JP6233278B2 - 回転位置検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、検出対象の回転位置を検出する回転位置検出装置に関する。

基準部材に対し相対移動する検出対象の回転位置を検出可能な磁気式の回転位置検出装置が知られている。この種の回転位置検出装置は、閉磁気回路を形成する２つの磁石（磁束発生手段）および２つのヨーク（磁束伝達部材）と、閉磁気回路の内側に設けられるホール素子などの磁束密度検出手段とを備える。例えば、磁石およびヨークは検出対象に設けられ、磁束密度検出手段は基準部材に設けられる。磁束密度検出手段を通過する磁束密度は、ヨークに対する磁束密度検出手段の位置に応じて変化する。回転位置検出装置は、磁束密度検出手段を通過する磁束密度に基づき検出対象の回転位置を検出する。

例えば特許文献１に開示された位置検出装置では、径方向で内側に設けられた内側ヨークは、回転方向で端にいくほどホール素子の移動軌跡に対して径方向内側に離れるように形成されている。また、径方向で外側に設けられた外側ヨークは、回転方向で端にいくほどホール素子の移動軌跡に対して径方向外側に離れるように形成されている。これにより、両ヨーク間の隙間は回転方向の中央よりも両端が広くなり、ホール素子を流れる磁束密度が隙間の端部で増大することが抑制される。したがって、ホール素子の出力信号の直線性を向上させること、すなわち、検出対象の回転位置とホール素子を通る磁束密度との関係を線形関係に近づけることが可能である。

特開２０１４−１２６５４８号公報

ところが、特許文献１に開示された位置検出装置では、両ヨークの端部間の隙間を広げるため、内側ヨークの両端部を内側へ突き出させるとともに外側ヨークの両端部を外側へ突き出させている。そのため、位置検出装置に対して外側および内側の両方で搭載上の制約を受けるという問題があった。例えば、内側にシャフトが配置される場合、内側ヨークとシャフトとが干渉しないように位置検出装置を全体的に外側に設ける必要がある。また、両ヨークを樹脂でモールドする場合、ヨークの両端部でモールド樹脂の厚みを確保しにくくなる。
本発明は、上述の点に鑑みてなされたものであり、その目的は、磁束密度検出手段の出力信号の直線性を向上させつつ搭載性の低下が抑えられた回転位置検出装置を提供することである。

本発明による回転位置検出装置は、第１磁束伝達部材、第２磁束伝達部材、第１磁束発生手段、第２磁束発生手段および磁束密度検出手段を備える。
第１磁束伝達部材は検出対象の回転方向へ延びている。第２磁束伝達部材は、検出対象の回転中心と直交する方向である径方向において第１磁束伝達部材と対向するように回転方向へ延びており、第１磁束伝達部材と共に基準部材および検出対象の一方に設けられている。第１磁束発生手段は、第１磁束伝達部材の一端部と第２磁束伝達部材の一端部との間に設けられている。第２磁束発生手段は、第１磁束伝達部材の他端部と第２磁束伝達部材の他端部との間に設けられている。磁束密度検出手段は、第１磁束伝達部材と第２磁束伝達部材との間の隙間に位置し、基準部材および検出対象の他方に設けられ、通過する磁束密度に応じた信号を出力する。

ここで、第１磁束伝達部材のうち第２磁束伝達部材と対向し且つ前記隙間を区画形成している面を第１対向面とする。また、第２磁束伝達部材のうち第１磁束伝達部材と対向し且つ前記隙間を区画形成している面を第２対向面とする。また、第２対向面の回転方向の中央を通り、曲率中心が回転中心と一致し且つ曲率半径が一定である仮想的な曲面を基準曲面とする。
第１対向面は、曲率中心が回転中心と一致し且つ曲率半径が一定である曲面である。第２対向面のうち少なくとも回転方向の両方の端部は、回転方向で端にいくほど基準曲面から第１対向面とは反対側へ離れるように形成されている。

