WO2008075623A1 - 回転角度検出装置 - Google Patents

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WO2008075623A1
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magnet
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angle detection
hall element
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Inventor
Kengo Tanaka
Fumihiko Abe
Dongzhi Jin
Original Assignee
The Furukawa Electric Co., Ltd.
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/12—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means
    • G01D5/14—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage
    • G01D5/142—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage using Hall-effect devices
    • G01D5/145—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage using Hall-effect devices influenced by the relative movement between the Hall device and magnetic fields

Definitions

  • the present invention relates to a rotation angle detection device that is attached to a rotating body and used to detect the rotation angle of the rotating body.
  • a rotation angle detection device that detects the rotation angle of a rotating shaft is known (see, for example, Patent Document 1).
  • a magnet formed in a disk shape is supported by a rotation shaft, and this magnet is configured to be rotatable in a predetermined direction around the rotation shaft.
  • This rotation angle detector has two magnetic sensors.
  • the two magnetic sensors are Hall elements, and are arranged so that the center of the disk and a straight line passing through one magnetic sensor, and the straight line passing through the other magnetic sensor form an angle of approximately 90 degrees. Yes.
  • each magnetic sensor is disposed directly below the circumference of the magnet.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2003-75108 (Page 2-4, Figures 4 and 5)
  • the magnet is magnetized in the radial direction, and in order to improve the sensitivity of the sensor, a Hall element is arranged at the corner portion on the outer periphery of the magnet. ! /
  • a Hall element is arranged at the corner portion on the outer periphery of the magnet. ! /
  • Such a configuration can maintain high detection accuracy only when the relative positional relationship between the magnet and the Hall element does not change! /.
  • the rotation axis has a backlash in the radial direction, and the relative distance between the magnet and the Hall element changes dynamically, so that the Hall element rotates the rotation axis. The signal due to the movement of the magnet, which is unrelated to that, was detected, and there was a problem that the accuracy was not good and the angle could not be detected.
  • the relative position in the axial direction of the rotor and the stator of the rotational angle detection device will vary, and the relative position of both of these relative to the axial direction of the rotor will occur. If the positional relationship shifts, even if the magnet rotates! /, Even if it is not, it is erroneously detected that the magnetic flux density of the detection unit has changed and rotated, and the high detection accuracy of the rotation angle detection device cannot be maintained. In particular, when the magnet is displaced in the axial direction, the magnetic flux density increases in the direction approaching the Hall element, and the magnetic flux density decreases in the direction away from the hall element. Therefore, even if the magnet is not rotating, the Hall element outputs a signal fluctuation due to the axial movement of the magnet, resulting in an angle error.
  • FIG. 8 is a schematic plan view of such a rotation angle detection device 5, and Hall elements 90 (91, 92) are arranged in the vicinity of the periphery of the magnet 50 at an angle of 90 ° in the circumferential direction.
  • FIG. 9 is a diagram schematically showing the lines of magnetic force 50A of the magnet 50 in a state in which such a rotation angle detection device 5 is attached to a steering shaft (not shown) with an optimal dimensional relationship via a shaft 55.
  • the Hall element 90 Hall element 91 in FIG.
  • FIG. 10 shows a case where a certain amount of backlash is allowed between the stator and the rotor in the rotation center axis direction of the rotor of the rotation angle detection device 5 in order to improve the assembly of the rotation angle detection device 5 described above.
  • FIG. 9 shows a state in which the magnet 50 of the rotation angle detection device 5 shown in FIG. 9 is slightly displaced in the rotation center axis direction of the magnet 50 due to the play. Note that this shift amount is a shift amount necessary for improving the assemblability of the rotation angle detection device 5 as described above.
  • the rotation angle detection device 5 is in such a state, it can be seen that the magnetic lines 50A of the magnet 50 are separated from the Hall element 90, and the detection characteristics of the Hall element 90 are extremely deteriorated.
  • a rotation angle detection device described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2006-105827 is also known. Yes.
  • This rotation angle detection device has a ring-shaped magnet, and increases the degree of freedom of the mounting position with respect to the vehicle steering by passing the magnet through the vehicle steering shaft.
  • a Hall element is arranged near the end where the curvature of the magnetic field line of the magnet is the largest, and the same problem as described above, In other words, in order to improve the assembly of the rotation angle detector, if the backlash in the rotation center axis direction of the rotor between the rotor equipped with the magnet and the stator equipped with the hall element, that is, the backlash in the rotation center axis direction of the magnet is allowed to some extent As a result, the Hall element does not cross the magnetic circuit of the magnet due to variations in the relative position between the rotor and the rotor, and the detection output characteristics of the Hall element deteriorate.
  • FIG. 11 is a diagram schematically showing the magnetic force lines 60A of the magnet 60 when such a rotation angle detection device 6 is attached to a shaft (not shown) with an optimal dimensional relationship.
  • the Hall element 90 is arranged near the end of the magnetic force line 60A of the ring-shaped magnet 60, and the Hall element on the substrate 80 is fixedly arranged independently of the rotation of the magnet 60. It is designed to detect at 90.
  • FIG. 12 allows a certain amount of backlash in the direction of the rotation center axis of the rotor between the stator and the rotor of the rotation angle detection device 6 in order to improve the assembly of the rotation angle detection device 6 described above.
