JP2010107378A

JP2010107378A - 回転角度検出装置

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Publication number: JP2010107378A
Application number: JP2008280155A
Authority: JP
Inventors: Tomohiro Ito; 智啓伊藤; Sadayuki Kono; 河野　　禎之
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2008-10-30
Filing date: 2008-10-30
Publication date: 2010-05-13
Anticipated expiration: 2028-10-30
Also published as: JP5035697B2

Abstract

【課題】磁性移動体の移動位置に対する磁気センサの出力特性の直線性を高め、被検出部の回転角度の検出精度の高い回転角度検出装置を提供する。
【解決手段】回転角度検出装置１は、軟磁性体からなる第１ロータ１１および第２ロータ１２、磁気センサとしてのホールＩＣ１３とそれを保持固定するセンサ固定ステータ１４、磁石固定ステータ１５とその一箇所に保持固定される磁石１６を備える。磁石固定ステータ１５は、磁石１６の両側に第１ヨーク１７および第２ヨーク１８を有する。第１ロータ１１と第２ロータ１２とが、ともに被検出部に固定されて一体で回転する。第１ロータ１１の外壁面４１と第１ヨーク１７または第２ヨーク１８との対向面積に応じてホールＩＣ１３にて検出される磁束が変化する。エアギャップＧ１２とエアギャップＧ２２とが互いにギャップ長さの増減を補い、位置ズレによる磁束密度の偏りが相殺され、ホールＩＣの出力ズレが低減される。
【選択図】図１

Description

本発明は、回転角度検出装置に関する。

従来、２つの第１、第２磁性体間に非磁性体を有する移動体、あるいは磁性体からなる移動体（以下、磁性移動体という）の移動位置を検出する回転変位検出装置として、例えば電子スロットル装置等のバルブの回転角度を検出する非接触式の回転角度検出装置が知られている（例えば、特許文献１−５参照）。

従来の回転角度検出装置は、バルブを支持するシャフトにモータの回転駆動力を伝達する動力伝達機構（例えば、歯車減速機構等）の最終減速ギヤの磁石保持部に固定された磁石、磁石によって磁化されるようにシャフトの回転軸を中心とした略円環に沿って配置されたヨーク、および、例えばセンサカバー等の固定部材に配置されて磁気センサとして機能するホールＩＣ等によって構成されていることが例示される。

あるいは、従来の回転角度検出装置は、動力伝達機構の最終減速ギヤの磁石保持部に固定された磁石、磁石によって磁化されるヨーク、例えばセンサカバー等の固定部材に固定されるホールＩＣ、およびこのホールＩＣを挟み込むステータ等によって構成されていることも例示される。なお、最終減速ギヤは、例えば電子スロットル装置等の軽量化を図るという目的で樹脂にて製造されている。また、最終減速ギヤは、ギヤ歯形状を形成するために略扇形形状となっている。

また、従来技術による他の構成として、特許文献５に例示される回転角度検出装置においては、２つの磁石とホールＩＣとが磁性体からなる固定部材に固定されており、被検出部側には磁性移動体がホールＩＣと対向するように配置されている。すなわち、磁性移動体と２つの磁石との間に形成されるエアギャップの位置および大きさが被検出部の移動位置に応じて変化し、ホールＩＣを通過する磁束量も移動位置に応じて変化するため、ホールＩＣから移動位置に対応した出力が発生するように構成されている。

特許第３５９６６６７号公報特開２００１−７４４０９号公報特開２０００−９７６０５号公報特開２００５−１５６２６４号公報特開平９−２３６６４４号公報

ところで、特許文献１−４に例示される従来の回転角度検出装置においては、被検出部としての最終減速ギヤ側に磁気回路を形成するための磁石を配置している。しかしながら、上述したように最終減速ギヤが樹脂で製造されているので、磁石には樹脂成形圧が印加される。このため、磁石に割れや欠け等の不具合が発生し、製造上の歩留りが悪化するという問題がある。あるいは、この問題を回避するために２つの磁石を最終減速ギヤの樹脂成形後に接着剤等にて組み付ける必要があり、後工程が増えることによってコストの増加を招いてしまう。

また、従来の回転角度検出装置を、例えば電子スロットル装置等のバルブの回転角度の検出に適用した場合、樹脂化により線膨張係数の差が増加することで、磁石やヨーク等の被検出磁気回路が、最終減速ギヤの回転方向に対して垂直な方向、すなわち最終原則ギヤの径方向に位置ズレする可能性がある。これにより、温度環境下で、磁石およびヨーク等から構成される被検出磁気回路と、ホールＩＣとの間に形成されるエアギャップが変動してしまうため、ホールＩＣを通過する磁束量が変化し、温度特性を悪化させるという問題がある。

さらに、特許文献５に例示されるように回転角度検出装置を構成した場合、ホールＩＣの出力はエアギャップの２乗に反比例となるため、磁性移動体の移動位置に対するホールＩＣの出力特性の直線性が悪いという問題がある。また、磁性移動体がその移動方向に対して垂直方向に位置ズレした場合には、移動位置に対するホールＩＣの出力特性に出力ズレが発生するという問題がある。

よって、本発明の目的は、磁性移動体の移動位置に対する磁気センサの出力特性の直線性を高め、被検出部の回転角度の検出精度を向上させることが可能な回転角度検出装置を提供することにある。また、本発明の他の目的は、被検出部がその移動方向に対して垂直な方向に位置ズレした場合であっても、磁気センサの出力ズレを抑制することが可能な回転角度検出装置を提供することにある。

