(57)【要約】【課題】高精度で信頼性が高く、小型化が容易な角度検出装置を提供する。【解決手段】互いに直交するように配置された少なくとも１対のホール素子１１，１２からの出力により表現されるベクトルを用いて、ホール素子の磁界に対する相対的な回転角度を求めるに際し、ホール素子１１，１２の駆動方向をスイッチ手段既定の周波数で切替えると共にホール素子１１，１２の２対の出力を既定の周波数で切替えて取出し更に該取出した信号の符号を既定の周波数で反転させて対をなすホール素子出力信号を取得し、該取得した信号に△Σ変調器５０，６０で△Σ変調を施し、該△Σ変調された信号から位相同期回路２００を通して種々のオフセットを除去した角度データを取り出す。【選択図】図１
2010217151.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに直交する向きに配置された少なくとも１対のホール素子からの出力信号を入力し、磁界中における基準位置からの回転角変位に応じた値を出力する角度検出装置であって、
クロック信号に同期して、前記ホール素子の駆動電流の端子と出力端子とを交互に切り替えて後段側に接続すると共に前記ホール素子の駆動電流の方向を切り替える第１スイッチ回路部と、
前記クロック信号に同期して、前記第１スイッチ回路部から出力されるホール素子の出力信号の符号を切り替える第２スイッチ回路部と、
前記第２スイッチ回路部からの出力信号を△Σ変調する△Σ変調部と、
複数の角度に対応する正弦および余弦が記憶された記憶部と、
前記△Σ変調部の出力信号と前記記憶部から出力される所定の正弦および余弦とに基づく信号から低域通過特性を有するループフィルタによって高周波成分を除去した後に時間積分して得られる角度信号を前期記憶部に供給する角度検出ループ部と、
を備えたことを特徴とする角度検出装置。
【請求項２】
互いに直交する向きに配置された少なくとも１対のホール素子からの出力により表現されるベクトルを用いて、前記ホール素子の磁界に対する相対的な回転角度を求める角度検出方法であって、
前記ホール素子の駆動方向を既定の周波数で切替えると共に前記ホール素子の２対の出力を前記既定の周波数で切替えて取出し更に該取出した信号の符号を前記既定の周波数で反転させて対をなすホール素子出力信号を取得するスイッチングステップと、
前記スイッチングステップで取得したホール素子出力信号に対して、適用するオペアンプの反転入力端子および非反転入力端子に各供給する両入力信号の対応関係を前記既定の周波数で相互に切り替えると共に前記オペアンプの非反転出力端子および反転出力端子から各取出す両出力信号の対応関係を前記既定の周波数で相互に切り替えるようにしつつ前記オペアンプと所定のコンデンサによって当該入力信号を積分した値を時系列に量子化するようにして△Σ変調を施す△Σ変調ステップと、
前記対をなすホール素子出力信号の位相差に対応する角度データθと、予め保持している角度データθnとの間の角度誤差（θ−θn）を算出すると共に該算出した角度誤差に含まれる高周波成分をループフィルタで除去し、該角度誤差の値に応じてカウンタ値を増減する制御を行うことによって、前記角度データθを検出する閉ループ位相同期ステップと
を含むことを特徴とする角度検出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は互いに直交する向きに配置された少なくとも２個のホール素子からの出力信号を受けて、磁界中における基準位置からの回転角変位に応じた値を出力する角度検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
モータの回転軸やサーボ機構中の回転体の回転角度を測定するための装置として、従来よりレゾルバが用いられている。周知のとおり、レゾルバは、ローターコイルとステーターコイルを有し、ステーターコイルに励磁電流を流したときに両コイル間の相対的な回転角度に応じてローターコイルに誘起する電圧をＲＤ（レゾルバデジタル）変換ＩＣで信号変換することによって回転角のデジタル信号を得ている。
【０００３】
レゾルバは、そのローターコイルおよびステーターコイルの巻き線数を多くすることにより電磁誘導効果を向上させているため、回転角度検出の感度が高い。レゾルバは、一般に、堅牢なハウジングにコイルを収納した構造をとり、高温環境でも使用できるという優れた耐環境性を持ったデバイスである。
しかし、レゾルバはその製造過程で、精密にコイルを巻く必要があるため、低コスト化が困難であり、また、ローターコイルおよびステーターコイルの巻き数を多くする必要性から、小型化、省スペース化、低コスト化の点では不利である。
【０００４】
また、レゾルバはコイルと上述のＲＤ変換ＩＣ間を接続するための配線が必要であり、この配線が断線する虞がある。このため、レゾルバのコイルとＲＤ変換ＩＣ間の配線の断線を検出するための技術も提案されている（例えば、特許文献１参照）。
一方、ＲＤ変換ＩＣは、一般に、抵抗、コンデンサといった多くの外付け部品を必要とするものが多い（例えば、非特許文献１参照）。
【０００５】
