(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
歯車の歯面に向けて磁場を形成する磁石と、前記歯車との間に配置されるセンサとを有し、
前記センサは、前記歯車の円周方向における磁束密度に応じて信号を出力する少なくとも１対の磁気検出素子と、信号処理部とを備え、当該１対の磁気検出素子の前記円周方向の磁気検出中心は、前記センサの前記円周方向の外形中心と一致せず、当該信号処理部は、前記磁石の前記円周方向の外形中心に一致させて前記センサの前記円周方向の外形中心が配置された後、前記歯車がない場合の前記磁気検出素子の出力する信号に基づいて第１の閾値を設定するとともに、前記歯車の回転に伴う磁束密度の変化に応じて前記磁気検出素子が出力する信号と前記第１の閾値に基づいて前記歯車の回転に応じた信号を出力する回転検出装置。
【請求項２】
前記センサの前記信号処理部は、前記第１の閾値と予め定めただけ大きい又は小さい第２の閾値を設定し、前記歯車の回転に伴う磁束密度の変化に応じて前記磁気検出素子が出力する信号と前記第１の閾値及び前記第２の閾値に基づいて前記歯車の回転に応じた信号を出力する請求項１に記載の回転検出装置。
【請求項３】
歯車の歯面に向けて磁場を形成する磁石と、前記歯車との間に配置されるセンサとを有し、
前記センサは、前記歯車の円周方向における磁束密度に応じて信号を出力する少なくとも１対の磁気検出素子と、信号処理部とを備え、当該１対の磁気検出素子の前記円周方向の磁気検出中心は、前記センサの前記円周方向の外形中心と一致せず、当該信号処理部は、前記磁石の前記円周方向の外形中心に一致させて前記センサの前記円周方向の外形中心が配置された後、前記歯車がない場合の前記磁気検出素子の出力する信号に基づいて第１の閾値を設定するとともに、前記歯車の回転に伴う磁束密度の変化に応じて前記磁気検出素子が出力する信号と前記第１の閾値に基づいて前記歯車の回転を検出する回転検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の技術として、磁界角度の変化を測定してギアの回転を検出する回転検出装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
特許文献１に開示された回転検出装置は、ギアの歯面に向けて磁場を形成する磁石と、ギアと磁石との間に配置されて、ギアの回転に伴う磁界角度の変化を検出する磁気センサを備える。ギアの回転に伴い、当該磁気センサの出力する信号が周期的に変化するため、ギアの回転数や角速度等を検出することができる。また、磁界角度の変化を検出するため、振動等によりギアの歯面と磁気センサとのエアギャップが周期的に変化する場合であっても、回転状態の誤検出の発生を防ぐことができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１１−１４１１３２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、特許文献１に示す回転検出装置は、磁気センサが磁束密度ではなく磁界角度の変化を検出するために、エアギャップが周期的に変化する場合であってもギアの回転状態の誤検出の発生を防ぐものの、磁束密度を検出する磁気センサを用いる場合には適用することができず、振動等によりギアの歯面と磁気センサとのエアギャップが周期的に変化する場合に誤検出の発生を防止できない、という問題がある。
【０００６】
従って、本発明の目的は、磁束密度を検出する磁気センサを用いた場合であって、振動等によりギアの歯面と磁気センサとのエアギャップが周期的に変化する場合であっても、回転状態の誤検出の発生を防止してギアの回転を検出する回転検出装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一態様は、上記目的を達成するため、以下の回転検出装置を提供する。
