旋转角度检测装置及旋转角度检测方法与流程

本发明涉及旋转角度检测装置，尤其涉及利用了磁强度的变化的旋转角度检测装置及旋转角度检测方法。

背景技术：

例如，下述专利文献1中公开了一种旋转检测装置，其包括：转子，该转子设置于由具有轴承的外壳所支承并旋转的转轴，该转子被设为该旋转的检测对象；半导体芯片，该半导体芯片具有在该转子的附近对磁场的变化进行感应的磁感应元件；以及偏置磁体，该偏置磁体向所述磁感应元件提供偏置磁场，旋转检测装置利用所述磁感应元件感应当所述转子旋转时与所述偏置磁场联动地产生的磁场的变化，并基于此来检测所述转子的旋转模式，所述轴承及所述半导体芯片与所述外壳形成为一体。此外，下述专利文献2、3中也公开了利用了磁强度的变化的旋转检测装置、旋转检测传感器。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利特开2006－132978号公报

专利文献2：日本专利特开平11－51695号公报

专利文献3：日本专利特开平8－219709号公报

技术实现要素：

发明所要解决的技术问题

例如，下述专利文献1的旋转检测装置中，沿转子的外周面形成矩形的凹凸，并利用磁感应元件来感应因这些凹凸而与偏置磁场联动地产生的磁场的变化，由此来进行旋转检测。

本发明的目的在于提供旋转角度检测装置等，在测定对象即转子侧设置像正弦波那样呈曲线形平滑且周期性变化的凹凸部，并利用多个磁检测元件检测因这些平滑且周期性变化的凹凸而与偏置磁场联动地产生的磁场变化，由此来进行高精度的旋转角度检测。

解决技术问题所采用的技术方案

本发明的旋转角度检测装置等包括：转子，该转子由磁性体构成；定子，该定子具有1个偏置磁场生成部与多个磁检测元件；以及旋转角度运算处理部，该旋转角度运算处理部根据由所述磁检测元件得到的检测信号来求出所述转子的旋转角度，所述转子的定子相向面具有相对于机械角360度变化x周期的凹凸部，这里x为1以上的整数，所述凹凸部具有可由所述磁检测元件得到大致正弦波的呈曲线形变化的形状，所述定子的所述磁检测元件以与所述转子的所述定子相向面隔开间隙相对的方式沿周向等间隔地在所述凹凸部的1周期中设有a个，所述偏置磁场生成部以与a个所述磁检测元件相重叠的方式在所述凹凸部的1周期中在周向上延伸，这里a为2以上的整数。

发明效果

本发明能提供旋转角度检测装置等，利用多个磁检测元件检测因设置在转子侧的像正弦波那样呈曲线形平滑且周期性变化的凹凸部而与偏置磁场联动地产生的磁场变化，由此来进行高精度的旋转角度检测。

附图说明

图1是本发明一个实施方式所涉及的旋转角度检测装置的检测部的示意性剖视图。

图2是对图1的检测部的主要部分进行放大而得到的放大剖视图。

图3是本发明一个实施方式所涉及的旋转角度检测装置的旋转角度运算部的结构图。

图4是示出图3的旋转角度运算处理部的功能框图的一个示例的图。

图5是示出图3的旋转角度运算处理部的硬件结构的一个示例的图。

图6是本发明所涉及的旋转角度检测装置的检测部的其他示例的示意性剖视图。

图7是本发明所涉及的旋转角度检测装置的检测部的另一个其他示例的示意性剖视图。

图8是本发明所涉及的旋转角度检测装置的检测部的另一个其他示例的示意性剖视图。

具体实施方式

下面，使用附图并按照实施方式来对本发明所涉及的旋转角度检测装置等进行说明。此外，在各实施方式中，用相同标号示出相同或相当部分，并省略重复的说明。

实施方式1

图1示出本发明一个实施方式所涉及的旋转角度检测装置的检测部的示意性剖视图。在旋转角度的检测对象即转子2的外周的一部分设有定子1，该定子1具有磁性体5、偏置磁场生成部3及多个磁检测元件4。转子2的例如作为外周面的定子相向面设有凹凸部2a，该凹凸部2a具有可由磁检测元件4得到大致正弦波的呈曲线形变化的形状。图1中，x＝12即凹凸部2a具有12个，因此，若转子2以机械角旋转360度、即旋转一周，则从各磁检测元件4得到分别相当于12个周期的波形。图1中，相对于凹凸部2a的1周期，例如设有3个磁检测元件4。此外，相对于凹凸部2a的1周期，以大致相同的间隔配置有3个磁检测元件4，因此，若将凹凸部2a的1周期设为360度，则从3个磁检测元件4输出相位差为120度的信号。

