JP4862336B2 - 回転角度センサ - Google Patents

Description

本発明は、回転体の１回転に対する磁気検出素子の出力信号の周期の回数を多くでき、高精度で回転角度を検出できる回転角度センサに関する。

回転体の回転角度を検出する回転角度センサの従来技術としては、特許文献１，２に記載のものが知られている。

これら従来技術の回転角度センサは、図６に示されるように、回転角度の検出対象である回転体６１の外周に取り付けられた回転磁気ヨーク６６と、その回転磁気ヨーク６６の外周に取り付けられ、Ｎ極とＳ極が１個ずつあって、これら磁極がそれぞれ全周の１／２の大きさである円環状磁石６２と、その外周を４等分で分割して囲む４つの固定磁気ヨーク６４と、固定磁気ヨーク６４，６４同士間に形成された４箇所のギャップ６３の１箇所又は２箇所に挿入した１個又は２個の磁気検出素子６５とを備える。

この構成によると、ある１個の磁気検出素子６５の出力信号は、回転体６１が１回転する回転角度３６０度を１周期とする周期信号となる。２個の磁気検出素子６５の出力信号は１周期の大きさが同じ周期信号であるが、これらの出力信号が互いに周期の１／４ずれを有するように、２個の磁気検出素子６５が配置されている。この配置は、２個の磁気検出素子６５が隣接するギャップに挿入されることで実現されている。

図７は、回転体６１が図６のように時計方向に１回転、すなわち３６０度回転したときに磁束密度（磁気検出素子６５ａ，６５ｂの出力信号として得られる）の変化を示したものである。横軸は回転体１の回転角度、縦軸は磁束密度である。点線ａは磁気検出素子６５ａにおける磁束密度、破線ｂは磁気検出素子６５ｂにおける磁束密度を示す。

特開２００２−１４８０１５号公報 特開２００２−２０６９１２号公報

従来技術によると、回転体６１が１回転したとき得られる磁気検出素子６５の出力信号は、回転体６１の１回転＝３６０度を１周期とする周期信号となる。これは回転体６１の１回転の間に、同じ場所にＮ極とＳ極が１回ずつ来るからである。また、回転角度の検出対象である回転体６１に円環状磁石６２を取り付けているため、回転体６１が１回転するとき、円環状磁石６２も１回転する（回転比が１：１である）からである。この回転角度センサの回転角度検出分解能や精度は、上記構成に応分のものであって、それ以上に向上させることは難しい。

これに対して、図示はしないが回転体と円環状磁石との間に増速ギヤを介在させ、回転体が１回転するとき、円環状磁石が多回転するように構成すると、回転体の１回転に対する磁気検出素子の出力信号の周期の回数が増えて、見かけ上の分解能は向上する。しかし、増速ギヤのギア機構が有するメカ的なヒステリシス等による誤差が増えてしまい、精度の向上は難しい。

回転体に円環状磁石を取り付けて、回転体と円環状磁石が一体回転する構成を維持しつつ回転体の１回転に対する磁気検出素子の出力信号の周期の回数を多く（一周期の長さを短く）できることが望ましい。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、回転体の１回転に対する磁気検出素子の出力信号の周期の回数を多くでき、高精度で回転角度を検出できる回転角度センサを提供することにある。

上記目的を達成するために本発明は、回転角度の検出対象である回転体にその回転軸と同軸に取り付けられ、互いに同じ円周角サイズのＮ極の磁極とＳ極の磁極が交互に４個ずつ以上周方向に等間隔で配置された円環状磁石と、その円環状磁石に臨ませてそれぞれの間にギャップを形成するように固定配置される少なくとも５個並んだ固定磁気ヨークと、そのギャップに挿入され、該ギャップを挟む固定磁気ヨーク間に現れる上記Ｎ極Ｓ極間の磁気を検出する少なくとも２個の磁気検出素子と、を備え、隣接する上記固定磁気ヨークとその間のギャップは、上記磁極の円周角サイズと同じ円周角範囲内にあり、上記２個の磁気検出素子は、一番端以外の上記固定磁気ヨークが形成したギャップに挿入されているものである。

