JP2004245766A - Device for detecting rotation angle - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は磁気抵抗素子を用いて被検出物の回転角を検出する回転角検出装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来の回転角検出装置としては、図6に示すものがある。図6に示すように回転角検出装置は、2個の磁石1と主ヨーク2とで構成されるロータと、一組の補助ヨーク3と磁気検出素子4とで構成されるステータとを具備し、被検出物の回転物の回転軸にロータが固定されている。主ヨーク2は2個の磁石1の間をリング状に閉じて磁気回路を構成し、一組の補助ヨーク3は両者間に空隙5を設けるように配置し、その空隙5の中央部に磁気検出素子4が組み込まれている。このステータはロータ内部に配置されロータとの間に設けられるエアギャップGが周方向で徐々に変化するように配置されている。具体的にはステータの空隙方向をロータの中心線A−Aに合わせ、さらにステータの中心Osをロータの中心Orから所定量だけずらして配置している。
【0003】
なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、例えば特許文献1が知られている。
【0004】
【特許文献1】
特開2001−28969号公報
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
従来の回転角検出装置では温度変化などにより、磁気検出素子の抵抗値や検出レベルなどが大きく変化し、検出される回転角に誤差が生じ易くなる。
【0006】
本発明は温度変化などの影響を受けず高分解能で回転角を正確に検出する回転角検出装置を提供することを目的とするものである。
【0007】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明は以下の構成を有する。
【0008】
本発明の請求項1に記載の発明は、少なくとも2つの磁気抵抗素子と、この磁気抵抗素子に磁界を与える磁気発生部と、前記磁気抵抗素子からの出力信号より回転角を検出する信号処理部と、前記磁気抵抗素子の出力信号を制御する信号制御部とからなり、前記少なくとも2つの磁気抵抗素子からの出力信号の位相が1/4周期異なるように2つの磁気抵抗素子を配置した回転角検出装置であり、異なる位相になるように配置する磁気抵抗素子の出力信号レベルを制御し、さらにこれらの出力信号を比較することにより回転角の検出精度が向上する。
【0009】
請求項2に記載の発明は、信号制御部が電源電圧を切り換える電源回路と、回転角の検出誤差に応じて電源回路を制御する制御部とから構成される請求項1に記載の回転角検出装置であり、異なる位相になるように配置する磁気抵抗素子の出力信号レベルを制御し、さらに比較することにより回転角の検出精度が向上する。
【0010】
請求項3に記載の発明は、信号制御部が電源回路と磁気抵抗素子間およびGNDと磁気抵抗素子間に抵抗素子とこの抵抗素子と並列にスイッチを挿入したスイッチ部と、回転角の検出誤差に応じて前記スイッチを制御する制御部とから構成される請求項1に記載の回転角検出装置であり、異なる位相になるように配置する磁気抵抗素子の出力信号レベルを制御し、さらに比較することにより回転角の検出精度が向上する。
【0011】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図を用いて説明する。
【0012】
(実施の形態1)
図1は本発明の回転角検出装置の回路ブロック図である。
【0013】
本発明の回転角検出装置の回路構成について図1を用いて説明する。図1に示す本発明の回転角検出装置は2組のブリッジ回路11,16からの出力信号の位相が1/4周期異なる4つの磁気抵抗素子12,13,14,15と、2組の2つのOPアンプ18,19からなる増幅部17,20と、回転角を検出する信号処理部21から構成される。
【0014】
そして、2組のブリッジ回路11,16は4つの磁気抵抗素子12,13,14,15からなり、電源27から磁気抵抗素子12、磁気抵抗素子12および磁気抵抗素子13、磁気抵抗素子13を介してGNDに接続される。同様に電源27から磁気抵抗素子14、磁気抵抗素子14および磁気抵抗素子15、磁気抵抗素子15を介してGNDにそれぞれ接続される。
【0015】
