JP2007078402A - スロットルバルブの回転角度検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 コンパクトに構成できて高精度に検出でき、組立性が良く環境変化にも強いスロットルバルブの回転角度検出装置を提供する。
【解決手段】 このスロットルバルブの回転角度検出装置は、スロットルバルブ２の弁体３の回転角度を検出する装置であり、磁気発生手段１１と磁気アレイセンサ１２と角度算出手段１３とを備える。磁気発生手段１１は、弁体３の回転に応じて回転しその回転中心回りの円周方向異方性を有する。磁気アレイセンサ１２は、磁気発生手段１１の回転中心の軸方向に対向して非回転側部材に配置されて前記磁気発生手段１１の磁気を検出する。角度算出手段１３は、磁気アレイセンサ１２の出力から磁気発生手段１１の回転角度を算出する。
【選択図】 図１

Description

この発明は、自動車等におけるスロットルバルブの回転角度検出装置に関する。

各種の機器に使用される非接触方式の回転角度検出装置として、光学式のものと磁気式のものとがあるが、埃による影響を受けやすい光学式のものは環境の悪い条件では使いにくいことから、磁気式のものが使用されることが多い。自動車等のエンジンにおけるスロットルバルブの回転角度を検出する回転角度検出装置では、塵埃の影響を受け易い環境下にあるため、磁気式のものが使用される（例えば特許文献１）。

従来の磁気式の回転角度検出装置は、回転軸に取付けられる磁石と、ホールセンサやＭＲ素子等のアナログ出力の磁気検出手段とを組み合わせたものであり、回転軸の回転に伴って変化する磁界の強さを検出することで、角度を検出するものである。

なお、小型の機器に組み込みが可能で、かつ高精度な角度検出が可能な回転角度検出装置としては、磁気発生手段と磁気ラインセンサとを組み合わせたものが提案されている（特許文献２）。これには、小型モータの回転制御のための回転検出や、事務機器の位置検出のための回転検出に用いられることが開示されている。また、軸受と回転検出手段とを一体化した回転角度検出装置付き軸受とすることが開示されている。
特開２００１−５９７０２号公報 特開２００４−３７１３３号公報

従来のホールセンサ等を使用して磁界の強さそのものを用いて角度検出する方式の回転角度検出装置では、磁石の温度特性やセンサの非線形性特性による影響が大きいため、以下に挙げる問題がある。
・検出精度を上げるために、センサ出力の非線形特性の補正が必要である。
・磁石の形状・着磁・配置が検出精度に大きく影響する。
・検出ターゲットである磁石の磁力が温度によって変化するため、この特性を補正する必要がある。
・ギャップを厳しく管理する必要があり、組立調整作業が複雑化する。

特許文献２に示される磁気ラインセンサ式の回転角度検出装置は、種々の優れた機能を有するが、適用例として、小型モータの回転制御のための回転検出や、事務機器の位置検出のための回転検出が開示されているのみで、スロットルバルブの回転角度検出への適用例は開示されていない。

この発明の目的は、コンパクトに構成できて高精度に検出でき、組立性が良く環境変化にも強いスロットルバルブの回転角度検出装置を提供することである。

この発明のスロットルバルブの回転角度検出装置は、スロットルバルブの弁体の回転角度を検出する装置であって、前記弁体の回転に応じて回転しその回転中心回りの円周方向異方性を有する磁気発生手段と、この磁気発生手段の回転中心の軸方向に対向して非回転側部材に配置されて前記磁気発生手段の磁気を検出する磁気アレイセンサと、この磁気アレイセンサの出力から磁気発生手段の回転角度を算出する角度算出手段とを備えたものであることを特徴とする。

