JP3637217B2

JP3637217B2 - 小型回転角度センサ

Info

Publication number: JP3637217B2
Application number: JP29049498A
Authority: JP
Inventors: 達次郎小暮
Original assignee: 株式会社緑測器
Priority date: 1998-10-13
Filing date: 1998-10-13
Publication date: 2005-04-13
Anticipated expiration: 2018-10-13
Also published as: JP2000121309A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回転角度に基づく磁界の変化を磁電変換素子等により非接触で検知して電気信号に変換する非接触型の回転角度センサに係り、さらに詳しくは磁電変換素子であるホール素子と付属回路とを小型一体化したハイブリッドホール素子ＩＣを使用した小型回転角度センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
非接触型の回転角度センサは、衛星放送テレビやロケット等の分野で回転、または揺動する送受信アンテナ等の回転角度を制御する装置において、回転角度を磁気的に非接触で検知して電気信号に変換する箇所に用いられている。
【０００３】
従来の回転角度センサは、図６の（ｂ）に示すように、ケース本体１００内の中央下半分に回転自在に２つのころがり軸受１０７，１０７で軸支された回転軸１０１と、この回転軸１０１の上部に嵌設されるマグネットホルダ１０６の側溝１０５に嵌合されるマグネット１０２と、磁気を検出し磁界の強さに応じた電圧が発生する図示しない磁電変換素子である十字形のホール素子と付属回路とを小型一体化したハイブリッドホール素子ＩＣ（以下、適宜ＨＩＣという）１０３とにより主要部が構成されている。
【０００４】
このＨＩＣ１０３は、インジウムアンチモン、シリコン等の半導体材料からなるホ−ル素子と、ホ−ル素子の出力電圧を増幅する増幅回路や、温度変化による出力電圧の誤差を補正する温度補償回路等からなる付属回路が一体化されてＩＣ化されたもので、横断面形状が長方形と長方形の長辺を下底とした逆台形に一体化した形状に樹脂等でパッケージ化されている。また、このＨＩＣ１０３は、マグネット１０２の側面の露出部に逆台形の上底側の面を近接対向して垂直にケ−ス本体１００内に保持されている。このＨＩＣ１０３には、外部に接続する３本の端子１０４が植設されている。
【０００５】
このＨＩＣ１０３に対向するマグネット１０２は、平面形状が円形である円柱であり、図６の（ａ）に示すように、合成樹脂製のマグネットホルダ１０６を使用して保持されている。このマグネットホルダ１０６は、左半分が略扇形、右半分が円形の形状をしており、回転軸１０１の上部に嵌設されてマグネット１０２を側溝１０５に嵌合させて保持するようになっている。
【０００６】
以上の構成からなる本発明の小型回転角度センサの作用について述べる。アクチュエ−タから図示しないア−ムシャフト等を介して回転力が回転軸１０１に伝達されると、回転軸１０１と一体的にマグネット１０２が回転してその磁界が変化する。磁界が変化すると、ＨＩＣ１０３の受ける磁力線の数（磁界の強度）が変化し、マグネット１０２の側面の露出部に近接して垂直に保持したＨＩＣ１０３中のホ−ル素子１０３Ａ（図７参照）に磁力線の数の変化に応じた電圧が発生し、これを図７に示すように、ＨＩＣ１０３中の増幅回路１０３Ｂで増幅して、出力電圧としてＨＩＣ１０３の端子１０４から外部に出力する。従って、この出力電圧の変化を検出することにより回転角度を検出することができる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の非接触型の回転角度センサは、平面形状が円形のマグネット１０２を使用する場合には、マグネットホルダ１０６を必ず設ける必要があり、その設置スペ−スが大きいため回転角度センサ本体が大きくなるという問題があった。
