JP2005055297A - 非接触式角度測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
回転角測定精度の向上した非接触式回転角度測定装置を提供することにある。
【解決手段】
回転軸２には、磁石３が取り付けられている。角度センサ素子１は、回転軸２の回転により、磁石３から発生する磁界の変化を検出する。信号処理器５は、温度センサ６によって検出された温度に基づいて、センサ素子１及び信号処理器５及び磁石３を含むセンサの個体差を、信号の振幅値及び／若しくはオフセット値または振幅値の経時変化を補正することによって補正する。センサ素子１は、第１及び第２の出力ｖ１，ｖ２を出力し、信号処理器５は、出力ｖ１及び出力ｖ２の振幅値の温度係数若しくはオフセット値の温度係数若しくは振幅値の経時変化係数を求め、これらの係数によって補正された第１及び第２の出力の比（ratio）を求め、この補正された比（ratio）を用いて角度を算出する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、回転体の回転角度を検出する非接触式角度測定装置に関する。

従来の非接触式角度検出装置においては、例えば、特開２００３−２１５０３号公報に記載のように、センサ素子の全抵抗値からセンサ素子の温度を推定し、その推定温度に基いてセンサ素子の出力を補正するものや、特開２００２−４８５０８号公報に記載されているように、センサ用コイルと直列接続された温度補償用コイルにより、温度ドリフトを補正するものが知られている。

特開２００３−２１５０３号公報 特開２００２−４８５０８号公報

しかしながら、特開２００３−２１５０３号公報や、特開２００２−４８５０８号公報に記載のものでは、センサ素子の温度特性の個体差や、磁石や信号処理回路などのようにセンサを構成する部材の温度特性の個体差については考慮されていないものである。すなわち、特開２００３−２１５０３号公報や、特開２００２−４８５０８号公報に記載のものでは、センサ素子の温度特性は、全てのセンサ素子について全て同じであるとして、一律に温度補正している。しかしながら、実際には、個々のセンサ素子について検討してみると、その温度特性は、ロット単位などで異なっている。また、磁石や信号処理回路などのようにセンサを構成する部材の温度特性も、それぞれ個体差を有している。従って、温度の影響および経時変化により生ずるセンサ信号の変化量に個体差が見られる場合、角度測定装置の使用期間中、精度が著しく変化するという問題があった。例えば自動車において回転角測定に用いる場合、精度に対する非常に高い要求と寿命期間にわたっての安定性とが望まれている。

本発明の目的は、回転角測定精度の向上した非接触式回転角度測定装置を提供することにある。

（１）上記目的を達成するために、本発明は、回転軸と共に回転する磁界発生手段と、前記回転軸の回転により、前記磁界発生手段から発生する磁界の変化を検出するセンサ素子と、このセンサ素子の出力信号を処理する信号処理手段とを有し、前記センサ素子の出力信号に基づいて前記回転軸の回転角度を測定する非接触式角度測定装置において、前記センサ素子及び前記信号処理手段及び前記磁界発生手段を含むセンサの個体差を補正する補正手段を備えるようにしたものである。
かかる構成により、各センサの個体差を補正でき、回転角測定精度を向上し得るものとなる。

（２）上記（１）において、好ましくは、前記センサ素子の温度を検出する温度センサを備え、前記補正手段は、前記温度センサによって検出された温度に基づいて、前記センサの個体差を補正するようにしたものである。

（３）上記（２）において、好ましくは、前記補正手段は、前記温度センサによって検出された温度に基づいて、前記信号処理手段が出力する信号の振幅値及び／若しくはオフセット値を補正するようにしたものである。

（４）上記（２）において、好ましくは、前記補正手段は、前記温度センサによって検出された温度に基づいて、前記信号処理手段が出力する信号の振幅値の経時変化を補正するようにしたものである。

（５）上記（１）において、好ましくは、前記センサ素子は、第１及び第２の出力ｖ１，ｖ２を出力し、前記補正手段は、前記出力ｖ１及び出力ｖ２の振幅値の温度係数若しくはオフセット値の温度係数若しくは振幅値の経時変化係数を求め、これらの係数によって補正された第１及び第２の出力の比（ratio）を求め、この補正された比（ratio）を用いて角度を算出するようにしたものである。

本発明によれば、回転角測定精度を向上することができる。

以下、図１〜図１９を用いて、本発明の一実施形態による非接触式角度測定装置の構成及び動作について説明する。
最初に、図１を用いて、本実施形態による非接触式角度測定装置の全体構成について説明する。
図１は、本発明の一実施形態による非接触式角度測定装置の全体構成図である。

本実施形態による角度測定装置は、回転体の回転角度を非接触にて計測するものである。ここで、回転体とは、例えば、自動車のステアリングシャフト，ハンドルロッドやシフトレールである。

回転軸２は、この回転体と接合された軸であり、回転体と同期して回転するもの、もしくは回転体そのものである。回転軸２には、磁石３が回転軸２と同期して回転出来るよう、回転軸上に付設されている。

