JP2016522420A - 運動体の位置を検出するポジションセンサ装置 - Google Patents

Abstract

運動体（２０，２１，２２）の位置を検出するポジションセンサ装置（１０）は、運動体（２０，２１，２２）が生成する信号を検出する検出部（１００）と、第１の時期（ｔ１）における運動体（２０，２１，２２）の位置を示す第１位置（α０(t1)）を求める計測処理部（１１０）とを備える。距離誤差決定部（１２０）は、運動体（２０，２１，２２）の速度を求め、運動体（２０，２１，２２）の速度と伝達遅延時間（Ｔpd）とに基づき、第１の時期（ｔ１）から第２の時期（ｔ２）までの間に運動体（２０，２１，２２）が動いた距離を示す少なくとも１つの距離誤差（αerr1，αerr2，αerr3）を求める。位置補正部（１３０）は、少なくとも１つの距離誤差（αerr1，αerr2，αerr3）と第１位置（α０(t1)）とに基づいて、補正後位置（αcorr）を求めるように構成される。【選択図】図２

Description

本発明は、運動体の位置を検出するポジションセンサ装置に関する。更に、本発明は、運動体の位置を検出する方法に関する。

例えば回転体といった運動体を用いるような用途においては、その運動体の位置に関する情報を得る必要がある場合が多い。運動体は、回転体として構成されることがあり、その場合の位置は、回転体の回転角となる場合がある。回転体は、当該回転体が回転する際に、回転磁界を生じさせるような磁石を備えていることがある。回転運動中の回転体の最新の位置を求めるために、磁気ポジションセンサ装置として構成されたポジションセンサ装置を用いることができる。この磁気ポジションセンサ装置は、回転体の位置に関する情報を提供するため、回転する磁石によって生成された回転磁界を検出して演算処理するようにしてもよい。

磁気ポジションセンサ装置は、回転する磁石の近傍に配置して、回転体の回転軸が回転しているときに、回転磁界を検出するようにしてもよい。この磁石は、例えば回転体の回転軸に取り付けられている。回転体の位置は、回転体の回転角を特定することによって示すことができる。予め規定する回転体の位置は、回転角０°の位置としてもよい。この回転角０°の位置に基づき、０°から３６０°の範囲の回転角で回転体の位置が示される。

ポジションセンサ装置は、運動体が生成する信号を検出する検出部と、運動体の位置を求める計測処理部とを備えていてもよい。磁気ポジションセンサ装置として構成されたポジションセンサ装置は、磁石の磁界を検出する検出部と、検出した回転磁界を演算処理することにより回転体の位置を求める計測処理部とを備えるようにしてもよい。ポジションセンサ装置の検出部は、光学式センサ、またはホールセンサのような磁気センサと、フロントエンド増幅器及びフィルタなどを備えたアナログフロントエンドとを備えていてもよい。計測処理部は、アナログ・デジタル変換器と、例えばデシメーションフィルタ処理やＣＯＲＤＩＣアルゴリズムを実行するデジタルバックエンドとを備えていてもよい。アナログ式の検出部と、計測処理部のデジタルバックエンドとは、いずれも、運動体の位置を演算している間に遅延が生じる。この遅延時間は、システム伝達遅延時間として知られている。

例えば磁界ベクトルといった運動体が生成した信号の検出及び演算処理と、例えばＳＰＩインターフェースを介し、例えば回転体の回転角といった運動体の位置を利用可能となる時点との間の、このような待ち時間に起因して、ポジションセンサ装置には、例えば角度誤差などの位置誤差が生じる可能性がある。位置誤差は、運動体の速度に比例する。磁気ポジションセンサ装置の例では、角度誤差が回転体の回転運動の速度に比例する。高い速度が用いられる場合、動的な位置誤差の影響が大幅に増大する。ポジションセンサ装置における待ち時間の短縮により、出力ノイズが増大する可能性があるので、システム伝達遅延時間の低減は、概ね不可能である。

例えば１０ビットの分解能を有した、中分解能の磁気ポジションセンサ装置の場合、回転角の演算の際に生じる誤差は、高速回転において、下位有効ビット（ＬＳＢ）のいくつかを占めるものとなる。また、最大速度が更に大幅に高速となるような用途が存在する。全般に、この誤差のため、そのようなポジションセンサ装置を採用することはできない。更に、例えばシグマデルタ方式の、高分解能低感度の磁気ポジションセンサ装置は、補間回路を組み込む必要があり、このことは更なる遅延の要因となる。

