JP2016099190A - 回転角検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】磁電変換素子に供する平行磁場の領域を極力広くし得る小型の磁石部材を備えた回転角検出装置を提供する。【解決手段】磁電変換素子１０に対する磁石部材２０の相対回転に応じて軸部材の回転角を検出する回転角検出装置において、磁石部材は、軸部材の軸に対して直交する最大面を有する直方体に形成され、この直方体の一方の最大面（２０１）側に開口し直方体の短尺側の側面（２０３）に平行に延在する溝（２０４）が形成された磁石２００を有する。そして、この磁石に対し溝に沿って着磁されている。【選択図】図１

Description

本発明は、回転角検出装置に関し、特に、磁電変換素子に対する磁石部材の相対回転に応じて軸部材の回転角を検出する回転角検出装置に係る。

従来から、例えば自動車のブレーキペダルの操作量を検出するため、軸部材の回転角を検出する無接触型の回転角検出装置が知られており、例えば、磁電変換素子に対向して軸部材に配置される磁石部材を有し、この磁石部材の磁電変換素子に対する相対回転に応じて軸部材の回転角を検出するように構成されている。例えば、下記の特許文献１に「磁気センサを備えたハウジングと、前記磁気センサと対向する磁石を備え、且つ、前記ハウジングに対して回動可能な回動部材と、被操作部材と共に回動操作される軸部材とを有し、前記被操作部材の揺動角を、前記磁石に対して相対回転する前記磁気センサからの出力信号の変化によって検出可能に構成された回転角検出装置」が開示されている（特許文献１の段落〔０００１〕に記載）。

また、下記の特許文献２には、「動径方向に着磁された円板磁石を回転させ、該円板磁石により発生する水平磁場を互いに９０度に配置されたＸ，Ｙ磁電変換素子で感磁し、該Ｘ，Ｙ磁電変換素子による出力値から回転角度を求める回転角度センサ」が開示されており（特許文献２の段落〔００１６〕に記載）、磁電変換素子としてホール素子が用いられている（同段落〔００２０〕に記載）。

特開２００７−１３９４５８号公報 特開２００７−９３２８０号公報

上記特許文献２においては「少ない磁電変換素子で低コスト化、構造の単純化が図れ、また、円板磁石の中心から外れた位置にも磁電変換素子が配置可能であり、磁電変換素子と円板磁石との相対位置ずれによる角度誤差を抑えることのできる回転角度センサを提供すること」が目的とされ（特許文献２の段落〔００１５〕に記載）、磁電変換素子の配置が特定されている（同段落〔００１６〕に記載）。そして、具体的な構成について、図１に開示され段落〔００２０〕及び〔００２１〕に記載されているように、磁電変換素子であるＸ，Ｙホール素子に対向するように配置され、動径方向に着磁された円板磁石を回転させ、これによって発生する水平磁場を互いに９０度に配置されたＸ，Ｙホール素子で感磁し、これらの出力値から回転角度を求めるように構成されている。

然し乍ら、磁電変換素子と円板磁石との相対位置ずれによる角度誤差を抑えるためには、磁電変換素子の配置のみならず、磁電変換素子に供する平行磁場をできるだけ広くすることが有効である。また、生産コストを抑えるためには、ホールＩＣを動作させるために必要な磁束密度をより少ない体積の磁石で確保することが有効である。尚、上記特許文献１に記載の回転角検出装置の具体的な構成は、特許文献１の図２に開示され段落〔００１３〕乃至〔００１６〕に記載されているように、ハウジング本体に突出形成されたボス部に一対のホールＩＣが収納され、カバー部材に枢支された軸部材に傾動可能に連係される回動部材が、ヨーク本体と非磁性体材料からなる磁石ホルダを有し、磁石ホルダの内部に永久磁石が収納支持されており、特許文献２に記載の磁電変換素子と円板磁石の関係とは異なる。

