JP2013002835A

JP2013002835A - 回転角度検出装置

Info

Publication number: JP2013002835A
Application number: JP2011131204A
Authority: JP
Inventors: Arata Takahashi; 新高橋
Original assignee: Asahi Kasei Electronics Co Ltd
Current assignee: Asahi Kasei Electronics Co Ltd
Priority date: 2011-06-13
Filing date: 2011-06-13
Publication date: 2013-01-07

Abstract

【課題】磁電変換素子を備える回転角度検出装置であって、回転軸ずれや磁石の偏心に起因する角度誤差を抑制することのできる回転角度検出装置を提供すること。
【解決手段】回転角度検出装置４００は、センサ実装基板７上の、第１及び第２の磁電変換素子を備えるセンサパッケージ６と、所定の回転軸８に対して回転する磁石５とを備える。センサパッケージ６が有する第１及び第２の磁電変換素子は、例えば図２に示したように、センサチップに設けられ、センサチップの表面に水平な磁場を検知することができる。磁石の回転軸８は、当該センサチップの表面に垂直な方向に配置されている。回転角度検出装置４００では、磁石５として、センサチップの表面に平行な方向に着磁方向を有するものを用いる。磁石５は、さらに、着磁方向の最大長さが、着磁方向および回転軸に垂直な方向の最大長さよりも短い。
【選択図】図４（ａ）

Description

本発明は、回転角度検出装置に関し、より詳細には、磁電変換素子を備える回転角度検出装置に関する。

従来の回転角度の検出方法として、磁電変換素子が設けられたセンサチップの表面に対して水平な磁場を磁石により印加し、当該磁石の回転軸回りの絶対角度を検出する方法がある。磁電変換素子としては、ホール素子、磁気収束板を用いたホール素子（特許文献１参照）、縦型ホール素子（特許文献２参照）、磁気抵抗素子等が挙げられる。

ホール素子を用いた例としては、少なくとも２つのホール素子を、それぞれの感磁面が上記磁場に対して異なる方向を向いた状態で設置する。このとき、ホール素子から出力される異なる位相の正弦波を用いて絶対角度を算出することができる。

また、特許文献２に記載の縦型ホール素子は、センサチップの表面に対して垂直に電流を印加し、当該表面に水平な一軸方向の磁場を検出することが可能なホール素子である。この縦型ホール素子を少なくとも２つ異なる方向を向けて設置し、それらの素子から出力される異なる位相の正弦波を用い絶対角度を算出することができる。

また、図２（ａ）及び２（ｂ）のような軟磁性体薄膜の磁気収束板１４の近傍にホール素子１６のある構成において、図２（ｃ）は、ｘ方向に水平な磁場が印加された際の磁力線を表わしている。水平方向の磁場を、磁気収束板１４がホール素子１６の感じることのできるホール素子感磁面に垂直な磁場に変換している。図２（ｄ）のような磁場が印加された際、各ホール素子１６（ｘ＋）、１６（ｘ−）、１６（ｙ＋）、１６（ｙ−）からの出力差動電圧Ｖ（１６（ｘ＋））、Ｖ（１６（ｘ−））、Ｖ（１６（ｙ＋））、Ｖ（１６（ｙ−））は、次式（１）に従うような正弦波電圧および余弦波電圧である。

Ｖ（１６（ｘ＋））＝Ａ×ｃｏｓθ
Ｖ（１６（ｘ−））＝−Ａ×ｃｏｓθ （１）
Ｖ（１６（ｙ＋））＝Ａ×ｓｉｎθ
Ｖ（１６（ｙ−））＝−Ａ×ｓｉｎθ
ここで、Ａは比例定数、θは図２（ｄ）記載の磁場印加角度である。これらの出力電圧を次式（２）のように差分をとることにより、Ｘ側、Ｙ側の信号Ｖｘ、Ｖｙを作り出す。

Ｖｘ＝Ｖ（１６（ｘ＋））−Ｖ（１６（ｘ−））＝２Ａ×ｃｏｓθ （２）
Ｖｙ＝Ｖ（１６（ｙ＋））−Ｖ（１６（ｙ−））＝２Ａ×ｓｉｎθ
ここで作り出される信号Ｖｘ、Ｖｙを用いて絶対角度を算出する。

