(57)【要約】  磁性体で構成された回転子と、１つのバイアス磁界発生部と複数の磁気検出素子を有する固定子と、前記磁気検出素子の検出信号から前記回転子の回転角度を求める回転角度演算処理部と、を備え、前記回転子の固定子対向面は、機械角３６０度に対してｘ(ｘは１以上の整数)周期分変化する凹凸部を有し、前記凹凸部は前記磁気検出素子で概略正弦波が得られる曲線的に変化する形状を有し、前記固定子の前記磁気検出素子は、前記回転子の前記固定子対向面と隙間を空けて対向するように周方向に沿って等間隔で前記凹凸部の１周期に亘りａ(ａは２以上の整数)個設けられ、前記バイアス磁界発生部はａ個の前記磁気検出素子と重なるように前記凹凸部の１周期に亘って周方向に延びる、回転角度検出装置。
2018078856.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁性体で構成された回転子と、
１つのバイアス磁界発生部と複数の磁気検出素子を有する固定子と、
前記磁気検出素子で得られた検出信号から前記回転子の回転角度を求める回転角度演算処理部と、
を備え、
前記回転子の固定子対向面は、機械角３６０度に対してｘ周期分変化する凹凸部を有し、ここでｘは１以上の整数であり、前記凹凸部は前記磁気検出素子で概略正弦波が得られる曲線的に変化する形状を有し、
前記固定子の前記磁気検出素子は、前記回転子の前記固定子対向面と隙間を空けて対向するように周方向に沿って等間隔で前記凹凸部の１周期に亘りａ個設けられ、前記バイアス磁界発生部はａ個の前記磁気検出素子と重なるように前記凹凸部の１周期に亘って周方向に延び、ここでａは２以上の整数である、
回転角度検出装置。
【請求項２】
前記磁気検出素子がａ＝２で２個の場合は、前記凹凸部の１周期の概略１／４周期の間隔で配置されている、請求項１に記載の回転角度検出装置。
【請求項３】
前記回転角度演算処理部は、前記磁気検出素子より検出された２相の信号から回転角度を検出する、請求項２に記載の回転角度検出装置。
【請求項４】
前記磁気検出素子がａ＞２で３個以上の場合は、周方向の３６０／(ｘ×ａ)度の位置に配置されている、請求項１に記載の回転角度検出装置。
【請求項５】
前記回転角度演算処理部は、前記磁気検出素子より検出されたａ相の検出信号を前記凹凸部の１周期の１／４周期離れた２相の信号に変換し、２相の信号から回転角度を演算する、請求項４に記載の回転角度検出装置。
【請求項６】
前記バイアス磁界発生部の周方向の端部より周方向外側に、磁性体が配置されている、請求項１から５までのいずれか１項に記載の回転角度検出装置。
【請求項７】
前記バイアス磁界発生部の周方向の両端でそれぞれ端部より周方向外側に、磁性体が配置されている、請求項１から５までのいずれか１項に記載の回転角度検出装置。
【請求項８】
前記磁性体の前記バイアス磁界発生部の周方向の端部より周方向外側に延びた部分の長さが、前記バイアス磁界発生部の周方向の長さの半分以上の長さを有する、請求項６または７に記載の回転角度検出装置。
【請求項９】
磁性体で構成された回転子に、１つのバイアス磁界発生部と複数の磁気検出素子を有する固定子を間に隙間を空けて配置し、
前記回転子の固定子対向面に、機械角３６０度に対してｘ周期分変化する凹凸部を形成し、ここでｘは１以上の整数であり、前記凹凸部は前記磁気検出素子で概略正弦波が得られる曲線的に変化する形状とし、
前記固定子の前記磁気検出素子を、前記回転子の前記固定子対向面と隙間を空けて対向するように周方向に沿って等間隔で前記凹凸部の１周期に亘りａ個設け、前記バイアス磁界発生部を、ａ個の前記磁気検出素子と重なるように前記凹凸部の１周期に亘って周方向に延びるようにし、ここでａは２以上の整数であり、
