JP5144528B2

JP5144528B2 - 回転角度検出装置

Info

Publication number: JP5144528B2
Application number: JP2008540912A
Authority: JP
Inventors: 文彦安倍; 賢吾田中; 東治金
Original assignee: THE FURUKAW ELECTRIC CO., LTD.
Current assignee: THE FURUKAW ELECTRIC CO., LTD.
Priority date: 2006-10-25
Filing date: 2007-09-13
Publication date: 2013-02-13
Anticipated expiration: 2027-09-13
Also published as: US20100109655A1; EP2077438B1; JPWO2008050550A1; WO2008050550A1; EP2077438A4; EP2077438A1; US8362761B2

Description

本発明は、被検出回転体の回転角度を検出する回転角度検出装置に関する。特に、複数個の磁気検出手段の出力信号に及ぼす温度変化等の外乱要因の影響を低減させることが可能な回転角度検出装置に関する。

従来から、回転角度検出装置として、回転体に固定した磁石と、磁気の強さを検出する磁気検出器とを組合せ、回転体を磁気検出器に対して、磁石とともに回転させることにより、回転角度を検出する構成の装置が開発され、例えば、車両用エンジン、ステアリングホイール、ＤＣモータ等の様々な分野に利用されている。特に、磁気検出手段として、ホール素子を使用した回転角度検出装置が開発され、利用されている。

また、磁気検出手段は、温度変化等により検出される磁気の強さが大きく変化することがわかっている。そのため、このような磁気検出手段を利用した回転角度検出装置では、検出される回転角度に、温度変化等による誤差が含まれてしまっていた。そこで、温度変化等の影響を受けることなく、回転角度を検出する回転角度検出装置が提案されている。

特許文献１では、２個のホール素子に対して同じ様な定電流を駆動電流として流すことにより、各ホール素子により検出され信号の信号比率が一定になるように各ホール素子の駆動電流を個別に制御する駆動回路を備えた回転角度センサが提案されている。

図５は、特許文献１に提案された回転角度センサに備えられたホール素子の駆動回路を示した図である。図５に示すように、２つのホール素子３４ａ、３４ｂのホール電圧は、それぞれ駆動検出回路５０ａ、５０ｂにより、検出されるようになっている。また、駆動検出回路５０ａ、５０ｂは、それぞれ、ホール素子駆動部５１、ホール電圧検出部５２及び検出電圧増幅部５３により構成されている。
特開平１１−２９５０２２号公報

しかしながら、特許文献１は、図５に示したように、ホール素子駆動部５１において、２つのホール素子３４ａ、３４ｂの駆動電流値を決めているのは、抵抗Ｒ５１ａ、Ｒ５１ｂであることから、抵抗Ｒ５１ａ、Ｒ５１ｂの部品ばらつきによる初期抵抗値の違いにより、厳密に同じ電流値を２つのホール素子３４ａ、３４ｂにそれぞれ流すことは困難であるという問題点があった。また、抵抗Ｒ５１ａ、Ｒ５１ｂ、及び、演算増幅回路Ａ５１ａ、Ａ５１ｂの温度変化による影響は、それぞれ異なることから、ホール素子３４ａ、３４ｂによって検出され信号の信号比率を一定にすることは困難であるという問題点があった。

本発明は、以上のような問題点を解決するためになされたもので、複数個のホール素子のような磁気検出手段を直列に接続して、各磁気検出手段に同一の駆動電流を流すことにより、温度変動、電源変動等の外乱による検出誤差を削除することが可能な回転角度検出装置を提供することを目的とする。

上述した従来の問題点を解決すべく下記の発明を提供する。

本発明の第１の態様にかかる回転角度検出装置は、被検出回転体に固定され、前記被検出回転体とともに回転する磁石と、前記磁石による磁界の強さを検知して、磁界の強さに基づいた電気量の信号を出力し、互いに角度をもって配置される複数個の磁気検出手段と、複数個の前記磁気検出手段の感磁特性を同一比率かつ同時に変化できる、複数個の前記磁気検出手段を駆動する駆動手段と、複数個の前記磁気検出手段から出力された信号に基づいて、前記被検出回転体の回転角度を算出する回転角度算出手段と、を備えており、前記駆動手段は、前記駆動電流を変化させて、前記磁気検出手段から出力される信号を所定の範囲の適正信号に調整する信号調整手段を備え、前記信号調整手段は、予め設定されている参照抵抗に対する、１個の参照電圧を変化させることにより、複数個の前記磁気検出手段の全ての前記駆動電流を同じ電流値に変化させ、前記参照電圧は、パルス幅変調信号を整流して、生成する回転角度検出装置である。

