JP2013253878A

JP2013253878A - 角度センサ

Info

Publication number: JP2013253878A
Application number: JP2012129972A
Authority: JP
Inventors: Toshiaki Fujitani; 俊明藤谷
Original assignee: Mikuni Corp
Current assignee: Mikuni Corp
Priority date: 2012-06-07
Filing date: 2012-06-07
Publication date: 2013-12-19
Also published as: EP2860495A4; EP2860495A1; US20150153202A1; WO2013183724A1; IN2014MN02347A

Abstract

【課題】外部磁界の影響によって検出精度が低下したり、あるいは、誤検出が生じたりすることが少ない角度センサを提供すること。
【解決手段】対象物の回転角度を検出する角度センサ１において、対象物に応じて回転するマグネット１２と、マグネットから生じる磁界の変化に基づいて、マグネットの回転角度を検出する磁気センサ１１と、を有し、マグネット以外の磁界である外部磁界の方向と、マグネットが回転する回転範囲においてマグネットによって生じる磁界の方向とが９０度未満となるように設定されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、角度センサに関するものである。

特許文献１には、磁性の塵の磁気空隙への侵入を防止することにより、角度の検出精度を高い状態に維持することができる磁気式角度センサに関する技術が開示されている。

特開２００９−１９９２６号公報

ところで、特許文献１に開示された技術では、樹脂等の非磁性材からなるケースの内部を、非磁性材の樹脂等の充填材によって充填することで、センサＩＣを防塵している。この場合、センサＩＣは非磁性材である充填材およびケースによって保持されているため、外部磁界はこれらを容易に通り抜けてしまう。このため、外部磁界の影響により、センサＩＣの検出精度が低下したり、あるいは、誤検出が生じたりすることがあるという問題点がある。

本発明は上記のような課題を鑑みて行われたものであり、外部磁界の影響によって検出精度が低下したり、あるいは、誤検出が生じたりすることが少ない角度センサを提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明は、対象物の回転角度を検出する角度センサにおいて、前記対象物に応じて回転するマグネットと、前記マグネットから生じる磁界の変化に基づいて、前記マグネットの回転角度を検出する磁気センサと、を有し、前記マグネット以外の磁界である外部磁界の方向と、前記マグネットが回転する回転範囲において前記マグネットによって生じる磁界の方向とが９０度未満となるように設定されていることを特徴とする。
このような構成によれば、外部磁界の影響によって検出精度が低下したり、あるいは、誤検出が生じたりすることを少なくすることができる。

また、他の発明は、上記発明に加えて、前記外部磁界は一方向の磁界を少なくとも有し、前記マグネットの回転中心角度を前記外部磁界と平行になるように設定するとともに、前記マグネットの回転角度が前記回転中心角度に対してプラスマイナス９０度未満の範囲内となるように設定されていることを特徴とする。
このような構成によれば、外部磁界が一方向である場合に、外部磁界の影響によって検出精度が低下したり、あるいは、誤検出が生じたりすることを確実に少なくすることができる。

また、他の発明は、上記発明に加えて、前記外部磁界は直交する二方向の磁界を少なくとも有し、前記マグネットの回転中心角度をこれら直交する外部磁界のそれぞれに対して４５度になるように設定するとともに、前記マグネットの回転角度を前記回転中心角度に対してプラスマイナス４５度未満の範囲内となるように設定されていることを特徴とする。
このような構成によれば、外部磁界が二方向である場合に、外部磁界の影響によって検出精度が低下したり、あるいは、誤検出が生じたりすることを確実に少なくすることができる。

本発明によれば、外部磁界の影響によって検出精度が低下したり、あるいは、誤検出が生じたりすることが少ない角度センサを提供することが可能となる。

本発明の第１実施形態の構成例を示す図である。図１に示す第１実施形態の外部磁界を示す図である。第１実施形態の動作を説明するための図である。第１実施形態の動作を説明するための図である。第１実施形態の効果を説明するための模式図である。第１実施形態の効果を説明するための模式図である。第１実施形態の効果を説明するための模式図である。第１実施形態の効果を説明するためのグラフである。第１実施形態の効果を説明するためのグラフである。第２実施形態の構成を説明するための図である。

