JP2007155668A - 回転角度センサ、および、回転角度検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】複雑な回路を追加することなく、簡単な回路構成で、誤差要因となるオフセットや感度誤差の較正処理を簡便にかつ高精度に行うこと。
【解決手段】回転体の回転角度を検出する回転角度センサ１を較正する際において、オフセット値を算出するオフセット算出処理と、該算出されたオフセット値がデジタル値に換算された換算オフセット値を、センサ出力信号からセンサ毎に減算することにより、感度誤差を算出する感度誤差算出処理と、換算オフセット値を用いて、センサ出力信号に含まれるオフセット値を補正するオフセット補正処理と、算出された感度誤差がデジタル値に換算された換算感度誤差を用いて、オフセット補正されたセンサ出力信号に対して感度補正を行う感度補正処理とを、所定の１つの演算回路１１を用いて実行する。
【選択図】図１

Description

本発明は、回転体の回転角度を測定する回転角度センサ、および、回転角度検出方法
に関する。

従来、回転体の回転角度を検出する回転角度センサの較正を行う際には、較正の対象となる回転角度センサ以外に参照用として、外部の回転角度測定装置を用意して、較正対象となる回転角度センサが持つ誤差を測定しながら較正作業を行う必要があった（特許文献１参照）。

特開平０８−１４５７１９号公報

このような従来の較正作業は、高精度な外部の回転角度測定装置をはじめとした機器を必要とするため、簡便な方法で回転角度センサの較正を実現する技術が求められている。

また、磁気センサを利用した非接触回転角度センサを実現する際、回転角度センサの組み立て誤差、磁気センサの製造ばらつきといった理由により、磁気センサからの出力信号は、必ずしも理想的なものにはならず、オフセットや感度誤差を持ったものとなる。この場合、磁気センサの出力信号におけるオフセットや、感度誤差による磁気センサの出力信号振幅のばらつきによって、角度検出精度が劣化する。

そこで、本発明の目的は、複雑な回路を追加することなく、簡単な回路構成で、誤差要因となるオフセットや感度誤差の較正処理を簡便にかつ高精度に行うことが可能な、回転角度センサ、および、回転角度検出方法を提供することにある。

本発明は、少なくとも２つの磁気センサを用い、該各磁気センサから回転体の回転角度に対応して出力されるセンサ出力信号を信号処理部に入力して所定の信号処理を行うことにより、該回転体の回転角度を検出する回転角度センサであって、前記信号処理部は、前記回転体の回転角度に対応して出力される正弦波又は余弦波状のセンサ出力信号の最大値と最小値とをセンサ毎に加算することにより、オフセット値を算出するオフセット算出処理と、該算出されたオフセット値がデジタル値に換算された換算オフセット値を、前記センサ出力信号からセンサ毎に減算することにより、感度誤差を算出する感度誤差算出処理と、前記換算オフセット値を用いて、前記センサ出力信号に含まれるオフセット値を補正するオフセット補正処理と、前記算出された感度誤差がデジタル値に換算された換算感度誤差を用いて、前記オフセット補正されたセンサ出力信号に対して感度補正を行う感度補正処理とを、所定の演算回路に基づいて実行する較正手段と、前記回転体の回転角度と、前記センサ出力信号と、前記オフセット値と、該オフセット値がデジタル値に換算された換算オフセット値と、前記感度誤差と、該感度誤差がデジタル値に換算された換算感度誤差とを、それぞれ一時的に記憶する記憶手段と、前記所定の演算回路によって前記感度補正された後の較正されたセンサ出力信号を用いて、所定の線形補間処理を実行することにより、前記回転体の回転角度を算出する回転角度算出手段とを具えることによって、回転角度センサを構成する。

ここで、前記所定の演算回路は、前記センサ出力信号としてのアナログ信号と、前記換算オフセット値又は前記換算感度誤差としてのデジタル信号とが入力され、該デジタル信号に基づいて容量値を切替えることにより、該アナログ信号と該デジタル信号とを乗算し、該乗算結果を積算した積算値を該センサ出力信号の較正値として出力するスイッチドキャパシタ乗累算回路により構成してもよい。

前記較正手段は、前記所定の演算回路からの出力信号を一時的に記憶する複数の並列接続されたサンプルホールド回路と、前記複数のサンプルホールド回路のいずれか１つ、又は所定の電気信号を選択する選択回路と、前記所定の演算回路からの出力信号と、前記選択手段により選択された選択信号とを比較するコンパレータ回路と、前記比較結果に応じて、前記所定の演算回路の乗算器を所定の値に設定するために、前記オフセット値および前記感度誤差を所定のデジタル信号の換算値に変換する変換手段とを含んでもよい。

