JP6558111B2

JP6558111B2 - 回転角センサ

Info

Publication number: JP6558111B2
Application number: JP2015139643A
Authority: JP
Inventors: 隆鬼本
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 2015-07-13
Filing date: 2015-07-13
Publication date: 2019-08-14
Anticipated expiration: 2035-07-13
Also published as: JP2017020933A

Description

本発明は、回転角センサに関する。

従来より、磁石（永久磁石）と磁気検出素子とを用いて回転体の回転角度を検出する回転角センサが知られている。

回転角センサは、例えば、シャフトの入力軸と出力軸とを連結するトーションバーの捩じれ角を検出し、この捩じれ角からシャフトに入力されたトルクを検出するトルクセンサの一部として用いられる。

従来の回転角センサとして、回転体に一体に設けられ周方向に沿って磁性の異なる複数磁極が形成されたリング磁石と、回転体の回転によりリング磁石の複数の磁極との相対的な位置関係が変化するように配置された複数の磁路形成部材と、磁路形成部材の磁束を集める１対の集磁リングと、集磁リング間の磁界強度を検出する磁気検出素子と、を備え、磁気検出素子が検出した磁界強度を基に回転体の回転角度を検出するものが知られている。

なお、本発明に関連する先行技術文献としては、特許文献１がある。

特開２００７−５３１０３号公報

しかしながら、上述の従来の回転角センサでは、構造が複雑で、かつ大型となってしまい、コストも高くなってしまうという問題がある。そのため、検出感度を確保しつつも、構造が簡単でコンパクトな回転角センサが求められている。

そこで、本発明は、構造が簡単でコンパクトであり、検出感度が良好な回転角センサを提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決することを目的として、回転体に前記回転体と一体に回転するように設けられ、前記回転体の回転軸を中心とした円の接線方向に臨むように一方の磁極が設けられた磁石と、前記磁石の前記一方の磁極に臨むように設けられ、前記回転体の回転により前記一方の磁極との距離が変化するように設けられた磁気検出素子と、前記磁気検出素子が検出した磁界強度から前記回転体の回転角度を検出する演算部と、を備え、前記回転体は、基準位置から一方の回転方向および他方の回転方向に回転するように構成され、前記磁石の前記一方の磁極は、前記回転体の回転軸から放射状に延出した仮想面に沿うように形成された端面を有し、前記磁気検出素子は、前記回転体が基準位置にあるときに前記端面と対向するように配置されている、回転角センサを提供する。

本発明によれば、構造が簡単でコンパクトであり、検出感度が良好な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概略構成図であり、（ａ）は回転体が基準位置にあるとき、（ｂ）は回転体を基準位置から反時計回りに回転させたとき、（ｃ）は回転体を基準位置から時計回りに回転させたときの図である。本発明の比較対象となる比較例の回転角センサを示す概略構成図であり、（ａ）は回転体が基準位置にあるとき、（ｂ）は回転体を基準位置から反時計回りに回転させたとき、（ｃ）は回転体を基準位置から時計回りに回転させたときの図である。本発明の比較対象となる比較例の回転角センサを示す概略構成図であり、（ａ）は回転体が基準位置にあるとき、（ｂ）は回転体を基準位置から反時計回りに回転させたとき、（ｃ）は回転体を基準位置から時計回りに回転させたときの図である。本発明の比較対象となる比較例の回転角センサを示す概略構成図であり、（ａ）は回転体が基準位置にあるとき、（ｂ）は回転体を基準位置から反時計回りに回転させたとき、（ｃ）は回転体を基準位置から時計回りに回転させたときの図である。本発明の比較対象となる比較例の回転角センサを示す概略構成図であり、（ａ）は回転体が基準位置にあるとき、（ｂ）は回転体を基準位置から反時計回りに回転させたときの図である。

［実施の形態］
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概略構成図であり、（ａ）は回転体が基準位置にあるとき、（ｂ）は回転体を基準位置から反時計回りに回転させたとき、（ｃ）は回転体を基準位置から時計回りに回転させたときの図である。

図１（ａ）〜（ｃ）に示すように、回転角センサ１は、回転体２の回転角度を検出するものであり、磁石（永久磁石）３と、磁気検出素子４と、図示しない演算部と、を備えている。

本実施の形態では、回転体２は、円柱状に形成され、回転軸Ｏを中心として回転するように構成されており、基準位置から一方の回転方向（反時計回り）および他方の回転方向（時計回り）に回転するように構成されている。例えば、回転体２がトルクの検出対象となるシャフトである場合、トルクが入力されていないときの回転体２の位置を基準位置としてもよい。