請求項１に記載の回転角度検出装置は、回転体の回転軸方向に配置された磁気センサ、磁気センサを保持固定する第１磁性固定体、回転体の回転軸を基準とした第１磁性固定体に対する径外方向に間隔を空けて第１磁性固定体を取り囲み少なくとも一箇所に回転体の回転方向における所定の角度範囲で開口する回転方向開口を形成する湾曲部と磁気センサにて検出される磁束の発生源となる磁力線発生部とを有する第２磁性固定体、および、第１磁性固定体を挟んで互いに対向するように第１磁性固定体と湾曲部との間に配置されてともに回転体に固定される第１磁性移動体および第２磁性移動体を備えている。

この第１磁性移動体および第２磁性移動体はいずれも、第１磁性固定体とエアギャップを隔てて対向する内壁面、および、湾曲部とエアギャップを隔てて対向可能であるとともに回転体の回転移動に伴って湾曲部との対向面積が回転方向開口との関係で変化する外壁面を有する。この構成により、磁力線発生部から放出される磁束が湾曲部を経由して第１磁性移動体および第２磁性移動体を通過するような磁路が形成される。このような磁路を通過して磁気センサで検出される磁束は、少なくとも第１磁性移動体および第２磁性移動体の外壁面と湾曲部との対向面積に応じて変化する。

すなわち、磁気センサを通過する磁束は、第２磁性固定体の磁力線発生部から放出され、第１磁性固定体、第２磁性固定体の湾曲部、第１磁性移動体、および第２磁性移動体の内部を流れ、また、これらの各磁性体が互いにエアギャップを隔てて対向する対向面を結ぶように形成される磁路を通ることにより、その磁気センサにおける流れ方向および検出される量が決まる。このため、検出される磁束は、各磁性体間の対向面における対向面積の大きさとエアギャップの大きさとに依存することになる。ここで、一般には、磁気回路を利用した非接触式の回転角度検出装置の被検出部である磁性移動体と磁気センサを備えた磁性固定体とのエアギャップの大きさは、被検出部の回転方向と垂直な方向への位置ズレにより変動するため、磁気センサにて検出される磁束も位置ズレの影響で変動し、検出結果に誤差が発生することが問題であった。

この点、本発明は、第１磁性移動体と第２磁性移動体とがともに回転体に固定されることにより、たとえ第１磁性移動体に位置ズレが生じた場合であっても、第２磁性移動体が第１磁性移動体と一体で移動し、第２磁性移動体にも同じ方向および大きさの位置ズレが生じるので、第１磁性移動体の位置ズレによる磁束への影響が第２磁性移動体の位置ズレによって緩和されるように構成されている。詳しくは、この第１磁性移動体および第２磁性移動体は、第１磁性固定体を挟んで互いに対向し、かつ、ともに第１磁性固定体と湾曲部との間に配置されている。この構成により、第１磁性移動体と第２磁性移動体とがその回転方向に対して垂直な方向に位置ズレした場合には、第１磁性固定体に対する対向面でのエアギャップ、ならびに、第２磁性固定体の湾曲部に対する対向面でのエアギャップが、互いにギャップ長さの増減を補い合うため、位置ズレによる磁束密度の偏りが相殺され、磁気センサの出力ズレが低減されるようになる。したがって、本発明によると、第１磁性移動体および第２磁性移動体の回転方向への移動位置に対する磁気センサの出力特性の直線性が高められ、被検出部の回転角度の検出精度を向上させることができる。

また、請求項２に記載の回転角度検出装置によると、磁力線発生部は、上述した第２磁性固定体に磁石をただ一つ保持固定することによって構成されている。この構成によれば、磁性固定体に複数の磁石を配置して磁路を形成する場合に比べて、使用する磁石の個数を減らすことにより製造工程およびコストを削減することが可能となるばかりでなく、磁気センサにて検出される磁束とは無関係な磁気ループが複数の磁石間で形成されてしまうことがなくなるという利点がある。したがって、磁石から放出される磁束が効率よく磁気センサを通過して検出されるような磁気回路を安定して形成することが可能となり、結果として、磁性移動体の移動位置に対する磁気センサの出力特性の直線性を高められ、被検出部の回転角度の検出精度を向上させることができる。

ところで、このような回転角度検出装置において、回転方向開口の近傍に磁性移動体と湾曲部との対向面を有する状態では、磁束がこの対向面に垂直な方向でエアギャップを経由して第１磁性固定体へ向かって流れ、磁力センサを通過する方向により、例えば磁束量または磁束密度を示す値（以下、磁束の値とする）に応じて、プラスまたはマイナスの出力信号として出力される。一方、磁性移動体と湾曲部との対向面がなくなった状態では、磁束の流れ方向が第１磁性固定体へ向かうことなく湾曲部と磁性移動体とに沿う方向へと変わるため、磁気センサにて検出される磁束の値がゼロとなる。

ここで、請求項３に記載の回転角度検出装置によると、第１磁性移動体および前記第２磁性移動体のうち少なくともいずれか一方について、外壁面が回転体の回転方向において占める角度範囲を、湾曲部に開口する回転方向開口の角度範囲と略同一としている。このため、回転体が特定の回転位置にあるときにおいてのみ、当該外壁面が湾曲部と対向しない状態が作り出される。この構成によれば、回転体の回転角度が検出される範囲のうち特定の回転角度でのみ、回転方向開口と磁性移動体の一つとの回転位置が一致して磁気センサによって検出される磁束の値がゼロとなるため、当該磁気センサを流れる磁束の方向が切替わる回転角度近傍においても、良好な直線性にてゼロ付近の磁束の値の変化に対応した出力信号が得られるよう磁気センサの出力特性の直線性を高め、被検出部の回転角度の検出精度を向上させることができる。

