(57)【要約】【課題】低コストで高精度な回転角度検出を行うことができる角度検出装置を提供する。【解決手段】Ｎ極性を有するＮ極領域ＮとＳ極性を有するＳ極領域Ｓとを回転中心の周りに交互に有しＮ極領域Ｎ及びＳ極領域Ｓの周方向における夫々の中央部５が他の部分より径方向外側に突出した磁石により構成された回転部材２と、回転部材２の径方向外側に対向して設けられ、回転部材２の径方向に沿った方向及び回転部材２の回転方向に沿った方向の少なくとも２方向の磁場成分の大きさを検出可能な磁場検出部３と、磁場検出部３の検出情報に基づいて回転部材２の回転角度を求める演算部４とを備えた。【選択図】図１
2010078366.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｎ極性を有するＮ極領域とＳ極性を有するＳ極領域とを回転中心の周りに交互に有し前記Ｎ極領域及び前記Ｓ極領域の周方向における夫々の中央部が他の部分より径方向外側に突出した磁石により構成された回転部材と、
前記回転部材の径方向外側に対向して設けられ、前記回転部材の径方向に沿った方向及び前記回転部材の回転方向に沿った方向の少なくとも２方向の磁場成分の大きさを検出可能な磁場検出部と、
前記磁場検出部の検出情報に基づいて前記回転部材の回転角度を求める演算部とを備えた角度検出装置。
【請求項２】
前記回転部材の回転軸に沿った方向視で、前記回転部材の径方向外側に突出した突出部が径方向外側に凸な曲線を有し、隣接する前記突出部が径方向内側に引退する凹状の曲線により連続する請求項１に記載の角度検出装置。
【請求項３】
前記回転部材の回転軸に沿った方向視で、前記Ｎ極領域と前記Ｓ極領域との境界部が径方向内側に引退し、前記中央部と前記境界部とが直線により連結されている請求項１に記載の角度検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、Ｎ極性を有するＮ極領域とＳ極性を有するＳ極領域とを回転中心の周りに交互に有した磁石により構成された回転部材と、前記回転部材の径方向外側に対向して設けられ、前記回転部材の径方向に沿った方向及び前記回転部材の回転方向に沿った方向の少なくとも２方向の磁場成分の大きさを検出可能な磁場検出部と、前記磁場検出部の検出情報に基づいて前記回転部材の回転角度を求める演算部とを備えた角度検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
上記のような角度検出装置は、例えば、自動車の操舵角センサや変速機のシフト位置センサ等として用いられている。
このような角度検出装置では、磁場検出部が、回転部材の周囲に発生する磁場について回転部材の径方向とそれに直交する回転部材の回転方向の二方向の磁場成分の大きさを検出している。演算部は、磁場検出部にて検出した二方向の磁場成分の大きさの比から、回転部材の回転角度を求めている。
【０００３】
従来、この種の角度検出装置としては、例えば特許文献１に記載されたものが公知である。この角度検出装置は、回転部材として、回転軸に沿った方向視で円環形状を有するリング状の磁石の外周部分にＮ極領域とＳ極領域とを交互に配置して構成されたものを備えている。
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−４０８５０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述の従来の角度検出装置では、磁場検出部にて検出した二方向の磁場成分の大きさの比と実際の回転部材の回転角度との関係が完全な直線関係とはならない。このため、高精度の回転角度検出を行うためには、検出した二方向の磁場成分の大きさの比と実際の回転部材の回転角度との関係が直線関係に近づくよう補正を行う必要があり、装置のコストを増大させる原因となっていた。
