特許 6353380 回転検出装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6353380

(24)【登録日】2018年6月15日

(45)【発行日】2018年7月4日

(54)【発明の名称】回転検出装置

(51)【国際特許分類】

   G01D 5/245 20060101AFI20180625BHJP

【ＦＩ】

   G01D5/245 110B

   G01D5/245 H

【請求項の数】4

【全頁数】11

(21)【出願番号】特願2015-34007(P2015-34007)

(22)【出願日】2015年2月24日

(65)【公開番号】特開2016-156682(P2016-156682A)

(43)【公開日】2016年9月1日

【審査請求日】2017年2月8日

(73)【特許権者】

【識別番号】517224492

【氏名又は名称】メレキシス テクノロジーズ エス エー

(74)【代理人】

【識別番号】100180758

【弁理士】

【氏名又は名称】荒木 利之

(72)【発明者】

【氏名】吉谷 拓海

【審査官】 吉田 久

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１４−１４５７７７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００２−７１３８１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２０１５／００２２１８７（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 国際公開第２０１４／０２９８８５（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２０１２−１６８０４７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００３−６５７９６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｄ ５／００−５／２５２

Ｇ０１Ｂ ７／００−７／３４

Ｇ０１Ｒ ３３／００−３３／１８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

歯車の歯面に向けて磁場を形成する磁石と、
前記歯車と前記磁石との間に配置されて、前記歯車の径方向における磁束密度に応じて信号を出力する前記歯車の円周方向に並べられた１対の磁気検出素子と、前記磁束密度のうち前記歯車の円周方向成分を前記磁気検出素子の検出面上において前記歯車の径方向に誘引する磁気コンセントレータと、前記１対の磁気検出素子の出力する信号を処理する信号処理回路とを備え、前記歯車の回転に伴う磁束密度の変化のうち、前記歯車の円周方向成分の磁束密度の変化を前記信号処理回路が前記１対の磁気検出素子の出力する信号の差分から検出し、当該歯車の円周方向成分の磁束密度の変化から前記歯車の歯数をカウントすることで回転を検出するセンサとを有する回転検出装置。

【請求項2】

歯車の歯面に向けて磁場を形成する磁石と、
前記歯車と前記磁石との間に配置されて、前記歯車の径方向における磁束密度に応じて信号を出力する前記歯車の円周方向と前記歯車の径方向とに直交する方向に並べられた1対の磁気検出素子と、前記磁束密度のうち前記歯車の円周方向と前記歯車の径方向とに直交する成分を前記磁気検出素子の検出面上において前記歯車の径方向に誘引する磁気コンセントレータと、前記１対の磁気検出素子の出力する信号を処理する信号処理回路とを備え、前記歯車の回転に伴う磁束密度の変化のうち、前記歯車の円周方向と前記歯車の径方向とに直交する成分の磁束密度の変化を前記信号処理回路が前記１対の磁気検出素子の出力する信号の差分から検出し、当該歯車の円周方向と前記歯車の径方向とに直交する成分の磁束密度の変化から前記歯車の歯数をカウントすることで回転を検出するセンサとを有する回転検出装置。

【請求項3】

前記センサは、前記磁気コンセントレータを前記1対の磁気検出素子の間に設ける請求項1又は２に記載の回転検出装置。

【請求項4】

前記センサは、前記磁気コンセントレータを前記1対の磁気検出素子の両端にそれぞれ設ける請求項1又は２に記載の回転検出装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、回転検出装置に関する。

【背景技術】

【0002】

従来の技術として、差動式のホールセンサを用いてギアの回転を検出する回転検出装置が提案されている（例えば、非特許文献１参照）。

【0003】

非特許文献１に開示された回転検出装置は、歯車の歯面に向けて磁場を形成する磁石と、歯車と磁石との間に配置されて、歯車の回転に伴う磁束密度の変化を歯車の径方向において検出する１対の磁気検出素子を備え、当該１対の磁気検出素子の出力の差分を出力するセンサＩＣ（ATS667LSG）を有する。歯車の回転に伴い、当該センサＩＣの出力する信号が周期的に変化するため、歯車の回転数や角速度等を検出することができる。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0004】

