JP2010145371A - 角度検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】回転部材の軸心方向の位置変動に対して磁場分布に起因する誤差を低減することが可能な角度検出装置を提供する。
【解決手段】角度検出装置１００は、回転部材１の軸方向を磁化方向とし、回転軸心１ａを着磁の境界に含んで少なくとも両面２極着磁してある永久磁石２と、回転軸心１ａと直交する永久磁石２の磁石面Ａに対向して配設され、永久磁石２の周囲に形成される磁場の変化を検出する磁場検出部４と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、磁場の変化に基づいて回転角度を検出する角度検出装置に関する。

従来、検知対象物の回転角度を検出するために角度検出装置が用いられてきた。この種の角度検出装置は、検知対象物の回転を検出するセンサを備え、当該センサの検出結果に基づいて検知対象物の回転角度を演算する。このような角度検出装置として、磁界依存角度センサを備える装置がある（例えば、特許文献１）。

特許文献１に記載の磁界依存角度センサ（以下、角度センサとする）４を備える装置は、角度センサ４の直上で永久磁石２を回転させ、当該回転に応じて変化する永久磁石２の周囲に形成される磁場の変化に基づいて回転角度を検出する。

特表２００７−５１６４１５号公報（段落０００４、図１等）

この種の装置（角度検出装置）にあっては一般的であるが、特許文献１に記載の装置においても角度センサ４は、基板３の表面に実装する表面実装タイプのものが用いられる。このため、永久磁石２及び角度センサ４は、図１２（ａ）に示されるように配設される。ここで、図１２（ｂ）は、永久磁石２の上観図を示した図である。永久磁石２の磁極は、図１２（ｂ）に示されるように、径方向に沿って形成される。このような永久磁石２の磁場分布は、図１２（ｃ）に示されるように、回転シャフト１の軸心方向に対する磁場分布の勾配が大きくなる。即ち、永久磁石２の端面Ａから離れるに従って（永久磁石２の端面Ａから角度センサ４に近づくに従って）磁場の強さは弱くなり、その変化が大きくなる。したがって、永久磁石２や角度センサ４が、回転シャフト１の軸心方向に沿って（軸心に対して平行に）位置変動した場合には、磁場分布に起因する誤差が生じやすくなる。

また、図１２（ｂ）に示されるように径方向に沿って（図１２（ａ）の白抜き矢印で示される磁化方向で）着磁される永久磁石２では、図１２（ａ）における永久磁石２の左右側面部が磁極面（磁石面）となり、この磁極面から生じる磁力線５が角度センサ４に達することになる。しかしながら、このように径方向に沿って着磁された永久磁石２においては、角度センサ４に到達する磁力線５の間隔は粗となるため、当該磁力線５に基づく磁場の強さが弱くなり、検出効率が悪くなる。

本発明の目的は、上記問題に鑑み、回転部材の軸心方向の位置変動に対して磁場分布に起因する誤差を低減することが可能な角度検出装置を提供することにある。

上記目的を達成するための本発明に係る角度検出装置の特徴構成は、回転部材の軸方向を磁化方向とし、回転軸心を着磁の境界に含んで少なくとも両面２極着磁してある永久磁石と、前記回転軸心と直交する前記永久磁石の磁石面に対向して配設され、前記永久磁石の周囲に形成される磁場の変化を検出する磁場検出部と、を備える点にある。

このような特徴構成とすれば、回転軸心と直交する永久磁石の２つの磁石面の夫々に、少なくとも磁極が２つ現れるように着磁されているため、２つの磁石面から生じる夫々の磁力線に基づいて、磁場検出部が配設される位置にピークを有する磁場分布を作り出すことができる。したがって、永久磁石と磁場検出部との配置関係に応じて永久磁石の強さを調整することにより、磁場分布検出部の近傍の磁場分布の勾配を小さくすることができるため、回転部材の軸心方向の位置変動に対して磁場分布に起因する誤差を低減することが可能となる。