上記磁気アレイセンサと磁気発生手段の組み合わせによると、磁界の分布測定により回転角度を検出できるため、磁界の強さで検出するものと異なり、小型・高分解能となり、絶対角度検出が可能な回転角度検出装置となる。また、磁界分布測定に基づく原理を利用するものであるため、永久磁石の温度特性やギャップ設定の影響も受けず、環境変化に強いという特性が得られて、安定した検出が可能である。そのため、組立性にも優れ、外部に補正回路の必要もない。装置構成も、磁気発生手段、磁気アレイセンサ、角度算出手段となる回路基板等からなるため、構成が単純で部品点数も少なくなる。これらのため、スロットルバルブの弁体の角度検出に適用することで、コンパクトに構成できて高精度に検出でき、組立性が良く環境変化にも強いものとなる。非接触で回転角度を検出するため、摩耗の問題も生じない。
絶対角度を検出してデジタルデータとして出力するものとすれば、冗長符号を付加するなどして、ノイズの影響を防止し、信頼性をより一層高めることもできる。

前記磁気アレイセンサは磁気ラインセンサであっても良い。例えば、磁気ラインセンサを矩形の各辺に配置したものであっても良い。
磁気ラインセンサを用いると、角度算出手段は、磁気ラインセンサのセンサ素子の並びにおける磁界分布のゼロクロスを検出して回転角度を算出するものとできる。すなわち、Ｎ極とＳ極間で変化するゼロ位置を検出して回転角度を検出できる。角度算出手段を、磁界分布のＮ極とＳ極のゼロクロス位置から回転角度を算出するものとすることにより、検出される角度位置の精度を向上させることができる。
磁界分布のゼロ位置を検出して角度を算出する方式であると、磁界強度の強さには鈍感で、磁石の回転中心のずれにも強く、磁石の温度特性や磁石とのギャップ設定の影響を受けずに、より安定した角度検出が可能である。

この発明において、前記弁体と共に回転する回転軸を支持する軸受が、前記磁気発生手段および磁気アレイセンサを有する角度検出部が設けられた回転角度検出装置付き軸受であっても良い。
このように軸受に回転角度検出装置を一体化することで、取付調整を不要化または簡略化できて、組立作業をごく簡単にすることができ、よりコンパクトで簡易な構成も可能となる。また、堅牢化を実現できる。

この発明のスロットルバルブの回転角度検出装置は、スロットルバルブの弁体の回転角度を検出する装置であって、前記弁体の回転に応じて回転しその回転中心回りの円周方向異方性を有する磁気発生手段と、この磁気発生手段の回転中心の軸方向に対向して非回転側部材に配置されて前記磁気発生手段の磁気を検出する磁気アレイセンサと、この磁気アレイセンサの出力から磁気発生手段の回転角度を算出する角度算出手段とを備えたものであるため、コンパクトに構成できて高精度に検出でき、組立性が良く環境変化にも強い回転角度検出装置とすることができる。

この発明の第１の実施形態を図１ないし図６と共に説明する。このスロットルバルブの回転角度検出装置１は、自動車エンジンにおけるスロットルバルブ２の弁体３の回転角度を検出するものである。図１に断面図で示すように、スロットルボディ５に設けられた通気路６の途中に、スロットルバルブ２の弁体３を取付けた回転軸４が、通気路６と交差する方向に配置されている。回転軸４と共に、弁体３の回転角度を調節することで、通気路６の開度が調節される。回転軸４の一端はスロットルボディ５を貫通して、その一側部に形成された軸受ハウジング７内に突出させてあり、この回転軸４の突出端部が軸受８を介して軸受ハウジング７に支持されている。回転軸４の他端には、この回転軸４を回転させるバルブ開閉駆動装置（図示せず）に連結されている。

軸受８は、回転角度検出装置１を一体に組み込んだ回転角度検出装置付き軸受とされている。図２に拡大断面図で示すように、この回転角度検出装置付軸受８は、内輪２１と外輪２２の転走面間に、保持器２３に保持された転動体２４を介在させた転がり軸受である。転動体２４はボールからなり、この転がり軸受８は深溝玉軸受とされている。回転軸４が嵌合する内輪２１は、転動体２４を介して外輪２２に支持されている。外輪２２は、スロットルボディ５の軸受ハウジング７に設置されている。