次に、本発明の実施形態について説明する。

（Ａ）第１実施形態の説明
図１は本発明の第１実施形態に係る角度センサの構成例を示す図である。なお、図１（Ａ）は第１実施形態の上面図であり、図１（Ｂ）は図１（Ａ）をＸ方向から眺めた側面図である。図１に示すように第１実施形態では、角度センサ１は、基板１０、センサＩＣ（Integrated Circuit）１１、および、マグネット１２を有している。

ここで、基板１０は、例えば、ガラスエポキシまたはベークライト等の絶縁性の板状部材によって構成される。基板１０の表（おもて）面１０ａには、センサＩＣ１１が設けられている。また、裏面１０ｂは、例えば、図示しない筐体の内側面に対向するように配置されて固定される。

センサＩＣ１１は、例えば、複数のホール素子を内蔵しており、これらのホール素子により、マグネット１２が発生する磁界の方向を検出する。マグネット１２は、回転角度を検出しようとする対象物に応じて回転するので、マグネット１２が生じる磁界の方向を検出することで、センサＩＣ１１は対象物の回転角度を検出することができる。

マグネット１２は、例えば、円環形状を有する永久磁石によって形成され、円環形状の中心を軸として回転自在に軸止されるとともに、図示しない対象物に係止される。これにより、対象物の回転に応じてマグネット１２が連動して回転する。マグネット１２は、センサＩＣ１１から所定の距離Ｇを隔てて、マグネット１２に対向配置される。また、マグネット１２の回転中心と、センサＩＣ１１の中心位置が一致するように配置される。図１の例では、マグネット１２は、ハッチングが施されている部分（図１に示す円環の左半分の部分）がＮ極とされ、ハッチングが施されていない部分がＳ極とされている。なお、マグネット１２の形状としては、円環状ではなく、円柱状の形状のマグネットを使用することも可能である。図１（Ｂ）の図中に破線の矢印で示すように、マグネット１２のＮ極から発せられた磁界は、センサＩＣ１１を通過し、Ｓ極に戻る。

図２は、外部磁界の状態を示す図である。前述した図１に示すように、マグネット１２の磁界は、Ｎ極からＳ極へ向かう方向（図の左から右へ向かう方向）に生じる。一方、マグネット１２以外から生じる外部磁界（例えば、角度センサ１の近傍に配置されている部材や部品等によって発生される磁界）は、図２に破線の矢印で示すように、図の左から右へ向かう方向になるように設定される。より詳細には、外部磁界を発生する部材等の位置を調整可能である場合には、これらの部材の配置位置を調整することにより、外部磁界が図２に示す方向になるように設定される。また、外部磁界を発生する部材等の位置を調整できない場合には、角度センサ１の取り付け方向により、このような位置関係に設定される。

図２（Ｂ）はマグネット１２が回転中心角において発生する磁界と、外部磁界との関係を示す図である。この図に示すように、マグネット１２が回転中心角において発生する磁界と外部磁界とは、略平行になるように設定されている。なお、回転中心角とは、角度センサ１の動作時におけるマグネット１２の動作の中心となる平均的な角度をいい、この回転中心角を中心として時計方向または反時計方向にマグネット１２が回転される。例えば、角度センサ１を自動車のエンジンへの供給空気流量を調節するスロットルバルブの開度を検出するセンサに適用する場合、エンジン停止時にはスロットルバルブは閉弁位置にあり、走行時にはスロットルバルブは平均的開度を中心として開閉される。そこで、この平均的開度における角度を回転中心角とし、マグネット１２が回転中心角において発生する磁界と外部磁界とが略平行になるように設定する。

図３，４は、マグネット１２が対象物に応じて回転する角度を示す図である。図３に示すように、マグネット１２が回転中心角から反時計方向に回転する最大角度はθ１とされ、また、図４に示すように、マグネット１２が回転中心角から時計方向に回転する最大角度はθ２とされる。θ１およびθ２は、θ１，θ２＜９０度となるように設定される。すなわち、マグネット１２が回転する回転範囲（θ１〜θ２の範囲）においてマグネット１２によって生じる磁界の方向と、外部磁界の方向とが９０度未満となるように設定されている。なお、９０度を超えて回転される場合があっても、その頻度が低い場合には、そのような場合を考慮に入れないようにすることができる。

