JP2007040850A

JP2007040850A - 回転角度センサ

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Publication number: JP2007040850A
Application number: JP2005226015A
Authority: JP
Inventors: Isao Saotome; 勲五月女
Original assignee: Asahi Kasei Electronics Co Ltd
Current assignee: Asahi Kasei Electronics Co Ltd
Priority date: 2005-08-03
Filing date: 2005-08-03
Publication date: 2007-02-15
Anticipated expiration: 2025-08-03
Also published as: JP4729358B2

Abstract

【目的】感磁部が、磁石の中心から大きく外れた位置に設置されるような環境でも単純な信号処理のままで、角度誤差が少ない回転角度センサを提供する。
【構成】動径方向に着磁されたリング磁石８の表面の上方の1空間点に、磁束密度の磁石８の表面に平行であり且つ互いに直交する２軸方向の成分Bx及びByを各々感磁する２つの磁電変換素子９ｘ，９ｙを有する感磁部を配置する。前記１空間点は、当該１空間点での成分Bx及びByの磁石８の回転による変化の振幅絶対値が等しくなる位置に配置されている。これによって、単純な計算で角度θを求めることができる。
【選択図】図５

Description

本発明は、動径方向に着磁された円板状またはリング状の磁石の回転による回転磁場から、２つの互いに直交する磁束密度を感磁する磁電変換素子をもつ感磁部により回転角度を求める角度センサに関する。

動径方向に着磁された円板磁石の円板中心付近に、磁電変換素子をおき、磁石の回転による磁束密度の変化から角度を求める角度センサが知られている。

図１は、このような角度センサのシステムを説明する図である。

回転する円板磁石１の下部に磁電変換素子２がパッケージ化されて置かれる。

動径方向に着磁された円板磁石１は、下部の基板３に平行で、円板中心付近で空間的に均一な磁場を作る。

磁電変換素子２としては、例えば、磁気抵抗素子（MR素子）が実用となっている。

図２はMR素子の感磁部パターンの一例を示す。磁石回転による磁束密度の大きさを、X軸方向とY軸方向の矩形波型のパターン４で検知する。５はパッドである。軸方向に長手をもつこのパターン４は、その軸方向に加わる磁場の大きさにより大きく抵抗値が変化することを利用している。この感磁部は薄膜金属で作られ小型化が図られている。

また、磁気収束板を用い磁束密度の方向を円板磁石面と垂直な方向に変えて感磁することで角度を求める方式のものがある（特許文献１参照）。

図３に特許文献１のFig2を示す。円板磁石の中心付近に置かれた数100μ直径の磁気収束板６の円周付近にホール素子（Ｘ１ａ〜Ｙ２ｂ）が配置され、感磁部を構成している。すなわち、Ｘ軸方向には、Ｘ１ａ，Ｘ１ｂで示すホール素子のペアとＸ２ａ，Ｘ２ｂで示すホール素子のペアとが配置され、Ｙ軸方向には、Ｙ１ａ，Ｙ１ｂで示すホール素子のペアとＹ２ａ，Ｙ２ｂで示すホール素子のペアとが配置されている。これらのホール素子（Ｘ１ａ〜Ｙ２ｂ）はシリコン上にICプロセスにより作成されている。感磁方向はシリコン面に直交する方向である。外部からの水平磁場が、収束板６の効果により、シリコン上のホール素子（Ｘ１ａ〜Ｙ２ｂ）の感磁面方向に曲げられることを利用している。図３中、７は磁場の方向を示している。Ｘ軸及びＹ軸Ｙ方向におかれたホール素子ペアが、それぞれX軸、Y軸方向の磁束密度を感磁し、電圧に変換し、シリコン上に設けられた信号処理部で、その磁束密度の比から回転角度を求める。磁気収束板６の対称位置に設置させたホール素子（Ｘ１ａ〜Ｙ２ｂ）の出力の和が利用されるが、この和の値は磁気収束板の中心付近の磁束密度を近似している。１つのシリコン上に上記の感磁部と信号処理部をもつICチップ構成が実現されており、図１の配置で小型の角度センサを構成できる。

図４に上記構成の角度センサによる角度計算原理を示す。

この図４の（ａ）では、X軸、Y軸、Z軸の３軸直交座標系と円板磁石８との関係を示しており、磁石８はX軸とY軸が構成するXY平面と平行な面上を回転し（磁石８はZ軸周りに回転する）、X軸、Y軸方向の磁束密度を感じる磁電変換素子９ｘ，９ｙが理想的に円板磁石８の中心にあるとして説明する。また、動径方向に着磁された磁石８の磁気モーメント８ＡがX軸方向となす角をθと定義する（図４の（ｂ））。

