JP6561393B2

JP6561393B2 - 角度センサ、及び、角度センサによる角度検出方法

Info

Publication number: JP6561393B2
Application number: JP2015179875A
Authority: JP
Inventors: 鈴木　康広; 鈴木　　康広; 英治熊谷
Original assignee: Simotec Co Ltd
Current assignee: Simotec Co Ltd
Priority date: 2015-09-11
Filing date: 2015-09-11
Publication date: 2019-08-21
Anticipated expiration: 2035-09-11
Also published as: JP2017053814A

Description

本発明は、回転体に配設した磁石の磁場強度を検知する角度センサ、及び、角度センサによる角度検出方法に関する。

従来、回転軸に取り付けて回転角を検知するための非接触型の角度センサが知られている。具体的には、回転軸を中心として回転する磁石と、該磁石の周囲に配設した磁気検出素子により、回転軸の回転角を検知する角度センサが公知となっている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１０−１０１７４６号公報

上記従来技術のような角度センサの構成では、磁石のサイズが大きくなるため、角度センサの使用環境が高温になると磁石が熱膨張し、磁石が割れる原因となる。また、磁石が大きいことにより形状加工や着磁による製造難度が高くなり、コスト増の原因となっていた。

本発明は以上の如き状況に鑑みてなされたものであり、本発明が解決しようとする課題は、コンパクトな磁石を用いることにより磁石の割れ等を防止するとともに、容易に製造可能な角度センサ、及び、角度センサによる角度検出方法を提供することである。

以下では、上記課題を解決するための手段を説明する。

即ち、請求項１においては、中心部に回動軸を備える円形の回転体と、前記回転体の外周部分に、磁化方向を同一にして等間隔に配設された複数個の磁石と、前記回転体に近接する位置の第一磁場強度を検知する第一の磁気検知部と、前記回転体に近接し、第一の磁気検知部による検知位置に対して前記回転体の回動軸から所定角度ずらした位置の第二磁場強度を検知する第二の磁気検知部と、前記第一磁場強度と前記第二磁場強度との関係から、前記回転体の回転角度を算出する回転角度演算部と、を備えた角度センサであって、前記第一の磁気検知部は、前記回動軸からの距離が等しく互いに等間隔に配設された複数個の第一磁気検出素子と、それぞれの前記第一磁気検出素子で検出した位相の異なる磁場強度を重ね合わせることにより前記第一磁場強度を算出する第一演算部と、を備え、前記第二の磁気検知部は、前記回動軸からの距離が等しく互いに等間隔に配設された複数個の第二磁気検出素子と、それぞれの前記第二磁気検出素子で検出した位相の異なる磁場強度を重ね合わせることにより前記第二磁場強度を算出する第二演算部と、を備えるものである。

請求項２においては、中心部に回動軸を備える円形の回転体と、前記回転体の外周部分に、磁化方向を同一にして等間隔に配設された複数個の磁石と、前記回転体に近接する位置の第一磁場強度を検知する第一の磁気検知部と、前記回転体に近接し、第一の磁気検知部による検知位置に対して前記回転体の回動軸から所定角度ずらした位置の第二磁場強度を検知する第二の磁気検知部と、備える角度センサにより、前記回転体の回転角度を算出する、角度検出方法であって、前記第一の磁気検知部は、前記回動軸からの距離が等しく互いに等間隔に配設された複数個の第一磁気検出素子を備え、前記第二の磁気検知部は、前記回動軸からの距離が等しく互いに等間隔に配設された複数個の第二磁気検出素子を備え、それぞれの前記第一磁気検出素子で検出した位相の異なる磁場強度を重ね合わせることにより第一磁場強度を算出する、第一演算工程と、それぞれの前記第二磁気検出素子で検出した位相の異なる磁場強度を重ね合わせることにより第二磁場強度を算出する、第二演算工程と、前記第一磁場強度と前記第二磁場強度との関係から、前記回転体の回転角度を算出する、回転角度演算工程と、を備えるものである。

本発明は、角度センサにおいてコンパクトな磁石を用いることにより磁石の割れ等を防止するとともに、製造が容易となるという効果を奏する。

本発明に係る角度センサの実施の一形態を示す概略平面図及びブロック構成図。角度センサにおける磁気検知部の配置状態を示した図。角度センサにおける磁石の配置状態を示した図。（ａ）から（ｃ）はそれぞれ第一磁気検知素子における検知結果を示した図。ｓｉｎ波形の重ね合わせを説明した図。第一磁場強度を示した図。第一磁場強度と第二磁場強度とによる回転角の算出方法を示した図。

