JP2016080408A - 回転角度検出回路 - Google Patents

Abstract

【課題】回転体の絶対角度を検出する際に、回転数の誤検出を防止し、回転体の絶対角度の検出精度をより向上させる。【解決手段】少なくとも２軸方向の磁場を検出する磁気センサの出力信号から、磁石を有する回転体の１回転内における回転角度を演算し、また、磁気センサの出力信号と演算した回転角度とから回転体の回転数を演算する。そして、演算した回転角度と回転数とから回転体の絶対回転角度を演算する。このとき、磁気センサの２軸方向の出力信号に基づき磁場強度信号Ｖｔｏｔａｌを演算すると共に、回転角度θａの大きさに応じた閾値を設定し、磁場強度信号Ｖｔｏｔａｌと閾値とをもとに回転体１の回転数ｎを算出する。磁気センサの２軸方向の出力信号だけでなく、回転角度θａにも基づいて回転体１の回転数ｎを算出することにより、より高精度に回転数を演算することができる。【選択図】 図３

Description

本発明は、多回転する回転体の回転角度を検出する回転角度検出回路、回転角度センサ及び回転角度検出装置に関する。

従来、１回転以上回転する、多回転の回転体の絶対角度を検出する装置として、例えば特許文献１に記載された回転角度検出装置が提案されている。
図１２は、特許文献１に記載の回転角度検出装置の構成を示したものであり、第１の回転体１０１と、第１の回転体１０１とは回転速度が異なる第２の回転体１０２とを備え、第１の回転体１０１の回転角を検出する第１の検出手段１０３と、第２の回転体１０２の回転角を検出する第２の検出手段１０５とを有する。この回転角度検出装置では、第１の検出手段１０３の出力と、第２の検出手段１０５の出力の両方を使用し、多回転する回転体の回転角を検出している。

なお、図１２において、（ａ）は回転角度検出装置の平面図、（ｂ）は同一部切欠側面図である。

特開２００２−３４０６１９号公報

従来の回転角度検出装置は、例えば図１３に示すように、回転体の回転に応じて変化する出力電圧レベルのみから、回転体の回転数を検出する構成である。つまり出力電圧レベルと閾値とを比較する、単純な閾値判定を用いて回転数を検出するため、例えば、回転体の角度がｎ回転目とｎ＋１回転目の境界付近の角度である場合に、回転数を誤検出する可能性がある。これは、磁石の経年変化や、外乱磁場等の影響、温度による磁気感度変動等により、検出される磁場強度が変動してしまい、認識される回転数が１つずれてしまうことがあるためである。
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、回転数の誤検出を防止し、回転体の絶対角度の検出精度をより向上させることの可能な回転角度検出回路、回転角度センサ及び回転角度検出装置を提供することを目的とする。

本発明の一態様による回転角度検出回路は、磁石を有する回転体の絶対回転角度を、少なくとも２軸方向の磁場を検出する磁気センサの出力信号を用いて検出する回転角度検出回路であり、前記磁気センサの出力信号から、前記回転体の１回転内における回転角度を演算する回転角度演算部と、前記磁気センサの出力信号と前記回転角度演算部で演算した前記回転角度とから前記回転体の回転数を演算する回転数演算部と、前記回転角度と前記回転数とから前記回転体の絶対回転角度を演算する絶対角度演算部と、を備えることを特徴とする。

本発明の他の態様による回転角度センサは、上記態様の回転角度検出回路と、第１の軸方向の磁場を検出する第１の磁気センサと、第１の軸方向と直交する第２の軸方向の磁場を検出する第２の磁気センサと、を備えることを特徴とする。
また、本発明の他の態様による回転角度検出装置は、上記態様の回転角度センサと、磁石が取り付けられ、回転しながら、第１の軸方向及び第２の軸方向と直交する第３の軸方向へ直線移動する回転体と、を備え、回転角度センサは、第３の軸方向の延長上に配置されることを特徴とする。

本発明によれば、回転体の回転数の誤検出を防止し、回転体の回転角度の検出精度をより向上させることができる。

本発明における回転角度検出装置の一例を示す概略構成図である。 Ｘ軸方向、Ｙ軸方向の磁気センサの出力信号を説明するための説明図である。 回転角度センサユニットの一例を示すブロック図である。 第１実施形態における回転数演算部の一例を示すブロック図である。 Ｘ軸方向磁気データＶｘとＹ軸方向磁気デ―タＶｙと磁場強度信号Ｖｔｏｔａｌとの角度依存性を示す特性図である。 磁場強度信号の特性変動により誤判定が生じる理由を説明するための説明図である。 第１実施形態における回転数演算部の演算方法を説明するための説明図である。 第１実施形態における回転数演算部の演算方法を説明するための説明図である。 第２実施形態における回転数演算部の一例を示すブロック図である。 第２実施形態における回転数演算部の演算方法を説明するための説明図である。 第２実施形態における回転数演算部の演算方法を説明するための説明図である。 従来の回転角度検出装置の一例を示す概略構成図である。 従来の回転角度検出装置の回転数の演算方法を説明するための説明図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
＜第１実施形態＞
まず、本発明の第１実施形態を説明する。
＜回転角度検出装置＞
図１は、第１実施形態における回転角度検出装置の一例を示す構成図である。

