JP6148971B2 - 回転角検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えば自動車の電動パワーステアリング装置等に搭載される電動モータの回転角検出に供する回転角検出装置に関する。

従来の回転角検出装置としては、例えば以下の特許文献１に記載されたものが知られている。

この回転角検出装置は、回転体と一体回転する磁石と、該磁石の次回を検出する磁気センサと、から構成され、前記磁気センサの検出出力に基づいて磁石（回転軸）の回転角度を検出するものである。

特開２０１２−１４５４２５号公報

しかしながら、前記従来の回転角検出装置では、上下一体に構成された磁石について、それぞれＮ極側の外周面からＳ極側の外周面へと各着磁面に対して平行となる径方向に沿った磁界が形成されることになる。よって、かかる構成の場合、磁力線が長くなってしまい、より大きな磁力を発生させるためには、磁石自体の大型化を余儀なくされてしまう。

また、前記従来の回転角検出装置に係る磁石とは反対の構成、すなわち前記各着磁面に対して垂直となる軸方向に沿った磁界を形成する構成を採ることで、より大きな磁力を得ることは可能になる。ところが、かかる構成の場合には、磁界において各着磁面と平行となる領域（範囲）が狭くなってしまうことから、装置の組立ばらつき等により発生する磁石と磁気センサとの位置ずれによって十分な検出精度が得られないおそれがある。

本発明は、かかる技術的課題に鑑みて案出されたものであり、十分な磁力でもって安定した検出出力を有する回転角検出装置を提供するものである。

本発明は、回転軸を中心に回転する回転体と一体回転可能に設けられた磁石と、前記磁石における前記回転軸の軸方向一方側に設けられ、前記回転軸にほぼ直交する平面状に形成された着磁面と、前記着磁面のうち前記回転軸周りの所定範囲に設けられ、前記回転軸の軸方向に発生する磁界によって着磁形成されたＮ極着磁部と、前記着磁面のうち前記回転軸を挟んで前記Ｎ極着磁部の反対側に設けられ、前記回転軸の軸方向に発生する磁界によって着磁形成されたＳ極着磁部と、前記磁石と対向するように設けられ、前記回転体の回転に伴う前記磁石の磁界の大きさ又は方向の変化を検出することによって前記回転体の回転角を検出する磁気センサと、を備え、前記Ｎ極着磁部について前記回転軸の軸直角方向外側の発生磁界が前記回転軸の軸直角方向内側の発生磁界よりも大きくなるように、かつ、前記Ｓ極着磁部について前記回転軸の軸直角方向外側の発生磁界が前記回転軸の軸直角方向内側の発生磁界よりも大きくなるように、それぞれ着磁されていることを特徴としている。

なお、前記回転軸の軸直角方向外側の発生磁界を同方向内側の発生磁界よりも大きくなるようにすることには、前記回転軸の軸直角方向内側を比較的弱く着磁することのほか、当該内側を着磁しないことや、当該内側に凹部や貫通孔を形成することが含まれる。

本発明によれば、回転軸の軸方向に着磁面が設けられていることで、回転軸の軸直角方向に着磁面を設ける場合と比べて、磁力線が短くなって、より強い磁界を得ることが可能になると共に、特に磁石と磁気センサの前記軸直角方向の相対位置変化に対し大きな出力変化をもたらす前記軸直角方向の内側磁界が外側磁界に対し相対的に弱められていることで、磁石と磁気センサの前記相対位置変化に対する出力変化が抑制され、安定した磁界を得ることが可能となる。

