(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
多数の磁気センサ素子をライン状に並べた磁気ラインセンサと、この磁気ラインセンサに対面して磁気センサ素子の並び方向に略沿い所定の回転中心回りの円弧経路上を旋回移動する磁石と、前記磁気ラインセンサの磁気センサ素子を順次選択するスキャナ回路と、選択されたセンサ素子の信号を増幅するアンプと、このアンプの出力をデジタル信号に変換するＡＤ変換回路と、このＡＤ変換回路の出力から、前記磁気ラインセンサに印加されている磁界の分布を測定して前記磁気ラインセンサ上の磁石の位置を検出し、その検出位置から前記旋回中心回りの前記磁石の位置する角度を求める計算処理回路とを備え、前記磁石は磁気ラインセンサのセンサ素子の並び方向に並ぶ２つの磁極境界を持ち、前記計算処理回路は、前記２つの磁極境界を求めて、これら２つの中点を磁石の位置とするものである磁気ラインセンサ式角度検出装置。
【請求項２】
請求項１において、前記磁気ラインセンサがシリコンチップの集積回路である磁気ラインセンサ式角度検出装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２において、前記計算処理回路は、前記回転中心からの前記磁石の配置距離、および前記磁石の角度の原点位置を示すパラメータを記憶するパラメータ記憶手段を有し、このパラメータ記憶手段は、記憶するパラメータを前記計算処理回路の外部から設定可能なものとした磁気ラインセンサ式角度検出装置。
【請求項４】
請求項３において、前記計算処理回路は、前記パラメータ記憶手段に記憶したパラメータを元に、前記磁気ラインセンサ上の磁石の位置を検出し、この位置検出情報から絶対角度を算出する機能を有するものである磁気ラインセンサ式角度検出装置。
【請求項５】
請求項１ないし請求項４のいずれか１項において、前記計算処理回路は、前記ＡＤ変換回路のセンサ信号出力波形のゼロクロス位置から前記磁石の位置を検出するものである磁気ラインセンサ式角度検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、事務機器の位置検出などに用いられる角度検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
角度検出装置の一例として、センサアレイを用いた回転検出装置が提案されている（例えば特許文献１）。これは、多数の磁気センサ素子をマトリックス状に配置したセンサアレイを、信号増幅器、ＡＤ変換回路、およびデジタル信号処理回路と共にセンサチップに集積し、このセンサチップを、回転側部材に配置される磁石に対向配置したものである。このように構成することで、磁石の発生する磁界の分布を磁気センサアレイが検出し、その分布から磁石の回転角度が検出される。
【特許文献１】特開２００３−１４８９９９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、上記した磁気センサアレイを用いた回転検出装置では、磁石の発生する磁界の分布を磁気センサアレイで直接検出し、検出される磁界分布の回転角度を磁石の回転角度として検出するものであるため、磁気センサ素子の数によって分解能が制限されることになり、高い分解能を実現できないという課題がある。
【０００４】
