(57)【要約】【課題】  回転角に対する磁束変化がリニアな回転角検出装置を提供する。【解決手段】  回転角検出装置は、回転軸に連結され磁界を形成するリング状の磁石と、磁石の外周側の磁界内に配置され、磁石との間に磁気回路を形成するとともに、回転軸の回転により磁石に対する相対角度が変化すると磁束密度が変化するように配置された一対のギャップを持つリング状のヨークと、一対のギャップの一方に配置され、磁束密度を検出する磁気検出器と、を備える。ヨーク内周面の全周に亘る磁束分布曲線は、磁束量が略一定のフラット角度区間ＦX、ＦYを少なくとも一区間持ち、かつ磁束分布曲線のＮ極側部分であるＮ極側角度区間Ｘの区間長と、磁束分布曲線のＳ極側部分であるＳ極側角度区間Ｙの区間長とは、相違することを特徴とする。【選択図】  図３
2005233725.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸に連結され磁界を形成するリング状の磁石と、
該磁石の外周側の磁界内に配置され、該磁石との間に磁気回路を形成するとともに、該回転軸の回転により該磁石に対する相対角度が変化すると磁束密度が変化するように配置された一対のギャップを持つリング状のヨークと、
一対の該ギャップの一方に配置され、該磁束密度を検出する磁気検出器と、
を備えてなる回転角検出装置であって、
前記ヨーク内周面の全周に亘る磁束分布曲線は、磁束量が略一定のフラット角度区間を少なくとも一区間持ち、かつ該磁束分布曲線のＮ極側部分であるＮ極側角度区間の区間長と、該磁束分布曲線のＳ極側部分であるＳ極側角度区間の区間長とは、相違することを特徴とする回転角検出装置。
【請求項２】
前記磁石の外周面における一対の着磁境界を結ぶ直線を着磁境界線とすると、該磁石の回転角が０度のとき、該磁石の外周面のうち、該着磁境界線よりも前記磁気検出器側は、該着磁境界線の中点を中心に、短軸半径をａ、長軸半径をｂ、短軸方向変位をｙ、長軸方向変位をｘとして、次式を満たす形状を呈しており、
【数１】
2005233725.tif 000009
該磁石の外周面のうち、該着磁境界線よりも該磁気検出器と反対側は、該中点を中心に、該中点と該着磁境界とを結ぶ直線に対する角度をθｂ、短軸半径をａ’、長軸半径をｂ、曲率半径をＲとして、次式を満たす形状を呈している請求項１に記載の回転角検出装置。
【数２】
2005233725.tif 000010
【数３】
2005233725.tif 000011
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転軸の回転角を検出する回転角検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
図８（ａ）に、回転角検出装置の軸方向断面図を、（ｂ）に上面図を、それぞれ示す。図に示すように、回転角検出装置１００は、磁石１０１とヨーク１０２とホールＩＣ１０３とを備えている。磁石１０１は回転軸１０４に環装されている。磁石１０１は回転軸１０４とともに回転可能である。ヨーク１０２は、ハウジング（図略）内周面に固定されている。ヨーク１０２と磁石１０１とは同軸上に配置されている。ヨーク１０２には、一対のギャップ１０２ａ、１０２ｂが配置されている。ホールＩＣ１０３は、ギャップ１０２ａに配置されている。回転軸１０４とともに磁石１０１が回転すると、ギャップ１０２ａ、１０２ｂにおける磁束密度が変化する。ホールＩＣ１０３は磁束密度に対応する電圧を出力する。この電圧から回転軸１０４の回転角が検出される。
【特許文献１】特許第２８４２４８２号公報（第５欄第４３行〜第４６行）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、回転角検出精度を上げるためには、回転軸１０４の回転角に対する磁束の変化をリニアにすればよい。しかしながら、従来の回転角検出装置の場合、回転角に対する磁束変化のリニア性は、必ずしも満足のいくものではなかった。
