JP2003240598A - デジタル角度測定システム - Google Patents

デジタル角度測定システム

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JP2003240598A
JP2003240598A JP2002036019A JP2002036019A JP2003240598A JP 2003240598 A JP2003240598 A JP 2003240598A JP 2002036019 A JP2002036019 A JP 2002036019A JP 2002036019 A JP2002036019 A JP 2002036019A JP 2003240598 A JP2003240598 A JP 2003240598A
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JP2002036019A
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Masanobu Sato
Masaya Yamashita
正信 佐藤
昌哉 山下
Original Assignee
Asahi Kasei Corp
旭化成株式会社
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 センサからの出力値をデジタル変換して演算
を行い、高精度な角度測定を行うことができるデジタル
角度測定システムを提供する。 【解決手段】 磁気センサ101及び111から出力さ
れたアナログ信号は、アンプ102及び112、センサ
101及び111を通り、アナログ/デジタル(A/
D)変換器によりデジタル信号に変換される。比率演算
部104は、A/D変換器103及び113からの出力
値を除算して、2つの磁気センサの出力の比率を求め
る。記憶装置106には、2つの磁気センサの出力の比
率と、角度との関係を示す表が記憶されている。角度演
算部105はこの表を参照して、比率演算部104から
出力された比率に対応する角度を求め、端子107に出
力する。

Description

【発明の詳細な説明】 【0001】 【発明の属する技術分野】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
ムに関する。 【0002】 【従来の技術】従来から、磁石が生成する磁界を1つの
磁気センサにより検知して、磁界に対する磁気センサの
位置を測定する技術が知られている。磁気センサの出力
Yに基づいて磁気センサの回転角度θを求める場合、こ
の磁気センサと組み合わせる磁石系としては、出力Yが
回転角度θに対して概ねsin関数(あるいはcos関
数)になるものが多く採用される。角度測定は、一般に
このsin関数やcos関数を直接には用いず、計算の
容易化のために直線を用いた近似計算を行う。 【0003】ここで、測定範囲を±45度に限定し、Y
=sinθとの誤差の絶対値の最大値が最も小さくなる
ように直線の傾きを決めると、 θ=(1.081×360÷2π)×Y =61.94×Y (1) となる。 【0004】この方法は、ホール素子またはリニアホー
ルICなどの汎用の磁気センサを磁石と組み合わせるだ
けでそのまま回転角度センサとして利用でき、磁気セン
サの出力がそのまま角度の情報を表しているため計算処
理が不要であるという利点を有し、最近利用が広まりつ
つある。しかし、この方法では磁気センサあるいは磁石
の温度特性のため、温度変化によって出力が変動し、測
定角度が変化してしまう。 【0005】そこで、ICの中に温度referenc
eを保持しておき、温度特性を補正するように内部処理
を行うプログラマブルホールICを使用して、角度測定
システムの出力が温度に対してできるだけ一定に保たれ
るように補正することが多い。しかし、補正を行ったと
しても温度変化による角度誤差が1度以下の高精度な測
定は困難である。また、上記の方法では角度が±45度
以上の範囲では直線近似からの差が大きくなりすぎるの
で、実用性のある測定を行うことができないという欠点
がある。 【0006】このような欠点を回避するため、2つの磁
気センサを回転軸に対して位相が90度異なる位置に配
置し、互いに直交する方向成分の磁界の強さを検知さ
せ、その2つの出力を除算することにより、角度を測定
する技術が案出されている。磁気センサの出力Xと、出
力Yとの比率Y/Xに基づいて回転角度θを求める場
合、磁気センサと組み合わせる磁石系として、出力Xと
出力Yが回転角度θに対してcos関数とsin関数に
なるような、即ちY/Xがtan関数になるようなもの
が多く採用される。また、測定角度範囲を±45度に限
定することによって、Y/X=tanθをほぼ直線で近
似することができる。 【0007】この直線の傾きの決め方にはいくつかの方
