JP2005315817A

JP2005315817A - 回転角度センサ

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Publication number: JP2005315817A
Application number: JP2004136661A
Authority: JP
Inventors: Yasuto Sugano; 康人菅野
Original assignee: Asahi Kasei Electronics Co Ltd
Current assignee: Asahi Kasei Electronics Co Ltd
Priority date: 2004-04-30
Filing date: 2004-04-30
Publication date: 2005-11-10
Anticipated expiration: 2024-04-30
Also published as: JP4480453B2

Abstract

【課題】基準点を設定するための信号を受ける端子を電源線とは別の端子とすることによって、基準点設定時の電源電圧変動をなくし、正確な基準点の設定を可能とする。
【解決手段】入力信号判断回路１６は、チップセレクト信号ＣＳＣＬＫがアクティブになった後、シリアルクロック信号ＳＣＬＫがハイで一定時間保持されていると、シリアルインターフェース端子に入力された信号が基準点設定のための信号であると判断して、基準点設定回路１１を介して角度計算回路１０にオン信号を出力する。これを受けて角度計算回路１０は、その時点の磁気センサ２，３からの出力信号を取得し、内部角度データを計算し、その内部角度データを基準点データとして不揮発メモリ１２に保存する。
【選択図】図２

Description

本発明は回転軸の回転角度を検出する回転角度センサに関する。

回転軸の回転角度を検出する回転角度センサとして、光学式と磁気式とがあり、光学式の絶対角度を検出するアプソリュ−ト型エンコーダではエンコーダの原点とサーボモータの原点とを精密に一致させて接続することが必要であるため、特許文献１に開示されるような原点の設定方法が提案されている。この設定方法では、アブソリュート型ロータリーエンコーダをサーボモータ等にマウントして接続した後、エンコーダからの検出信号を処理して角度検出信号を出力する信号処理回路の電源端子に、サーボモータの原点位置で、原点リセット回路からの原点リセット信号を電源に重畳した状態で供給する。これによって、信号処理回路内の原点リセット信号検知回路がこの原点リセット信号を検知し、メモリによりそのときのエンコーダの回転角度に対するバイナリデータが保持される。以後はグレイ／バイナリ変換回路と多回転カウンタの出力からこのメモリの保持値を減算することによって、設定された原点位置からの回転角度を検出値として出力できるようにしている。

一方、光学式エンコーダでは高精度なアブソリュート型エンコーダを作製しようとすると、光スリットの形状が大きくなり、小型化できないという問題点があり、特許文献２に開示されるような磁気式の回転角度センサが考案されている。

特開平6-129875号公報特開平4-48215号公報

特許文献２に記載されているような磁気式の回転角度センサは、磁石からなる回転体と、この回転体の磁界の強さを検知して、その回転角度に応じた値を出力する複数個の磁気センサと、複数個の磁気センサから出力された信号から回転体の角度を計算して出力する信号処理回路とを具えており、回転体と磁気センサとは、小型で高精度なものが提供できる。

しかしながら、磁気式の回転角度センサにおいては、磁気センサから出力される信号の値は回転体の角度検出値に対応しており、その変化は回転体の角度変化に対応する。この磁気センサから出力される信号は、微小信号であり、信号処理回路内にはこの微小な信号を増幅する作動増幅段などがある。したがって、上述した特許文献１に記載のような、原点リセット信号を信号処理回路の電源端子に重畳させると、原点リセット信号の入力による電源電圧の変動により作動増幅段などの回路の出力変動が生じて、測定角度値が変動してしまい、正確に原点リセットが出来ないという問題があった。

また、原点リセット専用の入力端子を設置すると、信号処理回路（通常はＩＣである）の端子数が増加し、コストがかさむだけでなく、通常使用時に外来ノイズや使用上の不注意により、意図しないで原点リセットが動作してしまい、回転角度センサを用いるシステム全体の誤動作に結びつくという問題があった。

