(57)【要約】【課題】回路コストを低減するため差動増幅回路やアナログ・デジタル変換回路が必要のない回路構成を有する回転角度計測装置を提供する。【解決手段】回転軸と同期して回転する磁界発生手段が発生する磁界方向を少なくとも２以上の位相の異なる電気信号として出力するセンサ素子部２１１，２１２，２２１，２２２，２３１，２３２，２４１，２４２を有する回転角度センサ２と、センサ素子部を駆動させる周期波形を回転角度センサに出力する信号発生回路３５と、センサ素子部から得られた出力が入力されるコンパレータ３１，３２，３３，３４と、コンパレータからの出力が入力される演算回路４０と、を有し、演算回路は、コンパレータから出力されるパルス波形をデジタル値として取り込むパルス入力端子を有し、パルス入力端子で取り込まれた値に基づき回転軸の回転角度と等価である磁界方向を演算し出力する構成とした。【選択図】  図１
2012230021.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸と同期して回転する磁界発生手段が発生する磁界方向を少なくとも２以上の位相の異なる電気信号として出力するセンサ素子部を有する回転角度センサと、
前記センサ素子部を駆動させる周期波形を前記回転角度センサに出力する信号発生回路と、
前記センサ素子部から得られた出力が入力されるコンパレータと、
前記コンパレータからの出力が入力される演算回路と、を有し、
前記演算回路は、前記コンパレータから出力されるパルス波形をデジタル値として取り込むパルス入力端子を有し、前記パルス入力端子で取り込まれた値に基づき前記回転軸の回転角度と等価である前記磁界方向を演算し出力することを特徴とする回転角度計測装置。
【請求項２】
請求項１に記載の回転角度計測装置において、
前記センサ素子部の出力数は４であり各々９０度ごとに位相の異なる電気信号を出力することを特徴とする回転角度計測装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の回転角度計測装置において、
前記信号発生回路の出力は、三角波またはのこぎり波であることを特徴とする回転角度計測装置。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかに記載の回転角度計測装置において、
前記演算回路は、前記パルス波形のデューティー比を計測してデジタル値に変換する機能を有することを特徴とする回転角度計測装置。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれかに記載の回転角度計測装置において、
前記信号発生回路は、前記周期波形に加えて前記周期波形と同期したトリガ信号を出力し前記演算回路に入力される構成であり、
前記演算回路は、前記トリガ信号を用いて前記パルス波形の取り込みのトリガとする機能を有することを特徴とする回転角度計測装置。
【請求項６】
回転軸と同期して回転する磁界発生手段が発生する磁界方向を偶数個の位相の異なる電気信号として出力するセンサ素子部を有する回転角度センサと、
前記センサ素子部を駆動させる周期波形を前記回転角度センサに出力する信号発生回路と、
前記センサ素子部から得られた出力が入力される差動回路と、
前記差動回路の出力が入力されるコンパレータと、
前記コンパレータからの出力が入力される演算回路と、を有し、
前記演算回路は、前記コンパレータから出力されるパルス波形をデジタル値として取り込むパルス入力端子を有し、前記パルス入力端子で取り込まれた値に基づき前記回転軸の回転角度と等価である前記磁界方向を演算し出力することを特徴とする回転角度計測装置。
【請求項７】
請求項６に記載の回転角度計測装置において、
前記センサ素子部からの出力数を４個有しており、
前記差動回路および前記コンパレータは各々２個から構成されることを特徴とする回転角度計測装置。
【請求項８】
請求項１乃至７にいずれかに記載の回転角度計測装置において、
