JP2005265540A - 回転状態検出装置及び回転状態検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】回転体の回転方向を検出する回転状態検出装置を得る。
【解決手段】磁気抵抗効果素子組で構成された第１，第２ブリッジ回路１１，１２、第1ブリッジ回路の中点電圧の増減方向を検出する第１コンパレータ３１、第２ブリッジ回路の中点電圧の増減方向を検出する第２コンパレータ３２、第1ブリッジ回路の中点電圧と第２ブリッジ回路の中点電圧の差を検出する第３コンパレータ３３、第１コンパレータと第２コンパレータの出力の論理値が共に“１”のとき“１”を出力し、共に“０”のとき“０”を出力し、それ以外のときは前値を保持し出力する論理情報導出手段５を備え、第１，第２，第３コンパレータ，及び論理情報導出手段の出力の組合せにより回転体の回転方向を識別する。
【選択図】図１

Description

この発明は、凹凸状磁性回転体の回転状態を検出する回転状態検出装置及び回転状態検出方法に関するものである。

一般的に例えば、自動車のエンジンでは、エンジンの回転数や、複数ある気筒の点火タイミングを検出するために、回転センサが取り付けられている。回転センサは、例えば特許文献１「回転検出装置」に示されるように、回転する歯車の歯に向けてバイアス磁界を発生する磁石と、バイアス磁界の変化に伴い抵抗値が変化する２組の磁気抵抗素子パターンを備え、２組の磁気抵抗素子パターンを互いにバイアス磁石の磁気的中心軸に対称に配置し、歯車の回転による磁界の変化を電圧として出力し、２組の磁気抵抗素子パターンの出力の差分をとることにより、製造要因によるオフセットや、電源変動や雑音などをキャンセルし、正確に回転を検出しようとしている。

また、特許文献２「回転体の逆転検知装置および逆転検知方法」では、１組の磁気抵抗素子パターンを備えて、アナログスレッショルドレベルを設定することにより、逆回転を検知している。

特開２０００―３３７９２２号公報 特開２００１−１０８７００号公報

このような特許文献１で示される回転検出装置にあっては、２組の磁気抵抗素子パターンの出力の差分をとって、回転数を検知するものであり、歯車が逆回転しても、出力波形は同様であり（特許文献１の図２）、歯車の回転方向は検出できない問題点があった。現状のエンジンでは、燃料の圧縮工程でエンジンが停止した場合、圧縮された空気の反発により、軸が逆回転を起こす場合がある。従来の回転検出装置では、回転方向は検知できないため、上記のような逆回転が生じても、これを正回転と判断し、次回エンジン始動時に気筒の点火タイミングを誤る問題が考えられる。
また、特許文献２「回転体の逆転検知装置および逆転検知方法」による逆転検知装置においては、２つのスレッショルドレベルを外部から設定する必要があり、デバイスのばらつきや、取り付け精度などにより、個別に調整を必要とする問題がある。

この発明は上述の問題を解決しようとするもので、回転体の回転方向を検出することができるとともに、デバイスのばらつきやオフセットなどによる調整がほとんど不要になる回転状態検出装置及び回転状態検出方法を提供しようとするものである。

この発明に係わる回転状態検出装置は、バイアス磁界を発生する磁石、この磁石のバイアス磁界中に、被検出対象である凹凸状磁性回転体に対向しその回転方向に並べて配置され、上記被検出対象の回転に応じるバイアス磁界の状態変化により抵抗変化を生じる磁気抵抗効果素子組で構成された第１，第２ブリッジ回路、上記第1ブリッジ回路の中点電圧の増減方向を検出し論理値を出力する第１コンパレータ、上記第２ブリッジ回路の中点電圧の増減方向を検出し論理値を出力する第２コンパレータ、上記第1ブリッジ回路の中点電圧と上記第２ブリッジ回路の中点電圧の差を検出し論理値を出力する第３コンパレータ、
上記第１コンパレータと第２コンパレータの出力の論理値が共に“１”のとき“１”を出力し、共に“０”のとき“０”を出力し、それ以外のときは前値を保持し出力する論理情報導出手段を備え、上記第１，第２，第３コンパレータ，及び論理情報導出手段の出力の組合せにより上記被検出対象の回転方向を識別するようにしたものである。

