JP2005221369A - 回転角度検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】回転体の回転角度に比例する出力を安定して得られる回転角度検出装置を提供すること。
【解決手段】回転角度検出装置１は、磁石１７と、この磁石１７に対向配置される磁石１８と、磁石１７と磁石１８との間に配置されるＧＭＲセンサ１２とを備えている。磁石１７及び磁石１８は、ロータ１５に固定され、磁石１７と磁石１８との間の磁界の強度がロータ１５の回転角度に比例して変化するように対向面がそれぞれ形成されている。
【選択図】 図２

Description

本発明は、回転体の回転角度を検出する回転角度検出装置に関するものである。

従来、回転体に磁石（発磁部）を配設し、磁石から生じる磁界の強度または磁束方向を磁気検出センサにより検出して、その出力された電圧値に基づいて回転体の回転角度を検出する回転角度検出装置が知られている。

この種の回転角度検出装置によると、回転体が等速回転した場合、磁気検出センサからは正弦波状の電圧が出力される。例えば、磁気検出センサとしてＧＭＲ（巨大磁気抵抗）センサを用いた場合、回転体が等速で１回転すると、ＧＭＲは１周期分の正弦波状の電圧を出力する。回転角度検出装置は、ＧＭＲセンサから出力された電圧値に基づいて回転体の回転角度を求める。出力された電圧値のうち変極点近辺の電圧値の変化量は小さいため、回転角度検出装置は回転体の回転角度を精度よく検出できない。そこで、変極点近辺の電圧値を取り除いた、直線状に変化する電圧値のみに基づいて回転角度を検出している。この際に複雑な演算が行われるため、回転角度検出装置の処理上の負担が大きいといった問題があった。

そこで、近年、例えば特許文献１に示される回転角度検出装置が提案されている。この回転角度検出装置は、回転体の回転に伴って、該回転体に配設された磁石と磁気検出センサとの対向面積が規則的に変化するように構成されている。このため、磁気検出センサは、回転体の回転角度に比例する電圧値を出力する。従って、複雑な演算を行うことなく回転体の回転角度を求めることができるため、回転角度検出装置の処理上の負担を軽減することができる。
特開２００１−４１７６８号公報

しかし、特許文献１に示される前記回転角度検出装置では、例えば磁石の近傍に何らかの金属部が設けられている場合、回転体の回転に伴って磁石と金属部とが近接または離間して磁石から生じる磁束の一部に漏れ磁束が生じる。このため、磁石と磁気検出センサとの間の磁界の強度が回転体の回転以外の要因によって変動し、回転体の回転角度に比例した電圧値が磁気検出センサから得られないおそれがある。そこで、回転体の回転角度に比例した電圧値を安定して得られる回転角度検出装置の提供が要望されている。

本発明は、こうした実情に鑑みてなされたものであって、その目的は、回転体の回転角度に比例する出力を安定して得られる回転角度検出装置を提供することにある。

上記課題を解決するために請求項１に記載の発明では、第１発磁部と、前記第１発磁部に対向配置される第２発磁部と、前記第１発磁部と前記第２発磁部との間に配置される磁気検出センサとを備え、前記第１発磁部及び前記第２発磁部または前記磁気検出センサのいずれか一方を回転体に固定するようにした回転角度検出装置であって、前記第１発磁部と前記第２発磁部との間の磁界の強度が前記回転体の回転角度に比例して変化するように前記第１発磁部と前記第２発磁部との対向面がそれぞれ形成されていることを要旨とする。

請求項２に記載の発明では、請求項１に記載の回転角度検出装置において、前記第１発磁部の対向面及び前記第２発磁部の対向面のうち少なくとも一方は、前記回転体の回転方向に所定の角度をもって傾斜する勾配面であることを要旨とする。

請求項３に記載の発明では、請求項１または請求項２に記載の回転角度検出装置において、前記第１発磁部及び前記第２発磁部は、同一形状に形成されていることを要旨とする。

請求項３に記載の発明では、請求項１〜３のいずれか１項に記載の回転角度検出装置において、前記第１発磁部及び前記第２発磁部は、前記回転体の回転軸に直交する方向における長さである幅が、同直交する方向における前記磁気検出センサの長さ以上となるように設定され、前記磁気検出センサは、前記第１発磁部の前記幅と前記第２発磁部の前記幅とで示される領域内に配置されることを要旨とする。

