JP2012127783A - 回転検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】アナログ回路のみの簡易な構成による回転検出装置を提供する。
【解決手段】測定対象の回転角を発生させる回転検出部１００、その回転検出部１００の回転角に応じてそれぞれ位相の異なる正弦波信号を出力する第１検出部及び第２検出部を備えた検出部としての磁気センサデバイス２００、及び、割算部の出力と検出部の出力の線形和を出力するアナログ演算部としてのアナログ演算回路３００とから回転検出装置１０を構成し、回転角の一部の範囲において、その回転角に対応した線形出力を行なう。
【選択図】図３

Description

本発明は、回転検出装置に関する。

従来、半導体基板に作り込まれその表面に平行な磁界を検出する縦型ホール素子と、縦型ホール素子を作り込んだ半導体基板上に形成されその表面に平行な磁界の強さにより抵抗値が変化する磁気抵抗素子とを備え、縦型ホール素子の出力信号と磁気抵抗素子により得られる信号を用いて被検出体の回転を検出するようにした回転検出装置がある（例えば、特許文献１参照）。この装置においては、Ａｒｃｔａｎ演算器によって、磁気抵抗素子により得られる信号と磁気抵抗素子により得られる信号からＡｒｃｔａｎの演算をする。この装置によれば、信号処理回路により磁気抵抗素子の出力信号をパルス化し、合成器によってＡｒｃｔａｎ演算器による信号とパルス化回路による信号を合成して０〜３６０°の角度においてリニアな出力が得られるとされている。

特開２００６−１８５４０６号公報

しかし、上記のようなデジタル技術を用いると、例えば、メモリにｓｉｎ、ｃｏｓに対応する数値データをテーブルとして記憶しておきそれらを参照しながらＡｒｃｔａｎを算出等する必要がある。よって、信号処理回路が大規模となり、その信号処理に用いるＩＣが大きくなりコストが高くなるという問題があった。

そこで本発明の目的は、アナログ回路のみの簡易な構成による回転検出装置を提供することにある。

［１］本発明は、上記目的を達成するため、回転検出部の回転角に応じてそれぞれ位相の異なる正弦波信号を出力する第１検出部及び第２検出部を備えた検出部と、前記検出部の第１検出部の出力と第２検出部の出力との割算を行なう割算部と、前記割算部の出力と前記検出部の出力の線形和を出力するアナログ演算部と、を有し、前記回転角の一部の範囲において、その回転角に対応した線形出力を行なうことを特徴とする回転検出装置を提供する。

［２］前記位相は９０°であり、回転角θに対する前記第１検出部の出力をｓｉｎθ、前記第２検出部の出力をｃｏｓθとすると、前記アナログ演算部の出力は、（ｔａｎθ＋４ｃｏｓθ）／５であって、５０≦θ≦１５０°における前記線形出力を回転検出部の回転角に応じた出力とすることを特徴とする上記［１］に記載の回転検出装置であってもよい。

［３］また、前記第１検出部及び前記第２検出部は、それぞれＭＲ素子により構成され、互いに４５°方向をずらして２方向の磁場を検出するよう配置されていることを特徴とする上記［１］又は［２］に記載の回転検出装置であってもよい。

本発明によれば、アナログ回路のみの簡易な構成による回転検出装置を提供することができる。

図１は、本発明の実施の形態に係る回転検出装置の全体概略構成図である。 図２は、検出部のパターン構成例である。 図３は、本発明の実施の形態に係る回転検出装置のアナログ演算部の電気回路図である。 図４は、第１検出部と第２検出部の回転検出部の回転角と出力信号の関係を示すグラフである。 図５は、アナログ演算部の回転検出部の回転角と演算結果の出力信号の関係を示すグラフである。 図６は、アナログ演算部で使用する割算部の回路構成例を示す電気回路図である。

［回転検出装置の構成］
図１は、本発明の実施の形態に係る回転検出装置の全体概略構成図である。図２は、検出部のパターン構成例である。図３は、本発明の実施の形態に係る回転検出装置の電気回路図である。

回転検出装置１０は、測定対象の回転角を発生させる回転検出部１００、その回転検出部１００の回転角に応じてそれぞれ位相の異なる正弦波信号を出力する第１検出部及び第２検出部を備えた検出部としての磁気センサデバイス２００、及び、割算部の出力と検出部の出力の線形和を出力するアナログ演算部としてのアナログ演算回路３００とから構成されている。

回転検出部１００は、Ｓ極及びＮ極に着磁されたマグネット１０２が回転部材１０１に装着され、このマグネット１０２に近接して磁気センサデバイス２００が載置された構成とされている。回転操作により回転部材１０１と共にマグネット１０２が回転し、磁気センサデバイス２００に磁界の変化が印加される。