なお、例えば、第１磁性移動体および第２磁性移動体の内外壁面、ならびにこれらに対向する第１磁性固定体および湾曲部の対向面が全て、回転体の回転軸を中心とした円弧面状に形成されている場合、エアギャップの大きさは回転角度によらずほぼ一定となり、回転角度の検出が可能な角度範囲において、磁気センサにて検出される磁束は第１磁性移動体および第２磁性移動体の外壁面と湾曲部との対向面積に比例するように変化する。ここで、回転角度の検出が可能な角度範囲は、磁気センサをある方向へ通過して検出される磁束がプラス方向に最大となる回転角度と、磁束が磁気センサを逆方向へ通過してマイナス方向に最大となる回転角度との間で決まる。すなわち、当該角度範囲を超えた回転角度においては、検出される磁束の絶対値が再び減少するため、直線的な出力がなされる範囲からは外れることになる。

これに対し、請求項４に記載の回転角度検出装置によれば、第１磁性固定体または湾曲部は、第１磁性移動体または第２磁性移動体との対向により作り出されるエアギャップの大きさが、回転体の回転移動に伴って変化するように構成されている。この構成によって、磁気センサで検出される磁束は、少なくとも外壁面の湾曲部に対向する対向面積と、当該変化するエアギャップの大きさとに応じて変化する。このため、エアギャップをほぼ一定として構成した場合に対応する「回転角度の検出が可能な角度範囲」を超えた回転角度においても、可変としたエアギャップの大きさの変化に伴い、磁気センサで検出される磁束の絶対値がさらに大きくなるように変化させることができる。つまり、この範囲においても、回転角度によるエアギャップの大きさの変化に伴い磁気センサの出力特性の直線性を高めるように第１磁性固定体または湾曲部の曲率を適宜変更して設計することにより、当該「回転角度の検出が可能な角度範囲」を拡げることが可能となる。もちろん、このような構成においても、エアギャップ同士が互いにギャップ長さの増減を補い合うので、被検出部がその移動方向に対して垂直な方向に位置ズレした場合であっても磁気センサの出力ズレを抑制することができる。

以下、本発明に係る実施形態を図面に基づき説明する。
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態による回転角度検出装置の構成を図１−３に示す。
本実施形態の適用されるエンジンには、燃焼室内に供給する吸入空気量を制御する電子スロットル装置が取り付けられている。

電子スロットル装置は、エンジンの吸気ダクトの途中に結合されるスロットルボディと、このスロットルボディの吸気通路を開閉するスロットルバルブと、このスロットルバルブを支持固定するシャフトと、スロットルバルブを駆動するモータを含むアクチュエータと、エンジンの運転状態に応じてモータへの供給電力を可変制御して、スロットルバルブの回転角度を制御するエンジン制御ユニット（ＥＣＵ）とを備えている。

ここで、スロットルバルブのシャフトを開弁作動方向または閉弁作動方向に駆動するアクチュエータは、電力の供給を受けるとスロットルバルブを駆動する回転駆動力を発生するモータ、およびこのモータの回転駆動力をシャフトに伝達するための動力伝達機構を含んで構成される電動式アクチュエータである。なお、動力伝達機構は、モータの回転速度を所定の減速比となるように減速すると共に、モータの回転駆動力を増大させる歯車減速機構によって構成されている。この歯車減速機構は、モータの出力軸に固定されたピニオンギヤ、このピニオンギヤと噛み合って回転する中間減速ギヤ、およびこの中間減速ギヤと噛み合って回転する最終減速ギヤを有している。また、歯車減速機構を構成する３つのギヤのうち少なくとも最終減速ギヤは、合成樹脂によって所定のギヤ形状となるように一体的に形成されている。

また、電子スロットル装置には、運転者のスロットル操作量に応じて開弁駆動または閉弁駆動されるスロットルバルブの回転角度に相当するスロットル開度を電子信号に変換し、ＥＣＵへどれだけスロットルバルブが開かれているかを出力する非接触式ポジションセンサが搭載されている。以下、本実施形態においては、この非接触式ポジションセンサとして、図１−３に示す回転角度検出装置１の構成を適用した場合を例示して説明する。

回転角度検出装置１は、スロットルバルブの回転角度を検出するスロットル開度センサであって、軟磁性体からなる第１磁性移動体および第２磁性移動体としての第１ロータ１１および第２ロータ１２、磁気センサとしてのホールＩＣ１３とそれを保持固定する第１磁性固定体としてのセンサ固定ステータ１４、ならびに、第２磁性固定体としての磁石固定ステータ１５とその一箇所に保持固定される磁石１６を備えている。磁石固定ステータ１５は、磁石１６が設けられる位置の両側にそれぞれ延びて湾曲する、湾曲部としての第１ヨーク１７、および第２ヨーク１８を左右対称に有する。