また、この発明に係わる回転状態検出方法は上記回転状態検出装置を用いて、上記被検出対象の回転方向を識別するようにしたものである。

この発明の回転状態検出装置及び回転状態検出方法によれば、回転体の回転方向を検出することができるとともに、デバイスのばらつきやオフセットなどによる調整がほとんど不要になる。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１である回転状態検出装置の主要部を示すブロック図である。図２は実施の形態１である回転状態検出装置に用いる磁気回路構成図で、その（ａ）は斜視図、その（ｂ）は上面図、その（ｃ）は磁気抵抗効果素子のパターン図である。図２において、磁気抵抗効果素子ユニット１は、磁気抵抗効果素子１１ａ，１１ｂ，１２ａ，１２ｂで構成される。図１を参照して、磁気抵抗効果素子１１ａ，１１ｂは接続され、端子１１ｅが接地され、端子１１ｄに定電圧が印加され、端子１１ｃが中点電圧を出力する第１ブリッジ回路１１を構成している。同様に、磁気抵抗効果素子１２ａ，１２ｂは接続され、端子１２ｅが接地され、端子１２ｄに定電圧が印加され、端子１２ｃが中点電圧を出力する第２ブリッジ回路１２を構成している。

被検出対象である磁性回転体８は、磁界を変化させる形状を具備した凹凸状又は歯状（両者を合わせて凹凸状と言う）である。磁石９は着磁方向が、凹凸状磁性回転体８の回転軸８１方向に向き、凹凸状磁性回転体８に対向し、間隔を空けて配置され、バイアス磁界を発生する。磁気抵抗効果素子ユニット1は、磁石９と所定の間隔を持って配置されると共に、凹凸状磁性回転体８と対向しその半径方向に所定の間隔を持って配置される。磁気抵抗効果素子ユニット1を構成する第１ブリッジ回路１１と第２ブリッジ回路１２は、図２（ｃ）に示すように、凹凸状磁性回転体８の回転方向８２に並べて配置されている。実施の形態１では、磁気抵抗効果素子１１ａ，１１ｂ，１２ａ，１２ｂの順に凹凸状磁性回転体８の回転方向８２に並べて配置されている。なお、図２の（ｂ）は凹凸状磁性回転体８の外周縁を直線上に延ばして表示している。

図１（ａ）において、第１，第２ブリッジ回路１１，１２では、それぞれ、印加される磁界の強度によって、それらを構成する磁気抵抗効果素子１１ａ，１１ｂ，１２ａ，１２ｂの抵抗値が変化する。抵抗値が変化することにより第１，第２ブリッジ回路１１，１２の中点電圧（端子１１ｃ，１２ｃの電圧で、以後その電圧も同一符号で示す）も変化する。遅延回路２１，２２は、中点電圧１１ｃ，１２ｃを所定の時間遅延させる。コンパレータ３１，３２はそれぞれ、中点電圧１１ｃ，１２ｃと、それぞれの遅延回路２１，２２出力とを比較することにより、中点電圧１１ｃ，１２ｃの増減方向を検出し、出力端子４１，４２に論理値を出力する。

コンパレータ３３は、第１，第２ブリッジ回路１１，１２の中点電圧１１ｃ，１２ｃの差分をとりその正負に基づく論理値を出力端子４３に出力する。磁性回転体８の回転数は、出力端子４３の単位時間あたりの個数により検出できる。