そこで、本発明は、磁電変換素子に対向して軸部材に配置される磁石部材を有し、この磁石部材の磁電変換素子に対する相対回転に応じて軸部材の回転角を検出する回転角検出装置において、磁電変換素子に供する平行磁場の領域を極力広くし得る小型の磁石部材を備えた回転角検出装置を提供することを課題とする。

上記の課題を達成するため、本発明は、磁電変換素子に対向して軸部材に配置される磁石部材を有し、該磁石部材の前記磁電変換素子に対する相対回転に応じて前記軸部材の回転角を検出する回転角検出装置において、前記磁石部材が、前記軸部材の軸に対して直交する最大面を有する直方体に形成され、該直方体の一方の最大面側に開口し当該直方体の短尺側の側面に平行に延在する溝が形成された磁石を有し、該磁石に対し前記溝に沿って着磁されている構成としたものである。

上記の回転角検出装置において、前記磁石の溝は矩形断面を有し、該矩形断面の長尺側の中心が、前記直方体の長尺側の側面の中心を含み前記直方体の短尺側の側面に平行に延在するように形成されるものとするとよい。また、前記磁石の溝は、前記直方体の長尺側の辺の長さに対し１５分の４乃至１５分の８の幅に設定するとよい。更に、前記磁石の溝は、前記直方体の厚さに対し２分の１の深さに設定するとよい。

また、上記の回転角検出装置において、前記磁石の溝は、前記磁電変換素子に対向して配置される側に対し反対側となる前記磁石の最大面側に開口するように形成するとよい。 更に、前記磁石は、前記直方体の短尺側の辺の長さが長尺側の辺の長さの３分の１に設定するとよい。そして、前記軸部材は、前記磁石部材の前記磁電変換素子に対向する側の面が表面に露出するように埋設される円板部と、該円板部の中心から垂直に延出する軸部とを一体に形成するとよい。

本発明は上述のように構成されているので以下の効果を奏する。即ち、本発明の回転角検出装置においては、磁石部材が、軸部材の軸に対して直交する最大面を有する直方体に形成され、この直方体の一方の最大面側に開口し直方体の短尺側の側面に平行に延在する溝が形成された磁石を有し、この磁石に対し溝に沿って着磁されるように構成されているので、小型の磁石部材によって、磁電変換素子に供する平行磁場の領域を広くすることができる。

上記の回転角検出装置において、磁石の溝は矩形断面を有し、該矩形断面の長尺側の中心が、直方体の長尺側の側面の中心を含み直方体の短尺側の側面に平行に延在するように形成すれば、平行磁場の領域を一層広くすることができる。特に、磁石の溝は、直方体の長尺側の辺の長さに対し１５分の４乃至１５分の８の幅に設定し、あるいは、直方体の厚さに対し２分の１の深さに設定すれば、安定した平行磁場の領域を確保することができる。

また、上記の回転角検出装置において、磁石の溝は、磁電変換素子に対向して配置される側に対し反対側となる磁石の最大面側に開口するように形成すれば、安定した平行磁場の領域を確保することができる。更に、磁石は、直方体の短尺側の辺の長さを長尺側の辺の長さの３分の１に設定すれば、平行磁場の領域を広くすることができる。そして、軸部材は、磁石部材の磁電変換素子に対向する側の面が表面に露出するように埋設される円板部と、該円板部の中心から垂直に延出する軸部とを一体に形成すれば、磁電変換素子に対し磁石部材を適切に配置することができる。

本発明の一実施形態に供される磁石部材の斜視図である。 本発明の一実施形態に供される磁石部材と磁電変換素子の関係を示す平面図である。 本発明の一実施形態に係る回転角検出装置の断面図である。 本発明の一実施形態に供されるハウジングと支持部材を分離して示す断面図である。 本発明の一実施形態に供される支持部材を示す平面図である。 本発明の一実施形態に供される支持部材に軸部材を装着した状態を示す平面図である。 本発明の一実施形態に供される軸部材を示す斜視図である。 本発明の一実施形態に係る回転角検出装置を示す斜視図である。 本発明の一実施形態に係る回転角検出装置を分解して示す斜視図である。 本発明の一実施形態に供される磁石部材と従来の磁石部材による平行磁場領域のシミュレーション結果を対比して示す分布図である。 本発明の一実施形態に供される磁石部材と比較例による平行磁場領域のシミュレーション結果を対比して示す分布図である。 本発明の一実施形態に供される磁石部材と比較例による平行磁場領域のシミュレーション結果を対比して示す分布図である。