この円板磁石８の中心付近には円板磁石面に平行で、空間的に均一な磁束密度が発生する。Z軸周りの回転に従って、この磁束密度も回転し、磁束密度のX軸、Y軸方向の成分は、Bx、By（以下、磁束密度成分Bx、Byとも称する）となる。したがって、
Ｂｘ＝Ｍ１＊ｃｏｓ（Θ）
Ｂｙ＝Ｍ２＊ｓｉｎ（Θ）
Θ＝ａｔａｎ（Ｂｙ／Ｂｘ）＝ａｔａｎ（Ｍ２／Ｍ１＊Ｂｙ／Ｂｘ）
もし、Ｍ１≒Ｍ２ならば、
Θ＝ａｔａｎ（Ｂｙ／Ｂｘ）
となる。

磁束密度成分Bx、Byの磁石回転による変化の振幅絶対値であるM1、M2はX軸方向、Y軸方向の磁電変換素子の空間位置に依存し、中心付近ではほぼ同じ値をとり、このときには、角度θは、単純な式θ =atan(By/Bx)で計算することができる。

しかし、磁電変換素子が中心からずれて配置される場合は、M1とM2が同じ大きさとならず、前述のθの式では誤差が大きくなる。つまり、次式、
θ=atan(M2/M1*By/Bx)
による計算が必要となるが、この式を実行するには、M2/M1の値を事前に知る必要があり、角度センサとしては複雑化することになる。

なお、実際の角度センサでの角度θの計算では、磁束密度成分をホール素子で電圧に変換した量を用いて計算するが、以下では簡単のためにこの電圧に変換した量を単に磁束密度成分として表記し説明する。

ＷＯ０３／０８１１８２公報

上記の回転角センサは、感磁部、及び信号処理部が１つのパッケージに格納され非常に小型化されるが、円板磁石の中心付近におかないと角度誤差が大きくなる。

しかし、角度センサの利用環境によっては、感磁部が円板中心から大きく離れた個所に置かざるを得ない場合がある。

また、回転軸が磁石中心を貫通する用途では感磁部は中心から大きく外れるので、上記の単純な信号処理をする回転角センサをそのまま用いると角度誤差が非常に大きくなる。

そこで本発明は以上のような問題を解消すべくなされたものであって、互いに直交する２つの磁束密度成分を感磁し、近接して配置された磁電変換素子をもつ感磁部が、円板状磁石の中心から大きく外れた位置に設置されるような環境でも、また、中心を回転軸が貫通するためリング磁石を用いる場合でも、前述の単純な信号処理のままで、角度誤差が少ない回転角度センサを提供することを目的とする。

本発明は、動径方向に着磁された円板状またはリング状の磁石と、前記磁石の表面の上方の空間点に設置された感磁部とを具え、前記感磁部が、前記磁石によって生じる磁束密度の当該磁石の表面に平行であり且つ互いに直交する２軸方向の成分Bx及びByを各々感磁する２つの磁電変換素子を有し、前記磁石の回転による前記空間点の磁束密度の変化を前記２つの磁電変換素子の出力値から求める角度センサにおいて、前記磁電変換素子は、前記空間点が、前記磁石の周縁よりも内側にあり、当該空間点での前記成分Bx及びByの前記磁石の回転による変化の振幅絶対値が等しくなる位置に配置されていることを特徴とする。

本発明によれば、円板磁石の中心部に磁電変換素子を設置して回転角度を検出するように設計された単純な構造の回転角度センサにおいて、中心から外れた位置に磁電変換素子を置いても、また、リング磁石に対しても適切な空間位置を選択して磁電変換素子を設置することにより単純な構造の回転角度センサを構成でき、これにより、角度測定誤差を効果的に抑えた小型の角度センサを提供することができる。

図5に実施例の説明図を示す。図５の（ａ）では、X軸、Y軸、Z軸の３軸直交座標系とリング磁石１０との関係を示しており、リング磁石１０はサマリウム・コバルトのボンド磁石で、内径4mm、外形12mm、厚み2mmである。図中の回転軸となる貫通シャフト１１は直径3mmでSUS製である。

この貫通シャフト１１がないリング磁石１１だけの場合も同様の結果を与える。

次に示す図６から図1２のデータは貫通シャフト１１がない場合の結果である。

センサ(磁電変換素子)１２X、センサ(磁電変換素子)１２YはそれぞれX軸方向、Y軸方向の磁束密度成分を感磁し、図中では感磁面を示す箱として表現されている。１０Ａは磁気モーメントの方向を示す（図５の（ｂ））。センサ１２X、センサ１２Yの感磁面がX軸、Y軸と完全に一致しなくてもよい。

