KR100761225B1

KR100761225B1 - 각도 센서

Info

Publication number: KR100761225B1
Application number: KR1020040003270A
Authority: KR
Inventors: 오쿠보다케오; 기시시타히로유키
Original assignee: 가부시키가이샤 무라타 세이사쿠쇼
Priority date: 2003-01-22
Filing date: 2004-01-16
Publication date: 2007-09-27
Also published as: JP4007313B2; CN1517671A; US20040140796A1; EP1441204A2; KR20040067931A; US7129700B2; JP2004245823A; CN1230659C; EP1441204A3

Abstract

본 발명에 의하면, 저렴하게 제작할 수 있는 자석을 사용하여, 전기적 유효각도의 확대를 도모할 수 있고, 그 전기적 유효각도에 있어서 검출출력의 직선성을 개선해서 검출 정밀도의 향상을 달성할 수 있는 각도 센서를 얻을 수 있다.

회전축에 장착한 자석(15)에 대하여 홀 소자(20)를 중립 검출 위치 C에 대향배치하고, 홀 소자(20)의 출력에 근거해서 자석(15)의 회전각도를 검출하는 각도 센서. 자석(15)의 양자극에 자성체(16, 16)를 장착하고, 최대 자속 부분을 홀 소자(20)의 중립 검출 위치 C로부터 샤프트(10)의 외주방향에 멀리하고, 자속 분포를 편재시킨다.

샤프트, 자석, 자성체, 홀 소자

Description

각도 센서{Angle sensor}

도 1은 본 발명에 따른 각도 센서의 기본구성을 나타내는 사시도이다.

도 2는 본 발명에 따른 각도 센서의 기본구성을 나타내는 정면도이다.

도 3은 본 발명에 따른 각도 센서에 있어서 자석 및 자성체에 의해 형성되는 자속 분포를 나타내는 설명도이다.

도 4(A), (B)는 본 발명에 따른 각도 센서에 있어서의 자성체의 위치를 나타내는 설명도이다.

도 5는 본 발명에 따른 각도 센서의 일실시예를 나타내는 단면도이다.

도 6은 상기 일실시예를 나타내는 분해사시도이다.

도 7은 상기 일실시예에 있어서의 출력 특성을 나타내는 그래프이다.

도 8은 상기 일실시예에 있어서의 출력의 이상(理想) 출력으로부터의 편차를 나타내는 그래프이다.

도 9는 자석 및 자성체의 여러가지 변형예를 나타내는 정면도이다.

도 10은 종래의 각도 센서에 있어서의 자석과 자기 검지 소자와의 배치관계를 나타내는 설명도이다.

도 11은 종래의 각도 센서에 있어서의 출력 특성을 나타내는 그래프이다.

도 12는 종래의 각도 센서에 있어서의 출력의 이상 출력으로부터의 편차를 나타내는 그래프이다.

도 13은 직방체의 자석에 의해 형성되는 자속 분포를 나타내는 설명도이다.

도 14는 종래의 각도 센서에 있어서 개량된 자석의 형상을 나타내고, (A)는 정면도, (B)는 사시도이다.

도 15는 반원 형상의 자석에 의해 형성되는 자속 분포를 나타내는 설명도이다.

<도면의 주요부분에 대한 간단한 설명>

10 샤프트 15 자석

16 자성체 20 홀 소자

C 중립 검출 위치 N1,S1 최대 자속 부분

본 발명은 각도 센서, 특히, 자석과 자기 검지 소자를 서로 대향시켜서 배치하고, 양자의 상대적인 회전각도를 자기 검지 소자의 출력에 근거해서 검출하는 각도 센서에 관한 것이다.

종래, 각도 센서로서는 도 10에 나타낸 바와 같이, 직방체 형상의 자석(1)에 자기 검지 소자(2)를 대향시켜서 배치하고, 회전축(도시하지 않음)에 중심 O를 축심과 일치시켜서 장착한 자석(1)의 회전각도를 위치가 고정된 자기 검지 소자(2)의 출력에 근거해서 검출하는 것이 제공되어 있다.