以下、本発明の望ましい実施形態を図面を参照して説明する。図１乃至図９は本発明の一実施形態に係り、図３に示すように、磁電変換素子１０に対する磁石部材２０の相対回転に応じて軸部材２の回転角を検出する無接触型の回転角検出装置で、これに供される磁石部材２０を図１に拡大して示している。磁石部材２０は、図１に示すように、最大面（平行二面を代表して２０１で表す）、長尺側の側面（平行二面を代表して２０２で表す）及び短尺側の側面（平行二面を代表して２０３で表す）で構成される直方体に対し、一方の最大面２０１側に開口し短尺側の側面２０３に平行に延在する溝２０４が形成された磁石２００を有し、この磁石２００に対し溝２０３に沿って着磁されたものである。図１に着磁方向を白抜矢印のＭＧで示し、着磁後の磁極を（Ｎ）及び（Ｓ）で示している。

本実施形態においては、磁石２００は、その短尺側の辺の長さ（Ｂ）が長尺側の辺の長さ（Ａ）の３分の１に設定されている。そして、磁石２００の溝２０４は矩形断面を有し、その長尺側の中心が、長尺側の側面２０２の中心を含み短尺側の側面２０３に平行に延在するように形成されている。また、溝２０４は、磁石２００の長尺側の辺の長さ（Ａ）に対し３分の１の幅（Ｄ）に設定されており、磁石２００の厚さ（Ｃ）に対し２分の１の深さ（Ｅ）に設定されている。図１に示すように、溝２０４は、磁電変換素子１０に対向して配置される側に対し反対側となる磁石２００の最大面２０１側（図１の下方）に開口するように形成されている。尚、上記の寸法関係は、後述するように、シミュレーション結果に基づいて設定され、厳密な値に限定されるものではなく、近似する値を含み、略２分の１、略３分の１等であればよいが、溝２０４の幅（Ｄ）については、後述するように、磁石２００の長尺側の辺の長さ（Ａ）に対し１５分の４乃至１５分の８の溝２０４の幅（Ｄ）に設定すれば使用に供し得ることが確認されており、従って、この範囲内で、上記のように長尺側の辺の長さ（Ａ）に対し３分の１の幅（Ｄ）に設定されている。

上記の磁石部材２０によって、磁電変換素子１０付近に平行な磁場が形成される。そして、磁石部材２０が軸部材２の軸（図１にＺで示す）を中心に回転駆動されたときには、磁石部材２０による平行磁場は、図２に一点鎖線の矢印で示すように、固定位置（図３に示す）の磁電変換素子１０に対し相対的に回転し、例えば回転角θとなったときの磁場強度ＢのＸ方向成分ＢｘとＹ方向成分Ｂｙが磁電変換素子１０によって検出される。而して、磁場方向に比例した信号が磁電変換素子１０から出力され、回転角θが演算される。ガタなどにより、磁電変換素子１０の位置が平行磁場の領域（図２にＰｍｆで示す）の外側に移動した場合、誤差が生ずることは明らかであり、磁電変換素子１０に供される平行磁場の領域は極力広くすることが望ましい。本実施形態における平行磁場の領域確保については、図１０乃至図１２に示すシミュレーション結果に基づいて後述する。

図３乃至図９は上記の磁石部材２０を備えた回転角検出装置を示すもので、外部機構、例えばブレーキペダルの操作量の検出に供される。磁電変換素子１０は例えば一対のホールＩＣで構成され、これを収容するハウジング１に対し、軸部材２を回転可能に支持する支持部材３が接合され、リターンスプリング４を構成するコイルばねの一端が軸部材２に係止され他端が支持部材３に係止されている。例えば防水コネクタのコネクタ部材５がハウジング１に接合されると、磁電変換素子１０がコネクタ部材５に電気的に接続されると共に、磁電変換素子１０が外部に対し密封される。そして、駆動レバー６が軸部材２に固定されると共に、ペダルレバーＰＬに係合するように配置されると、ブレーキペダルセンサが構成される。以下、各構成部材について具体的に説明する。

