JP2009002737A - 回転角度検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】センサの体格ＵＰやコストの増大を招くことなく、角度誤差を低減でき、且つ、応答性の悪化を防止できる回転角度検出装置１を提供する。
【解決手段】回転角度検出装置１は、回転軸２に固定された円形状のベース磁石３と補助磁石４、互いの感磁面が直交する位置関係に配置される２個のホール素子６、７とを有し、この２個のホール素子６、７の出力に位相ずれが有る時は、その位相ずれに応じて、補助磁石４の回転角度位置を所定角度ずらすことにより、２個のホール素子６、７の出力の位相ずれを補正している。言い換えると、２個のホール素子６、７の配置ずれによって生じる２出力の位相ずれが０°（２出力の位相差が９０°）に成る様に、ベース磁石３に対して補助磁石４の回転角度位置を所定角度ずらしている。
【選択図】図２

Description

本発明は、例えば、自動車のスロットルバルブやステアリングホィール等の回転角度を検出する回転角度検出装置に関する。

従来技術として、特許文献１に開示された回転角度検出装置がある。
この回転角度検出装置は、図１１に示す様に、回転軸１００に取り付けられた円板状の磁石１１０と、この磁石１１０の外周に配置される２個のホール素子（第１ホール素子１２０、第２ホール素子１３０）とを用いている。なお、図１１（ａ）は回転角度検出装置の軸方向平面図であり、同図（ｂ）は同装置の側面図である。
第１ホール素子１２０は、磁気を検出する感磁面が、磁石１１０の回転中心である回転軸１００を向いて配置され、第２ホール素子１３０は、磁気を検出する感磁面が、第１ホール素子１２０の感磁面と直交する方向を向いて配置されている。つまり、２個のホール素子１２０、１３０は、両者の出力が９０°ずれた位相関係になる様に配置されている。

上記の構成によれば、第１ホール素子１２０の出力と第２ホール素子１３０の出力との位相が９０度ずれるため、回転軸１００と共に磁石１１０が回転すると、図４に示す様に、第１ホール素子１２０から正弦波の信号ａが出力され、第２ホール素子１３０から余弦波の信号ｂが出力される。この二つの出力を逆三角関数演算で直線特性に変換することにより、回転軸１００の回転角度を０°〜３６０°の範囲で検出することができる。
特開２００３−７５１０８号公報

ところが、上記の回転角度検出装置では、磁石１１０に対して第１ホール素子１２０および第２ホール素子１３０に位置ずれが有ると、第１ホール素子１２０の出力と第２ホール素子１３０の出力との間に位相ずれが生じる。
例えば、図１２に示す様に、磁石１１０に対して第１ホール素子１２０および第２ホール素子１３０の感磁面が所定角度αだけ傾く（以後、配置ずれと呼ぶ）と、図６に示す様に、第１ホール素子１２０の出力と第２ホール素子１３０の出力との位相差が９０°にはならず、位相ずれが生じる。

なお、図６に示すグラフは、２個のホール素子１２０、１３０が正常に配置されている、つまり、配置ずれが無い場合の出力信号（第１ホール素子１２０の出力ａ、第２ホール素子１３０の出力ｂ）と、２個のホール素子１２０、１３０にα＝５°の配置ずれが有る場合の出力信号（第１ホール素子１２０の出力ａ１、第２ホール素子１３０の出力ｂ１）とを示している。
２個のホール素子１２０、１３０に配置ずれが無い場合の出力と配置ずれが有る場合の出力とを比べると、配置ずれが無い場合の第１ホール素子１２０の出力ａと第２ホール素子１３０の出力ｂとの位相差が９０°であるのに対して、配置ずれが有る場合の第１ホール素子１２０の出力ａ１と第２ホール素子１３０の出力ｂ１との位相差が７８．３°となっている。この２個のホール素子１２０、１３０に配置ずれが有る場合の出力を基に回転角度を検出すると、図７に示す様に、磁石１１０の回転角度位置に応じて角度誤差を生じる結果となる。

ところで、角度誤差を低減する手段として、第１ホール素子１２０の出力と第２ホール素子１３０の出力とをＩＣにて読み取り、両者の位相ずれを低減する様にマップ補正する方法が考えられる。しかし、この方法では、角度誤差をより小さくするためにマップ数が多数必要となるため、ＩＣの回路規模が大きくなり、センサの体格ＵＰおよびコストの増大を招く。さらに、マップでの補正値を出力することになるため、応答速度も遅くなるという欠点がある。
本発明は、上記事情に基づいて成されたもので、その目的は、センサの体格ＵＰやコストの増大を招くことなく、２個の磁気検出素子の配置ずれによって発生する角度誤差を低減でき、且つ、応答性の悪化を防止できる回転角度検出装置を提供することにある。