そこで本発明の目的は以上のような問題を解消した回転角度センサを提供することにある。

さらに、本発明の他の目的は、任意の角度範囲を設定可能な回転角度センサを提供することにある。

本発明は、磁石を有する回転体と、前記回転体の回転に応じて変化する前記磁石の磁界の強さを検知して前記回転体の回転角度に応じた値の信号を出力する複数個の磁気センサと、前記複数個の磁気センサから出力された信号から前記回転体の回転角度を計算する角度計算回路と、外部機器に接続される少なくとも１つの端子に入力された信号が基準点設定を開始するための所定の信号か否かを判断する入力信号判断回路と、該入力信号判断回路によって前記少なくとも１つの端子に入力された信号が基準点設定を開始するための所定の信号であると判断した場合は当該判断に応答して得られた前記角度計算回路からの前記回転体の回転角度を基準点データとして記憶する記憶手段と、前記角度計算回路によって計算された前記回転体の回転角度から前記記憶手段内の基準点データを差し引いた値または当該差し引いた値に一定値を加算した値を回転角度測定値として出力する出力手段とを具えたことを特徴とする。

ここで、前記少なくとも１つの端子は、シリアルインターフェースに接続されていることとすることができる。

また、前記少なくとも１つの端子は、信号出力端子であり、前記信号出力端子を一時的に信号出力手段から切り離して外部からの基準点設定を開始するための所定の信号を入力可能な入力端子として機能させる入出力切替回路をさらに有することとすることができる。

さらに、前記少なくとも１つの端子は、エラー出力端子とすることができる。

さらに、本発明は、磁石を有する回転体と、前記回転体の回転に応じて変化する前記磁石の磁界の強さを検知して前記回転体の回転角度に応じた値の信号を出力する複数個の磁気センサと、前記複数個の磁気センサから出力された信号から前記回転体の回転角度を計算する角度計算回路と、前記角度計算回路によって計算された前記回転体の回転角度から所定の基準点データを差し引いた値を回転角度測定値として出力する出力手段と、該出力手段からの回転角度測定値のうち予め定めた角度範囲内の値はそのまま出力し、前記角度範囲外の値は予め定めた値に変換して出力する角度変換手段とを具えたことを特徴とする。

ここで、前記予め定めた値は、前記予め定めた角度範囲の上限値および下限値のいずれか一方であることとすることができる。

また、前記予め定めた値は、前記出力手段からの回転角度測定値が前記予め定めた角度範囲の上限値を越えて一定角度に達するまでは当該上限値であり当該一定角度を越えて前記予め定めた角度範囲の下限値に達するまでは当該下限値であることとすることができる。

さらに、本発明は、磁石を有する回転体と、前記回転体の回転に応じて変化する前記磁石の磁界の強さを検知して前記回転体の回転角度に応じた値の信号を出力する複数個の磁気センサと、前記複数個の磁気センサから出力された信号から前記回転体の回転角度を計算する角度計算回路と、外部機器に接続される少なくとも１つの端子に入力された信号が基準点設定を開始するための所定の信号か否かを判断する入力信号判断回路と、該入力信号判断回路によって前記少なくとも１つの端子に入力された信号が基準点設定を開始するための所定の信号であると判断した場合は当該判断に応答して得られた前記角度計算回路からの前記回転体の回転角度を基準点データとして記憶する記憶手段と、前記角度計算回路によって計算された前記回転体の回転角度から前記記憶手段内の基準点データを差し引いた値または当該差し引いた値に一定値を加算した値を回転角度測定値として出力する出力手段と、該出力手段からの回転角度測定値のうち予め定めた角度範囲内の値はそのまま出力し、前記角度範囲外の値は予め定めた値に変換して出力する角度変換手段とを具えたことを特徴とする。

本発明によれば、基準点を設定するための信号を受ける端子を電源線とは別の外部機器に接続される少なくとも１つの端子とすることによって、基準点設定時に電源電圧が変動することがなく、正確な基準点の設定が可能となる。

また、信号の出力端子を一時的に基準点設定を開始させるための信号を受ける入力端子として機能させることによって、再び、基準点設定の手順が開始されるおそれがなくなり、外来ノイズや使用上の不注意により誤動作をおこすことがなくなる。