また、センサチップの表面に対して水平な磁場を検出する異方性磁気抵抗素子（ＡｎｉｓｏｔｒｏｐｉｃＭａｇｎｅｔｏＲｅｓｉｓｔａｎｃｅ：ＡＭＲ）、巨大磁気抵抗素子（ＧｉａｎｔＭａｇｎｅｔｏＲｅｓｉｓｔａｎｃｅ：ＧＭＲ）、トンネル磁気抵抗素子（ＴｕｎｎｅｌＭａｇｎｅｔｏＲｅｓｉｓｔａｎｃｅ：ＴＭＲ）のような磁気抵抗素子を磁電変換素子として用いる場合も、上述したホール素子や縦型ホール素子と同様に検出方向を変えた少なくとも２つの素子を配置し、位相の異なる正弦波電圧を用いることにより回転角度を算出することができる。

信号処理としては、２つの磁電変換素子が回転軸を中心として直交する２軸で磁場を検知し、これらの磁電変換素子から出力される２種類の位相の異なる正弦波信号が正弦と余弦の関係である場合、次式（３）のように除算し、アークタンジェントをとることにより絶対角度を算出できる。

θ＝ａｒｃｔａｎ（ｓｉｎθ/ｃｏｓθ）（３）
式（３）のθは、任意のｘ軸から反時計回りの角度を表わす。

このように、磁電変換素子を備える回転角度検出装置が既に複数知られているが、実用上は、回転角度検出装置を組み立てる際に、理想的な構成状態である図１（ａ）ではなく、図１（ｂ）のようなセンサパッケージの中心と磁石の回転軸との相対的なずれや、図１（ｃ）のような磁石の偏心により、角度誤差が生じてしまう。磁電変換素子を有するセンサパッケージ１の中心と、磁石４の中心２と、磁石４の回転軸３とが直線上に並んでいればよいが、センサパッケージ１がずれたり、回転軸３がずれたりすると誤差が生まれる。

過去に特許文献３で提案された回転角度センサの構成は、磁電変換素子の位置ずれには強いが、磁石やセンサを２つ使うなどコスト高になる傾向がある。

また、その他には、特許文献４のような構成の回転角度検出方式が提案されている。この方式では、磁性体の厚みを巧みに変化させて、磁電変換素子に対して磁場を均一にかけることを可能にし、位置ずれの誤差を低減させることが可能となっている。しかし、この構成は、複雑な磁気回路が必要となり、一般に安価で汎用性が高い構成とすることが困難である。

国際公開第２００３／０８１１８２号特開２００６−３２３９６号公報特開２００６−４７２２７号公報特開２００５−３５９０号公報

上述した特許文献３及び４の構成は、回転軸ずれの影響を抑えようとすると複雑になり、キャリブレーションの必要性や大きな回転角度検出装置になることが指摘され、副次的にコスト高になることが予想される。

さらに、従来の円形磁石下の水平磁場を検知する磁気抵抗素子、縦型ホール素子、磁気収束板を用いたホール素子のような方式では、回転軸ずれや偏心に対して大きな角度誤差が現れるという問題がある。この構成は、特にセンサと対向する面における面積の小さな径方向着磁円柱磁石の回転軸が変化した際や、磁石が偏心しているなどの際には角度誤差が発生し、その大きさは少なくない。例えば直径７ｍｍ、厚み２ｍｍの径方向着磁円柱磁石においてｘ方向に回転軸ずれが起こった場合には図３（ａ）、偏心の中心がｘ方向に−０．２ｍｍで回転した場合は図３（ｂ）のような角度誤差となる。

また、今後、希土類元素等の希少元素の枯渇等の資源問題を含んでおり、回転角度検出装置における磁石の小型化が要求されている。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的は、磁電変換素子を備える回転角度検出装置であって、回転軸ずれや磁石の偏心に起因する角度誤差を抑制することのできる回転角度検出装置を提供することにある。

このような目的を達成するために、本発明の第１の態様は、センサチップに設けられ、前記センサチップの表面に水平な磁場を検知するための第１及び第２の磁電変換素子と、前記センサチップの前記表面に平行な方向に着磁方向を有し、前記センサチップの前記表面に垂直な方向の回転軸を中心に回転する磁石とを備え、前記第１及び第２の磁電変換素子から出力される位相の異なる正弦波信号を用いて前記磁石の回転角度が算出され、前記磁石は、前記着磁方向の最大長さが、前記着磁方向および前記回転軸に垂直な方向の最大長さよりも短いことを特徴とする回転角度検出装置である。

