JP4797716B2 - 回転角度検出装置 - Google Patents

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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ものである。
従来、磁石または磁気検出素子の一方を回転角度の検出対象と回転させ、磁束の方向または磁束密度の変化を検出することにより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、2参照)。
特許文献1では、検出対象の回転円に対して径方向に着磁された磁石の内周側に、回転中心からずれた位置に磁気検出素子を設置し、磁石および磁気検出素子の外周をヨークが覆っている。そして、検出対象の回転角度に対して磁気検出素子が検出する磁束角度を小さくすることにより、検出対象の回転角度に対して磁気検出素子の出力が線形に変化する範囲を広げようとしている。
また特許文献2では、検出対象とともに回転し、実質的に半円形状に形成され検出対象の回転円に対して径方向に着磁された磁石に対して回転中心からずれた位置に磁束密度検出素子を設置している。そして、半円形状の磁石が回転することにより変化する磁束密度を磁束密度検出素子が検出し、検出対象の回転角度を検出している。
特開2001−91208号公報 特許第3411523号公報
しかしながら、図12に示すように特許文献1では、磁気検出素子として磁気抵抗素子を使用する場合、磁気抵抗素子の出力が線形に変化する範囲が広がったとしても、最大で180°よりも小さい範囲でしか回転角度を検出できない。また、磁束密度検出素子であるホール素子を使用する場合は、2個のホール素子の出力の比によって磁束の角度を算出することを前提としているので、部品点数が増加し、製造コストが増加するという問題がある。また、磁石の内周側に磁気検出素子を設置し、磁石および磁気検出素子の外周をヨークが覆う磁気回路構成であるから、磁気検出素子よりも磁石の方がヨークに近付いている。この磁気回路構成では、磁石が発生する磁束は、磁気検出素子よりもヨークに流れやすくなっているので、磁気検出素子の出力レベルが低下するという問題がある。この問題を解決するためには、磁石を大型化し、磁石が発生する磁束量を増加することが考えられるが、装置が大型化するという問題がある。
また特許文献2は、特許文献1のように磁気検出素子の出力が線形になる範囲を広げるものではなく、特許文献2の磁束密度検出素子が検出可能な出力が線形になる回転角度の範囲は特許文献2の図21に示すように180°未満である。また、半円形状の磁石の回転軌跡上に磁束密度検出素子が設置され、磁石と磁束密度検出素子とが干渉するので、磁石の回転角度範囲が機械的に制約されるという問題がある。
本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、磁石と磁束密度検出素子との相対回転の干渉を防止し、磁束密度検出素子の素子数を増加することなく、検出対象の回転角度を検出する小型の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5記載の発明によると、磁束密度検出素子の磁束密度検出面は検出対象の回転円の接線方向に沿っており、磁石は検出対象の回転円の接線方向に沿って着磁されているか、あるいは、磁束密度検出素子の磁束密度検出面は検出対象の回転円の法線方向に沿っており、磁石は検出対象の回転円の法線方向に沿って着磁されている。そして、磁束密度検出素子と磁石とは、検出対象の回転中心からずれて、磁石が磁束密度検出素子の内周側に位置するように設置されている。
