JP2007064897A

JP2007064897A - 磁気エンコーダ

Info

Publication number: JP2007064897A
Application number: JP2005254184A
Authority: JP
Inventors: Yasushi Sugiyama; 靖杉山
Original assignee: Nok Corp
Current assignee: Nok Corp
Priority date: 2005-09-01
Filing date: 2005-09-01
Publication date: 2007-03-15

Abstract

【課題】エンジン始動から短時間でクランク角、カム角等からシリンダ位置を特定し、必要な気筒だけに燃料を噴射する構造で、演算処理が少なく、絶対角度を少ない回転角度で特定することが可能となる磁気エンコーダを提供すること。
【解決手段】磁界の強さを検出する検出手段２に対して回転する環状の磁気ロータ１００を備え、該磁気ロータ１００の表面にＮ極とＳ極を交互に配置した着磁パターン１０１を有する磁気エンコーダ１において、前記着磁パターン１０１は、磁気ロータ１００の全周を等角度に分割した領域を画定してなり、該各分割領域内ではＮ極とＳ極の幅の比は全て一定比率であり、該Ｎ極とＳ極の幅の比は、複数の分割領域毎に異なることを特徴とする磁気エンコーダ。
【選択図】図１

Description

本発明は、磁気エンコーダに関し、詳しくは演算処理が少なく、絶対角度を少ない回転角度で特定することが可能となる磁気エンコーダに関する。

従来、自動車のクランク角検出にエンコーダとして図９に示すものが知られている。図９に示すエンコーダは、通常幅の２倍の幅の信号出力部５０を持ち、この幅広の部分が基準点を示し、その他の部分で回転角方向の位置、回転角を示している。

従って、基準点を検出するためには、この幅広部分を通過する必要があり、最大で３６０度回転させる必要があった。

従来、クランク角の絶対角検出に関する技術としては、特許文献１〜５に記載のように、カム側やクランク側に歯切り状の凹凸を設けて、その歯型状の複数信号の組み合わせ、又は信号の強弱（パルス信号のＨighとＬow）により角度を検出する手法がある。
特開平１１−２９４２１７号公報特開平１１−２２９９４８号公報特許第３３９５５１８号公報特開平１１−１５９３９１号公報特開２００３−３３７０５０号公報

しかし、上記特許文献１〜５に記載の手法では、カム側やクランク側の加工に要する設計、加工作業が煩雑であり、コスト上も問題がある。

ところで、近年、自動車においては、環境保護の観点からアイドリングストップが奨励されているが、エンジン再始動時には同時に全気筒に燃料を噴射しており、この全気筒への燃料噴射が環境保護上好ましくない。この問題を解消するためは、エンジン始動から短時間でクランク角、カム角等からシリンダ位置を特定し、必要な気筒だけに燃料を噴射することが求められる。

そこで、本発明の課題は、上記要請を満足する簡単な構造で、演算処理が少なく、絶対角度を少ない回転角度で特定することが可能となる磁気エンコーダを提供することにある。

本発明の他の課題は以下の記載によって明らかとなる。

上記課題は、以下の各発明によって解決される。
（請求項１）
磁界の強さを検出する検出手段に対して回転する環状の磁気ロータを備え、
該磁気ロータの表面にＮ極とＳ極を交互に配置した着磁パターンを有する磁気エンコーダにおいて、
前記着磁パターンは、磁気ロータの全周を等角度に分割した領域を画定してなり、
該各分割領域内ではＮ極とＳ極の幅の比は全て一定比率であり、
該Ｎ極とＳ極の幅の比は、複数の分割領域毎に異なることを特徴とする磁気エンコーダ。

