JP4960209B2 - 非接触式回転角度検出センサ - Google Patents

Description

本発明は、磁気感応素子を用いた非接触式回転角度検出センサに関する。

小型に構成可能で、異物による接触不良などの心配がなく、例えば車両におけるアクセルペダルの踏み角検出やシフトレバーの操作に応じて回転するシャフトの回転角度の検出などに好適な非接触式の回転角度検出センサとして、磁気感応素子を用いた非接触式回転角度検出センサがある。
このような非接触式回転角度検出センサの従来例として、例えば特許文献１に開示されたものがある。
特表平５−５０５８８３号公報

この特許文献１に示すような従来の非接触式回転角度検出センサ１００は、図１２に示すように、回転角度の検出対象であるシャフト（回転体）１０１に、バックヨーク１０２を介してリング状永久磁石１０３を取り付け、リング状永久磁石１０３の外周面を、一定間隔をおいて囲むように集磁ヨーク１０４を設けた構成を有する。
この従来の非接触式回転角度検出センサ１００は、回転体１０１が回転した際のリング状永久磁石１０３による磁界の変化を、集磁ヨーク１０４のギャップ１０５に設けたホールＩＣ１０６で検出し、検出した磁界の変化に基づいて回転体１０１の回転角度を検出する。

しかし、リング状永久磁石１０３は周方向に沿って磁極が変化するように磁化されているので、着磁波形（表面磁束密度の波形）の特性上、検出範囲が所定範囲、例えば９０°以上になると、直線性（出力精度）が悪くなるという問題があった。
これは、所定範囲を外れるほど、ホールＩＣ１０６を通過する磁束の量が多くなって、その中での磁束の変化割合が相対的に小さくなること、すなわち単位角度あたりの磁束変化量が一定でなくなる（変化量が変わる）ことが原因であると考えられている。

この対策として、集磁ヨークの形状を楕円形にすること、集磁ヨークとリング状永久磁石との間隔を変化させることなどが挙げられるが、これは理論上の対策であって、現実には、製造上のバラツキや製品における機械的なガタツキを考慮すると、車両用などに大量生産する場合に適用することは技術的に困難である。

よって、本発明は、直線性（出力精度）に優れた非接触式回転角度検出センサを提供することを目的とする。

本発明は、被検出体と一体に回転可能で、周方向に沿って磁極が変化するリング状永久磁石と、リング状永久磁石の外周面を、一定間隙をおいて囲むリング状の第１ヨークと、第１ヨークの外周面を、一定間隔をおいて囲むリング状の第２ヨークと、第１ヨークに形成されたギャップに配置された磁気感応素子とを有し、第１ヨークの軸方向高さを、周方向に沿って変化させた構成の非接触式回転角度検出センサとした。

本発明によれば、リング状永久磁石の回転に応じて、ギャップを通過する磁束の量とギャップを通過しない磁束の量の割合が変化すると共に、第１ヨークの高さの変化により、第１ヨークを流れる磁束量自体も変化するから、磁気感応素子はこの２つの変化に基づく信号を出力し、回転角度に対する信号出力の高い直線性を得ることができる。

以下、本発明の実施例を説明する。
図１は、実施例にかかる非接触型の回転角度検出センサの分解斜視図である。図２は、実施例にかかる非接触型の回転角度検出センサを説明する図であって、軸方向から見た上面図であり、図３の（ａ）は図２におけるＡ−Ａ線断面図であり、図３の（ｂ）は図２におけるＢ−Ｂ線断面図である。
図４は、実施例にかかる回転角度検出センサのリング状永久磁石を拡大して模式的に示した平面図であり、図５は、実施例にかかる回転角度検出センサの内側集磁ヨークを説明する図である。

図１に示すように、回転角度検出センサは、ロータ１０と、リング状永久磁石２０と、バックヨーク３０と、内側集磁ヨーク４０と、外側集磁ヨーク５０と、ホールＩＣ６０とを備えて構成される。

ロータ１０は、外観が円柱状の本体部１１と、本体部１１の軸方向中間から径方向に延びるフランジ状の磁石保持部１２とから構成され、検出対象の回転体としての図示しないシャフトに取り付けられる。
本体部１１はシャフトを通す貫通穴１３を有しており、貫通穴１３の断面はシャフトの取付け部断面に整合させた２面幅部を有して、シャフトの取付け部を挿通させた状態でロータ１０がシャフトと一体に回転可能となっている。

