JP2005106495A - センサ信号処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 ３６０°の範囲で直線性の良い角度位置検出信号を生成する。
【解決手段】 角度検出センサから９０°の位相差を持って出力される正弦波状または三角波状の２相信号を取り込む取込手順と、前記２相信号に対してそれぞれ１８０°位相の異なる２相信号を生成し、該取り込んだ２相信号と該生成した２相信号とを合わせて４相信号を形成する形成手順と、前記４相信号を処理して、回動する該測定物の角度を０°〜３６０°にわたる絶対角度で示す位置検出信号を出力する処理手順とを含むセンサ信号処理方法において、前記処理手順は、該４相信号に各々含まれるほぼ直線に近い近似直線部分を検出角度範囲に対応して選択し、該選択された近似直線部分を順につないで絶対角度を表す位置検出信号を合成するとともに、前記４相信号のうち９０°の位相差を有する信号が相互につながる接続領域で、先後二つの近似直線部分の切り替えを徐々に行なう。
【選択図】図２

Description

本発明は、２相の正弦波状又は三角波状の信号を出力する角度検出センサから、リニアな角度信号を取り出す為のセンサ信号処理方法に関する。

角度検出センサの出力を処理してリニアな位置検出信号を生成するセンサ信号処理方法は例えば以下の特許文献１及び特許文献２に開示されている。
特開２００２−２４３４０７号公報 特開平７−２９４２８５号公報

特許文献１に開示された回転角度検出器は、被検出体と一体に回転し、静止時に回転軸の垂直且つ一方向に一様な磁界を生成する磁界発生手段と、各々が、前記磁界発生手段の一回転に対して一つの正弦波を発生する様に配設された少くとも２個の磁界検出手段とを備えている。前記磁界検出素子の駆動電流端子を直列に接続している。回転角度については、磁界検出素子からの信号を角度演算器などを用いて算出することで回転角度を検出することができる。演算方法については例えば、４個の磁界検出素子出力のうち、対角関係にある２個の出力の差動電圧出力をＶａとし、他方の磁界検出素子の差動電圧出力をＶｂとすると、回転角度θは、θ＝ａｒｃｔａｎ（Ｖａ／Ｖｂ）で算出することができる。

特許文献２に開示されたセンサ信号処理方法は、検出位置の変動に対してほぼ９０°の位相差を持つ正弦波又は三角波状の２相信号Ａ，Ｂを出力する位置エンコーダから、２相信号Ａ，Ｂと２相信号Ａ，Ｂに対してそれぞれ１８０°位相の異なる２相信号Ａ'，Ｂ'からなる４相信号を出力し、４相信号の近似直線部を選択し、近似直線部から位置検出信号を出力する。４相信号の近似直線部を検出位置に対応して選択し、前記検出位置に対応して選択された相の近似直線部の信号に、前記選択された相の直前の相と前記選択された相との差動信号を相切替え直後に加える。

９０°の位相差を持つ正弦波の２相信号から、前記２相信号と、前記２相信号に対してそれぞれ１８０°位相の異なる２相信号からなる４相信号を出力し、１サイクル１８０°の直線出力に波形処理する方法は、上述した様に特許文献１や特許文献２に開示されている。特に特許文献１の方法では、４相信号の対角関係にある２個の出力の差動出力をＶａとし、他方の差動出力をＶｂとすると、波形処理後の出力＝ａｒｃｔａｎ（Ｖａ／Ｖｂ）を求めて回転角を認識している。角度検出の範囲を１８０°以内とする場合、特許文献１に記載された方法も有効である。しかしながら図１３に示す様に、１８０°以上の範囲で角度検出を行いたい場合、１サイクル１８０°の直線出力では３６０°になると２サイクルとなってしまう。この為、３６０°の範囲で、リニアな角度検出を行うことは不可能である。

特許文献２に記載されたセンサ信号処理方法は、３６０°の範囲で検出可能であり、出力波形は途中に段のない連続性と直線性を備えたものにできる。しかしながら、特許文献２の方法は、元の信号出力の位相差や出力振幅の誤差によって段差が生じることによる連続性の悪化を避ける為、測定開始出力を基準として、常に近似直線部分の信号が段差分修正される。この方法では図１４の（Ａ）及び（Ｂ）に示す様に、測定開始位置（スタート地点）が異なると、測定開始点で選択された近似直線によって、同じ角度に来ても違う出力が出てしまい、繰返し精度が悪化してしまうという課題がある。

