JP2004037236A - 回転角度検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】異方性磁気抵抗素子を貫通する磁力線が外部の磁界の影響で歪められ回転体の角度を正確に測定できない。
【解決手段】第２の回転体１２と、この第２の回転体１２の回転軸のほぼ中心に設けられた磁石１５と、この磁石１５と回転軸の軸方向に対向するように回路基板１４上に設けられた異方性磁気抵抗素子１３と、磁石１５の両磁極面にそれぞれ配置されたヨーク２６，２７とを備え、ヨーク２６，２７の先端部２６ａ，２７ａを回路基板１４の方向へ延長し、異方性磁気抵抗素子１３を挟む位置まで来るように構成した。
【選択図】　図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車の車体制御システムなどに用いられる多回転のハンドル回転角度検出装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、自動車用ハンドルなどのように１回転以上数回転する回転体の回転角度を検出する検出装置として、特表平１１−５００８２８号公報に開示されている回転体における角度測定方法及び装置がある。この装置は位相差を有する２つの回転体の角度から回転角度を検出している。図１０において、回路基板１に異方性磁気抵抗素子２が固定され、この異方性磁気抵抗素子２に近接して回転体３の中央付近に磁石４が固定されている。図１１において、磁石４から発する磁力線が異方性磁気抵抗素子２を通過するときの磁力線の方向を知ることにより磁石４の回転角度すなわち図１０における回転体３の回転角度を測定している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上述のような装置において外部に強い磁界があった場合、異方性磁気抵抗素子２を通過する磁力線の方向が外部の磁界の影響により歪められ、回転体３の回転角度を正確に測定できない場合がある。回転体３に固定する磁石４は、たとえ希土類の強力な磁石をもってしても磁力は十分とは言えず、外部からの磁界によって、測定した回転角度に誤差を生じるという課題があった。
【０００４】
本発明は、磁電変換素子を用いた角度検出において外部からの磁界の影響を受けにくく精度の高い回転角度検出装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明の請求項１に記載の発明は、回転体と、この回転体の回転軸の略中心に設けられた磁石と、この磁石と前記回転体の軸方向に対向するように回路基板上に設けられた磁電変換素子と、前記磁石の両磁極面にそれぞれ配置されたヨークとからなる回転角度検出装置であり、ヨークの先端が回路基板の方向へ磁電変換素子を挟む位置まで延長されているので、磁石から出た磁力線が延長されたヨークに集中し、磁電変換素子を透過する磁力線の磁束密度が増加するので外部からの磁界の影響を受けにくくなり、回転体の回転角度の測定精度が向上するという効果が得られる。
【０００６】
本発明の請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、ヨークの磁石からの突出量は磁石の厚みの０．５倍から１．５倍にしたことにより磁電変換素子を透過する磁力線の磁束密度が増加し、外部磁界の影響を受けにくくなり、回転体の回転角度の測定精度が向上するという効果が得られる。
【０００７】
本発明の請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、磁石の両端に固定されたヨークを回路基板側へずらせて配置しているので、磁電変換素子を透過する磁力線の磁束密度が増加し、外部磁界の影響を受けにくくなり、回転体の回転角度の測定精度が向上するという効果が得られる。
【０００８】
本発明の請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の発明において、回路基板側へずらせて配置されたヨークのずれ量がヨークの延長方向の磁石の厚みの０．１倍から０．４倍としたので磁電変換素子を透過する磁力線の磁束密度が増加し、外部磁界の影響を受けにくくなり、回転体の回転角度の測定精度が向上するという効果が得られる。
