JP2010008359A - 回転角検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】小型で、磁石と磁気検出素子との相対位置がずれた場合にも回転角度の検出誤差が生じない回転角検出装置を提供する。
【解決手段】円板状またはリング状に成形され、平面内に極性の異なる部位を有した磁石２と、磁界強度を検出する第１の磁気検出素子３および第２の磁気検出素子４のいずれか一方が、回転体に接続され、前記磁石２と前記両磁気検出素子３，４とが円周方向に相対的に回転することに伴い変化する磁界強度の変化量に基づいて前記回転体の回転角度を検出する回転角検出装置１であって、前記第１の磁気検出素子３は、前記磁石の一の径の延長線方向ｒに磁気検出面を向けて配設し、前記第２の磁気検出素子４は、前記磁石の周面方向θに磁気検出面を向けて配設するとともに、前記第１の磁気検出素子３と前記第２の磁気検出素子４とを、前記一の径の延長線上に、離間して配置する。
【選択図】図１

Description

本発明は、回転角検出装置に係り、特に磁気検出素子を用いて回転角を検出する回転角検出装置に関するものである。

従来、回転角検出装置として、例えば、回転体の回転軸に取り付けられ円周方向に回転する円板状の磁石と、磁石の回転に伴う磁界強度の変化量を検出する複数の磁気検出素子とを有し、磁気検出素子の検出結果に基づいて回転体の回転角度を検出する回転角検出装置が知られている。

このような回転角検出装置として、２つの磁気検出素子を、磁石の円周直下に、磁石の中心と第１の磁気検出素子とを通る直線と、磁石の中心と第２の磁気検出素子とを通る直線とのなす角度が３０度以上１５０度以下になるように配置した回転角検出装置がある（特許文献１参照）。

また、図８に示すように、第１の磁気検出素子１００と第２の磁気検出素子２００とを隣接して磁石３００の側方に配置するとともに、第２の磁気検出素子２００を、第１の磁気検出素子１００の磁気検出面に対して第２の磁気検出素子２００の磁気検出面が略直角方向に向くように配置した回転角検出装置がある（特許文献２参照）。

特開２００３−７５１０８号公報 特開２００５−３２６２９１号公報

しかし、上記特許文献１に記載の回転角検出装置では、第１の磁気検出素子と第２の磁気検出素子とが、磁石の円周方向に３０度以上１５０度以下離間して配置されているため、振動等により、回転軸の角度がずれる等、磁石と磁気検出素子との相対位置がずれたときに、磁石と第１の磁気検出素子との距離のずれ量と、磁石と第２の磁気検出素子との距離のずれ量が異なってしまう場合がある。このような場合、両磁気検出素子の出力比が変化し、検出される回転角度に誤差が生じるという問題があった。

一方、上記特許文献２に記載の回転角検出装置では、両磁気検出素子を隣接して配置しているため、磁石と磁気検出素子との相対位置がずれた場合の、磁石と第１の磁気検出素子との距離のずれ量と、磁石と第２の磁気検出素子との距離のずれ量は小さい。しかしながら、両磁気検出素子の磁気検出面が互いに略直角方向に向くように隣接して配置されており、このような配置で両磁気検出素子を薄型の磁石の周面側部近傍に設置した場合、微細な位置ずれであっても、両磁気検出素子間で、磁石との距離のずれに対する磁気感度の変化率が相違してしまい、この違いにより、両磁気検出素子の出力比が変化し、検出される回転角度に誤差が生じるという問題があった。特に、自動車のステアリングホイールが回転体であり、このステアリングホイールの回転角度を検出する場合には、高度な安全性が要求されるため、微細な回転角度の誤差であっても問題となる。

特許文献２に記載の回転角検出装置において、径方向および軸方向の微少な磁石の位置ずれに対して検出される回転角度に誤差が生じないように両磁気検出素子を配置しようとした場合、磁石の径方向および軸方向の移動に対してそれぞれの方向に対して２つの素子の変化率が同等な場所に置く必要があり、２つの素子が隣接している条件となると、どうしても磁石の厚み方向に対してある程度離すか、磁石の外側に相当距離をおいて配置しなければならず、装置全体が大型化するという問題があった。