（請求項２）
磁気ロータ１周のパルス数Ｎ（ＨighまたはＬow）、下記で定義されるＤＵＴＹ比の種類Ｍで構成した場合、判別に可能な最小回転角は、３６０／Ｍ＋３６０／Ｎ＋最大ＴＬ角度であることを特徴とする請求項１記載の磁気エンコーダ。
（ＤＵＴＹ比の定義）
ＤＵＴＹ比＝ＴＨ／（ＴＨ＋ＴＬ）
（ＴＨ：Ｈighパルス幅、ＴＬ：Ｌowパルス幅）

本発明によれば、演算処理が少なくなるので、絶対角度を少ない回転角度で特定する事が可能となるエンコーダを提供できる。例えば、最近のニーズとして、アイドルストップ車においては、短時間で、クランク角、カム角の位置が特定できるので、必要な気筒に燃料を噴射する事が可能となる。

本発明によれば、パルスを発生するペア極数および異なるＤＵＴＹ比の個数に制限なく、より早期に絶対角の判別が可能である。

以下、本発明の好ましい実施の形態を図面に基づいて説明する。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の磁気エンコーダの第１の実施形態を示す要部斜視図である。同図において、磁気エンコーダ１は環状の磁気ロータ１００を有しており、磁気ロータ１００の径は取り付ける回転部材の径に応じて決定することができる。磁気ロータ１００の幅は、５〜１０ｍｍ程度が好ましく、また材質はゴム磁性体などを素材とすることが製作費を軽減する上で好ましい。

２は磁気ロータ１００の回転によって発生する磁界の強さを検出する検出手段であり、磁気センサを用いる。磁気センサとは、磁気エネルギーを検出対象としたセンサであり、具体的には、電磁誘導作用を応用した磁気ヘッド、差動トランス、磁力を電気に変換する作用を利用したホール素子、ＭＲ素子（磁気抵抗効果素子）等が好適である。

磁気エンコーダ１の磁気ロータ１００表面には、Ｎ極とＳ極を交互に配置した着磁パターン１０１を有している。

本発明の着磁パターン１０１の一例を図２に示す。図２（Ａ）は着磁パターンを示し、図２（Ｂ）は上記着磁パターンに応じて発生するパルス信号の例を示す。

図２に示す例では、環状の磁気ロータ１００の全周（０度〜３６０度）にＮ極とＳ極の磁極は２４極ペア、すなわち磁気ロータ１００が１回転すると、２４パルスの信号を発生するモデルを使用している。

着磁パターン１０１は、磁気ロータ１００の全周を等角度に分割した領域が画定される。この例では、６０度毎に分割され、全周の分割領域は１０２Ａ、１０２Ｂ、１０２Ｃ、１０２Ｄ、１０２Ｅ、１０２Ｆが形成されている（これを６分割と称する）。

６分割された各分割領域内ではＮ極とＳ極の幅の比は全て一定比率である。

本実施の形態では、分割領域１０２Ａ内のＮ極とＳ極の幅の比（以下、単にＮ：Ｓと省略する）と、分割領域１０２Ｂ内のＮ：Ｓ、分割領域１０２Ｃ内のＮ：Ｓ、分割領域１０２Ｄ内のＮ：Ｓ、分割領域１０２Ｅ内のＮ：Ｓ及び分割領域１０２Ｆ内のＮ：Ｓは、各々異なっている（すなわち、複数の分割領域毎に異なる）。

この例では、磁極幅のパターンは、以下のように設定し、６パターンを使用した（図２参照）。

分割領域１０２Ａ内のＮ：Ｓ＝１０．５：４．５
分割領域１０２Ｂ内のＮ：Ｓ＝６．５：８．５
分割領域１０２Ｃ内のＮ：Ｓ＝４．５：１０．５
分割領域１０２Ｄ内のＮ：Ｓ＝７．５：７．５
分割領域１０２Ｅ内のＮ：Ｓ＝５．５：９．５
分割領域１０２Ｆ内のＮ：Ｓ＝８．５：６．５

