JP2018048870A - 回転角度検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】小型かつ安価に、また機械レイアウト上の制約が少なく、回転の絶対角度を検出することができる回転角度検出装置を提供する。【解決手段】片面が被検出平面１ａでありこの被検出平面１ａ上の磁界の平面成分が平行となるようにＮ極とＳ極が交互に等間隔に着磁された磁気板１と、この磁気板１の被検出平面１ａに対向する磁気センサ２とを備える。磁気板１と磁気センサ２とが相対的に回転自在であり、磁気センサ２は、磁気板１を回転側として見た場合における前記磁気板１の回転中心軸Ｏよりオフセットして位置する。【選択図】図１

Description

この発明は、回転体の回転角度を検出する装置に関するものである。

従来、ステータとロータを備え、ロータと連動する回転トランスを備えたブラシレスレゾルバが提案されている（例えば特許文献１）。
また、回転軸の回転角度を検出する非接触型回転角度検出装置が提案されている（例えば特許文献２）。

特開昭６３−３１８７２５号公報 特開２００３−３２４９３０号公報

一般に、ブラシレスモータの制御を効率よく行うためには、ステータに対するロータの回転角度を検出し、回転に従ってステータに常に最適な励磁電流を与える必要がある。精密な制御を行うためには、この回転角度の検出にレゾルバが用いられる。しかし、レゾルバは比較的大型なためモータの小型化に限界があり、また、精密な鉄心や巻線と専用の励磁回路が必要なため、低価格化が困難である。レゾルバに代わり、回転軸端に一極対の磁石を設け、同軸上に対向して2 次元ベクトル検出を行う磁気センサを設置して、回転軸の回転と共に回転する磁界の方向を検出することで回転軸の回転角度を検出する方法がある。しかし、この方法は、中空ブラシレスモータを用いる場合などには適用できない問題がある。

特許文献１は、ブラシレスレゾルバによる回転角度検出装置である。ブラシレスレゾルバは、ブラシレスモータの制御を行うための回転角度検出に広く用いられている。しかし、励磁のための駆動回路、検出信号を角度に変換するコンバータＩＣや、複雑かつ精密な鉄心と巻線が必要であり、小型化やコストダウンが困難という問題がある。

特許文献２は、ブラシレスモータの軸端に磁石を設けて、ホールセンサを用いて軸の回転角度を小型かつ安価に検出する。しかし、磁石とホールセンサを回転中心軸上の軸端に設置する必要があり、例えば同軸上に減速機を備える必要があったり、また、中空モータを用いるときなどには適用できず、機械レイアウトの制約が大きい。

この発明の目的は、磁気板とそれに対向して設けられた少なくとも１つ以上の磁気センサによって回転角度が検出できて、小型かつ安価に、また機械レイアウト上の制約が少なく、回転の絶対角度を検出することができる回転角度検出装置を提供することである。

この発明の回転角度検出装置は、片面が被検出平面でありこの被検出平面上の磁界の平面成分が平行となるようにＮ極とＳ極が交互に等間隔に着磁された磁気板と、この磁気板の前記被検出平面に対向する磁気センサとを備え、前記磁気板と前記磁気センサとが相対的に回転自在であり、前記磁気センサは、前記磁気板を回転側として見た場合における前記磁気板の回転中心軸よりオフセットして位置する。

この構成の回転角度検出装置によると、被検出平面上の磁界の平面成分が平行となるようにＮ極とＳ極が交互に等間隔に着磁された磁気板に対向し、回転中心軸よりオフセットして磁気センサが配置され、前記磁気板が磁気センサに対して相対的に回転する。そのため、磁気センサが検出する磁気板の磁界の変化から、回転体の回転角度が絶対角度として検出される。磁気板とこれに対面する磁気板センサとで構成されるため、軸端に磁石や磁気センサを設ける必要がなく、またレゾルバ等の従来の回転角度検出装置より小型かつ安価に製造できて、機械レイアウト上の制約が少ない。
なお、絶対角度検出とは、回転体の相対的な角度移動量を検出するのではなく、回転体の角度の一意な絶対位置を検出することを言う。