第１実施形態における回転角度検出装置は、検出対象の回転体１の回転運動を直進運動に変換する変換機構２と、磁石３と、回転角度センサユニット４と、を備える。
変換機構２は、図１に示すように、ねじ軸部材１１と、支持部材１２と、第１歯車１３と、第２歯車１４と、を備える。
回転体１の外周には第１歯車１３が固定され、回転体１の回転軸と第１歯車１３の回転軸とは一致する。第１歯車１３は、例えば接着等により回転体１の外周に固定されている。

ねじ軸部材１１の外周にはねじ山が形成されている。ねじ軸部材１１の長手方向中央部近傍には第２歯車１４が固定され、ねじ軸部材１１の回転軸と第２歯車１４の回転軸とは一致する。第２歯車１４は、例えばその両側から止め用のナット１４ａで挟み込むことにより、ねじ軸部材１１に固定されている。
第１歯車１３と第２歯車１４とは噛み合うように形成され、第１歯車１３はその回転軸の延びる方向の長さが、第２歯車１４の、回転軸の延びる方向の長さよりも長く、第２歯車１４が第１歯車１３と噛み合ったまま、第２歯車１４の回転軸の延びる方向に移動できるようになっている。

回転体１とねじ軸部材１１とは、支持部材１２により平行に且つ、第１歯車１３と第２歯車１４とが噛み合うように支持される。また、支持部材１２は、第１歯車１３を挟むように一対の支持部１２ａで回転体１を支持し、第２歯車１４を挟むように一対の支持部１２ｂでねじ軸部材１１を支持する。
回転体１の支持部１２ａは軸受け等で構成され、回転体１はその長手方向の位置を固定したまま回転自在に支持される。

ねじ軸部材１１の支持部１２ｂは、雄ねじとしてのねじ軸部材１１と噛み合う雌ねじが形成されたナットからなり、ねじ軸部材１１は、回転自在に支持されると共に、その長手方向にも移動可能に支持される。ねじ軸部材１１の長手方向への移動は、第２歯車１４が支持部１２ｂに接触することにより制限されるようになっている。
これにより、回転体１の回転は、第１歯車１３及び第２歯車１４を介して、ねじ軸部材１１に伝達され、ねじ軸部材１１が回転することにより、ねじ軸部材１１が長手方向に移動すると共に、第２歯車１４が第１歯車１３と噛み合ったまま第１歯車１３のねじ山に沿って移動し、第２歯車１４が支持部１２ｂに接することで長手方向の移動が制限されるようになっている。

磁石３は、図２に示すように、ねじ軸部材１１の一端に固定される。互いに直交する３軸をＸ、Ｙ、Ｚ軸とし、ねじ軸部材１１の長手方向をＺ軸としたとき、磁石３は、Ｘ軸及びＹ軸を含むＸ−Ｙ平面に沿って回転するように配置される。
磁石３は、後述する、回転角度センサユニット４に含まれる、Ｘ軸方向の磁場強度を検出するＸ軸方向磁気センサ２１と、Ｙ軸方向の磁場強度を検出するＹ軸方向磁気センサ２２とに対向するように配置される。

ねじ軸部材１１の回転に伴い、磁石３のＳ極とＮ極とがＸ−Ｙ平面に沿って回転することで、Ｘ軸、Ｙ軸方向磁気センサ２１、２２に入力されるＸ軸方向の磁場とＹ軸方向の磁場とが変化する。
また、ねじ軸部材１１のＺ軸方向への直線移動に伴い、磁石３が、Ｘ軸、Ｙ軸方向磁気センサ２１、２２に近づいたり、離れたりすることで、Ｘ軸、Ｙ軸方向磁気センサ２１、２２に入力される磁場強度が変動する。ここで、例えば、回転体１の回転が進むほど、第２歯車１４が回転角度センサユニット４に近づき、磁石３は回転角度センサユニット４に近づくようになっている。

図２は、磁石３の回転移動及び直線移動によって生じる、Ｘ軸、Ｙ軸方向磁気センサ２１、２２の各軸方向の磁場強度を説明するための説明図である。磁石３により、図２に示すような角度θ方向の磁場Ｂが生じるとき、Ｘ軸方向磁気センサ２１にはＢｃｏｓθの磁場がかかり、Ｙ軸方向磁気センサ２２にはＢｓｉｎθの磁場がかかる。それによって、Ｘ軸方向磁気センサ２１は、Ｘ軸方向磁気データＶｘとして、磁石３の回転角度θに対して余弦波状の信号Ｖｘ＝Ｖｃｏｓθを出力する。一方、Ｙ軸方向磁気センサ２２は、Ｙ軸方向磁気データＶｙとして、磁石３の角度θに対して正弦波状の信号Ｖｙ＝Ｖｓｉｎθを出力する。

具体的には、Ｘ軸、Ｙ軸方向磁気センサ２１、２２を、ホール素子で構成する場合は、磁気集束板を用いることでＩＣチップに対して水平方向に入力される磁束を収束し、Ｘ軸、Ｙ軸方向の磁場強度に応じた信号を、ホール起電力信号として出力することが可能となる。また、Ｘ軸、Ｙ軸方向磁気センサ２１、２２として磁気抵抗素子を用いて、Ｘ軸、Ｙ軸方向の磁場強度に応じた信号を出力するようにしてもよい。また、Ｘ軸、Ｙ軸方向の磁場強度を検出することができれば、レゾルバ等、他のセンサをＸ軸、Ｙ軸方向磁気センサ２１、２２として用いてもよい。

