JP2008102076A - 磁気ロータ及び回転角度検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】良好な回転磁界を発生させる磁気ロータ及び検出誤差を低減する回転角度検出装置を提供する。
【解決手段】回転角度検出装置１０は、回転軸１２、磁気ロータ２０、ホールＩＣ３０、およびＥＣＵ４０を備える。磁気ロータ２０は、磁石２４、カラー２６、キー２８からなり、回転磁界を発生させる。環状の磁石２４は、径方向に２極着磁されている。カラー２６は筒状に形成され、回転軸１２に嵌着されている。キー２８は磁性材料で形成され、回転軸１２の外周壁とカラー２６の内周壁とにそれぞれ形成されたキー溝１２ａ、２６ａと嵌合している。キー２８は磁石２４の着磁方向に対して９０°周方向に回転して配置されている。ホールＩＣ３０はホール素子２１、２２を有している。ホール素子２１、２２は磁気ロータ２０による磁界の変化に応じて互いに位相の異なる検出信号を出力する。ＥＣＵ４０は、検出信号から検出対称の回転角度を検出する。
【選択図】図１

Description

本発明は磁気ロータ及び回転角度検出装置に関する。

従来、回転軸に取り付けた磁石と、回転軸の回転に伴う磁石による磁界の変化に応じて位相が互いに異なる正弦波形の検出信号を出力する複数の磁気検出素子とで構成されている回転角度検出装置が知られている。このような回転角度検出装置では、複数の磁気検出素子の検出信号から検出対象の絶対的な回転角度を検出することができる。
しかしながら、実際には、磁気検出素子の検出信号の波形は、次の理由により厳密な正弦波形を示さない。すなわち、検出対象の絶対的な回転角度（以下、単に「回転角度」という。）を検出する回転角度検出装置では、磁石を回転軸に対し周方向に正確に位置決めする必要がある。そのため、図１１に示す磁石５２４と回転軸５１２とからなる磁気ロータ５２０において、キー５２８を磁石５２４の内周壁に形成したキー溝５２４ａとヨーク５２６の外周壁とに形成したキー溝５２６ａとに嵌合させることにより、磁石５２４を回転軸５１２に対して周方向に位置決めしている（例えば、特許文献１参照）。したがって、このような磁気ロータでは、磁石にキー溝を形成するため磁石の形状が回転軸に対して非対称である。その結果、磁気ロータによる磁界が不均一となるため、磁気検出素子の検出信号の波形は厳密な正弦波形とならない。これにより、回転角度検出装置の検出誤差は増大する。

特開平１１−３３２１４８号公報

本発明は上述の問題を解決するためになされたものであって、良好な回転磁界を発生させる磁気ロータ及び検出誤差を低減する回転角度検出装置を提供することを目的とする。

請求項１〜５に記載の発明では、位置決め部を磁石の着磁方向に対して回転軸を中心に周方向に９０°回転して配置している。このような位置における磁石による磁界の強さは小さい。したがって、上述したように位置決め部を配置することで、磁性材料で形成した位置決め部による磁界の乱れを抑制することができる。このように磁界の乱れを抑制することにより、良好な回転磁界を発生させることができる。ここで良好な回転磁界とは、例えば回転角度検出装置用の磁気ロータとして用いた場合において、回転角度検出装置の磁気検出素子から理想的な正弦波形の出力信号を出力させる磁界をいう。

また請求項１〜５に記載の発明では、位置決め部により取付部を回転軸に対して周方向に位置決めし、磁石を取付部に固定することにより、磁石を回転軸に対して間接的に位置決めしている。すなわち、磁石に溝部を形成することなく、磁石を回転軸に対して位置決めしているので、磁石の形状を回転軸に対して対称にすることができる。このような磁石で乱れの少ない磁界を発生させ、良好な回転磁界を発生させることができる。

請求項３に記載の発明では、２つの位置決め部を回転軸を中心に周方向に互いに１８０°回転して配置している。このように位置決め部を回転軸に対してバランスよく配置することにより、回転軸をスムーズに回転させることができる。また、こうした位置に位置決め部を配置したとしても、次の理由により位置決め部による磁界の乱れは小さい。すなわち、２つの位置決め部はそれぞれ磁石の着磁方向に対して回転軸を中心に周方向に±９０°回転して配置される。これらの位置における磁石による磁界の強さは共に小さい。したがって、上述した位置に配置された２つの位置決め部による磁界の乱れは小さい。

