JP2009156881A - 回転センサ - Google Patents

Abstract

【課題】被測定回転体の材質や径の大きさ、回転センサの被測定回転体への取り付け状態によって影響を受けることなく被測定回転体の回転角度を正確に測定できる回転センサを提出する。
【解決手段】
被測定回転体Ｓの外周に取り付けられたリング状の磁石１０と前記被測定回転体Ｓとの間に軟磁性部材２０が介在され、検出素子４０が配置された基板３０は、検出素子４０が磁石１０から被測定回転体Ｓの軸線方向に離間して配置されるように回転センサ１内に取り付けられ、回転センサ１は被測定回転体Ｓに取り付け可能になっており、軟磁性部材２０は、磁石１０によって形成される磁気回路が被測定回転体Ｓを含まないように配置されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、回転体に取り付けてこの回転体の回転角度を検出するのに使用する回転センサに関する。

従来から、例えば回転するシャフトの回転数を検知する回転センサが知られている（例えば、特許文献１参照）。この回転センサは、円板状に形成された磁石が回転軸に支持されており、この回転軸を中心として所定の方向に回転可能に構成されている。また、この回転センサは２つの磁気センサを備えている。２つの磁気センサは、共に等しい温度特性を有するホール素子であり、円板の中心と一方の磁気センサを通る直線、及び円板の中心と他方の磁気センサとを通る直線とがなす角度が概ね９０度になるように配置されている。また、各磁気センサは、磁石の円周の直下に共に配置されている。

特開２００３−７５１０８号公報（第２−４頁、図４、５）

しかしながら、上述したような従来の回転センサは、磁石が回転軸と一体となっており、このような回転センサを例えば車両のステアリングシャフトに装着させて操舵角を測定するのには向いていなかった。具体的には、上述したような回転センサではステアリングシャフトを回転センサ自体に貫通できない構成となっており、このような回転センサをステアリングシャフトにあえて取り付けようとすると、ステアリングシャフトの端部（ステアリングホイル装着部分）に取り付けなければならず、取り付け上の位置の制約を受けていた。

このような問題を解決するために、例えば特開２００６−１０５８２７号公報に記載の回転センサが知られている。この回転センサは、リング状の磁石を有し、車両のステアリングシャフトに磁石を貫通させて上述したような不都合を生じさせないようになっている。しかしながら、このような回転センサは、磁石の磁束密度の変化を検出する検出原理となっており、例えば、この回転センサのリング状の磁石に鉄でできたステアリングシャフトを挿通させると、磁石の磁気回路が鉄でできたステアリングシャフトを経由してしまい、即ち、センサ単体における磁石の磁気回路と異なってしまう問題が生じていた。また、ステアリングシャフトを回転センサに取り付けたときのシャフトの種類、材質、直径、回転センサの軸線間のばらつきによっても磁石周りの磁気回路の形成の仕方がばらついてしまう問題も生じていた。

図７はこのようなシャフトを回転センサ５に取り付けた場合の磁石の磁束分布を模式的に表した図である。同図では、リング状の磁石５０にシャフトＳが貫通しており、磁石５０の内側に備わった非磁性材料製のスペーサ５５を介して磁石５０がシャフトＳと一体となって回転するようになっている。そして、磁石５０の磁気回路（図中横長の楕円をなす矢印参照）の磁束密度を基板３０に実装されたホール素子４０で検出するようになっている。同図から明らかなように、リング状の磁石５０の同図に形成された磁気回路の一部がシャフトＳを経由している。そして、このシャフトＳの材質、径の大きさ、磁石５０とシャフトＳとの軸線のずれによってこの磁気回路の仕方が変わってしまう。即ち、シャフトＳの材質、径の大きさ、シャフトＳと回転センサ５との位置関係によって磁石５０の安定した磁気回路が一義的に形成されず、これによって、ホール素子４０の出力のずれが生じていた。一般に回転センサ５の組み付け工場と回転センサ５を車両のステアリングシャフトＳに装着する車両組み立て工場とは異なっており、回転センサの組み付け時にこのようなステアリングシャフトＳに起因する磁気回路の形成のずれを予想してホール素子４０の出力を予めキャリブレーション（補正）しておくことは実際上極めて困難である。