另外，凹凸部2a相对于机械角360度具有x周期即可，x为1以上的整数。

图2中示出图1的检测部的主要部分的放大剖视图。图2(a)中，示出a＝3即设有3个磁检测元件4的情况，图2(b)中，示出a＝2即设有2个磁检测元件4的情况。由于是在内侧具有转子2的内置转子构造，因此，在偏置磁场生成部3的内周设有磁检测元件4。此外，在偏置磁场生成部3的外周及周向的外侧设有磁性体5，该磁性体5用于增大由磁检测元件4进行检测的磁通量。

另外，磁检测元件4在凹凸部2a的1周期中设有a个即可，a为2以上的整数。

此外，磁性体5在磁路结构需要的情况下设置即可，由于也存在根据磁路结构磁体的磁通不前进至转子而返回磁性体5的情况，因此，根据磁路的设计来决定是否设置磁性体5。然而，通过放入磁性体5，有时也具有屏蔽从外部施加的磁场、例如来自因电动机的线圈等而产生的磁场的影响的效果，因此，只要放入磁性体5在磁设计上没有问题，则作为屏蔽材料放入也没有问题。

图3中示出本发明一个实施方式所涉及的旋转角度检测装置的旋转角度运算部的结构图。来自各磁检测元件4的检测信号经a/d转换部10进行a/d转换之后，被输入至旋转角度运算处理部20。在旋转角度运算处理部20中，根据检测信号进行旋转角度运算，并将所求出的旋转角度显示在例如显示部30中。

图4是示出图3的旋转角度运算处理部的功能框图的一个示例的图。信号转换部24去除由偏置磁场产生的磁场的直流分量即dc偏移分量。这里，对于dc偏移，进行波形的平均化处理等来计算dc偏移量，并从各自的相信号中减去dc偏移量来去除dc偏移。例如，若为三相，则也可以将各自的相信号之和除以3来得到dc偏移分量，并从各自的相信号中减去dc偏移分量。此外，关于波形的振幅，也可以根据波形的最大值max或最小值min来计算dc偏移分量。在相信号转换部即a相－二相转换部21中，将来自a个磁检测元件4的相当于a相的信号转换成由sin波和cos波构成的二相的信号。

这里，在下述式(1)中示出a＝3时的三相的信号a、b、c的信号转换的示例。通过该转换，α与β成为相位相差90度的信号，能转换成sin波和cos波。此外，下述式(1)中，将角度设为了0、120、240，但在原始波形的相位不同的情况下，优选该相位成为与波形的相位相同的相位。

【数学式1】

旋转角度计算部22中，根据由sin波和cos波构成的二相的信号来计算arctan，从而求出旋转角度。作为参考，能用下述式(2)来计算arctan。这与通常的三角函数的考虑方式相同。

【数学式2】

除了去除dc偏移分量以外，可以将求出上述各个相信号的和、并从各相信号中减去用所求出的和除以相数而得的值的方法作为其他工序来引入，通过将该工序作为其他工序来实施，从而能去除同时输入至各个传感器的电噪声、磁噪声。由此，能减少外部因素所造成的影响，并减少角度误差，从而能得到鲁棒性(robust)较高的传感器。显示处理部23将所求出的旋转角度显示于显示部30。

图5是示出图3的旋转角度运算处理部的硬件结构的一个示例的图。旋转角度运算处理部20例如由计算机构成。来自a个磁检测元件4的经数字转换后的相当于a相的检测信号经由接口(i/f)26被输入。存储器28中存储有对应于图4所示的各功能模块的程序及运算中所使用的预设的数据。对于经由接口(i/f)被输入的检测信号，处理器27根据存储于存储器28的程序、数据来进行旋转角度运算处理。然后，经由接口(i/f)26输出所求出的旋转角度，并显示于图3的显示部30。

回到图1，转子2由磁性体构成。定子1具有1个偏置磁场生成部3以及检测磁通密度的多个磁检测元件4。偏置磁场生成部3例如由永磁体构成。磁检测元件4由霍尔元件等电磁转换元件构成。然后，可以根据由磁检测元件4检测出的检测信号，通过旋转角度运算处理部20来求出转子2的旋转角度。

从偏置磁场生成部3向转子2一侧的磁通量根据偏置磁场生成部3与转子2的凹凸部2a的表面之间的间隙的距离而变化。利用磁检测元件4来检测因凹凸部2a的平滑且周期性变化的凹凸而与偏置磁场生成部3的偏置磁场联动地产生的磁场变化。因此，由各磁检测元件4得到的检测信号根据凹凸部2a的形状而变化，进而根据转子2的旋转角度位置而变化，该变化遵循凹凸部2a的形状，这里成为相位不同的sin波的信号。并且，相差了凹凸部1周期的1/4周期、即90度的2个磁检测元件4的检测信号成为sin波与cos波的关系。然后，通过计算这些具有sin波和cos波的关系的检测信号的arctan，从而求出转子2的旋转角度位置。

