JP5021253B2 - 回転角度検出装置 - Google Patents
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Description
しかしながら、特許文献1のように、回転する磁石の円周付近に回転方向に離れて磁気検出素子を設置して磁気検出手段を構成すると、回転角度検出装置全体の体格が大型化するという問題がある。
しかしながら、図16に示すように、一方の磁気検出素子412の感磁面413を回転軸402の回転軸線404と直交する仮想直線420に沿って設置し、他方の磁気検出素子412の感磁面413を一方の感磁面413に対して90°を形成するように設置すると、前述したように、磁界発生手段400の周囲の磁束密度は全周において均一ではないため、図17に示すように、各磁気検出素子412の感磁面413が検出する磁束密度の大きさに差が生じる。つまり、2個の磁気検出素子412の出力信号の振幅が異なる。検出対象の回転角度に応じて変化する磁束密度を磁気検出素子412で検出し、その出力信号から三角関数演算により回転角度を算出するためには、2個の磁気検出素子412の出力信号の振幅を等しくする必要がある。
しかしながら、出力信号を増幅すると、増幅前の元信号に含まれていた誤差が増幅されるので、結果として算出する回転角度の誤差を低減することができない。また、振幅の小さい出力信号をAD変換器で読み込むとビット誤差が大きくなるので、回転角度の誤差を低減することができない。
さらに、回転方向の1箇所に第1磁気検出素子および第2磁気検出素子を設置しているので、温度等の磁気検出素子の動作環境が両磁気検出素子において同程度に変化する。また、磁気検出手段と磁界発生手段との距離がずれても、2個の磁気検出素子と磁界発生手段との距離は同程度にずれる。その結果、動作環境が変化したり、磁気検出手段と磁界発生手段との距離がずれても、2個の磁気検出素子の出力は同程度に変化する。したがって、動作環境が変化したり、磁気検出手段と磁界発生手段との距離がずれても、2個の磁気検出素子の出力信号に基づいて検出対象の回転角度を高精度に検出できる。
B0x=A×sinθ ・・・(1)
B0y=−B×cosθ ・・・(2)
B1y=−B0x×sin45+B0y×cos45 ・・・(4)
式(1)〜(4)より、
B1x=B0x/(21/2)+B0y/(21/2)
=A×sinθ/(21/2)−B×cosθ/(21/2)
=((A2+B2)/2)1/2×sin(θ+β) ・・・(5)
B1y=−B0x/(21/2)+B0y/(21/2)
=−A×sinθ/(21/2)−B×cosθ/(21/2)
=((A2+B2)/2)1/2×sin(θ+γ) ・・・(6)
これにより、振幅の異なる2個の磁気検出素子の出力のうち、一方の出力値を他方の出力値に合わせて増幅する処理が不要になるので、容易に、かつ高精度に検出対象の回転角度を検出できる。
sinβ=−B/(A2+B2)1/2 ・・・(7)
cosβ=A/(A2+B2)1/2 ・・・(8)
よって、
β=cos-1(A/(A2+B2)1/2) ・・・(9)
また、式(6)から、
sinγ=−B/(A2+B2)1/2 ・・・(10)
cosγ=−A/(A2+B2)1/2 ・・・(11)
よって、
γ=cos-1(−A/(A2+B2)1/2)
=180°−β ・・・(12)
したがって、2個の磁気検出素子の出力信号の位相差(β−γ)は、次式(13)で表される。
(β−γ)=β−(180°−β)=2×(β−90°)・・・(13)
また、請求項5に記載の発明では、両出力信号の位相差を90°に補正することにより、両出力信号がsin、cosの関係になる。したがって、位相差を90°に補正した両出力信号の値をBx、By、磁界発生手段の回転角度をθとすると、例えば、θ=tan-1(Bx/By)の簡単な三角関数演算により、検出対象の回転角度を容易に算出できる。
(第1実施形態)
本発明の第1実施形態による回転角度検出装置を図1に示す。回転角度検出装置10は、例えばクランクシャフトや車輪等の検出対象の回転角度を検出する装置である。回転角度検出装置10は、円板状の永久磁石12、角度センサとしてのホールIC20、および電子制御装置(ECU;Electronic Control Unit)30からなる。磁界発生手段としての永久磁石12は、回転軸14を中心として検出対象と連動して回転する。永久磁石12は円板状に形成されており、径方向に向けて着磁されている。永久磁石12は、図19に示す磁界を形成する。
算出手段であるECU30は、図示しないCPU、ROM、RAM、EEPROM等から構成されている。ECU30は、EEPROMまたはROMに記憶されている角度算出プログラムを実行することにより、ホールIC20の出力信号から、検出対象の回転角度を算出する。
(算出方法1)
