JP2005257534A - 回転角検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 製造コストが低く、検出精度が高い回転角検出装置を提供することを課題とする。
【解決手段】 回転角検出装置１は、回転軸５に連結され磁界を形成するリング状の磁気発生部材２と、磁気発生部材２の磁界内に配置され、磁気発生部材２との間に磁気回路を形成するとともに、回転軸５の回転により磁気発生部材２に対する相対角度が変化すると磁束密度が変化するように配置された一対のギャップ３１、３２を持つリング状のヨーク３と、一対のギャップ３１、３２の一方に配置され、磁束密度を検出する磁気検出器４と、を備える。一対のギャップ３１、３２は、幅の大きい大ギャップ３２と、大ギャップ３２よりも幅の小さい小ギャップ３１と、からなり、磁気検出器４は、小ギャップ３１に配置されていることを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、回転軸の回転角を検出する回転角検出装置に関する。

回転角検出装置は、回転軸の回転に伴う磁束密度の変化を、磁電変換して検出する装置である（例えば特許文献１参照）。図４（ａ）に、従来の回転角検出装置の軸方向断面図を、（ｂ）に上面図を、それぞれ示す。図に示すように、回転角検出装置１００は、磁石１０１とヨーク１０２とホールＩＣ１０３とを備えている。磁石１０１は回転軸１０４に環装されている。磁石１０１は回転軸１０４とともに回転可能である。ヨーク１０２は、ハウジング（図略）内周面に固定されている。ヨーク１０２と磁石１０１とは同軸上に配置されている。ヨーク１０２には、一対のギャップ１０２ａ、１０２ｂが配置されている。ホールＩＣ１０３は、ギャップ１０２ａに配置されている。回転軸１０４とともに磁石１０１が回転すると、ギャップ１０２ａ、１０２ｂにおける磁束密度が変化する。ホールＩＣ１０３のホール素子は、磁束密度に対応するホール電圧を出力する。この電圧から回転軸１０４の回転角が検出される。
特開２００１−１３３２１２号公報

ところで、ホールＩＣ１０３のホール素子の出力電圧は、磁石１０１とヨーク１０２との間に形成される磁気回路の磁束量に比例している。このため、磁束量を大きくすると、ホールＩＣ１０３の出力電圧が大きくなる。すなわち、磁石１０１つまり回転軸１０４の任意の回転角に対する出力電圧が大きくなる。したがって、磁束量を大きくすることで、回転角検出装置１００の検出精度を向上させることができる。磁束量を大きくするためには、磁石１０１の体格を大きくする、磁石１０１を希土類磁石にする、ヨーク１０２を高透磁率材料により形成する、などの方法が挙げられる。しかしながら、列挙したいずれの方法の場合であっても、回転角検出装置１００の製造コストが高くなる。

本発明の回転角検出装置は、上記課題に鑑みて完成されたものである。したがって、本発明は、製造コストが低く、検出精度が高い回転角検出装置を提供することを目的とする。

（１）上記課題を解決するため、本発明の回転角検出装置は、回転軸に連結され磁界を形成するリング状の磁気発生部材と、該磁気発生部材の磁界内に配置され、該磁気発生部材との間に磁気回路を形成するとともに、該回転軸の回転により該磁気発生部材に対する相対角度が変化すると磁束密度が変化するように配置された一対のギャップを持つリング状のヨークと、一対の該ギャップの一方に配置され、該磁束密度を検出する磁気検出器と、を備えてなる回転角検出装置であって、一対の前記ギャップは、幅の大きい大ギャップと、該大ギャップよりも幅の小さい小ギャップと、からなり、前記磁気検出器は、該小ギャップに配置されていることを特徴とする。

つまり、本発明の回転角検出装置は、小ギャップと大ギャップという二つのギャップを備えるものである。また、小ギャップに磁気検出器を配置するものである。大ギャップの磁気抵抗は、小ギャップの磁気抵抗よりも大きい。このため、ヨーク内の磁束は、相対的に、大ギャップよりも小ギャップに流れやすい。したがって、小ギャップに配置された磁気検出器を通過する磁束量が大きくなる。磁束量が大きくなると、磁気検出器の磁電変換素子の出力が大きくなる。すなわち、回転軸の回転角に対する検出精度が向上する。

このように、本発明の回転角検出装置は、一対のギャップ（大ギャップ、小ギャップ）における磁束量の配分割合を変えることにより、検出精度を高くするものである。したがって、仮に、磁束量の総量が従来の回転角検出装置と同等であったとしても、従来の回転角検出装置と比較して、高い検出精度を確保することができる。すなわち、磁石の体格を大型化しなくても、また磁石として高価な希土類磁石を用いなくても、またヨークを高価な高透磁率材料で形成しなくても、高い検出精度を確保することができる。言い換えると、本発明の回転角検出装置によると、製造コストを抑えながら、検出精度を高くすることができる。