この装置は、図１３のように多数の磁気センサ素子２１ａをライン状に並べてなる４つの磁気ラインセンサ２１Ａ〜２１Ｄを、センサチップ２７の上に四角形に配置すると共に、一対のＮＳ磁極を有する磁石（図示せず）をセンサチップ２７に非接触に対面させて構成される。この角度検出装置では、前記磁気ラインセンサ２１Ａ〜２１Ｄからなる四角形において、対向し合う２辺の磁気ラインセンサを利用することで、磁石の発生する磁界分布の磁極境界を検出し、この磁極境界から磁石の角度を求める。具体的には、磁石の一対のＮＳ磁極の境界（ゼロクロス位置）が、例えば対向し合う２辺の磁気ラインセンサ２１Ｂ，２１ＤにおけるＺ１，Ｚ２の位置にあることを、磁気ラインセンサ２１Ｂ，２１Ｄの各磁気センサ素子２１ａの検出信号に基づき、センサチップ２７の上に磁気ラインセンサ２１Ａ〜２１Ｄと共に集積された計算回路（図示せず）で演算し、これら２点のゼロクロス位置Ｚ１，Ｚ２の座標（ｘ，ｙ）を使用することで、ゼロクロス位置Ｚ１，Ｚ２を結ぶゼロラインＬの角度をｔａｎ-1（Δｙ／Δｘ）の計算によって求める。この場合のゼロラインＬは、磁石の磁界分布におけるＮ磁極領域とＳ磁極領域との境界線となる。前記計算回路によるゼロクロス位置Ｚ１，Ｚ２の演算は、磁石による磁界分布における磁極の境界付近の複数の検出信号から直線近似を行うことでなされる。これにより、磁気ラインセンサ２１Ａ〜２１Ｄにおける磁気センサ素子２１ａの配置ピッチよりも高い分解能で磁石の角度を検出することができる。
【０００５】
しかし、このような構成の角度検出装置では、磁気ラインセンサ２１Ａ〜２１Ｄからなる四角形の大きさによって、検出される角度の精度が制限され、それ以上の検出分解能を達成するのは難しい。２点のゼロクロス位置Ｚ１，Ｚ２間の距離が大きいほど検出誤差を小さくできるが、センサチップ２７のサイズを大きくすると製造コストの増大を招くので望ましくない。
【０００６】
この発明の目的は、簡単な構造により高い分解能で角度検出が可能な磁気式角度検出装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明の磁気ラインセンサ式角度検出装置は、多数の磁気センサ素子をライン状に並べた磁気ラインセンサと、この磁気ラインセンサに対面して磁気センサ素子の並び方向に略沿い所定の回転中心回りの円弧経路上を旋回移動する磁石と、前記磁気ラインセンサの磁気センサ素子を順次選択するスキャナ回路と、選択されたセンサ素子の信号を増幅するアンプと、このアンプの出力をデジタル信号に変換するＡＤ変換回路と、このＡＤ変換回路の出力から、前記磁気ラインセンサに印加されている磁界の分布を測定して前記磁気ラインセンサ上の磁石の位置を検出し、その検出位置から前記旋回中心回りの前記磁石の位置する角度を求める計算処理回路とを備えたものである。
前記磁気ラインセンサはシリコンチップの集積回路であっても良い。また、前記計算処理回路は、前記回転中心からの前記磁石の配置距離、および前記磁石の角度の原点位置を示すパラメータを記憶するパラメータ記憶手段を有し、このパラメータ記憶手段は、記憶するパラメータを前記計算処理回路の外部から設定可能なものとしても良い。
また、前記計算処理回路は、前記パラメータ記憶手段に記憶したパラメータを元に、前記磁気ラインセンサ上の磁石の位置を検出し、この位置検出情報から絶対角度を算出する機能を有するものであっても良い。
また、前記計算処理回路は、前記ＡＤ変換回路のセンサ信号出力波形のゼロクロス位置から前記磁石の位置を検出するものであっても良い。
【０００８】
この磁気ラインセンサ式角度検出装置では、磁石による磁界が磁気ラインセンサに印加され、各磁気センサ素子がこのとき印加される磁気をそれぞれ検出する。磁気ラインセンサの各磁気センサ素子はスキャナ回路によって順次選択され、選択された磁気センサ素子の検出信号がアンプで増幅され、アンプの出力がＡＤ変換回路でデジタル信号に変換される。計算処理回路では、例えば、磁石による磁界の分布における磁極境界（ゼロクロス位置）付近の複数の検出信号から直線近似を行うことによりゼロクロス位置を求め、このゼロクロス位置を磁石の位置として算出する。