このように構成することで、両磁束伝達部材間の隙間は回転方向の中央よりも両端が広くなり、磁束密度検出手段を流れる磁束密度が隙間の端部で増大することが抑制される。したがって、磁束密度検出手段の出力信号の直線性が向上する。
また、両磁束伝達部材の端部間の隙間を広げるために第１磁束伝達部材を内側または外側へ突き出させる必要がない。つまり、径方向へ突き出させるのは第２磁束伝達部材だけでよい。そのため、回転位置検出装置に対して外側および内側の一方で搭載上の制約を受けることを回避可能であるので、搭載性の低下を抑えることができる。

本発明の第１実施形態による回転位置検出装置が設けられている回転式アクチュエータの概略構成を説明する図である。 図１のＩＩ−ＩＩ線断面図である。 図２の出力回転体の回転位置と、ホール素子を通過する磁束密度との関係を示す特性図である。 本発明の第２実施形態による回転位置検出装置の構成を説明する図である。 本発明の第３実施形態による回転位置検出装置の構成を説明する図である。 本発明の第４実施形態による回転位置検出装置の構成を説明する図である。

以下、本発明の複数の実施形態を図面に基づき説明する。実施形態同士で実質的に同一の構成には同一の符号を付して説明を省略する。
［第１実施形態］
本発明の第１実施形態による回転位置検出装置は、図１に示す回転式アクチュエータ１００に設けられている。

（回転式アクチュエータ）
先ず、回転式アクチュエータ１００の概略構成について図１を参照して説明する。
回転式アクチュエータ１００は、ハウジング１０１、ケース１０２、モータ１０３、出力部材１０４および回転位置検出装置１０を備えている。

ハウジング１０１およびケース１０２は、車体または車体に取り付けられた部材に固定される。

出力部材１０４は、モータ軸１０７に連結されている出力回転体１０８と、ケース１０２により回転可能に支持され、出力回転体１０８と一体に回転する出力軸１０９とを有する。出力回転体１０８は、回転中心ＡＸ１から離れた位置で周方向へ延びている弧状の通孔１１１を有する。

回転位置検出装置１０は、出力回転体１０８の通孔１１１に設けられており、ケース１０２に対する出力回転体１０８の相対的な回転位置（回転角度）を検出可能である。回転位置検出装置１０は、信号端子１１２を介して電子制御装置１０６と電気的に接続されており、出力回転体１０８の回転位置に対応する出力信号を出力する。ケース１０２は特許請求の範囲に記載の「基準部材」に相当し、また、出力回転体１０８は特許請求の範囲に記載の「検出対象」に相当する。

（回転位置検出装置の基本構成）
次に、回転位置検出装置１０の基本構成について図１、図２を参照して説明する。
以下の説明において、出力回転体１０８が回転する方向を「回転方向」と記載する。また、出力回転体１０８の回転中心ＡＸ１と直交する方向を「径方向」と記載する。

回転位置検出装置１０は、第１ヨーク１１、第２ヨーク１２、第１磁石１３、第２磁石１４およびホールＩＣ２２を備えている。
第１ヨーク１１は、磁性材料から構成され、出力回転体１０８の回転方向へ延びており、通孔１１１内で出力回転体１０８に固定されている。第１ヨーク１１は特許請求の範囲に記載の「第１磁束伝達部材」に相当する。

第２ヨーク１２は、磁性材料から構成され、径方向において第１ヨーク１１と対向するように回転方向へ延びており、通孔１１１内で出力回転体１０８に固定されている。第２ヨーク１２は特許請求の範囲に記載の「第２磁束伝達部材」に相当する。本実施形態では、第２ヨーク１２は、第１ヨーク１１に対して径方向内側に設けられている。

第１磁石１３は、第１ヨーク１１の一端部１６と第２ヨーク１２の一端部１７との間に設けられており、Ｎ極が径方向外側に位置するとともにＳ極が径方向内側に位置するように着磁されている。第１磁石１３は特許請求の範囲に記載の「第１磁束発生手段」に相当する。

第２磁石１４は、第１ヨーク１１の他端部１８と第２ヨーク１２の他端部１９との間に設けられており、Ｎ極が径方向内側に位置するとともにＳ極が径方向外側に位置するように着磁されている。第２磁石１４は特許請求の範囲に記載の「第２磁束発生手段」に相当する。