他方、レゾルバを用いない非接触回転角度検出装置では、磁石とホール素子等の磁気センサを用いて回転角度を検出する方式のものがある。これは、磁石が作る磁界内に、２つの磁気センサを互い直交する向きに配置し、該２つの磁気センサから得られるホール素子出力信号に基づいて磁石の回転角度を求める。
磁石とホール素子を用いて回転角度を検出する方式の回転角度検出装置では、レゾルバを用いた非接触回転角度センサによる回転角度検出装置と比較して、小型化、省スペース化、低コスト化を実現でき、また、組み立て、実装がしやすいという利点がある。
【０００６】
しかし、ホール素子出力信号には、製造ばらつきによるオフセットが存在し、さらに非接触回転角度検出用ＩＣ中のアナログ回路部においてもオフセットが存在している。従って、このホール素子出力信号のオフセット及びアナログ回路部におけるオフセットが出力信号である角度検出値に誤差を生ずる。
角度検出信号に含まれる上述のような種々のオフセットのうち、ホール素子出力信号のオフセットを除去する技術はよく利用されている。これは、２つのホール素子の検出出力を、クロック信号で変調して、位相が反転した２相の信号として取り出し、該変調信号に対し復調をかけると、オフセット成分が相対的に高周波数側に分離するので、ローパスフィルタでこのオフセット成分を除去するといった技術である（例えば、非特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０００−１３１０９６号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】アナログデバイセズ製  RD変換IC  AD2S83 データシート（ANALOG DEVICES Variable Resolution Resolver-to-Digital Converter AD2S83）
【非特許文献２】R S Popovic著    Hall Effect Devices (ISBN-10:0750300965 Inst of Physics Pub Inc (1991/05)刊
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、上述のような非特許文献２所載の方法では、非接触回転角度検出用ＩＣ中のアナログ回路全体のオフセットを除去することはできず、角度の検出出力に誤差を生ずる。そのため、角度の高精度化と小型化を同時に実現するために、ホール素子出力信号のオフセット及びアナログ回路全体のオフセットを、回路規模を大きくすることなく効率的に除去する方法が課題となっている。
本発明は上述のような従来の技術課題に鑑みてなされたものであり、ホール素子出力信号のオフセットのみならずアナログ回路全体のオフセットを、回路規模を大きくすることなく効率よく除去して、高精度で信頼性が高く、小型化が容易な角度検出装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上述のような課題を解決するべく、本発明の角度検出装置は次のような構成を有する。
（１）互いに直交する向きに配置された少なくとも１対のホール素子からの出力信号を入力し、磁界中における基準位置からの回転角変位に応じた値を出力する角度検出装置であって、
クロック信号に同期して、前記ホール素子の駆動電流の端子と出力端子とを交互に切り替えて後段側に接続すると共に前記ホール素子の駆動電流の方向を切り替える第１スイッチ回路部と、
前記クロック信号に同期して、前記第１スイッチ回路部から出力されるホール素子の出力信号の符号を切り替える第２スイッチ回路部と、
前記第２スイッチ回路部からの出力信号を△Σ変調する△Σ変調部と、
複数の角度に対応する正弦および余弦が記憶された記憶部と、
前記△Σ変調部の出力信号と前記記憶部から出力される所定の正弦および余弦とに基づく信号から低域通過特性を有するループフィルタによって高周波成分を除去した後に時間積分して得られる角度信号を前期記憶部に供給する角度検出ループ部と、
を備えたことを特徴とする角度検出装置。
【００１１】
上記（１）の角度検出装置では、互いに直交する向きに配置された少なくとも１対のホール素子からの出力信号を入力し、磁界中における基準位置からの回転角変位に応じた値を出力する。この場合、上記ホール素子の磁界中における基準位置からの回転角は、当該磁界（磁束）の方向との相対的角度であり、従って、静止した（例えば１対の）ホール素子に対して磁界側が回転変位する態様をとり得る。
【００１２】
第１スイッチ回路部が、クロック信号に同期して、前記ホール素子の駆動電流の端子と出力端子とを交互に切り替えて後段側に接続すると共に前記ホール素子の駆動電流の方向を切り替える。
また、第２スイッチ回路部が、前記クロック信号に同期して、前記第１スイッチ回路部から出力されるホール素子の出力信号の符号を切り替える。
【００１３】
また、△Σ変調部では、前記第２スイッチ回路部からの出力信号を△Σ変調する。
一方、記憶部が、複数の角度に対応する正弦および余弦の値を記憶保持している。
更に、角度検出ループ部が、前記△Σ変調部の出力信号と前記記憶部から出力される所定の正弦および余弦とに基づく信号から、低域通過特性を有するループフィルタによって高周波成分を除去した後に時間積分して得られる角度信号を前期記憶部に供給する。
