(57)【要約】【課題】磁気センサが検出した２次元アナログ信号からその角度成分θを検出する回転角度センサにおいて、任意のタイミングで行える安価で簡便な故障検出を提供すること。【解決手段】図１に示す本発明の構成は、加算部の出力がVrot、Vfbx、Vfbyと３つに分岐している。そして、Vfbx、Vfbyが、それぞれX、Y軸信号S／H部の入力へフィードバックされている。X軸信号Ｓ／Ｈ部への入力は、VxとVfbxの２つあり、Y軸信号S/H部への入力は、Vfby、Vyに加えて基準電圧Vmdを含む３つである。また、各軸信号Ｓ／Ｈ部には、角度算出動作と故障検出動作において入力を切り替える切替信号が信号制御部より入力される。角度算出時にはVrot= Vy’となり、故障検出時にVrot＝VfbxまたはVfbyとなりS/H部へフィードバックされる。このように、本発明は図５に示す従来技術の回路を再利用する形で実現できる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
２次元平面上において互いに直交する軸上に配置された第一および第二の磁気センサからの出力をそれぞれＸ成分およびＹ成分とするベクトルを用いて、前記第一および第二の磁気センサの磁界に対する相対的な回転角度を求める回転角度センサであって、
前記第一の磁気センサからの入力信号を保持して出力する第一のサンプルアンドホールド部と、
前記第二の磁気センサからの入力信号を保持して出力する第二のサンプルアンドホールド部と、
前記第一のサンプルアンドホールド部からの信号と、所定の角度に対応する正弦または余弦とを乗算する第一の乗算部と、
前記第二のサンプルアンドホールド部からの信号と、所定の角度に対応する正弦または余弦とを乗算する第二の乗算部と、
前記第一の乗算部からの出力信号と第二の乗算部からの出力信号とを加減算する加算部と、
前記加算部からの信号に基づき、前記回転角度を算出する信号制御部と
を備え、
前記信号制御部は、角度算出動作と故障検出動作とを切り替える制御信号を前記第一および第二のサンプルアンドホールド部に入力し、
前記第一のサンプルアンドホールド部は、前記信号制御部からの制御信号に基づき、角度算出動作時には前記第一の磁気センサからの出力信号が入力され、故障検出動作時には前記加算部からの出力信号が入力され、
前記第二のサンプルアンドホールド部は、前記信号制御部からの制御信号に基づき、角度算出動作時には前記第二の磁気センサからの出力信号が入力され、故障検出動作時には前記加算部の出力信号または基準信号のいずれかが入力されることを特徴とする回転角度センサ。
【請求項２】
前記信号制御部は、故障検出動作時に前記信号制御部により算出される回転角度が、前記信号制御部に設定された故障検出を行う設定角度と一致するか否かにより故障の有無を判断することを特徴とする請求項１に記載の回転角度センサ。
【請求項３】
請求項１に記載の回転角度センサを用いた回転角度算出方法であって、故障検出動作時に、
前記第二のサンプルアンドホールド部に入力される信号を、前記基準信号に設定するステップと、
前記基準信号と、前記信号制御部に設定された故障検出を行う設定角度に対応する余弦とを乗算し、前記加算部を介して前記第一のサンプルアンドホールド部へ入力するステップと、
前記基準信号と、前記設定角度に対応する正弦とを乗算し、前記加算部を介して前記第二のサンプルアンドホールド部へ入力するステップと、
前記第一および第二のサンプルアンドホールド部からの出力信号に基づき、前記回転角度を算出するステップと
を含むことを特徴とする回転角度算出方法。
【請求項４】
前記回転角度を算出するステップで算出された角度と、前記設定角度とを前記信号制御部において比較して、一致するか否かにより故障の有無を判断するステップをさらに含むことを特徴とする請求項３に記載の回転角度算出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転角度センサの故障検出に関する。
【背景技術】
【０００２】
２次元アナログ信号からＡＤ変換を利用して回転体の角度を求める回転角度センサの普及が進んでいる。
