JP5359970B2 - 回転角検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、回転角検出装置に関する。

従来、例えばエンジンのスロットル装置に用いられ、相対回転するステータとロータとの回転角を検出することで、ロータと共に回転するスロットル弁の開度を検出する回転角検出装置が公知である。
特許文献１の回転角検出装置は、筒状に形成され、径方向外側の一方の外壁にＮ極が着磁され径方向外側の他方の外壁にＳ極が着磁されたロータ、このロータの径方向外側に設けられた磁性体からなる環状のステータ、及びステータの周方向の一部に形成された磁気ギャップに磁気検出素子を備える。着磁されたロータ、及びステータにより磁気回路が形成され、この磁気回路をロータのＮ極、ステータ、ロータのＳ極の順に磁束が流れる。ステータの磁気ギャップを周方向に通る磁束密度に応じた電圧信号を磁気検出素子が出力することで、ステータとロータとの相対する回転角が検出される。
この回転角検出装置では、回転軸を挟んで磁気検出素子と反対側に形成されたステータの凹部に感温磁性材が取り付けられている。温度変化に伴う感温磁性材の透磁率の変化により、磁気回路を流れる磁束の量を変化させることで、着磁されたロータの温度特性による磁束密度の変化を補償している。

特許文献２の回転角検出装置は、円柱状に形成された磁性体からなるロータ、このロータの径方向外側に設けられた磁性体からなる環状のステータ、このステータの周方向の一部に設けられた磁石、及びステータとロータとの間の磁気ギャップに設けられ、ロータと共に回転する磁気検出素子を備える。磁石、ステータ及びロータにより磁気回路が形成され、この磁気回路を磁石のＮ極、ステータ、ロータ、磁石のＳ極の順に磁束が流れる。ステータとロータとの間の磁気ギャップを径方向に通る磁束密度に応じた電圧信号を磁気検出素子が出力することで、ステータとロータとの相対する回転角が検出される。
この回転角検出装置では、ステータの径外側に感温磁性材からなる磁気シールド部材が取り付けられている。温度変化に伴う磁気シールド部材の透磁率の変化により、磁気回路を流れる磁束の量を変化させることで、温度特性による磁石の磁束密度の変化を補償している。

特開平９−１４９０８ 特開平２−２４０５１３

しかしながら、一般に、感温磁性材は、適用温度が２０〜６０℃であり、その範囲が４０℃程度と小さいので、特許文献１及び２の回転角検出装置は、その適用温度範囲外で磁石の温度特性を補償することが困難である。
また、感温磁性材は、飽和磁束密度が２０℃で０．６Ｔ程度であるので、これをステータ又はロータの一部に組み込むと、磁気回路に流れる最大磁束を制約するおそれがある。このような回転角検出装置は、外乱磁界の影響が大きくなり、ＳＮ比が悪化することが懸念される。一方、ステータ又はロータの一部に感温磁性材を組み込んだ状態で磁気回路に流れる磁束を増やすには、回転角検出装置の体格が大きくなることが懸念される。
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、磁石の温度特性を補償することで検出精度を高めることの可能な回転角検出装置を提供することにある。

