JP7044094B2 - 回転角度検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、回転体の回転角度を検出する回転角度検出装置に関する。

回転体の回転角度を検出する回転角度検出装置としては、次の技術が公知である（例えば、特許文献１～３参照）。すなわち、公知の回転角度検出装置は、回転体であるシャフトに設けられたマグネットと、マグネットと対向し、マグネットの回転角度に応じた信号を出力する回転角度センサとを備える。

このような回転角度検出装置において、マグネットとは別の場所から発生した磁束が外乱磁束として回転角度センサに影響すると、回転角度センサの検出角度にずれが生じる虞がある。

ここで、回転角度センサに外乱磁束が影響する場合でも、回転角度センサによって回転角度を精度よく検出する技術として、次の技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。すなわち、提案に係る技術では、外乱磁束を予測し、この予測した外乱磁束に基づいて回転角度センサの検出角度を補正している。しかしながら、この技術では、補正するための演算回路が必要になり、コストアップになる。

また、外乱磁束の影響が小さくなるように、基板の配線パターンやコイルなどの外乱磁束の発生源から回転角度センサを離して配置することも考えられるが、このようにすると、基板が大型化する。近年は、基板の小型化が進んでいるため、基板の小型化が要求される。

特開２０１６－１２８７７２号公報 特開２０１５－１４３０８２号公報 特開２０１１－８３１５９号公報

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、コストアップを抑制しつつ回転角度センサの検出精度を確保できると共に、基板を小型化できる回転角度検出装置を提供することを課題とする。

前記課題を解決するために、請求項１に記載の回転角度検出装置は、回転体に設けられたマグネットと、前記マグネットと対向し、前記マグネットの回転角度に応じた信号を出力する回転角度センサと、電流が流れることに伴って第一磁束を発生する配線パターンを有する基板と、を備え、前記基板には、前記配線パターンに接続され、電流が流れることに伴って第二磁束を発生するチョークコイルが配置され、前記チョークコイルの周辺には、前記第一磁束の磁束密度よりも前記第二磁束の磁束密度が高い第一領域が形成され、前記第一領域の外側には、前記第二磁束によって前記第一磁束が低減される第二領域が形成され、前記回転角度センサは、前記第二領域に配置され、前記回転角度センサの少なくとも一部は、前記基板の平面視で前記配線パターンと重複する位置に位置している。

請求項１に記載の回転角度検出装置によれば、基板には、配線パターンに接続されたチョークコイルが配置されている。そして、このチョークコイルに電流が流れることに伴ってチョークコイルから第二磁束が発生すると、チョークコイルの周辺には、配線パターンから発生する第一磁束の磁束密度よりも第二磁束の磁束密度が高い第一領域が形成され、第一領域の外側には、第二磁束によって第一磁束が低減される第二領域が形成される。

ここで、回転角度センサは、上述の第二領域、すなわち、チョークコイルから発生する第二磁束によって配線パターンから発生する第一磁束が低減される領域に配置されている。したがって、配線パターンから発生する第一磁束が回転角度センサに影響することが抑制される。

さらに、この回転角度センサは、上述の第一領域の外側、すなわち、配線パターンから発生する第一磁束の磁束密度よりもチョークコイルから発生する第二磁束の磁束密度が高い領域の外側に配置されている。したがって、チョークコイルから発生する第二磁束が回転角度センサに影響することも抑制される。

このように、請求項１に記載の回転角度検出装置によれば、チョークコイルから発生する第二磁束が回転角度センサに影響することを抑制しつつ、配線パターンから発生する第一磁束が回転角度センサに影響することを抑制できる。したがって、マグネットの回転角度に応じた信号を回転角度センサから精度よく出力できるので、回転角度センサの検出精度を確保できる。

しかも、チョークコイルを用いるだけの簡単な構造で、回転角度センサの検出精度を確保できる。したがって、例えば、外乱磁束を予測し、この予測した外乱磁束に基づいて回転角度センサの検出角度を補正する技術に比して、補正するための演算回路が不要であるため、コストダウンできる。

さらに、回転角度センサの少なくとも一部は、基板の平面視で配線パターンと重複する位置に位置している。これにより、例えば、配線パターンから回転角度センサを離して配置する場合に比して、回転角度センサを配線パターンに近づけて配置する分、基板を小型化できる。

