JP5682798B2 - 位置検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、位置検出装置に関する。

従来、磁石などの磁気発生手段、またはホール素子などの磁気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束密度の変化を磁気検出手段で検出することにより、検出対象の回転角を算出する位置検出装置が知られている。例えば、特許文献１の位置検出装置では、検出対象であるシャフトに磁石を設け、ホール素子の出力電圧ＶＨ（Ｖ）、ホール素子の出力電圧の最大値である最大電圧Ｖ₀（Ｖ）、および以下に示す式１に基づいて、シャフトの回転角θ（°）を算出する。
θ＝ｓｉｎ^-1（ＶＨ／Ｖ₀） ・・・式１

特許３４９１５７７号明細書

しかしながら、特許文献１に記載の位置検出装置では、式１の最大電圧Ｖ₀が固定値であるため、位置検出装置が使用される環境の温度によって磁石が発生する磁束密度が変化すると、式１により算出される回転角の検出精度が低下する。また、温度の変化により発生する磁束密度が大きくなると、出力電圧ＶＨが最大電圧Ｖ₀より大きくなることがあり、式１に含まれる逆正弦関数が計算できなくなるおそれがある。

本発明の目的は、回転角の検出精度を向上可能な位置検出装置を提供することにある。

本発明の位置検出装置は、磁気発生手段と、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た大きさの電圧を出力する磁気検出手段と、磁気発生手段が設けられている環境の温度に応じた電圧を出力する温度検出手段と、温度特性式および出力特性式を記憶する記憶手段と、温度特性式および出力特性式を用いて磁気検出手段に対する磁気発生手段の回転角を算出する回転角算出手段と、を備える。

温度特性式は、磁気発生手段の温度が基準温度のとき磁気検出手段が出力する電圧の最大値である基準最大電圧と、温度検出手段が検出する検出温度ｔに基づいて算出される温度補正値と、基準最大電圧を当該温度補正値で補正することにより算出される補正最大電圧Ｖｔと、の関係を表すことを特徴とする。また、出力特性式は、磁気検出手段に対する磁気発生手段の回転角が回転角θのとき磁気検出手段が出力する出力電圧ＶＨとすると、θ＝ｓｉｎ^-1（ＶＨ／Ｖｔ）で表されることを特徴とする。

本発明の位置検出装置は、磁気検出手段に対する磁気発生手段の回転角を検出するとき、温度検出手段により磁気発生手段の温度を検出する。検出された温度に基づいて記憶手段に記憶されている温度特性式を用い温度補正値を算出し、算出された温度補正値に基づいて補正最大電圧Ｖｔを算出する。算出された補正最大電圧Ｖｔは出力特性式に代入され、磁気検出手段が出力する出力電圧ＶＨに基づいて磁気検出手段に対する磁気発生手段の回転角θを算出する。本発明の位置検出装置では、環境の温度によって磁気発生手段が発生する磁束密度の大きさが変化することを考慮し、その変化に対応するように出力特性式に含まれる補正最大電圧Ｖｔの値を変更する。これにより、検出対象の回転角を高精度に検出することができる。

また、本発明の位置検出装置では、環境の温度によって磁気発生手段が発生する磁束密度の大きさが変化するとき、当該環境温度において磁気検出手段が出力する最大電圧より大きい値を補正最大電圧Ｖｔとして出力特性式として代入する。これにより、出力特性式の逆正弦関数の計算が可能となり、広い温度範囲において検出対象の回転角を算出することができる。

本発明の第１実施形態による位置検出装置が用いられる電子制御スロットルの模式図である 本発明の第１実施形態による位置検出装置の模式図である。 本発明の第１実施形態による位置検出装置のホールＩＣの回路の模式図である。 ホール素子が出力する電圧の温度特性を示す特性図である。 本発明の第１実施形態による位置検出装置の回転角算出処理のフローチャートである。 本発明の第２実施形態による位置検出装置の回転角算出処理のフローチャートである。 本発明の第２実施形態による位置検出装置の回転角算出処理における発生磁束密度と温度との関係を示す特性図である。