請求項４に記載の発明では、取付部を非磁性材料で形成している。したがって、取付部に着磁前の磁石を固定した後に磁石を着磁する場合において、着磁用の磁界が取付部により乱れることを抑制することができる。したがって、取付部に磁石を固定した状態で磁石を精度よく着磁することにより、良好な磁界を発生させる磁極を磁石に形成することができる。
請求項５に記載の発明では、磁性材料と樹脂との複合材料の射出成形により磁石を取付部と一体的に形成することより、磁石と取付部との接合力を高めている。したがって、磁石が取付部に対して周方向に位置ずれしたり、磁石が取付部から外れることを防止することができる。

請求項６に記載の発明では、請求項１〜５に記載の磁気ロータが発生させる良好な回転磁界により、磁気検出素子が正弦波形の検出信号を出力する。したがって、検出対象の正確な回転角度を検出することができる。

以下、複数の実施形態を図面に基づいて説明する。各実施形態において同一の符号が付された構成要素は、その符号が付された他の実施例の構成要素と対応する。
（第１実施形態）
図１に示す本発明の第１実施形態による回転角度検出装置１０は、例えばクランクシャフトや車輪等の検出対象の回転角度を検出する装置である。回転角度検出装置１０は、回転軸１２、磁気ロータ２０、ホールＩＣ３０、および電子制御装置（ＥＣＵ；Electronic Control Unit)４０からなる。
回転軸１２は、検出対象とともに回転する棒状の部材でもよいし、クランクシャフト等の検出対象そのものでもよい。回転軸１２の外周壁には、位置決め部としてのキー２８が嵌合するキー溝１２ａが形成されている。

磁気ロータ２０は、磁石２４、取付部としてのカラー２６、キー２８等からなる。
環状の磁石２４は、径方向に異なる２つの磁極を有している。そして、磁石２４はカラー２６に嵌着されている。具体的には磁石２４は、磁性材料と樹脂との複合材料によりカラー２６とアウトサート成形されている。そして磁石２４は径方向に２極着磁されている。このように磁石２４とカラー２６とを一体的に形成してもよいし、磁石２４とカラー２６とを別に形成しカラー２６に磁石２４を取り付けてもよい。

カラー２６は、ステンレス綱等の非磁性の金属で筒状に形成されている。そして、カラー２６は回転軸１２に嵌着されている。具体的には、カラー２６の内周壁にはキー２８が嵌合するキー溝２６ａが形成されている。このように、カラー２６にキー溝２６ａを形成することにより、磁石２４を環状に形成することができる。環状の磁石２４によれば、ホールＩＣ３０により検出対象の回転角度に応じた正弦波形の出力信号を出力させる良好な磁界を発生させることが可能である。また、カラー２６を磁性材料でなく非磁性材料で形成することにより、例えばカラー２６と着磁前の磁石２４とを一体的に形成した後に磁石２４を着磁する工程において、着磁用の磁界がカラー２６により乱れることを抑制することができる。したがって、磁石２４に磁気ロータ２０の仕様に応じた磁極を形成することができる。
キー２８は磁性材料で形成され、回転軸１２の外周壁とカラー２６の内周壁とにそれぞれ形成されたキー溝１２ａ、２６ａと嵌合している。これにより磁石２４及びカラー２６は、回転軸１２に対し周方向に位置決めされている。

ホールＩＣ３０は、磁石２４の軸方向の端面と一定の距離を保つように、その端面と向き合って設置されている。ホールＩＣ３０は、磁石２４の回転方向の１箇所に設置されている。ホールＩＣ３０は、２個のホール素子３１、３２を１チップの半導体として実装した角度センサである。磁気検出素子としてのホール素子３１、３２は、回転軸１２の回転に伴う磁石２４による磁界の変化に応じて互いに位相の異なる検出信号を出力するように配置されている。例えば、ホール素子３１はその感磁面が回転軸１２の径方向（以下、法線方向という。）と垂直になるように配置され、ホール素子３２はその感磁面が法線方向に対し９０°をなす方向（以下、接線方向という。）と垂直となるように配置されている。すなわち、ホール素子３１、３２は互いに９０°の角度を形成して配置されている。そして、ホール素子３１、３２には定電流が供給されている。