前記磁気検出素子で得られた検出信号から前記回転子の回転角度を求める、回転角度検出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は回転角度検出装置、特に磁気強度の変化を利用した回転角度検出装置および回転角度検出方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば下記特許文献１には、軸受を有するハウジングにより支持されつつ回転する回転軸に該回転の検出対象として設けられるロータと、該ロータの近傍にて磁界の変化を感知する磁気感知素子を有する半導体チップと、前記磁気感知素子にバイアス磁界を付与するバイアス磁石とを備え、前記ロータが回転するときに前記バイアス磁界と協働して生じる磁界の変化を前記磁気感知素子により感知することに基づき前記ロータの回転態様を検出する回転検出装置であって、前記軸受および前記半導体チップが、前記ハウジングに対して一体に形成されてなる回転検出装置が開示されている。また下記特許文献２，３にも、磁気強度の変化を利用した回転検出装置、回転検出センサが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−１３２９７８号公報
【特許文献２】特開平１１−５１６９５号公報
【特許文献３】特開平８−２１９７０９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
例えば下記特許文献１の回転検出装置では、ロータの外周面に沿って矩形の凹凸を形成し、これらの凹凸によりバイアス磁界と協働して生じる磁界の変化を磁気感知素子により感知することで回転検出を行っている。【０００５】
この発明は、測定対象である回転子側に正弦波のように曲線的に滑らかに周期的に変化する凹凸部を設け、これらの滑らかに周期的に変化する凹凸によりバイアス磁界と協働して生じる磁界変化を複数の磁気検出素子で検出することにより、高精度の回転角度検出を行う回転角度検出装置等を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明は、磁性体で構成された回転子と、１つのバイアス磁界発生部と複数の磁気検出素子を有する固定子と、前記磁気検出素子で得られた検出信号から前記回転子の回転角度を求める回転角度演算処理部と、を備え、前記回転子の固定子対向面は、機械角３６０度に対してｘ周期分変化する凹凸部を有し、ここでｘは１以上の整数であり、前記凹凸部は前記磁気検出素子で概略正弦波が得られる曲線的に変化する形状を有し、前記固定子の前記磁気検出素子は、前記回転子の前記固定子対向面と隙間を空けて対向するように周方向に沿って等間隔で前記凹凸部の１周期に亘りａ個設けられ、前記バイアス磁界発生部はａ個の前記磁気検出素子と重なるように前記凹凸部の１周期に亘って周方向に延び、ここでａは２以上の整数である、回転角度検出装置等にある。
【発明の効果】
【０００７】
この発明では、回転子側に設けられた正弦波のような曲線的に滑らかに周期的に変化する凹凸部によりバイアス磁界と協働して生じる磁界変化を複数の磁気検出素子で検出することにより、高精度の回転角度検出を行う回転角度検出装置等を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】この発明の一実施の形態による回転角度検出装置の検出部の概略的な断面図である。
【図２】図１の検出部の主要部分を拡大した拡大断面図である。
【図３】この発明の一実施の形態による回転角度検出装置の回転角度演算部の構成図である。
【図４】図３の回転角度演算処理部の機能ブロック図の一例を示す図である。
【図５】図３の回転角度演算処理部のハードウェア構成の一例を示す図である。
【図６】この発明による回転角度検出装置の検出部の別の例の概略的な断面図である。
【図７】この発明による回転角度検出装置の検出部のさらに別の例の概略的な断面図である。
【図８】この発明による回転角度検出装置の検出部のさらに別の例の概略的な断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、この発明による回転角度検出装置等を実施の形態に従って図面を用いて説明する。なお、各実施の形態において、同一もしくは相当部分は同一符号で示し、また重複する説明は省略する。