この構成の場合に、前記回転中心軸が前記磁気板の前記被検出平面に対して垂直であり、固定された前記磁気板または前記磁気センサの一方に対して、もう一方が回転し、この回転における前記磁気板と前記磁気センサとの相対的な角度差を前記磁気センサが検出することで、回転する前記もう一方の絶対回転角度を検出するようにしても良い。
磁気板と磁気センサとの相対的な角度差を磁気センサが検出するようにすることで、絶対回転角度を精度良く検出することができる。

この構成の場合に、前記磁気板の前記被検出平面に垂直な前記回転中心軸が、前記磁気板に平行かつ等間隔に着磁されたＮ極，Ｓ極の境界、またはこの境界を成す線の延長線上に位置するようにしても良い。
回転中心軸が磁気板に平行かつ等間隔に着磁されたＮ極，Ｓ極の境界、またはこの境界を成す線の延長線上に位置すれば、回転中心軸の付近の磁界も回転検出に無駄なく利用できて、オフセットした位置にある磁気センサの検出信号から、回転角度を感度良くかつ精度良く求めることができる。

この構成の場合に、前記磁気板の被検出平面に平行な平面成分を検出する磁気センサにより前記磁気板の磁界の方向を検出するようにしても良い。
このような平面成分を検出する磁気センサを用いることで、上記のような磁極を有する磁気板の磁界の方向を容易に検出することができる。

この構成の場合に、前記磁気板または前記磁気センサの回転に伴って交互に反転する磁界の検出方向の反転位置を、前記磁気センサの検出信号を処理する手段があらかじめ記憶するようにしても良い。
磁気センサの検出値が非反転位置の範囲にあるか反転位置の範囲にあるか、その範囲が予めわかっていれば、そこから被検出平面の回転角度を算出することができる。

この構成の場合に、前記磁気センサが複数であり、これら複数の磁気センサによって、前記磁気板または前記磁気センサの回転に伴って交互に反転する磁界検出方向の反転位置による不感帯を互いに補完し、常にいずれかひとつ以上の磁気センサによって回転角度を検出可能なようにしても良い。
磁気板の磁界の極性が反転する付近では、検出される磁界の大きさが磁気センサの感度を下回り、磁気センサが磁界を検出できない不感帯となる微小な範囲が存在する。これにつき、上記のように複数の磁気センサが設けられていると、被検出平面が１周する間の全てにおいて、リニアかつ一意に絶対角度を検出できる。

この発明の回転角度検出装置は、片面が被検出平面でありこの被検出平面上の磁界の平面成分が平行となるようにＮ極とＳ極が交互に等間隔に着磁された磁気板と、この磁気板の前記被検出平面に対向する磁気センサとを備え、前記磁気板と前記磁気センサとが相対的に回転自在であり、前記磁気センサは、前記磁気板を回転側として見た場合における前記磁気板の回転中心軸よりオフセットして位置するため、小型かつ安価に、また機械レイアウト上の制約が少なく、回転の絶対角度を検出することができる。

この発明の第１の実施形態に係る回転角度検出装置の正面図および側面図である。 同回転角度検出装置における磁気板が回転した状態を示す正面図である。 同磁気板の磁界の成分を示す説明図である。 同磁気板の磁界の方向を示す正面図である。 同磁気板の磁界の方向を示す斜視図である。 被検出平面の回転角度と磁気センサの回転角との関係を示すグラフである。 同磁気板の各磁極の着磁の方向を示す説明図である。 同磁気板と磁気センサとの基準状態を示す正面図である。 同磁気板の磁気センサに対する回転状態を示す正面図である。 同磁気板の回転状態における磁界の方向を示す正面図である。 被検出平面の回転角度と磁気センサの検出角との関係を示す他のグラフである。 被検出平面の回転における磁界の方向の反転の説明図である。 この発明における磁気センサを２個用いた実施形態を示す正面図である。 同実施形態における被検出平面の回転角度と磁気センサの検出角との関係を示すグラフである。 この発明のさらに他の実施形態を示す斜視図である。 同実施形態に係る回転角度検出装置の側面図および正面図である。 この発明のさらに他の実施形態を示す斜視図である。 同実施形態に係る回転角度検出装置の側面図および正面図である。 この発明のいずれかの実施形態に係る回転角度検出装置を装備した駆動モータの断面図である。 同駆動モータの平面図である。 同駆動モータの左側面図である。 同駆動モータの右側面図である。