回転角度検出装置１は、その原理構成を斜視図で示す図３のように、回転側部材に配置された磁気発生手段１１と、非回転側部材に配置された磁気アレイセンサ１２と、この磁気アレイセンサ１２の出力から磁気発生手段１１の回転角度を算出する角度算出手段１３とを備える。磁気アレイセンサ１２は、磁気発生手段１１に対して僅かな隙間を隔てて配置される。

磁気発生手段１１は、発生する磁気が回転側部材の回転中心Ｏの回りの円周方向異方性を有するものであり、永久磁石の単体、あるいは永久磁石と磁性材の複合体からなる。ここでは、磁気発生手段１１は、１つの永久磁石１５を２つの磁性体ヨーク１６，１６で挟んで一体化されたものとされて、概形が二叉のフォーク状とされ、一方の磁性体ヨーク１６の一端がＮ磁極、他方の磁性体ヨーク１６の一端がＳ磁極となる。磁気発生手段１１をこのような構造とすることにより、シンプルでかつ堅牢に構成できる。

図２の回転検出装置付き軸受８においては、内輪２１に磁気発生手段取付部材２６が取付けられ、この磁気発生手段取付部材２６に上記磁気発生手段１１が取付けられている。これにより、磁気発生手段１１は、スロットルバルブ弁体３の回転に応じて回転し、その回転中心Ｏ回りをＮ磁極およびＳ磁極が旋回移動する。

磁気アレイセンサ１２は磁気発生手段１１の磁気を検出するセンサであって、回転側部材（ここでは回転軸４）の回転中心Ｏの軸方向に向けて磁気発生手段１１と対向するように、非回転側部材に配置される。ここでは、磁気アレイセンサ１２は、図４のように仮想の矩形の４辺における各辺に沿って配置された磁気ラインセンサ１２Ａ〜１２Ｄからなる。前記矩形の中心は、回転軸４の回転中心Ｏに一致する。各辺の磁気ラインセンサ１２Ａ〜１２Ｄは、磁気センサ素子１２ａを１列または複列に並べたものである。
各磁気センサ素子１２ａは、例えば、磁気トランジスタ素子またはホール素子等からなる。磁気アレイセンサ１２における各磁気センサ素子１２ａの出力は、増幅されてＡＤ変換回路によってデジタル化される。
なお、磁気アレイセンサ１２は、上記のような複数の磁気ラインセンサ１２Ａ〜１２Ｄを矩形に配置したものとする代わりに、縦横に複数列のマトリクス状に磁気センサ素子を配置したものであっても良い。

角度算出手段１３は集積回路からなり、半導体チップ上に磁気アレイセンサ１２と共に集積されて、角度検出部１４を構成する。角度算出手段１３は、磁気アレイセンサ１２の矩形配置の内部に配置される。これにより、磁気アレイセンサ１２および角度算出手段１３からなる角度検出部１４をコンパクトに配置することができる。

図２の回転検出装置付軸受８においては、外輪２２にセンサ取付部材２７が取付けられ、このセンサ取付部材２７に、磁気アレイセンサ１２および角度算出手段１３の集積された半導体チップからなる角度検出部１４が回路基板２５を介して取付けられている。また、このセンサ取付部材２７には、角度検出部１４の信号を外部に取り出すケーブル２８も取付けられている。なお、図１において、回転検出装置付軸受８が設置された軸受ハウジング７の開口側は図示しない保護カバーで被覆される。

この構成のスロットルバルブの回転角度検出装置１によると、スロットルバルブ２の弁体３が回転するのに伴い、その回転中心Ｏ回りに磁気発生手段１１の磁界分布が回転変化し、その変化を磁気アレイセンサ１２が磁気発生手段１１の回転角度（絶対角度）として検出する。この実施形態では、磁気発生手段１１のＮ磁極とＳ磁極が前記回転中心Ｏ回りに回転し、磁気アレイセンサ１２はＮ磁極とＳ磁極の境界線（磁界分布のゼロ点）を磁気ラインセンサ１２Ａ〜１２Ｄによって検出する。この磁気アレイセンサ１２の出力から、角度算出手段１３が磁気発生手段１１の回転角度つまりスロットルバルブ弁体３の回転角度をデジタル値で算出する。

