JP2014215114A

JP2014215114A - パルス信号出力回路

Info

Publication number: JP2014215114A
Application number: JP2013091172A
Authority: JP
Inventors: 真一武田; Shinichi Takeda
Original assignee: Tokai Rika Co Ltd
Current assignee: Tokai Rika Co Ltd
Priority date: 2013-04-24
Filing date: 2013-04-24
Publication date: 2014-11-17

Abstract

【課題】回転角を検出するセンサとその出力を取得するデバイスとの配置関係の自由度を高めることができ、センサとデバイスとを繋ぐ配線の本数も減らすことができるパルス信号出力回路を提供する。
【解決手段】磁気センサ４は、被検出物の角度に応じたsin信号及びcos信号を、アンプ５，６を各々介してＡ／Ｄ変換回路１０に出力し、それぞれデジタル値に変換する。sin信号及びcos信号の各デジタル値は、補正回路１１によってオフセット及び振幅が補正される。補正後のsin信号及びcos信号は、２乗計算回路１２によって２乗される。出力回路１３は、sin信号の２乗値とcos信号の２乗値とを信号のＨｉ及びＬｏに各々割り付けることにより１つのパルス信号Ｓplを生成し、これをマイクロコンピュータ３に出力する。回転角演算部１５は、入力したパルス信号Ｓplを基に、被検出物の回転角を演算する。
【選択図】図１

Description

本発明は、被検出物の回転を検出するセンサから出力される正弦波及び余弦波を、１つのパルス信号に変換して出力するパルス信号出力回路に関する。

従来、図４に示すように、複数の磁気抵抗素子がブリッジ状に組まれた磁気センサ８２から出力されるsin信号及びcos信号を基に、被検出物の角度を演算する回転角度検出装置８１が周知である（特許文献１等参照）。磁気センサ８２のセンサ出力は、sin信号がアンプ８３によって増幅され、cos信号がアンプ８４によって増幅されて、マイクロコンピュータ８５に各々入力される。マイクロコンピュータ８５は、増幅後のsin信号及びcos信号を基に、被検出物の回転角度を演算する。

特開２００６−４７２２８号公報

磁気センサ８２から出力されるsin信号及びcos信号は、アナログ出力であるので、ノイズに弱いという現状がある。このため、磁気センサ８２とそのセンサ出力を取得するデバイス、具体的にはアンプ８３，８４とマイクロコンピュータ８５とを近接配置する必要があるので、各々のデバイスの配置箇所が制限され、設計自由度が低くなってしまう問題があった。また、sin信号及びcos信号の各々で信号出力の配線が必要となるので、配線を少なくしたいニーズに支障を来していた。

本発明の目的は、回転角を検出するセンサとその出力を取得するデバイスとの配置関係の自由度を高めることができ、センサとデバイスとを繋ぐ配線の本数も減らすことができるパルス信号出力回路を提供することにある。

前記問題点を解決するパルス信号出力回路は、被検出物の回転を検出するセンサから出力される正弦波及び余弦波を後段の演算部に出力し、当該正弦波及び余弦波を基に当該演算部に前記被検出物の回転角を演算させる構成において、前記正弦波及び余弦波のオフセット及び振幅の少なくとも一方を補正する補正回路と、補正後の前記正弦波及び余弦波を各々２乗する２乗計算回路と、前記正弦波の２乗値と前記余弦波の２乗値とを信号のＨｉ及びＬｏに各々割り付けることにより、前記回転角に応じたパルス信号を生成し、当該パルス信号を前記演算部に出力し、前記演算部に当該パルス信号により前記被検出物の回転角を演算させる出力回路とを備えた。

本構成によれば、正弦波及び余弦波を各々２乗し、これら２乗値を信号のＨｉ及びＬｏにそれぞれ割り付けることにより、１つのパルス信号に変換して出力する。このように、センサから出力される正弦波及び余弦波の２つの信号を２乗してまとめて、１つのパルス信号として出力する。このため、センサから正弦波及び余弦波をそのままアナログ出力する必要がないので、センサとその出力を取得するデバイスとの位置関係を、ノイズ影響を考慮に入れた近接配置とせずに済む。即ち、センサとデバイスとを近接配置せずに済む。よって、センサとデバイスとの配置自由度を高くすることが可能となる。また、センサとデバイスとを繋ぐ配線の本数も削減することが可能となる。

前記パルス信号出力回路において、前記センサから出力された前記正弦波及び余弦波をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換回路を備え、前記補正及び２乗計算は、前記Ａ／Ｄ変換回路から出力されたデジタル値を用いて行うことが好ましい。この構成によれば、デジタル値で２乗演算を行うので、演算を簡素な処理とすることが可能となる。

