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JP4858855B2 - Rotation angle detector and rotating machine - Google Patents
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JP4858855B2 - Rotation angle detector and rotating machine - Google Patents

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Description

本発明は、回転軸の回転角度を検出する回転角度検出装置および回転機に関する。   The present invention relates to a rotation angle detection device and a rotating machine that detect a rotation angle of a rotation shaft.

特許文献1には、図9に示すように、回転軸403に支持された円板状で2極の磁石400と、前記磁石400の円周付近に磁気センサA及びBを配置した回転角度センサが開示されている。磁気センサA及びBはホール素子であり、磁界の強さを検知して、回転角度の検知に用いる。円周方向でみると、円板の中心Oと磁気センサAの略中心とを通る直線412、および中心Oと磁気センサBの略中心とを通る直線411とがなす角度が機械角で概ね90deg.になるように配置されている。磁気センサとしては、ホール素子の他にMR素子を使用することができる。ここで、機械角とは円板の周囲を1周する角度を360deg.とするものである。   In Patent Document 1, as shown in FIG. 9, a rotation angle sensor in which a disc-shaped two-pole magnet 400 supported by a rotation shaft 403 and magnetic sensors A and B are arranged near the circumference of the magnet 400. Is disclosed. The magnetic sensors A and B are Hall elements, and are used for detecting the rotation angle by detecting the strength of the magnetic field. When viewed in the circumferential direction, the angle formed by the straight line 412 passing through the center O of the disk and the approximate center of the magnetic sensor A, and the straight line 411 passing through the approximate center of the magnetic sensor B is a mechanical angle of approximately 90 degrees. . It is arranged to be. As the magnetic sensor, an MR element can be used in addition to the Hall element. Here, the mechanical angle refers to an angle of 360 degrees around the circumference of the disk. It is what.

特許文献2には、図10に示すように、永久磁石517を有するロータ515と、前記ロータの回転位置を検出するエンコーダ502を備えるサーボモータが開示されている。前記永久磁石は2極の異方性を有し、前記エンコーダは前記ロータの磁界(永久磁石の漏れ磁束)を検出する磁気センサ522を有する。磁気センサを周方向に機械角で90deg.の間隔をおいて4個配置し、互いに180deg.の位置で対向する磁気センサ間の信号の差動をとることができる。   Patent Document 2 discloses a servo motor including a rotor 515 having a permanent magnet 517 and an encoder 502 for detecting the rotational position of the rotor, as shown in FIG. The permanent magnet has bipolar anisotropy, and the encoder has a magnetic sensor 522 that detects a magnetic field (leakage flux of the permanent magnet) of the rotor. The magnetic sensor is rotated 90 deg. Are arranged at intervals of 180 deg. It is possible to take a differential signal between the magnetic sensors facing each other at the position.

特許文献3には、図11に示すように、検出マグネットの端面と周面の各々を多極に着磁した回転角度検出装置が開示されている。具体的には、(a)に示すように、回転軸606に同心円状に垂設された円板状の検出マグネット603(円板)を備えている。検出マグネット603の一方の表面には、(b)に示すように、同心円状に等間隔に例えば3対(6極)の磁極603aが着磁並設されている。また、検出マグネット603の周面には、(a)に示すように、等間隔に例えば48対(96極)の磁極603bが着磁並設されている。検出マグネット603の一方の表面側には、検出マグネット603に適長間隔を有して平行に、また、回転軸606に対して回動自在に、検出基板602が設けられている。検出基板602には、48対の磁極603bがなす電気角について位相が1/4(機械角では(360deg./48)/4)異なるように、磁極603bをそれぞれ検出する為のホール素子又はMR素子である2個の磁気検出素子602d,602eが、検出マグネット603の周面に沿って設けられている。検出基板602には、また、後述するように、3対の磁極603aがなす電気角について等角度(機械角では(360deg./3)/3)に位相が異なるように、磁極603aを検出する為のホール素子又はMR素子である3個の磁気検出素子602a〜602cが、検出マグネット603の一方の表面に沿って設けられている。   Patent Document 3 discloses a rotation angle detection device in which each of an end surface and a peripheral surface of a detection magnet is magnetized in multiple poles as shown in FIG. Specifically, as shown in (a), a disc-shaped detection magnet 603 (disc) is provided that is concentrically suspended from the rotating shaft 606. For example, three pairs (six poles) of magnetic poles 603a are arranged in parallel on one surface of the detection magnet 603 at equal intervals in a concentric manner as shown in FIG. For example, 48 pairs (96 poles) of magnetic poles 603b are arranged in parallel on the circumferential surface of the detection magnet 603 at equal intervals, as shown in FIG. A detection substrate 602 is provided on one surface side of the detection magnet 603 so as to be parallel to the detection magnet 603 with an appropriate length interval and to be rotatable with respect to the rotation shaft 606. The detection substrate 602 has a Hall element or MR for detecting the magnetic poles 603b so that the electrical angles formed by the 48 pairs of magnetic poles 603b are different from each other by 1/4 (mechanical angle (360 deg./48)/4). Two magnetic detection elements 602 d and 602 e as elements are provided along the peripheral surface of the detection magnet 603. As will be described later, the detection substrate 602 detects the magnetic pole 603a so that the electrical angles formed by the three pairs of magnetic poles 603a are different in phase by an equal angle (mechanical angle (360 deg./3)/3). Three magnetic detection elements 602a to 602c, which are Hall elements or MR elements, are provided along one surface of the detection magnet 603.

特開2003−075108号公報(図4、段落0028、段落0051)JP 2003-075108 (FIG. 4, paragraph 0028, paragraph 0051) 特開2000−078809号公報(図1、図2、段落0004)Japanese Unexamined Patent Publication No. 2000-078809 (FIGS. 1 and 2, paragraph 0004) 特開2001−343206号公報(図1、図2、段落0013)JP 2001-343206 A (FIG. 1, FIG. 2, paragraph 0013)

特許文献1には、1箇所に複数の磁気センサを配置し、出力値を平均してより高い精度の出力値を得る旨も記載されている。しかし、2極の磁石を用いるため、高い精度で回転角度を検出することは難しい。   Patent Document 1 also describes that a plurality of magnetic sensors are arranged in one place and output values are averaged to obtain an output value with higher accuracy. However, since a dipole magnet is used, it is difficult to detect the rotation angle with high accuracy.

特許文献2は、2極の永久磁石を用いるため、高い精度で回転角度を検出することが難しい。   Since Patent Document 2 uses a bipolar permanent magnet, it is difficult to detect the rotation angle with high accuracy.

特許文献3は、多極(2極より多い)の永久磁石(検出マグネット)を用いているが、リング状の永久磁石の周面と端面を別々のピッチで多極着磁している。磁極603aと磁極603bについて、各々を別の磁気センサ(磁気検出素子)で検知するために、磁気センサ(磁気検出素子)602a〜602eを異なる位置に3次元的に配置するので、極めて高精度の位置あわせが必要になる。しかし、磁気センサの配置が少々ずれたとしても回転角度を検出する必要のある用途に適用しようとすると、精度よく回転角度を検出することは難しい。   Patent Document 3 uses multi-pole (more than two) permanent magnets (detection magnets), and the peripheral surface and end face of the ring-shaped permanent magnet are magnetized at different pitches. In order to detect each of the magnetic pole 603a and the magnetic pole 603b with different magnetic sensors (magnetic detection elements), the magnetic sensors (magnetic detection elements) 602a to 602e are three-dimensionally arranged at different positions, so that extremely high accuracy is achieved. Alignment is required. However, even if the arrangement of the magnetic sensors is slightly shifted, it is difficult to detect the rotation angle with high accuracy if it is applied to an application that needs to detect the rotation angle.

そこで、本発明の目的は、回転角度の検出精度が高い回転角度検出装置および回転機を提供することを目的とする。   Therefore, an object of the present invention is to provide a rotation angle detection device and a rotating machine with high detection accuracy of the rotation angle.

