JP4447396B2

JP4447396B2 - 回転角検出装置

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Publication number: JP4447396B2
Application number: JP2004222527A
Authority: JP
Inventors: 雅樹武山; 豊明栗田; 公壽辻; 康日下; 顕二片岡
Original assignee: Denso Corp; Nippon Soken Inc; Toyota Motor Corp
Current assignee: Denso Corp; Toyota Motor Corp; Soken Inc
Priority date: 2004-07-29
Filing date: 2004-07-29
Publication date: 2010-04-07
Anticipated expiration: 2024-07-29
Also published as: JP2006038773A

Description

この発明は、回転角検出装置に関し、更に詳しくは、磁気抵抗素子を用いた回転角検出装置に関する。

一般に、乗用車、トラックなどに搭載される内燃機関であるガソリンエンジン、ディーゼルエンジンなど（以下、単に「エンジン」と称する）は、ＥＣＵにより運転制御が行われるために、エンジンの運転状態の情報としてエンジン回転数やクランク角度が必要となる。従って、エンジンには、ＥＣＵがこのエンジン回転数やクランク角度を取得するために、回転角センサが取り付けられている。この回転角センサは、クランクシャフトが回転することにより、クランクシャフトの回転角に基づいてＥＣＵにパルス信号を出力するものである。ＥＣＵは、このパルス信号により、クランクシャフトの回転角を検出する。ここで、ＥＣＵは、このパルス信号により、内燃機関の各気筒のピストンの位置（各気筒のピストンの上死点に位置したこと）を検出するものでもある。しかし、内燃機関の低回転時において、従来の回転角センサでは、その出力が弱いため、ＥＣＵが正確なクランクシャフトの回転角や各気筒のピストンの正確な位置を検出することが困難であった。従って、従来の回転センサを用いた場合、ＥＣＵは、エンジンの始動時において各気筒のピストンの正確な位置、すなわち気筒判別が行えないという問題があった。従来の回転角センサを取り付けた内燃機関では、上記のように、内燃機関の始動時に気筒判別が行えないため、ＥＣＵがクランクシャフトの回転を回転角センサからのパルス信号により検出した後、このＥＣＵからの噴射信号により全気筒に燃料を噴射する燃料噴射制御を行うことで、内燃機関の始動性を確保していた。

そこで、上記問題点を解決するために、特許文献１に示すように、内燃機関の低回転時においても、ＥＣＵがクランクシャフトの回転角や各気筒のピストンの位置を正確に検出することができ、パルス信号を出力する回転角センサが提案されている。この回転角センサは、磁界の変化に基づいて、ＥＣＵにパルス信号を出力するものであり、磁性材料で構成されている被検出対象であるギヤと、このギヤと対向する磁石と、ギヤと磁石との間に配置され、磁界の変化により電気的に変化する素子（磁気抵抗素子、ホール素子）と、電気信号をパルス信号に変換するコンパレータとにより構成されている。ギヤはクランクシャフトに固定されており、このギヤと磁石との間に磁界が発生する。この磁界は、クランクシャフトが回転し、それとともにギヤが回転することにより変化する。具体的には、ギヤの外周面に等間隔に形成された同一形状の歯と磁石との距離が変化することで磁界は変化し、例えば、歯と磁石との距離が近づくと磁界は強くなり、離れると磁界は弱くなる。この磁界の変化により素子が電気的に変化し、コンパレータに磁界の変化に応じた電気信号が出力される。コンパレータは、入力された電気信号を閾値により２値化し、ＥＣＵにパルス信号を出力する。ＥＣＵは、このパルス信号により、ギヤの回転角、すなわちクランクシャフトの回転角などを検出する。つまり、上記従来の回転角センサでは、内燃機関の低速時においても、磁界が変化するため、ＥＣＵが正確なクランクシャフトの回転角や各気筒のピストンの正確な位置を検出することができる。

特開平１０−１７０５３３号公報

ところで、ＥＣＵは内燃機関の損傷を防止するため、クランクシャフトの回転方向を検出する必要がある。しかしながら、上記回転角検出装置においては、ＥＣＵに出力されるパルス信号の波形が、すなわちクランクシャフトの正回転時および逆回転時ともに同一波形であるため、ＥＣＵが被検出対象であるギヤの回転方向、クランクシャフトの回転方向を検出することができず、クランクシャフトの逆転を検出することができないという問題がある。なお、回転角センサを２つ用いることで、それぞれのコンパレータから位相差を有する２つのパルス信号がＥＣＵに出力され、ＥＣＵが２つのパルス信号の位相差からクランクシャフトの逆転を検出することも考えられる。しかし、回転角センサが２つ必要となり、構造の複雑化や部品点数の増加による高コスト化の問題がある。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、構造の簡素化や部品点数の抑制による低コスト化を図ることができる回転検出装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、この発明では、被検出対象の回転角を検出する回転角検出装置において、回転方向に等間隔に形成される多数の歯を有する被検出対象と、前記被検出対象の歯と対向する位置に配置される磁石と、前記被検出対象と前記磁石との間に発生する磁界の変化により抵抗値が変化する第１磁気抵抗素子および第２磁気抵抗素子と、前記第１磁気抵抗素子および第２磁気抵抗素子との間の電気信号が入力され、それぞれ異なる閾値に基づいて、当該電気信号を２値化する第１コンパレータおよび第２コンパレータと、前記第１コンパレータおよび第２コンパレータから出力される２値化信号のそれぞれのＨｉ状態およびＬｏ状態に基づく出力パターンを連続的に取得する出力パターン取得手段と、前記連続的に取得される出力パターンを順次記憶する記憶手段と、前記順次記憶する出力パターンのうち、所定間隔ごとの出力パターンを他の出力パターンに置き換えて前記記憶手段に記憶する置換手段と、前記順次記憶された出力パターンの順番に基づいて被検出対象の回転方向を検出する回転方向検出手段と、を備えることを特徴とする。

