JP2016114502A - Rotation sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、回転体の回転速度を検出する回転センサに関する。 The present invention relates to a rotation sensor that detects a rotation speed of a rotating body.
従来、回転体の回転角や回転速度を検出するためにセンサが利用されてきた。この種のセンサには、回転体の周方向に沿って互いに異なる磁極が隣接するように配置された磁石に起因した磁束密度や磁界の強さを検出することで回転体の回転角や回転速度を検出するものがある。この種のセンサとして、下記に出典を示す特許文献1及び2に記載のものがある。
Conventionally, sensors have been used to detect the rotation angle and rotation speed of a rotating body. This type of sensor detects the rotation angle and rotation speed of a rotating body by detecting the magnetic flux density and the strength of the magnetic field caused by magnets arranged such that different magnetic poles are adjacent to each other along the circumferential direction of the rotating body. There is something to detect. As this type of sensor, there are sensors described in
特許文献1に記載の非接触回転角検出装置は、少なくとも2つのセンサ素子を有して構成される。一方のセンサ素子は磁気抵抗効果を利用して作動され、他方のセンサ素子はホール効果を利用して作動される。これら2つのセンサ素子の出力信号は相互に結合し、結合された信号に基づき回転角を検出する。
The non-contact rotation angle detection device described in
特許文献2に記載の回転センサは、2つの異方性磁気抵抗センサと、2つのホール素子とを備えて構成される。ホール素子は、絶縁膜を介して異方性磁気抵抗センサの磁気抵抗素子に積層して配置される。 The rotation sensor described in Patent Document 2 includes two anisotropic magnetoresistive sensors and two Hall elements. The Hall element is disposed by being laminated on the magnetoresistive element of the anisotropic magnetoresistive sensor via an insulating film.
特許文献1に記載の非接触回転角検出装置は、磁気抵抗効果を利用したセンサで磁場と回転角度センサとの角度を検出し、ホール効果を利用したセンサで角度センサが動作する領域を識別する。また、特許文献2に記載の回転センサは、一方のセンサから出力される正弦波信号に基づいて当該正弦波信号に含まれる基準角度からのズレを測定し、他方のセンサから出力される余弦波信号に基づいて当該余弦波信号に含まれる基準角度からのズレを測定する。このように、特許文献1及び2の記載の技術は、複数のセンサから出力される信号を、角度センサが動作する領域の識別に利用したり、信号のズレの測定に利用したりする。このため、回転方向を検出するに際し、種々の信号解析を行うための処理部を備えており、複雑な構造となってしまう。
The non-contact rotation angle detection device described in
本発明の目的は、上記問題に鑑み、簡素な構成で精度良く回転速度を検出することが可能な回転センサを提供することにある。 In view of the above problems, an object of the present invention is to provide a rotation sensor capable of accurately detecting a rotation speed with a simple configuration.
上記目的を達成するための本発明に係る回転センサの特徴構成は、周方向に沿って複数の磁石が設けられた回転体の外周面又は前記回転体の軸方向一方の端面において前記磁石に対向して配置され、前記磁石の外面に垂直な磁束密度を検出するホール素子と、前記ホール素子が配置された前記回転体の外周面又は前記回転体の軸方向一方の端面において前記磁石に対向して配置され、前記磁石の外面に平行な磁力線に基づく磁界の強さを検出する磁気抵抗効果素子と、前記ホール素子から検出結果として出力される検出信号と、前記磁気抵抗効果素子から検出結果として出力される検出信号との位相差を演算する位相差演算部と、を備えている点にある。 In order to achieve the above object, the rotation sensor according to the present invention is characterized by facing the magnet on the outer peripheral surface of the rotating body provided with a plurality of magnets along the circumferential direction or on one end surface in the axial direction of the rotating body. And a Hall element that detects a magnetic flux density perpendicular to the outer surface of the magnet, and an outer peripheral surface of the rotating body on which the Hall element is disposed or one axial end surface of the rotating body is opposed to the magnet. A magnetoresistive effect element that detects the strength of a magnetic field based on a magnetic field line parallel to the outer surface of the magnet, a detection signal output as a detection result from the Hall element, and a detection result from the magnetoresistive element And a phase difference calculator that calculates a phase difference from the output detection signal.
