CN112189127A - 磁性检测单元、角度检测装置、位置检测装置、电机控制装置、电机机构以及电机控制方法 - Google Patents

磁性检测单元、角度检测装置、位置检测装置、电机控制装置、电机机构以及电机控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供用于使用霍尔元件来检测对象物的绝对位置的新技术。磁性检测单元(2)具备2个霍尔元件(第一霍尔元件H1、第二霍尔元件H2)。2个霍尔元件在各个霍尔元件的输入侧相互串联连接。

Description

磁性检测单元、角度检测装置、位置检测装置、电机控制装置、 电机机构以及电机控制方法
技术领域
本发明涉及磁性检测单元、角度检测装置、位置检测装置、电机控制装置、电机机构以及电机控制方法，例如涉及用于检测电机的转子的移动角度的角度检测装置、基于由该角度检测装置检测出的移动角度来控制电机的电机控制装置、用于检测线性电机的输出轴的位置的位置检测装置、以及基于由该位置检测装置检测出的位置信息来控制电机的电机控制装置。
背景技术
在一般的步进电机中，容易检测转子的相对旋转角度(移动角度)，但检测转子的绝对旋转角度，例如检测使电机动作前的初始状态下的旋转角度并不容易。
现有技术中，作为用于检测步进电机的绝对旋转角度的方法，已知有如下技术：通过将绝对式角度传感器安装于步进电机的输出轴，从而进行角度检测。例如，在专利文献1中公开了一种设置有绝对式编码器的电机控制装置，该绝对式编码器用于检测步进电机的转子的位置。
另外，一般而言，在线性电机等输出轴直线移动的直动式电机中，为了检测输出轴的绝对位置，需要另行安装位置检测用传感器。例如，在专利文献2中，公开了一种线性致动器，其中设置有光学式编码器作为对直动式电机的输出轴的位置进行检测的位置检测器。
(在先技术文献)
(专利文献)
专利文献1：JP2007-252141A；
专利文献2：JP2012-173168A。
发明内容
(发明要解决的问题)
作为绝对式角度传感器的传感器方式，主要已知有光学传感器和磁性传感器。另外，作为对直动式电机的输出轴的位置进行检测的位置检测器的传感器方式，已知有上述光学传感器和磁性传感器。一般而言，光学式的角度传感器(光学式编码器)存在价格非常高的问题。
为此，本申请发明者们探讨了采用一种比光学式的角度传感器更廉价的角度传感器即利用霍尔元件的角度传感器作为搭载于步进电机的绝对式角度传感器或搭载于线性电机的位置检测器。
然而，即使是在角度传感器中采用了霍尔元件的情况，也存在各种问题。例如，霍尔元件中存在如下问题：由于霍尔元件的内部电阻因温度而变化(例如，100Ω～2000Ω)，因此霍尔元件的输出信号的电压不稳定。另外，霍尔元件中存在能施加的最大输入电流或者最大输入电压低的问题。例如，某霍尔元件在－40℃～120℃的范围最大只能施加至10mA。进而，霍尔元件中存在其输出电压的幅度(输出电压幅度)微小的问题。例如，在探测到±40mT的磁通的情况下，霍尔元件的输出电压幅度为±0.24V。
为了解决上述霍尔元件的问题，目前市售将霍尔元件与对霍尔元件的输出信号放大的高精度的运算放大器IC组合而成的产品。然而，这样的产品存在非常昂贵且消耗电力大的问题。
本发明鉴于上述问题而提出，其目的在于，提供一种用于使用霍尔元件来检测对象物的绝对位置的新技术。
(用于解决问题的技术方案)
本发明的代表性实施方式所涉及的磁性检测单元具备多个霍尔元件，所述多个霍尔元件在各所述霍尔元件的输入侧相互串联连接。
(发明效果)
根据本发明所涉及的角度检测装置，能够提供用于使用霍尔元件来检测对象物的绝对位置的新技术。
附图说明
图1是表示实施方式1所涉及的电机机构的构成的图。
图2是表示实施方式1所涉及的角度检测装置的电路构成的图。
图3A是表示实施方式1中的2个霍尔元件H1、H2的配置例的图。
图3B是表示实施方式1中的2个霍尔元件H1、H2的配置例的图。
图4是表示实施方式1所涉及的电机机构中的电机控制方法的流程的流程图。
图5A是表示实施方式1中的第一霍尔元件H1侧的放大电路的输入信号以及输出信号的仿真结果的图。
图5B是表示实施方式1中的第二霍尔元件H2侧的放大电路的输入信号以及输出信号的仿真结果的图。
图6是表示实施方式2所涉及的电机机构的构成的图。
图7是表示实施方式2所涉及的位置检测装置的电路构成的图。
图8A是表示实施方式2中的2个霍尔元件H1、H2的配置例的图。
图8B是表示实施方式2中的2个霍尔元件H1、H2的配置例的图。
图9是表示实施方式2所涉及的电机机构中的电机控制方法的流程的流程图。
图10是表示实施方式2中的放大电路的输入信号以及输出信号的仿真结果的图。
图11是表示另一实施方式所涉及的位置检测装置的电路构成的图。
具体实施方式
1.实施方式的概要
首先，对本申请所公开的发明的代表性实施方式进行概要说明。此外，在以下的说明中，作为一例，将与发明的组成部分对应的附图上的标号加上括弧进行记载。
〔1〕本发明的代表性实施方式所涉及的磁性检测单元(2)具备多个霍尔元件(H1、H2)，所述多个霍尔元件在各所述霍尔元件的输入侧相互串联连接。
〔2〕在上述〔1〕记载的磁性检测单元中，可以是，所述多个霍尔元件包含：第一霍尔元件(H1)，其具有第一正侧输入端子(IP1)及第一负侧输入端子(IN1)和第一正侧输出端子(OP1)及第一负侧输出端子(ON1)；以及第二霍尔元件(H2)，其具有第二正侧输入端子(IP2)及第二负侧输入端子(IN2)和第二正侧输出端子(OP2)及第二负侧输出端子(ON2)，电源电压(VDD)被施加至所述第一霍尔元件的所述第一正侧输入端子，所述第一霍尔元件的所述第一负侧输入端子与所述第二霍尔元件的所述第二正侧输入端子被连接，接地电压(GND)被施加至所述第二霍尔元件的所述第二负侧输入端子。
〔3〕本发明的代表性实施方式所涉及的角度检测装置(1)具备：上述〔2〕记载的磁性检测单元(2)；以及多个放大电路(31、32)，其设置于每个所述霍尔元件，并放大对应的所述霍尔元件的输出信号(401、402、411、412)。
〔4〕在上述〔3〕记载的角度检测装置中，可以是，所述多个放大电路包含第一放大电路(31)和第二放大电路(32)，所述第一放大电路(31)将所述第一霍尔元件中的所述第一正侧输出端子的电压与所述第一负侧输出端子的电压之差放大，所述第二放大电路(32)将所述第二霍尔元件中的所述第二正侧输出端子的电压与所述第二负侧输出端子的电压之差放大，所述第一放大电路具有包含P型晶体管对(Q11、Q12)的差动输入电路(313)，所述第二放大电路具有包含N型晶体管对(Q21、Q22)的差动输入电路(323)。
〔5〕本发明的代表性实施方式所涉及的电机控制装置包含：上述〔3〕或者〔4〕记载的角度检测装置(1)；以及控制装置(4)，其基于由所述多个放大电路分别放大的信号(401A、402A、411A、412A)，来生成用于对电机的驱动进行控制的驱动控制信号(8)。
〔6〕本发明的代表性实施方式所涉及的电机机构(100)具备：上述〔5〕记载的电机控制装置(10)；所述电机(20)，其基于由所述控制装置生成的所述驱动控制信号而被控制；以及磁铁(22)，其设置于所述电机的输出轴(21)，所述多个霍尔元件沿所述磁铁旋转的方向(R)相互分离配置。
〔7〕在上述〔6〕记载的电机机构中，可以是，所述电机机构具有2个所述霍尔元件，该2个所述霍尔元件以沿所述磁铁旋转的方向相位相互错开90度的方式配置。
〔8〕本发明的代表性实施方式所涉及的位置检测装置(1A/1B)具备：上述〔2〕记载的磁性检测单元(2)；以及放大电路(3A/3B)，其将所述多个霍尔元件当中的一个霍尔元件(H2/H1)的输出信号(411、412/401、402)放大，所述多个霍尔元件在各所述霍尔元件的输入侧相互串联连接。
