JP2006126136A - 非接触式回転角度検出センサ - Google Patents

Abstract

【課題】 ホール素子を用いた非接触式回転角度検出センサにおいて、簡単な構造で出力の直線性を向上させる。
【解決手段】 ロータ１０に固定され、径方向にＮ、Ｓの２極を有するリング状永久磁石１５の外周面を、一定間隙で固定側ヨーク２０が囲む。固定側ヨークは軸方向に重ねた第１、第２外側ヨーク３０、４０からなり、第１外側ヨークのギャップ３２にホール素子２５が配置される。第１外側ヨークの軸方向高さｈ３を周方向にそって変化させ、第２外側ヨークの高さｈ４は、第１外側ヨークの高さｈ３と補完関係にあり、第１、第２外側ヨーク３０、４０は一定間隙Ｌｈで重ねられている。リング状永久磁石１５の回転に応じて、ギャップを通過する磁束の量と通過しない磁束の量の割合が変化し、さらに高さの変化で第１外側ヨークを流れる磁束量自体も変化して、ホール素子の出力の直線性を向上できる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、磁気感応素子を用いた非接触式回転角度検出センサに関する。

小型に構成可能で、異物による接触不良などの心配がなく、例えば車両におけるアクセルペダルの踏み角検出やシフトレバーの操作に応じて回転するシャフトの回転角度の検出などに好適な回転角度検出センサとして、磁気感応素子を用いた非接触式回転角度検出センサがある。
このような非接触式回転角度検出センサの従来例として、例えば特表平５−５０５８８３号公報に開示されたものがある。
この従来例では、図７の（ａ）に示すように、半円に分割したリング状永久磁石１００を直径方向にＮ、Ｓの２極となるように不図示のロータに固定する一方、永久磁石の外周に対して所定の間隙を設けた外側ヨーク１１０で囲み、外側ヨークに設けたギャップにホール素子１０５を配置している。外側ヨーク１１０の断面は矩形で、その幅、軸方向高さはそれぞれ周方向に一定である。

上記構造において、リング状永久磁石１００から発生する磁束は外側ヨーク１１０を通る。リング状永久磁石１００がロータとともに回転すると、当該磁石に対向する外側ヨーク１１０の軸方向高さは一定であるから外側ヨークを通る磁束の総和は一定であるが、リング状永久磁石１００の回転に応じて外側ヨーク１１０のギャップに配置されたホール素子１０５を通過する磁束の量とホール素子１０５を通過しない磁束の量との割合が変化する。
これにより、理論的にはホール素子１０５の出力の変化からロータ（リング状永久磁石１００）の回転角度を求めることができる。
図７の（ａ）におけるＡ、Ｂ、・・、Ｅは、リング状永久磁石１００の回転に伴う磁束のホール素子１０５通過量の変化を示す。（ｂ）は回転角度に対するホール素子１０５の出力を示し、線上のＡ、Ｂ、・・、Ｅは（ａ）におけるリング状永久磁石１００の各回転角度位置に対応する。
特表平５−５０５８８３号公報

しかしながら、上記従来の非接触式回転角度検出センサでは、図７の（ｂ）に示されるように、ホール素子１０５を通過する磁束の向きが切り換わる回転角度０°を含む所定の範囲Ｂ〜Ｄではホール素子１０５の出力変化は明確であるが、所定範囲を外れるほど出力信号の直線性に問題が生じる。
これは、所定範囲を外れるほどホール素子１０５を通過する磁束の量が多くなり、その中での磁束の変化割合が相対的に小さくなることに起因していると思われる。

このようにホール素子の出力信号の直線性が維持できないと、比較的広い範囲の角度にわたって回転角度を検出しようとする場合に期待する精度が得られないという問題がある。
この対策としては、外側ヨークのリング形状を楕円形にするとか、外側ヨークと永久磁石との間隔を変化させることが考えられるが、これは理論上であって、現実には、製造上のバラツキや製品における機械的なガタツキを考慮すると、車両用などに大量生産する場合に適用することは技術的に困難である。
また、リング状永久磁石として異方性磁石を使用する例も多いが、価格が高いうえに加工性にも乏しいという問題がある。

したがって本発明は、上記従来の問題点に鑑み、簡単な構造で、精度の良い非接触式回転角度検出センサを提供することを目的とする。

このため、本発明の非接触式回転角度検出センサは、ロータと一体に回転可能で、周方向にそって磁極が変化するリング状永久磁石と、リング状永久磁石の外周面を一定間隙をおいて囲み軸方向に重ねられた第１ヨークと第２ヨークからなるリング状の固定側ヨークと、第１ヨークのリング上に形成されたギャップに配置された磁気感応素子とを有し、第１ヨークの軸方向高さを周方向にそって変化させてあるものとした。

