JP2010008367A - 回転検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】回転部材の回転を高精度に検出可能な回転検出装置を提供する。
【解決手段】回転検出装置は、回転部材の周方向に沿ってＮ極およびＳ極が交互に配列され、かつ、回転部材と一体的に回転可能に構成された環状の磁性体１０と、磁性体１０に対向して配置された磁気センサ２０と、磁気センサ２０からの出力信号に基づいて回転部材の回転を検出する制御回路とを備える。磁気センサ２０は、回転部材の周方向に沿って配列された磁気検出素子２２，２４を含み、磁気検出素子２２，２４からの出力を差動増幅して制御回路に出力する。磁性体１０は、幅広磁極５，６と幅狭磁極３，４とが連続する着磁パターンが少なくとも２つ繰り返されて成る。幅広磁極５，６の磁極幅の一部分には、反対磁極１０２，１０４がそれぞれ挿入される。
【選択図】図６

Description

この発明は、回転検出装置に関し、より特定的には、回転部材の回転を磁気エンコーダを用いて検出する回転検出装置に関する。

自動車の駆動軸などの回転部材の回転を検出するための回転検出装置として、たとえば特開２００６−３００９１号公報（特許文献１）には、磁界を検出する検出手段に対して回転し、一対の磁極の幅狭ピッチと一対の磁極の幅広ピッチとが連続した着磁パターンを少なくとも２つ繰り返したトラックを有する磁気エンコーダが開示される。

これによれば、磁気エンコーダは、検出手段に対して回転する１つの環状部材である。トラックは、磁気エンコーダの環状の外周面に全周にわたって配置されており、Ｎ極、Ｓ極である磁極が周上交互に並んでいる。また、検出手段には、磁気センサが用いられる。磁気センサは、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）などから構成される。

特開２００６−３００９１号公報において、トラックは、Ｎ極、Ｓ極の磁極の反転時の磁界変化をパルスとして、このパルス数を計数して回転速度の速度情報を割り出すとともに、磁気エンコーダの正転または逆転の回転方向を特定する情報を割り出すものである。
特開２００６−３００９１号公報

しかしながら、特開２００６−３００９１号公報に記載の磁気エンコーダにおいては、磁気センサに用いられるホール素子およびＭＲ素子が、温度による出力のずれ、すなわち温度特性を有していることから、回転部材の回転を高精度に検出できないという問題が生じる。しかしながら、特開２００６−３００９１号公報には、このような課題に対する記載はない。

それゆえ、この発明は、かかる課題を解決するためになされたものであり、その目的は、回転部材の回転を高精度に検出可能な回転検出装置を提供することである。

この発明のある局面に従えば、回転部材の回転を検出するための回転検出装置は、回転部材の周方向に沿ってＮ極およびＳ極が交互に配列され、かつ、回転部材と一体的に回転可能に構成された環状の磁性体と、磁性体に対向して配置された磁気センサと、磁気センサからの出力信号に基づいて、回転部材の回転を検出する制御回路とを備える。磁気センサは、回転部材の周方向に沿って配列された複数の磁気検出素子を含み、複数の磁気検出素子からの出力を差動増幅して制御回路に出力する。磁性体は、周方向に沿って第１の磁極幅を有するＮ極およびＳ極からなる第１の磁極対と、第１の磁極幅よりも狭い第２の磁極幅を有するＮ極およびＳ極からなる第２の磁極対と、各々が、第１の磁極対のＮ極およびＳ極の磁極幅の一部分に挿入された反対磁極とを含む。

好ましくは、反対磁極の磁極幅は、磁性体と磁気センサとの距離、複数の磁気検出素子間の距離および第１の磁極幅の少なくとも１つに応じて可変とされる。

好ましくは、反対磁極の挿入位置は、磁性体と磁気センサとの距離、複数の磁気検出素子間の距離および第１の磁極幅の少なくとも１つに応じて可変とされる。

好ましくは、磁性体は、第１の磁極対と第２の磁極対とが連続した着磁パターンが少なくとも２つ繰り返されて成る。

好ましくは、制御回路は、磁気センサからの出力信号に基づいて、磁性体の回転開始時の磁極を特定するとともに、回転開始後に磁性体の磁極が反転する際の磁界変化の数を５つ計数したときにおける磁界変化間の間隔時間を測定すると、特定した回転開始時の磁極および測定した間隔時間に基づいて、回転部材の回転方向を検出する。

