JP4519750B2 - 回転角度検出装置 - Google Patents

Description

本発明は検出対象の回転角度を検出する回転角度検出装置に関する。

従来、永久磁石等の磁界発生手段の外周側に磁気検出素子を設置し、検出対象の回転により変化する磁界に基づいて、検出対象の回転角度を検出する回転角度検出装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
特許文献１においては、図１３に示すように、回転軸３００にとともに磁石３０２が回転し、磁石３０２の外周側に回転方向に設置された複数のヨーク３１０と、周方向に隣接するヨーク３１０の間に２個の磁気検出素子３２０が設置されている。特許文献１では、回転方向に９０°の角度で２個の磁気検出素子３２０を設置することにより、各磁気検出素子３２０がそれぞれ出力する出力信号をつなぎ合わせて回転軸３００の回転角度を演算している。つまり、２個の磁気検出素子３２０は、回転軸３００の回転角度を検出する磁気検出センサを構成している。

しかしながら、図１３に示すように、回転軸３００の回転角度を検出するために２個の磁気検出素子３２０を回転軸３００の回転方向に離して設置する構成では、磁気検出素子３２０同士を高精度に位置決めすることが困難である。したがって、磁気検出素子３２０同士の角度間隔が所望の角度間隔からずれるか、あるいは各磁気検出素子３２０の設置方向が所望の設置方向からずれることがある。その結果、磁気検出素子３２０が出力する出力信号が例えば９０°の位相からずれることにより、磁気検出素子３２０の出力信号をつなぎ合わせて演算する回転軸３００の回転角度に誤差が生じるという問題がある。

このような磁気検出素子の設置角度のずれによる回転角度の誤差の問題は、特許文献１のように磁気検出素子の出力信号をつなぎ合わせる場合だけでなく、複数の磁気検出素子の出力信号に基づいて三角関数の逆演算により回転角度を検出する場合にも発生する。
また、２個の磁気検出素子３２０が離れて設置されると、回転角度検出装置内に温度勾配が発生する場合に磁気検出素子３２０同士に温度差が生じ、磁気検出素子３２０の信号レベルがばらつくという問題がある。
また、磁気検出素子が離れて設置されていると、磁気検出センサへの配線が複雑になるという問題がある。

特開２００４−２７１４９５号公報

本発明は上記問題を解決するためになされたものであって、磁界発生手段と径方向位置がほぼ同じか、磁界発生手段よりも径方向外側に磁気検出センサを設置する構成において、磁気検出センサを構成する複数の磁気検出素子同士を高精度に位置決めし、磁気検出センサを構成する複数の磁気検出素子の温度差を解消し、磁気検出センサへの配線を容易にする回転角度検出装置を提供することを目的とする。

請求項１から６に記載の発明によれば、磁界発生手段と径方向位置がほぼ同じか磁界発生手段よりも径方向外側に磁気検出センサを設置する構成において、複数の磁気検出素子を１箇所に設置して磁気検出センサを構成している。そして、磁気検出センサとともに磁界発生手段に対して相対回転する磁路部材は、磁界発生手段が発生する磁束を案内する磁路を磁気検出センサにおいて交差させるように形成している。この構成により、回転角度の検出対象の回転にともない磁界発生手段に対して磁路部材および磁気検出センサが相対回転すると、磁気検出センサにおいて交差する磁路により磁気検出センサにおいて形成される合成磁界が、検出対象の回転に応じて変化する。そして、合成磁界の変化に応じて異なる位相で変化する磁気検出センサの複数の磁気検出素子の出力信号から、検出対象の回転角度を検出することができる。 また、磁界発生手段の外周側に設置される磁路部材が、内側ヨークと内側ヨークの外周側に内側ヨークとほぼ同一平面上に設置されている外側ヨークとを有し、周方向に隣接する内側ヨークが形成する間隙に磁気検出センサが設置されている。よって、磁気検出センサにおける合成磁界の強さは、内側ヨーク、磁気検出センサおよび外側ヨークの回転軸方向の組付位置が回転軸方向に多少ずれても殆ど変化しない。

