CN103403500B - 旋转角度检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种在较广的角度范围内可得到高精度检测结果的旋转角度检测装置。旋转角度检测装置（1）具有被检测部（4）与霍尔IC（5），前者通过转子（3）安装在节流阀轴（S）上，后者检测被检测部（4）的磁通量成分。霍尔IC（5）具有与被检测部（4）相对配置并沿着被检测部（4）的旋转面延伸的集磁板（51），和用于检测被检测部（4）的磁通量成分的霍尔元件（52），基于霍尔元件（52）上的检查结果，输出对应节流阀轴（S）旋转位置的信号。霍尔元件（52a）、（52c）用来检测通过节流阀轴（S）旋转轴的X轴方向的磁通量成分，霍尔元件（52b）、（52d）用来检测通过节流阀轴（S）旋转轴的Y轴方向的磁通量成分。被检测部（41）是在半圆环状的磁铁（42）上组合半圆形的磁轭（41）而构成。

Description

旋转角度检测装置

技术领域

本发明涉及一种旋转角度检测装置，其通过配置在检测轴上的磁感应元件检测由被检测部产生的磁场，根据各磁感应元件的检测结果，确定被检测部的旋转位置。

背景技术

此种旋转角度检测装置在下列专利文献1～2中被公开。专利文献1中的旋转角度检测装置具有形成为圆环状并有轴插入的磁铁，以及配置在从轴的旋转中心沿着轴的旋转面相互正交延伸的各轴线上的磁感应（检测元件）。专利文献2中的角度检测装置具有形成为圆环状并有轴插入的旋转构件、与旋转构件的外周面相对配置的磁盘、配置在轴的轴方向及径方向上相互正交并在磁盘上延伸的各轴线上的检测元件。这些装置，根据各检测元件所检测出的磁变化而确定与磁铁、旋转构件形成一体而旋转的轴的旋转角度。具体而言，根据各轴线（X轴、Y轴）上配置的检测元件所检测出的磁通量密度比，检测旋转角度。将此检测结果与旋转轴成比例进行变换，使其发生直线状变化从而输出检测结果。

专利文献1：日本专利特开2007-263585号公报

专利文献2：日本专利特开2008-292466号公报

发明内容

发明要解决的问题

在专利文献1中公开了如下结构：在与放置磁铁的磁感应器一侧相反的另一侧一端配置了磁轭，同时在轴方向上对磁铁充磁从而提高轴方向的磁力，尽量抑制来自轴方向的外乱磁场的影响。另外，在专利文献2中公开了如下结构：通过计算出一对检测元件的输出电压的差分检测磁通量，从而不受轴方向，即Z轴方向的外乱磁场影响。专利文献2所记载的旋转角度检测装置通过对一对磁感应器的检测信号进行差动演算检测角度，即差动检测。通过差动检测可物理性地抑制轴方向即Z轴方向外乱磁场的影响，从而抑制所谓角度检测时的噪声。因此，对于提高检测精度颇为有效。但是，因为配置在各轴线上的磁感应器即检测元件之间存在特性偏差等，导致从旋转角度检测装置中输出的检测结果如图5（b）所示产生了起伏。使用这种特性的旋转角度检测装置检测旋转角度时，需要避免此种起伏的范围来进行检测，仅能在可得到直线性（linearity）的较小的旋转角度范围内进行检测。

本发明鉴于以上几点，涉及一种通过差动检测检测旋转角度的角度检测方法，目的在于提供一种旋转角度检测装置，扩大可得到输出直线性（linearity）的旋转角度范围，可在更大的旋转范围内检测旋转角度。

解决问题的手段

为了解决这种问题，本发明的旋转角度检测装置的特征在于，具有：被检测部，安装在旋转位置的检测对象上；集磁板，与该被检测部相对配置，具有在所述被检测部的旋转面上平行延伸的感磁面；第1磁感应元件，配置在与该集磁板的感磁面平行延伸、与所述被检测部的旋转轴的轴方向正交的第1检测轴上，检测该第1检测轴延伸方向的磁通量成分；第2磁感应元件，配置在与该第1检测轴交叉、在所述集磁板的感磁面上平行延伸、与所述旋转轴的轴方向正交的第2检测轴上，检测该第2检测轴延伸方向的磁通量成分；信号输出部，根据所述第1磁感应元件及所述第2磁感应元件检测结果，输出与所述检测对象的旋转位置相应的信号，配置所述被检测部时，使得所述被检测部产生的磁场从所述旋转轴偏向所述旋转面的延伸方向。