  • the magnet 60 of the rotation angle detection device 6 shown in FIG. 11 is slightly displaced in the rotation center axis direction of the magnet 60 with respect to the Hall element 90 due to the play.
  • this shift amount is a shift amount necessary for improving the assembly property of the rotation angle detection device 6 as described above. In such a state, the magnetic force line 6 OA of the magnet 60 is separated from the Hall element 90, and the detection characteristic of the Hall element 90 is extremely reduced.
  • An object of the present invention is to provide a rotation angle detection device that can accurately measure the rotation angle of a rotating body to be measured even when shaft backlash or the like occurs on the rotating shaft of the rotating body to be measured.
  • a rotation angle detection device includes:
  • a rotation angle detecting device for detecting a rotation angle of a rotating body to be measured, wherein the magnetic flux density of a magnet attached to the rotating body to be measured and rotating integrally with the rotating body to be measured is magnetically detected.
  • the rotation angle detection device that detects with the output element,
  • the magnetic detection element is arranged at a position near the middle of the path from the north pole to the south pole drawn by the magnetic lines of force of the magnet.
  • the rotation center of the rotor between the rotor provided with the magnet and the stator provided with the magnetic detection element in order to improve the assemblability of the rotation angle detection device. Even if the backlash in the axial direction is allowed to some extent, the rotation angle of the rotating body to be measured can always be accurately measured.
  • the magnetic detection element is a magnetic detection element that detects the magnitude of magnetic flux density parallel to the magnetic field lines. It is a feature!
  • the magnet is a magnet magnetized in a direction parallel to the rotation axis of the magnet. Yes.
  • FIG. 1 is a schematic plan view of a force / rotation angle detector according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 2 Rotation angle detection device force S shown in Fig. 1; arrow ( ⁇ ⁇ - ⁇ ) schematically showing a state in which the substrate (stator) is attached to the magnet (rotor) in an optimal relative positional relationship Side view,
  • FIG. 3 is an explanatory diagram schematically showing the principle of rotation angle detection of the rotation angle detection device shown in FIG.
  • FIG. 4 is a schematic side view corresponding to FIG. 2 showing a state in which the substrate (stator) on which the Hall element of the rotation angle detection device is mounted is slightly displaced from the magnet (rotor) in the direction of the rotation center axis of the rotor;
  • FIG. 5 is a schematic plan view showing a modified example of the rotation angle detection device shown in FIG.
  • FIG. 6 is a partial schematic side view of the rotation angle detection device shown in FIG.
  • FIG. 7 is a schematic side view showing a state in which the substrate (stator) on which the Hall element of the rotation angle detection device is mounted is slightly displaced from the magnet (rotor) in the direction of the rotation center axis of the rotor;
  • FIG. 8 is a schematic plan view corresponding to FIG. 1 of a conventional rotation angle detection device
  • FIG. 9 is a schematic side view of a conventional rotation angle detection device corresponding to FIG.
  • FIG. 10 is a schematic side view showing a state where the substrate (stator) on which the Hall element of the rotation angle detection device is mounted is slightly displaced in the direction of the rotation center axis of the rotor with respect to the magnet (rotor);
  • FIG. 11 is a partial schematic perspective view of a conventional rotation angle detection device different from FIG. 9, in which the substrate (stator) is mounted in an optimal relative positional relationship with the magnet (rotor).
  • the figure which shows an angle detection apparatus
  • FIG. 12 Unlike FIG. 11, a partially schematic perspective view showing a state where the substrate (stator) on which the Hall element of the rotation angle detection device is mounted is slightly displaced in the direction of the rotation center axis of the rotor with respect to the magnet (rotor). It is.
  • a force and rotation angle detection device 1 according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
  • a case will be described in which the rotation angle of the steering wheel is detected by attaching the rotation angle detection device to a steering shaft, which is a rotating body to be measured, in an automobile steering device.
  • a rotation angle detection device 1 includes a disc-shaped magnet 10 and a shaft 20 projecting from one side of the central portion of the magnet 10.
  • the substrate 30 fixed independently of the rotation of the magnet 10 and the shaft 20 and the outer circumference in the circumferential direction of the disk-shaped magnet 10 so as to form 90 ° with respect to the central axis of the magnet 10
  • two Hall elements (magnetic detection elements) 40 (41, 42) disposed on the substrate at an equal distance from each other are provided with the central axial force of the magnet 10.
  • the substrate 30 is fixed to a stator including a housing (not shown).
  • the magnet 10 and the shaft 20 constitute part or all of a rotor not described in detail here, and the rotor is rotatably supported by the stator via a support member (not shown).
  • An end portion of the shaft 20 is connected to a steering shaft that detects a rotation angle by the rotation angle detection device 1 so that both of them rotate together.
  • a certain amount of backlash is allowed in the direction of the rotation center axis of the rotor between the stator and the rotor of the rotation angle detection device 1.
  • the magnet 10 is one end in the circumferential direction and one side in the rotation center axial direction (for example, the right side in FIG. 1 and the upper right side in FIG. 2) is the S pole and the other side in the axial direction (for example, the right side in FIG. 1).