このような請求項１から６のいずれか一項に記載の発明では、複数の磁気検出素子を１箇所に近接して設置し磁気検出センサを構成しているので、位相の異なる信号を出力する複数の磁気検出素子を、磁気検出センサにおいて高精度に位置決めできる。その結果、磁気検出センサを構成する複数の磁気検出素子の出力信号が所望の位相差からずれることを防止できるので、磁気検出センサを構成する磁気検出素子の出力信号から検出対象の回転角度を高精度に検出できる。

また、磁気検出センサが１箇所に設置された複数の磁気検出素子により構成されているので、複数の磁気検出素子を有する磁気検出センサへの配線が簡単になる。
また、磁気検出センサを構成する複数の磁気検出素子が１箇所に設置されているので、回転角度検出装置内に温度勾配が発生しても、磁気検出センサの磁気検出素子の間には温度差が殆ど発生しない。したがって、磁気検出センサを構成する複数の磁気検出素子の出力信号の信号レベルが、装置内の温度勾配によりばらつくことを防止できる。

請求項２に記載の発明によれば、磁気検出センサは１チップで形成されているので、磁気検出センサを構成する複数の磁気検出素子を、形成時に高精度に位置決めできる。

請求項３に記載の発明によれば、外側ヨークは磁気検出センサに向けて内側に突出し、磁界発生手段に近づく突部を有しているので、外側ヨークが内側ヨークの外周側に設置され内側ヨークよりも磁界発生手段から離れていても、磁気検出センサにおいて外側ヨークが形成する径方向の磁路の磁界の強さを増加できる。

請求項４に記載の発明によれば、内側ヨークは周方向に等角度間隔に間隙を複数形成し、前記突部は各間隙に対応する周方向位置に設けられ各間隙に向けて内側に突出している。この構成により、内側ヨークおよび外側ヨークが形成する磁路の磁界の強さが磁界発生手段の相対回転位置により偏ることを防止できる。したがって、磁界発生手段の相対回転位置に関わらず、検出対象の回転角度を高精度に検出できる。

請求項５に記載の発明によれば、磁気検出センサが周方向に離れて複数設置されているので、１個の磁気検出センサが例えば断線等により検出不能になっても、他の磁気検出センサで検出対象の回転角度を検出できる。また、磁気検出センサに組付誤差があり、１個の磁気検出センサだけでは検出信号に誤差が生じる場合にも、複数の磁気検出センサの出力信号を設置されている角度間隔に応じて互いに補正することにより、検出対象の回転角度を高精度に検出できる。

請求項６に記載の発明によれば、磁気検出センサを構成する２個の磁気検出素子を出力信号が正弦と余弦との位相関係になる角度に設置しているので、２個の磁気検出素子の出力信号から、三角関数の逆演算により検出対象の回転角度を容易に検出できる。

以下、本発明の複数の実施の形態について説明する。
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態による回転角度検出装置を図１に示す。回転角度検出装置１０は、回転角度を検出する図示しない検出対象とともに回転する回転軸１２の軸方向の途中に、回転軸１２の外周側に設置されている。回転角度検出装置１０は、永久磁石２０、内側ヨーク３０、外側ヨーク４０、および磁気検出センサ５０から構成されている。磁界発生手段としての環状の永久磁石２０は、径方向の一方向に平行に着磁されている。永久磁石２０は、回転軸１２の外周面に取り付けられており、回転軸１２とともに回転する。内側ヨーク３０および外側ヨーク４０は磁路部材を構成している。

