(57)【要約】【課題】  回転磁場の回転角度に対応した一次関数に近似した角度検知出力を迅速に得ることができる角度検出装置を提供する。【解決手段】  第１の磁気検出部１１と第２の磁気検出部１２からの出力が、差動アンプである第１ないし第４の出力回路２１，２２，２３，２４に与えられることで、互い正負が反転した正弦波に近似した検知出力Ｓ１，Ｓ２と、互い正負が反転した余弦波に近似した検知出力Ｓ３，Ｓ４が得られる。これら検知出力Ｓ１〜Ｓ４がスイッチング回路３１に与えられ、検知出力Ｓ１〜Ｓ４から９０度周期ごとの部分検知出力が得られる。バイアス付加回路３３においてそれぞれの部分検知出力にバイアス電圧が印加され、部分検知出力が連続出力とされて一次関数に近似した角度検知出力が得られる。【選択図】図２
2015049046.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転磁場が与えられる検知領域に、回転磁場の回転角度の関数である正弦波に近似した検知出力を得る第１の磁気検出部と、余弦波に近似した検知出力を得る第２の磁気検出部とが設けられ、
前記第１の磁気検出部と前記第２の磁気検出部から得られたアナログの検知出力から、一次関数に近似した部分検知出力を切出すスイッチング回路と、いずれかの前記部分検知出力にバイアス電力を与えて複数の前記部分検知出力を連続させて角度検知出力とするバイアス付加回路と、が設けられていることを特徴とする角度検出装置。
【請求項２】
前記第１の磁気検出部から第１の検知出力ならびに第１の検知出力と正負の極性を反転させた第２の検知出力を得る出力回路と、前記第２の磁気検出部から第３の検知出力ならびに第３の検知出力と正負の極性を反転させた第４の検知出力を得る出力回路と、
前記第１と第２と第３ならびに第４の検知出力のいずれかを比較する比較器とを有し、
前記比較器からの比較出力に基づいて前記スイッチング回路の切換えタイミングが決められる請求項１記載の角度検出装置。
【請求項３】
前記スイッチング回路によって、第１と第２と第３ならびに第４の検知出力のそれぞれが９０度周期ごとに切出されて、前記部分検知出力が得られる請求項２記載の角度検出装置。
【請求項４】
第１と第２と第３ならびに第４の検知出力が、振幅の中点を起点として±４５度の範囲で切出される請求項３記載の角度検出装置。
【請求項５】
前記第１の磁気検出部と第２の磁気検出部は、磁気抵抗効果素子を含むブリッジ回路で構成されており、前記第１の磁気検出部に含まれる第１の磁気抵抗効果素子と前記第２の磁気検出部に含まれる第２の磁気抵抗効果素子とでは、感度軸の向きが互いに直交している請求項１ないし４のいずれかに記載の角度検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転磁界を複数の磁気検出部で検知して、回転角度に比例する一次関数に近似したアナログ出力を得ることができる角度検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
磁石を備えた回転体の回転角度を検出する角度検出装置には、磁気抵抗効果素子を含むブリッジ回路を備えたものが使用されている。通常はブリッジ回路が２組使用され、一方のブリッジ回路から正弦波に近似した検知出力が得られ、他方のブリッジ回路から余弦波に近似した検知出力が得られる。
【０００３】
回転体の回転角度を検出するためには、回転角度に比例した一次関数の検知出力を得ることが必要である。一次関数の検知出力を得るためには、正弦波に近似した検知出力と余弦波に近似した検知出力から逆正接関数（アークタンジェント）を算出することが行われている。従来は、逆正接関数を正確に算出する手法として、正弦波に近似した検知出力と余弦波に近似した検知出力をＡ／Ｄ変換し、コーデックなどのアルゴリズムを使用したデジタル演算が行われている。