以下、本発明の作用について説明する。
請求項１に記載の発明によれば、第１発磁部と第２発磁部とが対向するように配置され、その間に磁気検出センサが配置される。第１発磁部及び第２発磁部または磁気検出センサのいずれか一方は回転体に固定される。第１発磁部と第２発磁部との対向面は、第１発磁部と第２発磁部との間の磁界の強度が回転体の回転角度に比例して変化するように形成される。このため、回転体が回転すると、第１発磁部と第２発磁部との間の磁界の強度（検出磁界強度）は回転体の回転角度に比例して増減する。従って、回転体の回転角度に比例する出力を得ることができる。また、磁気検出センサは、第１発磁部と第２発磁部との間の安定した磁界内に配置されるため、第１発磁部または第２発磁部からの漏れ磁束の量を抑制することができる。従って、例えば発磁部の近傍に金属部が配置された場合であっても、回転体の回転以外の要因による検出磁界強度の変動を抑制でき、回転体の回転角度に比例する出力を安定して得ることができる。

請求項２に記載の発明によれば、第１発磁部の対向面及び第２発磁部の対向面のうち少なくとも一方は、回転体の回転方向に所定の角度をもって傾斜する勾配面である。よって、回転体の回転角度に比例して検出磁界強度が増減するような傾斜角度をもつ勾配面を第１発磁部または第２発磁部の少なくとも一方に形成することにより、回転体の回転方向に比例する出力を得ることができる。

請求項３に記載の発明によれば、第１発磁部及び第２発磁部は同一形状に形成されている。このため、同一の型を用いて成型することができる。従って、回転角度検出装置の製造コストを抑制することができる。

請求項４に記載の発明によれば、回転体の回転軸に直交する方向における第１発磁部及び第２発磁部の幅は、同直交する方向における磁気検出センサの長さ以上となるように設定されている。そして、磁気検出センサは、第１発磁部の幅と第２発磁部の幅とで示される領域内に配置される。このため、磁気検出センサは、第１発磁部と第２発磁部との間の安定した磁界内に確実に配置される。従って、回転体の回転角度に比例する出力を一層安定して得ることができる。

本発明によれば、回転体の回転角度に比例する出力を安定して得られる回転角度検出装置を提供することができる。

以下、本発明を回転角度検出装置に具体化した一実施形態を図１〜図５（ａ），（ｂ）に従って説明する。本実施形態の回転角度検出装置は、回転体に固着された２つの磁石間の磁界の強度をＧＭＲセンサにより検出し、その検出された磁界の強度に応じてＧＭＲセンサから出力された電圧値に基づいて回転体の回転角度を求めるものである。まず、その原理について説明する。

＜原理＞
図１（ａ）に示すように、第１発磁部としての磁石１００と第２発磁部としての磁石１０１は、互いに異なる磁極が対向する状態でそれぞれ配置されている。例えば図１（ａ）に示すように、磁石１００のＮ極と磁石１０１のＳ極とが対向するように配置される。これら磁石１００，１０１との間には、磁気検出センサとしてのＧＭＲセンサ１０２が該磁石１００，１０１に対して相対移動可能に配置されている。ＧＭＲセンサ１０２は、ＧＭＲ素子及びその周辺回路（図示略）から構成され、磁石１００と磁石１０１との間の磁界の強度（検出磁界強度）を検出して、その強度に比例する電圧値を出力する。

