CN1769843A - 非接触式转动角度检测传感器 - Google Patents

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Abstract

一种非接触式转动角度检测传感器，可以通过简单结构提高输出的直线性。固定侧轭铁(20)以固定间隙包围固定在转子(10)上的环状永久磁铁(15)的外周面，并在径向上具有N、S两极。固定侧轭铁由第1、第2外侧轭铁(30、40)构成，在第1外侧轭铁的缺口(32)处配置有霍尔元件(25)。第1外侧轭铁的轴向高度(h3)沿着圆周方向变化，第2外侧轭铁的高度(h4)与第1外侧轭铁的高度(h3)具有互补关系，第1、第2外侧轭铁以固定间隙(Lh)重叠。通过缺口的磁通量与不通过缺口的磁通量的比率根据环状永久磁铁的转动而变化，随着高度变化，通过第1外侧轭铁的磁通量自身也发生变化，因此能提高霍尔元件的输出的直线性。

Description

非接触式转动角度检测传感器
技术领域
本发明涉及一种使用磁感应元件的非接触式转动角度检测传感器。
背景技术
例如作为可以形成小型结构、不必担心因异物造成的接触不良等，并且适合车辆的加速踏板的踩踏角检测、和根据变速杆的操作而转动的轴的转动角度检测等的转动角度检测传感器，有使用磁感应元件的非接触式转动角度检测传感器。
作为这种非接触式转动角度检测传感器的现有示例，例如有日本专利特表平5-505883号公报所公开的传感器。
在该现有示例中，如图7(a)所示，将分割成半圆的环状永久磁铁100固定在未图示的转子上，并且在直径方向上形成N、S极两极，并用外侧轭铁110包围环状永久磁铁100的外周面，在设于外侧轭铁的缺口处配置霍尔元件105，该外侧轭铁110相对永久磁铁的外周隔开规定间隙设置。外侧轭铁110的截面为矩形，其宽度、轴向高度在圆周方向上分别是固定的。
在上述结构中，由环状永久磁铁100产生的磁通通过外侧轭铁110。在环状永久磁铁100与转子一起转动时，由于与该磁铁相对的外侧轭铁110的轴向高度固定，所以通过外侧轭铁的磁通总和固定，但是根据环状永久磁铁100的转动，通过配置在外侧轭铁110的缺口处的霍尔元件105的磁通量与不通过霍尔元件105的磁通量的比率变化。
因此，从理论上讲，可以根据霍尔元件105的输出的变化，求出转子(环状永久磁铁100)的转动角度。
图7(a)中的A、B、…、E表示伴随环状永久磁铁100的转动，磁通在霍尔元件105的通过量的变化。(b)表示霍尔元件105针对转动角度的输出，线上的A、B、…、E与(a)中的环状永久磁铁100的各个转动角度位置对应。
专利文献1日本专利特表平5-505883号公报
但是，在上述现有的非接触式转动角度检测传感器中，如图7(b)所示，在包括通过霍尔元件105的磁通方向切换的转动角度0°在内的规定范围B～D中，霍尔元件105的输出变化明确，但越偏离规定范围，输出信号的直线性越有问题。
这被认为是由于越偏离规定范围，通过霍尔元件105的磁通量越多，其中的磁通变化比率相对变小而导致的。
这样，如果不能保持霍尔元件的输出信号的直线性，在想要在比较大的角度范围内检测转动角度时，存在不能获得所期望的精度的问题。
作为其对策，考虑可以使外侧轭铁的环的形状为椭圆形，或者使外侧轭铁和永久磁铁的间隔变化，但这是理论上的对策，在现实中考虑到制造上的偏差和产品的机械松动，在技术上难以适用于车辆用等大批量生产的情况。
并且，作为环状永久磁铁使用各向异性磁铁的示例居多，存在价格昂贵，而且加工性不足的问题。
发明内容
本发明就是鉴于上述现有问题而提出的，其目的在于，提供一种结构简单、精度良好的非接触式转动角度检测传感器。