位置を求める際に、ポジションセンサ装置の伝達遅延時間に起因して生じる位置誤差の補正を可能とするような、運動体の位置を検出するためのポジションセンサ装置の提供が求められている。更に、位置を求める際に、ポジションセンサ装置の伝達遅延時間に起因して生じる位置誤差の補正を可能とするような、運動体の位置を検出するための方法を具体化することが求められている。

運動体の位置を検出するポジションセンサ装置は、請求項１に具体的に示されている。ポジションセンサ装置の一態様によれば、ポジションセンサ装置は、運動体が生成する信号を検出する検出部を備える。この検出部は、第１の時期に前記信号を検出するように構成される。ポジションセンサ装置は、検出された前記信号を演算処理することによって前記運動体の位置を求める計測処理部を更に備える。この計測処理部は、前記第１の時期における前記運動体の位置を示す第１位置を求めるように構成される。ポジションセンサ装置は、前記第１の時期から、前記第１の時期より後となる第２の時期までの間に前記運動体が動いた距離を示す少なくとも１つの距離誤差を求める距離誤差決定部を更に備える。ポジションセンサ装置は、前記第２の時期における前記運動体の位置を示す補正後位置を出力する位置補正部を備えていてもよい。前記距離誤差決定部は、前記運動体の運動の速度を求め、前記運動体の運動の前記速度に基づくと共に、前記第１の時期から前記第２の時期までの期間を示す遅延時間に基づき、前記少なくとも１つの距離誤差を求めるように構成される。前記位置補正部は、前記少なくとも１つの距離誤差と前記第１位置とに基づき、前記補正後位置を求めるように構成される。

前記距離誤差決定部は、前記少なくとも１つの距離誤差として第１距離誤差を求めるように構成してもよい。前記距離誤差決定部は、前記第１の時期と、それより前となる先行時期との間における前記運動体の運動の速度に基づき、前記第１距離誤差を求めるように構成してもよい。

前記計測処理部は、前記第１の時期と前記先行時期とに検出された信号を演算処理するように構成してもよい。前記計測処理部は、前記先行時期における前記運動体の位置を示す前記運動体の先行位置を求めるように構成してもよい。前記距離誤差決定部は、前記第１位置と前記先行位置との差、及び前記第１の時期と前記先行時期との差に基づき、前記運動体の運動の速度を求めるように構成してもよい。前記位置補正部は、前記第１位置と前記第１距離誤差との和に基づき、前記補正後位置を求めるように構成してもよい。

前記距離誤差決定部は、前記運動体の運動の加速度を求め、前記運動体の運動の前記加速度と前記遅延時間とに基づき、前記少なくとも１つの距離誤差として第２距離誤差を求めるように構成してもよい。前記位置補正部は、前記第２距離誤差に基づき、前記補正後位置を求めるように構成してもよい。前記位置補正部は、前記第１位置と前記第１距離誤差と前記第２距離誤差との和に基づき、前記補正後位置を求めるように構成してもよい。

前記距離誤差決定部は、前記運動体の運動の加速度の変化を求め、前記運動体の運動の加速度の前記変化と前記遅延時間とに基づき、前記少なくとも１つの距離誤差として第３距離誤差を求めるように構成してもよい。前記位置補正部は、前記第１位置と前記第１距離誤差と前記第２距離誤差との和に、前記第３距離誤差を加算することにより、前記補正後位置を求めるように構成してもよい。

運動体の位置を検出する方法は、請求項１２に具体的に示されている。この方法は、運動体が生成する信号を第１の時期に検出する工程を備える。前記第１の時期に検出した前記信号を演算処理することにより、前記第１の時期における前記運動体の位置を示す前記運動体の第１位置を求めてもよい。前記運動体の運動の速度を求め、前記運動体の運動の前記速度と、前記第１の時期から、前記第１の時期より後となる第２の時期までの期間を示す遅延時間とに基づき、前記第１の時期から前記第２の時期までの間に前記運動体が動いた距離を示す少なくとも１つの距離誤差を求める。前記少なくとも１つの距離誤差と前記第１位置とに基づき、前記第２の時期における前記運動体の位置を示す補正後位置を求める。