また、この発明では、上記回転角検出装置において、前記第１コンパレータあるいは第２コンパレータの少なくともいずれか一方から出力される２値化信号のＨｉ状態およびＬｏ状態に基づいて被検出対象の回転角を検出する回転角検出手段をさらに備え、前記回転方向検出手段は、前記検出された被検出対象の回転角に基づいた被検出対象の回転数が所定回転数以下の場合に、被検出対象の回転方向を検出することを特徴とする。ここで、所定回転数とは、被検出対象の回転方向が逆転する虞が生じ始める回転数をいう。

また、この発明では、上記回転角検出装置において、前記連続的に取得される出力パターンに基づいて被検出対象の基準位置を検出する基準位置検出手段をさらに備え、前記記憶手段は、前記被検出対象の基準位置を検出することを条件として、前記連続的に取得される出力パターンを順次記憶することを特徴とする。

これらの発明によれば、閾値が異なる２つのコンパレータから出力される２値化信号のＨｉ状態およびＬｏ状態に基づいた出力パターンが連続的に取得される順番で順次記憶される際に、その連続的に取得される出力パターンのうち、所定間隔ごとの出力パターンが他の出力パターンに置き換えられる。つまり、記憶された出力パターンの順番は、実際に連続的に取得された出力パターンの順番と異なるものとなる。従って、連続的に取得される出力パターンの順番は、被検出対象の回転方向にかかわらず同じであるが、被検出対象の回転方向が逆転した際には、直前に記憶された出力パターンと逆転した後に取得された出力パターンとの順番が記憶された出力パターンの順番とは異なるものとなる。これにより、２つのコンパレータを備える１つの回転角センサにより、被検出対象の回転方向を検出することができる。

また、この発明では、被検出対象の回転角を検出する回転角検出装置において、回転方向に等間隔に形成される多数の歯を有する被検出対象と、前記被検出対象の歯と対向する位置に配置される磁石と、前記被検出対象と前記磁石との間に発生する磁界の変化により抵抗値が変化する第１磁気抵抗素子および第２磁気抵抗素子と、前記第１磁気抵抗素子および前記第２磁気抵抗素子との間の電気信号が入力され、当該電気信号を２値化するシュミット回路で構成されるヒステリシスコンパレータと、前記ヒステリシスコンパレータから出力される２値化信号のＨｉ状態の期間とＬｏ状態の期間との比に基づいて、被検出対象の回転方向を検出する回転方向検出手段と、を備えることを特徴とする。

また、上記回転角検出装置において、前記被検出対象の歯は、歯溝の幅が前記歯の幅よりも広く形成されていることを特徴とする。

これらの発明によれば、入力される電気信号の電圧上昇時および電圧下降時で閾値が異なる１つのヒステリシスコンパレータから出力される２値化信号は、被検出対象の回転方向でのＨｉ状態の期間とＬｏ状態の期間との差が異なる。つまり、被検出対象の回転方向により、Ｈｉ状態の期間とＬｏ状態の期間と比が異なるものとなる。これにより、１つのヒステリシスコンパレータを備える１つの回転角センサにより、被検出対象の回転方向を検出することができる。

また、上記回転角検出装置において、前記第１磁気抵抗素子の初期抵抗値と前記第２磁気抵抗素子の初期抵抗値とが異なることを特徴とする。

この発明によれば、ヒステリシスコンパレータに出力される電気信号の電圧変化を低電圧側に長く維持することができ、被検出対象の歯の幅と歯溝の幅が同一であっても、ヒステリシスコンパレータから出力されるパルス信号のＨｉ状態の期間とＬｏ状態の期間との差を広くすることができる。従って、被検出対象の歯の幅と歯溝の幅が同一であっても、被検出対象の正回転時におけるＨｉ状態の期間とＬｏ状態の期間との比と、逆回転時におけるＨｉ状態の期間とＬｏ状態の期間との比との差を広くすることができる。これにより、回転方向検出手段は、被検出対象の回転方向を検出することができる。

また、上記回転角検出装置において、前記歯溝の幅は、前記歯の幅の１．５倍以上であることを特徴とする。

この発明によれば、ヒステリシスコンパレータから出力されるパルス信号のＨｉ状態の出力期間とＬｏ状態の出力期間との差を確実に広くすることができる。従って、被検出対象の正回転時におけるＨｉ状態の期間とＬｏ状態の期間との比と、逆回転時におけるＨｉ状態の期間とＬｏ状態の期間との比との差を確実に広くすることができる。これにより、回転方向検出手段は、被検出対象の回転方向を確実に検出することができる。

この発明にかかる回転角検出装置は、閾値が異なる２つのコンパレータあるいは異なる閾値を有する１つのヒステリシスコンパレータを回転角センサにより、被検出対象の回転方向を検出することができるので、回転角センサを２つ用いて被検出対象の回転方向を検出する場合と比較して、構造の簡素化や部品点数の抑制による低コスト化を図ることができるという効果を奏する。

以下、この発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、下記の実施例によりこの発明が限定されるものではない。また、下記の実施例における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの或いは実質的に同一のものが含まれる。以下の実施例では、この回転検出装置がエンジンに取り付けられ、被検出対象がクランクシャフトとともに回転する回転体であるギヤの場合について説明するが、これに限定されるものではなく。被検出対象が回転運動するものであれば、いずれのものにも用いることができる。

図１は、実施例１にかかる回転角検出装置の構成例を示す図である。また、図２は、実施例１にかかる回転角検出装置の部分拡大図を示す図である。図１および図２に示すように、実施例１にかかる回転角検出装置１−１は、回転角センサ１０と、被検出対象であるギヤ２０と、被検出対象２０の回転角に基づいてクランクシャフト４０の回転角を検出するＥＣＵ３０とにより構成されている。