４個の内側ヨーク３０は、永久磁石２０の外周側に周方向に等角度間隔に環状に設置されている。周方向に隣接している内側ヨーク３０同士の間に間隙３２が形成されている。間隙３２は周方向に９０°間隔に形成されており、永久磁石２０に対して１８０°反対側に２個の間隙３２が位置している。
外側ヨーク４０は、環状に形成されており、４個の内側ヨーク３０の外周側に４個の内側ヨーク３０とほぼ同一平面上に設置されている。外側ヨーク４０は、内側ヨーク３０が形成する４個の間隙３２に向けて内側に突出する突部４２を４箇所設けている。したがって、１個の突部４２は磁気検出センサ５０に向けて突出している。

内側ヨーク３０および外側ヨーク４０は、永久磁石２０が発生する磁束を図１の点線の矢印に示すように案内する磁路２００、２０２をそれぞれ形成している。磁路２００と磁路２０２とは磁気検出センサ５０においてほぼ９０°に交差している。
磁気検出センサ５０は、１チップの半導体素子で形成されており、内側ヨーク３０が４箇所形成している間隙３２の１箇所に設置されている。図２に示すように、磁気検出センサ５０は、９０°の角度に設置された２個のホール素子５２により構成されている。

このように構成された回転角度検出装置１０において、検出対象とともに回転軸１２および永久磁石２０が回転すると、磁気検出センサ５０において交差する磁路２００、２０２により磁気検出センサ５０における合成磁界の方向が変化する。磁気検出センサ５０において合成磁界の方向が変化することにより、磁気検出素子としての２個のホール素子５２から図３に示す出力信号が出力される。２個のホール素子５２が９０°の角度に設置されているので、２個のホール素子５２の出力信号は、正弦と余弦の位相関係になっている。したがって検出対象の回転角度をθ、２個のホール素子５２の出力信号をＶａ、Ｖｂ、ホール素子５２の感度により決定される係数をｋ、磁気検出センサ５０において形成される合成磁界の磁束密度をＢ、ホール素子５２に供給する定電流をＩとすると、Ｖａ、Ｖｂは次式（１）、（２）で示される。

Ｖａ＝ｋＢＩ・ｓｉｎθ ・・・（１）
Ｖｂ＝ｋＢＩ・ｓｉｎ（θ＋９０）＝ｋＢＩ・ｃｏｓθ・・・（２）
ＶａとＶｂの比から次式（３）に示すようにｔａｎθを算出する。そして、逆正接演算により、次式（４）に示すように回転角度θを算出する。
Ｖａ／Ｖｂ＝ｓｉｎθ／ｃｏｓθ＝ｔａｎθ ・・・（３）
θ＝ａｒｃｔａｎ（Ｖａ／Ｖｂ） ・・・（４）

第１実施形態では、２個のホール素子５２を半導体素子により１箇所に設置して磁気検出センサ５０を構成しているので、２個のホール素子５２を高精度に位置決めし９０°の角度に設置できる。したがって、図３に示すように、２個のホール素子５２の出力信号を高精度に正弦と余弦の位相関係にすることができる。その結果、検出対象の回転角度を逆正接演算により高精度に、かつ容易に検出できる。

また、２個のホール素子５２を１箇所に設置して磁気検出センサ５０を構成しているので、磁気検出センサ５０への配線が容易である。
また、２個のホール素子５２を１箇所に設置して磁気検出センサ５０を構成しているので、回転角度検出装置１０内に温度勾配が生じても、２個のホール素子５２の間に温度差が殆ど発生しない。したがって、２個のホール素子５２の出力信号のレベルがばらつくことを防止できる。

また、環状に設置されている内側ヨーク３０に対し、外側ヨーク４０が磁気検出センサ５０側に回転軸１２の中心に向けて突出する突部４２を設けているので、永久磁石２０と突部４２との距離が近くなる。したがって、外側ヨーク４０は内側ヨーク３０よりも永久磁石２０から離れているが、外側ヨーク４０が形成している磁路２０２の磁界の強さを増加できる。
また、磁気検出センサ５０の外周側に環状の外側ヨーク４０が設置されているので、外側ヨーク４０は磁気シールドとしても作用する。したがって、回転角度検出装置１０に対する外乱を防止できる。