運動体の位置を検出する方法において、前記少なくとも１つの距離誤差として第１距離誤差を求めるようにしてもよい。前記第１距離誤差は、前記第１の時期と、それより前となる先行時期との間における前記運動体の運動の速度に基づいて求めてもよい。前記補正後位置は、前記第１位置と前記第１距離誤差とに基づいて求めてもよい。

運動体の位置を検出する方法の別の態様として、前記運動体の運動の加速度を求めるようにしてもよい。前記運動体の運動の前記加速度と前記遅延時間とに基づき、前記少なくとも１つの距離誤差として第２距離誤差を求めるようにしてもよい。前記補正後位置は、前記第２距離誤差に基づいて求めてもよい。前記補正後位置は、前記第１位置と前記第１距離誤差と前記第２距離誤差との和に基づいて求めてもよい。

運動体の位置を検出する方法の別の態様として、前記運動体の運動の加速度の変化を求めるようにしてもよい。前記運動体の運動の加速度の前記変化と前記遅延時間とに基づき、前記少なくとも１つの距離誤差として第３距離誤差を求めるようにしてもよい。前記補正後位置は、前記第１位置と前記第１距離誤差と前記第２距離誤差との和に、前記第３距離誤差を加算することによって求めてもよい。

ポジションセンサ装置は、回転する磁石を備えた回転体の位置を検出する磁気ポジションセンサ装置として構成してもよい。この態様の場合、前記検出部は、回転する前記磁石が生成した回転磁界を第１の時期に検出するように構成される。前記計測処理部は、検出された前記回転磁界を演算処理することによって、回転する前記磁石の回転角を求めるように構成される。前記計測処理部は、前記第１の時期における前記磁石の位置を示す第１回転角を求めるように構成される。前記距離誤差決定部は、前記第１の時期から、前記第１の時期より後となる第２の時期までの間に前記磁石が回転した角度を示す少なくとも１つの角度誤差を求めるように構成される。前記位置補正部は、前記第２の時期における前記磁石の位置を示す補正後回転角を出力するように構成される。前記距離誤差決定部は、前記磁石の回転の速度を求め、前記磁石の回転の前記速度に基づくと共に、前記第１の時期から前記第２の時期までの期間を示す遅延時間に基づき、前記少なくとも１つの角度誤差を求めるように構成される。前記位置補正部は、前記少なくとも１つの角度誤差と前記第１回転角とに基づき、前記補正後回転角を求めるように構成される。

請求項１２に示す運動体の位置を検出する方法は、回転する磁石を備えた回転体の位置を検出するのに用いてもよい。回転する前記磁石が生成する回転磁界を、第１の時期に検出する。前記第１の時期に検出された前記回転磁界を演算処理することによって、前記第１の時期における前記磁石の位置を示す第１回転角を求めるようにしてもよい。前記磁石の回転の速度を検出し、前記磁石の回転の前記速度と前記遅延時間とに基づき、前記第１の時期から前記第２の時期までの間に前記磁石が回転した角度を示す少なくとも１つの角度誤差を求める。前記少なくとも１つの角度誤差と前記第１回転角とに基づき、前記第２の時期における前記磁石の位置を示す補正後回転角を求める。

回転体の速度、及び回転する磁石の速度は、前記検出部及び前記計測処理部を用いた回転角の計測結果に基づき、前記距離誤差決定部が演算するようにしてもよい。ポジションセンサ装置の一態様として、前記距離誤差決定部は、前記少なくとも１つの角度誤差として第１角度誤差を求めるように構成してもよい。前記距離誤差決定部は、前記磁石の回転の前記速度とシステム伝達遅延時間とに基づき、前記第１角度誤差を求めるように構成してもよい。

