(57)【要約】【課題】  検出出力の直線性を改善することは勿論、電気的有効角度を大きくすると共に、磁石に回転むらのない角度センサを得る。【解決手段】  シャフト１０に取り付けた磁石１５に対してホール素子２０を中立検出位置Ｃに対向配置し、ホール素子２０の出力に基づいて磁石１５の回転角度を検出する角度センサ。磁石１５は三日月形状をなし、回転軸心Ｏは磁石１５の重心位置Ｐを通る線上に一致させて配置されている。磁石１５の尖端突部１５ａ，１５ｂは、ホール素子２０の中立検出位置Ｃと回転軸心Ｏとを結ぶ直線ＣＯを基準として、中立検出位置Ｃから遠ざかる方向に±（１３０°±５°）回転した位置に設定されることが好ましい。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁石と磁気検知素子とを互いに対向させて配置し、両者の相対的な回転角度を磁気検知素子の出力に基づいて検出する角度センサにおいて、
前記磁石の形状を該磁石の回転平面において三日月形状とし、
前記磁石の回転軸心が該磁石の重心位置を通る線上にほぼ一致させて配置されていること、
を特徴とする角度センサ。
【請求項２】
三日月形状の磁石の先端尖部が、磁気検知素子の中立検出位置と回転軸心とを結ぶ直線を基準として、該中立検出位置から遠ざかる方向に±（１３０°±５°）回転した位置に設定されていることを特徴とする請求項１に記載の角度センサ。
【請求項３】
前記磁気検知素子はホール素子又は磁気抵抗素子であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の角度センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、角度センサ、特に、磁石と磁気検知素子とを互いに対向させて配置し、両者の相対的な回転角度を磁気検知素子の出力に基づいて検出する角度センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、角度センサとしては、図１１に示すように、直方体形状の磁石１と磁気検知素子２とを対向させて配置し、図示しない回転軸に取り付けた磁石１の回転角度を磁気検知素子２の出力に基づいて検出するものが提供されていた。
【０００３】
磁気検知素子とは、ホール素子や磁気抵抗素子であり、これらの素子を垂直に通過する磁束密度の大きさに比例した出力電圧を発生したり、抵抗値が変化する素子である。例えば、ホール素子であれば、磁石１に対する円周方向の相対的な位置がＡ〜Ｅと変化する場合、図１２に示すように、その出力電圧が変化する。
【０００４】
この種の角度センサでは、まず、検出すべき角度の全範囲にわたって角度と出力とがリニアリティな関係（直線関係）にあることが検出精度の向上のために好ましく、直線性の改善が求められている。また、検出可能な角度範囲が広いほうが好ましく、電気的有効角度の拡大が求められている。
【０００５】
ここで、磁気検知素子の出力の直線性及び電気的有効角度について、さらに詳述する。磁気検知素子２の位置Ａは磁石１のＳ極が最接近するため、Ｎ極からの磁束をプラスとした場合、磁気検知素子２にはマイナス方向の最大磁束密度となり、出力電圧は最小値となる。位置Ｅは磁石１のＮ極が最接近するため、出力電圧は最大値となる。また、位置Ｃは磁気検知素子２を直交する磁束はゼロであるため、出力電圧はゼロであり、本明細書ではこの位置Ｃを中立検出位置と称する。
【０００６】
理想的な出力特性は図１２に示す直線Ｘであり、図１３は出力電圧の直線Ｘからのずれ量を、検出範囲（ここでは±６０°）の最大可変電圧値（ここでは０．１５Ｖ）に対する比率で表している。角度と出力とがリニアリティな関係（直線関係）になるためには、ずれ量は小さいほど好ましい。
【０００７】
電気的有効角度とは、出力がリニアリティを保証されて検出できる角度をいう。この有効角度はセンサの使用目的によって異なり、全ての用途で広い角度を要求されるのではない。しかし、広い有効角度を備えたセンサを狭い範囲で使用することは容易であるが、逆の使用は不可能であり、電気的有効角度は広いほうが有益である。ちなみに、図１２にその特性を示す従来の角度センサの有効角度は±６０°である。
