JP2004361119A - Rotational angle detector - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、2つの部材(例えば、回転部材と非回転部材)の相対回転角度を非接触で検出する回転角度検出装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
(第1従来技術)
2つの部材の相対回転角度を非接触で検出する従来の回転角度検出装置の概略構造を図10(a)、(b)を参照して説明する。
回転角度検出装置は、回転軸上に配置された磁気検出素子J1 (例えば、磁気抵抗素子:MRE)と、回転軸方向の磁気検出素子J1 が配置された側に磁束の発生部J2 が向けられて磁気検出素子J1 に磁束を与える磁束付与磁石J3 (磁束付与手段の一例)と、回転軸方向の磁気検出素子J1 が配置された側に磁束の吸引部J4 が向けられて磁束付与磁石J3 から放出された磁束を吸引する磁束吸引磁石J5 (磁束吸引手段の一例)とを備える。なお、磁束付与磁石J3 と磁束吸引磁石J5 で磁束発生手段J6 が構成される(例えば、特許文献1参照)。
【0003】
ここで、磁束付与磁石J3 と磁束吸引磁石J5 は、磁気検出素子J1 に対して回転軸方向に距離Lを隔てて配置されるとともに{図10(a)参照}、回転軸方向から見て磁気検出素子J1 の周囲に距離を隔てて対向配置されたものである{図10(b)参照}。
そして、磁束発生手段J6 (磁束付与磁石J3 および磁束吸引磁石J5 )と、磁気検出素子J1 との相対回転角度が変化すると、磁気検出素子J1 の磁気検出面と直交する方向の磁束密度が変化して磁気検出素子J1 の出力が変化する(図11参照)。
【0004】
ここで、MREよりなる磁気検出素子J1 の出力は、図11に示すようにサインカーブを描く。近年では検出精度を高める目的で、検出範囲のサインカーブの傾きを極力直線的にして、しかも直線化した検出範囲を広げる工夫が種々されている。
しかし、実際に直線化した検出範囲を広げるのは困難であり、現実的にはサインカーブを直線化した検出範囲は60°(サインカーブの出力0を基準とした±30°)が限度である。
【0005】
(第2従来技術)
そこで、MREよりなる磁気検出素子J1 を2つ設けて検出精度の向上と検出範囲の拡大を図る技術が提案されている。
この技術は、図12(a)に示すように、磁気検出面が所定の角度(例えば、オフセット角が45°、電気位相角が90°)を隔てるように、2つの磁気検出素子J1 を配置するものである。なお、この2つの磁気検出素子J1 は、図13に示すように磁気検出チップJ7 として搭載されるものである。
そして、磁束発生手段J6 (磁束付与磁石J3 および磁束吸引磁石J5 )と、磁気検出チップJ7 (2つの磁気検出素子J2 )との相対回転角度が変化すると、2つの磁気検出素子J1 の出力は、図12(b)に示すように変化する。
【0006】
2つの出力信号は、図12(b)に示すように、90°の電気位相差があるため、2つの磁気検出素子J1 の出力は、それぞれsin2αとcos2αに比例する(α=回転角度)。
これら2つの信号は、数学的に次の式で表される。
一方の信号X(α,T)=X0 (T)sin2α
他方の信号Y(α,T)=Y0 (T)cos2α
【0007】
2つの信号の振幅(X0 、Y0 )が同一であると仮定した場合(X0 =Y0 )、未知の角度αは次の式によって求められる。
α=(1/2) arctan(X/Y)
このように、磁気検出素子J1 を2つ設けることで、上述した第1従来技術のように磁気検出素子J1 の出力を直線化することなく、検出精度の向上と検出範囲の拡大を図ることができる(例えば、非特許文献1参照)。
【0008】
【特許文献1】
特開2001−304805公報
【非特許文献1】
クラウス・ディートマイヤー(Klaus Dietmayer)、外1名,「KMZ41およびUZZ9001を使用した非接触角度測定」,アプリケーション・ノートAN00004,日本フィリップス株式会社,2000年1月17日
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
磁束発生手段J6 (磁束付与磁石J3 および磁束吸引磁石J5 )と、磁気検出チップJ7 (2つの磁気検出素子J1 )とが相対回転した場合、その回転角度と同じように、磁気検出チップJ7 に対する磁束の向きが変わる必要がある。
このことは、組付け上の誤差等によって、磁束発生手段J6 (磁束付与磁石J3 および磁束吸引磁石J5 )の回転中心と、磁気検出チップJ7 (2つの磁気検出素子J1 )の中心にズレが生じるような場合であっても成り立つように考慮されるべきである。
【0010】
そこで、非特許文献1には、図13に示すように、磁気検出チップJ7 が取り付けられるべき基板J8 の上に嵩上げ部品J9 を固定し、その嵩上げ部品J9 の上に磁気検出チップJ7 を固定して、磁気検出チップJ7 を磁束付与磁石J3 と磁束吸引磁石J5 の内側に配置して、磁気検出チップJ7 が取り付けられる近傍の空間の磁束の向きを均一化する技術が開示されている。
【0011】
しかし、図13に示すように、磁気検出チップJ7 を磁束付与磁石J3 と磁束吸引磁石J5 の内側に配置させる技術は、本来であれば基板J8 の上に直接ハンダ付け等で磁気検出チップJ7 を設置できる利点を放棄するものであり、上述したような嵩上げ部品J9 を必要とする。このことは、部品点数の増大を招くだけでなく、基板J8 と磁気検出チップJ7 の配線が必要になり、配線の複雑化も招いてしまう。
【0012】
また、磁気検出チップJ7 を磁束付与磁石J3 と磁束吸引磁石J5 の内側に配置させる必要があるため、磁束発生手段J6 (磁束付与磁石J3 と磁束吸引磁石J5 )から回転軸方向に距離を隔てて磁気検出チップJ7 を配置することができない。このため、使用用途が限られてしまう。即ち、磁束発生手段J6 と磁気検出チップJ7 を軸方向に離した回転角度検出装置(例えば、磁束発生手段J6 と磁気検出チップJ7 の軸方向の間に隔壁等を配置するスロットルバルブの回転角度検出装置等)に適用することはできない。
【0013】
一方、図10(a)に示されるように、磁束付与磁石J3 は回転軸方向の磁気検出素子J1 が配置された側に磁束の発生部J2 が向けられ、磁束吸引磁石J5 は回転軸方向の磁気検出素子J1 が配置された側に磁束の吸引部J4 が向けられる構成により、磁束発生手段J6 (磁束付与磁石J3 と磁束吸引磁石J5 )から回転軸方向に距離Lを隔てて配置される磁気検出素子J1 の磁気検出面(回転軸の直交方向に向けられた磁気検出面)に磁束a1 ’を与える構成を採用している。
しかし、磁気検出素子J1 とは異なった側{図10(a)では下側}で発生する磁束a2 ’はなんら利用されずに無駄になっている。
【0014】
【発明の目的】
本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、次の3つの目的を有する。
第1の目的は、磁束発生手段(磁束付与手段と磁束吸引手段)と磁気検出チップ(2つの磁気検出素子)とを回転軸方向に距離を隔てて配置することができ、且つ、磁束発生手段と磁気検出チップとが、組付け上の誤差等によって回転軸の直交方向にズレるような場合であっても、磁束発生手段と磁気検出チップとが相対回転した場合に、その回転角度と同じように、磁気検出チップに対する磁束の向きが変わる検出誤差の発生のない回転角度検出装置の提供にある。
【0015】
第2の目的は、磁束発生手段(磁束付与磁石と磁束吸引磁石)と磁気検出素子とを回転軸方向に距離を隔てて配置することができ、且つ、磁束付与磁石と磁束吸引磁石において磁気検出素子とは異なった側で発生する磁束の無駄を抑えて、磁気検出素子に与えられる磁束を強める、あるいは磁束付与磁石と磁束吸引磁石の小型軽量化を図ることのできる回転角度検出装置の提供にある。
【0016】
第3の目的は、磁束発生手段(磁束付与磁石と磁束吸引磁石)と磁気検出チップ(2つの磁気検出素子)とを回転軸方向に距離を隔てて配置することができ、且つ、磁束付与磁石と磁束吸引磁石において磁気検出チップとは異なった側で発生する磁束の無駄を抑えて、磁気検出チップに与えられる磁束を強める、あるいは磁束付与磁石と磁束吸引磁石の小型軽量化を図ることのできる回転角度検出装置の提供にある。
【0017】
【課題を解決するための手段】
〔請求項1の手段〕
請求項1の手段の磁束発生手段は、回転軸方向の磁気検出チップが配置された側に磁束の発生部が向けられた磁束付与手段と、回転軸方向の磁気検出チップが配置された側に磁束の吸引部が向けられた磁束吸引手段とを備える。
この構成を採用することにより、磁束発生手段(磁束付与手段と磁束吸引手段)と磁気検出チップとを回転軸方向に距離を隔てて配置しても、2つの磁気検出素子に磁束を与えることができる。
これによって、磁束発生手段と磁気検出チップとを回転軸方向に距離を隔てて配置した状態で、磁束発生手段と磁気検出チップの相対回転角度が変化すると、2つの磁気検出素子から相対回転角度の変化に応じた出力が発生する。即ち、磁束発生手段と磁気検出チップとを回転軸方向に距離を隔てて配置した状態で、相対回転角度の変化を検出できる。
【0018】