本発明の回転角度検出装置は、N極対の磁極を有する磁石回転子(但し、Nは2以上の整数である。)と、前記磁石回転子から印加される磁束に応じて磁石回転子の回転角度を検出するための4個のホールセンサとを備え、
前記4個のホールセンサは、感磁軸を前記磁石回転子の径方向に向けて配置した第1及び第2の径方向用ホールセンサと、感磁軸を前記磁石回転子の周方向に向けて配置した第1及び第2の周方向用ホールセンサとで構成されることを特徴とする。
The rotation angle detection device of the present invention includes a magnet rotor having N pole pairs of magnetic poles (where N is an integer equal to or greater than 2) and a magnet rotor according to the magnetic flux applied from the magnet rotor. With four Hall sensors for detecting the rotation angle,
The four Hall sensors have first and second radial Hall sensors arranged with the magnetic sensitive axes directed in the radial direction of the magnet rotor, and the magnetic sensitive axes directed in the circumferential direction of the magnet rotor. The first and second circumferential hall sensors are arranged in the manner described above.

本発明の他の回転角度検出装置は、N極対の磁極を有する磁石回転子(但し、Nは2以上の整数である。)と、前記磁石回転子から印加される磁束に応じて磁石回転子の回転角度を検出するための4個のホールセンサとを備え、
前記4個のホールセンサは、感磁軸を前記磁石回転子の径方向に向けて配置した第1及び第2の径方向用ホールセンサと、感磁軸を前記磁石回転子の周方向に向けて配置した第1及び第2の周方向用ホールセンサとで構成され、
前記第1の径方向用ホールセンサ及び前記第2の周方向用ホールセンサは、磁石回転子の周方向で(2s−1)×360/(4N)deg.の角度(但し、sは0を含む自然数である。)を為すように設けられ、
前記第2の径方向用ホールセンサ及び前記第1の周方向用ホールセンサは、磁石回転子の周方向で(2s−1)×360/(4N)deg.の角度(但し、sは0を含む自然数である。)を為すように設けられ、
前記第1の径方向用ホールセンサ及び前記第2の周方向用ホールセンサの出力を合成し、前記第2の径方向用ホールセンサ及び前記第1の周方向用ホールセンサの出力を合成することにより、回転角度を検出することを特徴とする。
Another rotation angle detection device according to the present invention includes a magnet rotor having N pole pairs of magnetic poles (where N is an integer of 2 or more), and magnet rotation according to the magnetic flux applied from the magnet rotor. And four Hall sensors for detecting the rotation angle of the child,
The four Hall sensors have first and second radial Hall sensors arranged with the magnetic sensitive axes directed in the radial direction of the magnet rotor, and the magnetic sensitive axes directed in the circumferential direction of the magnet rotor. And the first and second circumferential hall sensors arranged
The first radial hall sensor and the second circumferential hall sensor are (2s 1 −1) × 360 / (4N) deg. In the circumferential direction of the magnet rotor. (Where s 1 is a natural number including 0),
The second radial hall sensor and the first circumferential hall sensor are (2s 2 −1) × 360 / (4N) deg. In the circumferential direction of the magnet rotor. (Where s 2 is a natural number including 0),
Synthesizing outputs of the first radial hall sensor and the second circumferential hall sensor, and synthesizing outputs of the second radial hall sensor and the first circumferential hall sensor; Thus, the rotation angle is detected.

さらに、前記第1及び第2の径方向用ホールセンサは磁石回転子の周方向で(2s−1)×360/(4N)deg.の角度(但し、sは0を含む自然数である。)を為すように設けられていることが好ましい。 Further, the first and second radial hall sensors are (2s 3 −1) × 360 / (4N) deg. It is preferable that s 3 is provided so as to make an angle of (note that s 3 is a natural number including 0).

本発明の回転機は、上述の回転角度検出装置を備えることを特徴とする。   A rotating machine according to the present invention includes the above-described rotation angle detection device.

ここで、回転角度に応じた回転角度信号を出力するとは、逆正接演算を含む処理を行うことである。具体的には逆正接演算をデジタルで行う処理である。   Here, outputting the rotation angle signal corresponding to the rotation angle means performing processing including arctangent calculation. Specifically, it is a process of performing an arctangent calculation digitally.

本発明によれば、回転角度の検出精度が高い回転角度検出装置、および回転機を提供することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the rotation angle detection apparatus with high detection accuracy of a rotation angle, and a rotary machine can be provided.

以下、本発明の実施の形態について図を参照しつつ説明する。なお、これら実施形態により本発明が必ずしも限定されるものではない。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, this invention is not necessarily limited by these embodiment.

(実施形態1)
図1は、本発明の回転角度検出装置における磁気センサの配置を説明する概略図であって、(a)は正面図であり、(b)は電気角(deg.)に対するセンサ出力、検出角度及び角度誤差の関係を示すグラフである。図1(a)では、磁石回転子のリング状永久磁石1aの周方向(リング状永久磁石1aの回転方向)に沿って4個のホールIC41,42,43,44を配置した。2個のホールIC41及び42は磁界検出方向をリング状永久磁石1aの中心に向け、他の2個のホールIC43及び44は磁界検出方向をリング永久磁石1aの周方向に向けた。隣り合うホールIC同士の間隔は電気角で90deg.とした。ホールIC41及び44の出力を足し合わせたa出力と、ホールIC42及び43の出力を足し合わせたb出力とを、図1(b)の電気角−センサ出力のグラフに示す。a出力を第1のオペアンプに入力し、b出力を第2のオペアンプに入力し、第1及び第2のオペアンプの出力をAD変換器に入力し、その出力を角度演算器に入力し、その出力として検出角度を得た。検出角度の誤差は電気角で最大6.4deg.を得た。
(Embodiment 1)
1A and 1B are schematic diagrams for explaining the arrangement of magnetic sensors in the rotation angle detection device of the present invention, wherein FIG. 1A is a front view, and FIG. 1B is a sensor output and detection angle with respect to an electrical angle (deg.). And a graph showing the relationship between angle errors. In FIG. 1A, four Hall ICs 41, 42, 43, 44 are arranged along the circumferential direction of the ring-shaped permanent magnet 1a of the magnet rotor (the rotation direction of the ring-shaped permanent magnet 1a). The two Hall ICs 41 and 42 have the magnetic field detection direction directed to the center of the ring-shaped permanent magnet 1a, and the other two Hall ICs 43 and 44 have the magnetic field detection direction directed to the circumferential direction of the ring permanent magnet 1a. The distance between adjacent Hall ICs is 90 deg. It was. The a output obtained by adding the outputs of the Hall ICs 41 and 44 and the b output obtained by adding the outputs of the Hall ICs 42 and 43 are shown in the electric angle-sensor output graph of FIG. The a output is input to the first operational amplifier, the b output is input to the second operational amplifier, the outputs of the first and second operational amplifiers are input to the AD converter, and the output is input to the angle calculator. The detection angle was obtained as output. The detection angle error is an electrical angle of up to 6.4 deg. Got.

(実施形態2,3)
図2は、本発明の他の回転角度検出装置における磁気センサの配置を説明する概略図である。図2(a)は、図1においてホールセンサ41を反時計回りの周方向にλずらして配置した構成に相当する。図2(b)は、図1においてホールセンサ43及び44を共に反時計回りの周方向にλずらして配置した構成に相当する。
(Embodiments 2 and 3)
FIG. 2 is a schematic diagram for explaining the arrangement of magnetic sensors in another rotation angle detection device of the present invention. FIG. 2A corresponds to a configuration in which the Hall sensor 41 in FIG. 1 is arranged with a shift of λ in the counterclockwise circumferential direction. FIG. 2B corresponds to a configuration in which the hall sensors 43 and 44 in FIG. 1 are both shifted by λ in the counterclockwise circumferential direction.