また、本発明の第２の態様は、第１の態様において、前記磁石が二極直方体磁石であり、前記着磁方向に短辺、前記着磁方向および前記回転軸に垂直な方向に長辺を有することを特徴とする。

また、本発明の第３の態様は、第２の態様において、前記短辺の長さに対する前記長辺の長さが２以上１０以下であることを特徴とする。

また、本発明の第４の態様は、第３の態様において、前記短辺の長さに対する前記長辺の長さが４以上１０以下であることを特徴とする。

また、本発明の第５の態様は、第１から第４のいずれかの態様において、前記第１及び第２の磁電変換素子が、前記回転軸を中心として直交する２軸で前記磁場を検知するように配置されていることを特徴する。

また、本発明の第６の態様は、第１から第５のいずれかの態様において、前記第１及び第２の磁電変換素子が、軟磁性体材料で構成されている磁気収束板近傍に配置されたホール素子であることを特徴とする。

また、本発明の第７の態様は、第１から第６のいずれかの態様において、前記センサチップがシリコン基板であり、前記ホール素子は前記センサチップ上に他の演算回路とともに集積されていることを特徴とする。

本発明によれば、着磁方向の最大長さが、着磁方向および回転軸に垂直な方向の最大長さよりも短い磁石を用いることにより、磁電変換素子を備える回転角度検出装置であって、回転軸ずれや磁石の偏心に起因する角度誤差を抑制することができる。

回転角度検出装置を組み立てる際の理想的な構成状態を示す図であり、（ａ−１）は上面図、（ａ−２）は側面図である。回転角度検出装置を組み立てる際に回転軸ずれが生じた状態を示す図であり、（ｂ−１）は上面図、（ｂ−２）は側面図である。回転角度検出装置を組み立てる際に回転軸が偏心している状態を示す図であり、（ｃ−１）は上面図、（ｃ−２）は側面図である。従来の磁気収束板とホール素子を用いた回転角度検出装置を説明するための図である。従来の磁気収束板とホール素子を用いた回転角度検出装置を説明するための図である。従来の磁気収束板とホール素子を用いた回転角度検出装置を説明するための図である。従来の磁気収束板とホール素子を用いた回転角度検出装置を説明するための図である。従来の回転角度検出装置における回転軸ずれによる角度誤差を示す図である。従来の回転角度検出装置における偏心による角度誤差を示す図である。本発明の一実施形態に係る回転角度検出装置を一方向から示す図である。本発明の一実施形態に係る回転角度検出装置を図４（ａ）と直交する方向から示す図である。図４（ａ）及び４（ｂ）の磁石５の具体例を示す図である。磁石の種類を変えてアスペクト比ａ／ｂと角度誤差との関係を評価した結果を示す図である。偏心の角度誤差に与える影響を説明するための図であり、（ａ−１）は上面図、（ａ−２）は側面図である。従来の円柱磁石と本発明で用いる直方体磁石について、偏心と角度誤差との関係を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
図４（ａ）及び４（ｂ）に、本発明の一実施形態に係る回転角度検出装置を示す。回転角度検出装置４００は、センサ実装基板７上の、第１及び第２の磁電変換素子を備えるセンサパッケージ６と、所定の回転軸８に対して回転する磁石５とを備える。

センサパッケージ６が有する第１及び第２の磁電変換素子は、例えば図２に示したように、センサチップに設けられ、センサチップの表面に水平な磁場を検知することができる。磁石の回転軸８は、当該センサチップの表面に垂直な方向に配置されている。上述したように、第１及び第２の磁電変換素子から出力される位相の異なる正弦波信号を用いて磁石５の回転角度が算出される。

本実施形態に係る回転角度検出装置４００では、磁石５として、センサチップの表面に平行な方向（図４（ａ）及び４（ｂ）におけるＸＹ平面内の方向）に着磁方向を有するものを用いる。磁石５は、さらに、着磁方向（図４（ａ）のＸ方向）の最大長さが、着磁方向および回転軸に垂直な方向（図４（ｂ）のＹ方向）の最大長さよりも短いことを特徴とする。このような磁石５を用いることで、言わば、幅の広いベクトルというような、センサチップの表面の広い範囲に対して同一方向の水平磁場を作り出すことができ、回転軸ずれや磁石の偏心の角度誤差への影響を著しく低減することができる。

なお、本実施形態において「回転軸」とは、磁石５の重心付近を通り、センサチップの表面に垂直な直線を指すものとする。幾何学上の正確な重心点だけでなく、その近傍も含むため、回転軸ずれ等による角度誤差が発生しうることを想定している。