さらに、磁束付与手段から磁気検出チップを介して磁束吸引手段に向かう磁束の流れ方向を、磁気検出チップの組付誤差範囲内において平行にする磁束平行化手段が設けられている。
これによって、磁束発生手段と磁気検出チップとが、組付け上の誤差によって回転軸の直交方向にズレるような場合であっても、磁束発生手段と磁気検出チップとが相対回転した場合、その回転角度と同じように、磁気検出チップに対する磁束の向きが変わる。このため、組付け上の誤差が生じても検出誤差の発生を防ぐことができる。
【0019】
即ち、請求項1の回転角度検出装置は、磁束発生手段と磁気検出チップとを回転軸方向に距離を隔てて配置した状態で、磁束発生手段と磁気検出チップの相対回転角度の変化を2つの磁気検出素子の出力によって検出することができるとともに、磁束発生手段と磁気検出チップとに組付け上の誤差が生じても検出誤差の発生を防ぐことができる。
【0020】
〔請求項2の手段〕
請求項2の手段を採用する回転角度検出装置は、磁束付与手段と磁束吸引手段を回転軸を隔てて平行配置して、この平行方向に沿う磁束付与手段と磁束吸引手段のそれぞれの長さを長くすることによって磁束平行化手段を設けたものである。
このように設けることによって、磁気検出チップの組付誤差の範囲内において磁束付与手段から磁束吸引手段に向かう磁束方向を平行化できる。
【0021】
〔請求項3の手段〕
請求項3の手段を採用する回転角度検出装置は、磁束付与手段と磁束吸引手段を回転軸を中心とした略扇形形状にすることによって磁束平行化手段を設けたものである。
このように設けることによって、磁気検出チップの組付誤差の範囲内において磁束付与手段から磁束吸引手段に向かう磁束方向を平行化できる。
【0022】
〔請求項4の手段〕
請求項4の手段を採用する回転角度検出装置は、磁束付与手段と磁束吸引手段をそれぞれ複数の直方体によって構成し、その複数の直方体を回転軸を中心として円弧状に配置することによって磁束平行化手段を設けたものである。
このように設けることによって、磁気検出チップの組付誤差の範囲内において磁束付与手段から磁束吸引手段に向かう磁束方向を平行化できる。
【0023】
〔請求項5の手段〕
請求項5の手段を採用する回転角度検出装置の磁束付与手段と磁束吸引手段は、回転軸方向に着磁され、磁束付与手段と磁束吸引手段の着磁方向が逆方向の永久磁石である。
このように設けることによって、磁気検出チップに対して回転軸方向に距離を隔てて配置された永久磁石よりなる磁束付与手段と磁束吸引手段から、磁気検出チップにおける2つの磁気検出素子に磁束を与えることができる。
【0024】
〔請求項6の手段〕
請求項6の手段を採用する回転角度検出装置は、永久磁石よりなる磁束付与手段と磁束吸引手段の磁気検出チップとは異なった側に磁性体製よりなるヨークを配置し、磁束付与手段と磁束吸引手段の磁気検出チップとは異なった側をヨークで磁気結合したものである。
このように設けることによって、永久磁石よりなる磁束付与手段と磁束吸引手段において磁気検出素子とは異なった側で発生する磁束の無駄を抑えることができ、結果的に磁気検出素子に与える磁束を強めることができる。あるいは、永久磁石よりなる磁束付与手段と磁束吸引手段の小型軽量化を図ることができる。
【0025】
〔請求項7の手段〕
請求項7の手段を採用する回転角度検出装置は、回転軸方向の磁気検出素子が配置された側に磁束の発生部が向けられた磁束付与磁石と、回転軸方向の磁気検出素子が配置された側に磁束の吸引部が向けられた磁束吸引磁石とを備える。
この構成を採用することにより、磁束発生手段(磁束付与磁石と磁束吸引磁石)と磁気検出素子とを回転軸方向に距離を隔てて配置しても、磁気検出素子に磁束を与えることができる。
これによって、磁束発生手段と磁気検出素子を回転軸方向に距離を隔てて配置した状態で、磁束発生手段と磁気検出素子の相対回転角度が変化すると、磁気検出素子から相対回転角度の変化に応じた出力が発生する。即ち、磁束発生手段と磁気検出素子とを回転軸方向に距離を隔てて配置した状態で、相対回転角度の変化を検出できる。
【0026】
さらに、請求項7の手段を採用する回転角度検出装置は、磁束付与磁石と磁束吸引磁石の磁気検出素子とは異なった側に磁性体製よりなるヨークを配置し、磁束付与磁石と磁束吸引磁石の磁気検出素子とは異なった側をヨークで磁気結合したものである。
このように設けることによって、磁束付与磁石と磁束吸引磁石において磁気検出素子とは異なった側で発生する磁束の無駄を抑えることができ、結果的に磁気検出素子に与える磁束を強めることができる。あるいは、磁束付与磁石と磁束吸引磁石の小型軽量化を図ることができる。
【0027】
〔請求項8の手段〕
請求項8の手段を採用する回転角度検出装置は、回転軸方向の磁気検出チップが配置された側に磁束の発生部が向けられた磁束付与磁石と、回転軸方向の磁気検出チップが配置された側に磁束の吸引部が向けられた磁束吸引磁石とを備える。
この構成を採用することにより、磁束発生手段(磁束付与磁石と磁束吸引磁石)と磁気検出チップ(2つの磁気検出素子)とを回転軸方向に距離を隔てて配置しても、磁気検出チップにおける2つの磁気検出素子に磁束を与えることができる。
これによって、磁束発生手段と磁気検出チップとを回転軸方向に距離を隔てて配置した状態で、磁束発生手段と磁気検出チップの相対回転角度が変化すると、2つの磁気検出素子から相対回転角度の変化に応じた出力が発生する。即ち、磁束発生手段と磁気検出チップとを回転軸方向に距離を隔てて配置した状態で、相対回転角度の変化を検出できる。
【0028】
さらに、請求項8の手段を採用する回転角度検出装置は、磁束付与磁石と磁束吸引磁石の磁気検出チップとは異なった側に磁性体製よりなるヨークを配置し、磁束付与磁石と磁束吸引磁石の磁気検出チップとは異なった側をヨークで磁気結合したものである。
このように設けることによって、磁束付与磁石と磁束吸引磁石において磁気検出チップとは異なった側で発生する磁束の無駄を抑えることができ、結果的に2つの磁気検出素子に与える磁束を強めることができる。あるいは、磁束付与磁石と磁束吸引磁石の小型軽量化を図ることができる。
【0029】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を、3つの実施例と変形例を用いて説明する。
[第1実施例]
図1〜図4を用いて第1実施例を説明する。なお、図1(a)は回転軸方向に沿う回転角度検出装置の概略断面図であり、図1(b)は回転軸方向から見た回転角度検出装置の概略図である。また、図2はスロットルバルブに組付けられた回転角度検出装置の断面図である。
【0030】
まず、図2を参照して回転角度検出装置の基本構成を説明する。
この実施例に示す回転角度検出装置は、スロットルバルブ1の回転角度(開度)を検出するためのものであり、回路基板2(固定部材)に搭載された磁気検出チップ3と、ロータ4(回転部材)に固定された磁束発生手段5とを備える。
【0031】
磁束発生手段5が配置される空間は、エンジンの吸気側あるいは大気と繋がっているため、排気ガスや水分といった回路基板2に搭載される電子部品に悪影響をおよぼすおそれのある物質が存在する。
そこで、磁気検出チップ3と磁束発生手段5とを、図1(a)に示すようにロータ4の回転軸方向に距離Lを隔てて配置するとともに、図2に示すように磁気検出チップ3と磁束発生手段5の回転軸方向の間に遮蔽部材6を配置して、磁気検出チップ3が配置される空間と、磁束発生手段5が配置される空間とを分離している。これによって、排気ガスや水分といった電子部品に悪影響をおよぼすおそれのある物質が、回路基板2が配置される空間に侵入しない。
【0032】
磁気検出チップ3は、図3(a)に示されるように、磁気検出面が45°(所定の角度の一例)を隔てて配置された2つの磁気抵抗素子7(磁気検出素子の一例)を搭載する電気部品であり、2つの磁気抵抗素子7の磁気検出面がロータ4の回転軸の直交方向に向くとともに、2つの磁気抵抗素子7の磁気検出面(磁気検出チップ3の中心O)がロータ4の回転中心O’と一致するように配置されるものである。
【0033】
ロータ4は、スロットルバルブ1のシャフト8にネジ等の締結手段9によって固定されるヨーク10と、このヨーク10に固定された磁束発生手段5とで構成される。
この磁束発生手段5は、図1(b)に示すように、回転軸方向から見て、磁気検出チップ3の両側に距離を隔てて対向配置される磁束付与磁石11(磁束付与手段の一例)と磁束吸引磁石12(磁束吸引手段の一例)の2つの磁石によって構成される。
【0034】
磁束付与磁石11は、図1(a)に示すように、回転軸方向の磁気検出チップ3が配置された側に磁束の発生部11aが向けられるものであり、具体的には磁気検出チップ3が配置された側にN極が向くように着磁された磁石である。
磁束吸引磁石12は、回転軸方向の磁気検出チップ3が配置された側に磁束の吸引部12aが向けられるものであり、具体的には磁気検出チップ3が配置された側にS極が向くように着磁された磁石である。
【0035】
このような磁束付与磁石11と磁束吸引磁石12を用いることにより、磁束発生手段5と磁気検出チップ3とを回転軸方向に距離Lを隔てて配置しても、図1(a)に示すように、磁気検出チップ3(2つの磁気抵抗素子7の磁気検出面)に磁束a1 を与えることができる。
これによって、磁束発生手段5と磁気検出チップ3とが回転軸方向に距離Lを隔てて配置された状態であっても、磁束発生手段5と磁気検出チップ3の相対回転角度が変化すると、2つの磁気抵抗素子7から相対回転角度の変化に応じた出力が発生する。即ち、磁束発生手段5と磁気検出チップ3とを回転軸方向に距離Lを隔てて配置した状態で相対回転角度の変化を検出できる(第1の効果)。