第１ヨーク１１は、第１磁石１３のＮ極と第２磁石１４のＳ極とをつないでいる。第２ヨーク１２は、第１磁石１３のＳ極と第２磁石１４のＮ極とをつないでいる。第１ヨーク１１、第２ヨーク１２、第１磁石１３および第２磁石１４は、通孔１１１の内壁に沿って環状の閉磁気回路を形成している。第１ヨーク１１は、第２ヨーク１２に対して径方向に対向している。第１ヨーク１１と第２ヨーク１２との間には、回転方向へ延びる弧状の隙間２１が区画形成されている。

第１磁石１３のＮ極から出る磁束には、第１ヨーク１１を通って第２磁石１４のＳ極に流れる還流磁束と、第１ヨーク１１から隙間２１を通って第２ヨーク１２に流れる漏洩磁束と、第１ヨーク１１および第２ヨーク１２を通ることなく隙間２１を通って第１磁石１３のＳ極に流れる直通磁束とが含まれる。

第２磁石１４のＮ極から出る磁束には、第２ヨーク１２を通って第１磁石１３のＳ極に流れる還流磁束と、第２ヨーク１２から隙間２１を通って第１ヨーク１１に流れる漏洩磁束と、第１ヨーク１１および第２ヨーク１２を通ることなく隙間２１を通って第２磁石１４のＳ極に流れる直通磁束とが含まれる。

ホールＩＣ２２は、隙間２１に設けられており、モールド部材２４を介してケース１０２に固定されている。また、ホールＩＣ２２はホール素子２５を有している。ホール素子２５は、ホール効果を利用した磁電変換素子であって、感磁面を通過する磁束密度に応じた信号を出力するものであり、特許請求の範囲に記載の「磁束密度検出手段」に相当する。

（回転位置検出装置の特徴構成）
次に、回転位置検出装置１０の特徴構成について図２、図３を参照して説明する。
以下の説明において、第１ヨーク１１のうち第２ヨーク１２と対向し且つ隙間２１を区画形成している面を第１対向面３１とする。また、第２ヨーク１２のうち第１ヨーク１１と対向し且つ隙間２１を区画形成している面を第２対向面３２とする。また、第２対向面３２の回転方向の中央３３を通り、曲率中心が回転中心ＡＸ１と一致し且つ曲率半径が一定である仮想的な曲面を基準曲面ＢＣ１とする。また、回転中心ＡＸ１に直交する断面（図２）において当該回転中心ＡＸ１と第２対向面３２の中央３３とを結ぶ仮想的な直線を中央直線ＣＬ１とする。

図２に示すように、第１対向面３１は、曲率中心が回転中心ＡＸ１と一致し且つ曲率半径Ｒ１が一定である曲面から構成されている。第１ヨーク１１のうち第１対向面３１に対応する部分の径方向断面積は、回転方向で一定である。

第２対向面３２は、回転方向の両方の端部３４およびそれらの間の中間部３５の全てが、回転方向で端にいくほど基準曲面ＢＣ１から第１対向面３１とは反対側へ離れるように形成されている。本実施形態では、第２対向面３２は、曲率中心ＡＸ２が中央直線ＣＬ１上で回転中心ＡＸ１から第１対向面３１側に離れて位置し且つ曲率半径Ｒ２が一定である曲面から構成されている。第２ヨーク１２のうち第２対向面３２に対応する部分の径方向断面積は、回転方向で一定である。

ここで、ホール素子２５を通過する磁束密度は、各ヨーク間の隙間２１の端部において直通磁束の影響を受けて急激に変化する傾向にある。これに対して、本実施形態では、隙間２１の径方向の幅は回転方向の中央から端にいくほど連続的に大きくなっているので、ホール素子２５を流れる磁束密度が隙間２１の端部で増大することが抑制される。

