CN111721328A - 非接触角度传感器 - Google Patents

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CN111721328A CN202010113252.0A CN202010113252A CN111721328A CN 111721328 A CN111721328 A CN 111721328A CN 202010113252 A CN202010113252 A CN 202010113252A CN 111721328 A CN111721328 A CN 111721328A
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野尻成和
后藤龙树
星野真人
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Abstract

本发明的实施方式涉及非接触角度传感器。圆柱形磁体(16)通过被测定体(17)旋转，包含S极和N极。基板(12)被磁体(16)贯通。霍尔元件(14)配置于基板(12)的从磁体(16)的中心偏离的位置。运算部(25)校准霍尔元件(14)从磁体(16)的偏移，以使磁体(16)的中心和霍尔元件(14)的中心一致。

Description

非接触角度传感器
技术领域
本发明的实施方式涉及非接触地测定旋转角度的作为所谓电位计的非接触角度传感器。
背景
非接触角度传感器具备永磁体(以下称为磁体)和磁阻元件(以下称为霍尔元件)，通过霍尔元件检测永磁体的旋转角度(例如参照专利文献1)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特公平7－85441号公报
发明概述
发明所要解决的问题
现有的非接触角度传感器需要准确地设定设置于旋转体的磁体和霍尔元件的位置关系。具体而言，如果不使磁体和霍尔元件准确地对置，则就不能准确地检测旋转角度。因此，必须使磁体的旋转中心和霍尔元件的中心准确地一致。
本实施方式提供一种非接触角度传感器，即使磁体的旋转中心和霍尔元件的中心偏离，也能够探测准确的角度。
用于解决问题的技术方案
本实施方式的非接触角度传感器具备：圆柱状的磁体，其通过被测定体旋转，包含S极和N极；基板，所述磁体贯通所述基板；霍尔元件，其配置于所述基板的从所述磁体的中心偏离的位置；以及运算部，其校准所述霍尔元件从所述磁体的偏移，以使所述磁体的中心和所述霍尔元件的中心一致。
附图说明
图1是表示本实施方式的非接触角度传感器的俯视图。
图2是沿着图1的II-II线的剖视图。
图3是将本实施方式的非接触角度传感器分解表示的立体图。
图4是表示本实施方式的非接触角度传感器的电路结构的一例的框图。
图5是表示本实施方式的非接触角度传感器的校准动作的一例的流程图。
图6是表示本实施方式的霍尔元件和磁体的位置关系的一例的图。
图7是表示对应于图6的校准动作的一例的图。
图8是表示对应于图6的校准动作的另一例的图。
图9是表示本实施方式的霍尔元件和磁体的位置关系的另一例的图。
图10是表示对应于图9的校准动作的一例的图。
图11是表示对应于图9的校准动作的另一例的图。
图12是表示本实施方式的非接触角度传感器的角度检测动作的一例的流程图。
图13是表示检测角度时的修正动作的一例的图。
图14是表示检测角度时的修正动作的另一例的图。
具体实施方式
以下，参照附图说明实施方式。在附图中，对同一部分标注相同的符号。
(装置结构)
图1～图3表示本实施方式的非接触角度传感器10。在圆筒状的主体11的内部设置有基板12及覆盖基板12的罩13。在基板12的例如表面设置有霍尔元件14及处理霍尔元件14的输出信号的后述的电路。
如图2所示，在主体11的内部且中央部设置有贯通基板12及罩13的轴承部11a。在轴承部11a内可旋转地插入旋转体15的轴部15a。被测定体17与旋转体15连接，旋转体15与被测定体17一起旋转。
