JP4604992B2

JP4604992B2 - 回転角度検出装置及び回転角度検出方法

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Publication number: JP4604992B2
Application number: JP2005354008A
Authority: JP
Inventors: 金原　　孝昌; 貴川嶋
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2005-12-07
Filing date: 2005-12-07
Publication date: 2011-01-05
Anticipated expiration: 2025-12-07
Also published as: JP2007155617A

Description

この発明は、例えばスロットルバルブやステアリングホイールやクランク軸等の各種被検出回転体の回転角度を検出する回転角度検出装置及びその回転角度検出方法に関する。

この種の回転角度検出装置としては、ホール素子を用いて各種被検出回転体と非接触にてその回転角度を検出する回転角度検出装置が一般に知られている（例えば、特許文献１参照）。このような回転角度検出装置として、現在実用されている装置の一例を図６に示す。

同図６に示されるように、この回転角度検出装置は、ハウジングＨＧ内の図中上方に、ホール素子２０が内蔵されたモールドＩＣ（集積回路）２４を備えている。このモールドＩＣ２４は、同ハウジングＨＧ内に固定されているホルダＨＤに装着されており、図中その下方には、中心軸２５によって上記ホルダＨＤ（正確にはこれに装着されたモールドＩＣ２４）とのギャップが調整されて、同軸２５を中心に回動する円筒状の磁石２６が設けられている。この磁石２６は、ハウジングＨＧ内で回転軸２７の一端に連結されており、該回転軸２７の回動に伴って回動する構造となっている。また、この回転軸２７には、ハウジングＨＧの外部に延出された他端に歯車２８が設けられており、この歯車２８が、検出対象となる回転軸３１に装着されている歯車３２と噛合されている。このため、検出対象となる回転軸３１の回動がこれら歯車３２及び２８を介して上記回転軸２７に伝達され、ひいては該回転軸２７に連結されている上記磁石２６に伝達される。そしてこの際、該磁石２６の回動により、上記ホルダＨＤ近傍の磁界が変化することとなり、この磁界の変化に伴って上記モールドＩＣ２４に設けられているホール素子２０の出力電圧、すなわちホール電圧も変化する。すなわち、こうしたホール電圧の変化に基づいて上記検出対象となる回転軸３１の回転角度が検出されることとなる。なお、この回転角度検出装置が例えばスロットルセンサであった場合、上記回転軸３１はスロットルバルブの回動（駆動）軸となる。

図７（ａ）及び（ｂ）は、こうした回転角度検出装置の上記ホルダＨＤを含めた主にホール素子２０と磁石２６との関係を模式的に示したものである。
図７（ａ）にその側面構造を示すように、この装置では、上記ホール素子２０として、一般によく用いられている横型ホール素子を採用しており、この横型のホール素子２０を上記モールドＩＣ２４として樹脂モールドしたものを上記ホルダＨＤの上に立てるかたちで、同ホルダＨＤ上に接着剤等によって接着固定している。なお、ホルダＨＤにはガイドとなる凸部ＨＤａが設けられており、上記モールドＩＣ２４の接着固定に際しては、図７（ｂ）にその平面構造を示すように、この凸部ＨＤａを基準として、２つのモールドＩＣ２４が互いに９０度の角度をもって配設されるようにしている。また、図７（ａ）では便宜上、上記磁石２６に連結される回転軸２７が上記中心軸２５を兼ねるかたちで図示している。そして、同図７（ａ）に示される態様で、磁石２６から発せられる磁界が上記ホール素子２０に対して正確に入射されるようにホルダＨＤと磁石２６とのギャップが調整されることで、上記回転軸２７、ひいては検出対象となる回転軸３１の上述した態様での回転角度の検出が可能となる。
特開２００３−１４９０００公報

ところで、こうした回転角度検出装置にあっては上述のように、横型のホール素子２０を２個用いて、検出対象となる回転軸３１の回転角度を検出する構造であるため、それらホール素子２０は、ホルダＨＤに対して正確に９０度の角度をなすように配設される必要がある。そのため、ホルダＨＤにも上記凸部ＨＤａを設けて、こうしたホール素子２０（モールドＩＣ２４）の配設をガイドするようにしている。しかし、ホルダＨＤに対するホール素子２０（モールドＩＣ２４）の配設は上述のように、接着剤等を用いた接着によって行なわれている。このため、たとえ上記ガイドとなる凸部ＨＤａがあったとしても、例えば該凸部ＨＤａの面に沿って横方向にずれて接着されたり、あるいは接着剤の厚さのばらつきに起因して上記９０度の関係が正確に得られなかったりするなどの懸念がある。そして、これらホール素子２０の配設位置がずれたり、あるいは互いに９０度の関係が満たされない場合には、それらホール素子２０としての出力特性が悪化するなど、回転角度検出装置として信頼性を大きく損なうおそれもある。

また、こうした回転角度検出装置にあっては上述のように、上記磁石２６から発せられる磁界が上記ホール素子２０に正確に入射される必要がある。そしてそのために、上記中心軸２５によってそれら磁石２６及びホール素子２０の配設関係を調整するようにはしている。しかし実際には、このような対策を講じたとしても、上記磁石２６から発せられる磁界が上記ホール素子２０に正確に入射されない可能性があり、この点も回転角度検出装置としての信頼性を損ねる要因の一つとなっている。