また、磁石３から発生する磁束の領域内に、回路基板４の上に搭載された角度センサ素子１が配置されている。回路基板４には、その他に、信号処理器５，温度センサ６，ホール素子７やメモリー８が搭載されている。

温度センサ６は、センサ素子１の温度を計測するために、センサ素子１の近傍に配置されている。また、ホール素子７は、角度領域を判定するために用いるものであり、その動作については、図５を用いて後述する。ホール素子７は、磁石３によって発生する磁束を検出するため、角度センサ素子１の近傍に配置されている。

信号処理器５は、角度センサ素子１と、温度センサ６と、ホール素子７のの出力を信号処理して、回転軸２の角度を算出する。

センサ素子１は、例えば、巨大磁気抵抗素子（GMR（Giant Magneto Resister)素子）や、磁気抵抗素子（MR（Magneto Resister)素子）や、AMRであり、それぞれ、材料およびメーカにより、動作に必要な磁界が異なる。Philips製のMR素子（KMZ43）を使用した場合は、動作磁界が25kA/m以上と推奨されている。

磁石３は、例えばフェライト、SmCoやSmFeNが考えられるが、特に、SmFeB（日立金属株式会社，Br＝650〜590mT，Hcb=400〜440kA/m）を選定した場合には、形状を直径φ20、厚さt=3mmとし、磁石下部にヨーク材を設けることで、磁石３とセンサ素子１の距離（エアギャップ）が６mm±１mmの位置において、センサ素子１の推奨動作磁界を実現できる。

信号処理器５は、例えばマイクロコンピュータであったり、外部に設けられたPCやDSPボードである。回路基板４は、例えば、PCBやセラミックであったり、SUS等の金属である。ここで、センサ素子１と磁石３との間に部材が配置される場合は、非磁性体である必要がある。図１では回路基板４がこの非磁性体に相当する。

メモリ８は、後述するキャリブレーションやセンサ出力の補正に使用するものであり、RAM、EPROM、EEPROM、Flashメモリーなどが用いられる。また、マイクロコンピュータ内に含まれている場合もある。
温度センサ６は、センサ素子１の温度情報を提供できるものであればよく、例えば、サーミスタが考えられるが、例えば、特開２００３−０２１５０３号公報に記載のように、センサ素子の抵抗値を検知することで、温度センサとしてもよいものである。

次に、図２を用いて、本実施形態による非接触式角度測定装置の回路構成について説明する。
図２は、本発明の一実施形態による非接触式角度測定装置の回路構成を示すブロック図である。なお、図１と同一符号は、同一部分を示している。

回路基板４の上には、角度センサ素子１，温度センサ６，ホール素子７，信号処理器５の他にセンサ素子１やホール素子７の出力を増幅するための増幅器９，９Ａや、外部との通信を担う通信用ＩＣ１０が配置されている。

ここで、温度センサ６はセンサ素子１の温度を正確に計測するため、センサ素子１の近くに配置する。また、回路基板４上に他の部品が配置されており、その中の発熱体がある場合、温度センサ６が発熱体の影響を受けないよう、発熱体と温度センサ６と離して配置する。例えば、発熱体としては、回転軸を回転させる為のFETスイッチやFETドライバ等が考えられる。

次に、図３を用いて、本実施形態による非接触式角度測定装置における角度センサ素子の出力信号について説明する。
図３は、本発明の一実施形態による非接触式角度測定装置における角度センサ素子の出力信号の波形図である。

信号ｖ１，ｖ２は、角度センサ素子１の出力信号を、増幅器９にて約３０倍に増幅した波形を示している。信号ｖ１，ｖ２は、磁石３の回転角度に対して、互いに４５度位相差のある２系統の信号になっており、信号の周期はともに、１８０度である。この２系統の信号ｖ１，ｖ２は、理想的な状態では、それぞれ、周期が１８０度の正弦波および余弦波である。

次に、図４〜図８を用いて、本実施形態による非接触式角度測定装置におけるキャリブレーションについて説明する。
角度センサ素子１から供給される出力信号は、理想的には、周期１８０度の正弦波および余弦波であり、アークタンジェントを用いて角度計算ができる。しかし、回転体と回路基板の組立て誤差や、センサ素子１の半田付け誤差、磁石の取り付け誤差などがあり、センサ素子１の出力信号は、数学的な正弦波および余弦波からの差異が存在する。この差異が角度精度に影響を与える。そこで、信号処理器が組み建てられた後に、つまり、センサ素子１と磁石３の位置関係が定まった後に、キャリブレーションを行う必要がある。

ここで、図４を用いて、本実施形態による非接触式角度測定装置に用いるキャリブレーション装置について説明する。
図４は、本発明の一実施形態による非接触式角度測定装置に用いるキャリブレーション装置の構成図である。

台座の上には、角度測定装置２０とロータリーエンコーダ３０が取り付けられる。ここで、角度測定装置２０の回転軸と、ロータリーエンコーダ３０の回転軸が、同期して回転するように取付けられている。

