JP2007155617A - Rotation angle detection device and rotation angle detection method - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、例えばスロットルバルブやステアリングホイールやクランク軸等の各種被検出回転体の回転角度を検出する回転角度検出装置及びその回転角度検出方法に関する。 The present invention relates to a rotation angle detection device and a rotation angle detection method for detecting the rotation angle of various detected rotating bodies such as a throttle valve, a steering wheel and a crankshaft.
この種の回転角度検出装置としては、ホール素子を用いて各種被検出回転体と非接触にてその回転角度を検出する回転角度検出装置が一般に知られている(例えば、特許文献1参照)。このような回転角度検出装置として、現在実用されている装置の一例を図6に示す。 As this type of rotation angle detection device, there is generally known a rotation angle detection device that uses a Hall element to detect the rotation angle in a non-contact manner with various detected rotating bodies (see, for example, Patent Document 1). FIG. 6 shows an example of a device that is currently in practical use as such a rotation angle detection device.
同図6に示されるように、この回転角度検出装置は、ハウジングHG内の図中上方に、ホール素子20が内蔵されたモールドIC(集積回路)24を備えている。このモールドIC24は、同ハウジングHG内に固定されているホルダHDに装着されており、図中その下方には、中心軸25によって上記ホルダHD(正確にはこれに装着されたモールドIC24)とのギャップが調整されて、同軸25を中心に回動する円筒状の磁石26が設けられている。この磁石26は、ハウジングHG内で回転軸27の一端に連結されており、該回転軸27の回動に伴って回動する構造となっている。また、この回転軸27には、ハウジングHGの外部に延出された他端に歯車28が設けられており、この歯車28が、検出対象となる回転軸31に装着されている歯車32と噛合されている。このため、検出対象となる回転軸31の回動がこれら歯車32及び28を介して上記回転軸27に伝達され、ひいては該回転軸27に連結されている上記磁石26に伝達される。そしてこの際、該磁石26の回動により、上記ホルダHD近傍の磁界が変化することとなり、この磁界の変化に伴って上記モールドIC24に設けられているホール素子20の出力電圧、すなわちホール電圧も変化する。すなわち、こうしたホール電圧の変化に基づいて上記検出対象となる回転軸31の回転角度が検出されることとなる。なお、この回転角度検出装置が例えばスロットルセンサであった場合、上記回転軸31はスロットルバルブの回動(駆動)軸となる。
As shown in FIG. 6, the rotation angle detection device includes a mold IC (integrated circuit) 24 in which the
図7(a)及び(b)は、こうした回転角度検出装置の上記ホルダHDを含めた主にホール素子20と磁石26との関係を模式的に示したものである。
図7(a)にその側面構造を示すように、この装置では、上記ホール素子20として、一般によく用いられている横型ホール素子を採用しており、この横型のホール素子20を上記モールドIC24として樹脂モールドしたものを上記ホルダHDの上に立てるかたちで、同ホルダHD上に接着剤等によって接着固定している。なお、ホルダHDにはガイドとなる凸部HDaが設けられており、上記モールドIC24の接着固定に際しては、図7(b)にその平面構造を示すように、この凸部HDaを基準として、2つのモールドIC24が互いに90度の角度をもって配設されるようにしている。また、図7(a)では便宜上、上記磁石26に連結される回転軸27が上記中心軸25を兼ねるかたちで図示している。そして、同図7(a)に示される態様で、磁石26から発せられる磁界が上記ホール素子20に対して正確に入射されるようにホルダHDと磁石26とのギャップが調整されることで、上記回転軸27、ひいては検出対象となる回転軸31の上述した態様での回転角度の検出が可能となる。
As shown in FIG. 7 (a), the apparatus employs a generally used horizontal Hall element as the
ところで、こうした回転角度検出装置にあっては上述のように、横型のホール素子20を2個用いて、検出対象となる回転軸31の回転角度を検出する構造であるため、それらホール素子20は、ホルダHDに対して正確に90度の角度をなすように配設される必要がある。そのため、ホルダHDにも上記凸部HDaを設けて、こうしたホール素子20(モールドIC24)の配設をガイドするようにしている。しかし、ホルダHDに対するホール素子20(モールドIC24)の配設は上述のように、接着剤等を用いた接着によって行なわれている。このため、たとえ上記ガイドとなる凸部HDaがあったとしても、例えば該凸部HDaの面に沿って横方向にずれて接着されたり、あるいは接着剤の厚さのばらつきに起因して上記90度の関係が正確に得られなかったりするなどの懸念がある。そして、これらホール素子20の配設位置がずれたり、あるいは互いに90度の関係が満たされない場合には、それらホール素子20としての出力特性が悪化するなど、回転角度検出装置として信頼性を大きく損なうおそれもある。
By the way, in such a rotation angle detection device, as described above, the rotation angle of the
また、こうした回転角度検出装置にあっては上述のように、上記磁石26から発せられる磁界が上記ホール素子20に正確に入射される必要がある。そしてそのために、上記中心軸25によってそれら磁石26及びホール素子20の配設関係を調整するようにはしている。しかし実際には、このような対策を講じたとしても、上記磁石26から発せられる磁界が上記ホール素子20に正確に入射されない可能性があり、この点も回転角度検出装置としての信頼性を損ねる要因の一つとなっている。
Further, in such a rotation angle detection device, the magnetic field generated from the
この発明は、こうした実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、ホール素子を用いた回転角度検出装置及びその回転角度検出方法として、磁石から発せられる磁界がホール素子に正確に入射されない環境においても、より精度の高い回転角度の検出を可能とする回転角度検出装置及びその回転角度検出方法を提供することにある。 The present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to provide an environment in which a magnetic field emitted from a magnet is not accurately incident on a Hall element as a rotation angle detection apparatus and a rotation angle detection method using the Hall element. The present invention also provides a rotation angle detection device and a rotation angle detection method that enable detection of a rotation angle with higher accuracy.
