JPH10122810A

JPH10122810A - 磁気式回転角度センサ

Info

Publication number: JPH10122810A
Application number: JP8297818A
Authority: JP
Inventors: Kazuki Mizoguchi; 和貴溝口
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1996-10-21
Filing date: 1996-10-21
Publication date: 1998-05-15

Abstract

(57)【要約】【課題】十分な検出角度範囲において、回転角度と磁
束密度の測定値とのリニアリティを良好に保ち、回転角
度の計測精度を向上させる。【解決手段】回転軸１と同心円上にスリーブ２が固定
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には、磁束密度を測定するホール素子３およ
び４が取り付けられている。スリーブ２の周囲には磁石
５および６と磁性部材７、８、９および１０から作られ
た磁気回路１３が設けられている。磁気回路１３は回転
軸１に固定され、回転軸１が回転すると回転する。ホー
ル素子３および４はこのときの磁束密度の変化を測定し
出力する。磁性部材の間に設けられた隙間１１および１
２により、隙間１１および１２近辺の磁束密度が低下す
るため、回転角度と磁束密度の測定値のリニアリティが
向上する。

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、
例えば特願平８−４３４３９号に開示されているものが
ある。図８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１の周囲には、強磁性体からなる外形
Ｄ’の円筒形状のスリーブ２２が配置されている。スリ
ーブ２２の外周には、１８０度の角度をなして、磁束密
度を測定するホール素子２３および２４が固定されてい
る。ホール素子２３および２４は半径方向の磁束密度を
検出する２重の測定系を構成している。

【０００３】スリーブ２２の外側に、２個の角柱形状の
磁石２５および２６と、磁石の同極を接続する角柱形状
の磁性部材２７および２８から構成される磁気回路２９
が配置されている。磁気回路は回転軸１に固定され、ス
リーブ２２は定位置に固定されているため、回転軸１が
回転すると、磁気回路２９も回転し、ホール素子２３お
よび２４との相対角度が変化する。

【０００４】磁気回路２９が作る内部空間は一辺が長さ
Ｌ’の正方形であり、磁石２５および２６から漏れた磁
束は磁性部材２７および２８内で反発し、一方の磁性部
材から他方の磁性部材への磁界が発生する。磁気回路２
９が回転すると、ホール素子２３および２４から磁性部
材２７および２８迄の距離と、ホール素子２３および２
４と磁束との成す角度とが連続的に変化し、ホール素子
２３および２４の出力も変化する。

【０００５】回転軸１の回転角度θ’とホール素子２３
により検出した磁束密度Ｂ’の関係を図９に示す。磁石
の同極の端部から等距離になる位置にホール素子２３が
配置される角度をθ’＝０°とする。この図９をもと
に、ホール素子２３により測定した磁束密度Ｂ’から回
転軸１とホール素子２３の相対的な回転角度θ’を求め
ることができる。磁束密度Ｂ’は、θ’＝０°で最小値
を、θ’＝±１８０°で最大値を示し、磁気回路の対称
性から、プラス方向への回転とマイナス方向への回転で
は、対称な測定値が得られ、１８０度の検出角度範囲を
有する。例えば、９０度の回転角度範囲を計測する場合
には、通常＋９０°または−９０°を中心とした±４５
度の範囲を使用する。９０°±４５°の範囲をホール素
子２３で検出すると、１８０°反対側になる−９０°±
４５°の範囲をホール素子２４が検出することになる。
これらホール素子２３、２４は検出する磁束の方向が逆
向きとなるほかは同一特性となる。したがってこれらの
出力を図中に示すようにメイン出力およびサブ出力とす
ることができる。