これにより、回転角度検出装置を構成する複数個のホール素子のような磁気検出手段から絶対値が等しい信号を出力することが可能である。従って、温度変動、電源変動等の外乱による回転角度の検出誤差を削除することが可能である。

上記した構成において、前記検出手段は、前記駆動電流を変化させて、前記磁気検出手段から出力される信号を所定の範囲の適正信号に調整する信号調整手段を備えていることを特徴とする。

これにより、回転角度検出装置を構成する複数個の磁気検出手段に対して、外部から任意の同一の信号ゲインを与えることができる。即ち、磁気検出手段から出力される信号を適正信号に調整することにより、検出誤差を削減することができる。

また、前記信号調整手段は、予め設定されている参照抵抗に対する、１個の参照電圧を変化させることにより、複数個の前記磁気検出手段の全ての前記駆動電流を同じ電流値に変化させることを特徴とする。

これにより、参照電圧を変化させることにより、容易に、磁気検出手段から出力される信号を適正信号に調整することができる。

また、前記参照電圧は、パルス幅変調信号を整流して、生成することを特徴とする。

これにより、マイコン等を利用して発生させたデジタル信号であるパルス幅変調信号（ＰＷＭ信号）をアナログ信号に変換させることにより、容易に、所望の参照電圧を生成することができる。

例えば、磁石としてＮｄＦｅＢ（ネオジウム・鉄・ホウ素）からなる磁石を用いると、約−０．１％／℃、温度と共に減磁する。また、ホール素子の感度も同様に−０．１％／℃程度低下する。したがって、温度環境が−４０℃から８０℃まで１２０℃の範囲で使用すると各々１２％程度の変化となり、信号強度の変化を２０％程度見込む必要がある。

一方、信号処理にはダイナミック・レンジの適正化が必要となる。すなわち、電気信号で得られる信号振幅を絶えず適正化する。コンピュータにてＡＤ変換（アナログ信号→デジタル信号）する場合に分解能が問題となる。

図６は、磁石を回転させたときのホール素子の出力信号の１例を示した図である。横軸は、磁石の回転角度θを示し、縦軸は、ホール素子の出力信号Ｖを示している。１０ビットのＡＤ変換の場合には、図６のＶはフルレンジでＡＤ変換に入力されると、９０度の振幅でフルレンジとなるので、分解能は９０度／１０２４＝０．０９°の分解能が得られる。ところが、前述した温度変動により、信号振幅が増減すると、増加に対しては、正弦波の上下が欠けてしまう（レンジオーバー）。また、減少に対しては、見かけのフルレンジが減少するので、例えば８０％変動すると、９０度／１０２４／０．８＝０．１１°の分解能となり、測定精度が減少してしまう。

したがって、回転角度検出装置の動作環境下の温度変動に対して、適切な信号ゲインに変更することが望ましい。前述した温度変化による磁力の増減、ホール素子感度の増減は物理的に決定されるので、回転角度検出装置内の温度測定手段を用いて、温度に応じた感度設定を行う。

本発明の第２の態様にかかる回転角度検出装置は、本発明の第１の態様にかかる回転角度検出装置の前記駆動手段が、複数個の前記磁気検出手段を直列に接続し、複数個の前記磁気検出手段の全ての駆動電流を同じ一定の電流値にすることを特徴とする。

これにより、回転角度検出装置を構成する複数個のホール素子のような磁気検出手段に対して、同一の駆動電流を流すことができる。従って、温度変動、電源変動等の外乱に対する、複数個の磁気検出手段への影響も同じとなり、複数個の磁気検出手段から出力される信号の絶対値を等しくすることが可能である。即ち、温度変動、電源変動等の外乱による回転角度の検出誤差を削除することが可能である。

本発明の第３の態様にかかる回転角度検出装置は、本発明の第１または２の態様にかかる回転角度検出装置において、前記磁気検出手段はホール素子であり、前記駆動手段は前記ホール素子を定電流駆動する手段であることを特徴とする。