【０００４】
図９に、ヨーク内周面における周方向磁束分布を示す。なお、図８（ｂ）に示すように、回転軸１０４の中心軸を中心とし、ホールＩＣ１０３位置をθ＝０°位置とする。図に示すように、ヨーク１０２内周面の周方向磁束分布は、略サインカーブ状を呈している。言い換えると、磁束量φがフラットになる角度区間が存在しない。つまり、回転角に対する磁束変化はリニアではない。
【０００５】
なお、特許文献１には、磁石の形状を楕円等の形状とすることにより、回転角に対する磁束変化をリニアにできる旨記載されている。ところが、同文献には、具体的は形状については何ら説示、図示されていない。
【０００６】
本発明の回転角検出装置は、上記課題に鑑みて完成されたものである。したがって、本発明は、回転角に対する磁束変化のリニア性を向上させることができる回転角検出装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
（１）上記課題を解決するため、本発明の回転角検出装置は、回転軸に連結され磁界を形成するリング状の磁石と、該磁石の外周側の磁界内に配置され、該磁石との間に磁気回路を形成するとともに、該回転軸の回転により該磁石に対する相対角度が変化すると磁束密度が変化するように配置された一対のギャップを持つリング状のヨークと、一対の該ギャップの一方に配置され、該磁束密度を検出する磁気検出器と、を備えてなる回転角検出装置であって、前記ヨーク内周面の全周に亘る磁束分布曲線は、磁束量が略一定のフラット角度区間を少なくとも一区間持ち、かつ該磁束分布曲線のＮ極側部分であるＮ極側角度区間の区間長と、該磁束分布曲線のＳ極側部分であるＳ極側角度区間の区間長とは、相違することを特徴とする。
【０００８】
本発明の回転角検出装置のヨーク内周面における全周磁束分布を示す磁束分布曲線には、フラット角度区間が発現する。並びに、Ｎ極側角度区間（前出図９における区間Ｘに相当）の区間長と、Ｓ極側角度区間（前出図９における区間Ｙに相当）の区間長とは、不一致である。本発明の回転角検出装置によると、フラット角度区間における磁束量が略一定である。このため、回転角に対する磁束変化のリニア性が向上する。すなわち、回転角検出精度を向上させることができる。
【０００９】
（２）好ましくは、前記磁石の外周面における一対の着磁境界を結ぶ直線を着磁境界線とすると、該磁石の回転角が０度のとき、該磁石の外周面のうち、該着磁境界線よりも前記磁気検出器側は、該着磁境界線の中点を中心に、短軸半径をａ、長軸半径をｂ、短軸方向変位をｙ、長軸方向変位をｘとして、次式を満たす形状を呈しており、
【００１０】
【数１】
2005233725.tif 000003
【００１１】
該磁石の外周面のうち、該着磁境界線よりも該磁気検出器と反対側は、該中点を中心に、該中点と該着磁境界とを結ぶ直線に対する角度をθｂ、短軸半径をａ’、長軸半径をｂ、曲率半径をＲとして、次式を満たす形状を呈している構成とする方がよい。
【００１２】
【数２】
2005233725.tif 000004
【００１３】
【数３】
2005233725.tif 000005
【００１４】
つまり、本構成は、磁石の外周面を上記三つの式に合致する形状にすることで、回転角に対する磁束変化のリニア性を向上させるものである。本発明の回転角検出装置によると、ヨーク内周面の周方向磁束分布において、磁束量がフラットになる角度区間が発生する。このため、回転角に対する磁束変化のリニア性を向上させることができる。したがって、回転角検出精度を向上させることができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によると、回転角に対する磁束変化のリニア性を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の回転角検出装置を、アクセルペダルの操作量の検出に用いた場合の実施の形態について説明する。
