JP4640708B2 - 回転角度検出装置 - Google Patents

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Description

本発明は回転角度検出装置に関する。
従来、検出対象の回転により変化する磁界に基づいて、検出対象の回転角度を検出する回転角度検出装置が知られている(例えば、特許文献1参照)。このような回転角度検出装置では、検出対象の回転に連動させて、ホール素子等の磁気検出素子を永久磁石等の磁界発生手段に対して相対的に回転させる。そして回転角度検出装置は、磁気検出素子の磁界発生手段に対する相対的な回転に伴う回転磁界に応じた磁気検出素子の出力信号に基づいて、検出対象の回転角度を検出する。
しかしながら、上述したような回転角度検出装置では、回転磁界による誘導ノイズが磁気検出素子の出力信号に重畳されることにより、回転角度検出装置の回転角度の検出誤差が増大するという問題がある。
特開昭62−095402号公報
本発明は上述の問題を解決するためになされたものであって、誘導ノイズによる検出誤差の小さい回転角度検出装置を提供することを目的とする。
請求項1からに記載の発明では一組の導線が回路を形成している。そのため検出対象の回転に伴って導線間を貫く磁束が変化すると導線に誘導起電力が生じる。すなわち磁気検出素子の出力信号には、検出対象の回転に伴う磁界の変化により誘導ノイズが重畳される。しかしながら、導線の配線部は磁気検出素子の感度方向と略垂直な仮想平面上を伸びているため、配線部に生じる誘導起電力は磁気検出素子の出力信号と略同位相である。したがって、上述したように磁気検出素子の出力信号に誘導ノイズが重畳したとしても、出力信号の位相が誘導ノイズにより変化することはない。このように回転角度検出装置の検出角度に与える誘導ノイズの影響を小さくすることができるため、回転角度検出装置の検出誤差を小さくすることができる。
請求項に記載の発明では、導線が基台に沿って伸びる引出部と引出部から回転軸方向に伸びる配線部とを有しているため、導線の配線の自由度が高まる。
さらに、導線の引出部が磁気検出素子の感度方向に伸びていることで、導線の配線部は磁気検出素子の感度方向側を回転軸方向に伸びている。したがって磁界の方向が磁気検出素子の感度方向の近傍のとき、磁気検出素子及び配線部の近傍には同様の磁界が形成されるため、誘導ノイズは磁気検出素子の出力信号と同様の波形となる。これにより誘導ノイズによる出力信号の波形の乱れを抑制することができるため、回転角度検出装置の検出誤差を小さくすることができる。
請求項に記載の発明では、導線の引出部が磁界の方向と略平行な仮想平面上を伸びているため、引出部間を磁束が貫くことは殆どなく、引出部には殆ど誘導起電力が生じない。このように磁気検出素子の出力信号に重畳する誘導ノイズを低減することができるため、回転角度検出装置の検出誤差を小さくすることができる。
請求項に記載の発明では、磁気検出素子の感度方向側に設けられた端子に導線を接続することができるため、引出部が磁気検出素子の感度方向に伸びるように導線を配線し易い。
一般に、複数の磁気検出素子の出力信号に基づいて検出対象の回転角度を検出することにより、1つの磁気検出素子の出力信号に基づいて検出対象の回転角度を検出する場合と比較して、回転角度検出装置の検出角度範囲を拡げたり検出精度を高めたりすることができる。しかしながら、これらの磁気検出素子の出力信号にそれぞれ異なる振幅の誘導ノイズが重畳すると、出力信号とそれに重畳する誘導ノイズとの位相が全ての磁気検出素子で略同一であったとしても、回転角度検出装置の検出誤差は大きくなる。
請求項に記載の発明では、各磁気検出素子に接続されている配線部の間隔が全ての磁気検出素子で略同一であるため、導線より形成される回路のループ面積は全ての磁気検出素子で略同一である。この結果、配線部において各磁気検出素子の出力信号に重畳する誘導ノイズの振幅は全ての磁気検出素子で略同一になるため、回転角度検出装置の検出誤差を小さくすることができる。
請求項に記載の発明では、磁気検出素子が略平行な磁界が形成されている回転軸近傍に設置されることにより、磁気検出素子の出力信号は略正弦波となる。また導線が回転軸近傍を通っているため、配線部において出力信号に重畳する誘導ノイズも略正弦波となる。すなわち磁気検出素子の出力信号とそれに重畳する誘導ノイズとが略同位相の略正弦波となるため、誘導ノイズが重畳した出力信号も略正弦波となる。したがって、誘導ノイズが重畳した出力信号から検出対象の回転角度を三角関数に基づいて容易に得ることができる。
