CN106643467A - 旋转角度检测装置及其使用的角度传感器单元 - Google Patents

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Abstract

一种磁方式的旋转角度检测装置，废除使永久磁铁旋转的结构。在轴(2)形成平面部(3)，角度传感器单元(10)使永久磁铁(11)的磁极面与平面部(3)平行地对置，并使相对于通过轴的旋转轴(Cs)的永久磁铁的基准线而线对称地配置的一对第一轭(18)从永久磁铁的下表面突出，与该下端面隔开间隙使第二轭(20)对置，形成通过轴的磁感线路径。使磁感应部位于间隙中的与第一轭(18)分别对应的检测点的霍尔IC(24)检测与旋转轴(Cs)平行的磁通密度(Bz1、Bz2)和与旋转轴(Cs)及基准线垂直的方向的磁通密度(By1、By2)，基于这些磁通密度运算轴的旋转角度。由于不具有将轴的旋转传递至永久磁铁(11)的部件，因此，可得到较高的检测精度。

Description

旋转角度检测装置及其使用的角度传感器单元
技术领域
本发明涉及检测被检测体的旋转角度的旋转角度检测装置及该装置所使用的角度传感器单元。
背景技术
旋转角度检测装置用于例如汽车中的变速器的换档位置检测及加速器或制动踏板的踏入角度检测，近年来，作为适于振动或温度变化、或尘埃等残酷的车载环境的装置，对磁方式装置的要求变高。
作为现有的磁方式的旋转角度检测装置，例如(日本)专利第5131537号公报中公开有如下的结构，即，具有：将永久磁铁的N极区域和S极区域绕旋转中心交替配置的旋转部件、相对于旋转部件配置于规定位置的板状磁板、磁检测元件，并基于磁板的两个方向的磁场分量的检测结果运算旋转部件的旋转角度。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：(日本)专利第5131537号公报
发明所要解决的课题
但是，上述现有的旋转角度检测装置中，当与被检测体对置的角度传感器单元中包含具备永久磁铁的旋转部件时，与被检测体连动而使该旋转部件旋转，因此，需要传递被检测体的旋转的旋转传递机构，对被检测体及设置部位的制约条件变多，并且由于旋转传递机构的机械性的误差，因此，得不到较高的检测精度。
另外，作为收纳于壳体而形成一个产品的角度传感器单元，必须一边气密地形成在内部收纳旋转部件的空间，一边保持位置高精度，因此，难以小型化，且复杂的保持结构也使成本上升。
另外，由于不需要旋转传递机构，因此，即使使被检测体贯通旋转部件的轴心而将两者设为一体的结合体，用于该结合的精密加工也花费成本，且也难以进行角度传感器单元侧的密封。
另外，即使废除旋转部件而将永久磁铁安装于被检测体，由于在被检测体上形成该安装构造，因此，制造工序变得复杂，并且对制造工序中的包含铁材料的磁性物质的小片及微粉末的附着所引起的磁污染要求严格的管理。
而且，在被检测体的旋转轴上产生偏芯的情况下，永久磁铁的旋转轴也会产生位置偏差，与磁检测元件的相对的位置关系改变，输出信号会变动。
即使采用以上那样的任一对策，在与被检测体连动而使永久磁铁旋转的结构中，也难以兼得较高的检测精度和低成本这两者。
发明内容
因此，鉴于上述现有的问题点，本发明的目的在于，提供一种通过废除使永久磁铁旋转的结构得到高的检测精度且以低成本能实现的旋转角度检测装置及该装置所使用的角度传感器单元。
