JP5343101B2 - Detection signal correction method of angle sensor - Google Patents
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Description
本発明は、ホール素子を用い微小角度の測定に適した角度センサの検出信号補正方法に関するものである。 The present invention relates to a detection signal correction method of an angle sensor suitable for measuring a minute angle using a Hall element.
一般的なホール素子においては、図6に示すように、金属の薄片であるホール素子1の磁束密度検出面であるチップ面Tに対して、直交する磁界の磁束密度をBとし、ホール素子1に定電流Iを流すと、ホール素子1は磁束密度Bによりローレンツ力を受けて起電力を発生する。ホール素子1の起電力である出力Vは、Kをホール係数、dをホール素子の厚みとすると、次の(1)式となる。
V=(K/d)B・I …(1)
In a general Hall element, as shown in FIG. 6, the magnetic flux density of a magnetic field orthogonal to the chip surface T which is a magnetic flux density detection surface of the
V = (K / d) B · I (1)
このホール素子1を角度センサとして使用するには、チップ面Tが磁束方向と交叉する角度をホール素子1の出力として検出する。検出する角度が微小な場合に、ホール素子1のチップ面Tをマグネットによる磁束の向きと平行にしてホール素子1の感度を高める方法が、例えば特許文献1に開示されている。
In order to use the
微小な角度変位θを検出する場合は、図7に示すようにホール素子1を磁束密度Bの磁界中に配置し、θ=0では、ホール素子1のチップ面Tが磁束の方向と平行、つまりチップ面Tに対する磁束の方向が0゜となるように配置する。
When detecting a small angular displacement θ, the
このようにして、ホール素子1のチップ面Tを磁束と平行に配置すると、角度変位θに対する高い感度が得られる。配置したホール素子1が、図8に示すように磁束に対して傾くことで発生するホール素子1の出力Vを計測し、例えば1°の1000分の1程度の分解能を有する角度変位θを、次の(2)式により検出することができる。
V=(K/d)・B・I・sinθ …(2)
Thus, when the chip surface T of the
V = (K / d) · B · I · sin θ (2)
なお、角度変位θが0°近傍の微小角度とすると、sinθ≒θとなり、(2)式は(2)' 式となる。
V=(K/d)・B・I・θ …(2)'
If the angular displacement θ is a minute angle near 0 °, sin θ≈θ, and equation (2) becomes equation (2) ′.
V = (K / d) · B · I · θ (2) ′
一方、磁束密度Bの補正のために、図8に示すようにホール素子1と同種の基準用ホール素子2を同一磁界、又はその磁束密度に比例する成分が得られるように、そのチップ面Tが磁束の方向と直交するように配置する。基準用ホール素子2に定電流Iを加えると、基準用ホール素子2の出力Vsは、Ksをそのホール係数、厚みをdsとすると、(3)式が得られる。
Vs=(Ks/ds)・B・I …(3)
On the other hand, in order to correct the magnetic flux density B, as shown in FIG. 8, the chip surface T of the
Vs = (Ks / ds) · B · I (3)
これらの出力V、Vsについて、ホール素子1の出力Vを基準用ホール素子2の出力Vsで除すと、(4)式が得られる。
V/Vs=(K/d)・θ/(Ks/ds) …(4)
For these outputs V and Vs, when the output V of the
V / Vs = (K / d) · θ / (Ks / ds) (4)
ここで、K、d、Ks、dsは定数なので、(4)式から磁束密度Bの経時変化などの影響を受けない安定した微小な角度変位θを検出することができる。 Here, since K, d, Ks, and ds are constants, it is possible to detect a stable minute angular displacement θ that is not affected by the change with time of the magnetic flux density B from the equation (4).