在旋转体15的轴部15a的内部插入圆柱状的磁体16，磁体16例如通过未图示的粘接剂固定在轴部15a内。
如图3所示，磁体16例如以半圆柱状着磁(磁化)N极和S极。然而，磁极形状不限于半圆柱状，在包含多个N极和S极的情况下，也可以是扇形。设置于轴部15a内的磁体16贯通基板12。设置于基板12的霍尔元件14与磁体16隔开一定距离，霍尔元件14在磁体16的侧面探测磁通密度。
(电路结构)
图4表示本实施方式的非接触角度传感器10的电路结构的一例，电路结构不限于此。
霍尔元件14是例如对从S变化为N的磁场及从N变化为S的磁场分别输出信号的两极探测类型的霍尔元件。但不局限于此。霍尔元件14经由多路复用器(MUX)21与差分放大器22连接。多路复用器21例如切换霍尔元件14的驱动电流、霍尔元件14的输出电压。差分放大器22放大霍尔元件14的输出电压。
差分放大器22的输出电压由模拟数字转换器(ADC)23转换为数字信号，并被供给到作为信号处理部的数字信号处理器(DSP)24。
DSP24包含作为运算部的例如微处理器25、作为非易失性存储器的ROM(Read OnlyMemory：只读存储器)26、作为可电重写的非易失性存储器的EEPROM(ElectricallyErasable Programmable ROM：电可擦除可编程只读存储器)27、及作为易失性存储器的RAM(Random Access Memory：随机存取存储器)28。
ROM26存储用于控制DSP24的动作的后述的程序(固件)等。
微处理器25根据存储于ROM26中的程序处理从ADC23供给的数字信号。具体而言，如后所述，微处理器25执行作为非接触角度传感器10的初始设定动作的校准动作、修正磁体的位置的修正动作、旋转角度的运算，并输出所测定的旋转角度的数字信号。
EEPROM27存储霍尔元件14的后述的中心位置的信息、与磁体的旋转对应的理想的磁通密度的信息(称作理想曲线)等。
RAM28暂时存储微处理器25的动作所需的信息。
输出部29例如包含输出晶体管等，输出从DSP24(微处理器25)供给的数字信号作为多个比特的数字角度信号。
在此，信息是指由微处理器25处理的数字信号。
(DSP24的动作)
如图1～图3所示，霍尔元件14配置于远离磁体16的侧面的位置，霍尔元件14的中心与磁体16的中心(圆柱状磁体16的轴心)不一致。霍尔元件14的中心位置与磁体16的中心位置的偏差成为角度误差的原因。因此，在初始设定中，本实施方式的非接触角度传感器10校准霍尔元件14的中心位置与磁体16的中心位置的偏差。
(校准动作)
参照图5～图11，说明通过DSP24校准霍尔元件14和磁体16的位置偏差的校准动作。
在制造非接触角度传感器10时，将表示霍尔元件14的中心位置(Xa1、Ya1)、和表示假定霍尔元件14的中心位置与磁体16的中心位置一致的情况下的理想的磁场角度与磁通密度的关系的两条曲线(X轴理想曲线、Y轴理想曲线)的信息作为初始值存储于EEPROM27中。
具体而言，将图6所示的霍尔元件14的中心位置(Xa1、Ya1)、和假定磁体16的中心位置与霍尔元件14的中心位置(Xa1、Ya1)一致的情况下的X轴理想曲线及Y轴理想曲线的信息存储于EPROM27中。
图6所示的例子示意性表示本实施方式，磁体16的中心被配置于从霍尔元件14的中心位置(Xa1、Ya1)离开的预定的位置(Xa2、Ya2)。另外，磁体16表示N极和S极相对于磁体16的中心均等地磁化的情况。
本实施方式中，霍尔元件14的中心位置(Xa1、Ya1)和磁体16的中心(Xa2、Ya2)不一致而分离。因此，在该状态下，通过旋转磁体16而由霍尔元件14探测到的角度具有作为霍尔元件14的中心位置和磁体16的中心位置的误差的偏移。
因此，在本实施方式中，首先校准并除去偏移。