このセンサ１２X、センサ１２Yはほぼ同じ空間位置（X、Z）に感磁面をもつ。

このセンサがX=2.0ｍｍ（磁石中心からの距離、リング磁石の内側）、Z=1.0mm（磁石表面から上方に1mm）にあるときの磁束密度成分Bx（X軸方向成分）、By（Y軸方向成分）を、磁石を回転させてみたのが図６である。

図６の横軸は回転角度で、角度0度（磁石の磁気モーメントが＋X軸方向にある場合）と180度で磁束密度成分Bxの振幅がもっとも大きくなる。このとき磁束密度成分Byはゼロとなる。

回転角度90度で、磁石の磁気モーメントが＋Y軸を向くときに、磁束密度成分Byの振幅がもっとも大きくなる。但し、この振幅値は、磁束密度成分Bxのそれと比較すると小さくなっている。

センサ１２Yが、Y軸上で、中心からセンサ１２Xと同じ位置にあれば、角度90度のときの磁束密度成分Byの振幅値は磁束密度成分Bxと同じになるが、今回の配置では、センサ１２Yはセンサ１２Xと同じ位置、つまり、X軸方向に中心から離れた位置にあるため、磁束密度成分Byは小さな値となっている。この磁束密度成分Bxと磁束密度成分Byのピーク値の大きさの違いが、前述の角度θの計算で、角度誤差の原因になっている。

図７、図８にセンサ位置をリング磁石の内側（X=2.0ｍｍ）から外側（X=6.0ｍｍ）にX軸に沿って動かした場合の各位置におけるリング磁石の各回転角度と磁束密度成分Bx、Byとの関係を示す。

図７は磁束密度成分Bxの場合で、振幅値はX=2（ｍｍ）からリング中心部にかけて大きくなり、さらに外側では小さくなっていく。磁石のリングエッジ部で磁束密度はZ軸方向を向き、X軸方向成分はゼロになることに対応している。

図8は磁束密度成分Byの場合で、リングエッジ部付近で振幅ピーク値をとり、その後、小さくなっている。

図９は、これら磁束密度成分ピーク値のX軸位置の違いによる変化をみたものである。X=5.3（ｍｍ）付近で磁束密度成分Bxと磁束密度成分Byのピーク値が一致し、このセンサ位置ではM1=M2が成立し、前述の単純な計算で角度θを求めることができる。

磁束密度成分Bxのピーク値はリング磁石の中心付近で大きな値をとり、磁石エッジ付近でゼロとなる。また、磁束密度成分Byのピーク値もリングエッジ付近に向けて値が大きくなるため、エッジ付近で磁束密度成分Bx、Byのピーク値が交差する箇所が存在する。

図10はZ=1.0mmでX軸位置を決め、磁石を回転させ、磁束密度成分Bx、Byから角度θをθ＝atan(By/Bx)により求め、基準角度からの誤差を求めたものである。リング磁石の内側近傍、エッジ近傍では大きな角度誤差があるが、エッジより内側に入ったX=5.3（ｍｍ）付近で角度誤差が小さくなる。

角度誤差θが小さくなるセンサ１２X、YのX軸位置はZ値（センサ１２Ｘ，Ｙが磁石表面からどのくらい上方に位置しているかを示す値（単位ｍｍ））に依存し、Z値が大きくなるほど磁石の内側になる。また、角度誤差は小さくなる傾向がある。

図11はZ=2.0の場合の磁束密度成分Bx、Byピーク値のX軸依存性を示している。Z=1.0mmの場合より、内側に磁束密度の交差点が入っている。

図12は、角度誤差とZ値との関係を示しており、Z値が大きくなると角度誤差が小さくなってくる。

この図の角度誤差は、次の手順で求めた。つまり、Z値を固定して、１つのX軸位置で、磁石を回転させ、最大角度誤差を求める。X軸位置を変えていったときに、各位置での最大角度誤差が最小になるX軸位置で、その角度誤差を１つのZ値に対する角度誤差としている。

図13は、磁石中心にSUSのシャフトが貫通した場合の磁束密度成分の変化を見たものである。事例の中でM2とあるのが、シャフトありの場合、M1とあるのがシャフトなしの場合で、mx、myはそれぞれ磁束密度成分Bx、Byに対応する。

シャフトの有り無しで、磁束密度成分Bxがリング磁石の内側で大きな影響を受けていることが分かる。リングエッジ近傍では比較的影響が少ない。

図14は角度誤差をシャフト有り無しで比較した図である。M2がシャフトありの場合、M1がシャフトなしの場合である。シャフトがある場合はリング磁石の内側でない場合に比較して大きな角度誤差をもつ。X=4.8（ｍｍ）付近で角度誤差最小値をとる傾向はシャフトがある場合もない場合と同様である。

