JP2004245703A - 回転角検出装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】廉価で体格が小さく信頼性の高い回転角度検出精度を提供する。
【解決手段】エンジンのスロットル弁が固定されたシャフト２の端部に軸方向に沿って作動部２１を形成する。作動部２１には切欠部２２とＤ形断面の残存部２３を形成する。作動部２１の周囲にステータコア２４とマグネット２６を配置する。ステータコア２４は残存部２３との間のエアギャップＧ１が連続的に変化する対向面２４ｃを備える。マグネット２６はパラレル着磁された平板状のものを使用する。ステータコア２４にはマグネット２６から残存部２３とステータコア２４を介してマグネット２６に至る磁路Ａ，Ｂ中にホールＩＣ２７ａ，２７ｂを配置する。シャフト２の回転に伴い磁路Ａ，Ｂを流れる磁束の密度が変化し、その変化をホールＩＣ２７ａ，２７ｂにて捉え、シャフト２の回転角を検出する。
【選択図】 図２
【解決手段】エンジンのスロットル弁が固定されたシャフト２の端部に軸方向に沿って作動部２１を形成する。作動部２１には切欠部２２とＤ形断面の残存部２３を形成する。作動部２１の周囲にステータコア２４とマグネット２６を配置する。ステータコア２４は残存部２３との間のエアギャップＧ１が連続的に変化する対向面２４ｃを備える。マグネット２６はパラレル着磁された平板状のものを使用する。ステータコア２４にはマグネット２６から残存部２３とステータコア２４を介してマグネット２６に至る磁路Ａ，Ｂ中にホールＩＣ２７ａ，２７ｂを配置する。シャフト２の回転に伴い磁路Ａ，Ｂを流れる磁束の密度が変化し、その変化をホールＩＣ２７ａ，２７ｂにて捉え、シャフト２の回転角を検出する。
【選択図】 図２
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、被検出物の回転角度を検出する回転角検出装置に関し、特に、エンジンのスロットル弁開度の検出装置に適用して有効な技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、非接触型の回転角検出装置として、例えば特開平８−３５８０９号公報や特開２００１−４３１５号公報、特開２００１−２８９６０９号公報等のように、被検出物に磁石を取り付け、その磁束変化によって被検出物の回転角度を検出するものが知られている。図６は、このような従来の回転角検出装置の構成を示す分解斜視図、図７（ａ）は図６の回転角検出装置の平面図、図７（ｂ）は図７（ａ）のＢ−Ｂ線に沿った断面図である。
【０００３】
図６，７の回転角検出装置では、回転角度の検出が求められるシャフト５１にはロータハウジング５２が取り付けられている。ロータハウジング５２の内周には鉄製のロータコア５３が取り付けられている。ロータコア５３の内周側にはさらにリングマグネット５４が固定されている。リングマグネット５４の内側にはロータハウジング５２と同軸状にステータコア５５が配置される。ステータコア５５の中央部にはスリット５６が設けられており、そこに２個のホールＩＣ５７ａ，５７ｂが配置されている。
【０００４】
シャフト５１と共にリングマグネット５４が回転すると、ホールＩＣ５７ａ，５７ｂ周囲の磁束が変化する。ホールＩＣ５７ａ，５７ｂからは鎖交する磁束密度に応じた電圧信号が出力され、磁束密度の変化に伴いホールＩＣ５７ａ，５７ｂからの出力信号も変化する。この信号変化は駆動軸の回転角度と対応しており、シャフト５１の回転に伴ってほぼ直線的に変化する。従って、ホールＩＣ５７ａ，５７ｂからの信号に基づきシャフト５１の回転角度を算出でき、２つのホールＩＣ５７ａ，５７ｂの出力を互いに比較して異常の有無を確認しつつシャフト５１の回転角の検出が行われる。
【０００５】
一方、近年、自動車部品の電子化に伴い、エンジンのスロットル弁をモータにて駆動するいわゆる電子制御スロットル装置が広く用いられている。そこでは、従来のアクセルワイヤによる機械的動作に代えて、電気信号によってスロットル弁が制御される。アクセル踏み込み量はポテンショメータ等によって電気的に検出され、その値に応じてモータが駆動されてスロットル弁の開閉が行われる。
【０００６】
このような電子制御スロットル装置では、例えば特開２００１−２０８５１０号公報、特開２００１−２８９６１０号公報等のように、スロットル弁の開度は図６に示したような回転角検出装置を用いて検出される。この場合、シャフト５１にはスロットル弁の弁体が固定され、スロットル弁の開度はシャフト５１の回転角度として検出される。シャフト５１がモータ駆動されると、ホールＩＣ５７ａ，５７ｂの出力信号によって、シャフト５１の回転角度、すなわちスロットル弁の開度が検出される。そして、検出された弁開度に基づいてモータの動作制御が行われ、アクセル踏み込み量やエンジン負荷等に応じた弁開度が設定される。
【０００７】
【特許文献１】特開平８−３５８０９号公報
【特許文献２】特開２００１−４３１５号公報
【特許文献３】特開２００１−５９７０２号公報
【特許文献４】特開２００１−１８８００３号公報
【特許文献５】特開２００１−２０８５１０号公報
【特許文献６】特開２００１−２８９６０９号公報
【特許文献７】特開２００１−２８９６１０号公報
【特許文献８】特開２００１−３０３９７９号公報
【特許文献９】特開２００１−３１７９０９号公報
【特許文献１０】特願２００２−２１１２０１号
【特許文献１１】特願２００２−２５７７２３号
【特許文献１２】特願２００２−２５８９０１号
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図６，７のような回転角検出装置では、ロータ側にロータハウジング５２やロータコア５３、リングマグネット５４を固定する構成のため、部品点数が多く装置構造も複雑となる。すなわち、従来の回転角検出装置では、ロータコア５３やリングマグネット５４をロータハウジング５２に取り付け、さらに、それをシャフト５１へ組み付ける作業が必要となる。このため、装置の組み付けに手間を要しコストアップの要因となるという問題があった。
【０００９】
また、ロータハウジング５２は一般にダイカスト部品が用いられ、図７のような形状に切削加工して使用されるため、その製造コストが嵩むという問題もあった。さらに、従来の装置ではリングマグネット５４として、ラジアル異方性を有する永久磁石を使用しなければならず、部品コストが上昇するという問題もあった。
【００１０】
一方、図６，７のような回転角検出装置では、部品点数が多いため、組み付け持に位置決め誤差が生じたり、部品寸法誤差が累積したりし易く、製品精度が出しにくいという問題もあった。特に、リングマグネット５４の偏芯量が大きくなると、ロータとステータ間のエアギャップ寸法が変動し、ホールＩＣ５７ａ，５７ｂの出力信号の直線性のバラツキが大きくなり、回転角度検出精度が低下する。この場合、偏芯を抑えるべく各部品の精度を上げると、その分、部品価格が上昇しコストアップを招来する。さらに、部品点数増大に伴って締結部も多くなるため、シャフト５１の回転振動や衝撃等に対する耐久性が低くなりがちであり、長期信頼性にも問題がある。
【００１１】
加えて、シャフト５１とロータハウジング５２の結合部には、圧入代又は接着代としてある程度の長さが必要とされるため、装置の軸方向長が長くなる。すなわち、装置の体格がその分大きくならざるを得ず、レイアウト性が良くないという問題もあった。さらに、ロータ側に多くの部品が固定されるため、その分シャフト５１のイナーシャが大きくなってしまい、モータの制御性が損なわれるという問題もあった。
【００１２】