さらに、基準点設定のための入力端子を出力端子と共用することで信号処理ＩＣの端子数を節約することも出来る。

さらに、任意の角度範囲を設定することができるので、回転角度センサとしての汎用性が一層向上する。

実施例１
図１は本発明にかかる回転角度センサの回転検出機構部分の基本構造の一例を示すものであって、（ａ）は底面図、（ｂ）は側面図であり、円板状の磁気発生部１と２個の磁気センサ２，３との間の位置関係も示してある。磁気発生部１は、径方向に着磁されており、また、回転軸４に支持され、この回転軸４を中心として回転する。磁気センサ２および３は、例えばホール素子からなり、共に磁気発生部１の周辺部の直下に配置されており、且つ、（ａ）に示すように、磁気発生部１の円の中心Ｏと磁気センサ２とを通る直線、および中心Ｏと磁気センサ３とを通る直線とがなす角度が概ね９０度になるように配置されている。

図２は本実施例の回転角度センサの信号処理回路５（ＩＣ）のブロック図であって、基準点の設定のための入力端子をシリアルインターフェースの入力端子と共用している例を示す。磁気センサ２，３からの出力信号は、増幅器６，７で増幅された後、アナログ／デジタル（Ａ／Ｄ）変換器８，９でデジタルデータに変換され、角度計算回路１０に入力される。角度計算回路１０は、入力されたＡ／Ｄ変換器８，９からのデータに基づいて、回転角度センサの回転検出機構に固有の基準点である内部原点（すなわち、磁気発生部１と２個の磁気センサ２，３とによって定まる固有の基準点である）から磁気発生部１がどれだけ回転しているかを示す回転角度データ（以下、内部角度データという）を計算する。また、詳細は後述するが、角度計算回路１０は、基準点設定回路１１からのオン信号が入力された場合は、そのときの内部角度データを基準点として、書き換え可能な不揮発メモリ１２に保存する。信号処理回路としての角度検出値を出力端子ＤＯＵＴから出力する場合には、角度計算回路１０は、その時点の内部角度データを不揮発メモリ１２内の基準点の値と比較し、内部角度データが基準点の値より大きい場合は内部角度データから基準点値を引いた値を変換後の検出された角度データとして、内部角度データが基準点の値より小さい場合は内部角度データから基準点値を引いた値に３６０度分の角度データを加算した値を変換後の角度データとして、角度変換回路１３（詳細は後述する）を介して角度出力回路（Ｄ／Ａ変換器）１４に供給し、ここでアナログ出力に変換して出力端子ＤＯＵＴに供給する。

チップセレクト端子ＣＳ、シリアルクロック端子ＳＣＬＫ、データ入力端子ＭＯＳＩ、データ出力端子ＭＩＳＯは、外部機器との間の接続を行うシリアルインターフェース端子であり、シリアルインターフェース回路１５を介して角度計算回路１０、角度変換回路１３に接続される。また、チップセレクト端子ＣＳ、シリアルクロック端子ＳＣＬＫ、データ入力端子ＭＯＳＩには、入力信号判断回路１６が接続されている。なお、信号処理回路５は、ＣＰＵと、このＣＰＵのワーク領域としてのＲＡＭと、角度計算等の信号処理回路としての機能（以下に示す図５、図８に示す如き制御手順を含む）をＣＰＵに実行させるためのプログラムを格納したＲＯＭとを具え、角度計算回路１０、基準点設定回路１１、角度変換回路１３、入力信号判断回路１６を、ＣＰＵの機能の一部として実現することができる。

基準点設定に際しては、シリアルインターフェース端子に接続した外部機器１７（例えば、信号処理回路５からの角度検出値を利用する機器またはコンピュータ等）からの信号によって、次のようにして基準点を設定する。

シリアルインターフェースを通して、外部機器１７からデータが入力された各端子の信号波形の一例が図３に示してある。シリアルインターフェースの通常の動作は、チップセレクト端子ＣＳがアクティブ（図３の場合、ＧＮＤレベル）になった時に、シリアルクロック端子ＳＣＬＫにクロック信号が入力され、さらに、データ入力端子ＭＯＳＩに所定のデータ列が入力されて外部機器との間でシリアルデータの通信が行われる。シリアルインターフェースを基準点設定のための入力端子とする時は、図４のように、外部機器からの制御によって、チップセレクト端子ＣＳをアクティブ（図４の場合、ＧＮＤレベル）にした時に、シリアルクロック端子ＳＣＬＫにはクロック信号を入力せず、一定の電圧レベル（図４の場合、ＶＤＤレベル、すなわち、電源電圧レベル）に所定時間以上の間維持し続ける。これに応じて、信号処理回路５では、以下のようにして基準点を設定する。以下、図５を参照して説明する。

