(57)【要約】【課題】回転角度を求める際の処理上の負担を軽減することができる回転角度検出装置を提供すること。【解決手段】回転角度検出装置１は、磁界の強度を検出するＧＭＲセンサ３１と、ＧＭＲセンサ３１に対してＮ極が対向する磁石２３と、ＧＭＲセンサ３１に対してＳ極が対向する磁石２４とを備えている。磁石２３及び磁石２４は、ロータ２０の回転方向に沿ってＧＭＲセンサ３１との対向面積がロータ２０の回転角度に比例して変化するように形成されている。このような構成において、ＧＭＲセンサ３１は、磁石２３のＮ極と磁石２４のＳ極との境界線に沿うように磁石２３，２４に対して相対移動する。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
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、
磁界の強度を検出する磁気検出センサと、
前記磁気検出センサに対してＮ極及びＳ極が対向し、前記回転体の回転方向に沿って前記磁気検出センサとの対向面積が前記回転体の回転角度に比例して変化するように形成された発磁部とを備え、
前記磁気検出センサは、前記発磁部におけるＮ極とＳ極との境界に沿うように該発磁部に対して相対移動することを特徴とする回転角度検出装置。
【請求項２】
前記発磁部は、前記回転体の回転軸方向に磁場配向が施された異方性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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転体の回転角度を検出する回転角度検出装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＶＳＣ（Vehicle Stability Control）システム（Ｒ）、ＥＳＰ（Electronic Stability Program）システム（Ｒ）といった車両安定性制御システムや、電子制御サスペンションシステムなどを車両に搭載する場合には、そのシステム制御のためにステアリングの操舵角を検出する必要がある。このため、従来、こうした車両においては、操舵角を検出するための回転角度検出装置をステアリングコラム内に組込むことが行われている。
【０００３】
例えば、特許文献１に示されるように絶対角検出方式の回転角度検出装置では、３つの光センサと１つの磁気検出センサが用いられ、各光センサによって回転板の１回転中の角度を検出し、磁気検出センサからの出力電圧に基づいて回転板の回転数を検出するようになっている。詳しくは、回転板には周方向にそれぞれパターンの異なる３列のスリット列が設けられ、それらスリット列と対応する位置に各光センサが配置されている。そして、それらスリット列のスリットの有無に基づいて各光センサは、合計３ビットのコードを出力するようになっている。このコードは、回転板の１回転中において重複しないようになっている。このため、回転角度検出装置は、このコードを認識することにより、回転板の回転角度を絶対値で検出することができる。
【０００４】
こうした絶対角検出方式の回転角度検出装置によれば、回転板の回転角度を絶対値で検出することが可能であるため、機能停止中に回転板が回転されても、機能復帰時には回転板の回転角度を検出することができる。しかし、こうした絶対角検出方式の回転角度検出装置では、回転角度を検出するために多くの素子を必要とするとともに、回転板に設けるスリットのパターン設計が難しいといった不都合があった。
【０００５】
そこで、このような問題を解決するために、従来、回転板の１回転中の角度をも磁気検出センサにより検出する回転角度検出装置が提案されている。この種の回転角度検出装置によると、回転体が等速回転した場合、磁気検出センサからは正弦波状の電圧値が出力される。例えば、磁気検出センサとしてＧＭＲ（巨大磁気抵抗）センサを用いた場合、回転体が等速で１回転すると、ＧＭＲセンサは１周期分の正弦波状の電圧値を出力する。回転角度検出装置は、ＧＭＲセンサから出力された電圧値に基づいて回転体の回転角度を求める。このようにすれば、回転板に配置された３つの光センサを１つの磁気検出センサに置き換えることができるとともに、回転板に設けるスリットのパターン設計を不要とすることができる。
