(57)【要約】【課題】磁場の変動の影響を受けにくく、正確な角度を検出することができる角度検出装置を低コストで提供する。【解決手段】Ｎ極領域Ｎを形成する磁石１４及びＳ極領域Ｓを形成する磁石１５を、回転中心Ｃの周りに交互に配置した回転部材１と、回転部材１の径方向における外方に配置され、回転部材１の周囲に形成される磁場について少なくとも２方向の磁場成分の大きさを検出するセンサ素子２と、センサ素子２の検出結果に基づいてセンサ素子２に対する回転部材１の回転角度を算出する演算手段４とを備えた。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｎ極領域を形成する磁石及びＳ極領域を形成する磁石を、回転中心の周りに交互に配置した回転部材と、
前記回転部材の径方向における外方に配置され、回転部材の周囲に形成される磁場について少なくとも２方向の磁場成分の大きさを検出するセンサ素子と、
前記センサ素子の検出結果に基づいて前記センサ素子に対する前記回転部材の回転角度を算出する演算手段とを備えた角度検出装置。
【請求項２】
前記Ｎ極領域を形成する磁石及び前記Ｓ極領域を形成する磁石が、直方体形状を有する請求項１に記載の角度検出装置。
【請求項３】
前記Ｎ極領域及び前記Ｓ極領域が、前記回転中心を中心とする扇形の範囲に設けてあり、当該扇形の中心角の二等分線に対して、前記Ｎ極領域及び前記Ｓ極領域の各々が対称となるように前記磁石を配置してある請求項１又は２に記載の角度検出装置。
【請求項４】
前記回転部材の軸部に円筒形のヨークを外挿するとともに、前記ヨークの外周に沿って前記磁石を配置し、前記軸部と一体成形した樹脂部により前記ヨーク及び前記磁石を覆ってある請求項１〜３の何れか一項に記載の角度検出装置。
【請求項５】
前記磁石が直方体形状であり、前記ヨークの外周のうち前記磁石に対応する位置に、前記磁石の一辺が当接する当接面が設けてある請求項４に記載の角度検出装置。
【請求項６】
センサ素子が検知した前記磁場成分のうちの少なくとも何れかの磁場成分の大きさを補正可能な補正手段を有する請求項１〜５の何れか一項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極領域及びＳ極領域を回転中心の周りに交互に配置した回転部材と、前記回転部材の周囲に形成される磁場を検出するセンサ素子と、前記センサ素子が検出した磁場に基づいて前記回転部材の回転角度を算出する演算手段とを備えた角度検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
この種の角度検出装置は、回転部材に対して回転軸部材が貫通可能なことが構造の特徴であり、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など様々な用途に用いられている。
従来、この種の角度検出装置として種々のものが提案されている。例えば、特許文献１には、ホール素子などの磁場の一方向成分の強度を検出可能なセンサ素子と、Ｎ極領域及びＳ極領域を設けた回転部材とを備えた角度検出装置が開示されている。
この角度検出装置において、回転部材の外周の一部に、一組のＮ極領域とＳ極領域とが略全周にわたって設けてある。初期位置において、センサ素子が、Ｎ極領域、あるいはＳ極領域の中央部に位置するように設定してある。そして、回転部材がセンサ素子に対して回転した際の、初期位置からの位置ずれに伴う一方向の磁場成分の強度変化に基づいて回転角度を検出している。
【０００３】
【特許文献１】特許第２８４２４８２号公報（［請求項１］及び明細書６欄５０行目〜７欄１８行目）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に記載の角度検出装置では、一方向の磁場成分の強度に基づいて回転角度を検出している。このため、例えば、磁性体の温度変化や経時劣化により磁場強度が変化したときに、磁場強度の変化を補正することができないか、あるいは精度のよい補正が困難であるなどの理由により、正確な角度の検出が困難になる場合があった。
【０００５】