【００１７】
まず、本実施形態の回転角検出装置の構成について説明する。図１（ａ）に、本実施形態の回転角検出装置の軸方向断面図を、（ｂ）に上面図を、それぞれ示す。図に示すように、回転角検出装置１は、磁石２とヨーク３とホールＩＣ４とを備えている。ホールＩＣ４は、本発明の磁気検出器に含まれる。
【００１８】
磁石２は、フェライト製であって、リング状を呈している。磁石２は、ＳＵＳ３０４製の回転軸５に止着されている。回転軸５は、アクセルペダル（図略）の踏み込み、復帰に応じて、所定角度範囲内で正／逆回転する。したがって、磁石２も回転軸５とともに正／逆回転する。
【００１９】
ヨーク３は、一対の半リング状部材３０ａ、３０ｂが対向配置され、形成されている。半リング状部材３０ａ、３０ｂの間には、１８０°離間して一対のギャップ３１、３２が配置されている。ヨーク３は、ＳＰＣＣ−ＳＤ（熱処理済み）製であって、全体として同心リング状を呈している。ヨーク３は、ハウジング（図略）の内周面に止着されている。ヨーク３は、磁石２の外周側に配置されている。ヨーク３は、磁石２の磁界内に配置されている。ヨーク３と磁石２との間には、磁気回路が形成されている。
【００２０】
ホールＩＣ４は、一対のギャップ３１、３２のうち、ギャップ３１のみに配置されている。ホールＩＣ４は、図示しないホール素子とオペアンプとを備えている。ホールＩＣ４により、磁束密度が電圧に磁電変換される。
【００２１】
次に、本実施形態の回転角検出装置の動きについて説明する。アクセルペダル操作により回転軸５が回転すると、回転軸５に止着されている磁石２も共に回転する。このため、ギャップ３１、３２における磁束密度が変化する。磁束密度は、ホールＩＣ４のホール素子により、電圧に変換される。変換された電圧は、オペアンプにより増幅される。増幅された電圧により、回転軸５の回転角つまりアクセルペダルの踏み込み量が検出される。
【００２２】
次に、本実施形態の回転角検出装置の寸法について説明する。回転軸５の直径Ｄ１は４ｍｍ、磁石２の厚さＬ１は６ｍｍ、ヨーク３の内径Ｄ３は１５ｍｍ、ヨーク３の外径Ｄ４は１８ｍｍ、ヨーク３の厚さＬ２は５ｍｍ、ギャップ３１、３２の間隔Ｇは１．５ｍｍに、それぞれ設定した。また、回転軸５の中心軸ＡSと、Ｎ極とＳ極との着磁境界α、α’を結ぶ着磁境界線ＢＬと、の間隔Ａは、１．０ｍｍに設定した。
【００２３】
図２に、本発明の回転角検出装置の磁石の上面図を示す。直線ｌは、着磁境界α、α’の中点Ｏで、着磁境界線ＢＬと直交する。直線ｌ上における中点ＯとＮ極外周面との間隔ａは５ｍｍに設定した。また、直線ｌ上における中点ＯとＳ極外周面との間隔ａ’は５．８ｍｍに設定した。また、着磁境界線ＢＬ上における中点Ｏと着磁境界αまたは着磁境界α’との間隔ｂは６．８ｍｍに設定した。
【００２４】
ここで、間隔ａは、請求項１の［数１］の短軸半径に相当する。また、間隔ａ’は、請求項１の［数２］、［数３］の短軸半径に相当する。また、間隔ｂは、請求項１の［数１］［数２］［数３］の長軸半径に相当する。
【００２５】
着磁境界線ＢＬよりもホールＩＣ４側（図２紙面上方）は、着磁境界線ＢＬにおいて着磁境界α’に向かう方向の変位をｘ、直線ｌにおいてＮ極に向かう方向の変位をｙとして、次式を満たす形状に設定した。
【００２６】
【数４】
2005233725.tif 000006
【００２７】
また、着磁境界線ＢＬよりもホールＩＣ４側と反対側（図２紙面下方）は、曲率半径をＲとして、また中点Ｏに対して着磁境界αをθｂ＝０ｄｅｇとして、紙面反時計回りに、次式を満たす形状に設定した。
