JP5376338B2 - 回転角検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、回転角検出装置に関する。

従来、磁石などの磁気発生手段およびホール素子などの磁束密度検出手段の一方を検出対象に設置し、検出対象が回転移動したときの磁気発生手段の磁気を磁束密度検出手段で検出することにより、検出対象の回転角度を検出する回転角検出装置が知られている。
例えば特許文献１に開示される回転角検出装置は、磁気発生手段としての磁石、磁束密度検出手段としての磁束密度センサ、および、処理部としての信号処理部を備え、信号処理部で補正演算を行う。信号処理部は、予め設定された補正点に対応する所定値（電圧レベル）に基づいて、磁束密度センサの出力信号に基づいた実出力電圧を補正する。ここで、予め設定された各種補正点は、等間隔で設定されている。

特開２００２−２０６９１１

ところで、補正点の間隔が一定である場合、出力信号の非線形性は改善されず、実出力電圧の誤差は回転角度の直線性誤差として残される。また、補正点を増やし、補正点の間隔を狭くすることで実出力電圧の非線形性は補正されるが、補正点の数が増えることで、回路規模の大型化につながり、部品コスト等が増大する。
本発明は上記の問題を鑑みてなされたものであり、その目的は、非線形性を改善し、直線性誤差を低減する回転角検出装置を提供することにある。

請求項１に係る発明による回転角検出装置は、磁気発生手段、磁気検出手段、処理部、および、記憶手段を備える。磁気検出手段は、磁気発生手段に対して相対回転することにより生じる磁束密度の変化に応じた信号を出力する。処理部は、磁気検出手段の信号に対応する実出力値を補正し、補正された値に基づいて磁気検出手段と磁気発生手段との相対回転角を算出して出力する。記憶手段は、処理部で使われるデータを記憶する。

処理部は、所定範囲内で予め設定されたｎ（ｎは自然数）個の補正点に対応する所定値、および、所定値に対応する所定補正値に基づいて実出力値を補正する。また、ｎ個の補正点のうち互いに隣り合う二つの補正点の所定値の差の変化率を表す曲線は、実出力値に対応する正弦波曲線の位相を１８０°ずらした正弦波曲線の一部に近似する。

これにより、互いに隣り合う二つの補正点の所定値の差の変化率は徐々に小さくなる。このため、補正点は、値が小さい所定値間の差よりも値が大きい所定値の差が小さくなるよう設定される。よって、実出力値の最小値側よりも実出力値の最大値側に補正点が多く設定されている。
ところで、実出力値に対応する正弦波曲線は、実出力値の最小値側よりも実出力値の最大値側のカーブが大きい。そのため、補正点は正弦波曲線のカーブが比較的大きい実出力値の最大値側に多く設定され、正弦波曲線の非線形性の増加する傾向が相殺される。したがって、このように補正点を設定することで実出力値に対する非線形性を改善し、直線性誤差を効果的に低減することができる。よって、回転角検出装置の補正精度を向上させることができる。

請求項２に係る発明によると、処理部は、実出力値に補正値を加算または減算することで実出力値を補正する。実出力値と補正点の所定値とが一致する場合、補正値として所定補正値を代入して、実出力値を補正する。
また、実出力値と補正点の所定値とが異なる場合、補正値として、実出力値に最も近い二つの補正点、および、等該二つの補正点に対応する所定補正値に基づいて算出された演算補正値を代入して、実出力値を補正する。
これにより、実出力値が補正点の間の値であっても、補正を行うことができる。

請求項３に係る発明によると、実出力値に基づき、所定補正値を算出する所定補正値算出手段をさらに備える。
これにより、回転角検出装置内で所定補正値を更新することで、例えば、磁気発生手段と磁気検出手段との位置がずれたとしても、所定補正を適切な値にすることができる。したがって、回転角検出装置の補正精度を長期に亘り回転角検出装置のみで維持することができる。