図５に、磁石５の具体例を示す。図５に示すように、高いアスペクト比（ａ＞ｂ）を有する二極直方体磁石を用いることができる。ここで、着磁方向はＸ方向であり、着磁方向Ｘの最大長さｂが、着磁方向Ｘおよび回転軸Ｚに垂直な方向Ｙの最大長さａよりも短い。言い換えると、長辺ではなく、短辺の方向に着磁がなされている。「直方体磁石」といっても、完全な直方体に限定されるものではなく、直方体の頂点部が丸みを帯びた形状等が含まれることを理解されたい。

図６に、磁石の種類を変えてアスペクト比ａ／ｂと角度誤差との関係を測定した結果を示す。すべての結果は、磁石５の回転軸ずれが０．５ｍｍという条件下で得られたものである。センサパッケージ６内の磁電変換素子としては、図２に示した磁気収束板下側部にホール素子を構成したものを用いた。

ポイントＨは、従来の径方向着磁を行った二極円柱磁石を用いた場合で、直径５ｍｍ、厚み２ｍｍとした。図６の表記の際、その他のデータと比べる為、ａ／ｂ＝１の点をｘ座標とした。ポイントＩは、直径を７ｍｍ、ポイントＪは、直径を１０ｍｍとして、ポイントＨと同様にプロットした。

ポイントＫは、ポイントＪで用いた直径１０ｍｍ、厚み２ｍｍの径方向着磁二極円柱磁石とほぼ同等の角度誤差を１／４の体積で与える本発明に係る直方体磁石のアスペクト比（ａ／ｂ＝７）を示す。

ポイントＬは、ポイントＨで用いた直径５ｍｍ、厚み２ｍｍの径方向着磁二極円柱磁石とアスペクト比ａ／ｂ＝５において同じ体積となる本発明に係る直方体磁石の角度誤差を示す。ポイントＭは、ポイントＩで用いた直径７ｍｍ、厚み２ｍｍの径方向着磁二極円柱磁石とアスペクト比ａ／ｂ＝５において同じ体積となる本発明に係る直方体磁石の角度誤差を示し、ポイントＮは、ポイントＪで用いた直径１０ｍｍ、厚み２ｍｍの径方向着磁二極円柱磁石とアスペクト比ａ／ｂ＝５において同じ体積となる本発明に係る直方体磁石の角度誤差を示す。

ライン９は、ポイントＨで用いた直径５ｍｍ、厚み２ｍｍの径方向着磁二極円柱磁石とｃ＝２において同じ体積となる直方体磁石に関し、アスペクト比ａ／ｂを変化させた際の角度誤差を表わす。ライン１０は、ポイントＩで用いた直径７ｍｍ、厚み２ｍｍの径方向着磁二極円柱磁石とｃ＝２において同じ体積となる直方体磁石に関し、アスペクト比ａ／ｂを変化させた際の角度誤差を表わす。ライン１１は、ポイントＪで用いた直径１０ｍｍ、厚み２ｍｍの径方向着磁二極円柱磁石とｃ＝２において同じ体積となる直方体磁石に関し、アスペクト比ａ／ｂを変化させた際の角度誤差を表わす。

図６から、直径５ｍｍ、厚み２ｍｍの径方向着磁二極円柱磁石とｃ＝２において同じ体積となる直方体磁石に関し、アスペクト比を１０とすることで、角度誤差を１／６以下にできることが分かる。アスペクト比ａ／ｂ＝５のパラメータを用いたポイントＬ、Ｍ、Ｎは、それぞれポイントＨ、Ｉ、Ｊで用いた円柱磁石と同じ体積の直方体磁石であるが、軸ずれの影響を著しく抑えることを実現し、同一体積の円柱磁石Ｈ、Ｉ、Ｊに比べてＬは約1／３、Ｍは約１／３．３、Ｎは約１／３．５にまで角度誤差を低減させている。

特に、アスペクト比ａ／ｂが２以上であると、従来の円柱磁石と比較して有利な効果があり、４以上であることがより好ましい。しかし、小型化の要求を鑑みると、現実的な大きさとしてはアスペクト比ａ／ｂが１０以下であることが好ましい。

