JP2013002835A - Rotation angle detecting device - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a rotation angle detecting device having a magnetoelectric transducer, capable of suppressing angular errors resulting from displacement of a rotation axis or eccentricity of a magnet.SOLUTION: A rotation angle detecting device 400 includes a sensor package 6 having first and second magnetoelectric transducers on a sensor mounting board 7, and a magnet 5 which rotates around a predetermined rotation axis 8. The first and second magnetoelectric transducers of the sensor package 6 are arranged in a sensor chip, for example as shown in Figure 2, so as to detect a magnet field horizontal with the surface of the sensor chip. The rotation axis 8 of the magnet is arranged in the direction vertical to the surface of the sensor chip. The magnet 5 used for the rotation angle detecting device 400 has a magnetization direction in parallel with the surface of the sensor chip. The magnet 5 has a maximum length in the magnetization direction shorter than the maximum length in the direction vertical to the magnetization direction and the rotation axis.

Description

本発明は、回転角度検出装置に関し、より詳細には、磁電変換素子を備える回転角度検出装置に関する。   The present invention relates to a rotation angle detection device, and more particularly to a rotation angle detection device including a magnetoelectric conversion element.

従来の回転角度の検出方法として、磁電変換素子が設けられたセンサチップの表面に対して水平な磁場を磁石により印加し、当該磁石の回転軸回りの絶対角度を検出する方法がある。磁電変換素子としては、ホール素子、磁気収束板を用いたホール素子(特許文献1参照)、縦型ホール素子(特許文献2参照)、磁気抵抗素子等が挙げられる。   As a conventional method for detecting a rotation angle, there is a method in which a magnetic field horizontal to the surface of a sensor chip provided with a magnetoelectric conversion element is applied by a magnet and the absolute angle around the rotation axis of the magnet is detected. Examples of the magnetoelectric conversion element include a Hall element, a Hall element using a magnetic converging plate (see Patent Document 1), a vertical Hall element (see Patent Document 2), a magnetoresistive element, and the like.

ホール素子を用いた例としては、少なくとも2つのホール素子を、それぞれの感磁面が上記磁場に対して異なる方向を向いた状態で設置する。このとき、ホール素子から出力される異なる位相の正弦波を用いて絶対角度を算出することができる。   As an example using a Hall element, at least two Hall elements are installed in a state in which each magnetosensitive surface faces a different direction with respect to the magnetic field. At this time, the absolute angle can be calculated using sine waves of different phases output from the Hall element.

また、特許文献2に記載の縦型ホール素子は、センサチップの表面に対して垂直に電流を印加し、当該表面に水平な一軸方向の磁場を検出することが可能なホール素子である。この縦型ホール素子を少なくとも2つ異なる方向を向けて設置し、それらの素子から出力される異なる位相の正弦波を用い絶対角度を算出することができる。   The vertical Hall element described in Patent Document 2 is a Hall element that can apply a current perpendicular to the surface of the sensor chip and detect a magnetic field in a uniaxial direction that is horizontal to the surface. This vertical Hall element can be installed in at least two different directions, and the absolute angle can be calculated using sine waves of different phases output from these elements.

また、図2(a)及び2(b)のような軟磁性体薄膜の磁気収束板14の近傍にホール素子16のある構成において、図2(c)は、x方向に水平な磁場が印加された際の磁力線を表わしている。水平方向の磁場を、磁気収束板14がホール素子16の感じることのできるホール素子感磁面に垂直な磁場に変換している。図2(d)のような磁場が印加された際、各ホール素子16(x+)、16(x−)、16(y+)、16(y−)からの出力差動電圧V(16(x+))、V(16(x−))、V(16(y+))、V(16(y−))は、次式(1)に従うような正弦波電圧および余弦波電圧である。   Further, in the configuration in which the Hall element 16 is provided in the vicinity of the magnetic converging plate 14 of the soft magnetic thin film as shown in FIGS. 2A and 2B, FIG. 2C shows a horizontal magnetic field applied in the x direction. Represents the magnetic field lines when The magnetic field in the horizontal direction is converted into a magnetic field perpendicular to the Hall element magnetosensitive surface that can be felt by the Hall element 16 by the magnetic focusing plate 14. When a magnetic field as shown in FIG. 2D is applied, the output differential voltage V (16 (x +) from each Hall element 16 (x +), 16 (x−), 16 (y +), 16 (y−). )), V (16 (x−)), V (16 (y +)), and V (16 (y−)) are a sine wave voltage and a cosine wave voltage according to the following equation (1).

V(16(x+))=A×cosθ
V(16(x−))=−A×cosθ (1)
V(16(y+))=A×sinθ
V(16(y−))=−A×sinθ
ここで、Aは比例定数、θは図2(d)記載の磁場印加角度である。これらの出力電圧を次式(2)のように差分をとることにより、X側、Y側の信号Vx、Vyを作り出す。
V (16 (x +)) = A × cos θ
V (16 (x −)) = − A × cos θ (1)
V (16 (y +)) = A × sin θ
V (16 (y −)) = − A × sin θ
Here, A is a proportionality constant, and θ is the magnetic field application angle shown in FIG. By taking the difference between these output voltages as shown in the following equation (2), X-side and Y-side signals Vx and Vy are generated.