この結果、検出対象とともに磁石２４が回転することにより、図２（Ａ）に示すようにホール素子３１、３２は、それぞれ正弦波の検出信号１００、１０２を電圧として出力する。検出信号１００の位相と検出信号１０２の位相とは互いに異なる。検出対象の回転角度をθ、検出信号１００をＶａ、検出信号１０２をＶｂ、ホール素子３１、３２の感度で決定される係数をｋ、磁石２４が形成する磁界の磁束密度をＢ、定電流をＩとすると、Ｖａ、Ｖｂは次式（１）、（２）で示される。
Ｖａ＝−ｋＢＩ・ｓｉｎθ ・・・（１）
Ｖｂ＝−ｋＢＩ・ｓｉｎ（θ＋９０）
＝−ｋＢＩ・ｃｏｓθ ・・・（２）

ホールＩＣ３０からは、２個のホール素子３１、３２の検出信号がそれぞれＥＣＵ４０に出力される。回転角度検出装置１０では、２個のホール素子３１、３２とＥＣＵ４０とを別部品にしてもよいし、１個の半導体として１チップで構成してもよい。また、２個のホール素子３１、３２は１個のホールＩＣとして集積されていなくてもよい。

ＥＣＵ４０は、図示しないＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等から構成されている。ＥＣＵ４０は、ＲＯＭに記憶されている角度算出プログラムを実行することにより、ホールＩＣ３０の出力信号から検出対象の回転角度を検出する。
具体的には、ＥＣＵ４０は以下に説明するように検出対象の回転角度を検出する。すなわち、ＥＣＵ４０は、ＶａとＶｂの比からｔａｎθを算出する（次式（３）参照）。次に、ＥＣＵ４０は、逆正接演算により演算角度を算出する（次式（４）参照）。図２（Ｂ）に示すように演算角度１０４の周期は１８０°である。
Ｖａ／Ｖｂ＝ｓｉｎθ／ｃｏｓθ＝ｔａｎθ ・・・（３）
θ＝ａｒｃｔａｎ（Ｖａ／Ｖｂ） ・・・（４）

次に、ＥＣＵ４０は、ＶａとＶｂの符号を判定することにより、３６０°の角度範囲内における検出対象の回転角度位置を識別する。そしてＥＣＵ４０は、図２（Ｂ）に示すように、識別した検出対象の回転角度位置に基づいて演算角度１０４にオフセット角度を加えて結合することにより、検出対象の回転角度を示す出力角度１０６を検出する。

しかしながら、実際には、ホール素子３１、３２の検出信号は、以下の理由により理想的な正弦波形を示さない。すなわち、磁石２４を環状に成形したとしても、キー２８により磁気ロータ２０の構造が回転軸１２の軸線に対し非対称となるからである。以下、第１実施形態の効果を比較例と対比しながら説明する。

（比較例）
比較例としての回転角度検出装置は、磁石の着磁角度が０°であることを除き、第１実施形態の回転角度検出装置１０と実質的に同一である。着磁角度とは、図３に示すように回転軸１２の軸線上を通って磁石２４の着磁方向に延びる仮想直線１３０と、キー２８を通って回転軸１２の軸線上で仮想直線１３０と交差する仮想直線１３２とがなす角度αである。ここで、図４（Ｂ）に示すように、着磁角度が０°に設定されていると、磁界の強さが大きな領域に磁性体であるキー２８が位置することにより、キー２８に多くの磁力線が集中する。このように磁気ロータ２０近傍の磁界が乱れることにより、ホール素子３１、３２の検出信号に誤差が生じる。尚、図４において仮想曲線１３４は、磁気ロータが回転したときのホールＩＣ３０の軌道を示している。また、角度を示す数値（０°、９０°、１８０°、２７０°）は、キー２８がホールＩＣ３０に最も近づいたときの角度を９０°としたときの検出対象の回転角度を示している。

図５は、検出対象の回転角度を変化させながら検出信号の誤差率を測定した結果を示している。検出信号の誤差率とは、検出信号の実測波の大きさと検出信号の理想的な正弦波の大きさとの差を正弦波の大きさで除算した値である。また回転角度は、図４に示す回転角度に対応している。図５（Ａ）に示すように、ホール素子３１の検出信号の誤差率１２０は、回転角度が９０°の近傍で＋０．２５％、−０．４５％程度に達する。また図５（Ｂ）に示すように、ホール素子３２の検出信号の誤差率１２２は、回転角度が９０°近傍で±９％程度に達する。