このような特徴構成とすれば、ホール素子の磁束密度の検出方向を磁石の外面に対して垂直方向に設定し、磁気抵抗効果素子の磁界の強さの検出方向を前記磁石の外面に対して平行な方向に設定することができる。このため、ホール素子及び磁気抵抗効果素子は夫々の検出方向が互いに直交するように配置されるので、ホール素子及び磁気抵抗効果素子の夫々から検出結果として出力される検出信号は同じ周期で振幅し、且つ、ホール素子から検出結果として出力される検出信号と、磁気抵抗効果素子から検出結果として出力される検出信号との位相差が一定の位相差となる。したがって、位相差が一定であることを確認しつつ、ホール素子の検出結果及び磁気抵抗効果素子の検出結果の一方を用いて回転体の回転速度を検出することにより検出結果の信頼性を高めることができるので、簡素な構成で精度良く回転体の回転速度を検出することが可能となる。 With such a characteristic configuration, the detection direction of the magnetic flux density of the Hall element is set perpendicular to the outer surface of the magnet, and the detection direction of the magnetic field strength of the magnetoresistive effect element is set to the outer surface of the magnet. It can be set in a parallel direction. For this reason, since the Hall element and the magnetoresistive effect element are arranged so that their detection directions are orthogonal to each other, the detection signals output as detection results from the Hall element and the magnetoresistive effect element have the same period and amplitude. In addition, the phase difference between the detection signal output as the detection result from the Hall element and the detection signal output as the detection result from the magnetoresistive effect element is a constant phase difference. Therefore, the reliability of the detection result is improved by detecting the rotation speed of the rotating body using one of the detection result of the Hall element and the detection result of the magnetoresistive element while confirming that the phase difference is constant. Therefore, it is possible to accurately detect the rotational speed of the rotating body with a simple configuration.
また、前記位相差に基づいて、前記回転体の回転方向を検出する回転方向検出部を備えると好適である。 Further, it is preferable that a rotation direction detection unit that detects a rotation direction of the rotating body based on the phase difference is provided.
上述したように、ホール素子及び磁気抵抗効果素子は夫々の検出方向が互いに直交するように配置されるので、ホール素子及び磁気抵抗効果素子から検出結果として出力される検出信号は、所定の位相差を有することになる。したがって、本構成とすれば、ホール素子から検出結果として出力される検出信号と磁気抵抗効果素子から検出結果として出力される検出信号との位相差が進みであるか遅れであるかを検出することにより、回転体の回転方向を容易に特定することが可能となる。 As described above, since the Hall element and the magnetoresistive effect element are arranged so that their detection directions are orthogonal to each other, the detection signal output as a detection result from the Hall element and the magnetoresistive effect element has a predetermined phase difference. Will have. Therefore, with this configuration, it is possible to detect whether the phase difference between the detection signal output as the detection result from the Hall element and the detection signal output as the detection result from the magnetoresistive effect element is an advance or a delay. Thus, it is possible to easily specify the rotation direction of the rotating body.
また前記位相差に基づいて、前記ホール素子から検出結果として出力される検出信号、及び前記磁気抵抗効果素子から検出結果として出力される検出信号が異常であるか否かを判定する異常判定部を備えると好適である。 An abnormality determination unit that determines whether the detection signal output as the detection result from the Hall element and the detection signal output as the detection result from the magnetoresistive effect element are abnormal based on the phase difference. It is suitable to provide.
