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JP2010085389A - 角度センサ - Google Patents

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JP2010085389A JP2009125080A JP2009125080A JP2010085389A JP 2010085389 A JP2010085389 A JP 2010085389A JP 2009125080 A JP2009125080 A JP 2009125080A JP 2009125080 A JP2009125080 A JP 2009125080A JP 2010085389 A JP2010085389 A JP 2010085389A
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Abstract

【課題】磁気検出素子の取付精度に関わらず高度な角度検出精度を確保することができると共に、簡易な制御構成にすることができる角度センサを提供すること。
【解決手段】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、磁石2の径方向の磁場強度を検出すると共に、磁石2の径方向の磁場と直交する回転角方向の磁場強度を検出するホール素子4とを備え、ホール素子4により検出された径方向および回転角方向の磁場強度に応じた信号に基づいて磁石2の回転角度を算出する構成とした。
【選択図】図1

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、円環形状を有する磁石を回転軸の周囲に配設すると共に、当該磁石の外周近傍に90度ずらした位置に2つのホール素子を配設し、各ホール素子によって検出された径方向の磁場強度に基づいて、上記回転軸の回転角度を算出する角度センサが提案されている(例えば、特許文献1および特許文献2参照)。
特開2005−140557号公報 特開2002−506530号公報
上記の特許文献1および特許文献2に記載の角度センサにおいては、2つのホール素子を異なる位置に配設することから、磁石との関係でこれらの位置関係を確保することが困難であり、高度の角度検出精度を確保することができないという問題があった。この問題を解決するため、本件出願人により磁石の外周近傍における周方向の単一箇所にホール素子を配設し、高度な角度検出精度を確保する角度センサが考えられている。この角度センサは、ホール素子により径方向および回転角方向の磁場強度に応じた位相差を90度とする2つの信号を検出し、この2つの信号の振幅を同じ振幅となるように電気的に振幅補正して、この補正された信号に基づいて磁石の回転角度を算出することから、高度の角度検出精度を確保している。
しかしながら、上記の角度センサにおいては、磁石の回転位置に応じてホール素子に作用する磁場強度が変化するため、ホール素子の取付精度が悪い場合、例えば、ホール素子が磁石に対してわずかに傾いた姿勢で配設される場合には、ホール素子により検出される径方向および回転角方向の磁場強度に応じた信号の位相差が90度から位相ズレを生じ、この位相ズレが生じた信号に基づいて角度検出することから角度誤差を生じさせていた。
また、上記の角度センサにおいては、径方向および回転角方向の磁場強度に応じた信号を同じ振幅となるように電気的に振幅補正するため、制御構成が煩雑になるという問題があった。
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、磁気検出素子の取付精度に関わらず高度な角度検出精度を確保することができると共に、簡易な制御構成にす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、前記磁石の径方向の磁場強度を検出すると共に、前記磁石の径方向の磁場と直交する回転角方向の磁場強度を検出する磁気検出素子と、前記磁気検出素子により検出された前記径方向および前記回転角方向の磁場強度に応じた信号に基づいて前記磁石の回転角度を算出する演算手段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、磁石の磁極が磁気検出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検出素子を通過する磁束が減少し、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検出素子を通過する磁束が増加する。よって、磁石の回転位置に関わらず磁気検出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、磁気検出素子が傾いて取り付けられていても、磁気検出素子により検出される径方向および回転角方向の磁場強度に応じた信号の位相差を90度とすることができる。したがって、磁気検出素子の取付精度に関わらず高度な角度検出精度を確保することができる。
また、磁石の回転位置に関わらず磁気検出素子に作用する磁場強度が一定となるように切欠部を形成することにより、電気的な振幅補正が不要となり、角度センサを簡易な制御構成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、前記切欠部のギャップ幅が、前記磁気検出素子により検出される前記径方向および前記回転角方向の磁場強度に応じた信号の振幅比が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、磁気検出素子により検出される径方向の磁気強度に応じた信号の振幅と回転角方向の磁気強度に応じた信号の振幅とが同じ大きさとなるため、磁石の回転位置に関わらず磁気検出素子に作用する磁場強度を一定とするように切欠部のギャップ幅を形成することができる。
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。
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、磁石の回転に応じて磁気検出素子に作用する磁場強度が一定となる適切な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に配設され、前記磁石の径方向の磁場強度を検出すると共に、前記磁石の径方向の磁場と直交する回転角方向の磁場強度を検出する磁気検出素子と、前記磁気検出素子により検出された前記径方向および前記回転角方向の磁場強度に応じた信号に基づいて前記磁石の回転角度を算出する演算手段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、磁石の磁極が磁気検出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検出素子を通過する磁束が減少し、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検出素子を通過する磁束が増加する。よって、磁石の回転位置に関わらず磁気検出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、磁気検出素子が傾いて取り付けられていても、磁気検出素子により検出される径方向および回転角方向の磁場強度に応じた信号の位相差を90度とすることができる。したがって、磁気検出素子の取付精度に関わらず高度な角度検出精度を確保することができる。
また、磁石の回転位置に関わらず磁気検出素子に作用する磁場強度が一定となるように切欠部を形成することにより、電気的な振幅補正が不要となり、角度センサを簡易な制御構成とすることができる。
さらに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検出感度を向上させると共に、ヨークの飽和による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、ヨークの飽和による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、前記磁気検出素子により検出される前記径方向および前記回転角方向の磁場強度に応じた信号の振幅比が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、磁気検出素子により検出される径方向の磁気強度に応じた信号の振幅と回転角方向の磁気強度に応じた信号の振幅とが同じ大きさとなるため、磁石の回転位置に関わらず磁気検出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のギャップ幅を形成することができる。
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、磁石の回転に応じて磁気検出素子に作用する磁場強度が一定となるように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、磁気検出素子の取付精度に関わらず高度な角度検出精度を確保することができると共に、簡易な制御構成にすることができる。
