケース１０の端面１３に平行に形成されている。したがって、磁石２０に磁気吸引された磁性異物などのコンタミがケース１０の端面１３に付着し、その端面１３を歯車２の回転に伴って移動する際、そのコンタミが突条部４０を乗り越えることが抑制される。

突条部４０は、歯車２側へ突出する方向の高さＨが、歯車２の歯とケース１０とのギャップＧよりも小さく、かつ、コンタミの移動を制限可能な大きさに形成されている。本実施形態では、突条部４０の高さＨを０．５〜１ｍｍとすることで、直径１．５ｍｍ以下のコンタミの移動を制限可能である。なお、歯車２の歯とケース１０とのギャップＧを１．５ｍｍとすれば、直径１．５以上のコンタミは、歯車２の歯によってケース１０の端面１３から排除される。
また、突条部４０は、３個のホール素子３１、３２、３３の並ぶ方向の幅Ｗが、第２ホール素子３２の幅よりも大きく、第１ホール素子３１と第３ホール素子３３との間の幅よりも小さく形成されている。
突条部４０は、歯車２の歯筋方向の長さＬが、ケース１０の端面１３の直径と略同じに形成されている。なお、歯車２の歯筋方向の長さＬは、ホール素子３２よりも長ければよい。

磁石２０に磁気吸引されたコンタミがケース１０に付着したときの歯車２とコンタミの動作を図４に示す。
図４（Ａ）に示すように、コンタミ３は、歯車２の歯Ａと磁石２０との間の磁束密度の強い場所に位置する。歯車２は、図４の右側へ回転している。このため、コンタミ３は、歯車２の回転に伴ってケース１０の端面１３を移動する。
図４（Ｂ）に示すように、歯車２の歯Ａが突条部４０の上を通過するとき、コンタミ３は突条部４０に当接し、その移動が制限される。
その後、歯車２の歯Ａとコンタミ３と磁石２０との間を流れる磁束密度よりも、回転方向後方の歯Ｂとコンタミ３と磁石２０との間の磁束密度が強くなると、図４（Ｃ）に示すように、コンタミ３は回転方向後方の歯Ｂと磁石２０との間へ向けてケース１０の端面１３を移動する。
そして、図４（Ｄ）に示すように、コンタミ３は歯車２の歯Ｂと共にケース１０の端面１３を突条部４０に当接するまで移動する。

次に、ホール素子３１、３２、３３から出力される電圧信号に基づき、集積回路３０が歯車２の回転数および回転方向を検出する方法を図５および図６を参照して説明する。
図５において、歯車２は、時刻ｔ１における歯の位置を示すものである。この時、歯車２の歯は、第１ホール素子３１の上に位置している。歯車２は、図５の右方向へ回転移動する。この歯車２の回転方向を正転とする。なお、第１ホール素子３１と歯車２との間には、コンタミ３が存在しているものとする。
各ホール素子３１、３２、３３から出力される電圧信号は、位相の異なる正弦波として出力される。このとき、各ホール素子３１、３２、３３から出力される電圧信号は、集積回路３０に格納されたオートゲインコントローラ（ＡＧＣ）およびオートオフセットアジャスタ（ＡＯＡ）によって補正される。したがって、第１ホール素子３１から出力された正弦波は、コンタミ３による影響が低減されている。
集積回路３０は、隣り合う第１、第２ホール素子３１，３２の差動出力と、第２、第３ホール素子３２，３３の差動出力とをそれぞれ検出する。これにより、各ホール素子３１、３２、３３と歯車２とのそれぞれのギャップの公差によって生じる各ホール素子３１、３２、３３の出力信号のばらつきが補正される。
集積回路３０は、２つの閾値Ｖ１、Ｖ２によって差動出力の正弦波をパルス信号に変換し、内部出力Ｐ１と内部出力Ｐ２を得る。そして、２つの内部出力Ｐ１、Ｐ２を比較し、内部出力Ｐ１のパルス信号がＬｏからＨｉに変わる時刻が、内部出力Ｐ２のパルス信号がＬｏからＨｉに変わる時刻よりも早いとき、歯車２が正転していることを判定する。そして、集積回路３０は、歯車２が正転していることを示すパルス信号を、歯車２の回転数に応じて出力する。なお、本実施形態では、歯車２が正転していることを示すパルス信号は、歯車２が逆転していることを示すパルス信号よりもＬｏレベルの出力時間が短く設定されている。