以下、複数の実施例に基づいて本発明の実施の形態を説明する。各実施例において同一の符号が付された構成要素は、その符号が付された他の実施例の構成要素と対応する。
(第1実施形態)
図1は本発明の第1実施形態による回転角度検出装置を示す模式図である。図1(A)は、図1(B)に示すA1−A1線による断面図。図1(B)は図1(A)に示すB1−B1線による断面図である。
本発明の第1実施形態による回転角度検出装置1は、例えば内燃機関用点火装置に搭載されるクランク角検出装置である。このとき回転角度検出装置1は、図1(B)に示す内燃機関の電子制御装置(以下、ECUという。)82に対して、検出対象としてのクランクシャフトの角度に相関する電気信号を出力する。そして内燃機関のECU82は、回転角度検出装置1から出力された電気信号からクランク角度を検出し、検出したクランク角に基づいて点火すべき気筒を判別する。ECU82が請求項に記載の「制御手段」に相当する。
回転角度検出装置1は、円筒状のヨーク20、永久磁石22、24、ホール素子30、31、フレキシブルプリント配線板(以下、FPCという。)40、基台80、ECU82等から構成されている。
ヨーク20と永久磁石22と永久磁石24は磁界発生手段であり、検出対象とともに回転する。永久磁石22、24はともに円弧状に形成されており、ヨーク20の内周壁に固定されている。永久磁石22と永久磁石24は、互いに180°反対側に配置され、回転軸近傍に略平行で磁束密度が略均一な磁界を形成する(図2参照)。以下、単に「磁界」という場合、永久磁石22と永久磁石24とにより発生される磁界を意味するものとする。
磁気検出素子としてのホール素子30とホール素子31は、検出対象の回転とともに回転しない基台80に設置されている。具体的にはホール素子30、31は、基台80に取付けられているFPC40に実装されている。したがって、検出対象が回転すると、ホール素子30、31はヨーク20と永久磁石22、24に対して相対的に回転する。ホール素子30とホール素子31は、回転方向に互いに90°の角度をなすように設置されている。そしてホール素子30、31には図示しない電源線により定電流が供給されている。
ホール素子30とホール素子31は、図1(A)に示すように回転軸近傍に設置されている。この結果ホール素子30、31の近傍には、検出対象の回転角度に関わらず平行で磁束密度が均一な磁界が形成される(図2参照)。これによりホール素子30、31は、検出対象の回転角度に応じた適正な出力信号を360°の角度範囲で出力することができる。
FPC40は、フィルム42、導線50、導線54、導線60、導線64等から構成されている。具体的には例えば、フィルム42はポリエステルやポリイミド等で形成されたフィルム状の絶縁体である。導線50、導線54、導線60及び導線64はCu等の導電材料でフィルム42上に形成されている。
導線50と導線54とは、ホール素子30に接続され互いに平行に伸びている。導線50、54はホール素子30の出力信号を伝送する。導線50は、基台80のホール素子30の設置面に沿ってホール素子30の感度方向(図1(A)に示す矢印150参照)に伸びる引出部51と、引出部51から回転軸近傍を通って回転軸方向に伸びる配線部52とを有している。導線54は、導線50と同様の引出部55及び配線部56を有している。導線50の引出部51と導線54の引出部55とは磁界の方向と略平行な仮想平面上を伸び、導線50の配線部52と導線54の配線部56とはホール素子30の感度方向と略垂直な仮想平面上を伸びている。このように導線50、54がそれぞれ引出部と配線部とを有しているため、引出部を有していない導線と比較して、導線50、54の配線の自由度は高い。
導線60と導線64とはホール素子31に接続され、導線50と導線54との間隔と同一の間隔で互いに平行に伸びている。導線60、64はホール素子31の出力信号を伝送する。導線60は、導線50と同様に基台80のホール素子31の設置面に沿ってホール素子31の感度方向(図1(A)に示す矢印151参照)に伸びる引出部61と、引出部61から回転軸近傍を通って回転軸方向に伸びる配線部62とを有している。導線64は、導線60と同様の引出部65及び配線部66を有している。導線60の引出部61と導線64の引出部65は磁界の方向と略平行な仮想平面上を伸び、導線60の配線部62と導線64の配線部66はホール素子31の感度方向と略垂直な仮想平面上を伸びている。