こうした目的を達成するため、請求項1に記載の回転角度検出装置では、回転角度の検出対象とする回転軸の回動に伴って回動する磁石から発せられる磁界の変化を90度だけ位相のずれた正弦波信号として感知すべく配置された2つのホール素子を有するセンサ部を備え、前記2つのホール素子から出力されるホール電圧の値に基づいて前記回転軸の回転角度を検出する回転角度検出装置として、前記センサ部が、ホール効果に基づき半導体基板面に平行な磁界成分を感知する前記2つのホール素子としての縦型ホール素子と、それら2つの縦型ホール素子と共々1つの半導体チップとして集積回路化されるかたちで同半導体基板面に直交する磁界成分を感知する横型ホール素子とを有してなり、前記回転軸の回転角度の検出に際し、前記横型ホール素子から出力されるホール電圧の値に基づいて前記2つの縦型ホール素子から出力されるホール電圧の値を補正する構成とした。
In order to achieve such an object, in the rotation angle detection device according to
回転角度検出装置としてのこのような構成によれば、磁石から発せられる磁界の変化を90度だけ位相のずれた正弦波信号として感知すべく配置される2つのホール素子として縦型ホール素子が採用されるため、半導体プロセスを通じてこれら2つのホール素子の配置関係を半導体基板中に正確に設定することが可能となり、ひいてはより精度の高い回転角度の検出が期待できるようになる。ただし、このような回転角度検出装置であっても、例えば上記磁石と上記2つの縦型ホール素子との位置関係にずれが生じたような場合には、同磁石から発せられる磁界は上記2つの縦型ホール素子に正確に入射されず、当該回転角度検出装置としての回転角度の検出精度が維持され難くなる。また、このような磁石と2つの縦型ホール素子との位置関係を機械的に調整したとしても、実際には、上記磁石から発せられる磁界が上記2つの縦型ホール素子に正確に入射されない可能性が残ることは前述した。 According to such a configuration as the rotation angle detection device, the vertical Hall element is adopted as two Hall elements arranged to sense a change in the magnetic field generated from the magnet as a sine wave signal whose phase is shifted by 90 degrees. Therefore, it is possible to accurately set the arrangement relationship of these two Hall elements in the semiconductor substrate through the semiconductor process, and as a result, it is possible to expect a more accurate rotation angle detection. However, even in such a rotation angle detection device, for example, when the positional relationship between the magnet and the two vertical Hall elements is shifted, the magnetic fields generated from the magnet are It is not accurately incident on the vertical Hall element, and the rotation angle detection accuracy as the rotation angle detection device is difficult to be maintained. Further, even if the positional relationship between such a magnet and two vertical Hall elements is mechanically adjusted, actually, the magnetic field generated from the magnet may not be accurately incident on the two vertical Hall elements. As described above, the nature remains.
この点、上記構成では、上記センサ部が、上記2つの縦型ホール素子と共々1つの半導体チップとして集積回路化されるかたちで同半導体基板面に直交する磁界成分を感知する横型ホール素子をさらに有している。すなわち、このような横型ホール素子からは、基本的には、上記半導体基板面が上記磁石による磁界の変化面に対して傾いている場合に限り、ホール電圧としての出力値が得られる。したがって、上記回転軸の回転角度の検出に際し、同横型ホール素子から出力されるホール電圧の値に基づいて上記2つの縦型ホール素子から出力されるホール電圧の値を補正するようにすれば、上記半導体基板及び磁石の位置関係にずれが生じている場合であれ、より精度の高い回転角度の検出が可能となる。 In this regard, in the above configuration, the sensor unit is further integrated with the two vertical Hall elements as a single semiconductor chip so that a horizontal Hall element that senses a magnetic field component orthogonal to the semiconductor substrate surface is further provided. Have. That is, from such a horizontal Hall element, basically, an output value as a Hall voltage can be obtained only when the surface of the semiconductor substrate is inclined with respect to the magnetic field changing surface by the magnet. Therefore, when detecting the rotation angle of the rotating shaft, if the Hall voltage values output from the two vertical Hall elements are corrected based on the Hall voltage values output from the horizontal Hall elements, Even when the positional relationship between the semiconductor substrate and the magnet is deviated, the rotation angle can be detected with higher accuracy.
なお、請求項1に記載の回転角度検出装置において、上記2つの縦型ホール素子から出力されるホール電圧の値の補正については、上記センサ部において実行してもよい。ただし通常は、請求項2に記載の回転角度検出装置によるように、全ホール電圧、すなわち上記センサ部から取り出される3つのホール電圧の処理回路である補正演算部を通じて実行することとなる。
Note that in the rotation angle detection device according to
ところで、上記半導体基板面が上記磁石による磁界の変化面に対して傾いている場合、上記横型ホール素子から出力されるホール電圧は、上記回転軸の回動に対して正弦波波形として現われる。また、同回転軸の回転角度に対する位相及びその振幅値は、上記半導体基板が傾く方向及びその傾き角度の大きさに応じて変化する。したがって、請求項2に記載の回転角度検出装置においては、請求項3に記載の回転角度検出装置によるように、前記2つの縦型ホール素子から出力されるホール電圧の値の補正についてはこれを、前記横型ホール素子から出力されるホール電圧の前記回転軸の回転角度に対する位相、及びその値の大きさに基づいて行うようにすることが、同補正を適正に行う上でより望ましい。
By the way, when the semiconductor substrate surface is inclined with respect to the magnetic field changing surface by the magnet, the Hall voltage output from the horizontal Hall element appears as a sinusoidal waveform with respect to the rotation of the rotating shaft. Further, the phase with respect to the rotation angle of the rotation axis and the amplitude value thereof vary according to the direction in which the semiconductor substrate is inclined and the magnitude of the inclination angle. Therefore, in the rotation angle detection device according to claim 2, as in the rotation angle detection device according to
一方、請求項2に記載の回転角度検出装置において、請求項4に記載の回転角度検出装置では、上記半導体基板面が上記磁石による磁界の変化面に対して傾いている場合、その傾き態様が、上記3つのホール素子から出力される全ホール電圧の合成ベクトルのベクトル態様として一義的に反映されることに鑑み、前記2つの縦型ホール素子から出力されるホール電圧の値の補正を、前記全ホール電圧の値の大きさに基づいて行うようにしている。このような補正態様が採用される上記構成では、上記全ホール電圧の値が得られた時点で、上記2つの縦型ホール素子から出力されるホール電圧の値を補正することができるようになる。 On the other hand, in the rotation angle detection device according to claim 2, in the rotation angle detection device according to claim 4, when the semiconductor substrate surface is inclined with respect to the change surface of the magnetic field by the magnet, the inclination mode is In view of the fact that it is unambiguously reflected as the vector form of the combined vector of all Hall voltages output from the three Hall elements, the correction of the Hall voltage values output from the two vertical Hall elements is performed as described above. This is done based on the value of the total Hall voltage. In the above configuration in which such a correction mode is adopted, the value of the Hall voltage output from the two vertical Hall elements can be corrected when the value of the total Hall voltage is obtained. .
