JP4195363B2 - 回転検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、磁気検出センサにより検出した磁気に基づき回転側部材の回転角度を検出するための回転検出装置に関するものである。

従来、図１１に示すように、軸Ｌを中心として回転する回転側部材１０１の固定側部材１０２に対する回転角度を検出するため、回転側部材１０１に配設され、Ｓ極及びＮ極の磁極をそれぞれ成す一対の突端部１０３ａ、１０３ｂを有した磁気発生手段１０３と、該磁気発生手段１０３と対向した固定側部材に配設され、磁気発生手段１０３からの磁気を検出する磁気検出センサ１０４ａ（磁気検出素子をアレイ状又は直線状に並べたもの）が形成されたセンサチップ１０４とから成る回転検出装置が提案されている。

そして、磁気発生手段１０３が回転側部材１０１と共に回転すると、当該磁気発生手段１０３から磁気検出センサ１０４ａに及ぼされる磁界の極性が切り替わるので、その位置に基づいて回転側部材１０１の回転角度を検出するよう構成されている。かかる回転検出装置によれば、例えば転がり軸受のサイズが小さい小径軸受においても回転検出装置の内蔵を容易にすることができる。尚、かかる先行技術は、文献公知発明に係るものでないため、記載すべき先行技術文献情報はない。

しかしながら、上記従来の回転検出装置においては、回転角度の検出を精度よく行うには、磁気検出センサに及ぼされる十分な強度の磁界と、磁界の極性が切り替わる位置の磁界変化が急峻であることが必要であるが、突端部１０３ａと１０３ｂとの離間寸法ｔが大きいと、磁界の極性が切り替わる位置の磁界変化が緩慢となってしまう虞があるとともに、当該離間寸法ｔが小さいと、磁界がショートしてしまい磁界強度が不十分となってしまう虞があるという問題があった。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、磁気発生手段から磁気検出センサに及ぼされる磁界強度を十分に維持するとともに、磁界の極性の切り替わり位置の磁界変化を急峻にして回転角度の検出精度を向上させることができる回転検出装置を提供することにある。

請求項１記載の発明は、回転側部材に配設され、Ｓ極及びＮ極の磁極をそれぞれ成す一対の突端部を有して当該回転側部材の回転中心回りの円周方向に対し異方性の磁気を生じる磁気発生手段と、該磁気発生手段と対向した固定側部材に配設され、当該磁気発生手段の磁気を検出する磁気検出センサとを具備し、前記磁気検出センサにより検出した磁気に基づき回転側部材の回転角度を検出するための回転検出装置において、前記一対の突端部の離間寸法は、０．５〜１．０ｍｍの範囲内とされ、且つ、前記磁気検出センサは、前記回転側部材の回転中心軸を矩形状に囲む４つの磁気ラインセンサから成るとともに、当該一対の突端部は、２分割された円筒形状とされ、当該円筒形状の先端面を前記磁気ラインセンサと対向させたことを特徴とする。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の回転検出装置において、前記円筒形状の先端面は、前記磁気ラインセンサと対向させた面積が略最小とされたことを特徴とする。

請求項３記載の発明は、請求項１又は請求項２記載の回転検出装置において、前記一対の突端部は、その離間部に非磁性体材料が充填されたことを特徴とする。

請求項４記載の発明は、請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載の回転検出装置において、前記一対の突端部は、２つのヨークから成り、該ヨークの間に永久磁石をそのＳ極及びＮ極と接触させつつ挟持させて前記磁気発生手段を構成したことを特徴とする。

請求項５記載の発明は、請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載の回転検出装置において、前記一対の突端部は、２つのヨークから成り、該ヨークの一方に永久磁石を配設するとともに、当該２つのヨークを磁性体にて連結して前記磁気発生手段を構成したことを特徴とする。

請求項１の発明によれば、一対の突端部の離間寸法が０．５〜１．０ｍｍの範囲内とされたので、磁気発生手段から磁気検出センサに及ぼされる磁界強度を十分に維持するとともに、磁界の極性の切り替わり位置の磁界変化を急峻にして回転角度の検出精度を向上させることができる。

また、磁気検出センサが回転側部材の回転中心軸を矩形状に囲む４つの磁気ラインセンサから成るとともに、一対の突端部が２分割された円筒形状とされ、当該円筒形状の先端面を磁気ラインセンサと対向させたので、断面矩形状の突端部を有したものに比べ、磁気検出センサ全体に略均一な磁界を印加することができ、磁界強度も十分確保することができる。

請求項２の発明によれば、円筒形状の先端面は磁気ラインセンサと対向させた面積が略最小とされたので、磁気発生手段からの磁界強度をより大きくすることができるとともに、磁界変化をより急峻とさせることができ、回転角度の検出精度を更に向上させることができる。

