JP2003075108A

JP2003075108A - 回転角度センサ

Info

Publication number: JP2003075108A
Application number: JP2001267458A
Authority: JP
Inventors: Yasuto Sugano; 康人菅野; Masaya Yamashita; 昌哉山下; Masanobu Sato; 正信佐藤
Original assignee: Asahi Kasei Corp
Current assignee: Asahi Kasei Corp
Priority date: 2001-09-04
Filing date: 2001-09-04
Publication date: 2003-03-12

Abstract

(57)【要約】【課題】センサ全体のサイズをより小さくし、かつ性
能の安定性が良い回転角度センサを提供する。【解決手段】円板状に形成された磁石４００は回転軸
４０３に支持されており、この回転軸４０３を中心とし
て、白抜き矢印で示す方向に回転可能に構成されてい
る。磁気センサＡおよびＢは、共に等しい温度特性を有
するホール素子であり、円板の中心Ｏと磁気センサＡと
を通る直線、および中心Ｏと磁気センサＢとを通る直線
とがなす角度が概ね９０度になるように配置されてい
る。また、磁気センサＡおよびＢは、共に磁石４００の
円周の直下に配置されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、回転角度センサに
関し、より詳細には、複数個の磁気センサを用いて非接
触方式で角度を検出する回転角度センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から、この種の角度センサとして
は、磁気回路を構成するＮ極とＳ極の磁石を有する回転
体と、磁気の強さを検出する磁気センサとを組み合せ、
この回転体を磁気センサに対して回転させることにより
回転角度を検出するという構成のものが数多く、例えば
自動車エンジンや、ＤＣモータ等の種々の分野で利用さ
れている。特に、その磁気センサとしてホール素子を使
用し、これに高精度な磁気回路と組み合せることで、回
転体の回転角度に対するアナログ信号を出力できるよう
に構成した非接触式の角度センサが知られている。例え
ば、特開平１１−２９５０２２号公報、および特開平８
−３５８０９号公報等の文献には、そのような角度セン
サが開示されている。

【０００３】また、図１の例に示すように、円筒型磁石
１００の側面にホール素子１０１を近接させて、角度変
化に対応した出力の直線部分のみを用いて、概ね９０度
の角度範囲でアナログ信号を出力する角度センサが知ら
れている。このような角度センサは、緑測器（会社名）
の回転角度センサカタログ等の文献に開示されている。

【０００４】このように、磁気センサを使用した角度セ
ンサでは、磁気回路中に磁気センサを配置して角度セン
サを構成しているものが多いが、磁気センサの温度変化
が大きく、これが角度検出誤差の要因となる。このた
め、何らかの手段で磁気センサの出力特性の温度補償を
行う必要がある。

【０００５】例えば、特開平１１−２９５０２２号公報
に開示された角度センサは、図２（ａ）の斜視図および
図２（ｂ）の正面図に示すように、回転体２０１、２０
２に特殊な形状の高精度を必要とする加工を施して巧妙
な磁気回路を構成し、これにホール素子２０３、２０４
および特殊な信号処理回路（図示しない）を組み合すこ
とで、回転角度に応じたアナログ信号を取り出すように
し、特に、上記のように磁気回路の構成に工夫を凝らす
ことで回転角度に対してリニアな出力を行い、等価な２
つのホール素子２０３、２０４を同一向きに配置し、２
つのホール素子２０３、２０４の差分が同じ出力になる
ように信号処理回路による補正を加えることで温度補償
を行っている。

【０００６】また、上記の特開平８−３５８０９号公報
に記載の角度センサは、ホール素子に流れる電流を温度
に応じて変化させることで、ホール素子の温度補償を行
うようにしている。

【０００７】しかしながら、特開平１１−２９５０２２
号公報に開示された角度センサは、図２に示すように、
回転体２０１の磁路の形状が曲面を伴って複雑なため、
磁路の加工精度が不十分となり、実際の磁場に不均一が
生じてしまうことから、角度の精度が悪くなる。

【０００８】また、特開平８−３５８０９号公報に記載
の角度センサおよび図１の角度センサは、ホール素子１
個で温度補償をしているため、温度特性の影響をキャン
セルすることが困難である。