図３には、直交座標系において、出力回転体１０８の回転位置（回転角度）θと、ホール素子２５を通過する磁束密度Ｂとの関係を示す特性線Ｌ１を実線で示している。また、図３には、各ヨーク間の隙間の径方向の幅が回転方向で一定である比較形態における回転位置θと磁束密度Ｂとの関係を示す特性線Ｌ２を破線で示している。特性線Ｌ１と特性線Ｌ２とを比べても分かるように、本実施形態では、比較形態と比べると、回転位置検出範囲の端部にて磁束密度Ｂの増大が抑制される。

（効果）
以上説明したように、第１実施形態では、第１対向面３１は、曲率中心が回転中心ＡＸ１と一致し且つ曲率半径Ｒ１が一定である曲面から構成されている。第２対向面３２のうち少なくとも回転方向の両方の端部３４は、回転方向で端にいくほど基準曲面ＢＣ１から第１対向面３１とは反対側へ離れるように形成されている。

このように構成することで、両ヨーク間の隙間２１は回転方向の中央よりも両端が広くなり、ホール素子２５を流れる磁束密度が隙間２１の端部で増大することが抑制される。したがって、ホール素子２５の出力信号の直線性が向上する。
また、隙間２１の端部を中央よりも広げるために第１ヨーク１１を外側へ突き出させる必要がない。つまり、径方向へ突き出させるのは第２ヨーク１２だけでよい。そのため、回転位置検出装置１０に対して外側で搭載上の制約を受けることを回避可能であるので、搭載性の低下を抑えることができる。

また、第１実施形態では、第２対向面３２は、回転方向の両方の端部３４およびそれらの間の中間部３５の全てが、回転方向で端にいくほど基準曲面ＢＣ１から第１対向面３１とは反対側へ離れるように形成されている。特に、第１実施形態では、第２対向面３２は、曲率中心ＡＸ２が中央直線ＣＬ１上で回転中心ＡＸ１から第１対向面３１側に離れて位置し且つ曲率半径Ｒ２が一定である曲面から構成されている。
このように構成することで、第２ヨーク１２を単純な形状とすることができ、設計および製造が容易となる。

［第１実施形態の変形例］
第１実施形態の変形例では、図４に示すように、第２ヨーク４１の第２対向面４２の中間部４３は、曲率中心が回転中心ＡＸ１と一致し且つ曲率半径Ｒ３が一定である曲面から構成されている。本実施形態では、中間部４３は、基準曲面ＢＣ１と一致するように形成されている。
第２対向面４２の両方の端部４４は、回転方向で端にいくほど基準曲面ＢＣ１から第１対向面３１とは反対側へ離れるように形成されている。本実施形態では、端部４４は、曲率中心ＡＸ３が中央直線ＣＬ１上で回転中心ＡＸ１から第１対向面３１側に離れて位置し且つ曲率半径Ｒ４が一定である曲面から構成されている。

以上より、第１ヨーク１１と第２ヨーク４１との間の隙間４５の端部の径方向幅は回転方向の端にいくほど大きくなっているので、ホール素子２５を流れる磁束密度が隙間４５の端部で増大することが抑制される。
このように、第２対向面４２の中間部４３と第１対向面３１との間の間隔が回転方向で一定であっても、第２対向面４２の端部４４が回転方向で端にいくほど第１対向面３１から離れるように形成されていれば、第１実施形態と同様に、ホール素子２５の出力信号の直線性を向上させることができる。

［第２実施形態］
本発明の第２実施形態では、図５に示すように、第２ヨーク５２は、第１ヨーク５１に対して径方向外側に設けられている。第１磁石１３は第１ヨーク５１の一端部５１１と第２ヨーク５２の一端部５２１との間に設けられ、また第２磁石１４は第１ヨーク５１の他端部５１２と第２ヨーク５２の他端部５２２との間に設けられている。以下の説明では、第２対向面５４の回転方向の中央５５を通り、曲率中心が回転中心ＡＸ１と一致し且つ曲率半径が一定である仮想的な曲面を基準曲面ＢＣ２とする。また、回転中心ＡＸ１に直交する断面（図５）において当該回転中心ＡＸ１と第２対向面５４の中央５５とを結ぶ仮想的な直線を中央直線ＣＬ２とする。