【０００８】
［１］歯車の歯面に向けて磁場を形成する磁石と、前記歯車との間に配置されるセンサとを有し、
前記センサは、前記歯車の円周方向における磁束密度に応じて信号を出力する少なくとも１対の磁気検出素子と、信号処理部とを備え、当該１対の磁気検出素子の前記円周方向の磁気検出中心は、前記センサの前記円周方向の外形中心と一致せず、当該信号処理部は、前記磁石の前記円周方向の外形中心に一致させて前記センサの前記円周方向の外形中心が配置された後、前記歯車がない場合の前記磁気検出素子の出力する信号に基づいて第１の閾値を設定するとともに、前記歯車の回転に伴う磁束密度の変化に応じて前記磁気検出素子が出力する信号と前記第１の閾値に基づいて前記歯車の回転に応じた信号を出力する回転検出装置。
［２］前記センサの前記信号処理部は、前記第１の閾値と予め定めただけ大きい又は小さい第２の閾値を設定し、前記歯車の回転に伴う磁束密度の変化に応じて前記磁気検出素子が出力する信号と前記第１の閾値及び前記第２の閾値に基づいて前記歯車の回転に応じた信号を出力する前記［１］に記載の回転検出装置。
［３］歯車の歯面に向けて磁場を形成する磁石と、前記歯車との間に配置されるセンサとを有し、
前記センサは、前記歯車の円周方向における磁束密度に応じて信号を出力する少なくとも１対の磁気検出素子と、信号処理部とを備え、当該１対の磁気検出素子の前記円周方向の磁気検出中心は、前記センサの前記円周方向の外形中心と一致せず、当該信号処理部は、前記磁石の前記円周方向の外形中心に一致させて前記センサの前記円周方向の外形中心が配置された後、前記歯車がない場合の前記磁気検出素子の出力する信号に基づいて第１の閾値を設定するとともに、前記歯車の回転に伴う磁束密度の変化に応じて前記磁気検出素子が出力する信号と前記第１の閾値に基づいて前記歯車の回転を検出する回転検出装置。
【発明の効果】
【０００９】
請求項１又は３に係る発明によれば、磁束密度を検出する磁気センサを用いた場合であって、振動等によりギアの歯面と磁気センサとのエアギャップが周期的に変化する場合であっても、回転状態の誤検出の発生を防止してギアの回転を検出することができる。
請求項２に係る発明によれば、第１の閾値及び前記第２の閾値に基づいて歯車の回転に応じた信号を出力することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、実施の形態に係る回転検出装置の構成例を示す側面図である。
【図２】図２（ａ）及び（ｂ）は、磁気センサの構成を示す斜視図及び断面図である。
【図３】図３は、回転検出装置の磁気センサの動作を説明するための概略図である。
【図４】図４は、磁石によって形成される磁場の様子を表す概略図である。
【図５】図５は、磁気センサ及び磁石の配置を説明するための概略図である。
【図６】図６は、磁気センサの構成の一例を示すブロック図である。
【図７】図７は、磁気センサがキャリブレーションされる際のＰＣとの接続方法を示すブロック図である。
【図８】図８（ａ）−（ｃ）は、ギア歯の通過に伴い磁気センサから出力される信号の変化例を示すためのグラフ図である。
【図９】図９は、キャリブレーション時にＰＣの表示部に表示される画面の構成を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
［実施の形態］
（回転検出装置の構成）
図１は、実施の形態に係る回転検出装置の構成例を示す側面図である。図２（ａ）及び（ｂ）は、磁気センサ１の構成を示す斜視図及び断面図である。
