JP3891045B2 - 回転角検出装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回転部材と非回転部材との相対する回転角度を検出する回転角検出装置に関するものであり、外部磁気（回転角検出装置の外部から与えられる磁気）によって磁気検出素子の出力特性が変動するのを防ぐ技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
回転角検出装置の概略構造を図４を参照して説明する。
回転角検出装置は、直径方向に分割された略円筒状を呈し、分割部の磁石配置ギャップＪ1 に同一方向に向く磁極の磁石Ｊ2 が配置された磁性体製のヨークＪ3 と、このヨークＪ3 の内部に配置され、直径方向に分割された略円柱状を呈し、分割部の磁気検出ギャップＪ4 にホールＩＣＪ5 （磁気検出素子を内蔵するＩＣ）が配置された磁性体製のコアＪ6 とを備えるもので、ヨークＪ3 とコアＪ6 との相対回転位置によって変化するホールＩＣＪ5 の出力信号に基づいて、回転部材と非回転部材との回転角度を検出するものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
回転角検出装置の回転軸に対して傾斜した方向から外部磁気（回転角検出装置の外部から与えられる磁気）が与えられると、図５の破線Ｊ7 に示すように、外部磁気がコアＪ6 を横切り、ホールＩＣＪ5 の出力特性が変動して正確な回転角度の検出ができなくなってしまう。
【０００４】
一方、図６に示すように、磁石配置ギャップをＭ₁ 、ヨークとコアの最短ギャップをＭ₂ 、磁気検出ギャップをＭ₃ とした場合、
Ｍ₁ ²＞２Ｍ₂ ²＋Ｍ₃ ²
で表される式を満足するように設けられている。
このように設けられた回転角検出装置では、回転軸に対して直交方向から外部磁気が与えられると、図６の破線Ｊ8 に示すように、外部磁気がコアＪ6 を横切り、ホールＩＣＪ5 の出力特性が変動してしまう。この場合も、ホールＩＣＪ5 の出力特性の変動により、正確な回転角度の検出ができなくなってしまう。
そこで、図７に示すように、磁石配置ギャップＭ₁ を小さくし、破線Ｊ9 で示すように、外部磁気をヨークＪ3 を通して外部に逃がそうとすると、磁石Ｊ2 の両極の短絡距離が短くなり、図７の実線Ｊ10で示す磁束の短絡が発生してしまう。すると、ヨークＪ3 に与えられる磁力が低下して検出精度が低下する不具合が生じる、あるいは磁束の短絡による磁力の低下を補うために磁石Ｊ2 を大型化する必要が生じる。
【０００５】
【発明の目的】
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたもので、その目的は、外部磁気の影響によって磁気検出素子の出力特性が変動するのを防ぎ、正確な回転角度の検出が可能な回転角検出装置の提供にある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
〔請求項１の手段〕
請求項１の手段を採用する回転角検出装置は、回転角検出装置の外部から外部磁気が与えられても、外部磁気が磁気検出素子を介してコアを横切る不具合が発生せず、磁気検出素子の出力特性が外部磁気によって変動する不具合がない。
このため、従来に比較して外部磁気の影響が抑えられ、正確な回転角度の検出が可能になる。
【０００７】
〔請求項２の手段〕
請求項２の手段を採用する回転角検出装置は、回転角検出装置の回転軸に対して傾斜した方向から外部磁気が与えられても、外部磁気が磁気検出素子を介してコアを横切る不具合が発生せず、磁気検出素子の出力特性が外部磁気によって変動する不具合がない。
このため、従来に比較して外部磁気の影響が抑えられ、正確な回転角度の検出が可能になる。
【００１０】
〔請求項３の手段〕
請求項３の手段を採用する回転角検出装置は、磁石を介して対向する分割されたヨークの最短距離を短く設けて、外部より与えられる外部磁気を、分割されたヨークの一方から磁石を通して分割されたヨークの他方へ導くように設けるとともに、磁石の形状を、その磁石の着磁方向が磁気配置ギャップの対向方向に対して傾斜する形状に設けることで短絡距離を延長し、磁石の両極の短絡を抑えるように設けられている。
