JP2015169637A - 非接触回転角センサ - Google Patents

Abstract

【課題】回転磁石の回転軸方向のずれを検出する非接触回転角センサ。
【解決手段】回転軸を中心に回転する回転磁石が前記回転軸方向において位置する範囲内に設けられた、第１ホール素子と第２ホール素子とを有する第１ホール素子対および第３ホール素子と、第１ホール素子対および第３ホール素子の上方に配置された磁気収束板と、第１ホール素子対の出力信号に基づいて、回転磁石の回転角を算出する回転角算出部と、第３ホール素子の出力信号に基づいて、回転磁石の回転軸方向のずれを検出する検出部と、を備える非接触回転角センサを提供する。
【選択図】図１

Description

本発明は、非接触回転角センサに関する。

従来、三次元の磁界を検出する磁気センサを用いて、回転磁石の回転位置を検出する非接触回転角度センサが知られていた（例えば、特許文献１〜４参照）。
特許文献１ 特開２００８−２９２４６６号公報
特許文献２ 特開２００７−２１８５９２号公報
特許文献３ 特開２００２−７１３８１号公報
特許文献４ 特開２０１３−１９５２２８号公報

このような回転角度センサを備えるシステムは、近年の車載用途でＩＳＯ２６２６２に準拠するように、信頼性、安全性、および耐久性を向上させることが求められている。発明者らは、非接触回転角センサにおいて、回転磁石の故障等も当該非接触回転角センサが検出して、エラー情報を通知する自己診断機能が必要であることを見出した。特に、発明者らは、回転磁石の回転軸方向にずれてしまう故障、および、回転軸方向に外れて脱落してしまう故障等を検出する機能が必要であることを見出した。

本発明の第１の態様においては、回転軸を中心に回転する回転磁石が回転軸方向において位置する範囲内に設けられた、第１ホール素子と第２ホール素子とを有する第１ホール素子対および第３ホール素子と、第１ホール素子対および第３ホール素子の上方に配置された磁気収束板と、第１ホール素子対の出力信号に基づいて、回転磁石の回転角を算出する回転角算出部と、第３ホール素子の出力信号に基づいて、回転磁石の回転軸方向のずれを検出する検出部と、を備える非接触回転角センサを提供する。

なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。

本実施形態に係る回転角センサ１００の構成例をＩＣチップ１０と共に示す。 本実施形態に係る第１ホール素子対１１０が第１方向の磁界を検出する場合の一例を示す。 本実施形態に係る第１ホール素子対１１０が第３方向の磁界を検出する場合の一例を示す。 本実施形態に係る回転角センサ１００が回転磁石３０の回転角を検出する構成例を示す。 図４に示した回転磁石３０が故障した場合の一例を示す。 本実施形態に係る回転角センサ１００が回転磁石３０の回転角を検出する変形例を示す。 図６に示した回転磁石３０の断面の構成例を示す。 図６に示した回転磁石３０が故障した場合の一例を示す。 本実施形態に係る回転角センサ１００の構成例を示す。 本実施形態に係る回転角センサ１００の変形例を示す。 回転磁石３０が正常な状態における第２ホール素子対１２０のホール起電力の一例を示す。 回転磁石３０が故障した状態における第２ホール素子対１２０のホール起電力の一例を示す。

以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。

図１は、本実施形態に係る回転角センサ１００の構成例をＩＣチップ１０と共に示す。ＩＣチップ１０は、シリコン等の半導体によって形成される回路および素子等を含む。図１において、ＩＣチップ１０の一方の表面を、Ｘ軸およびＹ軸を有するＸＹ面とし、ＸＹ面に垂直な軸をＺ軸とした。即ち、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸は互いに直交する座標系である。ＩＣチップ１０は、端子１２を備え、外部の基板、回路、および配線等と電気的に接続される。

回転角センサ１００は、回転軸を中心に回転する回転磁石の回転角を非接触で検出する。また、回転角センサ１００は、回転磁石が回転軸方向にずれた場合のずれ量を検出する。回転角センサ１００は、第１ホール素子対１１０と、第２ホール素子対１２０と、磁気収束板１３０と、ホール起電力算出部１４０と、回転角算出部１５０と、検出部１６０とを備える。

第１ホール素子対１１０は、ＩＣチップ１０上に形成され、当該ＩＣチップに形成された回路等と接続される。第１ホール素子対１１０は、一例として、第１方向に配置される。ここで、本実施形態における第１方向は、図１におけるＸ軸方向である。第１ホール素子対１１０は、第１ホール素子１１２と第２ホール素子１１４とを有し、Ｘ軸に平行に（例えばＸ軸上に）当該２つのホール素子が配置される。

第１ホール素子１１２および第２ホール素子１１４は、一例として、Ｘ軸方向に電流を流すとＺ軸方向に入力する磁場に応じたＹ軸方向の起電力（ホール効果）を発生させる素子である。第１ホール素子１１２および第２ホール素子１１４は、半導体等で形成されてよい。

第１ホール素子１１２および第２ホール素子１１４は、一例として、ＩＣチップ１０上において、Ｙ軸に対して線対称に配置される。これに代えて、第１ホール素子１１２および第２ホール素子１１４は、原点に対して点対称に配置されてもよい。本実施例において、第１ホール素子１１２および第２ホール素子１１４がＹ軸に対して線対称に配置される例を説明する。

第２ホール素子対１２０は、第１ホール素子対１１０と同様に、ＩＣチップ１０上に形成され、当該ＩＣチップに形成された回路等と接続される。第２ホール素子対１２０は、一例として、第２方向に配置される。ここで、本実施形態における第２方向は、図１におけるＹ軸方向である。また、第３方向は、図１におけるＺ軸方向である。第２ホール素子対１２０は、第３ホール素子１２２と第４ホール素子１２４とを有し、Ｙ軸に平行に（例えばＹ軸上に）当該２つのホール素子が配置される。

