JP6089943B2 - 回転角センサ - Google Patents

Description

本発明は、回転角センサに関するものである。

従来の回転角センサとして、特許文献１に記載のものがある。

特許文献１の回転角センサは、回転体に固定されたドライブギアに歯合するドリブンギアと、ドリブンギアの内周面に固定された円筒形状の永久磁石と、ドリブンギアの軸心上に配置された磁気検出素子と、を備えている。

この特許文献１の回転センサでは、永久磁石は、下方に行くほど幅が狭く（外径が一定で内径のみが大きく）なるように形成されると共に、ドリブンギアの回転に伴って軸方向上下に移動するように構成されており、永久磁石の回転による磁界の変化、および永久磁石の軸方向への移動による磁界の変化を磁気検出素子で検出することで、３６０°超の回転角の検出を可能にしている。

特開２０１０−８３５３号公報

しかしながら、特許文献１の回転角センサでは、永久磁石の形状が複雑であり、回転角を精度よく得るためには永久磁石の傾斜部分の精度よく形成する必要があるために、コストが高くなってしまうという問題がある。

また、特許文献１の回転角センサでは、磁気検出素子をドリブンギアの軸心上に精度よく配置する必要があるため、組み立て時に手間がかかり、コストアップの要因となるという問題もある。

さらに、特許文献１の回転角センサでは、ドリブンギアや永久磁石全体が回転軸から側方に突出しており、センサ部が大型化してしまうという問題もある。

さらにまた、特許文献１の回転角センサでは、磁界の強度により回転角を検出するため、永久磁石としてネオジム磁石など強力な磁石を用いる必要があり、また、外部からのノイズにも弱いという問題もある。

そこで、本発明は、上記課題を解決し、低コストで組み立てが容易であり、小型でノイズに強い回転角センサを提供することを目的とする。

本発明は上記目的を達成するために創案されたものであり、回転角の検出対象となる回転軸の外周に一体に設けられ、前記回転軸の周方向に沿って異なる磁極が着磁された第１永久磁石と、前記第１永久磁石と対向して設けられる磁気検出素子と、前記磁気検出素子の出力を基に前記回転軸の回転角を検出する回転角検出部と、を備えた回転角センサにおいて、第２永久磁石と、前記回転軸の回転に伴い、前記第２永久磁石を移動させて、前記第２永久磁石と前記磁気検出素子を結ぶ直線の前記回転軸の軸方向に対する角度を変化させる移動手段と、をさらに備えた回転角センサである。

前記磁気検出素子は、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の直交する３軸の検出軸を有し、Ｚ軸が前記回転軸の軸方向と一致し、Ｙ軸が前記回転軸の径方向と一致するように配置され、前記回転角検出部は、前記第１永久磁石の回転によるＸＹ平面内の磁界強度の変化と、前記第２永久磁石の移動によるＸＺ平面内の磁界強度の変化とを基に、前記回転軸の回転角を検出するように構成されてもよい。

前記第１永久磁石は、周方向に沿ってＮ極とＳ極の一対の磁極が着磁され、前記回転角検出部は、ＸＹ平面内の磁界強度の変化から、前記回転軸の基準角度に対する回転角を検出すると共に、ＸＺ平面内の磁界強度の変化から、前記回転軸の回転数を検出するように構成されてもよい。

前記第１永久磁石は、周方向に沿ってＮ極とＳ極の磁極が複数対着磁されていてもよい。

前記移動手段は、前記回転軸の外周に一体に設けられ、その外周面に螺旋状の溝が形成された回転側部材と、前記第２永久磁石が固定されると共に、前記回転側部材の溝に螺合する突起が形成された螺合面を有し、前記回転側部材の回転に伴って前記回転軸の軸方向に沿って移動するラックと、を有してもよい。