【０００３】
図４は、磁気センサを利用した回転角度センサを説明する図である。図４において、プリント基板上にＸ軸磁気センサとＹ軸磁気センサが、互いに９０度の向きとなるように配置されている。そして、このプリント基板上の対向する位置に、回転体に固定された磁石（図示せず）が配置されている。また、プリント基板平面上に、回転体の中心軸の位置からＸ軸磁気センサの方向にＸ軸、Ｙ軸磁気センサの方向にＹ軸をとるＸＹ座標系が形成されている。そして、回転体の回転とともに、回転する磁石が回転磁場を生成する。図４において、ある時点における回転磁場の方向を示す磁場ベクトルがＸＹ座標系上に描かれ、Ｘ軸となす角がθ（単位：°）として描かれている。回転体が回転すると共に、この角度θが変化する。回転角センサはこの角度θを算出し出力する。
【０００４】
そして、回転磁場によって、Ｘ軸磁気センサからＸ成分として余弦波（または正弦波）が、Ｙ軸磁気センサからＹ成分として正弦波（または余弦波）が発生し、こうした磁気センサから出力される信号は、信号振幅をＶとして、それぞれ信号Ｖhx（＝Ｖｃｏｓ（θ））、Ｖhy（＝Ｖｓｉｎ（θ））として出力される。すなわち、
（Vhx,Vhy）＝（Ｖcos（θ）,Ｖsin（θ））  ・・・（１）
として、２次元信号として表すことができる。
【０００５】
この２次元信号Ｖhx，Ｖhyから、その角度成分θを直接ＡＤ変換するための回路が特許文献１において提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−１９１１０１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
図５は、従来技術である特許文献１に係る回転角センサの構成を示す図である。
【０００８】
図５において、回転角度センサは、Ｘ軸磁気センサと、Ｙ軸磁気センサと、Ｘ軸信号増幅部と、Ｙ軸信号増幅部と、Ｘ軸信号Ｓ／Ｈ（サンプル・アンド・ホールド）部と、Ｙ軸信号Ｓ／Ｈ部と、Ｘ軸正弦波乗算部と、Ｙ軸正弦波乗算部と、加算部と、Ｖx’比較部と、Ｖy’比較部と、信号制御部とを備える。Ｘ軸正弦波乗算部と、Ｙ軸正弦波乗算部と、加算部と、Ｖx’比較部と、Ｖy’比較部と、信号制御部でベクトル回転演算部を構成している。ベクトル回転演算部は、特許文献１にあるように、２次元信号ベクトルを逐次回転し、回転後のベクトルのY成分と０とを逐次比較することによって角度を計算する。各軸信号Ｓ／Ｈ部とベクトル回転演算部とで角度算出部を構成している。
【０００９】
すなわち、回転角度センサは、回転体からの回転磁場によって、Ｘ、Ｙ軸磁気センサから、式（１）で表される２次元信号Ｖhx，Ｖhyを出力する。出力された２次元信号は、それぞれＸ、Ｙ軸信号増幅部で増幅され、
（Ｖx，Ｖy）＝（AＶcos（θ）,AＶsin（θ）） ・・・（２）
となる。ここで、Ａは信号増幅率を表す。そして、Ｘ、Ｙ軸信号Ｓ／Ｈ部へと入力される。Ｘ、Ｙ軸信号Ｓ／Ｈ部において、各信号は保持された２次元信号Ｖsx，Ｖsyとなり、Ｘ、Ｙ軸正弦波乗算部へと入力される。各軸正弦波乗算部では、信号制御部からの制御信号を受けて、後述する手順で角度θdetに応じた正弦波（又は余弦波）が乗算され、次のような出力信号となる。
Vattx = Vsx×Sin（θdet） = Vx×Sin（θdet）・・・（３）
Vatty = Vsy×Cos(θdet) = Vy×Cos（θdet）・・・（４）
そして、加算部にて
Vy’=−Vattx＋Vatty ＝−Vx×Sin（θdet）+ Vy×Cos（θdet）・・・（５）
として、Vy’が出力される。
【００１０】
このVy’は、２次元信号（Ｖx，Ｖy）があらわすベクトルを角度θdetだけ時計回りに回転させた回転後のベクトル（Ｖx’，Ｖy’）のY座標を表している。
【００１１】
ここで、角度算出の手順について述べる。特許文献１によれば、回転後のベクトルのY座標Ｖy’が０になるようなθdetが回転角度センサの検出する角度θansである。
【００１２】
ここで、角度θdetの量子化コード（Nビット）の各ビットをbN-1,bN-2,bN-3…b0とすると、θdetは以下のような角度を表現している。