これによって、回転角検出装置の回転軸に対して直交方向から外部磁気が与えられても、外部磁気が磁気検出素子を介してコアを横切る不具合が発生せず、磁気検出素子の出力特性が外部磁気によって変動する不具合がない。
このため、従来に比較して外部磁気の影響が抑えられ、正確な回転角度の検出が可能になる。
また、磁石の傾斜形状によって磁石の両極の短絡距離が長く設けられることにより、磁石の両極に発生する磁束の短絡量が大幅に減少し、ヨークに発生させる磁力の低下を防ぐことができる。これによって、回転角検出装置の検出精度が低下する不具合を解消することができるとともに、磁束の短絡による磁力の低下を補うために磁石を大型化させる必要もなくなる。
【００１１】
〔請求項４の手段〕
請求項４の手段を採用し、
磁石配置ギャップをＭ₁ 、
短絡距離をＭ₁'、
ヨークとコアの最短ギャップをＭ₂ 、
磁気検出ギャップをＭ₃ とした場合、
Ｍ₁ ²＜２Ｍ₂ ²＋Ｍ₃ ²
で表される式を満足するとともに、
Ｍ₁'² ＞２Ｍ₂ ²＋Ｍ₃ ²
で表される式を満足するように設けても良い。
このように設けることにより、請求項３の手段で示した効果を得ることができる。
【００１２】
〔請求項５の手段〕
請求項５の手段を採用し、
磁石配置ギャップをＭ₁ 、
短絡距離をＭ₁'、
ヨークとコアの最短ギャップをＭ₂ 、
磁気検出ギャップをＭ₃ とした場合、
Ｍ₁ ＜２Ｍ₂ ＋Ｍ₃
で表される式を満足するとともに、
Ｍ₁'＞２Ｍ₂ ＋Ｍ₃
で表される式を満足するように設けても良い。
このように設けることにより、請求項３の手段で示した効果を得ることができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を、２つの実施例および変形例を用いて説明する。
〔第１実施例〕
図１、図２を用いて第１実施例を説明する。なお、図１は回転角検出装置を回転軸方向から見た断面図と軸方向に沿う断面図、図２は外部磁気誘導体の断面図である。
この実施例に示す回転角検出装置は、例えばスロットルバルブ（回転部材に相当）の開度を検出するためのものであり、スロットルバルブと図示しない部材を介して一体に回転するリング状のヨーク１と、このヨーク１の内部に配置され、固定部材（非回転部材に相当）に設けられたコア２とを備える。
【００１４】
ヨーク１は、コア２の周囲に同芯的に配置されたものであり、ヨーク１とコア２との間は、接触しないように隙間が設けられている。このヨーク１は、直径方向に分割された断面が略円筒状を呈した磁性体製（例えば、鉄）の略円柱体であり、２つの対向する分割部に形成された磁石配置ギャップ３のそれぞれには同一方向に着磁された磁石４が配置されている。このような構成を採用することにより、分割されたヨーク１の一方がＮ極の極性を持ち、分割されたヨーク１の他方がＳ極の極性を持つ。
【００１５】
なお、ヨーク１は、図１に示すように略楕円形状に設けられており、分割されたヨーク１の中心部分（２つの磁石４の中間部分のヨーク１）において、最もコア２に接近するように設けられている。
【００１６】
コア２は、ヨーク１の中心に同芯的に配置されたものであり、直径方向に分割された略円柱状または多角形状を呈した磁性体製（例えば鉄）のものであり、その分割部に形成された磁気検出ギャップ５に２つのホールＩＣ６が配置されている。このホールＩＣ６は、ホール素子（磁気検出素子）と信号増幅回路とを一体化したＩＣであり、磁気検出ギャップ５を通過する磁束密度（ホールＩＣ６を通過する磁束密度）に応じた電圧信号を出力する。
【００１７】
なお、コア２における磁気検出ギャップ５の両側には、円弧状に窪んだ大ギャップ部７が形成されている。この大ギャップ部７を形成することにより、コア２を流れる磁束がホールＩＣ６に集中して流れるようになっている。また、大ギャップ部７を円弧状に形成することにより、ヨーク１から与えられる磁束をより多くコア２に流すことができるようになっている。
【００１８】
上記構成よりなる回転角検出装置の作動を説明する。