しかし、ホール素子1、2のホール係数K、Ksは温度の影響を受け易く温度依存性を有するので、多数のホール素子の中から温度特性が揃った一対のホール素子を選別し、ホール素子1、2として周囲温度の変動に対応している。
However, since the Hall coefficients K and Ks of the
このようにホール素子の選別を行っても、ホール素子に電流Iを供給することにより角度に依存しないオフセット電圧が発生することが知られている。しかし、図6に示すように配置して出力電圧を求める場合には、ローレンツ力による起電力が大きく、オフセット電圧値は極めて小さいので、一般にはオフセット電圧値は無視されている。 It is known that even when the Hall elements are selected in this way, an offset voltage independent of the angle is generated by supplying the current I to the Hall elements. However, when the output voltage is obtained by arranging as shown in FIG. 6, since the electromotive force due to the Lorentz force is large and the offset voltage value is extremely small, the offset voltage value is generally ignored.
しかし、磁束の方向とチップ面Tを平行にした微小角度の測定においては、ホール素子の内部抵抗による無視できない第1のオフセット電圧値が発生する。この第1のオフセット電圧値は周囲温度により変化し、出力V、Vsに重畳して角度測定に誤差を与えており、特に周囲温度が広範囲で変化する場合には対処が必要となる。 However, in the measurement of a minute angle in which the direction of the magnetic flux is parallel to the chip surface T, a first offset voltage value that cannot be ignored is generated due to the internal resistance of the Hall element. This first offset voltage value varies depending on the ambient temperature and is superimposed on the outputs V and Vs to give an error in angle measurement. In particular, when the ambient temperature varies over a wide range, it is necessary to take a countermeasure.
また、磁束の方向とホール素子1のチップ面Tを平行にした場合には、チップ面Tと直交し磁束に対向するカット面Cでローレンツ力に基づく起電力が発生し、温度変化に応じてホール素子1の出力Vに重畳し、同様に角度測定に誤差を与えていることが分った。
Further, when the direction of the magnetic flux and the chip surface T of the
本発明の目的は、ホール素子が有する内部抵抗に基づく電流による第1のオフセット電圧値を含み、周囲温度に対応して変動し、ホール素子のカット面によるローレンツ力に起因する第2のオフセット電圧値を演算により除去することにより、微小角度の信号値の誤差を良好に補正する角度センサの検出信号補正方法を提供することにある。 An object of the present invention comprises a first offset voltage value by the current based on the internal resistance with the Hall element will vary in response to ambient temperature, a second offset voltage due to the Lorentz force due to the cut surface of the Hall element An object of the present invention is to provide a detection signal correction method of an angle sensor that corrects an error of a signal value of a minute angle by removing the value by calculation.
また、本発明に係る角度センサの検出信号補正方法は、磁束を一様に発生する磁界発生機構に対し相対的に回転可能とした軸に取り付け、前記磁界発生機構の磁界方向に対する相対角度を検出するホール素子から成る角度検出用センサを備え、測定角度が0°の零位角度において前記角度検出用センサの磁束密度検出面であるチップ面を前記磁界発生機構からの磁束の方向と平行に配置する角度検出用センサの検出信号補正方法において、オフラインにおいて、前記角度検出用センサを磁界方向と前記角度検出用センサのチップ面が並行になるように前記零位角度に固定し、所定の磁束を発生させた有磁界状態で、定電流を前記角度検出用センサに供給して、前記角度検出用センサの複数の周囲温度による内部抵抗に起因する第1のオフセット電圧値に前記角度検出用センサのカット面によるローレンツ力に起因する起電力を加えた第2のオフセット電圧値をそれぞれ測定し、前記第2のオフセット電圧値の温度特性を求める第1のステップと、オンラインでの角度測定中に、温度検出用センサによる周囲温度の測定を行い、前記角度検出用センサの出力から前記温度特性に該当する前記第2のオフセット電圧値を除去する補正を行う第2のステップとを有することを特徴とする。 In addition, the detection signal correction method of the angle sensor according to the present invention is attached to a shaft that is rotatable relative to a magnetic field generation mechanism that uniformly generates magnetic flux, and detects a relative angle of the magnetic field generation mechanism with respect to the magnetic field direction. And a chip surface, which is a magnetic flux density detection surface of the angle detection sensor, at a zero angle where the measurement angle is 0 °, is arranged in parallel with the direction of the magnetic flux from the magnetic field generating mechanism. In the detection signal correction method of the angle detection sensor, the angle detection sensor is fixed to the zero angle so that the magnetic field direction and the chip surface of the angle detection sensor are parallel to each other, and a predetermined magnetic flux is generated offline. In the generated magnetic field state, a constant current is supplied to the angle detection sensor, and a first offset caused by internal resistance due to a plurality of ambient temperatures of the angle detection sensor. A first step of measuring a second offset voltage value obtained by adding an electromotive force caused by the Lorentz force by the cut surface of the angle detection sensor to obtain a temperature characteristic of the second offset voltage value; During the on-line angle measurement, the ambient temperature is measured by the temperature detection sensor, and the second offset voltage value corresponding to the temperature characteristic is corrected from the output of the angle detection sensor. These steps are included.
