JP3848670B1 - 回転角度検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 極めて簡単な構成の付加により、０°〜３６０°の範囲の回転角度検出を可能にする。
【解決手段】 回転軸１１の端部に装着された回転磁石１２と、この回転磁石１２に非接触で対向する基板１３上に装着された４極補助磁石１４と、基板１３の反対側に装着された磁気センサ１５とを備える。４極補助磁石１４は、磁気センサ１５が配置された領域における回転磁石１２による０°〜３６０°の回転磁場を０°〜１８０°の回転磁場に変換する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、複数の磁気抵抗効果型素子（以下、「ＭＲ素子」と呼ぶ。）をブリッジ接続してなる磁気センサを使用して、検出対象の回転角度を検出する回転角度検出装置に関する。

回転軸等の検出対象の回転角度の検出等に利用される、ＭＲセンサを使用した非接触型の回転角度検出装置は、例えば特許文献１等により知られている。

以下、図９及び図１０により従来のこの種の回転角度検出装置について説明する。

図９に示すように、回転角度検出装置は、検出対象としての回転軸１０１に取り付けられて回転軸１０１と共に回転する回転磁石１０２と、この回転磁石１０２の近傍に回転軸１０１とは非接触に配置された磁気センサ１０３とから構成されている。

磁気センサ１０３は、例えば図１０に示すように、それぞれが４つのＭＲ素子１１１をブリッジ接続して構成された一対のセンサユニット１２１，１２２からなる。各センサユニット１２１，１２２を構成するＭＲ素子１１１は物理的属性として磁気異方性を有し、磁化容易軸方向の磁場と、これと直交する磁化困難軸方向の磁場とで異なる抵抗値を示す。各センサユニット１２１，１２２を構成する４つのＭＲ素子１１１は、互いの磁化容易軸を９０°ずつずらして配置されている。また、センサユニット１２１のＭＲ素子１１１と、センサユニット１２２のＭＲ素子１１１とは、互いの磁化容易軸を４５°傾けて配置されている。この磁気センサ１０３は、基板１０４上で回転磁石１０２の均質磁界部に配置される。

このような回転角度検出装置において、回転軸１０１が回転すると、回転軸１０１に取付けられている回転磁石１０２も回転するので、磁気センサ１０３には回転磁界が付与される。これに伴い、各ＭＲ素子１１１に抵抗変化が生じ、ブリッジに流れる電流値を正弦波状に変化させるので、磁気センサ１０３から正弦波状信号が出力される。この正弦波状信号から回転軸１０１の回転角度を検出することができる。

ところで、上述の磁気センサ１０３は、その特性により角度検出可能な範囲が＋側の磁化容易軸から−側の磁化容易軸までの１８０°であり、０°〜３６０°の範囲の角度を一義的に検出することはできない。

そこで、例えば磁気センサに加えて、磁気センサの近傍にホール素子を配置することにより、０°〜３６０°の範囲の回転角度検出を可能にした技術が知られている（特許文献２）。

また、磁気センサの磁気異方性を増強するデバイスとして、永久磁石を使用した角度センサも知られている（特許文献３）。
特開平７−２６０４１４号公報 特開平１１−９４５１２号公報 特開２００３−４４８０号公報

しかしながら、上記特許文献２に開示された装置では、磁気センサの他にホール素子を設け、両者の信号を処理しなければならないため、処理回路が複雑になるという問題がある。また、特許文献３は、回転磁石の回転角度との詳細な関係を何ら開示していない。

本発明は、このような点に鑑みなされたもので、極めて簡単な構成の付加により、０°〜３６０°の範囲の回転角度検出が可能になる回転角度検出装置を提供することを目的とする。

本発明に係る回転角度検出装置は、検出対象に取り付けられて前記検出対象と共に回転して回転磁場を生成する回転磁石と、この回転磁石で生成される回転磁場内に配置され、複数の磁気抵抗効果型素子をブリッジ接続してなるセンサユニットを互いの磁化容易軸を４５°ずらして配置してなる磁気センサと、前記磁気センサの近傍に配置され前記磁気センサが配置された領域における前記回転磁石による０°〜３６０°の回転磁場から０°〜１８０°の合成回転磁場を生成する４極補助磁石とを備えてなることを特徴とする。