本発明の一実施形態に係る回転角度検出装置の斜視図である。 回転角度検出装置の正面図である。 チョークコイルの一部断面を含む斜視図である。 回転角度センサの配置例１を示す三面図である。 回転角度センサの配置例２を示す三面図である。 回転角度センサの配置例３を示す三面図である。 回転角度センサの配置例４を示す三面図である。 回転角度センサの配置例５を示す三面図である。 回転角度センサの配置例６を示す三面図である。 回転角度センサの配置例７を示す三面図である。 回転角度センサの配置例８を示す三面図である。 本実施形態の効果をコンピュータシミュレーションによって検証した例を説明する図である。 配線パターンの近くに回転角度センサを配置した場合の一例を示す斜視図である。 図１３のＦ１４－Ｆ１４線断面図である。 回転角度センサに外乱磁束が影響する場合の一例を説明する平面図である。

以下、本発明の一実施形態に係る回転角度検出装置について説明する。

図１、図２には、本実施形態に係る回転角度検出装置１０が概略的に示されている。図１、図２に示されるように、回転角度検出装置１０は、マグネット１２と、回転角度センサ１４と、基板１６と、チョークコイル１８とを備える。

マグネット１２は、円盤状に形成されており、Ｎ極１２ＡとＳ極１２Ｂとを有する。Ｎ極１２ＡとＳ極１２Ｂは、マグネット１２の径方向に対向している。このマグネット１２は、回転体の一例であるシャフト２０に設けられている。具体的には、マグネット１２は、シャフト２０と同軸に配置されており、このシャフト２０に固定されている。

回転角度検出装置１０は、一例として、モータ装置２２に適用されており、シャフト２０は、例えば、ブラシ付き直流モータやブラシレスモータ等であるモータ本体２４によって回転させられる。シャフト２０は、モータ本体２４の回転軸でもよく、また、モータ本体２４の回転軸に接続された減速ギアの出力軸でもよい。

基板１６は、マグネット１２の軸方向にマグネット１２と対向して配置されている。基板１６のマグネット１２側の面は、第一実装面１６Ａであり、第一実装面１６Ａと反対側の面は、第二実装面１６Ｂである。

回転角度センサ１４は、第一実装面１６Ａに実装され、チョークコイル１８は、第二実装面１６Ｂに実装されている。回転角度センサ１４は、第一実装面１６Ａにおけるマグネット１２と対向する位置に配置され、チョークコイル１８は、第二実装面１６Ｂにおける回転角度センサ１４から離れた位置に配置されている。

回転角度センサ１４は、平盤状の本体部２６と、本体部２６の両側の側面から延びる複数の端子部２８とを有する。この回転角度センサ１４は、マグネット１２の回転角度に応じた信号を出力する。具体的には、図２に示されるマグネット１２のＮ極１２ＡからＳ極１２Ｂに向かう磁束Ｍの向きは、マグネット１２の回転角度に応じて変化し、回転角度センサ１４は、本体部２６に沿う磁束Ｍの向きに応じた信号を出力する構成とされている。

図２に示されるように、基板１６は、配線パターン３０を有する。この配線パターン３０は、第二実装面１６Ｂに形成されている。この配線パターン３０に電流Ｉが流れると、これに伴って配線パターン３０から第一磁束Ｍ１が発生する。

ここで、配線パターン３０から発生する第一磁束Ｍ１が外乱磁束として回転角度センサ１４に影響すると、回転角度センサ１４の検出角度にずれが生じるという問題がある。

図１３～図１５には、この問題を説明する図が示されている。すなわち、図１３、図１４に示されるように、配線パターン３０の近くに回転角度センサ１４が配置されていると、配線パターン３０に電流Ｉが流れた場合に、配線パターン３０から発生した第一磁束Ｍ１が外乱磁束として回転角度センサ１４に影響する。

具体的には、図１５のマグネット磁束は、上述のマグネット１２のＮ極１２ＡからＳ極１２Ｂに向かう磁束Ｍに相当し、図１５の外乱磁束は、配線パターン３０から発生した第一磁束Ｍ１に相当する。このように回転角度センサ１４に二種類の磁束が作用すると、回転角度センサ１４は、マグネット磁束と外乱磁束とを合成した合成磁束の向きに応じた信号を出力する。したがって、マグネット磁束に対する合成磁束の角度差θだけ、回転角度センサ１４の検出角度にずれが生じる。

