JP4797716B2 - 回転角度検出装置 - Google Patents
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Description
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、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。
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。
(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。
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。
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。
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。
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。
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)
B0=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。
B1=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。
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)
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。
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。
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。
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。
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。
Claims (4)
- 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。 - 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。 - 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。
- 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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