JP5006010B2 - 回転角度検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、回転体に対し非接触で磁気センサを配置することで回転角度を検出する回転角度検出装置に関する。

従来から、回転体の回転角度を検出する回転角度検出装置としては、磁気回路を構成するＮ極とＳ極の磁石を回転体と一体に回転するよう固定し、この磁石の磁気の強さを検出する磁気センサを磁石の近傍に配置することで、磁気センサに対して回転体が回転した角度を検出するように構成されたものが数多く知られており、例えば自動車エンジンや、ＤＣモータ等の種々の分野で利用されている。回転角度検出装置に用いられる磁気センサとしては、ホール素子が一般に知られている。

回転角度検出装置の従来例として、例えば特許文献１に記載のものがある。特許文献１に開示されている回転角度検出装置を図９に示す。同図に示す回転角度検出装置９００は、円板状に形成された磁石９０１が回転軸９０４に支持されており、この回転軸９０４を中心として、白抜き矢印で示す方向に回転可能に構成されている。

磁気センサ９０２および９０３は、共に等しい温度特性を有するホール素子であり、磁気センサ９０２と円板の中心Ｏを結ぶ直線と、磁気センサ９０３と中心Ｏを結ぶ直線とがなす角度が概ね９０度になるように配置されている。また、磁気センサ９０２および９０３は、磁石９００の外周の直下に配置されている。

上記のように構成された特許文献１に記載の回転角度検出装置９００では、センサ全体のサイズを従来に比べてより小さくでき、かつ性能の安定性が良い回転角度検出装置を提供することができるとしている。
特開２００３−７５１０８号公報

しかしながら、上記従来の回転角度検出装置では以下のような問題があった。測定対象である回転体に固定される磁石は、回転体に合わせて形状等を設計する必要があり、回転体が変わる度に磁石も設計し直さなければならないといった問題があった。また、磁石の形状が変わると、この磁石に着磁するための着磁機器もそれに合わせて作製し直さなければならないといった問題もあった。

さらに、回転体に固定される磁石で生成される磁界の強度は、少なくとも測定可能な程度以上に高くすることが要求されるため、磁石の厚さをある程度大きくする必要がある。上記のように、形状を回転体に合わせて決定されるとともに厚さもある程度大きなものが必要となることから、磁石の大きさをコンパクトにすることができず、コストもかかってしまうといった問題があった。

そこで、本発明はこれらの問題を解決するためになされたものであり、磁界を生成する磁石を測定対象の回転体によらず共通化できる回転角度検出装置を提供することを目的とする。

本発明の回転角度検出装置の第１の態様は、中心が回転体の回転軸上にあり、かつ前記回転軸と直交する面上に固定されて一体に回転する円筒形状に形成された異方性磁性体と、前記異方性磁性体を回転軸を通る直線上の前記円筒の側面の一部を内側と外側からＮ極とＳ極とで非接触に挟んで前記異方性磁性体の径方向に通過する磁束を生成する磁石と、前記異方性磁性体を径方向に通過する前記磁束の磁束密度、または前記磁束密度に相当する状態量を測定する磁気検出器と、前記磁気検出器の測定値をもとに前記回転体の回転角度を算出する回転角度算出部とを備え、前記磁石と前記磁気検出器とが所定の固定部に固定され、前記異方性磁性体が前記回転体と一体に回転したときの回転角度を、前記異方性磁性体を径方向に通過する前記磁束の変化から求めることを特徴とする。

本発明の回転角度検出装置の他の態様は、前記磁石が、前記円筒を挟むように形成されたヨークと、前記ヨークに捲きつけられたコイルからなる電磁石であって、前記磁気検出器が、前記コイルのインピーダンスを測定していることを特徴とする。

本発明の回転角度検出装置によれば、測定対象の回転体には異方性磁性体を固定し、磁界を生成する磁石は回転体以外の場所に固定するようにすることで、磁石を回転体によらず共通化するとともに、小型化及び低コスト化を実現することが可能となる。

本発明の好ましい実施の形態における回転角度検出装置について、図面を参照して詳細に説明する。なお、同一機能を有する各構成部については、図示及び説明簡略化のため、同一符号を付して示す。なお、本発明において磁束と磁力線は同義語として用いる。

