JP5158867B2

JP5158867B2 - 回転角度検出装置

Info

Publication number: JP5158867B2
Application number: JP2008076691A
Authority: JP
Inventors: 崇飯島; 賢吾田中; ラースロー・アールヴァイ; ピーター・キッシュ
Original assignee: THE FURUKAW ELECTRIC CO., LTD.; Furukawa Automotive Systems Inc
Current assignee: THE FURUKAW ELECTRIC CO., LTD.; Furukawa Automotive Systems Inc
Priority date: 2008-03-24
Filing date: 2008-03-24
Publication date: 2013-03-06
Anticipated expiration: 2028-03-24
Also published as: JP2009229314A

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、回転角度の算出を短時間で実行す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、磁気検出手段から出力される信号（波形）は、正弦波形であることが知られている。従って、磁気検出手段から出力される信号から回転体の回転角度を算出する場合には、アークタンジェント（ｔａｎ^−１）関数を使用して回転角度を算出する方法が用いられている（特許文献１及び特許文献２）。

アークタンジェント（ｔａｎ^−１）関数を使用して回転角度を算出する方法を、図１３及び図１４を参照して説明する。図１３は、従来の回転角度検出装置の外観構成の一例を示す図であり、図１４は、図１３のホール素子の出力信号を示した図である。ここでは、回転角度検出装置を回転センサと呼ぶ。

図１３に示すように、回転センサ９０は、リング磁石９２、ホール素子９３ａ、ホール素子９３ｂを備えており、回転体９１の回転角度を検出する。リング磁石９２は、回転中心軸９４に平行な方向（Ｚ軸方向）に着磁され、Ｎ極、Ｓ極をそれぞれ交互に２極ずつ有している。また、リング磁石９２は、回転体９１に固定されており、回転体９１とともに回転する。また、ホール素子９３ａ及び９３ｂは、リング磁石９２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９３ａ及び９３ｂは、回転中心軸９４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９２の円周外に配置されている。

回転センサ９０を使用してリング磁石９２とともに回転体９１が、θだけ回転したときに、ホール素子９３ａ及び９３ｂから出力される信号であるホール電圧Ｖ_９３ａ及びＶ_９３ｂは、下記の式によって表され、図１４に示すような波形になる。

Ｖ_９３ａ＝Ｖ×ｓｉｎθ
Ｖ_９３ｂ＝Ｖ×ｃｏｓθ
従って、回転体９１の回転角度θは、下記の式によって表される。

θ＝ｔａｎ^−１（Ｖ_９３ａ／Ｖ_９３ｂ）
上述したように、従来の方法では、アークタンジェント（ｔａｎ^−１）関数を使用して回転角度を算出する。
特開２００３−７５１０８号公報特開２００７−３３３５２０号公報

しかしながら、回転角度に対して直線的に変化しない正弦波形の信号を用いて、さらにアークタンジェント（ｔａｎ^−１）関数を使用して回転角度を算出する演算は、ＣＰＵに対する負荷が非常に大きい計算であり、この回転角度の算出処理が実行されるとＣＰＵに対する負荷が大きくなり、ＣＰＵで実行される他の処理の遅れや算出した回転角度を使用した次処理への遅れ等が発生するという問題があった。

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、磁気検出手段の出力信号を、回転角度に対応して直線的に変化する波形となるようにすることによって、ＣＰＵに対する負荷の大きいアークタンジェント（ｔａｎ^−１）関数を使用した演算処理を実行せずに回転角度を算出し、ＣＰＵへの負荷を低減するとともに算出時間を短縮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、被検出回転体の回転角度を検出する回転角度検出装置であって、
前記被検出回転体に固定され、当該被検出回転体とともに回転するリング状の磁石と、
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、
前記磁石は、前記被検出回転体の回転軸に対して平行な方向の厚さが回転方向に変化しており、かつ、前記複数個の磁気検出手段のうち２つから出力された信号の比が、前記被検出回転体の回転角度に対して直線的に変化するように着磁されており、
前記磁気検出手段は、前記被検出回転体の回転角度に対応して変化する波形の信号を出力し、
前記回転角度算出手段は、前記複数個の磁気検出手段から出力された回転角度に対応して変化する信号に基づいて、前記被検出回転体の回転角度を算出することを特徴とする。

この手段により、ＣＰＵに入力される複数の磁気検出手段の出力信号を、ＣＰＵに対する負荷の小さい信号として、ＣＰＵに対する負荷の大きい正弦波形やアークタンジェント（ｔａｎ^−１）関数を使用した演算処理を実行せずに回転角度を算出することができる。従って、回転角度の算出処理のＣＰＵへの負荷を低減することができるとともに算出時間を短縮することができる。

