(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ローターの回転角に基づく磁場のＸ軸成分を検出するＸ軸成分検出部と、
前記磁場のＹ軸成分を検出するＹ軸成分検出部と、
前記Ｘ軸成分に応じた第１のΔΣ変調信号を出力する第１のΔΣ変調回路と、
前記Ｙ軸成分に応じた第２のΔΣ変調信号を出力する第２のΔΣ変調回路と、
角度信号が入力され、前記角度信号に応じた余弦データと正弦データとを出力する余弦／正弦データ出力部と、
前記第１のΔΣ変調信号及び前記第２のΔΣ変調信号と前記余弦データ及び前記正弦データとの外積データを演算する外積演算回路と、
前記外積データを積分して前記角度信号を出力する角度信号出力部と、
前記第１のΔΣ変調信号及び前記第２のΔΣ変調信号と、第１のデータ及び第２のデータとの内積データを演算する内積演算回路と、
前記内積データを平滑化して出力するデジタルフィルタと、
使用モードのときに、前記余弦データ及び前記正弦データを選択して前記第１のデータ及び前記第２のデータとしてそれぞれ出力し、検査モードのときに、前記第１のΔΣ変調信号及び前記第２のΔΣ変調信号のうち一方を有効にして他方を無効にする第３のデータ及び第４のデータを選択して前記第１のデータ及び前記第２のデータとしてそれぞれ出力する選択回路と、
を備える非接触回転角センサ。
【請求項２】
ローターの回転角に基づく磁場のＸ軸成分を検出するＸ軸成分検出部と、
前記磁場のＹ軸成分を検出するＹ軸成分検出部と、
前記Ｘ軸成分に応じた第１のΔΣ変調信号を出力する第１のΔΣ変調回路と、
前記Ｙ軸成分に応じた第２のΔΣ変調信号を出力する第２のΔΣ変調回路と、
第１のデータ及び第２のデータと第３のデータ及び第４のデータとの外積データを演算する外積演算回路と、
前記外積データの積分信号を出力する積分信号出力部と、
角度信号が入力され、この角度信号に応じた余弦データと正弦データとを出力する余弦／正弦データ出力部と、
使用モードのときに、前記第１のΔΣ変調信号、前記第２のΔΣ変調信号、前記余弦データ、及び前記正弦データを選択して前記第１のデータ、前記第２のデータ、前記第３のデータ、及び前記第４のデータとしてそれぞれ出力し、検査モードのときに、前記第１のΔΣ変調信号または前記第２のΔΣ変調信号を選択し、前記外積演算回路と前記積分信号出力部とともにループフィルタを形成して平滑化する選択回路と、
を備える非接触回転角センサ。
【請求項３】
前記選択回路は、
前記使用モードのときに、前記第１のΔΣ変調信号及び前記第２のΔΣ変調信号を選択して前記第１のデータ及び前記第２のデータとしてそれぞれ出力し、前記検査モードのときに、前記第１のΔΣ変調信号及び前記第２のΔΣ変調信号のうち一方を選択して前記第１のデータ及び前記第２のデータのうち一方として出力し、所定値を有するデータを選択して前記第１のデータ及び前記第２のデータのうち他方として出力する第１のマルチプレクサと、
前記使用モードのときに、前記余弦データ及び前記正弦データを選択して前記第３のデータ及び前記第４のデータとしてそれぞれ出力し、前記検査モードのときに、前記積分信号を選択して前記第３のデータ及び前記第４のデータのうち一方として出力し、所定値を有するデータを選択して前記第３のデータ及び前記第４のデータのうち他方として出力する第２のマルチプレクサと、
で構成される請求項２に記載の非接触回転角センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ローターの回転位置情報を検出する非接触回転角センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
モーター制御において、ローターの回転位置情報を検出する非接触回転角センサ（ロータリーエンコーダー）による回転角の検出方式は大別して、光学式と磁気式とがある。磁気式の非接触回転角センサは、光学式の非接触回転角センサと比較して、汚れに対する耐久性に優れており、車載モーター分野を中心に多く使用されている。非接触回転角センサが検出するローターの回転位置情報は、ベクトル制御において使用されることが多い。このため、非接触回転角センサには、高い角度検出精度と高速応答性が要求される。
【０００３】
特許文献１及び２には、モーターの回転制御用途に使用される非接触回転角センサが開示されている。特許文献１には、ホール素子から出力されたホール起電力信号に対してデジタル信号処理を実行し、ローターの回転位置情報を検出する非接触回転角センサが開示されている。また、特許文献２には、レゾルバから出力された信号に対してデジタル信号処理を実行し、ローターの回転位置情報を検出する検出機能に加え、自機の故障を検出する故障検出機能を備えた非接触回転角センサが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１２−１９４１９３号公報
【特許文献２】米国特許第６４２６７１２号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
モーター制御用途、特に車載におけるモーター制御用途では、回転角センサを用いる場合、自機の故障検出機能は必須の機能となっている。しかしながら、特許文献１に開示された非接触回転角センサは、自機の故障検出ができないという問題を有している。また、特許文献２に開示された非接触回転角センサは、自機の故障を検出できるものの、故障検出用回路が必要となるため、回路面積が増大してしまうという問題を有している。
【０００６】
本発明の目的は、回路面積の増大が抑制された、故障検出機能を有する非接触回転角センサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明の一態様による非接触回転角センサは、ローターの回転角に基づく磁場のＸ軸成分を検出するＸ軸成分検出部と、前記磁場のＹ軸成分を検出するＹ軸成分検出部と、前記Ｘ軸成分に応じた第１のΔΣ変調信号を出力する第１のΔΣ変調回路と、前記Ｙ軸成分に応じた第２のΔΣ変調信号を出力する第２のΔΣ変調回路と、角度信号が入力され、前記角度信号に応じた余弦データと正弦データとを出力する余弦／正弦データ出力部と、前記第１のΔΣ変調信号及び前記第２のΔΣ変調信号と前記余弦データ及び前記正弦データとの外積データを演算する外積演算回路と、前記外積データを積分して前記角度信号を出力する角度信号出力部と、前記第１のΔΣ変調信号及び前記第２のΔΣ変調信号と、第１のデータ及び第２のデータとの内積データを演算する内積演算回路と、前記内積データを平滑化して出力するデジタルフィルタと、使用モードのときに、前記余弦データ及び前記正弦データを選択して前記第１のデータ及び前記第２のデータとしてそれぞれ出力し、検査モードのときに、前記第１のΔΣ変調信号及び前記第２のΔΣ変調信号のうち一方を有効にして他方を無効にする第３のデータ及び第４のデータを選択して前記第１のデータ及び前記第２のデータとしてそれぞれ出力する選択回路と、を備えることを特徴とする。
【０００８】
また、上記目的を達成するために、本発明の他の態様による非接触回転角センサは、ローターの回転角に基づく磁場のＸ軸成分を検出するＸ軸成分検出部と、前記磁場のＹ軸成分を検出するＹ軸成分検出部と、前記Ｘ軸成分に応じた第１のΔΣ変調信号を出力する第１のΔΣ変調回路と、前記Ｙ軸成分に応じた第２のΔΣ変調信号を出力する第２のΔΣ変調回路と、第１のデータ及び第２のデータと第３のデータ及び第４のデータとの外積データを演算する外積演算回路と、前記外積データの積分信号を出力する積分信号出力部と、角度信号が入力され、この角度信号に応じた余弦データと正弦データとを出力する余弦／正弦データ出力部と、使用モードのときに、前記第１のΔΣ変調信号、前記第２のΔΣ変調信号、前記余弦データ、及び前記正弦データを選択して前記第１のデータ、前記第２のデータ、前記第３のデータ、及び前記第４のデータとしてそれぞれ出力し、検査モードのときに、前記第１のΔΣ変調信号または前記第２のΔΣ変調信号を選択し、前記外積演算回路と前記積分信号出力部とともにループフィルタを形成して平滑化する選択回路と、を備えることを特徴とする。
【０００９】
前記選択回路は、前記使用モードのときに、前記第１のΔΣ変調信号及び前記第２のΔΣ変調信号を選択して前記第１のデータ及び前記第２のデータとしてそれぞれ出力し、前記検査モードのときに、前記第１のΔΣ変調信号及び前記第２のΔΣ変調信号のうち一方を選択して前記第１のデータ及び前記第２のデータのうち一方として出力し、所定値を有するデータを選択して前記第１のデータ及び前記第２のデータのうち他方として出力する第１のマルチプレクサと、前記使用モードのときに、前記余弦データ及び前記正弦データを選択して前記第３のデータ及び前記第４のデータとしてそれぞれ出力し、前記検査モードのときに、前記積分信号を選択して前記第３のデータ及び前記第４のデータのうち一方として出力し、所定値を有するデータを選択して前記第３のデータ及び前記第４のデータのうち他方として出力する第２のマルチプレクサと、で構成されていてもよい。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、回路面積の増大を抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の第１の実施形態による非接触回転角センサ１の外観を模式的に示す図である。
【図２】本発明の第１の実施形態による非接触回転角センサ１に備えられた回転角度検出回路１０の概略構成を示す図である。
【図３】本発明の第１の実施形態による非接触回転角センサ１の回転角度検出回路１０に備えられたデジタル角度演算回路１２を離散時間システムの伝達関数で説明する図である。
【図４】本発明の第１の実施形態による非接触回転角センサ１の回転角度検出回路１０に備えられたマルチプレクサ回路２３に記憶された出力信号選択テーブルの一例を示す図である。
【図５】本発明の第１の実施形態による非接触回転角センサ１の回転角度検出回路１０に備えられたマルチプレクサ回路２３及び内積演算回路１９の動作状態を示す図である。
【図６】本発明の第１の実施形態による非接触回転角センサ１の関連技術の非接触回転角センサに備えられた回転角度検出回路１０１の概略の回路構成を示すブロック図である。