法が考えられるが、±45度の範囲で近似した直線とt
anθとの誤差(絶対値)の最大値が最も小さくなるよ
うに傾きを決めると、 θ=(0.833×360÷2π)×Y/X =47.75×Y/X (2) となる。これにより、2つの磁気センサが共通の温度特
性を有していれば、共に温度によって同じ比率で出力が
変化するため、磁気センサや磁石の温度特性の影響をほ
とんど受けずに測定することができるという大きな利点
がある。 【0008】なお、このような技術は、例えば特開昭5
4−18768号公報等に記載されている。 【0009】図1は、上述した技術における2つの磁気
センサの出力を除算した値を示す図である。一方のセン
サが磁場の角度θに対してcosθの値を出力するとし
た場合、他方のセンサはsinθの値を出力することに
なる。従って、この2つの出力値の除算を行うことによ
り、tanθの値を得ることができる。ここで、tan
θは破線で示すように90度近傍で発散するので、45
度から135度の間で分子と分母の値を逆転させ、ta
nθの値を常に±1の範囲に設定する。これにより、任
意の角度での角度測定を行うことができる。 【0010】また、角度センサでは、角度に概略比例す
るアナログの出力(電圧)をフィードバック制御の回路
に用いるか、あるいはセンサ外部で改めてA/D変換し
てデジタル化して用いている。 【0011】 【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た複数の出力センサを用いた角度測定では、近似計算の
結果に大きな誤差が生じてしまう。 【0012】図2は、三角関数を直線で近似する計算の
例を説明するための図である。301は、2つの磁気セ
ンサの出力の比率tanθを135度〜225度の範囲
で近似した直線を示す。誤差311は、直線301とt
anθとの差を示す。また、直線302は、1つの磁気
センサの出力値cosθを225度〜315度の範囲で
近似した値を示す。また、誤差312はcosθと直線
302との差を示す。曲線311と曲線312との比較
から明らかなように、測定範囲を±45度の90度に限
定しても、2つのセンサを用いた場合の誤差の最大値は
1つのセンサを用いた場合の誤差の最大値の3倍近くに
なってしまい、充分な直線性が得られないという問題が
あった。 【0013】本発明は、このような問題を解決するため
になされたものであり、その目的とするところは、磁気
センサからの出力値をデジタル変換して演算を行うこと
により、高精度な角度測定を行う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。 【0014】 【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項1に記載の発明は、デジタル角度測定システ
ムであって、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
と、前記少なくとも2個の磁気センサの各出力値に対応
した前記磁界に対する前記磁気センサの回転角変位デー
タを記憶した記憶手段と、前記少なくとも2個の磁気セ
ンサからの出力値に基づいて当該各出力値を演算する演
算手段と、前記演算手段の演算結果に応答する前記記憶
手段内の回転角変位データを抽出して出力する手段とを
備えたことを特徴とする。 【0015】また、請求項2に記載の発明は、請求項1
に記載のデジタル角度測定システムにおいて、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。 【0016】また、請求項3に記載の発明は、請求項1
に記載のデジタル角度測定システムにおいて、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。 【0017】また、請求項4に記載の発明は、請求項1
〜3のいずれかに記載のデジタル角度測定システムにお
いて、前記少なくとも2個の磁気センサの感磁軸同士が
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。 【0018】また、請求項5に記載の発明は、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にお
いて、前記少なくとも2個の磁気センサは、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。 【0019】また、請求項6に記載の発明は、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にお
いて、前記出力する手段は、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。 【0020】また、請求項7に記載の発明は、デジタル