【０００４】
しかし、前記アルゴリズムを使用したデジタル演算は、演算に時間がかかる欠点がある。回転体の回転数が低い場合には、前記デジタル演算によって高精度な角度検知出力を得ることができるが、回転体がモータのように高い回転数で回転しているときは、回転体の回転に演算が追従できなくなる。
【０００５】
特許文献１，２にはデジタル演算を使用しないで一次関数に近い検知出力を得るための角度検出装置が開示されている。
【０００６】
特許文献１に記載されている角度検出装置は、磁石と磁気抵抗効果素子とを組み合わせた磁気センサが使用されている。回転体は強磁性材料で形成されており、その平面形状が真円ではなく正接関数（タンジェント）を加味したものとなっている。この回転体を使用することで、磁気センサから一次関数に近似した検知出力を得るというものである。
【０００７】
しかしながら、円形ではない正接関数を加味した形状の回転体を製造することは非常に難しく、製造コストの高い装置となる。
【０００８】
特許文献２に記載された角度検出装置は、回転磁石と、これに対向する４個のセンサ素子とが設けられている。センサ素子からは正弦波と余弦波に近似した出力が得られ、この２つの出力からアナログ乗算器で間接的除算が行なわれる。しかし、前記アナログ乗算器は信号処理部にアナログ除算回路が必要となるため、回路構成が複雑になる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２０１０−５４４９５号公報
【特許文献２】特表２０１１−５０８８９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は上記従来の課題を解決するものであり、簡単な回路構成で一次関数に近似した角度検知出力を得ることができ、しかも高速回転に追従できる角度検出装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の角度検出装置は、回転磁場が与えられる検知領域に、回転磁場の回転角度の関数である正弦波に近似した検知出力を得る第１の磁気検出部と、余弦波に近似した検知出力を得る第２の磁気検出部とが設けられ、
前記第１の磁気検出部と前記第２の磁気検出部から得られたアナログの検知出力から、一次関数に近似した部分検知出力を切出すスイッチング回路と、いずれかの前記部分検知出力にバイアス電力を与えて複数の前記部分検知出力を連続させて角度検知出力とするバイアス付加回路と、が設けられていることを特徴とするものである。
【００１２】
本発明の角度検出装置は、磁気検出部から得られたアナログ出力の検知出力をスイッチング回路で切出して連続させているため、角度検知出力を得るため速度が速く、回路構成も簡単である。また、磁気検出部から得られるアナログ出力をそのまま使用でき、またはゲイン調整などを経るだけで使用できるため、回転体の回転角度に直結した角度検知出力を得ることができる。
【００１３】
本発明は、前記第１の磁気検出部から第１の検知出力ならびに第１の検知出力と正負の極性を反転させた第２の検知出力を得る出力回路と、前記第２の磁気検出部から第３の検知出力ならびに第３の検知出力と正負の極性を反転させた第４の検知出力を得る出力回路と、
前記第１と第２と第３ならびに第４の検知出力のいずれかを比較する比較器とを有し、
前記比較器からの比較出力に基づいて前記スイッチング回路の切換えタイミングが決められるものとして構成できる。
【００１４】