第３ホール素子１２２および第４ホール素子１２４は、一例として、Ｙ軸方向に電流を流すとＺ軸方向に入力する磁場に応じたＸ軸方向の起電力（ホール効果）を生じさせる素子である。第３ホール素子１２２および第４ホール素子１２４は、一例として、ＩＣチップ１０上において、Ｘ軸に対して線対称に配置される。これに代えて、第３ホール素子１２２および第４ホール素子１２４は、原点に対して点対称に配置されてもよい。本実施例において、第３ホール素子１２２および第４ホール素子１２４がＸ軸に対して線対称に配置される例を説明する。

磁気収束板１３０は、第１ホール素子対１１０および第２ホール素子対１２０の上方に配置され、回転角センサ１００に入力する磁場を曲げる。磁気収束板１３０は、磁性材料等で形成され、例えば、Ｘ軸方向および／またはＹ軸方向の磁場を、Ｚ軸方向の成分が発生するように曲げ、Ｚ軸方向に感度を有する第１ホール素子対１１０および第２ホール素子対１２０に入力させる。磁気収束板１３０は、ＩＣチップ１０の上面に形成されてよく、これに代えて、ＩＣチップ１０の上方に、絶縁層等を介して形成されてもよい。

ホール起電力算出部１４０は、第１ホール素子対１１０および第２ホール素子対１２０に接続され、ホール素子からの出力信号に基づき、ホール起電力を算出する。ホール起電力算出部１４０は、第１ホール素子対１１０および第２ホール素子対１２０から受け取った出力信号をホール起電力信号に変換して、回転角算出部１５０および検出部１６０にそれぞれ供給する。

回転角算出部１５０は、ホール起電力算出部１４０に接続され、第１ホール素子対１１０の出力信号に基づいて、回転磁石の回転角を算出する。また、検出部１６０は、ホール起電力算出部１４０に接続され、第２ホール素子対１２０の出力信号に基づいて、回転磁石の回転軸方向のずれを検出する。回転角センサ１００が、回転磁石の回転角を算出する動作および回転軸方向のずれを検出する動作については、後述する。

以上の本実施形態の回転角センサ１００は、図１において、ホール起電力算出部１４０、回転角算出部１５０、および検出部１６０がＩＣチップ１０に接続される例を示した。これに代えて、回転角センサ１００は、ホール起電力算出部１４０、回転角算出部１５０、および検出部１６０がＩＣチップ１０の内部に設けられてもよい。この場合、回転角センサ１００は、回転磁石の磁場を検出するセンサを備え、検出した磁場に基づき回転磁石の回転角および回転磁石の回転軸からのずれを出力するＩＣチップ１０となる。

図２は、本実施形態に係る第１ホール素子対１１０が第１方向の磁界を検出する場合の一例を示す。図２において、水平方向（紙面の横方向）をＸ軸、垂直方向（紙面の縦方向）をＺ軸方向とする。

ここで、回転角センサ１００に入力する磁場ベクトルＨ（Ｈ_Ｘ，Ｈ_Ｙ，Ｈ_Ｚ）が、磁気収束板１３０で曲げられ、第１ホール素子１１２に入力する磁束密度ベクトルＢ（Ｈａｌｌ，Ｘ１）は、第１ホール素子１１２の位置における透磁率Ｍｕ（Ｈａｌｌ，Ｘ１）を用いて、次式で示される。ここで、透磁率Ｍｕ（Ｈａｌｌ，Ｘ１）は、２階のテンソル（３行３列の行列）となる。

同様に、第２ホール素子１１４に入力する磁束密度ベクトルＢ（Ｈａｌｌ，Ｘ２）は、第２ホール素子１１４の位置における透磁率Ｍｕ（Ｈａｌｌ，Ｘ２）を用いて、次式で示される。

第１ホール素子１１２および第２ホール素子１１４は、Ｚ軸方向の磁場を検出する。したがって、第１ホール素子１１２および第２ホール素子１１４は、次式で示すように、磁気収束板１３０で曲げられたＺ軸方向の磁束密度Ｂ_Ｚを検出することになる。

ここで、図２に示すように、回転角センサ１００の上方に−Ｘ軸方向の磁場ベクトルＨ_ｉｎ（Ｈ_Ｘ，０，０）が入力する例を説明する。磁気収束板１３０は、一例として、図中の磁束密度ベクトルＢのように、入力した磁場を曲げ、第１ホール素子１１２に＋Ｚ軸方向の磁束を入力させる。

また、磁性材料等で形成された磁気収束板１３０の透磁率は、空気の透磁率と比較して値が高くなるので、空気中の磁束密度と比較して、当該磁気収束板１３０内の磁束密度は高くなる。例えば、第１ホール素子１１２の位置におけるＺ軸方向の磁束密度は、次式で示すように、入力磁場Ｈ_Ｚに空気の透磁率μを乗じて得られる磁束密度に比較して、略１．４倍程度高くなる。

同様に、磁気収束板１３０は、一例として、第２ホール素子１１４に−Ｚ軸方向の磁束を発生させ、第２ホール素子１１４の位置におけるＺ軸方向の磁束密度は、次式で示される。

第１ホール素子１１２および第２ホール素子１１４は、このようにＺ軸方向に入力する磁束密度に応じて、ホール起電力を発生させる。ここで、第１ホール素子１１２および第２ホール素子１１４が略同一形状、略同一材料で形成される場合、それぞれの磁気感度は略等しくなる。また、第１ホール素子１１２および第２ホール素子１１４に入力する磁束密度は互いに逆向きとなるので、発生するそれぞれのホール起電力は正負の符号が異なる。

そこで、当該磁気感度をＳとすると、第１ホール素子対１１０のホール起電力信号Ｖ_Ｘを、第１ホール素子１１２のホール起電力Ｖ_ｓｉｇ（Ｈａｌｌ，Ｘ１）および第２ホール素子１１４のホール起電力Ｖ_ｓｉｇ（Ｈａｌｌ，Ｘ２）の差分である次式のように定めることができる。