請求項４に係る発明によると、磁気発生手段に対して相対回転することにより生じる磁束密度の変化に応じて磁気検出手段が出力する実出力値は正弦波曲線である。

本発明の第１実施形態の回転角検出装置を示す模式図。 本発明の第１実施形態の回転角検出装置の処理回路を示す模式図。 本発明の第１実施形態の回転角検出装置の記憶手段に記憶されたデータを示す図。 本発明の第１実施形態の回転角検出装置の磁気検出手段の実出力値に対応する正弦波を示す図。 図４の正弦波を１８０°ずらした正弦波を示す図。 本発明の第１実施形態の回転角検出装置の補正点に対応する所定値の差の変化率を表す図。 （ａ）は本発明の第１実施形態の回転角検出装置の磁気検出手段の実出力値、および、実出力値の理想補正結果となる値の集合を表す図、（ｂ）は（ａ）の枠ｂ内の内容を拡大して示した図。 本発明の第１実施形態の回転角検出装置の検出結果の直線性誤差を示す図。 従来の回転角検出装置の補正点に対応する所定値の差の変化率を示す図。 従来の回転角検出装置の検出結果の直線性誤差を示す図。

以下、本発明の複数の実施形態による回転角検出装置を図面に基づいて説明する。
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態による回転角検出装置を図１に示す。回転角検出装置１は、検出対象としての例えばスロットルの弁軸の回転角度を検出する装置である。回転角検出装置１は、永久磁石２０、および、ホール素子１１とデジタルシグナルプロセッサ（以下、ＤＳＰという）１２とメモリ１３とを含むホールＩＣ１０等を備えている。

永久磁石２０は、スロットルの弁軸に設けられたヨーク３０に取り付けられている。ここで、永久磁石２０は特許請求の範囲における「磁気発生手段」に相当する。永久磁石２０は、検出対象の回転に伴ってホールＩＣ１０に対して相対的に回転可能に設けられている。

ホール素子１１は、半導体薄膜で形成されており、特許請求の範囲における「磁気検出手段」に相当する。また、ホール素子１１は、磁束密度の変化に対応する信号を出力する。

ＤＳＰ１２は、デジタル信号処理に特化したものであり、ホール素子１１から出力され、デジタル信号に変換された値に対し補正処理および回転角演算処理等の処理を行う。ＤＳＰ１２は特許請求の範囲における「処理部」に相当する。

メモリ１３は、例えば、読み出し専用メモリ、および、書き込みおよび消去可能なメモリを含み、ＤＳＰ１２で使われる各種データが記憶されている。メモリ１３は特許請求の範囲における「記憶手段」に相当する。

本実施形態の場合、ホールＩＣ１０は、図２に示すように、ホール素子１１とＤＳＰ１２とメモリ１３との他に、アナログ−デジタル変換回路（以下、ＡＤＣという）１４、および、デジタル−アナログ変換回路（以下、ＤＡＣという）１５などを内蔵したＩＣチップである。ホールＩＣ１０はホール素子１１の感磁面が中心軸Ｏ上に位置するよう設けられている（図１参照）。

続いて、回転角検出装置１の作動について説明する。
ホール素子１１は、永久磁石２０に対して中心軸Ｏの周りを相対回転することにより生じる磁束密度の変化に応じた信号を出力する。ＡＤＣ１４は、ホール素子１１が出力するアナログ値をデジタル値に変換し、ＤＳＰ１２に伝送する。以下、ＡＤＣ１４によって変換されたデジタル値を単に実出力値という。ＤＳＰ１２は、ホール素子１１からの出力値に対し補正処理および回転角演算処理等を行う。また、ＤＳＰ１２は、処理結果をＤＡＣ１５に伝送する。ＤＡＣ１５は、ＤＳＰ１２から伝送されたデジタル値をアナログ値に変換し出力する。