【０００６】
本発明は上述の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、低コストで高精度な回転角度検出を行うことができる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】
【０００７】
本発明の第１特徴構成は、Ｎ極性を有するＮ極領域とＳ極性を有するＳ極領域とを回転中心の周りに交互に有し前記Ｎ極領域及び前記Ｓ極領域の周方向における夫々の中央部が他の部分より径方向外側に突出した磁石により構成された回転部材と、前記回転部材の径方向外側に対向して設けられ、前記回転部材の径方向に沿ったＸ軸及び前記回転部材の回転方向に沿ったＹ軸の少なくとも２方向の磁場成分の大きさを検出可能な磁場検出部と、前記磁場検出部の検出情報に基づいて前記回転部材の回転角度を求める演算部とを備えた点にある。
【０００８】
後述するシミュレーションに示すように、回転部材をＮ極領域及びＳ極領域の周方向における夫々の中央部が他の部分より径方向外側に突出した磁石で構成することにより、上述の従来の回転部材を用いた場合と比較して、磁場検出部の検出結果と実際の回転部材の回転角度との関係を直線関係に近づけることができる。このため、上述したような補正等を行うことなく、高精度な回転角度検出を行うことができる。
上述の結果、低コストで高精度な回転角度検出が可能な角度検出装置を提供することができる。
【０００９】
本発明の第２特徴構成は、前記回転部材の回転軸に沿った方向視で、前記回転部材の径方向外側に突出した突出部が径方向外側に凸な曲線を有し、隣接する前記突出部が径方向内側に引退する凹状の曲線により連続する点にある。
【００１０】
本構成によれば、回転部材の外周部が突出部と引退部とを有する滑らかな曲面となり、従来の円環形状の回転部材を用いた場合と比較して、磁力線の形状が異なり、その結果、磁場検出部の検出結果と実際の回転部材の回転角度との関係が特に直線関係に近づくと推測される。また、回転部材の外周部が滑らかな曲面となり、応力が分散され、局所的に応力が集中するのを防止することができるので、耐久性の高い回転部材を得ることができる。
【００１１】
また、回転部材の形状としては、前記回転部材の回転軸に沿った方向視で、前記Ｎ極領域と前記Ｓ極領域との境界部が径方向内側に引退し、前記中央部と前記境界部とが直線により連結された形状であってもよい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明に係る角度検出装置の実施形態について、図面に基づいて説明する。図１（ａ）は発明に係る角度検出装置の斜視図であり、図１（ｂ）は回転軸１に沿う方向視での断面図である。
この角度検出装置は、図１（ａ）（ｂ）に示すように、回転軸１に外嵌した回転部材２と、回転部材２の周囲に発生する磁場を検出する磁場検出部３と、磁場検出部３の検出情報に基づいて磁場検出部３に対する回転部材２の回転角度を求める演算部４とを備える。
【００１３】
回転部材２は、回転軸１と一体的に回転するように設けられている。回転部材２は、Ｎ極性を有するＮ極領域ＮとＳ極性を有するＳ極領域Ｓとを回転中心の周りに交互に配置した磁石にて構成されている。この磁石は、特に限定はされないが、例えば、樹脂材料に磁性体材料を混合して環状に樹脂成形した一体物のプラスチックマグネットである。勿論、回転部材２を構成する磁石はこれに限られるものではなく、板状の磁性体材料を所望の形状に切り出したものなど、プラスチックマグネット以外であってもよい。