ここで、磁石３が直線移動を行うため、Ｘ軸方向磁気センサ２１の出力信号ＶｘとＹ軸方向磁気センサ２２の出力信号Ｖｙは、減衰振動波状又は増幅振動波状の出力信号となる。具体的には、回転体１の絶対角度に応じて振幅が減衰又は増幅する正弦波又は余弦波状の信号となる。
また、両者の信号は、互いに位相が異なり、特に、Ｘ軸に対して直交するＹ軸の関係にあれば、位相が９０度異なる信号となる。

以上の通り、回転体１が回転することで、磁石３が回転移動と直線移動を行う。それによって、Ｘ軸、Ｙ軸方向磁気センサ２１、２２は、回転移動による位相が異なる信号ＶｘとＶｙを得ることができ、それにより、磁石３の回転角度（θａ＝０°〜３６０°（０以上３６０°以下））を検出することができる。加えて、磁石３の直線移動による振幅｜Ｖ｜の変動を検出することでき、それにより磁石３の回転数（ｎ回転）を検出することができる。
その結果、回転体１の絶対角度θｂを次式（１）から算出することができる。
θｂ＝θａ＋３６０°×ｎ ……（１）

＜回転角度センサユニット＞
次に、回転角度センサユニット４について説明する。
図３に示すように、第１実施形態における回転角度センサユニット４は、Ｘ軸方向磁気センサ２１と、Ｙ軸方向磁気センサ２２と、信号処理回路２３と、Ｘ軸方向磁気データ格納部２４と、Ｙ軸方向磁気データ格納部２５と、回転角度演算部２６と、回転数演算部２７と、絶対角度演算部２８と、を備える。

Ｘ軸方向磁気センサ２１及びＹ軸方向磁気センサ２２は、入力される磁場の大きさに応じた信号を出力する。前述の通り、磁石３は回転移動及び直線移動を行うことから、Ｘ軸方向磁気センサ２１及びＹ軸方向磁気センサ２２は、磁石３の回転移動及び直線移動に応じた、減衰振動波状又は増幅振動波状の信号、つまり、回転体１の絶対角度に応じて振幅が減衰又は増幅する正弦波又は余弦波状の信号を、次段の信号処理回路２３へ出力する。

信号処理回路２３は、Ｘ軸方向磁気センサ２１及びＹ軸方向磁気センサ２２からの出力信号に対して、増幅、ＡＤ変換、補正等の信号処理を行う。補正処理としては、例えば、感度の絶対値補正や、感度の温特補正などを行う。
信号処理回路２３で信号処理された、Ｘ軸方向磁気データ及びＹ軸方向磁気データは、それぞれ、Ｘ軸方向磁気データ格納部２４、Ｙ軸方向磁気データ格納部２５に格納される。Ｘ軸方向、Ｙ軸方向の磁気データ格納部２４、２５は、例えばレジスタ等からなる。

回転角度演算部２６は、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向の磁気データ格納部２４、２５に格納されたＸ軸方向磁気データＶｘ及びＹ軸方向磁気データＶｙに基づき、回転角度θａを演算する。例えば、Ｙ軸方向磁気データＶｙをＸ軸方向磁気データＶｘで除算することで、ｔａｎθに相当する信号を算出し、これに基づき回転角度θａを算出すること等が挙げられる。

回転数演算部２７は、Ｘ軸方向磁気データＶｘ及びＹ軸方向磁気データＶｙに加えて、回転角度演算部２６で演算した回転角度θａを用いて、回転体１の回転数ｎを演算する。Ｘ、Ｙ軸方向の磁気データＶｘ、Ｖｙだけでなく、算出した回転角度θａも用いて回転数ｎを算出することで、回転数ｎの誤判定を防止することが可能となる。回転数演算部２７の詳細については後述する。
絶対角度演算部２８は、前述の（１）式で示すように、回転角度演算部２６で演算した回転角度θａと回転数演算部２７で演算した回転数ｎとから回転体１の絶対角度θｂを演算する。

＜回転数演算部＞
図４は、回転数演算部２７の一例を示すブロック図である。
回転数演算部２７は、磁場強度信号算出部３１と、回転数判定閾値格納レジスタ３２と、回転数ｎ算出部３３と、を有する。
磁場強度信号算出部３１には、Ｘ軸方向磁気データ格納部２４に格納されたＸ軸方向磁気データＶｘと、Ｙ軸方向磁気データ格納部２５に格納されたＹ軸方向磁気データＶｙとが入力される。また、磁場強度信号算出部３１は、Ｘ軸方向の磁気データＶｘとＹ軸方向の磁気データＶｙとからＶｔｏｔａｌを算出する。

Ｖｔｏｔａｌは、回転磁場の大きさを表し、例えば、次式（２）で表される平方加算値として算出される。
Ｖｔｏｔａｌ＝(Ｖｘ^２＋Ｖｙ^２)^１／２………（２）
（２）式の場合、２乗演算に加えて、平方根の演算も必要となるため、第１実施形態においては、回転磁場の大きさを表すＶｔｏｔａｌを、回転角度演算部２６の出力である回転角度θａを用いて、下記式（３）で算出する。