第１ロータ１１と第２ロータ１２とは、ともに回転体としての上記スロットルバルブのシャフトの一端に結合される最終減速ギヤ（以下、被検出部とする）に固定され、被検出部と一体でその回転軸回りに回転する。当該被検出部の回転軸方向には、磁束を検出可能なホールＩＣ１３が配置されている。ホールＩＣ１３をこのような位置に保持固定しているセンサ固定ステータ１４は、軟磁性体により略円盤状に形成されており、被検出部とは別体で、例えば、電子スロットル装置のスロットルボディに固定されている。第１ロータ１１と第２ロータ１２とは、センサ固定ステータ１４に対し被検出部の回転方向と垂直な方向に、すなわちセンサ固定ステータ１４と略同一の仮想平面上に、当該センサ固定ステータ１４を挟んで互いに対向するように配置されている。ここで、上述したように、第１ロータ１１と第２ロータ１２とはともに被検出部に固定されているので、例えば、第１ロータの位置が被検出部の回転方向と垂直な方向にずれる場合には、第２ロータ１２が第１ロータ１１と一体で移動し、第２ロータ１２の位置も同じ方向へ同じ量だけずれることになる。

本実施形態によると、ホールＩＣ１３にて検出される磁束の発生源は、軟磁性体からなる磁石固定ステータ１５のただ一箇所に設けられた、磁力線発生部としての磁石１６である。言い換えれば、この回転角度検出センサ１は、回転角度の検出に利用する磁束を、ただ一つの磁石１６のみから放出するように構成されている。磁石固定ステータ１５は、例えば、センサ固定ステータ１４とともにスロットルボディに固定されている。そして、本実施形態においては、長手方向二極に着磁された磁石１６を、その着磁方向がホールＩＣ１３の長手方向と平行になるように配置している。さらに、磁石固定ステータ１５は、当該磁石１６の両極を起点としてセンサ固定ステータ１４を取り囲むように略扇形状に延びたＮ極側の第１ヨーク１７とＳ極側の第２ヨーク１８とを、センサ固定ステータ１４と略同一の仮想平面上に形成している。この第１ヨーク１７と第２ヨーク１８とは、スロットルバルブの回転軸を中心とし、第１ロータ１１と第２ロータ１２との径外方向に、略優弧状の「湾曲部」を構成している。そして、第１ヨーク１７の端部１７０と第２ヨーク１８の端部１８０との間は、被検出部の回転方向において、図２に範囲ｂとして示す角度範囲で開口し、回転方向開口１９を形成している。

本実施形態によると、第１ロータ１１および第２ロータ１２は互いに同一の形状であり、被検出部の回転軸を中心とした略扇形状に形成されている。第１ロータ１１および第２ロータ１２は、センサ固定ステータ１４とエアギャップＧ１１を隔てて対向する凹曲面状の内壁面３１、および、同様にエアギャップＧ１２を隔てて対向する内壁面３２をそれぞれ有する。また、第１ロータ１１は、第１ヨーク１７と第２ヨーク１８から構成される「湾曲部」とエアギャップＧ２１を隔てて対向可能であるとともに、被検出部の回転移動に伴って当該「湾曲部」との対向面積が回転方向開口１９との関係により変化する、凸曲面状の外壁面４１を有する。同様に、第２ロータ１２は、上述した「湾曲部」とエアギャップＧ２２を隔てて対向する、凸曲面状の外壁面４２を有する。図２に示すように、第１ロータ１１が被検出部の回転方向において占める角度範囲は、回転方向開口１９が開口する角度範囲である範囲ｂと略同一となっている。このため、被検出部が特定の回転位置にある図２の状態においては、外壁面４１の回転方向両端の位置が端部１７０および端部１８０の位置に対応し、外壁面４１が第１ヨーク１７とも第２ヨーク１８とも対向しなくなる。

ここで、図１−３を参照して、回転角度検出装置１の作動を説明する。
電子スロットル装置のスロットルバルブがその回転方向に回転変位すると、スロットルバルブのシャフトの回転軸方向の一端部に結合される最終減速ギヤ（すなわち、被検出部）に保持固定された第１ロータ１１および第２ロータが、ホールＩＣ１３の中心部付近を中心とした回転運動を行う。このとき、第１ロータ１１および第２ロータの回転方向への回転変位量、すなわち被検出部の回転角度に応じて、第１ロータの外壁面４１と第１ヨーク１７の範囲ａにおける凹曲面もしくは第２ヨーク１８の範囲ｃにおける凹曲面とが対向する対向面積が変化する。本実施形態では、回転運動によって第１ロータ１１が存在しうる範囲を、図２に示す範囲ａ−ｃの間としている。当該第１ロータ１１が存在しうる範囲は、このように、ホールＩＣ１３の長手方向に沿った直線より回転方向開口１９側の、１８０°の範囲内で設定することが好ましい。例えば、図１においては、第１ロータ１１と第２ロータ１２とがホールＩＣ１３の中心部分に対して半時計方向に回転移動し、図３においては、第１ロータ１１と第２ロータ１２とがホールＩＣ１３の中心部分に対して時計方向に回転移動することが可能である。図２の状態では、第１ロータ１１と第２ロータ１２とがホールＩＣ１３の中心部分に対して半時計方向または時計方向のいずれにも回転移動可能である。

なお、第１ロータ１１の内壁面３１および第２ロータ１２の内壁面３２とセンサ固定ステータ１４の凸曲面とが対向する対向面積は、被検出部の回転角度が変化しても変わらない。また、本実施形態においては、第２ロータ１２の外壁面４２と第１ヨーク１７および第２ヨーク１８の構成する「湾曲部」の凹曲面とが対向する対向面積も、第２ロータ１２がホールＩＣ１３の長手方向に沿った直線に対して回転方向開口１９とは反対側の位置（すなわち、図２の範囲ａ−ｃを除く範囲）に存在するため、被検出部の回転角度が変化しても変わらない。

