JP4941707B2 - 角度検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、Ｎ極性を有するＮ極領域及びＳ極性を有するＳ極領域が回転中心の周りに交互に配置された回転部材と、磁場の向き及び強さを検出するセンサ素子とを備え、回転部材の回転角度を算出する角度検出装置に関する。

この種の角度検出装置は、回転軸部材が貫通可能なことが構造の特徴であり、例えば自動車の操舵角センサや変速機のシフト位置センサなど様々な用途に用いられている。
従来、この種の角度検出装置として、種々のものが提案されている。例えば、特許文献１には、ホール素子などの磁場の強度を検出可能なセンサ素子と、Ｎ極領域及びＳ極領域を設けた回転部材とを備えた技術が開示されている。
この角度検出装置は、センサ素子が、回転部材の回転に伴う磁場の強度の変化を検出することにより角度を検出する。

特許第２８４２４８２号公報（［請求項１］及び明細書６欄５０行目〜７欄１８行目）

特許文献１に記載の角度検出装置では、センサ素子が、回転部材の回転に伴う磁場の強度の変化を検出することにより角度を検出する。このため、例えば、回転部材の回転軸のふれなどによる回転部材とセンサ素子との距離の変化や、磁性体の温度変化や経時劣化による磁場の強度の変化のために、正確な角度を検出できない場合があった。また、回転部材以外の外部磁場の影響により、磁場の強度が変化して正確な角度を検出できない場合があった。

本発明は、上述の問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、磁場の変動の影響を受けにくく、正確な角度を検出することができる角度検出装置を提供することにある。

本発明の第１特徴構成は、Ｎ極性を有するＮ極領域及びＳ極性を有するＳ極領域が回転中心の周りに交互に所定ピッチで配置された回転部材と、
前記回転中心の周りに、周方向に沿って前記所定ピッチの１／２倍であって２２．５°の間隔で配置され、前記Ｎ極領域及び前記Ｓ極領域が形成する磁場の向きを検出する第１センサ素子及び第２センサ素子と、
前記回転部材の回転に際し、前記第１センサ素子および前記第２センサ素子の検出結果の平均や和に基づいて、前記第１センサ素子および前記第２センサ素子に対する前記回転部材の径方向位置及びスラスト方向位置の変化による磁場の変動を補正し、前記回転部材の回転角度を算出する演算手段とを備えた点にある。

本構成により、第１センサ素子および第２センサ素子に対する回転部材の径方向位置及びスラスト方向位置の変化による磁場の変動が生じても、演算手段が、第１センサ素子及び第２センサ素子の検出結果の平均や和をとることで磁場の変動を補正し、回転角度を算出する。この結果、磁場の変動の影響を受けにくく、正確な回転角度を検出することができる角度検出装置を得ることができる。

また、回転部材とセンサ素子との径方向における距離が変化したときの磁場の変動量は、回転部材の周方向に沿って、前記所定ピッチの周期で、周期的に変化する。また、回転部材とセンサ素子との回転部材の厚さ方向における距離が変化したときの磁場の変動量についても、同様に前記所定ピッチの周期で、周期的に変化する。
このため、第１センサ素子と第２センサ素子とを、前記所定ピッチの１／２倍であって２２．５°の間隔で配置することにより、前記距離の変化に伴う検出結果の変動が、第１センサ素子と第２センサ素子とで反対になる。
したがって、第１センサ素子及び第２センサ素子の検出結果に基づき、例えば双方の検出結果の和や平均をとることで、検出結果の変動を低減することができる。この結果、回転軸のふれによる磁場の変動を容易に補正して、正確な角度を算出することができる。