この発明の第１の実施形態を図１ないし図１２と共に説明する。この回転角度検出装置は、被検出部となる磁気板１と、磁気センサ２および信号処理手段３からなる処理部４とで構成される。
磁気センサ２は、磁界の平面成分における方向を検出可能な２軸のベクトル磁気センサを用いる。信号処理手段３は、磁気センサ２の出力を信号処理して回転角度の信号として出力する電子回路であり、磁気センサ２と一体化して設けられていても、磁気センサ２から離れて設けられていても良い。磁気板１は、検出する平面ベクトル成分において、被検出平面１ａ上で平行な磁界となるよう着磁される。
磁気板１と磁気センサ２とは、相対的に回転するように配置され、通常は磁気板１が、この回転角度検出装置を用いる機器の回転体（図示せず）と共に回転し、回転体の回転軸を支持する部材（図示せず）に磁気センサ２および信号処理手段３からなる検出部４が固定される。これとは逆に、検出部４が回転して被検出部である磁気板１が固定されても原理的な違いはない。しかし、検出部４には電子回路からなる信号処理手段３が必要なため、通常は検出部４が固定されている方が合理的である。

磁気板１は、例えばフェライトや希土類の磁石のように、着磁された磁性体による磁界を持つ。空間上のある点における磁界は、方向と大きさを持つ３次元のベクトルとして表すことができる。検出部４の磁気センサ２は、２軸のベクトル磁気センサを用いる。このベクトル磁気センサは、図３に磁界の各方向の成分示すように、例えばホールセンサによる磁界強度感知部（図示せず）を２つ内蔵し、これら２つの磁界強度感知部のそれぞれの感度方向が直交することで、検出点の磁界のｘ成分とｙ成分を感知して２次元のベクトルとして検出する。すなわち、このｘｙ平面を被検出平面１ａとして、３次元のベクトルである磁界のうちの被検出平面１ａの２次元成分を検出する。検出された２次元のベクトルは、例えば０から３６０度の角度と大きさで表すことができる。（このようなベクトル磁気センサとして、例えば旭化成エレクトロニクス社の回転角センサーＡＫ７４０１を用いることができる。

検出の原理を説明する。まず、理想化した状態として、図４のように一方向に一様な磁界Ｈを持つ有限な大きさの被検出平面１ａを仮定する。空間をＸＹＺの３次元で表すと、この被検出平面１ａはＸＹ平面上に存在し、図５のように被検出平面１ａの中心に、被検出平面１ａに垂直な（すなわち直交した）Ｚ軸を回転中心軸Ｏとしてｘｙ平面上で回転する。また、被検出平面１ａが回転しても被検出平面１ａの範囲内となる任意の位置、例えば回転中心軸ＯであるＺ軸からオフセットしたｘ軸上に、磁気センサ２の検出平面が被検出平面１ａと平行になるように磁気センサ２を固定して配置する。

図１のように、磁気センサ２は、回転する磁気板１と接触しないように、磁気板１との間に一定の隙間ｄを持つ。このとき、図２のように、被検出平面１ａが角度θだけ回転すると、磁界も角度θだけ回転し、その磁界の回転角度を磁気センサ２で検出する事ができる。したがって、被検出平面１ａが１回転すると、磁気センサ２が検出する回転角度は被検出平面１ａの回転角度と常に等しい。図６に、横軸に被検出平面１ａの回転角度、縦軸に磁気センサ２の検出角度を取ったグラフを表す。このようにして、被検出平面１ａの絶対角度を検出できる。

