JP2000298036A - 回転センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】構造が簡単で製造コストを低減でき、回転軸の
回転変位を高分解能で検出することができる回転センサ
を提供する。 【解決手段】回転センサ１は、回転軸２に固定されその
回転軸２とともに回転するロータ３と、ロータ３に対向
して配置され、ロータ３の回転に伴う磁界の変化を検出
する磁気検出部４，５とを備えている。ロータ３は、磁
性材料を用いて円板状に形成され、その径方向の中心Ｏ
１が回転軸２の軸中心Ｏ２と異なるよう固定されてい
る。回転軸２が回転すると、ロータ３の外周面と磁気検
出部４，５との距離が変化し、磁気検出部４，５のホー
ル素子６ａ，６ｂに印加される磁界が変化する。これに
より、磁気検出部４，５の出力信号がｓｉｎ波状に変化
して、その出力信号に基づいて回転軸２の回転位置が検
出される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、回転体の回転に伴
う磁界の変化からその回転を検出する回転センサに関す
るものである。

【０００２】

【従来技術】従来、回転軸の回転位置等を検出するため
の回転センサとして、回転軸に固定されたロータ（磁性
回転体）の外周面に凸状の歯を形成し、そのロータの回
転に伴う磁界の変化をホール素子で検出するもの（特開
平６−８２４６５号公報）や、ロータに磁極（Ｎ，Ｓ
極）を着磁し、そのロータの回転に伴う磁界の変化をホ
ール素子等の磁電変換素子で検出するもの（特開平６−
１０９７５０号公報）が知られている。このように、ホ
ール素子等の磁電変換素子を用いた回転センサでは、ロ
ータの回転速度に依存せず常に同一レベルの出力信号が
得られることから、最近ではこの種の回転センサが主に
実用化されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところが、ロータの外
周面に多数の歯を形成したり、ロータに磁極を着磁する
ことは、製造コストが高くなることに加え、回転センサ
の分解能を高くする場合、歯の形状及び着磁精度に製造
上のバラツキが発生し検出誤差の要因となってしまう。

【０００４】また、回転軸の回転位置を検出する方法と
して、レゾルバ方式が知られている。この方式は、電磁
結合を利用したものであって、交流電圧を印加するため
の回路等が必要であり構造が複雑となるために、製造コ
ストが高くなり体格的にも大きくなってしまう。

【０００５】本発明は上記問題点を解決するためになさ
れたものであって、その目的は、構造が簡単で製造コス
トを低減でき、回転軸の回転変位を高分解能で検出する
ことができる回転センサを提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記問題点を解決するた
めに、請求項１に記載の発明は、回転軸に固定され、前
記回転軸とともに回転する磁性回転体と、前記磁性回転
体に対向して配置され、磁性回転体の回転に伴う磁界の
変化を検出する磁気検出手段とを備えた回転センサにお
いて、前記磁性回転体と前記磁気検出手段との距離が前
記磁性回転体の回転に伴って変化することを要旨とす
る。

【０００７】請求項２に記載の発明は、回転軸に固定さ
れ、前記回転軸とともに回転する磁性回転体と、前記磁
性回転体に対向して配置され、磁性回転体の回転に伴う
磁界の変化を検出する磁気検出手段とを備えた回転セン
サにおいて、前記磁性回転体は、その径方向の中心が前
記回転軸の軸中心と異なるよう固定されることを要旨と
する。

【０００８】請求項３に記載の発明は、回転軸に固定さ
れ、前記回転軸とともに回転する磁性回転体と、前記磁
性回転体に対向して配置され、磁性回転体の回転に伴う
磁界の変化を検出する磁気検出手段とを備えた回転セン
サにおいて、前記磁性回転体は、楕円形状に形成され、
その径方向の中心が前記回転軸の軸中心と一致するよう
固定されることを要旨とする。

【０００９】請求項４に記載の発明は、請求項１〜３の
いずれか一項に記載の回転センサにおいて、前記磁気検
出手段は、前記磁性回転体の周方向に所定間隔を有して
２カ所に配設されたことを要旨とする。

【００１０】（作用）請求項１に記載の発明によれば、
磁性回転体と磁気検出手段との距離が磁性回転体の回転
に伴って変化するため、磁気検出手段に印加される磁界
が回転体の回転位置に応じて変化する。この変化を磁気
検出手段が検出することで回転軸の回転変位が高分解能
で検出される。

