WO2018078855A1 - 回転角度検出装置および回転角度検出方法 - Google Patents

回転角度検出装置および回転角度検出方法 Download PDF

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磯田　仁志
義浩 深山
立男 西村
秀哲 有田
西村　慎二
晃司 西澤
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三菱電機株式会社
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    • G01D2205/77—Specific profiles

Definitions

  • the present invention relates to a rotation angle detection device, and more particularly to a rotation angle detection device and a rotation angle detection method using a change in magnetic intensity.
  • Patent Document 1 discloses a semiconductor having a rotor provided as a rotation detection target on a rotating shaft that rotates while being supported by a housing having a bearing, and a magnetic sensing element that senses a change in a magnetic field in the vicinity of the rotor.
  • a chip and a bias magnet that applies a bias magnetic field to the magnetic sensing element, and the magnetic sensing element senses a change in the magnetic field generated in cooperation with the bias magnetic field when the rotor rotates.
  • a rotation detection device for detecting a rotation mode of a rotor wherein the bearing and the semiconductor chip are formed integrally with the housing.
  • Patent Documents 2 and 3 listed below disclose a rotation detection device and a rotation detection sensor using changes in magnetic intensity.
  • JP 2006-132978 A Japanese Patent Laid-Open No. 11-51695 JP-A-8-219709
  • An object of the present invention is to provide a rotation angle detection device or the like that detects a rotation angle with high accuracy by detecting a generated magnetic field change with a plurality of magnetic detection elements.
  • the present invention is a stator having a rotor made of a magnetic material and b or more magnetic detection units each comprising a bias magnetic field generation unit and a magnetic detection element, where b is an integer of 3 or more.
  • a rotation angle calculation processing unit that obtains the rotation angle of the rotor from the detection signal obtained by the magnetic detection element, and the stator facing surface of the rotor has an x period corresponding to a mechanical angle of 360 degrees.
  • the unevenness part which changes, x is an integer greater than or equal to 1
  • the unevenness part has the shape which changes in a curve from which a rough sine wave is obtained with the magnetic detection element, and the magnetic detection part of the stator Are provided per b of the concavo-convex portion along the circumferential direction so as to face the stator facing surface of the rotor with a gap, and a mechanical angle of 360 ⁇ (n ⁇ b + m) / (xx b) are arranged at a degree interval, and n is from the reference position of the magnetic detection unit.
  • a rotation angle detection device in which the shift amount in the circumferential direction is an integer greater than or equal to 0 and m is an integer from 1 to b in the arrangement order of the b magnetic detection units. Etc.
  • a magnetic field change generated in cooperation with a bias magnetic field is detected by a plurality of magnetic detection elements by a concavo-convex portion that smoothly and periodically changes like a sine wave provided on the rotor side.
  • a rotation angle detection device that performs highly accurate rotation angle detection.
  • FIG. 1 It is a schematic sectional drawing of the detection part of the rotation angle detection apparatus by one Embodiment of this invention. It is the expanded sectional view which expanded the principal part of the detection part of FIG. It is a block diagram of the rotation angle calculating part of the rotation angle detection apparatus by one Embodiment of this invention. It is a figure which shows an example of the functional block diagram of the rotation angle calculating process part of FIG. It is a figure which shows an example of the hardware constitutions of the rotation angle calculation process part of FIG. It is a flowchart which shows an example of operation
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a detection unit of a rotation angle detection device according to an embodiment of the present invention.
  • three magnetic detection elements 4 are provided per cycle of the uneven portion 2 a.
  • six magnetic detection elements 4 for two periods are shown.
  • Each magnetic detection element 4 is provided with a bias magnetic field generation unit 3a or 3b on the stator 1 side to constitute a magnetic detection unit 34.
  • three magnetic detection units 34 are further added and a total of six magnetic detection units 34 are arranged. However, in one cycle, the magnetic detection units 34 are arranged at approximately the same or the same phase position as one adjacent cycle.
  • grooved part 2a should just have x period with respect to 360 degrees of mechanical angles, and x is an integer greater than or equal to 1.
  • b magnetic detection units 34 may be provided for one cycle of the uneven portion 2a, and b is an integer of 3 or more.
  • FIG. 2 shows an enlarged cross-sectional view of the main part of the detection unit of FIG. Since the inner rotor has the rotor 2 on the inner side, the magnetic detection element 4 is provided on the inner periphery of the bias magnetic field generation units 3a and 3b.
  • the white bias magnetic field generator 3a and the black bias magnetic field generator 3b are alternately arranged.
  • the bias magnetic field generating unit 3a has a vector, that is, a magnetic flux direction toward the inner peripheral side
  • the bias magnetic field generating unit 3b has a vector, that is, a magnetic flux direction, toward the outer peripheral side.
  • the magnetic detection units 34 As described above, by alternately arranging the magnetic detection units 34 whose magnetic flux directions are opposite to each other, the amount of magnetic flux linked to the magnetic detection element 4 can be increased. However, since the directions of the magnetic fluxes are alternately reversed, it is necessary to alternately change the direction of the bias magnetic field generation unit between the inner circumferential direction and the outer circumferential direction. In FIG. 2, the magnetic detection units 34 having different magnetic flux directions are alternately arranged. However, the present invention is not limited to this, and even if the magnetic detection units 34 having the same magnetic flux direction are arranged, the value of the detection signal at the magnetic detection element 4 is Although smaller, it is possible to detect the magnetic field.