この場合に、前記スイッチング回路によって、第１と第２と第３ならびに第４の検知出力のそれぞれが９０度周期ごとに切出されて、前記部分検知出力が得られる。
【００１５】
好ましくは、第１と第２と第３ならびに第４の検知出力が、振幅の中点を起点として±４５度の範囲で切出される。この範囲で部分検知出力を得ることにより、一次関数に近似した部分検知出力を得ることができる。
【００１６】
本発明は、前記第１の磁気検出部と第２の磁気検出部は、磁気抵抗効果素子を含むブリッジ回路で構成されており、前記第１の磁気検出部に含まれる第１の磁気抵抗効果素子と前記第２の磁気検出部に含まれる第２の磁気抵抗効果素子とでは、感度軸の向きが互いに直交しているものとして構成できる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の角度検出装置は、第１の磁気検出部からのアナログ出力と、第２の磁気検出部からのアナログ出力をスイッチング回路で切出し、バイアスを与えて連続させることで角度検知出力を得ている。そのため、回路構成が簡単であり、回転体の回転数が高くても、回転に迅速に追従した角度検知出力を得ることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施の形態の角度検出装置における回転体と磁気検出部を示す平面図、
【図２】実施の形態の角度検出装置の回路構成を示す回路ブロック図、
【図３】第１と第２の磁気検出部からの４種類の検知出力を示す線図、
【図４】第１と第２の磁気検出部からの検知出力を切出した部分検知出力を示す線図、
【図５】部分検知出力を連続させた角度検知出力を示す線図、
【図６】図５に示す角度検知出力と一次関数との誤差の分布を示す線図、
【発明を実施するための形態】
【００１９】
図１に示すように、本発明の実施の形態の角度検出装置１は、回転体２を有しており、回転体２の内側に検出基板３が配置されている。
【００２０】
回転体２には、２つの磁石Ｍ１，Ｍ２が１８０度の角度間隔で取り付けられている。磁石Ｍ１はＮ極が磁石Ｍ２に向けられ、磁石Ｍ２はＳ極が磁石Ｍ１に向けられており、磁石Ｍ１から磁石Ｍ２に向けて磁界Ｈが形成されている。
【００２１】
回転体２は回転中心Ｏを有して時計方向（ＣＷ）へ回転する。その結果、回転体２の内側では、磁界Ｈが時計方向へ回転する回転磁場が形成される。
【００２２】
検出基板３には磁気検知素子として、第１の磁気抵抗効果素子Ｒ（＋ｓ）、Ｒ（−ｓ）と、第２の磁気抵抗効果素子Ｒ（＋ｃ）、Ｒ（−ｃ）が搭載されている。図１では、検出基板３と磁気抵抗効果素子が大きく図示されているが、実際の検出基板３と磁気抵抗効果素子は磁石Ｍ１，Ｍ２の回転軌跡の直径に比べて極めて小さい寸法であり、回転体２が回転しているときに、検出基板３上のそれぞれの磁気抵抗効果素子に同じ向きの回転磁場が与えられる。
【００２３】
なお、磁石Ｍ１，Ｍ２が固定部に固定されており、検出基板３が回転中心Ｏに対して反時計方向へ回転する構成であっても、検出基板３に対して相対的に時計方向（ＣＷ）へ回転する回転磁場を与えることができる。
【００２４】
第１の磁気抵抗効果素子Ｒ（＋ｓ）、Ｒ（−ｓ）と、第２の磁気抵抗効果素子Ｒ（＋ｃ）、Ｒ（−ｃ）とでは、感度軸Ｐの向きが互いに直交している。第１の磁気抵抗効果素子は２種類設けられ、Ｒ（＋ｓ）は感度軸Ｐの向きがＸ２方向で、Ｒ（−ｓ）は感度軸Ｐの向きがＸ１方向である。第２の磁気抵抗効果素子は２種類設けられ、Ｒ（＋ｃ）は感度軸Ｐの向きがＹ２方向で、Ｒ（−ｃ）は感度軸Ｐの向きがＹ１方向である。
【００２５】
磁気抵抗効果素子は、巨大磁気抵抗効果を利用したＧＭＲ素子、トンネル効果を利用したＴＭＲ素子、またはＡＭＲ素子である。
【００２６】