請求項３の発明によれば、一対の突端部の離間部に非磁性体材料が充填されたので、当該離間部に異物等が入り込んでしまうのを防止することができるとともに、所定に設定された離間寸法を長期に亘って維持することができる。

請求項４の発明によれば、一対の突端部が２つのヨークから成り、該ヨークの間に永久磁石をそのＳ極及びＮ極と接触させつつ挟持させて磁気発生手段を構成したので、回転検出装置の軸方向寸法が大きくなってしまうのを抑制することができ、且つ、磁気発生手段からの磁界強度を向上させるのが容易である。

請求項５の発明によれば、一対の突端部が２つのヨークから成り、該ヨークの一方に永久磁石を配設するとともに、当該２つのヨークを磁性体にて連結して磁気発生手段を構成したので、磁性体を薄いものとすることにより、回転検出装置の軸方向寸法を小さくすることができる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら具体的に説明する。
参考例に係る回転検出装置は、所定軸を中心として回転自在な回転側部材の固定側部材に対する回転角度を検出するためのもので、図１に示すように、軸Ｌを中心として回転自在な回転側部材１と、該回転側部材１に配設され、その回転中心である軸Ｌ周りの円周方向に対し異方性の磁気を生じる磁気発生手段３と、該磁気発生手段３と対向した固定側部材（不図示）に配設されたセンサチップ４と、該センサチップ４の表面に形成された磁気検出センサ５（磁気ラインセンサ）及び角度算出手段２とを有して構成されている。

磁気発生手段３は、Ｓ極及びＮ極の磁極をそれぞれ成す一対の突端部３ａ、３ｂを有しており、回転部材１と共に軸Ｌを中心として回転することにより、その円周方向に対して異方性の磁気を生じさせるものである。かかる磁気発生手段３は、回転側部材１と共に回転可能なように連結されており、当該磁気発生手段３からの磁界分布を検出して、その回転角度を検出すれば、固定側部材に対する回転側部材１の回転角度が検出できるようになっている。尚、この磁気発生手段３に代えて他の形態（例えば全体形状が略Ｕ字状に形成されたもの、或いは２本の棒状磁石を連結して構成しそれぞれの突端がＳ極及びＮ極の磁極を成す突端部を有したもの等）としてもよい。

センサチップ４は、半導体チップ（シリコンチップ）から成るもので、その表面（磁気発生手段３と対向する面）に磁気検出センサ５及び角度算出手段２が形成されている。かかるセンサチップ４の表面は、磁気発生手段２の突端部３ａ、３ｂと微小寸法離間しており、回転する磁気発生手段３とセンサチップ４との干渉を回避しつつ、磁気発生手段３と磁気検出センサ５とが極めて近接するよう構成されている。尚、センサチップ４の全体形状は、表面及び裏面が平坦なものであれば、矩形状のものの他、円筒状のもの等であってもよい。

磁気検出センサ５は、図２に示すように、磁気を検出し得る素子５ａがライン状（直線状）に配設された磁気ラインセンサから成るものであり、４つの磁気ラインセンサ列５Ａ〜５Ｄを磁気発生手段３の回転軸Ｌ周りに１周分矩形状に並べて構成されたものである。即ち、同図中２点鎖線で示すように、磁気発生手段３の突端部３ａ及び３ｂにおけるＳ極及びＮ極が成す磁界を、それらと対向した部位の素子５ａがそれぞれ検出し、その回転角度を検出し得るので、回転側部材１の回転角度を高精度に検出することができるよう構成されているのである。

角度算出手段２は、磁気検出センサ５により検出した磁気に基づき回転側部材１の回転角度を算出するためのもので、矩形状に並べられた４つの磁気ラインセンサ列５Ａ〜５Ｄに囲まれた部位に形成されている。このような構成とすることで、磁気検出センサ５及び角度算出手段２をコンパクトに配設させることができ、装置全体の小型化を図ることができる。より具体的には、角度算出手段２は、磁気検出センサ５と電気的に接続されており、該磁気検出センサ５から送られる電気信号に基づいてゼロクロス位置（磁気発生手段２のＳ極とＮ極との切り替わり部位）を求めるべく所定の演算を実行し、当該ゼロクロス位置から磁気発生手段２（即ち、固定側部材１）の回転角度を算出し得るよう構成されている。

