DE102016101245A1

DE102016101245A1 - Positionsvorhersagevorrichtung und Positionsdetektionsvorrichtung

Info

Publication number: DE102016101245A1
Application number: DE102016101245.9A
Authority: DE
Inventors: Yuichiro Yamaji; Shinichirou MOCHIZUKI; Hiraku Hirabayashi; Tsuyoshi Umehara
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2015-03-27
Filing date: 2016-01-25
Publication date: 2016-09-29
Also published as: JP6194914B2; JP2016186475A

Abstract

Es sind eine Positionsvorhersagevorrichtung, die in der Lage ist, eine Position eines Betriebskörpers, der kontinuierlich arbeitet, zu einer vorbestimmten Zeit vorherzusagen, und eine Positionsdetektionsvorrichtung, die die Positionsvorhersagevorrichtung umfasst, bereitgestellt. Die Vorrichtung, die die Position des Betriebskörpers, der kontinuierlich arbeitet, zu der vorbestimmten Zeit vorhersagt, umfasst einen Rechenverarbeitungsabschnitt, der Positionsinformationen bezüglich des Betriebskörpers basierend auf einem Signal berechnet, das sich auf die Position des Betriebskörpers bezieht und von einem Detektionsabschnitt ausgegeben wird, der ein externes Magnetfeld eines Magnetfelderzeugungsabschnitts detektiert, der in dem Betriebskörper bereitgestellt ist, und einen Vorhersageabschnitt, der die Position des Betriebskörpers zu der vorbestimmten Zeit auf Basis eines Differentialwerts N-ter Ordnung vorhersagt, der durch N-maliges Differenzieren (N ist eine ganze Zahl größer oder gleich 1) der Positionsinformationen, die von dem Rechenverarbeitungsabschnitt berechnet werden, nach der Zeit erhalten wird.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung, die eine Position eines Betriebskörpers, die sich aus seinem Betrieb ergibt, vorhersagt, und auf eine Vorrichtung, die die Position eines Betriebskörpers, die sich aus seinem Betrieb ergibt, detektiert.
Hintergrund der Erfindung
Herkömmlicherweise wird eine Positionsdetektionsvorrichtung verwendet, die eine Änderung einer physikalischen Größe durch einen Drehvorgang oder dergleichen eines Betriebskörpers wie etwa eines Servomotors, der an einem beweglichen Maschinenabschnitt in einer Werkzeugmaschine oder dergleichen montiert ist, detektiert, um dadurch eine Position des Betriebskörpers zu detektieren. Eine Betriebssteuerung des Betriebskörpers wird durch kontinuierliches Verfolgen des Drehvorgangs oder dergleichen des Betriebskörpers durch eine Ausgabe durch die Positionsdetektionsvorrichtung und Rückkoppeln des Drehvorgangs in den Betriebskörper durchgeführt.
Als die oben beschriebene Positionsdetektionsvorrichtung ist die Positionsdetektionsvorrichtung, die einen Magnetfelderzeugungsabschnitt, der ein Magnetfeld erzeugt, und eine Magnetdetektionsvorrichtung umfasst, gut bekannt. Im Allgemeinen umfasst die obige Magnetdetektionsvorrichtung ein Magnetdetektionselement, das ein externes Magnetfeld, das von dem Magnetfelderzeugungsabschnitt erzeugt wird, detektiert, und ein Analogsignal, das die physikalische Größe der Relativbewegung des Magnetfelderzeugungsabschnitt angibt, ausgibt, und eine Rechenschaltung, die in der Lage ist, das obige Analogsignal in ein Digitalsignal umzuwandeln und die Position des Betriebskörpers zu einem aktuellen Zeitpunkt auf Basis des Digitalsignals zu berechnen, und ist als eine integrierte Schaltung ausgebildet, in der das Magnetdetektionselement und die Rechenschaltung auf demselben Halbleiterchip montiert und integriert sind.
Die Betriebssteuerung des Betriebskörpers wird basierend auf Positionsinformationen bezüglich des Betriebskörpers zu der aktuellen Zeit durchgeführt, die in der Rechenschaltung der oben beschriebenen Magnetdetektionsvorrichtung berechnet werden. Jedoch kann beispielsweise aufgrund eines Prozesses zum Umsetzen des Analogsignals, das aus dem Magnetdetektionselement ausgegeben wird, in das Digitalsignal, eines Filterprozesses zum Entfernen von Rauschen, das in dem digitalen Signal enthalten ist, und eines Prozesses zum Berechnen der Position des Betriebskörpers zu der aktuellen Zeit basierend auf dem Digitalsignal eine Verzögerung auftreten. Dementsprechend wird zum genauen Steuern des Betriebs des Betriebskörpers, der insbesondere mit hoher Geschwindigkeit arbeitet, ein Verfahren, bei dem die Position des Betriebskörpers zu einer Zeit in der Zukunft aus den Positionsinformationen bezüglich des Betriebskörpers vorhergesagt wird und der Betriebskörper auf der Grundlage des vorhergesagten Wert gesteuert wird, angewendet, um die Verzögerung zurückzugewinnen.
Als Positionsdetektionsvorrichtung, die das obige Verfahren ausführen kann, wird herkömmlicherweise eine Drehungsdetektionsvorrichtung vorgeschlagen, die Folgendes umfasst: ein Magnetsensorelement, das eine Magnetfeldstärke eines in einem Rotor bereitgestellten Magneten misst, Winkelberechnungsmittel zum Berechnen eines Drehwinkels des Magneten aus einem Messwert des Magnetsensorelements, Speichermittel zum Speichern von Daten über den Drehwinkel, die von den Winkelberechnungsmitteln ausgegeben werden, Drehzustandsschätzmittel zum Schätzen eines Drehzustands durch Ausführen eines statistischen Prozesses an den gespeicherten Daten der Speichermittel, Extrapolationsmittel zum Vorhersagen des Drehwinkels im Anschluss an den Drehzustand, der durch die Drehzustandsschätzmittel geschätzt wird, und Ausgabemittel zum Berechnen des Drehwinkels basierend auf dem Drehwinkel, der von den Extrapolationsmitteln vorhergesagt wird, und zum Ausgeben des berechneten Drehwinkels (siehe japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. 2008-116292 ).
Zusammenfassung der Erfindung
In der Drehungsdetektionsvorrichtung, die in der japanischen Patentoffenlegungsschrift Nr. 2008-116292 beschrieben ist, wird ein Winkel zu der aktuellen Zeit durch das Magnetsensorelement mit einer konstanten Abtastperiode ausgegeben und wird in den Speichermitteln gespeichert und gesammelt. Anschließend wird eine Verarbeitung, die ein Mittelungsfilter oder dergleichen verwendet, an vorherigen Winkeldaten vor den Winkeldaten zu der aktuellen Zeit, die in den Speichermitteln gespeichert und gesammelt sind, durchgeführt und der Winkel zu einer Abtastzeit, zu der eine Vorhersage durchgeführt werden soll, (vorhergesagter Winkel) wird bestimmt.