さらに、前記計算処理回路は、検出された磁石の位置から、旋回中心回りの磁石の角度を求める。これにより、磁石の角度を摩耗のない非接触により、また磁気ラインセンサにおける磁気センサ素子の配置ピッチよりも高い分解能で検出することができる。このような計算処理で磁石の旋回角度を求めるので、旋回原点位置での磁石の検出位置から旋回中心までの距離を大きくすることにより、微小な角度を高い精度で検出することができる。ただし、上記距離を大きくすると、検出可能な角度範囲は狭くなるので、この磁気ラインセンサ式角度検出装置は、ある角度範囲を高い分解能で検出するような用途に適する。
また、この磁気ラインセンサ式角度検出装置の構成部品としては、磁石や、磁気ラインセンサと共に各信号処理回路を集積したシリコンチップ、およびシリコンチップに付随する回路基板、ケース類だけで足り、部品点数も少なく、外部の補正回路も必要ないので、構造が単純でコンパクトに構成できる。
【０００９】
前記磁石は磁気ラインセンサのセンサ素子の並び方向に並ぶ２つの磁極境界を持ち、前記計算処理回路は、前記２つの磁極境界を求めて、これら２つの中点を磁石の位置とするものである。この構成の場合、磁石の位置の検出において外部磁界の影響を受け難くでき、それだけ角度検出の精度を上げることができる。
【発明の効果】
【００１０】
この発明の磁気ラインセンサ式角度検出装置は、多数の磁気センサ素子をライン状に並べた磁気ラインセンサと、この磁気ラインセンサに対面して磁気センサ素子の並び方向に略沿い所定の回転中心回りの円弧経路上を旋回移動する磁石と、前記磁気ラインセンサの磁気センサ素子を順次選択するスキャナ回路と、選択されたセンサ素子の信号を増幅するアンプと、このアンプの出力をデジタル信号に変換するＡＤ変換回路と、このＡＤ変換回路の出力から、前記磁気ラインセンサに印加されている磁界の分布を測定して前記磁気ラインセンサ上の磁石の位置を検出し、その検出位置から前記旋回中心回りの前記磁石の位置する角度を求める計算処理回路とを備え、前記磁石は磁気ラインセンサのセンサ素子の並び方向に並ぶ２つの磁極境界を持ち、前記計算処理回路は、前記２つの磁極境界を求めて、これら２つの中点を磁石の位置とするものであるため、簡単な構造により高い分解能で角度検出が可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
この発明の参考提案例を図１ないし図７と共に説明する。図１はこの参考提案例の磁気ラインセンサ式角度検出装置の原理構成の平面図を、図２はその正面断面図をそれぞれ示す。この磁気ラインセンサ式角度検出装置は、多数の磁気センサ素子１ａをライン状に並べた磁気ラインセンサ１と、この磁気ラインセンサ１に対し非接触に対面して磁気センサ素子１ａの並び方向Ｘに略沿って所定の回転中心Ｏ回りの円弧経路上を旋回移動する磁石２とを備える。磁気ラインセンサ１はシリコンチップ７上に集積回路の一部として設けられたものであり、シリコンチップ７は図２のように固定側部材８の上に固定される。磁石２は、図１のように前記回転中心Ｏとなる枢軸９を介して、基端部が前記固定側部材８の上に回転自在に支持された回動アーム１０の先端部に、図２のように磁石支持基台１１を介して取付けられており、回動アーム１０と一体に磁石２が旋回移動する。なお、図１では、磁石支持基台１１を省略している。
【００１２】
磁気ラインセンサ１は磁石２の磁気を検出するセンサであって、図３（Ｂ）のようにシリコンチップ７の面上に、多数のセンサ素子１ａをライン状に並べて構成される。シリコンチップ７には、図３（Ａ）のように前記磁気ラインセンサ１と共に、磁気ラインセンサ１の磁気センサ素子１ａを順次選択するスキャナ回路３と、選択された磁気センサ素子１ａの信号を増幅するアンプ４と、このアンプ４の出力をデジタル信号に変換するＡＤ変換回路５と、このＡＤ変換回路５の出力から、前記磁気ラインセンサ１に印加されている磁界の分布を測定して前記磁石２の位置を検出し、その検出位置から前記旋回中心Ｏ回りの前記磁石２の位置する角度θを求める計算処理回路６とが集積されている。