ここで、磁気発生手段２のＳ極とＮ極との切り替わり部位となる一対の突端部３ａ及び３ｂにおける離間部の寸法（両部の離間寸法）ｔは、０．５〜１．０ｍｍの範囲内に設定されている。例えば、同様の形状の磁気発生手段２における突端部３ａ、３ｂの離間寸法ｔが０．３ｍｍ、０．５ｍｍ、１．０ｍｍ及び１．４ｍｍのものを用意し、それぞれのゼロクロス位置からの距離と磁束密度Ｂとの関係を求めたところ、図３に示すような結果となった。即ち、ｔ＝０．３ｍｍのもの（上記範囲より小さいもの）は、磁界変化が急峻であるものの磁界強度が不十分であり、ｔ＝１．４ｍｍのもの（上記範囲より大きいもの）は、磁界強度が十分であるものの磁界変化が緩慢である。従って、磁気発生手段３の突端部３ａ及び３ｂの離間寸法を０．５〜１．０ｍｍの範囲内とする回転検出装置によれば、磁気検出センサ５に及ぼされる磁界変化が急峻で、且つ、磁界強度が十分確保することができ、回転側部材１の回転角度を精度よく検出することができる。

次に、本発明に係る第１の実施形態について説明する。
本実施形態に係る回転検出装置は、図４及び図５で示すように、磁気発生手段３が磁性体から成る２つのヨーク６、及びこれらヨーク６にＳ極及びＮ極を接触させつつ挟持された永久磁石７を有し、当該ヨーク６の先端側（磁気検出センサ５と対向する側）にそれぞれ突端部６ａ、６ｂが形成されたものである。かかる突端部６ａ、６ｂは、２分割された円筒形状とされ、図６で示すように、当該円筒形状の先端面を磁気検出センサ５（具体的には磁気ラインセンサ）に対向させて構成されている。尚、突端部６ａ、６ｂの離間寸法ｔは、第１の実施形態と同様、０．５〜１．０ｍｍの範囲内とされている。

このように、一対の突端部６ａ及び６ｂが２分割された円筒形状とされ、当該円筒形状の先端面を磁気検出センサ５と対向させたので、参考例の如く断面矩形状の突端部を有したものに比べ、磁気検出センサ５全体に略均一な磁界を印加することができ、磁界強度も十分確保することができる。また、一対の突端部６ａ、６ｂが２つのヨーク６から成り、該ヨーク６の間に永久磁石７をそのＳ極及びＮ極と接触させつつ挟持させて磁気発生手段３を構成したので、回転検出装置の軸方向寸法が大きくなってしまうのを抑制することができ、且つ、磁気発生手段３の断面積（ヨーク６と接触する面積）を大きくすることにより磁界強度を向上させることができる。

また更に、図７に示すように、一対の突端部６ａ、６ｂの内径を磁気検出手段５の配設部位まで広げることにより、突端部６ａ、６ｂが成す円筒形状の先端面において、磁気検出センサ５と対向させた面積が略最小とするのが好ましい。即ち、図８に示すように、突端部６ａ、６ｂにおける先端面の面積が大きいものａ、小さいものｃ、その中間のものｂを用意して、それぞれの磁束密度Ｂを測定したところ、当該先端面の面積が小さいもの程、ゼロクロス位置（Ｚ１及びＺ２）における磁束密度Ｂの変化（磁界変化）が急峻であり、且つ、全体として磁束密度Ｂ（磁界強度）が大きいことが明らかであるため、本実施形態の如く、当該面積が最小とされた図７で示すものによれば、磁気発生手段３からの磁界強度をより大きくすることができるとともに、磁界変化をより急峻とさせることができ、回転角度の検出精度を更に向上させることができるのである。

次に、本発明に係る第２の実施形態について説明する。
本実施形態に係る回転検出装置は、図９で示すように、磁気発生手段３が磁性体から成る２つのヨーク６、及びこれらヨーク６の一方に永久磁石７を配設するとともに、２つのヨーク６（本実施形態においては一方のヨーク６に配設された永久磁石７と他方のヨーク）を磁性体８にて連結して構成されている。また、第２の実施形態と同様、ヨーク６の先端側（磁気検出センサ５と対向する側）にそれぞれ突端部６ａ、６ｂが形成されており、かかる突端部６ａ、６ｂは、２分割された円筒形状とされている。尚、突端部６ａ、６ｂの離間寸法ｔは、参考例及び先の実施形態と同様、０．５〜１．０ｍｍの範囲内とされている。

このように、一方のヨーク６に永久磁石７を配設して当該２つのヨーク６を磁性体８で連結したので、磁性体８を同図の如く薄いものとすることにより、回転検出装置の軸方向寸法を小さくすることができる。また、かかる実施形態によれば、磁性体８の裏面側（同図中下方）に別個の磁性体があったとしても、磁気発生手段３から磁気検出センサ５に及ぼされる磁界強度は影響されないので、回転検出装置における設計レイアウトの自由度が向上する。