本発明の目的は、廉価で体格が小さく、しかも信頼性の高い回転角度検出精度を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明の回転角検出装置は、回転角度の検出が求められる被検出体に設けられ、軸方向に延びる切欠部と、前記切欠部に沿って延在する残存部とを備える磁性体からなる作動部と、前記作動部の周囲に間隙をあけて配置され、前記残存部との間に生じる前記間隙の量が不均一に設定されたステータコアと、前記作動部と間隙をあけて対向配置され、前記ステータコアと磁気的に接続されたマグネットと、前記ステータコアに取り付けられ、前記マグネットから前記残存部と前記ステータコアを介して前記マグネットに至る磁路中に配置された磁気検出素子とを有することを特徴とする。
【００１４】
本発明にあっては、従来、被検出体側にあったマグネットをステータコア側に移すと共に、被検出体を利用して回転角検出装置のロータ側を構成することができる。このため、従来の装置のように、ロータ側にロータコアやロータハウジングなどを組み付ける必要がなく、組付工数が大幅に削減され製品コストの低減を図ることが可能となる。
【００１５】
さらに、被検出体をそのまま利用して作動部を形成することにより、ロータ側の寸法を軸の寸法公差のみで管理することも可能となる。これにより、寸法誤差の累積を防止でき、ロータ側の偏芯量を低減することが可能となる。従って、作動部とステータコアとの間の間隙寸法の変動を低減させることができ、磁気検出素子からの出力信号の直線性のバラツキを抑え、回転角度の検出精度向上を図ることが可能となる。
【００１６】
加えて、シャフトをそのまま作動部にできるため、ロータ側の部品締結部を無くすことができ、回転振動や衝撃への耐久性を高め、製品の信頼性向上を図ることが可能となる。加えて、シャフトを作動部として使用できるため、回転角検出装置の軸方向長を短くすることができ、レイアウト性の向上も図られる。
【００１７】
また、残存部とのステータコアとの間に生じる間隙の量を不均一に設定したことにより、被検出体の回転に伴う磁路長の変化や漏れ磁路等の影響による合成磁気抵抗の変化を抑制できる。このため、磁気検出素子位置における磁束密度の変化の直線性が向上し、磁気検出素子から直線的な出力信号を得ることが可能となり、回転角度の検出精度向上が図られる。
【００１８】
前記ステータコアを、前記残存部と対向する対向面を備えるコア部と、前記コア部から延設され前記マグネットによる磁路が形成されるヨーク部と、前記コア部から前記ヨーク部とは別体に突出形成され前記対向面と連続する対向面を備えるオーバハング部とを備える構成としても良い。このオーバハング部を設けることにより、対向面２４ｃと残存部２３との間の対向角度を確保しつつヨーク部を形成できる。
【００１９】
前記回転角検出装置において、前記マグネットとして平板状のものを使用しても良く、これにより、高価なラジアル着磁のリングマグネットに代えて、安価なマグネットが使用できコストダウンが図られる。
【００２０】
また、前記回転角検出装置において、前記作動部と前記残存部との間の前記間隙の量を、周方向に沿って連続的に変化させるようにしても良い。この場合、間隙量の変化を一次関数的に変化させるようにしても良い。
【００２１】
一方、前記回転角検出装置において、エンジンのスロットル弁が固定された回転軸を前記被検出体としても良い。
【００２２】
【発明の実施の形態】
（実施の形態１）
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１は本発明の実施の形態１である回転角検出装置を使用した電子制御スロットル弁の構成を示す断面図である。図１の電子制御スロットル弁はエンジンの吸気通路に配置され、スロットル弁１の開度によりエンジンの吸入空気量を制御している。スロットル弁１はシャフト２に固定されており、ギア１１〜１４からなる減速機構１５を介してブラシレスモータ３（以下、モータ３と略記する）によって駆動される。
【００２３】
シャフト２は、金属製のハウジング４に固定されたベアリング１６ａ，１６ｂによって回動自在に支持されている。ハウジング４の図１において上部には、合成樹脂製のカバー５が取り付けられている。カバー５の内側には基板３０が固定されている。シャフト２に固定されたギア１１には、ねじりコイルばね１７が取り付けられている。このねじりコイルばね１７によってシャフト２は所定の回転方向に付勢され、その付勢力によってスロットル弁１が全閉位置まで自動的に復帰する。
【００２４】
シャフト２の端部には、スロットル弁１の開度を検出する回転角検出装置６が設けられている。図２は回転角検出装置６の構成を示す斜視図、図３（ａ）は回転角検出装置６の平面図、図３（ｂ）は図３（ａ）のＡ−Ａ線に沿った断面図である。回転角検出装置６では、スロットル弁１が取り付けられたシャフト２が被検出体となり、その回転角度が検出される。シャフト２は、外周面の一部が切り欠かれ作動部２１となっている。作動部２１は断面が略半月状（Ｄ形）に形成され、切欠部２２と残存部２３とから構成されている。切欠部２２は、シャフト２を軸方向に沿って弦方向に切り欠いて形成される。残存部２３は切欠部２２に沿って延在し、弦部２３ａと円弧部２３ｂとから構成される。
【００２５】
作動部２１の周囲には、磁性体にて形成されたステータコア２４が配置されている。ステータコア２４は、図２，３に示すように、断面が略Ｃ形に形成されており、合成樹脂製のコアケース２５に収容されている。ステータコア２４の中央にはシャフト挿通孔２４ａが形成されている。シャフト挿通孔２４ａの一部は開口部２４ｂとなっており、その内壁面は作動部２１と対向する対向面２４ｃとなっている。ステータコア２４は、この対向面２４ｃが形成されたコア部２４ｄと、コア部２４ｄから外方へ延びるヨーク部２４ｅとから構成される。コア部２４ｄからはオーバハング部２４ｆが突出形成されている。オーバハング部２４ｆの内面は、コア部２４ｄの対向面２４ｃと連続した対向面となっている。オーバハング部２４ｆはヨーク部２４ｅとは別体に形成され、ヨーク部２４ｅとの間には間隙２４ｇが形成されている。間隙２４ｇの内部にはコアケース２５の合成樹脂が入り込んでいる。
【００２６】
シャフト挿通孔２４ａの対向面２４ｃと残存部２３との間には、エアギャップ（間隙）Ｇ１が形成されている。エアギャップＧ１の量はシャフト２の回転位置によって変化する。図３に示すように、開口部２４ｂの一端を原点（θ＝０°）とし、原点位置におけるエアギャップＧ１の量をδ０とすると、θ＝１２０°までのエアギャップＧ１の量δは、δ＝α×θ［ｄｅｇ］＋δ０のように一次関数的に設定されている。
【００２７】
ステータコア２４のシャフト挿通孔２４ａ内には、マグネット２６が取り付けられている。マグネット２６は、ステータコア２４と磁気的に接続される一方、作動部２１とはエアギャップ（間隙）Ｇ２をあけて対向配置されている。エアギャップＧ２は一定に設定されており、シャフト２の回転位置によらず残存部２３とマグネット２６との間の距離は一定に保持される。マグネット２６は平板状（直方体状）に形成され、パラレル着磁が施されている。平板状のマグネット２６は、ラジアル着磁のリングマグネットに比して製造も容易であり、価格も安い。従って、部品価格をその分低減することができ、コストダウンを図ることが可能となる。
【００２８】
ステータコア２４にはさらに、ヨーク部２４ｅの端部にホールＩＣ（磁気検出素子）２７ａ，２７ｂが取り付けられている。ホールＩＣ２７ａ，２７ｂはホール素子と信号増幅回路とを一体化したＩＣであり、リニア出力ホールＩＣが使用されている。ホールＩＣ２７ａは、図３に示すようにθ＝１２０°の位置に取り付けられ、ホールＩＣ２７ｂは、中心軸ＣＬを挟んでホールＩＣ２７ａと対称の位置に取り付けられる。
【００２９】
ホールＩＣ２７ａ，２７ｂは、マグネット２６から残存部２３及びステータコア２４を介してマグネット２６に至る磁路中に配置される。回転角検出装置６では、図３に示すように２つの磁路Ａ，Ｂが形成される。すなわち、マグネット２６→残存部２３→ステータコア２４（図３において上部）→マグネット２６なる経路の磁路Ａと、マグネット２６→残存部２３→ステータコア２４（図３において下部）→マグネット２６なる経路の磁路Ｂが形成され、ホールＩＣ２７ａは磁路Ａ、ホールＩＣ２７ｂは磁路Ｂにそれぞれ配置される。