尚、上記のクロック信号としては、図５を参照して後述するようなチョッパークロック信号を適用可能である。
【発明の効果】
【００１４】
ホール素子、ΔΣ変調器、チョッパークロック信号に同期したスイッチ回路によって、ホール起電力信号のオフセット及び非接触回転角度検出用ＩＣ中のアナログ回路全体のオフセットをチョッパークロック信号の周波数に変調し、後段の位相同期回路に内蔵されるループフィルタによって、新たにオフセットを除去する回路を設けることなく、変調されたオフセットを効率的に除去することができる。
同時にΔΣ変調器に入力される信号がチョッパークロック信号によって変調された信号であるため、ΔΣ変調器からのパターンノイズの発生を抑制することができる。
【００１５】
さらにΔΣ変調器で発生するノイズシェーピングされた量子化ノイズを、後段の位相同期回路に内蔵されるループフィルタによって、新たに量子化ノイズを低減させるための回路を設けることなく、効率的に低減することができる。
つまり、ホール素子、ΔΣ変調器、チョッパークロック信号に同期したスイッチ回路、ループフィルタを内蔵した位相同期回路を用いることによって、角度誤差の原因となる全てのオフセット及びノイズを、ＩＣの面積を増やすことなく効率的に除去もしくは低減し、高精度で信頼性が高く、小型化が容易な角度検出装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施の形態としての角度検出装置を表すブロック図である。
【図２】図１の角度検出装置を適用した非接触回転角度センサの構成を表す図である。
【図３】図１中の１対のホール素子による各ホール素子出力信号とこれによって検出される回転角度θとの関係を表すベクトル図である。
【図４】チョッパークロック信号ＣＣに同期してホール素子の駆動電流を変化させた場合にホール素子出力信号がホール素子の出力端子間に生起する様子を表す図である。
【図５】チョッパークロック信号ＣＣとホール素子出力信号との関係を表すタイミングチャートである。
【図６】図１中の△Σ変調器の構成例を表すブロック図である。
【図７】△Σ変調器によるノイズシェーピング効果の図である。
【図８】図１の角度検出装置の前段であるホール素子、および、角度検出装置のうちのアナログ回路の具体例を示す図である。
【図９】図８の△Σ変調器に供給されるサンプリングクロック信号を表す図である。
【図１０】ホール起電力信号およびアナログ回路のオフセットの除去、パターンノイズの除去、量子化ノイズの低減化について説明するための図である。
【図１１】パターンノイズ発生の抑制効果に関するシミュレーション結果（チョッパークロック信号による変調を伴わない場合）を表す図である。
【図１２】パターンノイズ発生の抑制効果に関するシミュレーション結果（チョッパークロック信号による変調を伴う場合）を表す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について詳述することにより本発明を明らかにする。
図１は、本発明の実施の形態としての角度検出装置を表すブロック図である。互いに直交する向きに配置された１対のホール素子１１および１２の出力が各対応する第１スイッチ回路部１３および１４に供給されるように接続されている。
ホール素子１１は通常の如く２対の端子を有する素子であり、仮想平面内に設定した直交する２軸であるＸ軸およびＹ軸のうちＸ軸に沿うように配設されている。このため、以下、適宜、ホール素子１１をＸホール素子と称呼する。
【００１８】
また、ホール素子１２も通常の如く２対の端子を有する素子であり、上述のＸ軸およびＹ軸のうちＹ軸に沿うように配設されている。このため、以下、適宜、ホール素子１２をＹホール素子と称呼する。
更に、上記に伴い、Ｘホール素子１１に対応する第１スイッチ回路部１３を、以下、適宜、Ｘチャンネル側第１スイッチ回路部と称呼する。
同様に、Ｙホール素子１２に対応する第１スイッチ回路部１４を、以下、適宜、Ｙチャンネル側第１スイッチ回路部と称呼する。
【００１９】
第１スイッチ回路部１３および１４の出力は各対応するプリアンプ１５および１６を通して、各対応する第２スイッチ回路部１７および１８に供給される。
これら第２スイッチ回路部１７および１８についても、第１スイッチ回路部１３および１４について上述したところと同様に、以下、適宜、Ｘチャンネル側第２スイッチ回路部およびＹチャンネル側第２スイッチ回路部と称呼する。
第２スイッチ回路部１７および１８の出力は各対応する△Σ変調器５０および６０に供給される。
【００２０】
△Σ変調器５０および６０についても、以下、適宜、△Σ変調器５０をＸチャンネル側△Σ変調器と称呼し、同様に、△Σ変調器６０をＹチャンネル側△Σ変調器と称呼する。
△Σ変調器５０および６０の出力は、各対応する乗算器２１および２２に供給され、更に、これら乗算器２１および２２の各出力が減算器２３に供給されて、両乗算器２１および２２の各出力の差分の出力を得るように構成されている。尚、これら乗算器２１および２２、ならびに、減算器２３を含んで、位相誤差検出回路２０が構成されている。
【００２１】