このように、回転中心角においてマグネット１２が発生する磁界の方向と、外部磁界の方向が略平行になるように設定するとともに、回転角度を中心角度に対してプラスマイナス９０度未満の範囲内となるように設定することで、センサＩＣ１１に対する外部磁界が与える影響を少なくすることができる。すなわち、図５に示すように、マグネット１２を模式的に示し、マグネット１２のＮ極からＳ極へ向かう磁界を実線の矢印で示した場合、図６に示すように、破線の矢印で示す外部磁界がマグネット１２の磁界と平行である場合には、マグネット１２の磁界の方向は外部磁界によって影響を受けない。しかしながら、図７に示すように、外部磁界がマグネット１２の磁界と直交する場合には、マグネット１２の磁界が外部磁界の影響により、その方向が変化してしまう。このため、センサＩＣ１１の検出角度が、実際の角度とは異なる結果となり、これが誤検出の原因となる。

図８は、図１に示す実施形態のマグネット１２を挟むように、ヘルムホルツコイルを配置し、このヘルムホルツコイルから発生する磁界と、マグネット１２が発生する磁界が平行になるように設定し、ヘルムホルツコイルに交流電圧を印加した場合のセンサＩＣ１１の出力電圧（ｍＶ）を示している。一方、図９は、ヘルムホルツコイルから発生する磁界と、マグネット１２が発生する磁界が直交するように設定し、ヘルムホルツコイルに交流電圧を印加した場合のセンサＩＣ１１の出力電圧を示している。これらの図の比較から、図８に示すようにヘルムホルツコイルから発生する磁界と、マグネット１２から発生する磁界が平行である場合には、周波数によらず、センサＩＣ１１の出力電圧は変動しないが、図９に示すようにヘルムホルツコイルから発生する磁界と、マグネット１２から発生する磁界が直交する場合には、特に、センサＩＣ１１の感度が相対的に高い低周波領域（３００Ｈｚ以下）において、センサＩＣ１１の出力電圧が変動している。すなわち、ヘルムホルツコイルから発生する外部磁界と、マグネット１２から発生する磁界が平行である場合には、センサＩＣ１１の出力電圧は、外部磁界の影響を受けにくいことが分かる。

すなわち、以上に説明したように、本発明の第１実施形態によれば、回転中心角におけるマグネット１２の磁界の方向と、外部磁界の方向とが略平行になるようにするとともに、マグネット１２の回転角度が回転中心角からプラスマイナス９０度未満の範囲内となるようにすることで、外部磁界の影響を僅少とすることができる。

また、第１実施形態では、外部磁界とマグネット１２の方向を設定することにより、外部磁界の影響が少なくなるようにしたので、新たな部品を追加する必要がないため、コストの増加や組み立て工数の増加を防ぐことができる。例えば、外部磁界を防ぐ方法としては、透磁率が高い部材を配置する方法があるが、このように透磁率が高い部材は、重量が大きいことから、このような部材をセンサＩＣ１１から遠い位置に配置すると、振動耐性が劣化する。また、透磁率が高い部材は一般的に高価である。このため、このような透磁率が高い部材の使用を省略することで、振動耐性を高めるとともに、製造コストを低減することができる。

（Ｂ）第２実施形態の説明
図１０（Ａ）は本発明の第２実施形態の構成例を示す図である。なお、図１０（Ａ）では、図１と比較すると、外部磁界の数と、方向が異なっているが、それ以外の構成は図１と同様である。図１０（Ａ）に示す第２実施形態では、破線の矢印で示す２つの外部磁界の方向が略直交しており、また、マグネット１２の回転中心角は、これら２つの磁界に対して４５度の角度となるように設定されている。すなわち、図１０（Ｂ）に示すように、２つの外部磁界は直交するとともに、外部磁界とマグネット１２の回転中心角とは４５度の角度になるように設定されている。また、第２実施形態では、マグネット１２の回転角度は、回転中心角からプラスマイナス４５度未満の範囲内とされる。すなわち、第２実施形態では、図３，４におけるθ１，θ２＜４５度とされる。これにより、マグネット１２が回転する回転範囲において、マグネット１２によって生じる磁界の方向と、外部磁界の方向とが９０度未満となるように設定される。