Die Winkeldaten zu der aktuellen Zeit, die mit der konstanten Abtastperiode durch das magnetische Sensorelement ausgegeben werden, umfassen spezifisches Rauschen. Wie in der japanischen Patentoffenlegungsschrift Nr. 2008-116292 beschrieben ist, entsteht dann, wenn der vorhergesagte Winkel durch lineare Extrapolation unter Verwendung der Winkeldaten, die das Rauschen enthalten, bestimmt wird, das Problem, dass die Genauigkeit des vorhergesagten Winkels reduziert ist. Wie aus einem in 9 gezeigten Vorhersagemodell ersichtlich ist, ist in dem Fall, in dem ein Winkel θ_n zu einer aktuellen Zeit T_n und ein Winkel θ_n-1 zu einer vorherigen Zeit T_n-1 spezifisches Rauschen enthalten (in 9 gibt ein Pfeil eine Rauschbreite an) und ein vorhergesagter Winkel θ_n+1 zu der nächsten Abtastzeit T_n+1 durch lineare Extrapolation unter Verwendung von diesen Winkeldaten vorhergesagt wird, das Rauschen, das in dem vorhergesagten Winkel θ_n+1 enthalten ist, verstärkt, so dass es größer als das der Winkel θ und θ_n-1 ist.
Wenn zusätzlich der vorhergesagte Winkel durch Mittelungsfilterverarbeitung oder dergleichen bestimmt wird, die die obigen Winkeldaten verwendet, tritt dadurch eine Gruppenverzögerung auf und es ist notwendig, die Abtastzeit, zu der die Vorhersage durchgeführt werden soll, auf eine Zeit in der Zukunft festzulegen. Wenn die Abtastzeit, zu der die Vorhersage durchgeführt werden soll, auf die Zeit in der Zukunft festgelegt wird, stellt sich das Problem, dass es nicht möglich ist, die Verstärkung des Rauschens zu unterdrücken, und die Genauigkeit des vorhergesagten Winkels ist reduziert.
Um die Genauigkeit des vorhergesagten Winkels zu erhöhen, ist es denkbar, eine Verarbeitung durchzuführen, die eine Filterschaltung oder dergleichen auf die Winkeldaten, die durch das Magnetsensorelement ausgegeben werden, anwendet, um das Rauschen, das in den Winkeldaten enthalten ist, zu reduzieren. Es ist möglich, das Rauschen, das in den Winkeldaten enthalten ist, durch die Verarbeitung zu reduzieren, die die Filterschaltung oder dergleichen verwendet. Jedoch tritt eine zusätzliche Verzögerung aufgrund der Verarbeitung, die die Filterschaltung oder dergleichen verwendet, auf und daher muss die Abtastzeit, zu der die Vorhersage durchgeführt werden soll, auf eine spätere Zeit in der Zukunft festgelegt werden. Somit wird dann, wenn die Abtastzeit, zu der die Vorhersage durchgeführt werden soll, auf die spätere Zeit in der Zukunft festgelegt wird, das durch die Filterschaltung reduzierte Rauschen oder dergleichen erneut verstärkt und das verstärkte Rauschen ist in dem vorhergesagten Winkel enthalten, und somit entsteht das Problem, dass die Genauigkeit des vorhergesagten Winkels als Ergebnis der Festlegung reduziert ist.
Angesichts des obigen Problems ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Positionsvorhersagevorrichtung, die die Position des Betriebskörpers, der kontinuierlich arbeitet, zu einer vorbestimmten Zeit genau vorhersagen kann, und eine Positionsdetektionsvorrichtung, die die Positionsvorhersagevorrichtung umfasst, bereitzustellen.
Um das oben genannte Problem zu lösen, stellt die vorliegende Erfindung eine Positionsvorhersagevorrichtung bereit, die eine Position eines Betriebskörpers, der kontinuierlich arbeitet, zu einer vorbestimmten Zeit vorhersagt und dadurch gekennzeichnet ist, dass sie Folgendes umfasst: einen Rechenverarbeitungsabschnitt, der Positionsinformationen bezüglich des Betriebskörpers basierend auf einem Signal berechnet, das sich auf die Position des Betriebskörpers bezieht und von einem Detektionsabschnitt ausgegeben wird, der ein externes Magnetfeld eines Magnetfelderzeugungsabschnitts detektiert, der in dem Betriebskörper bereitgestellt ist, und einen Vorhersageabschnitt, der die Position des Betriebskörpers zu der vorbestimmten Zeit auf der Basis eines Differentialwerts N-ter Ordnung vorhersagt, der durch N-maliges Differenzieren (N ist eine ganze Zahl größer oder gleich 1) der Positionsinformationen, die von dem Rechenverarbeitungsabschnitt berechnet werden, nach einer Zeit erhalten wird (Erfindung 1).
Gemäß der obigen Erfindung (Erfindung 1), ist es selbst in dem Fall, in dem Rauschen in den Positionsinformationen bezüglich des Betriebskörpers, der kontinuierlich arbeitet, enthalten ist, durch Vorhersagen der Position des Betriebskörpers zu der vorbestimmten Zeit auf Grundlage des Differentialwerts N-ter Ordnung der Positionsinformationen möglich, die Position des Betriebskörpers zu der vorbestimmten Zeit genau vorherzusagen.
In der obigen Erfindung (Erfindung 1) berechnet der Vorhersageabschnitt vorzugsweise einen Wert, der dem Differentialwert N-ter Ordnung zu der vorbestimmten Zeit entspricht, durch Durchführen einer Filterverarbeitung an dem Differentialwert N-ter Ordnung und sagt vorzugsweise die Position des Betriebskörpers zu der vorbestimmten Zeit basierend auf dem berechneten Wert, der dem Differentialwert N-ter Ordnung entspricht, vorher (Erfindung 2).
In den obigen Erfindungen (Erfindungen 1 und 2) sagt der Vorhersageabschnitt vorzugsweise die Position des Betriebskörpers zu der vorbestimmten Zeit durch Verwenden mindestens eines Differentialwerts N-ter Ordnung, der durch N-maliges Differenzieren (N ist eine ganze Zahl größer oder gleich 1) eines neuesten Positionsinformationselements unter den Positionsinformationselementen bezüglich des Betriebskörpers nach der Zeit erhalten wird, vorher (Erfindung 3).
In den obigen Erfindungen (Erfindungen 1 bis 3) sind die Positionsinformationen bezüglich des Betriebskörpers vorzugsweise Winkelinformationen (Erfindung 4) und in den obigen Erfindungen (Erfindungen 1 bis 4) kann der Vorhersageabschnitt die Position des Betriebskörpers zu der vorbestimmten Zeit basierend auf Winkelgeschwindigkeitsinformationen vorhersagen, die durch einmaliges Differenzieren von Winkelinformationen, die als die Positionsinformationen dienen, nach der Zeit erhalten werden (Erfindung 5), oder der Vorhersageabschnitt kann die Position des Betriebskörpers zu der vorbestimmten Zeit basierend auf Winkelgeschwindigkeitsinformationen vorhersagen, die durch zweimaliges Differenzieren von Winkelinformationen, die als die Positionsinformationen dienen, nach der Zeit erhalten werden (Erfindung 6).
Darüber hinaus stellt die vorliegende Erfindung eine Positionsdetektionsvorrichtung bereit, die dadurch gekennzeichnet ist, dass sie die Positionsvorhersagevorrichtung gemäß den obigen Erfindungen (Erfindungen 1 bis 6) und den Detektionsabschnitt, der so angeordnet ist, dass er dem Magnetfelderzeugungsabschnitt gegenüberliegt, der in dem Betriebskörper bereitgestellt ist, und der in der Lage ist, eine Position des Betriebskörpers zu detektieren, umfasst (Erfindung 7).
