(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
歯車の歯面に向けて磁場を形成する磁石と、
前記歯車と前記磁石との間に配置されて、前記歯車の径方向における磁束密度に応じて信号を出力する前記歯車の円周方向に並べられた１対の磁気検出素子と、前記磁束密度のうち前記歯車の円周方向成分を前記磁気検出素子の検出面上において前記歯車の径方向に誘引する磁気コンセントレータと、前記１対の磁気検出素子の出力する信号を処理する信号処理回路とを備え、前記歯車の回転に伴う磁束密度の変化のうち、前記歯車の円周方向成分の磁束密度の変化を前記信号処理回路が前記１対の磁気検出素子の出力する信号の差分から検出し、当該歯車の円周方向成分の磁束密度の変化から前記歯車の歯数をカウントすることで回転を検出するセンサとを有する回転検出装置。
【請求項２】
歯車の歯面に向けて磁場を形成する磁石と、
前記歯車と前記磁石との間に配置されて、前記歯車の径方向における磁束密度に応じて信号を出力する前記歯車の円周方向と前記歯車の径方向とに直交する方向に並べられた1対の磁気検出素子と、前記磁束密度のうち前記歯車の円周方向と前記歯車の径方向とに直交する成分を前記磁気検出素子の検出面上において前記歯車の径方向に誘引する磁気コンセントレータと、前記１対の磁気検出素子の出力する信号を処理する信号処理回路とを備え、前記歯車の回転に伴う磁束密度の変化のうち、前記歯車の円周方向と前記歯車の径方向とに直交する成分の磁束密度の変化を前記信号処理回路が前記１対の磁気検出素子の出力する信号の差分から検出し、当該歯車の円周方向と前記歯車の径方向とに直交する成分の磁束密度の変化から前記歯車の歯数をカウントすることで回転を検出するセンサとを有する回転検出装置。
【請求項３】
前記センサは、前記磁気コンセントレータを前記1対の磁気検出素子の間に設ける請求項1又は２に記載の回転検出装置。
【請求項４】
前記センサは、前記磁気コンセントレータを前記1対の磁気検出素子の両端にそれぞれ設ける請求項1又は２に記載の回転検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の技術として、差動式のホールセンサを用いてギアの回転を検出する回転検出装置が提案されている（例えば、非特許文献１参照）。
【０００３】
非特許文献１に開示された回転検出装置は、歯車の歯面に向けて磁場を形成する磁石と、歯車と磁石との間に配置されて、歯車の回転に伴う磁束密度の変化を歯車の径方向において検出する１対の磁気検出素子を備え、当該１対の磁気検出素子の出力の差分を出力するセンサＩＣ（ATS667LSG）を有する。歯車の回転に伴い、当該センサＩＣの出力する信号が周期的に変化するため、歯車の回転数や角速度等を検出することができる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】Allegro Micro Systems LLC、“ATS667LSG Data Sheet”、［online］、［平成２７年2月16日検索］、インターネット＜URL:http://www.allegromicro.com/en/Products/Magnetic-Speed-Sensor-ICs/Transmission-Sensor-ICs/ATS667.aspx＞
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、非特許文献１に示す回転検出装置は、１対の磁気検出素子の出力の差分を出力信号としており、十分な信号強度を得るには、１対の磁気検出素子のそれぞれを貫く磁束密度の差の変化が歯車の回転に伴って十分になるように１対の磁気検出素子を離して設ける必要がある。そうすると、上記のセンサＩＣの場合は、１対の磁気検出素子の間隔が２．２ｍｍとなり、１対の磁気検出素子の配置に制限があるために、少なくともこの間隔よりセンサＩＣを小さく製造することができない、という問題があった。センサＩＣの小型化は、センサＩＣの製造コスト及びセンサＩＣの配置の自由度の観点から重要な問題である。
【０００６】