以下、本発明の複数の実施形態を図面に基づき説明する。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態による位置検出装置を図１〜図５に示す。本実施形態による位置検出装置１は、例えば、車両の内燃機関の気筒内に吸入される空気量を制御する電子制御スロットル９に用いられる。電子制御スロットル９のハウジング２は、内燃機関に空気を導入する吸気通路３を有する。略円板状に形成されたスロットルバルブ４は、吸気通路３内に設けられる。スロットルバルブ４とバルブシャフト５とは、一体となるように形成されている。バルブシャフト５の両端は、ハウジング２に回転可能に軸受けされている。これにより、スロットルバルブ４は、バルブシャフト５を回転軸として回転可能である。

位置検出装置１は、「磁気発生手段」としての永久磁石２０、２１、およびホールＩＣ１０などを備えている。
永久磁石２０、２１は、円筒状のヨーク３０を介してバルブシャフト５の一端に設けられる。永久磁石２０、２１は、ヨーク３０の径方向内側の１８０°対象な位置にそれぞれ設けられる。図２の矢印Ｂで概念的に示すように、２個の永久磁石２０、２１の間をヨーク３０の回転軸Ｏに対し略垂直方向に磁束が流れる。

ホールＩＣ１０は、２個の永久磁石２０、２１を結ぶ直線の略中点付近に設置され、ハウジング２の外壁に設けられるベース７に固定される。

ホールＩＣ１０は、「磁気検出手段」としてのホール素子１１、「温度検出手段」としての温度検出素子１６、アナログ−デジタル変換回路（以下、ＡＤＣという）１４、「回転角算出手段」としてのデジタルシグナルプロセッサ（以下、ＤＳＰという）１２、デジタル−アナログ変換回路（以下、ＤＡＣという）１５、および「記憶手段」としてのメモリ１３を内蔵したＩＣチップである。ホールＩＣ１０は、ホール素子１１の感磁面がヨーク３０の回転軸Ｏ上に位置するように設けられる。

ホール素子１１は、半導体薄膜で形成されている。ホール素子１１は、磁束密度の変化に対応するアナログ信号をＡＤＣ１４に出力する。

温度検出素子１６は、例えば、ダイオード温度計であって、ダイオードの電気抵抗がホールＩＣ１０周辺の温度によって変化することを利用して位置検出装置１が設置されている環境の温度を検出する。温度検出素子１６は、検出する温度に対応するアナログ信号をＡＤＣ１４に出力する。

ＤＳＰ１２は、ホール素子１１および温度検出素子１６が出力しＡＤＣ１４によってデジタル信号に変換された値に基づいて、ホール素子１１に対する永久磁石２０、２１の回転角を算出する演算処理を行う。ＤＳＰ１２によって処理されたデジタル信号は、ＤＡＣ１５によってアナログ信号に変換され、外部に出力される

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む。メモリ１３には、永久磁石２０、２１の温度が事前に設定される基準温度のときホール素子１１が出力する電圧の最大値である基準最大電圧、当該基準最大電圧を補正する温度補正値、温度特性式、および出力特性式が記憶されている。温度補正値、温度特性式、および出力特性式の詳細は後述する。

電子制御スロットル９では、バルブシャフト５が回転すると、永久磁石２０、２１がホール素子１１に対して相対回転する。ホールＩＣ１０では、ホール素子１１の感磁面を通過する磁束密度の大きさに応じた信号を外部に出力する。図示しない外部の電子制御装置は、その電圧から算出したスロットルバルブ４の開度が、内燃機関の運転状態に応じて設定された目標開度となるように、スロットルバルブ４を駆動するモータ６に電流を供給する。モータ６の駆動によりスロットルバルブ４の開度が制御され、内燃機関に供給される吸気量が調節される。

次に、第１実施形態による位置検出装置１の回転角算出処理について説明する。
位置検出装置１は、スロットルバルブ４のバルブシャフト５が回転するとき、バルブシャフト５の回転に合わせてヨーク３０が回転する。ヨーク３０に設けられている永久磁石２０、２１が形成する磁束の方向がバルブシャフト５の回転によって変化するため、ホール素子１１がＡＤＣ１４を介してＤＳＰ１２に出力する出力電圧ＶＨ（Ｖ）の値が変化する。