【００３０】
磁路Ａ，Ｂでは、マグネット２６の磁束はヨーク部２４ｅに集約されてホールＩＣ２７ａ，２７ｂを通過する。従って、ホールＩＣ２７ａ，２７ｂに効率良く磁束を通過させることができ、角度検出精度の向上が図られる。また、ステータコア２４には、ヨーク部２４ｅの形成に際し、間隙２４ｇを挟んでオーバーハング部２４ｆが設けられている。このため、ヨーク部２４ｅを設けつつも、対向面２４ｃと残存部２３との間の対向角度が確保され、回転角検出範囲を減じることなく磁束集約部を形成することができる。
【００３１】
モータ３は、図１に示すように、ステータ３１の内側にロータ３２を回転自在に配置したいわゆるインナーロータ型のブラシレスモータである。ステータ３１は、駆動コイル３３と、コイル３３が巻装されたステータコア３４とから構成され、基板３０に固定されている。ステータコア３４は、金属板を積層して形成されており、内周側に突設された突極に駆動コイル３３が巻回されて巻線が形成されている。基板３０には、ロータ３２の回転位置を検出するホールＩＣ（図示せず）が設けられている。このホールＩＣからはロータ３２に回転に伴って、ロータ位置検出信号が出力される。
【００３２】
ロータ３２は、ロータシャフト３５と、ロータシャフト３５に固定されたロータコア３６及びロータコア３６の外周に固定されたロータマグネット３７とから構成される。ロータマグネット３７は円筒状に形成され、Ｎ，Ｓの極が等間隔に配置されている。ロータシャフト３５はベアリング３８ａ，３８ｂにて回転自在に支持されており、ベアリング３８ａはカバー５に、ベアリング３８ｂはハウジング４に取り付けられたブラケット３９にそれぞれ取り付けられている。
【００３３】
ロータコア３６には、円柱状のマグネット取付部３６ａと、ギヤ１４が形成されている。ギヤ１４は、アイドルギヤ１８のギヤ１３と噛合している。アイドルギヤ１８は、ブラケット３９に固定されたギアシャフト１９に回転自在に支持されている。アイドルギヤ１８にはギヤ１３と一体にギヤ１２が形成されており、ギヤ１２はシャフト２に固定されたギア１１と噛合している。これにより、モータ３におけるロータ３２の回転が減速されてシャフト２に伝達される。
【００３４】
次に、このような電子制御スロットル弁における回転角検出装置６の作用について説明する。当該電子制御スロットル弁では、スロットル弁１が全閉状態のとき回転角検出装置６においてθ＝０°となるように設定されている。シャフト２は、スロットル弁１の全閉・全開に合わせて、θ＝０°〜９０°の間で動作し、シャフト２の回転に伴う磁路Ａ，Ｂの磁束密度変化によるホールＩＣ２７ａ，２７ｂの出力信号変化に基づき、シャフト２の回転角度、すなわちスロットル弁１の開度を検出する。回転角検出装置６は、シャフト２の回転角が１２０°センシング可能な仕様となっており、そのセンシング領域の一部を用いてスロットル弁１の開度検出を行う。
【００３５】
図４は、シャフト２の回転角度とホールＩＣ２７ａ，２７ｂを通過する磁束の密度との関係を示す説明図である。回転角検出装置６では、シャフト２の回転に伴い、磁路Ａ側の磁気抵抗Ｒａと磁路Ｂ側の磁気抵抗Ｒｂが変化する。つまり、シャフト２の回転角が０°（作動部２１の弦部２３ａが原点位置（θ＝０°）に対向する状態）のとき、磁気抵抗Ｒａが最小、磁気抵抗Ｒｂが最大となる。シャフト２の回転角が６０°のときＲａ＝Ｒｂとなる。そして、磁気抵抗の大小に応じて、マグネット２６の磁束が図４のようにＡ側とＢ側に振り分けられる。なお、磁気回路全体の合成磁気抵抗Ｒ＝Ｒａ＋Ｒｂは、シャフト２の回転角度によらず一定である。
【００３６】
モータ３が作動しシャフト２が回転すると、残存部２３がステータコア２４内にて回転する。図４に示すように、シャフト２が反時計回りに回転すると、磁路Ａ側における円弧部２３ｂと対向面２４ｃの対向面積が減少し、磁気抵抗Ｒａが増加する。これに対し、磁路Ｂ側では円弧部２３ｂと対向面２４ｃとの対向面積が増加し、磁気抵抗Ｒｂが減少する。従って、シャフト２の反時計回りの回転に伴い、磁路Ａ側の磁束密度が減少し、磁路Ｂ側の磁束密度が増加する。
【００３７】
ここで、円弧部２３ｂと対向面２４ｃのエアギャップＧ１を０°〜１２０°の間で一定に設定すると、シャフト２の回転に伴う磁路長の変化や漏れ磁路等の影響により、合成磁気抵抗が変化する。すなわち、合成磁気抵抗Ｒがシャフト回転角６０°の位置で最小となり、磁気抵抗Ｒａ，Ｒｂは直線的に変化しなくなる。従って、磁路Ａ，Ｂの磁束密度も直線的に変化せず、ホールＩＣ２７ａ，２７ｂから直線的な出力を得ることができず、回転角度の検出精度が低下する。
【００３８】
そこで、当該回転角検出装置６では、シャフト２の回転に伴う合成磁気抵抗の変化を防止すべく、前述のように、エアギャップＧ１の量をシャフト２の回転位置に対して一次関数的に変化させている。すなわち、θ＝１２０°に近付くほどエアギャップＧ１の量δが大きくなるようステータコア対向面２４ｃの内径を変化させており、これにより、磁路が長くなるところではエアギャップＧ１が小さく、磁路が短くなるところではエアギャップＧ１が大きくなる。従って、θ＝６０°の位置においても合成磁気抵抗の減少が抑えられ、センシング領域内における合成磁気抵抗の変化を抑制できる。このため、磁気抵抗Ｒａ，Ｒｂがシャフト２の回転と共に直線的に変化し、磁路Ａ，Ｂの磁束密度も直線的に変化する。従って、ホールＩＣ２７ａ，２７ｂにおける磁束密度も図４に示すように直線的に変化し、ホールＩＣ２７ａ，２７ｂから直線的な出力信号を得ることが可能となり、回転角度の検出精度が向上する。
【００３９】
このようにして得られたホールＩＣ２７ａ，２７ｂからの出力信号は制御装置（ＣＰＵ）に送られており、制御装置には、ホールＩＣ２７ａ，２７ｂの出力変化がシャフト２の回転角度と関係付けてテーブル等の形で格納されている。制御装置は、このようなホールＩＣ２７ａ，２７ｂの出力変化に基づき、テーブル等を参照しつつシャフト２の回転角度、すなわちスロットル弁１の開度を算出する。その際、ホールＩＣ２７ａ，２７ｂの両出力信号から得られた結果を互いに比較し、異常がないか否かを確認しながらスロットル弁１の開度制御が行われる。
【００４０】
このように回転角検出装置６では、従来、シャフト側にあったマグネットをステータコア側に移すと共に、被検出体たるシャフト２を利用してロータ側を構成する。このため、従来の装置のように、ロータ側にロータコアやロータハウジングなどを組み付ける必要がなく、組付工数が大幅に削減される。また、切削加工を要するダイカスト部品なども不要となり、その分、部品コストの低減が図られる。さらに、ロータ側の寸法を軸の寸法公差のみで管理でき、その場合、寸法誤差の累積もないため、ロータ側の偏芯量を低減させることができる。従って、ロータとステータ間のエアギャップ寸法の変動が低減し、ホールＩＣ出力信号の直線性のバラツキが抑えられ回転角度の検出精度も向上する。
【００４１】
加えて、シャフト２をそのまま作動部２１にできるため、ロータ側の部品締結部を無くすことができ、回転振動や衝撃への耐久性を高め製品の信頼性向上を図ることが可能となる。また、シャフト２を作動部２１として使用できるため、回転角検出装置の軸方向長を短くすることができ、レイアウト性の向上も図られる。さらに、シャフト２に固定される部品がないため、その分、シャフト２のイナーシャが軽減され、モータの制御性が向上する。
【００４２】
（実施の形態２）
図５は、本発明の実施の形態２である回転角検出装置２８におけるシャフト２の回転角度とホールＩＣ２７ａ，２７ｂを通過する磁束の密度との関係を示す説明図である。なお、以下の実施の形態では、回転角検出装置以外の部分は実施の形態１の電子制御スロットル弁と同様であるためその説明は省略する。また、実施の形態１と同様の部分、部材には同一の符号を使用する。