（請求項１の発明）
本発明は、円板状あるいはリング状に設けられて径方向に着磁され、且つ、径方向の中心に配置される回転軸と一体に回転する磁石と、この磁石が発生する磁場に配置されて磁気を検出する２個の磁気検出素子を有し、この２個の磁気検出素子により検出された磁気の変化を基に、回転軸の回転角度を検出する回転角度検出装置であって、２個の磁気検出素子は、両者の磁気検出面が直交する位置関係に配置され、磁石は、第１の磁石と第２の磁石とから成り、この第１の磁石と第２の磁石が、回転軸の軸線方向に隣接して、または所定の間隔を隔てて配置され、且つ、２個の磁気検出素子の出力の位相ずれに応じて、第１の磁石と第２の磁石との回転角度位置を相対的に所定角度ずらすことにより、２個の磁気検出素子の出力の位相ずれを補正することを特徴とする。

本発明の回転角度検出装置は、第１の磁石と第２の磁石との合成磁場に２個の磁気検出素子が配置され、その２個の磁気検出素子の出力を基に回転角度を検出している。この構成では、第１の磁石と第２の磁石との回転角度位置が相対的にずれると、合成磁場の強さが変化して、２個の磁気検出素子の出力位相差にずれが生じる。そこで、２個の磁気検出素子の出力に位相ずれが生じた場合、言い換えると、二つの出力の位相差が、本来の位相差（例えば９０°）からずれた場合は、その位相差のずれ（位相ずれと呼ぶ）に応じて、第１の磁石と第２の磁石との回転角度位置を相対的に所定角度ずらすことにより、二つの出力の位相ずれを補正することができる。
この方法によれば、二つの出力の位相ずれを低減するためにマップ補正する必要がないので、センサの体格ＵＰやコストの増大を招くことはなく、且つ、マップでの補正値を出力する必要もないので、応答性が悪化することもない。

（請求項２の発明）
請求項１に記載した回転角度検出装置において、第１の磁石と第２の磁石は、同形状および同性能を有することを特徴とする。

（請求項３の発明）
請求項１または２に記載した回転角度検出装置において、２個の磁気検出素子は、それぞれ磁束密度に応じた電気信号を出力するホール素子であり、その２個のホール素子を一つのチップ内に搭載した１個のホールＩＣを備えることを特徴とする。

（請求項４の発明）
請求項３に記載した回転角度検出装置において、ホールＩＣは、２個のホール素子の出力のオフセット及びゲインを調整できる補正機能を備えていることを特徴とする。

（請求項５の発明）
請求項３または４に記載した回転角度検出装置において、ホールＩＣは、第１の磁石および第２の磁石の外周縁より半径方向の外側に置かれ、且つ、第１の磁石と第２の磁石とを合わせた軸方向厚みの範囲内に配置されることを特徴とする。

（請求項６の発明）
請求項５に記載した回転角度検出装置において、ホールＩＣは、第１の磁石と第２の磁石とを合わせた軸方向厚み内の２つの磁石のいずれか一方側に配置されていて、その一方の磁石の厚みの範囲内に設置されていることを特徴とする。

本発明を実施するための最良の形態を以下の実施例により詳細に説明する。

図１（ａ）は回転角度検出装置１の軸方向平面図、同図（ｂ）は回転角度検出装置１の側面図である。
本実施例の回転角度検出装置１は、図１（ｂ）に示す様に、回転軸２に固定された２個の磁石３、４と、この２個の磁石３、４に近接して配置される１個のホールＩＣ５とを備える。２個の磁石３、４は、同形状および同性能を有するベース磁石３と補助磁石４であり、図１（ａ）に示す様に、平面形状が円形に設けられて、その径方向に着磁されている。つまり、径方向の半分がＳ極、残り半分がＮ極となる様に着磁されている。このベース磁石３と補助磁石４は、両者が軸方向に重ね合わされた状態で回転軸２に固定され、回転軸２と一体に回転する。

ホールＩＣ５は、ベース磁石３と補助磁石４とが発生する合成磁場に配置されている。具体的には、ベース磁石３および補助磁石４の外周縁より半径方向の外側に近接して置かれ、且つ、補助磁石４の軸方向厚みの範囲内に配置されている。このホールＩＣ５には、合成磁場の磁束密度に応じて電気信号（例えば電圧信号）を出力する２個のホール素子（第１ホール素子６と第２ホール素子７）が搭載されている。
第１ホール素子６は、磁気を検出する感磁面が、ベース磁石３及び補助磁石４の回転中心である回転軸２を向いて配置され、第２ホール素子７は、磁気を検出する感磁面が、第１ホール素子６の感磁面と直交する方向を向いて配置されている。つまり、２個のホール素子６、７は、両者の感磁面が直交する位置関係に配置されている。