まず、本発明の一実施形態に係る角度センサ１０について説明する。なお、本実施形態に係る角度センサ１０は、例えば自動車における電子燃料噴射方式エンジンの燃料噴射タイミングのコントロールや、ステアリングシャフトの回転角の検知等、様々な箇所の角度検知に用いることが可能である。

本実施形態に係る角度センサ１０は、図１に示す如く、中心部に回動軸３ａを備えて矩形のケース２に収容された円形の回転体３と、回転体３の外周部分に、磁化方向を同一にして等間隔に配設された複数個の磁石５・５・・・と、を備える。

ケース２及び回転体３は樹脂等の非磁性素材で形成されている。回転体３は回動軸３ａ及び図示しない軸受を介してケース２に軸支されており、ケース２の内部で回動自在に収容されている。回動軸３ａは外部の角度検知対象物と連結されており、角度検知対象物の回転によって回動する。即ち、回動軸３ａの回動によって回転体３はケース２の内部で回動される。角度センサ１０は、ケース２の内部におけるケース２に対する回転体３の相対角度を検出することにより、ケース２に対する角度検知対象物の回転角度を検出するのである。本実施形態においては図１中の矢印Ｒに示す如く、角度検知対象物の回転に伴って平面視で回転体３が反時計回りに回転する場合について説明する。但し、角度センサ１０における回転体３の回転方向は反時計回りに限定されず、時計回りの場合や、両方の回転方向が混在する場合でも回転体３の角度を検知することが可能である。

磁石５・５・・・には異方性磁石が用いられる。それぞれの磁石５はＮ極面５ｎとＳ極面５ｓとを備え、各磁石５のＮ極面５ｎ及びＳ極面５ｓはそれぞれ同じ方向に向けられる（図１及び図３においては、Ｎ極面５ｎは右側、Ｓ極面５ｓは左側に向けられている）。本実施形態において、磁石５・５・・・は回転体３の外周部分に、１５度ずつ間隔を空けて２４個配設される（図２における角度α＝１５度）。

全ての磁石５・５・・・は同じ磁極を同方向に向けているため、回転体３の周囲には図３中の矢印Ｍに示す如く、Ｎ極面５ｎが向けられる側（図１及び図３における右側）に大きな磁界（以下、「大磁界」と表記する）が発生する。また、２４個の磁石５・５・・・は全て同じ磁極を同方向に向けているため、図３中の矢印ｍ１からｍ２５に示す如く、回転体３の放射方向に２５個の小さな磁極を持つ周期磁界（以下、「小磁界」と表記する）が発生し、その磁極の間隔は３６０度を２５分割した１４．４度となる。即ち、回転体３にＮｍ個の磁石を配設した場合、小磁界の個数Ｍｓ＝Ｎｍ＋１となり、その間の角度は３６０／（Ｎｍ＋１）度となる。例えば、回転体３に１５個の磁石を配設した場合、小磁界は１６個発生し、その間の角度は３６０／１６＝２２．５度となる。このように、回転体３に配設する磁石５の個数は限定されるものではない。但し、角度センサ１０の検出精度を確保する観点からは、磁石５の個数は多いことが好ましい。

角度センサ１０は、回転体３に近接する位置の第一磁場強度を検知する第一の磁気検知部と、回転体３に近接し、第一の磁気検知部による検知位置に対して前記回転体の回動軸から所定角度ずらした位置の第二磁場強度を検知する第二の磁気検知部と、を備える。

具体的に、第一の磁気検知部は、回動軸３ａ（より詳細には、回動軸３ａの軸心３ｏ（図２を参照））からの距離が等しく互いに等間隔に配設された三個の第一磁気検出素子１１ａ・１１ｂ・１１ｃと、それぞれの第一磁気検出素子１１ａ・１１ｂ・１１ｃと電気的に接続され、第一磁気検出素子１１ａ・１１ｂ・１１ｃで検出した磁場強度（図４（ａ）〜（ｃ）中のＬ１１〜Ｌ１３を参照）を重ね合わせることにより第一磁場強度（図６及び図７中のＬ１４を参照）を算出する第一演算部２１と、を備えている。