本発明の第１の実施形態である回転角度検出装置を、図１を用いて説明する。図１は、本実施形態の回転角度検出装置１００を示す構造図であり、（ａ）は回転軸１４１に垂直な回転面を示す平面図を、（ｂ）は回転軸１４１を通る断面図を、それぞれ示す。回転角度検出装置１００は、回転体１４０と一体に回転するよう固定された異方性電磁体１１０と、回転体１４０に近接して非接触で設置された磁気センサ１２０及び磁石１３０から構成されている。

本実施形態の回転角度検出装置１００では、磁石１３０を回転体１４０に固定せず回転体１４０と非接触に近接して設置している。つまり、磁石１３０はヨーク１３２の両端に固定されており、ヨーク１３２は磁気センサ１２０とともに固定部（図示せず）に固定されている。磁石１３０のＮ極とＳ極は、異方性電磁体１１０を挟んで回転軸１４１を通る直線（直径）上の両側に配置されている。

本実施形態の回転角度検出装置１００は、回転体１４０には磁石１３０に代えて異方性電磁体１１０を固定しており、これが回転体１４０と一体に回転するよう構成している。異方性電磁体１１０とは、一定の方向のみに磁束を通すものであり、図１では、異方性電磁体１１０に付された横線が磁束を通す方向を示している。磁石１３０で生成された磁束は、異方性電磁体１１０及びヨーク１３２を通過する。異方性電磁体１１０として、例えば方向性電磁鋼板を用いることができる。方向性電磁鋼板は、鋼板の一定の方向のみに磁化されやすくなるような特性を有する鋼板であり、結晶を圧延方向に一方的に整列させるように調整して作製することができる。

磁気センサ１２０は、異方性電磁体１１０を挟んで磁石１３０のＮ極とＳ極との間に生成される磁束密度を測定するために、異方性磁性体１１０と磁石１３０のＳ極との間に設置している。本実施形態の回転角度検出装置１００では、磁石１３０のＮ極とＳ極を固定するヨーク１３２及び磁気センサ１２０を固定部に固定して設置することが可能となることから、磁石１３０で形成される磁束密度を磁気センサ１２０で安定的に測定することが可能となる。そして、回転体１４０の回転角度は、回転体１４０に固定された異方性磁性体１１０の方向によって変化する磁束密度の変化を測定することで検知することが可能となる。

なお図１では、磁気センサ１２０を異方性磁性体１１０と磁石１３０のＳ極との間に設置しているが、これを異方性磁性体１１０と磁石１３０のＮ極との間に設置してもよい。いずれの場合でも、図１（ｂ）に示すように磁石１３０のＮ極とＳ極、異方性電磁体１１０の断面、及び磁気センサ１２０が１直線状に並ぶように配置することで、異方性磁性体１１０の回転方向、すなわち回転体１４０の回転角度を測定することが可能となる。

図１（ａ）では、異方性電磁体１１０が磁石１３０で生成される磁束を最も通しやすい方向を向いており、このとき磁気センサ１２０の出力は最大となる。この状態から回転体１４０とともに異方性磁性体１１０を回転させるにつれて、異方性電磁体１１０を通る磁束密度が低下し、それとともに磁気センサ１２０の出力も低下していく。

回転体１４０及び異方性磁性体１１０が９０度回転した図２の状態において、異方性磁性体１１０は磁束を最も通さなくなるため、磁気センサ１２０の出力も最小となる。回転体１４０及び異方性磁性体１１０をさらに回転させていくと、異方性磁性体１１０は再び磁束を徐々に通すようになり、１８０度回転させたときに図１（ａ）の状態と同様に磁束を最も通すようになる。

回転体１４０及び異方性磁性体１１０を図１（ａ）の状態から１回転させたときの磁気センサ１２０の出力の変化の例を図３に示す。同図に示すように、磁気センサ１２０の出力は、回転角度０度から１８０度までを１サイクルとして周期的な変化を示す。従って、磁気センサ１２０の出力をもとに、回転角度０度から１８０度までの範囲で回転体１４０の回転角度を検知することが可能となる。