ここで、ＤＳＰ１２による補正処理について詳細に説明する。
本実施形態の場合、予め、例えば１６個の補正点を設定し、１６個の補正点に対応する所定値に基づいて実出力値を補正する。メモリ１３には、各補正点に対応する所定値Ａ（０）〜Ａ（１５）および所定補正値Ｋ（０）〜Ｋ（１５）が記憶されている。図３に示すように、所定値Ａ（０）〜Ａ（１５）と所定補正値Ｋ（０）〜Ｋ（１５）とはそれぞれ対応付けられている。また、所定値Ａ（０）〜Ａ（１５）は、いずれもホール素子１１の実出力値（電圧レベル）の範囲内の値である。ここで、特許請求の範囲における「所定範囲」は、ホール素子１１の実出力値の範囲に相当する。

ＤＳＰ１２は、所定値Ａ（０）〜Ａ（１５）、および、所定補正値Ｋ（０）〜Ｋ（１５）に基づいて、ホール素子１１の実出力値を補正する。
実出力値が所定値Ａ（０）〜Ａ（１５）のうち、いずれか一個と一致する場合、実出力値と一致する所定値に対応する所定補正値を、実出力値から減算することで実出力値を補正する。例えば、実出力値がＡ（３）と一致する場合、図３に示すように、Ａ（３）に対応する所定補正値がＫ（３）であるため、実出力値はＡ（３）−Ｋ（３）と補正される。

また、実出力値が所定値Ａ（０）〜Ａ（１５）のいずれとも異なる場合、実出力値に対応する演算補正値を、実出力値から減算することで実出力値を補正する。演算補正値Ｋ
は、実出力値を間にとる二つの所定値、および、この二つの所定値に対応する所定補正値を用いて下記の式２によって一次補間を行うことで算出される。
｛Ｋ（ｎ）−Ｋ（ｎ−１）｝／｛Ａ（ｎ）−Ａ（ｎ−１）｝＝｛Ｋ−Ｋ（ｎ−１）｝／｛Ａ−Ａ（ｎ−１）｝ ・・・式１
Ｋ＝｛Ｋ（ｎ）−Ｋ（ｎ−１）｝／｛Ａ（ｎ）−Ａ（ｎ−１）｝×｛Ａ−Ａ（ｎ−１）｝＋Ｋ（ｎ−１） ・・・式２

例えば、実出力値が所定値Ａ（３）と所定値Ａ（４）との間の値Ａである場合、この実出力値Ａに対応する演算補正値をＫとする。ここで、実出力値Ａ、所定値Ａ（３）、所定値Ａ（４）、所定補正値Ｋ（３）、および、所定補正値Ｋ（４）を式１に代入すると、式３がられる。
｛Ｋ（４）−Ｋ（３）｝／｛Ａ（４）−Ａ（３）｝＝｛Ｋ−Ｋ（３）｝／｛Ａ−Ａ（３）｝ ・・・式３
式３により下記の式４が得られる。
Ｋ＝［｛Ｋ（４）−Ｋ（３）｝／｛Ａ（４）−Ａ（３）｝］×｛Ａ−Ａ（３）｝＋Ｋ（３） ・・・式４
また、実出力値はＡ−Ｋに補正されるため、実出力値は以下の式５による計算値に補正される。
Ａ−［｛Ｋ（４）−Ｋ（３）｝／｛Ａ（４）−Ａ（３）｝］×｛Ａ−Ａ（３）｝−Ｋ（３） ・・・式５
このように、ＤＳＰ１２は、一次補間処理によって算出された演算補正値を、実出力値から減算することで実出力値を補正し、回転角を算出する。

以下、補正点の設定および所定補正値の算出について詳細に説明する。
本実施形態では、外部のコンピュータを用いて補正点に対応する所定値および所定補正値を算出する。
まず、スロットルの回転角度毎に、ホール素子１１から出力された実出力値を取得する。そして、スロットルの回転角度、および、スロットルの回転角度毎に取得した実出力値を用いてホール素子１１の実出力値に対応する正弦波を取得する。

