(57)【要約】【課題】検出角度に制限がない角度検出装置及び角度検出方法を提案する。【解決手段】角度検出装置１０は、回転軸６０に固定される回転体２０と、回転体２０の回転角度情報を含む第一及び第二の検出信号を出力するように対角配置された一対の磁気センサ３０Ａ，３０Ｂと、第一の検出信号と第二の検出信号とを差動演算する差動演算回路４１と、差動演算回路４１が差動演算した結果に基づいて回転軸６０の回転角度を算出する角度算出回路５０を備える。ここで、回転体２０の回転中心Ｐを通る直線が回転体２０の外周と交差する二点間の距離は、一定である。【選択図】図２
2010044046.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸に固定される回転体であって、前記回転体の回転中心を通る直線が前記回転体の外周と交差する二点間の距離が一定である回転体と、
前記回転体の外周付近に対角配置される第一及び第二の磁気センサであって、前記回転体の回転に伴い周期的に変化する前記回転体の外周と前記第一の磁気センサとの間の第一の距離の変化に対応する磁界変化を検出して第一の検出信号を出力する第一の磁気センサ、及び前記第一の距離の変化に追従して相補的に変化する前記回転体の外周と前記第二の磁気センサとの間の第二の距離の変化に対応する磁界変化を検出して第二の検出信号を出力する第二の磁気センサと、
前記第一の検出信号と前記第二の検出信号とを差動演算する差動演算手段と、
前記差動演算手段が差動演算した結果に基づいて前記回転軸の回転角度を算出する角度算出手段と、
を備える角度検出装置。
【請求項２】
請求項１に記載の角度検出装置であって、
前記回転体をその回転平面に投影した形状は、二つの異なる半楕円が結合した形状を有する、角度検出装置。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の角度検出装置であって、
前記回転体は、強磁性体材質から成り、
前記第一の磁気センサは、前記回転体の外周と前記第一の磁気センサとの間に磁界を発生させる第一の磁石と、前記第一の距離の変化に応じて変化する磁界に応じて前記第一の検出信号を出力する第一の磁気抵抗効果素子とを備え、
前記第二の磁気センサは、前記回転体の外周と前記第二の磁気センサとの間に磁界を発生させる第二の磁石と、前記第二の距離の変化に応じて変化する磁界に応じて前記第二の検出信号を出力する第二の磁気抵抗効果素子とを備える、角度検出装置。
【請求項４】
請求項３に記載の角度検出装置であって、
前記第一の磁気抵抗効果素子は、前記回転体の回転中心方向に長手方向が設定されている第一のフリー磁性層を備え、
前記第二の磁気抵抗効果素子は、前記回転体の回転中心方向に長手方向が設定されている第二のフリー磁性層を備える、角度検出装置。
【請求項５】
回転軸に固定される回転体の外周付近に対角配置される第一及び第二の磁気センサを用いて前記回転軸の回転角度を検出する方法であって、
前記回転体の回転中心を通る直線が前記回転体の外周と交差する二点間の距離が一定である前記回転体を前記回転軸とともに回転させるステップと、
前記回転体の回転に伴い周期的に変化する前記回転体の外周と前記第一の磁気センサとの間の第一の距離の変化に対応する磁界変化を検出する前記第一の磁気センサから第一の検出信号を出力するステップと、
前記第一の距離の変化に追従して相補的に変化する前記回転体の外周と前記第二の磁気センサとの間の第二の距離の変化に対応する磁界変化を検出する前記第二の磁気センサから第二の検出信号を出力するステップと、
前記第一の検出信号と前記第二の検出信号とを差動演算するステップと、
前記差動演算の結果に基づいて前記回転軸の回転角度を算出するステップと、
を備える角度検出方法。
【請求項６】
請求項５に記載の角度検出方法であって、
前記回転体をその回転平面に投影した形状は、二つの異なる半楕円が結合した形状を有する、角度検出方法。
【請求項７】
請求項５又は請求項６に記載の角度検出方法であって、
前記回転体は、強磁性体材質から成り、
前記第一の磁気センサは、前記回転体の外周と前記第一の磁気センサとの間に磁界を発生させる第一の磁石と、前記第一の距離の変化に応じて変化する磁界に応じて前記第一の検出信号を出力する第一の磁気抵抗効果素子とを備え、
前記第二の磁気センサは、前記回転体の外周と前記第二の磁気センサとの間に磁界を発生させる第二の磁石と、前記第二の距離の変化に応じて変化する磁界に応じて前記第二の検出信号を出力する第二の磁気抵抗効果素子とを備える、角度検出方法。
【請求項８】
請求項７に記載の角度検出方法であって、
前記第一の磁気抵抗効果素子は、前記回転体の回転中心方向に長手方向が設定されている第一のフリー磁性層を備え、
前記第二の磁気抵抗効果素子は、前記回転体の回転中心方向に長手方向が設定されている第二のフリー磁性層を備える、角度検出方法。
【請求項９】
回転軸に固定される回転体であって、前記回転体の回転中心を通る直線が前記回転体の外周と交差する二点間の距離が一定である回転体と、