上述した従来の技術の課題に鑑み、本発明は角度検出センサから出力される２相の正弦波状又は三角波状の信号を処理して、段差がなく連続的で繰返し精度が悪化しない、１サイクル３６０°の範囲で直線性の良い角度位置検出信号を生成することを目的とする。係る目的を達成する為に以下の手段を講じた。即ち、回動する測定物の角度を検出する角度検出センサから検出角度の変動に対してほぼ９０°の位相差を持って出力される正弦波状または三角波状の２相信号を取り込む取込手順と、前記２相信号に対してそれぞれ１８０°位相の異なる２相信号を生成し、該取り込んだ２相信号と該生成した２相信号とを合わせて４相信号を形成する形成手順と、前記４相信号を処理して、回動する該測定物の角度を０°〜３６０°にわたる絶対角度で示す位置検出信号を出力する処理手順とを含むセンサ信号処理方法において、前記処理手順は、該４相信号に各々含まれるほぼ直線に近い近似直線部分を検出角度範囲に対応して選択し、該選択された近似直線部分を順につないで絶対角度を表す位置検出信号を合成するとともに、前記４相信号のうち９０°の位相差を有する信号が相互につながる接続領域で、先後二つの近似直線部分の切り替えを徐々に行ない、連続性、直線性及び繰り返し精度に優れた位置検出信号を出力する事を特徴とする。

具体的には、前記処理手順は、４つの近似直線部分の各々に１つの近似直線の９０°分の変化量に相当するオフセットを順に加えた上で、つなぎ合わせて１本の直線的な位置検出信号とする。そして前記処理手順は、該接続領域で、先の近似直線部分と後の近似直線部分を混合し且つ両者の混合比率を変化させることで、先後二つの近似直線部分の切り替えをクロスフェード的に徐々に行なっていく。

より具体的には、前記処理手順は、前記４相信号のうち、任意の１つを信号αとし、信号αがある値ｍに達した時、その時選択されている近似直線部分にオフセットを加えた信号をＡとし、この時点での信号Ａの値をＡｍとし、次に切り替わった後に選択される近似直線部分にオフセットをかけた信号をＢとし、この時点での信号Ｂの値をＢｍとすると、
１×Ａｍ＋０×Ｂｍ＝信号処理後の出力となり、
信号αがある値ｎに達した時の信号Ａの値をＡｎ、信号Ｂの値をＢｎとすると
０×Ａｎ＋１×Ｂｎ＝信号処理後の出力となり、
ここで、信号Ａの値の混合比率と信号Ｂの値の混合比率をそれぞれａとｂとすると、
ａ×Ａ＋ｂ×Ｂ＝信号処理後の出力（ａ十ｂ＝１）となり、
信号αがｍの時ａ＝１、信号αがｎの時ａ＝０となるようなαとａの関数によってａが決定し、そしてｂが決定する事で、信号αの値によって信号Ａと信号Ｂのそれぞれの混合比率が変わり、該接続領域で先後二つの近似直線部分をクロスフェード的に徐々に切替える。例えば、前記αとａの関数は、信号αがｍの時ａ＝１、信号αがｎの時ａ＝０となるような１次関数である。或いは、前記αとａの関数は、信号αがｍの時ａ＝１、信号αがｎの時ａ＝０となり、信号の切り替えがスムーズになる様な、信号αがｍとｎの間を取る時のａの値をさらに１組以上規定し、それらの値をとる様な２次以上の関数である。

本発明によれば、互いに位相が９０°異なる４相信号の近似直線部分を検出位置に対応して選択し、選択された近似直線部分に順次オフセット分を加えながらつなぎ、以って３６０°の範囲でリニアに変化する位置検出信号を得ている。その際、先後２本の近似直線部分の接続領域で切替えをクロスフェード的に徐々に行う様にしている。すなわち、接続領域で先の近似直線部分はフェードアウトし、後の近似直線部分はフェードインする様にしている。これにより、段差がなく連続的で繰返し精度が悪化しない１サイクル３６０°の直線性に優れた位置検出信号を生成することができる。