この発明によれば、回転部材の回転を高精度に検出することができる。

以下、この発明の実施の形態について図面を参照して詳しく説明する。なお、図中同一符号は同一または相当部分を示す。

図１は、この発明の実施の形態に従う回転検出装置の一部斜視図である。なお、本実施の形態に従う回転検出装置は、たとえば車両の車輪用軸受装置に組み込まれ、アンチロックブレーキ装置における車輪の回転を検出する回転検出装置として用いられる。

図１を参照して、回転検出装置は、図示しない回転軸に取付けられた磁気エンコーダ１と、磁気エンコーダ１の磁気を検出するための磁気センサ２０と、磁気センサ２０からの出力信号に基づいて回転軸の回転状態を検出する制御回路４０とを備える。

磁気エンコーダ１は、周方向に沿ってＮ極とＳ極とが交互に配列された円環状の磁性体１０を有する。磁性体１０は、たとえば磁性粉末を含有するゴム材の成型体からなり、図示しない補強用円環状芯金の外面に貼着一体とされることにより構成されている。磁性体１０は、この芯金を介して回転軸に固着されている。これにより、磁性体１０は、回転軸と一体的に回転する。

磁気センサ２０は、磁性体１０の外周面に所定のエアギャップを隔てて対向して設けられ、磁性体１０の磁極の変化を検出する。このとき磁気センサ２０は、検出した磁性体１０の磁極の変化を、後述する制御構造に従ってＨ（論理ハイ）レベルおよびＬ（論理ロー）レベルの２値からなるパルス信号に変換する。そして、磁気センサ２０は、その変換したパルス信号を制御回路４０へ出力する。

制御回路４０は、磁気センサ２０からのパルス信号に基づいて、回転軸の回転速度および回転方向（正転か逆転か）を検出する。すなわち、制御回路４０は、パルス信号のパルス数を計数することにより回転軸の回転速度を検出するとともに、後述する方法に従って回転軸の回転方向を検出する。

本実施の形態において、磁気センサ２０は、磁性体１０の円周方向に沿って配列された２個のホール素子２２，２４を含んでいる。２個のホール素子２２，２４は、車輪用軸受装置のハウジングなどに固定されたセンサホルダ内に埋め込まれており、素子間に所定の間隔を有する。そして、磁気センサ２０は、図２に示すように、ホール素子２２，２４の各々に発生するホール電圧の差動出力に応じたパルス信号を出力する。

図２は、図１における磁気センサ２０の概略構成図である。
図２を参照して、磁気センサ２０は、ホール素子２２，２４と、増幅器２６，２８と、差動増幅回路３０と、Ａ／Ｄ（Analog to Digital）変換器３２とを含む。

ホール素子２２，２４は、ホール効果を利用して磁界を検出する磁電変換素子であって、半導体基板上に４つの端子を設けて形成されたものである。ホール効果は、制御電流を半導体基板に流し、制御電流と垂直な方向に磁界を加えると、制御電流と磁界とに垂直な方向に電位差が発生する現象をいう。また、このときの電位差をホール電圧という。ホール素子２２，２４は、印加された磁界の強さに比例したホール電圧ＶＨ１，ＶＨ２を、増幅器２６，２８へそれぞれ出力する。

増幅器２６は、ホール素子２２に発生したホール電圧ＶＨ１を増幅して差動増幅回路３０の一方の入力端子である正入力端子へ出力する。増幅器２８は、ホール素子２４に発生したホール電圧ＶＨ２を増幅して差動増幅回路３０の他方の入力端子である負入力端子へ出力する。

差動増幅回路３０は、増幅器２６，２８からそれぞれ入力されたホール電圧ＶＨ１，ＶＨ２の電圧差を取得し、その取得した電圧差を表わす信号（差動出力）をＡ／Ｄ変換器３２へ出力する。