【非特許文献1】Allegro Micro Systems LLC、“ATS667LSG Data Sheet”、［online］、［平成２７年2月16日検索］、インターネット＜URL:http://www.allegromicro.com/en/Products/Magnetic-Speed-Sensor-ICs/Transmission-Sensor-ICs/ATS667.aspx＞

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかし、非特許文献１に示す回転検出装置は、１対の磁気検出素子の出力の差分を出力信号としており、十分な信号強度を得るには、１対の磁気検出素子のそれぞれを貫く磁束密度の差の変化が歯車の回転に伴って十分になるように１対の磁気検出素子を離して設ける必要がある。そうすると、上記のセンサＩＣの場合は、１対の磁気検出素子の間隔が２．２ｍｍとなり、１対の磁気検出素子の配置に制限があるために、少なくともこの間隔よりセンサＩＣを小さく製造することができない、という問題があった。センサＩＣの小型化は、センサＩＣの製造コスト及びセンサＩＣの配置の自由度の観点から重要な問題である。

【0006】

従って、本発明の目的は、従来に比べてセンサＩＣを小型化した回転検出装置を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明の一態様は、上記目的を達成するため、以下の回転検出装置を提供する。

【0008】

［１］歯車の歯面に向けて磁場を形成する磁石と、
前記歯車と前記磁石との間に配置されて、前記歯車の径方向における磁束密度に応じて信号を出力する前記歯車の円周方向に並べられた１対の磁気検出素子と、前記磁束密度のうち前記歯車の円周方向成分を前記磁気検出素子の検出面上において前記歯車の径方向に誘引する磁気コンセントレータと、前記１対の磁気検出素子の出力する信号を処理する信号処理回路とを備え、前記歯車の回転に伴う磁束密度の変化のうち、前記歯車の円周方向成分の磁束密度の変化を前記信号処理回路が前記１対の磁気検出素子の出力する信号の差分から検出し、当該歯車の円周方向成分の磁束密度の変化から前記歯車の歯数をカウントすることで回転を検出するセンサとを有する回転検出装置。
［２］歯車の歯面に向けて磁場を形成する磁石と、
前記歯車と前記磁石との間に配置されて、前記歯車の径方向における磁束密度に応じて信号を出力する前記歯車の円周方向と前記歯車の径方向とに直交する方向に並べられた1対の磁気検出素子と、前記磁束密度のうち前記歯車の円周方向と前記歯車の径方向とに直交する成分を前記磁気検出素子の検出面上において前記歯車の径方向に誘引する磁気コンセントレータと、前記１対の磁気検出素子の出力する信号を処理する信号処理回路とを備え、前記歯車の回転に伴う磁束密度の変化のうち、前記歯車の円周方向と前記歯車の径方向とに直交する成分の磁束密度の変化を前記信号処理回路が前記１対の磁気検出素子の出力する信号の差分から検出し、当該歯車の円周方向と前記歯車の径方向とに直交する成分の磁束密度の変化から前記歯車の回転を検出するセンサとを有する回転検出装置。
［３］前記センサは、前記磁気コンセントレータを前記1対の磁気検出素子の間に設ける前記［1］又は［２］に記載の回転検出装置。
［４］前記センサは、前記磁気コンセントレータを前記1対の磁気検出素子の両端にそれぞれ設ける前記［1］又は［２］に記載の回転検出装置。

【発明の効果】

【0009】

請求項１又は２に係る発明によれば、従来に比べてセンサＩＣを小型化することができる。
請求項３に係る発明によれば、磁気コンセントレータを１対の磁気検出素子の間に設けた構造とすることができる。
請求項４に係る発明によれば、磁気コンセントレータを１対の磁気検出素子の両端にそれぞれ設けた構造とすることができる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】図１は、第１の実施の形態に係る回転検出装置の構成例を示す側面図である。