前記回転体の回転中心に対して９０ｄｅｇの位相差で且つ前記回転中心から等距離に配置される第一及び第二の磁気センサであって、前記回転体の回転に伴い周期的に変化する前記回転体の外周と前記第一の磁気センサとの間の第一の距離の変化に対応する磁界変化を検出して第一の検出信号を出力する第一の磁気センサ、及び前記回転体の回転に伴い周期的に変化する前記回転体の外周と前記第二の磁気センサとの間の第二の距離の変化に対応する磁界変化を検出して第二の検出信号を出力する第二の磁気センサと、
前記第一及び第二の検出信号に対応する前記回転軸の回転角度を格納する変換テーブルと、
前記第一及び第二の磁気センサから出力される前記第一及び第二の検出信号と、前記変換テーブルとを比較して、前記回転体の回転角度を出力する角度算出手段と、
を備える角度検出装置。
【請求項１０】
請求項９に記載の角度検出装置であって、
前記第一及び第二の検出信号は、略正弦波信号であり、
前記角度算出手段は、前記第一及び第二の検出信号のうちその検出信号が中間値をとる角度に対して±４５ｄｅｇの角度範囲にある検出信号と、前記変換テーブルとを比較して、前記回転体の回転角度を出力する、角度検出装置。
【請求項１１】
回転軸に固定される回転体の回転中心に対して９０ｄｅｇの位相差で且つ前記回転中心から等距離に配置される第一及び第二の磁気センサを用いて前記回転軸の回転角度を検出する方法であって、
前記回転体の回転中心を通る直線が前記回転体の外周と交差する二点間の距離が一定である前記回転体を前記回転軸とともに回転させるステップと、
前記回転体の回転に伴い周期的に変化する前記回転体の外周と前記第一の磁気センサとの間の第一の距離の変化に対応する磁界変化を検出する前記第一の磁気センサから第一の検出信号を出力するステップと、
前記回転体の回転に伴い周期的に変化する前記回転体の外周と前記第二の磁気センサとの間の第二の距離の変化に対応する磁界変化を検出する前記第二の磁気センサから第二の検出信号を出力するステップと、
前記第一及び第二の検出信号に対応する前記回転軸の回転角度を格納する変換テーブルと、前記第一及び第二の磁気センサから出力される前記第一及び第二の検出信号とを比較して、前記回転体の回転角度を出力するステップと、
を備える角度検出方法。
【請求項１２】
請求項９に記載の角度検出方法であって、
前記第一及び第二の検出信号は、略正弦波信号であり、
前記回転角度を出力するステップは、前記第一及び第二の検出信号のうちその検出信号が中間値をとる角度に対して±４５ｄｅｇの角度範囲にある検出信号と、前記変換テーブルとを比較して、前記回転体の回転角度を出力する、角度検出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転軸の回転角度を算出するための角度検出装置、及び角度検出方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
特開２００１−９１２０８号公報には、スロットルバルブ等の被検出物の回転角を検出するための手段として、磁石とヨークとの間に磁界を発生させ、この磁界の中に配置する磁気検出素子の位置をロータの回転中心からずらした構成を有する回転角検出装置が提案されている。磁気検出素子の位置をロータの回転中心からずらすと、磁気検出素子に鎖交する磁束の角度とロータの回転角との関係が変化する。この変化を利用することで、回転角に対する磁気検出素子の出力特性を広い範囲で任意に設定することが可能となり、回転角の検出特性を向上できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００１−９１２０８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、上述の回転角検出装置では、検出角度に一定の制限があるという難点を有する（同公報図８（ｂ）参照）。
【０００５】
そこで、本発明は、検出角度に制限がない角度検出装置及び角度検出方法を提案することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の課題を解決するため、本発明に係わる角度検出装置は、回転軸に固定される回転体であって、回転体の回転中心を通る直線が回転体の外周と交差する二点間の距離が一定である回転体と、回転体の外周付近に対角配置される第一及び第二の磁気センサであって、回転体の回転に伴い周期的に変化する回転体の外周と第一の磁気センサとの間の第一の距離の変化に対応する磁界変化を検出して第一の検出信号を出力する第一の磁気センサ、及び第一の距離の変化に追従して相補的に変化する回転体の外周と第二の磁気センサとの間の第二の距離の変化に対応する磁界変化を検出して第二の検出信号を出力する第二の磁気センサと、第一の検出信号と第二の検出信号とを差動演算する差動演算手段と、差動演算手段が差動演算した結果に基づいて回転軸の回転角度を算出する角度算出手段と、を備える。
【０００７】
本発明に係わる角度検出装置によれば、回転体の回転中心を通る直線が回転体の外周と交差する二点間の距離が一定である回転体を用いているので、対角配置された一対の第一及び第二の磁気センサの検出信号を差動演算することにより得られる信号は、回転体の回転角度情報を含む略正弦波信号となり、全角度（０ｄｅｇ〜３６０ｄｅｇ）範囲にわたって検出誤差の小さい角度検出を行える。また、回転体は、被検出物の端面に取り付けなくてもよいので、角度検出装置の取り付け容易性に優れている。又、一対の磁気センサのそれぞれは回転中心からの距離が同一であることが好ましい。これは出力される信号が十分な対称性を有することにより、差動出力信号が正弦波に近くなるからである。