  • FIG. 3 shows a configuration diagram of a rotation angle calculation unit of the rotation angle detection device according to the embodiment of the present invention.
  • a detection signal from each magnetic detection element 4 is A / D converted by the A / D conversion unit 10 and then input to the rotation angle calculation processing unit 20.
  • the rotation angle calculation processing unit 20 performs rotation angle calculation according to the detection signal, and the calculated rotation angle is displayed on the display unit 30, for example.
  • FIG. 4 is a diagram showing an example of a functional block diagram of the rotation angle calculation processing unit of FIG.
  • the rotation angle calculation processing unit 20 includes a DC offset calculation unit 201, a DC offset correction unit 202, a b-phase / two-phase conversion unit 203, an angle calculation unit 204, an inspection unit 205, and a display processing unit 209. Each function will be described later.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating an example of a hardware configuration of the rotation angle calculation processing unit in FIG.
  • the rotation angle calculation processing unit 20 is configured by a computer, for example.
  • the b-phase detection signals converted from the b magnetic detection elements 4 are input via an interface (I / F) 26.
  • the memory 28 stores a program corresponding to each functional block shown in FIG. 4 and preset data used for calculation.
  • the processor 27 performs a rotation angle calculation process on the detection signal input via the interface (I / F) according to the program and data stored in the memory 28.
  • the calculated rotation angle is output via the interface (I / F) 26 and displayed on the display unit 30 in FIG.
  • the rotor 2 is made of a magnetic material.
  • the stator 1 has b or more magnetic detection units 34 each including a bias magnetic field generation unit 3 and a magnetic detection element 4.
  • the bias magnetic field generator 3 is made of a permanent magnet, for example.
  • the magnetic detection element 4 includes an electromagnetic conversion element such as a Hall element. From the detection signal detected by the magnetic detection element 4, the rotation angle calculation processing unit 20 can determine the rotation angle of the rotor 2. The amount of magnetic flux from the bias magnetic field generation unit 3 to the rotor 2 side varies depending on the distance of the gap between the bias magnetic field generation unit 3 and the surface of the concavo-convex portion 2 a of the rotor 2.
  • the magnetic detection element 4 detects a magnetic field change that occurs in cooperation with the bias magnetic field of the bias magnetic field generation unit 3 due to the unevenness of the uneven portion 2a that changes smoothly and periodically. Therefore, the detection signal obtained by each magnetic detection element 4 changes according to the shape of the concavo-convex portion 2a and, consequently, the rotational angle position of the rotor 2, and the change follows the shape of the concavo-convex portion 2a, and here is a sin wave signal having a different phase. Become. The b-phase sin wave signal having a different phase is converted into a two-phase signal having a relationship between the sin wave and the cosine wave. Find the rotation angle position.
  • the stator facing surface of the rotor 2 has a concavo-convex portion 2a that changes by x cycles with respect to a mechanical angle of 360 degrees. It has a changing shape.
  • x is an integer greater than or equal to 1, and FIGS.
  • the b magnetic detection units 34 of the stator 1 are provided per b of the concavo-convex portions 2a along the circumferential direction so as to face the stator facing surface of the rotor 2 with a gap therebetween, and 360 / x ⁇ n + 360 / They are arranged at intervals of (x ⁇ b) ⁇ m degrees.
  • n represents the amount of shift in the circumferential direction from the reference position of the magnetic detection unit 34 in terms of the number of periods, and is an integer greater than or equal to 0, and m is an arrangement order of the b magnetic detection units 34 from 1 It is an integer up to b. That is, if the phase position in the cycle is the same, a detection signal having the same or the same phase can be obtained by providing the magnetic detection unit 34 at the same cycle position in another cycle. In other words, the same detection signal can be obtained if the phase position is the same within each cycle. Therefore, the b magnetic detection units 34 do not need to be provided within one period.
  • the bias magnetic field generator 3 generates a magnetic flux in the radial direction of the rotor 2, and the magnetic detection element 4 is arranged in a direction in which the detection surface detects the magnetic flux in the radial direction.
  • a resolver type rotation angle detection device that detects a radial magnetic flux is obtained.
  • the calculation processing of the rotation angle calculation processing unit 20 will be described with reference to the functional block diagram of FIG. 4 and the flowchart of FIG.
  • the DC offset calculation unit 201 obtains a DC offset value from the reference voltage based on the DC component of the detection signal of the magnetic detection element 4.
  • the DC offset correction unit 202 corrects the detection signals of the b magnetic detection elements 4 based on the DC offset value.
  • the DC offset which is the DC component of the magnetic field, is subjected to waveform averaging processing or the like to calculate the DC offset, and the DC offset is removed by subtracting the DC offset from each phase signal.
  • the b-phase / two-phase conversion unit 203 performs b-phase / two-phase conversion on the corrected b detection signals to obtain a two-phase signal (step S214 in FIG. 6).
  • a two-phase signal step S214 in FIG. 6
  • ⁇ and ⁇ become signals that are 90 degrees out of phase, and can be converted into a sin wave and a cos wave.
  • 0, 120, and 240 are used.
  • this phase is desirably the same as the phase of the waveform.