【００１１】請求項２に記載の発明によれば、磁性回転
体は、その径方向の中心が回転軸の軸中心と異なるよう
固定される。従って、回転軸が回転しその回転軸ととも
に磁性回転体が回転すると、磁性回転体と前記磁性回転
体に対向して配置された磁気検出手段との距離が変化す
る。これにより、磁気検出手段に印加される磁界が変化
し検出される信号がｓｉｎ波状となる。そして、この信
号の変化から回転軸の回転変位が高分解能で検出され
る。

【００１２】請求項３に記載の発明によれば、磁性回転
体は、楕円形状に形成され、その径方向の中心が回転軸
の軸中心と一致するよう固定される。従って、回転軸の
回転に伴い磁性回転体と前記磁性回転体に対向して配置
された磁気検出手段との距離が変化する。これにより、
磁気検出手段に印加される磁界が変化し検出される信号
がｓｉｎ波状となる。そして、この信号の変化から回転
軸の回転変位が高分解能で検出される。

【００１３】請求項４に記載の発明によれば、前記磁性
回転体の周方向に所定間隔を有して２カ所に磁気検出手
段が配設されるので、一方の検出信号に対して位相がず
れた信号が検出される。そして、位相がずれた２つの検
出信号に基づいて回転軸の絶対位置が検出される。ま
た、２つの検出信号に基づいて回転軸の絶対位置を検出
することで、磁気検出手段における温度依存性等の誤差
要因が相殺される。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明を具体化した実施形
態を図面に従って説明する。本実施形態の回転センサ
は、パワーステアリング装置に適用されるものであっ
て、例えば、操舵補助力を発生させるための駆動モータ
の回転軸に設けられ、その回転位置を検出するものであ
る。

【００１５】図１（ａ）は、本実施形態における回転セ
ンサ１の概略構成を示す平面図であり、図１（ｂ）は、
図１（ａ）におけるＡ−Ａ断面図である。図１（ａ），
（ｂ）に示すように、回転センサ１は、回転軸２に固定
されたロータ３と、そのロータ３に対向して配設された
２つの磁気検出部４，５を有している。

【００１６】詳しくは、ロータ３は磁性材料を用いて円
板状に形成され、その径方向の中心Ｏ１が回転軸２の軸
中心Ｏ２と異なるように固定されている。つまり、図１
（ａ）に示すようにロータ３の中心Ｏ１から左方に所定
距離Ｄ（回転軸２の半径）だけオフセットさせた位置に
回転軸２の軸中心Ｏ２が位置するようにロータ３に対し
て回転軸２を固定している。また、本実施形態では、磁
気検出部４は、磁気検出部５に対してロータ３の周方向
に９０°ずらした位置に配置されている。

【００１７】磁気検出部４，５は、ホール素子６ａ，６
ｂ、半導体チップ７ａ，７ｂ及びバイアスマグネット８
ａ，８ｂを有しており、ホール素子６ａ，６ｂが半導体
チップ７ａ，７ｂを介してバイアスマグネット８ａ，８
ｂのＮ極側に配設されている。ただし、ホール素子６
ａ，６ｂは、半導体チップ７ａ，７ｂを介してバイアス
マグネット８ａ，８ｂのＳ極側に配設される構成でもよ
い。

【００１８】バイアスマグネット８ａ，８ｂは、ホール
素子６ａ，６ｂに印加する磁界を発生する。半導体チッ
プ７ａ，７ｂは、ホール素子６ａ，６ｂへ電流を供給す
るとともに、ホール効果によりホール素子６ａ，６ｂに
発生する電圧を増幅する。そして、磁気検出部４，５は
コントローラ１０と接続され、半導体チップ７ａ，７ｂ
で増幅された電圧が同コントローラ１０に取り込まれる
ようになっている。

【００１９】このように、ホール素子６ａ，６ｂを用い
て磁気検出部４，５を構成することで、磁気検出部４，
５をコンパクトにすることが可能となる。また、ホール
効果によりホール素子６ａ，６ｂに発生する電圧は、回
転軸２の回転速度に依存しないため安定した出力を得る
ことができる。

【００２０】コントローラ１０は、図示しないＡ／Ｄコ
ンバータと中央処理装置（ＣＰＵ）等を有しており、Ａ
／Ｄコンバータは磁気検出部４，５からのアナログ信号
を、サンプリング→量子化→コード化等の変換過程を経
てデジタル信号に変換し、その信号がＣＰＵに取り込ま
れるように構成されている。そして、ＣＰＵはこの入力
信号に基づいて後述する演算を実施して、回転軸２の回
転位置が検出される。