リング状永久磁石２０は、上面視においてリング形状を有しており、内周面に密着固定されたバックヨーク３０（リング状軟磁性体）を介して、磁石保持部１２の外周面に隙間なく取り付けられている。
バックヨーク３０により、回転角度検出センサが雰囲気が高温となる場所に設置された場合における永久磁石の不可逆熱減磁を小さく抑えると共に、内径方向への漏れ磁束を抑えるためである。

図３の（ａ）および図２に示すように、リング状永久磁石２０の軸方向高さＨ１は、磁石保持部１２およびバックヨーク３０の軸方向高さと同じであり、リング状永久磁石２０の軸方向の高さと径方向の厚みは、全周に亘って同じである。

図４に示すように、リング状永久磁石２０は、その直径線上（周方向１８０°位置）で半円に分割され、一方の磁石半円部２０ａは、内周側（バックヨーク３０と接触する側）がＮ極、外周側がＳ極となり、他方の磁石半円部２０ｂは、内周側がＳ極、外周側がＮ極となるように、一本の直径線に対して平行に磁化されて、径方向の一方向からみて、全体として周方向にＮおよびＳの２極構造となっている。
ここで、リング状永久磁石２０は、径方向の一方向から平行に磁化する平行着磁により得られるので、リング状永久磁石２０の材料としては、異方性磁石に限定されず、等方性磁石も選択でき、本実施例では、より安価に形成できる等方性磁石が採用される。

図２および図３に示すように、内側集磁ヨーク４０および外側集磁ヨーク５０からなる固定側ヨークは、ロータ１０に取り付けられたリング状永久磁石２０を囲むように、シャフトに対する固定側に設けられている。
内側集磁ヨーク４０および外側集磁ヨーク５０は、軸方向から見た平面形状において、リング状永久磁石２０の中心を共通の中心とした半径の異なる２つの同心円上に配置されており、それぞれ純鉄系軟磁性材料から構成される。

内側集磁ヨーク４０は、リング状永久磁石２０の外周面から所定間隔Ｇ１を開けて、リング状永久磁石２０を囲むように配置されており、第１内側集磁ヨーク４１と第２内側集磁ヨーク４２とから構成される。
なお、以下の説明において、第１内側集磁ヨーク４１と第２内側集磁ヨーク４２とを特に区別しない場合は、内側集磁ヨーク４０と表記する。

第１内側集磁ヨーク４１と第２内側集磁ヨーク４２とは、軸方向から見た平面形状が互いに同一の半円形状を有しており、所定幅Ｇ３のギャップ４３、４４を開けて対面配置されている。
第１内側集磁ヨーク４１と第２内側集磁ヨーク４２とは、軸方向から見て所定幅Ｗ１を有するリング状ヨークを直径線上（周方向１８０°位置）で２つに分割して得られ、ギャップ４３、４４は、分割して得られた２つの半円部の間の周方向対向面を切り落として形成される。

外側集磁ヨーク５０は、内側集磁ヨーク４０の外周面から所定間隔Ｇ２を開けて、内側集磁ヨーク４０を囲むように配置されており、第１外側集磁ヨーク５１と第２外側集磁ヨーク５２とから構成される。
なお、以下の説明において、第１外側集磁ヨーク５１と第２外側集磁ヨーク５２とを特に区別しない場合は、外側集磁ヨーク５０と表記する。

第１外側集磁ヨーク５１と第２外側集磁ヨーク５２とは、軸方向から見た平面形状が互いに同一の半円形状を有しており、所定幅Ｇ４のギャップ５３、５４を開けて対面配置されている。
第１外側集磁ヨーク５１と第２外側集磁ヨーク５２とは、軸方向から見て所定幅Ｗ２を有するリング状ヨークを直径線上（周方向１８０°位置）で２つに分割して得られ、ギャップ５３、５４は、分割して得られた２つの半円部の間の周方向対向面を切り落として形成される。