上述した構成により、磁石１６から放出される磁束が第１ヨーク１７および第２ヨーク１８を経由して第１ロータ１１および第２ロータ１２を通過するような磁路が形成される。このような磁路を通過してホールＩＣ１３で検出される磁束は、第１ロータ１１の外壁面４１および第２ロータ１２の外壁面４２と第１ヨーク１７および第２ヨーク１８との対向面積に応じて変化する。

例えば、図１に示すように、回転方向開口１９の近傍において、第１ロータ１１の外壁面４１が第１ヨーク１７との対向面ＡＢを有する状態では、磁石１６のＮ極から第１ヨーク１７に沿って放出された磁束が、対向面ＡＢに垂直な方向でエアギャップＧ２１を経由してセンサ固定ステータ１４へ向かって流れて磁気回路Ｊ（ａ）を構成し、ホールＩＣ１３を通過する方向およびその磁束量に対応した出力信号が当該ホールＩＣ１３から出力される。ここで、本実施形態では、ホールＩＣ１３を磁束が図１−３の紙面上側から紙面下側へ向かう方向（つまり、磁石１６から見て回転方向開口１９のある方向）へ通過する場合を、プラスの出力信号が出力されるプラス方向とし、逆方向をマイナス方向と定義する。したがって、図１の状態では、ホールＩＣ１３をマイナス方向に通過する磁束が検出され、その磁束量に対応したマイナスの出力信号が出力されることになる。なお、具体的には、ホールＩＣ１３からＥＣＵに負の電圧信号が出力される。

一方、図２に示すように、第１ロータ１１と第１ヨーク１７および第２ヨーク１８との対向面がなくなった状態では、磁束の流れ方向がセンサ固定ステータ１４へ向かうことなく第１ヨーク１７、第１ロータ１１、第２ヨーク１８に沿う方向、および第２ロータ１２に沿う方向へと変わる。このとき、磁気回路Ｊ（ｂ１）と磁気回路Ｊ（ｂ２）とが構成され、センサ固定ステータ１４を磁束が通過しなくなるため、センサ固定ステータ１４上に配置されたホールＩＣ１３にて検出される磁束がゼロとなる。

また、図３に示すように、回転方向開口１９の近傍において、第１ロータ１１の外壁面４１が第２ヨーク１８との対向面ＡＢを有する状態では、磁石１６のＮ極から第１ヨーク１７に沿って放出された磁束が、センサ固定ステータ１４を通過したのち対向面ＡＢに垂直な方向でエアギャップＧ２１を経由して第２ヨーク１８へ向かって流れて磁気回路Ｊ（ｃ）を構成する。この場合、ホールＩＣ１３をプラス方向に通過する磁束が検出され、その磁束量に対応したプラスの出力信号として、当該ホールＩＣ１３からＥＣＵに正の電圧信号が出力される。以上の作動に続いて、ＥＣＵは、ホールＩＣ１３より出力される電圧信号に基づき、被検出部の回転角度を算出し、この回転角度に基づいてスロットルバルブの回転角度に相当するスロットル開度を算出する。

次に、本実施形態による被検出部の回転角度の検出方法を図４に基づいて簡単に説明する。図４は、ホールＩＣ１３を通過する磁束量に対する被検出部の回転角度を示した特性図である。図４を参照すると、図１に示される状態は、ホールＩＣ１３にて検出される磁束量がマイナス方向にピークとなる、被検出部の回転位置が角度（ａ）の状態である。また、図２に示される状態は、ホールＩＣ１３にて検出される磁束がゼロとなる、被検出部の回転位置が角度（ｂ）の状態であり、図３に示される状態は、ホールＩＣ１３にて検出される磁束量がプラス方向にピークとなる、被検出部の回転位置が角度（ｃ）の状態である。

本実施形態の回転角度検出装置１では、第１ロータ１１および第２ロータ１２の内外壁面、ならびにこれらに対向する磁石固定ステータ１４および「湾曲部」の対向面が全て、被検出部の回転軸を中心とした円弧面状に形成されているため、各エアギャップの大きさは回転角度によらずほぼ一定となる。また、回転角度検出装置１は、エアギャップＧ１１とエアギャップＧ１２とのギャップ長さが同一であり、かつ、エアギャップＧ２１とエアギャップＧ２２とのギャップ長さが同一であるように設計されている。これにより、図４の角度（ａ）から角度（ｃ）までの、回転角度の検出が可能となる範囲において、ホールＩＣ１３にて検出される磁束は、マイナス方向またはプラス方向の磁束量の絶対値が第１ロータ１１の外壁面４１と第１ヨーク１７または第２ヨーク１８との対向面積に比例するように変化する。

なお、回転角度の検出が可能となる範囲のうち、唯一角度（ｂ）においてのみ、回転方向開口１９と第１ロータ１１との回転位置が一致して検出される磁束がゼロとなる。この構成により、ホールＩＣ１３を通過する磁束の流れ方向が切替わる回転角度近傍においても、良好な直線性にてゼロ付近の磁束の変化が得られるよう、ホールＩＣ１３の出力特性の直線性が高められ、被検出部の回転角度の検出精度を向上させることが可能となっている。