そこで、本発明は、小型で、磁石と磁気検出素子との相対位置がずれた場合にも回転角度の検出誤差が生じない回転角検出装置を提供することを目的とする。

上述の目的を達成するために、本発明に係る回転角検出装置は、円板状またはリング状に成形されその平面内に極性の異なる部位を有した磁石と、磁界強度を検出する第１の磁気検出素子と、第２の磁気検出素子とを有し、前記磁石と前記両磁気検出素子のいずれか一方は、回転体に接続され、前記両磁気検出素子により検出される、前記磁石と前記両磁気検出素子とが円周方向に相対的に回転することに伴い変化する磁界強度の変化量に基づいて前記回転体の回転角度を検出する回転角検出装置であって、前記第１の磁気検出素子は、前記磁石の一の径の延長線方向に磁気検出面を向けて配設し、前記第２の磁気検出素子は、前記磁石の周面方向に磁気検出面を向けて配設するとともに、前記第１の磁気検出素子と前記第２の磁気検出素子とを、前記一の径の延長線上に、離間して配置することを特徴とする。
ここで、前記平面とは、円板状またはリング状の磁石において回転軸と直行する面を、周面方向とは磁石もしくは両磁気検出素子の回転方向を、一の径とは磁石中心から径方向に向かう1つの直線をいうものとする。

上述の回転角検出装置において、前記両磁気検出素子は、その検出面中心が前記磁石の両表面の延長線範囲、すなわち前記磁石の厚さ範囲内に相当する位置となるように配置されることが好ましく、より好ましくは、前記検出面中心が前記磁石の厚さ方向の中心位置と一致することが好ましい。

上述の回転角検出装置において、前記第２の磁気検出素子を前記第１の磁気検出素子よりも前記磁石に近接させて配置するとよい。

さらに、上述の回転角検出装置において、前記第１の磁気検出素子および前記第２の磁気検出素子は、前記磁石との距離の変化に対する磁気感度の変化率が同一となる位置に、それぞれ配置するとよい。

本発明によれば、装置を大型化することなく、磁石と磁気検出素子との相対位置がずれた場合にも回転角度の検出誤差の発生を防止することができる。

以下、本発明の実施形態を図１から図３を参照して説明する。

本実施形態による回転角検出装置１は、リング状に成形され、径方向に着磁された永久磁石２を有している。この永久磁石２は、例えば、回転体である自動車のステアリングホイール（図示しない）に接続されステアリングホイールの回転を車輪に伝えるためのシャフトＡの途中部分の外周面に、内周面を当接して取り付けられており、回転体であるステアリングホイールの回転に伴って円周方向θに回転するようになっている。

永久磁石２の外周面側部であって、一の径の延長線上には、第１の磁気検出素子である第１のホール素子３が、磁気検出面を前記一の径の延長線方向ｒに向けて設けられており、径の延長線方向ｒの磁気強度（径の延長線方向ｒにｘ軸を取った場合、磁界のx成分）を検出するようになっている。また、永久磁石２と第１のホール素子３との間であって、前記一の径の延長線上には、第２の磁気検出素子である第２のホール素子４が、磁気検出面を永久磁石２の円周方向θに向けて設けられており、永久磁石２の円周方向θの磁気強度（径の延長線方向ｒにｘ軸を取り、x軸に直交する方向であって回転軸方向でない方向にｙ軸を取った場合、磁界のｙ成分）を検出するようになっている。第１のホール素子３は、磁気検出面の中心が一の径の延長線上に位置し、第２のホール素子４は、相対する２組の磁気検出面に直交する側面のいずれか一方の中心が一の径の延長線上に位置している。なお、磁気検出面とは、ホール素子を構成する半導体薄膜において、電流を流す方向と直交する方向に磁場が貫通する貫通面である。

第１のホール素子３および第２のホール素子４は、ステアリングホイールの回転に伴う永久磁石２の回転による磁界強度の変化を電圧値の変化として出力するようになっており、第１のホール素子３の出力信号Vrおよび第２のホール素子４の出力信号Vθは、それぞれ正弦波、余弦波となって現れる。第１のホール素子３および第２のホール素子４には、図２に示すように、増幅器５ａ，５ｂおよびＡ／Ｄ変換器６ａ，６ｂを介して演算装置７が接続されており、演算装置７は、増幅器５ａ，５ｂ及びＡ／Ｄ変換器６ａ，６ｂにより処理された両ホール素子３，４からの出力信号Vr，Vθに基づいてステアリングホイールの回転角Θ＝Ａｒｃｔａｎ（Vθ／Vr）を算出するようになっている。

ここで、第１のホール素子３と第２のホール素子４との位置関係について、より詳細に説明する。まず、第１のホール素子３が径の延長線方向ｒに磁気検出面を向けているのに対して、第２のホール素子４は、永久磁石２の円周方向θに磁気検出面を向けている。磁石から出たＳ極の磁力がＮ極に戻るループにおいて、磁石からの距離が離れるほど磁束密度が小さくなるため、薄型円形で２極の磁石の場合、θ方向はｒ方向に比べて磁気感度が低い。よって信号増幅機構による誤差影響を小さくしたい場合は、第２のホール素子４は、第１のホール素子３よりも磁石に近い側に設けることが好ましい。