ブリッジ回路11,16の磁気抵抗素子12と磁気抵抗素子13の接続点および磁気抵抗素子14と磁気抵抗素子15の接続点から増幅部17,20のOPアンプ18の反転入力端子および非反転入力端子に接続される。そして増幅部17,20のOPアンプ18の出力端子から次段のOPアンプ19、信号処理部21の入力端子23,25に接続される。さらに増幅部17,20のOPアンプ19から信号処理部21の入力端子22,24に接続される構成となっている。
【0016】
以下、本発明の回転角検出装置の動作について図2(a),(b)、図3(a)〜(c)を用いて説明する。図2(a),(b)は回転角検出装置の構成を示す側面図および正面図、図3は本発明の回転角検出装置内の信号処理部に入力される信号波形図である。
【0017】
図2(a),(b)に示すように磁気抵抗素子12,13,14,15からなるブリッジ回路11とブリッジ回路16は位相が1/4周期異なるように配置されている。またブリッジ回路11とブリッジ回路16に近接して磁気発生部28a,28bが回転する稼働部に配置され、磁気発生部28a,28bが回転することにより磁気抵抗素子12,13,14,15の抵抗値が変化し、磁気抵抗素子12と磁気抵抗素子13の接続点と磁気抵抗素子14と磁気抵抗素子15の接続点から微小出力信号として出力され、増幅部17,20により増幅される。この増幅部17,20からの出力信号波形を図3(a)に示す。
【0018】
次に、磁気抵抗素子12,13,14,15からなるブリッジ回路11について説明する。対向する磁気抵抗素子12と磁気抵抗素子15は同じ感磁方向を有し、また磁気抵抗素子13と磁気抵抗素子14も同じ感磁方向を有している。さらにブリッジ回路11とブリッジ回路16は1/4周期異なるように配置される。
【0019】
例えば、磁気発生部28aが回転してブリッジ回路11の磁気抵抗素子12,13,14,15に同じ磁界が作用すると、磁気抵抗素子12,13,14,15は同じ抵抗値R1となり磁気抵抗素子12と磁気抵抗素子13の接続点および磁気抵抗素子14と磁気抵抗素子15の接続点の電位は電源電圧の1/2となる。さらに磁気発生部28aが回転して2つの磁気抵抗素子12と磁気抵抗素子15の抵抗値がΔRだけ大きく、もう2つの磁気抵抗素子13と磁気抵抗素子14の抵抗値がΔRだけ小さくなると、磁気抵抗素子12と磁気抵抗素子13の接続点の電位((R1−ΔR)×Vcc)/2R1と磁気抵抗素子14と磁気抵抗素子15の接続点の電位((R1+ΔR)×Vcc)/2R1となり、電位差は(ΔR1×Vcc)/R1となり、この2つの信号が増幅部17に入力され電位差の(ΔR1×Vcc)/R1に増幅部17の利得倍された信号として図3に示す電圧29aが得られる。そしてさらに磁気発生部28aが回転して2つの磁気抵抗素子12と磁気抵抗素子15の抵抗値がΔRだけ小さくなり、もう2つの磁気抵抗素子13と磁気抵抗素子14の抵抗値がΔRだけ大きくなると、磁気抵抗素子12と磁気抵抗素子13の接続点の電位((R1−ΔR)×Vcc)/2R1と磁気抵抗素子14と磁気抵抗素子15の接続点の電位((R1+ΔR)×Vcc)/2R1が増幅部17に入力され、増幅部17により増幅され図3に示す電圧29bが得られる。そして磁気発生部28aが連続回転の動作を繰り返すと、図3に示す信号波形29が得られることになる。
【0020】
一方、位相が1/4周期異なる磁気抵抗素子12,13,14,15からなるブリッジ回路16についてはブリッジ回路11と位相が90度異なる信号を磁気抵抗素子12と磁気抵抗素子13および磁気抵抗素子14と磁気抵抗素子15の接続点から出力され、これらの信号が増幅部20に入力され、同様に図3に示す信号波形30が得られる。
【0021】
増幅部17,20からの出力信号29,30は信号処理部21の入力端子22,24に入力され、結果として回転角が検出される。回転角を検出する方法として、例えば一方の出力信号29を正弦波a・sinθとすると、もう一方の出力信号30を余弦波a・cosθとすることができる。そしてtanθ=(a・sinθ)/(a・cosθ)となり、A=tanθとすると、θ=tan−1Aとなり、振幅レベルに関係なく回転角θを求めることができる。さらに正弦波を振幅の中心である回転角θ=0とすると、余弦波が最大となり係数aの振幅レベルが求まる。また((a・sinθ)2+(a・cosθ)2)1/2により求めることもできる。
【0022】
しかし、温度変化などの影響により磁気抵抗素子12,13,14,15の抵抗値が変化するため、磁気発生部28a,28bの回転によりブリッジ回路11,16の磁気抵抗素子12と磁気抵抗素子13および磁気抵抗素子14と磁気抵抗素子15の接続点に発生する信号レベルも変化する。
