JP6244632B2 - 回転角度検出装置 - Google Patents

Description

この発明は、回転角度検出装置に関する。

従来からステアリングシャフト等の回転軸の回転角度を検出する回転角度検出装置が存在する。
詳しくは、回転角度検出装置は、測定対象となる回転軸に取り付けられる磁石と、その磁石の外周面又は端面側に対向する位置に設置される磁気センサとを備える。磁石は、所定のピッチでＮ極及びＳ極が着磁されるとともに、回転軸と一体で磁気センサに対して軸回転する。磁気センサは回転軸の回転に伴う磁石が形成する磁場の変化を検出する。このため、磁気センサの検出結果に基づき、回転軸の回転角度を検出することができる（例えば特許文献１参照）。

特開２００４−１３８６０６号公報

上記構成においては、回転軸のずれにより磁気センサ及び磁石間の距離が変化することで、回転軸の回転角度と磁気センサの検出結果との関係にずれが生じることがある。この結果、回転角度検出装置の検出精度が低下するおそれがある。

また、磁石における着磁ピッチ又は磁束密度のばらつきによっても、同様に回転角度検出装置の検出精度が低下するおそれがある。さらに、磁石及び磁気センサの組み付け位置のばらつきによっても同様に回転角度検出装置の検出精度が低下するおそれがある。

この発明は、こうした実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、回転角度の検出精度を向上させた回転角度検出装置を提供することにある。

以下、上記目的を達成するための手段及びその作用効果について説明する。
上記課題を解決する回転角度検出装置は、測定対象となる軸に取り付けられるとともに周方向に沿ってＮ極及びＳ極が同一の着磁ピッチ間隔で交互に着磁された磁石と、前記磁石の外周面に沿って一定距離間隔で配置される前記軸の径方向の磁束を集磁する集磁部を有する磁気ヨークと、前記軸及び前記磁石の回転に伴う磁界の変化を検出する磁気センサと、前記磁気センサの検出結果に基づき前記軸の回転角度を演算する回転角度演算部と、を備えた回転角度検出装置において、前記磁気ヨークは、前記磁石の各Ｎ極に対面可能に配列される複数の集磁部からなる第１群の集磁部と、前記第１群の集磁部が各Ｎ極に対面するとき、前記磁石の各Ｓ極に対面するように配列される複数の集磁部からなる第２群の集磁部と、前記各群の集磁部にそれぞれ連結されるとともに、各群の集磁部が集磁した磁束を前記磁気センサに導く磁束導材とを備え、前記磁石、前記磁気ヨーク及び前記磁気センサにて回転角度検出部が構成され、さらにトーションバーと、前記トーションバーの両端に回転軸として設けられる第１及び第２のシャフトと、を備え、前記回転角度検出部は、前記第１及び前記第２のシャフトに対応して、２つ設けられ、さらに前記両回転角度検出部を通じて検出される回転角度の差に基づき前記回転軸に加えられるトルクを演算するトルク演算部を備えている。

この構成によれば、第１群の集磁部が各Ｎ極に対面するとき、第２群の集磁部が各Ｓ極に対面する。各群の集磁部がそれぞれ集磁した磁束は磁束導材を通じて磁気センサに導かれる。

このため、第１群の集磁部が各Ｎ極に対面し、第２群の集磁部が各Ｓ極に対面しているとき、磁束の経路（磁路）は、磁石のＮ極、第１群の集磁部、それら集磁部に連結される磁束導材、磁気センサ、第２群の集磁部に連結される磁束導材、第２群の集磁部及び磁石のＳ極となる。また、第１群の集磁部が各Ｓ極に対面し、第２群の集磁部が各Ｎ極に対面しているとき、磁路は、磁石のＮ極、第２群の集磁部、それら集磁部に連結される磁束導材、磁気センサ、第１群の集磁部に連結される磁束導材、第１群の集磁部及び磁石のＳ極となる。