図５および図６は、角度算出手段１３での計算処理の一例を示す原理説明図である。図５（Ａ）〜（Ｄ）は、磁気発生手段１１が回転している時の磁気アレイセンサ１２の各磁気ラインセンサ１２Ａ〜１２Ｄによる出力波形を示し、それらの横軸は各磁気ラインセンサ１２Ａ〜１２Ｄにおけるセンサ素子１２ａを、縦軸は検出磁界の強度（上側のＮ極、下側がＳ極）をそれぞれ示す。
いま、図６に示す位置Ｘ１とＸ２に磁気アレイセンサ１２の検出磁界のＮ磁極とＳ磁極の境界であるゼロクロス位置があるとする。この状態で、磁気アレイセンサ１２の各磁気ラインセンサ１２Ａ〜１２Ｄの出力が、図５（Ａ）〜（Ｄ）に示す信号波形となる。したがって、ゼロクロス位置Ｘ１，Ｘ２は、磁気ラインセンサ１２Ａ，１２Ｃの出力から直線近似することで算出できる。
角度計算は、次式で行うことができる。
θ＝ｔａｎ^-1（２Ｌ／ｂ）
ここで、θは、磁気発生手段１１の回転角度を絶対角度（アブソリュート値）で示した値である。２Ｌは、矩形に並べられる各磁気アレイセンサ１２の１辺の長さである。ｂはゼロクロス位置Ｘ１，Ｘ２間の横方向長さである。
ゼロクロス位置Ｘ１，Ｘ２が磁気ラインセンサ１２Ｂ，１２Ｄにある場合には、それらの出力から得られるゼロクロス位置データにより、上記と同様にして回転角度θが算出される。

このように、この回転角度検出装置１によると、半導体に集積された磁気アレイセンサ１２と角度算出手段１３によって角度検出処理が実現されているため、単体で絶対角度を精度良く検出することができる。従来の方式であるリニア出力のホールセンサを使用した磁界そのものを用いて検出する方式では、磁石の温度特性やセンサの非線形性による影響が大きいため、複雑な補正処理が必要となる。しかし、この実施形態の回転角度検出装置１は、磁界の分布から角度を検出するため、これらの影響を受けず、補正処理の必要がない。よって、回転角度検出装置１の構成は単純となり、部品点数も少なく、コンパクトな構成で高分解能の角度検出処理が実現できる。また検出処理方式が非接触式であるため、摩耗の問題もない。
スロットルバルブ２の回転軸４を支持する軸受８を回転角度検出装置付き軸受としたため、別途角度センサを取付ける必要がなく、コンパクトで組立易い構造となる。センサを構成する磁石１５等の磁気発生手段１１や回路基板が軸受８に内蔵されているため、組付け時に調整する必要がない。

この実施形態の回転角度検出装置１の利点をまとめると、次のとおりである。
・磁気発生手段１１、磁気アレイセンサ１２、角度算出手段１３の回路基板２５、などの簡単な構成で済み、回転角度検出装置１を小型化できる。
・補正回路や計算回路を別途容易しなくても良いため、コンパクトな構成が可能である。・磁気ループを構成するための大きなヨークが不要なため、装置の構成を単純化できる。・磁気発生手段１１の磁界分布のゼロ点を検出する角度を算出する方式であるため、磁界強度の絶対値（強さ）には鈍感で、磁気発生手段１１の回転中心のずれにも強く、磁気発生手段１１の温度特性などの環境変化や磁気発生手段１１とのギャップの影響を受けずに安定した角度検出が可能である。
・絶対角度を検出してデジタルデータとして出力するため、冗長符号を付加するなどの処置も可能で、ノイズの影響を受け難く、信頼性を高められる。
・スロットルバルブ２の回転軸４を支持する軸受８に回転角度検出装置１を一体化しているので、取付調整を不要とできる。その結果、コンパクトで、組立性・組込性を向上させることができる。

