JP2001317910A - 回転角度検出器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 回転角度θの測定範囲を拡げる。 【解決手段】 ヨーク９に磁石５，６を回転軸方向の位
置を互いにずらして取り付ける。磁気センサ１をヨーク
９の内部空間の中央にその検出面１ａを縦（磁石５およ
び６の回転軸方向と平行）にして配置する。軸７を回転
すると、これに伴って磁石５および６がヨーク９と一体
となって回転し、傾斜角αの磁界Ｂが磁気センサ１の検
出面１ａを貫通しながら回転する。これにより、磁界Ｂ
の回転角度θの変化よりも小さな角度変化の磁界成分が
磁気センサ１の検出面１ａに平行に作用し、回転角度θ
の測定範囲が拡がる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、各種機器の回転
角度を検出する回転角度検出器に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、この種の回転角度検出器とし
て、強磁性体磁気抵抗素子を利用したものがある。強磁
性体磁気抵抗素子は、Ｎｉ−Ｃｏ等の強磁性合金からな
る薄膜パターンを絶縁基板上に形成したものである。こ
の強磁性体磁気抵抗素子が配置されている基板面（検出
面）と平行な磁界の方向が変化すると、それに応じて抵
抗値が変化する。この強磁性体磁気抵抗素子の抵抗値の
変化から、検出面と平行な磁界の方向を検出することが
でき、この磁界の方向から被測定部材の回転角度を検出
することができる。

【０００３】図１３は強磁性体磁気抵抗素子を利用した
従来の回転角度検出器の回路構成を示す図である。同図
において、１は磁気センサ、２はオペアンプ、３は増幅
器、４は磁気センサ１に直列に接続された駆動電流値決
定用抵抗であり、オペアンプ２および増幅器３へは電源
電圧Ｖｃｃが与えられている。磁気センサ１はブリッジ
接続された強磁性体磁気抵抗素子１−１〜１−４によっ
て構成され、強磁性体磁気抵抗素子１−１〜１−４は基
板面に配置されている。すなわち、この強磁性体磁気抵
抗素子１−１〜１−４が配置された基板面が、磁気セン
サ１の検出面とされている。

【０００４】オペアンプ２の非反転入力端には基準電圧
Ｖｓが設定されており、反転入力端には駆動電流値決定
用抵抗４と磁気センサ１との直列接続点（強磁性体磁気
抵抗素子１−２と１−４との接続点）に生ずる電圧Ｖ１
が与えられている。また、オペアンプ２の出力端は、磁
気センサ１の強磁性体磁気抵抗素子１−１と１−３との
接続点に接続されている。増幅器３は、磁気センサ１の
強磁性体磁気抵抗素子１−１と１−４との接続点に生ず
る電圧ｅ１および強磁性体磁気抵抗素子１−３と１−２
との接続点に生ずる電圧ｅ２を入力とし、この入力され
る電圧ｅ１とｅ２との差を所定の増幅率Ｇで増幅し、出
力電圧Ｖｏｕｔとして出力する。

【０００５】この回転角度検出器において、オペアンプ
２は、入力電圧Ｖ１を基準電圧Ｖｓに一致させるように
磁気センサ１への駆動電流ｉを制御する。これにより、
磁気センサ１への駆動電流ｉが一定となり、磁気センサ
１が定電流駆動される。この場合、駆動電流ｉの大きさ
は、基準電圧Ｖｓと駆動電流値決定用抵抗４の抵抗値Ｒ
１０によって決定される。

【０００６】図１４に磁気センサ１の取り付け状況の概
略を示す。磁気センサ１はその検出面１ａを下側にして
不図示の保持部材に固定されている。この磁気センサ１
の両側に磁石（永久磁石）５および６が配置されてい
る。磁石５および６は軸７と一体となって回転するヨー
ク８に取り付けられている。磁石５はそのＮ極を磁気セ
ンサ１側として、磁石６はそのＳ極を磁気センサ１側と
してヨーク８に取り付けられており、ヨーク８を磁路と
して磁石５のＮ極から磁石６のＳ極へ向かう磁界Ｂが磁
気センサ１の検出面１ａに平行に作用している。