Ｖｔｏｔａｌ＝Ｖｘ／ｃｏｓθ
又は Ｖｔｏｔａｌ＝Ｖｙ／ｓｉｎθ
又は Ｖｔｏｔａｌ＝｛（Ｖｘ／ｃｏｓθ）＋（Ｖｙ／ｓｉｎθ）｝／２ ……（３）
（３）式において、θ＝回転角度θａとして演算を行うことで、容易に磁場強度に対応する信号を得ることができ、その結果、チップ面積を減少させることも可能となる。以下、Ｖｔｏｔａｌを磁場強度信号という。

次に、回転数演算部２７における回転数ｎの演算方法を説明する。
第１実施形態における回転数演算部２７では、回転角度演算部２６で演算した回転角度θａを用いることで回転数ｎの誤判定を防止することができる。以下で詳細に説明する。
図５は、第１実施形態における、Ｘ軸方向磁気センサ２１の出力であるＸ軸方向磁気データＶｘとＹ軸方向磁気センサ２２の出力であるＹ軸方向磁気デ―タＶｙと、磁場強度信号Ｖｔｏｔａｌとの角度依存性を示す特性図である。図５において、横軸は絶対角度θｂ、縦軸は信号強度である。

図５中、破線で示す磁場強度信号Ｖｔｏｔａｌは、回転が進み磁石３が回転角度センサユニット４に近づく程、つまり図５の横軸の絶対角度θｂが大きい程、その振幅が減衰する。そのため、この磁場強度信号Ｖｔｏｔａｌを、閾値と比較することによって、回転数ｎを算出することが可能となる。しかしながら、単純な閾値比較とした場合、誤判定が生じる。この誤判定が生じる理由を、図６の特性図を用いて説明する。

図６において、横軸は絶対角度θｂ、縦軸は磁場強度信号Ｖｔｏｔａｌである。
磁場強度信号Ｖｔｏｔａｌは、絶対角度θｂが大きい程、その振幅が小さくなる。
回転体１の１回転目と２回転目の境界において、図６に示すように誤判定が発生する可能性がある。
ここで、本来得られるべき磁場強度信号Ｖｔｏｔａｌの電圧レベル、つまり設計上得られるべき磁場強度信号Ｖｔｏｔａｌの電圧レベルを図６に実線（以下、真の特性線という。）で示す。また、磁場強度信号Ｖｔｏｔａｌの真の特性線において、絶対角度θｂが０°の場合の電圧レベルをＶ０、１回転目つまり絶対角度θｂが３６０°の場合の電圧レベルをＶ１、２回転目つまり絶対角度θｂが７２０°の場合の電圧レベルをＶ２、３回転目つまり絶対角度が１０８０°の場合の電圧レベルをＶ３、とする。

図６に実線で示す真の特性線から、実際に得られる磁場強度信号Ｖｔｏｔａｌの電圧レベルが、Ｖ０≧Ｖｔｏｔａｌ＞Ｖ１を満足する場合には１回転目、Ｖ１≧Ｖｔｏｔａｌ＞Ｖ２を満足する場合には２回転目、Ｖ２≧Ｖｔｏｔａｌ＞Ｖ３を満足する場合には３回転目と判定することができる。
例えば、回転角度θａ＝３５０°における磁場強度信号Ｖｔｏｔａｌ（３５０）は、真の特性線に照らし合わせると、Ｖ０≧Ｖｔｏｔａｌ＞Ｖ１を満足するため、１回転目（ｎ＝０）と判定することができる。

しかしながら、磁場強度の経年変化や、外乱磁場、温度による磁場感度変動等の影響により、実際に得られる磁場強度信号Ｖｔｏｔａｌの電圧レベルは、図６中に破線で示すように、実線で示す真の特性線の電圧レベルよりも低めの曲線となる。このように真の特性線の電圧よりも低めの特性となった場合には、回転角度θａ＝３５０°における磁場強度の電圧レベルＶｔｏｔａｌ′（３５０）（Ｖｔｏｔａｌ′（３５０）＜Ｖｔｏｔａｌ（３５０））は、Ｖ１≧Ｖｔｏｔａｌ′（３５０）＞Ｖ２となり、回転数は２回転目（ｎ＝１）と誤判定される。閾値として単純な電圧幅を用いた従来構成の場合も同様に誤判定される。

特に、回転数ｎが大きくなればなるほど、閾値（Ｖ０、Ｖ１、Ｖ２…）の幅が小さくなっていくため、より誤判定が生じやすくなってしまう。
そこで、第１実施形態における回転数演算部２７では、回転角度演算部２６で演算された回転角度θａ（０°〜３６０°）を用い、この回転角度θａによって変動する閾値に基づいて回転数ｎを判定する。

具体的には、回転角度θａが、所定の角度（例えば１８０度）以上であるかを判定し、１８０度以上の場合は、回転角度θａから減算値（減算角度）例えば１８０度を減算する。つまり、１８０度以上の場合の回転角度θａを「θ（＞１８０）」と表すものとすると「θ（＞１８０）−１８０」を演算する。回転角度θａが１８０度未満の場合は、回転角度θａと加算値（加算角度）例えば１８０度を加算する。つまり、１８０度未満の場合の回転角度θａを「θ（＜１８０）」と表すものとすると「θ（＜１８０）＋１８０」を演算する。そして、これら「θ（＞１８０）−１８０」又は、「θ（＜１８０）＋１８０」を用いて閾値を変動させる演算を行う。