この構成によれば、磁束密度検出素子と磁石とのギャップが最大および最小のときに磁束密度検出素子の検出面が磁石の着磁方向に沿った位置になるので、磁束密度検出素子が検出する磁束密度は最小になる。また、磁束密度検出素子と磁石とのギャップが小さくなると、磁束密度検出素子の周囲の磁場における磁束密度は大きくなる。その結果、磁束密度検出素子と磁石とのギャップが最大になり、かつ磁束密度検出素子の検出面が磁石の着磁方向に沿った位置になる検出対象の回転位置を中心として、磁束密度検出素子が磁束密度を検出する出力の絶対値のピークは、磁束密度検出素子と磁石とが最も近づき磁束密度検出素子と磁石とのギャップが最小になる回転角度の+180°側および−180°側にずれる。これにより、磁束密度検出素子の素子数を増加することなく、磁束密度検出素子と磁石とのギャップが最大になる検出対象の回転位置を中心として、磁束密度検出素子の出力が線形に近い特性になる範囲が広がるので、180°よりも大きな角度範囲で検出対象の回転角度を検出できる。
また、磁石が磁束密度検出素子の内周側にずれて設置されているので、磁石に対する磁束密度検出素子の相対回転が妨げられることを防止できる。さらに、磁石が磁束密度検出素子の内周側に設置されているので、磁石は磁束密度検出素子よりもヨークから離れる。これにより、磁束密度検出素子を流れずにヨークと磁石との間にだけ流れる磁束量が減少し、磁束密度検出素子を流れる磁束量が増加する。その結果、小型の磁石を用いても、磁束密度検出素子から所望の出力レベルを得ることができるので、回転角度検出装置を小型化できる。
また、請求項1記載の発明によると、磁石および磁束密度検出素子の外周をヨークで覆うので、磁石が発生する磁束の発散を防止し、磁束密度検出素子の周囲の磁束密度が大きくなる。その結果、磁束密度検出素子の出力が増加するので、回転角度の検出精度が向上する。
ところで、磁石が磁束密度検出素子の外周側に設置されている場合、磁石と磁束密度検出素子とが最も近づく位置は相対回転方向の2箇所になる。このため、磁束密度検出素子が磁束密度を検出する出力の絶対値のピークの調整が複雑になる。
これに対し請求項1記載の発明では、磁石は磁束密度検出素子の内周側に設置されているので、磁石と磁束密度検出素子とが最も近づく位置は1箇所である。したがって、磁束密度検出素子が磁束密度を検出する出力の絶対値のピークの調整が容易である。
請求項4記載の発明によると、磁石が検出対象と回転し、磁束密度検出素子は検出対象と回転しないので、磁束密度検出素子から出力を容易に取り出せる。
本発明の複数の実施形態を図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角度検出装置を図1に示す。回転角度検出装置10は、例えばスロットル装置等の検出対象の回転角度を検出する装置である。回転角度検出装置10は、ヨーク12、磁石20、および磁束密度検出素子としてのホールIC30からなる。ホールIC30に代えてホール素子を用いてもよい。ヨーク12は磁石20およびホールIC30の外周を覆っている。
ヨーク12は、磁性材で円筒状に形成されている。磁石20は、永久磁石であり、検出対象とともに回転し、検出対象の回転中心100に対して径方向にずれた位置に設置されている。磁石20は、検出対象の回転円に沿って着磁されている。ホールIC30は、検出対象の回転円に相当する磁石20の回転軌跡110の外周側に回転中心100に対して径方向にずれた位置に設置されており、磁石20の回転を妨げない。ホールIC30の検出面32は検出対象の回転円の接線方向に沿っている。ホールIC30は、検出面32を通過する磁束の密度を検出する。ホールIC30が検出する磁束密度の大きさは、磁石20の回転位置と、磁石20とホールIC30との距離とにより変化する。
回転角度検出装置10の具体的な構成を図2に示す。樹脂製のロータ22は、磁石20をインサート成形しており、検出対象であるスロットル装置のシャフト40と結合してシャフト40とともに回転する。ロータ22は、樹脂製のハウジング14とカバー18とにより覆われている。ハウジング14には、ロータ22の凸状の先端面23と摺動する凹曲面15が形成されている。ロータ22の先端面23は、スプリング24によりハウジング14の凹曲面15に付勢されている。ヨーク12およびホールIC30はハウジング14にインサート成形されている。ターミナル16はホールIC30と電気的に接続しており、ホールIC30の出力を外部に取り出している。
