JP5176208B2

JP5176208B2 - 回転角度検出方法および回転角度センサ

Info

Publication number: JP5176208B2
Application number: JP2008273226A
Authority: JP
Inventors: 潤一郎岡本
Original assignee: Asahi Kasei EMD Corp
Current assignee: Asahi Kasei Microdevices Corp
Priority date: 2008-10-23
Filing date: 2008-10-23
Publication date: 2013-04-03
Anticipated expiration: 2028-10-23
Also published as: JP2010101746A

Description

本発明は、回転角度検出方法および回転角度センサに関する。

近年、回転角度の検出に、従来のポテンショメータ等の代替として非接触型の回転角度センサを用いるケースが増えてきている。非接触型の回転角度検出の代表的な手段としては、磁気型のものが種々提供されてきているが、高精度に回転角度検出を行う手段が複雑になり、信号処理のためのシステム又はセンサＩＣが巨大化してしまう問題がある。一方、例えば特許文献１のような構成を用いて被回転角度検出体の回転に伴い正弦波を出力し、その擬似的な直線部分を用いて、複雑な信号処理を用いることなく比較的に精度良く検出できる手段が広く知られている。しかしながら、これらの手段は、磁石等の被回転角度検出体の回転に伴い正弦波状に変動する磁場を磁電変換素子で検出して、正弦波出力の擬似的な直線部分の出力を利用することで回転角度検出を行っているため、正弦波の擬似的な直線部分以上の精度を達成することは困難であった。

また、磁場発生体を回転させずに磁場発生体が発する平行磁場中で磁電変換素子を回転させて正弦波出力を得ることで、回転角度位置を検出する手段もとられている（特許文献２参照）。この手段では、磁電変換素子の温度特性の改善も行うことができる。しかしながら、この手段は、一方の磁電変換素子に必ず被検出体の移動によって変化しない磁場を印加させておく必要があるため、回転角度センサＩＣ等を固定し、被回転角度検出体の発する回転磁場を検出する際には用いることはできない。また、このセンサＩＣ等には通常、少なくとも電力供給用等の配線があるため、回転角度センサ自体を回転させることは故障を招く原因にもなりえる。さらに、特許文献１に記載の技術と同様に、正弦波出力中の擬似的な直線部分を利用するため、高精度に回転角度検出をすることのできる回転角度範囲が狭いといった問題がある。

また、従来の技術では磁石または磁電変換素子の温度特性をそのまま残した出力となってしまっていた。

さらに、磁石または磁電変換素子の温度特性の固体ばらつきを温度補正回路により補正し、回転角度検出の総合的な精度を保つことも難しい課題であった。

回転角度センサの温度特性をキャンセルする方法としては、同じ温度特性を有する正弦波信号と余弦波信号のような位相差を持つ信号を除算し、正接信号または余接信号に変換する方法が周知となっているが、この正接信号または余接信号を角度出力に変換する作業が角度検出精度の劣化を招いたり、回路またはシステムの規模の巨大化を招いていた。

特開２００２−３０３５３６号公報特開２００３−３５５０４号公報

従来知られている磁電変換素子を用いた非接触型の回転角度センサでは、回転角度検出の精度を向上させるために、複雑な演算を行ったり、あらかじめ準備された補正データを用いて検出精度を向上させたりする方法が提案されてきた。しかしながら、このような複雑な演算や表引きを利用した方法では、システム又はセンサＩＣが複雑になり、システム又はセンサＩＣの巨大化やコスト高を招いてきた。

また、一般的に知られている、少なくとも２つ以上の磁電変換素子を用い、被回転検出体の発生する磁場が、回転とともに正弦波状または余弦波状に、２つ以上の磁電変換素子の感磁部に印加されるような構成を用いて、正接演算や逆正接演算から回転角度を算出する方法においては、温度に対してともに同じ比率で変化していく２つ以上の磁電変換素子の出力を用いて角度位置を決定するため、原理的には温度特性が良好になることが知られている。

