JP2017142157A

JP2017142157A - 回転検出装置

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Publication number: JP2017142157A
Application number: JP2016023505A
Authority: JP
Inventors: 拓海吉谷; Takumi Yoshitani
Original assignee: Melexis Technologies NV
Current assignee: Melexis Technologies NV
Priority date: 2016-02-10
Filing date: 2016-02-10
Publication date: 2017-08-17
Anticipated expiration: 2036-02-10
Also published as: CN107064540A; CN107064540B; JP6566885B2; EP3211380B1; EP3211380A1

Abstract

【課題】磁束密度を検出する磁気センサにおいて、振動等によりギアの歯面と磁気センサとのエアギャップが周期的に変化する場合であっても、回転状態の誤検出の発生を防止してギアの回転を検出する回転検出装置を提供する。
【解決手段】回転検出装置６は、歯車３の歯面に向けて磁場を形成する磁石２と、歯車３との間に配置される磁気センサ１とを有し、磁気センサ１は、歯車３の円周方向における磁束密度に応じて信号を出力する少なくとも１対のホール素子と、歯車３の歯面との距離を無限遠にした場合のホール素子の出力する信号に基づいて第１の閾値を設定するＤＳＰとを備え、磁気センサ１のＤＳＰは、歯車３の回転に伴う磁束密度の変化に応じてホール素子が出力する信号と第１の閾値に基づいて歯車３の回転に応じた信号を出力する。
【選択図】図１

Description

本発明は、回転検出装置に関する。

従来の技術として、磁界角度の変化を測定してギアの回転を検出する回転検出装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１に開示された回転検出装置は、ギアの歯面に向けて磁場を形成する磁石と、ギアと磁石との間に配置されて、ギアの回転に伴う磁界角度の変化を検出する磁気センサを備える。ギアの回転に伴い、当該磁気センサの出力する信号が周期的に変化するため、ギアの回転数や角速度等を検出することができる。また、磁界角度の変化を検出するため、振動等によりギアの歯面と磁気センサとのエアギャップが周期的に変化する場合であっても、回転状態の誤検出の発生を防ぐことができる。

特開２０１１−１４１１３２号公報

しかし、特許文献１に示す回転検出装置は、磁気センサが磁束密度ではなく磁界角度の変化を検出するために、エアギャップが周期的に変化する場合であってもギアの回転状態の誤検出の発生を防ぐものの、磁束密度を検出する磁気センサを用いる場合には適用することができず、振動等によりギアの歯面と磁気センサとのエアギャップが周期的に変化する場合に誤検出の発生を防止できない、という問題がある。

従って、本発明の目的は、磁束密度を検出する磁気センサを用いた場合であって、振動等によりギアの歯面と磁気センサとのエアギャップが周期的に変化する場合であっても、回転状態の誤検出の発生を防止してギアの回転を検出する回転検出装置を提供することにある。

本発明の一態様は、上記目的を達成するため、以下の回転検出装置を提供する。

［１］歯車の歯面に向けて磁場を形成する磁石と、前記歯車との間に配置されるセンサとを有し、
前記センサは、前記歯車の円周方向における磁束密度に応じて信号を出力する少なくとも１対の磁気検出素子と、前記歯車の歯面との距離を無限遠にした場合の前記磁気検出素子の出力する信号に基づいて第１の閾値を設定するとともに、前記歯車の回転に伴う磁束密度の変化に応じて前記磁気検出素子が出力する信号と前記第１の閾値に基づいて前記歯車の回転に応じた信号を出力する信号処理部とを備える回転検出装置。
［２］前記センサの前記信号処理部は、前記第１の閾値と予め定めただけ大きい又は小さい第２の閾値を設定し、前記歯車の回転に伴う磁束密度の変化に応じて前記磁気検出素子が出力する信号と前記第１の閾値及び前記第２の閾値に基づいて前記歯車の回転に応じた信号を出力する前記［１］に記載の回転検出装置。
［３］歯車の歯面に向けて磁場を形成する磁石と、前記歯車との間に配置されるセンサとを有し、
前記センサは、前記歯車の円周方向における磁束密度に応じて信号を出力する少なくとも１対の磁気検出素子と、前記歯車の歯面との距離を無限遠にした場合の前記磁気検出素子の出力する信号に基づいて第１の閾値を設定するとともに、前記歯車の回転に伴う磁束密度の変化に応じて前記磁気検出素子が出力する信号と前記第１の閾値に基づいて前記歯車の回転を検出する信号処理部とを備える回転検出装置。