次に、回転角度検出装置10の作動について説明する。
前述したように、磁石20およびホールIC30は、回転中心100から径方向にずれて設置されており、ホールIC30は磁石20の外周側、言い換えれば磁石20はホールIC30の内周側に設置されている。この構成では、図3に示すように、検出対象の回転角度をα、つまり磁石20が回転中心100と形成する回転角度をαとし、磁石20が回転角度αの大きさ回転するときに、磁石20とホールIC30とが形成するホールIC30の磁束検出角度をβとすると、α>βである。図3の二点鎖線に示すように、ホールIC30が回転中心100上に設置されていれば、α=βである。α=βであれば、ホールIC30の出力は、図4の上側の特性を示す。これに対して、α>βであれば、ホールIC30の出力は図4の下側のようになり、図4の上側に比べて、ホールIC30の出力の絶対値のピークが、回転角度の+180°側および−180°側にずれる。その結果、ホールIC30の出力において直線性の高い角度範囲が広がる。したがって、ホールIC30の出力から検出対象の回転角度を検出する検出角度範囲が広がる。
このように、ホールIC30を回転中心100から径方向にずらして設置することにより検出角度範囲が広がることは、次のようにも説明できる。
磁石20がシャフト40の回転円の接線方向に沿って着磁され、ホールIC30の検出面32がシャフト40の回転円の接線方向に沿っているので、図1に示す回転位置を0°とすると、磁石20とホールIC30とのギャップの大きさを考慮せず、磁石20の回転角度だけに着目したホールIC30の回転角度成分の出力は図5の(A)の上側に示す特性になる。
また、磁石20はホールIC30の内周側を回転するので、図1に示す回転位置を0°とすると、+180°および−180°のときに磁石20はホールIC30に最も近づき、磁石20とホールIC30とのギャップは最小になる。したがって、磁石20の回転角度を考慮せず、磁石20とホールIC30とのギャップの大きさだけを考慮したホールIC30のギャップ成分の出力は図5の(A)の下側の特性になる。そして、図5の(A)に示す回転角度成分出力およびギャップ成分出力を合成した図5の(B)に示す合成出力が、図1に示す回転角度検出装置10の出力になる。
ギャップ成分出力は、0°の位置から磁石20がホールIC30に最も近づいた図1の二点鎖線で示す+180°および−180°の位置120に向けて大きくなっている。その結果、図5の(B)に示す合成出力のピークは、ギャップを考慮しない回転角度成分出力のピークよりも+180°側および−180°側にずれている。その結果、回転角度検出装置10において、磁石20の回転角度、つまりシャフト40の回転角度に対してホールIC30の出力がほぼ線形になる角度範囲は、図5の(A)に示す回転角度成分出力よりも図5の(B)に示すように広がっている。
実際、図1に示す位置に磁石20およびホールIC30を設置したときのホールIC30の出力を磁場解析シミュレーションすると、図6のような出力特性が得られた。確かに、ホールIC30が検出する磁束密度、つまりホールIC30の出力の絶対値のピークは+180°側および−180°側にずれている。しかし、回転角度0°の両側の出力にうねりが生じ直線性が損なわれている。このままの出力特性では、直線性が低いために、高精度に回転角度を検出することは困難である。したがって、ホールIC30の出力に生じるうねりを低減し、ホールIC30の出力の直線性を向上することが求められる。
(磁束密度特性の解析)
ホールIC30の出力に生じるうねりを低減し、ホールIC30の出力の直線性を向上する条件を見出すために、ホールIC30の出力を磁場解析プログラムにより磁場解析シミュレーションすることが考えられる。しかし、従来の磁場解析プログラムによる磁場解析シミュレーションでは、種々のパラメータを設定する必要があるので、シミュレーション作業が繁雑であり、シミュレーション時間が長くなるという問題がある。そこで、本願発明者は、ホールIC30が検出する磁束密度を計算式で近似し、この近似式によりにホールIC30の出力の直線性を向上する条件を見出すことを試みた。まず、回転角度検出装置10の構成および磁気特性を簡単化し、図7に示す解析モデルを設定した。