回転センサに異常がなければ、ホール素子及び磁気抵抗効果素子から検出結果として出力される検出信号は、所定の位相差を有して出力される。このため、ホール素子及び磁気抵抗効果素子から検出結果として出力される検出信号の位相差が所期の値からずれた場合には、回転センサが異常であると判定することができる。したがって、本構成のようにホール素子から検出結果として出力される検出信号と磁気抵抗効果素子から検出結果として出力される検出信号との位相差が所期の値に対してずれたか否かを判定することにより回転センサが異常であるか否かを容易に判定することが可能となる。 If there is no abnormality in the rotation sensor, detection signals output as detection results from the Hall element and the magnetoresistive effect element are output with a predetermined phase difference. For this reason, when the phase difference of the detection signal output as a detection result from the Hall element and the magnetoresistive effect element deviates from an intended value, it can be determined that the rotation sensor is abnormal. Therefore, as in this configuration, it is determined whether or not the phase difference between the detection signal output as the detection result from the Hall element and the detection signal output as the detection result from the magnetoresistive element deviates from the intended value. This makes it possible to easily determine whether or not the rotation sensor is abnormal.
本発明に係る回転センサは、精度良く回転体の回転速度を検出する機能を備えて簡素に構成される。以下、本実施形態の回転センサ1について説明する。回転センサ1は、ホール素子10、磁気抵抗効果素子20、信号処理部30がセンサICとして集積化されている。信号処理部30は、後述する位相差演算部32、回転方向検出部33、異常判定部34を備えて構成される。図1には、このような集積化された回転センサ1を透明化した斜視図が示される。
The rotation sensor according to the present invention is simply configured with a function of detecting the rotation speed of the rotating body with high accuracy. Hereinafter, the
図1に示されるように、ホール素子10、磁気抵抗効果素子20、信号処理部30は、リードフレーム70に搭載された状態で樹脂封入される。このように樹脂封入された部分はモールド部72にあたる。モールド部72にはリードフレーム70を構成する一対のリード端子71が延出して設けられる。リード端子71の一方は電源を供給する電源端子として用いられ、他方は基準電位及び出力結果を出力する出力端子として用いられる。
As shown in FIG. 1, the
このような回転センサ1は、回転体100の回転速度を検出するのに利用される。検出対象としての回転体100には、図2に示されるように、周方向に沿って互いに異なる磁極が隣接するように複数の磁石101が設けられる。これにより、回転体100が軸芯Xを回転軸とした回転に応じて当該回転体100の周囲に生じる磁石101に起因する磁力線が変化する。回転センサ1は、このように回転体100の回転に応じて変化する磁力線に基づく磁束密度及び磁界の強さを検出可能に配置される。
Such a
本実施形態では、磁石101は回転体100の外縁部102に設けられる。磁石101の上述した磁束密度及び磁界の強さを検出し易くするために、回転センサ1は回転体100の外周面103又は回転体100の軸方向一方の端面104において磁石101に対向して配置される。回転センサ1が回転体100の外周面103において磁石101に対向して設けられる場合には、回転センサ1は回転体100の径方向外側に生じる磁石101の磁力線に基づく磁束密度及び磁界の強さを検出することになる。一方、回転センサ1が回転体100の軸方向一方の端面104において磁石101に対向して設けられる場合には、回転センサ1は回転体100の軸方向一方の側に生じる磁石101の磁力線に基づく磁束密度及び磁界の強さを検出することになる。図2の例では、回転センサ1は回転体100の軸方向一方の端面104に対向して設けられる。