先ず、ハウジング１は合成樹脂製で、図３及び図４に示すように本体部１ａと接合部１ｂを有し、本体部１ａには素子室ＳＣが形成されており、少なくとも磁電変換素子１０が収容されている。また、本体部１ａには、素子室ＳＣとは分離して磁石室ＭＣが形成されており、この磁石室ＭＣ内に磁石部材２０が磁電変換素子１０に対向する位置で収容されるように、本体部１ａが合成樹脂製の支持部材３に接合される。接合部１ｂは本体部１ａと一体的に形成され、この接合部１ｂのみを介して素子室ＳＣが外部空間に連通するように構成されている。従って、接合部１ｂにコネクタ部材５が液密的に嵌合されると素子室ＳＣは密閉空間となる。本実施形態のハウジング１は、本体部１ａから一体的に延出する円筒部１ｃを有しており、例えば円筒部１ｃの全周に亘ってレーザ溶接されると、円筒部１ｃが支持部材３に密着して接合され、磁石室ＭＣが外部空間から遮蔽される。

一方、支持部材３は、図５及び図６に示すように、軸部材２を回転可能に支持する軸受部３ａが形成され、その回りに環状凹部３ｂが形成されている。この環状凹部３ｂの回りには環状の立壁３ｃが形成されており、ハウジング１の円筒部１ｃの内周面に立壁３ｃが嵌合されるように構成されている。尚、円筒部１ｃと立壁３ｃの嵌合時の位置決め用に、立壁３ｃから複数（本実施形態では４個）の突起３ｄが延出形成されており、円筒部１ｃの内周面にはこれらに嵌合する凹部１ｄが形成されている。更に、環状凹部３ｂ内には、リターンスプリング４の端部４ａを係止するため、平面視円弧状の係止突起３ｅが延出形成されている。また、立壁３ｃから外側に、相互に離隔する方向に延出する一対のフランジ部３ｆ、３ｆが形成され、夫々に取付孔３ｇ、３ｇが形成されている。

軸部材２は、図７に示すように、合成樹脂によって円板部２ａと軸部２ｂが一体に形成され、図１に示す磁石部材２０が円板部２ａに埋設されている。軸部２ｂの先端には所謂二面幅の係合部２ｃが形成されており、駆動レバー６に形成される二面幅の係合孔６ｃ（図９に示す）と係合可能に構成されている。更に、軸部材２の円板部２ａ下面には、リターンスプリング４の端部４ｂを係止するため、円弧状の係止突起２ｅが延出形成されており、支持部材３の係止突起３ｅに対し、平面視で図５に示す位置関係にある。

即ち、駆動レバー６は軸部材２の径方向に延出する延出部６ａと、軸部材２の軸に平行に延出し外部機構（ペダルレバーＰＬ）と係合する係合部６ｂを有し、（係合孔６ｃと係合部２ｃの係合により）延出部６ａの一端が軸部材２に固定され、延出部６ａの他端が軸部材２の径方向に延出し、リターンスプリング４の付勢力に抗して軸部材２を回転駆動するように構成されている。尚、磁石部材２０は前述（図１）のように構成されており、磁電変換素子１０は、一対のホールＩＣ（図示せず）を有し、軸部材２の回転、ひいては磁石部材２０の回転角度変化に応じて変化する平行磁場の角度変化が一対のホールＩＣによって検出され、磁場角度に応じた電圧出力がコネクタ部材５を介して外部機器（図示せず）に供給されるように構成されている。