  • the lower right side of Fig. 2 is formed as an N pole, and the other end in the circumferential direction (one end and the diametrically opposite end) and one side in the axial direction (for example, Fig. 2 on the left side in Fig. 1)
  • the upper left side of N is the N pole and the other axial side (the left side of Fig. 1 and the lower left side of Fig. 2) is the S pole.
  • the region where the N pole and the S pole are formed gradually changes in the thickness direction of the magnet 10 (in the direction of the rotation center axis of the magnet 10) between the one end and the other end.
  • the substrate 30 and the magnet 10 are housed in a housing made of a material that shields magnetism from the outside. It can be attached to a fixed part different from the steering shaft to which it is connected.
  • the substrate 30 is provided with the two Hall elements 40 (41, 42), and the rotation of the shaft 20 that rotates integrally with a steering shaft (not shown), that is, the magnetic flux density due to the rotation of the magnet 10 is increased.
  • the change is detected by each Hall element 40 (41, 42).
  • each Hall element 40 (41, 42) with respect to the magnet 10 is, as is apparent from the arrangement state of one Hall element 41 shown in FIG. It is arranged at a position near the middle of the path from the N pole to the S pole drawn by this magnetic field line 10A (in the region R indicated by the one-dot chain line in FIG. 2).
  • the output of the Hall element 40 is not shown in detail here! /, And the calculation means is used to convert it into the rotation angle of the magnet 10, that is, the steering shaft.
  • the principle of detecting the rotation angle of the magnet 10 (ie, the steering shaft 20) using the Hall element 40 and the above-described arithmetic means is, for example, that one Hall element 41 shown on the right side of FIG. 3 Utilization of the output characteristics shown in (b).
  • the horizontal axis is the magnetic field.
  • the rotation angle of the stone 10, that is, the shaft 20, is represented, and the vertical axis represents the magnetic flux density of the magnet 10.
  • the output characteristic of one Hall element 41 shows a sine wave.
  • the force substrate having an output characteristic showing a sine wave as shown in Fig. 3 (b) is similarly applied to the Hall element 42 arranged above the magnet 10 in Fig. 3 (a).
  • the output characteristics of the Hall element 42 are 90 ° out of phase with the output characteristics of the Hall element 41 shown in FIG. 3 (b).
  • the outputs of the Hall elements 41 and 42 that are 90 ° out of phase are X and Y, respectively, As a result, a saw-toothed output is obtained, and the rotation angle of the steering shaft is accurately detected at a 360 ° cycle.
  • FIG. 2 is a diagram schematically showing the magnetic force lines 10A of the magnet 10 when such a rotation angle detection device is attached to a steering shaft of a vehicle (not shown) in an optimal state of the relative positional relationship between the rotor and the stator. It is.
  • the Hall element 41 is arranged at a position that is parallel to the rotation center axis of the magnet 10 and the magnetic force line 10A of the disk-shaped magnet 10, and the magnitude of this magnetic flux density. Is detected by Hall element 41.
  • FIG. 4 allows a certain amount of backlash in the direction of the rotation center axis of the rotor between the stator of the rotation angle detection device 1 and the rotor in order to improve the assembly of the rotation angle detection device described above.
  • the magnet 10 of the rotation angle detection device 1 shown in FIG. 2 is slightly displaced in the rotation center axis direction of the magnet 10 due to the play. Note that this deviation amount is a shift amount necessary for improving the assembly property of the rotation angle detection device 1. Even in such a state, the relative positional relationship between the magnet 10 and the Hall element 41 shown in FIG. 2 is in an optimum state with respect to how the magnetic field line 10A of the magnet 10 crosses the Hall element 41.
  • the detection characteristic of the Hall element 41 hardly deteriorates. Note that the description of the above-described operation is caused by the backlash between the rotor and the stator in the rotation center axis direction of the rotor of the rotation angle detection device 1, and therefore, as long as such backlash occurs, the rotation angle detection device 1 Between the magnet 10 and the Hall element 42 The same action as described above occurs, and the detection characteristics of the Hall element 42 are not affected by the backlash between the rotor and the stator.
  • the rotation angle detection device is attached to a steering shaft (hereinafter referred to as “shaft Sh”), which is a rotating body to be measured, by attaching a rotation angle detection device which is a force to this modification in an automobile steering device.
  • shaft Sh a steering shaft
  • the case of detecting the will be described.
  • a rotation angle detector 1 ′ that is a force and variation in the modification of the present invention includes a ring-shaped magnet 110 and a spacer attached to the inner periphery of the magnet 110.
  • the substrate 130 fixedly arranged independently of the rotation of the magnet 110 and the shaft Sh, the outer side in the circumferential direction of the magnet 110 and 90 ° with respect to the central axis of the magnet 110, and the magnet Two Hall elements (magnetic detection elements) 140 (141, 142) arranged on the substrate at an equal distance from the central axis of 110 are provided.
  • the substrate 130 is fixed to a stator including a housing (not shown).
  • the magnet 110 and the spacer 125 constitute part or all of a rotor not described in detail here, and the rotor is rotatably supported by the stator via a support member (not shown).
  • the ring-shaped spacer 125 attached to the inside of the magnet 110 is a spacer made of a nonmagnetic material. Further, for example, a serration (not shown) is formed on the inner peripheral surface of the ring-shaped spacer 125 so as to be fitted to a not-shown shaft shaft (not shown). Then, the magnet 110 rotates through the spacer 125 as the shaft Sh rotates.