Vx=V(16(x+))−V(16(x−))=2A×cosθ (2)
Vy=V(16(y+))−V(16(y−))=2A×sinθ
ここで作り出される信号Vx、Vyを用いて絶対角度を算出する。
Vx = V (16 (x +)) − V (16 (x −)) = 2A × cos θ (2)
Vy = V (16 (y +)) − V (16 (y −)) = 2A × sin θ
The absolute angle is calculated using the signals Vx and Vy generated here.

また、センサチップの表面に対して水平な磁場を検出する異方性磁気抵抗素子(Anisotropic MagnetoResistance:AMR)、巨大磁気抵抗素子(Giant MagnetoResistance:GMR)、トンネル磁気抵抗素子(Tunnel MagnetoResistance:TMR)のような磁気抵抗素子を磁電変換素子として用いる場合も、上述したホール素子や縦型ホール素子と同様に検出方向を変えた少なくとも2つの素子を配置し、位相の異なる正弦波電圧を用いることにより回転角度を算出することができる。   In addition, an anisotropic magnetoresistive element (AMR), a giant magnetoresistive element (GMR), and a tunnel magnetoresistive element (TMR) that detect a magnetic field horizontal to the surface of the sensor chip. Even when such a magnetoresistive element is used as a magnetoelectric conversion element, it can be rotated by arranging at least two elements having different detection directions and using sinusoidal voltages having different phases as in the Hall element and the vertical Hall element described above. The angle can be calculated.

信号処理としては、2つの磁電変換素子が回転軸を中心として直交する2軸で磁場を検知し、これらの磁電変換素子から出力される2種類の位相の異なる正弦波信号が正弦と余弦の関係である場合、次式(3)のように除算し、アークタンジェントをとることにより絶対角度を算出できる。   In signal processing, two magnetoelectric transducers detect magnetic fields with two axes orthogonal to each other about the rotation axis, and two types of sine wave signals with different phases output from these magnetoelectric transducers have a relationship between sine and cosine. In this case, the absolute angle can be calculated by dividing the following equation (3) and taking the arc tangent.

θ=arctan(sinθ/cosθ) (3)
式(3)のθは、任意のx軸から反時計回りの角度を表わす。
θ = arctan (sin θ / cos θ) (3)
In Expression (3), θ represents an angle counterclockwise from an arbitrary x axis.

このように、磁電変換素子を備える回転角度検出装置が既に複数知られているが、実用上は、回転角度検出装置を組み立てる際に、理想的な構成状態である図1(a)ではなく、図1(b)のようなセンサパッケージの中心と磁石の回転軸との相対的なずれや、図1(c)のような磁石の偏心により、角度誤差が生じてしまう。磁電変換素子を有するセンサパッケージ1の中心と、磁石4の中心2と、磁石4の回転軸3とが直線上に並んでいればよいが、センサパッケージ1がずれたり、回転軸3がずれたりすると誤差が生まれる。   As described above, a plurality of rotation angle detection devices including a magnetoelectric conversion element are already known, but practically, when assembling the rotation angle detection device, not the ideal configuration state of FIG. An angle error occurs due to a relative shift between the center of the sensor package as shown in FIG. 1B and the rotation axis of the magnet, or due to the eccentricity of the magnet as shown in FIG. The center of the sensor package 1 having the magnetoelectric conversion element, the center 2 of the magnet 4 and the rotation shaft 3 of the magnet 4 may be arranged on a straight line, but the sensor package 1 may be displaced or the rotation shaft 3 may be displaced. Then an error is born.

過去に特許文献3で提案された回転角度センサの構成は、磁電変換素子の位置ずれには強いが、磁石やセンサを2つ使うなどコスト高になる傾向がある。   The configuration of the rotation angle sensor proposed in Patent Document 3 in the past is resistant to misalignment of the magnetoelectric conversion element, but tends to be expensive, such as using two magnets and sensors.

また、その他には、特許文献4のような構成の回転角度検出方式が提案されている。この方式では、磁性体の厚みを巧みに変化させて、磁電変換素子に対して磁場を均一にかけることを可能にし、位置ずれの誤差を低減させることが可能となっている。しかし、この構成は、複雑な磁気回路が必要となり、一般に安価で汎用性が高い構成とすることが困難である。   In addition, a rotation angle detection method configured as in Patent Document 4 has been proposed. In this method, it is possible to skillfully change the thickness of the magnetic body so that a magnetic field can be uniformly applied to the magnetoelectric conversion element, and it is possible to reduce misalignment errors. However, this configuration requires a complicated magnetic circuit, and it is generally difficult to make the configuration inexpensive and highly versatile.