本発明によれば、低コストで組み立てが容易であり、小型でノイズに強い回転角センサを提供できる。

本発明の一実施の形態に係る回転角センサの斜視図である。 図１の回転角センサの側面図である。 図１の回転角センサの平面図である。 本発明において、ＸＹ平面の磁界強度の変化の一例を示すグラフ図である。 図１の回転角センサの動作を説明する図である。 本発明の一変形例に係る回転角センサの平面図である。 本発明の一変形例に係る回転角センサの側面図である。

以下、本発明の実施の形態を添付図面にしたがって説明する。

図１は、本実施の形態に係る回転角センサの斜視図であり、図２はその側面図、図３はその平面図である。

図１〜３に示すように、回転角センサ１は、回転角の検出対象となる回転軸２の外周に一体に設けられ、回転軸２の周方向に沿って異なる磁極が着磁された第１永久磁石３と、第１永久磁石３と対向して設けられる磁気検出素子４と、磁気検出素子４の出力を基に回転軸２の回転角を検出する回転角検出部５と、を備えている。

回転軸２は、例えば、車両の操舵装置において操舵操作を車両に伝達する回転軸である。この場合、回転角センサ１が検出する回転角は、操舵角となる。

本実施の形態では、第１永久磁石３として、周方向に沿ってＮ極とＳ極の一対の磁極が着磁されたものを用いた場合を説明する。なお、図１〜３では、Ｎ極をハッチングで表している。

磁気検出素子４は、例えばホールＩＣである。本実施の形態では、磁気検出素子４を第１永久磁石３と同一平面上に配置しているが、第１永久磁石３と同一平面上に配置せずともよい。なお、薄型化のためには、磁気検出素子４を第１永久磁石３と同一平面上に配置することが望ましい。

また、本実施の形態では、磁気検出素子４として、３次元の磁界強度を検出可能なもの、すなわち３軸の検出軸を有するものを用いる。ここでは、磁気検出素子４が、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の直交する３軸の検出軸を有しているとする。磁気検出素子４は、Ｚ軸が回転軸２の軸方向と一致し、Ｙ軸が回転軸２の径方向と一致するように配置される。

さて、本実施の形態に係る回転角センサ１では、第２永久磁石６と、回転軸２の回転に伴い、第２永久磁石６を移動させる移動手段７と、をさらに備えている。

第２永久磁石６は、回転軸２とは別体に設けられる。ここでは、第２永久磁石６として棒状のものを用いたが、第２永久磁石６の形状はこれに限定されない。

移動手段７は、回転軸２の回転に伴って第２永久磁石６を直線的に移動させ、第２永久磁石６と磁気検出素子４を結ぶ直線の回転軸２の軸方向に対する角度φを変化させるように構成される（図５参照）。

本実施の形態では、移動手段７は、回転軸２の外周に一体に設けられ、その外周面に螺旋状の溝８ａが形成された回転側部材８と、第２永久磁石６が固定されると共に、回転側部材８の溝８ａに螺合する突起９ａが形成された螺合面を有し、回転側部材８の回転に伴って回転軸２の軸方向（Ｚ軸方向）に沿って移動するラック９と、を有する。図示していないが、ラック９は、回転側部材８の回転に伴って回転してしまわないよう、支持部材により回転軸２の軸方向にスライド自在に支持されている。

第２永久磁石６と磁気検出素子４間の距離は、第２永久磁石６による磁界を磁気検出素子４が十分に検出でき、かつラック９が磁気検出素子４が干渉しない程度の距離に設定すればよい。本実施の形態では、第２永久磁石６と磁気検出素子４間の距離を約１０ｃｍとした。

回転角検出部５は、例えば、車両の電子制御ユニット（ＥＣＵ）に搭載される。回転角検出部５は、磁気検出素子４の出力に基づき、回転軸２の回転角を検出するように構成される。回転角検出部５は、第１永久磁石３の回転によるＸＹ平面内の磁界強度の変化と、第２永久磁石６の移動によるＸＺ平面内の磁界強度の変化とを基に、回転軸２の回転角を検出するように構成される。