【００２１】このように構成された回転センサ１におい
て、駆動モータの回転軸２が回転すると、ロータ３が回
転軸２の軸中心Ｏ２を中心に回転する。このとき、磁気
検出部４のホール素子６ａと、ロータ３の外周面との距
離が変化するためホール素子６ａに印加される磁界が変
化する。これにより、ホール素子６ａに発生する電圧が
変化して、磁気検出部４からコントローラ１０に出力さ
れる信号は、ロータ３の回転角θに応じて、図２のよう
にｓｉｎ波状に変化する。

【００２２】より詳しくは、図１（ａ）の状態を回転角
θ＝０°とし、そのときの磁気検出部４の出力を、図２
に示すように基準値「０」とした場合、その状態から図
１の時計回り方向に回転軸２が回転すると、ロータ３の
外周面とホール素子６ａとの距離は、次第に近くなり回
転角θ＝９０°のとき最も接近する。このとき、ホール
素子６ａに印加される磁界が最大となり、磁気検出部４
の出力が最大値となる。さらに、回転軸２が時計回り方
向に回転すると、ロータ３の外周面とホール素子６ａと
の距離は、次第に遠くなり回転角θ＝１８０°のとき、
回転角θ＝０°のときの距離と同じになる。従って、こ
のときの磁気検出部４の出力は基準値「０」となる。引
き続き、回転軸２が時計回り方向に回転し、回転角θ＝
２７０°となると、ロータ３の外周面とホール素子６ａ
との距離が最も遠くなる。このとき、ホール素子６ａに
印加される磁界が最小となり、磁気検出部４の出力が最
小値となる。そして、回転軸２の回転に伴いロータ３の
外周面とホール素子６ａとの距離が近くなり出力が増加
して、回転角θ＝３６０°、即ち０°のとき基準値
「０」となる。

【００２３】一方、磁気検出部５のホール素子６ｂも回
転軸２の回転に応じてロータ３の外周面との距離が変化
するためホール素子６ｂに印加される磁界が同様に変化
する。だたし、磁気検出部５は、磁気検出部４に対して
反時計回り方向に９０°ずれた位置に配置されているの
で、前述した磁気検出部４の出力に対して、９０°進ん
だ信号が出力される。つまり、図３に示すように、ｃｏ
ｓ波状の信号が出力される。

【００２４】因みに、回転軸２が図１（ａ）の状態から
反時計回り方向に回転すると、図２及び図３においてマ
イナスの回転角θ示すように、磁気検出部４の出力は基
準値「０」から減少し、磁気検出部５の出力は最大値か
ら減少する。なお、図２及び図３では、説明の便宜上、
出力信号の最大値を「１」、最小値を「−１」として示
している。

【００２５】このように回転軸２の回転角θと、磁気検
出部４の出力ｙ１及び磁気検出部５の出力ｙ２との関係
は、次式（１）及び（２）のようになる。 ｙ１＝ｓｉｎθ … （１） ｙ２＝ｃｏｓθ … （２） 従って、コントローラ１０は、磁気検出部４の出力ｙ１
及び磁気検出部５の出力ｙ２から回転軸２の回転角θ、
即ち回転位置を求めることができる。

【００２６】ここで、各磁気検出部４，５からの出力ｙ
１，ｙ２に基づいて回転軸２の回転角θを求めるための
具体例を説明する。先ず、コントローラ１０は、磁気検
出部４，５の出力ｙ１，ｙ２を用いて次式（３）に示す
演算を行う。

【００２７】 ｙ３＝ｙ１／ｙ２＝ｓｉｎθ／ｃｏｓθ＝ｔａｎθ … （３） この式（３）の演算結果ｙ３（ｔａｎθ）に基づく波形
は、図４に示すように、回転角θ＝０〜９０°と１８０
〜２７０°のとき同一波形となり、回転角θ＝９０〜１
８０°と２７０〜３６０°のとき同一波形となる。この
ため、コントローラ１０は、上記式（３）に加え、次式
に示す演算を実施する。

【００２８】 ｙ４＝ｙ１−ｙ２＝ｓｉｎθ−ｃｏｓθ … （４） この式（４）の演算結果ｙ４（＝ｓｉｎθ−ｃｏｓθ）
は、図５に示すように、回転角θ＝０〜４５°と２２５
〜３６０°の場合に負の値となり、回転角θ＝４５〜２
２５°の場合に正の値となる。