リング状永久磁石の回転に応じて、ギャップ部を通過する磁束の量とギャップ部を通過しない磁束の量の割合が変化するとともに、第１ヨークの高さの変化により、第１ヨークを流れる磁束の量自体も変化するから、磁気感応素子はこの２つの変化に基く信号を出力し、回転角度に対する信号出力の高い直線性を得ることができる。

以下、本発明の実施の形態について説明する。
図１は実施の形態の外観を示し、（ａ）は軸方向から見た上面図、（ｂ）は（ａ）におけるＡ−Ａ矢視図、（ｃ）は（ａ）におけるＢ−Ｂ矢視図である。図２は図１の（ａ）におけるＣ−Ｃ部断面図である。図３は全体を一部分解して示す斜視図である。
検出対象の回転体としての図示しないシャフトに取り付けられるロータ１０は、外観が円柱状の本体部１１と、本体部１１の軸方向中間から径方向に延びるフランジ状の磁石保持部１２とからなっている。本体部１１はシャフトを通す貫通穴１３を有しており、貫通穴１３の断面はシャフトの取付け部断面に整合させた２面幅部を有して、シャフトの取付け部を挿通させた状態でロータ１０がシャフトと一体に回転可能となっている。

磁石保持部１２には、リング状永久磁石１５が鋼材からなるリング形状の支持ヨーク１４を介して取り付けられている。リング状永久磁石１５は、図４に拡大して示すように、幅一定でその直径線上（周方向１８０°位置）で半円に分割され、一方の磁石半円部１６ａは内周側（支持ヨーク１４と接触する側）をＳ極、外周側をＮ極とし、他方の磁石半円部１６ｂは内周側をＮ極、外周側をＳ極として、全体として周方向にＮおよびＳの２極構造となっている。リング状永久磁石１５の材料としては、異方性磁石に限定されず、等方性磁石も選択できる。
この２つの磁石半円部１６ａ、１６ｂからなるリング状永久磁石１５は支持ヨーク１４の外周面に固定され、支持ヨーク１４はロータの磁石保持部１２の外周面に固定されている。本実施の形態では、リング状永久磁石１５と支持ヨーク１４の軸方向高さは、磁石保持部１２の軸方向高さに合わせてある。

以上のようにロータ１０に取り付けられたリング状永久磁石１５を囲んで、第１外側ヨーク３０および第２外側ヨーク４０からなる固定側ヨーク２０がシャフトに対する固定側に設けられている。第１外側ヨーク３０および第２外側ヨーク４０の材料はそれぞれ鋼材である。
第１外側ヨーク３０と第２外側ヨーク４０は軸方向から見た平面形状が互いに同一で、それぞれ一定幅Ｗで各直径線上（周方向１８０°位置）で半円に分割され、分割された各ヨーク半円部３０ａ（４０ａ）、３０ｂ（４０ｂ）間の周方向対向面を切り落としてそれぞれ所定幅Ｇのギャップ３２、４２が２箇所ずつ設けられている。
第１外側ヨーク３０と第２外側ヨーク４０は軸方向から見たときそれぞれのギャップ４２、３２を一致させて、軸方向に互いに重ねられており、それぞれの内周面はリング状永久磁石１５の外周面との間に一定の間隙Ｌｓをおいて対向している。

第１外側ヨーク３０と第２外側ヨーク４０のそれぞれの高さ（軸方向）ｈ３、ｈ４は周方向に沿って変化しているが、第１外側ヨーク３０の下面（第２外側ヨーク４０との対向面の反対側）および第２外側ヨーク４０の上面（第１外側ヨーク３０との対向面の反対側）はそれぞれ軸方向に対して垂直の平坦面をなしている。また、第１外側ヨーク３０と第２外側ヨーク４０の周方向における各断面は、高さが変化する矩形断面となっている。
第２外側ヨーク４０の高さｈ４は第１外側ヨーク３０の高さｈ３と補完関係にあり、第１外側ヨーク３０の高さｈ３が大きい周方向位置では第２外側ヨーク４０の高さｈ４は小さく、第１外側ヨークの高さｈ３が小さい位置では第２外側ヨークの高さｈ４は大きい。