なお、所定の角度（例えば１８０度）を上記判定条件のどちらに含まれるようにしてもよい。
以下、より具体的に説明する。
図４に示す、回転数ｎ算出部３３は、磁場強度信号算出部３１が出力する磁場強度信号Ｖｔｏｔａｌと、回転数判定閾値格納レジスタ３２が出力する閾値データＶ０、Ｖ１、……と、回転角度演算部２６が出力する０°〜３６０°の範囲の回転角度θaを入力とし、回転数ｎを算出する。誤判定防止を目的として、回転数ｎ算出部３３では、回転角度演算部２６が出力する０°〜３６０°の範囲の回転角度θaを回転数ｎの演算に取り入れている。

〔１〕回転角度θaが１８０°以上の時、このときの回転角度θａを、「θ（＞１８０）」と表す。回転数ｎ算出部３３は、磁場強度信号Ｖｔｏｔａｌの値に応じて回転数ｎを判定する。
磁場強度信号Ｖｔｏｔａｌの値が、（Ｖ０−Ｖ１）×（θ（＞１８０）−１８０）／３６０＋Ｖ１以下であり、（Ｖ１−Ｖ２）×(θ（＞１８０）−１８０)／３６０＋Ｖ２より大きい範囲に存在する場合は１回転目（ｎ＝０）と判定する。
磁場強度信号Ｖｔｏｔａｌの値が、（Ｖ１−Ｖ２）×(θ（＞１８０）−１８０)／３６０＋Ｖ２以下であり、（Ｖ２−Ｖ３）×(θ（＞１８０）−１８０)／３６０＋Ｖ３より大きい範囲に存在する場合は２回転目（ｎ＝１）と判定する。

磁場強度信号Ｖｔｏｔａｌの値が、（Ｖ２−Ｖ３）×(θ（＞１８０）−１８０)／３６０＋Ｖ３以下であり、（Ｖ３−Ｖ４）×(θ（＞１８０）−１８０)／３６０＋Ｖ４より大きい範囲に存在する場合は３回転目（ｎ＝２）と判定する。
磁場強度信号Ｖｔｏｔａｌの値が、（Ｖ３−Ｖ４）×(θ（＞１８０）−１８０)／３６０＋Ｖ４以下である場合は４回転目（ｎ＝３）と判定する。

〔２〕回転角度θaが１８０°未満の時、このときの回転角度θaを、「θ（＜１８０）」と表す。回転数ｎ算出部３３は、磁場強度信号Ｖｔｏｔａｌの値に応じて回転数ｎを判定する。
磁場強度信号Ｖｔｏｔａｌの値が、（Ｖ０−Ｖ１)×（θ（＜１８０）＋１８０）／３６０＋Ｖ１より大きい場合は１回転目（ｎ＝０）と判定する。
磁場強度信号Ｖｔｏｔａｌの値が、（Ｖ０−Ｖ１）×（θ（＜１８０）＋１８０）／３６０＋Ｖ１以下であり、（Ｖ１−Ｖ２）×（θ（＜１８０）＋１８０）／３６０＋Ｖ２より大きい範囲に存在する場合は２回転目（ｎ＝１）と判定する。

磁場強度信号Ｖｔｏｔａｌの値が、（Ｖ１−Ｖ２）×（θ（＜１８０）＋１８０）／３６０＋Ｖ２以下であり、（Ｖ２−Ｖ３）×（θ（＜１８０）＋１８０）／３６０＋Ｖ３より大きい範囲に存在する場合は３回転目（ｎ＝２）と判定する。
磁場強度信号Ｖｔｏｔａｌの値が、（Ｖ２−Ｖ３）×（θ（＜１８０）＋１８０）／３６０＋Ｖ３以下であり、（Ｖ３−Ｖ４）×（θ（＜１８０）＋１８０）／３６０＋Ｖ４より大きい範囲に存在する場合は４回転目（ｎ＝３）と判定する。

回転数ｎ算出部３３は、上記演算を実施し、回転数ｎを求める。なお、以上は、回転数ｎが最大で４回転である場合の例である。回転数ｎの最大数に応じて、判定条件を変更すればよい。
以上の演算を行うことにより、図７のグラフに示す様に、例えば、回転角度θa＝３５０°の場合、回転数ｎを１回転（n＝０）と判定するためのＶｔｏｔａｌの範囲は、回転角度軸上でθa±１８０°の回転角度に相当する磁場強度範囲である、（Ｖ０−Ｖ１）×（θ（＞１８０）−１８０）／３６０＋Ｖ１以下であり、（Ｖ１−Ｖ２）×（θ（＞１８０）−１８０）／３６０＋Ｖ２より大きい範囲となる。

つまり、磁場強度の経年変化や外乱磁場、温度による磁気感度変動等の影響によって、磁場強度信号の特性を表す曲線が、図７中に示す破線の様な、真の特性線よりも低めの曲線を描いたとしても、「回転数は２回転である」と誤判定することを防止することができる。
同様に、例えば、図８のグラフに示すθａ＝１０°の場合、回転数を２回転（ｎ＝１）と判定するためのＶｔｏｔａｌの範囲は、回転角度軸上でθa±１８０°の回転角度に相当する磁場強度範囲である、（Ｖ０−Ｖ１）×（θ（＜１８０）＋１８０）／３６０＋Ｖ１以下であり、（Ｖ１−Ｖ２）×（θ（＜１８０）＋１８０）／３６０＋Ｖ２より大きい範囲となる。そのため、磁場強度の経年変化や外乱磁場、温度による磁気感度変動等の影響によって、磁場強度信号の特性を表す曲線が、図８中に示す破線の様な、真の特性線よりも低めの曲線を描いたとしても、「回転数は１回転である」と誤判定することを防止することができる。

