JP2013104698A - 磁界角計測装置およびそれを用いた回転機 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】磁界方向に感応する磁気センサ70と、非磁性の第1の導体240と、非磁性の第2の導体242とを備えた磁界角計測装置であって、前記磁気センサは、前記第1の導体と前記第2の導体との間に配置され、前記第1の導体中の渦電流が前記磁気センサに及ぼす磁界と、前記第2の導体中の渦電流が前記磁気センサに及ぼす磁界とが、互いに打ち消しあう構成とする。
【選択図】図1
Description
非磁性の第1の導体、非磁性の第2の導体、及び前記第1の導体と前記第1の導体の間に配置された、磁界方向に感応する磁気センサを備えた磁界角計測装置であって、前記磁界角計測装置はセンサ磁石とともに用いられ、前記磁界角計測装置が、前記センサ磁石に対して所定の位置に配置された際に、前記第1の導体中に流れる渦電流が前記磁気センサに及ぼす磁界、及び前記第2の導体中の渦電流が前記磁気センサに及ぼす磁界が、互いに打ち消し合う磁界角計測装置。
磁界方向計測型の磁気センサとして、ここではGMR素子を用いた磁気センサを例に述べる。
GMR素子の基本構成を図2に示す。GMR素子は、第1の磁性層(固定磁性層、あるいはピン磁性層)13と第2の磁性層(自由磁性層)11とを有し、両者の磁性層の間に非磁性層(スペーサ層)12を挟み込んだ構成をとる。GMR素子に外部磁界を印加すると、固定磁性層13の磁化方向22は変化せず固定されたままであるのに対し、自由磁性層11の磁化方向20は外部磁界の方向30に応じて変化する。
となり、R2、 R4では(n=2、 4):
となる。
なお、本実施例では、励起電圧e0は5Vにした。
ここで、θ=atan2(y, x)は、引数x、yが正か負かに応じて、θ=0〜360°(または−180〜180°)の値を適切に出力する関数である。例えば、x、yともに正の場合は、atan2(y,x)=ArcTan(y/x)であり、x、yともに負の場合は、atan2(y,x)=ArcTan(y/x)+180°である。
磁界角計測装置80は、磁気センサ70と検出部302を有する。磁気センサ70は、GMR素子で構成されたCOSブリッジ60とSINブリッジ61を有する。各ブリッジの接地端子と励起端子75は図示を省略した。
これが、回転角計測装置の基本構成である。
図8(A)は、センサ磁石202と磁気センサ70との間に非磁性の導体240を配置した構成の側面図である。非磁性の導体240は、上記の実験ではアルミニウム板である。図8(B)は、同図(A)の配置を上から見た図である。センサ磁石202の回転方向は矢印260で示してある。
導体板に鎖交する磁束をΦとする。磁束変化により導体板には誘導起電力Eeが誘起される。
で表される。また、誘起磁界Hed251は渦電流の大きさJeに比例する。以上より、次式を得る。
すなわち、角度ズレ量の加法性が概ねなりたつ。
本発明の実施例1は、磁気センサ70と前面導体(第1の導体)240と背面導体(第2の導体)242とを備える。そして、前面導体(第1の導体)240は磁気センサの前面側、すなわち磁束発生体(センサ磁石)202が設置される側に配置し、背面導体(第2の導体)242は背面側に配置される。さらに、そして、前面導体(第1の導体)240のシート抵抗R1は背面導体(第2の導体)242のシート抵抗R2よりも大きくしている。
(1) 磁気センサの近傍に非磁性の導体(導電体)があると、高速回転時に計測誤差を生じる。
(2) 計測誤差は、角度原点のズレ、すなわち角度ズレである。
(3) 導体を前面に配置した場合と、背面に配置した場合とでは、計測誤差の正負が互いに逆向きであり、前面と背面とに導体を配置した場合は、計測誤差を打ち消しあう。
本発明による実施例2の磁界角計測装置を図13に示す。本実施例では、前面導体240と背面導体242とがなす角φ(273)を45°以下に設定するものである。
図14は、本発明の実施例3を示す図である。
説明を明確にするために、図中にxyz座標の方向を示す図を記した。座標系を表す図において、「×」を「○」で囲んだ記号は、紙面から奥側に伸びる矢印を示す。したがって、図14において、y軸は紙面から奥に向かって伸びる方向である。なお、このxyz座標軸は、方向を示すために図示したものであり、座標系の原点を示すものではない。
図15は、本発明の実施例4を示す図である。