In der obigen Erfindung (Erfindung 7) kann der Detektionsabschnitt ein Magnetowiderstandseffektelement umfassen (Erfindung 8) und in den Erfindungen (Erfindungen 7 und 8) ist der Betriebskörper vorzugsweise ein Drehkörper, der sich um eine vorbestimmte Drehachse relativ zu dem Detektionsabschnitt dreht (Erfindung 9).
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, die Positionsvorhersagevorrichtung, die die Position des Betriebskörpers, der kontinuierlich arbeitet, zu der vorbestimmten Zeit genau vorhersagen kann, und die Positionsdetektionsvorrichtung, die die Positionsvorhersagevorrichtung umfasst, bereitzustellen.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 ist eine perspektivische Ansicht, die eine schematische Anordnung einer Drehwinkeldetektionsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
2 ist eine Seitenansicht, die die schematische Anordnung der Drehwinkeldetektionsvorrichtung gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
3 ist eine Blockdarstellung, die eine schematische Anordnung einer Magnetdetektionsvorrichtung in der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
4 ist ein Schaltungsdiagramm, das eine Schaltungsanordnung eines Detektionsabschnitts in der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung schematisch zeigt;
5 ist eine perspektivische Ansicht, die eine schematische Anordnung eines MR-Elements als Magnetdetektionselement in der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
6 ist ein Graph, der ein Simulationsergebnis in Beispiel 1 zeigt;
7 ist ein Graph, der ein Simulationsergebnis in Vergleichsbeispiel 1 zeigt;
8 ist ein Graph, der ein Simulationsergebnis in Vergleichsbeispiel 2 zeigt; und
9 ist ein Graph zum Erläutern einer Verstärkung von Rauschen, das in einem vorhergesagten Wert enthalten ist, in einem linearen Vorhersagemodell, das Winkeldaten verwendet, die das Rauschen enthalten.
Genaue Beschreibung der Erfindung
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen im Einzelnen beschrieben. 1 ist eine perspektivische Ansicht, die eine schematische Anordnung einer Drehwinkeldetektionsvorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform zeigt, 2 ist eine Seitenansicht, die die schematische Anordnung der Drehwinkeldetektionsvorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform zeigt, 3 ist eine Blockdarstellung, die eine schematische Anordnung einer Magnetdetektionsvorrichtung in der vorliegenden Ausführungsform zeigt, 4 ist ein Schaltungsdiagramm, das eine Schaltungsanordnung eines Detektionsabschnitts in der vorliegenden Ausführungsform schematisch zeigt und 5 ist eine perspektivische Ansicht, die eine schematische Anordnung eines MR-Elements als Magnetdetektionselement in der vorliegenden Ausführungsform zeigt.
Wie in 1 und 2 gezeigt umfasst eine Drehwinkeldetektionsvorrichtung 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform einen Magneten 2 und eine Magnetdetektionsvorrichtung 3, die so angeordnet ist, dass sie dem Magneten 2 gegenüberliegt. Der Magnet 2 ist an einem Endabschnitt eines Wellenabschnitts 11 (z. B. einer Motorwelle eines Servomotors), die sich kontinuierlich um eine Drehachse C in einer axialen Richtung dreht, befestigt und dreht sich synchron mit der Drehung des Wellenabschnitts 11 um die Drehachse C.
Der Magnet 2 hat eine Stirnfläche 21, die senkrecht zu der Drehachse C ist, und einen Nordpol 22 und einen Südpol 23, die symmetrisch relativ zu einer imaginären Ebene, die die Drehachse C enthält, angeordnet sind, und ist in einer Richtung senkrecht zu der Drehachse C (eine Richtung von dem Südpol 23 zu dem Nordpol 22 und senkrecht zu einer Grenze zwischen dem Nordpol 22 und dem Südpol 23) magnetisiert. Der Magnet 2 erzeugt basierend auf seiner Magnetisierung ein Magnetfeld.
Die Magnetdetektionsvorrichtung 3 ist so angeordnet, dass sie der Stirnfläche 21 des Magneten 2 gegenüberliegt, und detektiert das Magnetfeld, das durch den Magneten 2 erzeugt wird. Die Drehwinkeldetektionsvorrichtung 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist in der Lage, den Drehwinkel des Magneten 2, d. h. den Drehwinkel 11 des Wellenabschnitts, der sich drehend bewegt, basierend auf einer Ausgabe der Magnetdetektionsvorrichtung 3 zu detektieren.
Wie in 3 gezeigt weist die Magnetdetektionsvorrichtung 3 einen Detektionsabschnitt 31, der das Magnetfeld des Magneten 2 (siehe 1 und 2) detektiert, einen A/D-Umsetzungsabschnitt (Analog/Digital-Umsetzungsabschnitt) 32, der ein Analogsignal, das von dem Detektionsabschnitt 31 ausgegeben wird, in ein Digitalsignal umsetzt, einen Rechenverarbeitungsabschnitt 33, der an dem Digitalsignal, das einer Digitalumsetzung durch den A/D-Umsetzungsabschnitt 32 unterzogen worden ist, eine Rechenverarbeitung durchführt, um einen Drehwinkel θ zu berechnen, und einen Vorhersageabschnitt 34, der den Drehwinkel θ, der von dem Rechenverarbeitungsabschnitt 33 berechnet wird, einfach differenziert und einen Drehwinkel θ_n+1 zu der nächsten Abtastzeit T_n+1 basierend auf dem Differentialwert, d. h. einer Winkelgeschwindigkeit ω, vorhersagt. In der vorliegenden Ausführungsform besteht eine Positionsvorhersagevorrichtung, die dazu in der Lage ist, eine Position (Drehposition) eines Betriebskörpers, der kontinuierlich arbeitet, (beispielsweise einer Motorwelle eines Servomotors, die sich kontinuierlich dreht) vorherzusagen, mindestens aus dem Rechenverarbeitungsabschnitt 33 und dem Vorhersageabschnitt 34.
Wie in 4 gezeigt umfasst der Detektionsabschnitt 31 einen ersten Detektionsabschnitt 31A und einen zweiten Detektionsabschnitt 31B und der erste und der zweite Detektionsabschnitte 31A und 31B umfassen jeweils mindestens ein Magnetdetektionselement. Der Detektionsabschnitt 31 erzeugt ein Detektionssignal (Analogsignal) in Bezug auf einen Winkel (Drehwinkel), der von der Richtung des Magnetfeldes des Magneten 2 bezüglich einer vorbestimmten Richtung gebildet wird, und gibt das Detektionssignal mit einer vorbestimmten Abtastperiode (beispielsweise etwa 50 bis 100 μs) aus.
Der erste und der zweite Detektionsabschnitt 31A und 31B können jeweils ein Paar Magnetdetektionselemente umfassen, die als mindestens ein Magnetdetektionselement in Reihe geschaltet sind. In diesem Fall weisen der erste und der zweite Detektionsabschnitt 31A und 31B jeweils eine Wheatstone-Brückenschaltung auf, die ein erstes Paar Magnetdetektionselemente, die in Reihe geschaltet sind, und ein zweites Paar Magnetdetektionselemente, die in Reihe geschaltet sind, umfasst.