本発明は、少なくとも２つの磁気センサを用い、該各磁気センサから回転体の回転角度に対応して出力されるセンサ出力信号を信号処理部に入力して所定の信号処理を行うことにより、該回転体の回転角度を検出する回転角度検出方法であって、前記信号処理部の所定の演算回路によって、前記回転体の回転角度に対応して出力される正弦波又は余弦波状のセンサ出力信号の最大値と最小値とをセンサ毎に加算することにより、オフセット値を算出する工程と、前記算出されたオフセット値を、デジタルの換算オフセット値に換算する工程と、前記換算オフセット値を、前記センサ出力信号からセンサ毎に減算することにより、感度誤差を算出する工程と、前記算出された感度誤差を、デジタルの換算感度誤差に換算する工程と、前記換算オフセット値を用いて、前記センサ出力信号に含まれるオフセット値を補正する工程と、前記換算感度誤差を用いて、前記オフセット補正されたセンサ出力信号に対して感度補正を行う工程との各工程を実行する較正工程と、前記所定の演算回路によって前記感度補正された後の較正されたセンサ出力信号を用いて、所定の線形補間処理を実行することにより、前記回転体の回転角度を算出する工程とを具えることによって、回転角度検出方法を提供する。

ここで、前記所定の演算回路としてのスイッチドキャパシタ乗累算回路において、前記センサ出力信号としてのアナログ信号と、前記換算オフセット値又は前記換算感度誤差としてのデジタル信号とが入力され、該デジタル信号に基づいて容量値を切替えることにより、該アナログ信号と該デジタル信号とを乗算し、該乗算結果を積算した積算値を該センサ出力信号の較正値として出力してもよい。

本発明によれば、回転体の回転角度を検出する回転角度センサを較正する際において、オフセット値を算出するオフセット算出処理と、該算出されたオフセット値がデジタル値に換算された換算オフセット値を、センサ出力信号からセンサ毎に減算することにより、感度誤差を算出する感度誤差算出処理と、換算オフセット値を用いて、センサ出力信号に含まれるオフセット値を補正するオフセット補正処理と、算出された感度誤差がデジタル値に換算された換算感度誤差を用いて、オフセット補正されたセンサ出力信号に対して感度補正を行う感度補正処理とを、所定の１つの演算回路を用いて実行するようにしたので、較正の対象となる回転角度センサ以外に、従来のように外部の参照用の回転角度測定装置を別途使用して回転体の回転角度位置を測定する必要がなくなり、簡便な方法でかつ高精度に回転角度センサの較正を実現することができる。

また、本発明によれば、回転角度センサの演算処理ＩＣ部を構成する構成要素である所定の演算回路としてスイッチドキャパシタ乗累算回路を用いて、回転角度センサの較正処理と回転角度の検出処理との両方の演算処理を実現するようにしたので、回転角度センサにおける演算処理ＩＣ部の回路構成を複雑にすることなく、演算処理ＩＣ内部の回路要素を効率的に使用することが可能となり、これにより、較正機能を有した高性能な回転角度センサを安価に製造することができ、生産・開発コストを大幅に削減することができる。

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。
＜構成＞
図１は、本発明に係る回転角度センサの構成を示す。

回転角度センサ１は、２つの磁気センサ２，３と、信号処理ＩＣ部１０とから構成される。

図２は、回転角度センサ１の磁気センサ２，３と、回転体５との配置関係を示す。

プリント基板６上には、２つの磁気センサ２，３が互いにθ＝９０度の位置に配置されている。このプリント基板６上の対向する位置に、回転体５に固定された磁石７が配置されている。

回転体５の回転とともに回転する磁石７が作る磁場を２つの磁気センサ２，３を用いて検出することにより、磁気センサ２からＸ成分として正弦波(又は余弦波)が、磁気センサ３からＹ成分として余弦波（又は正弦波）が、それぞれセンサ出力信号Ｖｘ，Ｖｙとして検出される。

図３は、信号処理ＩＣ部１０の構成例を示す。
信号処理ＩＣ部１０は、スイッチドキャパシタ乗累算回路１１と、第１および第２のサンプルホールド回路１２，１３と、スイッチ回路１４，１５，１６と、コンパレータ回路１７と、デジタル回路１８と、記憶回路（ＲＯＭメモリ）１９，記憶回路（不揮発性メモリ）２０とからなる。

スイッチドキャパシタ乗累算回路１１は、回転体の回転角に対して直交する位置に配置される少なくとも２つの磁気センサ２，３からのセンサ出力信号（アナログ信号）を入力し、デジタル信号により容量値を切り換えることにより、アナログ信号とデジタル信号とを乗算し、乗算結果を積算してその積算値を出力信号する。

第１のサンプルホールド回路１２は、スイッチドキャパシタ乗累算回路１１の出力信号を記憶する。

第２のサンプルホールド回路１３は、スイッチドキャパシタ乗累算回路１１の出力信号を記憶する。

スイッチ回路１４は、磁気センサ２，３からのセンサ出力信号（Ｖｘ，Ｖｙ）と、所定の基準信号（Ｖｒｅｆ）と、第１および第２のサンプルホールド回路１２，１３からの出力信号との中から選択した信号を、スイッチドキャパシタ乗累算回路１１に出力する。