角度測定装置２０と、ホストコンピュータ４０は、ＣＡＮ通信により接続され、データの送受信を行っている。また、ロータリーエンコーダ３０の出力は、角度測定装置２０を経由して、ホストコンピュータ４０に送信されている。ここで、ロータリーエンコーダ３０の出力は、直接ホストコンピュータ４０に接続されてもよいものである。エンコーダ３０は、回転軸の回転角度に対応した基準となる絶対角度を提供する。

以下、図５〜図８を用いて、キャリブレーション手順について説明する。
図５は、ホストコンピュータ４０におけるキャリブレーション手順を示すフローチャートである。

図５のステップｓ１０において、ホストコンピュータ４０は、以下の式（１）を用いて、センサ出力ｖ１，ｖ２の正規化をおこない、正規化された信号（ｖ１ｎ，ｖ２ｎ）を算出する。これにより、センサ出力の中心値が０となる。

ここで、ｖ１，ｖ２は、それぞれセンサ素子１の出力信号を増幅器にて約３０倍に増幅した信号であり、ｖ１offset，ｖ２offsetは、それぞれ（ｖ１max＋ｖ１min）／２，（ｖ２max＋ｖ２min）／２で計算されるセンサ出力の中心値（オフセット値）である。ｖ１maxはｖ１の最大値、ｖ１minはｖ１の最小値、ｖ２maxはｖ２の最大値、ｖ２minはｖ２の最小値である。

次に、ステップｓ２０において、正規化された信号を互いに除算し、ｖ１ｎとｖ２ｎの比（ratio）ｒ12，ｒ21を、以下の式（２）により、

と計算する。

ここで、図６を用いて、回転角度（０〜３６０°）とratio（ｒ21，ｒ12）の関係について示す。

図６は、回転角度とratioの関係の説明図である。

次に、ステップｓ３０において、図６に示したRatioを検出する角度範囲を所定の角度領域に分割する。例えば、角度測定装置の角度検出範囲が０〜３６０度である場合、下記条件に従って、角度範囲を８つの領域に分割する。それぞれの分割された領域は約４５度の角度範囲を有する。
条件１（ |ｒ12|<1 & ｖ2n>0 & Ｖhall1==L）のとき 領域１
条件２（ |ｒ21|<1 & ｖ1n>0 & Ｖhall2==H）のとき 領域２
条件３（ |ｒ12|<1 & ｖ2n<0 & Ｖhall2==H）のとき 領域３
条件４（ |ｒ21|<1 & ｖ1n<0 & Ｖhall1==H）のとき 領域４
条件５（ |ｒ12|<1 & ｖ2n>0 & Ｖhall1==H）のとき 領域５
条件６（ |ｒ21|<1 & ｖ1n>0 & Ｖhall2==L）のとき 領域６
条件７（ |ｒ12|<1 & ｖ2n<0 & Ｖhall2==L）のとき 領域７
条件８（ |ｒ21|<1 & ｖ1n<0 & Ｖhall1==L）のとき 領域８

ここで、Ｖhall１あるいはＶhall2は、USP6064197に記載のように、センサ出力がある角度に対して線対称な場合に、領域を判定する為に使用される信号である。

ここで、図７を用いて、Ｖhall１及びＶhall2信号について説明する。
図７は、Ｖhall１及びＶhall2信号の波形図である。図７（Ａ）はＶhall１信号を示し、図７（Ｂ）はＶhall2信号を示している。

Ｖhall１あるいはＶhall2信号は、図１に示したホール素子７の出力であり、１８０度を超える角度領域を検知する際に用いる。Ｖhall１信号は、図７（Ａ）に示すように、９０〜２７０°においてＨレベルの信号であり、それ以外でＬレベルを示す。Ｖhall2信号は、図７（Ｂ）に示すように、０〜１８０°でＨレベルの信号であり、それ以外でＬレベルを示す。

従って、上述した領域分割の条件に従うなら、例えば、ある瞬間において、ｖ1n ＝−０．１７６３３、ｖ2n ＝−５．６７１２８、Ｖhall＝Lのときは、「領域１」に属することとなる。

一方、０〜１８０度以内の角度領域を検知する場合は、
条件１（ |ｒ12|<1 & ｖ2n>0 ）のとき 領域１
条件２（ |ｒ21|<1 & ｖ1n>0 ）のとき 領域２
条件３（ |ｒ12|<1 & ｖ2n<0 ）のとき 領域３
条件４（ |ｒ21|<1 & ｖ1n<0 ）のとき 領域４
とし、４つの条件を用いることにより、領域を判定できる。

次に、ステップｓ４０において、図６のRatioと角度の関係において、横軸の角度をシフトする。すなわち、図６を見ると、領域１は、絶対角度において０°〜約４０°と、約３４５°〜３６０°となっており、絶対角度に対して不連続になっている。そこで、不連続な領域をなくすため、領域間の境界が計算上の仮のゼロ点（以下、「オフセット角度」と呼する）になるように、絶対角度をシフトさせる。例えば、オフセット角度を、領域４と領域５の境界である絶対角度１７０°とし、
シフトした角度＝絶対角度−オフセット角度
と絶対角度からオフセット角度を減算することにより、シフトした角度が算出される。

