(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
回動軸に固定されており、該回動軸に直交する方向に磁路を形成するようにＳ極とＮ極とが対向配置された磁石と、ハウジング部に固定されると共に前記磁石により形成される磁界中に配置された磁電変換素子とを備え、前記磁界に対応した電気信号を出力する回転角センサにおいて、
前記磁石における前記Ｓ極及びＮ極に相当する位置には、前記回動軸の軸方向の磁束分布を均一化する補正部としての凹部が設けられていることを特徴とする回転角センサ。
【請求項２】
回動軸に固定されており、該回動軸に直交する方向に磁路を形成するようにＳ極とＮ極とが対向配置された磁石と、ハウジング部に固定されると共に前記磁石により形成される磁界中に配置された磁電変換素子とを備え、前記磁界に対応した電気信号を出力する回転角センサにおいて、
前記磁石における前記回動軸の軸方向の両端には、前記回動軸の軸方向の磁束分布を均一化する補正部としての凸部が設けられていることを特徴とする回転角センサ。
【請求項３】
前記磁電変換素子の感度中心の位置と前記磁石に設けられた補正部の軸方向の位置とを合致させた請求項１または請求項２に記載の回転角センサ。
【請求項４】
前記磁石は円筒形状である請求項１〜３のいずれかに記載の回転角センサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明は、例えば車載用内燃機関のスロットル開度を検出するための回転角センサに係り、詳しくは、ホール素子や磁気抵抗素子（ＭＲＥ）等の磁電変換素子を用いて磁界に対応した電気信号を出力する回転角センサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
この種の従来技術として、例えばホール素子を用いた車載用内燃機関のスロットル開度センサが知られており、同センサでは、ホール効果に基づいて同スロットル開度が非接触にて検出できるようになっている（例えば、特開平８−２０１１０６号公報）。図８に、こうしたホール効果を利用したスロットル開度センサの一例についてその概要を示す。
【０００３】
すなわち同スロットル開度センサにあっては、スロットルバルブ（図示略）の回動軸３１に連動して回転するロータ３２に対しその回動軸３１と直交する方向に着磁された同心円筒状の永久磁石３３が設けられ、この永久磁石３３の中空部中央には、ロータ３２の軸方向に平行に、永久磁石３３の磁界方向を検出するためのホール素子３４が配設される。このホール素子３４は、スロットル開度センサの図示しないハウジング部により固定されている。
【０００４】
そして、スロットルバルブの回動に伴い永久磁石３３がホール素子３４の周りを同図８に示される態様で回転することによりホール素子３４の感磁面に対する磁界方向が変化し、その変化した角度θに対応した電気信号すなわちホール電圧が、同ホール素子３４から出力される。
【０００５】
同スロットル開度センサでは、ホール素子３４からこうした態様で出力されるホール電圧を所要に処理して、上記スロットルバルブの開度に対応した電気信号を出力する。
【０００６】
また他の従来技術として、特開平５−１２６５１３号の角度検出器では、回転体（ロータ）の回転角度位置で形状が異なり、且つ磁気検出部（ＭＲＥ）に印加される磁界を制御するための磁性体を、永久磁石の近傍に配置して構成している。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記従来の技術ではいずれも、以下に示す問題を招来する。つまり、前記図８で開示したスロットル開度センサにおいては、温度環境の変化や経時劣化等により永久磁石３３やホール素子３４を支持するハウジング部（図示略）やロータ３２が変位或いは変形し、それにより永久磁石３３とホール素子３４との軸方向の相対位置が変化するという事態を招く。かかる場合、ロータ３２の回転角度、すなわち磁界方向が変化しなくてもセンサ出力が変化してしまう等、上記事態に起因してセンサ出力に誤差が生じ、同センサの検出精度が悪化する。
【０００８】
また、特開平５−１２６５１３号公報の角度検出器では、磁気検出部の周囲における磁束の集中化により、その回転方向に関する出力特性の向上が図られると思われるが、同公報には軸方向の変化要因によるセンサ出力の誤差を防止するという目的及び効果が開示されていない。そのため、既述したように永久磁石と磁気検出部（ＭＲＥ）との軸方向の相対位置が変化した際にセンサ出力に誤差が生じるおそれがあった。