ただし実際には、上記半導体基板及び磁石の位置関係にずれが生じている場合のほか、地磁気や周辺機器の稼働等によって発生する外乱磁界が上記ホール素子に作用するような場合も同様、上記磁石から発せられる磁界は上記ホール素子に正確に入射されない。そこで、請求項2〜4のいずれか一項に記載の回転角度検出装置においては、請求項5に記載の回転角度検出装置によるように、前記補正演算部が、前記2つの縦型ホール素子から出力されるホール電圧の値を補正するにあたり、前記全ホール電圧の値から各々外乱磁界による影響分を除去する処理をさらに行うようにすることがより望ましい。このような構成では、上記センサ部から取り出される3つのホール電圧から各々外乱磁界による影響分を除去した上でそれらホール電圧を用いた上述の補正が行われるため、ホール素子に外乱磁界が作用する環境においても、より精度の高い回転角度の検出が可能となる。 However, actually, in addition to the case where the positional relationship between the semiconductor substrate and the magnet is shifted, the magnet is similarly applied to the case where a disturbance magnetic field generated by geomagnetism or operation of peripheral devices acts on the Hall element. The magnetic field emitted from the beam is not accurately incident on the Hall element. Therefore, in the rotation angle detection device according to any one of claims 2 to 4, as in the rotation angle detection device according to claim 5, the correction calculation unit includes the two vertical Hall elements. In correcting the output Hall voltage value, it is more desirable to further perform a process of removing the influence of the disturbance magnetic field from the total Hall voltage value. In such a configuration, since the above-described correction using the Hall voltage is performed after removing the influence of the disturbance magnetic field from the three Hall voltages extracted from the sensor unit, the disturbance magnetic field acts on the Hall element. Even in the environment, the rotation angle can be detected with higher accuracy.
また、この場合には特に、請求項6に記載の回転角度検出装置によるように、前記磁石が電磁石であり、前記補正演算部が、前記電磁石への通電が解除されたときの前記全ホール電圧の値が格納される記憶手段を備えるとともに、該記憶手段に格納される各ホール電圧の値をその都度得られる各ホール電圧の値から各々減算処理するようにすることが前記全ホール電圧から前記外乱磁界による影響分を容易かつ的確に除去する上で実用上望ましい。 Further, particularly in this case, as in the rotation angle detection device according to claim 6, the magnet is an electromagnet, and the correction calculation unit is configured to output the total Hall voltage when the energization of the electromagnet is released. And a subtracting process for each Hall voltage value stored in the storage means from each Hall voltage value obtained each time. It is practically desirable to easily and accurately remove the influence due to the disturbance magnetic field.
また、請求項6に記載の回転角度検出装置において、上記記憶手段に格納される各ホール電圧の値については、定期的に、例えば請求項7に記載の回転角度検出装置によるように、上記電磁石への通電が解除されることに基づいて更新するようにすることが実用上望ましい。すなわちこの場合、上記全ホール電圧の値から各々外乱磁界による影響分を除去する処理を、同外乱磁界の変化に追従して行うことができるようになる。 Further, in the rotation angle detection device according to claim 6, the value of each Hall voltage stored in the storage means is periodically changed to the electromagnet as in the rotation angle detection device according to claim 7, for example. It is practically desirable to update the power supply based on the fact that the power supply to the power supply is released. That is, in this case, the process of removing the influence of the disturbance magnetic field from the value of the total Hall voltage can be performed following the change of the disturbance magnetic field.
また、請求項7に記載の回転角度検出装置においては、請求項8に記載の回転角度検出装置によるように、前記補正演算部が、前記電磁石への通電制御を併せて行うものであるとき、前記記憶手段に対する記憶制御に必要な時間だけ定期的にその通電状態を解除するようにすることが、上述の除去処理を実現する上で実用上望ましい。なお、このような通電状態の解除タイミングとしては、例えば、
・「10ms」などの所定期間間隔。
あるいは、当該回転角度検出装置が例えば車両のスロットルバルブ等の回転角度を検出するものである場合には、
・キースイッチがオン操作されるタイミング。
等々、を採用することができる。
Further, in the rotation angle detection device according to claim 7, as in the rotation angle detection device according to claim 8, when the correction calculation unit also performs energization control to the electromagnet, In order to realize the above-described removal process, it is practically desirable to periodically release the energized state for a time required for storage control for the storage unit. In addition, as the release timing of such an energized state, for example,
A predetermined period interval such as “10 ms”.
Alternatively, when the rotation angle detection device detects a rotation angle of a throttle valve of a vehicle, for example,
・ When the key switch is turned on.
And so on.
また、請求項2〜8のいずれか一項に記載の回転角度検出装置において、請求項9に記載の回転角度検出装置では、前記補正演算部が、前記回転軸の回転角度を「θ」、前記2つの縦型ホール素子の一方のホール電圧Aを「A=sinθ」、前記2つの縦型ホール素子の他方のホール電圧Bを「B=cosθ」とするとき、前記2つの縦型ホール素子によるホール電圧を「θ=tan−1(A/B)」の演算式に基づいて前記回転軸の回動に対してリニアに変化するリニア信号に変換し、この変換された値から前記回転軸の回転角度θを検出するようにしている。すなわち、「θ=tan−1(A/B)」の演算式には、上記2つの縦型ホール素子から出力されるホール信号の振幅値やオフセットにずれが生じたときの検出精度の低下を抑制する一定の効果があることが発明者らによって確認されている。したがって、このような構成では、上述の補正や外乱磁界の除去処理などと相まって、磁石から発せられる磁界がホール素子に正確に入射されない環境における回転角度の検出精度を大きく改善することができるようになる。 Further, in the rotation angle detection device according to any one of claims 2 to 8, in the rotation angle detection device according to claim 9, the correction calculation unit sets the rotation angle of the rotation shaft to “θ”, When one Hall voltage A of the two vertical Hall elements is “A = sin θ” and the other Hall voltage B of the two vertical Hall elements is “B = cos θ”, the two vertical Hall elements Is converted into a linear signal that changes linearly with respect to the rotation of the rotary shaft based on the arithmetic expression of “θ = tan −1 (A / B)”, and the rotary shaft is converted from the converted value. The rotation angle θ is detected. In other words, in the arithmetic expression “θ = tan −1 (A / B)”, the detection accuracy is lowered when a deviation occurs in the amplitude value or offset of the Hall signal output from the two vertical Hall elements. The inventors have confirmed that there is a certain effect of suppression. Therefore, in such a configuration, coupled with the above-described correction and disturbance magnetic field removal processing, the detection accuracy of the rotation angle in an environment where the magnetic field generated from the magnet is not accurately incident on the Hall element can be greatly improved. Become.