また、ＣＰＵに入力される複数の磁気検出手段の出力信号の比を、被検出回転体の回転角度に対応して直線的に変化するようにして、ＣＰＵに対する負荷を最小化することができる。

本発明の第２の態様にかかる回転角度検出装置は、被検出回転体の回転角度を検出する回転角度検出装置であって、
前記被検出回転体に固定され、当該被検出回転体とともに回転するリング状の磁石と、
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、
前記磁石は、前記被検出回転体の回転軸に対して平行な方向の厚さが回転方向に変化しており、
前記磁気検出手段は、前記被検出回転体の回転角度に対応して変化する波形の信号を出力し、
前記複数個の磁気検出手段のうち２つから出力された信号の比が、前記被検出回転体の回転に対応する角度信号であり、
前記回転角度算出手段は、前記複数個の磁気検出手段から出力された回転角度に対応して変化する信号に基づいて、前記被検出回転体の回転角度を算出することを特徴とする。

この手段により、ＣＰＵに入力される複数の磁気検出手段の出力信号を、ＣＰＵに対する負荷の小さい信号として、ＣＰＵに対する負荷の大きい正弦波形やアークタンジェント（ｔａｎ ^−１）関数を使用した演算処理を実行せずに回転角度を算出することができる。従って、回転角度の算出処理のＣＰＵへの負荷を低減することができるとともに算出時間を短縮することができる。
また、２つの磁気検出手段の出力信号の比を角度信号として取り扱うことができるため、ＣＰＵに対する負荷を最小化することができる。

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または第２の態様にかかる回転角度検出装置において、リング状のバックヨークを備え、前記磁石の内周側面と当該バックヨークの外周側面とが対向して接していることを特徴とする。

この手段により、磁石の磁束密度の大きさを調整することが可能である。即ち、磁気検出手段から出力される信号の大きさを調整することができる。

本発明の第４の態様にかかる回転角度検出装置は、本発明の第１から第３のいずれか１つ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、前記ホール素子を定電流駆動または低電圧駆動する駆動手段を備えていることを特徴とする。

この手段により、被検出回転体の回転角度の算出処理のＣＰＵへの負荷を低減することができるとともに算出時間を短縮することができる回転角度検出装置を容易に実現することができる。

本発明によれば、磁気検出手段の出力信号または複数の磁気検出手段の出力信号の比を、回転角度に対応して直線的に変化する波形にして、ＣＰＵに対する負荷の大きい正弦波形やアークタンジェント（ｔａｎ^−１）関数を使用した演算処理を実行せずに回転角度を算出することができる。従って、回転角度の算出処理のＣＰＵへの負荷を低減することができるとともに算出時間を短縮することができる。また、磁石の磁束密度の大きさを調整することが可能である。即ち、磁気検出手段から出力される信号の大きさを調整することができる。また、ＣＰＵに入力される複数個の磁気検出手段の出力信号の関係を、回転角度に対応して直線的に変化する波形にすることで、よりその効果が顕著となる。

この発明の一実施形態を、図面を参照しながら説明する。なお、以下に説明する実施形態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形態を採用することが可能であるが、これらの実施形態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。図２は、リング磁石の外観斜視図である。また、図３は、回転方向に対するリング磁石の厚さの変化の一例を示した図である。図４は、回転方向に対するリング磁石の磁束密度の変化の一例を示した図である。図５は、図１のＡ−Ａ断面図である。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及び１３ｂ、ヨーク１５ａ〜１５ｄ、駆動回路２０（図示略）、並びに回転角度算出部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、回転中心軸１４に平行な方向（Ｚ軸方向）に着磁され、Ｎ極、Ｓ極をそれぞれ交互に２極ずつ有している。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。

また、リング磁石１２の形状は、図２に示すように、回転中心軸１４に平行な方向のリング磁石１２の厚さ（以下、リング磁石１２の厚さと呼ぶ）を回転方向に変化させた形状になっている。

リング磁石１２の厚さの回転方向の変化は、Ｐ点を０°としたとき、図３に示すように、リング磁石１２の厚さは０°〜４５°の間は滑らかに大きくなり、４５°〜９０°の間は滑らかに小さくなるように形成されている。また、０°〜４５°の間の厚さ曲線と、４５°〜９０°の間の厚さ曲線とは、４５°を中心線として線対称な曲線となっている。

このとき、リング磁石１２の磁束密度の回転方向の変化は、図４に示すように、リング磁石１２の磁束密度は０°〜４５°の間は直線的（１次関数的）に大きくなり、４５°〜９０°の間は直線的（１次関数的）に小さくなる。また、０°〜４５°の間の磁束密度の波形と、４５°〜９０°の間の磁束密度の波形とは、４５°を中心線として線対称な波形となっている。