【特許文献１】特開２００２−９８５２２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、この回転角度検出装置においては、磁気検出センサから出力された電圧値のうち変極点近辺の電圧値の変化量は小さいため、回転角度検出装置は回転体の回転角度を精度よく検出できない。そこで、変極点近辺の電圧値を取り除いた、直線状に変化する電圧値のみに基づいて回転角度を検出している。この際に複雑な演算が行われるため、回転角度検出装置の処理上の負担が大きいといった問題があった。
【０００７】
そこで、回転角度を求める際の処理上の負担を軽減できる回転角度検出装置の提供が要望されている。
本発明は、こうした実情に鑑みてなされたものであって、その目的は、回転角度を求める際の処理上の負担を軽減することが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】
【０００８】
上記課題を解決するために請求項１に記載の発明では、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、磁界の強度を検出する磁気検出センサと、前記磁気検出センサに対してＮ極及びＳ極が対向し、前記回転体の回転方向に沿って前記磁気検出センサとの対向面積が前記回転体の回転角度に比例して変化するように形成された発磁部とを備え、前記磁気検出センサは、前記発磁部におけるＮ極とＳ極との境界に沿うように該発磁部に対して相対移動することを要旨とする。
【０００９】
請求項２に記載の発明では、請求項１に記載の回転角度検出装置において、前記発磁部は、前記回転体の回転軸方向に磁場配向が施された異方性磁石であることを要旨とする。
以下、本発明の作用について説明する。
【００１０】
請求項１に記載の発明によれば、発磁部は、磁気検出センサとの対向面積が回転体の回転角度に比例して変化するように形成されている。このため、回転体が回転すると、発磁部と磁気検出センサとの間の磁界の強度は回転体の回転角度に比例して変化する。磁気検出センサは、発磁部と磁気検出センサとの間の磁界の強度（検出磁界強度）を検出する。従って、回転体の回転角度に比例する出力を得ることができ、回転角度を求める際の処理上の負担を軽減することができる。また、磁気検出センサは、発磁部におけるＮ極とＳ極との境界に沿うように発磁部に対して相対移動する。つまり、磁気検出センサは、発磁部の縁部に沿うように発磁部に対して相対移動する場合に比較して、安定した磁界内を発磁部に対して相対移動することになる。従って、回転体の回転以外の要因による検出磁界強度の変動を抑制でき、回転体の回転角度に比例する出力を安定して得ることができる。
【００１１】
請求項２に記載の発明によれば、発磁部は、回転体の回転軸方向に磁場配向が施された異方性磁石である。すなわち、磁気検出センサと対向するＮ極の背面はＳ極となり、磁気検出センサと対向するＳ極の背面はＮ極となる。このため、回転体の回転軸方向と直交する方向に磁場配向が施された異方性磁石や磁場配向が施されていない磁石の場合に比較して、検出磁界強度が高くなる。ちなみに、回転体の回転軸方向と直交する方向に磁場配向が施された異方性磁石や磁場配向が施されていない磁石を発磁部とした場合には、例えば近傍に配置された金属部材と磁気回路を構成し易くなって回転体の回転角度を精度よく求めることが困難となる。