さらに、回転軸の軸心と円形のマグネットの中心との位置関係により、実用上使用できる出力電圧特性領域である回転角度対出力電圧比の直線部分（有効電気角）が敏感に変化するので、その直線部分を得るためには前記位置関係の位置決め精度を高める必要があり、そのために、前記マグネットホルダ１０６（これに形成した突起）が当接するストッパ１０８を必要としたが、このストッパ１０８はマグネットホルダ１０６の外径よりさらに外部へはみ出されるので回転角度センサ本体がさらに大きくなるという問題があった。
【０００８】
本発明は、以上説明した従来技術の問題点に鑑みてなされたものであって、回転角度センサ本体を小さくすることができ、実用上使用できる出力電圧特性領域である回転角度対出力電圧比の直線部分が得られる小型回転角度センサを提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、ホール素子と付属回路とが小型一体化されたハイブリッドホール素子ＩＣ（１０３）と、ケース本体内に回転自在に設けられた回転軸（２）の上部に直径方向に形成した側溝（３）に、円弧面が回転軸（２）の周面に沿うように配設して嵌合された、半円形のマグネット（１）とからなり、前記ハイブリッドホール素子ＩＣ（１０３）が、前記半円形のマグネット（１）の露出した円弧面に、一定の間隔を置いて近接対向してケース本体内に保持され、前記回転軸（２）の軸心Ｏと前記半円形のマグネット（１）の円弧の弦の中点Ｐとを結ぶ線上に、前記半円形のマグネット（１）の円弧の弦の中点Ｐが、前記回転軸（２）の軸心Ｏから前記半円形のマグネット（１）の円弧面と反対側に偏心して構成されたことを特徴とする小型回転角度センサとしたものである。
前記の構成により、回転軸（２）の軸心Ｏと半円形のマグネット（１）の円弧の弦の中点Ｐを好適に偏心させることにより、小型回転角度センサの実用上使用できる出力電圧特性領域である回転角度対出力電圧比の直線部分を得ることが可能となるものである。
また、平面形状が円形のマグネット（１）では、従来必要であったマグネットホルダが不要になり、回転角度センサ本体の小型化が可能となるものである。
【００１０】
また、請求項２に係る発明は、ホール素子と付属回路とが小型一体化されたハイブリッドホール素子ＩＣ（１０３）と、ケース本体内に回転自在に設けられた回転軸（７）の上部に直径方向に形成した側溝（８）に、円弧面が回転軸（７）の周面に沿うように配設して嵌合された、一辺が円弧で置き換えられた擬似四辺形状のマグネット（６）とからなり、前記ハイブリッドホール素子ＩＣ（１０３）が、前記擬似四辺形状のマグネット（６）の露出した円弧面に、一定間隔を置いて近接対向してケース本体内に保持され、前記回転軸（７）の軸心Ｏと前記擬似四辺形状のマグネット（６）の円弧に対向する辺の中点Ｐとを結ぶ線上に、前記擬似四辺形状のマグネット（６）の円弧に対向する辺の中点Ｐが、前記回転軸（７）の軸心Ｏから前記擬似四辺形状のマグネット（６）の円弧面と反対側に偏心して構成されたことを特徴とする小型回転角度センサとしたものである。
前記の構成によっても、回転軸（７）の軸心Ｏと前記擬似四辺形状のマグネット（６）の円弧に対向する辺の中点Ｐとを結ぶ線上に、前記中点Ｐが、前記回転軸（７）の軸心Ｏから前記擬似四辺形状のマグネット（６）の円弧面と反対側に偏心させることにより、小型回転角度センサの実用上使用できる出力電圧特性領域である回転角度対出力電圧比の直線部分を得ることが可能となるものである。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る非接触型の回転角度センサにおける本発明の実施の形態を図１乃至図５に基づいて詳細に説明する。
図１の（ａ）は本発明の第一実施の形態である小型回転角度センサの、回転軸に保持した平面形状が半円形のマグネットとハイブリッドホール素子ＩＣとを対向して配設させた場合の横断面図、（ｂ）は（ａ）の正面図、（ｃ）は半円形のマグネットの外形斜視図、（ｄ）は回転軸に保持した平面形状が半円形のマグネットとハイブリッドホール素子ＩＣとを対向して配設させた場合の斜視図である。
図２の（ａ）は本発明の第一実施の形態である小型回転角度センサの回転軸の軸心と半円形のマグネットの円弧の弦の中点が一致する場合の磁力線の軌跡、（ｂ）は回転軸の軸心と半円形のマグネットの円弧の弦の中点が偏心する場合の磁力線の軌跡である。
