CN104422386A - 旋转检测装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种旋转检测装置，其能够使用共同的磁体来高精度地得到与旋转角度对应的检测输出和检测旋转至规定位置这一情况的开关输出。在旋转部(2)搭载有棒形状的磁体(4)。棒形状的磁体(4)的朝向旋转方向的端面(4d、4d)被磁化成不同的磁极。具有磁阻效应元件的角度检测部(10)配置在从磁体(4)的转动轨迹(φ)向半径方向错开的位置，检测从磁体(4)的侧面(4c)漏泄的磁场的角度变化。两个位置检测部(20A、20B)具有磁阻效应元件，检测与棒形状的磁体(4)面对时的旋转轨迹(φ)的切线方向的磁场的方向的变化而得到开关输出。

Description

旋转检测装置
技术领域
本发明涉及能够检测旋转部的旋转角度的变化、以及旋转部是否旋转至规定的位置的旋转检测装置。
背景技术
利用磁检测元件来检测移动的磁体的检测装置被用于各种领域。
在专利文献1中公开了一种利用两个磁感知元件来检测圆柱形的永磁体的旋转的磁角度位置传感器。
该磁角度位置传感器构成为，在转向柱或驱动轴的外周装配圆柱形的永磁体，永磁体沿半径方向被磁化。各磁感知元件由至少一对磁检测传感器构成，一对传感器通过与感知轴正交的强磁性体磁轭而进行磁耦合。所述磁轭配置在与磁体的旋转中心轴正交的面、或与通过旋转中心轴的面平行的面上。
对由两个磁感知元件检测到的两种信号进行两个分量的编码和标准化，从而得到与磁体的旋转角度成比例的电信号。
在专利文献2中示出使用了磁体和磁检测元件的开关。
该开关在壳体内固定有磁角度传感器。在壳体的内部设有与开关头一起移动的磁体，磁体在磁角度传感器的上方移动。当磁体移动时，通过磁角度传感器来检测与磁体的移动方向平行的磁场分量的变化以及与移动方向交叉的方向上的磁场分量的变化。
【专利文献1】日本专利第5059772号公报
【专利文献2】美国专利说明书第6,060,969号公报
专利文献1所记载的检测旋转的磁体的角度的装置和专利文献2所记载的检测磁体的移动的开关通常构成为不同的结构，通过一个磁体来获得旋转检测输出和开关输出这双方的结构还不存在。
而且，如果想要得到两系统以上的开关输出，则需要将任一开关检测部从磁体的宽度方向的中心错开配置，但这种情况下，从磁体泄漏的多方向的磁场分量向开关部施加，目标检测方向以外的磁场分量的噪声容易重叠，难以得到高精度的开关输出。
发明内容
本发明为了解决上述现有的课题而提出，其目的在于提供一种能够通过一个磁体来得到旋转检测输出和位置检测的开关输出这双方的旋转检测装置。
另外，本发明的目的在于提供一种即使位置检测部从磁体的宽度方向的中心错开位置配置也能够得到噪声的影响少的高精度的开关输出的旋转检测装置。
本发明的旋转检测装置的特征在于，设有：设于旋转部的磁体；检测来自所述磁体的漏磁场而检测所述旋转部的旋转角度的变化的角度检测部；在所述磁体到达规定位置时进行动作的位置检测部，
所述磁体位于从旋转中心分离的位置，朝向旋转方向的两端面被磁化成不同的磁极，且平坦的表面与包含旋转轨迹在内的旋转平面平行地配置，
所述角度检测部从所述磁体的转动轨迹沿半径方向分离设置且具有磁阻效应元件，该磁阻效应元件通过将自由磁性层的磁化发生变化的方向设定为与所述旋转平面平行，而能够检测所述旋转部的旋转角度的变化，