本実施の形態では、基準位置は、回転体２が回転する角度範囲における中心角度に対応する位置に設定されている。つまり、回転体２が回転する角度範囲は、基準位置を０°としたとき、±θ°の角度範囲となっている。ここでは、一例として、回転体２が回転する角度範囲が、基準位置を０°として±８°である場合を説明する。

磁石３は、回転体２に回転体２と一体に回転するように設けられている。本実施の形態では、回転体２の外周面から外方に延出する板状のアーム５を回転体２と一体に形成し、このアーム５の先端部における一方の面に磁石３を固定するように構成した。

また、磁石３は、回転体２の回転軸を中心とした円の接線方向に臨むように一方の磁極（ここではＮ極６）が設けられている。本実施の形態では、磁石３は、Ｓ極７がアーム５側となるようにアーム５に固定されている。

磁気検出素子４は、磁石３の一方の磁極（ここではＮ極６）に臨むように設けられ、回転体２の回転により磁石３の一方の磁極（ここではＮ極６）との距離が変化するように設けられている。磁気検出素子４は、例えば、回転体２の周囲の非回転体等に固定される。磁気検出素子４としては、例えば、ホール素子（ホールＩＣ）を用いることができる。

演算部は、磁気検出素子４が検出した磁界強度から回転体２の回転角度を検出するものである。磁気検出素子４が検出した磁界強度は、磁気検出素子４と磁石３との距離に応じた強度となるため、検出した磁界強度から求めた磁気検出素子４と磁石３との距離を回転体２の回転角度に換算することで、回転体２の回転角度を求めることができる。

さて、本実施の形態に係る回転角センサ１では、磁石３の一方の磁極（ここではＮ極６）は、回転体２の回転軸Ｏから放射状に延出した仮想面８に沿うように形成された端面６ａを有し、磁気検出素子４は、回転体２が基準位置にあるときに端面６ａと対向するように配置されている。

すなわち、回転角センサ１では、磁気検出素子４が対向する磁石３の端面６ａが、回転体２の回転軸Ｏから放射状に延出した仮想面８と一致するように形成されている。

磁気検出素子４は、その検出方向が、回転体２が基準位置にあるときの端面６ａの法線方向と一致するように配置されている。換言すれば、磁気検出素子４は、その磁界強度を検出する検出面が、回転体２が基準位置にあるときの端面６ａと平行となるように配置されている。

また、磁気検出素子４は、その中心（幅方向（図示左右方向）、高さ方向（図示上下方向）、および奥行き方向（図示紙面方向）における中心）が、回転体２が基準位置にあるときの端面６ａの中心と対向するように配置されている。換言すれば、磁気検出素子４は、基準位置において端面６ａの中心から法線方向に延出した直線状に、磁気検出素子４の中心が位置するように配置されている。

回転体２が基準位置にあるときの磁石３と磁気検出素子４間の距離は、回転体２が回転する角度範囲を考慮し、磁石３が磁気検出素子４に衝突しない程度の距離に適宜設定すればよい。ここでは、回転体２が基準位置にあるときの磁石３の端面６ａと磁気検出素子４の中心との距離を４ｍｍとした。

図１（ｂ），（ｃ）に示すように、回転体２が基準位置から回転すると、その回転に伴って磁気検出素子４の中心と磁石３の端面６ａの中心とがずれる。このとき、磁石３の端面６ａを、回転体２の回転軸Ｏから放射状に延出した仮想面８と一致するように形成することで、磁気検出素子４の中心と磁石３の端面６ａの中心のずれを最小限に抑えることが可能になる。その結果、磁石３からの磁力線のずれを抑制して磁気検出素子４で安定して磁界強度を検出することが可能になり、検出感度を向上することが可能になる。また、磁気検出素子４の中心と磁石３の端面６ａの中心のずれを最小限に抑えることができるため、磁気検出素子４で検出する磁界強度と、磁気検出素子４と磁石３の距離の関係が略線形関係となり、演算部における演算を簡略化することが可能となる。

回転体２の基準位置からの回転角度が大きくなるほど、磁気検出素子４の中心と磁石３の端面６ａの中心のずれは大きくなるので、基準位置からの回転角度をなるべく小さくして検出感度を向上させるために、回転体２が回転する角度範囲における中心角度に対応する位置を基準位置に設定することが望ましい。

また、本実施の形態では、磁石３は、回転体２が基準位置にあるときにおいて、回転体２の径方向に沿った端面６ａの幅が、当該径方向と平行な方向（図１（ａ）における左右方向、すなわち幅方向）の磁気検出素子４の幅よりも大きく形成されている。これは、回転体２が回転する角度範囲が大きい場合であっても、磁石３の磁力が安定した領域を磁気検出素子４と対向させ、磁力線のずれによる検出感度の低下を抑制するためである。