図８は、シフトした角度と、ｒ21、ｒ12との関係の説明図である。図８より、各領域においてシフトした角度とｒ21、ｒ12のどちらかが一意に対応していることがわかる。

次に、ステップｓ５０において、図８に示される角度θとratioの関係を、３次関数で近似し、各領域で下記式（３）を最小にする係数ａ，ｂ，ｃ，ｄを計算する。

ここで、θは各領域におけるシフトした角度である。xは領域１・領域３・領域５・領域７ではratio-ｒ21であり、領域２・領域４・領域６・領域８ではratio-ｒ12である。従って、例えば、領域１では、対応する係数ａ，ｂ，ｃ，ｄを求めることにより、ｒ21から領域１のシフトした角度への写像を求めたこととなる。

次に、ステップｓ６０において、パラメータ保存をメモリ８に保存する。ここで、保存されるパラメータは、キャリブレーション時に使用されたパラメータと、算出されたパラメータとからなる。保存される使用されたパラメータとしては、出力１の最大値と最小値、出力２の最大値と最小値、キャリブレーション時の温度情報である。保存される算出されたパラメータとしては、各領域の係数ａ，ｂ，ｃ，ｄと、オフセット角度である。なお、キャリブレーション時の温度情報は、後述するセンサ出力の補正の際に使用される。

以上の手順により、キャリブレーションが実行される。また、角度を算出する際には、上記ステップｓ１０〜ｓ３０を実行し、領域を判定した後に、以下の式（４）により、

を計算し、絶対角度θを算出する。

次に、図９〜図１２を用いて、算出された回転角度の精度に影響を与える誤差要因について説明する。

センサ組立体が組みあがった後に、キャリブレーションを行うため、キャリブレーションを行った時点では角度誤差はキャリブレーションの計算誤差のみであり、±０．２°とほぼ無視できる。しかし、キャリブレーションを実行した時点を初期状態（T＝Td、time＝０）とすると、この初期状態と温度が変わったり、初期状態から時間が経過すると、この初期状態からの変動は角度誤差の要因となる。センサ出力に見られる初期状態からの変動は主に、
（１）振幅値の温度特性
（２）オフセット値の温度特性
（３）振幅値の経時変化
が挙げられる。

ここでは、振幅値ｖpeakは、（ｖmax−ｖmin）／２と定義し、オフセット値ｖoffsetは、（ｖmax＋ｖmin）／２と定義している。

最初に、図９〜図１１を用いて、（１）：振幅値の温度特性、（２）：オフセット値の温度特性について説明する。

図９は、温度条件１２５℃時の角度センサ素子の出力信号の波形図である。ここで、図３に示した温度条件２５℃時の角度センサ素子の出力信号の波形と比較すると、センサ出力の振幅ｖ１peak（２５℃），ｖ１peak（１２５℃）およびオフセットｖ１offset（２５℃），ｖ１offset（１２５℃）が変化していることがわかる。温度上昇とともに、センサ出力の振幅値ｖ１peakが小さくなり、オフセット値ｖ１offsetが変化している。

図１０は、振幅ｖpeakと温度Ｔの関係を示す図である。一般的に磁気抵抗素子の反応性は温度とともに減少し、磁石の磁力も温度とともに減少するため、出力の振幅値は温度と共に減少傾向を示す。しかし、その減少率は、各角度センサ素子Ａ１，Ａ２毎に異なり、個体差が見られる。

また、図１１は、オフセット値ｖoffsetと温度Ｔの関係を示す図である。オフセット値ｖoffsetには、振幅値ｖpeakのような傾向は見られず、試験サンプルにより、センサ素子Ａ３のように、サンプル温度と共にオフセット値が上昇するものや、センサ素子Ａ４のように、サンプル温度と共にオフセット値が減少するものなど様々な特性を示す場合がある。
次に、図１２を用いて、（３）振幅値の経時変化について説明する。図１２は、高温状態（例えば、１４０℃）にて長時間使用した場合のセンサ素子の振幅値ｖ１peakの変化の説明図である。時間Ｔと共に振幅値ｖ１peakが減少しているのがわかる。この原因は、主には、磁石の熱減磁（不可逆変化）によるものである。

次に、図１３〜図１６を用いて、本実施形態による非接触式角度測定装置を用いた角度の第１の補正方法について説明する。
図１３は、本発明の一実施形態による非接触式角度測定装置を用いた角度の第１の補正方法の内容を示すフローチャートである。

この第１の補正方法では、角度精度に影響を与える要因である
（１）振幅値の温度特性
（２）オフセット値の温度特性
（３）振幅値の経時変化
の３つの要因による角度精度への影響を全て補正するようにしている。

