JP2020024102A

JP2020024102A - 回転検出装置

Info

Publication number: JP2020024102A
Application number: JP2018147564A
Authority: JP
Inventors: 森　大輔; Daisuke Mori; 大輔森
Original assignee: Tokai Rika Co Ltd
Current assignee: Tokai Rika Co Ltd
Priority date: 2018-08-06
Filing date: 2018-08-06
Publication date: 2020-02-13

Abstract

【課題】本発明の目的は、高精度な磁場を生み出す磁石形状を有する回転検出装置を提供する。【解決手段】回転移動する磁石１０と、磁石１０の回転軸１１を法線とする磁石１０の回転表面１２に対向する位置に配置され、磁石１０の回転移動に伴う磁界の変化を検出する磁気検出部２０と、を有し、磁石１０の回転表面１２には、凹形状の凹部１５が形成された構成とする。これにより、磁束線の分布をより平行にして、回転検出の高精度化を行なうようにする。【選択図】図１

Description

本発明は、回転検出装置に関する。

従来の技術として、永久磁石（以下、磁石という。）と、磁気検出素子を使用した回転検出装置が知られている（例えば、特許文献１参照。）。

この回転検出装置は、扁平な円板状（円柱状）の磁石と、これに対向する面に感磁面を有する磁気検出素子を配置する構成とされている。この回転検出装置は、磁気検出素子による出力信号に基づき被検出回転体の回転角度を検出するにあたってその出力信号の振幅値やオフセット値にずれが生じた場合であれ、被検出回転体に対する検出精度をより好適に維持することができる、とされている。

特開２００７−１５５６１８号公報

しかし、従来の回転検出装置は、扁平な円板状の磁石を使用するため、磁気検出素子の検出部での磁束の方向の広がりが大きく、磁石の位置ズレ、ガタを含めて磁気検出素子に精度のよい磁場を印加することが難しいという問題があった。

したがって、本発明の目的は、高精度な磁場を生み出す磁石形状を有する回転検出装置を提供することにある。

［１］上記目的を達成するため、回転移動する磁石と、前記磁石の回転軸を法線とする前記磁石の回転表面に対向する位置に配置され、前記磁石の回転移動に伴う磁界の変化を検出する磁気検出部と、を有し、前記磁石の前記回転表面には、凹形状の凹部が形成されている、回転検出装置を提供する。
［２］前記磁石は、前記法線方向に扁平な円柱状である、上記［１］に記載の回転検出装置であってもよい。
［３］また、前記凹形状は、台形状である、上記［１］又は［２］に記載の回転検出装置であってもよい。
［４］また、前記磁気検出部は、感磁面が前記回転表面と平行に配置されている、請求項１から３のいずれか１に記載の回転検出装置であってもよい。

本発明の回転検出装置によれば、高精度な磁場を生み出す磁石形状を有する回転検出装置を提供することができる。

図１（ａ）は、本発明の実施の形態に係る回転検出装置の概略構成を示す断面図であり、図１（ｂ）は、（ａ）のＡ方向から見た上平面図である。図２（ａ）は、磁石の凹部を上にして図示した立体斜視図であり、図２（ｂ）は、磁石の凹部が台形状に形成されていることを示す断面図であり、図２（ｃ）は、磁石の凹部の変形例として磁石の凹部が円弧状に形成されていることを示す断面図である。図３（ａ）は、本発明の実施の形態に係る回転検出装置の磁気シミュレーションの結果を示す図であり、図３（ｂ）は、（ａ）の結果に基づいて、磁気検出部の検出面における磁束線の分布を図示した説明図である。図４（ａ）は、従来の回転検出装置の磁気シミュレーションの結果を示す図であり、図４（ｂ）は、（ａ）の結果に基づいて、磁気検出部の検出面における磁束線の分布を図示した説明図である。図５（ａ）は、ブリッジ構成された磁気センサＩＣを基板に実装して磁束の変化を検出する場合の配置を示す図であり、図５（ｂ）は、磁気センサの回路図例であり、図５（ｃ）は、第１ＭＲブリッジと第２ＭＲブリッジにより検出される検出信号Ｓ１、Ｓ２を示す信号波形図である。