減算器２３の出力が、低域通過特性を有するループフィルタ２４を介して、ＤＣＯ（Digitally Controlled Oscillator）２５に供給される。
ＤＣＯ２５の出力は、正負の符号を持った出力であり、次段のカウンタ２６でこのＤＣＯ２５の出力を常時計数している。
カウンタ２６の計数出力は測定対象である角度と相関を有する角度θｎの値であり、この角度θｎに対応する正弦および余弦の出力を得る記憶部２７および２８に供給される。本例の場合、記憶部２７は、入力された角度（データ）θｎに対応する正弦関数の値を出力する信号変換部を成し、記憶部２８は、入力された角度データに対応する余弦関数の値を出力する信号変換部を成している。これら記憶部２７および２８は入力側に供給された種々の角度（データ）θｎに対応してそれらデータの三角関数の値に相応する出力データの関係を設定したテーブルデータを保有するＲＯＭとして構成され得る。
記憶部２７の出力は乗算器２１に供給され、記憶部２８の出力は乗算器２２に供給される。
【００２２】
以上の構成において、第１スイッチ回路部１３および１４、第２スイッチ回路部１７および１８、ならびに、△Σ変調器５０および６０には、チョッパークロック生成回路３００からのチョッパークロック信号ＣＣが各供給されて、後述するスイッチング動作が実行される。また、△Σ変調器５０および６０には、サンプリングクロック生成回路４００からのサンプリングクロック信号ＳＣも供給されて、後述する△Σ変調動作が実行される。
【００２３】
また、本例では、上述の第１スイッチ回路部１３および１４、プリアンプ１５および１６、第２スイッチ回路部１７および１８、ならびに、△Σ変調器５０および６０を含んで、アナログ回路部１００が構成されている。更に、図示の装置の場合は、１対のホール素子１１および１２は静止しており、これらに交差する磁界側が相対的に移動する方式を採っているため、これらホール素子１１および１２もアナログ回路部１００内に設けられている。
更にまた、位相誤差検出回路２０、ループフィルタ２４、ＤＣＯ２５、カウンタ２６、記憶部２７および２８を含んで、デジタル回路部である位相同期回路２００が構成されている。
【００２４】
図２は、図１の角度検出装置を適用した非接触回転角度センサの構成を表す図である。図２におけるＩＣパッケージ１内に図１の角度検出装置の回路が収められている。このＩＣパッケージ１の上面に一定の間隔でモータの出力軸２の端部に同軸に取り付けた円盤状の永久磁石３が近接対抗する関係で位置している。
互いに直交する向きに配置された１対のホール素子１１および１２はＩＣパッケージ１内に、既述のように、静止して配置されているのに対し、モータの出力軸２と一体的に回転する永久磁石３による磁界が相対的に移動する。
【００２５】
図３は、１対のホール素子１１および１２による上述の各ホール素子出力信号ＶｘおよびＶｙと、これによって検出される回転角度θとの関係を表すベクトル図である。Ｘホール素子１１およびＹホール素子１２は、既述のように互いに直交する向きに配置された位置関係で図２のＩＣパッケージ１内に配置され、円盤状の永久磁石３による回転磁界中にあって、それぞれホール素子出力信号をその１対の検出出力端子に生起する。
Ｘホール素子１１およびＹホール素子１２によるホール素子出力信号ＶｘおよびＶｙは
【００２６】
【数１】
2010217151.tif 000003
【００２７】
【数２】
2010217151.tif 000004
である。ここでＡはホール素子の感度である。
【００２８】
図４は、チョッパークロック信号ＣＣに同期してホール素子の駆動電流を変化させた場合にホール素子出力信号がホール素子の出力端子間に生起する様子を表す図である。
図４（ａ）は、チョッパークロック信号ＣＣの一の半周期毎の位相（位相１）における駆動電流の方向とホール素子出力信号の方向とを示す図であり、図４（ｂ）は、チョッパークロック信号ＣＣの他の半周期毎の位相（位相２）における駆動電流の方向とホール素子出力信号の方向とを示す図である。何れの場合も磁界はシンボルで示したように紙面に垂直で後方に抜ける向きであると想定している。
【００２９】
図４（ａ）および図４（ｂ）を対比して明らかな如く、位相１においては、ホール素子の２対の端子のうちの一方の１対の端子に駆動電流を流し他の１対の端子からホール素子出力信号Ｖ１を得る。また、位相２においては、ホール素子の２対の端子のうちの他方の１対の端子に駆動電流を流して一方の１対の端子からホール素子出力信号Ｖ２を得る。このとき、位相１における駆動電流の方向と位相２おける駆動電流の方向とは図示のとおり相互に直角をなす関係になる。ホール素子によるホール素子出力信号V１およびV２は位相の切替わりに同期して、第１スイッチ回路部１３および１４によって交互に後段の回路である各対応するプリアンプ１５および１６に供給される。
【００３０】
図４（ａ）および図４（ｂ）を参照して説明した駆動電流とホール素子出力信号との関係は、換言すれば、第１スイッチ回路部によって、チョッパークロック信号ＣＣに同期して、ホール素子の駆動電流の端子と出力端子とを交互に切り替えて後段側に接続すると共にこのホール素子の駆動電流の方向を切り替えるということである。