  • the angle calculation unit 204 calculates a rotation angle by calculating a tangent inverse function (arctan) of the two-phase signal (FIG. 6, step S215).
  • arctan can be calculated by the following equation (2). This is the same as the normal trigonometric function.
  • the method of obtaining the sum of the phase signals described above and subtracting the value obtained by dividing the sum by the number of phases from each phase signal may be included as a separate process in addition to removing the DC offset component.
  • the display processing unit 209 for example, the calculated rotation angle is displayed on the display unit 30 shown in FIG.
  • the DC offset calculation unit 201 calculates the average value of the sum of the instantaneous values of the detection signals of the b magnetic detection elements 4.
  • the magnetic detection unit 34 that is, the magnetic detection element 4 is provided over a plurality of periods
  • the signals of the magnetic detection elements 4 separated from each other by a mechanical angle of 360 degrees / x degrees are in phase and obtained. All the b-phase signals are added and divided by b (FIG. 6, step S212).
  • a difference between this average value and, for example, a reference voltage of voltage 0 is a direct current component included in the detection signal.
  • the DC offset correction unit 202 subtracts the average value obtained from each of the detection signals of the b magnetic detection elements 4 (FIG. 6, step S213).
  • the DC offset calculation unit 201 calculates the median value of the maximum value and the minimum value of each of the b magnetic detection elements 4. A difference between this median value and a reference voltage of voltage 0, for example, is a direct current component included in the detection signal. Then, the DC offset correction unit 202 subtracts the median values obtained from the detection signals of the b magnetic detection elements 4 respectively.
  • the inspection unit 205 in FIG. 4 compares the b above-mentioned median values with the detection signals of the respective magnetic detection elements 4, and if the difference between the detection signal and the median value is equal to or larger than a set reference value, the corresponding magnetic detection is performed. It is determined that the function of the element 4 is not normal.
  • the inspection unit 205 further determines the failure of the magnetic detection unit 34, particularly the magnetic detection element 4 and the eccentric state of the rotor 2 by comparing the detection signals of corresponding phase positions in one cycle described with reference to FIGS. Also do.
  • the determination result of the inspection unit 205 is also displayed on the display unit 30.
  • the detection accuracy and the like can be improved by removing the DC offset.
  • the present invention is not limited to this, and the stator 1 is on the inner side and the rotor 2 is on the outer side. Even in the case of a certain configuration, it is applicable. Furthermore, the present invention is not limited to the above-described configuration examples.
  • FIG. 7 to 11 are schematic cross-sectional views of other configuration examples of the detection unit of the rotation angle detection device according to the present invention.
  • FIG. 7 shows a configuration when three magnetic detectors 34 are provided in the first to fourth periods of four consecutive response units 2a of the rotor 2.
  • FIG. 8 shows a configuration in which three magnetic detectors 34 are provided in the first and third periods of the non-continuous response unit 2a of the rotor 2, respectively.
  • FIG. 9 shows the first to third periods of the three consecutive response units 2a of the rotor 2, the first period being a position of 10 degrees, the second period being a position of 20 degrees, and the third period being A configuration in the case where one magnetic detector 34 is provided at a position of 30 degrees is shown.
  • the b magnetic detectors 34 of the stator 1 are provided per b of the concavo-convex part 2a of the rotor 2 and may be arranged at an interval of mechanical angle 360 ⁇ (n ⁇ b + m) / (xxb) degrees.
  • n represents the amount of shift in the circumferential direction from the reference position of the magnetic detection unit 34 in terms of the number of periods, and is an integer of 0 or more
  • m is the arrangement order of the b magnetic detection units 34. It is an integer from 1 to b, x is an integer of 1 or more that is the number of periods of the uneven portion 2a with respect to a mechanical angle of 360 degrees, and b is an integer of 3 or more.
  • the magnetic detectors 34 are not adjacent to each other as shown in FIG. 9, the magnetic detectors 34 whose magnetic flux directions are opposite to each other are not necessarily arranged alternately.
  • FIG. 10 shows a configuration in the case of an outer rotor structure having the rotor 2 on the outside.
  • the case of the inner rotor structure in which the rotor 2 is on the inner side is shown.
  • the present invention is also applicable to the case of the outer rotor structure in which the rotor 2 is on the outer side.
  • a configuration when the detection unit 34 is provided is shown.
  • the rotor 2 should just have the uneven
  • x is an integer of 1 or more.
  • the stator 1 should just provide b magnetic detection parts 34 over 1 period of the uneven
  • b is an integer of 3 or more.
  • the stator 1 may include a magnetic body 5.
  • the magnetic body 5 may be provided if necessary depending on the magnetic path configuration. Depending on the magnetic path configuration, the magnetic flux of the magnet may return to the magnetic body 5 without going to the rotor, and therefore depends on the design of the magnetic circuit. .
  • the magnetic material 5 may be used to shield the influence of the magnetic field applied from the outside, for example, the magnetic field of the motor coil or the like by inserting the magnetic material. In that case, there is no problem even if it is put as a shielding material.
  • the rotation angle detection device and the rotation angle detection method according to the present invention can be applied to rotation angle detection of a rotating body in various fields.