【0023】
例えば、周囲温度が低下すると、磁気抵抗素子12,13,14,15の抵抗値が変化し、増幅部17,20から信号処理部21の入力端子22,24に入力される信号は図3(b)に示すように所定の回転角検出の許容誤差範囲の最大閾値レベルe(V)、f(V)を超え、さらに増幅部17,20の出力電圧の上限および下限にクリップする信号波形31,32となる。そこで信号処理部21の内部の制御部26が常に回転角の検出誤差を監視し、この回転角の検出誤差が大きくなると瞬時に増幅部17,20の利得より数dB低い利得のOPアンプ18から入力される入力端子23,25に切り換え、図3(a)に示す信号波形29,30となるように制御することができ、回転角の検出精度が向上する。
【0024】
また、周囲温度が高くなると、増幅部17,20からの出力信号は図3(c)に示すように所定の回転角検出の許容誤差範囲の最小閾値レベルg(V)、h(V)に達しない信号波形33,34となる。そこで信号処理部21の内部の制御部26が常に回転角の検出誤差を監視し、この回転角の検出誤差が大きくなると瞬時に入力端子23,25に入力される信号から数dB高い利得のOPアンプ19より入力端子22,24に入力される信号に切り換え、図3(a)に示す信号波形28,29となるように制御することができ、回転角の検出精度が向上する。
【0025】
(実施の形態2)
図4は本発明の回転角検出装置の回路ブロック図である。本発明の実施の形態1と異なる構成および動作について図を用いて説明する。
【0026】
図4に示すように電源電圧値を切り換える電源回路35と、4つの磁気抵抗素子12,13,14,15からなるブリッジ回路11,16と、1つのOPアンプからなる増幅部18a,18b、入力信号より回転角を検出する信号処理部21から構成される。
【0027】
信号処理部21は2つの入力端子22,24を有し、さらにこの入力端子22,24に入力される信号から常に回転角の検出誤差を監視して、この回転角の検出誤差が大きくなると瞬時に電源回路35の電源電圧を所定の電圧に切り換えて信号レベルを所定範囲になるように制御する制御部26を有している。この場合は回転角の検出誤差を抑制するため電源回路35の電源電圧の切り換えと同時に信号処理部21に入力される信号レベルの許容範囲の変更またはシフトを信号処理部21の内部で行われる。
【0028】
例えば、ブリッジ回路11,16に電源回路35からVx(V)の電圧が供給されている場合、ブリッジ回路11,16に隣接して磁気発生部28a,28bが配置され、この磁気発生部28a,28bの回転により磁界方向が変化し、4つの磁気抵抗素子12,13,14,15の抵抗値が変化し、ブリッジ回路11,16からそれぞれ位相が1/4周期異なる信号が出力される。この信号はVx/2(V)を中心に微弱な信号であり、この信号を増幅部18a,18bにより所定の信号レベルに増幅する。そしてこの増幅された信号は信号処理部21の入力端子22,24に入力され回転角の検出が行われる。
【0029】
しかし、温度変化などの影響により磁気抵抗素子12,13,14,15の抵抗値が変化するため、磁気発生部28a,28bの回転によりブリッジ回路11,16の磁気抵抗素子12と磁気抵抗素子13および磁気抵抗素子14と磁気抵抗素子15の接続点に発生する信号レベルも変化する。
【0030】
例えば、周囲温度が低下すると、増幅部18a,18bから信号処理部21の入力端子22,24に入力される信号は図3(b)に示すように所定の回転角検出の許容誤差範囲の最大閾値レベルe(V)、f(V)を超え、さらに増幅部18a,18bの出力電圧の上限および下限にクリップする信号波形31,32となる。そこで信号処理部21の内部の制御部26が常に回転角の検出誤差を監視し、この回転角の検出誤差が大きくなると瞬時に信号処理部21の制御部26から電源回路35をVy(V)となるように切り換え、図3(a)に示す信号波形29,30となるように制御することができ、回転角の検出精度が向上する。
【0031】
また、周囲温度が高くなると、増幅部18a,18bからの出力信号は図3(c)に示すように所定の回転角検出の許容誤差範囲の最小閾値レベルg(V)、h(V)に達しない信号波形33,34となる。そこで信号処理部21の内部の制御部26が常に回転角の検出誤差を監視し、この回転角の検出誤差が大きくなると瞬時に信号処理部21の制御部26から電源回路35をVx(V)となるように切り換え、図3(a)に示す信号波形29,30となるように制御することができ、回転角の検出精度が向上する。
【0032】
(実施の形態3)