導線50及び導線54と導線60及び導線64とが請求項に記載の「一組の導線」に相当する。
ECU82は、回転角度検出プログラムを記憶したフラッシュメモリ等の不揮発性メモリ、回転角度検出プログラムや各種のデータを一時的に記憶する揮発性メモリ、揮発性メモリに展開した回転角度検出プログラムを実行するCPU等から構成されている。
上述したように、ホール素子30とホール素子31は回転方向に互いに90°の角度をなして設置されている。したがって検出対象が回転すると、ホール素子30、31は磁界の変化に応じて互いに90°の位相差を有する出力信号を出力する。具体的には例えばホール素子30、31は、それぞれに接続されている導線間の電位差として互いにsinとcosの関係を有している正弦波(図3(A)に示す出力信号100、101参照)を出力する。したがって検出対象の回転角度をθ、ホール素子30の出力信号100をVa、ホール素子31の出力信号101をVb、ホール素子30、31の感度により決定される係数をk、永久磁石22、24が形成する磁界の磁束密度をB、ホール素子30、31に供給する定電流をIとすると、Va、Vbは次式(1)、(2)で示される。
Va=kBI・sinθ ・・・(1)
Vb=kBI・sin(θ+90)=kBI・cosθ・・・(2)
ECU82は、導線50、54により伝送された出力信号100と導線60、64により伝送された出力信号101とに基づいて検出対象の回転角度を検出する。具体的には例えばECU82は、以下に説明する処理を出力信号100、101に施すことにより検出対象の回転角度を検出する。これらの処理は、ECU82のCPUが回転角度検出プログラムを実行することにより実行される。回転角度検出プログラムは、回転角度検出装置1の作動中、常時実行されている。
まず、ECU82はVaとVbの比からtanθを算出する(次式(3)参照)。次に、ECU82は逆正接演算により演算角度を算出する(次式(4)参照)。このような演算によって算出される演算角度110の周期は180°である(図3(B)参照)。
Va/Vb=sinθ/cosθ=tanθ ・・・(3)
θ=arctan(Va/Vb) ・・・(4)
次に、ECU82は、図4に示すようにVaとVbの符号を判定することで、360°の角度範囲内における検出対象の回転角度位置を識別する。そしてECU82は、識別した検出対象の回転角度位置に基づいて演算角度110にオフセット角度を加えて結合することにより、回転角度120を検出する(図3(C)参照)。
ところが、実際には検出対象の回転に伴って磁界が変化することにより、ホール素子30の出力信号100とホール素子31の出力信号101には誘導ノイズが重畳され、回転角度検出装置1の検出誤差は増大する。以下、従来の回転角度検出装置と比較しながら、本発明の第1実施形態による回転角度検出装置1のノイズ対策について説明する。
図5は、第1の従来例としての回転角度検出装置を説明するための模式図である。
第1の従来例としての回転角度検出装置200の各構成要素は、回転角度検出装置1に係るFPC40に対応する構成要素を除いて、回転角度検出装置1の対応する構成要素と実質的に同一である。
ホール素子30とホール素子31は、基台に取付けられたプリント基板210に実装されている。ホール素子30は略平行に配線された導線250と導線254とによりECU82と接続され、ホール素子31は略平行に配線された導線260と導線264とによりECU82と接続されている。
ここで検出対象の回転に伴って磁界が変化すると、導線250と導線254とにより形成される回路を貫く磁束が変化することにより、導線250と導線254とにより形成される回路に誘導起電力が発生する。具体的には例えば、図5に示すように紙面表側から紙面裏側に向かう磁束270が増大した場合、導線250と導線254とにより形成される回路には矢印271に示すような誘導起電力が発生する。