図５に示すように、入力信号判断回路１６は、シリアルインターフェース端子に入力された信号が通信のための信号であるのか、基準点設定のための信号であるのか判断する。まず、Ｓ１でチップセレクト信号がアクティブになったかを判断し、チップセレクト信号がアクティブになった後、Ｓ２に進み、シリアルクロック信号がハイ（ＶＤＤレベル）で一定時間保持されているかを判断する。すなわち、Ｓ２で、シリアルクロック信号がハイ（ＶＤＤレベル）であればカウンターをスタートさせ（Ｓ３）、Ｓ４に進む。Ｓ４ではシリアルクロック信号がローレベルかを判断し、Ｓ５ではカウンターのカウントが所定時間経過した（カウント終了）かを判断する。したがって、カウンターに設定した所定時間内にシリアルクロック端子の電圧レベルが変化すると（すなわち、Ｓ４でシリアルクロック信号がローレベルと判断されると）、Ｓ１に戻り、入力信号判断回路の状態は初期化される。カウンターの設定時間内にシリアルクロック端子の電圧変化がなければ、入力信号判断回路１６は、シリアルインターフェース端子に入力された信号が基準点設定のための信号であると判断して、基準点設定回路１１を介して角度計算回路１０にオン信号を出力する。これを受けて角度計算回路１０は、前述のようにして、その時点の磁気センサ２，３からの出力信号をＡ／Ｄ変換器８，９を介して取得し（Ｓ６）、内部角度データを計算し（Ｓ７）、その内部角度データを基準点データとして不揮発メモリ１２に保存する（Ｓ８）。

次に、角度変換回路１３について説明する。
角度変換回路１３は、シリアルインターフェイス回路１５を通して、外部から供給された被測定角度の上限値および下限値のデータに基づいて被測定角度の上限値および下限値を設定し、角度計算回路１０から出力された角度データの値が設定された被測定角度の下限値以上であり、かつ、上限値以下である場合には、角度計算回路１０から出力された角度データをそのまま角度出力データとして角度出力回路１４に出力する。

次に、被測定角度範囲（上限値および下限値の間の角度範囲）が３６０度よりも小さい値に設定されている場合の角度変換回路１３の動作について説明する。角度変換回路１３における、角度計算回路１０から出力された角度データが被測定角度の上限値および下限値の間の角度範囲外の場合の角度出力データ変換の方法として、図６の（ａ），（ｂ）のように２つのタイプを選択することができる。図６の縦軸は角度変換回路１３の角度出力、横軸は機械角度、すなわち、角度計算回路１０が計算した内部角度を示す（この図６の例では内部角度９０度が基準点データである）。

図６の（ａ）に示すタイプ１は、角度計算回路１０から出力された角度データが被測定角度範囲の上限値（１８０度）を超え下限値（０度）に一致するまでの間は上限値（１８０度）を角度出力データとして出力する。このタイプの場合、上限値を超え、下限値に一致するまでの間で下限値（０度）を角度出力データとすることもできる。このタイプは、回転体が正逆のいずれか一方にのみ回転する場合等に適している。

図６の（ｂ）に示すタイプ２は角度計算回路１０から出力された角度データが被測定角度範囲の上限値（１８０度）を超えた場合は上限値から上限値＋α（αはこの図の例では９０度）の範囲内では上限値を角度出力データとして出力し、下限値−β（βはこの図の例では９０度）から下限値までの間は下限値を角度データとして出力する。この場合αとβの値は任意に設定することが可能であるが、αとβの値の和は、３６０度と被測定角度範囲の差より小さくなる。このタイプは回転体が正逆の一方または両方向に回転する場合に適している。

なお、実施例１の回転角度センサにおいては、αとβの値はシリアルインターフェースを通して角度変換回路１３に保存することができる。

また、入力信号判断回路１６における、シリアルインターフェース端子に入力された信号が通信のための信号であるのか、基準点設定のための信号であるのかの判断に際しては、ノイズによる基準点設定回路１１の誤動作を防止するために、データ入力端子（ＭＯＳＩ）も一定の電圧レベル（図４の場合、ＧＮＤレベル）に所定時間経過（カウンターのカウントが終了）することを、基準点設定のための信号であるという判断に加えても良い。

