JP6476583B2

JP6476583B2 - 磁気検出器

Info

Publication number: JP6476583B2
Application number: JP2014090363A
Authority: JP
Inventors: 謙吾池谷
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2014-04-24
Filing date: 2014-04-24
Publication date: 2019-03-06
Anticipated expiration: 2034-04-24
Also published as: JP2015210122A

Description

本発明は、磁気検出器に関する。

ブラシレスＤＣモータ等では、永久磁石で構成されたロータからの磁界をホール素子等を用いた磁気検出器で検出することにより、回転時におけるロータの位置を検出している。ホール素子を用いた磁気検出器は、磁界の磁束密度の変化に応じたアナログ信号を出力するものが一般的だったが、近年は、アナログ信号をデジタル信号に変換するシュミットトリガ等の回路をホール素子と共に集積回路として実装したホールＩＣが用いられる。

ホールＩＣは製品によって出力規格があり、出力規格が大きなものは出力信号も安定するので、前述のブラシレスＤＣモータにおけるロータの位置検出等を高精度で行うことができる。

しかしながら、出力規格が大きなホールＩＣは高コストであることから、磁気検出器を安価に製造したい場合に出力規格が大きなホールＩＣを使用することは妥当ではない。特許文献１には、電圧源回路に温度補償用のホール素子によって磁気検出用のホール素子の温度特性を補償すると共に、磁気検出用のホール素子の信号を増幅する高出力な磁気検出器が開示されている。

特開２００４−５３５０５号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載の磁気検出器は、電圧原回路に別途ホール素子を必要とする上に、磁気検出用のホール素子の信号を増幅する回路を要するので、構成が複雑であり、製造コストが嵩むという問題点があった。

本発明は上記に鑑みてなされたもので、簡素な構成で高出力な信号を安定して出力可能な磁気検出器を提供することを目的とする。

上記目的を解決するために請求項１記載の発明に係る磁気検出器は、電源電圧が印加される電源端子、接地される接地端子、第１の出力端子、及び接地される第２の出力端子を備え、検出した磁界の大きさに応じた信号を前記第１の出力端子と前記第２の出力端子との電位差として出力する磁気検出素子と、一端が前記磁気検出素子の前記第１の出力端子に接続される共に他端が前記電源端子に接続される第１の抵抗素子と、第２の抵抗素子とコンデンサとが並列接続され、一端が前記電源端子に接続されると共に他端が接地される並列回路と、前記第２の抵抗素子の一端と前記電源端子との間に設けられ、前記磁気検出素子の前記第１の出力端子及び前記第２の出力端子から出力される信号に応じて変化する電流を検知する電流検知部と、を含んでいる。

請求項１に記載の磁気検出器は、磁気検出素子の出力端子と電源電圧とを第１の抵抗素子を介して接続することで、磁気検出素子が出力する信号に応じて磁気検出器の回路の電流を変化させている。当該電流の変化を電流検知部で検知することにより、磁界を検出する。

また、請求項１に記載の磁気検出器は、一端が電源端子に接続されると共に他端が接地される第２の抵抗素子を備えた並列回路を設けることにより、磁気検出素子に流入する電流を接地領域に分流している。その結果、磁気検出器の回路の電流は増大するので、回路の電流の変化の検知が容易になり、簡素な構成で高出力な信号を安定して出力可能な磁気検出器を提供することができる。

また、この磁気検出器によれば、電源電圧から過電圧が磁気検出素子の第１の出力端子に印加されるおそれがある場合に、過電圧をコンデンサに蓄えて接地領域に逃がすことがきるので、過電圧から回路を保護することが可能となる。

また、この磁気検出器によれば、電流検知部によって、磁気検出素子が検知した磁界を磁気検出器の回路の電流の変化として検出することができる。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の磁気検出器において、前記第２の抵抗素子の抵抗値を、前記磁気検出素子の電流規格値に基づいて定めている。

この磁気検出器によれば、第２の抵抗素子の抵抗値を、磁気検出素子の電流規格値に基づいて定めることで、磁気検出素子に流入する電流を分流して磁気検出器の回路の電流を増大させることができる。その結果、回路の電流の変化の検知が容易になり、簡素な構成で高出力な信号を安定して出力可能な磁気検出器を提供することができる。

請求項３記載の発明は、請求項１又は請求項２記載の磁気検出器において、前記磁気検出素子は、ホール素子と、コレクタを前記第１の出力端子とすると共に、ベースに前記ホール素子が接続され、かつエミッタを前記第２の出力端子とするトランジスタとを含んでいる。