請求項１に係る発明によると、回転検出装置は、磁性体から形成されるステータと、磁性体から形成されると共に被検出物の回転に応じてステータと相対回転可能に設けられるロータと、ロータに固定されているメイン磁石と、ステータの内部に形成されたギャップ部に配置され、メイン磁石により発生したギャップ部を通過する磁束密度に応じた信号を出力する磁気検出素子とを備え、磁気検出素子の出力信号に基づいて被検出物の回転角を検出する。
この回転検出装置は、ロータと共に回転するサブ磁石を備える。このサブ磁石はメイン磁石により発生したギャップ部を通過する磁束に対して逆方向に流れる磁束を発生することを特徴とする。また、サブ磁石がギャップ部に発生させる磁束密度は、メイン磁石がギャップ部に発生させる磁束密度より小さく、サブ磁石の温度係数は、メイン磁石の温度係数より大きいことを特徴とする。
このため、サブ磁石とメイン磁石とが所定範囲内で温度変化するとき、サブ磁石がギャップ部に発生させる磁束密度の変化量とメイン磁石がギャップ部に発生させる磁束密度の変化量とが近似する。メイン磁石の磁束と、サブ磁石の磁束とはギャップ部を逆方向に流れるので、ギャップ部を通過する磁束密度の変化が抑制される。したがって、メイン磁石の温度特性を補償し、回転角検出装置の検出精度を高めることができる。
さらに、サブ磁石は、メイン磁石の径方向外側で、一対のメイン磁石と同一直線上に設けられる。これにより、サブ磁石とステータとの距離が遠くなり、サブ磁石の磁界が磁気検出手段の外乱として作用することを抑制することができる。また、サブ磁石の磁力をメイン磁石に確実におよぼすことができる。また、サブ磁石がメイン磁気回路に流れる最大磁束の制約となり難くなるので、回転角検出装置の磁路の体格を大きくすることなしに、検出磁束を増大することが可能となる。したがって、外乱磁界の影響を低減することができる。

請求項２に係る発明によると、メイン磁石とサブ磁石との関係は、サブ磁石がギャップ部に発生させる磁束密度に対するメイン磁石がギャップ部に発生させる磁束密度の比と、メイン磁石の温度係数に対するサブ磁石の温度係数の比とが対応する関係である。
これにより、サブ磁石とメイン磁石とが所定範囲内で温度変化するとき、サブ磁石がギャップ部に発生させる磁束密度の変化量とメイン磁石がギャップ部に発生させる磁束密度の変化量とを確実に近似させることができる。

請求項３に係る発明によると、メイン磁石は、ロータの回転軸を挟んで一対設けられる。サブ磁石は、各メイン磁石に対応して一対設けられる。一対のメイン磁石に対応して一対のサブ磁石が設けられることで、各メイン磁石の温度変化に各サブ磁石が対応することができる。

請求項４に係る発明によると、ロータの径方向内側にステータは設けられ、ギャップ部は、ステータの回転軸を含み径方向に延びる空隙である。このため、外乱磁界がギャップ部に影響することが抑制され、磁気検出手段の出力信号のＳＮ比を良くすることができる。したがって、回転角検出装置の検出精度を高めることができる。

本発明の一実施形態による回転角検出装置の構成図である。 本発明の一実施形態による回転角検出装置のステータとロータとが相対回転したときの状態を示す構成図である。 本発明の一実施形態による回転角検出装置の形成する磁気回路の等価回路である。 本発明の一実施形態による回転角検出装置の検出磁束における温度と磁束密度との関係を示す特性図である。 比較例の回転角検出装置の構成図である。 比較例の回転角検出装置の形成する磁気回路の等価回路である。 本発明の一実施形態及び比較例の検出磁束の変化率を示す表である。 本発明の一実施形態及び比較例の検出磁束における温度と磁束密度との関係を示すグラフである。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
（一実施形態）
本発明の一実施形態の回転角検出装置を図１〜図５に示す。本実施形態の回転角検出装置１０は、エンジンのスロットル装置に用いられるスロットル弁の開度を検出するものである。ロータ２０は、図示しないスロットル弁のシャフトの端部に固定されている。ロータ２０の径内側に設けられるステータ３０は、図示しないスロットル装置のセンサカバー等に固定されている。ステータ３０とロータ２０とは相対回転可能に設けられている。回転角検出装置１０は、ステータ３０の内部に形成されたギャップ部３３に配置された磁気検出素子の出力信号に基づき、被検出物であるスロットル弁の回転角を検出する。