内側集磁ヨーク４０と外側集磁ヨーク５０は、内側集磁ヨーク４０のギャップ４３、４４を結ぶ線分と、外側集磁ヨーク５０のギャップ５３、５４を結ぶ線分とが、所定角度で交差（直交）するように配置されて、内側集磁ヨーク４０のギャップ４３、４４と、外側集磁ヨーク５０のギャップ５３、５４とが、軸方向から見て互いに周方向にオフセットした位置に配置されるようにしている。回転角度検出センサを周方向側から見た場合に、リング状永久磁石２０がギャップを介して見えないようにすることで、回転角度検出センサの外部へのギャップを介した磁束の漏れを防止するためである。
よって、本実施例では、ギャップ４３、４４が、ギャップ５３、５４に対して、ロータ１０の回転軸周りに略９０度オフセットした位置に配置されるようにして、ギャップ４３、４４とギャップ５３、５４との周方向における離間距離が、それぞれ最大になるようにしている。

図５に示すように、内側集磁ヨーク４０（４１、４２）の軸方向高さは、ギャップ４３、４４から離れるにつれて高くなるように、周方向に沿って変化している。
内側集磁ヨーク４０（４１、４２）の下面は回転角度検出センサの軸方向に対して垂直の平坦面とされており、上面は傾斜面とされている。よって、内側集磁ヨーク４０の周方向における各断面は、高さが変化する矩形断面とされている。
第１内側集磁ヨーク４１および第２内側集磁ヨーク４２のギャップ４３、４４に面した両端部の軸方向高さＨ２は、中央部の軸方向高さＨ３よりも低い高さ（Ｈ２＜Ｈ３）となるように設定されて、軸方向の高さが、ギャップ４３、４４から離れるにつれて高くなるようにしている。

図３に示すように、外側集磁ヨーク５０（５１、５２）の軸方向高さＨ４は、周方向に沿って同じ高さ（一定）であり、内側集磁ヨーク４０の軸方向最大高さＨ３よりも大きい高さ（Ｈ３＜Ｈ４）に設定されて、リング状永久磁石２０と内側集磁ヨーク４０が、外側集磁ヨーク５０の高さＨ４内に収まるようにされている。
なお、外側集磁ヨーク５０の下面と上面は、軸方向に対して垂直の平坦面を成しており、外側集磁ヨーク５０の径方向の厚みは、全周にわたって同じ厚み（一定）である。

内側集磁ヨーク４０の各高さＨ２、Ｈ３、および外側集磁ヨーク５０の高さＨ４は、実験測定の結果を踏まえて最適値となるように設定されている。
また、軸方向から見た内側集磁ヨーク４０の幅Ｗ１と、外側集磁ヨーク５０の幅Ｗ２は、集磁ヨークを構成する材料の透磁率、リング状永久磁石２０の磁束密度を考慮して、集磁ヨーク内で磁束が飽和しない大きさに設定されている。

ここで、内側集磁ヨーク４０のリング状永久磁石２０の外周面からの離間間隔Ｇ１と、外側集磁ヨーク５０の内側集磁ヨーク４０の外周面からの離間間隔Ｇ２との関係は、下記式（１）の関係を満たすように決定することが好ましい。
Ｇ２／Ｇ１≦２、Ｇ２＞０ ・・・（１）
Ｇ２／Ｇ１の値が２よりも大きくなると、内側集磁ヨーク４０から外側集磁ヨーク５０を経由する磁束量が少なくなり、外側集磁ヨーク５０を磁束がほとんど流れないために、出力精度の補正の効果が得られなくなるからである。
また、離間距離Ｇ２が０ｍｍとなり、内側集磁ヨーク４０と外側集磁ヨーク５０とが接していると、内側集磁ヨーク４０から外側集磁ヨーク５０を経由する磁束量が多くなり、内側集磁ヨーク４０を通過してそのままリング状永久磁石２０に戻る磁束量がきわめて少なくなる結果、センサとしての出力が得られなくなるからである。

第１内側集磁ヨーク４１と第２内側集磁ヨーク４２との間のギャップ４３、４４のうちの少なくとも一方には、磁気感応素子であるリニア出力型のホールＩＣ６０が設置されており、ホールＩＣ６０は、当該ホールＩＣ６０を通過する磁束の量に応じた信号を出力する。
なお、ギャップ４３、４４の両方にホールＩＣ６０を設置した場合には、各ホールＩＣ６０は、互いに同相の信号を出力するようにしても、逆相の信号を出力するようにしても良い。