本実施例は、磁気センサ70と検出部302とをパッケージ218内に収めて一体化したものである。パッケージ218は樹脂などを用いてモールドしたり、セラミックス中に封止したりする。本実施例では、前面導体240と背面導体242とを合わせてパッケージ218に収めている。そして、背面導体242のシート抵抗を前面導体240のシート抵抗よりも小さくすることで、これらの導体中に発生する渦電流の誘起磁界を打ち消すようにしている。このため、センサ磁石が高速で回転する場合でも、センサ磁石の回転角を高精度で計測できる。
図16を用いて本発明の実施例5を説明する。
本実施例は、磁気センサ70と前面導体240および背面導体242とを一体化してパッケージ218に収めた磁界角計測装置80である。図16には検出部302も含めてパッケージ化した構成を示した。検出部302をパッケージ218に含めない構成でも良い。
図17は、本実施例の実施例6を示すものである。図17(A)は横から見た断面図、図17(B)は平面図である。図17(B)は、パッケージ中を透視した形で描いた。
本実施例の磁界角計測装置80は、磁気センサ70と前面導体240および背面導体242をパッケージ化したセンサ・パッケージ218Aと、検出部302をパッケージ化した検出部パッケージ218Bとの2つのパッケージを有する。センサ・パッケージ218Aと検出部パッケージ218Bとの間は中間信号端子92により信号の受け渡しが行われる。検出部パッケージ218Bからは信号端子90が出ている。信号端子には、磁界角度信号を出力する他、アース端子や検出部へ電源を供給する電源端子などが含まれる。
図18は、本発明の実施例7を示す図である。
本実施例では、背面導体242または前面導体240に開口部272を有する。
この構成にすると、磁気センサ70から、または検出部302(図示せず)から取り出した信号線を、背面導体242を横切って配線するのが容易になるという効果がある。
図18では開口部272を背面導体242に設けた例を示したが、前面導体240に開口部を設けても良い。また、前面導体240と背面導体242の両方に開口部を設けても良い。
図19は、本発明の実施例8である。
本実施例は、図18に示した、実施例7と同様の構成である。
ただし、本実施例では、開口部272の位置を磁気センサ70の中心と同軸線上に配置してある。このようにすると、磁気センサ70から見て背面導体242の対称性が図18の構成と比べて良くなるため、より効果的に渦電流の影響を除去できるという効果がある。
本発明の実施例9である回転角計測装置80を、図20を用いて述べる。
本実施例は、回転体121の回転に連動して回転するセンサ磁石202と、磁界角計測装置と備えた回転角計測装置80である。センサ磁石202が発生する磁界の方向を磁界角計測装置で計測することで、回転体の回転角度を計測する。
本発明の実施例10である回転角計測装置を、図21を用いて述べる。
本実施例は、図20に記載の実施例9と同様の構成の回転角計測装置であるが、磁気センサ70を回転体の回転中心線上に配置している点に特徴がある。
このようにすると、回転体の回転角度、すなわちセンサ磁石の回転角度と、磁気センサ70の地点での磁界方向角度とのズレが小さくなる。このため、回転体の回転角度を精度良く計測できるという効果がある。
本発明の実施例11である磁界角計測装置を、図22を用いて述べる。
本実施例の磁界角計測装置80は、背面導体242を複数の非磁性の導体で構成したことを特徴とする。
本発明の実施例12の回転機を、図23を用いて説明する。
なお、本明細書では、「回転機」とはモータのみでなく、「発電機」、すなわち機械的エネルギーを電気エネルギーに変換する機械も含む。
回転角検出部200は、磁界角計測装置80(以下、「回転角センサ・モジュール」と呼ぶ。)とセンサ磁石202とを有している。なお、回転角センサ・モジュールは、例えば図15に示した磁界角計測装置80を用いる。回転角検出部200はハウジング203と第2ブラケット103とで囲まれた空間に設置されている。センサ磁石202は回転体121と連動して回転する軸に設置されており、回転体121が回転位置を変えると、それに応じて発生する磁界方向が変化する。この磁界方向を回転角センサ・モジュール80で検出することにより回転体121の回転角(回転位置)を計測できる。
本発明による実施例13の回転機を、図24を用いて説明する。
