JP2016065735A

JP2016065735A - 磁気センサ

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Publication number: JP2016065735A
Application number: JP2014193338A
Authority: JP
Inventors: 敦雄志津; Atsuo Shizu
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2014-09-24
Filing date: 2014-09-24
Publication date: 2016-04-28
Anticipated expiration: 2034-09-24
Also published as: JP6327086B2

Abstract

【課題】電源の瞬停が起こったとしてもピーク値やボトム値を再学習することなく２値化信号を生成することができる磁気センサを提供する。
【解決手段】磁気素子１１０は、ギヤ２００の回転に伴って変化する外部磁場を磁気信号として出力する。Ａ／Ｄ変換部１３０は、磁気信号を所定のサンプリング周期でデジタル信号に変換し、デジタル回路部１４０に出力する。デジタル回路部１４０の記憶部１４１は、サンプリング周期毎のデジタル信号の信号値を記憶する。また、演算部１４２は、記憶部１４１に今回記憶されたデジタル信号の信号値と前回記憶されたデジタル信号の信号値との差分を取得することにより、磁気信号が微分されたことと同等の微分信号を取得する。そして、２値化部１４３は、微分信号の信号値と２値化閾値とを比較して微分信号を２値化した２値化信号を取得する。
【選択図】図２

Description

本発明は、回転体の回転を検出する磁気センサに関する。

従来より、センサ電圧の処理回路が、例えば特許文献１で提案されている。具体的には、処理回路は、センサ電圧のオフセットを調整する自動オフセット調整機能と、センサ電圧のゲインを調整する自動ゲイン機能と、を有している。また、処理回路は、自動オフセット調整機能及び自動ゲイン機能によって調整されたセンサ電圧のピーク値とボトム値を保持する保持機能と、センサ電圧のピーク値とボトム値との中間値を閾値としてセンサ電圧を２値化する２値化機能と、を有している。

センサ電圧のピークはピークホールド回路に保持され、センサ電圧のボトム値はボトムホールド回路に保持される。これらの回路は、コンパレータやカウンタ等から構成され、電源電圧が供給されることによって動作する。

特開２０１１−１９６９０４号公報

しかしながら、上記従来の技術では、処理回路は電源が供給された状態で動作するので、処理回路に供給される電源が瞬間的に停止した場合はピークホールド回路やボトムホールド回路に保持された値が消去されてしまう。このため、処理回路に対して電源が瞬停した場合、２値化信号を生成するためにピークホールド回路やボトムホールド回路に再びピーク値やボトム値を保持させる再学習が必要になってしまうという問題があった。

本発明は上記点に鑑み、電源の瞬停が起こったとしてもピーク値やボトム値を再学習することなく２値化信号を取得することができる磁気センサを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、回転体（２００）に対向配置され、回転体（２００）の回転に伴って変化する外部磁場を検出し、当該検出結果を磁気信号として出力する磁気素子（１１０）を備えている。

また、磁気信号を入力し、磁気信号を所定のサンプリング周期でデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換部（１３０）と、Ａ／Ｄ変換部（１３０）からデジタル信号を入力し、サンプリング周期毎のデジタル信号の信号値を記憶する記憶部（１４１）と、を備えている。

また、Ａ／Ｄ変換部（１３０）から記憶部（１４１）に今回記憶されたデジタル信号の信号値と前回記憶されたデジタル信号の信号値との差分を取得することにより、磁気信号が微分された微分信号を取得する演算部（１４２）を備えている。

さらに、微分信号を２値化するための２値化閾値を有し、演算部（１４２）から微分信号を入力し、微分信号の信号値と２値化閾値とを比較して微分信号を２値化した２値化信号を取得する２値化部（１４３）を備えていることを特徴とする。

これによると、演算部（１４２）によって取得される微分信号は磁気信号の変化分であるので、磁気信号のピーク値やボトム値を取得しなくても微分信号の信号値と２値化閾値とを直接比較することにより２値化信号を取得することができる。

また、電源の瞬停が起こって記憶部（１４１）のデータが消えたとしても、電源が復帰した後の一サンプリング周期後には再びデジタル信号が記憶部（１４１）に記憶される。このため、数サンプリング周期後には演算部（１４２）によって微分信号を取得することができる。したがって、電源の瞬停が起こったとしても磁気信号のピーク値やボトム値を再学習することなく２値化信号を取得することができる。