第一磁気検出素子１１ａ・１１ｂ・１１ｃは、ＭＲセンサやホール素子等の磁気センサであり、それぞれの箇所において回動軸３ａの方向に向けて配設される。第一磁気検出素子１１ａ・１１ｂ・１１ｃは回動軸３ａから放射方向の磁場強度を検出する。第一磁気検出素子１１ａ・１１ｂ・１１ｃは第一磁気検出ユニット１１として一体化されている。本実施形態において、第一磁気検出素子１１ａ・１１ｂ・１１ｃは軸心３ｏからの角度が９．６度ずつ間隔を空けて配設される（図２における角度β＝９．６度）。回動軸３ａから第一磁気検出ユニット１１までの距離Ｘ（図２を参照）は、回転体３の半径等を考慮して、第一磁場強度の変化が滑らかになる数値が適宜用いられる。

第一演算部２１は制御部２０に備えられた回路であり、第一磁気検出素子１１ａ・１１ｂ・１１ｃで検出した磁場強度を演算可能に構成されている（詳細は後述する）。制御部２０は、主としてＲＡＭやＲＯＭなどからなる記憶部や、ＣＰＵからなる演算処理部などを備えて構成されている。

第二の磁気検知部は、第一の磁気検知部と同様に、回動軸３ａからの距離が等しく互いに等間隔に配設された複数個の第二磁気検出素子１２ａ・１２ｂ・１２ｃと、それぞれの第二磁気検出素子１２ａ・１２ｂ・１２ｃと電気的に接続され、第二磁気検出素子１２ａ・１２ｂ・１２ｃで検出した磁場強度を重ね合わせることにより第二磁場強度（図７中のＬ２４を参照）を算出する第二演算部２２と、を備えている。

第二磁気検出素子１２ａ・１２ｂ・１２ｃは、第一磁気検出素子１１ａ・１１ｂ・１１ｃと同様に配置されたＭＲセンサやホール素子等の磁気センサであり、それぞれの箇所において回動軸３ａの方向に向けて配設される。第二磁気検出素子１２ａ・１２ｂ・１２ｃは回動軸３ａから放射方向の磁場強度を検出する。第二磁気検出素子１２ａ・１２ｂ・１２ｃは第二磁気検出ユニット１２として一体化されている。図１に示す如く、第二磁気検出ユニット１２は第一磁気検出ユニット１１に対して９０度位相をずらして（回動軸３ａから向かって反時計回りに９０度ずれて）配置されている。第二演算部２２は制御部２０に備えられた回路であり、第一演算部２１と同様に第二磁気検出素子１２ａ・１２ｂ・１２ｃで検出した磁場強度を演算可能に構成されている。

図１に示す如く制御部２０は回転角度演算部２３を備える。回転角度演算部２３は、第一演算部２１及び第二演算部２２と電気的に接続され、第一磁場強度と第二磁場強度との関係から、回転体３の回転角度を算出する（詳細は後述する）。回転角度演算部２３で算出された回転体３の回転角度は出力部３１（記憶媒体や表示モニタ等）に送信される。

次に、上記の如く構成した角度センサ１０による角度検出方法について、図３から図７を用いて説明する。
まず、第一磁気検出素子１１ａ・１１ｂ・１１ｃのそれぞれで磁場強度を検出する。図４（ａ）〜（ｃ）はそれぞれ、第一磁気検出素子１１ａ〜１１ｃによる磁場強度の検出結果である。第一磁気検出素子１１ａ・１１ｂ・１１ｃは、回転体３の周囲に生じる大磁界（図３中の矢印Ｍを参照）によって、回転体３の一回転（３６０度）が一周期となるｓｉｎ波形（図４（ａ）〜（ｃ）中の曲線Ｌ１０）に沿った磁場強度を検出する。

また、第一磁気検出素子１１ａ・１１ｂ・１１ｃは、回転体３から半径方向外側に生じる小磁界（図３中の矢印ｍ１〜ｍ２５を参照）によって、回転体３の小磁界の生じる角度（本実施形態においては１４．４度）ごとに一周期となるｓｉｎ波形の磁場強度を検出する。このため、第一磁気検出素子１１ａ・１１ｂ・１１ｃのそれぞれで検出する磁場強度は、図４（ａ）〜（ｃ）中の曲線Ｌ１１〜Ｌ１３のように、大磁界による大きなｓｉｎ波形の中に小さなｓｉｎ波形が生じることになる。