  • stator 1 stator, 2 rotor, 2a uneven portion, 3a, 3b bias magnetic field generating unit, 4 magnetic detection element, 5 magnetic body, 10 A / D conversion unit, 20 rotation angle calculation processing unit, 26 interface (I / F) , 27 processor, 28 memory, 30 display unit, 34 magnetic detection unit, 201 DC offset calculation unit, 202 DC offset correction unit, 203 b phase-2 phase conversion unit, 204 angle calculation unit, 205 inspection unit, 209 display processing unit .

Abstract

磁性体からなる回転子と、それぞれバイアス磁界発生部と磁気検出素子からなるｂ(ｂは３以上の整数)個以上の磁気検出部を有する固定子であって、前記磁気検出素子で得られた検出信号から前記回転子の回転角度を求める回転角度演算処理部と、を備え、前記回転子の固定子対向面は、機械角３６０度に対してｘ(ｘは１以上の整数)周期分変化する凹凸部を有し、前記凹凸部は前記磁気検出素子で正弦波が得られる曲線的に変化する形状を有し、前記固定子の前記磁気検出部は、前記回転子と対向するように周方向に沿って前記凹凸部の１周期当りｂ個設けられ、機械角３６０×(ｎ×ｂ＋ｍ)／(ｘ×ｂ)度間隔で配置されており、ｎは前記磁気検出部の基準位置からの周方向のずらし量を前記周期の数で示したもので０以上の整数、ｍはｂ個の前記磁気検出部のうちの配置順である１からｂまでの整数である、回転角度検出装置。

Description

回転角度検出装置および回転角度検出方法
　この発明は回転角度検出装置、特に磁気強度の変化を利用した回転角度検出装置および回転角度検出方法に関する。
　例えば下記特許文献１には、軸受を有するハウジングにより支持されつつ回転する回転軸に該回転の検出対象として設けられるロータと、該ロータの近傍にて磁界の変化を感知する磁気感知素子を有する半導体チップと、前記磁気感知素子にバイアス磁界を付与するバイアス磁石とを備え、前記ロータが回転するときに前記バイアス磁界と協働して生じる磁界の変化を前記磁気感知素子により感知することに基づき前記ロータの回転態様を検出する回転検出装置であって、前記軸受および前記半導体チップが、前記ハウジングに対して一体に形成されてなる回転検出装置が開示されている。また下記特許文献２，３にも、磁気強度の変化を利用した回転検出装置、回転検出センサが開示されている。
特開２００６－１３２９７８号公報 特開平１１－５１６９５号公報 特開平８－２１９７０９号公報
　例えば下記特許文献１の回転検出装置では、ロータの外周面に沿って矩形の凹凸を形成し、これらの凹凸によりバイアス磁界と協働して生じる磁界の変化を磁気感知素子により感知することで回転検出を行っている。
　この発明は、測定対象である回転子側に正弦波のように曲線的に滑らかに周期的に変化する凹凸部を設け、これらの滑らかに周期的に変化する凹凸によりバイアス磁界と協働して生じる磁界変化を複数の磁気検出素子で検出することにより、高精度の回転角度検出を行う回転角度検出装置等を提供することを目的とする。
　この発明は、磁性体で構成された回転子と、それぞれバイアス磁界発生部と磁気検出素子からなるｂ個以上の磁気検出部を有する固定子であって、ｂは３以上の整数であるものと、前記磁気検出素子で得られた検出信号から前記回転子の回転角度を求める回転角度演算処理部と、を備え、前記回転子の固定子対向面は、機械角３６０度に対してｘ周期分変化する凹凸部を有し、ｘは１以上の整数であり、前記凹凸部は前記磁気検出素子で概略正弦波が得られる曲線的に変化する形状を有し、前記固定子の前記磁気検出部は、前記回転子の前記固定子対向面と隙間を空けて対向するように周方向に沿って前記凹凸部の１周期当りｂ個設けられ、機械角３６０×(ｎ×ｂ＋ｍ)／(ｘ×ｂ)度間隔で配置されており、ｎは前記磁気検出部の基準位置からの周方向のずらし量を前記周期の数で示したもので０以上の整数、ｍはｂ個の前記磁気検出部のうちの配置順である１からｂまでの整数である、回転角度検出装置等にある。
　この発明では、回転子側に設けられた正弦波のような曲線的に滑らかに周期的に変化する凹凸部によりバイアス磁界と協働して生じる磁界変化を複数の磁気検出素子で検出することにより、高精度の回転角度検出を行う回転角度検出装置等を提供できる。