In the present embodiment, the
図3には、図2に示される回転センサ1及び回転体100のうち、Y方向視に一部を拡大した図が示される。ホール素子10は、磁石101の外面に垂直な磁束密度を検出する。磁石101の周囲には、図3に示されるような磁極(N極及びS極)に応じた磁力線が生じる。磁石101の外面とは、ホール素子10が対向する面であり、本実施形態では回転体100の軸方向一方の端面104に相当する。このため、外面に垂直な磁束密度とは、図3の例では符号MVが付されたZ方向の磁力線に基づく磁束密度である。したがって、ホール素子10は、磁束密度の検出方向が磁石101の外面に対して垂直な方向に一致して配置される。これにより、回転体100の回転に応じた磁石101の外面に垂直な方向の磁力線MVに基づく磁束密度を検出することが可能となる。
FIG. 3 shows a partially enlarged view of the
ここで、本実施形態では、磁気抵抗効果素子20はブリッジ回路を構成する4つの抵抗体を有してなる。これら4つの抵抗体からなる磁気抵抗効果素子20は図1及び図3に示されるようにホール素子10と積層して設けられる。したがって、磁気抵抗効果素子20は、ホール素子10が配置された回転体100の外周面103又は回転体100の軸方向一方の端面104において磁石101に対向して配置される。本実施形態では、上述したようにホール素子10は回転体100の軸方向一方の端面104において磁石101に対向して配置されるので、磁気抵抗効果素子20も回転体100の軸方向一方の端面104において磁石101に対向して配置される。
Here, in the present embodiment, the
磁気抵抗効果素子20は、磁石101の外面に平行な磁力線に基づく磁界の強さを検出する。磁石101の外面に平行な磁力線とは、図3においてX方向に平行な磁力線が相当する。図3の例では符号MHが付されたX方向の磁力線が相当し、以下では磁力線MHとして説明する。したがって、磁気抵抗効果素子20は、磁界の検出方向が磁石101の外面に対して平行な方向に一致して配置される。ここで、磁気抵抗効果素子20は、公知であるので詳細な説明は省略するが、磁気抵抗効果素子20は当該磁気抵抗効果素子20が配置された周囲の磁界の強さに応じて電気抵抗が変化する抵抗体である。したがって、このような抵抗体でブリッジ回路を構成し、ブリッジ回路の出力を測定することで磁界の強さを検出することができる。このような磁気抵抗効果素子20を用いることで、回転体100の回転に応じた磁石101の外面に平行な磁力線MHに基づく磁界の強さを検出することが可能となる。磁気抵抗効果素子20は、例えばGMR素子(巨大磁気抵抗効果素子)やTMR素子(トンネル磁気抵抗効果素子)等を用いることができる。
The
図4には、回転センサ1の信号処理部30の回路構成を示した図が示される。信号処理部30にはホール素子10及び磁気抵抗効果素子20が接続して設けられるが、上述したように、ホール素子10及び磁気抵抗効果素子20は信号処理部30と共に、モールド部72内に設けられる。
FIG. 4 is a diagram illustrating a circuit configuration of the
ホール素子10及び磁気抵抗効果素子20の出力は、夫々プリアンプ30Aに入力される。プリアンプ30Aでは、後述する演算部30Dの演算結果に応じてオフセット調整回路30Eによりオフセットが調整される。プリアンプ30Aの出力は、夫々メインアンプ30Bに入力され、所定の増幅率で信号増幅される。メインアンプ30Bでは、後述する演算部30Dの演算結果に応じて増幅率調整回路30Fにより設定された増幅率で信号増幅される。
The outputs of the
メインアンプ30Bの出力は、夫々ADコンバータ30Cに入力される。ホール素子10から検出結果として出力される検出信号、及び磁気抵抗効果素子20から検出結果として出力される検出信号は、夫々アナログ信号である。ADコンバータ30Cでは、このようなアナログ信号がデジタル信号に変換される。ADコンバータ30Cによりデジタル信号に変換された信号は、後述する演算部30Dに伝達される。
The outputs of the
演算部30Dは、閾値設定部31、位相差演算部32、回転方向検出部33、異常判定部34を有して構成される。ここで、本実施形態では、回転センサ1はホール素子10及び磁気抵抗効果素子20を備えて構成されるが、回転体100の回転速度はホール素子10及び磁気抵抗効果素子20の一方の素子の検出結果のみで検出することが可能である。本実施形態では、回転体100の回転速度は磁気抵抗効果素子20の検出結果を用いて検出する。このため、磁気抵抗効果素子20からの信号を増幅するメインアンプ30Bの出力がコンパレータ30Gに入力される。本実施形態では、増幅後の磁気抵抗効果素子20の検出信号がコンパレータ30Gの非反転端子に入力され、当該信号と比較される信号は閾値設定部31により設定され、反転端子に入力される。閾値設定部31により設定される閾値は、任意の値に設定することが可能であるが、例えば磁気抵抗効果素子20の検出信号の振幅に対して30%や70%等に設定すると好適である。これにより、一対のリード端子71のうちの一方からコンパレータ30Gの出力が出力され、当該出力に応じて回転体100の回転速度を検出することが可能となる。なお、コンパレータ30Gは、誤動作を防止するためにシュミットトリガ型のものを用いると好適である。