図5は本発明の回転角検出装置の回路ブロック図である。本発明の実施の形態1と異なる構成および動作について図を用いて説明する。
【0033】
図5に示すように電源27とブリッジ回路11,16の間およびGNDとブリッジ回路11,16との間に挿入された抵抗素子36a,36b,36c,36dと、この抵抗素子36a,36b,36c,36dと並列に挿入されたスイッチとしてのトランジスタ37a,37b,37c,37dと、ブリッジ回路11,16と、1つのOPアンプからなる増幅部18a,18b、入力信号より回転角を検出する信号処理部21から構成される。ここでトランジスタ37a,37b,37c,37dのコレクタおよびエミッタが抵抗素子36a,36b,36c,36dの両端と接続されている。
【0034】
信号処理部21は2つの入力端子22,24を有し、さらにこの入力端子22,24に入力される信号から常に回転角の検出誤差を監視して、この回転角の検出誤差が大きくなると制御部26からの信号によりトランジスタ37a,37b,37c,37dをON/OFFしてブリッジ回路11,16の両端の印加電圧を切り換えて信号レベルを所定範囲になるように制御する制御部26を有している。
【0035】
例えば、周囲温度が低下すると、増幅部18a,18bから信号処理部21の入力端子22,24に入力される信号は図3(b)に示すように所定の回転角検出の許容誤差範囲の最大閾値レベルe(V)、f(V)を超え、さらに増幅部の出力電圧の上限および下限にクリップする信号波形31,32となる。そこで信号処理部21の内部の制御部26が常に回転角の検出誤差を監視し、この回転角の検出誤差が大きくなると瞬時に信号処理部21の制御部26からトランジスタ37a,37b,37c,37dのベースにOFF信号を入力し、抵抗素子36a,36b,36c,36dに電圧が生じるため、ブリッジ回路の両端に印加される電圧を低くし、結果として図3(a)に示す信号波形29,30となるように制御することができ、回転角の検出精度が向上する。
【0036】
また、周囲温度が高くなると、増幅部18a,18bからの出力信号は図3(c)に示すように所定の回転角検出の許容誤差範囲の最小閾値レベルg(V)、h(V)に達しない信号波形33,34となる。そこで信号処理部21の内部の制御部26が常に回転角の検出誤差を監視し、この回転角の検出誤差が大きくなると瞬時に信号処理部21の制御部26からトランジスタ37a,37b,37c,37dのベースにON信号を入力し、抵抗素子36a,36b,36c,36dに電圧がほとんど生じなくなりブリッジ回路の両端に印加される電圧が高くなり、結果として図3(a)に示す信号波形29,30となるように制御することができ、回転角の検出精度が向上する。
【0037】
【発明の効果】
以上のように本発明は、少なくとも2つの磁気抵抗素子と、この磁気抵抗素子に磁界を与える磁気発生部と、前記磁気抵抗素子からの出力信号より回転角を検出する信号処理部と、前記磁気抵抗素子の出力信号を制御する制御部からなり、前記少なくとも2つの磁気抵抗素子の位相が1/4周期異なるように2つの磁気抵抗素子を配置した回転角検出装置であり、異なる位相になるように配置する磁気抵抗素子の出力信号レベルを制御し、さらにこれらの出力信号を比較することにより回転角の検出精度が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の回転角検出装置の回路ブロック図
【図2】(a)本発明の回転角検出装置の構成を示す側面図
(b)本発明の回転角検出装置の構成を示す正面図
【図3】(a)〜(c)本発明の回転角検出装置内の信号処理部に入力される信号波形図
【図4】本発明の回転角検出装置の回路ブロック図
【図5】本発明の回転角検出装置の回路ブロック図
【図6】従来の回転角検出装置の構成図
【符号の説明】
11 ブリッジ回路
12 磁気抵抗素子
13 磁気抵抗素子
14 磁気抵抗素子
15 磁気抵抗素子
16 ブリッジ回路
17 増幅部
18 OPアンプ
18a OPアンプ
18b OPアンプ
19 OPアンプ
20 増幅部
21 信号処理部
22 入力端子
23 入力端子
24 入力端子
25 入力端子
26 制御部
27 電源
28a 磁気発生部
28b 磁気発生部
29 OPアンプからの出力信号
29a 電圧
29b 電圧
30 OPアンプからの出力信号
30a 電圧
30b 電圧
31 OPアンプからの出力信号
32 OPアンプからの出力信号
33 OPアンプからの出力信号
34 OPアンプからの出力信号
35 電源回路
36a 抵抗素子
36b 抵抗素子
36c 抵抗素子