図１（ｂ）において、入力側端子４１，４２，４３は、図１（ａ）の出力端子４１，４２，４３に接続されている。ロジック回路５は論理情報導出手段であり、ＡＮＤ回路５１とＮＯＲ回路５２とＲＳフリップフロップ５３で構成され、出力端子５４に論理値を出力する。なお、ＮＯＲ回路５２が有する丸印はインバータ（反転回路）である。ゲート回路６は回路６１，６２，６３，６４とＯＲ回路６５で構成され、出力端子７２に論理値を出力する。回路６１，６２，６３が有する丸印はインバータ（反転回路）である。出力端子７２からは被検出対象である凹凸状磁性回転体８の回転方向を示す論理値が出力され、出力端子７１からは、回転数が検出される。

次に動作について、図１〜図５に沿って説明する。凹凸状磁性回転体８が回転することにより、磁気抵抗効果素子ユニット1に印加される磁界が変化し、磁気抵抗効果素子１１ａ，１１ｂ，１２ａ，１２ｂの抵抗値が変化する。磁気抵抗効果素子１１ａ，１１ｂ，１２ａ，１２ｂは、対向する凹凸状磁性回転体８の歯の中心に一番近い時に抵抗値の変化が最大となる。磁気抵抗効果素子１１ａ，１１ｂ及び磁気抵抗効果素子１２ａ，１２ｂはそれぞれ、回転方向に所定の間隔を持って配置されているため、図３（ａ）に示すように、その抵抗値の変化が最大となる時間は、それぞれ異なる。従って、中点電圧１１ｃ，１２ｃは、その電圧の波形が図３（ｂ）に示すような波形になる。なお、図３（ａ）では、磁気抵抗効果素子１１ａ，１１ｂ，１２ａ，１２ｂの抵抗値を同一符号で示す。

図３では、凹凸状磁性回転体８の1個の歯が通過する場合について説明したが、図２（ａ）に示すような連続歯の場合は、その対応する電圧の波形は図４あるいは図５に示すような連続波形になる。ここで、図４は、凹凸状磁性回転体８が正回転｛図２（ａ）に示す矢印８２の方向｝の場合を、図５は、凹凸状磁性回転体８が逆回転の場合を示す。凹凸状磁性回転体８が正回転している場合は、図４に示すように、第２ブリッジ回路１２の中点電圧１２ｃは、第１ブリッジ回路１１の中点電圧１１ｃよりも、位相が遅れる。従って、それぞれの第１，第２ブリッジ回路１１，１２の中点電圧１１ｃ，１２ｃの増減方向の論理値出力（コンパレータ３１，３２の論理値出力で、出力端子４１，４２の論理値出力）は、図４に示すような波形になる。第１，第２ブリッジ回路１１，１２の中点電圧１１ｃ，１２ｃの差の論理値出力（コンパレータ３３の論理値出力で、出力端子４３の論理値出力）は、図４のようになる。なお、出力端子４１，４２，４３の論理値出力も同一符号で示す。

また、凹凸状磁性回転体８が逆回転している場合は、図５に示すように、第１ブリッジ回路１１の中点電圧１１ｃは、第２ブリッジ回路１２の中点電圧１２ｃよりも、位相が遅れる。従って、それぞれの第１，第２ブリッジ回路１１，１２の中点電圧１１ｃ，１２ｃの増減方向の論理値出力４１，４２は、図５に示すような波形になる。第１，第２ブリッジ回路１１，１２の中点電圧１１ｃ，１２ｃの差の論理値出力４３は、図５のようになる。

ロジック回路（論理情報導出手段）５の論理値出力（出力端子５４の出力）は、中点電圧１１ｃ，１２ｃの増減方向の論理値出力（コンパレータ３１，３２の出力）４１，４２が共に“１”のときに“１”を出力し、共に“０”のときに“０”を出力し、それ以外のときは、前値を保持し出力する。ロジック回路（論理情報導出手段）５の論理値出力の波形は正回転のとき図４に、逆回転のとき図５にそれぞれ示す。なお、出力端子５４の論理値出力も同一符号で示す。