図６は、実施例にかかる回転角度検出センサにおける磁束の流れを模式的に示した図であって、リング状永久磁石２０の位置が−４５ｄｅｇ位置にある場合の磁束の流れを模式的に示した図である。ここで、当該リング状永久磁石２０の磁石半円部２０ａ、２０ｂの端同士の対向面を結ぶ線分に直交する線分が内側集磁ヨーク４０のギャップ４３、４４を通る位置にある場合のリング状永久磁石２０の位置を０ｄｅｇ位置とし、この状態から、リング状上永久磁石２０が、図中反時計回り方向に約４５度回転した位置を−４５ｄｅｇ位置としている。
以上のように構成された回転角度検出センサでは、リング状永久磁石２０から発生した磁束は、図６に示すように、内側集磁ヨーク４０に向かって流れる。そして、内側集磁ヨーク４０に集められた磁束は、内側集磁ヨーク４０を通過して、そのままリング状永久磁石２０に戻る磁束と、外側集磁ヨーク５０を経由して、リング状永久磁石２０に戻る磁束の２つに分かれる。

リング状永久磁石２０がロータ１０と共に回転すると、内側集磁ヨーク４０を通過してリング状永久磁石２０にそのまま戻る磁束のうち、ホールＩＣ６０が設置されたギャップ４３を通過する磁束の量と当該ギャップ４３を通過しない磁束の量とが変化する。
例えば、リング状永久磁石２０が図６に示す位置から図中左方向にさらに回転すると、ギャップ４３を通過する磁束の量が増大し、ホールＩＣ６０は、増大したギャップ４３を通過する磁束の量を反映した出力を与える。

ここで、本実施例では、内側集磁ヨーク４０の軸方向高さが、ギャップ４３、４４から離れるにつれて高くなるように周方向に沿って変化しているので、半円形状を有する第１内側集磁ヨーク４１、４２の中央部のほうが、ギャップ４３、４４側の端部に比べて、外側集磁ヨーク５０との対向面積が広くなっている。
内側集磁ヨーク４０から外側集磁ヨーク５０へ流れる磁束量は、単位角度あたりの内側集磁ヨーク４０と外側集磁ヨーク５０との間の対向面積の広さとほぼ比例関係にあるので、内側集磁ヨーク４０から外側集磁ヨーク５０を経由してリング状永久磁石２０に戻る磁束量は、リング状永久磁石２０の回転角度が大きくなるほど、対数関数的に増加する。
すなわち、内側集磁ヨーク４０を通過する磁束の量の総和が、リング状永久磁石２０の回転角度に応じて変化し、例えば回転角度が大きくなるほど少なくなるので、ホールＩＣ６０は、リング状永久磁石２０の回転に伴う磁束の量の総和も反映した出力を与える。

内側集磁ヨーク４０の高さが周方向に沿って一定である場合には、内側集磁ヨーク４０から外側集磁ヨーク５０を経由する磁束量は、リング状永久磁石の回転に伴って直線的に増大するが、本実施例のように周方向に沿って変化していると、リング状永久磁石の回転に伴って磁束量が対数関数的に増加する（回転角度が大きくなるほど増加割合が小さくなる）ので、内側集磁ヨーク４０を通過してそのままリング状永久磁石に戻る磁束のうち、ホールＩＣ６０を通過する磁束量と、ホールＩＣ６０を通過しない磁束量の変化の割合を補正する効果を持つことになる

このように、ホールＩＣ６０は、リング状永久磁石２０の回転角度に応じて変化する内側集磁ヨーク４０のギャップ４３を通過する磁束の量と、内側集磁ヨーク４０を通過する磁束の量の総和とを反映した出力を与えることになる。
したがって、内側集磁ヨーク４０の周方向に変化する高さ（Ｈ２、Ｈ３）の値を、実験測定により適宜決定することにより、直線性の向上した出力が得られるようになる。
さらに、リング状永久磁石の回転角度が大きくなって、ホールＩＣ６０を通過する磁束の量が多くなっても、内側集磁ヨーク４０を通過する磁束の総和が少なくなるので、ホールＩＣ６０を通過する磁束の変化割合が相対的に小さくなることがない。よって、リング状永久磁石の回転角度が大きくなっても磁束の変化を捉えることができるようになる。