磁石１００，１０１は、検出磁界強度がＧＭＲセンサ１０２の移動方向（矢印Ｕの方向）へ向かって増大するように、つまり、ＧＭＲセンサ１０２の移動量に比例して増大するようにそれぞれ形成されている。例えば、磁石１００及び磁石１０１は、ＧＭＲセンサ１０２の移動方向に直交する方向（磁石１００と磁石１０１とが対向する方向）における長さ（厚さ）がＧＭＲセンサ１０２の移動量に応じて増大するように形成されている。また、磁石１００，１０１は、厚さ方向に直交する方向における長さ（幅）が一定となるように形成されている。このため、図１（ａ）及び（ｂ）に実線で示す位置（磁石１００の端部Ａ１と磁石１０１の端部Ａ１との間）から二点鎖線で示す位置（磁石１００の端部Ａ２と磁石１０１の端部Ａ２との間）へＧＭＲセンサ１０２が移動するにつれて、磁石１００と磁石１０１との距離が短くなるとともに、図１（ｃ）に示すように検出磁界強度は強くなる。例えば、ＧＭＲセンサ１０２は、図１（ａ）及び（ｂ）に実線で示す位置に配置された場合には弱い検出磁界強度に比例する電圧値を出力し、図１（ａ）及び（ｂ）に二点鎖線で示す位置に配置された場合には強い検出磁界強度に比例する電圧値を出力する。

よって、ＧＭＲセンサ１０２が移動すると、その移動量Ｕに比例する電圧値がＧＭＲセンサ１０２から出力される。従って、検出磁界強度が回転体の回転角度に比例して変化する構成を採用することにより、回転体の回転角度に比例する電圧値が得られる。この電圧値に基づいて、回転角度検出装置は回転体の回転角度を求める。

＜構成＞
図２に示すように、回転角度検出装置１は、円柱形状をなすステータ１０と、ステータ１０に固定された磁気検出センサとしてのＧＭＲセンサ１２と、ステータ１０の軸心に対して同軸周りに回転可能に設けられた円環形状をなす回転体としてのロータ１５とを備えている。

図３に示すように、ロータ１５は、ハウジング１６と、このハウジング１６の内側面に固着された第１発磁部としての磁石１７及び第２発磁部としての磁石１８とを備えている。磁石１７はハウジング１６の内頂面（図３における上壁内面）に固着されている。一方、磁石１８は、磁石１７と対向するハウジング１６の内底面（図３における下壁内面）に固着されている。

磁石１７，１８は、同一形状をなし、半円環状にそれぞれ形成されている。磁石１７，１８は、図２に示すように、ロータ１５の回転方向における一方の端部Ａ１の端面と他方の端部Ａ２の端面とがなす角度δ（検出可能角度範囲）が１８０°となるようにそれぞれ形成されている。

磁石１７，１８は、磁石１７と磁石１８との間の磁界の強度（検出磁界強度）がロータ１５の回転角度に比例して増大または減少するようにそれぞれ形成されている。換言すれば、磁石１７，１８は、ロータ１５の単位回転角度当たりの検出磁界強度の増大または減少が一定となる形状にそれぞれ形成されている。本実施形態では、図４（ａ）に示すように、磁石１７及び磁石１８は、ロータ１５の回転軸に沿う方向（磁石１７と磁石１８とが対向する方向）における長さ（厚さ）が端部Ａ１から端部Ａ２に向かって直線状に増大するようにそれぞれ形成されている。つまり、磁石１７には、ロータ１５の回転方向に所定の角度をもって傾斜する勾配面１７ａが形成され、磁石１８には、ロータ１５の回転方向に対して勾配面１７ａと同一の角度（絶対値）でもって傾斜する勾配面１８ａが形成されている。また、磁石１７，１８は、厚さ方向に直交する半径方向における長さ（幅）が回転軸周りの全長に亘って一定となるように形成されるとともに、同幅が半径方向におけるＧＭＲセンサ１２の長さ以上となるように形成されている。

磁石１７と磁石１８とは、磁石１７の厚さが最も薄い箇所（端部Ａ１）と磁石１８の厚さが最も薄い箇所（端部Ａ１）とが対向するとともに、磁石１７の厚さが最も厚い箇所（端部Ａ２）と磁石１８の厚さが最も厚い箇所（端部Ａ２）とが対向するように配置されている。磁石１７の端部Ａ２と磁石１８の端部Ａ２との距離は、ロータ１５の回転軸方向におけるＧＭＲセンサ１２の長さ以上に設定されている。本実施形態では、磁石１７の端部Ａ２と磁石１８の端部Ａ２との距離は、ＧＭＲセンサ１２が固着された支持部１１（後述）のロータ１５の回転軸方向における長さよりも若干大きめに設定されている。また、磁石１７と磁石１８とは、互いに異なる磁極が対向する状態でそれぞれハウジング１６に固着されている。本実施形態においては、磁石１７のＮ極と磁石１８のＳ極とが対向するように配置されている。