【０００９】更に、図１に示すような従来の角度センサ
は、回転角度に対する出力が近似的な直線となっている
ため、角度精度も悪い。

【００１０】これに対し、特開昭５４−１８７６８号公
報には、図３（ａ）の平面図および図３（ｂ）の正面図
に示すように、互いに直交する方向成分の磁界の強さを
検知する複数個の磁気センサ３０１、３０２を用いて磁
界に対する角度を検出する角度センサが開示されてい
る。この角度センサによれば、上述した従来例に比べ、
回転体の複雑な精密加工を必要とせず、かつ温度補償演
算が不要となるという利点がある。

【００１１】図３に示す角度センサでは、その複数個の
磁気センサ３０１、３０２の全体を均一な磁場中に配置
し、それら磁気センサ３０１、３０２の位置を非常に至
近に配置することで、温度や磁場がそれら磁気センサに
与える影響を同一にすることが必要である。

【００１２】だが、上記磁気センサ３０１、３０２とし
て従来の磁気センサを用いた場合には、互いに直交する
方向成分の磁界を検知するのに垂直設置と水平設置しか
方法がないという従来の磁気センサの物理的形状の制約
から、磁場の均一な領域をある程度大きくすることが必
要である。このため、磁石や回転体が大きくなり、角度
センサの全体の大きさが実用に不向きなほど大きくな
る。

【００１３】また、垂直設置の場合は、複数の磁気セン
サ３０１、３０２のうちで少なくとも一方は磁気センサ
の取り付け面３０３上に垂直に植立させる必要がある。
このため、図３（ｂ）に示す例では磁気センサ３０１の
足３０４をその取り付け面３０３の穴内に垂直に立てる
様にしている。しかし、このような不安定な構造では磁
気センサを常に正確に９０度に取付けることも、またそ
の取付けた角度を長期間正確に保つことも実際上困難で
ある。従って、製品間でばらつきが生じ、性能の安定性
が悪い。

【００１４】このような状況に鑑み、センサ全体の大き
さを極力小さくでき、かつ性能の安定性が良く、また広
い温度範囲において高精度に温度補償を実現できる磁気
センサ、およびその磁気センサを用いる角度センサの研
究開発が行われている。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
たような従来の角度センサは、磁石と磁気センサの空間
的な配置の制約により、全体の小型化が困難である。特
に、安定した磁気回路を構成するには、適度な磁石およ
び磁気回路に一定の厚みが必要となるため、センサの薄
型化に制限があるという問題があった。

【００１６】また、高精度の温度補償もまた、角度セン
サの小型化に対する制限となっているという問題があっ
た。

【００１７】更に、従来の磁気センサ全体の小型化にお
いては、磁気回路の形状加工のために多大なコストがか
かってしまうという問題があった。

【００１８】本発明は、上記の問題に鑑みてなされたも
のであり、その目的とするところは、センサ全体のサイ
ズをより小さくし、かつ性能の安定性が良い回転角度セ
ンサを提供することにある。

【００１９】また、本発明の別の目的は、センサ全体の
サイズをより小さくし、かつ広い温度範囲において精度
の良い温度補償を実現できる回転角度センサを提供する
ことにある。

【００２０】更に、本発明の別の目的は、低コストでセ
ンサ全体のサイズをより小さくできる回転角度センサを
提供することにある。

【００２１】

【課題を解決するための手段】このような目的を達成す
るために、請求項１に記載の発明は、回転角度センサで
あって、円板状に形成され、該円板の円周方向に回転す
る磁石と、磁界の強さを検知して、前記磁石の回転角度
に応じた値を出力する複数個の磁気センサとを備えた回
転角度センサであって、前記複数個の磁気センサは、前
記磁石の回転中心線と略直角な面上で前記磁石の円周付
近に配置されていることを特徴とする。

【００２２】また、請求項２に記載の発明は、請求項１
に記載の回転角度センサにおいて、前記磁気センサは、
該磁気センサを取付ける取り付け面に面実装可能な容器
に封止されていることを特徴とする。