この発明の一実施の形態による回転角度検出装置の検出部の概略的な断面図である。 図１の検出部の主要部分を拡大した拡大断面図である。 この発明の一実施の形態による回転角度検出装置の回転角度演算部の構成図である。 図３の回転角度演算処理部の機能ブロック図の一例を示す図である。 図３の回転角度演算処理部のハードウェア構成の一例を示す図である。 図３の回転角度演算処理部の動作の一例を示すフローチャートである。 この発明による回転角度検出装置の検出部の別の例の概略的な断面図である。 この発明による回転角度検出装置の検出部のさらに別の例の概略的な断面図である。 この発明による回転角度検出装置の検出部のさらに別の例の概略的な断面図である。 この発明による回転角度検出装置の検出部のさらに別の例の概略的な断面図である。 この発明による回転角度検出装置の検出部のさらに別の例の概略的な断面図である。
　以下、この発明による回転角度検出装置等を実施の形態に従って図面を用いて説明する。なお、各実施の形態において、同一もしくは相当部分は同一符号で示し、また重複する説明は省略する。
　実施の形態１．
　図１にこの発明の一実施の形態による回転角度検出装置の検出部の概略的な断面図を示す。回転子２の外周には磁気検出素子４の検出信号が概略正弦波となるように曲線的に変化する形状を有する凹凸部２ａが設けられている。図１では、凹凸部２ａがｘ＝１２の１２個あることから回転子２が機械角で３６０度すなわち１回転すると、磁気検出素子４からはそれぞれ１２周期分の波形が得られる。図１では、凹凸部２ａの１周期当り、例えば３個の磁気検出素子４が設けられている。図１では、磁気検出素子４が２周期分の６個が示されている。また、凹凸部２ａの１周期に対して、ｂ＝３の３個の磁気検出素子４が概略同じまたは同じ間隔で配置されていることから、凹凸部２ａの１周期を３６０度とすると１２０度の位相差の信号が３個の磁気検出素子４から出力される。
　各磁気検出素子４はそれぞれ、固定子１側にバイアス磁界発生部３ａまたは３ｂを設けて磁気検出部３４を構成している。
　図１ではさらに３個の磁気検出部３４が追加されて合計６個の磁気検出部３４が配置されているが、隣接する１周期と概略同等または同じ位相位置に配置することで、１周期において対応する位相位置同士の検出信号を比較することで、磁気検出部３４の故障検知や回転子２の偏芯等の補正に使用することが可能となり、外乱のノイズに対してロバストな設計が可能となる。
　なお、凹凸部２ａは機械角３６０度に対してｘ周期分あればよく、ｘは１以上の整数である。また磁気検出部３４は凹凸部２ａの１周期に対してｂ個設ければよく、ｂは３以上の整数である。
　図２に図１の検出部の主要部分の拡大断面図を示す。内側に回転子２があるインナーロータであるため、バイアス磁界発生部３ａ，３ｂの内周に磁気検出素子４が設けられている。ここで白のバイアス磁界発生部３ａと黒のバイアス磁界発生部３ｂが交互に並べて配置されている。これは例えば、バイアス磁界発生部３ａが内周側に向けたベクトルすなわち磁束方向を持ち、バイアス磁界発生部３ｂが外周側に向けたベクトルすなわち磁束方向を持つ。このように磁束方向が互いに反対の磁気検出部３４を交互に配置することにより、磁気検出素子４に鎖交する磁束量を増やすことが可能となる。しかしながら、磁束の向きが交互に反対となるため、バイアス磁界発生部の向きを内周向きと外周向きで交互に変える必要がある。
　図２では磁束方向の異なる磁気検出部３４を交互に配置することとしたが、これに限定されず、磁束方向が同じ磁気検出部３４を並べても、磁気検出素子４での検出信号の値は小さくなるが、磁界を検出することは可能ではある。
　図３にこの発明の一実施の形態による回転角度検出装置の回転角度演算部の構成図を示す。各磁気検出素子４からの検出信号はＡ／Ｄ変換部１０でＡ／Ｄ変換された後、回転角度演算処理部２０に入力される。回転角度演算処理部２０では検出信号に従って回転角度演算が行われ、求められた回転角度は例えば表示部３０に表示される。
　図４は図３の回転角度演算処理部の機能ブロック図の一例を示す図である。回転角度演算処理部２０は、直流オフセット算出部２０１、直流オフセット補正部２０２、ｂ相－２相変換部２０３、角度算出部２０４、検査部２０５、そして表示処理部２０９を含む。それぞれ機能については後述する。
　図５は図３の回転角度演算処理部のハードウェア構成の一例を示す図である。回転角度演算処理部２０は例えばコンピュータで構成される。ｂ個の磁気検出素子４からのデジタル変換されたｂ相分の検出信号がインタフェース(Ｉ／Ｆ)２６を介して入力される。メモリ２８には図４に示す各機能ブロックに対応するプログラムおよび演算に使用される予め設定されたデータが格納されている。プロセッサ２７はインタフェース(Ｉ／Ｆ)を介して入力された検出信号に対して、メモリ２８に格納されたプログラム、データに従って回転角度演算処理を行う。そして求められた回転角度がインタフェース(Ｉ／Ｆ)２６を介して出力され、図３の表示部３０に表示される。
　図１に戻り、回転子２は磁性体で構成される。固定子１はそれぞれバイアス磁界発生部３と磁気検出素子４からなるｂ個以上の磁気検出部３４を有する。バイアス磁界発生部３は例えば永久磁石からなる。磁気検出素子４は、ホール素子等の電磁変換素子からなる。そして磁気検出素子４で検出された検出信号から、回転角度演算処理部２０で回転子２の回転角度が求められえる。