図２に示すように、ステータ１０には、その側面から延びるように支持部１１が形成されている。この支持部１１は、磁石１７と磁石１８との間に配置されるように形成されている。支持部１１には、ＧＭＲセンサ１２が、その感磁面１２ａが磁石１７，１８の互いに対向する面に対して直交するように配設されている。支持部１１におけるＧＭＲセンサ１２の配設位置は、磁石１７と磁石１８とが対向する方向に対してはその距離の中間位置に、半径方向に対しては磁石１７，１８の幅の中間位置に設定されている。

＜本実施形態の作用＞
次に、上記構成による回転角度検出装置１の作用について説明する。
ロータ１５のハウジング１６の内側面には、磁石１７と磁石１８とが対向するように配置され、その間にＧＭＲセンサ１２が配設されている。つまり、ＧＭＲセンサ１２は、磁石１７と磁石１８との間の安定した磁界内に配設される。このため、例えば、制御回路やギアボックス等の金属部がハウジング１６に近接するように配置され、磁石１７，１８の近傍に金属部が存在したとしても、磁石１７のＮ極から発生した磁束の殆どは磁石１８のＳ極に入り込む。また、磁石１７のＮ極から発生して金属部に入り込んだ磁束も、金属部から磁石１８のＳ極へと入り込むため、磁石１７から生じた磁束が金属部を通ることによる漏れ磁束の量を抑制することができる。

次に、上記構成による回転角度検出装置１の作用について図４（ａ），（ｂ）に従って説明する。図４（ａ），（ｂ）は、磁石１７の端部Ａ１から端部Ａ２までをステータ１０の軸心周りに展開し、磁石１７，１８及びＧＭＲセンサ１２の位置関係を模式的に示す図である。なお、説明の便宜上、端部Ａ１をロータ１５の回転の開始点（０°）とし、端部Ａ２をロータ１５の回転の終了点（１８０°）とする。

ロータ１５の矢印Ｒ１方向への回転に伴って、図４（ａ）に示す位置から磁石１７，１８が矢印Ｒ１方向に移動するにつれて（例えば図４（ｂ）に示す位置へ移動）、磁石１７と磁石１８との距離（検出距離Ｄ）は短くなるとともに、検出磁界強度は増大する。すなわち、図５（ａ）に示すように、検出磁界強度はロータ１５の回転角度θの増大に比例して増大する。このため、図５（ｂ）に示すように、ＧＭＲセンサ１２から出力される電圧値（出力電圧Ｅ）は、ロータ１５の回転角度θの増大に比例して増大する。

一方、これとは逆に、ロータ１５の矢印Ｒ２方向への回転に伴って、図４（ｂ）に示す位置から磁石１７，１８が矢印Ｒ２方向に移動するにつれて（例えば図４（ａ）に示す位置へ移動）、検出距離Ｄは長くなるとともに、検出磁界強度は減少する。すなわち、図５（ａ）に示すように、検出磁界強度はロータ１５の回転角度θの減少に比例して減少する。このため、図５（ｂ）に示すように、ＧＭＲセンサ１２から出力される電圧値（出力電圧Ｅ）は、ロータ１５の回転角度θの減少に比例して減少する。

以上のように、ロータ１５が回転すると、ロータ１５の回転角度θに比例する出力電圧ＥがＧＭＲセンサ１２から得られる。回転角度検出装置１は、このＧＭＲセンサ１２からの直線的に変化する出力電圧Ｅに基づいてロータ１５の回転角度θを求める。なお、端部Ａ１の端面と端部Ａ２の端面とがなす角度δが１８０°であるため、回転角度検出装置１は、０°〜１８０°までのロータ１５の回転角度を検出可能である。