本発明に係る回転角検出装置を備えた電動パワーステアリング装置の構成を表した概略図である。 図１に示すモータユニット部の拡大図である。 本発明に係る回転角検出装置の第１実施形態を示し、（ａ）は同装置の磁石の構成を表した斜視図、（ｂ）は同装置の磁石周りの磁界を表した略図である。 図２に示す保持固定部材単体の縦断面図である。 本発明に係る回転角検出装置の第２実施形態を示し、（ａ）は同装置の磁石の構成を表した斜視図、（ｂ）は同装置の磁石周りの磁界を表した略図である。 本発明に係る回転角検出装置の第３実施形態を示し、（ａ）は磁石の構成を表した斜視図、（ｂ）は同装置の磁石周りの磁界を表した略図である。 本発明に係る回転角検出装置の第４実施形態を示し、（ａ）は磁石の構成を表した斜視図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。 本発明に係る回転角検出装置の第５実施形態を示し、（ａ）は磁石の構成を表した斜視図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。 本発明に係る回転角検出装置の第６実施形態を示し、（ａ）は磁石の構成を表した斜視図、（ｂ）は磁石の平面図である。 本発明に係る回転角検出装置の第６実施形態の比較例を示し、（ａ）は磁石の構成を表した斜視図、（ｂ）は磁石の平面図である。 本発明に係る回転角検出装置の第１実施形態の第１比較例を示し、（ａ）は磁石の構成を表した斜視図、（ｂ）は同装置の磁石周りの磁界を表した略図である。 本発明に係る回転角検出装置の第１実施形態の第２比較例を示し、（ａ）は磁石の構成を表した斜視図、（ｂ）は同装置の磁石周りの磁界を表した略図である。

以下、本発明に係る回転角検出装置の実施形態を図面に基づいて詳述する。なお、以下に示す実施形態では、この回転角検出装置を、自動車の電動パワーステアリング装置に適用したものを示している。
〔第１実施形態〕
図１〜図３は、本発明に係る回転角検出装置の第１実施形態を示す。まず、本発明に係る回転角検出装置の適用対象たる電動パワーステアリング装置は、図１に示すように、軸方向一端側がステアリングホイール１と一体回転可能に連係される入力軸２と、軸方向一端側が図示外のトーションバーを介して入力軸２の他端側に相対回転可能に連結され、軸方向他端側が周知のラック・ピニオン機構４を介して転舵輪５Ｌ，５Ｒに連係される出力軸３と、前記入力軸２の外周側に配置され、該入力軸２と出力軸３の相対回転変位量に基づいて操舵入力トルクを検出するトルクセンサ６と、該トルクセンサ６及び図示外の車速センサ等の検出結果に基づき運転者の操舵トルクに応じた操舵アシストトルクを出力軸３に付与するモータユニット１０と、から主として構成されている。

前記ラック・ピニオン機構４は、出力軸３の一端部の外周に形成されたピニオン歯３ａと当該出力軸３の一端部にほぼ直交するように配置されるラック軸７の軸方向所定範囲に形成されたラック歯７ａとが噛合してなるもので、出力軸３の回転方向に応じてラック軸７が軸方向へと移動するようになっている。そして、ラック軸７の各端部はそれぞれタイロッド８，８及びナックルアーム９，９を介して転舵輪５Ｒ，５Ｌに連係されており、ラック軸７が軸方向へと移動して各タイロッド８，８を介して各ナックルアーム９，９が引っ張られることで、転舵輪５Ｒ，５Ｌの向きが変更されるようになっている。

前記モータユニット１０は、図１及び図２に示すように、前記操舵アシストトルクを発生させる電動モータ１２と、該電動モータ１２の回転数を減速して出力軸３に伝達する減速機１１と、前記操舵入力トルクや車両速度等に応じて電動モータ１２を駆動制御するＥＣＵ１３と、後述のモータ駆動軸３６の回転位置を検出することによってＥＣＵ１３のモータ制御に供する回転角検出装置１４と、を備えていて、電動モータ１２の軸方向一端側に減速機１１が、他端側にＥＣＵ１３がそれぞれ配置され、電動モータ１２とＥＣＵ１３の間に回転角検出装置１４が配置されている。

前記減速機１１は、周知のウォーム歯車により構成され、このウォーム歯車は、軸方向一端側が電動モータ１２の駆動軸１２ａの軸方向一端部に所定の軸継手１７を介して接続され、軸方向他端側に歯部１５ａが形成されたウォームシャフト１５と、出力軸３に外嵌され、外周に前記歯部１５ａに噛合する歯部１６ａが形成されたウォームホイール１６と、から構成されている。