　バイアス磁界発生部３からの回転子２側への磁束量は、バイアス磁界発生部３と回転子２の凹凸部２ａの面との間の隙間の距離により変化する。凹凸部２ａの滑らかに周期的に変化する凹凸によりバイアス磁界発生部３のバイアス磁界と協働して生じる磁界変化を磁気検出素子４で検出する。従って各磁気検出素子４で得られる検出信号は凹凸部２ａの形状、ひいては回転子２の回転角度位置に従って変化し、その変化は凹凸部２ａの形状に従い、ここでは位相の異なるｓｉｎ波の信号となる。位相の異なるｂ相のｓｉｎ波の信号はｓｉｎ波とｃｏｓ波の関係にある２相の信号に変換され、ｓｉｎ波とｃｏｓ波の関係にある信号のａｒｃｔａｎを計算することで、回転子２の回転角度位置を求める。
　回転子２の固定子対向面は、機械角３６０度に対してｘ周期分変化する凹凸部２ａを有し、凹凸部２ａは磁気検出素子４で概略正弦波または正弦波が得られる曲線的に変化する形状を有する。ｘは１以上の整数であり、図１，２ではｘ＝１２の場合を示している。
　固定子１の磁気検出部３４は、回転子２の固定子対向面と隙間を空けて対向するように周方向に沿って凹凸部２ａの１周期当りｂ個設けられ、３６０／ｘ×ｎ＋３６０／(ｘ×ｂ)×ｍ度間隔で配置されている。３６０／ｘ×ｎ＋３６０／(ｘ×ｂ)×ｍ度は整理すると３６０×(ｎ×ｂ＋ｍ)／(ｘ×ｂ)度となる。ここでｎは磁気検出部３４の基準位置からの周方向のずらし量を周期の数で示したもので０以上の整数、ｍはｂ個の磁気検出部３４のうちの配置順である１からｂまでの整数である。
　すなわち、周期内の位相位置が同じであれば、他の周期の同周期位置に磁気検出部３４を設けることで、同等または同じ位相の検出信号が得られる。換言すると、各周期内で、位相位置が同じであれば同じ検出信号が得られる。従って、ｂ個の磁気検出部３４は１つの周期内に設けられる必要はない。
　この構成により、回転子２の凹凸部２ａの１周期以外の周期の位置でも電気角の１周期基準で、それぞれの等間隔の波形を生成することができる。これにより、固定子１の周方向一部のみに磁気検出部３４を設けているので、磁気検出部３４のレイアウトの自由度が向上し、中空の大径モータにおいて、固定子側の材料歩留まりが向上する。
　また、例えば図１，２の１周期分の３個の磁気検出部３４により、回転子２の凹凸部２ａの１周期の中で検出を行う場合には、機械角３６０／(ｘ×ｂ)度間隔で配置される。
　この構成により、回転子２の凹凸部２ａの１周期の中でそれぞれ等間隔の波形を生成することができる。これにより、回転子２の凹凸部２ａの１周期分のみであるため更なるレイアウトの自由度が向上する。
　また、バイアス磁界発生部３は回転子２の径方向に磁束を発生させ、磁気検出素子４は検出面が径方向の磁束を検出する方向に配置するようにする。
　この構成により、径方向磁束を検出するレゾルバタイプの回転角度検出装置となる。径方向に磁束を発生させ、径方向の磁束を検出することで、例えば回転角度検出装置をモータに適用した場合、モータ全体の軸方向の長さを低減することができ、モータの共振周波数をあげることができる。
　図４の機能ブロック図と図６のフローチャートに従って回転角度演算処理部２０の演算処理について説明する。
　磁気検出素子４で磁気強度、磁気密度が検出されると(図６、ステップＳ２１１)、
　直流オフセット算出部２０１では、磁気検出素子４の検出信号の直流分による基準電圧からの直流オフセット値が求められる。
　直流オフセット補正部２０２では、ｂ個の磁気検出素子４の検出信号を、直流オフセット値に基づいて補正する。
　ここでは、磁界の直流成分である直流オフセットを波形の平均化処理等を行って、直流オフセット分を算出し、それぞれの相信号から直流オフセット分を引くことでＤＣオフセットを除去する。例えば、３相であれば、それぞれの相信号の相の和を３で割ることによってＤＣオフセット成分とし、それぞれの相信号よりＤＣオフセット成分を引くことでも可能である。また、波形の振幅に関して波形の最大値Ｍａｘまたは最小値ＭｉｎからＤＣオフセット成分を算出することも可能である。
　ｂ相－２相変換部２０３では、補正されたｂ個の検出信号をｂ相－２相変換して２相信号を求める(図６、ステップＳ２１４)。
　ここでｂ＝３のとき３相の信号Ａ，Ｂ，Ｃの信号変換の例を下記の式(１)に示す。この変換によって、αとβは位相が９０度異なる信号となり、ｓｉｎ波とｃｏｓ波に変換できる。また、下記の式(１)では、０、１２０、２４０としたが、もとの波形の位相が異なっていれば、この位相は波形の位相と同じ位相となることが望ましい。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　角度算出部２０４では、２相信号の正接逆関数(ａｒｃｔａｎ)を演算して回転角度を算出する(図６、ステップＳ２１５)。