Ａ／Ｄ変換器３２は、差動増幅回路３０からの差動出力を、予め設定された所定の基準電圧と比較することにより、信号レベルがＨとＬとの間を遷移するパルス信号に変換する。変換されたパルス信号は制御回路４０（図１）へ与えられる。

このように、本実施の形態では、磁気センサ２０を２個のホール素子２２，２４で構成し、ホール素子２２，２４の差動出力を用いて出力信号を生成することから、個々のホール素子２２，２４におけるホール電圧ＶＨ１，ＶＨ２の温度特性をホール素子間で相殺することができる。その結果、磁気センサ２０を単一のホール素子で構成した場合と比較して、磁気センサ２０の磁気検出精度を高めることができる。

図３は、図１における磁性体１０の展開図である。
図３を参照して、磁性体１０において、Ｎ極およびＳ極は不等ピッチで交互に配列されている。具体的には、磁性体１０は、０〜９０°、９０°〜１８０°、１８０°〜２７０°、２７０°〜３６０°の各９０°間隔で、周方向に沿う磁極幅が相対的に狭い一対の磁極３，４と、周方向に沿う磁極幅が相対的に広い一対の磁極５，６とを有しており、それらが９０°ごとに繰り返されている。以下では、磁極幅が相対的に狭い磁極３，４を単に「幅狭磁極」とも称し、磁極幅が相対的に広い磁極５，６を単に「幅広磁極」とも称する。本実施の形態では、９０°間隔の一対の幅狭磁極３，４および一対の幅広磁極５，６において、Ｎ極の幅狭磁極３の磁極幅をＰ１、Ｓ極の幅狭磁極４の磁極幅をＰ２、Ｎ極の幅狭磁極５の磁極幅をＰ３、およびＳ極の幅広磁極６の磁極幅をＰ４と定めると、Ｐ１＝Ｐ２＜Ｐ３＝Ｐ４となる関係が成立する。

なお、Ｐ１〜Ｐ４の関係は、本実施の形態での上記式に限定されるわけではなく、Ｐ１≒Ｐ２≪Ｐ３≒Ｐ４の関係式を満たしていれば良い。また、一対の幅狭磁極３，４と一対の幅広磁極５，６とが連続した着磁パターンを繰り返す数は、少なくとも２つ以上であればよく、本実施の形態の４つの繰り返しに限定されるものではない。

磁気センサ２０（図１）は、図３のような着磁パターンを有する磁性体１０の外周面の外方から磁性体１０の磁極の変化を検出する。図４に、磁気センサ２０からの出力信号を示す。

図４を参照して、磁気センサ２０の出力信号は、Ｎ極をＨレベルとし、Ｓ極をＬレベルとする一定の信号パターンが、９０°間隔で周期的に繰り返される波形となる。本実施の形態では、回転開始時の磁極を特定し、かつ、回転開始後に磁性体１０の磁極が反転する際の磁界変化のパルス数を５つ計数したときにおける、磁極が反転する際の磁界変化パルス間の間隔時間を測定することで、正転または逆転の回転方向を判別することができる。

以下に、本実施の形態に従う回転検出装置における正転または逆転の回転方向を検出する方法について説明する。なお、回転方向の検出は、磁気センサ２０から図４に示す出力信号を受けた制御回路４０が、予め格納されている所定のプログラムを実行することで実行される。なお、以下に示す処理のうちの一部または全部が、ハードウェアによって実現されてもよい。

最初に、制御回路４０は、回転開始時の磁極を特定する。Ｎ極をＨレベルとし、Ｓ極をＬレベルとすることから、図４に示した回転開始位置を示すＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄでは、ＡがＨレベル、ＢがＬレベル、ＣがＨレベル、ＤがＬレベルと特定される。

なお、図４のＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄの点は、磁性体１０のどこから回転が開始されても、回転開始時の位置がＡ〜Ｄのいずれかに分類されるため、４つに特定したものである。すなわち、ＡはＮ極の幅狭磁極３からの回転開始位置、ＢはＳ極の幅狭磁極４からの回転開始位置、ＣはＮ極の幅広磁極５からの回転開始位置、ＤはＳ極の幅広磁極６からの回転開始位置を示す。