【０００７】軸７が回転すると、磁石５と磁石６とが作
る磁界Ｂも回転する。これにより、強磁性体磁気抵抗素
子１−１〜１−４の抵抗値が変化し、増幅器３の出力電
圧Ｖｏｕｔが変化する。この出力電圧Ｖｏｕｔの変化か
ら磁界Ｂの方向を検出することができ、この磁界Ｂの方
向から軸７の回転角度を検出することができる。ここ
で、軸７の回転角度すなわち磁界Ｂの回転角度をθとし
（図１５参照）、出力電圧ＶｏｕｔをＶ（θ）とした場
合、磁気センサ１の物性から出力電圧Ｖ（θ）は下記
（１）式で表される。なお、（１）式において、ΔＲは
磁気抵抗効果の大きさである。 Ｖ（θ）＝ΔＲ・ｃｏｓ２θ・ｉ ・・・・（１）

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上記（１）式から分か
るように、従来の回転角度検出器においては、出力電圧
Ｖ（θ）が回転角度θに対して２倍角の出力特性とな
る。図１６にＶ（θ）の出力特性を示す。出力電圧Ｖ
（θ）は、θ＝０〜１８０゜を１周期として変化し、θ
＝０゜〜９０゜，θ＝９０゜〜１８０゜において同一値
のＶ（θ）が出力される。従って、従来の回転角度検出
器では、回転角度θの測定範囲が９０゜以下（実質的に
は６０゜程度）に限定されていた。

【０００９】本発明はこのような課題を解決するために
なされたもので、その目的とするところは、回転角度θ
の測定範囲を拡げることのできる回転角度検出器を提供
することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】このような目的を達成す
るために請求項１に係る発明（第１発明）は、磁気セン
サを挾んで対向する一方側および他方側に磁気センサに
対し相対的に回転可能にＮ磁極およびＳ磁極を設け、磁
気センサの検出面をこのＮ磁極およびＳ磁極の回転軸方
向と平行とすると共に、Ｎ磁極の回転軌道面とＳ磁極の
回転軌道面とを磁気センサの中心を挟んで対向させたも
のである。この発明によれば、Ｎ磁極からＳ磁極への磁
界が磁気センサの検出面を斜めに貫通しながら回転し、
この磁界の回転角度変化よりも小さな角度変化の磁界成
分が磁気センサの検出面に平行に作用する。

【００１１】また、請求項２に係る発明（第２発明）
は、第１および第２の部材を相対的に回転可能に設け、
第１の部材に磁気抵抗効果型の磁気センサを設け、第２
の部材に磁路を設け、この磁路に磁気センサに作用する
磁界を作る第１の磁石および第２の磁石を接続し、磁気
センサの検出面を第１の磁石および第２の磁石の回転軸
方向と平行とすると共に、第１の磁石と第２の磁石の回
転軸方向の位置を互いにずらしたものである。この発明
によれば、第１の磁石（第２の磁石）から第２の磁石
（第１の磁石）への磁界が磁気センサの検出面を斜めに
貫通しながら回転し、この磁界の回転角度変化よりも小
さな角度変化の磁界成分が磁気センサの検出面に平行に
作用する。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明を実施の形態に基づ
き詳細に説明する。 〔実施の形態１（基本原理）〕図１はこの発明の基本原
理を説明する図であり、磁気センサおよび磁石の取り付
け状況を示している。同図において、１は磁気センサ、
５，６は磁石（永久磁石）、９は「コ」の字形のヨーク
であり、ヨーク９の底面（図では上面）９ａには軸７が
結合されている。

【００１３】磁石５，６はヨーク９の内面に取り付けら
れている。軸７を回転すると、この軸７と一体となって
ヨーク９が回転し、ヨーク９に取り付けられた磁石５，
６も回転する。磁気センサ１は、不図示の保持部材に固
定され、ヨーク９の内部空間の中央にその検出面１ａを
縦にして配置されている。すなわち、磁気センサ１は、
その検出面１ａを磁石５および６の回転軸方向と平行に
して配置されている。磁石５，６は回転軸方向の位置を
互いにずらして取り付けられている。この例では、磁石
５をヨーク９の下部に、磁石６をヨーク９の上部に取り
付け、磁石５の回転軌道面と磁石６の回転軌道面とを磁
気センサ１の中心を挟んで対向させている。

