JP2010160037A

JP2010160037A - 回転角検出器

Info

Publication number: JP2010160037A
Application number: JP2009002228A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Musha; 武史武舎; Hiroshi Nishizawa; 博志西沢; Hajime Nakajima; 一仲嶋; Osamu Murakami; 治村上
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2009-01-08
Filing date: 2009-01-08
Publication date: 2010-07-22

Abstract

【課題】従来に比べて高精度にて回転角検出が可能な回転角検出器を提供する。
【解決手段】中央部に中空部を有しない板状であり、磁気検出素子２２１に対向する対向面２１０ｂ及び裏面のそれぞれに、回転により磁界の向きを変化させる着磁を施した厚さ方向着磁タイプの磁石部２１０を備えた回転角検出器において、上記磁石部の厚みを直径方向２１０ｃにおいて局所的又は段階的に変化させた。
【選択図】図１

Description

本発明は、産業用ＦＡ機器や車載用等の様々な分野で用いられる磁気式の回転角検出器に関する。

従来の磁気式の回転角検出器における一般的な構成例では、図７に示すように、回転シャフト３とともに回転する円板に対して半円分の各領域にＳ極とＮ極とを１極ずつ着磁した磁石部１と、該磁石部１の上方に配置され、ＡＭＲ素子やＧＭＲ素子などの磁界の方向の変化に対して出力が変化する磁気検出素子を有する検出部２とを備えている。ここで上記上方とは、磁石部１において回転シャフト３とは反対側の方向である。又、磁石部への着磁は、図７に示す磁石部１のように上記円板の厚み方向に一様に同極が着磁されている場合と、図８に示す磁石部４のように厚み方向に層状に異極が着磁されている場合とがある。又、特許文献１における図１に示されるように、リング形状の磁石部の中穴に磁気検出素子を配置した構成もある。

これらのいずれの構成においても、回転シャフト３の回転に伴う磁石部１、４の回転により、上記磁気検出素子に印加される磁界の方向が変化し、それに応じて磁気検出素子の出力が変化する。この出力変化から磁石部１の回転角が演算される。

特開２００２−２２４０６号公報

上述の磁気式回転角検出器において、磁界の方向変化に対して出力が変化する磁気検出素子を検出部２に備える形態では、磁気検出素子に作用する磁石部１又は磁石部４からの磁界の向きが磁石部１又は磁石部４の回転に連動して回転する必要がある。又、磁気検出素子は、ある面積を有することから、磁石部１又は磁石部４から磁気検出素子に作用する磁界の強度及び方向が一様となるような一定の面積以上の領域が必要である。さらに、磁石部１、４に対する検出部２の組付け位置誤差や、磁石部１、４が回転シャフト３からずれて組み付けられた偏芯がある場合でも、規定の精度で安定した回転角検出が可能なように、上記領域の面積は、極力、大きくする必要がある。

又、図７に示すように磁石部１の直径方向に沿って着磁されている構成では、磁石部１の外周付近まで一様な磁界が得られるのに対して、図８に示すような、磁石部４を形成する円板の厚み方向に沿って層状に着磁されている構成では、一様な磁界領域が狭くなるという課題がある。

即ち、図７に示すような、いわゆる径方向着磁の磁石部１では、図９に示すような磁界が形成される。一方、図８に示すような、磁石部４の厚さ方向に層状に異極を着磁した磁石を有する、いわゆる厚さ方向着磁の磁石部４では、図１０に示すような磁界が形成される。図１０に示すいわゆる厚さ方向着磁の磁石部４では、図９に示すいわゆる径方向着磁の磁石部１の場合と比べて、磁石部４の上方における磁界強度は強くなる。よって、図８及び図１０に示す厚さ方向着磁タイプの回転角検出器は、図７及び図９に示す径方向着磁タイプの回転角検出器に比べると磁石部４からより遠方に検出部２を配置することができるという特長がある。
尚、図９及び図１０において、磁石の磁化方向を「５」にて示している。

