JPWO2010026948A1

JPWO2010026948A1 - 角度センサ

Info

Publication number: JPWO2010026948A1
Application number: JP2010527779A
Authority: JP
Inventors: 一郎徳永
Original assignee: Alps Electric Co Ltd
Current assignee: Alps Alpine Co Ltd
Priority date: 2008-09-03
Filing date: 2009-08-31
Publication date: 2012-02-02
Also published as: US20110133728A1; WO2010026948A1; CN102144142A; DE112009002175T5

Abstract

磁気抵抗効果素子を用いて角度検出精度を向上させることができる角度センサを提供すること。回転可能な回転体に取り付けられ、回転体とともに回転可能な磁石（２）と、磁石（２）の回転軸周りの外周面を取り囲むように環状に延在し、延在方向の一部に切欠部（１１）が形成された環状ヨーク（３）と、切欠部（１１）に配設され、切欠部（１１）内に発生する磁場の向きを検出するＧＭＲ素子（４）とを備え、磁石（２）の回転角度とＧＭＲ素子（４）に作用する磁場の向きとを一致させる構成とした。

Description

本発明は、角度センサに関し、例えば、高度な角度検出精度が要求される角度センサに好適な角度センサに関する。

従来、回転軸に取り付けた磁石に対してホール素子を中立検出位置に対向配置し、ホール素子からの出力信号に基づいて磁石の回転角度を検出する角度センサが提案されている（例えば、特許文献１参照）。かかる角度センサにおいては、回転軸の中央に直方体形状の磁石を配設する一方、回転軸の外周面近傍にホール素子を配置し、磁石からのホール素子に印加される磁場の強度に応じて磁石の回転角度を算出している。

一方、現在、磁石からの磁場の向きを検出して出力信号を変化させる巨大磁気抵抗効果素子（ＧＭＲ素子）を利用した磁気センサが提案されている（例えば、特許文献２参照）。このようなＧＭＲ素子を利用した磁気センサにおいては、磁石からの磁場の向きに応じたＧＭＲ素子における電気抵抗値の変化に基づいて出力信号を変化させている。

特開２００３−１５１３９０号公報特開２００６−２７６９８３号公報

上述したような特許文献１に記載の角度センサにおいて、ホール素子の代わりにＧＭＲ素子（巨大磁気抵抗効果素子）を配設し、ＧＭＲ素子を利用した角度センサを構成することが考えられる。しかしながら、特許文献１に記載の角度センサのように、回転体の外周面に磁場の向きを検出するＧＭＲ素子を配置する場合においては、磁石の回転角度と、ＧＭＲ素子に作用する磁場の向きとが対応せず、適切に磁石の回転角度を検出することができないという問題がある。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、磁気抵抗効果素子を用いて角度検出精度を向上させることができる角度センサを提供することを目的とする。

本発明の角度センサは、回転可能な回転体に取り付けられ、前記回転体とともに回転可能な磁石と、前記磁石の回転軸周りの外周面を取り囲むように環状に延在し、延在方向の一部に切欠部が形成された環状ヨークと、前記切欠部に配設され、前記切欠部内に発生する磁場の向きを検出する磁気抵抗効果素子とを備えたことを特徴とする。

この構成によれば、切欠部が形成された環状ヨークにより磁路を構成することにより、例えば、磁石の磁極が磁気抵抗効果素子の直線状に位置したときには、磁束の一部が切欠部から環状ヨークに引き込まれて磁気抵抗効果素子に作用する磁束が減少し、磁石が当該位置から９０度回転したときには、環状ヨークにより磁束が導かれて磁気抵抗効果素子に作用する磁束が増加する。よって、磁石の回転角度に関わらず磁気抵抗効果素子に作用する磁場強度を一定とするように切欠部を形成すれば、磁石の回転角度と磁気抵抗効果素子に作用する磁場の向きとを一致させることができ、角度検出精度を向上させることができる。

また本発明は、上記角度センサにおいて、前記磁石の回転軸周りの外周面は、円形であることを特徴とする。

この構成によれば、例えば、円柱磁石やリング磁石においても、磁石の回転角度と磁気抵抗効果素子に作用する磁場の向きとを一致させることができる。

また本発明は、上記角度センサにおいて、前記切欠部のギャップ幅が、前記磁気抵抗効果素子に作用する磁場の直交成分の振幅比が１となるように形成されることを特徴とする。

この構成によれば、磁気抵抗効果素子に作用する磁場の直交成分の振幅比が１になるため、磁石の回転角度に関わらず磁気抵抗効果素子に作用する磁場強度を一定とすることができる。