(表面磁束密度分布と角度誤差)
図3は、参考例における磁石回転子の磁界とセンサ素子の位置関係について説明する概略図であって、(a)は正面図であり、(b)は電気角(deg.)に対するセンサ出力、検出角度及び角度誤差の関係を示すグラフである。図3(a)では、磁石回転子のリング状永久磁石1aについて、各磁極内の磁化の向きを直線状の太矢印で表し、磁極表面から発生する磁束1eを曲線状の太矢印で表す。磁気センサ部2は矢印yの向きで磁束1eを受けている。λは表面磁束密度分布を測定したときのsin波の1波長(電気角で360deg.)に相当し、リング状永久磁石1aでは一対の磁極表面における周方向の長さに相当する。rは、リング状永久磁石1aの径方向に沿ってみたときの、磁気センサ部2の中心とリング状永久磁石1a外周面の距離(ギャップの寸法に近い値)に相当する。リング状永久磁石1aを周方向にθ=90deg.だけずらすと、磁気センサ部2は矢印xの向きの磁束を受けるようになる。なお、参考例又は本発明に関わる角度等については、図3(a)に示す。まず、磁石回転子の回転中心oと点pを結ぶ点線op上にあり、且つ磁石回転子1aの表面から距離rの位置に中心を配置した磁気センサ部2を基準とする。すると、磁気センサ部2rは、磁気センサ部2に対して周方向に電気角でθ異なる位置にあると言える。θを公転角と称する。磁気センサ部2rの中心と磁石回転子の回転中心oを結ぶ点線と、磁気センサ部2rの感磁軸とが為す角度ξについては、自転角と称する。ただし、実施形態ではξ=0とする。φは、磁石回転子の機械的な回転を表す機械角である。
(Surface magnetic flux density distribution and angular error)
3A and 3B are schematic diagrams for explaining the positional relationship between the magnetic field of the magnet rotor and the sensor element in the reference example, where FIG. 3A is a front view, and FIG. 3B is a sensor output with respect to an electrical angle (deg.). It is a graph which shows the relationship between a detection angle and an angle error. In FIG. 3A, with respect to the ring-shaped permanent magnet 1a of the magnet rotor, the direction of magnetization in each magnetic pole is represented by a straight thick arrow, and the magnetic flux 1e generated from the magnetic pole surface is represented by a curved thick arrow. The magnetic sensor unit 2 receives the magnetic flux 1e in the direction of the arrow y. λ corresponds to one wavelength of a sine wave when measuring the surface magnetic flux density distribution (360 deg. in electrical angle), and in the ring-shaped permanent magnet 1a, corresponds to the circumferential length of a pair of magnetic pole surfaces. r corresponds to the distance between the center of the magnetic sensor part 2 and the outer peripheral surface of the ring-shaped permanent magnet 1a (a value close to the size of the gap) when viewed along the radial direction of the ring-shaped permanent magnet 1a. The ring-shaped permanent magnet 1a is moved in the circumferential direction by θ = 90 deg. When the magnetic sensor unit 2 is shifted by a distance, the magnetic sensor unit 2 receives the magnetic flux in the direction of the arrow x. In addition, about the angle etc. in connection with a reference example or this invention, it shows to Fig.3 (a). First, the magnetic sensor unit 2 that is on the dotted line op connecting the rotation center o and the point p of the magnet rotor and that is centered at a distance r from the surface of the magnet rotor 1a is used as a reference. Then, it can be said that the magnetic sensor unit 2r is at a position different from the magnetic sensor unit 2 in the circumferential direction by an electrical angle θ. θ is called the revolution angle. An angle ξ formed by a dotted line connecting the center of the magnetic sensor unit 2r and the rotation center o of the magnet rotor and the magnetosensitive axis of the magnetic sensor unit 2r is referred to as a rotation angle. However, in the embodiment, ξ = 0. φ is a mechanical angle representing the mechanical rotation of the magnet rotor.

(作用)
回転方向に2N極を持つ磁石回転子について説明する。この磁石回転子はN極対の磁石を持っていると言い換えてもよく、N回の軸対称性を有している。ある基準角の機械角φは電気角θによって[数1]で表される。
(Function)
A magnet rotor having 2N poles in the rotation direction will be described. This magnet rotor may be rephrased as having N pole pairs of magnets, and has N times of axial symmetry. A mechanical angle φ of a certain reference angle is expressed by [Equation 1] by an electrical angle θ.

Figure 0004858855
Figure 0004858855

この磁石回転子から出てくる磁界を単純化の為に軸方向に無限に長い磁石回転子であると仮定すると(すなわち、軸方向には磁界は一様に分布していると仮定する)、磁石回転子から発生する空間の磁界をベクトルとして考え、半径方向の磁界成分Hrと回転方向の磁界成分Hθとは、円筒座標系であらわされた測定位置(r,φ)の関数として次の[数2]の関数で近似可能である。   Assuming that the magnetic field coming out of this magnet rotor is a magnet rotor that is infinitely long in the axial direction for simplification (ie, it is assumed that the magnetic field is uniformly distributed in the axial direction). The magnetic field in the space generated from the magnet rotor is considered as a vector, and the magnetic field component Hr in the radial direction and the magnetic field component Hθ in the rotational direction are expressed as the following functions as a function of the measurement position (r, φ) expressed in the cylindrical coordinate system: It can be approximated by the function of [Equation 2].

Figure 0004858855
Figure 0004858855

さらに、基本波成分がゼロでない、すなわち、Aがゼロではない場合、rがある程度大きくなり、三次以上の高調波がAで表されるところの基本波に比して小さい時には[数3]のように簡略化可能である。 Further, when the fundamental wave component is not zero, that is, when A 1 is not zero, r becomes large to some extent, and when the third-order or higher harmonic is smaller than the fundamental wave represented by A 1 [Equation 3 ] Can be simplified.

Figure 0004858855
Figure 0004858855

これは、測定点に対して磁石回転子が角度θだけ動くと磁界の向きがθ変化することを意味する。すなわち、磁界の大きさに関係なく、磁界の方向を検知することにより磁石回転子の回転角度が測定可能である事を意味している。なお、上記で無限に長いとし上式ではcos信号とsin信号の振幅の大きさを同一のAとしたが、一般に軸が有限長の場合等には、cosの項とsinの項に掛かる係数の大きさが異なる場合もある。この、係数の大きさが異なる場合、条件によって振幅をそろえる振幅調整が必要となる。 This means that the direction of the magnetic field changes by θ when the magnet rotor moves by an angle θ with respect to the measurement point. That is, it means that the rotation angle of the magnet rotor can be measured by detecting the direction of the magnetic field regardless of the magnitude of the magnetic field. In the above equation, the amplitude of the cos signal and the sin signal is set to the same A 1 in the above equation. However, in general, when the axis is a finite length, the cos term and the sin term are applied. The magnitude of the coefficient may be different. When the magnitudes of the coefficients are different, it is necessary to adjust the amplitude according to the conditions.

さて、上記のように同時にcosとsinの信号を得るためには同じホールセンサを用いた場合、ホールセンサ配置に90deg.の位相差が必要となる。この位相差を得るためには、多くの組み合わせが可能である。すなわち、ホールセンサは一方向に異方性(すなわち、感磁軸)を持っているために、回転子の中心から法線方向に引いた線に対するホールセンサ自体のなす角度ξを任意に取る事が可能であるが、角度ξは、0deg.、±90deg、±180deg.のいずれかであることが好ましい。このξを自転角と称する。   When the same Hall sensor is used to obtain cos and sin signals simultaneously as described above, 90 deg. The phase difference is required. Many combinations are possible to obtain this phase difference. In other words, since the Hall sensor has anisotropy in one direction (that is, a magnetosensitive axis), an angle ξ formed by the Hall sensor itself with respect to a line drawn in the normal direction from the center of the rotor is arbitrarily set. Is possible, but the angle ξ is 0 deg. , ± 90 deg, ± 180 deg. It is preferable that it is either. This ξ is called a rotation angle.

ホールセンサの位置を固定する場合、第1のホールセンサを電気角で0(ゼロ)deg.の位置に、第2のホールセンサを電気角でθの位置に配置したとする。公転角θ=90deg.の所に第2のホールセンサを配置した場合には、第1のホールセンサと第2のホールセンサの自転角ξを同一角度にする事によりcosθとsinθの関係を持つ信号を得ることが可能となる。また、第1のホールセンサを基準にした場合、すなわち、第1のホールセンサの公転角が0deg.とし、自転角が0deg.とした場合、第2のホールセンサを公転角θ=45deg.とし、自転角ξ=−45deg.とする事でも同様な信号を得ることが可能であるし、公転角θ=180deg.とし、自転角ξ=90deg.とすることでも同様な信号を得ることが可能である。   When fixing the position of the hall sensor, the first hall sensor is set to 0 (zero) deg. It is assumed that the second hall sensor is disposed at the position θ in terms of electrical angle at the position. Revolution angle θ = 90 deg. When the second Hall sensor is arranged at the position, it is possible to obtain a signal having a relationship between cos θ and sin θ by setting the rotation angles ξ of the first Hall sensor and the second Hall sensor to the same angle. It becomes. Further, when the first Hall sensor is used as a reference, that is, the revolution angle of the first Hall sensor is 0 deg. And the rotation angle is 0 deg. In this case, the second hall sensor has a revolution angle θ = 45 deg. And the rotation angle ξ = −45 deg. It is possible to obtain a similar signal, and the revolution angle θ = 180 deg. And the rotation angle ξ = 90 deg. It is also possible to obtain a similar signal.