本発明の目的は、被測定回転体の材質や大きさ、取り付け状態によって影響を受けることなく被測定回転体の回転角度を正確に測定できる回転センサを提出することにある。

上述の課題を解決するために、本発明にかかる回転センサは、
被測定回転体の回転角度を検出する回転角度検出装置であり、前記被測定回転体に取り付けられたリング状の磁石の当該被測定回転体の回転に応じて発生する磁束密度を磁気検出素子で検出する回転センサにおいて、前記リング状の磁石によって形成される磁気回路が前記被測定回転体に入り込まないように、前記リング状の磁石の内周に軟磁性部材が配置され、前記リング状の磁石は、前記検出素子が配置された基板に、前記検出素子から前記被測定回転体の軸線方向に離間して配置されるように回転自在に支持され、前記回転センサは、その組み付け後に、前記リング状の磁石と前記被測定回転体との間に前記軟磁性部材が介在するように前記被測定回転体に取り付け可能に構成されることを特徴としている。

本発明の構成によれば、磁石の発生する磁気回路を軟磁性部材を介して安定化させることができるので、被測定回転体の材質や径の大きさ、回転センサの被測定回転体への取り付け状態によらず被測定回転体の回転角度を正確に測定することができる。

具体的には、従来型の回転センサでは、被測定回転体の径の太さ、材質、被測定回転体と回転センサの相対的な取り付け位置関係によって磁石の磁気回路が個別に変化し、これによって磁気検出素子の出力にもずれが生じていたが、本発明によると磁気回路の一部が軟磁性部材を介して被測定回転体側に達しないようになっているので、どのような被測定回転体を回転センサに取り付けても磁石の周囲に安定した磁気回路を形成することができ、磁気検出素子を介して常に安定した出力特性を得ることができる。

特に回転センサの組み付け場所と回転センサを被測定回転体に取り付ける場所が離れており、回転センサ自体を製造するにあたって被測定回転体が取り付けられていない状態で製造しなければならない場合、従来の回転センサでは被測定回転体の影響による出力特性の有無まで補正できなかったが、本発明による軟磁性部材を回転センサに備えることで、被測定回転体がない状態で回転センサを組み付け、その後に回転センサを被測定回転体に取り付けても磁気検出素子の出力特性がずれることがなくなり、回転センサ単体での組み付け時に特別なキャリブレーションを必要としなくなる。

また、磁石の内側に軟磁性部材をこの磁石と一体に形成することで両者の間に空気層などが介在することがなくなり、安定した磁気回路を形成することができ、磁気検出素子の検出精度の向上を図ることができる。

本発明によると、部品点数が少なく小型で組み付け性及び検出精度に優れた回転センサを提供することができる。

本発明にかかる回転センサの内部の概略構成を示す平面図である。 図１に示した回転センサのホール素子の配置状態を示す図（図２（ａ））及びこのホール素子から得られたシャフトの回転角度を横軸とし磁束密度を縦軸とした場合の出力特性図である（図２（ｂ））。 図１に示した回転センサをシャフトに装着した状態を示した概略側面図であり、各構成要素の断面ハッチングを省略した状態で磁石の磁気回路と共に示している。 図１に示した回転センサの変形例を図３に対応して示す概略側面図である。 図４に示した回転センサのホール素子の配置状態を示す図（図５（ａ））及びこのホール素子から得られたシャフトの回転角度を横軸とし磁束密度を縦軸とした場合の出力特性図である（図５（ｂ））。 従来の回転センサの内部の概略構成を示した図１に対応させた平面図である。 従来の回転センサをシャフトに装着した状態を図３に対応して示す概略側面図である。

以下、本発明の一実施形態にかかる回転センサ１について図面に基いて説明する。なお、この説明においては自動車のステアリング装置においてこの回転センサを被測定回転体であるステアリングシャフト（以下、「シャフトＳ」とする）に取り付けてハンドルの回転角度を検出する場合について説明する。

本発明の一実施形態にかかる回転センサ１は、リング状の磁石１０と、リング状の磁石１０の内周に備わったリング状のヨーク２０と、磁石１０とヨーク２０を一体に回転自在に支持する基板３０と、リング状の磁石１０の外側であって、リング状の磁石１０の中心軸線に対して９０°をなすように、かつ中心軸線から互いに等距離隔てるように基板上に配置された２つのホール素子４０（４１，４２）を備えている。

リング状の磁石１０は、周方向一方の端部の外側がＮ極で内側がＳ極として形成され、周方向他方の端部（一方の端部と直径方向反対側端部）は外側がＳ極で内側がＮ極として形成されるようになっている。そして、この一方の端部と他方の端部の間ではＮ極とＳ極が半径方向にその形成領域を徐々に変化させるようになっている。

ヨーク２０は、例えばプラスチックマグネットなどの軟磁性材からなり、ヨーク２０と磁石１０は製造時に一体成型され、両者の間に隙間（空気層）ができないようになっている。