これによって、回転角センサ１００は、ホール起電力信号Ｖ_Ｘを算出することで、Ｘ軸方向に入力される磁場ベクトルＨ_ｉｎ（Ｈ_Ｘ，０，０）に応じたホール起電力を算出することができる。また、ホール起電力信号Ｖ_Ｘを、各ホール素子のホール起電力の差分としたので、第１ホール素子１１２および第２ホール素子１１４に同一方向（＋Ｚ軸方向または−Ｚ軸方向）で、かつ、絶対値が略同一の磁場によって生じるホール起電力は、相殺されて略零となる。

即ち、回転角センサ１００は、ホール起電力信号Ｖ_Ｘを算出することで、ＸＺ面に平行な方向の磁場ベクトルＨ_ＸＺ（Ｈ_Ｘ，０，Ｈ_Ｚ）が入力しても、Ｘ軸方向の磁場ベクトルの成分Ｈ_Ｘ（Ｈ_Ｘ，０，０）に応じたホール起電力を算出することができる。また、第１ホール素子１１２および第２ホール素子１１４は、Ｙ軸方向の磁場には感度がなく、また、磁気収束板１３０は、理想的にはＹ軸方向の磁場をＺ軸方向には変換しない。したがって、回転角センサ１００は、ホール起電力信号Ｖ_Ｘを算出することで、直交する３つの各成分が零ではない（任意の方向の）磁場ベクトルＨ_ＸＹＺ（Ｈ_Ｘ，Ｈ_Ｙ，Ｈ_Ｚ）が入力しても、Ｘ軸方向の磁場ベクトルの成分Ｈ_Ｘ（Ｈ_Ｘ，０，０）に応じたホール起電力を検出することができる。

以上のように、Ｘ軸方向に配列した第１ホール素子対１１０によるＸ軸方向の磁場の算出と同様に、Ｙ軸方向に配列した第２ホール素子対１２０は、Ｙ軸方向の磁場を算出することができる。即ち、回転角センサ１００は、第２ホール素子対１２０を用いて、次式のホール起電力信号Ｖ_Ｙを算出することで、磁場ベクトルＨ_ＸＹＺ（Ｈ_Ｘ，Ｈ_Ｙ，Ｈ_Ｚ）が入力しても、Ｙ軸方向の磁場ベクトルの成分Ｈ_Ｙ（０，Ｈ_Ｙ，０）に応じたホール起電力を算出することができる。

図３は、本実施形態に係る第１ホール素子対１１０が第３方向の磁界を検出する場合の一例を示す。図３は、図２と同様に、水平方向をＸ軸、垂直方向をＺ軸方向とする。

図３は、回転角センサ１００に＋Ｚ軸方向の磁場ベクトルＨ_ｉｎ（０，０，Ｈ_Ｚ）が入力する例を説明する。磁気収束板１３０は、一例として、図中の磁束密度ベクトルＢのように、入力した磁場を曲げ、第１ホール素子１１２に＋Ｚ軸方向の磁束を入力させる。

磁気収束板１３０がＺ軸方向の入力磁場を収束させて、第１ホール素子１１２および第２ホール素子１１４のそれぞれの位置におけるＺ軸方向に入力させる磁束密度は、一例として、次式に示すように、入力磁場Ｈ_Ｚに空気の透磁率μを乗じて得られる磁束密度に比較して、略１．１倍程度高くなる。即ち、本実施例の磁気収束板１３０は、Ｘ軸方向およびＹ軸方向の磁気収束効果がそれぞれ異なる値となる例を説明する。

第１ホール素子１１２および第２ホール素子１１４は、Ｚ軸方向に入力する磁束密度に応じて、ホール起電力が発生する。また、第１ホール素子１１２および第２ホール素子１１４に入力する磁束密度は同一方向となるので、発生するそれぞれのホール起電力の符号も同一となる。そこで、第１ホール素子対１１０のホール起電力信号Ｖ_Ｚを、第１ホール素子１１２のホール起電力Ｖ_ｓｉｇ（Ｈａｌｌ，Ｘ１）および第２ホール素子１１４のホール起電力Ｖ_ｓｉｇ（Ｈａｌｌ，Ｘ２）の和である次式のように定めることができる。

これによって、回転角センサ１００は、ホール起電力信号Ｖ_Ｚを算出することで、Ｚ軸方向に入力される磁場ベクトルＨ_ｉｎ（０，０，Ｈ_Ｚ）に応じたホール起電力を算出することができる。また、ホール起電力信号Ｖ_Ｚを、各ホール素子のホール起電力の和としたので、第１ホール素子１１２および第２ホール素子１１４に互いに逆向きに入力され、かつ、絶対値が略同一の磁場によって生じるホール起電力は、相殺されて略零となる。

即ち、図２で説明したように、回転角センサ１００にＸ軸方向の磁界が入力された場合、磁気収束板１３０が第１ホール素子１１２および第２ホール素子１１４に互いに逆向きの磁束を入力させるので、発生するホール起電力は相殺されて略零となる。したがって、回転角センサ１００は、ホール起電力信号Ｖ_Ｚを算出することで、ＸＺ面に平行な方向の磁場ベクトルＨ_ＸＺ（Ｈ_Ｘ，０，Ｈ_Ｚ）が入力しても、Ｚ軸方向の磁場ベクトルの成分Ｈ_Ｚ（０，０，Ｈ_Ｚ）に応じたホール起電力を算出することができる。

また、第１ホール素子１１２および第２ホール素子１１４は、Ｙ軸方向の磁場には感度がなく、また、磁気収束板１３０は、理想的にはＹ軸方向の磁場をＺ軸方向には変換しない。したがって、回転角センサ１００は、ホール起電力信号Ｖ_Ｚを算出することで、直交する３つの各成分が零ではない（任意の方向の）磁場ベクトルＨ_ＸＹＺ（Ｈ_Ｘ，Ｈ_Ｙ，Ｈ_Ｚ）が入力しても、Ｚ軸方向の磁場ベクトルの成分Ｈ_Ｚ（０，０，Ｈ_Ｚ）に応じたホール起電力を算出することができる。