角度センサ素子の出力ｖ１，ｖ２を数式で表現すると、それぞれ、以下の式（５），式（６）で表せる。

ここで、ｖ１peakは出力ｖ１のピーク電圧、ｖ２peakは出力ｖ２のピーク電圧、 ｆ及びｇは中心値が０かつ振幅が±１である正規化されたθの関数、Ｔｄはキャリブレーション時の温度、 Ｔは任意の温度、 θは回転角度、 ＴＣｖ１peakは ピーク電圧ｖ１peakの温度係数、ＴＣｖ２peakはピーク電圧Ｖ２peakの温度係数、ＬＴＤ１peakはピーク電圧ｖ１peakの経時劣化係数、ＬＴＤ２peakはピーク電圧Ｖ２peakの経時劣化係数、ｖ１offsetは出力ｖ１のオフセット電圧、ＴＣｖ１offsetはオフセット電圧ｖ１offsetの温度係数、ｖ２offsetは出力ｖ２のオフセット電圧、ＴＣｖ２offsetはオフセット電圧ｖ２offsetの温度係数、timeはキャリブレーション時を初期状態とした経過時間である。

ピーク電圧ｖ１peak、ピーク電圧ｖ２peak 、ピーク電圧ｖ１の温度係数ＴＣｖ１peak、ピーク電圧ｖ２の温度係数ＴＣｖ２peak 、オフセット電圧の温度係数ＴＣｖ１offset、オフセット電圧の温度係数ＴＣｖ２offsetは温度の関数であり、 経時劣化係数ＬＴＤ１peak、ＬＴＤ２peakは時間の関数である。

キャリブレーション時は、Ｔ＝Ｔｄかつtime＝０とおけるので、キャリブレーション時の出力ｖ１ｎcalibration，ｖ２ｎcalibrationは、それぞれ、以下の式（７），式（８）により、

と表せる。

また、キャリブレーションのステップｓ１０に使用した正規化された信号は、それぞれ、以下の式（９），式（１０）により、

と表せる。

さらに、キャリブレーションのステップｓ２０で使用したratioは、それぞれ、以下の式（１１），式（１２）により、

と表せる。

ここで、式（５）と式（７）と比較し、また、式（６）と式（８）を比較すると、幾つかの差異がみられる。これらの差異の影響により、角度測定装置の精度が悪化する場合がある。以下、第１の補正方法では、これらの差異を測定または推定することにより、センサ出力を補正する。

以下、図１３のフローチャートを用いて、第１の補正方法により補正処理の内容について説明する。

ステップｓ１００において、図５で示した初期状態のキャリブレーションを実行する。

次に、ステップｓ１１０において、異なる２つの温度条件において、角度測定装置の回転軸を回転させ、そのときの角度測定装置の出力を検出する。

そして、ステップｓ１２０において、センサ出力の最大値ｖ１max，ｖ２maxと最小値ｖ１min，ｖ２minを計測する。

次に、ステップｓ１３０において、ステップｓ１２０で求められた最大値及び最小値から、振幅値の温度特性ＴＣｖ１peak，ＴＣｖ２peakおよびオフセット値の温度特性ＴＣｖ１offset，ＴＣｖ２offsetを測定する。

例えば、異なる２つの温度条件をそれぞれＴｄとＴ１とすると、出力ｖ１の温度Ｔｄでの振幅値ｖ１peak（Ｔｄ）は、式（１３）により、

で求められる。また、出力ｖ１の温度Ｔ１での振幅値ｖ１peak（Ｔ１）は、式（１４）により、

で求められる。式（１３）及び式（１４）から、出力ｖ１の振幅値の温度係数ＴＣｖ１peakは、式（１５）により、

で求められる。

一方、出力ｖ１の温度Ｔｄでのオフセット値ｖ１offset（Ｔｄ）は、式（１６）により、

で求められる。出力ｖ１の温度Ｔ１でのオフセット値ｖ１offset（Ｔ１）は、式（１７）により、

で求められる。これより、出力ｖ１のオフセット値の温度係数ＴＣｖ１offsetは、式（１８）により、

で求められる。

同様に、出力ｖ２に関しても、計算をおこない、出力ｖ２の振幅値の温度係数ＴＣｖ２peakは、式（１９）により、

で求められる。また、出力ｖ２のオフセット値の温度係数ＴＣｖ２offsetは、式（２０）により、

で求められる。

この温度係数ＴＣｖ１peak，ＴＣｖ２peak，ＴＣｖ１offset，ＴＣｖ２offsetを全数検査あるいは幾つかのサンプルの平均値を実験により求める。

次に、ステップｓ１４０において、ステップｓ１３０で求められた温度係数ＴＣｖ１peak，ＴＣｖ２peak，ＴＣｖ１offset，ＴＣｖ２offsetを、メモリー８に保存する。さらには温度センサにより、任意の時刻のセンサ素子の温度Tを計測できる。

次に、ステップｓ１５０において、任意の温度あるいは経過時間において、信号処理器５は、メモリーに保存された温度係数ＴＣｖ１peak，ＴＣｖ２peak，ＴＣｖ１offset，ＴＣｖ２offsetと、温度センサの出力Ｔと、センサ出力ｖ１，ｖ２と、キャリブレーション時の温度情報Ｔｄから、式（２１），式（２２）により、

