JP2004245823A - 角度センサ - Google Patents

Abstract

【課題】 安価に製作できる磁石を使用して、電気的有効角度の拡大を図ることができ、その電気的有効角度において検出出力の直線性を改善して検出精度の向上を達成することのできる角度センサを得る。
【解決手段】 回転軸に取り付けた磁石１５に対してホール素子２０を中立検出位置Ｃに対向配置し、ホール素子２０の出力に基づいて磁石１５の回転角度を検出する角度センサ。磁石１５の両磁極に磁性体１６，１６を取り付け、最大磁束部分をホール素子２０の中立検出位置Ｃからシャフト１０の外周方向に遠ざけ、磁束分布を偏在させる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、角度センサ、特に、磁石と磁気検知素子とを互いに対向させて配置し、両者の相対的な回転角度を磁気検知素子の出力に基づいて検出する角度センサに関する。

従来、角度センサとしては、図１０に示すように、直方体形状の磁石１に磁気検知素子２を対向させて配置し、図示しない回転軸に中心Ｏを軸心と一致させて取り付けた磁石１の回転角度を位置が固定された磁気検知素子２の出力に基づいて検出するものが提供されている。

磁気検知素子とは、ホール素子や磁気抵抗素子であり、該素子を垂直に通過する磁束密度の大きさに比例した出力電圧を発生したり、抵抗値が変化する素子である。例えば、ホール素子であれば、磁石１に対する円周方向の相対的な位置がＡ〜Ｅと変化する場合、図１１に示すようにその出力電圧が変化する。

この種の角度センサでは、まず、検出すべき角度の全範囲にわたって角度と出力とがリニアリティを有する関係（直線関係）にあることが検出精度向上のために好ましく、直線性の改善が求められている。また、検出可能な角度範囲が広いほうが好ましく、電気的有効角度の拡大が求められている。

ここで、磁気検知素子の出力の直線性及び電気的有効角度について、さらに詳述する。磁気検知素子２が磁石１に対して相対的に位置Ａのところにある場合、磁石１のＳ極が最接近するため、Ｎ極からの磁束をプラス方向とした場合、磁気検知素子２にはマイナス方向の最大磁束密度となり、出力電圧は最小値となる。逆に、位置Ｅのところにある場合、磁石１のＮ極が最接近するため、出力電圧は最大値となる。また、位置Ｃのところにある場合、磁気検知素子２を直交する磁束はゼロであるため、出力電圧はゼロであり、本明細書ではこの位置Ｃを中立検出位置と称し、このときを中立検出時と称する。

理想的な出力特性は図１１に示す直線Ｘであり、図１２は出力電圧の直線Ｘからのずれ量を、検出範囲（ここでは±６０°）の最大可変電圧値（ここでは０．１５Ｖ）に対する比率で表している。角度と出力とがリニアリティな関係（直線関係）になるためには、ずれ量は小さいほど好ましい。

電気的有効角度とは、出力がリニアリティを保証されて検出できる角度をいう。この有効角度はセンサの使用目的によって異なり、全ての用途で広い角度を要求されるのではない。しかし、広い有効角度を備えたセンサを狭い範囲で使用することは容易であるが、逆の使用は不可能であり、電気的有効角度は広いほうが有益である。ちなみに、図１１にその特性を示す従来の角度センサの有効角度は±６０°である。

従来から、磁石は製作の容易性に鑑みて直方体形状であり、このような直方体の磁石１において磁束は図１３に示すように発生する。そして、磁石１を図１０に示すように中心Ｏを軸として回転させた場合、位置Ｂ，Ｄ間の出力電圧の傾きは磁石１の長さＬで決まる。位置ＡのＳ極最大磁束密度部及び位置ＥのＮ極最大磁束密度部の出力電圧は、磁極と磁気検知素子２の距離（半径ｒ）で決まり、この距離を近づければ出力レベル（磁束密度）は大きくなる。

しかしながら、位置Ａ，Ｅ部分（±９０°位置）の出力特性には丸みが生じてしまい、直線性の良好な有効角度はせいぜい±６０°程度である。

特許文献１には、磁気検知素子の出力の直線性を改善するため、図１４に示すように、磁石５を半円形状として回転軸６の側溝に嵌合させ、ホール素子７を該磁石５に対向させて位置固定し、かつ、回転軸６の中心Ｏに対して磁石５の中心Ｐを偏心させた角度センサが開示されている。

文献１に開示されている角度センサは、磁石５を半円形状とすることによって極部を尖らせ、即ち、磁束分布を中心Ｏ側に偏らせ（図１５参照）、有効角度範囲の直線性を改善したものである。しかし、有効角度はせいぜい±６０°程度であって有効角度をそれ以上に拡大することはできない。また、磁石５を半円形状に成形するために磁石の製作コストの上昇を招くという問題点も有している。
特開２０００−１２１３０９号公報