また、一般にホール素子は、磁石から遠ざかるほど磁気感度が低下するが、両ホール素子３，４は、磁気検出面が互いに直交する方向を向いているため、永久磁石２からの距離の変化に対する磁気感度が相違する。そこで、第１のホール素子３および第２のホール素子４は、永久磁石２との距離の変化に対する磁気感度の変化率が同一となる位置に、それぞれ配置するとよい。

磁気感度の変化率が同一となる位置は、例えば、次のように定める。まず、両ホール素子３，４の一の径の延長線方向ｒにおける永久磁石２からの距離の変化に対する磁気感度の変化特性をそれぞれ求める。次に、一の径の延長線上における第２のホール素子４を配置させる位置を任意に定めるとともに、この位置（永久磁石２からの距離）における磁気感度の変化率を前記磁気感度の変化特性から求める。そして、この磁気感度の変化率を同じ磁気感度の変化率となる第１のホール素子３の一の径の延長線上における永久磁石２からの距離を求める。一の径は、永久磁石２の回転軸方向（上記x軸およびｙ軸と直交するｚ軸方向）において永久磁石２の厚みの半分の位置に設定すれば、永久磁石２と両ホール素子３，４との相対距離が永久磁石２の回転軸方向に変化した場合、軸方向に対する磁気感度の変化率が最も少ない、ほぼ０の位置になるため、角度誤差が最小となるのでよりよい。

具体的に、内径半径が１７ｍｍ、外径半径が２０ｍｍ、厚さ３ｍｍの永久磁石２を用いて第１のホール素子３および第２のホール素子４の位置を定めた例を、以下に説明する。両ホール素子３，４の一の径の延長線方向ｒにおける永久磁石２からの距離の変化に対する磁気感度の変化特性を、図３に示す。横軸は、一の径の延長線上におけるホール素子３，４の永久磁石２からの距離（ｍｍ）であり、縦軸は、ホール素子３，４の磁気感度（％）である。磁気感度は、第１のホール素子３については、一の径の延長線上においてこの第１のホール素子３により検出された磁気強度１５ｍTを１として比率（％）で表したものであり、第２のホール素子４については、一の径の延長線上においてこの第２のホール素子４により検出された磁気強度６６．６ｍTを１として比率（％）で表したものである。ここで、第２のホール素子４の配置位置を永久磁石２から２０．４ｍｍの位置と定めた場合、この位置における第２のホール素子４の磁気感度の変化率（図３における第２のホール素子４の磁気感度の変化特性曲線の横軸２０．４ｍｍにおける接線の傾き）と同じ変化率を有する第１のホール素子３の位置として、永久磁石２から２１．６ｍｍという位置が定まる。一の径の延長線上において、第２のホール素子４を永久磁石２から２０．４ｍｍの位置に配置し、第１のホール素子３を永久磁石２から２１．６ｍｍの位置に配置した場合の、ｚ軸方向における距離の変化に対する両ホール素子３，４の磁気感度の変化特性を、図４に示す。図４に示すように、両ホール素子３，４の磁気感度の変化特性はｚ軸０位置付近ではほぼ一致しており、z軸方向の微小距離の変化に対する誤差は最小となる。

本実施の形態に係る回転角検出装置１よれば、第１のホール素子３と第２のホール素子４とが、一の径の延長線上であって、永久磁石２との距離の変化に対する磁気感度の変化率が同一となる位置に配置されているため、振動等により、永久磁石２と両ホール素子３，４との距離が、それぞれ微細に変化したとしても、この変化による両ホール素子３，４の磁気感度の変化率は概ね同一のままである。そして、両ホール素子３，４の磁気感度の変化率が同一であれば、磁気感度が変化して出力値自体は変化したとしても、回転角度はＡｒｃｔａｎ（Vθ／Vr）により求められることから、磁気感度の変化分は互いに打ち消されるため、検出される回転体の回転角度の誤差は生じない。

また、図３からわかるように、両ホール素子３，４の位置が永久磁石２に近いほど、永久磁石２と両ホール素子３，４との距離の変化に対する、両ホール素子３，４間の磁気感度の変化率の差が大きくなる。したがって、両ホール素子３，４を隣接させて配置する場合は、両ホール素子３，４間の磁気感度の変化率の差を小さくして回転角度の誤差をなくすためには、両ホール素子３，４を永久磁石２から遠く離れた位置に配置しなければならないが、本実施の形態によれば、その必要がない。

以上より、本実施の形態に係る回転角検出装置１は、装置を大型化することなく、永久磁石２とホール素子３，４との相対位置がずれた場合にも回転角度の検出誤差の発生を防止することができる。