しかしながら、狭い角度範囲において高精度に回転角度検出を行おうとした場合、上述した、正接演算や逆正接演算から回転角度を算出する方法では、逆正接演算を行うためのデータをあらかじめシステム又はセンサＩＣに持つ必要があり甚だ煩雑になる。

一方、狭い角度範囲の角度検出を行う際には、このような演算を行わずに、上述した被回転角度検出体の発する回転変化に対して、正弦波状または余弦波状に変化する磁場を磁電変換素子によって検出し、そのまま又は増幅器において増幅した後にセンサ出力として出力し、その正弦波の擬似的な直線部分を用いて比較的に精度よく角度検出する方法が知られている。

しかしながら、この方法では、磁電変換素子の出力または被回転角度検出体の発生する磁場の温度特性をもった出力しか得られない。

そこで、本発明の第１の目的は、簡単な構成を用いて、良好な温度特性を実現し、かつ高精度に回転角度を検出する回転角度検出方法を提供することにある。

また、本発明の第２の目的は、良好な温度特性を実現し、かつ高精度に回転角度を検出する簡単な構成の回転角度センサを提供することにある。

このような課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、被回転角度検出体の円周付近に配置された第１の磁電変換素子と、前記第１の磁電変換素子と位相が９０°ずれた位置に配置された第２の磁気変換素子を用いて、前記被回転角度検出体の回転角度を検出する回転角度検出方法において、前記第１および前記第２の磁電変換素子は、ほぼ同一の出力温度特性を有し、前記第１の磁電変換素子が、前記被回転角度検出体の発生する正弦波状に変動する印加磁場を検出するステップと、前記第２の磁電変換素子が、前記被回転角度検出体の発生する余弦波状に変動する印加磁場を検出するステップと、前記第２の磁電変換素子の出力を、予め定めた比率の増幅率で増幅するステップと、前記第１の磁電変換素子の出力と、増幅された前記第２の磁電変換素子の出力との自乗和を演算するステップと、前記第１の磁電変換素子の出力を前記自乗和の平方根で除算するステップと、前記第１の磁電変換素子の出力を前記自乗和の平方根で除算した演算結果の擬似的な直線部分を用いて前記被回転角度検出体の回転角度を検出するステップとを含むことを特徴とする。

また、請求項２に記載の発明は、被回転角度検出体の円周付近に配置された第１の磁電変換素子と、前記第１の磁電変換素子と位相が９０°ずれた位置に配置された第２の磁気変換素子と、前記第１の磁電変換素子と同位相の位置または位相が１８０°ずれた位置に配置された第３の磁電変換素子とを用いて、前記被回転角度検出体の回転角度を検出する回転角度検出方法において、前記第１から前記第３の磁電変換素子は、ほぼ同一の出力温度特性を有し、前記第１の磁電変換素子が、前記被回転角度検出体の発生する正弦波状に変動する印加磁場を検出するステップと、前記第２の磁電変換素子が、前記被回転角度検出体の発生する余弦波状に変動する印加磁場を検出するステップと、前記第２の磁電変換素子の出力を、予め定めた比率の増幅率で増幅するステップと、前記第１の磁電変換素子の出力と、増幅された前記第２の磁電変換素子の出力との自乗和を演算するステップと、前記第３の磁電変換素子の駆動電圧値または駆動電流値を前記自乗和の平方根に反比例して増減させるステップと、前記第３の磁電変換素子の出力の擬似的な直線部分を用いて前記被回転角度検出体の回転角度を検出するステップとを含むことを特徴とする。

また、請求項３に記載の発明は、請求項１または２において、前記予め定めた比率は、目標とする角度検出範囲において、前記擬似的な直線部分からの最大誤差が最小となるように設定されることを特徴とする。