以下図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。図１は、角度検出センサから出力される信号を示す波形図である。角度検出センサは回動する測定物の角度を検出し、その検出角度の変動に対してほぼ９０°の位相差を持つ正弦波状の２相信号Ａ，Ｂを出力する。図から明らかな様に、正弦波状の信号Ａ，Ｂはいずれもほぼ直線に近い近似直線部分と、波形が大きく湾曲する山部及び谷部を含んでいる。場合によっては角度検出センサは正弦波状の信号の代わりに三角波状の信号を出力する場合もある。この時も出力波形は完全な直線部分からなる三角波ではなく、鈍りがある為近似直線部分と谷部及び山部を含んでいる。本発明に係るセンサ信号処理方法は、信号Ａに対して１８０°位相の異なる信号Ａ'も利用する。更に信号Ｂに対して位相が１８０°異なる信号Ｂ'も利用する。２相信号Ａ，Ｂに対してそれぞれ１８０°位相の異なる２相信号Ａ'，Ｂ'を生成し、これらを合わせて位相が互いに９０°異なる４相信号Ａ，Ｂ，Ａ'，Ｂ'を処理し、回動する測定物の角度を０°〜３６０°に亘る絶対角度で示す位置検出信号を出力する。例えば信号Ａを反転処理して信号Ａ'を生成することができる。又信号Ｂを反転して信号Ｂ'を生成することができる。場合によっては、角度検出センサは直接４相信号Ａ，Ｂ，Ａ'，Ｂ'を出力することもある。この時にはこの４相信号を処理して位置検出信号を求める。

０°から３６０°まで１サイクルの角度範囲は、９０°ずつの検出角度範囲に分割されており、順にチャンネル１，チャンネル２，チャンネル３，チャンネル４と呼ぶ。チャンネル１では信号Ａの近似直線部分が選択される。チャンネル２では信号Ｂの近似直線部分が選択される。チャンネル３では信号Ａ'の近似直線部分が選択される。チャンネル４では信号Ｂ'の近似直線部分が選択される。これら選択された４個の近似直線部分を順次つなげて、０°から３６０°に亘る絶対角度範囲で直線性を有する信号を生成する。

チャンネル１からチャンネル２に移行する接続領域では、先に選択された信号Ａが後に選択された信号Ｂに接続する。又チャンネル２からチャンネル３に移行する時には接続領域で信号Ｂが信号Ａ'に接続する。同様にチャンネル３からチャンネル４に移行する時接続領域で信号Ａ'が信号Ｂ'に接続することになる。但し、各接続領域では各信号が山部もしくは谷部に近い為曲線を描いている。従って接続領域では各信号は近似直線部分とは言えず、曲がっていることになる。

図２は、本発明に係るセンサ信号処理方法によって作成された直線信号を示すグラフである。横軸に角度を取り縦軸に出力を取ってある。図示する様に、直線出力は、４相信号Ａ，Ｂ，Ａ'，Ｂ'からそれぞれ選択された近似直線部分Ｖ，Ｗ，Ｘ，Ｙを順につなげたものである。その際、各近似直線部分Ｖ，Ｗ，Ｘ，Ｙの各々に一つの近似直線の９０°の変化量に相当するオフセットを順に加えた上で、つなぎ合わせることにより一本の直線的な位置検出信号を得ている。

図３は、接続領域における先後２本の近似直線部分の接続処理を模式的に表わす波形図である。図示の例では、チャンネル１とチャンネル２との間の接続領域を表わしており、ほぼ７５°〜１００°の範囲に亘っている。前述した様に、チャンネル１では近似直線部分Ｖが選択され、チャンネル２では近似直線部分Ｗが選択されている。接続領域ではこれらの近似直線部分は曲がっており目標となる直線出力Ｚから外れている。このままでは、接続領域において先行する近似直線部分Ｖを後続の近似直線部分Ｗに接続することができない。

