JP5021253B2 - 回転角度検出装置 - Google Patents
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Description
本発明は、検出対象の回転角度を検出する回転角度検出装置に関するものである。
従来、検出対象とともに磁石が回転し、磁石の回転により生じる磁界の変化を磁気検出素子で検出し、磁気検出素子の出力信号に基づいて三角関数演算により検出対象の回転角度を検出する回転角度検出装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
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、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。
また、回転方向に離れて磁気検出素子を設置する構成では、組付時、または組付後においては振動等により各磁気検出素子と磁石との距離にばらつきが生じやすい。ここで、図１９に示すように、永久磁石等で形成される磁界発生手段４００の周囲の磁束密度は全周において均一ではないため、回転方向に離れて設置された磁気検出素子と磁界発生手段４００との距離にばらつきが生じると、各磁気検出素子が検出する磁束密度の変化率が異なり、出力信号の変化率も異なってくる。また、通常、磁気検出素子は温度に応じて出力信号値が変化する温度特性を有するので、回転方向に離れて磁気検出素子を設置する構成では、回転方向に温度分布が生じると、設置箇所の温度に応じて磁気検出素子の出力信号の変化率が異なってくる。変化率が異なる検出信号から三角関数演算により回転角度を算出すると、算出した回転角度の誤差が大きくなるという問題がある。
そこで、図１６に示すように、磁界発生手段４００の回転方向の一箇所に磁気検出手段４１０を設置し、回転角度検出装置を小型化することが考えられる。磁界発生手段４００または磁気検出手段４１０の一方が、検出対象と連動して回転する。磁気検出手段４１０には、磁気検出素子４１２として、例えば２個のホール素子が使用される。図１６では、２個の磁気検出素子４１２のうち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°に設置している。
図１６に示すように、２個の磁気検出素子４１２を設置すると、図１７に示すように、回転角度に応じて２個の磁気検出素子４１２が検出する磁束密度の位相差は９０°になる。磁気検出素子４１２は磁束密度に応じた信号を出力するので、磁気検出素子４１２の出力信号の位相差も９０°になる。
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、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。
そこで、図１８に示すように、振幅の小さい方の出力を増幅して２個の出力信号の振幅を合わせ、算出する回転角度の誤差を低減することが考えられる。
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。
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。
本発明は上記問題を解決するためになされたものであり、小型で回転角度の検出精度が高い回転角度検出装置を提供することを目的とする。
請求項１から８に記載の発明によると、磁界発生手段に対して相対回転自在に回転方向の１箇所に第１磁気検出素子および第２磁気検出素子を有する磁気検出手段を設置している。したがって、磁気検出手段を小型化し、結果として回転角度検出装置を小型化できる。
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。
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。
ここで、図１６に示す２個の磁気検出素子４１２の感磁面４１３が検出する磁束密度の最大値をそれぞれＡ、Ｂ、磁界発生手段４００の回転角度θに応じて２個の磁気検出素子４１２が検出する磁束密度をそれぞれＢ0ｘ、Ｂ0ｙとすると、Ｂ0ｘ、Ｂ0ｙは次式（１）、（２）で示される。２個の磁気検出素子４１２は、検出磁束密度Ｂ0ｘ、Ｂ0ｙの値に係数を乗じた信号を出力するので、検出磁束密度Ｂ0ｘ、Ｂ0ｙを出力信号とみなしてよい。以下、Ｂkｘ、Ｂkｙ（ｋ＝０、１、２・・・）を出力ということもある。
Ｂ0ｘ＝Ａ×ｓｉｎθ ・・・（１）
Ｂ0ｙ＝−Ｂ×ｃｏｓθ ・・・（２）
Ｂ0ｘ＝Ａ×ｓｉｎθ ・・・（１）
Ｂ0ｙ＝−Ｂ×ｃｏｓθ ・・・（２）
次に、請求項１から８に記載の発明において、回転軸線と直交する仮想平面上に、第１磁気検出素子の感磁面の延びる方向と第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、回転軸線と直交する仮想直線に対し両感磁面の延びる方向がそれぞれ４５°傾斜するように設置された磁気検出素子が、磁気検出手段に対して相対回転する磁界発生手段の回転角度θに応じて検出する磁束密度をそれぞれＢ1ｘ、Ｂ1ｙとすると（図１５参照）、ベクトルの合成により、Ｂ1ｘ、Ｂ1ｙは次式（３）、（４）で示される。
Ｂ1ｘ＝Ｂ0ｘ×ｃｏｓ４５＋Ｂ0ｙ×ｓｉｎ４５ ・・・（３）
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）
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）
式（５）、（６）から分かるように、前述した図１６に示す構成において、２個の磁気検出素子４１２の検出する磁束密度の最大値Ａ、Ｂが異なっても、請求項１から８に記載の発明においては、２個の磁気検出素子が検出する磁束密度の最大値は（（Ａ2＋Ｂ2）／２）1/2となり、等しい。つまり、２個の磁気検出素子の出力信号の振幅は等しくなる。
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。
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。