（第１実施形態の効果）
これに対して、第１実施形態では、図１に示すように磁石２４の着磁角度が９０°に設定されている。すなわち、キー２８は磁石２４の着磁方向に対して９０°周方向に回転して配置されている。この場合、磁界の強さが小さな領域に磁性体であるキー２８が位置することにより、図４（Ａ）に示すように磁気ロータ２０近傍に発生する磁界のキー２８による乱れは小さい。
この結果、ホール素子３１、３２の検出信号の誤差を低減することができる。具体的には、図５（Ａ）に示すようにホール素子３１の検出信号の誤差率１２４は、回転角度が９０°の近傍であっても±０．０５％程度である。また、図５（Ｂ）に示すように、ホール素子３２の検出信号の誤差率１２６は、回転角度が９０°の近傍であっても±１％の範囲内である。

図６は、回転角度検出装置１０の構成における磁石２４の着磁角度と検出信号の最大誤差率との関係を示している。図６において、検出信号の最大誤差率とは、磁気ロータを一回転させたときに測定される検出信号の誤差率のうち最も大きな誤差率のことである。また、図６（Ａ）はホール素子３１の検出信号の最大誤差率１４０を示し、図６（Ｂ）はホール素子３２の検出信号の最大誤差率１４２を示している。図６によると、検出信号の最大誤差率は、着磁角度が０°から９０°に向かうほど小さくなることが分かる。

したがって、検出信号の誤差率を低減するためには、磁石２４の着磁角度を９０°に設定することが望ましい。しかしながら、着磁角度は厳密に９０°でなくてもよい。着磁角度を９０°近傍の角度に設定することにより、着磁角度を０°に設定した場合と比較して、検出信号の誤差率の低減することができる。
以上説明したように、第１実施形態では、磁石２４の着磁角度を略９０°に設定することにより、磁気ロータ２０の磁界のキー２８による乱れを抑制し、回転角度検出装置１０の検出誤差を低減することができる。

（第２実施形態）
第２実施形態による回転角度検出装置は、キーの配置を除き、第１実施形態による回転角度検出装置１０と実質的に同一である。図７に示す第２実施形態の磁気ロータ２２０のキー２２８は、第１実施形態のキー２８と実質的に同一である。キー２２８は、第１実施形態のキー２８に対し１８０°周方向に回転して配置されている。すなわち、第２実施形態による回転角度検出装置では、着磁角度が−９０°に設定されている。
この場合であっても、第１実施形態と同様に、磁気ロータ２２０の磁界のキー２２８による乱れを抑制することができるため、回転角度検出装置の検出誤差を低減することができる。

（第３実施形態）
第３実施形態による回転角度検出装置は、磁気ロータが２個のキーを有していることを除き、第１実施形態による回転角度検出装置１０と実質的に同一である。
図８に示す第３実施形態の磁気ロータ３２０のキー３２８、３２９は、第１実施形態のキー２８と実質的に同一である。キー３２８は、第１実施形態のキー２８と同様に配置されている。一方、キー３２９は、第２実施形態のキー２２８と同様に配置されている。すなわち、２個のキー３２８、３２９は互いに１８０°周方向に回転して配置されている。
回転軸３１２は、２個のキー３２８、３２９の配置に応じた２個のキー溝３１２ａ、３１２ｂを有している。カラー３２６は、２個のキー３２８、３２９の配置に応じた２個のキー溝３２６ａ、３２６ｂを有している。

このように２個のキー３２８、３２９を回転軸３１２に対してバランスよく配置することにより、回転軸３１２をスムーズに回転させることができる。また、キー３２８、３２９を共に磁界の強さが小さな領域に配置することにより、磁気ロータ３２０近傍に発生する磁界のキー３２８、３２９による乱れを抑制することができる。したがって、第３実施形態においても、第１実施形態及び第２実施形態と同様に、回転角度検出装置の検出誤差を低減することができる。

（第４実施形態）
上記複数の実施形態では、磁石２４の軸方向の端面よりも外側にホールＩＣ３０を設置した。しかしながら、ホールＩＣ３０は、磁気ロータ２０の回転による磁界の変化に応じた出力信号の出力が可能である限りどこに設置してもよい。
図９に示す第４実施形態による回転角度検出装置４１０は、ホールＩＣ３０の配置を除き、第１実施形態の回転角度検出装置１０と実質的に同一である。回転角度検出装置４１０のホールＩＣ３０は、磁石２４の径方向の端面と一定の距離を保つように、その端面と向き合って設置されている。