導線250、254の長さをa、導線250と導線254の間隔をb、永久磁石22、24による磁界の磁束密度をB、検出対象の回転の角速度をωとすると、信号線246に発生する誘導起電力Veは次式(5)で示される。同様に検出対象の回転に伴う磁界の変化によって、導線260と導線264とにより形成される回路にも誘導起電力が発生する(図5に示す矢印272参照)。
Ve=ωabBsinθ ・・・(5)
図6は、第1の従来例としての回転角度検出装置200の出力信号に重畳されるノイズの測定結果である。図6に示すグラフはX軸で時間を表し、Y軸でノイズとしての電圧を400倍した値を表している。この測定結果は、検出対象の回転の角速度ωが約200πrad/s、永久磁石22、24による磁界の磁束密度Bが約80mTの条件で測定したものである。
図6に示す測定結果によれば、導線250、254により伝送される出力信号と導線260、264により伝送される出力信号とには、それぞれ3.7mV程度のノイズ201と2.3mV程度のノイズ202とが重畳される。信号幅が5Vの出力信号に対する3.7mVのノイズは、検出対象の0.266°の回転角度に相当する。信号幅が5Vの出力信号に対する2.3mVのノイズは、検出対象の0.166°の回転角度に相当する。このように出力信号に重畳される誘導ノイズにより、回転角度検出装置200の検出誤差は増大する。
これに対して、例えば導線250、254の長さaを短くしたり、導線250と導線254との間隔bを狭くすることにより、すなわち導線250と導線254とにより形成される回路のループ面積abを縮小することにより、導線250、254に発生する誘導起電力を低減することができる(式(5)参照)。しかしながら、導線を短くすることや導線の間隔を狭くすることには、構造上又は製造上の限界がある。また、このようなノイズ対策を行ったとしても、検出対象の回転の角速度が増大するにつれて、導線に発生する誘導起電力は増大し、回転角度検出装置の検出誤差は増大する。
図7は、第2の従来例としての回転角度検出装置を説明するための模式図である。
従来例としての回転角度検出装置300の各構成要素は、回転角度検出装置1に係るFPC40に対応する構成要素を除いて、回転角度検出装置1の対応する構成要素と実質的に同一である。
ホール素子30とホール素子31は、基台に取付けられたプリント基板310に実装されている。そしてホール素子30とホール素子31は、それぞれツイストペアケーブルを介してECU82と接続されている。ツイストペアケーブル340は、互いに撚り合わされた導線350及び導線354で構成されている。ツイストペアケーブル341は、互いに撚り合わされた導線360及び導線364で構成されている。
図8は、第2の従来例としての回転角度検出装置300の出力信号に重畳されるノイズの測定結果を示す模式図である。この測定結果は、上述した第1の従来例としての回転角度検出装置200の出力信号に重畳されるノイズの測定(図7参照)と同一の測定条件で測定したものである。
図8に示す測定結果によれば、導線350、354により伝送される出力信号と導線360、364とにより伝送される出力信号には、それぞれ0.7mV程度のノイズ301とノイズ302とが重畳されている。この測定結果が示すように出力信号の伝送にツイストペアケーブルを用いることにより、出力信号の誘導ノイズを低減することができる。
しかしながら、信号幅が5Vの出力信号に対する0.7mVのノイズは、検出対象の0.050°の回転角度に相当する。したがって回転角度検出装置300では、0.050°以上の精度で検出対象の回転角度を検出することができない。
以下、本発明の第1実施形態による回転角度検出装置1におけるノイズ対策を図9及び図10に基づいて説明する。図9はホール素子30に重畳するノイズを説明するための模式図、図10はノイズが重畳したホール素子30の出力信号を説明するための模式図である。
回転角度検出装置1では、上述したように導線50の引出部51と導線54の引出部55とが磁界の方向と略平行な仮想平面上を伸びているため、引出部51と引出部55との間を磁束が貫くことは殆どない。したがって、引出部51、55においてホール素子30の出力信号100に重畳する誘導ノイズは非常に小さい。
また、導線50の配線部52と導線54の配線部56とがホール素子30の感度方向と略垂直な仮想平面上を伸びているため、配線部52、56において出力信号100に重畳する誘導ノイズと出力信号100とは同位相である。