何れの場合も、磁気センサ上に磁路を形成することができる。これにより、例えば、軸のずれ、磁石における着磁ピッチ又は磁束密度のばらつきに伴う磁気センサ周辺の磁場変化を抑制することができる。よって、回転角度検出装置における回転角度の検出精度を向上させることができる。
また、２つの回転角度検出部を通じて検出される回転角度の差に基づきトルクを演算することができる。

上記回転角度検出装置について、前記磁石には、２つの前記磁気ヨークが設けられていることが好ましい。
上記回転角度検出装置について、前記磁気ヨークは、前記磁石の外周面の一部に沿って円弧状に、かつ同一高さに配置されることが好ましい。

この構成によれば、両磁気ヨークは、磁石の外周面の一部に沿って円弧状に、かつ同一高さに配置される。よって、両磁気ヨークを軸方向に沿って配列する必要がなく、回転角度検出装置を軸方向にコンパクトに構成することができる。

上記回転角度検出装置について、前記両回転角度検出部における磁石はそれぞれ異なる極数にて構成され、前記回転角度演算部は前記両回転角度検出部を通じて検出される角度に基づき前記回転軸の回転角度を演算することが好ましい。

この構成によれば、両回転角度検出部における磁石はそれぞれ異なる極数にて構成されている。このため、回転軸の回転時における一方の回転角度検出部において検出される角度の周期と、他方の回転角度検出部において検出される角度の周期とが異なる。このため、より広い角度範囲において回転軸の回転角度を特定することができる。

上記回転角度検出装置について、前記磁石の周方向に沿って交互にＮ極及びＳ極が配置され、前記磁石の軸方向に沿ってＮ極及びＳ極の２つの磁極が配置されることが好ましい。

この構成によれば、磁石及び磁気ヨークの周方向の長さに対して磁気ヨークを通じて効率よく磁力を磁気センサに加えることができる。

本発明によれば、回転角度検出装置において、回転角度の検出精度を向上させることができる。

第１の実施形態における回転角度検出装置の側面図。 図１のＡ−Ａ線断面図。 図１の部分拡大図。 第２の実施形態における回転角度検出装置の側面図。 図４のＢ−Ｂ線断面図。 第３の実施形態における回転角度検出装置の側面図。 第４の実施形態における回転角度検出装置の側面図。 第４の実施形態における両磁気センサの検出結果から特定される角度を示したグラフ。 第５の実施形態における回転角度検出装置の側面図。 他の実施形態における回転角度検出装置の側面図。

（第１の実施形態）
以下、回転角度検出装置の一実施形態について図１〜図３を参照して説明する。
図１に示すように、回転角度検出装置１０はステアリングシャフト５の回転角度を通じて、ステアリングシャフト５に連結されるステアリング（図示略）の回転角度（操舵角）を検出するものである。

詳しくは、回転角度検出装置１０は、磁石１２と、２つの磁気ヨーク２０ａ，２０ｂと、２つの磁気センサ１３ａ，１３ｂと、角度演算部１５とを備える。
磁石１２は円柱状のステアリングシャフト５の外周に装着可能に円環状に形成されている。この磁石１２は、ステアリングシャフト５と一体回転可能にステアリングシャフト５の外周に固定される。

図２に示すように、磁石１２は、周方向に沿ってＮ極及びＳ極が交互に着磁されている。本例では、磁石１２は各極の着磁ピッチが同一角度α（α＝３０°）となるように形成されている。

図１に示すように、２つの磁気ヨーク２０ａ，２０ｂは磁性体で形成されるとともに、磁石１２の外周に固定されている。各磁気ヨーク２０ａ，２０ｂは、磁束導材２３ａ，２３ｂと、第１群の集磁部２４ａと、第２群の集磁部２４ｂとを備える。

両磁気ヨーク２０ａ，２０ｂは互いに同一の形状で形成される。ここでは、第１の磁気ヨーク２０ａについてのみ代表して説明する。
磁束導材２３ａ，２３ｂは、磁石１２の外周を囲むように円環線状に形成されるとともに、互いに上下方向（軸方向）に離間して配置される。磁束導材２３ａ，２３ｂはその端部が、磁石１２の側方に位置する磁気センサ１３ａを挟むように形成されている。

