(57)【要約】【課題】  高価なAD変換器を用いることなく高精度な角度分解能、角度精度を達成すること。【解決手段】  ＡＤ変換器８，９に供給される振幅を一定に制御することにより、必要な誤差内に入るために必要なAD変換器８，９の分解能を大きくすることができるため、AD変換器８，９の誤差を補正することができ、回路の小型化が可能となる。【選択図】  図５
2005043228.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁界中における基準位置からの回転角変位に応じた値を出力し、磁束の検出方向を表す感磁軸同士が所定角度を保持している少なくとも２個の磁気センサーと、
前記少なくとも２個の磁気センサーの各出力値の間の関係に対応した前記磁界に対する前記磁気センサーの回転角変位データを記憶した記憶手段と、
前記少なくとも２個の磁気センサーの出力信号の振幅を一定範囲内に制御する自動利得制御手段と、
前記自動利得制御手段によって振幅が制御された前記少なくとも２個の磁気センサーの出力信号をデジタルデータに変換するＡＤ変換手段と、
前記ＡＤ変換手段からのデジタルデータに基づいて前記少なくとも２個の磁気センサーの各出力値の間の関係に対応する前記記憶手段内の回転角変位データを抽出して出力する出力手段と
を備えたことを特徴とするデジタル角度測定システム。
【請求項２】
前記自動利得制御回路は、前記ＡＤ変換器からの前記磁気センサーの出力信号の二乗和のデータに基づいて、前記制御を実行することを特徴とする請求項１に記載のデジタル角度測定システム。
【請求項３】
前記記憶手段に記憶された回転角変位データは、前記少なくとも２個の磁気センサーの感磁軸同士がなす角度の実測値と前記所定角度とのずれを補償する値であることを特徴とする請求項１に記載のデジタル角度測定システム。
【請求項４】
前記記憶手段に記憶された回転角変位データは、前記少なくとも２個の磁気センサーからの出力値に基づいて求められた値であることを特徴とする請求項１に記載のデジタル角度測定システム。
【請求項５】
前記少なくとも２個の磁気センサーの感磁軸同士が保持している所定角度は、ほぼ直角であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のデジタル角度測定システム。
【請求項６】
前記少なくとも２個の磁気センサーは、相対的に回転運動をする固定部及び移動部のいずれか一方に取り付けられ、他方には磁石または周囲の磁界を変化させる磁性体が取り付けられていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のデジタル角度測定システム。
【請求項７】
前記出力手段は、前記記憶手段から少なくとも２つの前記回転角変位データを抽出し、該抽出された少なくとも２つの回転角変位データ間を補完することを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載のデジタル角度測定システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、デジタル角度測定システムに関し、より詳細には、複数個の磁気センサを用い、その出力同士を演算することにより、磁気センサの位置に関する情報を出力するデジタル角度測定システムであって、回路の小型化が可能で、且つ高精度な測定が可能なデジタル角度測定システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
図１は、従来のデジタル角度測定装置としての回転角度センサーの動作原理を説明する図であって、回転体の回転にあわせて磁石から発生する磁場が回転し、回転体の回転中心に対して、2つの磁気センサーがなす角度が90度であるとき、２つの磁気センサーが出力する信号(Vx, Vy)と、回転体の回転角度（矢印で示す）との間の関係を示したものである。2つの磁気センサーがなす角度は必ずしも90度でなくてもよいが、ここでは一つの好適な例として、2つの磁気センサーがなす角度が90度の場合について説明する。図２は回転体の回転角度に対して信号(Vx, Vy)が変化する様子を示したものである。図２に示したのは、磁場の回転中心が回転体の回転中心と一致しており、なおかつ磁石の着磁にずれがない理想的な場合の磁気センサー出力信号である。この場合、２つの磁気センサーの出力信号は互いに位相が９０度ずれた正弦波となる（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開昭５４−１８７６８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