图7所示的X轴理想曲线是与在霍尔元件14的中心与磁体16的中心一致的状态下使磁体16旋转一圈时的霍尔元件14的输出电压对应的曲线。X轴理想曲线是以磁体16的N极为基准的霍尔元件14的输出电压，表示N极的磁通密度相对于霍尔元件14的变化。此外，在图7中，为了便于说明，示出了磁通密度相对于磁场距离的变化。
图8所示的Y轴理想曲线与X轴理想曲线相同，是与在霍尔元件14的中心与磁体16的中心一致的状态下使磁体16旋转一圈时的霍尔元件14的输出电压对应的曲线。Y轴理想曲线是以磁体16的S极为基准的霍尔元件14的输出电压，表示S极的磁通密度相对于霍尔元件14的变化。此外，在图8中，为了便于说明，示出了磁通密度相对于磁场距离的变化。
图5表示DSP24的校准动作。
首先，从EEPROM27读出表示霍尔元件14的中心位置的信息Xa1(S11)，从EEPROM27读出X轴理想曲线的信息(S12)。这些读出的信息被存储于RAM28中。
接着，测定X轴(磁体16的N极)的磁通密度，求出X轴初始实测曲线的信息，将该X轴初始实测曲线的信息例如存储于EEPROM27中(S13)。具体而言，例如通过手动使磁体16旋转一圈，通过霍尔元件14测定磁体16的N极的磁通密度的变化。
在霍尔元件14和磁体16处于如图6所示的位置关系的情况下，如图7所示，X轴初始实测曲线从X轴理想曲线离开磁场距离Xa2。因此，能够根据X轴初始实测曲线的信息和X轴理想曲线的信息来计算磁体16的实际的中心位置Xa2。具体而言，可以通过Xa2－Xa1求出中心位置Xa2。该计算出的磁体16的实际中心位置的信息Xa2例如被存储于EEPROM27中(S14)。
进而，根据X轴初始实测曲线的信息测定N极的初始最大磁通密度，该测定的信息被存储于EEPROM27中(S15)。
接着，将N极的测定的初始最大磁通密度和X轴理想曲线的最大磁通密度(以下称为N极的理想的最大磁通密度)进行比较(S16)。
在霍尔元件14和磁体16位于如图6所示的位置，且理想的磁体的磁化和磁体16的磁化相等的情况下，如图7所示，N极的测定的初始最大磁通密度(N－Bmax－measured)和N极的理想的最大磁通密度(N－Bmax－ideal)相等。
另外，如图9所示，在磁体16的中心从初始位置Xa2偏离Xb1的情况下，如图10所示，N极的测定的初始最大磁通密度(N－Bmax－measured)和N极的理想的最大磁通密度(N－Bmax－ideal)不同。这样，在所测定的初始最大磁通密度和理想的最大磁通密度不同的情况下(S16、否)，计算X轴的修正值Xb1(S17)。
通过下式(1)求出X轴的修正值Xb1、即磁体16从初始位置Xa2的偏移量(Noffset)的修正值Xb1。
Noffset＝N极的测定的初始最大磁通密度－N极的理想的最大磁通密度
Figure BDA0002390717380000061
使用由式(1)求出的X轴的修正值Xb1，修正磁体16的X轴的测定位置，通过下式(2)求出修正值Xc1。
Xc1＝Xa2+Xb1…(2)
上述求出的修正位置Xc1作为磁体16的X轴的实际的位置，例如存储于EEPROM27中。具体而言，存储于EEPROM27中的Xa2被Xc1覆盖。
另一方面，在S16中，在测定的初始最大磁通密度与理想的最大磁通密度一致的情况下(S16、是)，从EEPROM27读出表示霍尔元件14的中心位置的信息Ya1(S19)，从EEPROM27读出Y轴理想曲线的信息(S20)。这些读出的信息被存储于RAM28中(S20)。
接着，测定Y轴(磁体16的S极)的磁通密度，求出Y轴初始实测曲线的信息，将该Y轴实测曲线的信息存储于EEPROM27(S21)。具体而言，例如，通过手动使磁体16旋转一圈，通过霍尔元件14测定磁体16的S极磁通密度的变化。
此外，Y轴初始实测曲线能够与X轴初始实测曲线同时获取。因此，可以省略用于获得Y轴初始实测曲线的磁体16的旋转。