  • the magnet 110 is rotatably supported by the substrate 130 or a housing that accommodates the substrate 130 with a bearing or the like that does not affect the magnetic circuit.
  • one end in the circumferential direction (the right side shown in FIG. 5) and one side in the axial direction of the magnet 110 (the upper side shown in FIG. 6) is S.
  • the other side of the magnet 110 in the axial direction (the lower side shown in FIG. 6) is formed as an N pole, and the other end in the circumferential direction (one end and the diametrically opposite end at the left side shown in FIG. ) N pole on one side and S pole on the other side Is formed.
  • the formation region of the N pole and the S pole is gradually changed over the thickness direction of the magnet 110 (the rotation center axis direction of the magnet 110).
  • each Hall element 140 with respect to the magnet 110 is within the region where the magnetic field lines 11 OA of the magnet 110 are formed.
  • the magnet 110 is arranged at a position substantially parallel to the rotation axis of the magnet 110.
  • FIG. 6 is a diagram schematically showing the magnetic field lines 110A of the magnet 110 when such a rotation angle detection device 1 ′ is attached to a shaft Sh (not shown) in an optimal state.
  • the Hall element 141 is arranged at a position that is parallel to the rotation center axis of the magnet 110 of the magnetic field line 110A of the ring-shaped magnet 110 and is optimal for mounting, and the magnitude of this magnetic flux density is shown.
  • the Hall element 141 is used for detection.
  • FIG. 7 shows that the backlash between the stator and the rotor in the rotational center axis direction of the rotor of the rotation angle detection device 1 ′ is allowed to some extent in order to improve the assembly property of the rotation angle detection device 1 ′ described above.
  • the magnet 110 of the rotation angle detection device 1 ′ shown in FIG. 5 is slightly displaced in the direction of the rotation center axis of the magnet 110 due to the play. This deviation amount is a deviation amount necessary for improving the assembling property of the rotation angle detecting device 1 ′.
  • the rotation angle detection device according to the present invention has the above-described configuration, so that it is small in size, excellent in assemblability, and allowed between the rotor and the stator to improve assemblability. It is possible to maintain stable rotation angle detection accuracy without being affected by backlash in the axial direction of the rotor.