さらには、2つのホールセンサの公転角θ=0deg.とし、第1のホールセンサの自転角ξ=0deg.とし,第2のセンサ素子の自転角ξ=90deg.として同一個所に2つのホールセンサを設けても同様な信号を得ることが可能となる。これらを、さらに拡張して考える場合、第1のホールセンサと第2のホールセンサとの公転角差をΔθ、第1のホールセンサと第2のホールセンサとの自転角差をΔξとした場合に、[数4]の関係となるΔθとΔξの組み合わせであれば良い。   Further, the revolution angle θ of the two Hall sensors is 0 deg. And the rotation angle ξ = 0 deg. Of the first Hall sensor. And the rotation angle of the second sensor element ξ = 90 deg. It is possible to obtain a similar signal even if two hall sensors are provided at the same location. When these are further expanded, the difference in revolution angle between the first Hall sensor and the second Hall sensor is Δθ, and the rotation angle difference between the first Hall sensor and the second Hall sensor is Δξ. In addition, any combination of [Delta] [theta] and [Delta] [xi] having the relationship of [Equation 4] may be used.

Figure 0004858855
Figure 0004858855

さらに、磁石回転子が多磁極対からなっているため、電気角で第2のホールセンサは上記の角度に止まらず一周期を単位とした角度を移動した場所(電気角で360deg.×nに対応する場所であり、整数nはプラスマイナスいずれでもよい。)に設置されても同様な信号を得ることが可能である。すなわち、[数5]の関係となるθとξの組み合わせであれば良い(ただし、nは任意の整数)。これが最も一般化された式になる。   Further, since the magnet rotor is composed of a multi-pole pair, the second Hall sensor does not stop at the above-mentioned angle in terms of electrical angle but has moved an angle in units of one cycle (electric angle is set to 360 deg. × n). It is possible to obtain a similar signal even if it is installed at a corresponding location, and the integer n may be plus or minus. In other words, any combination of θ and ξ that satisfies the relationship of [Equation 5] may be used (where n is an arbitrary integer). This is the most generalized formula.

Figure 0004858855
Figure 0004858855

(適合する磁気センサ)
以上の磁気センサを実現するための磁気センサとして、ホール素子を有するホールセンサがある。ホール素子は磁界の「大きさ」を検知してその出力電圧値が変化するセンサ素子であり、通常は、センサ素子の面に対して垂直に加わる磁界成分を一次元的に検知するように使用されている(この向きが感磁軸に相当する。)。ホールセンサの平坦な面(感磁部分:モールドされた面で最も広い面に相当する。)に感磁軸は直交する。さらに詳しくは、ホールセンサの出力は、ホールセンサの感磁部分における磁界の感磁軸方向成分に比例する。本発明においては、ホールセンサを回転磁界中に入れた場合の電圧変化に着目してセンサシステム全体を構成している。回転磁界に対してcosα(αは基準方向に対して磁界がなす角度)の電圧変化をするホールセンサ、符号が逆の(−cosα)の電圧変化をするホールセンサ、あるいはそれらを組み合わせた素子対を用いる。直流電圧印加時に、cosαに比例する電圧を出力するホールセンサを適用することにより、[数6]として、下記Voutが出力される。数6でδは出力電圧の印加磁界Hinに対する変化率である。
(Applicable magnetic sensor)
As a magnetic sensor for realizing the above magnetic sensor, there is a Hall sensor having a Hall element. The Hall element is a sensor element that changes its output voltage value by detecting the “magnitude” of the magnetic field, and is usually used to detect one-dimensionally the magnetic field component applied perpendicular to the surface of the sensor element. (This direction corresponds to the magnetosensitive axis.) The magnetosensitive axis is orthogonal to the flat surface of the Hall sensor (the magnetosensitive portion: corresponding to the widest surface of the molded surface). More specifically, the output of the Hall sensor is proportional to the magnetically sensitive axial direction component of the magnetic field in the magnetically sensitive part of the Hall sensor. In the present invention, the entire sensor system is configured by paying attention to the voltage change when the Hall sensor is placed in the rotating magnetic field. Hall sensor that changes the voltage of cos α (α is the angle formed by the magnetic field with respect to the reference direction) relative to the rotating magnetic field, Hall sensor that changes the voltage of the opposite sign (−cos α), or a combination of elements Is used. By applying a Hall sensor that outputs a voltage proportional to cos α when a DC voltage is applied, the following Vout is output as [Equation 6]. In Equation 6, δ is the rate of change of the output voltage with respect to the applied magnetic field Hin.

Figure 0004858855
Figure 0004858855

一般的に、ホール素子を有するホールセンサはその感磁軸を磁石回転子の方に向けて設置し、複数個の配置を行う場合には電気角で所定の位置に置き(上記の公転角θ)、上記の自転角ξを変化させることない。ホールセンサでは必ず空間的に異なる位置にのみ設置されなければならないため、ホールセンサを磁気センサとして利用した場合には、その設置場所にも制約を受けるが、本発明においてはこのξを変えることも含まれており、同一機械角の位置に配置した場合でも異なる位相差を持つことが可能になる。   In general, a Hall sensor having a Hall element is placed with its magnetosensitive axis directed toward the magnet rotor, and when a plurality of arrangements are made, it is placed at a predetermined position with an electrical angle (the revolution angle θ described above). ), Without changing the rotation angle ξ. Since the hall sensor must be installed only at spatially different positions, when the hall sensor is used as a magnetic sensor, its location is also limited, but in the present invention, this ξ can be changed. Even if they are arranged at the same mechanical angle, they can have different phase differences.

(複数の磁気センサによる高調波成分の削減)
以上の作用説明では、理想的に磁石回転子を回転させた場合に時間、空間的にsinあるいはcosの高調波のない磁界が発生していると仮定しているが、実際には数2において、高調波成分(高調波歪)A,A,・・・はゼロと限らない。むしろ、高調波成分は存在すると仮定するほうが一般的である。簡単に表せば数式7のように表される。
(Reduction of harmonic components by multiple magnetic sensors)
In the above description of the action, it is assumed that when a magnet rotor is ideally rotated, a magnetic field free of harmonics of sin or cos is generated in time and space. , Harmonic components (harmonic distortion) A 3 , A 5 ,... Are not limited to zero. Rather, it is more common to assume that harmonic components are present. If expressed simply, it is expressed as Equation 7.

Figure 0004858855
Figure 0004858855

すなわち、歪の成分となる高調波成分はHr,Hθそれぞれの基本波に対して含まれる割合が等しく、それぞれcos成分,sin成分が主である。この高調波成分を減少させるために、複数の磁気センサを配置して、高調波成分のみを大幅に低減する方法を発明した。   That is, the harmonic components that are distortion components are equally contained in the fundamental waves of Hr and Hθ, and the cos component and sin component are mainly used, respectively. In order to reduce this harmonic component, a method of arranging a plurality of magnetic sensors and greatly reducing only the harmonic component was invented.