また本発明は、上記角度センサにおいて、前記環状ヨークは、円環状に形成されており、前記切欠部のギャップ幅が、前記環状ヨークの中心径の１／８〜１／１２であることを特徴とする。

さらに、また本発明は、上記角度センサにおいて、前記切欠部のギャップ幅が、前記環状ヨークの中心径の１／１０であることを特徴とする。

この構成によれば、環状ヨークの中心径を決定することで、磁石の回転角度に関わらず磁気抵抗効果素子に作用する磁場強度を一定とする切欠部のギャップ幅を決定することができる。なお、環状ヨークの中心径とは、環状ヨークの内径と外径との和の半分の径である。

本発明の角度センサは、回転可能な回転体に取り付けられ、前記回転体とともに回転可能な磁石と、前記磁石の回転軸周りの外周面を取り囲むように環状に延在し、延在方向に複数の切欠部が形成された環状ヨークと、前記複数の切欠部のいずれかの切欠部に配設され、配設された切欠部内に発生する磁場の向きを検出する磁気抵抗効果素子とを備えたことを特徴とする。

この構成によれば、複数の切欠部が形成された環状ヨークにより磁路を構成することにより、例えば、磁石の磁極が磁気抵抗効果素子の直線状に位置したときには、磁束の一部が切欠部から環状ヨークに引き込まれて磁気抵抗効果素子に作用する磁束が減少し、磁石が当該位置から９０度回転したときには、環状ヨークにより磁束が導かれて磁気抵抗効果素子に作用する磁束が増加する。よって、磁石の回転角度に関わらず磁気抵抗効果素子に作用する磁場強度を一定とするように複数の切欠部を形成すれば、磁石の回転角度と磁気抵抗効果素子に作用する磁場の向きとを一致させることができ、角度検出精度を向上させることができる。また、複数の切欠部を環状ヨークにおいて一方向に磁束が流れる磁路と逆方向に磁束が流れる磁路との磁気抵抗を略同一とするように形成すれば、環状ヨークにおける磁束密度の偏りを小さくできる。したがって、磁気抵抗素子に作用する磁束の減少を抑えてより検出感度を向上させると共に、磁束の漏洩を防止することができる。

また本発明は、上記角度センサにおいて、前記複数の切欠部は、前記環状ヨークを一方向に磁束が流れる磁路と前記環状ヨークを前記一方向とは逆方向に磁束が流れる磁路との磁気抵抗が略同一となるように前記環状ヨークに形成されたことを特徴とする。

この構成によれば、環状ヨークにおける磁束密度の偏りを小さくして、磁気抵抗素子に作用する磁束の減少を抑えてより検出感度を向上させると共に、磁束の漏洩を防止することができる。

また本発明は、上記角度センサにおいて、前記複数の切欠部は、２つであり、２つの切欠部は、前記環状ヨークにおいて前記磁石の回転中心を挟んで略対向位置に形成されたことを特徴とする。

この構成によれば、環状ヨークにおいて、一方向に磁束が流れる磁路と逆方向に磁束が流れる磁路との磁気抵抗を略同一とすることができる。

また本発明は、上記角度センサにおいて、前記２つの切欠部のギャップ幅が、前記磁気抵抗効果素子に作用する磁場の直交成分の振幅比が１となるように形成されることを特徴とする。

また本発明は、上記角度センサにおいて、前記環状ヨークは、円環状に形成されており、前記２つの切欠部のギャップ幅が、前記環状ヨークの中心径の１／８〜１／１２であることを特徴とする。

この構成によれば、環状ヨークの中心径を決定することで、磁石の回転角度に関わらず磁気抵抗効果素子に作用する磁場強度を一定とする２つの切欠部のギャップ幅を決定することができる。なお、環状ヨークの中心径とは、環状ヨークの内径と外径との和の半分の径である。