本发明提供一种旋转角度检测装置，其构成为具备：平面部，其形成于被检测体；永久磁铁，其使磁化方向一端的磁极面与该平面部平行地对置；一对第一轭，其相对于通过被检测体的旋转轴并沿着所述磁化方向的基准线而线对称地配置，且与被检测体的所述旋转轴平行地从所述永久磁铁突出；第二轭，其与所述永久磁铁的所述第一轭突出的面对置，且在与所述第一轭的突出端之间隔开间隙地配置；磁检测元件，其使磁感应部位于所述间隙中的与所述第一轭分别对应的检测点，基于所述磁检测元件检测出的与所述旋转轴平行的方向的磁通密度和与所述旋转轴及基准线垂直的方向的磁通密度，运算被检测体的旋转角度。
根据本发明，通过平面部和第一轭间的距离变化来检测被检测体的旋转，因此，不需要旋转传递机构。而且，能将永久磁铁、第一轭、第二轭及磁检测元件设为一个角度传感器单元，操作容易，且在其内部也不需要旋转部件的复杂的保持构造及气密的收纳空间，因此，能以低成本及小型地构成整体，应用对象及设置部位的自由度较大，并且机械性的误差被释放而得到较高的检测精度。
附图说明
图1是表示发明第一实施例的整体立体图；
图2(A)～(C)是表示角度传感器单元的详细部分的图；
图3是表示磁感线路径的说明图；
图4(A)～(C)是表示轴的旋转位置和角度传感器单元的关系的说明图；
图5(A)、(B)是表示两个方向的磁通密度相对于轴的旋转角度的变化的图；
图6是表示两个检测点的磁通密度差量的图；
图7是表示根据磁通密度差量求得的运算角度的图；
图8是表示变形例的图。
符号说明
1 旋转角度检测装置
2 轴
3 平面部
10 角度传感器单元
11 永久磁铁
12、13 磁极面
14 上表面
15 下表面
18、18a、18b 第一轭
19 下端面
20 第二轭
21 前端面
22 下表面
24、24a、24b 霍尔IC
Cs 旋转轴
Hs 检测面高度
Hz 平面部高度
J 磁感线
K 基准线
MD 磁化方向
P、P1、P2 检测点
Wz 平面部宽度
具体实施方式
以下，通过实施例说明本发明的实施方式。
实施例1
图1是表示第一实施例的结构的整体立体图。图2表示角度传感器单元，(A)为平面图，(B)为正面图，且(C)为侧面图。
旋转角度检测装置1通过使角度传感器单元10与作为被检测体的旋转的轴2对置而构成。
首先，说明角度传感器单元10。
如图2所示，角度传感器单元10将一对第一轭18(18a、18b)组装于永久磁铁11上，在与这些第一轭18之间，隔开规定间隙进行对置且与永久磁铁11平行地配置有第二轭20。
永久磁铁11利用稀土类的各向同性钕粘结磁铁材料通过注塑成形而形成，形成长度L、宽度W、高度Hm的长方体，在图2的(C)的侧面图中，左端成为S极，右端成为N极。将通过S极及N极的各磁极面12、13的中心的直线设为永久磁铁11的基准线K。
一对第一轭18为来自纯铁粉末的烧结材料，形成平板形状的磁性体。各第一轭18a、18b的平板面相对于永久磁铁11的S极及N极的磁极面12、13垂直，即与基准线K平行，在图2(A)的平面图中，偏靠永久磁铁11的S极隔着基准线K且位于线对称的位置，且距S极的磁极面12处于等距离。而且，如图2(B)、(C)所示，各第一轭18a、18b至少从永久磁铁11的下表面15延伸且向第二轭20侧突出。优选第一轭18a、18b间的距离为2～4mm，向第二轭20侧的突出量为1～2mm。
此外，第一轭18在永久磁铁11的注塑成形时嵌入而结合保持于永久磁铁11上，贯通永久磁铁11且还从与第二轭20相反侧的上表面14突出，而成为嵌入时的夹持端头。