(磁気センサを2個から4個にすると角度誤差が小さくなる理由)
磁気センサが4個の場合、回転子から出てくる磁界を検出した時にr方向(半径方向)成分が台形波形になりやすく、θ方向(回転方向)成分が三角波になりやすく、比較すると、それぞれの高調波は逆位相の関係になる。第1のホールセンサは磁界のr方向成分、第2のホールセンサは磁界のθ方向成分を検出するように電気角(公転角)で90deg.離れた位置に自転角−90deg.で配置する。その際に、それぞれのホールセンサから出力される基本波の位相は一致させる事が可能であり、その場合にそれぞれのホールセンサから出力される主たる高調波とは逆位相の関係になる。具体的に、第1のホールセンサをθ=0deg.ξ=0deg.とし、第2のホールセンサをθ=90deg.ξ=0deg.とし、第3のホールセンサをθ=180deg.ξ=90deg.とし、第4のホールセンサをθ=270deg.ξ=−90deg.とした場合、各ホールセンサからの出力をVout〜Voutと表す。
(Reason why the angle error is reduced by changing the number of magnetic sensors from 2 to 4)
When there are four magnetic sensors, the r-direction (radial direction) component tends to be a trapezoidal waveform and the θ-direction (rotation direction) component tends to be a triangular wave when a magnetic field coming out of the rotor is detected. The harmonics of have an antiphase relationship. The first Hall sensor detects an r-direction component of the magnetic field, and the second Hall sensor detects an electrical angle (revolution angle) of 90 deg. Rotation angle -90 deg. Place with. At that time, the phases of the fundamental waves output from the respective hall sensors can be made to coincide with each other, and in this case, the main harmonics output from the respective hall sensors have an opposite phase relationship. Specifically, the first hall sensor is set to θ = 0 deg. ξ = 0 deg. And the second Hall sensor is θ = 90 deg. ξ = 0 deg. And the third Hall sensor is θ = 180 deg. ξ = 90 deg. And the fourth Hall sensor is θ = 270 deg. ξ = −90 deg. In this case, the outputs from the hall sensors are expressed as Vout 1 to Vout 4 .

Figure 0004858855
Figure 0004858855

この関係を利用して、位置関係を合わせることで2つのホールセンサからの基本波同士を足し合わせ、同時に主たる3次高調波成分は逆位相となるように足し合わせて低減し、振幅が等しく、かつ90deg.位相の異なる2信号を得ることができ、その結果角度誤差を少なくすることが可能になる。ここで、各出力の正負の符号は、ホールセンサの面の表裏に対応するので、[数9]が成立する様に適宜配置できる。   By using this relationship, by combining the positional relationship, the fundamental waves from the two Hall sensors are added together, and at the same time, the main third-order harmonic components are added and reduced so as to be in antiphase, and the amplitudes are equal, And 90 deg. Two signals having different phases can be obtained, and as a result, the angle error can be reduced. Here, since the positive and negative signs of each output correspond to the front and back of the surface of the Hall sensor, they can be appropriately arranged so that [Equation 9] is satisfied.

Figure 0004858855
Figure 0004858855

数8では、一般には1ではない係数Kmのために出力振幅は異なるが、このように2つのホールセンサの出力を合成することにより、必ず等しい振幅を得ることができる。第1及び第2のホールセンサ、第3及び第4のホールセンサがそれぞれ磁石回転子に対し、例えば磁石回転子中心から等しい距離、周方向で等しい角度差(=電気的に90deg.異なる。)となるように配置すれば、条件を満足する。ホールセンサの配置が容易になる。   In Expression 8, although the output amplitude is different due to the coefficient Km which is not generally 1, the same amplitude can always be obtained by combining the outputs of the two Hall sensors in this way. The first and second Hall sensors, the third Hall sensor, and the fourth Hall sensor are respectively the same distance from the center of the magnet rotor and the same angular difference in the circumferential direction with respect to the magnet rotor (= electrically 90 degrees different). If it arrange | positions so that it may become, it will satisfy conditions. The placement of the Hall sensor becomes easy.

数8での基本波にたいする3次高調波の割合はA/Aであるのに対し、
数9でのそれは、(Km−1)/(Km+1)×A/A となる。したがって、ホールセンサを2個から4個に増やすことにより、逆正接演算から得られる回転角度の誤差の最も大きな原因である3次高調波を(Km−1)/(Km+1)に減少させることができる。
The ratio of the third harmonic to the fundamental wave in Equation 8 is A 3 / A 1 ,
That in Equation 9 is (Km−1) / (Km + 1) × A 3 / A 1 . Therefore, by increasing the number of Hall sensors from two to four, the third harmonic, which is the largest cause of the rotation angle error obtained from the arc tangent calculation, can be reduced to (Km−1) / (Km + 1). it can.

実施形態1の構成で検討したところ、Kmはおよそ1.4から2であった。したがって、ホールセンサを2個から4個に増やすことにより、波形歪すなわち角度誤差を、ホールセンサ2個の場合の3割から1割程度までに低減できた。さらに4個のホールセンサからの出力振幅を調整すれば、実質的には上記Kmを1にできるため、波形歪による角度誤差の原因は、3次歪から、さらに小さな値である5次歪に移る。   When examined with the configuration of the first embodiment, Km was about 1.4 to 2. Therefore, by increasing the number of Hall sensors from two to four, the waveform distortion, that is, the angle error can be reduced from 30% to about 10% in the case of two Hall sensors. Further, if the output amplitudes from the four Hall sensors are adjusted, the above Km can be substantially reduced to 1. Therefore, the cause of the angle error due to waveform distortion is from the third-order distortion to the fifth-order distortion, which is a smaller value. Move.

従来技術のように、ホールセンサを回転軸に対して同一方向を向けた場合には、すべてのホールセンサがHrを検知するため、ホールセンサを2個から4個に増やしても、上述の効果は現れない。一方、回転軸に対して、ほぼ軸対称に4個のホールセンサを配置した場合には、回転軸の偏芯(変動)に対して、回転角度の誤差の増大が抑えられるという特徴があった。本発明では、ホールセンサを完全に軸対称配置にすることができないために、完全には抑制できないが、同相出力を得るホールセンサの一方を他方の軸対称の位置に最も近い場所に設置することにより(N=8の場合)、遜色なく、10分の1程度に抑えられることを確認した。   When the hall sensors are oriented in the same direction with respect to the rotation axis as in the prior art, all the hall sensors detect Hr. Therefore, even if the number of hall sensors is increased from two to four, the above-described effect is obtained. Does not appear. On the other hand, when four Hall sensors are arranged almost symmetrically with respect to the rotation axis, there is a feature that an increase in rotation angle error can be suppressed with respect to eccentricity (variation) of the rotation axis. . In the present invention, the Hall sensor cannot be completely axisymmetrically arranged, and thus cannot be completely suppressed. However, one of the Hall sensors that obtains the in-phase output is installed at a location closest to the other axially symmetric position. (In the case of N = 8), it was confirmed that it can be suppressed to about 1/10 without inferiority.

磁石回転子が、例えば12極の場合は、ホールIC12aに対してホールIC12bは周方向に機械角φ異なる位置に配置されているため(φ=15deg.)、電気角θの位相差がある(θ=90deg.)。一方が磁石回転子の周方向に沿った磁束を受けているときに、他方はθ遅れた磁束を受けている。このように多極化することでθに対するφが小さくなり、一組のホールICを狭い領域に収めて小型化することができた。   When the magnet rotor is, for example, 12 poles, the Hall IC 12b is arranged at a position different from the Hall IC 12a in the circumferential direction by a mechanical angle φ (φ = 15 deg.), And therefore there is a phase difference of the electrical angle θ ( θ = 90 deg.). When one receives the magnetic flux along the circumferential direction of the magnet rotor, the other receives the magnetic flux delayed by θ. By increasing the number of poles in this way, the φ with respect to θ is reduced, and a set of Hall ICs can be accommodated in a narrow area and reduced in size.

(極数による回転角度誤差減少)
最大検出角度誤差を機械角で表すと、電気角誤差が磁極数の数に応じて減少していく。このため、磁極数の多い磁石回転子を用いる本発明は、より検出誤差を少なくすることが可能になる。12極の磁石回転子では、2極の磁石回転子を用いた場合に比べ、6分の1の機械角で表した回転角度誤差に減少する。
磁石回転子の極対数をモータの極対数と同じにする場合、高精度のモータ制御が容易になる。また、磁石回転子に代えてモータの磁石を利用して回転角度を求めることもできる。
2極磁石よりも外に漏れる磁束が少ないので、外部に対する磁気的影響も小さい。
磁石回転子の機械的回転周期よりもホールセンサの受ける磁界の回転周期が1/N倍(Nは2以上の整数)となり、分解能が高くなる。上述の回転角検出装置は回転機に設けるとよい。
(Reduction of rotation angle error due to the number of poles)
When the maximum detection angle error is represented by a mechanical angle, the electrical angle error decreases according to the number of magnetic poles. For this reason, the present invention using a magnet rotor having a large number of magnetic poles can further reduce detection errors. In the case of a 12-pole magnet rotor, the rotational angle error is reduced to one-sixth of the mechanical angle compared to the case of using a 2-pole magnet rotor.
When the number of pole pairs of the magnet rotor is the same as the number of pole pairs of the motor, high-precision motor control is facilitated. Moreover, it can replace with a magnet rotor and a rotation angle can also be calculated | required using the magnet of a motor.
Since there is less magnetic flux leaking outside than a dipole magnet, the magnetic influence on the outside is also small.
The rotation period of the magnetic field received by the Hall sensor is 1 / N times (N is an integer of 2 or more), and the resolution is higher than the mechanical rotation period of the magnet rotor. The above rotation angle detection device may be provided in a rotating machine.