請求項１又は３に係る発明によれば、磁束密度を検出する磁気センサを用いた場合であって、振動等によりギアの歯面と磁気センサとのエアギャップが周期的に変化する場合であっても、回転状態の誤検出の発生を防止してギアの回転を検出することができる。
請求項２に係る発明によれば、第１の閾値及び前記第２の閾値に基づいて歯車の回転に応じた信号を出力することができる。

図１は、実施の形態に係る回転検出装置の構成例を示す側面図である。図２（ａ）及び（ｂ）は、磁気センサの構成を示す斜視図及び断面図である。図３は、回転検出装置の磁気センサの動作を説明するための概略図である。図４は、磁石によって形成される磁場の様子を表す概略図である。図５は、磁気センサ及び磁石の配置を説明するための概略図である。図６は、磁気センサの構成の一例を示すブロック図である。図７は、磁気センサがキャリブレーションされる際のＰＣとの接続方法を示すブロック図である。図８（ａ）−（ｃ）は、ギア歯の通過に伴い磁気センサから出力される信号の変化例を示すためのグラフ図である。図９は、キャリブレーション時にＰＣの表示部に表示される画面の構成を示す概略図である。

［実施の形態］
（回転検出装置の構成）
図１は、実施の形態に係る回転検出装置の構成例を示す側面図である。図２（ａ）及び（ｂ）は、磁気センサ１の構成を示す斜視図及び断面図である。

回転検出装置６は、ギア３の歯先３ｈからギャップＡ_ｇを設けて配置され磁気センサ１と、磁化方向をＤ_ｍとして磁気センサ１の裏面側に配置される磁石２とを有する。なお、ギア３は実線で描いたものが設計時の例示としてのエアギャップ（Ａ_ｇ＝１．９ｍｍ）で配置されたものであり、破線で描いたもの（Ａ_ｇ＝２．４ｍｍ）及び一点鎖線で描いたもの（Ａ_ｇ＝１．４ｍｍ）はギア３の振動に伴いエアギャップＡ_ｇが変動したものである。

磁気センサ１は、図２（ａ）及び（ｂ）に示すように、一例として、ｚ方向に厚みを有する平板状の基板１０と、基板１０上に設けられてｘｙ面に平行な検出面を有し、磁気検出素子として検出方向をｚ方向とするホール素子１１_ｘ１、１１_ｘ２、１１_ｙ１、１１_ｙ２と、ホール素子１１_ｘ１、１１_ｘ２、１１_ｙ１、１１_ｙ２上に一部が重なるように設けられてｘ方向及びｙ方向の磁束をｚ方向に変換してホール素子１１_ｘ１、１１_ｘ２、１１_ｙ１、１１_ｙ２に検出させる磁気コンセントレータ１２と、ホール素子１１_ｘ１、１１_ｘ２、１１_ｙ１、１１_ｙ２の出力する信号を処理する信号処理部（ＤＳＰ１４、図７）を有し、ｘ、ｙ、ｚ方向の磁束密度を検出するホールＩＣである。

磁気センサ１は、例えば、メレキシス製ホールラッチ＆スイッチセンサ等を用い、ホール素子１１_ｘ１と１１_ｘ２との出力の差分、ホール素子１１_ｙ１と１１_ｙ２との出力の差分をとることでｘ方向、ｙ方向の磁束密度に比例した出力を得ることができる。磁束密度と出力との関係は後述する。また、ホール素子１１_ｘ１と１１_ｘ２との間隔、ホール素子１１_ｙ１と１１_ｙ２との間隔は、ｄｓ＝０．２ｍｍであり、パッケージモールド部はｚ方向の厚みが１．５ｍｍ、ｘ方向の幅が４．１ｍｍ、ｙ方向の高さが３ｍｍである。磁気センサ１の磁気コンセントレータ１２として、パーマロイを用いることができる。また、磁気センサ１は、ホール素子１１_ｙ１と１１_ｙ２を省略してもよい。

