JP2012198048A - 角度センサの検出信号補正方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ホール素子に発生するオフセット電圧値を周囲温度に従って除去し、微小角度の測定精度を向上させる。
【解決手段】ホール素子から成る角度検出用センサ１５は磁束密度検出面であるチップ面Ｔが、磁束方向と平行になる場合をθ＝０となるように配置されている。センサ１５の出力Ｖには、定電流Ｉを供給することで、角度変位θと無関係で内部抵抗に起因するオフセット電圧値Ｏ１が発生し、出力Ｖに重畳している。
オフセット電圧値Ｏ１を得るためには、オフラインにおいてセンサ１５に無磁界状態で定電流Ｉを供給しながら温度Δｔを変化させて、出力Ｖのデータを求める。データから温度Δｔに対するオフセット電圧値Ｏ１のテーブルを作成する。
角度測定中では、周囲温度を測定し、オフセット電圧値Ｏ１を記憶したテーブルから求め出力Ｖから差し引けば、オフセット電圧値Ｏ１が除去される。
【選択図】図３

Description

本発明は、ホール素子を用い微小角度の測定に適した角度センサの検出信号補正方法に関するものである。

一般的なホール素子においては、図６に示すように、金属の薄片であるホール素子１の磁束密度検出面であるチップ面Ｔに対して、直交する磁界の磁束密度をＢとし、ホール素子１に定電流Ｉを流すと、ホール素子１は磁束密度Ｂによりローレンツ力を受けて起電力を発生する。ホール素子１の起電力である出力Ｖは、Ｋをホール係数、ｄをホール素子の厚みとすると、次の（１）式となる。
Ｖ＝（Ｋ／ｄ）Ｂ・Ｉ …（１）

このホール素子１を角度センサとして使用するには、チップ面Ｔが磁束方向と交叉する角度をホール素子１の出力として検出する。検出する角度が微小な場合に、ホール素子１のチップ面Ｔをマグネットによる磁束の向きと平行にしてホール素子１の感度を高める方法が、例えば特許文献１に開示されている。

微小な角度変位θを検出する場合は、図７に示すようにホール素子１を磁束密度Ｂの磁界中に配置し、θ＝０では、ホール素子１のチップ面Ｔが磁束の方向と平行、つまりチップ面Ｔに対する磁束の方向が０゜となるように配置する。

このようにして、ホール素子１のチップ面Ｔを磁束と平行に配置すると、角度変位θに対する高い感度が得られる。配置したホール素子１が、図８に示すように磁束に対して傾くことで発生するホール素子１の出力Ｖを計測し、例えば１°の１０００分の１程度の分解能を有する角度変位θを、次の（２）式により検出することができる。
Ｖ＝（Ｋ／ｄ）・Ｂ・Ｉ・ｓｉｎθ …（２）

なお、角度変位θが０°近傍の微小角度とすると、ｓｉｎθ≒θとなり、（２）式は（２）' 式となる。
Ｖ＝（Ｋ／ｄ）・Ｂ・Ｉ・θ …（２）'

一方、磁束密度Ｂの補正のために、図８に示すようにホール素子１と同種の基準用ホール素子２を同一磁界、又はその磁束密度に比例する成分が得られるように、そのチップ面Ｔが磁束の方向と直交するように配置する。基準用ホール素子２に定電流Ｉを加えると、基準用ホール素子２の出力Ｖｓは、Ｋｓをそのホール係数、厚みをｄｓとすると、（３）式が得られる。
Ｖｓ＝（Ｋｓ／ｄｓ）・Ｂ・Ｉ …（３）

これらの出力Ｖ、Ｖｓについて、ホール素子１の出力Ｖを基準用ホール素子２の出力Ｖｓで除すと、（４）式が得られる。
Ｖ／Ｖｓ＝（Ｋ／ｄ）・θ／（Ｋｓ／ｄｓ） …（４）

ここで、Ｋ、ｄ、Ｋｓ、ｄｓは定数なので、（４）式から磁束密度Ｂの経時変化などの影響を受けない安定した微小な角度変位θを検出することができる。

しかし、ホール素子１、２のホール係数Ｋ、Ｋｓは温度の影響を受け易く温度依存性を有するので、多数のホール素子の中から温度特性が揃った一対のホール素子を選別し、ホール素子１、２として周囲温度の変動に対応している。

特開２００２−２２４８５号公報

このようにホール素子の選別を行っても、ホール素子に電流Ｉを供給することにより角度に依存しないオフセット電圧が発生することが知られている。しかし、図６に示すように配置して出力電圧を求める場合には、ローレンツ力による起電力が大きく、オフセット電圧値は極めて小さいので、一般にはオフセット電圧値は無視されている。