자기 검지 소자란 홀 소자(Hall device)나 자기 저항 소자이며, 상기 소자를 수직으로 통과하는 자속 밀도의 크기에 비례한 출력 전압을 발생하거나, 저항치가 변화하는 소자이다. 예를 들면, 홀 소자라면, 자석(1)에 대한 원주 방향의 상대적인 위치가 A∼E로 변화하는 경우, 도 11에 나타낸 바와 같이 그 출력 전압이 변화한다.

이 종류의 각도 센서에서는, 우선, 검출해야 할 각도의 전체 범위에 걸쳐서 각도와 출력이 리니어티(linearity)를 가지는 관계(직선 관계)에 있는 것이 검출 정밀도 향상을 위해서 바람직하여, 직선성의 개선이 요구되고 있다. 또한, 검출 가능한 각도범위가 넓은 편이 바람직하여, 전기적 유효각도의 확대가 요구되고 있다.

여기에서, 자기 검지 소자의 출력의 직선성 및 전기적 유효각도에 대해서, 더욱 상세하게 설명한다. 자기 검지 소자(2)가 자석(1)에 대하여 상대적으로 위치 A에 있는 경우, 자석(1)의 S극이 최접근하기 때문에, N극으로부터의 자속을 플러스 방향으로 하면, 자기 검지 소자(2)에는 마이너스 방향의 최대 자속 밀도가 되어, 출력 전압은 최소값이 된다. 반대로, 위치 E에 있는 경우, 자석(1)의 N극이 최접근하기 때문에, 출력 전압은 최대값이 된다. 또한, 위치 C에 있는 경우, 자기 검지 소자(2)를 직교하는 자속은 제로이기 때문에, 출력 전압은 제로이며, 본 명세서에서는 이 위치 C를 중립 검출 위치라고 칭하고, 이 때를 중립 검출시라고 칭한다.

이상적인 출력 특성은 도 11에 나타내는 직선 X이며, 도 12는 출력 전압의 직선 X로부터의 편차를, 검출 범위(여기서는 ±60°)의 최대 가변 전압값(여기서는 0.15V)에 대한 비율로 나타내고 있다. 각도와 출력이 리니어티 관계(직선 관계)가 되기 위해서, 편차는 작을수록 바람직하다.

전기적 유효각도란 출력이 리니어티를 유지하면서 검출할 수 있는 각도를 말한다. 이 유효각도는 센서의 사용목적에 따라 다르고, 모든 용도에서 넓은 각도를 요구하는 것은 아니다. 그러나, 넓은 유효각도를 구비한 센서를 좁은 범위에서 사용하는 것은 용이하지만, 반대의 사용은 불가능하므로 전기적 유효각도는 넓은 편이 유익하다. 덧붙여 말하면, 도 11에 그 특성을 나타내는 종래의 각도 센서의 유효각도는 ±60°이다.

종래부터, 자석은 제작의 용이성에 비추어 보아 직방체 형상이며, 이러한 직방체의 자석(1)에 있어서 자속은 도 13에 나타낸 바와 같이 발생한다. 그리고, 자석(1)을 도 10에 나타낸 바와 같이 중심 O를 축으로 하여 회전시킨 경우, 위치 B, D간의 출력 전압의 경사는 자석(1)의 길이 L로 결정된다. 위치 A의 S극 최대 자속 밀도부 및 위치 E의 N극 최대 자속 밀도부의 출력 전압은, 자극(magnetic pole)과 자기 검지 소자(2)의 거리(반경 r)로 결정되고, 이 거리를 가까이 하면 출력 수준(자속 밀도)은 커진다.

그러나, 위치 A, E부분(±90°위치)의 출력 특성에는 커브가 생겨버려, 직선성이 양호한 유효 각도는 기껏해야 ±60°정도이다.

특허문헌 1에는 자기 검지 소자의 출력의 직선성을 개선하기 위해서, 도 14에 나타낸 바와 같이, 자석(5)을 반원 형상으로 하여 회전축(6)의 측홈에 끼워맞춰, 홀 소자(7)를 상기 자석(5)에 대향시켜서 위치고정하고, 또한, 회전축(6)의 중심 O에 대하여 자석(5)의 중심 P를 편심시킨 각도 센서가 개시되어 있다.

