JP2005156264A - 回転角度センサ - Google Patents

Abstract

【課題】 位置ズレに強い回転角度センサを提供する。
【解決手段】 磁石２の円周上に設けられＺ軸方向に感磁面をもつ磁電変換素子４，７は、その上下を感磁面に平行な磁性体板３，５、及び６，８で挟まれることにより磁石に対する位置ズレが発生しても均一な磁束密度を検知するため角度誤差が抑制される。
【選択図】 図１

Description

本発明は回転角度センサに関し、特に磁石と磁電変換素子との相対位置ズレなどに起因する角度誤差発生を抑えた回転角度センサに関するものである。

従来、複数の磁電変換素子を使って３６０度と広い角度範囲の検出を行う方法として、ＮＳ極を有する回転体円板の円盤上方、また、動径方向にホール素子を配置し、その正弦、余弦波形状の電圧出力から回転角度をアークタンジェントなどの計算で算出する方式が知られている。

しかし、実用上は、センサ組み立て時の磁石中心の位置ズレ、磁電変換素子と磁石との位置ズレ、センサ組み付け時の回転軸ズレなどから、磁石と磁電変換素子の初期設計値からの位置ズレが発生し、磁電変換出力が理想的な正弦、余弦波形、もしくは、期待される波形から乖離し、角度誤差が大きくなっている。

円板磁石と磁電変換素子の配置をもち、回転軸ズレに関して、複数のホール素子ペアを使って回転軸ズレに対応したものが知られている（特許文献１）。

図１９は、この特許文献１に記載されている図５を示したものである。また、図２０は、この特許文献１に記載されている図６を示したものである。

図１９において、Ａ１、Ａ２、Ｂ１、Ｂ２はホール素子であり、磁石の回転により、Ａ１とＢ１は９０度の位相差をもち、それぞれコサイン、サイン的な波形出力となる。Ａ２、Ｂ２はそれぞれＡ１、Ｂ１に対して１８０度位相がずれており、Ａ１とＡ２の電圧差値（Ｖ（Ａ１）−Ｖ（Ａ２））、Ｂ１とＢ２の電圧差値（Ｖ（Ｂ１）−Ｖ（Ｂ２））は、それぞれ、概略、Ａ１、Ｂ１の電圧の倍の値となり、磁石の回転角度に対して、それぞれコサイン、サイン的に変化する。そこで、２つの出力の商を求め、アークタンジェントを計算することで、回転角度が求められる。

また図２０によると、円板磁石のエッジより内側の磁束密度が中心からの距離に対して線形的に変化している部分にホール素子を設置すると、回転軸ズレがあっても、Ａ１とＡ２の電圧値（Ｖ（Ａ１）−Ｖ（Ａ２））、Ｂ１とＢ２の電圧差値（Ｖ（Ｂ１）−Ｖ（Ｂ２））は軸ズレがない場合とほぼ同じになり、軸ズレの影響を抑えることが可能となる。

その他の従来技術として、特許文献２に記載されている角度センサが知られている。この特許文献２では、±４５度程度の角度範囲を測定する回転角センサを構成するに際して、磁性体を磁電変換素子で挟んで出力角度の補正を行うようにしている。

図２１は、特許文献２に記載されている図１を示したものである。また、図２２は、特許文献２に記載されている図２を示したものである。

図２１において、１３ａ、１３ｂは回転体であり、その内側に磁石Ｍ１、Ｍ２が固着されている。磁電変換素子１５は補正ヨーク１６Ａ、１６Ｂに挟まれ、磁石Ｍ１、Ｍ２の作る磁場中に固定されている。外側の回転体、磁石の回転により磁場方向が回転し、磁電変換素子１５の出力は、０度付近では線形である。±４５度付近になると磁石Ｍ１、Ｍ２がない場合はサイン波的な出力で、飽和してくるが、補正ヨークがあるために、感磁面方向の磁場が強められ線形を維持する。また、線形性を保つように補正ヨークの形状、位置が決められている。