しかしながら、厚さ方向着磁の磁石部４では、図１０に示すように、磁石部４の外周部分において、磁石部４の表面から裏面へ向かう、又は裏面から表面に向かう、磁界の向きが形成される。その結果、磁石部４における磁石の各極の重心位置は、図中左側から右側へ向かう磁力線６の極の位置となる。よって、図９に示す径方向着磁の磁石部１の場合と比べて極間隔が狭くなる。したがって、厚さ方向着磁の磁石部４では、一様な磁界が得られる領域が狭くなるという課題がある。

上述のように、検出部２に備わる磁気検出素子の上記組付け位置誤差や、上記偏芯があった場合に、磁気検出素子が一様な磁界の領域から外れることで角度検出精度は悪化する。したがって、一様な磁界領域が狭くなることにより、回転角検出器における測定精度が低下するという問題が発生する。

本発明は、このような問題点を解決するためになされたもので、従来に比べて高精度にて回転角検出が可能な回転角検出器を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は以下のように構成する。
即ち、本発明の一態様における回転角検出器は、測定対象物にて回転される磁石部と、上記磁石部の上方又は下方に配置され上記回転による上記磁石部の磁界の向きの変化により出力が変化する磁気検出素子を有する検出部とを備え、上記測定対象物の回転角を測定する回転角検出器であって、上記磁石部は、上記回転の回転中心軸を含む中央部に中空部を有しない板状にてなり、上記磁気検出素子に対向する上記磁石部の対向面及び該対向面に対する裏面のそれぞれに、上記回転により磁界の向きを変化させる着磁を施した厚さ方向着磁タイプであり、かつ上記回転中心軸の軸方向に沿った当該磁石部の厚みを上記回転における直径方向において局所的又は段階的に変化させたことを特徴とする。

本発明の一態様における回転角検出器によれば、いわゆる厚さ方向着磁タイプの磁石部において、該磁石部の厚みを回転における直径方向において局所的又は段階的に変化させたことにより、上記磁石部の上方又は下方に配置した磁気検出素子に対して磁場整形し、磁界が一様なつまり均一な領域を従来に比べてより広範囲に提供することができる。その結果、磁気検出素子の測定精度が従来に比べて向上し、従来よりも高精度にて回転角検出が可能となる。又、一様な磁界の領域が広がることから、従来に比べて粗い検出部の組み立てが可能となる。よって、回転角検出器の低コスト化を図ることもできる。

本発明の実施の形態１による回転角検出器の概略構成を示す斜視図である。図１に示す回転角検出器における概略の断面図である。図１に示す磁石部における磁石から発生する磁界方向分布の磁石断面での概略を示す図である。図１に示す磁石部の変形例を示す断面図である。図１に示す磁石部の他の変形例を示す断面図である。図２に示す回転角検出器の変形例における断面図である。従来の一般的な、円板形状の磁石と磁気検出素子とを用いた回転角検出器の構成例を示す斜視図である。従来の一般的な、厚み方向着磁タイプの磁石と磁気検出素子とを用いた回転角検出器の構成例を示す斜視図である。図７に示す円板形状の磁石の上方における磁界の方向の空間分布を示す概念図である。図８に示す厚み方向着磁タイプの磁石の上方における磁界の方向の空間分布を示す概念図である。

本発明の実施形態である、測定対象物の回転角を測定する回転角検出器について、図を参照しながら以下に説明する。尚、各図において、同一又は同様の構成部分については同じ符号を付している。

実施の形態１．
本発明の実施の形態１における回転角検出器の構成について、図１から図９を参照して以下に説明する。
図１には、実施の形態１における回転角検出器２０１の概略構成を示し、図２には、その断面図を示している。回転角検出器２０１は、基本的構成部分として、磁石部２１０と、検出部２２０とを備える。

検出部２２０は、ＡＭＲ素子やＧＭＲ素子などの磁界の向きの変化により出力が変化する磁気検出素子２２１と、磁気検出素子２２１に接続され磁気検出素子２２１の出力情報から測定対象物の回転角を求める測定部２２２とを備える。