【００１０】
実施の形態１．
図１にこの発明の一実施の形態による回転角度検出装置の検出部の概略的な断面図を示す。回転角度の検出対象である回転子２の外周の一部に、磁性体５、バイアス磁界発生部３、複数の磁気検出素子４を有する固定子１が設けられている。回転子２の例えば外周面である固定子対向面には、磁気検出素子４で概略正弦波が得られる曲線的に変化する形状を有する凹凸部２ａが設けられている。図１では、凹凸部２ａがｘ＝１２の１２個あることから回転子２が機械角で３６０度すなわち１回転すると、各磁気検出素子４からはそれぞれ１２周期分の波形が得られる。図１では、凹凸部２ａの１周期に対して、例えば３個の磁気検出素子４が設けられている。また、凹凸部２ａの１周期に対して、３個の磁気検出素子４が概略同じ間隔で配置されていることから、凹凸部２ａの１周期を３６０度とすると１２０度の位相差の信号が３個の磁気検出素子４から出力される。
なお、凹凸部２ａは機械角３６０度に対してｘ周期分あればよく、ｘは１以上の整数である。
【００１１】
図２に図１の検出部の主要部分の拡大断面図を示す。図２の(ａ)はａ＝３の３個の磁気検出素子４を設けた場合、(ｂ)はａ＝２の２つの磁気検出素子４を設けた場合を示す。内側に回転子２があるインナーロータ構造であるため、バイアス磁界発生部３の内周に磁気検出素子４が設けられている。また、バイアス磁界発生部３の外周およびの周方向の外側には、磁気検出素子４で検出される磁束量を増やすための磁性体５が設けられている。
なお、磁気検出素子４は凹凸部２ａの１周期に亘りａ個設ければよく、ａは２以上の整数である。
また、磁性体５は、磁路構成によって必要であれば設ければよく、磁路構成によっては、磁石の磁束が回転子に行かず磁性体５に帰る場合もあるため、磁気回路の設計次第である。しかしながら、磁性体５を入れることで、外部より印加される磁場、例えば、モータのコイル等による磁場からの影響を磁性体を入れることでシールドする効果も有する事があるため、磁気設計として問題ないのであれば、シールド材として入れても問題ない。
【００１２】
図３にこの発明の一実施の形態による回転角度検出装置の回転角度演算部の構成図を示す。各磁気検出素子４からの検出信号はＡ／Ｄ変換部１０でＡ／Ｄ変換された後、回転角度演算処理部２０に入力される。回転角度演算処理部２０では検出信号に従って回転角度演算が行われ、求められた回転角度は例えば表示部３０に表示される。
【００１３】
図４は図３の回転角度演算処理部の機能ブロック図の一例を示す図である。信号変換部２４は、バイアス磁界によって発生している磁界の直流成分であるＤＣオフセット成分を除去する。ここでは、ＤＣオフセットを波形の平均化処理等を行って、ＤＣオフセット分を算出し、それぞれの相信号からＤＣオフセット分を引くことでＤＣオフセットを除去する。例えば、３相であれば、それぞれの相信号の和を３で割ることによってＤＣオフセット成分とし、それぞれの相信号よりＤＣオフセット成分を引くことでも可能である。また、波形の振幅に関して波形の最大値Ｍａｘまたは最小値ＭｉｎからＤＣオフセット成分を算出することも可能である。相信号変換部であるａ相−２相変換部２１ではａ個の磁気検出素子４からのａ相分の信号を、ｓｉｎ波とｃｏｓ波からなる２相の信号に変換する。
ここでａ＝３のときの３相の信号Ａ，Ｂ，Ｃの信号変換の例を下記の式(１)に示す。この変換によって、αとβは位相が９０度異なる信号となり、ｓｉｎ波とｃｏｓ波に変換できる。また、下記の式(１)では角度を、０、１２０、２４０としたが、もとの波形の位相が異なっていれば、この位相は波形の位相と同じ位相となることが望ましい。
【００１４】
【数１】
2018078856.tif 000003
【００１５】
回転角度算出部２２では、ｓｉｎ波とｃｏｓ波からなる２相の信号からａｒｃｔａｎを計算して回転角度を求める。参考までに下記の式(２)にてａｒｃｔａｎは計算できる。これは、通常の三角関数の考え方と同じである。
【００１６】
【数２】