【０００８】
ここで、回転体をその回転平面に投影した形状は、二つの異なる半楕円が結合した形状を有するものが好ましい。斯かる形状によれば、対角配置された一対の第一及び第二の磁気センサの検出信号を差動演算することにより得られる信号は、回転体を一回転させた場合、一回転で一対の磁気センサのそれぞれが一回、最大値、及び最小値をとり、回転体の回転角度情報を含む理想的な正弦波形に酷似した略正弦波信号となる。
【０００９】
本発明の好適な実施態様において、回転体は、強磁性体材質から成る。第一の磁気センサは、回転体の外周と第一の磁気センサとの間に磁界を発生させる第一の磁石と、第一の距離の変化に応じて変化する磁界に応じて第一の検出信号を出力する第一の磁気抵抗効果素子とを備える。第二の磁気センサは、回転体の外周と第二の磁気センサとの間に磁界を発生させる第二の磁石と、第二の距離の変化に応じて変化する磁界に応じて第二の検出信号を出力する第二の磁気抵抗効果素子とを備える。斯かる構成によれば、回転体の回転に伴って、回転体と第一の磁気センサとの間の第一の距離、及び回転体と第二の磁気センサとの間の第二の距離が変化し、これらの変化は、第一及び第二の磁気センサの抵抗値の変化として現れるので、第一及び第二の検出信号には、回転体の回転角度に関する情報が含まれている。
【００１０】
本発明の好適な実施態様において、第一の磁気抵抗効果素子は、回転体の回転中心方向に長手方向が設定されている第一のフリー磁性層を備える。第二の磁気抵抗効果素子は、回転体の回転中心方向に長手方向が設定されている第二のフリー磁性層を備える。フリー磁性層の長手方向を回転中心方向に設定することで、角度検出精度を高めることができる。
【００１１】
本発明に係わる角度検出方法は、回転軸に固定される回転体の外周付近に対角配置される第一及び第二の磁気センサを用いて回転軸の回転角度を検出する方法であって、回転体の回転中心を通る直線が回転体の外周と交差する二点間の距離が一定である回転体を回転軸とともに回転させるステップと、回転体の回転に伴い周期的に変化する回転体の外周と第一の磁気センサとの間の第一の距離の変化に対応する磁界変化を検出する第一の磁気センサから第一の検出信号を出力するステップと、第一の距離の変化に追従して相補的に変化する回転体の外周と第二の磁気センサとの間の第二の距離の変化に対応する磁界変化を検出する第二の磁気センサから第二の検出信号を出力するステップと、第一の検出信号と第二の検出信号とを差動演算するステップと、差動演算の結果に基づいて回転軸の回転角度を算出するステップと、を備える。
【００１２】
本発明に係わる角度検出方法によれば、回転体の回転中心を通る直線が回転体の外周と交差する二点間の距離が一定である回転体を用いているので、対角配置された一対の第一及び第二の磁気センサの検出信号を差動演算することにより得られる信号は、回転体の回転角度情報を含む略正弦波信号となり、全角度（０ｄｅｇ〜３６０ｄｅｇ）範囲にわたって検出誤差の小さい角度検出を行える。
【００１３】
本発明の他の観点に基づく角度検出装置は、回転軸に固定される回転体であって、回転体の回転中心を通る直線が回転体の外周と交差する二点間の距離が一定である回転体と、回転体の回転中心に対して９０ｄｅｇの位相差で且つ回転中心から等距離に配置される第一及び第二の磁気センサであって、回転体の回転に伴い周期的に変化する回転体の外周と第一の磁気センサとの間の第一の距離の変化に対応する磁界変化を検出して第一の検出信号を出力する第一の磁気センサ、及び回転体の回転に伴い周期的に変化する回転体の外周と第二の磁気センサとの間の第二の距離の変化に対応する磁界変化を検出して第二の検出信号を出力する第二の磁気センサと、第一及び第二の検出信号に対応する回転軸の回転角度を格納する変換テーブルと、第一及び第二の磁気センサから出力される第一及び第二の検出信号と、変換テーブルとを比較して、回転体の回転角度を出力する角度算出手段と、を備える。
【００１４】
本発明に係わる角度検出装置によれば、回転体の回転中心を通る直線が回転体の外周と交差する二点間の距離が一定である回転体を用いているので、回転体の回転中心に対して９０ｄｅｇの位相差（機械角）で且つ回転中心から等距離に配置される第一及び第二の磁気センサと回転体の外周との距離は、周期的に変化する。第一及び第二の磁気センサから出力される第一及び第二の検出信号は、回転体の回転角度に関する情報を含み、且つ相互に９０ｄｅｇの位相差（電気角）を有しているので、第一及び第二の検出信号を関数処理することで、回転体の回転角度を求めることができる。
【００１５】
本発明の好適な実施態様において、第一及び第二の検出信号は、略正弦波信号であり、角度算出手段は、第一及び第二の検出信号のうちその検出信号が中間値をとる角度に対して±４５ｄｅｇの角度範囲にある検出信号と、変換テーブルとを比較して、回転体の回転角度を出力するのが好ましい。振幅変化量の小さい信号波形のピーク付近の値よりも、振幅変化量の大きい中間値付近の値を読み取ることで、ノイズに対する影響を抑えることができる。
【００１６】