（第２実施形態）
図４に示す第２実施形態の回転角度検出装置６０では、第１実施形態の構成の回転角度検出装置１０において、１８０°反対側に形成されている間隙３２にそれぞれ磁気検出センサ５０を設置している。この構成により、２個の磁気検出センサ５０の組付位置が内側ヨーク３０および外側ヨーク４０に対してずれて出力信号の誤差が生じても、２個の磁気検出センサ５０の出力信号を組み合わせることにより、互いの出力信号のずれを補正し、補正された出力信号に基づいて回転角度を高精度に検出できる。

（第３、第４、第５、第６、第７実施形態）
本発明の第３実施形態を図５に示し、第４実施形態を図６に示し、第５実施形態を図７に示し、第６実施形態を図８に示し、第７実施形態を図９に示す。尚、各実施形態において他の実施形態と実質的に同一構成部分には同一符号を付す。
図５に示す第３実施形態の回転角度検出装置７０では、半円状の２個の内側ヨーク７２が永久磁石２０の外周側に環状に設置されている。２個の内側ヨーク７２の間に１８０°反対側に間隙７４が形成されている。外側ヨーク７６は、環状に形成されており、２個の内側ヨーク７２の外周側に２個の内側ヨーク７２とほぼ同一平面上に設置されている。外側ヨーク７６は、内側ヨーク７２が形成する間隙７４に向けて内側に突出する突部７８を２箇所設けている。内側ヨーク７２および外側ヨーク７６は磁路部材を構成している。内側ヨーク７２および外側ヨーク７６は、磁気検出センサ５０においてほぼ９０°に交差している磁路２００、２０２をそれぞれ形成している。磁気検出センサ５０は、２箇所形成されている間隙７４の１箇所に設置されている。第３実施形態では、内側ヨーク７２の部品点数が第１実施形態よりも減少しているので、回転角度検出装置７０の組付が容易になる。

図６に示す第４実施形態の回転角度検出装置８０では、永久磁石２０に対して径方向の一方の外周側に２個の内側ヨーク３０を間隙３２を形成して設置している。磁気検出センサ５０は、内側ヨーク３０が１箇所形成している間隙３２に設置されている。
図７に示す第５実施形態の回転角度検出装置９０では、永久磁石２０の外周側に１個の内側ヨーク３０を設置している。磁気検出センサ５０は、内側ヨーク３０の周方向の一端側に設置されている。

図８に示す第６実施形態の回転角度検出装置１００では、外側ヨーク１０２は半円状に形成されている。外側ヨーク１０２は、内側ヨーク３０が形成する３箇所の間隙３２に向けて内側中心に突出する突部１０４を形成している。内側ヨーク３０および外側ヨーク１０２は磁路部材を構成している。
図９に示す第７実施形態の回転角度検出装置１１０では、第１実施形態の外側ヨーク４０に代えて、軸方向の厚みを薄くした外側ヨーク１１２を設置している。外側ヨーク１１２の厚みが薄いので、磁気検出センサ５０への配線が容易である。内側ヨーク３０および外側ヨーク１１２は磁路部材を構成している。

（第８、第９実施形態）
本発明の第８実施形態を図１０に示し、第９実施形態を図１１に示す。尚、各実施形態において他の実施形態と実質的に同一構成部分には同一符号を付す。
図１０に示す第８実施形態の回転角度検出装置１２０では、永久磁石２０よりも径方向外側に設置されている第１ヨーク１２２および第２ヨーク１２４は、永久磁石２０に対して軸方向にずらして設置されており、磁路部材を構成している。

