JP4437067B2 - Non-contact Hall effect angular position sensor - Google Patents

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本発明は、無接触角度位置センサに関する。   The present invention relates to a contactless angular position sensor.

本発明の課題は、正確で、頑強で、比較的安価に実現することのできる角度位置センサを提供することである。   The object of the present invention is to provide an angular position sensor which is accurate, robust and can be realized relatively inexpensively.

この課題は本発明による角度位置センサにより解決される。   This problem is solved by the angular position sensor according to the present invention.

本発明の角度位置センサは、軸を備える強磁性リングと、磁気ソースと、ホール効果セルと、磁束ガイドとを有し、
前記磁気ソースは実質的に前記リングの中心に配置されており、リングの軸に対して垂直の磁化方向に磁界を発生し、
前記ホール効果セルはリングの内側に、リングの中心を通過する半径方向に配置されており、かつ磁化方向とリングの軸に対して垂直であり、当該ホール効果セルは半径方向の磁界を測定し、
前記磁束ガイドは強磁性材料からなり、磁気ソースとホール効果セルとの間に挿入されており、当該磁束ガイドはリングの軸を通る磁気ソースを中心に回転可能である。
The angular position sensor of the present invention includes a ferromagnetic ring having an axis, a magnetic source, a Hall effect cell, and a magnetic flux guide.
The magnetic source is disposed substantially in the center of the ring and generates a magnetic field in a magnetization direction perpendicular to the axis of the ring;
The Hall effect cell is arranged radially inside the ring and passing through the center of the ring and perpendicular to the magnetization direction and the axis of the ring, the Hall effect cell measures the radial magnetic field. ,
The magnetic flux guide is made of a ferromagnetic material, and is inserted between the magnetic source and the Hall effect cell, and the magnetic flux guide is rotatable about the magnetic source passing through the axis of the ring.

この角度位置センサを形成するエレメント間には接触が全くないからこのセンサは非常に頑強である。このセンサは、ホール効果セルにより発生された電圧の変化と、磁束ガイドの磁気ソース、ホール効果セルおよびリングに対する角度変位との間で良好な線形性を示す。   This sensor is very robust because there is no contact between the elements forming this angular position sensor. This sensor exhibits good linearity between the change in voltage generated by the Hall effect cell and the angular displacement of the flux guide relative to the magnetic source, Hall effect cell and ring.

本発明によれば、線形性を改善するために磁束ガイドがチューブの角度セクタの形状を有する。   In accordance with the present invention, the flux guide has the shape of an angular sector of the tube to improve linearity.

有利には角度セクタは120゜から150゜の範囲にある。角度セクタを120゜以下に縮小することにより、角度位置センサの線形性の範囲が狭まるが、セクタを150゜以上に増大しても角度位置センサの線形性の範囲はそれ以上上昇しない。線形性範囲は120゜を僅かに超えることができるだけである。   The angular sector is preferably in the range of 120 ° to 150 °. By reducing the angular sector to 120 ° or less, the range of linearity of the angular position sensor is narrowed. However, increasing the sector to 150 ° or more does not further increase the linearity range of the angular position sensor. The linearity range can only slightly exceed 120 °.

本発明の別の構成によれば、磁気ソースは平行六面体永久磁石である。従って線形性からの逸脱は100゜以上にわたって数‰に維持することができる。   According to another configuration of the invention, the magnetic source is a parallelepiped permanent magnet. Therefore, the deviation from linearity can be maintained at several ‰ over 100 °.

変形実施例として、磁気ソースは円形クロスセクションのシリンダ状永久磁石であり、リングを基準にして同心に配置される。線形性からの内在的逸脱は前記の実施例よりも大きいが、線形性は正弦波補正の適用によって格段に改善することができる。   As a variant, the magnetic source is a circular cross-section cylindrical permanent magnet, which is arranged concentrically with respect to the ring. Although the inherent deviation from linearity is greater than in the previous embodiment, linearity can be significantly improved by applying sinusoidal correction.

図示のように角度位置センサ5は4つのエレメントを有する。すなわち磁気ソース1,ホール効果セル2,リング3、および磁束ガイドを形成する角度セクタ4である。   As shown, the angular position sensor 5 has four elements. That is, the magnetic source 1, the Hall effect cell 2, the ring 3, and the angular sector 4 forming the magnetic flux guide.