（本発明の形態に係る回転検出装置）
本発明の実施の形態に係る回転検出装置１は、図１（ａ）、（ｂ）に示すように、回転移動する磁石１０と、磁石１０の回転軸１１を法線とする磁石１０の回転表面１２に対向する位置に配置され、磁石１０の回転移動に伴う磁界の変化を検出する磁気検出部２０と、を有し、磁石１０の回転表面１２には、凹形状の凹部１５が形成されて、構成されている。

また、磁石１０は、法線１１の方向に扁平な円柱状（円板状）であることが好ましい。また、磁石１０の回転表面１２側には凹形状の凹部１５を有し、この凹部の凹形状は、台形状であることが好ましい。

図１（ｂ）に示すように、磁石１０から出る磁束１００は、磁石１０のＮ極からＳ極へ向かい、基板３０に実装された磁気検出部２０の感磁領域２１を通過する。磁束１００は、感磁領域２１内において、若干の広がりを有してほぼ平行に通過する。この磁束１００の磁束線の分布は、磁石の形状、大きさ等により変化するが、本実施の形態では、磁石１０の回転表面１２に凹部１５を形成して磁束線の分布をより平行にすることにより、回転検出の高精度化を行なうものである。

（磁石１０）
磁石１０は、図１（ａ）、（ｂ）、図２（ａ）、（ｂ）に示すように、扁平な円柱状（円板状）であって、磁気検出部２０に対向する回転表面１２に凹部１５が形成されている。磁石１０は、図１（ａ）、（ｂ）に示すように、回転軸１１と直交する方向にＮ極、Ｓ極が着磁されている。磁石１０は、例えば、アルニコマグネット、フェライトマグネット、ネオジムマグネット等の永久磁石、又は、フェライト系、ネオジム系、サマコバ系、サマリウム鉄窒素系等の磁性体材料と、ポリスチレン系、ポリエチレン系、ポリアミド系、アクリロニトリル／ブタジエン／スチレン（ＡＢＳ）等の合成樹脂材料と、を混合して所望の形状に成形したプラスチックマグネット等が使用できる。

磁石１０に形成される凹部１５は、例えば、図２（ａ）、（ｂ）に示すように、断面形状が台形状の凹部である。すなわち、図２（ｂ）に示すように、幅Ｗ_１、Ｗ_２で深さＤの台形状の凹部である。これらのパラメータ幅Ｗ_１、Ｗ_２、Ｄは、シミュレーションの結果に基づいて決定することができる。たとえば、凹部１５を備えた磁石１０を、有限要素法、境界要素法等によりメッシュ切りして磁束分布等を算出することができる。この結果に基づいて、パラメータ幅Ｗ_１、Ｗ_２、Ｄを適宜決定することができる。

磁石１０に形成される凹部１５は、断面形状が台形状の凹部には限られない。例えば、図２（ｃ）に示すように、曲率半径Ｒの円弧状の凹部等であってもよい。

（磁気検出部２０）
磁気検出部２０は、磁気抵抗素子を用いたＭＲ（Magneto Resistive）センサが使用される。なお、他の磁気センサとして、ホール素子を用いたホールセンサ等も使用可能である。

磁気検出部２０は、磁気抵抗素子が単独、ブリッジ構成によりパッケージに収められ、磁気抵抗素子で形成される感磁面である感磁領域２１が、図１（ａ）に示すように、磁石１０の回転表面１２に対向する位置に平行に配置される。

図１（ａ）、（ｂ）に示すように、磁石１０の回転に伴い、磁束１００も回転する。磁気検出部２０は、ＭＲセンサで構成される場合、この磁束１００の回転による抵抗値が変化することにより、磁界の変化を検出することができる。磁気検出部２０は、後述するように、ＭＲセンサでブリッジ構成とすることにより、磁石１０の回転移動に伴う回転角度の変化量、回転方向の検出等が可能である。