また、請求項４に記載の発明は、請求項１または２において、前記予め定めた比率は、１．２〜１．９倍の範囲であることを特徴とする。

また、請求項５に記載の発明は、被回転角度検出体の円周付近に配置された第１の磁電変換素子と、前記第１の磁電変換素子と位相が９０°ずれた位置に配置された第２の磁気変換素子を用いて、前記被回転角度検出体の回転角度を検出する回転角度センサにおいて、前記第１および前記第２の磁電変換素子は、ほぼ同一の出力温度特性を有し、前記第１の磁電変換素子は、前記被回転角度検出体の発生する正弦波状に変動する印加磁場を検出し、前記第２の磁電変換素子は、前記被回転角度検出体の発生する余弦波状に変動する印加磁場を検出し、前記第２の磁電変換素子の出力を、予め定めた比率の増幅率で増幅する磁電変換素子出力増幅部と、前記第１の磁電変換素子の出力と、増幅された前記第２の磁電変換素子の出力との自乗和を演算する自乗和演算部と、前記第１の磁電変換素子の出力を前記自乗和の平方根で除算する除算演算部と、前記除算演算部の出力の擬似的な直線部分を用いて前記被回転角度検出体の回転角度を検出する回転角度演算部とを備えることを特徴とする。

また、請求項６に記載の発明は、被回転角度検出体の円周付近に配置された第１の磁電変換素子と、前記第１の磁電変換素子と位相が９０°ずれた位置に配置された第２の磁気変換素子と、前記第１の磁電変換素子と同位相の位置または位相が１８０°ずれた位置に配置された第３の磁電変換素子とを用いて、前記被回転角度検出体の回転角度を検出する回転角度センサにおいて、前記第１から前記第３の磁電変換素子は、ほぼ同一の出力温度特性を有し、前記第１の磁電変換素子は、前記被回転角度検出体の発生する正弦波状に変動する印加磁場を検出し、前記第２の磁電変換素子は、前記被回転角度検出体の発生する余弦波状に変動する印加磁場を検出し、前記第２の磁電変換素子の出力を、予め定めた比率の増幅率で増幅する磁電変換素子出力増幅部と、前記第１の磁電変換素子の出力と、増幅された前記第２の磁電変換素子の出力との自乗和を演算する自乗和演算部と、駆動電圧値または駆動電流値を前記自乗和の平方根に反比例して増減させる前記第３の磁電変換素子と、前記第３の磁電変換素子の出力の擬似的な直線部分を用いて前記被回転角度検出体の回転角度を検出する回転角度演算部とを備えることを特徴とする。

また、請求項７に記載の発明は、請求項５または６において、前記予め定めた比率は、目標とする角度検出範囲において、前記擬似的な直線部分からの最大誤差が最小となるように設定されることを特徴とする。

また、請求項８に記載の発明は、請求項５または６において、前記予め定めた比率は、１．２〜１．９倍の範囲であることを特徴とする。

また、請求項９に記載の発明は、請求項５から８のいずれかにおいて、前記第１および第２の磁電変素子は、Ｓｉ基板上に回路集積技術によって他の演算回路とともに互いにごく近傍に作られていることを特徴とする。

また、請求項１０に記載の発明は、請求項５から９のいずれかにおいて、前記第１および第２の磁電変素子は、円形に形成された磁気収束板の円周付近に配置されていることを特徴とする。

本発明によれば、ほぼ同一の出力温度特性を有する磁電変換素子を用い、これらの磁電変換素子の出力に対して所定の演算を行うことにより、複雑で巨大なシステム又はセンサＩＣを用いることなく、良好な温度特性を実現し、かつ高精度に回転角度を検出する回転角度検出方法および回転角度センサを提供することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
（実施形態１）
図１は、実施形態１に係る回転角度検出方法を説明するための図である。回転シャフト４を備えた磁石等の被回転角度検出体３が、回動方向５のいずれかの向きに回転する。回転とともに被回転角度検出体３は正弦波状または余弦波状に変化する磁場を発生する。第１の磁電変換素子１および第２の磁気変換素子２は、被回転角度検出体３の円周付近、より正確には円周上の直下に配置されており、互いに９０°位相がずれている。第１の磁電変換素子１の感磁部には、正弦波状に変動する磁場が印加され、第２の磁電変換素子２の感磁部には、余弦波状に変動する磁場が印加される。

図２は、第１および第２の磁気変換素子の出力に対して演算を行うためのブロック構成図である。図１には示していないが、第１の磁気変換素子１が自乗和演算部９に接続され、第２の磁気変換素子２が磁電変換素子出力増幅部８に接続される。演算の詳細は後述する。