【図７】本発明の第１の実施形態による非接触回転角センサ１の他の関連技術の非接触回転角センサに備えられた回転角度検出回路２０１の概略の回路構成を示すブロック図である。
【図８】本発明の第２の実施形態による非接触回転角センサに備えられた回転角度検出回路５１の概略の回路構成を示すブロック図である。
【図９】本発明の第２の実施形態による非接触回転角センサの回転角度検出回路５１に備えられたマルチプレクサ回路５３に記憶された出力信号選択テーブルの一例を示す図である。
【図１０】本発明の第２の実施形態による非接触回転角センサの回転角度検出回路５１に備えられたマルチプレクサ回路５３の動作状態を示す図である（その１）。
【図１１】本発明の第２の実施形態による非接触回転角センサの回転角度検出回路５１に備えられたマルチプレクサ回路５３の動作状態を示す図である（その２）。
【図１２】本発明の第２の実施形態による非接触回転角センサの回転角度検出回路５１に備えられたマルチプレクサ回路５３の動作状態を示す図である（その３）。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
〔第１の実施形態〕
本発明の第１の実施形態による非接触回転角センサについて図１から図７を用いて説明する。図１は、本実施形態による非接触回転角センサ１の外観を模式的に示す図である。図１（ａ）は、非接触回転角センサ１の上面を模式的に示し、図１（ｂ）は、回転位置情報の検出対象のローターに非接触回転角センサ１を設置した状態を模式的に示している。図１（ｂ）は、非接触回転角センサ１の一側面側から見た状態を示している。
【００１３】
図１（ａ）に示すように、非接触回転角センサ１は、ＩＣ（集積回路）パッケージ２９内にＸホール素子（Ｘ軸成分検出部の一例）３と、Ｙホール素子（Ｙ軸成分検出部の一例）５と、後述する回転角度検出回路１０（図１では不図示）とを有している。Ｘホール素子３は、ＩＣパッケージ２９の上面に平行な平面内において対向配置された第１Ｘホール素子３ａ及び第２Ｘホール素子３ｂを有している。Ｙホール素子５は、ＩＣパッケージ２９の上面に平行な平面内において対向配置された第１Ｙホール素子５ａ及び第２Ｙホール素子５ｂを有している。第１及び第２Ｘホール素子３ａ，３ｂと第１及び第２Ｙホール素子５ａ，５ｂとは、同一平面内に配置されている。第１及び第２Ｘホール素子３ａ，３ｂの並ぶ方向と、第１及び第２Ｙホール素子５ａ，５ｂの並ぶ方向とはほぼ直交している。説明の便宜上、図１中に示すように、第１及び第２Ｘホール素子３ａ，３ｂの並ぶ方向をＸ軸にとり、第１及び第２Ｙホール素子５ａ，５ｂの並ぶ方向をＹ軸にとり、Ｘ軸及びＹ軸の両方に直交する方向にＺ軸をとる。Ｘ軸の正方向は、第１Ｘホール素子３ａから第２Ｘホール素子３ｂに向かう方向である。Ｙ軸の正方向は、第１Ｙホール素子５ａから第２Ｙホール素子５ｂに向かう方向である。Ｚ軸の正方向は、ＩＣパッケージ２９の底面から上面に向かう方向である。
【００１４】
図１（ｂ）に示すように、ＩＣパッケージ２９の上面に一定の間隔を設けてローター３１が配置されている。ローター３１は、ＩＣパッケージ２９の上面に直交する方向に伸びる出力軸３１ａと、ＩＣパッケージ２９側の出力軸３１ａの端部に設けられた永久磁石３１ｂとを有している。出力軸３１ａは例えば円柱形状を有している。永久磁石３１ｂは薄板円盤形状を有している。出力軸３１ａの中心軸と永久磁石３１ｂの中心軸とは一致している。出力軸３１ａ及び永久磁石３１ｂの中心軸に平行な方向は、Ｚ軸方向、すなわちＩＣパッケージ２９の上面に直交する方向に一致している。
【００１５】
永久磁石３１ｂとＩＣパッケージ２９の上面とは、近接して対向配置されている。永久磁石３１ｂとＸホール素子３及びＹホール素子５とは近接して対向配置されている。Ｘホール素子３及びＹホール素子５は、ＩＣパッケージ２９内に固定して配置されている。これに対し、ローター３１は、図１（ｂ）中に破線矢印で示すように、出力軸３１ａの中心軸を回転軸として回転するようになっている。ローター３１が回転することにより永久磁石３１ｂも回転する。このため、永久磁石３１ｂが形成する磁界の強さや向きは、Ｘホール素子３及びＹホール素子５に対して相対的に変化する。Ｘホール素子３及びＹホール素子５は、永久磁石３１ｂが形成する磁界の相対的変化をホール起電力信号として検出する。非接触回転角センサ１は、Ｘホール素子３及びＹホール素子５が出力するホール起電力信号に基づいてローター３１の回転角を検出するようになっている。
【００１６】
次に、非接触回転角センサに設けられた回転角度検出回路について図１を参照しつつ図２から図５を用いて説明する。図２は、本実施形態による非接触回転角センサ１に備えられた回転角度検出回路１０の概略構成を示す図である。回転角度検出回路１０は、ローター３１の回転角度を検出する回転角度検出機能と、自機の故障を検出する故障検出機能とを有している。図２（ａ）は、回転角度検出回路１０の回路構成の一例を示すブロック図である。図２（ｂ）は、回転角度検出回路１０の信号波形を示し、図２（ｂ）中の上段は、Ｙホール素子５が出力する出力信号ＳＨｏｙの信号波形の一例を示し、図２（ｂ）中の下段は、ＹΔΣＡＤ（アナログ−デジタル）変換回路９が出力するＹΔΣ変調信号Ｓｍｄｙの信号波形の一例を示している。
【００１７】
図２（ａ）に示すように、回転角度検出回路１０は、ローター３１（図１参照）の回転角に基づく磁場のＸ軸成分を検出するＸホール素子３と、ローター３１の回転角に基づく磁場のＹ軸成分を検出するＹホール素子５とを有している。Ｘホール素子３が検出する磁場のＸ軸成分は、図１（ａ）及び図１（ｂ）中に示すＸ軸方向の成分である。Ｙホール素子５が検出する磁場のＹ軸成分は、図１（ａ）及び図１（ｂ）中に示すＹ軸方向の成分である。また、回転角度検出回路１０は、Ｘホール素子３が検出する磁場のＸ軸成分に応じたＸΔΣ変調信号（第１のΔΣ変調信号の一例）Ｓｍｄｘを出力するＸΔΣＡＤ変換回路（第１のΔΣ変調回路の一例）７と、Ｙホール素子５が検出する磁場のＹ軸成分に応じたＹΔΣ変調信号（第２のΔΣ変調信号の一例）Ｓｍｄｙを出力するＹΔΣＡＤ変換回路（第２のΔΣ変調回路）９とを有している。
【００１８】
Ｙホール素子５は、ローター３１に設けられた永久磁石３１ｂが形成する磁場の強度及び磁石の回転角度θに対応した電圧を出力する。図２（ｂ）中の下段に示すように、Ｙホール素子５が出力する電圧に基づく出力信号ＳＨｏｙの信号波形は、例えば正弦波となる。出力信号ＳＨｏｙの最大値を「Ａ」とすると、出力信号ＳＨｏｙの信号波形は「Ａ・ｓｉｎθ」で表すことができる。Ｘホール素子３及びＹホール素子５が出力する出力信号の最大値「Ａ」と「ｓｉｎ」又は「ｃｏｓ」との間の「・」はＡ及び正弦又は余弦との積算を表す。ＹΔΣＡＤ変換回路９は、Ｙホール素子５から入力するアナログの出力信号ＳＨｏｙをデジタル信号に変換し、ＡＤ変換により得られたＹΔΣ変調信号Ｓｍｄｙを出力する。図２（ｂ）中の下段に示すように、ＹΔΣ変調信号Ｓｍｄｙは１ビットのパルス信号となる。ＹΔΣ変調信号Ｓｍｄｙは、データの大きさをパルス信号の密度で表している。Ｙホール素子５が出力する出力信号ＳＨｏｙの振幅が大きいほど、ＹΔΣＡＤ変換回路９が出力するＹΔΣ変調信号Ｓｍｄｙは、高レベルの区間のパルス数が多くなる。これにより、ＹΔΣ変調信号Ｓｍｄｙの密度は高くなる。一方、Ｙホール素子５が出力する出力信号ＳＨｏｙの振幅が小さいほど、ＹΔΣＡＤ変換回路９が出力するＹΔΣ変調信号Ｓｍｄｙは、高レベルの区間のパルス数が少なくなる。これにより、ＹΔΣ変調信号Ｓｍｄｙの密度は低くなる。
【００１９】
図示は省略するが、Ｘホール素子３が出力する出力信号ＳＨｏｘの信号波形は、例えば余弦波となり、「Ａ・ｃｏｓθ」として表すことができる。ＸΔΣＡＤ変換回路７は、Ｘホール素子３から入力するアナログの出力信号ＳＨｏｘをデジタル信号に変換し、ＡＤ変換により得られたＸΔΣ変調信号Ｓｍｄｘを出力する。ＸΔΣ変調信号Ｓｍｄｘは１ビットのパルス信号となる。ＸΔΣ変調信号Ｓｍｄｘは、ＹΔΣ変調信号Ｓｍｄｙと同様にデータの大きさをパルス信号の密度で表すようになっている。Ｘホール素子３が出力する出力信号ＳＨｏｘの振幅に大きさと、ＸΔΣＡＤ変換回路７が出力するＸΔΣ変調信号Ｓｍｄｘのパルス数及びパルス密度との関係は、ＹΔΣ変調信号Ｓｍｄｙと同様である。
【００２０】
回転角度検出回路１０は、角度検出信号（角度信号の一例）が入力され、入力した角度検出信号に応じた余弦データと正弦データとを出力する正弦波データＲＯＭ（読み出し専用記憶装置）１１と、Ｘホール素子３が出力する出力信号ＳＨｏｘ及びＹホール素子５が出力する出力信号ＳＨｏｙと正弦波データＲＯＭ１１が出力する余弦データ及び正弦データとを外積演算して角度誤差信号（外積データの一例）Ｓａｅを出力する外積演算回路１３とを有している。
【００２１】
正弦波データＲＯＭ１１は、余弦／正弦データ出力部の一例である。正弦波データＲＯＭ１１は、入力した角度信号に応じそれぞれ１２ビットの余弦データ及び正弦データを出力するようになっている。正弦波データＲＯＭ１１に入力する角度信号は、後述する積分回路１７が出力する角度検出信号Ｓφ（ｎ）である。正弦波データＲＯＭ１１は、入力する角度検出信号Ｓφ（ｎ）が表す角度φ（ｎ）に応じた余弦データＤｃｏｓ及び正弦データＤｓｉｎを外積演算回路１３に出力する。
【００２２】
外積演算回路１３は、ＸΔΣＡＤ変換回路７が出力するＸΔΣ変調信号Ｓｍｄｘが入力する第１入力端子Ｉｃｐ１と、ＹΔΣＡＤ変換回路９が出力するＹΔΣ変調信号Ｓｍｄｙが入力する第２入力端子Ｉｃｐ２と、正弦波データＲＯＭ１１が出力する余弦データＤｃｏｓが入力する第３入力端子Ｉｃｐ３と、正弦波データＲＯＭ１１が出力する正弦データＤｓｉｎが入力する第４入力端子Ｉｃｐ４とを有している。図２（ａ）では、第１から第４入力端子Ｉｃｐ１，Ｉｃｐ２，Ｉｃｐ３，Ｉｃｐ４は、「Ｉｃｐ」の文字を省略して各入力端子の数値のみが図示されている。外積演算回路１３は、第１入力端子Ｉｃｐ１及び第２入力端子Ｉｃｐ２にそれぞれ入力する信号と、第３入力端子Ｉｃｐ３及び第４入力端子Ｉｃｐ４にそれぞれ入力する信号とを外積演算して角度誤差信号Ｓａｅを出力する。角度誤差信号Ｓａｅは、外積演算回路１３に設けられた出力端子Ｏｃｐから出力される。外積演算回路１３が実行する外積演算を各端子の符号を用いて表すと、以下の式（１）のようになる。