第１の磁束導材２３ａには一定角度βごとに下側に突出した板状の集磁部２４ａが形成されている。これら集磁部２４ａが第１群の集磁部２４ａを構成する。この一定角度βは上記角度αの２倍となる。各集磁部２４ａは図中下側に向かうにつれて図中左右方向の幅Ｗが小さくなる二等辺三角形状に形成されている。

第２の磁束導材２３ｂには一定角度βごとに上側に突出した板状の集磁部２４ｂが形成されている。これら集磁部２４ｂが第２群の集磁部２４ｂを構成する。各集磁部２４ｂは図中上側に向かうにつれて図中左右方向の幅Ｗが小さくなる二等辺三角形状に形成されている。各磁気センサ１３ａ，１３ｂは例えばホールＩＣである。

第１群の集磁部２４ａ及び第２群の集磁部２４ｂはほぼ同一高さに位置するとともに、互いに一定角度αだけずれた位置関係となっている。従って、磁石１２の周方向に沿って両集磁部２４ａ，２４ｂは交互に配置される。両磁気ヨーク２０ａ，２０ｂは互いに一定角度γだけずれた位置に設けられている。

上記２つの磁気ヨーク２０ａ，２０ｂは、磁石１２の径方向における磁束を集める。
また、図３に拡大して示すように、磁束の経路は、磁気ヨーク２０ａにおいて磁石１２のＮ極、そのＮ極に対応する第１群の集磁部２４ａ、磁束導材２３ａ、磁気センサ１３ａ、磁束導材２３ｂ、磁石１２のＳ極に対応する第２群の集磁部２４ｂ及び磁石１２のＳ極となる。よって、磁気センサ１３ａ上に磁路を形成することができる。

磁気ヨーク２０ｂは、上記磁気ヨーク２０ａと構成は同一であるものの、上記磁気ヨーク２０ａに対して一定角度γだけ磁石１２の周方向に回転した位置に固定される。磁気ヨーク２０ｂに対応して磁気センサ１３ｂが設けられている。

つぎに、回転角度検出装置１０の作用について説明する。
ステアリングシャフト５の回転に伴って磁石１２が両磁気ヨーク２０ａ，２０ｂに対して軸回転する。各磁気センサ１３ａ，１３ｂは、磁石１２のＳ極及びＮ極に対する集磁部２４ａ，２４ｂの位置に応じた信号（電圧）を出力する。具体的には、第１群の集磁部２４ａが各Ｎ極に対面するとき、第２群の集磁部２４ｂが各Ｓ極に対面する。

このとき、図３に示すように、磁束の経路（磁路）は、磁石１２のＮ極、第１群の集磁部２４ａ、それら集磁部２４ａに連結される磁束導材２３ａ、磁気センサ１３ａ、磁束導材２３ｂ、第２群の集磁部２４ｂ及び磁石１２のＳ極となる。また、第１群の集磁部２４ａが各Ｓ極に対面し、第２群の集磁部２４ｂが各Ｎ極に対面しているとき、磁路は、磁石１２のＮ極、第２群の集磁部２４ｂ、それら集磁部２４ｂに連結される磁束導材２３ｂ、磁気センサ１３ａ、磁束導材２３ａ、第１群の集磁部２４ａ及び磁石１２のＳ極となる。何れの場合であっても、磁気センサ１３ａ上に磁路を形成することができる。同様に磁気ヨーク２０ｂは磁気センサ１３ｂ上に磁路を形成する。

また、上記のように、両磁気ヨーク２０ａ，２０ｂは互いに一定角度γだけずれた位置に設けられているため、両磁気センサ１３ａ，１３ｂは互いに位相がずれた信号を角度演算部１５（回転角度演算部）に出力する。従って、第１の磁気センサ１３ａはＳｉｎ波の信号Ｓｓｉｎを出力し、第２の磁気センサ１３ｂはＣｏｓ波の信号Ｓｃｏｓを出力する。角度演算部１５は両信号Ｓｓｉｎ，Ｓｃｏｓに基づきステアリングシャフト５の回転角度を検出する。