また、本発明により、円柱磁石よりも質量が小さく、コストの低い直方体磁石で回転角度センサ系を構成することを実現できる。現市場では一般的に、直方体磁石の方が円柱磁石よりも安価で、かつ作製における無駄が少ないことが知られている。例えば、ポイントＫを見ると、アスペクト比ａ／ｂ＝７にすることにより、体積が１／４にもかかわらず回転軸ずれに対して同等以上の性能を持たせることができる。このように、使用する磁石の体積を減らしても回転軸ずれ等に起因する角度誤差が増大しないことから、使用磁石の小型化を実現でき、副次的に回転角度検出装置の低コスト化になる。磁石材料として、高価な希土類元素や希少金属を用いるネオジム磁石、サマリウムコバルト磁石やアルニコ磁石等が用いられるため、簡便な構成により磁石の体積を低減させることのできる本発明に係る回転角度検出装置の意義は大きい。

また、本発明により、円柱磁石ではＤカットなどの加工をしなければ着磁方向が見分けにくい点も、直方体磁石を用いることにより簡便な方向決定が実現できる。

図７（ｂ）に、偏心の角度誤差への影響を示しており、ライン１２が直径７ｍｍ、厚み２ｍｍの円柱磁石、ライン１３がアスペクト比ａ／ｂ＝３．５、ａ＝１１．６、ｂ＝３．３、ｃ＝２の直方体磁石である。図７の横軸は、磁石の重心と回転軸のＸ軸方向（図７（ａ）参照）へのずれである。この図から明らかなように体積が同じ磁石を用いているが、直方体磁石の方が明らかに偏心に対しても高い耐性を実現した。

なお、上述の説明は、磁電変換素子の具体例としてホール素子を用いたが、縦型ホール素子、ＡＭＲ、ＧＭＲ、ＴＭＲ等においても効果的であることに留意されたい。

また、磁石形状が楕円体等であっても、着磁方向の最大長さがその方向に垂直な最大長さに比べて短い立体であればよい。

また、角度算出方法は、電子計算機に用いられるＣＯＲＤＩＣ（ＣＯｏｒｄｉｎａｔｅＲｏｔａｔｉｏｎＤＩｇｉｔａｌＣｏｍｐｕｔｅｒ）アルゴリズムやレゾルバからの信号を回転角度に変換するＲＤ変換ＩＣに用いられるようなアルゴリズム等であっても同様である。センサチップをシリコン基板で構成し、センサチップ上にホール素子等の磁電変換素子と、角度算出のための他の演算回路を集積させてもよい。

この方式は、回転軸端使用型水平磁場検知の非接触回転角度センサにおいて低コスト・小型で、かつ取り付け・方向検知が容易な構成を実現した。この形態のセンサ構成は、非常に簡便かつ低コストであり、例えばローテーションスイッチ、ポテンショメータ、入力デバイスなどに利用可能である。

５磁石
６センサパッケージ
７センサ実装基板
８回転軸
１４磁気収束板
１５センサチップ
１６ホール素子
４００回転角度検出装置

Claims

センサチップに設けられ、前記センサチップの表面に水平な磁場を検知するための第１及び第２の磁電変換素子と、
前記センサチップの前記表面に平行な方向に着磁方向を有し、前記センサチップの前記表面に垂直な方向の回転軸を中心に回転する磁石と
を備え、
前記第１及び第２の磁電変換素子から出力される位相の異なる正弦波信号を用いて前記磁石の回転角度が算出され、
前記磁石は、前記着磁方向の最大長さが、前記着磁方向および前記回転軸に垂直な方向の最大長さよりも短いことを特徴とする回転角度検出装置。
前記磁石は、二極直方体磁石であり、前記着磁方向に短辺、前記着磁方向および前記回転軸に垂直な方向に長辺を有することを特徴とする請求項１記載の回転角度検出装置。
前記短辺の長さに対する前記長辺の長さが２以上１０以下であることを特徴とする請求項２記載の回転角度検出装置。
前記短辺の長さに対する前記長辺の長さが４以上１０以下であることを特徴とする請求項３記載の回転角度検出装置。
前記第１及び第２の磁電変換素子は、前記回転軸を中心として直交する２軸で前記磁場を検知するように配置されていることを特徴する請求項１から４のいずれかに記載の回転角度検出装置。
前記第１及び第２の磁電変換素子は、軟磁性体材料で構成されている磁気収束板近傍に配置されたホール素子であることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の回転角度検出装置。
前記センサチップはシリコン基板であり、前記ホール素子は前記センサチップ上に他の演算回路とともに集積されていることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の回転角度検出装置。