以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。
（角度検出装置の概要）
図１に示すように、本発明に係る角度検出装置６は、被検出物３である回転軸３１に一体回転可能に取り付けられる回転部材１と、回転部材１の周方向に沿って、固定側の部材５に固定された二つのセンサ素子２（第１センサ素子２１及び第２センサ素子２２）とを備える。
回転部材１は、例えばリング状の磁性体であり、Ｎ極性を有するＮ極領域Ｎ及びＳ極性を有するＳ極領域Ｓが回転軸３１の周りに所定ピッチで交互に配置されている。具体的には、Ｎ極領域Ｎ及びＳ極領域Ｓは、径（ラジアル）方向の異方性を付与されて表面磁束密度がステップ的に変化するように着磁されたものであってもよく、外周側面の表面磁束密度が概ね正弦波的に分布するような着磁であってもよい。
第１センサ素子２１及び第２センサ素子２２は、例えばホールＩＣなどの前記回転部材１からの磁場の向き及び強さを検出可能な素子で構成されている。具体的には、例えばＭｅｌｅｘｉｓ社のＭＬＸ９０３１６などの磁場検出素子が挙げられる。この磁場検出素子は直交する２方向の磁場強度を検出し、この２方向の磁場強度の比に基づいて磁場の向き
を検出する。２方向の磁場強度の比に基づいて磁場の向きを検出するので、磁場強度の変動による影響をキャンセルすることができる。

回転軸３１が回転すると回転軸３１に一体的に固定された回転部材１も連動して回転する。回転部材１が回転すると、周方向におけるＮ極領域Ｎ及びＳ極領域Ｓと第１センサ素子２１及び第２センサ素子２２との周方向における相対位置が変化する。このため、第１センサ素子２１及び第２センサ素子２２を通過する磁場の向きが周期的に変化する。演算手段４が、この第１センサ素子２１及び第２センサ素子２２の検出結果に基づいて被検出物３である回転軸３１の固定側の部材５に対する回転角度を算出する。

ところで、この種の角度検出装置６では、例えば回転軸３１のふれのために回転部材１とセンサ素子２との回転部材１の径方向における相対位置（以下、「径方向位置」と称する）や回転部材１の厚さ方向における相対位置（以下、「スラスト方向位置」と称する）が変化する場合がある。また、角度検出装置６に回転部材１以外からの外部磁場が印加される場合がある。これらの影響により、第１センサ素子２１及び第２センサ素子２２の近傍での磁場が変動する。
演算手段４は、上述の磁場の変動に対して、第１センサ素子２１の検出結果の変動及び第２センサ素子２２の検出結果の変動に基づいて、磁場の変動による検出結果の変動を補正し、回転部材１の回転角度を算出する。

（回転部材及び各センサ素子の配置）
図２は、本発明に係る回転部材１及び、各センサ素子２の配置の一例を示す図である。
回転部材１には、Ｎ極領域Ｎ及びＳ極領域Ｓが回転中心Ｃの周りに所定の配置ピッチαで交互に配置してある。図２においてはα＝４５°であり、Ｎ極領域ＮとＳ極領域Ｓとが交互に４つずつ設けてある。
回転部材１の外周側には、第１センサ素子２１及び第２センサ素子２２が、前記回転部材１の周方向に沿ってＮ極領域Ｎ及びＳ極領域Ｓの配置ピッチαの（１／２＋整数）倍の間隔で配置してある。図２においては、前記配置ピッチαの１／２倍の間隔（すなわち、２２．５°）で配置してある。