第一磁気検出ユニット１１においては、第一磁気検出素子１１ａが最も上流側に位置し、他の第一磁気検出素子１１ｂ・１１ｃとの角度はそれぞれ９．６度ずつ離れている。このため、第一磁気検出素子１１ａによる検出結果である曲線Ｌ１１は、第一磁気検出素子１１ｂによる検出結果である曲線Ｌ１２よりも９．６度分上流に位相がずれる。同様に、第一磁気検出素子１１ｃによる検出結果である曲線Ｌ１３は、第一磁気検出素子１１ｂによる検出結果である曲線Ｌ１２よりも９．６度分下流に位相がずれる。

ここで、図５を用いてｓｉｎ波形を重ね合わせる手法について説明する。図５中の曲線Ｌ１は、磁場強度の最小値が１、最大値が３、周期が１のｓｉｎ波形である。曲線Ｌ２及びＬ３は、曲線Ｌ１に対して一周期の１／３ずつ位相をずらしたｓｉｎ波形である。これらの曲線Ｌ１〜Ｌ３を重ね合わせた場合、互いの位相のピークが打ち消されることにより、磁場強度が６で一定となる直線Ｌ４となる。このように、一周期の１／３ずつ位相がずれたｓｉｎ波形を重ね合わせることにより、それぞれのピークを打ち消すことが可能となる。

本実施形態において、第一磁気検出素子１１ａ・１１ｂ・１１ｃは９．６度ずつ位相をずらして配置されている。ここで、本実施形態における小磁界の周期は１４．４度であるため、第一磁気検出素子１１ａ・１１ｂ・１１ｃは小周期一周分の２／３ずつずらして配置されることになる。これにより、曲線Ｌ１１〜Ｌ１３は図５中の曲線Ｌ１〜Ｌ３のように互いに一周期の１／３ずつ位相がずれたｓｉｎ波形となるのである。このため、第一演算部２１において、それぞれの第一磁気検出素子１１ａ・１１ｂ・１１ｃで検出した位相の異なる磁場強度である曲線Ｌ１１〜Ｌ１３を重ね合わせることにより、図６中の曲線Ｌ１４に示す如く小周期によるピークが打ち消された第一磁場強度が算出される（第一演算工程）。この際、曲線Ｌ１４は曲線Ｌ１０の３倍程度の値となる。

本実施形態においては、曲線Ｌ１１〜Ｌ１３の位相を一周期の２／３ずつずらすために９．６度の角度差をつけて第一磁気検出素子１１ａ・１１ｂ・１１ｃを配置しているが、１４．４度の１／３ずつずらして配置することによっても曲線Ｌ１１〜Ｌ１３の位相を一周期の１／３ずつずらすことも可能である。即ち、第一磁気検出素子１１ａ・１１ｂ・１１ｃで検出する磁場強度が一周期（３６０／（Ｎｍ＋１）度）の１／３ずつずれる角度であれば、第一磁気検出素子１１ａ・１１ｂ・１１ｃの間隔は限定されるものではない。例えば、第一磁気検出素子１１ａ・１１ｂ・１１ｃを１９．２度ずつずらして配置することも可能である。なお、本実施形態において、第一磁気検出素子１１ａ・１１ｂ・１１ｃを１４．４度ずつずらして配置した場合は、曲線Ｌ１１〜Ｌ１３の位相がずれずに一致するために相応しくない。

次に、第二磁気検出素子１２ａ・１２ｂ・１２ｃのそれぞれで磁場強度を検出し、第一演算工程と同様に、第二演算部２２において、それぞれの第二磁気検出素子１２ａ・１２ｂ・１２ｃで検出した位相の異なる磁場強度を重ね合わせることにより、図７中の曲線Ｌ２４に示す如く小周期によるピークが打ち消された第二磁場強度が算出される（第二演算工程）。第二磁気検出ユニット１２は第一磁気検出ユニット１１に対して９０度下流側に位相をずらして配置されているため、図７に示す如く第二磁場強度による曲線Ｌ２４は第一磁場強度による曲線Ｌ１４と比較して１／４周期だけピークがずれて算出される。