（２）好ましくは、前記磁気発生部材は、直径方向に延びる磁極境界を有しており、該磁気発生部材の回転角は、該磁極境界が前記大ギャップに進入しない範囲に設定されている構成とする方がよい。

磁極境界が大ギャップに進入すると、Ｎ極→ヨーク→Ｓ極という経路を辿る磁気回路が形成されにくくなる。すなわち、大ギャップの磁気抵抗は、比較的大きい。このため、Ｎ極から出た磁束の中に、ヨークを通過せず、直接Ｓ極に入ってしまう磁束が現れる。したがって、ヨークを通る磁束量が小さくなる。ヨークを通る磁束量が小さくなると、磁気検出器の磁電変換素子の出力が小さくなる。

この点、本構成は、磁極境界が大ギャップに進入しない角度範囲内で、磁気発生部材を回転させている。当該角度範囲内であれば、磁気発生部材の回転角に依らず、磁極境界の外周側または内周側には、常にヨークが配置されている。このため、磁気発生部材の回転に伴い、磁電変換素子の出力が小さくなるおそれがない。したがって、磁気発生部材の回転角に依らず、高い検出精度を確保することができる。

（３）好ましくは、上記（２）の構成において、前記磁気発生部材の回転角の０度位置を基準として、前記磁極境界は９０度位置と２７０度位置を結ぶように延在しており、前記小ギャップは該０度位置に配置されており、前記大ギャップは１８０度位置に配置されており、前記ヨークの周方向に占める該大ギャップの角度範囲を示すギャップ角度α度と、該磁気発生部材の最大回転角θｍ度と、の間には、θｍ＋α／２≦９０の関係が成立する構成とする方がよい。

本構成においては、ギャップ角度α度と磁気発生部材の最大回転角θｍ度との間に、θｍ＋α／２≦９０の関係が成立する。このため、前述したように、磁気発生部材の回転角に依らず、磁極境界の外周側または内周側に、常にヨークが配置されていることになる。したがって、磁気発生部材の回転に伴い、磁電変換素子の出力が小さくなるおそれがない。本構成によると、上式を満たす範囲内において、磁気発生部材の回転角に依らず、高い検出精度を確保することができる。

本発明によると、製造コストが低く、検出精度が高い回転角検出装置を提供することができる。

以下、本発明の回転角検出装置を、アクセルペダルの操作量の検出に用いた場合の実施の形態について説明する。

まず、本実施形態の回転角検出装置の構成について説明する。図１（ａ）に、本実施形態の回転角検出装置の軸方向断面図を、（ｂ）に上面図を、それぞれ示す。図に示すように、回転角検出装置１は、磁石２とヨーク３とホールＩＣ４とを備えている。磁石２は、本発明の磁気発生部材に含まれる。ホールＩＣ４は、本発明の磁気検出器に含まれる。

磁石２は、フェライト製であって、内周面が真円状、外周面が楕円状のリング状を呈している。磁石２は、Ｎ極とＳ極とに着磁されている。磁極境界２０は、長軸方向に延びて配置されている。磁石２は、ＳＵＳ３０４製の回転軸５に止着されている。回転軸５は、アクセルペダル（図略）の踏み込み、復帰に応じて、所定角度範囲内で正／逆回転する。したがって、磁石２も回転軸５とともに正／逆回転する。

ヨーク３は、一対の半リング状部材３０ａ、３０ｂが対向配置され、形成されている。半リング状部材３０ａ、３０ｂの間には、１８０°離間して、小ギャップ３１と大ギャップ３２とが配置されている。大ギャップ３２は小ギャップ３１よりも幅広である。ヨーク３は、ＳＰＣＣ（熱処理済み）製であって、全体として同心リング状を呈している。ヨーク３は、ハウジング（図略）の内周面に止着されている。ヨーク３は、磁石２の外周側に配置されている。ヨーク３は、磁石２の磁界内に配置されている。ヨーク３と磁石２との間には、磁気回路が形成されている。

ホールＩＣ４は、小ギャップ３１に配置されている。ホールＩＣ４は、図示しないホール素子とオペアンプとを備えている。ホールＩＣ４により、磁束密度がホール電圧に磁電変換される。

次に、本実施形態の回転角検出装置の動きについて説明する。アクセルペダル操作により回転軸５が回転すると、回転軸５に止着されている磁石２も共に回転する。このため、小ギャップ３１、大ギャップ３２における磁束密度が変化する。小ギャップ３１の磁束密度は、ホールＩＣ４のホール素子により、ホール電圧に変換される。変換された電圧は、オペアンプにより増幅される。増幅された電圧により、回転軸５の回転角つまりアクセルペダルの踏み込み量が検出される。