図３は、図１の構成において被回転角度検出体の回転とともに第１よび第２の磁気変換素子から得られる出力を示す図である。一方の磁気変換素子からは正弦波状の出力Ｖ_x１４が、他方の磁気変換素子からは９０°位相のずれた余弦波状の出力Ｖ_y１５が得られる。出力Ｖ_x１４および出力Ｖ_y１５は、次式で表される。

本実施形態では、同一プロセスにより製作された磁電変換素子を用いており出力温度特性が揃っているため、出力温度係数αがほぼ同一である。

ここで、本実施形態に係る回転角度検出方法を説明する。まず、被回転角度検出体３が回転すると、第１の磁電変換素子１が、正弦波状に変動する印加磁場を検出し、第２の磁電変換素子２が、余弦波状に変動する印加磁場を検出する。ついで、第２の磁電変換素子２の出力Ｖ_yが、磁電変換素子出力増幅部８によって、第１の磁電変換素子１の出力Ｖ_xに対して予め定めた比率の増幅率で増幅される。増幅された出力をＶ_y’とする。ついで、自乗和演算部９で、出力Ｖ_xと出力Ｖ_y’の自乗和が演算される。次に、平方根演算部１０において次式で表される平方根演算が行われる。

ついで、この演算結果が、除算演算部１１に伝達され、第１の磁電変換素子１の出力Ｖ_xがｒで除算される。すなわち、Ｖ_out＝Ｖ_x／ｒの演算が行われる。次に、除算演算部１１の出力Ｖ_outが、演算結果増幅部１２に送られて増幅された後に、演算結果出力部１３を通して出力される。最後に、回転角度演算部（図示せず）において、演算結果の擬似的な直線部分を用いて回転角度を演算する。

図４は、予め定めた比率の増幅率が１．３である場合の演算結果を示す図である。この演算結果の擬似的な直線部分１６は、正弦波出力よりも、擬似的な直線部分が広範囲であり、直線性が向上されている。具体的には、擬似的な直線部分１６部分の中心から±５０°範囲において近似直線からの最大誤差が０．０８°程度となっており、直線性の向上が得られている。正弦波出力では、±５０°範囲において２．５°程度の誤差になる。また、第１の磁電変換素子１および第２の磁電変換素子２が同一プロセスにより製作されているので演算結果Ｖ_outからは出力温度係数αが排除され、演算結果は良好な温度特性を持つこととなる。したがって、簡単な構成を用いて、良好な温度特性を実現し、かつ正弦波出力を用いる場合よりも広範囲にわたり高精度に回転角度を検出することが可能となる。

上述の説明では、第２の磁電変換素子２の出力Ｖ_yを、第１の磁電変換素子１の出力Ｖ_xに対して１．３倍で増幅したが、この比率を１．０とすると最終的に得られる演算結果は次式のようになり、温度依存性のない正弦波出力を得ることが可能となる。

なお、第２の磁電変換素子２の出力Ｖ_yを増幅したが、第１の磁電変換素子１の出力Ｖ_xを増幅してもよい。この場合は、除算演算部１１において除算される値は、出力Ｖ_yとなる。

また、予め定めた比率は１．２〜１．９とすることができ、目的とする回転角度の検出範囲によって最適な値が異なる。図６は、任意の角度検出範囲における予め定めた比率と誤差の関係を示す図である。図６に見られるように、測定対象とする角度の範囲によって最適な比率は異なってくる。

また、各演算部は、アナログ回路でもデジタル回路でも実施可能である。

また、図１の代わりに図５に示す構成を用いて回転角度検出を行うこともできる。図５に示す構成では、第１の磁電変素子１および第２の磁電変換素子２が、円形に形成された磁気収束板１７の円周付近に配置されている。磁気集束版１７は磁性体からなり、第１の磁電変換素子１および第２の磁電変換素子２の感磁面に対して、水平な磁場成分を垂直な磁場成分に変換することが可能となる。すなわち、図５において、第１の磁電変換素子１および第２の磁電変換素子２の位置で紙面に対して平行な磁場を磁気収束板１７により、紙面に対して垂直な磁場に変換することができる。したがって、第１の磁電変換素子１および第２の磁電変換素子２の感磁面に対して垂直な磁場成分のみを検出するホール素子などを磁電変換素子に選択する場合に好適である。また、周囲の磁束を集め、磁電変換素子の感磁面に印加される磁束密度を増幅することも可能である。