以下、図７を参照して、実施例にかかる回転角度検出センサの効果を、回転角度検出センサ２００による比較例と対比して説明する。

ここで、回転角度検出センサ２００との比較に用いた実施例にかかる回転角度検出センサの各部は、以下のような構成を有する（図７の（ａ）参照）。
リング状永久磁石２０は、等方性のネオジムボンド磁石（ネオジム、鉄、ボロン粉末をＰＰＳ樹脂で成形したもの）であり、内径：１５．２ｍｍ、外径：１９．６ｍｍ、軸方向後高さ（Ｈ１）：６．０ｍｍ、径方向幅（Ｗ３）：２．２ｍｍ、最大表面磁束密度：１００ｍＴである。
バックヨーク３０は、内径：１３．２ｍｍ、外径：１５．２ｍｍ、軸方向後高さ：６．０ｍｍ、径方向幅（Ｗ４）：１．０ｍｍである。
内側集磁ヨーク４０は、内径：２２．０ｍｍ、外径：３０．０ｍｍ、軸方向最大高さ（Ｈ３）：６．０ｍｍ、軸方向最小高さ（Ｈ２）：３．３ｍｍ、径方向幅（Ｗ１）：４．０ｍｍ、両端切落量：０．８５ｍｍである。
外側集磁ヨーク５０は、内径：３２．０ｍｍ、外径：３６．０ｍｍ、軸方向高さ（Ｈ４）：７．０ｍｍ、径方向幅（Ｗ２）：２．０ｍｍ、両端切落量：０．５ｍｍである。

なお、リング状永久磁石２０と内側集磁ヨーク４０との間隔Ｇ１は１．２ｍｍ、内側集磁ヨーク４０と外側集磁ヨーク５０との間隔Ｇ２は１．０ｍｍ、第１内側集磁ヨーク４１と第２内側集磁ヨーク４２との間隔Ｇ３は１．７ｍｍ、そして第１外側集磁ヨーク５１と第２外側集磁ヨーク５２との間隔Ｇ４は１．０ｍｍである。

一方、比較例にかかる回転角度検出センサ２００は、以下のような構成を有する。
リング状永久磁石２０３は、等方性のネオジムボンド磁石（ネオジム、鉄、ボロン粉末をＰＰＳ樹脂で成形したもの）であり、内径：１５．２ｍｍ、外径：１９．６ｍｍ、軸方向後高さ：６．０ｍｍ、径方向幅（Ｗ３）：２．２ｍｍ、最大表面磁束密度：１００ｍＴである。
バックヨーク２０２は、内径：１３．２ｍｍ、外径：１５．２ｍｍ、軸方向後高さ：６．０ｍｍ、径方向幅（Ｗ４）：１．０ｍｍである。
集磁ヨーク２０４は、内径：２２．０ｍｍ、外径：３０．０ｍｍ、軸方向高さ：６．０ｍｍ、径方向幅（Ｗ１）：４．０ｍｍ、両端切落量：０．８５ｍｍである。
なお、リング状永久磁石２０３と集磁ヨーク２０４との間隔Ｇ１は１．２ｍｍ、集磁ヨーク２０４の間隔Ｇ３は１．７ｍｍである。

図８は実施例にかかる回転角度検出センサの出力特性を説明する図であり、図９は、比較例にかかる回転角度検出センサの出力特性を説明する図である。
なお、図８および図９において、（ａ）は、回転角度と出力電圧との関係を示すグラフであり、（ｂ）は、回転角度と直線性誤差との関係を示すグラフである。

実施例にかかる回転角度検出センサの出力特性と比較例にかかる回転角度検出センサの出力特性とを比較するために、直線性誤差（％ＦＳ）とヒステリシス（％ＦＳ）を比較した。

ここで、直線性誤差（％ＦＳ）は、理想直線と実際の測定値とのズレ量を意味し、下記式（２）に基づき算出される。
直線性誤差（％ＦＳ）＝（（測定値−理想値）／電源電圧）×１００ ・・・（２）

理想直線とは、全体として２極構造であるリング状永久磁石２０のＮ極とＳ極を結ぶ線（各磁石半円部２０ａ、２０ｂの端同士の対向面を結ぶ線に対して直角の直径線）が第１内側集磁ヨーク４１と第２内側集磁ヨーク４２との間のホールＩＣ６０を配置したギャップ４３を通るときのリング状永久磁石２０の位置を回転角度０ｄｅｇとし、図８の（ａ）に示すように、回転角度−４５．０ｄｅｇ〜４５．０ｄｅｇを検出範囲とするとき、ホールＩＣ６０の出力電圧が０．３Ｖ（−４５．０ｄｅｇ）と４．７Ｖ（４５．０ｄｅｇ）を結ぶ線を意味する。