そこで本発明では、先後２つの近似直線部分Ｖ，Ｗの切替を徐々に行う様処理して、連続性、直線性及び繰返し精度に優れた位置検出信号Ｚを出力する様にしている。具体的には、先の近似直線部分Ｖと後の近似直線部分Ｗを混合し且つ両者の混合比率を変化させることで、先後２つの近似直線部分Ｖ，Ｗの切替えをクロスフェード的に徐々に行っていく。約７５°〜１００°の範囲に亘る接続領域で、先行する近似直線部分Ｖはフェードアウトする一方、後続の近似直線部分Ｗはフェードインすることで、両者の切替えをスムースにしている。接続領域の初めの部分（７５°〜８０°の範囲）ではＶの混合比率は大きくＷの混合比率が小さい。接続領域のほぼ中央部ではＶとＷの混合比率は等しくなっている。接続領域の後の方（９０°〜９５°の範囲）では逆にＷの混合比が大きくなりＶの混合比率が小さくなる。

引き続き、具体的な数値を挙げて、センサ信号処理の演算アルゴリズムを詳細に説明する。今、検出角度の変動に対してほぼ９０度の位相差を持つ正弦波または三角波状の２相信号をＡ、Ｂとし、これらの２相信号Ａ、Ｂに対してそれぞれ１８０度位相の異なる２相信号をＡ’、Ｂ’とする。
又、Ｖ、Ｗ、Ｘ、Ｙを次の通り定義する。
Ｖ＝Ａ＋（基準電圧）
Ｗ＝Ｂ＋２×（基準電圧）
Ｘ＝Ａ’＋３×（基準電圧）
Ｙ＝Ｂ’＋４×（基準電圧）
４つの理想的な正弦波と位相差の信号からなるＶ〜Ｙが、図２の様に接し、処理後の直線性が良くなる様に基準電圧を設定する。ここでは、（基準電圧）＝１，４１５Ｖに設定してある。

チャンネル１、２、３、４を次の通り設定する。（図１参照）
Ａ≧Ｂ、Ａ＜Ｂ’の時 チャンネル＝１
Ａ＞Ｂ、Ａ≧Ｂ’の時 チャンネル＝２
Ａ≦Ｂ、Ａ＞Ｂ’の時 チャンネル＝３
Ａ＜Ｂ、Ａ≦Ｂ’の時 チャンネル＝４

以上を踏まえて下記の条件１〜７に沿って計算する（計算式の導き方は後に記載している）。
条件１
ＡＮＤ（（ＯＲ（チャンネル＝１，チャンネル＝２）），（Ｂ＜０），（０．５７４≦Ａ≦０．８１９））の時、
直線後出力＝（−４．０８１６３２７×Ａ＋３．３４２８５７２）×Ｖ＋（１−（−４．０８１６３２７×Ａ＋３．３４２８５７２））×Ｗ
条件２
ＡＮＤ（（ＯＲ（チャンネル＝２，チャンネル＝３）），（Ａ’＜０），（０．５７４≦Ｂ≦０．８１９））の時、
直線後出力＝（−４．０８１６３２７×Ｂ＋３．３４２８５７２）×Ｗ＋（１−（−４．０８１６３２７×Ｂ＋３．３４２８５７２）×Ｘ
条件３
ＡＮＤ（（ＯＲ（チャンネル＝３，チャンネル＝４）），（Ｂ’＜０），（０．５７４≦Ａ’≦０．８１９））の時、
直線後出力＝（−４．０８１６３２７×Ａ’＋３．３４２８５７２）×Ｘ＋（１−（−４．０８１６３２７×Ａ’＋３．３４２８５７２））×Ｙ
条件４
条件１〜３以外で
チャンネル＝１の時
直線出力＝Ｖ
条件５
条件１〜３以外で
チャンネル＝２の時
直線出力＝Ｗ
条件６
条件１〜３以外で
チャンネル＝３の時
直線出力＝Ｘ
条件７
条件１〜３以外で
チャンネル＝４の時
直線出力＝Ｙ