また、ホールＩＣ５には、図３に示す様に、第１ホール素子６の出力信号を増幅する第１アンプ回路８、第２ホール素子７の出力信号を増幅する第２アンプ回路９、増幅された二つのアナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換回路１０、Ａ／Ｄ変換された二つのデジタル信号を基に回転角度を演算する信号処理回路１１、演算された回転角度のデジタル値をアナログ値に変換するＤ／Ａ変換回路１２等を搭載している。
なお、信号処理回路１１は、例えば、周知のＤＳＰ（デジタルシグナルプロセッサ）により構成され、デジタル変換された二つの出力信号のオフセットを補正するオフセット補正回路１１ａ、ゲインを補正するゲイン補正回路１１ｂ、および逆三角関数演算を行う演算回路１１ｃ等を有している。

次に、本実施例に係る回転角度検出装置１の作動を説明する。
回転軸２と一体にベース磁石３及び補助磁石４が回転すると、図４に示す様に、第１ホール素子６から磁束密度に応じた信号ａが出力され、第２ホール素子７から磁束密度に応じた信号ｂが出力される。この二つの出力信号を増幅してＡ／Ｄ変換した後、オフセット及びゲインの調整を行い、逆三角関数演算によりリニアな特性に変換して回転角度を算出する。
ところで、２個のホール素子６、７は、両者の感磁面が直交する位置関係に配置されているため、２個のホール素子６、７に配置ずれが無ければ、第１ホール素子６の出力と第２ホール素子７の出力（以下、２出力と言う）との位相差は９０°となる。しかし、図５に示す様に、２個のホール素子６、７に配置ずれ（ずれ角α）が有ると、２出力の位相差が９０°にはならず、図６に示す様に、位相ずれ（位相差のずれ）が生じる。

なお、図６に示すグラフは、２個のホール素子６、７に配置ずれが無い場合の出力信号（第１ホール素子６の出力ａ、第２ホール素子７の出力ｂ）と、２個のホール素子６、７にα＝５°の配置ずれが有る場合の出力信号（第１ホール素子６の出力ａ１、第２ホール素子７の出力ｂ１）とを示している。２個のホール素子６、７に配置ずれが無い場合（α＝０°）は、図７に実線Ｘで示す様に、ベース磁石３及び補助磁石４の回転角度位置に対して角度誤差を生じることはないが、２個のホール素子６、７に配置ずれが有る場合（α＝５°）は、同図の曲線Ｙで示す様に、ベース磁石３及び補助磁石４の回転角度位置に対して角度誤差を生じる。

この角度誤差を無くすために、本実施例では、図２に示す様に、ベース磁石３に対して補助磁石４の回転角度位置を所定角度φずらすことにより、２出力の位相ずれを補正している。言い換えると、２個のホール素子６、７の配置ずれによって生じる２出力の位相ずれが０°（２出力の位相差が９０°）に成る様に、ベース磁石３に対して補助磁石４の回転角度位置を所定角度φずらしている。
２個のホール素子６、７の配置ずれがα＝５°の時に、ベース磁石３に対する補助磁石４のずれ角度φと２出力の位相ずれとの関係を測定すると、図８に示す結果が得られる。

つまり、２個のホール素子６、７の配置ずれがα＝５°の時は、ベース磁石３に対して補助磁石４を約６５°ずらすことにより、２出力の位相ずれが０°となる。
実際に、補助磁石４の回転角度位置を約６５°ずらした状態で２個のホール素子６、７の出力を測定すると、図９に示す様に、補助磁石４をずらす前、つまり、ベース磁石３と補助磁石４との回転角度位置が同一の状態〔図１（ｂ）に示す状態〕で測定した２個のホール素子６、７の出力とは異なり、２出力の位相差が９０°となっている。

（実施例の効果）
本実施例の回転角度検出装置１では、第１ホール素子６および第２ホール素子７の配置ずれにより、第１ホール素子６の出力と第２ホール素子７の出力との位相差が９０°からずれている時、つまり、２出力の位相ずれが有る時に、その位相ずれに応じて補助磁石４の回転角度位置をずらすことにより、２出力の位相ずれを容易に補正でき、角度誤差を低減できる。
この方法によれば、２出力の位相ずれを低減するためにマップ補正する必要がないので、ホールＩＣ５の体格ＵＰやコストの増大を招くことはなく、且つ、マップでの補正値を出力する必要もないので、応答性が悪化することもない。
また、本実施例では、１個のホールＩＣ５に第１ホール素子６と第２ホール素子７とを搭載しているので、第１ホール素子６と第２ホール素子７の環境条件が略同等である。つまり、第１ホール素子６と第２ホール素子７との間に温度差が殆ど発生しないので、良好、且つ、安定した角度検出が可能である。