図１０は、回転角度検出装置４１０の構成における磁石２４の着磁角度と検出信号の最大誤差率との関係を示している。図１０（Ａ）はホール素子３１の検出信号の最大誤差率１４４を示し、図１０（Ｂ）はホール素子３２の検出信号の最大誤差率１４６を示している。図１０によると第１実施形態と同様に、検出信号の最大誤差率は、着磁角度が０°から９０°に向かうほど小さくなることが分かる。
このように、ホールＩＣ３０を第１実施形態と異なる位置に配置したとしても、上記複数の実施形態の磁気ロータのいずれかを用いることにより、回転角度検出装置の検出誤差を低減することができる。

（他の実施形態）
上記複数の実施形態では、回転軸の溝部とカラーの溝部に嵌合するキーを位置決め部としたが、位置決め部は回転軸の外周壁に形成され、カラーの内周壁に形成された溝部と嵌合する突部でもよい。また位置決め部はカラーの内周壁に形成され、回転軸の外周壁に形成された溝部と嵌合する突部でもよい。
また、上記複数の実施形態では、２個のホール素子３１、３２を有するホールＩＣ３０を例示したが、本発明の回転角度検出装置は磁気検出素子としてのホール素子を２個以上備えてもよい。また、磁気検出素子はホール素子以外の磁気抵抗素子などでもよい。

また、上記複数の実施形態では、取付部としてのカラーを非磁性材料で形成したが、取付部を磁性材料で形成することも可能である。
このように、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の実施形態に適用可能である。

（Ａ）は第１実施形態による回転角度検出装置を示す模式図、（Ｂ）は第１実施形態による回転角度検出装置の断面図。 （Ａ）は検出信号を示す模式図、（Ｂ）は演算角度および出力角度を示す模式図。 着磁角度を説明するための模式図。 （Ａ）は第１実施形態の磁気ロータによる磁界を示す模式図、（Ｂ）は比較例の磁気ロータによる磁界を示す模式図。 検出対象の回転角度と検出信号の誤差率との関係を示す模式図。 着磁角度と検出信号の最大誤差率との関係を示す模式図。 第２実施形態による回転角度検出装置の断面図。 第３実施形態による回転角度検出装置の断面図。 第４実施形態による回転角度検出装置の断面図。 着磁角度と検出信号の最大誤差率との関係を示す模式図。 従来例の回転角度検出装置の断面図。

符号の説明

１０、４１０：回転角度検出装置、１２ａ、３１２ａ、３１２ｂ：キー溝（回転軸の溝部）、１２、３１２、５１２：回転軸、２０、２２０、３２０、５２０：磁気ロータ、２４：磁石、２６、３２６：カラー（取付部）、２６ａ、３２６ａ、３２６ｂ：キー溝（取付部の溝部）、２８、２２８、３２８、３２９：キー（位置決め部）、３１、３２：ホール素子（磁気検出素子）

Claims (6)

1. 回転軸が貫通する取付部と、
   磁性材料で形成され、前記回転軸の外周壁または前記取付部の内周壁の少なくとも一方と嵌合することにより、前記取付部を前記回転軸に対して周方向に位置決めする位置決め部と、
   前記取付部に固定され、前記回転軸を囲む環状の磁石と、
   を備え、
   前記磁石は径方向に２極着磁され、
   前記位置決め部は、前記磁石の着磁方向に対して前記回転軸を中心に周方向に９０°回転して配置されている、
   ことを特徴とする磁気ロータ。
2. 前記回転軸は前記外周壁に溝部を有し、
   前記取付部は前記内周壁に溝部を有し、
   前記位置決め部は前記回転軸の前記溝部および前記取付部の前記溝部と嵌合している、請求項１に記載の磁気ロータ。
3. ２つの前記位置決め部は、前記回転軸を中心に周方向に互いに１８０°回転して配置されている、請求項１又は２に記載の磁気ロータ。
4. 前記取付部は非磁性材料で形成されている、請求項１から３のいずれか一項に記載の磁気ロータ。
5. 前記磁石は、磁性材料と樹脂との複合材料の射出成形により前記取付部と一体となっている、請求項１から４のいずれか一項に記載の磁気ロータ。
6. 請求項１から５のいずれか一項に記載の磁気ロータと、
   前記磁気ロータから離間して設置され、前記磁石による磁界の前記回転軸の回転に伴う変化に応じて互いに位相の異なる検出信号を出力する複数の磁気検出素子と、
   を備える回転角度検出装置。

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