続いて信号処理の出力例を説明する。ここでは、理想的な正弦波に対してＢ相の振幅が０．９倍、Ｂ相のオフセットが＋０．０１、Ａ相とＢ相の位相差が９１°の信号を処理する場合で、チャンネル＝１（Ａ≧Ｂ、Ａ＜Ｂ’）からチャンネル２（Ａ＞Ｂ、Ａ≧Ｂ’）に変わる前後の出力を例として図４の表図に示す。また、先に説明した図３は、図４の表に示したＶ、Ｗ出力をグラフ化し、出力がＶからＷへ徐々に変わっていく様子を示したものである。図５には条件４〜７のみを使用した場合の出力波形を示し、図６には条件１〜７すべてを使用した場合の波形を示した。これらの図５，６から明らかなように、条件４〜７のみを使用した場合の出力波形は、接続領域に段差が生じているのに対し、条件１〜７すべてを使用した場合の波形は、接続領域に段差が生じておらず、先後二つの近似直線部分の切り替えを徐々に行なうことで、連続性、直線性及び繰り返し精度に優れた位置検出信号を得ている。

前記条件１を例として式の説明をする。前記条件１とはチャンネルが１から２に切り替わる約±１０°の区間を言う。まず、出力を求める為に、α（前記Ｖの倍率）は前記条件１の時に出力をＶからＷへ徐々に変えていく為の倍数で、
Ａ＝０．５７４の時α＝１
Ａ＝０，８１９の時α＝０
となるような１次関数としている。よってαとＡの関係は上記値から連立１次方程式を解いて、
α＝−４．０８１６３２７Ａ十３．３４２８５７２…（ａ）
となる。一方Ｗの倍率は
Ｗの倍率＝（１−α）…（ｂ）
とする。

条件１での出力は次の式で計算する。
出力＝Ｖ×α＋Ｗ×（１−α）…（ｃ）
となるので、式ａと式ｃより出力は次の計算式で求められる。
出力＝（−４．０８１６３２７×Ａ＋３．３４２８５７２）×Ｖ＋（１−（−４．０８１６３２７×Ａ＋３．３４２８５７２））×Ｗ…（ｄ）

次に、チャンネルが１から２に切り替わる付近の条件式は次のようになる。
ＡＮＤ（（ＯＲ（チャンネル＝１，チャンネル＝２）），（Ｂ＜０））…（ｅ）
さらに、チャンネルが１から２に切り替わる約士１０°の間隔は、測定値からＡが次の電圧の時と設定した。
０．５７４≦Ａ≦０．８１９…（ｆ）
式ｅと式ｆより、条件１の式は次のようになる。
条件１＝ＡＮＤ（（ＯＲ（チャンネル＝１，チャンネル＝２）），（Ｂ＜０），（０，５７４≦Ａ≦０．８１９））…（ｇ）

以上、条件と出力をまとめると、条件１は
ＡＮＤ（（ＯＲ（チャンネル＝１，チャンネル＝２）），（Ｂ＜０），（０．５７４≦Ａ≦０．８１９））の時
出力＝（−４．０８１６３２７×Ａ＋３．３４２８５７２）×Ｖ＋（１−（−４．０８１６３２７×Ａ＋３．３４２８５７２））×Ｗ
となる。同様にして、チャンネル２と３、チャンネル３と４の切り替えポイントも計算する。

以上の計算により、条件１〜３によって条件の切り替わりポイントを約±１０°の間で補間によりなだらかに行なう事とした。これにより、条件４〜７では図５の様に段差のある波形となってしまうが、条件１〜７すべて使用する事で、図６の様な波形を出力する事が出来る。また、この計算方法によって繰り返し精度を悪化させる事は無い。なお、ここでは約±１０°の間でなだらかに近似直線波形を切替えているが、波形が正弦波より三角波形状に近ければ近いほど、なだらかに切替えていく角度を増やす事が出来、元の２相信号の誤差が大きくても直線性の良い波形を出力する事が出来る。