スイッチ回路１５は、第１又は第２のサンプルホールド回路１２，１３の出力信号又はゼロ電圧のいずれかを選択する。

スイッチ回路１６は、記憶回路１９，２０で記憶されたデジタル信号を、スイッチドキャパシタ乗累算回路１１に出力する。

コンパレータ回路１７は、スイッチドキャパシタ乗累算回路１１の出力信号と、スイッチ回路１５の出力信号とを比較する。

デジタル回路１８は、コンパレータ回路１７による比較結果に基づいて、デジタル信号を決定する。

記憶回路１９は、ＲＯＭメモリからなり、正弦波データ値を記憶する。

記憶回路２０は、不揮発性メモリからなり、デジタル回路１８で検定されたデジタル信号（すなわち、デジタル値に換算されたオフセット値、Ｘ，Ｙの感度誤差）を記憶する。

図４は、スイッチドキャパシタ乗累算回路１１の回路構成例を示す。

スイッチドキャパシタ乗累算回路１１は、スイッチＳＷ１〜ＳＷ３と可変容量キャパシタＣ１とキャパシタＣ２とオペアンプ３０とを有する前段の乗算器と、スイッチＳＷ５〜ＳＷ９とキャパシタＣ３，Ｃ４とオペアンプ３１とを有する後段の積分器とからなる。

入力電圧Ｖｉｎとしては、図３に示したように、センサ出力信号Ｖｘ，Ｖｙ、オフセットＡＤ変換用基準電圧Ｖｒｅｆ、サンプルホールド回路１２，１３の出力の中から選択された信号が入力される。

＜動作＞
（理想的な動作）
まず、本回転角度センサの理想的な動作例について説明する。

理想的な状況においては、回転体の角度位置がθであるときの、２つの磁気センサ２，３からの出力信号（Ｖｘ，Ｖｙ）は、次のように得られる。ここで、Ａは磁気センサの出力信号の振幅である。

このような理想的な状況では、後で説明するスイッチドキャパシタ乗累算回路によって、下記のＶｙ’の計算を行い、Ｖｙ’をゼロに近づけるｎの値を以って、回転角度を検出することができる。ここで、θＳＴＥＰは角度の量子化刻み幅であり、通常、２のべき乗となる数Ｎを用いて、θＳＴＥＰ＝３６０度／Ｎという形で与えられる。

図５は、この角度検出アルゴリズムを実現するための基本回路の理想的な構成例を示す。ここでは、入力信号が理想的な場合に使用できる信号処理ＩＣ部４０の構成例である。

信号処理ＩＣ部４０に用いられているスイッチドキャパシタ乗累算回路１１を構成する乗算器部分は、図４に示したように、アナログ信号とデジタル信号との間の乗算を行うＤＡ変換器の形になっており、オペアンプ３０と２つのキャパシタＣ１，Ｃ２、およびオペアンプ３０とキャパシタＣ１，Ｃ２との間を接続するスイッチＳＷ３，ＳＷ４から構成される。キャパシタＣ１は、可変容量になっており、符号を加えた（Ｌ＋１）ビット（１つの符号ビット＋Ｌビット）の２進数（ｂ０，ｂ１，…，ｂＬ）を用いて、乗算器出力信号Ｖｐは以下のように得られる。

例えば、Ｌ＝８のときＶｐの取り得る値は、以下のようになる。

ここで、正弦関数がとり得る±１．０という係数を実現するために、±２５６／２５６×Ｖｉｎという乗算をサポートするよう可変容量Ｃ１を拡張してＶｐのとりうる値を以下のようにすることも、可能である。

スイッチドキャパシタ乗累算器１１の後段部分は、図４に示したように積分器となっており、出力信号Ｖｏｕｔを一旦リセットした後、乗算器部分からの出力信号を積算することが可能である。

与えられたｎの値に対して、セレクタ回路を利用して乗算器回路に入力されるＶｉｎ信号を、Ｖｘ，Ｖｙの間で切り替えることによって、次のように、Ｖｐ（１），Ｖｐ（２）を生成すると、Ｖｏｕｔとして、Ｖｙ’を得ることができる。

これまで考えてきたように、ホール起電力信号がオフセットを含まず、かつＸ成分，Ｙ成分間で感度（振幅）の誤差が無いという前提のもとでは、上記の回路を用いた方法によって、回転体の回転角度を検出することが可能である。

しかしながら、実際には、回転角度センサ１の組み立て誤差、磁気センサ２，３の製造ばらつきといった理由により、磁気センサ２，３からの出力信号は、必ずしも理想的なものにはならず、以下の式で表されるように、オフセットや感度誤差を持ったものとなる。

以下では、Ａｘ≠Ａｙという振幅の誤差、及びＶｏｓ，ｘ， Ｖｏｓ，ｙというオフセットを、外部の特別な較正装置を使用することなく、回転角度センサ１自身で上記の誤差要因を除去し、較正を行う方法、および、この方法を効率的に実現するために考案された回路構成について説明する。

（現実的な動作）
次に、本回転角度センサ１の現実的な動作例について説明する。

本発明に係る図３の信号処理ＩＣ部１０を、図５の理想的な信号処理ＩＣ部４０と比較したとき、本信号処理ＩＣ部１０の特徴は、２つのサンプルホールド回路１２，１３が追加された点である。

ここで、図３の信号処理ＩＣ部１０について、詳細な動作説明に入る前に、その動作の概略について説明しておく。

信号処理ＩＣ部１０での較正処理は、以下に述べるように、オフセットの較正処理と、感度誤差の較正処理とに大別できる。

（オフセットの較正概要）
まず、オフセットの較正において、オフセットの算出について説明する。

２つの磁気センサ２，３が、回転体の回転角度位置に応じて、それぞれ、正弦波、余弦波状のセンサ出力信号（Ｖｘ，Ｖｙ）を発生させることを利用して、信号処理ＩＣ部１０において回転体の回転角度を検出する場合について説明する。

