JP3422184B2

JP3422184B2 - 磁気式回転角度センサ

Info

Publication number: JP3422184B2
Application number: JP23131096A
Authority: JP
Inventors: 和貴溝口
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1996-08-13
Filing date: 1996-08-13
Publication date: 2003-06-30
Anticipated expiration: 2016-08-13
Also published as: JPH1062112A

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、磁気検出素子を
用いた磁気式回転角度センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の磁気式回転角度センサとしては、
例えば特開昭６２−１６８００４号公報に開示されてい
るものがある。図４はこの従来の磁気式回転角度センサ
の説明図である。回転軸１１には半径方向に伸びたアー
ム１２が取り付けられ、アーム１２の先端には磁気検出
素子１３が固定されている。磁気検出素子１３は、半径
方向の磁束密度を検出する。強磁性体で作られた円環形
状のリング１４が、回転軸１１と同心円上に配置されて
いる。リング１４は規定位置に固定され、楔形状の磁石
１５が組み込まれている。これらリング１４と磁石１５
により磁気回路１６が構成されている。

【０００３】磁石１５により作り出された磁束はリング
１４内の閉ループを通るが、磁気回路１６から若干の磁
束の漏洩がある。磁気回路１６から半径方向に漏れる磁
束密度は、磁石１５近辺がもっとも大きく、磁石１５か
ら離れるにしたがって小さくなり、磁石１５の反対側で
ある０度の位置ではほぼ零になる。回転軸１１が回転す
ると、磁気検出素子１３の位置が変化し、その出力も変
化する。回転軸の回転角度θ’と、磁気検出素子により
検出した磁束密度Ｂ’の関係を図５に示す。磁石と反対
側の位置に磁気検出素子が配置される角度をθ’＝０°
としている。この図をもとに、磁気検出素子により測定
した磁束密度Ｂ’から回転軸と磁気回路の相対的な回転
角度θ’を求めることができる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながらこのよう
な従来の磁気式回転角度センサでは、径方向の磁束密度
が磁石から離れると急激に減少するため、回転角度と磁
束密度の測定値との直線性が悪く、回転角度の計測精度
が低下するという問題があった。また、直線性が保たれ
ている範囲、すなわち図５の０度近辺で使用する場合に
は、感度が非常に低いうえに、回転角度検出範囲が狭く
なるという問題があった。したがって本発明は、上記従
来の問題点に鑑み、広い回転角度範囲において、回転角
度と磁束密度の測定値との直線性が良好に保たれ、計測
精度が向上した磁気式回転角度センサを提供することを
目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】このため、本発明は、回
転軸の周囲に磁気検出素子と磁気回路を配置し、磁気検
出素子により検出される磁束密度の変化から磁気検出素
子と磁気回路の相対的な回転角度を非接触で計測する磁
気式回転角度センサにおいて、磁気回路は、回転軸に対
する垂直平面において、柱形状で長手方向に磁極を有
し、回転軸の回転中心から所定距離にオフセットされた
磁石と、この磁石の両端から延び、回転軸を挟んで対向
する強磁性体のヨークとから形成され、磁石の中点の回
転中心からの距離とヨークの回転中心からの最短距離が
略等しくなるように配置され、磁気検出素子が、磁気回
路で囲まれた空間内に配置されているものとした。

【０００６】上記磁石を角柱形状となし、ヨークは板状
で磁石の各端面に接続され磁石の長手方向に対してそれ
ぞれ垂直に延ばすことができる。また、磁気回路は回転
軸に固定されて一体に回転し、磁気検出素子は磁気回路
内の定位置に固定されるのが好ましい。さらに、磁気回
路で囲まれた空間内に回転軸と同心の円筒形状のスリー
ブを配置し、スリーブの外周に磁気検出素子を固定する
ことができる。

