JP2009145076A - 回転角度検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】磁石間の干渉を低減した高精度の回転角度検出装置を提供する。
【解決手段】回転体の回転に従属して回転する２つ以上のセンサ歯車２ａ，２ｂと、該センサ歯車２ａ，２ｂに取付けられた磁石３ａ，３ｂと、該磁石３ａ，３ｂの磁束から前記センサ歯車２ａ，２ｂの回転角信号を検出する磁気センサ５ａ，５ｂと、該磁気センサ５ａ，５ｂからの前記センサ歯車２ａ，２ｂの回転角信号から回転体の絶対角を算出する演算装置７とを有する回転角度検出装置１００において、前記磁石３ａ，３ｂと磁気センサ５ａ，５ｂとの組を一括してシールド部材４ａ，４ｂで囲む。
【選択図】図１

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。

回転体の回転角である絶対角を検出する場合、回転体の回転に対して所定のギヤ比で回転するセンサ歯車を備え、このセンサ歯車に備えられた磁石の磁束の変化を検出することにより回転体の絶対角を求める舵角センサが知られている。この舵角センサは、例えばステアリングホイールの回転角度の検出等に用いられており、ステアリングホイールなどの回転体の回転角度を検出する回転角度検出装置によって構成されている。

この従来技術としては、回転体の回転に伴って回転するセンサ歯車に備えられた磁石と、その磁石の磁束を検出するＭＲ（磁気抵抗効果）素子、ＧＭＲ（巨大磁気抵抗）素子、ホール素子などの磁気センサとの組を少なくとも二組有し、それぞれの磁気センサで検出された回転角度信号から回転体の絶対回転角を演算装置で算出するものがある（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。

従来の回転角度検出装置を図６に示す。回転体（図示せず）の回転軸１０と同軸上に備えられたメイン歯車１は回転体と一体回転する。このメイン歯車１の回転に伴って回転する第１センサ歯車２ａと第２センサ歯車２ｂとがメイン歯車１に噛み合っている。

第１センサ歯車２ａには磁石３ａが設けられ、第１センサ歯車２ａに対向する位置には、第１センサ歯車２ａに設けられた磁石３ａの磁束から第１センサ歯車２ａの回転角度信号を検出する第１磁気センサ５ａが設けられている。

第２センサ歯車２ｂには磁石３ｂが設けられ、第２センサ歯車２ｂに対向する位置には、第２センサ歯車２ｂに設けられた磁石３ｂの磁束から第２センサ歯車２ｂの回転角度信号を検出する第２磁気センサ５ｂが設けられている。

これら第１、２磁気センサ５ａ，５ｂによって得られた第１、第２センサ歯車２ａ，２ｂの回転角度信号から、演算装置７が回転体の絶対角を算出するようになっている。

前記構成により、従来の回転角検出装置は回転体の絶対角を得ることができる。

特開２０００−２８３７０４号公報 特開２０００−２８３７０５号公報

しかしながら、上述した回転角度検出装置では、以下の不具合が生じる。

図７に示すように、従来の回転角度検出装置の第１センサ歯車２ａと第２センサ歯車２ｂとに設けられた磁石３ａ，３ｂは、これら磁石３ａ，３ｂから発生する磁束を遮蔽するものを備えていない。

この構造により、図８に示される二つの磁石３ａ，３ｂから発生する磁束の模式図のように、一方の磁石３ａ（３ｂ）から発生する磁束は、他方の磁石３ｂ（３ａ）に到達する。これにより、一方の磁石の磁束は、他方の磁石の磁束に影響を与える。このため、実際の磁石３ａ，３ｂの角度と磁束から得られる回転角度信号とが異なり、計測誤差が生じてしまう。

前記問題を確かめるために、次の条件で磁石３ａ，３ｂの干渉による回転角度の計測誤差の実験を行った。

構成は図６に示される回転角検出装置であり、歯数９６のメイン歯車１、歯数４８の第１センサ歯車２ａ、歯数５３の第２センサ歯車２ｂ、センサ周期１８０°（−９０°〜９０°）の第１，２磁気センサ５ａ，５ｂを用いた。初期値はメイン歯車１の絶対角０°の時、第１磁気センサ５ａの検出する回転角信号の値（第１センサ歯車２ａの回転角）を０°とした。