請求項２に記載の発明によると、磁界発生手段は円板状または円筒状の永久磁石で形成されているので、磁気検出素子に対して永久磁石が相対回転するときに、回転角度に応じて磁気検出素子が出力する検出信号の波形を正弦波形により近づけることができる。したがって、２個の磁気検出素子の出力信号から、回転角度を高精度に検出できる。
請求項３に記載の発明によると、２個の磁気検出素子は１チップの半導体で形成されているので、例えば２個の磁気検出素子をそれぞれ別チップで形成するよりも、半導体製造工程において磁気検出素子が形成する角度を高精度に９０°にすることができる。さらに、２個の磁気検出素子の動作環境が一致する。したがって、回転角度を高精度に検出できる。
ここで、式（５）から、
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）
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）
請求項１に記載の発明では、２個の磁気検出素子を感磁面が９０°を形成するように設置しているが、式（１３）から分かるように、２個の磁気検出素子の出力信号の位相差（β−γ）は９０°からずれている。そして、式（９）、（１２）から分かるように、位相差（β−γ）は、図１６に示す構成において、２個の磁気検出素子４１２の検出する磁束密度の最大値Ａ、Ｂに応じて変化する。
ここで、図１６に示す構成において、磁気検出手段４１０の位置が磁界発生手段４００に対して径方向にずれると、２個の磁気検出素子４１２の検出する磁束密度の最大値Ａ、Ｂが変化する。したがって、請求項１に記載の発明においては、磁気検出手段、つまり磁気検出素子の位置が磁界発生手段に対して径方向にずれると、式（５）、（６）、（９）、（１２）のＡ、Ｂの値が変化することにより、磁気検出素子の出力の振幅および位相が変化する。ただし、請求項１に記載の発明では、式（５）、（６）から分かるように、磁気検出素子の位置が磁界発生手段に対して径方向にずれて２個の磁気検出素子の出力の振幅が変化しても、両方の振幅は定数倍されて等しくなる。したがって、振幅が変化しても回転角度の誤差は生じない。しかし、請求項１に記載の発明では、式（１３）から分かるように、２個の磁気検出素子の出力の位相が変化すると、出力の位相差が変化する。位相差が変化すると、三角関数演算により算出する回転角度に誤差が生じる。ここで、位相差の変化により生じる回転角度の誤差は、磁気検出素子の出力の位相差が９０°のときに最も小さいことが分かっている。
そこで、請求項５に記載の発明では、両出力信号の位相差を９０°に補正して検出対象の回転角度を算出手段が算出するので、磁気検出素子の位置が磁界発生手段に対して径方向にずれても、算出手段が算出する回転角度の誤差を極力小さくすることができる。
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。
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。
本発明の複数の実施の形態を図に基づいて説明する。
（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。
（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。
磁気検出手段としてのホールＩＣ２０は、永久磁石１２の回転方向の１箇所に設置されている。これにより、回転角度検出装置１０を小型化できる。ホールＩＣ２０は、２個のホール素子２２を１チップの半導体として実装した角度センサである。ホールＩＣ２０からは、２個のホール素子２２の検出信号がそれぞれＥＣＵ３０に出力される。回転角度検出装置１０では、２個のホール素子２２とＥＣＵ３０とを別部品にしてもよいし、１個の半導体として１チップで構成してもよい。図１および図２に示すように、ホールＩＣ２０は永久磁石１２よりも径方向外側に、永久磁石１２の外周面と向き合って設置されている。
２個のホール素子２２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、回転軸線２００と直交する仮想直線２０２を挟んで両側に、仮想直線２０２に対して感磁面２３がそれぞれ４５°の角度で傾斜し、２個の感磁面２３の交差角度が９０°になるように設置されている。
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。
次に、回転角度検出装置１０による、検出対象の回転角度の算出方法について説明する。
（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）
（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）
式（２２）、（２３）より、
（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。
（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。
（算出方法２）
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。
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。
（算出方法３）
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）
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）
したがって、２個のホール素子２２の位相差αと、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。
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。
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。
（算出方法４）
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。
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。