図１、図２に示されるチョークコイル１８は、回転角度センサ１４の検出角度にずれが生じることを抑制するためのものであり、配線パターン３０に接続されている。

図３には、チョークコイル１８の構成が具体的に示されている。図３に示されるように、チョークコイル１８は、コア部３２と、コイル部３４と、一対の端子部３６、３８とを有する。コア部３２は、鉄芯部４０を有しており、この鉄芯部４０は、コイル部３４の内側に挿入されている。コイル部３４の両端には、一対の端子部３６、３８がそれぞれ接続されており、一対の端子部３６、３８は、配線パターン３０にそれぞれ接続されている。

そして、このチョークコイル１８では、コイル部３４に電流Ｉが流れると、これに伴って第二磁束Ｍ２が発生する。この第二磁束Ｍ２は、上述の第一磁束Ｍ１（図２参照）を低減させるために利用される。

本実施形態では、第二磁束Ｍ２によって第一磁束Ｍ１が低減される領域に回転角度センサ１４を配置することで、回転角度センサ１４に第一磁束Ｍ１が外乱磁束として影響することを抑制する。回転角度センサ１４に第一磁束Ｍ１が外乱磁束として影響することを抑制するために、回転角度センサ１４は、例えば、以下の配置例１～８のように配置される。

次に、チョークコイル１８の配置例１～８について説明する。

図４～図１１には、回転角度センサ１４の配置例１～８が示されている。なお、図４～図１１において、図（Ａ）は平面図、図（Ｂ）は側面図、図（Ｃ）は正面図である。

図４～図１１に示される第一領域Ａ１、第二領域Ａ２、及び第三領域Ａ３の定義は、以下の通りである。

第一領域Ａ１は、チョークコイル１８の周辺に形成され、配線パターン３０から発生する第一磁束Ｍ１の磁束密度よりもチョークコイル１８から発生する第二磁束Ｍ２の磁束密度が高い領域である。

第二領域Ａ２は、第一領域Ａ１の外側に形成され、チョークコイル１８から発生する第二磁束Ｍ２によって配線パターン３０から発生する第一磁束Ｍ１が低減される領域である。

この第二領域Ａ２では、チョークコイル１８から発生する第二磁束Ｍ２が配線パターン３０から発生する第一磁束Ｍ１と逆向きとなり、第一磁束Ｍ１が第二磁束Ｍ２によって打ち消されることで第一磁束Ｍ１が低減される。

この第二領域Ａ２は、チョークコイル１８の中心部に対して電流Ｉの流れる方向の下流側に位置する下流側領域Ａ２－１と、チョークコイル１８の中心部に対して電流Ｉの流れる方向の上流側に位置する上流側領域Ａ２－２とを有する。

第三領域Ａ３は、第一領域Ａ１及び第二領域Ａ２以外の配線パターン３０の周辺の領域である。

この第三領域Ａ３のうち、配線パターン３０の横幅方向における第二領域Ａ２と反対側の領域Ａ３－１では、チョークコイル１８から発生する第二磁束Ｍ２が配線パターン３０から発生する第一磁束Ｍ１と同じ向きとなる。したがって、この領域Ａ３－１では、配線パターン３０から発生する第一磁束Ｍ１にチョークコイル１８から発生する第二磁束Ｍ２が合成されることで第二領域Ａ２に比して磁束密度が増加する。

なお、図４～図１１に示される配置例１～８において、回転角度センサ１４は、一例として、上述の本体部２６（図１参照）のみが図示されており、複数の端子部２８（図１参照）の図示が省略されている。以下、配置例１～８について順に説明する。

（配置例１）
図４に示される配置例１では、回転角度センサ１４が第二領域Ａ２のうちの下流側領域Ａ２－１に配置されている。また、回転角度センサ１４の一部１４Ａは、基板１６の平面視で配線パターン３０と重複する位置に位置している。回転角度センサ１４は、基板１６の第一実装面１６Ａに実装されている。

