JP6467901B2 - 回転センサ - Google Patents

Description

本発明は、回転体の回転速度を検出する回転センサに関する。

従来、回転体の回転角や回転速度を検出するためにセンサが利用されてきた。この種のセンサには、回転体の周方向に沿って互いに異なる磁極が隣接するように配置された磁石に起因した磁束密度や磁界の強さを検出することで回転体の回転角や回転速度を検出するものがある。この種のセンサとして、下記に出典を示す特許文献１及び２に記載のものがある。

特許文献１に記載の非接触回転角検出装置は、少なくとも２つのセンサ素子を有して構成される。一方のセンサ素子は磁気抵抗効果を利用して作動され、他方のセンサ素子はホール効果を利用して作動される。これら２つのセンサ素子の出力信号は相互に結合し、結合された信号に基づき回転角を検出する。

特許文献２に記載の回転センサは、２つの異方性磁気抵抗センサと、２つのホール素子とを備えて構成される。ホール素子は、絶縁膜を介して異方性磁気抵抗センサの磁気抵抗素子に積層して配置される。

特表２０００−５１５６３９号公報 特開２０１２−１９８１８０号公報

特許文献１に記載の非接触回転角検出装置は、磁気抵抗効果を利用したセンサで磁場と回転角度センサとの角度を検出し、ホール効果を利用したセンサで角度センサが動作する領域を識別する。また、特許文献２に記載の回転センサは、一方のセンサから出力される正弦波信号に基づいて当該正弦波信号に含まれる基準角度からのズレを測定し、他方のセンサから出力される余弦波信号に基づいて当該余弦波信号に含まれる基準角度からのズレを測定する。このように、特許文献１及び２の記載の技術は、複数のセンサから出力される信号を、角度センサが動作する領域の識別に利用したり、信号のズレの測定に利用したりする。このため、回転方向を検出するに際し、種々の信号解析を行うための処理部を備えており、複雑な構造となってしまう。

本発明の目的は、上記問題に鑑み、簡素な構成で精度良く回転速度を検出することが可能な回転センサを提供することにある。

上記目的を達成するための本発明に係る回転センサの特徴構成は、周方向に沿って複数の磁石が設けられた回転体の外周面又は前記回転体の軸方向一方の端面において前記磁石に対向して配置され、前記磁石の外面に垂直な磁束密度を検出するホール素子と、前記ホール素子が配置された前記回転体の外周面又は前記回転体の軸方向一方の端面において前記磁石に対向して配置され、前記磁石の外面に平行な磁力線に基づく磁界の強さを検出すると共に、前記ホール素子と積層して設けられる磁気抵抗効果素子と、前記ホール素子から検出結果として出力される検出信号と、前記磁気抵抗効果素子から検出結果として出力される検出信号との位相差を演算する位相差演算部と、を備えている点にある。

このような特徴構成とすれば、ホール素子の磁束密度の検出方向を磁石の外面に対して垂直方向に設定し、磁気抵抗効果素子の磁界の強さの検出方向を前記磁石の外面に対して平行な方向に設定することができる。このため、ホール素子及び磁気抵抗効果素子は夫々の検出方向が互いに直交するように配置されるので、ホール素子及び磁気抵抗効果素子の夫々から検出結果として出力される検出信号は同じ周期で振幅し、且つ、ホール素子から検出結果として出力される検出信号と、磁気抵抗効果素子から検出結果として出力される検出信号との位相差が一定の位相差となる。したがって、位相差が一定であることを確認しつつ、ホール素子の検出結果及び磁気抵抗効果素子の検出結果の一方を用いて回転体の回転速度を検出することにより検出結果の信頼性を高めることができるので、簡素な構成で精度良く回転体の回転速度を検出することが可能となる。

また、前記位相差に基づいて、前記回転体の回転方向を検出する回転方向検出部を備えると好適である。

上述したように、ホール素子及び磁気抵抗効果素子は夫々の検出方向が互いに直交するように配置されるので、ホール素子及び磁気抵抗効果素子から検出結果として出力される検出信号は、所定の位相差を有することになる。したがって、本構成とすれば、ホール素子から検出結果として出力される検出信号と磁気抵抗効果素子から検出結果として出力される検出信号との位相差が進みであるか遅れであるかを検出することにより、回転体の回転方向を容易に特定することが可能となる。