本発明は、上述の問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、磁場の変動の影響を受けにくく、正確な角度を検出することができる角度検出装置を低コストで提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の第１特徴構成は、Ｎ極領域を形成する磁石及びＳ極領域を形成する磁石を、回転中心の周りに交互に配置した回転部材と、前記回転部材の径方向における外方に配置され、回転部材の周囲に形成される磁場について少なくとも２方向の磁場成分の大きさを検出するセンサ素子と、前記センサ素子の検出結果に基づいて前記センサ素子に対する前記回転部材の回転角度を算出する演算手段とを備えた点にある。
【０００７】
本構成により、センサ素子が少なくとも２方向の磁場成分の大きさを検出し、演算手段が例えば各方向成分の検出結果の比に基づいて、回転部材の回転角度を算出する。このため、例えば回転部材の温度変化や経時劣化により、磁場の強度が変化した場合でも、各方向成分の磁場強度が略同じ割合で変化することなり、検出結果の比はほとんど変化しないので、検出される回転角度が変動することを防止することができて、正確な角度を検出することができる。
また、回転部材の回転中心の周りに磁石を配置するだけの簡単な構成でＮ極領域及びＳ極領域が形成してあるので、製造コストを低減することができる。
【０００８】
本発明の第２特徴構成は、前記Ｎ極領域を形成する磁石及び前記Ｓ極領域を形成する磁石が、直方体形状を有する点にある。
【０００９】
本構成により、例えばブロック状の磁石の母材を直方体形状に切断するだけで、Ｎ極領域を形成する磁石及びＳ極領域を形成する磁石を得ることができる。これらの磁石を得る際に複雑な製造工程が必要ないので、安価でかつ寸法精度の良い磁石を得ることができる。この結果、安価で高精度な角度検出装置を実現することができる。
【００１０】
本発明の第３特徴構成は、前記Ｎ極領域及び前記Ｓ極領域が、前記回転中心を中心とする扇形の範囲に設けてあり、当該扇形の中心角の二等分線に対して、前記Ｎ極領域及び前記Ｓ極領域の各々が対称となるように前記磁石を配置した点にある。
【００１１】
Ｎ極領域及びＳ極領域を、回転中心を中心とする扇形の範囲に設け、当該扇形の中心角に対して、Ｎ極領域及びＳ極領域が対称となるように配置した場合、前記二等分線に対してＮ極領域及びＳ極領域を非対称に配置した場合と比較して、回転部材からの距離が変動した場合の磁場の向きの変動が小さいことを見出した。
このため、本構成により、回転部材とセンサ素子との間の径方向の距離が変動した場合に生じる磁場の向きの変動を低減することができるので、角度検出装置の組付け誤差の影響による検出結果の変動を低減することができる。
また、角度検出装置の使用時に回転軸のふれにより回転部材とセンサ素子とが近接・離間した場合であっても、検出結果の変動を低減することができる。
【００１２】
本願の第４特徴構成は、前記回転部材の軸部に円筒形のヨークを外挿するとともに、前記ヨークの外周に沿って前記磁石を配置し、前記軸部と一体成形した樹脂部により前記ヨーク及び前記磁石を覆った点にある。
【００１３】
本構成により、ヨーク及び磁石を、回転部材の軸部と一体成形した樹脂部により覆ってあるので、磁石を確実に所期の位置に固定することができる。また、回転部材の軸部と樹脂部とが一体成形してあるので、軸部と樹脂部とを別体で設けた場合と比較して強度を高めることができる。
また、ヨークの外周に沿って磁石が配置されているので、遮蔽効果により回転部材の径方向における外側向きの磁場を強めることができる。このため、磁石が樹脂部で覆われている場合であっても、回転部材の周囲に所期の磁場を形成することができる。
【００１４】
本発明の第５特徴構成は、前記磁石が直方体形状であり、前記ヨークの外周のうち前記磁石に対応する位置に、前記磁石の一辺が当接する当接面を設けた点にある。
【００１５】
本構成により、ヨークの外周面に設けた当接面と直方体形状の磁石の一面とが当接することとなる。このため、ヨークによる遮蔽効果を高めることとなり、回転部材の径方向における外側向きの磁場を強めることができる。
また、ヨークの外周に磁石を配置する際の位置決めが容易になり、Ｎ極領域とＳ極領域とを正確に配置することができる。
【００１６】
本発明の第６特徴構成は、センサ素子が検知した前記磁場成分のうちの少なくとも何れかの磁場成分の大きさを補正可能な補正手段を有する点にある。
【００１７】
本発明に係る角度検出装置は、回転部材の周囲に形成される磁場の形状が所期の形状であることを前提として、２方向の磁場成分の大きさに基づいて回転角度を検出する。よって、磁場の形状が何らかの原因で乱れている場合には、正確な回転角度の検出が困難となる。