【0036】
具体的には、従来技術の項でも説明したように、2つの磁気抵抗素子7は、オフセット角が45°、電気位相角が90°を隔てるものであるため、ロータ4の回転に伴って磁束発生手段5(磁束付与磁石11および磁束吸引磁石12)が回転すると、2つの磁気抵抗素子7の出力は、図3(b)に示すように変化する。
【0037】
2つの出力信号は、図3(b)に示すように、90°の電気位相差があるため、2つの磁気抵抗素子7の出力は、それぞれsin2αとcos2αに比例する(α=回転角度)。
これら2つの信号は、数学的に次の式で表される。
一方の信号X(α,T)=X0 (T)sin2α
他方の信号Y(α,T)=Y0 (T)cos2α
【0038】
2つの信号の振幅(X0 、Y0 )が同一であると仮定した場合(X0 =Y0 )、未知の角度αは次の式によって求められる。
α=(1/2) arctan(X/Y)
このように、磁気抵抗素子7を2つ設けることで、検出精度の向上と検出範囲の拡大を図ることができる。
【0039】
一方、ヨーク10は鉄などの磁性体によって設けられるものであり、磁気検出チップ3が配置される側とは異なった側に配置されて、磁束付与磁石11と磁束吸引磁石12の磁気結合を行うものである。
このように設けることで、図1(a)に示すように、磁気検出チップ3が配置される側とは異なった側で発生する磁束a2 は、ヨーク10を介して効率的に流れる。これによって、磁束発生手段5における磁束の無駄が抑えられるため、結果的に磁気検出チップ3に与える磁束を強めることができる。あるいは、磁束付与磁石11と磁束吸引磁石12の小型軽量化を図ることができる(第2の効果)。
【0040】
ここで、磁束発生手段5には、磁束付与磁石11から磁気検出チップ3を介して磁束吸引磁石12に向かう磁束の流れ方向を、磁気検出チップ3の組付誤差範囲内において平行にする磁束平行化手段が設けられている。
この実施例の磁束平行化手段は、図4(a)に示すように、磁束付与磁石11と磁束吸引磁石12を直方体の磁石で設け、回転軸を隔てて平行配置するとともに、この平行方向に沿う磁束付与磁石11と磁束吸引磁石12のそれぞれの長さDを長く設けたものである。
【0041】
このことを図4(a)、(b)を参照して説明する。
図4(a)に示すように、磁気検出チップ3の中心Oは、回転中心O’と一致するように組付けられる。
しかし、現実的には、組付誤差等によって磁気検出チップ3の中心Oが、回転中心O’からズレる可能性がある。
【0042】
図4(a)に示すように、磁気検出チップ3の中心Oは、回転中心O’と一致するように組付けられた場合に、磁気検出チップ3を通過する磁束の角度がθであった場合、図4(b)に示すように、磁気検出チップ3の中心Oが、回転中心O’から組付誤差の範囲よりも大きくズレると、磁気検出チップ3を通過する磁束の角度がθ’となってしまう(θ≠θ’)。
【0043】
しかるに、磁束付与磁石11と磁束吸引磁石12のそれぞれの長さDを長く設けたことにより、図4(b)中の丸A(回転中心O’を中心とした円)内に示す範囲内(磁気検出チップ3の組付誤差範囲)は、磁束付与磁石11から磁気検出チップ3を介して磁束吸引磁石12に向かう磁束の流れ方向が平行になる。
このため、磁気検出チップ3の中心Oが、回転中心O’から所定の組付誤差の範囲内でズレても、磁気検出チップ3を通過する磁束の角度が変化しなくなる。即ち、磁気検出チップ3の中心Oと回転中心O’が組付け上の誤差の範囲内でズレるような場合であっても、磁束発生手段5と磁気検出チップ3とが相対回転した場合、ズレの無い場合と同じように、磁気検出チップ3に対する磁束の向きが変わる。このため、組付け上の誤差が生じても検出誤差の発生が防がれる(第3の効果)。
【0044】
[第1実施例の効果]
本実施例の回転角度検出装置は、次の4つの効果を奏することができる。
(1)回転軸方向の磁気検出チップ3が配置された側に磁束の発生部11aが向くように磁束付与磁石11を設けるとともに、回転軸方向の磁気検出チップ3が配置された側に磁束の吸引部12aが向くように磁束吸引磁石12を設けることにより、磁束発生手段5と磁気検出チップ3とを回転軸方向に距離Lを隔てて配置しても、磁気検出チップ3(2つの磁気抵抗素子7の磁気検出面)に磁束を与えることができ、2つの磁気抵抗素子7の出力によって相対回転角度の変化を検出できる。
【0045】
(2)磁気検出チップ3が配置される側とは異なった側において磁束付与磁石11と磁束吸引磁石12を磁性体製のヨーク10で磁気結合したことにより、磁気検出チップ3が配置される側とは異なった側で発生する磁束の無駄を抑えることができる。これによって、結果的に磁気検出チップ3に与える磁束を強めることができる。あるいは、磁束付与磁石11と磁束吸引磁石12の小型軽量化を図ることができる。
【0046】
(3)磁束付与磁石11と磁束吸引磁石12を直方体の磁石で設け、回転軸を隔てて平行配置するとともに、平行方向に向く磁束付与磁石11と磁束吸引磁石12のそれぞれの長さDを長く設けたことにより、磁気検出チップ3の中心Oが回転中心O’から所定の組付誤差の範囲内でズレても、磁気検出チップ3を通過する磁束の角度が変化しなくなる。これによって、磁気検出チップ3の中心Oが回転中心O’から所定の組付誤差の範囲内でズレても、検出誤差の発生を防ぐことができる。
【0047】
(4)磁束発生手段5と磁気検出チップ3とを回転軸方向に距離Lを隔てて配置した状態で、磁気検出チップ3の組付位置が所定の組付誤差の範囲内でズレても、検出誤差の発生を防ぐことができる。これによって、従来技術の項で示したような嵩上げ部品(図13の符号J9 参照)を廃止でき、磁気検出チップ3を直接回路基板2に搭載できる。このため、磁気検出チップ3を回路基板2の上に直接ハンダ付け等で設置でき、生産性が向上する。また、嵩上げ部材を用いないため、嵩上げ部品を用いることによる配線の複雑化も解消できる。
【0048】
[第2実施例]
図5〜図7を用いて第2実施例を説明する。なお、この第2実施例以降における第1実施例と同一符号は、特に説明を加えない限り同一機能物を示すものである。
上記の第1実施例は、磁束付与磁石11と磁束吸引磁石12を直方体の磁石で設け、回転軸を隔てて平行配置し、平行方向に向く磁束付与磁石11と磁束吸引磁石12のそれぞれの長さDを長く設けることで、磁気検出チップ3の組付誤差範囲内の磁束の流れ方向を平行にした例を示した。
【0049】
これに対し、この第2実施例では、図5(b)に示すように、磁束付与磁石11と磁束吸引磁石12を回転軸を中心とした略扇形形状に設けることで、磁気検出チップ3の組付誤差範囲内の磁束の流れ方向を平行にしたものである。
このことを具体的に説明する。
磁束付与磁石11と磁束吸引磁石12の形状は、回転軸方向の厚さα、内径寸法β、外径寸法γ、扇角度δで決定されるが、厚さα、内径寸法β、外径寸法γは、磁気検出チップ3に与える磁束の強さに影響を与えるが、磁束付与磁石11から磁束吸引磁石12に向かう磁束の流れ方向にあまり寄与しない。
【0050】
扇角度δが適切でない場合の磁束の流れを図6(a)、(b)に示す。図6(a)は扇角度δが適切範囲よりも小さい場合を示すものであり、図6(b)は扇角度δが適切範囲よりも大きい場合を示すものである。
扇角度δが適切範囲よりも小さい場合、回転中心O’から離れるにつれて磁束の向きが外側に膨らむ。このため、回転中心O’における磁束の角度がθの場合、図6(a)に示すように、磁気検出チップ3の中心Oが回転中心O’から大きくズレると、磁気検出チップ3を通過する磁束の角度がθ’となり、θとθ’とに角度差が生じてしまう(θ≠θ’)。
【0051】
逆に、扇角度δが適切範囲よりも大きい場合、回転中心O’から離れるにつれて磁束の向きが内側に凹む。このため、回転中心O’における磁束の角度がθの場合、図6(b)に示すように、磁気検出チップ3の中心Oが回転中心O’から大きくズレると、磁気検出チップ3を通過する磁束の角度がθ’となり、θとθ’とに角度差が生じてしまう(θ≠θ’)。
【0052】
本願発明者等は、磁束の向きが外側に膨む、内側に凹むというように傾向が逆になることから、最適な扇角度を含めた磁石形状が存在すると考え、種々の形状のシュミレーションや試作品で特性を求めた。
磁束発生手段5と磁気検出チップ3との回転軸方向の距離Lが3mm、磁気検出チップ3の中心Oの磁束発生手段5の回転中心O’に対する中心ズレがX方向(回転軸の直交方向の任意の線方向)に1.2mm、Y方向(回転軸の直交方向で、且つX方向の直交方向)に1.2mmと想定し、内径寸法β、外径寸法γ、扇角度δのそれぞれ1つを変化させて、上述した磁束角度θとθ’の角度差(θ−θ’)の変化を求めた。この角度差(θ−θ’)の変化を、図7(a)〜(c)に示す。ここで、角度差(θ−θ’)は、回転角度検出装置の誤差となって現れる。
なお、図7(a)は内径寸法βを変化させた場合における角度差(θ−θ’)の変化量を示すグラフ、図7(b)は外径寸法γを変化させた場合における角度差(θ−θ’)の変化量を示すグラフ、図7(c)は扇角度δを変化させた場合における角度差(θ−θ’)の変化量を示すグラフである。
【0053】
図7(a)、(b)から読み取れるように、内径寸法βや外径寸法γを変化させても、角度差(θ−θ’)はあまり変化しない。