【００２９】従って、コントローラ１０は、式（３），
（４）の演算結果ｙ３，ｙ４に基づいて回転軸２の回転
角θ、即ち回転位置を検出できる。また、２つの出力ｙ
１，ｙ２に基づいて回転軸２の絶対位置を検出すること
で、磁気検出部４，５の温度依存性等の不安定な要因が
相殺される。さらに、所定時間毎に回転軸２の絶対位置
を検出することで、回転軸２の回転速度を検出すること
が可能である。

【００３０】なお、本実施形態では、ロータ３が磁性回
転体に相当し、磁気検出部４，５が磁気検出手段に相当
する。また、回転センサ１とコントローラ５により回転
検出装置が構成される。

【００３１】以上記述したように、本実施形態によれ
ば、下記のような特徴を有する。 （１）回転軸２の回転に伴いロータ３の外周面と磁気検
出部４，５との距離が変化し、これにより、磁気検出部
４，５のホール素子６ａ，６ｂに印加される磁界が変化
する。従って、磁気検出部４，５によって検出される信
号がｓｉｎ波状となり、この信号変化から回転軸２の回
転変位を検出できる。回転センサ１は、ロータ３を円板
状に形成すればよく構成が簡単であるため製造上のバラ
ツキ要因を低減でき、検出誤差もない。つまり、本実施
形態の回転センサ１は、構造が簡単で製造コストを低減
でき、回転軸２の回転変位を高分解能で検出することが
できる。よって、この回転センサ１を適用することで、
パワーステアリング装置の制御精度を向上させることが
できる。

【００３２】（２）従来技術のようにロータに磁極を着
磁したものや、ロータの外周面に多数の歯を形成した回
転センサでは、ロータの絶対位置の検出は不可能である
が、本実施形態では、既述のように２つの磁気検出部
４，５の出力ｙ１，ｙ２からロータ３の回転位置（絶対
位置）を高分解能で検出することができる。また、２つ
の出力ｙ１，ｙ２に基づいて回転軸２の絶対位置を検出
することで、磁気検出部４，５の温度依存性等の誤差要
因を相殺できる。従って、本実施形態の回転センサ１を
用いれば出力軸２の絶対位置を高精度で検出できる。ま
た、所定時間毎に出力軸２の絶対位置を検出すること
で、回転軸２の回転速度の検出も可能となる。

【００３３】（３）構成が簡単であるため、回転軸２に
合わせてロータ３を容易に形成でき、さらに磁気検出部
４、５もホール素子６ａ，６ｂを用いてコンパクトに設
計できる。従って、回転センサ１を小型化することがで
きる。

【００３４】（４）本実施形態では、磁気検出部４，５
をホール素子６ａ，６ｂを用いて構成したので、回転軸
２の回転速度に依存しない安定した出力を得ることがで
き、回転軸２の回転検出の精度を向上できる。

【００３５】尚、上記実施形態は、以下の態様で実施し
てもよい。 ○図６に示すように、楕円形状に形成されたロータ２１
を回転軸２に固定した回転センサ２２に具体化してもよ
い。なお、上記実施形態と同一構成については同じ符号
を付している。ロータ２１は磁性材料で形成され、この
ロータ２１が磁性回転体に相当する。回転センサ２２で
は、ロータ２１の径方向の中心Ｏと、回転軸２の軸中心
Ｏとが一致するようにロータ２１が固定されている。そ
して、１つの磁気検出部４からのｓｉｎ波状の出力によ
り回転軸２の回転変位が高精度で検出される。従って、
この回転センサ２２も構造が簡単で製造コストを低減で
き、回転軸２の回転変位を高分解能で検出することがで
きる。

【００３６】○また、上記実施形態では、２つの磁気検
出部４，５を備えるものであったが、磁気検出部の個数
に限定するものではない。例えば、２つの磁気検出部
４，５のうちいずれか一方を省略して実施してもよい。
この場合も、回転軸２の回転変位を高分解能で検出する
ことができる。また、３つの磁気検出部を用いて検出す
れば、回転軸２の回転位置をより正確に検出できる。

【００３７】○上記実施の形態では、磁気検出部４，５
はホール素子を備えるものであったが、これに限定する
ものではない。例えば、磁気抵抗素子などの他の磁電変
換素子を適用して具体化してもよい。この構成でも、回
転軸２の回転位置を検出できる。

【００３８】○上記実施形態では、２つの磁気検出部
４，５は、ロータ３の回転方向に９０°ずらした位置に
配置されるものであったが、これに限定するものではな
く、ロータ３の周方向に所定間隔を有して２カ所に配設
されるものであればよい。つまり、２つの位相の異なる
ｓｉｎ波状の信号を得ることができれば、その信号から
ロータ３の回転位置を高分解能で検出することができ
る。