回転角検出装置は、磁石配置ギャップ３と磁気検出ギャップ５とが直線上に一致する位置（図１に示す位置、以下、この位置の回転角を０°とする）では、磁石４のＮ極→ヨーク１の一方→コア２の一方→磁気検出ギャップ５→コア２の他方→ヨーク１の他方→磁石４のＳ極の経路で磁束が流れる磁気回路（以下、この磁束の流れ方向を正方向とする）が形成される。
そして、スロットルバルブとともにヨーク１が回転すると、磁束の一部がコア２の他方側から一方側（反対方向）に流れ、これが磁気検出ギャップ５で正方向に流れる磁束と打ち消し合う。このため、磁気検出ギャップ５では、正方向に流れる磁束量Φ₁ と、反対方向に流れる磁束量Φ₂ との差に相当する磁束量（Φ₁ −Φ₂ ）が流れる。
【００１９】
ヨーク１の回転角が０〜１８０°の範囲では、回転角に応じて正方向の磁束量Φ₁ が減少し、反対方向の磁束量Φ₂ が増加する。このため、回転角が０〜１８０°の範囲では、回転角に応じて磁気検出ギャップ５を通過する磁束密度が低下する。この時、回転角が９０°の位置で、正方向の磁束量Φ₁ と反対方向の磁束量Φ₂ が同じになり、両者が打ち消し合って磁束密度が０になる。
ヨーク１の回転角が１８０〜３６０°の範囲では、回転角に応じて正方向の磁束量Φ₁ が増加し、反対方向の磁束量Φ₂ が減少する。このため、回転角が１８０〜３６０°の範囲では、回転角に応じて磁気検出ギャップ５を通過する磁束密度が増加する。この時、回転角が２７０°の位置で、正方向の磁束量Φ₁ と反対方向の磁束量Φ₂ が同じになり、両者が打ち消し合って磁束密度が０になる。
【００２０】
上述したように、ヨーク１の回転角が０〜３６０°の範囲で回転することにより、磁気検出ギャップ５を通過する磁束密度が変化し、その磁束密度の変化に応じてホールＩＣ６の出力が変化する。ホールＩＣ６の出力は、制御装置（図示しない）に読み込まれ、制御装置はホールＩＣ６の出力からヨーク１の回転角（つまり、スロットルバルブの回転角）を検出する。この時、制御装置は、２つのホールＩＣ６の出力を比較して異常がないか否かを確認しながら回転角を検出する。
【００２１】
この実施例の回転角検出装置は、コア２とホールＩＣ６を通過する磁気抵抗よりも低い磁気抵抗の外部磁気誘導磁路（図中破線１０で示す外部磁気が通る磁路）を、ホールＩＣ６の近傍に設け、外部より与えられる外部磁気がホールＩＣ６を通過しないようにしている。また、磁石配置ギャップ３に配置される磁石４は、磁気短絡しない磁石形状に設けられている。
【００２２】
次に、コア２とホールＩＣ６を通過する磁気抵抗よりも低い磁気抵抗の外部磁気誘導磁路を、ホールＩＣ６の近傍に設ける具体的な一例を説明する。
図１（ｂ）に示すように、コア２の回転軸方向の両側には、軸方向長がほぼ同一で、外径寸法がコア２の外径寸法と同一の非磁性体製（例えば樹脂製）のスペーサ８が配置されている。このスペーサ８は、略円柱状を呈するものである。
また、各スペーサ８の軸方向の外端には、磁性体製（例えば、鉄）の外部磁気誘導体９が配置されている。この外部磁気誘導体９の断面を図２に示す。
【００２３】
ここで、スペーサ８の軸方向寸法をＬ₁ 、
ヨーク１とコア２の最短ギャップをＬ₂ 、
磁気検出ギャップ５をＬ₃ とした場合、
２Ｌ₁ ²＞２Ｌ₂ ²＋Ｌ₃ ²
で表される式を満足するように設けられている。
【００２４】
この第１実施例に示す回転角検出装置は、上記の構成を採用したことにより、回転軸に対して傾斜した方向から外部磁気が与えられた場合、その外部磁気は、図１（ｂ）の破線１０で示すように、外部磁気誘導体９の一方からコア２を通して外部磁気誘導体９の他方へ導かれる。
これによって、回転角検出装置の回転軸に対して傾斜した方向から外部磁気が与えられても、外部磁気がホールＩＣ６を介して横切る不具合が発生せず、ホールＩＣ６の出力特性が外部磁気によって変動する不具合がない。
このため、従来に比較して外部磁気の影響が抑えられ、回転角検出装置によって正確な回転角度の検出が可能になる。
【００２５】
〔第２実施例〕
図３を用いて第２実施例を説明する。この図３は回転角検出装置を回転軸方向から見た断面図である。なお、上記第１実施例と実質的に同じ部分は、同一符号を付して説明を省略する。
【００２６】