ところで、図４に例示されるような、被検出部の回転角度に対応して検出される磁束量に基づいた出力特性の直線性は、エアギャップＧ１１とエアギャップＧ１２とのギャップ長さを同一かつエアギャップＧ２１とエアギャップＧ２２とのギャップ長さを同一とし、各エアギャップの大きさを回転角度によらずほぼ一定として設計した構成によって担保される。しかし、実際には、被検出部がその回転方向と垂直な方向に位置ズレすることが起こりうるため、各エアギャップのギャップ長さも、位置ズレにより変動しうるものである。そのため、従来技術による回転角度検出装置では、磁気センサにて検出される磁束が位置ズレの影響で変動し、検出結果に誤差が発生するおそれがあった。

そこで、本実施形態においては、第１ロータ１１と第２ロータ１２とが対になり、ともに被検出部に固定されているため、万が一第１ロータ１１に位置ズレが生じた場合には、第２ロータ１２が第１ロータ１１と一体で移動し、当該第２ロータ１２にも同じ方向および大きさで位置ズレが生じる。そして、第１ロータ１１に作られる各対向面におけるエアギャップＧ１１とエアギャップＧ２１、および、第２ロータ１２に作られる各対向面におけるエアギャップＧ１２とエアギャップＧ２２が、互いにギャップ長さの増減を補い合うため、位置ズレによる磁束密度の偏りが相殺され、ホールＩＣの出力ズレが低減されるようになる。また、第１ロータ１１の位置ズレによる磁束への影響は、第２ロータ１２の位置ズレによって緩和される。したがって、本実施形態によると、第１ロータ１１および第２ロータ１２の回転方向への移動位置に対するホールＩＣ１３の出力特性の直線性が高められ、被検出部の回転角度の検出精度を向上させることができる。

また、磁石１６をただ一つ配置した本実施形態の構成によれば、磁石固定ステータ１５に複数の磁石を配置して磁路を形成する場合に比べて、使用する磁石の個数を減らすことにより製造工程およびコストを削減することが可能となる。さらに、複数の磁石を配置する場合に懸念されるような、ホールＩＣ１３にて検出される磁束とは無関係な磁気ループが複数の磁石間で形成されてしまうという問題を防ぐことができる。したがって、本実施形態によると、磁石１６から放出される磁束が効率よくホールＩＣ１３を通過して検出されるような磁気回路を、安定して形成することが可能である。言い換えれば、ただ一つの磁石１６から放出される磁束を、効率よく回転角度の検出に利用することができる。

このように、形成される磁気回路自体がより検出に適するものとなるため、ホールＩＣ１３自体の検出精度が高いことは要求されなくなり、コストの削減につながる。また、ホールＩＣ１３の検出精度が低ければ、回転角度の検出に用いられる磁気回路とは無関係の外乱磁界を感知することがなくなるため、例えば、磁気センサの検出結果に外乱磁界による誤差が生じたり、当該誤差が繰り返し発生することによって磁気センサの検出精度自体が低下したりするという問題を防ぐことができる。結果として、回転角度検出装置の検出精度が安定し、その使用寿命も長くなる。さらに、磁力を強めなくとも磁束の変化が効率よく検出されるので、磁石の小型化も可能である。ひいては、回転角度検出装置の小型化と、回転角度の検出精度を高めることとを両立させることが可能となる。

（第２実施形態）
ところで、図４に示すように、第１実施形態の構成で検出可能な回転角度の範囲は、ホールＩＣ１３を通過して検出される磁束がマイナス方向に最大となる角度（ａ）と、磁束がホールＩＣを逆方向へ通過してプラス方向に最大となる角度（ｃ）との間である。当該角度範囲を超えた回転角度においては、第１ロータ１１と第２ロータ１２との位置関係により、検出される磁束の絶対値が再び減少するため、このような回転角度は直線的な出力が得られる範囲から外れることになる。そこで、検出可能な回転角度の範囲を拡げるために、以下に説明する本発明の第２実施形態の構成を採用することが例示される。

本発明の第２実施形態による回転角度検出装置の構成は、図５に示すとおりである。
第２実施形態の基本的な構成およびその作動は、第１実施形態と実質的に同等であり、同一の構成部材については同一の符号を付して説明を省略する。図５に示すように、回転角度検出装置１０の第１ロータ２１と第２ロータ２２とは、第１実施形態の第１ロータ１１や第２ロータ１２と同様、略扇形状に形成されているが、回転方向における長さが短くなっている。また、第２実施形態の磁石固定ステータ２５は、第１ヨーク２７と第２ヨーク２８とからなる「湾曲部」を有し、第１ヨーク２７の端部２７０と第２ヨーク２８の端部２８０との間は回転方向開口２９として範囲ｅなる角度範囲で開口している。第１ロータ２１の回転方向における長さに対応する角度範囲は、この範囲ｅと合致している。第１ヨーク２７と第２ヨーク２８とからなる「湾曲部」は、第１ロータ２１との対向により作り出されるエアギャップの大きさが被検出部の回転移動に伴って変化するように構成されている。本実施形態によると、「湾曲部」の凹曲面の曲率は、略円盤状のセンサ固定ステータ１４とのエアギャップが、その回転方向における位置が回転方向開口２９に近づくほど大きくなるように設定されている。すなわち、図５（ｂ）でいうと、範囲ｄおよび範囲ｆにおいて、ｍ＜ｎに設定されている。