角度測定システムであって、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する少なくとも2個の
磁気センサであって、磁束の検出方向を表す感磁軸の各
々は前記基準位置からの回転の回転軸に平行であり、前
記少なくとも2個の磁気センサのうちの1個を通る前記
回転軸の垂線と、前記少なくとも2個の磁気センサのう
ちの他の1個を通る前記回転軸の垂線とが所定角度を保
持している少なくとも2個の磁気センサと、前記少なく
とも2個の磁気センサの各出力値に対応した前記磁界に
対する前記磁気センサ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個の磁気センサからの出力
値に基づいて当該各出力値を演算する演算手段と、前記
演算手段の演算結果に応答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手段とを備えたことを特
徴とする。 【0021】また、請求項8に記載の発明は、請求項7
に記載のデジタル角度測定システムにおいて、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個の磁気センサの各々を通る前記回転軸の垂線同士が
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。 【0022】また、請求項9に記載の発明は、請求項7
に記載のデジタル角度測定システムにおいて、前記記憶
手段に記憶された回転角変位データは、前記磁気センサ
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。 【0023】また、請求項10に記載の発明は、請求項
7〜9のいずれかに記載のデジタル角度測定システムに
おいて、前記少なくとも2個の磁気センサのうちの1個
を通る前記回転軸の垂線と、前記複数個の磁気センサの
うちの他の1個を通る前記回転軸の垂線とが保持してい
る所定角度は、ほぼ直角であることを特徴とする。 【0024】また、請求項11に記載の発明は、請求項
7〜10のいずれかに記載のデジタル角度測定システム
において、前記少なくとも2個の磁気センサは、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。 【0025】更に、請求項12に記載の発明は、前記出
力する手段は、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。 【0026】本発明は、磁石と組み合わせた磁気センサ
の出力から角度を計算するという条件下で最も大きな効
果を発揮する。このような磁気センサの場合、回転軸と
磁石あるいは磁気センサの位置ずれが不可避であり、本
発明によればその補正まで含めた表を参照して角度を出
力するからである。 【0027】また、本発明によれば、磁石の着磁むら等
による磁場の不均一や非理想性による誤差も除去でき
る。 【0028】更に、磁気センサからの出力値が原理的に
も三角関数にならない四角い磁石等を用いた角度計算に
も適用が可能であるところにも非常に大きな意義があ
る。 【0029】 【発明の実施の形態】以下、図面を参照し、本発明の実
施の形態について詳細に説明する。 【0030】(第1実施形態)図3は、本発明を適用し
たデジタル角度測定システムの一例を示す構成図であ
る。デジタル角度測定システム100は、磁気センサ1
01及び111、アンプ102及び112、アナログ−
デジタル(A/D)変換器103及び113、比率演算
部104、角度演算部105、記憶装置106、及び端
子107を備えている。磁気センサ101はアンプ10
2及びA/D変換器103を介して、磁気センサ111
はアンプ112及びA/D変換器113を介してそれぞ
れ比率演算部104へ接続されている。 【0031】2つの磁気センサ101及び111は、磁
界中における基準位置からの回転角変位に応じた電圧を
出力するホール素子であり、共通の温度特性を有する。
また、比率演算部104及び角度演算部105の機能
は、本発明に関わる演算処理を行う演算処理装置(CP
U)によって実現される。 【0032】記憶装置106には、2つの磁気センサ1
01及び111の出力値の比に対応した、磁界に対する
2個の磁気センサの回転角変位を示すデータが記憶され
ている。なお、本実施形態では回転角変位として数値を
想定しているが、本発明はこれに限定されず、例えば
「北西」等の方位角を示す文字列等であってもよい。 【0033】図4は、図3に示した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。磁気セ
ンサ101及び111は互いに直交する磁界を測定する