本実施の形態では、回転角検出部５は、ＸＹ平面内の磁界強度の変化から、回転軸２の基準角度（基準位置）に対する回転角（−１８０°〜１８０°）を検出するように構成される。第１永久磁石３を回転させたときのＸＹ平面内の磁界強度の変化は、例えば図４のようになる。なお、図４において、ｘはＸ方向の磁界強度に応じたセンサ出力、ｙはＹ方向の磁界強度に応じたセンサ出力、θは回転軸２の基準角度に対する回転角である。

図４より、Ｘ方向の磁界強度Ｂｘ、Ｙ方向の磁界強度Ｂｙは、下式（１）、（２）
Ｂｘ＝ｋ₁・ｃｏｓθ ・・・（１）
Ｂｙ＝ｋ₂・ｓｉｎθ ・・・（２）
で表すことができる。よって、下式（３）
θ＝ｔａｎ^-1（Ｂｙ／Ｂｘ）＋Ｃ ・・・（３）
により、回転軸２の基準角度に対する回転角θを得ることができる。なお、ｋ₁，ｋ₂は比例定数であり、式（３）におけるＣは、Ｂｘ≧０のとき０、Ｂｘ＜０かつＢｙ≧０のとき１８０、Ｂｙ＜０のとき−１８０となる。

また、回転角検出部５は、ＸＺ平面内の磁界強度の変化から、回転軸２の回転数を検出するように構成される。図５に示すように、回転軸２を多回転させると、回転軸２の回転に応じてラック９が移動するので、回転軸２の基準角度に対する回転角θが同じであっても、第２永久磁石６の磁気検出素子４に対する位置関係、すなわち、第２永久磁石６と磁気検出素子４を結ぶ直線の回転軸２の軸方向に対する角度φが異なり、その結果、磁気検出素子４で検出されるＸＺ平面での磁界強度が変化する。

そこで、本実施の形態では、回転回数毎のラック９の位置に対応させた磁界強度を予め求め、それに応じた閾値を段階的に設定しておき、検出した磁界強度と設定した閾値を比較することで、回転数を判断するように回転角検出部５を構成した。回転軸２の回転数をａとすると、全体の回転角はθ＋３６０×ｂで得ることができる。

本実施の形態の作用を説明する。

本実施の形態に係る回転角センサ１では、第２永久磁石６と、回転軸２の回転に伴い、第２永久磁石６を移動させて、第２永久磁石６と磁気検出素子４を結ぶ直線の回転軸２の軸方向に対する角度φを変化させる移動手段７と、を備えている。

このように構成することで、従来技術のような複雑な形状の永久磁石を用いずとも、低コストに３６０°を超える多回転の回転角を検出することが可能になる。

また、回転角センサ１では、従来技術のような磁気検出素子４の厳密な位置合わせは要求されないので、従来と比較して組立が容易である。

さらに、回転角センサ１では、回転軸２から側方に突出する部材が少なく、従来技術のドリブンギアのような部材を用いていないので、従来と比較して小型化が可能になる。また、従来技術と比較して部品点数を少なくでき低コスト化に寄与する。

さらにまた、回転角センサ１では、第２永久磁石６の磁気検出素子４に対する角度φの変化による磁界強度の変化を検出するため、従来と比較してノイズに強いというメリットもある。

つまり、本実施の形態によれば、低コストで組み立てが容易であり、小型でノイズに強い回転角センサ１を実現できる。

本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加え得ることは勿論である。

例えば、上記実施の形態では、第１永久磁石３として、周方向に沿ってＮ極とＳ極の一対の磁極が着磁されたものを用いたが、これに限らず、図６に示す回転角センサ６１のように、第１永久磁石３として、周方向に沿ってＮ極とＳ極の磁極が複数対着磁されたものを用いてもよい。