そこで、本発明の目的は、安価に製作できる磁石を使用して、電気的有効角度の拡大を図ることができ、その電気的有効角度において検出出力の直線性を改善して検出精度の向上を達成することのできる角度センサを提供することにある。

以上の目的を達成するため、本発明は、磁石と磁気検知素子とを互いに対向させて配置し、両者の相対的な回転角度を磁気検知素子の出力に基づいて検出する角度センサにおいて、前記磁石の少なくともいずれか一方の磁極に磁性体を取り付け、Ｎ極及び／又はＳ極の最大磁束部分を前記磁気検知素子の中立検出位置から遠ざけると共に、Ｎ極とＳ極の最大磁束部分を結ぶ直線が前記磁石のＮ極の中心とＳ極の中心を結ぶ直線よりも前記磁気検知素子から遠ざかる方向に位置させたことを特徴とする。

本発明に係る角度センサにあっては、磁石に磁性体を取り付けることによって該磁石の極部（最大磁束部分）を見かけ上任意の位置に設定することができ、最大磁束部分を磁気検知素子の中立検出位置から遠ざけることにより、電気的有効角度が拡大し、検出出力の直線性も改善されて検出精度が向上する。

ところで、最大磁束部分とは、極部の最も磁束が集中した点であり、極部の中心とほぼ一致する。

本発明に係る角度センサにおいては、磁石を断面略円形のシャフトの略中心部に設け、最大磁束部分を磁気検知素子の中立検出位置からシャフトの外周方向に遠ざけるように構成してもよい。

最大磁束部分は中立検出位置から９０゜以上遠ざけることが好ましい。例えば、磁性体の先端部を磁気検知素子の中立検出位置から１２０°回転した位置に設定すれば、約±１１０°の電気的有効角度を確保することができる。

また、本発明に係る角度センサにおいては、磁石自体の形状に特殊な加工を加える必要性はないので、磁石の製作コストが上昇することはない。磁石の形状は直方体とすることが最も安価に製作できると共に、着磁が容易である。しかし、これらの形状に限定するものではなく、円柱体や多角柱体であってもよい。

一方、磁性体は磁石のＮ極及びＳ極のそれぞれに取り付けられていることが特性の安定化の点で好ましい。この場合、磁性体は磁気検知素子の中立検出位置と磁石の中心とを結ぶ直線に対して線対称に取り付ければ、特性がより安定化する。

磁性体の形状に関しては、本発明の目的を達成できる磁束分布が得られるのであれば、円弧形状、三角形状、多角形状等任意である。また、磁性体は磁性体材料粉末をプレス成形したものであっても、あるいは、板状磁性体を曲げ加工したものであってもよく、必要に応じて切削加工を加えてもよい。

本発明によれば、磁石に磁性体を取り付けて該磁石によって形成される最大磁束部分を磁気検知素子の中立検出位置から遠ざけたため、電気的有効角度の拡大を図ることができると共に、その有効角度において検出出力の直線性を改善して検出精度の向上を達成することができる。しかも、磁石自体には特別の加工を必要としないため、安価に製作することができる。

以下、本発明に係る角度センサの実施例について、添付図面を参照して説明する。なお、以下の説明において磁石の寸法や配置関係について具体的な数値を挙げるが、これらの数値はあくまで一例であることは勿論である。

（基本構成、図１〜図３参照）
本発明に係る角度センサは、図１、図２に示すように、矢印ａ及びそれとは逆方向に回転自在なシャフト１０に直方体からなる磁石１５を固定し、該磁石１５と対向するように中立検出位置Ｃに磁気検知素子であるホール素子２０を位置固定で配置したものである。磁石１５にはその両端のＮ極、Ｓ極に磁性体１６，１６が取り付けられている。シャフト１０の回転中心及び磁石１５の中心は符号Ｐ１で示すように一致している。

磁性体１６は円弧形状をなしている。この円弧は中立検出時において符号Ｐ２を中心として中立検出位置Ｃから遠ざかる方向に延在している。磁石１５の磁極から磁性体１６，１６が延在することにより、磁石１５及び磁性体１６によって形成される磁束分布は、図３に示すように、ホール素子２０が位置する方向とは反対側に偏ることになる。即ち、最大磁束部分は磁性体１６，１６の先端部となり、最大磁束部分がホール素子２０の中立検出位置Ｃからシャフト１０の外周方向に遠ざかっている。図１に示す矢印ｂ，ｂは最大磁束密度方向である。

