JP6954139B2 - 回転角度検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、回転角度検出装置に関する。

従来、回転体と共に回転する磁石に対して径方向外側に磁気検出部を設け、その磁場の接線方向磁束成分と径方向磁束成分とを検出し、それらの検出値に基づき回転体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。特許文献１では、接線方向磁束成分を検出する検出素子と、径方向磁束成分を検出する検出素子とが設けられている。

特表２００９−５１６１８６号公報

特許文献１の回転角度検出装置では、磁石の外側の磁場において、径方向磁束成分と比べて接線方向磁束成分が格段に小さくなる。そのため、接線方向用の磁気素子の出力信号をゲイン調整するための電子回路が必要となり、構成が複雑になる。また、ゲインを上げることでノイズが多くなり、検出精度が低下する。

本発明は、上述の点に鑑みてなされたものであり、その目的は、構成が簡素であり、また、検出精度が向上した回転角度検出装置を提供することである。

本発明の回転角度検出装置は、磁石（１２）、磁性部（１３、３１、４１、５１）および磁気検出部（１４、３２）を備えている。磁石は、回転体の回転軸心（ＡＸ）に垂直な径方向に配置された極を有し、回転体と共に回転する。磁性部は、磁石に対する径方向外側にリング状に配置され、周方向の複数箇所にギャップ（１７、１８、３５、３６、４５、４６、５５、５６）を設けている。磁気検出部は、複数のギャップのうちの１つの特定ギャップ（１７、３５、４５、５５）に配置され、磁場の接線方向磁束成分および径方向磁束成分を検出する。磁気検出部による接線方向磁束成分の検出感度と径方向磁束成分の検出感度との比を感度比（α）とし、磁気検出部の配置箇所における磁場の接線方向磁束成分の最大値と径方向磁束成分の最大値との比を磁束成分比（β）とすると、磁気検出部が特定ギャップの径方向中央に位置する場合と比べて、磁束成分比と感度比の逆比との差が小さくなるように磁気検出部と磁石との径方向距離（ｄ）が調整されている。

そのため、磁気検出部の検出値に対応するＳｉｎ波形信号およびＣｏｓ波形信号に基づきアークタンジェント演算を行うことで、回転体の３６０°の回転角度を算出することができる。

また、磁石の周りにリング状の磁性部が配置され、磁性部の特定ギャップに磁気検出部が配置されることで、磁気検出部が検出する接線方向磁束成分と径方向磁束成分とのバランスを最適化することができる。つまり、接線方向磁束成分と径方向磁束成分との比が所望の値になるように設計することができる。そのため、一方の磁束成分に基づく出力信号のゲインを上げる必要がなくなり、ゲイン調整するための電子回路が必要なくなる。また、ゲインを上げないため、ノイズの増加に起因する検出精度低下が生じない。したがって、回転角度検出装置の構成が簡素になり、また、検出精度が向上する。

第１実施形態の回転角度検出装置を概略的に示す模式図である。 第１実施形態の磁気検出部を説明するブロック図である。 第１実施形態において、回転体の回転角度と第１ホール素子の出力信号と関係を示す図である。 第１実施形態において、回転体の回転角度と第２ホール素子の出力信号と関係を示す図である。 第１実施形態において、磁気検出部の径方向位置と径方向磁束成分の最大磁束値との関係、および、磁気検出部の径方向位置と接線方向磁束成分の最大磁束値との関係を示す図である。 第１実施形態において、回転体の回転角度と径方向磁束成分との関係、および、回転体の回転角度と接線方向磁束成分との関係を示す図である。 第２実施形態の回転角度検出装置を概略的に示す模式図である。 第２実施形態において、特定ギャップの接線方向幅と径方向磁束成分の最大磁束値との関係、および、特定ギャップの接線方向幅と接線方向磁束成分の最大磁束値との関係を示す図である。 第１の他の実施形態の回転角度検出装置を概略的に示す模式図である。 第２の他の実施形態の回転角度検出装置を概略的に示す模式図である。

以下、複数の実施形態を図面に基づき説明する。実施形態同士で実質的に同一の構成には同一の符号を付して説明を省略する。装置の構造を示す図面は、構成を分かり易くするために模式的に示している。各部の寸法、角度および寸法比は必ずしも正確なものではない。