前述したように、式(5)、(6)から、2個のホール素子22が検出する磁束密度300、310の振幅は、図3に示すように等しい。その最大振幅を((A2+B2)/2)1/2=Vとすると、式(5)、(6)、(12)から、
B1x=V×sin(θ+β) ・・・(20)
B1y=V×sin(θ+γ)
=V×sin(θ+(180°−β))
=−V×sin(θ−β) ・・・(21)
ここで、
B1x+B1y=V×sin(θ+β)−V×sin(θ−β)
=2V×cosθsinβ ・・・(22)
B1x−B1y=V×sin(θ+β)+V×sin(θ−β)
=2V×sinθcosβ ・・・(23)
(B1x−B1y)/(B1x+B1y)=sinθcosβ/cosθsinβ
=tanθcotβ
したがって、
θ=tan-1(tanβ×(B1x−B1y)/(B1x+B1y))・・・(24)
式(24)から、図1に示す第1実施形態において、2個のホール素子22の一方の出力B1xの位相角度βと、2個のホール素子22の出力B1xおよびB1yから、三角関数演算により、図4に示すように検出対象の回転角度θを算出できる。
予め、図16に示すようにホール素子を設置したときに、各ホール素子が検出する磁束密度の最大値A、Bを計測しておけば、式(7)、(8)よりtanβ=(−B/A)であるから、式(24)より、
θ=tan-1(−(B/A)×(B1x−B1y)/(B1x+B1y))
=−tan-1((B/A)×(B1x−B1y)/(B1x+B1y))
・・・(30)
である。したがって、図16に示すようにホール素子を設置したときに、各ホール素子が検出する磁束密度の最大値A、Bを予め計測しておけば、検出磁束密度の最大値A、Bと、図1に示すように設置した本実施形態の2個のホール素子22の出力B1xおよびB1yとから、三角関数演算により検出対象の回転角度θを算出できる。最大値A、Bは、実際には、図16に示すようにホール素子を設置したときの各ホール素子の出力の最大値である。
tanβ=cot(90°−β)であるから、式(24)より、
θ=tan-1(cot(90°−β)×(B1x−B1y)/(B1x+B1y))
・・・(40)
ここで、2個のホール素子22の出力の位相差をαとすると、
α=β−γ=β−(180°−β)=−(180°−2β)
したがって、
−α/2=90°−β ・・・(41)
よって、式(40)、(41)から、
θ=tan-1(cot(−α/2)×(B1x−B1y)/(B1x+B1y))
=−tan-1(cot(α/2)×(B1x−B1y)/(B1x+B1y))
・・・(42)
以上説明した算出方法1、2、3は、いずれか一つが選択されて検出対象の回転角度が算出される。次に説明する算出方法4は、算出方法1、2、3、と組み合わせて回転角度が算出される。
ホールIC20の位置が永久磁石12に対して径方向にずれると、前述したように、ホール素子22の出力信号300、310の振幅、ならびに出力信号300、310の位相が変化する(図5参照)。ただし、ホール素子22の出力信号300、310の振幅は共に定数倍された出力信号302、312になる。したがって、振幅の変化は角度の算出結果には影響しない。しかし、ホールIC20の位置が永久磁石12に対して径方向にずれると、図5に示すように、ホール素子22の出力信号300、310の位相が変化し、位相変化後の出力信号302と出力信号312との位相差が変化する。このように、2個のホール素子22の出力信号の位相差が変化すると、2個のホール素子22の出力信号から算出する回転角度に誤差が生じる。
このように、ホールIC20の位置が永久磁石12に対して径方向にずれても、2個のホール素子22の出力の位相差を90°に補正することにより、算出される回転角度の誤差を極力小さくし、かつ検出対象の回転角度を容易に算出できる。
次に、第1実施形態において、温度特性を考慮したときの回転角度の算出について説明する。
式(1)、(2)において、温度特性を考慮したときの検出磁束密度をそれぞれB2x、B2y、式(5)、(6)において度特性を考慮したときの検出磁束密度をそれぞれB3x、B3y、式(5)、(6)において温度特性を考慮したときの2個のホール素子22の出力信号の位相角度をβ3、γ3、ホール素子22の温度特性係数をk(t)とすると、B2x、B2y、B3x、B3yは次式(50)、(51)、(52)、(53)で示される。
B2y=k(t)×B0y=−B×k(t)×cosθ・・・(51)
B3x=B2x/(21/2)+B2y/(21/2)
=A×k(t)×sinθ/(21/2)−B×k(t)×cosθ/(21/2)
=k(t)×((A2+B2)/2)1/2×sin(θ+β3)
・・・(52)
B3y=−B2x/(21/2)+B2y/(21/2)
=−A×k(t)×sinθ/(21/2)−B×k(t)×cosθ/(21/2)
=k(t)×((A2+B2)/2)1/2×sin(θ+γ3)
・・・(53)
cosβ3=A/(A2+B2)1/2
よって、式(8)、(9)より、