図７は、この発明の他の実施形態を示す断面図である。この実施形態では、回転角度検出装置１とは別に、スロットルバルブ２を回転駆動するモータ３１と、このモータ３１の回転出力を減速してスロットルバルブ２の回転軸４に伝達する減速機３２とを設けた構成例を示している。回転軸４は図示しない軸受によって支持されている。

モータ３１は、その出力軸３１ａがスロットルバルブ２の回転軸４と平行となり、スロットルバルブ２の回転軸４の一端部が突出するスロットルボディ５の一側部に前記出力軸３１ａが突出するように、スロットルボディ５内に設置される。減速機３２は、モータ３１の出力軸３１ａに固定された入力ギヤ３３と、スロットルバルブ２の回転軸４の一端部に固定された出力ギヤ３５と、入力ギヤ３３の回転を出力ギヤ３５に伝達する中間ギヤ３４とでなる。減速機３２が配置されるスロットルボディ５の一側部は、ギヤボックス３６で覆われている。

出力ギヤ３５が固定されるスロットルバルブ２の回転軸４の軸端には、回転角度検出装置１の磁気発生手段１１が取付けられ、前記ギヤボックス３６における前記磁気発生手段１１と軸方向に対向する位置には、磁気アレイセンサ１２および角度算出手段１３の集積された半導体チップからなる角度検出部１４が、回路基板２５を介して取付けられている。回転側部材である回転軸４の軸端に取付けられる磁気発生手段１１と、非回転側部材であるギヤボックス３６に取付けられる磁気アレイセンサ１２との位置関係は、第１の実施形態の場合と同じである。角度検出部１３の信号は、ギヤボックス３６に設けられたケーブル２８で外部に取り出される。スロットルバルブ２の回転軸４は図示しない軸受によりスロットルボディ５に回転自在に支持される。その他の構成は第１の実施形態の場合と同じである。

この実施形態では、回転角度検出装置１が磁気発生手段１１と角度検出部１３と回路基板３５だけで構成されるため、軸方向寸法を短くでき、コンパクトな部品配置が可能となる。回転角度検出装置１は、絶対角度を検出してディジタル値で出力するため、組立時に角度ゼロの位置を簡単に記憶・設定可能である。したがって、組み付け時に回転位置を調整する必要がない。

この発明の第１の実施形態にかかるスロットバルブの回転角度検出装置の断面図である。 同スロットルバルブにおける回転角度検出装置付軸受の断面図である。 回転角度検出装置の概念構成を示す斜視図である。 同回転角度検出装置における半導体チップ上での磁気アレイセンサおよび角度算出手段の配置例を示す平面図である。 磁気アレイセンサの出力例を示す波形図である。 角度算出手段による角度計算処理の原理説明図である。 この発明の他の実施形態にかかるスロットバルブの回転角度検出装置の断面図である。

符号の説明

１…回転角度検出装置
２…スロットルバルブ
３…弁体
４…回転軸
８…軸受
１１…磁気発生手段
１２…磁気アレイセンサ
１２Ａ〜１２Ｄ…磁気ラインセンサ
１３…角度算出手段
１４…角度検出部
２６…磁気発生手段取付部材
２７…センサ取付部材（非回転側部材）
３６…ギヤボックス（非回転側部材）

Claims (3)

1. スロットルバルブの弁体の回転角度を検出する装置であって、前記弁体の回転に応じて回転しその回転中心回りの円周方向異方性を有する磁気発生手段と、この磁気発生手段の回転中心の軸方向に対向して非回転側部材に配置されて前記磁気発生手段の磁気を検出する磁気アレイセンサと、この磁気アレイセンサの出力から磁気発生手段の回転角度を算出する角度算出手段とを備えたものであることを特徴とするスロットルバルブの回転角度検出装置。
2. 請求項１において、前記磁気アレイセンサが、磁気ラインセンサであるスロットルバルブの回転角度検出装置。
3. 請求項１または請求項２において、前記弁体と共に回転する回転軸を支持する軸受が、前記磁気発生手段および磁気アレイセンサを有する角度検出部が設けられた回転角度検出装置付き軸受であるスロットルバルブの回転角度検出装置。

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