従って、本発明の目的は、従来に比べてセンサＩＣを小型化した回転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】
本発明の一態様は、上記目的を達成するため、以下の回転検出装置を提供する。
【０００８】
［１］歯車の歯面に向けて磁場を形成する磁石と、
前記歯車と前記磁石との間に配置されて、前記歯車の径方向における磁束密度に応じて信号を出力する前記歯車の円周方向に並べられた１対の磁気検出素子と、前記磁束密度のうち前記歯車の円周方向成分を前記磁気検出素子の検出面上において前記歯車の径方向に誘引する磁気コンセントレータと、前記１対の磁気検出素子の出力する信号を処理する信号処理回路とを備え、前記歯車の回転に伴う磁束密度の変化のうち、前記歯車の円周方向成分の磁束密度の変化を前記信号処理回路が前記１対の磁気検出素子の出力する信号の差分から検出し、当該歯車の円周方向成分の磁束密度の変化から前記歯車の歯数をカウントすることで回転を検出するセンサとを有する回転検出装置。
［２］歯車の歯面に向けて磁場を形成する磁石と、
前記歯車と前記磁石との間に配置されて、前記歯車の径方向における磁束密度に応じて信号を出力する前記歯車の円周方向と前記歯車の径方向とに直交する方向に並べられた1対の磁気検出素子と、前記磁束密度のうち前記歯車の円周方向と前記歯車の径方向とに直交する成分を前記磁気検出素子の検出面上において前記歯車の径方向に誘引する磁気コンセントレータと、前記１対の磁気検出素子の出力する信号を処理する信号処理回路とを備え、前記歯車の回転に伴う磁束密度の変化のうち、前記歯車の円周方向と前記歯車の径方向とに直交する成分の磁束密度の変化を前記信号処理回路が前記１対の磁気検出素子の出力する信号の差分から検出し、当該歯車の円周方向と前記歯車の径方向とに直交する成分の磁束密度の変化から前記歯車の回転を検出するセンサとを有する回転検出装置。
［３］前記センサは、前記磁気コンセントレータを前記1対の磁気検出素子の間に設ける前記［1］又は［２］に記載の回転検出装置。
［４］前記センサは、前記磁気コンセントレータを前記1対の磁気検出素子の両端にそれぞれ設ける前記［1］又は［２］に記載の回転検出装置。
【発明の効果】
【０００９】
請求項１又は２に係る発明によれば、従来に比べてセンサＩＣを小型化することができる。
請求項３に係る発明によれば、磁気コンセントレータを１対の磁気検出素子の間に設けた構造とすることができる。
請求項４に係る発明によれば、磁気コンセントレータを１対の磁気検出素子の両端にそれぞれ設けた構造とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、第１の実施の形態に係る回転検出装置の構成例を示す側面図である。
【図２】図２（ａ）及び（ｂ）は、センサの構成を示す斜視図及び断面図である。
【図３】図３は、回転検出装置のセンサの動作を説明するための概略図である。
【図４】図４は、磁石によって形成される磁場の様子を表す概略図である。
【図５】図５は、ギア歯の通過に伴いセンサから出力される信号の変化例を示すグラフ図である。
【図６】図６（ａ）及び（ｂ）は、第２の実施の形態に係る回転検出装置のセンサの構成例を示す斜視図及び断面図である。
【図７】図７は、センサの動作を説明するための概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
［第１の実施の形態］
（回転検出装置の構成）
図１は、第１の実施の形態に係る回転検出装置の構成例を示す側面図である。図２（ａ）及び（ｂ）は、センサ１の構成を示す斜視図及び断面図である。
【００１２】
回転検出装置５は、ギア３の歯先３ｈからギャップｄｇを設けて配置されたセンサ１と、磁化方向をＤｍとしてセンサ１の裏面側に配置される磁石２とを有する。
【００１３】
センサ１は、図２（ａ）及び（ｂ）に示すように、一例として、ｚ方向に厚みを有する平板状の基板１０と、基板１０上に設けられてｘｙ面に平行な検出面を有し、磁気検出素子として検出方向をｚ方向とするホール素子１１ｘ１、１１ｘ２、１１ｙ１、１１ｙ２と、ホール素子１１ｘ１、１１ｘ２、１１ｙ１、１１ｙ２上に一部が重なるように設けられてｘ方向及びｙ方向の磁束をｚ方向に変換してホール素子１１ｘ１、１１ｘ２、１１ｙ１、１１ｙ２に検出させる磁気コンセントレータ１２と、ホール素子１１ｘ１、１１ｘ２、１１ｙ１、１１ｙ２の出力する信号を処理する信号処理回路（図示せず）を有し、ｘ、ｙ、ｚ方向の磁束密度を検出するホールＩＣである。