第１外側ヨーク３０の上面と第２外側ヨーク４０の下面の間には周方向にわたって一定の間隙Ｌｈが設定されている。
第１外側ヨーク３０の下面はリング状永久磁石１５の下面と一致させてある。上記一定の間隙Ｌｈを含めて、第１外側ヨーク３０と第２外側ヨーク４０を重ねた固定側ヨーク２０の高さＨｙとリング状永久磁石１５の高さＨｍは、
Ｈｙ＞Ｈｍ
の関係に設定され、例えばリング状永久磁石１５の高さＨｍは第１外側ヨーク３０の最大高さと同じにしてあって、第１外側ヨーク３０の内周面は周方向のすべての位置においてリング状永久磁石１５の外周面の真正面に対向している。

なお、第１外側ヨーク３０および第２外側ヨーク４０の上記一定幅Ｗは、当該各ヨークの材料の透磁率、リング状永久磁石１５の磁束密度を考慮してヨーク内で磁束が飽和しない大きさに設定されている。
第１外側ヨーク３０のギャップ３２の１つには、磁気感応素子としてホール素子２５が設置されている。

以上のように構成された実施の形態では、リング状永久磁石１５から発生する磁束はすべて第１外側ヨーク３０と第２外側ヨーク４０とを通るが、リング状永久磁石１５がロータ１０とともに回転すると、ホール素子２５が設置されたギャップ３２を通過する磁束の量と当該ギャップ３２を通過しない磁束の量の割合が変化する。これは図７の（ａ）に示した従来のものにおける作用と同様である。
実施の形態ではさらに第１外側ヨーク３０の高さｈ３が周方向に変化していることにより、リング状永久磁石１５の回転につれて第１外側ヨーク３０を流れる磁束の量自体も変化する。そして、ギャップ３２のホール素子２５は第１外側ヨークのヨーク半円部３０ａ、３０ｂの対向面間に配置されているので、ホール素子２５はこの磁束量自体の変化と先の磁束量の割合の変化とを受ける。
したがって、第１外側ヨーク３０の周方向に変化する高さｈ３の値を実験測定により選択することにより、直線性の向上した出力が得られる。
高さｈ３の選択の具体的要領は、例えば図７の（ｂ）における測定範囲両端の点Ａと点Ｅを結ぶ直線（破線）を理想直線として、それより磁束密度がずれている分を減ずる方向に高さｈ３を減ずる形でその値を求める。

一例として、リング状永久磁石１５は、等方性のネオジムボンド磁石（ネオジム、鉄、ボロン粉末をＰＰＳ樹脂で成型）を用い、内径２１ｍｍ、外径２３ｍｍ、高さ５ｍｍ、表面磁束密度７５ｍＴとし、支持ヨーク１４は、内径１９ｍｍ、外径２１ｍｍ、高さ５ｍｍとする。
第１外側ヨーク３０は２つのヨーク半円部３０ａ、３０ｂをそれぞれ幅（Ｗ）４ｍｍ、高さｈ３の最大部が円弧の両端で６ｍｍ、最小部が円弧の中央で１ｍｍの凹形状とし、その両端を０．８ｍｍずつ切り落としてギャップの幅（Ｇ）１．６ｍｍ、第２外側ヨーク４０は２つのヨーク半円部４０ａ、４０ｂをそれぞれ幅４ｍｍ、高さの最大部が円弧の中央で６ｍｍ、最小部が円弧の両端で１ｍｍの凸形状とし、その両端を０．８ｍｍずつ切り落としてギャップの幅１．６ｍｍとする。
また第１外側ヨーク３０と第２外側ヨーク４０間の間隙（Ｌｈ）を０．５ｍｍ、リング状永久磁石１５の外周面（外径２３ｍｍ）と固定側ヨーク２０の内周面間の一定間隙（Ｌｓ）を全周１ｍｍとした。

図５は実施の形態の効果を従来例による比較例と対比して示す検出出力図である。
ここでは、全体として２極構造であるリング状永久磁石１５のＮ極とＳ極を結ぶ線（各磁石半円部１６ａ、１６ｂの端同士の対向面を結ぶ線に対して直角の直径線）が第１外側ヨーク３０のホール素子２５を配置したギャップ３２を通るときのリング状永久磁石１５の位置を回転角度０°とし、図５の（ａ）に示すように、回転角度−４２．５°〜４２．５°を検出範囲とするとき、ホール素子２５の出力電圧が０．５Ｖ（−４２．５°）と４．５Ｖ（４２．５°）を結ぶ線を理想直線としている。
図５の（ｂ）は実施例による非直線性（理想直線に対する実際の出力値のズレ％ＦＳ）を示し、（ｃ）は比較例における非直線性を示している。