また、本実施形態に係る回転角度検出方法および回転角度センサは、例えばジョイスティックなどの入力装置の傾斜角度検出、バルブ弁などの開閉角度検出用途に利用可能である。

（実施形態２）
実施形態２に係る回転角度検出方法は、除算演算部１１が実施形態１と異なる。実施形態２では、除算演算部１１の代わりに、第１および第２の磁電変換素子と同一プロセスで製作された第３の磁電変換素子を、実施形態１の除算演算部１１において除算対象である第１の磁電変換素子と同位相の位置または第１の磁電変換素子と１８０°位相のずれた出力を得ることができる位置に別途設ける。第３の磁電変換素子の駆動電圧値または駆動電流値を平方根演算部１０の出力ｒに反比例して増減させて、第３の磁電変換素子の出力を得ることで、第１〜第３の磁電変換素子の温度特性をキャンセルし、実施形態１と同様の効果を得ることができる。

なお、実施形態１で述べたのと同様に種々の変形形態が考えられる。

実施形態１に係る回転角度検出方法を説明するための図である。第１および第２の磁気変換素子の出力に対して演算を行うためのブロック構成図である。図１の構成において被回転角度検出体の回転とともに第１よび第２の磁気変換素子から得られる出力を示す図である。実施形態１において予め定めた比率の増幅率が１．３である場合の演算結果を示す図である。実施形態１の変形形態を説明するための図である。実施形態１において予め定めた比率と誤差の関係を示す図である。

符号の説明

１第１の磁電変換素子
２第２の磁電変換素子
３被回転角度検出体
４回転シャフト
５回動方向
８磁電変換素子出力増幅器
９自乗和演算部
１０平方根演算部
１１除算演算部
１２演算値増幅器
１３演算結果出力部
１４第１の磁電変換素子の出力
１５第２の磁電変換素子の出力
１６演算結果の擬似的な直線部分
１７磁気収束板