〔9〕在上述〔8〕记载的位置检测装置中，可以是，所述放大电路将所述第二霍尔元件中的所述第二正侧输出端子的电压与所述第二负侧输出端子的电压之差放大，所述放大电路具有包含N型晶体管对(Q21、Q22)的差动输入电路(323)。
〔10〕本发明的代表性实施方式所涉及的另一电机控制装置(10A)包含：上述〔8〕或者〔9〕记载的位置检测装置(1A)；以及控制装置(4A)，其基于由所述放大电路放大的信号，来生成用于对电机(20A)的驱动进行控制的驱动控制信号(8A)。
〔11〕本发明的代表性实施方式所涉及的另一电机机构(100A)可以具备：上述〔10〕记载的电机控制装置(10A)、所述电机以及磁铁(22A)，所述电机是具有输出轴(21A)且基于所述驱动控制信号而对所述输出轴朝轴线(Q)方向的移动进行控制的直动式电机，所述一个霍尔元件以及所述磁铁当中的一者固定于所述输出轴，所述一个霍尔元件以及所述磁铁当中的另一者固定于与所述输出轴对置的位置。
〔12〕在上述〔11〕记载的电机机构中，可以是，所述一个霍尔元件固定于所述输出轴，所述磁铁固定于与所述输出轴对置的位置。
〔13〕本发明的代表性实施方式所涉及的方法是利用电机控制装置(10)的电机控制方法，所述电机控制装置(10)具备：用于对随电机的转子的旋转而旋转的磁铁的磁通进行检测的多个霍尔元件(H1、H2)、按每个所述霍尔元件而设置的多个放大电路(31、32)、以及生成用于对电机(20)的驱动进行控制的驱动控制信号(8)的控制装置(4)，所述多个霍尔元件在各自的输入侧相互串联连接，所述电机控制方法包含：所述霍尔元件基于检测出的磁通来生成所述输出信号的步骤(S2)；所述多个放大电路将由对应的所述霍尔元件生成的所述输出信号分别放大的步骤(S3)；以及所述控制装置根据由各所述放大电路放大的信号来计算所述转子的旋转角度，并且基于计算出的旋转角度来生成所述驱动控制信号并供给至所述电机的步骤(S4)。
〔14〕本发明的代表性实施方式所涉及的方法是利用电机控制装置(10A)的电机控制方法，所述电机控制装置(10A)具备：具有在输入侧相互串联连接的多个霍尔元件(H1、H2)的磁性检测单元(2)、放大电路(3A)、磁铁(22A)、以及生成驱动控制信号(8A)的控制装置，所述驱动控制信号(8A)用于对输出轴(21A)能在其轴线(P)方向上移动的直动式电机(20A)的驱动进行控制，所述多个霍尔元件以及所述磁铁当中的一者设置于随所述输出轴的移动而移动的位置，所述多个霍尔元件以及所述磁铁当中的另一者设置于与所述输出轴对置的位置，所述电机控制方法包含：由所述多个霍尔元件当中的一个霍尔元件生成与检测出的磁通相应的信号(411、412)的步骤(S2A)；所述放大电路将由所述一个霍尔元件(H2)生成的信号(411、412)放大的步骤(S3A)；以及所述控制装置基于由所述放大电路放大的信号来计算所述输出轴的位置，并且基于计算出的位置来生成所述驱动控制信号并供给至所述直动式电机的步骤(S4A)。
2.实施方式的具体例
以下，参照附图对本发明的实施方式的具体例进行说明。此外，在以下的说明中，对各实施方式中共同的组成部分赋予同一标号，并省略重复的说明。另外，需要留意，附图是示意性的，各要素的尺寸的关系、各要素的比率等存在与现实不同的情况。在附图相互之间也存在含有相互的尺寸关系或比率不同的部分的情况。
《实施方式1》
〈电机机构〉
图1是表示实施方式1所涉及的电机机构的构成的图。
如图1所示，电机机构100具有电机20和电机控制装置10。
电机20例如是步进电机。在本实施方式中，以电机20是具有A相与B相2个相的二相步进电机的情况为例进行说明。
电机控制装置10以向电机20供给驱动电力而使电机20驱动的方式构成。具体而言，电机控制装置10具有角度检测装置1和控制装置4。角度检测装置1是根据电机20的转子的旋转来生成并输出与转子的旋转位置对应的信号的装置。控制装置4基于对应于电机20的转子的旋转而从角度检测装置1输出的信号，对电机20施加驱动信号，从而使电机20旋转。
〈控制装置〉
控制装置4具有：电机驱动部7，其对电机20进行驱动；控制电路5，其对电机20的驱动进行控制；以及通信电路6，其用于与外部装置(未图示)之间进行通信。此外，图1所示的控制装置4的组成部分是整体的一部分，控制装置4除了图1所示之外，还可以具有其他的组成部分。
电机驱动部7基于从控制电路5输出的驱动控制信号8，来生成用于对构成电机20的各相的线圈进行驱动的驱动信号(驱动电压)VA+、VA－、VB+、VB－，并供给至电机20的各相。
控制电路5例如由MCU(Microprogram Control Unit，微程序控制单元)、DSP(Digital Signal Processor，数字信号处理器)等程序处理装置构成。此外，控制电路5可以整体封装为1个集成电路装置，也可以将控制电路5的全部或一部分与其他装置一起封装而构成1个集成电路装置。
控制电路5基于经由通信电路6等从外部装置(用户)设定的指令旋转角度信号(与目标旋转角度相应的信号)、以及从后述的角度检测装置1输出的表示电机20的旋转角度的信号401A、402A、411A、412A，来生成驱动控制信号8，并将生成的驱动控制信号8供给至电机驱动部7。即，控制电路5通过比较目标旋转角度与电机20的旋转角度的实测值来进行反馈，同时，生成用于驱动电机20的驱动控制信号8并供给至电机驱动部7，从而进行电机20的旋转控制。
另外，控制电路5具有输出可作为周边电路的电源电压使用的固定电压的功能。控制电路5例如被供给3.3V的电源电压来进行动作，并且将输入的电源电压作为角度检测装置1的电源电压VDD，而输出例如3.3V的固定电压。
〈角度检测装置〉
角度检测装置1具有作为磁性检测元件的多个霍尔元件在各自的霍尔元件的输入侧相互串联连接的构成。角度检测装置1是能基于多个霍尔元件的检测信号来检测电机20的转子的绝对旋转角度的绝对式角度传感器。
图2是表示实施方式1所涉及的角度检测装置1的电路构成的图。
如图2所示，角度检测装置1具有磁性检测单元2和放大部3。
(1)磁性检测单元
磁性检测单元2具有用于对电机20的转子的位置进行检测的多个霍尔元件。在本实施方式中，作为一例，磁性检测单元2具有2个霍尔元件H1、H2，且将第一霍尔元件H1和第二霍尔元件H2设为具有相同的特性，并以此进行说明。
各霍尔元件H1、H2能以由如图2所示的4个内部电阻r1～r4构成的桥接电路来等效表示。在第一霍尔元件H1中，各内部电阻r1～r4相互连接的4个节点分别成为第一正侧输入端子IP1、第一负侧输入端子IN1、第一正侧输出端子OP1以及第一负侧输出端子ON1。同样，在第二霍尔元件H2中，各内部电阻r1～r4相互连接的4个节点分别成为第二正侧输入端子IP2、第二负侧输入端子IN2、第二正侧输出端子OP2以及第二负侧输出端子ON2。
在磁性检测单元2中，多个霍尔元件在各自的霍尔元件的输入侧相互串联连接。具体而言，第一霍尔元件H1和第二霍尔元件H2在各自的输入侧相互串联连接于电源电压VDD与接地电压GND之间。
更具体而言，如图2所示，在第一霍尔元件H1的第一正侧输入端子IP1施加有电源电压VDD，并将第一霍尔元件H1的第一负侧输入端子IN1与第二霍尔元件H2的第二正侧输入端子IP2连接，且在第二霍尔元件H2的第二负侧输入端子IN2施加有接地电压GND。
图3A、图3B是表示实施方式1中的2个霍尔元件H1、H2的配置例的图。
