JP2012220194A

JP2012220194A - 角度検出装置

Info

Publication number: JP2012220194A
Application number: JP2011082542A
Authority: JP
Inventors: Nagaoki Kayama; 長興嘉山; Yoshitaro Arai; 由太郎荒井; Kenji Kozuki; 健次上月
Original assignee: Tokyo Keiso Co Ltd
Current assignee: Tokyo Keiso Co Ltd
Priority date: 2011-04-04
Filing date: 2011-04-04
Publication date: 2012-11-12
Also published as: KR20120113162A; CN102735159A

Abstract

【課題】温度変化による影響を受ける要因を演算により除去し、正確な角度測定を実施する。
【解決手段】シャフト１２のＶ字溝１４の両斜辺は中線Ｎを中心にその両側に角度±φだけ傾斜し、両斜辺にホール素子のセンサ１５ａ、１５ｂを取り付ける。一様な磁束密度Ｂの磁界内において、シャフト１２を角度θ回転させると、センサ１５ａ、１５ｂの出力Ｖａ、Ｖｂは、Ｋａ、Ｋｂをホール係数、ｄａ、ｄｂを厚み、供給電流をＩとすると、Ｖａ＝(Ｋａ／ｄａ)・Ｉ・Ｂ・sin（φ＋θ）、Ｖｂ＝(Ｋｂ／ｄｂ)・Ｉ・Ｂ・sin（φ−θ）、（Ｖａ−Ｖｂ）／（Ｖａ＋Ｖｂ）＝（cosφ・sinθ）／（sinφ・cosθ）＝tanθ／tanφとなり、tanθ＝tanφ・（Ｖａ−Ｖｂ）／（Ｖａ＋Ｖｂ）となり、tanθはＫａ、Ｋｂ、ｄａ、ｄｂ、Ｉ、Ｂに無関係に求めることができる。
【選択図】図４

Description

本発明は、ホール素子を用いた角度検出装置に関するものである。

ホール素子を用いた角度センサにおいては、基本的に図５に示すように、マグネットにより発生した一様な磁束密度Ｂの磁界内において、ホール素子１を配置し、所定の電流Ｉを供給し、出力Ｖを求めることにより、磁束の方向とホール素子１とが形成する角度θを求めている。

この場合に、ホール素子１のホール係数をＫ、厚さをｄ、供給電流をＩ、磁束密度をＢを基に、ホール素子１の出力Ｖは次式により得られる。
Ｖ＝(Ｋ／ｄ)・Ｉ・Ｂ・sinθ …（１）

また、２つのホール素子を用いて回転角を検知する回転角度検出器が特許文献１に開示されている。

特開昭６２−９５４０２号公報

一般に、ホール素子は周囲の温度変化等に起因して、ホール係数Ｋ等が変化し、出力Ｖが変動する虞れがある。そのために、正確な角度θを求めるためには、温度検出センサを備えるなどして、温度補正演算を行うことが好ましい。

しかし、特許文献１の回転角度検出器では、２つのホール素子を用いてホール係数の温度の影響を或る程度相殺することができる。

この特許文献１の回転角度検出器は一般的な広い範囲の角度検出を目的としており、微小角度の検出については精度良く測定することはできない。この特許文献１においては、測定すべき角度θが０付近では、一方のホール素子の角度検出面の向きは０゜方向に、他方のホール素子の向きは９０゜方向となる。このような角度センサでは、測定角が０゜又は９０゜付近では両ホール素子の条件が大きく異なるため測定精度が悪い。

また特許文献１では、２つのホール素子の出力の比を基に測定を行っているが、２つの出力が大きく異なる場合には、これらの出力に含まれる誤差の影響が測定値に大きく現れる。

本発明の目的は、上述の問題点を解消し、２つのホール素子を用いて、測定範囲において両ホール素子の条件を揃えて、更に出力の差分を基に算出を行うことにより、微小角度の高精度な検出を行い得る角度検出装置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検出装置は、磁束密度が一様な磁界内にホール素子を配置して、該ホール素子により角度θを検出する角度検出装置において、前記磁束の方向と平行な中線に対し角度±φ傾いた＋φ軸と−φ軸に沿ってそれぞれ配置したホール素子から成る第１、第２センサと、前記磁束の方向に対し前記中線が相対的に角度θ傾いた場合に、前記第１、第２センサの出力Ｖａ、Ｖｂを求める検出回路と、該検出回路の出力からtanθ＝tanφ・（Ｖａ−Ｖｂ）／（Ｖａ＋Ｖｂ）を演算して角度θを求める演算回路とを有することを特徴とする。