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。 本発明に係る角度センサの実施の形態を示す図であり、角度センサの機能ブロック図である。 比較例に係る角度センサを用いた場合の検出信号の位相誤差の説明図であり、(a)は磁場の説明図、(b)はホール素子のY方向成分の最大磁場強度の説明図である。 比較例に係る角度センサの出力電圧と位相との関係を示す図である。 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、角度センサの出力電圧と位相との関係を示す図である。 本発明に係る角度センサの実施の形態を示す図であり、角度センサのリニア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、ホール素子の素子回転角度と角度誤差との関係を示す図である。 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9に示す環状ヨークのギャップ幅の幅寸法とホール素子のY方向成分およびX方向成分の出力電圧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に配設された磁気検出素子としてのホール素子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。
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の回転位置に関わらずホール素子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。
ホール素子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強度を検出する。ここで、ホール素子4は、磁石2の径方向であるY方向成分の磁場強度を検出すると共に、磁石2の径方向の磁場と直交する回転角方向であるX方向成分の磁場強度を検出可能に構成されている。
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の回転に伴うY方向成分およびX方向成分の磁場強度をホール素子4で検出し、検出された信号のアークタンジェントを求めて磁石2の回転角度(すなわち、クランクシャフトなどの検出対象の回転角度)を算出する。
以下、このような本実施の形態に係る角度センサの機能ブロック図について説明する。図2は、本実施の形態に係る角度センサの機能ブロック図である。なお、図2に示す機能ブロック図は、本発明を説明するために簡略化したものであり、ここに示す機能以外に機能を備えるようにしてもよい。
図2に示すように、本実施の形態に係る角度センサ1は、ホール素子4に接続されるIC部15を備えている。このIC部15は、ホール素子4からの検出信号からアークタンジェントを求めることで磁石2の回転角度を算出する演算部16と、演算部16により算出された磁石2の回転角度を外部に出力する信号出力部17とを有している。IC部15からの信号は、例えば、車両全体の制御を行う制御コンピュータ18に出力される。
図3から図8を参照して、本実施の形態に係る角度センサと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。まず、比較例に係る角度センサの角度検出精度の悪化の原因について説明する。
図3は、比較例に係る角度センサを用いた場合の検出信号の位相誤差の説明図であり、(a)は磁場の説明図、(b)はホール素子のY方向成分の最大磁場強度の説明図である。なお、図3に示す比較例に係る角度センサ21は、本実施の形態における角度センサ1に対して環状ヨーク3を備えない点と、Y方向成分およびX方向成分における磁場強度に応じた信号の振幅を同じ振幅となるように電気的に振幅補正する補正部を備える点において相違している。また、矢印A、B、C、D、E、Fは、それぞれ磁場における磁気ベクトルを示しており、図3においては説明の便宜上、6つのみ図示している。
図3(a)に示すように、比較例に係る角度センサ21においては、磁石22のN極がホール素子24と対向する初期位置に位置する場合において、磁場強度は磁気ベクトルAで示されるように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磁気ベクトルBで示されるように72%に減少し、N極から90度回転した位置では磁気ベクトルCで示されるように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磁気ベクトルDで示されるように再び72%に増加し、N極から180度回転した位置においては磁気ベクトルEで示されるように最大となる。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。
この比較例に係る角度センサ21において、例えば、ホール素子24のY方向用の感受面が磁気ベクトルBと直交するように傾いて配設された場合には、図3(b)に示すように、ホール素子24に検出されるY方向成分の磁場強度は、ホール素子24のY方向用の感受面に直交する磁気ベクトルBのY方向成分を最大とするのではなく、磁気ベクトルBよりもN極側に位置する磁気ベクトルFのY方向成分を最大としている。このとき、磁気ベクトルFのX方向成分が0とならないため、ホール素子24に検出されるY方向成分およびX方向成分の磁場強度に応じた信号に位相ズレが発生する。
以下、図4を参照して、ホール素子が傾いて配設された場合における出力電圧と位相との関係について説明する。図4は、比較例に係る角度センサの出力電圧と位相との関係を示す図である。なお、図4においては、縦軸が出力電圧、横軸が磁石の回転角度、実線W1がY方向成分の磁場強度に応じた出力電圧信号、実線W2がX方向成分の磁場強度に応じた出力電圧信号、実線W1および実線W2の振幅は、図示しない補正部により電気的に振幅補正されたものである。
図4に示すように、ホール素子24により検出されるY方向成分の磁場強度は、最大出力電圧を1[v]とし、最小出力電圧を−1[v]とする余弦波からφだけ位相がずれた出力電圧信号とされる。一方、ホール素子24により検出されるX方向成分の磁場強度は、最大出力電圧を1[v]とし、最小出力電圧を−1[v]とする正弦波の出力電圧信号とされる。ホール素子24に検出されるY方向成分の磁場強度が最大のときに、X方向成分の磁場強度が0とならないため、Y方向成分の磁場強度に対応する出力電圧信号とX方向成分の磁場強度に対応する出力電圧信号とは90度+φの位相差を生じる。このように、比較例に係る角度センサ21においては、磁石22の回転位置に応じてホール素子24に作用する磁場強度が変化するため、Y方向成分およびX方向成分における磁場強度に応じた信号の振幅を電気的に振幅補正してもホール素子24の取付誤差に起因する位相ズレが発生して角度検出精度が悪化する。
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、ホール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度回転した場合をそれぞれ示している。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が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、ホール素子4のY方向用の感受面を通過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度回転した位置にある場合には、環状ヨーク3により磁束が導かれてホール素子4のX方向用の感受面を通過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。
このように、環状ヨーク3は、磁石2の回転位置に関わらずホール素子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、ホール素子4が傾いて配設された場合でも、ホール素子4に検出されるY方向成分の磁場強度は、ホール素子4のY方向用の感受面と直交する磁気ベクトルのY方向成分を最大とする。このときの磁気ベクトルのX方向成分が0となるため、ホール素子4に検出されるY方向成分およびX方向成分の磁場強度に応じた信号に位相ズレが発生しない。
以下、図6を参照して、ホール素子が傾いて配設された場合における出力電圧と位相との関係について説明する。図6は、本実施の形態に係る角度センサにおける出力電圧と位相との関係を示す図である。なお、図6においては、縦軸が出力電圧、横軸が磁石の回転角度、実線W3がY方向成分の磁場強度に応じた出力電圧信号、実線W4がX方向成分の磁場強度に応じた出力電圧信号をそれぞれ示している。
図6に示すように、ホール素子4により検出されるY方向成分の磁場強度は、最大出力電圧を1[v]とし、最小出力電圧を−1[v]とする余弦波の出力電圧信号とされる。一方、ホール素子4により検出されるX方向成分の磁場強度は、最大出力電圧を1[v]とし、最小出力電圧を−1[v]とする正弦波の出力電圧信号とされる。このように、Y方向成分の磁場強度に対応する出力電圧信号とX方向成分の磁場強度に対応する出力電圧信号とは90度の位相差を生じ、ホール素子4の取付誤差に起因する位相ズレの発生を防止して角度検出精度を向上させることが可能となる。