图3A示出了在电机机构100中从与电机20的输出轴21的轴线P垂直的方向观察时的2个霍尔元件H1、H2的配置例。图3B示出了在电机机构100中从电机20的输出轴21的轴线方向观察的2个霍尔元件H1、H2的配置例。
如图3A、3B所示，在电机机构100中，在与电机20的转子(未图示)连结的输出轴21上设置有传感器磁铁(磁铁)22。传感器磁铁22例如是圆板状的2极的永久磁铁。
传感器磁铁22例如像本实施方式那样，具有主面220以及与主面220背对的背面221。进而，传感器磁铁22具有贯通主面220与背面221的贯通孔222。传感器磁铁22在输出轴21贯通于贯通孔222的状态下固定于输出轴21。传感器磁铁22通过电机20的转子(输出轴21)的旋转而例如在标号R的方向上旋转。
2个霍尔元件H1、H2在传感器磁铁22的附近设置于能精度良好地检测传感器磁铁22的磁通的位置。具体而言，如图3A、3B所示，2个霍尔元件H1、H2沿传感器磁铁22旋转的方向(输出轴21的旋转方向)R相互分离配置。例如，2个霍尔元件H1、H2与传感器磁铁22的侧面223对置，且在传感器磁铁22旋转的方向R上分别设置于相位错开90度的位置。
2个霍尔元件H1、H2对由电机20的输出轴21的旋转而产生的传感器磁铁22的磁通进行检测，并作为输出信号输出电压随磁通的变化而变化的模拟信号(以下，也称为“霍尔信号”)。
例如，在输出轴21以恒定的速度进行旋转时，第一霍尔元件H1从第一正侧输出端子OP1输出正弦波状的霍尔信号401的同时，从第一负侧输出端子ON1输出极性与霍尔信号401不同的正弦波状的霍尔信号402。同样，第二霍尔元件H2从第二正侧输出端子OP2输出正弦波状的霍尔信号411的同时，从第二负侧输出端子ON2输出极性与霍尔信号411不同的正弦波状的霍尔信号412。
如图3A、3B所示，通过将第一霍尔元件H1与第二霍尔元件H2在传感器磁铁22旋转的方向R上以相互错开相位90度的方式进行配置，从而从第一霍尔元件H1输出的信号对(霍尔信号401、402)与从第二霍尔元件H2输出的信号对(霍尔信号411、412)成为相位错开90度的关系。通过使用该相位相互不同的霍尔信号401、402以及霍尔信号411、412，控制电路5能够计算电机20的转子的绝对旋转角度。
(2)放大部
如图2所示，放大部3是将从2个霍尔元件H1、H2输出的霍尔信号分别放大并输出的功能部。放大部3具有设置于2个霍尔元件H1、H2的每一个并放大从对应的霍尔元件H1、H2输出的霍尔信号的第一放大电路31、第二放大电路32。
第一放大电路31是将第一霍尔元件H1的霍尔信号401、402分别放大的电路。具体而言，第一放大电路31具有恒流源电路312和差动放大电路311。
恒流源电路312是产生恒定电流并供给至差动放大电路311的电路。恒流源电路312例如包含P型晶体管Q13、Q14和电阻R15。
在此，P型晶体管是指给定的导电型的晶体管，例如，PNP结的双极晶体管、P沟道型的电场效应晶体管(例如，P沟道型的MOS晶体管)等。
例如，P型晶体管Q13、Q14是PNP型的双极晶体管。晶体管Q13和晶体管Q14构成镜像恒流源电路(current mirror circuit)。
在恒流源电路312中，晶体管Q13的基极电极与集电极电极公共连接，晶体管Q13的发射极电极被供给电源电压VDD。在此，电源电压VDD如上所述，是从控制电路5输出的电压。
电阻R15的一端连接于晶体管Q13的基极电极以及集电极电极，电阻R15的另一端供给有接地电压GND。晶体管Q14的发射极电极供给有电源电压VDD。晶体管Q14的基极电极与晶体管Q13的基极电极以及集电极电极一起连接于电阻R15的一端，晶体管Q14的集电极电极连接于构成后述的差动输入电路313的电阻R12与电阻R14相互连接的节点。
根据具有上述构成的恒流源电路312，在将晶体管Q13的基极-发射极间电压设为VBE13时，从晶体管Q13输出Ip＝(VDD－VBE13)/R15的电流Ip，复制该电流Ip的电流从晶体管Q14供给至差动放大电路311。
差动放大电路311是对从第一霍尔元件H1的第一正侧输出端子OP1输出的霍尔信号401与从第一霍尔元件H1的第一负侧输出端子ON1输出的霍尔信号402之差放大的电路。
差动放大电路311包含差动输入电路313和电阻R11～R14。
差动输入电路313例如包含P型(第一导电型)的晶体管对。例如，差动输入电路313具有PNP晶体管(双极晶体管)Q11、Q12作为以特性相等的方式构成的晶体管对。
晶体管Q11的基极电极与第一霍尔元件H1的第一负侧输出端子ON1连接，晶体管Q12的基极电极与第一霍尔元件H1的第一正侧输出端子OP1连接。
电阻R11的一端与晶体管Q11的集电极电极连接，电阻R11的另一端供给有接地电压GND。电阻R13的一端与晶体管Q12的集电极电极连接，电阻R13的另一端供给有接地电压GND。
电阻R12的一端与晶体管Q11的发射极电极连接。电阻R14的一端与晶体管Q12的发射极电极连接。电阻R12的另一端连接于电阻R14的另一端以及晶体管Q14的集电极电极。
根据具有上述构成的差动放大电路311，从对电阻R11的一端与晶体管Q11的集电极电极进行连接的节点Np1，输出将霍尔信号401与霍尔信号402之差放大的正极性的放大信号401A。另外，从对电阻R13的一端与晶体管Q12的集电极电极进行连接的节点Nn1，输出将霍尔信号401与霍尔信号402之差放大的负极性的放大信号402A。
第二放大电路32是将第二霍尔元件H2的霍尔信号411、412分别放大的电路。具体而言，第二放大电路32具有恒流源电路322和差动放大电路321。
恒流源电路322是产生恒定电流并供给至差动放大电路321的电路。恒流源电路322例如包含N型晶体管Q23、Q24和电阻R25。
在此，N型晶体管是指与P型晶体管相反的导电型的晶体管，例如是NPN型双极晶体管、N沟道型的电场效应晶体管(例如，N沟道型的MOS晶体管)等。
例如，N型晶体管Q23、Q24是NPN型的双极晶体管。晶体管Q23和晶体管Q24构成镜像恒流源电路。
在恒流源电路322中，晶体管Q23的基极电极与集电极电极公共连接，晶体管Q23的发射极电极供给有接地电压GND。
电阻R25的一端与晶体管Q23的基极电极以及集电极电极连接，电阻R25的另一端供给有电源电压VDD。晶体管Q24的发射极电极供给有接地电压GND。晶体管Q24的基极电极与晶体管Q23的基极电极以及集电极电极一起连接于电阻R25的一端，晶体管Q24的集电极电极连接于构成后述的差动输入电路323的电阻R22与电阻R24相互连接的节点。
根据具有上述构成的恒流源电路322，在将晶体管Q23的基极-发射极间电压设为VBE23时，从晶体管Q23输出电流In＝(VDD－VBE23)/R25，并将复制该电流In而得到的电流从晶体管Q24供给至差动放大电路321。
差动放大电路321是将从第二霍尔元件H2的第二正侧输出端子OP2输出的霍尔信号411与从第二霍尔元件H2的第二负侧输出端子ON2输出的霍尔信号412之差放大并输出的电路。
差动放大电路321包含差动输入电路323和电阻R21～R24。差动输入电路323例如包含N型(第二导电型)的晶体管对。例如，差动输入电路323具有NPN型双极晶体管Q21、Q22作为以特性相等的方式构成的晶体管对。
晶体管Q21的基极电极与第二霍尔元件H2的第二负侧输出端子ON2连接，晶体管Q22的基极电极与第二霍尔元件H2的第二正侧输出端子OP2连接。
电阻R21的一端与晶体管Q21的集电极电极连接，电阻R21的另一端供给有电源电压VDD。电阻R23的一端与晶体管Q22的集电极电极连接，电阻R23的另一端供给有电源电压VDD。电阻R22的一端与晶体管Q21的发射极电极连接。电阻R24的一端与晶体管Q22的发射极电极连接。电阻R22的另一端连接于电阻R24的另一端以及晶体管Q24的集电极电极。