The
位相差演算部32は、ホール素子10から検出結果として出力される検出信号と、磁気抵抗効果素子20から検出結果として出力される検出信号との位相差を演算する。本実施形態では、上述したようにホール素子10は磁石101の外面に対して垂直方向の磁力線MVに基づく磁束密度を検出し、磁気抵抗効果素子20は磁石101の外面に対して平行な方向の磁力線MHに基づく磁界の強さを検出する。したがって、ホール素子10から出力される検出信号と、磁気抵抗効果素子20から出力される検出信号との間には、所定の位相差が生じる。位相差演算部32は、このような位相差を演算する。
The
ここで、本実施形態では、上述したように磁気抵抗効果素子20はホール素子10に
積層して設けられる。したがって、ホール素子10から出力される検出信号と、磁気抵抗効果素子20から出力される検出信号との位相差は図5の(a)に示されるように略90度となる。
Here, in the present embodiment, as described above, the
したがって、位相差演算部32により演算されたホール素子10から検出結果として出力される検出信号と、磁気抵抗効果素子20から検出結果として出力される検出信号との位相差が一定であることを確認することにより、ホール素子10の検出結果及び磁気抵抗効果素子20の検出結果が正確であることを認識でき、検出結果の信頼性を高めることができる。
Therefore, it is confirmed that the phase difference between the detection signal output as the detection result from the
回転方向検出部33は、このような位相差に基づいて、回転体100の回転方向を検出する。すなわち、図5の(a)のように磁気抵抗効果素子20の検出信号からホール素子10の検出信号が90度遅れて検出された場合には、回転体100が正方向に回転し、磁気抵抗効果素子20の検出信号からホール素子10の検出信号が90度進んで検出された場合には、回転体100が逆方向に回転しているとして回転方向を特定する。このように、本回転センサ1であれば、回転センサ1が1つのみ用いる場合であっても容易に回転体100の回転方向を検出することが可能である。
The rotation
また、異常判定部34は、位相差に基づいて、ホール素子10から検出結果として出力される検出信号、及び磁気抵抗効果素子20から検出結果として出力される検出信号が異常であるか否かを判定する。すなわち、上述のようにホール素子10の検出信号と、磁気抵抗効果素子20の検出信号とは、所定の位相差を有して検出される。したがって、位相差が大きくずれた場合や、ホール素子10の検出信号及び磁気抵抗効果素子20の検出信号のうち、先の検出信号に対して後の検出信号が所期の位相差で追従しない場合には、回転センサ1の何れかの部位が異常である、すなわち、回転センサ1が故障していると判定することができる。
In addition, the
次に、回転センサ1の検出結果について説明する。図5の(a)には、ホール素子10の検出信号と、磁気抵抗効果素子20の検出信号と、閾値設定部31により設定された閾値信号とが示される。回転方向検出部33がホール素子10の検出信号と磁気抵抗効果素子20の検出信号との位相差に基づき回転体100の回転方向が正方向であると特定した場合には、図5の(b)に示されるように、ホール素子10の検出信号が閾値信号を超えてから所定の期間(例えばT1)だけハイ信号を出力するように構成し、回転方向検出部33がホール素子10の検出信号と磁気抵抗効果素子20の検出信号との位相差に基づき回転体100の回転方向が逆方向であると特定した場合には、図5の(c)に示されるように、ホール素子10の検出信号が閾値信号を超えてから、回転方向が正方向の時とは異なる所定の期間(例えばT2)だけハイ信号を出力するように構成すると良い。これにより、コンパレータ30Gの出力信号においてハイ信号の周期を演算することで回転体100の回転速度を検出することができる。また、ハイ信号の長さに応じて回転体100の回転方向も示すことが可能となる。
Next, the detection result of the
また、異常判定部34により回転センサ1が異常であると判定された場合には、図5の(d)に示されるように、上述の期間(T1やT2)よりも長い期間(例えばT3)の間、ハイ信号を出力するように構成しても良いし、図5の(e)に示されるように、全く信号を出力しないように構成しても良い。
Further, when the
〔その他の実施形態〕