本発明の他の観点に基づく角度検出方法は、回転軸に固定される回転体の回転中心に対して９０ｄｅｇの位相差で且つ回転中心から等距離に配置される第一及び第二の磁気センサを用いて回転軸の回転角度を検出する方法であって、回転体の回転中心を通る直線が回転体の外周と交差する二点間の距離が一定である回転体を回転軸とともに回転させるステップと、回転体の回転に伴い周期的に変化する回転体の外周と第一の磁気センサとの間の第一の距離の変化に対応する磁界変化を検出する第一の磁気センサから第一の検出信号を出力するステップと、回転体の回転に伴い周期的に変化する回転体の外周と第二の磁気センサとの間の第二の距離の変化に対応する磁界変化を検出する第二の磁気センサから第二の検出信号を出力するステップと、第一及び第二の検出信号に対応する回転軸の回転角度を格納する変換テーブルを作成するステップと、第一及び第二の磁気センサから出力される第一及び第二の検出信号と、変換テーブルとを比較して、回転体の回転角度を出力するステップと、を備える。
【００１７】
本発明に係わる角度検出方法によれば、回転体の回転中心を通る直線が回転体の外周と交差する二点間の距離が一定である回転体を用いているので、回転体の回転中心に対して９０ｄｅｇの位相差（機械角）で且つ回転中心から等距離に配置される第一及び第二の磁気センサと回転体の外周との距離は、周期的に変化する。第一及び第二の磁気センサから出力される第一及び第二の検出信号は、回転体の回転角度に関する情報を含み、且つ相互に９０ｄｅｇの位相差（電気角）を有しているので、第一及び第二の検出信号を関数処理することで、回転体の回転角度を求めることができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、検出角度に制限がなく、取り付け容易性に優れた角度検出装置及び角度検出方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】実施例１に係わる角度検出装置の概略構成を示す説明図である。
【図２】実施例１に係わる角度検出装置のシステム構成を示す説明図である。
【図３】磁気抵抗効果素子の出力特性を示すグラフである。
【図４】回転体の回転角度に対する磁束密度の変化を示すグラフである。
【図５】対角配置された一対の磁気センサから出力される二つの検出信号を示すグラフである。
【図６】対角配置された一対の磁気センサから出力される二つの検出信号を差動演算して成る信号を示すグラフである。
【図７】回転体の平面形状の算出方法を示す説明図である。
【図８】ａ＝０．９のときの楕円関数Ｈ（Ｘ，Ｙ）のグラフである。
【図９】ａ＝１．５のときの楕円関数Ｈ（Ｘ，Ｙ）のグラフである。
【図１０】ａ＝ａ＝０．５のときの楕円関数Ｈ（Ｘ，Ｙ）のグラフである。
【図１１】実施例２に係わる角度検出装置の概略構成を示す説明図である。
【図１２】キャリブレーション実施前のｃｏｓ信号及びｓｉｎ信号を示すグラフである。
【図１３】ｃｏｓ信号の振幅補正及びオフセット補正を示す説明図である。
【図１４】ｓｉｎ信号の振幅補正及びオフセット補正を示す説明図である。
【図１５】ｃｏｓ信号のデジタルサンプリングを示す説明図である。
【図１６】ｓｉｎ信号のデジタルサンプリングを示す説明図である。
【図１７】変換テーブルの説明図である。
【図１８】ｃｏｓ信号及びｓｉｎ信号の読み込み範囲を示す説明図である。
【図１９】リニア出力値のグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、各図を参照しながら本発明に係わる実施例について説明する。各実施例において同一符号は同一部材を示すものとし、重複する説明を省略する。
【実施例１】
【００２１】
図１は実施例１に係わる角度検出装置１０の概略構成を示す説明図である。
角度検出装置１０は、回転軸６０に固定される回転体（ロータ）２０と、回転体２０の外周付近に配置される磁気センサ３０とを主要構成として備える。回転体２０は、強磁性体材質（例えば、鉄、コバルト、ニッケル等）から成るロータである。回転軸６０は、動力発生源等から駆動力を受けて回転駆動する回転軸（例えば、車両のドライブシャフトやモータの駆動軸など）であり、その軸心方向はＺ方向である。回転軸６０が回転すると、回転体２０は、ＸＹ平面内で回転する。
【００２２】
磁気センサ３０は、外部磁界を発生させるための磁界発生手段として機能する磁石３３と、その外部磁界の変化を電圧変化として検出する磁気抵抗効果素子（ＧＭＲ素子）３１とを主要構成として備える。磁気抵抗効果素子３１は、ハーフブリッジ構成でもよく、或いはフルブリッジ構成でもよい。磁気センサ３０の実装形態として、磁石３３の中心点を通るＺ方向の直線上に磁気抵抗効果素子３１が位置するようにプリント配線基板７０の表面に磁気抵抗効果素子３１を配置し、同基板７０の裏面に磁石３３を配置するのが好ましい。また、磁石３３から発生する外部磁界を効率よく集磁するために、磁石３３の両極にヨーク３２を配置するのが好ましい。
【００２３】