【００１４】
回転部材２を構成する磁石は、Ｎ極領域Ｎ及びＳ極領域Ｓの周方向における夫々の中央部５が他の部分より径方向外側に突出している。つまり、本実施形態では、図１（ｂ）に示すように、回転軸１に沿った方向視で、回転部材２を構成する磁石の径方向外側に突出した突出部が径方向外側に凸な曲線を有し、隣接する突出部が径方向内側に引退する凹状の曲線により連続している。このように、回転部材２は、径方向外側に突出した突出部と隣接する突出部の間の径方向内側に引退した引退部とを備え、突出部と引退部とが滑らかな曲面により連続している。従って、回転部材を構成する磁石の外周面が滑らかな曲面となる。そして、Ｎ極領域Ｎ及びＳ極領域Ｓの夫々の周方向における中央部５が突出部に位置し、隣接するＮ極領域ＮとＳ極領域Ｓとの境界部６が引退部に位置する。また、本実施形態では、回転部材２において、Ｎ極領域ＮとＳ極領域Ｓとの間の間隔を６０度として、Ｎ極領域ＮとＳ極領域Ｓとが夫々３つずつ設けてある。
【００１５】
磁場検出部３は、例えばホールＩＣであり、例えば、Ｍｅｌｅｘｉｓ社のＭＬＸ９０３１６を用いることができる。図２に示すように、磁場検出部３は、磁性プレート８と回転部材２の周囲に発生する磁場を検出する一対の検出素子９とを有する。磁性プレート８は、円板状に形成している。一対の検出素子（ホール素子）９は、磁性プレート８の端部の直下に配置している。一対の検出素子９は、Ｘ方向に沿って配置した一組９ａ，９ｂとＹ方向に沿って配置した一組９ｃ，９ｄとの二組設けている。
【００１６】
図１に示すように、磁場検出部３は、回転部材２の径方向外方の基板７上に配置され、Ｎ極領域ＮとＳ極領域Ｓとの夫々と対向している。本実施形態では、磁場検出部３は、Ｘ方向及びＹ方向に垂直なＺ方向を回転軸１に沿わせるとともに、回転部材１の回転方向にＸ方向を、回転部材２の径方向をＹ方向に沿わせて配置されている。このように、磁場検出部３は、回転部材２の径方向に対して磁性プレート８を平行に面するように配置して、回転部材２の径方向と回転方向との二方向の磁場成分の大きさを検出している。
【００１７】
磁場検出部３の検出原理について、図に基づいて説明する。図３は、図１のＸ方向に向う方向視での断面図であり磁束の状態を示している。
図３（ａ）に示すように、Ｙ方向に外部磁場が印加されると、磁性プレート８により磁束が曲げられて、Ｙ方向に沿って配置した一対の検出素子９ｃ，９ｄには、磁性プレート８に垂直なＺ方向の磁場成分が発生する。このとき、Ｚ方向の磁場成分の大きさは、外部磁場の大きさに比例したものとなり、検出素子９ｃと検出素子９ｄとでは、発生する磁場成分の方向が逆方向となる。したがって、一対の検出素子９ｃ，９ｄの出力電圧の差分を算出することにより、Ｙ方向の外部磁場の大きさに比例した磁場成分を検出できる。
一方、Ｘ方向に外部磁場が印加されたときも、Ｙ方向に外部磁場が印加されたときと同様に、磁性プレート８に垂直なＺ方向の磁場成分が発生する。したがって、磁場検出部３は、Ｘ方向に沿って配置した一対の検出素子９ａ，９ｂ（図２を参照）の出力電圧の差分を算出することにより、Ｘ方向の磁場成分の大きさを検出できる。
【００１８】
外乱磁場が存在する場合には、以下のようにして外乱磁場を除去することができる。つまり、図３（ｂ）に示すように、Ｚ方向に外乱磁場が印加されたときには、Ｙ方向に沿って配置した一対の検出素子９ｃ，９ｄには、磁性プレート８に垂直なＺ方向の磁場成分が発生する。このときには、検出素子９ｃと検出素子９ｄとでは、発生する磁場成分の方向が同じ方向となる。したがって、一対の検出素子９ｃ，９ｄの出力電圧の差分を算出することにより、Ｚ方向に印加された外乱磁場を０（ゼロ）とすることができる。