本発明によれば、回転角度検出装置を構成する複数個のホール素子のような磁気検出手段に対して、同一の駆動電流を流すことができる。従って、温度変動、電源変動等の外乱に対する、複数個の磁気検出手段への影響も同じとなり、複数個の磁気検出手段から出力される信号の信号比率を一定にすることが可能である。即ち、温度変動、電源変動等の外乱による回転角度の検出誤差を削除することが可能である。

また、回転角度検出装置を構成する複数個の磁気検出手段に対して、外部から任意の同一の信号ゲインを与えることができる。即ち、磁気検出手段から出力される信号を適正信号に調整することにより、検出誤差を削減することができる。

本発明を適用可能な回転角度検出装置の外観構成の一例を示す図である。図１のホール素子１３ａ及び１３ｂの出力信号を示した図である。図１のホール素子１３ａ及び１３ｂの駆動回路の一例を示す図である。本発明を適用可能な別の回転センサの外観構成の一例を示す図である。従来の回転角度センサに備えられたホール素子の駆動回路を示した図である。ホール素子の出力信号の１例を示した図である。

符号の説明

１０、３０回転センサ
１１、３１回転体
１２リング磁石
１３ａ、１３ｂ、３３ａ、３３ｂホール素子
１４、３４回転中心軸
２０、４０駆動回路
２１ホール素子駆動部
２２参照電圧調整部
２３演算増幅器
２４参照抵抗
２５ＭＣＵ
２６ローパスフィルタ
３２円形磁石
５０回転角度算出部

この発明の一実施態様を、図面を参照しながら説明する。なお、以下に説明する実施態様は説明のためのものであり、本発明の範囲を制限するものではない。従って、当業者であればこれらの各要素もしくは全要素をこれと均等なもので置換した実施態様を採用することが可能であるが、これらの実施態様も本発明の範囲に含まれる。

図１は、本発明を適用可能な回転角度検出装置の外観構成の一例を示す図である。以下、回転角度検出装置を回転センサと呼ぶ。

図１に示すように、回転センサ１０は、リング磁石１２、ホール素子１３ａ、ホール素子１３ｂ、駆動回路２０（図示略）及び回転角度算出部５０（図示略）により構成されており、回転体１１の回転角度を検出する。リング磁石１２は、周方向に着磁され、Ｎ極、Ｓ極をそれぞれ交互に２極づつ有している。また、リング磁石１２は、回転体１１に固定されており、回転体１１とともに回転する。ここでは、リング磁石１２の径方向の中心にある、リング磁石１２の感磁面に垂直な軸が回転中心軸１４となるように固定されている。ここで、リング磁石１２を周方向に着磁しているが、回転中心軸１４に平行な方向（Ｚ軸方向）に着磁しても良い。

ホール素子１３ａ及び１３ｂは、リング磁石１２の径方向に垂直な方向における磁気の強さの変化を検出できるように配置されている。ここでは、ホール素子１３ａ及び１３ｂは、回転中心軸１４に対する感磁面の法線の傾きが概ね４５°となるように、リング磁石１２の円周外に配置されている。

ここで、磁場中に置かれたホール素子に発生するホール電圧Ｖは、ホール係数及びホール素子形状等により決定されるホール感度をα、磁石等により発生する磁場の磁束密度をＢ、ホール素子の駆動電流をＩとしたとき、下記の式（１）によって表される。

Ｖ＝α×Ｂ×Ｉ・・・・・・（１）
即ち、ホール電圧Ｖは、ホール感度αを一定としたとき、磁束密度Ｂ及び駆動電流Ｉに比例する。ホール電圧Ｖは、磁束密度Ｂ一定にも関わらず駆動電流Ｉに比例するので、この関係を感磁特性（ゲイン）と呼ぶ。

また、リング磁石１２の感磁面に平行な面上における、リング磁石１２の円周方向の磁束密度Ｂの変化は、下記の式（２）によってあらわされる。ここで、Ｂ_０は定数であり、リング磁石１２により一定の値である。

Ｂ＝Ｂ_０×ｓｉｎθ ・・・・・・（２）
従って、ホール素子の駆動電流Ｉを一定としたとき、ホール素子１３ａ及び１３ｂのホール電圧Ｖは、磁束密度Ｂに比例することがわかる。