この発明は、こうした実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、ホール素子を用いた回転角度検出装置及びその回転角度検出方法として、磁石から発せられる磁界がホール素子に正確に入射されない環境においても、より精度の高い回転角度の検出を可能とする回転角度検出装置及びその回転角度検出方法を提供することにある。

こうした目的を達成するため、請求項１に記載の回転角度検出装置では、回転角度の検出対象とする回転軸の回動に伴って回動する磁石から発せられる磁界の変化を９０度だけ位相のずれた正弦波信号として感知すべく配置された２つのホール素子を有するセンサ部を備え、前記２つのホール素子から出力されるホール電圧の値に基づいて前記回転軸の回転角度を検出する回転角度検出装置として、前記センサ部が、ホール効果に基づき半導体基板面に平行な磁界成分を感知する前記２つのホール素子としての縦型ホール素子と、それら２つの縦型ホール素子と共々１つの半導体チップとして集積回路化されるかたちで同半導体基板面に直交する磁界成分を感知する横型ホール素子とを有してなり、前記回転軸の回転角度の検出に際し、前記横型ホール素子から出力されるホール電圧の値に基づいて前記２つの縦型ホール素子から出力されるホール電圧の値を補正する構成とした。

回転角度検出装置としてのこのような構成によれば、磁石から発せられる磁界の変化を９０度だけ位相のずれた正弦波信号として感知すべく配置される２つのホール素子として縦型ホール素子が採用されるため、半導体プロセスを通じてこれら２つのホール素子の配置関係を半導体基板中に正確に設定することが可能となり、ひいてはより精度の高い回転角度の検出が期待できるようになる。ただし、このような回転角度検出装置であっても、例えば上記磁石と上記２つの縦型ホール素子との位置関係にずれが生じたような場合には、同磁石から発せられる磁界は上記２つの縦型ホール素子に正確に入射されず、当該回転角度検出装置としての回転角度の検出精度が維持され難くなる。また、このような磁石と２つの縦型ホール素子との位置関係を機械的に調整したとしても、実際には、上記磁石から発せられる磁界が上記２つの縦型ホール素子に正確に入射されない可能性が残ることは前述した。

この点、上記構成では、上記センサ部が、上記２つの縦型ホール素子と共々１つの半導体チップとして集積回路化されるかたちで同半導体基板面に直交する磁界成分を感知する横型ホール素子をさらに有している。すなわち、このような横型ホール素子からは、基本的には、上記半導体基板面が上記磁石による磁界の変化面に対して傾いている場合に限り、ホール電圧としての出力値が得られる。したがって、上記回転軸の回転角度の検出に際し、同横型ホール素子から出力されるホール電圧の値に基づいて上記２つの縦型ホール素子から出力されるホール電圧の値を補正するようにすれば、上記半導体基板及び磁石の位置関係にずれが生じている場合であれ、より精度の高い回転角度の検出が可能となる。

なお、請求項１に記載の回転角度検出装置において、上記２つの縦型ホール素子から出力されるホール電圧の値の補正については、上記センサ部において実行してもよい。ただし通常は、請求項２に記載の回転角度検出装置によるように、全ホール電圧、すなわち上記センサ部から取り出される３つのホール電圧の処理回路である補正演算部を通じて実行することとなる。

ところで、上記半導体基板面が上記磁石による磁界の変化面に対して傾いている場合、上記横型ホール素子から出力されるホール電圧は、上記回転軸の回動に対して正弦波波形として現われる。また、同回転軸の回転角度に対する位相及びその振幅値は、上記半導体基板が傾く方向及びその傾き角度の大きさに応じて変化する。したがって、請求項２に記載の回転角度検出装置においては、請求項３に記載の回転角度検出装置によるように、前記２つの縦型ホール素子から出力されるホール電圧の値の補正についてはこれを、前記横型ホール素子から出力されるホール電圧の前記回転軸の回転角度に対する位相、及びその値の大きさに基づいて行うようにすることが、同補正を適正に行う上でより望ましい。

一方、請求項２に記載の回転角度検出装置において、請求項４に記載の回転角度検出装置では、上記半導体基板面が上記磁石による磁界の変化面に対して傾いている場合、その傾き態様が、上記３つのホール素子から出力される全ホール電圧の合成ベクトルのベクトル態様として一義的に反映されることに鑑み、前記２つの縦型ホール素子から出力されるホール電圧の値の補正を、前記磁石から磁界が付与されている状態での全ホール電圧の値の大きさに基づいて行うようにしている。このような補正態様が採用される上記構成では、上記全ホール電圧の値が得られた時点で、上記２つの縦型ホール素子から出力されるホール電圧の値を補正することができるようになる。

