JP2005201657A - Rotation angle detection device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、回転角検出装置に関する。 The present invention relates to a rotation angle detection device.
従来、測定対象の回転軸に配置される磁石と、磁石の磁界(主磁界)に応じた電気信号を出力する2つの磁気抵抗センサと、2つの磁気抵抗センサの出力から測定対象の回転角度を特定する制御手段とを備える回転角検出装置が知られている。しかし、磁気抵抗センサを用いた回転角検出装置は主磁界の向きを判別することができないため、その測定範囲は最大で180度までに限られていた。
Conventionally, a magnet arranged on a rotation axis of a measurement object, two magnetoresistive sensors that output an electric signal corresponding to the magnetic field (main magnetic field) of the magnet, and the rotation angle of the measurement object from the outputs of the two
特許文献1には、補助磁界を発生するコイルを備え主磁界の向きを判別することにより、180度以上の回転角度を測定することができる回転角検出装置が開示されている。
特許文献2には、主磁界の向きを判別する測定素子を設けて、180度以上の回転角度を測定することができる回転角検出装置が開示されている。
しかし、特許文献1に記載の回転角検出装置では、2つの磁気抵抗センサにそれぞれ異なる方向の補助磁界を加える必要があるため、磁気抵抗センサの配置およびコイルの形状が複雑になる。そのため、磁気抵抗センサおよびコイルの実装に大きなスペースが必要となり、回転角検出装置が大型化するという問題がある。
また、特許文献2に記載の回転角検出装置では、主磁界の向きを判別する測定素子が必要なため、製造コストが増大するという問題および回転角度装置が大型化するという問題がある。
本発明は上記問題を解決するためになされたものであり、360度の範囲の回転角度を測定し、小型で安価な回転角検出装置を提供することを目的とする。
However, in the rotation angle detection device described in
Further, the rotation angle detection device described in
The present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide a small and inexpensive rotation angle detection device by measuring a rotation angle in a range of 360 degrees.
請求項1から9に記載の発明によれば、補助磁界を排除した主磁界だけの状態で動作する第1の磁気抵抗センサおよび第2の磁気抵抗センサが出力する位相差を有する電気信号から、360度の回転角度範囲内において測定対象の回転角度の候補を選定できる。
この選定した回転角度の候補から測定対象の回転角度を特定するためには、測定対象の方向、つまり主磁界の方向が分かればよい。まず、主磁界の方向と補助磁界の方向が平行になる測定対象の回転角度を除き、主磁界の方向は主磁界および補助磁界により形成される合成磁界の方向と異なる。そのため、主磁界だけのときと合成磁界のときとで第1の磁気抵抗センサおよび第2の磁気抵抗センサが出力する電気信号は異なる。この異なる電気信号の差を制御手段が評価することにより、主磁界の向きを判別することができる。
According to the invention described in
In order to identify the rotation angle of the measurement object from the selected rotation angle candidates, it is only necessary to know the direction of the measurement object, that is, the direction of the main magnetic field. First, the direction of the main magnetic field is different from the direction of the combined magnetic field formed by the main magnetic field and the auxiliary magnetic field, except for the rotation angle of the measurement object in which the direction of the main magnetic field and the direction of the auxiliary magnetic field are parallel. Therefore, the electrical signals output from the first magnetoresistive sensor and the second magnetoresistive sensor differ depending on only the main magnetic field and the combined magnetic field. The direction of the main magnetic field can be determined by the control means evaluating the difference between the different electric signals.
一方、主磁界と補助磁界とが同一方向のとき、第1の磁気抵抗センサおよび第2の磁気抵抗センサは飽和領域の合成磁界で動作し、主磁界と補助磁界が逆方向のとき、第1の磁気抵抗センサおよび第2の磁気抵抗センサは非飽和領域の合成磁界で動作する。飽和領域の合成磁界で動作している第1の磁気抵抗センサおよび第2の磁気抵抗センサは、それぞれ合成磁界の方向に応じた電気信号を出力する。一方、非飽和領域領域の合成磁界で動作している第1の磁気抵抗センサおよび第2の磁気抵抗センサは、同一方向の飽和領域の合成磁界で動作する場合と比較して小さなレベルの電気信号を出力する。そのため、補助磁界を排除した主磁界だけのときの第1の磁気抵抗センサまたは第2の磁気抵抗センサの電気信号と、主磁界と補助磁界とで合成磁界を形成しているときの第1の磁気抵抗センサまたは第2の磁気抵抗センサの電気信号とのレベル差を評価することにより、主磁界と補助磁界の方向が同じか反対かを判別することができる。したがって、360度の範囲において選定した回転角度の候補から測定対象の回転角度を特定することができる。 On the other hand, when the main magnetic field and the auxiliary magnetic field are in the same direction, the first magnetoresistive sensor and the second magnetoresistive sensor operate with the combined magnetic field in the saturation region, and when the main magnetic field and the auxiliary magnetic field are in the opposite direction, The magnetoresistive sensor and the second magnetoresistive sensor operate with a combined magnetic field in a non-saturated region. The first magnetoresistive sensor and the second magnetoresistive sensor operating with the combined magnetic field in the saturation region each output an electrical signal corresponding to the direction of the combined magnetic field. On the other hand, the first magnetoresistive sensor and the second magnetoresistive sensor operating with the combined magnetic field in the non-saturated region region are smaller in electrical signal than when operating with the combined magnetic field in the saturated region in the same direction. Is output. For this reason, the first magnetic field when the combined magnetic field is formed by the electric signal of the first magnetoresistive sensor or the second magnetoresistive sensor when only the main magnetic field excluding the auxiliary magnetic field, and the auxiliary magnetic field is formed. By evaluating the level difference from the electrical signal of the magnetoresistive sensor or the second magnetoresistive sensor, it is possible to determine whether the directions of the main magnetic field and the auxiliary magnetic field are the same or opposite. Therefore, the rotation angle of the measurement target can be specified from the rotation angle candidates selected in the range of 360 degrees.