　参考までに下記の式(２)にてａｒｃｔａｎは計算できる。これは、通常の三角関数の考え方と同じである。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　上述のそれぞれの相信号の和をもとめて、和を相数で割った値を各相信号から引く方法は、ＤＣオフセット成分除去以外に別工程として入れていてもよく、この工程を別工程として実施することによって、それぞれのセンサに同時に入る電気的ノイズや磁気的ノイズに関して除去することが可能となる。これによって、外部要因による影響を少なくして、角度誤差を小さくし、ロバスト性の高いセンサを得ることが可能となる。
　そして表示処理部２０９では、例えば算出した回転角度を図３に示す表示部３０に表示させる。
　上述のように、直流オフセット算出部２０１は、ｂ個の磁気検出素子４の検出信号の瞬時値の和の平均値を算出する。この時、磁気検出部３４すなわち磁気検出素子４が複数の周期に亘って設けられている場合には、互いに機械角３６０度／ｘ度離れた磁気検出素子４の信号は同相とし、得られたｂ相の信号を全て足してｂで割る(図６、ステップＳ２１２)。この平均値と例えば電圧０の基準電圧との差が検出信号に含まれる直流分となる。
　そして直流オフセット補正部２０２では、ｂ個の磁気検出素子４の検出信号それぞれから得られた平均値を減算する(図６、ステップＳ２１３)。
　別の例では、直流オフセット算出部２０１は、ｂ個の磁気検出素子４のそれぞれの最大値と最小値の中央値を算出する。この中央値と例えば電圧０の基準電圧との差が検出信号に含まれる直流分となる。
　そして直流オフセット補正部２０２では、ｂ個の磁気検出素子４の検出信号から得られた中央値をそれぞれに減算する。
　また図４の検査部２０５では、ｂ個の上述の中央値を各々の磁気検出素子４の検出信号と比較し、検出信号と中央値の差が設定基準値以上であれば、該当する磁気検出素子４の機能が正常でないと判定する。
　検査部２０５ではさらに、図１，２で説明した１周期において対応する位相位置同士の検出信号の比較による磁気検出部３４、特に磁気検出素子４の故障や回転子２の偏芯の状態の判定も行う。
　表示処理部２０９では、検査部２０５の判定結果についても表示部３０に表示させる。
　以上のようにｂ相の磁束密度を２相に変換して回転角度を算出することで、磁束密度の特定の次数成分を除去できるため、検出精度が向上する。また、直流オフセットを除去することでも、検出精度等を向上させることが可能となる。
　なお、上記実施の形態では回転子２が内側にあり固定子１が外側にある構成の場合について説明したが、この発明はこれに限らず、固定子１が内側にあり回転子２が外側にある構成の場合でも適用可能である。さらにこの発明は上記各構成例に限定されるものではない。
　図７から１１にはこの発明による回転角度検出装置の検出部の別の構成例の概略的な断面図を示した。
　図７は、回転子２の４つの連続する応答部２ａの第１から第４の周期にそれぞれ３つの磁気検部３４を設けた場合の構成を示す。図８は、回転子２の連続しない応答部２ａの第１と第３の周期にそれぞれ３つの磁気検部３４を設けた場合の構成を示す。図９は、回転子２の３つの連続する応答部２ａの第１から第３の周期に、第１の周期は１０度の位置、第２の周期は２０度の位置、第３の周期は３０度の位置にそれぞれ１つの磁気検部３４を設けた場合の構成を示す。
　固定子１の磁気検出部３４は、回転子２の凹凸部２ａの１周期当りｂ個設けられ、機械角３６０×(ｎ×ｂ＋ｍ)／(ｘ×ｂ)度間隔で配置されていればよい。ここでｎは磁気検出部３４の基準位置からの周方向のずらし量を周期の数で示したもので０以上の整数であり、ｍはｂ個の磁気検出部３４のうちの配置順である１からｂまでの整数であり、ｘは機械角３６０度に対する凹凸部２ａの周期数である１以上の整数であり、ｂは３以上の整数である。
　また図９のように磁気検出部３４が隣接していない場合には、必ずしも磁束方向が互いに反対の磁気検出部３４を交互に配置する必要はない。
　図１０は、外側に回転子２があるアウターロータ構造の場合の構成を示す。上述の各例では回転子２が内側にあるインナーロータ構造の場合を示したが、この発明では回転子２が外側にあるアウターロータ構造の場合にも適用可能である。
　図１１は、回転子２が機械角３６０度に対してｘ＝６周期分の凹凸部２ａを有し、固定子１に回転子２の凹凸部２ａの１周期に亘りａ＝５個の磁気検出部３４を設けた場合の構成を示す。この発明では回転子２は機械角３６０に対してｘ周期分の凹凸部２ａを有していればよい。ここでｘは１以上の整数である。また固定子１は回転子２の凹凸部２ａの１周期に亘りｂ個の磁気検出部３４を設けていればよい。ここでｂは３以上の整数である。
　また各図に示すように固定子１は磁性体５を備えていてもよい。磁性体５は、磁路構成によって必要であれば設ければよく、磁路構成によっては、磁石の磁束が回転子に行かず磁性体５に帰る場合もあるため、磁気回路の設計次第である。しかしながら、磁性体５を入れることで、外部より印加される磁場、例えば、モータのコイル等による磁場からの影響を磁性体を入れることでシールドする効果も有する事があるため、磁気設計として問題ないのであれば、シールド材として入れても問題ない。
産業上の利用の可能性
　この発明による回転角度検出装置および回転角度検出方法は、種々の分野の回転体の回転角度検出に適用することができる。