36d 抵抗素子
37a トランジスタ
37b トランジスタ
37c トランジスタ
37d トランジスタ[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a rotation angle detection device that detects a rotation angle of an object using a magnetoresistive element.
[0002]
[Prior art]
FIG. 6 shows a conventional rotation angle detecting device. As shown in FIG. 6, the rotation angle detection device includes a rotor composed of two magnets 1 and a
[0003]
As prior art document information related to the invention of this application, for example, Patent Document 1 is known.
[0004]
[Patent Document 1]
JP-A-2001-28969
[Problems to be solved by the invention]
In the conventional rotation angle detection device, the resistance value, the detection level, and the like of the magnetic detection element greatly change due to a temperature change or the like, and an error easily occurs in the detected rotation angle.
[0006]
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a rotation angle detection device that accurately detects a rotation angle with high resolution without being affected by a temperature change or the like.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the present invention has the following configurations.
[0008]
The invention according to claim 1 of the present invention provides at least two magnetoresistive elements, a magnetism generating unit for applying a magnetic field to the magnetoresistive elements, and a signal processing unit for detecting a rotation angle from an output signal from the magnetoresistive elements. And a signal control unit for controlling an output signal of the magnetoresistive element, wherein the two magnetoresistive elements are arranged such that the phases of the output signals from the at least two magnetoresistive elements differ by 1 / period. The detection device controls the output signal levels of the magnetoresistive elements arranged so as to have different phases, and further compares these output signals to improve the detection accuracy of the rotation angle.