本発明によれば、磁気抵抗効果素子を用いて角度検出精度を向上させることができる。

本発明に係る角度センサの実施の形態を示す図であり、角度センサの模式図である。比較例に係る角度センサから発生する磁場の説明図である。比較例に係る角度センサの状態遷移図である。比較例に係る角度センサのリニアリティ特性を示す図である。本発明に係る角度センサの実施の形態を示す図であり、（ａ）は磁石が初期位置にある場合のＧＭＲ素子に作用する磁束の状態を示す図、（ｂ）は磁石が初期位置から９０度回転した位置にある場合のＧＭＲ素子に作用する磁束の状態を示す図である。本発明に係る角度センサの実施の形態を示す図であり、角度センサの状態遷移図である。本発明に係る角度センサの実施の形態を示す図であり、角度センサのリニアリティ特性を示す図である。本発明に係る角度センサの実施の形態を示す図であり、環状ヨークの設計図である。本発明に係る角度センサの実施の形態を示す図であり、図８に示す環状ヨークのギャップ幅の幅寸法とＧＭＲ素子に作用する磁場の直交成分の振幅比との関係を示す図である。本発明に係る角度センサの他の実施の形態を示す図であり、角度センサの模式図である。本発明に係る角度センサの他の実施の形態を示す図であり、環状ヨークの設計図である。比較例に係る角度センサの磁束の流れの説明図である。本発明に係る角度センサの他の実施の形態を示す図であり、角度センサの磁束の流れの説明図である。本発明に係る角度センサの他の実施の形態を示す図であり、角度センサ回転角度と磁束密度の変動幅との関係を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について添付図面を参照して詳細に説明する。なお、本実施の形態に係る角度センサは、自動車等に搭載されるエンジンにおけるクランク角度など、高度な角度検出精度が要求される角度センサに用いられるものである。以下においては、必要に応じて、本実施の形態に係る角度センサをクランク角センサに適用した場合について説明する。

図１は、本発明の実施の形態に係る角度センサの模式図である。図１に示すように、本実施の形態に係る角度センサ１は、円環形状を有する磁石２と、磁石２の外周面を取り囲むと共に、一部に切欠部１１が形成された環状ヨーク３と、環状ヨーク３の切欠部１１に配設された磁気抵抗効果素子としてのＧＭＲ素子４とを含んで構成されている。磁石２の内周面には、円環状の取付部材５が配設されており、取付部材５の中央には、図示しないクランクシャフトなどを挿通可能な取付孔１３が形成されている。

磁石２は、円環状に形成され、取付部材５の外周面に相対回転不能に固定されている。また、磁石２は、径方向に対向する２ヶ所にＮ極およびＳ極が着磁されており、Ｎ極から環状ヨーク３を介してＳ極に至る円弧状に磁場を周囲に発生させている。なお、磁石２の幅は、ＧＭＲ素子４の上下の厚みに対応する幅に設定されているが、この幅を下回らなければさらに大きな幅に設定してもよい。

環状ヨーク３は、円環状の円環部１２に切欠部１１を設けて正面視Ｃ字状に形成されており、磁石２の外周面との間に径方向に一定の空隙を挟んで配置されている。また、環状ヨーク３の円環部１２および切欠部１１は、磁石２から発生した磁場の磁路を形成しており、磁石２の回転角度に関わらずＧＭＲ素子４に作用する磁場強度を一定にしている。なお、環状ヨーク３により形成される磁路の詳細については後述する。

ＧＭＲ素子４は、環状ヨーク３の切欠部１１に配設されており、磁石２から発生された磁場の向きを検出する。ＧＭＲ素子４は、基本的な構成として、交換バイアス層（反強磁性層）、固定層（ピン止め磁性層）、非磁性層及び自由層（フリー磁性層）を図示しないウエハー上に積層して形成され、巨大磁気抵抗効果を利用したＧＭＲ（Giant Magnet Resistance）素子の一種である磁気抵抗効果素子として構成されている。

本実施の形態に係る角度センサ１は、このような構成を有し、磁石２による外部磁場、すなわち、磁石２から発生する磁場をＧＭＲ素子４に作用させる。そして、ＧＭＲ素子４の電気抵抗値の変化を、当該磁場の向きにより生じさせ、これを反映したＧＭＲ素子４の出力電圧から磁石２の回転角度を検出する。