磁石部２１０は、上記測定対象物の回転角を求めるために上記測定対象物により回転される部材である。上記測定対象物は、本実施形態では図１に示すように、例えばモータ軸等の回転シャフト３であり、駆動源３１により回転シャフト３の回転中心軸３ａ周りに回転方向３ｂへ回転される。又、磁石部２１０は、本実施形態では、回転中心軸３ａを含む磁石部２１０の中央部に中空部が形成されていない円板（円柱）形状にてなり、回転シャフト３の一端に、接着や、はめ合い等の方法で固定されており、回転シャフト３の回転に伴い回転する。

さらに磁石部２１０について、図２に示すように、磁石部２１０の対向面２１０ｂと磁気検出素子２２１との間の距離Ｇを規定する、回転中心軸３ａの軸方向３ｃにおける磁石部２１０の厚みは、磁石部２１０の回転における直径方向２１０ｃにおいて局所的又は段階的に変化する。具体的に説明すると、図２に示すように本実施形態では、回転中心軸３ａが通る磁石部２１０の中心位置２１１における磁石部２１０の厚みが最も小さく、外周側に向かって段階的に厚くなり、最外周端２１３での厚みが最も大きい。このように対向面２１０ｂは、すり鉢状の円錐形状にて形成されている。

尚、上述のように形成された対向面２１０ｂに対して、磁気検出素子２２１は、本実施形態では、対向面２１０ｂの上方で回転中心軸３ａの延長上に配置される。ここで、上記上方とは、磁石部２１０において回転シャフト３とは反対の方向をいう。

又、図２では、便宜上、中心位置２１１と磁気検出素子２２１との間の距離を「Ｇ」として図示しているが、上述のように距離Ｇは、中心位置２１１のみならず対向面２１０ｂの全面との距離に相当する。又、距離Ｇは、磁石部２１０の磁気特性、磁気検出素子２２１の磁界に対する感度、及び当該回転角検出器２０１の組み立て上の制約等を考慮して決定される。

このような磁石部２１０には、回転シャフト３の回転に伴う磁石部２１０の回転によって、磁気検出素子２２１に作用する磁界の向きが変化するように着磁がなされている。本実施形態では、一般的に、厚さ方向着磁もしくは両面４極着磁と呼ばれる着磁がなされている。即ち、図１及び図２に示すように、磁石部２１０の対向面２１０ｂ側には、対向面２１０ｂを回転方向３ｂに１８０度ずつ二等分する各領域２１２ａ，２１２ｂに、Ｎ極及びＳ極が１極ずつ着磁されている。さらに軸方向３ｃに沿った磁石部２１０の厚み方向において、磁石部２１０の裏面２１０ａ側には、対向面２１０ｂ側における各領域２１２ａ，２１２ｂに対応した各領域に、領域２１２ａ，２１２ｂのＮ極及びＳ極とは異なる磁極が着磁されている。尚、裏面２１０ａは、本実施形態では平坦面にてなる。

尚、本実施形態では上述のように、着磁を施して磁石部２１０を構成したが、円板状の基材に永久磁石を取り付ける、あるいは永久磁石のみにて磁石部２１０を構成してもよい。このような構成では、磁石の締結の為の部材が含まれる場合がある。

以上のように構成された磁石部２１０から磁気検出素子２２１へ作用する磁界について以下に説明する。
磁石部２１０は、いわゆる厚さ方向着磁タイプであることから、従来と同様に、磁石部２１０の外周部分２１０ｅにおいて、対向面２１０ｂから裏面２１０ａへ向かう、又は裏面２１０ａから対向面２１０ｂに向かう、磁界の向きが形成される。

しかしながら、磁石部２１０では、上述のように対向面２１０ｂにおいて、中心位置２１１における厚みが最も小さく、外周側に向かって直線的に厚みを増し、最外周端２１３での厚みが最も大きくなるように構成した。よって、図３に示すように、磁石部２１０の外周部分２１０ｅから発する磁力線は、図１０に示す従来の構成に比較して増加する。したがって、磁石部２１０における磁石の各極の重心位置は、図１０に示す従来の磁石部４に比べると、磁石部２１０の外周側へシフトし、さらに対向面２１０ｂは、磁石部２１０の最外周端２１３から中心側へ傾斜した面であることから、磁石部２１０の上方における一様な磁界領域を従来の厚さ方向着磁タイプに比べて広くすることが可能となる。