（配置例２）
図５に示される配置例２では、回転角度センサ１４が第二領域Ａ２のうちの上流側領域Ａ２－２に配置されている。また、回転角度センサ１４の一部１４Ａは、基板１６の平面視で配線パターン３０と重複する位置に位置している。回転角度センサ１４は、基板１６の第一実装面１６Ａに実装されている。

（配置例３）
図６に示される配置例３では、基板１６の第一実装面１６Ａと対向して第二基板４６が配置されている。第二基板４６は、基板１６と反対側の第一実装面４６Ａと、基板１６側の第二実装面４６Ｂとを有しており、回転角度センサ１４は、第一実装面４６Ａに実装されている。この回転角度センサ１４は、第二領域Ａ２のうちの下流側領域Ａ２－１に配置されている。また、回転角度センサ１４の一部１４Ａは、基板１６の平面視で配線パターン３０と重複する位置に位置している。

（配置例４）
図７に示される配置例４では、基板１６の第一実装面１６Ａと対向して第二基板４６が配置されている。第二基板４６は、基板１６と反対側の第一実装面４６Ａと、基板１６側の第二実装面４６Ｂとを有しており、回転角度センサ１４は、第二実装面４６Ｂに実装されている。この回転角度センサ１４は、第二領域Ａ２のうちの下流側領域Ａ２－１に配置されている。また、回転角度センサ１４の一部１４Ａは、基板１６の平面視で配線パターン３０と重複する位置に位置している。

（配置例５）
図８に示される配置例５では、チョークコイル１８が配置例１～４とは逆向きで配線パターン３０に接続されている。これにより、チョークコイル１８から発生する第二磁束Ｍ２の向きが配置例１～４とは逆向きとされ、第二領域Ａ２は、配置例１～４とは配線パターン３０の横幅方向の反対側に形成されている。そして、回転角度センサ１４は、第二領域Ａ２のうちの下流側領域Ａ２－１に配置されている。また、回転角度センサ１４の一部１４Ａは、基板１６の平面視で配線パターン３０と重複する位置に位置している。回転角度センサ１４は、基板１６の第一実装面１６Ａに実装されている。

（配置例６）
図９に示される配置例６では、配置例５と同様に、チョークコイル１８が配置例１～４とは逆向きで配線パターン３０に接続されている。そして、回転角度センサ１４は、第二領域Ａ２のうちの上流側領域Ａ２－２に配置されている。また、回転角度センサ１４の一部１４Ａは、基板１６の平面視で配線パターン３０と重複する位置に位置している。回転角度センサ１４は、基板１６の第一実装面１６Ａに実装されている。

（配置例７）
図１０に示される配置例７では、配置例３と同様に、基板１６の第一実装面１６Ａと対向して第二基板４６が配置されている。第二基板４６は、基板１６と反対側の第一実装面４６Ａと、基板１６側の第二実装面４６Ｂとを有しており、回転角度センサ１４は、第一実装面４６Ａに実装されている。また、この配置例７では、配置例５と同様に、チョークコイル１８が配置例１～４とは逆向きで配線パターン３０に接続されている。そして、回転角度センサ１４は、第二領域Ａ２のうちの下流側領域Ａ２－１に配置されている。また、回転角度センサ１４の一部１４Ａは、基板１６の平面視で配線パターン３０と重複する位置に位置している。

（配置例８）
図１１に示される配置例８では、配置例４と同様に、基板１６の第一実装面１６Ａと対向して第二基板４６が配置されている。第二基板４６は、基板１６と反対側の第一実装面４６Ａと、基板１６側の第二実装面４６Ｂとを有しており、回転角度センサ１４は、第二実装面４６Ｂに実装されている。また、この配置例８では、配置例５と同様に、チョークコイル１８が配置例１～４とは逆向きで配線パターン３０に接続されている。そして、回転角度センサ１４は、第二領域Ａ２のうちの下流側領域Ａ２－１に配置されている。また、回転角度センサ１４の一部１４Ａは、基板１６の平面視で配線パターン３０と重複する位置に位置している。

以上の図４～図１１に示される配置例１～８において、回転角度センサ１４は、本体部２６（図１参照）のみが図示されており、複数の端子部２８（図１参照）の図示が省略されている。したがって、上述の回転角度センサ１４の一部１４Ａは、本体部２６の一部に相当する。