図３は、回転部材１からの径方向における距離が変化した場合の回転部材の周方向の各位置における磁場の向きの変動量を示すグラフである。径方向のある位置（「適正位置」と称する）から径方向に移動（近接、或いは近接）したときの適正位置における磁場の向きに対する移動後の位置における磁場の向きの変動量を、有限要素法によるシミュレーションにより算出した。なお、シミュレーションで用いたモデルにおいて、回転部材１は外径２０ｍｍ（半径１０ｍｍ）、内径１６ｍｍ（半径８ｍｍ）、厚さ５ｍｍのリング状磁石であり、Ｎ極領域ＮとＳ極領域Ｓが等ピッチで交互に４つずつ設けられ、各々の磁極領域は径(ラジアル)方向の異方性を付与されて着磁されたものを前提とした。また、前記適正位置は、回転中心Ｃから半径１５ｍｍ、回転部材１の厚さ方向の回転部材１の中央部の位置とした。
グラフ中の黒丸印は、適正位置より、回転部材１に近接した場合（前記半径が１４ｍｍの位置に移動した場合）の結果を示す。また、白丸印は、適正位置より、回転部材１から離間した場合（前記半径が１６ｍｍの位置に移動した場合）の結果を示す。
図３に示すように、何れの場合においても、変動量は回転部材の周方向における位置に応じて周期的に変化し、その周期は４５°（すなわち、ピッチα）であった。また、２２．５°（すなわち、αの１／２倍）の間隔をおいた２位置における変動量の絶対値が概ね等しく、符号が反対になった。
このため、第１センサ素子２１及び第２センサ素子２２をピッチαの（１／２+整数）
倍の間隔で配置することにより、回転部材１と第１センサ素子２１及び第２センサ素子２２との径方向位置の変化に伴う磁場の変動が反対になる。

また、図４は、回転部材１からのスラスト方向位置が変化した場合の回転部材の周方向の各位置における磁場の向きの変動量を示すグラフである。ある位置（「適正位置」と称する）からスラスト方向に移動したときの適正位置における磁場の向きに対する移動後の位置における磁場の向きの変動量を、有限要素法によるシミュレーションにより算出した。
図４に示すように、変動量は回転部材の周方向における位置に応じて周期的に変化し、その周期は４５°（すなわち、ピッチα）であった。また、２２．５°（すなわち、αの１／２倍）の間隔をおいた２位置における変動量の絶対値が概ね等しく、符号が反対になった。
このため、第１センサ素子２１及び第２センサ素子をピッチαの（１／２+整数）倍の
間隔で配置することにより、回転部材１と第１センサ素子２１及び第２センサ素子２２とのスラスト方向位置の変化に伴う磁場の変動が反対になる。

上述のように、第１センサ素子２１及び第２センサ素子２２とをピッチαの（１／２+
整数）倍の間隔で配置することにより、径方向位置の変化及びスラスト方向位置の変化による磁場の変動が反対になる。
このため、例えば第１センサ素子２１及び第２センサ素子２２の検出結果の平均や和に基づいて、径方向位置及びスラスト方向位置の変化による磁場の変動の影響を低減することができる。
したがって、回転軸３１のふれによる磁場の変動を容易に補正することができる。この結果、回転軸３１のふれによる磁場の変動の影響を受けにくく、正確な回転角度を検出できる角度検出装置を得ることができる。

［別実施形態１］
図５は、第１センサ素子２１及び第２センサ素子２２の別の配置例を示す図である。回転部材１には、Ｎ極領域Ｎ及びＳ極領域Ｓが回転中心Ｃの周りに所定ピッチで交互に配置してある。図５においてはα＝４５°であり、Ｎ極領域ＮとＳ極領域Ｓとが交互に４つずつ設けてある。
回転部材１の外周側には、第１センサ素子２１及び第２センサ素子２２が、前記回転部材１の回転中心Ｃを挟んで対向する位置（すなわち、１８０°のピッチ）に配置してある。

上述の構成により、各センサ素子２１，２２の位置を結ぶ線分を想定した場合の垂線の方向（図５のＹ軸方向）に、回転部材１が移動した際の、第１センサ素子２１と回転部材１との相対位置の変化と、第２センサ素子２２と回転部材１との相対位置の変化とが、磁場の向きに関係なく反対になる。このため、検出結果の変動も、第１センサ素子２１と第２センサ素子２２とで反対になる。
したがって、第１センサ素子及び第２センサ素子の検出結果に基づき、例えば双方の検出結果の和や平均をとることで、検出結果の変動を低減することができる。この結果、回転軸３１のふれによる磁場の変動を容易に補正することができ、正確な回転角度を算出することができる。