その結果、磁石部２１０に対する磁気検出素子２２１の組付け位置誤差や、磁石部２１０が回転シャフト３からずれて組み付けられた場合に生じる偏芯があった場合でも、磁気検出素子２２１が一様な磁界領域から外れ難くなる。よって、磁気検出素子１２１における測定精度を従来に比べて向上させることができる。又、広範囲な磁界一様領域を確保することが可能になることから、磁石部２１０及び磁気検出素子１２１の組み立ての余裕度を大きくとることができ、より簡易な組立方法が可能となる。したがって、回転角検出器２０１の低コスト化を図ることも可能となる。

本実施形態では、上述のように、磁石部２１０の対向面２１０ｂにおいて中心位置２１１から最外周端２１３にかけて傾斜を付け段階的に磁石部２１０の厚さを大きくする構成をとっているが、これに限定されるものではない。例えば、磁石部２１０の裏面２１０ａ側において、中心位置２１１から最外周端２１３にかけて傾斜を付け段階的に磁石部２１０の厚さを大きくする構成を採ってもよい。又、中心位置２１１から最外周端２１３にかけて段階的に厚さを大きくする構成でなくてもよく、例えば図４に示す磁石部２１５のように、外周部分２１０ｅに局所的に厚い部分を設け内周部分２１０ｄは均一な厚みであるようにしても良い。さらに又、直径方向２１０ｃにおける磁石部の厚みの変化割合は、磁石部２１０、２１５に示すような一定の変化率、つまり直線的な変化に限定するものではなく、例えば図５に示す磁石部２１６のように、曲線的な変化としてもよい。これらいずれの変形例の磁石部においても、磁石部２１０が奏する効果を得ることができる。

また、図１及び図２の形態に対して、図６に示すように、磁石部２１０を上下反転させ、磁石の下方、つまり回転シャフト３の存在する側に磁気検出素子２２１を配置することも可能である。この形態の場合、回転シャフト３の材質は、非磁性体である必要がある。又、図６に示す形態では、図１及び図２の形態と比較して回転シャフト３の回転中心軸３ａ上に磁気検出素子２２１を配置することができないため、得られる一様な磁界領域は小さくなるが、図１及び図２の形態と比較して、回転角検出器２０１全体のサイズをコンパクト化することができる。

又、本実施形態では、磁石部２１０の外形は円形状にてなるが、これに限定するものではなく、例えば外形が四角形等の多角形状でも良い。
又、本実施形態では、磁気検出素子２２１は、磁石部２１０に対して回転中心軸３ａの延長上方に設けているが、これに限定するものではなく、組立て上の制約等を考慮した任意の位置に配置することができる。

３回転シャフト、３ａ回転中心軸、３ｂ軸方向、
２０１回転角検出器、
２１０磁石部、２２０検出部、２２１磁気検出素子。

Claims

測定対象物にて回転される磁石部と、上記磁石部の上方又は下方に配置され上記回転による上記磁石部の磁界の向きの変化により出力が変化する磁気検出素子を有する検出部とを備え、上記測定対象物の回転角を測定する回転角検出器であって、
上記磁石部は、上記回転の回転中心軸を含む中央部に中空部を有しない板状にてなり、上記磁気検出素子に対向する上記磁石部の対向面及び該対向面に対する裏面のそれぞれに、上記回転により磁界の向きを変化させる着磁を施した厚さ方向着磁タイプであり、かつ上記回転中心軸の軸方向に沿った当該磁石部の厚みを上記回転における直径方向において局所的又は段階的に変化させたことを特徴とする回転角検出器。
上記磁石部の厚みの変化は、当該磁石部の内周部分の厚みに対して外周部分の厚みを局所的又は段階的に大きくする、請求項１記載の回転角検出器。
上記磁気検出素子は、上記回転中心軸の延長上に配置される、請求項１又は２記載の回転角検出器。