JP5041401B2

JP5041401B2 - 回転センサ

Info

Publication number: JP5041401B2
Application number: JP2006339460A
Authority: JP
Inventors: 賢吾田中; 文彦安倍; 東治金
Original assignee: THE FURUKAW ELECTRIC CO., LTD.
Current assignee: THE FURUKAW ELECTRIC CO., LTD.
Priority date: 2006-12-18
Filing date: 2006-12-18
Publication date: 2012-10-03
Anticipated expiration: 2026-12-18
Also published as: US8314607B2; WO2008075623A1; JP2008151629A; EP2103910A4; EP2103910A1; US20100045271A1; EP2103910B1

Description

本発明は、回転体に取り付けてこの回転体の回転角度を検出するのに使用する回転センサに関する。

従来から、例えば回転するシャフトの回転角度を検知する回転センサが知られている（例えば、特許文献１参照）。この回転センサは、円板状に形成された磁石が回転軸に支持されており、この磁石が回転軸を中心として所定の方向に回転可能に構成されている。また、この回転センサは２つの磁気センサを備えている。２つの磁気センサはホール素子であり、円板の中心と一方の磁気センサを通る直線と、円板の中心と他方の磁気センサを通る直線とが概ね９０度の角度をなすように配置されている。また、各磁気センサは、磁石の円周の直下に共に配置されている。
特開２００３−７５１０８号公報（第２−４頁、図４、５）

ところで、上述したような従来の回転センサは、磁石が径方向に着磁されており、センサの感度を向上させるために磁石の外周の角の部分にホール素子を配置させている。このような構成は磁石とホール素子との相対的位置関係が変わらない場合にのみ高い検出精度を維持できる。しかしながら、実際の回転センサでは、回転軸には軸方向や径方向にガタがあり、磁石とホール素子の相対距離がダイナミックに変化するため、ホール素子が回転軸の回転とは関係ない磁石の動きによる信号を検出してしまい、精度の良い角度検出ができない問題があった。

具体的には、例えば、車両のステアリングシャフトにこのような回転センサを取り付ける際、限られた短いタクトタイム内でステアリングシャフトに回転センサを迅速に取り付ける必要があり、このような組み付け性向上のために回転センサのロータとステータ間の特にロータの軸線方向に関するある程度のガタを許容することが通常行われている。

しかし、このようなガタを許容すると、回転センサのステータとロータとのロータの軸線方向の相対的位置のばらつきが生じてしまい、ロータの軸線方向に関してこの両者の相対的位置関係がずれることで、磁石が回転していなくても検出部の磁束密度が変化し回転したと誤検出してしまい回転センサの高い検出精度を維持できなくなる。特に軸方向に磁石がずれた場合、ホール素子に近づく方向では磁束密度が大きくなり、遠ざかる方向では磁束密度は小さくなる。よって磁石が回転してなくてもホール素子は磁石の軸方向の動きで信号の変動を出力し、角度誤差となってしまう。

これを図面に基づいてより詳細に説明する。図８は、このような回転センサ５の概略平面図であり、磁石５０の周縁近傍に周方向９０°の角度をなしてホール素子９０（９１，９２）がそれぞれ配置されている。図９は、シャフト５５を介してこのような回転センサ５を図示しないステアリングシャフトに最適な寸法関係で取り付けた状態での磁石５０の磁力線５０Ａを模式的に示した図である。同図では、円板状をなす磁石５０の磁力線５０Ａの曲率が最も大きい端部近傍にこの磁力線５０Ａと交差するようにホール素子９０（図９ではホール素子９１）が磁石５０の回転とは独立して固定配置された基板７０に配置されている。そして、この磁束密度の大きさをホール素子９０で検出するようになっている。

一方、図１０は、上述した回転センサ５の組み付け性向上のために、回転センサ５のロータの回転中心軸線方向におけるステータとロータ間のある程度のガタを許容した場合に、このガタに起因して図９に示した回転センサ５の磁石５０がホール素子９０に対して磁石５０の回転中心軸線方向に若干ずれた状態を示している。なお、このずれ量は、上述したように回転センサ５の組み付け性向上を図るために必要なずれ量である。回転センサ５がこのような状態になると、磁石５０の磁力線５０Ａがホール素子９０から離れてしまい、ホール素子９０の検出特性が極端に低下することが分かる。