また、請求項1から9に記載の発明によれば、異なる方向の補助磁界を発生させる複数の補助磁界発生手段を設けたり、主磁界の向きを判別する手段を別に設けたりすることなく、第1の磁気抵抗センサおよび第2の磁気抵抗センサに対して一定方向の補助磁界を制御手段で制御することにより、測定対象の回転角度を特定できる。したがって、補助磁界発生手段の小型化および製造コストの削減をすることができる。
また、請求項1から9に記載の発明によれば、補助磁界発生手段は、主磁界と補助磁界とが逆方向のときに第1の磁気抵抗センサおよび第2の磁気抵抗センサを非飽和領域で動作させる強さの補助磁界を発生すればよい。補助磁界の強さを主磁界と比較して小さくできるため、補助磁界発生手段を小型化することができる。
Further, according to the first to ninth aspects of the present invention, without providing a plurality of auxiliary magnetic field generating means for generating auxiliary magnetic fields in different directions or separately providing means for determining the direction of the main magnetic field, By controlling the auxiliary magnetic field in a certain direction with respect to the one magnetoresistive sensor and the second magnetoresistive sensor by the control means, the rotation angle of the measurement object can be specified. Therefore, the auxiliary magnetic field generating means can be reduced in size and the manufacturing cost can be reduced.
Further, according to the invention described in
請求項2に記載の発明によれば、補助磁界発生手段は、第1の磁気抵抗センサまたは第2の磁気抵抗センサが最大レベルまたは最小レベルの電気信号を出力する磁界の方向と平行な補助磁界を発生することを特徴とする。当該磁界の方向では、非飽和領域で動作する磁気抵抗センサの出力は、磁界の強さの変化に対して比較的大きく変化する。例えば図5に示すように、磁界の向きに対し、磁気抵抗センサを飽和領域で動作させる強さの磁界(P1)に対する電気信号と、磁気抵抗センサを非飽和領域で動作させる強さの磁界(P3)に対する電気信号とのレベル差L1、L2およびL3を比較すると、最大レベルの電気信号を出力する磁界の方向におけるレベル差L1が他の磁界の方向のレベル差L2およびL3よりも大きいことが分かる。つまり、補助磁界の強さが比較的小さくても、第1の磁気抵抗センサまたは第2の磁気抵抗センサは、飽和領域で動作するときと非飽和領域で動作するときとで大きなレベル差のある電気信号を出力する。従って、補助磁界の強さを小さくできるため、補助磁界発生手段を小型化することができる。 According to the second aspect of the present invention, the auxiliary magnetic field generating means includes the auxiliary magnetic field parallel to the direction of the magnetic field at which the first magnetoresistive sensor or the second magnetoresistive sensor outputs the electric signal having the maximum level or the minimum level. It is characterized by generating. In the direction of the magnetic field, the output of the magnetoresistive sensor operating in the non-saturated region changes relatively greatly with changes in the magnetic field strength. For example, as shown in FIG. 5, with respect to the direction of the magnetic field, an electric signal for a magnetic field (P1) having a strength for operating the magnetoresistive sensor in the saturation region and a magnetic field having a strength for operating the magnetoresistive sensor in the non-saturated region ( Comparing the level differences L1, L2, and L3 with respect to the electric signal for P3), the level difference L1 in the direction of the magnetic field that outputs the electric signal of the maximum level is larger than the level differences L2 and L3 in the directions of the other magnetic fields. I understand. That is, even if the strength of the auxiliary magnetic field is relatively small, the first magnetoresistive sensor or the second magnetoresistive sensor has a large level difference between when operating in the saturation region and when operating in the non-saturation region. Outputs electrical signals. Therefore, since the strength of the auxiliary magnetic field can be reduced, the auxiliary magnetic field generating means can be reduced in size.
請求項3から5によると、補助磁界発生手段はコイルであることを特徴とする。補助磁界発生手段を簡単な回路で実現できるため、補助磁界発生手段の小型化および製造コストの削減をすることができる。
また、請求項3から5によると、補助磁界発生手段のコイルは単一方向に巻くことを特徴とする。多方向に巻く場合と比較して巻き数を容易に増やせるため、コイルに供給する電流を小さくすることができる。
さらに、請求項3から5によると、制御手段はコイルに供給する電流を制御する回路を備えることを特徴とする。電流を制御する回路は簡単な回路で実現できるため、制御手段の小型化および製造コストの削減をすることができる。
According to
According to
Further, according to
請求項4に記載の発明によれば、コイルを第1の磁気抵抗センサおよび第2の磁気抵抗センサを覆うように巻くことより、補助磁界発生手段の実装スペースを削減できる。また、コイルを立体的に巻くことにより、第1の磁気抵抗センサおよび第2の磁気抵抗に対して効率よく補助磁界を影響させることができるため、コイルの巻線数を減らしたり、コイルに流す電流を小さくしたりすることができる。
請求項5に記載の発明によれば、コイルを第1の磁気抵抗センサおよび第2の磁気抵抗センサの上方近傍または下方近傍に積層することにより、補助磁界発生手段の実装スペースを削減できる。また、コイルを半導体の積層技術により形成することができるため、補助磁界発生手段の製造コストを削減できる。
According to the fourth aspect of the invention, the space for mounting the auxiliary magnetic field generating means can be reduced by winding the coil so as to cover the first magnetoresistive sensor and the second magnetoresistive sensor. In addition, since the auxiliary magnetic field can be efficiently influenced on the first magnetoresistive sensor and the second magnetoresistance by winding the coil three-dimensionally, the number of turns of the coil can be reduced or the coil can be passed through the coil. The current can be reduced.