根据具有上述构成的差动放大电路321，从对电阻R21的一端与晶体管Q21的集电极电极进行连接的节点Np2，输出将霍尔信号411与霍尔信号412之差放大的正极性的放大信号411A。另外，从对电阻R23的一端与晶体管Q22的集电极电极进行连接的节点Nn2，输出将霍尔信号411与霍尔信号412之差放大的负极性的放大信号412A。
如此，各霍尔元件H1、H2的霍尔信号401、402、411、412通过放大部3放大，并作为放大信号401A、402A、411A、412A而被输入至控制电路5。
控制电路5基于所输入的放大信号401A、402A、411A、412A来计算电机20的转子的旋转角度的实测值。如上所述，放大信号401A、402A、411A、412A(霍尔信号401、402、411、412)是基于由在传感器磁铁22的旋转方向R上配置于相互不同的位置处的2个霍尔元件H1、H2检测出的磁通的信号。因此，通过使用相位相互不同的2个放大信号401A、402A以及放大信号411A、412A，从而控制电路5能够计算电机20的转子的绝对旋转角度。
此外，从相位相互不同的2个信号计算转子的绝对旋转角度的方法能使用适用于绝对式旋转编码器等的公知的计算方法。例如，将与该计算方法相关的程序存储于控制电路5内的存储部，控制电路5基于该程序和放大信号401A、402A、411A、412A来计算电机20的转子的绝对旋转角度即可。
〈电机控制方法〉
接下来，对电机机构100中的电机20的控制方法进行说明。
图4是表示实施方式1所涉及的电机机构100中的电机控制方法的流程的流程图。
首先，若向电机机构100供给电源电压，则电机机构100启动(步骤S1)。接下来，构成角度检测装置1的磁性检测单元2的各霍尔元件H1、H2对固定于电机20的输出轴21的传感器磁铁22的磁通进行检测，并生成对应于检测出的磁通的霍尔信号401、402、411、412(步骤S2)。
接下来，角度检测装置1的第一放大电路31、第二放大电路32将从与各自对应的第一霍尔元件H1、第二霍尔元件H2输出的霍尔信号401、402、411、412分别放大，并生成放大信号401A、402A、411A、412A(步骤S3)。
接下来，控制装置4基于从角度检测装置1输出的放大信号401A、402A、411A、412A，执行用于生成驱动信号的处理，该驱动信号用于驱动电机20(步骤S4)。
具体而言，首先，控制装置4的控制电路5读取将各霍尔元件H1、H2的霍尔信号放大的放大信号401A、402A、411A、412A(步骤S41)。例如，控制电路5通过设置于控制电路5的内部的模拟/数字变换电路(未图示)，将作为模拟信号的放大信号401A、402A、411A、412A变换成数字信号，并存储至设置于控制电路5的内部的存储部(未图示)。
接下来，控制电路5基于所读取的放大信号401A、402A、411A、412A来计算电机20的转子的旋转角度的实测值(步骤S42)。此时，第一霍尔元件H1与第二霍尔元件H2如上所述，在传感器磁铁22的旋转方向R上设置于相互错开的位置(例如，相位错开90度的位置)，因此通过使用基于2个霍尔元件H1、H2的霍尔信号的放大信号401A、402A、411A、412A，从而能够计算转子的绝对旋转角度。
接下来，控制电路5将经由通信电路6等而从外部装置设定的目标旋转角度与步骤S42中计算出的电机20的转子的旋转角度的实测值进行比较(步骤S43)。在步骤S43中，在目标旋转角度与旋转角度的实测值之间存在差异的情况下，控制电路5生成驱动控制信号8以减小该差异(步骤S44)。
接下来，电机驱动部7基于在步骤S44中生成的驱动控制信号8来生成驱动信号(驱动电压)VA+、VA－、VB+、VB－，并供给至电机20的各相而使电机20旋转(步骤S5)。由此，电机20以成为目标旋转角度的方式被控制。
〈角度检测装置的效果〉
图5A、图5B是表示实施方式1所涉及的角度检测装置1中的第一放大电路31、第二放大电路32的输入信号以及输出信号的仿真结果的图。在该仿真中，设为电源电压VDD＝3.3V，接地电压GND＝0V。
在图5A、5B中，横轴表示转子的旋转角度〔deg〕，纵轴表示电压〔V〕。另外，在图5A中示出了作为第一放大电路31的输入信号的第一霍尔元件H1的霍尔信号401、402、以及作为第一放大电路31的输出信号的放大信号401A、402A。在图5B中示出了作为第二放大电路32的输入信号的第二霍尔元件H2的霍尔信号411、412、以及作为第二放大电路32的输出信号的放大信号411A、412A。
一般而言，关于霍尔元件，在所检测的磁通为零时，即构成霍尔元件的各内部电阻r1～r4处于平衡状态(相互相等的电阻值)时，正侧输出的霍尔信号与负侧输出的霍尔信号成为等电压。因此，从霍尔元件输出的霍尔信号成为如下模拟信号：以内部电阻r1～r4处于平衡状态时的电压为基准，将该基准电压作为中心，电压根据检测出的磁通而例如以±0.1V～±0.5V的范围变化。
关于实施方式1所涉及的角度检测装置1，如上所述，在磁性检测单元2中，第一霍尔元件H1与第二霍尔元件H2在各自的输入侧在电源电压VDD与接地电压GND之间相互串联连接。因此，霍尔信号的基准电压成为基于各霍尔元件H1、H2的内部电阻r1～r4的电阻比而将电源电压VDD与接地电压GND之间的电压分压的电压。即，在2个霍尔元件H1、H2的各内部电阻r1～r4处于平衡状态时，第一霍尔元件H1的霍尔信号的基准电压成为“VDD×3/4”，第二霍尔元件H2的基准电压成为“VDD×1/4”。
例如，如图5A所示，在设为电源电压VDD＝3.3V、接地电压GND＝0V时，第一霍尔元件H1的基准电压成为2.475V(＝3.3×3/4)，第一霍尔元件H1的霍尔信号401、402成为以2.475V为中心且最大变化约±0.24V的波形。同样，如图5B所示，第二霍尔元件H2的基准电压成为0.825V(＝3.3×1/4)，第二霍尔元件H2的霍尔信号411、412成为以0.825V为中心且最大变化约±0.24V的波形。
另一方面，被输入第一霍尔元件H1的霍尔信号401、402的第一放大电路31具有由PNP型晶体管Q11、Q12构成的差动输入电路313，因此若不输入适当的电压范围的信号，则不会进行适当的放大动作。例如，为了使晶体管Q11、Q12适当地动作，在将晶体管Q11、Q12的PN结部的饱和电压设为了VBE10(≒0.6V)时，需要将“VDD－VBE10(≒3.3－0.6＝2.7V)”以下的电压输入至晶体管Q11、Q12的基极电极。另一方面，在向晶体管Q11、Q12的基极电极输入接地电压GND附近的小的电压的情况下，第一放大电路31的输出电压会饱和。
同样，被输入第二霍尔元件H2的霍尔信号411、412的第二放大电路32具有由NPN型晶体管Q21、Q22构成的差动输入电路323，因此若不输入适当的电压范围的信号，则不会进行适当的放大动作。例如，为了使晶体管Q21、Q22适当地动作，在将晶体管Q21、Q22的PN结部的饱和电压设为VBE20(≒0.6V)时，需要将“VBE20(≒0.6V)”以上的电压输入至晶体管Q21、Q22的基极电极。另一方面，在向晶体管Q21、Q22的基极电极输入电源电压VDD附近的大的电压的情况下，第二放大电路32的输出电压会饱和。
如此在将来自第一霍尔元件H1、第二霍尔元件H2的输出信号放大的第一放大电路31、第二放大电路32中，在输入电压范围方面存在限制，但在本实施方式所涉及的角度检测装置1中，由于采用了第一霍尔元件H1和第二霍尔元件H2在电源电压VDD与接地电压GND之间相互串联连接的构成，因此能向第一放大电路31、第二放大电路32输入适当的电压范围的信号。