【０００９】
本発明の請求項５に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、第２、第３の回転体の角度を検出することにより第１の回転体の回転角度を求めるので、多回転であっても絶対角度を精度良く検出することができるという効果が得られる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
（実施の形態１）
以下、本発明の実施の形態１を用いて、特に請求項１，２，５に記載の発明について説明する。図１、図２において、外周に歯１１ａを有する第１の回転体１１は自動車のハンドルに連動して回転し、外周に歯１２ａを有する第２の回転体１２が第１の回転体１１に係合されている。第１の異方性磁気抵抗素子１３が第１の回路基板１４上に組み込まれており、第１の磁石１５は第２の回転体１２の回転の中心部に組み込まれ、第１の異方性磁気抵抗素子１３に対向して配置されている。第２の磁石１８は外周に歯車を持つ第３の回転体１９の回転の中心部に組み込まれ、第２の回路基板１７に設けられた第２の異方性磁気抵抗素子１６に対向するように配置されている。第２の回転体１２の軸２０はその一部にウォーム２１を有しており、ケース２２に設けられた第１、第２の軸受け２３，２４により位置決めされている。第３の回転体１９はケース２２に設けられた第３の軸受け２５により位置決めされている。
【００１１】
第１の回転体１１の歯車１１ａは第２の回転体１２の歯車１２ａと係合されており、第２の回転体１２は第１の回転体１１に伴って回転する。第３の回転体１９であるウォームホイールはウォーム２１と係合されており、第２の回転体１２が回転するとウォーム２１、第３の回転体１９、と順次回転が伝わる。
【００１２】
図３において第１の磁石１５の中心部と第１の異方性磁気抵抗素子１３の中心部は第２の回転体１２の回転軸上になるように、また第１の磁石１５と第１の異方性磁気抵抗素子１３とはわずかな隙間を残して配置されている。第１の磁石１５は直方体状であり着磁方向（磁極方向）が第１の回路基板１４とほぼ平行になるように配置されている。第１の磁石１５と第１の異方性磁気抵抗素子１３の位置関係についてさらに説明する。
【００１３】
図４において第１の磁石１５の両磁極には、厚さ０．５ｍｍの鉄板を切断して形成したヨーク２６，２７が磁力で吸着、固定されている。これらヨーク２６，２７の先端部２６ａ，２７ａは異方性磁気抵抗素子１３を挟むように配置されている。ヨーク２６，２７は鉄板なので磁力線を容易に通す。第１の磁石１５のＮ極から出た磁力線はヨーク２６を通りその先端部２６ａ付近から空中に出て第１の異方性磁気抵抗素子１３の略中央部を貫通し、その後先端部２７ａ付近からヨーク２７を通って磁極Ｓへ入る。図４の矢印は異方性磁気抵抗素子１３の中を貫通する磁力線方向を示す。
【００１４】
図５は第１の異方性磁気抵抗素子１３に対して、第２の回転体１２に固定された第１の磁石１５が反時計回りに回転していく様子を示しており、図５（ａ）は反時計回りに３０°回転、図５（ｂ）は反時計回りに６０°回転したところを示している。矢印はいずれも第１の異方性磁気抵抗素子１３の中を通っている磁力線の方向を示す。第１の異方性磁気抵抗素子１３は磁力線がその中を貫通する時の磁力線の角度を検知するが、磁力線の向きすなわちＮ極から出る方向かあるいはＳ極へ入る方向か、には関係しない。言い換えると磁力線の方向に対する第１の異方性磁気抵抗素子１３の抵抗値変化は１８０度周期である。なおここでは第２の回転体１２に固定された第１の磁石１５と第１の異方性磁気抵抗素子１３について説明したが、第３の回転体１９に固定された第２の磁石１８と第２の異方性磁気抵抗素子１６についても同じである。
【００１５】
図１において、第１の回転体１１が６回転する間に第２の回転体１２は２４回転、第３の回転体１９は０．５回転（１８０°）するように各々の歯数を決めている。第１の回転体１１が６回転すると第１、第２の異方性磁気抵抗素子１３，１６から得られる信号はそれぞれの回路基板上の演算回路（図示せず）を通して図６に示すような信号が得られる。
【００１６】