【００４３】
この回転角検出装置２８では、ステータコア２４に２個のマグネット２６ａ，２６ｂが取り付けられている。ここでは、回転検出装置６と異なりヨーク部２４ｅの基部にマグネット２６ａ，２６ｂが配置され、オーバーハング部２４ｆはマグネット２６ａ，２６ｂ取付位置から突出する。オーバーハング部２４ｆは、マグネット２６ａ，２６ｂと間隙２４ｇを挟んで対向する。
【００４４】
ステータコア２４のシャフト挿通孔２４ａ内には、ティース２９が設けられている。ティース２９は作動部２１とエアギャップＧ２をあけて対向配置されている。ホールＩＣ２７ａ，２７ｂはティース２９の基部に配置されており、実施の形態１の場合と異なり、図５に示すように共に同方向の磁束を受ける。
【００４５】
図５に示すように、ここではホールＩＣ２７ａ，２７ｂを通る磁路Ｐと、ステータコア２４と作動部２１とを通りホールＩＣ２７ａ，２７ｂを通らない磁路Ｑが形成される。磁路Ｐを通る磁束密度はθ＝０°と１２０°で最大となり（方向は逆）、θ＝６０°のとき０となる。磁束密度は、図５に示すように、θ＝０°〜１２０°の間で直線的に変化し、ホールＩＣ２７ａ，２７ｂからはこれに基づいて直線的な出力が得られる。なお、ここでもエアギャップＧ１の量はシャフト２の回転位置に対して一次関数的に変化させている。
【００４６】
本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることは言うまでもない。
例えば、前述の実施の形態では、ホールＩＣを２個用いた構成を示したが、これはいわゆる冗長設計によるものであり、ホールＩＣは１個でもシャフト２の回転角度は検出可能である。また、前述の実施の形態に示したシャフト２の回転角度やセンシング可能角度、ホールＩＣ２７ａ，２７ｂの設置位置等はあくまでも一例であり、前述の数値、位置には限定されない。さらに、回転角検出装置６では、スロットル弁１が全閉状態のときθ＝０°となる設定としたが、θ＝３０°の位置を全閉位置とするなど、開度検出に使用する領域を１２０°のセンシング領域のどの位置に設定しても良い。
【００４７】
さらに、前述の実施の形態では作動部２１をシャフト２の端部に設ける構成を示したが、シャフト２の中程に設けることもできる。また、作動部２１をシャフト２の端部に直接形成する構成を示したが、断面Ｄ形の別部品をシャフト２に取り付ける形でも良い。
【００４８】
加えて、前述の実施の形態では本発明による回転角検出装置を電子制御スロットル弁の開度検出に用いた例を示したが、その適用対象はこれには限定されず、モータ回転軸等、回転体の回転角度検出に広く適応可能である。
【００４９】
【発明の効果】
本発明の回転角検出装置によれば、被検出体に切欠部と残存部とを備える作動部を設けると共に、作動部の周囲に、残存部との間の間隙の量が不均一に設定されたステータコアと、ステータコアと磁気的に接続されたマグネットとを設けることにより、従来、被検出体側にあったマグネットをステータコア側に移すと共に、被検出体を利用して装置のロータ側を構成することができる。このため、従来の装置のように、ロータ側にロータコアやロータハウジングなどを組み付ける必要がなく、組付工数が大幅に削減され製品コストの低減を図ることが可能となる。また、高価なラジアル着磁のリングマグネットに代えて、安価な平板状のマグネットを使用できるため、この点においてもコストダウンが図られる。
【００５０】
さらに、被検出体をそのまま利用して作動部を形成することにより、ロータ側の寸法を軸の寸法公差のみで管理することも可能となる。これにより、寸法誤差の累積を防止でき、ロータ側の偏芯量を低減することが可能となる。従って、作動部とステータコアとの間の間隙寸法の変動を低減させることができ、磁気検出素子からの出力信号の直線性のバラツキを抑え、回転角度の検出精度向上を図ることが可能となる。
【００５１】
加えて、シャフトをそのまま作動部にできるため、ロータ側の部品締結部を無くすことができ、回転振動や衝撃への耐久性を高め、製品の信頼性を向上させることが可能となる。加えて、シャフトを作動部として使用できるため、回転角検出装置の軸方向長を短くすることができ、レイアウト性を向上させることが可能となる。
【００５２】
一方、残存部とのステータコアとの間に生じる間隙の量を不均一に設定したことにより、被検出体の回転に伴う磁路長の変化や漏れ磁路等の影響による合成磁気抵抗の変化を抑制できる。このため、磁気検出素子位置における磁束密度の変化の直線性が向上し、磁気検出素子から直線的な出力信号を得ることが可能となり、回転角度の検出精度向上を図ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１である回転角検出装置を使用した電子制御スロットル弁の構成を示す断面図である。
【図２】回転角検出装置の構成を示す斜視図である。
【図３】（ａ）は回転角検出装置の平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線に沿った断面図である。
【図４】シャフトの回転角度とホールＩＣを通過する磁束の密度との関係を示す説明図である。
【図５】本発明の実施の形態２である回転角検出装置におけるシャフトの回転角度とホールを通過する磁束の密度との関係を示す説明図である。
【図６】従来の回転角検出装置の構成を示す分解斜視図である。
【図７】（ａ）は図６の回転角検出装置の平面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ線に沿った断面図である。
【符号の説明】
１ スロットル弁
２ シャフト
３ ブラシレスモータ
４ ハウジング
５ カバー
６ 回転角検出装置
１１〜１４ ギア
１５ 減速機構
１６ａ，１６ｂ ベアリング
１７ ねじりコイルばね
１８ アイドルギヤ
１９ ギアシャフト
２１ 作動部
２２ 切欠部
２３ 残存部
２３ａ 弦部
２３ｂ 円弧部
２４ ステータコア
２４ａ シャフト挿通孔
２４ｂ 開口部
２４ｃ 対向面
２４ｄ コア部
２４ｅ ヨーク部
２４ｆ オーバハング部
２４ｇ 間隙
２５ コアケース
２６ マグネット
２６ａ，２６ｂ マグネット
２７ａ，２７ｂ ホールＩＣ
２８ 回転角検出装置
２９ ティース
３０ 基板
３１ ステータ
３２ ロータ
３３ コイル
３３ 駆動コイル
３４ ステータコア
３５ ロータシャフト
３６ ロータコア
３６ａ マグネット取付部
３７ ロータマグネット
３８ａ，３８ｂ ベアリング
３９ ブラケット
５１ シャフト
５２ ロータハウジング
５３ ロータコア
５４ リングマグネット
５５ ステータコア
５６ スリット
５７ａ，５７ｂ ホールＩＣ
Ａ 磁路
Ｂ 磁路
ＣＬ 中心軸
Ｇ１ エアギャップ（間隙）
Ｇ２ エアギャップ（間隙）
Ｐ 磁路
Ｑ 磁路
δ エアギャップ量
【発明の属する技術分野】
本発明は、被検出物の回転角度を検出する回転角検出装置に関し、特に、エンジンのスロットル弁開度の検出装置に適用して有効な技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、非接触型の回転角検出装置として、例えば特開平８−３５８０９号公報や特開２００１−４３１５号公報、特開２００１−２８９６０９号公報等のように、被検出物に磁石を取り付け、その磁束変化によって被検出物の回転角度を検出するものが知られている。図６は、このような従来の回転角検出装置の構成を示す分解斜視図、図７（ａ）は図６の回転角検出装置の平面図、図７（ｂ）は図７（ａ）のＢ−Ｂ線に沿った断面図である。
【０００３】