本回転角度センサ１が取り付けられた回転体を３６０度以上の角度範囲にわたって回転させる操作を行い、回転体が回転する所定の角度毎に、磁気センサ２，３のセンサ出力信号を入力して第１および第２のサンプルホールド回路１２，１３に記憶させる。

次に、異なる角度で入力された磁気センサ２，３のセンサ出力信号と、第１および第２のサンプルホールド回路１２，１３に記憶された出力信号とを比較して、大きい方又は小さい方の出力信号をサンプルホールド回路１２，１３に記憶することにより、磁気センサ２，３の最大値および最小値を第１および第２のサンプルホールド回路１２，１３に記憶させる。

次に、第１および第２のサンプルホールド回路１２，１３に記憶された最大値及び最小値をスイッチドキャパシタ乗累算回路１１に入力して、加算し、この加算された値をオフセット電圧としてサンプルホールド回路１２，１３に記憶する。

次に、スイッチ回路１４により、スイッチドキャパシタ乗累算回路１１に出力する電圧を、所定の基準電圧に選択する。

次に、スイッチドキャパシタ乗累算回路１１の出力信号と、サンプルホールド回路１２，１３に記憶されたオフセット信号とをコンパレータ回路１７で比較して、比較結果に基づいて、デジタル回路１８でデジタル信号のビットを逐次的に決定し、当該決定されたデジタル信号をオフセット電圧のデジタル値として、記憶回路２０に記憶する。

そして、回転角度測定時において、磁気センサ２，３からの出力信号から、記憶回路２０に記憶されたデジタル値のオフセット電圧を減算することにより、回転角度を検出する。

次に、オフセットの較正において、オフセットの補正について説明する。

上記記憶回路２０のデジタル値のオフセット電圧をスイッチドキャパシタ乗累算回路１１に入力し、スイッチ回路１４が所定の基準電圧を選択して、スイッチドキャパシタ乗累算回路１１のアナログ入力として入力して、オフセット電圧のアナログ電圧を生成し、さらにスイッチ回路１４が磁気センサ２，３の出力信号を選択してスイッチドキャパシタ乗累算回路１１で加算することにより、磁気センサ２，３からの出力信号からオフセット電圧を減算することにより、センサ出力信号のオフセットの補正を行う。

（感度誤差の較正概要）
感度誤差の補正について説明する。

２つの磁気センサ２，３が、回転体の回転角度位置に応じて、それぞれ、正弦波、余弦波状のセンサ出力信号（Ｖｘ，Ｖｙ）を発生させることを利用して、信号処理ＩＣ部１０において回転体の回転角度を検出する場合について説明する。

回転角度センサ１が取り付けられた回転体を３６０度以上の角度範囲にわたって回転させる操作を行い、回転体が回転する所定の角度毎に、２つの磁気センサ２，３のセンサ出力信号をそれぞれ入力して、第１および第２のサンプルホールド回路１２，１３に記憶させる。

次に、異なる角度で入力された２つの磁気センサ２，３のセンサ出力信号と、第１および第２のサンプルホールド回路１２，１３に記憶された出力信号とをそれぞれ比較して大きい方または小さい方の出力信号をサンプルホールド回路１２，１３に記憶することにより、２つの磁気センサ２，３の最大値または最小値の一方を、第１および第２のサンプルホールド回路１２，１３にそれぞれ記憶させる。

次に、第１および第２のサンプルホールド回路１２，１３に記憶された２つの磁気センサ２，３の最大値または最小値をスイッチドキャパシタ乗累算回路１１に順次入力して、減算し、この減算された値とスイッチ回路１５が選択したゼロ電圧とを比較して、第１および第２のサンプルホールド回路１２，１３に記憶された最大値または最小値の大小を判定する。

次に、ゼロ電圧に遠い方の電圧をスイッチ回路１４が選択してスイッチドキャパシタ乗累算回路１１のアナログ信号として入力すると共に、スイッチ回路１５がゼロ電圧に近い方の電圧を選択してコンパレータ回路１７に出力し、コンパレータ回路１７に比較結果に基づいて、デジタル回路１８のデジタル信号を逐次的に決定して、当該決定されたデジタル信号を感度補正用のデジタル値として、記憶回路２０に記憶する。

そして、回転角度測定時に磁気センサ２，３からのセンサ出力信号に感度補正用のデジタル値を乗算することにより、磁気センサ２，３の感度を補正して回転角度を検出することにより、センサ出力信号の感度誤差の補正を行う。

（具体的な較正例）
以下、信号処理ＩＣ部１０の動作について、具体例を挙げて説明する。

図６は、回転角度センサ１における較正処理のフローを示す。

較正処理は、第１段階〜第３段階の３つから構成されている。それぞれの段階においては、較正処理を実行するための回転角度センサ１の信号処理ＩＣ部１０において、各段階に応じた動作モードに設定する必要がある。こうした動作モードの設定は、ＩＣのピンを通じて設定すればよい。以下、各段階に分けて説明する。