【００１４】磁石５はそのＮ極を磁気センサ１側とし
て、磁石６はそのＳ極を磁気センサ１側としてヨーク９
に取り付けられており、ヨーク９を磁路として磁石５の
Ｎ極から磁石６のＳ極へ向かう傾斜角αの磁界Ｂが磁気
センサ１に作用している。図１の状態において、傾斜角
αの磁界Ｂは、磁気センサ１の検出面１ａに平行にが作
用している。磁気センサ１の構成およびこの磁気センサ
１に付加される回路構成は図１３と同じであるのでその
説明は省略する。

【００１５】この回転角度検出器において、軸７が回転
すると、磁石５と磁石６とが作る磁界Ｂも回転する。図
１は軸７の回転角度θが９０゜の場合を示している。軸
７の回転角度θが０゜の場合を図２（ｂ）に示す。図２
（ｂ）の状態では、磁界Ｂそのものではなく、磁界Ｂの
垂直方向の磁界成分が磁気センサ１の検出面１ａに平行
に作用している。図２（ｂ）において、検出面１ａに平
行に作用する磁界成分の回転角度θ′は、軸７の回転角
度（磁界Ｂの回転角度）θと等しい（θ＝θ′＝０
゜）。

【００１６】図２（ｂ）の状態から軸７が右方向（正方
向）に回転すると、これに伴って磁石５および６がヨー
ク９と一体となって回転し、傾斜角αの磁界Ｂが磁気セ
ンサ１の検出面１ａを貫通しながら正方向へ回転する。
これにより、検出面１ａに平行に作用する磁界成分も正
方向に回転する。磁界Ｂの回転角度θが９０゜となった
場合を図２（ｃ）に示す。この場合、検出面１ａに平行
に作用する磁界成分の回転角度θ′は、θ′＝（９０−
α）゜となる。

【００１７】図２（ｂ）の状態から軸７が左方向（負方
向）に回転すると、これに伴って磁石５および６がヨー
ク９と一体となって回転し、傾斜角αの磁界Ｂが磁気セ
ンサ１の検出面１ａを貫通しながら負方向へ回転する。
これにより、検出面１ａに平行に作用する磁界成分も負
方向に回転する。磁界Ｂの回転角度θが−９０゜となっ
た場合を図２（ａ）に示す。この場合、検出面１ａに平
行に作用する磁界成分の回転角度θ′は、θ′＝（−９
０＋α）゜となる。

【００１８】ここで、磁界Ｂの傾斜角度αをα＝６０゜
とすると、磁界Ｂの回転角度θがθ＝９０゜の場合の検
出面１ａに平行に作用する磁界成分の回転角度θ′は、
θ′＝９０−α＝３０゜となる。磁界Ｂの回転角度θが
θ＝−９０゜の場合の検出面１ａに平行に作用する磁界
成分の回転角度θ′はθ′＝−９０＋α＝−３０゜とな
る。

【００１９】この場合、磁界Ｂの回転角度θの０゜から
９０゜の変化に対し、検出面１ａに平行に作用する磁界
成分の回転角度θ′は０゜から３０゜の変化となり、磁
界Ｂの回転角度θの０゜から−９０゜の変化に対し、検
出面１ａに平行に作用する磁界成分の回転角度θ′は０
゜から−３０゜の変化となり、磁界Ｂの回転角度θの変
化よりも小さな角度変化の磁界成分が磁気センサ１の検
出面１ａに平行に作用し、回転角度θの測定範囲が拡が
るものとなる。