【０００６】ところで、回転角度センサの測定精度を決
める要素の一つにリニアリティがあげられる。リニアリ
ティとは、測定値を直線で近似したときに、測定値が近
似直線からどれだけ乖離しているかを示す指標で、値が
大きいほど近似直線から大きく外れていることになる。
例えば回転角度θ’とホール素子が検出する磁束密度
Ｂ’の関係におけるθ’が０°から９０°の間のリニア
リティを図１０を参照して検討する。θ’＝０°の時の
磁束密度Ｂ’(0) とθ’＝９０°のときの磁束密度Ｂ’
(90)とを結んだ直線を近似直線Ｓｏ、近似直線を上下に
平行移動させたときに、実際の測定曲線Ｓと接する２本
の直線をＳｕ、Ｓｄとする。ＳｕとＳｄとの間の幅δＢ
が近似直線Ｓｏと測定曲線ｓとの乖離の大きさになる。
したがって、リニアリティＬｉは、Ｌｉ＝δＢ／ΔＢ×１００（％Ｆ．Ｓ．）ただし、ΔＢ＝｜Ｂ’(90)−Ｂ’(0) ｜と表わされる。

【０００７】スリーブ２２の外形Ｄ’と磁気回路２９の
一辺の大ききさＬ’との比Ｄ’／Ｌ’を変えた場合にリ
ニアリティＬｉがどのように変化するかを実験により測
定した結果を図１１に示す。スリーブ２２の外径を８ｍ
ｍ、１０ｍｍ、１２ｍｍとし、磁気回路１９の一辺の大
きさを１６ｍｍ、１７．５ｍｍとして、計６種類の組み
合わせについて実験を行った。メイン測定値とサブ測定
値のそれぞれのリニアリテイを求め、その平均値をリニ
アィテイＬｉとした。図１１の結果から、Ｄ’／Ｌ’が
大きくなると、リニアリティが悪化していることがわか
る。

【０００８】すなわち、磁気回路２９の内部空間では、
一方の磁性部材から他方の磁性部材への磁界ができ、ホ
ール素子２３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。Ｄ’／Ｌ’の比が大きくなると、もとも
と半径方向の磁束密度の小さい±９０°付近に比べ、磁
束密度の大きい０°および±１８０°近辺では、ホール
素子２３と磁気回路２９との距離が近くなることの影響
を強くうけ、磁束密度の変化が急激になり、リニアリテ
ィが悪化するものと考えられる。したがって、従来、リ
ニアリティの良好な測定を行うために、Ｄ’／Ｌ’の比
が小さい磁気式回転角度センサの使用が選択されてい
た。

【０００９】

【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、被測定装置の強度
保持や構造上の制約から、回転軸の最少径には制限があ
るため、スリーブの径を一定値以下に小さくすることは
できない。そのため、リニアリティを向上させたい場合
には、磁気回路を大きくしなければならないため、装置
が大型化するという問題があった。また、周辺部品のレ
イアウト上の制約から、磁気回路を十分に大きくできな
いときには、リニアリティが悪化し、回転角度の計測精
度が低下す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、小型で、回転角度と磁束密度
の測定値とのリニアリティが良好に保たれ、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。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、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内で、柱形状で長手方向
に磁極を有し、同極同士が互いに対向し、かつ異極同士
を結ぶ直線の交点が回転軸の回転中心と一致するように
平行に配置された２個の磁石と、一端が磁石の各端部に
接続され、多端が開放された４個の柱形状の磁性部材と
から構成され、磁石の同極から延材する磁性部材の開放
端の間に隙間を有し、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。

【００１１】上記の２個の磁石を角柱形状とし、磁石の
長手方向の長さをＬとするときに、磁石は同極間の距離
がＬとなるように配置し、４個の上記磁性部材を同一の
角柱形状とし、磁石の端面から垂直に延ばすのが好まし
い。さらには、上記隙間の間隔をＧとしたときに、間隔
Ｇが０．４Ｌ＜Ｇ＜０．７Ｌの範囲に設定するのが望ま
しい。また、磁気検出素子は回転軸と同心の円筒形状の
スリーブの外周に、固定することができる。さらに、磁
気検出素子を回転軸を中心として１８０度の角度を成し
て２個配置することが好ましい。

