CN103575210A

CN103575210A - 位置检测器

Info

Publication number: CN103575210A
Application number: CN201310339222.1A
Authority: CN
Inventors: 久保田贵光; 水谷彰利; 河野祯之
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2012-08-06
Filing date: 2013-08-06
Publication date: 2014-02-12
Anticipated expiration: 2033-08-06
Also published as: US9470554B2; JP5682798B2; DE102013215322A1; JP2014032154A; CN103575210B; US20140039829A1

Abstract

位置检测器包括检测磁通密度的霍尔元件（11）和检测霍尔元件（11）的温度的温度检测元件（16）。在旋转角计算处理中，通过将温度检测元件（16）的检测温度t和在参考温度t₀下的参考最大电压V₀代入a=V₀×k(t–t₀)来计算温度校正值a。接下来，通过将温度校正值a代入温度特性公式Vt=V₀+a来计算校正最大电压Vt。另外，通过将霍尔元件（11）的输出电压VH和校正最大电压Vt代入θ=sin^-1(VH/Vt)来计算磁体（20、21）相对于霍尔元件（11）的旋转角θ。因为根据温度来校正该校正最大电压Vt，因此能精确检测旋转角。

Description

位置检测器

技术领域

本公开内容涉及位置检测器。

背景技术

已知检测旋转对象（检测对象）的旋转角的位置检测器。在已知位置检测器中，将诸如磁体的磁场产生元件或诸如霍尔元件的磁场检测元件设置在检测对象上。当检测对象旋转时，磁场检测元件检测磁通密度的变化，并且基于所检测的磁通密度的变化来计算检测对象的旋转角。

例如，在JP3491577B2（其对应于US6498479B1）的位置检测器中，将磁体设置在作为检测对象的轴上，并且基于以下公式1来检测轴的旋转角θ度数（°）：

θ=sin^-1(VH/V₀)...公式1

在公式1中，VH是霍尔元件的输出电压（V），并且V₀是最大电压（V），即，霍尔元件的输出电压的最大值。

然而，在JP3491577B2的位置检测器中，公式1中的最大电压V₀是固定值。因此，当由磁体产生的磁通密度由于其中使用了位置检测器的环境温度而改变时，由公式1计算的旋转角的检测精度很可能会降低。此外，当磁通密度随着温度的改变而增加时，输出电压VH将大于最大电压V₀。在这样的情况下，将无法计算表示式1的反正弦函数。

发明内容

本公开内容的一个目的是提供具有提高的旋转角检测精度的位置检测器。

根据本公开内容的一方面，位置检测器包括磁场产生元件、磁场检测元件、温度检测元件、存储元件以及旋转角计算元件。该磁场检测元件输出根据在磁场检测元件相对于磁场产生元件旋转时引起的磁通密度变化的电压。该温度检测元件检测磁场产生元件的温度，并输出根据所检测的温度的电压。该存储元件存储温度特性公式和输出特性公式。该旋转角计算元件基于温度特性公式和输出特性公式来计算磁场产生元件相对于磁场检测元件的旋转角。

该温度特性公式表示参考最大电压、温度校正值以及校正最大电压Vt之间的关系。所述参考最大电压是在磁场产生元件具有参考温度时从磁场检测元件输出的电压的最大值。基于由温度检测元件检测的温度来计算温度校正值。通过利用温度校正值校正参考最大电压来计算校正最大电压Vt。当磁场产生元件相对于磁场检测元件的旋转角被称为θ，且所述磁场检测元件的输出电压被称为VH时，该输出特性公式被表示为θ=sin^-1(VH/Vt)。

在根据以上方面的位置检测器中，当检测磁场产生元件相对于磁场检测元件的旋转角时，由温度检测元件检测磁场产生元件的温度。使用存储在存储元件中的温度特性公式，并基于所检测的温度来计算温度校正值。此外，基于计算的温度校正值来计算校正最大电压Vt。将所计算的校正最大电压Vt代入输出特性公式，并基于磁场检测元件的输出电压VH来计算旋转角θ。

由磁场产生元件产生的磁通密度随着环境温度而改变。考虑到这个事实，根据磁通密度的变化来改变包括在输出特性公式中的校正最大电压Vt的值。因此，可精确检测检测对象的旋转角。