なお、ヨーク２０は軟磁性材であればどのような材質でも良く、例えば鉄やステンレスでも構わないが、比透磁率が高ければ高いほど望ましい。ヨーク２０はリング状の磁石１０の内周面全体に亘って備わっており、ヨーク２０がこのように備わることで、磁石１０から発生した磁束がヨーク内を通過するように磁気回路が形成される（図３の横長の楕円をなす矢印参照）。そして、磁石１０とヨーク２０は、上述のように一体をなしている。

磁石１０とヨーク２０をシャフトＳに取り付ける構造について、例えばヨーク２０の内側には非磁性材料製（たとえば合成樹脂製）のリング状のスペーサ２５が備わっている。また、リング状のスペーサ２５の内側には例えば図示しないセレーションが形成され、シャフトＳの図示しないセレーションと嵌合するようになっている。そして、ヨーク２０の内側に例えば自動車のシャフトＳが貫通されてヨーク２０の内側に固定された非磁性材料製のスペーサ２５を介してシャフトＳの回転と共にこの磁石１０とヨーク２０が一体に回転するようになっている。磁石１０とヨーク２０は例えば非磁性材料製のリング状のスペーサ２５又はこれと一体になったロータ（図示せず）に取り付けられている。そして、このリング状のスペーサ２５又はこれと一体になったロータ（図示せず）は磁気回路に影響を与えない軸受等で基板３０又は基板３０が固定される筐体（図示せず）に回転自在に支持されている。

このように、基板３０、磁石１０、ヨーク２０は外部からの磁束を遮蔽する材質でできた筐体内に収容され、この筐体は基板３０を固定状態に保つと共に筐体に対して磁石１０、ヨーク２０、スペーサ２５を回動自在に支持しながらこの筐体自体を例えば図示しないブラケット等でシャフトＳとは異なる固定部位に取り付けられるようになっている。

基板３０には、前述したように２つのホール素子４０（４１，４２）が備わっており、シャフトＳの回転、即ち磁石１０の回転による磁束密度の変化をそれぞれのホール素子４０（４１，４２）が検出するようになっている。このホール素子の検出原理は、図２に示すように例えば図２（ａ）の左側に示す一方のホール素子４１が、図２（ｂ）を示す出力特性を有することを利用している。ここで図２（ｂ）は横軸がシャフトＳ、即ち磁石１０の回転角度を表わし、縦軸が磁石１０の磁束密度の大きさを示している。図２（ｂ）から分かるように一方のホール素子４１の出力特性はｓｉｎ波（正弦波）を示している。

なお、ここでは図示しないが、図２（ａ）の下方に配置したホール素子４２についても同様に図２（ｂ）のような正弦波を示す出力特性を有するが、基板上での両者の配置態様からホール素子４２の出力特性は図２（ｂ）に示すホール素子４１の出力特性に対して９０°位相がずれるようになっている。そして、このそれぞれ９０°位相のずれたホール素子の出力をＸ、Ｙとするとｔａｎ^−１（Ｘ／Ｙ）を取ることによって鋸刃状の出力が得られ、これによって３６０°周期の回転角度を正確に検出するようになっている。

続いて、本実施形態にかかる作用について説明する。本発明に係る回転センサ１は、上述したような原理でシャフトＳの回転角度を測定するようになっているが、ヨーク２０を備えていることで図３に示すように磁気回路の磁束の内側（シャフト側）がヨーク内２０に経由するように形成され、図７に示すような従来例のようにシャフトＳに磁気回路の一部が入り込まないようになっている。

図７においては、シャフトＳの径の太さ、材質、シャフトＳと回転センサ５の相対的な取り付け位置関係によって磁石５０の磁気回路が個別に変化し、これによってホール素子４０の出力にもずれが生じていたが、本発明によると図３に示すように磁気回路の一部がヨーク２０を介してシャフトＳ側に達しないようになっているので、どのようなシャフトＳを回転センサ１に取り付けても磁石１０の周囲に安定した磁気回路が形成される。

即ち、シャフトＳの太さ、材質、シャフトＳとの回転センサ１の取り付け位置関係によらず、安定した磁気回路を回転センサ１の磁石周りに形成することができ、その結果、ホール素子４０を介して常に安定した出力特性を得ることができる。

シャフトＳが自動車のステアリングシャフトの場合、回転センサの組み付け工場と回転センサをシャフトＳに取り付ける車体組み立て工場が離れており、回転センサ自体を製造するにはシャフトＳが取り付けられていない状態で製造しなければならないので、上述したシャフトＳの影響による出力特性の有無まで補正できなかったが、回転センサをこのようなヨークに備えることでそのようなシャフトＳがない状態で回転センサを組み付け、その後にこの回転センサをシャフトＳに取り付けてもホール素子の出力特性がずれることがなくなり、回転センサ単体での組み付け時に特別なキャリブレーション（補正）も必要としなくなる。