【００２０】本実施の形態において、磁界Ｂの回転角度
θと検出面１ａに平行に作用する磁界成分の回転角度
θ′との関係は、図３より下記（２）式として得られ
る。 θ′＝ｔａｎ^-1（ｓｉｎθ／ｋ） ・・・・（２） すなわち、図３（ａ）において、回転角度θ′における
検出面１ａに平行に作用する磁界成分のＸ軸方向成分を
ｘ、Ｙ軸方向成分をｙとすると、ｘ＝Ｂ・ｃｏｓα・ｓ
ｉｎθ、ｙ＝Ｂ・ｓｉｎαで表され、ｔａｎθ′＝ｘ／
ｙ＝（Ｂ・ｃｏｓα・ｓｉｎθ）／（Ｂ・ｓｉｎα）＝
ｓｉｎθ／ｔａｎαとなる。ここで、ｔａｎα＝ｋとす
ると、ｔａｎθ′＝ｓｉｎθ／ｋとなり、θ′＝ｔａｎ
^-1（ｓｉｎθ／ｋ）となる。

【００２１】図４にα＝６０゜とした場合の出力電圧Ｖ
（θ）の出力特性（シミュレーション結果）を示す。図
中、実線が本実施の形態においてα＝６０゜とした場合
のＶ（θ）の出力特性であり、点線は従来の回転角度検
出器におけるＶ（θ）の出力特性を示す。同様にして、
図５にα＝４５゜とした場合、図６にα＝７５゜とした
場合、図７にα＝３０゜とした場合の出力電圧Ｖ（θ）
の出力特性（シミュレーション結果）を示す。このシミ
ュレーション結果から、０゜＜α＜４５゜では測定範囲
がかえって狭くなるが、４５゜＜α＜９０゜では従来よ
りも回転角度θの測定範囲が拡がることが分かる。

【００２２】すなわち、従来の回転角度検出器では、θ
＝−４５゜〜＋４５゜の範囲を超えるとこの範囲内の値
と同一値のＶ（θ）が出力されるため、測定範囲がθ＝
−４５゜〜＋４５゜に限定される。これに対し、本実施
の形態では、傾斜角αを４５゜＜α＜９０゜とした場
合、θ＝−９０゜〜＋９０゜の範囲では同一値のＶ
（θ）が出力されることがなく、測定範囲が従来の９０
゜以下から１８０゜以下（実質的には１２０゜程度）に
拡がる。

【００２３】なお、本実施の形態では、ヨーク９に磁石
５と磁石６を回転軸方向の位置を互いにずらして取り付
けたが、図８に示すような円筒状の磁石１０を使用する
ようにしてもい。例えば、等方性焼結フェライト磁石や
ラジアル異方性焼結フェライト磁石を用いると良い。こ
の磁石１０は、所要の箇所を部分的に着磁したもので、
下側の一部分１０−１にＮ極を形成し、上側の一部分１
０−２にＳ極を形成している。９′はヨークである。

【００２４】また、本実施の形態では、磁気センサとし
て４つの強磁性体抵抗素子を用いた４素子タイプの磁気
センサ（図９（ａ）参照）を使用したが、２素子タイプ
の磁気センサ（図９（ｂ）参照）を使用してもよい。ま
た、本実施の形態では、ヨーク９の下側にＮ極を内側と
して磁石５を、ヨーク９の上側にＳ極を内側として磁石
６を取り付けたが、磁石５と磁石６との位置を入れ替え
てもよい。また、本実施の形態では、磁気センサ１側を
固定しヨーク９側を回転させるようにしたが、ヨーク９
側を固定し磁気センサ１側を回転させるようにしてもよ
い。

【００２５】本実施の形態では、傾斜角αの磁界Ｂを回
転させ、磁気センサ１の検出面１ａに平行な磁界成分の
方向を検出するようにしている。このため、検出面１ａ
に平行に作用する磁界成分の大きさが変化し、一定とは
ならない。強磁性体抵抗素子は一定以上の強さの磁界に
対しては感度が鈍くて影響を受けない（飽和してしま
う）性質がある。本実施の形態では、この性質を利用
し、検出面１ａに平行に作用する磁界成分の大きさが変
化しても影響を受けないように、また外からの磁界成分
でＶ（θ）が変化しないように、磁界Ｂとして上記素子
が飽和する磁界よりも十分に強い磁界（例えば、８０，
０００Ａ／ｍ）を与えるようにしている。