図５は、チョッパークロック信号ＣＣとホール素子出力信号との関係を表すタイミングチャートである。図５（ａ）は周波数fcのチョッパークロック信号ＣＣを表し、図５（ｂ）はホール素子出力信号を表している。
【００３１】
ホール素子出力信号の正負は、駆動電流の方向に依存しているため、チョッパークロック信号ＣＣの周波数fcで変調されるのに対し、ホール素子出力信号のオフセットは駆動電流の向きに依存しないため、直流成分となる。そのため、図５（ｂ）のように、位相１ではV1=VHall + Voff、位相２ではV2=−VHall + Voffとなる。この信号を復調する際に、ホール起電力信号のオフセットは変調されるため、後段にローパスフィルタを設けることによって、ホール起電力信号のオフセットを除去することが可能となる。
【００３２】
ここで説明を図１に戻す。Ｘホール素子１１の系統では、Ｘチャンネル側第１スイッチ回路部１３によって、チョッパークロック信号ＣＣに同期して、ホール素子の駆動電流の端子と出力端子とを交互に切り替えて後段側のプリアンプ１５に接続すると共にこのホール素子の駆動電流の方向を切り替える。
Ｙホール素子１２の系統についても同様に、Ｙチャンネル側第１スイッチ回路部１４によって、チョッパークロック信号ＣＣに同期して、ホール素子の駆動電流の端子と出力端子とを交互に切り替えて後段側のプリアンプ１６に接続すると共にこのホール素子の駆動電流の方向を切り替える。
【００３３】
プリアンプ１５の出力信号はＸチャンネル側第２スイッチ回路部１７に供給されて、チョッパークロック信号ＣＣに同期して、該出力信号の符号が切替えられる。この切替えは、前段のＹチャンネル側第１スイッチ回路部１４における変調に対応する復調である。この復調に際して、前段で変調されていたホール素子出力信号が復調される一方、Ｘホール素子１１に関するオフセットおよびプリアンプ１５のオフセットについては、チョッパークロック信号ＣＣ周波数fcで変調がかけられる。
【００３４】
プリアンプ１６の出力信号についても、その出力信号はＹチャンネル側第２スイッチ回路部１８に供給されて、チョッパークロック信号ＣＣに同期して、該出力信号の符号が切替えられる。Ｘチャンネル側におけると同様に、前段で変調されていたホール素子出力信号が復調される一方、Ｙホール素子１２に関するオフセットおよびプリアンプ１６のオフセットについては、チョッパークロック信号ＣＣ周波数fcで変調がかけられる。
【００３５】
上述のようなＸチャンネル側第２スイッチ回路部１７の出力信号およびＹチャンネル側第２スイッチ回路部１８の出力信号が、各対応する△Σ変調器５０および６０に入力される。既述のように△Σ変調器５０および６０ではチョッパークロック生成回路３００からのチョッパークロック信号ＣＣおよびサンプリングクロック生成回路４００からのサンプリングクロック信号ＳＣが供給され、上記入力された信号に対し△Σ変調をかける。
【００３６】
図６は、△Σ変調器５０および６０の構成例である１次の△Σ変調器を表すブロック図である。この△Σ変調器に改めて参照符号６０を附す。この△Σ変調器６０は、アナログ信号の入力部の加算器６１、この加算器６１の出力を積分する積分器６２、積分器６２の出力を量子化する量子化器６３、および、量子化器６３の出力を入力側の加算器６１にフィードバックするループ中に介挿されたデジタルアナログ変換器６４を含んで構成されている。
図６の△Σ変調器６０は、入力をVin(z)、出力をVout(z)、量子化ノイズをE(z)としたとき、以下の（３）式で表される。
【００３７】
【数３】
2010217151.tif 000005
【００３８】
即ち、量子化ノイズに関する伝達関数は（1− z−1）となる。この量子化ノイズに関する伝達関数を周波数に関する式に変換した上、さらにk次の△Σ変調器にまで拡張すると次の（４）式となる。
【００３９】
【数４】
2010217151.tif 000006
【００４０】
ここでfsは、既述のとおり、△Σ変調器のサンプリング周波数である。ここで振幅の大きさに注目すると、（４）式の大きさは、次の（５）式で表される。
【００４１】
【数５】
2010217151.tif 000007
【００４２】
この（５）式から、量子化ノイズは、周波数が高いほうへシェーピングされることがわかる。
図７は、△Σ変調器によるノイズシェーピング効果の図である。ノイズシェーピング効果を考慮しない場合には、量子化ノイズは、破線図示のように、低周波域から高周波域まで略一様に分布する。これに対しノイズシェーピング効果を考慮した場合の量子化ノイズは、実線図示のように、高周波域に向けて漸増する特性を有し、低周波域ではそのレベルが低い。従って、実線図示のようなローパスフィルタを適用して大部分の量子化ノイズを除くことができる。図７では、上述のようにノイズシェーピング効果によって低減させることのできる量子化ノイズの部分にハッチングを施して示してある。
【００４３】
更に、△Σ変調器の後段に接続された位相同期回路部２００には、ローパスフィルタの特性を有するループフィルタ２４が備えられているため、他に別段のフィルタを設けることなく量子化ノイズを効率よく除去することができる。