また、ヒステリシス（％ＦＳ）は、検出角度範囲内（回転角度−４５．０ｄｅｇ〜４５．０ｄｅｇの範囲）での往路と復路における出力電圧の最大ズレ量を意味し、下記式（３）に基づき算出される。
ヒステリシス（％ＦＳ）＝（（往路出力値−復路出力値）／電源電圧）×１００ ・・・（３）

図９に示す比較例の場合、直線性誤差が±１．４６％ＦＳとなり、ヒステリシスが０．１８％ＦＳとなった。一方、図８に示す実施例にかかる回転角度検出センサでは、直線性誤差が±０．７８％ＦＳとなり、ヒステリシスが０．１０％ＦＳとなった。
よって、実施例にかかる回転角度検出センサの方が、比較例のものよりも、直線性（出力精度）とヒステリシスが優れていることが確認された。

図１０は、回転角度検出センサのロータ１０の回転軸が偏心した場合の出力特性を示す図であり、（ａ）は、回転角度と直線性誤差との関係を示すグラフであり、（ｂ）は、回転軸の偏心方向を説明する図である。

図１０の（ａ）において符号ａは、ロータ１０の回転中心がロータ１０の中央に位置する、すなわち回転軸が偏心していない場合の出力特性を示し、符号ｂは、ロータの回転中心が、外側集磁ヨーク５０のギャップ５４の方向（Ｙプラス方向）に、０．３５ｍｍ偏心した場合の出力特性を示し、符号ｃは、ロータの回転中心が、内側集磁ヨーク４０のギャップ４３の方向（Ｘマイナス方向）に０．３５ｍｍ偏心した場合の出力特性を、それぞれ示している。ここで、０．３５ｍｍという偏心量は、リング状永久磁石２０と内側集磁ヨーク４０との間の間隔Ｇ１の約３０％に相当する。
図１０の（ａ）に示すように、ロータ１０の回転中心の位置の偏心量が、間隔Ｇ１の約３０％に相当する場合でも、直線性誤差は±１．０％ＦＳの範囲内に収まることが判る。
よって、実施例にかかる回転角度検出センサは、ロータ１０の回転軸の偏心の影響を受け難いセンサであることが確認された。

図１１は、回転角度検出センサに対して外部から磁束が印加された場合の出力特性を示す図であり、（ａ）は、回転角度と直線性誤差との関係を示すグラフであり、（ｂ）は、外部磁束の印加方向を説明する図である。

図１１の（ａ）において符号ａは、外部磁束を印可しない場合の出力特性を示し、符号ｂは、外側集磁ヨーク５０のギャップ５４の方向（Ｙプラス方向）から、ロータ１０の回転中心の方向に向けて、１．５ｍＴの平行磁束を印加した場合の出力特性を示している。
図１１の（ａ）に示すように、外部磁束を印可した場合でも、出力変動が０．７％ＦＳ以内に収まることが判る。
よって、実施例にかかる回転角度検出センサは、外部磁束の影響を受けにくいセンサであることが確認された。

以上の通り、本実施例では、回転角度の検出対象であるシャフト（図示せず）と一体に回転可能で、周方向に沿って磁極が変化するリング状永久磁石２０と、リング状永久磁石２０の外周面を、一定間隙をおいて囲むリング状の内側集磁ヨーク４０と、内側集磁ヨーク４０の外周面を、一定間隔をおいて囲むリング状の外側集磁ヨーク５０と、内側集磁ヨーク４０に形成されたギャップ４３に配置されたホールＩＣ６０とを有し、内側集磁ヨーク４０の軸方向高さを、ギャップ４３、４４から離れるにつれて高くなるように、周方向に沿って変化させた構成の非接触式回転角度検出センサとした。
これにより、リング状永久磁石２０の回転に応じて、ギャップ４３、４４を通過する磁束の量とギャップ４３、４４を通過しない磁束の量の割合が変化すると共に、内側集磁ヨーク４０の高さの変化により、内側集磁ヨーク４０を流れる磁束量の総和も変化する。
よって、ホールＩＣ６０の出力は、この２つの変化を受けるので、内側集磁ヨーク４０の周方向に変化する高さ（Ｈ２、Ｈ３）を適宜決定することで、回転角度に対する信号出力の高い直線性を得ることができる。
さらに、直線性の向上により、実用になる検出角度範囲が拡大する。また、リング状永久磁石２０と内側集磁ヨーク４０との離間距離Ｇ１は一定であるから、リング形状を楕円形にする場合や離間距離を変化させる場合とは異なり、製造上のバラツキのおそれもなく安定した品質が確保される。