回転角センサ１０は、ギヤ２０の近傍に配置されており、磁石１１と、第１磁気抵抗素子１２と、第２磁気抵抗素子１３と、電源１４と、第１コンパレータ１５と、第２コンパレータ１６とにより構成されている。磁石１１は、後述するギヤ２０に向けて磁界を発生するものであり、ギヤ２０の歯２１と対向する位置に配置される。第１磁気抵抗素子１２および第２磁気抵抗素子１３は、磁界の変化により電気的に変化、すなわち抵抗値が変化するものである。この第１磁気抵抗素子１２および第２磁気抵抗素子１３は、磁石１１とギヤ２０の歯２１との間に位置するとともに、ギヤ２０の回転方向に並ぶように配置されている。ここで、第１磁気抵抗素子１２および第２磁気抵抗素子１３は、初期抵抗値が同一である。従って、上記のように配置することで、磁石１１とギヤ２０の歯２１との間に発生する磁界の変化による抵抗値の変化が同一となり、一定の磁界の強さにおける抵抗値が同一となる。この第１磁気抵抗素子１２および第２磁気抵抗素子１３は、直列に接続されており、その両端が電源１４に接続され、直列回路を構成している。

第１コンパレータ１５および第２コンパレータ１６は、上記第１磁気抵抗素子１２と第２磁気抵抗素子１３との間（図２では、Ａ点）にそれぞれ接続されている。この第１コンパレータ１５および第２コンパレータ１６は、上記第１磁気抵抗素子１２と第２磁気抵抗素子１３との間の電圧変化を電気信号として入力し、この電気信号を２値化し、２値化信号であるパルス信号をＥＣＵ３０に出力するものである。この第１コンパレータ１５および第２コンパレータ１６には、この電気信号を２値化するために、異なる閾値Ｖ_Aと閾値Ｖ_Bがそれぞれ設定されている。この閾値Ｖ_A、閾値Ｖ_Bは、一方が第１磁気抵抗素子１２と第２磁気抵抗素子１３との間の電圧変化の中心電圧よりも高くなるように、他方がこの中心電圧よりも低くなるように設定されている。

ギヤ２０は、被検出対象であり、磁性材料で形成されており、エンジンのクランクシャフト４０に固定されている。従って、クランクシャフトが回転すると、このギヤ２０も同一方向に回転する。ギヤ２０の外周面には、複数の歯２１がこのクランクシャフトの回転方向に等間隔に形成されている。この歯２１の幅Ｗ１は、第１磁気抵抗素子１２および第２磁気抵抗素子１３のクランクシャフト４０の回転方向における幅よりも広く設定されている。また、歯２１と歯２１との間に形成される歯溝２２の幅Ｗ２は、歯２１の幅Ｗ１より広く、好ましくは１．５倍以上となるように設定されている。ここで、２３は、エンジンの各気筒のピストンの正確な位置（例えば、上死点に位置したこと）を取得するための基準となるギヤ２０の基準位置を検出するための欠け歯部である。

ＥＣＵ３０は、上記第１コンパレータ１５および第２コンパレータ１６から出力されたパルス信号に基づいて、図示しない各気筒のピストンの位置や、エンジン回転数やクランク角度を取得するために必要なクランクシャフトの回転角や、クランクシャフトの回転方向などのエンジンの運転制御に必要な情報を取得して、この情報と記憶部に記憶されているマップとに基づいて、エンジンの運転制御（燃料噴射制御、点火制御など）を行うものである。

具体的には、上記入力信号や出力信号の入出力を行う入出力ポート（Ｉ／Ｏ）３１と、処理部３２と、上記マップや、後述する出力パターンを記憶する記憶部３３とにより構成されている。処理部３２は、基準位置検出部３４と、出力パターン取得部３５と、置換部３６と、回転方向検出部３７と、回転角検出部３８とを有する。この処理部３２メモリおよびＣＰＵ（Central Processing Unit）により構成され、実施例１にかかる回転角検出装置１−１の動作方法などに基づくプログラムをメモリにロードして実行することにより、回転角検出装置１−１の動作方法などを実現させるものであっても良い。また、記憶部３３は、フラッシュメモリ等の不揮発性のメモリ、ＲＯＭ（Read Only Memory）のような読み出しのみが可能な揮発性のメモリあるいはＲＡＭ（Random Access Memory）のような読み書きが可能な揮発性のメモリ、あるいはこれらの組み合わせにより構成することができる。また、この実施例１では、回転角検出装置１−１の動作方法をＥＣＵ３０により実現させるが、これに限定されるものではなく、このＥＣＵ３０とは個別に形成された制御装置により実現しても良い。

基準位置検出部３４は、出力パターン取得部３５により連続的に取得される出力パターンに基づいてギヤ２０の欠け歯部２３を検出することで、ギヤ２０の基準位置を検出するものである。出力パターン取得部３５は、入出力ポート３５を介して入力された第１コンパレータ１５および第２コンパレータ１６からの２つのパルス信号のＨｉ状態およびＬｏ状態に基づいた出力パターンを生成し、この生成した出力パターンを連続的に取得するものである。置換部３６は、出力パターン取得部３５で連続的に取得された出力パターンを記憶部３３に順次記憶する際に、この記憶される出力パターンのうち、所定間隔ごとの出力パターンを他の出力パターンに置き換えて記憶部３３に記憶させるものである。回転方向検出部３７は、記憶部３３に順次記憶された出力パターンの順番に基づいてギヤの回転方向、すなわちクランクシャフト４０の回転方向を検出するものである。回転角検出部３８は、入出力ポート３５を介して入力された第１コンパレータ１５および第２コンパレータ１６から出力された２つのパルス信号のＨｉ状態およびＬｏ状態に基づいて被検出対象の回転角、すなわちクランクシャフト４０の回転角を検出するものである。