前記回転角検出装置１４は、図２に示すように、電動モータ１２の駆動軸１２ａの軸方向他端部に保持固定部材２３を介して固定された磁石２１と、該磁石２１と対向するかたちでＥＣＵ１３の制御基板１３ａの一側面に実装された周知のＭＲ素子（磁気抵抗素子）からなる磁気センサ２２と、から構成され、前記磁気センサ２２が前記駆動軸１２ａの回転に伴う磁石２１の磁界の大きさ又は方向の変化を検出することによって駆動軸１２ａの回転角を検出するものである。

前記磁石２１は、後述する保持固定部材２３の磁石保持部２３ｂを利用して射出成形されるボンド磁石であって、図３に示すように、ほぼ円盤状を呈し、軸方向（本発明の「回転軸の軸方向」に相当）の両端面における径方向（本発明の「回転軸の軸直角方向」に相当）外側の所定領域に、回転軸Ｚとほぼ直交する平面状の第１着磁面２１ａ及び第２着磁面２１ｂが形成されている。すなわち、この磁石２１では、径方向内側の所定領域が無着磁部２１ｃとして構成されると共に、該無着磁部２１ｃの両側に、それぞれ軸方向に発生する磁界によって着磁されてなる一対の着磁部としての第１Ｎ極着磁部Ｎ１及び第１Ｓ極着磁部Ｓ１並びに第２Ｎ極着磁部Ｎ２及び第２Ｓ極着磁部Ｓ２が、回転軸Ｚを挟んで互い違いとなるように設けられている。

かかる構成から、前記磁石２１の周囲には、図３（ｃ）に矢印で示すような磁界、すなわち、主として、無着磁部２１ｃを跨ぐように第１Ｎ極着磁部Ｎ１から第２Ｓ極着磁部Ｓ２へ向かう第１磁力線Ｆ１と、磁石２１の外周側を跨ぐように第１Ｎ極着磁部Ｎ１から第１Ｓ極着磁部Ｓ１へ向かう第２磁力線Ｆ２と、が発生する。すなわち、前記各Ｎ極着磁部Ｎ１，Ｎ２のうち、径方向内側寄りの領域では、より近い径方向反対側の領域に係る前記各Ｓ極着磁部Ｓ１，Ｓ２へ向かう前記第１磁力線Ｆ１が発生し、径方向外側寄りの領域では、より近い軸方向反対側の領域に係る前記各Ｓ極着磁部Ｓ１，Ｓ２へ向かう前記第２磁力線Ｆ２が発生する。

前記保持固定部材２３は、鉄系金属材料によりほぼ円筒状に形成されてなるもので、軸方向一端側に設けられ、駆動軸１２ａに圧入可能に形成された固定部２３ａと、軸方向他端部に設けられ、磁石２１の保持固定に供する磁石保持部２３ｂと、から構成されている。前記磁石保持部２３ｂは、前記固定部２３ａに対して段差拡径状に形成され、当該磁石保持部２３ｂを成形型として磁石２１が射出成形されることによって、磁石２１が内部に収容固定されることとなる。なお、この磁石保持部２３ｂの底部側内周面には、底部側へと向かって漸次拡径するアンダーカット部２３ｄが設けられていて、このアンダーカット部２３ｄと該アンダーカット部２３ｄによって形成される磁石２１の係止突部２１ｄとの係止構造をもって、磁石２１の抜け止めが可能となっている。

以下、前記回転角検出装置１４の特徴的な作用について、図３に基づいて、図１１、図１２に示す従来の回転角検出装置（磁石２０）との対比を行いつつ説明する。

まず、従来の回転角検出装置に係る磁石２０において、図１１に示すように、Ｎ、Ｓ極着磁面２０ａ，２０ｂが磁石２１の外周面に形成された構造（以下、「径方向着磁構造」と呼称する。）を採用している場合には、磁力線Ｆ０が長くなるため、磁石２０と磁気センサ２２の径方向の相対位置変化に対して大きな出力変化をもたらす当該磁力線Ｆ０の径方向に沿う範囲Ｘ０が大きくなって磁界の検出安定性が向上する一方、十分な磁力が得られないという問題がある。