しかし、このように被検出平面１ａ上の磁界が一様に平行である状態は、実用上では、回転中心軸Ｏから磁気センサ２のオフセットＯＦ(図１)が小さい場合など、実現できるレイアウトが限られる。磁界を作るＮ極とＳ極が離れて、磁極どうしの距離が磁極の大きさに対して大きくなると、空間の磁界を表す磁力線は曲線となって平行にならないためである。そこで図７のように、被検出平面１ａ上に平行にＮ極とＳ極の磁極を等間隔で交互に着磁している。磁極同士の距離よりも磁極が十分に大きいため、被検出平面１ａ上の磁界は、Ｎ極とＳ極が並ぶ方向に一様に平行となり、等間隔な磁極のピッチごとに極性が交互となる。

図５と同様に、この被検出平面１ａはｘｙ平面上に存在し、被検出平面１ａの中心に直交したＺ軸を回転中心軸Ｏとしてｘｙ平面内で回転する。回転中心軸Ｏは、被検出平面１ａのＮ極とＳ極の中心である境界線Ｌ（図７）上に存在し、回転中心軸Ｏを中心として対称の位置にそれぞれＮ極とＳ極が存在する配置とする。なお、前記回転中心軸Ｏは、前記境界線Ｌ の延長線Ｌ′上に位置しても良い。

また、同様に図８のように磁気センサ２を固定して配置する。このとき、磁気センサ２が検出する磁界Ｈの方向は被検出平面１ａの回転角度θと一致しており、この状態を基準とする。図９のように、被検出平面１ａが基準より角度θだけ回転したとき、磁気センサ２が検出する磁界の方向θ’は、被検出平面１ａの回転角度と一致している。このように、磁界の極性が反転せず、基準位置と同じである範囲では、磁気センサ２が検出する回転角度は被検出平面１ａの回転角度と常に等しく、被検出平面の絶対角度を検出できる。

被検出平面１ａがさらに回転して、θが増加し図１０のような状態になったとき、被検出平面１ａ上での磁気センサ２の位置の磁界が反転しているため、磁気センサ２が検出する磁界の方向θ’は、被検出平面１ａの回転角度と反転して１８０度の差となる。

図６と同様に、図１１に被検出平面１ａが一周するときの磁気センサ２が検出する磁界の方向をグラフに表す。被検出平面１ａの回転に従って、被検出平面１ａ上の磁気センサ２の位置が円周状に移動し、その位置の磁界の極性によって、θとθ’が等しい状態と、θとθ’が１８０度反転した状態が交互に現れる。このとき、Ｎ極とＳ極は回転中心軸Ｏに対して対称の位置にあるため、θ’の値は、θが特定値のときに一度だけ現れる。すなわち、図１１のグラフからもわかる通り、被検出平面１ａの回転角度θと磁気センサ２が検出する磁界の方向θ’は一意に対応している。磁気センサ２の検出値が非反転値の範囲にあるか反転値の範囲にあるか、その範囲が予めわかっていれば、そこから被検出平面１ａの回転角度を算出することができる。前記磁界の検出方向の反転位置は、前記信号処理手段３等に記憶しておく。このようにして、被検出平面の絶対角度を検出できる。

一方、図９から図１０へ被検出平面１ａが回転して検出する磁界Ｈの極性が反転するとき、すなわち、図１２に示すように、磁気センサ２が磁界Ｈを検出する位置がＮ極もしくはＳ極の中心線上となったとき、検出される磁界の大きさが零となる。実際は、この点の磁界は被検出平面１ａと垂直、すなわちＺ軸と平行な方向となっており、磁気センサ２の検出平面１ａとも直交するため、検出される成分が零となる。この磁界Ｈの極性が反転する付近では、検出される磁界Ｈの大きさが磁気センサ２の感度を下回り、磁気センサ２が磁界Ｈを検出できない不感帯となる微小な範囲が存在する。このため、被検出平面１ａが回転するに従って磁気センサ２の位置の磁界が反転する前後では、被検出平面１ａの回転角度を検出できない微小な不感帯がある。この不感帯は、図１１の(a) に示すように、検出される磁界Ｈが１８０度反転する不連続な部分の前後に存在する。