上記の回転角検出装置の組付工程について、図９を参照して説明する。先ず、支持部材３の環状凹部３ｂ内にリターンスプリング４が収容され、その端部４ａが係止突起３ｅに係止される。続いて、軸部材２の軸部２ｂが支持部材３の軸受部３ａ内に収容されると共に、軸部材２の係止突起２ｅにリターンスプリング４の端部４ｂが係止され、環状の立壁３ｃ内に軸部材２の円板部２ａが収容されると、図４の下部に示す状態となり、更に、図４の上部に示すハウジング１が支持部材３に接合される。即ち、ハウジング１の円筒部１ｃに形成された各凹部１ｄが、支持部材３の立壁３ｃに形成された各突起３ｄに嵌合されて、円筒部１ｃが立壁３ｃに対し所定の位置に嵌合された後、円筒部１ｃの全周に亘ってレーザ溶接される。これにより、ハウジング１が支持部材３に密着接合され、図３に示す磁石室ＭＣが形成される。

次に、ハウジング１の本体部１ａ内に磁電変換素子１０が収容され、磁電変換素子１０に対向する位置で保持される。そして、本体部１ａ内で、磁電変換素子１０を構成する一対のホールＩＣ（図示せず）にコネクタ部材５が電気的に接続されると共に、接合部１ｂに対しコネクタ部材５が液密的に嵌合され、図３に示すように密閉空間の素子室ＳＣが形成される。更に、軸部材２の係合部２ｃに駆動レバー６の係合孔６ｃが係合されて接合され、軸部材２が駆動レバー６の揺動に応じて回転駆動されるように構成される。

上記の構成になる回転角検出装置は、図３に示すように、駆動レバー６の係合部６ｂがペダルレバーＰＬに係合するように配置される。このとき、駆動レバー６はリターンスプリング４の付勢力によってペダルレバーＰＬに押圧される状態となるので、ペダルレバーＰＬは、予め設定された初期位置に保持される。この状態からペダルレバーＰＬが操作されると、駆動レバー６が軸部材２（軸部２ｂ）の軸を中心に揺動し、リターンスプリング４の付勢力に抗して軸部材２が回転駆動されるので、軸部材２の円板部２ａに埋設された磁石部材２０が軸部２ｂの軸を中心に回転する。即ち、ハウジング１内に収容支持された磁電変換素子１０に対し、（ハウジング１と一体の）支持部材３に支持された磁石部材２０が相対的に回転し、その回転角度変化に応じて変化する平行磁場の角度変化が、磁電変換素子１０内の一対のホールＩＣによって検出される。而して、磁場角度に応じた電圧出力がコネクタ部材５を介して外部機器（図示せず）に供給される。

上記の回転角検出装置に供される磁石部材２０を構成する磁石２００は、磁電変換素子１０に供される平行磁場の検出領域確保のため図１に示すように形成されており、特に、溝２０４が形成された部分は他の部分に比し薄く（体積が小さく）、溝２０４の近傍に磁力線が集中するので、平行磁場の領域が広くなり、小型で安定した平行磁場の検出領域が確保される。以下、本実施形態と従来の磁石に対して行った図１０に示すシミュレーション結果に基づいて説明する。本実施形態の磁石部材２０によって形成されるＸ−Ｚ面の平行磁場の領域（即ち、着磁方向と平行な領域）を図１０の（ａ）に白抜き（ハッチングされていない領域）で示し、例えば特許文献２に記載の円板磁石によって形成されるＸ−Ｚ面の平行磁場の領域を図１０の（ｂ）に白抜き（ハッチングされていない領域）で示している。

図１０の（ａ）及び（ｂ）の何れにおいても、実線で示す矩形の領域が検出領域とされるが、図１０の（ａ）では（平行磁場でない）ハッチング領域を含まず、従って、Ｘ方向のズレに影響され難く、安定した平行磁場の検出領域が確保されることが分かる。尚、Ｙ方向については何れも同等であったので記載を省略する。更に、磁石からの距離が同等の地点で所定の磁束密度が得られる磁石の体積を比較すると、本実施形態の磁石２００は円板磁石の二分の一以下の体積となり、円板磁石に比し、必要とする磁石材料が少なく、生産コストを抑えることができる。