図６において、歯車２は、図６の左方向へ回転移動する。この歯車２の回転方向を逆転とする。
第１ホール素子３１と歯車２との間には、コンタミ３が存在しているものとする。しかし、各ホール素子３１、３２、３３から出力される電圧信号はＡＧＣおよびＡＯＡにより補正されるので、第１ホール素子３１から出力される正弦波は、コンタミ３による影響が低減されている。
集積回路３０は、隣り合う第１、第２ホール素子３１、３２の差動出力と、第２、第３ホール素子３２、３３の差動出力とをそれぞれ検出する。そして、２つの閾値Ｖ１、Ｖ２によって差動出力の正弦波をパルス信号に変換し、内部出力Ｐ１と、内部出力Ｐ２を得る。
集積回路３０は、２つの内部出力Ｐ１、Ｐ２を比較し、内部出力Ｐ２のパルス信号がＬｏからＨｉに変わる時刻が内部出力Ｐ１のパルス信号がＬｏからＨｉに変わる時刻よりも早いとき、歯車２が逆転していることを判定する。そして、集積回路３０は、歯車２が逆転していることを示すパルス信号を、歯車２の回転数に応じて出力する。

本実施形態では、以下の作用効果を奏する。
本実施形態では、第２ホール素子３２の歯車２側に突条部４０が設けられている。これにより、第１ホール素子３１と第３ホール素子３３との間を、第２ホール素子３２を跨いでコンタミ３が移動することが抑制される。このため、第２ホール素子３２は、コンタミ３の移動による信号を出力することなく、歯車２の回転に基づき正常なタイミングで電圧信号を出力する。したがって、回転センサ１は、歯車２の回転数および回転方向を正確に検出することができる。
また、本実施形態では、突条部４０の幅Ｗは、第２ホール素子３２の幅よりも大きく、第１ホール素子３１と第３ホール素子３３との間の幅よりも小さい。これにより、コンタミ３の移動は、第１ホール素子３１または第３ホール素子３３の上側の領域に制限される。このため、隣り合う２個のホール素子の差動出力に、コンタミ３の移動が影響することが抑制される。したがって、回転センサ１は、歯車２の回転数および回転方向の検出精度を高めることができる。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態による回転センサを図７〜図１１に示す。本実施形態において、上述した第１実施形態と実質的に同一の構成には同一の符号を付して説明を省略する。
本実施形態では、回転センサ１は、第１ホール素子３１および第３ホール素子３３を備えている。２個のホール素子３１、３３は、歯車２の歯筋に対し略垂直方向に並んでいる。
突条部４０は、第１ホール素子３１と第３ホール素子３３との間でケース１０から歯車２側に突出し、２個のホール素子の並ぶ方向に略垂直に延びている。突条部４０の延びる方向は、歯車２の歯筋と略平行である。突条部４０は、その幅が、第１ホール素子３１と第３ホール素子３３との間の幅よりも小さく形成されている。

コンタミ３がケース１０に付着したときの歯車２とコンタミ３の動作を図１０に示す。このときのコンタミ３の動きは、上述した第１実施形態と同一であるので、説明を省略する。

次に、ホール素子３１、３３から出力される電圧信号に基づき、集積回路３０が歯車２の回転数を検出する方法を図１１を参照して説明する。
図１１において、歯車２は、時刻ｔ１における歯の位置を示すものである。この時、歯車２の歯は、第１ホール素子３１の上に位置している。歯車２は、図１１の右方向へ正転する。
第１ホール素子３１と歯車２との間には、コンタミ３が存在しているものとする。しかし、各ホール素子３１、３３から出力される電圧信号はＡＧＣおよびＡＯＡにより補正されるので、第１ホール素子３１から出力される正弦波は、コンタミ３による影響が低減されている。
集積回路３０は、隣り合う第１、第３ホール素子３１、３３の差動出力を検出する。そして、２つの閾値Ｖ１、Ｖ２によって差動出力の正弦波をパルス信号に変換する。これにより、回転センサ１は、歯車２の回転数に応じたパルス信号を出力する。