図６，７の回転角検出装置では、回転角度の検出が求められるシャフト５１にはロータハウジング５２が取り付けられている。ロータハウジング５２の内周には鉄製のロータコア５３が取り付けられている。ロータコア５３の内周側にはさらにリングマグネット５４が固定されている。リングマグネット５４の内側にはロータハウジング５２と同軸状にステータコア５５が配置される。ステータコア５５の中央部にはスリット５６が設けられており、そこに２個のホールＩＣ５７ａ，５７ｂが配置されている。
【０００４】
シャフト５１と共にリングマグネット５４が回転すると、ホールＩＣ５７ａ，５７ｂ周囲の磁束が変化する。ホールＩＣ５７ａ，５７ｂからは鎖交する磁束密度に応じた電圧信号が出力され、磁束密度の変化に伴いホールＩＣ５７ａ，５７ｂからの出力信号も変化する。この信号変化は駆動軸の回転角度と対応しており、シャフト５１の回転に伴ってほぼ直線的に変化する。従って、ホールＩＣ５７ａ，５７ｂからの信号に基づきシャフト５１の回転角度を算出でき、２つのホールＩＣ５７ａ，５７ｂの出力を互いに比較して異常の有無を確認しつつシャフト５１の回転角の検出が行われる。
【０００５】
一方、近年、自動車部品の電子化に伴い、エンジンのスロットル弁をモータにて駆動するいわゆる電子制御スロットル装置が広く用いられている。そこでは、従来のアクセルワイヤによる機械的動作に代えて、電気信号によってスロットル弁が制御される。アクセル踏み込み量はポテンショメータ等によって電気的に検出され、その値に応じてモータが駆動されてスロットル弁の開閉が行われる。
【０００６】
このような電子制御スロットル装置では、例えば特開２００１−２０８５１０号公報、特開２００１−２８９６１０号公報等のように、スロットル弁の開度は図６に示したような回転角検出装置を用いて検出される。この場合、シャフト５１にはスロットル弁の弁体が固定され、スロットル弁の開度はシャフト５１の回転角度として検出される。シャフト５１がモータ駆動されると、ホールＩＣ５７ａ，５７ｂの出力信号によって、シャフト５１の回転角度、すなわちスロットル弁の開度が検出される。そして、検出された弁開度に基づいてモータの動作制御が行われ、アクセル踏み込み量やエンジン負荷等に応じた弁開度が設定される。
【０００７】
【特許文献１】特開平８−３５８０９号公報
【特許文献２】特開２００１−４３１５号公報
【特許文献３】特開２００１−５９７０２号公報
【特許文献４】特開２００１−１８８００３号公報
【特許文献５】特開２００１−２０８５１０号公報
【特許文献６】特開２００１−２８９６０９号公報
【特許文献７】特開２００１−２８９６１０号公報
【特許文献８】特開２００１−３０３９７９号公報
【特許文献９】特開２００１−３１７９０９号公報
【特許文献１０】特願２００２−２１１２０１号
【特許文献１１】特願２００２−２５７７２３号
【特許文献１２】特願２００２−２５８９０１号
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図６，７のような回転角検出装置では、ロータ側にロータハウジング５２やロータコア５３、リングマグネット５４を固定する構成のため、部品点数が多く装置構造も複雑となる。すなわち、従来の回転角検出装置では、ロータコア５３やリングマグネット５４をロータハウジング５２に取り付け、さらに、それをシャフト５１へ組み付ける作業が必要となる。このため、装置の組み付けに手間を要しコストアップの要因となるという問題があった。
【０００９】
また、ロータハウジング５２は一般にダイカスト部品が用いられ、図７のような形状に切削加工して使用されるため、その製造コストが嵩むという問題もあった。さらに、従来の装置ではリングマグネット５４として、ラジアル異方性を有する永久磁石を使用しなければならず、部品コストが上昇するという問題もあった。
【００１０】
一方、図６，７のような回転角検出装置では、部品点数が多いため、組み付け持に位置決め誤差が生じたり、部品寸法誤差が累積したりし易く、製品精度が出しにくいという問題もあった。特に、リングマグネット５４の偏芯量が大きくなると、ロータとステータ間のエアギャップ寸法が変動し、ホールＩＣ５７ａ，５７ｂの出力信号の直線性のバラツキが大きくなり、回転角度検出精度が低下する。この場合、偏芯を抑えるべく各部品の精度を上げると、その分、部品価格が上昇しコストアップを招来する。さらに、部品点数増大に伴って締結部も多くなるため、シャフト５１の回転振動や衝撃等に対する耐久性が低くなりがちであり、長期信頼性にも問題がある。
【００１１】
加えて、シャフト５１とロータハウジング５２の結合部には、圧入代又は接着代としてある程度の長さが必要とされるため、装置の軸方向長が長くなる。すなわち、装置の体格がその分大きくならざるを得ず、レイアウト性が良くないという問題もあった。さらに、ロータ側に多くの部品が固定されるため、その分シャフト５１のイナーシャが大きくなってしまい、モータの制御性が損なわれるという問題もあった。
【００１２】
本発明の目的は、廉価で体格が小さく、しかも信頼性の高い回転角度検出精度を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明の回転角検出装置は、回転角度の検出が求められる被検出体に設けられ、軸方向に延びる切欠部と、前記切欠部に沿って延在する残存部とを備える磁性体からなる作動部と、前記作動部の周囲に間隙をあけて配置され、前記残存部との間に生じる前記間隙の量が不均一に設定されたステータコアと、前記作動部と間隙をあけて対向配置され、前記ステータコアと磁気的に接続されたマグネットと、前記ステータコアに取り付けられ、前記マグネットから前記残存部と前記ステータコアを介して前記マグネットに至る磁路中に配置された磁気検出素子とを有することを特徴とする。
【００１４】
本発明にあっては、従来、被検出体側にあったマグネットをステータコア側に移すと共に、被検出体を利用して回転角検出装置のロータ側を構成することができる。このため、従来の装置のように、ロータ側にロータコアやロータハウジングなどを組み付ける必要がなく、組付工数が大幅に削減され製品コストの低減を図ることが可能となる。
【００１５】
さらに、被検出体をそのまま利用して作動部を形成することにより、ロータ側の寸法を軸の寸法公差のみで管理することも可能となる。これにより、寸法誤差の累積を防止でき、ロータ側の偏芯量を低減することが可能となる。従って、作動部とステータコアとの間の間隙寸法の変動を低減させることができ、磁気検出素子からの出力信号の直線性のバラツキを抑え、回転角度の検出精度向上を図ることが可能となる。
【００１６】
加えて、シャフトをそのまま作動部にできるため、ロータ側の部品締結部を無くすことができ、回転振動や衝撃への耐久性を高め、製品の信頼性向上を図ることが可能となる。加えて、シャフトを作動部として使用できるため、回転角検出装置の軸方向長を短くすることができ、レイアウト性の向上も図られる。
【００１７】
また、残存部とのステータコアとの間に生じる間隙の量を不均一に設定したことにより、被検出体の回転に伴う磁路長の変化や漏れ磁路等の影響による合成磁気抵抗の変化を抑制できる。このため、磁気検出素子位置における磁束密度の変化の直線性が向上し、磁気検出素子から直線的な出力信号を得ることが可能となり、回転角度の検出精度向上が図られる。
【００１８】
前記ステータコアを、前記残存部と対向する対向面を備えるコア部と、前記コア部から延設され前記マグネットによる磁路が形成されるヨーク部と、前記コア部から前記ヨーク部とは別体に突出形成され前記対向面と連続する対向面を備えるオーバハング部とを備える構成としても良い。このオーバハング部を設けることにより、対向面２４ｃと残存部２３との間の対向角度を確保しつつヨーク部を形成できる。
【００１９】
前記回転角検出装置において、前記マグネットとして平板状のものを使用しても良く、これにより、高価なラジアル着磁のリングマグネットに代えて、安価なマグネットが使用できコストダウンが図られる。
【００２０】