図１に示すように、ロータ２０は、例えば鉄などの磁性体から形成される環状のヨーク２１、２２から構成されている。ヨーク２１、２２は、横断面が楕円状に形成され、短軸方向の内壁とステータ３０との距離が近くなっている。
ヨーク２１、２２は、その長軸方向に２個の切欠２５、２６を有している。この２個の切欠２５、２６に一対のメイン磁石２３、２４が固定されている。
一対のメイン磁石２３、２４は、残留磁束密度の温度係数の比較的小さい例えばサマリウムコバルト磁石（Ｓｍ−Ｃｏ）から構成されている。サマリウムコバルト磁石の温度係数は約０．０４％／℃である。
一対のメイン磁石２３、２４は、ヨーク２１、２２の短軸方向に着磁されている。この一対のメイン磁石２３、２４は、同種の磁極が同じ方向を向くことで、各メイン磁石２３、２４の磁界がヨーク２１、２２の内部で互いに反発し合うように配置されている。これにより、ロータ２０には、回転軸Ｏを挟んで一方のヨーク２１にＮ極の極性が形成され、回転軸Ｏを挟んで他方のヨーク２２にＳ極の極性が形成される。

ステータ３０は、例えば鉄などの磁性体から形成され、回転軸Ｏを挟んで向き合う略半円柱状の第１ステータ３１と第２ステータ３２とから構成されている。第１ステータ３１と第２ステータ３２との間には、回転軸Ｏを含み径方向に延びるギャップ部３３が設けられている。回転軸Ｏを挟んで向き合う第１ステータ３１の内壁と第２ステータ３２の内壁とが平行に設けられることで、ギャップ部３３に平行磁界が形成される。なお、この第１ステータ３１と第２ステータ３２とは、図示しないスペーサによって固定されている。

ホールＩＣ４０は、磁気検出素子であるホール素子と増幅回路とを一体に構成したＩＣであり、ギャップ部３３を通る磁束密度に応じた電圧信号を出力する。
なお、ギャップ部３３の両側には、円弧状に窪んだ円筒状の磁気ギャップ３４が設けられている。この磁気ギャップ３４により、ステータ３０を流れる磁束がホールＩＣ４０に集中する。

一対のサブ磁石５１、５２は、残留磁束密度の温度係数の比較的大きい例えばフェライト磁石（Ｆｅ）から構成されている。フェライト磁石の温度係数は約０．１８％／℃である。一対のサブ磁石５１、５２は、一対のメイン磁石２３、２４のそれぞれ径方向外側で、一対のメイン磁石２３、２４と同一直線上に設けられている。この一対のサブ磁石５１、５２は、図示しない樹脂により、メイン磁石２３、２４及びヨーク２１、２２と一体にモールドされている。これにより、サブ磁石５１、５２はメイン磁石２３、２４及びヨーク２１、２２と共に回転する。
一対のサブ磁石５１、５２は、メイン磁石２３、２４と略同一方向に着磁されている。一対のサブ磁石５１、５２は、メイン磁石２３、２４と異種の磁極が略同一方向を向くように設けられている。一対のサブ磁石５１、５２は、メイン磁石２３、２４と磁束の流れが順バイアス方向になるように設けられている。これにより、一対のメイン磁石２３、２４により発生した磁束がギャップ部３３を通過する方向に対し、逆方向にギャップ部３３を流れる磁束を一対のサブ磁石５１、５２は発生する。

メイン磁石２３、２４、ヨーク２１、２２、及びステータ３０によりメイン磁気回路が形成され、メイン磁石２３、２４及びサブ磁石５１、５２により補償磁気回路が形成される。
図１の２点鎖線に示すように、メイン磁気回路を一対のメイン磁石２３、２４のＮ極、一方のヨーク２１、第１ステータ３１、第２ステータ３２、他方のヨーク２２、一対のメイン磁石２３、２４のＳ極の順に磁束が流れる。また、補償磁気回路をメイン磁石２３、２４のＮ極、サブ磁石５１、５２のＳ極、Ｎ極、メイン磁石２３、２４のＳ極の順に磁束が流れる。
また、補償磁気回路及びメイン磁気回路をサブ磁石５１、５２のＮ極、他方のヨーク２２、第２ステータ３２、第１ステータ３１、一方のヨーク２１、サブ磁石５１、５２のＳ極の順に磁束が流れる。