図１に示すように、磁気抵抗効果素子は電極部４，４とその間に位置する素子部５を有している。素子部５は、Ｘ−Ｙ平面の平面内でミアンダパターンに形成されており、固定磁性層／非磁性層／フリー磁性層が積層されて構成されている。固定磁性層の固定磁化方向が前記感度軸Ｐの方向に一致している。フリー磁性層は外部磁界Ｈの方向にしたがって磁化の向きが変えられる。
【００２７】
外部磁界Ｈが感度軸Ｐの向きに与えられると磁気抵抗効果素子の電気抵抗値が最小となり、外部磁界Ｈが感度軸Ｐに対して逆向きに与えられると電気抵抗値が最大となる。外部磁界Ｈが感度軸Ｐと直交する向きに与えられると、磁気抵抗効果素子の電気抵抗値が中点の値となる。
【００２８】
固定磁性層は反強磁性層と重ねられて磁場中で熱処理されることで磁化方向が固定される。または、固定磁性層を磁性層／非磁性中間層／磁性層の積層フェリ構造として、各磁性層を反平行に磁化固定したセルフピン止め型とすることも可能である。この場合、片方の磁性層を磁場中成膜することで磁化が固定される。
【００２９】
図２に示すように、角度検出装置１では、検出基板３上に第１の磁気検出部１１と第２の磁気検出部１２が構成されている。
【００３０】
第１の磁気検出部１１は、感度軸Ｐの向きが１８０度相違する第１の磁気抵抗効果素子Ｒ（＋ｓ）、Ｒ（−ｓ）で構成されたフルブリッジ回路である。第２の磁気検出部１２は、感度軸Ｐの向きが１８０度相違する第２の磁気抵抗効果素子Ｒ（＋ｃ）、Ｒ（−ｃ）で構成されたフルブリッジ回路である。
【００３１】
図２に示すように、第１の磁気検出部１１のフルブリッジ回路の中点出力（中点出力電圧）１１ａと１１ｂは第１の出力回路２１と第２の出力回路２２に与えられている。第１の出力回路２１は差動アンプであり、中点出力１１ａが（＋）入力部に接続され、中点出力１１ｂが（−）入力部に接続されている。第２の出力回路２２も差動アンプであり、中点出力１１ｂが（＋）入力部に接続され、中点出力１１ａが（−）入力部に接続されている。
【００３２】
第２の磁気検出部１２のフルブリッジ回路の中点出力（中点出力電圧）１２ａと１２ｂは第３の出力回路２３と第４の出力回路２４に与えられる。第３の出力回路２３は差動アンプであり、中点出力１２ａが（＋）入力部に接続され、中点出力１２ｂが（−）入力部に接続されている。第４の出力回路２４も差動アンプであり、中点出力１２ｂが（＋）入力部に接続され、中点出力１２ａが（−）入力部に接続されている。
【００３３】
図１に示す回転体２が時計方向（ＣＷ）へ回転すると、第１の出力回路２１から第１の検知出力Ｓ１が得られ、第２の出力回路２２から第２の検知出力Ｓ２が得られる。第３の出力回路２３から第３の検知出力Ｓ３が得られ、第４の出力回路２４から第４の検知出力Ｓ４が得られる。
【００３４】
図３に第１ないし第４の検知出力Ｓ１〜Ｓ４の出力波形が示されている。横軸は回転角度（θ）を示し、縦軸は出力強度（電圧）を示している。
【００３５】
第１の検知出力Ｓ１と第２の検知出力Ｓ２は、極性（電圧の正負）が反転しており、第３の検知出力Ｓ３と第４の検知出力Ｓ４も極性が反転している。第１の検知出力Ｓ１と第３の検知出力Ｓ３は位相が９０度相違し、第２の検知出力Ｓ２と第４の検知出力Ｓ４も位相が９０度相違している。第１の検知出力Ｓ１と第３の検知出力Ｓ３の一方は、正弦波の三角関数波に近似した変化を持つ出力であり、他方は余弦波の三角関数波に近似した変化を持つ出力である。
【００３６】