次に、本発明に係る第３の実施形態について説明する。
本実施形態に係る回転検出装置は、図１０で示すように、磁気発生手段３が磁性体から成る２つのヨーク６、及びこれらヨーク６にＳ極及びＮ極を接触させつつ挟持された永久磁石７を有し、当該ヨーク６の先端側（磁気検出センサ５と対向する側）にそれぞれ突端部６ａ、６ｂが形成されたものである。かかる突端部６ａ、６ｂは、２分割された円筒形状とされ、第１の実施形態と同様、当該円筒形状の先端面を磁気検出センサ５（具体的には磁気ラインセンサ）に対向させて構成されている。尚、突端部６ａ、６ｂの離間寸法ｔは、参考例と同様、０．５〜１．０ｍｍの範囲内とされている。

ここで、本実施形態における突端部６ａ、６ｂにおける離間部には、非磁性体材料が充填されている。かかる非磁性体材料として、例えばアルミや銅又は非磁性ステンレス鋼等の金属であってもよく、或いは樹脂を成形したものであってもよい。この非磁性体材料が突端部６ａ、６ｂの離間部に介在することにより、当該離間部に異物等が入り込んでしまうのを防止することができるとともに、スペーサとして機能することにより離間寸法ｔを長期に亘って維持することができる。尚、充填される非磁性体材料として、所定の弾力を有するもの、或いは表面に接着性を有するものとしてもよい。

以上、第１〜第３の実施形態について説明したが、本発明はこれらに限定されず、例えば本発明を軸受に適用し、回転側部材を軸受の回転輪とするとともに固定側部材を軸受の静止輪とすることにより、当該回転輪の回転角度を検出するものとしてもよい。勿論、他の回転する部材の固定部材に対する回転角度を検出するものに適用することもできる。

磁気発生手段が有する一対の突端部の離間寸法が０．５〜１．０ｍｍの範囲内とされ、且つ、前記磁気検出センサは、回転側部材の回転中心軸を矩形状に囲む４つの磁気ラインセンサから成るとともに、当該一対の突端部は、２分割された円筒形状とされ、当該円筒形状の先端面を磁気ラインセンサと対向させた角度検出装置であれば、外観形状が異なるもの或いは他の機能が付加されたものに適用することができる。

参考例に係る回転検出装置を示す斜視図 同回転検出装置における磁気検出センサと突端部との位置関係を示す模式図 回転検出装置における突端部の離間寸法が異なるものの磁界強度（磁束密度Ｂ）を比較するためのグラフ 本発明の第１の実施形態に係る回転検出装置における磁気発生手段を示す側面模式図 同磁気発生手段を示す上面模式図 同回転検出装置における磁気検出センサと突端部との位置関係を示す模式図 同突端部における先端面を最小とした場合の当該突端部と磁気検出センサとの位置関係を示す模式図 同突端部における先端面の面積が異なるものの磁界強度（磁束密度Ｂ）を比較するためのグラフ 本発明の第２の実施形態に係る回転検出装置における磁気発生手段を示す上面模式図及び側面模式図 本発明の第３の実施形態に係る回転検出装置における磁気発生手段を示す上面模式図及び側面模式図 従来の回転検出装置における磁気発生手段及び磁気検出センサの構成を示す模式図

符号の説明

１ 回転側部材
２ 角度算出手段
３ 磁気発生手段
３ａ、３ｂ 突端部
４ センサチップ
５ 磁気検出センサ（磁気ラインセンサ）
６ ヨーク
６ａ、６ｂ 突端部
７ 永久磁石
８ 磁性体
９ 非磁性体材料

Claims (5)

1. 回転側部材に配設され、Ｓ極及びＮ極の磁極をそれぞれ成す一対の突端部を有して当該回転側部材の回転中心回りの円周方向に対し異方性の磁気を生じる磁気発生手段と、
   該磁気発生手段と対向した固定側部材に配設され、当該磁気発生手段の磁気を検出する磁気検出センサと、
   を具備し、前記磁気検出センサにより検出した磁気に基づき回転側部材の回転角度を検出するための回転検出装置において、
   前記一対の突端部の離間寸法は、０．５〜１．０ｍｍの範囲内とされ、且つ、前記磁気検出センサは、前記回転側部材の回転中心軸を矩形状に囲む４つの磁気ラインセンサから成るとともに、当該一対の突端部は、２分割された円筒形状とされ、当該円筒形状の先端面を前記磁気ラインセンサと対向させたことを特徴とする回転検出装置。
2. 前記円筒形状の先端面は、前記磁気ラインセンサと対向させた面積が略最小とされたことを特徴とする請求項１記載の回転検出装置。
3. 前記一対の突端部は、その離間部に非磁性体材料が充填されたことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の回転検出装置。
4. 前記一対の突端部は、２つのヨークから成り、該ヨークの間に永久磁石をそのＳ極及びＮ極と接触させつつ挟持させて前記磁気発生手段を構成したことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載の回転検出装置。
5. 前記一対の突端部は、２つのヨークから成り、該ヨークの一方に永久磁石を配設するとともに、当該２つのヨークを磁性体にて連結して前記磁気発生手段を構成したことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載の回転検出装置。

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