そこで、図１３のように磁気センサ２を複数設けることが好ましい。第１の磁気センサ２_１と第２の磁気センサ２_２は、不感帯が重ならないように位置をずらして配置する。図１１と同様に、図１４に被検出平面が一周するときのそれぞれの磁気センサ２_１，２_２が検出する磁界の方向をグラフに表す。第１の磁気センサ２_１が不感帯にあるときは、第２の磁気センサ２_２によって被検出平面１ａの回転角度を検出でき、磁気センサ２_２が不感帯にあるときは第１の磁気センサ２_１によって被検出平面１ａの回転角度を検出できる。このため、このように不感帯をお互いに補完することで、被検出平面１ａが１回転のどの位置にあっても、いずれかの磁気センサ２_１，２_２によって必ず回転角度を検出することができる。よって、被検出平面１ａの回転角度θを求めるには、第１の磁気センサ２_１の検出角度をθ'₁、第２磁気センサ２_２の検出角度をθ'₂、第１の磁気センサ２_１と第２の磁気センサ２_２の位置の位相差をαとすると、第１の磁気センサ２_１が不感帯になく、かつ、上記非反転値の範囲のときはθ＝θ'₁、反転値の範囲のときはθ＝θ'₁−１８０、第１の磁気センサ２_１が不感帯にあり、かつ、第２の磁気センサ２_２が非反転値の範囲のときはθ＝θ'₂−α、反転値の範囲のときはθ＝θ'₂−α−１８０となる。このようにして、検出結果としては図６と同様に被検出平面が１周する間の全てにおいてリニアかつ一意に絶対角度を検出できる。また、磁気センサ２をさらに増設することで、不感帯範囲の大きさや磁極数の増加などに対応することも可能である。

被検出平面１ａは、これまでの説明では有限な四角形の平面で表したが、被検出平面１ａが１回転するときに磁気センサ２が磁界を検出する範囲において、これまで説明したような平行かつ等間隔の磁界が実用的な精度で確保されていれば、被検出平面１ａの外周の形状は四角形に限定されない。

図１５，１６は、この発明の他の実施形態を示す。この実施形態は、この回転角度検出装置を中空の回転エンコーダとして用いた場合の例である。磁気板１は、フェライトゴム磁石が用いられ、中心に回転体５へ取り付けるための円形の穴１ｂが設けられ、外周の正面形状は、検出に影響しない四隅を削除した八角形の板形状とされている。図示の例では、磁気板１は、正八角形とされている。この磁気板１は、前記穴１ｂで嵌合して丸軸状の回転体５に固定されている。検出部４を構成する磁気センサ２は、リニア回転角センサを２つ用いて、回転中心軸Ｏ上の同一円周上に、検出の位相をずらして配置されている。これら２つの磁気センサ２，２は、電子回路からなる信号処理手段（同図には図示せず）に接続され、これら信号処理手段と磁気センサ２，２とで前記検出部４が構成される。

この実施形態の場合、磁気板１の検出に影響しない四隅を削除した八角形の板形状とされているため、無駄が少なく、磁気板１がそれだけ軽くなる。また、磁気板１は中心の穴１ｂで回転体５に取付けられるため、回転体５への取付が簡単である。この実施形態におけるその他の構成，効果は、第１の実施形態と同様である。

図１７，１８は、さらに他の実施形態を示す。この実施形態では、磁気板１の外周形状が円形とされている。回転体５は中空軸状とされ、磁気板１の穴１ｂに嵌合して固定されている。
この実施形態は、磁気板１が円形であるため、さらに無駄が少なく、磁気板１がそれだけ軽くなる。なお、この実施形態では、回転体５の外径が磁気板１の外径に対して比較的に大きく、磁極Ｎ，Ｓの幅Ｂに対して磁気板１の外周と穴１ｂとの間の半径方向幅Ｒが小さくなるため、磁界が平行にならない事が懸念される。磁極Ｎ，Ｓの幅Ｂを狭めて磁極数を増やすことで磁界を平行にすることが可能であるが、前述のような磁界の反転による不感帯も増加するため、最適な磁極幅Ｂとセンサ数の検討が必要である。この実施形態におけるその他の構成，効果は、図１７，１８と共に前述した実施形態と同様である。