【００２６】〔実施の形態２（具体例）〕図１０は上述
した基本原理を利用した回転角度検出器の具体例を示す
分解斜視図である。同図において、１１はケース、１２
は軸受用シリンダ、１３はリング、１４は回転駆動軸、
１５はヨーク、１６は蓋である。回転駆動軸１４は、図
１１に示すように、小突起１４ａを有し、この小突起１
４ａをヨーク１５の貫通孔１５ａ内に挿入してその先端
をかしめることで一体化されている。回転駆動軸１４の
外周にはリング溝１４ｂが形成されている。

【００２７】ヨーク１５は磁気飽和しない程度の厚みを
有する鉄板で形成された有底円筒状とされ、その内部空
間１５ｂにネオジム系異方性焼結磁石５，６を着磁して
取り付けた樹脂製の磁石保持部材１７が圧入固定されて
いる。磁石保持部材１７には切欠１７ａおよび１７ｂが
形成されており、この切欠１７ａおよび１７ｂに磁石５
および６がそのＮ極およびＳ極を内側（ヨーク１５の内
部空間１５ｂ側）として取り付けられている。切欠１７
ａは切欠１７ｂよりも深く形成されている。これによ
り、磁石保持部材１７に取り付けられた状態で、磁石
５，６の回転軸方向の位置が互いにずらされる。回転駆
動軸１４を回転すると、この回転駆動軸１４と一体とな
ってヨーク１５が回転し、ヨーク１５に取り付けられた
磁石５，６も回転する。

【００２８】蓋１６には樹脂製の支持部材１８にその裏
面側を接着して磁気センサ１が取り付けられている。支
持部材１８は蓋１６の上面に固定された基板１９に接着
されている。すなわち、磁気センサ１は、その検出面１
ａを表面とし、この検出面１ａを縦にして蓋１６に固定
されている。基板１９には回路パターン１９ａが形成さ
れており、蓋１６を貫通して４本のリード線２０が回路
パターン１９ａとフラットケーブル１９ｂを介して磁気
センサ１に接続されている。

【００２９】図１２は組み立てた状態を示す側断面図で
あり、図１２（ａ）は図１０におけるＳ１方向から見た
側断面図、図１２（ｂ）は図１０におけるＳ２方向から
見た側断面図である。ケース１１内に軸受用シリンダ１
２を挿入のうえリング１３を通して回転駆動軸１４を挿
入している。回転駆動軸１４の先端はケース１１の上部
開口１１ａより突出し、リング溝１４ｂにリング２１が
嵌め込まれている。

【００３０】回転駆動軸１４の下端部はヨーク１５と一
体化されている。ヨーク１５の内部空間１５ｂには磁石
５，６を取り付けた磁石保持部材１７が圧入固定されて
いる。ケース１１の底部には磁気センサ１を取り付けた
蓋１９が嵌め込まれている。蓋１９を嵌め込んだ状態に
おいて、磁気センサ１はヨーク９の内部空間１５ｂの中
央に位置し、その検出面１ａが磁石５および６の回転軸
方向と平行にされる。また、ヨーク１５を磁路として、
磁石５のＮ極から磁石６のＳ極へ向かう傾斜角αの磁界
Ｂが磁気センサ１に作用する。

【００３１】回転駆動軸１４が回転すると、この回転駆
動軸１４と一体となってヨーク１５が回転し、ヨーク１
５に取り付けられた磁石５，６も回転する。これによ
り、磁石５，６が作る傾斜角αの磁界Ｂが磁気センサ１
の検出面１ａを貫通しながら回転し、磁界Ｂの回転角度
変化よりも小さな角度変化の磁界成分が検出面１ａに平
行に作用する。なお、本実施の形態では、鉄製のヨーク
１５が磁気センサ１の周囲を取り囲んでいるため、ヨー
ク１５が磁気シールドとして働き、ヨーク外部の磁界が
磁気センサ１の検出に影響を及ぼすことがない。