図６の上にあるグラフは第１の回転体１１が−３回転から＋３回転の計６回転し、第３の回転体１９に固定された第２の磁石１８が０．５回転（１８０°）した時、第２の磁石１８に対向する位置にある第２の異方性磁気抵抗素子１６から演算回路を通して得られた信号である。この信号は、第１の回転体１１が０回転の位置では電位ｓ、−３回転のところでは電位ｓ−ｐ、＋３回転のところでは電位ｓ＋ｐと変化していくことを示している。図６の下のほうの鋸状のグラフは第１の回転体１１が−３回転から＋３回転の計６回転し、第２の回転体１２に固定された第２の磁石１８が２４回転した時の第１の異方性磁気抵抗素子１３から演算回路を通して得られた信号を示す。この信号は第１の回転体１１の４５°ごとに電位ｓ−ｐから電位ｓ＋ｐまで変化し、この変化を繰り返す。図６の上下の信号を組み合わせることにより多回転であっても絶対角度を精度良く検出することができる。
【００１７】
第１、第２の異方性磁気抵抗素子１３，１６を貫通する磁力線はある程度の磁束密度が必要であり、弱い磁束密度例えば１０００ガウス以下では外乱磁界により磁力線の方向が歪められ、正しい回転角度を示さない場合がある。図７に示すように、ネオジウム系の厚み２．５ｍｍ、Ｎ極Ｓ極間長さ５ｍｍ、奥行き６．５ｍｍという寸法である第１の磁石１５の上面１５ａからの距離をｘとし、第１の磁石１５の上面１５ａに平行なｙ方向の磁束密度を測定した結果を図８に示す。なお磁束密度測定用プローブの形状の制限からｘ＝１．５ｍｍ以下すなわち磁石の上面１５ａからｘ＝１．５ｍｍまでの磁束密度は測定せず、磁石の上面１５ａから１．５ｍｍ以上離れたポイントから測定した。
【００１８】
距離ｘ（ｍｍ）と磁束密度関係は図８に示すようにヨーク形態１では、従来例のようにヨークがないものと比較してどの測定ポイントにおいても２００から３００ガウス以上強い磁束密度が得られている。異方性磁気抵抗素子に必要な磁束密度を１０００ガウスとすれば、この１０００ガウスの磁束密度が得られるｘの範囲は従来のヨークのないものでは１．８ｍｍまでであるが、ヨークを有する場合はｘの範囲は拡大し、図７に示すようなヨーク形態１では１０００ガウスが得られるｘの最大値は２．７ｍｍまで広がる。第１の磁石１５の上面１５ａからのヨーク２６，２７の突出量については、突出し量を突出し方向の第１の磁石の厚みの０．５倍〜１．６倍にすると効果が高いということが判明した。
【００１９】
（実施の形態２）
次に実施の形態２を用いて、本発明の特に請求項３，４，５に記載の発明について説明する。図９は本発明の実施の形態２におけるヨーク形態２の構成を示す。ヨーク２８，２９を設ける目的、効果については実施の形態１と同様である。ヨーク２８，２９は第１の磁石１５の下面１５ｂから上方向に少しずらせ、ヨーク下端面２８ｃ，２９ｃと第１の磁石１５の下面１５ｂに隙間を設けている。すなわちヨーク２８，２９は実施の形態１で用いたヨーク２６，２７と材質、厚み、幅は同じであるが、全長は前述の隙間を設けた分若干短くなっている。しかしこの隙間を設けたことにより、図８のグラフ中にヨーク形態２として示すカーブのように磁束密度が１０００ガウスを超える距離ｘの範囲は、ヨーク形態１の２．７ｍｍからヨーク形態２の２．９ｍｍと、さらに広くなっている。これはヨーク形態２のようにヨーク下端部２８ｂ，２９ｂを上方にずらせると図７においてヨーク下端面２６ｃ，２７ｃを通って第１の磁石１５の下面１５ｂ側の空間にもれていた磁束を図９のヨーク下端面２８ｃ，２９ｃ側に引き込む効果があり、結果的にヨーク先端部２８ａ，２９ａ間の磁束密度が増えたものと思われる。また、第１の磁石１５の下面１５ｂとヨーク下端面２８ｃ，２９ｃの距離は磁石１５の厚みの０．１倍〜０．４倍にすると磁束密度を高める効果が大きかった。
【００２０】
このように磁石そのものを変更することなく磁束密度を高められるので、外部からの磁界により異方性磁気抵抗素子が影響を受けて角度測定の誤差を生じるということが少なくなり、精度の高い角度検出が可能になる。磁束密度が高いということは、周囲温度が高温になり磁石の磁束密度が低下した場合でも磁束密度に余裕があり、角度の測定誤差が小さくなるという効果がある。
【００２１】
磁束密度が高いと異方性磁気抵抗素子と磁石との同心度が少々ずれても検知精度に影響されにくく、各部品の加工精度、組み立てという面でも有利になる。
【００２２】