(参考形態1)
図4は参考形態に係る回転角度検出装置を説明するための概略図であって、(a)は正面図、(b)は側面図(下半分は一部断面図)である。図4(a)の回転角度検出装置は、磁石回転子1と、磁気センサ部2と、前記磁気センサ部を固定したハウジング3で構成されており、ホールIC12a,12b(ホール素子とオペアンプを一体化したホールセンサ)によってリング状永久磁石1aの回転角度を検出する。磁気センサとしてホールIC12a、12bを用いている。図4のホールICは、磁力線が向かってくる向き(磁石回転子の中心からみて半径方向に相当)に対して、ホールICの感磁軸を平行にして配置する。図4(b)に示すように、ホールICの端子を回路用基板2cに突き立てて固定する。さらにホールIC12a,12bの信号をA−D変換器に入力し、得られる出力を両方とも角度演算器に入力し、検出角度の値を最終的な出力として得る。磁石回転子を多極とし磁気センサ配置を近接させることにより、回転角度を検出する。ホールICの数や配置(すなわち、磁気センサ部)を除いた部分は、本発明の実施形態でも同様のものを用いる。
(Reference form 1)
4A and 4B are schematic diagrams for explaining a rotation angle detection device according to a reference embodiment, in which FIG. 4A is a front view, and FIG. 4B is a side view (a lower half is a partial cross-sectional view). The rotation angle detection device shown in FIG. 4 (a) includes a magnet rotor 1, a magnetic sensor unit 2, and a housing 3 to which the magnetic sensor unit is fixed. Hall ICs 12a and 12b (a Hall element and an operational amplifier are integrated). The rotation angle of the ring-shaped permanent magnet 1a is detected by a hall sensor). Hall ICs 12a and 12b are used as magnetic sensors. The Hall IC in FIG. 4 is arranged with the magnetic sensitive axis of the Hall IC parallel to the direction in which the lines of magnetic force are directed (corresponding to the radial direction when viewed from the center of the magnet rotor). As shown in FIG. 4B, the terminals of the Hall IC are fixed to the circuit board 2c. Further, the signals of the Hall ICs 12a and 12b are input to the A / D converter, and both of the obtained outputs are input to the angle calculator to obtain the detected angle value as the final output. The rotation angle is detected by using multiple magnet rotors and bringing the magnetic sensor arrangement close to each other. The same components are used in the embodiment of the present invention except for the number and arrangement of the Hall ICs (that is, the magnetic sensor unit).

磁石回転子1は、複数の円弧を連結した外周形状を有するリング状永久磁石1aと、前記リング状永久磁石の内周側に一体に形成された軟磁性リング1bと、前記軟磁性リングを支持する非磁性リング状のアダプタ1cを備える。磁気センサ部2は、磁石回転子1に対向する周縁が凹面である板状の回路用基板2cと、前記回路用基板2cの面に固定した一対のホールIC12a,12bと、前記ホールIC及び回路用基板2cと制御用回路とを電気的に接続するケーブル2d及びコネクタ2eと、前記ホールICを覆う非磁性カバー2fとを有する。ハウジング3には、ホールIC12a,12bが所定の間隔をもって磁石回転子1と対向するよう、前記回路用基板2cを固定するためのコ字型アングル3aおよびボルト3cが設けられている。   The magnet rotor 1 supports a ring-shaped permanent magnet 1a having an outer peripheral shape connecting a plurality of arcs, a soft magnetic ring 1b integrally formed on the inner peripheral side of the ring-shaped permanent magnet, and the soft magnetic ring The nonmagnetic ring-shaped adapter 1c is provided. The magnetic sensor unit 2 includes a plate-like circuit board 2c having a concave surface facing the magnet rotor 1, a pair of Hall ICs 12a and 12b fixed to the surface of the circuit board 2c, and the Hall IC and circuit. A cable 2d and a connector 2e that electrically connect the circuit board 2c and the control circuit, and a nonmagnetic cover 2f that covers the Hall IC. The housing 3 is provided with a U-shaped angle 3a and a bolt 3c for fixing the circuit board 2c so that the Hall ICs 12a and 12b face the magnet rotor 1 at a predetermined interval.

図4の回転角度検出装置を使用するため、磁気センサ部2を設置したハウジング3を(ボルト止め用孔3bを用いて)工作機械本体に固定し、工作機械の回転シャフトに磁石回転子1を(ボルト止め用孔1dを用いて)同軸となるように固定する(図4では工作機械の図示を省略する。)。図4(a)に示すように、磁石回転子1と磁気センサ部2を対向させた状態で工作機械の回転シャフトを駆動させると、実施形態1の磁気センサ部を適用した構成では、高い精度で回転角度を検出することができた。   In order to use the rotation angle detection device of FIG. 4, the housing 3 in which the magnetic sensor unit 2 is installed is fixed to the machine tool body (using the bolting holes 3b), and the magnet rotor 1 is attached to the rotation shaft of the machine tool. It is fixed so as to be coaxial (using the bolting hole 1d) (the machine tool is not shown in FIG. 4). As shown in FIG. 4A, when the rotating shaft of the machine tool is driven in a state where the magnet rotor 1 and the magnetic sensor unit 2 face each other, the configuration to which the magnetic sensor unit of the first embodiment is applied has high accuracy. It was possible to detect the rotation angle.

ここで、磁石回転子1は、NdFeB系磁粉とバインダーを成形してなるリング状永久磁石1aと、軟鉄粉とバインダーを成形してなる軟磁性リング1bと、前記軟磁性リングを回転シャフトに取り付けるためのS45C製のアダプタ1cで構成する。ホールIC12a,12bは磁石回転子1の回転中心からみて15deg.の角度(機械角:φ)を為すよう、回路用基板2cに固定する。ハウジング3及びコ字型アングル3aも非磁性SUS316で構成する。
磁石回転子1の外接円(点線で図示)の半径:40mm
磁石回転子1の外接円(点線で図示)とホールIC中心の距離r:3.5mm
磁石回転子1の厚さt:25mm
ハウジング3の厚さT:2mm (2mm厚の板材を打ち抜き、絞りで形成する。)
なお、距離rを変えてみたところ、r=10mmの場合でも問題なく使用することができた。また、磁石回転子1の厚さtを5mmの場合でも同様に問題なく使用することができた。
Here, the magnet rotor 1 includes a ring-shaped permanent magnet 1a formed by molding NdFeB-based magnetic powder and a binder, a soft magnetic ring 1b formed by molding soft iron powder and a binder, and the soft magnetic ring is attached to a rotating shaft. For this purpose, the adapter 1c made of S45C is used. The Hall ICs 12a and 12b are 15 deg. It is fixed to the circuit board 2c so as to make an angle (mechanical angle: φ). The housing 3 and the U-shaped angle 3a are also made of nonmagnetic SUS316.
Radius of circumscribed circle (illustrated by dotted line) of magnet rotor 1: 40 mm
Distance between circumscribed circle (illustrated by dotted line) of magnet rotor 1 and Hall IC center r: 3.5 mm
Magnet rotor 1 thickness t: 25 mm
Thickness T of housing 3: 2 mm (A 2 mm thick plate is punched out and formed with a diaphragm)
When the distance r was changed, it could be used without any problem even when r = 10 mm. Further, even when the thickness t of the magnet rotor 1 was 5 mm, it could be used without any problem.