を求めることにより、補正計算を実行する。

次に、ステップｓ１６０において、以下の処理により、ratioを計算する。すなわち、最初に、式（２１）及び式（２２）の除算を行い、比を計算すると、以下の式（２３）あるいは式（２４）のように、

となる。

ここで、振幅値の経時劣化係数ＬＴＤ１peak，ＬＴＤ２peakは、磁石の減磁による影響が大きい。このため、センサ素子に均一に磁界が働く環境においては出力系統間の相違は無視できるので、式（２５）と、

とおくことができる。そして、式（２５）を用いて、式（２３）及び式（２４）をそれぞれ再計算すると、式（２６）及び式（２７）のように、

となる。

次に、ステップ１７０において、式（２６）及び式（２７）で求めた補正されたratio−ｒ１２calibration，ｒ２１calibrationを、式（３）のｘに代入して、角度θを算出する。

以上説明した第１の補正方法により、任意の温度条件あるいは経過時間後の出力を補正し、高精度に角度を算出可能となる。

ここで、図１４〜図１６を用いて、補正の効果について説明する。
図１４は、補正を行わずに、センサ出力より角度を計算した場合の角度偏差を示している。図１５は、上述の補正により、センサ出力より角度を計算した場合の角度偏差を示している。但し、ここで、角度偏差は絶対角度−計算された角度である。

図１４及び図１５を比較すると、図１５に示すように、補正を行った結果として、角度偏差を０．５°以下にでき、高精度に角度を検知することができる。

図１６は、温度と角度偏差（最大値と最小値）の関係を示している。線Ｂ１は、補正をしない場合の最大偏差を示し、線Ｂ２は補正をしない場合の最小偏差を示している。線Ｃ１は、補正をした場合の最大偏差を示し、線Ｃ２は補正をした場合の最小偏差を示している。

通常は常温（約２５℃）にてキャリブレーションを行うため、補正を実行せずに角度を計算した場合は、常温からの温度変化と共に角度偏差が増大する。例えば、角度測定装置の動作温度を−４０℃から１２５℃とすると、１２５℃にて、最大偏差を記録する。しかし、図１７に示すように、補正を行うことにより、角度の検出精度が向上していることがわかる。

次に、図１７及び図１８を用いて、第２の補正方法により補正処理の内容について説明する。

この第２の補正方法は、図１８に示すように、幾つかの目標角度が予め所定の互いに不連続な位置に定められている場合に有効なものである。例えば、図１８に示すように、目標角度として、４つの目標角度ＰｏｓＡ（３４５°〜５°），ＰｏｓＢ（７０°〜８０°），ＰｏｓＣ（１６５°〜１７５°），ＰｏｓＤ（２６０°〜２７０°）が定められている。このような例としては、角度測定装置を２駆／４駆切替用シフトコントローラに適用した場合である。シフトコントローラでは、２駆，４駆High，４駆Low，中立の４つのポジションを検出して、それぞれの位置に対応した駆動機構に切り替える。このとき、４つのポジションに対応するのが、目標角度ＰｏｓＡ〜ＰｏｓＤである。

ここで、ある時刻（Ｔ１）にて目標角度をある位置に、例えばＰｏｓＡに設定する。目標角度がＰｏｓＡに設定しているため、ＰｏｓＡの位置に回転軸が停止しており、図１８に基づき所定のセンサ出力が出力されている。温度が変化（Ｔ２）した後に、外部信号により、目標角度をＰｏｓＡからＰｏｓＢに切替えると、回転軸がＰｏｓＢの位置方向に回転する。この間に、温度が変化しているので、さらには、経時変化により、センサ出力が変化する場合が考えられ、出力変化により角度精度への影響が出る。

しかし、ここで、ＰｏｓＡとＰｏｓＢの間で、センサ出力のピーク値を通る様に予めセンサ素子と磁石の相対角度を設定しておく。この特徴を利用することにより、上記誤差要因の補正が可能である。すなわち、図１８に示すように、θ１にて出力２が最大値ｖ２max、θ２にて出力１が最大値ｖ１maxを示す。出力１と出力２の位相差が４５度であるため、出力１が最大値を記録する瞬間に出力２はオフセット値ｖ２offsetを示す。また、同様に出力２が最大値を記録する瞬間に出力１はオフセット値ｖ１offsetを示す。このような場合には、オフセット値の温度係数のみで補正することができる。

次に、図１７を用いて、第２の補正方法について説明する。

図１７のステップｓ２００において、図５で示した初期状態のキャリブレーションを実行する。

次に、ステップｓ２１０において、回転軸を回転する。すなわち、図１８の目標角度ＰｏｓＡからＰｏｓＢに移動して、その途中、角度θ１や角度θ２を通過するように、回転軸を回転する。