因此，本发明的非接触式转动角度检测传感器包括：环状永久磁铁，其可以与转子一体地转动，并且磁极沿着圆周方向变化；环状固定侧轭铁，其由在轴向上重叠的第1轭铁和第2轭铁构成，并且隔开固定间隙包围环状永久磁铁的外周面；磁感应元件，其配置在形成于第1轭铁的环上的缺口处，所述非接触式转动角度检测传感器使第1轭铁的轴向高度沿着圆周方向变化。
通过缺口部的磁通量与不通过缺口部的磁通量的比率根据环状永久磁铁的转动而变化，并且根据第1轭铁的高度变化，通过第1轭铁的磁通量自身也发生变化，所以磁感应元件输出基于这两种变化的信号，能够获得信号输出针对转动角度的高直线性。
附图说明
图1是表示本发明的实施方式的整体结构的图。
图2是图1的C-C部剖面图。
图3是将整体部分分解表示的立体图。
图4是将环状永久磁铁放大表示的俯视图。
图5是与现有示例比较表示实施例的作用的图。
图6是表示缺口部的变形例的图。
图7是表示现有示例的问题的说明图。
标号说明
10：转子；11：主体部；12：磁铁保持部；13：通孔；14：支承轭铁；15：环状永久磁铁；16a、16b：磁铁半圆部；20：固定侧轭铁；25：霍尔元件(磁感应元件)；27：传感器芯片；30：第1外侧轭铁(第1轭铁)30a、30b、40a、40b：轭铁半圆部；31：切角部；32、42：缺口；40：第2外侧轭铁(第2轭铁)。
具体实施方式
以下，说明本发明的实施方式。
图1表示实施方式的外观，(a)是从轴向看到的俯视图，(b)是从(a)中的A-A箭头方向看到的视图，(c)是从(a)中的B-B方向看到的视图。图2是图1(a)中的C-C部剖面图。图3是将整体部分分解表示的立体图。
安装在作为检测对象即转动体的未图示的轴上的转子10，由外观呈圆柱状的主体部11、和从主体部11的轴向中间向径向延伸的凸缘状磁铁保持部12构成。主体部11具有使轴通过的通孔13，通孔13的截面具有与轴的安装部截面配合的两个宽面部，在使轴插入并贯穿轴的安装部的状态下，转子10可以与轴一体地转动。
环状永久磁铁15通过由钢材构成的环状支承轭铁14安装在磁铁保持部12上。如图4的放大图所示，环状永久磁铁15宽度固定，并在其直径线上(圆周方向180°位置)被分割成半圆，一个磁铁半圆部16a把内周侧(与支承轭铁14接触的一侧)作为S极、把外周侧作为N极，另一个磁铁半圆部16b把内周侧作为N极、把外周侧作为S极，整体上在圆周方向形成N极和S极的两极结构。作为环状永久磁铁15的材料，不限于各向异性磁铁，也可以选择各向同性磁铁。
由这两个磁铁半圆部16a、16b构成的环状永久磁铁15固定在支承轭铁14的外周面上，支承轭铁14固定在转子的磁铁保持部12的外周面上。在本实施方式中，环状永久磁铁15和支承轭铁14的轴向高度与磁铁保持部12的轴向高度一致。
如上所述，固定侧轭铁20设置在相对轴的固定侧，该固定侧轭铁20包围安装在转子10上的环状永久磁铁15，并由第1外侧轭铁30和第2外侧轭铁40构成。第1外侧轭铁30和第2外侧轭铁40的材料分别是钢材。
第1外侧轭铁30和第2外侧轭铁40从轴向看到的平面形状彼此相同，分别具有固定宽度W，并在各自的直径线上(圆周方向180°位置)被分割成半圆，切掉分割后的各个轭铁半圆部30a(40a)、30b(40b)之间的周向对置面，分别设置有两处具有规定宽度G的缺口32、42。
第1外侧轭铁30和第2外侧轭铁40从轴向观看时，使各自的缺口42、32一致，并且在轴向彼此重叠，各自的内周面与环状永久磁铁15的外周面之间隔开固定间隙Ls相对。