例如，将校正最大电压Vt设定为大于在环境温度下从磁场检测元件输出的最大电压。在这样的情况下，能够计算输出特性公式的反正弦函数。因此，能够检测在广阔温度范围内的检测对象的旋转角。

附图说明

通过参考附图做出的以下详细描述，本公开内容的上述和其它目的、特征和优点将会变得更加明显。在附图中：

图1是示出采用了根据本公开内容的第一实施例的位置检测器的电子控制式节流阀的截面图的视图；

图2是示出根据第一实施例的位置检测器的示意图的视图；

图3是根据第一实施例的位置检测器的霍尔IC的电路图；

图4是根据第一实施例的从霍尔元件输出的电压的温度特性的曲线图；

图5是根据第一实施例的由位置检测器执行的旋转角计算处理的流程图；

图6是根据第二实施例的由位置检测器执行的旋转角计算处理的流程图；

图7A和7B是示出使用在根据第二实施例的旋转角计算处理中的产生的磁通密度与温度之间的关系的曲线图。

具体实施方式

将参照附图来描述本公开内容的示例性实施例。

（第一实施例）

将参照图1至图5来描述根据本公开内容的第一实施例的位置检测器。

如图1所示，根据第一实施例的位置检测器1例如用于电子控制式节流阀9，该电子控制式节流阀9控制引入到车辆的内燃机的气缸中的空气量。电子控制式节流阀9的壳体2具有进气通道3，引入到内燃机的空气通过进气通道3流动。将具有基本圆盘形的节流阀4设置在进气通道3中。节流阀4与阀轴5一体形成。阀轴5的两端由壳体2可旋转地支撑。在将阀轴5定义为旋转轴时，节流阀4相对于壳体2是可旋转的。

如图1和图2所示，位置检测器1包括永磁体20、21和霍尔IC10。永磁体20、21用作磁场产生元件。

永磁体20、21通过圆柱形磁轭30邻近阀轴5的一端设置。永磁体20、21径向设置在磁轭30的内部，并设置在相对于磁轭30的旋转轴O呈180度对称的位置。如由图2中的箭头B所示，磁通在基本垂直于磁轭30的旋转轴O的方向上、且在两个永磁体20、21之间流动。

霍尔IC10固定到基部7，该基部7设置在壳体2的外壁上。邻近连接两个永磁体20、21的线的基本中心来设置霍尔IC10。

霍尔IC10是具有霍尔元件11、温度检测元件16、模数转换（ADC）电路14、数字信号处理器（DSP）12、数模转换（DAC）电路15和存储器13的集成电路（IC）芯片。霍尔元件11用作磁场检测元件。温度检测元件16用作温度检测元件。DSP12用作旋转角计算元件。存储器13用作存储元件。设置霍尔IC10，使得霍尔元件11的磁敏感表面设置在磁轭30的旋转轴O上。

霍尔元件11由半导体薄膜来提供。霍尔元件11将根据磁通密度变化的模拟信号输出到ADC电路14。

例如由二极管温度计提供温度检测元件16。温度检测元件16基于二极管的电阻随着围绕霍尔IC10的温度而改变的原理来检测位置检测器1的环境温度。温度检测元件16将根据所检测的温度的模拟信号输出到ADC电路14。

ADC电路14将从霍尔元件11和温度检测元件16输出的模拟信号转换为数字信号。DSP12执行计算处理，以基于从ADC电路14输出的数字信号来计算永磁体20、21相对于霍尔元件11的旋转角。DAC电路15将由DSP12处理的数字信号转换为模拟信号，并将该模拟信号输出至外部设备。

例如，存储器13包括只读存储器和可擦写存储器。在存储器13中，存储参考最大电压、温度校正值、温度特性公式以及输出特性公式。参考最大电压是在永磁体20、21的温度处于预定的参考温度时从霍尔元件11输出的最大电压值。温度校正值被用于校正参考最大电压。稍后将详细描述温度校正值、温度特性公式以及输出特性公式。