Eine Wheatstone-Brückenschaltung 311 des ersten Detektionsabschnitt 31A umfasst einen Energieversorgungsanschluss V1, einen Masseanschluss G1, zwei Ausgangsanschlüsse E11 und E12, ein erstes Paar Magnetdetektionselemente R11 und R12, die in Reihe geschaltet sind, und ein zweites Paar Magnetdetektionselemente R13 und R14, die in Reihe geschaltet sind. Ein Ende der Magnetdetektionselemente R11 und R13 ist jeweils mit dem Energieversorgungsanschluss V1 verbunden. Das andere Ende des Magnetdetektionselements R11 ist mit einem Ende des Magnetdetektionselements R12 und dem Ausgangsanschluss E11 verbunden. Das andere Ende des Magnetdetektionselements R13 ist mit einem Ende des Magnetdetektionselements R14 und dem Ausgangsanschluss E12 verbunden. Das andere Ende der Magnetdetektionselemente R12 und R14 ist jeweils mit dem Masseanschluss G1 verbunden. Eine Energieversorgungsspannung einer vorgegebenen Größe ist an dem Energieversorgungsanschluss V1 angelegt und der Masseanschluss G1 ist mit der Erde verbunden.
Eine Wheatstone-Brückenschaltung 312 des zweiten Detektionsabschnitts 31B weist eine Anordnung auf, die derjenigen der Wheatstone-Brückenschaltung 311 des ersten Detektionsabschnitts 31A ähnlich ist, und umfasst einen Energieversorgungsanschluss V2, einen Masseanschluss G2, zwei Ausgangsanschlüsse E21 und E22, ein erstes Paar Magnetdetektionselemente R21 und R22, die in Reihe geschaltet sind, und ein zweites Paar Magnetdetektionselemente R23 und R24, die in Reihe geschaltet sind. Ein Ende der magnetischen Detektionselemente R21 und R23 ist jeweils mit dem Energieversorgungsanschluss V2 verbunden. Das andere Ende des Magnetdetektionselements R21 ist mit einem Ende des Magnetdetektionselements R22 und dem Ausgangsanschluss E21 verbunden. Das andere Ende des Magnetdetektionselements R23 ist mit einem Ende des Magnetdetektionselements R24 und dem Ausgangsanschluss E22 verbunden. Das andere Ende der Magnetdetektionselemente R22 und R24 ist jeweils mit dem Masseanschluss G2 verbunden. Eine Energieversorgungsspannung einer vorgegebenen Größe ist an dem Energieversorgungsanschluss V2 angelegt und der Masseanschluss G2 ist mit der Erde verbunden.
In der vorliegenden Ausführungsform ist es möglich, für alle der Magnetdetektionselemente R11 bis R14 und R21 bis R24, die in den Wheatstone-Brückenschaltungen 311 und 312 enthalten sind, MR-Elemente wie etwa TMR-Elemente und GMR-Elemente zu verwenden, und es ist insbesondere bevorzugt, das TMR-Element zu verwenden. Das TMR-Element und das GMR-Element weisen jeweils eine Schicht mit fixierter Magnetisierung, in der eine Magnetisierungsrichtung fest ist, eine freie Schicht, in der sich eine Magnetisierungsrichtung entsprechend der Richtung des angelegten Magnetfeldes ändert, und eine nichtmagnetische Schicht, die zwischen der Schicht mit fixierter Magnetisierung und der freien Schicht angeordnet ist, auf.
Insbesondere weist das MR-Element wie in 5 gezeigt mehrere untere Elektroden 41, mehrere MR-Filme 50 und mehrere obere Elektroden 42 auf. Die mehreren unteren Elektroden 41 sind auf einem Substrat (nicht gezeigt) vorgesehen. Jede untere Elektrode 41 hat eine längliche Form. Ein Spalt ist zwischen zwei unteren Elektroden 41 ausgebildet, die in einer Längsrichtung der unteren Elektrode 41 zueinander benachbart sind. Die MR-Filme 50 sind in der Nähe der beiden Enden jeweils auf einer oberen Fläche der unteren Elektrode 41 in der Längsrichtung vorgesehen. Der MR-Film 50 umfasst eine freie Schicht 51, eine nichtmagnetische Schicht 52, eine Schicht mit fixierter Magnetisierung 53 und eine antiferromagnetische Schicht 54, die von der Seite der unteren Elektrode 41 der Reihe nach gestapelt sind. Die freie Schicht 51 ist mit der unteren Elektrode 41 elektrisch verbunden. Die antiferromagnetische Schicht 54 ist aus einem antiferromagnetischen Material gebildet und spielt beim Fixieren der Richtung der Magnetisierung der Schicht mit fixierter Magnetisierung 53 durch Erzeugen einer Austauschkopplung mit der Schicht mit fixierter Magnetisierung 53 eine Rolle. Die mehreren oberen Elektroden 42 sind jeweils auf den mehreren MR-Filmen 50 vorgesehen. Jede obere Elektrode 42 hat eine längliche Form und ist auf zwei unteren Elektroden 41, die in der Längsrichtung der unteren Elektrode 41 zueinander benachbart sind, angeordnet, um die antiferromagnetischen Schichten 54 der beiden benachbarten MR-Filme 50 miteinander elektrisch zu verbinden. Es ist zu beachten, dass der MR-Film 50 auch eine Anordnung aufweisen kann, bei der die freie Schicht 51, die nichtmagnetische Schicht 52, die Schicht mit fixierter Magnetisierung 53 und die antiferromagnetischen Schicht 54 von der Seite der oberen Elektrode 42 aus der Reihe nach gestapelt sind.
In dem TMR-Element ist die nichtmagnetische Schicht 52 eine Tunnelbarriereschicht. In dem GMR-Element 52 ist die nichtmagnetische Schicht eine nichtmagnetische leitende Schicht. In dem TMR Element und dem GMR-Element ändert sich jeweils ein Widerstandswert entsprechend dem Winkel, den die Richtung der Magnetisierung der freien Schicht 51 in Bezug auf die Richtung der Magnetisierung der Schicht mit fixierter Magnetisierung 53 bildet, und der Widerstandswert ist minimal, wenn der Winkel 0° beträgt (die jeweiligen Magnetisierungsrichtungen zueinander parallel sind), und maximal, wenn der Winkel 180° beträgt (die jeweiligen Magnetisierungsrichtungen zueinander antiparallel sind).
In 4 ist die Richtung der Magnetisierung der Schicht mit fixierter Magnetisierung jedes der Magnetdetektionselemente R11 bis R14 und R21 bis R24 durch einen gefüllten Pfeil angegeben und die Richtung der Magnetisierung der freien Schicht durch einen leeren Pfeil angegeben. In dem ersten Detektionsabschnitt 31A ist die Richtung der Magnetisierung der Schicht mit fixierter Magnetisierung jedes der Magnetdetektionselemente R11 und R14 parallel zu einer ersten Richtung D1, und die Richtung der Magnetisierung der Schicht mit fixierter Magnetisierung jedes der Magnetdetektionselemente R12 und R13 antiparallel zu der Richtung der Magnetisierung der Schicht mit fixierter Magnetisierung jedes der Magnetdetektionselemente R11 und R14. In dem ersten Detektionsabschnitt 31A ändert sich eine Potentialdifferenz zwischen den Ausgangsanschlüssen E11 und E12 entsprechend der Stärke einer Komponente des Magnetfeldes des Magneten 2 in der ersten Richtung D1, und ein Signal, das die Stärke des Magnetfeldes des Magneten 2 in der ersten Richtung D1 angibt, wird ausgegeben.