θdet ＝ bN-1×180°＋bN-2×180°/2＋bN-3×180°/22＋ ・・・ + b0×180°/2N-1・・・（６）
【００１３】
角度算出においては、回転後のベクトルのY座標Ｖy’が0になるようにθdetの各ビットb n(n=N-1, N-2, …, 0)を最上位ビット（MSB）から順に下位のビットを決定してゆく。あるビットbn（0≦n≦N -1）を決定するには、それよりも上位のビットを決定した上で、bk=0（0≦k<n）とし、bn=1としたときのθdetでのVy’が、
Vy’≧0 ならば bn =1
Vy’＜0 ならば bn =0
として決定する。Vy’と0との比較は、加算部の出力後のVy’比較部で行う。
【００１４】
図６は、従来技術である特許文献１に係る回転角センサによる角度を検出する手順を示すフローチャートである。
【００１５】
ｎ＝N-1ビットbN-1から決定を開始（ステップ１）。bk=0（0≦k<n）とし、bn=1として、式（６）で表される角度θdetでベクトル回転演算が実行される（ステップ2）。Vy’比較部において回転後のベクトルのY座標Vy’について、Vy’≧0か否か判断する（ステップ3）。Vy’≧0であればbn =1とし（ステップ4a）、Vy’＜0であればbn =0とする（ステップ4b）。ｎ＝0か判断する（ステップ5）。n=0でなければnをデクリメントしたビットの決定を開始し、ステップ2へ戻る（ステップ6）。n=0であれば、角度算出終了となる（ステップ7）。
【００１６】
磁場ベクトルの向きを検出する回転角度センサでは、センサを利用するモジュール（例えば、自動車の操舵角ユニット）に組み込んだ後、磁気センサの配線断絶、磁石の欠落等の異常が発生すると、検出する磁場の大きさがセンサの検出可能な磁場の範囲の上下限を超え、センサが検出する回転磁場の軌跡は真円でなく歪んだ円となって、誤った角度を検出してしまうことがある。
【００１７】
そこで、特許文献１の回転角センサでは、前述のように回転されたベクトルの成分Vx'およびVy'のうち、Vx'の値が２つの磁気センサ出力の振幅を表すことを利用して磁場の大きさを監視し、磁気センサの配線断絶、磁石の欠落等の異常を検出するとしている。
【００１８】
その方法は、上記のように角度θansを求めた後、各軸正弦波乗算部では、信号制御部からの制御信号を受けて、角度θdetに応じた正弦波（又は余弦波）が次のように乗算された信号を出力する。
Vattx’ = Vsx×Cos（θans） = Vx×Sin(θans)・・・（７）
Vatty’ = Vsy×Sin(θans) = Vy×Cos（θans）・・・（８）
そして、加算部にて
Vx’ = Vattx’＋ Vatty’＝Vx×Cos（θans）+ Vy×Sin(θans)
＝ AV×(Cos2（θans）＋Sin2（θans）) = AV ・・・（９）
として、Vx’が出力される。このVx’は各磁気センサから出力される信号振幅Ｖに比例した値であり、回転磁場の大きさを表す。Vx’はVx’比較部にて回転角度センサでの検出磁場の限界を示す上下限電圧（それぞれ、Vhlim、Vllim）と比較され、上下限範囲を超えていればErr信号を信号制御部に出力する。信号制御部ではErr信号を利用し、検出した角度が異常かどうかを判断する。
【００１９】
しかしながら、このVx’の算出には、角度算出部を利用している。この角度算出部が故障した場合、上記の振幅監視も故障することになるので、異常の検出を行うことはできず、あたかもモジュールが正しく動作しているかのようにセンサが動作することになる。例えば、磁場は正常だが、誤った角度を算出するという故障が考えられる。また、磁場が異常であったが、角度算出部が故障しているために、異常を出力しないことも考えられる。しかしながら、特許文献１には、回転角度センサをモジュールに組み込んだ後の上記の角度算出部の故障を検出する方法については述べられていない。