在电子控制式节流阀9中，当阀轴5旋转时，永磁体20、21相对于霍尔元件11旋转。霍尔IC将根据磁通密度穿过霍尔元件11的磁敏表面的数量的信号输出至外部设备。

由电机6驱动节流阀4。从外部电子控制单元（未图示）向电机6供应电流，使得将根据输出信号的电压所计算的节流阀4的开度变为目标开度，根据内燃机的操作条件来设定该目标开度。因此，通过电机6的驱动来控制节流阀4的开度，所以控制供应到内燃机的空气量。

接下来，将描述由第一实施例的位置检测器1执行的旋转角计算处理。

在位置检测器1中，当节流阀4的阀轴5旋转时，磁轭30随着阀轴5而旋转。因为由永磁体20、21产生的磁通的方向随着阀轴5的旋转而改变，因此，从霍尔元件11输出并通过ADC14提供至DSP12的输出电压VH(V)的值发生改变。

DSP12通过将霍尔元件11的输出电压VH代入由以下所示的公式2所表示的输出特性公式，来计算旋转角θ（°）。DSP12将所计算的旋转角θ（°）通过DAC电路15输出到外部设备。

θ=sin^-1(VH/Vt)...公式2

在公式2中，Vt是校正最大电压（V）。校正最大电压Vt（V）是在使用公式2计算旋转角θ时由DSP12预先计算的温度公式。校正最大电压Vt随着其中使用位置检测器1的环境温度（即，永磁体20、21的温度）而改变。

图4是示出在永磁体20、21的不同温度下旋转角θ与霍尔元件11的输出电压VH之间的关系的曲线图。如图4所示，旋转角θ与霍尔元件11的输出电压VH之间的关系为正弦曲线。当旋转角θ为90°时，输出电压VH最大。当永磁体20、21的温度是20摄氏度（℃）时，将在90°的旋转角θ下的霍尔元件11的输出电压VH定义为输出电压V1。当永磁体20、21的温度是-40℃时，将在90°的旋转角θ下的霍尔元件11的输出电压VH是大于输出电压V1的输出电压V2。当永磁体20、21的温度是120℃时，在90°的旋转角θ下的霍尔元件11的输出电压是小于输出电压V1的输出电压V3。

如上所述，即使在旋转角θ相同时，霍尔元件11的输出电压VH也取决于永磁体20、21的温度而不同。

在本实施例的位置检测器1中，因此按以下方式来执行旋转角计算处理。

如图5所示，在S101中，DSP12通过ADC电路14接收从霍尔元件11和温度检测元件16输出的信号。

在S102中，根据以下公式3来计算温度校正值（V）。

a=V₀×k×(t-t₀)...公式3

在公式3中，t是基于从温度检测元件16输出的信号来计算的检测温度（℃），V₀是在参考温度T₀（℃）处的参考最大电压（V），并且k是校正系数（V/℃）。

主要基于代表永磁体20、21的材料的温度特性的系数来确定校正系数k（V/℃）。校正系数k（V/℃）是表示从霍尔元件11输出的相对于温度的变化的电压变化率的值。将校正系数k（V/℃）存储在存储器13中。

在S103中，计算校正最大电压Vt（V），其用于计算在检测温度t下的旋转角θ。具体来说，使用温度特性公式来计算校正最大电压Vt，该温度特性公式包括在S102中计算的温度校正值。由以下公式4来表示该温度特性公式：

Vt=V₀+a=V₀+[V₀×k×(t-t₀)]...公式4

在S104中，使用被代入在S103中计算的校正最大电压Vt的公式2并基于霍尔元件11的输出电压VH，来计算永磁体20、21相对于霍尔元件11的旋转角θ。

在根据第一实施例的位置检测器1中，考虑到霍尔元件11的输出电压VH会由于温度而变化，来计算旋转角θ。在旋转角θ的计算之前，基于温度检测元件16的检测温度t来计算校正最大电压Vt，该校正最大电压Vt对于计算在检测温度t下的旋转角θ是必需的。通过将裕度加到参考最大电压V₀来提供校正最大电压Vt。即使在由永磁体20、21产生的磁通密度由于环境温度而增加，且输出电压VH超过参考最大电压V₀时，也可以计算公式2的反正弦函数。因此，可以计算旋转角θ。