さらに、リング状永久磁石２０は、一本の直径線に対して平行に磁化されて、全体として径方向にＮ極とＳ極を有する構成の磁石とした。
これにより、リング状永久磁石２０として、安価で加工性に優れた等方性磁石を採用できるので、製品としてのコストを低くすることができる。

また、内側集磁ヨーク４０のギャップ４３、４４は、リング状の集磁ヨークを直径線に沿って分割して得られる２つの集磁ヨーク半円部の周方向対向面を切り落として形成される第１内側集磁ヨーク４１と第２内側集磁ヨーク４２の間に形成される構成とした。
これにより、周方向１８０°の位置にギャップ４３、４４が位置するので、これらギャップ４３、４４の各々にホールＩＣ等を配置すると、同相あるいは逆相の信号出力を必要に応じて取り出すことができる。

さらに外側集磁ヨーク５０には、ギャップ５３、５４が形成されており、これらギャップ５３、５４は、リング状の集磁ヨークを直径線に沿って分割して得られる２つの集磁ヨーク半円部の周方向対向面を切り落として形成される第１外側集磁ヨーク５１と第２外側集磁ヨーク５２の間に形成される構成とし、ギャップ４３、４４と、ギャップ５３、５４とは、軸方向から見て互いに周方向にオフセットした位置に設けられている構成とした。
これにより、固定側ヨークを、内側集磁ヨーク４０と外側集磁ヨーク５０とにより構成される２重系としたので、リング状永久磁石２０側から見て、固定側ヨークに切れ目が存在しない。よって、リング状永久磁石２０の外径方向への漏れ磁束を抑えることができると共に、ロータ１０の回転軸が偏心した場合における回転角度検出センサの出力変化が低減する。
さらに、外側集磁ヨーク５０が、外部磁場の影響が回転角度検出センサの出力に影響するのを防止する磁気シールドとしても機能するので、外部から磁束が印加された場合の出力変化も低減する。

また、内側集磁ヨーク４０は、軸方向における一方の面を平坦面とし、他方の面を傾斜面とすることで、軸方向高さを周方向に沿って変化させており、内側集磁ヨーク４０の軸方向最大高さは、リング状永久磁石２０の軸方向高さと同じ高さに設定されている構成とした。
これにより、リング状永久磁石２０の回転に応じて、内側集磁ヨーク４０から外側集磁ヨーク５０を経て流れる磁束量が変化して、内側集磁ヨーク４０を流れる磁束量の総和が変化するので、内側集磁ヨーク４０の周方向に変化する高さ（Ｈ２、Ｈ３）の値を、実験測定により適宜決定することにより、直線性の向上した出力が得られるようになる。

さらに、外側集磁ヨーク５０の軸方向高さ（Ｈ４）は、全周にわたって一定であり、リング状永久磁石２０の軸方向高さや、内側集磁ヨーク４０の軸方向最大高さ（Ｈ３）よりも高く設定されている構成とした。
これにより、漏れ磁束の一部を外側集磁ヨーク５０が吸収するので、ヒステリシスが低減する。

また、リング状永久磁石２０と内側集磁ヨーク４０との離間距離Ｇ１と、内側集磁ヨーク４０と外側集磁ヨーク５０との離間距離Ｇ２とは、Ｇ２／Ｇ１の値が２以下（ここで、Ｇ２＞０）となるように設定されている構成とした。
これにより、内側集磁ヨーク４０から外側集磁ヨーク５０を経由する磁束量が、リング状永久磁石２０の回転に応じて変化して、リング状永久磁石２０を流れる磁束の量の総和が変化するので、出力精度の補正の効果が適切に得られるようになる。

上記した実施例では、内側集磁ヨーク４０の軸方向高さが、ギャップ４３、４４から離れるにつれて高くなるように周方向に沿って変化している場合を例に挙げて説明をした。
しかし、リング状永久磁石２０の回転角度に応じて、内側集磁ヨーク４０を通過する磁束の総和を適切に調整できる限り、内側集磁ヨーク４０の軸方向高さが、ギャップ４３、４４から離れるにつれて低くなるように周方向に沿って変化するようにしても良い。