(参考形態2)
図5は、他の参考形態の回転角度検出装置における磁気センサの配置を説明する概略図であって、(a)は正面図であり、(b)は電気角(deg.)に対するセンサ出力、検出角度及び角度誤差の関係を示すグラフである。図5(a)では、磁石回転子のリング状永久磁石1aの周囲に4個のホールIC31,32,33,34を電気角で90deg.、180deg.及び90deg.の間隔で周方向(リング状永久磁石1aの回転方向)に沿って配置する。各々のホールICは磁界検出方向をリング状永久磁石1aの中心を向いているが、隣り合うホールICの磁界検出方向は逆向きとする。ホールIC31及び32の出力を足し合わせたa出力と、ホールIC33及び34の出力を足し合わせたb出力とを、図5(b)の電気角−センサ出力のグラフに示す。検出角度の誤差は電気角で最大22deg.を得た。
(Reference form 2)
5A and 5B are schematic diagrams for explaining the arrangement of magnetic sensors in a rotation angle detection device according to another reference embodiment, in which FIG. 5A is a front view, and FIG. 5B is a sensor output with respect to an electrical angle (deg.). It is a graph which shows the relationship between a detection angle and an angle error. In FIG. 5 (a), four Hall ICs 31, 32, 33, and 34 are provided at an electrical angle of 90 deg. , 180 deg. And 90 deg. It arrange | positions along the circumferential direction (rotation direction of the ring-shaped permanent magnet 1a) by the space | interval of. Each Hall IC faces the magnetic field detection direction toward the center of the ring-shaped permanent magnet 1a, but the magnetic field detection direction of adjacent Hall ICs is reversed. The a output obtained by adding the outputs of the Hall ICs 31 and 32 and the b output obtained by adding the outputs of the Hall ICs 33 and 34 are shown in the electric angle-sensor output graph of FIG. The detection angle error is 22 deg. Got.

図6は本発明の回転機を説明する概略図である。図6(a),(b)は同じ回転機を異なる断面で見たものである。図6(b)のホールIC82bは、図6(a)のホールIC82aの面(ホールICの感磁軸に垂直な面である。)を磁石回転子71cの周方向(θ方向)に沿った向き((a)のホールICの面(その感磁軸に垂直な面)とは直交する向き)に変更し、周方向にずらした位置に配置したものである。   FIG. 6 is a schematic view illustrating the rotating machine of the present invention. FIGS. 6A and 6B are views of the same rotating machine seen from different cross sections. The Hall IC 82b in FIG. 6B is arranged along the circumferential direction (θ direction) of the magnet rotor 71c with the surface of the Hall IC 82a in FIG. 6A (a surface perpendicular to the magnetic sensitive axis of the Hall IC). The direction is changed to the direction (the direction perpendicular to the surface of the Hall IC of (a) (surface perpendicular to the magnetosensitive axis)), and is arranged at a position shifted in the circumferential direction.

図6(a)に示すように、この回転機はモータであり、フレーム73c内には、中心軸としてシャフト71bを有する永久磁石のロータ71aと、フレーム73cの内周面に固定したステータ用コイル73b付きステータ73aを設置したものである。シャフト71bはベアリング(図示省略)を介してフレーム73cに回転自在に固定した。さらに、磁石回転子71cをシャフト71bに設け、支持部72nを介してホールIC82aをフレーム73cに設置する。なお、この回転機には、ホールIC82aと同じ径方向用ホールIC82c(図示せず)と、ホールIC82bと同じ周方向用ホールIC82d(図示せず)も備える。   As shown in FIG. 6 (a), this rotating machine is a motor, and in a frame 73c, a permanent magnet rotor 71a having a shaft 71b as a central axis, and a stator coil fixed to the inner peripheral surface of the frame 73c. A stator 73a with 73b is installed. The shaft 71b was rotatably fixed to the frame 73c via a bearing (not shown). Further, the magnet rotor 71c is provided on the shaft 71b, and the Hall IC 82a is installed on the frame 73c via the support portion 72n. The rotating machine also includes a radial Hall IC 82c (not shown) that is the same as the Hall IC 82a and a circumferential Hall IC 82d (not shown) that is the same as the Hall IC 82b.

前記磁石回転子71cの回転磁界を前記ホールIC82a、ホールIC82b、ホールIC82c及びホールIC82dで検知し、それらの4つの出力を演算回路72mに入力・合成して2つの出力を得て、前記2つの出力を逆正接演算し、磁石回転子71cの回転角度を得た。前記磁化方向の磁気的な回転の軸を、図中に鎖線で示す。   The rotating magnetic field of the magnet rotor 71c is detected by the Hall IC 82a, Hall IC 82b, Hall IC 82c and Hall IC 82d, and these four outputs are input to the arithmetic circuit 72m to obtain two outputs to obtain the two outputs. The output was tangented to obtain the rotation angle of the magnet rotor 71c. The axis of magnetic rotation in the magnetization direction is indicated by a chain line in the figure.

実施形態1の構成をモータに適用した場合、感磁軸が磁石回転子の径方向を向いているホールIC41,42は、図6(a)のホールIC82aのように磁石回転子と対向して配置する。実施形態1の構成で、感磁軸が磁石回転子の周方向を向いているホールIC43,44は、図6(b)のホールIC82bのように前記ホールIC41,42とは90°異なる向きとなるように配置する。   When the configuration of the first embodiment is applied to a motor, the Hall ICs 41 and 42 whose magnetosensitive axis faces the radial direction of the magnet rotor are opposed to the magnet rotor as in the Hall IC 82a of FIG. Deploy. In the configuration of the first embodiment, the Hall ICs 43 and 44 whose magnetosensitive axis faces the circumferential direction of the magnet rotor are 90 ° different from the Hall ICs 41 and 42 as the Hall IC 82b in FIG. 6B. Arrange so that

図7は本発明の他の回転機を説明する概略図であり、図6の構成を変形した応用例である。図7(a)は、図6(b)において、磁化方向をシャフトの軸方向に沿った向きに変更した磁石回転子71dを用い、支持部72nを支持部71oに置換し、ホールIC82bを端子の長さを短くしたホールIC82cに置換し、ホールIC82cの面で磁石回転子71dの磁界を検知する。図7(b)は、感磁軸の向きがシャフトに平行な向きになるように配置したホールIC82dとそれを支持する支持部72pを設けた点が図7(a)と異なるが、同じ回転機を異なる断面で見たものであり、ホールIC82cとホールIC82dで磁石回転子の回転磁界を検知し、1つの演算回路で処理し、磁石回転子の回転角度を検出する。図7(c)及び(d)は、おのおの、図6(a)及び(b)の構成において、ロータ71a及び磁石回転子71cを、ロータ71eに置換したものであり、同じ回転機を異なる断面でみたものであり、ホールIC82aとホールIC82cで磁石回転子71eの回転磁界を検知し、1つの演算回路で処理し、磁石回転子の回転角度を検出する。   FIG. 7 is a schematic diagram illustrating another rotating machine of the present invention, which is an application example in which the configuration of FIG. 6 is modified. FIG. 7A shows a magnet rotor 71d in which the magnetization direction is changed in the axial direction of the shaft in FIG. 6B, the support portion 72n is replaced with the support portion 71o, and the Hall IC 82b is connected to the terminal. Is replaced with a Hall IC 82c whose length is shortened, and the magnetic field of the magnet rotor 71d is detected on the surface of the Hall IC 82c. FIG. 7B differs from FIG. 7A in that the Hall IC 82d and the support portion 72p that support the Hall IC 82d are arranged so that the direction of the magnetosensitive axis is parallel to the shaft. The machine is viewed from different cross sections, and the Hall IC 82c and Hall IC 82d detect the rotating magnetic field of the magnet rotor, process it with one arithmetic circuit, and detect the rotation angle of the magnet rotor. FIGS. 7 (c) and (d) are obtained by replacing the rotor 71a and the magnet rotor 71c with the rotor 71e in the configurations of FIGS. 6 (a) and 6 (b), and the same rotating machine is different in cross section. The rotating magnetic field of the magnet rotor 71e is detected by the Hall IC 82a and the Hall IC 82c, processed by one arithmetic circuit, and the rotation angle of the magnet rotor is detected.