任意の回転角度θaに対し、回転数ｎの判定に使用される磁場強度範囲は、真の特性線における、回転角度θaに相当する磁場強度信号Ｖｔｏｔａｌの電圧レベルが常に中心となる様、回転角度θaをもとに可変な範囲として定められる。したがって、意図しない磁場強度の変動により、実際に得られる磁場強度信号Ｖｔｏｔａｌが変動することに対して、より高耐性な回転数ｎの算出を行うことができる。

そして、このようにして演算された回転角度θａと回転数ｎとをもとに、前記（１）式にしたがって、絶対角度θｂを演算することにより、より高精度な絶対角度θｂを得ることができる。
なお、上記判定条件では、回転角度θａが１８０°以上であるときと、回転角度θａが１８０°未満であるときとで、判定条件を切り替えているが、回転角度θaが１８０°より大きいときと、回転角度θａが１８０°以下であるときとで、判定条件を切り替えるようにしてもよい。

＜第２実施形態＞
次に、本発明の第２実施形態を説明する。
この第２実施形態は、第１実施形態において回転数演算部２７が異なること以外は同様であるので、同一部の詳細な説明は省略する。

＜回転数演算部＞
図９は、第２実施形態における回転数演算部４０の一例を示すブロック図である。
回転数演算部４０は、回転角度演算部２６で演算した回転角度θａに応じて、Ｘ軸方向磁気センサ２１から出力されるＸ軸方向磁気データＶｘと、Ｙ軸方向磁気センサ２２から出力されるＹ軸方向磁気データＶｙとから演算した磁場強度信号Ｖｔｏｔａｌの閾値を選択し、選択された閾値と、演算した磁場強度信号Ｖｔｏｔａｌとを比較することで、回転数ｎを演算する。

回転数演算部４０は、磁場強度信号算出部４１と、回転数ｎ算出部４２と、判定部４３と、第１回転数判定閾値格納レジスタ４４と、第２回転数判定閾値格納レジスタ４５と、選択回路４６と、を有する。
磁場強度信号算出部４１は、第１実施形態における磁場強度信号算出部３１と同様に、Ｘ軸方向磁気データ格納部２４に格納されたＸ軸方向磁気データＶｘと、Ｙ軸方向磁気データ格納部２５に格納されたＹ軸方向磁気データＶｙとを入力し、回転する磁石３がＺ軸方向に移動する距離に依存して変化する、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向磁気データＶｘとＶｙとの加算値である磁場強度信号Ｖｔｏｔａｌを、前記（３）式にしたがって算出する。

回転数ｎ算出部４２には、磁場強度信号算出部４１で算出された磁場強度信号Ｖｔｏｔａｌが入力される。また、回転数ｎ算出部４２は、選択回路４６で選択された閾値と、磁場強度信号Ｖｔｏｔａｌとを比較することで回転数ｎを算出する。
判定部４３は回転角度演算部２６で演算された回転角度θａ（０°〜３６０°）を入力とし、例えば回転角度θaが０°以上１８０°未満の範囲に存在するか、１８０°以上３６０°未満の範囲に存在するかを判定し、判定結果に応じた切り替え信号を生成し選択回路４６に出力する。

第１回転数判定閾値格納レジスタ４４には、回転角度θａが０°以上１８０°未満の範囲にあるときの判定閾値Ｖ１０、Ｖ１１、Ｖ１２、…が格納される。
第２回転数判定閾値格納レジスタ４５には、回転角度θａが１８０°以上３６０°未満の範囲にあるときの判定閾値Ｖ２０、Ｖ２１、Ｖ２２、…が格納される。
選択回路４６は、判定部４３からの切り替え信号を入力とし、回転角度θａが０°以上１８０°未満であることを表す切り替え信号の場合には第１回転数判定閾値格納レジスタ４４に格納された閾値を選択し、回転角度θａが１８０°以上３６０°未満であることを表す切り替え信号の場合には第２回転数判定閾値格納レジスタ４５に格納された閾値を選択し、選択した閾値を回転数ｎ算出部４２に出力する。

次に、回転数演算部４０における回転数ｎの演算方法を説明する。
図１０、図１１は、回転数演算部４０における回転数ｎの演算方法を説明するためのグラフである。横軸は絶対角度θｂ、縦軸は磁場強度である。
〔１〕図１０のグラフを用いて、判定部４３が、回転角度θａが０°以上１８０°未満の範囲に存在すると判定した場合について説明する。
選択回路４６は、判定部４３からの切り替え信号に基づき、第１回転数判定閾値格納レジスタ４４に格納されている、判定閾値Ｖ１０、ＢＶ１１、Ｖ１２、Ｖ１３を選択し、回転数ｎ算出部４２へ出力する。

ここで、図１０に示す真の特性図において、絶対角度θｂが２７０°の場合の磁場強度信号Ｖｔｏｔａｌの電圧レベルをＶ１０、絶対角度θｂが６３０°の場合の磁場強度信号Ｖｔｏｔａｌの電圧レベルをＶ１１、絶対角度θｂが９９０°の場合の磁場強度信号Ｖｔｏｔａｌの電圧レベルをＶ１２、絶対角度θｂが１３５０°の場合の磁場強度信号Ｖｔｏｔａｌの電圧レベルをＶ１３、とする。