第1外侧轭铁30和第2外侧轭铁40的各自高度(轴向)h3、h4沿着圆周方向变化，但第1外侧轭铁30的下表面(与第2外侧轭铁40的相对面的相反一侧)和第2外侧轭铁40的上表面(与第1外侧轭铁30的相对面的相反一侧)，分别形成相对轴向垂直的平坦面。并且，第1外侧轭铁30和第2外侧轭铁40的圆周方向的各个截面形成为高度变化的矩形截面。
第2外侧轭铁40的高度h4与第1外侧轭铁30的高度h3具有互补关系，在第1外侧轭铁30的高度h3较大的圆周方向位置，第2外侧轭铁40的高度h4较小，在第1外侧轭铁30的高度h3较小的位置，第2外侧轭铁40的高度h4较大。
在第1外侧轭铁30的上表面和第2外侧轭铁40的下表面之间，沿着圆周方向设定固定间隙Lh。
第1外侧轭铁30的下表面与环状永久磁铁15的下表面一致。包括上述固定间隙Lh在内的、第1外侧轭铁30和第2外侧轭铁40重叠后的固定侧轭铁20的高度Hy与环状永久磁铁15的高度Hm，被设定为满足关系Hy＞Hm，例如，环状永久磁铁15的高度Hm与第1外侧轭铁30的最大高度相同时，第1外侧轭铁30的内周面在圆周方向的所有位置与环状永久磁铁15的外周面的正面相对。
另外，考虑到该各个轭铁的材料的导磁率、环状永久磁铁15的磁通密度，第1外侧轭铁30和第2外侧轭铁40的上述固定宽度W，被设定成在轭铁内磁通不饱和的大小。
在第1外侧轭铁30的一个缺口32设置霍尔元件25，以作为磁感应元件。
在如上所述构成的实施方式中，由环状永久磁铁15产生的磁通全部通过第1外侧轭铁30和第2外侧轭铁40，但是当环状永久磁铁15与转子10一起转动时，通过设有霍尔元件25的缺口32的磁通量与不通过该缺口32的磁通量的比率发生变化。这与图7(a)所示的现有示例的作用相同。
在实施方式中，由于第1外侧轭铁30的高度h3在圆周方向上发生变化，因而随着环状永久磁铁15的转动，通过第1外侧轭铁30的磁通量自身也发生变化。并且，由于缺口32的霍尔元件25配置在第1外侧轭铁的轭铁半圆部30a、30b的对置面之间，所以霍尔元件25接受该磁通量自身的变化和前述的磁通量比率的变化。
因此，通过根据实验测定来选择第1外侧轭铁30在圆周方向上变化的高度h3的值，可以获得提高了直线性的输出。
选择高度h3的具体要领是，例如，把连接图7(b)中的测定范围两端的点A和点E的直线(虚线)作为理想直线，以向减去磁通密度偏离此处的部分的方向减去高度h3的形式，求出其值。
(实施例)
作为一例，环状永久磁铁15使用各向同性的钕连接磁铁(利用PPS树脂将钕、铁、硼粉末成型)，设其内径为21mm，外径为23mm，高度为5mm，表面磁通密度为75mT，支承轭铁14的内径为19mm、外径为21mm、高度为5mm。
第1外侧轭铁30的两个轭铁半圆部30a、30b分别形成为宽度(W)4mm、高度h3的最大部在圆弧两端为6mm、最小部在圆弧中央为1mm的凹状，并将其两端分别切去0.8mm，使缺口宽度(G)为1.6mm，第2外侧轭铁40的两个轭铁半圆部40a、40b分别形成为宽度(W)4mm、高度的最大部在圆弧中央为6mm、最小部在圆弧两端为1mm的凸状，将其两端分别切去0.8mm，使缺口宽度(G)为1.6mm。
并且，使第1外侧轭铁30和第2外侧轭铁40之间的间隙(Lh)为0.5mm，使环状永久磁铁15的外周面(外径23mm)和固定侧轭铁20的内周面之间的固定间隙(Ls)在整个圆周上为1mm。
图5是与现有例的比较例对比表示实施方式的效果的检测输出图。