また前記位相差に基づいて、前記ホール素子から検出結果として出力される検出信号、及び前記磁気抵抗効果素子から検出結果として出力される検出信号が異常であるか否かを判定する異常判定部を備えると好適である。

回転センサに異常がなければ、ホール素子及び磁気抵抗効果素子から検出結果として出力される検出信号は、所定の位相差を有して出力される。このため、ホール素子及び磁気抵抗効果素子から検出結果として出力される検出信号の位相差が所期の値からずれた場合には、回転センサが異常であると判定することができる。したがって、本構成のようにホール素子から検出結果として出力される検出信号と磁気抵抗効果素子から検出結果として出力される検出信号との位相差が所期の値に対してずれたか否かを判定することにより回転センサが異常であるか否かを容易に判定することが可能となる。

回転センサの構造を示した図である。 回転センサの配置例である。 回転体の周囲に生じる磁界及び磁束密度を示す図である。 回転センサの回路構成を示した図である。 ホール素子及び磁気抵抗効果素子の出力信号、及び回転センサの出力信号を示す図である。

本発明に係る回転センサは、精度良く回転体の回転速度を検出する機能を備えて簡素に構成される。以下、本実施形態の回転センサ１について説明する。回転センサ１は、ホール素子１０、磁気抵抗効果素子２０、信号処理部３０がセンサＩＣとして集積化されている。信号処理部３０は、後述する位相差演算部３２、回転方向検出部３３、異常判定部３４を備えて構成される。図１には、このような集積化された回転センサ１を透明化した斜視図が示される。

図１に示されるように、ホール素子１０、磁気抵抗効果素子２０、信号処理部３０は、リードフレーム７０に搭載された状態で樹脂封入される。このように樹脂封入された部分はモールド部７２にあたる。モールド部７２にはリードフレーム７０を構成する一対のリード端子７１が延出して設けられる。リード端子７１の一方は電源を供給する電源端子として用いられ、他方は基準電位及び出力結果を出力する出力端子として用いられる。

このような回転センサ１は、回転体１００の回転速度を検出するのに利用される。検出対象としての回転体１００には、図２に示されるように、周方向に沿って互いに異なる磁極が隣接するように複数の磁石１０１が設けられる。これにより、回転体１００が軸芯Ｘを回転軸とした回転に応じて当該回転体１００の周囲に生じる磁石１０１に起因する磁力線が変化する。回転センサ１は、このように回転体１００の回転に応じて変化する磁力線に基づく磁束密度及び磁界の強さを検出可能に配置される。

本実施形態では、磁石１０１は回転体１００の外縁部１０２に設けられる。磁石１０１の上述した磁束密度及び磁界の強さを検出し易くするために、回転センサ１は回転体１００の外周面１０３又は回転体１００の軸方向一方の端面１０４において磁石１０１に対向して配置される。回転センサ１が回転体１００の外周面１０３において磁石１０１に対向して設けられる場合には、回転センサ１は回転体１００の径方向外側に生じる磁石１０１の磁力線に基づく磁束密度及び磁界の強さを検出することになる。一方、回転センサ１が回転体１００の軸方向一方の端面１０４において磁石１０１に対向して設けられる場合には、回転センサ１は回転体１００の軸方向一方の側に生じる磁石１０１の磁力線に基づく磁束密度及び磁界の強さを検出することになる。図２の例では、回転センサ１は回転体１００の軸方向一方の端面１０４に対向して設けられる。

図３には、図２に示される回転センサ１及び回転体１００のうち、Ｙ方向視に一部を拡大した図が示される。ホール素子１０は、磁石１０１の外面に垂直な磁束密度を検出する。磁石１０１の周囲には、図３に示されるような磁極（Ｎ極及びＳ極）に応じた磁力線が生じる。磁石１０１の外面とは、ホール素子１０が対向する面であり、本実施形態では回転体１００の軸方向一方の端面１０４に相当する。このため、外面に垂直な磁束密度とは、図３の例では符号ＭＶが付されたＺ方向の磁力線に基づく磁束密度である。したがって、ホール素子１０は、磁束密度の検出方向が磁石１０１の外面に対して垂直な方向に一致して配置される。これにより、回転体１００の回転に応じた磁石１０１の外面に垂直な方向の磁力線ＭＶに基づく磁束密度を検出することが可能となる。

