JP6632333B2 - 回転角度検出装置およびこれに用いる角度センサユニット - Google Patents
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Description
従来の磁気方式による回転角度検出装置として、例えば特許第5131537号公報には、永久磁石のN極領域とS極領域とを回転中心の周りに交互に配置した回転部材と、回転部材に対して所定位置に配した板状の磁性プレートと、磁気検出素子とを有する構成が示され、磁性プレートにおける二方向の磁場成分の検出結果に基づいて回転部材の回転角度を演算するようになっている。
さらに、ケースに収納されて1個の製品をなす角度センサユニットとしては、内部的にも回転部材を収容する空間を気密に形成しながら位置精度良く保持しなければならないから、小型化が困難で、複雑な保持構造がコストも上昇させることになる。
あるいはまた、回転部材を廃して永久磁石を被検出体に取り付けることとしても、被検出体にその取り付け構造形成のため製造工程が複雑になるとともに、製造工程での鉄材を含む磁性物質の小片および微粉末の付着による磁気的なコンタミネーションに対する厳密な管理が要求される。
そして、被検出体の回転軸に偏芯が生じた場合には永久磁石の回転軸も位置ズレして磁気検出素子との相対的な位置関係が変化し、出力信号は変動することになる。
以上のようないずれの方策を採るとしても、永久磁石を被検出体と連動して回転させる構成では高い検出精度と低コストの両立は困難である。
該平面部に着磁方向一端の磁極面を平行に対向させた永久磁石と、
被検出体の回転軸を通り着磁方向に沿った基準線に対し線対称に配置され、被検出体の回転軸に平行に永久磁石から突出する一対の第1ヨークと、
永久磁石の第1ヨークが突出する面に対向し、第1ヨークの突出端との間に間隙をおいて配置した第2ヨークと、
上記間隙における第1ヨークのそれぞれに対応する検出ポイントに磁気感応部を位置させた磁気検出素子とからなり、
磁気検出素子が検出する回転軸に平行方向の磁束密度と回転軸および基準線に垂直方向の磁束密度とに基づいて被検出体の回転角度を演算するものとした。
回転角度検出装置1は被検出体としての回転するシャフト2に角度センサユニット10を対置して構成される。
図2に示すように、角度センサユニット10は永久磁石11に一対の第1ヨーク18(18a、18b)が組付けられており、これら第1ヨーク18との間に所定間隙をおいて対向し永久磁石11と平行に第2ヨーク20が配置されている。
永久磁石11は希土類の等方性ネオジムボンド磁石材料から射出成型で形成され、長さL、幅W、高さHmの直方体をなし、図2の(C)の側面図において左端がS極、右端がN極となっている。S極およびN極の各磁極面12、13の中心を通る直線を永久磁石11の基準線Kとする。
なお、第1ヨーク18は永久磁石11の射出成型時にインサートされて永久磁石11に結合保持され、永久磁石11を貫通して第2ヨーク20と反対側の上面14からも突出しインサート時の掴み代となっている。
ホールIC24は磁気感応部が検出する2方向の磁束密度に基づいて所定の演算を行う。これについては後述する。
第2ヨーク20の下面22から永久磁石11の上面14までの高さを角度センサユニットの検出面高さHsと呼ぶ。
角度センサユニット10内には可動部材がないので、これを収容する空間も必要ないとともに、各部品の相対位置を精度良く組み付けることができる。したがってまた、ケースはシール樹脂などによる封止タイプも可能で、これにより、各部品の高精度の位置関係を安定に保持することができる。
なお、磁石11の着磁は第1ヨーク18を保持した状態、さらには第2ヨークおよびホールIC24とともに組み上げられてケースに収納された状態で行うのが好ましい。組み立ての各作業段階での磁気的なコンタミネーションのおそれが解消され、工程管理が容易となる。
角度センサユニット10はその永久磁石11のS極の磁極面12および第2ヨーク20の前端面21をシャフト2の平面部3に対向させて配置される。永久磁石11の磁極面12、13の各中心を通る基準線Kはシャフト2の回転軸Csを横切るとともに、回転軸Csに対して垂直となるように設定される。
また、平面部高さHzは角度センサユニット10の検出面高さHs(図2の(B)参照)および想定されるシャフト2の回転軸Cs方向の位置ズレ量との加算値より大きく設定される。
これにより、図3に示すように、永久磁石11による磁束線JはN極から第1ヨーク18を経由して第2ヨーク20を通り、さらにシャフト2を経由してS極に戻る経路を辿る。そして検出ポイントPにおいてホールIC24が磁束密度を検出する。