そこで、本構成の如く、磁場成分のうちの少なくとも何れかの磁場成分の大きさを補正可能な補正手段を設けることができる。この結果、磁場の形状が乱れている場合であっても、補正手段が磁場成分の大きさを補正することにより、正確な回転角度を検出することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。
図１に示すように、本発明に係る角度検出装置は、被検出物３である回転軸３１に一体回転可能に設けられた回転部材１と、回転部材１の径方向における外方の固定側の部材５に固定されたセンサ素子２とを備える。
【００１９】
回転部材１は、円筒形のヨーク１２と、Ｎ極領域Ｎを形成する磁石１４と、Ｓ極領域Ｓを形成する磁石１５とを有する。磁石１４と磁石１５とがヨークの外周面に沿って交互に配置してある。これにより、回転部材１には、Ｎ極領域ＮとＳ極領域Ｓとが回転中心Ｃの周りに交互に形成されている。磁石１４，１５の形状は特に限定はされないが、例えば直方体形状の磁石１４，１５を用いることができる。
また、回転部材１は、ヨーク１２を外挿する軸部１６と、ヨーク１２及び磁石１４，１５を覆う樹脂部１３とを有する。軸部１６には回転軸３１が挿入される穴部１６ａが設けてある。軸部１６及び樹脂部１３は、例えばヨーク１２と磁石１４，１５とを金型内の所定箇所に配置した後に、樹脂を射出成形することにより一体的に設けてある。
【００２０】
センサ素子２は、例えばホールＩＣなどの回転部材１からの磁場の向き及び強さを検出可能な素子で構成されている。具体的には、例えばＭｅｌｅｘｉｓ社のＭＬＸ９０３１６などの磁場検出素子が挙げられる。この磁場検出素子は直交する２方向の磁場強度を検出し、この２方向の磁場強度の比に基づいて磁場の向きを検出する。２方向の磁場強度の比に基づいて磁場の向きを検出するので、磁場強度の変動による影響をキャンセルすることができる。
【００２１】
回転軸３１が回転すると回転軸３１に一体的に固定された回転部材１も連動して回転する。回転部材１が回転すると、周方向におけるＮ極領域Ｎ及びＳ極領域Ｓとセンサ素子２との周方向における相対位置が変化する。このため、センサ素子２を通過する磁場の向きが周期的に変化する。演算手段４が、このセンサ素子２の検出結果に基づいて被検出物３である回転軸３１の固定側の部材５に対する回転角度を算出する。
なお、必須の構成要素ではないが、補正手段７を備え、センサ素子２が検知した前記磁場成分のうちの少なくとも何れかの磁場成分の大きさを補正可能に構成しても良い。この場合、補正手段７は、演算手段４に補正機能を持たせるものであってもよい。
【００２２】
［実施例１］
図２は、本発明に係る回転部材１の一例を示す図である。
回転部材１には、Ｎ極領域Ｎを形成する直方体形状の磁石１４及びＳ極領域Ｓを形成する直方体形状の磁石１５が、回転中心Ｃの周りに所定の配置ピッチαで交互に配置してある。図２においてはα＝４５°であり、磁石１４が１つ、磁石１５が２つの合計３つの磁石が配置してある。
また、Ｎ極領域Ｎ及びＳ極領域Ｓが設けてある範囲の周方向の両端と回転中心Ｃとを結んだ扇形の中心角の二等分線ＣＭに対して、Ｎ極領域Ｎ及びＳ極領域Ｓが対称となるように、磁石１４，１５が配置してある。つまり、一方の磁石（本実施形態では磁石１４）が前記二等分線ＣＭによって二等分される位置に配置してあり、他方の磁石（本実施形態では磁石１５）が前記二等分線ＣＭに対して対称となる位置に配置してある。また、磁石１４及び磁石１５の内周には、軟磁性体で形成された円筒形のヨーク１２が配置してある
回転部材１の外周側には、センサ素子２が配置してある。センサ素子２と回転中心Ｃとを結んだ線分と、前記二等分線ＣＭとが一致する位置を、回転部材１の初期位置として、初期位置からの回転部材１の回転角度を検出する。
【００２３】
図３は、図２に示す回転部材１を回転変位させた場合の回転角度と、センサ素子２の出力（つまり、センサ素子２に印加される磁場の方向）との関係を示すグラフである。
また、図４に、比較例として使用した回転部材１００を示す。この回転部材１００は、リング状の磁性体を着磁することによりＮ極領域Ｎ及びＳ極領域Ｓが設けてある。Ｎ極領域Ｎ及びＳ極領域Ｓが回転中心Ｃの周りにピッチα＝４５°で交互に配置してあり、Ｎ極領域ＮとＳ極領域Ｓとが夫々４つずつ設けてある。
図５は、図４に示す回転部材を回転変位させた場合の回転角度と、センサ素子２の出力（つまり、センサ素子２に印加される磁場の方向）との関係を示すグラフである。
【００２４】