【００２３】また、請求項３に記載の発明は、請求項１
または２に記載の回転角度センサにおいて、前記円板の
中心と前記磁気センサのうちの１つの中心とを通る直
線、および、前記円板の中心と前記磁気センサのうちの
他の少なくとも１つの中心とを通る直線がなす角度は、
３０度以上１５０度以下であることを特徴とする。

【００２４】また、請求項４に記載の発明は、請求項２
に記載の回転角度センサにおいて、前記磁気センサの感
磁面の法線方向と前記磁石の回転中心線とがなす角度
は、２０度以上９０度未満であることを特徴とする。

【００２５】更に、請求項５に記載の発明は、請求項４
に記載の回転角度センサにおいて、前記磁気センサの前
記感磁面の法線方向と前記磁石の回転中心線とがなす角
度は、４５度であることを特徴とする。

【００２６】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施形態を詳細に説明する。

【００２７】（第１実施形態）図４は、本実施形態に係
る回転角度センサの外観構成を概念的に示す図で、
（ａ）は底面図、（ｂ）は図４（ａ）の矢印Ｗ方向から
示した側面図である。本図において、円板状に形成され
た磁石４００は回転軸４０３に支持されており、この回
転軸４０３を中心として円周方向、即ち白抜き矢印で示
す方向に回転可能に構成されている。

【００２８】磁石４００の円周付近に配置された磁気セ
ンサＡおよびＢは、磁界の強さを検知して、磁石４００
の回転角度に応じた値を出力するホール素子であり、共
に等しい温度特性を有する。また、磁気センサＡおよび
Ｂは、磁石４００の回転中心線Ｚと略直角な面上で、磁
石４００の円周の直下に配置されており、円板の中心Ｏ
と磁気センサＡの略中心とを通る直線４１２、および中
心Ｏと磁気センサＢの略中心とを通る直線４１１とがな
す角度が概ね９０度になるように配置されている。な
お、本明細書中、「感磁面」とは、磁気センサにおいて
磁気を検出することができる面のことをいう。

【００２９】図１に示す従来例では、磁気センサ１０１
を、その感磁面が円筒型磁石１００の回転中心線Ｚ’と
平行になるように円筒型磁石１００の側面に配置するた
めに、磁石の厚みｈ_１が７ｍｍ程度必要であった。これ
に対し、本実施形態に係る回転角度センサでは、磁気セ
ンサＡおよびＢを磁石４００の円周直下に配置したの
で、磁石の厚みｈ_２は回転角度の測定精度と無関係にな
り、より薄い磁石を用いることができ、厚みｈ_２が３ｍ
ｍ程度の磁石を用いて従来例と同様の測定性能を再現す
ることができる。

【００３０】また、磁石４００の直径も磁気センサの大
きさ程度にすることができ、直径１０ｍｍ、厚み１ｍｍ
程度にまで小さくすることが可能となる。従って、より
小さい回転角度センサを設計することができる。

【００３１】更に、２個の磁気センサの出力値から角度
を計算するので、温度特性による影響を補償した良好な
測定結果を得ることができる。

【００３２】図５は、図４に示す磁気センサの１つが実
装されたパッケージ（容器）の側面透視図である。磁気
センサＡは、パッケージ５００に封止されて、磁石の回
転中心線Ｚに垂直な取り付け面５０３上に面実装されて
いる。従って、感磁面５０２の法線５０４は取り付け面
５０３に対して垂直となる。なお、本明細書中、「感磁
面」とは、磁気センサにおいて磁気を検出することがで
きる面のことをいう。また、磁気センサＡは、リードフ
レーム５０１を通じて外部の回路と接続される。

【００３３】このように、取り付け面上に面実装可能な
パッケージに磁気センサを封止することにより、回転角
度センサの設計に際して高い組立再現性および機械的安
定性が得られる。

【００３４】なお、本実施形態では、円板の中心と磁気
センサのうちの１つとを通る直線、および円板の中心と
前記磁気センサのうちの他の少なくとも１つとを通る直
線がなす角度が概ね９０度である例について説明した
が、この角度が３０度以上１５０度以下の範囲内であれ
ば、実用に供することが可能である。