ただし実際には、上記半導体基板及び磁石の位置関係にずれが生じている場合のほか、地磁気や周辺機器の稼働等によって発生する外乱磁界が上記ホール素子に作用するような場合も同様、上記磁石から発せられる磁界は上記ホール素子に正確に入射されない。そこで、請求項２〜４のいずれか一項に記載の回転角度検出装置においては、請求項５に記載の回転角度検出装置によるように、前記補正演算部が、前記２つの縦型ホール素子から出力されるホール電圧の値を補正するにあたり、前記磁石から磁界が付与されている状態での全ホール電圧の値から各々外乱磁界による影響分を除去する処理をさらに行うようにすることがより望ましい。このような構成では、上記センサ部から取り出される３つのホール電圧から各々外乱磁界による影響分を除去した上でそれらホール電圧を用いた上述の補正が行われるため、ホール素子に外乱磁界が作用する環境においても、より精度の高い回転角度の検出が可能となる。

また、この場合には特に、請求項６に記載の回転角度検出装置によるように、前記磁石が電磁石であり、前記補正演算部が、前記電磁石への通電が解除されたときの前記全ホール電圧の値が格納される記憶手段を備えるとともに、該記憶手段に格納される各ホール電圧の値を前記電磁石への通電時にその都度得られる各ホール電圧の値から各々減算処理するようにすることが前記全ホール電圧から前記外乱磁界による影響分を容易かつ的確に除去する上で実用上望ましい。

また、請求項６に記載の回転角度検出装置において、上記記憶手段に格納される各ホール電圧の値については、定期的に、例えば請求項７に記載の回転角度検出装置によるように、上記電磁石への通電が解除されることに基づいて更新するようにすることが実用上望ましい。すなわちこの場合、上記全ホール電圧の値から各々外乱磁界による影響分を除去する処理を、同外乱磁界の変化に追従して行うことができるようになる。

また、請求項７に記載の回転角度検出装置においては、請求項８に記載の回転角度検出装置によるように、前記補正演算部が、前記電磁石への通電制御を併せて行うものであるとき、前記記憶手段に対する記憶制御に必要な時間だけ定期的にその通電状態を解除するようにすることが、上述の除去処理を実現する上で実用上望ましい。なお、このような通電状態の解除タイミングとしては、例えば、
・「１０ｍｓ」などの所定期間間隔。
あるいは、当該回転角度検出装置が例えば車両のスロットルバルブ等の回転角度を検出するものである場合には、
・キースイッチがオン操作されるタイミング。
等々、を採用することができる。

また、請求項２〜８のいずれか一項に記載の回転角度検出装置において、請求項９に記載の回転角度検出装置では、前記補正演算部が、前記回転軸の回転角度を「θ」、前記２つの縦型ホール素子の一方のホール電圧Ａを「Ａ＝ｓｉｎθ」、前記２つの縦型ホール素子の他方のホール電圧Ｂを「Ｂ＝ｃｏｓθ」とするとき、前記２つの縦型ホール素子によるホール電圧を「θ＝ｔａｎ^−１（Ａ／Ｂ）」の演算式に基づいて前記回転軸の回動に対してリニアに変化するリニア信号に変換し、この変換された値から前記回転軸の回転角度θを検出するようにしている。すなわち、「θ＝ｔａｎ^−１（Ａ／Ｂ）」の演算式には、上記２つの縦型ホール素子から出力されるホール信号の振幅値やオフセットにずれが生じたときの検出精度の低下を抑制する一定の効果があることが発明者らによって確認されている。したがって、このような構成では、上述の補正や外乱磁界の除去処理などと相まって、磁石から発せられる磁界がホール素子に正確に入射されない環境における回転角度の検出精度を大きく改善することができるようになる。

なお、請求項２〜９のいずれか一項に記載の回転角度検出装置において、当該回転角度検出装置としての小型化を図る上では、請求項１０に記載の回転角度検出装置によるように、前記補正演算部を、前記センサ部と共々１つの半導体チップとして集積回路化するようにすることが望ましい。

一方、請求項１１に記載の回転角度検出方法によるように、回転角度の検出対象とする回転軸の回動に伴って回動する磁石から発せられる磁界の変化を９０度だけ位相のずれた正弦波信号として感知すべく配置された２つのホール素子を有するセンサ部を用意し、前記２つのホール素子から出力されるホール電圧の値に基づいて前記回転軸の回転角度を検出する回転角度検出方法において、前記センサ部として、ホール効果に基づき半導体基板面に平行な磁界成分を感知する前記２つのホール素子としての縦型ホール素子と同半導体基板面に直交する磁界成分を感知する横型ホール素子とが１つの半導体チップとして集積回路化されてなるものを用い、前記回転軸の回転角度の検出に際し、前記横型ホール素子から出力されるホール電圧の値に基づいて前記２つの縦型ホール素子から出力されるホール電圧の値を補正するようにした場合であっても、上記請求項１に記載の回転角度検出装置と同様、上記半導体基板及び磁石の位置関係にずれが生じている場合であれ、より精度の高い回転角度の検出が可能となる。

そしてこの場合も、その具体的な補正態様としては、例えば請求項１２に記載の回転角度検出方法によるように、
・前記２つの縦型ホール素子から出力されるホール電圧の値の補正を、前記横型ホール素子から出力されるホール電圧の前記回転軸の回転角度に対する位相、及びその値の大きさに基づいて行う。
あるいは、請求項１３に記載の回転角度検出方法によるように、
・前記２つの縦型ホール素子から出力されるホール電圧の値の補正を、前記磁石から磁界が付与されている状態での全ホール電圧の値の大きさに基づいて行う。
等々、といった補正態様を採用するようにすることが望ましい。