また、前記磁場検出部に対向する前記磁石面に前記永久磁石と前記磁場検出部との間の磁場分布を変更する磁場分布変更部が備えられてあると好適である。

このような構成とすれば、永久磁石の着磁された磁石面のうち、磁場検出部に対向する側の磁石面から生じる磁力線を減じることが可能となる。このため、磁場分布検出部の近傍の磁場分布の勾配の制御を容易に行うことが可能となる。したがって、磁場分布検出部の近傍の磁場分布の勾配を小さくすることができるので、回転部材の軸心方向の位置変動に対して磁場分布に起因する誤差を低減することが可能となる。

また、前記磁場分布変更部が、前記着磁の境界を長手方向とする長円形状で形成されてあると好適である。

ここで、永久磁石の２つの磁石面の夫々は、少なくとも磁極が２つ現れるように着磁されているため、着磁の境界と直交する方向の磁力線に起因する磁場の強さが強くなり、当該磁場に基づく磁場分布の勾配は大きくなる。そこで、このような構成とすれば、着磁の境界と直交する方向の磁力線を減じることができるため、着磁の境界と直交する方向の磁場分布の勾配を小さくすることが可能となる。

また、前記磁場分布変更部が、前記磁石面に形成される孔又は凹部であると好適である。

このような構成とすれば、磁場検出部に対向する側の磁石面から生じる磁力線を適切に減じることが可能となる。

以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。図１（ａ）は本発明の角度検出装置１００の構成を模式的に示す横方向概略図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）のＸ−Ｘ線方向から見た場合における永久磁石２の着磁状態を示す図である。ここで、本発明に係る角度検出装置１００は、回転部材１の回転軸心１ａ方向の位置変動（即ち、回転部材１の回転軸心１ａに沿った位置変動）に対して磁場分布に起因する誤差を低減することが可能なように構成されている。

図１（ａ）に示されるように、角度検出装置１００は、永久磁石２と磁場検出部４とを備えて構成される。永久磁石２は、回転部材１の軸方向を磁化方向とし、回転軸心１ａを着磁の境界に含んで少なくとも両面２極着磁して構成される。回転部材１とは回動可能な部材であり、本角度検出装置１００が回転角度を検出する検出対象と連結される部材である。検出対象とは、図示はしないが例えば自動車用ハンドルの操舵軸等が相当する。永久磁石２は、回転部材１に取り付けられ、回転部材１の回動に応じて永久磁石２も回動する。

回転部材１の軸方向とは、回転部材１の回転軸心１ａに沿った方向である。即ち、回転軸心１ａと平行な方向となる。磁化方向とは、永久磁石２の作製過程において、永久磁石２の材料となる磁性体を磁化する際の方向であり、図１（ａ）においては白抜き矢印で示す方向となる。また、少なくとも両面２極着磁とは、永久磁石２が有する着磁された面のうち、一方の面である磁石面Ａと、当該磁石面Ａに対向する他方の面となる磁石面Ｂとに対して、Ｎ極及びＳ極を含む少なくとも２極が現れるように着磁することである。なお、本実施形態においては、図１（ｂ）に示されるように、磁石面Ａ及び磁石面Ｂに現れる磁極は２極であり、着磁は両面２極着磁であるとして説明する。

ここで、両面２極着磁にあっては、永久磁石の磁石面Ａ及び磁石面Ｂに、着磁の境界（即ち、Ｎ極及びＳ極の境界）が現れる。永久磁石２の両面２極着磁においては、この着磁の境界に回転軸心１ａを含むように行われる。即ち、着磁の境界のいずれかの位置に、回転軸心１ａが位置するように両面２極着磁が行われる。

したがって、回転部材１の軸方向を磁化方向として、回転軸心１ａを着磁の境界に含んで両面２極着磁されるとは、永久磁石２が配設される回転部材１の回転軸心１ａと平行な方向で磁化して着磁され、当該着磁により永久磁石２の磁石面Ａと磁石面ＢとにＮ極及びＳ極の２極が現れると共に、Ｎ極及びＳ極の境界のいずれかの位置に回転軸心１ａが位置するように着磁されることを示す。