次に、図6に示すY方向成分とX方向成分の磁場強度に対応する出力電圧信号におけるアークタンジェントを求めると、磁石2の回転角度と、演算部16により算出された算出角度との関係は図7に示すようになる。図7は、角度センサのリニア特性を示す図である。なお、図7においては、図示左側の縦軸が算出角度、図示右側の縦軸がリニアリティ誤差、横軸が磁石の回転角度、実線W7がリニア特性、実線W8が誤差特性をそれぞれ示している。
図7に示すように、磁石2の回転角度と、演算部16により算出された算出角度とは、概ね1:1の比例関係を有しており、リニアリティ誤差は、±1.2度の範囲に収まっている。したがって、本実施の形態に係る角度センサ1においては、ホール素子4からの検出信号に基づいて、実際の磁石2の回転角度との間で大きな角度ズレを起こすことなく、磁石2の回転角度を検出することが可能となる。
図8を参照して、ホール素子の素子回転角度と角度誤差との関係について比較例に係る角度センサと本実施の形態に係る角度センサを比較して説明する。図8は、ホール素子の素子回転角度と角度誤差との関係を示す図である。なお、図8において、縦軸は角度誤差、横軸はホール素子の素子回転角度、実線W5は比較例に係る角度センサによる波形、実線W6は本実施の形態に係る角度センサによる波形をそれぞれ示している。
図8に示すように、実線W5と実線W6とを比較すると、実線W5はホール素子24の傾き角度の増加にともなって角度誤差が大きくなっており、実線W6はホール素子4の傾き角度が増加しても角度誤差が小さい状態を一定に保っている。このように、比較例に係る角度センサ21であれば、ホール素子24の傾き角度が5度の場合に15度の角度誤差を有するのに対し、本実施の形態に係る角度センサ1によれば、ホール素子4の傾き角度が5度の場合であっても角度誤差を約1度に保つことが可能となっている。
次に、図9および図10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9は環状ヨークの設計図、図10は図9に示す環状ヨークのギャップ幅の幅寸法とホール素子のY方向成分およびX方向成分の出力電圧の振幅比との関係を示す図である。なお、図10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9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10に示すように、ホール素子4により検出されるY方向成分の出力電圧信号の振幅をX方向成分の出力電圧信号の振幅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、ホール素子4のY方向成分の出力電圧信号およびX方向成分の出力電圧信号の振幅比が1となるため、磁石2の回転位置に関わらずホール素子に作用する磁場強度を一定にす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により磁路を形成することにより、磁石2の回転位置に関わらずホール素子4に作用する磁場強度が一定となるため、ホール素子4が傾いて取り付けられていても、ホール素子4により検出されるY方向およびX方向の磁場強度に応じた信号の位相差を90度とすることができる。したがって、ホール素子4の取付精度に関わらず高度な角度検出精度を確保することができる。
また、磁石2の回転に応じてホール素子4に作用する磁場強度が一定となるように切欠部11を形成することにより、Y方向およびX方向の磁場強度に応じた信号の振幅を同じ振幅となるように電気的に振幅補正する必要がなく、角度センサ1を簡易な制御構成とすることができる。
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、ホール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11および図12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11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12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11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に配設されたホール素子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ホール素子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12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13および図14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13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14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13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にホール素子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(ホール素子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に配設されたホール素子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51においては、環状ヨーク53の切欠部55にホール素子54を配設することで、ホール素子54の取付精度に関わらず高度な角度検出精度を確保す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14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(ホール素子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に配設されたホール素子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にホール素子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15のようになる。図15(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15(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15(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W7がホール素子に作用する磁束のY方向成分、実線W8がホール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15(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により磁路を形成することにより、磁石32の回転位置に関わらずホール素子34に作用する磁場強度が一定となるため、ホール素子34が傾いて取り付けられていても、ホール素子34により検出されるY方向およびX方向の磁場強度に応じた信号の位相差を90度とすることができる。したがって、ホール素子34の取付精度に関わらず高度な角度検出精度を確保することができる。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、ホール素子34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、ホール素子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ホール素子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ホール素子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、磁気検出素子の取付精度に関わらず高度な角度検出精度を確保することができると共に、簡易な制御構成にす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。
1、31 角度センサ
2、32 磁石
3、33 環状ヨーク
4、34 ホール素子(磁気検出素子)
5、35 取付部材
11 切欠部
12、43 円環部
13、44 取付孔
15 IC部
16 演算部(演算手段)
17 信号出力部
18 制御コンピュータ
41 第1の切欠部
42 第2の切欠部