また条件によれば磁石の体積を小さくすることも可能で、ネオジウムのような高価な希土類元素を使った磁石の使用量を減らすことができコストダウンにもつながる。またヨーク自身が異方性磁気抵抗素子を挟み込む形となり外部磁気に対してシールド板の役割を果たし、異方性磁気抵抗素子内を貫通する磁力線が外部磁気の影響を受けにくく角度測定がさらに安定する。
【００２３】
以上のような構成により、外部からの磁界の影響を受けにくく精度の高い回転角度検出装置が可能になった。
【００２４】
【発明の効果】
以上のように本発明は、回転体と、この回転体の略中心に設けられた磁石と、この回転軸の軸方向に対向するように回路基板上に設けられた磁電変換素子と、磁石の両磁極面にそれぞれ配置されたヨークを備え、これらヨーク先端が回路基板の方向へ磁電変換素子を挟む位置まで延長されて磁電変換素子を貫通する磁束密度を大幅に高めることができるので外部からの磁界の影響を受けにくく精度の高い回転角度検出装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１による回転検出装置の平面図
【図２】本発明の実施の形態１による回転検出装置の正面図
【図３】（ａ）本発明の実施の形態１の第２の回転体と異方性磁気抵抗素子の位置関係を示す上面図
（ｂ）本発明の実施の形態１の第２の回転体と異方性磁気抵抗素子の位置関係を示す断面図
【図４】本発明の実施の形態１による磁石とヨークと異方性磁気抵抗素子の位置関係を示す断面図
【図５】（ａ），（ｂ）はともに本発明の実施の形態１による磁石とヨークと異方性磁気抵抗素子の回転角度の関係を示す平面図
【図６】本発明の実施の形態１による異方性磁気抵抗素子からの信号出力を示す図
【図７】本発明の実施の形態１の磁石とヨークの断面図
【図８】本発明の実施の形態１、実施の形態２における磁石の表面からの距離と磁束密度の測定結果を示す図
【図９】本発明の実施の形態２のヨークと異方性磁気抵抗素子の位置関係を示す断面図
【図１０】（ａ）従来例の回転体と異方性磁気抵抗素子の位置関係を示す上面図
（ｂ）従来例の回転体と異方性磁気抵抗素子の位置関係を示す断面図
【図１１】（ａ）従来例の磁石と異方性磁気抵抗素子との位置関係を示す上面図
（ｂ）従来例の磁石と異方性磁気抵抗素子との位置関係を示す断面図
【符号の説明】
１　回路基板
２　異方性磁気抵抗素子
３　回転体
４　磁石
１１　第１の回転体
１１ａ　歯
１２　第２の回転体
１２ａ　歯
１３　第１の異方性磁気抵抗素子
１４　第１の回路基板
１５　第１の磁石
１５ａ　第１の磁石上面
１５ｂ　第１の磁石下面
１６　第２の異方性磁気抵抗素子
１７　第２の回路基板
１８　第２の磁石
１９　第３の回転体
２０　軸
２１　ウォーム
２２　ケース
２３　第１の軸受け
２４　第２の軸受け
２５　第３の軸受け
２６　ヨーク
２６ａ　ヨーク先端部
２６ｃ　ヨーク下端面
２７　ヨーク
２７ａ　ヨーク先端部
２７ｃ　ヨーク下端面
２８　ヨーク
２８ａ　ヨーク先端部
２８ｂ　ヨーク下端部
２８ｃ　ヨーク下端面
２９　ヨーク
２９ａ　ヨーク先端部
２９ｂ　ヨーク下端部
２９ｃ　ヨーク下端面

Claims (5)

1. 回転体と、この回転体の略中心に設けられた磁石と、前記回転体の軸方向に対向するように回路基板上に設けられた磁電変換素子と、前記磁石の両磁極面にそれぞれ配置されたヨークとからなる回転角度検出装置であって、前記ヨークの先端が前記回路基板の方向へ磁電変換素子を挟む位置まで延長されている回転角度検出装置。
2. ヨークの磁石からの延長量は、延長方向の磁石の厚みの０．５倍から１．５倍である請求項１に記載の回転角度検出装置。
3. 磁石の両磁極面に固定されたヨークは、これらヨークを回路基板の方向へずらせて配置した請求項１に記載の回転角度検出装置。
4. 回路基板の方向へずらせて配置されたヨークのずれ量は、ヨークの延長方向の磁石の厚みの０．１倍から０．４倍とした請求項３に記載の回転角度検出装置。
5. 検出すべき軸に取り付けられる第１の回転体と、この第１の回転体と共に回転する第２、第３の回転体からなり、前記第２、第３の回転体の回転角度を検出して前記第１の回転体の回転角度を検出する請求項１に記載の回転角度検出装置。

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