所述位置检测部从所述磁体的所述表面沿着与所述旋转部的旋转中心轴平行的方向分离配置，且具有磁阻效应元件和开关电路，所述磁阻效应元件的电阻值在所述磁体的所述表面侧的漏磁场中的与所述转动轨迹的切线方向平行的分量的强度变化下发生变化，所述开关电路基于所述电阻值的变化而得到开关输出。
本发明的旋转检测装置通过来自设于旋转部的一个磁体的漏磁场，能够得到基于旋转角度的变化的检测输出和检测到旋转位置的开关输出这双方。
本发明可以构成为，所述位置检测部设置多个，设于多个所述位置检测部的所述磁阻效应元件相对于将所述磁体的所述半径方向的宽度尺寸二分割的中心线向半径方向错开位置配置。
在本发明的旋转检测装置中，使用朝向旋转方向的端面被磁化成不同的磁极的磁体，因此即使位置检测部的磁阻效应元件从磁体的中心线向半径方向错开，位置检测的误差也减小。
本发明优选的是，磁体是侧面为长边且端面为短边的长方形的厚度均匀的棒状磁体，两端面被磁化成不同的磁极，且长度方向朝向所述转动轨迹的切线方向。
本发明中，所述位置检测部设置两个，各所述位置检测部在所述旋转部旋转至相同的旋转角度时同时得到开关输出。
例如，通过所述角度检测部来检测机动车的制动踏板的踏入量，通过两个位置检测部的一方的开关输出进行制动灯的点亮控制，通过另一方的开关输出进行定速巡航的解除控制。
【发明效果】
本发明通过来自设于旋转部的一个磁体的漏磁场，能够高精度地得到旋转角度的检测输出和检测旋转部旋转至规定的位置这一情况的开关输出这双方的输出。
另外，即使位置检测部从磁体的中心线向半径方向错开位置，也能够减小检测角度的误差。
附图说明
图1(A)是表示本发明的实施方式的旋转检测装置的结构的主视图，图1(B)是表示本发明的实施方式的旋转检测装置的结构的右侧视图。
图2是表示磁体与角度检测部的位置关系的局部放大主视图。
图3是表示磁体与两个位置检测部的位置关系的局部放大主视图。
图4(A)、(B)是图3的在IV向视下观察到的放大仰视图。
图5是磁体的主视图。
图6是表示成为比较例的磁体与位置检测部的位置关系的仰视图。
图7是成为比较例的磁体的主视图。
图8是角度检测部的电路框图。
图9是表示位置检测部的开关电路的电路框图。
图10是表示角度检测部的检测输出的线图。
图11是表示位置检测部的检测输出的线图。
图12是表示实施例的位置检测部的检测输出的线图。
图13是表示比较例的位置检测部的检测输出的线图。
【符号说明】
1 旋转检测装置
2 旋转部
3 旋转轴
4 磁体
4a 对置表面
4b 装配表面
4c 侧面
4d 端面
5 检测基板
10 角度检测部
11 感知部
12a、12b 桥接电路
13、14 差动放大器
15 除法运算电路
20A、20B 位置检测部
21 感知部
22 桥接电路
23 开关电路
24 差动放大器
25 比较电路
Rc1、Rc2、Rs1、Rs2 磁阻效应元件
(a) 初始位置
(b) 检测位置
具体实施方式
如图1所示，旋转检测装置1具有旋转部2。旋转部2固定于旋转轴3。旋转部2和旋转轴3以旋转中心轴O为中心进行旋转。
例如，旋转检测装置1装备于机动车，旋转轴3与制动踏板连结。当踏入制动踏板时，旋转轴3及旋转部2以与该制动踏板的踏入量对应的角度进行旋转。
在旋转部2上固定有磁体4。磁体4为棒状磁体，作为平坦面的对置表面4a与同样作为平坦面的装配表面4b在表背平行地面对而形成。磁体4是具有侧面4c、4c和端面4d、4d的立方体，对置表面4a和装配平面4b为长方形。该磁体4的装配表面4b固定于旋转部2。