次に、ステップｓ２２０において、角度θ１において、センサ出力の最大値ｖ２maxと、オフセット最小値ｖ１offsetを検出し、角度θ２において、センサ出力の最大値ｖ１maxと、オフセット最小値ｖ２offsetを検出する。

次に、ステップｓ２３０において、ステップｓ１２０で求められた最大値及び最小値から、オフセット値の温度特性ＴＣｖ１offset，ＴＣｖ２offsetを測定する。

ここで、信号処理器では、予めキャリブレーション時にメモリに記録されたデータより、キャリブレーション時（温度 Ｔｄ）のオフセット電圧（ｖ１offset（Ｔｄ），ｖ２offset（Ｔｄ））を認識できる。また動作時の温度（Ｔ２）を温度センサにより計測可能であるため、オフセット値の温度係数ＴＣｖ１offset，ＴＣｖ２offsetは、以下の式（２８）及び式（２９）により、

算出可能である。そして、この、オフセット値の温度係数をメモリに保存する。

次に、ステップｓ２４０において、補正計算を実行する。ここで、一般的な磁気抵抗素子で見られるように、振幅の温度特性が出力系統間でほぼ等しく、また、振幅値の経時劣化係数も出力間での相違が無視できるとすると、式（３０）及び式（３１）が、

が成立する。

以上により、信号処理器５にて、センサ出力（ｖ１，ｖ２）、キャリブレーション時（温度Ｔｄ）のオフセット電圧（ｖ１offset（Ｔｄ），ｖ２offset（Ｔｄ））、そしてメモリに記憶されたオフセット値の温度係数（ＴＣｖ１offset、ＴＣｖ２offset）をもちいて、式（５）及び式（６）を計算すると、以下の式（３２）及び式（３３）により、

となる。

次に、ステップｓ２５０において、以下の処理により、ratioを計算する。すなわち、最初に、式（３２）及び式（３３）の除算を行い、比を計算すると、以下の式（３４）あるいは式（３５）のように、

となる。

次に、ステップ２６０において、式（３４）及び式（３５）で求めた補正されたratio−ｒ１２calibration，ｒ２１calibrationを、式（３）のｘに代入して、角度θを算出する。

以上説明した第２の補正方法により、オフセットの変化分を補正し、高精度に角度を算出可能となる。

次に、図１９を用いて、第３の補正方法により補正処理の内容について説明する。

この補正方法では、振幅値の温度特性についてのみ補正するものである。例えば、熱による経時変化の少ない磁石（例えば、日立金属製HB-08I材）を採用する場合は、振幅値の経時変化係数ＴＣｖ１peak，ＴＣｖ２peakが無視できる。また、低オフセットドリフト（例えば、Linear Technology製のLT1050）のオペアンプを増幅器として採用する場合は、オフセット値の温度特性ＴＣｖ１offset，ＴＣｖ２offsetが無視できる。

この場合、センサの反応性の温度特性のバラツキを予め実験で求める必要はない。例えば、角度測定装置の外部から回転軸の回転状態を受け取っており、この情報に基き回転軸が停止していると判断できる場合、回転軸がある所定の位置に停止している間に、温度がＴ１からＴ２に変化し、その温度変化による出力変化が発生した場合、この変化量は振幅値の温度特性に起因すると判断できる。

図１９のステップｓ３００において、図５で示した初期状態のキャリブレーションを実行する。

次に、ステップｓ３１０において、回転軸を停止する。

次に、ステップｓ３２０において、温度Ｔ１におけるセンサ出力ｖ１（Ｔ１），ｖ２（Ｔ１）を検出する。

次に、ステップｓ３３０において、温度Ｔ２におけるセンサ出力ｖ１（Ｔ２），ｖ２（Ｔ２）を検出する。

次に、ステップｓ３４０において、ステップｓ３２０，ｓ３３０で求められたセンサ出力から、振幅の温度特性ＴＣｖ１peak，ＴＣｖ２peakを求める。

ここでは、振幅値の経時変化係数ＬＴＤ１peak，ＬＴＤ２１peak及びオフセット値の温度特性ＴＣｖ１offset，ＴＣｖ２offsetが無視できるので、式（５）および式（６）を変形すると、以下の式（３６）及び式（３７）と、

となる。ここで、式（３６）及び式（３７）からｆを消去して、式（３８）及び式（３９）により、

振幅の温度特性ＴＣｖ１peak，ＴＣｖ２peakを求める。

そして、ステップｓ３５０において、振幅値の温度特性をメモリー８に保存する。

次に、ステップｓ３６０において、補正計算を実行する。ここで、センサ出力ｖ１，ｖ２と、キャリブレーション時（温度Ｔｄ）のオフセット電圧ｖ１offset（Ｔｄ），ｖ２offset（Ｔｄ）と、メモリに記憶された振幅値の温度係数ＴＣｖ１peak，ＴＣｖ２peakを用いて、式（３６）及び式（３７）を変形すると、式（４０）及び式（４１）、