Claims (9)

  1. 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、前記磁石の径方向の磁場強度を検出すると共に、前記磁石の径方向の磁場と直交する回転角方向の磁場強度を検出する磁気検出素子と、
    前記磁気検出素子により検出された前記径方向および前記回転角方向の磁場強度に応じた信号に基づいて前記磁石の回転角度を算出する演算手段とを備えたことを特徴とする角度センサ。
  2. 前記切欠部のギャップ幅が、前記磁気検出素子により検出される前記径方向および前記回転角方向の磁場強度に応じた信号の振幅比が1となるように形成されることを特徴とする請求項1に記載の角度センサ。
  3. 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または請求項2に記載の角度センサ。
  4. 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3に記載の角度センサ。
  5. 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に配設され、前記磁石の径方向の磁場強度を検出すると共に、前記磁石の径方向の磁場と直交する回転角方向の磁場強度を検出する磁気検出素子と、
    前記磁気検出素子により検出された前記径方向および前記回転角方向の磁場強度に応じた信号に基づいて前記磁石の回転角度を算出する演算手段とを備えたことを特徴とする角度センサ。
  6. 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5に記載の角度センサ。
  7. 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5または請求項6のいずれかに記載の角度センサ。
  8. 前記2つの切欠部のギャップ幅が、前記磁気検出素子により検出される前記径方向および前記回転角方向の磁場強度に応じた信号の振幅比が1となるように形成されることを特徴とする請求項7に記載の角度センサ。
  9. 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7または請求項8に記載の角度センサ。
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2013250073A (ja) * 2012-05-30 2013-12-12 Denso Corp 回転角度検出装置
JP2019124680A (ja) * 2018-01-16 2019-07-25 株式会社デンソー 回転角度検出装置
JP2019124545A (ja) * 2018-01-16 2019-07-25 株式会社デンソー 回転角度検出装置
WO2019142739A1 (ja) * 2018-01-16 2019-07-25 株式会社デンソー 回転角度検出装置