また、さらにこの場合、請求項１４に記載の回転角度検出方法によるように、前記２つの縦型ホール素子から出力されるホール電圧の値を補正するにあたり、前記磁石から磁界
が付与されている状態での全ホール電圧の値から各々外乱磁界による影響分を除去する処理をさらに行うようにすることがより望ましい。

そして具体的には、請求項１５に記載の回転角度検出方法によるように、前記磁石として電磁石を用い、ａ．前記電磁石への通電を解除する第１の処理、及びｂ．前記電磁石への通電が解除された状態での全ホール電圧の値を測定する第２の処理、及びｃ．前記電磁石への通電を再開する第３の処理、及びｄ．前記電磁石への通電が再開された状態での全ホール電圧の値を測定し、該測定した各ホール電圧の値から前記第２の処理にて測定した各ホール電圧の値を各々減算処理することによって前記全ホール電圧の前記外乱磁界による影響分を除去する第４の処理、及びｅ．前記第４の処理を通じて得られる前記横型ホール素子に対応するホール電圧の値に基づいて、同じく前記第４の処理を通じて得られる前記２つの縦型ホール素子に対応するホール電圧の値を補正する第５の処理、を一連の処理として定期的に実行することにより、前記回転軸のその都度の回転角度を検出するようにすることが、当該回転角度検出方法を実現する上で望ましい。

以下、この発明にかかる回転角度検出装置の一実施の形態について、図１〜図５を参照して詳細に説明する。
はじめに、図１（ａ）及び（ｂ）を参照して、この回転角度検出装置の構成について詳述する。なお、図１（ａ）は、この装置の側面構造を示す側面図であり、図１（ｂ）は、この装置の平面構造を示す平面図である。

この実施の形態にかかる回転角度検出装置も、ホール素子を用いて例えばクランク軸などの被検出回転体の回転角度を検出するものである。ただし、図１（ａ）及び（ｂ）に示されるように、この回転角度検出装置は、センサ部１１１およびその信号処理部（処理回路）が１つのＩＣチップ（半導体チップ）１００として集積回路化されてなり、クランク軸などの被検出回転体の回動に伴って回動する磁石２００と対向配設されている。すなわち、この実施の形態では、同ＩＣチップ１００が、上記磁石２００から上記センサ部１１１に対して付与される磁界ＭＶの角度検出を通じて上記クランク軸の回転角度を得る構成とされている。

また、この回転角度検出装置にあって、センサ部１１１は、半導体基板面に平行な磁界成分を感知する２つの縦型ホール素子１１１ａ及び１１１ｂと、同半導体基板面に直交する磁界成分を感知する１つの横型ホール素子１１１ｃとから構成される。また、これら３つのホール素子１１１ａ〜１１１ｃのうち、上記縦型ホール素子１１１ａ及び１１１ｂは、それらの感知面が直交するかたちで設けられる。一方、磁石２００は、上記信号処理部によって通電制御される電磁石からなり、基本的には、図２（ａ）に示されるように、上記クランク軸の回動に伴うその磁界の変化面Ｘが上記半導体基板面Ｙに対して平行になるように配設される。

このような構成では、上記２つの縦型ホール素子１１１ａ及び１１１ｂからは、図２（ｆ）に示されるように、上記磁石２００（クランク軸）の回動に対して９０°だけ位相のずれたｓｉｎ波形電圧（ホール電圧）Ａ、Ｂが取り出されるようになる。したがって、上記信号処理部はこうしたホール電圧Ａ、Ｂを取り込むことで、同ホール電圧Ａ、Ｂに基づいて上記クランク軸の回転角度を検出することができるようになる。なおこのとき、上記横型ホール素子１１１ｃから出力されるホール電圧Ｃは、図２（ｋ）に示されるように、上記クランク軸の回転角度にかかわらず、一定値（オフセット値）となる。

ただし前述の通り、このような回転角度検出装置では、上記磁石２００から発せられる磁界が上記縦型ホール素子１１１ａ及び１１１ｂに正確に入射されない場合がある。そしてこの場合、上記縦型ホール素子１１１ａ、１１１ｂから出力されるホール電圧Ａ、Ｂにはその振幅値にずれが生じ、このような振幅値のずれが上記検出される回転角度の角度誤差として現われることとなる。そこで、この実施の形態では、上記信号処理部は、上記クランク軸の回転角度検出に際し、上記横型ホール素子１１１ｃから出力されるホール電圧Ｃの値に基づいて上記縦型ホール素子１１１ａ及び１１１ｂから出力されるホール電圧Ａ、Ｂの値を補正するようにしている。