前記パルス信号出力回路において、前記パルス信号のパルス長が、三角関数の定理から決まる範囲に収まるか否かを確認することにより、当該パルス信号の異常有無を判定する異常判定部を備えることが好ましい。この構成によれば、パルス信号に異常があるか否かを判定することが可能となり、パルス信号に異常が発生しているとき、例えば動作を停止するなどの対処をとることが可能となる。

本発明によれば、回転角を検出するセンサとその出力を取得するデバイスとの配置関係の自由度を高めることができ、センサとデバイスとを繋ぐ配線の本数も減らすことができる。

一実施形態の回転角度検出装置の構成図。磁気センサのアナログ出力の信号波形図。ＰＷＭ出力されるパルス信号の詳細を説明する信号波形図。従来の回転角度検出装置の構成図。

以下、パルス信号出力回路の一実施形態を図１〜図３に従って説明する。
図１に示すように、回転角度検出装置１は、被検出物の回転量を検出する１チップ状のＩＣ回路２と、ＩＣ回路２の出力に基づき被検出物の回転量を演算するマイクロコンピュータ３とを備える。ＩＣ回路２は、被検出物の回転量に応じた正弦波（以降、sin信号と記す）及び余弦波（以降、cos信号と記す）を出力する磁気センサ４と、磁気センサの出力であるsin信号及びcos信号を、アンプ５，６を介して入力し、増幅後のsin信号及びcos信号を基に、回転量に応じたパルス幅を有する１つのパルス信号Ｓplに変換出力する磁気センサ２乗データＰＷＭ（Pulse Width Modulation）出力回路７とを備える。なお、磁気センサ４がセンサの一例である。

磁気センサ４は、磁界を互いに４５°傾く向きで検出する一対のセンサ素子８，９からなる。各々のセンサ素子８，９は、４つの磁気抵抗素子Ｒ１〜Ｒ４をブリッジ状に組んだ回路からなり、ブリッジ回路間の電位差を検出信号として出力する。本例の場合、第１センサ素子８がsin信号を出力し、第２センサ素子９がcos信号を出力する。

磁気センサ２乗データＰＷＭ出力回路７には、増幅後のsin信号及びcos信号をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換回路１０と、Ａ／Ｄ変換後のsin信号及びcos信号（ともにデジタル値）のオフセット及び振幅を補正する補正回路１１とが設けられている。磁気センサ２乗データＰＷＭ出力回路７には、オフセット及び振幅が補正されたデジタルのsin信号及びcos信号をそれぞれ２乗計算する２乗計算回路１２と、２乗値の(sinθ)^２及び(cosθ)^２を信号のＨｉ及びＬｏに各々割り付けることにより、被検出物の回転角に応じたパルス信号Ｓplを生成し、このパルス信号Ｓplをマイクロコンピュータ３に出力する出力回路１３とが設けられている。出力回路１３は、マイクロコンピュータ３に配設された入力ポート１４に接続されている。

パルス信号Ｓplは、sin信号の２乗値である(sinθ)^２が「Ｈｉ」に割り付けられ、cos信号の２乗値である(cosθ)^２が「Ｌｏ」に割り付けられることにより構築されている。被検出物の回転量を検出する場合、三角関数の定理（ピタゴラスの定理）により、(sinθ)^２＋(cosθ)^２＝１の関係が常に成立する。即ち、パルス信号Ｓplのパルス長Ｔは常に「１」となる。よって、パルス信号Ｓplは、パルス長Ｔが「１」の一定の周期を常時とりつつ、被検出物の回転角に応じたパルス幅を有するパルス状の信号で出力される。

マイクロコンピュータ３には、磁気センサ２乗データＰＷＭ出力回路７から入力したパルス信号Ｓplを基に、被検出物の回転角を演算する回転角演算部１５と、パルス信号Ｓplのパルス長Ｔが、三角関数の定理から決まる範囲に収まるか否かを確認することにより、パルス信号Ｓplの異常有無を判定する異常判定部１６とが設けられている。回転角演算部１５は、パルス信号ＳplのＨｉレベルの時間（周期）を確認することにより、回転角を演算する。異常判定部１６は、パルス信号Ｓplのパルス長Ｔが「１」からどれだけずれているのかを算出し、そのずれ量が所定範囲±α内に収まっているか否かを確認することにより、パルス信号Ｓplの異常有無を判定する。なお、回転角演算部１５が演算部の一例である。