ホール素子であり、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。 【0034】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。 【0035】図5は、図3に示した2つの磁気センサの
配置の他の例を示す図で、(a)は斜視図、(b)は上
面図である。本図に示す例では、円形の磁石501が回
転軸502を中心として、白抜き矢印の方向に回転す
る。2つの磁気センサ101及び111は、支持部材5
00に取り付けられて、磁石501の円周の直上に配置
されている。 【0036】ここで、磁気センサ101及び111の感
磁軸は、共に回転軸502と一致している。また、回転
軸502に対する垂線のうち、磁気センサ101の略中
心を通る垂線503と、磁気センサ111の略中心を通
る垂線504とは、ほぼ直角をなしている。 【0037】次に、再度図3を参照し、上記のように構
成されたデジタル角度測定システムの動作について説明
する。アンプ102及び112は、それぞれ磁気センサ
101及び111から出力されるアナログ信号値を受け
取り、これをアナログ−デジタル(A/D)変換器10
3及び113が受け取り可能な電圧に増幅する。A/D
変換器103及び113は、それぞれアンプ102及び
112からのアナログ信号値をデジタル信号値に変換す
る。 【0038】比率演算部104は、A/D変換器103
及び113から出力されたデジタル信号値の除算を行
い、2つのデジタル信号値の比率を求める。角度演算部
105は記憶装置106に記憶された表を参照して、比
率演算部104から出力された比率に対応する角度を求
め、端子107に結果を出力する。 【0039】(第2実施形態)上述の実施形態では、角
度演算部が1つの入力値に対して記憶装置内の表のうち
から1つの角度を取得する例について説明したが、1つ
の入力に対して表中の少なくとも2つのデータを取得
し、これらのデータに基づいて直線補完、2次関数補完
等の補完処理を行うことにより出力値を求めることとし
てもよい。 【0040】本発明のように、計算に関数を用いる代わ
りに表データを参照する方式の場合、表に格納するデー
タの細かさ、即ち表の分割量がそのまま計算精度を左右
する。従って、精度の高い計算をするためには大量のデ
ータを格納しなければならず、大量のメモリが必要とな
る。メモリ量の増加は、そのまま処理ICのコスト増加
につながるため、好ましくない。 【0041】しかしながら、本発明による角度計算の場
合には、ミクロにみれば表に格納すべきデータがほぼ単
調な変化をする特性を有する。そこで、本実施形態で
は、図3のデジタル角度測定システムにおいて、記憶装
置106に記憶する格納データを最小限に留めておく。
そして、角度演算部105では、データ間を計算で補完
して、比率演算部104から出力された比率に対応する
角度を求める。これにより、回転角変位データを記憶し
た記憶装置のメモリ量等を少なくしながら、求める回転
角度の精度を高く保つことが可能となる。 【0042】実際に、角度0.01度の精度を出すため
に1回転全てのデータを格納すると、表は36000組
のデータを必要とするが、一番単純な直線補完でも、1
度〜2度おきに表を用意しておけば0.01度の精度を
保つことができた。従って、表に格納するデータ量は、
一気に数百分の1に減少した。 【0043】以下、本発明の実施例について説明する。 【0044】 【実施例】(実施例1)本発明を適用したデジタル角度
測定システムにおいて、2つの磁気センサからの出力の
比率Y/Xを用いてθ=arctan(Y/X)を求め
た場合、どの程度の誤差が発生するかを確かめた。 【0045】図6は本発明を適用したデジタル角度測定
システムの斜視図、図7はデジタル角度測定システムを
図6中矢印A方向から示したものである。磁石602及
び603は、一定の間隔U=11mmをあけて、回転台
601上に、この回転台の中心に対して対称的に固定し
た。本実施例では、共に縦S×横S×幅T=30mm×
30mm×6mmのSmCo磁石を使用した。一方、磁
気センサ101及び111は互いにほぼ直交する磁界を
測定するように磁石602及び603の間に固定された
ホール素子である。本実施例では、旭化成電子株式会社
製のHG302Bを使用した。このような構成をとるこ
とにより、ホール素子604及び605は、回転台60
1と共に矢印V方向に回転する磁石602及び603が
生成する磁界に基づいて、角度を計測することができ
る。 【0046】まず、角度演算部105において、0≦
(Y/X)≦1の範囲でY/Xを1000等分し、これ
に応じたθ=arctan(Y/X)の値を倍精度の浮
動小数点演算で求めた理論値の表1を作成し、回転角変
位データとして記憶装置106に記憶した。 【0047】 【表1】 【0048】また、2枚の磁石602及び603を、角
度精度が0.002度の回転台601上に固定し、0.