リング3とセクタ4は、磁束ガイド作用を助長するために高透磁性かつ強磁性でなければならない。有利にはこれらは履歴作用を低減するために純鉄から作製される。   The ring 3 and sector 4 must be highly permeable and ferromagnetic in order to facilitate the flux guiding action. These are advantageously made from pure iron in order to reduce the hysteresis effect.

リング3は円形であり、軸8を有する。リングの断面は基本的に矩形である。   The ring 3 is circular and has an axis 8. The cross section of the ring is basically rectangular.

図1に示された磁気ソース1は永久磁石からなり、リング3の中心に配置されている。磁気ソースの磁化方向6はリングの直径方向に配向されている。磁石1とリング3は相互に固定されている。   The magnetic source 1 shown in FIG. 1 consists of a permanent magnet and is arranged at the center of the ring 3. The magnetization direction 6 of the magnetic source is oriented in the diameter direction of the ring. The magnet 1 and the ring 3 are fixed to each other.

ホール効果セル2はリングの半径に沿って配置されており、磁化方向6に対して垂直に配向されている。ホール効果セルはリング3に接近する半径方向磁界を検出し、リングに対して固定されている。セル2からの出力電圧は、これを通過する磁束に比例する。   The Hall effect cells 2 are arranged along the radius of the ring and are oriented perpendicular to the magnetization direction 6. The Hall effect cell detects a radial magnetic field approaching the ring 3 and is fixed with respect to the ring. The output voltage from the cell 2 is proportional to the magnetic flux passing through it.

セクタ4は磁石1とセル2との間に配置されている。セクタは約140°の角度を越えて伸長しており、他のエレメントに対しリング3の軸を中心に回転可能である。セクタは半径方向に、2つのシリンダ状半径表面の間で伸長しており、チューブの一部の形状を有する。   Sector 4 is arranged between magnet 1 and cell 2. The sector extends beyond an angle of about 140 ° and is rotatable about the axis of the ring 3 with respect to the other elements. The sector extends radially between two cylindrical radial surfaces and has the shape of a portion of the tube.

セクタ4は磁束を磁石1からリング3に向かって案内する。セクタが捕獲する磁束の量はその位置に依存する。   The sector 4 guides the magnetic flux from the magnet 1 toward the ring 3. The amount of magnetic flux that the sector captures depends on its location.

図2はセクタ4の中央位置を示す。すなわちセクタの中心が半径7上にある。この位置でセクタは磁石の2極間で磁気的短絡を形成する。すなわち非常に僅かな磁束しかリング内を通過せず、セル2により観察される磁束はゼロである。   FIG. 2 shows the center position of sector 4. That is, the center of the sector is on the radius 7. At this position, the sector forms a magnetic short between the two poles of the magnet. That is, very little magnetic flux passes through the ring, and the magnetic flux observed by the cell 2 is zero.

図3は、セクタが30゜だけ回転した中間位置を示す。セクタ4は磁石1により形成された磁束の一部を捕獲し、これをリング3に均一に向ける。セル2は中程度の磁束を観察する。   FIG. 3 shows an intermediate position where the sector has been rotated by 30 °. Sector 4 captures a portion of the magnetic flux formed by magnet 1 and directs it evenly to ring 3. Cell 2 observes moderate magnetic flux.

セクタ4が連続して回転すると、セル2により走査される磁界は線形に増大する。セクタは磁極の一方をさらに大きくカバーし、従ってより多くの磁束を捕獲する。図4に示された位置では、セクタは極のすべてを実質的にカバーし、従ってセル2により走査される磁束は最大である。ここでセクタ4は70゜回転している。   As sector 4 rotates continuously, the magnetic field scanned by cell 2 increases linearly. The sector covers one of the poles much larger and therefore captures more magnetic flux. In the position shown in FIG. 4, the sector covers substantially all of the poles, so the magnetic flux scanned by cell 2 is maximum. Here, sector 4 is rotated by 70 °.

磁束はセクタとリングとの間で均一であるから、セル2の位置は非常に正確である必要はない。   Since the magnetic flux is uniform between the sector and the ring, the position of the cell 2 does not have to be very accurate.