[0009]
According to a second aspect of the present invention, the rotation angle detection device according to the first aspect includes a power supply circuit that switches a power supply voltage by the signal control unit and a control unit that controls the power supply circuit according to a rotation angle detection error. The device controls the output signal levels of the magnetoresistive elements arranged so as to have different phases, and further improves the detection accuracy of the rotation angle by comparing the output signal levels.
[0010]
According to a third aspect of the present invention, the signal control unit includes a resistance element between the power supply circuit and the magnetoresistive element and between the GND and the magnetoresistive element, and a switch unit in which a switch is inserted in parallel with the resistance element. 2. The rotation angle detection device according to claim 1, further comprising: a control unit configured to control the switch in accordance with a control signal, wherein the output signal levels of the magnetoresistive elements arranged to have different phases are controlled and further compared. This improves the detection accuracy of the rotation angle.
[0011]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0012]
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a circuit block diagram of the rotation angle detecting device of the present invention.
[0013]
The circuit configuration of the rotation angle detecting device of the present invention will be described with reference to FIG. The rotation angle detecting device of the present invention shown in FIG. 1 has four
[0014]
The two sets of
[0015]
Inverting input terminals and non-inverting input terminals of the
[0016]
Hereinafter, the operation of the rotation angle detecting device of the present invention will be described with reference to FIGS. 2 (a) and 2 (b) and FIGS. 3 (a) to 3 (c). 2A and 2B are a side view and a front view showing a configuration of the rotation angle detection device, and FIG. 3 is a signal waveform diagram input to a signal processing unit in the rotation angle detection device of the present invention.
[0017]
As shown in FIGS. 2A and 2B, the
[0018]
Next, the
[0019]
For example, when the
[0020]
On the other hand, for the
[0021]
Output signals 29 and 30 from the amplifying
[0022]
However, since the resistance values of the
[0023]
For example, when the ambient temperature decreases, the resistance values of the
[0024]
When the ambient temperature increases, the output signals from the amplifying
[0025]
(Embodiment 2)
FIG. 4 is a circuit block diagram of the rotation angle detecting device of the present invention. The configuration and operation different from the first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0026]
As shown in FIG. 4, a power supply circuit 35 for switching a power supply voltage value,
[0027]
The
[0028]
For example, when a voltage of Vx (V) is supplied to the
[0029]
However, since the resistance values of the
[0030]
For example, when the ambient temperature decreases, the signals input from the amplifying
[0031]
When the ambient temperature increases, the output signals from the amplifying
[0032]
(Embodiment 3)
FIG. 5 is a circuit block diagram of the rotation angle detecting device of the present invention. The configuration and operation different from the first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0033]
As shown in FIG. 5,
[0034]
The
[0035]
For example, when the ambient temperature decreases, the signals input from the amplifying
[0036]
When the ambient temperature increases, the output signals from the amplifying
[0037]
【The invention's effect】
As described above, the present invention provides at least two magneto-resistive elements, a magnetism generating unit for applying a magnetic field to the magneto-resistive elements, a signal processing unit for detecting a rotation angle from an output signal from the magneto-resistive elements, A rotation angle detection device comprising a control unit for controlling an output signal of the resistance element, wherein the two magnetic resistance elements are arranged so that the phases of the at least two magnetic resistance elements are different from each other by 1/4 cycle, By controlling the output signal level of the magnetoresistive element arranged in the first position and comparing these output signals, the detection accuracy of the rotation angle is improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a circuit block diagram of a rotation angle detection device according to the present invention; FIG. 2A is a side view illustrating a configuration of the rotation angle detection device according to the invention; FIG. FIGS. 3 (a) to 3 (c) are diagrams of signal waveforms input to a signal processing unit in the rotation angle detection device of the present invention. FIG. 4 is a circuit block diagram of the rotation angle detection device of the present invention. FIG. 6 is a circuit block diagram of a rotation angle detection device of the present invention. FIG. 6 is a configuration diagram of a conventional rotation angle detection device.
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Claims (3)
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