また、図１２に示すように、Ｎ、Ｓ極着磁面２０ａ，２０ｂが磁石２０の軸方向の各端面に形成された構造（以下、「軸方向着磁構造」と呼称する。）を採用している場合には、第１磁力線Ｆ０１が短くなるため、比較的強い磁力を得ることが可能となる一方、前記第１磁力線Ｆ０１の径方向に沿う範囲Ｘ０１が小さくなって磁界の検出安定性が低下してしまうという問題がある。

これに対し、本実施形態に係る回転角検出装置１４では、図３（ｂ）に示すように、磁石２１について前記軸方向着磁構造を採用したことで、当該軸方向着磁構造に基づき前記径方向着磁構造と比べて第１磁力線Ｆ１が短くなる結果、より強い十分な磁力を得ることができると共に、磁石２１の内周部に無着磁部２１ｃを設けて径方向外側の磁界が内側の磁界に対して相対的に大きくなるように構成したことで、第１磁力線Ｆ１の径方向に沿う範囲Ｘ１についても十分に大きく確保されることとなって、磁石２１と磁気センサ２２の相対位置変化に対する出力変化を抑制可能となる結果、磁界の検出安定性の向上を図ることもできる。

このように、本実施形態に係る前記回転角検出装置１４によれば、磁石２１について前記軸方向着磁構造を採用しつつ、当該磁石２１の径方向外側の磁界が内側の磁界よりも相対的に大きくなるように構成したことから、磁石２１の大型化を伴うことなく、十分な磁力の確保と良好な磁界の検出安定性との両立を図ることができる。

また、本実施形態では、前記磁石２１を保持固定部材２３の磁石保持部２３ｂ内にて射出成形する構成としたことから、当該磁石２１についての成形型や保持固定部材２３への固定手段を別途設ける必要がなく、装置のコスト低減や生産性向上を図ることができる。

しかも、この際、前記保持固定部材２３の磁石保持部２３ｂに前記アンダーカット部２３ｄを設ける構成としたことで、該アンダーカット部２３ｄへの充填により形成される係止突部２１ｄをもって磁石２１の抜け止めを行うことができ、装置の耐久性向上にも供される。

なお、本実施形態では、前記磁石２１の内周部に無着磁部２１ｃを設けることによって当該磁石２１の径方向外側の磁界が内側の磁界よりも相対的に大きくなるように構成しているが、当該磁石２１の内周部については必ずしも無着磁である必要はなく、少なくとも径方向外側の磁界よりも相対的に小さい磁界となっていれば、前記回転角検出装置１４の特異な作用効果が奏せられることとなる。
〔第２実施形態〕
図５は本発明に係る回転角検出装置の第２実施形態を示したものであって、前記第１実施形態に係る磁石２１の底部となる軸方向一端部に、例えば鉄などの磁性材料からなるほぼ円盤状のバックヨーク２４を付設したものである。

ここで、本実施形態においても、回転角検出装置１４の基本構成は前記第１実施形態と同様であるため、前記第１実施形態と同様の構成については同一の符号を付すことにより、具体的な説明については省略する（以下、各実施形態において同じ。）。

このように、本実施形態では、特に前記バックヨーク２４を設けたことで、該バックヨーク２４を付設した一端側の磁力線Ｆ１ａが増加することになると共に、該一端側の磁力線Ｆ１ａの増加に伴い他端側の磁力線Ｆ１ｂも増加することとなる。これにより、前記第１実施形態と比べてより強い磁力を得ることが可能となり、良好な角度検出や装置の小型化等に供される。
〔第３実施形態〕
図６は本発明に係る回転角検出装置の第３実施形態を示したものであって、前記第２実施形態に係るバックヨーク２４を、前記保持固定部材２３と一体化して構成したものである。