特開２００３−２４０６０２号公報（図５、図６） 特開２００３−４２７０９号公報（図１、図２）

しかし、特許文献１に記載の発明は、複数の磁電変換素子を使うためコストアップになり、且つ、構造が複雑化するという問題がある。

また特許文献２に記載の発明は、磁電変換素子の両側に磁性体を設けているが、その目的は、＋４５度付近、及び−４５度付近の回転角度出力の線形性を作り出すために、磁電変換素子に対して対称的な位置に磁性体を設けたものである。しかし、特許文献２の磁気回路において、±４５度以上の回転角では、逆に磁性体自体が障害になり、測定角度範囲を広げることはできないという問題がある。

そこで、本発明の目的は、上記の点に鑑み、少ない磁電変換素子で低コスト化、構造の単純化が図れ、素子間の位置ズレによる角度誤差を抑え、３６０度の広範囲で角度検出ができる回転角度センサを提供することにある。

上記の目的を達成するために、本発明に係る回転角度センサは、回転軸に固着された円盤状もしくはリング状の永久磁石と、前記永久磁石の回転により変化する漏洩磁束密度を検知する複数の磁電変換素子と、前記複数の磁電変換素子の出力信号を回転角度に変換する信号処理回路とを有する３６０度の角度が測定可能な回転角度センサにおいて、複数の磁性体を、前記磁電変換素子の感磁面と平行に、且つその感磁面の両側に設けたことを特徴とするものである。

斯かる構成を有することにより、センサ組み立て、組み付けなどで生じる素子間の位置ズレによる角度誤差を抑制することができる。

また、本発明では、素子間の位置ズレによる角度誤差に対する影響を抑えるために磁電変換素子の両側に磁性体を設置しているが、角度誤差を所望の範囲に抑えられるか否かは、用いる磁気回路が磁電変換素子周辺にどのような磁束密度分布を作っているか、また、どのような磁性体構造にするかに依存する。本発明では、これらを鋭意検討した結果、非常に大きな効果があることを見い出した。

さらに、上記の回転角度センサにおいて、前記磁電変換素子の感磁面の両側に設けられた磁性体は、前記永久磁石と同じ支持体により支持されている構成をとることができる。

また、上記の回転角度センサにおいて、前記磁電変換素子は、回転する前記永久磁石の円周上で、前記回転軸の回転中心軸に平行な方向に向いた感磁面をもつことができる。あるいは、上記の回転角度センサにおいて、前記磁電変換素子は、回転する前記永久磁石の円周上で、前記回転軸の動径方向に向いた感磁面をもつことができる。

さらに、上記の回転角度センサにおいて、前記磁電変換素子の感磁面の両側に設けられた磁性体の、当該感磁面に対向する面積を同じにすることができる。

また、上記の回転角度センサにおいて、前記磁電変換素子の感磁面の両側に設けられた磁性体の、当該感磁面に対向する面積が１平方ミリメートル以上１６平方ミリメートル以下とすることができる。

ここで、上記の回転角度センサに含まれる前記信号処理回路は、本回転角度センサにより作成された離散角度毎の磁電変換素子の出力値に対する参照データをもち、該参照データをもとに角度計算を行う方式をとることができる。

本発明に係る信号処理回路は、位置ズレに強い磁電変換素子構造と組み合わされ、より一層、角度計算が高精度となる。

このような構成にすることで、少ない磁電変換素子で低コスト化、単純な構造化が図れ、素子間の位置ズレによる角度誤差を抑え、３６０度の広範囲で角度検出ができる回転角度センサとすることができる。

本発明に係る回転角度センサは、少ない磁電変換素子で低コスト化、構造の単純化が図れ、素子間の位置ズレによる大きな角度誤差の発生を、磁性体板の磁束密度平均化／平行化機能のため抑制することができ、高精度で、且つ、３６０度の広範囲な角度検出ができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
実施の形態１
図１は、実施の形態１における回転磁石系と、その周辺に設けられた磁電変換素子系を示す概念的な斜視図である。動径方向に着磁された円盤状の永久磁石２は、回転軸１の回転により、角度に依存した磁束密度変化を周辺に作る。回転磁石の形状は、外形Φ２５ｍｍ、厚み２ｍｍｔの円盤状、または、その内部をくりぬいた形のリング状磁石である。リング状磁石ではＺ軸方向の磁束密度が円板状磁石の数分の一になる。磁石材質はサマリウム・コバルト磁石である。