従って、この例では、ＤＵＴＹ比（ＮＳ幅の比）は６種類とした。この例において、磁極幅のパターンは、隣同士のＤＵＴＹ比が近い値とならないような構成とした。

（計測方法）
以下に、本実施の形態におけるエンコーダ（クランク）の絶対角度を特定する方法について説明する。

最初に、エンジン始動時からデジタル信号のＨighパルス幅とＬowパルス幅を計測し、ＤＵＴＹ比を計算する。

ここで、ＤＵＴＹ比およびＤＵＴＹ時間は以下のように定義される(図３参照)。

ＤＵＴＹ比の定義
ＤＵＴＹ比＝ＴＨ／（ＴＨ＋ＴＬ）
ＤＵＴＹ時間(ＴＨ、ＴＬ)の定義
ＴＨ：Ｈighパルス幅、ＴＬ：Ｌowパルス幅

ここで、Ｈighパルス幅とはデジタル信号が立ち上がった時点から立ち下がるまでの時間であり、Ｌowパルス幅とは、それに続いてデジタル信号が立ち下がりから立ち上がりまでの時間である。

次いで、その変化点を読み取る。

また、Ｈighへのパルス立ち上げが等ピッチであるためエンジン制御の起点として利用しやすい。

（計測結果）
本実施の形態で、エンコーダが停止時から１回転で６００ｒｐｍまで等加速で始動した場合の、Ｈighパルス幅とＬowパルス幅、すなわち半パルスの時間を図４に示す。またＤＵＴＹ比を図５に示す。

この計測結果より、１パルスないしは２パルスでＤＵＴＹ比が判別でき、次の異なるＤＵＴＹ比が計測された時点、または、ＤＵＴＹ比が同じものが続くことを判別することでエンコーダの絶対角がどこであるのかを少ない回転角で判定できる。

これを図５に基づいて説明する。

図５のＤＵＴＹ比のポイントを順にＡからＨまで付け、最初に計測されるポイントは誤差が大きく、判別に使わないとすると、Ａ点開始はＢ、Ｃ、Ｄ、変化点Ｅの合計５ポイント＝５×１５度および不感帯であるＡポイントの一つ前のＴＬ４．５度で、７５＋４．５＝合計７９．５度の回転角でＥ点を終了した時点にあることが判別できる。

同様にＢ点開始では、Ｃ、Ｄと計測の後にＥ点の変化点が計測されるため、合計４ポイントで判別でき、その際の回転角は４×１５度＋ＴＬ８．５度＝６８．５度、Ｃ点開始も変化点Ｅの追加するため、合計３ポイントで判別でき、その際の回転角は３×１５度＋ＴＬ８．５度＝５３．５度となる。

またＤ点開始については、Ｄ点は除き、Ｅ点からＨ点までの４ポイントは同じＤＵＴＹ比が続いたことを判別させることで特定でき、合計５ポイントで判別でき、その際の回転角は７５度＋ＴＬ８．５度＝８３．５度の回転角で絶対角度が判定できる。

本実施の形態を用いると、エンコーダ１周のパルス数Ｎ、ＤＵＴＹ比の種類Ｍで構成した場合、判別に可能な最小回転角は、３６０／Ｍ＋３６０／Ｎ＋最大ＴＬ角度で計算される。

なお、この計算は始動時の最初の１パルスが不確定とした上で計算しているが、システム上さらに余裕を見ることができる。

本実施の形態によれば、パルスを発生するペア極数および異なるＤＵＴＹ比の個数に制限がなく、より早期に絶対角の判別が可能である。

本例では８３．５度以下の回転でシリンダ位置の特定が可能となり、無駄な燃料噴射を抑えることが可能となり、排ガス対策に有効な手段を提供できる。

この例は自動車の例を示すが、２列目に像限情報を載せる事で、非接触の回転制御手段として有効となり、例えばロボットの腕の回転制御にも使える。

（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施の形態を図６、図７、図８に基づいて説明する。

図６（Ａ）は本発明の着磁パターン１０１の他の例を示し、図６（Ｂ）は上記着磁パターンに応じて発生するパルス信号の例を示す。図７は半パルスの時間を示し、図８はＤＵＴＹ比を示す。