最後に、本発明のセンサ信号処理方法が適用される角度検出装置の一例を説明する。図７（Ａ）は、磁気式で且つ非接触式の角度検出装置を示す模式的な断面図である。図示する様に、本角度検出装置は、基本的にケース１２とシャフト９と一対のマグネット３，７と基板６とで構成されている。ケース１２はほぼ円筒形状を有し、上下両端面が開放されている。シャフト９は一対のメタル軸受１１，１３を介してケース１２に対し回動自在に取り付けられている。本実施形態では、シャフト９が中間部分にフランジ９Ｓを有している。このフランジ９Ｓを境にしてシャフト下部９Ｒがメタル軸受１１，１３によりケース１２に保持されている。フランジ９Ｓから上のシャフト上部９Ｔには、マグネット３，７や基板６その他の部品が取り付けられている。尚、シャフト下部９Ｒはワッシャ１０，１４及びＣリング１５でメタル軸受１１，１３に取り付けられている。一対のマグネット３，７は各々円盤形状を有し、回転軸方向に離間してシャフト上部９Ｔに固定されている。両マグネット３，７の間隔はカラー４により規制されている。基板６は一対のマグネット３，７の間に位置し、ケース１２に保持されている。基板６はその上にホール素子５や付随する回路を搭載している。ホール素子５はホールＩＣの形で基板６に実装してもよい。シャフト上部９Ｔに組み込まれたマグネット３，７は、ケース１２内に収められ、蓋１でカバーされる。係る構成を有する磁気式非接触型の角度検出装置は、シャフト９が回動するとその角度に応じてホール素子５の出力電圧が変化する様になっている。

特徴事項として、各マグネット３，７は、円盤形状の厚み方向に着磁されており、且つ円盤形状の直径に沿った磁極境界線で区分された各半円部分が互いに反対方向に着磁されている。両マグネット３，７は互いに対面する対向面側の磁極が互いに逆になっており、両マグネットの互いに対面しない反対面側にはそれぞれヨーク板２，８が取り付けられている。

（Ｂ）は、各マグネット３，７の着磁方法を表わしている。本実施形態では、各マグネット３，７は、軸方向矩形波着磁用ヨーク１６と円筒型バックヨーク１７とを用いて着磁されている。軸方向矩形波着磁用ヨーク１６にマグネット３，７をセットし、そのマグネット３，７の上に円筒型バックヨーク１７の円筒軸を磁極境界線ＭＤと直交する方向に配置して着磁することによって、マグネット３，７の磁極境界線ＭＤ付近の磁束密度変化をなだらかにし、マグネットを円周方向に回動させた時の角度に対してマグネット平面の磁束密度が正弦波あるいは三角波に近い形状に変化する様になっている。例えば、本実施形態では、外径がφ９．８ｍｍ、内径がφ３ｍｍで厚みが０．８ｍｍのマグネット３，７を（Ｂ）に示す方法で着磁している。すなわち、軸方向矩形波着磁用ヨーク１６を使用し、マグネット３，７を１つセットし、φ１２ｍｍのバックヨーク１７を配置して着磁する。この様な方法で着磁されたマグネット３，７を（Ａ）に示した角度検出装置に組み込む場合、マグネット３，７を着磁した時のバックヨーク側に外径φ９．８ｍｍ、内径φ３ｍｍ、厚さ０．３ｍｍのヨーク板２，８を密着させてシャフト９に固定している。

ここで、軸方向矩形波着磁用ヨークとは、例えば円盤状のマグネットを軸方向（厚み方向）に着磁するためのヨークである。このヨ−クによって着磁されたマグネットを、図１１に示すように回転させながらプローブで表面磁束密度を測定してみる。その測定結果が図１２の波形図に表されている。マグネットは周方向に沿って表面磁束密度が矩形波形状に分布する様、着磁される。マグネット３，７は、軸方向矩形波着磁用ヨーク１６によって、図１２に示すように軸方向矩形波着磁されたものである。

図７（Ａ）に示す様に、一対のマグネット３，７のヨーク板２，８が付いていない面を互いに向き合わせて、カラー４を挟んでシャフト９に固定する。この時、マグネット３とマグネット７の磁極は互いに逆方向となる様にする。以上により、上下のマグネット３，７とヨーク板２，８とで磁気回路が形成され、マグネット３とマグネット７との間に磁界が発生する。マグネット３とマグネット７との間にホール素子５と基板６が配置している。マグネット３，７をシャフト９によって回動させれば、所望のホール出力電圧波形を得ることができる。

マグネット３とマグネット７間の磁力線の向きは、シャフト９の軸方向となる為、ホール素子５は小型で汎用のホールＩＣなど実装部品を使用することができ、安価で小型化が可能になる。又、カラー４の外径からケース１２の内径の間の空間を基板６の面積に割り当てられるので、ホール素子５の信号増幅回路や、定電流回路あるいは定電圧回路を全て２つのマグネット３，７の間の基板６に実装することができる為、小型化が可能になる。更に、マグネット３とマグネット７間の磁力線の向きは、シャフト９の軸方向とほぼ平行で均一に近い状態である為、シャフト９のガタによってマグネットに対しホール素子の相対位置が変動しても、ホール素子が受感する磁束密度の変化は少ない。