以上のように、回転角センサ１００は、第１ホール素子対１１０の出力信号に基づき、入力する磁場ベクトルＨ_ＸＹＺ（Ｈ_Ｘ，Ｈ_Ｙ，Ｈ_Ｚ）のＸ軸成分Ｈ_Ｘ（Ｈ_Ｘ，０，０）およびＺ軸成分Ｈ_Ｚ（０，０，Ｈ_Ｚ）に対応するホール起電力信号Ｖ_ＸおよびＶ_Ｚを算出する。即ち、回転角センサ１００は、ＸＺ面と水平な方向の磁場に対応する起電力を、Ｘ軸成分およびＺ軸成分に分解して算出することができる。したがって、回転角センサ１００は、例えば、回転軸をＹ軸と平行にした回転磁石の、ＸＺ面と平行な面における回転による磁場を検出して回転角を算出することができる。回転磁石の磁場の検出については、後述する。

以上のように、Ｘ軸方向に配列した第１ホール素子対１１０によるＺ軸方向の磁場の検出と同様に、Ｙ軸方向に配列した第２ホール素子対１２０は、Ｚ軸方向の磁場を検出することもできる。また、第２ホール素子対１２０は、Ｙ軸方向の磁場ベクトルの成分Ｈ_Ｙ（０，Ｈ_Ｙ，０）を検出することができるので、回転角センサ１００は、第１ホール素子対１１０および第２ホール素子対１２０を用いることで、ＸＹＺ軸の三次元の磁場を検出する磁気センサとなる。ここで、回転角センサ１００は、第１ホール素子対１１０を用いてＸ軸成分Ｈ_Ｘを算出し、第２ホール素子対１２０を用いてＹ軸成分Ｈ_ＹおよびＺ軸成分Ｈ_Ｚを算出してもよい。

以上の本実施形態の回転角センサ１００は、Ｙ軸方向に配列した第２ホール素子対１２０を備え、磁場ベクトルのＹ成分を算出することを説明した。これに代えて、回転角センサ１００は、第１ホール素子対１１０および第３ホール素子１２２を備え、３つのホール素子の出力から、三次元の磁場を検出してもよい。

即ち、回転角センサ１００は、第１ホール素子対１１０を用いて、磁場ベクトルＨ_ＸＹＺのＸ軸成分Ｈ_ＸおよびＺ軸成分Ｈ_Ｚを取得し、第３ホール素子１２２からＹＺ軸成分Ｈ_ＹＺ（０，Ｈ_Ｙ，Ｈ_Ｚ）を取得することができる。ここで、第３ホール素子１２２の出力は、Ｙ軸成分Ｈ_ＹとＺ軸成分Ｈ_Ｚの合成であるから、第１ホール素子対１１０によって得られるＺ軸成分Ｈ_Ｚを用いて、Ｙ軸成分Ｈ_Ｙを算出することができる。このように、回転角センサ１００は、第２ホール素子対１２０に代えて、１つのホール素子を備える構成にしても、三次元の磁場を検出することができる。

図４は、本実施形態に係る回転角センサ１００が回転磁石３０の回転角を検出する構成例を示す。図４において、回転角センサ１００が基板２０に実装された例を示す。基板２０は、一例として、電子部品等が固定されて配線されるプリント基板であり、ホール起電力算出部１４０、回転角算出部１５０、および検出部１６０がＩＣチップ１０内部に形成されない場合、当該プリント基板上に各部が実装されてもよい。基板２０は、ＩＣチップ１０の端子１２とボンディング等によって、ＩＣチップ１０内部の回路と電気的に接続されてよい。

回転磁石３０は、Ｙ軸方向と平行な回転軸３２を中心に回転する。また、回転磁石３０は、一例として、円柱状に形成され、Ｎ極およびＳ極が当該円柱のＸＺ断面において半円形状の例を説明する。

ここで、回転磁石３０の回転軸３２の方向が、第１方向と垂直な第２方向と平行になるように第１ホール素子対１１０が配置される。一例として、回転磁石３０の回転軸３２の方向は、第２ホール素子対１２０が配置される第２方向（Ｙ軸方向）を第１方向および第２方向と垂直な第３方向（Ｚ軸方向）にずらした方向と一致する。即ち、回転磁石３０回転軸３２のＸＹ面に対して垂直下向き（−Ｚ軸方向）に、第２ホール素子対１２０が配置される。

第１ホール素子対１１０および第２ホール素子対１２０は、回転磁石３０の回転軸３２の方向において、回転磁石３０が位置する範囲内に設けられる。即ち、第１ホール素子対１１０および第２ホール素子対１２０のＹ軸上の位置は、図４における回転磁石３０が位置する範囲Ｌ内に配置される。また、回転磁石３０の軸方向における中間点を通る面（図４の点線を含む面）は、回転角センサ１００のＸＺ面と一致することが望ましい。

以上のように、回転磁石３０に対して配置された回転角センサ１００には、回転磁石３０のＮ極およびＳ極によって発生するＸＺ面に平行な磁場が入力され、Ｙ軸方向と平行な磁場の入力は略零となる。したがって、回転角センサ１００は、例えば、第１ホール素子対１１０を用いて、入力する磁場のＸ軸成分およびＺ軸成分をホール起電力から検出し、電気信号ベクトル（Ｖ_Ｘ，０，Ｖ_Ｚ）に磁電変換することができる。

ここで、回転角センサ１００に入力する磁場（Ｈ_Ｘ，０，Ｈ_Ｚ）は、回転磁石３０のＮ極およびＳ極の回転軸に対する位置（即ち回転磁石３０の回転角）に応じて変化するので、回転角算出部１５０は、変換した電気信号ベクトル（Ｖ_Ｘ，０，Ｖ_Ｚ）に対応する回転磁石３０の回転角を算出することができる。例えば、図４に示したように、回転磁石３０のＮ極およびＳ極の境界面が、ＹＺ面と略一致する場合、Ｎ極からＳ極への磁力線は回転角センサ１００においては＋Ｘ軸方向の磁場（Ｈ_Ｘ，０，０）として入力される。