［別実施形態２］
図６は、第１センサ素子２１及び第２センサ素子２２の別の配置例を示す図である。回転部材１には、Ｎ極領域Ｎ及びＳ極領域Ｓが回転中心Ｃの周りに所定ピッチで交互に配置してある。図６においてはα＝４５°であり、Ｎ極領域ＮとＳ極領域Ｓとが交互に４つずつ設けてある。
回転部材１の外周側には、第１センサ素子２１及び第２センサ素子２２が、前記第１センサ素子２１の位置における前記磁場の向きと、第２センサ素子２２の位置における前記
磁場の向きとが１８０°異なるように配置してある。具体的には、本実施形態の回転部材１において、第１センサ素子２１と第２センサ素子２２を最も近接させて配置する場合、各センサ素子間の間隔を約３４°異なるように配置すると、磁場の向きが１８０°異なることとなる。

図７において、例えば図中の上向きの外部磁場Ｇが生じたとする。第１センサ素子２１が検出する磁場Ｗは、回転部材１からの磁場Ｂと外部磁場Ｇとの和である磁場Ｗでる。回転部材１からの磁場Ｂと比較した変動量は+θである。
一方、第２センサ素子２２が検出する磁場は、回転部材１からの磁場Ｂ’と外部磁場Ｇとの和である磁場Ｗ’である。回転部材１からの磁場Ｂ’と比較した変動量は-θである
。

上述のように、Ｎ極領域Ｎ及びＳ極領域Ｓ以外からの外部磁場Ｇの影響を受けた場合であっても、外部磁場Ｇの影響による磁場の変動量が、第１センサ素子２１と第２センサ素子２２とで反対になる。このため、例えば第１センサ素子２１及び第２センサ素子２２の検出結果の平均や和に基づいて、前記外部磁場Ｇの影響を低減することができる。この結果、外部磁場の影響による磁場の変動を容易に補正することができ、正確な回転角度を算出することができる。

［別実施形態３］
図８は、回転部材１のＮ極領域Ｎ及びＳ極領域Ｓ、及び各センサ素子２の別の配置例を示す図である。
回転部材１には、Ｎ極領域Ｎ及びＳ極領域Ｓが回転中心Ｃの周りに交互に配置してある。図８において、軸線Ｙから右側の領域と左側の領域とで、Ｎ極領域ＮとＳ極領域Ｓとが非対称に設けてある。
回転部材１の外周側には、第１センサ素子２１及び第２センサ素子２２が、前記回転部材１の回転中心Ｃを挟んで対向する位置（すなわち、１８０°のピッチ）に配置してある。また、初期位置において、第１センサ素子２１が回転部材１の回転中心ＣとＮ極領域Ｎの中央部との延長線上に位置し、第二センサが前記回転中心ＣとＮ極領域Ｎ及びＳ極領域Ｓの境界部分との延長線上に位置するよう、Ｎ極領域Ｎ及びＳ極領域Ｓが配設されている。

上述の構成により、第１センサ素子２１及び第２センサ素子２２が、前記配置ピッチαの（１/２＋整数）倍のピッチで配置してある場合と同様の効果が得られる。すなわち、
第１センサ素子２１及び第２センサ素子２２に対する径方向位置やスラスト方向位置が変化した場合の磁場の変動が、第１センサ素子２１及び第２センサ素子２２で反対になる。このため、例えば、第１センサ素子２１及び第２センサ素子２２の検出結果の和や平均に基づいて角度を検出することにより、変動の影響を低減することができる。

また、回転部材１の外周側には、第１センサ素子２１及び第２センサ素子２２が、前記回転部材１の回転中心Ｃを挟んで対向する位置（すなわち、１８０°のピッチ）に配置してある。このため、上述の別実施形態１と同様に、各センサ素子２１，２２の位置を結ぶ線分を想定した場合の垂線の方向に、回転部材１が移動した際の磁場の変動を低減することができる。
この結果、回転軸３のふれによる磁場の変動を容易に補正することができ、正確な回転角度を算出することができる。