国際公開第2003/081182号International Publication No. 2003/081182 特開2006−32396号公報JP 2006-32396 A 特開2006−47227号公報JP 2006-47227 A 特開2005−3590号公報JP 2005-3590 A

上述した特許文献3及び4の構成は、回転軸ずれの影響を抑えようとすると複雑になり、キャリブレーションの必要性や大きな回転角度検出装置になることが指摘され、副次的にコスト高になることが予想される。   The configurations of Patent Documents 3 and 4 described above become complicated when it is attempted to suppress the influence of the rotational axis deviation, and it is pointed out that the necessity of calibration and a large rotation angle detection device become necessary, and the cost is secondary. It is expected to be.

さらに、従来の円形磁石下の水平磁場を検知する磁気抵抗素子、縦型ホール素子、磁気収束板を用いたホール素子のような方式では、回転軸ずれや偏心に対して大きな角度誤差が現れるという問題がある。この構成は、特にセンサと対向する面における面積の小さな径方向着磁円柱磁石の回転軸が変化した際や、磁石が偏心しているなどの際には角度誤差が発生し、その大きさは少なくない。例えば直径7mm、厚み2mmの径方向着磁円柱磁石においてx方向に回転軸ずれが起こった場合には図3(a)、偏心の中心がx方向に−0.2mmで回転した場合は図3(b)のような角度誤差となる。   Furthermore, in the conventional methods such as a magnetoresistive element that detects a horizontal magnetic field under a circular magnet, a vertical Hall element, and a Hall element using a magnetic converging plate, a large angular error appears with respect to rotational axis deviation and eccentricity. There's a problem. This configuration causes an angular error when the rotation axis of a radially magnetized cylindrical magnet with a small area on the surface facing the sensor is changed, or when the magnet is eccentric, and its size is small. Absent. For example, in the case of a radially magnetized cylindrical magnet having a diameter of 7 mm and a thickness of 2 mm, when the rotational axis shifts in the x direction, FIG. 3A, and when the center of eccentricity is rotated by -0.2 mm in the x direction, FIG. The angle error is as shown in (b).

また、今後、希土類元素等の希少元素の枯渇等の資源問題を含んでおり、回転角度検出装置における磁石の小型化が要求されている。   In the future, resource problems such as depletion of rare elements such as rare earth elements will be included, and miniaturization of the magnet in the rotation angle detection device is required.

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的は、磁電変換素子を備える回転角度検出装置であって、回転軸ずれや磁石の偏心に起因する角度誤差を抑制することのできる回転角度検出装置を提供することにある。   The present invention has been made in view of such a problem, and an object of the present invention is a rotation angle detection device including a magnetoelectric conversion element, which suppresses an angle error caused by a rotational axis deviation or a magnet eccentricity. An object of the present invention is to provide a rotation angle detection device capable of performing the above.

このような目的を達成するために、本発明の第1の態様は、センサチップに設けられ、前記センサチップの表面に水平な磁場を検知するための第1及び第2の磁電変換素子と、前記センサチップの前記表面に平行な方向に着磁方向を有し、前記センサチップの前記表面に垂直な方向の回転軸を中心に回転する磁石とを備え、前記第1及び第2の磁電変換素子から出力される位相の異なる正弦波信号を用いて前記磁石の回転角度が算出され、前記磁石は、前記着磁方向の最大長さが、前記着磁方向および前記回転軸に垂直な方向の最大長さよりも短いことを特徴とする回転角度検出装置である。   In order to achieve such an object, according to a first aspect of the present invention, there are provided first and second magnetoelectric transducers provided in a sensor chip for detecting a magnetic field horizontal to the surface of the sensor chip, A magnet having a magnetization direction in a direction parallel to the surface of the sensor chip and rotating about a rotation axis in a direction perpendicular to the surface of the sensor chip, the first and second magnetoelectric conversions The rotation angle of the magnet is calculated using sinusoidal signals with different phases output from the element, and the magnet has a maximum length in the magnetization direction in the direction perpendicular to the magnetization direction and the rotation axis. The rotation angle detection device is characterized by being shorter than the maximum length.

また、本発明の第2の態様は、第1の態様において、前記磁石が二極直方体磁石であり、前記着磁方向に短辺、前記着磁方向および前記回転軸に垂直な方向に長辺を有することを特徴とする。   A second aspect of the present invention is the first aspect, wherein the magnet is a dipole cuboid magnet, and has a short side in the magnetization direction, a long side in the magnetization direction and a direction perpendicular to the rotation axis. It is characterized by having.

また、本発明の第3の態様は、第2の態様において、前記短辺の長さに対する前記長辺の長さが2以上10以下であることを特徴とする。   According to a third aspect of the present invention, in the second aspect, the length of the long side with respect to the length of the short side is 2 or more and 10 or less.