磁気抵抗効果素子３１は、磁化方向が特定の方向に設定されていて、外部磁界の変位に対して磁化状態（例えば、磁化方向や磁化の強さ）が影響を受けないように構成されたピン磁性層（図示せず）と、外部磁界の変化によって磁化状態が変位するフリー磁性層（図示せず）とを備えている。回転軸６０の回転とともに回転体２０が回転すると、回転体２０の外周と磁気抵抗効果素子３１との間のギャップＧの間隔は、周期的に変化する。ギャップＧの間隔が変化すると、磁気抵抗効果素子３１の裏面に配置された磁石３３から磁気抵抗効果素子３１を通して回転体２０に引かれる磁束密度が変化する。すると、磁気抵抗効果素子３１内のフリー磁性層の磁化状態が変動するので、磁化状態が変動しないピン磁性層の磁化状態と、磁化状態が変動するフリー磁性層との間に磁化状態の変位差が発生する。この磁化状態の変位差は、回転体２０の回転角度を反映する物理量であり、具体的には、磁気抵抗効果素子３１の抵抗値の変化として現れる。磁気抵抗効果素子３１には、プリント配線基板７０からバイアス電流が供給されており、磁気抵抗効果素子３１の抵抗値の変化は、出力電圧の変化として検出される。磁気抵抗効果素子３１の出力電圧は、回転体２０の回転角度を示す検出信号として信号処理される。
【００２４】
なお、磁気抵抗効果素子３１の動作領域は、図３に示すように、磁気抵抗効果素子３１を通過する磁束密度と、磁気抵抗効果素子３１の出力電圧との関係が線形になる領域Ａ又は領域Ｂになるように、外部磁界の強さやギャップＧの平均間隔等を設計するのが好ましい。この場合、ギャップＧの距離に応じて、磁気センサの出力は線形性を有することとなる。また、回転体２０と磁気センサ３０とのスラスト方向（軸心方向）の位置関係は、回転体２０の回転による芯ぶれ等によるズレを含めて回転体２０が磁気抵抗効果素子３１から外れない位置関係とするのが望ましい。例えば、取り付け誤差±０．５ｍｍ、芯ぶれ±０．５ｍｍ、磁気抵抗効果素子３１の厚みが０．５ｍｍとすると、回転体２０の厚みは、３．０ｍｍ以上が望ましい。
【００２５】
図２は角度検出装置１０のシステム構成を示す説明図である。
回転体２０をその回転平面（ＸＹ平面）に投影した形状（以下、平面形状と称する）は、回転中心Ｐを通過する如何なる直線に関しても、回転体２０の回転中心Ｐを通る直線が回転体２０の外周と交差する二点間の距離が一定であるような形状を成している。このような形状として、本実施例では、二つの異なる半楕円を結合して成る形状を例示するが、この例示に限定されるものではない。回転体２０の外周付近には、回転体２０の回転中心Ｐを通る第一の直線９１上に対角配置された一対の磁気センサ３０Ａ，３０Ｂと、第一の直線９１に直交するとともに回転中心Ｐを通る第二の直線９２上に対角配置された一対の磁気センサ３０Ｃ，３０Ｄが配置されている。それぞれの磁気センサ３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃ，３０Ｄは、回転中心Ｐに対して、９０ｄｅｇ間隔で固定されており、回転体２０が回転したとしても、回転中心Ｐとそれぞれの磁気センサ３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃ，３０Ｄとの間の距離は常に一定である。
【００２６】
なお、図２に示す磁気センサ３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃ，３０Ｄには、互いに区別するため、便宜上異なる符号を付してあるが、実質的には、図１に示す磁気センサ３０と同一の構成を有している。このため、これらの磁気センサ３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃ，３０Ｄを区別する必要がない場合には、単に磁気センサ３０と総称する。
【００２７】
さて、回転体２０が一回転すると、図４に示すように、磁気センサ３０を通過する外部磁界の磁束密度の変化を示す波形には、一周期分の変化が現れる。回転体２０は、異なる二つの半楕円を結合した形状に加工されているので、図４に示す磁束密度波形は、厳密な意味での正弦波形ではないものの、正弦波形に類似した波形である。上述の如く、磁気抵抗効果素子３１を通過する磁束密度と、磁気抵抗効果素子３１の出力電圧との関係は、線形であるので、磁気センサ３０から出力される検出信号は、正弦波に類似した波形を有する。回転中心Ｐを通過する如何なる直線に関しても、回転体２０の回転中心Ｐを通る直線が回転体２０の外周と交差する二点間の距離が一定であるような形状を成しているので、対角配置された一対の磁気センサ３０Ａ，３０Ｂのうち一方の磁気センサ３０Ａと回転体２０の外周との間の第一の距離が変化すると、他方の磁気センサ３０Ｂと回転体２０の外周との間の第二の距離は第一の距離の変化に追従するように相補的に変化する。つまり、第一の距離が短くなると、その短くなった距離の分だけ第二の距離が長くなる。これは一対の磁気センサが１８０度対角配置されているからである。このため、磁気センサ３０Ａ，３０Ｂの検出信号は、図５に示すように、１８０ｄｅｇの位相差を有している。図５において、符号８１は、磁気センサ３０Ａの検出信号を示し、符号８２は、磁気センサ３０Ｂの検出信号を示している。なお、対角配置された他の一対の磁気センサ３０Ｃ，３０Ｄの検出信号についても、１８０ｄｅｇの位相差を有している。
【００２８】