この場合、回転角検出部５では、ＸＺ平面内の磁界強度の変化から、回転軸２の回転数に加え、磁気検出素子４がどの磁極と対向しているか（基準角度から数えて何個目の磁極と対向しているか）についても検出することになる。

回転角センサ６１のように第１永久磁石３の磁極を複数対とすることで、検出する回転角の精度をより向上させることが可能になる。

また、上記式（３）より求められる回転軸２の角度と実際の角度との差分を、ある回転角毎に回転角検出部に記憶し、任意の角度においては、直線近似にて差分を求め、上記式（３）に補正を加えることにより、より精度を向上させることが可能となる。

また、上記実施の形態では、回転軸２の回転に伴って第２永久磁石６を回転軸２の軸方向に沿って移動するように移動手段７を構成したが、第２永久磁石６を移動させる方向は軸方向に限定されるものではなく、第２永久磁石６の磁気検出素子４に対する角度φが変化する方向であれば、どの方向に移動させてもよい。

例えば、図７に示す回転角センサ７１のように、第２永久磁石６と磁気検出素子４の軸方向の位置をオフセットさせ、回転軸２の回転に伴って第２永久磁石６を軸方向と垂直な方向に移動させるように移動手段７を構成することも可能である。なお、図７では、回転軸２と一体に回転する第１歯車７２と、第１歯車に歯合する第２歯車７３と、第２永久磁石６が固定されると共に第２歯車７３に歯合する歯車面を有し、第２歯車７３の回転に伴って軸方向と垂直方向に直線的に移動するラック７４と、からなる移動手段７を構成した場合を示しているが、移動手段７の具体的な構造は、これに限定されるものではない。

１ 回転角センサ
２ 回転軸
３ 第１永久磁石
４ 磁気検出素子
５ 回転角検出部
６ 第２永久磁石
７ 移動手段
８ 回転側部材
９ ラック

Claims (4)

1. 回転角の検出対象となる回転軸の外周に一体に設けられ、前記回転軸の周方向に沿って異なる磁極が着磁された第１永久磁石と、
   前記第１永久磁石と対向して設けられる磁気検出素子と、
   前記磁気検出素子の出力を基に前記回転軸の回転角を検出する回転角検出部と、
   を備えた回転角センサにおいて、
   第２永久磁石と、
   前記回転軸の回転に伴い、前記第２永久磁石を移動させて、前記第２永久磁石と前記磁気検出素子を結ぶ直線の前記回転軸の軸方向に対する角度を変化させる移動手段と、をさらに備え、
   前記磁気検出素子は、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の直交する３軸の検出軸を有し、Ｚ軸が前記回転軸の軸方向と一致し、Ｙ軸が前記回転軸の径方向と一致するように配置され、
   前記回転角検出部は、前記第１永久磁石の回転によるＸＹ平面内の磁界強度の変化と、前記第２永久磁石の移動によるＸＺ平面内の磁界強度の変化とを基に、前記回転軸の回転角を検出するように構成される
   ことを特徴とする回転角センサ。
2. 前記第１永久磁石は、周方向に沿ってＮ極とＳ極の一対の磁極が着磁され、
   前記回転角検出部は、ＸＹ平面内の磁界強度の変化から、前記回転軸の基準角度に対する回転角を検出すると共に、ＸＺ平面内の磁界強度の変化から、前記回転軸の回転数を検出するように構成される
   請求項１記載の回転角センサ。
3. 前記第１永久磁石は、周方向に沿ってＮ極とＳ極の磁極が複数対着磁されている
   請求項１記載の回転角センサ。
4. 前記移動手段は、前記回転軸の外周に一体に設けられ、その外周面に螺旋状の溝が形成された回転側部材と、
   前記第２永久磁石が固定されると共に、前記回転側部材の溝に螺合する突起が形成された螺合面を有し、前記回転側部材の回転に伴って前記回転軸の軸方向に沿って移動するラックと、を有する
   請求項１〜３いずれかに記載の回転角センサ。