一方、例えば特開２００６−１０５８２７号公報に記載の回転センサも知られている。この回転センサは、リング状の磁石を有し、車両のステアリングシャフトに磁石を貫通させて車両のステアリングに対する取り付け位置の自由度を高めている。しかしながら、このような回転センサにおいても、センサ自体の検出特性を向上するために磁石の磁力線の曲率が最も大きい端部近傍にホール素子が配置され、上述した場合と同等の問題、即ち回転センサの組み付け性向上を図るために磁石の備わったロータとホール素子の備わったステータ間のロータの回転中心軸線方向、即ち磁石の回転中心軸線方向のガタをある程度許容すると、ステータとロータとの相対的位置のばらつきにより磁石の磁気回路をホール素子が横切らず、ホール素子の検出出力特性が低下する問題が生じている。

図１１はこのような回転センサ６を図示しないシャフトに最適な寸法関係で取り付けた場合の磁石６０の磁力線６０Ａを模式的に表した図である。同図では、リング状の磁石６０の磁力線６０Ａの端部近傍にホール素子９０が配置され、この磁束密度の大きさを磁石６０の回転とは独立して固定配置された基板８０上のホール素子９０で検出するようになっている。

一方、図１２は、上述した回転センサ６の組み付け性向上のために回転センサ６のステータとロータ間のロータの回転中心軸線方向における或る程度のガタを許容した場合に、図１１に示した回転センサ６の磁石６０がこのガタに起因してホール素子９０に対して磁石６０の回転中心軸線方向に若干ずれた状態を示している。なお、このずれ量は、上述したように回転センサ６の組み付け性向上を図るために必要なずれ量である。このような状態になると、磁石６０の磁力線６０Ａがホール素子９０から離れてしまい、ホール素子９０の検出特性が極端に低下することが分かる。

本発明の目的は、被測定回転体の回転軸に軸ガタなどが生じても当該被測定回転体の回転角度を正確に測定できる回転センサを提供することにある。

上述した課題を解決するために、本発明にかかる回転センサは、
被測定回転体の回転角度を検出する回転センサであって、
前記被測定回転体に取り付けられ当該被測定回転体と一体に回転する磁石の磁束密度を磁気検出素子で検出する回転センサにおいて、
前記磁石は、周方向一方の端部であって回転中心軸線方向の一側及び、軸線方向他側の端部を異なる磁極で着磁し、
前記磁気検出素子は、前記磁石の外周で、かつ、前記磁石の厚さ方向の中間付近に配置したものであり、
２つの前記磁気検出素子が、前記磁石の中心軸線に対して９０°をなすように配置されていることを特徴としている。

本発明にかかる回転センサにこのような磁気検出素子を用いることで、被測定回転体の回転角度を正確に測定できる。

また、請求項３に記載の本発明にかかる回転センサは、請求項１記載の回転センサにおいて、前記磁石は、当該磁石の回転軸線と平行な方向に着磁された磁石であることを特徴としている。

本発明にかかる回転センサによると、部品点数が少なく小型で組み付け性及び検出精度に優れた回転センサを提供することができる。

以下、本発明の一実施形態にかかる回転センサ１について図面に基いて説明する。なお、この説明においては自動車のステアリング装置においてこの回転センサを被測定回転体であるステアリングシャフトに取り付けてハンドルの回転角度を検出する場合について説明する。

本発明の一実施形態にかかる回転センサ１は、図１及び図２に示すように、円板状の磁石１０と、磁石１０の中心部一側に突設したシャフト２０と、磁石１０及びシャフト２０の回転とは独立して固定された基板３０と、円板状の磁石１０の周方向外側であって、磁石１０の中心軸線に対して９０°をなすように、かつ磁石１０の中心軸線から互いに等距離隔てて基板上に配置された２つのホール素子（磁気検出素子）４０（４１，４２）を備えている。

なお、基板３０は図示しない筐体等からなるステータに固定されている。また、磁石１０とシャフト２０とはここでは詳細には説明しないロータの一部又は全部をなし、ロータは、図示しない支持部材を介してステータに回転自在に支持されている。そして、回転センサ１によって回転角度を検出するステアリングシャフトにシャフト２０の端部が、両者が一体に回転するように連結されている。なお、回転センサの組み付け性向上のために回転センサ１のステータとロータ間のロータの回転中心軸線方向に或る程度のガタを許容するようになっている。