この磁気検出器によれば、磁気検出素子の出力段にトランジスタを設けたことにより、ホール素子が磁界を検知した結果出力した信号の電圧が低電圧であっても、より高い電圧の信号として出力することが可能となる。

本発明の実施の形態に係る磁気検出器を含むモータ制御装置の回路の概略図である。本発明の実施の形態に係る磁気検出器の回路構成を示した概略図である。従来用いられてきた磁気検出器の回路の概略図である。本発明の実施の形態に係る磁気検出器と、従来用いられてきた磁気検出器が出力した信号の一例を示したグラフである。

図１は、本実施の形態に係る磁気検出器１０を含むモータ制御装置２０の回路の概略図である。本実施の形態に係る磁気検出器１０は、モータ１６のロータと共に回転するセンサマグネット１２Ａの磁界を検出することにより、回転しているロータの位置を検出するために用いられる。図１に示したモータ制御装置２０は、モータ１６のステータ１４のコイル１４Ｕ，１４Ｖ，１４Ｗに印加する電圧を生成するインバータ回路４１と、インバータ回路４１を制御するマイコン３１と磁気検出器１０とを含んでいる。

インバータ回路４１は、スイッチング素子であるＦＥＴ４１Ａ〜４１Ｆで構成されている。インバータ回路４１は、マイコン３１から出力された指令デューティ比に基づいてＦＥＴ４１Ａ〜４１Ｆをオンオフすることによりバッテリ８０から供給される直流電力を交流電力に変換してモータ１６に供給する。例えば、ＦＥＴ４１Ａ，４１ＤはＵ相のコイル１４Ｕに、ＦＥＴ４１Ｂ，４１ＥはＶ相のコイル１４Ｖに、ＦＥＴ４１Ｃ，４１ＦはＷ相のコイル１４Ｗに、各々供給する電力のスイッチングを行う。

ＦＥＴ４１Ａ，４１Ｂ，４１Ｃの各々のドレインは、ノイズ除去用のコイル４３を介して車載のバッテリ８０の正極に接続されている。また、ＦＥＴ４１Ｄ，４１Ｅ，４１Ｆの各々のソースは、逆接防止ＦＥＴ４４を介してバッテリ８０の負極に接続されている。

本実施の形態では、電源であるバッテリ８０とインバータ回路４１との間に逆接防止ＦＥＴ４４及びノイズ防止用のコイル４３が設けられている。逆接防止ＦＥＴ４４は、バッテリ８０の正極と負極が図１に示した場合とは逆に接続された場合に、モータ制御装置２０を構成する素子を保護するための回路である。逆接防止ＦＥＴ４４は、一例として、自身のドレインとゲートを接続した、いわゆるダイオード接続されたＦＥＴ等で構成される。コイル４３は、インバータ回路４１のスイッチングによって発生するノイズを抑制するための素子である。

マイコン３１には、エアコンを制御するエアコンＥＣＵ８２からの制御信号、及びサーミスタ４６による抵抗値の信号が入力され、これら入力された信号に基づいて、インバータ回路４１のスイッチングを制御する。また、本実施の形態では、バッテリ８０の電圧を計測する電圧センサ４８が回路上に設けられている。

また本実施の形態では、磁気検出器１０を構成するホールＩＣ１２Ｂが、シャフト１１と同軸に設けられたセンサマグネット１２Ａの磁界をホールＩＣ１２Ｂが検出する。マイコン３１は、検出された磁界に基づいてロータの位置（回転位置）を検出し、ロータの回転位置に応じてインバータ回路４１のスイッチングの制御を行う。

ホールＩＣ１２Ｂにはシャント抵抗Ｒ１を介して電源電圧（Ｖｃｃ）が電源端子１２Ｂ１に印加されると共に、接地端子１２Ｂ４は接地されている。また、ホールＩＣ１２Ｂを構成するホール素子（図示せず）が磁界を検知したことを示す信号は、出力端子１２Ｂ２と出力端子１２Ｂ３との電位差として現れる。本実施の形態では、出力端子１２Ｂ３は接地され、出力端子１２Ｂ２は、Ｖｃｃ側の回路と接地領域とを接続するために互いに並列に設けられたコンデンサＣ１及び抵抗Ｒ３の各々のＶｃｃ側の一端に抵抗Ｒ２を介して接続されている。

本実施の形態に係る磁気検出器１０は、ホールＩＣ１２Ｂの出力端子１２Ｂ２，１２Ｂ３の電位差の変化ではなく、磁気検出器１０の回路の電流値の変化を、磁気検出に係る信号として扱う。磁気検出器１０の電流の変化は、シャント抵抗Ｒ１の両端の電位差を増幅器５０により増幅した結果に基づいてマイコン３１で算出される。