そして、回転角センサ１００は、対応する電気信号ベクトル（Ｖ_Ｘ，０，０）に変換し、回転角算出部１５０は、回転磁石３０の回転角φを算出する。回転角算出部１５０は、一例として、電気信号ベクトル（０，０，Ｖ_Ｚ）の回転角φを０°として、電気信号ベクトル（Ｖ_Ｘ，０，０）の回転角φを＋９０°と算出する。このように、回転角算出部１５０は、電気信号ベクトルのＸ成分およびＺ成分に応じて、回転角φを算出することができる。

また、回転角センサ１００および回転磁石３０の配置が正常の場合、回転角センサ１００に入力するＹ軸方向の磁場は略零となるので、検出部１６０は、磁場のＹ軸成分の検出結果に応じて回転磁石３０の位置ずれを検出することができる。また、検出部１６０は、検出した回転磁石３０の回転軸方向のずれが予め定められた値を超えた場合に、回転磁石３０が故障したことを判断してもよい。

図５は、図４に示した回転磁石３０が故障した場合の一例を示す。図５は、回転磁石３０が−Ｙ軸方向にずれた状態を示す。一例として、図５は、回転軸方向において回転磁石３０が位置する範囲Ｌの外側に回転角センサ１００の一部が配置される程度に、回転磁石３０がずれた状態を示す。

このように、回転磁石３０がずれた場合、当該回転磁石３０のＸＺ面と平行な側面からの磁力線が回転角センサ１００に入力することになる。即ち、回転角センサ１００は、回転磁石３０から発生する磁力線のＹ軸方向の成分が入力されることになる。また、回転磁石３０のＹ軸方向のずれ量が大きくなることに応じて、回転角センサ１００に入力する磁力線のＹ軸方向の成分が増加する。そこで、検出部１６０は、第２ホール素子対１２０または第３ホール素子１２２の出力信号に基づいて、回転磁石３０の回転軸方向のずれを検出することができる。

図６は、本実施形態に係る回転角センサ１００が回転磁石３０の回転角を検出する変形例を示す。また、図７は、図６に示した回転磁石３０の断面の構成例を示す。本変形例の回転角センサ１００および回転磁石３０において、図４に示された本実施形態に係る回転角センサ１００および回転磁石３０の動作と略同一のものには同一の符号を付け、説明を省略する。

本変形例の回転磁石３０は、回転軸を中心とした円筒形状の磁気ヨーク３４の内壁に形成される。磁気ヨーク３４は、一例として、保磁力が比較的小さく透磁率が比較的大きい軟磁性材料を含み、磁力線の経路を制御する。

また、第１ホール素子対１１０、第２ホール素子対１２０、および磁気収束板１３０は、当該円筒形状の磁気ヨーク３４の内部に配置される。回転角センサ１００は、一例として、基板２０に実装され、当該基板２０ごと磁気ヨーク３４の内部に配置される。また、基板２０は、固定子２２を有し、当該固定子２２が磁気ヨーク３４の外部に固定されてよい。

回転磁石３０は、Ｙ軸方向と平行な回転軸を中心に磁気ヨーク３４と共に回転する。回転磁石３０は、Ｙ軸を中心に回転することが望ましい。図６および図７は、回転磁石３０がＹ軸を中心に回転する例を示す。第１ホール素子対１１０および第２ホール素子対１２０のＹ軸上の位置は、図６における回転磁石３０が位置する範囲Ｌ内に配置される。また、回転磁石３０の軸方向における中間点を通る面（図６の点線を含む面）は、回転角センサ１００のＸＺ面と一致することが望ましい。

以上のように、回転磁石３０に対して配置された回転角センサ１００には、回転磁石３０のＮ極およびＳ極によって発生するＸＺ面に平行な磁場が入力され、Ｙ軸方向と平行な磁場の入力は略零となる。したがって、回転角センサ１００は、例えば、第１ホール素子対１１０を用いて、入力する磁場のＸ軸成分およびＺ軸成分に対応するホール起電力を算出することで、電気信号ベクトル（Ｖ_Ｘ，０，Ｖ_Ｚ）に磁電変換することができる。

例えば、図７に示したように、回転磁石３０のＮ極からＳ極への磁力線は、回転角センサ１００においては−Ｘ軸方向の成分および＋Ｚ軸方向の成分を有する磁場（−Ｈ_Ｘ，０，＋Ｈ_Ｚ）として入力される（本例では、｜Ｈ_Ｘ｜＝｜Ｈ_Ｚ｜とする）。そして、回転角センサ１００は、対応する電気信号ベクトル（−Ｖ_Ｘ，０，＋Ｖ_Ｚ）に変換し、回転角算出部１５０は、回転磁石３０の回転角φを算出する（本例では、｜Ｖ_Ｘ｜＝｜Ｖ_Ｚ｜と変換する）。

回転角算出部１５０は、一例として、電気信号ベクトル（０，０，Ｖ_Ｚ）の回転角φを０°として、電気信号ベクトル（−Ｖ_Ｘ，０，＋Ｖ_Ｚ）の回転角φを−４５°と算出する。このように、回転角算出部１５０は、電気信号ベクトルのＸ成分およびＺ成分に応じて、回転角φを算出することができる。

また、回転角センサ１００および回転磁石３０の配置が正常の場合、回転角センサ１００に入力するＹ軸方向の磁場は略零となるので、検出部１６０は、磁場のＹ軸成分の算出結果に応じて回転磁石３０の位置ずれを検出することができる。また、検出部１６０は、検出した回転磁石３０の回転軸方向のずれが予め定められた値を超えた場合に、回転磁石３０が故障したことを判断してもよい。

図８は、図６に示した回転磁石３０が故障した場合の一例を示す。図８は、回転磁石３０および磁気ヨーク３４が−Ｙ軸方向にずれた状態を示す。一例として、図８は、回転軸方向において回転磁石３０が位置する範囲Ｌの外側に回転角センサ１００の一部が配置される程度に、回転磁石３０がずれた状態を示す。