また、本発明に係る角度センサの検出信号補正方法によれば、ホール素子に発生する第1のオフセット電圧値を含み、ホール素子のカット面に対する磁束により発生する第2のオフセット電圧値を周囲温度に従って除去し、微小角度の測定精度を向上させる。 In addition, according to the detection signal correction method of the angle sensor according to the present invention, the second offset voltage value including the first offset voltage value generated in the Hall element and generated by the magnetic flux with respect to the cut surface of the Hall element is set to the ambient temperature. To improve the measurement accuracy of minute angles.
本発明を図1〜図5に図示の実施例に基づいて詳細に説明する。 The present invention will be described in detail based on the embodiment shown in FIGS.
図1において、透磁性材料から成るハウジング11には貫通孔12が設けられ、この貫通孔12には、同様に透磁性材料から成る軸13がベアリング14を介して回転可能に保持されている。軸13には、ホール素子から成る角度検出用センサ15が切欠部等に取り付けられており、軸13には例えば液面計のフロートが連結され、フロートの液位が軸13の微小角度の回転に変換されるようになっている。
In FIG. 1, a
図2に示すように、貫通孔12の両側には軸13を挟み込むように、磁界発生機構である一対のマグネット16、16’が固定され、貫通孔12内ではN極からS極に向けて磁束密度Bの磁束が一様に発生している。角度検出用センサ15と同種のホール素子から成る基準用センサ17が、ハウジング11の外側又は内側のマグネット16、16’による磁界内に固定され、チップ面Tはマグネット16、16’の磁束方向と直交するように配置されされている。なお、この基準用センサ17は背景技術で説明した基準となるホール素子2に相当している。
As shown in FIG. 2, a pair of
またハウジング11内には、周囲温度を検出するための例えば測温抵抗体から成る温度検出用センサ18が配置されている。そして、角度検出用センサ15、基準用センサ17、温度検出用センサ18はリード線を介して信号処理部19に接続されている。
In the
なお実施例においては、ハウジング11を固定し軸13が回転しているが、ハウジング11が回転し軸13を固定してもよく、磁界方向に対する相対角度を測定すればよい。
In the embodiment, the
図3に示すように、角度検出用センサ15はホール素子の磁束密度検出面であるチップ面Tが、マグネット16、16’の磁束方向と平行になる場合をθ=0となる零位角度に配置されている。また、温度検出用センサ18は角度検出用センサ15、基準用センサ17の周囲温度を検出する。信号処理部19は角度検出用センサ15、基準用センサ17に定電流Iを供給し、角度検出用センサ15の出力V、基準用センサ17の出力Vs、温度検出用センサ18の温度信号を検出し、後述するように演算処理して微小な角度変位θを算出する。
As shown in FIG. 3, the
軸13が回転すると、先に説明した(4)式に従って、2つのセンサ15、17の出力V、Vsを基に、信号処理部19において角度変位θを演算する。
When the
しかし、角度検出用センサ15は定電流Iを供給することで、次の(5)式のような角度変位θと無関係で内部抵抗に起因する第1のオフセット電圧値O1、つまり微小な角度変位θの測定においては無視し難い電圧が発生し、出力Vに重畳しているので補正が必要となる。
V=(K/d)・B・I・θ+O1 …(5)
However, the
V = (K / d) · B · I · θ + O1 (5)
この(5)式において、第1のオフセット電圧値O1の影響を受けない出力Vを得るためには、第1のオフセット電圧値O1を出力Vから差し引く処理を行わねばならない。 In the equation (5), in order to obtain an output V that is not affected by the first offset voltage value O1, a process of subtracting the first offset voltage value O1 from the output V must be performed.