なお、磁気センサ１は、検出方向がｘ方向であればＭＲ素子等の他の種類の素子を用いてもよいし、検出方向がｘ方向を含めば複数の軸方向にそれぞれ磁気検出素子を配置した多軸磁気検出ＩＣを用いてもよい。

磁石２は、フェライト、サマリウムコバルト、ネオジウム等の材料を用いて形成された永久磁石である。

ギア３は、回転に伴いＤ_ｖ方向に振動するものとし、磁気センサ１とのギャップＡ_ｇは振動に伴い変化する。なお、ギア３は、様々なサイズのものを用いることができるが、歯先円直径２００ｍｍ、歯底円直径１９０ｍｍ、歯数４０のものを用いた例について以下説明する。

図５は、磁気センサ１及び磁石２の配置を説明するための概略図である。

磁気センサ１は、ホール素子１１以外にコンデンサ等の部品を実装するために外形上の中心とずれた位置にセンサの検出中心Ｐ_ｓｃを有する。磁石２の外形上の中心である磁石中心Ｐ_ｍｃとセンサの外形上の中心を一致させた場合、センサ検出中心Ｐ_ｓｃと磁石中心Ｐ_ｍｃとのずれをＰ_ｇとする。ずれＰ_ｇは、一例として、０．５ｍｍである。

図６は、磁気センサ１の構成の一例を示すブロック図である。

磁気センサー１は、ホール素子１１と、ホール素子１１のホール電圧を増幅するアンプ１３と、アンプ１３によって増幅されたホール電圧と基準電圧とを比較し、例えば、ホール電圧のほうが高ければＨｉｇｈ、低ければＬｏｗを出力するコンパレータ１４と、基準電圧を発生する基準電圧発生部１５と、比較演算した結果を出力する出力部１６と、信号処理のために用いられる各種設定値の情報を格納するメモリ１７とを有する。

図７は、磁気センサ１がキャリブレーションされる際のＰＣとの接続方法を示すブロック図である。

磁気センサ１は、プロトコル変換部４を介してＰＣ（パーソナルコンピュータ）５と接続される。ＰＣ５は、出力部１６の出力信号及びメモリ１７の情報を受信するとともに、信号を送信してメモリ１７の内容を書き換える。

（回転検出装置の動作）
次に、第１の実施の形態の作用を、図１−図９を用いて説明する。まず、回転検出装置６がギア３の回転を検出する基本動作について説明する。なお、回転検出動作については説明を複雑にしないため、エアギャップＡ_ｇは設計時のもの（Ａ_ｇ＝１．９ｍｍ）であるとする。後にエアギャップが変動したもの（Ａ_ｇ＝１．４ｍｍ、Ａ_ｇ＝２．４ｍｍ）についても説明する。

（回転検出動作）
図３は、回転検出装置６の磁気センサ１の動作を説明するための概略図である。

磁気センサ１を透過する磁束はホール素子１１_ｘ１、１１_ｘ２、１１_ｙ１、１１_ｙ２によって感知され、磁束密度に比例した信号を出力する。以下、代表してｘ方向の磁束、つまりホール素子１１_ｘ１、１１_ｘ２によって検出される磁束について説明するが、ｙ方向についても同様である。

磁束ｆのうち、平行成分Ｂ//は磁気コンセントレータ１２に誘導されることで、磁束密度の大きさが平行成分Ｂ//に比例する垂直成分Ｂ⊥に変換され、１対のホール素子１１_ｘ１及び１１_ｘ２によって測定される。垂直成分であるＢ_Ｚも１対のホール素子１１_ｘ１及び１１_ｘ２によって測定される。

つまり、図面左側のホール素子１１_ｘ１は“Ｂ⊥−Ｂ_Ｚ”を測定する一方、図面右側のホール素子１１_ｘ２は“−Ｂ⊥−Ｂ_Ｚ”を測定する。Ｙ方向についても１１_ｙ１、１１_ｙ２が同様に測定する。