2018078856.tif 000004
【００１７】
上述のそれぞれの相信号の和をもとめて、和を相数で割った値を各相信号から引く方法は、ＤＣオフセット成分除去以外に別工程として入れていてもよく、この工程を別工程として実施することによって、それぞれのセンサに同時に入る電気的ノイズや磁気的ノイズに関して除去することが可能となる。これによって、外部要因による影響を少なくして、角度誤差を小さくし、ロバスト性の高いセンサを得ることが可能となる。表示処理部２３では、求めた回転角度を表示部３０に表示する。
【００１８】
図５は図３の回転角度演算処理部のハードウェア構成の一例を示す図である。回転角度演算処理部２０は例えばコンピュータで構成される。ａ個の磁気検出素子４からのデジタル変換されたａ相分の検出信号がインタフェース(Ｉ／Ｆ)２６を介して入力される。メモリ２８には図４に示す各機能ブロックに対応するプログラムおよび演算に使用される予め設定されたデータが格納されている。プロセッサ２７はインタフェース(Ｉ／Ｆ)を介して入力された検出信号に対して、メモリ２８に格納されたプログラム、データに従って回転角度演算処理を行う。そして求められた回転角度がインタフェース(Ｉ／Ｆ)２６を介して出力され、図３の表示部３０に表示される。
【００１９】
図１に戻り、回転子２は磁性体で構成される。固定子１は１つのバイアス磁界発生部３と複数の磁束密度を検出する磁気検出素子４を有する。バイアス磁界発生部３は例えば永久磁石からなる。磁気検出素子４は、ホール素子等の電磁変換素子からなる。そして磁気検出素子４で検出された検出信号から、回転角度演算処理部２０で回転子２の回転角度が求められえる。
バイアス磁界発生部３からの回転子２側への磁束量は、バイアス磁界発生部３と回転子２の凹凸部２ａの面との間の隙間の距離により変化する。凹凸部２ａの滑らかに周期的に変化する凹凸によりバイアス磁界発生部３のバイアス磁界と協働して生じる磁界変化を磁気検出素子４で検出する。従って各磁気検出素子４で得られる検出信号は凹凸部２ａの形状、ひいては回転子２の回転角度位置に従って変化し、その変化は凹凸部２ａの形状に従い、ここでは位相の異なるｓｉｎ波の信号となる。そして凹凸部の１周期の１／４周期すなわち９０度離れた２つの磁気検出素子４の検出信号はｓｉｎ波とｃｏｓ波の関係になる。そしてこれらのｓｉｎ波とｃｏｓ波の関係にある検出信号のａｒｃｔａｎを計算することで、回転子２の回転角度位置を求める。
【００２０】
回転子２の固定子対向面には、機械角３６０度に対してｘ周期分変化する凹凸部２ａが形成されている。ここでｘは１以上の整数である。すなわち回転子２の固定子対向面には、回転子２が１回転する間に１周期分以上凹凸を繰返す凹凸部２ａが形成されていればよい。図１、２ではｘ＝１２の１２周期分の凹凸を有する凹凸部２ａが示されている。凹凸部２ａは磁気検出素子４で概略正弦波または正弦波が得られる曲線的に変化する形状を有する。従って凹凸部２ａは例えば概略正弦波または正弦波の形状を有する。固定子１の磁気検出素子４は、回転子２の固定子対向面と隙間を空けて対向するように周方向に沿って等間隔で凹凸部の１周期に亘りａ個設けられる。図１、図２の(ａ)ではａ＝３の３個の磁気検出素子４が設けられている。バイアス磁界発生部３はａ個の磁気検出素子４と重なるように凹凸部２ａの１周期に亘って周方向に延びている。バイアス磁界発生部３も回転子２の固定子対向面と隙間を空けて対向するように設けられている。ここでａは２以上の整数である。
【００２１】
図２の(ｂ)に示す、例えば磁気検出素子４がａ＝２で２個の場合は、磁気検出素子４は、凹凸部２ａの１周期の概略１／４周期または１／４周期の間隔で配置される。この場合は、回転角度演算処理部２０のａ相−２相変換部２１の処理は必要ない。回転角度算出部２２で磁気検出素子４より検出されたｓｉｎ波とｃｏｓ波の検出信号からなる２相の信号からａｒｃｔａｎを計算して回転角度を求める。
【００２２】