【００３５】（第２実施形態）図６は、本発明の第２実
施形態に係る回転角度センサの外観構成を概念的に示す
図で、（ａ）は底面図、（ｂ）は図６（ａ）の矢印Ｗ方
向から示した側面図である。本実施形態において、磁気
センサＡおよびＢは、磁石４００の回転中心線Ｚに対す
る感磁面の法線の傾きが概ね４５度となるように、磁石
４００の円周外に配置されている。

【００３６】図７は、図６に示す磁気センサを封止した
パッケージの側面透視図である。磁気センサＡは、パッ
ケージ７００に封止されて、回転中心線Ｚに対して垂直
な取り付け面７０３上に面実装されている。従って、感
磁面７０２の法線７０４は、取り付け面７０３に対して
概ね４５度傾いている。また、磁気センサＡは、リード
フレーム７０１を通じて外部の回路と接続される。

【００３７】このような構成をとることにより、第１実
施形態と同様に、より小型の回線角度センサを実現する
ことができ、温度特性による影響を補償した良好な測定
結果を得ることができ、また高い組立再現性および機械
的安定性が得られる。

【００３８】また、図８に示すように、磁石４００の円
周直下に配置した磁気センサ８０１よりも、磁石４００
の円周外に配置した磁気センサ８０２の方が、より多く
の磁束を感磁面でとらえることができる。

【００３９】図９に示すように、磁石４００として直径
φ＝２０ｍｍ、厚みｔ＝５ｍｍのフェライト磁石を使用
し、磁気センサ８０１および８０２として感磁面の断面
積が１ｍｍ^２のホール素子を使用して、これらの磁気セ
ンサを磁石４００からＰ＝１ｍｍの距離をおいて配置し
た。また、磁気センサ８０２の法線と、取り付け面との
なす角度は、４５度とした。このような構成を用いて各
磁気センサからの出力値を測定したところ、磁石の円周
の直下に配置した磁気センサ８０１からの出力値が２０
０ｍＶであったのに対し、磁石の円周外に配置した磁気
センサ８０２からの出力値は２２０ｍＶであった。従っ
て、磁気センサを磁石の円周外に配置することにより、
その感度が向上し、角度センサの分解能を向上させるこ
とができるという結果が得られた。

【００４０】なお、本実施形態では、磁気センサの感磁
面の法線と磁気センサの取り付け面とのなす角度が４５
度である場合について説明したが、この角度が２０度以
上９０度未満の範囲内であれば、実用に供することが可
能である。

【００４１】（第３実施形態）本発明を適用した回転角
度センサに用いられる磁気センサは、２個に限定される
ものではない。磁気センサを４個用いた回転角度センサ
の構成例を示す図１０では、磁気センサＡおよびＡ’、
磁気センサＢおよびＢ’が、磁石４００の円周付近に配
置されている。ここで、各磁気センサの取り付け面への
実装方法は、第１実施形態に準じており、各磁気センサ
の感磁面の法線は、取り付け面に対して垂直である。

【００４２】本図に示す例では、磁気センサＡおよび
Ａ’は、磁石４００の中心Ｏを通る直線９０１上に配置
されている。また、磁気センサＢおよびＢ’は、磁石４
００の中心Ｏを通り、直線９０１に垂直な直線９０２上
に配置されている。

【００４３】いま、磁石の所定の基準位置からの磁石４
００の回転角をθとする。Ｖ_０を定数とすると、磁気セ
ンサＡ、Ａ’、ＢおよびＢ’からの出力値Ｖ（Ａ）、Ｖ
（Ａ’）、Ｖ（Ｂ）、Ｖ（Ｂ’）は、Ｖ（Ａ）＝−Ｖ_０ｃｏｓθ （１）Ｖ（Ａ’）＝Ｖ_０ｃｏｓθ （２）Ｖ（Ｂ）＝Ｖ_０ｓｉｎθ （３）Ｖ（Ｂ’）＝−Ｖ_０ｓｉｎθ （４）と表すことができる。