次に、ホール素子１３ａ及び１３ｂの出力信号について説明する。

図２は、図１のホール素子１３ａ及び１３ｂの出力信号を示した図である。図に示すように、リング磁石１２とともに回転体１１が、θだけ回転したときに、ホール素子１３ａ及び１３ｂから出力される信号であるホール電圧Ｖ_１３ａ及びＶ_１３ｂは、下記の式（３）及び（４）によって表される。ここで、Ｖ_ａ及びＶ_ｂは、ホール素子１３ａ及び１３ｂの出力信号の振幅定数である。

Ｖ_１３ａ＝Ｖ_ａ×ｓｉｎθ ・・・・・・（３）
Ｖ_１３ｂ＝Ｖ_ｂ×ｃｏｓθ ・・・・・・（４）
従って、回転体１１の回転角度θは、下記の式（７）によって表される。

θ＝ｔａｎ^−１（Ｖ_ｂＶ_１３ａ／Ｖ_ａＶ_１３ｂ）・・・・・・（７）
上述したように、回転センサ１０は、ホール素子１３ａ及び１３ｂの出力信号の信号比率に基づいて、回転体１１の回転角度θを検出する。従って、ホール素子１３ａ及び１３ｂの駆動電流Ｉ_ａ及びＩ_ｂが、同一値であれば、例え、外乱により、駆動電流Ｉ（＝Ｉ_ａ＝Ｉ_ｂ）が変化しても、駆動電流に影響されることなく、ホール素子１３ａ及び１３ｂの出力信号の信号比率に基づいて、回転体１１の回転角度θを精度良く検出することができる。

次に、回転センサ１０に備えられているホール素子１３ａ及び１３ｂにホール電圧を出力させるための駆動回路を説明する。

図３は、図１のホール素子１３ａ及び１３ｂの駆動回路の一例を示す図である。図３に示すように、駆動回路２０は、ホール素子駆動部２１及び参照電圧調整部２２を備えている。

ホール素子駆動部２１は、ホール素子１３ａ及び１３ｂを定電流駆動するための回路であり、演算増幅器２３及び参照抵抗２４を備えている。また、ホール素子１３ａと１３ｂは、直列に接続している。演算増幅器２３の非反転入力端子に、参照電圧Ｖｒｅｆを入力すると、ホール素子１３ａ及び１３ｂの駆動電流Ｉは、直列に接続されていることから、ともに、下記の式（８）によって表される。ここで、参照抵抗２４の抵抗値はＲｒｅｆとする。

Ｉ＝Ｉ_ａ＝Ｉ_ｂ＝Ｖｒｅｆ／Ｒｒｅｆ・・・・・・（８）
参照電圧調整部２２は、演算増幅器２３に入力する参照電圧Ｖｒｅｆを調整するための回路であり、ＭＣＵ（ＭｉｃｒｏＣｏｎｔｒｏｌＵｎｉｔ）２５及びローパスフィルタ２６を備えている。ＭＣＵ２５によって生成されたＰＷＭ信号は、ローパスフィルタ２６によって整流され、参照電圧Ｖｒｅｆの信号として生成され、演算増幅器２３に入力される。

ＭＣＵ２５によって生成されたＰＷＭ信号のパルス幅を調整することにより、参照電圧Ｖｒｅｆが変更される。

従って、参照電圧Ｖｒｅｆを調整することにより、ホール素子１３ａ及び１３ｂの駆動電流Ｉが変更して、ホール素子１３ａ及び１３ｂの出力信号が適正信号となるように、駆動電流Ｉを調整する。

回転角度算出部５０は、駆動回路２０によって出力されたホール素子１３ａ及び１３ｂの出力信号に基づいて、上記の式（７）に従って、回転角度θを算出する。

上述した回転センサ１０において、ホール素子１３ａ及び１３ｂは、本発明の磁気検出手段に対応し、リング磁石１２は本発明の磁石に対応し、駆動回路２０は、本発明の駆動手段に対応し、回転角度算出部５０は本発明の回転角度算出手段に対応し、参照電圧調整部２２は本発明の信号調整手段に対応する。