第１対向面５３は、曲率中心が回転中心ＡＸ１と一致し且つ曲率半径Ｒ３が一定である曲面から構成されている。
第２対向面５４は、回転方向の両方の端部５６およびそれらの間の中間部５７の全てが、回転方向で端にいくほど基準曲面ＢＣ２から第１対向面５３とは反対側へ離れるように形成されている。本実施形態では、第２対向面５４は、曲率中心ＡＸ４が中央直線ＣＬ２上で回転中心ＡＸ１から第１対向面５３とは反対側に離れて位置し且つ曲率半径Ｒ５が一定である曲面から構成されている。

以上より、第１ヨーク５１と第２ヨーク５２との間の隙間５８の径方向幅は回転方向の端にいくほど大きくなっているので、ホール素子２５を流れる磁束密度が隙間５８の端部で増大することが抑制される。
このように、第１ヨーク５１と第２ヨーク５２との径方向の配置が第１実施形態とは逆であっても、第２対向面５４の端部５６が回転方向で端にいくほど第１対向面５３から離れるように形成されていれば、第１実施形態と同様に、ホール素子２５の出力信号の直線性が向上する。

また、隙間５８の端部を中央よりも広げるために第１ヨーク５１を内側へ突き出させる必要がない。つまり、径方向へ突き出させるのは第２ヨーク５２だけでよい。そのため、回転位置検出装置１０に対して内側で搭載上の制約を受けることを回避可能であるので、搭載性の低下を抑えることができる。

また、第２実施形態では、第２対向面５４は、回転方向の両方の端部５６およびそれらの間の中間部５７の全てが、回転方向で端にいくほど基準曲面ＢＣ２から第１対向面５３とは反対側へ離れるように形成されている。特に、第２実施形態では、第２対向面５４は、曲率中心ＡＸ４が中央直線ＣＬ２上で回転中心ＡＸ１から第１対向面５３とは反対側に離れて位置し且つ曲率半径Ｒ５が一定である曲面から構成されている。
このように構成することで、第２ヨーク５２を単純な形状とすることができ、設計および製造が容易となる。

［第２実施形態の変形例］
第２実施形態の変形例では、図６に示すように、第２ヨーク６１の第２対向面６２の中間部６３は、曲率中心が回転中心ＡＸ１と一致し且つ曲率半径Ｒ１が一定である曲面から構成されている。本実施形態では、中間部６３は、基準曲面ＢＣ２と一致するように形成されている。
第２対向面６２の両方の端部６４は、回転方向で端にいくほど基準曲面ＢＣ２から第１対向面５３とは反対側へ離れるように形成されている。本実施形態では、端部６４は、曲率中心ＡＸ５が中央直線ＣＬ２上で回転中心ＡＸ１から第１対向面５３とは反対側に離れて位置し且つ曲率半径Ｒ６が一定である曲面から構成されている。

以上より、第１ヨーク５１と第２ヨーク６１との間の隙間６５の端部の径方向幅は回転方向の端にいくほど大きくなっているので、ホール素子２５を流れる磁束密度が隙間６５の端部で増大することが抑制される。
このように、第２対向面６２の中間部６３と第１対向面５３との間の間隔が回転方向で一定であっても、第２対向面６２の端部６４が回転方向で端にいくほど第１対向面５３から離れるように形成されていれば、第２実施形態と同様に、ホール素子２５の出力信号の直線性を向上させることができる。

［他の実施形態］
本発明の他の実施形態では、第１対向面および第２対向面の曲率半径は一定でなくてもよい。また、第１対向面および第２対向面は、曲面に限らず、回転方向に連なる複数の平面から構成されてもよい。
本発明の他の実施形態では、第１ヨークおよび第２ヨークの径方向断面積は、回転方向で変化してもよい。
本発明の他の実施形態では、閉磁気回路を構成する部材（第１ヨーク、第２ヨーク、第１磁石、第２磁石）がケースに設けられ、ホールＩＣが出力回転体に設けられてもよい。

本発明の他の実施形態では、第１磁石および第２磁石に代えて、例えば電磁石などの他の磁束発生手段が設けられてもよい。
本発明の他の実施形態では、回転位置検出装置は、例えばモータと出力軸との間に設けられる減速機の最終減速部材などの他の回転部材に設けられてもよい。