第二轭20为由冲压铁板构成的磁性体，板面具有与第一轭18a、18b的各下端面19整个面对置的充分的面积，并且特别是如图2(C)所示，从与第一轭18的下端面19对置的区域进一步在永久磁铁11的磁化方向MD上向S极侧延伸，使其前端面21与S极的磁极面12为同一平面，即在磁极面12的延长上一致。
在第一轭18a、18b和第二轭20间的空间设定磁气检测点P(P1、P2)，且使磁感应部与该检测点P一致地配置霍尔IC24(24a、24b)。图示中，与各检测点P1、P2对应地配置两个霍尔IC，但只要是与两个部位的检测点P1、P2对应地具备两个磁感应部的霍尔IC，配置一个即可。
霍尔IC24基于磁感应部检测出的两个方向的磁通密度进行规定的运算。关于这个内容后面叙述。
将从第二轭20的下表面22到永久磁铁11的上表面14的高度称为角度传感器单元的检测面高度Hs。
上述的永久磁铁11、第一轭18、第二轭20及霍尔IC24收纳于省略图示的壳体中，角度传感器单元10形成独立的一个产品的形式，操作容易。
在角度传感器单元10内没有可动部件，因此，也不需要收纳可动部件的空间，并且可以高精度地组装各零件的相对位置。因此，壳体还可以为由密封树脂等进行的密封式结构，由此，可以稳定地保持各零件的高精度的位置关系。
此外，磁铁11的磁化优选在保持第一轭18的状态、进一步在第二轭及霍尔IC24一起组装完并收纳于壳体的状态下进行。解除组装的各作业阶段中的磁污染的可能性，工序管理变得容易。
接着，在作为被检测体的铁材料的轴2上，如图1所示，切削其圆柱的一部分形成高度(平面部高度)Hz、宽度(平面部宽度)Wz的平面部3。
角度传感器单元10使其永久磁铁11的S极的磁极面12及第二轭20的前端面21与轴2的平面部3对置而配置。通过永久磁铁11的磁极面12、13的各中心的基准线K以将轴2的旋转轴Cs横切，并且相对于旋转轴Cs成垂直的方式设定。
另外，平面部高度Hz比角度传感器单元10的检测面高度Hs(参照图2(B))及想定的轴2的旋转轴Cs方向的位置偏差量的加法值更大地设定。
由此，如图3所示，永久磁铁11的磁感线J遵循从N极经由第一轭18通过第二轭20，进一步经由轴2并返回S极的路径。而且，在检测点P，霍尔IC24检测磁通密度。
图4表示从轴2的旋转轴Cs方向观察的轴2和角度传感器单元10的配置关系。图4(A)表示轴2的平面部3与永久磁铁11的S极的磁极面12平行的状态，将该位置设为轴2旋转的基准位置。
图4(B)为轴2从基准位置按照顺时针(右)方向旋转的状态，例如采取－45deg(度)等负值。而且，图4(C)为从基准位置按照逆时针(左)方向旋转的状态，例如采取(+)45deg等正值。
在此，将与永久磁铁11的基准线K平行延伸的方向设为X方向，将与轴2的旋转轴Cs平行延伸的方向设为Z方向，而且，将与这两个方向正交且与轴在基准位置的平面部3平行延伸的方向设为Y方向。
角度传感器单元10的霍尔IC24a、24b检测对应的检测点P1、P2的Z方向和Y方向的两个方向的磁通密度。
之前的图3所示的磁感线J的路径如图2(A)那样由于第一轭18a、18b分开，而分成通过第一轭18a的路径和通过第一轭18b的路径两个系统，在该两个路径间，第一轭18a、18b和轴2的平面部3间的距离(X方向)随着轴2的旋转而变化。
即，轴2处于基准位置(0deg)时，第一轭18a和平面部3间的距离、与第一轭18b和平面部3间的距离相等，但轴2从基准位置按照顺时针方向(－45deg方向)旋转时，第一轭18a和平面部3间的距离变短，另一方面，第一轭18b和平面部3间的距离变长。相反，轴2从基准位置按照逆时针方向(+45deg方向)旋转时，第一轭18a和平面部3间的距离变长，另一方面，第一轭18b和平面部3间的距离变短。