［第１実施形態］
第１実施形態の回転角度検出装置１０を図１に示す。回転角度検出装置１０は、回転体１１の回転角度を検出する装置であり、磁石１２、磁性部１３および磁気検出部１４を備えている。磁気検出部１４からの回転角度信号は、外部の図示しないＥＣＵ（Electronic Control Unit）等に伝達される。

以下の説明において、回転体１１の回転軸心ＡＸに垂直な方向のことを「径方向」と記載する。また、回転体１１の横断面において回転軸心ＡＸを中心とする円の接線の方向のことを「接線方向」と記載する。また、回転体１１の回転方向のことを単に「回転方向」と記載する。

磁石１２は、回転体１１の径方向に配置された極を有している。この極は、Ｎ極およびＳ極を含む。第１実施形態では、磁石１２は、回転方向に沿う円弧状の第１磁石部１５および第２磁石部１６から構成されている。Ｎ極とＳ極は、第１磁石部１５および第２磁石部１６の板厚方向に配置されている。第１磁石部１５は、回転体１１の一方の側面に固定されている。第２磁石部１６は、回転体１１の他方の側面に固定されている。磁石１２は、回転体１１と共に回転する。

磁性部１３は、磁石１２の周り、すなわち磁石１２に対する径方向外側にリング状に配置され、周方向の複数箇所にギャップ１７、１８を設けている。磁性部１３は、磁石１２に対して径方向に離間して配置されている。磁石１２と磁性部１３との間には、環状の隙間１９が設けられている。第１実施形態では、磁性部１３は、回転方向に沿う円弧状の第１磁性体２１および第２磁性体２２から構成されている。第１磁性体２１は、磁石１２に対して径方向一方側に配置されている。第２磁性体２２は、磁石１２に対して第１磁性体２１とは反対側に設けられている。第１磁性体２１の周方向一方の端部２３と第２磁性体２２の周方向他方の端部２４との間にはギャップ１７が形成されている。また、第１磁性体２１の周方向他方の端部２５と第２磁性体２２の周方向一方の端部２６との間にはギャップ１８が形成されている。磁性部１３は、例えば図示しない固定部材などに一体に保持される。

第１磁性体２１および第２磁性体２２は、回転軸心ＡＸに対して点対称に配置されている。また、ギャップ１７およびギャップ１８は、回転軸心ＡＸに対して点対称に設けられている。つまり、ギャップ１７およびギャップ１８は、接線方向幅が同じであり、かつ、回転軸心ＡＸを挟んだ正反対位置に位置している。

磁気検出部１４は、ギャップ１７に配置され、磁場の磁束密度の接線方向成分（以下、接線方向磁束成分）および磁束密度の径方向成分（以下、径方向磁束成分）を検出する。ギャップ１７は、複数のギャップ１７、１８のうちの１つの特定のギャップである。以下、ギャップ１７のことを適宜「特定ギャップ１７」と記載する。磁気検出部１４は、磁性部１３と同様に前記固定部材などに一体に保持される。

第１実施形態では、磁気検出部１４は、図２に示すように第１ホール素子２７、第２ホール素子２８、および回転角演算回路２９等を有している。

第１ホール素子２７は、磁気検出部１４の配置箇所の磁場の径方向磁束成分を検出する。第２ホール素子２８は、磁気検出部１４の配置箇所の磁場の接線方向磁束成分を検出する。第１ホール素子２７および第２ホール素子２８は、検出面の向きが互いに９０°異なるように配置されている。図３に示すように、第２ホール素子２８は、接線方向磁束成分に基づく出力信号Ｓｙを出力する。出力信号ＳｙはＳｉｎ波形信号である。図４に示すように、第１ホール素子２７は、径方向磁束成分に基づく出力信号Ｓｘを出力する。出力信号ＳｘはＣｏｓ波形信号である。Ｓｉｎ波形信号とＣｏｓ波形信号は、互いに９０°の位相差を有する信号である。