【０００７】

【作用】磁気回路を構成する強磁性体のヨークの端部が
開放されているため、この磁気回路は閉ループを形成せ
ず、磁束はヨークの中に閉じこめられることがない。強
磁性体ヨークは周囲の磁束密度を増大させ、磁石および
ヨークで囲まれた空間内では磁束密度が高いレベルを維
持する。磁気回路と磁気検出素子が相対的に回転すると
き、磁束密度の測定値が最も大きくなるのは、磁気検出
素子が磁石の端部に最も近い位置にあるときである。磁
石と磁気検出素子が離れる方向に回転すると、磁束密度
の測定値は減少していくが、強磁性体のヨークと磁気検
出素子との距離が小さくなってくるため、磁束密度は急
激に減少せずに、徐々に低下する。またさらに回転する
と、ヨークと磁気検出素子との距離は今度は大きくなる
が、強磁性体のヨークの開放された端部近辺においても
磁束密度は極端に減少することがないため、測定可能な
感度が保たれる。そして、磁石の中点の回転中心からの
距離とヨークの回転中心からの最短距離が略等しくなる
ように配置されていることにより、とくに広い範囲にわ
たって回転角度と磁束密度の測定値との直線性が確保さ
れる。

【０００８】上記の磁石を角柱形状とし、板状ヨークを
磁石の各端面から垂直に延ばすことにより、組み立て、
作成が容易である。また、磁気回路を回転軸に固定して
一体に回転するものとし、磁気検出素子を磁気回路内の
定位置に固定することにより、磁気検出素子との配線が
簡単なものとなる。さらに、磁気検出素子は回転軸と同
心の円筒形状のスリーブ外周に固定することにより、全
体構成も簡単となる。

【０００９】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を実施例によ
り説明する。図１および図２は本発明の実施例の構成を
示し、図１は正面図、図２は図１におけるＡ方向から見
た側面図である。回転軸１と同心に、外径１２ｍｍ、内
径１０．４ｍｍの円筒形状のスリーブ２が配置されてい
る。スリーブ２は高透磁率を有する磁性ステンレスから
作られ、固定側規定位置に固定されている。回転軸１は
スリーブ２内を貫通している。スリーブ２の外周の一部
には平坦部が形成され、そこに磁気検出素子としてのホ
ール素子３が取り付けられている。ホール素子３はＧａ
Ａｓ半導体から作られ、ホール素子を通る磁束密度に比
例したホール電圧を発生する。ホール素子３は半径方向
の磁束密度を検出するように配置されている。

【００１０】スリーブ２の周囲には、磁石４およびヨー
ク５および６から構成される磁気回路７が設けられてい
る。磁石４は、温度特性に優れ、かつ高性能なサマリウ
ム・コバルトから作られ、厚さ３ｍｍ幅５ｍｍ長さ１７
ｍｍの角柱形状で、長手方向に磁極を有する。磁石４の
長手方向の中点Ｍが回転軸１の回転中心Ｏから８．５ｍ
ｍのところに位置し、磁石４は回転軸１に対する垂直平
面内で、回転軸１の径方向に対して垂直な方向に長手方
向が向き、磁石上では上記中点ｍＭが回転中心Ｏから最
短距離となっている。

【００１１】２本のヨーク５および６は磁性ステンレス
から作られ、厚さ０．５ｍｍ、幅５ｍｍ、長さ２３ｍｍ
の板状で、それぞれの長手方向の端部が磁石４の長手方
向の端部端面に固定されている。ヨーク５および６は、
回転軸に対する垂直平面内で、磁石の長手方向に対して
垂直な方向に延びている。したがって、ヨーク５および
６と回転中心Ｏとの最短距離は、磁石の中点Ｍと回転中
心Ｏとの距離と同じく８．５ｍｍになり、磁石４の一端
と回転中心Ｏと磁石４の多端が作る角度は略９０度にな
る。磁気回路７は回転軸１に固定され、回転軸１が回転
すると同時に回転軸１に対する垂直平面内を回転する。
ホール素子３はこのときの磁束密度の変化を測定し、出
力する。

【００１２】図３に、回転軸１の回転角度θと、ホール
素子３により検出した磁束密度Ｂの関係を示す。磁石４
と反対側の位置にホール素子３が配置される角度をθ＝
０°とする。磁気回路７が回転するとき磁束密度Ｂの測
定値がもっとも大きくなるのは、ホール素子３が磁石４
の端部と最も近い位置にあるときであり、たとえば、図
１において、θ＝＋１３５°の位置にホール素子がある
ような位置関係のときである。磁石４とホール素子３が
離れる方向に磁気回路７が回転すると、磁束密度Ｂの測
定値は減少していくが、θ＝＋１３５°からθ＝＋９０
°の間では、ヨーク部６とホール素子３との距離が小さ
くなってくるため、磁束密度Ｂは急激に減少せずに、徐
々に低下する。