【００２８】
【数５】
2005233725.tif 000007
【００２９】
【数６】
2005233725.tif 000008
【００３０】
次に、本実施形態の回転角検出装置のヨーク内周面における周方向磁束分布について説明する。図３に、本実施形態の回転角検出装置のヨーク内周面における周方向磁束分布を示す。なお、図１（ｂ）に示すように、ヨーク３の中心軸ＡYを中心とし、ホールＩＣ４位置をθ＝０°位置とする。図に示すように、磁束分布曲線は、矩形波状を呈している。言い換えると、磁束分布曲線は、磁束量φがフラットになるフラット角度区間ＦX、ＦYを有している。このうち、フラット角度区間ＦXは、磁束分布曲線のＮ極部分を占めるＮ極側角度区間Ｘに配置されている。また、フラット角度区間ＦYは、磁束分布曲線のＳ極部分を占めるＳ極側角度区間Ｙに配置されている。フラット角度区間ＦX、ＦYにおいては、回転角に対する磁束変化がリニアになる。
【００３１】
また、前出図９の場合、Ｎ極側角度区間Ｘの区間長と、Ｓ極側角度区間Ｙの区間長との比は、１：１であった。これに対して、図３の場合、Ｎ極側角度区間Ｘの区間長と、Ｓ極側角度区間Ｙの区間長とを比較すると、Ｓ極側角度区間Ｙの方が長くなっている。すなわち、磁束分布曲線において、Ｎ極の占める割合よりも、Ｓ極の占める割合の方が大きくなっている。
【００３２】
次に、本実施形態の回転角検出装置のホールＩＣにおけるヒステリシスについて、従来の回転角検出装置のホールＩＣにおけるヒステリシスと比較しながら、説明する。図４に、回転軸つまり磁石を±５０ｄｅｇの範囲で往復回転させた場合のヨーク内部における磁束密度の変化を示す。図５に、この場合のヨーク各角度位置における磁束密度の変化を示す。
【００３３】
また、比較対象として、図６に、前出図８に示す従来の回転角検出装置において、回転軸つまり磁石を±５０ｄｅｇの範囲で往復回転させた場合のヨーク内部における磁束密度の変化を示す。図７に、この場合のヨーク各角度位置における磁束密度の変化を示す。
【００３４】
説明の便宜上、磁石の角度を「ｄｅｇ」と、ヨークの角度を「°」と、それぞれ表記する。図４（図６）中、横軸の磁石回転角とは、ホールＩＣ４（１０３）位置を０ｄｅｇとして、磁石２（１０１）を往復回転させた場合の角度を示す。なお、図１（ｂ）（図８（ｂ））紙面上において、反時計回り方向をプラス方向、時計回り方向をマイナス方向とする。図４（図６）中、実線データは、磁石２（１０１）をプラス方向に回転させた場合のデータを示す。また、点線データは、磁石２（１０１）をマイナス方向に回転させた場合のデータを示す。データは、図１（ｂ）（図８（ｂ））に示すように、ホールＩＣ４（１０３）位置を０°として、ヨーク３（１０２）周方向４５°位置毎（つまりθ＝０°、４５°、９０°、１３５°、１８０°、２２５°、２７０°、３１５°）にサンプリングされる。図４（図６）中、縦軸の磁束密度の方向については、図１（ｂ）（図８（ｂ））紙面上において、時計回り方向をプラス方向、反時計回り方向をマイナス方向とする。
【００３５】
第一に、前出図８に示す従来の回転角検出装置について説明する。一例として、ヨーク１０２におけるθ＝０°位置の磁束密度変化について説明する。磁石１０１を０ｄｅｇ〜＋５０ｄｅｇまで回転させると、図６中白抜き矢印で示すように、ヨーク１０２のθ＝０°位置の磁束密度（実線データ）は、徐々に大きくなる。磁束密度は、＋５０ｄｅｇにおいて最大となる。
【００３６】
続いて、磁石１０１を＋５０ｄｅｇ〜０ｄｅｇまで復元回転させると、図６中白抜き矢印で示すように、ヨーク１０２のθ＝０°位置の磁束密度（点線データ）は、徐々に小さくなる。磁束密度は、０ｄｅｇにおいて最小となる。
【００３７】