（較正処理の第１段階）
この第１段階では、磁気センサ２，３のセンサ出力信号Ｖｘのオフセットを検出する。

ステップＳ１では、信号処理ＩＣ部１０を、較正処理の第１段階のための動作モードに設定する。すなわち、オフセットのＸ成分を検出するモードに設定する。

この動作モードでは、２つのサンプルホールド回路１２，１３と、コンパレータ回路１７とを用いて、ピーク検出回路を構成している。
ステップＳ２では、回転体を３６０度以上の角度にわたって回転させることにより、磁気センサ２，３のセンサ出力信号のＸ成分Ｖｘの最大値、最小値を検出する。

このとき、信号処理ＩＣ部１０に磁気センサ２，３のセンサ出力信号Ｖｘのピーク検出動作を行わせる必要があるため、スイッチ回路１４は、信号Ｖｘを選択するように設定される。

また、サンプルホールド回路１２とサンプルホールド回路１３とは、回転体を３６０度以上の角度範囲にわたって回転させる間に観測されるＶｘのトップピーク値と、Ｖｘのボトムピーク値とを、それぞれ記憶する。スイッチ回路１５は、サンプルホールド回路１２の出力と、サンプルホールド回路１３の出力とを切り替えながら出力する。これにより、コンパレータ回路１７においては、トップピーク値を更新するための判断と、ボトムピーク値を更新するための判断とを行う。

ピーク検出動作中には、スイッチドキャパシタ乗累算器１１の乗算係数（符号付２進数）を、０．５に設定しておく。

ピーク検出動作後に、サンプルホールド回路１２およびサンプルホールド回路１３に保持されている電圧は、図７に示すようになり、それぞれ以下のように表すことができる。

このようにして得られた最大値（ｍａｘ：トップピーク値）、最小値（ｍｉｎ：ボトムピーク値）をスイッチドキャパシタ乗累算回路１１において、次の式のように加算することによって、Ｘ成分のオフセット値が得られる。

ステップＳ３では、オフセットのＸ成分Ｖｏｓ，ｘをＡＤ変換する。具体的には、スイッチドキャパシタ乗累算回路１１の入力を基準電圧Ｖｒｅｆに切り替えて、以下の関係を近似的に満たす（Ｌ＋１）ビットの数（ｂ０，ｂ１，…，ｂＬ）を逐次比較によって求める。

上記の手順によって、オフセットのＸ成分Ｖｏｓ，ｘを、その符号も含めてＡＤ変換することができる。

このようにしてデジタル化されたオフセットのＸ成分は、３段階の較正操作が完了した後の角度検出の際に使用できるように、不揮発性メモリ２０に記憶される。

（較正処理の第２段階）
この第２段階では、磁気センサ２，３のセンサ出力信号Ｖｙのオフセットを検出する。第２段階の処理は、第１段階での処理と基本的には同じである。

ステップＳ４では、信号処理ＩＣ部１０を、オフセットのY成分を検出するモードに設定する。

ステップＳ５では、回転体を３６０度以上の角度にわたって回転させることにより、磁気センサ２，３のセンサ出力信号のＹ成分Ｖｙの最大値、最小値を検出する。

ステップＳ６では、オフセットのＹ成分Ｖｏｓ，ｙをＡＤ変換する。具体的には、スイッチドキャパシタ乗累算回路１１の入力を基準電圧Ｖｒｅｆに切り替えて、以下の関係を近似的に満たす（Ｌ＋１）ビットの数（ｂ０，ｂ１，…，ｂＬ）を逐次比較によって求める。

上記の手順によって、オフセットのＸ成分Ｖｏｓ，ｘを、その符号も含めてＡＤ変換して、不揮発性メモリ２０に記憶する。

（測定されたオフセット成分の減算）
上記較正処理の第１段階、第２段階を終えた段階で、磁気センサ２，３のセンサ出力信号のＸ，Ｙ成分に含まれるオフセット成分の値が、信号処理ＩＣ部１０の中の不揮発性メモリ２０に記憶されている。従って、これ以降は、磁気センサ２，３からのセンサ出力信号から、これらオフセット値を減算して、以下のように、（Ｖｘ１ ， Ｖｙ１）を得ることができる。

通常、較正処理の第１段階、第２段階において測定されて、不揮発性メモリ２０に記憶されている磁気センサ２，３のセンサ出力信号のオフセット値に関する情報を基にして、磁気センサ２，３のセンサ出力信号からオフセット成分を減算する場合には、新たにＤＡ変換器と減算回路とを用意するという方法が考えられる。

しかし、本願発明に係る図３の信号処理ＩＣ部１０を使用するときには、新たにＤＡ変換器および減算回路を追加することなく、オフセットの減算を実現することが可能となる。これにより、信号処理ＩＣ部１０の生産・開発のコストを増大させることなく、オフセット減算機能を実現することができる。

以下、信号処理ＩＣ部１０を用いて、オフセットの減算処理を実行する方法について説明する。

オフセットのＸ成分については、スイッチドキャパシタ乗累算回路１１を使用して、次のようにＶｘ１を計算すればよい。

つまり、スイッチドキャパシタ乗累算回路１１において、最初の乗算でＶｘ×１．０を計算し、次の乗算で基準電圧Ｖｒｅｆ×（不揮発性メモリに記憶されたオフセット値Ｘ成分）を計算して、最初の乗算結果から２番目の乗算結果を減算すればよいのである。