在霍尔元件14和磁体16位于如图6所示的位置的情况下，如图8所示，Y轴初始实测曲线从Y轴理想曲线离开磁场距离Ya2。因此，能够根据Y轴初始实测曲线的信息和Y轴理想曲线的信息来计算磁体16的实际的中心位置Ya2。具体而言，可以通过Ya2－Ya1求出中心位置Ya2。该计算出的磁体16的实际的中心位置的信息Ya2例如被存储于EEPROM27中(S22)。
进而，根据Y轴初始实测曲线的信息测定S极的初始最大磁通密度，该测定的信息存储于EEPROM27中(S23)。
接着，将S极的测定的初始最大磁通密度与Y轴理想曲线的最大磁通密度(以下称为S极的理想的最大磁通密度)进行比较(S24)。
在霍尔元件14和磁体16位于如图6所示的位置的情况下，如图8所示，S极的测定的初始最大磁通密度(S－Bmax－measured)与S极的理想的最大磁通密度(S－Bmax－ideal)相等。
另外，如图9所示，在磁体16的中心从初始位置Ya2偏离Yb1的情况下，如图11所示，S极的测定的初始最大磁通密度(S－Bmax－measured)与S极的理想的最大磁通密度(S－Bmax－ideal)不同。这样，在所测定的初始最大磁通密度与理想的最大磁通密度不同的情况下(S24、否)，计算Y轴的修正值Yb1(S25)。
通过下式(4)求出Y轴的修正值Yb1、即磁体16从初始位置Ya2的偏移量(Soffset)的修正值Yb1。
Figure BDA0002390717380000081
使用由式(4)求出的Y轴的修正值Yb1，修正磁体16的Y轴的测定位置，由下式(5)求出修正位置Yc1。
Yc1＝Ya2+Yb1…(5)
上述求出的修正位置Yc1作为磁体16的Y轴的实际位置，例如存储于EEPROM27中。具体而言，存储于EEPROM27中的Ya2被Yc1覆盖。
上述校准动作例如在产品出货时执行。但是，也可以在发货后，经过时间之后进行。由此，能够校准磁体16的经年变化，能够检测准确的旋转角。
(角度测定)
参照图12，说明测定与旋转体15连接的被测定体17的角度的情况。
如上所述，在校准霍尔元件14和磁体16的位置关系后的状态下，当被测定体17旋转时，旋转体15与被测定体17一同旋转。通过霍尔元件14检测设置于旋转体15的磁体16的磁通密度的变化。霍尔元件14的输出信号供给DSP24。DSP24根据N极的磁通密度的变化测定X轴实测曲线，例如存储于RAM28中(S31)。
接着，将存储于RAM28中的X轴实测曲线与存储于EEPROM27中的X轴初始实测曲线进行比较，判定它们是否一致。进而，判定存储于RAM28中的X轴实测曲线的中心位置Xa3和X轴初始实测曲线的中心位置Xa2是否一致。具体而言，如图13所示，判定是否为Xa2－Xa3＝0。此外，将RAM28中存储的X轴实测曲线的N极的最大磁通密度与EEPROM27中存储的N极的初始最大磁通密度进行比较(S32)。
其结果，在它们不一致的情况下(S32、否)，如图13所示，将X轴实测曲线修正为与X轴初始实测曲线一致。即，进行与上述S17、S18同样的动作，修正实测值(S33)。
重复S31、S32、S33的动作，在S32中判断为全部一致的情况下(S32、是)，将实测值Xa3存储于RAM38(S34)。
接着，基于实测的霍尔元件14的输出信号，通过DSP24测定Y轴实测曲线，例如存储于RAM28中(S35)。具体而言，将与X轴实测曲线同时测定的Y轴实测曲线存储于RAM28中。
接着，将存储于RAM28中的Y轴实测曲线与存储于EEPROM27中的Y轴初始实测曲线进行比较，判定它们是否一致。另外，判定存储于RAM28中的Y轴实测曲线的中心位置Ya3与Y轴初始实测曲线的中心位置Ya2是否一致。具体而言，如图14所示，判定是否为Ya2－Ya3＝0。进而，将存储于RAM28中的Y轴实测曲线的S极的最大磁通密度与存储于EEPROM27中的S极的初始最大磁通密度进行比较(S36)。
其结果，在它们不一致的情况下(S36、否)，如图14所示，将Y轴实测曲线修正为与Y轴初始实测曲线一致。即，进行与上述S25、S26同样的动作，修正实测值(S37)。