従って、本実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）磁石１７と磁石１８とはハウジング１６の内側面において対向するように配置され、これら磁石１７と磁石１８との間にＧＭＲセンサ１２が配置されている。ＧＭＲセンサ１２は支持部１１を介してステータ１０に固定されている。磁石１７と磁石１８との対向面は、磁石１７と磁石１８との間の磁界の強度がロータ１５の回転方向へ向かって増大または減少するように、つまりロータ１５の回転角度θに比例して変化するように形成されている。すなわち、磁石１７には、ロータ１５の回転方向に所定の角度をもって傾斜する勾配面１７ａが形成され、磁石１８には、ロータ１５の回転方向に対して勾配面１７ａと同一の角度（絶対値）でもって傾斜する勾配面１８ａが形成されている。このため、ロータ１５の回転に伴って磁石１７，１８が移動するにつれて検出距離Ｄが増減する。検出距離Ｄが増減すると、この増減に比例して検出磁界強度が増減する。従って、ＧＭＲセンサ１２からはロータ１５の回転角度θに比例する出力電圧Ｅを得ることができる。また、ＧＭＲセンサ１２は、磁石１７と磁石１８との間の安定した磁界内に配置されるため、磁石１７と磁石１８との間における漏れ磁束の量を抑制することができる。従って、磁石１７，１８の近傍に金属部が配置される場合であっても、ロータ１５の回転以外の要因による検出磁界強度の変動を抑制でき、ロータ１５の回転角度θに比例する出力電圧ＥをＧＭＲセンサ１２から安定して得ることができる。

（２）磁石１７及び磁石１８は同一形状に形成されている。このため、例えば金型により磁石１７及び磁石１８を成型する場合には同一の金型を用いることができる。従って、磁石１７，１８の製造コストを抑制できる。よって、回転角度検出装置１の製造コストを抑制することができる。

（３）磁石１７及び磁石１８の幅は、同直交する方向におけるＧＭＲセンサ１２の長さ以上となるように設定されている。このため、ＧＭＲセンサ１２の磁界の強度を検出する部位は、磁石１７と磁石１８との間の安定した磁界内に確実に配置される。従って、ロータ１５の回転角度θに比例するＧＭＲセンサ１２の出力電圧Ｅを一層安定して得ることができる。

（４）磁石１７の端部Ａ２と磁石１８の端部Ａ２との距離は、ＧＭＲセンサ１２が固着された支持部１１のロータ１５の回転軸方向における長さよりも若干大きめに設定されている。このため、ロータ１５が回転した際に、支持部１１と磁石１７，１８とが接触することがない。

なお、本発明の実施形態は以下のように変更してもよい。
・前記実施形態においては、磁気検出センサとしてＧＭＲセンサ１２が適用されていたが、磁気検出センサはＧＭＲセンサ１２に限定されない。例えば、磁気検出センサとしてホール素子（ホールＩＣ）を適用してもよい。磁気検出センサとしてホール素子を適用した場合、磁石１７から磁石１８への磁束がホール素子の感磁面１２ａに対して垂直に入るようにホール素子の支持部１１への固着を行うことが望ましい。

・前記実施形態では、磁石１７及び磁石１８は同一形状に形成されているが、必ずしも同一形状に形成される必要はない。例えば、図６（ａ）に示すように、磁石１８（磁石１７）の代わりに、勾配面が形成されていない磁石２０を採用してもよい。また、図６（ｂ）に示すように、磁石１８（磁石１７）の代わりに、ロータ１５の回転方向に対して磁石１７の勾配面１７ａと異なる角度をもって傾斜する勾配面２１ａが形成された磁石２１を採用してもよい。つまり、ハウジング１６の上壁内面及び下壁内面に固着される２つの磁石は、磁石間の磁界の強度である検出磁界強度がロータ１５の回転角度θに対して比例的に変化するように形成されるのであれば、その形状は限定されない。

・前記実施形態における回転角度検出装置１では、ＧＭＲセンサ１２がステータ１０に固定され、磁石１７，１８がロータ１５とともに移動する構成であったが、これとは逆に、ＧＭＲセンサ１２がロータ１５とともに移動し、磁石１７，１８がステータ１０に固定される構成でもよい。このようにすれば、ロータ１５の慣性モーメントが小さくなるため、ロータ１５の回転角度を検出する際の応答性が向上する。