【０００９】
この発明は、こうした実情に鑑みてなされたものであり、磁石と磁電変換素子との軸方向の相対位置が変化しても、センサの検出精度を維持することができる回転角センサを提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
こうした目的を達成すべく、本発明では、回動軸に固定されており、該回動軸に直交する方向に磁路を形成するようにＳ極とＮ極とが対向配置された磁石と、ハウジング部に固定されると共に前記磁石により形成される磁界中に配置された磁電変換素子とを備え、前記磁界に対応した電気信号を出力する回転角センサにおいて、前記磁石における前記Ｓ極及びＮ極に相当する位置には、前記回動軸の軸方向の磁束分布を均一化する補正部としての凹部が設けられている。
【００１１】
この場合、磁石に補正部を設けて回転体の軸方向の磁束分布を均一化することにより、当該軸方向について磁界の集中化を図ることができる。その結果、磁石と磁電変換素子との軸方向の相対位置が変化しても、センサ出力の誤差を低減し、同センサの検出精度を維持することができることとなる。
【００１２】
また、請求項２に記載の発明では、回動軸に固定されており、該回動軸に直交する方向に磁路を形成するようにＳ極とＮ極とが対向配置された磁石と、ハウジング部に固定されると共に前記磁石により形成される磁界中に配置された磁電変換素子とを備え、前記磁界に対応した電気信号を出力する回転角センサにおいて、前記磁石における前記回動軸の軸方向の両端には、前記回動軸の軸方向の磁束分布を均一化する補正部としての凸部が設けられている。
【００１３】
また、より安定した磁界を形成し、尚一層の効果を得るには、
・請求項３に記載したように、前記磁電変換素子の感度中心の位置と前記磁石に設けられた補正部の軸方向の位置とを合致させたり、
・請求項４に記載したように、前記磁石を円筒形状としたりするのが望ましい。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の回転角センサを車両用内燃機関のスロットル開度センサに具体化した一実施の形態について図面を用いて説明する。
【００１５】
図１は、この実施の形態にかかるスロットル開度センサ１の構成の概要を示す断面図である。同図において、回動軸２は、内燃機関の吸気管に設けられたスロットルバルブ（図示略）に直結されるものであって、同回動軸２の端部にはロータ部３が形成されている。つまり、このロータ部３において、回動軸２に形成されたフランジ２ａ上には略円筒状のロータ４が取り付けられ、円筒状をなす永久磁石６は、前記回動軸２に対して同心となるようロータ４に固定されている。
【００１６】
また、合成樹脂製のハウジング７はエンジンルーム内の所定部位に固定されるものであって、同ハウジング７には図の下方に開口する凹部８が設けられている。凹部８内には回路基板９が固定され、同回路基板９の略中央部には、ホール素子１１を収容するための支持体１０が取り付けられている。回路基板９は、ホール素子１１により得られたホール電圧をスロットル開度情報として信号処理するための信号処理回路を有し、該回路基板９にて処理された信号（スロットル開度情報）がターミナル１２を介して図示しない電子制御装置へ出力されるようになっている。
【００１７】
次に、上記スロットル開度センサ１によるスロットル開度の検出原理を図２の概略図を用いて説明する。なお、図２の（ａ）は永久磁石６及びホール素子１１等を示す斜視図、（ｂ）はその平面図、（ｃ）は図（ｂ）における永久磁石６のＡ−Ａ線断面図である。
【００１８】
同図において、永久磁石６はロータ部３に載置されており、回動軸２に直交する方向に磁路を形成している。ホール素子１１は永久磁石６の中空部内（磁路内）において回動軸２に平行に配設されており、回動軸２に直交する磁界を検出する。すなわち、図示しないスロットルバルブの回動に伴い永久磁石６がホール素子１１の周りを図２に示す態様で回動することによりホール素子１１の感磁面に対する磁界方向が変化し、その変化した角度θに対応した電気信号、すなわちホール電圧ＶＨがホール素子１１から出力される。ここで、ホール電圧ＶＨは次の（１）式にて定義される。
【００１９】
ＶＨ＝ＫＨ・Ｂ・Ｒｄ・Ｉ・ｓｉｎθ＝ＶＡ・ｓｉｎθ                    ・・・（１）