第１ヨーク１２２は第２ヨーク１２４よりも永久磁石２０に近い位置に設置されている。第１ヨーク１２２は環状に複数設置されており、周方向に隣接する第１ヨーク１２２の間に間隙が形成されている。この間隙の１箇所に磁気検出センサ５０は設置されている。第２ヨーク１２４は、第１ヨーク１２２が形成する間隙に向けて突出する突部１２６を複数設けており、そのうちの１個は磁気検出センサ５０に向かっている。第１ヨーク１２２および第２ヨーク１２４が形成する磁路は、磁気検出センサ５０において交差している。
第８実施形態では、永久磁石２０に対して、第１ヨーク１２２、第２ヨーク１２４を軸方向にずらして設置することにより、第１ヨーク１２２および第２ヨーク１２４を小径化し、回転角度検出装置１２０を小径化できる。

図１１に示す第９実施形態の回転角度検出装置１３０では、第１ヨーク１３２および磁気検出センサ５０は永久磁石２０に対して同一平面上に設置されているが、第２ヨーク１３４は永久磁石２０に対して軸方向にずらして設置されている。第１ヨーク１３２は環状に複数設置されており、周方向に隣接する第１ヨーク１３２の間に間隙が形成されている。この間隙の１箇所に磁気検出センサ５０は設置されている。第２ヨーク１３４は、第１ヨーク１３２が形成する間隙に向けて突出する突部１３６を複数設けており、そのうちの１個は磁気検出センサ５０に向かっている。第１ヨーク１３２および第２ヨーク１３４は磁路部材を構成しており、第１ヨーク１３２および第２ヨーク１３４が形成する磁路は、磁気検出センサ５０において交差している。
第９実施形態では、永久磁石２０に対して、第２ヨーク１３４を軸方向にずらして設置することにより、第２ヨーク１３４を小径化し、回転角度検出装置１３０を小径化できる。

（第１０実施形態）
本発明の第１０実施形態を図１２に示す。尚、他の実施形態と実質的に同一構成部分に同一符号を付す。
第１０実施形態の回転角度検出装置１４０では、４個の内側ヨーク１４２および外側ヨーク１５０の形状は第１実施形態の内側ヨーク３０および外側ヨーク４０とそれぞれ同一であるが、径が大きくなっている。そして、周方向に隣接する内側ヨーク１４２の間に形成される間隙１４４の内周側に４個の補助ヨーク１６０がそれぞれ設置されている。つまり、補助ヨーク１６０は、外側ヨーク１５０の突部１５２と永久磁石２０との間、磁気検出センサ５０が設置されている箇所においては磁気検出センサ５０と永久磁石２０との間に設置されている。内側ヨーク１４２、外側ヨーク１５０および補助ヨーク１６０は磁路部材を構成している。

このように外側ヨーク１５０の突部１５２と永久磁石２０との間に補助ヨーク１６０を設置し、補助ヨーク１６０を介して永久磁石２０と外側ヨーク１５０の突部１５２との間に磁路２０２を形成することにより、磁気検出センサ５０における磁路２０２の磁界の強さを増加できる。

（他の実施形態）
以上説明した上記複数の実施形態では、磁気検出センサ５０を構成する２個のホール素子５２を９０°の角度に設置することにより、２個のホール素子５２の出力信号の位相差を９０°にして逆正接演算により検出対象の回転角度を検出したが、２個のホール素子５２を９０°以外の角度に設置してもよい。また、３個以上のホール素子５２を１箇所に設置して磁気検出センサを構成してもよい。また、磁気検出センサを構成する磁気検出素子として、ホール素子５２に代えて磁気抵抗素子を使用してもよい。
また、磁界発生手段である永久磁石を検出対象とともに回転させたが、磁路部材および磁気検出センサを検出対象とともに回転させる構成にしてもよい。
上記複数の実施形態では、回転軸１２に永久磁石２０を取り付けたが、検出対象に直接永久磁石２０を取り付けてもよい。

上記第２実施形態では、１８０°反対側に設置した２個の磁気検出センサ５０の出力信号を組み合わせることにより互いの出力信号のずれを補正したが、１８０°以外の角度に２個の磁気検出センサ５０を設置してもよい。この場合にも、設置角度に基づいて互いの出力信号のずれを補正し、回転角度を高精度に検出できる。また、２個に限らず３個以上の磁気検出センサ５０を周方向に設置してもよい。
このように、本発明は、上記複数の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実施形態に適用可能である。