次に、本実施の形態に係る角度センサの対比のための比較例について説明する。図２は、比較例に係る角度センサから発生する磁場の説明図であり、図３は、比較例に係る角度センサの状態遷移図である。なお、図２および図３に示す角度センサ２１においては、環状ヨーク３を備えていない点を除き、本実施の形態に係る角度センサ１と同一の構成を有する。したがって、同一の構成については、その説明を省略する。また、図２の矢印はそれぞれ磁場における磁気ベクトルを示しており、図２においては説明の便宜上、８つのみ図示している。

図２に示すように、比較例に係る角度センサ２１は、磁石２２のＮ極がＧＭＲ素子２４と対向する初期位置に位置する場合において、磁場強度はＮ極近傍において最大となり、Ｎ極から約４５度回転した位置では最大磁場の７２％に減少し、Ｎ極から９０度回転した位置では最大磁場の３０％に減少している。また、磁場強度はＮ極から約１３５度回転した位置では再び最大磁場の７２％に増加し、Ｎ極から１８０度回転した位置においては最大となる。このように、磁場強度は、両磁極近傍において最大となり、磁場における両磁極の中間位置おいて最小となっている。

図３（ａ）に示すように、磁石２２が初期位置にある場合、磁石２２の回転角度と磁気ベクトルの磁場角度が一致している。この初期位置を０度として、図３（ｂ）に示すように、磁石２２が時計回りに４５度回転すると、磁石２２の回転角度と磁気ベクトルの磁場角度とに角度ズレが発生する。具体的には、磁気ベクトルの磁場角度は、磁石２２の回転角度よりも小さくなる。図３（ｃ）に示すように、磁石２２がさらに時計回りに４５度回転すると、磁石２２の回転角度と磁気ベクトルの磁場角度が再び一致する。

また、図示はしないが磁石２が時計まわりに１８０度、２７０度回転した場合には、磁石２２の回転角度と磁気ベクトルの磁場角度が一致し、磁石２２が１３５度、２２５度、３１５度回転した場合には、図３（ｂ）に示すように同様な角度ズレが生じる。このように、磁石２２の回転角度が０度、９０度、１８０度、２７０度以外で角度ズレを生じるのは、磁石２２の回転角度の変化における磁場の直交成分（Ｘ方向成分、Ｙ方向成分）の振幅比が１ではないことに起因している。

ここで、磁石２２の回転角度とＧＭＲ素子４に検出された検出角度との関係を示すと、図４のようになる。図４は、比較例に係る角度センサのリニアリティ特性を示す図である。なお、図４においては、縦軸が検出角度、横軸が磁石の回転角度、実線Ｗ１がリニア特性、破線Ｗ２が理想リニア特性をそれぞれ示している。

図４に示すように、磁石２２を４５度及び２２５度回転させた場合に検出角度が磁石２２の回転角度よりも大幅に小さくなり、磁石２２を１３５度および３１５度回転させた場合に検出角度が磁石２２の回転角度よりも大幅に大きくなることがわかる。よって、比較例に係る角度センサ２１においては、適切に磁石２２の回転角度を検出することが困難となっている。

次に、本実施の形態に係る角度センサの角度検出精度について説明する。図５は、ＧＭＲ素子に作用する磁束の状態を示す図であり、（ａ）は磁石が初期位置にある場合、（ｂ）は磁石が初期位置から９０度回転した位置にある場合をそれぞれ示している。また、図６は、本実施の形態に係る角度センサの状態遷移図である。なお、図５においては、切欠部１１の近傍の磁束のみ図示している。

図５（ａ）に示すように、磁石２のＮ極がＧＭＲ素子４に対向した初期位置にある場合には、磁束が切欠部１１を介して環状ヨーク３に引き込まれ、ＧＭＲ素子４に作用する磁束が減少する。一方、図５（ｂ）に示すように、磁石２が初期位置から９０度回転した場合には、環状ヨーク３により磁束が導かれてＧＭＲ素子４に作用する磁束が増加する。このように、環状ヨーク３は、磁場強度の強い部分では磁束を環状ヨーク３に引き込むようにし、磁場強度の弱い部分では磁束の漏れを防止するように磁路を形成している。