極小値をとるX位置は若干シャフトの影響を受けている。

以上、磁束密度成分Bx、Byの振幅値の絶対値が一致する場所が磁石エッジ付近に存在することを説明した。また、この位置はZ値にも依存することを説明した。

Z値を大きくとると、磁束密度成分自体の大きさ（センサの検出量）が下がるとともに、センサ自体のサイズが大きくなるというデメリットがある。磁束密度成分自体の大きさの低下は、信号のS/Nを低下させる。

また、磁石の厚みとサイズにより角度誤差が最小になるX軸位置とZ軸位置が変わってくる。

以下に、これらの特性を考慮した角度センサの構成例について述べる。

磁電変換素子であるセンサX、Yを組み込んだ感磁部、もしくは感磁部を内蔵するICパッケージのサイズ（Z軸方向厚み）、角度センサ外形、必要とされる角度誤差を考慮して、磁石表面から感磁部までのZ値を決定する。通常は、磁石表面に対向する位置に、基板に取り付けた感磁部、もしくはICパッケージを設置する。この基板は磁石表面のXY軸平面に対して平行に動かせるように支持される。

次にX値を仮決めする。磁石のリングエッジ付近からX軸上、動径方向内側に感磁部を設定し、磁石を回転させ最大角度誤差を求める。磁石回転系はエンコーダをもち、磁石は、この基準回転角度に応じた回転をする。感磁素子出力からatan（By/Bx）により角度を計算し、基準回転角度との差をとり角度誤差を求める。

更に内側に感磁部を移し、角度誤差を求めていく。この角度誤差がX軸位置に対して最小となるX軸位置を採用する。

上記の操作により最適なZ値、X値がもとまり、この情報をもとに角度センサを製造する。

図15に角度センサの組み立て例を示す。磁石１３は回転体支持部１４に埋め込まれ、この回転体支持部１４に下方からの回転シャフト１５が挿入され、回転する。センサ基板１６はハウジング１７側に固定される。センサ基板１６の磁石面側であって、上記で決定したZ値、X値の位置に感磁部（磁電変換素子であるセンサX、Yを組み込んだ感磁部、もしくは感磁部を内蔵するICパッケージ）を配置する。

以上の説明では、感磁部としてパターン生成されたMR薄膜や、集磁板を利用したシリコンホール素子を例としてあげているが、２個のホール素子を感磁面を直交させ、基板上でセンサ中心をできるだけ近づけた構成でもよい。

角度センサのシステムを説明する図である。 MR素子の感磁部パターンの一例を示す図である。特許文献１のFig2を示す図である。従来の角度センサによる角度計算原理を示す図である。本発明実施例の説明図である。磁束密度成分の回転角度依存性を示す図である。磁束密度成分ＢｘのＸ軸位置依存性を示す図である。磁束密度成分ＢｙのＸ軸位置依存性を示す図である。磁束密度ピーク値のＸ軸位置依存性を示す図である。角度誤差のＸ軸位置依存性を示す図である。磁束密度ピーク値のＸ軸位置依存性（Ｚ＝２．０）を示す図である。角度誤差のＺ軸位置依存性を示す図である。磁束密度成分Ｂｘ，Ｂｙピーク値の回転軸挿入による変化を示す図である。角度誤差のシャフト挿入による違いを示す図である。回転角度センサ組み立て例を示す図である。

符号の説明

１円板磁石
２磁電変換素子を内蔵したパッケージ
３基板
４磁気抵抗素子パターン
５パッド
６磁気収束板
７ホール素子部
８リング磁石
８Ａ磁気モーメントの方向
９ｘ，９ｙ磁電変換素子
１０リング磁石
１１貫通シャフト
１２ｘ X軸方向センサ
１２ｙ Y軸方向センサ
１３磁石
１４回転体支持部
１５回転シャフト
１６センサ基板
１７ハウジング

Claims

動径方向に着磁された円板状またはリング状の磁石と、前記磁石の表面の上方の空間点に設置された感磁部とを具え、前記感磁部が、前記磁石によって生じる磁束密度の当該磁石の表面に平行であり且つ互いに直交する２軸方向の成分Bx及びByを各々感磁する２つの磁電変換素子を有し、前記磁石の回転による前記空間点の磁束密度の変化を前記２つの磁電変換素子の出力値から求める角度センサにおいて、
前記磁電変換素子は、前記空間点が、前記磁石の周縁よりも内側にあり、当該空間点での前記成分Bx及びByの前記磁石の回転による変化の振幅絶対値が等しくなる位置に配置されていることを特徴とする角度センサ。