なお、この欄及び特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

本発明の第１実施形態に係る磁気センサとギヤを示した図である。図１に示された磁気センサの構成を示した図である。演算部が行う微分演算を説明するための図である。磁気素子で取得される磁気信号の波形を示した図である。演算部で取得される微分信号の波形を示した図である。本発明の第１実施形態に係る磁気センサの構成を示した図である。ギヤの順回転及び逆回転の磁気信号の波形を示した図である。図７に示された磁気信号に基づく微分信号の波形を示した図である。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。

（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態について図を参照して説明する。本実施形態に係る磁気センサは、例えば車両に搭載されたトランスミッションのギヤの回転を検出するセンサとして用いられるものである。

図１に示されるように、磁気センサ１００は、トランスミッションのギヤ２００の外周部に対して所定のギャップを持って配置される。また、磁気センサ１００は、トランスミッションの各種制御を行う図示しないＥＣＵ（Electrical Control Unit）に電気的に接続されている。

そして、図２に示されるように、磁気センサ１００は、磁気素子１１０、増幅部１２０（ＡＭＰ）、Ａ／Ｄ変換部１３０（ＡＤＣ）、デジタル回路部１４０、及び出力部１５０を備えて構成されている。

磁気素子１１０は、ギヤ２００の回転に伴って変化する外部磁場を検出するセンシング素子である。磁気素子１１０はギヤ２００に対向配置される。また、磁気素子１１０は、例えば図示しない一対の磁気抵抗素子を有している。一対の磁気抵抗素子は直列接続されていると共に、電源が直列に接続されている。

このような構成によると、一対の磁気抵抗素子はギヤ２００の回転位置、すなわち図１に示されたギヤ歯２１０の有無に応じて抵抗値を変化させる。その結果、一対の磁気抵抗素子の中点の電圧が変化する。したがって、磁気素子１１０はギヤ２００の回転に伴って中点の電圧の変化を検出し、当該検出結果を磁気信号として出力する。磁気信号はギヤ２００の回転位置に応じて振幅が変化する波形信号となる。

図２の増幅部１２０は、磁気素子１１０から磁気信号を入力すると共に、当該磁気信号を所定の増幅率で増幅する回路部である。増幅部１２０は、例えば図示しないオペアンプを備えたアナログ増幅回路として構成されている。

Ａ／Ｄ変換部１３０は、増幅部１２０から磁気信号を入力すると共に、磁気信号を所定のサンプリング周期でデジタル信号に変換する回路部である。Ａ／Ｄ変換部１３０は、図示しないオシレータからクロック信号を入力し、このクロック信号をトリガとして所定のサンプリング周期でＡ／Ｄ変換を行うように動作する。

具体的には、図３に示されるように、Ａ／Ｄ変換部１３０はｔ１でｙ１を取得し、ｙ１をデジタル信号としてデジタル回路部１４０に出力する。続いて、Ａ／Ｄ変換部１３０はｔ１から一サンプリング周期後のｔ２でｙ２を取得し、ｙ２をデジタル信号としてデジタル回路部１４０に出力する。この後、Ａ／Ｄ変換部１３０は、ｔ３、ｔ４についても同様に、ｙ３、ｙ４をデジタル回路部１４０に出力する。ｔ１からｔ２まで、ｔ２からｔ３まで、ｔ３からｔ４までの時間はサンプリング周期に対応した時間であり、一定時間である。サンプリング周期は例えば４μｓである。

このように、Ａ／Ｄ変換部１３０は、サンプリング周期毎にＡ／Ｄ変換後の磁気信号をデジタルデータであるデジタル信号としてデジタル回路部１４０に出力する。Ａ／Ｄ変換部１３０は、例えばＩＣチップで構成されている。

デジタル回路部１４０は、Ａ／Ｄ変換部１３０からデジタル信号を入力し、このデジタル信号を信号処理して２値化信号を生成する回路部である。具体的に、デジタル回路部１４０は、記憶部１４１、演算部１４２、及び２値化部１４３を備えて構成されている。