また、前記回転角検出装置において、前記作動部と前記残存部との間の前記間隙の量を、周方向に沿って連続的に変化させるようにしても良い。この場合、間隙量の変化を一次関数的に変化させるようにしても良い。
【００２１】
一方、前記回転角検出装置において、エンジンのスロットル弁が固定された回転軸を前記被検出体としても良い。
【００２２】
【発明の実施の形態】
（実施の形態１）
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１は本発明の実施の形態１である回転角検出装置を使用した電子制御スロットル弁の構成を示す断面図である。図１の電子制御スロットル弁はエンジンの吸気通路に配置され、スロットル弁１の開度によりエンジンの吸入空気量を制御している。スロットル弁１はシャフト２に固定されており、ギア１１〜１４からなる減速機構１５を介してブラシレスモータ３（以下、モータ３と略記する）によって駆動される。
【００２３】
シャフト２は、金属製のハウジング４に固定されたベアリング１６ａ，１６ｂによって回動自在に支持されている。ハウジング４の図１において上部には、合成樹脂製のカバー５が取り付けられている。カバー５の内側には基板３０が固定されている。シャフト２に固定されたギア１１には、ねじりコイルばね１７が取り付けられている。このねじりコイルばね１７によってシャフト２は所定の回転方向に付勢され、その付勢力によってスロットル弁１が全閉位置まで自動的に復帰する。
【００２４】
シャフト２の端部には、スロットル弁１の開度を検出する回転角検出装置６が設けられている。図２は回転角検出装置６の構成を示す斜視図、図３（ａ）は回転角検出装置６の平面図、図３（ｂ）は図３（ａ）のＡ−Ａ線に沿った断面図である。回転角検出装置６では、スロットル弁１が取り付けられたシャフト２が被検出体となり、その回転角度が検出される。シャフト２は、外周面の一部が切り欠かれ作動部２１となっている。作動部２１は断面が略半月状（Ｄ形）に形成され、切欠部２２と残存部２３とから構成されている。切欠部２２は、シャフト２を軸方向に沿って弦方向に切り欠いて形成される。残存部２３は切欠部２２に沿って延在し、弦部２３ａと円弧部２３ｂとから構成される。
【００２５】
作動部２１の周囲には、磁性体にて形成されたステータコア２４が配置されている。ステータコア２４は、図２，３に示すように、断面が略Ｃ形に形成されており、合成樹脂製のコアケース２５に収容されている。ステータコア２４の中央にはシャフト挿通孔２４ａが形成されている。シャフト挿通孔２４ａの一部は開口部２４ｂとなっており、その内壁面は作動部２１と対向する対向面２４ｃとなっている。ステータコア２４は、この対向面２４ｃが形成されたコア部２４ｄと、コア部２４ｄから外方へ延びるヨーク部２４ｅとから構成される。コア部２４ｄからはオーバハング部２４ｆが突出形成されている。オーバハング部２４ｆの内面は、コア部２４ｄの対向面２４ｃと連続した対向面となっている。オーバハング部２４ｆはヨーク部２４ｅとは別体に形成され、ヨーク部２４ｅとの間には間隙２４ｇが形成されている。間隙２４ｇの内部にはコアケース２５の合成樹脂が入り込んでいる。
【００２６】
シャフト挿通孔２４ａの対向面２４ｃと残存部２３との間には、エアギャップ（間隙）Ｇ１が形成されている。エアギャップＧ１の量はシャフト２の回転位置によって変化する。図３に示すように、開口部２４ｂの一端を原点（θ＝０°）とし、原点位置におけるエアギャップＧ１の量をδ０とすると、θ＝１２０°までのエアギャップＧ１の量δは、δ＝α×θ［ｄｅｇ］＋δ０のように一次関数的に設定されている。
【００２７】
ステータコア２４のシャフト挿通孔２４ａ内には、マグネット２６が取り付けられている。マグネット２６は、ステータコア２４と磁気的に接続される一方、作動部２１とはエアギャップ（間隙）Ｇ２をあけて対向配置されている。エアギャップＧ２は一定に設定されており、シャフト２の回転位置によらず残存部２３とマグネット２６との間の距離は一定に保持される。マグネット２６は平板状（直方体状）に形成され、パラレル着磁が施されている。平板状のマグネット２６は、ラジアル着磁のリングマグネットに比して製造も容易であり、価格も安い。従って、部品価格をその分低減することができ、コストダウンを図ることが可能となる。
【００２８】
ステータコア２４にはさらに、ヨーク部２４ｅの端部にホールＩＣ（磁気検出素子）２７ａ，２７ｂが取り付けられている。ホールＩＣ２７ａ，２７ｂはホール素子と信号増幅回路とを一体化したＩＣであり、リニア出力ホールＩＣが使用されている。ホールＩＣ２７ａは、図３に示すようにθ＝１２０°の位置に取り付けられ、ホールＩＣ２７ｂは、中心軸ＣＬを挟んでホールＩＣ２７ａと対称の位置に取り付けられる。
【００２９】
ホールＩＣ２７ａ，２７ｂは、マグネット２６から残存部２３及びステータコア２４を介してマグネット２６に至る磁路中に配置される。回転角検出装置６では、図３に示すように２つの磁路Ａ，Ｂが形成される。すなわち、マグネット２６→残存部２３→ステータコア２４（図３において上部）→マグネット２６なる経路の磁路Ａと、マグネット２６→残存部２３→ステータコア２４（図３において下部）→マグネット２６なる経路の磁路Ｂが形成され、ホールＩＣ２７ａは磁路Ａ、ホールＩＣ２７ｂは磁路Ｂにそれぞれ配置される。
【００３０】
磁路Ａ，Ｂでは、マグネット２６の磁束はヨーク部２４ｅに集約されてホールＩＣ２７ａ，２７ｂを通過する。従って、ホールＩＣ２７ａ，２７ｂに効率良く磁束を通過させることができ、角度検出精度の向上が図られる。また、ステータコア２４には、ヨーク部２４ｅの形成に際し、間隙２４ｇを挟んでオーバーハング部２４ｆが設けられている。このため、ヨーク部２４ｅを設けつつも、対向面２４ｃと残存部２３との間の対向角度が確保され、回転角検出範囲を減じることなく磁束集約部を形成することができる。
【００３１】
モータ３は、図１に示すように、ステータ３１の内側にロータ３２を回転自在に配置したいわゆるインナーロータ型のブラシレスモータである。ステータ３１は、駆動コイル３３と、コイル３３が巻装されたステータコア３４とから構成され、基板３０に固定されている。ステータコア３４は、金属板を積層して形成されており、内周側に突設された突極に駆動コイル３３が巻回されて巻線が形成されている。基板３０には、ロータ３２の回転位置を検出するホールＩＣ（図示せず）が設けられている。このホールＩＣからはロータ３２に回転に伴って、ロータ位置検出信号が出力される。
【００３２】
ロータ３２は、ロータシャフト３５と、ロータシャフト３５に固定されたロータコア３６及びロータコア３６の外周に固定されたロータマグネット３７とから構成される。ロータマグネット３７は円筒状に形成され、Ｎ，Ｓの極が等間隔に配置されている。ロータシャフト３５はベアリング３８ａ，３８ｂにて回転自在に支持されており、ベアリング３８ａはカバー５に、ベアリング３８ｂはハウジング４に取り付けられたブラケット３９にそれぞれ取り付けられている。
【００３３】
ロータコア３６には、円柱状のマグネット取付部３６ａと、ギヤ１４が形成されている。ギヤ１４は、アイドルギヤ１８のギヤ１３と噛合している。アイドルギヤ１８は、ブラケット３９に固定されたギアシャフト１９に回転自在に支持されている。アイドルギヤ１８にはギヤ１３と一体にギヤ１２が形成されており、ギヤ１２はシャフト２に固定されたギア１１と噛合している。これにより、モータ３におけるロータ３２の回転が減速されてシャフト２に伝達される。
【００３４】
次に、このような電子制御スロットル弁における回転角検出装置６の作用について説明する。当該電子制御スロットル弁では、スロットル弁１が全閉状態のとき回転角検出装置６においてθ＝０°となるように設定されている。シャフト２は、スロットル弁１の全閉・全開に合わせて、θ＝０°〜９０°の間で動作し、シャフト２の回転に伴う磁路Ａ，Ｂの磁束密度変化によるホールＩＣ２７ａ，２７ｂの出力信号変化に基づき、シャフト２の回転角度、すなわちスロットル弁１の開度を検出する。回転角検出装置６は、シャフト２の回転角が１２０°センシング可能な仕様となっており、そのセンシング領域の一部を用いてスロットル弁１の開度検出を行う。