而且，本发明特征为，所述被检测部由磁铁、磁性体沿所述旋转面的延伸方向并列连接而构成。

并且，本发明特征为，所述磁铁在与所述磁性体连接的边缘部上具有间隙形成部，用来于与所述磁性体之间形成间隙。

再者，本发明特征为，所述被检测部由隔着该被检测部轴心的一侧与另一侧将逆磁极朝向所述旋转面一侧分极而成的磁铁构成，并将所述被检测部的轴心相对所述旋转轴在所述旋转面的延伸方向上错开而配置。

发明效果

根据本发明，使得被检测部产生的磁场偏向被检测部旋转面的延伸方向，使得磁感应元件所检测出的磁通量成分有偏差，从而过滤出磁感应元件之间的偏差即磁通量成分。由此得到了差动检测所致误差较少的检测结果，同时可在较大的旋转角度范围内得到输出直线性即线性。

附图说明

[图1]表示本发明一种实施方式的旋转角度检测装置的剖面图。

[图2]表示旋转角度检测装置的被检测部的斜视图。

[图3]（a）为表示被检测部与霍尔IC位置关系的平面图，（b）为本发明的旋转位置检测装置霍尔IC所检测出的磁通量状态的示意图。

[图4]（a）为以往的旋转位置检测装置霍尔IC所检测出的磁通量状态的示意图。（b）为霍尔IC所检测出的外乱磁场磁通量成分的示意图。

[图5]以往的旋转角度检测装置的检测结果的线性示意图。

[图6]图1的旋转角度检测装置的检测结果的线性示意图。

[图7]表示被检测部变形例的第1幅图。

[图8]表示被检测部变形例的第2幅图。

[图9]表示被检测部变形例的第3幅图。

[图10]表示被检测部变形例的第4幅图。

[图11]表示被检测部变形例的第5幅图。

具体实施方式

下面参照附图，对本发明的一种实施方式进行说明。图1为表示本实施方式中的旋转角度检测装置的剖面图。并且，在以下的说明中使用的上下各方向表示在用于说明的各图中。此处的上下是为便于说明而设定的，也有与实际配置不同的情况。

如图1所示，旋转角度检测装置1具有安装在节流阀装置的节流阀体（未图示）上的外罩2、安装在节流阀装置的节流阀轴S上的转子3。

转子3具有安装在节流阀轴S端部的有底圆筒状的转子主体31、形成于转子主体31下端部的收纳部32。转子主体31从嵌合孔30的上端开口部插入节流阀轴S的端部，从而与节流阀轴S相连接。收纳部32的收纳室32a在下面开口，来收纳被检测部4。

外罩2中，收纳转子3的收纳室20在上面开口。在收纳室20里，在被检测部4旋转轴的轴方向上配置了搭载有磁场检测部5的基板50。磁场检测部5包括集磁板51，具有在被检测部4的旋转面上平行延伸的感磁面；以及霍尔元件52，配置在与集磁板51的感磁面平行且与被检测部4的旋转轴的轴方向正交的轴上。磁场检测部5，例如为霍尔IC，从呈四角箱状的主体侧面延伸出多个端子，这些端子连接在基板50的回路上。

如图2所示，被检测部4由作为呈半圆形平板状的磁性体的磁轭41和呈半圆环状形平板状的磁铁42在直线状延伸的端面处相互吸引以紧密状态构成，沿着旋转面的延伸方向即所谓与被检测部4的旋转轴交叉的方向，通过磁力而吸引连接在一起。磁轭41只要是磁性体即可，但最好是导磁率高的构件。本实施方式中，使用铁材料作为磁轭41。在磁轭41和磁铁42之间，通过形成于磁铁42的直线状边缘部的间隙形成部42a，形成间隙。配置收纳在收纳室32a中的被检测部4时，被检测部4的轴心与节流阀轴S的轴心一致，随着节流阀轴S的旋转，以被检测部4的轴心为中心进行旋转。