また、本発明の第4の態様は、第3の態様において、前記短辺の長さに対する前記長辺の長さが4以上10以下であることを特徴とする。   According to a fourth aspect of the present invention, in the third aspect, the length of the long side with respect to the length of the short side is 4 or more and 10 or less.

また、本発明の第5の態様は、第1から第4のいずれかの態様において、前記第1及び第2の磁電変換素子が、前記回転軸を中心として直交する2軸で前記磁場を検知するように配置されていることを特徴する。   According to a fifth aspect of the present invention, in any one of the first to fourth aspects, the first and second magnetoelectric transducers detect the magnetic field with two axes perpendicular to the rotation axis. It is arranged to be.

また、本発明の第6の態様は、第1から第5のいずれかの態様において、前記第1及び第2の磁電変換素子が、軟磁性体材料で構成されている磁気収束板近傍に配置されたホール素子であることを特徴とする。   According to a sixth aspect of the present invention, in any one of the first to fifth aspects, the first and second magnetoelectric transducers are arranged in the vicinity of a magnetic flux concentrating plate made of a soft magnetic material. It is characterized by being a Hall element made.

また、本発明の第7の態様は、第1から第6のいずれかの態様において、前記センサチップがシリコン基板であり、前記ホール素子は前記センサチップ上に他の演算回路とともに集積されていることを特徴とする。   According to a seventh aspect of the present invention, in any one of the first to sixth aspects, the sensor chip is a silicon substrate, and the Hall element is integrated with the other arithmetic circuit on the sensor chip. It is characterized by that.

本発明によれば、着磁方向の最大長さが、着磁方向および回転軸に垂直な方向の最大長さよりも短い磁石を用いることにより、磁電変換素子を備える回転角度検出装置であって、回転軸ずれや磁石の偏心に起因する角度誤差を抑制することができる。   According to the present invention, a rotation angle detection device including a magnetoelectric conversion element by using a magnet having a maximum length in the magnetization direction shorter than the maximum length in the magnetization direction and the direction perpendicular to the rotation axis, Angular errors due to rotational axis deviation and magnet eccentricity can be suppressed.

回転角度検出装置を組み立てる際の理想的な構成状態を示す図であり、(a−1)は上面図、(a−2)は側面図である。It is a figure which shows the ideal structure state at the time of assembling a rotation angle detection apparatus, (a-1) is a top view, (a-2) is a side view. 回転角度検出装置を組み立てる際に回転軸ずれが生じた状態を示す図であり、(b−1)は上面図、(b−2)は側面図である。It is a figure which shows the state which produced the rotation-axis shift | offset | difference at the time of assembling a rotation angle detection apparatus, (b-1) is a top view, (b-2) is a side view. 回転角度検出装置を組み立てる際に回転軸が偏心している状態を示す図であり、(c−1)は上面図、(c−2)は側面図である。It is a figure which shows the state in which the rotating shaft is decentered when assembling a rotation angle detection apparatus, (c-1) is a top view, (c-2) is a side view. 従来の磁気収束板とホール素子を用いた回転角度検出装置を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the rotation angle detection apparatus using the conventional magnetic convergence board and Hall element. 従来の磁気収束板とホール素子を用いた回転角度検出装置を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the rotation angle detection apparatus using the conventional magnetic convergence board and Hall element. 従来の磁気収束板とホール素子を用いた回転角度検出装置を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the rotation angle detection apparatus using the conventional magnetic convergence board and Hall element. 従来の磁気収束板とホール素子を用いた回転角度検出装置を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the rotation angle detection apparatus using the conventional magnetic convergence board and Hall element. 従来の回転角度検出装置における回転軸ずれによる角度誤差を示す図である。It is a figure which shows the angle error by the rotation axis offset in the conventional rotation angle detection apparatus. 従来の回転角度検出装置における偏心による角度誤差を示す図である。It is a figure which shows the angle error by eccentricity in the conventional rotation angle detection apparatus. 本発明の一実施形態に係る回転角度検出装置を一方向から示す図である。It is a figure which shows the rotation angle detection apparatus which concerns on one Embodiment of this invention from one direction. 本発明の一実施形態に係る回転角度検出装置を図4(a)と直交する方向から示す図である。It is a figure which shows the rotation angle detection apparatus which concerns on one Embodiment of this invention from the direction orthogonal to Fig.4 (a). 図4(a)及び4(b)の磁石5の具体例を示す図である。It is a figure which shows the specific example of the magnet 5 of Fig.4 (a) and 4 (b). 磁石の種類を変えてアスペクト比a/bと角度誤差との関係を評価した結果を示す図である。It is a figure which shows the result of having evaluated the relationship between aspect ratio a / b and an angle error, changing the kind of magnet. 偏心の角度誤差に与える影響を説明するための図であり、(a−1)は上面図、(a−2)は側面図である。It is a figure for demonstrating the influence which acts on the angle error of eccentricity, (a-1) is a top view, (a-2) is a side view. 従来の円柱磁石と本発明で用いる直方体磁石について、偏心と角度誤差との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between eccentricity and an angle error about the conventional cylindrical magnet and the rectangular parallelepiped magnet used by this invention.