図２の(ａ)に示す、例えば磁気検出素子４がａ＞２で３個以上の場合は、磁気検出素子４は、周方向の３６０／(ｘ×ａ)度の位置に配置される。この場合は、回転角度演算処理部２０のａ相−２相変換部２１では、ａ相分の検出信号を凹凸部２ａの１周期の１／４周期離れた２相の信号に変換する処理が行われる。図１，２に示すようにａ＝３の場合は、３相分の検出信号を２相の検出信号に変換する処理が行われる。そして回転角度算出部２２では、ａ相−２相変換部２１で得られたｓｉｎ波とｃｏｓ波の信号からなる２相の信号からａｒｃｔａｎを計算して回転角度を求める。
【００２３】
またバイアス磁界発生部３の外周側、周方向外側には、磁気検出素子４で検出される磁束量を増やすための磁性体５が、回転子２の固定子対向面と隙間を空けて対向するように配置される。この磁性体５は、図２の５ａに示すうようにバイアス磁界発生部３の外周側に配置してもよい。また、図２の５ｂ，５ｃに示すバイアス磁界発生部３の周方向の端部より周方向外側に延びるように配置してもよい。磁性体５は、バイアス磁界発生部３の周方向の片端側だけに配置してもよく、また両端側それぞれに配置してもよい。
磁性体５のバイアス磁界発生部３の周方向の端部より周方向外側に延びた部分の長さを、バイアス磁界発生部３の周方向の長さの半分以上の長さにすることで、磁気検出素子４で検出される磁束量を効率良く増やすことができる。
【００２４】
なお、上記実施の形態では回転子２が内側にあり固定子１が外側にある構成の場合について説明したが、この発明はこれに限らず、固定子１が内側にあり回転子２が外側にある構成の場合でも適用可能である。さらにこの発明は上記各構成例に限定されるものではない。
【００２５】
図６から８にはこの発明による回転角度検出装置の検出部の別の構成例の概略的な断面図を示した。
図６は、１つのバイアス磁石発生部３と複数の磁気検出素子４と磁性体５とを有する固定子１を２個設けた場合の構成を示す。この発明においては、固定子１は複数個設けてもよい。この場合、回転角度演算処理部２０の回転角度算出部２２では、例えばそれぞれの固定子１について回転角度を求める、求めた回転角度の平均値を最終的な回転角度とする。
図７は、外側に回転子２があるアウターロータ構造の場合の構成を示す。上述の各例では回転子２が内側にあるインナーロータ構造の場合を示したが、この発明では回転子２が外側にあるアウターロータ構造の場合にも適用可能である。
図８は、回転子２が機械角３６０度に対してｘ＝６周期分の凹凸部２ａを有し、固定子１に回転子２の凹凸部２ａの１周期に亘りａ＝５個の磁気検出素子４を設けた場合の構成を示す。この発明では回転子２は機械角３６０に対してｘ周期分の凹凸部２ａを有していればよい。ここでｘは１以上の整数である。また固定子１は回転子２の凹凸部２ａの１周期に亘りａ個の磁気検出素子４を設けていればよい。ここでａは２以上の整数である。
【産業上の利用の可能性】
【００２６】
この発明による回転角度検出装置および回転角度検出方法は、種々の分野の回転体の回転角度検出に適用することができる。
【符号の説明】
【００２７】
１  固定子、２  回転子、２ａ  凹凸部、３  バイアス磁界発生部、４  磁気検出素子、５  磁性体、１０Ａ／Ｄ変換部、２０  回転角度演算処理部、２１  ａ相−２相変換部、２２  回転角度算出部、２３  表示処理部、２４  信号変換部、２６  インタフェース(Ｉ／Ｆ)、２７  プロセッサ、２８  メモリ、３０  表示部。
【図１】
2018078856.tif 000005
【図２】
2018078856.tif 000006
【図３】
2018078856.tif 000007
【図４】
2018078856.tif 000008
【図５】
2018078856.tif 000009
【図６】
2018078856.tif 000010
【図７】
2018078856.tif 000011
【図８】
2018078856.tif 000012
【国際調査報告】
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