従って、ホール素子１１_ｘ１の出力とホール素子１１_ｘ２の出力との差をとれば２Ｂ⊥が得られ、和をとれば−２Ｂｚが得られる。以下において磁気センサ１は、ホール素子１１_ｘ１の出力とホール素子１１_ｘ２の出力との差（以下、２Ｂｘ⊥とする。）及びホール素子１１_ｙ１の出力とホール素子１１_ｙ２の出力との差（以下、２Ｂｙ⊥とする。）を出力するものとし、当該Ｂｘ⊥及びＢｙ⊥によってギア３の回転を検出する。

図４は、磁石２によって形成される磁場の様子を表す概略図である。また、図８（ａ）−（ｃ）は、ギア歯の通過に伴い磁気センサ１から出力される信号の変化例を示すためのグラフ図である。

図４に示すように、ギア３の歯の先端が最も磁気センサ１から遠ざかった状態において、ｚ軸に対称な磁場が形成されて磁気センサ１が検出する磁束密度のｘ成分は０となる。また、ギア３が回転方向Ｄ_ｒに回転するにつれて図面左側の歯が近づくためｘ成分は負へと傾き、磁気センサ１が検出する磁束密度のｘ成分は負の値をとる。また、歯の先端が磁気センサ１に最も近づいた状態において、ｚ軸に対称な磁場が形成されて磁気センサ１が検出する磁束密度のｘ成分は０となる。

さらに、ギア３が回転方向Ｄ_ｒに回転するにつれて歯が磁気センサ１上を通り過ぎて図面左側へ離れていくため、通り過ぎるタイミングでｘ成分は負から正へと反転し、その後歯の先端が最も磁気センサ１から遠ざかった状態に近づくにつれて０に戻っていく。

つまり、図８（ａ）及び（ｂ）に示すように、ギア３の回転に伴い、磁気センサ１上を歯が通過する場合であって、歯先３ｈから歯底３ｌに変化するタイミングに、磁気センサ１の出力信号レベルは最小となる（実線、Ａ_ｇ＝１．９ｍｍ）。また、歯底３ｌから歯先３ｈに変化するタイミングに、磁気センサ１の出力信号レベルは最大となる。

従って、適切な値に閾値Ｂ_ｏｐ（第１の閾値）と、閾値Ｂ_ｒｐ（第２の閾値）とを設定して、磁気センサ１のＤＳＰ１４において磁束密度がＢ_ｏｐを上回った際に出力信号をＨに切り替え、Ｂ_ｒｐを下回った際にＬに切り替えるようにすることで、図８（ｃ）の中段に示すような出力信号が得られ、図示しない磁気センサ１に接続された機器によって、出力信号がＬからＨに切り替わる数をカウントすることでギア３の回転数や角速度を算出することができる。なお、磁気センサ１がギア３の回転数や角速度を算出して、当該情報を出力するようにしてもよい。

また、磁気センサ１が検出する磁束密度のｙ成分についても同様のふるまいが検出され、ギア３の回転数や角速度を算出できる。

次に、エアギャップＡ_ｇ＝１．４ｍｍ及び２．４ｍｍの場合について述べる。エアギャップＡ_ｇ＝１．４ｍｍ及び２．４ｍｍの場合であっても、図８（ａ）及び（ｂ）に示すように、ギア３の回転に伴い、磁気センサ１上を歯が通過する場合であって、歯先３ｈから歯底３ｌに変化するタイミングに、磁気センサ１の出力信号レベルは最小となり、歯底３ｌから歯先３ｈに変化するタイミングに、磁気センサ１の出力信号レベルは最大となる。これはエアギャップＡ_ｇの数値に関わらず多少の誤差とともに生じる現象である。

また、歯の先端が磁気センサ１に最も遠ざかった状態において、磁気センサ１上にｚ軸に対称な磁場が形成されて、磁気センサ１が検出する磁束密度のｘ成分が０となるタイミングはエアギャップが異なっていても一致する（一致点Ｐ_ｃ、図８（ｂ））。