また、配線部52、56がホール素子30の感度方向側を回転軸方向に伸びているため、磁界の方向がホール素子30の感度方向の近傍のとき、ホール素子30及び配線部52、56の近傍には同様の磁界が形成される。具体的には例えば、図2(B)に示すように磁界の方向がホール素子30の感度方向のとき、ホール素子30を貫く磁束は配線部52と配線部56との間を通る。この結果、配線部52、56において出力信号100に重畳する誘導ノイズは出力信号100と同様の波形となる。
また、配線部52、56が平行で磁束密度が均一な磁界が形成される回転軸の近傍を通っているため、配線部52、56において出力信号100に重畳する誘導ノイズは正弦波となる。
以上説明した理由から、図9に示すように導線50、54に重畳する誘導ノイズ130は出力信号100と同様の正弦波となる。したがって、図10に示すように誘導ノイズ130が出力信号100に重畳したとしても、出力信号100は正弦波のままその位相が変化することはなく、ホール素子30の見かけ上の感度が高まるだけである(図10に示す誘導ノイズが重畳したホール素子30の出力信号140参照)。同様に、誘導ノイズ131が出力信号101に重畳したとしても、出力信号101は正弦波のままその位相が変化することはなく、ホール素子31の見かけ上の感度が高まるだけである。
さらに回転角度検出装置1では、導線50と導線54との間隔と導線60と導線64との間隔とが略同一である。すなわち、導線50、54により形成される回路の配線部52、56におけるループ面積と、導線60、64により形成される回路の配線部62、66におけるループ面積とは略同一面積になるため、それぞれの配線部において出力信号100と出力信号101とに重畳する誘導ノイズの振幅は略同一である。したがって、誘導ノイズが出力信号100、101に重畳したとしても、ホール素子30、31の見かけ上の感度が同程度に高まるだけなので、誘導ノイズが重畳した出力信号100、101から上述した三角関数に基づいて検出誤差が小さな検出対象の回転角度を容易に検出することができる。
(第2実施形態)
図11は本発明の第2実施形態による回転角度検出装置を示す模式図である。図11(A)は、図11(B)に示すA11−A11線による断面図。図11(B)は図11(A)に示すB11−B11線による断面図である。
第2実施形態による回転角度検出装置2のヨーク、永久磁石、基台及びECUは、第1実施形態による回転角度検出装置1の対応する構成要素と実質的に同一である。したがって、これらの構成要素には回転角度検出装置1の対応する構成要素と同一の符号を付して説明する。
集積回路90は、ホール素子30、ホール素子31、複数のリード、パッケージ95等から構成され、FPC41に実装されている。ホール素子30、31は、第1実施形態と同様に回転方向に互いに90°の角度をなしてパッケージ95内に配置されている。
リード91、92は、それぞれパッケージ95内でホール素子30に接続され、パッケージ95外に伸びている。リード91、92のパッケージ95外の部分は、ホール素子30の感度方向側に位置している。同様にリード93、94は、それぞれホール素子31に接続され、リード93、94のパッケージ95外の部分はホール素子31の感度方向側に位置している。リード91〜94には、それぞれ引出部51、55、61、65が接続されている。リード91〜94のパッケージ95外の部分が請求項に記載の「端子」に相当する。
FPC41は、集積回路90を実装するためのパッドが設けられていることを除き、第1実施形態に係るFPC40と実質的に同一である。
回転角度検出装置2では、リード91、92のパッケージ95外の部分がホール素子30の感度方向側に位置しているため、引出部51、55がホール素子30の感度方向に伸びるように、導線50を容易に配線することができる。同様にリード93、94のパッケージ95外の部分がホール素子31の感度方向側に位置しているため、引出部61、65がホール素子31の感度方向に伸びるように、導線60を容易に配線することができる。
(他の実施形態)
尚、以上説明した複数の実施形態では、磁気検出素子としての2つのホール素子30、31を備える回転角度検出装置を例示した。しかし回転角度検出装置は、磁気検出素子を1つ又は3つ以上備えてもよい。磁気検出素子は、異方性磁気抵抗素子や巨大磁気抵抗素子等の磁気抵抗素子でもよい。