侧面4c、4c的长度尺寸L为15mm，端面4d、4d的宽度尺寸W为5mm，对置表面4a与装配平面4b之间的厚度尺寸T为2mm。
图1(A)示出磁体4的转动轨迹φ。转动轨迹φ表示作为立方体的磁体4的重心转动的轨迹。包含转动轨迹φ在内的平面是与旋转中心轴O正交的旋转平面。磁体4的对置表面4a和装配平面4b位于与旋转平面平行的平面上。
如图1(A)、(B)所示，在固定部固定有检测基板5。检测基板5的检测面5a位于与旋转中心轴O垂直的平面上，且与所述旋转平面平行。
在检测基板5的检测面5a上固定有角度检测部10和两个位置检测部20A、20B。在角度检测部10中，检测磁体4的侧面4c侧的漏磁场，从而得到与旋转部2和旋转轴3的旋转角度的变化对应的检测输出。即，通过角度检测部10来检测与制动踏板的踏入量对应的旋转角度。
位置检测部20A和位置检测部20B以旋转部2和旋转轴3到达相同的旋转位置时同时切换开关输出的方式来定位。位置检测部20A和位置检测部20B分别与不同的电路连接。通过位置检测部20A和位置检测部20B中的一方的开关输出，来进行将搭载于车辆的后部的制动灯点亮的控制，通过另一方的开关输出来进行用于定速巡航的动作解除的控制。
如图1和图2所示，磁体4的朝向转动方向的端面4d、4d被磁化为互不相同的磁极。如图8所示，角度检测部10具有由磁阻效应元件构成的感知部11作为磁检测元件。该感知部11位于磁体4的侧方。即，感知部11配置在从磁体4的侧面4c沿转动轨迹φ的半径方向分离的位置。
如图8所示，在感知部11设有第一桥接电路12a和第二桥接电路12b。在第一桥接电路12a设有磁阻效应元件Rc1、Rc2。在图1和图8中，X方向和Y方向以相同的基准示出。磁阻效应元件Rc1的灵敏度轴方向为Y1方向，磁阻效应元件Rc2的灵敏度轴方向为Y2方向。第一桥接电路12a的两个中点输出向差动放大器13施加。
第二桥接电路12b由磁阻效应元件Rs1、Rs2构成。磁阻效应元件Rs1的灵敏度轴方向为X1方向，磁阻效应元件Rs2的灵敏度轴方向为X2方向。第二桥接电路12b的两个中点输出向差动放大器14施加。
磁阻效应元件Rc1、Rc2、Rs1、Rs2是利用了巨磁阻效应的GMR元件或利用了隧道效应的TMR元件。
磁阻效应元件通过将固定磁性层/非磁性层/自由磁性层层叠而构成。固定磁性层的固定磁化方向与所述灵敏度轴的方向一致。自由磁性层根据外部磁场来改变磁化的方向。
磁阻效应元件的电阻根据固定磁化方向与自由磁性层的磁化的方向的相对角度而变化。当外部磁场向与灵敏度轴平行的方向施加时，磁阻效应元件的电阻值成为最小，当外部磁场对于灵敏度轴反向地施加时，电阻值成为最大。当外部磁场向与灵敏度轴正交的方向施加时，磁阻效应元件的电阻值成为中点的值。
将固定磁性层与反铁磁性层重叠并在磁场中进行热处理，由此固定磁化方向。或者可以将固定磁性层设为磁性层/非磁性中间层/磁性层的层叠费里结构，也可以将各磁性层设为反平行地磁化固定的自钉扎型。
如图2所示，磁体4的侧面4c的侧方的漏磁场(漏磁通)H1向角度检测部10的感知部11施加。当旋转部2和旋转轴3旋转而使磁体4沿着转动轨迹φ转动时，对应于漏磁场H1中的与磁体4的侧面4c平行的分量的转动，磁阻效应元件Rc1、Rc2、Rs1、Rs2的自由磁性层的磁化的方向进行旋转。
其结果是，从差动放大器13得到图10(A)所示的输出(i)，从差动放大器14得到图10(A)所示的输出(ii)。输出(i)、(ii)是近似于三角函数波的输出，相位彼此相差90度。输出(i)、(ii)中的一方是具有近似于正弦波的三角函数波的变化的输出，另一方是具有近似于余弦波的三角函数波的变化的输出。