(B)はシャフト2が基準位置から時計(右)回りに回転した状態で、例えば−45deg(度)など負の値をとる。そして、(C)は基準位置から反時計(左)回りに回転した状態で、例えば(+)45degなど正の値をとる。
ここで、永久磁石11の基準線Kと平行に延びる向きをX方向、シャフト2の回転軸Csと平行に延びる向きをZ方向、そしてこれらと直交しシャフトの基準位置における平面部3と平行に延びる向きをY方向とする。
角度センサユニット10のホールIC24a、24bは対応する検出ポイントP1、P2におけるZ方向とY方向の2方向の磁束密度を検出する。
すなわち、シャフト2が基準位置(0deg)にあるときは第1ヨーク18aと平面部3間の距離と、第1ヨーク18bと平面部3間の距離とは等しいが、シャフト2が基準位置から時計回り(−45deg方向)に回転するときは第1ヨーク18aと平面部3間の距離が短くなる一方、第1ヨーク18bと平面部3間の距離は長くなる。逆に、シャフト2が基準位置から反時計回り(+45deg方向)に回転するときは第1ヨーク18aと平面部3間の距離が長くなる一方、第1ヨーク18bと平面部3間の距離は短くなる。
この第1ヨーク18a、18bと平面部3間の距離変化により、検出ポイントP1、P2におけるZ方向磁束密度とY方向磁束密度の変化にも差異が生じる。
測定に用いた角度センサユニット10は、回転角度範囲90degほどを想定した直径11mmのシャフト2に対して、永久磁石11は磁極面12、13の高さ(Hm)5mm、幅(W)20mm、長さ(L)13mmのサイズを有し、第1ヨーク18a、18bはそれぞれ長さ6mm、高さ8mm、板厚1.4mmで、第2ヨーク20側および反対側への突出量はいずれも1.5mmとして基準線Kを挟んだ第1ヨーク18a、18b間の距離が2.5mm、また第2ヨーク20は長さ7.5mm、幅10mm、板厚1mmである。ホールIC24には2つの磁気感応部を備えるamsAG製AS5403を用いた。
直径11mmのシャフト2には平面部幅(Wz)10.25mm、平面部高さ(Hz)30mmの平面部3を形成した。シャフト2の基準位置における平面部3と永久磁石11のS極の磁極面12との距離は5mmである。
ΔBz=Bz2−Bz1
ΔBy=By2−By1
そしてさらに、ホールIC24はこれらのZ方向磁束密度差分ΔBzとY方向磁束密度差分ΔByから、次式により演算角度θcを求める。
θc=Arctan(ΔBz/ΔBy)
そして、求められた演算角度θcを所定の電気信号に変換して出力する。
また、上述の測定に用いた具体例では、Y方向の位置ズレに対しても、位置ズレ量が+−0.5mmの範囲において演算角度θcの変動は+−0.5%以下であり、従来の回転する永久磁石を有する回転角度検出装置の一般的な変動+−1.5%程度と比較して優れた対位置ズレ特性を有することを示した。
すなわち、シャフトの位置ズレによる検出特性の変動がないか、あるいは小さく抑えられるので、いわゆる高いロバスト性を有している。
永久磁石の下面15が「第1ヨークが突出する面」に該当し、第1ヨーク18の下端面19が突出下端に該当する。
ホールIC24が磁気検出素子に該当し、Z方向の磁束密度Bz1、Bz2が回転軸に平行方向の磁束密度に、そしてY方向の磁束密度By1、By2が回転軸および基準線に垂直方向の磁束密度に該当する。
シャフト2の回転を平面部3と第1ヨーク18間の距離変化により検出するため、回転伝達機構を必要とせず、また永久磁石11、第1ヨーク18、第2ヨーク20およびホールIC24を1個の角度センサユニット10とすることができ、その内部に回転部材の複雑な保持構造や気密の収容空間も要しない。これにより、全体を低コストおよび小型に構成でき、適用対象や設置部位にかかる自由度が大きいとともに、機械的な誤差から解放されて高い検出精度が得られる。
(請求項1および6に対応する効果)
第1の実施例では第1ヨーク18a、18bを基準線Kを挟んで互いに平行に配置しているので、この面からも磁気ノイズの影響を受けない。(請求項4に対応する効果)
また、永久磁石11は第1ヨーク18を保持した状態、あるいは角度センサユニットにまでアセンブリされた後で着磁することにより、組み立て工程を経るなかでの磁力特性の変動や磁性コンタミネーションが避けられる。(請求項8に対応する効果)
第1ヨーク18a、18bは第1の実施例と同様に、永久磁石11の基準線Kに対して線対称に配置されるが、互いの離間距離が平面部3に対向する磁極面12に近い側で大きく、遠い側で小さくなるように傾斜して、上方(Z方向)から見たときハの字をなしている。その他の構成は第1の実施例と同じである。