第1のオフセット電圧値O1は定電流Iに比例して発生し、かつこの第1のオフセット電圧値O1を発生させる内部抵抗Rは温度係数αを有しているので、第1のオフセット電圧値O1は基準温度25℃に対する温度変化幅である温度Δtに依存する一次式として近似した(6)式が成立する。
O1=I・R・(1+α・Δt) …(6)
The first offset voltage value O1 is generated in proportion to the constant current I, and the internal resistance R that generates the first offset voltage value O1 has a temperature coefficient α. O1 is an approximated expression (6) as a linear expression depending on the temperature Δt that is a temperature change width with respect to the reference temperature of 25 ° C.
O1 = I · R · (1 + α · Δt) (6)
この第1のオフセット電圧値O1を得るためには、オフラインにおいて恒温槽などで角度検出用センサ15に無磁界状態、つまりB=0で定電流Iを供給しながら温度Δtを変化させて、出力Vを求める。得られた温度特性のデータから、第1のオフセット電圧値O1を発生する内部抵抗R、温度係数αを算出する。或いは、温度Δtに対する第1のオフセット電圧値O1のテーブルを作成してもよい。なお、このデータを求める場合に、無磁界状態では(5)式の第1項は関係がなくなるので、角度変位θの大きさは何れでもよい。
In order to obtain the first offset voltage value O1, the temperature Δt is changed while the constant current I is supplied to the
また、基準用センサ17においても、同様にその出力Vsに次の(7)式のように第1の第1のオフセット電圧値O1sが重畳されている。
Vs=(Ks/ds)・B・I+O1s …(7)
Similarly, in the
Vs = (Ks / ds) · B · I + O1s (7)
基準用センサ17のチップ面Tによる内部抵抗をRr、温度係数をαsと
すると、第1のオフセット電圧値O1sは次の(8)式のように表せる。
O1s=I・Rr・(1+αs・Δt) …(8)
When the internal resistance of the
O1s = I · Rr · (1 + αs · Δt) (8)
基準用センサ17の第1のオフセット電圧値O1sについても、無磁界状態において、基準用センサ17に対し温度Δtを変化させてデータを求め、(8)式の内部抵抗Rr、温度係数αsを算出したり、温度Δtに対する第1のオフセット電圧値O1sのテーブルを作成すればよい。
The first offset voltage value O1s of the
オンラインでの角度測定中では、周囲温度を温度検出用センサ18により測定し、第1のオフセット電圧値O1、O1sを算出、又は記憶したテーブルから求めることにより、信号処理部19においてこれらを(5)、(7)式から差し引けば、第1のオフセット電圧値O1、O1sが除去された出力V、Vsが得られる。
During online angle measurement, the ambient temperature is measured by the
このような補正をした後に、(4)式と同じ(9)式により、出力V、Vsを演算すれば、温度変動の影響を受けない安定した微小な角度変位θが信号処理部19により得られる。
V/Vs=(K/d)・θ/(Ks/ds) …(9)
After such correction, if the outputs V and Vs are calculated by the same equation (9) as the equation (4), the
V / Vs = (K / d) · θ / (Ks / ds) (9)
図4は実施例1の第1のオフセット電圧値O1、O1sを除去した温度Δtの±50℃の範囲における実測したフルスケールに対する誤差(%:フルスケール 1°)の特性E1のグラフ図であり、特性E0は従来例の実測した誤差を示し、特性E1は特性E0と比べて第1のオフセット電圧値O1、O1sによる誤差が補正されている。
FIG. 4 is a graph of the characteristic E1 of the error (%:
なお、基準用センサ17については、ローレンツ力に起因する(7)式の第1項の値は、第1のオフセット電圧値O1sよりも十分に大きく、微小な第1のオフセット電圧値O1sは無視することができるので、第1のオフセット電圧値O1sは求めずに、演算においても使用しなくともよい。
For the
角度検出用センサ15により、図3に示すようにチップ面Tが磁束とほぼ平行になるようにして微小の角度変位θを測定する際に、チップ面Tと直交するカット面Cについても磁束密度Bによる影響を受けて、僅かながらも起電力が発生し出力Vに重畳する。本明細書では、第1のオフセット電圧値O1にこの起電力を加えて、第2のオフセット電圧値O2と定義することにする。
When the minute angular displacement θ is measured by the
カット面Cにおける厳密な意味でのローレンツ力は、電流Iと磁束の方向が平行であるために発生しないと考えられるが、ホール素子内では定電流は三次元的に流れ、磁束と直交する方向にも一部の電流が流れると推測され、ローレンツ力による微小な起電力が発生し、この起電力はホール素子特有の温度依存性を有している。 The Lorentz force in the strict sense on the cut surface C is considered not to occur because the current I and the direction of the magnetic flux are parallel to each other, but the constant current flows three-dimensionally in the Hall element and is perpendicular to the magnetic flux. Also, it is estimated that a part of the current flows, and a minute electromotive force is generated due to the Lorentz force, and this electromotive force has a temperature dependency unique to the Hall element.