図８は、図７に示した角度検出装置から得られるホール出力電圧波形を示すグラフである。グラフから明らかな様に、着磁の条件やヨーク板の厚みによって、正弦波から三角波に近いホール素子出力電圧を形成することができる。ホール素子出力電圧が、シャフト回転角度に対して直線的に変化するのは、３６０度中立ち上がり約１２０度と立ち下がり約１２０度となっている。従って、本構造の磁気式角度検出器は測定可能な検出角度範囲が約１２０度である。本構造によれば、ホール素子１つで検出角が１２０度程度となる。１２０度を超える検出角が必要な場合、ホール素子を９０度間隔で２つ配置し、９０度の位相差を有する２つの正弦波から角度を検出する方法を採用することができる。着磁条件やヨーク板の形状の更なる最適化により、シャフト回転角に対するホール素子出力電圧の直線性と電気角の範囲を一層改善できる可能性がある。

図９は、図７に示した角度検出装置の分解斜視図である。図示する様に、シャフト９はフランジ９Ｓを境にしてシャフト上部９Ｔとシャフト下部９Ｒに分かれている。シャフト上部９Ｔには図示の各部品が組み込まれる一方、シャフト下部９Ｒは図７に示すケースに組み込まれる。マグネット７は軸方向着磁されており、着磁した時に着磁ヨーク側だった面にヨーク板８が接合している。マグネット３も同様に軸方向着磁されており、着磁した時に着磁ヨーク側だった面にヨーク板２が接合している。マグネット３とマグネット７はヨーク板２とヨーク板８が付いていない面を互いに向き合わせてシャフト上部９Ｔに取り付けられる。マグネット３とマグネット７の回転方向の相対位置関係は、マグネット３とマグネット７の磁極が上下で互いに異なる様に配置している。マグネット３とマグネット７の間にカラー４が装着されている。カラー４の周りにホール素子５が装着された基板６を、カラー４の外周に接しない様に配置してある。基板６はケース１２に取り付けられており、シャフト９が回転してもカラー４やマグネット３，７に接触することがなく、いわゆる非接触構造となっている。ホール素子５の受感部の上下方向の位置は、マグネット３とマグネット７のちょうど真中に配置されている。ケース１２の上端面をカバーする様に、蓋１が取り付けられている。ケースの外周よりも基板６の一部が外側に突出している。基板６の外に突出している部分には、ホール素子５の電気的な出力を行う端子が形成されている。図示の様にホール素子５は回路基板６に２個９０度の間隔をおいて搭載してある。基板６の出力端子には、はマイクロコンピュータなどで構成される演算回路が接続されており、回動する測定物の角度を検出する角度検出センサから検出角度の変動に対してほぼ９０°の位相差を持って出力される正弦波状または三角波状の２相信号を取り込む取込手順と、前記２相信号に対してそれぞれ１８０°位相の異なる２相信号を生成し、該取り込んだ２相信号と該生成した２相信号とを合わせて４相信号を形成する形成手順と、前記４相信号を処理して、回動する該測定物の角度を０°〜３６０°にわたる絶対角度で示す位置検出信号を出力する処理手順とを含むセンサ信号処理方法を実行する。

図１０は、図９に示したシャフト下部９Ｒが挿入されるケース周りの分解斜視図である。ケース１２に一対のメタル軸受１１，１２が装着されている為、シャフト９がケース１２に対して回動可能な構造となっている。シャフト９はＣリング１５によってスラスト方向に脱落しない構造となっている。ワッシャ１０とワッシャ１４でスラストガタを調整している。尚、場合によってはメタル軸受は１つでもよい。又ワッシャ１０とワッシャ１４は省略してもよい。