  • the rotation angle detection device is required to have a high rotation angle detection accuracy and must allow a certain degree of component tolerance and backlash in the assembled state in order to improve the assemblability. It is particularly suitable for detecting the rotation angle of a steering device for a vehicle.
  • the rotation angle detection device is not limited as long as it obtains the relative rotation angle and the rotation torque between the rotating shafts that rotate without being vibrated like a robot arm, for example. It can also be applied to things.

Abstract

　被測定回転体の回転角度を検出する回転角度検出装置であって、被測定回転体に取り付けられ当該被測定回転体の回転と一体に回転する磁石１０の磁束密度を磁気検出素子４０で検出する回転角度検出装置１において、磁石１０の磁力線の描くＮ極からＳ極への経路の中間付近の位置に磁気検出素子４０が配置されていることで、被測定回転体の回転軸に軸ガタなどが生じても当該被測定回転体の回転角度を正確に測定できるようにすることで、被測定回転体の回転軸に軸ガタなどが生じても当該被測定回転体の回転角度を正確に測定できる回転角度検出装置を提供する。

Description

明 細 書
回転角度検出装置
技術分野
[0001] 本発明は、回転体に取り付けてこの回転体の回転角度を検出するのに使用する回 転角度検出装置に関する。
背景技術
[0002] 従来から、例えば回転するシャフトの回転角度を検知する回転角度検出装置が知 られている（例えば、特許文献 1参照）。この回転角度検出装置は、円板状に形成さ れた磁石が回転軸に支持されており、この磁石が回転軸を中心として所定の方向に 回転可能に構成されている。また、この回転角度検出装置は 2つの磁気センサを備 えている。 2つの磁気センサはホール素子であり、円板の中心と一方の磁気センサを 通る直線と、円板の中心と他方の磁気センサを通る直線とが概ね 90度の角度をなす ように配置されている。また、各磁気センサは、磁石の円周の直下に共に配置されて いる。
特許文献 1 :特開 2003— 75108号公報（第 2— 4頁、図 4、 5)
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0003] ところで、上述したような従来の回転角度検出装置は、磁石が径方向に着磁されて おり、センサの感度を向上させるために磁石の外周の角の部分にホール素子を配置 させて!/、る。このような構成は磁石とホール素子との相対的位置関係が変わらな!/、場 合にのみ高い検出精度を維持できる。し力、しながら、実際の回転角度検出装置では 、回転軸には軸方向ゃ径方向にガタがあり、磁石とホール素子の相対距離がダイナ ミックに変化するため、ホール素子が回転軸の回転とは関係ない磁石の動きによる信 号を検出してしまい、精度の良レ、角度検出ができない問題があった。
[0004] 具体的には、例えば、車両のステアリングシャフトにこのような回転角度検出装置を 取り付ける際、限られた短いタクトタイム内でステアリングシャフトに回転角度検出装 置を迅速に取り付ける必要があり、このような組み付け性向上のために回転角度検 出装置のロータとステータ間の特にロータの軸線方向に関するある程度のガタを許 容することが通常行われて!/、る。
[0005] しかし、このようなガタを許容すると、回転角度検出装置のステータとロータとのロー タの軸線方向の相対的位置のばらつきが生じてしまい、ロータの軸線方向に関してこ の両者の相対的位置関係がずれることで、磁石が回転して!/、なくても検出部の磁束 密度が変化し回転したと誤検出してしまい回転角度検出装置の高い検出精度を維 持できなくなる。特に軸方向に磁石がずれた場合、ホール素子に近づく方向では磁 束密度が大きくなり、遠ざ力、る方向では磁束密度は小さくなる。よって磁石が回転し てなくてもホール素子は磁石の軸方向の動きで信号の変動を出力し、角度誤差とな つてしまう。
[0006] これを図面に基づいてより詳細に説明する。図 8は、このような回転角度検出装置 5 の概略平面図であり、磁石 50の周縁近傍に周方向 90° の角度をなしてホール素子 90 (91 , 92)がそれぞれ配置されている。図 9は、シャフト 55を介してこのような回転 角度検出装置 5を図示しないステアリングシャフトに最適な寸法関係で取り付けた状 態での磁石 50の磁力線 50Aを模式的に示した図である。同図では、円板状をなす 磁石 50の磁力線 50Aの曲率が最も大きい端部近傍にこの磁力線 50Aと交差するよ うにホール素子 90 (図 9ではホール素子 91)が磁石 50の回転とは独立して固定配置 された基板 70に配置されている。そして、この磁束密度の大きさをホール素子 90で 検出するようになっている。
[0007] 一方、図 10は、上述した回転角度検出装置 5の組み付け性向上のために、回転角 度検出装置 5のロータの回転中心軸線方向におけるステータとロータ間のある程度 のガタを許容した場合に、このガタに起因して図 9に示した回転角度検出装置 5の磁 石 50がホール素子 90に対して磁石 50の回転中心軸線方向に若干ずれた状態を示 している。なお、このずれ量は、上述したように回転角度検出装置 5の組み付け性向 上を図るために必要なずれ量である。回転角度検出装置 5がこのような状態になると 、磁石 50の磁力線 50Aがホール素子 90から離れてしまい、ホール素子 90の検出特 性が極端に低下することが分かる。