【図2】図２（ａ）及び（ｂ）は、センサの構成を示す斜視図及び断面図である。

【図3】図３は、回転検出装置のセンサの動作を説明するための概略図である。

【図4】図４は、磁石によって形成される磁場の様子を表す概略図である。

【図5】図５は、ギア歯の通過に伴いセンサから出力される信号の変化例を示すグラフ図である。

【図6】図６（ａ）及び（ｂ）は、第２の実施の形態に係る回転検出装置のセンサの構成例を示す斜視図及び断面図である。

【図7】図７は、センサの動作を説明するための概略図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

［第１の実施の形態］
（回転検出装置の構成）
図１は、第１の実施の形態に係る回転検出装置の構成例を示す側面図である。図２（ａ）及び（ｂ）は、センサ１の構成を示す斜視図及び断面図である。

【0012】

回転検出装置５は、ギア３の歯先３ｈからギャップｄｇを設けて配置されたセンサ１と、磁化方向をＤｍとしてセンサ１の裏面側に配置される磁石２とを有する。

【0013】

センサ１は、図２（ａ）及び（ｂ）に示すように、一例として、ｚ方向に厚みを有する平板状の基板１０と、基板１０上に設けられてｘｙ面に平行な検出面を有し、磁気検出素子として検出方向をｚ方向とするホール素子１１_ｘ１、１１_ｘ２、１１_ｙ１、１１_ｙ２と、ホール素子１１_ｘ１、１１_ｘ２、１１_ｙ１、１１_ｙ２上に一部が重なるように設けられてｘ方向及びｙ方向の磁束をｚ方向に変換してホール素子１１_ｘ１、１１_ｘ２、１１_ｙ１、１１_ｙ２に検出させる磁気コンセントレータ１２と、ホール素子１１_ｘ１、１１_ｘ２、１１_ｙ１、１１_ｙ２の出力する信号を処理する信号処理回路（図示せず）を有し、ｘ、ｙ、ｚ方向の磁束密度を検出するホールＩＣである。

【0014】

センサ１は、例えば、メレキシス製ホールラッチ＆スイッチセンサ等を用い、ホール素子１１_ｘ１と１１_ｘ２との出力の差分、ホール素子１１_ｙ１と１１_ｙ２との出力の差分をとることでｘ方向、ｙ方向の磁束密度に比例した出力を得ることができる。磁束密度と出力との関係は後述する。また、ホール素子１１_ｘ１と１１_ｘ２との間隔、ホール素子１１_ｙ１と１１_ｙ２との間隔は、ｄｓ＝０．２ｍｍであり、パッケージモールド部はｚ方向の厚みが１．５ｍｍ、ｘ方向の幅が４．１ｍｍ、ｙ方向の高さが３ｍｍである。センサ１の磁気コンセントレータ１２として、パーマロイを用いることができる。また、センサ１は、ホール素子１１_ｙ１と１１_ｙ２を省略してもよい。

【0015】

なお、センサ１は、検出方向がｘ方向であればＭＲ素子等の他の種類の素子を用いてもよいし、検出方向がｘ方向を含めば複数の軸方向にそれぞれ磁気検出素子を配置した多軸磁気検出ＩＣを用いてもよい。

【0016】

磁石２は、フェライト、サマリウムコバルト、ネオジウム等の材料を用いて形成された永久磁石である。

【0017】

ギア３は、様々なサイズのものを用いることができるが、歯先円直径２００ｍｍ、歯底円直径１９０ｍｍ、歯数４０のものを用いた例について以下説明する。

【0018】

（回転検出装置の動作）
次に、第１の実施の形態の作用を、図１−図４を用いて説明する。

【0019】

図３は、回転検出装置５のセンサ１の動作を説明するための概略図である。

【0020】

センサ１を透過する磁束はホール素子１１_ｘ１、１１_ｘ２、１１_ｙ１、１１_ｙ２によって感知され、磁束密度に比例した信号を出力する。以下、代表してｘ方向の磁束、つまりホール素子１１_ｘ１、１１_ｘ２によって検出される磁束について説明するが、ｙ方向についても同様である。