ここで再び説明を図１に戻し、位相同期回路２００について次に詳述する。位相同期回路２００に入力される信号は、△Σ変調器５０および６０の出力信号であるs１およびｓ２、ならびに、デジタル角度出力θｎがある。また、記憶部２７および２８の出力であるｓｉｎθｎおよびｃｏｓθｎがある。これらの信号は位相誤差検出回路２０の乗算器２１および２２に供給される。これら乗算器２１および２２で上述の各対応する入力信号が乗算され、次の（６）式および（７）式によって表される信号s３およびｓ４を得る。
【００４４】
【数６】
2010217151.tif 000008
【００４５】
【数７】
2010217151.tif 000009
【００４６】
ここでαはプリアンプ１５及びプリアンプ１６の信号増幅率である。これらs３およびｓ４は減算器２３に供給されてそれらの差分である（８）式によって表される信号ｓ５を得る。
【００４７】
【数８】
2010217151.tif 000010
【００４８】
上述のようにして△Σ変調器５０および６０の出力信号から位相誤差検出回路２０を通して信号ｓ５を得る場合には、次のような利点がある。
S1=Aαcosθ、および、S2=Aαsinθは、△Σ変調器５０および６０によって＋１および−１の符号付１ビット信号に変換された信号である。そのためS5は、S1及びS2の正負４パターンの組み合わせによって、以下の（９）式で表される。
【００４９】
【数９】
2010217151.tif 000011
【００５０】
（９）式から、位相誤差検出回路の出力信号S5は、ディジタル角度出力θnを、記憶部２７および２８に通して得られるsinθn及びcosθnの加減算回路で取得できる。
従って、本発明のように△Σ変調器５０および６０と位相同期回路２００（その位相誤差検出回路２０）を組み合わせることにより、位相誤差検出回路は加減算回路で実現でき、位相誤差検出回路の回路規模を小さくすることが可能となる。
また、本実施の形態では、位相誤差検出回路２０の後段のループフィルタ２４が重要な機能を担っている。
【００５１】
ループフィルタ２４は、ローパスフィルタ特性を持つフィルタ回路であり、このループフィルタ２４の周波数特性によって、非接触回転角度センサ用ＩＣである本角度検出装置の応答特性が決定される。ループフィルタ２４から出力されるＤＣＯ制御信号ωは、ＤＣＯ（Digitally Controlled Oscillator）回路２５を制御するために使用される。このＤＣＯ回路２５では、時刻tのとき、時刻t以前のサンプリング時間に得られたωの値がカウンタ２６で積算されてディジタル角度出力θnが得られる。
既述のように、記憶部２７および記憶部２８では、それぞれ、θnに対する正弦と余弦の値を保持しており、これらの値sinθn及びcosθnを、位相誤差検出回路２０にフィードバックしている。上述のような構成をとることで、回転角度検出を実現することができる。
【００５２】
一般に角度センサとしての非線形性は、位相誤差検出回路の非線形性によって劣化することが多い。これは、従来の位相誤差検出回路ではＤＡＣ（デジタルアナログ変換器）が用いられているため、このＤＡＣの非線形性が角度出力に大きく影響してしまうためである。そのため、位相誤差検出回路におけるＤＡＣは高い線形性が要求され、この要求を満たすためにはマッチングの優れた抵抗アレイやコンデンサアレイを必要とする。従って、回路規模も大きく、低コスト化が困難であった。本発明では、角度センサの非線形性に大きく影響する位相誤差検出回路を加減算回路に置き換えられるため、回路規模を大きくすることなく、高い検出精度を得ることができる。
【００５３】
次にホール素子出力信号のオフセット、プリアンプのオフセット及び△Σ変調器のオフセットがチョッパークロック周波数fcに変調されることについて、図８を参照して詳細に説明する。
図８は、図１の角度検出装置の前段であるホール素子、および、角度検出装置のうち既述のアナログ回路の具体例を示す図である。尚、図８では既述の位相同期回路については一つのブロックとしてのみ示してあるが、この部分に関する開示は図１におけるものを援用する。また、図８においては、△Σ変調器に関して、図１における参照符号５０および６０に替えて５００および６００を附している。
【００５４】
先ず、Ｘホール素子１１に関するスイッチング動作について説明する。Ｘホール素子１１の出力信号は、対応する第１スイッチ回路部１３で、既述のようにチョッパークロック信号ＣＣに同期して２対の端子うちの１対の端子からの出力が交互に切替えて導出され、プリアンプ１５に供給される。
プリアンプ１５の出力は、第２スイッチ回路部１７で、チョッパークロック信号ＣＣに同期して極性が反転するようにして切替えて出力され、従って、前段の第１スイッチ回路部１３で受けた変調が、この第２スイッチ回路部１７で復調される。
【００５５】
上述のように第１スイッチ回路部でホール素子の出力信号に変調を与え、これを第２スイッチ回路部で復調する作用については、Ｙホール素子１２に関するスイッチング動作についても同様である。
Ｘホール素子１１からの出力信号およびＹホール素子１２からの出力信号Vx,Vyは、オフセットがある場合、次の（１０）式および（１１）式で表される。