Ｏｃｐ＝Ｉｃｐ１×Ｉｃｐ４−Ｉｃｐ２×Ｉｃｐ３  ・・・（１）
【００２３】
外積演算回路１３の第１入力端子Ｉｃｐ１に入力する信号は、ＸΔΣＡＤ変換回路７が出力するＸΔΣ変調信号Ｓｍｄｘである。外積演算回路１３の第２入力端子Ｉｃｐ２に入力する信号は、ＹΔΣＡＤ変換回路９が出力するＹΔΣ変調信号Ｓｍｄｙである。外積演算回路１３の第３入力端子Ｉｃｐ３に入力する信号は、正弦波データＲＯＭ１１が出力する余弦データＤｃｏｓである。外積演算回路１３の第４入力端子Ｉｃｐ４に入力する信号は、正弦波データＲＯＭ１１が出力する正弦データＤｓｉｎである。例えば、ＸΔΣ変調信号Ｓｍｄｘを「Ａ・ｃｏｓθ」とし、ＹΔΣ変調信号Ｓｍｄｙを「Ａ・ｓｉｎθ」とし、余弦データＤｃｏｓを「ｃｏｓ（φ（ｎ））」とし、正弦データＤｓｉｎを「ｓｉｎ（φ（ｎ））」とすると、式（１）及び加法定理より、外積演算回路１３が出力端子Ｏｃｐから出力する角度誤差信号Ｓａｅは、以下のようになる。
角度誤差信号Ｓａｅ＝Ａ・ｃｏｓθ×ｓｉｎ（φ（ｎ））
−Ａ・ｓｉｎθ×ｃｏｓ（φ（ｎ）
＝Ａ・ｓｉｎ（φ（ｎ）−θ）
【００２４】
角度誤差信号Ｓａｅは閉ループの特性により０に収束し、十分に小さい値となるため、「ｓｉｎ（φ（ｎ）−θ）」は「φ（ｎ）−θ」と近似できる。したがって、角度誤差信号Ｓａｅは「Ａ×（φ（ｎ）−θ）」となる。
回転角度検出回路１０は、外積演算回路１３が出力する角度誤差信号Ｓａｅが入力する位相補償回路１５と、位相補償回路１５が出力する角度誤差信号Ｓａｅを積分して角度検出信号Ｓφ（ｎ）を出力する積分回路（角度信号出力部の一例）１７とを有している。
【００２５】
位相補償回路１５は、オールパスフィルタ特性を有している。このため、位相補償回路１５が出力する角度誤差信号Ｓａｅは、外積演算回路１３が出力する角度誤差信号Ｓａｅに対して位相が異なるだけで振幅特性は同じである。位相補償回路１５は、外積演算回路１３、位相補償回路１５、積分回路１７及び正弦波データＲＯＭ１１によって構成される閉ループＬ１の発振を防ぐために配置されている。本実施形態では、位相補償回路１５は、外積演算回路１３の後段に配置されているが、積分回路１７の後段や正弦波データＲＯＭ１１の前段に配置されてもよい。この場合も、位相補償回路１５は、閉ループＬ１の発振を防止できる。
【００２６】
積分回路１７は、角度誤差信号Ｓａｅを積分する回路であり、閉ループＬ１を組むことで角度誤差信号Ｓａｅに重畳するノイズ信号を低減するためのループフィルタとして機能する。また、積分回路１７が出力する角度検出信号Ｓφ（ｎ）は、閉ループＬ１によって正弦波データＲＯＭ１１を経由して積分回路１７の入力へフィードバックされる。これにより、角度誤差信号「Ａ×（φ（ｎ）−θ）」は０に収束される。外積演算回路１３が出力する角度誤差信号「Ａ×（φ（ｎ）−θ）」は、ＸΔΣＡＤ変換回路７及びＹΣＡＤ変換回路９がそれぞれ出力する１ビットのＸΔΣ変調信号Ｓｍｄｘ，Ｓｍｄｙに基づいている。このため、角度誤差信号「Ａ×（φ（ｎ）−θ）」は、ノイズ信号を多く含んでおり、位相補償回路１５及び積分回路１７を通じて平滑化及びビット拡張が行われる。これにより、積分回路１７から最終的に出力される角度検出信号Ｓφ（ｎ）は、１２ビット（０〜４０９５ＬＳＢ）の分解能を持つ角度データとして出力される。φ（ｎ）の分解能を０〜４０９５ＬＳＢとすると、角度検出信号Ｓφ（ｎ）とローター３１の実際の回転角度θとの関係は、以下のように表すことができる。
θ＝φ（ｎ）×３６０°／４０９６
【００２７】
回転角度検出回路１０は、第１のデータＤ１及び第２のデータＤ２を出力するマルチプレクサ回路（選択回路の一例）２３と、ＸΔΣ変調信号Ｓｍｄｘ及びＹΔΣ変調信号Ｓｍｄｙと、第１のデータＤ１及び第２のデータＤ２との内積データＤｓｐを演算する内積演算回路１９と、内積演算回路１９が出力する内積データＤｓｐを平滑化して振幅信号Ｓａｐを出力するデジタルフィルタ回路２１とを有している。さらに、回転角度検出回路１０は、有効化データ（第３のデータの一例）Ｄｍｄｖ及び無効化データ（第４のデータの一例）Ｄｍｄｉを生成する有効化／無効化データ生成回路２７と、マルチプレクサ回路２３に出力する制御信号Ｓｃを生成する制御信号生成回路２５とを有している。
【００２８】
マルチプレクサ回路２３には、正弦波データＲＯＭ１１が出力する余弦データＤｃｏｓ及び正弦データＤｓｉｎと、有効化／無効化データ生成回路２７が出力する有効化データＤｍｄｖ及び無効化データＤｍｄｉとが入力する。マルチプレクサ回路２３は、非接触回転角センサ１が使用モードのときに、正弦波データＲＯＭ１１が出力する余弦データＤｃｏｓ及び正弦データＤｓｉｎを選択する。そして、マルチプレクサ回路２３は、選択した余弦データＤｃｏｓ及び正弦データＤｓｉｎを第１のデータＤ１及び第２のデータＤ２としてそれぞれ内積演算回路１９に出力するようになっている。また、マルチプレクサ回路２３は、非接触回転角センサ１が検査モードのときに、有効化／無効化データ生成回路２７が出力する有効化データＤｍｄｖ及び無効化データＤｍｄｉを選択して第１のデータＤ１及び第２のデータＤ２としてそれぞれ内積演算回路１９に出力するようになっている。マルチプレクサ回路２３は、第１又は第２のデータＤ１，Ｄ２を出力する第１出力端子Ｏｍｐ１及び第２出力端子Ｏｍｐ２を有している。マルチプレクサ回路２３は、制御信号生成回路２５から入力する制御信号Ｓｃの値に応じて第１及び第２出力端子Ｍｏｔ１，Ｍｏｔ２から第１及び第２のデータＤ１，Ｄ２のいずれを出力するのかを決定するようになっている。
【００２９】
制御信号生成回路２５が出力する制御信号Ｓｃは、非接触回転角センサ１が現時点で使用モード及び検査モードのいずれの状態であるのかを示す情報を有している。例えば、制御信号Ｓｃの値が「０」のときに非接触回転角センサ１が使用モードであると判定され、制御信号Ｓｃの値が「１」又は「２」のときに非接触回転角センサ１が検査モードであると判定される。
【００３０】
有効化／無効化データ生成回路２７が生成する有効化データＤｍｄｖ及び無効化データＤｍｄｉは、それぞれ１２ビットのデータである。有効化データＤｍｄｖは例えば２１２ＬＳＢであり、無効化データＤｍｄｉは例えば０ＬＳＢである。
【００３１】
マルチプレクサ回路２３が出力する有効化データＤｍｄｖは、内積演算回路１９に出力され、内積演算回路１９に入力するＸΔΣ変調信号Ｓｍｄｘ及びＹΔΣ変調信号Ｓｍｄｙのうち一方を有効にするデータである。マルチプレクサ回路２３が出力する無効化データＤｍｄｉは、内積演算回路１９に出力され、内積演算回路１９に入力するＸΔΣ変調信号Ｓｍｄｘ及びＹΔΣ変調信号Ｓｍｄｙのうち他方を無効にするデータである。
【００３２】
内積演算回路１９は、マルチプレクサ回路２３の第１出力端子Ｏｍｐ１から出力されるデータ信号が入力する第１入力端子Ｉｓｐ１と、マルチプレクサ回路２３の第２出力端子Ｏｍｐ２から出力されるデータ信号が入力する第２入力端子Ｉｓｐ２と、ＸΔΣＡＤ変換回路７が出力するＸΔΣ変調信号Ｓｍｄｘが入力する第３入力端子Ｉｓｐ３と、ＹΔΣＡＤ変換回路９が出力するＹΔΣ変調信号Ｓｍｄｙが入力する第４入力端子Ｉｓｐ４とを有している。図２（ａ）では、第１から第４入力端子Ｉｓｐ１，Ｉｓｐ２，Ｉｓｐ３，Ｉｓｐ４は、「Ｉｓｐ」の文字を省略して各入力端子の数値のみが図示されている。内積演算回路１９は、第１入力端子Ｉｓｐ１及び第２入力端子Ｉｓｐ２にそれぞれ入力するデータ信号と、第３入力端子Ｉｓｐ３及び第４入力端子Ｉｓｐ４にそれぞれ入力する信号とを内積演算して内積データＤｓｐを出力する。内積データＤｓｐは、内積演算回路１９に設けられた出力端子Ｏｓｐから出力される。内積演算回路１９が実行する外積演算を各端子の符号を用いて表すと、以下の式（２）のようになる。
Ｏｓｐ＝Ｉｓｐ１×Ｉｓｐ３＋Ｉｓｐ２×Ｉｓｐ４  ・・・（２）
【００３３】
詳細は後述するが、第３及び第４入力端子Ｉｓｐ３，Ｉｓｐ４に入力する信号は、非接触回転角センサ１の動作状態が使用モード及び検査モードのいずれの場合もＸΔΣ変調信号Ｓｍｄｘ及びＹΔΣ変調信号Ｓｍｄｙで変更されないのに対し、第１及び第２入力端子Ｉｓｐ２，Ｉｓｐ２に入力する信号は、非接触回転角センサ１の動作状態によって異なるようになっている。
【００３４】
デジタルフィルタ回路２１は、内積演算回路１９が出力する内積データＤｓｐを平均化し、１２ビットの振幅信号Ｓａｐを出力する。デジタルフィルタ回路２１は、内積データＤｓｐに対し平滑化するためのローパスフィルタの機能を発揮するようになっている。
【００３５】
上述のとおり、回転角度検出回路１０は、永久磁石３１ｂの磁界強度及び回転角度θに対応する出力信号ＳＨｏｘ，ＳＨｏｙを出力するＸホール素子３及びＹホール素子５と、アナログの出力信号ＳＨｏｘ，ＳＨｏｙを１ビット信号に変調するＸΔΣＡＤ変換回路７及びＹΔΣＡＤ変換回路９と、閉ループ方式のデジタル角度演算回路１２と、内積演算回路１９と、内積演算回路１９に入力するデータ信号を選択して切り替えるマルチプレクサ回路２３と、内積演算回路１９が出力するデータ信号を平均化するデジタルフィルタ回路２１とを主な構成として備えている。閉ループ方式のデジタル角度演算回路１２は、外積演算回路１３、位相補償回路１５、積分回路１７及び正弦波データＲＯＭ１１で構成されている。
【００３６】
ホール素子、ＭＲ（Ｍａｇｎｅｔｏ−Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）素子あるいはレゾルバといった磁気式の回転角センサは、いずれも回転体の回転に同期したアナログ電圧を信号として出力する。磁気式の回転角センサは、ホール素子等のセンサが出力するアナログ信号をＡＤ変換回路によってデジタル信号に変換した後、デジタル回路部で角度位置情報の演算が行われる。デジタル回路部で角度位置情報を検出する信号処理回路として閉ループ方式（サーボ方式）の回路が使用される。閉ループ方式の信号処理回路を用いた回転角度検出回路は、角度検出に必要な信号処理による遅延時間を最短にすることができる。このため、閉ループ方式の信号処理回路を用いた角度検出回路は、モーター制御における非接触回転角度センサにおいて極めて好適な信号処理回路となる。