上記２個の上記磁気検出素子の出力信号のうち、絶対値の小さい方の出力信号を回転角度検出信号としてもよい。

上記回転体の外周に回転磁気ヨークを設け、その回転磁気ヨークと一体的に上記円環状磁石を形成してもよい。

本発明は次の如き優れた効果を発揮する。

（１）回転体の１回転に対する磁気検出素子の出力信号の周期の回数を多くできる。

（２）高精度で回転角度を検出できる。

以下、本発明の一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。

図１に示されるように、本発明に係る回転角度センサは、回転角度の検出対象である回転体１にその回転軸と同軸に取り付けられ、互いに同じ円周角サイズのＮ極とＳ極が交互に２個ずつ以上周方向に等間隔で配置された円環状磁石２と、その円環状磁石２に臨ませて固定配置され、上記磁極の円周角サイズと同じ円周角範囲θｍを占め、周方向に挟まれるギャップ３を形成して２個並んだ固定磁気ヨーク４，４と、このギャップ３に挿入され、該ギャップ３を挟む固定磁気ヨーク４，４間に現れる上記Ｎ極Ｓ極間の磁気を検出する磁気検出素子５とを備えたものである。

円環状磁石２は、硬磁性体からなる。

図１の実施形態では、円環状磁石２は、Ｎ極とＳ極がそれぞれ４個、すなわち磁極が合計８極有り、各磁極の円周角サイズは４５度で、隣接する磁極間の隙間のない円環状磁石２である。図示のように軸方向に向いた磁極（つまり、端面に現れた磁極）を形成してもよいし、図示しないが径方向に向いた磁極（つまり内周と外周に現れた磁極）を形成してもよい。また、磁極の総数は８個に限らず、必要とする分解能に応じてＮ極とＳ極が２個ずつ以上となる適宜な個数とすればよい。

図１の実施形態では、回転体１の外周に回転磁気ヨーク６を設け、その回転磁気ヨーク６と一体的に円環状磁石２を形成してある。回転磁気ヨーク６は軟磁性体からなる。回転体１自体が軟磁性体である場合は回転磁気ヨーク６は不要であるが、回転体１が軟磁性体でない場合は回転磁気ヨーク６を設けるのが好ましい。また、回転磁気ヨーク６は、円環状である必要はなく、磁気検出素子５の出力信号の波形の歪みが小さくなるように、透磁率と形状を決定するのがよい。回転磁気ヨーク６は、円環状磁石２と一体的に形成するのがよい。

固定磁気ヨーク４は、円環状磁石２の径方向外方に配置され、非回転体（図示せず）に固定される。固定磁気ヨーク４は、円環状磁石２と同軸の円の一部をなすような円弧状に形成される。固定磁気ヨーク４は、周方向に間を離して２個並べて設けられ、その２個の固定磁気ヨーク４，４間にギャップ３が形成される。そして、その２個の固定磁気ヨーク４，４が磁極の円周角サイズと同じ円周角範囲θｍを占める。つまり、１個の固定磁気ヨーク４の円周角サイズ×２＋ギャップ３の円周角サイズ＝磁極の円周角サイズである（詳しくは図３を使い後述する）。

磁気検出素子５は、ギャップ３に挿入して設けられる。磁気検出素子５は、一方の固定磁気ヨーク４から出て他方の固定磁気ヨーク４に入る磁束を検出するべく、感応軸を円環状磁石２と同軸の円の接線方向に向ける。

図１の実施形態では、ギャップ３を２箇所形成するべく２箇所において固定磁気ヨーク４を２個ずつ並べてある。さらに、それぞれのギャップ３に磁気検出素子５を挿入してある。ギャップ３を３箇所以上形成してもよく、磁気検出素子５も３個以上設置してよい。２個並んだ固定磁気ヨーク４，４とその間のギャップ３に挿入された磁気検出素子５を１組の磁気検出セット７と呼ぶことにする。図１の実施形態は２組の磁気検出セット７Ａ，７Ｂを設けたものである。