【００２０】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、上記課題を解決して、磁気センサが検出した２次元アナログ信号Ｖｘ，Ｖｙからその角度成分θを検出する回転角度センサにおいて、ユーザーが任意のタイミングで行える安価で簡便な故障検出を提供することにある。また、本発明の目的は、そのような故障検出が可能な回転角度算出方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
このような目的を達成するために、本願発明の第１の態様は、２次元平面上において互いに直交する軸上に配置された第一および第二の磁気センサからの出力をそれぞれＸ成分およびＹ成分とするベクトルを用いて、前記第一および第二の磁気センサの磁界に対する相対的な回転角度を求める回転角度センサであって、前記第一の磁気センサからの入力信号を保持して出力する第一のサンプルアンドホールド部と、前記第二の磁気センサからの入力信号を保持して出力する第二のサンプルアンドホールド部と、前記第一のサンプルアンドホールド部からの信号と、所定の角度に対応する正弦または余弦とを乗算する第一の乗算部と、前記第二のサンプルアンドホールド部からの信号と、所定の角度に対応する正弦または余弦とを乗算する第二の乗算部と、前記第一の乗算部からの出力信号と第二の乗算部からの出力信号とを加減算する加算部と、前記加算部からの信号に基づき、前記回転角度を算出する信号制御部とを備え、前記信号制御部は、角度算出動作と故障検出動作とを切り替える制御信号を前記第一および第二のサンプルアンドホールド部に入力し、前記第一のサンプルアンドホールド部は、前記信号制御部からの制御信号に基づき、角度算出動作時には前記第一の磁気センサからの出力信号が入力され、故障検出動作時には前記加算部からの出力信号が入力され、前記第二のサンプルアンドホールド部は、前記信号制御部からの制御信号に基づき、角度算出動作時には前記第二の磁気センサからの出力信号が入力され、故障検出動作時には前記加算部の出力信号または基準信号のいずれかが入力されることを特徴とする。
【００２２】
また、本発明の第２の態様は、第１の態様において、前記信号制御部が、故障検出動作時に前記信号制御部により算出される回転角度が、前記信号制御部に設定された故障検出を行う設定角度と一致するか否かにより故障の有無を判断することを特徴とする。
【００２３】
また、本発明の第３の態様は、第１の態様の回転角度センサを用いた回転角度算出方法であって、故障検出動作時に、前記第二のサンプルアンドホールド部に入力される信号を、前記基準信号に設定するステップと、前記基準信号と、前記信号制御部に設定された故障検出を行う設定角度に対応する余弦とを乗算し、前記加算部を介して前記第一のサンプルアンドホールド部へ入力するステップと、前記基準信号と、前記設定角度に対応する正弦とを乗算し、前記加算部を介して前記第二のサンプルアンドホールド部へ入力するステップと、前記第一および第二のサンプルアンドホールド部からの出力信号に基づき、前記回転角度を算出するステップとを含むことを特徴とする。
【００２４】
また、本発明の第４の態様は、第３の態様において、前記回転角度を算出するステップで算出された角度と、前記設定角度とを前記信号制御部において比較して、一致するか否かにより故障の有無を判断するステップをさらに含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、磁気センサが検出した２次元アナログ信号Ｖｘ，Ｖｙからその角度成分θを検出する回転角度センサにおいて、安価で簡便な故障検出を実現できる。また、本発明によれば、故障検出が可能な回転角度算出方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の実施形態に係る回転角度センサの構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の実施形態に係る加算部の例示的回路構成を示す図である。
【図３】本発明の実施形態による角度算出部の故障検出の手順を示すフローチャートである。
【図４】磁気センサを利用した回転角度センサを説明する図である。