前記センサ素子は少なくとも外部磁界により磁化方向が変化しない固定磁性層，非磁性導電層，外部磁界により磁化方向が変化するフリー磁性層の多層体構造からなるスピンバルブ型巨大磁気抵抗効果を用いた素子であることを特徴とする回転角度計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転体の回転角度の検出に係るものであり、特に非接触的に検出する回転角度計測装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
モータや自動車のステアリングホイールなどのシャフトにおける回転角度の計測装置の一つとして、シャフトなどの回転体に同期して回転するホイールや磁石とその回転角度に応じた物理量を検出する素子を用いた装置がある。このうち、磁石とスピンバルブ型巨大磁気抵抗効果素子（Spin Valve Giant Magnetoresistive素子、以下ＳＶＧＭＲ素子と呼ぶ。）によって構成された回転角度計測装置は、素子の特性から低消費電力化が可能であり、また計測原理的に温度依存性を小さくする構成が可能であることから注目されている。このような構成の回転角度計測装置として、例えば以下の特許文献１，２の技術がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】ＷＯ２００８／０６２７７８
【特許文献２】特開２００９−１５０７９５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１や２に開示された技術は以下の構成となっている。ＳＶＧＭＲ素子は一定強度以上の磁界が印加されると、その磁界の方向（回転角度）に応じて抵抗値が変化する素子である。検出する磁界のゼロ点の方向が１８０°異なる２個のＳＶＧＭＲ素子を直列接続した２組の直列接続回路を互いの方向が逆方向で並列に接続してブリッジ回路を構成する。このブリッジ回路に一定電圧を加え、外部から磁界を与えると、ブリッジ回路出力の差動電圧が磁界の回転角度βに対応して正弦波波形となる。このブリッジ回路を２個用い、９０°対向させて出力がｃｏｓβ，ｓｉｎβに対応するように配置して、回転角度センサとする。２個のブリッジ回路出力に対しそれぞれ差動増幅を行い、アナログ・デジタル変換して演算回路に取り込む。演算回路ではａｒｃｔａｎ演算を行い、角度誤差を補正して回転角度を出力する。しかしながら、上記回路構成では、多数の差動増幅回路やアナログデジタル変換回路が必要となり回路全体としてコストが高くなってしまう。
【０００５】
そこで、本発明の目的は上記課題に鑑み、回路コストを低減するため差動増幅回路やアナログ・デジタル変換回路が必要のない回路構成を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために、本発明では、回転軸と同期して回転する磁界発生手段が発生する磁界方向を少なくとも２以上の位相の異なる電気信号として出力するセンサ素子部を有する回転角度センサと、前記センサ素子部を駆動させる周期波形を前記回転角度センサに出力する信号発生回路と、前記センサ素子部から得られた出力が入力されるコンパレータと、前記コンパレータからの出力が入力される演算回路と、を有し、前記演算回路は、前記コンパレータから出力されるパルス波形をデジタル値として取り込むパルス入力端子を有し、前記パルス入力端子で取り込まれた値に基づき前記回転軸の回転角度と等価である前記磁界方向を演算し出力する構成とした。
【０００７】
本発明によるその他の目的及び特徴は、以下に述べる実施例の中で明らかにする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、ＳＶＧＭＲ素子を利用した回転角度センサを用いた回転角度計測装置において、回転角度センサから出力される信号を処理する回路を比較的安価な構成で実現できる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明に係る回転角度計測装置の回路構成の一例。
【図２】本発明に係る回転角度計測装置の実装構成の一例。
【図３】本発明に係る回転角度計測装置の回路構成における信号波形の一例。
【図４】本発明に係る回転角度計測装置の演算回路に取り込まれたデジタル値と回転角度計算結果、ならびに検出誤差の一例。