According to the fifth aspect of the present invention, the mounting space of the auxiliary magnetic field generating means can be reduced by stacking the coils in the vicinity of the upper part or the lower part of the first magnetoresistive sensor and the second magnetoresistive sensor. Further, since the coil can be formed by a semiconductor lamination technique, the manufacturing cost of the auxiliary magnetic field generating means can be reduced.
請求項6記載の発明では、第1の磁気抵抗センサと第2の磁気抵抗センサとは、出力する電気信号同士が45度の位相差を有するように配置されているので、補助磁界を排除した主磁界だけの状態における第1の磁気抵抗センサと第2の磁気抵抗センサの出力はそれぞれ回転角度に対して正弦波と余弦波の関係になる。したがって、制御手段は逆正接演算により簡単に回転角度の候補を選定することができる。
請求項7によると、第1の磁気抵抗センサの磁気抵抗素子と第2の磁気抵抗センサの磁気抵抗素子とは同心円上に配置されるので、磁気抵抗素子をコンパクトに配置できる。したがって、第1の磁気抵抗センサおよび前記第2の磁気抵抗センサを小型化することができる。
In the invention according to
According to the seventh aspect, since the magnetoresistive element of the first magnetoresistive sensor and the magnetoresistive element of the second magnetoresistive sensor are arranged concentrically, the magnetoresistive elements can be arranged compactly. Therefore, the first magnetoresistive sensor and the second magnetoresistive sensor can be reduced in size.
請求項8記載の発明では、測定対象の回転角度の候補を選定する処理と主磁界の向きを判別する処理とを交互に実施するので、例えば測定対象が高速に回転する場合でも、直前に選定した回転角度の候補に基づいて制御手段が主磁界の向きを判別すれば、回転角度の候補を選定する処理における実際の主磁界の向きと、主磁界の向きを判別する処理において判別される主磁界の向きとを一致させることができる。したがって、正確な回転角度を測定することができる。
In the invention described in
請求項9記載の発明では、主磁界の向きを判別する1回の処理につき、測定対象の回転角度の候補を選定する処理を複数回実行するので、回転角度を特定する処理の回数に対して磁界の向きを判別する処理の回数を減らすことができる。したがって、回転角度を特定する処理の実効的な処理時間を短縮することができる。 According to the ninth aspect of the present invention, the process of selecting the rotation angle candidate to be measured is executed a plurality of times for each process of determining the direction of the main magnetic field. The number of processes for determining the direction of the magnetic field can be reduced. Therefore, it is possible to shorten the effective processing time of the processing for specifying the rotation angle.
以下、本発明の複数の実施形態を図に基づいて説明する。
(第1実施形態)
図1は本発明の第1実施形態による回転角検出装置1を示す模式図である。請求項に記載の主磁界発生手段としての永久磁石2は、ステアリングホイール等の測定対象の回転軸3に取り付けられ、センサユニット4の近傍に主磁界MFを発生する。
請求項に記載の補助磁界発生手段としてのコイル5は、回転角検出用のASIC(Application Specific Integrated Circuit)6より供給される電流により、センサユニット4の近傍に補助磁界SFを発生する。具体的には例えば、コイル5は、センサユニット4が実装されているプリント基板18に積層されている(図2参照)。プリント基板18は回転角検出装置1の本体に固定されている。
Hereinafter, a plurality of embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
(First embodiment)
FIG. 1 is a schematic diagram showing a rotation
The
センサユニット4は、図3に示すように磁気抵抗センサ100および磁気抵抗センサ200を備える。磁気抵抗センサ100および磁気抵抗センサ200はいずれか一方が第1磁気抵抗センサであり、他方が第2磁気抵抗センサである。磁気抵抗センサ100と磁気抵抗センサ200は、それぞれ磁気抵抗素子101から104と磁気抵抗素子201とから204のブリッジ回路である。
The
磁気抵抗センサ100は、電源用端子120とGND用端子122間に所定の電圧が供給されると、主磁界MFと補助磁界SFにより形成される合成磁界CFの方向に応じた電圧を出力端子124と出力端子126間に出力する。以下、出力端子124と出力端子126間に出力される電圧を電気信号130と記載する。磁気抵抗センサ200は、磁気抵抗センサ100と同様に電気信号230を出力する。
When a predetermined voltage is supplied between the
磁気抵抗センサ100と磁気抵抗センサ200は、同一方向の磁界に対して互いに45度の位相差を有する電気信号130と電気信号230を出力するように配置されている。具体的には、磁気抵抗センサ100が最大レベルの電気信号を出力する磁界の方向(矢印C)と磁気抵抗センサ200が最大レベルの電気信号を出力する磁界の方向(矢印D)のなす角度が45度になるように配置されている。また、磁気抵抗素子101から104および磁気抵抗素子201から204は、互いに交互に同心円上に配置されている。
The
図1に示すように、請求項に記載の制御手段としての回転角検出用のASIC6は、CPU8、ROM10、RAM12、A/D変換回路13、演算回路14および電源回路16を備える。CPU8はROM10に記憶されているプログラムに基づき所定の処理を実行する。
A/D変換回路13は、電気信号130および電気信号230をディジタル化する。演算回路14は所定の演算を実施する。例えば演算回路14は、後述する回転角度の候補を選定する処理において逆正接演算を実施する。電源回路16は、CPU8の制御により所定のタイミングで所定の大きさの電流をコイル5に供給する。電源回路16は、請求項に記載のコイルに流れる電流を制御する回路に相当する。RAM12は、演算回路14における計算結果等を一時記憶するメモリである。
As shown in FIG. 1, the rotation
The A /
以下、主磁界MFと補助磁界SFと合成磁界CFの関係について図4に基づいて説明する。
永久磁石2は回転軸3に取り付けられているので、主磁界MFは回転軸3とともに回転する。補助磁界SFの方向は矢印Cと同一方向である。つまり、コイル5はセンサユニット4の近傍で矢印Cと直交するようにプリント基板18に配線されている(図2参照)。
以降、主磁界MFと矢印Cが同一方向のときの回転角度を0度、回転軸3とともに回転する主磁界の方向は反時計回りに増大するものとする。
Hereinafter, the relationship among the main magnetic field MF, the auxiliary magnetic field SF, and the composite magnetic field CF will be described with reference to FIG.