しかしながら、磁石１０１を復元回転させても、磁束密度は元の状態には復元しない。つまり、矢印Ｙ０の分だけ、磁束密度が大きくなっている。同様に、θ＝４５°位置においては、矢印Ｙ４５の分だけ、磁束密度が大きくなっている。並びに、θ＝３１５°位置においては矢印Ｙ３１５の分だけ、磁束密度が大きくなっている。反対に、θ＝１３５°、１８０°、２２５°位置においては、矢印Ｙ１３５、Ｙ１８０、Ｙ２２５の分だけ、それぞれ磁束密度が小さくなっている。なお、θ＝９０°、２７０°位置においては、磁束密度は変化しない。
【００３８】
図７に示すように、矢印Ｙ４５、Ｙ０、Ｙ３１５はプラス方向を、Ｙ１３５、Ｙ１８０、Ｙ２２５はマイナス方向を、それぞれ向いている。これらヨーク１０２各角度位置における磁束密度の変化は、互いに磁気的に影響を及ぼし合う。その結果、ホールＩＣ１０３が配置される０°位置の磁束密度は、プラス方向を向く。つまり、０°位置の磁束密度は、磁石１０１を０ｄｅｇ→＋５０ｄｅｇ→再び０ｄｅｇと正／逆回転させると、大きくなる。このことは、磁石１０１が同じ０ｄｅｇ位置にあっても、逆回転時のホールＩＣ１０３の出力の方が、正回転時のホールＩＣ１０３の出力よりも、大きくなってしまうことを意味する。すなわち、ホールＩＣ１０３の出力にヒステリシスが発生していることを意味する。
【００３９】
第二に、本実施形態の回転角検出装置について説明する。図４に示すように、θ＝０°、４５°、３１５°位置においては、矢印ｙ０、ｙ４５、ｙ３１５の分だけ、それぞれ磁束密度が大きくなっている。反対に、θ＝９０°、１３５°、１８０°、２２５°、２７０°位置においては、矢印ｙ９０、ｙ１３５、ｙ１８０、ｙ２２５、ｙ２７０の分だけ、それぞれ磁束密度が小さくなっている。
【００４０】
また、図６の場合、θ＝９０°、２７０°位置においては、磁束密度は変化しなかった。これに対して、図４の場合、上述したように、θ＝９０°位置においてｙ９０の分だけ磁束密度が小さくなっている。並びに、θ＝２７０°位置においてｙ２７０の分だけ磁束密度が小さくなっている。
【００４１】
図５に示すように、矢印ｙ４５、ｙ０、ｙ３１５はプラス方向を、ｙ９０、ｙ１３５、ｙ１８０、ｙ２２５、ｙ２７０はマイナス方向を、それぞれ向いている。これらヨーク３各角度位置における磁束密度の変化は、互いに磁気的に影響を及ぼし合う。その結果、ホールＩＣ４が配置される０°位置の磁束密度は、図７同様、プラス方向を向く。
【００４２】
しかしながら、図５にはマイナス方向を向くｙ９０、ｙ２７０が発生している。また、図５の任意の角度位置θにおける回転前後の磁束密度変化をＢｈｙｂθとし、図７の任意の角度位置θにおける回転前後の磁束密度変化をＢｈｙｃθとすると、ΣＢｈｙｂθ＜ΣＢｈｙｃθとなる。つまり、磁束密度のヒステリシス量は、マイナス方向に変化する。
【００４３】
このため、ギャップ３２のマイナス方向の磁束密度は、前出図７の場合よりも大きくなる。これに対して、ホールＩＣ４が配置されるギャップ３１のプラス方向の磁束密度は、マイナス方向を向くｙ９０、ｙ２７０の分だけ、小さくなる。
【００４４】
次に、本実施形態の回転角検出装置の作用効果について説明する。図５、図７に、ヨークの磁束密度分布をハッチングで示す。なお、ハッチングのピッチが小さいほど磁束密度が高くなっている。従来の回転角検出装置の場合、図７に示すように、磁石１０１が０ｄｅｇ位置にある場合、ホールＩＣ１０３位置を０°として、磁束密度分布は、２７０°位置と９０°位置とを結ぶ直線Ｌに対して、対称である。言い換えると、磁束密度分布における密度最大部分Ｂmaxの配置は、直線Ｌに対して、対称である。
【００４５】