【００３５】
図４は、シャフト２の回転角度とホールＩＣ２７ａ，２７ｂを通過する磁束の密度との関係を示す説明図である。回転角検出装置６では、シャフト２の回転に伴い、磁路Ａ側の磁気抵抗Ｒａと磁路Ｂ側の磁気抵抗Ｒｂが変化する。つまり、シャフト２の回転角が０°（作動部２１の弦部２３ａが原点位置（θ＝０°）に対向する状態）のとき、磁気抵抗Ｒａが最小、磁気抵抗Ｒｂが最大となる。シャフト２の回転角が６０°のときＲａ＝Ｒｂとなる。そして、磁気抵抗の大小に応じて、マグネット２６の磁束が図４のようにＡ側とＢ側に振り分けられる。なお、磁気回路全体の合成磁気抵抗Ｒ＝Ｒａ＋Ｒｂは、シャフト２の回転角度によらず一定である。
【００３６】
モータ３が作動しシャフト２が回転すると、残存部２３がステータコア２４内にて回転する。図４に示すように、シャフト２が反時計回りに回転すると、磁路Ａ側における円弧部２３ｂと対向面２４ｃの対向面積が減少し、磁気抵抗Ｒａが増加する。これに対し、磁路Ｂ側では円弧部２３ｂと対向面２４ｃとの対向面積が増加し、磁気抵抗Ｒｂが減少する。従って、シャフト２の反時計回りの回転に伴い、磁路Ａ側の磁束密度が減少し、磁路Ｂ側の磁束密度が増加する。
【００３７】
ここで、円弧部２３ｂと対向面２４ｃのエアギャップＧ１を０°〜１２０°の間で一定に設定すると、シャフト２の回転に伴う磁路長の変化や漏れ磁路等の影響により、合成磁気抵抗が変化する。すなわち、合成磁気抵抗Ｒがシャフト回転角６０°の位置で最小となり、磁気抵抗Ｒａ，Ｒｂは直線的に変化しなくなる。従って、磁路Ａ，Ｂの磁束密度も直線的に変化せず、ホールＩＣ２７ａ，２７ｂから直線的な出力を得ることができず、回転角度の検出精度が低下する。
【００３８】
そこで、当該回転角検出装置６では、シャフト２の回転に伴う合成磁気抵抗の変化を防止すべく、前述のように、エアギャップＧ１の量をシャフト２の回転位置に対して一次関数的に変化させている。すなわち、θ＝１２０°に近付くほどエアギャップＧ１の量δが大きくなるようステータコア対向面２４ｃの内径を変化させており、これにより、磁路が長くなるところではエアギャップＧ１が小さく、磁路が短くなるところではエアギャップＧ１が大きくなる。従って、θ＝６０°の位置においても合成磁気抵抗の減少が抑えられ、センシング領域内における合成磁気抵抗の変化を抑制できる。このため、磁気抵抗Ｒａ，Ｒｂがシャフト２の回転と共に直線的に変化し、磁路Ａ，Ｂの磁束密度も直線的に変化する。従って、ホールＩＣ２７ａ，２７ｂにおける磁束密度も図４に示すように直線的に変化し、ホールＩＣ２７ａ，２７ｂから直線的な出力信号を得ることが可能となり、回転角度の検出精度が向上する。
【００３９】
このようにして得られたホールＩＣ２７ａ，２７ｂからの出力信号は制御装置（ＣＰＵ）に送られており、制御装置には、ホールＩＣ２７ａ，２７ｂの出力変化がシャフト２の回転角度と関係付けてテーブル等の形で格納されている。制御装置は、このようなホールＩＣ２７ａ，２７ｂの出力変化に基づき、テーブル等を参照しつつシャフト２の回転角度、すなわちスロットル弁１の開度を算出する。その際、ホールＩＣ２７ａ，２７ｂの両出力信号から得られた結果を互いに比較し、異常がないか否かを確認しながらスロットル弁１の開度制御が行われる。
【００４０】
このように回転角検出装置６では、従来、シャフト側にあったマグネットをステータコア側に移すと共に、被検出体たるシャフト２を利用してロータ側を構成する。このため、従来の装置のように、ロータ側にロータコアやロータハウジングなどを組み付ける必要がなく、組付工数が大幅に削減される。また、切削加工を要するダイカスト部品なども不要となり、その分、部品コストの低減が図られる。さらに、ロータ側の寸法を軸の寸法公差のみで管理でき、その場合、寸法誤差の累積もないため、ロータ側の偏芯量を低減させることができる。従って、ロータとステータ間のエアギャップ寸法の変動が低減し、ホールＩＣ出力信号の直線性のバラツキが抑えられ回転角度の検出精度も向上する。
【００４１】
加えて、シャフト２をそのまま作動部２１にできるため、ロータ側の部品締結部を無くすことができ、回転振動や衝撃への耐久性を高め製品の信頼性向上を図ることが可能となる。また、シャフト２を作動部２１として使用できるため、回転角検出装置の軸方向長を短くすることができ、レイアウト性の向上も図られる。さらに、シャフト２に固定される部品がないため、その分、シャフト２のイナーシャが軽減され、モータの制御性が向上する。
【００４２】
（実施の形態２）
図５は、本発明の実施の形態２である回転角検出装置２８におけるシャフト２の回転角度とホールＩＣ２７ａ，２７ｂを通過する磁束の密度との関係を示す説明図である。なお、以下の実施の形態では、回転角検出装置以外の部分は実施の形態１の電子制御スロットル弁と同様であるためその説明は省略する。また、実施の形態１と同様の部分、部材には同一の符号を使用する。
【００４３】
この回転角検出装置２８では、ステータコア２４に２個のマグネット２６ａ，２６ｂが取り付けられている。ここでは、回転検出装置６と異なりヨーク部２４ｅの基部にマグネット２６ａ，２６ｂが配置され、オーバーハング部２４ｆはマグネット２６ａ，２６ｂ取付位置から突出する。オーバーハング部２４ｆは、マグネット２６ａ，２６ｂと間隙２４ｇを挟んで対向する。
【００４４】
ステータコア２４のシャフト挿通孔２４ａ内には、ティース２９が設けられている。ティース２９は作動部２１とエアギャップＧ２をあけて対向配置されている。ホールＩＣ２７ａ，２７ｂはティース２９の基部に配置されており、実施の形態１の場合と異なり、図５に示すように共に同方向の磁束を受ける。
【００４５】
図５に示すように、ここではホールＩＣ２７ａ，２７ｂを通る磁路Ｐと、ステータコア２４と作動部２１とを通りホールＩＣ２７ａ，２７ｂを通らない磁路Ｑが形成される。磁路Ｐを通る磁束密度はθ＝０°と１２０°で最大となり（方向は逆）、θ＝６０°のとき０となる。磁束密度は、図５に示すように、θ＝０°〜１２０°の間で直線的に変化し、ホールＩＣ２７ａ，２７ｂからはこれに基づいて直線的な出力が得られる。なお、ここでもエアギャップＧ１の量はシャフト２の回転位置に対して一次関数的に変化させている。
【００４６】
本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることは言うまでもない。
例えば、前述の実施の形態では、ホールＩＣを２個用いた構成を示したが、これはいわゆる冗長設計によるものであり、ホールＩＣは１個でもシャフト２の回転角度は検出可能である。また、前述の実施の形態に示したシャフト２の回転角度やセンシング可能角度、ホールＩＣ２７ａ，２７ｂの設置位置等はあくまでも一例であり、前述の数値、位置には限定されない。さらに、回転角検出装置６では、スロットル弁１が全閉状態のときθ＝０°となる設定としたが、θ＝３０°の位置を全閉位置とするなど、開度検出に使用する領域を１２０°のセンシング領域のどの位置に設定しても良い。
【００４７】
さらに、前述の実施の形態では作動部２１をシャフト２の端部に設ける構成を示したが、シャフト２の中程に設けることもできる。また、作動部２１をシャフト２の端部に直接形成する構成を示したが、断面Ｄ形の別部品をシャフト２に取り付ける形でも良い。
【００４８】
加えて、前述の実施の形態では本発明による回転角検出装置を電子制御スロットル弁の開度検出に用いた例を示したが、その適用対象はこれには限定されず、モータ回転軸等、回転体の回転角度検出に広く適応可能である。
【００４９】
【発明の効果】