記憶部１４１は、Ａ／Ｄ変換部１３０からデジタル信号を随時入力し、サンプリング周期毎のデジタル信号の信号値、すなわち振幅値のデジタルデータを記憶するメモリ回路である。上述のように、アナログ信号である磁気信号は所定のサンプリング周期でデジタル化されているので、記憶部１４１は、常に一定の時間間隔での信号値を記憶する。

演算部１４２は、Ａ／Ｄ変換部１３０から記憶部１４１に今回記憶されたデジタル信号の信号値と前回記憶されたデジタル信号の信号値との差分を取得する回路部である。ここで、「前回」と「今回」との差は、一サンプリング周期の時間間隔である。つまり、「前回」の信号値は「今回」の信号値の一サンプリング周期前の値である。

具体的には、図３に示されるように、ｔ１におけるｙ１が前回記憶されたデジタル信号の信号値に対応し、ｔ２におけるｙ２が今回記憶されたデジタル信号の信号値に該当する。したがって、演算部１４２が（ｙ２−ｙ１）を演算するということは、（ｙ２−ｙ１）／（ｔ２−ｔ１）＝Δｙ１／Δｘを演算することになる。

つまり、演算部１４２は、Ａ／Ｄ変換部１３０と共に磁気信号を微分する役割を果たす。微分演算は、局地的な振る舞いを調べ、それらの特徴を記載する方法であり、正弦波を微分するとその傾きを得ることができる。

そして、ｔ２におけるｙ２が前回記憶されたデジタル信号の信号値になり、ｔ３におけるｙ３が今回記憶されたデジタル信号の信号値になるので、演算部１４２は（ｙ３−ｙ２）／（ｔ３−ｔ２）＝Δｙ２／Δｘを演算する。同様に、ｔ３におけるｙ３が前回記憶されたデジタル信号の信号値になり、ｔ４におけるｙ４が今回記憶されたデジタル信号の信号値になるので、演算部１４２は（ｙ４−ｙ３）／（ｔ４−ｔ３）＝Δｙ３／Δｘを演算する。演算部１４２はこのような演算を続けることにより、磁気信号が微分された微分信号を取得する。

２値化部１４３は、演算部１４２で取得された微分信号を２値化する回路部である。このため、２値化部１４３は、微分信号を２値化するための２値化閾値を有している。したがって、２値化部１４３は、演算部１４２から微分信号を入力し、当該微分信号の信号値と２値化閾値とを比較して微分信号を２値化した２値化信号を取得する。上述のように、微分信号は変化分のみの信号であるので、２値化閾値は例えば０に設定される。なお、２値化閾値は０に限られず、他の値に任意に設定されても良い。

上記の構成のデジタル回路部１４０は、例えばＩＣチップで構成されている。すなわち、記憶部１４１、演算部１４２、及び２値化部１４３はソフトウェアによって実現されており、所定のプログラムに従って動作する。

出力部１５０は、外部機器であるＥＣＵに２値化信号をアナログ信号として外部に出力するための出力回路である。出力部１５０は、図示しないトランジスタを有しており、例えば２値化信号によってトランジスタをＯＮ／ＯＦＦさせることにより、２値化信号をアナログの電圧値としてＥＣＵに出力する。

以上が、本実施形態に係る磁気センサ１００の全体構成である。このように、磁気センサ１００は、磁気素子１１０からＡ／Ｄ変換部１３０のアナログ信号処理回路までのアナログ信号を扱う回路部と、Ａ／Ｄ変換部１３０のデジタル信号処理回路から２値化部１４３までのデジタル信号を扱う回路部と、で構成されていると言える。

次に、磁気センサ１００の作動について説明する。まず、図１に示されるように、ギヤ２００が順回転すると、ギヤ歯２１０と磁気素子１１０とのギャップが変化するので、磁気素子１１０の一対の磁気抵抗素子が外部磁場の影響を受ける。このため、一対の磁気抵抗素子の抵抗値の変化に基づいて、各磁気抵抗素子の中点の電圧が変化する。磁気素子１１０は当該中点の電圧を磁気信号として出力する。