なお、請求項2〜9のいずれか一項に記載の回転角度検出装置において、当該回転角度検出装置としての小型化を図る上では、請求項10に記載の回転角度検出装置によるように、前記補正演算部を、前記センサ部と共々1つの半導体チップとして集積回路化するようにすることが望ましい。 In addition, in the rotation angle detection device according to any one of claims 2 to 9, in order to reduce the size of the rotation angle detection device, as in the rotation angle detection device according to claim 10, It is desirable that the correction calculation unit is integrated with the sensor unit as one semiconductor chip.
一方、請求項11に記載の回転角度検出方法によるように、回転角度の検出対象とする回転軸の回動に伴って回動する磁石から発せられる磁界の変化を90度だけ位相のずれた正弦波信号として感知すべく配置された2つのホール素子を有するセンサ部を用意し、前記2つのホール素子から出力されるホール電圧の値に基づいて前記回転軸の回転角度を検出する回転角度検出方法において、前記センサ部として、ホール効果に基づき半導体基板面に平行な磁界成分を感知する前記2つのホール素子としての縦型ホール素子と同半導体基板面に直交する磁界成分を感知する横型ホール素子とが1つの半導体チップとして集積回路化されてなるものを用い、前記回転軸の回転角度の検出に際し、前記横型ホール素子から出力されるホール電圧の値に基づいて前記2つの縦型ホール素子から出力されるホール電圧の値を補正するようにした場合であっても、上記請求項1に記載の回転角度検出装置と同様、上記半導体基板及び磁石の位置関係にずれが生じている場合であれ、より精度の高い回転角度の検出が可能となる。
On the other hand, as in the rotation angle detection method according to
そしてこの場合も、その具体的な補正態様としては、例えば請求項12に記載の回転角度検出方法によるように、
・前記2つの縦型ホール素子から出力されるホール電圧の値の補正を、前記横型ホール素子から出力されるホール電圧の前記回転軸の回転角度に対する位相、及びその値の大きさに基づいて行う。
あるいは、請求項13に記載の回転角度検出方法によるように、
・前記2つの縦型ホール素子から出力されるホール電圧の値の補正を、前記全ホール電圧の値の大きさに基づいて行う。
等々、といった補正態様を採用するようにすることが望ましい。
And also in this case, as a specific correction mode, for example, according to the rotation angle detection method of claim 12,
Correction of the value of the Hall voltage output from the two vertical Hall elements is performed based on the phase of the Hall voltage output from the horizontal Hall element with respect to the rotation angle of the rotating shaft and the magnitude of the value. .
Alternatively, as in the rotation angle detection method according to
Correction of the value of the Hall voltage output from the two vertical Hall elements is performed based on the magnitude of the value of the total Hall voltage.
It is desirable to adopt a correction mode such as.
また、さらにこの場合、請求項14に記載の回転角度検出方法によるように、前記2つの縦型ホール素子から出力されるホール電圧の値を補正するにあたり、全ホール電圧の値から各々外乱磁界による影響分を除去する処理をさらに行うようにすることがより望ましい。 Further, in this case, as in the rotation angle detection method according to claim 14, when correcting the Hall voltage values output from the two vertical Hall elements, the values of the total Hall voltages are each caused by a disturbance magnetic field. It is more desirable to further perform the process of removing the influence component.
そして具体的には、請求項15に記載の回転角度検出方法によるように、前記磁石として電磁石を用い、a.前記電磁石への通電を解除する第1の処理、及びb.全ホール電圧の値を測定する第2の処理、及びc.前記電磁石への通電を再開する第3の処理、及びd.全ホール電圧の値を測定し、該測定した各ホール電圧の値から前記第2の処理にて測定した各ホール電圧の値を各々減算処理することによって前記全ホール電圧の前記外乱磁界による影響分を除去する第4の処理、及びe.前記第4の処理を通じて得られる前記横型ホール素子に対応するホール電圧の値に基づいて、同じく前記第4の処理を通じて得られる前記2つの縦型ホール素子に対応するホール電圧の値を補正する第5の処理、を一連の処理として定期的に実行することにより、前記回転軸のその都度の回転角度を検出するようにすることが、当該回転角度検出方法を実現する上で望ましい。
Specifically, as in the rotation angle detection method according to
以下、この発明にかかる回転角度検出装置の一実施の形態について、図1〜図5を参照して詳細に説明する。
はじめに、図1(a)及び(b)を参照して、この回転角度検出装置の構成について詳述する。なお、図1(a)は、この装置の側面構造を示す側面図であり、図1(b)は、この装置の平面構造を示す平面図である。
Hereinafter, an embodiment of a rotation angle detection device according to the present invention will be described in detail with reference to FIGS.
First, the configuration of the rotation angle detection device will be described in detail with reference to FIGS. FIG. 1A is a side view showing a side structure of the apparatus, and FIG. 1B is a plan view showing a planar structure of the apparatus.