此外，在根据第一实施例的位置检测器1中，针对每个检测温度t，校正在公式2的反正弦函数中的相对于霍尔元件11的输出电压VH的校正最大电压Vt。在该情况下，可合适选择校正系数k，其用于计算校正最大电压Vt。

因此，除了由永磁体20、21所产生的磁通密度中的温度变化所带来的影响之外，还考虑到由于环境温度而导致的磁轭30的变形、霍尔元件11的温度特性等，来计算校正最大电压Vt。因此，可以精确检测永磁体20、21相对于霍尔元件21的旋转角θ。

（第二实施例）

将参照图6、7A和7B来描述根据本公开内容的第二实施例的位置检测器。

在第二实施例中，以与第一实施例不同的方式来计算旋转角θ。下文中，实质上类似于第一实施例的部件或元件将采用相同的附图标记来表示，并不在重复其描述。

图6示出由根据第二实施例的位置检测器1执行的旋转角计算处理的流程图。

在S101中，类似于第一实施例，DSP12通过ADC电路14接收从霍尔元件11和温度检测元件16输出的信号。

在S202中，根据以下公式5来计算温度校正值b。

b=Bt/B₀...公式5

在公式5中，B₀是参考磁通密度（T），并且Bt是检测磁通密度（T）。温度校正值b是无量纲数。

参考磁通密度B₀（T）是在永磁体温度处于参考温度t₀时由永磁体在预定旋转角下产生的磁通密度。检测磁通密度Bt（T）是在永磁体温度处于检测温度t时由永磁体在预定旋转角处产生的磁通密度。基于从温度检测元件16输出的电压信号来计算检测温度。

将参照图7A和7B来描述用于计算温度校正值b的方法。

首先，在多个温度tx下测量由永磁体产生的磁通密度Bx。在图7A中，具体来说，对在-40℃、20℃以及120℃温度下的磁通密度Bx进行绘图，并通过连接测量点来提供曲线L1。接下来，将在多个温度tx下的磁通密度Bx的数据归一化。

具体来说，设定参考温度t₀。通过将在除了参考温度t₀以外的温度下的磁通密度Bx除以参考温度t₀的参考磁通密度B₀，来获得能够计算磁通密度Bx与参考磁通密度B₀的比率的关系表示式。

如图7B所示，例如，当将参考温度t₀设定为20℃时，将-40℃温度的磁通密度除以20℃温度的磁通密度。同样，将120℃温度的磁通密度除以20℃温度的磁通密度。因此，基于所计算的结果而获得实线L2。

实线L2表示除了参考温度以外的温度的磁通密度与20℃参考温度的磁通密度的比率。例如，基于图7B的实线L2的形状，可将温度校正值b表示为以下公式6：

b=1+α×(t-t₀)+β×(t-t₀)²...公式6

在公式6中，α和β是任意常数。

在S203中，计算校正最大电压Vt（V），其用于计算在检测温度t下的旋转角θ。具体来说，使用温度特性公式来计算校正最大电压Vt，该温度特性公式包括在S202中计算的温度校正值b。由以下公式7来表示该温度特性公式：

Vt=V₀×b=V₀×Bt/B₀

=V₀×[1+α×(t-t₀)+β×(t-t₀)²]...公式7

在S204中，基于霍尔元件11的输出电压VH，通过以下代入在S203中计算的校正最大电压Vt的公式8来计算永磁体20、21相对于霍尔元件11的旋转角θ。

θ=sin^-1(VH/Vt)...公式8

公式8对应于输出特性公式。

在根据第二实施例的位置检测器中，基于在多个温度下实际测量的磁通密度的值，来计算温度校正值b。使用公式8来计算永磁体20、21相对于霍尔元件11的旋转角θ，该公式8包括使用温度校正值b来计算的校正最大电压Vt。因此，可以精确检测旋转角θ。

（其它实施例）

（1）在第一实施例中，如公式3中所示，用于校正参考最大温度的温度校正值是随检测温度而变化的变量数。然而，温度校正值并不限于上述的这一个。该温度校正值可以是预定的常数。