【００５６】
【数１０】
2010217151.tif 000012
【００５７】
【数１１】
2010217151.tif 000013
【００５８】
（１０）式および（１１）式で表されるVx,Vyは、第１スイッチ回路部１３および１４で変調される。既述のように、Ｘホール素子１１からの出力信号およびＹホール素子１２からのホール起電力信号がチョッパークロック信号ＣＣの周波数fcで変調されるのに対し、ホール素子出力信号のオフセットは駆動電流の向きに依存しないため、直流成分となる。次段のプリアンプ１５および１６では、入力信号がα倍される。プリアンプ１５および１６にもオフセットはあるが、入力信号に対し一定であるため、ホール起電力信号のオフセットと同様に直流成分である。
【００５９】
プリアンプ１５および１６の次段の第２スイッチ回路部１７および１８はチョッパークロック信号ＣＣに同期してプリアンプ１５および１６の１対の出力信号を後段に接続するときの接続関係を交互に切替える。このため、前段の第１スイッチ回路部１３および１４で変調を受けた信号はこの第２スイッチ回路部１７および１８で元のＤＣ信号に復調される。
【００６０】
これに対し、第１スイッチ回路部１３および１４で変調を受けずＤＣ信号として留まっていたホール起電力信号のオフセット及びプリアンプのオフセットはチョッパークロック信号ＣＣに同期してその周波数fcで変調される。このように変調された信号が、各対応する△Σ変調器５００および６００に入力される。
本例の△Σ変調器５００および６００は、図６を参照して既述の１次の△Σ変調器であるが、本発明の角度検出装置に適合する△Σ変調器は１次である必然性はなく、複数次の△Σ変調器を適用可能である。
【００６１】
図９において、Ｘホール素子１１側のチャンネルに関する△Σ変調器５００の回路要素については、５００番台の参照符号を附してある。またＹホール素子１２に関する△Σ変調器６００の回路要素については、６００番台の参照符号を附してある。両△Σ変調器５００および６００は相似的な構成を有するものであるため、△Σ変調器５００についてその構成に言及し、△Σ変調器６００については、対応する回路要素に６００番台の符号を附して示し、△Σ変調器５００に関する言及を援用する。
【００６２】
△Σ変調器５００にはチョッパークロック信号ＣＣが供給され、この信号ＣＣに同期して全差動オペアンプ５３０の入力側切替えスイッチ５１０および出力側切替えスイッチ５５０の切替え動作が行われる。尚、全差動オペアンプ５３０にはこれらのスイッチ５１０および５５０を介した各帰還ループ中にそれぞれコンデンサ５３１および５３２が設けられてスイッチドキャパシタ回路を構成している。
また、△Σ変調器５００には図１のサンプリングクロック生成回路４００からのサンプリングクロック信号ＳＣに基づいて生成された、図９に示すような、何れも周波数fsの２相のノーオーバーラップのクロック信号であるサンプリングクロック信号φ１およびφ２が供給される。
【００６３】
△Σ変調器５００に関する図示のスイッチ５０１、５０２、５０５、および、５０６、がサンプリングクロック信号φ１によって制御され、スイッチ５１５、５１６、５１７、および、５１８がサンプリングクロック信号φ２によって制御される。これらサンプリングクロック信号φ１によって制御されるスイッチ群とサンプリングクロック信号φ２によって制御されるスイッチ群とは、図９の２相のノーオーバーラップのクロック信号の波形に実質的に添う形で、略逆相の形でそれらの開閉が制御される。
【００６４】
積分コンデンサ５０３および５０４はサンプリングクロック信号φ１によって制御されるスイッチ群がオンであるときに入力信号（第２スイッチ回路部１７の出力信号）ｓ１によって接地（ＧＮＤ）電位との電位差で充電され、サンプリングクロック信号φ２によって制御されるスイッチ群がオンであるときに入力側切替えスイッチ５１０を通して全差動オペアンプ５３０に供給される。
全差動オペアンプ５３０の出力側には出力側切替えスイッチ５５０を介して量子化器５７０が接続されている。この量子化器５７０の出力ｓ１が既述の位相同期回路２２０に供給される。
【００６５】
また、一方、この出力ｓ１は、切替えスイッチ５８１および５８２の切替え制御信号としても用いられる。これら切替えスイッチ５８１および５８２は、所定の正側の電源電圧Ｖref+および負側の電源電圧Ｖref-を信号ｓ１に従って選択的に切替えて、各対応するスイッチ５１５および５１６を介して、積分コンデンサ５０３および５０４の各入力側に印加する。これにより、所定のタイミングで、積分コンデンサ５０３および５０４の蓄積電荷がリセットされる。
【００６６】
上述の全差動オペアンプ５３０はオフセットを持つが、この全差動オペアンプ５３０の前後に配置された入力側切替えスイッチ５１０および出力側切替えスイッチ５５０を周波数fcのチョッパークロック信号ＣＣに同期して１対の配線を交互に切り替えることにより、全差動オペアンプ５３０のオフセットをチョッパークロック周波数fcに変調させることができる。
【００６７】