【０００８】
従来から、磁石は製作の容易性に鑑みて直方体であり、このような直方体の磁石１において磁束は図１４に示すように発生する。そして、磁石１を図１１に示すように中心Ｏを軸として回転させた場合、位置Ｂ，Ｄ間の出力電圧の傾きは磁石１の長さＬで決まる。位置ＡのＳ極最大磁束密度部及び位置ＥのＮ極最大磁束密度部の出力電圧は、磁極と磁気検知素子２の距離（半径ｒ）で決まり、この距離を近づければ出力レベル（磁束密度）は大きくなる。
【０００９】
しかしながら、位置Ａ、Ｅ部分の出力特性に丸みが生じてしまい、直線性の良好な有効角度はせいぜい±６０°程度である。
【００１０】
特許文献１には、磁気検知素子の出力の直線性を改善するため、図１５に示すように、磁石５を半円形状として回転軸６の側溝に嵌合させ、ホール素子７を該磁石５に対向させて位置固定し、かつ、回転軸６の中心Ｏに対して磁石５の中心Ｐを偏心させた角度センサが開示されている。
【００１１】
特許文献１に開示されている角度センサは、磁石５を半円形状とすることによって磁束分布を回転軸心Ｏ側に偏らせ（図１６参照）、有効角度範囲における直線性を改善したものである。しかし、有効角度はせいぜい±６０°程度であって有効角度をそれ以上に拡大することはできない。また、磁石５の重心と回転の中心がずれているために回転体（回転軸と磁石）に回転むらが生じやすい。
【特許文献１】特開２０００−１２１３０９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
そこで、本発明の目的は、検出出力の直線性を改善することは勿論、電気的有効角度を大きくすると共に、磁石に回転むらのない角度センサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
前記目的を達成するため、本発明は、磁石と磁気検知素子とを互いに対向させて配置し、両者の相対的な回転角度を磁気検知素子の出力に基づいて検出する角度センサにおいて、磁石の形状を該磁石の回転平面において三日月形状とし、磁石の回転軸心が該磁石の重心位置を通る線上にほぼ一致させて配置されていることを特徴とする。
【００１４】
本発明に係る角度センサにあっては、磁石の形状を三日月形状としたため、該磁石の極部（最大磁束部分）が磁気検知素子の中立検出位置から遠くなり、電気的有効角度が拡大する。かつ、図１２に示した出力特性のＢＣＤ間の略直線の延長した所にＡ点やＥ点が来るように検知素子の距離を設定することによって検出出力の直線性が改善される。また、磁石の回転軸心が該磁石の重心位置を通る線上にほぼ一致させて配置されているため、即ち、磁石の中心とその回転軸心とがほぼ一致しているため、磁石の回転むらが解消され、検出誤差の発生を除去することができる。
【００１５】
本発明に係る角度センサにおいて、磁気検知素子としてはホール素子又は磁気抵抗素子を使用することができる。また、三日月形状の磁石の先端尖部が、磁気検知素子の中立検出位置と回転軸心とを結ぶ直線を基準として、該中立検出位置から遠ざかる方向に±（１３０°±５°）回転した位置に設定されていることが好ましい。
【００１６】
三日月形状の磁石の尖部を磁気検知素子の中立検出位置と回転軸心とを結ぶ直線を基準として、該中立検出位置から遠ざかる方向に±１３０°回転した位置に設定すると、出力のリニアリティを保証できる電気的有効角度が±９０°以上に拡大される。±９０°の有効角度を得るには、前記尖部が中立検出位置と回転軸心とを結ぶ直線を基準として、該中立検出位置から遠ざかる方向に少なくとも±１２５°回転した位置に設定する必要がある。一方、尖部が中立検出位置と回転軸心とを結ぶ直線を基準として、該中立検出位置から遠ざかる方向に±１３５°回転した位置を超えると、磁力線が磁気検知素子を通りにくくなり、有効角度が狭くなることはないが、検出出力の直線性、精度共に悪化する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明に係る角度センサの実施例について、添付図面を参照して説明する。
【００１８】
（一実施例の構成、図１〜図３参照）