通过该第一轭18a、18b和平面部3间的距离变化，在检测点P1、P2的Z方向磁通密度和Y方向磁通密度的变化中也产生差异。
图5是表示使轴2旋转时检测的磁通密度的变化的图表，其中，图5(A)是检测点P1的检测结果，图5(B)是检测点P2的检测结果。
用于测量的角度传感器单元10针对于假定旋转角度范围90deg左右的直径11mm的轴2，永久磁铁11具有磁极面12、13的高度(Hm)5mm、宽度(W)20mm、长度(L)13mm的大小，第一轭18a、18b的长度为6mm，高度为8mm，板厚为1.4mm，向第二轭20侧及相反侧的突出量均设为1.5mm，隔着基准线K的第一轭18a、18b间的距离为2.5mm，且第二轭20的长度为7.5mm，宽度为10mm，板厚为1mm。霍尔IC24使用具备两个磁感应部的amsAG制造的AS5403。在直径11mm的轴2上形成平面部宽度(Wz)10.25mm、平面部高度(Hz)30mm的平面部3。轴2在基准位置的平面部3和永久磁铁11的S极的磁极面12的距离为5mm。
图5(A)中，Bz1是检测点P1的Z方向的磁通密度，By1是检测点P1的Y方向的磁通密度。另外，图5(B)中，Bz2是检测点P2的Z方向的磁通密度，By2是检测点P2的Y方向的磁通密度。对轴2的旋转角度θt分别描绘规定的曲线。
霍尔IC24当根据下式计算出Z方向磁通密度差量ΔBz及Y方向磁通密度差量ΔBy时，得到图6所示的差量结果。
ΔBz＝Bz2－Bz1
ΔBy＝By2－By1
而且，霍尔IC24进一步根据这些Z方向磁通密度差量ΔBz和Y方向磁通密度差量ΔBy，通过下式求得运算角度θc。
θc＝Arctan(ΔBz/ΔBy)
图7是表示运算角度θc的图表。可知在从轴2的旋转角度－45deg到+45deg的整个区域显示大致直线，运算角度θc与轴2的旋转角度处于比例关系。由此，如果对霍尔IC24作为检测信号输出的运算角度θc乘以规定的系数，则成为实际的轴2的旋转角度θt，因此，根据运算角度θc实际上可得到轴2的旋转角度。
而且，将求得的运算角度θc变换成规定的电信号进行输出。
此外，使轴2的平面部高度Hz比检测面高度Hs和旋转轴Cs方向的位置偏差量的加法值更大地设定，因此，不会受到Z方向的位置偏差的任何影响。
另外，在用于上述测量的具体例中，即使相对于Y方向的位置偏差，在位置偏差量为±0.5mm的范围时，运算角度θc的变动也为±0.5％以下，与现有的具有旋转的永久磁铁的旋转角度检测装置的一般的变动±1.5％左右相比，呈现具有优异的相对位置偏差特性。
即，轴的位置偏差所引起的检测特性的变动消失或被抑制得较小，因此，具有所谓的较高的鲁棒性。
另外，对于来自外部的磁噪声，相对于通过轴2的旋转轴Cs的永久磁铁11的基准线K(X方向)，线对称地配置第一轭18a、18b，因此，X方向的磁噪声引起的磁通密度的变动量在检测点P1、P2间也相等，基于磁通密度的差量的运算角度θc不会受到影响。对于Z方向的磁噪声也一样，对这两个方向的磁噪声具有极大的抵抗性。
本实施例中，轴2相当于本发明的被检测体，永久磁铁11的S极的磁极面12相当于磁化方向一端的磁极面。
永久磁铁的下表面15相当于“第一轭突出的面”，第一轭18的下端面19相当于突出下端。
霍尔IC24相当于磁检测元件，Z方向的磁通密度Bz1、Bz2相当于与旋转轴平行的方向的磁通密度，而且，Y方向的磁通密度By1、By2相当于与旋转轴及基准线垂直的方向的磁通密度。