なお、上述の回転角度センサ１４の一部１４Ａには、複数の端子部２８が含まれてもよい。つまり、回転角度センサ１４のうち基板１６の平面視で配線パターン３０と重複する部分は、本体部２６でも端子部２８でもどちらでもよい。また、回転角度センサ１４のうち基板１６の平面視で配線パターン３０と重複する部分は、本体部２６及び端子部２８でもよい。

また、第二領域Ａ２のうち回転角度センサ１４が配置される領域では、第一磁束Ｍ１が第二磁束Ｍ２によって打ち消されることで磁束密度がゼロであることが好ましいが、回転角度センサの検出精度を確保できるのであれば、第二領域Ａ２における磁束密度はゼロでなくてもよい。

次に、本実施形態の作用及び効果について説明する。

以上詳述した通り、本実施形態に係る回転角度検出装置１０によれば、基板１６には、配線パターン３０に接続されたチョークコイル１８が配置されている。そして、このチョークコイル１８に電流Ｉが流れることに伴ってチョークコイル１８から第二磁束Ｍ２が発生すると、チョークコイル１８の周辺には、配線パターン３０から発生する第一磁束Ｍ１の磁束密度よりも第二磁束Ｍ２の磁束密度が高い第一領域Ａ１が形成される。また、この第一領域Ａ１の外側には、第二磁束Ｍ２によって第一磁束Ｍ１が低減される第二領域Ａ２が形成される。

ここで、上述の配置例１～８において、回転角度センサ１４は、上述の第二領域Ａ２、すなわち、チョークコイル１８から発生する第二磁束Ｍ２によって配線パターン３０から発生する第一磁束Ｍ１が低減される領域に配置されている。したがって、配線パターン３０から発生する第一磁束Ｍ１が回転角度センサ１４に影響することが抑制される。

さらに、この回転角度センサ１４は、上述の第一領域Ａ１の外側、すなわち、配線パターン３０から発生する第一磁束Ｍ１の磁束密度よりもチョークコイル１８から発生する第二磁束Ｍ２の磁束密度が高い領域の外側に配置されている。したがって、チョークコイル１８から発生する第二磁束Ｍ２が回転角度センサ１４に影響することも抑制される。

このように、本実施形態に係る回転角度検出装置１０によれば、チョークコイル１８から発生する第二磁束Ｍ２が回転角度センサ１４に影響することを抑制しつつ、配線パターン３０から発生する第一磁束Ｍ１が回転角度センサ１４に影響することを抑制できる。したがって、マグネット１２の回転角度に応じた信号を回転角度センサ１４から精度よく出力できるので、回転角度センサ１４の検出精度を確保できる。

しかも、チョークコイル１８を用いるだけの簡単な構造で、回転角度センサ１４の検出精度を確保できる。したがって、例えば、外乱磁束を予測し、この予測した外乱磁束に基づいて回転角度センサ１４の検出角度を補正する技術に比して、補正するための演算回路が不要であるため、コストダウンできる。

また、磁束密度の低いマグネット１２を用いても、回転角度センサ１４の検出精度を確保できるので、磁束密度の低いマグネット１２を用いる分、コストダウンできる。

さらに、回転角度センサ１４の一部１４Ａは、基板１６の平面視で配線パターン３０と重複する位置に位置している。これにより、例えば、配線パターン３０から回転角度センサ１４を離して配置する場合に比して、回転角度センサ１４を配線パターン３０に近づけて配置する分、基板１６を小型化できる。

また、例えば、図４の配置例１に示される基板１６と、図８の配置例５に示される基板１６のような、左右対称の基板１６を作成した場合でも、チョークコイル１８の向きを変えることにより、回転角度センサ１４を第二領域Ａ２に配置できる。したがって、左右対称の基板１６を作成した場合でも、容易に対処することができる。

次に、本実施形態の変形例について説明する。

上記実施形態において、回転角度検出装置１０は、一例として、モータ装置２２に適用されているが、モータ装置２２以外の装置に適用されてもよい。また、マグネット１２は、回転体の一例であるシャフト２０に設けられているが、シャフト２０以外の回転体に設けられてもよい。