Since the
Hereinafter, it is assumed that the rotation angle when the main magnetic field MF and the arrow C are in the same direction is 0 degree, and the direction of the main magnetic field that rotates together with the
電源回路16によりコイル5に電流が供給されないとき、補助磁界SFは発生しないため、合成磁界CFと主磁界MFは同一の磁界である(図4(a)参照)。
主磁界MFと補助磁界SFが同一方向のとき、合成磁界CFと主磁界MFは同一方向で、合成磁界CFの強さは主磁界MFよりも大きくなる(図4(b)参照)。
主磁界MFと補助磁界SFが逆方向のとき、補助磁界SFの強さが主磁界MFの強さよりも小さいとすると、合成磁界CFと主磁界MFは同一方向で、合成磁界CFの強さは主磁界MFよりも小さくなる(図4(d)参照)。
主磁界MFと矢印Cのなす角度θが0度より大きく180度より小さい範囲では、合成磁界CFと矢印Cのなす角度φは主磁界MFと矢印Cのなす角度θよりも小さくなる(図4(c)参照)。
主磁界MFと矢印Cのなす角度θが180度より大きく360度より小さい範囲では、合成磁界CFと矢印Cのなす角度φは主磁界MFと矢印Cのなす角度θよりも大きくなる(図4(e)参照)。
When no current is supplied to the
When the main magnetic field MF and the auxiliary magnetic field SF are in the same direction, the combined magnetic field CF and the main magnetic field MF are in the same direction, and the strength of the combined magnetic field CF is larger than the main magnetic field MF (see FIG. 4B).
When the main magnetic field MF and the auxiliary magnetic field SF are in opposite directions and the strength of the auxiliary magnetic field SF is smaller than the strength of the main magnetic field MF, the combined magnetic field CF and the main magnetic field MF are in the same direction, and the strength of the combined magnetic field CF is It becomes smaller than the main magnetic field MF (see FIG. 4D).
In the range where the angle θ formed by the main magnetic field MF and the arrow C is greater than 0 ° and smaller than 180 °, the angle φ formed by the combined magnetic field CF and the arrow C is smaller than the angle θ formed by the main magnetic field MF and the arrow C (FIG. 4). (See (c)).
In the range where the angle θ formed by the main magnetic field MF and the arrow C is greater than 180 degrees and smaller than 360 degrees, the angle φ formed by the composite magnetic field CF and the arrow C is larger than the angle θ formed by the main magnetic field MF and the arrow C (FIG. 4). (See (e)).