[0008] 一方、例えば特開 2006— 105827号公報に記載の回転角度検出装置も知られて いる。この回転角度検出装置は、リング状の磁石を有し、車両のステアリングシャフト に磁石を貫通させて車両のステアリングに対する取り付け位置の自由度を高めてい る。し力もながら、このような回転角度検出装置においても、センサ自体の検出特性 を向上するために磁石の磁力線の曲率が最も大きい端部近傍にホール素子が配置 され、上述した場合と同等の問題、即ち回転角度検出装置の組み付け性向上を図る ために磁石の備わったロータとホール素子の備わったステータ間のロータの回転中 心軸線方向、即ち磁石の回転中心軸線方向のガタをある程度許容すると、ステータ とロータとの相対的位置のばらつきにより磁石の磁気回路をホール素子が横切らず、 ホール素子の検出出力特性が低下する問題が生じている。
[0009] 図 11はこのような回転角度検出装置 6を図示しないシャフトに最適な寸法関係で取 り付けた場合の磁石 60の磁力線 60Aを模式的に表した図である。同図では、リング 状の磁石 60の磁力線 60Aの端部近傍にホール素子 90が配置され、この磁束密度 の大きさを磁石 60の回転とは独立して固定配置された基板 80上のホール素子 90で 検出するようになっている。
[0010] 一方、図 12は、上述した回転角度検出装置 6の組み付け性向上のために回転角 度検出装置 6のステータとロータ間のロータの回転中心軸線方向における或る程度 のガタを許容した場合に、図 11に示した回転角度検出装置 6の磁石 60がこのガタに 起因してホール素子 90に対して磁石 60の回転中心軸線方向に若干ずれた状態を 示している。なお、このずれ量は、上述したように回転角度検出装置 6の組み付け性 向上を図るために必要なずれ量である。このような状態になると、磁石 60の磁力線 6 OAがホール素子 90から離れてしまい、ホール素子 90の検出特性が極端に低下す ること力 S分力、る。
[0011] 本発明の目的は、被測定回転体の回転軸に軸ガタなどが生じても当該被測定回 転体の回転角度を正確に測定できる回転角度検出装置を提供することにある。 課題を解決するための手段
[0012] 上述した課題を解決するために、本発明にかかる回転角度検出装置は、
被測定回転体の回転角度を検出する回転角度検出装置であって、前記被測定回 転体に取り付けられ当該被測定回転体と一体に回転する磁石の磁束密度を磁気検 出素子で検出する回転角度検出装置において、
前記磁石の磁力線の描く N極から S極への経路の中間付近の位置に前記磁気検 出素子が配置されてレ、ることを特徴として!/、る。
[0013] 本発明にかかる回転角度検出装置の構成によれば、回転角度検出装置の組み付 け性向上を図るために磁石の備わったロータと磁気検出素子の備わったステータ間 のロータの回転中心軸線方向におけるガタをある程度許容しても、被測定回転体の 回転角度を常に正確に測定することができる。
[0014] また、本発明にかかる回転角度検出装置は、上述の回転角度検出装置に加えて、 前記磁気検出素子は、前記磁力線と平行な磁束密度の大きさを検出する磁気検 出素子であることを特徴として!/、る。
[0015] 本発明にかかる回転角度検出装置にこのような磁気検出素子を用いることで、被測 定回転体の回転角度を正確に測定できる。
[0016] また、本発明にかかる回転角度検出装置は、上述の回転角度検出装置に加えて、 前記磁石は、当該磁石の回転軸線と平行な方向に着磁された磁石であることを特徴 としている。
[0017] 本発明にかかる回転角度検出装置にこのような磁気検出素子を用いることで、被測 定回転体の回転角度を正確に測定できる。
図面の簡単な説明
[0018] [図 1]本発明の一実施形態に力、かる回転角度検出装置の概略平面図、
[図 2]図 1に示した回転角度検出装置力 S、基板 (ステータ）が磁石（ロータ）に対して最 適な相対的位置関係で取り付けられた状態を概略的に示す矢視 Π-Π側面図、
[図 3]図 1に示した回転角度検出装置の回転角度検出の原理を概略的に示す説明 図、
[図 4]回転角度検出装置のホール素子が実装された基板 (ステータ）が磁石（ロータ） に対してロータの回転中心軸線方向に若干ずれた状態を示す図 2に対応する概略 側面図、
[図 5]図 1に示した回転角度検出装置の変形例を示す概略平面図、
[図 6]図 5に示した回転角度検出装置を矢視 VI-VIで示す部分的な概略側面図、 [図 7]回転角度検出装置のホール素子が実装された基板 (ステータ）が磁石（ロータ） に対してロータの回転中心軸線方向に若干ずれた状態を示す概略側面図、
[図 8]従来の回転角度検出装置の図 1に対応する概略平面図、
[図 9]従来の回転角度検出装置の図 2に対応する概略側面図であり、基板 (ステータ
)が磁石（ロータ）に対して最適な相対的位置関係で取り付けられた回転角度検出装 置を示す図、
[図 10]回転角度検出装置のホール素子が実装された基板 (ステータ）が磁石（ロータ )に対してロータの回転中心軸線方向に若干ずれた状態を示す概略側面図、
[図 11]図 9とは異なる従来の回転角度検出装置の部分的概略斜視図であり、基板（ ステータ）が磁石（ロータ）に対して最適な相対的位置関係で取り付けられた状態に ある回転角度検出装置を示す図、
[図 12]図 11とは異なり回転角度検出装置のホール素子が実装された基板 (ステータ )が磁石（ロータ）に対してロータの回転中心軸線方向に若干ずれた状態を示す部分 的概略斜視図である。
発明を実施するための最良の形態
[0019] 以下、本発明の一実施形態に力、かる回転角度検出装置 1について図面に基いて 説明する。なお、この説明においては自動車のステアリング装置においてこの回転角 度検出装置を被測定回転体であるステアリングシャフトに取り付けてハンドルの回転 角度を検出する場合について説明する。
[0020] 本発明の一実施形態にかかる回転角度検出装置 1は、図 1及び図 2に示すように、 円板状の磁石 10と、磁石 10の中心部一側に突設したシャフト 20と、磁石 10及びシ ャフト 20の回転とは独立して固定された基板 30と、円板状の磁石 10の周方向外側 であって、磁石 10の中心軸線に対して 90° をなすように、かつ磁石 10の中心軸線 力、ら互いに等距離隔てて基板上に配置された 2つのホール素子 (磁気検出素子） 40 (41 , 42)を備えている。