そして、増幅部１２０は、磁気信号を所定の増幅率で増幅する。その結果、図４に示されるように、振幅値の０を基準としたとき、磁気信号はオフセットを持った波形となる。

この後、Ａ／Ｄ変換部１３０が磁気信号を所定のサンプリング周期でデジタル信号に変換し、デジタル回路部１４０の演算部１４２が記憶部１４１に記憶されたデジタル信号の信号値の差分を得る。これにより、図５に示されるように、磁気信号のオフセット成分が無くなり、演算部１４２は磁気信号の変化分だけを取り出した微分信号を取得する。

このように微分演算を行うためには、一般的に、あるポイントでのｘ軸データの差分とｙ軸データの差分の除算を行う必要がある。本実施形態では、磁気信号をデジタルデータに変換するときに一定間隔でサンプリングを行っているため、ｘ軸データすなわち時間軸データの差分は常に一定になっている。このため、得られたｙ軸データすなわちデジタル信号の信号値（振幅データ）の差分を演算することで微分演算を行ったことと同一の結果を得ることができる。この後、２値化部１４３は、随時、微分信号を２値化閾値によって２値化する。

このような状況において、電源の瞬停が起こった場合、デジタル回路部１４０の記憶部１４１に記憶されたデジタル信号のデジタルデータが消去される。そして、電源が復帰すると、上述のように一サンプリング周期後には再び記憶部１４１にデジタル信号のデジタルデータが記憶される。

磁気素子１１０から増幅部１２０を介してＡ／Ｄ変換部１３０に入力される磁気信号の入力信号周期は例えば１２ｋＨｚである。すなわち、ギヤ歯２１０の１歯分が８３μｓである。これに対し、Ａ／Ｄ変換部１３０のサンプリング周期は４μｓであるから、ギヤ２００の回転時間が１歯も経過しない時間、例えば十数μｓもあれば、２値化信号を取得することができる。つまり、磁気信号のピーク値やボトム値の再学習が必要ない。

以上説明したように、本実施形態では、磁気素子１１０で取得された磁気信号をＡ／Ｄ変換部１３０とデジタル回路部１４０とでデジタル信号として処理することが特徴となっている。これにより、演算部１４２によって磁気信号の変化分を微分信号として取得することができる。すなわち、磁気信号のピーク値やボトム値を取得しなくても微分信号の信号値と２値化閾値とを比較することにより２値化信号を取得することができる。また、電源の瞬停によってデジタル回路部１４０の記憶部１４１のデジタルデータが消えたとしても、数サンプリング周期後には２値化信号を取得することができる。

さらに、磁気信号のピーク値やボトム値を学習するための回路部が不要であり、デジタルデータの差分のみで微分ができるようになるので、磁気センサ１００の回路規模を縮小することができる。例えば従来のようにアナログ信号のみを取り扱う場合、ハイパスフィルタを利用して信号値を学習することになる。しかし、ハイパスフィルタでは大きなキャパシタが必要であり、低周波領域に弱く、応答も遅い。これに対し、本実施形態のようにデジタル信号を取り扱う構成では、大きなキャパシタが不要であり、低周波領域に関係なく応答も遅くならないというメリットがある。

なお、本実施形態の記載と特許請求の範囲の記載との対応関係については、ギヤ２００が特許請求の範囲の「回転体」に対応する。

（第２実施形態）
本実施形態では、第１実施形態と異なる部分について説明する。図６に示されるように、磁気素子１１０は、第１磁気素子１１１及び第２磁気素子１１２を有している。第１磁気素子１１１は、ギヤ２００の順回転を検出する素子である。一方、第２磁気素子１１２は、ギヤ２００の逆回転を検出する素子である。

このように、第１磁気素子１１１と第２磁気素子１１２を採用しているのは、ギヤ２００の回転方向に応じて得られる磁気信号のオフセット成分が異なるためである。図７に示されるように、ギヤ２００の順回転と逆回転とでは磁気信号のオフセット成分及び振幅に違いがある。

また、増幅部１２０は、第１増幅部１２１及び第２増幅部１２２を有している。第１増幅部１２１は、第１磁気素子１１１の出力を増幅する。一方、第２増幅部１２２は、第２磁気素子１１２の出力を増幅する。