図7(c)から読み取れるように、角度差(θ−θ’)が最も小さくなるのは、扇角度δが110°付近であり、110°から扇角度δが大きくなる、あるいは110°から扇角度δが小さくなるに従って、角度差(θ−θ’)が大きくなってしまう。
角度差(θ−θ’)が最も小さくなる扇角度δは、距離Lを3mm±0.5mmの範囲で変化させても110°付近であった。
即ち、扇角度δを略110°に設けることにより、回転軸方向から見て、磁束付与磁石11から磁束吸引磁石12へ流れる磁束の向きを広い範囲にて平行にできる。
【0054】
上述したように、磁束付与磁石11と磁束吸引磁石12を回転軸を中心とした略扇形形状に設け、その扇角度δを略110°に設けることにより、磁気検出チップ3の中心Oが回転中心O’から組付誤差等によってズレても、磁気検出チップ3を通過する磁束の角度が変化しなくなる。これによって、磁気検出チップ3の中心Oが回転中心O’から組付誤差等によってズレても、検出誤差の発生を防ぐことができる。
【0055】
なお、扇角度δは、110°付近が最も好ましい。しかるに、角度差(θ−θ’)を0.5°以下に抑える場合は、扇角度δを110°±10°以内とするものである。また、角度差(θ−θ’)を1°以下に抑える場合は、扇角度δを110°±20°以内とすることで達成できる。
さらに、角度差(θ−θ’)を1.5°以下に抑える場合は、扇角度δを110°±30°以内とするものでり、角度差(θ−θ’)を2°以下に抑える場合は、扇角度δを110°±40°以内とすることで達成できる。
【0056】
[第3実施例]
図8を用いて第3実施例を説明する。なお、図8は回転角度検出装置を回転軸方向から見た概略図である。
上記の第2実施例は、磁束付与磁石11と磁束吸引磁石12を回転軸を中心とした略扇形形状に設けることで、磁気検出チップ3が搭載される近傍の磁束の流れ方向を平行にした例を示した。
【0057】
これに対し、この第3実施例は、磁束付与磁石11と磁束吸引磁石12を、それぞれ複数の直方体磁石11b、12bによって構成し、その複数の直方体磁石11b、12bを回転軸を中心として円弧状に配置したものであり、複数の直方体磁石11b、12bによって第2実施例で示した扇形形状の磁石に近似させるものである。
このように設けることにより、扇形形状の磁石を用いた第2実施例と同様の効果を得ることができる。
なお、図8では、それぞれ2つの直方体磁石11b、12bによって磁束付与磁石11と磁束吸引磁石12を構成した例を示したが、3つ以上の直方体磁石11b、12bによって磁束付与磁石11と磁束吸引磁石12を構成して良いことはいうまでもない。
【0058】
複数の直方体磁石11b、12bによって近似的に形成される扇角度δは、第2実施例と同様の考え方で決定される。即ち、扇角度δは、110°付近が最も好ましく、角度差(θ−θ’)を0.5°以下に抑える場合は扇角度δを110°±10°以内とし、角度差(θ−θ’)を1°以下に抑える場合は扇角度δを110°±20°以内とし、角度差(θ−θ’)を1.5°以下に抑える場合は扇角度δを110°±30°以内とし、角度差(θ−θ’)を2°以下に抑える場合は扇角度δを110°±40°以内とするものである。
【0059】
〔変形例〕
上記の実施例では、磁気検出素子の一例として磁気抵抗素子7(MRE)を用いた例を示したが、ホール素子、ホールICなど、他の磁気検出素子を用いても良い。
ここで、磁気抵抗素子7(MRE)に代えて、ホール素子を用いた場合、ホール素子は、ホール素子の感度方向に与えられる磁束密度に比例した信号を発生するものであるため、組付誤差によってホール素子に与えられる磁束の向きがθからθ’に変化すると、検出誤差が発生する。具体的に、組付誤差によって変化する磁束の傾きをθ’、ホール素子に与えられる磁束密度の大きさをBg、ホール素子の出力をHout とした場合、Hout =Bg×cosθ’となる。このため、ホール素子を用いる場合であっても、上記実施例で示したように、例え組付誤差が生じても、ホール素子の感度方向に与えられる磁束の向きが変化しないように、ホール素子の組付誤差の範囲で平行磁場を作る必要がある。
【0060】
上記の実施例では、磁気検出チップ3に所定のオフセット角をなす2つの磁気検出素子(実施例では磁気抵抗素子7)を用い、2つの出力とarctan(アークタンジェント)で回転角度αを求めるとともに、磁束平行化手段も設けた例を示した。
しかるに、磁性体製のヨーク10を用いる効果を得るのが目的の場合は、磁気検出素子を2つ用いる必要はなく、あるいは磁束平行化手段を設ける必要もなく、1つの磁気検出素子の出力で回転角度を求める回転角度検出装置に磁性体製のヨーク10を用いて磁束発生手段5の効率化を図っても良い(請求項7に対応)。
【0061】
上記の実施例では、磁気検出チップ3に所定のオフセット角をなす2つの磁気検出素子(実施例では磁気抵抗素子7)を用い、2つの出力とarctan(アークタンジェント)で回転角度αを求めるとともに、磁束平行化手段を設けた例を示した。
しかるに、磁性体製のヨーク10を用いる効果を得るのが目的の場合は、磁束平行化手段を設ける必要はなく、2つの磁気検出素子の出力で回転角度を求める回転角度検出装置に磁性体製のヨーク10を用いて磁束発生手段5の効率化を図っても良い(請求項8に対応)。
【0062】
上記の実施例では、磁束平行化手段の一例として、磁束付与磁石11および磁束吸引磁石12を平行に設けて長くする例、扇形形状の磁石で磁束付与磁石11および磁束吸引磁石12を設ける例、複数の直方体の磁石を円弧状に配置する例を示した。
しかるに、着磁方向や着磁の密度を操作することによって磁束平行化手段を設けても良い。
【0063】
上記の実施例では、磁束付与手段と磁束吸引手段をそれぞれ独立した永久磁石で構成した例を示したが、1つの磁石の一方または両方に磁性体を接合することで磁束付与手段や磁束吸引手段を設けても良い。
具体的な一例として、磁束付与手段または磁束吸引手段の一方を磁石で設け、磁束付与手段または磁束吸引手段の他方を鉄で設ける場合(磁石と鉄はヨーク10等で磁気連結される)を説明する。
組付誤差の範囲で平行磁場を作る目的で、磁束付与手段と磁束吸引手段を、第2実施例で示したように、略扇形形状(円弧状)に設ける場合では、例えば鉄製の磁束付与手段または磁束吸引手段の他方の扇角度を110°に設ける場合、磁石よりなる磁束付与手段または磁束吸引手段の一方の扇角度δは、図9に示すように、125°付近が最も好ましい。なお、角度差(θ−θ’)を0.5°以下に抑える場合は、磁石の扇角度δを125°±2.5°以内とし、角度差(θ−θ’)を1°以下に抑える場合は、磁石の扇角度δを110°±5°以内とすることで達成できる。
【0064】
上記の実施例では、磁気検出チップ3を固定し、磁束発生手段5を回転させた例を示したが、逆に磁束発生手段5を固定し、磁気検出チップ3を回転させる構造を採用しても良い。
上記の実施例では、回転角度検出装置の具体的な一例としてスロットルバルブ1の開度を検出する例を示したが、産業ロボットのアーム部の回転角度等、他の回転角度を検出するように設けても良い。
【図面の簡単な説明】
【図1】回転角度検出装置の回転軸方向に沿う概略断面図および回転軸方向から見た概略図である(第1実施例)。
【図2】スロットルバルブに組付けられた回転角度検出装置の断面図である(第1実施例)。
【図3】2つの磁気検出素子(磁気抵抗素子)のオフセット角を示す図および出力波形を示すグラフである(第1実施例)。
【図4】磁束平行化手段の説明図である(第1実施例)。
【図5】回転角度検出装置の回転軸方向に沿う概略断面図および回転軸方向から見た概略図である(第2実施例)。
【図6】磁束平行化手段の説明図である(第2実施例)。
【図7】内径寸法、外径寸法、扇角度を変化させた場合の角度差の変化を示すグラフである(第2実施例)。
【図8】回転角度検出装置を回転軸方向から見た概略図である(第3実施例)。
【図9】扇角度を変化させた場合の角度差の変化を示すグラフである(変形例)。
【図10】回転角度検出装置の回転軸方向に沿う概略断面図および回転軸方向から見た概略図である(第1従来技術)。
【図11】磁気検出素子(磁気抵抗素子)の出力波形を示すグラフである(第1従来技術)。
【図12】2つの磁気検出素子(磁気抵抗素子)のオフセット角を示す図および出力波形を示すグラフである(第2従来技術)。
【図13】回転角度検出装置の回転軸方向に沿う概略断面図および回転軸方向から見た概略図である(第2従来技術)。
【符号の説明】
3 磁気検出チップ
5 磁束発生手段
7 磁気抵抗素子(磁気検出素子)
10 ヨーク
11 磁束付与磁石(磁束付与手段)
11a 磁束の発生部
12 磁束吸引磁石(磁束吸引手段)
12a 磁束の吸引部
A 磁気検出チップの組付誤差範囲
D 磁束付与磁石および磁気吸引磁石の平行方向の長さ
L 磁束発生手段と磁気検出チップの回転軸方向の距離[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a rotation angle detection device that detects a relative rotation angle of two members (for example, a rotating member and a non-rotating member) in a non-contact manner.