문헌 1에 개시되어 있는 각도 센서는 자석(5)을 반원 형상으로 함으로써 극부(pole portion)를 뾰족하게 하여, 다시 말해, 자속 분포를 중심 O측에 치우치게 하여(도 15참조), 유효각도 범위의 직선성을 개선한 것이다. 그러나, 유효각도는 기껏해야 ±60°정도이며 유효각도를 그 이상으로 확대할 수는 없다. 또한, 자석(5)을 반원 형상으로 성형하기 위해서는 자석의 제작 비용의 상승을 초래한다는 문제점도 가지고 있다.

[특허문헌 1] 일본국 특허 공개공보 2000-121309호

그래서, 본 발명의 목적은 저렴하게 제작할 수 있는 자석을 사용하여, 전기적 유효각도의 확대를 도모할 수 있고, 그 전기적 유효각도에 있어서 검출 출력의 직선성을 개선해서 검출 정밀도의 향상을 달성할 수 있는 각도 센서를 제공하는데 있다.

이상의 목적을 달성하기 위해서, 본 발명은 자석과 자기 검지 소자를 서로 대향시켜서 배치하고, 양자의 상대적인 회전각도를 자기 검지 소자의 출력에 근거해서 검출하는 각도 센서에 있어서, 상기 자석의 적어도 어느 한쪽의 자극에 자성체를 장착하고, N극 및/또는 S극의 최대 자속 부분을 상기 자기 검지 소자의 중립 검출 위치에서 멀리하는 동시에, N극과 S극의 최대 자속 부분을 연결하는 직선이 상기 자석의 N극의 중심과 S극의 중심을 연결하는 직선보다도 상기 자기 검지 소자에서 멀어지는 방향에 위치시킨 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 각도 센서에 있어서는, 자석에 자성체를 장착함으로써 상기 자석의 극부(최대 자속 부분)을 외관상 임의의 위치에 설정할 수 있고, 최대 자속 부분을 자기 검지 소자의 중립 검출 위치에서 멀리함으로써, 전기적 유효각도가 확대하고, 검출 출력의 직선성도 개선되어 검출 정밀도가 향상한다.

그런데, 최대 자속 부분이란 극부의 자속이 가장 집중한 점으로, 극부의 중심과 실질적으로 일치한다.

본 발명에 따른 각도 센서에 있어서는, 자석을 단면이 실질적으로 원형인 샤프트의 실질적으로 중심부에 형성하고, 최대 자속 부분을 자기 검지 소자의 중립 검출 위치에서 샤프트의 외주방향으로 멀어지도록 구성해도 좋다.

최대 자속 부분은 중립 검출 위치에서 90°이상 멀리하는 것이 바람직하다. 예를 들면, 자성체의 선단부를 자기 검지 소자의 중립 검출 위치에서 120°회전한 위치에 설정하면, 약 ±110°의 전기적 유효각도를 확보할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 각도 센서에 있어서는, 자석 자체의 형상에 특수한 가공을 행할 필요성은 없으므로, 자석의 제작 비용이 상승할 일은 없다. 자석의 형상은 직방체로 하는 것이 가장 저렴하게 제작할 수 있는 동시에, 자화(magnetize)가 용이하다. 그러나, 이들의 형상으로 한정하는 것은 아니고, 원주체나 다각주체이어도 좋다.

한편, 자성체는 자석의 N극 및 S극의 각각에 장착되어 있는 것이 특성의 안정화의 점에서 바람직하다. 이 경우, 자성체는 자기 검지 소자의 중립 검출 위치와 자석의 중심을 연결하는 직선에 대하여 선대칭으로 장착하면, 특성이 보다 안정화 된다.

자성체의 형상에 관해서는, 본 발명의 목적을 달성할 수 있는 자속 분포를 얻을 수 있는 것이라면, 원호 형상, 삼각 형상, 다각 형상 등 임의이다. 또한, 자성체는 자성체 재료 분말을 프레스 성형한 것이어도, 혹은, 판 형상 자성체를 굽힘 가공한 것이어도 좋으며, 필요에 따라서 절삭 가공을 행하여도 좋다.