例如，向构成第一放大电路31的差动输入级的晶体管Q11、Q12的基极电极，如上所述，输入以2.475V(VDD×3/4)为中心且最大变化约±0.24V的霍尔信号401、402。由此，第一放大电路31能进行适当的放大动作。例如，如图5A所示，在电源电压VDD(3.3V)与接地电压(0V)之间，能够生成将第一霍尔元件H1的霍尔信号401、402线性放大的放大信号401A、402A。
同样，向构成第二放大电路32的差动输入级的晶体管Q21、Q22的基极电极，如上所述，输入以0.825V(VDD×1/4)为中心且最大变化约±0.24V的霍尔信号411、412。由此，第二放大电路32能够进行适当的放大动作。例如，如图5B所示，在电源电压VDD(3.3V)与接地电压(0V)之间，能够生成将第二霍尔元件H2的霍尔信号411、412线性放大的放大信号411A、412A。
另外，如此，在晶体管开路的范围内被抑制得极小的电压被施加至第一放大电路31、第二放大电路32的差动输入电路313、323的晶体管Q11、Q12、Q21、Q22的基极电极，因此能够在差动输入电路313、323中流动适当的大小的电流。由此，能够抑制第一放大电路31、第二放大电路32的消耗电力。
另外，通过采用将第一霍尔元件H1与第二霍尔元件H2串联连接的构成，从而能够抑制因温度的变化所致的霍尔信号401、402、411、412的电压变动。即，随温度的变化，2个霍尔元件H1、H2的各内部电阻r1～r4的电阻值(绝对值)会变化，但2个霍尔元件H1、H2的内部电阻r1～r4的电阻值相对于温度同样地变化，因此第一霍尔元件H1以及第二霍尔元件H2的内部电阻r1～r4的电阻比不变。因此，将电源电压VDD与接地电压GND之间的电压基于内部电阻r1～r4的电阻比分压而生成的霍尔信号401、402、411、412不易相对于温度变动。由此，能够生成对温度的稳定性高的霍尔信号。
另外，通过采用将第一霍尔元件H1与第二霍尔元件H2串联连接的构成，能够减小对各个霍尔元件H1、H2施加的输入电压以及输入电流。例如，在将与构成控制电路5的MPU等的动作电源(例如3.3V)相同的电源供给至磁性检测单元2的情况下，对各霍尔元件H1、H2施加MPU等的动作电源的一半的电压。因此，即使是因规格而不能施加3.3V的输入电压的霍尔元件，也能用作角度检测装置1的2个霍尔元件H1、H2。
另外，由第一霍尔元件H1的内部电阻r1～r4构成的桥接电路和由第二霍尔元件H2的内部电阻r1～r4构成的桥接电路串联连接于电源电压VDD与接地电压GND之间，因此能够减小各霍尔元件H1、H2的输入电流。此外，在想要进一步限制输入电流的情况下，也可以在2个霍尔元件H1、H2的输入侧另行串联电阻。
另外，通过将2个霍尔元件H1、H2串联连接并使施加至各霍尔元件H1、H2的电压小于电源-接地间的电压，从而能将角度检测装置1以外的电路的动作电源用作磁性检测单元2的电源。由此，无需仅仅为了驱动2个霍尔元件H1、H2而另行设置电源电路，因此能抑制电路规模的增大。
另外，根据本实施方式所涉及的角度检测装置1，无需使用市场上流通的高精度的运算放大器IC，因此能抑制成本。例如，通过采用分立元件作为构成第一放大电路31、第二放大电路32的电路元件，能够抑制角度检测装置1的成本。但是，关于构成差动输入级的晶体管等要求高配对特性的电路元件，优选使用适当的电子部件，例如将具有相同性能的多个晶体管收纳于一个封装体的IC等。
如以上说明，根据本实施方式所涉及的角度检测装置1，能够提供解决在采用了霍尔元件的情况下的各种问题、廉价且高精度的磁式的绝对式角度传感器。
《实施方式2》
〈电机机构〉
图6是表示实施方式2所涉及的电机机构的构成的图。
如图6所示，电机机构100A具有电机20A和电机控制装置10A。
电机20A例如是直动式电机。在本实施方式中，以电机20A是具有A相和B相的2个相的2相线性步进电机的情况为例进行说明。
电机控制装置10A以向电机20A供给驱动电力而使电机20A驱动的方式构成。具体而言，电机控制装置10A具有位置检测装置1A和控制装置4A。位置检测装置1A是根据电机20A的输出轴的移动来生成并输出与输出轴21A的位置对应的信号的装置。控制装置4A通过基于对应于电机20A的输出轴21A的移动而从位置检测装置1A输出的信号，向电机20A施加驱动信号，从而使电机20A的转子旋转。通过转子的旋转，输出轴21A进行直动。
〈控制装置〉
控制装置4A具有：电机驱动部7A，其驱动电机20A；控制电路5A，其对电机20A的驱动进行控制；以及通信电路6，其用于与外部装置(未图示)之间进行通信。此外，图1所示的控制装置4A的组成部分是整体的一部分，控制装置4A除了图6所示以外，还可以具有其他组成部分。
电机驱动部7A基于从控制电路5A输出的驱动控制信号8A，生成用于对构成电机20A的各相的线圈进行驱动的驱动信号(驱动电压)VA+、VA－、VB+、VB－，并供给至电机20A的各相。
控制电路5A例如由MCU、DSP等的程序处理装置构成。此外，控制电路5A可以整体封装为1个集成电路装置，也可以将控制电路5A的全部或一部分与其他装置一起封装而构成1个集成电路装置。
控制电路5A基于经由通信电路6等从外部装置(用户)设定的指令位置信号(表示输出轴21A的目标位置的信号)、以及从后述的位置检测装置1A输出的表示电机20A的输出轴21A的位置的信号411A、412A，来生成驱动控制信号8A，并将生成的驱动控制信号8A供给至电机驱动部7A。即，控制电路5A通过目标位置与输出轴21A的位置的实测值的比较来进行反馈的同时，生成用于驱动电机20A的驱动控制信号8A并供给至电机驱动部7A，从而进行电机20A的旋转控制。
另外，控制电路5A具有输出可作为周边电路的电源电压使用的固定电压的功能。控制电路5A例如被供给3.3V的电源电压来进行动作，并且将输入的电源电压作为角度检测装置1A的电源电压VDD，而输出例如3.3V的固定电压。
〈位置检测装置〉
位置检测装置1A具有作为磁性检测元件的多个霍尔元件在各自的霍尔元件的输入侧相互串联连接的构成。位置检测装置1A是能基于霍尔元件的检测信号来检测电机20A的输出轴21A的绝对位置的绝对式传感器。
图7是表示位置检测装置1A的电路构成的图。
如图7所示，位置检测装置1A具有磁性检测单元2和放大电路3A。
在磁性检测单元2中，2个霍尔元件H1、H2当中的第二霍尔元件H2用于电机20A的输出轴21A的位置检测。另一方面，第一霍尔元件H1不用于输出轴21A的位置检测，而是作为用于补偿第二霍尔元件H2的特性的虚设(Dummy)元件来设置。
图8A、图8B是表示2个霍尔元件H1、H2的配置例的图。
图8A示出了在电机机构100A中从与电机20A的输出轴21A的轴线Q垂直的方向观察时的2个霍尔元件H1、H2的配置例。图8B示出了在电机机构100A中从与电机20A的输出轴21A的轴线Q方向观察的2个霍尔元件H1、H2的配置例。
如图8A、8B所示，在电机机构100A中，电机20A具有定子单元、转子单元、输出轴21A、轴承26、罩27以及壳体25等作为线性步进电机的组成部分。此外，在图8A、8B中，仅图示了构成电机20A的一部分的组成部分。
在电机20A中，定子单元以及转子单元容纳于壳体25内。定子单元包含线圈30以及定子轭部34。转子单元包含转子磁铁23和转子构件24。在转子构件24中，嵌入有内螺纹部35。另外，在内螺纹部35的内侧螺纹结合外螺纹部36。输出轴21A以贯通壳体25的状态配置。在输出轴21A的一个端部210侧，固定有作为驱动对象的头部29。