（磁場の広がりの検証）
図３（ａ）は、本発明の実施の形態に係る回転検出装置の磁気シミュレーションの結果を示す図であり、図３（ｂ）は、（ａ）の結果に基づいて、磁気検出部の検出面における磁束線の分布を図示した説明図である。すなわち、磁石１０の回転表面１２に凹形状の凹部１５を有する磁石１０を備えた回転検出装置の磁気シミュレーションの結果である。

図３（ａ）において、磁気検出部２０の感磁領域２１について、磁界の強さに相当する算出値を、段階的に異なるハッチング表示で示している。

図３（ａ）の結果によれば、磁界の強さの分布は、中央部と上又は下部とで異なる結果となっている。これを、磁界の強さの分布を垂直に貫く磁束線１０１で示したものが図３（ｂ）に示す磁気検出部の検出面における磁束線の分布図である。

この図３（ｂ）に示す磁気検出部の検出面における磁束線の分布図において、磁気検出部２０の感磁領域２１内において、磁束線１０１は、ほぼ平行に通っており、上又は下部において若干の磁場の広がりが示されている。

この磁場の広がりについて、従来の回転検出装置の例を挙げて、比較してみる。

（比較例）
図４（ａ）は、従来の回転検出装置の磁気シミュレーションの結果を示す図であり、図４（ｂ）は、（ａ）の結果に基づいて、磁気検出部の検出面における磁束線の分布を図示した説明図である。すなわち、凹部を有しない従来の円板状の磁石を備えた回転検出装置の磁気シミュレーションの結果である。

図４（ａ）において、磁気検出部２０の感磁領域２１について、磁界の強さに相当する算出値を、段階的に異なるハッチング表示で示している。

図４（ａ）の結果によれば、磁界の強さの分布は、中央部と上又は下部とで異なる結果となっている。これを、磁界の強さの分布を垂直に貫く磁束線１０２で示したものが図４（ｂ）に示す磁気検出部の検出面における磁束線の分布図である。

この図４（ｂ）に示す磁気検出部の検出面における磁束線の分布図において、磁気検出部２０の感磁領域２１内において、磁束線１０２は、中心部においては平行に通っているが、上又は下部いくにしがって磁場の広がりが大きいことが示されている。

このように磁場の広がりが大きいと、磁石と磁気検出部の位置ズレ、ガタを考慮すると、高精度な回転検出が難しい。すなわち、磁石の回転に伴う回転角の検出の直線性が低下することとなり、高精度な回転検出が期待できない。また、機能安全対応や冗長性向上を目的として、磁気検出部を２重系、３重系にする場合には、磁気検出部の配置位置により検出結果の整合性が劣化するので、磁石のサイズを大きくしておく必要があり、回転検出装置のサイズアップになってしまうという問題も生じる。

上記の比較から、本発明の実施の形態に係る回転検出装置は、従来の回転検出装置と比較して、磁界の強さの分布の均一性が優れていることがわかる。これにより、磁石と磁気検出部の位置ズレ、ガタがあっても、磁石の回転に伴う回転角の検出の直線性がよい。また、磁気検出部を２重系、３重系にする場合でも、磁石のサイズを大きくしておく必要がない。逆に、従来の精度を維持しつつ磁石サイズを小さくすることも可能となる。

（回転検出動作の例）
図５（ａ）は、ブリッジ構成された磁気センサＩＣ２５を基板３０に実装して磁束１０３の変化を検出する場合の配置を示す図であり、図５（ｂ）は、磁気センサの回路図例であり、図５（ｃ）は、第１ＭＲブリッジと第２ＭＲブリッジにより検出される検出信号Ｓ１、Ｓ２を示す信号波形図である。