［別実施形態４］
図９は、第１センサ素子２１及び第２センサ素子２２の別の配置例を示す図である。
回転部材１には、Ｎ極領域Ｎ及びＳ極領域Ｓが回転中心Ｃの周りに所定の配置ピッチα
で交互に配置してある。図９においてはα＝３６°であり、Ｎ極領域ＮとＳ極領域Ｓとが交互に５つずつ設けてある。
回転部材１の外周側には、第１センサ素子２１及び第２センサ素子２２が、転部材１の周方向に沿って９０°の間隔で配置してある。

Ｎ極領域Ｎ及びＳ極領域Ｓと第１センサ素子２１及び第２センサ素子２２とを上述のように配置することにより、回転部材１の周方向に沿ってＮ極領域Ｎ及びＳ極領域Ｓの配置ピッチαの（１／２＋２）倍のピッチで配置されることとなる。また、第１センサ素子２１の位置における前記磁場の向きと、第２センサ素子２２の位置における前記磁場の向きとが１８０°異なることとなる。
このため、回転軸のふれによる磁場の変動及び外部磁場の影響による磁場の変動の両方の補正を容易に行うことができる。

［別実施形態５］
回転部材１は、上述の構成に限るものではなく、例えば磁性体のリング部材の一部にＮ極領域Ｎ及びＳ極領域Ｓを交互に設けたものや、円筒形のヨークの周方向に設けられた磁性体保持空間に、磁性体を保持して、Ｎ極領域Ｎ及びＳ極領域Ｓを設けたものであってもよい。
また、第１センサ素子２１及び第２センサ素子２２を回転部材１の外周に配置する例を示したが、上述の構成に限られるものではない。例えば、双方のセンサ素子２１，２２を、回転部材１の内周側若しくは同径でスラスト方向に配置するなど、上述以外の構成であってもよい。

［別実施形態６］
上述の実施形態において、角度検出装置はセンサ素子を二つ備えている。しかし、センサ素子の個数は二つに限られるものではない。回転部材１の周方向に沿って、三つ以上のセンサ素子を備えてもよい。このようにすることにより、被検出物３の特性などに応じて選択された二つのセンサ素子２を第１センサ素子２１及び第２センサ素子２２として角度を検出することができる。

本発明に係る角度検出装置の一例を示す図 角度検出装置のセンサ素子の配置例を示す図 径方向位置を変化させた場合のシミュレーション結果のグラフ スラスト方向位置を変化させた場合のシミュレーション結果のグラフ 角度検出装置のセンサ素子の別の配置例を示す図 角度検出装置のセンサ素子の別の配置例を示す図 外部磁場の影響による磁場の変動を補正する原理を示す図 角度検出装置のセンサ素子の別の配置例を示す図 角度検出装置のセンサ素子の別の配置例を示す図

１ 回転部材
２ センサ素子
４ 演算手段
２１ 第１センサ素子
２２ 第２センサ素子
６ 角度検出装置
Ｃ 回転中心
Ｎ Ｎ極領域
Ｓ Ｓ極領域
α 所定ピッチ（配置ピッチ）

Claims (1)

1. Ｎ極性を有するＮ極領域及びＳ極性を有するＳ極領域が回転中心の周りに交互に所定ピッチで配置された回転部材と、
   前記回転中心の周りに、周方向に沿って前記所定ピッチの１／２倍であって２２．５°の間隔で配置され、前記Ｎ極領域及び前記Ｓ極領域が形成する磁場の向きを検出する第１センサ素子及び第２センサ素子と、
   前記回転部材の回転に際し、前記第１センサ素子および前記第２センサ素子の検出結果の平均や和に基づいて、前記第１センサ素子および前記第２センサ素子に対する前記回転部材の径方向位置及びスラスト方向位置の変化による磁場の変動を補正し、前記回転部材の回転角度を算出する演算手段とを備えた角度検出装置。

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