次に、この実施例１にかかる回転角検出装置１−１の動作方法について説明する。図３は、この実施例１にかかる回転角検出装置の動作フローである。また、図４−１〜７は、この実施例１にかかる回転角検出装置１−１の動作説明図である。ここでは、実施例１にかかる回転角検出装置１−１においてクランクシャフト４０の回転方向を検出する場合の動作方法について説明する。なお、クランクシャフト４０の回転角の検出およびギヤ２０の基準位置の検出については、以下の動作方法の途中で適宜説明する。

まず、２つの第１コンパレータ１５および第２コンパレータ１６を備える回転角センサ１０の動作について説明する。図４−１に示すように、クランクシャフト４０が正回転すると、ギヤ２０も同一方向に回転し、このギヤ２０の歯２１と図示しない磁石１１との距離が変化する。これにより、磁石１１とギヤ２０との間で発生する磁界は、磁石と歯２１との距離が短くなれば強くなり、長くなれば弱くなる。従って、この磁石１１とギヤ２０の歯２１との間に位置する第１磁気抵抗素子１２および第２磁気抵抗素子１３は、通電状態であればその抵抗値が上記磁石１１とギヤ２０と間で発生する磁界の変化に応じて抵抗値が変化する。つまり、第１磁気抵抗素子１２および第２磁気抵抗素子１３は、ギヤ２０の歯２１に対する距離に応じてそれぞれ抵抗値が変化し、図４−２に示すように、この第１磁気抵抗素子１２および第２磁気抵抗素子１３との間の電圧が変化する。この電圧の変化が電気信号として、第１コンパレータ１５および第２コンパレータ１６に出力される。

第１コンパレータ１５は、図４−２に示す入力された電気信号を閾値Ｖ_Aで二値化し、パルス信号をＥＣＵ３０に出力する。この第１コンパレータ１５から出力されるパルス信号は、図４−３に示すように、電気信号の電圧が閾値Ｖ_A以上の時がＨｉ状態、閾値Ｖ_Aよりも低い時がＬｏ状態となる。第２コンパレータ１６は、図４−２に示す入力された電気信号を閾値Ｖ_Bで二値化し、パルス信号をＥＣＵ３０に出力する。この第２コンパレータ１６から出力されるパルス信号は、図４−４に示すように、電気信号の電圧が閾値Ｖ_B以上の時がＨｉ状態、閾値Ｖ_Bよりも低い時がＬｏ状態となる。

この実施例１にかかる回転角検出装置１−１の動作は、図３に示すように、まず、ＥＣＵ３０の処理部３２がエンジンの停止信号を出力したか否か判断する（ステップＳＴ１０１）。具体的には、ＥＣＵ３２がエンジンにこのエンジンの運転制御を終了する信号を出力し、クランクシャフト４０が空転状態であるか否かを判断する。なお、エンジンの停止信号を出力するまで、このステップＳＴ１０１を繰り返す。

次に、処理部３２がエンジンの停止信号を出力したと判断すると、処理部３２の回転角検出部３８は、ギヤ２０の回転角、すなわちクランクシャフト４０の回転角を検出し、このクランクシャフト４０の回転角に基づいてエンジン回転数Ｎｅを取得する（ステップＳＴ１０２）。具体的には、回転検出部３８は、第１コンパレータ１５および第２コンパレータ１６から出力されたパルス信号のいずれか一方のＨｉ状態とＬｏ状態の変化のタイミング（Ｌｏ状態からＨｉ状態および／またはＨｉ状態からＬｏ状態）をカウントし、このカウント数によりギヤ２０の回転角を検出し、クランクシャフト４０の回転角を検出する。そして、このクランクシャフト４０の回転角からエンジン回転数Ｎｅを取得する。

なお、回転角検出部３８によるクランクシャフト４０の回転角の検出は、第１コンパレータ１５および第２コンパレータ１６から出力されたパルス信号のいずれか一方のみならず両方のパルス信号のＨｉ状態とＬｏ状態の変化から行っても良い。この場合は、２つのパルス信号からＬｏ状態とＨｉ状態の変化のタイミングをカウントすることで、ギヤ２０が１回転する間のカウント数を増やすことができる。従って、クランクシャフト４０の回転角を細かく検出することができ、エンジン回転数Ｎｅを精度良く取得することができる。ここで、エンジンの高回転時には上記２つのパルス信号のいずれか一方に基づいてクランクシャフト４０の回転角を検出することが好ましい。これにより、エンジンの高回転時におけるＥＣＵ３０の負担を低減することができる。

次に、ＥＣＵ３０の処理部３２は、取得したエンジン回転数Ｎｅが所定回転数Ｎｅ１以下であるか否かを判断する（ステップＳＴ１０３）。ここで、所定回転数Ｎｅ１は、エンジンの運転制御が停止され空転しているクランクシャフト４０の回転数が、このクランクシャフト４０の正回転の方向と逆方向に作用するエンジンのフリクションにより低下し、このエンジンのフリクションによりクランクシャフト４０が正回転から逆転する虞が生じ始める回転数（例えば４００ｒｐｍ）である。つまり、回転角検出部３８により検出されたクランクシャフト４０の回転角に基づいたエンジン回転数Ｎｅが、クランクシャフト４０が正回転から逆転する虞がある回転数であるか否かを判断する。なお、取得したエンジン回転数Ｎｅが所定回転数Ｎｅ１以下となるまで、ステップＳＴ１０２、ステップＳＴ１０３を繰り返す。