すなわち、上記半導体基板面Ｙが上記磁界の変化面Ｘに対して傾いている場合、上記ホール電圧Ｃは、図２（ｌ）〜（ｏ）に示すように、上記クランク軸の回動に対して正弦波波形として現われる。また、その位相及び振幅値は、図２（ｂ）〜（ｅ）に併せて示すように、上記半導体基板面Ｙが傾く方向及びその傾き角度の大きさに応じて変化する。一方、上記ホール電圧Ａ、Ｂの振幅値に生じるずれも、図２（ｇ）〜（ｊ）にさらに併せて示すように、上記半導体基板面Ｙが傾く方向やその傾き角度の大きさに応じて変化する。この点、この実施の形態の信号処理部は、まず、上記ホール電圧Ｃの位相に基づいて上記半導体基板面Ｙが傾いている方向を推定する。次いで、同ホール電圧Ｃの値の大きさに基づいて上記半導体基板面Ｙの傾き角度の大きさを推定する。そして、これら推定した方向及び角度の大きさに基づいて上記ホール電圧Ａ、Ｂの値の補正を行う。これにより、磁石２００から発せられる磁界が上記縦型ホール素子１１１ａ及び１１１ｂに正確に入射されない環境においても、上記補正されたホール電圧Ａ、Ｂに基づいて上記クランク軸の回転角度を適正に検出することができるようになる。

図３は、この実施の形態にかかる信号処理部について、センサ部１１１や磁石２００との関係も含めて、その概要を示すブロック図である。なお、この実施の形態の信号処理部においては、演算制御部１１４が、上記クランク軸の回転角度検出に際し、上記横型ホール素子１１１ｃから出力されるホール電圧Ｃの値に基づいて上記縦型ホール素子１１１ａ及び１１１ｂから出力されるホール電圧Ａ、Ｂの値を補正する補正演算部に相当する。また、この実施の形態の演算制御部１１４は、電磁石として構成される磁石２００への通電制御を併せて行う部分でもある。

同図３に示されるように、上記ホール素子１１１ａ〜１１１ｃは駆動回路１１０ａ〜１１０ｃからの定電流、若しくは定電圧によってそれぞれ駆動され、それらのホール電圧Ａ〜Ｃは、この信号処理部において、増幅回路１１２ａ〜１１２ｃ、さらにはＡ／Ｄ変換器１１３ａ〜１１３ｃに順次に取り込まれる。そして、上記増幅回路１１２ａ〜１１２ｃでは各々所望に増幅され、上記Ａ／Ｄ変換器１１３ａ〜１１３ｃでは各々所要の分解能にて量子化されて後に離散的な値（デジタル値）に変換される。そして、こうして離散化された３つの出力信号Ａ〜Ｃが上記演算制御部１１４に取り込まれることで、この演算制御部１１４において、上記ホール電圧Ｃに基づくホール電圧Ａ、Ｂの値の補正や、それら補正されたホール電圧Ａ、Ｂの値に基づく上記クランク軸の回転角度検出が行われるようになる。

ただし、このような回転角度検出装置にあっては、同図３に示されるように、上記ホール素子１１１ａ〜１１１ｃに対し、例えば地磁気や周辺機器の稼働等によって発生する外乱磁界ＤＶが作用することがある。そこで、この実施の形態の演算制御部１１４は、上記縦型ホール素子１１１ａ及び１１１ｂから出力されるホール電圧Ａ、Ｂの値を補正するにあたり、全ホール電圧Ａ〜Ｃの値から各々外乱磁界ＤＶによる影響分を除去する処理をさらに行うようにしている。

図４は、この演算制御部１１４によって行われる処理についてその手順を示したフローチャートである。以下、同図４を参照して、この演算制御部１１４による処理について説明する。

同処理に際しては、まず、ステップＳ１１の処理として、外乱磁界ＤＶの検出タイミングにあるか否かの判断を行う。すなわち、この実施の形態では、例えば「１０ｍｓ」などの所定期間間隔ごとに上記外乱磁界ＤＶを検出するようにしており、同ステップＳ１１において、外乱磁界ＤＶの検出タイミングであると判断された場合には、以下のステップＳ２２〜Ｓ２５の処理を一連の処理として実行する。
・磁石（電磁石）２００への通電を解除する（ステップＳ２２）。
・Ａ／Ｄ変換器１１３ａ〜１１３ｃなどを通じて、センサ部１１１から全ホール電圧Ａ〜Ｃの値を取り込む（ステップＳ２３）。
・全ホール電圧Ａ〜Ｃの値を、当該演算制御部１１４自身が内蔵するメモリ（図示略）に格納する（ステップＳ２４）。
・磁石（電磁石）２００への通電を再開する（ステップＳ２５）。