　１　固定子、２　回転子、２ａ　凹凸部、３ａ，３ｂ　バイアス磁界発生部、４　磁気検出素子、５　磁性体、１０　Ａ／Ｄ変換部、２０　回転角度演算処理部、２６　インタフェース(Ｉ／Ｆ)、２７　プロセッサ、２８　メモリ、３０　表示部、３４　磁気検出部、２０１　直流オフセット算出部、２０２　直流オフセット補正部、２０３　ｂ相－２相変換部、２０４　角度算出部、２０５　検査部、２０９　表示処理部。

Claims (8)

  1. 　磁性体で構成された回転子と、
    　それぞれバイアス磁界発生部と磁気検出素子からなるｂ個以上の磁気検出部を有する固定子であって、ｂは３以上の整数であるものと、
    　前記磁気検出素子で得られた検出信号から前記回転子の回転角度を求める回転角度演算処理部と、
    　を備え、
    　前記回転子の固定子対向面は、機械角３６０度に対してｘ周期分変化する凹凸部を有し、ｘは１以上の整数であり、前記凹凸部は前記磁気検出素子で概略正弦波が得られる曲線的に変化する形状を有し、
    　前記固定子の前記磁気検出部は、前記回転子の前記固定子対向面と隙間を空けて対向するように周方向に沿って前記凹凸部の１周期当りｂ個設けられ、機械角３６０×(ｎ×ｂ＋ｍ)／(ｘ×ｂ)度間隔で配置されており、ｎは前記磁気検出部の基準位置からの周方向のずらし量を前記周期の数で示したもので０以上の整数、ｍはｂ個の前記磁気検出部のうちの配置順である１からｂまでの整数である、
    　回転角度検出装置。
  2. 　磁性体で構成された回転子と、
    　それぞれバイアス磁界発生部と磁気検出素子からなるｂ個以上の磁気検出部を有する固定子であって、ｂは３以上の整数であるものと、
    　前記磁気検出素子で得られた検出信号から前記回転子の回転角度を求める回転角度演算処理部と、
    　を備え、
    　前記回転子の固定子対向面は、機械角３６０度に対してｘ周期分変化する凹凸部を有し、ｘは１以上の整数であり、前記凹凸部は前記磁気検出素子で概略正弦波が得られる曲線的に変化する形状を有し、
    　前記固定子の前記磁気検出部は、前記回転子の前記固定子対向面と隙間を空けて対向するように周方向に沿って前記凹凸部の１周期に亘りｂ個設けられ、機械角３６０／(ｘ×ｂ)度間隔で配置されている、
    　回転角度検出装置。
  3. 　前記バイアス磁界発生部は前記回転子の径方向に磁束を発生させ、前記磁気検出素子は検出面が径方向の磁束を検出する方向に配置された、請求項１または２に記載の回転角度検出装置。
  4. 　前記回転角度演算処理部が、
    　前記磁気検出素子の検出信号の直流分による基準電圧からの直流オフセット値を求める直流オフセット算出部と、
    　ｂ個の前記磁気検出素子の検出信号を、前記直流オフセット値に基づいて補正する直流オフセット補正部と、
    　補正されたｂ個の検出信号をｂ相－２相変換して２相信号を求めるｂ相－２相変換部と、
    　２相信号の正接逆関数を演算して回転角度を算出するは角度算出部と、
    　を含む請求項１から３までのいずれか１項に記載の回転角度検出装置。
  5. 　前記直流オフセット算出部は、ｂ個の前記磁気検出素子の瞬時値の和の平均値を算出し、
    　前記直流オフセット補正部は、ｂ個の前記磁気検出素子の検出信号それぞれから得られた平均値を減算する、
    　請求項４に記載の回転角度検出装置。
  6. 　前記直流オフセット算出部は、ｂ個の前記磁気検出素子のそれぞれの最大値と最小値の中央値を算出し、
    　前記直流オフセット補正部は、ｂ個の前記磁気検出素子の検出信号から得られた中央値をそれぞれに減算する、
    　請求項４に記載の回転角度検出装置。
  7. 　ｂ個の前記中央値を各々の前記磁気検出素子の検出信号と比較し、各磁気検出素子の機能が正常か否かを検査する検査部を含む、請求項６に記載の回転角度検出装置。
  8. 　磁性体で構成された回転子に、それぞれバイアス磁界発生部と磁気検出素子からなるｂ個以上の磁気検出部を有する固定子を間に隙間を空けて配置し、
    　前記回転子の固定子対向面に、機械角３６０度に対してｘ周期分変化する凹凸部を形成し、ここでｘは１以上の整数であり、前記凹凸部は前記磁気検出素子で概略正弦波が得られる曲線的に変化する形状とし、
    　前記固定子の前記磁気検出部を、前記回転子の前記固定子対向面と隙間を空けて対向するように周方向に沿って前記凹凸部の１周期当りｂ個設け、機械角３６０×(ｎ×ｂ＋ｍ)／(ｘ×ｂ)度間隔で配置し、ｎは０以上の整数、ｍは１からｂまでの整数であり、
    　前記磁気検出部の前記磁気検出素子の検出信号の直流分による基準電圧からの直流オフセット値を求め、
    　ｂ個の前記磁気検出素子の検出信号を、前記直流オフセット値に基づいて補正し、
    　補正されたｂ個の検出信号をｂ相－２相変換して２相信号を求め、
    　２相信号の正接逆関数を演算して回転角度を算出する、
    　回転角度検出方法。
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