[0021] なお、基板 30は図示しない筐体等からなるステータに固定されている。また、磁石 10とシャフト 20とはここでは詳細には説明しないロータの一部又は全部をなし、ロー タは、図示しない支持部材を介してステータに回転自在に支持されている。そして、 回転角度検出装置 1によって回転角度を検出するステアリングシャフトにシャフト 20 の端部が、両者が一体に回転するように連結されている。なお、回転角度検出装置 の組み付け性向上のために回転角度検出装置 1のステータとロータ間のロータの回 転中心軸線方向に或る程度のガタを許容するようになっている。
[0022] 磁石 10は、周方向一方の端部であって回転中心軸線方向一側（例えば図 1の右 側で図 2の右上側）が S極で軸線方向他側（例えば図 1の右側で図 2の右下側）が N 極として形成され、周方向他方の端部（一方の端部と直径方向反対側端部）であつ て軸線方向一側（例えば図 1の左側で図 2の左上側）が N極で軸線方向他側（図 1の 左側で図 2の左下側）が S極として形成されている。そして、この一方の端部と他方の 端部の間では N極と S極の形成領域が磁石 10の厚さ方向（磁石 10の回転中心軸線 方向）に徐々に変化するようになっている。
[0023] また、ここでは詳細には示さないが、基板 30、磁石 10は外部からの磁気を遮蔽す る材質でできた筐体内に収容され、この筐体は図示しないブラケット等でシャフト 20 及びこれが連結されるステアリングシャフトとは異なる固定部位に取り付けられるよう になっている。
[0024] 基板 30には、前述したように 2つのホール素子 40 (41 , 42)が備わっており、図示 しないステアリングシャフトと一体に回転するシャフト 20の回転、即ち磁石 10の回転 による磁束密度の変化をそれぞれのホール素子 40 (41 , 42)が検出するようになつ ている。
[0025] 各ホール素子 40 (41 , 42)の磁石 10に対する取り付け位置は、図 2に示す一方の ホール素子 41の配置状態から明らかなように、磁石 10の磁力線 1 OAが形成される 領域内であってこの磁力線 10Aの描く N極から S極への経路の中間付近の位置（図 2の一点鎖線で示す領域 R内）に配置されている。そして、このホール素子 40の出力 をここでは詳細には示さな!/、演算手段を用レ、て磁石 10即ちステアリングシャフトの回 転角度に換算している。
[0026] このホール素子 40及び上記演算手段を用レ、た磁石 10 (即ちステアリングシャフト 2 0)の回転角度の検出原理は、例えば図 3 (a)の右側に示す一方のホール素子 41が 図 3 (b)で示す出力特性を有することを利用している。ここで、図 3 (b)は、横軸が磁 石 10、即ちシャフト 20の回転角度を表わし、縦軸が磁石 10の磁束密度の大きさを示 している。図 3 (b)から分かるように一方のホール素子 41の出力特性は sin波（正弦波 )を示している。
[0027] なお、ここでは図示しないが、図 3 (a)において磁石 10の上方に配置したホール素 子 42についても同様に図 3 (b)のような正弦波を示す出力特性を有する力 基板上 での両者の配置態様からホール素子 42の出力特性は図 3 (b)に示すホール素子 41 の出力特性に対して 90° 位相がずれるようになつている。そして、この 90° 位相の ずれたホール素子 41 , 42の出力をそれぞれ X, Yとすると、
Figure imgf000009_0001
を取ること によって鋸刃状の出力が得られ、これによつてステアリングシャフトの回転角度を 360 ° 周期で正確に検出するようになっている。
[0028] 以下に上述した回転角度検出装置 1の作用を図面に基づいて具体的に説明する。
図 2はこのような回転角度検出装置を図示しない車両のステアリングシャフトにロータ とステータとの相対的な位置関係が最適な状態で取り付けた場合の磁石 10の磁力 線 10Aを模式的に表した図である。同図では、円板状の磁石 10の磁力線 10Aの、 磁石 10の回転中心軸線と平行となる位置であって、設計上最適な位置にホール素 子 41が配置され、この磁束密度の大きさをホール素子 41で検出するようになってい
[0029] 一方、図 4は、上述した回転角度検出装置の組み付け性向上のために回転角度検 出装置 1のステータとロータ間のロータの回転中心軸線方向に或る程度のガタを許 容した場合に、このガタに起因して図 2に示した回転角度検出装置 1の磁石 10がホ ール素子 41に対して磁石 10の回転中心軸線方向に若干ずれた状態を示している。 なお、このずれ量は、回転角度検出装置 1の組み付け性向上を図るために必要なず れ量である。このような状態になっても、磁石 10の磁力線 10Aがホール素子 41を横 切る横切り方に関して、図 2に示す磁石 10とホール素子 41との相対的位置関係が最 適な状態にある場合と殆ど変わらないので、ホール素子 41の検出特性が殆ど低下し ないことが分かる。なお、上述した作用の説明は、回転角度検出装置 1のロータの回 転中心軸線方向におけるロータとステータのガタに起因したものであるので、このよう なガタが生じている限り回転角度検出装置 1の磁石 10とホール素子 42との間でも上 述の作用と同様の作用を生じ、ホール素子 42の検出特性も上述したロータとステー タ間のガタによって影響を受けることはない。
[0030] 続いて、上述した実施形態に力、かる回転角度検出装置の変形例について図面に 基づいて説明する。なお、この説明においては自動車のステアリング装置においてこ の変形例に力、かる回転角度検出装置を被測定回転体であるステアリングシャフト（以 下、「シャフト Sh」とする）に取り付けてハンドルの回転角度を検出する場合について 説明する。
[0031] 本発明の変形例に力、かる回転角度検出装置 1 'は、図 5及び図 6に示すように、リン グ状の磁石 110と、磁石 110の内周に取り付けられたスぺーサ 125と、磁石 110とシ ャフト Shの回転とは独立して固定配置された基板 130と、磁石 110の周方向外側で あって磁石 110の中心軸線に対して 90° をなすように、かつ磁石 110の中心軸線か ら互いに等距離隔てて基板上に配置された 2つのホール素子 (磁気検出素子） 140 ( 141 , 142)を備えている。そして、基板 130は図示しない筐体等からなるステータに 固定されている。