第１ロータ２１および第２ロータ２２は、一定かつほぼ同一のギャップ長さのエアギャップを隔ててセンサ固定ステータ１４と対向する、凹曲面状の内壁面５１および内壁面５２をそれぞれ有する。また、第１ロータ２１は、第１ヨーク２７と第２ヨーク２８から構成される「湾曲部」とエアギャップを隔てて対向可能であるとともに、被検出部の回転移動に伴って当該「湾曲部」との対向面積およびエアギャップのギャップ長さが回転方向開口１９との関係や「湾曲部」の曲率との関係により変化する、凸曲面状の外壁面６１を有する。同様に、第２ロータ１２は、上述した「湾曲部」とエアギャップを隔てて対向し、被検出部の回転移動に伴って当該「湾曲部」との対向におけるエアギャップのギャップ長さが「湾曲部」の曲率との関係によって変化する、凸曲面状の外壁面６２を有する。例えば、図５（ａ）の状態では第１ロータ２１および第２ロータ２２がホールＩＣ１３の中心部分に対して反時計方向に回転移動可能であるが、第１ロータ２１の外壁面６１と第１ヨーク２７とが対向する対向面ＡＢと対向面ＣＤとの間では、エアギャップＡＣのギャップ長さよりもエアギャップＢＤのギャップ長さの方が大きい。また、端部２７０までの範囲では、第１ロータ２１が反時計方向へ移動するに従って、ギャップ長さＡＣもギャップ長さＢＤも徐々に大きくなっていくとともに、ＡＣ＜ＢＤの関係を常に有している。そして、図５（ｂ）の状態では、第１ロータ２１および第２ロータ２２がホールＩＣ１３の中心部分に対して反時計方向または時計方向のいずれの方向にも回転移動可能である。

この構成によって、ホールＩＣ１３で検出される磁束は、少なくとも外壁面６１の第１ヨーク２７または第２ヨーク２８に対向する対向面積と、当該変化するエアギャップの大きさとに応じて変化する。その変化は、ホールＩＣ１３を通過する磁束量に対する被検出部の回転角度を表す特性図である図６に示すとおりである。図６の角度（ｄ）は図５（ａ）の状態に対応し、図６の角度（ｅ）は図５（ｂ）の状態に対応する回転角度を示す。角度（ｄ）では、図５（ａ）に示す磁気回路Ｊ（ｄ）に対応するマイナス方向の磁束が検出され、角度（ｅ）では、図５（ｂ）における磁気回路Ｊ（ｅ１）も磁気回路（ｅ２）もホールＩＣ１３を通過しないため、検出される磁束がゼロとなる。

第２実施形態によると、第１実施形態のようなエアギャップをほぼ一定として構成した場合に対応する「回転角度の検出が可能な角度範囲」を超えた回転角度においても、可変としたエアギャップの大きさの変化に伴い、ホールＩＣ１３で検出される磁束の絶対値がさらに大きくなるように変化させることができる。つまり、この範囲においても、回転角度によるエアギャップの大きさの変化に伴い、ホールＩＣ１３の出力特性の直線性を高めるように「湾曲部」の曲率を適宜変更して設計したことにより、当該「回転角度の検出が可能な角度範囲」が拡げられている。したがって、図４の角度（ａ）から角度（ｃ）までの範囲よりも、第２実施形態において回転角度の検出が可能な角度範囲である、図６の角度（ｄ）から角度（ｆ）までの範囲の方が大きくなっている。もちろん、このような構成においても、エアギャップ同士が互いにギャップ長さの増減を補い合うので、被検出部がその移動方向に対して垂直な方向に位置ズレした場合であっても、ホールＩＣ１３の出力ズレを抑制することができる。

（第３実施形態）
第１実施形態および第２実施形態では磁石１６が「湾曲部」の中間位置に保持固定されていたが、本発明においては、「湾曲部」を複数の部材に分割してもよく、「磁力線放出部」を「湾曲部」以外に配置してもよい。

そこで、本発明の第３実施形態による回転角度検出装置の構成を図７に示す。図７（ａ）は第３実施形態による回転角度検出装置の平面図であり、図７（ｂ）は図７（ａ）の矢印Ｂ方向矢視図、図７（ｃ）は図７（ａ）の直線Ａ−Ａ断面による断面図である。回転角度検出装置２０では、第２磁性固定体としての磁石固定ステータ３５において、二つに分割された湾曲部としての第１ヨーク３７および第２ヨーク３８を有し、回転方向開口が２箇所に形成され、磁石３６がホールＩＣ１３に対して図７（ａ）の紙面奥側に配置されている。特に、ホールＩＣ１３と磁石３６とを被検出部の回転軸方向に配置し、ホールＩＣ１３、センサ固定ステータ１４、磁石固定ステータ３５、および磁石３６を、図７（ａ）に示す左右対称かつ上下対称の配置として構成すれば、その対称性により、磁石３６から放出される磁束が効率よくホールＩＣ１３を通過して検出されるような磁気回路（すなわち、図７に示す磁気回路Ｊ（ｇ））を、安定して形成することが可能となる。その結果、図４に示したような磁束の方向および磁束量に対応する出力の誤差が低減され、ホールＩＣ１３による出力特性の直線性が高められる。

（他の実施形態）
本発明の第２実施形態に示したように、「湾曲部」の曲率を適宜変更して設計し、「第１磁性移動体」または「第２磁性移動体」との対向により作り出されるエアギャップの大きさを被検出部の回転移動に伴って変化させるように構成した本発明の変形例として、他の実施形態を図８に挙げている。また、「湾曲部」の曲率を変化させることに代えて、「第１磁性固定体」の曲率を適宜変更して設計し、エアギャップの大きさを被検出部の回転移動に伴って変化させるように構成してもよい。「第１磁性固定体」の形状を変更した他の実施形態のバリエーションを、図９に挙げている。