本実施形態では、第１ホール素子３１と第３ホール素子３３との間に突条部４０が設けられているので、第１ホール素子３１と第３ホール素子３３との間をコンタミ３が移動することが制限される。このため、ホール素子３１、３３は、コンタミ３の移動による信号を出力することなく、歯車２の回転に基づき正常なタイミングで電圧信号を出力することが可能である。したがって、回転センサ１は、歯車２の回転数を正確に検出することができる。

（他の実施形態）
上述した実施形態では、ケースと突条部とを一体で設けた。これに対し、本発明は、ケースと突条部とを別体で構成し、接着、または嵌め込みにより突条部をケースに取り付けてもよい。
上述した実施形態では、突条部を非磁性体からなる樹脂から形成した。これに対し、本発明は突条部を金属などから形成してもよい。
上述した実施形態では、ケースに突条部を１本設けた。これに対し、本発明は、突条部を複数本設けてもよい。また、突条部は、歯車側からみて直線状に限らず、波形状としてもよい。また、突条部は、断面が矩形に限らず、三角形または円形などとしてもよい。
上述した実施形態では、移動制限手段としてケースの端面から突出する突条部を設けた。これに対し、本発明は、移動制限手段として、ケースの端面から磁石側に凹み、歯筋と略平行に延びる溝を設けてもよい。

上述した実施形態では、ホール素子を全てケースでモールドした。これに対し、本発明は、ホール素子の一部をケースでモールドしてもよい。
上述した実施形態では、磁石のＳ極を歯車側に設け、Ｎ極を歯車と反対側に設けた。これに対し、本発明は、磁石のＮ極を歯車側に設け、Ｓ極を歯車と反対側に設けてもよい。
上述した実施形態では、磁気発生手段として永久磁石を使用した。これに対し、本発明は、磁気発生手段として電磁石などを使用してもよい。
上述した実施形態では、磁気検出素子としてホール素子を使用した。これに対し、本発明は、磁気検出素子として磁気抵抗素子（ＭＲＥ）などを使用してもよい。
上述した実施形態では、検出手段としての集積回路をケース内に設けた。これに対し、本発明は、コネクタの端子に接続される電子制御装置（ＥＣＵ）を検出手段として機能させてもよい。
このように、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の形態で実施可能である。

１・・・回転センサ
２・・・歯車
１０・・・ケース
２０・・・磁石（磁気発生手段）
３０・・・集積回路（検出手段）
３１・・・第１ホール素子（第１磁気検出素子）
３２・・・第２ホール素子（第２磁気検出素子）
３３・・・第３ホール素子（第３磁気検出素子）
４０・・・突条部（移動制限手段）

Claims

磁性体から形成された歯車の回転を検出する回転センサであって、
前記歯車の歯底から歯が突出する方向の一方に設けられる磁気発生手段と、
前記歯車の歯筋に対して略垂直方向に並ぶ第１磁気検出素子、第２磁気検出素子および第３磁気検出素子をこの順で有し、前記歯車と前記磁気発生手段との間に流れる磁束に応じた信号を出力する複数の磁気検出素子と、
複数の前記磁気検出素子の信号に基づき前記歯車の回転を検出する検出手段と、
複数の前記磁気検出素子を収容するケースと、
前記第１磁気検出素子と前記第３磁気検出素子との間で前記ケースの前記歯車側に設けられ、前記ケースに付着する磁性異物が前記磁気検出素子の並ぶ方向に移動することを制限可能な移動制限手段と、を備え、
前記移動制限手段は、前記第２磁気検出素子の前記歯車側に設けられ、前記ケースから前記歯車側に突出し、歯筋と略平行に延びる突条部であり、
前記ケースと前記移動制限手段とは、非磁性体から一体で形成され、
複数の前記磁気検出素子の並ぶ方向において、前記移動制限手段の幅は前記第２磁気検出素子の幅よりも大きく、前記第１磁気検出素子と前記第３磁気検出素子との間の幅よりも小さく、
前記歯車側から見て、前記第２磁気検出素子は、前記移動制限手段の内側に位置することを特徴とする回転センサ。