図１のＸ軸上における永久磁石２の外径円周上であって、更に、Ｚ軸方向に１ｍｍ上の位置にＸ磁電変換素子４を設け、これをＺ軸方向に垂直な面をもつ磁性体板３、５で挟み込んでいる。Ｘ磁電変換素子の感磁面はＺ軸方向である。磁性体板の比透磁率は５００〜５０００である。

同様に、Ｘ磁電変換素子と概略９０度回転した円板磁石上にＹ磁電変換素子７を、磁性体板６、８で挟み込んで設置する。

図２は、上記のＸ、Ｙ磁電変換素子と磁性体板を、回転系に対して不動の取り付け固定部９に設けている図である。本実施の形態では、磁電変換素子としてホール素子を用いているが、このパッケージのサイズは２ｍｍ角以下、厚さ１ｍｍ以下である。また、磁性体板は厚さ約０．２ｍｍ、サイズは２ｍｍ角から３ｍｍ角である。Ｚ軸方向のホール素子感磁面中心位置から、磁性体板のホール素子側表面までの距離は概略、０．５ｍｍである。外部に信号線を取り出したホール素子のパッケージの上下に磁性体板を接着し、Ｘホール素子モジュール１０、Ｙホール素子モジュール１１として構成し、これを基板側の決められた位置に接着する。

図３は、磁電変換素子の感磁面の両側に設けられる磁性体が、永久磁石と同じ支持体で支持される実施の形態を説明する図である。図１のＸ−Ｚ断面に対応する。ここで、回転シャフト１２は回転軸１に挿入される。回転軸１及び、その上に固定された永久磁石２は、回転体支持部１５により支持される。この回転体支持部１５は、留めつけ具１３により取り付け固定部９で固定される。磁電変換素子４はセンサ支持部１６により磁性体モジュール１４の決められた位置に挿入される。

図３の例では、センサ支持部１６は、取り付け固定部９に固着されているが、回転体支持部１５の取り付け固定部９に固定された部分を内側に拡張して取り付けてもよい。

図４は、Ｘホール素子モジュール１０、Ｙホール素子モジュール１１から出力される回転角度に依存したアナログ信号の信号処理回路である。アナログ信号は増幅や、オフセット処理などのコンディショニングを経て、デジタル変換される。角度演算部では、回転角度に対応した参照データ(Ref-Data)を利用して回転角度が計算される。

次に、実施の形態１における回転角度センサの動作を説明する。
最初に、磁電変換素子を磁性体板で挟む場合の磁束密度の平均化／平行化効果に関し説明する。

以下では、素子間の位置ズレを、磁石と磁性体板を固定して、ＸＹ磁電変換素子がＸ−Ｙ平面で共に、あるベクトルだけ基準位置からずれたものとして説明する。これに従い、基準位置からズレたＸ磁電変換素子が検知するＺ軸方向の磁束密度Ｂｚを磁石の動径方向、及び円周方向に対して調べた。

図５は磁石の動径方向、円周方向を説明した図である。
図６は、磁束密度Ｂｚの動径方向、円周方向の変化を示した図である。磁石のＮ極がＸ磁電変換素子の下にあり磁束密度が一番強くなっている場合である。図中のＢｚ（Ｘ）ｗ／ｏが磁性体板がない場合のＢｚ磁束密度の位置変位で、磁石エッジ上が基準位置で変位０ｍｍである。この付近が磁束密度のピークとなっており、位置がずれるに従い放物線的に減少していく。位置ズレが発生した場合の角度誤差は、このカーブの曲率に依存する。図中のＢｚ（Ｘｖ）ｗ／ｈが、Ｘ磁電変換素子の上下に磁性体板を設けた場合の、動径方向の位置ズレによる磁束密度Ｂｚの変化を示す。

また、図６中のＢｚ（Ｘｈ）ｗ／ｈは円周方向の位置ズレに対応する変化である。動径方向、円周方向の両位置ズレに対して、磁性体板があると、基準位置付近の磁束密度変化が抑えられ、磁束密度が平均、平行化されていることがわかる。±１ｍｍ付近の磁束密度の変化は、磁性体板が２ｍｍ角のサイズであることに対応している。