次に、本実施形態の回転角検出装置のギャップ角度α（大ギャップ３２を挟んで対向する半リング状部材３０ａ端および半リング状部材３０ｂ端と、回転軸５中心と、により形成される角度）と、回転軸５つまり磁石２の回転角θと、の関係について説明する。本実施形態においては、ギャップ角度αは５０度に設定されている。また、回転角θの最大回転角θｍは５０度に設定されている。すなわち、本実施形態の回転角検出装置１においては、ギャップ角度αと最大回転角θｍとの間に、θｍ（＝５０）＋α（＝５０）／２＝７５＜９０の関係が成立している。

次に、本実施形態の回転角検出装置の作用効果について説明する。本実施形態の回転角検出装置１は、小ギャップ３１と大ギャップ３２という二つのギャップを備えている。大ギャップ３２の磁気抵抗は、小ギャップ３１の磁気抵抗よりも大きい。このため、ヨーク３内の磁束は、相対的に、大ギャップ３２よりも小ギャップ３１に流れやすい。したがって、小ギャップ３１に配置されたホールＩＣ４を通過する磁束量が大きくなる。磁束量が大きくなると、ホール素子の出力が大きくなる。このため、本実施形態の回転角検出装置１は回転軸５の回転角の検出精度が高い。

また、本実施形態の回転角検出装置１のヨーク３を通る総磁束量は、前出図４に示す従来の回転角検出装置１００の総磁束量と、ほぼ同等である。すなわち、従来の回転角検出装置１００と相違しているのは、一対のギャップに対する磁束量の配分だけである。このため、磁石２の体格を大型化しなくても、また磁石２として高価な希土類磁石を用いなくても、またヨーク３を高価な高透磁率材料（例えばパーマロイ）で形成しなくても、高い検出精度を確保することができる。すなわち、本実施形態の回転角検出装置１によると、製造コストを抑えながら、高い検出精度を確保することができる。

また、本実施形態の回転角検出装置１によると、大ギャップ３２のギャップ角度αと磁石２の最大回転角θｍとの間に、θｍ＋α／２≦９０の関係が成立する。このため、磁極境界２０の外周側に、常にヨーク３の内周面が配置されていることになる。したがって、Ｎ極→ヨーク３→Ｓ極という経路を辿る磁気回路が形成されやすい。つまり、ヨーク３を流れる磁束量が小さくならない。この点においても、本実施形態の回転角検出装置１は、高い検出精度を確保することができる。

以上、本発明の回転角検出装置の実施の形態について説明した。しかしながら、実施の形態は上記形態に特に限定されるものではない。当業者が行いうる種々の変形的形態、改良的形態で実施することも可能である。

例えば、上記実施形態においては磁石２をフェライト製としたが、他の硬磁性体製でもよい。また、上記実施形態においてはヨーク３をＳＰＣＣ（熱処理済み）製としたが、他の軟磁性体製でもよい。また、磁石２と軟磁性体製の補助ヨークとを組み合わせたものを本発明の磁気発生部材としてもよい。

また、上記実施形態においては、本発明の磁気検出器としてホールＩＣを用いたが、例えば磁界の強さに応じて抵抗値が変化する磁気抵抗素子を持つ磁気検出器などを用いてもよい。

上記実施形態の回転角検出装置１を用いて、磁石２の回転角θおよび大ギャップ３２のギャップ角度αと、ホールＩＣ４の出力電圧との関係を調べる実験を行った。

図１に示すように、回転軸５の直径Ｄ１は４ｍｍ、磁石２の長軸長Ｄ２は１４ｍｍ、短軸長Ｄ３は１０ｍｍ、磁石２の厚さＬ１は６ｍｍ、ヨーク３の内径Ｄ４は１５ｍｍ、ヨーク３の外径Ｄ５は１８ｍｍ、ヨーク３の厚さＬ２は５ｍｍ、小ギャップ３１の幅Ｇは１．５ｍｍに、それぞれ設定した。なお、説明の便宜上、以下、磁石２の回転角θを「°」と、ギャップ角度αを「ｄｅｇ」と、それぞれ表記する。

＜実験１＞
実験１においては、ギャップ角度αを様々な角度に設定し、磁石２を図１（ｂ）に示す０°位置から±５０°回転させた場合の、ホールＩＣ４の出力電圧を測定した。その結果を、図２に示す。図中、横軸は磁石２の回転角θを、縦軸はホールＩＣ４の出力（ホール電圧をオペアンプにより増幅したもの）を、それぞれ示す。ギャップ角度αは、１０ｄｅｇ、３０ｄｅｇ、５０ｄｅｇ、８０ｄｅｇ、９０ｄｅｇに、それぞれ設定した。