補助磁界SFが発生していない状態において、主磁界MFの強さは、センサユニット4の磁気抵抗センサ100(抵抗磁気抵抗素子101から104)、および磁気抵抗センサ200(磁気抵抗素子201から204)を回転軸3の回転角度に関わらず飽和領域で動作させる大きさ、例えば図5のP1に示す大きさの磁界である。
永久磁石2は測定対象の回転軸3に配置されているため、回転軸3の回転角度は主磁界MFの方向と矢印Cのなす角度から特定することができる。以下、主磁界MFの方向と矢印Cのなす角度θを回転角度と記載する。補助磁界SFの強さは、コイル5に供給される電流の大きさに応じて変化する。
In the state where the auxiliary magnetic field SF is not generated, the strength of the main magnetic field MF is as follows: the magnetoresistive sensor 100 (resistive
Since the
以下、ASIC6のCPU8が電源回路16にコイル5への電流供給を停止させている状態(以下、電流供給停止状態)、回転軸3の回転角度に関わらず磁気抵抗センサ100および磁気抵抗センサ200を飽和領域で動作させる強さの合成磁界CFを発生させる大きさの電流をASIC6がコイル5に供給している状態(以下、飽和電流供給状態)、ならびに回転軸3の回転角度が0度のとき磁気抵抗センサ100および磁気抵抗センサ200を飽和領域で動作させ、回転軸3の回転角度が180度のとき磁気抵抗センサ100および磁気抵抗センサ200を非飽和領域で動作させる強さの合成磁界CFが発生する大きさの電流をASIC6がコイル5に供給している状態(以下、非飽和電流供給状態)における電気信号130および電気信号230について説明する。
Hereinafter, the state in which the
まず、電流供給停止状態における電気信号130および電気信号230について説明する。
電流供給停止状態では、補助磁界SFが発生していないため、合成磁界CFと主磁界MFは同一方向である。また、磁気抵抗センサ100と磁気抵抗センサ200を互いに45度の位相差を有する電気信号を出力するように配置しているため、電気信号130と電気信号230は、図6(a)に示すように回転角度に対して倍角の余弦波形と正弦波形になる。そのため、電気信号130と電気信号230に基づいて逆正接演算を実施すると、容易に回転角度の候補として2つの回転角度(例えば45度と225度)を選定することができる(図6(b)参照)。
First, the
In the current supply stop state, since the auxiliary magnetic field SF is not generated, the composite magnetic field CF and the main magnetic field MF are in the same direction. Further, since the
次に、飽和電流供給状態における電気信号130および電気信号230について説明する。
図7に示すように、飽和電流供給状態では、補助磁界SFの影響により、電流供給停止状態(図6(a)参照)と比較して回転角度が0度より大きく180度より小さい範囲では位相が遅れ、回転角度が180度より大きく360度より小さい範囲では位相が進む。つまり、主磁界MFの方向と補助磁界SFの方向が平行になる0度と180度を除く任意の回転角度において、電流供給停止状態と飽和電流供給状態とで電気信号130および電気信号230のレベルは異なる。
Next, the
As shown in FIG. 7, in the saturation current supply state, due to the influence of the auxiliary magnetic field SF, the rotation angle is larger than 0 degree and smaller than 180 degrees compared to the current supply stop state (see FIG. 6A). The phase advances in the range where the rotation angle is larger than 180 degrees and smaller than 360 degrees. That is, the levels of the
図8(a)は、図6(a)と図7に示す電気信号130のレベル差150を0度以上180度より小さい範囲で示したグラフ151と180度以上360度より小さい範囲で示したグラフ152を重ねたグラフである。
図8(b)は、図8(a)と同様に電気信号230のレベル差250を0度以上180度より小さい範囲で示したグラフ251と180度以上360度より小さいの範囲で示したグラフ252を重ねたグラフである。
ここで、主磁界の向きを判別する際に採用する磁気抵抗センサおよび選択された磁気抵抗センサのレベル差を評価する基準を回転角度の候補に応じて決定すれば、例えば図9に示す表に従って処理をすれば、レベル差150またはレベル差250から主磁界MFの方向を判別することができる。
FIG. 8A shows the level difference 150 of the
FIG. 8B shows a
Here, if the reference for evaluating the level difference between the magnetoresistive sensor employed when determining the direction of the main magnetic field and the selected magnetoresistive sensor is determined according to the rotation angle candidates, for example, according to the table shown in FIG. If the processing is performed, the direction of the main magnetic field MF can be determined from the level difference 150 or the level difference 250.
例えば、回転角度の候補が45度と225度のとき、回転角度の候補は0度(または、180度)より大きく65度(または、245度)より小さいため、磁気抵抗センサ100が選択される。磁気抵抗センサ100が出力する電気信号130のレベル差150が正の値であれば、主磁界MFの向きは0度より大きく65度より小さい範囲であることが分かるため、回転角度を45度に特定できる。レベル差150が負の値であれば、主磁界MFの向きは180度より大きく245度より小さい範囲にあることが分かるため、回転角度を225度に特定できる。しかし、回転角度の候補が0度と180度のときは、レベル差150が0であるため、回転角度を特定できない。
For example, when the rotation angle candidates are 45 degrees and 225 degrees, the rotation angle candidates are larger than 0 degrees (or 180 degrees) and smaller than 65 degrees (or 245 degrees), so the
次に、非飽和電流供給状態における電気信号130および電気信号230について説明する。
非飽和電流供給状態では、回転角度が0度の近傍の電気信号130および電気信号230のレベルは飽和領域で動作し、回転角度が180度の近傍の電気信号130および電気信号230のレベルが非飽和領域で動作する。したがって、図10に示すように、回転角度が0度の近傍では電気信号130および電気信号230のレベルは飽和電流供給状態と比較して変化しない。一方、回転角度が180度の近傍の電気信号130および電気信号230のレベルは飽和電流供給状態と比較して小さくなる。
Next, the
In the non-saturated current supply state, the levels of the
図11(a)は、図6(a)と図10に示す電気信号130のレベル差160を0度以上180度より小さい範囲で示したグラフ161と180度以上360度より小さい範囲で示したグラフ162を重ねたグラフである。図11(b)は、図11(a)と同様に電気信号230のレベル差260を0度以上180度より小さい範囲で示したグラフ261と180度以上360度より小さい範囲で示したグラフ262を重ねたグラフである。
FIG. 11A shows the level difference 160 of the
回転角度の候補が0度と180度のとき、レベル差160が0であれば主磁界MFの向きは0度であることが分かり、レベル差160が負の値であれば主磁界MFの向きは180度であることが分かる(図11(a)参照)。また、0度と180度を除く回転角度については飽和電流供給状態と同様の処理により主磁界MFの向きを判別できる。したがって、例えば図12に示す表にしたがって処理をすることにより、主磁界MFの向きを0から360度の範囲で判別できる。 When the rotation angle candidates are 0 degrees and 180 degrees, it can be seen that the direction of the main magnetic field MF is 0 degrees if the level difference 160 is 0, and the direction of the main magnetic field MF if the level difference 160 is a negative value. Is 180 degrees (see FIG. 11A). For the rotation angles other than 0 degrees and 180 degrees, the direction of the main magnetic field MF can be determined by the same processing as in the saturated current supply state. Therefore, for example, by performing processing according to the table shown in FIG. 12, the direction of the main magnetic field MF can be determined in the range of 0 to 360 degrees.