図７は、磁性体板を１枚だけ磁電変換素子より＋Ｚ軸方向に設置した場合の磁束密度の変化を示した図である。変位の方向は動径方向。本図では、磁性体板の設置場所を数種検討しており、ｕｐ０．４とは、磁電変換素子中心と磁性体板の磁電変換素子側の面との距離が０．４ｍｍという意味である。本図から明らかなように、＋Ｚ軸方向に磁性体板の集磁効果が出て、基準位置での磁束密度Ｂｚはより強くなり、変位に対する曲率も大きくなり磁束密度の平均化には逆効果となる。

図８は、磁性体板を１枚だけ磁電変換素子より−Ｚ軸方向に設置した場合の磁束密度の変化をみたものである。基準点付近の磁束密度は下がり、磁性体板のエッジ付近の磁束密度が高くなっている。その結果として、磁束密度の空間平均化／平行化は磁性体板１枚では達成されず、磁性体板２枚の相互作用が働く本発明の形態で実現される。

次に、円板、もしくはリング状磁石を回転させた場合の磁電変換素子出力と、その信号処理について説明する。

図９は、ＸＹ磁電変換素子位置での磁石の回転による磁束密度の変化をみたもので、（ｗ／ｏ）という指定のあるものが、磁性体板なし、（ｗ／ｈ）が磁性体板ありの場合である。磁性体板で磁電変換素子をはさんでも、角度レスポンスは、ない場合とほとんど変わらない。Ｘ磁電変換素子出力はコサイン波的な波形、Ｙ磁電変換素子出力はサイン波的な波形となっている。

ＸＹ磁電変換素子からの出力信号は、図４の信号処理回路にて角度に変換される。本実施の形態では磁電変換素子としてホール素子を利用しているが、このホール素子出力レベルは、磁石との距離により変わるため、適宜、増幅／減衰される。また、ホール素子自体のオフセットを取り除く処理が行われる。これらの後、デジタル信号に変換され、角度演算部に入る。

本実施の形態では、センサ組み立て後に、回転角度毎の参照データを作り、センサ組み付け後の実測定で、この参照データを利用して角度計算を行うという演算方式を行っている。これは、角度毎の参照データの中にセンサ組み立て時の位置ズレ、バラツキ要素を取り込み、角度計算時にその効果を補正するためである。これにより実測定時の角度精度が高まるが、本発明の磁性体板による磁束密度の空間平均化は参照データ自体の平均化、バラツキの少なさをもたらし、さらに、センサ組み付け時の位置ズレによる角度誤差発生を抑制する効果をもっており、回転角度センサの精度を更に高める。

次に、ＸＹ磁電変換素子の位置ズレによる角度誤差と、本発明の磁性体板による角度誤差抑制の程度を説明する。

図１０は、磁電変換素子の空間位置ズレの説明図である。ＸＹ磁電変換素子がそれぞれＸ軸上、Ｙ軸上のｍ点を基準設置点とし、位置ズレにより、共に、ａ点、ｂ点、．．．．ｈ点に動く。この場合のＸＹ軸方向のズレ量は１００μｍである。磁性体と磁電変換素子が基準位置から同時にずれる配置よりも、磁石と磁性体板が固定され、磁電変換素子がずれる配置のほうが、磁束密度の平均化／平行化による角度誤差抑制効果が大きい。以下では、この好ましい場合について説明する。

図１１は、磁性体板なしで、上記のズレが発生した場合の角度誤差を示している。
まず、角度誤差の決め方を説明する。ＸＹ磁電変換素子を基準点ｍにおき、そこで磁石を一定角度毎に回転させ、各素子出力データから、角度毎の参照データを求める。次に、ＸＹ磁電変換素子を上述の点にずらし、再度、磁石を一定角度毎に回転させ各素子出力データをとり、このデータを最初にとった角度毎の参照データから、回転角度に直す。一定角度で回転させるときの絶対角度は分かっているので、この絶対角度と測定してもとめた角度との差を角度誤差とする。

図１１より、測定角度と位置ズレの方向により角度誤差の発生の仕方が異なるのがわかる。また、この場合では、±０．６度程度の角度ズレが発生している。

図１２は、磁性体板ありの場合で、角度誤差が大きく抑制されているのがわかる。
図１３は、位置ズレ量に対して、磁性体板がある場合とない場合で、角度誤差がどの程度、抑制されるかを示した図である。１つの位置ズレに対して位置ズレの方向により角度誤差が異なるが、ここでの角度誤差は、その中の最大値を使っている。この図中で、１ｍｍ、．．、４ｍｍとあるのは、磁性体板のサイズで、磁性体板が大きくなるに従い、角度誤差抑制の効果が大きくなることがわかる。磁性体板の比透磁率は５００〜５０００の間で、角度誤差値は数割程度の違いである。