本実施形態の回転角度検出装置１００に用いる磁気センサ１２０として、例えばホール素子を使用することができる。ホール素子は、半導体のホール効果を利用した磁気センサであって、磁気を電気に直接変換することができる。図４に示すように、ホール素子１２１に一定の電流１２２を流した状態でホール素子１２１に磁界が加わると、ホール端子１２１にホール電圧が発生する。これを増幅器１２３で増幅したものを磁気センサ１２０の出力としている。磁気センサ１２０の出力は、さらに回転角度算出部１２４で回転角度に変換される。

上記で説明した通り、本実施形態の回転角度検出装置１００では、回転角度を測定する対象の回転体１４０には異方性磁性体１１０のみを固定し、磁束を生成する磁石１３０とこれを固定しているヨーク１３１、及び測定手段の磁気センサ１２０は、固定部に固定して設置することが可能となっている。そのため、磁石１３０を回転体１４０の形状等に合わせて変更する必要がなくなり、これを共通化して用いるようにすることが可能となる。特に、磁石１３０をコンパクトにして用いることができることから、コストの低減化を実現することが可能となる。

また、回転体１４０に固定される異方性磁性体１１０として方向性電磁鋼板を用いた場合は、これを極めて薄くコンパクトにすることが可能となる。本実施形態の回転角度検出装置１００では、回転体１４０の形状等に合わせて変更する必要があるのは、異方性磁性体１１０としての方向性電磁鋼板だけであり、コストの低減化を実現することができる。

本発明の第２の実施形態である回転角度検出装置を、図５を用いて説明する。図５は、本実施形態の回転角度検出装置２００を示す構造図であり、（ａ）は回転軸１４１に垂直な回転面を示す平面図を、（ｂ）は回転軸１４１を通る断面図を、それぞれ示す。本実施形態では、異方性磁性体２１０を回転体１４０の周縁部のみに設置するようにしており、この異方性磁性体２１０を挟んで磁石２３０のＮ極とＳ極とをヨーク２３１に固定して配置している。磁石２３０で生成された磁束は、異方性磁性体２１０及びヨーク２３１を通過する。

異方性磁性体２１０は、回転体１４０の回転面全面に設ける必要はなく、周縁部等の一部のみに設けてもよい。本実施形態では、異方性磁性体２１０を回転体１４０の周縁部のみに設けることにより、磁石２３０のＮ極とＳ極とを接近させて設置することが可能となっている。これにより、磁石２３０及びヨーク２３１をさらに小型化しても磁気センサ２２０で十分検知できるようになる。

上記の通り、本実施形態の回転角度検出装置２００では、異方性磁性体２１０を回転体１４０の回転面の一部のみに設置するようにしたことで、異方性磁性体２１０の必要量が少なくて済み、低コスト化と軽量化を実現することができる。また、磁石２３０のＮ極とＳ極とを接近させて設置することが可能となることから、磁石２３０及びヨーク２３１をさらに小型・軽量化してコストを低減することが可能となる。

本発明の第３の実施形態である回転角度検出装置を、図６を用いて説明する。図６は、本実施形態の回転角度検出装置３００を示す構造図であり、（ａ）は回転軸１４１に垂直な回転面を示す平面図を、（ｂ）は回転軸１４１を通る断面図を、それぞれ示す。

本実施形態でも、異方性磁性体３１０を第２の実施形態と同様に回転体１４０の周縁部のみに設置している。本実施形態では、永久磁石に代えてヨーク３３２にコイル３３１を巻きつけた電磁石３３０を用いるのを特徴としている。ヨーク３３２は、コの字の形状に形成されて異方性磁性体３１０を挟むように設置される。ヨーク３３２に捲きつけられたコイル３３１に交流電流を流すと、電磁石３３０は磁束３３３を発生させて異方性磁性体３１０を通過させる。

上記のように構成された電磁石３３０では、ヨーク３３２の間に位置する異方性磁性体３１０が磁束を通しやすい方向を向いているか否かによって、コイル３３１のインピーダンスが変化する。すなわち、図６に示すように、ヨーク３３２の間に位置する異方性磁性体３１０が磁束を最も通しやすい方向に向いているときには、コイル３３１のインピーダンスが最小となり、この状態から回転体１４０及び異方性磁性体３１０を回転させるにつれてインピーダンスが大きくなっていく。そして、異方性磁性体３１０が９０度回転したときに、インピーダンスが最大となる。すなわち、この状態では電磁石３３０で発生された磁束が異方性磁性体３１０を最も通過しにくくなり、その結果コイル３３１のインピーダンスが最大となる。