この条件で回転体の回転軸１０に０°〜９０°の回転を与えた時、第１磁気センサ５ａが検出した回転角信号にメイン歯車１と第１センサ歯車２ａとのギヤ比（４８／９６）を掛けることでメイン歯車１の絶対角を算出した。図９に算出されたメイン歯車１の絶対角および計測誤差と与えた回転角の関係を示す。横軸はメイン歯車１に与えた回転角、縦軸は算出したメイン歯車１の絶対角および計測誤差である。

計測誤差の算出方法は、算出された絶対角が０°以上から４５°未満の時は、算出された絶対角から与えた絶対角を引き、計測誤差を算出した。

算出された絶対角が−４５°以上から０°未満の時は、算出された絶対角に９０°を足した値から与えた絶対角を引き、計測誤差を算出した。これはセンサ周期が−９０°〜９０°であるためである。

図９から、計測誤差が最大で０．１５°あることが分かる。従って、検出精度を０．１５°以下で回転体の絶対角を求めたいとき、前記構成は不適当である。

そこで、本発明は、前記事情を考慮してなされたものである。本発明の目的は、前記課題を可決し、磁石間の干渉を低減した高精度の回転角度検出装置を提供することにある。

前記目的を達成するために、本発明は、回転体の回転に連動して回転する２つ以上のセンサ歯車と、該センサ歯車に取付けられた磁石と、該磁石の磁束から前記センサ歯車の回転角信号を検出する磁気センサと、該磁気センサの回転角信号から回転体の絶対角を算出する演算装置とを有する回転角度検出装置において、前記磁石と磁気センサとの組を一括して磁性体で囲むことを特徴とする。

前記磁性体は、前記センサ歯車又は前記磁気センサを搭載した回路基板に設けられていることが好ましい。また、前記磁性体は、前記磁石の設置高さより高く囲むように形成されていることが好ましい。

本発明によれば、磁石間の干渉を低減した高精度の回転角度検出装置が得られる。

以下に、本発明を実施するための最良の形態を添付図面に基いて詳述する。図１は本発明の実施形態である回転角度検出装置の概略的構成図、図２は図１の回転角度検出装置に用いられているセンサ歯車の斜視図、図３はセンサ歯車と磁気センサとの位置関係を示す説明図である。

図１に示すように、舵角センサ等に用いられる回転角度検出装置１００は、例えばステアリングホイールなどの図示しない回転体の回転軸１０と同軸上に設けられたメイン歯車１を有しており、このメイン歯車１は回転体と一体に回転する。このメイン歯車１には、第１センサ歯車２ａと第２センサ歯車２ｂとが噛み合っており、これら第１，第２センサ歯車２ａ，２ｂはメイン歯車１に追従して回転する。図示例の第１，第２センサ歯車２ａ，２ｂは、メイン歯車１の一側において互いに接近した状態で配置されているが、互いの磁束の影響を低減するためにメイン歯車１の中心を挟んで互いに対向配置されても良い。

第１センサ歯車２ａには磁石３ａが備えられており、第１センサ歯車２ａに対向する位置には、第１センサ歯車２ａに備えられた磁石３ａの磁束から第１センサ歯車２ａの回転角度信号を検出する第１磁気センサ５ａが備えられている。

第２センサ歯車２ｂには磁石３ｂが備えられており、第２センサ歯車２ｂに対向する位置には、第２センサ歯車２ｂに備えられた磁石３ｂの磁束から第２センサ歯車２ｂの回転角度信号を検出する第２磁気センサ５ｂが備えられている。

演算装置７は、第１、２センサ歯車２ａ，２ｂによって得られたそれぞれの回転角度信号から回転体の絶対角を算出するようになっている。

本実施形態の第１センサ歯車２ａ周辺の拡大図を図２，３に示す。第１センサ歯車２ａの回転軸上には磁石３ａが搭載され、この磁石３ａを第１センサ歯車２ａに取付けられた鉄を主成分とする磁性体からなるシールド部材４ａが囲み、この磁石３ａに回路基板６に搭載された第１磁気センサ５ａが対向配置される。シールド部材４ａは筒状好ましくは円筒状に形成され、この円筒状のシールド部材４ａが前記第１センサ歯車２ａの上面に固定されている。この円筒状のシールド部材４ａは、磁性体から成る円筒状の囲繞部材ということができる。