【００４４】従って、回転角度θを求める計算式は、 θ＝ａｒｃｔａｎ（（Ｖ（Ａ）−Ｖ（Ａ’））／（Ｖ（Ｂ）−Ｖ（Ｂ’）））（５）となる。また、磁気センサＡ、Ａ’、ＢおよびＢ’に作
用する外部磁場により生じるオフセット値ｏｆｆｓｅｔ
はｏｆｆｓｅｔ＝（Ｖ（Ａ）＋Ｖ（Ａ’））／２（６）またはｏｆｆｓｅｔ＝（Ｖ（Ｂ）＋Ｖ（Ｂ’））／２（７）となる。従って、上述したように磁気センサを配置する
ことにより、外部磁場による影響をキャンセルすること
ができる。

【００４５】（第４実施形態）図１１は、本発明の第４
実施形態に係る回転角度センサの構成例を概念的に示す
図で、（ａ）は底面図、（ｂ）は図１１（ａ）の矢印Ｗ
方向から示した側面図である。本図に示す例では、３個
の磁気センサＡおよびＢおよびＣが使用されている。こ
こで、各磁気センサの取り付け面への実装方法は、第１
実施形態に準じており、各磁気センサの感磁面の法線
は、取り付け面に対して垂直である。

【００４６】ここで、円板の中心と磁気センサＡとを通
る直線、および円板の中心と磁気センサＢとを通る直線
とがなす角度は、概ね９０度になるように配置されてい
る。また、磁気センサＣは、磁石４００の中心に配置さ
れているので、磁石４００が作る磁場の影響をほとんど
受けず、磁石の回転による磁場変化が磁気センサＣの出
力に現れない。よって、磁気センサＣからの出力の変動
は外部磁場による作用のみを受けることになる。従っ
て、外部磁場によるオフセット値ｏｆｆｓｅｔは、ｏｆｆｓｅｔ＝Ｖ（Ｃ）（８）と表すことができ、磁石４００の所定の基準位置からの
回転角度θは、磁気センサＣからの出力Ｖ（Ｃ）を用い
て、 θ＝ａｒｃｔａｎ（（Ｖ（Ａ）−Ｖ（Ｃ））／（Ｖ（Ｂ）−Ｖ（Ｃ）））（９）と表せる。従って、上述したように磁気センサを配置す
ることにより、回転角度の測定に際し、オフセット値を
用いて外部磁場による影響をキャンセルすることができ
る。

【００４７】（第５実施形態）図１２は、本発明の第５
実施形態に係る回転角度センサの外観構成を概念的に示
す図で、（ａ）は底面図、（ｂ）は図１２（ａ）の矢印
Ｗ方向から示した側面図である。ここで、各磁気センサ
の取り付け面への実装方法は、第１実施形態に準じてお
り、各磁気センサの感磁面の法線は、取り付け面に対し
て垂直である。

【００４８】本図において、磁気センサＡは、磁石４０
０の中心Ｏを通り図面に水平な直線１１０１上に配置さ
れている。また、磁気センサＢおよびＢ’はそれぞれ、
その中心が、中心Ｏを通る直線１１０２に対して角度φ
をなす直線１１０３および１１０４上に配置されてい
る。

【００４９】磁気センサＡ、ＢおよびＢ’からの出力Ｖ
（Ａ）、Ｖ（Ｂ）、Ｖ（Ｃ）は、Ｖ（Ａ）＝Ｖ_０ｓｉｎθ （１０）Ｖ（Ｂ）＝Ｖ_０ｃｏｓ（θ−φ）（１１）Ｖ（Ｂ’）＝−Ｖ_０ｃｏｓ（θ＋φ）（１２）と表される。回転角を求める式は、 θ＝ａｒｃｔａｎ（２×Ｖ（Ａ）×ｃｏｓφ／（Ｖ（Ｂ）−Ｖ（Ｂ’）））（１３）となる。また、オフセット値ｏｆｆｓｅｔは、ｏｆｆｓｅｔ＝（Ｖ（Ｂ）＋Ｖ（Ｂ’）−２Ｖ（Ａ）ｓｉｎφ）／２（１−ｓｉｎφ）（１４）となる。従って、上述したように磁気センサを配置する
ことにより、回転角度の測定に際し、オフセット値を用
いて外部磁場による影響をキャンセルすることができ
る。