このように、回転体の回転軸方向に磁場配向が施された異方性磁石と磁気検出センサとを対向させることにより、検出磁界強度を高めることができ、磁気検出センサの検出可能な領域を拡大することができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、回転角度を求める際の処理上の負担を軽減することができる回転角度検出装置を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明を回転角度検出装置に具体化した一実施形態を図１〜図６（ａ），（ｂ）に従って説明する。本実施形態の回転角度検出装置は、回転体に固着された磁石から生じる磁界の強度をＧＭＲセンサにより検出し、その検出された磁界の強度に応じてＧＭＲセンサから出力された電圧値に基づいて回転体の回転角度を求めるものである。まず、その原理について説明する。
【００１４】
＜原理＞
図１（ａ）に示すように、発磁部としての磁石１００と磁気検出センサとしてのＧＭＲセンサ１０１とは距離Ｄを隔てて対向するように配置されている。磁石１００は、幅Ｌ１、奥行Ｌ０、高さＨの直方体状に形成されている。磁石１００は、Ｎ極及びＳ極が共にＧＭＲセンサ１０１と対向するように配置されている。ＧＭＲセンサ１０１は、ＧＭＲ素子及びその周辺回路（図示略）から構成され、磁石１００によって生じる磁界の強度、すなわち、磁石１００とＧＭＲセンサ１０１との間の磁界の強度（検出磁界強度）を検出して、その強度に比例する電圧値を出力する。検出磁界強度は、磁石１００とＧＭＲセンサ１０１との距離Ｄを一定とした場合には磁石１００から発せられる磁束量に比例する。
【００１５】
例えば、図１（ｂ）に示すように、磁石１００の幅Ｌ１を幅Ｌ２に増加させると、磁石１００の体積が増加して磁石１００から発せられる磁束量が増加する。このため、磁石１００とＧＭＲセンサ１０１との距離Ｄを保って対向させた場合、ＧＭＲセンサ１０１から出力される電圧値は、磁石１００の幅が幅Ｌ１である場合に比較して大きな値となる。一方、これとは逆に、磁石１００の幅Ｌ２を幅Ｌ１に減少させると、磁石１００の体積が減少して磁石１００から発せられる磁束量が減少する。このため、磁石１００とＧＭＲセンサ１０１とを距離Ｄを隔てて対向させた場合、ＧＭＲセンサ１０１から出力される電圧値は、磁石１００の幅が幅Ｌ２である場合に比較して小さな値となる。また、幅Ｌ１と高さＨを固定して奥行きを奥行Ｌ０から増加させた場合にも磁石１００の体積は増加する。この場合も、磁石１００とＧＭＲセンサ１０１との距離Ｄを保って対向させると、ＧＭＲセンサ１０１から出力される電圧値は、磁石１００の奥行きが奥行Ｌ０である場合に比較して大きな値となる。これとは反対に、磁石１００の奥行きを減少させると、それに伴ってＧＭＲセンサ１０１から出力される電圧値は小さな値となる。
【００１６】
従って、磁石１００の幅または奥行、すなわちＧＭＲセンサ１０１に対する磁石１００の対向面積が回転体の回転角度に比例して変化する構成を採用することにより、回転体の回転角度に比例する電圧値が得られる。この電圧値に基づいて、回転角度検出装置は回転体の回転角度を求める。
【００１７】
＜構成＞
図２に示すように、回転角度検出装置１は、略円柱形状を成すステータ１０と、ステータ１０に対して相対回転可能に設けられた回転体としてのロータ２０とを備えている。
【００１８】
ロータ２０は、円盤状に形成された回転板２１が回転軸２２に外嵌されることにより構成されている。
図３に示すように、回転板２１の外周部には、回転板２１の周方向に沿って発磁部としての磁石２３及び磁石２４が設けられている。磁石２３は磁石２４の内側に配置されており、磁石２３の外周縁と磁石２４の内周縁とは互いに密接している。両磁石２３，２４の境界線が成す半径Ｒの円の中心Ｏには、回転軸２２の外径よりも若干大きめの嵌合穴２５が回転軸２２の軸心方向に沿って形成されている。磁石２３，２４は、半径Ｒ方向における長さ（幅Ｂ）が回転板２１の回転角度θに比例して増大するように形成されている。本実施形態における磁石２３，２４は、回転板２１の回転方向における一方の端部Ａ１から他方の端部Ａ２に向かうにつれて幅Ｂが増加するように形成されている。また、磁石２３，２４は、端部Ａ１の端面と端部Ａ２の端面とがなす角度δ（検出可能角度範囲）が１８０°となるようにそれぞれ形成されている。