ステータ３０とロータ２０とが相対回転すると、図２に示すように、その回転角に応じてステータ３０のギャップ部３３を通過する磁束密度が変化する。この磁束密度に応じてホールＩＣ４０の出力が変化する。図示しない制御回路は、このホールＩＣ４０の出力からステータ３０とロータ２０との相対する回転角を検出する。

次に、回転角検出装置１０に形成される磁気回路の等価回路を図３に示す。
図３では、メイン磁石２３、２４、ヨーク２１、２２、及びステータ３０により形成されるメイン磁気回路を符号６０で示し、メイン磁石２３、２４及びサブ磁石５１、５２により形成される２個の補償磁気回路を符号６１、６２で示している。
この等価回路では、メイン磁石２３、２４の起磁力がサブ磁石５１、５２の起磁力の３倍としているが、本発明はこれに限られない。サブ磁石５１、５２がギャップ部３３に発生させる磁束密度は、サブ磁石５１、５２の起磁力のほか、サブ磁石５１、５２とメイン磁石２３、２４との間の磁気ギャップによる磁気抵抗５１１、５１２、５２１、５２２によって変化する。
なお、サブ磁石５１、５２の起磁力を小さくすることで、補償磁気回路６１、６２に流れる磁束が減小し、メイン磁気回路６０に流れる磁束が増大するので、ホールＩＣ４０の出力信号のＳＮ比を良くすることができる。

さらに、サブ磁石５１、５２がギャップ部３３に発生させる磁束密度に対するメイン磁石２３、２４がギャップ部３３に発生させる磁束密度の比と、メイン磁石２３、２４の温度係数に対するサブ磁石５１、５２の温度係数の比とが対応することが好ましい。これにより、所定範囲内での温度変化によるサブ磁石５１、５２の磁束密度の変化量とメイン磁石２３、２４の磁束密度の変化量とを近似させることができる。

次に、本実施形態の回転角検出装置１０の温度変化による特性を説明する。
ギャップ部３３に流れる検出磁束における温度と磁束密度との関係を図４に示す。
図４では、メイン磁石２３、２４がギャップ部３３に発生させる磁束密度をＢ＿ｍａｉｎとして示し、サブ磁石５１、５２がギャップ部３３に発生させる磁束密度をＢ＿ｓｕｂとして示している。また、ホールＩＣ４０の検出する検出磁束をＢ＿ｄｅｔｅｃｔとして示している。なお、サブ磁石５１、５２がギャップ部３３に発生させる磁束密度Ｂ＿ｓｕｂは、正負を反転して示している。なぜなら、検出磁束は、メイン磁石２３、２４がギャップ部３３に発生させる磁束密度からサブ磁石５１、５２がギャップ部３３に発生させる磁束密度を引いたものに相当するからである。
つまり、Ｂ＿ｄｅｔｅｃｔ＝Ｂ＿ｍａｉｎ＋（−Ｂ＿ｓｕｂ） である。