01度ずつ回転させて、それぞれの位置で2つのホール
素子604及び605からの出力を測定した。磁石中心
付近の磁場強度は、約192mTである。ホール素子に
3.0Vの定電圧を印加して、出力を計装用アンプで増
幅してから、入力レンジ±2.5Vの16ビットA/D
コンバータ2チャンネルでデータをデジタル化した。A
/Dコンバータのサンプリング周波数は200KHzで
あり、ホール素子(HG302B)のバイアス電流端子
(2本)とホール電圧測定端子(2本〉が約10mse
cおきに入れ替わるような「90度ローテーション回
路」を通して信号を増幅している。 【0049】図8は、90度ローテーション回路を概念
的に示す図である。ホール素子800の感磁軸は紙面に
垂直であり、その内部では端子1と端子2とが接続さ
れ、また端子3と端子4とが接続されている。まず、図
8(a)に示すように端子1及び2を通じて電流Iを流
し、紙面を貫く磁束により端子3及び4の間に発生する
電圧Vout(0deg)を測定する。次に、図8
(b)に示すように端子3及び4を通じて電流Iを流
し、端子1及び2の間に発生する電圧Vout(90d
eg)を測定する。端子間電圧Vout(0deg)及
びVout(90deg)は、ホール電圧V及びホー
ル素子800のオフセット電圧Voffを用いて、以下
のように表すことができる。 Vout(0deg)=V+Voff(0deg) (3) Vout(90deg)=V+Voff(90deg) (4) ここで、Voff(0deg)及びVoff(90deg)は、 Voff(0deg)=−Voff(90deg) (5) の関係がある。従って、Vは以下の式により求められる。 [Vout(0deg)+Vout(90deg)]÷2 =V+[Voff(0deg)+Voff(90deg)]÷2 =V (6) 【0050】その後は、記憶装置106に予め記憶した
表1を参照して、回転角度を測定した。 【0051】また、表2に示すように、比率演算部10
4への入力X及びYの符号と、絶対値の大小関係とを考
慮して、±180度を8等分した45度区間の各々に表
1を対応させることにより、全周に亘った角度測定を行
った。 【0052】 【表2】【0053】このデジタル角度測定システムを使用した
角度測定における実際の測定誤差を図9に示す。また、
比較例として、従来例における磁気センサ1個を使用し
た角度測定の測定誤差を図10に、従来例における磁気
センサ2個からtanθを求めた角度測定の測定誤差を
図11に示す。図9〜図11に示すように、本実施例に
おける測定値の誤差は、従来例と比べて格段に優れてい
ることが分かる。 【0054】(実施例2)表1及び表2を用いて角度θ
を求めたときの誤差は、X及びYが充分な精度で測定で
きれば理論的には±0.005度であることが容易に理
解できる。しかし、現実には磁石にばらつきがあり、理
想通りの磁場分布は得られないし、2つのホール素子の
相対角度もほぼ直角にすることはできるが、90.00
度と表されるような充分に高い精度で配置することはで
きず、回転中心のずれなどの機械的な精度の限界も加わ
るため、上述した実施例では計算から理論上予測される
角度誤差よりも大きな誤差を生じてしまう可能性があ
る。実際、図9に示すように、上述した実施例における
測定値の誤差は理論的な測定誤差よりも大きい。 【0055】そこで、本実施例では、シミュレーション
による計算で求めた数値を記憶装置に記憶させた。即
ち、改めて2つのホール素子の感磁面同士がなす角度を
正確に測定して、この実測値を90+α、即ち2つの素
子の角度がそれぞれ±α/2ずれていると考えた上で2
つの素子の出力比を計算し、このズレを補償した。 【0056】磁石の回転角度(θ)は、 1番目の素子の出力X=cos(θ−α/2) (7) 2番目の素子の出力Y=sin(θ+α/2)= sin(θ−α/2)・cos(α)+cos(θ−α)sin(α) (8) であるから、 θ=arctan[{(Y/X)−sin(α)}/cos(α)] +α/2 (9) で表される。即ち、角度(α)さえ必要充分な正確さで
測定しておけば、ホール素子の出力(Y/X)に対する
磁石回転角度(θ)の表は正確に作成できる。この式を
用いて改めて倍精度の浮動小数点演算を行って作成され
た回転角変位の表を表3に示す。 【0057】 【表3】【0058】本実施例では、実施例1で説明したデジタ
ル角度測定システムを使用し、表3を記憶装置106に
記憶させて角度測定を行った。図12は、本実施例にお
ける測定角度誤差を示す図である。本図に示すように、
ホール素子間の角度のズレを補償することにより、更に
測定精度が高められていることが分かる。 【0059】(実施例3)図12に示す測定誤差は、主
に磁場の不均一に起因するものであるが、磁場均一性を
保つために個別に磁石を調整するのは現実的ではない。
この誤差量でも従来例と比べれば充分よいと言えるが、
更によい精度を求めるときには、上記構成で測定したホ
ール素子の出力値の比率を誤差も含めて表にすればよ
い。 【0060】そこで、本実施例では、角度の情報として
は既知の前記磁気センサの出力に基づいて求められた情
報を使用した。即ち、本実施形態に係るデジタル角度測
定システム100の実測値の他、何等かの磁気センサの
実測値に基づき、磁石の形状や温度特性等を考慮してシ
ミュレーションを行った計算値を使用した。 【0061】この場合、一度正確に回転角度とホール素