磁石１０は、周方向一方の端部であって回転中心軸線方向一側（例えば図１の右側で図２の右上側）がＳ極で軸線方向他側（例えば図１の右側で図２の右下側）がＮ極として形成され、周方向他方の端部（一方の端部と直径方向反対側端部）であって軸線方向一側（例えば図１の左側で図２の左上側）がＮ極で軸線方向他側（図１の左側で図２の左下側）がＳ極として形成されている。そして、この一方の端部と他方の端部の間ではＮ極とＳ極の形成領域が磁石１０の厚さ方向（磁石１０の回転中心軸線方向）に徐々に変化するようになっている。

また、ここでは詳細には示さないが、基板３０、磁石１０は外部からの磁気を遮蔽する材質でできた筐体内に収容され、この筐体は図示しないブラケット等でシャフト２０及びこれが連結されるステアリングシャフトとは異なる固定部位に取り付けられるようになっている。

基板３０には、前述したように２つのホール素子４０（４１，４２）が備わっており、図示しないステアリングシャフトと一体に回転するシャフト２０の回転、即ち磁石１０の回転による磁束密度の変化をそれぞれのホール素子４０（４１，４２）が検出するようになっている。

各ホール素子４０（４１，４２）の磁石１０に対する取り付け位置は、図２に示す一方のホール素子４１の配置状態から明らかなように、磁石１０の磁力線１０Ａが形成される領域内であってこの磁力線１０Ａの描くＮ極からＳ極への経路の中間付近の位置（図２の一点鎖線で示す領域Ｒ内）に配置されている。そして、このホール素子４０の出力をここでは詳細には示さない演算手段を用いて磁石１０即ちステアリングシャフトの回転角度に換算している。

このホール素子４０及び上記演算手段を用いた磁石１０（即ちステアリングシャフト２０）の回転角度の検出原理は、例えば図３（ａ）の右側に示す一方のホール素子４１が図３（ｂ）で示す出力特性を有することを利用している。ここで、図３（ｂ）は、横軸が磁石１０、即ちシャフト２０の回転角度を表わし、縦軸が磁石１０の磁束密度の大きさを示している。図３（ｂ）から分かるように一方のホール素子４１の出力特性はｓｉｎ波（正弦波）を示している。

なお、ここでは図示しないが、図３（ａ）において磁石１０の上方に配置したホール素子４２についても同様に図３（ｂ）のような正弦波を示す出力特性を有するが、基板上での両者の配置態様からホール素子４２の出力特性は図３（ｂ）に示すホール素子４１の出力特性に対して９０°位相がずれるようになっている。そして、この９０°位相のずれたホール素子４１，４２の出力をそれぞれＸ，Ｙとすると、ｔａｎ^−１（Ｘ／Ｙ）を取ることによって鋸刃状の出力が得られ、これによってステアリングシャフトの回転角度を３６０°周期で正確に検出するようになっている。

以下に上述した回転センサ１の作用を図面に基づいて具体的に説明する。図２はこのような回転センサを図示しない車両のステアリングシャフトにロータとステータとの相対的な位置関係が最適な状態で取り付けた場合の磁石１０の磁力線１０Ａを模式的に表した図である。同図では、円板状の磁石１０の磁力線１０Ａの、磁石１０の回転中心軸線と平行となる位置であって、設計上最適な位置にホール素子４１が配置され、この磁束密度の大きさをホール素子４１で検出するようになっている。

一方、図４は、上述した回転センサの組み付け性向上のために回転センサ１のステータとロータ間のロータの回転中心軸線方向に或る程度のガタを許容した場合に、このガタに起因して図２に示した回転センサ１の磁石１０がホール素子４１に対して磁石１０の回転中心軸線方向に若干ずれた状態を示している。なお、このずれ量は、回転センサ１の組み付け性向上を図るために必要なずれ量である。このような状態になっても、磁石１０の磁力線１０Ａがホール素子４１を横切る横切り方に関して、図２に示す磁石１０とホール素子４１との相対的位置関係が最適な状態にある場合と殆ど変わらないので、ホール素子４１の検出特性が殆ど低下しないことが分かる。なお、上述した作用の説明は、回転センサ１のロータの回転中心軸線方向におけるロータとステータのガタに起因したものであるので、このようなガタが生じている限り回転センサ１の磁石１０とホール素子４２との間でも上述の作用と同様の作用を生じ、ホール素子４２の検出特性も上述したロータとステータ間のガタによって影響を受けることはない。