一方、歯の先端が磁気センサ１に最も近づいた状態においては、磁気センサ１上にｚ軸に対称な磁場が形成されて、磁気センサ１が検出する磁束密度のｘ成分が０となるタイミングはエアギャップが異なることでずれる。

従って、一致点Ｐ_ｃを通るように閾値Ｂ_ｏｐを定めることで、図８（ｃ）に示すように、出力信号がＬからＨに切り替わるタイミングはエアギャップＡ_ｇに関わらず同じになるため、出力信号がＬからＨに切り替わる数をカウントすることでギア３の回転数や角速度を算出することができる。一方、閾値Ｂ_ｏｐは、Ａ_ｇが無限遠の場合の磁気センサ１の出力値である。

なお、閾値Ｂ_ｒｐは、閾値Ｂ_ｏｐより小さな値で、かつ、磁束密度の最小値を下回らないように適切に定めることができる。また、閾値Ｂ_ｒｐは、ギア３が振動方向Ｄ_ｖと直交する向きに横振動した場合に対応するための数値である。これは、Ｂ_ｏｐとＢ_ｒｐとの間がヒステレシス帯となり、ヒステレシス帯の間で磁束密度が変動する場合は現在の出力を維持するためである。

なお、閾値Ｂ_ｒｐは、閾値Ｂ_ｏｐより大きな値であってもよい。また、出力信号Ｌ及びＨはそれぞれ反転してもよい。

（キャリブレーション動作）
次に、上記した閾値Ｂ_ｏｐ及び閾値Ｂ_ｒｐの設定方法（キャリブレーション）について説明する。

まず、利用者は、図７に示すように、磁気センサ１をプロトコル変換部４を介してＰＣ５に接続する。ＰＣ５には、図示しない磁気センサ１をキャリブレーションするためのアプリケーションがインストールされているものとし、当該アプリケーションはＰＣ５の表示部に以下に示す画面を表示する。

図９は、キャリブレーション時にＰＣ５の表示部に表示される画面の構成を示す概略図である。

画面５０は、Ｂ_ｏｐとＢ_ｒｐとの差であるヒステレシスについての設定をするヒステレシス設定欄５００と、算出された閾値Ｂ_ｏｐ及び閾値Ｂ_ｒｐの値を表示する閾値結果表示欄５０１と、キャリブレーションを開始するための新規デバイスボタン５０２と、Ｂ_ｏｐを調整するためのＢ_ｏｐ調整ボタン５０３とを有する。

ヒステレシス設定欄５００は、ヒステリシスの値を選択する選択欄と、ヒステレシス単位を「Ａｂｓｏｌｕｔｅ」であれば「ｍＴ」に、「Ｐｒｏｐｏｔｉｏｎａｌ」ならＢ_ｏｐの割合とする「Ａｂｓｏｌｕｔｅ／Ｐｒｏｐｏｔｉｏｎａｌ」欄と、Ｂ_ｏｐからＢ_ｒｐに磁束密度が変化するときに出力をＨからＬに変化させるか、ＬからＨに変化させるかを設定する「ＩｎｖｅｒｔｅｄＯｕｔｐｕｔ」欄と、オフセットを設定する「ＣｏｒｒＯｆｆｓｅｔ」欄と、出力がＨｉｇｈであるときの電流値を例えばｍａｘ５又は６．９ｍＡの２種類から選択する「ＩｏｆｆＨｉｇｈ」欄とを有する。

次に、利用者は、磁気センサ１をギア３から十分に離れた位置に配置し、画面５０を参照しつつ、ＰＣ５の操作部を操作し、ヒステレシス設定欄５００の内容を設定した後に、新規デバイスボタン５０２を図示しないカーソル等で押下し、さらにＢ_ｏｐ調整ボタンを押下する。

ＰＣ５は、プロトコル変換部４を介して磁気センサ１に磁束密度を検出させ、検出した磁束密度をＢ_ｏｐとして磁気センサ１のメモリ１７に記憶させる。また、設定されたＨｙｓ等の数値をメモリ１７に記憶させる。