如图3所示，在磁场检测部霍尔IC5上设有作为磁感应元件的霍尔元件52a～52d这四个霍尔元件52。以下说明中使用的X轴方向及Y轴方向，如图3所示，是为了便于说明而设定的，也可能与实际配置不同。而且，在霍尔IC5上搭载有集磁板51，在被检测部4的旋转面上呈现出平行的圆板状感磁面。霍尔元件52a～52d以集磁板51的中心O为中心配置成环状，霍尔元件52a～52d的中心部位于集磁板51的周边边缘。霍尔元件52a、52c夹着中心O而相对配置，离中心O相互留出相等的间隔，排列在Y轴方向即第1检测轴或第2检测轴上。霍尔元件52b、52d夹着中心O而相对配置，离中心O相互留出相等的间隔，排列在X轴方向即第2检测轴或第1检测轴上。配置霍尔元件IC5时，将集磁板51的上面朝向被检测部4的下面而相对配置，使得集磁板51的中心O与被检测部4的旋转轴一致。

接下来，就霍尔IC5的检测方法进行说明。图4（a）表示施加给以往的旋转角度检测装置的霍尔IC5的磁通量状态。如图4（a）所示，霍尔IC5通过集磁板51将所施加的磁通量X轴的延伸方向的X成分Bx、Y轴延伸方向的Y成分By变换成被检测部4旋转轴方向的Z成分检测，与所施加的磁通量Z轴方向（旋转轴的轴方向）的Z成分Bz（Bz1、Bz2）一起，在一边的霍尔元件52和另一边的霍尔元件52处分别作为磁通量成分B1和磁通量成分B2来进行检测。因此，磁通量成分B1、B2如下所示：

B1＝B_⊥+Bz

B2＝-B_⊥-Bz＝-(B_⊥+Bz)

|B1|＝|B2|

成为与所施加的磁场大小成比例的值。

在此，B_⊥为X成分Bx或Y成分By变换成Z成分后的磁通量成分。

如图3（a）所示，霍尔IC5上设有四个霍尔元件52a～52d，内置于霍尔IC5的信号输出部，根据霍尔元件52a和另一方的霍尔元件52c所检测的磁通量成分B1和磁通量成分B2之差，根据霍尔元件52b和52d分别所检测出的磁通量成分B1和磁通量成分B2之差，分别计算出包含Z成分Bz的Y成分By和包含Z成分Bz的X成分Bx。

Bx＝B1-B2＝2B_⊥x+2Bz

By＝B1-B2＝2B_⊥y+2Bz

在此，B_⊥x为X成分Bx变换成Z成分后的磁通量成分，B_⊥y为Y成分By变换成Z成分后的磁通量成分。

然后，信号输出部根据计算出的X成分Bx与Y成分By之比，确定以中心O为基准的被检测部4的旋转位置，输出与旋转位置相应的信号。这时，X成分Bx、Y成分By实际上分别包含了Z成分Bz，因为对X成分Bx、Y成分By两方面都同样有作用，故对检测值没有影响。

图4（b）表示与被检测部的磁铁所施加的磁场不同的外乱磁场所存在的磁通量状态。如果在Z轴方向上对沿着X轴方向设置的霍尔元件52b、52d施加外乱磁场，霍尔元件52b、52d就会在Z轴方向上产生磁通量的Z成分Bz’。因为所产生的磁通量Z成分Bz’作为相同方向通过霍尔元件52b、52d被检测出，如以下计算公式所示，对磁通量成分B1和磁通量成分B2进行差动演算，从而可以抵消Z成分Bz’外乱磁场的影响。

Bx＝B1-B2＝B_⊥x+Bz+Bz'-(-B_⊥x-Bz+Bz')＝2

B_⊥x+2Bz

By＝B1-B2＝B_⊥y+Bz+Bz'-(-B_⊥y-Bz+Bz')＝2

B_⊥y+2Bz

图5（a）为组合了用于以往的旋转角度检测装置的半圆环状磁铁420的圆环状被检测部40，图5（b）为使用了所述以往的被检测部40的旋转角度检测装置所测出的旋转角度检测结果的线性示意图。图6（a）为本发明中的被检测部4，其为将呈半圆形平板状的磁轭41和呈半圆环形平板状的磁铁42沿直线状延伸的两端面之间连接而构成。图6（b）为使用了以往的被检测部4的旋转角度检测装置1所测出的旋转角度检测结果的线性示意图。