このように、回転磁石３０がずれた場合、当該回転磁石３０のＸＺ面と平行な側面からの磁力線が回転角センサ１００に入力することになる。即ち、回転角センサ１００は、回転磁石３０から発生する磁力線のＹ軸方向の成分が入力されることになる。また、回転磁石３０のＹ軸方向のずれ量が大きくなることに応じて、磁力線のＹ軸方向の成分の回転角センサ１００への入力が増加する。そこで、検出部１６０は、第２ホール素子対１２０または第３ホール素子１２２の出力信号に基づいて、回転磁石３０の回転軸方向のずれを検出することができる。

図９は、本実施形態に係る回転角センサ１００の構成例を示す。図９において、磁気収束板１３０の記載を省略した。第１ホール素子１１２、第２ホール素子１１４、第３ホール素子１２２、および第４ホール素子１２４は、それぞれ電流源２０２、電流源２０４、電流源２０６、および電流源２０８に接続され、予め定められた電流が流れる。各ホール素子は、当該電流と入力する磁場に応じたホール起電力をそれぞれ出力する。例えば、第１ホール素子１１２のホール起電力Ｖ_ｓｉｇ（Ｈａｌｌ，Ｘ１）は、電流および入力磁場の両方に直交する第１ホール素子１１２の電極間の電圧（例えば、Ｖ_ｓｉｇ（Ｈａｌｌ，Ｘ１）＋とＶ_ｓｉｇ（Ｈａｌｌ，Ｘ１）−の電圧の差分）となる。

第１ホール素子１１２、第２ホール素子１１４、第３ホール素子１２２、および第４ホール素子１２４は、ホール起電力算出部１４０に接続され、それぞれの出力電圧をホール起電力算出部１４０に供給する。ホール起電力算出部１４０は、スイッチ部２１０と、増幅部２２０と、ＡＤ変換部２３０と、第１レジスタ２４２と、第２レジスタ２４４と、第３レジスタ２４６とを有する。

スイッチ部２１０は、各ホール素子から増幅部２２０への接続を切り替える。スイッチ部２１０は、例えば、第１ホール素子１１２および第２ホール素子１１４を増幅部２２０に接続して、第１ホール素子対１１０の各出力電圧を増幅部２２０に供給する。また、上記の例とは別の場合において、スイッチ部２１０は、第３ホール素子１２２および第４ホール素子１２４を増幅部２２０に接続して、第２ホール素子対１２０の各出力電圧を増幅部２２０に供給する。

増幅部２２０は、受け取った信号の差または和に応じた増幅信号を出力する。また、増幅部２２０は、受け取った信号を増幅して出力してもよい。増幅部２２０は、増幅率Ｇの差動増幅器を含んでよい。例えば、ホール起電力算出部１４０がホール起電力信号Ｖ_Ｘを算出する場合、スイッチ部２１０は、第１ホール素子１１２および第２ホール素子１１４を増幅部２２０に接続し、増幅部２２０は、受け取った信号の差を増幅した増幅信号を出力する。

この場合、増幅部２２０への入力信号は、第１ホール素子１１２のホール起電力Ｖ_ｓｉｇ（Ｈａｌｌ，Ｘ１）および第２ホール素子１１４のホール起電力Ｖ_ｓｉｇ（Ｈａｌｌ，Ｘ２）となるので、増幅部２２０は、次式のように、数６式で示すホール起電力信号Ｖ_Ｘの定数倍の値の信号Ｖ_Ｘｏｕｔを出力する。

また、ホール起電力算出部１４０がホール起電力信号Ｖ_Ｚを算出する場合、スイッチ部２１０は、第１ホール素子１１２および第２ホール素子１１４を増幅部２２０に接続し、増幅部２２０は、受け取った信号の和を増幅した増幅信号を出力する。即ち、増幅部２２０は、次式のように、数９式で示すホール起電力信号Ｖ_Ｚの定数倍の値の信号Ｖ_Ｚｏｕｔを出力する。

同様に、ホール起電力算出部１４０がホール起電力信号Ｖ_Ｙを算出する場合、スイッチ部２１０は、第３ホール素子１２２および第４ホール素子１２４を増幅部２２０に接続し、増幅部２２０は、受け取った信号の差を増幅した増幅信号を出力する。即ち、増幅部２２０は、次式のように、数７式で示すホール起電力信号Ｖ_Ｙの定数倍の値の信号Ｖ_Ｙｏｕｔを出力することができる。

ここで、ホール起電力算出部１４０がホール起電力信号Ｖ_Ｚを算出する場合、スイッチ部２１０は、第３ホール素子１２２および第４ホール素子１２４を増幅部２２０に接続し、増幅部２２０は、受け取った信号の和を増幅した増幅信号を出力してもよい。増幅部２２０は、以上のように算出したホール起電力信号を、それぞれＡＤ変換部２３０に供給する。

ＡＤ変換部２３０は、増幅部２２０に接続され、受け取ったホール起電力信号をデジタル信号に変換する。ＡＤ変換部２３０は、変換したデジタル信号をレジスタに供給する。ＡＤ変換部２３０は、例えば、ホール起電力信号Ｖ_Ｘｏｕｔを第１レジスタ２４２に、ホール起電力信号Ｖ_Ｚｏｕｔを第２レジスタ２４４に、ホール起電力信号Ｖ_Ｙｏｕｔを第３レジスタ２４６に、それぞれ供給する。

第１レジスタ２４２、第２レジスタ２４４、および第３レジスタ２４６は、それぞれＡＤ変換部２３０に接続され、ＡＤ変換部２３０から供給されるホール起電力信号を記憶する。各レジスタは、一例として、回転角算出部１５０および検出部１６０の読み出し要求等に応じて、記憶したホール起電力信号を要求元に供給する。

回転角算出部１５０は、第１レジスタ２４２および第２レジスタ２４４に接続され、ホール起電力信号Ｖ_Ｘｏｕｔおよびホール起電力信号Ｖ_Ｚｏｕｔを取得する。回転角算出部１５０は、ホール起電力信号Ｖ_Ｘｏｕｔおよびホール起電力信号Ｖ_Ｚｏｕｔに基づき、回転磁石３０の回転角φを算出する。