【００１３】
磁石２は、図１のように磁気ラインセンサ１に対面し、その磁気センサ素子１ａの並び方向Ｘに並ぶ一対のＮＳ磁極２ａ，２ｂを有する。図４には、磁気ラインセンサ１と磁石２との位置関係を平面図で示す。
【００１４】
次に、上記磁気ラインセンサ式角度検出装置の動作を説明する。磁気ラインセンサ１に対して、磁石２が例えば図４の位置関係にある状態において、磁石２による磁界のシリコンチップ７に対する垂直成分が磁気ラインセンサ１に印加され、各磁気センサ素子１ａがこのとき印加される磁気をそれぞれ検出する。磁気ラインセンサ１の各磁気センサ素子１ａはスキャナ回路３によって順次選択され、選択された磁気センサ素子１ａの検出信号がアンプ４で増幅され、アンプ４の出力がＡＤ変換回路５でデジタル信号に変換される。図５は、このような信号処理により得られた各磁気センサ素子１ａの検出信号を読み出した順に並べてプロットした図であり、その波形は磁石２による磁界の分布に対応している。同図において、−側の波形部分は磁石２におけるＮ磁極２ａによる磁界に対応するものであり、＋側の波形部分は磁石２におけるＳ磁極２ｂによる磁界に対応するものである。Ｎ磁極２ａとＳ磁極２ｂの境界位置（ゼロクロス位置）Ｘ0 付近の検出信号は、印加される磁界成分がゼロとなるため、ゼロ出力に近くなる。計算処理回路６では、ゼロ近辺の複数の検出信号から図５に直線Ｌ0 で示すような直線近似をそれぞれ行うことにより前記ゼロクロス位置Ｘ0 を求め、このゼロクロス位置Ｘ0 を磁石２の位置として算出する。上記直線近似には最小自乗法などが用いられる。算出される磁石２の位置Ｘ0 は、磁気ラインセンサ１上の絶対位置であるため、原点確認動作などは必要なく、電源投入後すぐに現在位置を検出できる。このような計算処理でゼロクロス位置Ｘ0 を求めることにより、磁気ラインセンサ１における磁気センサ素子１ａの配置ピッチよりも高い分解能で磁石２の位置Ｘ0 を検出することができ、磁気センサ素子１ａの感度や磁界強度の絶対値（強さ）に影響されることもない。さらに、各検出信号に含まれるノイズ成分が平均化され、ノイズの影響を受け難くする効果も得られる。
【００１５】
図５にプロットされる検出信号の波形は、例えば図４において磁石２が右側に移動すると、図６に示すように、実線で示す波形から破線で示す波形のように変化し、その変化に伴い前記計算処理回路６から磁石２の位置として算出されるゼロクロス位置Ｘ0 が変化する。計算処理回路６は、この磁石位置Ｘ0 の変化から前記旋回中心Ｏ回りでの磁石２の位置する角度を求める演算を以下のように行う。図７は、その角度算出処理の説明図を示す。同図において、回動アーム１０が実線で示す旋回位置にあるときの磁石２の検出位置Ｘ0 を原点位置として、回動アーム１０が鎖線で示す旋回位置にあるときの検出位置Ｘ0 まで磁石２の位置が変化したとき、前記計算処理回路６は、このときの磁石２の旋回角度θを、
θ＝ｔａｎ-1（Ｄ／Ｌ）
として算出する。
ただし、Ｌ：旋回原点位置での磁石２の検出位置Ｘ0 から旋回中心Ｏまでの距離
Ｄ：旋回原点位置での磁石２の検出位置Ｘ0 から旋回後の検出位置Ｘ0 までの              距離
これにより、磁石２の旋回角度θを、摩耗の問題のない非接触により検出できる。