つまり、回転角度の候補が0度と180度でないときは、合成磁界と主磁界の位相差に伴うレベル差160またはレベル差260に基づき主磁界の向きを判別し、合成磁界と主磁界とに位相差が生じない回転角度の候補が0度と180度のときは、飽和磁界と非飽和磁界とにより生じるレベル差160に基づき主磁界の向きを判別することができる。 That is, when the rotation angle candidates are not 0 degrees and 180 degrees, the direction of the main magnetic field is determined based on the level difference 160 or the level difference 260 accompanying the phase difference between the combined magnetic field and the main magnetic field, and the combined magnetic field and the main magnetic field are determined. When the rotation angle candidates that cause no phase difference are 0 degree and 180 degrees, the direction of the main magnetic field can be determined based on the level difference 160 caused by the saturated magnetic field and the unsaturated magnetic field.
図13は、電流供給停止状態において回転角度の候補を選定し、非飽和電流供給状態において主磁界MFの向きを判別し、回転角度を特定する回転角検出装置1の作動を示すフローチャートである。
以下、回転角検出装置1の作動について説明する。
ASIC6のCPU8が回転角検出の開始要求を受け付けると、電源回路16にコイル5への電流供給を停止させ、前述の電流供給停止状態に制御する(S1)。
FIG. 13 is a flowchart showing the operation of the rotation
Hereinafter, the operation of the rotation
When the
次に、ASIC6のCPU8は、A/D変換回路13によりディジタル化された任意の回転角度に対する電気信号130と電気信号230をそれぞれディジタルデータ132とディジタルデータ232としてRAM12に格納する(S2)。
次に、ASIC6のCPU8は、RAM12に格納されているディジタルデータ132およびディジタルデータ232に基づき演算回路14に逆正接演算を実行させ、回転角度の候補として2つの回転角度(例えば45度と225度)を選定する(S3)。ASIC6のCPU8は、選定された回転角度の候補をRAM12に格納する。
Next, the
Next, the
次に、ASIC6のCPU8は、電源回路16にコイル5への電流供給を開始させ、前述の非飽和電流供給状態に制御する(S4)。
次に、ASIC6のCPU8は、A/D変換回路13によりディジタル化された任意の回転角度に対する電気信号130と電気信号230をそれぞれディジタルデータ133とディジタルデータ233としてRAM12に格納する(S5)。
Next, the
Next, the
ステップS6においてASIC6のCPU8は、RAM12に格納されている回転角度の候補が65度(または、245度)以上115度(または、295度)より小さい範囲に含まれるか否かを判断し、回転角度の候補が当該範囲に含まれていない場合はステップS7を実行し、含まれている場合はステップS8を実行する。
ステップ7においてASIC6のCPU8は、RAM12に格納されているディジタルデータ132とディジタルデータ133の差分を演算回路14に計算させ、当該差分の正負に基づいて主磁界MFの向きを判別し(図12参照)、判別した主磁界MFの向きをRAM12に格納する。
In step S6, the
In step 7, the
ステップS8においてASIC6のCPU8は、演算回路14にRAM12に格納されているディジタルデータ232とディジタルデータ233の差分を計算させ、当該差分の正負に基づいて主磁界MFの向きを判別し(図12参照)、判別した主磁界MFの向きをRAM12に格納する。
ステップS7またはステップS8の実行後、ASIC6のCPU8はRAM12に格納されている回転角度の候補および主磁界MFの向きとにより回転角度を特定する(S9)。
ASIC6のCPU8は、回転角度検出の終了要求を受け付けるまでステップS1からステップS9までの処理を繰り返し実行する(S10)。
In step S8, the
After execution of step S7 or step S8, the
The
なお、低速回転する測定対象の回転角度の検出する回転角検出装置においては、主磁界MFの向きを判別する処理の1回の実行につき回転角度の候補を選定する処理の複数回実行してもよい。具体的には例えば、図14に示すように第1の回転角度の候補を選定し(S12)、第2の回転角度の候補を選定し(S14)、主磁界MFの向きを判別し(S18またはS19)、第1の回転角度および第2の回転角度を特定(S20およびS21)してもよい。 In the rotation angle detection device that detects the rotation angle of the measurement object that rotates at a low speed, the process of selecting a rotation angle candidate may be executed a plurality of times for each execution of the process of determining the direction of the main magnetic field MF. Good. Specifically, for example, as shown in FIG. 14, a first rotation angle candidate is selected (S12), a second rotation angle candidate is selected (S14), and the direction of the main magnetic field MF is determined (S18). Alternatively, the first rotation angle and the second rotation angle may be specified (S20 and S21).