In dem zweiten Detektionsabschnitt 31B ist die Richtung der Magnetisierung der Schicht mit fixierter Magnetisierung jedes der Magnetdetektionselemente R21 und R24 eine zweite Richtung D2 (eine Richtung, die senkrecht zu der ersten Richtung D1 ist) und die Richtung der Magnetisierung der Schicht mit fixierter Magnetisierung jedes der magnetischen Detektionselemente R22 und R23 antiparallel zu der Richtung der Magnetisierung der Schicht mit fixierter Magnetisierung jedes der Magnetdetektionselemente R21 und R24. In dem zweiten Detektionsabschnitt 31B ändert sich eine Potentialdifferenz zwischen den Ausgangsanschlüssen E21 und E22 entsprechend der Stärke der Komponente des Magnetfeldes des Magneten 2 in der zweiten Richtung D2 und ein Signal, das die Stärke des Magnetfeldes des Magneten 2 in der zweiten Richtung D2 angibt, wird ausgegeben.
Ein Differenzdetektor 35 gibt ein Signal, das der Potentialdifferenz zwischen den Ausgangsanschlüssen E11 und E12 entspricht, an den A/D-Umsetzungsabschnitt 32 als erstes Signal S1 aus. Ein Differenzdetektor 36 gibt ein Signal, das der Potentialdifferenz zwischen den Ausgangsanschlüssen E21 und E22 entspricht, an den A/D-Umsetzungsabschnitt 32 als zweites Signal S2 aus.
Wie in 4 gezeigt ist die Magnetisierungsrichtung der Schicht mit fixierter Magnetisierung jedes der Magnetdetektionselemente R11 bis R14 in dem ersten Detektionsabschnitt 31A senkrecht zu der Magnetisierungsrichtung der Schicht mit fixierter Magnetisierung jedes der Magnetdetektionselemente R21 bis R24 in dem zweiten Detektionsabschnitt 31B. In diesem Fall ist die Schwingungsform des ersten Signals S1 eine Cosinus-Schwingungsform, die von dem Drehwinkel θ abhängt, und die Schwingungsform des zweiten Signals S2 eine Sinus-Schwingungsform, die von dem Drehwinkel θ abhängt. In der vorliegenden Ausführungsform unterscheidet sich die Phase des zweiten Signals S2 von der Phase des ersten Signals S1 um 1/4 einer Signalperiode, d. h. π/2 (90°).
Der A/D-Umsetzungsabschnitt 32 setzt das erste und das zweite Signal (Analogsignale, die sich auf den Drehwinkel θ beziehen) S1 und S2, die von dem Detektionsabschnitt 31 mit einer vorbestimmten Abtastperiode ausgegeben werden, in Digitalsignale um und die Digitalsignale werden in den Rechenverarbeitungsabschnitt 33 eingegeben.
Der Rechenverarbeitungsabschnitt 33 führt die Rechenverarbeitung an den Digitalsignalen, die aus der Umsetzung der Analogsignale durch den A/D-Umsetzungsabschnitt 32 stammen, durch, um den Drehwinkel θ des Magneten 2 zu berechnen. Der Rechenverarbeitungsabschnitt 33 wird beispielsweise von einem Mikrocomputer gebildet. Der Drehwinkel θ des Magneten 2, der von dem Rechenverarbeitungsabschnitt 33 berechnet wird, wird in einem Speicherabschnitt (nicht gezeigt), der in dem Rechenverarbeitungsabschnitt 33 enthalten ist, gespeichert.
Der Drehwinkel θ des Magneten 2 kann durch eine Arcustangens-Berechnung berechnet werden, die in der folgenden Gleichung aufgezeigt ist: θ = atan(S1/S2).
Es ist zu beachten, dass eine Lösung für den Drehwinkel θ in einem Bereich von 360° in der obigen Gleichung zwei Werte aufweist, die sich voneinander um 180° unterscheiden. Jedoch ist es mit einer Kombination von positiven und negativen Werten des ersten Signals S1 und des zweiten Signals S2 möglich, zu bestimmen, welche der zwei Lösungen in der obigen Gleichung dem wahren Wert des Drehwinkels θ entspricht. Das heißt, dass dann, wenn das erste Signal S1 einen positiven Wert hat, der Drehwinkel θ größer als 0° und kleiner als 180° ist. Wenn das erste Signal S1 einen negativen Wert hat, ist der Drehwinkel θ größer als 180° und kleiner als 360°. Wenn das zweite Signal S2 einen positiven Wert hat, fällt der Drehwinkel θ in einen Bereich von nicht weniger als 0° und weniger als 90° und in einen Bereich von mehr als 270° und nicht mehr als 360°. Wenn das zweite Signal S2 einen negativen Wert hat, ist der Drehwinkel θ größer als 90° und kleiner als 270°. Der Rechenverarbeitungsabschnitt 33 berechnet den Drehwinkel θ im Bereich von 360° mit der obigen Gleichung und die Bestimmung der Kombination der positiven und negativen Werte des ersten Signals S1 und des zweiten Signals S2.
Der Vorhersageabschnitt 34 sagt den Drehwinkel θ_n+1 des Magneten 2 bei der nächsten Abtastzeit T_n+1 auf der Grundlage eines Differentialwertes erster Ordnung vorher, der durch einmaliges Differenzieren des Drehwinkels θ des Magneten 2, der von der Rechenverarbeitungsabschnitt 33 berechnet wird, erhalten wird und in dem Speicherabschnitt gespeichert wird. Genauer gesagt berechnet der Vorhersageabschnitt 34 die Winkelgeschwindigkeit ω, die durch einmaliges Differenzieren des Drehwinkels θ des Magneten 2, der in dem Speicherabschnitt gespeichert ist, erhalten wird, und führt eine Filterverarbeitung wie etwa eine Gleitmittelungsfilterverarbeitung an der Winkelgeschwindigkeit ω durch, um einen vorhergesagten Wert einer Winkelgeschwindigkeit ω_n+1 zu der nächsten Abtastzeit T_n+1 zu berechnen. Anschließend integriert der Vorhersageabschnitt 34 den vorhergesagten Wert der Winkelgeschwindigkeit ω_n+1, um einen vorhergesagten Wert des Drehwinkels θ_n+1 des Magneten 2 zu der nächsten Abtastzeit T_n+1 zu berechnen.
In der Drehwinkeldetektionsvorrichtung 1 mit der obigen Konfiguration ändert sich dann, wenn der Magnet 2 sich mit der Drehung des Wellenabschnitts 11 dreht, das Magnetfeld des Magneten 2. Als Antwort auf die Änderung des Magnetfeldes ändern sich die Widerstandswerte der Magnetdetektionselemente R1 bis R14 und R21 bis R24 des Detektionsabschnitts 31 und die Signale S1 und S2, die die Stärke des Magnetfeldes des Magneten 2 in der ersten Richtung D1 und der zweiten Richtung D2 angeben, werden von den Differenzdetektoren 35 und 36 mit der vorbestimmten Abtastperiode in Übereinstimmung mit den Potentialdifferenzen zwischen den Ausgangsanschlüssen E11 und E12 des ersten Detektionsabschnitts 31A und zwischen den Ausgangsanschlüssen E21 und E22 des zweiten Detektionsabschnitts 31B ausgegeben. Anschließend werden das erste Signal S1 und das zweite Signal S2, die von den Differenzdetektoren 35 und 36 ausgegeben werden, in den A/D-Umsetzungsabschnitt 32 eingegeben und werden von dem A/D-Umsetzungsabschnitt 32 in die Digitalsignale umgesetzt. Danach wird der Drehwinkel θ (ein Drehwinkel θ_n zu einer aktuellen Zeit n) des Magneten 2 durch den Rechenverarbeitungsabschnitt 33 berechnet.