続いて、上述した実施形態にかかる回転センサの変形例について図面に基いて説明する。なお、この説明においては自動車のステアリング装置においてこの変形例にかかる回転センサを被測定回転体であるステアリングシャフト（以下、「シャフトＳｈ」とする）に取り付けてハンドルの回転角度を検出する場合について説明する。

本発明の変形例にかかる回転センサ１’は、図５及び図６に示すように、リング状の磁石１１０と、磁石１１０の内周に取り付けられたスペーサ１２５と、磁石１１０とシャフトＳｈの回転とは独立して固定配置された基板１３０と、磁石１１０の周方向外側であって磁石１１０の中心軸線に対して９０°をなすように、かつ磁石１１０の中心軸線から互いに等距離隔てて基板上に配置された２つのホール素子（磁気検出素子）１４０（１４１，１４２）を備えている。そして、基板１３０は図示しない筐体等からなるステータに固定されている。

磁石１１０とスペーサ１２５は、ここでは詳細には説明しないロータの一部又は全部をなし、ロータは、図示しない支持部材を介してステータに回転自在に支持されている。そして、回転センサの組み付け性向上のために回転センサ１’のステータとロータ間のロータの回転中心軸線方向に或る程度のガタを許容している。

なお、磁石１１０の内側に取り付けられたリング状のスペーサ１２５は非磁性材料製のスペーサからなる。また、リング状のスペーサ１２５の内周面には例えば図示しないセレーションが形成され、シャフトＳｈの図示しないセレーションと嵌合するようになっている。そして、スペーサ１２５を介してシャフトＳｈの回転と共にこの磁石１１０が一体に回転するようになっている。又、磁石１１０は磁気回路に影響を与えない軸受等で基板１３０又はこの基板１３０を収容する筐体に回転自在に支持されている。

磁石１１０の構成については、上述したリング状の磁石１０のように周方向一方の端部（図５に示す右側）で磁石１１０の軸線方向一側（図６に示す上側）がＳ極で磁石１１０の軸線方向他側（図６に示す下側）がＮ極として形成され、周方向他方の端部（一方の端部と直径方向反対側端部で図５に示す左側）の一側がＮ極で他側がＳ極として形成されている。また、この一方の端部と他方の端部との間ではＮ極とＳ極との形成領域が磁石１１０の厚さ方向（磁石１１０の回転中心軸線方向）に亘って徐々に入れ替わるようになっている。各ホール素子１４０の磁石１１０に対する取り付け位置は、図６に示す一方のホール素子１４１の配置状態から明らかなように、磁石１１０の磁力線１１０Ａが形成される領域内であってこの磁力線１１０Ａの、磁石１１０の回転軸線とほぼ平行となる位置に配置されている。

なお、この各ホール素子１４０を用いて回転角度を検出する方法については、上述の実施形態の回転センサ１と同様であるので詳細な説明を省略する。

続いて、上述した回転センサ１’の作用を図面に基づいて以下に具体的に説明する。図６は、このような回転センサ１’をここでは図示しないシャフトＳｈに最適な状態で取り付けた場合における磁石１１０の磁力線１１０Ａを模式的に示した図である。図６では、リング状の磁石１１０の磁力線１１０Ａの、磁石１１０の回転中心軸線と平行となる位置であって取付け上最適な位置にホール素子１４１が配置され、この磁束密度の大きさをホール素子１４１で検出するようになっている。

一方、図７は、上述した回転センサ１’の組み付け性向上のために回転センサ１’のロータの回転中心軸線方向におけるステータとロータ間のガタをある程度許容した場合、このガタに起因して図５に示した回転センサ１’の磁石１１０がホール素子１４１に対して磁石１１０の回転中心軸線方向に若干ずれた状態を示している。なお、このずれ量は、回転センサ１’の組み付け性向上を図るために必要なずれ量である。このような状態になっても、磁石１１０の磁力線１１０Ａがホール素子１４１を横切る横切り方について磁石１１０とホール素子１４１との相対的配置が最適な状態にある場合と殆ど変わらないので、ホール素子１４０の検出特性が殆ど低下しないことが分かる。