なお、前記計算処理回路６は、前記計算を行うために、前記旋回中心Ｏからの磁石２の配置距離Ｌ、および磁石２の角度の原点位置（旋回原点位置）等のパラメータを記憶するパラメータ記憶手段（図示せず）を有する。このパラメータ記憶手段は、記憶するパラメータを計算処理回路６の外部から設定可能なものとする。
【００１６】
このような計算処理により磁石２の旋回角度θを求めるので、位置の検出分解能は、磁気ラインセンサ１のセンサ素子１ａの構成とそのノイズ特性によって制限されるが、旋回基準位置での磁石２の検出位置Ｘ0 から旋回中心Ｏまでの距離Ｌを大きくすることにより、微小な角度を高い精度で検出することができる。例えば、位置検出精度を１０μｍとした場合、Ｌ＝１mmのときの角度分解能は０．５７度となるが、Ｌ＝１０mmのときには０．０５７度の分解能にできる。ただし、上記距離Ｌを大きくすると、検出可能な角度範囲は狭くなるので、この磁気ラインセンサ式角度検出装置は、ある角度範囲を高い分解能で検出するような用途に適する。
また、磁気ラインセンサ１では、ゼロクロス位置を検出する方式であるため、磁気センサ素子１ａの感度や磁界強度が変化してもゼロクロス位置は変化せず、安定した位置検出が可能である。したがって、磁気ラインセンサ１と磁石２との距離を管理する必要がなくて、組み立て調整が簡単に行える。
この磁気ラインセンサ式角度検出装置の構成部品としては、磁石２や、磁気ラインセンサ１と共に各信号処理回路３〜６を集積したシリコンチップ７、およびシリコンチップ７に付随する回路基板、ケース類だけで足り、部品点数も少なく、外部の補正回路も必要ないので、構造が単純でコンパクトに構成できる。
【００１７】
この参考提案例の利点をまとめ直して次に示す。
（１）簡単な構成で高い分解能の角度検出が可能。
（２）磁気ラインセンサ１と処理回路を一体化できるので、コンパクトな検出装置とできる。
（３）シリコンチップに集積するので安価。
（４）回転軸から配置距離を大きくすることによって分解能を高くできる。
（５）ゼロクロス検出法であるため、磁石２とセンサ１との配置距離の変動に影響されない検出が可能である。
【００１８】
この発明の実施形態を図８〜図１０に示す。この実施形態の磁気ラインセンサ式角度検出装置は、図１〜図７に示した先の参考提案例において、磁石２は、磁気ラインセンサ１の磁気センサ素子１ａの並び方向Ｘに並ぶ２つの磁極境界を持つように、３つのＳＮＳ磁極２ａ，２ｂ，２ｃをこれらの順に並べたものとしている。その他の構成は、特に説明する事項を除き、先の参考提案例と同様である。
【００１９】
この磁気ラインセンサ式角度検出装置での磁石２の位置Ｘ0 の検出は以下のように行われる。磁気ラインセンサ１に対して、磁石２が例えば図９の位置関係にある状態において、スキャナ回路３による磁気センサ素子１ａの選択、アンプ４、ＡＤ変換回路５（図３）による信号処理を経て得られる各磁気センサ素子１ａの検出信号を、読み出した順に並べてプロットすると図１０のようになる。同図において、＋側の波形部分は磁石２におけるＳ磁極２ａ，２ｃによる磁界に対応するものであり、−側の波形部分は磁石２におけるＮ磁極２ｃによる磁界に対応するものである。Ｓ磁極２ａとＮ磁極２ｂの境界位置（ゼロクロス位置）Ｘ01付近の検出信号、およびＮ磁極２ｂとＳ磁極２ｃのゼロクロス位置Ｘ02付近の検出信号は、磁気ラインセンサ１に印加される磁界成分がそれぞれゼロとなるため、ゼロ出力に近くなる。計算処理回路６（図３）では、これら２箇所のゼロ近辺の複数の検出信号から図１０に直線Ｌ１，Ｌ２で示すような直線近似をそれぞれ行うことにより前記各ゼロクロス位置Ｘ01，Ｘ02を求め、求まった２つのゼロクロス位置Ｘ01，Ｘ02の中間位置Ｘ0 を演算し、その中間位置Ｘ0 を磁石２の位置として算出する。この磁石２の位置から、磁石２の旋回角度θを算出する処理は先の参考提案例の場合と同じである。
【００２０】