実施例にかかる非接触型の回転角度検出センサの分解斜視図である。 実施例にかかる非接触型の回転角度検出センサを説明する図である。 実施例にかかる非接触型の回転角度検出センサを説明する図である。 実施例にかかる回転角度検出センサのリング状永久磁石を示す図である。 実施例にかかる回転角度検出センサの内側集磁ヨークを説明する図である。 実施例にかかる回転角度検出センサにおける磁束の流れを説明する図である。 実施例と比較例にかかる回転角度検出センサを説明する図である。 実施例にかかる回転角度検出センサの出力特性を説明する図である。 比較例にかかる回転角度検出センサの出力特性を説明する図である。 実施例にかかる回転角度検出センサの出力特性を説明する図である。 実施例にかかる回転角度検出センサの出力特性を説明する図である。 従来例にかかる回転角度検出センサを説明する図である。

符号の説明

１０ ロータ
１２ 磁石保持部
２０ リング状永久磁石
３０ バックヨーク
４０ 内側集磁ヨーク（第１ヨーク）
４１ 第１内側集磁ヨーク（第１ヨーク半円部）
４２ 第２内側集磁ヨーク（第１ヨーク半円部）
４３、４４ ギャップ
５０ 外側集磁ヨーク（第２ヨーク）
５１ 第１外側集磁ヨーク（第２ヨーク半円部）
５２ 第２外側集磁ヨーク（第２ヨーク半円部）
５３、５４ ギャップ
６０ ホールＩＣ（磁気感応素子）

Claims (9)

1. 被検出体と一体に回転可能で、周方向に沿って磁極が変化するリング状永久磁石と、
   前記リング状永久磁石の外周面を、一定間隙をおいて囲むリング状の第１ヨークと、
   前記第１ヨークの外周面を、一定間隔をおいて囲むリング状の第２ヨークと、
   前記第１ヨークに形成されたギャップに配置された磁気感応素子とを有し、
   前記第１ヨークの軸方向高さを周方向に沿って変化させた
   ことを特徴とする非接触式回転角度検出センサ。
2. 前記第２ヨークにはギャップが形成されており、
   前記第１ヨークのギャップと前記第２ヨークのギャップとは、軸方向から見て互いに周方向にオフセットした位置に設けられている
   ことを特徴とする請求項１に記載の非接触式回転角度検出センサ。
3. 前記リング状永久磁石は、一本の直径線に対して平行に磁化されて、全体として径方向にＮ極とＳ極を有する
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の非接触式回転角度検出センサ。
4. 前記第１ヨークのギャップは、前記リング状の第１ヨークを直径線に沿って分割して得られる２つの第１ヨーク半円部の周方向対向面を切り落として形成される
   ことを特徴とする請求項１から請求項３のうちの何れか一項に記載の非接触式回転角度検出センサ。
5. 前記第２ヨークのギャップは、前記リング状の第２ヨークを直径線に沿って分割して得られる２つの第２ヨーク半円部の周方向対向面を切り落として形成される
   ことを特徴とする請求項１から請求項４のうちの何れか一項に記載の非接触式回転角度検出センサ。
6. 前記第１ヨークは、軸方向における一方の面を平坦面とし、他方の面を傾斜面とすることで、軸方向高さを周方向に沿って変化させており、
   前記第１ヨークの軸方向最大高さは、前記リング状永久磁石の軸方向高さと同じ高さに設定されている
   ことを特徴とする請求項１から請求項５のうちの何れか一項に記載の非接触式回転角度検出センサ。
7. 前記第２ヨークの軸方向高さは、全周にわたって一定であり、前記リング状永久磁石の軸方向高さよりも高く設定されている
   ことを特徴とする請求項１から請求項６のうちの何れか一項に記載の非接触式回転角度検出センサ。
8. 前記第２ヨークの軸方向高さは、前記リング状永久磁石の軸方向高さと前記前記第１ヨークの軸方向最大高さよりも高く設定されている
   ことを特徴とする請求項１から請求項７のうちの何れか一項に記載の非接触式回転角度検出センサ。
9. 前記リング状永久磁石と前記第１ヨークとの離間距離Ｇ１と、前記第１ヨークと前記第２ヨークとの離間距離Ｇ２とは、Ｇ２／Ｇ１の値が２以下となるように設定されている
   ことを特徴とする請求項１から請求項８のうちの何れか一項に記載の非接触式回転角度検出センサ。

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