メイン磁石２３、２４及びサブ磁石５１、５２の温度がｔ１からｔ２になるとき、メイン磁石２３、２４がギャップ部３３に発生させる磁束密度Ｂ＿ｍａｉｎはＢ１からＢ２に変化する。一方、サブ磁石５１、５２がギャップ部３３に発生させる磁束密度Ｂ＿ｓｕｂはＢ３からＢ４に変化する。
本実施形態では、メイン磁石２３、２４の起磁力、温度係数及び取り付け位置と、サブ磁石５１、５２の起磁力、温度係数及び取り付け位置とのバランスが調節されている。このため、温度ｔ１と温度ｔ２との間にメイン磁石２３、２４がギャップ部３３に発生させる磁束密度Ｂ＿ｍａｉｎの変化量Ｂ１−Ｂ２と、サブ磁石５１、５２がギャップ部３３に発生させる磁束密度Ｂ＿ｓｕｂの変化量Ｂ３−Ｂ４とは近似している。したがって、検出磁束Ｂ＿ｄｅｔｅｃｔは、温度ｔ１と温度ｔ２との間において略一定の値Ｂ５を示している。

（比較例）
ここで、比較例の回転角検出装置１１を図５に示し、この回転角検出装置１１に形成される磁気回路の等価回路を図６に示す。なお、上述した一実施形態と実質的に同一の構成には、同一の符号を付して説明を省略する。
比較例の回転角検出装置１１は、サブ磁石を備えていない。これ以外、比較例の構成は一実施形態の構成と同一である。
図６では、メイン磁石２３、２４、ヨーク２１、２２、及びステータ３０により形成される磁気回路を符号７０で示している。比較例の磁気回路７０と一実施形態のメイン磁気回路６０とは同一の構成である。

一実施形態及び比較例の検出磁束の変化率を図７及び図８に示す。
図７の表では、一実施形態のギャップ部３３に流れる検出磁束の変化率と、比較例のギャップ部３３に流れる検出磁束の変化率とを示している。
一実施形態のギャップ部３３に流れる検出磁束の変化率は、２０℃を基準（０％）として、メイン磁石２３、２４及びサブ磁石５１、５２が１２０℃の状態になるとき、磁束密度が２．５％減少した。
一方、比較例のギャップ部３３に流れる検出磁束の変化率は、２０℃を基準（０％）として、メイン磁石２３、２４が１２０℃の状態になるとき、磁束密度が４．０％減少した。

図８のグラフでは、一実施形態のギャップ部３３に流れる検出磁束の変化を実線Ｐに示し、比較例のギャップ部３３に流れる検出磁束の変化を実線Ｑに示している。
温度をｘ軸、磁束密度をｙ軸とすると、
実線Ｐは、近似直線 ｙ＝−５×１０^-5ｘ＋０．１８８１ として表わされる。
実線Ｑは、近似直線 ｙ＝−８×１０^-5ｘ＋０．２１ として表わされる。
これらの式から示されるように、一実施形態の回転角検出装置１０は、比較例の回転角検出装置１１と比較し、メイン磁石２３、２４の温度特性を約３８％低減することが可能である。

（一実施形態の効果）
上述した一実施形態では、メイン磁石２３、２４により発生したギャップ部３３を通過する磁束に対して逆方向に流れる磁束を発生するサブ磁石５１、５２が設けられている。サブ磁石５１、５２がギャップ部３３に発生させる磁束密度は、メイン磁石２３、２４がギャップ部３３に発生させる磁束密度より小さい。サブ磁石５１、５２の温度係数は、メイン磁石２３、２４の温度係数より大きい。
このため、サブ磁石５１、５２とメイン磁石２３、２４とが所定範囲内で温度変化するとき、サブ磁石５１、５２がギャップ部３３に発生させる磁束密度の変化量とメイン磁石２３、２４がギャップ部３３に発生させる磁束密度の変化量とが近似する。これにより、ギャップ部３３を通過する検出磁束の変化が抑制される。したがって、メイン磁石２３、２４の温度特性を補償し、回転角検出装置１０の検出精度を高めることができる。