本発明に係る角度検出装置によれば、２つのホール素子を用いて温度変化による影響を受ける要因を除去し、ホール素子の出力の差分により角度を求め、特に微小な角度測定が好適に実施できる。

実施例の構成図である。拡大図である。回路構成図である。原理的説明図である。ホール素子を用いた角度センサの基本的構成図である。

本発明を図１〜図４に図示の実施例に基づいて詳細に説明する。
実施例の角度検出装置においては、図１に示すように、周囲の固定のマグネット保持体１１に対して中心のシャフト１２の回転角θを測定するものであり、例えばシャフト１２は液面計のフロートの上下動を微小な回転角度の変位として検出するようになっている。透磁性材料から成るマグネット保持体１１には、一対のマグネット１３ａ、１３ｂが取り付けられ、マグネット１３ａ、１３ｂ間には、Ｎ極からＳ極に向う平行磁束による一様な磁界が形成されている。

シャフト１２にはＶ字溝１４が設けられ、図２の拡大図が示すようにシャフト１２のＶ字溝１４の両斜辺は、中線Ｎを中心にその両側に角度±φ（φは９０゜以下、好ましくは１０゜〜１５゜）だけ傾斜している。Ｖ字溝１４の両斜辺にホール素子から成る第１センサ１５ａ、第２センサ１５ｂが基板を介して又は直接にそれぞれ取り付けられている。

第１、第２センサ１５ａ、１５ｂは磁束検出面である平面をＶ字溝１４の斜辺に平行して、例えば図示しないセンサ回路基板と共に接着されている。この＋φ軸、−φ軸に沿って、第１センサ１５ａ、第２センサ１５ｂの磁束検出面がそれぞれ配置されている。そして、中線Ｎが磁束と平行な場合をシャフト１２の角度θが０となるようにしている。なお、マグネット保持体１１とシャフト１２の関係は相対的なものであり、マグネット保持体１１が回転し、シャフト１２が固定であってもよい。

図３は回路構成図であり、第１センサ１５ａ、第２センサ１５ｂの基板に搭載されたセンサ回路を介しての出力Ｖａ、Ｖｂは、それぞれ検出回路１６ａ、１６ｂを介して演算回路１７に接続され、更に表示回路１８に接続されている。また、第１センサ１５ａ、第２センサ１５ｂのセンサ回路には、電流供給回路１９から定電流Ｉが供給されている。

図４は原理的説明図であり、磁束密度Ｂの一様な磁界内において、シャフト１２を図４に示すように角度φよりも小さい角度θだけ回転させると、第１、第２センサ１５ａ、１５ｂの出力Ｖａ、Ｖｂは、Ｋａ、Ｋｂをそれぞれのホール係数、ｄａ、ｄｂを厚み、供給電流をＩ、磁束密度をＢとすると、（１）式を基に、それぞれ（２）、（３）式となる。
Ｖａ＝(Ｋａ／ｄａ)・Ｉ・Ｂ・sin（φ＋θ） …（２）
Ｖｂ＝(Ｋｂ／ｄｂ)・Ｉ・Ｂ・sin（φ−θ） …（３）

この（２）、（３）式に、sin（α±β）＝sinα・cosβ±cosα・sinβの三角公式を導入すると、次の（２）'、（３）'式が得られる。
Ｖａ＝(Ｋａ／ｄａ)・Ｉ・Ｂ・（sinφ・cosθ＋cosφ・sinθ） …（２）'
Ｖｂ＝(Ｋｂ／ｄｂ)・Ｉ・Ｂ・（sinφ・cosθ−cosφ・sinθ） …（３）'

ここで、出力Ｖａ、Ｖｂの差Ｖａ−Ｖｂを求めると次の（４）式となり、出力Ｖａ、Ｖｂの和Ｖａ＋Ｖｂを求めると次の（５）式となる。
Ｖａ−Ｖｂ＝２(Ｋａ／ｄａ)・Ｉ・Ｂ・cosφ・sinθ …（４）
Ｖａ＋Ｖｂ＝２(Ｋｂ／ｄｂ)・Ｉ・Ｂ・sinφ・cosθ …（５）