次に、図１〜図３を用いて、回転角度検出装置１の動作を説明する。
図１に示すように、磁気センサ４は、例えば被検出物に取り付けられた磁石の磁界を受け、その磁界の向きに応じたsin信号及びcos信号を、アナログ信号で出力する。磁気センサ４から出力されたsin信号及びcos信号は、アンプ５，６で各々増幅され、Ａ／Ｄ変換回路１０に出力される。Ａ／Ｄ変換回路１０は、アナログのsin信号及びcos信号をデジタル信号に変換し、補正回路１１に出力する。

図２に、磁気センサ４から出力されるアナログ状のsin信号及びcos信号の信号波形を図示する。同図に示されるように、磁気センサ４から出力されるsin信号及びcos信号は、振幅方向（縦軸）においてオフセットされて出力される現状がある。また、sin信号及びcos信号の振幅値も、角度演算に適する値をとっていない。よって、補正回路１１は、Ａ／Ｄ変換回路１０から出力されるデジタルのsin信号及びcos信号においてオフセット及び振幅を補正することにより、デジタルのsin信号及びcos信号を最適化する。

図１に示すように、２乗計算回路１２は、補正後のデジタル値のsin信号及びcos信号を、それぞれ２乗する。出力回路１３は、sin信号及びcos信号の各２乗値(sinθ)^２，(cosθ)^２を、信号のＨｉ，Ｌｏ区間に各々割り付けることにより、パルス信号Ｓplを生成する。出力回路１３は、生成したパルス信号Ｓplをマイクロコンピュータ３に出力する。マイクロコンピュータ３は、出力回路１３から出力されたパルス信号Ｓplを入力ポート１４において入力する。

図３に、パルス信号Ｓplの波形の詳細について図示する。同図に示されるように、パルス信号Ｓplは、Ｈｉ区間に(sinθ)^２が割り付けられ、Ｌｏ区間に(cosθ)^２が割り付けられることによって生成されている。パルス信号Ｓplは、三角関数の定理を満足するのであれば、常に(sinθ)^２＋(cosθ)^２＝１の関係が成立する。よって、パルス信号Ｓplは、パルス長Ｔが必ず「１」となる波形をとり、被検出物の回転角に応じたＨｉ及びＬｏ区間を有する信号となる。

図１に示すように、回転角演算部１５は、出力回路１３から入力したパルス信号Ｓplを基に、被検出物の回転角を演算する。具体的には、回転角演算部１５は、Ｈｉレベルの時間長がいくつの値をとるかを確認することにより、被検出物の回転角を演算する。マイクロコンピュータ３は、回転角演算部１５によって演算した回転角データを、このデータを必要とする他のＥＣＵに出力する。

また、異常判定部１６は、出力回路１３から入力したパルス信号Ｓplを基に、パルス信号Ｓplの異常有無を逐次判定する。ここで、回転算出であれば、三角関数の定理が満足されるはずであるので、(sinθ)^２＋(cosθ)^２＝１の関係が常に成立する。よって、異常判定部１６は、パルス信号Ｓplのパルス長Ｔが「１」に対するずれ量を算出し、このずれ量が許容範囲±α内に収まっているか否かを確認することにより、パルス信号Ｓplの異常有無を判断する。異常判定部１６は、ずれ量が許容範囲の±α以上となるとき、例えば磁気センサ４の電源を落とす（リセットする）などして、異常に対する対処を実行する。

本実施形態の構成によれば、以下に記載の効果を得ることができる。
（１）回転角度検出装置１は、磁気センサ４から出力されるsin信号及びcos信号を各々２乗してまとめて、これらを１つのパルス信号Ｓplに変換して出力する磁気センサ２乗データＰＷＭ出力回路７を備えた。このため、磁気センサ４からsin信号及びcos信号をそのままマイクロコンピュータ３にアナログ出力する必要がないので、磁気センサ４とマイクロコンピュータ３との位置関係を、ノイズ影響を考慮に入れた近接配置とせずに済む。即ち、磁気センサ４とマイクロコンピュータ３とを近接配置せずに済む。よって、磁気センサ４とマイクロコンピュータ３との配置自由度を高くすることができる。ひいては、回転角度検出装置１の基板の設計自由度を高くすることができる。また、マイクロコンピュータ３と磁気センサ２乗データＰＷＭ出力回路７とは１本の配線で繋げばよいので、配線の本数も少なく済ますことができる。