β3=cos-1(A/(A2+B2)1/2)=β・・・(54)
また、式(53)から、
cosγ3=−A/(A2+B2)1/2
よって、式(11)、(12)より
γ3=cos-1(−A/(A2+B2)1/2)
=γ=180°−β ・・・(55)
B3x=k(t)×((A2+B2)/2)1/2×sin(θ+β3)
=k(t)×B1x ・・・(56)
B3y=k(t)×((A2+B2)/2)1/2×sin(θ+γ3)
=k(t)×B1y ・・・(57)
θ=tan-1(tanβ×(B3x−B3y)/(B3x+B3y))
=tan-1(tanβ×k(t)×(B1x−B1y)/(k(t)×(B1x+B1y)))
=tan-1(tanβ×(B1x−B1y)/(B1x+B1y))・・・(58)
つまり、本実施形態では、周囲温度が変化しても、回転角度の算出結果は温度変化の影響を受けない。したがって、周囲温度の変化に関わらず、回転角度を高精度に検出できる。
本発明の第2〜第7実施形態を図9〜図14の各図に示す。図9〜図14においては、ECU30を省略している。尚、既述の実施形態と実質的に同一構成部分には同一符号を付す。
第2〜第7実施形態においても、2個のホール素子22の感磁面23は、回転軸14の回転軸線200と直交する仮想平面上において、交差角度が90°になるように設置されている。また、回転軸線200と直交する仮想直線202に対して、感磁面23はそれぞれ45°の角度で傾斜している。
図13に示す第6実施形態の回転角度検出装置80では、磁界発生手段としての永久磁石82は、円環状または円筒状に形成されている。ホールIC20は、永久磁石82の径方向外側に、永久磁石82の軸方向長さの範囲内で永久磁石82と向き合って設置されている。
図14に示す第7実施形態の回転角度検出装置90では、ホールIC20は、永久磁石82の径方向内側に、永久磁石82の軸方向長さの範囲内で永久磁石82と向き合って設置されている。
以上説明した上記実施形態では、磁界発生手段としての永久磁石が検出対象と連動して回転した。これに対し、磁気検出手段としてのホールICが検出対象と連動して回転してもよい。
上記実施形態において、磁界発生手段として、電磁石等を使用してもよい。
上記実施形態では、2個のホール素子を1チップの半導体として製造しホールIC20を形成した。これに対し、2個のホール素子を別チップの半導体として製造し、感磁面が90°を形成し、回転軸線と直交する仮想直線に対して感磁面が45°の角度で傾斜するように2個のホール素子を設置してもよい。
Claims (8)
- 検出対象の回転角度を検出する回転角度検出装置において、
磁界発生手段と、
前記検出対象の回転に伴って前記磁界発生手段に対して相対回転する磁気検出手段と、
を備え、
前記磁気検出手段は、前記磁界発生手段に対して相対回転自在に回転方向の1箇所に設置され、前記磁界発生手段に対して前記磁気検出手段が相対回転することにより生じる磁界の変化に応じた信号を出力する第1磁気検出素子および第2磁気検出素子を有し、
前記両磁気検出素子はホール素子であって、相対回転の回転軸線と直交する仮想平面上に、前記第1磁気検出素子の感磁面の延びる方向と前記第2磁気検出素子の感磁面の延びる方向とが90°を形成して設置され、前記回転軸線と直交する仮想直線に対し、前記両感磁面の延びる方向はそれぞれ45°傾斜している回転角度検出装置。 - 前記磁界発生手段は円板状または円筒状の磁石である請求項1に記載の回転角度検出装置。
- 前記第1磁気検出素子および前記第2磁気検出素子は1チップの半導体で形成されている請求項1または2に記載の回転角度検出装置。
- 前記第1磁気検出素子の第1出力信号と前記第2磁気検出素子の第2出力信号とに基づき、三角関数演算により前記検出対象の回転角度を算出する算出手段をさらに備える請求項1から3のいずれか一項に記載の回転角度検出装置。
- 前記算出手段は、前記両出力信号の位相差を90°に補正して前記検出対象の回転角度を算出する請求項4に記載の回転角度検出装置。
- 前記算出手段は、前記検出対象の回転角度に対する前記両出力信号の一方の位相角度と、前記両出力信号とから前記検出対象の回転角度を算出する請求項4に記載の回転角度検出装置。
- 前記算出手段は、前記両出力信号の位相差と前記両出力信号とから前記検出対象の回転角度を算出する請求項4に記載の回転角度検出装置。
- 前記回転軸線と直交する仮想平面上に、仮に2個の磁気検出素子の一方の感磁面を前記回転軸線と直交する仮想直線に沿って設置し、他方の磁気検出素子を前記一方の感磁面と90°を形成して設置した場合に、仮に設置した前記両磁気検出素子の各出力信号の最大値と、前記第1出力信号および前記第2出力信号とから、前記算出手段は前記検出対象の回転角度を算出する請求項4に記載の回転角度検出装置。
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