【図５】本発明に係る回転角度計測装置の回路構成の別の一例。
【図６】本発明に係る回転角度計測装置の回路構成の別の一例。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、図１乃至図４を用いて、本発明の一実施例である回転角度計測装置の構成について説明する。
【００１１】
図１，図２は、それぞれ、本発明に係る回転角度計測装置１の回路構成の一例、ならびに回転角度計測装置１の実装構成の一例を示す図である。
【００１２】
回転角度計測装置１は主として回転角度センサ２，周辺回路３，回転軸９と同期して回転する磁石８から構成され、磁石８によって発生された磁界の方向、すなわち磁石８と同期して回転する回転軸９の回転角度を計測する装置である。
【００１３】
回転角度センサ２は具体的には８個のＳＶＧＭＲ素子２１１，２１２，２２１，２２２，２３１，２３２，２４１，２４２により構成され、主として外部磁界により磁化方向が変化しない固定磁性層（ピン磁性層），非磁性導電層，外部磁界により磁化方向が変化するフリー磁性層の多層体構造の素子である。この素子に外部から一定強度以上で多層体構造の面内にベクトルを持つ磁界を与えると、フリー磁性層の磁化方向が外部から与えた磁界の方向に回転し、非磁性導電層の抵抗値が変化する。磁界の回転方向が多層体構造の面内となるように磁石などの磁界発生手段を配置し、固定磁性層の磁化方向と外部から与えられる磁界の方向のなす角度をαとおくと、非磁性導電層の抵抗値変化は（１−ｃｏｓα）に比例する。抵抗値は固定磁性層の磁化方向とフリー磁性層の磁化方向が同じ、つまり、磁界の方向が固定磁性層の磁化方向と同じ（α＝０°）ときに最も小さく、磁界の方向が固定磁性層の磁化方向と正反対（α＝１８０°）のときに最も大きくなる。なお、この抵抗値変化の大きさは１０％前後の値をとる。
【００１４】
ここで、２個のＳＶＧＭＲ素子を固定磁性層の磁化方向が正反対となるように非磁性導電層を直列に接続し磁界Ｂを与えると、磁界の方向による各々のＧＭＲ素子の抵抗値変化は正反対となる。よって、この直列接続回路の両端に一定電圧を与えると、中点の電圧は磁界の回転角度に応じて変化する。
【００１５】
回転角度センサ２は、８個のＳＶＧＭＲ素子２１１，２１２，２２１，２２２，２３１，２３２，２４１，２４２からなる４組の直列接続回路２１，２２，２３，２４を９０°ごとに配置して構成される。ここで、８個のＳＶＧＭＲ素子２１１，２１２，２２１，２２２，２３１，２３２，２４１，２４２に記したそれぞれの矢印は固定磁性層の磁化方向を示し、角度θは磁石８から発生される磁界の方向（回転角度）を示すこととする。
【００１６】
周辺回路３は、主として三角波発生回路３５，コンパレータ３１，３２，３３，３４，演算回路４０で構成される。これらの周辺回路３は、回転角度センサ２とともに基板５上に配置される。
【００１７】
本発明に係る回転角度計測装置１の角度測定原理、および回路の動作について以下に説明する。
【００１８】
まず、直列接続回路２１に着目し、印加する電圧と中点２１３の出力電圧Ｖ（ｃｏｓθ）の関係について、一例を図３（ａ）に示す。中点２１３の出力電圧Ｖ（ｃｏｓθ）は印加する電圧に比例した電圧となる。角度θにより２個のＳＶＧＭＲ素子２１１，２１２の抵抗値が正反対に変化するので、角度θによって印加電圧による出力変化の傾きが変化する。この中点２１３の電圧を閾値Ｖｔｈのコンパレータ３１に入力する。ここで、直列接続回路２１に三角波発生回路３５により三角波電圧を印加するとコンパレータ３１の出力波形ｆ（ｃｏｓθ）は図３（ｂ）に示す一例のようにパルス波形となる。図３（ｂ）に示すように、角度θを変化させると、パルス波形のデューティー比が変化する。
【００１９】