前実施例では磁束密度の差分演算を用いたが、検出ポイントPに印加される磁束密度が小さい場合、磁束密度の差分も小さくなり演算角度θcの値が小さくなってしまうおそれがある。
そこで、本実施例では、差分演算の代わりに加算平均演算を用いるものとした。
μBz=(Bz1+Bz2)/2
μBy=(By1+By2)/2
そして、これらの平均値を用いて次式により演算角度θcを求める。
θc=Arctan(μBz/μBy)
これらの演算も検出ポイントPにおける磁束密度を検出するホールIC24に行わせることができ、求められた演算角度θcを所定の電気信号に変換して出力させる。
なお、第2の実施例においても、第1ヨーク18a、18bの配置について図8の変形例を採用することができる。
また、シャフト2の平面部3には永久磁石11のS極の磁極面12を対向させたが、極性は問わず、N極の磁極面13を平面部3に対向させて磁束線Jの流れを逆向きとしてもよい。この場合は第2ヨーク20の平面部3に対向する端縁をN極の磁極面13と面一になるように延ばすのが好ましい。
2 シャフト
3 平面部
10 角度センサユニット
11 永久磁石
12、13 磁極面
14 上面
15 下面
18、18a、18b 第1ヨーク
19 下端面
20 第2ヨーク
21 前端面
22 下面
24、24a、24b ホールIC
Cs 回転軸
Hs 検出面高さ
Hz 平面部高さ
J 磁束線
K 基準線
MD 着磁方向
P、P1、P2 検出ポイント
Wz 平面部幅
Claims (8)
- 被検出体に形成された平面部と、
該平面部に着磁方向一端の磁極面を平行に対向させた永久磁石と、
前記被検出体の回転軸を通り前記着磁方向に沿った基準線に対し線対称に配置され、前記被検出体の前記回転軸に平行に前記永久磁石から突出する一対の第1ヨークと、
前記永久磁石の前記第1ヨークが突出する面に対向し、前記第1ヨークの突出端との間に間隙をおいて配置した第2ヨークと、
前記間隙における前記第1ヨークのそれぞれに対応する検出ポイントに磁気感応部を位置させた磁気検出素子とからなり、
前記磁気検出素子が検出する前記回転軸に平行方向の磁束密度と前記回転軸および基準線に垂直方向の磁束密度とに基づいて前記被検出体の回転角度を演算することを特徴とする回転角度検出装置。 - 前記磁気検出素子が、前記検出ポイント双方における前記回転軸に平行方向の磁束密度の差分と、前記回転軸および基準線に垂直方向の磁束密度の差分とを算出して、両差分に基づいて前記被検出体の回転角度を演算することを特徴とする請求項1に記載の回転角度検出装置。
- 前記磁気検出素子が、前記検出ポイント双方における前記回転軸に平行方向の磁束密度の加算平均と、前記回転軸および基準線に垂直方向の磁束密度の加算平均とを算出して、両加算平均に基づいて前記被検出体の回転角度を演算することを特徴とする請求項1に記載の回転角度検出装置。
- 前記一対の第1ヨークが、互いに平行に配置され、面で対向する平板状であることを特徴とする請求項1から3のいずれか1に記載の回転角度検出装置。
- 前記一対の第1ヨークが、互いに面で対向する平板状であり、対向する離間距離が前記平面部に対向する磁極面に近い側で大きく、遠い側で小さくなるように傾斜して配置されていることを特徴とする請求項1から3のいずれか1に記載の回転角度検出装置。
- 被検出体の回転軸方向から見て、前記回転軸に平行な平面部を形成した前記被検出体に対置させて、前記被検出体の回転角度を検出する角度センサユニットであって、
直方体で、前記被検出体の回転軸を通り、当該回転軸と、前記被検出体が基準位置にあるときの前記平面部とに直交する基準線に沿う方向を着磁方向とし、前記基準線に沿う方向の一端と他端に磁極面を有する永久磁石と、
該永久磁石の着磁方向に沿った前記基準線を挟んで幅方向線対称に配置され、該永久磁石から前記回転軸に平行に突出する一対の第1ヨークと、
前記永久磁石の前記第1ヨークが突出する面に対向し、前記第1ヨークの突出端との間に間隙をおいて配置した第2ヨークと、
前記間隙における前記第1ヨークのそれぞれに対応する検出ポイントに磁気感応部を位置させた磁気検出素子とを有することを特徴とする角度センサユニット。 - 前記永久磁石は射出成型により形成され、
前記第1ヨークは前記射出成型時にインサート成形されて前記永久磁石に保持されることを特徴とする請求項6に記載の角度センサユニット。 - 前記永久磁石は少なくとも前記第1ヨークを保持した状態で着磁されることを特徴とする請求項6または7に記載の角度センサユニット。
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