ここで、回転角算出部１５０は、磁気収束板１３０のＸ軸方向およびＹ軸方向の磁気収束効果の差、増幅部２２０の増幅率、および伝送損失等に応じて、取得したホール起電力信号をそれぞれ規格化（予め定められた定数を用いて定数倍）してよい。これにより、回転角算出部１５０は、入力する磁場ベクトルＨ_ＸおよびＨ_Ｚに対応するホール起電力信号Ｖ_ＸおよびＶ_Ｚを取得し、例えば、ａｒｃｔａｎ（Ｖ_Ｘ／Ｖ_Ｚ）等を算出して、回転磁石３０のＸＺ面と平行な面における回転角φを算出することができる。

ここで、ホール起電力算出部１４０が第１ホール素子対１１０のホール起電力に基づいてホール起電力信号Ｖ_ＸｏｕｔおよびＶ_Ｚｏｕｔを算出した場合、回転角算出部１５０は、第１ホール素子対１１０の出力信号に基づいて、回転磁石３０の回転角φを算出することになる。また、ホール起電力算出部１４０が第１ホール素子対１１０および第２ホール素子対１２０のホール起電力に基づいてホール起電力信号Ｖ_ＸｏｕｔおよびＶ_Ｚｏｕｔを算出した場合、回転角算出部１５０は、第１ホール素子対１１０および第２ホール素子対１２０の出力信号に基づいて、回転磁石３０の回転角φを算出することになる。

検出部１６０は、第３レジスタ２４６に接続され、ホール起電力信号Ｖ_Ｙｏｕｔを取得する。検出部１６０は、ホール起電力信号Ｖ_Ｙｏｕｔの値に応じて、回転磁石３０のＹ軸方向のずれを検出する。また、検出部１６０は、ホール起電力信号Ｖ_Ｙｏｕｔが予め定められた値を超えた場合に、回転磁石３０が故障を判断してよい。また、検出部１６０は、回転磁石３０の故障を判断した場合に、当該故障を通知するエラー信号を出力してよい。

図１０は、本実施形態に係る回転角センサ１００の変形例を示す。本変形例の回転角センサ１００において、図９に示された本実施形態に係る回転角センサ１００の動作と略同一のものには同一の符号を付け、説明を省略する。本変形例の回転角センサ１００のホール起電力算出部１４０は、第４レジスタ２４８を更に有する。

本変形例のスイッチ部２１０が第３ホール素子１２２および第４ホール素子１２４を増幅部２２０に接続した場合、増幅部２２０は、受け取った２つの信号を増幅した増幅信号を出力する。即ち、増幅部２２０は、次式のように、第３ホール素子１２２および第４ホール素子１２４のホール起電力信号Ｖ_ｏｕｔ（Ｈａｌｌ，Ｙ１）およびＶ_ｏｕｔ（Ｈａｌｌ，Ｙ２）を出力する。即ち、各ホール起電力信号は、各ホール素子に入力するＹ軸方向およびＺ軸方向の合成磁場に応じた起電力信号となる。

ＡＤ変換部２３０は、数１３式で示されるホール起電力信号Ｖ_ｏｕｔ（Ｈａｌｌ，Ｙ１）およびＶ_ｏｕｔ（Ｈａｌｌ，Ｙ２）をデジタル信号に変換して、第３レジスタ２４６および第４レジスタ２４８に供給する。一例として、本変形例の第３レジスタ２４６は、ホール起電力信号Ｖ_ｏｕｔ（Ｈａｌｌ，Ｙ１）を記憶し、第４レジスタ２４８は、ホール起電力信号Ｖ_ｏｕｔ（Ｈａｌｌ，Ｙ２）を記憶する。

そして、本変形例の検出部１６０は、第３ホール素子１２２と第４ホール素子１２４の出力信号とを比較し、比較結果に基づき回転磁石３０の回転軸方向のずれを検出する。検出部１６０の検出動作については図１１および図１２を用いて説明する。

図１１は、回転磁石３０が正常な状態における第２ホール素子対１２０のホール起電力の一例を示す。図１１の横軸は、回転磁石３０の回転角φであり、縦軸はホール起電力（例えば、電圧値）である。また、図１１において、破線は、Ｚ軸方向の磁場に対応するホール起電力であり、一例として、数１３式の第１項（即ち、１．１・Ｇ・Ｓ・Ｍｕ，ｚｚ・Ｈｚ）である。

また、図１１において、実線で示した第１信号は第３ホール素子１２２のホール起電力信号Ｖ_ｏｕｔ（Ｈａｌｌ，Ｙ１）を、一点鎖線示した第２信号は第４ホール素子１２４のホール起電力信号Ｖ_ｏｕｔ（Ｈａｌｌ，Ｙ２）を示す。回転磁石３０が正常な場合、回転角センサ１００に入力するＹ軸方向の成分は略零なので、第１信号および第２信号は、Ｚ軸方向のホール起電力と略等しくなる。

図１２は、回転磁石３０が故障した状態における第２ホール素子対１２０のホール起電力の一例を示す。図５または図８に示すように、回転磁石３０が故障した場合、回転角センサ１００に入力するＹ軸方向の成分が有限となるので、第１信号および第２信号は、Ｚ軸方向のホール起電力とは入力するＹ軸方向の成分の分だけ異なる結果となる。そこで、検出部１６０は、第１信号および第２信号を比較することにより、回転磁石３０の故障を検出することができる。

例えば、検出部１６０は、第２ホール素子対１２０の出力信号の差分に基づいて、回転磁石３０の回転軸方向のずれを検出する。また、検出部１６０は、第１信号および第２信号の差分が、予め定められた値を超えたことに応じて、回転磁石３０の故障を検出する。