この実施の形態にかかる回転角度検出装置も、ホール素子を用いて例えばクランク軸などの被検出回転体の回転角度を検出するものである。ただし、図1(a)及び(b)に示されるように、この回転角度検出装置は、センサ部111およびその信号処理部(処理回路)が1つのICチップ(半導体チップ)100として集積回路化されてなり、クランク軸などの被検出回転体の回動に伴って回動する磁石200と対向配設されている。すなわち、この実施の形態では、同ICチップ100が、上記磁石200から上記センサ部111に対して付与される磁界MVの角度検出を通じて上記クランク軸の回転角度を得る構成とされている。
The rotation angle detection apparatus according to this embodiment also detects the rotation angle of a detected rotating body such as a crankshaft using a Hall element. However, as shown in FIGS. 1A and 1B, this rotation angle detection device is integrated into an integrated circuit in which the
また、この回転角度検出装置にあって、センサ部111は、半導体基板面に平行な磁界成分を感知する2つの縦型ホール素子111a及び111bと、同半導体基板面に直交する磁界成分を感知する1つの横型ホール素子111cとから構成される。また、これら3つのホール素子111a〜111cのうち、上記縦型ホール素子111a及び111bは、それらの感知面が直交するかたちで設けられる。一方、磁石200は、上記信号処理部によって通電制御される電磁石からなり、基本的には、図2(a)に示されるように、上記クランク軸の回動に伴うその磁界の変化面Xが上記半導体基板面Yに対して平行になるように配設される。
In this rotation angle detection device, the
このような構成では、上記2つの縦型ホール素子111a及び111bからは、図2(f)に示されるように、上記磁石200(クランク軸)の回動に対して90°だけ位相のずれたsin波形電圧(ホール電圧)A、Bが取り出されるようになる。したがって、上記信号処理部はこうしたホール電圧A、Bを取り込むことで、同ホール電圧A、Bに基づいて上記クランク軸の回転角度を検出することができるようになる。なおこのとき、上記横型ホール素子111cから出力されるホール電圧Cは、図2(k)に示されるように、上記クランク軸の回転角度にかかわらず、一定値(オフセット値)となる。
In such a configuration, the two
ただし前述の通り、このような回転角度検出装置では、上記磁石200から発せられる磁界が上記縦型ホール素子111a及び111bに正確に入射されない場合がある。そしてこの場合、上記縦型ホール素子111a、111bから出力されるホール電圧A、Bにはその振幅値にずれが生じ、このような振幅値のずれが上記検出される回転角度の角度誤差として現われることとなる。そこで、この実施の形態では、上記信号処理部は、上記クランク軸の回転角度検出に際し、上記横型ホール素子111cから出力されるホール電圧Cの値に基づいて上記縦型ホール素子111a及び111bから出力されるホール電圧A、Bの値を補正するようにしている。
However, as described above, in such a rotation angle detection device, the magnetic field generated from the
すなわち、上記半導体基板面Yが上記磁界の変化面Xに対して傾いている場合、上記ホール電圧Cは、図2(l)〜(o)に示すように、上記クランク軸の回動に対して正弦波波形として現われる。また、その位相及び振幅値は、図2(b)〜(e)に併せて示すように、上記半導体基板面Yが傾く方向及びその傾き角度の大きさに応じて変化する。一方、上記ホール電圧A、Bの振幅値に生じるずれも、図2(g)〜(j)にさらに併せて示すように、上記半導体基板面Yが傾く方向やその傾き角度の大きさに応じて変化する。この点、この実施の形態の信号処理部は、まず、上記ホール電圧Cの位相に基づいて上記半導体基板面Yが傾いている方向を推定する。次いで、同ホール電圧Cの値の大きさに基づいて上記半導体基板面Yの傾き角度の大きさを推定する。そして、これら推定した方向及び角度の大きさに基づいて上記ホール電圧A、Bの値の補正を行う。これにより、磁石200から発せられる磁界が上記縦型ホール素子111a及び111bに正確に入射されない環境においても、上記補正されたホール電圧A、Bに基づいて上記クランク軸の回転角度を適正に検出することができるようになる。
That is, when the semiconductor substrate surface Y is inclined with respect to the magnetic field change surface X, the Hall voltage C is in response to the rotation of the crankshaft, as shown in FIGS. Appears as a sinusoidal waveform. Further, as shown in FIGS. 2B to 2E, the phase and amplitude value change according to the direction in which the semiconductor substrate surface Y is inclined and the magnitude of the inclination angle. On the other hand, the deviation generated in the amplitude values of the Hall voltages A and B also depends on the direction in which the semiconductor substrate surface Y is inclined and the magnitude of the inclination angle, as further shown in FIGS. Change. In this regard, the signal processing unit of this embodiment first estimates the direction in which the semiconductor substrate surface Y is inclined based on the phase of the Hall voltage C. Next, the inclination angle of the semiconductor substrate surface Y is estimated based on the value of the Hall voltage C. Then, the values of the Hall voltages A and B are corrected based on the estimated direction and angle. Thereby, even in an environment where the magnetic field generated from the
図3は、この実施の形態にかかる信号処理部について、センサ部111や磁石200との関係も含めて、その概要を示すブロック図である。なお、この実施の形態の信号処理部においては、演算制御部114が、上記クランク軸の回転角度検出に際し、上記横型ホール素子111cから出力されるホール電圧Cの値に基づいて上記縦型ホール素子111a及び111bから出力されるホール電圧A、Bの値を補正する補正演算部に相当する。また、この実施の形態の演算制御部114は、電磁石として構成される磁石200への通電制御を併せて行う部分でもある。
FIG. 3 is a block diagram showing an outline of the signal processing unit according to this embodiment, including the relationship with the
同図3に示されるように、上記ホール素子111a〜111cは駆動回路110a〜110cからの定電流、若しくは定電圧によってそれぞれ駆動され、それらのホール電圧A〜Cは、この信号処理部において、増幅回路112a〜112c、さらにはA/D変換器113a〜113cに順次に取り込まれる。そして、上記増幅回路112a〜112cでは各々所望に増幅され、上記A/D変換器113a〜113cでは各々所要の分解能にて量子化されて後に離散的な値(デジタル値)に変換される。そして、こうして離散化された3つの出力信号A〜Cが上記演算制御部114に取り込まれることで、この演算制御部114において、上記ホール電圧Cに基づくホール電圧A、Bの値の補正や、それら補正されたホール電圧A、Bの値に基づく上記クランク軸の回転角度検出が行われるようになる。
As shown in FIG. 3, the
ただし、このような回転角度検出装置にあっては、同図3に示されるように、上記ホール素子111a〜111cに対し、例えば地磁気や周辺機器の稼働等によって発生する外乱磁界DVが作用することがある。そこで、この実施の形態の演算制御部114は、上記縦型ホール素子111a及び111bから出力されるホール電圧A、Bの値を補正するにあたり、全ホール電圧A〜Cの値から各々外乱磁界DVによる影響分を除去する処理をさらに行うようにしている。
However, in such a rotation angle detection device, as shown in FIG. 3, a disturbance magnetic field DV generated by, for example, geomagnetism or operation of peripheral devices acts on the
図4は、この演算制御部114によって行われる処理についてその手順を示したフローチャートである。以下、同図4を参照して、この演算制御部114による処理について説明する。
FIG. 4 is a flowchart showing a procedure for processing performed by the
同処理に際しては、まず、ステップS11の処理として、外乱磁界DVの検出タイミングにあるか否かの判断を行う。すなわち、この実施の形態では、例えば「10ms」などの所定期間間隔ごとに上記外乱磁界DVを検出するようにしており、同ステップS11において、外乱磁界DVの検出タイミングであると判断された場合には、以下のステップS22〜S25の処理を一連の処理として実行する。
・磁石(電磁石)200への通電を解除する(ステップS22)。
・A/D変換器113a〜113cなどを通じて、センサ部111から全ホール電圧A〜Cの値を取り込む(ステップS23)。
・全ホール電圧A〜Cの値を、当該演算制御部114自身が内蔵するメモリ(図示略)に格納する(ステップS24)。
・磁石(電磁石)200への通電を再開する(ステップS25)。
In this process, first, as a process in step S11, it is determined whether or not it is at the detection timing of the disturbance magnetic field DV. That is, in this embodiment, the disturbance magnetic field DV is detected at predetermined time intervals such as “10 ms”, for example, and when it is determined in step S11 that it is the detection timing of the disturbance magnetic field DV. Performs the following steps S22 to S25 as a series of processes.