次に、処理部３２が取得したエンジン回転数Ｎｅが所定回転数Ｎｅ１以下であると判断すると、処理部３２の出力パターン取得部３５は、第１コンパレータ１５および第２コンパレータ１６から出力された２つのパルス信号のＨｉ状態およびＬｏ状態に基づいた出力パターンの取得を開始する（ステップＳＴ１０４）。この出力パターン取得部３５は、２つのパルス信号のＨｉ状態およびＬｏ状態に基づいて複数の出力パターンを生成する。具体的には、図４−６に示すように、第１コンパレータ１５からのパルス信号のＨｉ状態およびＬｏ状態と第２コンパレータ１６からのパルス信号のＨｉ状態およびＬｏ状態と組み合わせた出力パターンを生成する。例えば、第１コンパレータ１５からのパルス信号がＬｏ状態で、このときの第２コンパレータ１６からのパルス信号がＨｉ状態である場合は、「ＬＨ」とする出力パターンを生成する。また、第１コンパレータ１５からのパルス信号がＬｏ状態で、このときの第２コンパレータ１６からのパルス信号がＬｏ状態である場合は、「ＬＬ」とする出力パターンを生成する。さらに、第１コンパレータ１５からのパルス信号がＨｉ状態で、このときの第２コンパレータ１６からのパルス信号がＨｉ状態である場合は、「ＨＨ」とする出力パターンを生成する。

ここで、第１コンパレータ１５からのパルス信号および第２コンパレータ１６からのパルス信号は、Ｈｉ状態およびＬｏ状態を一定周期（後述する基準位置における場合を除く）に繰り返すため、生成される出力パターンは周期的に変化する。具体的には、出力パターンは、「ＬＬ」、「ＬＨ」、「ＨＨ」、「ＬＨ」の順番で周期的に変化する。出力パターン取得部３５は、この周期的に変化する複数の出力パターンを連続的に取得する。

次に、処理部３２の基準位置検出部３４は、ギヤ２０の基準位置を検出したか否かを判断する（ステップＳＴ１０５）。ギヤ２０の基準位置は、ギヤ２０に形成された欠け歯部２３を用いて検出する。具体的には、クランクシャフト４０の回転とともにギヤ２０が回転し、欠け歯部２３が回転角センサ１０の近傍を通過する際には、歯溝２２が回転角センサ１０の近傍を通過する場合と比較して、第１磁気抵抗素子１２および第２磁気抵抗素子１３と歯２１とが離れた状態が長く維持される。従って、図４−１に示すように、欠け歯部２３と第１磁気抵抗素子１２および第２磁気抵抗素子１３との距離が一定に長く維持されると、図４−２に示すように、第１コンパレータ１５および第２コンパレータ１６に出力される電気信号の欠け歯部２３に対応する部分は、長く一定電圧が維持された状態となる。

出力パターン取得部３５は、この電気信号の欠け歯部２３に対応する部分を第１コンパレータ１５および第２コンパレータ１６から出力されるパターン信号に基づいて出力パターン「ＬＨ」として生成する。この欠け歯部２３に対応して生成された出力パターン「ＬＨ」は、その出力期間が上記周期的に変化する出力パターンのいずれの出力期間よりも長くなる。そこで、基準位置検出部３４は、出力パターン取得部３５により連続的に取得された出力パターンのうち最も出力期間が長い出力パターン「ＬＨ」を検出することで、ギヤ２０の基準位置を検出する。なお、ギヤ２０の基準位置を検出するまで、このステップＳＴ１０５を繰り返す。

次に、基準位置検出部３４がギヤ２０の基準位置を検出すると、処理部３２は出力パターン取得部３５により連続的に取得される出力パターンを記憶部３３に記憶する（ステップＳＴ１０６）。つまり、処理部３２は、ギヤ２０の基準位置が検出されることを条件、すなわちきっかけとして出力パターンの記憶部３３への記憶を開始する。従って、図４−５に示すように、記憶部３３に記憶が開始される際に、出力パターン取得部３５により連続的に取得される出力パターンの順番は、欠け歯部２３に対応して生成された出力パターン「ＬＨ」を０番として、１周期分の出力パターン「ＬＬ」、「ＬＨ」、「ＨＨ」、「ＬＨ」を繰り返した順番となる。

次に、処理部３２の置換部３５は、基準位置から連続的に取得される出力パターンのうち、所定間隔ごとの出力パターンを他の出力パターンに置き換える（ステップＳＴ１０７）。出力パターン取得部３５では、欠け歯部２３に対応して生成された出力パターン「ＬＨ」のあとは、４つの出力パターン「ＬＬ」、「ＬＨ」、「ＨＨ」、「ＬＨ」を繰り返した順番に出力パターンが取得される。ここで、所定間隔は、１周期分の出力パターンの数に応じて設定すれば良く、例えば取得される出力パターンの順番をカウントし、その順番を４（１周期分の出力パターンの数）で割った際にあまりが２となる順番（２番、６番、１０番・・・）の出力パターン「ＬＨ」を他の出力パターン「ＬＬ」に置き換えて、記憶部３３に記憶する。これにより、図４−６に示すように、実際に記憶部３３に記憶される置き換え後の出力パターンの順番は、図４−５に示す出力パターンの順番において、出力パターン「ＬＬ」と出力パターン「ＨＨ」と間である出力パターン「ＬＨ」が他の出力パターン「ＬＬ」に置き換えられたものとなる。つまり、図４−６に示す記憶された出力パターンの順番は、図４−５に示す実際に連続的に取得された出力パターンの順番と異なるものとなる。