<발명의 실시형태>

이하, 본 발명에 따른 각도 센서의 실시예에 대하여, 첨부 도면을 참조해서 설명한다. 한편, 이하의 설명에 있어서 자석의 치수나 배치 관계에 대하여 구체적인 수치를 예시하지만, 이들의 수치는 어디까지나 일예에 불과하다.

(기본구성, 도 1∼도 3 참조)

본 발명에 따른 각도 센서는, 도 1, 도 2에 나타낸 바와 같이, 화살표 a 및 그것과는 역방향으로 회전 자유 자재인 샤프트(10)에 직방체로 이루어진 자석(15)을 고정하고, 상기 자석(15)과 대향하도록 중립 검출 위치 C에 자기 검지 소자인 홀 소자(20)를 위치고정하여 배치한 것이다. 자석(15)에는 그 양단의 N극, S극에 자성체(16, 16)가 장착되어 있다. 샤프트(10)의 회전중심 및 자석(15)의 중심은 부호 P1으로 나타낸 바와 같이 일치하고 있다.

자성체(16)는 원호 형상을 이루고 있다. 이 원호는 중립 검출시에 있어서 부호 P2를 중심으로 해서 중립 검출 위치 C에서 멀어지는 방향으로 연장되어 있다. 자석(15)의 자극으로부터 자성체(16, 16)가 연장함으로써, 자석(15) 및 자성체(16)에 의해 형성되는 자속 분포는 도 3에 나타낸 바와 같이, 홀 소자(20)가 위치하는 방향과는 반대측으로 치우치게 된다. 다시 말해, 최대 자속 부분은 자성체(16, 16)의 선단부가 되고, 최대 자속 부분이 홀 소자(20)의 중립 검출 위치 C에서 샤프트(10)의 외주방향으로 멀어지고 있다. 도 1에 나타낸 화살표 b, b은 최대 자속 밀도의 방향이다.

자석(15)은 자석 잉곳(ingot)으로부터 슬라이스해서 직방체로 절삭한 것으로, 저렴하게 제작할 수 있고, 자화도 용이하다. 사이즈는 자화 방향의 길이(도 2에서의 세로방향 길이) 3㎜, 폭(도 2에서의 가로방향 길이) 2㎜, 두께(도 2에서의 깊이방향 길이) 2∼4㎜이다. 폭 치수는 본 발명에서는 양극부에 자성체(16)가 장착되기 때문에, 자석으로서의 강도나 감자성(demagnetization)을 최저한 확보할 수 있으면 된다.

자석(15)의 중심위치는 샤프트(10)의 회전중심 P1과 일치시키고 있지만, 편심시켜도 좋다. 본 발명에서는 자석(15) 단독으로가 아니라 자성체(16)를 포함시켜서 형성되는 자력선의 분포가 홀 소자(20)의 출력 특성에 영향을 주기 때문에, 자석(15)의 중심의 위치는 그다지 중요하지 않다.

자성체(16)는 두께 0.3㎜ 정도의 철 등의 판 형상 자성체를 굽힘 가공한 것으로, 자석(15)의 자극면과 접하는 부분과 원호 형상 부분으로 이루어진다. 자성체(16)의 폭 치수는 자석(15)의 두께 치수와 동일하고, 홀 소자(20)에 내장되어 있는 검지용 반도체 칩의 사이즈인 약 (0.2㎜×0.2㎜)보다도 충분히 큰 치수로 되어 있다.

자성체(16)의 원호 형상 부분은 도 2에 나타낸 바와 같이, 중심 P2로부터 반 경 r1＝4㎜인 원의 일부로서 구성되어 있다. 중심 P2는 회전중심 P1으로부터 거리 d＝2.46㎜만큼 -X방향으로 편심되어 있다. 원호 형상 부분의 선단은 회전중심 P1으로부터 ±120°의 위치이며, 중심 P2로부터 X방향으로 거리 e＝0.5㎜의 위치로 설정되어 있다.

홀 소자(20)는 회전중심 P1으로부터 반경 r2＝7㎜인 중립 검출 위치 C에 있어서, 자석(15)의 중심을 향하여 수직으로 배치되어 있다.