ここで、回転体２の回転軸Ｏから放射状に延出した仮想面８に対する磁石３の端面６ａの位置を変化させたときに、磁気検出素子４の中心と磁石３の端面６ａの中心のずれ、および、磁気検出素子４の中心と磁石３の端面６ａの中心の距離がどのように変化するかを検討しておく。ここでは、基準位置における磁石３の端面６ａの中心と磁気検出素子４の中心の距離は４ｍｍ、基準位置での回転軸Ｏから端面６ａの中心までの距離（図１（ａ）の左右方向における回転軸Ｏから磁気検出素子４の中心までの距離）は１５ｍｍで一定とし、回転体２が回転する角度範囲も基準角度に対して±８°で一定とした。

磁石３の端面６ａを仮想面８と一致させた本実施の形態に係る回転角センサ１においては、図１（ｂ），（ｃ）に示すように、磁気検出素子４の中心と磁石３の端面６ａの中心の図示左右方向のずれ（以下、単に中心ずれという）は最大で０．１５ｍｍであり、磁気検出素子４の中心と磁石３の端面６ａの中心の図示上下方向の距離（以下、単に中心間距離という）は、１．９２ｍｍ以上６．０９ｍｍ以下となった。

図２（ａ）〜（ｃ）に示すように、基準位置での仮想面８と磁石３の端面６ａとの距離を２ｍｍとした場合、中心ずれが最大で０．４２ｍｍと大きくなり、中心間距離は１．９ｍｍ以上６．０７ｍｍ以下となった。

図３（ａ）〜（ｃ）に示すように、基準位置での仮想面８と磁石３の端面６ａとの距離を４ｍｍとした場合（磁気検出素子４の中心が仮想面８上となるように配置した場合）、中心ずれが最大０．７ｍｍとさらに大きくなり、中心間距離は１．８８ｍｍ以上６．０５ｍｍ以下となった。

図４（ａ）〜（ｃ）に示すように、基準位置での仮想面８と磁石３の端面６ａとの距離を６ｍｍとした場合、中心ずれが最大１．４ｍｍとさらに大きくなり、中心間距離は２ｍｍ以上６．１８ｍｍ以下となった。以上の結果をまとめて表１に示す。

表１に示すように、中心距離に関してはそれほど大きな変化は見られないが、基準位置での仮想面８と磁石３の端面６ａとの距離が大きくなるほど、中心ずれの最大値が大きくなることが分かる。すなわち、本実施の形態に係る回転角センサ１のように、磁石３の端面６ａを仮想面８と一致させることで、磁気検出素子４の中心と磁石３の端面６ａの中心の図示左右方向のずれを最も小さくすることが可能になり、中心ずれに起因した誤差を抑制して、精度よく回転角度を検出可能になることが分かる。

また、基準位置を変更した場合についても検討しておく。

図５（ａ），（ｂ）に示すように、回転体２が回転する角度範囲における最小角度を基準位置とした場合（回転体２を最も時計回りに回転させた位置を基準位置とした場合）、中心ずれは最大０．５８ｍｍと大きくなり、中心間距離は２ｍｍ以上６．１８ｍｍ以下となった。この結果から、回転体２が回転する角度範囲における中心角度に対応する位置を基準位置に設定することで、さらに磁気検出素子４の中心と磁石３の端面６ａの中心の図示左右方向のずれを小さくし、回転角度の検出精度をより向上できることが分かる。

（実施の形態の作用及び効果）
以上説明したように、本実施の形態に係る回転角センサ１では、回転体２は、基準位置から一方の回転方向および他方の回転方向に回転するように構成され、磁石３の一方の磁極（ここではＮ極６）は、回転体２の回転軸Ｏから放射状に延出した仮想面８に沿うように形成された端面６ａを有し、磁気検出素子４は、回転体２が基準位置にあるときに端面６ａと対向するように配置されている。

回転角センサ１は、磁石３と磁気検出素子４から構成される簡単な構造となっており、従来技術のように磁路形成部材や集磁リング等を用いる必要もないので、非常にコンパクトである。

また、回転角センサ１では、仮想面８と一致するように磁石３の端面６ａを形成し、基準位置にて端面６ａと対向するように磁気検出素子４を配置しているため、回転体２の回転に伴う磁気検出素子４と磁石３の位置ずれ（中心ずれ）を最小限に抑え、磁石３からの磁力線のずれを抑制して磁気検出素子４で安定して磁界強度を検出することが可能になり、検出感度を向上することが可能になる。