すなわち、本実施形態では、前記バックヨーク２４が軸方向に延長されほぼ円柱状に形成されると共に、該バックヨーク２４の底面（磁石２１と反対側の端面）に前記駆動軸１２ａへの圧入固定に供する固定用穴２４ａが凹設されていて、前記磁石２１を当該バックヨーク２４を介して前記駆動軸１２ａに固定する構成となっている。

このように、本実施形態では、特に前記バックヨーク２４の体積が増大することで前記第２実施形態に係る磁石２１よりもさらに強い磁力を得ることが可能になると共に、前記保持固定部材２３を廃止することで、部品点数の削減による生産性向上やコスト低減に供される。
〔第４実施形態〕
図７は本発明に係る回転角検出装置の第４実施形態を示したものであって、前記第１実施形態に係る磁石２１の無着磁部２１ｃのほぼ中央位置に、該無着磁部２１ｃの二面幅寸法とほぼ同じ直径を有する貫通孔２１ｅを、軸方向に沿って形成したものである。

このように、前記無着磁部２１ｃについては磁石として機能していないため、前記貫通孔２１ｅを設けて材料を削除することによって、使用する磁性材料を削減でき、装置のコスト低減が図れる。

なお、本実施形態では、前記磁性材料の削減手段として前記貫通孔２１ｅを設ける構成を例示して説明したが、必ずしも貫通孔２１ｅである必要はなく、例えば軸方向一端部側が閉塞されて他端部側のみ開口する凹部として構成するなど、材料を削減しうる態様であればいかなる態様であってもよい。
〔第５実施形態〕
図８は本発明に係る回転角検出装置の第５実施形態を示したものであって、前記第４実施形態に係る磁石２１の貫通孔２１ｅに所定の非磁性材料２５を充填することによって、当該貫通孔２１ｅを埋めるかたちで構成したものである。

このように、磁性材料削減のために形成した貫通孔２１ｅを、磁性材料よりも安価な非磁性材料でもって埋めることにより、前記コスト低減を図りつつ、磁石２１自体の剛性を高めることができる。これにより、磁石２１に作用する熱膨張後の冷却収縮時の負荷や振動によって当該磁石２１が破損等してしまうおそれが低減され、装置の耐久性の向上に供される。
〔第６実施形態〕
図９は本発明に係る回転角検出装置の第６実施形態を示したものであって、前記第１実施形態に係る磁石２１をほぼ矩形板状に形成したものである。

かかる構成とすることで、磁石２１の着磁領域幅Ｗを一定とすることができ、図１０に示す着磁領域幅Ｗが不定の前記第１実施形態に係る磁石２１と比べて、第１磁力線Ｆ１よって表される磁束密度の均一化が可能となる。これにより、磁石２１の磁気特性の安定化が図れ、装置の良好な角度検出に供される。

本発明は、前記各実施形態の構成に限定されるものではなく、例えば本発明の特徴とは直接関係しない前記電動モータ１２やＥＣＵ１３の具体的な構成は勿論のこと、本発明の特徴となる前記磁石２１の具体的な形状や大きさ、当該磁石２１の駆動軸１２ａへの取付構造、前記各磁極の配置等についても、前記作用効果を奏し得る形態であれば、適用する内燃機関の仕様等に応じて自由に変更できることは言うまでもない。

以下、前記各実施形態から把握される特許請求の範囲に記載した以外の技術的思想について説明する。

（ａ）請求項３に記載の回転角検出装置において、
前記ヨーク部材は、前記回転軸の軸方向一方側に向けて開口形成された開口凹部と、該開口凹部における前記回転軸の軸方向他方側に形成されたアンダーカット部と、を有し、
前記磁石は、前記開口凹部内に磁性材料が充填されることにより形成されることを特徴とする回転角検出装置。

かかる構成とすることで、開口凹部が、磁石の成形型としての役割を果たすと共に、磁石の固定部としての役割も果たすうえ、アンダーカット部によって磁石の脱落防止を図ることもできる。