角度検出装置１０は、既述の回転体２０、及び磁気センサ３０の他に、差動演算回路４１，４２、及び角度算出回路５０を備える。差動演算回路４１，４２、及び角度算出回路５０の各機能は、プリント配線基板７０上に実装されたＩＣチップ（図示せず）によって実現される。差動演算回路４１は、一対の磁気センサ３０Ａ，３０Ｂから出力される二つの検出信号を差動演算することによりｓｉｎ信号を算出する。図６の符号８３は、図５に示す二つの検出信号８１，８２を差動演算することにより得られるｓｉｎ信号を示している。このｓｉｎ信号は、理想的な正弦波形に酷似した波形形状を有する略正弦波信号である。差動演算回路４２は、他の一対の磁気セン３０Ｃ，３０Ｄから出力される二つの検出信号を差動演算することによりｃｏｓ信号を算出する。このｃｏｓ信号は、理想的な正弦波形に酷似した波形形状を有する略正弦波信号であり、ｓｉｎ信号に対して９０ｄｅｇの位相差をしている。角度算出回路５０は、差動演算回路４１から出力されるｓｉｎ信号、及び差動演算回路４２から出力されるｃｏｓ信号を基に回転体２０の回転角度を算出する。
【００２９】
なお、一対の磁気センサ３０Ｃ，３０Ｄは、回転体２０の角度検出を行う上で必須ではなく、一対の磁気センサ３０Ａ，３０Ｂのみで角度検出を行うことが可能である点に留意されたい。また、磁気抵抗効果素子３１のフリー磁性層の長手方向は、特に限定されるものではないが、本発明者の実験によると、回転中心Ｐに向かう方向（回転中心方向）に磁化されているときに、特に高精度な角度検出が得られることが確認されている。これは、フリー磁性層の長手方向が、例えば、回転中心に直行する向きに設定されていると、フリー層の長手方向全体に渡った回転角に依存する平均的な磁界を磁気抵抗素子３１が検出することになり、フリー層の長手方向が回転中心に向かう方向と比較して検出誤差が大きくなることが考えられる。尚、磁気抵抗効果素子としては、ＧＭＲ素子以外にも、ＭＲ素子、ＡＭＲ素子、ＴＭＲ素子などを適用することができる。
【００３０】
次に、図７を参照しながら回転体２０の平面形状の算出方法について説明する。
ここでは、回転体２０の平面形状は、ＸＹ座標系において、半楕円Ｆ（Ｙ≧０）と半楕円関数Ｈ（Ｙ≦０）とを結合した形状から成るものとし、一方の楕円Ｆが既知である場合に、他方の楕円関数Ｈを算出する場合を考察する。
楕円Ｆ（ｘ、ｙ）を以下のように定義する。
（ｘ、ｙ）＝（Ｌｃｏｓθ，Ｌｓｉｎθ）  …（１）
ｘ2＋ｙ2/ａ2＝ｒ2  …（２）
ｙ≧０  …（３）
【００３１】
ここで、ＸＹ座標系の原点は、回転中心Ｐに一致するものとし、回転中心Ｐと楕円Ｆ上の点との間の距離は、以下の式で示される。
（ｒ2／（ｃｏｓ2θ＋ｓｉｎ2θ／ａ2））1/2＝Ｌ  …（４）
従って、（４）式を（１）式に代入することにより、楕円Ｆの座標をθで表記できる。
【００３２】
さて、楕円関数Ｈ（Ｘ，Ｙ）は、「回転中心Ｐを通過する如何なる直線に関しても、回転中心Ｐを通る直線が回転体２０の外周と交差する二点間の距離が一定である」という条件を満たさなければならないので、下式が成立する。
Ｈ（Ｘ）＝Ｘ＝２ｒ・ｃｏｓθ−Ｆ（ｘ）  …（５）
Ｈ（Ｙ）＝Ｙ＝２ｒ・ｓｉｎθ−Ｆ（ｙ）  …（６）
ここで、Ｆ（ｘ），Ｆ（ｙ）は、回転中心Ｐを通る直線が楕円Ｆに交差する点のＸ座標、Ｙ座標を示す。つまり、（５）式、（６）式を満たすＨ、Ｆは回転中心を起点としてＸ軸とのなす角度が同一の角度となる。また、（５）式、（６）式より、関数Ｆ（楕円に限られない）が定義されれば、対応する関数Ｈ（楕円関数に限られない）の座標を求めることが可能となる。
【００３３】
ここで、(５)式、(６)式をＸＹ座標上で表記すると、ａ＝０．９の場合、図８のような波形となる（ｒ＝１）。但し、ａの値によっては、例えば、ａ＝１．５の場合は図９のようにＸ＝０で谷と有する波形となり、ａ＝０．５の場合は、図１０のようにＹ＞０でＸ＝ｒをとることになり、局率の符号を変える変局点を有することになる。ここで、図９及び図１０のような場合は、該谷部、該変局点では磁界の乱れが生じると考えられ、検出出力が安定しない可能性がある。従って、図８のような谷部、局率の符号を変える変局点を有さない回転体であることが好ましい。よって、好ましい回転体は、楕円（ｘ2＋ｙ2/ａ2＝ｒ2）と０＜ａ＜２（座標原点が閉曲線面内に存在する条件）の範囲（但し、ａ＝１は除く）で谷部、局率の符号を変える変局点を有さない楕円関数の結合体である。これにより、楕円Ｆ、Ｈが一回転で最大、最小を一個有する正弦波を得ることが可能となる。無論、谷部、局率の符号を変える変局点を有さない形状を有する回転体は楕円と楕円関数に限られず、様々な形状が可能である。
【００３４】
本実施例によれば、回転体２０の回転中心Ｐを通る直線が回転体２０の外周と交差する二点間の距離が一定である回転体２０を用いているので、対角配置された一対の磁気センサ３０Ａ，３０Ｂ（又は３０Ｃ，３０Ｄ）の検出信号を差動演算することにより得られる信号は、回転体２０の回転角度情報を含む略正弦波信号となり、全角度（０ｄｅｇ〜３６０ｄｅｇ）範囲にわたって検出誤差の小さい角度検出を行える。また、回転体２０は、回転軸６０の端面に取り付けなくてもよいので、角度検出装置１０の取り付け容易性に優れている。
【００３５】
また、回転体２０をその回転平面に投影した形状は、二つの異なる半楕円が結合した形状を有しているので、対角配置された一対の磁気センサ３０Ａ，３０Ｂ（又は３０Ｃ，３０Ｄ）の検出信号を差動演算することにより得られる信号は、回転体２０の回転角度情報を含む略正弦波信号となるので、検出誤差の少ない角度検出を行うことができる。