在壳体25内，通过形成于转子构件24的内螺纹部35与外螺纹部36啮合，从而使转子构件24与输出轴21A连结。若转子单元旋转，则嵌入于转子构件24的内螺纹部35也旋转。若内螺纹部35旋转，则与内螺纹部35啮合的外螺纹部36通过与利用滚珠丝杠的进给机构同样的原理，在轴向上移动，其结果，输出轴21A在其轴线Q方向上移动。即，在电机20A中，转子单元的旋转运动变换成输出轴21A的直线运动。
如图8A所示，在输出轴21A的另一个端部211侧，固定有2个霍尔元件H1、H2。由此，输出轴21A在轴线Q方向上移动时，2个霍尔元件H1、H2也在轴线Q方向上移动。
在2个霍尔元件H1、H2的附近，设置有传感器磁铁(磁铁)22A。传感器磁铁22A例如是矩形的板状的2极的永久磁铁。
传感器磁铁22A固定于与输出轴21A对置的位置。具体而言，传感器磁铁22A在与输出轴21A的轴线Q垂直的方向上配置于与第二霍尔元件H2对置的位置。例如，如图8A、图8B所示，传感器磁铁22A在罩27上与第二霍尔元件H2对置配置，罩27容纳对输出轴21A的端部211侧进行保持的轴承26。由此，当输出轴21A在轴线Q方向上移动时，依据第二霍尔元件H2的传感器磁铁22A的磁通的检测量变化。
此外，在输出轴21A基于电机20A的旋转而移动时，第二霍尔元件H2以及传感器磁铁22A只要设置于第二霍尔元件H2能精度良好地检测传感器磁铁22A的磁通的变化的位置即可，第二霍尔元件H2以及传感器磁铁22A的设置位置不限于图8A、8B所示的例子。
第二霍尔元件H2检测传感器磁铁22A的磁通，并作为输出信号输出电压随磁通的变化而变化的模拟信号(以下也称为“霍尔信号”)。
第一霍尔元件H1如上所述，是用于补偿第二霍尔元件H2的特性的虚设元件。第一霍尔元件H1优选配置于第二霍尔元件H2的附近。即，第一霍尔元件H1优选配置于与第二霍尔元件H2为相同温度环境的位置。例如，如图8A、8B所示，例如，第一霍尔元件H1与第二霍尔元件H2在输出轴21A的外周面上以输出轴21A的外周方向的相位错开90度(90度以下)的方式配置。
此外，形成有与2个霍尔元件H1、H2连接的放大电路3A等的电路基板等既可以配置在图8A、8B所示的电机20A的壳体25内，也可以配置于壳体25的外部。
(2)放大电路
如图7所示，放大电路3A是将从第二霍尔元件H2输出的霍尔信号分别放大并输出的功能部。
放大电路3A是将第二霍尔元件H2的霍尔信号411、412分别放大的电路。具体而言，放大电路3A具有恒流源电路322和差动放大电路321。
恒流源电路322是产生恒定电流并供给至差动放大电路321的电路。恒流源电路322例如包含N型晶体管Q23、Q24以及电阻R25。
例如，N型晶体管Q23、Q24是NPN型的双极晶体管。晶体管Q23和晶体管Q24构成镜像恒流源电路。
在恒流源电路322中，晶体管Q23的基极电极与集电极电极公共连接，晶体管Q23的发射极电极供给有接地电压GND。
电阻R25的一端与晶体管Q23的基极电极以及集电极电极连接，电阻R25的另一端供给有电源电压VDD。晶体管Q24的发射极电极供给有接地电压GND。晶体管Q24的基极电极与晶体管Q23的基极电极以及集电极电极一起连接于电阻R25的一端，晶体管Q24的集电极电极连接于构成后述的差动输入电路323的电阻R22与电阻R24相互连接的节点。
根据具有上述构成的恒流源电路322，在将晶体管Q23的基极-发射极间电压设为VBE23时，从晶体管Q23输出电流In＝(VDD－VBE23)/R25，复制该电流In的电流从晶体管Q24供给至差动放大电路321。
差动放大电路321是将从第二霍尔元件H2的第二正侧输出端子OP2输出的霍尔信号411与从第二霍尔元件H2的第二负侧输出端子ON2输出的霍尔信号412之差放大并输出的电路。
差动放大电路321包含差动输入电路323和电阻R21～R24。差动输入电路323例如包含N型(第二导电型)的晶体管对。例如，差动输入电路323具有NPN型双极晶体管Q21、Q22，作为以特性相等的方式构成的晶体管对。
晶体管Q21的基极电极与第二霍尔元件H2的第二负侧输出端子ON2连接，晶体管Q22的基极电极与第二霍尔元件H2的第二正侧输出端子OP2连接。
电阻R21的一端与晶体管Q21的集电极电极连接，电阻R21的另一端供给有电源电压VDD。电阻R23的一端与晶体管Q22的集电极电极连接，电阻R23的另一端供给有电源电压VDD。电阻R22的一端与晶体管Q21的发射极电极连接。电阻R24的一端与晶体管Q22的发射极电极连接。电阻R22的另一端连接于电阻R24的另一端以及晶体管Q24的集电极电极。
根据具有上述构成的差动放大电路321，从对电阻R21的一端与晶体管Q21的集电极电极进行连接的节点Np2，输出将霍尔信号411与霍尔信号412之差放大的正极性的放大信号411A。另外，从对电阻R23的一端与晶体管Q22的集电极电极进行连接的节点Nn2，输出将霍尔信号411与霍尔信号412之差放大的负极性的放大信号412A。
如此，第二霍尔元件H2的霍尔信号411、412由放大电路3A放大，并作为放大信号411A、412A而被输入至控制电路5A。
控制电路5A基于所输入的放大信号411A、412A来计算电机20A的输出轴21A的位置的实测值。如上所述，放大信号411A、412A(霍尔信号411、412)是将根据传感器磁铁22A与第二霍尔元件H2的位置关系而变化的磁通的大小变换成电压的信号。因此，控制电路5A能从放大信号411A、412A的电压的大小计算出电机20A的输出轴21A的绝对位置。例如，只要将表示放大信号411A、412A的电压值与输出轴21A的位置信息的对应关系的表格、关系式等预先存储于控制电路5A内的存储部，并且控制电路5A基于存储于存储部的该表格、关系式等和放大信号411A、412A来计算电机20A的输出轴21A的绝对位置即可。
〈电机控制方法〉
接下来，对实施方式2所涉及的电机机构100A中的电机20A的控制方法进行说明。
图9是表示实施方式2所涉及的电机机构100A中的电机控制方法的流程的流程图。
首先，若向电机机构100A供给电源电压，则电机机构100A启动(步骤S1A)。接下来，由设置于电机20A的输出轴21A的第二霍尔元件H2检测传感器磁铁22A的磁通，并生成对应于检测出的磁通的霍尔信号411、412(步骤S2A)。
接下来，位置检测装置1A的放大电路3A将从第二霍尔元件H2输出的霍尔信号411、412分别放大，来生成放大信号411A、412A(步骤S3A)。
接下来，控制装置4A基于从位置检测装置1A输出的放大信号411A、412A，执行用于生成驱动信号的处理，所述驱动信号用于驱动电机20A(步骤S4A)。
具体而言，首先，控制装置4A的控制电路5A读取将第二霍尔元件H2的霍尔信号放大的放大信号411A、412A(步骤S41A)。例如，控制电路5A通过设置于控制电路5A的内部的模拟/数字变换电路(未图示)，将作为模拟信号的放大信号411A、412A变换成数字信号，并存储至设置于控制电路5A的内部的存储部(未图示)。
接下来，控制电路5A基于所读取的放大信号411A、412A来计算电机20A的输出轴21A的位置的实测值(步骤S42A)。此时，通过使用电压随固定于输出轴21A的第二霍尔元件H2与传感器磁铁22A的位置关系而变化的第二霍尔元件H2的霍尔信号411、412(放大信号411A、412A)，从而能够计算输出轴21A的绝对位置。