【００３７】
本実施形態でも、閉ループ方式の信号処理回路を用いたデジタル角度演算回路１２が用いられている。デジタル角度演算回路１２は、出力信号ＳＨｏｘ，ＳＨｏｙ（例えば、Ａ・ｃｏｓθ、Ａ・ｓｉｎθ）を１ビットに変調したＸΔΣ変調信号Ｓｍｄｘ及びＹΔΣ変調信号Ｓｍｄｙと、正弦波データＲＯＭ１１からの余弦データＤｃｏｓ（例えばｃｏｓφ（ｎ））及び正弦データＤｓｉｎ（例えばｓｉｎ（φ（ｎ）））との間で外積演算を行う。デジタル角度演算回路１２は、算出する角度誤差信号「φ（ｎ）−θ」が０に収束するようにフィードバックが組まれてる。デジタル角度演算回路１２は、離散時間システムの伝達関数で等価的に表すことができる。
【００３８】
図３は、デジタル角度演算回路１２を離散時間システムの伝達関数で説明する図である。図３（ａ）は、デジタル角度演算回路１２を離散時間システムの伝達関数で等価的に表したブロック図である。図３（ｂ）は、デジタル角度演算回路１２の動作周波数を２ＭＨｚとした場合のループフィルタ特性の一例を示すグラフである。横軸は周波数ｆ（Ｈｚ）を示し、縦軸は増幅率（ｄＢ）を示している。
【００３９】
図３（ａ）に示すように、離散時間システムの伝達関数で等価的に表されたデジタル角度演算回路１２は、加減算器３５と、伝達関数「（１−ｂＺ−１）／（１−ａＺ−１）」で表される位相補償回路３７と、２つの伝達関数「ｃ／（１−Ｚ−１）」で表される積分回路３９とを有している。伝達関数における「ａ」は「２０４７／２０４８」であり、「ｂ」は「２０４０／２０４８」であり、ｃは「２／２０４８」である。積分回路３９が出力する出力信号は加減算器３５に入力する。これにより、加減算器３５、位相補償回路３７及び積分回路３９によって閉ループが形成される。加減算器３５には、積分回路３９の出力信号の他に、増幅回路３３が出力する１ビットの出力信号が入力するようになっている。増幅回路３３は、図２（ａ）に示すＸΔΣＡＤ変換回路７及びＹΔΣＡＤ変換回路９に相当し、１ビット信号を出力する。加減算器３５は、増幅回路３３の出力信号から積分回路３９の出力信号を減算した差信号ＳＯを位相補償回路３７に出力する。
【００４０】
図３（ｂ）に示すように、図３（ａ）に示す伝達関数の構成においてデジタル角度演算回路１２が形成する閉ループのフィルタ特性は、動作周波数を２ＭＨｚとした場合、１ｋＨｚ程度の帯域のローパスフィルタ特性となる。このため、デジタル角度演算回路１２は、１ビット信号に含まれるノイズ（例えば数１００ｋＨｚから数ＭＨｚの量子化ノイズ）を抑制するのに十分なフィルタ特性を有する。また、ＸΔΣＡＤ変換回路７及びＹΔΣＡＤ変換回路９が１２ビットの分解能を有しているとすると、増幅回路３３が出力する出力信号は、実効的には１ビット（０又は４０９５ＬＳＢの２値）の信号となる。加減算器３５に入力する１ビットの出力信号は、デジタル角度演算回路１２が形成する閉ループに入力する際、すなわち加減算器３５から出力する際に、正弦波データＲＯＭ１１（図２（ａ）参照）が出力する余弦データＤｃｏｓ及び正弦データＤｓｉｎのビット数に相当する１２ビットにビット拡張される。デジタル角度演算回路１２は、１２ビットにビット拡張された信号（実際には０又は４０９５ＬＳＢの２値の信号）を位相補償回路３７及び積分回路３９に経由させて当該信号に重畳するノイズを低減し、加減算器３５にフィードバックする。これにより、デジタル角度演算回路１２は、加減算器３５が出力する差信号ＳＯを０に収束させる。積分回路３９が出力する１２ビットの出力信号の値は、加減算器３５に入力する信号の値と等しくなる。デジタル角度演算回路１２が形成する閉ループのローパスフィルタ特性によって加減算器３５に入力する信号は平滑化される。このため、デジタル角度演算回路１２に入力する２値のデジタル信号が、正確な１２ビットの分解能を持つデジタルデータ信号として変換される。
【００４１】
図２に戻って、Ｘホール素子３及びＹホール素子５が出力するアナログの出力信号ＳＨｏｘ，ＳＨｏｙをデジタル信号に変換するＡＤ変換回路として、１ビット変調を行うＸ及びＹΔΣＡＤ変換回路７，９を用いる利点は、角度誤差信号Ｓａｅの計算部である外積演算回路１３を加減算器を用いた簡易な構成とすることができることにある。外積演算回路１３には、正弦波データＲＯＭ１１から１２ビットの余弦及び正弦データＤｃｏｓ，Ｄｓｉｎが入力するものの、Ｘ及びＹΔΣＡＤ変換回路７，９からは１ビットのＸ及びＹ変調信号Ｓｍｄｘ，Ｓｍｄｙが入力する。このため、余弦及び正弦データＤｃｏｓ，ＤｓｉｎとＸ及びＹ変調信号Ｓｍｄｘ，Ｓｍｄｙとの外積演算は、乗算せずに加減算のみで実行できる。このため、外積演算回路１３は、大規模な回路となる乗算器を必要とせず、加減算器を用いた簡易な構成で実現でき、回路規模を小さくできる。
【００４２】
次に、マルチプレクサ回路２３の動作を中心に、本実施形態による非接触回転角センサ１の動作について図２（ａ）を参照しつつ図４及び図５を用いて説明する。図４は、マルチプレクサ回路２３に入力する制御信号Ｓｃの値と、第１及び第２出力端子Ｏｍｐ１，Ｏｍｐ２から出力される出力信号との関係を示す出力信号選択テーブルの一例である。出力信号選択テーブルは、マルチプレクサ回路２３に設けられた所定の記憶部（不図示）に記憶されている。出力信号選択テーブルは、「制御信号」欄及び「出力信号」欄の２つに区分されている。「制御信号」は、制御信号生成回路２５が生成しマルチプレクサ回路２３に入力する制御信号Ｓｃを示している。「出力信号」は、マルチプレクサ回路２３が出力する出力信号を示している。「出力信号」欄は、「Ｄ１」欄及び「Ｄ２」欄の２つに区分されている。「Ｄ１」は、マルチプレクサ回路２３の第１出力端子Ｏｍｐ１から出力される第１のデータＤ１を示し、「Ｄ２」は、マルチプレクサ回路２３の第２出力端子Ｏｍｐ２から出力する第２のデータＤ２を示している。「制御信号」欄には、制御信号Ｓｃの取り得る値「０」、「１」及び「２」が格納されている。「Ｄ１」欄及び「Ｄ２」欄には、制御信号Ｓｃの値に応じて第１及び第２のデータＤ１，Ｄ２として第１及び第２出力端子Ｏｍｐ１，Ｏｍｐ２からそれぞれ出力される出力信号の種類が格納されている。
【００４３】
図５は、マルチプレクサ回路２３及び内積演算回路１９の動作状態を示す図である。図５（ａ）は、制御信号Ｓｃの値が「０」の場合のマルチプレクサ回路２３及び内積演算回路１９の動作状態を示し、図５（ｂ）は、制御信号Ｓｃの値が「１」の場合のマルチプレクサ回路２３及び内積演算回路１９の動作状態を示し、図５（ｃ）は、制御信号Ｓｃの値が「２」の場合のマルチプレクサ回路２３及び内積演算回路１９の動作状態を示している。
【００４４】
上述のとおり、回転角度検出回路１０は、ローター３の回転に伴う磁場の変化をＸホール素子３及びＹホール素子５で検出する。次に、回転角度検出回路１０は、Ｘ及びＹホール素子３，５が出力するアナログの出力信号ＳＨｏｘ，ＳＨｏｙをＸ及びＹΔΣＡＤ変換回路７，９によって１ビットのデジタル信号であるＸ及びＹ変調信号Ｓｍｄｘ，Ｓｍｄｙに変換して外積演算回路１３に出力する。回転角度検出回路１０は、外積演算回路１３、位相補償回路１５、積分回路１７及び正弦波データＲＯＭ１１によって構成されるデジタル角度演算回路１２によってＸ及びＹ変調信号Ｓｍｄｘ，Ｓｍｄｙに等しい角度検出信号Ｓφ（ｎ）を出力する。その際、デジタル角度演算回路１２は、外積演算回路１３、位相補償回路１５、積分回路１７及び正弦波データＲＯＭ１１によって形成される閉ループＬ１で角度検出信号Ｓφ（ｎ）をフィードバックし、外積演算回路１３が出力する角度誤差信号Ｓａｅを「０」に収束させる。回転角度検出回路１０は、非接触回転角センサ１の動作状態が使用モード及び検査モードのいずれの場合も上述のとおり動作する。
【００４５】
図４に示すように、出力信号選択テーブルでは、「制御信号」欄の「０」に対応して「Ｄ１」欄には「Ｄｃｏｓ」が格納され、「Ｄ２」欄には「Ｄｓｉｎ」が格納されている。このため、図５（ａ）に示すように、非接触回転角センサ１の動作状態が使用モードであって制御信号Ｓｃの値が「０」の場合、マルチプレクサ回路２３は、正弦波データＲＯＭ１１から入力する余弦データＤｃｏｓ及び正弦データＤｓｉｎを選択する。そして、マルチプレクサ回路２３は、第１出力端子Ｏｍｐ１から余弦データＤｃｏｓを第１のデータＤ１として出力し、第２出力端子Ｏｐｍ２から正弦データＤｓｉｎを第２のデータＤ２として出力する。
【００４６】
内積演算回路１９は、上述の式（２）に基づいて、第１及び第２入力端子Ｉｓｐ１，Ｉｓｐ２に入力する信号と、第３及び第４入力端子Ｉｓｐ３，Ｉｓｐ４に入力する入力信号とを内積した内積データＤｓｐを演算する。第１入力端子Ｉｓｐ１に入力する余弦データＤｃｏｓを「ｃｏｓ（φ（ｎ））」とし、第２入力端子Ｉｓｐ２に入力する正弦データＤｓｉｎを「ｓｉｎ（φ（ｎ））」とし、第３入力端子Ｉｓｐ３に入力するＸΔΣ変調信号Ｓｍｄｘを「Ａ・ｃｏｓθ（１ビット）」とし、第４入力端子Ｉｓｐ４に入力するＹΔΣ変調信号Ｓｍｄｙを「Ａ・ｓｉｎθ（１ビット）」とする。この場合、式（２）より、内積データＤｓｐは、「Ａ・ｃｏｓθ（１ビット）×ｃｏｓ（φ（ｎ））＋Ａ・ｓｉｎθ（１ビット）×ｓｉｎ（φ（ｎ））」となる。角度検出信号Ｓφ（ｎ）の値「φ（ｎ）」は「θ」となる。このため、内積データＤｓｐは後段のデジタルフィルタ回路２１で１ビット変調に伴うノイズを抑制した後、ピタゴラスの定理（ｓｉｎ２θ＋ｃｏｓ２θ＝１）より、デジタル信号で表された「Ａ」となる。
【００４７】
図２（ａ）に示すように、内積演算回路１９の後段に配置されるデジタルフィルタ回路２１は、内積演算回路１９が出力するデジタル信号を平滑化し、１２ビット分解能を確保した値「Ａ」の振幅信号Ｓａｐを出力する。このとき振幅信号ＳａｐはＸ及びＹホール素子３，５に印加されるＸＹ面内の磁界強度に比例した値となる。
【００４８】
図４に示すように、出力信号選択テーブルでは、「制御信号」欄の「１」に対応して「Ｄ１」欄には「Ｄｍｄｖ」が格納され、「Ｄ２」欄には「Ｄｍｄｉ」が格納されている。このため、図５（ｂ）に示すように、非接触回転角センサ１の動作状態が検査モードであって制御信号Ｓｃの値が「１」の場合、マルチプレクサ回路２３は、有効化／無効化データ生成回路２７から入力する有効化データＤｍｄｖ及び無効化データＤｍｄｉを選択する。そして、マルチプレクサ回路２３は、第１出力端子Ｏｍｐ１から有効化データＤｍｄｖを第１のデータＤ１として出力し、第２出力端子Ｏｐｍ２から無効化データＤｍｄｉを第２のデータＤ２として出力する。