さらに、磁気センサ１００は、マルチプレクサ１６０（ＭＵＸ）を備えている。マルチプレクサ１６０は、ギヤ２００の回転方向に応じて第１磁気素子１１１及び第２磁気素子１１２のうちのいずれか一方の信号を、第１増幅部１２１または第２増幅部１２２を介して磁気信号としてＡ／Ｄ変換部１３０に入力する切替手段である。マルチプレクサ１６０は、例えば外部のＥＣＵからの指令に従って動作する。なお、ＥＣＵの指令はデジタル回路部１４０で処理され、デジタル回路部１４０によってマルチプレクサ１６０が制御されるようにしても良い。

上記の構成により、図８に示されるように、デジタル回路部１４０の演算部１４２によってギヤ２００のどちらの回転方向においても磁気信号のオフセット成分を除去することができる。このように、ギヤ２００の回転方向に応じた微分信号を得ることができる。

なお、本実施形態の記載と特許請求の範囲の記載との対応関係については、マルチプレクサ１６０が特許請求の範囲の「切替部」に対応する。

（他の実施形態）
上記各実施形態で示された磁気センサ１００の構成は一例であり、上記で示した構成に限定されることなく、本発明を実現できる他の構成とすることもできる。例えば、磁気素子１１０は増幅部１２０を含んだ構成になっていても良い。また、磁気信号が増幅不要であれば、磁気センサ１００は増幅部１２０を備えていなくても良い。磁気素子１１０の構成自体についても上記に限られない。

第２実施形態では、第１磁気素子１１１と第２磁気素子１１２の出力をマルチプレクサ１６０で切り替えてＡ／Ｄ変換部１３０に入力される構成であるが、これは一例である。したがって、マルチプレクサ１６０ではなく他の切替回路によって第１磁気素子１１１と第２磁気素子１１２の出力を切り替えても良い。

上記各実施形態では、磁気センサ１００は車両用のギヤ２００の回転検出に適用されているが、これは使用例の一例である。したがって、磁気センサ１００はギヤ２００以外の他の回転体の回転検出に適用されても良い。もちろん、回転体は車両用に限られない。

また、演算部１４２は、微分に相当する差分処理を１回行った後、さらにもう１回微分に相当する差分処理を行っても良い。つまり、演算部１４２は２回微分演算を行うように構成されていても良い。これによると、微分信号は生の磁気信号に対して位相が１８０度ずれる。しかし、測定対象を車両のカム・クランクに適用することが可能になる。このように、演算部１４２は複数回の差分処理を行っても良い。

１１０磁気素子
１３０Ａ／Ｄ変換部
１４０デジタル回路部
１４１記憶部
１４２演算部
１４３２値化部
２００ギヤ（回転体）

Claims

回転体（２００）に対向配置され、前記回転体（２００）の回転に伴って変化する外部磁場を検出し、当該検出結果を磁気信号として出力する磁気素子（１１０）と、
前記磁気信号を入力し、前記磁気信号を所定のサンプリング周期でデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換部（１３０）と、
前記Ａ／Ｄ変換部（１３０）から前記デジタル信号を入力し、前記サンプリング周期毎の前記デジタル信号の信号値を記憶する記憶部（１４１）と、
前記Ａ／Ｄ変換部（１３０）から前記記憶部（１４１）に今回記憶されたデジタル信号の信号値と前回記憶されたデジタル信号の信号値との差分を取得することにより、前記磁気信号が微分された微分信号を取得する演算部（１４２）と、
前記微分信号を２値化するための２値化閾値を有し、前記演算部（１４２）から前記微分信号を入力し、前記微分信号の信号値と前記２値化閾値とを比較して前記微分信号を２値化した２値化信号を取得する２値化部（１４３）と、
を備えていることを特徴とする磁気センサ。
前記磁気素子（１１０）は、前記回転体（２００）の順回転を検出する第１磁気素子（１１１）と、前記回転体（２００）の逆回転を検出する第２磁気素子（１１２）と、を有し、
さらに、前記回転体（２００）の回転方向に応じて前記第１磁気素子（１１１）及び前記第２磁気素子（１１２）のうちのいずれか一方の信号を前記磁気信号として前記Ａ／Ｄ変換部（１３０）に入力する切替部（１６０）を備えていることを特徴とする請求項１に記載の磁気センサ。