磁石３ａは、第１センサ歯車２ａの上面中央部に例えばプラスチック製の設置部材８を介して設置されており、磁石３ａを含む設置部材８の外周を囲むように円筒状のシールド部材４ａが設けられている。このシールド部材４ａは、第１センサ歯車２ａに一体に固定されていても良い。磁石３ａの上面はシールド部材４ａの上端面よりも下方に位置されており、シールド部材４ａ内における磁石３ａの上方には空間部９が形成されている。シールド部材４ａの上端面を覆うように前記回路基板６が非接触状態で対向して配置されている。この回路基板６の下面に磁気センサ５ａが固定されており、この磁気センサ５ａがシールド部材４ａ内の空間部９において前記磁石３ａに非接触状態で対向している。

このような構造により、磁石３ａの磁束がシールド部材４ａの外に漏れることが少なく、また外部からの磁束も円筒状のシールド部材４ａの内部へ込入することが少なくなる。これにより磁石３ａに対向配置された第１磁気センサ５ａは外部からの影響が抑えられた磁石３ａの磁束を検出することができ、回転角信号の検出誤差を低減することができる。なお、第２センサ歯車２ｂ周辺も同様の構成である。なお、シールド部材４ａ，４ｂの主成分はコバルト、ニッケル、ガドリニウムなどでも良い。

図４は本実施形態の効果を示す模式図であり、磁石３ａ，３ｂから発生する磁束を模式的に示している。一方の磁石３ａからシールド部材４ａの外部に漏れ出す磁束は、シールド部材４ａによって少なくなり、他方の磁石３ｂ周辺への影響は低減される。更に、他方の磁石３ｂに備えられたシールド部材４ｂによって、一方の磁石３ａからシールド部材４ｂの内部への影響は更に低減される。他方の磁石３ｂから発生する磁束も磁石３ａと同様にシールド部材４ａの内部に与える影響が低減される。

本実施形態の効果を確かめるために鉄を主成分とするシールド部材４ａ，４ｂを用い、それ以外は前記実験と同条件で実験を行った。図５は本実施形態による計測結果を示すグラフである。図５から分かるとおり、本実施形態の回転角度検出装置によれば、計測誤差は０．０５°以下となり、シールド部材４ａ，４ｂにより計測誤差を低減し、高精度に回転体の絶対角を検出することができる。

なお、前記説明においては、第１，２センサ歯車２ａ，２ｂにシールド部材４ａ，４ｂを固定しているが、磁気センサ５ａ，５ｂが搭載される回路基板６にシールド部材４ａ，４ｂを固定しても良く、これによっても同等の効果を得ることができる。

またシールド部材４ａ，４ｂは、シールド部材４ａ，４ｂの内部の磁束を外部に出さない効果と外部からの磁束を内部に入れない効果があるので、必ずしも第１，２センサ歯車２ａ，２ｂの両方に設置する必要はなく、いずれか一方に設置されている場合でも良好なシールド効果を得ることができる。

以上、本発明の実施の形態を図面により詳述してきたが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲での種々の設計変更が可能である。

本発明の実施形態である回転角度検出装置の概略的構成図である。 図１の回転角度検出装置に用いられているセンサ歯車の斜視図である。 センサ歯車と磁気センサとの位置関係を示す説明図である。 本実施形態の効果を示す模式図である。 本実施形態による計測結果を示すグラフである。 従来の回転角度検出装置の概略的構成図である。 図６の回転角度検出装置に用いられているセンサ歯車の斜視図である。 従来のセンサ歯車を用いた場合の磁束の模式図である。 従来の回転角度検出装置による計測結果を示すグラフである。

符号の説明

１ メイン歯車
２ａ 第１センサ歯車
２ｂ 第２センサ歯車
３ａ 磁石
３ｂ 磁石
４ａ シールド部材
４ｂ シールド部材
５ａ 第１磁気センサ
５ｂ 第２磁気センサ
６ 回路基板
７ 演算装置

Claims (3)

1. 回転体の回転に連動して回転する２つ以上のセンサ歯車と、該センサ歯車に取付けられた磁石と、該磁石の磁束から前記センサ歯車の回転角信号を検出する磁気センサと、該磁気センサの回転角信号から回転体の絶対角を算出する演算装置とを有する回転角度検出装置において、
   前記磁石と磁気センサとの組を一括して磁性体で囲むことを特徴とする回転角度検出装置。
2. 前記磁性体は、前記センサ歯車又は前記磁気センサを搭載した回路基板に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の回転角度検出装置。
3. 前記磁性体は、前記磁石の設置高さより高く囲むように形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の回転角度検出装置。

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