実際に回転角度センサーを製造する場合、組み立て時の誤差のため磁場の回転中心が回転体の回転中心からずれてしまう。また磁石についても着磁ずれがあり、２つの磁気センサーは磁場に対する感度が揃っていない。図３はこうした組み立て誤差、磁石の着磁ずれ、磁気センサー感度のばらつき等があるときに、2つの磁気センサーから出力される信号の一例である。この場合、磁気センサーからの出力信号を、互いに90度位相がずれた正弦波とみなして回転角度を計算する限り、検出された回転角度は無視できない誤差を含むことになる。上記の誤差を防ぐためには、回転角度センサーの組み立て工程においては高精度の組み立て加工技術を利用する必要があり、使用する磁石については着磁ずれが無い磁石を利用する必要があり、磁気センサーについては2つの磁気センサーの感度が揃う様、予め選別された磁気センサーを使用する必要がある。その結果として、回転角度センサーの製造コストを下げることは困難になる。
【０００５】
そこで本発明の目的は、以上のような問題を解消し、回転角度センサーを製造する上での上記の各種誤差要因による影響を較正することができるデジタル角度測定システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
請求項１の発明は、磁界中における基準位置からの回転角変位に応じた値を出力し、磁束の検出方向を表す感磁軸同士が所定角度を保持している少なくとも２個の磁気センサーと、前記少なくとも２個の磁気センサーの各出力値の間の関係に対応した前記磁界に対する前記磁気センサーの回転角変位データを記憶した記憶手段と、前記少なくとも２個の磁気センサーの出力信号の振幅を一定範囲内に制御する自動利得制御手段と、前記自動利得制御手段によって振幅が制御された前記少なくとも２個の磁気センサーの出力信号をデジタルデータに変換するＡＤ変換手段と、前記ＡＤ変換手段からのデジタルデータに基づいて前記少なくとも２個の磁気センサーの各出力値の間の関係に対応する前記記憶手段内の回転角変位データを抽出して出力する出力手段とを備えたことを特徴とする。
【０００７】
請求項２の発明は、請求項１において、前記自動利得制御回路は、前記ＡＤ変換器からの前記磁気センサーの出力信号の二乗和のデータに基づいて、前記制御を実行することを特徴とする。
【０００８】
請求項３の発明は、請求項１において、前記記憶手段に記憶された回転角変位データは、前記少なくとも２個の磁気センサーの感磁軸同士がなす角度の実測値と前記所定角度とのずれを補償する値であることを特徴とする。
【０００９】
請求項４の発明は、請求項１において、前記記憶手段に記憶された回転角変位データは、前記少なくとも２個の磁気センサーからの出力値に基づいて求められた値であることを特徴とする。
【００１０】
請求項５の発明は、請求項１〜４のいずれかにおいて、前記少なくとも２個の磁気センサーの感磁軸同士が保持している所定角度は、ほぼ直角であることを特徴とする。
【００１１】
請求項６の発明は、請求項１〜５のいずれかにおいて、前記少なくとも２個の磁気センサーは、相対的に回転運動をする固定部及び移動部のいずれか一方に取り付けられ、他方には磁石または周囲の磁界を変化させる磁性体が取り付けられていることを特徴とする。
【００１２】
請求項７の発明は、請求項１〜６のいずれかにおいて、前記出力手段は、前記記憶手段から少なくとも２つの前記回転角変位データを抽出し、該抽出された少なくとも２つの回転角変位データ間を補完することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明のデジタル角度測定システムにおいては、高価なAD変換器を用いることなく高精度な角度分解能、角度精度を達成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
図４は、２つの磁気センサの配置の一例を示す図で、（ａ）は斜視図、（ｂ）は正面図である。図４において、白抜き矢印は、磁石４０１とヨークが回転可能な方向を示す。支持部材４００は磁石４０１が生成する磁界の内部に固定されている。１０１、１１１は磁気センサ（ホール素子）であり、互いに直交する磁界を測定し、その各々が検出する磁束の方向を表す軸（以下、「感磁軸」という）同士が直交するように支持部材４００に取り付けられている。
【００１５】
なお、本発明を適用したデジタル角度測定システムは、磁気センサが相対的に回転運動をする固定部及び移動部のいずれか一方に取り付けられ、他方に磁石または周囲の磁界を変化させる磁性体が取り付けられることにより、実用に供することが可能となる。従って、図４に示す例では、磁界を回転可能とし、この磁界の内部で固定された部材に取り付けられている磁気センサの例を示しているが、これとは逆に、磁石を固定しておき、その磁界の内部で回転可能な支持部材に磁気センサを取り付けることとしてもよい。
【００１６】
