JP2010085389A - 角度センサ - Google Patents

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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