In der Drehwinkeldetektionsvorrichtung 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform tritt eine Verzögerung aufgrund des Prozesses des Lesens der Ausgabe von dem Detektionsabschnitt 31 als Analogsignal (d. h. des Prozesses des Ausgebens des ersten und des zweiten Signals S1 und S2 von den Differenzdetektoren 35 und 36 in Übereinstimmung mit den Potentialdifferenzen zwischen den Ausgangsanschlüssen E11 und E12 des ersten Detektionsabschnitts 31A und zwischen den Ausgangsanschlüssen E21 und E22 des zweiten Detektionsabschnitts 31B) und des Prozesses des Umsetzens des ersten und des zweiten Signals S1 und S2 in die Digitalsignale in dem A/D-Umsetzungsabschnitt 32 auf. Um die Verzögerung zurückzugewinnen, ist es wichtig, den Drehwinkel unter Verwendung des Vorhersageabschnitts 34 vorherzusagen.
Hierbei enthält der Drehwinkel θ des Magneten, der von dem Rechenverarbeitungsabschnitt 33 berechnet wird, spezifisches Rauschen. Wenn der Drehwinkel θ_n+1 bei der nächsten Abtastzeit T_n+1 auf Grundlage des Drehwinkels θ vorhergesagt wird, wird das Rauschen, das in dem vorhergesagten Wert des Drehwinkels θ_n+1 enthalten ist, verstärkt und eine genaue Vorhersage wird schwierig.
Im Hinblick auf diesen Punkt ist es für eine extrem kurze Zeitspanne in der obigen Abtastperiode (zum Beispiel nicht mehr als etwa drei Abtastperioden vor einer aktuellen Abtastzeit T_n) möglich, anzunehmen, dass die Drehbewegung des Magneten 2 eine gleichmäßige Drehbewegung ist. Das heißt, dass die Annahme, dass die Winkelgeschwindigkeit ω_n+1 bei der nächsten Abtastzeit T_n+1 im Wesentlichen gleich einer Winkelgeschwindigkeit ω_n zu der aktuellen Abtastzeit T_n ist, eingeführt wird. Dementsprechend berechnet der Vorhersageabschnitt 34 in der vorliegenden Ausführungsform Winkelgeschwindigkeiten ω_n bis ω_n-3 als Differentialwerte erster Ordnung, die durch einmaliges Differenzieren des Drehwinkels θ in einer extrem kurzen Zeitspanne (beispielsweise Drehwinkel θ_n bis θ_n-3 berechnet in drei oder weniger Abtastperioden vor der aktuellen Abtastzeit T_n) erhalten werden, und sagt die Winkelgeschwindigkeit ω_n+1 bei der nächsten Abtastzeit T_n+1 auf Basis der Winkelgeschwindigkeiten ω_n bis ω_n-3 vorher. Anschließend berechnet der Vorhersageabschnitt 34 den Drehwinkel θ_n+1 aus dem vorhergesagten Wert der Winkelgeschwindigkeit ω_n+1. Damit wird es, wie aus dem später beschriebenen Beispiel ersichtlich ist, möglich, den Drehwinkel θ_n+1 bei der nächsten Abtastzeit T_n+1 genau vorherzusagen, ohne das Rauschen, das in dem Drehwinkel θ enthalten ist, zu verstärken.
Der Vorhersageabschnitt 34 sagt die Winkelgeschwindigkeit ω_n+1 bei der nächsten Abtastzeit T_n+1 mit der Gleitmittelungsfilterverarbeitung, die die Winkelgeschwindigkeiten ω_n bis ω_n-3 verwendet, die durch einmaliges Differenzieren der Drehwinkel θ_n bis θ_n-3 in drei oder weniger Abtastperioden vor der aktuellen Abtastzeit T_n erhalten werden, vorher und berechnet den Drehwinkel θ_n+1 zu der nächsten Abtastzeit T_n+1 aus dem vorhergesagten Wert der Winkelgeschwindigkeit ω_n+1. Der Drehwinkel θ_n+1, der auf diese Weise berechnet wird, wird in eine Ansteuerschaltung (nicht dargestellt) des Betriebskörpers, der den Wellenabschnitt 11 umfasst, (beispielsweise eines Servomotor mit einer Motorwelle) eingegeben und eine Steuerung des Betriebs des Betriebskörpers wird durchgeführt.
Wie oben beschrieben ist es gemäß der Drehwinkeldetektionsvorrichtung 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform, da die Winkelgeschwindigkeit ω_n+1 bei der nächsten Abtastzeit T_n+1 und der Drehwinkel θ_n+1, der aus der Winkelgeschwindigkeit ω_n+1 berechnet wird, basierend auf der Winkelgeschwindigkeit ω, die durch einmaliges Differenzieren des Drehwinkels θ, der das spezifische Rauschen enthält und mit der Drehung des Magneten 2 berechnet wird, vorhergesagt werden, möglich, den Drehwinkel θ_n+1 bei der nächsten Abtastzeit T_n+1 genau vorherzusagen.
Darüber hinaus tritt gemäß der Drehwinkeldetektionsvorrichtung 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform durch Vorhersagen des Drehwinkels θ_n+1 bei der nächsten Abtastzeit T_n+1 auf Grundlage der Winkelgeschwindigkeit ω, die durch einmaliges Differenzieren des Drehwinkels θ ohne Entfernen des Rauschens, das in dem Drehwinkel θ enthalten ist, erhalten wird, eine weitere Verzögerung, die durch den Filterprozess des Drehwinkels θ verursacht wird, nicht auf. Dementsprechend ist es möglich, die Verstärkung des Rauschens, das in dem Drehwinkel θ_n+1 bei der nächsten Abtastzeit T_n+1 enthalten ist, die durch die Verzögerung verursacht wird, zu unterdrücken und den Drehwinkel θ_n+1 bei der nächsten Abtastzeit T_n+1 genau vorherzusagen.
Ferner ist es gemäß der Drehwinkeldetektionsvorrichtung 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform, da es nur notwendig ist, den Drehwinkel θ_n zu der aktuellen Abtastzeit T_n und die Drehwinkel θ_n bis θ_n-3, die in dem Rechenverarbeitungsabschnitt 33 beispielsweise zu drei Abtastzeiten (T_n-1, T_n-2, T_n-3) vor der aktuellen Abtastzeit T_n berechnet werden, zu verwenden, um den Drehwinkel θ_n+1 bei der nächsten Abtastzeit T_n+1 genau vorherzusagen, möglich, einen Effekt der Reduzierung einer Informationsmenge (der Anzahl an Abtastungen), die erforderlich ist, um den Drehwinkel θ_n+1 vorherzusagen, zu erzielen.
Die oben erklärte Ausführungsform ist zur Erleichterung des Verständnisses der vorliegenden Erfindung und nicht zur Beschränkung der vorliegenden Erfindung beschrieben. Dementsprechend umfassen einzelne Elemente, die in der oben beschriebenen Ausführungsform offengelegt sind, alle konstruktiven Abwandlungen und Äquivalente, die zu dem technischen Umfang der vorliegenden Erfindung gehören.