【００１９】
演算部４は、Ｘ方向の磁場成分の大きさＶｘとＹ方向の磁場成分の大きさＶｙとの比に基づいて、回転部材２の回転角度θを求める。
具体的には、演算部４は、下記〔式１〕を用いて、磁場角度αを算出する。演算部４は、予め磁場角度αと回転部材２の回転角度θとの関係を直線関係の関係式として記憶している。従って、演算部４は、下記〔式１〕により求めた磁場角度αにより、当該関係式に基づいて回転部材２の回転角度θを算出する。
〔式１〕
α＝Ａｒｃｔａｎ（Ｖｙ／Ｖｘ）
【００２０】
次に、回転部材２として上述の回転部材２を用いた場合、及び、従来の円環形状の磁石により構成された回転部材２を用いた場合の磁場検出部３の検出結果に基づき〔式１〕により算出される磁場角度αと実際の回転部材２の回転角度θとの関係を示すシミュレーション結果について説明する。なお、シミュレーションで用いたモデルにおいて、突出部（Ｎ極領域Ｎ及びＳ極領域Ｓ夫々の径方向中央部５）における半径１１．５ｍｍ、引退部（Ｎ極領域ＮとＳ極領域Ｓとの境界部６）における半径７．５ｍｍ、内径１５．０ｍｍ（半径７．５ｍｍ）、厚さ６ｍｍの磁石を前提とした。また、従来の円環形状の回転部材２として、外径１１．５ｍｍ、内径７．５ｍｍ、厚さ６ｍｍの円環状磁石を前提とした。何れの場合も回転部材２は、Ｎ極領域ＮとＳ極領域Ｓが等ピッチで交互に３つずつ設けられたものを前提とした。また、回転部材２の中心と磁場検出部３との距離は半径換算で１２．５ｍｍとし、磁場検出部３の設置位置は、回転部材２の厚み方向における中央部であることを前提とした。
【００２１】
図４はシミュレーションの結果を示すグラフであり、縦軸は上述の〔式１〕に基づいて検出された磁場角度αを示し、横軸は実際の回転部材２の回転角度（機械角度）θを示す。また、図中の◇印は本発明に係る回転部材２を用いた場合のシミュレーション結果を示す。一方、図中の◆印は従来の円環形状の回転部材２を用いた場合のシミュレーション結果を示す。図４から明らかなように、本発明に係る回転部材２を用いることにより、磁場検出部３の検出結果に基づき〔式１〕により算出される磁場角度αと実際の回転部材２の回転角度θとの関係の直線性が大幅に向上した。従って、本発明の回転部材２を用いることにより、演算部４が磁場角度αと回転角度θとの関係を直線関係の関係式として記憶しておけば、特に補正等を行うことなく高精度な回転角度の検出を行うことができる。
【００２２】
次に、回転部材２のＮ極領域ＮとＳ極領域Ｓ夫々の周方向中央部５（以下、単に「中央部５」とも称する）における半径、又は、Ｎ極領域ＮとＳ極領域Ｓとの境界部６（以下、単に「境界部６」とも称する）における半径を変化させた場合のシミュレーションについて説明する。なお、このシミュレーションにおいては、簡略化のために、上述の回転部材２に代えて、図５に示すように、回転軸１に沿う方向視で中央部５と境界部６とを直線で連結した形状のものを前提とした。
【００２３】
図５において、Ｒ１は回転部材の内周半径を示す。Ｒ２はＮ極領域ＮとＳ極領域Ｓとの境界部６における半径を示す。また、Ｒ３は回転部材２のＮ極領域ＮとＳ極領域Ｓ夫々の周方向中央部５における半径を示す。つまり、図５に示されているように、中央部５における半径Ｒ３が境界部６における半径Ｒ２よりも大きい場合には、中央部５が突出部となる。中央部５における半径Ｒ３と境界部６における半径Ｒ２とが等しい場合には、回転部材２は中央部５及び境界部６を頂点とする正１２角形となる。一方、境界部６における半径Ｒ２が中央部５における半径Ｒ３より大きい場合には境界部６が突出部となる。