本発明に係る角度センサの一実施例を図１及び図２に示す。この角度センサは、矢印ａ及びそれとは逆方向に回転自在なシャフト１０の端面に磁石１５を固定し、該磁石１５と対向する中立検出位置Ｃにホール素子２０を位置固定で配置したものである。
【００１９】
磁石１５は、その回転平面（シャフト１０の回転軸心Ｏと直交するｘｙ平面）において三日月形状をなし、回転軸心Ｏは磁石１５の重心位置Ｐを通る線上に一致させて配置されている。ここで、重心位置Ｐとは、三日月形状のｘ方向高さＨの中点とｙ方向幅Ｗの中点とｚ方向厚みＴの中点との交点である。
【００２０】
また、磁石１５の着磁方向はｘ方向であり、先端尖部１５ａはＳ極に着磁され、先端尖部１５ｂはＮ極に着磁されている。但し、この着磁は逆であってもよい。尖部１５ａ，１５ｂはホール素子２０の中立検出位置Ｃから遠ざかる方向に延在し、位置Ｃと回転軸心Ｏとを結ぶ直線ＣＯを基準として、回転軸心Ｏからの角度αが±（１３０°±５°）となる位置に設定されている。
【００２１】
磁石１５は半径ｒ１，ｒ２の円を間隔Ｍで重ねて三日月形状としたものであり、そのサイズは、ｒ１が３．５〜４．５ｍｍ、ｒ２が４．０〜５．５ｍｍ、幅Ｗが１〜３ｍｍ、厚みＴは任意であるが２ｍｍを限度としている。なお、重心位置Ｐは回転軸心Ｏと一致させているが、必ずしも厳密に一致させる必要はなく、１ｍｍの限度でいずれかの方向にずらせてもよい。
【００２２】
磁石１５は、直方体から削り出してもよいが、プレス成形、ゴム材からの打抜き、射出成形などによれば、安価に製作できる。
【００２３】
ホール素子２０の配置は、回転軸心Ｏからの距離ｒ３を１０〜１５ｍｍに設定するのが適切である。
【００２４】
以上の配置関係や具体的な寸法はあくまで一例であるが、以下に実験例２〜４として示すように角度検出出力の直線性（リニアリティ）を±１％以下に維持できる配置や寸法を示している。
【００２５】
以上の構成において、三日月形状の磁石１５によって形成される磁束分布は、図３に示すように、ホール素子２０とは反対側に偏ることになる。即ち、矢印Ａ，Ｂが最大磁束密度方向を示し、最大磁束部分がホール素子２０の中立検出位置Ｃからシャフト１０の外周方向に遠ざかっている。ちなみに、最大磁束密度方向Ａ，Ｂは位置Ｃと回転軸心Ｏとを結ぶ直線ＣＯを基準として、回転軸心Ｏからの角度βが±１００°である。
【００２６】
（出力特性、図４〜図８参照）
以上の構成からなる一実施例である角度センサにおいて、本発明者らは以下の表１に示す実験例１〜５を製作し、その特性を測定した。表１に示すように、先端尖部１５ａ，１５ｂの角度αは実験例１では±１２０．６°、実験例２では±１２５．０°、実験例３では±１３０．５°、実験例４では±１３５．０°、実験例５では±１４０．８°に設定した。図４〜図８は実験例１〜５にそれぞれ対応する出力特性を示している。
【００２７】
【表１】
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【００２８】
各実験例１〜５において、磁石１５の回転角度に対するホール素子２０の出力特性は図４〜図８に曲線Ｆで示すとおりである。この特性曲線Ｆから明らかなように、中立検出位置Ｃ（出力ゼロ）から少なくとも±９０°の広範囲にわたって直線性の良好な出力特性を得ることができた。即ち、電気的有効角度が大きく拡大されている。
【００２９】
また、実験例１〜５において、前記図１３に示したのと同様に、理想的な出力特性からのずれ量を図４〜図８に曲線Ｇで示す。曲線Ｇ及び表１で示した各実験例１〜５でのずれ量を比較すると、実験例２〜４にあっては、角度αが±９０°の範囲でずれ量が１％以下であり、良好な特性を示した。
【００３０】
一方、実験例１，５のように、角度αが±（１３０°±５°）を超えるとずれ量も１％を超えてしまい、必ずしも満足できる特性が得られなかった。
【００３１】
実験例２〜４にあっては、出力のずれ量が図１３に示した従来例のずれ量とを比較すると明らかなように、大きく改善されており、磁石１５の重心位置Ｐを回転軸心Ｏと一致させたことと相俟って、検出精度の向上が達成されている。
【００３２】