그런데, 본 실시예에 있어서, 도 4(A)에 나타낸 바와 같이, N극 최대 자속 부분 N1과 S극 최대 자속 부분 S1을 연결하는 직선 L1은, 중립 검출시에 있어서 자석(15)의 N극의 중심 N2와 S극의 중심 S2를 연결하는 직선 L2보다도 홀 소자(20)에서 멀어지는 방향에 위치하고 있다. 또한, 한 쌍의 자성체(16)는 홀 소자(20)의 중립 검출 위치 C와 자석(15)의 중심 O를 연결하는 직선 L3에 대하여 선대칭으로 장착되어 있다.

또한, 자성체(16)는 자석(15)의 어느 한쪽의 자극측에 장착되어 있어도 좋다. 도 4(B)는 하나의 자성체(16)를 자석(15)의 N극측에 장착한 예를 나타내고 있다. 이 경우, S극 최대 자속 부분 S1은 자석(15)의 S극의 중심 S2와 일치하고 있다. 그리고, N극 최대 자속 부분 N1과 S극 최대 자속 부분 S1를 연결하는 직선 L1은, 중립 검출시에 있어서 자석(15)의 N극의 중심 N2와 S극의 중심 S2를 연결하는 직선 L2보다도 홀 소자(20)에서 멀어지는 방향에 위치하고 있다.

(각도 센서의 구체적 구성, 도 5, 도 6 참조)

자석(15)은 샤프트(11)의 선단에 어태치먼트(attachment: 12)를 개재해서 장 착된 샤프트(10)에 장착되고, 자성체(16)와 함께 홀더(13)에 의해 지지되어 있다. 한편, 14는 커버, 17은 베어링, 18은 스프링 부재, 19는 O링이다. 한편, 홀 소자(20)는 기판(21)에 장착되어 있고, 기판(21)은 소켓(22)을 구비하고 있다.

(출력 특성, 도 7, 도 8 참조)

이상의 구성으로 이루어지는 본 실시예(각도 센서)에 있어서, 자석(15)(샤프트(10, 11))의 회전 각도에 대한 홀 소자(20)의 출력 특성은 도 7에 나타낸 대로이다. 도 7로부터 명확한 바와 같이, 중립 검출 위치 C(출력 제로)에서 ±110°의 광범위에 걸쳐서 직선성이 양호한 출력 특성을 얻을 수 있었다. 다시 말해, 전기적 유효각도가 크게 확대되어 있다.

또한, 본 실시예에 있어서, 상기 도 12에 나타낸 것과 동일하게, 이상적인 출력 특성으로부터의 편차(비율로 나타내고 있다)를 도 8에 나타낸다. 도 8과 도 12를 비교하면 명확한 바와 같이, 본 실시예에서는 편차가 크게 개선되어 있어, 검출 정밀도의 향상이 달성되고 있다.

게다가, 본 실시예에 있어서, 자석(15)은 소형의 직방체이며, 저렴하게 제작할 수 있고, 자화도 용이하다.

(자석 및 자성체의 형상, 도 9 참조)

상기 자석(15) 및 자성체(16)의 형상이나 그 제작방법은 임의이다. 자석(15)은 직방체뿐만 아니라 원주체나 다각주체 등이어도 좋다. 자성체(16)는 원호 형상뿐만 아니라 삼각 형상, 다각 형상 등이어도 좋다. 또한, 자성체(16)는 판 형상 자성체를 굽힘 가공하는 이외에도 자성체 재료 분말을 프레스 성형하여 제작하여도 좋고, 게다가, 필요에 따라서 절삭가공을 행하여도 좋다.

도 9(A), (B)에는 자석(15)에 실질적으로 원호 형상의 자성체(16)를 형성한 예를 나타낸다. 도 9(C), (D)에는 자석(15)에 실질적으로 삼각 형상의 자성체(16)를 형성한 예를 나타내고, 도 9(E)에는 자석(15)에 다각 형상의 자성체(16)를 형성한 예를 나타낸다. 삼각 형상이나 다각 형상의 자성체(16)를 형성하면, 홀 소자(20)의 출력 특성을 자유롭게 설정할 수 있다. 더욱이, 도 9(F)에는 원주 형상의 자석(15)에 실질적으로 삼각 형상의 자성체(16)를 형성한 예를 나타낸다.