（2）在上述实施例中，将霍尔元件11设置在固定的基部7上，并且相对于霍尔元件11旋转永磁体20、21。可替换地，可以固定永磁体20、21，并且可相对于永磁体20、21来旋转霍尔元件11。

（3）在上述实施例中，将位置检测器1示例性地应用到电子控制式节流阀。另外，可以将位置检测器1应用到任何其它设备。

（4）在上述实施例中，将霍尔元件10或温度检测元件16嵌入在固定至基部7的霍尔IC11中。霍尔元件10和温度检测元件的布置可不限于上述示例。霍尔元件10或温度检测元件可与霍尔IC11相分离，并可不同于霍尔IC11来布置。

（5）在上述实施例中，温度检测元件16是二极管温度计。然而，该温度检测元件16可不限于二极管温度计。

虽然仅选择了所选定的示例性实施例来说明本公开内容，但是可以在不脱离如所附权利要求所定义的本公开内容的范围的情况下根据本公开内容对其作出各种变化和修改，这对本领域技术人员而言是显而易见的。此外，仅用于说明的目的来提供根据本公开内容的上述示例性实施例的描述，而不是为了限制由所附权利要求及其等同形式所定义的本公开内容。

Claims

1.一种位置检测器，包括：

磁场产生元件（20、21）；

磁场检测元件（11），其输出根据在所述磁场检测元件（11）相对于所述磁场产生元件（20、21）旋转时引起的磁通密度的变化的电压；

温度检测元件（16），其检测所述磁场产生元件（20、21）的温度，并输出根据所检测的温度的电压；

存储元件（13），其存储温度特性公式和输出特性公式，其中，所述温度特性公式表示参考最大电压、温度校正值以及校正最大电压之间的关系，所述参考最大电压是在所述磁场产生元件（20、21）具有参考温度时从所述磁场检测元件（11）输出的输出电压的最大值，基于由所述温度检测元件（16）检测的检测温度来计算所述温度校正值，通过由所述温度校正值校正所述参考最大电压来计算所述校正最大电压，其中，所述输出特性公式表示所述磁场产生元件（20、21）相对于所述磁场检测元件（11）的旋转角、所述磁场检测元件（11）的输出电压以及所述校正最大电压之间的关系；以及

旋转角计算元件（12），其被电连接到所述磁场检测元件（11）、所述温度检测元件（16）以及所述存储元件（13），所述旋转角计算元件（12）使用所述温度特性公式和所述输出特性公式并基于所述温度检测元件（16）的检测温度、所述磁场检测元件（11）的输出电压以及所述参考最大电压，来计算所述磁场产生元件（20、21）相对于所述磁场检测元件（11）的旋转角，其中

所述磁场产生元件（20、21）相对于所述磁场检测元件（11）的所述旋转角被称为θ，

所述磁场检测元件的输出电压在所述温度检测元件（16）的检测温度是t且所述旋转角是θ时被称为VH，

所述校正最大电压在所述检测温度是t时被称为Vt，则

所述输出特性公式被表示为θ=sin^-1(VH/Vt)。

2.根据权利要求1所述的位置检测器，其中

所述参考最大电压被称为V₀，

所述温度校正值被称为a，则

所述温度特性公式被表示为Vt=V₀+a。

3.根据权利要求2所述的位置检测器，其中

所述参考温度被称为t₀，并且

所述温度校正值a由V₀×k×(t–t₀)来表示，其中k是校正系数。

4.根据权利要求2所述的位置检测器，其中

所述温度校正值a是常数。

5.根据权利要求1所述的位置检测器，

其中，所述参考最大电压被称为V₀，所述温度校正值被称为b，则所述温度特性公式被表示为Vt=V₀×b，并且

其中，由所述磁场产生元件产生的磁通密度在所述磁场产生元件处于预定旋转角且处于所述参考温度时被称为B₀，由所述磁场产生元件产生的磁通密度在所述磁场产生元件处于预定旋转角且处于所述检测温度t时被称为B_t，则所述温度校正值b由Bt/B₀来表示。

6.根据权利要求5所述的位置检测器，其中

所述温度校正值b由1+α×(t–t₀)+β×(t–t₀)²来表示，其中，α和β是常数。