回転中心100から磁石20が径方向にずれているオフセット量をL、回転中心100からホールIC30が径方向にずれているオフセット量をa(L)とすると、a(L)=L+kで表される。kは、磁石20およびホールIC30の体格により決定される定数である。ホールIC30は、検出対象の回転にともない磁石20と干渉しない範囲で極力磁石20に近い位置に設置されることが望ましいので、定数kは、磁石20およびホールIC30の体格に基づき、極力小さい値に設定される。
また、磁石20からホールIC30に向かう磁束は、磁石20の中心から発生すると仮定する。
(角度項)
このように設定した図7の解析モデルにおいて、磁石20からホールIC30に向かう磁束の検出成分を、回転角度θに着目した角度項を求める。
まず、回転軌跡110の接線方向に着磁されている磁石20の磁束と、磁石20の中心からホールIC30に向かう磁束とが形成する角度をγ、回転中心100からホールIC30の中心を通る直線と磁石20の中心からホールIC30に向かう磁束とが形成する角度をα(θ,L)とすると、簡単な角度計算により、γ、α(θ,L)は次式(1)、(2)で求められる。
γ=90−θ+α(θ,L)・・・(1)
α(θ,L)=tan-1(Lsinθ/(a(L)+Lcosθ))・・・(2)
したがって、磁石20からホールIC30に向かう磁束密度B0は、接線方向に着磁されている磁石20の磁束密度をBとすると、次式(3)で求められる。
0=Bcos(90−θ+α(θ,L))・・・(3)
式(3)から、ホールIC30の検出面32が検出する検出面32に垂直な磁束密度成分B1は、次式(4)で求められる。
1=Bcos(90−θ+α(θ,L))cos(α(θ,L))・・・(4)
式(4)は、回転角度θに磁石20が位置するときに、ホールIC30が検出する回転角度θに着目した磁束密度の角度項である。
(ギャップ項)
次に、磁石20からホールIC30に向かう磁束の検出成分を、磁石20とホールIC30との距離(ギャップ)に着目したギャップ項を求める。
ホールIC30が検出する磁束密度は、磁石20とホールIC30との距離の2乗に反比例する。磁石20とホールIC30との距離の2乗の逆数は、次式(5)で求められる。
1/((a(L)+Lcosθ)2+L2sin2θ)・・・(5)
式(4)の角度項と式(5)のギャップ項との積から、ホールIC30が検出する磁束密度B(θ,L)は、次式(6)で求められる。
B(θ,L)=Bcos(90−θ+α(θ,L))cos(α(θ,L))/((a(L)+Lcosθ)2+L2sin2θ)・・・(6)
図6の磁場解析シミュレーション結果を求めるときと同一条件で、ホールIC30が検出する磁束密度B(θ,L)を式(6)から求めると、ほぼ同じ特性が得られた。すなわち、図6と同じく、回転角度0°を中心として回転角度の両側の出力にうねりが生じる特性が得られた。したがって、ホールIC30が検出する磁束密度を近似した式(6)により、うねりが減少する条件を解析できる。
ここで、前述したように、ホールIC30のオフセットはa(L)=L+kで表されており、磁石20およびホールIC30の体格を変えない場合、kは変化しないので、ホールIC30のオフセットa(L)は磁石20のオフセット量Lにより決定される。したがって、式(6)は、磁石20のオフセット量Lと回転角度θとの関数である。そこで、磁石20のオフセット量Lをパラメータとして、ホールIC30が検出する磁束密度の特性の直線性について式(6)に基づいて検討する。
図8に示す曲線200は、ホールIC30が検出する磁束密度の特性を示している。直線202は、回転角度0°を中心とし、所定の角度範囲で曲線200を近似するとともに、ホールIC30の望ましい出力特性を示す近似直線である。曲線204は、直線202に対する曲線200の増減分を直線性として%で表したものである。直線性の%が小さいほど直線性が高く、直線性の%が大きいほど直線性が低いことを表している。この検討では、回転角度0°を中心として少なくとも160°の範囲で、直線性の最大値(直線性MAX)が1%以下になる条件を求める。