ここで、本実施形態では、磁気抵抗効果素子２０はブリッジ回路を構成する４つの抵抗体を有してなる。これら４つの抵抗体からなる磁気抵抗効果素子２０は図１及び図３に示されるようにホール素子１０と積層して設けられる。したがって、磁気抵抗効果素子２０は、ホール素子１０が配置された回転体１００の外周面１０３又は回転体１００の軸方向一方の端面１０４において磁石１０１に対向して配置される。本実施形態では、上述したようにホール素子１０は回転体１００の軸方向一方の端面１０４において磁石１０１に対向して配置されるので、磁気抵抗効果素子２０も回転体１００の軸方向一方の端面１０４において磁石１０１に対向して配置される。

磁気抵抗効果素子２０は、磁石１０１の外面に平行な磁力線に基づく磁界の強さを検出する。磁石１０１の外面に平行な磁力線とは、図３においてＸ方向に平行な磁力線が相当する。図３の例では符号ＭＨが付されたＸ方向の磁力線が相当し、以下では磁力線ＭＨとして説明する。したがって、磁気抵抗効果素子２０は、磁界の検出方向が磁石１０１の外面に対して平行な方向に一致して配置される。ここで、磁気抵抗効果素子２０は、公知であるので詳細な説明は省略するが、磁気抵抗効果素子２０は当該磁気抵抗効果素子２０が配置された周囲の磁界の強さに応じて電気抵抗が変化する抵抗体である。したがって、このような抵抗体でブリッジ回路を構成し、ブリッジ回路の出力を測定することで磁界の強さを検出することができる。このような磁気抵抗効果素子２０を用いることで、回転体１００の回転に応じた磁石１０１の外面に平行な磁力線ＭＨに基づく磁界の強さを検出することが可能となる。磁気抵抗効果素子２０は、例えばＧＭＲ素子（巨大磁気抵抗効果素子）やＴＭＲ素子（トンネル磁気抵抗効果素子）等を用いることができる。

図４には、回転センサ１の信号処理部３０の回路構成を示した図が示される。信号処理部３０にはホール素子１０及び磁気抵抗効果素子２０が接続して設けられるが、上述したように、ホール素子１０及び磁気抵抗効果素子２０は信号処理部３０と共に、モールド部７２内に設けられる。

ホール素子１０及び磁気抵抗効果素子２０の出力は、夫々プリアンプ３０Ａに入力される。プリアンプ３０Ａでは、後述する演算部３０Ｄの演算結果に応じてオフセット調整回路３０Ｅによりオフセットが調整される。プリアンプ３０Ａの出力は、夫々メインアンプ３０Ｂに入力され、所定の増幅率で信号増幅される。メインアンプ３０Ｂでは、後述する演算部３０Ｄの演算結果に応じて増幅率調整回路３０Ｆにより設定された増幅率で信号増幅される。

メインアンプ３０Ｂの出力は、夫々ＡＤコンバータ３０Ｃに入力される。ホール素子１０から検出結果として出力される検出信号、及び磁気抵抗効果素子２０から検出結果として出力される検出信号は、夫々アナログ信号である。ＡＤコンバータ３０Ｃでは、このようなアナログ信号がデジタル信号に変換される。ＡＤコンバータ３０Ｃによりデジタル信号に変換された信号は、後述する演算部３０Ｄに伝達される。