【００１２】

【作用】磁気検出素子と磁気回路の相対回転角度を計測
する場合、磁気検出素子が磁石から等距離の位置にある
ときを０°とし、回転角度が４５°〜１３５°あるいは
−１３５°〜−４５°までの間の、回転角度と測定磁性
密度の関係におけるリニアリティを考えると、従来のよ
うに磁石の同極から延材した磁性部材の間に隙間が存在
していない場合には、０°および１８０°近辺での磁性
密度が大きいため±４５°および±１３５°近辺で測定
曲線の傾きが±９０°近辺より大きくなり、リニアリテ
ィが低下する。これに対して磁性部材の間に隙間が設け
られているので、磁性体には周囲の磁束密度を増大する
作用があるため、隙間の近くの０°および１８０°近辺
では、磁性部材の間に隙間が存在していない時に比べて
相対的に磁性密度が低下する。その影響で、±４５°お
よび±１３５°近辺の測定曲線の傾きが緩やかになり、
リニアリティが向上する。

【００１３】上記の２個の磁石を角柱形状とし、磁石の
長手方向の長さをＬとするとともに、磁石は同極間の距
離がＬとなるように配置し、４個の上記磁性部材を同一
の角柱形状とし、磁石の端面から垂直に延ばすことによ
り、組み立て、作成が容易となる。上記隙間の間隔をＧ
としたときに、間隔Ｇが０．４Ｌ＜Ｇ＜０．７Ｌの範囲
に設定されることにより、十分な計測角度範囲におい
て、良好なリニアリティが得られる。また、磁気検出素
子は、回転軸と同心の円筒形状のスリーブの外周に固定
することにより、全体構成も簡単になる。さらに、磁気
検出素子を回転軸を中心として１８０度の角度を成して
２個配置することにより、２重の測定系が得られる。

【００１４】

【発明の実施の形態】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
す図である。本実施例は、たとえば自動車のエンジンへ
の吸入空気量を制御するスロットルバルブの開度を計測
するためにスロットルバルブの軸に取り付けられる、ス
ロットル開度センサに使用されるものとする。回転軸１
と同心円上に外径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、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、１８０度の角度を成して
２つの平坦部が形成され、ホール素子３および４がスリ
ーブ２のそれぞれの平坦部に接して固定されている。ホ
ール素子３および４はＧａＡｓ半導体から作られた磁気
検出素子であり、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。

【００１５】ホール素子３は半径方向、すなわち回転軸
１に対して垂直方向の磁束密度を検出するように配置さ
れている。ホール素子４が検出する磁束の方向はホール
素子３が検出する磁束の方向と逆向きになる。２つのホ
ール素子の出力特性を略同一にするために、スリーブ２
の外側から内側へ向かう磁束が存在するときに、ホール
素子３は正の出力を、ホール素子４は負の出力を得るよ
うに、ホール素子の半径方向の向きを１８０度変えて取
り付けてある。これにより、ホール素子３によるメイン
測定系とホール素子４によるサブ測定系による２重の測
定系が構成されている。

【００１６】スリーブ２の周囲には磁石５および６と磁
性部材７、８、９および１０から構成される磁気回路１
３が設けられている。磁石５および６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１７．５ｍｍの角柱形状で、
長手方向に磁極を有する。磁石５および６は、回転軸に
対する垂直平面内で、それぞれの同極同士が１７．５ｍ
ｍの間隔で平行に向かい合うように配置されている。ま
た、磁極の対角線、すなわち異極同志を結ぶ直線の交点
上に回転軸１の回転中心Ｏがある。

【００１７】磁性部材７、８、９および１０は、磁性ス
テンレスから作られ、厚さ３ｍｍ、幅５ｍｍの角柱形の
同一形状で、それぞれの長手方向の端部が磁石５および
６の長手方向の端部に固定されている。磁性部材７、
８、９および１０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長手方向が向くよう
に配置されている。磁性部材７と８の間および磁性部材
９と１０の間には、隙間１１および１２が存在してい
る。磁性部材７、８、９および１０の長さは、隙間１１
および１２の間隔Ｇの設定値により定まる。

【００１８】磁気回路１３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および４はこのときの磁束密度
の変化を測定し出力する。ホール素子３および４は発明
の磁気検出素子を構成している。

【００１９】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５
および６の同極の端部と等距離になる位置にホール素子
３が位置する角度をθ＝０°とし回転軸を±１８０°回
転させた。そして、隙間１１および１２の間隔Ｇを０ｍ
ｍ、４ｍｍ、８ｍｍおよび１２ｍｍに変化させ、それぞ
れの磁束密度の変化を測定した。隙間１１および１２を
設けた影響で、０°および±１８０°の近辺で磁束密度
Ｂの絶対値が低下している。また、隙間１１および１２
の間隔Ｇが変化すると磁束密度Ｂの絶対値が低下する範
囲が変化している。