しかし、磁束の方向とチップ面Ｔを平行にした微小角度の測定においては、ホール素子の内部抵抗による無視できない第１のオフセット電圧値が発生する。この第１のオフセット電圧値は周囲温度により変化し、出力Ｖ、Ｖｓに重畳して角度測定に誤差を与えており、特に周囲温度が広範囲で変化する場合には対処が必要となる。

また、磁束の方向とホール素子１のチップ面Ｔを平行にした場合には、チップ面Ｔと直交し磁束に対向するカット面Ｃでローレンツ力に基づく起電力が発生し、温度変化に応じてホール素子１の出力Ｖに重畳し、同様に角度測定に誤差を与えていることが分った。

本発明の第１の目的は、周囲温度に対応して変動し、ホール素子が有する内部抵抗に基づく電流による第１のオフセット電圧値を演算により除去することにより、微小角度の信号値の誤差を良好に補正する角度センサの検出信号補正方法を提供することにある。

本発明の第２の目的は、上述の第１のオフセット電圧値を含み、周囲温度に対応して変動し、ホール素子のカット面によるローレンツ力に起因する第２のオフセット電圧値を演算により除去することにより、微小角度の信号値の誤差を更に良好に補正する角度センサの検出信号補正方法を提供することにある。

上記目的を達成するための本発明に係る角度センサの検出信号補正方法は、磁束を一様に発生する磁界発生機構に対し相対的に回転可能とした軸に取り付け、前記磁界発生機構の磁界方向に対する相対角度を検出するホール素子から成る角度検出用センサを備え、測定角度が０°の零位角度において前記角度検出用センサの磁束密度検出面であるチップ面を前記磁界発生機構からの磁束の方向と平行に配置する角度検出用センサの検出信号補正方法において、オフラインにおいて、無磁界状態で定電流を前記角度検出用センサに供給して、前記角度検出用センサの複数の周囲温度による内部抵抗に起因する第１のオフセット電圧値をそれぞれ測定し、前記第１のオフセット電圧値の温度特性を求める第１のステップと、オンラインでの角度測定中に、温度検出用センサによる周囲温度の測定を行い、前記角度検出用センサの出力から前記温度特性に該当する前記第１のオフセット電圧値を除去する補正を行う第２のステップとを有することを特徴とする。

また、本発明に係る角度センサの検出信号補正方法は、磁束を一様に発生する磁界発生機構に対し相対的に回転可能とした軸に取り付け、前記磁界発生機構の磁界方向に対する相対角度を検出するホール素子から成る角度検出用センサを備え、測定角度が０°の零位角度において前記角度検出用センサの磁束密度検出面であるチップ面を前記磁界発生機構からの磁束の方向と平行に配置する角度検出用センサの検出信号補正方法において、オフラインにおいて、前記角度検出用センサを磁界方向と前記角度検出用センサのチップ面が並行になるように前記零位角度に固定し、所定の磁束を発生させた有磁界状態で、定電流を前記角度検出用センサに供給して、前記角度検出用センサの複数の周囲温度による内部抵抗に起因する第１のオフセット電圧値に前記角度検出用センサのカット面によるローレンツ力に起因する起電力を加えた第２のオフセット電圧値をそれぞれ測定し、前記第２のオフセット電圧値の温度特性を求める第１のステップと、オンラインでの角度測定中に、温度検出用センサによる周囲温度の測定を行い、前記角度検出用センサの出力から前記温度特性に該当する前記第２のオフセット電圧値を除去する補正を行う第２のステップとを有することを特徴とする。

本発明に係る角度センサの検出信号補正方法によれば、ホール素子に発生する第１のオフセット電圧値を周囲温度に従って除去し、微小角度の測定精度を向上させる。

また、本発明に係る角度センサの検出信号補正方法によれば、第１のオフセット電圧値を含み、ホール素子のカット面に対する磁束により発生する第２のオフセット電圧値を周囲温度に従って除去し、微小角度の測定精度を更に向上させる。

実施例の縦断面図である。 実施例の横断面図である。 軸が回転した状態の説明図である。 実施例１の温度に対する誤差のグラフ図である。 実施例２の温度に対する誤差のグラフ図である。 一般的なホール素子の原理的説明図である。 ホール素子の磁束密度検出面を磁束と平行に配置した場合の説明図である。 ホール素子を傾けた場合の説明図である。