なお、カット面Cに対する角度変位θの影響はcosθとして表されるが、角度変位θが極めて小さい範囲においてはcosθ=1とみなすことができる。 Although the influence of the angular displacement θ on the cut surface C is expressed as cos θ, it can be regarded that cos θ = 1 in a range where the angular displacement θ is extremely small.
図4において特性E1として残留している誤差は、主としてこのカット面Cに起因する起電力によるものであり、この起電力は図4からも温度Δtに対し直線的である。従って、この起電力は一定の磁束密度B内において、温度係数をβ、一定値をDとすると、温度Δtに関し一次式であるβ・Δt+Dと近似することができ、角度検出用センサ15の出力Vは、(5)式にこの起電力であるβ・Δt+Dを加えた次の(10)式とすることができる。
V=(K/d)・B・I・θ+O1+β・Δt+D …(10)
In FIG. 4, the error remaining as the characteristic E1 is mainly due to the electromotive force caused by the cut surface C, and this electromotive force is also linear with respect to the temperature Δt from FIG. Therefore, this electromotive force can be approximated to β · Δt + D, which is a linear expression with respect to the temperature Δt, where β is a temperature coefficient and D is a constant value in a constant magnetic flux density B, and the output of the angle detection sensor 15 V can be the following equation (10) obtained by adding this electromotive force β · Δt + D to equation (5).
V = (K / d) · B · I · θ + O1 + β · Δt + D (10)
そして、第2のオフセット電圧値O2は温度係数をγ、一定値をFとすると、次の一次式(11)となる。
O2=O1+β・Δt+D=I・R・(1+α・Δt)+β・Δt+D
=γ・Δt+F …(11)
The second offset voltage value O2 is represented by the following linear expression (11) where γ is a temperature coefficient and F is a constant value.
O2 = O1 + β · Δt + D = I · R · (1 + α · Δt) + β · Δt + D
= Γ · Δt + F (11)
実施例1においては、オフラインで無磁界状態において第1のオフセット電圧値O1、O1sを求めたが、実施例2では第2のオフセット電圧値O2は磁束により変動するので有磁界状態でデータを求める必要があり、更に(10)式の第1項を除去するためにはθ=0とする必要があり、第2のオフセット電圧値O2をこの状態求める。 In the first embodiment, the first offset voltage values O1 and O1s are obtained in an off-line and no magnetic field state. However, in the second embodiment, since the second offset voltage value O2 varies depending on the magnetic flux, data is obtained in a magnetic field state. Further, in order to remove the first term of the equation (10), it is necessary to set θ = 0, and the second offset voltage value O2 is obtained in this state.