この場合、図６（ａ）に示すように、磁石２が初期位置を０度とした場合、磁石２の回転角度と磁気ベクトルの磁場角度も０度で一致している。この状態から、図６（ｂ）に示すように、磁石２が時計回りに４５度回転すると、磁気ベクトルの磁場角度も約４５度となる。図６（ｃ）に示すように、初期位置から時計回りに９０度回転すると、磁気ベクトルの磁場角度も９０度となる。また、磁石２を１３５度、１８０度、２２５度、２７０度、３１５度、３６０度に回転した場合にも、磁石２の回転角度と磁気ベクトルの磁場角度とが一致する。

ここで、磁石２の回転角度とＧＭＲ素子４に検出された検出角度との関係を示すと、図７のようになる。図７は、本実施の形態に係る角度センサのリニアリティ特性を示す図である。なお、図７においては、縦軸が検出角度、横軸が磁石の回転角度、実線Ｗ３がリニア特性、破線Ｗ４が理想リニア特性をそれぞれ示している。

図７に示すように、本実施の形態に係る角度センサ１は、理想リニア特性と略同一の傾きを有し、角度ズレを生じることなく磁石２の回転角度を検出することが可能となる。このように、環状ヨーク３は、磁石２の回転位置に関わらずＧＭＲ素子４に作用する磁場強度（磁気ベクトルの大きさ）を一定にするように形成されているため、ＧＭＲ素子４に作用する磁場の直交成分の振幅比が１となり、磁石２の回転角度と磁界角度とを一致させることができるようになっている。

次に、図８および図９を参照して、切欠部のＸ方向におけるギャップ幅の幅寸法の決定方法について説明する。図８は環状ヨークの設計図、図９は図８に示す環状ヨークのギャップ幅の幅寸法とＧＭＲ素子４に作用する磁場の直交成分の振幅比との関係を示す図である。なお、図９において、縦軸が振幅比、横軸が切欠部１１のギャップ幅の幅寸法をそれぞれ示している。

図８に示すように、環状ヨーク３は内径が１２２［ｍｍ］、外径が１３９［ｍｍ］に形成されており、この環状ヨーク３を用いた角度センサ１において、図９に示すように、ＧＭＲ素子４に作用する磁場のＹ方向成分をＸ方向成分で徐算した振幅比が１となる幅寸法は約１３［ｍｍ］である。したがって、切欠部１１の幅寸法を１３［ｍｍ］にすることで、ＧＭＲ素子４に作用する磁場の直交成分の振幅比が１となるため、磁石２の回転角度と磁界角度とを一致させることが可能となる。

また、切欠部１１のギャップ幅の幅寸法をＬ１、環状ヨーク３の中心径をＬ２とすると、切欠部１１のギャップ幅の幅寸法は、次式（１）が成り立つ。
Ｌ１＝Ｌ２／１０（１）
式（１）は、環状ヨーク３の中心径を決定することで、自動的に切欠部１１のギャップ幅の幅寸法を決定可能なことを示している。

本実施の形態においては、環状ヨーク３の外径が１３９［ｍｍ］、内径が１２２［ｍｍ］なので、環状ヨーク３の中心径は、外径と内径との和の半分であるから１３０．５［ｍｍ］となる。切欠部１１のギャップ幅の幅寸法は、この中心径の１／１０であることから１３．０５［ｍｍ］となり、上記した１３［ｍｍ］と略同様の大きさとなっている。

以上のように、本実施の形態に係る角度センサ１によれば、切欠部１１が形成された環状ヨーク３により磁路を構成することにより、磁石２の回転位置に関わらずＧＭＲ素子４に作用する磁場強度が一定となるため、磁石の回転角度と磁気抵抗効果素子に作用する磁場の向きとを一致させることができ、角度検出精度を向上させることができる。

なお、上記した実施の形態においては、切欠部１１のギャップ幅の幅寸法を環状ヨーク３の中心径の１／１０としたが、環状ヨーク３の中心径の１／８〜１／１２の範囲であれば、角度検出精度の良好な角度センサ１を構成することが可能となる。

次に、本発明の他の実施の形態について説明する。本発明の他の実施の形態に係る角度センサは、上記した実施の形態に係る角度センサと、ＧＭＲ素子の配設用の切欠部の他に、磁路の磁気抵抗調整用の切欠部を設けた点についてのみ相違する。したがって、相違点についてのみ詳細に説明する。