となる。

次に、ステップｓ３７０において、以下の処理により、ratioを計算する。すなわち、最初に、式（４０）及び式（４１）の除算を行い、比を計算すると、以下の式（４２）あるいは式（４３）のように、

となる。

次に、ステップ３７０において、式（４２）及び式（４３）で求めた補正されたratio−ｒ１２calibration，ｒ２１calibrationを、式（３）のｘに代入して、角度θを算出する。

以上説明した第３の補正方法により、振幅値の温度特性を補正し、高精度に角度を算出可能となる。

以上の第２，第３の補正方法によっても、図１５に示したように、角度偏差を少なくして、高精度の角度を検知することができる。また、図１６に示したように、角度偏差を小さくして、角度の検出精度を向上することができる。

以上説明したように、本実施形態によれば、角度偏差を小さくして、角度の検出精度を向上できるものである。

本発明の一実施形態による非接触式角度測定装置の全体構成図である。 本発明の一実施形態による非接触式角度測定装置の回路構成を示すブロック図である。 本発明の一実施形態による非接触式角度測定装置における角度センサ素子の出力信号の波形図である。 本発明の一実施形態による非接触式角度測定装置に用いるキャリブレーション装置の構成図である。 本発明の一実施形態による非接触式角度測定装置に用いるホストコンピュータにおけるキャリブレーション手順を示すフローチャートである。 本発明の一実施形態による非接触式角度測定装置における回転角度とratioの関係の説明図である。 本発明の一実施形態による非接触式角度測定装置におけるＶhall１及びＶhall2信号の波形図である。 本発明の一実施形態による非接触式角度測定装置におけるシフトした角度と、ratioとの関係の説明図である。 本発明の一実施形態による非接触式角度測定装置における温度条件１２５℃時の角度センサ素子の出力信号の波形図である。 本発明の一実施形態による非接触式角度測定装置における振幅ｖpeakと温度Ｔの関係を示す図である。 本発明の一実施形態による非接触式角度測定装置におけるオフセット値ｖoffsetと温度Ｔの関係を示す図である。 本発明の一実施形態による非接触式角度測定装置における高温状態にて長時間使用した場合のセンサ素子の振幅値ｖ１peakの変化の説明図である。 本発明の一実施形態による非接触式角度測定装置を用いた角度の第１の補正方法の内容を示すフローチャートである。 補正を行わずに、センサ出力より角度を計算した場合の角度偏差の説明図である。 本発明の一実施形態による非接触式角度測定装置におけるセンサ出力より角度を計算した場合の角度偏差の説明図である。 本発明の一実施形態による非接触式角度測定装置における度と角度偏差（最大値と最小値）の関係の説明図である。 本発明の一実施形態による非接触式角度測定装置を用いた角度の第２の補正方法の内容を示すフローチャートである。 本発明の一実施形態による非接触式角度測定装置における目標角度の説明図である。 本発明の一実施形態による非接触式角度測定装置を用いた角度の第３の補正方法の内容を示すフローチャートである。

符号の説明

１…角度センサ素子
２…回転軸
３…磁石
４…回路基板
５…信号処理器
６…温度センサ
７…ホール素子
８…メモリー
２０…角度測定装置
３０…ロータリーエンコーダ
４０…ホストコンピュータ

Claims (5)

1. 回転軸と共に回転する磁界発生手段と、前記回転軸の回転により、前記磁界発生手段から発生する磁界の変化を検出するセンサ素子と、このセンサ素子の出力信号を処理する信号処理手段とを有し、前記センサ素子の出力信号に基づいて前記回転軸の回転角度を測定する非接触式角度測定装置において、
   前記センサ素子及び前記信号処理手段及び前記磁界発生手段を含むセンサの個体差を補正する補正手段を備えたことを特徴とする非接触式角度測定装置。
2. 請求項１記載の非接触式角度測定装置において、
   前記センサ素子の温度を検出する温度センサを備え、
   前記補正手段は、前記温度センサによって検出された温度に基づいて、前記センサの個体差を補正することを特徴とする非接触式角度測定装置。
3. 請求項２記載の非接触式角度測定装置において、
   前記補正手段は、前記温度センサによって検出された温度に基づいて、前記信号処理手段が出力する信号の振幅値及び／若しくはオフセット値を補正することを特徴とする非接触式角度測定装置。
4. 請求項２記載の非接触式角度測定装置において、
   前記補正手段は、前記温度センサによって検出された温度に基づいて、前記信号処理手段が出力する信号の振幅値の経時変化を補正することを特徴とする非接触式角度測定装置。
5. 請求項１記載の非接触式角度測定装置において、
   前記センサ素子は、第１及び第２の出力ｖ１，ｖ２を出力し、
   前記補正手段は、前記出力ｖ１及び出力ｖ２の振幅値の温度係数若しくはオフセット値の温度係数若しくは振幅値の経時変化係数を求め、これらの係数によって補正された第１及び第２の出力の比（ratio）を求め、この補正された比（ratio）を用いて角度を算出することを特徴とする非接触式角度測定装置。
   
   

Images