在转子2的定子相向面形成有相对于机械角360度变化x周期的凹凸部2a。这里x是1以上的整数。即，只要在转子2的定子相向面形成有在转子2旋转一周的期间重复1周期以上的凹凸的凹凸部2a即可。图1、2中，示出了x＝12即具有相当于12周期的凹凸的凹凸部2a。凹凸部2a具有可由磁检测元件4得到大致正弦波或正弦波的呈曲线形变化的形状。因此，凹凸部2a例如具有大致正弦波或正弦波的形状。定子1的磁检测元件4以与转子2的定子相向面隔开间隙相对的方式沿周向等间隔地在凹凸部的1周期中设有a个。图1、图2(a)中，设有a＝3即3个磁检测元件4。偏置磁场生成部3以与a个磁检测元件4相重叠的方式在凹凸部2a的1周期中在周向上延伸。偏置磁场生成部3也设为与转子2的定子相向面隔开间隙地相对。这里a是2以上的整数。

如图2(b)所示，例如在a＝2即磁检测元件4为2个的情况下，磁检测元件4以凹凸部2a的1周期的大致1/4周期或1/4周期的间隔来配置。该情况下，无需旋转角度运算处理部20的a相－二相转换部21的处理。旋转角度计算部22根据由磁检测元件4所检测出的sin波和cos波的检测信号所构成的二相的信号来计算arctan，从而求出旋转角度。

如图2(a)所示，例如在a＞2即磁检测元件4为3个以上的情况下，磁检测元件4配置在周向的360/(x×a)度的位置。该情况下，在旋转角度运算处理部20的a相－二相转换部21中，进行如下处理：即、将相当于a相的检测信号转换成相差凹凸部2a的1周期的1/4周期的二相的信号。如图1、2所示，在a＝3的情况下，进行将相当于三相的检测信号转换成二相的检测信号的处理。然后，在旋转角度计算部22中，根据由a相－二相转换部21所得出的sin波和cos波的信号构成的二相的信号来计算arctan，从而求出旋转角度。

此外，在偏置磁场生成部3的外周侧、周向外侧，用于增大由磁检测元件4进行检测的磁通量的磁性体5配置为与转子2的定子相向面隔开间隙地相对。该磁性体5如图2的5a所示，可以配置在偏置磁场生成部3的外周侧。此外，也可以如图2的5b、5c所示配置为相对于偏置磁场生成部3的周向的端部更向周向外侧延伸。磁性体5可以仅配置在偏置磁场生成部3的周向的一端侧，也可以分别配置在两端侧。

将磁性体5的相对于偏置磁场生成部3的周向的端部更向周向外侧延伸的部分的长度设为偏置磁场生成部3的周向长度的一半以上的长度，由此能高效地增加由磁检测元件4进行检测的磁通量。

另外，上述实施方式中，对于转子2位于内侧、定子1位于外侧的结构的情况进行了说明，但本发明并不局限于此，在定子1位于内侧、转子2位于外侧的结构的情况下也能适用。此外，本发明并不局限于上述各结构例。

图6至8示出了本发明所涉及的旋转角度检测装置的检测部的其他结构例的示意性剖视图。

图6示出设有2个定子1的情况的结构，该定子1具有1个偏置磁体生成部3、多个磁检测元件4及磁性体5。在本发明中，定子1也可以设置多个。该情况下，在旋转角度运算处理部20的旋转角度计算部22中，例如对于各个定子1求出旋转角度，并将所求出的旋转角度的平均值设为最终的旋转角度。

图7示出转子2位于外侧的外置转子构造的情况的结构。上述各示例中，示出了转子2位于内侧的内置转子构造的情况，然而本发明中在转子2位于外侧的外置转子构造的情况下也能适用。

图8示出如下情况的结构，即：转子2相对于机械角360度具有x＝6周期的凹凸部2a，定子1在转子2的凹凸部2a的1周期中设有a＝5个磁检测元件4。本发明中，只要转子2相对于机械角360具有x周期的凹凸部2a即可。这里x是1以上的整数。此外，只要定子1在转子2的凹凸部2a的1周期中设置a个磁检测元件4即可。这里a是2以上的整数。

工业上的实用性

本发明所涉及的旋转角度检测装置及旋转角度检测方法能适用于各种领域的旋转体的旋转角度检测。

标号说明

1定子、2转子、2a凹凸部、3偏置磁场生成部、4磁检测元件、5磁性体、10a/d转换部、20旋转角度运算处理部、21a相－二相转换部、22旋转角度计算部、23显示处理部、24信号转换部、26接口(i/f)、27处理器、28存储器、30显示部。