なお、上式において、「ＫＨ」はホール素子１１の感度を、「Ｂ」は永久磁石６の磁束密度を、「Ｒｄ」はホール素子１１の内部抵抗を、「Ｉ」はホール素子１１の駆動電流を、それぞれ示している。また、「ＶＡ」は「ＫＨ・Ｂ・Ｒｄ・Ｉ」に対応した定数である。
【００２０】
上記構成によれば、図３に示すように、ロータ部３が「−９０（＝θ）」度から「＋９０（＝θ）」度まで回転する間に、上記ホール電圧ＶＨは、「−ＶＡ」から「＋ＶＡ」へと正弦波上を連続的に変化する。そして、スロットル開度センサ１は、上記の如くホール素子１１から出力されるホール電圧ＶＨを処理して、スロットル開度に対応した電気信号を出力する。
【００２１】
一方、本実施の形態では、図２に示すように、前記永久磁石６の内周面に環状の凹部１３が形成されている。この凹部１３は、永久磁石６の内周略中央部に設けられ、その断面が半円状に形成されている。このとき、ホール素子１１は、永久磁石６の軸方向（ｚ方向）の中心位置に配置され、凹部１３の位置はホール素子１１による磁界のセンシングの中心位置（感度中心位置）に合致するようになっている。すなわち、永久磁石６の軸方向中心位置を「ｚ＝０」とした場合、その位置に前記凹部１３が形成され、ホール素子１１は前記の「ｚ＝０」に合致するよう予め配置されている。
【００２２】
かかる構成において、ホール素子１１が「ｚ＝０」の位置にある時の磁束変化率を「０」とした場合、永久磁石６とホール素子１１との相対位置が一定のままで保持されれば磁束変化率が変化することはない（磁束変化率が０％で維持される）。しかし、例えば永久磁石６を支持するロータ部３、或いはホール素子１１を支持するハウジング７が経時変化により変位、変形する等、何らかの要因で永久磁石６とホール素子１１との相対位置にずれが生じると、磁束変化率が「０％」に維持することができず、この磁束変化率が大きくなるほど、スロットル開度センサ１の検出精度が悪化するという問題を招く。
【００２３】
ここで、図４のグラフは本発明者による実験結果を示すものであり、同図において、その縦軸は永久磁石６に対するホール素子１１のｚ方向のずれ量を示し、横軸は磁束変化率を示す。
【００２４】
より詳細に説明すれば、図４は、永久磁石に凹部を設けていない従来構成の磁束変化率と、永久磁石に凹部を設けた本実施の形態の磁束変化率とを比較して示すものである（図中、破線は本実施の形態を示し、実線は従来例を示す）。具体的には、同図において、ホール素子１１のｚ方向位置が「Ｐ」だけずれた際、本実施の形態の構成（凹部１３を設けた構成）では磁束変化率が「Ｑ１（％）」であるのに対し、従来構成（凹部のない構成）では磁束変化率が「Ｑ２（％）」となり、「Ｑ１＜Ｑ２」であることから本実施の形態の構成では磁束変化率が大幅に低減されていることが分かる。特に、ホール素子１１のｚ方向の位置ずれが比較的小さい領域、すなわち図４の「Ｓ」領域では、本実施の形態の構成により磁束変化率が略「０」となり、磁束変化に起因する検出誤差等の問題が回避できることが分かる。
【００２５】
因みに、上記図４の実験結果を考察すれば、本実施の形態の構成では、ホール素子１１による磁界のセンシング位置に合致するよう、永久磁石６に凹部１３を設けたことにより、ホール素子１１に対して磁束が均一化され、永久磁石６とホール素子１１との相対位置が変化したとしてもその影響が抑制されるものと考えられる。
【００２６】
そして、上記構成のスロットル開度センサ１の動作に際しては、ホール素子１１の駆動回路に駆動電流を流してこれを駆動し、スロットルバルブの回動に伴い永久磁石６が該ホール素子１１の周りを角度θだけ回転するとき、その角度θに対応したホール電圧ＶＨが上記（１）式に示される態様で同ホール素子１１から出力される。そして、信号処理回路９がこうして出力されるホール電圧ＶＨを所要に処理することにより、上記スロットル開度に対応したリニアな電気信号が出力されることとなる。
【００２７】
上記詳述した本実施の形態では既述したように、回動軸２の軸方向の磁束分布を均一化するための補正部として、永久磁石６に凹部１３を設けたため、当該軸方向について磁界の集中化を図ることができる。その結果、永久磁石６とホール素子１１との軸方向の相対位置が変化したとしても、センサ出力の誤差を低減し、同センサの検出精度を維持することができることとなる。
【００２８】
このとき、補正部の具体的構成として、永久磁石６の内側に凹部１３を設けるようにしたため、より簡易的な構成で上記のような優れた効果を得ることができる。