【００１２】
図３の（ａ）は本発明の第二実施の形態である小型回転角度センサの、回転軸に保持した、一辺が円弧で置き換えられた擬似四辺形状のマグネットとハイブリッドホール素子ＩＣとを対向して配設させた場合の横断面図、（ｂ）は（ａ）の正面図、（ｃ）は一辺が円弧で置き換えられた擬似四辺形状のマグネットの外形斜視図。（ｄ）は回転軸に保持した、一辺が円弧で置き換えられた擬似四辺形状のマグネットとハイブリッドホール素子ＩＣとを対向して配設させた場合の斜視図である。
図４の（ａ）は本発明の第二実施の形態である小型回転角度センサの回転軸の軸心と、前記一辺が円弧で置き換えられた擬似四辺形状のマグネットの円弧に対向する辺の中点が一致する場合の磁力線の軌跡、（ｂ）は回転軸の軸心と、前記一辺が円弧で置き換えられた擬似四辺形状のマグネットの円弧に対向する辺の中点が偏心する場合の磁力線の軌跡である。
図５は本発明の実施の形態である小型回転角度センサの出力電圧特性図である。
【００１３】
本発明の小型回転角度センサの構成は、図６の（ｂ）に示す従来の構成と略同じ構成部材からなるので、図６の（ｂ）を参照して、以下同じ部材については同じ符号を付け説明する。本発明の小型回転角度センサの第一実施の形態では、ケース本体１００内の中央下半分に回転自在に２つのころがり軸受１０７，１０７で軸支された回転軸２の上部に直径方向に形成した側溝３に、図１に示すように、半円形のマグネット１が、その円弧面が回転軸２の周面に沿うように配設して嵌合されて保持され、一方、ハイブリッドホール素子ＩＣ（以下、ＨＩＣという）１０３が、前記半円形のマグネット１の露出した円弧面に、一定の間隔を置いて近接対向して前記ケース本体１００内に保持され、かつ、前記回転軸２の軸心Ｏと前記半円形のマグネット１の円弧の弦の中点Ｐとを結ぶ線上に、前記半円形のマグネット１の円弧の弦の中点Ｐが、回転軸２の軸心Ｏから前記半円形のマグネット１の円弧面と反対側に偏心して嵌合されて保持して、小型回転角度センサが構成されたものである。
前記半円形のマグネット１は、図６に示すような従来の円形のマグネット１０２に比べて大きさが半分になり、回転軸２の上部に直径方向に形成した側溝３に嵌合して保持するので、従来のように、前記円形のマグネット１０２の正確な位置決めのために使用したマグネットホルダ１０６が不要となるものである。そのため、回転軸２の上部の構造が単純化され、しかも、コストも低減されるものである。さらに、半円形のマグネット１も回転軸２の外径より外部に突出しないので一層の小型化が可能になる。
【００１４】
次に、本発明の第一実施の形態である回転軸２の軸心と半円形のマグネット１の円弧の弦の中点Ｐとを結ぶ線上に、前記半円形のマグネット１の円弧の弦の中点Ｐが、回転軸２の軸心Ｏから前記半円形のマグネット１の円弧面と反対側に偏心させた場合の小型回転角度センサの作用を図２に基づいて説明する。
まず、図２の（ａ）に示すように、回転軸２の軸心Ｏと半円形のマグネット１の円弧の弦の中点Ｐを一致させた場合の磁力線の軌跡は、理想的な軌跡４に対して実際の軌跡５が一致しないため、ＨＩＣ１０３の出力電圧特性は図５の破線Ｑで示すような曲線の出力電圧特性となり、小型回転角度センサの実用上使用できる出力電圧特性領域で、回転角度対出力電圧比のカ−ブが大きく、直線精度の低いものとなる。
【００１５】
一方、回転軸２の軸心Ｏと半円形のマグネット１の円弧の弦の中点Ｐとを結ぶ線上に、前記半円形のマグネット１の円弧の弦の中点Ｐが、回転軸２の軸心Ｏから前記半円形のマグネット１の円弧面と反対側に偏心した場合の磁力線の軌跡は、図２の（ｂ）に示すように、理想的な軌跡４に対して、実際の軌跡５も同一の軌跡となり、図５の実線Ｒで示すような、小型回転角度センサの実用上使用できる出力電圧特性領域で、回転角度対出力電圧比の直線部分が得られるものである。
【００１６】