実施例２
図７は、本実施例の回転角度センサの信号処理回路２０（ＩＣ）のブロック図であって、基準点の設定のための入力端子をエラー信号出力端子ＥＲＲＯＲと共用し、入力信号判断回路２１に、エラー信号出力端子ＥＲＲＯＲからの信号を供給する例を示す。なお、図２と同一符号の構成部分は図２のそれと同一であり、この実施例では、入力信号判断回路２１の動作が図２のそれとは異なる。

通常の動作状態ではエラー端子ＥＲＲＯＲはエラー信号を出力する出力端子であり、外部機器１７と接続されている。２３は異常診断回路であって、例えば、信号処理回路５の一部を構成するＣＰＵが実行する診断プログラムに従って、信号処理回路２０内の各構成部分の異常を診断し、異常な部分があれば、エラー信号を入出力切替回路２２を介してエラー端子ＥＲＲＯＲに供給する。

入出力切替回路２２は、シリアルインターフェース回路１５を介して、外部機器から入力された制御信号に基づいて、エラー端子ＥＲＲＯＲからの信号を入力信号判断回路２１に供給する。これによって、異常診断回路２３からの信号はエラー端子ＥＲＲＯＲに供給されず、入力信号判断回路２１にも供給されない。また、この状態から後述のようにして、角度計算回路１０からの制御信号に基づいて、入出力切替回路２２は、エラー端子ＥＲＲＯＲに、異常診断回路２３からの出力を供給可能にし、異常診断回路２３からの信号を入力信号判断回路２１に供給しないようにする。

以上のような構成の信号処理回路２０おいて、以下のようにして基準点を設定する。以下、図８を参照して説明する。

シリアルインターフェース回路１５を介して外部機器１７からの、入出力切替回路２２を外部からの信号を入力信号判断回路２１に供給するように切替えるための制御信号が入力されると（Ｓ１１）、入力信号判断回路２１において、エラー端子ＥＲＲＯＲから入力された信号列が所定の信号列（例えば所定時間のＶＤＤレベルの信号）と一致するがどうか判断される（Ｓ１２）。入力信号列が所定の信号列と一致した場合はＳ６に進み、以降、Ｓ８までは、実施例１と同様に動作する。すなわち、入力信号判断回路２１は、エラー出力端子ＥＲＲＯＲに入力された信号が基準点設定のための信号であると判断して、基準点設定回路１１を介して角度計算回路１０にオン信号を出力し、これを受けて角度計算回路１０は、その時点の磁気センサ２，３からの出力信号をＡ／Ｄ変換器８，９を介して取得し（Ｓ６）、内部角度データを計算し（Ｓ７）、その内部角度データを基準点データとして不揮発メモリ１２に保存する（Ｓ８）。ついで、Ｓ９で、角度計算回路１０からの制御信号によって入出力切替回路２２を、エラー端子ＥＲＲＯＲに、異常診断回路２３からの出力を供給可能にし、異常診断回路２３からの信号を入力信号判断回路２１に供給しないようにする。
角度変換回路１３の動作は実施例１と全く同じである。

なお、実施例２では、信号処理回路２０の１つの出力端子を基準点設定用入力端子として用いる例について説明したが、例えば、２つの出力端子をいずれも入力端子に切り替える場合や、１つの入力端子と１つの出力端子を入力端子に切り替えた端子を組み合わせるなどして、２つ以上の端子を用いて基準点の設定手順を実行させることもできる。

本発明にかかる回転角度センサの回転検出機構部分の基本構造の一例を示すものであって、（ａ）は底面図、（ｂ）は側面図である。本発明の実施例の回転角度センサの信号処理回路（ＩＣ）のブロック図である。シリアルインターフェースを介して外部機器からデータが入力された各端子の信号波形の一例を示す図である。シリアルインターフェースを介して外部機器から基準点設定のための信号が入力された各端子の信号波形の一例を示す図である。シリアルインターフェース端子に入力された信号が通信のための信号であるのか、基準点設定のための信号であるのか判断するための信号処理回路の制御手順を示すフローチャートである。角度計算回路から出力された角度データが被測定角度の上限値および下限値の間の角度範囲外の場合の角度出力データ変換の手法を説明する図である。本発明の他の実施例の回転角度センサの信号処理回路（ＩＣ）のブロック図である。信号処理回路の他の制御手順を示すフローチャートである。