磁石１５は、磁石インゴットからスライスして直方体に切り出したもので、安価に製作でき、着磁も容易である。サイズは、着磁方向の長さ（図２での縦方向長さ）３ｍｍ、幅（図２での横方向長さ）２ｍｍ、厚さ（図２での奥行き方向長さ）２〜４ｍｍである。幅寸法は、本発明では両極部に磁性体１６が取り付けられるため、磁石としての強度や減磁性を最低限確保できればよい。

磁石１５の中心位置はシャフト１０の回転中心Ｐ１と一致させているが、偏心させてもよい。本発明では磁石１５単体ではなく磁性体１６を含めて形成される磁力線の分布がホール素子２０の出力特性に影響するため、磁石１５の中心の位置はそれほど重要ではない。

磁性体１６は、厚さ０．３ｍｍほどの鉄などの板状磁性体を曲げ加工したものであり、磁石１５の磁極面と接する部分と円弧形状部分とからなる。磁性体１６の幅寸法は、磁石１５の厚さ寸法と同じであり、ホール素子２０に内蔵されている検知用半導体チップのサイズである約０．２ｍｍ角よりも充分に大きい寸法とされている。

磁性体１６の円弧形状部分は、図２に示すように、中心Ｐ２から半径ｒ１＝４ｍｍの円の一部として構成されている。中心Ｐ２は回転中心Ｐ１から距離ｄ＝２．４６ｍｍだけ−Ｘ方向に偏心している。円弧形状部分の先端は、回転中心Ｐ１から±１２０°の位置であって、中心Ｐ２からＸ方向に距離ｅ＝０．５ｍｍの位置に設定されている。

ホール素子２０は、回転中心Ｐ１から半径ｒ２＝７ｍｍの中立検出位置Ｃにおいて、磁石１５の中心に向かって垂直に配置されている。

ところで、本実施例において、図４（Ａ）に示すように、Ｎ極最大磁束部分Ｎ１とＳ極最大磁束部分Ｓ１とを結ぶ直線Ｌ１は、中立検出時において磁石１５のＮ極の中心Ｎ２とＳ極の中心Ｓ２とを結ぶ直線Ｌ２よりもホール素子２０から遠ざかる方向に位置している。また、一対の磁性体１６はホール素子２０の中立検出位置Ｃと磁石１５の中心Ｏとを結ぶ直線Ｌ３に対して線対称に取り付けられている。

なお、磁性体１６は磁石１５のいずれか一方の磁極側に取り付けられていてもよい。図４（Ｂ）は一つの磁性体１６を磁石１５のＮ極側に取り付けた例を示している。この場合、Ｓ極最大磁束部分Ｓ１は磁石１５のＳ極の中心Ｓ２と一致している。そして、Ｎ極最大磁束部分Ｎ１とＳ極最大磁束部分Ｓ１とを結ぶ直線Ｌ１は、中立検出時において磁石１５のＮ極の中心Ｎ２とＳ極の中心Ｓ２とを結ぶ直線Ｌ２よりもホール素子２０から遠ざかる方向に位置している。

（角度センサの具体的構成、図５、図６参照）
磁石１５は、シャフト１１の先端にアタッチメント１２を介して装着されたシャフト１０に取り付けられ、磁性体１６と共にホルダ１３によって保持されている。なお、１４はカバー、１７はベアリング、１８はばね部材、１９はＯリングである。一方、ホール素子２０は基板２１に取り付けられており、基板２１はソケット２２を備えている。

（出力特性、図７、図８参照）
以上の構成からなる本実施例（角度センサ）において、磁石１５（シャフト１０，１１）の回転角度に対するホール素子２０の出力特性は図７に示すとおりである。図７から明らかなように、中立検出位置Ｃ（出力ゼロ）から±１１０°の広範囲に渡って直線性の良好な出力特性を得ることができた。即ち、電気的有効角度が大きく拡大されている。

また、本実施例において、前記図１２に示したのと同様に、理想的な出力特性からのずれ量（比率で示している）を図８に示す。図８と図１２を比較すると明らかなように、本実施例ではずれ量が大きく改善されており、検出精度の向上が達成されている。

さらに、本実施例において、磁石１５は小型の直方体であり、安価に製作することができ、着磁も容易である。

（磁石及び磁性体の形状、図９参照）
前記磁石１５及び磁性体１６の形状やその製作方法は任意である。磁石１５は直方体のみならず円柱体や多角柱体等であってもよい。磁性体１６は円弧形状のみならず三角形状、多角形状等であってもよい。また、磁性体１６は板状磁性体を曲げ加工する以外にも磁性体材料粉末をプレス成形して製作してもよく、さらに、必要に応じて切削加工を加えてもよい。