次に、制御回路４０は、回転開始後の磁性体１０の磁極が反転する際の磁界変化のパルスの１番目と２番目との間隔時間をＴ１、同じく２番目と３番目との間隔時間をＴ２、同じく３番目と４番目との間隔時間をＴ３、同じく４番目と５番目との間隔時間をＴ４として、磁界変化のパルス間の間隔時間を測定する。たとえば、図４のＡ点から回転方向を正転として回転し始めた場合には、間隔時間Ｔ１〜Ｔ４は図４に示すようになる。なお、Ｔ１〜Ｔ４は、正転、逆転のどちらでも同じように測定される。

そして、制御回路４０は、間隔時間Ｔ１〜Ｔ４の測定結果に基づいて、Ｔ１とＴ３との時間の長短を比較し、かつ、Ｔ２とＴ４との時間の長短を比較する。たとえば、図４のＡ点から回転方向を正転として回転し始めた場合には、Ｔ１＜Ｔ３、Ｔ２＞Ｔ４となる。

このようにして、制御回路４０は、回転開始時の磁極を特定するとともに、間隔時間Ｔ１，Ｔ３の比較結果および間隔時間Ｔ２，Ｔ４の比較結果を取得すると、これら３つのパラメータの組合せを、予め設定されている該３つのパラメータとＡ〜Ｄの開始位置での回転方向との対応関係を照合させることにより、正転または逆転の回転方向を検出する。

以上のように、本実施の形態に従う回転検出装置によれば、上記３つのパラメータを取得することにより、容易に回転方向を検出することができる。

しかしながら、その一方で、磁気センサ２０からの出力信号を、２個のホール素子２２，２４の差動出力に基づいて生成する構成したことにより、以下に述べる現象に起因して、間隔時間Ｔ１〜Ｔ４を正確に測定できないという不具合が生じてしまう。その結果、回転方向の検出が困難となる。

図５は、磁気センサ２０における差動出力と出力信号との関係を示す図である。
図５を参照して、磁気センサ２０は、所定のエアギャップを隔てて磁性体１０に対向して配置されている。そして、この磁気センサ２０において、２個のホール素子２２，２４は、磁性体１０の周方向に沿って所定の間隔を隔てて配列されている。

ホール素子２２，２４は、回転軸の回転に伴なって磁性体１０が回転すると、その磁性体１０の磁極の変化に応じたホール電圧ＶＨ１，ＶＨ２をそれぞれ発生する。これにより、差動増幅回路３０（図２）からは、ホール電圧ＶＨ１，ＶＨ２の電圧差（＝｜ＶＨ１−ＶＨ２｜）に対応する差動出力が出力される。

この差動出力は、図５に示すように、磁性体１０の磁極が反転するタイミングで最大となる一方で、磁極の中心部がホール素子２２，２４から略等距離に位置するタイミングで零電圧を通過している。これは、磁極が反転するタイミングでは、ホール電圧ＶＨ１，ＶＨ２の正負が異なるために電圧差が大きくなるのに対して、磁極の中心部が各ホール素子から略等距離に位置するタイミングでは、ホール電圧ＶＨ１，ＶＨ２が略同じとなるため電圧差が略零となるためである。

ここで、磁気センサ２０が幅狭磁極３，４の磁気を検出しているときと、幅広磁極５，６の磁気を検出しているときとでは、所定の基準電圧＋Ｖｔｈ，−Ｖｔｈで囲まれた電圧範囲（以下、単に「基準電圧範囲」とも称する）を通過するときの差動出力の様相が異なっていることが分かる。なお、所定の基準電圧＋Ｖｔｈ，−Ｖｔｈは、Ａ／Ｄ変換器３２（図２）が、差動出力をパルス信号に変換するときに比較対象として用いる電圧である。

詳細には、幅狭磁極３，４の磁気を検出しているときの差動出力は、基準電圧範囲内での変化が急峻であるのに対して、幅広磁極５，６の磁気を検出しているときの差動出力は、図中の領域ＲＧＮ１に示すように、基準電圧範囲内での変化が緩やかとなっている。