この第２実施例は、磁石４を介して対向する分割されたヨーク１の最短距離を短くして、外部より与えられる外部磁気が、分割されたヨーク１の一方→磁石４→分割されたヨーク１の他方へ導かれるように設けられるとともに、磁石４の形状を、その磁石４の着磁方向が磁気配置ギャップ３の対向方向に対して傾斜する形状に設けて磁石４の両極の短絡を抑えるものであり、磁石４は、その側面（内面および外面）が傾斜して設けられたものである。
【００２７】
ここで、磁石配置ギャップ３をＭ₁ 、
短絡距離をＭ₁'、
ヨーク１とコア２の最短ギャップをＭ₂ 、
磁気検出ギャップ５をＭ₃ とした場合、
Ｍ₁ ²＜２Ｍ₂ ²＋Ｍ₃ ²
で表される式を満足するとともに、
Ｍ₁'² ＞２Ｍ₂ ²＋Ｍ₃ ²
で表される式を満足するように設けられている。
【００２８】
この第２実施例に示す回転角検出装置は、上記の構成を採用し、分割されたヨーク１の最短距離（磁石配置ギャップ３＝Ｍ₁ ）を短く設けたことにより、回転軸に対して直交方向から外部磁気が与えられた場合、その外部磁気は、図３の破線１１で示すように、分割されたヨーク１の一方から磁石４を通して分割されたヨーク１の他方へ導かれる。
これによって、回転角検出装置の回転軸に対して直交方向から外部磁気が与えられても、外部磁気がホールＩＣ６を介して横切る不具合が発生せず、ホールＩＣ６の出力特性が外部磁気によって変動する不具合がない。
このため、従来に比較して外部磁気の影響が抑えられ、回転角検出装置によって正確な回転角度の検出が可能になる。
【００２９】
また、磁石４の傾斜形状によって磁石４の両極の短絡距離Ｍ₁ ’が長く設けられることにより、磁石４の両極に発生する磁束の短絡量が大幅に減少し、ヨーク１に発生させる磁力の低下を防ぐことができる。これによって、回転角検出装置の検出精度が低下する不具合を解消することができるとともに、磁束の短絡による磁束の低下を補うために磁石４を大型化させる必要もなくなる。
【００３１】
〔変形例〕
上記の第２実施例では、
磁石配置ギャップ３をＭ₁ 、
短絡距離をＭ₁'、
ヨーク１とコア２の最短ギャップをＭ₂ 、
磁気検出ギャップ５をＭ₃ とした場合、
Ｍ₁ ²＜２Ｍ₂ ²＋Ｍ₃ ²
で表される式を満足するとともに、
Ｍ₁'² ＞２Ｍ₂ ²＋Ｍ₃ ²
で表される式を満足するように設けた例を示したが、
Ｍ₁ ＜２Ｍ₂ ＋Ｍ₃
で表される式を満足するとともに、
Ｍ₁'＞２Ｍ₂ ＋Ｍ₃
で表される式を満足するように設けても良い。
【００３２】
上記の実施例では、コア２を固定し、ヨーク１を回転させた例を示したが、逆にヨーク１を固定し、コア２を回転させても良い。
上記の実施例では、ホールＩＣ６を２つ搭載した例を示したが、１つ以上であれば良い。また、磁気検出素子（例えば、ホール素子）のみを磁気検出ギャップ５に配置し、信号増幅回路をコア２の外部に配置しても良い。つまり、例えば、信号増幅回路を制御装置内に設けても良い。
上記の実施例では、回転角検出装置の具体的な一例としてスロットルバルブの開度を検出する例を示したが、産業ロボットのアーム部の回転角度等、他の回転角を検出するように設けても良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】回転角検出装置を回転軸方向から見た断面図および軸方向に沿う断面図である（第１実施例）。
【図２】外部磁気誘導体を回転軸方向から見た断面図である（第１実施例）。
【図３】回転角検出装置を回転軸方向から見た断面図である（第２実施例）。
【図４】回転角検出装置を回転軸方向から見た断面図である（従来例）。
【図５】回転角検出装置の軸方向に沿う断面図である（従来例）。
【図６】回転角検出装置を回転軸方向から見た断面図である（従来例）。
【図７】回転角検出装置を回転軸方向から見た断面図である（従来例）。
【符号の説明】
１ ヨーク
２ コア
３ 磁石配置ギャップ
４ 磁石
５ 磁気検出ギャップ
６ ホールＩＣ（磁気検出素子に相当するホール素子が内蔵されたＩＣ）
８ スペーサ
９ 外部磁気誘導体
Ｌ₁ スペーサの軸方向寸法
Ｌ₂ ヨークとコアの最短ギャップ
Ｌ₃ 磁気検出ギャップ