本発明を図１〜図５に図示の実施例に基づいて詳細に説明する。

図１において、透磁性材料から成るハウジング１１には貫通孔１２が設けられ、この貫通孔１２には、同様に透磁性材料から成る軸１３がベアリング１４を介して回転可能に保持されている。軸１３には、ホール素子から成る角度検出用センサ１５が切欠部等に取り付けられており、軸１３には例えば液面計のフロートが連結され、フロートの液位が軸１３の微小角度の回転に変換されるようになっている。

図２に示すように、貫通孔１２の両側には軸１３を挟み込むように、磁界発生機構である一対のマグネット１６、１６’が固定され、貫通孔１２内ではＮ極からＳ極に向けて磁束密度Ｂの磁束が一様に発生している。角度検出用センサ１５と同種のホール素子から成る基準用センサ１７が、ハウジング１１の外側又は内側のマグネット１６、１６’による磁界内に固定され、チップ面Ｔはマグネット１６、１６’の磁束方向と直交するように配置されされている。なお、この基準用センサ１７は背景技術で説明した基準となるホール素子２に相当している。

またハウジング１１内には、周囲温度を検出するための例えば測温抵抗体から成る温度検出用センサ１８が配置されている。そして、角度検出用センサ１５、基準用センサ１７、温度検出用センサ１８はリード線を介して信号処理部１９に接続されている。

なお実施例においては、ハウジング１１を固定し軸１３が回転しているが、ハウジング１１が回転し軸１３を固定してもよく、磁界方向に対する相対角度を測定すればよい。

図３に示すように、角度検出用センサ１５はホール素子の磁束密度検出面であるチップ面Ｔが、マグネット１６、１６’の磁束方向と平行になる場合をθ＝０となる零位角度に配置されている。また、温度検出用センサ１８は角度検出用センサ１５、基準用センサ１７の周囲温度を検出する。信号処理部１９は角度検出用センサ１５、基準用センサ１７に定電流Ｉを供給し、角度検出用センサ１５の出力Ｖ、基準用センサ１７の出力Ｖｓ、温度検出用センサ１８の温度信号を検出し、後述するように演算処理して微小な角度変位θを算出する。

軸１３が回転すると、先に説明した（４）式に従って、２つのセンサ１５、１７の出力Ｖ、Ｖｓを基に、信号処理部１９において角度変位θを演算する。

しかし、角度検出用センサ１５は定電流Ｉを供給することで、次の（５）式のような角度変位θと無関係で内部抵抗に起因する第１のオフセット電圧値Ｏ１、つまり微小な角度変位θの測定においては無視し難い電圧が発生し、出力Ｖに重畳しているので補正が必要となる。
Ｖ＝（Ｋ／ｄ）・Ｂ・Ｉ・θ＋Ｏ１ …（５）

この（５）式において、第１のオフセット電圧値Ｏ１の影響を受けない出力Ｖを得るためには、第１のオフセット電圧値Ｏ１を出力Ｖから差し引く処理を行わねばならない。

第１のオフセット電圧値Ｏ１は定電流Ｉに比例して発生し、かつこの第１のオフセット電圧値Ｏ１を発生させる内部抵抗Ｒは温度係数αを有しているので、第１のオフセット電圧値Ｏ１は基準温度２５℃に対する温度変化幅である温度Δｔに依存する一次式として近似した（６）式が成立する。
Ｏ１＝Ｉ・Ｒ・（１＋α・Δｔ） …（６）

この第１のオフセット電圧値Ｏ１を得るためには、オフラインにおいて恒温槽などで角度検出用センサ１５に無磁界状態、つまりＢ＝０で定電流Ｉを供給しながら温度Δｔを変化させて、出力Ｖを求める。得られた温度特性のデータから、第１のオフセット電圧値Ｏ１を発生する内部抵抗Ｒ、温度係数αを算出する。或いは、温度Δｔに対する第１のオフセット電圧値Ｏ１のテーブルを作成してもよい。なお、このデータを求める場合に、無磁界状態では（５）式の第１項は関係がなくなるので、角度変位θの大きさは何れでもよい。

また、基準用センサ１７においても、同様にその出力Ｖｓに次の（７）式のように第１の第１のオフセット電圧値Ｏ１ｓが重畳されている。
Ｖｓ＝（Ｋｓ／ｄｓ）・Ｂ・Ｉ＋Ｏ１ｓ …（７）

基準用センサ１７のチップ面Ｔによる内部抵抗をＲｒ、温度係数をαｓと
すると、第１のオフセット電圧値Ｏ１ｓは次の（８）式のように表せる。
Ｏ１ｓ＝Ｉ・Ｒｒ・（１＋αｓ・Δｔ） …（８）