上述のように、本発明の小型回転角度センサは、半円形のマグネット１が、回転軸２の上部に直径方向に形成した側溝３に、その円弧面が回転軸２の周面に沿うように配設して嵌合保持されることによって、従来のような位置決め用のマグネットホルダが不要となり、小型化が可能となり、しかも、回転軸２の軸心Ｏと半円形のマグネット１の円弧の弦の中点Ｐとを結ぶ線上に、前記半円形のマグネット１の円弧の弦の中点Ｐが、回転軸２の軸心Ｏから前記半円形のマグネット１の円弧面と反対側に偏心すれば、小型回転角度センサの実用上使用できる出力電圧特性領域で、回転角度対出力電圧比のカ−ブの直線部分（有効電気角）が得られるものである。
【００１７】
次に、本発明に係る小型回転角度センサの第二実施の形態を図３に基づいて詳細に説明する。この第二実施の形態で用いるマグネット６は、図３に示すように、一辺が円弧で置き換えられた擬似四辺形状のマグネットとしたものである。この擬似四辺形状のマグネット６を、回転軸７の上部に直径方向に形成した側溝８に、回転軸７の軸心Ｏと擬似四辺形状のマグネット６の円弧に対向する辺の中点Ｐとを結ぶ線上に、前記中点Ｐが、回転軸７の軸心Ｏから前記擬似四辺形状のマグネット６の円弧面と反対側に適宜に偏心させて嵌合して保持する。また、ＨＩＣ１０３が、前記擬似四辺形状のマグネット６の露出した円弧面に、一定間隔を置いて近接対向して前記ケース本体内に保持されて小型回転角度センサが構成される。
この第二実施の形態の小型回転角度センサにおいても、回転軸７の上部に直径方向に形成した側溝８に嵌合して、前記擬似四辺形状のマグネット６を保持するので、従来のように、前記円形のマグネット１０２の正確な位置決めのために使用したマグネットホルダ１０６が不要となるものである。そのため、回転軸７の上部の構造が単純化され、しかもコストも低減されるものである。
【００１８】
次に、本発明の第二実施の形態の小型回転角度センサの作用を、図４に基づいて説明する。まず、図４の（ａ）に示すように、回転軸７の軸心Ｏと擬似四辺形状のマグネット６の円弧に対向する辺の中点Ｐとを結ぶ線上に、前記中点Ｐが、回転軸７の軸心Ｏと一致するように、擬似四辺形状のマグネット６を回転軸７の側溝８に嵌合して保持した場合の磁力線の軌跡は、理想的な軌跡９に対して実際の軌跡１０が一致しないため、ＨＩＣ１０３の出力電圧特性は図５の破線Ｑで示すような曲線の出力電圧特性となり、小型回転角度センサの実用上使用できる出力電圧特性領域で、回転角度対出力電圧比のカ−ブが大きく、直線精度が低くなる。
【００１９】
一方、図４の（ｂ）に示すように、回転軸７の軸心Ｏと擬似四辺形状のマグネット６の円弧に対向する辺の中点Ｐとを結ぶ線上に、前記中点Ｐが、回転軸７の軸心Ｏから前記擬似四辺形状のマグネット６の円弧面と反対側に適宜に偏心させて、擬似四辺形状のマグネット６を回転軸７の側溝８に嵌合して保持した場合の磁力線の軌跡は、理想的な軌跡９に対して、実際の軌跡１０も同一の軌跡となり、図５の実線Ｒで示すような、小型回転角度センサの実用上使用できる出力電圧特性領域で、回転角度対出力電圧比の直線部分が得られるものである。
【００２０】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明の請求項１および請求項２に係る小型回転角度センサによれば、以下のような効果が得られる。
（１）半円形のマグネット、または一辺が円弧で置き換えられた擬似四辺形状のマグネットを、回転軸の上部に直径方向に形成した側溝に嵌合して保持したので、従来のように、前記円形のマグネットの正確な位置決めのために使用したマグネットホルダが不要となり、そのため、回転軸の上部の構造が単純化されて小型回転角度センサになり、しかも、コストも低減されるものである。
（２）回転軸の軸心と半円形のマグネットの円弧の弦の中点とを結ぶ線上に、前記半円形のマグネットの円弧の弦の中点が、回転軸の軸心から前記半円形のマグネットの円弧面と反対側に適宜に偏心させて、半円形のマグネットを回転軸の上部に直径方向に形成した側溝に嵌合して保持した場合の、半円形のマグネットの磁力線の軌跡は、理想的な軌跡に対して、実際の軌跡も同一の軌跡となり、小型回転角度センサの実用上使用できる出力電圧特性領域で、回転角度対出力電圧比のカ−ブの直線部分（有効電気角）が得られるものである。