図１４は、２枚の磁性体板のサイズが異なる場合を磁性体板がない場合、２枚とも同じサイズの場合の角度誤差と比較したものである。本図中の記号２ｕ１ｄ、２ｄ１ｕ、２ｄ２ｕは、それぞれ、磁石側の磁性体板のサイズが１ｍｍ角、２ｍｍ角、２ｍｍ角、磁電変換素子を挟んで磁石の反対側の磁性体板のサイズが２ｍｍ角、１ｍｍ角、２ｍｍ角という構成を示す。本図より２枚の磁性体板のサイズが同じ２ｍｍ角のときに角度誤差抑制の効果が大きいことがわかる。

なお、市販のホール素子部品で、感磁面の上下にフェライト収束板を設け、感度を上げたものがある。その構造は、感磁面の上下のフェライト集磁板のサイズが異なっており、また、その１辺のサイズは大きいほうでも１ｍｍの数分の一と小さい。これは集磁効果だけを目的としているためであり、磁束密度の空間平均化／平行化の効果は非常に小さい。

実施の形態２
次に、本発明の実施の形態２について図面を参照して説明する。
図１５は、感磁面が円盤状磁石の動径方向Ｘ軸及びＹ軸方向を向くようにＸ磁電変換素子４、Ｙ磁電変換素子７を設置し、その動径方向の前後を磁性体板（３，５及び６，８）で挟むようにした回転角度センサの斜視図である。

磁電変換素子を設置する位置は、実施の形態１と同じく磁石円周上で、Ｚ軸方向１ｍｍのところの、それぞれＸ軸上、及びＹ軸上である。

図１６は上記のＸＹ磁電変換素子及び磁性体板をＸホール素子モジュール１２、及びＹホール素子モジュール１３として構成し、回転系（１，２）に対して不動の取り付け固定部９に設けた図である。

図１７は、ＸＹ磁電変換素子位置での動径方向磁束密度の角度変化を示している。実施の形態１のときとは、磁石回転角０度のときの位相が違っているが、コサイン波、サイン波的な変化を示し、この出力をもとに図３に示した信号処理回路で、回転角度を求めることができる。

図１８は、ＸＹ磁電変換素子が基準位置からＸＹ軸方向に０．１ｍｍズレた場合に、磁性体板がある場合とない場合で、角度誤差の抑制効果をみたものである。横軸は上述の位置ズレ点で、磁性体板がない場合の最大角度誤差値を基準とした。ほとんどの位置ズレ方向で磁性体板により角度誤差が抑制させることが見てとれる。

本実施の形態２では、ＸＹ磁電変換素子を実施の形態１と同じ場所に設置したが、動径方向に感磁面を設ける場合は、板状磁石の円周の外側に設置することも可能である。

以上からわかるように、本発明の円盤状、もしくはリング状磁石の円周上に磁電変換素子を設け、その感磁面を挟むはように磁性体板を設置することで磁石と磁電変換素子間の位置ズレが発生しても、磁電変換素子の検知する磁束密度の空間的平均化／平行化がなされるため、大きな角度誤差の発生を抑制することができる。

なお、本発明では磁電変換素子としてホール素子を使った例を示しているが、ＭＲ素子を使い、ＭＲ素子の感磁面方向に磁性体をもうけ磁束密度の平均化／平行化を行い角度誤差を抑制することもできる。

また、使用する磁石は動径方向以外に、更に、面方向に着磁がされているものでもよく、円盤状、もしくはリング状磁石の作る磁束密度分布に類似の磁束密度発生機構をもつものであればよい。

