JP4444485B2

JP4444485B2 - 角度センサ

Info

Publication number: JP4444485B2
Application number: JP2000354826A
Authority: JP
Inventors: 康人菅野; 修一長野; 一朗岡田
Original assignee: Asahi Kasei EMD Corp
Current assignee: Asahi Kasei EMD Corp
Priority date: 2000-11-21
Filing date: 2000-11-21
Publication date: 2010-03-31
Anticipated expiration: 2020-11-21
Also published as: JP2002156204A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数個の磁気センサを用いて非接触方式で磁界に対する角度を検出する角度センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、この種の角度センサとしては、磁気回路を構成するＮ極とＳ極の磁石を有する回転体と、磁気の強さを検出する磁気センサとを組み合せ、この回転体を磁気センサに対して回転させることにより回転角度を検出するという構成のものが数多く、例えば自動車エンジンや、ＤＣモータ等の種々の分野で利用されている。特に、その磁気センサとしてホール素子を使用し、これに高精度な磁気回路と組み合せることで、回転体の回転角度に対するアナログ信号を出力できるように構成した非接触式の角度センサが知られている。例えば、特開平１１−２９５０２２号公報、および特開平８−３５８０９号公報等の文献には、そのような角度センサが開示されている。
【０００３】
このように、磁気センサを使用した角度センサでは、磁気回路中に磁気センサを配置して角度センサを構成しているものが多いが、磁気センサの温度変化が大きく、これが角度検出誤差の要因となるため、何らかの手段で磁気センサの出力特性の温度補償を行う必要がある。
【０００４】
例えば、上記の特開平１１−２９５０２２号公報に開示された角度センサは、図８の（Ａ）の斜視図および図８の（Ｂ）の正面図に示すように、回転体８０１、８０２に特殊な形状の高精度を必要とする加工を施して巧妙な磁気回路を構成し、これにホール素子８０３、８０４および特殊な信号処理回路（図示しない）を組み合すことで、回転角度に応じたアナログ信号を取り出すようにし、特に、上記のように磁気回路の構成に工夫を凝らすことで回転角度に対してリニアな出力を行い、等価な２つのホール素子８０３、８０４を同一向きに配置し、２つのホール素子８０３、８０４の差分が同じ出力になるように信号処理回路による補正を加えることで温度補償を行っている。
【０００５】
また、上記の特開平８−３５８０９号公報に記載の角度センサは、ホール素子に流れる電流を温度に応じて変化させることで、ホール素子の温度補償を行うようにしている。
【０００６】
しかしながら、前者の特開平１１−２９５０２２号公報に開示された角度センサは、図８に示すように、回転体８０１の磁路の形状が曲面を伴って複雑なため、磁路の加工精度が十分に出ないという点があり、そのため実際の磁場に不均一が生じていた。そのため、角度の精度が悪いという点があった。
【０００７】
また、後者の特開平８−３５８０９号公報に記載の角度センサは、ホール素子１個で温度補償をしているため、温度特性が悪いという点があった。
【０００８】
一方、特開昭５４−１８７６８号公報には、図９の（Ａ）の平面図および図９の（Ｂ）正面図に示すように、互いに直交する方向成分の磁界の強さを検知する複数個の磁気センサ９０１、９０２を用いて磁界に対する角度を検出する角度センサが開示されている。この角度センサによれば、上述の従来例に比べ、回転体の複雑な精密加工を必要とせず、かつ温度補償演算が不要となるという利点がある。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図９に示す従来の角度センサでは、その複数個の磁気センサ９０１、９０２の全体を均一な磁場中に配置し、それら磁気センサ９０１、９０２の位置を非常に至近に配置することで、温度や磁場がそれら磁気センサに与える影響を同一にすることが必要である。