以上、説明した実施形態によれば、以下の効果を奏することができる。
（１）第１群の集磁部２４ａが各Ｎ極に対面し、第２群の集磁部２４ｂが各Ｓ極に対面しているとき、磁束の経路（磁路）は、磁石１２のＮ極、第１群の集磁部２４ａ、それら集磁部２４ａに連結される磁束導材２３ａ、磁気センサ１３ａ、磁束導材２３ｂ、第２群の集磁部２４ｂ及び磁石１２のＳ極となる。

また、第１群の集磁部２４ａが各Ｓ極に対面し、第２群の集磁部２４ｂが各Ｎ極に対面しているとき、磁路は、磁石１２のＮ極、第２群の集磁部２４ｂ、それら集磁部２４ｂに連結される磁束導材２３ｂ、磁気センサ１３ａ、磁束導材２３ａ、第１群の集磁部２４ａ及び磁石１２のＳ極となる。このように磁気センサ１３ａ上に磁路を形成することができる。同様に磁気ヨーク２０ｂは磁気センサ１３ｂ上に磁路を形成する。

何れの場合も、磁気センサ１３ａ，１３ｂ上に磁路を形成することができる。これにより、例えば、軸のずれ、磁石１２における着磁ピッチ又は磁束密度のばらつき、磁石１２及び磁気センサ１３ａ，１３ｂの組み付け位置のばらつきが生じた場合における磁気センサ１３ａ，１３ｂ周辺の磁場変化を抑制することができる。よって、回転角度検出装置１０における回転角度の検出精度を向上させることができる。

（第２の実施形態）
つぎに、回転角度検出装置の第２の実施形態について図４及び図５を参照して説明する。以下、上記実施形態との相違点を中心に説明する。

図４に示すように、本実施形態における磁気ヨーク３０ａ，３０ｂは、第１の実施形態の磁気ヨーク２０ａ，２０ｂと異なって磁石１２の全周でなく、磁石１２の周囲の一部を覆う円弧状に形成される。この点を除いて磁気ヨーク３０ａ，３０ｂの構成（集磁部２４ａ，２４ｂ等）は、第１の実施形態の磁気ヨーク２０ａ，２０ｂと同様である。

図５に示すように、両磁気ヨーク３０ａ，３０ｂは磁石１２の外周における一定角度ｃに亘って形成されている。両磁気ヨーク３０ａ，３０ｂの一定角度ｃは重ならないように設定されている。図４に示すように、両磁気ヨーク３０ａ，３０ｂは同一高さに設置される。

本実施形態における回転角度検出装置１０の作用は第１の実施形態と同様である。
以上、説明した実施形態によれば、特に以下の効果を奏することができる。
（２）両磁気ヨーク３０ａ，３０ｂは、磁石１２の外周面の一部に沿って円弧状に、かつ同一高さに配置される。よって、両磁気ヨーク３０ａ，３０ｂをステアリングシャフト５の軸方向に沿って配列する必要がなく、回転角度検出装置１０を軸方向（図４の上下方向）にコンパクトに構成することができる。また、磁石１２も軸方向にコンパクトに構成することができる。

（第３の実施形態）
つぎに、回転角度検出装置の第３の実施形態について図６を参照して説明する。以下、上記実施形態との相違点を中心に説明する。

図６に示すように、ステアリングシャフト５として、第１及び第２のシャフト部４１，４２が構成される。第１のシャフト部４１がステアリング側となる。両シャフト部４１，４２の間には、ねじり変形可能なトーションバー４５が設けられる。

第１の実施形態における磁石１２及び両磁気ヨーク２０ａ，２０ｂにて回転角度検出部３１ａ，３１ｂが構成されるとする。回転角度検出部３１ａ，３１ｂは、各シャフト部４１，４２に対応して設けられる。

各回転角度検出部３１ａ，３１ｂは、第１の実施形態と同様に作用することでそれぞれが自身に対応するシャフト部４１，４２の回転角度を検出する。
回転角度検出部３１ａの角度演算部１５ａはＩＮ角度（ステアリングの操舵角）を検出し、そのＩＮ角度をトルク演算部３５に出力する。また、回転角度検出部３１ｂの角度演算部１５ｂはＯＵＴ角度を検出し、そのＯＵＴ角度をトルク演算部３５に出力する。