（２）磁気センサ２乗データＰＷＭ出力回路７にＡ／Ｄ変換回路１０を設け、Ａ／Ｄ変換回路１０から出力されるデジタル値を２乗計算する。よって、アナログ値ではなくデジタル値で２乗計算を行うので、演算を簡素な処理とすることができる。

（３）磁気センサ４の出力を磁気センサ２乗データＰＷＭ出力回路７で２乗計算して、所定周期のパルス信号ＳplをＰＷＭ波形で出力する。よって、マイクロコンピュータ３に元からあるＰＷＭ入力ポートを使用することができるので、マイクロコンピュータ３のリソースを有効活用することができる。

（４）マイクロコンピュータ３は、パルス信号Ｓplの周期が(sinθ)^２＋(cosθ)^２＝１を満足するか否かを監視することにより、ＩＣ回路２に異常があるかどうかを判定する異常判定部１６を備えた。このような異常検知機能を回転角度検出装置１に設けておけば、例えば異常があると判定されたとき、例えば回転角度検出装置１の動作を停止するなどの対処をとることができる。

なお、実施形態はこれまでに述べた構成に限らず、以下の態様に変更してもよい。
・異常判定部１６が異常有りと判定したときに実行される対処は、磁気センサ４の電源を落としたり、リセットしたりする対処に限定されず、例えば回転角度検出装置１自体の電源を切るなど、種々の方式が採用可能である。

・磁気センサ４は、磁気抵抗素子に限らず、例えばホールＩＣを使用してもよい。
・センサは、磁気センサ４に限らず、例えば光学センサなど、他のセンサに変更可能である。

・被検出物は、例えばシフトレバーやスイッチ類など、種々の部材が適用可能である。
・補正回路１１は、正弦波及び余弦波のオフセット及び振幅の少なくとも一方を補正する回路であればよい。

・(sinθ)^２を「Ｌｏ」に割り付け、(cosθ)^２を「Ｈｉ」に割り付けて、ＰＷＭ波形のパルス信号Ｓplを生成してもよい。
・磁気センサ４のアナログ出力で２乗計算をしてもよい。

・パルス信号Ｓplの異常判定は、例えばパルス長Ｔが「１」を超えるか否かを監視する判定でもよい。
・演算部は、マイクロコンピュータ３に設けられることに限定されず、例えばＩＣ回路２に１機能として組み込んでもよい。

・異常判定部１６は、例えばＩＣ回路２（磁気センサ２乗データＰＷＭ出力回路７）に設けられてもよい。
次に、上記実施形態及び別例から把握できる技術的思想について、それらの効果とともに以下に追記する。

（イ）前記パルス信号出力回路において、前記出力回路は、前記パルス信号を前記演算部のＰＷＭ入力ポートに出力する。この構成によれば、演算部にＰＷＭポートが元々設けられていれば、これを有効利用することが可能となる。

（ロ）前記パルス信号出力回路において、前記センサ、前記補正回路、前記２乗計算回路及び出力回路は、１つのＩＣ上に形成されている。この構成によれば、パルス信号出力回路を１チップ化することが可能となる。

４…センサとしての磁気センサ、１０…Ａ／Ｄ変換回路、１１…補正回路、１２…２乗計算回路、１３…出力回路、１５…演算部としての回転角演算部、１６…異常判定部、Ｓpl…パルス信号、Ｔ…パルス長。

Claims

被検出物の回転を検出するセンサから出力される正弦波及び余弦波を後段の演算部に出力し、当該正弦波及び余弦波を基に当該演算部に前記被検出物の回転角を演算させるパルス信号出力回路において、
前記正弦波及び余弦波のオフセット及び振幅の少なくとも一方を補正する補正回路と、
補正後の前記正弦波及び余弦波を各々２乗する２乗計算回路と、
前記正弦波の２乗値と前記余弦波の２乗値とを信号のＨｉ及びＬｏに各々割り付けることにより、前記回転角に応じたパルス信号を生成し、当該パルス信号を前記演算部に出力し、前記演算部に当該パルス信号により前記被検出物の回転角を演算させる出力回路と
を備えたことを特徴とするパルス信号出力回路。
前記センサから出力された前記正弦波及び余弦波をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換回路を備え、
前記補正及び２乗計算は、前記Ａ／Ｄ変換回路から出力されたデジタル値を用いて行う
ことを特徴とする請求項１に記載のパルス信号出力回路。
前記パルス信号のパルス長が、三角関数の定理から決まる範囲に収まるか否かを確認することにより、当該パルス信号の異常有無を判定する異常判定部を備えた
ことを特徴とする請求項１又は２に記載のパルス信号出力回路。