・前記実施形態における回転角度検出装置１は、ステータ１０の周囲をロータ１５が回転する、いわゆるアウタロータタイプであるが、ステータ１０の内部においてロータ１５が回転するインナロータタイプでもよい。詳しくは、図７に示すように、回転角度検出装置５のロータ５０は、磁石１７と略相似形状をなす磁石５１及び磁石１８と略相似形状をなす磁石５２が、回転軸５３の軸心周りに固定されることにより構成されている。ステータ６０には、磁石５１と磁石５２との間に位置するようにＧＭＲセンサ６１が固定されている。このように回転角度検出装置５が構成されても、ロータ５０の回転角度θに比例して検出磁界強度が増減してＧＭＲセンサ６１からはロータ５０の回転角度θに比例する出力電圧Ｅが出力されるため、上記実施形態における効果と同様の効果を得ることができる。

・前記実施形態において磁石１７（磁石５０）及び磁石１８（磁石５１）は、検出可能角度範囲が０°〜１８０°となる形状に形成されている。しかし、回転角度検出装置１の用途によって、磁石１７及び磁石１８は、検出可能角度範囲が０°〜１８０°以上となるように形成されてもよい。例えば、図２に示す角度δが２７０°となるように磁石１７及び磁石１８を形成すれば、回転角度検出装置１は、０°〜２７０°までの回転角度を検出することができる。

・前記勾配面１７ａ，１８ａは、平面に限定されない。ロータ１５の回転角度θに比例する検出磁界強度が得られるならば、勾配面１７ａ，１８ａは曲面状に形成されてもよい。

次に、前記実施形態から把握できる技術的思想を以下に追記する。
・請求項１〜４のいずれか１項に記載の回転角度検出装置において、前記第１発磁部の最も磁束密度が高い箇所と前記第２発磁部の最も磁束密度が高い箇所との間の距離は、両発磁部が対向する方向における前記磁気検出センサの長さ以上に設定されること。

（ａ）は、本発明の一実施形態における回転角度検出装置の回転角度検出原理を示す図、（ｂ）は、ＧＭＲセンサと軸周りに形成した磁石との平面図、（ｃ）は、ＧＭＲセンサの移動量と検出磁界強度との関係を示すグラフ。 同実施形態における回転角度検出装置の斜視図。 同回転角度検出装置の側面図。 （ａ）、（ｂ）は、同回転角度検出装置の作用を示す図。 （ａ）は、同実施形態において、ロータの回転角度と検出距離との関係を示すグラフ、（ｂ）は、同実施形態において、ロータの回転角度とＧＭＲセンサの出力電圧との関係を示すグラフ。 （ａ）、（ｂ）は、他の実施形態における磁石の形状を示す図。 他の実施形態の回転角度検出装置の断面図。

符号の説明

１，５…回転角度検出装置、１２…磁気検出センサとしてのＧＭＲセンサ、１５，５０…回転体としてのロータ、１７，１８…発磁部としての磁石、１７ａ，１８ａ，２１ａ…勾配面。

Claims (4)

1. 第１発磁部と、
   前記第１発磁部に対向配置される第２発磁部と、
   前記第１発磁部と前記第２発磁部との間に配置される磁気検出センサとを備え、
   前記第１発磁部及び前記第２発磁部または前記磁気検出センサのいずれか一方を回転体に固定するようにした回転角度検出装置であって、
   前記第１発磁部と前記第２発磁部との間の磁界の強度が前記回転体の回転角度に比例して変化するように前記第１発磁部と前記第２発磁部との対向面がそれぞれ形成されていることを特徴とする回転角度検出装置。
2. 前記第１発磁部の対向面及び前記第２発磁部の対向面のうち少なくとも一方は、前記回転体の回転方向に所定の角度をもって傾斜する勾配面であることを特徴する請求項１に記載の回転角度検出装置。
3. 前記第１発磁部及び前記第２発磁部は、同一形状に形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の回転角度検出装置。
4. 前記第１発磁部及び前記第２発磁部は、前記回転体の回転軸に直交する方向における長さである幅が、同直交する方向における前記磁気検出センサの長さ以上となるように設定され、
   前記磁気検出センサは、前記第１発磁部の前記幅と前記第２発磁部の前記幅とで示される領域内に配置されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の回転角度検出装置。

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