なお、本実施の形態では、シャフトと同軸に設けられたセンサマグネット１２Ａの磁界を検知してロータの位置を決定する。しかしながら、モータ１６の構造上、ロータの磁界をホールＩＣ１２Ｂが検知可能な場合には、センサマグネット１２Ａではなく、ロータを構成する永久磁石の磁界を検知してもよい。

図２は、本実施の形態に係る磁気検出器１０の回路構成を示した概略図である。本実施の形態に係る磁気検出器１０は、磁界の変化をホールＩＣ１２Ｂが検出したことによる回路全体の電流Ｉの変化を、磁気検出の信号としている。回路全体の電流Ｉは、シャント抵抗Ｒ１と増幅器５０とによって検出される。

ホールＩＣ１２Ｂは、電源端子１２Ｂ１に電圧Ｖｃｃが印加されているときに磁界を検出すると、いわゆるホール効果により、印加されている電圧Ｖｃｃ及び磁界とは直交する方向に起電力が生じるホール素子を含んでいる。また、ホールＩＣ１２Ｂは、磁界の検出によってホール素子に生じた起電力の変化をシュミットトリガ等（図示せず）の回路によってデジタル信号化して、出力端子１２Ｂ２と出力端子１２Ｂ３との間でハイレベル又はローレベルとして示される電位差として出力する。ホールＩＣ１２Ｂの出力段は、ＮＰＮ型のバイポーラトランジスタになっており、当該バイポーラトランジスタのコレクタは前述の出力端子１２Ｂ２であり、同ベースにはホール素子及びシュミットトリガを含む回路が接続され、同エミッタは接地されている。

図１を用いて説明したように、ホールＩＣ１２Ｂの出力端子１２Ｂ２には抵抗Ｒ２の一端が接続されている。そして、抵抗Ｒ２の他端は電源端子１２Ｂ１に接続されている。電源端子１２Ｂ１には抵抗Ｒ３の一端が接続されている。そして、抵抗Ｒ３の他端は接地されている。その結果、抵抗Ｒ３は、ホールＩＣ１２Ｂに流入する電流を分流している。

コンデンサＣ１は、抵抗Ｒ３と並列に接続されている。具体的には、コンデンサＣ１の一端は電源端子１２Ｂ１に接続され、他端は接地されている。コンデンサＣ１は、Ｖｃｃから過電圧が出力端子１２Ｂ２に印加されるおそれがある場合に、過電圧を蓄えて接地領域に逃がすための素子である。回路の過電圧が問題にならない場合は、コンデンサＣ１を省略してもよい。

本実施の形態では、ホール素子が磁界を検出したことで出力端子１２Ｂ２，１２Ｂ３の電位が変化すると、磁気検出器１０の回路全体の電流Ｉが変化する。例えば、出力端子１２Ｂ２，１２Ｂ３の電位がローレベルの場合、Ｖｃｃから電流がホールＩＣ１２Ｂの出力端子１２Ｂ２に流れやすくなり、電流Ｉは大きくなる。また、出力端子１２Ｂ２，１２Ｂ３の電位がハイレベルの場合、Ｖｃｃから電流がホールＩＣ１２Ｂの出力端子１２Ｂ２に流れにくくなり、電流Ｉは小さくなる。本実施の形態では、かかる電流Ｉの変化を抵抗Ｒ３の一端とＶｃｃとの間に設けられたシャント抵抗Ｒ１及び増幅器５０で構成された電流検知部で検出する。

電流Ｉは、ホールＩＣ１２Ｂの電源端子１２Ｂ１に流れる電流Ｉ_１と、抵抗Ｒ２を流れる電流Ｉ_２と、抵抗Ｒ３を流れる電流Ｉ_３との合計で表される。抵抗Ｒ２の抵抗値をＲ_２、抵抗Ｒ３の抵抗値をＲ_３とすると、本実施の形態に係る磁気検出器１０の電流及び電圧の関係は、以下のようになる。