[0002]
[Prior art]
(First prior art)
A schematic structure of a conventional rotation angle detection device that detects the relative rotation angle of two members without contact will be described with reference to FIGS.
In the rotation angle detection device, a magnetic detection element J1 (for example, a magneto-resistive element: MRE) disposed on a rotation axis and a magnetic flux generation unit J2 are directed to a side on which the magnetic detection element J1 in the rotation axis direction is disposed. A magnetic flux applying magnet J3 (an example of magnetic flux applying means) that applies a magnetic flux to the magnetic detecting element J1 and a magnetic flux attracting portion J4 is directed to the side where the magnetic detecting element J1 in the rotation axis direction is disposed. And a magnetic flux attracting magnet J5 (an example of magnetic flux attracting means) for attracting the released magnetic flux. The magnetic flux generating means J6 is composed of the magnetic flux providing magnet J3 and the magnetic flux attracting magnet J5 (for example, see Patent Document 1).
[0003]
Here, the magnetic flux providing magnet J3 and the magnetic flux attracting magnet J5 are arranged at a distance L in the rotation axis direction with respect to the magnetic detection element J1 (see FIG. 10A). It is disposed facing the detection element J1 at a distance from the periphery of the detection element J1 (see FIG. 10B).
When the relative rotation angle between the magnetic flux generating means J6 (the magnetic flux applying magnet J3 and the magnetic flux attracting magnet J5) and the magnetic detection element J1 changes, the magnetic flux density in the direction orthogonal to the magnetic detection surface of the magnetic detection element J1 changes. As a result, the output of the magnetic sensing element J1 changes (see FIG. 11).
[0004]
Here, the output of the magnetic detection element J1 composed of the MRE draws a sine curve as shown in FIG. In recent years, in order to increase the detection accuracy, various measures have been taken to make the slope of the sine curve of the detection range as linear as possible, and to expand the linearized detection range.
However, it is difficult to actually widen the linearized detection range, and in reality, the detection range in which the sine curve is linearized is limited to 60 ° (± 30 ° with reference to the output 0 of the sine curve). .
[0005]
(Second conventional technology)
Therefore, a technology has been proposed in which two magnetic detection elements J1 made of MRE are provided to improve the detection accuracy and expand the detection range.
According to this technique, as shown in FIG. 12A, two magnetic detection elements J1 are arranged so that the magnetic detection surface is separated by a predetermined angle (for example, an offset angle is 45 ° and an electric phase angle is 90 °). Is what you do. The two magnetic detection elements J1 are mounted as a magnetic detection chip J7 as shown in FIG.
When the relative rotation angle between the magnetic flux generating means J6 (the magnetic flux applying magnet J3 and the magnetic flux attracting magnet J5) and the magnetic detection chip J7 (the two magnetic detection elements J2) changes, the output of the two magnetic detection elements J1 becomes It changes as shown in FIG.
[0006]
Since the two output signals have an electrical phase difference of 90 ° as shown in FIG. 12B, the outputs of the two magnetic sensing elements J1 are proportional to sin2α and cos2α, respectively (α = rotation angle).
These two signals are mathematically represented by the following equations.
One signal X (α, T) = X0 (T) sin2α
The other signal Y (α, T) = Y0 (T) cos2α
[0007]
Assuming that the amplitudes (X0, Y0) of the two signals are the same (X0 = Y0), the unknown angle α is determined by the following equation.
α = (1/2) arctan (X / Y)
By providing two magnetic sensing elements J1 in this manner, it is possible to improve the detection accuracy and expand the detection range without linearizing the output of the magnetic sensing element J1 as in the first related art described above. (For example, see Non-Patent Document 1).
[0008]
[Patent Document 1]
JP 2001-304805 A
[Non-patent document 1]
Klaus Dietmayer, 1 other, "Non-contact angle measurement using KMZ41 and UZZ9001", Application Note AN00004, Philips Japan, January 17, 2000
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
When the magnetic flux generating means J6 (the magnetic flux applying magnet J3 and the magnetic flux attracting magnet J5) and the magnetic detection chip J7 (the two magnetic detection elements J1) rotate relative to each other, the magnetic flux to the magnetic detection chip J7 is the same as the rotation angle. Needs to change direction.
This means that a deviation occurs between the center of rotation of the magnetic flux generating means J6 (the magnetic flux applying magnet J3 and the magnetic flux attracting magnet J5) and the center of the magnetic detection chip J7 (two magnetic detection elements J1) due to an assembly error or the like. Even in such a case, it should be considered so as to be satisfied.
[0010]
Therefore, in
[0011]
However, as shown in FIG. 13, the technique of disposing the magnetic detection chip J7 inside the magnetic flux applying magnet J3 and the magnetic flux attraction magnet J5 is based on the fact that the magnetic detection chip J7 is originally directly soldered onto the substrate J8. The advantage of installation can be abandoned, and requires the above-mentioned raised part J9. This not only causes an increase in the number of components, but also requires wiring between the substrate J8 and the magnetic detection chip J7, which leads to complicated wiring.
[0012]
Further, since it is necessary to dispose the magnetic detection chip J7 inside the magnetic flux applying magnet J3 and the magnetic flux attracting magnet J5, the magnetic detecting chip J7 is separated from the magnetic flux generating means J6 (the magnetic flux applying magnet J3 and the magnetic flux attracting magnet J5) by a distance in the rotation axis direction. The magnetic detection chip J7 cannot be arranged. For this reason, the intended use is limited. That is, a rotation angle detection device in which the magnetic flux generation means J6 and the magnetic detection chip J7 are separated in the axial direction (for example, a rotation angle detection of a throttle valve in which a partition or the like is disposed between the magnetic flux generation means J6 and the magnetic detection chip J7 in the axial direction). Device).
[0013]
On the other hand, as shown in FIG. 10 (a), the magnetic flux generating magnet J3 has the magnetic flux generating portion J2 directed to the side where the magnetic detecting element J1 in the rotation axis direction is disposed, and the magnetic flux attraction magnet J5 has the rotation axis direction. Due to the configuration in which the magnetic flux attracting portion J4 is directed to the side where the magnetic detection element J1 is disposed, the magnetic flux disposed at a distance L in the rotation axis direction from the magnetic flux generating means J6 (the magnetic flux applying magnet J3 and the magnetic flux attracting magnet J5). A configuration is employed in which a magnetic flux a1 'is applied to a magnetic detection surface (a magnetic detection surface oriented in a direction perpendicular to the rotation axis) of the detection element J1.
However, the magnetic flux a2 'generated on the side different from the magnetic detection element J1 (lower side in FIG. 10A) is wasted without any use.
[0014]
[Object of the invention]
The present invention has been made in view of the above circumstances, and has the following three objects.