符号の説明

２，３磁気センサ
６，７増幅器
８，９Ａ／Ｄ変換器
１０角度計算回路
１１基準点設定回路
１２不揮発性メモリ
１３角度変換回路
１４角度出力回路
１５シリアルインターフェース回路
１６入力信号判断回路
１７外部機器

Claims

磁石を有する回転体と、前記回転体の回転に応じて変化する前記磁石の磁界の強さを検知して前記回転体の回転角度に応じた値の信号を出力する複数個の磁気センサと、前記複数個の磁気センサから出力された信号から前記回転体の回転角度を計算する角度計算回路と、外部機器に接続される少なくとも１つの端子に入力された信号が基準点設定を開始するための所定の信号か否かを判断する入力信号判断回路と、該入力信号判断回路によって前記少なくとも１つの端子に入力された信号が基準点設定を開始するための所定の信号であると判断した場合は当該判断に応答して得られた前記角度計算回路からの前記回転体の回転角度を基準点データとして記憶する記憶手段と、前記角度計算回路によって計算された前記回転体の回転角度から前記記憶手段内の基準点データを差し引いた値または当該差し引いた値に一定値を加算した値を回転角度測定値として出力する出力手段とを具えたことを特徴とする回転角度センサ。
請求項１において、
前記少なくとも１つの端子は、シリアルインターフェースに接続されていることを特徴とする回転角度センサ。
請求項１において、
前記少なくとも１つの端子は、信号出力端子であり、
前記信号出力端子を一時的に信号出力手段から切り離して外部からの基準点設定を開始するための所定の信号を入力可能な入力端子として機能させる入出力切替回路をさらに有することを特徴とする回転角度センサ。
請求項３において、
前記信号出力端子は、エラー出力端子であることを特徴とする回転角度センサ。
磁石を有する回転体と、前記回転体の回転に応じて変化する前記磁石の磁界の強さを検知して前記回転体の回転角度に応じた値の信号を出力する複数個の磁気センサと、前記複数個の磁気センサから出力された信号から前記回転体の回転角度を計算する角度計算回路と、前記角度計算回路によって計算された前記回転体の回転角度から所定の基準点データを差し引いた値を回転角度測定値として出力する出力手段と、該出力手段からの回転角度測定値のうち予め定めた角度範囲内の値はそのまま出力し、前記角度範囲外の値は予め定めた値に変換して出力する角度変換手段とを具えたことを特徴とする回転角度センサ。
請求項５において、
前記予め定めた値は、前記予め定めた角度範囲の上限値および下限値のいずれか一方であることを特徴とする回転角度センサ。
請求項５において、
前記予め定めた値は、前記出力手段からの回転角度測定値が前記予め定めた角度範囲の上限値を越えて一定角度に達するまでは当該上限値であり当該一定角度を越えて前記予め定めた角度範囲の下限値に達するまでは当該下限値であることを特徴とする回転角度センサ。
磁石を有する回転体と、前記回転体の回転に応じて変化する前記磁石の磁界の強さを検知して前記回転体の回転角度に応じた値の信号を出力する複数個の磁気センサと、前記複数個の磁気センサから出力された信号から前記回転体の回転角度を計算する角度計算回路と、外部機器に接続される少なくとも１つの端子に入力された信号が基準点設定を開始するための所定の信号か否かを判断する入力信号判断回路と、該入力信号判断回路によって前記少なくとも１つの端子に入力された信号が基準点設定を開始するための所定の信号であると判断した場合は当該判断に応答して得られた前記角度計算回路からの前記回転体の回転角度を基準点データとして記憶する記憶手段と、前記角度計算回路によって計算された前記回転体の回転角度から前記記憶手段内の基準点データを差し引いた値または当該差し引いた値に一定値を加算した値を回転角度測定値として出力する出力手段と、該出力手段からの回転角度測定値のうち予め定めた角度範囲内の値はそのまま出力し、前記角度範囲外の値は予め定めた値に変換して出力する角度変換手段とを具えたことを特徴とする回転角度センサ。