(第2実施形態)
本発明の第2実施形態を図15に示す。第2実施形態では、センサユニット4を覆うようにコイル5を巻いている。これ以外の構成は第1実施形態と実質的に同一である。
第2実施形態では、センサユニット4を覆うように立体的にコイル5を巻くことにより、磁気抵抗センサ100および磁気抵抗センサ200に対して効率よく補助磁界を影響させることができるため、コイル5の巻線数を減らしたり、コイル5に流す電流を小さくしたりすることができる。また、センサユニット4に密着してコイル5を巻くことにより、コイル5の実装スペースを削減できる。
(Second Embodiment)
A second embodiment of the present invention is shown in FIG. In the second embodiment, the
In the second embodiment, since the
以上説明した本発明の上記複数の実施形態によれば、ASIC6のCPU8は電源回路16を制御して、電流供給停止状態と非飽和電流供給状態とに制御し、電流供給停止状態において回転角度の候補を選定し、非飽和電流供給状態において主磁界の向きを判別し、回転角度を特定する。これにより、0度から360度までの回転角度を特定できる。
According to the above-described plurality of embodiments of the present invention, the
さらに、磁気抵抗センサ100および磁気抵抗センサ200の出力特性に着目し、0度と180度の回転角度の判別を飽和領域で動作する磁気抵抗センサ100と非飽和領域で動作する磁気抵抗センサ100との電気信号130のレベル差160に基づいて行うため、単一方向に巻かれたコイル5を1つ設ければ0度から360度の回転角度を特定できる。複数のコイルが必要ないため、回転角検出装置1を小型化することができる。また、単一方向に巻けばよいので簡単にコイル5の巻線数を増やせる。つまり、コイル5に流す電流を小さくできるため、回転角検出装置1の消費電力を削減できる。
Further, paying attention to the output characteristics of the
(他の実施形態)
上記複数の実施形態では、永久磁石2を測定対象の回転軸3に配置し、センサユニット4およびコイル5を本体に固定されているプリント基板18に実装したが、永久磁石2を本体に配置し、センサユニット4およびコイル5を回転軸3に配置してもよい。また、測定対象の回転軸3に主磁界発生手段として永久磁石2を配置したが、主磁界発生手段として電磁石を回転軸3に設置してもよい。
(Other embodiments)
In the above embodiments, the
上記複数の実施形態では、請求項記載の制御手段としてのASIC6は、コイル5に供給する電流を制御することにより、補助磁界が主磁界と合成磁界を形成する状態と、補助磁界を排除し主磁界だけの状態とに電気的に磁界を制御したが、制御手段が補助磁界発生用の永久磁石をセンサユニット4に近づけたり遠ざけたりすることにより機械的に磁界を制御してもよい。
In the above embodiments, the
また上記複数の実施形態では、磁気抵抗センサ100と磁気抵抗センサ200とは、互いに45度の位相差を有する電気信号130と電気信号230とを出力するように配置したが、電気信号130と電気信号230が同一の波形にならなければ、他の位相差でもよい。また、コイル5をセンサユニット4の近傍で矢印Cと直交するように配線し、矢印Cと同一方向の補助磁界を発生させたが、電気信号130と電気信号230が共に0レベルとなる磁界の方向でなければ、他の方向に補助磁界を発生させてもよい。
また上記複数の実施形態では、、電流供給停止状態における電気信号と非飽和電流供給状態における電気信号130または電気信号230のレベル差160またはレベル差260の正負に基づいて主磁界MFの向きを判別したが、所定の閾値を設定して主磁界MFの向きを判別してもよい。
In the above-described embodiments, the
In the above embodiments, the direction of the main magnetic field MF is determined based on the positive / negative of the level difference 160 or the level difference 260 between the
また上記複数の実施形態では、例えば図12に示すように回転角度の候補を0度(または、180度)以上65度(または、245度)より小さい範囲と、65度(または、245度)以上115度(または、295度)より小さい範囲と、115度(または、295度)以上180度(360度)より小さい範囲とに分け、主磁界の向きを判別する処理において採用する磁気抵抗センサと、選択された磁気抵抗センサが出力する電気信号のレベル差を評価する基準とをそれぞれの範囲に設定したが、主磁界の向きが判別できれば異なる3つの範囲に分けてもよいし、その他複数の範囲に分けてもよい。 In the above embodiments, for example, as shown in FIG. 12, the rotation angle candidates are in the range of 0 degree (or 180 degrees) to less than 65 degrees (or 245 degrees) and 65 degrees (or 245 degrees). The magnetoresistive sensor employed in the process of determining the direction of the main magnetic field, divided into a range smaller than 115 degrees (or 295 degrees) and a range smaller than 115 degrees (or 295 degrees) and smaller than 180 degrees (360 degrees). And the reference for evaluating the level difference of the electrical signal output by the selected magnetoresistive sensor are set in the respective ranges, but may be divided into three different ranges as long as the direction of the main magnetic field can be discriminated. It may be divided into ranges.