この磁気センサデバイス２００はＭＲセンサで、マグネット１０２により形成される磁界の変化を感知する磁気感知面が各々４５°ずつ傾くかたちで同一の半導体基板上にて環状に配置される８つの磁気抵抗素子Ｒａ〜Ｒｄ，Ｒｅ〜Ｒｈが設けられている。ここで、これら磁気抵抗素子Ｒａ〜Ｒｄ，Ｒｅ〜Ｒｈは、強磁性金属を主成分とする磁気抵抗膜からなり、印加される磁界に応じてその抵抗値が変化すると共に、所定の大きさを超える磁束密度が印加されることでその抵抗値が飽和するといった物性を有している。磁気抵抗素子Ｒａ〜Ｒｄ，Ｒｅ〜Ｒｈは放射状に配置され、各々の磁気抵抗素子は外側に向かうほど長く形成され、複数の直線状の膜の端部が交互に接続されることでジグザグ状のパターンに形成されている。そして、この磁気センサデバイス２００では、これら磁気抵抗素子Ｒａ〜Ｒｄ，Ｒｅ〜Ｒｈを形成する磁気抵抗膜の膜厚をそれぞれ一定の厚さに設定する。すなわち、この磁気センサデバイス２００は、磁界の磁気ベクトル及び磁束密度の変化を検出する磁気検出部が、８つの磁気抵抗素子Ｒａ〜Ｒｄ，Ｒｅ〜Ｒｈからなる磁気検出部によってＭＲセンサとして構成されている。

尚、上記の構成は一例であり、図３に示すように、磁気抵抗素子Ｒａ〜ＲｄとＲｅ〜Ｒｈがそれぞれブリッジ回路を構成し、その２つのブリッジ回路が互いに４５°傾くかたちで配置されていればよい。

図３は、本発明の実施の形態に係る回転検出装置の電気回路図であり、磁気センサデバイス２００とアナログ演算回路３００から構成される。

磁気抵抗素子Ｒａ及び磁気抵抗素子Ｒｃには電源電圧Ｖｃｃが供給され、磁気抵抗素子Ｒｂ及び磁気抵抗素子Ｒｄはグランドに接続されている。磁気抵抗素子Ｒｃと磁気抵抗素子Ｒｄの接続点は第１の中点電圧Ｖ１として抵抗Ｒ１を介してオペアンプ３０１の反転入力端子に入力され、磁気抵抗素子Ｒａと磁気抵抗素子Ｒｂの接続点は第２の中点電圧Ｖ２として抵抗Ｒ２を介してオペアンプ３０１の非反転入力端子に入力される。

上記の磁気抵抗素子Ｒａ〜Ｒｄによるブリッジ回路と４５°傾いて配置された磁気抵抗素子Ｒｅ〜Ｒｈによるブリッジ回路も同様に、磁気抵抗素子Ｒｅ及び磁気抵抗素子Ｒｇに電源電圧Ｖｃｃが供給され、磁気抵抗素子Ｒｆ及び磁気抵抗素子Ｒｈはグランドに接続されている。磁気抵抗素子Ｒｇと磁気抵抗素子Ｒｈの接続点は第３の中点電圧Ｖ３として抵抗Ｒ４を介してオペアンプ３０２の反転入力端子に入力され、磁気抵抗素子Ｒｅと磁気抵抗素子Ｒｆの接続点は第４の中点電圧Ｖ４として抵抗Ｒ５を介してオペアンプ３０２の非反転入力端子に入力される。

オペアンプ３０１は、上記した中点電圧Ｖ１と中点電圧Ｖ２の差動増幅器として動作する。その差動出力をＶｓとすると、Ｖｓ＝−（Ｖ１−Ｖ２）・Ｒｆ１／Ｒ１である。また、オペアンプ３０２は、上記した中点電圧Ｖ３と中点電圧Ｖ４の差動増幅器として動作する。その差動出力をＶｃとすると、Ｖｃ＝−（Ｖ３−Ｖ４）・Ｒｆ２／Ｒ４である。

オペアンプ３０１は減算回路であり、差動出力Ｖｓを得る第１検出部として機能する。また、オペアンプ３０２は減算回路であり、差動出力Ｖｃを得る第２検出部として機能する。ここで、図４は、第１検出部と第２検出部の回転検出部の回転角θと出力信号の関係を示すグラフである。図１に示した回転検出部１００と磁気センサデバイス２００との角度θの設定とＲ１、Ｒｆ１、Ｒ４、Ｒｆ２の設定により、図４に示すように、差動出力Ｖｓをｓｉｎθ（ｓｉｎ波）、差動出力Ｖｃを位相差９０°のｃｏｓθ（ｃｏｓ波）とすることができる。

割算回路３０３は、入力をＸ、Ｙとすると、出力Ｖ_Ｔは、Ｖ_Ｔ＝Ｙ／Ｘであるアナログ回路である。入力Ｘとして上記の差動出力Ｖｃ、入力Ｙとして上記の差動出力Ｖｓとすると、出力Ｖ_Ｔは、Ｖ_Ｔ＝Ｖｓ／Ｖｃであり、これはｔａｎθである。尚、割算回路３０３は、例えば、図６に示すように、オペアンプＡ１〜Ａ４、トランジスタＱ１〜Ｑ４、抵抗Ｒ１０１〜Ｒ１０８、コンデンサＣ１〜Ｃ７、ダイオードＤ１、Ｄ２の組合せによるアナログ回路で実現できる。