[0032] 磁石 110とスぺーサ 125は、ここでは詳細には説明しないロータの一部又は全部を なし、ロータは、図示しない支持部材を介してステータに回転自在に支持されている
。そして、回転角度検出装置の組み付け性向上のために回転角度検出装置 1 'のス テータとロータ間のロータの回転中心軸線方向に或る程度のガタを許容している。
[0033] なお、磁石 110の内側に取り付けられたリング状のスぺーサ 125は非磁性材料製 のスぺーサからなる。また、リング状のスぺーサ 125の内周面には例えば図示しない セレーシヨンが形成され、シャフト Shの図示しないセレーシヨンと嵌合するようになつ ている。そして、スぺーサ 125を介してシャフト Shの回転と共にこの磁石 110がー体 に回転するようになっている。又、磁石 110は磁気回路に影響を与えない軸受等で 基板 130又はこの基板 130を収容する筐体に回転自在に支持されている。
[0034] 磁石 110の構成については、上述したリング状の磁石 10のように周方向一方の端 部（図 5に示す右側）で磁石 110の軸線方向一側（図 6に示す上側）が S極で磁石 11 0の軸線方向他側（図 6に示す下側）が N極として形成され、周方向他方の端部（一 方の端部と直径方向反対側端部で図 5に示す左側）の一側が N極で他側が S極とし て形成されている。また、この一方の端部と他方の端部との間では N極と S極との形 成領域が磁石 110の厚さ方向（磁石 110の回転中心軸線方向）に亘つて徐々に入 れ替わるようになつている。各ホール素子 140の磁石 110に対する取り付け位置は、 図 6に示す一方のホール素子 141の配置状態から明らかなように、磁石 110の磁力 線 11 OAが形成される領域内であってこの磁力線 11 OAの、磁石 110の回転軸線と ほぼ平行となる位置に配置されている。
[0035] なお、この各ホール素子 140を用いて回転角度を検出する方法については、上述 の実施形態の回転角度検出装置 1と同様であるので詳細な説明を省略する。
[0036] 続いて、上述した回転角度検出装置 1 'の作用を図面に基づいて以下に具体的に 説明する。図 6は、このような回転角度検出装置 1 'をここでは図示しないシャフト Sh に最適な状態で取り付けた場合における磁石 110の磁力線 110Aを模式的に示した 図である。図 6では、リング状の磁石 110の磁力線 110Aの、磁石 110の回転中心軸 線と平行となる位置であって取付け上最適な位置にホール素子 141が配置され、こ の磁束密度の大きさをホール素子 141で検出するようになっている。
[0037] 一方、図 7は、上述した回転角度検出装置 1 'の組み付け性向上のために回転角 度検出装置 1 'のロータの回転中心軸線方向におけるステータとロータ間のガタをあ る程度許容した場合、このガタに起因して図 5に示した回転角度検出装置 1 'の磁石 110がホール素子 141に対して磁石 110の回転中心軸線方向に若干ずれた状態を 示している。なお、このずれ量は、回転角度検出装置 1 'の組み付け性向上を図るた めに必要なずれ量である。このような状態になっても、磁石 110の磁力線 110Aがホ ール素子 141を横切る横切り方について磁石 110とホール素子 141との相対的配置 が最適な状態にある場合と殆ど変わらないので、ホール素子 140の検出特性が殆ど 低下しないことが分かる。
[0038] なお、上述した作用は、回転角度検出装置 1 'のロータの回転中心軸線方向にお けるロータとステータのガタが生じた場合に発揮されるので、回転角度検出装置 1 'の 磁石 110とホール素子 142との間でも上述の作用と同様の作用を生じ、ホール素子 142の検出特性が上述したロータとステータ間のガタによって影響を受けることはな い。 [0039] 以上説明したように、本発明にかかる回転角度検出装置は、上述した構成を有する ことで、小型で組み付け性に優れ、かつ組付け性向上のために許容したロータとステ ータ間のロータの軸線方向のガタの影響を受けることなぐ常に安定した回転角度の 検出精度を維持できる。
[0040] なお、以上説明した実施形態及びその各種変形例に関する回転角度検出装置に おいて、磁気検出素子として上述したホール素子を使用する代わりに MR素子を使 用することも考えられる力 MR素子は磁束の大きさは判別できても極性までは判別 できず、磁束の大きさおよび極性を判別できるホール素子のほうが、 1つの素子あた りの検出可能な角度範囲が広くなる（理論上 2倍になる）点で利用価値が高いと言え る。従って、上述の実施形態及びその各種変形例に関する回転角度検出装置にホ ール素子を用いることは技術的意義があると言える。
[0041] 本発明にかかる回転角度検出装置は、高い回転角度検出精度を要求されると共に 、組み付け性向上のために或る程度の部品公差や組み付け状態でのガタを許容せ ざるを得ない車両用ステアリング装置の回転角度検出に特に適している。し力もなが ら、本発明にかかる回転角度検出装置は、例えば、ロボットアームのように振動しな 力 ¾回転する回転軸間の相対回転角度や回転トルクを求めるものであれば、どのよう なものにも適用可能である。

Claims

請求の範囲
[1] 被測定回転体の回転角度を検出する回転角度検出装置であって、前記被測定回 転体に取り付けられ当該被測定回転体と一体に回転する磁石の磁束密度を磁気検 出素子で検出する回転角度検出装置において、
前記磁石の磁力線の描く N極から S極への経路の中間付近の位置に前記磁気検 出素子が配置されていることを特徴とする回転角度検出装置。
[2] 前記磁気検出素子は、前記磁力線と平行な磁束密度の大きさを検出する磁気検 出素子であ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。
[3] 前記磁石は、当該磁石の回転軸線と平行な方向に着磁された磁石であることを特 徴とする、請求項 1に記載の回転角度検出装置。
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