本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の形態で実施可能である。

１０・・・回転位置検出装置
１１、５１・・・第１ヨーク（第１磁束伝達部材）
１２、４１、５２、６１・・・第２ヨーク（第２磁束伝達部材）
１３・・・第１磁石（第１磁束発生手段）
１４・・・第２磁石（第２磁束発生手段）
２１、４５、５８、６５・・・隙間
２５・・・ホール素子（磁束密度検出手段）
３１、５３・・・第１対向面
３２、４２、５４、６２・・・第２対向面
３４、４４、５６、６４・・・第２対向面の端部
１０２・・・基準部材
１０８・・・検出対象
ＡＸ１・・・回転中心
ＢＣ１、ＢＣ２・・・基準曲面

Claims (4)

1. 基準部材（１０２）に対して相対回転する検出対象（１０８）の回転位置を検出可能な回転位置検出装置（１０）であって、
   前記検出対象の回転方向へ延びている第１磁束伝達部材（１１、５１）と、
   前記検出対象の回転中心（ＡＸ１）と直交する方向である径方向において前記第１磁束伝達部材と対向するように前記回転方向へ延びており、前記第１磁束伝達部材と共に前記基準部材および前記検出対象の一方に設けられている第２磁束伝達部材（１２、４１、５２、６１）と、
   前記第１磁束伝達部材の一端部（１６、５１１）と前記第２磁束伝達部材の一端部（１７、５２１）との間に設けられている第１磁束発生手段（１３）と、
   前記第１磁束伝達部材の他端部（１８、５１２）と前記第２磁束伝達部材の他端部（１９、５２２）との間に設けられている第２磁束発生手段（１４）と、
   前記第１磁束伝達部材と前記第２磁束伝達部材との間の隙間（２１、４５、５８、６５）に位置し、前記基準部材および前記検出対象の他方に設けられ、通過する磁束密度に応じた信号を出力する磁束密度検出手段（２５）と、
   を備え、
   前記第１磁束伝達部材のうち前記第２磁束伝達部材と対向し且つ前記隙間を区画形成している面を第１対向面（３１、５３）とし、
   前記第２磁束伝達部材のうち前記第１磁束伝達部材と対向し且つ前記隙間を区画形成している面を第２対向面（３２、４２、５４、６２）とし、
   前記第２対向面の前記回転方向の中央（３３、５５）を通り、曲率中心が前記回転中心と一致し且つ曲率半径が一定である仮想的な曲面を基準曲面（ＢＣ１、ＢＣ２）とすると、
   前記第１対向面は、曲率中心が前記回転中心と一致し且つ曲率半径が一定である曲面であり、
   前記第２対向面のうち少なくとも前記回転方向の両方の端部（３４、４４、５６、６４）は、前記回転方向で端にいくほど前記基準曲面から前記第１対向面とは反対側へ離れるように形成されていることを特徴とする回転位置検出装置。
2. 前記第２対向面（３２、５４）は、前記端部（３４、５６）およびそれらの間の中間部（３５、５７）の全てが前記回転方向で端にいくほど前記基準曲面から前記第１対向面とは反対側へ離れるように形成されていることを特徴とする請求項１に記載の回転位置検出装置。
3. 前記第２対向面は曲率半径が一定である曲面であることを特徴とする請求項２に記載の回転位置検出装置。
4. 前記回転中心に直交する断面において当該回転中心と前記第２対向面の前記中央とを結ぶ仮想的な直線を中央直線（ＣＬ１、ＣＬ２）とすると、
   前記第２対向面（４２、６２）のうち両方の前記端部間に位置する中間部（４３、６３）は、曲率中心が前記回転中心と一致し且つ曲率半径が一定である曲面であり、
   前記第２対向面の前記端部（４４、６４）は、曲率中心（ＡＸ３、ＡＸ５）が前記中央直線上で前記回転中心から離れて位置し且つ曲率半径が一定である曲面であることを特徴とする請求項１に記載の回転位置検出装置。

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