図３の横軸に回転体２の回転角度θが示されているが、この回転角度θの表示は、図１に示す磁石Ｍ１の幅中心が基準線Ｚ上に一致しているときを原点（０度）としている。図１は、回転中の回転体３の磁石Ｍ１が原点（基準軸Ｚ）を起点として時計方向（ＣＷ）へ４５度進んだ状態を示しており、このときの第１ないし第４の検知出力Ｓ１〜Ｓ４の出力強度は、図３において横軸が４５度のときの出力強度となる。横軸が４５度のとき、第１の検知出力Ｓ１の出力強度と第２の検知出力Ｓ２の出力強度が中点の値で、第３の検知出力Ｓ３の出力強度が極大値となり、第４の検知出力Ｓ４の出力強度が極小値となる。
【００３７】
図３に示す第１ないし第４の検知出力Ｓ１〜Ｓ４の出力波形の強度の絶対値ならびに振幅は、電源電圧Ｖｄｄならびに差動アンプである出力回路２１，２２，２３，２４に設定されるゲインなどに依存する。第１ないし第４の検知出力Ｓ１〜Ｓ４は、回転磁場を検知する第１の磁気検出部１１と第２の磁気検出部１２からの検出出力の変化をそのまま反映させたアナログ出力である。
【００３８】
図２に示すように、第１ないし第４の検知出力Ｓ１〜Ｓ４は、アナログミキサー３０に与えられる。アナログミキサー３０は、スイッチング回路３１と比較器３２ａ，３２ｂ、ならびにバイアス付加回路３３を有している。
【００３９】
第１の比較器３２ａは第１の検知出力Ｓ１と第４の検知出力Ｓ４の強度の大小を比較し、その結果がスイッチング回路３１に与えられる。第２の比較器３２ｂは第１の検知出力Ｓ１と第３の検知出力Ｓ３の強度の大小を比較し、その結果がスイッチング回路３１に与えられる。
【００４０】
スイッチング回路３１は、比較器３２ａ，３２ｂの比較結果に基づいてスイッチング動作を行い、第１ないし第４の検知出力Ｓ１〜Ｓ４のいずれかが選択された部分検知出力として切出される。
【００４１】
第１の比較器３２ａの比較結果と第２の比較器３２ｂの比較結果、ならびにこの比較結果に基づいてスイッチング回路３１で切出される検知出力は以下の表１に記載された通りである。
【００４２】
【表１】
2015049046.tif 000003
【００４３】
図４には、スイッチング回路３１のスイッチング動作で切出された部分検知出力Ｓ１ｃ，Ｓ４ｃ，Ｓ２ｃ，Ｓ３ｃが示されている。
【００４４】
表１に示すように、第１の比較器３２ａと第２の比較器３２ｂのそれぞれで２つの検知出力を比較してスイッチング回路３１でスイッチングすることによって、図４に示すように、回転体２が時計方向へ３６０度回転する間に、４つの検知出力が９０度の周期ごとに切出される。
【００４５】
角度θの０〜９０度の間は、表１の第１欄に示すように、第１の検知出力Ｓ１がその振幅（電圧幅）の中間点を基準として前後に４５度の範囲で切出され、図４に示す部分検知出力Ｓ１ｃが得られる。角度θが９０〜１８０度の間は、表１の第２欄に示すように、第４の検知出力Ｓ４がその振幅（電圧幅）の中間点を基準として前後に４５度の範囲で切出され、図４に示す部分検知出力Ｓ４ｃが得られる。同様にして、角度θが１８０〜２７０度の間は、部分検知出力Ｓ２ｃが得られ、角度θが２７０〜３６０度の間は、部分検知出力Ｓ３ｃが得られる。
【００４６】
部分検知出力Ｓ１ｃ，Ｓ４ｃ，Ｓ２ｃ，Ｓ３ｃは、正弦波または余弦波に近似した検知出力のうちの振幅の中点を基準とした前後に±４５度の範囲で切出されているので、出力強度の変化がほぼ一次関数に近くなる。
【００４７】
第１の比較器３２ａと第２の比較器３２ｂは、図４に示す部分検知出力が得られるように、検知出力を９０度毎に分割するための信号を生成している。これができる限りにおいては、比較する検知出力が表１に示す例に限定されるものではない。
【００４８】
例えば、Ｓ３＞Ｓ１でＳ３＞Ｓ２の比較条件でも、角度θが０〜９０度の範囲で第１の検知出力Ｓ１を切出して、部分検知出力Ｓ１ｃを得ることが可能である。
【００４９】