A first object is that a magnetic flux generating means (magnetic flux applying means and magnetic flux attracting means) and a magnetic detection chip (two magnetic detecting elements) can be arranged at a distance from each other in the direction of the rotation axis. Even if the magnetic detection chip and the magnetic detection chip are displaced in the direction orthogonal to the rotation axis due to an error in assembly, when the magnetic flux generating means and the magnetic detection chip are relatively rotated, the rotation angle is the same as the rotation angle. Another object of the present invention is to provide a rotation angle detection device that does not generate a detection error in which a direction of a magnetic flux changes with respect to a magnetic detection chip.
[0015]
A second object is that the magnetic flux generating means (magnetic flux applying magnet and magnetic flux attracting magnet) and the magnetic detection element can be arranged at a distance in the direction of the rotation axis, and the magnetic flux generating magnet and the magnetic flux attracting magnet can perform magnetic detection. To provide a rotation angle detection device that can suppress the waste of magnetic flux generated on the side different from the element and increase the magnetic flux given to the magnetic detection element, or reduce the size and weight of the magnetic flux applying magnet and the magnetic flux attracting magnet. is there.
[0016]
A third object is that a magnetic flux generating means (a magnetic flux applying magnet and a magnetic flux attracting magnet) and a magnetic detection chip (two magnetic detecting elements) can be arranged at a distance in the direction of the rotation axis, and the magnetic flux applying magnet can be provided. It is possible to suppress the waste of magnetic flux generated on the side different from the magnetic detection chip in the magnetic flux attracting magnet and increase the magnetic flux given to the magnetic detection chip, or to reduce the size and weight of the magnetic flux applying magnet and the magnetic flux attracting magnet. The present invention provides a rotation angle detection device.
[0017]
[Means for Solving the Problems]
[Means of claim 1]
The magnetic flux generating means according to
By employing this configuration, even if the magnetic flux generating means (magnetic flux applying means and magnetic flux attracting means) and the magnetic detection chip are arranged at a distance in the direction of the rotation axis, magnetic flux can be applied to the two magnetic detection elements. it can.
With this arrangement, when the relative rotation angle between the magnetic flux generation unit and the magnetic detection chip changes in a state where the magnetic flux generation unit and the magnetic detection chip are arranged at a distance in the rotation axis direction, the relative rotation angle of the two magnetic detection elements is changed. An output corresponding to the change is generated. That is, a change in the relative rotation angle can be detected in a state where the magnetic flux generating means and the magnetic detection chip are arranged at a distance in the direction of the rotation axis.
[0018]
Further, there is provided a magnetic flux collimating means for making the flow direction of the magnetic flux from the magnetic flux applying means to the magnetic flux attraction means via the magnetic detection chip parallel within a range of an assembly error of the magnetic detection chip.
Thus, even when the magnetic flux generating means and the magnetic detection chip are displaced in the direction orthogonal to the rotation axis due to an error in assembly, if the magnetic flux generating means and the magnetic detection chip rotate relatively, the rotation Like the angle, the direction of the magnetic flux relative to the magnetic sensing chip changes. Therefore, it is possible to prevent a detection error from occurring even if an error occurs in assembly.
[0019]
That is, the rotation angle detecting device according to the first aspect detects the change in the relative rotation angle between the magnetic flux generation means and the magnetic detection chip in a state where the magnetic flux generation means and the magnetic detection chip are arranged at a distance in the rotation axis direction. The detection can be performed by the output of the magnetic detection element, and the generation of the detection error can be prevented even if an error occurs in the assembly between the magnetic flux generating means and the magnetic detection chip.
[0020]
[Means of Claim 2]
In the rotation angle detecting device employing the means of
With this arrangement, the direction of the magnetic flux from the magnetic flux applying means to the magnetic flux attracting means can be parallelized within the range of the assembly error of the magnetic detection chip.
[0021]
[Means of Claim 3]
The rotation angle detecting device adopting the means of
With this arrangement, the direction of the magnetic flux from the magnetic flux applying means to the magnetic flux attracting means can be parallelized within the range of the assembly error of the magnetic detection chip.
[0022]
[Means of Claim 4]
In the rotation angle detecting device employing the means of
With this arrangement, the direction of the magnetic flux from the magnetic flux applying means to the magnetic flux attracting means can be parallelized within the range of the assembly error of the magnetic detection chip.
[0023]
[Means of claim 5]
The magnetic flux applying means and the magnetic flux attracting means of the rotation angle detecting device adopting the means of
With this arrangement, the magnetic flux is applied to the two magnetic detection elements of the magnetic detection chip from the magnetic flux applying means and the magnetic flux attracting means, each of which is made of a permanent magnet and arranged at a distance from the magnetic detection chip in the rotation axis direction. be able to.
[0024]
[Means of claim 6]
The rotation angle detecting device adopting the means of
With such provision, it is possible to suppress the waste of the magnetic flux generated on the side different from the magnetic detection element in the magnetic flux applying means and the magnetic flux attraction means made of a permanent magnet, and as a result, the magnetic flux applied to the magnetic detection element is increased. be able to. Alternatively, it is possible to reduce the size and weight of the magnetic flux applying means and the magnetic flux attracting means made of permanent magnets.
[0025]
[Means of claim 7]
A rotation angle detecting device employing the means of
By employing this configuration, even when the magnetic flux generating means (the magnetic flux applying magnet and the magnetic flux attracting magnet) and the magnetic detection element are arranged at a distance from each other in the rotation axis direction, a magnetic flux can be applied to the magnetic detection element.
With this configuration, when the relative rotation angle between the magnetic flux generating means and the magnetic detection element changes in a state where the magnetic flux generation means and the magnetic detection element are arranged at a distance in the rotation axis direction, the magnetic detection element responds to the change in the relative rotation angle. Output occurs. That is, a change in the relative rotation angle can be detected in a state where the magnetic flux generating means and the magnetic detection element are arranged at a distance in the direction of the rotation axis.
[0026]
Further, in the rotation angle detecting device adopting the means of
With this arrangement, it is possible to suppress the waste of the magnetic flux generated in the magnetic flux applying magnet and the magnetic flux attracting magnet on a side different from the magnetic detection element, and as a result, it is possible to increase the magnetic flux applied to the magnetic detection element. Alternatively, the size and weight of the magnetic flux providing magnet and the magnetic flux attracting magnet can be reduced.
[0027]
[Means of claim 8]
A rotation angle detecting device employing the means of claim 8 is provided with a magnetic flux providing magnet having a magnetic flux generation part directed to the side where the magnetic detection chip in the rotation axis direction is disposed, and a magnetic detection chip in the rotation axis direction. And a magnetic flux attracting magnet having a magnetic flux attracting portion directed to the opposite side.
By adopting this configuration, even if the magnetic flux generating means (magnetic flux applying magnet and magnetic flux attracting magnet) and the magnetic detection chip (two magnetic detection elements) are arranged at a distance in the direction of the rotation axis, the magnetic detection chip A magnetic flux can be applied to the two magnetic sensing elements.
With this arrangement, when the relative rotation angle between the magnetic flux generation unit and the magnetic detection chip changes in a state where the magnetic flux generation unit and the magnetic detection chip are arranged at a distance in the rotation axis direction, the relative rotation angle of the two magnetic detection elements is changed. An output corresponding to the change is generated. That is, a change in the relative rotation angle can be detected in a state where the magnetic flux generating means and the magnetic detection chip are arranged at a distance in the direction of the rotation axis.
[0028]
Further, in the rotation angle detecting device adopting the means of claim 8, a yoke made of a magnetic material is arranged on a side of the magnetic flux applying magnet and the magnetic flux attracting magnet different from the magnetic detection chip, and the magnetic flux applying magnet and the magnetic flux attracting magnet are arranged. A magnetic detection chip is magnetically coupled to a different side by a yoke.
With such provision, it is possible to suppress the waste of the magnetic flux generated on the side different from the magnetic detection chip in the magnetic flux applying magnet and the magnetic flux attracting magnet, and as a result, it is possible to increase the magnetic flux applied to the two magnetic detection elements. it can. Alternatively, the size and weight of the magnetic flux providing magnet and the magnetic flux attracting magnet can be reduced.
[0029]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described using three examples and modifications.
[First embodiment]
A first embodiment will be described with reference to FIGS. FIG. 1A is a schematic cross-sectional view of a rotation angle detection device along the rotation axis direction, and FIG. 1B is a schematic diagram of the rotation angle detection device as viewed from the rotation axis direction. FIG. 2 is a cross-sectional view of a rotation angle detection device attached to a throttle valve.
[0030]
First, the basic configuration of the rotation angle detection device will be described with reference to FIG.
The rotation angle detection device shown in this embodiment is for detecting the rotation angle (opening) of the
[0031]
Since the space in which the magnetic flux generating means 5 is disposed is connected to the intake side of the engine or the atmosphere, there are substances such as exhaust gas and moisture which may adversely affect the electronic components mounted on the
Therefore, the
[0032]
As shown in FIG. 3A, the
[0033]
The
As shown in FIG. 1B, the magnetic flux generating means 5 is a magnetic flux applying magnet 11 (an example of a magnetic flux applying means) which is disposed opposite to each side of the
[0034]
As shown in FIG. 1A, the magnetic
In the magnetic
[0035]
By using such a magnetic
Thus, even when the magnetic flux generation means 5 and the
[0036]
Specifically, as described in the section of the related art, the two magneto-
[0037]
Since the two output signals have an electrical phase difference of 90 ° as shown in FIG. 3B, the outputs of the two
These two signals are mathematically represented by the following equations.