次に、処理部３２の回転方向検出部３７は、直前に記憶された出力パターンと取得された出力パターンとの順番を記憶された出力パターンの順番とを比較する（ステップＳＴ１０８）。ここで、例えば、欠け歯部２３に対応して取得された出力パターン「ＬＨ」を０番として、出力パターン取得部３４により、１２番目に取得される出力パターン「ＬＨ」の際に、クランクシャフト４０が正回転から逆回転となるとする。この場合は、図４−７に示すように、出力パターン取得部３４により、クランクシャフト４０の正回転時と同様に、１周期分の出力パターン「ＬＬ」、「ＬＨ」、「ＨＨ」、「ＬＨ」を繰り返した順番に出力パターン（１２番、１３番、１４番・・・）が連続的に取得されることなる。つまり、クランクシャフト４０の正回転時に連続的に取得された出力パターンの順番と、逆回転時に連続的に取得された出力パターンの順番とは同じである。しかし、図４−６に示す記憶部３２に順次記憶された出力パターンの順番は、置き換えが行われたあとであるため、逆回転時に連続的に取得された出力パターンの順番と異なる隣り合う出力パターンの順番がある。つまり、処理部３２の回転方向検出手段３７は、連続的に取得された出力パターンとこの出力パターンが取得される直前に記憶部３２に記憶された出力パターンとの組み合わせ（記憶された出力パターン、取得された出力パターンの順の組み合わせ）と記憶部に記憶された隣り合う出力パターンの組み合わせのいずれかとの比較を行う。

次に、処理部３２の回転方向検出部３７は、直前に記憶された出力パターンと取得された出力パターンとの順番と同じ順番が記憶部に記憶された出力パターンの順番にあるか否かを判断する（ステップＳＴ１０９）。同じ順番があれば、クランクシャフト４０は正回転であるため、ステップＳＴ１０６〜ステップＳＴ１０９を繰り返す。一方、同じ順番がなければその時点でクランクシャフト４０が逆回転していることが判断できるため、回転方向検出部３７は、クランクシャフト４０が逆転したことを検出する（ステップＳＴ１１０）。

以上により、この実施例１にかかる回転角検出装置１−１は、２つのコンパレータ（第１コンパレータ１５および第２コンパレータ１６）を備える１つの回転角センサ１０により、被検出対象であるギヤ２０の回転方向、すなわちクランクシャフト４０の回転方向を検出することができる。また、処理部３２の回転方向検出部３７は、取得される出力パターンごとに、クランクシャフト４０の回転方向を検出するので、瞬時にクランクシャフト４０の逆転を検出することができる。

なお、処理部３２の回転方向検出部３７は、出力パターン取得部３５により連続的に取得された出力パターンの出力期間に基づいて、クランクシャフトの回転方向を検出することもできる。図４−５に示すように、出力パターン取得部３５により連続的に取得される出力パターンは、周期的に変化するものである。ここで、この１周期には、同一の出力パターン「ＬＨ」が２つ含まれる。この同一の出力パターン「ＬＨ」の出力期間は、歯溝２２の幅Ｗ２を歯２１の幅Ｗ１より広くすることで、異ならせることができる。これは、歯溝２２の幅Ｗ２を歯２１の幅Ｗよりも広くすることで、第１磁気抵抗素子１２および第２磁気抵抗素子１３が歯２１に最も近づいている期間と、この歯２１から最も離れている期間との差を広げることができ、この差が同一の出力パターン「ＬＨ」の出力期間の差となるためである。

処理部３２の置換部３５は、同一の出力パターン「ＬＨ」のうち出力期間が短い方の出力パターン「ＬＨ」を他の出力パターン「ＬＬ」に置き換える。この場合、クランクシャフト４０の正回転時には、図４−５に示すように、置き換えられる取得された出力パターン「ＬＨ」の直前に記憶される出力パターンは「ＬＬ」となる。一方、クランクシャフト４０の逆回転時には、図４−７に示すように、置き換えられる取得された出力パターン「ＬＨ」の直前に記憶される出力パターンは「ＨＨ」となる。そして、処理部３２の回転方向検出部３７は、置き換えられる取得された出力パターン「ＬＨ」の直前に記憶された出力パターンが出力パターン「ＬＬ」あるいは出力パターン「ＨＨ」のいずれであるかを判断する。これにより、処理部３２の回転方向検出部３７は、クランクシャフト４０の回転方向を検出することができる。つまり、処理部３２の回転方向検出部３７は、置き換えられる取得された出力パターン「ＬＨ」の直前に記憶された出力パターン「ＨＨ」であると判断することで、クランクシャフト４０が逆転したことを検出する。

図５は、実施例２にかかる回転角検出装置の構成例を示す図である。図６は、ヒステリシスコンパレータの回路構成例を示す図である。図５に示す回転角検出装置１−２が、図１に示す回転角検出装置１−１と異なる点は、２つの第１コンパレータ１５および第２コンパレータ１６のかわりに、ヒステリシスを有する１つのヒステリシスコンパレータ１７を用いた点である。なお、図５に示す回転角検出装置１−２の基本的構成は、図１に示す回転角検出装置１−１の基本的構成と同様であるため、その説明は省略する。

ヒステリシスコンパレータ１７は、第１磁気抵抗素子および第２磁気抵抗素子との間の電気信号が入力され、電気信号を２値化し、２値化信号であるパルス信号をＥＣＵ３０へ出力するものである。ヒステリシスコンパレータ１７は、図５に示すように、この第１磁気抵抗素子１２および第２磁気抵抗素子１３との間に接続されており、この第１磁気抵抗素子１２および第２磁気抵抗素子１３の電圧の変化が電気信号として入力される。このヒステリシスコンパレータ１７は、図６に示すように、オペアンプ１７ａと、２つの抵抗１７ｂ，１７ｃと、リファレンス電源１７ｄと、シュミット回路（ヒステリシス回路）が構成されている。このヒステリシスコンパレータ１７は、入力された電気信号の電圧上昇時における閾値Ｖ_Cと電圧下降時のおける閾値Ｖ_Dとの値が異なる特性を有する。