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
図4(a)及び4(b)に、本発明の一実施形態に係る回転角度検出装置を示す。回転角度検出装置400は、センサ実装基板7上の、第1及び第2の磁電変換素子を備えるセンサパッケージ6と、所定の回転軸8に対して回転する磁石5とを備える。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
4 (a) and 4 (b) show a rotation angle detection device according to an embodiment of the present invention. The rotation angle detection device 400 includes a sensor package 6 including first and second magnetoelectric conversion elements on the sensor mounting substrate 7 and a magnet 5 that rotates with respect to a predetermined rotation shaft 8.

センサパッケージ6が有する第1及び第2の磁電変換素子は、例えば図2に示したように、センサチップに設けられ、センサチップの表面に水平な磁場を検知することができる。磁石の回転軸8は、当該センサチップの表面に垂直な方向に配置されている。上述したように、第1及び第2の磁電変換素子から出力される位相の異なる正弦波信号を用いて磁石5の回転角度が算出される。   The first and second magnetoelectric transducers included in the sensor package 6 are provided in the sensor chip as shown in FIG. 2, for example, and can detect a magnetic field horizontal to the surface of the sensor chip. The rotating shaft 8 of the magnet is arranged in a direction perpendicular to the surface of the sensor chip. As described above, the rotation angle of the magnet 5 is calculated using sine wave signals with different phases output from the first and second magnetoelectric transducers.

本実施形態に係る回転角度検出装置400では、磁石5として、センサチップの表面に平行な方向(図4(a)及び4(b)におけるXY平面内の方向)に着磁方向を有するものを用いる。磁石5は、さらに、着磁方向(図4(a)のX方向)の最大長さが、着磁方向および回転軸に垂直な方向(図4(b)のY方向)の最大長さよりも短いことを特徴とする。このような磁石5を用いることで、言わば、幅の広いベクトルというような、センサチップの表面の広い範囲に対して同一方向の水平磁場を作り出すことができ、回転軸ずれや磁石の偏心の角度誤差への影響を著しく低減することができる。   In the rotation angle detection device 400 according to the present embodiment, the magnet 5 has a magnetization direction in a direction parallel to the surface of the sensor chip (direction in the XY plane in FIGS. 4A and 4B). Use. The magnet 5 further has a maximum length in the magnetization direction (X direction in FIG. 4A) greater than the maximum length in the magnetization direction and the direction perpendicular to the rotation axis (Y direction in FIG. 4B). It is short. By using such a magnet 5, it is possible to create a horizontal magnetic field in the same direction with respect to a wide range of the surface of the sensor chip, such as a wide vector, and the rotational axis deviation and the angle of eccentricity of the magnet The influence on the error can be significantly reduced.

なお、本実施形態において「回転軸」とは、磁石5の重心付近を通り、センサチップの表面に垂直な直線を指すものとする。幾何学上の正確な重心点だけでなく、その近傍も含むため、回転軸ずれ等による角度誤差が発生しうることを想定している。   In the present embodiment, the “rotary axis” refers to a straight line that passes through the vicinity of the center of gravity of the magnet 5 and is perpendicular to the surface of the sensor chip. Since it includes not only an accurate geometric center of gravity point but also its vicinity, it is assumed that an angular error due to a rotational axis deviation or the like may occur.

図5に、磁石5の具体例を示す。図5に示すように、高いアスペクト比(a>b)を有する二極直方体磁石を用いることができる。ここで、着磁方向はX方向であり、着磁方向Xの最大長さbが、着磁方向Xおよび回転軸Zに垂直な方向Yの最大長さaよりも短い。言い換えると、長辺ではなく、短辺の方向に着磁がなされている。「直方体磁石」といっても、完全な直方体に限定されるものではなく、直方体の頂点部が丸みを帯びた形状等が含まれることを理解されたい。   FIG. 5 shows a specific example of the magnet 5. As shown in FIG. 5, a dipole cuboid magnet having a high aspect ratio (a> b) can be used. Here, the magnetization direction is the X direction, and the maximum length b in the magnetization direction X is shorter than the maximum length a in the magnetization direction X and the direction Y perpendicular to the rotation axis Z. In other words, it is magnetized in the direction of the short side, not the long side. It should be understood that the term “cuboid magnet” is not limited to a complete rectangular parallelepiped, but includes a shape in which the vertex of the rectangular parallelepiped is rounded.

図6に、磁石の種類を変えてアスペクト比a/bと角度誤差との関係を測定した結果を示す。すべての結果は、磁石5の回転軸ずれが0.5mmという条件下で得られたものである。センサパッケージ6内の磁電変換素子としては、図2に示した磁気収束板下側部にホール素子を構成したものを用いた。   FIG. 6 shows the result of measuring the relationship between the aspect ratio a / b and the angle error with different types of magnets. All the results are obtained under the condition that the rotational axis deviation of the magnet 5 is 0.5 mm. As the magnetoelectric conversion element in the sensor package 6, an element having a Hall element formed on the lower side of the magnetic flux converging plate shown in FIG. 2 was used.