式(6)において磁石20のオフセット量Lを変化させたときに、回転角度0°を中心として160°の範囲における直線性MAXを求めた結果を図9の曲線210に示す。L=0.55mm付近を最小値(最適値)として、ほぼ、0.44mm≦L≦0.76mmの範囲で、直線性MAXが1%以下になっていることが分かる。式(6)に基づく解析は、磁束モデルを簡単化しているため、従来の磁場解析プログラムを使用した磁場解析シミュレーションによる詳細な解析結果とは誤差がある。そこで、L=0.5mm、L=0.55mm、L=0.6mmにおいて磁場解析シミュレーションを行い、L=0.55mmの前後における磁場解析シミュレーションから求められる特性曲線の傾きを求めたところ、磁場解析シミュレーションから求めた直線性の最適値は、L=0.55mmよりも大きい方にずれていることが分かった。そこで、磁場解析シミュレーションにより求めるポイントを、L=0.6mmよりも大きい方に設定してさらに磁束密度を求め、特性を近似した結果が図10に示す曲線220である。曲線220において、直線性MAX≦1%を満たすのは、0.62mm≦L≦0.88mmの範囲である。
この磁場解析シミュレーションによる解析結果に基づき、回転角度検出装置10を試作し、評価を行った。評価した回転角度検出装置10の諸元は次のようである。
ヨーク12の外径D :11.5mm
ホールIC30の体格:4.06mm×1.5mm×4.05mm
磁石20の体格 :2mm×2.6mm×5.7mm
磁石のオフセット量L:0.62mm≦L≦0.88mm
評価結果は、回転角度0°を中心として160°の範囲において、直線性MAX≦1%を満たしている。そこで、ヨーク12の外径D(11.5mm)と、磁石20のオフセット量Lの範囲である0.62mm≦L≦0.88mmとの比率から、0.0539D≦L≦0.0766Dを満たすように、磁石20のオフセット量Lを設定すればよいと考えられる。
このように、第1実施形態では、0.0539D≦L≦0.0766Dを満たすように磁石20のオフセット量Lを設定することにより、回転角度0°を中心として少なくとも160°の範囲において、直線性MAX≦1%を満たしている。
また、第1実施形態では、ヨーク12の内周側に、回転中心100から径方向にずれるとともに、ホールIC30の内周側に磁石20を設置することにより、磁石20はホールIC30よりもヨーク12から離れる。これにより、ホールIC30の外周側に磁石20を設置する構成に比べ、磁石20の発生する磁束がヨーク12に流れやすくなり、ホールIC30に流れる磁束量が増加する。その結果、小型の磁石20であっても、ホールICから所望の出力レベルを得ることができる。したがって、回転角度検出装置10を小型化できる。
また、ホールIC30の検出電圧の絶対値のピークが+180°および−180°側にずれるので、直線性MAX≦1%は満たさないものの、1個のホールIC30でシャフト40の回転角度を約300°の範囲で検出可能である。
また、ホールIC30が磁石20の回転軌跡110の外周側に設置されているので、ホールIC30は磁石20の回転を妨げない。したがって、検出可能な極力広い範囲で検出対象の回転角度を検出することができる。
(第2実施形態)
本発明の第2実施形態を図11に示す。尚、第1実施形態と実質的に同一構成部分に同一符号を付す。
第2実施形態の回転角度検出装置50では、磁石20は、検出対象の回転円に相当する回転軌跡110の法線方向に沿って着磁されており、ホールIC30の検出面32は回転軌跡110の法線方向に沿っている。また、第1実施形態と同様に、ヨーク12は磁石20およびホールIC30の外周を覆っている。さらに、磁石20およびホールIC30は回転中心100から径方向にずれた位置に設置されており、磁石20はホールIC30の内周側に設置されている。