接下来，控制电路5A将经由通信电路6等而从外部装置设定的目标位置与步骤S42A中计算出的电机20A的输出轴21A的位置的实测值进行比较(步骤S43A)。在步骤S43A中，在目标位置与实测出的位置之间存在偏差的情况下，控制电路5A生成能够减小该偏差的驱动控制信号8A(步骤S44A)。
接下来，电机驱动部7A基于在步骤S44A中生成的驱动控制信号8A来生成驱动信号(驱动电压)VA+、VA－、VB+、VB－，并供给至电机20A的各相，从而使电机20A旋转来使输出轴21A移动(步骤S5A)。由此，电机20A以使输出轴21A到达目标位置的方式被控制。
〈位置检测装置的效果〉
图10是表示实施方式2所涉及的位置检测装置中的放大电路3A的输入信号以及输出信号的仿真结果的图。在该仿真中，设为电源电压VDD＝3.3V，接地电压GND＝0V。
在图10中，横轴表示传感器磁铁(磁铁)22A在图8A中的x方向上的位置，纵轴表示电压〔V〕。另外，在图10中示出了电机20A的输出轴21A从传感器磁铁22A的S极侧移动至N极侧时的、作为放大电路3A的输入信号的第二霍尔元件H2的霍尔信号411、412、以及作为放大电路3A的输出信号的放大信号411A、412A。
关于实施方式2所涉及的位置检测装置1A，如上所述，在磁性检测单元2中，第一霍尔元件H1与第二霍尔元件H2在各自的输入侧在电源电压VDD与接地电压GND之间相互串联连接。
因此，第二霍尔元件H2的霍尔信号的基准电压成为基于各霍尔元件H1、H2的内部电阻r1～r4的电阻比而将电源电压VDD与接地电压GND之间的电压分压的电压。即，在第二霍尔元件H2的各内部电阻r1～r4处于平衡状态时，第一霍尔元件H1的霍尔信号的基准电压成为“VDD×3/4”，第二霍尔元件H2的基准电压成为“VDD×1/4”。
例如，如图10所示，在设为电源电压VDD＝3.3V、接地电压GND＝0V时，第二霍尔元件H2的基准电压成为0.825V(＝3.3×1/4)，第二霍尔元件H2的霍尔信号411、412成为以0.825V为中心且最大变化约±0.24V的波形。
另一方面，被输入第二霍尔元件H2的霍尔信号411、412的放大电路3A具有由NPN型晶体管Q21、Q22构成的差动输入电路323，因此若不输入适当的电压范围的信号，则放大电路3A不会进行适当的放大动作。例如，为了使晶体管Q21、Q22适当地动作，在将晶体管Q21、Q22的PN结部的饱和电压设为VBE20(≒0.6V)时，需要将“VBE20(≒0.6V)”以上的电压输入至晶体管Q21、Q22的基极电极。另一方面，在向晶体管Q21、Q22的基极电极输入电源电压VDD附近的大的电压的情况下，放大电路3A的输出电压将饱和。
如此在将来自霍尔元件的输出信号放大的放大电路3A中，在输入电压范围方面存在限制，但在实施方式2所涉及的位置检测装置1A中，由于采用了第一霍尔元件H1和第二霍尔元件H2在电源电压VDD与接地电压GND之间相互串联连接的构成，因此能向放大电路3A输入适当的电压范围的信号。
例如，向构成放大电路3A的差动输入电路323的晶体管Q21、Q22的基极电极，如上所述，输入以0.825V(VDD×1/4)为中心且最大变化约±0.24V的霍尔信号411、412。由此，放大电路3A能够进行适当的放大动作。例如，如图10所示，在电源电压VDD(3.3V)与接地电压(0V)之间，能够生成将第二霍尔元件H2的霍尔信号411、412线性放大的放大信号411A、412A。
另外，如此，在晶体管开路的范围内被抑制得极小的电压被施加至放大电路3A的差动输入电路323的晶体管Q21、Q22的基极电极，因此能够在差动输入电路323中流动适当的大小的电流。由此，能够抑制放大电路3A的消耗电力。
另外，通过不单独使用用于磁性检测的第二霍尔元件H2，而与虚设的霍尔元件H1串联连接，从而能够抑制因温度的变化所致的第二霍尔元件H2的霍尔信号411、412的电压变动。即，虽然串联连接的2个霍尔元件H1、H2的各内部电阻r1～r4的绝对值(电阻值)相对于温度而变化，但其变化的趋势在各内部电阻r1～r4间是同样的，因此第一霍尔元件H1以及第二霍尔元件H2的内部电阻r1～r4的电阻比不变。因此，将电源电压VDD与接地电压GND之间的电压基于第一霍尔元件H1以及第二霍尔元件H2的内部电阻r1～r4的电阻比分压而生成的霍尔信号411、412不易相对于温度发生变动。由此，能够生成对温度的稳定性高的霍尔信号。
另外，通过采用将第一霍尔元件H1与第二霍尔元件H2串联连接的构成，能够减小对各个霍尔元件H1、H2施加的输入电压以及输入电流。
例如，在将与构成控制电路5A的MPU等的动作电源(例如3.3V)相同的电源供给至磁性检测单元2的情况下，对各霍尔元件H1、H2施加MPU等的动作电源的一半的电压。因此，即使是因规格而不能施加3.3V的输入电压的霍尔元件，也能用作位置检测装置1A的霍尔元件H1、H2。另外，由第一霍尔元件H1的内部电阻r1～r4构成的桥接电路和由第二霍尔元件H2的内部电阻r1～r4构成的桥接电路串联连接于电源电压VDD与接地电压GND之间，因此能够减小各霍尔元件H1、H2的输入电流。
此外，在想要进一步限制输入电流的情况下，也可以在2个霍尔元件H1、H2的输入侧另行串联连接电阻。
另外，通过将2个霍尔元件H1、H2串联连接并使施加至各霍尔元件H1、H2的电压小于电源-接地间的电压，从而如上所述，能够将位置检测装置1A以外的电路的动作电源用作磁性检测单元2的电源。由此，无需仅仅为了驱动2个霍尔元件H1、H2而另行设置电源电路，因此能抑制电路规模的增大。
另外，根据实施方式2所涉及的位置检测装置1A，无需使用市场上流通的高精度的运算放大器IC，因此能抑制成本。例如，通过采用分立元件作为构成放大电路3A的电路元件，能够抑制位置检测装置1A的成本。但是，关于构成差动输入级的晶体管等要求高配对特性的电路元件，优选使用适当的电子部件，例如将具有相同性能的多个晶体管收纳于一个封装体的IC等。
如以上说明，根据实施方式2所涉及的位置检测装置1A，能够提供解决在采用了霍尔元件的情况下的各种问题、廉价且高精度的新的磁式的绝对式位置检测用传感器。
《实施方式的扩展》
尽管以上基于实施方式具体说明了本发明者们作出的发明，但本发明不限于此，能在不脱离其主旨的范围内进行各种变更，这是不言自明的。
例如，在实施方式1所涉及的电机机构100中，传感器磁铁22以及2个霍尔元件H1、H2的设置位置不限于图3A、图3B所示的位置。即，传感器磁铁22只要设置于传感器磁铁22的磁通随电机20的转子的旋转而变化的位置即可，另外，2个霍尔元件H1、H2只要设置于能探测该传感器磁铁22的磁通的变化的位置即可。
另外，尽管在实施方式1中例示了电机20为2相步进电机的情况，但例如也可以是3相或5相的步进电机，还可以是其他种类的电机(例如，无刷电机等)。
尽管在实施方式2中例示了通过2个霍尔元件H1、H2当中的第二霍尔元件H2来检测传感器磁铁22A的磁通的情况，但不限于此，还可以通过第一霍尔元件H1来检测传感器磁铁22A的磁通。
例如，在图8A、8B中，将输出轴21A上的第一霍尔元件H1与第二霍尔元件H2的位置交换，并且如图11所示，设置将从第一霍尔元件H1的第一正侧输出端子OP1输出的霍尔信号和从第一霍尔元件H1的第一负侧输出端子ON1输出的霍尔信号放大的放大电路3B。在此情况下，如图11所示，放大电路3B优选使用极性与上述放大电路3A相反的晶体管即P型晶体管来构成。
例如，在放大电路3B中，接受从第一霍尔元件H1输出的极性不同的霍尔信号401、402的差动放大电路311的差动输入电路313优选使用P型晶体管对Q11、Q12来构成。同样，恒流源电路312优选利用P型晶体管对Q13、Q14来构成。