前記計測処理部は、前記磁石の回転の前記速度を求めるため、前記第１の時期と、前記第１の時期より前となる先行時期とに検出した回転磁界を演算処理するように構成してもよい。前記計測処理部は、前記第１の時期における前記磁石の回転角を求め、前記先行時期における前記磁石の位置を示す前記磁石の先行回転角を求めるように構成される。前記距離誤差決定部は、前記第１の時期における回転角と前記先行時期における回転角との第１偏差、及び前記第１の時期と前記先行時期との第２偏差に基づき、前記磁石の回転の前記速度を求めるように構成してもよい。この速度は、前記第１偏差と前記第２偏差との商を演算することにより求めてもよい。

ポジションセンサ装置の（伝達）遅延時間が既知であるとすれば、前記距離誤差決定部は、検出された前記速度と前記伝達遅延時間との積を演算することにより、前記第１角度誤差を求めるように構成してもよい。前記位置補正部は、前記第１の時期における前記回転角と、前記第１角度誤差との和を演算することにより、前記補正後回転角を求めるように構成してもよい。

上述したポジションセンサ装置の態様による位置の誤差の補正は、運動体が一定速度で運動する場合、即ち例えば、回転体が定速回転する場合に、線形補償となるので、適正に機能する。この補正方法は、一定の加速度、または一定に増大する加速度によって生じる位置誤差の補正を可能とするような、より多段階の補正まで拡張して適用してもよい。

回転体の一定の加速度によって生じる誤差の補正を可能とするようなポジションセンサ装置の態様として、前記距離誤差決定部は、前記磁石の回転の加速度を求め、求められた前記加速度を考慮することにより、第２角度誤差を求めるように構成してもよい。一定の加速度によって生じる角度誤差を補正するため、前記位置補正部は、前記第１の時期における回転角と前記第１角度誤差との和に、前記第２角度誤差を加算することにより、前記補正後回転角を求めるように構成してもよい。

回転体の一定に増大する加速度によって生じる誤差の補正を可能とするようなポジションセンサ装置の態様として、前記距離誤差決定部は、前記磁石の回転の加速度の変化を求め、求められた前記磁石の加速度の前記変化を考慮することにより、第３角度誤差を求めるように構成してもよい。加速度の変化によって生じる角度誤差を補正するため、前記位置補正部は、前記第１の時期における前記回転角と前記第１角度誤差と前記第２角度誤差との和に、前記第３角度誤差を加算することにより、前記補正後回転角を求めるように構成してもよい。

運動体の位置を検出するポジションセンサ装置及びその方法により、動的な位置誤差を劇的に低減し、ノイズとシステム伝達遅延時間との間のトレードオフの関係を緩和することが可能となる。このような方法、または当該方法を内部で実行するポジションセンサ装置を用いることにより、動的な位置誤差を増大させることなく、運動体の速度を上昇させることが可能である。システム伝達遅延時間が変動する場合であっても、このような補正は有効に機能する。発振回路が生成するクロック信号は、計測処理部及び距離誤差決定部が速度の演算に用いるが、内部で行う補正により、当該クロック信号によって生じるシステム伝達遅延時間の変動を相殺することが可能となる。

補正後位置を求めるための構成要素は、いずれもポジションセンサ装置のチップに実装されるので、補正を行うための外部ユニットを必要としない。高分解能のエンコーダは、シグマデルタＡＤコンバータ及びデシメーションフィルタを用いて、そのまま実現することが可能である。ポジションセンサ装置の一態様として、当該ポジションセンサ装置の構成要素の全てを同じ基板上に配置する必要はない。このような態様においては、例えばＳＰＩやＵＡＲＴなどのインターフェースによって生じる遅延を含めて、当該インターフェースの遅延により付加的に生じる動的な角度誤差を補正することが可能である。

上述の概要説明、及び以下に述べる詳細説明のそれぞれによって、様々な態様が提示されるが、これら説明は、本発明の特性及び特徴を理解するための概要または骨組みを提供しようとするものである。理解を更に深めるために、添付の図面が設けられ、本明細書の説明に組み入れられると共にその一部を構成する。図面は、様々な態様を例示し、明細書と共に、本発明の原理及び作用を説明するために用いられる。

ポジションセンサ装置及び回転体の構成の一実施形態を示す図である。 ポジションセンサ装置の第１の実施形態を示す図である。 ポジションセンサ装置の距離誤差決定部、位置補正部、及び補間回路の一実施形態を示す図である。 ポジションセンサ装置の第２の実施形態を示す図である。 ポジションセンサ装置の第３の実施形態を示す図である。