図５は、本発明を適用した回転角度センサー（ＩＣ構造）の一例を示す。回転角度センサー１は、２つの磁気センサー（ホール素子）１０１，１１１の出力信号（ホール起電力信号）を入力し、入力された信号を後述するように処理してデジタル角度測定データを出力する。１３は外部の回転角度センサー較正装置であって、例えば、コンピュータシステムによって構成することができる。回転角度センサー１においては、２つの磁気センサー１０１，１１１からの出力信号がチョッパースイッチ２，３に入力される。チョッパースイッチ２．３は磁気センサー（ホール素子）が持つオフセットを除去する目的で使用され、磁気センサーを電気的に駆動する方向を縦方向と横方向の間で切り替える。チョッパースイッチ２，３の作用により磁気センサー１０１，１１１からの出力信号（ホール起電力信号）は、チョッパースイッチを動作させるAC周波数で変調される。変調されたホール起電力信号は可変増幅器４，５で信号増幅された後、チョッパー復調器６，７において復調されて、AD変換器８，９に入力される。
【００１７】
AD変換器８，９の出力は、回転角度センサー較正装置１３と、振幅計算増幅率制御回路１０と、回転角度計算デジタル回路１１とに供給される。回転角度計算デジタル回路１１は、AD変換器８，９からの出力データを、不揮発性メモリ１２内の角度計算テーブル（詳細は後述）を参照して較正済みの回転角度検出データーに変換し、出力する。
【００１８】
回転角度センサー較正装置１３、振幅計算増幅率制御回路１０の動作等は後述する。
【００１９】
図６に本発明の回転角度センサーに対する較正手順のフローを示す。
【００２０】
この手順は、Ｓ１〜Ｓ７からなり、以下に詳細を順次説明する。まず、例えば、図４に示す如き磁石と、磁気センサーと、回転角度計算信号処理を行う図５に示す如きＩＣからなる回転角度センサーを組み立てて、回転体に取り付ける工程が終了した後（図６、Ｓ１）、回転角度センサーを較正する目的で回転体を回転させる（図６、Ｓ２）。この時の回転範囲は、回転角度センサーの所定の回転範囲を含んだ範囲にとる。
【００２１】
前記の回転操作の間に、回転角度が所定の回転角度ステップサイズθSTEPの整数倍のところで回転角度センサーのなかでAD変換された磁気センサー出力信号(Vx(n), Vy(n))を回転角度センサー較正装置１３に読み出す。
【００２２】
回転角度センサー較正装置１３では、測定された(Vx(n), Vy(n))について次のように象限分割を行って、各象限においてテーブルデータを計算する。その結果、回転角度センサーの回転範囲が３６０°の場合には４つの象限に対応して4つのテーブルが作成される（図６、Ｓ５）。
【００２３】
【表１】
2005043228.tif 000003
【００２４】
ここで、磁気センサーのオフセット、磁気センサー出力信号をAD変換するまでの一連の信号処理回路のオフセットが予めわかっているときには、表 1の象限判定条件、テーブルデータ計算式を変更して、次の表 2のようにテーブルデータを作成してもよい。
【００２５】
【表２】
2005043228.tif 000004
【００２６】
回転角度センサー較正装置１３において、テーブルデータの計算が完了した後、回転角度センサー較正装置１３から回転角度センサーに内蔵された不揮発性メモリ１２にテーブルデータが書き込まれる（図６、Ｓ６）。
【００２７】
以上のように、測定された(Vx(n), Vy(n))をもとにしてテーブルデータQ(n)を計算することにより、Q(n)の絶対値をすべて１以下にすることが出来る。
【００２８】
表１および表２で与えられるテーブルデータの定義では、象限番号の2,4におけるQ(n)の符号を反転している。このように象限2,4における符号の反転を行わないで作成した場合のテーブルデータを図７に示す。
【００２９】
図７を見てわかるように、この場合、象限1,3においてはテーブルデータが回転角度に対して単調増加となり、象限2,４においてはテーブルデータが回転角度に対して単調減少となる。このように象限によって、テーブルデータが単調増加であったり、単調減少であったりすると、回転角度センサー内部の回転角度計算デジタル回路１１が不揮発性メモリ１２に記憶されたテーブルデータを参照する上で比較操作が複雑になり、その結果としてデジタル回路１１の規模が大きくなる。
【００３０】
本発明においては、表1、表2に示したように象限２，４においてQ(n)の符号を反転しているため、図８に示すように各象限に対応したテーブルの内部は全て単調増加関数となる。
【００３１】
ついで、本発明の較正手順により、較正が完了した回転角度センサーにおいて、２つの磁気センサーからの出力信号をもとに回転角度を計算する方法について説明する（図６、Ｓ７）。
【００３２】
AD変換されたホール起電力信号のX,Y成分から予め測定されており不揮発性メモリ１２に記憶されているオフセット値を引き算する。
【００３３】
【数１】
2005043228.tif 000005
【００３４】