本実施形態の場合、ホール素子１１が中心軸Ｏ上に設けられているため、例えば永久磁石２０がホールＩＣ１０の周りを３６０°回転したとき、ホール素子１１の実出力値に対応する正弦波は、図４に示す正弦波１００のとおりとなる。
また、本実施形態では、検出対象が電子スロットルの弁軸であり、その作動角度範囲は例えば−１０°〜８０°である。ここで、永久磁石２０とホールＩＣ１０とは、予め、回転角度が−１０°である場合にホール素子１１の実出力値が０となるよう、位置関係を設定する（図７（ａ）参照）。本実施形態の場合、回転角検出装置は、−１０〜８０°の範囲内で使用される。そのため、ホール素子１１の出力は図４の曲線１０１に対応する。

図４に示した正弦波１００の位相を回転角度軸に沿って１８０°ずらすと、図５に示すような正弦波２００が得られる。ここで、正弦波２００の−１０°〜８０°範囲内の曲線を曲線２０１とする。

曲線２０１の形状と概ね一致する曲線３０１を図６に示す。図６に示すように、横軸には、番号Ｍ１〜Ｍ１５が等間隔に設定されている。番号Ｍ１〜Ｍ１５は、互いに隣り合う二つの補正点に対応する所定値の差に対応する番号である。本実施形態では、番号Ｍ１が所定値Ａ（１）と所定値Ａ（０）との差に対応し、番号Ｍ２が所定値Ａ（２）と所定値Ａ（１）との差に対応し、・・・番号Ｍ１５が所定値Ａ（１５）と所定値Ａ（１４）との差に対応する。また、曲線３０１の上には、番号Ｍ１〜Ｍ１５に対応する点Ｚ１〜Ｚ１５が設定されている。点Ｚ１〜Ｚ１５は、縦軸の座標値が最も大きい点Ｚ１が番号Ｍ１と対応し、縦軸の座標値が最も小さい点Ｚ１５が番号Ｍ１５と対応するよう設定されている。ここで、点Ｚ１は縦軸の座標値が１であり、点Ｚ１５は縦軸の座標値が０に近い値に設定されている。

本実施形態では、曲線３０１の上の点Ｚ１〜Ｚ１５の縦軸の座標値は、互いに隣り合う二つの補正点の所定値の差の変化率を表す。例えば、点Ｚ１の縦軸の座標値は、所定値Ａ（１）と所定値Ａ（０）との差と、所定値Ａ（１）との比である。また、点Ｚ２の縦軸の座標値は、所定値Ａ（２）と所定値Ａ（１）との差と、所定値Ａ（１）との比である。このように、「互いに隣り合う二つの補正点の所定値の差の変化率」というのは、互いに隣り合う二つの補正点の所定値の差と所定値Ａ（１）との比をいう。本実施形態の場合、０を所定値Ａ（０）とし、永久磁石２０とホールＩＣ１０との相対回転角度が０°である場合、ホール素子１１の実出力値を所定値Ａ（１）とする。
所定値Ａ（１）、および、点Ｚ１〜Ｚ１５の縦軸の変化率を出力座標軸に割り付けて所定値Ａ（２）〜Ａ（１５）を算出し、これらの所定値Ａ（０）〜Ａ（１５）に対応する補正点がそれぞれ設定される。また、補正点に対応する所定値Ａ（０）〜Ａ（１５）をメモリに書き込む。