回転数ｎ算出部４２では、回転数ｎを次のように判定する。
磁場強度信号Ｖｔｏｔａｌの値がＶ１０より大きい範囲に存在する場合は１回転目（ｎ＝０）と判定する。
磁場強度信号Ｖｔｏｔａｌの値がＶ１０以下であり、Ｖ１１より大きい範囲に存在する場合には２回転目（ｎ＝１）と判定する。
磁場強度信号Ｖｔｏｔａｌの値がＶ１１以下であり、Ｖ１２より大きい範囲に存在する場合には３回転目（ｎ＝２）と判定する。
磁場強度信号Ｖｔｏｔａｌの値がＶ１２以下であり、Ｖ１３より大きい範囲に存在する場合には４回転目（ｎ＝３）と判定する。

〔２〕図１１のグラフを用いて、判定部４３が、回転角度θａが１８０°以上３６０°未満の範囲に存在すると判定した場合について説明する。
選択回路４６は、判定部４３からの切り替え信号に基づき、第２回転数判定閾値格納レジスタ４５に格納されている、判定閾値Ｖ２０、Ｖ２１、Ｖ２２、Ｖ２３を選択し、回転数ｎ算出部４２へ出力する。
ここで、図１１に示す真の特性図において、絶対角度θｂが９０°の場合の磁場強度信号Ｖｔｏｔａｌの電圧レベルをＶ２０、絶対角度θｂが４５０°の場合の磁場強度信号Ｖｔｏｔａｌの電圧レベルをＶ２１、絶対角度θｂが８１０°の場合の磁場強度信号Ｖｔｏｔａｌの電圧レベルをＶ２２、絶対角度θｂが１１７０°の場合の磁場強度信号Ｖｔｏｔａｌの電圧レベルをＶ２３、とする。

回転数ｎ算出部４２では、回転数ｎを次のように判定する。
磁場強度信号Ｖｔｏｔａｌの値が、Ｖ２０未満であり、Ｖ２１以上の範囲に存在する場合には１回転目（ｎ＝０）と判定する。
磁場強度信号Ｖｔｏｔａｌの値が、Ｖ２１未満であり、Ｖ２２以上の範囲に存在する場合には２回転目（ｎ＝１）と判定する。

磁場強度信号Ｖｔｏｔａｌの値が、Ｖ２２未満であり、Ｖ２３以上の範囲に存在する場合には３回転目（ｎ＝２）と判定する。
磁場強度信号Ｖｔｏｔａｌの値が、Ｖ２３未満である場合には４回転目（ｎ＝３）と判定する。
これにより、回転数ｎ算出部４２が正しい回転数ｎを求めるための許容可能な磁場強度誤差は、前記回転角度θａに換算して±９０°に相当する磁場強度誤差まで拡大することになる。したがって、意図しない磁場強度の変動により、実際に得られる磁場強度信号Ｖｔｏｔａｌが変動することに対して、耐性を持たせることが可能となる。

＜変形例＞
本発明の要旨を逸脱することなく種々の変形変更が可能である。例えば、図３の回転角度センサユニット４のブロック構成は一例であり、回転角度演算部２６と回転数演算部２７とを同一ブロックで構成するなどの変形も自由である。
第１実施形態では、誤判定防止として、回転数判定のための磁場強度範囲を線形補間による算出式を用いて求めているが、より高精度に補間を行う為の手法、或いは、より簡略的な小規模回路で実現する方法など、その実現方法は多種多様であり、ここで示した磁場強度範囲の算出方法が本発明を限定するものではない。

第２実施形態では、誤判定防止として、回転数判定のための磁場強度範囲として、あらかじめレジスタに格納された所定値を使用しているが、この所定値を格納するための記憶装置は、レジスタに限定するものではない。また、図９、図１０、図１１は前記回転角度θａの存在する範囲を０°以上１８０°未満と、１８０°以上３６０°未満とに分け、１８０°ごとに分けた場合の例であるが、９０°ごとに分けるなど所定値の数を増加することで意図しない磁場強度の変動に対する耐性の増強が可能である。逆に所定値の数を削減すると、耐性は減少するが回路規模の縮小が可能であり、実現方法は多種多様である。

また、上記実施形態では、回転体１の回転が進むほど磁石３が回転角度センサユニット４に近づくようにした場合について説明したが、例えば、回転体１が車両のステアリングシャフトである場合等、中立状態から右回転及び左回転する場合には、例えば、磁石３の移動可能範囲の中央地点を回転体１の中立状態と対応付け、上記と同様の手順で回転数ｎ及び回転角度θａを演算した後、中立地点を基準とする回転数及び回転角度に換算すればよい。

また、第１実施形態と第２実施形態とを組み合わせ、第１実施形態による回転数判定により得た回転数と、第２実施形態による回転数判定により得た回転数とが一致するときに、算出した回転数を用いて絶対角度θｂを演算するようにしてもよい。
ここで、上記実施形態において、ねじ軸部材１１が磁石を有する回転体に対応し、回転角度演算部２６、回転数演算部２７、及び絶対角度演算部２８が回転角度検出回路に対応し、Ｘ軸方向磁気センサ２１、Ｙ軸方向磁気センサ２２が、第１の磁気センサ、第２の磁気センサに対応している。また、磁場強度信号Ｖｔｏｔａｌが磁場強度に対応する信号に対応している。