此处，把整体上为两极结构的环状永久磁铁15的N极和S极的连接线(相对各磁铁半圆部16a、16b的端部间的对置面的连接线垂直的直径线)通过第1外侧轭铁30的配置了霍尔元件25的缺口32时的、环状永久磁铁15的位置设为转动角度0°，如图5(a)所示，在把-42.5°～42.5°设为检测范围时，把霍尔元件25的输出电压0.5V(-42.5°)与4.5V(42.5°)的连接线设为理想直线。
图5(b)表示实施例的非直线性(相对理想直线的实际输出值的偏移％FS)，(c)表示比较例的非直线性。
在比较例中，在转动角度的负侧中间区域和正侧中间区域中，非直线性为1.2％FS，而且在夹持0°的正、负各15°的范围中朝向1.0％FS变化，与此相对，在实施例中可知，在所有检测转动角度范围内小于1.0％FS，在夹着0°的正、负各15°的位置小于0.5％FS，并且在从正、负15°靠近0°的范围内为更小一数量级的％FS，所以可以获得较高的直线性。
如上所述，在本实施方式中，包括：环状永久磁铁15，其可以与安装在检测对象即轴上的转子10一体地转动，并且磁极沿着圆周方向变化；环状固定侧轭铁20，其由在轴向重叠的第1外侧轭铁30和第2外侧轭铁40构成，并隔开固定间隙Ls包围环状永久磁铁15的外周面；霍尔元件25，其配置在形成于第1外侧轭铁30的环上的缺口32处，并且所述非接触式转动角度检测传感器使第1外侧轭铁30的轴向高度h3沿着圆周方向变化，因此，通过缺口32的磁通量与不通过缺口32的磁通量的比率根据环状永久磁铁15的转动而变化，并且由于第1外侧轭铁30的高度发生变化，通过第1外侧轭铁30的磁通量自身也发生变化。缺口32的霍尔元件25接受上述两种变化，所以通过选择第1外侧轭铁30的在圆周方向变化的高度h3的值，可以实现以往不能获得的直线性的提高。
并且，通过提高该直线性，实际应用的检测角度范围扩大。而且，由于环状永久磁铁15和固定侧轭铁20之间的间隙固定，所以与使环的形状为椭圆形或使间隙变化时不同，能够确保稳定的质量，并且没有制造上的偏差。
并且，作为环状永久磁铁15，可以使用价格低廉且加工性良好的各向同性磁铁，所以具有能够降低产品成本的优点。
另外，移动部分只有通过转子10安装在轴上的环状永久磁铁15，所以不会产生产品的机械松动。
特别是环状永久磁铁15形成为整体上在径向具有N极和S极两种极性的磁铁，因此将半圆状的两个磁铁支承在支承轭铁14上并固定于转子10上即可，所以结构简单。
并且，第1外侧轭铁30是使相同形状的两个轭铁半圆部30a、30b排列在圆上而构成的，并通过切去各个轭铁半圆部的圆周方向相对面而在圆周方向180°的位置上形成两个缺口32，所以通过配置两个霍尔元件等，可以根据需要取出同相或反相的信号输出。
第2外侧轭铁40由平面形状与第1外侧轭铁30的轭铁半圆部相同的两个轭铁半圆部40a、40b构成，其与第1外侧轭铁30重叠，并使轭铁半圆部之间的缺口42与第1外侧轭铁30的缺口32重合，所以结构简单，有利于小型化。
并且，在第1外侧轭铁30和第2外侧轭铁40的轴向上不相对的上下表面分别是平坦面，固定侧轭铁20的高度Hy在整个圆周方向上固定，所以向固定侧的安装也容易，并且结构简单。
第2外侧轭铁40的沿圆周方向的高度h4与所述第1外侧轭铁30的高度h3具有互补关系，第1外侧轭铁30和第2外侧轭铁40以固定间隙Lh重叠，所以从环状永久磁铁15向第2外侧轭铁40的磁通能够顺利通过，对获得信号输出的直线性特别有利。
并且，环状永久磁铁15的轴向高度小于固定侧轭铁20的高度，环状永久磁铁15在轴向上配置成相比第2外侧轭铁40更偏向于第1外侧轭铁30侧，所以有相当量的磁通通过第1外侧轭铁30并通过霍尔元件25，因此不会受到噪声等的影响。