【００２０】図４はメイン出力として、４５°から１３
５°までの範囲を０°から９０°の目盛りに引き直して
回転角度θと磁束密度Ｂの関係を間隔Ｇ毎に拡大して示
す。また、図５はサブ出力として、−１３５°から−４
５°までの範囲を同じく０°から９０°の目盛りに引き
直して回転角度θと磁束密度Ｂの関係を間隔Ｇ毎に拡大
して示す。それぞれの図には測定値と共に、範囲両端に
おける磁束密度Ｂ(0) とＢ(90)を結ぶ直線も示されてい
る。図４の（ａ）はＧ＝０ｍｍ、すなわち磁性部材７と
８および９と１０が接している状態のときである。この
ときには、近似直線に対して測定値は大きく乖離してい
る。特にθが０°および９０°の付近で測定曲線の傾き
が大きくなっている。

【００２１】図４の（ｂ）はＧ＝４ｍｍの場合である。
Ｇ＝０ｍｍのときに磁束密度Ｂの測定値の絶対値が最大
でなる０°および９０°の付近が、Ｇ＝４ｍｍになる
と、その絶対値が低下している。この影響で、測定曲線
の傾きがＧ＝０ｍｍの場合より緩やかになっている。θ
＝４５°の近辺では、隙間１１および１２の影響は及ば
ず、曲線の傾きに変化はない。そのため図４の（ａ）に
比べて、リニアリティが向上している。

【００２２】図４の（ｃ）は、Ｇ＝８ｍｍの場合であ
り、さらにθが０°と９０°の箇所で、測定値絶対値が
低下し、この影響で、０°と９０°の近辺での測定曲線
の傾きが、Ｇ＝４ｍｍの場合より緩やかになっている。
θ＝４５°の近辺では、隙間１１および１２の影響は及
ばず、曲線の傾きに変化はない。そのため、図４の
（ｂ）に比べ、さらにリニアリティが向上している。図
４の（ｄ）では、隙間１１および１２の影響が大きくな
りすぎ、僅かに、リニアリティが悪化した。図５のサブ
出力についても、隙間の間隔Ｇに対応して同様の特性変
化が見られる。隙間１１および１２の間隔Ｇと磁気回路
１３の一辺の長さＬとの比Ｇ／Ｌと、リニアリティＬｉ
との関係を図６に示す。リニアリティＬｉとしては、メ
イン測定値とサブ測定値のリニアリティの平均値を用い
ている。図６から、Ｇ／Ｌ＞０．４で良好なリニアリテ
ィが得られていることがわかる。

【００２３】また、図７にＧ／Ｌと回転角度検出に使用
可能な検出角度範囲θr の関係を示す。隙間１１および
１２が広くなると使用可能な検出角度範囲θr は、狭ま
る。検出角度範囲θr は、回転軸の中心と同一の磁石に
接している磁性部材の端部とを結んだ角度と略等しい。
本実施例の適用対象とするスロットル開度センサにおい
ては、スロットルバルブの全開状態から全閉状態まで、
スロットルバルブの軸は通常約９０°回転する。したが
って、取り付け調整を行う場合なども考慮して、略１１
０°以上の角度が測定可能となるＧ／Ｌ＜０．７で測定
することが望ましい。

【００２４】リニアリティと検出角度範囲の両者を考慮
すると、間隔Ｇは０．４＜Ｇ／Ｌ＜０．７を満たす範
囲、すなわち０．４Ｌ＜Ｇ＜０．７Ｌの範囲に設定でき
る。そこで本実施例では、上記の式を満たすＧ／Ｌの中
で、リニアリティが最小値となるＧ＝８ｍｍを用いる。
このときには、Ｌは１７．５ｍｍなので、Ｇ／Ｌ＝０．
４６である。図７からわかるように、回転軸１と磁気回
路１３の相対的な回転角度θと磁束密度Ｂは、θの範囲
が略１３０°の範囲で、良好なリニアリティが保たれて
いる。