比較例では、回転角度のマイナス側の中間領域およびプラス側の中間領域において、非直線性が１．２％ＦＳにも及び、また０°を挟むプラス・マイナス各１５°の範囲で１．０％ＦＳに向けて変化しているのに対して、実施例では、全検出回転角度範囲において１．０％ＦＳ以下、０°を挟むプラス・マイナス各１５°の位置で０．５％ＦＳ以下、またプラス・マイナス各１５°より０°寄りの範囲ではさらに１桁小さい％ＦＳで、高い直線性を得ていることが分かる。

以上のとおり、本実施の形態は、検出対象のシャフトに取り付けられるロータ１０と一体に回転可能で、周方向にそって磁極が変化するリング状永久磁石１５と、軸方向に重ねられた第１外側ヨーク３０と第２外側ヨーク４０からなり、リング状永久磁石１５の外周面を一定間隙Ｌｓをおいて囲むリング状の固定側ヨーク２０と、第１外側ヨーク３０のリング上に形成されたギャップ３２に配置されたホール素子２５とを有し、第１外側ヨーク３０の軸方向高さｈ３を周方向にそって変化させてあるものとしたので、リング状永久磁石１５の回転に応じて、ギャップ３２を通過する磁束の量とギャップ３２を通過しない磁束の量の割合が変化するとともに、第１外側ヨーク３０の高さの変化により、第１外側ヨーク３０を流れる磁束の量自体も変化する。ギャップ３２のホール素子２５は上記２つの変化を受けるから、第１外側ヨーク３０の周方向に変化する高さｈ３の値を選択することにより、従来得られない直線性の向上が実現できた。

そして、この直線性の向上により、実用になる検出角度範囲が拡大する。また、リング状永久磁石１５と固定側ヨーク２０間の間隙は一定であるから、リング形状を楕円形にしたり、間隙を変化させる場合とは異なり、製造上のバラツキのおそれもなく安定した品質が確保される。
また、リング状永久磁石１５として安価で加工性のよい等方性磁石を用いることができるので、製品としてのコストを低くできるという利点を有する。
さらに、動く部分はロータ１０を介してシャフトに取り付けられるリング状永久磁石１５だけであるから、製品における機械的なガタツキの発生もない。

とくにリング状永久磁石１５は、全体として径方向にＮ極とＳ極の２極を有するものとすることにより、半円状の２つの磁石を支持ヨーク１４に支持させてロータ１０に固定するだけでよく、構造が簡単である。
また、第１外側ヨーク３０は、同一形状の２つのヨーク半円部３０ａ、３０ｂを円上に並べて構成され、ギャップ３２は各ヨーク半円部の周方向対向面を切り落とすことにより、周方向１８０°の位置に２つが形成されるから、２つのホール素子等を配置することにより、同相あるいは逆相の信号出力を必要に応じて取り出せる。

第２外側ヨーク４０は、その平面形状が第１外側ヨーク３０のヨーク半円部と同一の２つのヨーク半円部４０ａ、４０ｂからなり、ヨーク半円部間のギャップ４２を第１外側ヨーク３０のギャップ３２と合致させて第１外側ヨーク３０に重ねてあるから、構成が簡単で、小型化に有利である。
また、第１外側ヨーク３０と第２外側ヨーク４０の軸方向において対向していない上下面はそれぞれ平坦面で、固定側ヨーク２０の高さＨｙは周方向にわたり一定であるから、固定側への取り付けも容易で構造簡単である。

第２外側ヨーク４０の周方向にそった高さｈ４は、前記第１外側ヨーク３０の高さｈ３と補完関係にあり、第１外側ヨーク３０と第２外側ヨーク４０は一定間隙Ｌｈで重ねられているから、リング状永久磁石１５から第２外側ヨーク４０への磁束の流れも滑らかとなり、信号出力の直線性を得るのにとくに有利である。

また、リング状永久磁石１５の軸方向高さは固定側ヨーク２０の高さよりも小さく、リング状永久磁石１５は軸方向において第２外側ヨーク側４０よりも第１外側ヨーク３０側に偏らせてあるから、常に相当量の磁束は第１外側ヨーク３０を通ってホール素子２５を通過することになり、ノイズなどの影響を受けることがない。

リング状永久磁石１５は鋼材からなる支持ヨーク１４を介してロータに取り付けられているので、雰囲気が高温となる場所に設置される場合にも永久磁石の不可逆熱減磁が小さく抑えられるとともに、内径方向への漏れ磁束を抑えて外側ヨーク２０への磁束が流れやすくなる。

なお、実施の形態におけるギャップ３２部では、第１外側ヨーク３０の各ヨーク半円部３０ａ、３０ｂの端面全体が対向するものとなっているが、図６に示すように、各ヨーク半円部３０ａ、３０ｂの内径側および外径側の角にカット部３１を設けて、対向面の径方向幅Ｄがホール素子２５内のセンサチップ２７の幅と同レベルの大きさとなるようにすれば、ホール素子に対する実質的な磁束密度を一層上げることができる。第２外側ヨーク４０のギャップ４２部分でも同形状のカット部を設けることができる。