X,Y成分の絶対値の大小関係に基づいて商Q = Y/Xを計算するか商Q = X/Yを計算するか判定する。
【００３５】
【数２】
2005043228.tif 000006
【００３６】
Vx, Vyの符号と絶対値の大小関係をもとに４象限のうちから対応する象限を選択する。各象限のなかでは一定の角度θSTEPごとにQの値が記憶されている。選択された象限について  テーブルを参照して下記の関係を満たすQ1, Q2を見つける。ここで2つの商の値Qn, Qn-1には角度の値θn、θn-1がそれぞれ対応している。
【００３７】
【数３】
2005043228.tif 000007
【００３８】
テーブル参照の結果得られたQ1, Q2をもとに線形補間により角度θを計算する。線型補間の様子を図９に示す。このとき選択された象限の始まりの角度θQUADを加算する。
【００３９】
【数４】
2005043228.tif 000008
【００４０】
一定の角度間隔で測定されたVx,Vyの比を不揮発性メモリぬふに記憶させる方法においては、象限切り替えの発生する角度で必ずしも|Vx|=|Vy|（tanθ＝cotθ）とならない。そこで図１０に示すように象限領域の境界においては各象限領域のテーブルを隣の象限領域に延長することによって|Vx|=|Vy|となる角度位置まで線形補間による角度計算を可能にしている。
【００４１】
本発明は、以上に説明した回転角度の計算方式を用いて角度分解能が0.1度を上回る高精度回転角度センサーを実現した。以下、その構成について説明する。
【００４２】
回転角度の計算方式を用いて角度分解能が0.1度を上回る高精度回転角度センサーを実現する場合、AD変換器のビット数は10ビット以上の高精度なものが必要となる。一般に半導体集積回路においてビット数が10ビット以上のAD変換器を実現する場合、AD変換器の積分非直線性誤差（INL)が0.5LSB以下にするための方法として、半導体製造後に固体差を較正する手段を用意する方法、AD変換器に自己較正機能を持たせる方法、オーバーサンプリングを用いたΔΣ方式を利用する方法などが用いられる。こうした方法によってAD変換器のINLを抑制することは可能であるが、こうした方法ではAD変換器のコスト増になり、その結果として高精度AD変換器を使用した回転角度センサーを安価に製造することが困難になる。（MR素子を使用した回転角度センサーである、フィリップス社製KMZ41,UZZ9000においては128倍オーバーサンプリングΔΣ方式の14ビットAD変換器が用いられている。）
【００４３】
本発明においては、先に説明した回転角度計算方法において高ビット数のAD変換器を用意することによるコスト増を回避しながらも、高精度の回転角度検出を実現する。
【００４４】
先に説明した回転角度計算方式において、AD変換器のINL誤差が角度検出精度に与える影響を見るために行ったコンピューターシミュレーションの結果を以下に示す。このコンピューターシミュレーションにおいては、図１１に示したINL特性を持つ12ビットのAD変換器を仮定した。またこのコンピューターシミュレーションにおいて、回転角度センサーの較正（角度計算テーブルの作成）は、信号増幅された磁気センサーの振幅がAD変換器入力信号レベルフルスケールの70％になるところで行った。
【００４５】
上記のAD変換器INL誤差モデルを用いて、回転角度検出性能をコンピュータシミュレーションする際、回転角度の計算は360度範囲を128点に分割して得られるテーブルデータを用いた。この場合、テーブルデータのステップ幅ＱＳＴＥＰは、２．８１２５°（３６０°／１２８）となる。
【００４６】
図１２は信号増幅後の磁気センサー出力信号レベルがAD変換器フルスケールレベルの70％の時の回転角度検出誤差をコンピューターシミュレーションした結果である。この結果から判るように、回転角度検出時にAD変換器に入力される磁気センサー出力信号レベルが較正を行ったときと同じレベルにある限りは、AD変換器が持つINL誤差は不揮発性メモリに記憶された角度計算テーブルによって補正されてしまう。その結果としてAD変換器が持つINL誤差は回転角度検出精度に影響しない。
【００４７】
図１３、図１４に示した回転角度検出誤差のシミュレーション結果は、AD変換器に入力される磁気センサー出力信号レベルがそれぞれ６０％と５０％に減衰したときのものである。こうした磁気センサー出力レベルの減衰は、温度の上昇にともなって磁気センサーの磁場感度が低下することや磁石の磁力が低下することにより現実に発生する。図１５はAD変換器に入力される磁気センサー出力信号レベルがAD変換器フルスケールレベルの９０％になったときのシミュレーション結果であり、磁気センサー出力レベルが較正を実施したときのレベルと比較して増大した場合にも、AD変換器のINL誤差の影響が回転角度検出精度が低下することがわかる。
【００４８】