-The energization to the magnet (electromagnet) 200 is canceled (step S22).
The values of all hall voltages A to C are taken from the
The values of all hall voltages A to C are stored in a memory (not shown) built in the
-Energization to the magnet (electromagnet) 200 is resumed (step S25).
一方、基本的には、上記クランク軸の回転角度を算出すべく、以下のステップS12〜S15の処理を実行する。
すなわち、まず、上記ステップS12の処理においては、上記A/D変換器113a〜113cなどを通じて、センサ部111から全ホール電圧A〜Cの値を取り込む。次いで、ステップS13の処理では、上記取り込まれた全ホール電圧A〜Cの値から、上記外乱磁界DVによる影響分をそれぞれ除去するための処理を行う。具体的には、まず、上記磁石(電磁石)200への通電が解除されたときの全ホール電圧A〜Cの値を当該演算制御部114自身が内蔵するメモリから読み出す。そして、こうして読み出されたホール電圧A〜Cの値を上記取り込まれたホール電圧A〜Cの値から各々減算処理することによってそれらホール電圧A〜Cの上記外乱磁界DVによる影響分を除去する。そして、こうして全ホール電圧A〜Cの値から各々外乱磁界DVによる影響分を除去した上で、次にステップS14及びS15の処理として、上記ホール電圧Cに基づくホール電圧A、Bの値の補正、及びこれら補正されたホール電圧A、Bの値に基づく上記クランク軸の回転角度検出を順次実行する。
On the other hand, basically, the following steps S12 to S15 are executed to calculate the rotation angle of the crankshaft.
That is, first, in the process of step S12, the values of all hall voltages A to C are taken from the
ちなみに、この実施の形態の演算制御部114では、こうして補正された2つのホール電圧A、Bを上記クランク軸の回動に対して直線的に変化する信号に変換し、この変換された信号に基づいて同クランク軸の回転角度を検出するようにしている。
Incidentally, the
具体的には、図5(a)に示されるように、クランク軸の回転角度を「θ」、補正後のホール電圧Aを「A=sinθ」、補正後のホール電圧Bを「B=cosθ」とするとき、同回転角度θを「θ=tan−1(A/B)」としてまずは算出する。ただし、こうして算出される信号波形は、図5(b)に示されるように、「θ=90°」及び「θ=270°」の各角度位置においてその値が最小値まで立ち下がるものであり、その算出結果のみから上記クランク軸の回転角度を一義的に導き出すことは困難である。そこで、この演算制御部114では次に、上記補正後のホール電圧A、Bの値やそれらの大小関係に基づき、図5(b)に示される信号波形のうち、例えば「θ=0°〜90°」の角度範囲、及び「θ=90°〜270°」の角度範囲、及び「θ=270°〜360°」の角度範囲に所定のオフセット値を各々加減算するなどして、これを図5(c)に示される信号波形にさらに変換する。これにより、上記クランク軸の1回転(0°〜360°)毎の回転角度θに対して固有の値を持つリニアな信号波形が得られるようになり、このリニア信号に基づいて同クランク軸の回転角度θをきめ細かく検出することができるようになる。
Specifically, as shown in FIG. 5A, the rotation angle of the crankshaft is “θ”, the corrected hall voltage A is “A = sin θ”, and the corrected hall voltage B is “B = cos θ. , The rotation angle θ is first calculated as “θ = tan −1 (A / B)”. However, as shown in FIG. 5B, the signal waveform thus calculated is such that the value falls to the minimum value at each angle position of “θ = 90 °” and “θ = 270 °”. It is difficult to uniquely derive the rotation angle of the crankshaft from only the calculation result. Therefore, the
以上説明したように、この実施の形態にかかる回転角度検出装置によれば、以下に記載するような優れた効果が得られるようになる。
(1)縦型ホール素子111a及び111bと、それら縦型ホール素子111a及び111bと共々1つのICチップ100として集積回路化されるかたちで横型ホール素子111cとを有することとした。そして、クランク軸の回転角度の検出に際し、横型ホール素子111cから出力されるホール電圧Cの値に基づいて上記2つの縦型ホール素子111a及び111bから出力されるホール電圧A、Bの値を補正することとした。したがって、ICチップ100及び磁石200の位置関係にずれが生じている場合であれ、より精度の高い回転角度の検出を行うことができるようになる。
As described above, according to the rotation angle detection device of this embodiment, the following excellent effects can be obtained.