【００２９】
また、本実施の形態では、従来技術（特開平５−１２６５１３号公報）と異なり、永久磁石６の周囲に磁性体を配する必要もないため、センサの大型化を招くといった不都合を生じることもない。
【００３０】
併せて、本実施の形態では、ホール素子１１の感度中心に合致した軸方向位置に前記凹部１３を設けると共に、永久磁石６を円筒形状としたため、より安定した磁界が形成され、尚一層望ましい効果を得ることができる。
【００３１】
なお、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲内で任意に変更できる。下記に示す他の形態ではいずれも、上記実施の形態と同様に、本発明の目的を達成することが可能となる。
【００３２】
（１）図５，図６，図７に示す態様で永久磁石の構成を変更してもよい。図５に示す態様では、永久磁石２１のＳ極及びＮ極に相当する位置に、楕円状の凹部２２が形成されている。この構成では主として、必要部分に対して誤差の低減が図られる。具体的には、例えばスロットル開度センサにおいて、スロットル開度の全閉位置に対応する位置にのみ凹部２２が形成される。この場合、同センサで微小開度の検出精度が要求されるアイドル位置での検出誤差が低減できることとなる。
【００３３】
図６に示す態様では、永久磁石２３の内周側上端部及び下端部に環状のヨーク２４が取り付けられている。このヨーク２４は鉄等の磁性体にて構成されており、このヨーク２４を設けることにより磁束の漏れが防止され、永久磁石２３中心部での軸方向の磁束分布が均一化される。
【００３４】
図７に示す態様では、ロータ２７上に対向対置された一対の永久磁石２５Ａ，２５Ｂを用い、それら永久磁石２５Ａ，２５Ｂの軸方向中央部に凹部２６Ａ，２６Ｂが設けられている。この構成でも、永久磁石２５Ａ，２５Ｂの凹部２６Ａ，２６Ｂ（或いは、その上下に位置する凸部）により、軸方向の磁束分布が均一かされることとなる。
【００３５】
（２）上記実施の形態では、磁電変換素子としてホール素子を用いたが、これを磁気抵抗素子（ＭＲＥ）に変更する等、他の磁電変換素子を用いる構成としてもよい。
【００３６】
（３）上記実施の形態では、永久磁石に補正部としての凹部を形成するに当たり、その形状を円弧状（半円状）に切欠くように構成していたが、矩形状に切欠くように構成したり、三角形等、多角形状に切欠いて構成したりしてもよい。また、前記図６のように永久磁石にヨークを取り付ける構成においても、その断面形状は任意でよい。要は、永久磁石による軸方向の磁束分布が均一化される構成であれば、補正部の形状は任意に変更できる。
【００３７】
（４）上記実施の形態では、本発明の回転角センサをスロットル開度センサに具体化したが、勿論他のセンサに具体化してもよい。要は、被検出対象の回動軸に固定された磁石と、ハウジング本体に固定されると共に前記磁石により発生する磁界中に配置された磁電変換素子を備え、磁界の状態に対応した電気信号を出力する回転角センサであれば、任意に変更して具体化できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】発明の実施の形態におけるスロットル開度センサの構成を示す断面図。
【図２】ホール素子によるスロットル開度の検出原理を示す略図。
【図３】同検出原理におけるホール素子の出力特性を示すグラフ。
【図４】ホール素子のｚ方向（永久磁石の軸方向）位置と磁束変化率との関係を示すグラフ。
【図５】他の実施の形態における回転角センサの要部を示す略図。
【図６】他の実施の形態における回転角センサの要部を示す略図。
【図７】他の実施の形態における回転角センサの要部を示す略図。
【図８】従来技術における回転角センサの要部を示す略図。
【符号の説明】
１…回転角センサとしてのスロットル開度センサ、２…回転体を構成する回動軸、３…回転体を構成するロータ部、６…永久磁石（磁石）、７…センサのハウジング部を構成するハウジング、１０…センサのハウジング部を構成する支持体、１１…磁電変換素子としてのホール素子、１３…補正部を構成する凹部、２１，２３，２５…永久磁石（磁石）、２２，２６…補正部を構成する凹部、２４…補正部を構成するヨーク。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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