【００４９】
第１入力端子Ｉｓｐ１に入力する有効化データＤｍｄｖを「２１２ＬＳＢ」とし、第２入力端子Ｉｓｐ２に入力する無効化データＤｍｄｉを「０ＬＳＢ」とし、第３入力端子Ｉｓｐ３に入力するＸΔΣ変調信号Ｓｍｄｘを「Ａ・ｃｏｓθ（１ビット）」とし、第４入力端子Ｉｓｐ４に入力するＹΔΣ変調信号Ｓｍｄｙを「Ａ・ｓｉｎθ（１ビット）」とする。この場合、式（２）より、内積データＤｓｐは、「Ａ・ｃｏｓθ（１ビット）×２１２ＬＳＢ＋Ａ・ｓｉｎθ（１ビット）×０ＬＳＢ」となる。このため、内積データＤｓｐは、「Ａ・ｃｏｓθ（１ビット）×２１２ＬＳＢ」となる。
【００５０】
ＸΔΣ変調信号Ｓｍｄｘは、Ａ・ｃｏｓθが１ビットであって０又は１の２値の信号である。このため、内積演算回路１９から出力される内積データＤｓｐは、０ＬＳＢ又は２１２ＬＳＢの２値の信号となる。内積演算回路１９の後段に配置されるデジタルフィルタ回路２１は、内積演算回路１９が出力する０ＬＳＢ及び２１２ＬＳＢを平滑化し、１２ビット分解能を確保し１２ビットの値「Ａ・ｃｏｓθ」の振幅信号Ｓａｐを出力する。このとき振幅信号ＳａｐはＸ及びＹホール素子３，５に印加されるＸＹ面内の磁界強度のＸ軸成分に比例した値となる。
【００５１】
図４に示すように、出力信号選択テーブルでは、「制御信号」欄の「２」に対応して「Ｄ１」欄には「Ｄｍｄｉ」が格納され、「Ｄ２」欄には「Ｄｍｄｖ」が格納されている。このため、図５（ｃ）に示すように、非接触回転角センサ１の動作状態が検査モードであって制御信号Ｓｃの値が「２」の場合、マルチプレクサ回路２３は、有効化／無効化データ生成回路２７から入力する有効化データＤｍｄｖ及び無効化データＤｍｄｉを選択する。そして、マルチプレクサ回路２３は、第１出力端子Ｏｍｐ１から無効化データＤｍｄｉを第１のデータＤ１として出力し、第２出力端子Ｏｐｍ２から有効化データＤｍｄｖを第２のデータＤ２として出力する。
【００５２】
第１入力端子Ｉｓｐ１に入力する無効化データＤｍｄｉを「０ＬＳＢ」とし、第２入力端子Ｉｓｐ２に入力する有効化データＤｍｄｖを「２１２ＬＳＢ」とし、第３入力端子Ｉｓｐ３に入力するＸΔΣ変調信号Ｓｍｄｘを「Ａ・ｃｏｓθ」とし、第４入力端子Ｉｓｐ４に入力するＹΔΣ変調信号Ｓｍｄｙを「Ａ・ｓｉｎθ」とする。式（２）より、内積データＤｓｐは、「Ａ・ｓｉｎθ（１ビット）×２１２ＬＳＢ」（＝Ａ・ｃｏｓθ×０ＬＳＢ＋Ａ・ｓｉｎθ×２１２ＬＳＢ）となる。
【００５３】
ＹΔΣ変調信号Ｓｍｄｙは、Ａ・ｓｉｎθが１ビットであって０又は１の２値の信号である。このため、内積演算回路１９から出力される内積データＤｓｐは、０ＬＳＢ又は２１２ＬＳＢの２値の信号となる。内積演算回路１９の後段に配置されるデジタルフィルタ回路２１は、内積演算回路１９が出力する０ＬＳＢ及び２１２ＬＳＢを平滑化し、１２ビット分解能を確保し１２ビットの値「Ａ・ｓｉｎθ」の振幅信号Ｓａｐを出力する。このとき振幅信号ＳａｐはＸ及びＹホール素子３，５に印加されるＸＹ面内の磁界強度のＹ軸成分に比例した値となる。
【００５４】
本実施形態では、「Ａ」、「Ａ・ｃｏｓθ」、「Ａ・ｓｉｎθ」を１２ビット値に変換するために使用したデジタルフィルタ回路は全て同一の回路（すなわちデジタルフィルタ回路２１）となっている。そのため、本実施形態による非接触回転角センサ１は、回路面積が相対的に大きいデジタルフィルタ回路を複数必要とせずに、簡易な構成のマルチプレクサ回路２３の追加のみで、「Ａ」、「Ａ・ｃｏｓθ」、「Ａ・ｓｉｎθ」の３つの信号を出力することが可能となる。後述するが、「Ａ・ｃｏｓθ」及び「Ａ・ｓｉｎθ」の各信号は、デジタル角度演算回路の故障検出や、経年変化等による角度検出信号に含まれる角度誤差を検出する、あるいは補正するための有用な信号である。
【００５５】
次に、本実施形態による非接触回転角センサ１と、非接触回転角センサ１に関連する関連技術とを比較しながら非接触回転角センサ１の効果などについて、図２及び図５を参照しつつ図６及び図７を用いて説明する。
【００５６】
図６は、特許文献１、特許文献２で開示されている、１つ目の関連技術であって非接触回転角センサに備えられた回転角度検出回路１０１の概略構成を示すブロック図である。回転角度検出回路１０１は故障検出機能を有している。図６に示すように、回転角度検出回路１０１は、閉ループ方式のデジタル角度演算回路１０２を有している。デジタル角度演算回路１０２は、外積演算回路１１３と、位相補償回路１１５と、積分回路１１７と、正弦波データＲＯＭ１１１とで構成されている。外積演算回路１１３は、入力するＸΔΣ変調信号Ｓｍｄｘ及びＹΔΣ変調信号Ｓｍｄｙと、正弦波データＲＯＭ１１１が出力する余弦データＤｃｏｓ及び正弦データＤｓｉｎとを外積演算して角度誤差信号Ｓａｅを位相補償回路１１５に出力する。回転角度検出回路１０１は、Ｘホール素子３及びＹホール素子５と同じ機能を発揮するＸホール素子１０３及びＹホール素子１０５と、ＸΔΣＡＤ変換回路７及びＹΔΣＡＤ変換回路９と同じ機能を発揮するＸΔΣＡＤ変換回路１０７及びＹΔΣＡＤ変換回路１０９とを有している。Ｘ及びＹΔΣＡＤ変換回路１０７，１０９は、外積演算回路１１３に入力するＸ及びＹΔΣ変調信号Ｓｍｄｘ，Ｓｍｄｙをそれぞれ出力する。
【００５７】
Ｘ及びＹΔΣＡＤ変換回路１０７，１０９から出力されたＸ及びＹΔΣ変調信号Ｓｍｄｘ，Ｓｍｄｙは、デジタル角度演算回路１０２が形成する閉ループに入力する際、すなわち外積演算回路１１３から出力される際に、正弦波データＲＯＭ１１１が出力する余弦データＤｃｏｓ及び正弦データＤｓｉｎのビット数に相当する１２ビットにビット拡張される。デジタル角度演算回路１０２は、１２ビットにビット拡張された信号（実際には最小値及び最大値の２値のデジタル信号）を位相補償回路１１５及び積分回路１１７に経由させ、この信号に重畳するノイズを低減し、外積演算回路１１３にフィードバックする。これにより、デジタル角度演算回路１０２は、外積演算回路１１３が出力する角度誤差信号Ｓａｅを０に収束させる。
【００５８】
回転角度検出回路１０１は、ＸΔΣＡＤ変換回路１０７及びＹΔΣＡＤ変換回路１０９から入力するＸΔΣ変調信号Ｓｍｄｘ及びＹΔΣ変調信号Ｓｍｄｙと、正弦波データＲＯＭ１１１から入力する余弦データＤｃｏｓ及び正弦データＤｓｉｎとの内積を演算する内積演算回路１１９と、内積演算回路１１９が出力する内積データＤｓｐが入力するデジタルフィルタ回路１２１と、デジタルフィルタ回路１２１から出力する振幅信号Ｓａｐが入力する閾値判定回路１２３とを有している。デジタルフィルタ回路１２１は、内積演算回路１１９が出力するデジタル信号の内積データＤｓｐを平滑化し、所定ビット（例えば１２ビット）分解能を確保した値の振幅信号Ｓａｐを出力する。
【００５９】
１つ目の関連技術における回転角度検出回路１０１は、角度誤差信号を算出する外積演算回路１１３に加え、内積演算回路１１９を有することにより、角度検出信号Ｓφ（ｎ）に基づいて振幅信号Ｓａｐを検出できる。さらに、回転角度検出回路１０１は、閾値判定回路１２３を有することにより、Ｘ及びＹホール素子１０３，１０５からの信号が大きすぎる場合や小さすぎる場合にエラーと判定し、エラー信号Ｓｅｒ１，Ｓｅｒ２を出力することが可能になっている。例えば、閾値判定回路１２３には、上限閾値信号Ｓｕｐ及び下限閾値信号Ｓｌｏが入力するようになっている。
【００６０】
内積演算回路１１９の第１入力端子Ｉｓｐ１に入力する余弦データＤｃｏｓを「ｃｏｓ（φ（ｎ））」とし、第２入力端子Ｉｓｐ２に入力する正弦データＤｓｉｎを「ｓｉｎ（φ（ｎ））」とし、第３入力端子Ｉｓｐ３に入力するＸΔΣ変調信号Ｓｍｄｘを「Ａ・ｃｏｓθ」とし、第４入力端子Ｉｓｐ４に入力するＹΔΣ変調信号Ｓｍｄｙを「Ａ・ｓｉｎθ」とする。なお、図６では、内積演算回路１１９の第１から第４入力端子Ｉｓｐ１，Ｉｓｐ２，Ｉｓｐ３，Ｉｓｐ４は、「Ｉｓｐ」の文字を省略して各入力端子の数値のみが図示されている。式（２）より、内積データＤｓｐは、「Ａ・ｃｏｓθ（１ビット）×ｃｏｓ（φ（ｎ））＋Ａ・ｓｉｎθ（１ビット）×ｓｉｎ（φ（ｎ））」となる。角度検出信号Ｓφ（ｎ）の値「φ（ｎ）」は「θ」となる。このため、内積データＤｓｐは、ピタゴラスの定理（ｓｉｎ２θ＋ｃｏｓ２θ＝１）より、デジタル信号で表された「Ａ」となる。
【００６１】
内積演算回路１１９が出力する内積データＤｓｐは１ビット信号を元に計算されるため、１ビット量子化に伴うノイズを多く含む。このため、回転角度検出回路１０１は、内積演算回路１１９の後段にローパスフィルタ特性を有するデジタルフィルタ回路１２１を設けて内積データＤｓｐを平滑化し振幅信号Ｓａｐを必要な精度や分解能で算出できるようになっている。閾値判定回路１２３は、必要な精度や分解能で算出された振幅信号Ｓａｐが上限閾値信号Ｓｕｐを超えているとエラー信号Ｓｅｒ１を出力し、振幅信号Ｓａｐが下限閾値信号Ｓｌｏより下回っているとエラー信号Ｓｅｒ２を出力する。これにより、回転角度検出回路１０１は、アナログ回路部の断線や短絡といった異常やセンサの故障検出が可能となる。例えば、回転を検出するセンサとしてホール素子を用いた場合、ホール素子の信号配線が電源と短絡した場合、「Ａ」は上限閾値の判定により故障が検出できる。また、ホール素子に近接して設ける磁石が落下すると「Ａ」＝０となり、下限閾値の判定により故障検出が可能になる。またレゾルバを用いた場合に関しても、同じ構成によりコイルの断線等を検出することが可能となる。
【００６２】
図７は、２つ目の関連技術であって非接触回転角センサに備えられた回転角度検出回路２０１の概略構成を示すブロック図である。図７に示すように、２つ目の関連技術における回転角度検出回路２０１は、ＩＣ回路部２０３と、モーター制御用マイコン２０５とを有している。回転角度検出回路２０１は、ＩＣ回路部２０３で演算した角度検出信号Ｓφ（ｎ）と、ＩＣ回路部が出力する１２ビットの余弦信号（ＳＡＤｏｘ）、正弦信号（ＳＡＤｏｙ）を元にモーター制御用マイコン２０５で演算した角度検出信号Ｓθ（ｎ）とを比較して角度検出信号Ｓφ（ｎ）が正しい値であるか否かを判定するようになっている。