In der obigen Ausführungsform berechnet der Vorhersageabschnitt 34 den vorhergesagten Wert der Winkelgeschwindigkeit ω_n+1 bei der nächsten Abtastzeit T_n+1 auf Grundlage der Winkelgeschwindigkeit ω, die durch einmaliges Differenzieren des Drehwinkels θ erhalten wird, und berechnet den vorhergesagten Wert des Drehwinkels θ_n+1 aus dem vorhergesagten Wert der Winkelgeschwindigkeit ω_n+1, aber die vorliegende Erfindung ist nicht auf diesen Modus beschränkt. Beispielsweise kann der Vorhersageabschnitt 34 den vorhergesagten Wert einer Winkelgeschwindigkeit α_n+1 bei der nächsten Abtastzeit T_n+1 auf Grundlage einer Winkelgeschwindigkeit α, die durch zweimaliges Differenzieren des Drehwinkels θ erhalten wird, berechnen und kann den vorhergesagten Wert des Drehwinkels θ_n+1 aus dem vorhergesagten Wert der Winkelgeschwindigkeit α_n+1 berechnen. Das heißt, dass der Vorhersageabschnitt 34 den vorhergesagten Wert des Drehwinkels θ_n+1 bei der nächsten Abtastzeit T_n+1 auf Basis eines Differentialwerts N-ter Ordnung (N ist eine ganze Zahl größer oder gleich 1) berechnen kann, der durch N-maliges Differenzieren des Drehwinkels θ erhalten wird.
In der obigen Ausführungsform wird der Magnet 2, der an dem Wellenabschnitt 11 befestigt ist, als Magnetfelderzeugungsabschnitt verwendet, aber die vorliegende Erfindung nicht auf diesen Modus beschränkt. Zum Beispiel kann ein Magnet, bei dem mindestens ein Paar Nordpole und mindestens ein Paar Südpole abwechselnd ringförmig angeordnet sind, als Magnetfelderzeugungsabschnitt verwendet werden und die Magnetdetektionsvorrichtung kann so angeordnet sein, dass sie dem Magneten in einem äußeren Umfangsabschnitt des Magneten gegenüberliegt, oder eine lineare Skala kann auch als Magnetfelderzeugungsabschnitt verwendet werden.
In der obigen Ausführungsform dreht sich der Wellenabschnitt 11, an dem der Magnet 2 befestigt ist, um die Drehachse C und der Magnet 2 bewegt sich dadurch drehend relativ zu der Magnetdetektionsvorrichtung 3, aber die vorliegende Erfindung ist nicht auf diesen Modus beschränkt. Zum Beispiel können sich der Magnet 2 (der Wellenabschnitt 11) und die Magnetdetektionsvorrichtung 3 in zueinander entgegengesetzte Richtungen drehen oder der Magnet 2 (der Wellenabschnitt 11) kann sich nicht drehen und die Magnetdetektionsvorrichtung 3 kann sich drehen.
[Beispiele]
Nachstehend wird die vorliegende Erfindung anhand von Beispielen näher beschrieben, aber die vorliegende Erfindung ist nicht auf die unten beschriebenen Beispiele beschränkt.
[Beispiel 1]
Das Rauschen, das in dem vorhergesagten Wert des Drehwinkels θ_n+1 enthalten ist, wurde durch Durchführen einer Simulation unter Verwendung von MATLAB bezüglich der Vorhersage des Drehwinkels θ_n+1 bei der nächsten Abtastzeit T_n+1 durch den Vorhersageabschnitt 34 in der Magnetdetektionsvorrichtung 3 in 3 und 4 bestimmt. In der obigen Simulation wurde angenommen, dass der Magnet 2 die gleichmäßige Drehbewegung bei 90000 Grad/s durchgeführt hat, die Abtastperiode durch den Detektionsabschnitt 31 50 μs betrug und das Rauschen, das in dem Drehwinkel θ enthalten ist, der durch den Rechenverarbeitungsabschnitt 33 berechnet wird, ±0,01° beträgt. Darüber hinaus wurde angenommen, dass der Drehwinkel θ_n+1 in dem Vorhersageabschnitt 34 durch die Ausführung der Gleitmittelungsfilterverarbeitung vorhergesagt wurde, die die Winkelgeschwindigkeiten ω_n bis ω_n-3 verwendet, die durch einmaliges Differenzieren der Drehwinkel θ_n bis θ_n-3 von vier Abtastungen erhalten werden. Das Simulationsergebnis ist in 6 gezeigt.
Als Ergebnis der obigen Simulation wurde bestätigt, dass es dann, wenn der Drehwinkel θ_n+1 bei der nächsten Abtastzeit T_n+1 unter Verwendung der Winkelgeschwindigkeit ω, die durch einmaliges Differenzieren des Drehwinkels θ vorhergesagt wurde, möglich war, das Rauschen, das in dem vorhergesagten Wert des Drehwinkels enthalten ist, auf ±0,009° zu drücken.
[Vergleichsbeispiel 1]
Das Rauschen, das in dem vorhergesagten Wert des Drehwinkels θ_n+1 enthalten ist, wurde in der gleichen Weise wie in Beispiel 1 bestimmt, mit Ausnahme davon, dass ω_n+1 durch Ausführen einer linearen Extrapolation unter Verwendung von ω_n, die durch einmaliges Differenzieren des Drehwinkels θ_n einer Abtastung, der durch den Rechenverarbeitungsabschnitt 33 berechnet wird, bestimmt wurde, und der Drehwinkel θ_n+1 wurde durch Integrieren von ω_n+1 vorhergesagt. Das Simulationsergebnis ist in 7 gezeigt.
Als Ergebnis der obigen Simulation, bei der der Drehwinkel θ_n+1 bei der nächsten Abtastzeit T_n+1 unter Verwendung des Drehwinkels θ vorhergesagt wurde, wurde bestätigt, dass das Rauschen in dem vorhergesagten Wert des Drehwinkels auf ±0.03° verstärkt wurde.
[Vergleichsbeispiel 2]
Das Rauschen, das in dem vorhergesagten Wert des Drehwinkels θ_n+5 zu einer Abtastzeit T_n+5, zu der die Vorhersage durchgeführt werden soll, enthalten ist, wurde in der gleichen Weise wie in Vergleichsbeispiel 1 bestimmt, mit Ausnahme davon, dass das Rauschen, das in dem Drehwinkel θ_n enthalten ist, auf ±0.0027° reduziert wurde, indem an dem Digitalsignal, das durch die Umsetzung in dem A/D-Umsetzungsabschnitt 32 erhalten wurde, eine FIR-Filterverarbeitung ausgeführt wurde, und die Abtastzeit, zu der die Vorhersage durchgeführt werden soll, aufgrund eines Anstiegs in der Gruppenverzögerung durch die FIR-Filterverarbeitung auf eine um fünf Abtastperioden spätere Zeit in der Zukunft festgelegt wurde. Das Simulationsergebnis ist in 8 gezeigt.
Als Ergebnis der obigen Simulation, bei der der Drehwinkel θ_n+5 zu der Abtastzeit T_n+5, zu der die Vorhersage durchgeführt werden soll, unter Verwendung des Drehwinkels θ_n vorhergesagt wurde, wurde bestätigt, dass das Rauschen, das in dem vorhergesagten Wert des Drehwinkels enthalten ist, auf 0,0324° erhöht wurde.