【００１０】
だが、上記磁気センサ９０１、９０２として、従来の磁気センサを用いた場合には、図９に示すように、互いに直交する方向成分の磁界を検知するのに垂直設置と水平設置しか方法がない、従来の磁気センサの物理的形状の制約から、磁場の均一な領域をある程度大きくすることが必要であり、このために磁石や回転体が大きくなり、角度センサの全体の大きさが実用に不向きなほど大きくなるという解決すべき点があった。
【００１１】
さらに、図９の（Ｂ）に示すように、複数の磁気センサ９０１、９０２の内で、少なくとも１つ９０１は磁気センサの取り付け面９０３上に垂直に植立させる必要があり、このためその磁気センサ９０１の足９０４をその取り付け面９０３の穴内に垂直に立てる様にしているが、このような不安定な構造では磁気センサを常に正確に９０度に取付けすることも、またその取付けた角度を長期間正確に保つことも実際上困難である。このため、製品間でばらつきが生じ、性能の再現性が悪いという解決すべき点があった。
【００１２】
本発明は、上記の点に鑑みて成されたもので、その目的は、センサ全体の大きさを極力小さくでき、かつ性能の再現性が良く、また広い温度範囲において高精度に温度補償を実現できる磁気センサ及びその磁気センサを用いる角度センサを提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１の角度センサの発明は、２個のモールドパッケージされた磁気センサが基板に表面実装されている角度センサであって、前記磁気センサが、相互に１８０度回転した位置で、前記磁気サンサの感磁面は、前記モールドパッケージ内で前記基板に対して４５度傾斜に固定され、相互の感磁面は９０度の位置関係であることを特徴とする。
【００１４】
ここで、前記磁気センサの感磁面は、前記モールドパッケージのセンター位置からずれていることを特徴とすることができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。
【００１８】
（第１の実施形態）
図１は本発明の第１の実施形態における磁気センサの構成を模式的に示す斜視図である。ここで１００は、それぞれの感磁面１０３、１０４が図示のように直交する２個の磁気センサ１０１、１０２を有する磁気センサユニットの全体を示す。
【００１９】
磁気センサ１０１および１０２はそれぞれ互いに直交する方向成分の磁界の強さを検知する磁気センサであって、これら磁気センサの感磁面１０３、１０４の法線方向が、磁気センサの取り付け面（プリント配線基板などの素子支持部）１１０の法線方向から４５度の傾きを持つ特徴を有する。
【００２０】
感磁面１０３、１０４には磁界の強度を電流や電圧に変換して出力する、例えばホール素子等を用いる。なお、本発明における磁気センサの感磁面１０３、１０４を形成する素子としては、半導体型ホール素子や半導体型磁気抵抗素子あるいは、強磁性体を用いた磁気抵抗素子など特に制限を受けない。
【００２１】
これら感磁面１０３、１０４は感磁面保持用プレート（保持板）１１１および１１２の傾斜した表面の所定位置に保持される。感磁面保持用プレート１１１および１１２は、プレス加工などにより図１に示すような形状に折り曲げ加工されることで、磁気センサの取り付け面１１０から４５度の傾きを持つ斜面を形成し、かつ一体の複数の水平脚部１１３、１１４によりその取り付け面１１０に固定される。従って、このプレート１１１、１１２を用いれば、取り付け面１１０に対する感磁面１０３、１０４の取付け角度を、製品間のばらつきなく常に正確に一定角度（本例では、４５度）にセットし、かつその角度を常に維持することが容易にできる。
【００２２】
さらに、磁気センサ１０１、１０２は、その全体が脚部１１３、１１４を除き、細線の立体矩形枠で図示した形状のモールド１１５、１１６により覆われている。このモールド成形により、感磁面１０３、１０４は外気や汚染、損傷等から保護され、かつ取り付け面１１０に対する感磁面１０３、１０４の取付け角度を安定して保持することを容易にし、またそのモールド１１５、１１６の底面が素子支持部１１０の表面と密着または接触することにより、水平脚部１１３、１１４と協働して、磁気センサ１０１、１０２の安定した取り付けに寄与する。従って、本実施形態の磁気センサユニットを角度センサに用いれば、製品間で特性のばらつきが生ぜず、性能の再現性が極めて良い角度センサを得ることができる。