そこで本発明においては、図５に示すように、可変増幅器４，５の利得を、振幅計算増幅率制御回路１０によって、AD変換器から出力されるX,Y成分のホール起電力信号をもとに計算した振幅レベルが一定範囲内になるように制御する。これによって、AD変換器８，９に入力される磁気センサー出力信号レベルを温度変化によらず一定範囲内にすることができ、図１３、図１４、図１５のコンピューターシミュレーション結果に見られるような回転角度検出誤差を解消することができる。
【００４９】
図１６は、回転角度センサーの別の例を示したものであって、２つの磁気センサー１０１，１１１の出力を時分割処理するものである。すなわち、２つの磁気センサー１０１，１１１の出力を２つのチョッパースイッチ２，３に入力し、２つのチョッパースイッチ２，３の出力をＸ，Ｙ切替スイッチ１４で切替えて交互に出力する。この出力信号を処理してデジタル回路１１からセンサー出力を得るまでの処理は、図５のそれと同様であるが、各処理は１つの可変増幅器１５、１つのチョッパー復調器１６、１つのＡＤ変換器１７を使用して行われ、回転角度センサー較正装置１３、回転角度計算デジタル回路１１、および振幅計算増幅率制御回路１０に供給される。
【００５０】
以上のような自動利得制御のためにホール起電力信号の振幅（X,Y成分の2乗和）を計算する必要があるが、ホール起電力信号の振幅を計算することは、回転角度センサーの故障をセンサー自身が自己診断するうえでも有用な操作であるため、本発明の自動利得制御を実現することにより回転角度センサーICの回路規模を増大させることにはならない。
【００５１】
このようにAD変換器に入力される信号レベルを一定値に保つ自動利得制御を使用することにより、本発明の回転角度センサーにおいて使用されるAD変換器には単調性だけを要求すればよいことになり、ＡＤ変換器の自己較正回路、または、レーザトリミング調整工程などが不要となる。したがって本発明の回転角度センサーにおいては、高価なAD変換器を用いることなく高精度な角度分解能、角度精度を達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】従来のデジタル角度測定装置としての回転角度センサーの動作原理を説明する図である。
【図２】回転体の回転角度に対して信号(Vx, Vy)が変化する様子を示した図である。
【図３】2つの磁気センサーから出力される信号の一例を示す図である。
【図４】２つの磁気センサの配置の一例を示す図で、（ａ）は斜視図、（ｂ）は正面図である。
【図５】本発明にかかる回転角度センサーの一例を示す図である。
【図６】本発明の回転角度センサーに対する較正手順のフローを示す図である。
【図７】象限2,4における符号の反転を行わないで作成した場合のテーブルデータを示す図である。
【図８】象限2,4における符号を反転して作成した場合のテーブルデータを示す図である。
【図９】線形補間の様子を示す図である。
【図１０】象限領域の境界における線形補間の様子を示す図である。
【図１１】シミュレーションにおいて用いられた12ビットAD変換器のINLモデルを示す図である
【図１２】振幅がフルスケールの70％の時の角度検出誤差を示す図である。
【図１３】振幅がフルスケールの60％の時の角度検出誤差を示す図である。
【図１４】振幅がフルスケールの50％の時の角度検出誤差を示す図である。
【図１５】振幅がフルスケールの90％の時の角度検出誤差を示す図である。
【図１６】本発明にかかる回転角度センサーの他の一例を示す図である。
【符号の説明】
【００５３】
１      回転角度センサー
２，３      チョッパースイッチ
４，５      可変増幅器
６，７      チョッパー復調器
８，９      ＡＤ変換器
１０      振幅計算増幅率制御回路
１２      不揮発性メモリ
１３      回転角度センサー較正回路
【図１】
2005043228.tif 000009
【図２】
2005043228.tif 000010
【図３】
2005043228.tif 000011
【図４】
2005043228.tif 000012
【図５】
2005043228.tif 000013
【図６】
2005043228.tif 000014
【図７】
2005043228.tif 000015
【図８】
2005043228.tif 000016
【図９】
2005043228.tif 000017
【図１０】
2005043228.tif 000018
【図１１】
2005043228.tif 000019
【図１２】
2005043228.tif 000020
【図１３】
2005043228.tif 000021
【図１４】
2005043228.tif 000022
【図１５】
2005043228.tif 000023
【図１６】
2005043228.tif 000024