図１の実施形態では、図の横軸右方向（便宜上、これを円周角０度の基準線Θとする）に第１組の磁気検出セット７のギャップ３及び磁気検出素子５が配置されている。第２組の磁気検出セット７は一方の固定磁気ヨークの端が円周角９０度（円周角は右回りを正で表すものとする）にくるよう配置されている。この２組の磁気検出セット７Ａ，７Ｂの配置は、２個の磁気検出素子５の配置間隔が出力信号同士においてこれら出力信号の周期の１／４ずれが生じる配置間隔となる複数ある配置のうちの一つである。

以下、図２を用いて回転角度センサの動作を説明する。図２（ａ）、図２（ｂ）の横軸は回転体１の回転角度であり、縦軸はギャップ３に生じる磁束密度である。図２（ａ）は横軸全長が回転角度０度から３６０度であるのに対し図２（ｂ）は横軸全長が回転角度０度から９０度までであり、図２（ａ）の回転角度０度から９０度までの区間に対応して図２（ｂ）のような波形が得られる。

回転体１の回転方向は図１のように時計回りとし、図２で基準となる回転体１の回転角度０度は、図１の状態より回転体１が円周角−２２．５度戻った状態（Ｎ極の中央が基準線Θ上にある状態）を表すものとする。図２（ａ）の破線Ａは磁気検出セット７Ａのギャップ３に生じる磁束密度、点線Ｂは磁気検出セット７Ｂのギャップ３に生じる磁束密度、図２（ｂ）の破線Ａは磁気検出セット７Ａのギャップ３に生じる磁束密度、点線Ｂは磁気検出セット７Ｂのギャップ３に生じる磁束密度である。

図２（ａ）に示されるように、回転角度０度のとき、回転体１は図１より−２２．５度回転したところに位置し、このとき磁気検出セット７Ａの２個の固定磁気ヨーク４，４は共に全体がＮ極に臨む。このためギャップ３に生じる磁束密度はゼロである。回転角度２２．５度のとき、つまり図１の状態のとき、一方の固定磁気ヨーク４はＳ極の端から中央まで位置し、他方の固定磁気ヨーク４はＮ極の中央から端までに位置する。従って、ギャップ３に生じる磁束密度は正の最大となる。回転体１が時計方向に回転して回転角度がなおも大きくなると、他方の固定磁気ヨーク４の一部がＳ極にかかり始め、磁束密度は減少していく。２個の固定磁気ヨーク全体がＳ極に重なると磁束密度は０となり、一方の固定磁気ヨーク４がＮ極、他方の固定磁気ヨーク４がＳ極に重なると磁束密度は負の最大となり、さらに回転角度が増すと、磁束密度は増加に転ずる。このようにして回転体１が１回転する間に、同じ繰り返しが４回生じる。つまり、回転体１の１回転に対する磁束密度の増減が起きる周期の回数は４回、１周期の長さは９０度である。従来技術では、Ｎ極とＳ極が１個ずつ、磁極総数が２個であったため、回転体１の１回転に対する磁束密度の増減が起きる周期の回数は１回、１周期の長さは３６０度であったために分解能は低かったが、本発明はそのぶん分解能を大きくすることができる。

磁気検出セット７Ｂの磁気検出素子５を設置したギャップ３に関しても、回転体１は回転角度０度のとき図１より−２２．５度回転した位置にあるため、ギャップ３に生じる磁束密度は負の最大を示す。回転体１が回転すると、磁気検出セット７Ａの場合と同様に磁束密度は周期的変化をするが、ズレが生じる（位相が異なる、あるいは位相差があるとも言う）。すなわち、図２（ａ）のように、破線Ａの磁束密度は、点線Ｂの磁束密度より２２．５度だけ先行して増減する。

図２（ｂ）に示されるように、横軸を大きくとってみると、磁束密度はピーク付近では理想的なＶ字状の波形とはならず、丸くなまっている。このように磁束密度の波形がなまっているため、磁束密度に対して忠実な磁気検出素子の出力信号の波形も同様になまることになる。よって、回転角度に対する出力信号の直線性が悪くなり、出力信号の大きさから回転角度を検出しようとすると、回転角度の検出誤差が大きくなる。