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102010018724A1 (de) * 2010-04-29 2011-11-03 Hella Kgaa Hueck & Co. Induktiver Drehwinkelsensor
JP2015145816A (ja) * 2014-02-03 2015-08-13 アイシン精機株式会社 変位センサ
JP6288481B2 (ja) * 2016-06-24 2018-03-07 Tdk株式会社 角度センサおよび角度センサシステム
US12107710B2 (en) 2020-11-19 2024-10-01 Allegro Microsystems, Llc Sensor signaling of absolute and incremental data
US12104900B2 (en) * 2022-09-29 2024-10-01 Allegro Microsystems, Llc Sensor with estimated real-time parameter data

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19817356A1 (de) * 1998-04-18 1999-10-21 Bosch Gmbh Robert Winkelgeber und Verfahren zur Winkelbestimmung
DE10254552A1 (de) * 2002-11-21 2004-06-03 Siemens Ag Winkelpositionsgeber
FR2863049B1 (fr) * 2003-12-02 2006-01-13 Siemens Vdo Automotive Dispositif pour determiner la position angulaire et la vitesse de rotation d'un organe rotatif
JP4519750B2 (ja) * 2005-09-29 2010-08-04 株式会社日本自動車部品総合研究所 回転角度検出装置
JP4960209B2 (ja) * 2007-12-11 2012-06-27 ナイルス株式会社 非接触式回転角度検出センサ
US20100176803A1 (en) * 2009-01-12 2010-07-15 Infineon Technologies Ag Angle sensor with flux guides, rotatable magnet and magnetic sensor

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2013250073A (ja) * 2012-05-30 2013-12-12 Denso Corp 回転角度検出装置
JP2019124680A (ja) * 2018-01-16 2019-07-25 株式会社デンソー 回転角度検出装置
JP2019124545A (ja) * 2018-01-16 2019-07-25 株式会社デンソー 回転角度検出装置
WO2019142732A1 (ja) * 2018-01-16 2019-07-25 株式会社デンソー 回転角度検出装置
WO2019142739A1 (ja) * 2018-01-16 2019-07-25 株式会社デンソー 回転角度検出装置
CN111602030A (zh) * 2018-01-16 2020-08-28 株式会社电装 旋转角度检测装置
CN111602030B (zh) * 2018-01-16 2021-10-22 株式会社电装 旋转角度检测装置

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