【００１２】
回転検出装置６は、ギア３の歯先３ｈからギャップＡｇを設けて配置され磁気センサ１と、磁化方向をＤｍとして磁気センサ１の裏面側に配置される磁石２とを有する。なお、ギア３は実線で描いたものが設計時の例示としてのエアギャップ（Ａｇ＝１．９ｍｍ）で配置されたものであり、破線で描いたもの（Ａｇ＝２．４ｍｍ）及び一点鎖線で描いたもの（Ａｇ＝１．４ｍｍ）はギア３の振動に伴いエアギャップＡｇが変動したものである。
【００１３】
磁気センサ１は、図２（ａ）及び（ｂ）に示すように、一例として、ｚ方向に厚みを有する平板状の基板１０と、基板１０上に設けられてｘｙ面に平行な検出面を有し、磁気検出素子として検出方向をｚ方向とするホール素子１１ｘ１、１１ｘ２、１１ｙ１、１１ｙ２と、ホール素子１１ｘ１、１１ｘ２、１１ｙ１、１１ｙ２上に一部が重なるように設けられてｘ方向及びｙ方向の磁束をｚ方向に変換してホール素子１１ｘ１、１１ｘ２、１１ｙ１、１１ｙ２に検出させる磁気コンセントレータ１２と、ホール素子１１ｘ１、１１ｘ２、１１ｙ１、１１ｙ２の出力する信号を処理する信号処理部（ＤＳＰ１４、図７）を有し、ｘ、ｙ、ｚ方向の磁束密度を検出するホールＩＣである。
【００１４】
磁気センサ１は、例えば、メレキシス製ホールラッチ＆スイッチセンサ等を用い、ホール素子１１ｘ１と１１ｘ２との出力の差分、ホール素子１１ｙ１と１１ｙ２との出力の差分をとることでｘ方向、ｙ方向の磁束密度に比例した出力を得ることができる。磁束密度と出力との関係は後述する。また、ホール素子１１ｘ１と１１ｘ２との間隔、ホール素子１１ｙ１と１１ｙ２との間隔は、ｄｓ＝０．２ｍｍであり、パッケージモールド部はｚ方向の厚みが１．５ｍｍ、ｘ方向の幅が４．１ｍｍ、ｙ方向の高さが３ｍｍである。磁気センサ１の磁気コンセントレータ１２として、パーマロイを用いることができる。また、磁気センサ１は、ホール素子１１ｙ１と１１ｙ２を省略してもよい。
【００１５】
なお、磁気センサ１は、検出方向がｘ方向であればＭＲ素子等の他の種類の素子を用いてもよいし、検出方向がｘ方向を含めば複数の軸方向にそれぞれ磁気検出素子を配置した多軸磁気検出ＩＣを用いてもよい。
【００１６】
磁石２は、フェライト、サマリウムコバルト、ネオジウム等の材料を用いて形成された永久磁石である。
【００１７】
ギア３は、回転に伴いＤｖ方向に振動するものとし、磁気センサ１とのギャップＡｇは振動に伴い変化する。なお、ギア３は、様々なサイズのものを用いることができるが、歯先円直径２００ｍｍ、歯底円直径１９０ｍｍ、歯数４０のものを用いた例について以下説明する。
【００１８】
図５は、磁気センサ１及び磁石２の配置を説明するための概略図である。
【００１９】
磁気センサ１は、ホール素子１１以外にコンデンサ等の部品を実装するために外形上の中心とずれた位置にセンサの検出中心Ｐｓｃを有する。磁石２の外形上の中心である磁石中心Ｐｍｃとセンサの外形上の中心を一致させた場合、センサ検出中心Ｐｓｃと磁石中心ＰｍｃとのずれをＰｇとする。ずれＰｇは、一例として、０．５ｍｍである。
【００２０】
図６は、磁気センサ１の構成の一例を示すブロック図である。
【００２１】
磁気センサー１は、ホール素子１１と、ホール素子１１のホール電圧を増幅するアンプ１３と、アンプ１３によって増幅されたホール電圧と基準電圧とを比較し、例えば、ホール電圧のほうが高ければＨｉｇｈ、低ければＬｏｗを出力するコンパレータ１４と、基準電圧を発生する基準電圧発生部１５と、比較演算した結果を出力する出力部１６と、信号処理のために用いられる各種設定値の情報を格納するメモリ１７とを有する。
【００２２】
図７は、磁気センサ１がキャリブレーションされる際のＰＣとの接続方法を示すブロック図である。