【００１９】
図４に示すように、磁石２３，２４は、いずれもＮ極とＳ極とが図４における上下方向に沿って着磁されている。本実施形態では、磁石２３，２４は、ロータ２０の回転軸方向に磁場配向が施された異方性磁石であり、磁石２３と磁石２４とは、磁石２３のＮ極と磁石２４のＳ極とが接し、磁石２３のＳ極と磁石２４のＮ極とが接するように設けられている。すなわち、後述するＧＭＲセンサ３１と対向するＮ極の背面はＳ極となり、ＧＭＲセンサ３１と対向するＳ極の背面はＮ極となる。なお、回転板２１を磁性材料により形成して、その外周縁を部分的に着磁することによって磁石２３，２４を形成してもよい。また、磁石２３，２４を形成した後に、樹脂等によるインサート成型を行って回転板２１を形成するようにしてもよい。
【００２０】
ステータ１０は、図４に示すように、ロアーハウジング１１とアッパーハウジング１２とから構成されている。
ロアーハウジング１１は、ロータ２０の回転板２１を収容可能となるように一方面が開口した有底筒形状に形成されている。ロアーハウジング１１の底壁１１ａの中心には、ロータ２０の回転軸２２が係合可能で、且つ該回転軸２２が摺動回転可能な係合凹部１１ｂが凹設されている。つまり、係合凹部１１ｂの中心は、回転板２１の中心Ｏと一致する。係合凹部１１ｂの中心から半径Ｒを隔てた位置には、すなわち回転板２１の磁石２３と磁石２４との境界線と対向する位置には、基板３０に実装されたＧＭＲセンサ３１が配設されている。換言すれば、ＧＭＲセンサ３１は、磁石２３のＮ極と磁石２４のＳ極に対して対向配置されている。
【００２１】
アッパーハウジング１２は、ロアーハウジング１１と同様に、ロータ２０の回転板２１を収容可能となるように一方面が開口した有蓋筒形状に形成されている。アッパーハウジング１２の内頂壁１２ａの中心には、回転軸２２が挿通可能な挿通孔１２ｂが形成されている。
【００２２】
回転角度検出装置１は、ロアーハウジング１１とアッパーハウジング１２とが、アッパーハウジング１２の挿通孔１２ｂに回転軸２２を内側から挿通した状態でロアーハウジング１１の開口部１１ｃとアッパーハウジング１２の開口部１２ｃとを互いに接合することで組み立てられる。
【００２３】
＜作用＞
次に、上記構成による回転角度検出装置１の作用について説明する。なお、説明の便宜上、回転板２１における磁石２３，２４の端部Ａ１とＧＭＲセンサ３１とが対向している場合のロータ２０の回転角度θを０°とし、端部Ａ２とＧＭＲセンサ３１とが対向している場合のロータ２０の回転角度θを１８０°とする。
【００２４】
図５（ａ）に示す位置から、ロータ２０が矢印Ｒ１方向へ向かって回転するにつれて（例えば図５（ｂ）に示す位置へ向かって回転するにつれて）磁石２３，２４の幅Ｂは長くなり、ＧＭＲセンサ３１と対向する磁石２３，２４の面積は増大する。このため、検出磁界強度は増大する。すなわち、図６（ａ）に示すように、磁石２３，２４の幅Ｂはロータ２０の回転角度θの増大に比例して長くなる。よって、図６（ｂ）に示すように、ＧＭＲセンサ３１から出力される電圧値（出力電圧Ｅ）は、ロータ２０の回転角度θの増大に比例して増大する。
【００２５】
一方、これとは逆に、図５（ｂ）に示す位置から、ロータ２０が矢印Ｒ２方向（矢印Ｒ１と反対方向）へ向かって回転するにつれて（例えば図５（ａ）に示す位置へ回転）磁石２３，２４の幅Ｂは短くなり、ＧＭＲセンサ３１と対向する磁石２３，２４の面積は減少する。このため、検出磁界強度は減少する。すなわち、図６（ａ）に示すように、磁石２３，２４の幅Ｂはロータ２０の回転角度θの減少に比例して短くなる。このため、図６（ｂ）に示すように、ＧＭＲセンサ３１から出力される電圧値（出力電圧Ｅ）は、ロータ２０の回転角度θの減少に比例して減少する。
【００２６】