【００６３】
ＩＣ回路部２０３は、不図示のモーターの回転に伴う磁場の変化を検出するＸホール素子２０３ａ及びＹホール素子２０３ｂと、Ｘ及びＹホール素子２０３ａ，２０３ｂが出力するアナログの出力信号を１２ビットのデジタル値にＡＤ変換するＡＤ変換回路２０３ｃと、ＡＤ変換回路２０３ｃが出力するデジタル信号が入力するデジタル角度演算回路２０３ｄとを有している。ＡＤ変換回路２０３ｃは、１２ビットの逐次比較方式のＡＤ変換回路である。
【００６４】
モーター制御用マイコン２０５は、ＡＤ変換回路２０３ｃが出力するデジタル信号が入力するデジタル角度演算回路２０５ａと、デジタル角度演算回路２０５ａが算出した角度検出信号Ｓθ（ｎ）と、ＩＣ回路部２０３に設けられたデジタル角度演算回路２０３ｄが算出した角度検出信号Ｓφ（ｎ）とを比較する比較回路２０５ｂと有している。デジタル角度演算回路２０５ａは、デジタル角度演算回路２０３ｄと同様の構成を有している。
【００６５】
例えば、非接触回転角センサのＩＣ回路部２０３が正常に機能して、角度検出信号Ｓφ（ｎ）が正しい値であるか否かを判定しようとしたとする。回転角度検出回路２０１では、デジタル角度演算回路２０３ｄが検出する角度検出信号Ｓφ（ｎ）に加え、逐次比較ＡＤ回路２０３ｃが出力する１２ビットのデジタル信号ＳＡＤｏｘ，ＳＡＤｏｙを元に、モーター制御用マイコン２０５に備えられたデジタル角度演算回路２０５ａで角度検出信号Ｓθ（ｎ）を演算するようになっている。さらに、回転角度検出回路２０１は、デジタル角度演算回路２０３ｄが演算した角度検出信号Ｓφ（ｎ）と、デジタル角度演算回路２０５ａが演算した角度検出信号Ｓθ（ｎ）とを比較回路２０５ｂで比較して、角度検出信号Ｓφ（ｎ）が正しい値であるか否かを判定するようになっている。このように、回転角度検出回路２０１は、デジタル角度演算回路２０３ｄが故障しているか否かを判定できる。
【００６６】
また、Ｘホール素子２０３ａが出力する出力信号ＳＨｏｘはＡ・ｃｏｓθであり、Ｙホール素子２０３ｂが出力する出力信号ＳＨｏｙはＡ・ｓｉｎθであらわされるアナログ電圧値となるが、出力信号ＳＨｏｘ及び出力信号ＳＨｏｙは、実際には半導体製造ばらつきや磁石・ＩＣ回路の経年変化により固有の検出感度の誤差やオフセットが加算された信号となる。このため、Ｘホール素子２０３ａのオフセットをＯｆｆｘとし、Ｙホール素子２０３ｂのオフセットをＯｆｆｙとし、Ｘホール素子２０３ａの検出感度をＡｘとし、Ｙホール素子２０３ｂの検出感度をＡｙとすると、出力信号ＳＨｏｘ及び出力信号ＳＨｏｙは、以下の式（３）及び式（４）で表すことができる。
ＳＨｏｘ＝Ａｘ・ｃｏｓθ＋Ｏｆｆｘ  ・・・（３）
ＳＨｏｙ＝Ａｙ・ｓｉｎθ＋Ｏｆｆｙ  ・・・（４）
【００６７】
Ｘホール素子２０３ａ及びＹホール素子２０３ｂの検出感度Ａｘ及び検出感度Ａｙとの間に、１％のミスマッチが生じた場合、角度検出信号Ｓφ（ｎ）に生じる角度誤差は、モーターが４５°近辺の角度位置で約０．３°（＝４５°−（ｔａｎ−１（（０．９９×ｓｉｎ４５°）／（１．００×ｃｏｓ４５°））））となり、実際のモーターの角度位置よりも０．３°ずれて角度が検出される。また、検出感度Ａｙに対し１％のオフセットが加算された場合、このオフセットにより角度検出信号Ｓφ（ｎ）生じる角度誤差は、モーターが０°近辺の角度位置で約−０．６°（＝０°−（ｔａｎ−１（（１．００×ｓｉｎ０°＋０．０１）／（１．００×ｃｏｓ０°））））となる。このような角度検出信号の誤差は、製造ばらつきに加えて、ホール素子の場合は磁石や半導体の経年変化により増大し、レゾルバの場合も、レゾルバを構成するコイルの抵抗等の経年変化により増大する。そのような経年変化に伴う、角度検出信号の誤差といった細かな故障を検出（あるいは補正）するには、検出感度のミスマッチやオフセットをあらかじめ調べる必要がある。また、検出感度のミスマッチやオフセットに関しては、実際にはホール素子以外にＡＤ変換回路の誤差も含むため、ＳＨｏｘ信号、ＳＨｏｙ信号をＡＤ変換した、ＳＡＤｏｘ信号、ＳＡＤｏｙ信号を元に算出することが望ましい。２つ目の関連技術の構成においては、ＡＤ変換回路に１２ビットの逐次比較方式のＡＤ変換回路を使用しており、１２ビットのデジタル値に変換された、ＳＡＤｏｘ信号、ＳＡＤｏｙ信号をＩＣ回路外へ出力し、検出感度のミスマッチやオフセットを算出することで、角度検出信号の誤差の増加といった細かな故障の検出も可能である。
【００６８】
ただし２つ目の関連技術によるデジタル角度演算回路の故障検出や、経年変化に伴う角度検出信号の誤差の増大といった細かな故障検出は、１つ目のΔΣＡＤ変換回路を用いた関連技術の構成では適用できない。ＡＤ変換回路にΔΣＡＤ変換回路を用いた回転角度検出回路１０１は、ＸΔΣ変調信号Ｓｍｄｘ及びＹΔΣ変調信号Ｓｍｄｙが１ビット変調された信号となる。このため、ＸΔΣ変調信号Ｓｍｄｘ及びＹΔΣ変調信号Ｓｍｄｙは、図２（ｂ）中の下段に示すように、矩形の高周波信号となる。このため、ＸΔΣ変調信号Ｓｍｄｘ及びＹΔΣ変調信号Ｓｍｄｙを直接検出しても、検出された信号から有効な情報は得られない。その結果、回転角度検出回路１０１は、ＸΔΣ変調信号Ｓｍｄｘ及びＹΔΣ変調信号Ｓｍｄｙを直接検出できない場合、非接触回転角センサのデジタル回路部の故障検出に対応できないという問題と、角度検出信号Ｓφ（ｎ）の経年変化に伴う細かな角度検出信号の誤差の増加が検出できないという問題とが生じる。
【００６９】
これに対し、本実施形態による非接触回転角センサ１に設けられた回転角度検出回路１０は、マルチプレクサ回路２３を有している。マルチプレクサ回路２３は、非接触回転角センサ１が検査モードの際に、有効化データＤｍｄｖ及び無効化データＤｍｄｉを内積演算回路１９に出力する。本実施形態による非接触回転角センサ１は、ＸΔΣＡＤ変換回路７及びＹΔΣＡＤ変換回路９から直接検出したＸΔΣ変調信号Ｓｍｄｘ及びＹΔΣ変調信号Ｓｍｄｙを内積演算回路１９に入力し、内積演算回路１９で有効化データＤｍｄｖ及び無効化データＤｍｄｉとＸΔΣ変調信号Ｓｍｄｘ及びＹΔΣ変調信号Ｓｍｄｙとを内積演算した内積データＤｓｐに基づいて、共通のデジタルフィルタ回路で平滑化を行い、「Ａ」、「Ａ・ｃｏｓθ」、「Ａ・ｓｉｎθ」の１２ビットに変換されたデジタル信号を得ることができる。このため、非接触回転角センサ１は、わずかな回路の追加のみで、アナログ回路部やセンサ部の故障検出に加え、回転角度検出回路１０のデジタル部の故障検出や、経年変化に伴う角度検出信号の誤差の増加といった細かな故障検出に対応できる。
【００７０】
また、この問題を解決するために、Ｘホール素子２０３ａ及びＹホール素子２０３ｂが出力する出力信号を１ビット変調されたＸΔΣ変調信号及びＹΔΣ変調信号に変換するΔΣＡＤ変換回路と、このＸΔΣ変調信号及びＹΔΣ変調信号を平滑化及びビット拡張を行うためのデジタルフィルタ回路を専用で備える方法も考えられる。しかしながら、デジタルフィルタ回路は、レジスタ（記憶装置）やフルアダー（加算器）といった面積の大きいデジタル回路を多数必要とする。このため、デジタルフィルタ回路の増加は、ＩＣ回路部２０３の回路面積の増大を招く。この回路面積の増加は、非接触回転角センサのＩＣチップコストの増加や、ＩＣの故障確率の増大にもつながる。
【００７１】
これに対し、本実施形態による非接触回転角センサ１は、マルチプレクサ回路２３を備えることにより内積演算回路の出力を３通りに調整する構成となっており、１２ビットのデジタル値に変換された「Ａ」、「Ａ・ｃｏｓθ」、「Ａ・ｓｉｎθ」は全て共通のデジタルフィルタ回路により算出できる。そのため、回路面積や故障確率の増大につながるデジタルフィルタ回路を複数設けずに、わずかな回路の追加のみで関連技術で述べたような故障検出に全て対応することが可能である。
【００７２】
〔第２の実施形態〕
本発明の第２の実施形態による非接触回転角センサについて図１を参照しつつ、図８から図１２を用いて説明する。
本実施形態による非接触回転角センサは、１ビットのＸ及びＹΔΣ変調信号を１２ビットにビット拡張するために使用するデジタルフィルタに、デジタル角度演算回路のループフィルタを用いる点に特徴を有している。また、本実施形態による非接触回転角センサは、図１に示す上記第１の実施形態による非接触回転角センサ１と同様の外観を有しているため、外観構成に関する説明は省略する。図８は、本実施形態による非接触回転角センサに備えられた回転角度検出回路５１の概略の回路構成を示すブロック図である。なお、上記第１の実施形態による非接触回転角センサ１と同様の機能・作用を奏する構成要素には、同一の符号を付して、その説明を省略する。
【００７３】
図８に示すように、回転角度検出回路５１は、ローター（不図示）の回転角に基づく磁場のＸ軸成分を検出するＸホール素子３と、このローターの回転角に基づく磁場のＹ軸成分を検出するＹホール素子５とを有している。Ｘホール素子３が検出する磁場のＸ軸成分は、図１（ａ）及び図１（ｂ）中に示すＸ軸方向の成分である。Ｙホール素子５が検出する磁場のＹ軸成分は、図１（ａ）及び図１（ｂ）中に示すＹ軸方向の成分である。また、回転角度検出回路１０は、Ｘホール素子３が検出する磁場のＸ軸成分に応じたＸΔΣ変調信号（第１のΔΣ変調信号の一例）Ｓｍｄｘを出力するＸΔΣＡＤ変換回路（第１のΔΣ変調回路の一例）７と、Ｙホール素子５が検出する磁場のＹ軸成分に応じたＹΔΣ変調信号（第２のΔΣ変調信号の一例）Ｓｍｄｙを出力するＹΔΣＡＤ変換回路（第２のΔΣ変調回路）９とを有している。
【００７４】
回転角度検出回路５１は、角度信号が入力され、入力した角度信号に応じた余弦データと正弦データとを出力する正弦波データＲＯＭ（余弦／正弦データ出力部の一例）１１と、Ｘ及びＹΔΣＡＤ変換回路７，９が出力するＸ及びＹΔΣ変調信号Ｓｍｄｘ，Ｓｍｄｙと正弦波データＲＯＭ１１が出力する余弦データ及び正弦データとが入力するマルチプレクサ回路（選択回路の一例）５３と、マルチプレクサ回路５３が出力する信号が入力する外積演算回路５５とを有している。さらに、回転角度検出回路５１は、２種類の所定値信号を生成する所定値信号生成回路６１と、マルチプレクサ回路２３に出力する制御信号Ｓｃを生成する制御信号生成回路５９とを有している。
【００７５】