【００２３】
磁気センサ１は、プロトコル変換部４を介してＰＣ（パーソナルコンピュータ）５と接続される。ＰＣ５は、出力部１６の出力信号及びメモリ１７の情報を受信するとともに、信号を送信してメモリ１７の内容を書き換える。
【００２４】
（回転検出装置の動作）
次に、第１の実施の形態の作用を、図１−図９を用いて説明する。まず、回転検出装置６がギア３の回転を検出する基本動作について説明する。なお、回転検出動作については説明を複雑にしないため、エアギャップＡｇは設計時のもの（Ａｇ＝１．９ｍｍ）であるとする。後にエアギャップが変動したもの（Ａｇ＝１．４ｍｍ、Ａｇ＝２．４ｍｍ）についても説明する。
【００２５】
（回転検出動作）
図３は、回転検出装置６の磁気センサ１の動作を説明するための概略図である。
【００２６】
磁気センサ１を透過する磁束はホール素子１１ｘ１、１１ｘ２、１１ｙ１、１１ｙ２によって感知され、磁束密度に比例した信号を出力する。以下、代表してｘ方向の磁束、つまりホール素子１１ｘ１、１１ｘ２によって検出される磁束について説明するが、ｙ方向についても同様である。
【００２７】
磁束ｆのうち、平行成分Ｂ//は磁気コンセントレータ１２に誘導されることで、磁束密度の大きさが平行成分Ｂ//に比例する垂直成分Ｂ⊥に変換され、１対のホール素子１１ｘ１及び１１ｘ２によって測定される。垂直成分であるＢＺも１対のホール素子１１ｘ１及び１１ｘ２によって測定される。
【００２８】
つまり、図面左側のホール素子１１ｘ１は“Ｂ⊥−ＢＺ”を測定する一方、図面右側のホール素子１１ｘ２は“−Ｂ⊥−ＢＺ”を測定する。Ｙ方向についても１１ｙ１、１１ｙ２が同様に測定する。
【００２９】
従って、ホール素子１１ｘ１の出力とホール素子１１ｘ２の出力との差をとれば２Ｂ⊥が得られ、和をとれば−２Ｂｚが得られる。以下において磁気センサ１は、ホール素子１１ｘ１の出力とホール素子１１ｘ２の出力との差（以下、２Ｂｘ⊥とする。）及びホール素子１１ｙ１の出力とホール素子１１ｙ２の出力との差（以下、２Ｂｙ⊥とする。）を出力するものとし、当該Ｂｘ⊥及びＢｙ⊥によってギア３の回転を検出する。
【００３０】
図４は、磁石２によって形成される磁場の様子を表す概略図である。また、図８（ａ）−（ｃ）は、ギア歯の通過に伴い磁気センサ１から出力される信号の変化例を示すためのグラフ図である。
【００３１】
図４に示すように、ギア３の歯の先端が最も磁気センサ１から遠ざかった状態において、ｚ軸に対称な磁場が形成されて磁気センサ１が検出する磁束密度のｘ成分は０となる。また、ギア３が回転方向Ｄｒに回転するにつれて図面左側の歯が近づくためｘ成分は負へと傾き、磁気センサ１が検出する磁束密度のｘ成分は負の値をとる。また、歯の先端が磁気センサ１に最も近づいた状態において、ｚ軸に対称な磁場が形成されて磁気センサ１が検出する磁束密度のｘ成分は０となる。
【００３２】
さらに、ギア３が回転方向Ｄｒに回転するにつれて歯が磁気センサ１上を通り過ぎて図面左側へ離れていくため、通り過ぎるタイミングでｘ成分は負から正へと反転し、その後歯の先端が最も磁気センサ１から遠ざかった状態に近づくにつれて０に戻っていく。
【００３３】
つまり、図８（ａ）及び（ｂ）に示すように、ギア３の回転に伴い、磁気センサ１上を歯が通過する場合であって、歯先３ｈから歯底３ｌに変化するタイミングに、磁気センサ１の出力信号レベルは最小となる（実線、Ａｇ＝１．９ｍｍ）。また、歯底３ｌから歯先３ｈに変化するタイミングに、磁気センサ１の出力信号レベルは最大となる。
【００３４】