回転部材１を用いた場合の結果（図３）を、回転部材１００を用いた場合の結果（図５）と比較したところ、回転部材１を用いた場合でも、回転部材１００を用いた場合と同等の直線性が得られた。
また、回転部材１の外周面からセンサ素子２までの距離を変化させた場合であっても、回転部材１００を用いた場合と同様、回転部材１の回転角度とセンサ素子２の出力との関係は、ほとんど変化しなかった。
上述のとおり、直方体形状の磁石を３つ配置してＮ極領域Ｎ及びＳ極領域Ｓを形成した回転部材１であっても、リング状の磁性体を全周に渡って着磁してＮ極領域Ｎ及びＳ極領域Ｓを形成した回転部材１００と同等の特性が得られた。
【００２５】
リング状磁石を有する回転部材１００を製造する場合、必要な磁性体の体積が大きくなること及び、磁性体をリング状に加工する必要があることから、製造コストが増大する。
しかし、上述のとおり、本発明の回転部材１であっても、回転部材１００と同等の特性が得られることから、直方体形状の磁石を３つ配置してＮ極領域Ｎ及びＳ極領域Ｓを形成しただけの簡単な構成で回転部材１を得ることができる。このため、低コストで正確に回転角度を検出することができる角度検出装置を得ることができる。
【００２６】
［実施例２］
図６及び図７は、Ｎ極領域Ｎ及びＳ極領域Ｓの別の配置例を示す図である。
図６に示す回転部材１では、Ｎ極領域Ｎを形成する直方体形状の磁石１４及びＳ極領域Ｓを形成する直方体形状の磁石１５が、回転中心Ｃの周りに配置ピッチα＝４５°で交互に配置してある。ここでは、磁石１４が１つ、磁石１５が２つ配置してある。さらに、夫々の磁石１５に隣接して、周方向に沿ったサイズが半分の磁石１４が配置してある。このように、回転部材の１８０°の範囲に亘ってＮ極領域ＮとＳ極領域Ｓとが、二等分線ＣＭに対して対称となるように配置してある。
【００２７】
また、図７に示す回転部材１において、磁石１４及び磁石１５が、回転中心Ｃの周りに配置ピッチα＝４５°で交互に配置してある。磁石１４が２つ、磁石１５が２つの合計４つの磁石が配置してある。このように、回転部材１の１８０°の範囲に亘ってＮ極領域ＮとＳ極領域Ｓとが、二等分線ＣＭに対して非対称となるように配置してある。
【００２８】
図８は、図６に示す回転部材１からの径方向における距離Ｇが変化した場合の回転部材１の周方向の各位置における磁場の向きの変動量を示すグラフである。図９は、図７に示す回転部材１からの径方向における距離Ｇが変化した場合の回転部材１の周方向の各位置における磁場の向きの変動量を示すグラフである。
回転部材１の外周面からの距離が５ｍｍである位置（以下、「基準位置」と称する）から径方向に移動（近接、或いは離間）したときの、基準位置における磁場の向きに対する移動後の位置における磁場の向きの変動量を、有限要素法によるシミュレーションにより算出した。
【００２９】
両方のシミュレーション結果を比較すると、Ｎ極領域ＮとＳ極領域Ｓとが、二等分線ＣＭに対して対称となるように配置してある場合の方が、基準位置から径方向に移動した場合の磁場の向きの変動量が小さくなることが分かった。
【００３０】
したがって、特に限定はされないが、回転部材１において、Ｎ極領域Ｎ及びＳ極領域Ｓの各々が、二等分線ＣＭに対して対称となるように配置することが好ましい。
このようにすれば、回転部材１とセンサ素子２との間の径方向の距離Ｇが変動した場合に生じる磁場の向きの変動を低減することができる。このため、角度検出装置の組付け誤差の影響による検出結果の変動を低減することができる。
また、角度検出装置の使用時に回転軸のふれにより回転部材１とセンサ素子２との径方向における距離Ｇが変動した場合であっても、検出結果の変動を低減することができる。
【００３１】
［実施例３］
図１０は、回転部材１の回転角度と各回転角度における磁場の向きとの関係を示したグラフ（図２）の、各回転角度における直線性を示すグラフである。
直線性の基準として、回転部材１の回転角度と各回転角度における磁場の向き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。図１０に示すとおり、％FS値は、−４５°から４５°の範囲で、２周期分の波形となり、振幅は約２．０％FSであった。
【００３２】
ところで、センサ素子２は、例えば直交する２方向の磁場の強度（つまり、ｒ方向の磁場強度Ｂｒ及びθ方向の磁場強度Ｂθ）を検出し、例えば磁場強度Ｂｒと磁場強度Ｂθとの比に基づいて（例えばｔａｎ-1（Ｂθ／Ｂｒ）を算出して）回転角度を算出する。