なお、このような差動出力の様相は、磁気センサ２０および磁性体１０間のエアギャップ、磁気センサ２０におけるホール素子２２，２４間の距離、および幅広磁極５，６の磁極幅に応じて様々に変化する。たとえば幅広磁極５，６の磁極幅が広くなるほど、差動出力の変化は緩やかとなる。また、ホール素子間の距離が短くなるほど、差動出力の変化は緩やかとなる。

そして、基準電圧範囲内での差動出力の変化が緩やかとなることに起因して、差動出力に基づいて生成される出力信号（パルス信号）は、回転方向が正転の場合と逆転の場合とでパルス周期が一致しないという不具合が生じてしまう。

具体的には、出力信号は、差動出力と基準電圧＋Ｖｔｈ，−Ｖｔｈとを比較した結果に基づいて生成される。図５に示すように、回転方向が正転の場合には、差動出力が基準電圧＋Ｖｔｈを超えたタイミングｔ１，ｔ３，ｔ５で出力信号がＬレベルからＨレベルに立上がり、差動出力が基準電圧−Ｖｔｈを下回ったタイミングｔ２，ｔ４，ｔ６で出力信号がＨレベルからＬレベルに立下がる。

これに対して、回転方向が逆転の場合には、差動出力が基準電圧＋Ｖｔｈを超えたタイミングｔ１２，ｔ１４，ｔ１６で出力信号がＬレベルからＨレベルに立上がり、差動出力が基準電圧−Ｖｔｈを下回ったタイミングｔ１１，ｔ１３，ｔ１５で出力信号がＨレベルからＬレベルに立下がる。

このようにして生成された出力信号を比較すると、正転と逆転とでは、同じ磁極に対応する出力信号のパルス幅が異なっていることが分かる。たとえばＳ極の幅広磁極６を示すＬレベルの出力信号は、正転方向ではタイミングｔ２からタイミングｔ３までの期間をパルス幅とするのに対して、逆転方向ではタイミングｔ１５からタイミングｔ１６までの期間をパルス幅としており、両者が一致していないことが明らかである。

この結果、正転と逆転とでは出力信号のパルス周期が異なることから、出力信号に基づいて図４に示した間隔時間Ｔ１〜Ｔ４をもはや正確に測定することができない。したがって、上述した方法によって回転方向を検出することが困難となる。

そこで、このような不具合を解消するために、本実施の形態に従う回転検出装置では、図６に示すように、磁性体１０の着磁パターンにおいて、幅広磁極の磁極幅の一部分に反対磁極を挿入する構成とする。

図６は、本発明の実施の形態に従う磁性体の着磁パターンと磁気センサ２０における差動出力および出力信号との関係を示す図である。

図６を参照して、磁性体１０において、Ｎ極の幅広磁極５にはＳ極の磁極１０２が挿入される。また、Ｓ極の幅広磁極６にはＮ極の磁極１０４は挿入される。

この磁性体１０が回転したときの磁極の変化に応じて差動増幅回路３０（図２）から出力される差動出力を、図５に示す差動出力と比較する。いずれの差動出力も磁性体１０の磁極が反転するタイミングで最大となる点で一致している。その一方で、図６に示す差動出力では、差動出力の変化が緩やかとなる領域（たとえば図中の領域ＲＧＮ２に相当）が、基準電圧−Ｖｔｈよりも低電圧側、または基準電圧＋Ｖｔｈよりも高電圧側にオフセットされていることが分かる。

これにより、図６においては、磁気センサ２０が幅狭磁極３，４の磁気を検出しているときと、幅広磁極５，６の磁気を検出しているときとで、基準電圧範囲内での差動出力の様相が等しくなる。すなわち、幅狭磁極３，４の磁気を検出しているときの差動出力および幅広磁極５，６の磁気を検出しているときの差動出力は、ともに基準電圧範囲内での変化が急峻となっている。

したがって、この差動出力に基づいて生成される出力信号（パルス信号）は、図６に示すように、正転と逆転とで、同じ磁極に対応する出力信号のパルス幅が略一致することとなる。これにより、出力信号のパルス周期が正転と逆転とで略一致することから、出力信号に基づいて間隔時間Ｔ１〜Ｔ４を正確に測定することができる。この結果、上述した方法によって回転方向を容易かつ正確に検出することが可能となる。