【００２３】
また、磁気センサ１０１、１０２を一体のモールドとすることもでき、このような場合は、さらに製品間のばらつきがなく、性能の再現性が極めて優れる。
【００２４】
そして、第１の磁気センサ１０１と第２の磁気センサ１０２は、図１に示すように、全く同一の素子とすることができ、取り付け面１１０に対する取り付け向きを１８０度反転させているだけが異なっているにすぎない。このように、同一の形状の磁気センサ素子１０１、１０２をプリント配線基板などの素子支持部（取り付け面）１１０に取り付け向きを変えて取付けるだけで、感磁面１０３、１０４を直交させることができるので、通常の電子回路基板の製造過程によって、直交した感磁面１０３、１０４をもつ磁気センサユニット１００を容易に製造することができ、多量に製造した場合でも特に調整することなく、感磁面１０３、１０４の直交度をいつも同じ角度に維持することが容易にできる。特に、同一形状の磁気センサ１０１、１０２を同一平面の取り付け面１１０に取付けるようになっているので、取り付け作業が大幅に容易となり、また磁気センサ同士の近接配置も可能となる。従って、本実施形態の磁気センサユニットを角度センサに用いれば、高精度で高信頼性の角度センサを比較的低コストで容易に実現することが可能となる。
【００２５】
また、上記のように、互いに直交する方向成分の磁界の強さを検知する磁気センサ１０１、１０２の感磁面１０３、１０４の法線方向が、磁気センサの取り付け面１１０の法線方向から４５度の傾きを持つように配置しているので、図９に示したような従来構成の複数の磁気センサ９０１、９０２を取付け面９０３に対して水平と垂直にそれぞれ設置した従来例と比べて、磁気回路の磁場の均一な領域がほぼ１／２〜１／√２となり、これにより磁場を生成する回転体の大きさを大幅に小さくすることができるので、センサ全体の大きさを極力小さくでき、例えば角度センサの大きさを約半分の大きさに小型化することも可能となる。
【００２６】
また、上述のように、角度センサに用いる複数の磁気センサとして同一構成の磁気センサを用いることができるため、各磁気センサの温度特性や磁界強度に対する出力特性などが実質的に同一であるとすることができ、後述のように、複数の磁気センサの出力値の除数のArctan（アークタンジェント）を計算することで、温度補償された角度の出力を容易に得ることができ、センサの製造過程において、同一基板の隣り合う場所からチップを取り出すなどして、物理的、電気的特性が非常に類似した素子を作ることが可能となり、温度補償の精度がさらに向上した角度出力を容易に得ることができる。
【００２７】
図２は図１の磁気センサユニット１００を用いた一応用例としての角度センサ２００を概観的に示す斜視図である。ここで、２０１は図示のようにＮ極とＳ極に磁化されている円筒形の磁石（回転体）であり、駆動軸２０２より図示の矢印の向きに正回転および逆回転する。駆動軸２０２は自動車のスロットルなどの被測定装置（図示しない）と連結して図示の矢印の向きに正回転および逆回転する。
【００２８】
磁気センサユニット１００は回転体である円筒形磁石２０１の中心位置に固定され、磁石２０１の回転により、磁気センサユニット１００の磁気センサ１０１、１０２の感磁面１０３、１０４を貫通する磁界の方向が変化するため、後述の原理により、磁石２０１の回転角度の検知が可能である。なお、磁気センサユニット１００を回転させ、磁石２０１を固定させても同様である。
【００２９】
次に、図３を参照して、本発明による磁気センサユニットを用いた角度センサの角度検出の原理を説明する。
【００３０】
磁場に対する角度を求める計算式は次の通りである。
【００３１】
２つの磁気センサの出力Ｖ₁，Ｖ₂は、平行な磁場に対する一方の磁気センサの感磁面の角度をθとし、両感磁面１０３、１０４がなす角度をαとすると、
Ｖ₁＝Ｋ₁ｓｉｎθ
Ｖ₂＝Ｋ₂ｓｉｎ（θ＋α）
となる。ここで、Ｋ₁，Ｋ₂はそれぞれの磁気センサの温度係数を含んだ比例定数である。
【００３２】
これらのセンサ出力Ｖ₁，Ｖ₂から角度θを求めるには以下のようにすれば良い。
例えば、センサ出力の比（Ｖ₂／Ｖ₁）をとると、
【００３３】
【数１】