また、上述したように、ホール素子１３ａ及び１３ｂを直列に接続した駆動回路２０、を回転センサ１０に備えることにより、ホール素子１３ａ及び１３ｂに同一の駆動電流Ｉを流すことができる。従って、温度変動、電源変動等の外乱に対するホール素子１３ａ及び１３ｂへの影響も同じとなり、ホール素子１３ａ及び１３ｂから出力される信号の信号比率を一定にすることが可能である。即ち、温度変動、電源変動等の外乱による回転角度の検出誤差を削除することが可能である。

また、外部から任意の同一の信号ゲイン（例えば、参照電圧Ｖｒｅｆ）を与えることができる。即ち、ホール素子１３ａ及び１３ｂから出力される信号を適正信号に調整することにより、検出誤差を削減することができる。

また、上述において、参照電圧調整部２２は、デジタル信号を調整することにより、デジタル信号から変換されたアナログ信号により、参照電圧を調整するようにしているが、直接、アナログ信号を調整できるにしても良い。

図４は、本発明を適用可能な別の回転センサの外観構成の一例を示す図である。図４に示すように、回転センサ３０は、円形磁石３２、ホール素子３３ａ、ホール素子３３ｂ、及び駆動回路４０（図示略）により構成されており、回転体３１の回転角度を検出する。円形磁石３２は、周方向に着磁され、Ｎ極、Ｓ極をそれぞれ１極づつ有している。また、円形磁石３２は、回転体３１に固定されており、回転体３１とともに回転する。ここでは、円形磁石３２の径方向の中心にある、円形磁石３２の感磁面に垂直な軸が回転中心軸３４となるように固定されている。

ホール素子３３ａ及び３３ｂは、円形磁石３２の径方向に垂直な方向における磁気の強さの変化を検出できるように配置されている。ここでは、ホール素子３３ａ及び３３ｂは、回転中心軸３４に対する感磁面の法線の傾きが概ね９０°となるように、円形磁石３２の円周外に配置されている。

また、駆動回路４０は、図３の駆動回路２０と同様であり、ホール素子３３ａ及び３３ｂを直列に接続している。

上述したような構成であっても、ホール素子３３ａ及び３３ｂを直列に接続した駆動回路４０を回転センサ１０に備えることにより、ホール素子３３ａ及び３３ｂに同一の駆動電流Ｉを流すことができる。従って、温度変動、電源変動等の外乱に対するホール素子３３ａ及び３３ｂへの影響も同じとなり、ホール素子３３ａ及び３３ｂから出力される信号の信号比率を一定にすることが可能である。即ち、温度変動、電源変動等の外乱による回転角度の検出誤差を削除することが可能である。

また、外部から任意の同一の信号ゲイン（例えば、参照電圧Ｖｒｅｆ）を与えることができる。即ち、ホール素子３３ａ及び３３ｂから出力される信号を適正信号に調整することにより、検出誤差を削減することができる。

Claims

被検出回転体に固定され、前記被検出回転体とともに回転する磁石と、
前記磁石による磁界の強さを検知して、磁界の強さに基づいた電気量の信号を出力し、互いに角度をもって配置される複数個の磁気検出手段と、
複数個の前記磁気検出手段の感磁特性を同一比率かつ同時に変化できる、複数個の前記磁気検出手段を駆動する駆動手段と、
複数個の前記磁気検出手段から出力された信号に基づいて、前記被検出回転体の回転角度を算出する回転角度算出手段と、
を備えており、
前記駆動手段は、前記駆動電流を変化させて、前記磁気検出手段から出力される信号を所定の範囲の適正信号に調整する信号調整手段を備え、
前記信号調整手段は、予め設定されている参照抵抗に対する、１個の参照電圧を変化させることにより、複数個の前記磁気検出手段の全ての前記駆動電流を同じ電流値に変化させ、前記参照電圧は、パルス幅変調信号を整流して、生成する
ことを特徴とする、被検出回転体の回転角度を検出する回転角度検出装置。
前記駆動手段は、複数個の前記磁気検出手段を直列に接続し、複数個の前記磁気検出手段の全ての駆動電流を同じ一定の電流値にすることを特徴とする請求項１に記載の回転角度検出装置。
前記磁気検出手段はホール素子であり、前記駆動手段は前記ホール素子を定電流駆動する手段であることを特徴とする請求項１または２に記載の回転角度検出装置。