【００３２】

【発明の効果】以上説明したことから明らかなように本
発明によれば、Ｎ磁極からＳ磁極への磁界が磁気センサ
の検出面を斜めに貫通しながら回転し（第１発明）、第
１の磁石（第２の磁石）から第２の磁石（第１の磁石）
への磁界が磁気センサの検出面を斜めに貫通しながら回
転し（第２発明）、この磁界の回転角度変化よりも小さ
な角度変化の磁界成分が磁気センサの検出面に平行に作
用し、従来よりも回転角度θの測定範囲を拡げることが
できるようになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の基本原理を説明するための磁気セン
サおよび磁石の取り付け状況を示す側断面図である。

【図２】 図１に示した回転角度検出器において磁界Ｂ
が回転する様子を示す図である。

【図３】 磁界Ｂの回転角度θと検出面に平行に作用す
る磁界成分の回転角度θ′との関係式を説明する図であ
る。

【図４】 α＝６０゜とした場合の出力電圧Ｖ（θ）の
出力特性（シミュレーション結果）を示す図である。

【図５】 α＝４５゜とした場合の出力電圧Ｖ（θ）の
出力特性（シミュレーション結果）を示す図である。

【図６】 α＝７５゜とした場合の出力電圧Ｖ（θ）の
出力特性（シミュレーション結果）を示す図である。

【図７】 α＝３０゜とした場合の出力電圧Ｖ（θ）の
出力特性（シミュレーション結果）を示す図である。

【図８】 円筒状の磁石を使用するようにした例を示す
側断面図である。

【図９】 ４素子タイプの磁気センサおよび２素子タイ
プの磁気センサを示す図である。

【図１０】 図１に示した基本原理を利用した回転角度
検出器の具体例を示す分解斜視図である。

【図１１】 この回転角度検出器に用いる回転駆動軸へ
のヨークや磁石の取り付け状況を示す分解斜視図であ
る。

【図１２】 この回転角度検出器を組み立てた状態を示
す側断面図である。

【図１３】 強磁性体磁気抵抗素子を利用した回転角度
検出器の回路構成を示す図である。

【図１４】 従来の回転角度検出器における磁気センサ
の取り付け状況を示す概略図である。

【図１５】 この回転角度検出器の磁気センサの検出面
に平行に磁界Ｂが作用する状況を示す図である。

【図１６】 この回転角度検出器における出力電圧Ｖ
（θ）の出力特性を示す図である。

【符号の説明】

１…磁気センサ、１−１〜１−４…強磁性体磁気抵抗素
子、１ａ…検出面、５，６…磁石（永久磁石）、７…
軸、９，９′…ヨーク、１０…円筒状の磁石、１０−１
…Ｎ極が形成された一部分、１０−２…Ｓ極が形成され
た一部分。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 検出面に平行な磁界成分の方向に応じて
   その抵抗値が変化する磁気抵抗効果型の磁気センサと、
   この磁気センサを挾んで対向する一方側および他方側に
   前記磁気センサに対し相対的に回転可能に設けられ、前
   記磁気センサに作用する磁界を作るＮ磁極およびＳ磁極
   とを備えた回転角度検出器において、 前記磁気センサの検出面が前記Ｎ磁極およびＳ磁極の回
   転軸方向と平行とされ、前記Ｎ磁極の回転軌道面と前記
   Ｓ磁極の回転軌道面とが前記磁気センサの中心を挟んで
   対向していることを特徴とする回転角度検出器。
2. 【請求項２】 相対的に回転可能に設けられた第１およ
   び第２の部材と、前記第１の部材に設けられ検出面に平
   行な磁界成分の方向に応じてその抵抗値が変化する磁気
   抵抗効果型の磁気センサと、前記第２の部材に設けられ
   た磁路と、この磁路に接続され前記磁気センサに作用す
   る磁界を作る第１の磁石および第２の磁石とを備えた回
   転角度検出器において、 前記磁気センサの検出面が前記第１の磁石および第２の
   磁石の回転軸方向と平行とされ、前記第１の磁石と前記
   第２の磁石の回転軸方向の位置が互いにずれていること
   を特徴とする回転角度検出器。