従って、適切な値に閾値Ｂｏｐ（第１の閾値）と、閾値Ｂｒｐ（第２の閾値）とを設定して、磁気センサ１のＤＳＰ１４において磁束密度がＢｏｐを上回った際に出力信号をＨに切り替え、Ｂｒｐを下回った際にＬに切り替えるようにすることで、図８（ｃ）の中段に示すような出力信号が得られ、図示しない磁気センサ１に接続された機器によって、出力信号がＬからＨに切り替わる数をカウントすることでギア３の回転数や角速度を算出することができる。なお、磁気センサ１がギア３の回転数や角速度を算出して、当該情報を出力するようにしてもよい。
【００３５】
また、磁気センサ１が検出する磁束密度のｙ成分についても同様のふるまいが検出され、ギア３の回転数や角速度を算出できる。
【００３６】
次に、エアギャップＡｇ＝１．４ｍｍ及び２．４ｍｍの場合について述べる。エアギャップＡｇ＝１．４ｍｍ及び２．４ｍｍの場合であっても、図８（ａ）及び（ｂ）に示すように、ギア３の回転に伴い、磁気センサ１上を歯が通過する場合であって、歯先３ｈから歯底３ｌに変化するタイミングに、磁気センサ１の出力信号レベルは最小となり、歯底３ｌから歯先３ｈに変化するタイミングに、磁気センサ１の出力信号レベルは最大となる。これはエアギャップＡｇの数値に関わらず多少の誤差とともに生じる現象である。
【００３７】
また、歯の先端が磁気センサ１に最も遠ざかった状態において、磁気センサ１上にｚ軸に対称な磁場が形成されて、磁気センサ１が検出する磁束密度のｘ成分が０となるタイミングはエアギャップが異なっていても一致する（一致点Ｐｃ、図８（ｂ））。
【００３８】
一方、歯の先端が磁気センサ１に最も近づいた状態においては、磁気センサ１上にｚ軸に対称な磁場が形成されて、磁気センサ１が検出する磁束密度のｘ成分が０となるタイミングはエアギャップが異なることでずれる。
【００３９】
従って、一致点Ｐｃを通るように閾値Ｂｏｐを定めることで、図８（ｃ）に示すように、出力信号がＬからＨに切り替わるタイミングはエアギャップＡｇに関わらず同じになるため、出力信号がＬからＨに切り替わる数をカウントすることでギア３の回転数や角速度を算出することができる。一方、閾値Ｂｏｐは、Ａｇが無限遠の場合の磁気センサ１の出力値である。
【００４０】
なお、閾値Ｂｒｐは、閾値Ｂｏｐより小さな値で、かつ、磁束密度の最小値を下回らないように適切に定めることができる。また、閾値Ｂｒｐは、ギア３が振動方向Ｄｖと直交する向きに横振動した場合に対応するための数値である。これは、ＢｏｐとＢｒｐとの間がヒステレシス帯となり、ヒステレシス帯の間で磁束密度が変動する場合は現在の出力を維持するためである。
【００４１】
なお、閾値Ｂｒｐは、閾値Ｂｏｐより大きな値であってもよい。また、出力信号Ｌ及びＨはそれぞれ反転してもよい。
【００４２】
（キャリブレーション動作）
次に、上記した閾値Ｂｏｐ及び閾値Ｂｒｐの設定方法（キャリブレーション）について説明する。
【００４３】
まず、利用者は、図７に示すように、磁気センサ１をプロトコル変換部４を介してＰＣ５に接続する。ＰＣ５には、図示しない磁気センサ１をキャリブレーションするためのアプリケーションがインストールされているものとし、当該アプリケーションはＰＣ５の表示部に以下に示す画面を表示する。
【００４４】
図９は、キャリブレーション時にＰＣ５の表示部に表示される画面の構成を示す概略図である。
【００４５】
画面５０は、ＢｏｐとＢｒｐとの差であるヒステレシスについての設定をするヒステレシス設定欄５００と、算出された閾値Ｂｏｐ及び閾値Ｂｒｐの値を表示する閾値結果表示欄５０１と、キャリブレーションを開始するための新規デバイスボタン５０２と、Ｂｏｐを調整するためのＢｏｐ調整ボタン５０３とを有する。
【００４６】