【００３９】○上記実施形態では、２つの磁気検出部
４，５の出力ｙ１，ｙ２から式（３）及び式（４）を用
いて回転軸２の回転位置を算出するものであったが、こ
れに限定するものではない。例えば、式（４）に代え
て、ｙ２−ｙ１＝ｃｏｓθ−ｓｉｎθの算出結果を用い
ても、回転軸２の回転位置の検出は可能である。

【００４０】また、予め試験等により回転軸２の回転角
θと各磁気検出部４，５と関係を求めておき、各磁気検
出部４，５の出力ｙ１，ｙ２をパラメータとするマップ
データから回転軸２の回転角θを算出するようにしても
よい。なおこの場合、そのマップデータをコントローラ
１０に備えられているＲＯＭ等に記憶する。このように
しても回転軸２の回転角θ、即ち回転位置を高精度で検
出できる。

【００４１】○上記実施形態では、回転センサ１、２２
は、駆動モータの回転軸２の回転変位を検出するもので
あったが、例えば、パワーステアリング装置において、
ステアリングシャフトにロータ３、２１を固定して、そ
の回転変位を検出するものでもよい。また、上記実施形
態の回転センサ１，２２は、自動車に限らず家電製品等
における回転体の回転変位の検出に適用してもよい。

【００４２】さらに、上記実施形態により把握される請
求項以外の技術的思想について、以下にそれらの効果と
共に記載する。 （イ）請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載の回転
センサにおいて、前記磁気検出手段を、ホール素子を用
いて構成する。この構成によれば、回転軸の回転速度に
依存しない出力を得ることができ、回転軸の回転変位を
正確に検出できる。また、磁気検出手段をコンパクトに
でき、回転センサの小型化が可能となる。

【００４３】（ロ）請求項１〜請求項４のいずれか一項
に記載の回転センサを備え、その回転センサの出力信号
に基づいて回転軸の回転変位を検出する回転検出装置。
この構成によれば、回転軸の回転変位を高分解能で検出
できるので実用上好ましいものとなる。

【００４４】

【発明の効果】以上詳述したように、請求項１〜請求項
３に記載の発明によれば、構造が簡単で製造コストを低
減でき、回転軸の回転変位を高分解能で検出することが
できる。

【００４５】請求項４に記載の発明によれば、簡単な構
成で回転位置の絶対位置を高精度で検出することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】 実施形態の回転センサを示す概略構成図。

【図２】 磁気検出部からの出力波形を説明するための
図。

【図３】 磁気検出部からの出力波形を説明するための
図。

【図４】 各出力から得られる演算結果を示す図。

【図５】 各出力から得られる演算結果を示す図。

【図６】 他の実施形態の回転センサを示す概略構成
図。

【符号の説明】

１…回転センサ、２…回転軸、３…磁性回転体としての
ロータ、４，５…磁気検出手段としての磁気検出部、２
１…磁性回転体としてのロータ、２２…回転センサ。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 回転軸に固定され、前記回転軸とともに
   回転する磁性回転体と、前記磁性回転体に対向して配置
   され、磁性回転体の回転に伴う磁界の変化を検出する磁
   気検出手段とを備えた回転センサにおいて、 前記磁性回転体と前記磁気検出手段との距離が前記磁性
   回転体の回転に伴って変化することを特徴とする回転セ
   ンサ。
2. 【請求項２】 回転軸に固定され、前記回転軸とともに
   回転する磁性回転体と、前記磁性回転体に対向して配置
   され、磁性回転体の回転に伴う磁界の変化を検出する磁
   気検出手段とを備えた回転センサにおいて、 前記磁性回転体は、その径方向の中心が前記回転軸の軸
   中心と異なるよう固定されることを特徴とする回転セン
   サ。
3. 【請求項３】 回転軸に固定され、前記回転軸とともに
   回転する磁性回転体と、前記磁性回転体に対向して配置
   され、磁性回転体の回転に伴う磁界の変化を検出する磁
   気検出手段とを備えた回転センサにおいて、 前記磁性回転体は、楕円形状に形成され、その径方向の
   中心が前記回転軸の軸中心と一致するよう固定されるこ
   とを特徴とする回転センサ。
4. 【請求項４】 請求項１〜３のいずれか一項に記載の回
   転センサにおいて、 前記磁気検出手段は、前記磁性回転体の周方向に所定間
   隔を有して２カ所に配設されたことを特徴とする回転セ
   ンサ。