图5（b）、图6（b）所示的线性是，将被检测部40、4的如图5（a）、图6（a）所示的从0度状态到以中心O为中心顺时针旋转时实际得到的检测结果偏移，用其与实际被检测部40、4旋转角度的关系来表示。线性表示实际值相对于计划值有多大程度的偏差。0（%）表示实际检测值与计划值一致的状态，越偏离0（%），就表示实际检测值偏离计划值的程度越大。霍尔IC5所检测出的结果本来应该与0度～360度的被检测部40、4的旋转角度成比例按直线状变化，但在实际的检测结果中，相对此直线发生了偏移即误差。

就以往的旋转角度检测装置而言，如图5（b）所示，在检测结果的线性中，产生的起伏如同以180度为周期绘制的曲线。与此相对，旋转角度检测装置1所得到的检测结果在被检测部4旋转1周（360度）时，如图6（b）所示，产生的起伏如同以360度为周期绘制的曲线。

就上述差动检测方法而言，可以抑制外乱磁场的影响，另一方面，由于使用一对霍尔元件检测磁场成分，所以因霍尔元件的位置、敏感度的差异等重要原因，在霍尔元件之间产生了不同的检测结果，结果就是线性在范围较小的周期内发生起伏。线性发生起伏的情况下，很难高精度地检测出旋转角度。而且，在规律性地发生起伏的情况下，在线性发生直线状变化所产生起伏的波峰和波谷之间的范围内，可校正此偏差，这种情况下，限定了可检测旋转角度的角度范围。

就本实施方式中的旋转角度检测装置1而言，通过在半圆环状的磁铁42上组合半圆形的磁轭41来构成被检测部4，得到被检测部4所产生的磁场从中心O向被检测部4的旋转面的延伸方向偏移的状态。在此结构中，施加于霍尔IC5的磁通量状态如图3（b）所示。

施加在霍尔元件52上的Z轴方向即旋转轴的轴方向的磁通量Z成分Bz（Bz1、Bz2）在一对霍尔元件52即沿着X轴方向配置的霍尔元件52b、52d处，作为相同方向的磁通量来相互施加磁通量成分Bz1、Bz2。因此，霍尔元件52b、52d所检测出的磁通量成分B1、B2表示如下，

B1＝B_⊥-Bz1

B2＝-B_⊥-Bz2＝-(B_⊥+Bz2)

|B1|-|B2|＝|Bz1+Bz2|

就磁通量成分B1和B2而言，磁通量的大小产生了（Bz1+Bz2）程度的差。

如图4（a）可知，就以往的旋转角度检测装置而言，磁通量成分B1、B2磁通量作用的方向不同，磁通量的大小相同。然而，就本实施方式中的旋转角度检测装置1而言，作用于Z轴方向的磁通量成分偏向一边，而且磁通量的大小也不同，因此，一对霍尔元件52（52b、52d）所检测出的磁通量成分B1、B2的大小产生了差异。此磁通量成分B1、B2的差（Bz1+Bz2）比由霍尔元件52之间的检测偏差的磁通量成分还要大。

检测一对霍尔元件52检测出的磁通量成分Bx（或By）时，包含磁通量成分B1、B2的差分磁通量成分和霍尔元件52之间的检测偏差产生的磁通量成分。因此，通过磁通量成分B1、B2的差分磁通量成分来过滤霍尔元件52之间的检测偏差，结果就是消除了起伏。

磁通量成分B1、B2的差分磁通量成分使用（Bz1+Bz2）来表示，但此磁通量成分对X轴、Y轴的任一检测同样起作用。因此，根据计算出的X成分Bx与Y成分By之比，就确定了被检测部4的旋转位置的旋转位置检测装置1而言，差分磁通量成分（Bz1+Bz2）直到发生作用的磁通量方向改变，都不会直接受到检测值的影响。因此，可以消除以往那种因元件霍尔52之间的检测偏差等产生的周期范围小的线性起伏。

即便是在本实施方式中，在发生作用的磁通量方向改变的旋转范围内，虽然会产生大周期的起伏，但可以在更大的角度范围内检测角度。因此，通过旋转角度检测装置1检测结果的线性接近直线的范围扩大，可以在较大的旋转角度范围内得到高精度的检测结果。