オペアンプ３０４は、反転増幅器である。オペアンプ３０２の差動出力Ｖｃが反転入力端子に入力され、ゲイン４倍で増幅する。図３に示すように、Ｒｆ３／Ｒ７を４に設定することにより、その出力は、−４Ｖｃとなる。

オペアンプ３０５は、減算回路である。割算回路３０３の出力Ｖ_Ｔが反転入力端子に入力され、オペアンプ３０４の出力（−４Ｖｃ）が非反転入力端子に入力される。ここで、Ｒｆ４／Ｒ９を１／５に設定することにより、出力Ｖ_ｏｕｔは、Ｖ_ｏｕｔ＝−（Ｖ_Ｔ＋４Ｖｃ）／５とすることができる。すなわち、極性を反転させて示せば、アナログ演算回路３００の出力は、Ｖ_ｏｕｔ＝（ｔａｎθ＋４ｃｏｓθ）／５と表すことができる。

図５は、アナログ演算回路３００の回転検出部の回転角θと演算結果の出力信号の関係を示すグラフである。第１検出部の出力ｓｉｎθと第２検出部の出力ｃｏｓθから、アナログ演算により、（ｔａｎθ＋４ｃｏｓθ）／５が出力できる。この出力（ｔａｎθ＋４ｃｏｓθ）／５の一部の範囲は、角度θに対する線形性が良好である。図５に示すように、例えば、５０≦θ≦１５０°における出力を回転検出部の回転角θに応じた出力とすることで、理想的な直線（目標）に近似する線形性のよい回転検出装置１０が実現できる。

［本発明の実施の形態による効果］
（１）本発明の実施の形態によれば、回転検出部の出力であるｓｉｎ波、ｃｏｓ波からＡｒｃｔａｎを算出する必要がないので、デジタル技術を使用しないで、アナログ技術で直線出力信号に変換することができる。従って、ｓｉｎ波、ｃｏｓ波から算出される直線出力信号は、オペアンプ等のアナログ回路のみで構成可能である為、簡易な回路構成で、回転角度を直線出力信号に変換するセンサを実現できる。
（２）第１検出部の出力ｓｉｎ波と第２検出部の出力ｃｏｓ波の四則演算及びそれらの線形和から回転角度を直線出力信号に変換する。上記示した実施の形態では、演算結果の出力を（ｔａｎθ＋４ｃｏｓθ）／５としたが、線形和の組み合わせ及び各係数は、回転角度に対する直線出力の直線性に応じて適宜変更することができる。
（３）本発明の実施の形態では、回転角を５０≦θ≦１５０°の範囲としたが、この直線出力の範囲は変更することが可能である。回転角に対する直線出力の精度を向上させるために、回転角の範囲を狭めて直線性に優れた回転検出装置とすることができる。また、回転角に対する直線出力の精度を低下させて回転角の範囲を広げた回転検出装置とすることもでき、アナログ回路のみで構成した応用性の高い回転検出装置を実現できる。
（４）上記示したように、本発明の実施の形態はアナログ回路のみで構成することができるので、大規模な信号処理回路を必要とせず、面積を小さくできる。従って、ＩＣ化する場合でも低コスト化が可能になる。

以上、本発明に好適な実施の形態を説明したが、本発明はこの実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲内で種々の変形が可能である。

１０…回転検出装置
１００…回転検出部
１０１…回転部材
１０２…マグネット
２００…磁気センサデバイス
３００…アナログ演算回路
３０１、３０２…オペアンプ
３０３…割算回路
３０４、３０５…オペアンプ
Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４…抵抗
Ｒｆ１、Ｒｆ２、Ｒｆ３、Ｒｆ４…抵抗
Ｒａ、Ｒｂ、Ｒｃ、Ｒｄ…磁気抵抗素子
Ｒｅ、Ｒｆ、Ｒｇ、Ｒｈ…磁気抵抗素子
Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４…中点電圧
Ｖｓ、Ｖｃ…差動出力
Ｖｃｃ…電源電圧
Ｖ_ｏｕｔ…出力
Ｖ_Ｔ 出力
Ｘ、Ｙ…入力
θ…回転角

Claims (3)

1. 回転検出部の回転角に応じてそれぞれ位相の異なる正弦波信号を出力する第１検出部及び第２検出部を備えた検出部と、
   前記検出部の第１検出部の出力と第２検出部の出力との割算を行なう割算部と、前記割算部の出力と前記検出部の出力の線形和を出力するアナログ演算部と、を有し、
   前記回転角の一部の範囲において、その回転角に対応した線形出力を行なうことを特徴とする回転検出装置。
2. 前記位相は９０°であり、回転角θに対する前記第１検出部の出力をｓｉｎθ、前記第２検出部の出力をｃｏｓθとすると、
   前記アナログ演算部の出力は、（ｔａｎθ＋４ｃｏｓθ）／５であって、５０≦θ≦１５０°における前記線形出力を回転検出部の回転角に応じた出力とすることを特徴とする請求項１に記載の回転検出装置。
3. 前記第１検出部及び前記第２検出部は、それぞれＭＲ素子により構成され、互いに４５°方向をずらして２方向の磁場を検出するよう配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の回転検出装置。

Images