図１０および図１１を参照して、本発明の他の実施の形態に係る角度センサについて説明する。図１０は、本発明の他の実施の形態に係る角度センサの模式図である。図１１は、本発明の他の実施の形態に係る環状ヨークの設計図である。

図１０に示すように、本実施の形態に係る角度センサ３１は、円環形状を有する磁石３２と、磁石３２の外周面を取り囲むと共に、磁石３２の中心を挟んだ対向位置に第１の切欠部４１および第２の切欠部４２が形成された環状ヨーク３３と、環状ヨーク３３の第１の切欠部４１に配設されたＧＭＲ素子３４とを含んで構成されている。磁石３２の内周面には、円環状の取付部材３５が配設されており、取付部材３５の中央には、図示しないクランクシャフトなどを挿通可能な取付孔４４が形成されている。

環状ヨーク３３は、円環状の円環部４３の対向位置に第１の切欠部４１および第２の切欠部４２を設けて形成されている。また、環状ヨーク３３の円環部４３および第１、第２の切欠部４１、４２は、磁石３２から発生した磁場の磁路を形成している。第１の切欠部４１によって磁石３２の回転角度に関わらずＧＭＲ素子３４に作用する磁場強度が一定に保たれ、第２の切欠部４２によって環状ヨーク３３内の磁路の磁気抵抗が調整される。また、第１の切欠部４１および第２の切欠部４２のギャップ幅は、同一幅に形成されており、環状ヨーク３３内の第１の切欠部４１を磁束が通る磁路と第２の切欠部４２を磁束が通る磁路の磁気抵抗が同一に調整される。

この場合、第１の切欠部４１および第２の切欠部４２のギャップ幅の幅寸法は、上述した環状ヨーク３３の中心径を１／１０した長さよりも幾分小さく形成される。本実施の形態においては、図１１に示すように、環状ヨーク３３の外径が１２６［ｍｍ］、内径が１０７［ｍｍ］、第１の切欠部４１および第２の切欠部４２のギャップ幅の幅寸法が１０．５［ｍｍ］に形成されている。この第１の切欠部４１および第２の切欠部４２のギャップ幅の幅寸法は、環状ヨーク３３の中心径の約１／１１に相当している。

次に、図１２および図１３を参照して、環状ヨーク内の磁束の流れについて説明する。図１２は、本発明の他の実施の形態に係る角度センサの対比のための比較例に係る角度センサの磁束の流れの説明図である。図１３は、本発明の他の実施の形態に係る角度センサの磁束の流れの説明図である。

最初に、比較例に係る角度センサの磁束の流れについて説明する。図１２に示すように、比較例に係る角度センサ５１は、一部にのみ切欠部５５が形成され、切欠部５５にＧＭＲ素子５４を配設して構成されている。この場合、環状ヨーク５３の一部にのみ切欠部５５が形成されているため、磁石５２の磁極が切欠部５５の対向位置にない場合には、切欠部５５（ＧＭＲ素子５４）を介して磁束が還流する磁路と切欠部５５を介さずに磁束が還流する磁路とで磁気抵抗に大きな偏りが生じる。

したがって、切欠部５５を介して磁束が還流する磁路よりも切欠部５５を介さずに磁束が還流する磁路の磁気抵抗が低くなるため、破線で示した環状ヨーク５３内の磁路の分かれ目が、磁石５２の両磁極を結ぶ磁軸に対して切欠部５５寄りに位置する。したがって、環状ヨーク５３内において磁気抵抗が低い方向に磁束が引きこまれ、切欠部５５側を流れる磁束が減少し、切欠部５５に配設されたＧＭＲ素子５４に作用する磁束が減少して検出感度が低下する。一方、切欠部５５の対向側を流れる磁束が増加し、環状ヨーク５３において磁石５２の中心を挟んで切欠部５５の対向側で磁束が飽和して環状ヨーク５３の外側に漏洩するおそれがある。

このように、比較例に係る角度センサにおいては、環状ヨーク５３の切欠部５５にＧＭＲ素子５４を配設することで、磁石５２の回転角度とＧＭＲ素子５４に作用する磁場の向きとを一致させて角度検出精度を向上させることができるものの十分な検出感度を得ることが困難である。