【実施例２】
【００３６】
図１１は実施例２に係わる角度検出装置１００の概略構成を示す説明図である。
角度検出装置１００は、回転軸６０に固定される回転体２０と、回転体２０の外周付近に配置される二つの磁気センサ３０Ｅ，３０Ｆと、二つの磁気センサ３０Ｅ，３０Ｆから出力されるそれぞれの検出信号に基づいて回転体２０の回転角度を出力する角度算出回路１３０を主要構成として備える。磁気センサ３０Ｅ，３０Ｆには、互いを区別するため、便宜上異なる符号を付してあるが、実質的には図１に示す磁気センサ３０と同一の構成を有している。磁気センサ３０Ｅは、回転体２０の回転中心Ｐ上を通る一点鎖線９３上に位置し、磁気センサ３０Ｆは、回転中心Ｐ上を通る一点鎖線９４上に位置している。二つの一点鎖線９３，９４が交差する角度は、９０ｄｅｇである。また、回転中心Ｐからそれぞれの磁気センサ３０Ｅ，３０Ｆへの距離は同一である。従って、二つの磁気センサ３０Ｅ，３０Ｆは、回転体２０の回転中心Ｐに対して９０ｄｅｇの位相差（機械角）で回転中心Ｐから等距離に配置されている。磁気センサ３０Ｅは、回転体２０の回転に伴い周期的に変化する回転体２０の外周と磁気センサ３０Ｅとの間の第一の距離の変化に対応する磁界変化を検出して、正弦波形に類似した波形形状を有する第一の略正弦波信号を出力する。磁気センサ３０Ｆは、回転体２０の回転に伴い周期的に変化する回転体２０の外周と磁気センサ３０Ｆとの間の第二の距離の変化に対応する磁界変化を検出して、正弦波形に類似した波形形状を有する第二の略正弦波信号を出力する。第一及び第二の略正弦波信号は、相互に９０ｄｅｇの位相差（電気角）を有する検出信号である。説明の便宜上、磁気センサ３０Ｅから出力される検出信号をｃｏｓ信号と称し、磁気センサ３０Ｆから出力される検出信号をｓｉｎ信号と称する。角度算出回路１３０は、変換テーブル１３１を保持しており、磁気センサ３０Ｅ，３０Ｆから出力されるｃｏｓ信号及びｓｉｎ信号に対応する回転体２０の回転角度を変換テーブル１３１から読み取り、読み取った回転角度を出力する。この変換テーブル１３１は、例えば、製品出荷時又は回転軸６０取り付け時などに実施されるキャリブレーションによって作成される。
【００３７】
ここで、変換テーブル１３１の作成方法について説明する。図１２は、キャリブレーション実施前のｃｏｓ信号２０１及びｓｉｎ信号２０２を示している。キャリブレーション実施前では、ｃｏｓ信号２０１及びｓｉｎ信号２０２の振幅及び中間値は、相互に一致していないのが通常である。そこで、ｃｏｓ信号２０１及びｓｉｎ信号２０２のそれぞれの一周期分の波形を取り込み、ｃｏｓ信号２０１及びｓｉｎ信号２０２のそれぞれの振幅及び中間値を算出する。そして、図１３及び図１４に示すように、キャリブレーション実施後のｃｏｓ信号２０１及びｓｉｎ信号２０２の上限値がＶT、下限値がＶB、中間値が（ＶT＋ＶB）／２となるように、磁気センサ３０Ｅから出力されるｃｏｓ信号２０１を増幅するための増幅器１１１の利得及びオフセット値と、磁気センサ３０Ｆから出力されるｓｉｎ信号２０２を増幅するための増幅器１１２の利得及びオフセット値をそれぞれ調整し、検出信号の振幅調整及びオフセット補正を実施する。なお、図１３及び図１４において、破線はキャリブレーション実施前の信号波形を示し、実線はキャリブレーション実施後の信号波形を示し、一点鎖線はオフセット補正後の中間値を示し、二点鎖線はオフセット補正前の中間値を示す。
【００３８】
キャリブレーション実施後のｃｏｓ信号２０１及びｓｉｎ信号２０２は、それぞれＡ／Ｄ変換器１２１，１２２によってデジタルデータに変換され、角度算出回路１３０に供給される。角度算出回路１３０は、図１５及び図１６に示すように、デジタル化されたｃｏｓ信号２０１及びｓｉｎ信号２０２を一周期分にわたって一定角度間隔でサンプリングし、サンプリングした読み取りデータを、ｃｏｓ信号読み取り値１５２、及びｓｉｎ信号読み取り値１５３として、変換テーブル１３１に格納する（図１７参照）。例えば、０．２ｄｅｇの回転角度の分解能を有するためには、０．１ｄｅｇ以下の角度精度が必要であるので、ｃｏｓ信号２０１及びｓｉｎ信号２０２を０．１ｄｅｇ以下の角度精度でサンプリングし、サンプリングした読み取りデータを変換テーブル１３１に格納することが好ましい。なお、デジタル化されたｃｏｓ信号２０１、及びｓｉｎ信号２０２の一周期の時間は、上限値の間隔（又は下限値の間隔）として算出することが可能である。また、ｃｏｓ信号２０１が上限値をとるとき、又はｓｉｎ信号２０２が中間値をとるときを０ｄｅｇの判定基準とすればよい。
【００３９】
変換テーブル１３１は、図１７に示すように、リニア出力値１５１、ｃｏｓ信号読み取り値１５２、及びｓｉｎ信号読み取り値１５３を０ｄｅｇ〜３６０ｄｅｇの角度範囲で対応付けている。リニア出力値１５１は、図１９に示すように、０ｄｅｇ〜３６０ｄｅｇの角度範囲で直線的に単調増加するマップデータとして予め作成されている。例えば、リニア出力値１５１を１．０Ｖ〜４．０Ｖの範囲で出力したい場合には、０ｄｅｇのときにリニア出力値１５１を１．０Ｖとし、１８０ｄｅｇのときにリニア出力値１５１を２．５Ｖとし、３５９ｄｅｇのときにリニア出力値１５１を４．０Ｖとし、回転体２０の回転角度とリニア出力値１５１との関係が線形になるように作成すればよい。なお、リニア値１５１の出力範囲は任意に調整可能であり、上述の数値に限定されるものではない。また、リニア出力値１５１は、０ｄｅｇ〜３６０ｄｅｇの角度範囲で直線的に単調減少するマップデータとして作成してもよい。