トルク演算部３５は、ＩＮ角度及びＯＵＴ角度の差に基づきトーションバー４５のねじれ角度、ひいてはステアリングシャフト５に加わるトルクを演算する。
以上、説明した実施形態によれば、特に以下の効果を奏することができる。

（３）回転角度検出部３１ａ，３１ｂを各シャフト部４１，４２に対応して設ける。そして、トルク演算部３５は、回転角度検出部３１ａを通じて検出したＩＮ角度と、回転角度検出部３１ｂを通じて検出したＯＵＴ角度との差に基づきステアリングシャフト５に加わるトルクを演算する。

（第４の実施形態）
つぎに、回転角度検出装置の第４の実施形態について図７及び図８を参照して説明する。以下、上記実施形態との相違点を中心に説明する。

図７に示すように、本実施形態においては、回転角度検出部３１ａに対応する磁石１２ａの極数と、回転角度検出部３１ｂに対応する磁石１２ｂの極数とが異なるように設定されている。磁石１２ａの極数は磁石１２ｂの極数より多い。集磁部２４ａ，２４ｂは磁石１２ａ，１２ｂの極数に応じた数だけ形成されている。

本構成においては、図８に示すように、ステアリングシャフト５の回転時における回転角度検出部３１ａの磁気センサ１３ａ，１３ｂの検出結果から特定される角度の周期Ｔ１は、回転角度検出部３１ｂの磁気センサ１３ａ，１３ｂの検出結果から特定される角度の周期Ｔ２より小さくなる。このため、角度演算部１５は、両回転角度検出部３１ａ，３１ｂにおいて特定される角度を比較することで操舵角を０°〜３６０°の範囲で特定することができる。

以上、説明した実施形態によれば、特に以下の効果を奏することができる。
（４）両磁石１２ａ，１２ｂは異なる極数にて構成され、集磁部２４ａ，２４ｂも磁石１２ａ，１２ｂの極数に応じた数に構成されている。この構成では、一方の回転角度検出部３１ａにおいて検出される角度の周期Ｔ１と、他方の回転角度検出部３１ｂにおいて検出される角度の周期Ｔ２とを異ならせることができる。このため、より広い角度範囲においてステアリングの操舵角を特定することができる。

（第５の実施形態）
つぎに、回転角度検出装置の第５の実施形態について図９を参照して説明する。以下、上記実施形態との相違点を中心に説明する。

図９に示すように、磁石１２には、ステアリングシャフト５の周方向（図中左右方向）に沿ってＮ極及びＳ極が交互に着磁されている。また、この磁石１２には、ステアリングシャフト５の軸方向（図中上下方向）に沿って異なる２つの磁極が着磁されている。また、磁気ヨーク３０ａ，３０ｂの集磁部２４ａ，２４ｂは磁石１２の各磁極に対応する位置に設けられている。

本構成においては、図９の矢印に示すように、磁束は上下方向に対応するＮ極及びＳ極間で磁気ヨーク３０ａ，３０ｂにより磁気センサ１３ａを経て閉じるように形成される。これにより、磁気ヨーク３０ａ，３０ｂは磁石１２の周方向の長さに対して効率よく磁力を磁気センサ１３ａに加えることができる。従って、磁石１２及び磁気ヨーク３０ａ，３０ｂの周方向の長さを低減することもできる。

また、本実施形態を上記第２の実施形態（図４及び図５）に適用した場合でも、第１の実施形態と同等の磁気センサ１３ａ，１３ｂへ加わる磁力を確保することができる。
以上、説明した実施形態によれば、特に以下の効果を奏することができる。

（５）磁石１２がステアリングシャフト５の軸方向（図中上下方向）及び周方向（図中左右方向）に沿って交互にＮ極及びＳ極が配置されている。また、磁気ヨーク３０ａ，３０ｂの集磁部２４ａ，２４ｂは磁石１２の各磁極に対応して位置している。これにより、磁石１２及び磁気ヨーク３０ａ，３０ｂの周方向の長さに対して効率よく磁力を磁気センサ１３ａ，１３ｂに加えることができる。