【００２４】
このシミュレーションにおいて、回転部材２として内径１６ｍｍ（半径Ｒ１＝８ｍｍ）、厚さ５ｍｍであり、Ｎ極領域ＮとＳ極領域Ｓが等ピッチで交互に３つずつ設けられたものを前提とした。また、回転部材２の中心と磁場検出部３との距離は半径換算で１３ｍｍとし、磁場検出部３を回転部材２の厚み方向における中央部に配置した場合を前提とした。
【００２５】
図６は、回転部材２のＮ極領域ＮとＳ極領域Ｓ夫々の周方向中央部５における半径Ｒ３を１２ｍｍで固定し、Ｎ極領域ＮとＳ極領域Ｓとの境界部６における半径Ｒ２を変化させた場合の直線性の変化を示す。
直線性の基準として、磁場角度αと実際の回転部材２の回転角度θとの関係を直線近似した場合の理想直線と、実際の関係との差を示す％ＦＳ値を用いた。つまり、図において％ＦＳ値が小さいほど両者の関係が直線に近いことを示す。
【００２６】
図６に示すように、境界部６における半径が９ｍｍから１０ｍｍの範囲において、％ＦＳ値が２％ＦＳ程度となり高い直線性が得られた。特に、境界部６における半径が９.５ｍｍの付近では、２％ＦＳ未満となり高い直線性が得られた。
【００２７】
図７は、回転部材２の境界部６における半径Ｒ２を９．５ｍｍで固定し、中央部５における半径Ｒ３を変化させた場合の直線性の変化を示す。上述の図５と同様に直線性の基準として％ＦＳ値を適用した。図６に示すように中央部５における半径Ｒ３が１１ｍｍから１２ｍｍの範囲において、％ＦＳ値が２％ＦＳ程度となり高い直線性が得られた。特に、中央部５における半径Ｒ３が１１．５ｍｍの付近では、２％ＦＳ未満となり高い直線性が得られた。
【００２８】
上述の結果より、上述のシミュレーションの条件下においては、中央部５の半径Ｒ３が１１ｍｍから１２ｍｍであり、境界部６の半径Ｒ２が９ｍｍから１０ｍｍの場合に高い直線性が得られることが見て取れる。中央部５における半径Ｒ２が１１．５ｍｍで、境界部６における半径Ｒ２が９．５ｍｍである場合に、特に高い直線性が得られることが見て取れる。つまり、中央部５における半径Ｒ３と境界部６における半径Ｒ２との比が１．１から１．３の場合に高い直線性が得られることが見て取れる。また、中央部５における半径Ｒ３と境界部６における半径Ｒ２との比Ｒ３／Ｒ２が１．２の場合に特に高い直線性が得られることが見て取れる。
【００２９】
〔別実施形態１〕
次に本発明に係る角度検出装置の別の構成例について説明する。図８に示すように、この角度検出装置において、磁場検出部３は、二対の検出素子９が配置された平面が、回転部材１の径方向に対して直交するように、Ｎ極領域Ｎ及びＳ極領域Ｓに対向して配置される。上述したように、二対の検出素子９は、それぞれ３次元直交座標系のＸ方向及びＹ方向に沿って離間して設けられている（図２を参照）。本例では、回転部材１の径方向を３次元直交座標のＺ方向に沿わせるとともに、Ｘ方向を回転方向に沿わせて磁場検出部３が回転部材１に対向する。
【００３０】
次に、磁場検出部３によるＺ方向の磁場成分の大きさの検出原理について説明する。
図３（ｂ）に示すように、Ｚ方向に外部磁場が印加されると、Ｙ方向に沿って配置した一対の検出素子９ｃ，９ｄにＺ方向に沿う磁場成分が発生する。このとき、検出素子９ｃと検出素子９ｄとでは、発生する磁場成分の方向が同じ方向となる。したがって、一対の検出素子９ｃ，９ｄの出力電圧を加算することにより、外部磁場の大きさに比例した磁場成分を検出できる。
【００３１】