以上のように、全差動オペアンプ５３０のオフセットもチョッパークロック周波数fcで変調できたことによって、△Σ変調器５００の出力信号は、ＤＣ帯域に復調されたホール起電力信号、チョッパークロック周波数fcに変調されたホール起電力信号のオフセット、及びチョッパークロック周波数fcに変調された図１のアナログ回路部１００のオフセットを含んだものとなる。
【００６８】
換言すれば、ホール起電力信号のオフセットおよびアナログ回路部１００におけるオフセットは、全てチョッパークロック信号ＣＣの周波数fcで変調されており、後段の位相同期回路２００中の既述のローパスフィルタ特性を有するループフィルタ２４によって、新たにローパスフィルタを設けることなく、効率よく除去することが可能となる。従って、何らも構成の複雑化を招来することなく種々のオフセットを除去し、角度検出精度の向上を図ることができる。
【００６９】
尚、一般に、△Σ変調器にＤＣ信号を入力して使用する場合には、△Σ変調器からパターンノイズと呼ばれるトーン状のノイズが発生する問題が知られており、ディザリングといった方法によってパターンノイズを抑制する手法が用いられることが多い。この場合には、ディザリングを実行するための構成の複雑化ないし信号処理の増加は不可避である。
これに対し、本発明の実施の形態では、△Σ変調器に供給される信号にチョッパークロック信号ＣＣの周波数fcで変調されたオフセット成分が重畳しているため、この成分をローパスフィルタで除去するという極めて簡易な手法が功を奏する。
【００７０】
図１０は、ホール起電力信号およびアナログ回路のオフセットの除去、パターンノイズの除去、量子化ノイズの低減化について説明するための図である。
図１０より容易に理解される通り、チョッパークロック信号ＣＣの周波数fcは、ローパスフィルタとしても機能するループフィルタの帯域よりも高い周波数であるため、△Σ変調器が発生するパターンノイズは、ループフィルタによって除去される。
上記の様に、本発明の信号処理方式を用いれば、ディザリングのための回路といった新たな回路を追加することなく、△Σ変調器において問題となるパターンノイズの発生を抑制することが可能になるわけであるが、実際に、パターンノイズの発生を抑制する効果をシミュレーションした結果を、図１１と図１２に示す。  
【００７１】
図１１は、通常の2次の△Σ変調器に対して、その基準電圧VRefの1／10 24に相当するDC電圧を入力した際の、△Σ変調器から出力される信号の周波数スペクトルである。
図１１を見ると、ナイキスト周波数の１／1024付近の周波数をはじめとして、信号スペクトルの中にパターンノイズのピークが数多く見られる。
図１２は、△Σ変調器および△Σ変調器への入力信号については、図１１と同じ条件であるが、本発明に基づいてホール素子の出力信号に対して、チョッパークロック信号による変調を行った時に△Σ変調器から出力される信号の周波数スペクトルである。
図１２の周波数スペクトルにおいては、図１１と比較して、パターンノイズがほとんど発生していないことがわかる。
【００７２】
以上説明した実施の形態は、互いに直交する向きに配置された１対のホール素子を検出素子として適用した場合に適宜するように構成した角度検出装置の場合の例である。
しかしながら、本発明の技術思想は、このように、直交するようにホール素子を配置した場合にのみ対応する限りのものではない。
即ち、本発明の技術思想は、本来、少なくとも１対のホール素子が互いに種々の既知の角度で交差するように対をなして配されたホール素子を検出素子として適用した場合に対応可能な角度検出装置を限定するものである。
【符号の説明】
【００７３】
１…………………………………ＩＣパッケージ
２…………………………………出力軸
３…………………………………永久磁石
１１，１２………………………ホール素子
１３，１４………………………第１スイッチ回路部
１５，１６………………………プリアンプ
１７，１８………………………第２スイッチ回路部
２１，２２………………………乗算器
２３………………………………減算器
２４………………………………ループフィルタ
２５………………………………ＤＣＯ（Digitally Controlled Oscillator）
２６………………………………カウンタ
２７，２８………………………記憶部
５０，６０，５００，６００…△Σ変調器
１００……………………………アナログ回路部
２００……………………………位相同期回路
３００……………………………チョッパークロック生成回路
４００……………………………サンプリングクロック生成回路
【図１】
2010217151.tif 000014
【図２】
2010217151.tif 000015
【図３】
2010217151.tif 000016
【図４】
2010217151.tif 000017
【図５】
2010217151.tif 000018
【図６】
2010217151.tif 000019
【図７】
2010217151.tif 000020
【図８】
2010217151.tif 000021
【図９】
2010217151.tif 000022
【図１０】
2010217151.tif 000023
【図１１】
2010217151.tif 000024
【図１２】
2010217151.tif 000025