即ち、実験例２〜４では、三日月形状の磁石１５の尖部１５ａ，１５ｂをホール素子２０の中立検出位置Ｃと回転軸心Ｏとを結ぶ直線ＣＯを基準として、中立検出位置Ｃから遠ざかる方向に±（１３０°±５°）回転した位置に設定しており、これにてホール素子２０の出力電圧のリニアリティを保証できる電気的有効角度を±９０°以上に拡大することができた。そして、少なくとも±９０°の有効角度を得るには、尖部１５ａ，１５ｂを中立検出位置Ｃと回転軸心Ｏとを結ぶ直線ＣＯを基準として、中立検出位置Ｃから遠ざかる方向に少なくとも±１２５°回転した位置に設定する必要がある。
【００３３】
一方、尖部１５ａ，１５ｂが中立検出位置Ｃと回転軸心Ｏとを結ぶ直線ＣＯを基準として、中立検出位置Ｃから遠ざかる方向に±１３５°回転した位置を超えると、磁力線がホール素子２０を通りにくくなり、図８の曲線Ｆに示すように有効角度が狭くなることはないが、図８の曲線Ｇに示すように検出出力の直線性、精度共に悪化することが確認された。
【００３４】
（磁石の他の形状、図９及び図１０参照）
本発明に係る角度センサに用いることのできる他の形状の磁石を図９及び図１０に示す。
【００３５】
図９（Ａ）に示す三日月形状の磁石１６は、半径ｒ１，ｒ２の円弧の中央部分を直線状としたものであり、前記磁石１５と比較して出力特性に大きな変化はない。
【００３６】
図９（Ｂ）に示す三日月形状の磁石１７は、二つの楕円ｊを間隔Ｋで重ねたものであり、磁束密度が最大になる先端尖部１７ａ，１７ｂが中立検出位置Ｃからより遠ざかる位置に設定されている。この磁石１７にあっても前記磁石１５と比較して出力特性に大きな変化はなく、かつ、電気的有効角度を±９０°よりもさらに大きくすることができる。
【００３７】
また、図９（Ａ），（Ｂ）に示す形状以外に、図１０（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）に示す直線で構成された磁石１８Ａ，１８Ｂ，１８Ｃであってもよい。各磁石１８Ａ，１８Ｂ，１８Ｃの先端尖部はそれぞれ符号１８Ａａ，１８Ａｂ，１８Ｂａ，１８Ｂｂ，１８Ｃａ，１８Ｃｂで示す。
【００３８】
（他の実施例）
なお、本発明に係る角度センサは前記実施例に限定されるものではなく、その要旨の範囲内で種々の構成に変更することができる。
【００３９】
例えば、三日月形状の磁石の細部の形状は任意であり、図９及び図１０に示したもの以外の他の形状とすることも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明に係る角度センサの一実施例を示す斜視図である。
【図２】前記角度センサを示す正面図である。
【図３】前記角度センサにおいて磁石によって形成される磁束分布を示すチャート図である。
【図４】前記角度センサにおける実験例１での出力特性及びずれ量を示すグラフである。
【図５】前記角度センサにおける実験例２での出力特性及びずれ量を示すグラフである。
【図６】前記角度センサにおける実験例３での出力特性及びずれ量を示すグラフである。
【図７】前記角度センサにおける実験例４での出力特性及びずれ量を示すグラフである。
【図８】前記角度センサにおける実験例５での出力特性及びずれ量を示すグラフである。
【図９】磁石の他の例を示す正面図である。
【図１０】磁石のさらに他の例を示す正面図である。
【図１１】従来の角度センサにおける磁石と磁気検知素子との配置関係を示す説明図である。
【図１２】従来の角度センサにおける出力特性を示すグラフである。
【図１３】従来の角度センサにおける出力のずれ量を示すグラフである。
【図１４】直方体の磁石によって形成される磁束分布を示す説明図である。
【図１５】従来の角度センサにおいて改良された磁石の形状を示し、（Ａ）は正面図、（Ｂ）は斜視図である。
【図１６】図１５に示す半円形状の磁石によって形成される磁束分布を示す説明図である。
【符号の説明】
【００４１】
１０…シャフト
１５，１６，１７…磁石
１５ａ，１５ｂ…先端尖部
２０…ホール素子
Ｃ…中立検出位置
Ｐ…重心位置
Ｏ…回転軸心
ＣＯ…中立検出位置と回転軸心とを結ぶ直線
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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