【００１４】
センサ１は、例えば、メレキシス製ホールラッチ＆スイッチセンサ等を用い、ホール素子１１ｘ１と１１ｘ２との出力の差分、ホール素子１１ｙ１と１１ｙ２との出力の差分をとることでｘ方向、ｙ方向の磁束密度に比例した出力を得ることができる。磁束密度と出力との関係は後述する。また、ホール素子１１ｘ１と１１ｘ２との間隔、ホール素子１１ｙ１と１１ｙ２との間隔は、ｄｓ＝０．２ｍｍであり、パッケージモールド部はｚ方向の厚みが１．５ｍｍ、ｘ方向の幅が４．１ｍｍ、ｙ方向の高さが３ｍｍである。センサ１の磁気コンセントレータ１２として、パーマロイを用いることができる。また、センサ１は、ホール素子１１ｙ１と１１ｙ２を省略してもよい。
【００１５】
なお、センサ１は、検出方向がｘ方向であればＭＲ素子等の他の種類の素子を用いてもよいし、検出方向がｘ方向を含めば複数の軸方向にそれぞれ磁気検出素子を配置した多軸磁気検出ＩＣを用いてもよい。
【００１６】
磁石２は、フェライト、サマリウムコバルト、ネオジウム等の材料を用いて形成された永久磁石である。
【００１７】
ギア３は、様々なサイズのものを用いることができるが、歯先円直径２００ｍｍ、歯底円直径１９０ｍｍ、歯数４０のものを用いた例について以下説明する。
【００１８】
（回転検出装置の動作）
次に、第１の実施の形態の作用を、図１−図４を用いて説明する。
【００１９】
図３は、回転検出装置５のセンサ１の動作を説明するための概略図である。
【００２０】
センサ１を透過する磁束はホール素子１１ｘ１、１１ｘ２、１１ｙ１、１１ｙ２によって感知され、磁束密度に比例した信号を出力する。以下、代表してｘ方向の磁束、つまりホール素子１１ｘ１、１１ｘ２によって検出される磁束について説明するが、ｙ方向についても同様である。
【００２１】
磁束ｆのうち、平行成分Ｂ//は磁気コンセントレータ１２に誘導されることで、磁束密度の大きさが平行成分Ｂ//に比例する垂直成分Ｂ⊥に変換され、１対のホール素子１１ｘ１及び１１ｘ２によって測定される。垂直成分であるＢＺも１対のホール素子１１ｘ１及び１１ｘ２によって測定される。
【００２２】
つまり、図面左側のホール素子１１ｘ１は“Ｂ⊥−ＢＺ”を測定する一方、図面右側のホール素子１１ｘ２は“−Ｂ⊥−ＢＺ”を測定する。Ｙ方向についても１１ｙ１、１１ｙ２が同様に測定する。
【００２３】
従って、ホール素子１１ｘ１の出力とホール素子１１ｘ２の出力との差をとれば２Ｂ⊥が得られ、和をとれば−２Ｂｚが得られる。以下においてセンサ１は、ホール素子１１ｘ１の出力とホール素子１１ｘ２の出力との差（以下、２Ｂｘ⊥とする。）及びホール素子１１ｙ１の出力とホール素子１１ｙ２の出力との差（以下、２Ｂｙ⊥とする。）を出力するものとし、当該Ｂｘ⊥及びＢｙ⊥によってギア３の回転を検出する。
【００２４】
以下、ギア３の回転の検出方法を説明する。
【００２５】
図４は、磁石２によって形成される磁場の様子を表す概略図である。図５は、ギア歯の通過に伴いセンサ１から出力される信号の変化例を示すグラフ図である。
【００２６】
なお、図４に示す例が歯先と歯底の間隔が回転角度に対して一定である場合であるのに対し、図５に示す例は、歯先３０ｈと歯底３０ｌの間隔が回転角度に対して一定でないギア３０を用いた場合である。図５に示す例を用いた理由は、歯先３０ｈと歯底３０ｌの間隔によって出力信号の変化はあるものの、出力信号の特性は不変であることを示すためである。
【００２７】
図４に示すように、ギア３の歯の先端が最もセンサ１から遠ざかった状態において、ｚ軸に対称な磁場が形成されてセンサ１が検出する磁束密度のｘ成分は０となる。また、ギア３が回転方向Ｄｒに回転するにつれて図面左側の歯が近づくためｘ成分は負へと傾き、センサ１が検出する磁束密度のｘ成分は負の値をとる。また、歯の先端がセンサ１に最も近づいた状態において、ｚ軸に対称な磁場が形成されてセンサ１が検出する磁束密度のｘ成分は０となる。
【００２８】