次に、この実施例２にかかる回転角検出装置１−２の動作方法について説明する。図７は、この実施例２にかかる回転角検出装置の動作フローである。また、図８−１〜４は、この実施例２にかかる回転角検出装置１−２の動作説明図である。なお、図５に示す実施例２にかかる回転角検出装置１−２において、処理部３２の回転角検出部３８によるクランクシャフト４０の回転角の検出および基準位置検出部３４によるギヤ２０の基準位置の検出は、図１に示す実施例１にかかる回転角検出装置１−１と同様であるため、その説明は省略する。

まず、１つのヒステリシスコンパレータ１７を備える回転角センサ１０の動作について説明する。図８−１に示すように、クランクシャフト４０の正回転とともにギヤ２０が同一方向に回転することで、磁石１１とギヤ２０との間で発生する磁界の変化が変化し、第１磁気抵抗素子１２および第２磁気抵抗素子１３の抵抗値が変化し、図８−２に示すように、この第１磁気抵抗素子１２および第２磁気抵抗素子１３との間の電圧が変化する。この電圧の変化が電気信号として、ヒステリシスコンパレータ１７に出力される。

ヒステリシスコンパレータ１７は、図８−２に示す入力された電気信号を閾値Ｖ_C、閾値Ｖ_Dで二値化し、パルス信号をＥＣＵ３０に出力する。このヒステリシスコンパレータ１７から出力されるパルス信号は、図８−３および図８−４に示すように、電気信号の電圧上昇時に電圧が閾値Ｖ_C以上となるとＨｉ状態となり、電圧下降時に電圧が閾値Ｖ_D以上となるとＬｏ状態となる。

この実施例２にかかる回転角検出装置１−２の動作は、図７に示すように、まず、処理部３２の回転方向検出部３７は、ヒステリシスコンパレータ１７から出力されたパルス信号を取得する（ステップＳＴ２０１）。次に、この回転方向検出部３７は、取得されたパルス信号のＨｉ状態の期間Ｔ_HiとＬｏ状態の期間Ｔ_Loを取得する（ステップＳＴ２０２）。

次に、回転方向検出部３７は、取得されたＨｉ状態の期間Ｔ_HiとＬｏ状態の期間Ｔ_Loとの比Ｔ_Hi／Ｔ_Loが所定値Ｔ１以上であるか否かを判断する（ステップＳＴ２０３）。回転方向検出部３７に取得されるパルス信号は、図８−３および図８−４に示すように、被検出対象であるギヤ２０の回転方向、すなわちクランクシャフト４０の回転方向により、Ｈｉ状態の期間Ｔ_HiとＬｏ状態の期間Ｔ_Loとの差が異なる。具体的には、図８−３に示すように、クランクシャフト４０の正回転時に取得されるパルス信号は、Ｈｉ状態の期間Ｔ_HiがＬｏ状態の期間Ｔ_Loよりも長くなる。一方、図８−４に示すように、クランクシャフト４０の逆回転時に取得されるパルス信号は、Ｈｉ状態の期間Ｔ_HiがＬｏ状態の期間Ｔ_Loよりも短くなる。従って、回転方向検出部３７は、取得したパルス信号のＨｉ状態の期間（Ｌｏ状態の期間）と直前に記憶されたＬｏ状態の期間（Ｈｉ状態の期間）との比Ｔ_Hi／Ｔ_Loを算出し、この算出された比Ｔ_Hi／Ｔ_Loと所定値Ｔ１とを比較する。

ここで、所定値Ｔ１は、クランクシャフト４０の正回転時には比Ｔ_Hi／Ｔ_Loが１以上となり、クランクシャフト４０の逆回転時には比Ｔ_Hi／Ｔ_Loが１未満となるため、Ｔ１＝１とする。これは、ギヤ２０は、図５に示すように、歯溝２２の幅Ｗ２を歯２１の幅Ｗ１より広く設定されているので、第１磁気抵抗素子１２および第２磁気抵抗素子１３が歯２１に最も近づいている期間と、この歯２１から最も離れている期間との差を広げることができ、この差がヒステリシスコンパレータ１７から出力されるパルス信号のＨｉ状態の期間とＬｏ状態の期間の差となるためである。なお、上記ギヤ２０のおいては、歯溝２２の幅Ｗ２が歯２１の幅Ｗ１の１．５倍以上となるように設定されていることが好ましい。これにより、ヒステリシスコンパレータから出力されるパルス信号のＨｉ状態の期間とＬｏ状態の期間との差を広げることができ、クランクシャフト４０の正回転時の比Ｔ_Hi／Ｔ_Loと、逆回転時の比Ｔ_Hi／Ｔ_Loとの差を確実に広げることができる。

次に、回転方向検出部３７は、Ｈｉ状態の期間Ｔ_HiとＬｏ状態の期間Ｔ_Loとの比Ｔ_Hi／Ｔ_Loが所定値Ｔ１以上であれば、クランクシャフト４０は正回転であるため、ステップＳＴ２０２〜ステップＳＴ２０３を繰り返す。一方、比Ｔ_Hi／Ｔ_LoがＴ１未満であれば、その時点でクランクシャフト４０が逆回転していることが判断できるため、回転方向検出部３７は、クランクシャフト４０が逆転したことを検出する（ステップＳＴ２０４）。

以上により、この実施例２にかかる回転角検出装置１−１は、１つのヒステリシスコンパレータ１７を備える１つの回転角センサ１０により、被検出対象であるギヤ２０の回転方向、すなわちクランクシャフト４０の回転方向を検出することができる。また、処理部３２の回転方向検出部３７は、取得したパルス信号のＨｉ状態あるいはＬｏ状態ごとに、クランクシャフト４０の回転方向を検出するので、瞬時にクランクシャフト４０の逆転を検出することができる。