一方、基本的には、上記クランク軸の回転角度を算出すべく、以下のステップＳ１２〜Ｓ１５の処理を実行する。
すなわち、まず、上記ステップＳ１２の処理においては、上記Ａ／Ｄ変換器１１３ａ〜１１３ｃなどを通じて、センサ部１１１から全ホール電圧Ａ〜Ｃの値を取り込む。次いで、ステップＳ１３の処理では、上記取り込まれた全ホール電圧Ａ〜Ｃの値から、上記外乱磁界ＤＶによる影響分をそれぞれ除去するための処理を行う。具体的には、まず、上記磁石（電磁石）２００への通電が解除されたときの全ホール電圧Ａ〜Ｃの値を当該演算制御部１１４自身が内蔵するメモリから読み出す。そして、こうして読み出されたホール電圧Ａ〜Ｃの値を上記取り込まれたホール電圧Ａ〜Ｃの値から各々減算処理することによってそれらホール電圧Ａ〜Ｃの上記外乱磁界ＤＶによる影響分を除去する。そして、こうして全ホール電圧Ａ〜Ｃの値から各々外乱磁界ＤＶによる影響分を除去した上で、次にステップＳ１４及びＳ１５の処理として、上記ホール電圧Ｃに基づくホール電圧Ａ、Ｂの値の補正、及びこれら補正されたホール電圧Ａ、Ｂの値に基づく上記クランク軸の回転角度検出を順次実行する。

ちなみに、この実施の形態の演算制御部１１４では、こうして補正された２つのホール電圧Ａ、Ｂを上記クランク軸の回動に対して直線的に変化する信号に変換し、この変換された信号に基づいて同クランク軸の回転角度を検出するようにしている。

具体的には、図５（ａ）に示されるように、クランク軸の回転角度を「θ」、補正後のホール電圧Ａを「Ａ＝ｓｉｎθ」、補正後のホール電圧Ｂを「Ｂ＝ｃｏｓθ」とするとき、同回転角度θを「θ＝ｔａｎ^−１（Ａ／Ｂ）」としてまずは算出する。ただし、こうして算出される信号波形は、図５（ｂ）に示されるように、「θ＝９０°」及び「θ＝２７０°」の各角度位置においてその値が最小値まで立ち下がるものであり、その算出結果のみから上記クランク軸の回転角度を一義的に導き出すことは困難である。そこで、この演算制御部１１４では次に、上記補正後のホール電圧Ａ、Ｂの値やそれらの大小関係に基づき、図５（ｂ）に示される信号波形のうち、例えば「θ＝０°〜９０°」の角度範囲、及び「θ＝９０°〜２７０°」の角度範囲、及び「θ＝２７０°〜３６０°」の角度範囲に所定のオフセット値を各々加減算するなどして、これを図５（ｃ）に示される信号波形にさらに変換する。これにより、上記クランク軸の１回転（０°〜３６０°）毎の回転角度θに対して固有の値を持つリニアな信号波形が得られるようになり、このリニア信号に基づいて同クランク軸の回転角度θをきめ細かく検出することができるようになる。

以上説明したように、この実施の形態にかかる回転角度検出装置によれば、以下に記載するような優れた効果が得られるようになる。
（１）縦型ホール素子１１１ａ及び１１１ｂと、それら縦型ホール素子１１１ａ及び１１１ｂと共々１つのＩＣチップ１００として集積回路化されるかたちで横型ホール素子１１１ｃとを有することとした。そして、クランク軸の回転角度の検出に際し、横型ホール素子１１１ｃから出力されるホール電圧Ｃの値に基づいて上記２つの縦型ホール素子１１１ａ及び１１１ｂから出力されるホール電圧Ａ、Ｂの値を補正することとした。したがって、ＩＣチップ１００及び磁石２００の位置関係にずれが生じている場合であれ、より精度の高い回転角度の検出を行うことができるようになる。

（２）ホール電圧Ａ、Ｂの値を補正するにあたり、全ホール電圧Ａ〜Ｃの値から各々外乱磁界ＤＶによる影響分を除去する処理をさらに行うようにした。このため、ホール素子１１１ａ〜１１１ｃに外乱磁界ＤＶが作用する環境においても、より精度の高い回転角度の検出が可能となる。

（３）磁石２００として電磁石を用いるとともに、該電磁石への通電が解除されたときの上記全ホール電圧Ａ〜Ｃの値をメモリ（図示略）に格納し、このメモリに格納される各ホール電圧の値をその都度得られる各ホール電圧の値から各々減算処理するようにした。このため、全ホール電圧Ａ〜Ｃから上記外乱磁界ＤＶによる影響分を容易かつ的確に除去することができるようになる。

（４）メモリに格納される各ホール電圧Ａ〜Ｃの値を定期的に更新するようにした。このため、全ホール電圧Ａ〜Ｃの値から各々外乱磁界ＤＶによる影響分を除去する処理を、同外乱磁界ＤＶの変化に追従して行うことができるようになる。

（５）「θ＝ｔａｎ^−１（Ａ／Ｂ）」の演算式に基づいて上記クランク軸の回転角度検出を行うようにした。したがって、上述の補正や外乱磁界ＤＶの除去処理などと相まって、磁石２００から発せられる磁界がホール素子１１１ａ〜１１１ｃに正確に入射されない環境における回転角度の検出精度を大きく改善することができるようになる。

なお、上記実施の形態は、以下のように変更して実施することもできる。
・上記半導体基板面Ｙが上記磁界の変化面Ｘに対して傾いている場合、その傾き態様が、上記ホール電圧Ａ、Ｂ、Ｃの合成ベクトルのベクトル態様として一義的に反映されることに鑑み、それらホール電圧Ａ、Ｂ、Ｃの値の大きさに基づいて上記縦型ホール素子１１１ａ及び１１１ｂから出力されるホール電圧Ａ、Ｂの値を補正するようにしてもよい。このような補正態様では、ホール電圧Ａ、Ｂ、Ｃの値が得られた時点で上記２つの縦型ホール素子１１１ａ及び１１１ｂから出力されるホール電圧の値を補正することが可能となる。