同様に、オフセットのＹ成分についても、スイッチドキャパシタ乗累算回路１１を使用して、次のようにＶｙ２を計算すればよい。

つまり、スイッチドキャパシタ乗累算回路１１において、最初の乗算でＶｙ×１．０を計算し、次の乗算で基準電圧Ｖｒｅｆ×（不揮発性メモリ２０に記憶されたオフセット値Ｙ成分）を計算して、最初の乗算結果から２番目の乗算結果を減算すればよいのである。

このように、図３の信号処理ＩＣ部１０を使用した場合、デジタル値として不揮発性メモリ２０に記憶されているオフセットを、磁気センサ２，３のセンサ出力信号から減算する処理を行うために、角度検出のために元々用意されていたスイッチドキャパシタ乗累算回路１１を有効に使用することができるので、新たに別途、ＤＡ変換器や減算回路を用意する必要がなくなる。

（較正処理の第３段階）
この第３段階では、センサ出力信号の振幅比を算出する。

ステップＳ７では、信号処理ＩＣ部１０を、センサ出力信号の振幅検出モードに設定する。

ステップＳ８では、センサ出力信号のＸ成分Ｖｘの最大値（図７のトップピーク値）であるＡｘと、センサ出力信号のＹ成分Ｖｙの最大値であるＡｙを、それぞれ、サンプルホールド回路１２、サンプルホールド回路１３に取り込むように、回転体を３６０度以上の角度にわたって回転させる。

このため、スイッチ回路１４において、センサ出力信号のＸ成分Ｖｘを選択しているときには、コンパレータ回路１７の出力結果を用いて、サンプルホールド回路１２のサンプリング動作（ピーク値の更新に関する判断）を制御する。

反対に、スイッチ回路１４において、センサ出力信号のＹ成分Ｖｙを選択しているときには、コンパレータ回路１７の出力結果を用いて、サンプルホールド回路１３のサンプリング動作（ピーク値の更新に関する判断）を制御する。回転体が３６０度回転している間に、この２つの動作を切り替えながら交互に実行することにより、Ｘ成分Ｖｘのピーク値をサンプルホールド回路１２にホールドさせ、Ｙ成分Ｖｙのピーク値をサンプルホールド回路１３にホールドさせることができる。

その後、ステップＳ９では、まず、Ａｘ，Ａｙの間で、大小判定を行う。この判定のために、スイッチ回路１４を制御して、サンプルホールド回路１２にホールドされているピーク値Ａｘから、サンプルホールド回路１３にホールドされているピーク値Ａｙを減算するように、スイッチドキャパシタ乗累算回路１１を動作させる。

Ａｘ，Ａｙの間の大小関係に応じて、以下に示すように、Ａｘ／ＡｙまたはＡｙ／Ａｘの振幅比を求めるために逐次比較処理を実行する。

Ａｘ＞Ａｙであると仮定すれば、感度誤差を補正するために、以下の関係を近似的に満たす、データ（ｂ１， …， ｂＬ）（この場合には、ｂ０＝０になる）が求められる。

Ａｘ＜Ａｙの場合には、感度誤差を補正するために、以下の関係を近似的に満たす、データ（ｂ１， …， ｂＬ）（この場合には、ｂ０＝０になる）が求められる。

このようにして求めた振幅比Ａｘ／ＡｙまたはＡｙ／ＡｘをＡＤ変換し、その変換された感度誤差を補正するためのデジタル値を不揮発性メモリ２０に記憶させる。

（較正後の角度計算）
次に、上記較正処理後の処理として、オフセットの補正処理、感度誤差の補正処理、回転角度の算出処理について順次説明する。

ここでは、図３の信号処理ＩＣ部１０を用いて、オフセットと感度誤差とを補正しながら、回転角度を検出する処理について説明する。

Ｘ成分のオフセット補正
まず、スイッチドキャパシタ乗累算回路１１を使用して、磁気センサ２，３のセンサ出力信号からオフセットを減算し、減算結果である信号Ｖｘ１をサンプルホールド回路１２に、一時的に記憶させる。

Ｙ成分のオフセット補正
次に、同様に、スイッチドキャパシタ乗累算回路１１を使用して、磁気センサ２，３のセンサ出力信号からオフセットを減算し、減算結果である信号Ｖｙ１をサンプルホールド回路１３に、一時的に記憶させる。

感度誤差補正
続いて、感度誤差の補正を行う。

Ａｘ＞Ａｙである場合には、式（１９）に示す感度誤差補正のためのデータ（ｂ１， …， ｂＬ）を、不揮発性メモリ２０から読み出す。この感度誤差補正のためのデータを、式（２１）に示すサンプルホールド回路１２に一時的に記憶されているＶｘ１と掛け算して、Ｖｘ１を更新する。

こうして更新された信号Ｖｘ１は、感度誤差の補正がなされたものになる。

一方、Ａｘ＜Ａｙである場合には、同様に、式（２０）に示す感度誤差補正のためのデータ（ｂ１， …， ｂＬ）を、不揮発性メモリ２０から読み出す。この感度誤差補正のためのデータを、式（２２）に示すサンプルホールド回路１３に一時的に記憶されている信号Ｖｙ１を、次のように更新する。