磁場検出部４は、回転軸心１ａと直交する永久磁石２の磁石面Ａに対向して配設され、永久磁石２の周囲に形成される磁場の変化を検出する。上述のように、永久磁石２は、回転軸心１ａと平行な方向を磁化方向とし、着磁の境界のいずれかの位置に回転軸心１ａが位置するように両面２極着磁される。したがって、磁石面Ａ及び磁石面Ｂは、回転軸心１ａと直交する面となる。

磁場検出部４は、図１（ａ）に示されるように永久磁石２と所定の間隔を有して磁石面Ａに対向して配設される。この所定の間隔は、永久磁石２から生じる磁力線５に応じて、永久磁石２の周囲に形成される磁場の変化を効率良く検出することが可能なように決定すると好適である。ここで、上述のように永久磁石２は、回転部材１に取り付けられる。したがって、回転部材１の回動に応じて、永久磁石２も回動し、当該永久磁石２の回動に応じて、永久磁石２の周囲に形成される磁場が変化する。永久磁石２の周囲に形成される磁場の変化とは、このように回転部材１の回転に応じて変化する永久磁石２の周囲に形成される磁場の変化が相当する。磁場検出部４により検出された磁場の変化は、演算手段（図示せず）に伝達される。

演算手段は、磁場検出部４から伝達される磁場の変化に基づいて回転部材１の回転角度を求める。この回転角度の演算については、公知技術であるため、説明は省略する。

本角度検出装置１００は、磁場検出部４に対向する磁石面Ａに永久磁石２と磁場検出部４との間の磁場分布を変更する磁場分布変更部１０を備える。永久磁石２と磁場検出部４との間の磁場分布は、永久磁石２から生じる磁力線５により定まる。本角度検出装置１００は、上述のように回転部材１の回転軸心１ａ方向の位置変動に対して磁場分布に起因する誤差を低減することが可能なように、永久磁石２と磁場検出部４との間の磁場の強さが変化する勾配を小さくするように構成されている。

ここで、永久磁石２から生じる磁力線５は、図１（ａ）に示されるように永久磁石２の磁石面Ａから生じる磁力線５ａと、永久磁石２の磁石面Ｂから生じる磁力線５ｂとからなる。このような磁力線５により、永久磁石２の周囲には磁場が形成される。磁石面Ａは、永久磁石２の磁場検出部４と対向する側の面である。また、磁石面Ｂは、磁石面Ａの裏側の面である。永久磁石２の周囲に形成される磁場は、磁力線５の密度に応じて磁場の強さが定まる。即ち、単位面積あたりの磁力線５の本数（磁束密度）に比例する。本実施形態における磁場分布変更部１０は、永久磁石２と磁場検出部４との間の磁場分布を変更することを目的として永久磁石２の磁石面Ａに備えられる。

本実施形態では、磁場分布変更部１０は、磁石面Ａに形成される孔が相当する。この孔は、図１（ａ）及び図１（ｂ）に示されるように、回転軸心１ａを中心に永久磁石２を貫通して形成される。ここで、図１（ｃ）は、永久磁石２の周囲に形成される磁場分布を示した図である。磁石面Ａから生じる磁力線５ａに応じて定まる磁場分布は、図１（ｃ）において符号ａで示す磁場分布である（以下、磁場分布ａ）。一方、磁石面Ｂから生じる磁力線５ｂに応じて定まる磁場分布は、図１（ｃ）において符号ｂで示す磁場分布である（以下、磁場分布ｂ）。