磁気センサ１は、検出した磁束密度や記憶したＢ_ｏｐ及びＢ_ｒｐをプロトコル変換部４を介してＰＣ５に送信する。

ＰＣ５は、磁気センサ１から受信した情報に基づいて画面５０の閾値結果表示欄５０１の「ＦｉｎａｌＢ_ｏｐ」及び「ＦｉｎａｌＢ_ｒｐ」の値を更新する。

（実施の形態の効果）
上記した実施の形態によれば、エアギャップＡ_ｇに関わらず定まる一致点Ｐ_ｃの性質を利用し、当該一致点Ｐ_ｃにおいて磁気センサ１の出力値が切り替わるようにして、当該切り替わりにおいて回転数等を算出するようにしたため、振動等によりギアの歯面と磁気センサとのエアギャップが周期的に変化する場合であっても、回転状態の誤検出の発生を防止することができる。

また、エアギャップＡ_ｇが無限の場合における磁気センサ１の出力値から閾値Ｂ_ｏｐを定めるようにしたため、閾値Ｂ_ｏｐを決定するキャリブレーションが簡略化される。

また、エアギャップＡ_ｇが無限の場合における磁気センサ１の出力値から閾値Ｂ_ｏｐを定めるようにしたため、図５に示す、センサ検出中心Ｐ_ｓｃと磁石中心Ｐ_ｍｃとのずれＰ_ｇの影響を吸収することができる。これは、ずれＰｇによってエアギャップＡｇが無限であってもｘ方向で検出される磁束が０にならずにＢ_ｏｐとなるが、当該Ｂ_ｏｐを閾値として磁気センサ１の出力値が切り替わるようにしたため、ずれＰｇが問題とならなくなるためである。

［他の実施の形態］
なお、本発明は、上記実施の形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々な変形が可能である。

また、上記した実施の形態のセンサ、磁石、ギアは例示であって、位置検出の機能が損なわれず、本発明の要旨を変更しない範囲内で、これらをそれぞれ適宜選択して新たな組み合わせに変更して用いてもよい。

１磁気センサ
２磁石
３ギア
３ｈ歯先
３ｌ歯底
４プロトコル変換部
５ＰＣ
６回転検出装置
１０基板
１１ホール素子
１２磁気コンセントレータ
１３アンプ
１４コンパレータ
１５基準電圧発生部
１６出力部
１７メモリ
４０歯数
５０画面
５００ヒステレシス設定欄
５０１閾値結果表示欄
５０２新規デバイスボタン
５０３調整ボタン

Claims

歯車の歯面に向けて磁場を形成する磁石と、前記歯車との間に配置されるセンサとを有し、
前記センサは、前記歯車の円周方向における磁束密度に応じて信号を出力する少なくとも１対の磁気検出素子と、前記歯車の歯面との距離を無限遠にした場合の前記磁気検出素子の出力する信号に基づいて第１の閾値を設定するとともに、前記歯車の回転に伴う磁束密度の変化に応じて前記磁気検出素子が出力する信号と前記第１の閾値に基づいて前記歯車の回転に応じた信号を出力する信号処理部とを備える回転検出装置。
前記センサの前記信号処理部は、前記第１の閾値と予め定めただけ大きい又は小さい第２の閾値を設定し、前記歯車の回転に伴う磁束密度の変化に応じて前記磁気検出素子が出力する信号と前記第１の閾値及び前記第２の閾値に基づいて前記歯車の回転に応じた信号を出力する請求項１に記載の回転検出装置。
歯車の歯面に向けて磁場を形成する磁石と、前記歯車との間に配置されるセンサとを有し、
前記センサは、前記歯車の円周方向における磁束密度に応じて信号を出力する少なくとも１対の磁気検出素子と、前記歯車の歯面との距離を無限遠にした場合の前記磁気検出素子の出力する信号に基づいて第１の閾値を設定するとともに、前記歯車の回転に伴う磁束密度の変化に応じて前記磁気検出素子が出力する信号と前記第１の閾値に基づいて前記歯車の回転を検出する信号処理部とを備える回転検出装置。