一方、磁束密度はゼロクロス付近では理想的な直線の波形となっている。磁気検出素子の出力信号もこれに従う。以下、図２（ｂ）の波形を出力信号と見なして説明する。このとき、回転角度に対する磁気検出素子の出力信号の直線性が良く、高い検出精度が得られる。そこで、２組の磁気検出素子５から互いにズレのある２つの出力信号が得られることを利用し、いずれかの出力信号がピーク付近のときにはその出力信号は不採用とし、ゼロクロス付近のときにはその出力信号を採用とする。つまり、図２（ｂ）の特性曲線を太実線で示した部分を採用し、これらを繋いで回転角度検出信号とする。具体的方法としては、絶対値の小さい方の出力信号を回転角度検出信号とすれば、各々の磁気検出素子５の出力信号からピーク付近の出力信号を排除できる。

次に、固定磁気ヨーク４の円周角サイズについて、図３を参照しつつ説明する。ここでは、円環状磁石２と固定磁気ヨーク４のみ示してある。図３（ａ）に示されるように、円環状磁石の中心点Ｏとある磁極（ここでは円周角０度の基準線Θに一端が接しているＳ極）の円周角サイズの中点とを結ぶ線分を延長してなるＳ極中線ＳＳを想定する。固定磁気ヨーク４の円周角サイズθｙは、基本的には基準線ΘからＳ極中線ＳＳまでとする。ここでは磁極の総数が８個であり、どの磁極も円周角サイズが同じであるから、磁極の円周角サイズは４５度である。これは、図３（ａ）のように円環状磁石２の中心点ＯとＳ極の他端とを結ぶ線分を引いて、その線分が基準線Θとなす角度（扇形の中心角）が４５度になるという作図からも求めることができる。その半分の２２．５度を中心角とする扇形を描き、その弧の円周角サイズ２２．５度を固定磁気ヨーク４の基本的な円周角サイズとする。

上記のように固定磁気ヨーク４の円周角サイズθｙは磁極の総数に応じて違ってくる。また、円周角サイズは円周角で表したサイズなので、サイズを長さで表そうとすると、固定磁気ヨーク４の長さは固定磁気ヨーク４の半径によって違ってくる。その固定磁気ヨーク４の半径は、円環状磁石２の半径と、円環状磁石２と固定磁気ヨーク４間のクリアランスとにより決まる。

また、固定磁気ヨーク４の円周角サイズθｙは、ギャップ３を形成するかしないかにより違い、ギャップ３の大きさにより違う。すなわち、磁気検出素子５が挿入可能なギャップ３を形成するためには、固定磁気ヨーク４を前述の基本的な円周角サイズから少し小さくする必要がある。同じ組を組む相手の固定磁気ヨーク４も円周角サイズを削ることを考慮すると、前述の基本的な円周角サイズθｙから磁気検出素子３の厚みの半分を差し引けばよい。これを作図から求めるには、図３（ｂ）に示されるように、図３（ａ）に加えて円環状磁石の中心点とＮ極の円周角サイズの中点とを結ぶ線分を延長してなるＮ極中線ＳＮを想定する。そのＮ極中線に相手の固定磁気ヨーク４の端部が接するようにする。基準線Θ上にギャップ３を確保するべく、両固定磁気ヨーク４，４をそれぞれ前述の基本的な円周角サイズθｙから少し小さくする。

次に、図４に固定磁気ヨーク４の円周角サイズとギャップに生じる磁束密度及び回転角度検出誤差との関係を示す。横軸は角度換算した固定磁気ヨーク長、すなわち円周角サイズである。ピーク磁束密度特性線４１のための左縦軸は２２．５度を１とした磁束密度比、精度特性線４２のための右縦軸は回転角度検出誤差である。

図示のように固定磁気ヨークは、２２．５度より小さくすることも大きくすることもできる。しかし、２２．５度より小さくするとピーク磁束密度が小さくなる。２２．５度より大きくすると、ピーク磁束密度はある程度まで大きくなる。ここで、ピーク磁束密度とは、図２（ａ）で説明したピークにおける磁束密度のことである。ピークにおける磁束密度が大きいと言うことは、円環状磁石２の磁力を効率よくギャップ３に導いているということである。既に説明したようにピーク近傍は直線性が悪く回転角度検出に向かないが、ピークにおける磁束密度が大きければ、ゼロクロス付近の勾配が急峻になるので、出力信号の大きさから回転角度を求める分解能がよくなる。