【0021】

磁束ｆのうち、平行成分Ｂ//は磁気コンセントレータ１２に誘導されることで、磁束密度の大きさが平行成分Ｂ//に比例する垂直成分Ｂ⊥に変換され、１対のホール素子１１_ｘ１及び１１_ｘ２によって測定される。垂直成分であるＢ_Ｚも１対のホール素子１１_ｘ１及び１１_ｘ２によって測定される。

【0022】

つまり、図面左側のホール素子１１_ｘ１は“Ｂ⊥−Ｂ_Ｚ”を測定する一方、図面右側のホール素子１１_ｘ２は“−Ｂ⊥−Ｂ_Ｚ”を測定する。Ｙ方向についても１１_ｙ１、１１_ｙ２が同様に測定する。

【0023】

従って、ホール素子１１_ｘ１の出力とホール素子１１_ｘ２の出力との差をとれば２Ｂ⊥が得られ、和をとれば−２Ｂｚが得られる。以下においてセンサ１は、ホール素子１１_ｘ１の出力とホール素子１１_ｘ２の出力との差（以下、２Ｂｘ⊥とする。）及びホール素子１１_ｙ１の出力とホール素子１１_ｙ２の出力との差（以下、２Ｂｙ⊥とする。）を出力するものとし、当該Ｂｘ⊥及びＢｙ⊥によってギア３の回転を検出する。

【0024】

以下、ギア３の回転の検出方法を説明する。

【0025】

図４は、磁石２によって形成される磁場の様子を表す概略図である。図５は、ギア歯の通過に伴いセンサ１から出力される信号の変化例を示すグラフ図である。

【0026】

なお、図４に示す例が歯先と歯底の間隔が回転角度に対して一定である場合であるのに対し、図５に示す例は、歯先３０ｈと歯底３０ｌの間隔が回転角度に対して一定でないギア３０を用いた場合である。図５に示す例を用いた理由は、歯先３０ｈと歯底３０ｌの間隔によって出力信号の変化はあるものの、出力信号の特性は不変であることを示すためである。

【0027】

図４に示すように、ギア３の歯の先端が最もセンサ１から遠ざかった状態において、ｚ軸に対称な磁場が形成されてセンサ１が検出する磁束密度のｘ成分は０となる。また、ギア３が回転方向Ｄｒに回転するにつれて図面左側の歯が近づくためｘ成分は負へと傾き、センサ１が検出する磁束密度のｘ成分は負の値をとる。また、歯の先端がセンサ１に最も近づいた状態において、ｚ軸に対称な磁場が形成されてセンサ１が検出する磁束密度のｘ成分は０となる。

【0028】

さらに、ギア３が回転方向Ｄｒに回転するにつれて歯がセンサ１上を通り過ぎて図面左側へ離れていくため、通り過ぎるタイミングでｘ成分は負から正へと反転し、その後歯の先端が最もセンサ１から遠ざかった状態に近づくにつれて０に戻っていく。

【0029】

つまり、図５に示すように、ギア３０の回転に伴い、センサ１上を歯が通過する場合であって歯底３０ｌから歯先３０ｈに変化するタイミングに、センサ１の出力信号レベルは最大となる。また、歯先３０ｈから歯底３０ｌに変化するタイミングに、センサ１の出力信号レベルは最小となる。従って、複数の最大値及び最小値のうち絶対値が最も小さいものより小さい値を正負それぞれの閾値Ｔｈｘ、−Ｔｈｘとし、センサ１の出力信号がそれぞれの閾値をそれぞれ正負に超えた数をカウントすることでギア３の回転数や角速度を算出できる。さらに、歯の間隔が一定でない場合であっても、ギア３０の歯のエッジ（歯底３０ｌと歯先３０ｈとの境界）を検出することができる。