上記検出信号の波形は、外乱磁界が印加されたときには、図１１に示すように、例えば実線で示す波形から破線で示す波形のように変化して、１つのゼロクロス位置Ｘ01はＸ01’に、他の１つのゼロクロス位置Ｘ02はＸ02’にそれぞれ略同量だけ変化する。この場合、一方のゼロクロス位置Ｘ01の変位はＸ軸方向の−側であるのに対して、他方のゼロクロス位置Ｘ02の変位はＸ軸方向の＋側であるため、２つのゼロクロス位置Ｘ01，Ｘ02の中点Ｘ0 は、ゼロクロス位置の変位後でも変化しない。すなわち、計算処理回路６（図３）で算出される磁石２の位置Ｘ0 は外乱磁界の影響を受け難い。
【００２１】
ちなみに、先の参考提案例のように、磁石２が一対のＮＳ磁極２ａ，２ｂを有するものとした場合、外乱磁界が印加されたとき、図１２のように磁気ラインセンサ１により検出される磁界信号が例えば実線で示す状態から破線で示す状態に変化するので、検出されるゼロクロス位置Ｘ0 がＸ0 ’のようにずれてしまい検出位置が不正確になるが、上記実施形態ではこのような不具合を無くすことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】この発明の参考提案例にかかる磁気ラインセンサ式角度検出装置の原理構成を示す平面図である。
【図２】同磁気ラインセンサ式角度検出装置の正面断面図である。
【図３】（Ａ）は同磁気ラインセンサ式角度検出装置におけるシリコンチップの平面図、（Ｂ）は同シリコンチップの斜視図である。
【図４】同磁気ラインセンサ式角度検出装置における磁気ラインセンサと磁石の位置関係を示す平面図である。
【図５】同磁気ラインセンサ式角度検出装置における磁気ラインセンサからの検出信号を読み出した順に並べてプロットした波形図である。
【図６】同磁気ラインセンサ式角度検出装置による検出信号波形の磁石移動に伴う変化を示した波形図である。
【図７】同磁気ラインセンサ式角度検出装置における計算処理回路での角度演算処理の説明図である。
【図８】この発明の実施形態にかかる磁気ラインセンサ式角度検出装置の原理構成を示す平面図である。
【図９】同磁気ラインセンサ式角度検出装置における磁気ラインセンサと磁石の位置関係を示す平面図である。
【図１０】同磁気ラインセンサ式角度検出装置における磁気ラインセンサからの検出信号を読み出した順に並べてプロットした波形図である。
【図１１】同磁気ラインセンサ式角度検出装置による検出信号波形の外乱磁界による変化を示した波形図である。
【図１２】先の参考提案例の磁気ラインセンサ式角度検出装置による検出信号波形の外乱磁界による変化を示した波形図である。
【図１３】提案例による角度検出動作の説明図である。
【符号の説明】
【００２３】
１…磁気ラインセンサ
１ａ…磁気センサ素子
２…磁石
２ａ，２ｂ，２ｃ…磁極
３…スキャナ回路
４…アンプ
５…ＡＤ変換回路
６…計算処理回路
Ｏ…回転中心
【図１】
0004745050.tif 000002
【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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【図７】
0004745050.tif 000008
【図８】
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【図９】
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【図１０】
0004745050.tif 000011
【図１１】
0004745050.tif 000012
【図１２】
0004745050.tif 000013
【図１３】
0004745050.tif 000014