上記複数の実施形態では、ASIC6に演算回路14を設けて、CPU8が演算回路14に各種の演算を実行させたが、ASIC6に演算回路14を設けず、CPU8が各種の演算を実行してもよい。
上記第1実施形態では、コイル5をプリント基板18に積層したが、センサユニット4に組み込んでもよい。また第1実施形態では、コイル5をセンサユニット4の下方近傍に配置したが、上方近傍に配置してもよい。
In the above embodiments, the
In the first embodiment, the
1 回転角検出装置、2 永久磁石(主磁界発生手段)、5 コイル(補助磁界発生手段)、6 ASIC(制御手段)100 磁気抵抗センサ、200 磁気抵抗センサ、CF 合成磁界、MF 主磁界、SF 補助磁界
DESCRIPTION OF
Claims (9)
主磁界を発生する主磁界発生手段と、
補助磁界を発生し、前記主磁界と合成磁界を形成可能な補助磁界発生手段と、
磁気抵抗素子を有し、前記主磁界または前記合成磁界に応じた電気信号を出力する第1の磁気抵抗センサと、
磁気抵抗素子を有し、前記主磁界または前記合成磁界に応じて前記第1の磁気抵抗センサに対し所定の位相差を有する電気信号を出力するように配置されている第2の磁気抵抗センサと、
前記主磁界と前記合成磁界を形成するように前記補助磁界発生手段を制御し、前記第1の磁気抵抗センサおよび前記第2の磁気抵抗センサが出力する電気信号に基づき前記測定対象の回転角度を特定する制御手段とを備え、
前記主磁界発生手段または前記補助磁界発生手段の一方は他方に対し前記測定対象とともに回転し、
前記主磁界の強さは、前記補助磁界を排除した状態で前記第1の磁気抵抗センサおよび前記第2の磁気抵抗センサを飽和領域で動作させる大きさであり、
前記補助磁界は前記第1の磁気抵抗センサおよび前記第2の磁気抵抗センサに対して一定方向の磁界であり、前記補助磁界の強さは前記主磁界と前記補助磁界とが同一方向のとき前記第1の磁気抵抗センサおよび前記第2の磁気抵抗センサを飽和領域で動作させ、前記主磁界と前記補助磁界が逆方向のとき前記第1の磁気抵抗センサおよび前記第2の磁気抵抗センサを非飽和領域で動作させる大きさであり、
前記制御手段は、前記第1の磁気抵抗センサおよび前記第2の磁気抵抗センサに対して前記補助磁界を排除したときの前記第1の磁気抵抗センサおよび前記第2の磁気抵抗センサが出力する電気信号に基づいて前記測定対象の回転角度の候補を選定し、選定した回転角度の候補に基づいて前記第1の磁気抵抗センサまたは前記第2の磁気抵抗センサのいずれか一方の磁気抵抗センサを選択し、前記第1の磁気抵抗センサおよび前記第2の磁気抵抗センサに対して前記補助磁界を排除したときの選択された磁気抵抗センサの電気信号と前記第1の磁気抵抗センサおよび前記第2の磁気抵抗センサに対して前記補助磁界が前記主磁界と前記合成磁界を形成しているときの前記選択された磁気抵抗センサの電気信号との信号レベルの差に基づいて前記主磁界の向きを判別し、判別した前記主磁界の向きと前記選定した回転角度の候補とから前記測定対象の回転角度を特定することを特徴とする回転角検出装置。 A rotation angle detection device for detecting a rotation angle of a measurement object,
A main magnetic field generating means for generating a main magnetic field;
An auxiliary magnetic field generating means capable of generating an auxiliary magnetic field and forming the main magnetic field and a composite magnetic field;
A first magnetoresistive sensor having a magnetoresistive element and outputting an electric signal corresponding to the main magnetic field or the combined magnetic field;
A second magnetoresistive sensor having a magnetoresistive element and arranged to output an electrical signal having a predetermined phase difference to the first magnetoresistive sensor in response to the main magnetic field or the combined magnetic field; ,
The auxiliary magnetic field generation means is controlled so as to form the main magnetic field and the combined magnetic field, and the rotation angle of the measurement object is determined based on the electrical signals output from the first magnetoresistive sensor and the second magnetoresistive sensor. Control means to identify,
One of the main magnetic field generating means or the auxiliary magnetic field generating means rotates with the object to be measured with respect to the other,
The strength of the main magnetic field is a size for operating the first magnetoresistive sensor and the second magnetoresistive sensor in a saturation region in a state where the auxiliary magnetic field is excluded.
The auxiliary magnetic field is a magnetic field in a certain direction with respect to the first magnetoresistive sensor and the second magnetoresistive sensor, and the strength of the auxiliary magnetic field is determined when the main magnetic field and the auxiliary magnetic field are in the same direction. The first magnetoresistive sensor and the second magnetoresistive sensor are operated in a saturation region, and when the main magnetic field and the auxiliary magnetic field are in opposite directions, the first magnetoresistive sensor and the second magnetoresistive sensor are not operated. It is the size to operate in the saturation region,
The control means outputs the electric power output from the first magnetoresistive sensor and the second magnetoresistive sensor when the auxiliary magnetic field is excluded from the first magnetoresistive sensor and the second magnetoresistive sensor. A candidate for the rotation angle of the measurement object is selected based on the signal, and either the first magnetoresistive sensor or the second magnetoresistive sensor is selected based on the selected rotation angle candidate. The electrical signal of the selected magnetoresistive sensor when the auxiliary magnetic field is excluded from the first magnetoresistive sensor and the second magnetoresistive sensor, the first magnetoresistive sensor, and the second magnetoresistive sensor. Based on a signal level difference with respect to the electrical signal of the selected magnetoresistive sensor when the auxiliary magnetic field forms the main magnetic field and the combined magnetic field with respect to the magnetoresistive sensor. Determine the direction of the main magnetic field, the rotation angle detection apparatus characterized by specifying the rotation angle of the measurement target from the discriminated said main magnetic field direction as a candidate of the selected the angle of rotation.
前記第1の磁気抵抗センサおよび前記第2の磁気抵抗センサの前記磁気抵抗素子は、同心円上に配置されることを特徴とする請求項1から6のいずれか一項に記載の回転角検出装置。 Each of the first magnetoresistive sensor and the second magnetoresistive sensor is a bridge circuit composed of four magnetoresistive elements,
The rotation angle detection device according to any one of claims 1 to 6, wherein the magnetoresistive elements of the first magnetoresistive sensor and the second magnetoresistive sensor are arranged concentrically. .
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