（実施の形態のまとめ）
次に、以上説明した実施の形態から把握される技術思想について、実施の形態における符号等を援用して記載する。ただし、以下の記載における各符号等は、特許請求の範囲における構成要素を実施の形態に具体的に示した部材等に限定するものではない。

［１］回転体（２）に前記回転体（２）と一体に回転するように設けられ、前記回転体（２）の回転軸（Ｏ）を中心とした円の接線方向に臨むように一方の磁極（６）が設けられた磁石（３）と、前記磁石（３）の前記一方の磁極（６）に臨むように設けられ、前記回転体（２）の回転により前記一方の磁極（６）との距離が変化するように設けられた磁気検出素子（４）と、前記磁気検出素子（４）が検出した磁界強度から前記回転体（２）の回転角度を検出する演算部と、を備え、前記回転体（２）は、基準位置から一方の回転方向および他方の回転方向に回転するように構成され、前記磁石（３）の前記一方の磁極（６）は、前記回転体（２）の回転軸（Ｏ）から放射状に延出した仮想面（８）に沿うように形成された端面（６ａ）を有し、前記磁気検出素子（４）は、前記回転体（２）が基準位置にあるときに前記端面（６ａ）と対向するように配置されている、回転角センサ（１）。

［２］前記磁気検出素子（４）は、その検出方向が、前記回転体（２）が基準位置にあるときの前記端面（６ａ）の法線方向と一致するように配置されている、［１］に記載の回転角センサ（１）。

［３］前記磁石（３）は、前記回転体（２）が基準位置にあるときにおいて、前記回転体（２）の径方向に沿った前記端面（６ａ）の幅が、前記径方向と平行な方向の前記磁気検出素子（４）の幅よりも大きく形成されている、［１］または［２］に記載の回転角センサ（１）。

［４］前記回転体（２）の外周面から外方に延出するアーム（５）を有し、前記磁石（３）は、前記アーム（５）に固定されている、［１］乃至［３］の何れか１項に記載の回転角センサ（１）。

［５］前記基準位置は、前記回転体（２）が回転する角度範囲における中心角度に対応する位置である、［１］乃至［４］の何れか１項に記載の回転角センサ（１）。

以上、本発明の実施の形態を説明したが、上記に記載した実施の形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施の形態の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない点に留意すべきである。

本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変形して実施することが可能である。

例えば、上記実施の形態では、回転体２に設けたアーム５に磁石３を固定する場合を説明したが、これに限らず、回転体２に直接磁石３を設けるように構成してもよい。また、回転体２に設けた穴に磁石３を挿入する等して、回転体２に磁石３を内蔵するように構成しても構わない。

また、上記実施の形態では、磁石３のＮ極６を磁気検出素子４に対向させたが、磁石３のＳ極７を磁気検出素子４に対向させてもよい。

１…回転角センサ
２…回転体
３…磁石
４…磁気検出素子
５…アーム
６…Ｎ極
６ａ…端面
７…Ｓ極
８…仮想面
Ｏ…回転軸

Claims

回転体に前記回転体と一体に回転するように設けられ、前記回転体の回転軸を中心とした円の接線方向に臨むように一方の磁極が設けられた磁石と、
前記磁石の前記一方の磁極に臨むように設けられ、前記回転体の回転により前記一方の磁極との距離が変化するように設けられた磁気検出素子と、
前記磁気検出素子が検出した磁界強度から前記回転体の回転角度を検出する演算部と、
を備え、
前記回転体は、基準位置から一方の回転方向および他方の回転方向に回転するように構成され、
前記磁石の前記一方の磁極は、前記回転体の回転軸から放射状に延出した仮想面に一致するように形成された端面を有し、
前記磁気検出素子は、前記回転体が基準位置にあるときに前記端面と対向するように配置されている、
回転角センサ。
前記磁気検出素子は、その検出方向が、前記回転体が基準位置にあるときの前記端面の法線方向と一致するように配置されている、
請求項１に記載の回転角センサ。
前記磁石は、前記回転体が基準位置にあるときにおいて、前記回転体の径方向に沿った前記端面の幅が、前記径方向と平行な方向の前記磁気検出素子の幅よりも大きく形成されている、
請求項１または２に記載の回転角センサ。
前記回転体の外周面から外方に延出するアームを有し、
前記磁石は、前記アームに固定されている、
請求項１乃至３の何れか１項に記載の回転角センサ。
前記基準位置は、前記回転体が回転する角度範囲における中心角度に対応する位置である、
請求項１乃至４の何れか１項に記載の回転角センサ。