即是说，就以往的旋转角度检测装置而言，在起伏的波峰和波谷之间约90度的范围内，线性发生了直线状的变化，所以，在所述90度以下的范围内，如角度a～角度b的范围，可易于校正检测结果的偏差，并检测旋转角度。就本实施方式的旋转角度检测装置1而言，在起伏的波峰和波谷之间约180度的范围内，线性发生了直线状的变化，所以，在上述180度以下的范围内，如角度c～角度d的范围，可易于校正检测结果的偏差，并检测旋转角度。如上所述，相对以往的旋转角度检测装置，可在2倍的旋转角度范围内得到输出直线性即线性，因此，可以检测2倍的旋转角度范围，可用于检测旋转角度的多种用途中。

在上述实施方式中，对在半圆环状的磁铁42上组合半圆形的磁轭41而构成被检测部4的情况进行了说明，但如果被检测部4产生的磁场从中心O偏向被检测部4旋转面的延伸方向，则被检测部4的结构是任意的。

例如，如图7所示的被检测部4a，可以在[コ]字形的磁铁42上组合矩形的磁轭41来构成。而且，如图8所示的被检测部4b可以组合半圆形的磁轭41和磁铁42来构成。而且，如图9所示的被检测部4c，可以矩形的磁轭41和磁铁42来构成。再者，如图10所示的被检测部4d，可以组合半圆环状的磁轭41和磁铁42来构成。并且，如图11所示的被检测部4e，可以组合[コ]字形的磁轭41和磁铁42来构成。

而且，如果被检测部4产生的磁场从作为霍尔IC5处的旋转角度检测标准的中心O偏向被检测部4旋转面的延伸方向，被检测部4可以由分极后的磁铁构成，该磁铁夹着轴心的一边和另一边令逆磁极朝向被检测部4的旋转面一侧。例如，被检测部4由相同形状的磁铁42组合而构成，可将轴心相对中心O而偏向被检测部4旋转面的延伸方向来进行配置。

而且，在上述实施方式中，对将被检测部4通过转子3固定在节流阀轴S上的情况进行了说明，但如果被检测部4与节流阀轴S成为一体来旋转，将被检测部4固定在节流阀轴S上的方法就是任意的，也可以将被检测部4直接固定在节流阀轴S上。而且，在上述实施方式中，对在检测节流阀轴S旋转角度的旋转角度检测装置1上适用本发明的情况进行了说明，但安装转子的检测对象是任意的。

附图标记说明

1旋转角度检测装置

2外罩

20收纳室

3转子

30嵌合孔

31转子主体

32收纳部

32a收纳室

4，4a～4e，40被检测部

41磁轭

42，420磁铁

42a间隙形成部

5磁场检测部（霍尔IC）

50基板

51集磁板

52，52a～52d霍尔元件

Bx磁通量的X成分

By磁通量的Y成分

Bz（Bz1，Bz2），Bz’磁通量的Z成分

B1磁通量成分

B2磁通量成分

S节流阀轴

Claims (4)

1.一种旋转角度检测装置，其特征为具有：

被检测部，其安装在位于旋转位置的检测对象上；

集磁板，其与该被检测部相对配置，具有在所述被检测部的旋转面上平行延伸的感磁面；

第1磁感应元件，其配置在与该集磁板的感磁面平行延伸、与所述被检测部的旋转轴的轴方向正交的第1检测轴上，检测该第1检测轴延伸方向的磁通量成分；

第2磁感应元件，其配置在与该第1检测轴交叉、在所述集磁板的感磁面上平行延伸、与所述旋转轴的轴方向正交的第2检测轴上，检测该第2检测轴延伸方向的磁通量成分；

信号输出部，其根据所述第1磁感应元件及所述第2磁感应元件的检测结果，输出与所述检测对象的旋转位置相对应的信号；

所述被检测部设置为该被检测部的中心与所述旋转轴一致，使所述被检测部产生的磁场从所述旋转轴偏向所述旋转面的延伸方向。

2.如权利要求1所述的旋转角度检测装置，其特征为：

所述被检测部由磁铁、磁性体沿所述旋转面的延伸方向并列连接而构成。

3.如权利要求2所述的旋转角度检测装置，其特征为：

所述磁铁在与所述磁性体连接的边缘部上具有间隙形成部，用来与所述磁性体之间形成间隙。

4.如权利要求2所述的旋转角度检测装置，其特征为：

所述磁性体是磁轭，所述磁铁沿所述旋转轴的轴方向分极。