電磁石３３０を用いて回転体１４０の回転角度を測定するための測定回路を図７に示す。上記説明の通り、電磁石３３０を形成するコイル３３１のインピーダンスが、ヨーク３３２の間に位置する異方性磁性体３１０の磁束を通しやすい方向によって変化することから、図７に示す測定回路では、コイル３３１のインピーダンスを測定し、これを変換回路３３６で回転角度に変換するよう構成している。

図７に示す測定回路では、コイル３３１に交流電流３３４を流しておき、コイル３３１のインピーダンスをインピーダンス検出回路３３５で検出している。検出されたインピーダンスは変換回路３３６に入力され、ここでインピーダンスから回転角度に変換される。回転角度によってインピーダンスが変化する例を図８に示す。この測定回路においても、回転角度が０度から１８０度までを１周期として、インピーダンスが周期的に変化することが示されている。変換回路３３６では、図８に示すような関係を用いてインピーダンスを回転角度に変換している。

上記のように、本実施形態の回転角度検出装置３００では、第２の実施形態と同様に、異方性磁性体３１０を回転体１４０の回転面の一部のみに設置するようにしたことで、使用する異方性磁性体３１０の量が少なくて済み、低コスト化と軽量化を実現することができる。

これに加えて本実施形態では、永久磁石に代えて電磁石３３０を用いるように構成したことにより、コイル３３１のインピーダンスを測定することで回転体１４０の回転角度を検出することが可能となっている。その結果、ホール素子等の磁気センサを用いる必要がなくなり、低コスト化を実現することが可能となっている。

なお、本実施の形態における記述は、本発明に係る回転角度検出装置の一例を示すものであり、これに限定されるものではない。本実施の形態における回転角度検出装置の細部構成及び詳細な動作等に関しては、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

本発明の第１の実施形態に係る回転角度検出装置を示す構造図である。 磁束を最も通さない状態のときの異方性磁性体の向きを示す図である。 回転角度と磁気センサの出力との関係を示すグラフである。 磁気センサの構成を示すブロック図である。 本発明の第２の実施形態に係る回転角度検出装置を示す構造図である。 本発明の第３の実施形態に係る回転角度検出装置を示す構造図である。示す。 電磁石により回転角度を測定する測定回路のブロック図である。 回転角度とインピーダンスとの関係を示すグラフである。 従来の回転角度検出装置の構成を示すブロック図である。

符号の説明

１００、２００、３００，９００ 回転角度検出装置
１１０、２１０、３１０ 異方性磁性体
１２０、２２０、９０２、９０３ 磁気センサ
１２１ ホール素子
１２２ 定電流
１２３ 増幅器
１２４ 回転角度算出部
１３０、２３０ 磁石
１３１、２３１、３３２ ヨーク
１３２、２３２、３３３ 磁束（磁力線）
１４０ 回転体
１４１ 回転軸
３３０ 電磁石
３３１ コイル
３３４ 交流電流
３３５ インピーダンス検出回路
３３６ 変換回路
９０１ 磁石
９０４ 回転軸

Claims (2)

1. 中心が回転体の回転軸上にあり、かつ前記回転軸と直交する面上に固定されて一体に回転する円筒形状に形成された異方性磁性体と、
   前記異方性磁性体を回転軸を通る直線上の前記円筒の側面の一部を内側と外側からＮ極とＳ極とで非接触に挟んで前記異方性磁性体の径方向に通過する磁束を生成する磁石と、
   前記異方性磁性体を径方向に通過する前記磁束の磁束密度、または前記磁束密度に相当する状態量を測定する磁気検出器と、
   前記磁気検出器の測定値をもとに前記回転体の回転角度を算出する回転角度算出部とを備え、
   前記磁石と前記磁気検出器とが所定の固定部に固定され、前記異方性磁性体が前記回転体と一体に回転したときの回転角度を、前記異方性磁性体を径方向に通過する前記磁束の変化から求める
   ことを特徴とする回転角度検出装置。
2. 前記磁石は、前記円筒を挟むように形成されたヨークと、前記ヨークに捲きつけられたコイルからなる電磁石であって、
   前記磁気検出器は、前記コイルのインピーダンスを測定している
   ことを特徴とする請求項１に記載の回転角度検出装置。

Images