次に、回転角度演算部において、第一磁場強度と第二磁場強度との関係から、回転体３の回転角度ｒを算出する（回転角度演算工程）。具体的には図７に示す如く、第一磁場強度Ｍ１に相当する曲線Ｌ１４上の点Ｐ１２と、第二磁場強度Ｍ２に相当する曲線Ｌ２４上の点Ｐ２１との位相計算により、回転体３の回転角度ｒを算出するのである。なお、曲線Ｌ１４上には第一磁場強度Ｍ１に相当する点がＰ１２の他に点Ｐ１１として存在し、曲線Ｌ２４上には第二磁場強度Ｍ２に相当する点がＰ２１の他に点Ｐ２２として存在するが、第一磁場強度Ｍ１と第二磁場強度Ｍ２とを同時に検出できるのは点Ｐ１２と点Ｐ２１しかないため、一つの回転角度ｒを算出することができる。

上記の如く、本実施形態に係る角度センサ１０の構成によれば、小さなサイズの磁石５を用いているため、角度センサ１０の使用環境が高温になって磁石５が熱膨張した場合でも、磁石５が割れることがない。また、磁石５が熱膨張した場合であっても、角度センサ１０における角度検出精度にはほとんど影響することはない。また、小さな磁石５を多数用いるため、形状加工や着磁による製造難度を低くすることができ、角度センサ１０の製造コストを抑制することができる。

なお、本実施形態において、第一磁気検出ユニット１１（第二磁気検出ユニット１２についても同じ）において、第一磁気検出素子１１ａ~１１ｃを三個配設する構成としているが、第一磁気検出素子を二個又は四個以上で配設することも可能である。第一磁気検出素子を何れの個数で配設した場合でも、検出した磁場強度を重ね合わせることにより小磁界の周期の位相のピークを打ち消すことができれば良い。例えば本実施形態において第一磁気検出素子を二個配設する場合、小磁界の周期である１４．４度の１／２である７．２度、又は、３／２である２１．６度等に位相をずらして配設すれば良い。

３回転体
１０角度センサ
１１第一磁気検出ユニット
１１ａ〜ｃ第一磁気検出素子
１２第二磁気検出ユニット
１２ａ〜ｃ第二磁気検出素子
２１第一演算部
２２第二演算部
２３回転角度演算部

Claims

中心部に回動軸を備える円形の回転体と、
前記回転体の外周部分に、磁化方向を同一にして等間隔に配設された複数個の磁石と、
前記回転体に近接する位置の第一磁場強度を検知する第一の磁気検知部と、
前記回転体に近接し、第一の磁気検知部による検知位置に対して前記回転体の回動軸から所定角度ずらした位置の第二磁場強度を検知する第二の磁気検知部と、
前記第一磁場強度と前記第二磁場強度との関係から、前記回転体の回転角度を算出する回転角度演算部と、を備えた角度センサであって、
前記第一の磁気検知部は、前記回動軸からの距離が等しく互いに等間隔に配設された複数個の第一磁気検出素子と、それぞれの前記第一磁気検出素子で検出した位相の異なる磁場強度を重ね合わせることにより前記第一磁場強度を算出する第一演算部と、を備え、
前記第二の磁気検知部は、前記回動軸からの距離が等しく互いに等間隔に配設された複数個の第二磁気検出素子と、それぞれの前記第二磁気検出素子で検出した位相の異なる磁場強度を重ね合わせることにより前記第二磁場強度を算出する第二演算部と、を備える、角度センサ。
中心部に回動軸を備える円形の回転体と、
前記回転体の外周部分に、磁化方向を同一にして等間隔に配設された複数個の磁石と、
前記回転体に近接する位置の第一磁場強度を検知する第一の磁気検知部と、
前記回転体に近接し、第一の磁気検知部による検知位置に対して前記回転体の回動軸から所定角度ずらした位置の第二磁場強度を検知する第二の磁気検知部と、を備える角度センサにより、前記回転体の回転角度を算出する、角度検出方法であって、
前記第一の磁気検知部は、前記回動軸からの距離が等しく互いに等間隔に配設された複数個の第一磁気検出素子を備え、
前記第二の磁気検知部は、前記回動軸からの距離が等しく互いに等間隔に配設された複数個の第二磁気検出素子を備え、
それぞれの前記第一磁気検出素子で検出した位相の異なる磁場強度を重ね合わせることにより第一磁場強度を算出する、第一演算工程と、
それぞれの前記第二磁気検出素子で検出した位相の異なる磁場強度を重ね合わせることにより第二磁場強度を算出する、第二演算工程と、
前記第一磁場強度と前記第二磁場強度との関係から、前記回転体の回転角度を算出する、回転角度演算工程と、を備える、角度センサによる角度検出方法。