子出力の関係を実測して、これを基に表を作成してお
き、実際に回転角度を測定するときにこの表を参照す
る。これにより、非常に正確な回転角度を測定できる。
本実施例のように、磁場の不均一など個別に異なるデー
タまで用いて表を作成する場合、±45度分の回転角度
を測定するためには±45度分の表が必要である。これ
は、−45度〜0度の表と0度〜45度の表が表1のよ
うに対称にはならないからである。従って、デジタル角
度測定システムが360度の回転角度を測定するシステ
ムであれば、360度分の表を用意する。 【0062】このように作成された回転角変位の表の例
を表4に示す。表4を参照して求めた回転角度の誤差
は、表を作ったときのY/Xの間隔に依存しており、本
実施例では、Y/Xを0.01刻みで計算したため、測
定角度の誤差は360度全周で±0.03度であった。 【0063】 【表4】【0064】(実施例4)上述した実施例では磁石が生
成する磁界内における回転角度を測定する場合について
説明したが、上述の各実施例で説明したデジタル角度測
定システムから磁石を除去することにより、任意の外部
磁界に対する磁気センサを取り付けた部材の基準位置か
らの角度を測定することができる。 【0065】例えば、地磁気に基づいて回転角度を測定
するデジタル角度測定システム(方位センサシステム)
の場合、図13に示すように、ホール素子604及び6
05の各感磁面と直交する付加的なホール素子1301
を追加する。そして、この3個のホール素子を、感磁面
同士のなす角度を保持しながら、2軸の回転に相当する
3次元的な回転をさせる。 【0066】このような2軸回転の場合、空間の3本の
直交軸(X,Y、Z)に相当する3個の磁気センサの出
力値の比に基づいて回転角変位のデータを作成する。そ
して、作成されたデータを使用して1軸回転と同様に角
度測定を行うことにより、空間での回転角度を算出する
ことが可能である。ここで、磁気センサの出力値の比
は、いずれか1個の出力値を基準=1とした比でもよ
く、あるいは基準位置における磁気センサからの出力値
のベクトル合成を基準とした場合の各ベクトルの比でも
よい。 【0067】これにより、地磁気に基づいて3次元の方
位や回転角を測定することが可能となる。 【0068】以上、本発明の好適な実施の形態について
説明したが、本発明は上述の実施形態に限らず、他の種
々の形態で実施できることはいうまでもない。例えば、
上述の実施形態では2個または3個の磁気センサを用い
た例について説明したが、4個以上の磁気センサを使用
することも可能であることはいうまでもない。例えば、
回転軸に対して、軸対称の位置に90度おきに4個の磁
気センサが配置された構成とすることができる。この場
合、回転中心に対して対称位置にある2個の磁気センサ
の差分をとった上で、90度異なる2個の磁気センサか
らの出力値の差分との比を求めて、回転角度の計算に使
用することができる。 【0069】また、複数の磁気センサから選択した2個
以上の磁気センサからなるグループの出力値に基づいて
角度測定を行うこととしてもよい。この場合、それぞれ
のグループについて出力値の平均等の計算値を求め、こ
の計算値同士の比率を計算して対応する角度を記憶装置
から抽出する。 【0070】更に、各センサの出力信号には、測定対象
の磁束密度に比例する信号以外に、オフセットを含むこ
とが多いので、計測された各センサ出力値から所定のオ
フセット値を減算してから、比を取るような処理を行
う。 【0071】加えて、各センサの磁束に対する感度がば
らついている場合には、この感度補正パラメータを各セ
ンサごとに乗算し、感度の違いが影響しないように比を
とるよう計算してもよい。 【0072】また、磁気センサの感磁軸同士がなす角度
は直交している必要はなく、互いに所定角度を保持して
いればよいことはいうまでもない。例えば、45度おき
に3個または4個の磁気センサを配置し、回転角度に応
じて、これらの磁気センサのうちから出力値の比をとる
組み合わせを切り替えることとしてもよい。 【0073】これにより、回転角変位データを記憶した
記憶手段のメモリ量等を更に少なくしながらも、求める
回転角度の精度を高く保つことが可能となる。 【0074】更に、本発明を適用したデジタル角度測定
システムを構成する磁気センサとしては、ホール素子の
他に、MR(Magnetic Resistance)素子、MI(Magne
ticImpedance)素子、及びフラックスゲート等を使用す
ることができる。 【0075】 【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
角度を直接数値のデジタル情報として提供することが可
能となるので、磁気センサや磁石の温度特性の影響をほ
とんど受けることなく、磁界に対する角度の測定精度を
向上させることができる。 【0076】また、入力X及びYの符号と大小関係を条
件に判断すれば、同じ精度を維持しながら±180度の
範囲で位置を測定することが可能となる。 【0077】更に、実際にデータを格納するより遙かに
少ないデータ量で、計算精度を落とさないデータ処理が
可能になる。

【図面の簡単な説明】 【図1】従来例における2つのセンサの出力を除算した
値を示す図である。 【図2】三角関数を直線で近似する計算の例を示す図で
ある。 【図3】本発明を適用したデジタル角度測定システムの
一例を示す構成図である。 【図4】図3に示した2つの磁気センサの配置の一例を