【0030】

また、図５に示すように、センサ１が検出する磁束密度のｙ成分についても同様のふるまいが検出され、ギア３０の回転数や角速度を算出できる。また、図中には従来の差動方式により得られるｚ成分の出力信号を比較のために記載したが、この信号に比べてｘ成分のダイナミックレンジが大きくとれることがわかる。なお、差動方式により得られるｚ成分の出力信号は、歯の形状が直角に形成されたものであり、歯の形状に角度をつけたり、曲面により形成された場合はさらにダイナミックレンジが小さくなる。

【0031】

（第１の実施の形態の効果）
上記した第１の実施の形態によれば、磁気コンセントレータ１２によってＢｘ／／をＢｘ⊥に変換して１対のホール素子１１_ｘ１と１１_ｘ２との差分によりＢｘ⊥を出力するようにしたため、ホール素子１１_ｘ１と１１_ｘ２との間隔を広くすることなく、ギア３の回転に伴い変化するＢｘ／／をセンサ１によって検出でき、従ってホール素子１１_ｘ１と１１_ｘ２との間隔がセンサ１の形状に与える影響を抑制でき、従来に比べてセンサＩＣを小型化することができる。なお、上記実施の形態の例では、ホール素子１１_ｘ１と１１_ｘ２との間隔を約０．２ｍｍと狭くできる。また、当該間隔をさらに狭くしてもよい。

【0032】

また、磁気コンセントレータ１２によってＢｘ／／をＢｘ⊥に変換して１対のホール素子１１_ｘ１と１１_ｘ２との差分によりＢｘ⊥を出力するようにしたため、また、磁気コンセントレータ１２によって磁束を集磁するようにしたため、ｚ方向に検出方向を有するホール素子単体で磁束密度のｚ成分を検出する場合に比べて、ダイナミックレンジが向上する（磁気コンセントレータ１２を設けない場合にホール素子がｚ方向の磁束密度を検出して出力する信号は、図５に示すｚ成分の信号よりも小さいものとなる）。従って、ダイナミックレンジが向上するため、従来のホール素子等を用いたセンサに比べて、ギア３とのエアギャップＤｇを大きくすることができ、小型化の効果と相まって配置の自由度が向上する。

【0033】

また、ホール素子１１_ｘ１と１１_ｘ２との間の距離ｄｓを小さくすることができるため、基板１０のサイズを小さくできる。従って、製造時に１枚のウエハから取り出せるチップの個数を増やすことができるため、センサの製造コストを抑えられる。

【0034】

［第２の実施の形態］
第２の実施の形態は、第１の実施の形態のセンサ１の代わりに磁気検出素子及び磁気コンセントレータの配置を変更したセンサ１ａを用いる点で第１の実施の形態と異なる。なお、以下において、第１の実施の形態と共通する構成については同様の符号を用いる。

【0035】

図６（ａ）及び（ｂ）は、第２の実施の形態に係る回転検出装置のセンサの構成例を示す斜視図及び断面図である。

【0036】

センサ１ａは、図６（ａ）及び（ｂ）に示すように、一例として、ｚ方向に厚みを有する平板状であって、ｘｙ面に平行な検出面を有し、磁気検出素子として検出方向をｚ方向とするホール素子１１_１、１１_２、１１_３、１１_４と、ホール素子１１_１、１１_３上に一部が重なるように設けられてｘ方向の磁束をｚ方向に変換してホール素子１１_１、１１_３に検出させる磁気コンセントレータ１２ａ_１と、ホール素子１１_２、１１_４上に一部が重なるように設けられてｘ方向の磁束をｚ方向に変換してホール素子１１_２、１１_４に検出させる磁気コンセントレータ１２ａ_２を有し、ｘ、ｚ方向の磁束密度を検出するホールＩＣである。