以上に示した、増減方向の論理値出力（コンパレータ３１，３２の出力）４１，４２、差の論理値出力（コンパレータ３３の出力）４３、ロジック回路５の論理値出力５４（出力端子５４の出力）から、それぞれの動作状態を分類すると、図８に示すような真理値表が得られる。

以下、この真理値表について、図４、図５に沿って説明する。中点電圧１１ｃが増加(出力端子４１の出力＝“１”)し、かつ中点電圧１２ｃが減少(出力端子４２の出力＝“０”)した場合は、出力端子５４の出力を参照し、“０”であれば正回転（Mode“Ａ”）、“１”であれば逆回転（Mode“Ｆ”）と判別する。

中点電圧１１ｃが増加(出力端子４１の出力＝“１”)し、かつ中点出力１２ｃが増加(出力端子４２の出力＝“１”)した場合は、出力端子４３の出力を参照し、“１”であれば正回転（Mode“Ｂ”）、“０”であれば逆回転（Mode“Ｅ”）と判別する。

同様に、中点電圧１１ｃが減少（出力端子４１の出力＝“０”）し、かつ中点電圧１２ｃが増加(出力端子４２の出力＝“１”)した場合は、出力端子５４の出力を参照し、“１”であれば正回転（Mode“Ｃ”）、“０”であれば逆回転（Mode“Ｈ”）と判別する。

中点電圧１１ｃが減少（出力端子４１の出力＝“０”）し、かつ中点電圧１２ｃが減少(出力端子４２の出力＝“０”)した場合は、出力端子４３の出力を参照し、“０”であれば正回転（Mode“Ｄ”）、“1”であれば逆回転（Mode“Ｇ”）と判別する。

以上のように、中点電圧１１ｃ，１２ｃ（出力端子４１，４２の出力）の増減のそれぞれの場合において、出力端子４３の出力あるいは出力端子５４の出力を参照することにより、正回転あるいは逆回転を特定することができる。図１（ｂ）に示すゲート回路６は、この真理値表を実現する回路例である。正回転の場合に出力端子７２に“１”が出力され、逆回転の場合に出力端子７２に“０”が出力される。

次に、凹凸状磁性回転体８が正回転から逆回転に移行した場合の動作について、図６，図７に沿って説明する。正回転から逆回転に移行する場合は、反転する場所によって動作が異なるため、図４のMode“Ａ”、Mode“Ｂ”で逆回転に移行した場合について代表して説明する。

図６はMode“Ａ”で逆回転に移行した場合の動作を示す。このとき、中点電圧１１ｃが増加から減少へ（出力端子４１の出力＝“１”→“０”）、中点電圧１２ｃが減少から増加へ(出力端子４２の出力＝“０”→“１”)変化し、変化直後は中点電圧１１ｃが減少（出力端子４１の出力＝“０”）し、かつ中点出力１２ｃが増加(出力端子４２の出力＝“１”)であるため、出力端子５４の出力を参照し、“０”であるので、逆回転（Mode“Ｈ”）と判別でき、ゲート回路６の出力端子７２の出力は、“１”→“０”と変化し、以降、逆回転であることが検出できる。

次に、Mode“Ｂ”で逆回転に移行した場合の動作を図７に沿って説明する。Mode“Ｂ”で逆回転に移行した場合は、中点電圧１１ｃが増加から減少へ（出力端子４１の出力＝“１”→“０”）、中点電圧１２ｃが増加から減少へ(出力端子４２の出力＝“１”→“０”)変化し、変化直後は中点電圧１１ｃが減少（出力端子４１の出力＝“０”）し、かつ中点電圧１２ｃが減少(出力端子４２の出力＝“０”)であるため、出力端子４３の出力を参照し、“１”であるので、逆回転（Mode“Ｇ”）と判別でき、ゲート回路６の出力端子７２は、“１”→“０”と変化し、以降、逆回転であることが検出できる。Mode“Ｃ”やMode“Ｄ”で反転した場合も、また、逆回転から正回転に移行した場合も、動作は同様であるので、説明は省略する。