これに代えて、検出部１６０は、第３ホール素子１２２および第４ホール素子１２４のうち一方の出力信号にオフセットを加えた信号と他方の出力信号とを比較して、回転軸方向のずれを検出してもよい。例えば、検出部１６０は、第１信号および第２信号の差分（第１信号−第２信号）が故障か否かを判断する予め定められた閾値を、当該オフセットの値とし、第２信号に加える。

検出部１６０は、オフセットを加えた第２信号が第１信号よりも小さい場合、回転磁石が故障したことを判断する。すなわち、第１信号がＹ軸方向の入力磁場によって増加し、第２信号がＹ軸方向の入力磁場によって減少し、第１信号が第２信号よりも大きくなった場合、検出部１６０は、当該オフセットを超えるＹ軸方向の磁場が入力されたと判断して、回転磁石３０の故障を検出する。

以上のように、本実施形態の回転角センサ１００は、入力する磁場に対応する、互いに直交するＸＹＺ軸方向のホール起電力信号を算出することができる。そして、回転角センサ１００は、各ホール起電力信号に基づき、Ｙ軸方向と平行な回転軸を中心とした回転磁石３０の回転角φを算出しつつ、当該回転磁石３０のＹ軸方向のずれを検出することができる。また、回転角センサ１００は、Ｙ軸方向のずれ量に基づき、回転磁石３０の故障を検出することができ、エラー信号を発生させて当該故障を速やかに通知することができる。

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

特許請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。

１０ ＩＣチップ、１２ 端子、２０ 基板、２２ 固定子、３０ 回転磁石、３２ 回転軸、３４ 磁気ヨーク、１００ 回転角センサ、１１０ 第１ホール素子対、１１２ 第１ホール素子、１１４ 第２ホール素子、１２０ 第２ホール素子対、１２２ 第３ホール素子、１２４ 第４ホール素子、１３０ 磁気収束板、１４０ ホール起電力算出部、１５０ 回転角算出部、１６０ 検出部、２０２ 電流源、２０４ 電流源、２０６ 電流源、２０８ 電流源、２１０ スイッチ部、２２０ 増幅部、２３０ ＡＤ変換部、２４２ 第１レジスタ、２４４ 第２レジスタ、２４６ 第３レジスタ、２４８ 第４レジスタ

Claims (15)

1. 回転軸を中心に回転する回転磁石が前記回転軸方向において位置する範囲内に設けられた、第１ホール素子と第２ホール素子とを有する第１ホール素子対および第３ホール素子と、
   前記第１ホール素子対および前記第３ホール素子の上方に配置された磁気収束板と、
   前記第１ホール素子対の出力信号に基づいて、前記回転磁石の回転角を算出する回転角算出部と、
   前記第３ホール素子の出力信号に基づいて、前記回転磁石の前記回転軸方向のずれを検出する検出部と、
   を備える非接触回転角センサ。
2. 前記第１ホール素子対は第１方向に配置され、
   前記回転磁石の前記回転軸方向が、前記第１方向と垂直な第２方向と平行になるように前記第１ホール素子対が配置される請求項１に記載の非接触回転角センサ。
3. 第４ホール素子を更に備え、
   前記第３ホール素子および前記第４ホール素子は、第２ホール素子対を形成して前記第２方向に配置される請求項２に記載の非接触回転角センサ。
4. 前記回転角算出部は、更に前記第２ホール素子対の出力信号に基づいて、前記回転磁石の回転角を算出する請求項３に記載の非接触回転角センサ。
5. 前記検出部は、前記第２ホール素子対の出力信号の差分に基づいて、前記回転軸方向のずれを検出する請求項３または４に記載の非接触回転角センサ。
6. 前記検出部は、前記第３ホール素子と前記第４ホール素子の出力信号とを比較し、比較結果に基づき前記回転軸方向のずれを検出する請求項３から５のいずれか一項に記載の非接触回転角センサ。
7. 前記検出部は、前記第３ホール素子および前記第４ホール素子のうち一方の出力信号にオフセットを加えた信号と他方の出力信号とを比較して、前記回転軸方向のずれを検出する請求項６に記載の非接触回転角センサ。
8. 前記検出部は、前記オフセットを加えた信号が前記他方の出力信号よりも小さい場合、前記回転磁石が故障したことを判断する請求項７に記載の非接触回転角センサ。
9. 前記検出部は、検出した前記回転軸方向のずれが予め定められた値を超えた場合に、前記回転磁石が故障したことを判断する請求項３から８のいずれか一項に記載の非接触回転角センサ。
10. 前記検出部は、前記回転磁石の故障を判断した場合に、当該故障を通知するエラー信号を出力する請求項９に記載の非接触回転角センサ。
11. 前記回転磁石の前記回転軸方向は、前記第２ホール素子対が配置される前記第２方向を前記第１方向および前記第２方向と垂直な第３方向にずらした方向と一致する請求項３から１０のいずれか一項に記載の非接触回転角センサ。
12. 前記回転磁石は、前記回転軸を中心とした円筒形状の磁気ヨークの内壁に形成され、
    前記第１ホール素子対、前記第２ホール素子対、および前記磁気収束板は、当該円筒形状の前記磁気ヨークの内部に配置される請求項３から８のいずれか一項に記載の非接触回転角センサ。
13. 回転磁石の回転軸方向において前記回転磁石が位置する範囲内に設けられたホール素子対と、
    前記ホール素子対の上方に配置された磁気収束板と、
    前記回転磁石の回転角情報を出力する回転角情報出力部と、
    前記回転磁石が前記回転軸の方向にずれた場合に、エラー信号を出力するエラー信号出力部と、
    を備える非接触回転角センサ。
14. 前記ホール素子対は、前記回転磁石の回転軸方向の磁場を検出し、
    前記エラー信号出力部は、前記回転軸方向の磁場に基づき、エラー信号を出力する請求項１３に記載の非接触回転角センサ。
15. 前記ホール素子対は、前記回転磁石の前記回転軸方向と垂直な面と平行な方向の磁場を検出し、
    前記回転角情報出力部は、前記回転軸方向と垂直な面と平行な磁場に基づいて、前記回転角情報を出力する請求項１３または１４に記載の非接触回転角センサ。

Images