本実施例の回転機のモータ部100は、図23に示した回転機と同様な構成である。
本発明による実施例14の回転機を、図25を用いて説明する。
本実施例では、回転機の構成物、例えば筐体などを前面導体240や背面導体242として利用する。
本実施例においては、ハウジング203を樹脂ではなく、アルミニウムや真鍮などの非磁性の導体を用いる。本実施例ではアルミニウムを用いた。
本発明による実施例15の回転機を、図26を用いて説明する。
本実施例では、磁気センサ70をセンサ磁石202の外周の外方に配置している。
本発明による実施例16の回転機を、図27を用いて説明する。
本実施例では磁気センサ70を回転機の筐体の外側に設置してある。具体的には、ハウジング203の外側に磁気センサ70を設置してある。
本発明による実施例17の回転機を、図28を用いて説明する。
本実施例は複数の背面導体を用いたことを特徴とする。
本発明による実施例18の回転機を、図29を用いて説明する。図29(A)が、実施例18の縦断面図を、図29(B)は、実施例18の側面部を、磁界角計測装置80内については透視して示す。
本発明による実施例19の回転機を、図30を用いて説明する。
本実施例は、磁界角計測装置80をセンサ磁石202の外周の外方に配置した構成(周外配置)である。この周外配置構成の場合には、図30に示したように、センサ磁石202−前面導体240間距離とセンサ磁石202−背面導体242間距離が概ね等しくなるような配置が可能である。これを「2導体等距離配置」と呼ぶことにする。
本発明による実施例20である磁界角計測装置を、図31を用いて説明する。
本実施例の磁界角計測装置80は、磁気センサ70、検出部302、第1の導体240、第2の導体242を備える。検出部302から信号出力208が取り出される。
本発明による実施例21として電動パワー・ステアリング・システム(Electric Power-Assisted Steering system)の例を、図32に示した。
本発明の実施例22について図33を用いて説明する。本実施例は磁界角計測装置を用いたハイブリッド自動車駆動装置(電動車両駆動装置)の動力機構の基本構成を示すものである。
本発明は、GMR素子の磁気センサに限定されるものではなく、他の磁界角計測型の磁気センサにも適用可能である。
100・・・モータ部、110・・・ステータ、111・・・ステータコア、112・・・ステータコイル、120・・・ロータ、121・・・回転体、132・・・磁界角計測装置設置部、
200・・・回転角検出部、202・・・センサ磁石(磁束発生体)、218・・・パッケージ、218A・・・センサ・パッケージ、218B・・・検出部パッケージ、226・・・回転中心線、
240・・・前面導体(第1の導体)、242・・・背面導体(第2の導体)、242-1・・・第1の背面導体、242-2・・・第2の背面導体、240・・・第1の導体(前面導体)、242・・・第2の導体(背面導体)、250・・・センサ磁石の磁界、251・・・誘起磁界、252・・・合成磁界、272・・・開口部、
302・・・検出部、303・・・信号処理部、351・・・差動増幅器、383・・・atan処理部、
411・・・電子制御コントロールユニット、412・・・駆動部、
501・・・ハンドル、502・・・トルクセンサ、503・・・ステアリング・シャフト、504・・・連結部、505・・・連結シャフト、506・・・ギアボックス、507・・・タイロッド、
551・・・駆動モータ、552・・・発電機、553・・・エンジン、554・・・動力分配機構、557・・・動力結合機構、558・・・動力シャフト、562・・・発電機磁界角センサ、563・・・センサ磁石
Claims (26)
- 非磁性の第1の導体、非磁性の第2の導体、及び前記第1の導体と前記第1の導体の間に配置された、磁界方向に感応する磁気センサを備えた磁界角計測装置であって、
前記磁界角計測装置はセンサ磁石とともに用いられ、前記磁界角計測装置が、前記センサ磁石に対して所定の位置に配置された際に、
前記第1の導体中に流れる渦電流が前記磁気センサに及ぼす磁界、及び前記第2の導体中の渦電流が前記磁気センサに及ぼす磁界が、互いに打ち消し合う磁界角計測装置。 - 磁界方向に感応する磁気センサと、
非磁性の第1の導体と、非磁性の第2の導体とを備えた磁界角計測装置であって、
前記磁気センサは、前記第1の導体と前記第2の導体との間に配置され、