なお、上記実施形態は、これを適宜変更した以下の形態にて実施することができる。
・上記各実施形態においては、各磁気センサ１３ａ，１３ｂとしてホールＩＣが例示されていたが、その他の磁気センサ、例えば磁気抵抗効果素子、コイル等であってもよい。

・磁石１２の着磁方法は上記各実施形態に限らず、例えば図１０に示すように、磁石１２をスキュー（斜め）に着磁してもよい。この構成においては、磁石１２の上下方向の長さをコンパクトとしつつ、第１の実施形態と同様の作用を得ることができる。

・上記各実施形態においては、回転角度検出装置１０はステアリングの操舵角を検出可能であったが、その他の回転軸の回転角度を検出してもよい。

５…ステアリングシャフト、１０…回転角度検出装置、１２，１２ａ，１２ｂ…磁石、１３ａ…第１の磁気センサ、１３ｂ…第２の磁気センサ、１５，１５ａ，１５ｂ…角度演算部、２０ａ…第１の磁気ヨーク、２０ｂ…第２の磁気ヨーク、３０ａ，３０ｂ…磁気ヨーク、２３ａ…第１の磁束導材、２３ｂ…第２の磁束導材、２４ａ…第１群の集磁部、２４ｂ…第２群の集磁部、３１ａ，３１ｂ…回転角度検出部、３５…トルク演算部、４１…第１のシャフト部、４２…第２のシャフト部、４５…トーションバー。

Claims (5)

1. 測定対象となる軸に取り付けられるとともに周方向に沿ってＮ極及びＳ極が同一の着磁ピッチ間隔で交互に着磁された磁石と、
   前記磁石の外周面に沿って一定距離間隔で配置される前記軸の径方向の磁束を集磁する集磁部を有する磁気ヨークと、
   前記軸及び前記磁石の回転に伴う磁界の変化を検出する磁気センサと、
   前記磁気センサの検出結果に基づき前記軸の回転角度を演算する回転角度演算部と、を備えた回転角度検出装置において、
   前記磁気ヨークは、
   前記磁石の各Ｎ極に対面可能に配列される複数の集磁部からなる第１群の集磁部と、
   前記第１群の集磁部が各Ｎ極に対面するとき、前記磁石の各Ｓ極に対面するように配列される複数の集磁部からなる第２群の集磁部と、
   前記各群の集磁部にそれぞれ連結されるとともに、各群の集磁部が集磁した磁束を前記磁気センサに導く磁束導材とを備え、
   前記磁石、前記磁気ヨーク及び前記磁気センサにて回転角度検出部が構成され、
   さらにトーションバーと、
   前記トーションバーの両端に回転軸として設けられる第１及び第２のシャフトと、を備え、
   前記回転角度検出部は、前記第１及び前記第２のシャフトに対応して、２つ設けられ、
   さらに前記両回転角度検出部を通じて検出される回転角度の差に基づき前記回転軸に加えられるトルクを演算するトルク演算部を備える
   ことを特徴とする回転角度検出装置。
2. 請求項１に記載の回転角度検出装置において、
   前記磁石には、２つの前記磁気ヨークが設けられている
   ことを特徴とする回転角度検出装置。
3. 請求項２に記載の回転角度検出装置において、
   前記磁気ヨークは、前記磁石の外周面の一部に沿って円弧状に、かつ同一高さに配置される
   ことを特徴とする回転角度検出装置。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の回転角度検出装置において、
   前記両回転角度検出部における磁石はそれぞれ異なる極数にて構成され、
   前記回転角度演算部は前記両回転角度検出部を通じて検出される角度に基づき前記回転軸の回転角度を演算する
   ことを特徴とする回転角度検出装置。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載の回転角度検出装置において、
   前記磁石の周方向に沿って交互にＮ極及びＳ極が配置され、
   前記磁石の軸方向に沿ってＮ極及びＳ極の２つの磁極が配置される
   ことを特徴とする回転角度検出装置。