角度検出センサから出力される４相信号を示す波形図である。 本発明に従って合成された位置検出信号を示す波形図である。 先後２つの波形の接続処理を示す模式図である。 接続処理における演算過程を説明する表図である。 位置検出信号の出力を示す参考図である。 本発明に従って合成された位置検出信号を示す波形図である。 角度検出装置の縦断面図及び角度検出装置に組み込まれるマグネットの着磁方法を示す模式図である。 角度検出装置の出力波形を示すグラフである。 角度検出装置の分解斜視図である。 角度検出装置の分解斜視図である。 軸方向矩形波着磁を示す模式的な斜視図である。 軸方向矩形波着磁を示す模式的な波形図である。 従来の角度検出装置の出力波形を示す波形図である。 従来の角度検出装置の出力波形を示す波形図である。

符号の説明

Ａ，Ｂ，Ａ'，Ｂ'・・・４相信号、Ｖ，Ｗ，Ｘ，Ｙ・・・近似直線部分、Ｚ・・・直線出力

Claims (6)

1. 回動する測定物の角度を検出する角度検出センサから検出角度の変動に対してほぼ９０°の位相差を持って出力される正弦波状または三角波状の２相信号を取り込む取込手順と、
   前記２相信号に対してそれぞれ１８０°位相の異なる２相信号を生成し、該取り込んだ２相信号と該生成した２相信号とを合わせて４相信号を形成する形成手順と、
   前記４相信号を処理して、回動する該測定物の角度を０°〜３６０°にわたる絶対角度で示す位置検出信号を出力する処理手順とを含むセンサ信号処理方法において、
   前記処理手順は、該４相信号に各々含まれるほぼ直線に近い近似直線部分を検出角度範囲に対応して選択し、該選択された近似直線部分を順につないで絶対角度を表す位置検出信号を合成するとともに、前記４相信号のうち９０°の位相差を有する信号が相互につながる接続領域で、先後二つの近似直線部分の切り替えを徐々に行ない、連続性、直線性及び繰り返し精度に優れた位置検出信号を出力する事を特徴とするセンサ信号処理方法。
2. 前記処理手順は、４つの近似直線部分の各々に１つの近似直線の９０°分の変化量に相当するオフセットを順に加えた上で、つなぎ合わせて１本の直線的な位置検出信号とする事を特徴とする請求項１記載のセンサ信号処理方法。
3. 前記処理手順は、該接続領域で、先の近似直線部分と後の近似直線部分を混合し且つ両者の混合比率を変化させることで、先後二つの近似直線部分の切り替えをクロスフェード的に徐々に行なっていく事を特徴とする請求項２記載のセンサ信号処理方法。
4. 前記処理手順は、
   前記４相信号のうち、任意の１つを信号αとし、
   信号αがある値ｍに達した時、その時選択されている近似直線部分にオフセットを加えた信号をＡとし、
   この時点での信号Ａの値をＡｍとし、
   次に切り替わった後に選択される近似直線部分にオフセットをかけた信号をＢとし、
   この時点での信号Ｂの値をＢｍとすると、
   １×Ａｍ＋０×Ｂｍ＝信号処理後の出力となり、
   信号αがある値ｎに達した時の信号Ａの値をＡｎ、信号Ｂの値をＢｎとすると
   ０×Ａｎ＋１×Ｂｎ＝信号処理後の出力となり、
   ここで、信号Ａの値の混合比率と信号Ｂの値の混合比率をそれぞれａとｂとすると、
   ａ×Ａ＋ｂ×Ｂ＝信号処理後の出力（ａ十ｂ＝１）となり、
   信号αがｍの時ａ＝１、信号αがｎの時ａ＝０となるようなαとａの関数によってａが決定し、そしてｂが決定する事で、信号αの値によって信号Ａと信号Ｂのそれぞれの混合比率が変わり、該接続領域で先後二つの近似直線部分をクロスフェード的に徐々に切替える事を特徴とする請求項４記載のセンサ信号処理方法。
5. 前記αとａの関数は、信号αがｍの時ａ＝１、信号αがｎの時ａ＝０となるような１次関数である事を特徴とする請求項４記載のセンサ信号処理方法。
6. 前記αとａの関数は、信号αがｍの時ａ＝１、信号αがｎの時ａ＝０となり、信号の切り替えがスムーズになる様な、信号αがｍとｎの間を取る時のａの値をさらに１組以上規定し、それらの値をとる様な２次以上の関数である事を特徴とする請求項４記載のセンサ信号処理方法。

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