One signal X (α, T) = X0 (T) sin2α
The other signal Y (α, T) = Y0 (T) cos2α
[0038]
Assuming that the amplitudes (X0, Y0) of the two signals are the same (X0 = Y0), the unknown angle α is determined by the following equation.
α = (1/2) arctan (X / Y)
Thus, by providing two
[0039]
On the other hand, the
With this arrangement, as shown in FIG. 1A, the magnetic flux a2 generated on the side different from the side on which the
[0040]
Here, the magnetic flux generating means 5 has a magnetic flux paralleling direction in which the flow direction of the magnetic flux from the magnetic
As shown in FIG. 4 (a), the magnetic flux collimating means of this embodiment is provided with a magnetic
[0041]
This will be described with reference to FIGS.
As shown in FIG. 4A, the center O of the
However, in reality, the center O of the
[0042]
As shown in FIG. 4A, when the center O of the
[0043]
However, since the length D of each of the magnetic
Therefore, even if the center O of the
[0044]
[Effect of First Embodiment]
The rotation angle detection device according to the present embodiment has the following four effects.
(1) The magnetic
[0045]
(2) The magnetic
[0046]
(3) The magnetic
[0047]
(4) With the magnetic flux generating means 5 and the
[0048]
[Second embodiment]
A second embodiment will be described with reference to FIGS. The same reference numerals as those in the first embodiment after the second embodiment denote the same functions unless otherwise specified.
In the first embodiment, the magnetic
[0049]
On the other hand, in the second embodiment, as shown in FIG. 5B, the magnetic
This will be described specifically.
The shapes of the magnetic
[0050]
FIGS. 6A and 6B show the flow of magnetic flux when the fan angle δ is not appropriate. 6A shows a case where the fan angle δ is smaller than the appropriate range, and FIG. 6B shows a case where the fan angle δ is larger than the appropriate range.
If the fan angle δ is smaller than the appropriate range, the direction of the magnetic flux expands outward as the distance from the rotation center O ′ increases. For this reason, when the angle of the magnetic flux at the rotation center O ′ is θ, as shown in FIG. 6A, when the center O of the
[0051]
On the contrary, when the fan angle δ is larger than the appropriate range, the direction of the magnetic flux is depressed inward as the distance from the rotation center O ′ increases. For this reason, when the angle of the magnetic flux at the rotation center O ′ is θ, as shown in FIG. 6B, when the center O of the
[0052]
The inventors of the present application believe that since the direction of the magnetic flux expands outward and concaves inward, the magnet shape including the optimal fan angle exists, and simulations and trials of various shapes were performed. I sought characteristics in my work.
The distance L between the magnetic flux generating means 5 and the
FIG. 7A is a graph showing a change amount of the angle difference (θ−θ ′) when the inner diameter dimension β is changed, and FIG. 7B is a graph showing the angle difference when the outer diameter dimension γ is changed. FIG. 7C is a graph showing the amount of change in (θ−θ ′), and FIG. 7C is a graph showing the amount of change in the angle difference (θ−θ ′) when the fan angle δ is changed.
[0053]
As can be seen from FIGS. 7A and 7B, even if the inner diameter dimension β and the outer diameter dimension γ are changed, the angle difference (θ−θ ′) does not change much.
As can be read from FIG. 7C, the angle difference (θ−θ ′) becomes the smallest when the fan angle δ is around 110 °, and the fan angle δ increases from 110 °, or the fan angle δ increases from 110 °. As the angle δ decreases, the angle difference (θ−θ ′) increases.
The fan angle δ at which the angle difference (θ−θ ′) became the smallest was around 110 ° even when the distance L was changed within a range of 3 mm ± 0.5 mm.
That is, by providing the fan angle δ at approximately 110 °, the direction of the magnetic flux flowing from the magnetic
[0054]
As described above, the magnetic
[0055]
The fan angle δ is most preferably around 110 °. However, when the angle difference (θ−θ ′) is suppressed to 0.5 ° or less, the fan angle δ is set to 110 ° ± 10 ° or less. In addition, when the angle difference (θ−θ ′) is suppressed to 1 ° or less, it can be achieved by setting the fan angle δ to 110 ° ± 20 °.
Further, when the angle difference (θ−θ ′) is suppressed to 1.5 ° or less, the fan angle δ is set to 110 ° ± 30 ° or less, and the angle difference (θ−θ ′) is set to 2 ° or less. This can be achieved by setting the fan angle δ within 110 ° ± 40 °.
[0056]
[Third embodiment]
A third embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 8 is a schematic view of the rotation angle detection device viewed from the rotation axis direction.
In the second embodiment, the magnetic
[0057]
On the other hand, in the third embodiment, the magnetic
With this arrangement, the same effect as that of the second embodiment using the sector-shaped magnet can be obtained.
FIG. 8 shows an example in which the magnetic
[0058]
The fan angle δ approximately formed by the plurality of
[0059]
(Modification)
In the above-described embodiment, an example in which the magnetoresistive element 7 (MRE) is used as an example of the magnetic detection element has been described. However, another magnetic detection element such as a Hall element or a Hall IC may be used.
Here, when a Hall element is used instead of the magnetoresistive element 7 (MRE), the Hall element generates a signal proportional to the magnetic flux density given in the sensitivity direction of the Hall element. When the direction of the magnetic flux applied to the Hall element changes from θ to θ ′, a detection error occurs. Specifically, when the inclination of the magnetic flux that changes due to the assembly error is θ ′, the magnitude of the magnetic flux density given to the Hall element is Bg, and the output of the Hall element is Hout, Hout = Bg × cos θ ′. For this reason, even when the Hall element is used, as shown in the above embodiment, even if an assembly error occurs, the Hall element is controlled so that the direction of the magnetic flux applied in the sensitivity direction of the Hall element does not change. It is necessary to create a parallel magnetic field within the range of the assembly error.
[0060]
In the above embodiment, the
However, if the purpose is to obtain the effect of using the
[0061]
In the above embodiment, the
However, if it is intended to obtain the effect of using the
[0062]
In the above embodiment, as an example of the magnetic flux collimating means, an example in which the magnetic
However, the magnetic flux parallelizing means may be provided by manipulating the magnetization direction and the magnetization density.
[0063]
In the above embodiment, the example in which the magnetic flux applying means and the magnetic flux attracting means are constituted by independent permanent magnets has been described. However, the magnetic flux applying means and the magnetic flux attracting means are joined by joining a magnetic material to one or both of one magnet. May be provided.
As a specific example, a case where one of the magnetic flux applying means or the magnetic flux attracting means is provided by a magnet and the other of the magnetic flux applying means or the magnetic flux attracting means is provided by iron (the magnet and the iron are magnetically connected by the
When the magnetic flux applying means and the magnetic flux attracting means are provided in a substantially sector shape (arc shape) as shown in the second embodiment for the purpose of producing a parallel magnetic field within the range of the assembly error, for example, a magnetic flux applying means made of iron Alternatively, when the other fan angle of the magnetic flux attraction means is provided at 110 °, the one fan angle δ of one of the magnetic flux applying means and the magnetic flux attraction means, which is composed of a magnet, is most preferably around 125 ° as shown in FIG. When the angle difference (θ−θ ′) is suppressed to 0.5 ° or less, the fan angle δ of the magnet is set to 125 ° ± 2.5 ° or less, and the angle difference (θ−θ ′) is set to 1 ° or less. This can be achieved by keeping the fan angle δ of the magnet within 110 ° ± 5 °.
[0064]
In the above embodiment, the example in which the
In the above-described embodiment, an example in which the opening degree of the
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view along a rotation axis direction of a rotation angle detection device and a schematic view as viewed from the rotation axis direction (first embodiment).
FIG. 2 is a cross-sectional view of a rotation angle detection device attached to a throttle valve (first embodiment).
FIG. 3 is a diagram showing an offset angle of two magnetic detecting elements (magnetic resistance elements) and a graph showing an output waveform (first embodiment).
FIG. 4 is an explanatory view of a magnetic flux collimating means (first embodiment).
FIG. 5 is a schematic sectional view of the rotation angle detection device along the rotation axis direction and a schematic view seen from the rotation axis direction (second embodiment).
FIG. 6 is an explanatory view of a magnetic flux collimating means (second embodiment).
FIG. 7 is a graph showing changes in the angle difference when the inner diameter, the outer diameter, and the fan angle are changed (second embodiment).
FIG. 8 is a schematic view of a rotation angle detection device viewed from a rotation axis direction (third embodiment).
FIG. 9 is a graph showing a change in the angle difference when the fan angle is changed (modification).
FIG. 10 is a schematic cross-sectional view along a rotation axis direction of the rotation angle detection device and a schematic view as viewed from the rotation axis direction (first related art).
FIG. 11 is a graph showing an output waveform of a magnetic detection element (magnetoresistive element) (first conventional technique).