さらに、磁性体板については、１枚構成の使用例を示したが、複数の磁性体を集合させて構成してもよい。

また、磁性体板の形状は、面積が重要であり、角型に限ることはなく、円形など他の形状でもよい。
磁性体板の比透磁率はできるだけ大きいものが好ましい。

本発明によれば、センサ組み立て、組み付けなどで生じる素子間の位置ズレによる角度誤差を抑制することができる。

すなわち、本発明に係る回転角度センサは、少ない磁電変換素子で低コスト化、構造の単純化が図れ、素子間の位置ズレによる大きな角度誤差の発生を、磁性体板の磁束密度平均化／平行化機能のため抑制することができ、高精度で、且つ、３６０度の広範囲な角度検出ができる。

本発明の実施の形態１における概念構成を示す斜視図である。 磁電変換素子モジュールと取り付け基板、回転系との配置を示す図である。 磁電変換素子モジュールと取り付け基板、回転系との配置を示す図である。 磁電変換素子出力から回転角度を求める信号処理部を示すブロック図である。 位置ズレ方向を説明する図である。 ２枚の磁性体板による磁束密度の変化を示す図である。 ＋Ｚ軸方向に設けた１枚の磁性体板による磁束密度の変化を示す図である。 −Ｚ軸方向に設けた１枚の磁性体板による磁束密度の変化を示す図である。 ＸＹ磁電変換素子の検知する磁束密度変化を示す図である。 位置ズレ方向を示す図である。 磁性体板なしのときの角度誤差変化を示す図である。 磁性体板ありのときの角度誤差変化を示す図である。 磁電変換素子の位置ズレに対する角度誤差の変化を示す図である。 磁性体板の大きさが異なる場合の角度誤差の変化を示す図である。 本発明の実施の形態２における概念構成を示す斜視図である。 磁電変換素子モジュールと取り付け基板、回転系との配置を示す図である。 磁電変換素子の検知する磁束密度の変化を示す図である。 磁性体板がある場合とない場合での角度誤差抑制度を示す図である。 従来の回転角度センサ（特許文献１）の説明図である。 従来の回転角度センサ（特許文献１）の説明図である。 従来の回転角度センサ（特許文献２）の説明図である。 従来の回転角度センサ（特許文献２）の説明図である。

符号の説明

１ 回転軸
２ 磁石
３，５，６，８ 磁性体板
４，７ 磁電変換素子
９ 取り付け固定部
１０，１１ ホール素子モジュール
１２ 回転シャフト
１３ 留めつけ具
１４ 磁性体モジュール
１５ 回転体支持部
１６ センサ支持部

Claims (7)

1. 回転軸に固着された円盤状もしくはリング状の永久磁石と、前記永久磁石の回転により変化する漏洩磁束密度を検知する複数の磁電変換素子と、前記複数の磁電変換素子の出力信号を回転角度に変換する信号処理回路とを有する３６０度の角度が測定可能な回転角度センサにおいて、
   複数の磁性体を、前記磁電変換素子の感磁面と平行に、且つその感磁面の両側に設けたことを特徴とする回転角度センサ。
2. 請求項１に記載の回転角度センサにおいて、
   前記磁電変換素子の感磁面の両側に設けられた磁性体は、前記永久磁石と同じ支持体により支持されていることを特徴とする回転角度センサ。
3. 請求項１または２に記載の回転角度センサにおいて、
   前記磁電変換素子は、回転する前記永久磁石の円周上で、前記回転軸の回転中心軸に平行な方向に向いた感磁面をもつことを特徴とする回転角度センサ。
4. 請求項１または２に記載の回転角度センサにおいて、
   前記磁電変換素子は、回転する前記永久磁石の円周上で、前記回転軸の動径方向に向いた感磁面をもつことを特徴とする回転角度センサ。
5. 請求項１ないし４のいずれかに記載の回転角度センサにおいて、
   前記磁電変換素子の感磁面の両側に設けられた磁性体の、当該感磁面に対向する面積が同じであることを特徴とする回転角度センサ。
6. 請求項１ないし５のいずれかに記載の回転角度センサにおいて、
   前記磁電変換素子の感磁面の両側に設けられた磁性体の、当該感磁面に対向する面積が１平方ミリメートル以上１６平方ミリメートル以下であることを特徴とする回転角度センサ。
7. 請求項１ないし請求項６のいずれかに記載の回転角度センサにおいて、
   前記信号処理回路は、本回転角度センサにより作成された離散角度毎の磁電変換素子の出力値に対する参照データをもち、該参照データをもとに角度計算を行うことを特徴とする回転角度センサ。
   

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