本発明の好ましい実施形態においては、前記磁気センサに付与される、前記回転磁石の磁気モーメントと前記４極補助磁石の合成磁気モーメントの大きさがほぼ等しいことを特徴とする。

前記４極補助磁石は、例えば前記回転磁石の回転面と並行に配置されたリング状磁石である。また、好ましい実施形態においては、前記４極補助磁石は、前記回転磁石の回転軸と同軸配置され、前記磁気センサは、前記４極補助磁石の均質磁界部に配置されている。更に他の実施形態においては、前記４極磁石は、前記回転磁石の回転面と同一面上の前記回転軸に対してずれた位置に配置され、前記磁気センサは、前記４極磁石の均質磁界部に配置されている。

本発明によれば、磁気センサの近傍に４極補助磁石を設けているので、４極補助磁石の合成磁気モーメントと回転磁石による磁気モーメントの合成磁気モーメントが、回転磁石による０°〜３６０°の回転を０°〜１８０°の回転に変換する。これにより、磁気センサでの０°〜１８０°の回転角度検出値を、検出対象の０°〜３６０°の回転角度検出値として求めることが可能になる。

本発明によれば、単に４極補助磁石を追加するだけで、信号処理ための回路は、従来の回路をそのまま利用することが出来る。

以下、添付の図面を参照して、この発明の実施の形態を説明する。

［第１の実施形態］
図１は、本発明の第１の実施形態に係る回転角度検出装置の構成を示す側面図、図２は同じく平面図である。この回転角度検出装置は、検出対象である回転軸１１の端部に装着された回転磁石１２と、この回転磁石１２に非接触で対向する基板１３上に装着された４極補助磁石１４と、基板１３の反対側に装着された磁気センサ１５とを備えて構成されている。

検出対象は、例えばモータ等の回転軸１１であり、この実施形態１では、軸端が利用可能な場合を示している。回転磁石１２は直方体からなり、その長手方向の両端を極とする２極の永久磁石である。４極補助磁石１４は、回転軸１１と同軸配置されたリング状磁石であり、図２において、中心を通る水平線に対して＋４５°及び−４５°の向きに磁気モーメントが形成されるように着磁されている。磁気センサ１５は、図１０と同様のもので、回転磁石１２及び４極補助磁石１４によって生成される均質磁界部に配置されるように、回転中心からずれた位置に装着されている。

図３は、磁気センサ１５に接続される信号処理回路を示す図である。磁気センサ１５の各出力端子Ｄ，Ｅ，Ｂ，Ｇから出力される検出信号は、Ａ／Ｄ変換回路２１〜２４でそれぞれＡ／Ｄ変換され、ＣＰＵ２５に入力される。ＣＰＵ２５は、ＥＥＰＲＯＭ２６に記憶されたプログラムに従って、所定の信号処理を実行し、回転角度検出データを算出する。この検出データがＤ／Ａ変換回路２７でアナログ信号に変換されて回転角度検出信号Ｖｏとして出力される。

次に、このように構成された第１の実施形態に係る角度検出装置の検出原理について説明する。

図４は、図２における水平方向をＸ軸、垂直方向をＹ軸とし、回転磁石１２の磁気モーメントをＭｒ、４極補助磁石１４の合成磁気モーメントをＭｈ、ＭｒとＭｈの合成磁気モーメントをＭ、磁気モーメントＭｒ，Ｍの回転角度をそれぞれθ，αとしたときのこれらの関係を示す図である。これらの間には、次のような関係が成り立つ。