この実施形態は、各分割領域のＮ極とＳ極の比（Ｎ：Ｓ）を以下のように変化させた例である。

分割領域１０２Ａ内のＮ：Ｓ＝１０．５：４．５
分割領域１０２Ｂ内のＮ：Ｓ＝６．５：８．５
分割領域１０２Ｃ内のＮ：Ｓ＝４．５：１０．５
分割領域１０２Ｄ内のＮ：Ｓ＝８．５：６．５
分割領域１０２Ｅ内のＮ：Ｓ＝７．５：７．５
分割領域１０２Ｆ内のＮ：Ｓ＝５．５：９．５

第２の実施形態における作用については、第１の実施形態の説明、特に図４の説明を援用できるので、その説明を省略する。

また、本発明では、第１及び第２の実施形態におけるＮ極始動を、Ｓ極始動に代えることもできる。

尚、第１及び第２の実施形態において、磁極ペア数、磁極幅のパターンの数は、検出精度により適宜決めるもので、上記に限定されるものではない。

本発明の磁気エンコーダは、自動車に適用できるが、その他一般産業，例えばロボットの腕の回転制御にも適用できる。

本発明の磁気エンコーダの第一の実施形態を示す要部斜視図本発明の着磁パターンの一例を示す図であり、（Ａ）は着磁パターンを示す図、（Ｂ）は上記着磁パターンに応じて発生するパルス信号の例を示す図ＤＵＴＹ比の定義を説明する図第１の実施形態における、エンコーダが停止時から１回転で６００ｒｐｍまで等加速で始動した場合の半パルス個数と半パルス時間の関係を示すグラフ第１の実施形態における、エンコーダが停止時から１回転で６００ｒｐｍまで等加速で始動した場合のパルス個数とＤＵＴＹ比の関係を示すグラフ本発明の着磁パターンの他の例を示す図であり、（Ａ）は着磁パターンを示す図、（Ｂ）は上記着磁パターンに応じて発生するパルス信号の例を示す図第２の実施形態における、エンコーダが停止時から１回転で６００ｒｐｍまで等加速で始動した場合の半パルス個数と半パルス時間の関係を示すグラフ第２の実施形態における、エンコーダが停止時から１回転で６００ｒｐｍまで等加速で始動した場合のパルス個数とＤＵＴＹ比の関係を示すグラフ従来技術の磁気エンコーダを示す要部斜視図

符号の説明

１：磁気エンコーダ
１００：磁気ロータ
１０１：着磁パターン
１０２Ａ、１０２Ｂ、１０２Ｃ、１０２Ｄ、１０２Ｅ、１０２Ｆ：分割領域
２：検出手段

Claims

磁界の強さを検出する検出手段に対して回転する環状の磁気ロータを備え、
該磁気ロータの表面にＮ極とＳ極を交互に配置した着磁パターンを有する磁気エンコーダにおいて、
前記着磁パターンは、磁気ロータの全周を等角度に分割した領域を画定してなり、
該各分割領域内ではＮ極とＳ極の幅の比は全て一定比率であり、
該Ｎ極とＳ極の幅の比は、複数の分割領域毎に異なることを特徴とする磁気エンコーダ。
磁気ロータ１周のパルス数Ｎ（ＨighまたはＬow）、下記で定義されるＤＵＴＹ比の種類Ｍで構成した場合、判別に可能な最小回転角は、３６０／Ｍ＋３６０／Ｎ＋最大ＴＬ角度であることを特徴とする請求項１記載の磁気エンコーダ。
（ＤＵＴＹ比の定義）
ＤＵＴＹ比＝ＴＨ／（ＴＨ＋ＴＬ）
（ＴＨ：Ｈighパルス幅、ＴＬ：Ｌowパルス幅）