磁場分布ａ及び磁場分布ｂ共に、夫々磁石面Ａ及び磁石面Ｂにピークを有するものとなる。これらの磁場分布ａ及び磁場分布ｂから永久磁石２の全体としての磁場分布は、磁場分布ｃのようになる。この磁場分布ｃは、磁場分布ａ及び磁場分布ｂの合成となる。したがって、永久磁石２の軸方向中心部では磁場の強さがゼロとなり、当該軸方向中心部を境として磁場の強さの方向が反転する。そして、磁場分布ｃのピークは、磁場分布ａ及び磁場分布ｂの夫々のピークが現れる位置から外れた位置に位置するようになる。このため、図１２（ｃ）の磁場分布よりも、図１（ｃ）に示す磁場分布ｃの方が、磁場検出部４の付近に生じる磁場分布の勾配を小さくすることが可能となる。したがって、回転部材１の回転軸心１ａ方向の位置変動に対して磁場分布に起因する誤差を低減することが可能となる。

ここで、図２は本角度検出装置１００が、磁場分布変更部１０を備えない場合の例を示した図である。図２（ａ）は角度検出装置１００の横方向概略図を示し、図２（ｂ）は図２（ａ）のＸ−Ｘ線方向から見た場合における永久磁石２の着磁状態を示す図である。また、図２（ｃ）は磁場分布を示した図である。また、図３は磁場分布変更部１０の孔径を図１の例よりも大きくした場合の例である。図３（ａ）は角度検出装置１００の横方向概略図を示し、図３（ｂ）は図３（ａ）のＸ−Ｘ線方向から見た場合における永久磁石２の着磁状態を示す図である。また、図３（ｃ）は磁場分布を示した図である。

ここで、図２及び図３に係る永久磁石２の厚さは、図１に係る永久磁石２の厚さと同じである。図１（ｃ）、図２（ｃ）及び図３（ｃ）に示されるように、磁場分布変更部１０の孔径が大きくなるに従って、磁場検出部４の周囲に生じる磁場分布のピーク値が小さくなる。このため、磁場分布変更部１０の孔径を適切に選択する必要がある。

図４は、磁場分布変更部１０の孔径に応じて異なる磁場分布について示した図である。横軸を永久磁石２の磁石面Ａから磁場検出部４までの距離とし、縦軸を磁束密度としている。なお、永久磁石２の厚さは同じである。図４において、径方向着磁とは図１２のように永久磁石２の径方向に沿って着磁した場合の磁場分布である。また、厚み方向着磁とは図２に示されるような磁場分布変更部１０を備えない場合の磁場分布である。図４には、これら以外に磁場分布変更部１０の孔径を３ｍｍ、５ｍｍ、６ｍｍ、７ｍｍの場合の磁場分布を示している。

図４に示されるように、径方向着磁のものは磁場強度が単調に減少しており、また磁場の強さも強くない。即ち、永久磁石２から生じる磁力線５の検出効率が悪い。また、厚み方向着磁で磁場分布変更部１０を備えないものは、磁石面Ａと磁場検出部４までの距離が短い(磁石表面に近い)領域での磁場分布の勾配が非常に大きく特性が悪い。即ち、永久磁石２又は磁場検出部４の回転軸心１ａ方向の位置変動に対する誤差の影響が著しく大きくなる。一方、磁場分布変更部１０を備えたものは、永久磁石２から所定距離だけ離間した位置（１ｍｍ程度離間した位置）に磁場分布のピークが形成され、ピークが存在する位置付近では磁場分布が安定となる。また、磁場分布変更度１０の孔径が小さくなるにつれてピークの位置が磁石面Ａから離れる。このように、磁場分布変更部１０の孔径に応じて、永久磁石２の磁石面Ａからピークが現れる位置とそのピーク値を決定することが可能である。

図５（ａ）は図１（ｂ）の永久磁石２の厚さを薄くした場合の角度検出装置１００の横方向概略図であり、図５（ｂ）はこの場合の磁場分布を示す図である。また、図６（ａ）は図１（ｂ）の永久磁石２の厚さを厚くした場合の角度検出装置１００の横方向概略図であり、図６（ｂ）はこの場合の磁場分布を示す図である。図５（ｂ）及び図６（ｂ）に示されるように、磁石面Ａから生じる磁力線５aにより形成される磁場の強さは同じである。一方、磁石面Ｂから生じる磁力線５ｂにより形成される磁場の強さのピークの位置が、永久磁石２の厚さに応じて変わる。即ち、永久磁石２の厚さが厚くなる程、磁場分布ｂのピークの位置が磁石面Ａから遠ざかる。このため、永久磁石２の厚さに応じて、磁石面Ａにおける磁石面Ｂの磁場の強さの影響度が異なる。したがって、永久磁石２の全体の磁場分布ｃのピーク値が異なることになる。即ち、永久磁石２の厚さが厚くなる程、磁場検出部４の側に生じる磁場の強さが強くなる。なお、図５及び図６の磁場分布変更部１０の孔径は、図１の磁場分布変更部１０の孔径と同じである。