Claims

被回転角度検出体の円周付近に配置された第１の磁電変換素子と、前記第１の磁電変換素子と位相が９０°ずれた位置に配置された第２の磁気変換素子を用いて、前記被回転角度検出体の回転角度を検出する回転角度検出方法において、
前記第１および前記第２の磁電変換素子は、ほぼ同一の出力温度特性を有し、
前記第１の磁電変換素子が、前記被回転角度検出体の発生する正弦波状に変動する印加磁場を検出するステップと、
前記第２の磁電変換素子が、前記被回転角度検出体の発生する余弦波状に変動する印加磁場を検出するステップと、
前記第２の磁電変換素子の出力を、予め定めた比率の増幅率で増幅するステップと、
前記第１の磁電変換素子の出力と、増幅された前記第２の磁電変換素子の出力との自乗和を演算するステップと、
前記第１の磁電変換素子の出力を前記自乗和の平方根で除算するステップと、
前記第１の磁電変換素子の出力を前記自乗和の平方根で除算した演算結果の擬似的な直線部分を用いて前記被回転角度検出体の回転角度を検出するステップと
を含むことを特徴とする回転角度検出方法。
被回転角度検出体の円周付近に配置された第１の磁電変換素子と、前記第１の磁電変換素子と位相が９０°ずれた位置に配置された第２の磁気変換素子と、前記第１の磁電変換素子と同位相の位置または位相が１８０°ずれた位置に配置された第３の磁電変換素子とを用いて、前記被回転角度検出体の回転角度を検出する回転角度検出方法において、
前記第１から前記第３の磁電変換素子は、ほぼ同一の出力温度特性を有し、
前記第１の磁電変換素子が、前記被回転角度検出体の発生する正弦波状に変動する印加磁場を検出するステップと、
前記第２の磁電変換素子が、前記被回転角度検出体の発生する余弦波状に変動する印加磁場を検出するステップと、
前記第２の磁電変換素子の出力を、予め定めた比率の増幅率で増幅するステップと、
前記第１の磁電変換素子の出力と、増幅された前記第２の磁電変換素子の出力との自乗和を演算するステップと、
前記第３の磁電変換素子の駆動電圧値または駆動電流値を前記自乗和の平方根に反比例して増減させるステップと、
前記第３の磁電変換素子の出力の擬似的な直線部分を用いて前記被回転角度検出体の回転角度を検出するステップと
を含むことを特徴とする回転角度検出方法。
前記予め定めた比率は、目標とする角度検出範囲において、前記擬似的な直線部分からの最大誤差が最小となるように設定されることを特徴とする請求項１または２に記載の回転角度検出方法。
前記予め定めた比率は、１．２〜１．９倍の範囲であることを特徴とする請求項１または２に記載の回転角度検出方法。
被回転角度検出体の円周付近に配置された第１の磁電変換素子と、前記第１の磁電変換素子と位相が９０°ずれた位置に配置された第２の磁気変換素子を用いて、前記被回転角度検出体の回転角度を検出する回転角度センサにおいて、
前記第１および前記第２の磁電変換素子は、ほぼ同一の出力温度特性を有し、
前記第１の磁電変換素子は、前記被回転角度検出体の発生する正弦波状に変動する印加磁場を検出し、
前記第２の磁電変換素子は、前記被回転角度検出体の発生する余弦波状に変動する印加磁場を検出し、
前記第２の磁電変換素子の出力を、予め定めた比率の増幅率で増幅する磁電変換素子出力増幅部と、
前記第１の磁電変換素子の出力と、増幅された前記第２の磁電変換素子の出力との自乗和を演算する自乗和演算部と、
前記第１の磁電変換素子の出力を前記自乗和の平方根で除算する除算演算部と、
前記除算演算部の出力の擬似的な直線部分を用いて前記被回転角度検出体の回転角度を検出する回転角度演算部と
を備えることを特徴とする回転角度センサ。
被回転角度検出体の円周付近に配置された第１の磁電変換素子と、前記第１の磁電変換素子と位相が９０°ずれた位置に配置された第２の磁気変換素子と、前記第１の磁電変換素子と同位相の位置または位相が１８０°ずれた位置に配置された第３の磁電変換素子とを用いて、前記被回転角度検出体の回転角度を検出する回転角度センサにおいて、
前記第１から前記第３の磁電変換素子は、ほぼ同一の出力温度特性を有し、
前記第１の磁電変換素子は、前記被回転角度検出体の発生する正弦波状に変動する印加磁場を検出し、
前記第２の磁電変換素子は、前記被回転角度検出体の発生する余弦波状に変動する印加磁場を検出し、
前記第２の磁電変換素子の出力を、予め定めた比率の増幅率で増幅する磁電変換素子出力増幅部と、
前記第１の磁電変換素子の出力と、増幅された前記第２の磁電変換素子の出力との自乗和を演算する自乗和演算部と、
駆動電圧値または駆動電流値を前記自乗和の平方根に反比例して増減させる前記第３の磁電変換素子と、
前記第３の磁電変換素子の出力の擬似的な直線部分を用いて前記被回転角度検出体の回転角度を検出する回転角度演算部と
を備えることを特徴とする回転角度センサ。
前記予め定めた比率は、目標とする角度検出範囲において、前記擬似的な直線部分からの最大誤差が最小となるように設定されることを特徴とする請求項５または６に記載の回転角度センサ。
前記予め定めた比率は、１．２〜１．９倍の範囲であることを特徴とする請求項５または６に記載の回転角度センサ。
前記第１および第２の磁電変素子は、Ｓｉ基板上に回路集積技術によって他の演算回路とともに互いにごく近傍に作られていることを特徴とする請求項５から８のいずれかに記載の回転角度センサ。