（３）回転軸の軸心と擬似四辺形状のマグネットの円弧に対向する辺の中点とを結ぶ線上に、前記中点が、回転軸の軸心から前記擬似四辺形状のマグネットの円弧面と反対側に適宜に偏心させて、擬似四辺形状のマグネットを回転軸の上部に直径方向に形成した側溝に嵌合して保持した場合の、擬似四辺形状のマグネットの磁力線の軌跡も、理想的な軌跡に対して、実際の軌跡も同一の軌跡となり、小型回転角度センサの実用上使用できる出力電圧特性領域で、回転角度対出力電圧比のカ−ブの直線部分（有効電気角）が得られるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）本発明の第一実施の形態である小型回転角度センサの横断面図である。
（ｂ）同正面図である。
（ｃ）本発明の第一実施の形態の構成部材であるマグネットの外形斜視図である。
（ｄ）本発明の第一実施の形態である小型回転角度センサの斜視図である。
【図２】（ａ）本発明の第一実施の形態である小型回転角度センサの回転軸の軸心と半円形のマグネットの弦の中点が一致する場合の磁力線の軌跡である。
（ｂ）小型回転角度センサの回転軸の軸心と半円形のマグネットの弦の中点が偏心する場合の磁力線の軌跡である。
【図３】（ａ）本発明の第二実施の形態である小型回転角度センサの横断面図である。
（ｂ）同正面図である。
（ｃ）本発明の第二実施の形態の構成部材であるマグネットの外形斜視図である。。
（ｄ）本発明の第二実施の形態である小型回転角度センサの斜視図である。
【図４】（ａ）本発明の第二実施の形態である小型回転角度センサの回転軸の軸心と擬似四辺形状のマグネットの円弧に対向する辺の中点とを結ぶ線上に、前記中点が、回転軸の軸心に一致する場合の磁力線の軌跡である。
（ｂ）本発明の第二実施の形態である小型回転角度センサの回転軸の軸心と擬似四辺形状のマグネットの円弧に対向する辺の中点とを結ぶ線上に、前記中点が、回転軸の軸心から前記擬似四辺形状のマグネットの円弧面と反対側に適宜に偏心する場合の磁力線の軌跡である。
【図５】本発明の実施の形態である小型回転角度センサの出力電圧特性図である。
【図６】（ａ）従来の回転角度センサの横断面図である。
（ｂ）図６（ａ）のＡ−Ａ断面図である。
【図７】従来の回転角度センサの測定原理説明図である。
【符号の説明】
１半円形のマグネット
２回転軸
３側溝
４理想的な軌跡
５実際の軌跡
６擬似四辺形状のマグネット
７回転軸
８側溝
９理想的な軌跡
１０実際の軌跡
１０３ＨＩＣ（ハイブリッドホ−ル素子ＩＣ）
Ｏ回転軸の軸心
Ｐ半円形のマグネットの円弧の弦の中点
Ｐ擬似四辺形状のマグネットの円弧に対向する辺の中点
Ｑ破線
Ｒ実線
Ｓ磁極のＳ極
Ｎ磁極のＮ極

Claims

ホール素子と付属回路とが小型一体化されたハイブリッドホール素子ＩＣ（１０３）と、ケース本体内に回転自在に設けられた回転軸（２）の上部に直径方向に形成した側溝（３）に、円弧面が回転軸（２）の周面に沿うように配設して嵌合された、半円形のマグネット（１）とからなり、
前記ハイブリッドホール素子ＩＣ（１０３）が、前記半円形のマグネット（１）の露出した円弧面に、一定の間隔を置いて近接対向してケース本体内に保持され、
前記回転軸（２）の軸心Ｏと前記半円形のマグネット（１）の円弧の弦の中点Ｐとを結ぶ線上に、前記半円形のマグネット（１）の円弧の弦の中点Ｐが、前記回転軸（２）の軸心Ｏから前記半円形のマグネット（１）の円弧面と反対側に偏心して構成されたことを特徴とする小型回転角度センサ。
ホール素子と付属回路とが小型一体化されたハイブリッドホール素子ＩＣ（１０３）と、ケース本体内に回転自在に設けられた回転軸（７）の上部に直径方向に形成した側溝（８）に、円弧面が回転軸（７）の周面に沿うように配設して嵌合された、一辺が円弧で置き換えられた擬似四辺形状のマグネット（６）とからなり、
前記ハイブリッドホール素子ＩＣ（１０３）が、前記擬似四辺形状のマグネット（６）の露出した円弧面に、一定間隔を置いて近接対向してケース本体内に保持され、
前記回転軸（７）の軸心Ｏと前記擬似四辺形状のマグネット（６）の円弧に対向する辺の中点Ｐとを結ぶ線上に、前記擬似四辺形状のマグネット（６）の円弧に対向する辺の中点Ｐが、前記回転軸（７）の軸心Ｏから前記擬似四辺形状のマグネット（６）の円弧面と反対側に偏心して構成されたことを特徴とする小型回転角度センサ。