図８（ａ）には第２実施形態による回転角度検出装置２０の如く、第１実施形態の第１ヨーク１７および第２ヨーク１８の形状を変更し、エアギャップＧ３０のギャップ長さを回転方向開口側で大きくした湾曲部４５を含んでなる回転角度検出装置３０を例示している。また、図８（ｂ）に示す回転角度検出装置４０のように、エアギャップＧ４０のギャップ長さを磁石１６側で大きくして湾曲部５５を構成してもよく、図８（ｃ）に示す回転角度検出装置５０のように、エアギャップを回転方向開口側と磁石１６側との両方で拡げた湾曲部６５を構成しても良い。

また、図９（ａ）に示す回転角度検出装置６０、図９（ｂ）に示す回転角度検出装置７０、および図９（ｃ）に示す回転角度８０のように、「第１磁性固定体」をセンサ固定ステータ４４、センサ固定ステータ５４、およびセンサ固定ステータ６４のように変形してもよい。センサ固定ステータ４４のような形状変更により、エアギャップＧ６０が回転方向開口側で大きくなり、センサ固定ステータ５４のような形状変更により、エアギャップＧ７０が磁石１６側で大きくなるため、図９（ａ）−（ｃ）によると、図８（ａ）−（ｃ）と実質的に同一の効果が得られる。

いずれの変形例においても、ホールＩＣ１３で検出される磁束が、少なくとも外壁面１１の「湾曲部」に対向する対向面積と、当該変化するエアギャップの大きさとに応じて変化し、第２実施形態と同様に、図６のような「回転角度の検出が可能な角度範囲」が大きく直線性の良好な出力特性が得られる。

以上、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々なる形態で実施できる。

本発明の第１実施形態による回転角度検出装置を示す平面図である。本発明の第１実施形態による回転角度検出装置を示す平面図である。本発明の第１実施形態による回転角度検出装置を示す平面図である。本発明の第１実施形態による回転角度検出装置による出力を示す特性図である。本発明の第２実施形態による回転角度検出装置を示す平面図である。本発明の第２実施形態による回転角度検出装置による出力を示す特性図である。本発明の第３実施形態による回転角度検出装置を示す平面図、側面図、およびＡ−Ａ線による断面図である。本発明の他の実施形態による回転角度検出装置を示す平面図である。本発明の他の実施形態による回転角度検出装置を示す平面図である。

符号の説明

１、１０：回転角度検出装置、１１：第１ロータ（第１磁性移動体）、１２：第２ロータ（第２磁性移動体）、１３：ホールＩＣ（磁気センサ）１４：センサ固定ステータ（第１磁性固定体）、１５：磁石固定ステータ（第２磁性固定体）、１６：磁石（磁力線放出部）、１７：第１ヨーク（湾曲部）、１８：第２ヨーク（湾曲部）、１９：回転方向開口、２１：第１ロータ（第１磁性移動体）、２２：第２ロータ（第２磁性移動体）、２５：磁石固定ステータ（第２磁性固定体）、２７：第１ヨーク（湾曲部）、２８：第２ヨーク（湾曲部）、２９：回転方向開口、３１、３２：内壁面、４１、４２：外壁面

Claims

回転体の回転軸方向に配置された磁気センサと、
前記磁気センサを保持固定する第１磁性固定体と、
前記回転体の回転軸を基準とした前記第１磁性固定体に対する径外方向に間隔を空けて前記第１磁性固定体を取り囲み、少なくとも一箇所に前記回転体の回転方向における所定の角度範囲で開口する回転方向開口を形成する湾曲部、および、前記磁気センサにて検出される磁束の発生源となる磁力線発生部を有する第２磁性固定体と、
前記第１磁性固定体を挟んで互いに対向するように前記第１磁性固定体と前記湾曲部との間に配置され、前記第１磁性固定体とエアギャップを隔てて対向する内壁面および前記湾曲部とエアギャップを隔てて対向可能な外壁面を有し、ともに前記回転体に固定され、前記回転体の回転移動に伴って前記外壁面の前記湾曲部に対向する対向面積が前記回転方向開口との関係で変化する第１磁性移動体および第２磁性移動体と、を備え、
前記磁力線発生部から放出される磁束が前記湾曲部を経由し、前記第１磁性移動体および前記第２磁性移動体を通過するような磁路が形成され、当該磁路を通過することによって前記磁気センサで検出される磁束が、少なくとも前記外壁面の前記湾曲部に対向する対向面積に応じて変化することを特徴とする回転角度検出装置。
前記磁力線発生部は、前記第２磁性固定体にただ一つ保持固定される磁石であることを特徴とする請求項１記載の回転角度検出装置。
前記第１磁性移動体および前記第２磁性移動体のうち少なくともいずれか一方は、前記回転体の回転方向において、前記外壁面の占める角度範囲が前記回転方向開口の角度範囲と略同一であり、前記回転体が特定の回転位置にあるときにおいてのみ、当該外壁面が前記湾曲部と対向しない状態が作り出されることを特徴とする請求項１または２記載の回転角度検出装置。
前記第１磁性固定体または前記湾曲部は、前記第１磁性移動体または前記第２磁性移動体との対向により作り出されるエアギャップの大きさが、前記回転体の回転移動に伴って変化するように構成されており、前記磁気センサで検出される磁束が、少なくとも前記外壁面の前記湾曲部に対向する対向面積と当該変化するエアギャップの大きさとに応じて変化することを特徴とする請求項１から３のいずれか一項記載の回転角度検出装置。