第一实施例如以上构成，由以下部件形成：形成于轴2的平面部3；使S极的磁极面12与平面部3平行地对置的永久磁铁11；相对于通过轴2的旋转轴Cs且沿着永久磁铁11的磁化方向MD的基准线K，线对称地配置且与旋转轴Cs平行地从永久磁铁11突出的一对第一轭18(18a、18b)；与永久磁铁11的第一轭18突出的下表面15对置，且在与第一轭18的下端面19之间隔开间隙地配置的第二轭20；使磁感应部位于上述间隙中的与第一轭18a、18b分别对应的检测点P1、P2的霍尔IC24，基于霍尔IC24检测出的与旋转轴Cs平行的Z方向的磁通密度Bz1、Bz2和与旋转轴Cs及基准线K垂直的Y方向的磁通密度By1、By2，运算轴2的旋转角度。
由于根据平面部3和第一轭18间的距离变化检测轴2的旋转，因此，不需要旋转传递机构，另外，可以将永久磁铁11、第一轭18、第二轭20及霍尔IC24设为一个角度传感器单元10，在其内部也不需要旋转部件的复杂的保持构造及气密的收纳空间。由此，能以低成本及小型地构成整体，应用对象及设置部位的自由度较大，并且机械性的误差被释放而得到较高的检测精度。
(与第一方面及第六方面对应的效果)
在霍尔IC24中，运算出检测点P1、P2双方的Z方向的磁通密度的差量和Y方向的磁通密度的差量，并基于这两差量求得轴2的旋转角度，因此，可抑制轴2的旋转轴的位置偏差所引起的检测特性的变动，对于外部磁噪声也一样，具有较高的鲁棒性。(与第二方面对应的效果)
第一实施例中，隔着基准线K且相互平行地配置第一轭18a、18b，因此，也不会从该面受到磁噪声的影响。(与第四方面对应的效果)
永久磁铁11通过注塑成形而形成，第一轭18在注塑成形时嵌入而保持于永久磁铁11，因此，与在成形后的永久磁铁中单独组装第一轭18的情况相比，不需要精密的组装构造，不可能产生松动等，制造容易。(与第七方面对应的效果)
另外，永久磁铁11在保持第一轭18的状态或装配到角度传感器单元之后进行磁化，由此，可避免经由组装工序中的磁力特性的变动及磁性污染。(与第八方面对应的效果)
接着，图8表示角度传感器单元10中的第一轭的配置的变形例。
第一轭18a、18b与第一实施例一样，相对于永久磁铁11的基准线K，线对称地配置，但以彼此的分开距离在接近与平面部3对置的磁极面12的侧变大，在远离与平面部3对置的磁极面12的侧变小的方式倾斜，从上方(Z方向)观察时形成八字。其它结构与第一实施例相同。
越增大第一轭18的倾斜，越受到磁噪声的影响，但例如通过以夹角30deg(相对于基准线K各15deg)等倾斜，轴2的Z方向及Y方向的磁通密度的变化变大，由此，检测灵敏度变高，因此，可以考虑平衡而设定倾斜角度。(与第五方面对应的效果)
实施例2
在第二实施例中，将角度传感器单元10设为与第一实施例相同的构造，同时使在检测点P(P1、P2)检测的磁通密度的处理不同。
前实施例中，使用了磁通密度的差量运算，但在对检测点P施加的磁通密度较小的情况下，磁通密度的差量也变小，运算角度θc的值可能会变小。
于是，本实施例中，使用加法平均值运算代替差量运算。
即，将检测点P1的Z方向的磁通密度设为Bz1，将Y方向的磁通密度设为By1，且将检测点P2的Z方向的磁通密度设为Bz2，将Y方向的磁通密度设为By2，并通过下式计算出Z方向平均磁通密度μBz、Y方向平均磁通密度μBy。
μBz＝(Bz1+Bz2)/2
μBy＝(By1+By2)/2
而且，使用这些平均值通过下式求得运算角度θc。
θc＝Arctan(μBz/μBy)