（Ａ）は第１実施形態による回転角度検出装置を示す横断面図、（Ｂ）は（Ａ）のＢ−Ｂ線断面図。 磁気検出センサを示す構成図。 磁気検出センサによる回転角度と出力との関係を示す特性図。 （Ａ）は第２実施形態による回転角度検出装置を示す横断面図、（Ｂ）は（Ａ）のＢ−Ｂ線断面図。 第３実施形態による回転角度検出装置を示す横断面図。 第４実施形態による回転角度検出装置を示す横断面図。 第５実施形態による回転角度検出装置を示す横断面図。 第６実施形態による回転角度検出装置を示す横断面図。 （Ａ）は第７実施形態による回転角度検出装置を示す横断面図、（Ｂ）は（Ａ）のＢ−Ｂ線断面図。 第８実施形態による回転角度検出装置を示す縦断面図。 第９実施形態による回転角度検出装置を示す縦断面図。 第１０実施形態による回転角度検出装置を示す横断面図。 （Ａ）は従来の回転角度検出装置を示す横断面図、（Ｂ）は（Ａ）のＢ−Ｂ線断面図。

符号の説明

１０、６０、７０、８０、９０、１００、１１０、１２０、１３０、１４０：回転角度検出装置、１２：回転軸、２０：永久磁石（磁界発生手段）、３０、７２、１４２：内側ヨーク（磁路部材）、３２：間隙、４０、７６、１０２、１１２、１５０：外側ヨーク（磁路部材）、４２、７８、１０４、１１４、１２６、１３６、１５２：突部、１２２、１３２：第１ヨーク（磁路部材）、１２４、１３４：第２ヨーク（磁路部材）

Claims (6)

1. 検出対象の回転角度を検出する回転角度検出装置であって、
   磁界を発生する磁界発生手段と、
   回転中心に対して前記磁界発生手段と径方向位置がほぼ同じか前記磁界発生手段よりも径方向外側に設置され、前記検出対象の回転にともない前記磁界発生手段に対して相対的に回転することにより生じる磁界の変化に応じて変化し、かつ位相の異なる信号を出力する複数の磁気検出素子を１箇所に設置した磁気検出センサと、
   前記磁界発生手段と径方向位置がほぼ同じか前記磁界発生手段よりも径方向外側に設置され、前記磁気検出センサとともに前記磁界発生手段に対して相対的に回転し、前記磁界発生手段が発生する磁束を案内する複数の磁路を前記磁気検出センサにおいて交差させて形成している磁路部材と、
   を備え、
   前記磁路部材は、前記磁界発生手段の外周側に周方向に設置されている複数の内側ヨークと、前記複数の内側ヨークの外周側に前記複数の内側ヨークとほぼ同一面上に設置されている外側ヨークとを有し、
   前記磁気検出センサは周方向に隣接する前記内側ヨークが形成する間隙に設置されており、前記複数の内側ヨークが形成する磁路と前記外側ヨークが形成する磁路とは前記磁気検出センサにおいて交差していることを特徴とする回転角度検出装置。
2. 前記磁気検出センサは１チップで形成されている請求項１に記載の回転角度検出装置。
   
3. 前記外側ヨークは前記磁気検出センサに向けて内側に突出する突部を有する請求項１または２に記載の回転角度検出装置。
4. 前記間隙は周方向に等角度間隔に複数形成され、前記突部は各間隙に対応する周方向位置に設けられ各間隙に向けて内側に突出している請求項３に記載の回転角度検出装置。
5. 前記磁気検出センサは周方向に離れて複数設置されている請求項１から４のいずれか一項に記載の回転角度検出装置。
6. 前記磁気検出センサは、出力信号が正弦と余弦との位相関係になる角度に設置された２個の磁気検出素子を有している請求項１から５のいずれか一項に記載の回転角度検出装置。

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