ホール素子が同じ種類であれば、通常はＫａ＝Ｋｂ、ｄａ＝ｄｂである、しかし、ホール係数Ｋａ、Ｋｂ、厚みｄａ、ｄｂは厳密には若干異なり、シャフト１２の中線Ｎを磁束方向と一致させたθ＝０においても、Ｖａ≠Ｖｂとなる。この場合においては、θ＝０の状態、つまり零点調整において、第１センサ１５ａと第２センサ１５ｂの出力Ｖａ、Ｖｂを求め、Ｖａ＝Ｖｂとなるように定数を補正して正規化する。

このようにして、出力Ｖａ、Ｖｂを正規化して、（Ｖａ−Ｖｂ）／（Ｖａ＋Ｖｂ）を求めると、次の（６）、（７）式が得られる。
（Ｖａ−Ｖｂ）／（Ｖａ＋Ｖｂ）＝（cosφ・sinθ）／（sinφ・cosθ）
＝tanθ／tanφ …（６）
∴ tanθ＝tanφ・（Ｖａ−Ｖｂ）／（Ｖａ＋Ｖｂ） …（７）

このように（７）式においては、第１、第２センサ１５ａ、１５ｂのホール係数Ｋａ、Ｋｂ、厚みｄａ、ｄｂ、供給電流Ｉ、磁束密度Ｂは相殺されることになる。

しかし、出力Ｖａ、Ｖｂを正規化しても、ホール係数Ｋａ、Ｋｂは温度により変動することがあり、その影響は（７）式の測定値に及ぶこともある。このため、個々のホール素子の温度特性を調べて、温度係数が近似した対となるホール素子を選択して用いれば、第１、第２センサ１５ａ、１５ｂの温度変化による影響を更に少なくすることができる。

なお、tanφは定数であるから、出力Ｖａ、Ｖｂによる（７）式の演算によりtanθが得られ、三角関数表等から角度θを求めることができる。

また、角度θが十分に微小角であれば、sinθ≒θ、cosθ≒１なので、tanθ＝θとなり、（７）式から次の（７）’式が得られる。
θ＝tanφ・（Ｖａ−Ｖｂ）／（Ｖａ＋Ｖｂ） …（７）’

また、第１、第２センサ１５ａ、１５ｂの出力Ｖａ、Ｖｂに、（２）"、（３）"式のような磁束密度とは無関係で、供給電流Ｉと関係するオフセット電圧Ｏａ、Ｏｂが重畳していることがある。
Ｖａ＝(Ｋａ／ｄ)・Ｉ・Ｂ・sin（φ＋θ）＋Ｏａ …（２）"
Ｖｂ＝(Ｋｂ／ｄ)・Ｉ・Ｂ・sin（φ−θ）＋Ｏｂ …（３）"

この場合には、マグネット１３ａ、１３ｂを取り除いた磁束密度０の無磁界状態において、第１、第２センサ１５ａ、１５ｂに電流Ｉを供給することにより、オフセット電圧Ｏａ、Ｏｂを求めることができる。そこで、予め出力Ｖａ、Ｖｂからこのオフセット電圧Ｏａ、Ｏｂを差し引いておけばよい。

１１マグネット保持体
１２シャフト
１３ａ、１３ｂマグネット
１４Ｖ字溝
１５ａ第１センサ
１５ｂ第２センサ
１６ａ、１６ｂ検出回路
１７演算回路
１８表示回路
１９電流供給回路

Claims

磁束密度が一様な磁界内にホール素子を配置して、該ホール素子により角度θを検出する角度検出装置において、前記磁束の方向と平行な中線に対し角度±φ傾いた＋φ軸と−φ軸に沿ってそれぞれ配置したホール素子から成る第１、第２センサと、前記磁束の方向に対し前記中線が相対的に角度θ傾いた場合に、前記第１、第２センサの出力Ｖａ、Ｖｂを求める検出回路と、該検出回路の出力からtanθ＝tanφ・（Ｖａ−Ｖｂ）／（Ｖａ＋Ｖｂ）を演算して角度θを求める演算回路とを有することを特徴とする角度検出装置。
前記＋φ軸、−φ軸はＶ字溝の両斜辺としたことを特徴とする請求項１に記載の角度検出装置。
前記角度θが微小角の場合にtanθ≒θとすることを特徴とする請求項１又は２に記載の角度検出装置。
前記中線を前記磁束の方向に一致させたθ＝０において、前記出力Ｖａ、ＶｂがＶａ＝Ｖｂとなるように零点調整する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検出装置。
無磁界状態において、前記出力Ｖａ、ＶｂがＶａ＝Ｖｂ＝０となるように出力Ｖａ、Ｖｂに含まれるオフセット電圧を補正する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検出装置。