ＤＳＰ１２は、ホール素子１１が出力する出力電圧ＶＨを以下に示す出力特性式である式２に代入し、回転角θを算出する。ＤＳＰ１２は、ＤＡＣ１５を介して算出された回転角θ（°）を外部に出力する。
θ＝ｓｉｎ^-1（ＶＨ／Ｖｔ） ・・・式２

式２に含まれる補正最大電圧Ｖｔ（Ｖ）は、式２を用いて回転角θを算出するときあらかじめＤＳＰ１２において算出される温度の関数である。補正最大電圧Ｖｔは、位置検出装置１を使用する環境の温度、すなわち永久磁石２０、２１の温度によって変化する。

図４に、永久磁石２０、２１の温度が異なる場合の回転角θとホール素子１１の出力電圧ＶＨとの関係を示す。図４に示すように、回転角θとホール素子１１の出力電圧ＶＨとの関係はサインカーブとなり、出力電圧ＶＨが最大となる回転角は９０°である。回転角θが９０°のとき、永久磁石２０、２１の温度が２０℃の場合、ホール素子１１の出力電圧は出力電圧Ｖ１となる。一方、永久磁石２０、２１の温度が−４０℃の場合、ホール素子１１の出力電圧は出力電圧Ｖ１より大きい出力電圧Ｖ２となる。また、永久磁石２０、２１の温度が１２０℃の場合、出力電圧は出力電圧Ｖ１より小さい出力電圧Ｖ３となる。このように、ホール素子１１が出力する出力電圧ＶＨは、同じ回転角θであっても永久磁石２０、２１の温度により変化する。

そこで、第１実施形態による位置検出装置１の回転角算出処理は以下のように実行される。

最初のステップ（以下、「ステップ」を省略し、単に記号Ｓで示す）１０１において、ホール素子１１が出力する信号、および温度検出素子１６が出力する信号がＡＤＣ１４を介してＤＳＰ１２に入力される。

次にＳ１０２において、温度検出素子１６が出力する信号に基づいて算出される検出温度ｔ（℃）、基準温度ｔ₀（℃）での基準最大電圧Ｖ₀（Ｖ）、および補正係数ｋを含む以下の式３から温度補正値ａ（Ｖ）を算出する。
ａ＝Ｖ₀×ｋ×（ｔ−ｔ₀） ・・・式３
ここで、補正係数ｋ（Ｖ／℃）は、例えば、主に永久磁石２０、２１に用いられる材料の温度特性を表す係数に基づいており、温度の変化に対してホール素子１１が出力する電圧の変化率を示す値である。補正係数ｋは、メモリ１３に記憶されている。

次にＳ１０３において、検出温度ｔでの回転角θを算出するとき使用する補正最大電圧Ｖｔ（Ｖ）を算出する。具体的には、Ｓ１０２で算出した温度補正値ａを含む温度特性式を用いて補正最大電圧Ｖｔを算出する。温度特性式は、以下の式４で表される。
Ｖｔ＝Ｖ₀＋ａ＝Ｖ₀＋［Ｖ₀×ｋ×（ｔ−ｔ₀）］ ・・・式４

次にＳ１０４において、ホール素子１１が出力する出力電圧ＶＨに基づいて、Ｓ１０３で算出された補正最大電圧Ｖｔが代入された式２を用いてホール素子１１に対する永久磁石２０、２１の回転角θを算出する。

第１実施形態による位置検出装置１では、ホール素子１１が出力する出力電圧ＶＨが温度の影響により変化することを考慮して回転角θを算出する。回転角θを算出する前に、温度検出素子１６により検出される検出温度ｔに基づいて当該検出温度ｔでの回転角θの算出に必要な補正最大電圧Ｖｔを算出する。補正最大電圧Ｖｔは、基準最大電圧Ｖ₀にマージンを加えた値となっており、永久磁石２０、２１が発生する磁束密度が環境温度の影響により大きくなり出力電圧ＶＨが基準最大電圧Ｖ₀より大きくなる場合でも、式２に含まれる逆正弦関数を計算できる。これにより、回転角θを算出することができる。