这些运算也可以在检测检测点P的磁通密度的霍尔IC24中进行，将求得的运算角度θc变换成规定的电信号进行输出。
根据该第二实施例，与第一实施例相比，检测灵敏度更良好，即使在对检测点P施加的磁通密度较小的情况或磁通密度的差量较小的情况下，也可以得到较大值的运算角度θc。因此，可得到轴2的分辨率较高的旋转角度。(与第三方面对应的效果)
此外，第二实施例中，第一轭18a、18b的配置也可以采用图8的变形例。
在实施方式中，将第一轭18在永久磁铁11的注塑成形时同时嵌入而一体化，但在形成永久磁铁后进行组装的情况下，在永久磁铁11形成与第一轭18的形状、大小一致的孔而进行插入。
另外，使永久磁铁11的S极的磁极面12与轴2的平面部3对置，但也可以不管极性，使N极的磁极面13与平面部3对置而将磁感线J的流动设为反向。在该情况下，优选使与第二轭20的平面部3对置的端缘延伸，以与N极的磁极面13为同一平面。

Claims (8)

1.一种旋转角度检测装置，其特征在于，构成为具备：
平面部，其形成于被检测体；
永久磁铁，其使磁化方向一端的磁极面与该平面部平行地对置；
一对第一轭，其相对于通过被检测体的旋转轴并沿着所述磁化方向的基准线而线对称地配置，且与被检测体的所述旋转轴平行地从所述永久磁铁突出；
第二轭，其与所述永久磁铁的所述第一轭突出的面对置，且在与所述第一轭的突出端之间隔开间隙地配置；
磁检测元件，其使磁感应部位于所述间隙中的与所述第一轭分别对应的检测点，
基于所述磁检测元件检测出的与所述旋转轴平行的方向的磁通密度和与所述旋转轴及基准线垂直的方向的磁通密度，运算被检测体的旋转角度。
2.如权利要求1所述的旋转角度检测装置，其特征在于，
所述磁检测元件计算出所述检测点双方的与所述旋转轴平行的方向的磁通密度的差量和与所述旋转轴及基准线垂直的方向的磁通密度的差量，基于这两个差量运算被检测体的旋转角度。
3.如权利要求1所述的旋转角度检测装置，其特征在于，
所述磁检测元件计算出所述检测点双方的与所述旋转轴平行的方向的磁通密度的加法平均值和与所述旋转轴及基准线垂直的方向的磁通密度的加法平均值，基于这两加法平均值，运算被检测体的旋转角度。
4.如权利要求1～3中任一项所述的旋转角度检测装置，其特征在于，
所述一对第一轭是相互平行地配置且以面对面对置的平板状。
5.如权利要求1～3中任一项所述的旋转角度检测装置，其特征在于，
所述一对第一轭是相互以面对面对置的平板状，且以对置的分开距离在接近与所述平面部对置的磁极面的侧变大，在远离与所述平面部对置的磁极面的侧变小的方式倾斜配置。
6.一种角度传感器单元，其与形成有平面部的被检测体对置，并检测被检测体的旋转角度，其特征在于，具有：
永久磁铁，其为长方体且将前后方向设为磁化方向并在前后端具有磁极面；
一对第一轭，其隔着沿着该永久磁铁的磁化方向的基准线而沿宽度方向线对称地配置，并从该永久磁铁向下方突出；
第二轭，其与所述永久磁铁的下表面对置，且在与所述第一轭的突出下端之间隔开间隙地配置；
磁检测元件，其使磁感应部位于所述间隙中的与所述第一轭分别对应的检测点。
7.如权利要求6所述的角度传感器单元，其特征在于，
所述永久磁铁通过注塑成形而形成，
所述第一轭在所述注塑成形时嵌入成形而保持于所述永久磁铁。
8.如权利要求6或7所述的角度传感器单元，其特征在于，
所述永久磁铁在至少保持所述第一轭的状态下被磁化。
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