基準用センサ１７の第１のオフセット電圧値Ｏ１ｓについても、無磁界状態において、基準用センサ１７に対し温度Δｔを変化させてデータを求め、（８）式の内部抵抗Ｒｒ、温度係数αｓを算出したり、温度Δｔに対する第１のオフセット電圧値Ｏ１ｓのテーブルを作成すればよい。

オンラインでの角度測定中では、周囲温度を温度検出用センサ１８により測定し、第１のオフセット電圧値Ｏ１、Ｏ１ｓを算出、又は記憶したテーブルから求めることにより、信号処理部１９においてこれらを（５）、（７）式から差し引けば、第１のオフセット電圧値Ｏ１、Ｏ１ｓが除去された出力Ｖ、Ｖｓが得られる。

このような補正をした後に、（４）式と同じ（９）式により、出力Ｖ、Ｖｓを演算すれば、温度変動の影響を受けない安定した微小な角度変位θが信号処理部１９により得られる。
Ｖ／Ｖｓ＝（Ｋ／ｄ）・θ／（Ｋｓ／ｄｓ） …（９）

図４は実施例１の第１のオフセット電圧値Ｏ１、Ｏ１ｓを除去した温度Δｔの±５０℃の範囲における実測したフルスケールに対する誤差（％：フルスケール １°）の特性Ｅ１のグラフ図であり、特性Ｅ０は従来例の実測した誤差を示し、特性Ｅ１は特性Ｅ０と比べて第１のオフセット電圧値Ｏ１、Ｏ１ｓによる誤差が補正されている。

なお、基準用センサ１７については、ローレンツ力に起因する（７）式の第１項の値は、第１のオフセット電圧値Ｏ１ｓよりも十分に大きく、微小な第１のオフセット電圧値Ｏ１ｓは無視することができるので、第１のオフセット電圧値Ｏ１ｓは求めずに、演算においても使用しなくともよい。

角度検出用センサ１５により、図３に示すようにチップ面Ｔが磁束とほぼ平行になるようにして微小の角度変位θを測定する際に、チップ面Ｔと直交するカット面Ｃについても磁束密度Ｂによる影響を受けて、僅かながらも起電力が発生し出力Ｖに重畳する。本明細書では、第１のオフセット電圧値Ｏ１にこの起電力を加えて、第２のオフセット電圧値Ｏ２と定義することにする。

カット面Ｃにおける厳密な意味でのローレンツ力は、電流Ｉと磁束の方向が平行であるために発生しないと考えられるが、ホール素子内では定電流は三次元的に流れ、磁束と直交する方向にも一部の電流が流れると推測され、ローレンツ力による微小な起電力が発生し、この起電力はホール素子特有の温度依存性を有している。

なお、カット面Ｃに対する角度変位θの影響はｃｏｓθとして表されるが、角度変位θが極めて小さい範囲においてはｃｏｓθ＝１とみなすことができる。

図４において特性Ｅ１として残留している誤差は、主としてこのカット面Ｃに起因する起電力によるものであり、この起電力は図４からも温度Δｔに対し直線的である。従って、この起電力は一定の磁束密度Ｂ内において、温度係数をβ、一定値をＤとすると、温度Δｔに関し一次式であるβ・Δｔ＋Ｄと近似することができ、角度検出用センサ１５の出力Ｖは、（５）式にこの起電力であるβ・Δｔ＋Ｄを加えた次の（１０）式とすることができる。
Ｖ＝（Ｋ／ｄ）・Ｂ・Ｉ・θ＋Ｏ１＋β・Δｔ＋Ｄ …（１０）

そして、第２のオフセット電圧値Ｏ２は温度係数をγ、一定値をＦとすると、次の一次式（１１）となる。
Ｏ２＝Ｏ１＋β・Δｔ＋Ｄ＝Ｉ・Ｒ・（１＋α・Δｔ）＋β・Δｔ＋Ｄ
＝γ・Δｔ＋Ｆ …（１１）

実施例１においては、オフラインで無磁界状態において第１のオフセット電圧値Ｏ１、Ｏ１ｓを求めたが、実施例２では第２のオフセット電圧値Ｏ２は磁束により変動するので有磁界状態でデータを求める必要があり、更に（１０）式の第１項を除去するためにはθ＝０とする必要があり、第２のオフセット電圧値Ｏ２をこの状態求める。

即ち、オフラインで角度検出用センサ１５に対し、恒温槽内でθ＝０で磁束密度Ｂの有磁界状態において定電流Ｉを供給し、温度Δｔを変化させて第２のオフセット電圧値Ｏ２のデータを求める。このデータから、温度Δｔに対する第２のオフセット電圧値Ｏ２の一次式の定数γ、Ｆを算出し、或いは温度Δｔに対する第２のオフセット電圧値Ｏ２のテーブルを作成する。