【００３４】
したがって、
【００３５】
【数２】

【００３６】
これにより、
【００３７】
【数３】

【００３８】
となり、
【００３９】
【数４】

【００４０】
でθが与えられる。図１のように、２つの磁気センサの感磁面が直交するように配置した場合は、αが９０度となるために、θは
【００４１】
【数５】

【００４２】
という簡単な形で与えられる。
【００４３】
この２つの磁気センサに同一特性のものを用いれば、Ｋ₁＝Ｋ₂となるので、上記（１）式は、
【００４４】
【数６】

【００４５】
となり、上記（２）式は
【００４６】
【数７】

【００４７】
となり、非常に簡単な式で与えられる。
【００４８】
図４の（Ａ）は本発明の第１の実施形態の変形例における磁気センサユニットの構成を模式的に示す平面図であり、図４の（Ｂ）はその側面図である。基本的な構成は図１と同じである。
【００４９】
本変形例では、図４の（Ａ）に示すように、磁気センサ１０１´、１０２´の感磁面１０３、１０４の中心が、磁気センサの取り付け位置の中心からずれるように構成して、磁気センサ１０１´、１０２´を取り付け面１１０に取付けた時に、両感磁面１０３、１０４ができるだけ接近できるように図っている。
【００５０】
このような構成であれば、直交する磁界の感磁面（感磁部）１０３、１０４の間隔が、磁気センサの外形形状や取り付け位置から決まる距離よりも近づけることができるため、均一な磁場の領域がある程度小さくとも、角度変化に対する磁場強度の変化が一様となり、正確な角度（回転角度）θが得られる。すなわち、所定の角度精度を得るためには、磁気センサの周囲のある程度の領域の磁界が所定の均一性を持つことが必要であるが、本変形例のように、感磁面の間隔を小さくできることによって、所定の磁界の均一性を持つ領域を極力小さくすることができる。これにより、より小型の磁石や磁気回路の構造体（回転体等）を用いて均一な磁場領域を作ることができ、回転体等の小型化が可能となる。
【００５１】
また、図１０の（Ａ）に示すように、本発明の磁気センサを用いた場合では、磁気センサの感磁面１０３、１０４の中心と磁界の回転中心を容易に合すことができる。すなわち、図４の（Ｂ）に示す側面図において、磁気センサの感磁面１０３、１０４の中心と磁界の回転中心とが、一致するように配置することができ、このようにすることで、所定の磁界の均一性を持つ領域を最小にすることができる。さらに、感磁面１０３、１０４の中心が、磁気センサのモールド（パーケージ）１１５および１１６の中心と一致するように、感磁面保持用プレート１１１および１１２を配置することで、角度センサの組立時に磁界の均一領域の中心と感磁面の中心の位置あわせを容易に行うことができ、製品間のばらつきを飛躍的に低減することができる。
【００５２】
このような感磁面の中心と磁界の回転中心と磁気センサの外形上の中心を一致させる磁気センサの配置は、図９に示すような従来から一般的に用いられている磁気センサでは、プリント基板などの磁気センサ取り付け面を複雑に加工することが必要であり、実現ができなかった。そのため、図１０の（Ｃ）に示すように、従来の磁気センサを至近に配置した場合には、感磁面の中心と磁界の回転中心が一致せず、またそれぞれの感磁面の距離が離れているため、均一な磁界の領域が大きい。
【００５３】
これに対し、本発明の磁気センサを用いた場合で、図１０の（Ｂ）に示すように、感磁面の中心と磁界の回転中心が一致していない場合であっても、従来の磁気センサを用いた場合に比べ、均一な磁界の領域が大幅に小さくなる。
【００５４】
さらに、環境温度の変化によって磁気センサの周囲に温度分布が生じても、本変形例では、磁気センサの感磁面１０３、１０４が至近な位置に配置されているので、温度分布による感磁面の温度の差が最小となり、温度変化により角度θの誤差を最小とすることができる。
【００５５】
また、図２を用いて既に説明したように、図１や図４に示すような本発明の磁気センサユニットを用いることにより、直交する磁界の強さを検知して角度（回転角度）θを求める角度センサを容易に実現することができる。特に、同一の磁気センサを用いて角度センサを構成することができるために、簡単な回路を用いて高精度に温度補償を行う角度センサが再現性良く容易に実現することができる。また、小型の磁石や磁気回路の構造体を用いて回転体を構成することができるため、回転体が軽量化でき、慣性モーメントが小さくなり、実用上都合がよい。
【００５６】
図５は図１または図４に示す磁気センサユニットを構成した２つの磁気センサの出力の温度特性を示すグラフである。ここで、縦軸は出力、横軸は温度変化を示す。
【００５７】
図６は図５の温度特性を有する２つの磁気センサを持つ磁気センサユニットを用いて図２に示す角度センサを構成した場合の角度センサの角度出力の温度特性を示すグラフである。ここで、縦軸は角度、横軸は温度変化を示す。図６から−４０℃〜１２０℃の温度変化に拘わらず、角度センサの角度出力はほとんど変化しないことが分かる。
【００５８】