また、ＧＭＲセンサ３１は、ロータ２０が回転する際には磁石２３のＮ極と磁石２４のＳ極との境界に沿って磁石２３，２４に対して相対移動する。つまり、ＧＭＲセンサ３１は、ロータ２０が回転する際に磁石２３の内周縁に沿うように、または磁石２４の外周縁に沿うように磁石２３，２４に対して相対移動する場合に比較して、安定した磁界内を磁石２３，２４に対して相対移動する。例えば、磁石２３の内周縁近傍に金属部材が設けられていても、ＧＭＲセンサ３１は、その金属部材に起因する磁石２３からの漏れ磁束の影響を受け難い。
【００２７】
以上のように、ロータ２０が回転すると、ロータ２０の回転角度θに比例する出力電圧ＥがＧＭＲセンサ３１から得られる。回転角度検出装置１は、このＧＭＲセンサ３１からの直線的に変化する出力電圧Ｅに基づいてロータ２０の回転角度θを求める。なお、端部Ａ１の端面と端部Ａ２の端面とがなす角度δが１８０°であるため、回転角度検出装置１は、０°〜１８０°までのロータ２０の回転角度を検出可能である。
【００２８】
従って、本実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）磁石２３，２４は、ＧＭＲセンサ３１との対向面積がロータ２０の回転角度θに比例して変化するように形成されている。このため、ロータ２０が回転すると、検出磁界強度はロータ２０の回転角度θに比例して変化する。ＧＭＲセンサ３１は、検出磁界強度を検出する。従って、ロータ２０の回転角度θに比例する出力を得ることができ、回転角度θを求める際の処理上の負担を軽減することができる。また、ＧＭＲセンサ３１は、磁石２３のＮ極と磁石２４のＳ極との境界に沿って磁石２３，２４に対して相対移動する。つまり、ＧＭＲセンサ３１は、磁石２３の内周縁に沿うように、または磁石２４の外周縁に沿うように磁石２３，２４に対して相対移動する場合に比較して、安定した磁界内を磁石２３，２４に対して相対移動することになる。従って、ロータ２０の回転以外の要因による検出磁界強度の変動を抑制でき、ロータ２０の回転角度θに比例する出力を安定して得ることができる。
【００２９】
（２）磁石２３，２４は、ロータ２０の回転軸方向に磁場配向が施された異方性磁石である。すなわち、ＧＭＲセンサ３１と対向するＮ極の背面はＳ極となり、ＧＭＲセンサ３１と対向するＳ極の背面はＮ極となる。このため、ロータ２０の回転軸方向と直交する方向に磁場配向が施された異方性磁石や磁場配向が施されていない磁石の場合に比較して、検出磁界強度が高くなる。従って、ＧＭＲセンサ３１の検出可能な領域を拡大することができる。
【００３０】
（３）磁石２３，２４は回転板２１に設けられている。一方、ＧＭＲセンサ３１は、ステータ１０のロアーハウジング１１に配設されている。従って、ＧＭＲセンサ３１が回転板２１に配設される場合に比較して、ＧＭＲセンサ３１の配線上の不具合（例えば、断線や導通不良等）の発生を抑制することができる。
【００３１】
なお、本発明の実施形態は以下のように変更してもよい。
・前記実施形態においては、磁気検出センサとしてＧＭＲセンサ３１が適用されていたが、磁気検出センサはＧＭＲセンサ３１に限定されない。例えば、磁気検出センサとしてホール素子（ホールＩＣ）を適用してもよい。磁気検出センサとしてホール素子を適用した場合、磁石２３，２４からの磁束がホール素子の感磁面に対して垂直に入るようにホール素子を基板３０に実装することが望ましい。
【００３２】
・前記実施形態において回転板２１の外周部には、ロータ２０の回転軸方向に磁場配向が施された磁石２３，２４が設けられている。しかし、図７に示すように、回転板２１の外周部には、ロータ２０の回転軸と直交する方向にＮ極とＳ極とが着磁された異方性の磁石４０が設けられてもよい。このように構成されても、前記実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００３３】