演算部３０Ｄは、閾値設定部３１、位相差演算部３２、回転方向検出部３３、異常判定部３４を有して構成される。ここで、本実施形態では、回転センサ１はホール素子１０及び磁気抵抗効果素子２０を備えて構成されるが、回転体１００の回転速度はホール素子１０及び磁気抵抗効果素子２０の一方の素子の検出結果のみで検出することが可能である。本実施形態では、回転体１００の回転速度は磁気抵抗効果素子２０の検出結果を用いて検出する。このため、磁気抵抗効果素子２０からの信号を増幅するメインアンプ３０Ｂの出力がコンパレータ３０Ｇに入力される。本実施形態では、増幅後の磁気抵抗効果素子２０の検出信号がコンパレータ３０Ｇの非反転端子に入力され、当該信号と比較される信号は閾値設定部３１により設定され、反転端子に入力される。閾値設定部３１により設定される閾値は、任意の値に設定することが可能であるが、例えば磁気抵抗効果素子２０の検出信号の振幅に対して３０％や７０％等に設定すると好適である。これにより、一対のリード端子７１のうちの一方からコンパレータ３０Ｇの出力が出力され、当該出力に応じて回転体１００の回転速度を検出することが可能となる。なお、コンパレータ３０Ｇは、誤動作を防止するためにシュミットトリガ型のものを用いると好適である。

位相差演算部３２は、ホール素子１０から検出結果として出力される検出信号と、磁気抵抗効果素子２０から検出結果として出力される検出信号との位相差を演算する。本実施形態では、上述したようにホール素子１０は磁石１０１の外面に対して垂直方向の磁力線ＭＶに基づく磁束密度を検出し、磁気抵抗効果素子２０は磁石１０１の外面に対して平行な方向の磁力線ＭＨに基づく磁界の強さを検出する。したがって、ホール素子１０から出力される検出信号と、磁気抵抗効果素子２０から出力される検出信号との間には、所定の位相差が生じる。位相差演算部３２は、このような位相差を演算する。

ここで、本実施形態では、上述したように磁気抵抗効果素子２０はホール素子１０に
積層して設けられる。したがって、ホール素子１０から出力される検出信号と、磁気抵抗効果素子２０から出力される検出信号との位相差は図５の（ａ）に示されるように略９０度となる。

したがって、位相差演算部３２により演算されたホール素子１０から検出結果として出力される検出信号と、磁気抵抗効果素子２０から検出結果として出力される検出信号との位相差が一定であることを確認することにより、ホール素子１０の検出結果及び磁気抵抗効果素子２０の検出結果が正確であることを認識でき、検出結果の信頼性を高めることができる。

回転方向検出部３３は、このような位相差に基づいて、回転体１００の回転方向を検出する。すなわち、図５の（ａ）のように磁気抵抗効果素子２０の検出信号からホール素子１０の検出信号が９０度遅れて検出された場合には、回転体１００が正方向に回転し、磁気抵抗効果素子２０の検出信号からホール素子１０の検出信号が９０度進んで検出された場合には、回転体１００が逆方向に回転しているとして回転方向を特定する。このように、本回転センサ１であれば、回転センサ１が１つのみ用いる場合であっても容易に回転体１００の回転方向を検出することが可能である。

また、異常判定部３４は、位相差に基づいて、ホール素子１０から検出結果として出力される検出信号、及び磁気抵抗効果素子２０から検出結果として出力される検出信号が異常であるか否かを判定する。すなわち、上述のようにホール素子１０の検出信号と、磁気抵抗効果素子２０の検出信号とは、所定の位相差を有して検出される。したがって、位相差が大きくずれた場合や、ホール素子１０の検出信号及び磁気抵抗効果素子２０の検出信号のうち、先の検出信号に対して後の検出信号が所期の位相差で追従しない場合には、回転センサ１の何れかの部位が異常である、すなわち、回転センサ１が故障していると判定することができる。

次に、回転センサ１の検出結果について説明する。図５の（ａ）には、ホール素子１０の検出信号と、磁気抵抗効果素子２０の検出信号と、閾値設定部３１により設定された閾値信号とが示される。回転方向検出部３３がホール素子１０の検出信号と磁気抵抗効果素子２０の検出信号との位相差に基づき回転体１００の回転方向が正方向であると特定した場合には、図５の（ｂ）に示されるように、ホール素子１０の検出信号が閾値信号を超えてから所定の期間（例えばＴ１）だけハイ信号を出力するように構成し、回転方向検出部３３がホール素子１０の検出信号と磁気抵抗効果素子２０の検出信号との位相差に基づき回転体１００の回転方向が逆方向であると特定した場合には、図５の（ｃ）に示されるように、ホール素子１０の検出信号が閾値信号を超えてから、回転方向が正方向の時とは異なる所定の期間（例えばＴ２）だけハイ信号を出力するように構成すると良い。これにより、コンパレータ３０Ｇの出力信号においてハイ信号の周期を演算することで回転体１００の回転速度を検出することができる。また、ハイ信号の長さに応じて回転体１００の回転方向も示すことが可能となる。