図７（ａ）は、曲線１０１を拡大して示した図である。図７（ａ）に示すように、曲線１０１の両端の点Ｐ０とＰ１５を直線で結ぶと、直線１０２が得られる。直線１０２は、実出力値の理想補正結果とする値に対応する直線である。曲線１０１の上の点Ｐ０〜Ｐ１５の出力値軸の座標値は、所定値Ａ（０）〜Ａ（１５）と一致する。ここで、特許請求の範囲における「補正点」は、点Ｐ０〜Ｐ１５に相当する。直線１０２の上の点Ｐ１６〜Ｐ２９と点Ｐ１〜Ｐ１４とは、同じ回転角度を有する。ここで、点Ｐ１〜Ｐ１４の出力値軸の座標値と、点Ｐ１６〜Ｐ２９の出力値軸の座標値との差が、所定値Ａ（１）〜Ａ（１４）に対応する所定補正値Ｋ（１）〜Ｋ（１４）に相当する。また、本実施形態の場合、曲線１０１と直線１０２とは、出力値軸の座標値がＡ（０）である点Ｐ０、および、出力値軸の座標値がＡ（１５）である点Ｐ１５で重なる。よって、所定値Ａ（０）に対応する所定補正値Ｋ（０）、および、所定値Ａ（１５）に対応する補正値Ｋ（１５）は０となる。
所定補正値Ｋ（０）〜Ｋ（１５）は、所定値Ａ（０）〜Ａ（１５）に対応付けられて、メモリ１３に書き込まれる。

以上説明したように本実施形態では、互いに隣り合う二つの補正点の所定値の差の変化率を表す曲線３０１は、実出力値に対応する正弦波１００を１８０°ずらして得られた正弦波２００の−１０°〜８０°範囲内の曲線２０１と概ね一致する。これにより、互いに隣り合う二つの補正点の所定値の差の変化率は徐々に小さくなる。このため、所定値Ａ（０）〜Ａ（１５）は、値が小さい所定値間の差よりも値が大きい所定値間の差が小さくなるよう設定される。よって、実出力値の最小値側よりも実出力値の最大値側に所定値が多く設定されている。

ところで、正弦波曲線である実出力値に対応する曲線１０１は、実出力値の最小値側よりも実出力値の最大値側のカーブが大きい。そのため、補正点は曲線１０１のカーブが比較的大きい実出力値の最大値側に多く設定され、曲線１０１の非線形性の増加する傾向が相殺される。特に、実出力値の正弦波曲線に対応するように互いに隣り合う二つの補正点の所定値の差の変化率を出力軸に割付けて補正点を設定することで正弦波曲線である実出力値に対する非線形性を改善し、直線性誤差を効果的に低減することができる。よって、実出力値に対する補正精度を向上させることができる。

図７（ｂ）に示すように、点Ｐは曲線１０１の上の点であり、点ＰＬは直線１０２の上の点である。ここで、点Ｐの出力軸の座標値はＡであり、点ＰＨの出力軸の座標値は式５である。つまり、点ＰＨの出力軸の座標値は、点Ｐの出力軸の座標値はＡに対して一次補間処理を行って得られた値である。図７（ｂ）に示すように、点ＰＨと点ＰＬとは略重なっている。このように、本実施形態の補正点に対応する所定値Ａ（０）〜Ａ（１５）に基づいて、回転角検出装置１の実出力値に対して非線形性を低減可能に補正することができる。

図８は、本実施形態の補正点に対応する所定値Ａ（０）〜Ａ（１５）および所定補正値Ｋ（０）〜Ｋ（１５）を用いて実出力値を補正し、回転角度を算出するときの直線性誤差を示す。図８に示すように、本実施形態の場合、直線性誤差は±０．２％以内に抑制され、７０°以下では０．１％以内に抑制されている。図９は等間隔で設定された従来の補正点の所定値の差の変化率を示している。図１０は補正点を等間隔に設定した従来の回転角検出装置１の直線性誤差を示している。ここで、図８と図１０とを比較すると、本実施形態の回転角検出装置１は、従来の回転角検出装置より、直線性誤差を抑制する効果が高いことがわかる。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態の回転角検出装置について説明する。
本実施形態では、メモリ１３の中に所定補正値Ｋ（０）〜Ｋ（１５）を算出するプログラムが書き込まれている。第１実施形態のＤＳＰの代わりにマイクロコンピュータを設置し、メモリに書き込まれているプログラムによって、必要な時に所定補正値を更新することができる。