図９（Ａ），（Ｂ）には磁石１５にほぼ円弧形状の磁性体１６を設けた例を示す。図９（Ｃ），（Ｄ）には磁石１５にほぼ三角形状の磁性体１６を設けた例を示し、図９（Ｅ）には磁石１５に多角形状の磁性体１６を設けた例を示す。三角形状や多角形状の磁性体１６を設ければ、ホール素子２０の出力特性を自由に設定することができる。さらに、図９（Ｆ）には円柱形状の磁石１５にほぼ三角形状の磁性体１６を設けた例を示す。

（他の実施例）
なお、本発明に係る角度センサは前記実施例に限定するものではなく、その要旨の範囲内で種々に変更できる。

例えば、磁気検知素子として前記ホール素子以外に磁気抵抗素子を使用してもよい。また、磁石及び磁性体を回転軸に取り付ける構造や磁気検知素子との位置関係は任意である。

特に、前記実施例では、ホール素子２０の初期位置を中立検出位置Ｃに設定した場合を示したが、ホール素子２０の初期位置の設定は設計的事項であって任意である。

本発明に係る角度センサの基本構成を示す斜視図である。 本発明に係る角度センサの基本構成を示す正面図である。 本発明に係る角度センサにおいて磁石及び磁性体によって形成される磁束分布を示す説明図である。 （Ａ），（Ｂ）共に本発明に係る角度センサにおける磁性体の位置を示す説明図である。 本発明に係る角度センサの一実施例を示す断面図である。 前記一実施例を示す分解斜視図である。 前記一実施例における出力特性を示すグラフである。 前記一実施例における出力の理想出力からのずれ量を示すグラフである。 磁石及び磁性体の種々の変形例を示す正面図である。 従来の角度センサにおける磁石と磁気検知素子との配置関係を示す説明図である。 従来の角度センサにおける出力特性を示すグラフである。 従来の角度センサにおける出力の理想出力からのずれ量を示すグラフである。 直方体の磁石によって形成される磁束分布を示す説明図である。 従来の角度センサにおいて改良された磁石の形状を示し、（Ａ）は正面図、（Ｂ）は斜視図である。 半円形状の磁石によって形成される磁束分布を示す説明図である。

符号の説明

１０…シャフト
１５…磁石
１６…磁性体
２０…ホール素子
Ｃ…中立検出位置
Ｎ１，Ｓ１…最大磁束部分

Claims (13)

1. 磁石と磁気検知素子とを互いに対向させて配置し、両者の相対的な回転角度を磁気検知素子の出力に基づいて検出する角度センサにおいて、
   前記磁石の少なくともいずれか一方の磁極に磁性体を取り付け、Ｎ極及び／又はＳ極の最大磁束部分を前記磁気検知素子の中立検出位置から遠ざけると共に、Ｎ極とＳ極の最大磁束部分を結ぶ直線が前記磁石のＮ極の中心とＳ極の中心を結ぶ直線よりも前記磁気検知素子から遠ざかる方向に位置させたこと、
   を特徴とする角度センサ。
2. 前記磁石を断面略円形のシャフトの略中心部に設け、最大磁束部分を前記磁気検知素子の中立検出位置からシャフトの外周方向に遠ざけたことを特徴とする請求項１に記載の角度センサ。
3. 前記磁性体の先端部が前記磁気検知素子の中立検出位置から１２０°回転した位置に設定されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の角度センサ。
4. 前記磁性体は前記磁石のＮ極及びＳ極のそれぞれに取り付けられていることを特徴とする請求項１、請求項２又は請求項３に記載の角度センサ。
5. 前記磁性体は前記磁気検知素子の中立検出位置と前記磁石の中心とを結ぶ直線に対して線対称に取り付けられていることを特徴とする請求項４に記載の角度センサ。
6. 前記磁性体は円弧形状をなしていることを特徴とする請求項１、請求項２、請求項３、請求項４又は請求項５に記載の角度センサ。
7. 前記磁性体は三角形状をなしていることを特徴とする請求項１、請求項２、請求項３、請求項４又は請求項５に記載の角度センサ。
8. 前記磁性体は多角形状をなしていることを特徴とする請求項１、請求項２、請求項３、請求項４又は請求項５に記載の角度センサ。
9. 前記磁性体は磁性体材料粉末をプレス成形したものであることを特徴とする請求項１、請求項２、請求項３、請求項４又は請求項５に記載の角度センサ。
10. 前記磁性体は板状磁性体を曲げ加工したものであることを特徴とする請求項１、請求項２、請求項３、請求項４又は請求項５に記載の角度センサ。
11. 前記磁石は直方体であることを特徴とする請求項１、請求項２、請求項３、請求項４又は請求項５に記載の角度センサ。
12. 前記磁石は円柱体であることを特徴とする請求項１、請求項２、請求項３、請求項４又は請求項５に記載の角度センサ。
13. 前記磁石は多角柱体であることを特徴とする請求項１、請求項２、請求項３、請求項４又は請求項５に記載の角度センサ。

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