ここで、２個のホール素子２２の出力信号の位相差と、算出した回転角度の誤差との関係を図８に示す。位相差が９０°に向けて大きくなるにしたがい、角度誤差が小さくなることが分かる。例えば、９０°よりも位相差が小さいときの検出信号と、この検出信号から算出した回転角度の誤差との関係を図６に示し、位相差が９０°のときの検出信号と、この検出信号から算出した回転角度の誤差との関係を図７に示す。図６の（Ａ）、図７の（Ａ）において、実線は位置ずれ前の検出信号を示し、点線は位置ずれ後の検出信号を示している。位相差が９０°の方が、角度誤差が小さくなっている。
そこで、２個のホール素子２２の出力信号の値を元に、マップを参照し、２個のホール素子２２の出力信号の値を、位相差が９０°になるように補正する。そして、位相差を９０°に補正した後のホール素子２２の出力信号から回転角度を算出する。位相差を９０°に補正された２個のホール素子２２の出力は、振幅の等しいｓｉｎとｃｏｓとの関係になる。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。
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。
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。
（温度特性補償）
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。
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。
Ｂ2ｘ＝ｋ（ｔ）×Ｂ0ｘ＝Ａ×ｋ（ｔ）×ｓｉｎθ ・・・（５０）
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）
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）
ここで、式（５２）から、
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）
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）
式（５２）〜（５５）から、温度変化が生じても、２個のホール素子２２の出力信号の位相角度および位相差は変化せず、振幅がｋ（ｔ）倍されることが分かる。そして、式（５）、（６）、（５２）〜（５５）から、
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）
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）
式（２４）において、Ｂ1ｘをＢ3ｘに、Ｂ1ｙをＢ3ｙに置き換え、式（５６）、（５７）を代入すると、
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。
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。
（第２〜第７実施形態）
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。
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９に示す第２実施形態の回転角度検出装置４０では、第１実施形態と同様に、２個のホール素子２２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、回転軸線２００と直交する仮想直線２０２を挟んで両側に、仮想直線２０２に対して感磁面２３がそれぞれ４５°の角度で傾斜し、２個の感磁面２３の交差角度が９０°になるように設置されている。ただし、回転角度検出装置４０は、図１に示す第１実施形態のホール１Ｃ２０を１８０°回転して設置されている。つまり、回転角度検出装置４０では、２個のホール素子２２の感磁面２３は、仮想直線２０２を挟んで両側にそれぞれ４５°の角度で傾斜して９０°の交差角度を形成し、永久磁石１２に向けて開いている。
図１０、図１１に示す第３、第４実施形態の回転角度検出装置５０、６０では、２個のホール素子２２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、回転軸線２００と直交する仮想直線２０２対して感磁面２３がそれぞれ４５°の角度で傾斜し、２個の感磁面２３の交差角度が９０°になるように設置されている。ただし、回転角度検出装置５０、６０は、図１に示す第１実施形態のホール１Ｃ２０を左右に９０°回転して設置されている。つまり、回転角度検出装置５０、６０では、２個のホール素子２２の感磁面２３は、円板状の永久磁石１２の接線に沿った仮想直線２０４を挟んで両側に、仮想直線２０４に対してそれぞれ４５°の角度で傾斜して９０°の交差角度を形成し、永久磁石１２の接線方向のいずれか一方に向けて開いている。
図１２に示す第５実施形態の回転角度検出装置７０では、ホールＩＣ２０は、永久磁石１２の外周縁側の端面上に設置されている。
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。
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。
（他の実施形態）
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。
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。
このように、本発明は、上記複数の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の実施形態に適用可能である。
１０、４０、５０、６０、７０、８０、９０：回転角度検出装置、１２、８２：永久磁石（磁界発生手段）、２０：ホールＩＣ、（磁気検出手段）、２２：ホール素子（磁気検出素子）、３０：ＥＣＵ（算出手段）、２００：回転軸線、２０２：仮想直線
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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