このように、磁石20の着磁方向およびホールIC30の検出面32、ならびにヨーク12、磁石20およびホールIC30の位置を設定することにより、ホールIC30の検出電圧の絶対値のピークが+180°および−180°側にずれるので、1個のホールIC30で回転角度の検出範囲を広げることができる。
また、第2実施形態においても、磁石20のオフセット量Lを調整することにより、ホールIC30が検出する磁束密度の特性曲線の線性が向上する。したがって、高精度に回転角度を検出できる。
(他の実施形態)
以上説明した上記実施形態では、磁石20が検出対象と回転したが、磁石20ではなく、ホールIC30が検出対象と回転する構成にしてもよい。
第1実施形態による回転角度検出装置を示す模式的構成図である。 (A)は第1実施形態の回転角度検出装置の具体的構成を示す断面図であり、(B)は(A)のB−B線断面図である。 ホールICのオフセットの有無を示す模式的構成図である。 ホールICのオフセットの有無による出力の違いを示す特性図である。 (A)は回転角度と回転角度成分出力およびギャップ成分出力との関係を示し、(B)は回転角度と合成出力との関係を示す特性図である。 ホールICが検出する磁束密度に現れるうねりを示す特性図である。 第1実施形態の解析モデルを示す模式的構成図である。 ホールICが検出する磁束密度の特性、近似直線およびホールICが検出する磁束密度の直線性を示す特性図である。 ホールICが検出する磁束密度の直線性MAXを示す特性図である。 近似式および磁場解析シミュレーションによる直線性MAXを示す特性図である。 第2実施形態による回転角度検出装置を示す模式的構成図である。 従来の回転角度と検出出力との関係を示す特性図である。
符号の説明
10、50:回転角度検出装置、12:ヨーク、20:磁石、30:ホールIC(磁束密度検出素子)、32:検出面、40:シャフト(検出対象)、100:回転中心、110:回転軌跡(回転円)

Claims (4)

  1. 磁石と、磁束密度検出素子と、前記磁石および前記磁束密度検出素子の外周を覆うヨークとを備え、前記磁石または前記磁束密度検出素子の一方が回転角度の検出対象とともに回転するときに前記磁束密度検出素子が検出する磁束密度により前記検出対象の回転角度を検出する回転角度検出装置において、
    前記磁束密度検出素子は前記検出対象の回転中心から径方向にずれて設置されており、前記磁束密度検出素子の磁束密度検出面は前記検出対象の回転円の接線方向に沿っており、
    前記磁石は、前記接線方向に沿って着磁され、前記回転中心から径方向にずれて前記磁束密度検出素子の内周側に設置され
    前記磁気検出素子と前記磁石とのギャップが最大になる前記検出対象の回転位置を中心として、前記検出対象の回転角度を検出することを特徴とする回転角度検出装置。
  2. 磁石と、磁束密度検出素子と、前記磁石および前記磁束密度検出素子の外周を覆うヨークとを備え、前記磁石または前記磁束密度検出素子の一方が回転角度の検出対象とともに回転するときに前記磁束密度検出素子が検出する磁束密度により前記検出対象の回転角度を検出する回転角度検出装置において、
    前記磁束密度検出素子は前記検出対象の回転中心から径方向にずれて設置されており、前記磁束密度検出素子の磁束密度検出面は前記検出対象の回転円の法線方向に沿っており、
    前記磁石は、前記法線方向に沿って着磁され、前記回転中心から径方向にずれて前記磁束密度検出素子の内周側に設置され
    前記磁気検出素子と前記磁石とのギャップが最大になる前記検出対象の回転位置を中心として、前記検出対象の回転角度を検出することを特徴とする回転角度検出装置。
  3. 前記磁束密度検出素子はホール素子であ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。
  4. 前記磁石は前記検出対象とともに回転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。
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