さらに、ギア３が回転方向Ｄｒに回転するにつれて歯がセンサ１上を通り過ぎて図面左側へ離れていくため、通り過ぎるタイミングでｘ成分は負から正へと反転し、その後歯の先端が最もセンサ１から遠ざかった状態に近づくにつれて０に戻っていく。
【００２９】
つまり、図５に示すように、ギア３０の回転に伴い、センサ１上を歯が通過する場合であって歯底３０ｌから歯先３０ｈに変化するタイミングに、センサ１の出力信号レベルは最大となる。また、歯先３０ｈから歯底３０ｌに変化するタイミングに、センサ１の出力信号レベルは最小となる。従って、複数の最大値及び最小値のうち絶対値が最も小さいものより小さい値を正負それぞれの閾値Ｔｈｘ、−Ｔｈｘとし、センサ１の出力信号がそれぞれの閾値をそれぞれ正負に超えた数をカウントすることでギア３の回転数や角速度を算出できる。さらに、歯の間隔が一定でない場合であっても、ギア３０の歯のエッジ（歯底３０ｌと歯先３０ｈとの境界）を検出することができる。
【００３０】
また、図５に示すように、センサ１が検出する磁束密度のｙ成分についても同様のふるまいが検出され、ギア３０の回転数や角速度を算出できる。また、図中には従来の差動方式により得られるｚ成分の出力信号を比較のために記載したが、この信号に比べてｘ成分のダイナミックレンジが大きくとれることがわかる。なお、差動方式により得られるｚ成分の出力信号は、歯の形状が直角に形成されたものであり、歯の形状に角度をつけたり、曲面により形成された場合はさらにダイナミックレンジが小さくなる。
【００３１】
（第１の実施の形態の効果）
上記した第１の実施の形態によれば、磁気コンセントレータ１２によってＢｘ／／をＢｘ⊥に変換して１対のホール素子１１ｘ１と１１ｘ２との差分によりＢｘ⊥を出力するようにしたため、ホール素子１１ｘ１と１１ｘ２との間隔を広くすることなく、ギア３の回転に伴い変化するＢｘ／／をセンサ１によって検出でき、従ってホール素子１１ｘ１と１１ｘ２との間隔がセンサ１の形状に与える影響を抑制でき、従来に比べてセンサＩＣを小型化することができる。なお、上記実施の形態の例では、ホール素子１１ｘ１と１１ｘ２との間隔を約０．２ｍｍと狭くできる。また、当該間隔をさらに狭くしてもよい。
【００３２】
また、磁気コンセントレータ１２によってＢｘ／／をＢｘ⊥に変換して１対のホール素子１１ｘ１と１１ｘ２との差分によりＢｘ⊥を出力するようにしたため、また、磁気コンセントレータ１２によって磁束を集磁するようにしたため、ｚ方向に検出方向を有するホール素子単体で磁束密度のｚ成分を検出する場合に比べて、ダイナミックレンジが向上する（磁気コンセントレータ１２を設けない場合にホール素子がｚ方向の磁束密度を検出して出力する信号は、図５に示すｚ成分の信号よりも小さいものとなる）。従って、ダイナミックレンジが向上するため、従来のホール素子等を用いたセンサに比べて、ギア３とのエアギャップＤｇを大きくすることができ、小型化の効果と相まって配置の自由度が向上する。
【００３３】
また、ホール素子１１ｘ１と１１ｘ２との間の距離ｄｓを小さくすることができるため、基板１０のサイズを小さくできる。従って、製造時に１枚のウエハから取り出せるチップの個数を増やすことができるため、センサの製造コストを抑えられる。
【００３４】
［第２の実施の形態］
第２の実施の形態は、第１の実施の形態のセンサ１の代わりに磁気検出素子及び磁気コンセントレータの配置を変更したセンサ１ａを用いる点で第１の実施の形態と異なる。なお、以下において、第１の実施の形態と共通する構成については同様の符号を用いる。
【００３５】
図６（ａ）及び（ｂ）は、第２の実施の形態に係る回転検出装置のセンサの構成例を示す斜視図及び断面図である。
【００３６】
センサ１ａは、図６（ａ）及び（ｂ）に示すように、一例として、ｚ方向に厚みを有する平板状であって、ｘｙ面に平行な検出面を有し、磁気検出素子として検出方向をｚ方向とするホール素子１１１、１１２、１１３、１１４と、ホール素子１１１、１１３上に一部が重なるように設けられてｘ方向の磁束をｚ方向に変換してホール素子１１１、１１３に検出させる磁気コンセントレータ１２ａ１と、ホール素子１１２、１１４上に一部が重なるように設けられてｘ方向の磁束をｚ方向に変換してホール素子１１２、１１４に検出させる磁気コンセントレータ１２ａ２を有し、ｘ、ｚ方向の磁束密度を検出するホールＩＣである。