これに対して、図１３に示すように、本実施の形態に係る角度センサ３１は、磁石３２を挟んで対向位置に同一のギャップ幅で第１の切欠部４１および第２の切欠部４２が形成されている。この場合、磁石３２の磁極が第１、第２の切欠部４１、４２の対向位置にない場合においても、第１の切欠部４１（ＧＭＲ素子３４）を介して磁束が還流する磁路と第２の切欠部４２を介して磁束が還流する磁路との磁気抵抗が同一となる。

したがって、環状ヨーク３３において、第１の切欠部４１側の磁路と第２の切欠部４２側の磁路における磁気抵抗が一致するため、環状ヨーク３３内の磁路の分かれ目が、磁石３２の磁軸の延長上に位置する。よって、環状ヨーク３３内において第１の切欠部４１側を流れる磁束の減少が抑えられ、第１の切欠部４１に配設されたＧＭＲ素子３４に作用する磁束が増加して検出感度が向上する。一方、第２の切欠部４２側を流れる磁束が減少し、第２の切欠部４２側の磁束の飽和が抑えられて磁束の漏洩を防止することができる。

このように、本実施の形態に係る角度センサにおいては、環状ヨーク３３に第１の切欠部４１および第２の切欠部４２を形成し、第１の切欠部４１にＧＭＲ素子３４を配設することで、角度検出精度を向上させると共に、環状ヨーク３３の第１の切欠部４１側および第２の切欠部４２側における磁束密度の偏りを無くして検出感度を向上させることが可能となる。

このときの比較例に係る角度センサおよび本実施の形態に係る角度センサ回転角度の磁束密度の変動幅は、図１４のようになる。図１４（ａ）は、比較例に係る角度センサの感度特性を示す図であり、図１４（ｂ）は、本実施の形態に係る角度センサの感度特性を示す図である。なお、図１４（ａ）、（ｂ）においては、縦軸が磁束密度、横軸が磁石の回転角度、実線Ｗ５がＧＭＲ素子に作用する磁束のＹ方向成分、実線Ｗ６がＧＭＲ素子に作用する磁束のＸ方向成分をそれぞれ示している。

図１４（ａ）、（ｂ）に示すように、比較例に係る角度センサ５１の磁束密度の変動幅は約２００[Ｇ]であり、本実施の形態に係る角度センサ３１の磁束密度変動幅は約３８０［Ｇ］ある。このように、本実施の形態に係る角度センサ３１においては、比較例に係る角度センサ５１と比較して磁束密度の変動幅が約２倍となり、検出感度が倍増される。

以上のように、本実施の形態に係る角度センサ３１によれば、第１の切欠部４１および第２の切欠部４２が形成された環状ヨーク３３により磁路を構成することにより、磁石３２の回転位置に関わらずＧＭＲ素子３４に作用する磁場強度が一定となるため、磁石の回転角度と磁気抵抗効果素子に作用する磁場の向きとを一致させることができ、角度検出精度を向上させることができる。また、環状ヨーク３３において第１の切欠部４１側の磁路と第２の切欠部４２側の磁路との磁気抵抗が同一とされるため、環状ヨーク３３における磁束密度の偏りを無くすことが可能となる。したがって、磁気抵抗素子に作用する磁束の減少を抑えて検出感度を向上させると共に、磁束の漏洩を防止することが可能となる。

なお、上記した他の実施の形態においては、切欠部５５のギャップ幅の幅寸法を環状ヨーク３３の中心径の１／１１としたが、環状ヨーク３３の中心径の１／８〜１／１２の範囲であれば、角度検出精度の良好な角度センサ３１を構成することが可能となる。

また、上記した他の実施の形態においては、環状ヨーク３３に第１の切欠部４１と第２の切欠部４２とを形成する構成としたが、この構成に限定されるものではない。環状ヨーク３３の一方向に磁束が流れる磁路と逆方向に磁束が流れる磁路との磁気抵抗が略同一とするものであればよく、例えば、３以上の切欠部を環状ヨーク３３に形成する構成としてもよい。

また、上記した他の実施の形態においては、第１の切欠部４１と第２の切欠部４２とを同一のギャップ幅で環状ヨーク３３の対向位置に形成する構成としたが、この構成に限定されるものではない。第１の切欠部４１側の磁路と第２の切欠部４２側の磁路との磁気抵抗を略同一とするものであればよく、例えば、第２の切欠部４２のギャップ幅が第１の切欠部４１のギャップ幅よりも大きく形成されていてもよい。