【００４０】
次に、上述の手順を経て作成された変換テーブル１３１を用いて回転体２０の回転角度を求める方法について説明する。磁気センサ３０Ｅ，３０Ｆから出力されるｃｏｓ信号２０１、及びｓｉｎ信号２０２は、増幅器１１１，１１２によって振幅調整及びオフセット補正が実施され、更に、Ａ／Ｄ変換器１２１，１２２によって一定角度間隔でサンプリングされ、角度算出回路１３０に供給される。角度算出回路１３０は、読み取ったｃｏｓ信号２０１のサンプリングデータに一致するｃｏｓ信号読み取り値１５２を変換テーブル１３１から検索し、検索されたｃｏｓ信号読み取り値１５２に対応するリニア出力値１５１を変換テーブル１３１から読み出す。また、角度算出回路１３０は、読み取ったｓｉｎ信号２０２のサンプリングデータに一致するｓｉｎ信号読み取り値１５３を変換テーブル１３１から検索し、検索されたｓｉｎ信号読み取り値１５３に対応するリニア出力値１５１を変換テーブル１３１から読み出す。このようにして読み出されたリニア出力値１５１は、回転体２０の回転角度を示す信号として、Ｄ／Ａ変換器１４０によってアナログデータに変換される。
【００４１】
このとき、角度算出回路１３０は、図１８に示すように、ｃｏｓ信号２０１、及びｓｉｎ信号２０２のうちその信号波形が中間値をとるときの角度に対して±４５ｄｅｇの角度範囲にあるサンプリングデータを読み取るのが好ましい。例えば、０ｄｅｇ〜４５ｄｅｇの角度範囲では、ｃｏｓ信号２０１よりもｓｉｎ信号２０２の方が検出信号の振幅変化量が大きいため、ｓｉｎ信号２０２のサンプリングデータを読み込む。４５ｅｇ〜１３５ｄｅｇの角度範囲では、ｓｉｎ信号２０２よりもｃｏｓ信号２０１の方が検出信号の振幅変化量が大きいため、ｃｏｓ信号２０１のサンプリングデータを読み込む。１３５ｅｇ〜２２５ｄｅｇの角度範囲では、ｃｏｓ信号２０１よりもｓｉｎ信号２０２の方が検出信号の振幅変化量が大きいため、ｓｉｎ信号２０２のサンプリングデータを読み込む。このように、振幅変化量の小さい信号波形のピーク付近のサンプリングデータよりも、振幅変化量の大きい中間値付近のサンプリングデータを読み取ることで、検出誤差のバラツキを抑えることができるとともに、ノイズに対する耐性を高めることができる。
【００４２】
尚、実施例２に係わる角度検出方法は、実施例１の角度検出装置１０にも適用できるので、その原理を簡単に説明する。例えば、図１において、磁気センサ３０Ａ，３０Ｂからの検出信号を差動演算回路４１によって差動演算して得られるｓｉｎ信号と、磁気センサ３０Ｃ，３０Ｄからの検出信号を差動演算回路４２によって差動演算して得られるｃｏｓ信号は、９０ｄｅｇの位相差（電気角）を有する。上述の変換テーブル１３１と同様の変換テーブルを予め角度算出回路５０に実装しておけば、角度算出回路５０は差動演算回路４１，４２から出力されるｓｉｎ信号及びｃｏｓ信号をサンプリングした上で読み取り、読み取ったサンプリングデータに対応する回転体２０の回転角度を変換テーブルから検索し、検索した回転角度を出力することができる。ここで、差動演算回路４１，４２から出力されるｃｏｓ信号及びｓｉｎ信号のうちその信号波形が中間値をとるときの角度に対して±４５ｄｅｇの角度範囲にあるサンプリングデータを読み取るのが好ましい。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
本発明は、様々な技術分野における駆動機構に用いられる回転軸の回転角度を算出するための装置及び方法に利用できる。
【符号の説明】
【００４４】
１０…角度検出装置  ２０…回転体  ３０…磁気センサ  ３１…磁気抵抗効果素子  ３２…ヨーク  ３３…磁石  ４１，４２…差動演算回路  ５０…角度算出回路  ６０…回転軸
【図１】
2010044046.tif 000003
【図２】
2010044046.tif 000004
【図３】
2010044046.tif 000005
【図４】
2010044046.tif 000006
【図５】
2010044046.tif 000007
【図６】
2010044046.tif 000008
【図７】
2010044046.tif 000009
【図８】
2010044046.tif 000010
【図９】
2010044046.tif 000011
【図１０】
2010044046.tif 000012
【図１１】
2010044046.tif 000013
【図１２】
2010044046.tif 000014
【図１３】
2010044046.tif 000015
【図１４】
2010044046.tif 000016
【図１５】
2010044046.tif 000017
【図１６】
2010044046.tif 000018
【図１７】
2010044046.tif 000019
【図１８】
2010044046.tif 000020
【図１９】
2010044046.tif 000021