正弦波データＲＯＭ１１は、入力した角度信号に応じそれぞれ１２ビットの余弦データ及び正弦データを出力するようになっている。正弦波データＲＯＭ１１に入力する角度信号は、後述する積分回路６３が出力する角度検出信号Ｓφ（ｎ）である。正弦波データＲＯＭ１１は、入力する角度検出信号Ｓφ（ｎ）が表す角度φ（ｎ）に応じた余弦データＤｃｏｓ及び正弦データＤｓｉｎをマルチプレクサ回路５３に出力する。
【００７６】
マルチプレクサ回路５３は、第１マルチプレクサ回路（第１のマルチプレクサの一例）５３ａと第２マルチプレクサ回路（第２のマルチプレクサの一例）５３ｂとを有している。第１マルチプレクサ回路５３ａには、ＸΔΣＡＤ変換回路７及びＹΔΣＡＤ変換回路９がそれぞれ出力する１ビットのＸΔΣ変調信号Ｓｍｄｘ，Ｓｍｄｙと、所定値信号生成回路６１が出力する所定値信号（所定値を有するデータの一例）Ｓｃｎｔ１とが入力する。第１マルチプレクサ回路５３ａは、非接触回転角センサの動作状態が使用モードのときに、ＸΔΣ変調信号Ｓｍｄｘ及びＹΔΣ変調信号Ｓｍｄｙを選択して第１のデータＤ１及び第２のデータＤ２としてそれぞれ出力するようになっている。また、第１マルチプレクサ回路５３ａは、非接触回転角センサの動作状態が検査モードのときに、ＸΔΣ変調信号Ｓｍｄｘ及びＹΔΣ変調信号Ｓｍｄｙのうち一方を選択して第１のデータＤ１及び第２のデータＤ２のうち一方として出力し、第１のデータＤ１及び第２のデータＤ２のうち他方として所定値信号Ｓｃｎｔ１を出力する。第１マルチプレクサ回路５３ａが出力する第１のデータＤ１は外積演算回路５５の第１入力端子Ｉｃｐ１に出力され、第１マルチプレクサ回路５３ａが出力する第２のデータＤ２は外積演算回路５５の第２入力端子Ｉｃｐ２に出力される。
【００７７】
第２マルチプレクサ回路５３ｂには、正弦波データＲＯＭ１１が出力する余弦データＤｃｏｓ及び正弦データＤｓｉｎと、所定値信号生成回路６１が出力する所定値信号（所定値を有するデータの一例）Ｓｃｎｔ２と、積分回路６３が出力する角度検出信号Ｓφ（ｎ）とが入力する。第２マルチプレクサ回路５３ｂは、非接触回転角センサの動作状態が使用モードのときに、余弦データＤｃｏｓ及び正弦データＤｓｉｎを選択して第３のデータＤ３及び第４のデータＤ４としてそれぞれ出力する。また、第２マルチプレクサ回路５３ｂは、非接触回転角センサの動作状態が検査モードのときに、角度検出信号（積分信号の一例）Ｓφ（ｎ）を選択して第３のデータＤ３及び第４のデータＤ４のうち一方として出力し、所定値信号Ｓｃｎｔ２を第３のデータＤ３及び第４のデータＤ４のうち他方として出力する。第２マルチプレクサ回路５３ｂが出力する第３のデータＤ３は外積演算回路５５の第３入力端子Ｉｃｐ３に出力され、第２マルチプレクサ回路５３ｂが出力する第４のデータＤ４は外積演算回路５５の第４入力端子Ｉｃｐ４に出力される。図８及び後述する図１１から図１３では、第１から第４入力端子Ｉｃｐ１，Ｉｃｐ２，Ｉｃｐ３，Ｉｃｐ４は、「Ｉｃｐ」の文字を省略して各入力端子の数値のみが図示されている。
【００７８】
制御信号生成回路５９が出力する制御信号Ｓｃは、非接触回転角センサが現時点で使用モード及び検査モードのいずれの状態であるのかを示す情報を有している。例えば、制御信号Ｓｃの値が「０」のときに非接触回転角センサの動作状態が使用モードであると判定され、制御信号Ｓｃの値が「１」又は「２」のときに非接触回転角センサの動作状態が検査モードであると判定される。
所定値信号生成回路６１が生成する所定値信号Ｓｃｎｔ１は例えば１ＬＳＢであり、所定値信号Ｓｃｎｔ２は例えば２１２ＬＳＢである。
【００７９】
外積演算回路５５は、マルチプレクサ回路５３から出力する第１のデータＤ１及び第２のデータＤ２と、第３のデータＤ３及び第４のデータＤ４とを外積演算して角度誤差信号（外積データの一例）Ｓａｅを出力するようになっている。角度誤差信号Ｓａｅは、外積演算回路５５に設けられた出力端子Ｏｃｐから出力される。外積演算回路５５が実行する外積演算は上述の式（１）で表すことができる。
【００８０】
回転角度検出回路５１は、外積演算回路５５が出力する角度誤差信号Ｓａｅが入力する位相補償回路１５と、位相補償回路１５が出力する角度誤差信号Ｓａｅを積分して角度検出信号Ｓφ（ｎ）を出力する積分回路（積分信号出力部の一例）６３とを有している。
積分回路６３は、角度検出信号Ｓφ（ｎ）を第２マルチプレクサ回路５３ｂ及び正弦波データＲＯＭ１１に出力する。
【００８１】
回転角度検出回路５１は、非接触回転角センサの動作状態が使用モードか検査モードかによってマルチプレクサ回路５３が出力する信号を選択的に切り替えて、デジタル角度演算回路５２が形成する閉ループを切り替えるようになっている。非接触回転角センサの動作状態が使用モードでは、デジタル角度演算回路５２は、外積演算回路５５、位相補償回路１５、積分回路６３、正弦波データＲＯＭ１１及びマルチプレクサ回路５３によって閉ループＬ２を形成する。一方、非接触回転角センサの動作状態が検査モードでは、デジタル角度演算回路５２は、外積演算回路５５、位相補償回路１５、積分回路６３及びマルチプレクサ回路５３によって閉ループＬ３を形成する。
【００８２】
次に、マルチプレクサ回路５３の動作を中心に、本実施形態による非接触回転角センサの動作について図８を参照しつつ図９から図１２を用いて説明する。図９は、マルチプレクサ回路５３に入力する制御信号Ｓｃの値と、マルチプレクサ回路５３の出力端子から出力される出力信号との関係を示す出力信号選択テーブルである。図９（ａ）は、第１マルチプレクサ回路５３ａ用の出力信号選択テーブルＴ１であり、図９（ｂ）は、第２マルチプレクサ回路５３ｂ用の出力信号選択テーブルＴ２である。出力信号選択テーブルＴ１は、第１マルチプレクサ回路５３ａに設けられた所定の記憶部（不図示）に記憶されており、出力信号選択テーブルＴ２は、第２マルチプレクサ回路５３ｂに設けられた所定の記憶部（不図示）に記憶されている。
【００８３】
図９（ａ）に示すように、出力信号選択テーブルＴ１は、「制御信号」欄及び「出力信号」欄の２つに区分されている。「制御信号」は、制御信号生成回路５９が生成し第１マルチプレクサ回路５３ａに入力する制御信号Ｓｃを示している。「出力信号」は、第１マルチプレクサ回路５３ａが出力する出力信号を示している。「出力信号」欄は、「Ｄ１」欄及び「Ｄ２」欄の２つに区分されている。「Ｄ１」は、第１マルチプレクサ回路５３ａの第１出力端子Ｏｍｐ１１から出力される第１のデータＤ１を示し、「Ｄ２」は、第１マルチプレクサ回路５３ａの第２出力端子Ｏｐｍ１２から出力される第２のデータＤ２を示している。「制御信号」欄には、制御信号Ｓｃの取り得る値「０」、「１」及び「２」が格納されている。「Ｄ１」欄及び「Ｄ２」欄には、制御信号Ｓｃの値に応じて第１及び第２のデータＤ１，Ｄ２として第１及び第２出力端子Ｏｍｐ１１，Ｏｍｐ１２からそれぞれ出力される出力信号の種類が格納されている。
【００８４】
図９（ｂ）に示すように、出力信号選択テーブルＴ２は、「制御信号」欄及び「出力信号」欄の２つに区分されている。「制御信号」は、制御信号生成回路５９が生成し第２マルチプレクサ回路５３ｂに入力する制御信号Ｓｃを示している。「出力信号」は、第２マルチプレクサ回路５３ｂが出力する出力信号を示している。「出力信号」欄は、「Ｄ３」欄及び「Ｄ４」欄の２つに区分されている。「Ｄ３」は、第２マルチプレクサ回路５３ｂの第１出力端子Ｏｍｐ２１から出力される第３のデータＤ３を示し、「Ｄ４」は、第２マルチプレクサ回路５３ｂの第２出力端子Ｏｐｍ２２から出力される第４のデータＤ４を示している。「制御信号」欄には、制御信号Ｓｃの取り得る値「０」、「１」及び「２」が格納されている。「Ｄ３」欄及び「Ｄ４」欄には、制御信号Ｓｃの値に応じて第３及び第４のデータＤ３，Ｄ４として第１及び第２出力端子Ｏｍｐ２１，Ｏｍｐ２２からそれぞれ出力される出力信号の種類が格納されている。
【００８５】
図１０は、制御信号Ｓｃの値が「０」の場合のマルチプレクサ回路５３の動作状態を示す図である。図１１は、制御信号Ｓｃの値が「１」の場合のマルチプレクサ回路５３の動作状態を示す図である。図１２は、制御信号Ｓｃの値が「２」の場合のマルチプレクサ回路５３の動作状態を示す図である。
【００８６】
まず、非接触回転角センサの動作状態が使用モードであって制御信号Ｓｃの値が「０」における非接触回転角センサの動作について説明する。
回転角度検出回路５１は、ローターの回転に伴う磁場の変化をＸホール素子３及びＹホール素子５で検出する。次に、回転角度検出回路５１は、Ｘ及びＹホール素子３，５が出力するアナログの出力信号ＳＨｏｘ，ＳＨｏｙをＸ及びＹΔΣＡＤ変換回路７，９によって１ビットのデジタル信号であるＸ及びＹ変調信号Ｓｍｄｘ，Ｓｍｄｙに変換して第１マルチプレクサ回路５３ａに出力する。
【００８７】
図９（ａ）に示すように、出力信号選択テーブルＴ１では、「制御信号」欄の「０」に対応して「Ｄ１」欄には「Ｓｍｄｘ」が格納され、「Ｄ２」欄には「Ｓｍｄｙ」が格納されている。このため、図１０に示すように、第１マルチプレクサ回路５３ａは、Ｘ及びＹΔΣＡＤ変換回路７，９から入力するＸ及びＹ変調信号Ｓｍｄｘ，Ｓｍｄｙを選択する。そして、第１マルチプレクサ回路５３ａは、第１出力端子Ｏｍｐ１１からＸ変調信号Ｓｍｄｘを第１のデータＤ１として出力し、第２出力端子Ｏｐｍ１２からＹ変調信号Ｓｍｄｙを第２のデータＤ２として出力する。
【００８８】
また、図９（ｂ）に示すように、出力信号選択テーブルＴ２では、「制御信号」欄の「０」に対応して「Ｄ３」欄には「Ｄｃｏｓ」が格納され、「Ｄ４」欄には「Ｄｓｉｎ」が格納されている。このため、図１０に示すように、第２マルチプレクサ回路５３ｂは、正弦波データＲＯＭ１１から入力する余弦データＤｃｏｓ及び正弦データＤｓｉｎを選択する。そして、第２マルチプレクサ回路５３ｂは、第１出力端子Ｏｍｐ２１から余弦データＤｃｏｓを第３のデータＤ３として出力し、第２出力端子Ｏｐｍ２２から正弦データＤｓｉｎを第４のデータＤ４として出力する。
【００８９】