ポイントHは、従来の径方向着磁を行った二極円柱磁石を用いた場合で、直径5mm、厚み2mmとした。図6の表記の際、その他のデータと比べる為、a/b=1の点をx座標とした。ポイントIは、直径を7mm、ポイントJは、直径を10mmとして、ポイントHと同様にプロットした。   Point H is a case of using a dipole cylindrical magnet subjected to conventional radial magnetization, and has a diameter of 5 mm and a thickness of 2 mm. In the notation of FIG. 6, in order to compare with other data, the point of a / b = 1 was set as the x coordinate. Point I was plotted in the same manner as point H with a diameter of 7 mm and point J with a diameter of 10 mm.

ポイントKは、ポイントJで用いた直径10mm、厚み2mmの径方向着磁二極円柱磁石とほぼ同等の角度誤差を1/4の体積で与える本発明に係る直方体磁石のアスペクト比(a/b=7)を示す。   Point K is the aspect ratio (a / b) of the rectangular parallelepiped magnet according to the present invention that gives an angular error substantially equal to that of a radially magnetized dipole cylindrical magnet having a diameter of 10 mm and a thickness of 2 mm used at point J. = 7).

ポイントLは、ポイントHで用いた直径5mm、厚み2mmの径方向着磁二極円柱磁石とアスペクト比a/b=5において同じ体積となる本発明に係る直方体磁石の角度誤差を示す。ポイントMは、ポイントIで用いた直径7mm、厚み2mmの径方向着磁二極円柱磁石とアスペクト比a/b=5において同じ体積となる本発明に係る直方体磁石の角度誤差を示し、ポイントNは、ポイントJで用いた直径10mm、厚み2mmの径方向着磁二極円柱磁石とアスペクト比a/b=5において同じ体積となる本発明に係る直方体磁石の角度誤差を示す。   Point L shows the angle error of the rectangular magnet having the same volume at the aspect ratio a / b = 5 and the radial magnetized dipole cylindrical magnet having a diameter of 5 mm and a thickness of 2 mm used at point H. Point M represents the angular error of the rectangular magnet having the same volume at the aspect ratio a / b = 5 and the radially magnetized dipole cylindrical magnet having a diameter of 7 mm and a thickness of 2 mm used at point I. These show the angle error of the rectangular magnet of the present invention having the same volume at the aspect ratio a / b = 5 and the radially magnetized dipole cylindrical magnet having a diameter of 10 mm and a thickness of 2 mm used at point J.

ライン9は、ポイントHで用いた直径5mm、厚み2mmの径方向着磁二極円柱磁石とc=2において同じ体積となる直方体磁石に関し、アスペクト比a/bを変化させた際の角度誤差を表わす。ライン10は、ポイントIで用いた直径7mm、厚み2mmの径方向着磁二極円柱磁石とc=2において同じ体積となる直方体磁石に関し、アスペクト比a/bを変化させた際の角度誤差を表わす。ライン11は、ポイントJで用いた直径10mm、厚み2mmの径方向着磁二極円柱磁石とc=2において同じ体積となる直方体磁石に関し、アスペクト比a/bを変化させた際の角度誤差を表わす。   Line 9 relates to a rectangular magnet having the same volume at c = 2 and a radial magnetized dipole cylindrical magnet having a diameter of 5 mm and a thickness of 2 mm used at point H, and shows an angular error when the aspect ratio a / b is changed. Represent. The line 10 relates to a rectangular magnet with a diameter of 7 mm and a thickness of 2 mm used at point I and a rectangular parallelepiped magnet having the same volume at c = 2, and shows an angular error when the aspect ratio a / b is changed. Represent. The line 11 relates to a rectangular magnet having a diameter of 10 mm and a thickness of 2 mm used at the point J and a rectangular parallelepiped magnet having the same volume at c = 2, and shows an angle error when the aspect ratio a / b is changed. Represent.

図6から、直径5mm、厚み2mmの径方向着磁二極円柱磁石とc=2において同じ体積となる直方体磁石に関し、アスペクト比を10とすることで、角度誤差を1/6以下にできることが分かる。アスペクト比a/b=5のパラメータを用いたポイントL、M、Nは、それぞれポイントH、I、Jで用いた円柱磁石と同じ体積の直方体磁石であるが、軸ずれの影響を著しく抑えることを実現し、同一体積の円柱磁石H、I、Jに比べてLは約1/3、Mは約1/3.3、Nは約1/3.5にまで角度誤差を低減させている。   From FIG. 6, it is possible to reduce the angle error to 1/6 or less by setting the aspect ratio to 10 for a rectangular magnet having a diameter of 5 mm and a thickness of 2 mm and a rectangular parallelepiped magnet having the same volume at c = 2. I understand. Points L, M, and N using parameters with an aspect ratio of a / b = 5 are rectangular parallelepiped magnets having the same volume as the cylindrical magnets used at points H, I, and J, respectively. Compared with cylindrical magnets H, I, and J of the same volume, the angle error is reduced to about 1/3, M is about 1 / 3.3, and N is about 1 / 3.5. .