ここで、幅広磁極５，６に挿入される反対磁極１０２，１０４の磁極幅および挿入位置については、磁気センサ２０および磁性体１０間のエアギャップ、ホール素子２２，２４間の距離、および幅広磁極５，６の磁極幅に応じて可変とする。すなわち、反対磁極１０２，１０４の磁極幅および挿入位置は、予め設定されている磁気センサ２０および磁性体１０間のエアギャップ、ホール素子２２，２４間の距離および幅広磁極５，６の磁極幅に対して、図６に示すような理想的な差動出力が得られるように、実験もしくは磁場解析シミュレーションによって最適化される。

以上のように、この発明の実施の形態によれば、磁気センサの検出精度を向上させたことに併せて、磁気センサの構成を考慮して磁性体の着磁パターンを最適化したことにより、回転部材の回転を高精度に検出することができる。

なお、本実施の形態では、磁気センサをホール素子で構成した場合について例示したが、本願発明は、磁気センサが磁性体の磁極の変化を検出する磁気検出素子で構成された回転検出装置について広く適用できることは自明である。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

この発明の実施の形態に従う回転検出装置の一部斜視図である。 図１における磁気センサの概略構成図である。 図１における磁性体の展開図である。 磁気センサからの出力信号を示す図である。 磁気センサにおける差動出力と出力信号との関係を示す図である。 この発明の実施の形態に従う磁性体の着磁パターンと磁気センサにおける差動出力および出力信号との関係を示す図である。

符号の説明

１ 磁気エンコーダ、３，４ 幅狭磁極、５，６ 幅広磁極、１０ 磁性体、２０ 磁気センサ、２２，２４ ホール素子、２６，２８ 増幅器、３０ 差動増幅回路、３２ Ａ／Ｄ変換器、４０ 制御回路、１０２，１０４ 反対磁極。

Claims (5)

1. 回転部材の回転を検出するための回転検出装置であって、
   前記回転部材の周方向に沿ってＮ極およびＳ極が交互に配列され、かつ、前記回転部材と一体的に回転可能に構成された環状の磁性体と、
   前記磁性体に対向して配置された磁気センサと、
   前記磁気センサからの出力信号に基づいて、前記回転部材の回転を検出する制御回路とを備え、
   前記磁気センサは、前記回転部材の周方向に沿って配列された複数の磁気検出素子を含み、前記複数の磁気検出素子からの出力を差動増幅して前記制御回路に出力し、
   前記磁性体は、
   周方向に沿って第１の磁極幅を有するＮ極およびＳ極からなる第１の磁極対と、
   前記第１の磁極幅よりも狭い第２の磁極幅を有するＮ極およびＳ極からなる第２の磁極対と、
   各々が、前記第１の磁極対のＮ極およびＳ極の磁極幅の一部分に挿入された反対磁極とを含む、回転検出装置。
2. 前記反対磁極の磁極幅は、前記磁性体と前記磁気センサとの距離、前記複数の磁気検出素子間の距離および前記第１の磁極幅の少なくとも１つに応じて可変とされる、請求項１に記載の回転検出装置。
3. 前記反対磁極の挿入位置は、前記磁性体と前記磁気センサとの距離、前記複数の磁気検出素子間の距離および前記第１の磁極幅の少なくとも１つに応じて可変とされる、請求項１に記載の回転検出装置。
4. 前記磁性体は、前記第１の磁極対と前記第２の磁極対とが連続した着磁パターンが少なくとも２つ繰り返されて成る、請求項１〜３のいずれかに記載の回転検出装置。
5. 前記制御回路は、前記磁気センサからの出力信号に基づいて、前記磁性体の回転開始時の磁極を特定するとともに、回転開始後に前記磁性体の磁極が反転する際の磁界変化の数を５つ計数したときにおける磁界変化間の間隔時間を測定すると、特定した回転開始時の磁極および測定した前記間隔時間に基づいて、前記回転部材の回転方向を検出する、請求項４に記載の回転検出装置。

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