・センサ部１１１及びその信号処理部については、１つの半導体チップとして集積回路化せず、別体として設けてもよい。
・縦型ホール素子１１１ａ及び１１１ｂから出力されるホール電圧Ａ、Ｂに基づいて上記クランク軸の回転角度を検出するものであれば、同クランク軸の回転角度の検出に際し、「θ＝ｔａｎ^−１（Ａ／Ｂ）」の演算式を必ずしも用いなくてもよい。

・演算制御部１１４が内蔵するメモリに格納されている各ホール電圧Ａ〜Ｃの更新処理を所定期間間隔ごとに行うこととしたが、例えばキースイッチのオン操作など、特定の操作や処理に基づいて行うようにしてもよい。

・演算制御部１１４は電磁石への通電制御を必ずしも行わなくてもよい。
・ホール電圧Ａ〜Ｃから上記外乱磁界ＤＶによる影響分を除去する処理は、上述の減算処理に限らず、任意である。

・クランク軸の回転角度の検出に際し、横型ホール素子１１１ｃから出力されるホール電圧Ｃの値に基づいて上記縦型ホール素子１１１ａ及び１１１ｂから出力されるホール電圧Ａ、Ｂの値を補正するものであればよく、この意味では、上記外乱磁界ＤＶの除去処理については必ずしも行わなくてもよい。また、ホール電圧Ａ、Ｂの値を補正するための演算態様等も限定されない。

・磁石として、永久磁石を採用してもよい。
・クランク軸の回転角度のほか、スロットルバルブの開度量など、各種回転体の回転角度を検出対象としてもよい。また、変位量を回転角度に変換可能なものであれば、回転体以外の物体を被検出回転体として採用することも可能である。

（ａ）は、この発明にかかる回転角度検出装置の一実施の形態について、磁石との関係も含めて、その側面構造を模式的に示す側面図。（ｂ）は、この発明にかかる回転角度検出装置の一実施の形態について、磁石との関係も含めて、その平面構造を模式的に示す平面図。（ａ）〜（ｅ）は、磁界の変化面に対する半導体基板面の傾き態様を模式的に示す側面図あるいは斜視図。（ｆ）〜（ｊ）は、半導体基板が（ａ）〜（ｅ）に示されるかたちで配設されたときのホール電圧Ａ、Ｂの推移を示すグラフ。（ｋ）〜（ｏ）は、半導体基板が（ａ）〜（ｅ）に示されるかたちで配設されたときのホール電圧Ｃの推移を示すグラフ。同実施の形態の信号処理部について、センサ部や磁石との関係も含めて、その内部回路を示すブロック図。演算制御部（補正演算部）による処理についてその手順を示すフローチャート。（ａ）は、補正後のホール電圧Ａ、Ｂをクランク軸の回転角度毎に示すグラフ。（ｂ）は、補正後のホール電圧Ａ、Ｂに対して「θ＝ｔａｎ^−１（Ａ／Ｂ）」の演算を行った場合に得られる信号をクランク軸の回転角度毎に示すグラフ。（ｃ）は、演算制御部から最終的に出力される信号をクランク軸の回転角度毎に示すグラフ。従来の回転角度検出装置の一例について、その概要を示す側面図。従来の回転角度検出装置による角度検出原理について、（ａ）はその側面構造を模式的に示す側面図、（ｂ）はその平面構造を模式的に示す平面図。

符号の説明

１００…ＩＣチップ、１００ａ〜１００ｃ…駆動回路、１１１…センサ部、１１１ａ、１１１ｂ…縦型ホール素子、１１１ｃ…横型ホール素子、１１２ａ〜１１２ｃ…増幅回路、１１３ａ〜１１３ｃ…Ａ／Ｄ変換器、１１４…演算制御部、２００…磁石、ＭＶ…磁界、ＤＶ…外乱磁界、Ｘ…磁界の変化面、Ｙ…半導体基板面。