如图8所示，在角度检测部10中，两个输出(i)、(ii)向除法运算电路15施加。在除法运算电路15中，将两个输出(i)、(ii)模拟性地进行除法运算或者通过数字运算来进行除法运算，从而得到图10(B)所示的具有近似于反正切函数(arctangent)的变化的角度检测输出(iii)。角度检测输出(iii)是与磁体4的转动角度成比例的大致一次函数的变化输出。通过该角度检测输出(iii)，能够检测到制动踏板的踏入量。
当磁体4在图2和图3中处于(a)所示的位置时，旋转部2和旋转轴3处于初始位置，旋转部2和旋转轴3的旋转角度为0度。例如，旋转部2和旋转轴3在弹簧的力的作用下被朝向初始值地向φ1方向施力。当制动踏板被踏入而使旋转部2和旋转轴3从初始位置(a)向φ2方向旋转例如9度时，磁体4到达检测位置(b)，此时，来自第一位置检测部20A的开关输出和来自第二位置检测部20B的开关输出这双方同时变化。
如图9所示，在第一位置检测部20A和第二位置检测部20B搭载有构成感知部21的桥接电路22和开关电路23。
在图3和图9中，磁体4的转动轨迹φ和与转动轨迹φ正交的半径方向R以相同的基准图示。
如图4所示，第一位置检测部20A和第二位置检测部20B固定在能够与磁体4的对置表面4a对置的位置。磁体4具有从N极的端面4d通过对置表面4a的前方的区域而到达S极的端面4d的漏磁场H2。在第一位置检测部20A和第二位置检测部20B的感知部21中，检测该漏磁场H2。
如图9所示，感知部21的桥接电路22由磁阻效应元件Rx和固定电阻R1构成。如图4所示，磁阻效应元件Rx的灵敏度轴P的方向即固定磁性层的固定磁化的方向为φ1方向。而且，自由磁性层的磁化在X-Y平面内旋转。
如图4(A)所示，在磁体4处于初始位置(a)时，φ1方向的磁场分量作用于位于感知部21的磁阻效应元件Rx，漏磁场H2以使自由磁性层的磁化朝向φ1方向的方式作用。如图4(B)所示，旋转部2向φ2方向旋转，当其旋转角度成为9度时，磁体4到达检测位置(b)。此时，漏磁场H2沿着与灵敏度轴P正交的方向(Z方向)作用于磁阻效应元件Rx的自由磁性层。当磁体4通过检测位置(b)而进一步向φ2方向转动时，漏磁场H2以使自由磁性层的磁化朝向φ2方向的方式作用。
如图9所示，在第一位置检测部20A和第二位置检测部20B各自的开关电路23上设有差动放大器24，桥接电路22的两个中点输出向差动放大器24施加。在磁体4从初始位置(a)向φ2方向转动期间，从差动放大器24得到图11(A)所示的检测输出(iv)。
如图9所示，在开关电路23设有比较电路25，通过该比较电路25对检测输出(iv)与阈值(v)进行比较。如图11(A)所示，阈值(v)与作用在自由磁性层上的φ2方向的磁场分量成为2(mT)时的检测电压对应。当磁体4从初始位置(a)向φ2方向旋转9度而到达检测位置(b)时，如图11(B)所示，从比较电路25得到的开关输出(vi)翻转地变化。
在该旋转检测装置1中，在制动踏板被踏入而磁体4从初始位置(a)向φ2方向转动时，在其转动角度成为9度时，以使来自第一位置检测部20A和第二位置检测部20B这双方的开关输出(vi)同时翻转的方式，来调整并确定两个位置检测部20A、20B的固定位置。