図8は、r/λと角度誤差の関係を示すグラフである。図8中には2種類の回転角度検出装置で得られたデータを記載している。Aは、図4に示した回転角検出装置のホールIC41と44の2出力で角度誤差を評価したプロットであり、Bは、図1に示した回転角検出装置のすべてのホールICを用いて角度誤差を評価したプロットである。各々、A:図4、B:図1という具合に対応している。このグラフより、図4のようにホールICの感磁軸がr方向のみを向いている構成に比べて、図1のようにホールICの感磁軸がr方向とθ方向を向いている構成では角度誤差が小さくなることがわかる。また、Aに比べてBは、磁石回転子外周面とホールセンサ中心の距離を離すにつれて、大幅に誤差の減少する様子が分かる。図4の構成の誤差の原因、すなわち磁界の歪である3次高調波の基本波にたいする割合が、距離に対して減衰する様子であり、図1の場合には、3次高調波より5次高調波が支配的となっており、この5次高調波成分の基本波にたいする割合が距離に対して減衰する様子を示したと考えられる。   FIG. 8 is a graph showing the relationship between r / λ and angle error. FIG. 8 shows data obtained by two types of rotation angle detection devices. A is a plot in which the angle error is evaluated with the two outputs of the Hall ICs 41 and 44 of the rotation angle detection device shown in FIG. 4, and B is a graph using all the Hall ICs of the rotation angle detection device shown in FIG. It is the plot which evaluated the angle error. Each corresponds to A: FIG. 4 and B: FIG. From this graph, compared to the configuration in which the magnetosensitive axis of the Hall IC is oriented only in the r direction as shown in FIG. 4, the magnetosensitive axis of the Hall IC is oriented in the r direction and the θ direction as shown in FIG. It can be seen that the angle error is small. Further, it can be seen that the error of B greatly decreases as the distance between the outer peripheral surface of the magnet rotor and the center of the Hall sensor increases as compared to A. The cause of the error in the configuration of FIG. 4, that is, the ratio of the third harmonic to the fundamental wave, which is the distortion of the magnetic field, is attenuated with respect to the distance. In the case of FIG. The harmonics are dominant, and it is considered that the ratio of the fifth harmonic component to the fundamental wave attenuated with respect to the distance.

本発明の回転角度検出装置におけるホールセンサの配置を説明する概略図である。It is the schematic explaining the arrangement | positioning of the Hall sensor in the rotation angle detection apparatus of this invention. 本発明の他の回転角度検出装置におけるホールセンサの配置を説明する概略図である。It is the schematic explaining arrangement | positioning of the Hall sensor in the other rotation angle detection apparatus of this invention. 磁石回転子の磁界とホールセンサの位置関係について説明する概略図である。It is the schematic explaining the positional relationship of the magnetic field of a magnet rotor, and a Hall sensor. 参考形態に係る他の回転角度検出装置を示す概略図である。It is the schematic which shows the other rotation angle detection apparatus which concerns on a reference form. 他の参考形態の回転角度検出装置におけるホールセンサの配置を説明する概略図である。It is the schematic explaining the arrangement | positioning of the Hall sensor in the rotation angle detection apparatus of another reference form. 本発明の回転機を説明する概略図である。It is the schematic explaining the rotary machine of this invention. 本発明の他の回転機を説明する概略図である。It is the schematic explaining the other rotary machine of this invention. r/λと角度誤差の関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between r / (lambda) and an angle error. 従来の回転角度検出装置を示す概略図である。It is the schematic which shows the conventional rotation angle detection apparatus. 従来の回転角度検出装置を示す概略図である。It is the schematic which shows the conventional rotation angle detection apparatus. 従来の回転角度検出装置を示す概略図である。It is the schematic which shows the conventional rotation angle detection apparatus.

符号の説明Explanation of symbols

1:磁石回転子、1a:リング状永久磁石、1b:軟磁性リング、1c:アダプタ、
1d:ボルト止め用孔、1e:磁束、
2:磁気センサ部、
2c:回路用基板、2d:ケーブル、2e:コネクタ、2f:非磁性カバー、
2r:磁気センサ部、
3:ハウジング、3a:コ字型アングル、3b:ボルト止め用孔、3c:ボルト、
12a,12b:ホールIC、
31,32,33,34:ホールIC、
41,42,43,44:ホールIC、
71a:ロータ、71b:シャフト、71c:磁石回転子、
71d:磁石回転子、71e:ロータ、
72m:演算回路、72n:支持部、
72o:支持部、72p:支持部、
73a:ステータ、73b:ステータ用コイル、73c:フレーム、
82a:ホールIC、82b:ホールIC、82c:ホールIC、82d:ホールIC、
1: magnet rotor, 1a: ring-shaped permanent magnet, 1b: soft magnetic ring, 1c: adapter,
1d: bolt fixing hole, 1e: magnetic flux,
2: Magnetic sensor part,
2c: circuit board, 2d: cable, 2e: connector, 2f: non-magnetic cover,
2r: magnetic sensor unit,
3: Housing, 3a: U-shaped angle, 3b: Bolt fixing hole, 3c: Bolt,
12a, 12b: Hall IC,
31, 32, 33, 34: Hall IC,
41, 42, 43, 44: Hall IC,
71a: rotor, 71b: shaft, 71c: magnet rotor,
71d: magnet rotor, 71e: rotor,
72m: arithmetic circuit, 72n: support part,
72o: support part, 72p: support part,
73a: Stator, 73b: Coil for stator, 73c: Frame,
82a: Hall IC, 82b: Hall IC, 82c: Hall IC, 82d: Hall IC,

Claims (3)

N極対の磁極を有する磁石回転子(但し、Nは2以上の整数である。)と、前記磁石回転子から印加される磁束に応じて磁石回転子の回転角度を検出するための4個のホールセンサとを備え、
前記4個のホールセンサは、感磁軸を前記磁石回転子の径方向に向けて配置した第1及び第2の径方向用ホールセンサと、感磁軸を前記磁石回転子の周方向に向けて配置した第1及び第2の周方向用ホールセンサとで構成され、
前記第1の径方向用ホールセンサ及び前記第2の周方向用ホールセンサは、磁石回転子の周方向で(2s−1)×360/(4N)deg.の角度(但し、sは0を含む自然数である。)を為すように設けられ、
前記第2の径方向用ホールセンサ及び前記第1の周方向用ホールセンサは、磁石回転子の周方向で(2s−1)×360/(4N)deg.の角度(但し、sは0を含む自然数である。)を為すように設けられ、
前記第1の径方向用ホールセンサ及び前記第2の周方向用ホールセンサの出力を合成し、前記第2の径方向用ホールセンサ及び前記第1の周方向用ホールセンサの出力を合成することにより、回転角度を検出することを特徴とする回転角度検出装置。
A magnet rotor having N pole pairs of magnetic poles (where N is an integer of 2 or more) and four for detecting the rotation angle of the magnet rotor in accordance with the magnetic flux applied from the magnet rotor With a hall sensor
The four Hall sensors have first and second radial Hall sensors arranged with the magnetic sensitive axes directed in the radial direction of the magnet rotor, and the magnetic sensitive axes directed in the circumferential direction of the magnet rotor. And the first and second circumferential hall sensors arranged
The first radial hall sensor and the second circumferential hall sensor are (2s 1 −1) × 360 / (4N) deg. In the circumferential direction of the magnet rotor. (Where s 1 is a natural number including 0),
The second radial hall sensor and the first circumferential hall sensor are (2s 2 −1) × 360 / (4N) deg. In the circumferential direction of the magnet rotor. (Where s 2 is a natural number including 0),
Synthesizing outputs of the first radial hall sensor and the second circumferential hall sensor, and synthesizing outputs of the second radial hall sensor and the first circumferential hall sensor; A rotation angle detecting device characterized by detecting a rotation angle.
請求項1において、前記第1及び第2の径方向用ホールセンサは磁石回転子の周方向で(2s−1)×360/(4N)deg.の角度(但し、sは0を含む自然数である。)を為すように設けられていることを特徴とする回転角度検出装置。 2. The first and second radial hall sensors according to claim 1 , wherein (2s 3 −1) × 360 / (4N) deg. The rotation angle detecting device is provided so as to make an angle (where s 3 is a natural number including 0). 請求項1または2に記載の回転角度検出装置を備えることを特徴とする回転機。
Rotating machine characterized in that it comprises a rotation angle detection device according to claim 1 or 2.
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