なお、上記実施例では、ギヤ２０の歯溝２２の幅Ｗ２を歯２１の幅Ｗ１より広く（１．５倍以上に）設定することで、ヒステリシスコンパレータ１７から出力されるパルス信号のＨｉ状態の期間とＬｏ状態の期間とに差を広げているがこれに限定されるものではない。例えば、第１磁気抵抗素子１２の初期抵抗値と第２磁気抵抗素子の初期抵抗値１３とを異ならせても良い。この場合、ヒステリシスコンパレータ１７に出力される電気信号は、その電圧変化が低電圧側に長く維持される。従って、ギヤ２０の歯溝２２の幅Ｗ２と歯２１の幅Ｗ１とが同一であっても、ヒステリシスコンパレータ１７から出力されるパルス信号のＨｉ状態の期間とＬｏ状態の期間とに差を広げることができる。

以上のように、この発明にかかる回転角検出装置は、クランクシャフトの逆転を検出する回転角検出装置に有用であり、特に、１つの回転角センサでクランクシャフトの逆転を検出するので、構造の簡素化や部品点数の抑制による低コスト化を図るのに適している。

実施例１にかかる回転角検出装置の構成例を示す図である。実施例１にかかる回転角検出装置の部分拡大図を示す図である。この実施例１にかかる回転角検出装置の動作フローである。第１磁気抵抗素子および第２磁気抵抗素子と回転するギヤとの関係を示す図である。第１コンパレータおよび第２コンパレータに出力される電気信号を示す図である。第１コンパレータからＥＣＵに出力されるパルス信号を示す図である。第２コンパレータからＥＣＵに出力されるパルス信号を示す図である。クランクシャフトの正回転時における出力パターン順番を示す図である。置き換え後の出力パターン順番を示す図である。クランクシャフトの逆回転時における出力パターン順番を示す図である。実施例２にかかる回転角検出装置の構成例を示す図である。ヒステリシスコンパレータの回路構成例を示す図である。この実施例２にかかる回転角検出装置の動作フローである。第１磁気抵抗素子および第２磁気抵抗素子と回転するギヤとの関係を示す図である。ヒステリシスコンパレータに出力される電気信号を示す図である。クランクシャフトの正回転時におけるヒステリシスコンパレータからＥＣＵに出力されるパルス信号を示す図である。クランクシャフトの逆回転時におけるヒステリシスコンパレータからＥＣＵに出力されるパルス信号を示す図である。

符号の説明

１−１，１−２回転角検出装置
１０回転角センサ
１１磁石
１２第１磁気抵抗素子
１３第２磁気抵抗素子
１４電源
１５第１コンパレータ
１６第２コンパレータ
１７ヒステリシスコンパレータ
２０ギヤ（被検出対象）
２１歯
２２歯溝
２３欠け歯部
３０ＥＣＵ
３１入出力ポート
３２処理部
３３記憶部
３４基準位置検出部
３５出力パターン取得部
３６置換部
３７回転方向検出部
３８回転角検出部
４０クランクシャフト

Claims

被検出対象の回転角を検出する回転角検出装置において、
回転方向に等間隔に形成される多数の歯を有する被検出対象と、
前記被検出対象の歯と対向する位置に配置される磁石と、
前記被検出対象と前記磁石との間に発生する磁界の変化により抵抗値が変化する第１磁気抵抗素子および第２磁気抵抗素子と、
前記第１磁気抵抗素子および第２磁気抵抗素子との間の電気信号が入力され、それぞれ異なる閾値に基づいて、当該電気信号を２値化する第１コンパレータおよび第２コンパレータと、
前記第１コンパレータおよび第２コンパレータから出力される２値化信号のそれぞれのＨｉ状態およびＬｏ状態に基づく出力パターンを連続的に取得する出力パターン取得手段と、
前記連続的に取得される出力パターンを順次記憶する記憶手段と、
前記順次記憶する出力パターンのうち、所定間隔ごとの出力パターンを他の出力パターンに置き換えて前記記憶手段に記憶する置換手段と、
前記順次記憶された出力パターンの順番に基づいて被検出対象の回転方向を検出する回転方向検出手段と、
を備えることを特徴とする回転角検出装置。
前記第１コンパレータあるいは第２コンパレータの少なくともいずれか一方から出力される２値化信号のＨｉ状態およびＬｏ状態に基づいて被検出対象の回転角を検出する回転角検出手段をさらに備え、
前記回転方向検出手段は、前記検出された被検出対象の回転角に基づいた被検出対象の回転数が所定回転数以下の場合に、被検出対象の回転方向を検出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。
前記連続的に取得される出力パターンに基づいて被検出対象の基準位置を検出する基準位置検出手段をさらに備え、
前記記憶手段は、前記被検出対象の基準位置を検出することを条件として、前記連続的に取得される出力パターンを順次記憶することを特徴とする請求項１または２記載の回転角検出装置。
被検出対象の回転角を検出する回転角検出装置において、
回転方向に等間隔に形成される多数の歯を有する被検出対象と、
前記被検出対象の歯と対向する位置に配置される磁石と、
前記被検出対象と前記磁石との間に発生する磁界の変化により抵抗値が変化する第１磁気抵抗素子および第２磁気抵抗素子と、
前記第１磁気抵抗素子および前記第２磁気抵抗素子との間の電気信号が入力され、当該電気信号を２値化するシュミット回路で構成されるヒステリシスコンパレータと、
前記ヒステリシスコンパレータから出力される２値化信号のＨｉ状態の出力期間とＬｏ状態の出力期間との比に基づいて、被検出対象の回転方向を検出する回転方向検出手段と、
を備えることを特徴とする回転角検出装置。
前記被検出対象の歯は、歯溝の幅が前記歯の幅よりも広く形成されていることを特徴とする請求項４に記載の回転角検出装置。
前記第１磁気抵抗素子の初期抵抗値と前記第２磁気抵抗素子の初期抵抗値とが異なることを特徴とする請求項４に記載の回転角検出装置。
前記歯溝の幅は、前記歯の幅の１．５倍以上であることを特徴とする請求項５に記載の回転角検出装置。