Wie aus den Ergebnissen von Beispiel 1, Vergleichsbeispiel 1 und Vergleichsbeispiel 2 ersichtlich ist, war es möglich, den Drehwinkel θ_n+1 bei der nächsten Abtastzeit T_n+1 vorherzusagen, ohne das Rauschen durch die Vorhersage, die die Winkelgeschwindigkeit ω verwendete, die durch einmaliges Differenzieren des Drehwinkels θ erhalten wird, zu verstärken, selbst wenn das Rauschen in dem Drehwinkel θ enthalten war. Darüber hinaus wurde aus dem Ergebnis des Vergleichsbeispiels 2 bestätigt, dass selbst dann, wenn das Rauschen, das in dem Drehwinkel θ enthalten ist, durch Lesen der Ausgabe aus dem Detektionsabschnitt 31 als Analogsignal und Durchführen der Filterverarbeitung an dem Digitalsignal, das durch Umsetzen des Analogsignals in dem A/D-Umsetzungsabschnitt 32 erhalten wurde, reduziert wurde, die Vorhersagezeit aufgrund der Zunahme in der Gruppenverzögerung durch die Filterverarbeitung auf einen späteren Zeitpunkt in der Zukunft festgelegt werden musste und somit das in dem vorhergesagten Wert des Drehwinkels enthaltene Rauschen als Ergebnis stieg.
[Beispiel 2]
Das Rauschen, das in dem vorhergesagten Wert des Drehwinkels θ_n+1 enthalten ist, wurde in der gleichen Weise wie in Beispiel 1 bestimmt, mit der Ausnahme, dass der Drehwinkel θ_n+1 in dem Vorhersageabschnitt 34 durch Annehmen, dass der Magnet 2 eine gleichmäßig beschleunigte Drehbewegung mit –1800000 Grad/s² durchführte, durch Verwenden der Winkelgeschwindigkeit α, die durch zweimaliges Differenzieren des Drehwinkels θ erhalten wurde, der durch den Rechenverarbeitungsabschnitt 33 berechnet wurde, und durch Durchführen der Gleitmittelungsfilterverarbeitung unter Verwendung von acht Abtastungen (Winkelgeschwindigkeiten α_n bis α_n-7) vorhergesagt wurde.
Als Ergebnis der obigen Simulation, bei der der Drehwinkel θ_n+1 bei der nächsten Abtastzeit T_n+1 unter Verwendung der Winkelgeschwindigkeit α vorhergesagt wurde, betrug das Rauschen, das in dem vorhergesagten Wert des Drehwinkels enthalten ist, ±0,029°. Zu Vergleichszwecken wurde die Vorhersage des Drehwinkels durch den Vorhersageabschnitt 34 durch Durchführen der Gleitmittelungsfilterverarbeitung, die den Drehwinkel θ verwendet, der durch den Rechenverarbeitungsabschnitt 33 berechnet wird, ähnlich simuliert. Als Ergebnis der Simulation wurde herausgefunden, dass das Rauschen, das in dem vorhergesagten Wert des Drehwinkels enthalten war, ±0,047° betrug. Durch dieses Ergebnis wurde bestätigt, dass es selbst in dem Fall der Vorhersage, die die Winkelgeschwindigkeit α verwendete, möglich war, eine genaue Vorhersage durchzuführen, ohne das Rauschen, das in dem vorhergesagten Wert des Drehwinkels θ_n+1 enthalten ist, zu erhöhen.
Aufgrund des Ergebnisses von Beispiel 2 ist es möglich, anzunehmen, dass die genaue Vorhersage selbst in dem Fall, in dem das Vorhersagemodell gemäß einer Anwendung kompliziert ist, ermöglicht ist, ohne das Rauschen durch Ausführen einer Filterung an dem Koeffizienten höchster Ordnung zu erhöhen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

JP 2008-116292 [0005, 0006, 0007]

Claims

Positionsvorhersagevorrichtung, die eine Position eines Betriebskörpers, der kontinuierlich arbeitet, zu einer vorbestimmten Zeit vorhersagt und dadurch gekennzeichnet ist, dass sie Folgendes umfasst: einen Rechenverarbeitungsabschnitt, der Positionsinformationen bezüglich des Betriebskörpers basierend auf einem Signal berechnet, das sich auf die Position des Betriebskörpers bezieht und von einem Detektionsabschnitt ausgegeben wird, der ein externes Magnetfeld eines Magnetfelderzeugungsabschnitts detektiert, der in dem Betriebskörper bereitgestellt ist; und einen Vorhersageabschnitt, der die Position des Betriebskörpers zu der vorbestimmten Zeit auf Basis eines Differentialwerts N-ter Ordnung vorhersagt, der durch N-maliges Differenzieren (N ist eine ganze Zahl größer oder gleich 1) der Positionsinformationen, die von dem Rechenverarbeitungsabschnitt berechnet werden, nach einer Zeit erhalten wird.
Positionsvorhersagevorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorhersageabschnitt einen Wert, der dem Differentialwert N-ter Ordnung zu der vorbestimmten Zeit entspricht, durch Durchführen einer Filterverarbeitung an dem Differentialwert N-ter Ordnung berechnet und die Position des Betriebskörpers zu der vorbestimmten Zeit basierend auf dem berechneten Wert, der dem Differentialwert N-ter Ordnung entspricht, vorhersagt.
Positionsvorhersagevorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorhersageabschnitt die Position des Betriebskörpers zu der vorbestimmten Zeit durch Verwenden mindestens eines Differentialwerts N-ter Ordnung, der durch N-maliges Differenzieren (N ist eine ganze Zahl größer oder gleich 1) eines neuesten Positionsinformationselements unter den Positionsinformationselementen bezüglich des Betriebskörpers nach der Zeit erhalten wird, vorhersagt.
Positionsvorhersagevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionsinformationen bezüglich des Betriebskörpers Winkelinformationen sind.
Positionsvorhersagevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorhersageabschnitt die Position des Betriebskörpers zu der vorbestimmten Zeit basierend auf Winkelgeschwindigkeitsinformationen vorhersagt, die durch einmaliges Differenzieren von Winkelinformationen, die als die Positionsinformationen dienen, nach der Zeit erhalten werden.
Positionsvorhersagevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorhersageabschnitt die Position des Betriebskörpers zu der vorbestimmten Zeit basierend auf Winkelgeschwindigkeitsinformationen vorhersagt, die durch zweimaliges Differenzieren von Winkelinformationen, die als die Positionsinformationen dienen, nach der Zeit erhalten werden.
Positionsdetektionsvorrichtung, die dadurch gekennzeichnet ist, dass sie Folgendes umfasst: die Positionsvorhersagevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6; und den Detektionsabschnitt, der so angeordnet ist, dass er dem Magnetfelderzeugungsabschnitt gegenüberliegt, der in dem Betriebskörper bereitgestellt ist, und der in der Lage ist, eine Position des Betriebskörpers zu detektieren.
Positionsdetektionsvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Detektionsabschnitt ein Magnetowiderstandseffekt-Element umfasst.
Positionsdetektionsvorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Betriebskörper ein Drehkörper ist, der sich um eine vorbestimmte Drehachse relativ zu dem Detektionsabschnitt dreht.