(기타 실시예)

또한, 본 발명에 따른 각도 센서는 상기 실시예에 한정되는 것이 아니라, 그 요지의 범위내에서 여러가지로 변경할 수 있다.

예를 들면, 자기 검지 소자로서 상기 홀 소자 이외에 자기 저항 소자를 사용하여도 좋다. 또한, 자석 및 자성체를 회전축에 장착하는 구조나 자기 검지 소자와의 위치관계는 임의이다.

특히, 상기 실시예에서는, 홀 소자(20)의 초기 위치를 중립 검출 위치 C에 설정한 경우를 나타내었지만, 홀 소자(20)의 초기 위치의 설정은 설계적 사항으로서 임의이다.

본 발명에 따르면, 자석에 자성체를 장착하여 상기 자석에 의해 형성되는 최대 자속 부분을 자기 검지 소자의 중립 검출 위치에서 멀리하였기 때문에, 전기적 유효각도의 확대를 도모할 수 있는 동시에, 그 유효각도에 있어서 검출 출력의 직 선성을 개선하여 검출 정밀도의 향상을 달성할 수 있다. 게다가, 자석 자체에는 특별한 가공을 필요로 하지 않기 때문에, 저렴하게 제작할 수 있다.

Claims

자석과 자기 검지 소자를 서로 대향시켜서 배치하고, 양자의 상대적인 회전각도를 자기 검지 소자의 출력에 근거해서 검출하는 각도 센서로서,

상기 자석의 N극 또는 S극 중 적어도 하나의 자극(磁極)에 자성체를 장착하고, N극 또는 S극 중 적어도 하나의 자극의 최대 자속 부분을 상기 자기 검지 소자의 중립 검출 위치에서 멀리하는 동시에, N극과 S극의 최대 자속 부분을 연결하는 직선이 상기 자석의 N극의 중심과 S극의 중심을 연결하는 직선보다도 상기 자기 검지 소자에서 멀어지는 방향에 위치시키며,

상기 자석을 단면이 원형인 샤프트의 중심부에 형성하여, 최대 자속 부분을 상기 자기 검지 소자의 중립 검출 위치에서 샤프트의 외주방향으로 멀어지도록 하며,

상기 자기 검지 소자는 상기 샤프트 외부에 위치하는 것을 특징으로 하는 각도 센서.
삭제
제 1항에 있어서, 상기 자성체의 선단부가 상기 자기 검지 소자의 중립 검출 위치에서 120°회전한 위치에 설정되어 있는 것을 특징으로 하는 각도 센서.
제 1항에 있어서, 상기 자성체는 상기 자석의 N극 및 S극의 각각에 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 각도 센서.
제 4항에 있어서, 상기 자성체는 상기 자기 검지 소자의 중립 검출 위치와 상기 자석의 중심을 연결하는 직선에 대하여 선대칭으로 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 각도 센서.
제 1항에 있어서, 상기 자성체는 원호 형상을 이루고 있는 것을 특징으로 하는 각도 센서.
제 1항에 있어서, 상기 자성체는 삼각 형상을 이루고 있는 것을 특징으로 하는 각도 센서.
제 1항에 있어서, 상기 자성체는 다각 형상을 이루고 있는 것을 특징으로 하는 각도 센서.
제 1항에 있어서, 상기 자성체는 자성체 재료 분말을 프레스 성형한 것임을 특징으로 하는 각도 센서.
제 1항에 있어서, 상기 자성체는 판 형상 자성체를 굽힘 가공한 것임을 특징으로 하는 각도 센서.
제 1항에 있어서, 상기 자석은 직방체인 것을 특징으로 하는 각도 센서.
제 1항에 있어서, 상기 자석은 원주체인 것을 특징으로 하는 각도 센서.
제 1항에 있어서, 상기 자석은 다각주체인 것을 특징으로 하는 각도 센서.