【図５】従来技術である特許文献１に係る回転角センサの構成を示す図である。
【図６】従来技術である特許文献１に係る回転角センサによる角度を検出する手順を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
【００２８】
図１は本発明の実施形態に係る回転角度センサの構成を示すブロック図である。
【００２９】
図１において、回転角度センサは、Ｘ軸磁気センサ、Ｙ軸磁気センサ、Ｘ軸信号増幅部、Ｙ軸信号増幅部、Ｘ軸信号Ｓ／Ｈ（サンプル・アンド・ホールド）部、Ｙ軸信号Ｓ／Ｈ部、Ｘ軸正弦波乗算部、Ｙ軸正弦波乗算部、加算部、比較部と、信号制御部とを備える。Ｘ軸正弦波乗算部、Ｙ軸正弦波乗算部、加算部、比較部と、信号制御部とからベクトル回転演算部を構成している。各軸信号Ｓ／Ｈ部とベクトル回転演算部とから角度算出部が構成されている。
【００３０】
図１における本発明の構成は、図５の従来技術と次の点で異なる。すなわち、加算部の出力はVrot、Vfbx、Vfbyと３つに分岐している。そして、Vfbx、Vfbyが、それぞれX、Y軸信号S／H部の入力へフィードバックされている。また、X軸信号Ｓ／Ｈ部への入力は、VxとVfbxの２つあり、Y軸信号S/H部への入力は、Vfby、Vyに加えて基準電圧Vmdを含む３つとなっている。また、各軸信号Ｓ／Ｈ部には、入力を切り替える切替信号が信号制御部より入力されている。これにより、各軸信号Ｓ／Ｈ部への入力は、後述のように角度算出時、故障検出時に切り替わる。また、説明の便宜上、Vy’比較部とVx’比較部ではなく、入力が加算部からの出力Vrotである比較部が１つとなっている。本発明の故障検出においては、比較部が比較するのは角度算出におけるVy’のみである。Vx’比較部は備えていてもいなくても良い。角度算出時にはVrot= Vy’となり、故障検出時にVrot＝VfbxまたはVfbyとなりS/H部へフィードバックされる。このように、本発明の構成は図５における従来技術の回路を再利用する形で実現できる。以下、その詳細を述べる。
【００３１】
各軸磁気センサは、例えばホール素子である。各軸信号増幅部は、磁気センサからの信号を増幅する増幅器で構成される。各軸信号Ｓ／Ｈ部は、入力を切り替えるためのマルチプレクサと特許文献１にあるようなＳ／Ｈ回路とで構成される。各軸正弦波乗算部は、例えば特許文献１にあるようなＳＣ（スイッチドキャパシタ）乗算器で構成される。この回路は信号制御部からの制御信号（スイッチドキャパシタの容量を変更するデジタル信号）により、入力信号に対し以下の式(A)で表される乗算係数R相当の信号を乗算した信号を出力するか、ゲイン１のバッファアンプとして信号を出力することができる。
R = Ci / Co・・・（A）
ここで、Ci、Coは、それぞれスイッチドキャパシタ回路の入力側容量、帰還側容量であり、制御信号によって可変である。Ci=Coの場合には、ゲイン１となることが分かる。Ci、Coの容量により正弦波（又は余弦波）をあらわすことが出来ることは特許文献１に記載されている。
【００３２】
加算部は、例えば図２のような回路で構成される。図２は、増幅器OP_aと３つのコンデンサ（Cinx,Ciny,Cfb）と９つのスイッチ（S1〜S9）からなるS/H機能付加算器である。VinxとVinyを入力とし、
Vout = -（Cinx / Cfb）Vinx+（Ciny/ Cfb）Viny・・・（１０）又は
Vout = （Cinx / Cfb）Vinx＋（Ciny/ Cfb）Viny・・・（１１）