図5の実施例は図1の実施例とは、磁気ソースがディスク形状の円筒磁石1からなり、リング3の中心に同心に配置されている点で異なる。磁石は同じ磁化方向6に沿って磁化されている。セル2により発生される信号の変化はここでは正弦波状である。正弦波成分を除去処理すると、図1に示した実施例と同等の信号線形性が同じ回転振幅を以て達成される。   The embodiment of FIG. 5 differs from the embodiment of FIG. 1 in that the magnetic source comprises a disk-shaped cylindrical magnet 1 and is arranged concentrically at the center of the ring 3. The magnet is magnetized along the same magnetization direction 6. The change of the signal generated by the cell 2 is here sinusoidal. When the sine wave component is removed, signal linearity equivalent to that of the embodiment shown in FIG. 1 is achieved with the same rotational amplitude.

本発明は上記の実施例に限定されるものではない。電磁石を永久磁石の代わりに磁気ソースとして使用することもできる。   The present invention is not limited to the above embodiments. Electromagnets can also be used as magnetic sources instead of permanent magnets.

本発明による角度位置センサの斜視図である。It is a perspective view of the angular position sensor by this invention.

異なる位置での角度位置センサの磁束線を示す図である。It is a figure which shows the magnetic flux line of the angle position sensor in a different position.

異なる位置での角度位置センサの磁束線を示す図である。It is a figure which shows the magnetic flux line of the angle position sensor in a different position.

異なる位置での角度位置センサの磁束線を示す図である。It is a figure which shows the magnetic flux line of the angle position sensor in a different position.

別の実施例の平面図である。It is a top view of another Example.

Claims (5)

軸(8)を備える強磁性リング(3)と、磁気ソース(1)と、ホール効果セル(2)と、磁束ガイド(4)とを有する角度位置センサ(5)であって、
前記磁気ソース(1)は実質的に前記リング(3)の中心に配置されており、リング(3)の軸(8)に対して垂直の磁化方向(6)に磁界を発生し、
前記ホール効果セル(2)はリング(3)の内側に、リングの中心を通過する半径方向(7)に配置されており、かつ磁化方向(6)とリング(3)の軸(8)とに対して垂直であり、当該ホール効果セル(2)は半径方向の磁界を測定し、
前記磁束ガイド(4)は、磁気ソース(1)とホール効果セル(2)との間に挿入されており、当該磁束ガイドはリングの軸を通る磁気ソースを中心回転可能である、
ことを特徴とする角度位置センサ。
An angular position sensor (5) having a ferromagnetic ring (3) with an axis (8), a magnetic source (1), a Hall effect cell (2), and a magnetic flux guide (4),
The magnetic source (1) is arranged substantially in the center of the ring (3) and generates a magnetic field in a magnetization direction (6) perpendicular to the axis (8) of the ring (3);
The Hall effect cell (2) is arranged inside the ring (3) in the radial direction (7) passing through the center of the ring, and the magnetization direction (6) and the axis (8) of the ring (3) The Hall effect cell (2) measures the radial magnetic field,
The flux guide (4) includes a magnetic source (1) is inserted between the Hall-effect cell (2), the flux guide is rotatable about the magnetic source passing through the axis of the ring,
An angular position sensor characterized by the above.
磁束ガイド(4)はチューブの角度セクタの形状を有する、請求項1記載の角度位置センサ。   2. The angular position sensor according to claim 1, wherein the magnetic flux guide (4) has the shape of an angular sector of the tube. 角度セクタは120゜から150゜の範囲にある、請求項2記載の角度位置センサ。   The angular position sensor of claim 2, wherein the angular sector is in the range of 120 ° to 150 °. 磁気ソース(1)は平行六角の永久磁石である、請求項1から3までのいずれか1項記載の角度位置センサ。 Magnetic source (1) is a permanent magnet parallel hexagonal body, the angular position sensor of any one of claims 1 to 3. 磁気ソース(1)は円形断面を有する円筒永久磁石であり、リング(3)を基準にして同心に配置されている、請求項1から3までのいずれか1項記載の角度位置センサ。   The angular position sensor according to any one of claims 1 to 3, wherein the magnetic source (1) is a cylindrical permanent magnet having a circular cross section and is arranged concentrically with respect to the ring (3).
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