図８、図９は、感度補正後に、各信号成分の振幅が等しくなる様子を示す。

図８は、感度誤差Ａｙ＞Ａｘのとき、感度誤差補正によりセンサ出力信号Ｖｘ，Ｖｙの合成された軌跡が変化する様子を示す。

楕円１００は、オフセットと感度誤差とを含んだ補正前のセンサ出力信号Ｖｘ，Ｖｙの軌跡を示す。円１０１は、その楕円１００に含まれるオフセットと感度誤差とを補正した後のセンサ出力信号Ｖｘ１，Ｖｙ１の軌跡を示す。

図９は、感度誤差Ａｙ＞Ａｘのとき、感度誤差補正によりセンサ出力信号の振幅が変化する様子を示す。

補正前の段階では、図７の波形に対応したセンサ出力信号Ｖｘの波形１１０の振幅Ａｘに比べて、センサ出力信号Ｖｙの波形１１１の振幅Ａｙの方が大きい。しかし、上記図８のような補正処理を行うことによって、センサ出力信号Ｖｙは波形１１２に示すように振幅Ａｙ＝Ａｘとなり、これにより感度誤差が補正されたものとなる。

回転角度の検出
この段階では、サンプルホールド回路１２およびサンプルホールド回路１３において、一時的に保存されている信号Ｖｘ１、Ｖｙ１は、オフセット補正と感度補正とがなされたものになっている。

そこで、図３の信号処理ＩＣ部１０を使用すれば、以下の式（２５）に示すように、Ｖｙ’を計算することが可能である。

以上で見てきたように、較正処理を実現するために２つのサンプルホールド回路１２，１３を用意した図３の信号処理ＩＣ部１０は、較正処理によって得られたオフセット値、感度誤差を使用して、回転角度の検出を行う際にも、効果的に動作させることが可能である。

（角度検出の分解能を向上させる線形補間処理）
以上説明した回転角度の計算方法においては、角度分解能はθＳＴＥＰであり、検出される角度は、最大θＳＴＥＰの誤差を持っている。

以下では、回転角度センサ１の図３の信号処理ＩＣ部１０を使用して、回転角度の検出分解能を向上させることができる理由について説明する。

図１０は、スイッチドキャパシタ乗累算回路１１によって回転操作を行った後の磁気センサ２，３のセンサ出力信号のベクトルの様子を示す。

ここでは、回転操作の際の回転角度として、ｎ−１，ｎという連続する２つの回転量を考えている。これら２つの回転量に対して、磁気センサ２，３のセンサ出力信号のベクトルとＸ軸とがなす角度θは、以下の関係を満足するものとする。

このため、スイッチドキャパシタ乗累算回路１１を用いて回転操作を行った後の磁気センサ２，３のセンサ出力信号のベクトルのＹ成分の符号は、以下の不等式に示すように、回転量ｎ−１に対応したベクトルにおいては、Ｙ成分が正またはゼロになり、回転量ｎに対応したベクトルにおいてはＹ成分が負となる。

ベクトルの回転操作を数式化すると、以下の様になる。ここで、オフセット補正と振幅の補正後には、近似的にＶｘ＝Ａｃｏｓθ、Ｖｙ＝Ａｓｉｎθと表されることを考慮すると、三角関数の差の公式を利用して、次のように変形することが可能である。

ここで、ベクトル回転の刻み幅θＳＴＥＰは、通常、十分に小さく取られるので、回転後のベクトルのＹ成分は近似的に以下のように表すことができる。

このように、回転量ｎ−１、ｎに対応した回転後のベクトルのＹ成分は、それぞれの角度誤差θ−θｎ−１、θ−θｎに対して、高い線形精度を持って比例していると言える。このため、回転後のベクトルのＹ成分を用いた線型補間によって、高い精度で角度の補間を行うことができる。

従って、回転量ｎ−１、ｎに対応した回転後のベクトルのＹ成分を使用して、以下の関係を満たすＭビット数で表されるαの値を求めることができれば、すでにＮビット精度で得られている回転角度の分解能を向上させてＮ＋Ｍビットにすることができる。

このような線形補間を行って、角度検出の分解能を向上させるうえでも、図２の信号処理ＩＣ部１０は非常に有効である。

本発明の実施の形態である、回転角度センサの構成を示すブロック図である。 回転体と回転角度センサの磁気センサとの位置関係を示すブロック図である。 回転角度センサにおける信号処理ＩＣ部の内部構成を示すブロック図である。 信号処理ＩＣ部のスイッチドキャパシタ乗累算回路を示す回路図である。 入力信号が理想的な場合に使用可能な信号処理ＩＣ部の構成を示すブロック図である。 回転角度センサの較正処理を示すフローチャートである。 センサ出力信号のピーク検出によるオフセット成分の検出を示す波形図である。 感度誤差Ａｙ＞Ａｘのとき、感度誤差補正によりセンサ出力信号Ｖｘ，Ｖｙの合成された軌跡が変化する様子を示す説明図である。 感度誤差Ａｙ＞Ａｘのとき、感度誤差補正によりセンサ出力信号の振幅が変化する様子を示す説明図である。 回転角度計算時において、ベクトル回転操作による補間処理の例を示す説明図である。