【００１３】また、さらに回転し、θ＝＋９０°からθ
＝０°の間では、ヨーク部６とホール素子３との距離は
今度は大きくなるが、ヨーク部６の開放された端部近辺
においても磁束密度は極端に減少することはなく、測定
可能な感度は保たれる。さらに回転すると、ホール電圧
の起電力の方向は逆向きになるが、θ＝−１３５°まで
同様な測定値が得られる。したがって、磁束密度Ｂと、
回転軸１と磁気回路７の相対的な回転角度θとは、θの
範囲が−１３５°から＋１３５°の間で、ほぼ直線性が
保たれている。この図３をもとに、ホール素子３により
測定した磁束密度Ｂから回転軸と磁気回路の相対的な回
転角度θを求めることができる。

【００１４】本実施例は以上のように構成され、広い回
転角度範囲において、回転角度θと磁束密度Ｂの測定値
との直線性が良好に保たれ、回転角度の高い計測精度が
得られる。なお、ホール素子と磁気回路との相対回転の
ためには、磁気回路を固定しホール素子を回転させても
よく、これにより同様に高精度の計測が可能である。し
かし、本実施例のように、ホール素子を固定するほうが
ホール素子との電気的配線を複雑にすることがない点で
好ましい。

【００１５】

【発明の効果】以上のとおり、本発明は、磁気検出素子
により検出される磁束密度の変化から磁気検出素子と磁
気回路の相対的な回転角度を計測する磁気式回転角度セ
ンサにおいて、磁気回路を、回転軸に対する垂直平面に
おいて、柱形状で長手方向に磁極を有し、回転軸の回転
中心から所定距離にオフセットされた磁石と、この磁石
の両端から延び、回転軸を挟んで対向する強磁性体のヨ
ークとから形成し、磁石の中点の回転中心からの距離と
ヨークの回転中心からの最短距離が略等しくなるように
配置して、磁気検出素子がこの磁気回路で囲まれた空間
内に配置されているものとしたので、磁気検出素子によ
り測定される磁束密度が急激に減少することがなく、こ
れにより、広い回転角度範囲において、回転角度と磁束
密度の測定値との直線性が良好に保たれ、回転角度の高
い計測精度が得られるという効果を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例を示す正面図である。

【図２】実施例の側面図である。

【図３】実施例における回転角度と磁束密度の関係を示
す図である。

【図４】従来例を示す図である。

【図５】従来例の回転角度と磁束密度の関係を示す図で
ある。

【符号の説明】

１回転軸２スリーブ３ホール素子（磁気検出素子）４磁石５、６ヨーク７磁気回路Ｏ回転中心Ｍ中点

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】回転軸の周囲に磁気検出素子と磁気回路
を配置し、磁気検出素子により検出される磁束密度の変
化から磁気検出素子と磁気回路の相対的な回転角度を非
接触で計測する磁気式回転角度センサにおいて、前記磁気回路は、前記回転軸に対する垂直平面におい
て、柱形状で長手方向に磁極を有し、前記回転軸の回転
中心から所定距離にオフセットされた磁石と、該磁石の
両端から延び、前記回転軸を挟んで対向する強磁性体の
ヨークとから形成され、前記磁石の中点の前記回転中心
からの距離と前記ヨークの前記回転中心からの最短距離
が略等しくなるように配置され、前記磁気検出素子が、前記磁気回路で囲まれた空間内に
配置されていることを特徴とする磁気式回転角度セン
サ。
【請求項２】前記磁石が角柱形状をなし、前記ヨーク
は板状で前記磁石の各端面に接続され磁石の長手方向に
対してそれぞれ垂直に延びていることを特徴とする請求
項１記載の磁気式回転角度センサ。
【請求項３】前記磁気回路は前記回転軸に固定されて
該回転軸と一体に回転し、前記磁気検出素子は前記磁気
回路内の定位置に固定されていることを特徴とする請求
項１または２記載の磁気式回転角度センサ。
【請求項４】前記磁気回路で囲まれた空間内に前記回
転軸と同心の円筒形状のスリーブが配置され、該スリー
ブの外周に前記磁気検出素子が固定されていることを特
徴とする請求項１、２または３記載の磁気式回転角度セ
ンサ。
【請求項５】前記磁気検出素子は、前記回転軸の半径
方向の磁束密度を検出するように設置されていることを
特徴とする請求項１、２、３または４記載の磁気式回転
角度センサ。