を出力する。Cinx＝Ciny＝Cfbの場合にはVinxとVinyのゲイン１倍の加算または減算である。S9によってCfbに蓄えられた電荷がタイミングφrでリセットされる。Vinxから入力された信号は、タイミングφ１でS1、S3がON、S2、S4がOFFし、タイミングφ２でS1、S3がOFF、S2、S4がONした場合にCfbに蓄えられる電荷によってVoutに加算される。一方、タイミングψ１でS2、S3がON、S1、S4がOFF、タイミングψ２でS2、S3がOFF、S1、S4がONすることによって、Voutから減算される。Vinyから入力された信号も、Vinxから入力される信号と同様な形式にVoutに対して加算される。タイミングφ１、φ2、ψ１、ψ２ではなく、加算時にはφ’１（S1、S3がON、S2、S4がOFF）、φ’2（S1、S3がOFF、S2、S4がON）、でスイッチの開閉がなされる。Vinx、VinyにはそれぞれVattx、Vattyを入力するのでも良いし、Cinx、Cinyを信号制御部からの制御信号で調整する可変容量コンデンサとすることで、回路に上述の式（A）で表される乗算係数を持った正弦波乗算部としての機能を持たせ、Vsx、Vsyを入力するのでも良い。
【００３３】
比較部は、基準電圧（回路の構成にもよるが、”0”を意味する電圧。本発明の説明では0Vとするがこれに限定されないことに留意されたい。）よりも大きいか小さいかを判定するコンパレータで構成される。信号制御部はデジタル回路で構成される。
【００３４】
尚、図１の本発明の構成における角度算出は、従来技術と同様に図６の手順にしたがって行うことができるので説明を省略する。
【００３５】
（故障検出）
故障検出では、ユーザーが設定した所望の角度を、角度算出部が正しく算出するかどうかをチェックする。
【００３６】
図３は、角度算出部の故障検出の手順を示すフローチャートである。図３のフローチャートに沿って説明を行う。
【００３７】
まず、算出させたい試験用の角度θtstを信号制御部へ設定する（ステップ３０１）。信号制御部からの信号によりY軸信号Ｓ／Ｈ部の入力を基準電圧Vmdとする（ステップ３０２）。Y軸信号Ｓ／Ｈ部から出力された信号VsyがY軸正弦波乗算部において、
Vatty = Vsy×Cos(θtst) = Vmd×Cos(θtst)・・・（１２）
となり、加算部へ出力される。加算部では、Vattyのみをホールドするよう制御する。図２の回路の例では、Vinyのみによる電荷がCfbに蓄えられ、Vout＝Vinyとなる。ホールドされた加算器の出力Vinyは、VfbxとしてX軸信号Ｓ／Ｈ部へフィードバック入力され、ホールドされる（ステップ３０３）。次に、Y軸正弦波乗算部において、
Vatty = Vsy×Sin(θtst) = Vmd×Sin (θtst)・・・（１３）
を出力させ、加算部でVattyのみをホールドした後、VfbyとしてY軸信号Ｓ／Ｈ部へフィードバック入力され、ホールドされる（ステップ３０４）。ステップ２〜４により、各軸信号S/H部へ入力された信号、
(Vx, Vy) = (Vfbx, Vfby) =（Vmd×Cos(θtst), Vmd×Sin (θtst)）・・・（１４）
は、回転磁場が角度θtstであるときの磁気センサからの出力信号を模擬した信号となる。
【００３８】
すなわち、この２次元信号から角度算出を行い、算出された角度θansがθtstと一致すれば、角度算出部に故障がなく、一致しなければ角度算出部に故障があると判断される。そこで、ステップ３０４の後、図６で説明した手順によって角度θansを算出する（ステップ３０５）。最後に、信号制御部で算出角度θansと設定角度θtstが一致しているかどうか判断する（ステップ３０６）。
【００３９】
このようにして、設定角度θtstを変更して判断してゆけば、角度算出部の故障検出が可能となる。
【００４０】
以上、本発明の回転角度センサにより故障検出を行うことができることを説明した。本発明の回転角度センサは、従来技術に対して、加算部の出力をS/H部へとフィードバックする回路構成と、入力切替のマルチプレクサと算出のための制御回路をデジタル回路に追加しただけであり、回路の面積をほとんど増加させないので、安価に実施が可能である。また、センサをモジュールなどに組み込んだ後に容易に実施が可能であり、モジュールを製品として出荷した後も回路の異常監視が容易に可能である。すなわち製品のユーザーが任意のタイミングで故障検出を行うことが可能である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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