环状永久磁铁15通过由钢材构成的支承轭铁14安装在转子上，所以即使在配置于氛围气体为高温的场所时，永久磁铁的不可逆的热退磁也被抑制得较小，而且抑制向内径方向的泄漏磁通，使朝向外侧轭铁20的磁通容易通过。
另外，在实施方式的缺口32部，第1外侧轭铁30的各个轭铁半圆部30a、30b的端面整体相对，但如图6所示，如果在各个轭铁半圆部30a、30b的内径侧和外径侧的角处设置切角部31，使对置面的径向宽度D的大小与霍尔元件25内的传感器芯片27的宽度为相同水平，则可以进一步提高相对霍尔元件的实质磁通密度。在第2外侧轭铁40的缺口42部分也可以设置相同形状的切角部。
并且，在实施方式中，第1外侧轭铁30和第2外侧轭铁40的圆周方向的各截面为矩形形状，但如果与环状永久磁铁15的对置面的高度(h3)合适，只要在第1、第2外侧轭铁30、40的上下方向对置面之间能够确保固定间隙Lh，截面形状的影响就会较小，所以不限于矩形形状。
在实施方式中，把霍尔元件25设置在第1外侧轭铁30的两个缺口32中的一个上，但也可以在各个缺口设置霍尔元件。该情况下，各个霍尔元件可以输出彼此同相的信号或者输出反相的信号，可以任意选择。
并且，作为磁感应元件，在缺口处设置了霍尔元件，但是作为磁感应元件，除此以外还可以选择线性输出型的霍尔IC和磁电阻元件等合适的元件。
另外，作为支承轭铁14、第1外侧轭铁30和第2外侧轭铁40的材料，分别使用了普通钢材，但不限于此，也可以使用硅钢和电磁钢。上下重叠的第1外侧轭铁30和第2外侧轭铁40优选为相同材料。

Claims (7)

1.一种非接触式转动角度检测传感器，其特征在于，包括：
环状永久磁铁，其可以与转子一体地转动，并且磁极沿着圆周方向变化；
环状固定侧轭铁，其由在轴向重叠的第1轭铁和第2轭铁构成，并且隔开固定间隙包围所述环状永久磁铁的外周面；
磁感应元件，其配置在形成于所述第1轭铁的环上的缺口处，
所述第1轭铁的轴向高度沿着圆周方向变化。
2.根据权利要求1所述的非接触式转动角度检测传感器，其特征在于，所述环状永久磁铁整体上在径向具有N极和S极两极，并且该环状永久磁铁由支承轭铁支承并固定在所述转子上。
3.根据权利要求1或2所述的非接触式转动角度检测传感器，其特征在于，所述第1轭铁通过使相同形状的两个轭铁半圆部排列在圆上而构成，所述缺口通过切去各个轭铁半圆部的圆周方向相对面而形成，并在圆周方向180°的位置相对配置。
4.根据权利要求3所述的非接触式转动角度检测传感器，其特征在于，所述第2轭铁由平面形状与所述第1轭铁的轭铁半圆部相同的两个轭铁半圆部构成，所述第2轭铁与所述第1轭铁重叠，并使其两个轭铁半圆部之间的缺口与第1轭铁的所述缺口重合。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的非接触式转动角度检测传感器，其特征在于，在所述第1轭铁和第2轭铁的轴向上不相对的面分别是平坦面，固定侧轭铁的高度在圆周方向上恒定。
6.根据权利要求5所述的非接触式转动角度检测传感器，其特征在于，所述第2轭铁的沿圆周方向的高度满足下述关系，即该高度在所述第1轭铁的高度较大的圆周方向位置上较小、而在所述第1轭铁的高度较小的圆周方向位置上较大，第1轭铁和第2轭铁以固定间隙重叠。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的非接触式转动角度检测传感器，其特征在于，所述环状永久磁铁的轴向高度小于所述固定侧轭铁的高度，所述环状永久磁铁在轴向上配置成相比所述第2轭铁更偏向于第1轭铁侧。
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