Ｍcosα＝Ｍｈ＋Ｍｒcosθ …（１）
Ｍsinα＝Ｍｒsinθ …（２）
ここで、Ｍｒ＝Ｍｈであるとすると、（１）式は、次のようになる。

Ｍcosα＝Ｍｒ（１＋cosθ）
＝Ｍｒ｛（２cos（θ／２）*cos（−θ／２）｝ …（３）
同様に、（２）式は、次のようになる。

Ｍsinα＝Ｍｒ｛（２sin（θ／２）*cos（−θ／２）｝ …（４）
次に、（４）／（３）を求めると、
tanα＝sin（θ／２）／cos（θ／２）
= tan（θ／２） …（５）
となる。よって、α＝θ／２となる。すなわち、回転磁石１２の磁気モーメントＭｒと４極補助磁石１４の合成磁気モーメントＭｈとが同じ場合には、回転磁石１２の回転角度θに対して合成磁気モーメントＭの回転角度αは、丁度１／２になるので、回転磁石１２の３６０°の回転に対して、合成磁気モーメントＭは１８０°の範囲で変化する。

図５（ａ）〜（ｄ）は、回転磁石１２の回転角度θが０°、９０°、１８０°、２７０°と順次回転したときの磁気センサ１５に及ぼす合成磁気モーメントＭの変化を示している。

４極補助磁石１４の合成磁気モーメントＭｈは０°に固定なので、回転磁石１２の回転角度θが０°，９０°，２７０°（−９０°）と変化すると、合成磁気モーメントＭは、０°，４５°，−４５°と変化する。但し、θ＝１８０°では、Ｍ＝０となる。よって、図６に示すように、回転磁石１２の０°〜３６０°の回転に対して、合成磁気モーメントＭは、０°〜９０°、−９０°〜０°の計１８０°の範囲で変化する。従って、この変化を磁気センサ１５で検出することにより、回転軸１１の０°〜３６０°の変化を検出することが可能になる。

次に、Ｍｈ＝Ｍｒとするための校正手順について説明する。

［ステップ１］ まず、磁気センサ１５と４極補助磁石１４とを互いの基準軸が０°をなすように、配置する。そのためには、下記ステップ１ａ，１ｂを実行する。

［ステップ１ａ］ 磁気センサ１５と信号処理回路を、基板１３の下面にマークされた位置に、基板１３と磁気センサ１５の基準軸が０°となるように配置する。

［ステップ１ｂ］ 信号処理回路の出力信号Ｖｏをオシロスコープ等でモニターしながら、オフセットを校正した後、その出力信号Ｖｏがディジタルマルチメータの読み取り値として０°を示す値になるように、基板１３の上面（回転磁石１２側）にマークされた位置に４極補助磁石１４を配置する。

［ステップ２］ 次に、回転磁石１２と４極補助磁石１４とを、両者の磁気モーメントＭｈ，Ｍｒが直交するように（図５（ｂ）のような関係となるように）配置する。そのためには、下記ステップ２ａ，２ｂを実行する。

［ステップ２ａ］ ステップ１にて決定した０°を基準にし、ステップ１ｂと同様に、信号処理回路の出力信号Ｖｏが、ディジタルマルチメータの読み取り値として０°を示す値になるように回転磁石１２の位置を確定する。これが回転磁石１２の０°の基準となる。

［ステップ２ｂ］ ステップ２ａで確定した回転磁石１２の０°を基準にして、回転磁石１２を９０°回転させるには、例えば、131,072（＝２^１７）パルス／回転（１パルス当りの角度＝0.0027°）の分解能を有するアブソリュートエンコーダ（株式会社ニコン製MAR-M30又はその同等品）を使い、少なくとも0.01°の精度で回転磁石１２が90.00°±0.01°以内となるように角度を確定する。

［ステップ３］ ステップ２にて確定した回転磁石１２の配置に対し、ステップ２ａと同様に、信号処理回路の出力信号Ｖｏを、オシロスコープでモニターしながら、ディジタルマルチメータで読み取り、その読取値から前述の０°の読取値を差引いた値を補正角度値（α）に換算する。ＣＰＵ２５は、磁気センサ１５の出力がα＝４５°であるか、すなわちＭｒ＝Ｍｈであるかどうかを判定し、もし、Ｍｒ＝Ｍｈであれば、校正処理を終了するが、Ｍｒ≠Ｍｈ、すなわちα≠４５°でない場合には、
Ｍｒ＝tanα*Ｍｈ …（６）
となるので、Ｍｈをtanα倍すれば、Ｍｒと同じ値になる。ここで「tanα」を補正係数と呼ぶ。