即ち、オフラインで角度検出用センサ15に対し、恒温槽内でθ=0で磁束密度Bの有磁界状態において定電流Iを供給し、温度Δtを変化させて第2のオフセット電圧値O2のデータを求める。このデータから、温度Δtに対する第2のオフセット電圧値O2の一次式の定数γ、Fを算出し、或いは温度Δtに対する第2のオフセット電圧値O2のテーブルを作成する。
That is, a constant current I is supplied to the
なお、基準用センサ17の出力Vsではカット面Cによる起電力は生ぜず、また実施例1で説明したように第1のオフセット電圧値O1sは小さいので、実施例1のように求めることもできるが、この実施例2では無視してもよい。
Since the output Vs of the
オンラインでの角度測定時には、温度検出用センサ18により周囲温度Δtを測定し、記憶している一次式やテーブルを用いて、周囲温度Δtを基に第2のオフセット電圧値O2を求め、角度検出用センサ15の出力Vに重畳している誤差要因である第2のオフセット電圧値O2を除去する補正を信号処理部19により行うことにより、(9)式を基に精度の良い角度変位θが得られる。
When measuring the angle online, the ambient temperature Δt is measured by the
図5は実施例2の温度Δtに対する角度変位θの実測した誤差(%:フルスケール 1°)の特性E2のグラフ図である。この特性E2は実施例1で得られた特性E1よりも更に良好な補正がなされている。
FIG. 5 is a graph of the characteristic E2 of the actually measured error (%:
11 ハウジング
12 貫通孔
13 軸
14 ベアリング
15 角度検出用センサ
16、16’マグネット
17 基準用センサ
18 温度検出用センサ
19 信号処理部
DESCRIPTION OF
Claims (4)
オフラインにおいて、前記角度検出用センサを磁界方向と前記角度検出用センサのチップ面が並行になるように前記零位角度に固定し、所定の磁束を発生させた有磁界状態で、定電流を前記角度検出用センサに供給して、前記角度検出用センサの複数の周囲温度による内部抵抗に起因する第1のオフセット電圧値に前記角度検出用センサのカット面によるローレンツ力に起因する起電力を加えた第2のオフセット電圧値をそれぞれ測定し、前記第2のオフセット電圧値の温度特性を求める第1のステップと、
オンラインでの角度測定中に、温度検出用センサによる周囲温度の測定を行い、前記角度検出用センサの出力から前記温度特性に該当する前記第2のオフセット電圧値を除去する補正を行う第2のステップとを有することを特徴とする角度センサの検出信号補正方法。 Mounted on a shaft that is rotatable relative to a magnetic field generating mechanism that uniformly generates magnetic flux, and includes an angle detection sensor that includes a Hall element that detects a relative angle of the magnetic field generating mechanism with respect to the magnetic field direction. In the detection signal correction method of the angle detection sensor, the chip surface which is the magnetic flux density detection surface of the angle detection sensor at a zero angle of 0 ° is arranged in parallel with the direction of the magnetic flux from the magnetic field generation mechanism.
In the offline state, the angle detection sensor is fixed at the zero angle so that the magnetic field direction and the chip surface of the angle detection sensor are parallel to each other, and a constant current is applied in a magnetic field state in which a predetermined magnetic flux is generated. Supply to the angle detection sensor and add an electromotive force due to the Lorentz force due to the cut surface of the angle detection sensor to the first offset voltage value due to the internal resistance due to a plurality of ambient temperatures of the angle detection sensor Measuring a second offset voltage value and determining a temperature characteristic of the second offset voltage value;
During the online angle measurement, the ambient temperature is measured by the temperature detection sensor, and the second offset voltage value corresponding to the temperature characteristic is corrected from the output of the angle detection sensor. And a detection signal correction method for an angle sensor.
オンラインでの角度測定中に、前記温度検出用センサによる周囲温度の測定を行い、前記基準用センサの出力から前記温度特性に該当する前記基準用センサのオフセット電圧値を除去する補正を行うことを特徴とする請求項1又は2に記載の角度センサの検出信号補正方法。 In the offline state, a constant current is supplied to the reference sensor in the absence of a magnetic field, and the reference sensor offset voltage values caused by internal resistance due to a plurality of ambient temperatures of the reference sensor are respectively measured. The temperature characteristics of the offset voltage value of
During online angle measurement, the ambient temperature is measured by the temperature detection sensor, and correction is performed to remove the offset voltage value of the reference sensor corresponding to the temperature characteristic from the output of the reference sensor. 3. The detection signal correction method for an angle sensor according to claim 1, wherein the detection signal is corrected.
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