Claims

回転角度の検出対象とする回転軸の回動に伴って回動する磁石から発せられる磁界の変化を９０度だけ位相のずれた正弦波信号として感知すべく配置された２つのホール素子を有するセンサ部を備え、前記２つのホール素子から出力されるホール電圧の値に基づいて前記回転軸の回転角度を検出する回転角度検出装置において、
前記センサ部は、ホール効果に基づき半導体基板面に平行な磁界成分を感知する前記２つのホール素子としての縦型ホール素子と、それら２つの縦型ホール素子と共々１つの半導体チップとして集積回路化されるかたちで同半導体基板面に直交する磁界成分を感知する横型ホール素子とを有してなり、前記回転軸の回転角度の検出に際し、前記横型ホール素子から出力されるホール電圧の値に基づいて前記２つの縦型ホール素子から出力されるホール電圧の値を補正する
ことを特徴とする回転角度検出装置。
前記２つの縦型ホール素子から出力されるホール電圧の値の補正は、全ホール電圧の処理回路である補正演算部を通じて実行される
請求項１に記載の回転角度検出装置。
前記２つの縦型ホール素子から出力されるホール電圧の値の補正は、前記横型ホール素子から出力されるホール電圧の前記回転軸の回転角度に対する位相、及びその値の大きさに基づいて行われる
請求項２に記載の回転角度検出装置。
前記２つの縦型ホール素子から出力されるホール電圧の値の補正は、前記磁石から磁界が付与されている状態での全ホール電圧の値の大きさに基づいて行われる
請求項２に記載の回転角度検出装置。
前記補正演算部は、前記２つの縦型ホール素子から出力されるホール電圧の値を補正するにあたり、前記磁石から磁界が付与されている状態での全ホール電圧の値から各々外乱磁界による影響分を除去する処理をさらに行う
請求項２〜４のいずれか一項に記載の回転角度検出装置。
前記磁石は電磁石であり、前記補正演算部は、前記電磁石への通電が解除されたときの前記全ホール電圧の値が格納される記憶手段を備えるとともに、該記憶手段に格納される各ホール電圧の値を前記電磁石への通電時にその都度得られる各ホール電圧の値から各々減算処理することによって前記全ホール電圧の前記外乱磁界による影響分を除去するものである
請求項５に記載の回転角度検出装置。
前記補正演算部は、前記電磁石への通電が解除されることに基づいて前記記憶手段に格納される各ホール電圧の値を更新する記憶制御を併せて行うものである
請求項６に記載の回転角度検出装置。
前記補正演算部は、前記電磁石への通電制御を併せて行うものであり、前記記憶手段に対する記憶制御に必要な時間だけ定期的にその通電状態を解除する
請求項７に記載の回転角度検出装置。
前記補正演算部は、前記回転軸の回転角度を「θ」、前記２つの縦型ホール素子の一方のホール電圧Ａを「Ａ＝ｓｉｎθ」、前記２つの縦型ホール素子の他方のホール電圧Ｂを「Ｂ＝ｃｏｓθ」とするとき、前記２つの縦型ホール素子によるホール電圧を「θ＝ｔａｎ^−１（Ａ／Ｂ）」の演算式に基づいて前記回転軸の回動に対してリニアに変化するリニア信号に変換し、この変換された値から前記回転軸の回転角度θを検出するものである
請求項２〜８のいずれか一項に記載の回転角度検出装置。
前記補正演算部は、前記センサ部と共々１つの半導体チップとして集積回路化されてなる
請求項２〜９のいずれか一項に記載の回転角度検出装置。
回転角度の検出対象とする回転軸の回動に伴って回動する磁石から発せられる磁界の変化を９０度だけ位相のずれた正弦波信号として感知すべく配置された２つのホール素子を有するセンサ部を用意し、前記２つのホール素子から出力されるホール電圧の値に基づいて前記回転軸の回転角度を検出する回転角度検出方法において、
前記センサ部として、ホール効果に基づき半導体基板面に平行な磁界成分を感知する前記２つのホール素子としての縦型ホール素子と同半導体基板面に直交する磁界成分を感知する横型ホール素子とが１つの半導体チップとして集積回路化されてなるものを用い、前記回転軸の回転角度の検出に際し、前記横型ホール素子から出力されるホール電圧の値に基づいて前記２つの縦型ホール素子から出力されるホール電圧の値を補正する
ことを特徴とする回転角度検出方法。
前記２つの縦型ホール素子から出力されるホール電圧の値の補正は、前記横型ホール素子から出力されるホール電圧の前記回転軸の回転角度に対する位相、及びその値の大きさに基づいて行われる
請求項１１に記載の回転角度検出方法。
前記２つの縦型ホール素子から出力されるホール電圧の値の補正は、前記磁石から磁界が付与されている状態での全ホール電圧の値の大きさに基づいて行われる
請求項１１に記載の回転角度検出方法。
前記２つの縦型ホール素子から出力されるホール電圧の値を補正するにあたり、前記磁石から磁界が付与されている状態での全ホール電圧の値から各々外乱磁界による影響分を除去する処理をさらに行う
請求項１１〜１３のいずれか一項に記載の回転角度検出方法。
前記磁石として電磁石を用い、
ａ．前記電磁石への通電を解除する第１の処理、及び
ｂ．前記電磁石への通電が解除された状態での全ホール電圧の値を測定する第２の処理、及び
ｃ．前記電磁石への通電を再開する第３の処理、及び
ｄ．前記電磁石への通電が再開された状態での全ホール電圧の値を測定し、該測定した各ホール電圧の値から前記第２の処理にて測定した各ホール電圧の値を各々減算処理することによって前記全ホール電圧の前記外乱磁界による影響分を除去する第４の処理、及び
ｅ．前記第４の処理を通じて得られる前記横型ホール素子に対応するホール電圧の値に基づいて、同じく前記第４の処理を通じて得られる前記２つの縦型ホール素子に対応するホール電圧の値を補正する第５の処理、
を一連の処理として定期的に実行することにより、前記回転軸のその都度の回転角度を検出する
請求項１４に記載の回転角度検出方法。