外積演算回路５５は、上述の式（１）に基づいて、第１及び第２入力端子Ｉｓｐ１，Ｉｓｐ２に入力する信号と、第３及び第４入力端子Ｉｓｐ３，Ｉｓｐ４に入力する入力信号とを外積した外積データＤｃｐを演算する。第１入力端子Ｉｓｐ１に入力するＸΔΣ変調信号Ｓｍｄｘを「Ａ・ｃｏｓθ（１ビット）」とし、第２入力端子Ｉｓｐ２に入力するＹΔΣ変調信号Ｓｍｄｙを「Ａ・ｓｉｎθ（１ビット）」とし、第３入力端子Ｉｓｐ３に入力する余弦データＤｃｏｓを「ｃｏｓ（φ（ｎ））」とし、第４入力端子Ｉｓｐ４に入力する正弦データＤｓｉｎを「ｓｉｎ（φ（ｎ））」とする。Ｘ及びＹΔΣ変調信号Ｓｍｄｘ，ＳｍｄｙにおけるＡ・ｃｏｓθ（１ビット）及びＡ・ｓｉｎθ（１ビット）は１ビットのデータである。この場合、式（１）より、外積データＤｃｐは、「Ａ・ｓｉｎ（φ（ｎ）−θ）」（＝Ａ・ｃｏｓθ×ｓｉｎ（φ（ｎ））−Ａ・ｓｉｎθ×ｃｏｓ（φ（ｎ）））となる。すなわち、外積データＤｃｐを演算することによって角度誤差信号「Ａ×（φ（ｎ）−θ）」が求められる。デジタル角度演算回路５２の閉ループの特性により、外積演算回路５５が出力する外積データＤｃｐである角度誤差信号「φ（ｎ）−θ」は、「０」に収束するようにフィードバックが掛かる。これにより、回転角度検出回路５１は、位相補償回路１５及び積分回路６３を介して出力される角度検出信号Ｓφ（ｎ）としてローターの回転角度θに等しいφ（ｎ）を検出できる。
【００９０】
次に、非接触回転角センサの動作状態が検査モードであって制御信号Ｓｃの値が「１」における非接触回転角センサの動作について説明する。
回転角度検出回路５１は、ローターの回転に伴う磁場の変化をＸホール素子３及びＹホール素子５で検出する。次に、回転角度検出回路５１は、Ｘ及びＹホール素子３，５が出力するアナログの出力信号ＳＨｏｘ，ＳＨｏｙをＸ及びＹΔΣＡＤ変換回路７，９によって１ビットのデジタル信号であるＸ及びＹ変調信号Ｓｍｄｘ，Ｓｍｄｙに変換して第１マルチプレクサ回路５３ａに出力する。
【００９１】
図９（ａ）に示すように、出力信号選択テーブルＴ１では、「制御信号」欄の「１」に対応して「Ｄ１」欄には「Ｓｍｄｘ」が格納され、「Ｄ２」欄には「Ｓｃｎｔ１」が格納されている。このため、図１１に示すように、第１マルチプレクサ回路５３ａは、ＸΔΣＡＤ変換回路７から入力するＸ変調信号Ｓｍｄｘと、所定値信号生成回路６１から入力する所定値信号Ｓｃｎｔを選択する。そして、第１マルチプレクサ回路５３ａは、第１出力端子Ｏｍｐ１１からＸ変調信号Ｓｍｄｘを第１のデータＤ１として出力し、第２出力端子Ｏｐｍ１２からＹ変調信号Ｓｍｄｙを第２のデータＤ２として出力する。
【００９２】
また、図９（ｂ）に示すように、出力信号選択テーブルＴ２では、「制御信号」欄の「１」に対応して「Ｄ３」欄には「Ｓφ（ｎ）」が格納され、「Ｄ４」欄には「Ｓｃｎｔ２」が格納されている。このため、図１１に示すように、第２マルチプレクサ回路５３ｂは、積分回路６３から入力する角度検出信号Ｓφ（ｎ）と、所定値信号生成回路６１から入力する所定値信号Ｓｃｎｔ２とを選択する。そして、第２マルチプレクサ回路５３ｂは、第１出力端子Ｏｍｐ２１から角度検出信号Ｓφ（ｎ）を第３のデータＤ３として出力し、第２出力端子Ｏｐｍ２２から所定値信号Ｓｃｎｔ２を第４のデータＤ４として出力する。
【００９３】
外積演算回路５５は、上述の式（１）に基づいて、第１及び第２入力端子Ｉｓｐ１，Ｉｓｐ２に入力する信号と、第３及び第４入力端子Ｉｓｐ３，Ｉｓｐ４に入力する入力信号とを外積した外積データＤｃｐを演算する。第１入力端子Ｉｓｐ１に入力するＸΔΣ変調信号Ｓｍｄｘを「Ａ・ｃｏｓθ（１ビット）」とし、第２入力端子Ｉｓｐ２に入力する所定値信号Ｓｃｎｔ１を「１ＬＳＢ」とし、第３入力端子Ｉｓｐ３に入力する角度検出信号Ｓφ（ｎ）を「Ｓｏｕｔ」とし、第４入力端子Ｉｓｐ４に入力する所定値信号Ｓｃｎｔ２を「２１２ＬＳＢ」とする。ＸΔΣ変調信号ＳｍｄｘにおけるＡ・ｃｏｓθ（１ビット）は１ビットのデータである。式（１）より、外積データＤｃｐは、「Ａ・ｃｏｓθ（１ビット）×２１２ＬＳＢ−１×Ｓｏｕｔ」となる。デジタル角度演算回路５２の閉ループＬ３の特性により、外積演算回路５５が出力する外積データＤｃｐは、図１１中の右上に示す破線で示すように、「０」に収束するようにフィードバックが掛かる。これにより、角度検出信号Ｓφ（ｎ）は、デジタル角度演算回路５２の閉ループＬ３のループフィルタ特性により平滑化されるため、Ａ・ｃｏｓθ（１ビット）×２１２ＬＳＢの２値の信号の平均値に収束する。これにより、回転角度検出回路５１は、位相補償回路１５及び積分回路６３を介して出力される角度検出信号Ｓφ（ｎ）として１２ビットにビット拡張された「Ａ・ｃｏｓθ」を検出できる。
【００９４】
次に、非接触回転角センサの動作状態が検査モードであって制御信号Ｓｃの値が「２」における非接触回転角センサの動作について説明する。
回転角度検出回路５１は、ローターの回転に伴う磁場の変化をＸホール素子３及びＹホール素子５で検出する。次に、回転角度検出回路５１は、Ｘ及びＹホール素子３，５が出力するアナログの出力信号ＳＨｏｘ，ＳＨｏｙをＸ及びＹΔΣＡＤ変換回路７，９によって１ビットのデジタル信号であるＸ及びＹ変調信号Ｓｍｄｘ，Ｓｍｄｙに変換して第１マルチプレクサ回路５３ａに出力する。
【００９５】
図９（ａ）に示すように、出力信号選択テーブルＴ１では、「制御信号」欄の「２」に対応して「Ｄ１」欄には「Ｓｃｎｔ１」が格納され、「Ｄ２」欄には「Ｓｍｄｙ」が格納されている。このため、図１２に示すように、第１マルチプレクサ回路５３ａは、所定値信号生成回路６１から入力する所定値信号Ｓｃｎｔ１及びＹΔΣＡＤ変換回路９から入力するＹ変調信号Ｓｍｄｙを選択し、第１出力端子Ｏｍｐ１１から所定値信号Ｓｃｎｔ１を第１のデータＤ１として出力し、第２出力端子Ｏｐｍ１２からＹ変調信号Ｓｍｄｙを第２のデータＤ２として出力する。
【００９６】
また、図９（ｂ）に示すように、出力信号選択テーブルＴ２では、「制御信号」欄の「２」に対応して「Ｄ３」欄には「Ｓｃｎｔ２」が格納され、「Ｄ４」欄には「Ｓφ（ｎ）」が格納されている。このため、図１２に示すように、第２マルチプレクサ回路５３ｂは、所定値信号生成回路６１から入力する所定値信号Ｓｃｎｔ２と、積分回路６３から入力する角度検出信号Ｓφ（ｎ）とを選択し、第１出力端子Ｏｍｐ２１から所定値信号Ｓｃｎｔ２を第３のデータＤ３として出力し、第２出力端子Ｏｐｍ２２から角度検出信号Ｓφ（ｎ）を第４のデータＤ４として出力する。
【００９７】
外積演算回路５５は、上述の式（１）に基づいて、第１及び第２入力端子Ｉｓｐ１，Ｉｓｐ２に入力する信号と、第３及び第４入力端子Ｉｓｐ３，Ｉｓｐ４に入力する入力信号とを外積した外積データＤｃｐを演算する。第１入力端子Ｉｓｐ１に入力する所定値信号Ｓｃｎｔ１を「１ＬＳＢ」とし、第２入力端子Ｉｓｐ２に入力するＹΔΣ変調信号Ｓｍｄｙを「Ａ・ｓｉｎθ（１ビット）」とし、第３入力端子Ｉｓｐ３に入力する所定値信号Ｓｃｎｔ２を「２１２ＬＳＢ」とし、第４入力端子Ｉｓｐ４に入力する角度検出信号Ｓφ（ｎ）を「Ｓｏｕｔ」とする。ＹΔΣ変調信号ＳｍｄｙにおけるＡ・ｓｉｎθ（１ビット）は１ビットのデータである。式（１）より、外積データＤｃｐは、「１×Ｓｏｕｔ−Ａ・ｓｉｎθ（１ビット）×２１２ＬＳＢ」となる。デジタル角度演算回路５２の閉ループＬ３の特性により、外積演算回路５５が出力する外積データＤｃｐは、「０」に収束するようにフィードバックが掛かる。これにより、角度検出信号Ｓφ（ｎ）は、ループフィルタの特性により平滑化されるため、Ａ・ｓｉｎθ（１ビット）×２１２ＬＳＢの２値の信号の平均値に収束する。これにより、回転角度検出回路５１は、位相補償回路１５及び積分回路６３を介して出力される角度検出信号Ｓφ（ｎ）として１２ビットにビット拡張された「Ａ・ｓｉｎθ」を検出できる。
【００９８】
以上説明したように、本実施形態による非接触回転角センサでは、１ビットのＸ及びＹΔΣ変調信号を１２ビットにビット拡張するために使用するデジタルフィルタは、角度演算を行うために備えられたデジタル角度演算回路５２の閉ループＬ３のループフィルタとなっている。そのため、上記第１の実施形態と同様に、回路面積の大きいデジタルフィルタ回路を新たに必要とせず、簡易な構成のマルチプレクサ回路の追加のみで、１ビットのＸ及びＹΔΣ変調信号を１２ビットに変換し出力することが可能となる。
【００９９】
また、回転角度検出回路内のループフィルタは、一般に１ｋＨｚ程度の帯域のローパスフィルタ特性を有している。このため、本実施形態による非接触回転角センサは、上記第１の実施形態による非接触回転角センサ１に比べて簡易な構成でノイズを抑制するフィルタ特性を実現しやすい。モーター制御用途で回転角度検出装置を使用する場合、外乱の電磁ノイズ（メガヘルツの高周波ノイズ）がホール素子等の信号に混入する場合がある。本実施形態による非接触回転角センサは、この場合も１２ビットの回転角を正確に検出できる。
【０１００】
本発明は、上記実施形態に限らず、種々の変形が可能である。
上記第１及び第２の実施形態では、回転角度を検出する磁気センサとしてホール素子を有しているが、ＭＲ素子やレゾルバを用いた回転角度検出装置においても、本発明は適用可能である。
【符号の説明】
【０１０１】
１  非接触回転角センサ
３，１０３，２０３ａ  Ｘホール素子
３ａ  第１Ｘホール素子
３ｂ  第２Ｘホール素子
５，１０５，２０３ｂ  Ｙホール素子
３ａ  第１Ｙホール素子
３ｂ  第２Ｙホール素子
７，１０７  ＸΔΣ変換回路
９，１０９  ＹΔΣ変換回路
１０，５１，１０１，２０１  回転角度検出回路
１２，５２，１０２，２０３ｄ，２０５ａ  デジタル角度演算回路
１３，５５，１１３  外積演算回路
１５，３７，１１５  位相補償回路
１７，３９，６３，１１７  積分回路
１９，１１９  内積演算回路
２１，１２１  デジタルフィルタ回路
２３，５３  マルチプレクサ回路
２５，５９  制御信号生成回路
２７  有効化／無効化データ生成回路
２９  ＩＣパッケージ
３１  ローター
３１ａ  出力軸
３１ｂ  永久磁石
３３  増幅回路
３５  加減算器
５３ａ  第１マルチプレクサ回路
５３ａ  第２マルチプレクサ回路
６１  所定値信号生成回路
１２３  閾値判定回路
２０３  ＩＣ回路部
２０３ｃ  ΔΣＡＤ変換回路
２０５  モーター制御用マイコン
２０５ｂ  比較回路
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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