【0037】

センサ１ａは、例えば、メレキシス製ホールラッチ＆スイッチセンサ等を用い、ホール素子１１_１と１１_２との出力の差分、ホール素子１１_３と１１_４との出力の差分をとることでｘ方向、ｙ方向の磁束密度に比例した出力を得ることができる。また、ホール素子１１_１と１１_２との間隔、ホール素子１１_３と１１_４との間隔は、ｄｓ＝０．０５ｍｍであり、パッケージはｚ方向の厚みが１．５ｍｍ、ｘ方向の幅が４．１ｍｍ、ｙ方向の高さが３ｍｍである。センサ１ａの磁気コンセントレータ１２として、パーマロイ等を用いることができる。また、センサ１ａは、ホール素子１１_１と１１_２のみを備えるものであってもよい。

【0038】

（回転検出装置の動作）
次に、第２の実施の形態の作用を、図６及び図７を用いて説明する。

【0039】

図７は、センサ１ａの動作を説明するための概略図である。

【0040】

センサ１ａに加えられた磁束密度はホール素子１１_１、１１_２、１１_３、１１_４によって感知される。以下、代表してホール素子１１_１、１１_２によって検出される磁束について説明するが、ホール素子１１_３、１１_４についても同様である。

【0041】

磁束ｆのうち、平行成分Ｂ//は磁気コンセントレータ１２に誘導されることで、磁束密度の大きさが平行成分Ｂ//に比例する垂直成分Ｂ⊥に変換され、１対のホール素子１１_１及び１１_２によって測定される。垂直成分であるＢ_Ｚも１対のホール素子１１_１及び１１_２によって測定される。

【0042】

つまり、図面左側のホール素子１１_１は“Ｂ⊥＋Ｂ_Ｚ”を測定する一方、図面右側のホール素子１１_２は“−Ｂ⊥＋Ｂ_Ｚ”を測定する。

【0043】

従って、ホール素子１１_１の出力とホール素子１１_２の出力との差をとれば−２Ｂ⊥が得られ、和をとれば２Ｂｚが得られる。センサ１ａは、ホール素子１１_１の出力とホール素子１１_２の出力との差Ｂ⊥_１２及びホール素子１１_３の出力とホール素子１１_４の出力との差Ｂ⊥_３４を出力するものとし、これらＢ⊥_１２及びＢ⊥_３４の平均をとることでギア３の回転を検出する。

【0044】

ギア３の回転の検出方法については第１の実施の形態と同様であるため説明を省略する。

【0045】

（第２の実施の形態の効果）
上記した第２の実施の形態によれば、第１の実施の形態のセンサ１に比べて、磁気検出素子の間隔をより小さくすることができる。また、２つの磁気コンセントレータ１２ａ_１及び１２ａ_２を検出方向に設けたため、集磁の効果が向上し、よりダイナミックレンジが向上する。

【0046】

なお、磁気検出素子の間隔に加えて磁気コンセントレータの直径２つ分のサイズの基板が必要になるが、それでも０．４−０．７ｍｍ程度であって、従来に比べてセンサＩＣを小型化することができる。また、同様に、従来に比べて、製造コストを抑えられる。

【0047】

［他の実施の形態］
なお、本発明は、上記実施の形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々な変形が可能である。

【0048】

また、上記した第１〜第２の実施の形態のセンサ、磁石、ギアは例示であって、位置検出の機能が損なわれず、本発明の要旨を変更しない範囲内で、これらをそれぞれ適宜選択して新たな組み合わせに変更して用いてもよい。

【符号の説明】

【0049】

１ センサ
１ａ センサ
２ 磁石
３ ギア
３ｈ 歯先
３ｌ 歯底
５ 回転検出装置
１０ 基板
１１_ｘ１ ホール素子
１１_ｘ２ ホール素子
１１_ｙ１ ホール素子
１１_ｙ２ ホール素子
１２ 磁気コンセントレータ
１２ａ_１ 磁気コンセントレータ
１２ａ_２ 磁気コンセントレータ
１１_１ ホール素子
１１_２ ホール素子
１１_３ ホール素子
１１_４ ホール素子

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】