以上のように、実施の形態１では、正回転から逆回転にあるいは逆回転から正回転に移行すると同時に、反転を検出することができると共に、中点電圧の増減情報を使用しているため、デバイスのばらつきやオフセットなどの調整が不要である。
なお、実施の形態1では、ロジック回路５及びゲート回路６により、回転方向を検出しているが、出力端子４１，４２の出力及び出力端子４３の出力をもとに、マイクロコンピュータなどのプログラムにより実現しても良い。またコンパレータ３１，３２，３３もマイクロコンピュータなどのプログラムにより実現しても良い。マイクロコンピュータなどのプログラムにより実現することにより、回路規模を削減することができる。

実施の形態２.
図９は実施の形態２における回転状態検出装置の主要部を示すブロック図である。コンパレータ３１，３２は、中点電圧１１ｃ，１２ｃと遅延回路２１，２２出力を比較しているが、誤動作を防止するため、それぞれに、ローパスフィルタ２３，２４を挿入することにより、雑音成分を除去した信号を比較しても良い。図９において、ローパスフィルタ２３，２４で、中点電圧１１ｃ，１２ｃ出力の高周波の雑音成分を除去し、ローパスフィルタ２３，２４の出力とその出力を遅延する遅延回路２１，２２出力をコンパレータ３１，３２で比較する。同様にローパスフィルタ２３，２４出力をコンパレータ３３で比較する。これにより、外乱などによる雑音を除去した信号で比較するため、雑音による誤動作を抑制できる。

なお、実施の形態２ではローパスフィルタ２３，２４出力と、この出力を遅延回路２１，２２で遅延させた出力とをコンパレータ３１，３２で比較したが、中点電圧１１ｃ，１２ｃをそれぞれ時定数の異なる２つのローパスフィルタを通して得た出力をコンパレータ３１，３２で比較しても良い。

実施の形態３．
図１０は実施の形態３における回転状態検出装置の主要部を示すブロック図である。実施の形態１では、中点電圧１１ｃ，１２ｃの増減方向を遅延回路２１，２２とコンパレータ３１，３２を使用して検出していたが、中点電圧１１ｃ，１２ｃのアナログ値をＡ／Ｄコンバータ２５，２６でデジタル値に変換し、そのデジタル値（信号）をフリップフロップ回路２７，２８を使って遅延させ、増減方向を検出しても良い。図１０において、Ａ／Ｄコンバータ２５，２６は中点電圧１１ｃ，１２ｃのアナログ値（信号）をデジタル値（信号）に変換する。フリップフロップ回路２７，２８はデジタル値に変換された中点電圧１１ｃ，１２ｃを1クロック分遅延させる。

ロジック回路３４，３５は中点電圧１１ｃ，１２ｃのデジタル値（Ａ／Ｄコンバータ２５，２６の出力）と1クロック遅延した中点電圧１１ｃ，１２ｃのデジタル値（フリップフロップ回路２７，２８の出力）を比較し論理値を出力するもので、コンパレータの機能を有する。ロジック回路３６は中点電圧１１ｃ，１２ｃのデジタル値（Ａ／Ｄコンバータ２５，２６の出力）の大きさを比較し論理値を出力するもので、コンパレータの機能を有する。デジタル化することにより、雑音などによる誤動作を抑制することができる。

また、Ａ／Ｄコンバータ２５，２６の出力をそのままマイクロコンピュータなどに入力し、1クロック分の遅延及び比較の動作を含めてマイクロコンピュータなどのプログラムにより実現しても良い。