図１は、運動体２０の位置を検出するポジションセンサ装置１０の一実施形態を示す図である。ポジションセンサ装置１０は、回転体の位置を検出する磁気ポジションセンサ装置として構成してもよい。回転体２０は、モータとして構成されていてもよい。回転体２０は、磁石２１と、当該磁石２１が取り付けられた回転軸２２とを備えていてもよい。磁石２１は、回転体２０の回転軸２２の回転運動に伴って回転する磁界を生成する。ポジションセンサ装置１０は、この回転磁界を検出し、当該回転磁界の演算処理結果に基づき、回転する磁石２１の位置を求めるように構成されている。

回転する磁石２１の位置は、回転体２０の位置に相当するものであって、回転角としてポジションセンサ装置１０から出力することが可能であり、予め定めた磁石２１の基準位置を０°とすると共に、０°と３６０°との間の回転角によって、当該基準位置に対する磁石の回転位置が特定される。

図２〜図５は、ポジションセンサ装置１０の様々な実施形態を示す図である。それぞれの図面による例示に基づく各実施形態の説明を詳細に行う前に、これらポジションセンサ装置の実施形態の全てに共通の特徴及び構成要素について、まず最初に説明する。

例えば回転角など、回転する磁石２１の位置を求めるため、ポジションセンサ装置１０は、磁石２１の磁界強度を検出する。このような目的のため、ポジションセンサ装置１０には、ホールセンサといった、磁石２１の磁界を検出するセンサ１０１と、センサ１０１が出力した信号を処理する構成要素を備えたアナログフロントエンド１０２とを有する検出部１００を設けることができる。アナログフロントエンド１０２は、フロントエンド増幅器とフィルタとを備えていてもよい。アナログフロントエンド１０２は、センサ１０１と接続されて、センサ１０１の信号の受信及び処理を行う。検出部１００は、第１の時期ｔ１に回転磁界を検出するように構成することができる。

検出部１００は、計測処理部１１０に接続され、計測処理部１１０は、ある時期ｔに検出された回転磁界を演算処理することにより、当該時期ｔにおける回転角α０_(t)を求める。計測処理部１１０には、アナログ・デジタルコンバータ１１１とデジタルバックエンド１１２とを設けることができる。デジタルバックエンド１１２は、デシメーションフィルタを備えていてもよく、ＣＯＲＤＩＣアルゴリズムなどのアルゴリズムを実行して、回転角α０_(t)を求めるようにしてもよい。計測処理部１１０は、第１の時期ｔ１における磁石２１の位置を示す回転角α０_(t1)を求めるように構成される。

ポジションセンサ装置１０は、図２、図４、及び図５に示す、少なくとも１つの角度誤差α_err1、α_err2、α_err3を求める距離誤差決定部１２０を備えていてもよい。少なくとも１つの角度誤差α_err1、α_err2、α_err3は、第１の時期ｔ１から、当該第１の時期より後となる第２の時期ｔ２までの間に、磁石２１が回転する角度を示すものである。更に、ポジションセンサ装置１０は、補正後回転角α_corrを出力する位置補正部１３０を備えていてもよい。補正後回転角α_corrは、第２の時期ｔ２における磁石２１の位置を示すものである。距離誤差決定部１２０は、磁石２１の回転の速度を求めるように構成してもよい。更に、距離誤差決定部１２０は、磁石２１の回転の速度に基づくと共に、第１の時期ｔ１から第２の時期ｔ２までの期間を示す遅延時間Ｔ_pdに基づき、少なくとも１つの角度誤差α_err1、α_err2、α_err3を求めるように構成してもよい。位置補正部１３０は、少なくとも１つの角度誤差α_err1、α_err2、α_err3と、回転角α０_(t1)とに基づいて、補正後回転角α_corrを求めるように構成される。