これにより、例えば、予め設定された永久磁石２０とホール素子１１との相対位置関係がずれた場合、新しい相対位置関係に対応する新しい所定補正値を算出することで誤差を抑制することができる。したがって、回転角検出装置の高い補正精度を長期に亘り、維持することができる。

（他の実施形態）
第１の実施形態では、ＤＳＰが補正演算するとしているが、ＤＳＰの代わりにマイクロコンピュータを設置し、メモリに記憶された補正演算等のプログラムを読み出して、マイクロコンピュータで補正演算してもよい。
上記実施形態では、互いに隣り合う二つの補正点の所定値の差の変化率は、互いに隣り合う二つの補正点の所定値の差と、所定値Ａ（１）との比と定義されている。これに対し、他の実施形態では、互いに隣り合う二つの補正点の所定値の差の変化率は、例えば、ｎ個の補正点のうち、第（ｎ＋１）補正点の所定値と第ｎ補正点の所定値との差と、第ｎ補正点の所定値と第（ｎ−１）補正点の所定値との差との比と定義する構成としても良い。
上記実施形態では、１６個の補正点を設定し、メモリに１６個の所定値が記憶されている。これに対し、他の実施形態では補正点および所定値の数を増やしても良いし、減らしても良い。
また上記実施形態では、実出力値が所定値Ａ（０）〜Ａ（１５）のうち、いずれか一個と一致する場合、実出力値と一致する所定値に対応する所定補正値を、実出力値から減算することで実出力値を補正するとしているが、実出力値である正弦波曲線の使用範囲が負側の角度へ拡大した場合や、メモリに保存する補正値Ｋの符号をマイナスにする場合などでは、補正値を加算することで実出力値を補正してもよい。
上記実施形態では、補正点の変化率の最小値が０に近い値に設定されている。これに対し他の実施形態では、補正点の変化率の最小値を０に設定する構成としても良い。
以上説明した本発明は、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。

１ ・・・磁気検出装置
１１・・・ホール素子（磁気検出手段）
１２・・・ＤＳＰ（処理部）
１３・・・メモリ（記憶手段）
２０・・・永久磁石（磁気発生手段）

Claims (4)

1. 磁気発生手段と、
   前記磁気発生手段に対して相対回転することにより生じる磁束密度の変化に応じた信号を出力する磁気検出手段と、
   前記磁気検出手段の前記信号に対応する実出力値を補正し、補正された値に基づいて前記磁気検出手段と前記磁気発生手段との相対回転角を算出して出力する処理部と、
   前記処理部で使われる各種プログラムおよびデータを記憶する記憶手段と、
   を備え、
   前記処理部は、所定範囲内で予め設定されたｎ（ｎは自然数）個の補正点に対応する所定値、および、前記所定値に対応する所定補正値に基づいて前記実出力値を補正し、
   ｎ個の前記補正点のうち互いに隣り合う二つの前記補正点の前記所定値の差の変化率を表す曲線は、前記実出力値に対応する正弦波曲線の位相を１８０°ずらした正弦波曲線の一部に近似することを特徴とする回転角検出装置。
2. 前記処理部は、前記実出力値に補正値を加算または減算することで前記実出力値を補正し、
   前記実出力値と前記所定値とが一致する場合、前記補正値として前記所定補正値を代入して、前記実出力値を補正し、
   前記実出力値と前記所定値とが異なる場合、前記補正値として、前記実出力値に最も近い二つの前記所定値、および、当該二つの所定値に対応する前記所定補正値に基づいて算出された演算補正値を代入して、前記実出力値を補正することを特徴とする請求項１に記載の回転角検出装置。
3. 前記実出力値に基づき、前記所定補正値を算出する所定補正値算出手段をさらに備えることを特徴とする請求項１または２に記載の回転角検出装置。
4. 前記磁気発生手段に対して相対回転することにより生じる磁束密度の変化に応じて前記磁気検出手段が出力する実出力値は正弦波曲線であることを特徴とする請求項１、２、３のいずれか一項に記載の回転角検出装置。

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