また、第１実施形態による位置検出装置１では、式２に含まれる逆正弦関数においてホール素子１１が出力する出力電圧ＶＨに対する補正最大電圧Ｖｔを検出温度ｔごとに補正する。このとき、補正最大電圧Ｖｔを算出するときに使用する補正係数ｋを適宜選ぶことが可能である。これにより、永久磁石２０、２１が発生する磁束密度における温度変化の影響だけでなく、永久磁石２０、２１を支持するヨーク３０の環境温度による変形や、ホール素子１１の温度特性などを考慮して補正最大電圧Ｖｔを算出できる。したがって、永久磁石２０、２１のホール素子１１に対する回転角θを高精度に検出できる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態による位置検出装置を図６、７に基づいて説明する。第２実施形態は、第１実施形態と異なり、回転角の算出方法が異なる。なお、第１実施形態と実質的に同一の部位には同一の符号を付し、説明を省略する。

図６に第２実施形態による位置検出装置の位置検出装置１の回転角算出処理のフローチャートを示す。Ｓ１０１では、第１実施形態と同様に、ホール素子１１が出力する信号、および温度検出素子１６が出力する信号がＡＤＣ１４を介してＤＳＰ１２に入力される。

次にＳ２０２において、温度検出素子１６が出力する電圧信号に基づいて算出される検出温度ｔ、基準磁束密度Ｂ₀（Ｔ）、および検出磁束密度Ｂｔ（Ｔ）を含む以下の式５から温度補正値ｂを算出する。なお、温度補正値ｂは無次元数である。
ｂ＝Ｂｔ／Ｂ₀ ・・・式５
なお、基準磁束密度Ｂ₀（Ｔ）は、永久磁石の温度が基準温度ｔ₀のとき所定の回転角で永久磁石が発生する磁束密度である。また、検出磁束密度Ｂｔ（Ｔ）は、永久磁石の温度が検出温度ｔのとき当該所定の回転角で永久磁石が発生する磁束密度である。

ここで、温度補正値ｂの算出方法を図７に基づいて説明する。最初に、複数の温度ｔｘにおいて永久磁石が発生する磁束密度Ｂｘを測定する。図７（ａ）には、具体的に温度マイナス４０℃、２０℃、１２０℃における磁束密度Ｂｘがプロットされ、それぞれの測定点を結ぶ曲線Ｌ１が形成される。次に複数の温度ｔｘにおける磁束密度Ｂｘのデータを正規化する。具体的には、基準温度ｔ₀を設定し、基準温度ｔ₀における基準磁束密度Ｂ₀で他の温度における磁束密度Ｂｘを割ることにより、基準磁束密度Ｂ₀に対する磁束密度Ｂｘの比率を算出可能な関係式を導出する。図７（ｂ）に示すように、基準温度を２０℃とすると、温度２０℃における磁束密度で温度マイナス４０℃、プラス１２０℃における磁束密度を割る。得られた点から図７（ｂ）に示す実線Ｌ２が得られる。実線Ｌ２は、基準温度２０℃における磁束密度に対する他の温度における磁束密度の比を表している。例えば、図７（ｂ）の実線Ｌ２の形状から、温度補正値ｂは、以下の式６のように表すことができる。
ｂ＝１＋α×（ｔ−ｔ₀）＋β×（ｔ−ｔ₀）² ・・・式６
なお、α、βは任意の定数である。

次にＳ２０３において、検出温度ｔでの回転角θを算出するために使用する補正最大電圧Ｖｔ（Ｖ）を算出する。具体的には、Ｓ２０２で算出した温度補正値ｂを含む温度特性式を用いて補正最大電圧Ｖｔを算出する。温度特性式は、以下の式７で表される。
Ｖｔ＝Ｖ₀×ｂ＝Ｖ₀×Ｂｔ／Ｂ₀
＝Ｖ₀×［１＋α×（ｔ−ｔ₀）＋β×（ｔ−ｔ₀）²］ ・・・式７

次にＳ２０４において、ホール素子１１が出力する出力電圧ＶＨに基づいて、Ｓ２０３で算出された補正最大電圧Ｖｔが代入された以下の式８よりホール素子１１に対する永久磁石２０、２１の回転角θを算出する。
θ＝ｓｉｎ^-1（ＶＨ／Ｖｔ） ・・・式８
なお、式８は、特許請求の範囲に記載の「出力特性式」に相当する。