９０°〜１８０°の間、１８０°〜２７０°の間、及び２７０°〜３６０°の間のリング磁石１２の厚さの変化は、それぞれ０°〜９０°の間のリング磁石１２の厚さの変化と同じである。

また、９０°〜１８０°の間、１８０°〜２７０°の間、及び２７０°〜３６０°の間のリング磁石１２の磁束密度の変化は、１８０°〜２７０°の間は着磁方向が０°〜９０°の間の方向と同じ方向になっているので、０°〜９０°の間のリング磁石１２の磁束密度の変化と同じ波形となり、９０°〜１８０°の間及び２７０°〜３６０°の間では、着磁方向が０°〜９０°の間及び１８０°〜２７０°の間の方向と反対になっているので、０°〜９０°の間のリング磁石１２の磁束密度の波形及び１８０°〜２７０°の間のリング磁石１２の磁束密度の波形と、９０°及び２７０°においてそれぞれ点対称な波形となっている。

ホール素子１３ａ及び１３ｂは、図１に示すようにリング磁石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。

図１、図２及び図５に示すように、ヨーク１５ａ〜１５ｄは、四角柱をＬ字型に変形した形状に形成されている。また、ヨーク１５ａの端面１６ａとヨーク１５ｂの端面１６ｂの間にホール素子１３ａが配置され、ヨーク１５ａの端部１７ａとヨーク１５ｂの端部１７ｂの間にリング磁石１２が配置されている。ヨーク１５ｃの端面１６ｃとヨーク１５ｄの端面１６ｄの間にホール素子１３ｂが配置され、ヨーク１５ｃの端部１７ｃとヨーク１５ｄの端部１７ｄの間にリング磁石１２が配置されている。

次に、回転角度の算出方法について説明する。
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、下記の式によって表される。

Ｖ＝α×Ｂ×Ｉ
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の回転方向の磁束密度Ｂの変化は、図４に示したように、直線的に変化することから、リング磁石１２の回転方向のホール電圧Ｖも直線的に変化する。図６は、図１のホール素子１３ａ及び１３ｂの出力信号の一例を示した図である。図６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、４５°だけ位相のずれた信号になる。

従って、ホール電圧Ｖ_１３ａ及びＶ_１３ｂの比（Ｖ_１３ａ／Ｖ_１３ｂ）は、回転体１１の回転角度θに比例する。これにより、アークタンジェント（ｔａｎ^−１）関数を使用せずに、ホール電圧Ｖ_１３ａ及びＶ_１３ｂの比（Ｖ_１３ａ／Ｖ_１３ｂ）に基づいて、回転体１１の回転角度θを算出する。

上述したような回転センサ１０を使用して回転体１１の回転角度θを算出することによって、回転角度の算出処理のＣＰＵへの負荷を大幅に低減することができる。即ち、回転体１１の回転角度θの算出時間を短縮することができる。

次に、バックヨークを備えたリング磁石を使用した場合の回転センサについて説明する。図７は、本発明を適用可能な別の回転センサ８０の外観構成の一例を示す図である。図８は、バックヨークを備えたリング磁石の外観斜視図であり、図９は、図７のＡ−Ａ断面図である。以下、図１に示した回転センサ１０と異なる点についてのみ説明する。

図７に示すように、回転センサ８０は、リング磁石１２、バックヨーク１８、ホール素子１３ａ及び１３ｂ、ヨーク１５ａ〜１５ｄ、駆動回路２０（図示略）、並びに回転角度算出部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。

図７、図８及び図９に示すように、バックヨーク１８は、リング磁石１２の内周とリング状のバックヨーク１８の外周とが接するように配置されている。また、バックヨーク１８の形状は、図８に示すように、回転中心軸１４に平行な方向のバックヨーク１８の厚さ（以下、バックヨーク１８の厚さと呼ぶ）は、リング磁石１２の厚さと同じ厚さで、回転方向に変化させた形状になっている。

バックヨーク１８を配置することにより、リング磁石の磁束密度の大きさを変化させることができる。即ち、ホール素子１３ａ及び１３ｂから出力される信号の大きさを調整することができる。

次に、本発明の好適ないくつかのリング磁石の形状及び磁束密度の実施例を説明する。

図２に示したリング磁石１２において、リング磁石１２の厚さを、図１０に示すように変化させた。ここでは、０°〜４５°の間の厚さ曲線を示している。４５°〜３６０°の間の厚さ曲線においては、４５°〜９０°の間の厚さ曲線は、４５°を中心線として線対称な曲線となっている。また、９０°〜１８０°の間、１８０°〜２７０°の間、及び２７０°〜３６０°の間の厚さ曲線は、それぞれ、０°〜９０°の間の厚さ曲線と同じである。