第１実施形態において説明したように、マグネット１２の磁界と、外部磁界が直交する場合に、センサＩＣ１１が外部磁界の影響を最も受ける。このため、図１０に示すように外部磁界と、マグネット１２の回転中心角における磁界が４５度の角度になるように設定するともに、マグネット１２の回転角度を中心角からプラスマイナス４５度未満の範囲内とすることで、最大に回転した場合でも、マグネット１２の磁界と外部磁界の角度が９０度未満とすることができるので、外部磁界の影響を僅少とすることができる。なお、４５度を超えて回転される場合があっても、その頻度が低い場合には、そのような場合を考慮に入れないようにすることができる。

以上に説明したように、第２実施形態では、マグネット１２の回転中心角における磁界の方向と、２つの直交する磁界の方向が４５度の角度となるようにするとともに、マグネット１２の回転中心角からの回転角をプラスマイナス４５度未満の範囲内とすることで、外部磁界の影響を僅少にすることができる。

また、第２実施形態では、第１実施形態の場合と同様に、２つの外部磁界とマグネット１２の方向を設定することにより、外部磁界の影響が少なくなるようにしたので、部品を追加する必要がないため、コストの増加や組み立て工数の増加を防ぐことができる。例えば、外部磁界を防ぐ方法としては、透磁率が高い部材を配置する方法があるが、このように透磁率が高い部材は、重量が大きいことから、このような部材をセンサＩＣ１１から遠い位置に配置すると、振動耐性が劣化する。また、透磁率が高い部材は一般的に高価である。このため、このような透磁率が高い部材の使用を省略することで、振動耐性を高めるとともに、製造コストを低減することができる。

（Ｃ）変形実施形態の説明
以上の実施形態は一例であって、本発明が上述したような場合のみに限定されるものでないことはいうまでもない。例えば、以上の各実施形態では、円環状のマグネット１２を用いるようにしたが、これ以外の形状であってもよい。例えば、円柱状のマグネットを使用したり、あるいは、多角柱形状のマグネットを使用したりすることも可能である。

また、以上の各実施形態では、マグネット１２が対象物に応じて回転するようにしたが、例えば、センサＩＣ１１が対象物に応じて回転するようにしてもよい。

また、以上の各実施形態では、外部磁界が１つまたは２つの場合を例に挙げて説明したが、３つ以上の場合でも、本発明を適用することができる。例えば、最も強い１または２つの磁界を選択し、これらに対して本発明を適用することができる。

１角度センサ
１０基板
１１センサＩＣ
１２マグネット

Claims

対象物の回転角度を検出する角度センサにおいて、
前記対象物に応じて回転するマグネットと、
前記マグネットから生じる磁界の変化に基づいて、前記マグネットの回転角度を検出する磁気センサと、を有し、
前記マグネット以外の磁界である外部磁界の方向と、前記マグネットが回転する回転範囲において前記マグネットによって生じる磁界の方向とが９０度未満となるように設定されていることを特徴とする角度センサ。
前記外部磁界は一方向の磁界を少なくとも有し、前記マグネットの回転中心角度を前記外部磁界と平行になるように設定するとともに、前記マグネットの回転角度が前記回転中心角度に対してプラスマイナス９０度未満の範囲内となるように設定されていることを特徴とする請求項１に記載の角度センサ。
前記外部磁界は直交する二方向の磁界を少なくとも有し、前記マグネットの回転中心角度をこれら直交する外部磁界のそれぞれに対して４５度になるように設定するとともに、前記マグネットの回転角度を前記回転中心角度に対してプラスマイナス４５度未満の範囲内となるように設定されていることを特徴とする請求項１に記載の角度センサ。