図７は、永久磁石２の厚さに応じて異なる磁場分布について示した図である。横軸を永久磁石２の磁石面Ａから磁場検出部４までの距離とし、縦軸を磁束密度としている。なお、磁場分布変更部１０の径は同じである。図７では、永久磁石２の厚さを１．５ｍｍ、２ｍｍ、３ｍｍ、４ｍｍ、５ｍｍ、６ｍｍ、８ｍｍの場合の磁場分布を示している。

図７に示されるように、永久磁石２の厚さが厚い場合は永久磁石２の磁石面Ｂの磁極の影響が小さくなるため、本発明に係る有効なピークが現れにくくなる。また、永久磁石２の厚みが５ｍｍの場合には永久磁石２の磁石面Ａから距離０．４ｍｍの位置にピークが現れ、永久磁石２の厚みが薄くなるにつれてピークの位置が磁石面Ａから離れてくる。そして、永久磁石２の厚み１．５ｍｍでは磁石面Ａからの距離が１．２ｍｍの位置にまで下がり、この周辺では磁場の強さの変動が小さくなる。このように、永久磁石２の厚さに応じて、永久磁石２の磁石面Ａからピークが現れる位置とそのピーク値を決定することが可能である。

ここで、上述の説明では、磁場分布変更部１０は回転軸心１ａを中心とする円形で図示した。例えば、磁場分布変更部１０が、着磁の境界を長手方向とする長円形状で形成すると好適である。着磁の境界とは、永久磁石２の磁石面Ａ及び磁石面Ｂに現れるＮ極とＳ極との境界である。また、長円形状とは、２つの半円を直線で繋いだ形状である。磁場分布変更部１０は、図８に示されるように、長円形状の長手方向をＮ極とＳ極との境界に沿うように形成すると好適である。

図９は、磁場分布変更部１０の形状を長円形状とした場合、及び円形とした場合のＸ方向及びＹ方向の磁場分布について示した図である。横軸を永久磁石２の磁石面Ａにおける回転軸心１ａからのＸ方向及びＹ方向の距離とし、縦軸を回転軸心１ａを基準とした磁場の強さの変化率としている。具体的には、Ｘ方向とは図８におけるＮ極とＳ極との境界に直交する方向であり、Ｙ方向とはＮ極とＳ極との境界に沿う方向である。なお、永久磁石２の厚さは夫々同じとしている。

図９に示されるように、磁場分布変更部１０の形状が円形である場合には、回転軸心１ａからの距離が大きくなるにつれて、Ｘ方向及びＹ方向の磁場の強さの変化率が大きくなる。一方、磁場分布変更部１０の形状を長円形状とすると、磁場分布変更部１０の形状を円形とした場合と比べて、Ｘ方向及びＹ方向の磁場の強さの変化率を小さくすることができる。このように磁場分布変更部１０の孔径及び永久磁石２の厚さを変更することにより、永久磁石２の磁石面Ａの側に適切に磁場分布のピークを形成することが可能となる。したがって、このピークの位置に合わせて磁場検出部４を配置すれば、回転部材１の軸方向の位置変動に起因する誤差の少ないセンサを構成することが可能となる。

〔その他の実施形態〕
上記実施形態では、永久磁石２は、両面２極着磁されているとして説明した。しかしながら、本発明の適用範囲は、これに限定されるものではない。磁石面Ａ及び磁石面Ｂの夫々に３極以上の極数が現れるように両面多極着磁を行うことも当然に可能である。このような両面多極着磁であっても、回転部材１の軸心方向１ａの位置変動に対して磁場分布に起因する誤差を低減することは当然に可能である。