一実施形態では、サブ磁石５１、５２がギャップ部３３に発生させる磁束密度に対するメイン磁石２３、２４がギャップ部３３に発生させる磁束密度の比と、メイン磁石２３、２４の温度係数に対するサブ磁石５１、５２の温度係数の比とが対応している。
これにより、サブ磁石５１、５２とメイン磁石２３、２４とが所定範囲内で温度変化するとき、サブ磁石５１、５２がギャップ部３３に発生させる磁束密度の変化の値とメイン磁石２３、２４がギャップ部３３に発生させる磁束密度の変化の値とを確実に近似させることができる。
一実施形態では、サブ磁石５１、５２は、メイン磁石２３、２４の径方向外側で、一対のメイン磁石２３、２４と同一直線上に設けられる。これにより、サブ磁石５１、５２の磁力をメイン磁石２３、２４に確実におよぼすことができる。また、サブ磁石５１、５２とステータ３０との距離が遠くなり、サブ磁石５１、５２の磁界がホールＩＣ４０のセンシングの外乱として作用することを抑制することができる。

（他の実施形態）
上述した実施形態では、スロットル装置に用いられる回転角検出装置１０について説明した。これに対し、本発明は、アクセルペダル装置、ステアリング装置等の種々の回転角の検出に用いられるものであってもよい。
上述した実施形態では、ステータ３０を固定し、ロータ２０を回転した。これに対し、本発明はロータとステータとが相対回転すればよく、ロータを固定しステータを回転するようにしてもよい。
上述した実施形態では、サブ磁石５１、５２とメイン磁石２３、２４とを同一直線上に設けた。これに対し、本発明は、サブ磁石は、メイン磁石と共に補償磁気回路を形成可能な範囲でロータの径方向又は軸方向等に設けてもよい。
また、磁気検出手段として、ホールＩＣ４０に代えて、磁気抵抗素子等を用いるようにしても良い。
このように、本発明は、上記実施形態に限定されるものでなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲で、種々の形態により実施することができる。

１０：回転角検出装置、２０：ロータ、２３、２４：メイン磁石、３０：ステータ、３３：ギャップ部、４０：ホールＩＣ、５１、５２：サブ磁石、６０：メイン磁気回路、６１、６２：補償磁気回路

Claims (4)

1. 磁性体から形成されるステータと、
   磁性体から形成されると共に被検出物の回転に応じて前記ステータと相対回転可能に設けられるロータと、
   前記ロータに固定されているメイン磁石と、
   前記ステータの内部に形成されたギャップ部に配置され、前記メイン磁石により発生した前記ギャップ部を通過する磁束密度に応じた信号を出力する磁気検出素子とを備え、前記磁気検出素子の出力信号に基づいて前記被検出物の回転角を検出する回転検出装置であって、
   前記ロータと共に回転するサブ磁石を備え、
   前記サブ磁石は前記メイン磁石により発生した前記ギャップ部を通過する磁束に対して逆方向に流れる磁束を発生し、
   前記サブ磁石が前記ギャップ部に発生させる磁束密度は、前記メイン磁石が前記ギャップ部に発生させる磁束密度より小さく、
   前記サブ磁石の温度係数は、前記メイン磁石の温度係数より大きく、
   前記サブ磁石は、前記メイン磁石の径方向外側で、一対の前記メイン磁石と同一直線上に設けられることを特徴とする回転検出装置。
2. 前記メイン磁石と前記サブ磁石との関係は、前記サブ磁石が前記ギャップ部に発生させる磁束密度に対する前記メイン磁石が前記ギャップ部に発生させる磁束密度の比と、前記メイン磁石の温度係数に対する前記サブ磁石の温度係数の比とが対応する関係であることを特徴とする請求項１に記載の回転角検出装置。
3. 前記メイン磁石は、前記ロータの回転軸を挟んで一対設けられ、
   前記サブ磁石は、前記各メイン磁石に対応して一対設けられることを特徴とする請求項１または２に記載の回転角検出装置。
4. 前記ステータは、前記ロータの径方向内側に設けられ、
   前記ギャップ部は前記ステータの回転軸を含み径方向に延びる空隙であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の回転角検出装置。

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