ここで、図１に示す所定の基準位置Ｐ１から磁気検出部１４までの径方向距離ｘと、磁気検出部１４の配置箇所における磁束成分の最大値（以下、最大磁束値Ｂ）との関係について説明する。基準位置Ｐ１は、磁性部１３に外接する仮想円Ｃｖ１上であって、特定ギャップ１７の接線方向幅ｗの中央位置である。特定ギャップ１７の接線方向幅ｗは、例えば５．５ｍｍである。特定ギャップ１７の接線方向幅ｗは、基準位置Ｐ１から内側位置Ｐ２までで例えば５．５ｍｍである。内側位置Ｐ２は、磁性部１３に外接する仮想円Ｃｖ２上であって、特定ギャップ１７の接線方向幅ｗの中央位置である。最大磁束値Ｂは、回転体１１の回転角度が３６０°変化する中で磁束成分が最大となる値である。「径方向距離ｘを調整すること」は、言い換えれば、「磁気検出部１４と磁石１２との径方向距離ｄを調整すること」に等しい。

図５に示すように、径方向距離ｘが０から５．０まで大きくなるに従って、径方向磁束成分の最大磁束値Ｂｘ_maxは指数関数的に大きくなる。一方、径方向距離ｘが０から５．０まで大きくなる間、接線方向磁束成分の最大磁束値Ｂｙ_maxはあまり変化しない。つまり、最大磁束値Ｂｙ_maxは、非常に緩やかに増えるか又は変化しないかである。

図１に戻って、第１ホール素子２７は横型ホール素子である。第２ホール素子２８は、横型ホール素子と比べて感度が低い縦型ホール素子である。第１ホール素子２７による径方向磁束成分の検出感度と第２ホール素子２８による接線方向磁束成分の検出感度との比を感度比αとすると、第１実施形態では、感度比αは「３：１」である。また、磁気検出部１４は、特定ギャップ１７の接線方向幅ｗの中央位置であって、径方向距離ｘ＝２．０となる位置に配置されている。最大磁束値Ｂｘ_maxと最大磁束値Ｂｙ_maxとの比を磁束成分比βとすると、図５、図６に示すように磁束成分比βは「１：３」である。これにより、磁気検出部１４が特定ギャップ１７の径方向中央（径方向距離ｘ＝２．７５）に位置する場合と比べて、磁束成分比βと感度比αの逆比との差が小さくなるように磁気検出部１４と磁石１２との径方向距離ｄが調整されている。特に、第１実施形態では、磁束成分比βと感度比αの逆比とが一致するように径方向距離ｄが調整されている。

上述のような径方向距離ｄの調整による「磁束成分比βと感度比αの逆比との一致」により、出力信号Ｓｙの振幅は、出力信号Ｓｘの振幅と同じになる（図３、図４参照）。回転角演算回路２９は、これらの出力信号Ｓｙおよび出力信号Ｓｘに基づきアークタンジェント演算を行い、回転体１１の３６０°の回転角度を算出する。

（効果）
以上説明したように、第１実施形態では、回転角度検出装置１０は、磁石１２、磁性部１３および磁気検出部１４を備えている。磁石１２は、回転体１１の回転軸心ＡＸに垂直な径方向に配置された極を有し、回転体１１と共に回転する。磁性部１３は、磁石１２に対する径方向外側にリング状に配置され、周方向の複数箇所にギャップ１７、１８を設けている。磁気検出部１４は、複数のギャップ１７、１８のうちの１つの特定ギャップ１７に配置され、磁場の接線方向磁束成分および径方向磁束成分を検出する。

そのため、磁気検出部１４の検出値に対応するＳｉｎ波形信号およびＣｏｓ波形信号に基づきアークタンジェント演算を行うことで、回転体１１の３６０°の回転角度を算出することができる。

また、磁石１２の周りにリング状の磁性部１３が配置され、磁性部１３の特定ギャップ１７に磁気検出部１４が配置されることで、磁気検出部１４が検出する接線方向磁束成分と径方向磁束成分とのバランスを最適化することができる。つまり、接線方向磁束成分と径方向磁束成分との比が所望の値になるように設計することができる。そのため、一方の磁束成分に基づく出力信号のゲインを上げる必要がなくなり、ゲイン調整するための電子回路が必要なくなる。また、ゲインを上げないため、ノイズの増加に起因する検出精度低下が生じない。したがって、回転角度検出装置１０の構成が簡素になり、また、検出精度が向上する。