【００３７】
センサ１ａは、例えば、メレキシス製ホールラッチ＆スイッチセンサ等を用い、ホール素子１１１と１１２との出力の差分、ホール素子１１３と１１４との出力の差分をとることでｘ方向、ｙ方向の磁束密度に比例した出力を得ることができる。また、ホール素子１１１と１１２との間隔、ホール素子１１３と１１４との間隔は、ｄｓ＝０．０５ｍｍであり、パッケージはｚ方向の厚みが１．５ｍｍ、ｘ方向の幅が４．１ｍｍ、ｙ方向の高さが３ｍｍである。センサ１ａの磁気コンセントレータ１２として、パーマロイ等を用いることができる。また、センサ１ａは、ホール素子１１１と１１２のみを備えるものであってもよい。
【００３８】
（回転検出装置の動作）
次に、第２の実施の形態の作用を、図６及び図７を用いて説明する。
【００３９】
図７は、センサ１ａの動作を説明するための概略図である。
【００４０】
センサ１ａに加えられた磁束密度はホール素子１１１、１１２、１１３、１１４によって感知される。以下、代表してホール素子１１１、１１２によって検出される磁束について説明するが、ホール素子１１３、１１４についても同様である。
【００４１】
磁束ｆのうち、平行成分Ｂ//は磁気コンセントレータ１２に誘導されることで、磁束密度の大きさが平行成分Ｂ//に比例する垂直成分Ｂ⊥に変換され、１対のホール素子１１１及び１１２によって測定される。垂直成分であるＢＺも１対のホール素子１１１及び１１２によって測定される。
【００４２】
つまり、図面左側のホール素子１１１は“Ｂ⊥＋ＢＺ”を測定する一方、図面右側のホール素子１１２は“−Ｂ⊥＋ＢＺ”を測定する。
【００４３】
従って、ホール素子１１１の出力とホール素子１１２の出力との差をとれば−２Ｂ⊥が得られ、和をとれば２Ｂｚが得られる。センサ１ａは、ホール素子１１１の出力とホール素子１１２の出力との差Ｂ⊥１２及びホール素子１１３の出力とホール素子１１４の出力との差Ｂ⊥３４を出力するものとし、これらＢ⊥１２及びＢ⊥３４の平均をとることでギア３の回転を検出する。
【００４４】
ギア３の回転の検出方法については第１の実施の形態と同様であるため説明を省略する。
【００４５】
（第２の実施の形態の効果）
上記した第２の実施の形態によれば、第１の実施の形態のセンサ１に比べて、磁気検出素子の間隔をより小さくすることができる。また、２つの磁気コンセントレータ１２ａ１及び１２ａ２を検出方向に設けたため、集磁の効果が向上し、よりダイナミックレンジが向上する。
【００４６】
なお、磁気検出素子の間隔に加えて磁気コンセントレータの直径２つ分のサイズの基板が必要になるが、それでも０．４−０．７ｍｍ程度であって、従来に比べてセンサＩＣを小型化することができる。また、同様に、従来に比べて、製造コストを抑えられる。
【００４７】
［他の実施の形態］
なお、本発明は、上記実施の形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々な変形が可能である。
【００４８】
また、上記した第１〜第２の実施の形態のセンサ、磁石、ギアは例示であって、位置検出の機能が損なわれず、本発明の要旨を変更しない範囲内で、これらをそれぞれ適宜選択して新たな組み合わせに変更して用いてもよい。
【符号の説明】
【００４９】
１     センサ
１ａ   センサ
２     磁石
３     ギア
３ｈ   歯先
３ｌ   歯底
５     回転検出装置
１０   基板
１１ｘ１      ホール素子
１１ｘ２      ホール素子
１１ｙ１      ホール素子
１１ｙ２      ホール素子
１２   磁気コンセントレータ
１２ａ１      磁気コンセントレータ
１２ａ２      磁気コンセントレータ
１１１ ホール素子
１１２ ホール素子
１１３ ホール素子
１１４ ホール素子
【図１】
0006353380.tif 000002
【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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