図５（ｂ）は、２つのフルブリッジが４５°の回転角度を有して配置されている構成を示している。第１ＭＲブリッジ２１０（ＭＲ素子２１１、２１２，２１３、２１４）のノード２１５ｂ、２１５ｄからは中間電圧がオペアンプ（差動アンプ）ＯＰ１に入力されて、検出信号Ｓ１が差動信号として検出できる構成とされている。同様に、第２ＭＲブリッジ２２０（ＭＲ素子２２１、２２２，２２３、２２４）のノード２２５ｂ、２２５ｄからは中間電圧がオペアンプ（差動アンプ）ＯＰ２に入力されて、検出信号Ｓ２が差動信号として検出できる構成とされている。なお、ノード２１５ａ、２２５ａには、基準電圧Ｖｃｃが印加され、ノード２１５ｃ、２２５ｃは、接地（ＧＮＤ）されている。また、検出信号Ｓ１及び検出信号Ｓ１は、検出値として外部に出力される。

上記のように構成された磁気検出部である磁気センサＩＣ２５は、これに対向して配置された磁石１０の磁界の方向変化として検出信号Ｓ１、Ｓ２を出力し、図５（ｃ）に示すように、４５°の位相差を有して検出することができる。例えば、この２つの検出信号Ｓ１、Ｓ２を割算してアークタンジェントをとるＡｒｃｔａｎ処理を行なうことにより、例えば、記憶部にテーブルとして記憶されたＡｒｃｔａｎ表を参照して、磁界の角度位置、すなわち、磁石１０の回転位置を算出することができる。また、２つの検出信号Ｓ１、Ｓ２の位相差から、磁石１０の回転方向を算出することができる。

（実施の形態の効果）
本発明の実施の形態によれば、以下のような効果を有する。
（１）本発明の実施の形態に係る回転検出装置１は、回転移動する磁石１０と、磁石１０の回転軸１１を法線とする磁石１０の回転表面１２に対向する位置に配置され、磁石１０の回転移動に伴う磁界の変化を検出する磁気検出部２０と、を有し、磁石１０の回転表面１２には、凹形状の凹部１５が形成されて、構成されている。これにより、凹部を有しない従来の円板状の磁石を備えた回転検出装置と比較して、磁界の強さの分布の均一性が優れる。したがって、磁石と磁気検出部の位置ズレ、ガタがあっても、磁石の回転に伴う回転角の検出の直線性がよく、高精度な回転検出が可能となる。
（２）磁気検出部は、１つの検出素子を用いるよりも、上記示したようなブリッジ構成により構成される場合が多い。このような構成では、磁気検出部がある程度の広がりを有しているため、本実施の形態のように、磁気検出部の感磁領域において磁場の広がりが小さい構成とすることで、高精度な磁界の検出が可能となる。
（３）さらに、機能安全対応や冗長性向上を目的として、磁気検出部を２重系、３重系にするニーズがある場合において、磁石サイズを大きくする必要がなく、サイズアップせずに２重系、３重系の回転検出装置を実現できる。
（４）逆に、従来の精度を維持しつつ磁石サイズを小さくできるので、磁石サイズを小さくした回転検出装置を実現できる。

以上、本発明のいくつかの実施の形態を説明したが、これらの実施の形態は、一例に過ぎず、特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、これら新規な実施の形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更等を行うことができる。また、これら実施の形態の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない。さらに、これら実施の形態は、発明の範囲及び要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１…回転検出装置、１０…磁石、１１…回転軸、１２…回転表面、１５…凹部、２０…磁気検出部、２１…感磁領域、２５…磁気センサＩＣ、３０…基板、１００、１０１、１０２、１０３…磁束、２１０…第１ＭＲブリッジ、２２０…第２ＭＲブリッジ

Claims

回転移動する磁石と、
前記磁石の回転軸を法線とする前記磁石の回転表面に対向する位置に配置され、前記磁石の回転移動に伴う磁界の変化を検出する磁気検出部と、を有し、
前記磁石の前記回転表面には、凹形状の凹部が形成されている、回転検出装置。
前記磁石は、前記法線方向に扁平な円柱状である、請求項１に記載の回転検出装置。
前記凹形状は、台形状である、請求項１又は２に記載の回転検出装置。
前記磁気検出部は、感磁面が前記回転表面と平行に配置されている、請求項１から３のいずれか１項に記載の回転検出装置。