なお、本発明の範囲は、図示され記載された例示的な実施形態に限定されるものではなく、本発明が目的とするものと均等な効果をもたらす全ての実施形態をも含む。さらに、本発明の範囲は、全ての開示されたそれぞれの特徴のうち特定の特徴のあらゆる所望する組み合わせによって画され得る。

１ 回転体
２ 変換機構
３ 磁石
４ 回転角度センサユニット
１１ ねじ軸部材
１２ 支持部材
１３ 第１歯車
１４ 第２歯車
２１ Ｘ軸方向磁気センサ
２２ Ｙ軸方向磁気センサ
２３ 信号処理回路
２４ Ｘ軸方向磁気データ格納部
２５ Ｙ軸方向磁気データ格納部
２６ 回転角度演算部
２７、４０ 回転数演算部
２８ 絶対角度演算部
３１、４１ 磁場強度信号算出部
３２ 回転数判定閾値格納レジスタ
３３、４２ 回転数ｎ算出部
４３ 判定部
４４ 第１回転数判定閾値格納レジスタ
４５ 第２回転数判定閾値格納レジスタ
４６ 選択回路

Claims (13)

1. 磁石を有する回転体の絶対回転角度を、少なくとも２軸方向の磁場を検出する磁気センサの出力信号を用いて検出する回転角度検出回路であり、
   前記磁気センサの出力信号から、前記回転体の１回転内における回転角度を演算する回転角度演算部と、
   前記磁気センサの出力信号と前記回転角度演算部で演算した前記回転角度とから前記回転体の回転数を演算する回転数演算部と、
   前記回転角度と前記回転数とから前記回転体の絶対回転角度を演算する絶対角度演算部と、
   を備える回転角度検出回路。
2. 前記磁気センサで検出した前記２軸方向の磁場を表す出力信号は、互いに位相が異なる減衰振動波状又は増幅振動波状の信号である請求項１に記載の回転角度検出回路。
3. 前記磁気センサで検出した前記２軸方向の磁場を表す出力信号は、前記回転体の前記絶対回転角度に応じて振幅が減衰又は増幅する正弦波状の信号及び余弦波状の信号である請求項２に記載の回転角度検出回路。
4. 前記回転数演算部は、前記磁気センサの出力信号から磁場強度に対応する信号を演算し、当該磁場強度に対応する信号を、前記回転角度に応じて変動する閾値に基づいて判定することで前記回転数を算出する請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の回転角度検出回路。
5. 前記回転数演算部は、
   前記磁気センサの出力信号から磁場強度に対応する信号を演算すると共に、前記回転角度に基づいて前記磁場強度の閾値を演算し、前記磁場強度に対応する信号を、前記磁場強度の閾値に基づいて判定することで前記回転数を算出する請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の回転角度検出回路。
6. 前記回転数演算部は、前記回転角度が所定角度以上であるかを判定し、
   前記回転角度が前記所定角度以上の場合は、前記回転角度から予め設定した減算角度を減算した角度を用いて前記閾値を演算し、
   前記回転角度が前記所定角度未満の場合は、前記回転角度に予め設定した加算角度を加算した角度を用いて前記閾値を演算する請求項５に記載の回転角度検出回路。
7. 前記回転数演算部は、前記回転角度が所定角度以下であるかを判定し、
   前記回転角度が前記所定角度より大きい場合は、前記回転角度から予め設定した減算角度を減算した角度を用いて前記閾値を演算し、
   前記回転角度が前記所定角度以下の場合は、前記回転角度に予め設定した加算角度を加算した値を用いて前記閾値を演算する請求項５に記載の回転角度検出回路。
8. 前記回転数演算部は、前記磁気センサの出力信号から演算した磁場強度に対応する信号を、前記回転角度に応じて切り替わる閾値に基づいて判定することで前記回転数を算出する請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の回転角度検出回路。
9. 前記回転数演算部は、
   前記回転角度が、所定の下限値以上、所定の上限値以下の場合は第１の閾値に基づいて判定し、
   前記回転角度が、前記所定の下限値未満、又は、前記所定の上限値より大きい場合は第２の閾値に基づいて判定することで前記回転数を算出する請求項８に記載の回転角度検出回路。
10. 前記回転数演算部は、第１の磁気センサの出力信号と第２の磁気センサの出力信号とから前記回転角度を用いて磁場強度を算出する磁場強度算出部と、前記磁場強度を、閾値に基づいて判定することで前記回転数を算出する回転数算出部と、を有する請求項１から請求項９のいずれか一項に記載の回転角度検出回路。
11. 前記磁場強度算出部は、前記回転角度の正弦値と余弦値とを算出し、
    前記第１の磁気センサの出力信号を前記正弦値で除算し、且つ前記第２の磁気センサの出力信号を前記余弦値で除算し、除算した値を加算することで前記磁場強度を算出する請求項１０に記載の回転角度検出回路。
12. 請求項１から請求項１１のいずれか一項に記載の回転角度検出回路と、
    第１の軸方向の磁場を検出する第１の磁気センサと、
    前記第１の軸方向と直交する第２の軸方向の磁場を検出する第２の磁気センサと、
    を備えた回転角度センサ。
13. 請求項１２に記載の回転角度センサと、
    磁石が取り付けられ、回転しながら、前記第１の軸方向及び前記第２の軸方向と直交する第３の軸方向へ直線移動する回転体と、を備え、
    前記回転角度センサは、前記第３の軸方向の延長上に配置されることを特徴とする回転角度検出装置。

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