【００５０】以上、本発明の好適な実施の形態について
説明したが、本発明は上述の実施形態に限らず、他の種
々の形態で実施できることはいうまでもない。例えば、
本発明を適用した角度測定システムを構成する磁気セン
サとしては、ホール素子の他に、ＭＲ（Magnetic Resis
tance）素子、ＭＩ（Magnetic Impedance）素子、およ
びフラックスゲート等を使用することができる。

【００５１】また、上述の実施形態では１箇所に１個の
磁気センサを配置する例について説明したが、１箇所に
複数の磁気センサを配置することとしても良い。この場
合、当該複数の磁気センサからの出力値を平均して、そ
の位置での出力値とすることにより、より精度の高い出
力値を得ることができる。

【００５２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
磁気センサ全体のサイズをより小さくし、かつ性能の安
定性が良い回転角度センサを実現することができる。

【００５３】また、測定された回転角度に対して温度特
性を考慮した補償を行うので、広い温度範囲において精
度の良い温度補償を実現できる。

【００５４】更に、全体のサイズがより小さい磁気セン
サを低コストで実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来の角度センサの構成を示した図である。

【図２】従来の角度センサの構成を示した図である。

【図３】従来の角度センサの構成を示した図である。

【図４】本発明の一実施形態に係る回転角度センサの外
観構成を概念的に示す図である。

【図５】図４に示す磁気センサの１つが実装されたパッ
ケージの側面透視図である。

【図６】本発明の一実施形態に係る回転角度センサの外
観構成を概念的に示す図である。

【図７】図６に示す磁気センサの１つが実装されたパッ
ケージの側面透視図である。

【図８】磁気センサによりとらえられる磁束を示す図で
ある。

【図９】本発明の一実施形態に係る回転角度センサの外
観構成を概念的に示す図である。

【図１０】回転角度センサの実施例を概念的に示す図で
ある。

【図１１】本発明の一実施形態に係る回転角度センサの
外観構成を概念的に示す図である。

【図１２】本発明の一実施形態に係る回転角度センサの
外観構成を概念的に示す図である。

【符号の説明】

１００磁石１０１ホール素子２０１回転体２０２回転体３０１磁気センサ３０２磁気センサ３０３取り付け面３０４足４００磁石４０３回転軸５００パッケージ５０１リードフレーム５０２感磁面５０３取り付け面５０４法線７００パッケージ７０１リードフレーム７０２感磁面７０３取り付け面７０４法線８０１磁気センサ８０２磁気センサ９０１直線９０２直線１１０１直線１１０２直線１１０３直線１１０４直線Ａ磁気センサＡ’ 磁気センサＢ磁気センサＢ’ 磁気センサＣ磁気センサ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者佐藤正信神奈川県厚木市岡田3050番地旭化成株式会社内Ｆターム(参考） 2F063 AA35 CA34 DA01 DB07 DD03 DD09 GA52 KA01 NA06 2F077 AA13 AA21 AA25 JJ08 JJ23 NN17 PP12 UU10 UU25 VV21

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】円板状に形成され、該円板の円周方向に
回転する磁石と、磁界の強さを検知して、前記磁石の回
転角度に応じた値を出力する複数個の磁気センサとを備
えた回転角度センサであって、前記複数個の磁気センサ
は、前記磁石の回転中心線と略直角な面上で前記磁石の
円周付近に配置されていることを特徴とする回転角度セ
ンサ。
【請求項２】前記磁気センサは、該磁気センサを取付
ける取り付け面に面実装可能な容器に封止されているこ
とを特徴とする請求項１に記載の回転角度センサ。
【請求項３】前記円板の中心と前記磁気センサのうち
の１つの中心とを通る直線、および、前記円板の中心と
前記磁気センサのうちの他の少なくとも１つの中心とを
通る直線がなす角度は、３０度以上１５０度以下である
ことを特徴とする請求項１または２に記載の回転角度セ
ンサ。
【請求項４】前記磁気センサの感磁面の法線方向と前
記磁石の回転中心線とがなす角度は、２０度以上９０度
未満であることを特徴とする請求項２に記載の回転角度
センサ。
【請求項５】前記磁気センサの前記感磁面の法線方向
と前記磁石の回転中心線とがなす角度は、４５度である
ことを特徴とする請求項４に記載の回転角度センサ。