なお、上述した作用は、回転センサ１’のロータの回転中心軸線方向におけるロータとステータのガタが生じた場合に発揮されるので、回転センサ１’の磁石１１０とホール素子１４２との間でも上述の作用と同様の作用を生じ、ホール素子１４２の検出特性が上述したロータとステータ間のガタによって影響を受けることはない。

以上説明したように、本発明にかかる回転センサは、上述した構成を有することで、小型で組み付け性に優れ、かつ組付け性向上のために許容したロータとステータ間のロータの軸線方向のガタの影響を受けることなく、常に安定した回転角度の検出精度を維持できる。

なお、以上説明した実施形態及びその各種変形例に関する回転センサにおいて、磁気検出素子として上述したホール素子を使用する代わりにＭＲ素子を使用することも考えられるが、ＭＲ素子は磁束の大きさは判別できても極性までは判別できず、磁束の大きさおよび極性を判別できるホール素子のほうが、１つの素子あたりの検出可能な角度範囲が広くなる（理論上２倍になる）点で利用価値が高いと言える。従って、上述の実施形態及びその各種変形例に関する回転センサにホール素子を用いることは技術的意義があると言える。

本発明にかかる回転センサは、高い回転角度検出精度を要求されると共に、組み付け性向上のために或る程度の部品公差や組み付け状態でのガタを許容せざるを得ない車両用ステアリング装置の回転角度検出に特に適している。しかしながら、本発明にかかる回転センサは、例えば、ロボットアームのように振動しながら回転する回転軸間の相対回転角度や回転トルクを求めるものであれば、どのようなものにも適用可能である。

本発明の一実施形態にかかる回転センサの概略平面図である。図１に示した回転センサが、基板（ステータ）が磁石（ロータ）に対して最適な相対的位置関係で取り付けられた状態を概略的に示す矢視II‐II側面図である。図１に示した回転センサの回転角度検出の原理を概略的に示す説明図である。回転センサのホール素子が実装された基板（ステータ）が磁石（ロータ）に対してロータの回転中心軸線方向に若干ずれた状態を示す図２に対応する概略側面図である。図１に示した回転センサの変形例を示す概略平面図である。図５に示した回転センサを矢視VI‐VIで示す部分的な概略側面図である。回転センサのホール素子が実装された基板（ステータ）が磁石（ロータ）に対してロータの回転中心軸線方向に若干ずれた状態を示す概略側面図である。従来の回転センサの図１に対応する概略平面図である。従来の回転センサの図２に対応する概略側面図であり、基板（ステータ）が磁石（ロータ）に対して最適な相対的位置関係で取り付けられた回転センサを示している。回転センサのホール素子が実装された基板（ステータ）が磁石（ロータ）に対してロータの回転中心軸線方向に若干ずれた状態を示す概略側面図である。図９とは異なる従来の回転センサの部分的概略斜視図であり、基板（ステータ）が磁石（ロータ）に対して最適な相対的位置関係で取り付けられた状態にある回転センサを示している。図１１とは異なり回転センサのホール素子が実装された基板（ステータ）が磁石（ロータ）に対してロータの回転中心軸線方向に若干ずれた状態を示す部分的概略斜視図である。

符号の説明

１，１’，５，６回転センサ
１０磁石
１０Ａ磁力線
２０シャフト
３０基板
４０（４１，４２）ホール素子
５０磁石
５０Ａ磁力線
５５シャフト
６０磁石
６０Ａ磁力線
７０，８０基板
９０（９１，９２）ホール素子
１１０磁石
１１０Ａ磁力線
１２５スペーサ
１３０基板
１４０（１４１，１４２）ホール素子
Ｒ領域
Ｓｈシャフト

Claims

被測定回転体の回転角度を検出する回転センサであって、
前記被測定回転体に取り付けられ当該被測定回転体と一体に回転する磁石の磁束密度を磁気検出素子で検出する回転センサにおいて、
前記磁石は、周方向一方の端部であって回転中心軸線方向の一側及び、軸線方向他側の端部を異なる磁極で着磁し、
前記磁気検出素子は、前記磁石の外周で、かつ、前記磁石の厚さ方向の中間付近に配置したものであり、
２つの前記磁気検出素子が、前記磁石の中心軸線に対して９０°をなすように配置されていることを特徴とする回転センサ。
前記磁気検出素子は、前記磁力線と平行な磁束密度の大きさを検出する磁気検出素子であることを特徴とする、請求項１記載の回転センサ。