第２実施形態による位置検出装置では、複数の温度において実際に測定した磁束密度の値から温度補正値ｂを算出する。この温度補正値ｂを用いて算出された補正最大電圧Ｖｔを含む式８を用いて回転角θを算出することにより、永久磁石２０、２１のホール素子１１に対する回転角θを高精度に検出することができる。

（その他の実施形態）
（イ）上述の実施形態では、固定されているベースに設けられるホール素子に対して磁石が回転するとした。しかしながら、磁石に対してホール素子が回転してもよい。

（ウ）上述の実施形態では、位置検出装置は電子制御スロットルに用いられるとした。しかしながら、位置検出装置が用いられる装置はこれに限定されない。

（ウ）上述の実施形態では、ホール素子または温度検出素子はベースに固定されているホールＩＣに内蔵されているとした。しかしながら、ホール素子または温度検出素子の設置場所はこれに限定されない。ホール素子または温度検出素子は、ホールＩＣとは別体で異なる場所に設けられてもよい。

（エ）上述の実施形態では、温度検出素子は、ダイオード温度計であるとした。しかしながら、温度検出素子はこれに限定されない。

以上、本発明はこのような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形態で実施可能である。

１ ・・・位置検出装置、
１１ ・・・ホール素子（磁気検出手段）、
１２ ・・・デジタルシグナルプロセッサ（回転角算出手段）、
１３ ・・・メモリ（記憶手段）、
１６ ・・・温度検出素子（温度検出手段）、
２０、２１ ・・・永久磁石（磁気発生手段）。

Claims (5)

1. 磁気発生手段（２０、２１）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電圧を出力する磁気検出手段（１１）と、
   前記磁気発生手段が設けられている環境の温度を検出し、検出した温度に応じた電圧を出力する温度検出手段（１６）と、
   前記磁気発生手段の温度が基準温度のとき前記磁気検出手段が出力する電圧の最大値である基準最大電圧と前記温度検出手段が検出する検出温度に基づいて算出される温度補正値と基準最大電圧を温度補正値により補正することにより算出される補正最大電圧との関係を表す温度特性式、および、前記磁気検出手段に対する前記磁気発生手段の回転角と前記磁気検出手段が出力する出力電圧と前記補正最大電圧との関係を表す出力特性式を記憶する記憶手段（１３）と、
   前記磁気検出手段、前記温度検出手段、および前記記憶手段と電気的に接続し、前記温度検出手段が検出する検出温度、前記磁気検出手段が出力する出力電圧、および前記基準最大電圧に基づき、前記温度特性式および前記出力特性式を用いて前記磁気検出手段に対する前記磁気発生手段の回転角を算出する回転角算出手段（１２）と、
   を備え、
   前記磁気検出手段に対する前記磁気発生手段の回転角をθ、前記温度検出手段が検出する検出温度がｔであって前記磁気検出手段に対する前記磁気発生手段の回転角がθのとき前記磁気検出手段が出力する出力電圧をＶＨ、検出温度がｔのときの補正最大電圧をＶｔとすると、前記出力特性式は、
   θ＝ｓｉｎ^-1（ＶＨ／Ｖｔ）
   で表されることを特徴とする位置検出装置。
2. 基準最大電圧をＶ０、および温度補正値をａとすると、前記温度特性式は、
   Ｖｔ＝Ｖ０＋ａ
   で表されることを特徴する請求項１に記載の位置検出装置。
3. 基準温度をｔ０、補正係数をｋとすると、温度補正値ａは、
   Ｖ０×ｋ×（ｔ−ｔ０）
   で表されることを特徴とする請求項２に記載の位置検出装置。
4. 基準最大電圧をＶ０、および温度補正値をｂとすると、前記温度特性式は、
   Ｖｔ＝Ｖ０×ｂ
   で表され、
   基準温度ｔ０のとき所定の回転角で前記磁気発生手段が発生する磁束密度をＢ０、検出温度ｔのとき前記所定の回転角で前記磁気発生手段が発生する磁束密度をＢｔとすると、温度補正値ｂは、
   Ｂｔ／Ｂ０
   で表されることを特徴する請求項１に記載の位置検出装置。
5. ２つの定数をα、βとすると、温度補正値ｂは、
   １＋α×（ｔ−ｔ０）＋β×（ｔ−ｔ０）²
   で表されることを特徴する請求項４に記載の位置検出装置。

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