他の直列接続回路２２，２３，２４に関しても同様に中点２２３，２３３，２４３にコンパレータ３２，３３，３４を接続し、角度θを変化させると、各コンパレータ３２，３３，３４の出力ｆ（ｓｉｎθ），ｆ（−ｃｏｓθ），ｆ（−ｓｉｎθ）も同様にデューティー比が変化する。図４（ａ）に角度θの変化によるコンパレータ３１，３２，３３，３４における出力のデューティー比変化の一例を示す。それぞれのデューティー比変化は９０°ごとに位相差を持っている。これらの各コンパレータ３１，３２，３３，３４の出力を演算回路４０のパルス入力端子ｄｕｔｙ１，ｄｕｔｙ２，ｄｕｔｙ３，ｄｕｔｙ４に接続し、それぞれのデューティー比をデジタル値として取り込み、演算回路４０内部でｘ＝ｆ（ｃｏｓθ）−ｆ（−ｃｏｓθ），ｙ＝ｆ（ｓｉｎθ）−ｆ（−ｓｉｎθ）の演算をおこなうと、図４（ｂ）に一例を示すように、ほぼ正弦波，余弦波の波形となる。さらに、ａｒｃｔａｎ（ｙ／ｘ）の計算を行うと、図４（ｃ）に一例を示すように、角度θの変化によって本手法で計測、計算した角度を得ることができる。なお、本手法では、理論上の計測誤差は図４（ｄ）に一例を示すようにゼロとすることはできないが、周期的で再現性のある誤差特性であるため、既知の補正手段にて誤差の補正をすることも可能である。演算回路４０で求めた角度は、回転角度計測装置１の出力として、外部へ出力される。
【００２０】
なお、各コンパレータ３１，３２，３３，３４はシュミットトリガ入力となっていても良い。また、三角波発生回路３５に変えてのこぎり波発生回路を用いても同じ手法をとることが可能である。さらに、図５に示す回転角度計測装置１１のように、図１に示した三角波発生回路３５に変えて、三角波電圧と方形波電圧の出力が可能な三角波・方形波発生回路３５１を用いて、方形波を演算回路４１のトリガ端子ｉｎに入力してデューティー比取り込みにおけるトリガ信号としても良い。
【００２１】
また、三角波発生回路３５の発振周波数は、回転軸９の最大回転速度や角度計測の要求分解能，演算回路４０の演算速度により適宜設定される。さらに三角波発生回路３５の出力の振幅やオフセット電圧，各コンパレータ３１，３２，３３，３４の閾値電圧Ｖｔｈは、適宜変更可能な構成となっていても良い。
【００２２】
さらに、角度θによるＳＶＧＭＲ素子の抵抗値変化は温度依存性を持っているため、デューティー比変化の振幅や（ｘの２乗）＋（ｙの２乗）の値から、回転角度センサ２の温度を求めることも可能である。この温度情報を利用して、既知の補正手段にて温度依存性の誤差の補正をすることも可能である。
【００２３】
以上の方法により、差動増幅回路やアナログ・デジタル変換回路が必要のない低コストな回路構成による回転角度計測装置が実現できる。
【００２４】
次に、図６を用いて本発明に係る回転角度計測装置における回路構成の別の一例を示す。本構成による回転角度計測装置１２は、直列接続回路２１，２３の中点２１３，２３３の電圧Ｖ（ｃｏｓθ）と電圧Ｖ（−ｃｏｓθ）、ならびに、直列接続回路２２，２４の中点２２３，２４３の電圧Ｖ（ｓｉｎθ）と電圧Ｖ（−ｓｉｎθ）をそれぞれ差動増幅回路３６，３７に入力して、Ｖ（ｃｏｓθ）−Ｖ（−ｃｏｓθ）、およびＶ（ｓｉｎθ）−Ｖ（−ｓｉｎθ）を検出後に、それぞれの出力を閾値Ｖｔｈのコンパレータ３８，３９に入力する。コンパレータ３８，３９の出力はパルス波形となり、角度θによりデューティー比が変化する。各コンパレータ３８，３９の出力を演算回路４１のパルス入力端子ｄｕｔｙ５，ｄｕｔｙ６に接続し、それぞれのデューティー比をデジタル値ｘ′，ｙ′として取り込む。さらに、ａｒｃｔａｎ（ｙ′／ｘ′）の計算を行うと、角度θの変化によって本手法で計測、計算した角度を得ることができる。
【００２５】
本手法では、差動増幅回路が必要になるものの、演算回路におけるパルス入力端子数を低減することが可能となり、演算回路における演算数を低減することが可能である。
【符号の説明】
【００２６】
２  回転角度センサ
３  周辺回路
５  基板
８  磁石
９  回転軸
３１，３２，３３，３４，３８，３９  コンパレータ
４０  演算回路
２１１，２１２，２２１，２２２，２３１，２３２，２４１，２４２  ＳＶＧＭＲ素子
【図１】
2012230021.tif 000003
【図２】
2012230021.tif 000004
【図３】
2012230021.tif 000005
【図４】
2012230021.tif 000006
【図５】
2012230021.tif 000007
【図６】
2012230021.tif 000008