また、外乱磁場が存在する場合には、以下のようにして外乱磁場を除去することができる。図３（ａ）に示すように、Ｙ方向に外乱磁場が印加されると、磁性プレート８により磁束が曲げられて、一対の検出素子９ｃ，９ｄにＺ方向に沿う磁場成分が発生する。このとき、検出素子９ｃと検出素子９ｄとでは、発生する磁場成分の方向が逆方向となる。したがって、一対の検出素子９ｃ，９ｄの出力電圧を加算することにより、Ｙ方向に印加された外乱磁場を０（ゼロ）とすることができる。なお、磁場検出部３によるＸ方向の磁場成分の大きさの検出原理については、上述の実施形態の場合と同様である。
【００３２】
本実施形態において、演算部４は、下記の〔式２〕を用いて、Ｚ方向の磁場成分の大きさＶｚとＸ方向の磁場成分の大きさＶｘとの比に基づいて、磁場角度αを求める。上述の実施形態と同様に、演算部４は、予め磁場角度αと回転部材２の回転角度θとの関係を直線関係の関係式として記憶しており、磁場角度αにより、当該関係式に基づいて回転部材２の回転角度θを算出する。
〔式２〕
α＝Ａｒｃｔａｎ（Ｖｚ／Ｖｘ）
【００３３】
〔別実施形態２〕
上述の実施形態において、回転部材２として、回転軸１に沿った方向視で、突出部が径方向外側に凸な曲線を有し、隣接する突出部が径方向内側に引退する凹状の曲線により連続する形状のものを例に説明したがこれに限られるものではない。例えば、回転軸１に沿った方向視で、外周が多角形形状を有し、当該多角形の頂点にＮ極領域Ｎ及びＳ極領域Ｓ夫々の径方向中央部５を位置させることにより、中央部５が他の部分より径方向外側に突出するように構成してもよい。
多角形形状を有する回転部材２としては、上述のシミュレーションで説明したように、回転軸１に沿った方向視で、径方向外側に突出した中央部５と径方向内側に引退した境界部６とを直線で連結した星形状のものであってもよい。
また、図９に示すように、正多角形（本実施形態においては正六角形）の頂点にＮ極領域Ｎ及びＳ極領域Ｓ夫々の径方向中央部５を位置させたものであってもよい。
なお、上述の実施形態においては、Ｎ極領域ＮとＳ極領域Ｓとの間の間隔を６０度として、Ｎ極領域ＮとＳ極領域Ｓとが夫々３つずつ設けてある場合を例に説明したがこれに限られるものではない。例えば、Ｎ極領域ＮとＳ極領域Ｓとの間の間隔を４５度として、Ｎ極領域ＮとＳ極領域Ｓとを夫々４つずつ設けるなど上述以外の構成であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明に係る角度検出装置を示す図
【図２】磁場検出部の斜視図
【図３】磁場検出部の断面図
【図４】本発明に係る回転部材を用いた場合と従来の回転部材を用いた場合との直線性の比較を示す図
【図５】シミュレーションで用いた回転部材の形状を示す図
【図６】回転部材の境界部の半径を変化させた場合の直線性の変化を示すグラフ
【図７】回転部材の中央部の半径を変化させた場合の直線性の変化を示すグラフ
【図８】本発明に係る角度検出装置の別の構成例を示す図
【図９】回転部材の別の形態を示す図
【符号の説明】
【００３５】
１          回転軸
２          回転部材
３          磁場検出部
４          演算部
５          中央部
６          境界部
Ｎ          Ｎ極領域
Ｓ          Ｓ極領域
【図１】
2010078366.tif 000003
【図２】
2010078366.tif 000004
【図３】
2010078366.tif 000005
【図４】
2010078366.tif 000006
【図５】
2010078366.tif 000007
【図６】
2010078366.tif 000008
【図７】
2010078366.tif 000009
【図８】
2010078366.tif 000010
【図９】
2010078366.tif 000011