なお、本実施の形態においては、リング状の永久磁石２をステアリングホイールに接続されるシャフトＡの途中部分に設けるようにしたが、これに限られるものではなく、例えば、円板状の永久磁石２をシャフトＡのステアリングホイール接続部と逆側の端部に、回転軸が同じになるように設けてもよい。また、図５に示すように、永久磁石２を、シャフトＡにギヤ８a,８bを介して接続される他のシャフトＢに取り付けるようにしてもよい。

また、本実施の形態においては、第１，第２の磁気検出素子としてホール素子３，４を用いるようにしたが、これに限られるものではなく、例えば磁気抵抗素子を用いてもよい。

また、本実施の形態においては、回転体はステアリングホイールとし、永久磁石２が回転体の回転に伴って回転し、両ホール素子３，４は固定するようにしたが、これに限られるものではなく、回転体の形状や回転角検出装置１の配置可能な位置等を考慮して、永久磁石２を固定して、両ホール素子３，４を回転体の回転に伴って回転させるようにしてもよい。この場合、永久磁石２に替えて電磁石を用いるようにしてもよい。

また、本実施の形態においては、リング状の永久磁石２の外周面より外側に両ホール素子３，４を配置するようにしたが、図６（a）,（b）に示すように、内周径が大きいリング状の永久磁石９の内周面より内側に両ホール素子３，４を配置するようにしてもよい。この場合、図６（b）に示すように、永久磁石９の外周と略同一の外周を有する円板状の保持板１０に永久磁石９を保持させた状態で、保持板１０をシャフトＡに取り付けるようにするとよい。これにより、外部に磁界がある場合にも、この外部磁界の影響による回転角度誤差を防止することができる。また、永久磁石９の一方のホール素子を永久磁石９の内周面より内側に配置し、他方のホール素子を永久磁石９の外周面より外側に配置してもよく、例えば、図７（a）,（b）に示すように、永久磁石９の内周面より内側に第２のホール素子４を配置し、永久磁石９の外周面より外内側に第１のホール素子３を配置するようにしてもよい。なお、これらの場合も、永久磁石９を保持する保持板１０をシャフトＡに取り付ける代わりに、両ホール素子３，４が搭載される基盤１１をシャフトＡに取り付け、両ホール素子３，４が、永久磁石９に対して回転するようにしてもよい。

本発明に係る回転角検出装置の一実施形態の構成を模式的に示した斜視図である。 本発明に係る回転角検出装置の一実施形態における回転角度を検出するための回路図である。 図１の回転角検出装置の両ホール素子の一の径の延長線方向ｒにおける永久磁石からの距離の変化に対する磁気感度の変化特性を示す図である。 図１の回転角検出装置の両ホール素子の永久磁石の回転軸方向ｚにおける永久磁石からの距離の変化に対する磁気感度の変化特性を示す図である。 本発明に係る回転角検出装置の他の実施形態の構成を模式的に示した上面図である。 （a）は、本発明に係る回転角検出装置の他の実施形態の構成を模式的に示した上面図断面であり、（b）は、（a）の側面断面図である。 （a）は、本発明に係る回転角検出装置の他の実施形態の構成を模式的に示した上面図断面であり、（b）は、（a）の側面断面図である。 従来の回転角検出装置の構成を模式的に示した斜視図である。

符号の説明

１ 回転角検出装置
２ 永久磁石
３ 第１のホール素子
４ 第２のホール素子
９ 永久磁石
Ａ ステアリングホイールの回転を車輪に伝えるためのシャフト
Ｂ シャフトＡにギヤを介して接続される他のシャフト

Claims (3)

1. 円板状またはリング状に成形され、平面内に極性の異なる部位を有した磁石と、磁界強度を検出する第１の磁気検出素子と、第２の磁気検出素子とを有し、前記磁石と前記両磁気検出素子のいずれか一方は、回転体に接続され、前記両磁気検出素子により検出される、前記磁石と前記両磁気検出素子とが円周方向に相対的に回転することに伴い変化する磁界強度の変化量に基づいて前記回転体の回転角度を検出する回転角検出装置であって、
   前記第１の磁気検出素子は、前記磁石の一の径の延長線方向に磁気検出面を向けて配設し、前記第２の磁気検出素子は、前記磁石の周面方向に磁気検出面を向けて配設するとともに、
   前記第１の磁気検出素子と前記第２の磁気検出素子とを、前記一の径の延長線上に、離間して配置することを特徴とする回転角検出装置。
2. 前記第２の磁気検出素子を前記第１の磁気検出素子よりも前記磁石に近接させて配置することを特徴とする請求項１に記載の回転角検出装置。
3. 前記第１の磁気検出素子および前記第２の磁気検出素子は、前記磁石との距離の変化に対する磁気感度の変化率が同一となる位置に、それぞれ配置することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の回転角検出装置。

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