（ｂ）請求項１に記載の回転角検出装置において、
前記磁石は、前記回転軸の軸直角方向内側に空間を有しない中実部材として形成され、
前記Ｎ極着磁部及び前記Ｓ極着磁部は、前記磁石の前記回転軸の軸直角方向外側のみを着磁することにより、該軸直角方向外側の発生磁界が前記回転軸の軸直角方向内側の発生磁界よりも大きくなるように着磁されていることを特徴とする回転角検出装置。

このように、磁石を中実部材として構成することで、当該磁石の強度の向上が図れる。

（ｃ）請求項１に記載の回転角検出装置において、
前記磁石における前記回転軸の軸直角方向内側には、凹部又は貫通孔が設けられていることを特徴とする回転角検出装置。

このように、磁石の内側に凹部ないし貫通孔を設けることによって、回転軸の軸直角方向内外の着磁を同様に行う場合でも、必然的に内側の磁界を弱めることが可能となる。

（ｄ）請求項６に記載の回転角検出装置において、
前記凹部又は貫通孔が非磁性材料によって埋められていることを特徴とする回転角検出装置。

かかる構成とすることで、回転軸の軸直角方向内外の磁界の強弱を容易に形成しつつ、磁石の強度の向上が図れる。

（ｅ）請求項１に記載の回転角検出装置において、
前記磁石は、平面視ほぼ矩形状に形成されていることを特徴とする回転角検出装置。

かかる構成とすることで、磁石を平面視ほぼ円形状に形成する場合と比べて、磁界の特性の安定化を図ることができる。

１２ａ…駆動軸（回転体）
１４…回転角検出装置
２１…磁石
２２…磁気センサ
Ｎ１，Ｎ２…第１、第２Ｎ極着磁部
Ｓ１，Ｓ２…第１、第２Ｓ極着磁部
Ｚ…回転軸

Claims (4)

1. 回転軸を中心に回転する回転体と一体回転可能に設けられた磁石と、
   前記磁石における前記回転軸の軸方向一方側及び他方側に設けられ、前記回転軸にほぼ直交する平面状に形成された第１着磁面及び第２着磁面と、
   前記第１着磁面及び第２着磁面の前記回転軸周りの所定範囲に設けられ、前記回転軸の軸方向に発生する磁界によって着磁形成された第１Ｎ極着磁部及び第１Ｓ極着磁部と、
   前記第１着磁面及び第２着磁面に前記回転軸を挟んで前記第１Ｎ極着磁部及び前記第１Ｓ極着磁部の反対側に設けられ、前記回転軸の軸方向に発生する磁界によって着磁形成された第２Ｎ極着磁部及び第２Ｓ極着磁部と、
   前記磁石と対向するように設けられ、前記回転体の回転に伴う前記磁石の磁界の大きさ又は方向の変化を検出することによって前記回転体の回転角を検出する磁気センサと、
   を備え、
   前記第１Ｎ極着磁部から前記第１Ｓ極着磁部へ向かう前記回転軸の軸直角方向外側の発生磁界が、前記第１Ｎ極着磁部から前記第２Ｓ極着磁部へ向かう前記回転軸の軸直角方向内側の発生磁界よりも大きくなるように、かつ、前記第２Ｎ極着磁部から前記第２Ｓ極着磁部へ向かう前記回転軸の軸直角方向外側の発生磁界が、前記第２Ｎ極着磁部から前記第１Ｓ極着磁部へ向かう前記回転軸の軸直角方向内側の発生磁界よりも大きくなるように、それぞれ着磁されていることを特徴とする回転角検出装置。
2. 前記磁石における前記第２着磁面側には、磁性材料からなるヨーク部材が設けられてい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. 前記回転体は、ほぼ棒状に形成され、
   前記ヨーク部材は、前記磁石を前記回転体に固定する固定部を有することを特徴とする請求項２に記載の回転角検出装置。
4. 前記ヨーク部材は、前記回転軸の軸方向一方側に向けて開口形成された開口凹部と、該開口凹部における前記回転軸の軸方向他方側に形成されたアンダーカット部と、を有し、
   前記磁石は、前記開口凹部内に磁性材料を充填してなることを特徴とする請求項３に記載の回転角検出装置。

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