また、第１実施形態では、磁気検出部１４は、磁場の径方向磁束成分を検出する第１ホール素子２７と、磁場の接線方向磁束成分を検出する第２ホール素子２８とを有する。第１ホール素子２７は横型ホール素子である。第２ホール素子２８は、横型ホール素子と比べて感度が低い縦型ホール素子である。これにより、感度比αは、磁気検出部１４の配置箇所の磁気特性から得られる磁束成分比βに適合したものとなる。

また、第１実施形態では、磁気検出部１４が特定ギャップ１７の径方向中央に位置する場合と比べて、磁束成分比βと感度比αの逆比との差が小さくなるように磁気検出部１４と磁石１２との径方向距離ｄが調整されている。特に、第１実施形態では、磁束成分比βと感度比αの逆比とが一致するように径方向距離ｄが調整されている。これにより、検出精度をより一層向上させることができる。

［第２実施形態］
第２実施形態では、図７に示すように、回転角度検出装置３０は、磁石１２、磁性部３１および磁気検出部３２を備えている。磁性部３１は、円弧状の第１磁石部３３および第２磁石部３４から構成されており、ギャップ３５、３６を設けている。ギャップ３５（以下、特定ギャップ３５）には磁気検出部３２が設けられている。

ここで、特定ギャップ３５の接線方向幅ｗと、磁気検出部３２の配置箇所における最大磁束値Ｂとの関係について説明する。径方向距離ｘは、例えば２．５ｍｍである。図８に示すように、接線方向幅ｗが１．５から７．５まで大きくなるに従って、接線方向磁束成分の最大磁束値Ｂｙ_maxは小さくなる。一方、接線方向幅ｗが１．５から７．５まで大きくなるに従って、径方向磁束成分の最大磁束値Ｂｘ_maxは大きくなる。

図７に戻って、第２実施形態では、感度比αは「３：１」である。また、接線方向幅ｗが４．２であり、図８に示すように磁束成分比βは「１：３」である。これにより、特定ギャップ３５の接線方向幅ｗが必要最小幅である場合と比べて、磁束成分比βと感度比αの逆比との差が小さくなるように特定ギャップ３５の接線方向幅ｗが調整されている。必要最小幅とは、磁気検出部１４を設けるために必要な空間の接線方向の最小幅のことである。特に、第２実施形態では、磁束成分比βと感度比αの逆比とが一致するように特定ギャップ３５の接線方向幅ｗが調整されている。

上述のような接線方向幅ｗの調整による「磁束成分比βと感度比αの逆比との一致」により、第１実施形態と同様に、出力信号Ｓｙの振幅は出力信号Ｓｘの振幅と同じになる。

（効果）
以上説明したように、第２実施形態においても、磁石１２に対する径方向外側にリング状の磁性部３１が設けられている。磁気検出部３２は、複数のギャップ３５、３６のうちの１つの特定ギャップ３５に配置され、磁場の接線方向磁束成分および径方向磁束成分を検出する。したがって、第１実施形態と同様に、回転角度検出装置１０の構成が簡素になり、また、検出精度が向上する。

また、第２実施形態においても、磁気検出部３２の第１ホール素子２７は横型ホール素子であり、第２ホール素子２８は縦型ホール素子である。したがって、第１実施形態と同様に、感度比αは、磁気検出部３２の配置箇所の磁気特性から得られる磁束成分比βに適合したものとなる。

また、第２実施形態では、特定ギャップ３５の接線方向幅ｗが必要最小幅である場合と比べて、磁束成分比βと感度比αの逆比との差が小さくなるように特定ギャップ３５の接線方向幅ｗが調整されている。特に、第２実施形態では、磁束成分比βと感度比αの逆比とが一致するように特定ギャップ３５の接線方向幅ｗが調整されている。これにより、検出精度をより一層向上させることができる。

［他の実施形態］
他の実施形態では、磁気検出部の径方向距離および特定ギャップの接線方向幅は、適宜変更可能である。径方向距離および接線方向幅の両方を変えながら、磁気検出部が検出する接線方向磁束成分と径方向磁束成分とのバランスを最適化してもよい。また、他の実施形態では、磁気検出部は、特定ギャップの接線方向幅の中央位置から外れた位置に設けられてもよい。

例えば、他の実施形態では、図５において径方向距離ｘ＝３．６ｍｍとすることで磁束成分比βを「１：１」とするとともに、感度比αを「１：１」に設計してもよい。また、他の実施形態では、図５において径方向距離ｘ＝５．０ｍｍとすることで磁束成分比βを「２：１」とするとともに、感度比αを「１：２」に設計してもよい。