次に、本実施形態の磁石２００の形状の特定に際して行ったシミュレーション結果を説明する。図１１の（ａ）は磁石２００の短尺側の辺の長さ（Ｂ）が長尺側の辺の長さ（Ａ）の３分の１に設定された場合、図１１の（ｃ）は磁石２００の短尺側の辺の長さ（Ｂ）が長尺側の辺の長さ（Ａ）の２分の１に設定された場合について、夫々、着磁後のＸ−Ｚ面の平行磁場の領域を白抜き（ハッチングされていない領域）で示し、検出領域を矩形の実線で示しているが、図１１の（ａ）の方がＸ方向のズレに影響され難く、安定した平行磁場の検出領域が確保されることが確認された。

更に、前述の磁石２００の長尺側の辺の長さ（図１のＡ）に対する溝２０４の幅（図１のＤ）の設定に関し、磁石２００の長尺側の辺の長さ（Ａ）を１５ｍｍに固定した状態で、溝２０４の幅（Ｄ）を３ｍｍ乃至９ｍｍの範囲で１ｍｍ毎に設定した場合のシミュレーション結果を、図１２に示す。同図において、Ｄ＝３乃至９の各々に対し、着磁後のＸ−Ｚ面の平行磁場の領域を白抜き（ハッチングされていない領域）で示し、検出領域を矩形の実線で示している。この結果、図１２に示すＤ＝３及び９を除き、Ｄ＝４乃至８とした場合に、使用範囲内で平行磁場を確保し得ることが確認された。従って、磁石２００は、長尺側の辺の長さ（Ａ）に対し１５分の４乃至１５分の８の溝２０４の幅（Ｄ）に設定すればよく、前述の実施形態においては、この範囲内の３分の１の幅（Ｄ）に設定されている。

１ ハウジング
１ａ 本体部
１ｂ 接合部
２ 軸部材
３ 支持部材
４ リターンスプリング
５ コネクタ部材
６ 駆動レバー
１０ 磁電変換素子
２０ 磁石部材
ＳＣ 素子室
ＭＣ 磁石室
ＰＬ ペダルレバー
２００ 磁石
２０４ 溝

Claims (7)

1. 磁電変換素子に対向して軸部材に配置される磁石部材を有し、該磁石部材の前記磁電変換素子に対する相対回転に応じて前記軸部材の回転角を検出する回転角検出装置において、前記磁石部材が、前記軸部材の軸に対して直交する最大面を有する直方体に形成され、該直方体の一方の最大面側に開口し当該直方体の短尺側の側面に平行に延在する溝が形成された磁石を有し、該磁石に対し前記溝に沿って着磁されていることを特徴とする回転角検出装置。
2. 前記磁石の溝は矩形断面を有し、該矩形断面の長尺側の中心が、前記直方体の長尺側の側面の中心を含み前記直方体の短尺側の側面に平行に延在するように形成されていることを特徴とする請求項１記載の回転角検出装置。
3. 前記磁石の溝は、前記直方体の長尺側の辺の長さに対し１５分の４乃至１５分の８の幅に設定されていることを特徴とする請求項２記載の回転角検出装置。
4. 前記磁石の溝は、前記直方体の厚さに対し２分の１の深さに設定されていることを特徴とする請求項２又は３記載の回転角検出装置。
5. 前記磁石の溝は、前記磁電変換素子に対向して配置される側に対し反対側となる前記磁石の最大面側に開口するように形成されていることを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項に記載の回転角検出装置。
6. 前記磁石は、前記直方体の短尺側の辺の長さが長尺側の辺の長さの３分の１に設定されていることを特徴とする請求項１乃至５の何れか一項に記載の回転角検出装置。
7. 前記軸部材は、前記磁石部材の前記磁電変換素子に対向する側の面が表面に露出するように埋設される円板部と、該円板部の中心から垂直に延出する軸部とが一体に形成されていることを特徴とする請求項１乃至６の何れか一項に記載の回転角検出装置。

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