また、図８に示す回転角度検出装置５におけるように、ロータ５０は、回転板５１と回転板５１の回転中心に内嵌された回転軸２２とから構成されてもよい。回転板５１は、その中心に回転軸２２が嵌合可能な嵌合穴が形成されるとともに、その側面５１ａには磁石５２が埋設される。磁石５２は、回転軸２２の軸心方向に沿ってＮ極とＳ極とが着磁される。磁石５２は、Ｎ極とＳ極との境界線が回転軸２２に直交するように配置される。また、磁石５２は、ロータ５０の回転に伴って、回転軸２２の軸心方向の長さ（幅）がロータ５０の回転角度θに比例して変化するように形成される。ＧＭＲセンサ３１は、磁石５２の幅の中間地点、すなわちＮ極とＳ極との境界線と対向するように配置される。このように構成することにより、ＧＭＲセンサ３１は、ロータ５０の回転に伴って磁石５２のＮ極とＳ極との境界に沿って磁石５２に対して相対移動する。よって、前記実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００３４】
さらに、前記実施形態における回転角度検出装置１は、ステータ１０の内部でロータ２０の回転板２１が回転する、いわゆるインナロータタイプであるが、ステータの外部においてロータが回転するアウタロータタイプに適用してもよい。このように構成されても、前記実施形態と同様の効果を得ることができる。すなわち、回転角度検出装置は、ロータの回転方向に沿ってＧＭＲセンサ３１との対向面積がロータの回転角度θに比例して変化するように形成された磁石を備え、この磁石のＮ極とＳ極との境界に沿ってＧＭＲセンサ３１が磁石に対して相対移動する構成であればよい。
【００３５】
・前記実施形態において磁石２３，２４は、検出可能角度範囲が０°〜１８０°となる形状に形成されている。しかし、回転角度検出装置１の用途によって、磁石２３，２４は、検出可能角度範囲が０°〜１８０°以上となるように形成されてもよい。例えば、図３に示す角度δが２７０°となるように磁石２３，２４を形成すれば、回転角度検出装置１は、０°〜２７０°までの回転角度を検出することができる。
【００３６】
次に、前記実施形態から把握できる技術的思想を以下に追記する。
（１）請求項１に記載の回転角度検出装置において、前記発磁部は、前記回転体の回転軸に直交する方向に磁場配向が施された異方性磁石であること。
【００３７】
（２）請求項１，２、技術的思想（１）に記載の回転角度検出装置において、前記発磁部は前記回転体に固定されること。
（３）請求項１，２、技術的思想（１），（２）のいずれか１項に記載の回転角度検出装置において、前記磁気検出センサは、ＧＭＲ素子、ＭＲ素子、ホール素子のいずれかを含んで構成されるセンサであること。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】（ａ），（ｂ）は、本発明の一実施形態における回転角度検出装置の回転角度検出原理を示す図。
【図２】同実施形態における回転角度検出装置の斜視図。
【図３】同回転角度検出装置におけるロータの平面図。
【図４】同ロータのＹ−Ｙ断面図。
【図５】（ａ）、（ｂ）は、同回転角度検出装置の作用を示す図。
【図６】（ａ）は、同実施形態において、ロータの回転角度と磁石の幅との関係を示すグラフ、（ｂ）は、同実施形態において、ロータの回転角度とＧＭＲセンサの出力電圧との関係を示すグラフ。
【図７】他の実施形態における回転角度検出装置のロータの断面図。
【図８】他の実施形態における回転角度検出装置の斜視図。
【符号の説明】
【００３９】
１，５…回転角度検出装置、２０，５０…回転体としてのロータ、２３，２４，４０，５２…発磁部としての磁石、３１…磁気検出センサとしてのＧＭＲセンサ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
2005195471.tif 000006
【図５】
2005195471.tif 000007
【図６】
2005195471.tif 000008
【図７】
2005195471.tif 000009
【図８】
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