［第２の実施形態］
図７は、本発明の第２の実施形態に係る回転角度検出装置の構成を示す側面図である。この実施形態では、自動車のステアリング角度を、アシスト用電動モータの軸回転角度で検出するような軸端が利用できない用途に適した実施形態である。

検出対象である回転軸３１には、リング状の回転磁石３２が装着されている。この回転磁石３２の回転面と同一面に配置された基板３３上に、リング状の４極補助磁石３４が装着されている。また、基板３３の裏面に磁気センサ３５が実装されている。磁気センサ３５は、図１０のものと同様で、４極補助磁石３４よって生成される均質磁界部に配置されるように、４極補助磁石３４の中心からずれた位置に装着されている。

この実施形態においても、図８（ａ）〜（ｄ）に示すように、回転磁石３２の０°〜３６０°の回転に対して、合成磁気モーメントＭは、０°〜９０°、−９０°〜０°の計１８０°の範囲で変化する。従って、この変化を磁気センサ３５で検出することにより、回転軸３１の０°〜３６０°の変化を検出することが可能になる。

なお、以上は、４極補助磁石として円環状の永久磁石を使用したが、４極補助磁石は、特に円環状に限定されない。例えば楕円状の磁石を使用することもできる。この場合には、短軸又は長軸に対して対称な角度で４極着磁すれば良い。

本発明の第１の実施形態に係る回転角度検出装置の構成を示す側面図である。 同装置の簡略的な平面図である。 同装置の回路構成を示すブロック図である。 同装置の回転角度検出原理を説明するためのベクトル図である。 同装置の動作を説明するための側面図及び平面図である。 同装置の動作を説明するためのベクトル図である。 本発明の第２の実施形態に係る回転角度検出装置の構成を示す側面図である。 同装置の動作を説明するための側面図及び平面図である。 従来の回転角度検出装置の構成を示す側面図である。 磁気センサの詳細を示す回路図である。

符号の説明

１１，３１，１０１…回転軸、１２，３２，１０２…回転磁石、１３，３３，１０４…基板、１４，３４…４極補助磁石、１５，３５，１０３…磁気センサ、１１１…磁気抵抗（ＭＲ）効果素子、１２１，１２２…センサユニット。

Claims (5)

1. 検出対象に取り付けられて前記検出対象と共に回転して回転磁場を生成する回転磁石と、
   この回転磁石で生成される回転磁場内に配置され、複数の磁気抵抗効果型素子をブリッジ接続してなるセンサユニットを互いの磁化容易軸を４５°ずらして配置してなる磁気センサと、
   前記磁気センサの近傍に配置され前記磁気センサが配置された領域における前記回転磁石による０°〜３６０°の回転磁場から０°〜１８０°の合成回転磁場を生成する４極補助磁石と
   を備えてなることを特徴とする回転角度検出装置。
2. 前記磁気センサに付与される、前記回転磁石の磁気モーメントと前記４極補助磁石の合成磁気モーメントの大きさがほぼ等しいことを特徴とする請求項１記載の回転角度検出装置。
3. 前記４極補助磁石は、前記回転磁石の回転面と並行に配置されたリング状磁石である
   ことを特徴とする請求項１記載の回転角度検出装置。
4. 前記４極補助磁石は、前記回転磁石の回転軸と同軸配置され、
   前記磁気センサは、前記４極補助磁石の均質磁界部に配置されている
   ことを特徴とする請求項３記載の回転角度検出装置。
5. 前記４極磁石は、前記回転磁石の回転面と同一面上の前記回転軸に対してずれた位置に配置され、
   前記磁気センサは、前記４極磁石の均質磁界部に配置されている
   ことを特徴とする請求項３記載の回転角度検出装置。

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