また、ホール素子30とホール素子31は、検出対象の回転方向に互いに90°の角度をなして設置されていると説明したが、90°以外の所定角度をなして設置してもよい。
ホール素子30、31の基台80への設置方法はFPC40への実装によるものでなくてもよい。具体的には例えば、ホール素子30、31は基台80に取り付けられたプリント基板に実装してもよいし、プリント基板を介してFPC40に実装してもよい。また、ホール素子30、31は定電圧駆動されてもよい。
また、導線50、54、60、64はFPC40に形成されていると説明した。しかし導線は、FPC以外のケーブルに形成されるものでもよいし、薄板の金属を打ち抜いたりエッチングにより形成されたリードでもよい。
また、検出誤差が仕様を満たす限り、導線50と導線54は平行でなくてもよいし、ホール素子30の感度方向に伸びていなくてもよい。また導線60と導線64は平行でなくてもよいし、ホール素子31の感度方向に伸びていなくてもよい。また導線50と導線54の間隔と導線60と導線64の間隔とは異なっていてもよい。また、導線50、54、60、64はそれぞれ回転軸近傍を通っていなくてもよいし、引出部を有していなくてもよい。
また、第2実施形態では、QFP(Quad Flat Package)の集積回路90を例示したが、ホール素子30、31はQFP以外の集積回路に形成してもよい。
また、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の実施形態に適用可能である。
本発明の第1実施形態による回転角度検出装置を示す模式図。 永久磁石が発生する磁界を説明するための模式図。 回転角度検出装置による回転角度の検出方法を説明するための模式図。 回転角度検出装置による回転角度の検出方法を説明するための模式図。 第1の従来例による回転角度検出装置を示す模式図。 第1の従来例による回転角度検出装置のノイズ試験の結果を示す模式図。 第2の従来例による回転角度検出装置を示す模式図。 第2の従来例による回転角度検出装置のノイズ試験の結果を示す模式図。 本発明の第1実施形態に係るノイズ対策を説明するための模式図。 本発明の第1実施形態に係るノイズ対策を説明するための模式図。 本発明の第2実施形態による回転角度検出装置を示す模式図。
符号の説明
1、2:回転角度検出装置、20:ヨーク(磁界発生手段)、22:永久磁石(磁界発生手段)、24:永久磁石(磁界発生手段)、30:ホール素子(磁気検出素子)、31:ホール素子(磁気検出素子)、50、54:導線(一組の導線)、60、64:導線(一組の導線)、51、55、61、65:引出部、52、56、62、66:配線部、80:基台、82:ECU(制御手段)、91〜94:リード(端子)、100、101:出力信号

Claims (5)

  1. 磁界を発生する磁界発生手段と、
    検出対象の回転に伴って前記磁界発生手段に対して相対的に回転する基台と、
    前記基台に設置され、前記磁界発生手段と前記基台との相対的な回転により変化する前記磁界に応じた出力信号を出力する磁気検出素子と、
    前記磁気検出素子に接続され、前記基台の前記磁気検出素子の設置面に沿って前記磁気検出素子の感度方向に伸びている引出部、及び前記引出部から前記磁気検出素子の感度方向と略垂直な仮想平面上を回転軸方向に伸びている配線部を有し、前記磁気検出素子の出力信号を伝送する一組の導線と、
    前記磁気検出素子の出力信号の位相に基づき前記検出対象の回転角度を検出する制御手段とを備える回転角度検出装置。
  2. 前記引出部は前記磁界の方向と略平行な仮想平面上を伸びている、請求項に記載の回転角度検出装置。
  3. 前記磁気検出素子の感度方向側に配置されている端子をさらに備え、
    前記導線は前記端子を介して前記磁気検出素子に接続されている、請求項に記載の回転角度検出装置。
  4. 複数の前記磁気検出素子を備え、
    各前記磁気検出素子に接続されている前記配線部の間隔は全ての前記磁気検出素子で略同一である、請求項1からのいずれか一項に記載の回転角度検出装置。
  5. 前記磁界発生手段は回転軸近傍に略平行な磁界を形成し、
    前記磁気検出素子は回転軸近傍に設置され、
    前記導線は回転軸近傍を通っている、請求項1からのいずれか一項に記載の回転角度検出装置。
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