前記第1の導体のシート抵抗が、前記第2の導体のシート抵抗よりも大きいことを特徴とする磁界角計測装置。 - 請求項2に記載された磁界角計測装置において、
前記磁気センサはセンサ磁石とともに用いられ、前記磁気センサが、前記センサ磁石に対して所定の位置に配置された際に、前記第1の導体を前記磁気センサの前面側に配置し、前記第2の導体を前記磁気センサの背面側に配置した磁界角計測装置。 - 請求項2に記載された磁界角計測装置において、
前記第1の導体の厚さは、前記第2の導体の厚さよりも薄いことを特徴とする磁界角計測装置。 - 請求項2に記載された磁界角計測装置において、
前記第1の導体の比抵抗は、前記第2の導体の比抵抗よりも大きいことを特徴とする磁界角計測装置。 - 請求項2に記載された磁界角計測装置において、
前記第1の導体と前記第2の導体とのなす角が45度以下であることを特徴とする磁界角計測装置。 - 請求項2に記載された磁界角計測装置において、
前記第1の導体及び前記第2の導体は、互いに平行であることを特徴とする磁界角計測装置。 - 請求項2に記載された磁界角計測装置において、
前記第1の導体及び前記第2の導体並びに前記磁気センサを、パッケージ内に収めたことを特徴とする磁界角計測装置。 - 請求項8に記載された磁界角計測装置において、
前記パッケージの信号端子は、前記磁気センサから前記第2の導体側に出ていることを特徴とする磁界角計測装置。 - 請求項2に記載された磁界角計測装置において、
前記第1の導体若しくは前記第2の導体の少なくとも一方は、開口部を有することを特徴とする磁界角計測装置。 - 請求項2に記載された磁界角計測装置において、
前記第2の導体は、複数の導体から構成されることを特徴とする磁界角計測装置。 - 回転体と、
前記回転体と連動して回転するセンサ磁石と、
前記センサ磁石が発生する磁界の方向を計測する磁界角計測装置と、を備えた回転機であって、
前記磁界角計測装置は請求項2に記載の磁界角計測装置であり、
前記センサ磁石、前記第1の導体、前記磁気センサ、前記第2の導体の順序で配置される回転機。 - 請求項12に記載された回転機において、
前記磁気センサを前記回転体の回転中心線上に配置したことを特徴とする回転機。 - 請求項12に記載された回転機において、
前記磁気センサを前記センサ磁石の外周の外方に配置したことを特徴とする回転機。 - 請求項12に記載された回転機において、
前記磁気センサの磁界感応面及び前記センサ磁石の回転面を、互いに平行に配置したことを特徴とする回転機。 - 請求項12に記載された回転機において、
前記回転機を構成する部品を、前記第1の導体若しくは前記第2の導体に兼用することを特徴とする回転機。 - 請求項12に記載された回転機において、
前記回転機の筐体の一部を、前記第1の導体又は前記第2の導体とすることを特徴とする回転機。 - 請求項12に記載された回転機において、
前記第2の導体は、複数の導体で構成されることを特徴とする回転機。 - 回転体と、
前記回転体と連動して回転するセンサ磁石と、
前記センサ磁石が発生する磁界の方向を計測する磁界角計測装置と、を備えた回転機であって、
前記磁界角計測装置は、請求項1に記載された磁界角計測装置であり、前記センサ磁石の外周の外方に、前記磁気センサの磁界感応面が前記センサ磁石の回転面と平行となる位置に配置されたことを特徴とする回転機。 - 請求項19に記載された回転機おいて、
前記第1の導体と前記第2の導体は、前記磁気センサの磁界感応面と平行に配置されたことを特徴とする回転機。 - 請求項19に記載された回転機において、
前記センサ磁石と前記第1の導体との間の直線距離と、前記センサ磁石と前記第2の導体との間の直線距離とが等しいことを特徴とする回転機。 - 請求項19に記載の回転機において、
前記第1の導体のシート抵抗と前記第2の導体のシート抵抗とが等しいことを特徴とする回転機。 - 請求項19に記載の回転機において、
前記磁気センサは、前記第1の導体と前記第2の導体から挟まれた領域外にあることを特徴とする回転機。 - 請求項1又は2に記載された磁界角計測装置を備えた電動パワー・ステアリング・システム。
- 請求項19に記載された回転機を備えた電動パワー・ステアリング・システム。
- 請求項1又は2に記載された磁界角計測装置を備えた電動車両駆動装置。
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