また実施の形態では、第１外側ヨーク３０と第２外側ヨーク４０の周方向各断面は矩形形状としたが、リング状永久磁石１５との対向面の高さ（ｈ３）が適正であれば、第１、第２外側ヨーク３０、４０の上下方向対向面に一定間隙Ｌｈが確保される限り断面形状の影響は小さく、矩形形状に限定されない。

実施の形態では、ホール素子２５を第１外側ヨーク３０における２つのギャップ３２のうちの１つに設置したが、それぞれのギャップにホール素子を配置してもよい。その場合、各ホール素子は互いに同相の信号を出力させることもでき、あるいは逆相の信号を出力させることも任意である。
また、磁気感応素子としてホール素子をギャップに設置したが、磁気感応素子としてはそのほかリニア出力タイプのホールＩＣや磁気抵抗素子など、適宜のものを選択できる。

さらに、支持ヨーク１４、第１外側ヨーク３０および第２外側ヨーク４０の材料としてはそれぞれ一般の鋼材を用いたが、これに限らず、珪素鋼や電磁鋼も使用可能である。上下に重ねる第１外側ヨーク３０と第２外側ヨーク４０とは同一材料とするのが好ましい。

本発明の実施の形態の全体構成を示す図である。 図１におけるＣ−Ｃ部断面図である。 全体を一部分解して示す斜視図である。 リング状永久磁石を拡大して示す平面図である。 実施例の作用を従来例と比較して示す図である。 ギャップ部の変形例を示す図である。 従来例の問題点を示す説明図である。

符号の説明

１０ ロータ
１１ 本体部
１２ 磁石保持部
１３ 貫通穴
１４ 支持ヨーク
１５ リング状永久磁石
１６ａ、１６ｂ 磁石半円部
２０ 固定側ヨーク
２５ ホール素子（磁気感応素子）
２７ センサチップ
３０ 第１外側ヨーク（第１ヨーク）
３０ａ、３０ｂ、４０ａ、４０ｂ ヨーク半円部
３１ カット部
３２、４２ ギャップ
４０ 第２外側ヨーク（第２ヨーク）

Claims (7)

1. ロータと一体に回転可能で、周方向にそって磁極が変化するリング状永久磁石と、
   軸方向に重ねられた第１ヨークと第２ヨークからなり、前記リング状永久磁石の外周面を一定間隙をおいて囲むリング状の固定側ヨークと、
   前記第１ヨークのリング上に形成されたギャップに配置された磁気感応素子とを有し、
   前記第１ヨークの軸方向高さを周方向にそって変化させてあることを特徴とする非接触式回転角度検出センサ。
2. 前記リング状永久磁石は、全体として径方向にＮ極とＳ極の２極を有し、支持ヨークに支持されて前記ロータに固定されていることを特徴とする請求項１記載の非接触式回転角度検出センサ。
3. 前記第１ヨークは、同一形状の２つのヨーク半円部を円上に並べて構成され、
   前記ギャップは各ヨーク半円部の周方向対向面を切り落として形成され、周方向１８０°の位置に対向して設けてあることを特徴とする請求項１または２記載の非接触式回転角度検出センサ。
4. 前記第２ヨークは、その平面形状が前記第１ヨークのヨーク半円部と同一の２つのヨーク半円部からなり、該２つのヨーク半円部間のギャップを第１ヨークの前記ギャップと合致させて前記第１ヨークに重ねてあることを特徴とする請求項３記載の非接触式回転角度検出センサ。
5. 前記第１ヨークと第２ヨークの軸方向において対向していない面はそれぞれ平坦面で、固定側ヨークの高さは周方向一定であることを特徴とする請求項１から４のいずれか１に記載の非接触式回転角度検出センサ。
6. 前記第２ヨークの周方向にそった高さは、前記第１ヨークの高さが大きい周方向位置では小さく、前記第１ヨークの高さが小さい周方向位置では大きい関係にあり、第１ヨークと第２ヨークは一定間隙で重ねられていることを特徴とする請求項５記載の非接触式回転角度検出センサ。
7. 前記リング状永久磁石の軸方向の高さは前記固定側ヨークの高さよりも小さく、
   リング状永久磁石は軸方向において前記第２ヨーク側よりも第１ヨーク側に偏らせて配置していることを特徴とする請求項１から６のいずれか１に記載の非接触式回転角度検出センサ。

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