図１０は回転角度検出装置１の側面図である。
上記の実施例１では、ベース磁石３と補助磁石４とを軸方向に重ねた状態で回転軸２に固定しているが、図１０に示す様に、ベース磁石３と補助磁石４との間に所定の隙間Ｘを有する状態で回転軸２に固定しても良い。
本実施例においても、実施例１と同じく、２出力の位相ずれが有る時に、その位相ずれに応じて、補助磁石４の回転角度位置をずらすことにより、２出力の位相ずれを補正することができる。

（変形例）
実施例１では、２個のホール素子６、７の配置ずれに対して、補助磁石７の回転角度位置をずらす方法を記載したが、２出力の位相ずれに応じて、ベース磁石６と補助磁石７との回転角度位置を相対的に所定角度ずらすことにより、２出力の位相ずれを補正することもできる。

（ａ）回転角度検出装置の軸方向平面図、（ｂ）同装置の側面図である（実施例１）。 （ａ）回転角度検出装置の側面図、（ｂ）補助磁石とベース磁石の平面図である。 ホールＩＣの回路ブロック図である。 ２個のホール素子の出力特性図である。 ２個のホール素子の配置ずれを示す平面図である。 ２個のホール素子の配置ずれによる位相ずれを示す出力特性図である。 ２個のホール素子の配置ずれによる角度誤差を示す測定グラフである。 補助磁石のずれ角度と２出力の位相差との関係を示す相関図である。 本案と従来案とを比較した２個のホール素子の出力特性図である。 回転角度検出装置の側面図である（実施例２）。 （ａ）回転角度検出装置の軸方向平面図、（ｂ）同装置の側面図である（従来技術）。 ２個のホール素子の配置ずれを示す平面図である。

符号の説明

１ 回転角度検出装置
２ 回転軸
３ ベース磁石（第１の磁石）
４ 補助磁石（第２の磁石）
５ ホールＩＣ
６ 第１ホール素子（磁気検出素子）
７ 第２ホール素子（磁気検出素子）
１１ａ オフセット補正回路（補正機能）
１１ｂ ゲイン補正回路（補正機能）

Claims (6)

1. 円板状あるいはリング状に設けられて径方向に着磁され、且つ、径方向の中心に配置される回転軸と一体に回転する磁石と、
   この磁石が発生する磁場に配置されて磁気を検出する２個の磁気検出素子を有し、この２個の磁気検出素子により検出された磁気の変化を基に、前記回転軸の回転角度を検出する回転角度検出装置であって、
   前記２個の磁気検出素子は、両者の磁気検出面が直交する位置関係に配置され、
   前記磁石は、第１の磁石と第２の磁石とから成り、この第１の磁石と第２の磁石が、前記回転軸の軸線方向に隣接して、または所定の間隔を隔てて配置され、且つ、前記２個の磁気検出素子の出力の位相ずれに応じて、前記第１の磁石と前記第２の磁石との回転角度位置を相対的に所定角度ずらすことにより、前記２個の磁気検出素子の出力の位相ずれを補正することを特徴とする回転角度検出装置。
2. 請求項１に記載した回転角度検出装置において、
   前記第１の磁石と前記第２の磁石は、同形状および同性能を有することを特徴とする回転角度検出装置。
3. 請求項１または２に記載した回転角度検出装置において、
   前記２個の磁気検出素子は、それぞれ磁束密度に応じた電気信号を出力するホール素子であり、その２個のホール素子を一つのチップ内に搭載した１個のホールＩＣを備えることを特徴とする回転角度検出装置。
4. 請求項３に記載した回転角度検出装置において、
   前記ホールＩＣは、前記２個のホール素子の出力のオフセット及びゲインを調整できる補正機能を備えていることを特徴とする回転角度検出装置。
5. 請求項３または４に記載した回転角度検出装置において、
   前記ホールＩＣは、前記第１の磁石および前記第２の磁石の外周縁より半径方向の外側に置かれ、且つ、前記第１の磁石と前記第２の磁石とを合わせた軸方向厚みの範囲内に配置されることを特徴とする回転角度検出装置。
6. 請求項５に記載した回転角度検出装置において、
   前記ホールＩＣは、前記第１の磁石と前記第２の磁石とを合わせた軸方向厚み内の２つの磁石のいずれか一方側に配置されていて、その一方の磁石の厚みの範囲内に設置されていることを特徴とする回転角度検出装置。

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