図１９〜図２２は、この発明の回転角度検出装置Ａを後輪転舵装置の駆動モータ１０に用いた使用例を示す。回転角度検出装置Ａは、前記のいずれの実施形態の構成であっても良い。この駆動モータ１０は、ステータ１１とロータ１２とから構成されるブラシレスモータである。このブラシレスモータの回転制御を行うためにロータ１２の回転位置を検出する必要があり、上記いずれかの実施形態に係る回転角度検出装置を用いている。ステータ１１はステータコアとステータコイルとでなり、ハウジング１３に設置されている。ロータ１２は永久磁石等からなり、中空軸状に形成されて中空軸状の回転体５の外周に嵌合状態に固定されている。回転角度検出装置Ａは、前記回転体５の長さ方向の中間の外周に中心穴で嵌合状態に固定された磁気板１と、前記ハウジング１３に設置された前記磁気板１に対面する磁気センサ２および前記信号処理手段３（図１参照）からなる検出部４とで構成される。なお、前記後輪転舵装置は、図示は省略するが、この駆動モータ１０によってねじ機構が回転し、ロッドを伸縮することで、自動車の後輪の転舵を行う。

この構成によると、中空のロータ１２と同軸に配置された被検出部である磁気板１がロータ１２と共に回転し、ハウジング１３に固定された磁気センサ２によって回転角度を検出する。

以上、実施形態に基づいてこの発明を実施するための形態を説明したが、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではない。この発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１…磁気板
１ａ…被検出平面
１ｂ…穴
２…磁気センサ
３…信号処理手段
４…検出部
５…回転体１０…駆動モータ
１１…ステータ
１２…ロータ
Ｎ，Ｓ…磁極
Ｏ…回転中心軸

Claims (6)

1. 片面が被検出平面でありこの被検出平面上の磁界の平面成分が平行となるようにＮ極とＳ極が交互に等間隔に着磁された磁気板と、この磁気板の前記被検出平面に対向する磁気センサとを備え、前記磁気板と前記磁気センサとが相対的に回転自在であり、前記磁気センサは、前記磁気板を回転側として見た場合における前記磁気板の回転中心軸よりオフセットして位置する回転角度検出装置。
2. 請求項１に記載の回転角度検出装置において、前記回転中心軸が前記磁気板の前記被検出平面に対して垂直であり、固定された前記磁気板または前記磁気センサの一方に対して、もう一方が回転し、この回転における前記磁気板と前記磁気センサとの相対的な角度差を前記磁気センサが検出することで、回転する前記もう一方の絶対回転角度を検出する回転角度検出装置。
3. 請求項２に記載の回転角度検出装置において、前記磁気板の前記被検出平面に垂直な前記回転中心軸が、前記磁気板に平行かつ等間隔に着磁されたＮ極、Ｓ極の境界、またはこの境界を成す線の延長線上に位置する回転角度検出装置。
4. 請求項３に記載の回転角度検出装置において、前記磁気板の被検出平面に平行な平面成分を検出する磁気センサにより前記磁気板の磁界の方向を検出する回転角度検出装置。
5. 請求項４に記載の回転角度検出装置において、前記磁気板または前記磁気センサの回転に伴って交互に反転する磁界の検出方向の反転位置を、前記磁気センサの検出信号を処理する手段があらかじめ記憶している回転角度検出装置。
6. 請求項５に記載の回転角度検出装置において、前記磁気センサが複数であり、これら複数の磁気センサによって、前記磁気板または前記磁気センサの回転に伴って交互に反転する磁界検出方向の反転位置による不感帯を互いに補完し、常にいずれかひとつ以上の磁気センサによって回転角度を検出可能な回転角度検出装置。

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