上記実施形態では、磁場分布変更部１０が磁石面Ａに形成される穴であるとして説明した。しかしながら、本発明の適用範囲は、これに限定されるものではない。図１０（ａ）及び図１０（ｂ）に示されるように、磁場分布変更部１０を磁石面Ａに形成される凹部とすることも当然に可能である。この場合には、図１０（ａ）に示されるように、磁石面Ａの側に凹部を形成すると好適である。このような磁場分布変更部１０であっても、回転部材１の軸心方向１ａの位置変動に対して磁場分布に起因する誤差を低減することは当然に可能である。

上記実施形態では、磁場分布変更部１０が、着磁の境界を長手方向とする長円形状で形成されてあるとして説明した。しかしながら、本発明の適用範囲は、これに限定されるものではない。例えば、図１１に示されるように、着磁の境界に沿って、複数の孔又は凹部とすることも当然に可能である。このような構成であっても、永久磁石２と磁場分布検出部１０との間の磁場分布を変更することは当然に可能である。

また、磁場分布変更部１０は、永久磁石２の磁石面Ａに形成される孔又は凹部に限定されるものではない。例えば、永久磁石２の磁石面Ａに回転軸心１ａを中心として軟磁性体で形成された板を配設することも当然に可能である。このような軟磁性体の板を配設しても、磁石面Ａから生じる磁力線５の磁束密度を減じることが可能である。したがって、永久磁石２と磁場検出部４との間の磁場分布を変更することが可能である。

角度検出装置の概略構成を示す図とその磁場分布を示す図 磁場分布変更部を備えない角度検出装置の概略構成を示す図とその磁場分布を示す図 磁場分布変更部の孔径を変更した場合の角度検出装置の概略構成を示す図とその磁場分布を示す図 磁場分布変更部の孔径に応じて異なる磁場分布について示す図 永久磁石の厚さを薄くした場合の角度検出装置の概略構成を示す図とその磁場分布を示す図 永久磁石の厚さを厚くした場合の角度検出装置の概略構成を示す図とその磁場分布を示す図 永久磁石の厚さに応じて異なる磁場分布について示す図 長円形状の磁場分布変更部と永久磁石とを示す図 磁場分布変更部の形状を長円形状とした場合及び円形とした場合の磁場分布について示す図 その他の実施形態に係る角度検出装置の概略構成を示す図 その他の実施形態に係る磁場分布変更部を示す図 従来技術における角度検出装置の概略構成を示す図とその磁場分布を示す図

符号の説明

１：回転部材
１ａ：回転軸心
２：永久磁石
４：磁場検出部
５：磁力線
５ａ：磁力線
５ｂ：磁力線
１０：磁場分布変更部
１００：角度検出装置
Ａ：磁石面
Ｂ：磁石面
ａ：磁石面Ａから生じる磁力線に応じて定まる磁場分布
ｂ：磁石面Ｂから生じる磁力線に応じて定まる磁場分布
ｃ：永久磁石全体の磁場分布

Claims (4)

1. 回転部材の軸方向を磁化方向とし、回転軸心を着磁の境界に含んで少なくとも両面２極着磁してある永久磁石と、
   前記回転軸心と直交する前記永久磁石の磁石面に対向して配設され、前記永久磁石の周囲に形成される磁場の変化を検出する磁場検出部と、
   を備える角度検出装置。
2. 前記磁場検出部に対向する前記磁石面に前記永久磁石と前記磁場検出部との間の磁場分布を変更する磁場分布変更部が備えられてある請求項１に記載の角度検出装置。
3. 前記磁場分布変更部が、前記着磁の境界を長手方向とする長円形状で形成されてある請求項２に記載の角度検出装置。
4. 前記磁場分布変更部が、前記磁石面に形成される孔又は凹部である請求項２又は３に記載の角度検出装置。

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