Ｍ₁ 磁石配置ギャップ（分割されたヨーク１の最短距離）
Ｍ₁' 短絡距離
Ｍ₂ ヨークとコアの最短ギャップ
Ｍ₃ 磁気検出ギャップ

Claims (5)

1. 回転部材あるいは非回転部材の一方に設けられ、直径方向に分割された略円筒状を呈し、２つの対向する分割部に形成された磁石配置ギャップのそれぞれに同一方向に向く磁極の磁石が配置された磁性体製のヨークと、
   このヨークの内部に配置されるとともに、前記ヨークに対して相対的に角度変化する前記回転部材あるいは前記非回転部材の他方に設けられ、直径方向に分割された略円柱状を呈し、その分割部に形成された磁気検出ギャップに磁気検出素子が配置された磁性体製のコアと、を備え、
   前記ヨークと前記コアとの相対回転位置によって変化する前記磁気検出素子の出力信号に基づいて、前記回転部材と前記非回転部材との回転角度を検出する回転角検出装置において、
   前記回転部材の回転軸方向に前記ヨークと所定のギャップＬ ₁ を有する磁性体製の外部磁気誘導体を配置し、
   前記ヨークと前記コアの最短ギャップをＬ ₂ 、
   前記磁気検出ギャップをＬ ₃ とした場合、
   ２Ｌ ₁ ² ＞２Ｌ ₂ ² ＋Ｌ ₃ ²
   で表される式を満足するように設けられて、
   前記回転角検出装置の外部から与えられる磁気が、前記外部磁気誘導磁路を通ることによって前記磁気検出素子を通過しないようにし、
   前記磁石配置ギャップをＭ ₁ 、
   前記ヨークと前記コアの最短ギャップをＭ ₂ 、
   前記磁気検出ギャップをＭ ₃ とした場合、
   Ｍ ₁ ² ＜２Ｍ ₂ ² ＋Ｍ ₃ ²
   で表される式を満足することを特徴とする回転角検出装置。
2. 請求項１の回転角検出装置において、
   前記ヨークと前記コアの最短ギャップＬ ₂ は、
   前記コアの回転軸方向に配置された非磁性体製のスペーサによって設けられることを特徴とする回転角検出装置。
3. 回転部材あるいは非回転部材の一方に設けられ、直径方向に分割された略円筒状を呈し、２つの対向する分割部に形成された磁石配置ギャップのそれぞれに同一方向に向く磁極の磁石が配置された磁性体製のヨークと、
   このヨークの内部に配置されるとともに、前記ヨークに対して相対的に角度変化する前記回転部材あるいは前記非回転部材の他方に設けられ、直径方向に分割された略円柱状を呈し、その分割部に形成された磁気検出ギャップに磁気検出素子が配置された磁性体製のコアと、を備え、
   前記ヨークと前記コアとの相対回転位置によって変化する前記磁気検出素子の出力信号に基づいて、前記回転部材と前記非回転部材との回転角度を検出する回転角検出装置において、
   前記磁石を介して対向する分割された前記ヨークの最短距離を短く設けて、前記回転角検出装置の外部から与えられる磁気を、分割された前記ヨークの一方から前記磁石を通して分割された前記ヨークの他方へ導くように設けるとともに、
   前記磁石の形状を、その磁石の着磁方向が前記磁気配置ギャップの対向方向に対して傾斜する形状に設けることで短絡距離を延長し、前記磁石の両極の短絡を抑えることを特徴とする回転角検出装置。
4. 請求項３の回転角検出装置において、
   前記磁石配置ギャップをＭ₁ 、
   前記短絡距離をＭ₁'、
   前記ヨークと前記コアの最短ギャップをＭ₂ 、
   前記磁気検出ギャップをＭ₃ とした場合、
   Ｍ₁ ²＜２Ｍ₂ ²＋Ｍ₃ ²
   で表される式を満足するとともに、
   Ｍ₁'² ＞２Ｍ₂ ²＋Ｍ₃ ²
   で表される式を満足するように設けられたことを特徴とする回転角検出装置。
5. 請求項３の回転角検出装置において、
   前記磁石配置ギャップをＭ₁ 、
   前記短絡距離をＭ₁'、
   前記ヨークと前記コアの最短ギャップをＭ₂ 、
   前記磁気検出ギャップをＭ₃ とした場合、
   Ｍ₁ ＜２Ｍ₂ ＋Ｍ₃
   で表される式を満足するとともに、
   Ｍ₁'＞２Ｍ₂ ＋Ｍ₃
   で表される式を満足するように設けられたことを特徴とする回転角検出装置。

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