上記実施形態では、図2において、回転センサ1は回転体100の軸方向一方の端面104において磁石101に対向して配置されるとして図示したが、回転センサ1は回転体100の外周面103において磁石101に対向して配置しても良い。
[Other Embodiments]
In the above embodiment, in FIG. 2, the
上記実施形態では、回転方向検出部33がホール素子10の検出結果と磁気抵抗効果素子20の検出結果との位相差に基づいて、回転体100の回転方向を検出するとして説明したが、ホール素子10及び磁気抵抗効果素子20を二対設け、夫々の位相差により回転方向を検出しても良い。これにより、検出感度を高めることが可能となる。
In the above embodiment, the rotation
上記実施形態では、異常判定部34がホール素子10の検出結果と磁気抵抗効果素子20の検出結果との位相差に基づいて、回転体100が異常であるか否かを判定するとして説明したが、異常判定部34を設けずに回転センサ1を構成し、回転センサ1が異常であるか否かを判定しないよう構成することも可能である。
In the above embodiment, the
本発明は、回転体の回転速度を検出する回転センサに用いることが可能である。 The present invention can be used for a rotation sensor that detects the rotation speed of a rotating body.
1:回転センサ
10:ホール素子
20:磁気抵抗効果素子
32:位相差演算部
33:回転方向検出部
34:異常判定部
100:回転体
101:磁石
103:外周面
104:軸方向一方の端面
MH:磁力線
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1: Rotation sensor 10: Hall element 20: Magnetoresistive effect element 32: Phase difference calculating part 33: Rotation direction detection part 34: Abnormality determination part 100: Rotating body 101: Magnet 103: Outer peripheral surface 104: One axial end surface MH : Magnetic field lines
Claims (3)
前記ホール素子が配置された前記回転体の外周面又は前記回転体の軸方向一方の端面において前記磁石に対向して配置され、前記磁石の外面に平行な磁力線に基づく磁界の強さを検出する磁気抵抗効果素子と、
前記ホール素子から検出結果として出力される検出信号と、前記磁気抵抗効果素子から検出結果として出力される検出信号との位相差を演算する位相差演算部と、
を備える回転センサ。 A hole for detecting a magnetic flux density perpendicular to the outer surface of the magnet, arranged on the outer peripheral surface of the rotating body provided with a plurality of magnets along the circumferential direction or on one end surface in the axial direction of the rotating body. Elements,
Detecting the strength of the magnetic field based on the magnetic field lines arranged opposite to the magnet on the outer peripheral surface of the rotating body on which the Hall element is disposed or one axial end surface of the rotating body and parallel to the outer surface of the magnet. A magnetoresistive element;
A phase difference calculation unit for calculating a phase difference between a detection signal output as a detection result from the Hall element and a detection signal output as a detection result from the magnetoresistive element;
A rotation sensor.
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