【００２５】本実施例の磁気式回転角度センサは以上の
ように構成され、小型で、十分な検出角度範囲におい
て、回転角度θと磁束密度Ｂの測定値とのリニアリティ
が良好に保たれ、回転角度の計測精度が向上した。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。また、本実施例では、磁石としてサマリウム・コバ
ルト磁石を使用しているが、より強力なネオジウム・ボ
ロン・鉄磁石を使用してもよく、これにより、温度特性
の点では多少劣るが、検出感度が向上し、高精度の計測
が可能になる。

【００２６】

【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
直平面内で、柱形状で長手方向に磁極を有し、同極同士
が互いに対向し、かつ異極同士を結ぶ直線の交点が回転
軸の回転中心と一致するように平行に配置された２個の
磁石と、一端が磁石の各端部に接続され、多端が開放さ
れた４個の柱形状の磁性部材とから構成され、磁石の同
極から延材する前記磁性部材の開放端の間に隙間を有
し、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ので、隙間の近辺では、磁性部材の
間に隙間が存在していない時に比べて磁性密度が低下
し、これにより、小型で、回転角度と磁束密度の測定値
とのリニアリティが良好に保たれ、回転角度の計測精度
が向上するという効果を有する。

【００２７】また、上記の２個の磁石を角柱形状とし、
磁石の長手方向の長さをＬとするときに、磁石は同極間
の距離がＬとなるように配置し、４個の上記磁性部材を
同一の角柱形状とし、磁石の端面から垂直に延ばし、上
記隙間の間隔をＧ、磁石の長さをＬとしたときに、間隔
Ｇを０．４Ｌ＜Ｇ＜０．７Ｌの範囲に設定することによ
り、十分な検出角度範囲において、良好なリニアリティ
を保つことができ、とくに自動車エンジンのスロットル
開度センサに用いて効果が大きい。さらに、前記磁気検
出素子を回転軸を中心として１８０度の角度を成して２
個配置して、測定系を２重にすることにより、回転角度
計測の信頼性が向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例を示す図である。

【図２】図１におけるＡ−Ａ断面図である。

【図３】実施例の回転角度と磁束密度の関係を示す図で
ある。

【図４】回転角度と磁束密度の関係を示す隙間の間隔ご
とに示す図である。

【図５】回転角度と磁束密度の関係を示す隙間の間隔ご
とに示す図である。

【図６】実施例のリニアリティの特性図である。

【図７】実施例の検出角度範囲を示す図である。

【図８】従来例を示す図である。

【図９】従来例の回転角度と磁束密度の関係を示す図で
ある。

【図１０】リニアリティの概念を示す説明図である。

【図１１】従来例のリニアリティの特性図である。

【符号の説明】

１回転軸２スリーブ３、４ホール素子（磁気検出素子）５、６磁石７、８、９、１０磁性部材１１、１２隙間１３磁気回路２２スリーブ２３、２４ホール素子２５、２６磁石２７、２８磁性部材２９磁気回路Ｄ’ スリーブの外径Ｇ隙間の間隔Ｌ、Ｌ’ 磁石の長さ

Claims

【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、磁気検出素子と磁気回路を相対的に回転させ
たときの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、同極
同士が互いに対向し、かつ異極同士を結ぶ直線の交点が
前記回転軸の回転中心と一致するように平行に配置され
た２個の磁石と、一端が該磁石の各端部に接続され、多
端が開放された４個の柱形状の磁性部材とから構成さ
れ、磁石の同極から延材する前記磁性部材の開放端の間
に隙間を有し、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】２個の前記磁石が同一の角柱形状をな
し、該磁石の長手方向の長さをＬとすると、前記磁石は
同極間の距離がＬとなるように配置され、４個の前記磁
性部材は同一の角柱形状で前記磁石の端面に接続され、
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】前記隙間の間隔をＧとしたときに、間隔
Ｇが０．４Ｌ＜Ｇ＜０．７Ｌの範囲にあることを特徴と
する請求項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、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を中心と
して１８０度の角度を成して２個所に配置されているこ
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。
【請求項６】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、４または５記載の磁気式回
転角度センサ。