また、上記実施形態において、回転角度センサ１４は、その一部１４Ａが基板１６の平面視で配線パターン３０と重複するように配置されているが、回転角度センサ１４の全部が基板１６の平面視で配線パターン３０と重複するように配置されてもよい。

また、上記実施形態では、回転角度センサ１４の配置の一例として、配置例１～８が示されているが、回転角度センサ１４は、第二領域Ａ２に配置されるのであれば、どのような位置や向きに配置されてもよい。

次に、本実施形態の効果をコンピュータシミュレーションによって検証した例を説明する。

図１２（Ａ）は、本実施形態の実施例を示し、図１２（Ｂ）は、比較例を示している。図１２（Ａ）、（Ｂ）において、三角形の向きは、磁束の向きを示し、三角形の大きさは、磁束密度の高さを示している。三角形で示される磁束は、配線パターン３０から発生する第一磁束とチョークコイル１８から発生する第二磁束との合成磁束である。

図１２（Ａ）に示される本実施形態の実施例では、チョークコイル１８の周辺に、チョークコイル１８から発生する第二磁束によって磁束密度の高い第一領域Ａ１が形成されている。また、この第一領域Ａ１の外側には、チョークコイル１８から発生する第二磁束によって配線パターン３０から発生する第一磁束が低減されることにより、磁束密度の低い第二領域Ａ２が形成されている。

なお、第一領域Ａ１及び第二領域Ａ２以外の第三領域Ａ３のうち、第二領域Ａ２と反対側の領域Ａ３－１では、チョークコイル１８から発生する第二磁束が配線パターン３０から発生する第一磁束と同じ向きとなり、第一磁束に第二磁束が合成されることで磁束密度が高くなっている。

一方、図１２（Ｂ）に示される比較例では、チョークコイル１８が本実施形態の実施例とは逆向きに配置されている。これにより、第二領域Ａ２は、本実施形態の実施例とは配線パターン３０の横幅方向の反対側に形成されている。

しかしながら、この比較例では、回転角度センサ１４が第二領域Ａ２と反対側の領域Ａ３－１、すなわち、配線パターン３０から発生する第一磁束にチョークコイル１８から発生する第二磁束が合成されることで磁束密度が高い領域に配置されている。したがって、磁束が回転角度センサ１４に影響し、回転角度センサ１４の検出精度が低下する。

これに対し、図１２（Ａ）に示される本実施形態の実施例では、回転角度センサ１４が第二領域Ａ２、すなわち、チョークコイル１８から発生する第二磁束によって配線パターン３０から発生する第一磁束が低減されることにより、磁束密度の低い領域に配置されている。したがって、磁束が回転角度センサ１４に影響することを抑制できるので、回転角度センサ１４の検出精度を確保できる。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は、上記に限定されるものでなく、上記以外にも、その主旨を逸脱しない範囲内において種々変形して実施可能であることは勿論である。

１０…回転角度検出装置、１２…マグネット、１４…回転角度センサ、１６…基板、１８…チョークコイル、２０…シャフト（回転体の一例）、２２…モータ装置、２４…モータ本体、２６…本体部、２８…端子部、３０…配線パターン、３２…コア部、３４…コイル部、３６…端子部、４０…鉄芯部、４６…第二基板、Ａ１…第一領域、Ａ２…第二領域、Ａ３…第三領域、Ｉ…電流、Ｍ…磁束、Ｍ１…第一磁束、Ｍ２…第二磁束

Claims (1)

1. 回転体に設けられたマグネットと、
   前記マグネットと対向し、前記マグネットの回転角度に応じた信号を出力する回転角度センサと、
   電流が流れることに伴って第一磁束を発生する配線パターンを有する基板と、
   を備え、
   前記基板には、前記配線パターンに接続され、電流が流れることに伴って第二磁束を発生するチョークコイルが配置され、
   前記チョークコイルの周辺には、前記第一磁束の磁束密度よりも前記第二磁束の磁束密度が高い第一領域が形成され、
   前記第一領域の外側には、前記第二磁束によって前記第一磁束が低減される第二領域が形成され、
   前記回転角度センサは、前記第二領域に配置され、
   前記回転角度センサの少なくとも一部は、前記基板の平面視で前記配線パターンと重複する位置に位置している、
   回転角度検出装置。

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