この発明の実施の形態１である回転状態検出装置の主要部を示すブロック図である。 実施の形態１である回転状態検出装置に用いる磁気回路構成図である。 実施の形態１である回転状態検出装置に用いるブリッジ回路の磁気抵抗効果素子の抵抗値の変化と中点電圧の変化を説明する図である。 実施の形態１において磁性回転体が正回転の場合の各出力端子の出力を示す波形図である。 実施の形態１において磁性回転体が逆回転の場合の各出力端子の出力を示す波形図である。 実施の形態１において磁性回転体が正回転から逆回転した場合の各出力端子の出力を示す波形図である。 実施の形態１において磁性回転体が逆回転から正回転した場合の各出力端子の出力を示す波形図である。 実施の形態１における動作状態を分類する真理値表を示す図である。 実施の形態２における回転状態検出装置の主要部を示すブロック図である。 実施の形態３における回転状態検出装置の主要部を示すブロック図である。

符号の説明

１ 磁気抵抗効果素子ユニット ５ ロジック回路（論理情報導出手段）
６ ゲート回路 ８ 凹凸状磁性回転体
９ 磁石 １１ 第１ブリッジ回路
１１ａ，１１ｂ，１２ａ，１２ｂ 磁気抵抗効果素子
１１ｃ 端子（中点電圧） １１ｄ 端子
１１ｅ 端子 １２ 第２ブリッジ回路
１２ｃ 端子（中点電圧） １２ｄ 端子
１２ｅ 端子 ２１，２２ 遅延回路
２３，２４ ローパスフィルタ ２５，２６ Ａ／Ｄコンバータ
２７，２８ フリップフロップ回路 ３１，３２，３３ コンパレータ
３４，３５，３６ ロジック回路
４１，４２，４３ 出力端子（論理値出力）
５１ ＡＮＤ回路 ５２ ＮＯＲ回路
５３ ＲＳフリップフロップ ５４ 出力端子（論理値出力）
６１，６２，６３，６４ 回路 ６５ ＯＲ回路
７１ 出力端子 ７２ 出力端子
８２ 回転方向。

Claims (6)

1. バイアス磁界を発生する磁石、
   この磁石のバイアス磁界中に、被検出対象である凹凸状磁性回転体に対向しその回転方向に並べて配置され、上記被検出対象の回転に応じるバイアス磁界の状態変化により抵抗変化を生じる磁気抵抗効果素子組で構成された第１，第２ブリッジ回路、
   上記第1ブリッジ回路の中点電圧の増減方向を検出し論理値を出力する第１コンパレータ、
   上記第２ブリッジ回路の中点電圧の増減方向を検出し論理値を出力する第２コンパレータ、
   上記第1ブリッジ回路の中点電圧と上記第２ブリッジ回路の中点電圧の差を検出し論理値を出力する第３コンパレータ、
   上記第１コンパレータと第２コンパレータの出力の論理値が共に“１”のとき“１”を出力し、共に“０”のとき“０”を出力し、それ以外のときは前値を保持し出力する論理情報導出手段を備え、
   上記第１，第２，第３コンパレータ，及び論理情報導出手段の出力の組合せにより上記被検出対象の回転方向を識別するようにした回転状態検出装置。
2. 上記第１，第２コンパレータは、上記第1，第２ブリッジ回路の中点電圧とその遅延出力とを比較して上記第1，第２ブリッジ回路の中点電圧の増減方向を検出し論理値を出力するものである請求項１記載の回転状態検出装置。
3. 上記第1，第２ブリッジ回路の中点電圧をローパスフィルタを介して出力して、誤動作を抑制するようにした請求項１又は請求項２記載の回転状態検出装置。
4. 上記第1，第２ブリッジ回路の中点電圧のアナログ値をデジタル値に変換するＡ／Ｄコンバータを設け、上記Ａ／Ｄコンバータのデジタル値出力とその遅延出力とを比較して上記第1，第２ブリッジ回路の中点電圧の増減方向を検出し論理値を出力するようにした請求項１又は請求項３記載の回転状態検出装置。
5. 上記コンパレータ又は上記論理情報導出手段は、マイクロコンピュータで構成されている請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の回転状態検出装置。
6. 上記請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の回転状態検出装置を用いて、上記被検出対象の回転方向を識別するようにした回転状態検出方法。

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