(1) The
(2)ホール電圧A、Bの値を補正するにあたり、全ホール電圧A〜Cの値から各々外乱磁界DVによる影響分を除去する処理をさらに行うようにした。このため、ホール素子111a〜111cに外乱磁界DVが作用する環境においても、より精度の高い回転角度の検出が可能となる。
(2) In correcting the values of the Hall voltages A and B, a process of removing the influence of the disturbance magnetic field DV from the values of all the Hall voltages A to C is further performed. For this reason, even in an environment where the disturbance magnetic field DV acts on the
(3)磁石200として電磁石を用いるとともに、該電磁石への通電が解除されたときの上記全ホール電圧A〜Cの値をメモリ(図示略)に格納し、このメモリに格納される各ホール電圧の値をその都度得られる各ホール電圧の値から各々減算処理するようにした。このため、全ホール電圧A〜Cから上記外乱磁界DVによる影響分を容易かつ的確に除去することができるようになる。
(3) While using an electromagnet as the
(4)メモリに格納される各ホール電圧A〜Cの値を定期的に更新するようにした。このため、全ホール電圧A〜Cの値から各々外乱磁界DVによる影響分を除去する処理を、同外乱磁界DVの変化に追従して行うことができるようになる。 (4) The values of the hall voltages A to C stored in the memory are periodically updated. For this reason, it becomes possible to perform the process of removing the influence of the disturbance magnetic field DV from the values of all Hall voltages A to C following the change of the disturbance magnetic field DV.
(5)「θ=tan−1(A/B)」の演算式に基づいて上記クランク軸の回転角度検出を行うようにした。したがって、上述の補正や外乱磁界DVの除去処理などと相まって、磁石200から発せられる磁界がホール素子111a〜111cに正確に入射されない環境における回転角度の検出精度を大きく改善することができるようになる。
(5) The rotation angle of the crankshaft is detected based on an arithmetic expression of “θ = tan −1 (A / B)”. Therefore, coupled with the above-described correction and disturbance magnetic field DV removal processing, the detection accuracy of the rotation angle in an environment where the magnetic field emitted from the
なお、上記実施の形態は、以下のように変更して実施することもできる。
・上記半導体基板面Yが上記磁界の変化面Xに対して傾いている場合、その傾き態様が、上記ホール電圧A、B、Cの合成ベクトルのベクトル態様として一義的に反映されることに鑑み、それらホール電圧A、B、Cの値の大きさに基づいて上記縦型ホール素子111a及び111bから出力されるホール電圧A、Bの値を補正するようにしてもよい。このような補正態様では、ホール電圧A、B、Cの値が得られた時点で上記2つの縦型ホール素子111a及び111bから出力されるホール電圧の値を補正することが可能となる。
In addition, the said embodiment can also be changed and implemented as follows.
When the semiconductor substrate surface Y is tilted with respect to the magnetic field change plane X, the tilt mode is uniquely reflected as the vector mode of the combined vector of the Hall voltages A, B, and C. The values of the Hall voltages A and B output from the
・センサ部111及びその信号処理部については、1つの半導体チップとして集積回路化せず、別体として設けてもよい。
・縦型ホール素子111a及び111bから出力されるホール電圧A、Bに基づいて上記クランク軸の回転角度を検出するものであれば、同クランク軸の回転角度の検出に際し、「θ=tan−1(A/B)」の演算式を必ずしも用いなくてもよい。
The
If the rotation angle of the crankshaft is detected based on the Hall voltages A and B output from the
・演算制御部114が内蔵するメモリに格納されている各ホール電圧A〜Cの更新処理を所定期間間隔ごとに行うこととしたが、例えばキースイッチのオン操作など、特定の操作や処理に基づいて行うようにしてもよい。
The update processing of the hall voltages A to C stored in the memory built in the
・演算制御部114は電磁石への通電制御を必ずしも行わなくてもよい。
・ホール電圧A〜Cから上記外乱磁界DVによる影響分を除去する処理は、上述の減算処理に限らず、任意である。
The
The process for removing the influence of the disturbance magnetic field DV from the hall voltages A to C is not limited to the subtraction process described above, and is arbitrary.
・クランク軸の回転角度の検出に際し、横型ホール素子111cから出力されるホール電圧Cの値に基づいて上記縦型ホール素子111a及び111bから出力されるホール電圧A、Bの値を補正するものであればよく、この意味では、上記外乱磁界DVの除去処理については必ずしも行わなくてもよい。また、ホール電圧A、Bの値を補正するための演算態様等も限定されない。
When correcting the rotation angle of the crankshaft, the values of the Hall voltages A and B output from the
・磁石として、永久磁石を採用してもよい。
・クランク軸の回転角度のほか、スロットルバルブの開度量など、各種回転体の回転角度を検出対象としてもよい。また、変位量を回転角度に変換可能なものであれば、回転体以外の物体を被検出回転体として採用することも可能である。
-A permanent magnet may be adopted as the magnet.
-In addition to the rotation angle of the crankshaft, the rotation angle of various rotating bodies such as the opening amount of the throttle valve may be detected. Further, an object other than the rotating body can be adopted as the detected rotating body as long as the displacement amount can be converted into the rotation angle.
100…ICチップ、100a〜100c…駆動回路、111…センサ部、111a、111b…縦型ホール素子、111c…横型ホール素子、112a〜112c…増幅回路、113a〜113c…A/D変換器、114…演算制御部、200…磁石、MV…磁界、DV…外乱磁界、X…磁界の変化面、Y…半導体基板面。
DESCRIPTION OF
Claims (15)
前記センサ部は、ホール効果に基づき半導体基板面に平行な磁界成分を感知する前記2つのホール素子としての縦型ホール素子と、それら2つの縦型ホール素子と共々1つの半導体チップとして集積回路化されるかたちで同半導体基板面に直交する磁界成分を感知する横型ホール素子とを有してなり、前記回転軸の回転角度の検出に際し、前記横型ホール素子から出力されるホール電圧の値に基づいて前記2つの縦型ホール素子から出力されるホール電圧の値を補正する
ことを特徴とする回転角度検出装置。 A sensor having two Hall elements arranged to detect a change in magnetic field generated from a rotating magnet as the rotation axis is detected as a rotation angle as a sine wave signal whose phase is shifted by 90 degrees. A rotation angle detection device that detects a rotation angle of the rotation shaft based on a value of a Hall voltage output from the two Hall elements,
The sensor unit is formed as an integrated circuit as a vertical Hall element as the two Hall elements that senses a magnetic field component parallel to the semiconductor substrate surface based on the Hall effect, and the two vertical Hall elements as one semiconductor chip. And a horizontal Hall element that senses a magnetic field component orthogonal to the surface of the semiconductor substrate. Based on the value of the Hall voltage output from the horizontal Hall element when detecting the rotation angle of the rotation shaft. And correcting a value of the Hall voltage output from the two vertical Hall elements.