FIG. 12 is a diagram showing an offset angle of two magnetic detection elements (magnetoresistive elements) and a graph showing an output waveform (second related art).
FIG. 13 is a schematic cross-sectional view taken along a rotation axis direction of the rotation angle detection device and a schematic diagram viewed from the rotation axis direction (second related art).
[Explanation of symbols]
3 Magnetic detection chip
5 Magnetic flux generating means
7 Magnetic resistance element (magnetic detection element)
10 York
11 Magnet for applying magnetic flux (magnetic flux applying means)
11a Magnetic flux generator
12. Magnetic flux attracting magnet (magnetic flux attracting means)
12a Magnetic flux suction part
A. Error range of assembly of magnetic detection chip
D Length of magnetic flux applying magnet and magnetic attraction magnet in parallel direction
L Distance between the magnetic flux generating means and the magnetic detection chip in the rotation axis direction
Claims (8)
この磁気検出チップに対して回転軸方向に距離を隔てて配置されるとともに、回転軸方向から見て前記磁気検出チップの両側に距離を隔てて対向配置され、
回転軸方向の前記磁気検出チップが配置された側に磁束の発生部が向けられる磁束付与手段、および回転軸方向の前記磁気検出チップが配置された側に磁束の吸引部が向けられて前記磁束付与手段から放出された磁束を吸引する磁束吸引手段を備える磁束発生手段と、を具備し、
前記磁束発生手段は、前記磁束付与手段から前記磁気検出チップを介して前記磁束吸引手段に向かう磁束の流れ方向を、前記磁気検出チップの組付誤差範囲内において平行にする磁束平行化手段を備えるものであり、
前記磁気検出チップと前記磁束発生手段の相対回転角度の変化を、前記2つの磁気検出素子を通過する磁束によって検出する回転角度検出装置。A magnetic detection chip having two magnetic detection elements arranged substantially on the rotation axis and having a magnetic detection surface arranged at a predetermined angle in a direction orthogonal to the rotation axis;
Along with the magnetic detection chip is disposed at a distance in the direction of the rotation axis, and is disposed opposite to both sides of the magnetic detection chip at a distance when viewed from the direction of the rotation axis,
A magnetic flux applying means for directing a magnetic flux generation unit to a side on which the magnetic detection chip is disposed in a rotation axis direction, and a magnetic flux suction unit for directing a magnetic flux attraction unit to a side on which the magnetic detection chip is disposed in the rotation axis direction Magnetic flux generating means including a magnetic flux attracting means for attracting the magnetic flux emitted from the applying means,
The magnetic flux generating means includes a magnetic flux parallelizing means for making a flow direction of magnetic flux from the magnetic flux applying means to the magnetic flux attraction means via the magnetic detection chip toward the magnetic flux attraction means within an assembly error range of the magnetic detection chip. Things,
A rotation angle detection device for detecting a change in a relative rotation angle between the magnetic detection chip and the magnetic flux generating means by a magnetic flux passing through the two magnetic detection elements.
前記磁束平行化手段は、前記磁束付与手段と前記磁束吸引手段を回転軸を隔てて平行配置して、この平行方向に沿う前記磁束付与手段と前記磁束吸引手段のそれぞれの長さを長くすることによって設けられたことを特徴とする回転角度検出装置。The rotation angle detection device according to claim 1,
The magnetic flux parallelizing means may be configured such that the magnetic flux applying means and the magnetic flux attracting means are arranged in parallel with a rotation axis therebetween, and the lengths of the magnetic flux applying means and the magnetic flux attracting means along the parallel direction are lengthened. A rotation angle detecting device provided by:
前記磁束平行化手段は、前記磁束付与手段と前記磁束吸引手段を回転軸を中心とした略扇形形状にすることによって設けられたことを特徴とする回転角度検出装置。The rotation angle detection device according to claim 1,
The rotation angle detecting device, wherein the magnetic flux parallelizing means is provided by forming the magnetic flux applying means and the magnetic flux attraction means into a substantially sector shape about a rotation axis.
前記磁束平行化手段は、前記磁束付与手段と前記磁束吸引手段をそれぞれ複数の直方体によって構成し、その複数の直方体を回転軸を中心として円弧状に配置することによって設けられたことを特徴とする回転角度検出装置。The rotation angle detection device according to claim 1,
The magnetic flux collimating means is characterized in that the magnetic flux applying means and the magnetic flux attracting means are each constituted by a plurality of rectangular parallelepipeds, and the plurality of rectangular parallelepipeds are arranged in an arc around the rotation axis. Rotation angle detection device.
前記磁束付与手段と前記磁束吸引手段は、回転軸方向に着磁され、前記磁束付与手段と前記磁束吸引手段の着磁方向が逆方向の永久磁石であることを特徴とする回転角度検出装置。The rotation angle detection device according to any one of claims 1 to 4,
The rotation angle detecting device according to claim 1, wherein said magnetic flux applying means and said magnetic flux attracting means are permanent magnets magnetized in a rotation axis direction, and said magnetic flux applying means and said magnetic flux attracting means are magnetized in opposite directions.
永久磁石によって構成される前記磁束付与手段と前記磁束吸引手段は、
前記磁気検出チップが配置される側とは異なった側において磁性体製よりなるヨークを介して磁気結合されることを特徴とする回転角度検出装置。The rotation angle detection device according to claim 5,
The magnetic flux applying means and the magnetic flux attracting means constituted by a permanent magnet,
A rotation angle detection device, wherein a magnetic coupling is performed via a yoke made of a magnetic material on a side different from a side on which the magnetic detection chip is disposed.
この磁気検出素子に対して回転軸方向に距離を隔てて配置されるとともに、回転軸方向から見て前記磁気検出素子の両側に距離を隔てて対向配置され、
回転軸方向の前記磁気検出素子が配置された側に磁束の発生部が向けられる磁束付与磁石、および回転軸方向の前記磁気検出素子が配置された側に磁束の吸引部が向けられて前記磁束付与磁石から放出された磁束を吸引する磁束吸引磁石を備える磁束発生手段と、を具備し、
前記磁束付与磁石と前記磁束吸引磁石は、前記磁気検出素子が配置される側とは異なった側において磁性体製よりなるヨークを介して磁気結合されるものであり、
前記磁気検出素子と前記磁束発生手段の相対回転角度の変化を、前記磁気検出素子を通過する磁束によって検出する回転角度検出装置。A magnetic detection element arranged substantially on the rotation axis,
Along with being arranged at a distance in the rotation axis direction with respect to the magnetic detection element, the magnetic detection element is opposed to each other at a distance on both sides of the magnetic detection element viewed from the rotation axis direction,
A magnetic flux providing magnet having a magnetic flux generation unit directed to the side where the magnetic detection element is disposed in the rotation axis direction, and a magnetic flux attracting unit directed to the side where the magnetic detection element is disposed in the rotation axis direction. Magnetic flux generating means comprising a magnetic flux attracting magnet for attracting magnetic flux emitted from the applying magnet,
The magnetic flux imparting magnet and the magnetic flux attracting magnet are magnetically coupled via a yoke made of a magnetic material on a side different from the side on which the magnetic detection element is arranged,
A rotation angle detection device for detecting a change in a relative rotation angle between the magnetic detection element and the magnetic flux generating means based on a magnetic flux passing through the magnetic detection element.
この磁気検出チップに対して回転軸方向に距離を隔てて配置されるとともに、回転軸方向から見て前記磁気検出チップの両側に距離を隔てて対向配置され、
回転軸方向の前記磁気検出チップが配置された側に磁束の発生部が向けられる磁束付与磁石、および回転軸方向の前記磁気検出チップが配置された側に磁束の吸引部が向けられて前記磁束付与磁石から放出された磁束を吸引する磁束吸引磁石を備える磁束発生手段と、を具備し、
前記磁束付与磁石と前記磁束吸引磁石は、前記磁気検出チップが配置される側とは異なった側において磁性体製よりなるヨークを介して磁気結合されるものであり、
前記磁気検出チップと前記磁束発生手段の相対回転角度の変化を、前記2つの磁気検出素子を通過する磁束によって検出する回転角度検出装置。A magnetic detection chip having two magnetic detection elements arranged substantially on the rotation axis and having a magnetic detection surface arranged at a predetermined angle in a direction orthogonal to the rotation axis;
Along with the magnetic detection chip is disposed at a distance in the direction of the rotation axis, and is disposed opposite to both sides of the magnetic detection chip at a distance when viewed from the direction of the rotation axis,
A magnetic flux providing magnet having a magnetic flux generation unit directed to the side where the magnetic detection chip is disposed in the rotation axis direction, and a magnetic flux attracting unit directed to the side where the magnetic detection chip is disposed in the rotation axis direction. Magnetic flux generating means comprising a magnetic flux attracting magnet for attracting magnetic flux emitted from the applying magnet,
The magnetic flux imparting magnet and the magnetic flux attracting magnet are magnetically coupled via a yoke made of a magnetic material on a side different from the side on which the magnetic detection chip is arranged,
A rotation angle detection device for detecting a change in a relative rotation angle between the magnetic detection chip and the magnetic flux generating means by a magnetic flux passing through the two magnetic detection elements.
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