概念的に示す図で、(a)は斜視図、(b)は正面図で
ある。 【図5】図3に示した2つの磁気センサの配置の一例を
概念的に示す図で、(a)は斜視図、(b)は上面図で
ある。 【図6】本発明を適用したデジタル角度測定システムの
斜視図である。 【図7】本発明を適用したデジタル角度測定システムを
図6中矢印A方向から示した図である。 【図8】90度ローテーション回路を概念的に示す図で
ある。 【図9】実施例1のデジタル角度測定システムを使用し
た角度測定における実際の測定誤差を示す図である。 【図10】従来例における磁気センサ1個を使用した角
度測定の測定誤差を示す図である。 【図11】従来例における磁気センサ2個からtanθ
を求めた角度測定の測定誤差を示す図である。 【図12】実施例2のデジタル角度測定システムを使用
した角度測定における実際の測定誤差を示す図である。 【図13】本発明を適用したデジタル角度測定システム
の斜視図である。 【符号の説明】 1、2、3、4、107 端子 100 デジタル角度測定システム 101、111 磁気センサ 102、112 アンプ 103 A/D変換器 104 比率演算部 105 角度演算部 106 記憶装置 400、500 支持部材 401、501、602、603 磁石 601 回転台 604、605、800、1301 ホール素子

Claims (1)

  1. 【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
    サと、 前記少なくとも2個の磁気センサの各出力値に対応した
    前記磁界に対する前記磁気センサ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個の磁気センサからの出力値に基づい
    て当該各出力値を演算する演算手段と、 前記演算手段の演算結果に応答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4】 前記少なくとも2個の磁気センサの感磁
    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1〜3のいずれかに記載のデジタル
    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1〜4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】 前記出力する手段は、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1〜5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】 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する少なくとも2個の磁気センサで
    あって、磁束の検出方向を表す感磁軸の各々は前記基準
    位置からの回転の回転軸に平行であり、前記少なくとも
    2個の磁気センサのうちの1個を通る前記回転軸の垂線
    と、前記少なくとも2個の磁気センサのうちの他の1個
    を通る前記回転軸の垂線とが所定角度を保持している少
    なくとも2個の磁気センサと、 前記少なくとも2個の磁気センサの各出力値に対応した
    前記磁界に対する前記磁気センサ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個の磁気センサからの出力値に基づい
    て当該各出力値を演算する演算手段と、 前記演算手段の演算結果に応答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8】 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個の磁気センサの各々を通る
    前記回転軸の垂線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
    7に記載のデジタル角度測定システム。 【請求項9】 前記記憶手段に記憶された回転角変位デ
    ータは、前記磁気センサ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7に記載のデジタ
    ル角度測定システム。 【請求項10】 前記少なくとも2個の磁気センサのう
    ちの1個を通る前記回転軸の垂線と、前記複数個の磁気
    センサのうちの他の1個を通る前記回転軸の垂線とが保
    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7〜9のいずれかに記載のデジタル角度測定シ
    ステム。 【請求項11】 前記少なくとも2個の磁気センサは、
    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7〜10のいずれかに記載のデジタル角度測定シ
    ステム。 【請求項12】 前記出力する手段は、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7〜11のいずれかに記載
    のデジタル角度測定システム。
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