第一位置检测部20A和第二位置检测部20B在磁体4到达检测位置(b)时同时切换开关输出。因此，无法将两个位置检测部20A、20B的感知部21这双方都配置在将磁体4在宽度方向上二分割的中心线Om上，不得不将各自的感知部21配置在从中心线Om向半径方向错开的位置。
以下，基于模拟结果来说明将感知部21的位置从磁体4的中心线Om向半径方向(磁体4的宽度方向)错开配置时的影响。
在模拟中使用的磁体4是长度尺寸L为15mm、宽度尺寸W为5mm、厚度尺寸T为2mm的烧结钕磁体。从磁体4的对置表面4a到位置检测部20(以下将20A、20B总称为20)的感知部21为止的Z方向上的距离为2.5mm。
如图4所示，两个位置检测部20A、20B在磁体4的φ1侧的端面4d附近切换开关输出。因此，需要磁体4的φ1侧为矩形形状且端面4d为平坦面。需要说明的是，φ2侧的端部未必非要为矩形形状。
图12(A)表示位置检测部20的感知部21在中心线Om(参照图5)上对置时的作用于感知部21的磁场分量的强度，该中心线Om将在转动轨迹φ上移动的磁体4在宽度方向上二分割。
图12(A)示出Bx、By、Bz作为表示磁场强度的线。Bx示出沿X方向(转动轨迹φ的切线方向)作用于图4所示的感知部21的磁场强度。By示出沿图5所示的磁体4的宽度方向(Y方向：R方向)作用的磁场强度，Bz示出向图4所示的Z方向作用的磁场强度。
如图12(A)所示，在位置检测部20的感知部21在中心线Om上对置的状态下磁体4移动时，向磁体4的宽度方向(Y方向)的磁场分量几乎不作用于磁阻效应元件Rx的自由磁性层，By几乎为零。因此，在磁体4从图4(A)移动而通过图4(B)的检测位置(b)时，自由磁性层的磁化的方向从φ1方向向φ2方向瞬时翻转。图12(A)示出此时的来自差动放大器24的检测输出(iv)。该检测输出(iv)在通过了检测位置(b)时的变化陡峭。
图5示出从磁体4的中心线Om向Y方向将位置错开δ＝3mm的对置线SL。图12(B)示出使位置检测部20的感知部21在该对置线SL上对置而使磁体4移动时的作用于感知部21的磁场分量的强度的变化。图12(B)中的Bx、By、Bz示出与图12(A)相同的磁场分量的强度变化。
如图5所示，当感知部21从磁体4的中心线Om向Y方向错开位置而对置时，磁体4的侧方的漏磁场H3对感知部21的磁阻效应元件Rx的自由磁性层的磁化造成影响。其结果是，如图12(B)所示，感知部21从X方向的磁场强度Bx和Y方向的磁场强度By这双方受到影响，来自差动放大器24的检测输出(iv)成为比图12(A)所示的检测输出(iv)平缓的变化。
其中，在图12(B)中，在与阈值(v)相应的电阻值变化为约0.5％时，在阈值从0％至1％产生了变动之际，图9所示的开关输出(vi)翻转之前的磁体4的移动误差为0.3mm左右。
即，当使用朝向旋转方向的端面4d、4d被磁化为不同的磁极的棒状的磁体4时，即便使感知部21在从磁体4的中心线Om向Y方向错开位置的位置上对置，也能够将X方向的磁场强度从0mT至20mT变化而使开关输出(vi)翻转之前的移动误差抑制成0.3mm左右的微小的误差，从而能够使感知部21的Y方向的磁场分量的影响为最小限度。
图6和图7示出比较例。在比较例中使用的磁体104以对置表面104a和装配表面104b成为互不相同的磁极的方式被磁化。如图7所示，在该磁化中，磁力线从作为N极的对置表面104a的图心向放射方向延伸出，该磁力线朝向作为S极的装配表面104b的图心会聚。
这样，当存在从对置表面104a的图心向放射方向延伸的磁力线时，将位置检测部20的感知部21配置在从磁体104的中心向Y方向错开了3mm的对置线SL上时的检测输出(iv)的变化比图12所示的实施方式更为平缓。