特に、アスペクト比a/bが2以上であると、従来の円柱磁石と比較して有利な効果があり、4以上であることがより好ましい。しかし、小型化の要求を鑑みると、現実的な大きさとしてはアスペクト比a/bが10以下であることが好ましい。   In particular, when the aspect ratio a / b is 2 or more, there is an advantageous effect as compared with a conventional cylindrical magnet, and it is more preferably 4 or more. However, in view of the demand for downsizing, it is preferable that the aspect ratio a / b is 10 or less as a practical size.

また、本発明により、円柱磁石よりも質量が小さく、コストの低い直方体磁石で回転角度センサ系を構成することを実現できる。現市場では一般的に、直方体磁石の方が円柱磁石よりも安価で、かつ作製における無駄が少ないことが知られている。例えば、ポイントKを見ると、アスペクト比a/b=7にすることにより、体積が1/4にもかかわらず回転軸ずれに対して同等以上の性能を持たせることができる。このように、使用する磁石の体積を減らしても回転軸ずれ等に起因する角度誤差が増大しないことから、使用磁石の小型化を実現でき、副次的に回転角度検出装置の低コスト化になる。磁石材料として、高価な希土類元素や希少金属を用いるネオジム磁石、サマリウムコバルト磁石やアルニコ磁石等が用いられるため、簡便な構成により磁石の体積を低減させることのできる本発明に係る回転角度検出装置の意義は大きい。   Further, according to the present invention, it is possible to realize a rotation angle sensor system with a rectangular parallelepiped magnet having a mass smaller than that of a cylindrical magnet and lower in cost. In the current market, it is generally known that a rectangular parallelepiped magnet is cheaper than a cylindrical magnet and is less wasteful in production. For example, when looking at the point K, by setting the aspect ratio a / b = 7, it is possible to provide the same or better performance with respect to the rotational axis deviation despite the volume being 1/4. In this way, even if the volume of the magnet to be used is reduced, the angle error due to the rotational axis deviation does not increase, so the size of the magnet used can be reduced, and the cost of the rotation angle detection device is secondarily reduced. Become. As the magnet material, a neodymium magnet using an expensive rare earth element or a rare metal, a samarium cobalt magnet, an alnico magnet, or the like is used. Significance is great.

また、本発明により、円柱磁石ではDカットなどの加工をしなければ着磁方向が見分けにくい点も、直方体磁石を用いることにより簡便な方向決定が実現できる。   In addition, according to the present invention, it is possible to easily determine the direction by using a rectangular parallelepiped magnet because it is difficult to distinguish the magnetization direction unless a cylindrical magnet is processed such as D-cut.

図7(b)に、偏心の角度誤差への影響を示しており、ライン12が直径7mm、厚み2mmの円柱磁石、ライン13がアスペクト比a/b=3.5、a=11.6、b=3.3、c=2の直方体磁石である。図7の横軸は、磁石の重心と回転軸のX軸方向(図7(a)参照)へのずれである。この図から明らかなように体積が同じ磁石を用いているが、直方体磁石の方が明らかに偏心に対しても高い耐性を実現した。   FIG. 7B shows the influence of the eccentricity on the angular error. The line 12 is a cylindrical magnet having a diameter of 7 mm and a thickness of 2 mm, the line 13 is an aspect ratio a / b = 3.5, a = 11.6, It is a rectangular parallelepiped magnet with b = 3.3 and c = 2. The horizontal axis in FIG. 7 is the displacement of the center of gravity of the magnet and the rotation axis in the X-axis direction (see FIG. 7A). As is clear from this figure, magnets having the same volume are used, but the rectangular parallelepiped magnet clearly realized higher resistance against eccentricity.

なお、上述の説明は、磁電変換素子の具体例としてホール素子を用いたが、縦型ホール素子、AMR、GMR、TMR等においても効果的であることに留意されたい。   In the above description, a Hall element is used as a specific example of the magnetoelectric conversion element. However, it should be noted that this is also effective for a vertical Hall element, AMR, GMR, TMR, and the like.

また、磁石形状が楕円体等であっても、着磁方向の最大長さがその方向に垂直な最大長さに比べて短い立体であればよい。   Moreover, even if the magnet shape is an ellipsoid or the like, it is sufficient if the maximum length in the magnetization direction is shorter than the maximum length perpendicular to the direction.