スイッチング回路３１で切出された部分検知出力Ｓ１ｃ，Ｓ４ｃ，Ｓ２ｃ，Ｓ３ｃは、バイアス付加回路３３に与えられる。バイアス付加回路３３では、部分検知出力Ｓ１ｃ，Ｓ４ｃ，Ｓ２ｃ，Ｓ３ｃに正または負のバイアス電圧が与えられ、図５に示すように、部分検知出力Ｓ１ｃ，Ｓ４ｃ，Ｓ２ｃ，Ｓ３ｃが連続した一次関数に近似した角度検知出力が得られる。前記表１の最右欄には、図５に示す角度検知出力を得るために、部分検知出力Ｓ１ｃ，Ｓ４ｃ，Ｓ２ｃ，Ｓ３ｃに与えられるバイアス電圧が数値で示されている。
【００５０】
バイアス付加回路は抵抗器と可変抵抗器などで構成され、図４に示す部分検知出力Ｓ４ｃの始端が、部分検知出力Ｓ１ｃの終端に連続するように、部分検知出力Ｓ４ｃに対してバイアス電圧が印加される。同様に、部分検知出力Ｓ２ｃ，Ｓ３ｃにバイアス電圧が与えられる。また、最初に得られる部分検知出力Ｓ１ｃに正または負のバイアス電圧を与えることにより、図５に示すように、角度θが０度のときの出力の起点を、出力電圧の０点に合わせることが可能である。
【００５１】
図５に示す角度検知出力の変化は、一次関数に近似している。図６は、図５に示す角度検知出力と一次関数との強度誤差を示している。角度検知出力の一次関数に対する誤差は、±０．５％程度である。
【００５２】
本発明の実施の形態の角度検出装置１では、第１の磁気検出部１１と第２の磁気検出部１２から得られるアナログ出力をそのまま使用し、あるいはゲイン調整を行って使用することで、瞬時に一次関数に近似した角度検知出力を得ることができる。よって、回転体２がモータに直結して回転している場合であっても、回転角度を精度良く検出することができる。
【００５３】
なお、図１と図２に示す角度検出装置１では、第１の磁気検出部１１が、第１の磁気抵抗効果素子Ｒ（＋ｓ）、Ｒ（−ｓ）で構成されたフルブリッジ回路であり、第２の磁気検出部１２が、第２の磁気抵抗効果素子Ｒ（＋ｃ）、Ｒ（−ｃ）で構成されたフルブリッジ回路である。
【００５４】
ただし、本発明では、第１の磁気検出部１１が、第１の磁気抵抗効果素子としてＲ（＋ｓ）とＲ（−ｓ）のいずれか一方を使用したハーフブリッジ回路であり、第２の磁気検出部１２が、第２の磁気抵抗効果素子としてＲ（＋ｃ）とＲ（−ｃ）のいずれか一方を使用したハーフブリッジであってもよい。
【００５５】
また、図２に示すアナログミキサー３０では、スイッチング回路３１で切出された個々の部分検知出力にバイアス電力が与えられているが、第１ないし第４の出力回路２１，２２，２３，２４を経た第１のないし第４の検知出力Ｓ１〜Ｓ４に予めバイアス電力を与えておいてから、スイッチング回路３１で部分検知出力を切出すことで、スイッチング回路３１から連続した角度検知出力を得ることが可能になる。
【符号の説明】
【００５６】
１  角度検出装置
２  回転体
３  検出基板
１１  第１の磁気検出部
１２  第２の磁気検出部
２１  第１の出力回路
２２  第２の出力回路
２３  第３の出力回路
２４  第４の出力回路
３０  アナログミキサー
３１  スイッチング回路
３２ａ，３２ｂ  比較器
３３  バイアス付加回路
Ｈ  外部磁界
Ｍ１，Ｍ２  磁石
Ｐ  感度軸
Ｒ（＋ｓ）、Ｒ（−ｓ）  第１の磁気抵抗効果素子
Ｒ（＋ｃ）、Ｒ（−ｃ）  第１の磁気抵抗効果素子
Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４  検知出力
Ｓ１ｃ，Ｓ２ｃ，Ｓ３ｃ，Ｓ４ｃ  部分検知出力
【図１】
2015049046.tif 000004
【図２】
2015049046.tif 000005
【図３】
2015049046.tif 000006
【図４】
2015049046.tif 000007
【図５】
2015049046.tif 000008
【図６】
2015049046.tif 000009