これに対して、本実施形態の回転角検出装置１の磁石２は、前出［数４］、［数５］、［数６］に示すように、特徴的な形状を呈している。このため、磁石２の回転角が０ｄｅｇのとき、磁束密度の密度最大部分Ｂmaxは、ホールＩＣ４位置を０°として、２７０°を超え９０°未満の領域側に偏在している。この偏在により、θ＝９０°位置、２７０°位置には、マイナス方向の磁束密度ｙ９０、ｙ２７０が発生する。このため、ギャップ３１に発生するプラス方向の磁束密度を相殺することができる。したがって、本実施形態の回転角検出装置１によると、ホールＩＣ４に発生するヒステリシスを抑制することができる。
【００４６】
また、本実施形態の回転角検出装置１のヨーク３は、ＳＰＣＣ−ＳＤ（熱処理済み）製である。このため、ヒステリシスを抑制するために高価なパーマロイ等を使用する場合と比較して、製造コストを削減できる。
【００４７】
また、本実施形態の回転角検出装置１によると、前出図３に示すように、ヨーク３内周面の周方向磁束分布は、矩形波状を呈している。言い換えると、磁束量φがフラットになる角度区間が存在する。つまり、回転角に対して磁束変化がリニアになる角度区間が存在する。したがって、回転軸５に対する回転角検出精度が高い。
【００４８】
＜その他＞
以上、本発明の回転角検出装置の実施の形態について説明した。しかしながら、実施の形態は上記形態に特に限定されるものではない。当業者が行いうる種々の変形的形態、改良的形態で実施することも可能である。
【００４９】
例えば、上記実施形態においては磁石２をフェライト製としたが、他の硬磁性体製でもよい。また、上記実施形態においてはヨーク３をＳＰＣＣ−ＳＤ（熱処理済み）製としたが、他の軟磁性体製でもよい。また、磁石２に軟磁性体製の補助ヨークを組み合わせて使用してもよい。
【００５０】
また、上記実施形態においては、磁気検出器としてホールＩＣを用いたが、例えば磁界の強さに応じて抵抗値が変化する磁気抵抗素子を持つ磁気検出器などを用いてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】（ａ）は本発明の回転角検出装置の一実施形態となる回転角検出装置の軸方向断面図、（ｂ）は同回転角検出装置の上面図である。
【図２】同回転角検出装置の磁石の上面図である。
【図３】同回転角検出装置のヨーク内周面における周方向磁束分布を示すグラフである。
【図４】同回転角検出装置において磁石を±５０ｄｅｇの範囲で往復回転させた場合のヨーク内部における磁束密度の変化を示すグラフである。
【図５】同回転角検出装置のヨーク各角度位置における磁束密度の変化を示す模式図である。
【図６】従来の回転角検出装置において磁石を±５０ｄｅｇの範囲で往復回転させた場合のヨーク内部における磁束密度の変化を示すグラフである。
【図７】同回転角検出装置のヨーク各角度位置における磁束密度の変化を示す模式図である。
【図８】（ａ）は従来の回転角検出装置の軸方向断面図、（ｂ）は同回転角検出装置の上面図である。
【図９】同回転角検出装置のヨーク内周面における周方向磁束分布を示すグラフである。
【符号の説明】
【００５２】
１：回転角検出装置、２：磁石、３：ヨーク、３０ａ：半リング状部材、３０ｂ：半リング状部材、３１：ギャップ、３２：ギャップ、４：ホールＩＣ（磁気検出器）、５：回転軸、Ｘ：Ｎ極側角度区間、Ｙ：Ｓ極側角度区間、ＦX：フラット角度区間、ＦY：フラット角度区間。
【図１】
2005233725.tif 000012
【図２】
2005233725.tif 000013
【図３】
2005233725.tif 000014
【図４】
2005233725.tif 000015
【図５】
2005233725.tif 000016
【図６】
2005233725.tif 000017
【図７】
2005233725.tif 000018
【図８】
2005233725.tif 000019
【図９】
2005233725.tif 000020