また、異常判定部３４により回転センサ１が異常であると判定された場合には、図５の（ｄ）に示されるように、上述の期間（Ｔ１やＴ２）よりも長い期間（例えばＴ３）の間、ハイ信号を出力するように構成しても良いし、図５の（ｅ）に示されるように、全く信号を出力しないように構成しても良い。

〔その他の実施形態〕
上記実施形態では、図２において、回転センサ１は回転体１００の軸方向一方の端面１０４において磁石１０１に対向して配置されるとして図示したが、回転センサ１は回転体１００の外周面１０３において磁石１０１に対向して配置しても良い。

上記実施形態では、回転方向検出部３３がホール素子１０の検出結果と磁気抵抗効果素子２０の検出結果との位相差に基づいて、回転体１００の回転方向を検出するとして説明したが、ホール素子１０及び磁気抵抗効果素子２０を二対設け、夫々の位相差により回転方向を検出しても良い。これにより、検出感度を高めることが可能となる。

上記実施形態では、異常判定部３４がホール素子１０の検出結果と磁気抵抗効果素子２０の検出結果との位相差に基づいて、回転体１００が異常であるか否かを判定するとして説明したが、異常判定部３４を設けずに回転センサ１を構成し、回転センサ１が異常であるか否かを判定しないよう構成することも可能である。

本発明は、回転体の回転速度を検出する回転センサに用いることが可能である。

１：回転センサ
１０：ホール素子
２０：磁気抵抗効果素子
３２：位相差演算部
３３：回転方向検出部
３４：異常判定部
１００：回転体
１０１：磁石
１０３：外周面
１０４：軸方向一方の端面
ＭＨ：磁力線

Claims (6)

1. 周方向に沿って複数の磁石が設けられた回転体の外周面又は前記回転体の軸方向一方の端面において前記磁石に対向して配置され、前記磁石の外面に垂直な磁束密度を検出するホール素子と、
   前記ホール素子が配置された前記回転体の外周面又は前記回転体の軸方向一方の端面において前記磁石に対向して配置され、前記磁石の外面に平行な磁力線に基づく磁界の強さを検出すると共に、前記ホール素子と積層して設けられる磁気抵抗効果素子と、
   前記ホール素子から検出結果として出力される検出信号と、前記磁気抵抗効果素子から検出結果として出力される検出信号との位相差を演算する位相差演算部と、
   を備える回転センサ。
2. 前記ホール素子の検出結果及び前記磁気抵抗効果素子の検出結果に基づく信号を出力する出力端子を有し、
   前記出力端子から出力される信号は、前記ホール素子から出力される検出信号及び前記磁気抵抗効果素子から出力される検出信号の一方の周期に同期する信号である請求項１に記載の回転センサ。
3. 前記位相差に基づいて、前記回転体の回転方向を検出する回転方向検出部を備える請求項１又は２に記載の回転センサ。
4. 前記位相差に基づいて、前記ホール素子から検出結果として出力される検出信号、及び前記磁気抵抗効果素子から検出結果として出力される検出信号が異常であるか否かを判定する異常判定部を備える請求項１から３のいずれか一項に記載の回転センサ。
5. 前記ホール素子の検出結果及び前記磁気抵抗効果素子の検出結果に基づく信号を出力する出力端子を有し、
   前記出力端子から出力される信号は、前記異常判定部が前記異常であると判定した時と前記異常判定部が前記異常でないと判定した時とで出力される時間が互いに異なる請求項４に記載の回転センサ。
6. 前記ホール素子の検出結果及び前記磁気抵抗効果素子の検出結果に基づく信号を出力する出力端子を有し、
   前記出力端子から出力される信号は、前記回転体が正方向に回転している時と前記回転体が逆方向に回転している時とで出力される時間が互いに異なる請求項３に記載の回転センサ。

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