なお、基準用センサ１７の出力Ｖｓではカット面Ｃによる起電力は生ぜず、また実施例１で説明したように第１のオフセット電圧値Ｏ１ｓは小さいので、実施例１のように求めることもできるが、この実施例２では無視してもよい。

オンラインでの角度測定時には、温度検出用センサ１８により周囲温度Δｔを測定し、記憶している一次式やテーブルを用いて、周囲温度Δｔを基に第２のオフセット電圧値Ｏ２を求め、角度検出用センサ１５の出力Ｖに重畳している誤差要因である第２のオフセット電圧値Ｏ２を除去する補正を信号処理部１９により行うことにより、（９）式を基に精度の良い角度変位θが得られる。

図５は実施例２の温度Δｔに対する角度変位θの実測した誤差（％：フルスケール １°）の特性Ｅ２のグラフ図である。この特性Ｅ２は実施例１で得られた特性Ｅ１よりも更に良好な補正がなされている。

１１ ハウジング
１２ 貫通孔
１３ 軸
１４ ベアリング
１５ 角度検出用センサ
１６、１６’マグネット
１７ 基準用センサ
１８ 温度検出用センサ
１９ 信号処理部

Claims (5)

1. 磁束を一様に発生する磁界発生機構に対し相対的に回転可能とした軸に取り付け、前記磁界発生機構の磁界方向に対する相対角度を検出するホール素子から成る角度検出用センサを備え、測定角度が０°の零位角度において前記角度検出用センサの磁束密度検出面であるチップ面を前記磁界発生機構からの磁束の方向と平行に配置する角度検出用センサの検出信号補正方法において、
   オフラインにおいて、無磁界状態で定電流を前記角度検出用センサに供給して、前記角度検出用センサの複数の周囲温度による内部抵抗に起因する第１のオフセット電圧値をそれぞれ測定し、前記第１のオフセット電圧値の温度特性を求める第１のステップと、
   オンラインでの角度測定中に、温度検出用センサによる周囲温度の測定を行い、前記角度検出用センサの出力から前記温度特性に該当する前記第１のオフセット電圧値を除去する補正を行う第２のステップとを有することを特徴とする角度センサの検出信号補正方法。
2. 磁束を一様に発生する磁界発生機構に対し相対的に回転可能とした軸に取り付け、前記磁界発生機構の磁界方向に対する相対角度を検出するホール素子から成る角度検出用センサを備え、測定角度が０°の零位角度において前記角度検出用センサの磁束密度検出面であるチップ面を前記磁界発生機構からの磁束の方向と平行に配置する角度検出用センサの検出信号補正方法において、
   オフラインにおいて、前記角度検出用センサを磁界方向と前記角度検出用センサのチップ面が並行になるように前記零位角度に固定し、所定の磁束を発生させた有磁界状態で、定電流を前記角度検出用センサに供給して、前記角度検出用センサの複数の周囲温度による内部抵抗に起因する第１のオフセット電圧値に前記角度検出用センサのカット面によるローレンツ力に起因する起電力を加えた第２のオフセット電圧値をそれぞれ測定し、前記第２のオフセット電圧値の温度特性を求める第１のステップと、
   オンラインでの角度測定中に、温度検出用センサによる周囲温度の測定を行い、前記角度検出用センサの出力から前記温度特性に該当する前記第２のオフセット電圧値を除去する補正を行う第２のステップとを有することを特徴とする角度センサの検出信号補正方法。
3. 前記相対角度は、補正した前記角度検出用センサの出力を、前記磁界発生機構の固定し磁束密度検出面であるチップ面を前記磁束の方向と直交するように配置した基準用センサの出力で除することにより算出することを特徴とする請求項１又は２に記載の角度センサの検出信号補正方法。
4. オフラインにおいて、無磁界状態で定電流を前記基準用センサに供給して、前記基準用センサの複数の周囲温度による内部抵抗に起因する基準用センサのオフセット電圧値をそれぞれ測定し、前記基準用センサのオフセット電圧値の温度特性を求め、
   オンラインでの角度測定中に、前記温度検出用センサによる周囲温度の測定を行い、前記基準用センサの出力から前記温度特性に該当する前記基準用センサのオフセット電圧値を除去する補正を行うことを特徴とする請求項１〜３の何れか1つの請求項に記載の角度センサの検出信号補正方法。
5. 前記軸は液面計のフロートに連結したことを特徴とする請求項１〜４の何れか1つの請求項に記載の角度センサの検出信号補正方法。

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