図から、大ギャップ３２のギャップ角度αが１０ｄｅｇ、３０ｄｅｇ、５０ｄｅｇ、８０ｄｅｇの場合は、各々、ホールＩＣ４の出力が直線的に変化することが判る。また、ギャップ角度αが９０ｄｅｇの場合は、磁石２の回転角θが４５°を超えると直線性が失われ、回転角θが略４８°を超えると出力が下がり始めることが判る。すなわち、θ＋α／２≦９０の関係が成立する範囲内であればホールＩＣ４の出力が直線的に変化し、θ＋α／２＞９０の関係が成立する範囲内であればホールＩＣ４の出力が大きくなるものの直線性が失われ、あるいは出力が小さくなることが判る。

＜実験２＞
実験２においては、磁石２の回転角θを、図１（ｂ）に示す０°位置を基準として、反時計回り方向５０°位置に固定した場合の、ギャップ角度αの変化に対するホールＩＣ４の出力電圧を測定した。その結果を、図３に示す。図中、横軸は大ギャップ３２のギャップ角度αを、縦軸はホールＩＣ４の出力（ホール電圧をオペアンプにより増幅したもの）を、それぞれ示す。

図から、大ギャップ３２のギャップ角度αが８０ｄｅｇまでは、ホールＩＣ４の出力は大きくなることが判る。また、ギャップ角度αが８０ｄｅｇを超えると、ホールＩＣ４の出力は小さくなることが判る。すなわち、θ＋α／２≦９０の関係が成立する範囲内であればホールＩＣ４の出力が直線的に変化し、θ＋α／２＞９０の関係が成立する範囲内であればホールＩＣ４の出力が小さくなることが判る。

＜まとめ＞
以上の実験から、θ＋α／２≦９０の関係が成立する範囲内であれば、ギャップ角度α一定のとき、磁石回転角θの増加に伴い、ホールＩＣ４の出力が直線的に増加することが判る。並びに、θ＋α／２≦９０の関係が成立する範囲内であれば、磁石２の回転角θ一定のとき、ギャップ角度αの増加に伴い、ホールＩＣ４の出力が増加することが判る。

（ａ）は本発明の回転角検出装置の一実施形態となる回転角検出装置の軸方向断面図である。（ｂ）は同回転角検出装置の上面図である。 磁石の回転角変化に対するホールＩＣの出力変化を示すグラフである。 ギャップ角度変化に対するホールＩＣの出力変化を示すグラフである。 （ａ）は従来の回転角検出装置の軸方向断面図である。（ｂ）は同回転角検出装置の上面図である。

符号の説明

１：回転角検出装置、２：磁石（磁気発生部材）、２０：磁極境界、３：ヨーク、３０ａ：半リング状部材、３０ｂ：半リング状部材、３１：小ギャップ、３２：大ギャップ、４：ホールＩＣ（磁気検出器）、５：回転軸、α：ギャップ角度、θ：回転角。

Claims (3)

1. 回転軸に連結され磁界を形成するリング状の磁気発生部材と、
   該磁気発生部材の磁界内に配置され、該磁気発生部材との間に磁気回路を形成するとともに、該回転軸の回転により該磁気発生部材に対する相対角度が変化すると磁束密度が変化するように配置された一対のギャップを持つリング状のヨークと、
   一対の該ギャップの一方に配置され、該磁束密度を検出する磁気検出器と、
   を備えてなる回転角検出装置であって、
   一対の前記ギャップは、幅の大きい大ギャップと、該大ギャップよりも幅の小さい小ギャップと、からなり、
   前記磁気検出器は、該小ギャップに配置されていることを特徴とする回転角検出装置。
2. 前記磁気発生部材は、直径方向に延びる磁極境界を有しており、
   該磁気発生部材の回転角は、該磁極境界が前記大ギャップに進入しない範囲に設定されている請求項１に記載の回転角検出装置。
3. 前記磁気発生部材の回転角の０度位置を基準として、前記磁極境界は９０度位置と２７０度位置を結ぶように延在しており、前記小ギャップは該０度位置に配置されており、前記大ギャップは１８０度位置に配置されており、
   前記ヨークの周方向に占める該大ギャップの角度範囲を示すギャップ角度α度と、該磁気発生部材の最大回転角θｍ度と、の間には、θｍ＋α／２≦９０の関係が成立する請求項２に記載の回転角検出装置。
   

Images