また、角度算出方法は、電子計算機に用いられるCORDIC(COordinate Rotation DIgital Computer)アルゴリズムやレゾルバからの信号を回転角度に変換するRD変換ICに用いられるようなアルゴリズム等であっても同様である。センサチップをシリコン基板で構成し、センサチップ上にホール素子等の磁電変換素子と、角度算出のための他の演算回路を集積させてもよい。   The angle calculation method is the same for a CORDIC (Coordinate Rotational Digital Computer) algorithm used for an electronic computer, an algorithm used for an RD conversion IC that converts a signal from a resolver into a rotation angle, and the like. The sensor chip may be formed of a silicon substrate, and a magnetoelectric conversion element such as a Hall element and another arithmetic circuit for angle calculation may be integrated on the sensor chip.

この方式は、回転軸端使用型水平磁場検知の非接触回転角度センサにおいて低コスト・小型で、かつ取り付け・方向検知が容易な構成を実現した。この形態のセンサ構成は、非常に簡便かつ低コストであり、例えばローテーションスイッチ、ポテンショメータ、入力デバイスなどに利用可能である。   This method realized a low-cost, small-sized, and easy-to-install / direction-detection configuration of a non-contact rotation angle sensor using a rotating shaft end type horizontal magnetic field detection. The sensor configuration in this form is very simple and low cost, and can be used for, for example, a rotation switch, a potentiometer, an input device, and the like.

5 磁石
6 センサパッケージ
7 センサ実装基板
8 回転軸
14 磁気収束板
15 センサチップ
16 ホール素子
400 回転角度検出装置
DESCRIPTION OF SYMBOLS 5 Magnet 6 Sensor package 7 Sensor mounting board 8 Rotating shaft 14 Magnetic converging plate 15 Sensor chip 16 Hall element 400 Rotation angle detection apparatus

Claims (7)

センサチップに設けられ、前記センサチップの表面に水平な磁場を検知するための第1及び第2の磁電変換素子と、
前記センサチップの前記表面に平行な方向に着磁方向を有し、前記センサチップの前記表面に垂直な方向の回転軸を中心に回転する磁石と
を備え、
前記第1及び第2の磁電変換素子から出力される位相の異なる正弦波信号を用いて前記磁石の回転角度が算出され、
前記磁石は、前記着磁方向の最大長さが、前記着磁方向および前記回転軸に垂直な方向の最大長さよりも短いことを特徴とする回転角度検出装置。
First and second magnetoelectric transducers provided on the sensor chip for detecting a magnetic field horizontal to the surface of the sensor chip;
A magnet having a magnetization direction in a direction parallel to the surface of the sensor chip and rotating about a rotation axis in a direction perpendicular to the surface of the sensor chip;
The rotation angle of the magnet is calculated using sinusoidal signals with different phases output from the first and second magnetoelectric transducers,
The rotation angle detection device according to claim 1, wherein the magnet has a maximum length in the magnetization direction shorter than a maximum length in the magnetization direction and a direction perpendicular to the rotation axis.
前記磁石は、二極直方体磁石であり、前記着磁方向に短辺、前記着磁方向および前記回転軸に垂直な方向に長辺を有することを特徴とする請求項1記載の回転角度検出装置。   The rotation angle detection device according to claim 1, wherein the magnet is a dipole cuboid magnet, and has a short side in the magnetization direction and a long side in the magnetization direction and a direction perpendicular to the rotation axis. . 前記短辺の長さに対する前記長辺の長さが2以上10以下であることを特徴とする請求項2記載の回転角度検出装置。   The rotation angle detection device according to claim 2, wherein the length of the long side with respect to the length of the short side is 2 or more and 10 or less. 前記短辺の長さに対する前記長辺の長さが4以上10以下であることを特徴とする請求項3記載の回転角度検出装置。   The rotation angle detection device according to claim 3, wherein the length of the long side with respect to the length of the short side is 4 or more and 10 or less. 前記第1及び第2の磁電変換素子は、前記回転軸を中心として直交する2軸で前記磁場を検知するように配置されていることを特徴する請求項1から4のいずれかに記載の回転角度検出装置。   5. The rotation according to claim 1, wherein the first and second magnetoelectric transducers are arranged to detect the magnetic field with two axes orthogonal to each other about the rotation axis. Angle detection device. 前記第1及び第2の磁電変換素子は、軟磁性体材料で構成されている磁気収束板近傍に配置されたホール素子であることを特徴とする請求項1から5のいずれかに記載の回転角度検出装置。   The rotation according to any one of claims 1 to 5, wherein the first and second magnetoelectric transducers are Hall elements arranged in the vicinity of a magnetic flux concentrating plate made of a soft magnetic material. Angle detection device. 前記センサチップはシリコン基板であり、前記ホール素子は前記センサチップ上に他の演算回路とともに集積されていることを特徴とする請求項1から6のいずれかに記載の回転角度検出装置。   The rotation angle detection device according to claim 1, wherein the sensor chip is a silicon substrate, and the Hall element is integrated with the other arithmetic circuit on the sensor chip.
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