請求項1に記載の回転角度検出装置。 The rotation angle detection device according to claim 1, wherein the correction of the value of the Hall voltage output from the two vertical Hall elements is performed through a correction calculation unit that is a processing circuit for all Hall voltages.
請求項2に記載の回転角度検出装置。
The correction of the value of the Hall voltage output from the two vertical Hall elements is performed based on the phase of the Hall voltage output from the horizontal Hall element with respect to the rotation angle of the rotating shaft and the magnitude of the value. The rotation angle detection device according to claim 2.
請求項2に記載の回転角度検出装置。 The rotation angle detection device according to claim 2, wherein the correction of the value of the Hall voltage output from the two vertical Hall elements is performed based on the magnitude of the value of the total Hall voltage.
請求項2〜4のいずれか一項に記載の回転角度検出装置。 The correction calculation unit further performs a process of removing the influence of a disturbance magnetic field from the values of all the Hall voltages when correcting the values of the Hall voltages output from the two vertical Hall elements. 5. The rotation angle detection device according to claim 4.
請求項5に記載の回転角度検出装置。 The magnet is an electromagnet, and the correction calculation unit includes storage means for storing the value of the total Hall voltage when energization to the electromagnet is released, and each Hall voltage stored in the storage means. The rotation angle detection device according to claim 5, wherein the influence of the disturbance magnetic field on the total Hall voltage is removed by subtracting each value from the value of each Hall voltage obtained each time.
請求項6に記載の回転角度検出装置。 The rotation according to claim 6, wherein the correction calculation unit also performs storage control for updating the value of each Hall voltage stored in the storage unit based on the release of energization to the electromagnet. Angle detection device.
請求項7に記載の回転角度検出装置。 The rotation angle detection device according to claim 7, wherein the correction calculation unit also performs energization control on the electromagnet, and periodically releases the energization state for a time required for storage control on the storage unit. .
請求項2〜8のいずれか一項に記載の回転角度検出装置。 The correction calculation unit sets the rotation angle of the rotating shaft to “θ”, one Hall voltage A of the two vertical Hall elements to “A = sin θ”, and the other Hall voltage B of the two vertical Hall elements. Is “B = cos θ”, the Hall voltage generated by the two vertical Hall elements is linear with respect to the rotation of the rotary shaft based on an arithmetic expression of “θ = tan −1 (A / B)”. The rotation angle detection device according to any one of claims 2 to 8, wherein the rotation angle θ is converted into a linear signal that changes, and the rotation angle θ of the rotation shaft is detected from the converted value.
請求項2〜9のいずれか一項に記載の回転角度検出装置。 The rotation angle detection device according to any one of claims 2 to 9, wherein the correction calculation unit is integrated as a semiconductor chip together with the sensor unit.
前記センサ部として、ホール効果に基づき半導体基板面に平行な磁界成分を感知する前記2つのホール素子としての縦型ホール素子と同半導体基板面に直交する磁界成分を感知する横型ホール素子とが1つの半導体チップとして集積回路化されてなるものを用い、前記回転軸の回転角度の検出に際し、前記横型ホール素子から出力されるホール電圧の値に基づいて前記2つの縦型ホール素子から出力されるホール電圧の値を補正する
ことを特徴とする回転角度検出方法。 A sensor having two Hall elements arranged to detect a change in magnetic field generated from a rotating magnet as the rotation axis is detected as a rotation angle as a sine wave signal whose phase is shifted by 90 degrees. A rotation angle detection method for detecting a rotation angle of the rotation shaft based on a value of a Hall voltage output from the two Hall elements,
The sensor unit includes one vertical Hall element as the two Hall elements that senses a magnetic field component parallel to the semiconductor substrate surface based on the Hall effect and one horizontal Hall element that senses a magnetic field component orthogonal to the semiconductor substrate surface. When two semiconductor chips are formed as an integrated circuit, when the rotation angle of the rotation shaft is detected, the semiconductor chip is output from the two vertical Hall elements based on the value of the Hall voltage output from the horizontal Hall element. A method for detecting a rotation angle, wherein the value of the Hall voltage is corrected.
請求項11に記載の回転角度検出方法。
The correction of the value of the Hall voltage output from the two vertical Hall elements is performed based on the phase of the Hall voltage output from the horizontal Hall element with respect to the rotation angle of the rotating shaft and the magnitude of the value. The rotation angle detection method according to claim 11.
請求項11に記載の回転角度検出方法。 The rotation angle detection method according to claim 11, wherein the correction of the value of the Hall voltage output from the two vertical Hall elements is performed based on the magnitude of the value of the total Hall voltage.
請求項11〜13のいずれか一項に記載の回転角度検出方法。 14. When correcting the value of the Hall voltage output from the two vertical Hall elements, a process of removing the influence due to the disturbance magnetic field from the value of the total Hall voltage is further performed. 15. The rotation angle detection method as described.
a.前記電磁石への通電を解除する第1の処理、及び
b.全ホール電圧の値を測定する第2の処理、及び
c.前記電磁石への通電を再開する第3の処理、及び
d.全ホール電圧の値を測定し、該測定した各ホール電圧の値から前記第2の処理にて測定した各ホール電圧の値を各々減算処理することによって前記全ホール電圧の前記外乱磁界による影響分を除去する第4の処理、及び
e.前記第4の処理を通じて得られる前記横型ホール素子に対応するホール電圧の値に基づいて、同じく前記第4の処理を通じて得られる前記2つの縦型ホール素子に対応するホール電圧の値を補正する第5の処理、
を一連の処理として定期的に実行することにより、前記回転軸のその都度の回転角度を検出する
請求項14に記載の回転角度検出方法。
An electromagnet is used as the magnet,
a. A first process for deenergizing the electromagnet; and b. A second process for measuring the value of the total Hall voltage; and c. A third process for resuming energization of the electromagnet; and d. The total Hall voltage value is measured, and the Hall voltage value measured in the second process is subtracted from the measured Hall voltage value to thereby determine the influence of the disturbance magnetic field on the total Hall voltage. A fourth process of removing e., And e. Based on the Hall voltage value corresponding to the horizontal Hall element obtained through the fourth process, the Hall voltage value corresponding to the two vertical Hall elements similarly obtained through the fourth process is corrected. 5 processing,
The rotation angle detection method according to claim 14, wherein the rotation angle of each of the rotation shafts is detected by periodically executing as a series of processes.
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