また、一方向に磁束が流れる磁路と逆方向に磁束が流れる磁路との磁気抵抗が略同一とは完全同一である必要はなく、ＧＭＲ素子３４に作用する磁束の減少を抑えると共に、環状ヨーク３３からの磁束の漏洩を防止可能な程度に各磁路の磁気抵抗が近ければよい。

また、上記した各実施の形態においては、磁気抵抗効果素子としてＧＭＲ素子４、３４を用いて説明したが、この構成に限定されるものではなく、例えばＭＲ素子等を用いてもよい。

また、上記した各実施の形態においては、磁石２、３２および環状ヨーク３、３３を円環状としたが、この構成に限られず、磁石２、３２の回転角度に関わらずＧＭＲ素子４、３４に作用する磁場強度を一定する構成であれば、多角形の環状とする構成でもよい。また、環状ヨーク３、３３は、磁路が遮られず、磁石２、３２の回転角度に関わらずＧＭＲ素子４、３４に作用する磁場強度を一定する構成であれば、一部が切断されていてもよい。

また、今回開示された実施の形態は、全ての点で例示であってこの実施の形態に制限されるものではない。本発明の範囲は、上記した実施の形態のみの説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。

以上説明したように、本発明は、磁気抵抗効果素子を用いて角度検出精度を向上させることができるという効果を有し、特に高度な角度検出精度が要求される角度センサに有用である。

本発明の角度センサは、回転可能な回転体に取り付けられ、前記回転体とともに回転可能な磁石と、前記磁石の回転軸周りの外周面を取り囲むように環状に延在し、延在方向の一部に切欠部が形成された環状ヨークと、前記切欠部に配設された磁気抵抗効果素子とを備え、該磁気抵抗効果素子は前記切欠部内において前記磁石の回転角度に一致する磁場の向きを検出することを特徴とする。

Claims

回転可能な回転体に取り付けられ、前記回転体とともに回転可能な磁石と、
前記磁石の回転軸周りの外周面を取り囲むように環状に延在し、延在方向の一部に切欠部が形成された環状ヨークと、
前記切欠部に配設され、前記切欠部内に発生する磁場の向きを検出する磁気抵抗効果素子とを備えたことを特徴とする角度センサ。
前記磁石の回転軸周りの外周面は、円形であることを特徴とする請求項１記載の角度センサ。
前記切欠部のギャップ幅が、前記磁気抵抗効果素子に作用する磁場の直交成分の振幅比が１となるように形成されることを特徴とする請求項１記載の角度センサ。
前記環状ヨークは、円環状に形成されており、
前記切欠部のギャップ幅が、前記環状ヨークの中心径の１／８〜１／１２であることを特徴とする請求項１記載の角度センサ。
前記切欠部のギャップ幅が、前記環状ヨークの中心径の１／１０であることを特徴とする請求項４記載の角度センサ。
回転可能な回転体に取り付けられ、前記回転体とともに回転可能な磁石と、
前記磁石の回転軸周りの外周面を取り囲むように環状に延在し、延在方向に複数の切欠部が形成された環状ヨークと、
前記複数の切欠部のいずれかの切欠部に配設され、配設された切欠部内に発生する磁場の向きを検出する磁気抵抗効果素子とを備えたことを特徴とする角度センサ。
前記磁石の回転軸周りの外周面は、円形であることを特徴とする請求項６記載の角度センサ。
前記複数の切欠部は、前記環状ヨークを一方向に磁束が流れる磁路と前記環状ヨークを前記一方向とは逆方向に磁束が流れる磁路との磁気抵抗が略同一となるように前記環状ヨークに形成されたことを特徴とする請求項６記載の角度センサ。
前記複数の切欠部は、２つであり、
２つの切欠部は、前記環状ヨークにおいて前記磁石の回転中心を挟んで略対向位置に形成されたことを特徴とする請求項６記載の角度センサ。
前記２つの切欠部のギャップ幅が、前記磁気抵抗効果素子に作用する磁場の直交成分の振幅比が１となるように形成されることを特徴とする請求項９記載の角度センサ。
前記環状ヨークは、円環状に形成されており、
前記２つの切欠部のギャップ幅が、前記環状ヨークの中心径の１／８〜１／１２であることを特徴とする請求項９記載の角度センサ。