尚、図４は上述した実施形態の変形例を示す図であり、この回転センサ２の上述した実施形態とは、磁石１１０の構成のみが異なっている。即ち、磁石１１０の内側に設けたヨーク１２０、ヨーク１２０の内側に設けたリング状のスペーサ１２５の材質、形状は同じである。磁石１１０の構成については、上述したリング状の磁石１０のように周方向一方の端部の外側がＮ極で内側がＳ極として形成され、周方向他方の端部（一方の端部と直径方向反対側端部）の外側がＳ極で内側がＮ極として形成されるような構成を有さず、磁石１１０の周向一側端部の上側（磁石１１０の軸線方向一側）がＮ極で下側（磁石１１０の軸線方向他側）がＳ極となり、磁石１１０の周向他側端部の上側がＳ極で下側がＮ極となっている。また、この一方の端部と他方の端部との間ではＮ極とＳ極との形成領域が上下にわたって徐々に入れ替わるようになっている。なお、回転センサ２のホール素子やその他の基板、磁石とヨークの基板上の支持構造、並びに磁石とヨークをシャフトに取り付ける取り付け構造については上述の実施形態の回転センサ１と同様であるので詳細な説明は省略する。

回転センサ２がこのような構成を有していても図４における磁石１１０の同図の縦長の楕円の矢印で示す回転センサ２の磁石の磁気回路がヨークを介してシャフトＳまで達しないようになっているので上述した作用と同様の作用効果を発揮することができる。

図５は上述した実施形態の更なる変形例を示しており、磁石２１０が上述の実施形態とは異なりＮ極とＳ極が磁石の周方向一周当たりで磁石の外側Ｎ極とＳ極の変化が２回繰り返されるようになっている。このような場合にはホール素子２４０（２４１，２４２）を図５に示すように磁石の中心軸線に対して４５°をなすように基板に取り付ける。なお、一方のホール素子２４１の出力特性を図５（ｂ）に示す。この場合は、一方のホール素子２４１の出力は１８０°周期で繰り返すようになっており、他方のホール素子２４２の出力も１８０°周期で繰り返すようになっている。

尚、上述の実施形態においては、ヨーク（軟磁性部材）は磁石の内側に一体に備わっていたが必ずしもこれに限定されず、軟磁性部材がシャフト側に一体に備わって磁石によって形成する磁気回路がこの軟磁性部材のみを経由するようにして、磁石の磁気回路が例えば鉄でできたシャフト等の影響を受けないようにしても良い。

本発明にかかる回転センサは、高い回転角度検出精度を要求されると共に、組み付け性向上のためにある程度の部品公差や組み付け状態でのガタを許容せざるを得ない車両用ステアリング装置の回転角度検出に特に適している。そして、例えば回転センサ自体を組み付ける工場と回転センサを被測定回転体に組み付ける工場が離れている場合において回転センサの検出精度の安定化を図るのに特に適している。しかしながら、本発明にかかる回転センサは、例えば、ロボットアームのように振動しながら回転する回転軸間の相対回転角度や回転トルクを求めるものであれば、どのようなものにも適用可能である。

１，２，５ 回転センサ
１０ 磁石
２０ ヨーク
２５ スペーサ
３０ 基板
４０（４１，４２） ホール素子
５０ 磁石
５５ スペーサ
１１０ 磁石
１２０ ヨーク
１２５ スペーサ
２１０ 磁石
２４０（２４１，２４２） ホール素子
Ｓ シャフト

Claims (1)

1. 被測定回転体の回転角度を検出する回転角度検出装置であり、前記被測定回転体に取り付けられたリング状の磁石の当該被測定回転体の回転に応じて発生する磁束密度を磁気検出素子で検出する回転センサにおいて、
   前記リング状の磁石によって形成される磁気回路が前記被測定回転体に入り込まないように、前記リング状の磁石の内周に軟磁性部材が配置され、
   前記リング状の磁石は、前記検出素子が配置された基板に、前記検出素子から前記被測定回転体の軸線方向に離間して配置されるように回転自在に支持され、
   前記回転センサは、その組み付け後に、前記リング状の磁石と前記被測定回転体との間に前記軟磁性部材が介在するように前記被測定回転体に取り付け可能に構成される
   ことを特徴とする回転センサ。

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