図２〜図５に示すポジションセンサ装置の実施形態は、磁石２１を備えていてもよい運動体の位置を検出する方法を提供するように構成される。この方法の最初の工程として、回転する磁石２１の回転磁界が、第１の時期ｔ１において、検出部１００により検出される。次の工程では、計測処理部１１０により、回転する磁石２１の回転角α０_(t1)が求められる。このような目的のため、計測処理部１１０は、第１の時期ｔ１に検出部１００が検出した回転磁界を演算処理し、回転角α０_(t1)は、第１の時期ｔ１における磁石２１の位置を示すものである。磁石２１の回転の速度が、距離誤差決定部１２０によって求められる。磁石２１の回転の速度を求めた後、磁石２１の回転の速度と遅延時間Ｔ_pdとに基づき、少なくとも１つの角度誤差α_err1、α_err2、α_err3が求められる。少なくとも１つの角度誤差α_err1、α_err2、α_err3は、第１の時期ｔ１から、当該第１の時期より後となる第２の時期ｔ２までの間に、磁石２１が回転する角度を示すものである。少なくとも１つの角度誤差α_err1、α_err2、α_err3と、回転角α０_(t1)とに基づき、補正後回転角α_corrが求められる。この補正後回転角α_corrは、第２の時期ｔ２における磁石２１の位置を示すものである。

ポジションセンサ装置は、様々な時期に検出した回転磁界の状態を演算処理するようにしてもよい。計測処理部は、複数の時間間隔で次々と複数の回転角を求めるようにしてもよい。例えば、計測処理部は、第１の時期ｔ１における第１回転角α０_(t1)と、第１の時期より後となる時期ｔ３における第２回転角α０_(t3)とを求めるようにしてもよい。距離誤差決定部は、第１回転角α０_(t1)に対応する角度誤差と、第２回転角α０_(t3)に対応するその後の角度誤差とを求めるようにしてもよい。ポジションセンサ装置は、計測処理部１１０及び距離誤差決定部１２０を作動させるためのクロック信号ｃｌｋを生成する発振回路１４０を備え、これら計測処理部１１０及び距離誤差決定部１２０が、時間間隔Ｔｓ、即ちクロック信号ｃｌｋに基づくサンプリング周期Ｔｓで、回転角と、これに対応する補正後回転角とを次々と生成するようにしてもよい。

発振回路１４０は、計測処理部１１０及び距離誤差決定部１２０を作動させるためのクロック信号ｃｌｋを供給するようにしてもよい。計測処理部１１０は、検出された回転磁界を、サンプリング周期Ｔｓで演算処理し、回転角を次々と求めるように構成される。クロック信号ｃｌｋは、距離誤差決定部１２０にも供給され、回転角に対応するそれぞれの角度誤差が求められる。検出された各回転角α０に対応する補正後回転角α_corrは、位置補正部１３０の出力端子Ａ１３０から出力される。

遅延時間Ｔ_pdは、磁界が検出される第１の時期ｔ１から、位置補正部１３０の出力端子Ａ１３０から補正後回転角α_corrが出力される第２の時期ｔ２までの期間を示す伝達遅延時間とすることができる。遅延時間Ｔ_pdは、主に計測処理部１１０及び距離誤差決定部１２０の伝達遅延時間からなる。

また、遅延時間Ｔ_pdは、アナログ構成要素、即ち回転磁界を検出する検出部１００の遅延時間を含んでいてもよい。これにより、全体の伝達遅延時間のごく一部に過ぎない標準的なアナログ遅延時間、及び処理や補正されないままの温度変化による標準的なアナログ遅延時間の変動を考慮することが可能となる。処理や温度変化によるアナログ遅延時間の部分は、１μｓの程度に過ぎない極めて小さい値であって、別個に計測して標準的なアナログ遅延時間に加算することもできる。

補正後回転角α_corrは、上位有効ビット（ＨＳＢ、High Significant Bits）及び下位有効ビット（ＬＳＢ、Low Significant Bits）からなる列により、出力端子から出力されるようにしてもよい。回転する磁石の最大回転速度において、ＬＳＢを順に追うには、サンプリング速度が遅すぎる可能性がある。図２〜図５に示されるポジションセンサ装置のもう１つの実施形態として、補間回路１５０を用いることにより、動的な角度誤差の補正を選択的に行ってもよい。

補間回路は、回転角の検出の分解能を増大させることができる。補間回路１５０は、サンプリング周波数、即ちサンプリング周期Ｔｓによって予め定められた時間間隔で、角度誤差決定部１２０が次々と求めた補正後回転角の間で、補間回転角α_intの出力を可能とするものである。補間回路１５０の具体的な実施形態は、図３に基づいて後述する。遅延時間Ｔ_pdは、補間回路の遅延時間を選択的に含むようにすることができる。