符号の説明

１ 回転角度センサ
２，３ 磁気センサ
５ 回転体
６ プリント基板
７ 磁石
１０ 信号処理ＩＣ部
１１ スイッチドキャパシタ乗累算回路（演算回路）
１２ 第１のサンプルホールド回路
１３ 第２のサンプルホールド回路
１４，１５，１６ スイッチ回路
１７ コンパレータ回路
１８ デジタル回路
１９ 記憶回路（ＲＯＭメモリ）
２０ 記憶回路（不揮発性メモリ）
３０，３１ オペアンプ
４０ 信号処理ＩＣ部
１００，１０１ 軌跡
１１０〜１１２ センサ出力信号の波形

Claims (5)

1. 少なくとも２つの磁気センサを用い、該各磁気センサから回転体の回転角度に対応して出力されるセンサ出力信号を信号処理部に入力して所定の信号処理を行うことにより、該回転体の回転角度を検出する回転角度センサであって、
   前記信号処理部は、
   前記回転体の回転角度に対応して出力される正弦波又は余弦波状のセンサ出力信号の最大値と最小値とをセンサ毎に加算することにより、オフセット値を算出するオフセット算出処理と、該算出されたオフセット値がデジタル値に換算された換算オフセット値を、前記センサ出力信号からセンサ毎に減算することにより、感度誤差を算出する感度誤差算出処理と、前記換算オフセット値を用いて、前記センサ出力信号に含まれるオフセット値を補正するオフセット補正処理と、前記算出された感度誤差がデジタル値に換算された換算感度誤差を用いて、前記オフセット補正されたセンサ出力信号に対して感度補正を行う感度補正処理とを、所定の演算回路に基づいて実行する較正手段と、
   前記回転体の回転角度と、前記センサ出力信号と、前記オフセット値と、該オフセット値がデジタル値に換算された換算オフセット値と、前記感度誤差と、該感度誤差がデジタル値に換算された換算感度誤差とを、それぞれ一時的に記憶する記憶手段と、
   前記所定の演算回路によって前記感度補正された後の較正されたセンサ出力信号を用いて、所定の線形補間処理を実行することにより、前記回転体の回転角度を算出する回転角度算出手段と
   を具えたことを特徴とする回転角度センサ。
2. 前記所定の演算回路は、
   前記センサ出力信号としてのアナログ信号と、前記換算オフセット値又は前記換算感度誤差としてのデジタル信号とが入力され、該デジタル信号に基づいて容量値を切替えることにより、該アナログ信号と該デジタル信号とを乗算し、該乗算結果を積算した積算値を該センサ出力信号の較正値として出力するスイッチドキャパシタ乗累算回路からなることを特徴とする請求項１記載の回転角度センサ。
3. 前記較正手段は、
   前記所定の演算回路からの出力信号を一時的に記憶する複数の並列接続されたサンプルホールド回路と、
   前記複数のサンプルホールド回路のいずれか１つ、又は所定の電気信号を選択する選択回路と、
   前記所定の演算回路からの出力信号と、前記選択手段により選択された選択信号とを比較するコンパレータ回路と、
   前記比較結果に応じて、前記所定の演算回路の乗算器を所定の値に設定するために、前記オフセット値および前記感度誤差を所定のデジタル信号の換算値に変換する変換手段と
   を含むことを特徴とする請求項１又は２記載の回転角度センサ。
4. 少なくとも２つの磁気センサを用い、該各磁気センサから回転体の回転角度に対応して出力されるセンサ出力信号を信号処理部に入力して所定の信号処理を行うことにより、該回転体の回転角度を検出する回転角度検出方法であって、
   前記信号処理部の所定の演算回路によって、
   前記回転体の回転角度に対応して出力される正弦波又は余弦波状のセンサ出力信号の最大値と最小値とをセンサ毎に加算することにより、オフセット値を算出する工程と、
   前記算出されたオフセット値を、デジタルの換算オフセット値に換算する工程と、
   前記換算オフセット値を、前記センサ出力信号からセンサ毎に減算することにより、感度誤差を算出する工程と、
   前記算出された感度誤差を、デジタルの換算感度誤差に換算する工程と、
   前記換算オフセット値を用いて、前記センサ出力信号に含まれるオフセット値を補正する工程と、
   前記換算感度誤差を用いて、前記オフセット補正されたセンサ出力信号に対して感度補正を行う工程と
   の各工程を実行する較正工程と、
   前記所定の演算回路によって前記感度補正された後の較正されたセンサ出力信号を用いて、所定の線形補間処理を実行することにより、前記回転体の回転角度を算出する工程と
   を具えたことを特徴とする回転角度検出方法。
5. 前記所定の演算回路としてのスイッチドキャパシタ乗累算回路において、
   前記センサ出力信号としてのアナログ信号と、前記換算オフセット値又は前記換算感度誤差としてのデジタル信号とが入力され、該デジタル信号に基づいて容量値を切替えることにより、該アナログ信号と該デジタル信号とを乗算し、該乗算結果を積算した積算値を該センサ出力信号の較正値として出力することを特徴とする請求項４記載の回転角度検出方法。
   

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