ヒステレシス設定欄５００は、ヒステリシスの値を選択する選択欄と、ヒステレシス単位を「Ａｂｓｏｌｕｔｅ」であれば「ｍＴ」に、「Ｐｒｏｐｏｔｉｏｎａｌ」ならＢｏｐの割合とする「Ａｂｓｏｌｕｔｅ／Ｐｒｏｐｏｔｉｏｎａｌ」欄と、ＢｏｐからＢｒｐに磁束密度が変化するときに出力をＨからＬに変化させるか、ＬからＨに変化させるかを設定する「Ｉｎｖｅｒｔｅｄ  Ｏｕｔｐｕｔ」欄と、オフセットを設定する「Ｃｏｒｒ  Ｏｆｆｓｅｔ」欄と、出力がＨｉｇｈであるときの電流値を例えばｍａｘ５又は６．９ｍＡの２種類から選択する「Ｉｏｆｆ  Ｈｉｇｈ」欄とを有する。
【００４７】
次に、利用者は、磁気センサ１をギア３から十分に離れた位置に配置し、画面５０を参照しつつ、ＰＣ５の操作部を操作し、ヒステレシス設定欄５００の内容を設定した後に、新規デバイスボタン５０２を図示しないカーソル等で押下し、さらにＢｏｐ調整ボタンを押下する。
【００４８】
ＰＣ５は、プロトコル変換部４を介して磁気センサ１に磁束密度を検出させ、検出した磁束密度をＢｏｐとして磁気センサ１のメモリ１７に記憶させる。また、設定されたＨｙｓ等の数値をメモリ１７に記憶させる。
【００４９】
磁気センサ１は、検出した磁束密度や記憶したＢｏｐ及びＢｒｐをプロトコル変換部４を介してＰＣ５に送信する。
【００５０】
ＰＣ５は、磁気センサ１から受信した情報に基づいて画面５０の閾値結果表示欄５０１の「Ｆｉｎａｌ  Ｂｏｐ」及び「Ｆｉｎａｌ  Ｂｒｐ」の値を更新する。
【００５１】
（実施の形態の効果）
上記した実施の形態によれば、エアギャップＡｇに関わらず定まる一致点Ｐｃの性質を利用し、当該一致点Ｐｃにおいて磁気センサ１の出力値が切り替わるようにして、当該切り替わりにおいて回転数等を算出するようにしたため、振動等によりギアの歯面と磁気センサとのエアギャップが周期的に変化する場合であっても、回転状態の誤検出の発生を防止することができる。
【００５２】
また、エアギャップＡｇが無限の場合における磁気センサ１の出力値から閾値Ｂｏｐを定めるようにしたため、閾値Ｂｏｐを決定するキャリブレーションが簡略化される。
【００５３】
また、エアギャップＡｇが無限の場合における磁気センサ１の出力値から閾値Ｂｏｐを定めるようにしたため、図５に示す、センサ検出中心Ｐｓｃと磁石中心ＰｍｃとのずれＰｇの影響を吸収することができる。これは、ずれＰｇによってエアギャップＡｇが無限であってもｘ方向で検出される磁束が０にならずにＢｏｐとなるが、当該Ｂｏｐを閾値として磁気センサ１の出力値が切り替わるようにしたため、ずれＰｇが問題とならなくなるためである。
【００５４】
［他の実施の形態］
なお、本発明は、上記実施の形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々な変形が可能である。
【００５５】
また、上記した実施の形態のセンサ、磁石、ギアは例示であって、位置検出の機能が損なわれず、本発明の要旨を変更しない範囲内で、これらをそれぞれ適宜選択して新たな組み合わせに変更して用いてもよい。
【符号の説明】
【００５６】
１     磁気センサ
２     磁石
３     ギア
３ｈ   歯先
３ｌ   歯底
４     プロトコル変換部
５     ＰＣ
６     回転検出装置
１０   基板
１１   ホール素子
１２   磁気コンセントレータ
１３   アンプ
１４   コンパレータ
１５   基準電圧発生部
１６   出力部
１７   メモリ
４０   歯数
５０   画面
５００ ヒステレシス設定欄 
５０１ 閾値結果表示欄
５０２ 新規デバイスボタン
５０３ 調整ボタン
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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