重复S35、S36、S37的动作，在S36中判断为它们全部一致的情况下(S36、是)，将实测值Ya3存储于RAM38中(S38)。
接着，基于存储于RAM28中的实测值Xa3、Ya3，通过下式(6)计算角度Ang(A)(S39)。
Ang(A)＝tan－1(Xa3/Ya3)…(6)
上述计算出的角度Ang(A)存储于RAM28中(S40)。
之后，存储于RAM28中的角度Ang(A)被供给输出部29，作为测定值输出。
(实施方式的效果)
根据上述实施方式，将表示霍尔元件14的中心位置的信息(Xa1、Ya1)、表示假定磁体16的中心位置与霍尔元件14的中心位置一致的状态的N极的X轴理想曲线、与表示S极的Y轴理想曲线的信息预先存储于EPROM27中，在初始动作中进行校准，以使预先设定表示磁体16的中心位置的信息(Xa2、Ya2)和表示霍尔元件14的中心位置的信息(Xa1、Ya1)一致。因此，无需将磁体16和霍尔元件14对置配置，即使将霍尔元件14配置于远离磁体16的轴心的位置，也能够准确地检测磁体16的旋转角度。
另外，在被测定体17的旋转角度的测定中，在所测定的X轴实测曲线、Xa2、X极的最大磁通密度的各参数与存储于EEPROM27中的与它们对应的各参数不一致的情况下，进行修正，以使所测定的各参数与存储于EEPROM27中的与它们对应的各参数一致，关于Y轴，也与X轴同样地进行修正。因此，即使在磁体16从初始状态经年变化的情况下，也能够准确地测定被测定体17的旋转角度。
此外，根据本实施方式，在初始设定中进行校准动作。因此，在磁体16的N极和S极未被均匀地磁化、N极和S极的磁化的中心偏离磁体16的中心的情况下，也能够准确地检测磁体16的旋转角度。因此，能够容易地制造磁体16。
而且，由于能够以霍尔元件14的中心位置和磁体16的磁化的中心位置偏离的状态进行配置，因此通过缩短磁体16的轴向的长度，与将霍尔元件14和磁体16对置配置的情况相比，能够减薄非接触角度传感器的厚度。
此外，根据本实施方式，即使在磁体16相对于霍尔元件14沿轴向偏离的情况下，也能够抑制角度的检测误差。因此，磁体16相对于轴部15a的组装工作变得简单，能够使制造容易化。
另外，本发明并不限定于上述各实施方式本身，在实施阶段不脱离其要旨的范围内能够变形并具体化构成要素。另外，通过上述各实施方式中公开的多个构成要素的适当的组合，能够形成各种发明。例如，也可以从实施方式所示的全部构成要素中删除若干构成要素。此外，也可以适当组合不同的实施方式中的构成要素。

Claims (6)

1.一种非接触角度传感器，其特征在于，具备：
圆柱状的磁体，其通过被测定体旋转，包含S极和N极；
基板，所述磁体贯通所述基板；
霍尔元件，其配置于所述基板的从所述磁体的中心偏离的位置；以及
运算部，其校准所述霍尔元件从所述磁体的偏移，以使所述磁体的中心和所述霍尔元件的中心一致。
2.根据权利要求1所述的非接触角度传感器，其特征在于，
在校准作为初始信息的所述偏移后的所述磁体的位置信息与由所述霍尔元件检测出的所述磁体的位置信息不一致的情况下，所述运算部修正检测出的所述磁体的位置信息。
3.根据权利要求1所述的非接触角度传感器，其特征在于，
在校准作为初始信息的所述偏移后的所述磁体的位置信息与由所述霍尔元件检测出的所述磁体的位置信息一致的情况下，所述运算部根据检测出的所述磁体的位置信息来运算角度。
4.根据权利要求1所述的非接触角度传感器，其特征在于，
所述磁体以半圆柱状磁化所述S极和所述N极。
5.根据权利要求4所述的非接触角度传感器，其特征在于，
还具备轴部，所述轴部与所述被测定体连接，贯通所述基板，保持所述磁体。
6.根据权利要求2或3所述的非接触角度传感器，其特征在于，
还具备非易失性存储器，所述非易失性存储器存储有校准作为初始信息的所述偏移后的所述磁体的位置信息。
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