ホールＩＣ１２Ｂが磁界を検出したオン状態の場合、下記の式（１）のように電流Ｉは、電流Ｉ_１と電流Ｉ_２と電流Ｉ_３との合計になる。

また、Ｖａは、抵抗Ｒ２を流れる電流ｌ_２と抵抗Ｒ２の抵抗値Ｒ_２との積、又は抵抗Ｒ３を流れる電流ｌ_３と抵抗Ｒ３の抵抗値Ｒ_３との積で、各々下記の式（２），（３）となり、ＶｃｃとＶａとの差は、式（４）のように電流Ｉと抵抗値Ｒ_１との積として表される。なお、抵抗Ｒ２の抵抗値Ｒ２及び抵抗Ｒ３の抵抗値Ｒ３は、ホールＩＣ１２Ｂの出力規格を考慮して決定する。

また、電流ｌ_２は、下記の式（５）のように表される。

式（５）を式（１）に代入することにより、下記の式（６）を得る。

図３は、図２の回路から抵抗Ｒ３を除いた、従来用いられてきた磁気検出器１００の回路の概略図である。図３に示した回路は、抵抗Ｒ３を有しない以外に、図２に示した回路との相違はないので、図３において図２の構成と同一のものには同一の符号を付して、それらについての詳細な説明は省略する。

図３に示した回路全体を流れる電流Ｉ_１００は、下記の式（７）のようになる。

式（６）と式（７）とを比較すると、式（６）で示した電流Ｉは、式（７）で示した電流Ｉ_１００に（Ｉ_３×Ｒ_２）／（Ｒ_１＋Ｒ_２）が加算されており、その結果、電流Ｉは抵抗Ｒ３を有しない場合の電流Ｉ_１００よりも大きくなる。

図４は、本実施の形態に係る磁気検出器１０と、抵抗Ｒ３を有しない磁気検出器１００が出力した信号の一例を示したグラフである。磁気検出器１０，１００が出力する信号は、信号がハイレベルの場合に図４に示したオン状態基準値１０２を超えると共に、信号がローレベルの場合にオフ状態基準値１０４未満となることを要する。図３に示した回路の信号９２（破線）は、ローレベル信号がオフ状態基準値１０４未満になっているが、ハイレベル信号がオン状態基準値１０２未満になっている。

本実施の形態に係る磁気検出器１０の信号９４（実線）は、ハイレベル信号がオン状態基準値１０２を超えると共にローレベル信号がオフ状態基準値１０４未満となっている。このように、本実施の形態によれば、ホールＩＣ１２Ｂの出力規格が小さくても、電源側と接地領域側とを接続する抵抗Ｒ３を実装することにより、出力信号を増大させ、簡素な構成で高出力な信号を安定して出力可能な磁気検出器を提供することが可能となる。

１０…磁気検出器、１１…シャフト、１２Ａ…センサマグネット、１２Ｂ…ホールＩＣ、１２Ｂ１…電源端子、１２Ｂ４…接地端子、１２Ｂ２，１２Ｂ３…出力端子、１４…ステータ、１４Ｕ，１４Ｖ，１４Ｗ…コイル、１６…モータ、２０…モータ制御装置、３１…マイコン、４１…インバータ回路、４１Ａ，４１Ｂ，４１Ｃ，４１Ｄ，４１Ｅ，４１Ｆ…ＦＥＴ、４３…コイル、４４…逆接防止ＦＥＴ、４６…サーミスタ、４８…電圧センサ、５０…増幅器、８０…バッテリ、８２…エアコンＥＣＵ、９２，９４…信号、１００…磁気検出器、１０２…オン状態基準値、１０４…オフ状態基準値、Ｃ１…コンデンサ、Ｒ１…シャント抵抗、Ｒ２，Ｒ３…抵抗

Claims

電源電圧が印加される電源端子、接地される接地端子、第１の出力端子、及び接地される第２の出力端子を備え、検出した磁界の大きさに応じた信号を前記第１の出力端子と前記第２の出力端子との電位差として出力する磁気検出素子と、
一端が前記磁気検出素子の前記第１の出力端子に接続される共に他端が前記電源端子に接続される第１の抵抗素子と、
第２の抵抗素子とコンデンサとが並列接続され、一端が前記電源端子に接続されると共に他端が接地される並列回路と、
前記第２の抵抗素子の一端と前記電源端子との間に設けられ、前記磁気検出素子の前記第１の出力端子及び前記第２の出力端子から出力される信号に応じて変化する電流を検知する電流検知部と、
を含む磁気検出器。
前記第２の抵抗素子の抵抗値を、前記磁気検出素子の電流規格値に基づいて定めた請求項１記載の磁気検出器。
前記磁気検出素子は、ホール素子と、コレクタを前記第１の出力端子とすると共に、ベースに前記ホール素子が接続され、かつエミッタを前記第２の出力端子とするトランジスタとを含む請求項１又は請求項２記載の磁気検出器。