このため、回転部材１の回転角度と各回転角度における磁場の向きとの関係が、完全に直線関係にならない原因の一つは、磁場強度Ｂｒの振幅と磁場強度Ｂθの振幅とが異なることであると考えられる。
【００３３】
図１１は、図２に示す回転部材１の周方向の各位置におけるｒ方向の磁場強度Ｂｒ及びθ方向の磁場強度Ｂθを、センサ素子２の位置における角度を０°として示すグラフである。このグラフから明らかなように、磁場強度Ｂｒの振幅の方が磁場強度Ｂθの振幅よりも大きく、磁場強度Ｂｒの振幅は磁場強度Ｂθの振幅の約１．３倍であった。
そこで、磁場強度Ｂｒの振幅と磁場強度Ｂθの振幅とが略同一となるように、磁場強度Ｂθに１．３を乗じる補正を行った後に回転角度を算出した。図１２は、補正後の回転部材１の回転角度と各回転角度における磁場の向きとの関係の直線性を示すグラフである。図１２に示すとおり、％FS値は、−４５°から４５°の範囲で、１周期分の波形となり、振幅は約１．０％FSであった。このように、磁場強度を補正して２方向の磁場強度の振幅の大きさを等しくすることにより、直線性が改善された。
従って、角度検出装置が補正手段７を備え、この補正手段が、磁場強度Ｂｒの振幅と磁場強度Ｂθの振幅とが略同一となるように、磁場強度を補正することにより、より正確に回転角度を検出することができる。
なお、さらに正確に回転角度を検出するためには、補正後の回転角度と各回転角度における磁場の向きとの関係において、検出角度範囲を所定の区間に分割して、夫々の区間ごとに傾きとオフセット値を決定して夫々の区間を直線とみなしたものを検量線とするとよい。
補正後の回転角度と各回転角度における磁場の向きとの関係を用いることにより、補正前と比較して直線性が向上していることから、分割する区分の数を減少させることができる。
【００３４】
［別実施形態］
図１３に別実施形態に係る回転部材１を示す。この回転部材１において、ヨーク１２の外周のうち磁石１４，１５に対応する位置に、直方体形状の磁石１４，１５の１面が当接する当接面１２ａが設けてある。
このように当接面１２ａを設けることにより、ヨーク１２の外周面に設けた当接面１２ａと直方体形状の磁石１４，１５との密着性が向上する。このため、ヨーク１２による遮蔽効果が高まり、回転部材１の径方向における外側向きの磁場強度が上昇する。また、ヨーク１２の外周に磁石１４，１５を配置する際の位置決めが容易になり、Ｎ極領域とＳ極領域とを適切な位置に配置することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明に係る角度検出装置の一例を示す図
【図２】本発明に係る回転部材の一例を示す図
【図３】図２の回転部材の回転角度とセンサ素子の出力との関係のグラフ
【図４】比較例の回転部材を示す図
【図５】図４の回転部材の回転角度とセンサ素子の出力との関係のグラフ
【図６】回転部材の一例を示す図
【図７】回転部材の一例を示す図
【図８】図６で径方向位置を変化させた場合のシミュレーション結果のグラフ
【図９】図７で径方向位置を変化させた場合のシミュレーション結果のグラフ
【図１０】回転部材の各位置における２方向の磁場強度を示す図
【図１１】補正前の回転角度とセンサ素子の出力との関係の直線性を示すグラフ
【図１２】補正後の回転角度とセンサ素子の出力との関係の直線性を示すグラフ
【図１３】別実施形態に係る回転部材を示す図
【符号の説明】
【００３６】
１      回転部材
２      センサ素子
４      演算手段
７      補正手段
１２    ヨーク
１２ａ  当接面
１３    樹脂部
１４    磁石
１５    磁石
１６    軸部
Ｃ      回転中心
Ｎ      Ｎ極領域
Ｓ      Ｓ極領域
ＣＭ    二等分線
【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】
2008020299.tif 000008
【図７】
2008020299.tif 000009
【図８】
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【図９】
2008020299.tif 000011
【図１０】
2008020299.tif 000012
【図１１】
2008020299.tif 000013
【図１２】
2008020299.tif 000014
【図１３】
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