另外，尽管在上述实施方式中，例示了采用双极晶体管来作为构成放大电路31、32、3A、3B的晶体管的情况，但还能采用MOS(Metal-Oxide-Semiconductor)晶体管等其他种类的晶体管。
另外，在上述实施方式中，放大电路31、32、3A、3B不限于上述电路构成。放大电路31、32、3A、3B只要是能将从串联连接的多个霍尔元件输出的信号线性放大的电路构成即可。
另外，尽管在上述实施方式中例示了将2个霍尔元件H1、H2串联连接的情况，但根据需要也可以将3个以上的霍尔元件串联连接。
另外，在实施方式2所涉及的电机机构100A中，传感器磁铁22A以及2个霍尔元件H1、H2的设置位置不限于图8A、图8B所示的位置。即，第二霍尔元件H2以及传感器磁铁22A当中的一者固定于输出轴21A，第二霍尔元件H2以及传感器磁铁22A当中的另一者固定于不随输出轴21A的移动而移动的位置即可。例如，在图8A、8B中，可以将2个霍尔元件H1、H2与传感器磁铁22A互换配置。即，可以将2个霍尔元件H1、H2配置在罩27上，并将传感器磁铁22A固定于输出轴21A的端部211侧。
另外，尽管在实施方式2中例示了电机20A为2相线性步进电机的情况，但只要是直动式电机，就能适用于各种电机。例如，电机20A既可以是3相或5相的线性步进电机，也可以是其他种类的电机(例如，无刷电机等)。
另外，尽管在实施方式2中例示了为了检测线性步进电机的输出轴的绝对位置而将位置检测装置1A适用于电机机构的情况，但适用的对象不限于电机。例如，位置检测装置1A能够适用于轴在直动方向上移动的各种对象。
另外，上述流程图示出用于说明动作的一例，并不限于此。即，流程图的各图所示的步骤只是一例，并不限于该流程。例如，可以将一部分的处理的顺序进行变更，也可以在各处理之间插入其他的处理，还可以将一部分的处理并行进行。
标号说明
1角度检测装置，1A、1B位置检测装置，2磁性检测单元，3放大部，3A、3B放大电路，4、4A控制装置，5、5A控制电路，6通信电路，7、7A电机驱动部，8、8A驱动控制信号，10、10A电机控制装置，20、20A电机，21、21A输出轴，22、22A传感器磁铁(磁铁)，31第一放大电路，32第二放大电路，100、100A电机机构，311、321差动放大电路，312、322恒流源电路，313、323差动输入电路，401、402、411、412霍尔信号，401A、402A、411A、412A放大信号，GND接地电压，H1第一霍尔元件，H2第二霍尔元件，IN1第一负侧输入端子，IN2第二负侧输入端子，IP1第一正侧输入端子，IP2第二正侧输入端子，ON1第一负侧输出端子，ON2第二负侧输出端子，OP1第一正侧输出端子，OP2第二正侧输出端子，P轴线，Q11～Q14、Q21～Q24晶体管，R旋转方向，r1～r4内部电阻，R11～R15、R21～R25电阻，VDD电源电压。

Claims (14)

1.一种磁性检测单元，具备多个霍尔元件，
所述多个霍尔元件在各所述霍尔元件的输入侧相互串联连接。
2.根据权利要求1所述的磁性检测单元，其特征在于，
所述多个霍尔元件包含：第一霍尔元件，其具有第一正侧输入端子及第一负侧输入端子和第一正侧输出端子及第一负侧输出端子；以及第二霍尔元件，其具有第二正侧输入端子及第二负侧输入端子和第二正侧输出端子及第二负侧输出端子，
电源电压被施加至所述第一霍尔元件的所述第一正侧输入端子，
所述第一霍尔元件的所述第一负侧输入端子与所述第二霍尔元件的所述第二正侧输入端子被连接，
接地电压被施加至所述第二霍尔元件的所述第二负侧输入端子。
3.一种角度检测装置，其特征在于，具备：
权利要求2所述的磁性检测单元；以及
多个放大电路，其设置于每个所述霍尔元件，并放大对应的所述霍尔元件的输出信号。
4.根据权利要求3所述的角度检测装置，其特征在于，
所述多个放大电路包含第一放大电路和第二放大电路，所述第一放大电路将所述第一霍尔元件中的所述第一正侧输出端子的电压与所述第一负侧输出端子的电压之差放大，所述第二放大电路将所述第二霍尔元件中的所述第二正侧输出端子的电压与所述第二负侧输出端子的电压之差放大，
所述第一放大电路具有包含P型晶体管对的差动输入电路，
所述第二放大电路具有包含N型晶体管对的差动输入电路。
5.一种电机控制装置，包含：
权利要求3或4所述的角度检测装置；以及
控制装置，其基于由所述多个放大电路分别放大的信号，生成用于对电机的驱动进行控制的驱动控制信号。
6.一种电机机构，其特征在于，具备：
权利要求5所述的电机控制装置；
所述电机，其基于由所述控制装置生成的所述驱动控制信号而被控制；以及
磁铁，其设置于所述电机的输出轴，
所述多个霍尔元件沿所述磁铁旋转的方向相互分离配置。
7.根据权利要求6所述的电机机构，其特征在于，
所述电机机构具有2个所述霍尔元件，该2个所述霍尔元件以相位相互错开90度的方式配置。
8.一种位置检测装置，其特征在于，具备：
权利要求2所述的磁性检测单元；以及
放大电路，其将所述多个霍尔元件当中的一个霍尔元件的输出信号放大。
9.根据权利要求8所述的位置检测装置，其特征在于，
所述放大电路将所述第二霍尔元件中的所述第二正侧输出端子的电压与所述第二负侧输出端子的电压之差放大，
所述放大电路具有包含N型晶体管对的差动输入电路。
10.一种电机控制装置，包含：
权利要求8或者9所述的位置检测装置；以及
控制装置，其基于由所述放大电路放大的信号，生成用于对电机的驱动进行控制的驱动控制信号。
11.一种电机机构，其特征在于，具备：
权利要求10所述的电机控制装置；
所述电机；以及
磁铁，
所述电机是具有输出轴且基于所述驱动控制信号对所述输出轴向轴线方向上的移动进行控制的直动式电机，
所述一个霍尔元件以及所述磁铁当中的一者固定于所述输出轴，所述一个霍尔元件以及所述磁铁当中的另一者固定于与所述输出轴对置的位置。
12.根据权利要求11所述的电机机构，其特征在于，
所述一个霍尔元件固定于所述输出轴，
所述磁铁固定于与所述输出轴对置的位置。
13.一种电机控制方法，是利用电机控制装置的电机控制方法，所述电机控制装置具备：用于对随电机的转子的旋转而旋转的磁铁的磁通进行检测的多个霍尔元件、设置于每个所述霍尔元件的多个放大电路、以及生成用于对电机的驱动进行控制的驱动控制信号的控制装置，所述多个霍尔元件在各自的输入侧相互串联连接，
所述电机控制方法的特征在于，包含：
由所述霍尔元件生成与检测出的磁通相应的信号的步骤；
所述多个放大电路将由对应的所述霍尔元件生成的信号分别放大的步骤；以及
所述控制装置基于由各所述放大电路放大的信号计算所述转子的旋转角度，并且基于计算出的旋转角度生成所述驱动控制信号并供给至所述电机的步骤。
14.一种电机控制方法，是利用电机控制装置的电机控制方法，所述电机控制装置具有：具有在输入侧相互串联连接的多个霍尔元件的磁性检测单元、放大电路、磁铁、以及生成驱动控制信号的控制装置，所述驱动控制信号用于对输出轴能够在其轴线方向上移动的直动式电机的驱动进行控制，所述多个霍尔元件以及所述磁铁当中的一者设置于随所述输出轴的移动而移动的位置，所述多个霍尔元件以及所述磁铁当中的另一者设置于与所述输出轴对置的位置，
所述电机控制方法的特征在于，包含：
所述多个霍尔元件当中的一个霍尔元件基于检测出的磁通生成信号的步骤；
所述放大电路将由所述一个霍尔元件生成的信号放大的步骤；以及
所述控制装置基于由所述放大电路放大的信号计算所述输出轴的位置，并且基于计算出的位置生成所述驱动控制信号并供给至所述直动式电机的步骤。
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