この結果、リング磁石１２の磁束密度の回転方向の変化は、直線的（１次関数的）な波形となった。なお、このとき、ヨーク１５ａ及び１５ｂの相対透磁率は１０００としている。図１１は、リング磁石１２の磁束密度の回転方向の変化を示した図である。図１１に示すように、０°〜４５°の間は直線的（１次関数的）に大きくなり、４５°〜９０°の間は直線的（１次関数的）に小さくなる。また、０°〜４５°の間の磁束密度の波形と、４５°〜９０°の間の磁束密度の波形とは、４５°を中心線として線対称な波形となっている。

従って、リング磁石１２を備えた回転センサ１０を使用して回転体１１の回転角度θを検出する場合、ホール素子１３ａ及び１３ｂから出力される信号は、回転角度に対応して直線的に変化する波形となり、アークタンジェント（ｔａｎ^−１）関数のような負荷の高い演算処理をすることなく、簡単に短時間で回転体１１の回転角度θを算出することができる。

次に、図８に示したバックヨーク１８を備えたリング磁石１２において、リング磁石１２及びバックヨーク１８の厚さを、図１０に示すように変化させた。この結果、リング磁石１２の磁束密度の回転方向の変化は、直線的（１次関数的）な波形となった。なお、このとき、ヨーク１５ａ及び１５ｂの相対透磁率は１０００とし、バックヨーク１８の相対透磁率は９としている。

図１２は、バックヨーク１８を備えたリング磁石１２の磁束密度の回転方向の変化を示した図である。図１２に示すように、０°〜４５°の間は直線的（１次関数的）に大きくなり、４５°〜９０°の間は直線的（１次関数的）に小さくなる。また、０°〜４５°の間の磁束密度の波形と、４５°〜９０°の間の磁束密度の波形とは、４５°を中心線として線対称な波形となっている。また、図１１に比較して、磁束密度を大きさが小さくなった。

従って、バックヨーク１８とリング磁石１２を備えた回転センサ１０を使用することにより、リング磁石１２の磁束密度の大きさを調整することができる。即ち、ホール素子１３ａ及び１３ｂから出力される信号の大きさを調整することができる。

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。リング磁石の外観斜視図である。回転方向に対するリング磁石の厚さの変化の一例を示した図である。回転方向に対するリング磁石の磁束密度の変化の一例を示した図である。図１のＡ−Ａ断面図である。図１のホール素子１３ａ及び１３ｂの出力信号の一例を示した図である。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。バックヨークを備えたリング磁石の外観斜視図である。図７のＡ−Ａ断面図である。実施例における回転方向に対するリング磁石の厚さの変化を示した図である。リング磁石１２の磁束密度の回転方向の変化を示した図である。バックヨーク１８を備えたリング磁石１２の磁束密度の回転方向の変化を示した図である。従来の回転角度検出装置の外観構成の一例を示す図である。図１３のホール素子の出力信号を示した図である。

符号の説明

１０回転センサ
１１回転体
１２リング磁石
１３ａ、１３ｂホール素子
１４回転中心軸
１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄヨーク
１８バックヨーク
２０駆動回路
５０回転角度算出部

Claims

被検出回転体の回転角度を検出する回転角度検出装置であって、
前記被検出回転体に固定され、当該被検出回転体とともに回転するリング状の磁石と、
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、
前記磁石は、前記被検出回転体の回転軸に対して平行な方向の厚さが回転方向に変化しており、かつ、前記複数個の磁気検出手段のうち２つから出力された信号の比が、前記被検出回転体の回転角度に対して直線的に変化するように着磁されており、
前記磁気検出手段は、前記被検出回転体の回転角度に対応して変化する波形の信号を出力し、
前記回転角度算出手段は、前記複数個の磁気検出手段から出力された回転角度に対応して変化する信号に基づいて、前記被検出回転体の回転角度を算出することを特徴とする回転角度検出装置。
被検出回転体の回転角度を検出する回転角度検出装置であって、
前記被検出回転体に固定され、当該被検出回転体とともに回転するリング状の磁石と、
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、
前記磁石は、前記被検出回転体の回転軸に対して平行な方向の厚さが回転方向に変化しており、
前記磁気検出手段は、前記被検出回転体の回転角度に対応して変化する波形の信号を出力し、
前記複数個の磁気検出手段のうち２つから出力された信号の比が、前記被検出回転体の回転に対応する角度信号であり、
前記回転角度算出手段は、前記複数個の磁気検出手段から出力された回転角度に対応して変化する信号に基づいて、前記被検出回転体の回転角度を算出することを特徴とする回転角度検出装置。
リング状のバックヨークを備え、前記磁石の内周側面と当該バックヨークの外周側面とが対向して接してい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。
前記磁気検出手段は、ホール素子であり、前記ホール素子を定電流駆動または低電圧駆動する駆動手段を備えていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の回転角度検出装置。