一方、回転角度検出誤差の方は、固定磁気ヨーク４の円周角サイズが２２．５度のとき最小となっている。

次に、図５に示した形態は、ギャップ３を２箇所形成するべく３個並ぶ固定磁気ヨーク４を設け、これら３個並んだ固定磁気ヨーク４間にできた２箇所のギャップ３にそれぞれ磁気検出素子５を挿入したものである。この場合、中央に置かれる固定磁気ヨークは２組の磁気検出セットに兼用される。この２組の磁気検出セットの配置は、２個の磁気検出素子５の配置間隔が出力信号同士がこれら出力信号の周期の１／４ずれる配置間隔となる複数の配置のうちの一つである。

図５には、さらに多くの固定磁気ヨーク４が示されている。このように、固定磁気ヨーク４は磁気検出素子５と組み合わされないものをも同じ円周上に並べて固定磁気ヨーク４の個数を多くしても良い。また、このとき、磁気検出素子５を挿入しない固定磁気ヨーク４間にもギャップ３を形成すると、磁気抵抗のバランスが取れるので好ましい。また、一番端にある固定磁気ヨーク４から円環状磁石２に向かう磁束とギャップ３から円環状磁石２に向かう磁束とは異なるので、磁気検出素子５と組み合わされた固定磁気ヨーク４が一番端にならないようにして磁気検出素子５を通る磁束に誤差が生じないようにするのが好ましい。

また、磁気検出素子５の設置個数も２個に限らず、１個、３個、それ以上としてよい。３個以上設置するとき、出力信号のズレは出力信号の周期の１／４に限らない。

本発明の一実施形態を示す回転角度センサの断面図である。 （ａ）は本発明による回転角度磁束密度特性図、（ｂ）は本発明による回転角度出力信号特性図である。 （ａ）、（ｂ）は、本発明における固定磁気ヨークの円周角サイズを説明するための円環状磁石及び固定磁気ヨークの断面図である。 本発明における固定磁気ヨークの円周角サイズとギャップに生じる磁束密度及び回転角度検出誤差との関係を示す特性図である。 本発明の他の実施形態による円環状磁石及び固定磁気ヨークの断面図である。 従来の回転角度センサの断面図である。 従来の回転角度センサによる回転角度出力信号特性図である。

符号の説明

１ 回転体
２ 円環状磁石
３ ギャップ
４ 固定磁気ヨーク
５ 磁気検出素子
６ 回転磁気ヨーク
７ 磁気検出セット

Claims (3)

1. 回転角度の検出対象である回転体にその回転軸と同軸に取り付けられ、互いに同じ円周角サイズのＮ極の磁極とＳ極の磁極が交互に４個ずつ以上周方向に等間隔で配置された円環状磁石と、
   その円環状磁石に臨ませてそれぞれの間にギャップを形成するように固定配置される少なくとも５個並んだ固定磁気ヨークと、
   そのギャップに挿入され、該ギャップを挟む固定磁気ヨーク間に現れる上記Ｎ極Ｓ極間の磁気を検出する少なくとも２個の磁気検出素子と、
   を備え、
   隣接する上記固定磁気ヨークとその間のギャップは、上記磁極の円周角サイズと同じ円周角範囲内にあり、
   上記２個の磁気検出素子は、一番端以外の上記固定磁気ヨークが形成したギャップに挿入されていることを特徴とする回転角度センサ。
2. 上記２個の上記磁気検出素子の出力信号のうち、絶対値の小さい方の出力信号を回転角度検出信号とすることを特徴とする請求項１記載の回転角度センサ。
3. 上記回転体の外周に回転磁気ヨークを設け、その回転磁気ヨークと一体的に上記円環状磁石を形成したことを特徴とする請求項１又は２記載の回転角度センサ。

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