图13(A)示出在比较例中，使位置检测部20的感知部21在磁体104的中心线Om上对置时的作用于感知部21的磁场强度。此时的来自差动放大器24的检测输出(iv)在磁体104通过了图6所示的检测位置(b)时陡峭地变化。
图13(B)示出在比较例中，使位置检测部20的感知部21在从磁体104的中心线Om向Y方向移动了δ＝3mm的对置线SL上对置时的作用于感知部21的磁场强度。此时的来自差动放大器24的检测输出(iv)表现出极其平缓的变化。在与阈值(v)相当的电阻值变化为约0.5％时，在阈值从0％至1％产生了变动之际，开关输出(vi)翻转之前的磁体4的移动位置的移动误差扩大为0.7mm左右。
将图12与图13比较可知，在使用了图4所示的实施方式的磁体4的旋转检测装置1中，即使将两个位置检测部20A、20B这双方从磁体4的中心线Om向Y方向错开配置，也容易进行用于使两个位置检测部20A、20B在相同时机进行开关输出(vi)的位置调整。这是因为，磁体4设为长方形形状而作为长边的侧面4c、4c朝向转动轨迹φ的切线方向，朝向旋转方向的端面4d形成为不同的磁极，由此如图5所示，即使将感知部21配置在对置线SL上也能够减少向Y方向的磁场分量的影响。
另一方面，在比较例的磁体104中，由于存在从对置表面104a的图心向放射线方向延伸的磁场，两个位置检测部20A、20B的开关输出(vi)的时机容易产生误差，难以将两个位置检测部20A、20B以时机一致的方式定位。

Claims (5)

1.一种旋转检测装置，其设有：
设于旋转部的磁体；检测来自所述磁体的漏磁场而检测所述旋转部的旋转角度的变化的角度检测部；在所述磁体到达规定位置时进行动作的位置检测部，
所述磁体位于从旋转中心分离的位置，朝向旋转方向的两端面被磁化成不同的磁极，且平坦的表面与包含旋转轨迹在内的旋转平面平行地配置，
所述角度检测部从所述磁体的转动轨迹沿半径方向分离设置且具有磁阻效应元件，该磁阻效应元件通过将自由磁性层的磁化发生变化的方向设定为与所述旋转平面平行，而能够检测所述旋转部的旋转角度的变化，
所述位置检测部从所述磁体的所述表面沿着与所述旋转部的旋转中心轴平行的方向分离配置，且具有磁阻效应元件和开关电路，所述磁阻效应元件的电阻值在所述磁体的所述表面侧的漏磁场中的与所述转动轨迹的切线方向平行的分量的强度变化下发生变化，所述开关电路基于所述电阻值的变化而得到开关输出。
2.根据权利要求1所述的旋转检测装置，其中，
所述位置检测部设置多个，设于多个所述位置检测部的所述磁阻效应元件相对于将所述磁体的所述半径方向的宽度尺寸二分割的中心线向半径方向错开位置配置。
3.根据权利要求1或2所述的旋转检测装置，其中，
磁体是侧面为长边且端面为短边的长方形的厚度均匀的棒状磁体，两端面被磁化成不同的磁极，且长度方向朝向所述转动轨迹的切线方向。
4.根据权利要求1所述的旋转检测装置，其中，
所述位置检测部设置两个，各所述位置检测部在所述旋转部旋转至相同的旋转角度时同时得到开关输出。
5.根据权利要求4所述的旋转检测装置，其中，
通过所述角度检测部来检测机动车的制动踏板的踏入量，通过两个位置检测部的一方的开关输出进行制动灯的点亮控制，通过另一方的开关输出进行定速巡航的解除控制。
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