他の実施形態では、磁性部の各ギャップの接線方向幅は、同じでなくてもよい。例えば、図９に示すように、回転角度検出装置４０の磁性部４１は、第１磁石部４３および第２磁石部４４を有する。特定ギャップ４５は、他のギャップ４６よりも大きい。一方、他の実施形態では、逆に、特定ギャップが他のギャップよりも小さくてもよい。

他の実施形態では、磁性部の各ギャップは、回転軸心に対して点対称に設けられなくてもよい。例えば、図１０に示すように、回転角度検出装置５０の磁性部５１は、第１磁石部５３および第２磁石部５４を有する。他のギャップ５６は、特定ギャップ５５に対して、回転軸心ＡＸを挟んだ正反対位置から外れた位置に設けられている。

他の実施形態では、磁石は、２つの磁石部に限らず、１つの磁石部、或いは３つ以上の磁石部から構成されてもよい。また、各磁石部の配置および着磁は、前述のものに限らない。要するに、磁石は、回転体の回転軸心に垂直な径方向に配置された極を有するものであればよい。

他の実施形態では、回転角演算回路は、磁気検出部ではなく、その外部に設けられてもよい。また、他の実施形態では、磁気検出部は、ホール素子に限らず、ＭＲ素子等の他の磁気センサを用いてもよい。また、他の実施形態では、磁気検出部は、１つの素子で接線方向磁束成分と径方向磁束成分とを検出してもよい。

本発明は、上述した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で種々の形態で実施可能である。

１０、３０、４０、５０・・・回転角度検出装置
１１・・・回転体
１２・・・磁石
１３、３１、４１、５１・・・磁性部
１４、３２・・・磁気検出部
１７、１８、３５、３６、４５、４６、５５、５６・・・ギャップ
１７、３５、４５、５５・・・特定ギャップ
ＡＸ・・・回転軸心

Claims (5)

1. 回転体（１１）の回転角度を検出する回転角度検出装置であって、
   前記回転体の回転軸心（ＡＸ）に垂直な径方向に配置された極を有し、前記回転体と共に回転する磁石（１２）と、
   前記磁石に対する径方向外側にリング状に配置され、周方向の複数箇所にギャップ（１７、１８、３５、３６、４５、４６、５５、５６）を設けている磁性部（１３、３１、４１、５１）と、
   複数の前記ギャップのうちの１つの特定ギャップ（１７、３５、４５、５５）に配置され、磁場の接線方向磁束成分および径方向磁束成分を検出する磁気検出部（１４、３２）と、
   を備え、
   前記磁気検出部による接線方向磁束成分の検出感度と径方向磁束成分の検出感度との比を感度比（α）とし、
   前記磁気検出部の配置箇所における磁場の接線方向磁束成分の最大値と径方向磁束成分の最大値との比を磁束成分比（β）とすると、
   前記磁気検出部が前記特定ギャップの径方向中央に位置する場合と比べて、前記磁束成分比と前記感度比の逆比との差が小さくなるように前記磁気検出部と前記磁石との径方向距離（ｄ）が調整されている回転角度検出装置。
2. 前記磁気検出部は、
   磁場の径方向磁束成分を検出する横型ホール素子（２７）と、
   前記横型ホール素子と比べて感度が低く、磁場の接線方向磁束成分を検出する縦型ホール素子（２８）と、
   を有する請求項１に記載の回転角度検出装置。
3. 前記磁束成分比と前記感度比の逆比とが一致するように前記磁気検出部と前記磁石との径方向距離が調整されている請求項１または２に記載の回転角度検出装置。
4. 前記磁気検出部を設けるために必要な空間の接線方向の最小幅を必要最小幅とすると、
   前記特定ギャップの接線方向幅（ｗ）が前記必要最小幅である場合と比べて、前記磁束成分比と前記感度比の逆比との差が小さくなるように前記特定ギャップの接線方向幅が調整されている請求項１〜３のいずれか一項に記載の回転角度検出装置。
5. 前記磁束成分比と前記感度比の逆比とが一致するように前記特定ギャップの接線方向幅が調整されている請求項４に記載の回転角度検出装置。

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