本発明の回転角検出装置によれば、被検出体に切欠部と残存部とを備える作動部を設けると共に、作動部の周囲に、残存部との間の間隙の量が不均一に設定されたステータコアと、ステータコアと磁気的に接続されたマグネットとを設けることにより、従来、被検出体側にあったマグネットをステータコア側に移すと共に、被検出体を利用して装置のロータ側を構成することができる。このため、従来の装置のように、ロータ側にロータコアやロータハウジングなどを組み付ける必要がなく、組付工数が大幅に削減され製品コストの低減を図ることが可能となる。また、高価なラジアル着磁のリングマグネットに代えて、安価な平板状のマグネットを使用できるため、この点においてもコストダウンが図られる。
【００５０】
さらに、被検出体をそのまま利用して作動部を形成することにより、ロータ側の寸法を軸の寸法公差のみで管理することも可能となる。これにより、寸法誤差の累積を防止でき、ロータ側の偏芯量を低減することが可能となる。従って、作動部とステータコアとの間の間隙寸法の変動を低減させることができ、磁気検出素子からの出力信号の直線性のバラツキを抑え、回転角度の検出精度向上を図ることが可能となる。
【００５１】
加えて、シャフトをそのまま作動部にできるため、ロータ側の部品締結部を無くすことができ、回転振動や衝撃への耐久性を高め、製品の信頼性を向上させることが可能となる。加えて、シャフトを作動部として使用できるため、回転角検出装置の軸方向長を短くすることができ、レイアウト性を向上させることが可能となる。
【００５２】
一方、残存部とのステータコアとの間に生じる間隙の量を不均一に設定したことにより、被検出体の回転に伴う磁路長の変化や漏れ磁路等の影響による合成磁気抵抗の変化を抑制できる。このため、磁気検出素子位置における磁束密度の変化の直線性が向上し、磁気検出素子から直線的な出力信号を得ることが可能となり、回転角度の検出精度向上を図ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１である回転角検出装置を使用した電子制御スロットル弁の構成を示す断面図である。
【図２】回転角検出装置の構成を示す斜視図である。
【図３】（ａ）は回転角検出装置の平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線に沿った断面図である。
【図４】シャフトの回転角度とホールＩＣを通過する磁束の密度との関係を示す説明図である。
【図５】本発明の実施の形態２である回転角検出装置におけるシャフトの回転角度とホールを通過する磁束の密度との関係を示す説明図である。
【図６】従来の回転角検出装置の構成を示す分解斜視図である。
【図７】（ａ）は図６の回転角検出装置の平面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ線に沿った断面図である。
【符号の説明】
１ スロットル弁
２ シャフト
３ ブラシレスモータ
４ ハウジング
５ カバー
６ 回転角検出装置
１１〜１４ ギア
１５ 減速機構
１６ａ，１６ｂ ベアリング
１７ ねじりコイルばね
１８ アイドルギヤ
１９ ギアシャフト
２１ 作動部
２２ 切欠部
２３ 残存部
２３ａ 弦部
２３ｂ 円弧部
２４ ステータコア
２４ａ シャフト挿通孔
２４ｂ 開口部
２４ｃ 対向面
２４ｄ コア部
２４ｅ ヨーク部
２４ｆ オーバハング部
２４ｇ 間隙
２５ コアケース
２６ マグネット
２６ａ，２６ｂ マグネット
２７ａ，２７ｂ ホールＩＣ
２８ 回転角検出装置
２９ ティース
３０ 基板
３１ ステータ
３２ ロータ
３３ コイル
３３ 駆動コイル
３４ ステータコア
３５ ロータシャフト
３６ ロータコア
３６ａ マグネット取付部
３７ ロータマグネット
３８ａ，３８ｂ ベアリング
３９ ブラケット
５１ シャフト
５２ ロータハウジング
５３ ロータコア
５４ リングマグネット
５５ ステータコア
５６ スリット
５７ａ，５７ｂ ホールＩＣ
Ａ 磁路
Ｂ 磁路
ＣＬ 中心軸
Ｇ１ エアギャップ（間隙）
Ｇ２ エアギャップ（間隙）
Ｐ 磁路
Ｑ 磁路
δ エアギャップ量
Claims (6)
- 回転角度の検出が求められる被検出体に設けられ、軸方向に延びる切欠部と、前記切欠部に沿って延在する残存部とを備える磁性体からなる作動部と、
前記作動部の周囲に間隙をあけて配置され、前記残存部との間に生じる前記間隙の量が不均一に設定されたステータコアと、
前記作動部と間隙をあけて対向配置され、前記ステータコアと磁気的に接続されたマグネットと、
前記ステータコアに取り付けられ、前記マグネットから前記残存部と前記ステータコアを介して前記マグネットに至る磁路中に配置された磁気検出素子とを有することを特徴とする回転角検出装置。 - 請求項１記載の回転角検出装置において、前記ステータコアは、前記残存部と対向する対向面を備えるコア部と、前記コア部から延設され前記マグネットによる磁路が形成されるヨーク部と、前記コア部から前記ヨーク部とは別体に突出形成され前記対向面と連続する対向面を備えるオーバハング部とを有することを特徴とする回転角検出装置。
- 請求項１又は２記載の回転角検出装置において、前記マグネットが平板状であることを特徴とする回転角検出装置。
- 請求項１〜３の何れか１項に記載の回転角検出装置において、前記作動部と前記残存部との間の前記間隙の量が周方向に沿って連続的に変化することを特徴とする回転角検出装置。
- 請求項４記載の回転角検出装置において、前記作動部と前記残存部との間の前記間隙の量は一次関数的に変化することを特徴とする回転角検出装置。
- 請求項１〜５の何れか１項に記載の回転角検出装置において、前記被検出体は、エンジンのスロットル弁が固定された回転軸であることを特徴とする回転角検出装置。
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| JP2003036053A JP2004245703A (ja) | 2003-02-14 | 2003-02-14 | 回転角検出装置 |
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Cited By (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2008122174A (ja) * | 2006-11-10 | 2008-05-29 | Furukawa Electric Co Ltd:The | 回転角度検出装置 |
| JP2010532154A (ja) * | 2007-06-27 | 2010-09-30 | ブルックス オートメーション インコーポレイテッド | セルフベアリングモータ用位置フィードバック |
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-
2003
- 2003-02-14 JP JP2003036053A patent/JP2004245703A/ja active Pending
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| US11002566B2 (en) | 2007-06-27 | 2021-05-11 | Brooks Automation, Inc. | Position feedback for self bearing motor |
| US8680803B2 (en) | 2007-07-17 | 2014-03-25 | Brooks Automation, Inc. | Substrate processing apparatus with motors integral to chamber walls |
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