図７の（Ａ）は従来技術による角度センサの設定角度に対する角度誤差を示すグラフであり、図７の（Ｂ）は本発明の第１の実施形態における角度センサの設定角度に対する角度誤差を示すグラフである。図７の（Ａ）と（Ｂ）を比較から分かるように、本発明による角度センサは従来の角度センサに比べ角度誤差が１／１０に減少している。このように、本発明による角度センサによれば、従来の角度センサに比べ角度精度の大幅な向上が得られる。
【００５９】
（第２の実施形態）
上述の本発明の第１の実施形態では、同一平面内にその感磁面が直交して置かれた２個の磁気センサを用いた例について説明したが、本発明はこれに限定されず、例えば３個の磁気センサの感磁面を互いに直交するごとく配置すれば、空間的な磁場の向きを検知することができる。
【００６０】
（第３の実施形態）
また、上述の本発明の第１の実施形態では、磁気センサユニットを構成する２つの磁気センサの感磁面がなす角度αが９０度の場合で、それら磁気センサの感磁面の法線方向が、磁気センサの取り付け面（プリント配線基板などの素子支持部）１１０の法線方向からなす角度φが４５度の例について説明したが、上述の（３）式から分かるように、本発明はこれに限定されず、その感磁面取り付け角度φは９０度を除く、概ね２０〜１６０度の間で実用に供することが可能であり、例えばφ＝１６０度とすると、感磁面の素子間角度αは１０度となる。
【００６１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、角度を検出する角度センサに用いる磁気センサユニットが、同一形状の複数の磁気センサ素子を同一平面の素子取り付け面に取り付けることで実現できるので、常に安定した取付けが可能となり、多量に製造した場合でも特に調整することなく、感磁面の直交度をいつも同じ角度に維持することが容易にできるから、製品のばらつきが減少し、簡単な回路を用いて高精度に温度補償を行う角度センサの再現性が大幅に向上する。
【００６２】
また、本発明によれば、角度センサの感磁面を素子の取り付け面に対して所定の角度で傾斜させ、さらには感磁面の位置を磁気センサの中心から外れるように設置することができるので、極力小型の磁石や磁気回路の構造体を用いて回転体を構成できるため、回転体が軽量化でき、慣性モーメントも小さくなり、センサの小型化に寄与できる。
【００６３】
また、本発明によれば、角度センサに用いる複数の磁気センサとして同一構成の磁気センサを用いることができるため、各磁気センサの温度特性や磁界強度に対する出力特性などが実質的に同一であるとすることができ、複数の磁気センサの出力値の除数のArctanを計算することで、温度補償された角度の出力を容易に得ることができ、センサの製造過程において、同一基板の隣り合う場所からチップを取り出すなどして、物理的、電気的特性が非常に類似した素子を作ることが可能となり、温度補償の精度がさらに向上した角度出力を容易に得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態における磁気センサおよび磁気センサユニットの構成を模式的に示す斜視図である。
【図２】本発明による磁気センサユニットを用いた角度センサの構成を概観的に示す斜視図である。
【図３】本発明による磁気センサユニットを用いた角度センサの角度検出の原理を説明する概念図である。
【図４】本発明の第１の実施形態の変形例における磁気センサおよび磁気センサユニットの構成を模式的に示し、（Ａ）はその平面図、（Ｂ）はその側面図である。
【図５】本発明による磁気センサユニットの出力の温度特性の一例を示すグラフである。
【図６】本発明による角度センサの角度出力の温度特性の一例を示すグラフである。
【図７】（Ａ）は従来技術による角度センサの設定角度に対する角度誤差の一例を示すグラフであり、（Ｂ）は本発明による角度センサの設定角度に対する角度誤差の一例を示すグラフである。
【図８】従来の角度センサの構成例を示す斜視図（Ａ）、および正面図（Ｂ）である。
【図９】従来の角度センサの他の構成例を示す平面図（Ａ）、および正面図（Ｂ）である。
【図１０】本発明の磁気センサを用いた場合には、磁気センサの感磁面の中心と磁界の回転中心を容易に合せることができ、均一な磁界の領域を最小にできるという特徴を説明する図で、（Ａ）と（Ｂ）は本発明を示し、（Ｃ）は従来例を示す説明図である。
【符号の説明】
１００磁気センサユニット
１０１、１０２磁気センサ（磁気センサ素子）
１０１´、１０２´ 磁気センサ（磁気センサ素子）
１０３、１０４感磁面（感磁部）
１１０磁気センサ取り付け面（素子支持部）
１１１、１１２感磁面保持用プレート（保持板）
１１３、１１４脚部
１１５、１１６モールド
２００角度センサ
２０１円筒形の磁石（回転体）
２０２駆動軸
８０１、８０２回転体
８０３、８０４ホール素子
９０１、９０２磁気センサ
９０３磁気センサの取り付け面
９０４取付け用足

Claims

２個のモールドパッケージされた磁気センサが基板に表面実装されている角度センサであって、
前記磁気センサが、相互に１８０度回転した位置で、
前記磁気サンサの感磁面は、前記モールドパッケージ内で前記基板に対して４５度傾斜に固定され、相互の感磁面は９０度の位置関係であることを特徴とする角度センサ。
請求項１に記載の角度センサにおいて、
前記磁気センサの感磁面は、前記モールドパッケージのセンター位置からずれていることを特徴とする角度センサ。