図２は、定速回転を行う回転系における動的な角度誤差によって生じる誤差を補正することが可能なポジションセンサ装置の一実施形態を示す図である。距離誤差決定部１２０は、回転する磁石の速度を演算するように構成された構成要素１２１を備える。距離誤差決定部１２０は、回転する磁石の回転速度によって生じる角度誤差α_err1を演算するために設けられる構成要素１２２を更に備えていてもよい。角度誤差α_err1は、回転する磁石の回転速度ωと、ポジションセンサ装置の伝達遅延時間Ｔ_pdとの積であり、下記式によって表すことができる。

構成要素１２２は、回転する磁石の回転速度と、ポジションセンサ装置の伝達遅延時間との積を演算することにより、角度誤差α_err1を求めるように構成される。補正後回転角α_corrを求めるため、位置補正部は、第１の時期ｔ１において検出部１００が検出した回転磁界から計測処理部１１０が求めた回転角α０_(t1)に、角度誤差α_err1を加算する加算器１３１として構成される。

図３は、ポジションセンサ装置１０の距離誤差決定部１２０、位置補正部１３０、及び補間回路１５０の一実施形態を示す図である。距離誤差決定部１２０は、第１の時期ｔ１と、当該第１の時期ｔ１より前となる先行時期ｔ０との間の磁石２１の回転の速度に基づき、角度誤差α_err1を求めるように構成される。計測処理部１１０は、第１の時期ｔ１に検出された回転磁界、及び先行時期ｔ０に検出された回転磁界を演算処理するように構成される。計測処理部１１０は、先行時期ｔ０から第１の時期ｔ１までの期間を、クロック信号ｃｌｋに基づく時間間隔Ｔｓの整数倍とするように構成される。

計測処理部１１０は、回転する磁石２１の先行時期ｔ０における位置を示す、磁石２１の先行回転角α０_(t0)を求めると共に、回転する磁石２１の第１の時期ｔ１における位置を示す、磁石２１の回転角α０_(t1)を求めるように構成される。回転する磁石２１の速度ωは、下記式によって求めることができる。

或いは、ｔ＝ｔ１とし、Δｔ_speed＝ｔ１−ｔ０とすると、下記の一般式によって表すことができる。

サンプリング周期Ｔｓで、計測処理部１１０が継続的に次々と角度誤差を生成するとした場合、Δｔ_speedはサンプリング周期Ｔｓの倍数として選定される。回転角α０を新たにサンプリングする度に新たな速度ωの値を得るため、デジタル遅延チェーン１２１０によってΔｔ_speedが与えられる。デジタル遅延チェーンは、検出された回転角を遅延させて、先行回転角α０_(t-Δtspeed)、即ち、ｔ０＝ｔ−Δｔ_speedとして、α０_(t0)を得る遅延素子１２１１を備える。

距離誤差決定部１２０は、最新の回転角α０_(t1)と先行回転角α０_(t0)との差異を求める減算器１２２０を更に備える。距離誤差決定部１２０は、回転角α０_(t1)と先行回転角α０_(t0)との差、及び第１の時期ｔ１と先行時期ｔ０との差に基づき、磁石２１の回転の速度を求めるように構成される。距離誤差決定部１２０は、回転角α０_(t1)と先行回転角α０_(t0)との差と、第１の時期ｔ１と先行時期ｔ０との間の差との商を演算することにより、磁石の回転の速度を求める乗算部として構成することが可能な演算部１２３０を備える。更に、演算部１２３０は、回転する磁石の演算された速度ωに、遅延時間Ｔ_pdを乗算することにより、角度誤差α_err1を求めるように構成することができる。

位置補正部１３０は、回転角α０_(t1)と角度誤差α_err1との和に基づき、補正後回転角α_corrを求めるように構成することができる。位置補正部１３０は、第１の時期ｔ１に関して求めた最新の回転角α０_(t1)に、角度誤差α_err1を加算する加算器１３１を備えていてもよい。位置補正部１３０は、補正後回転角α_corrを出力する出力端子Ａ１３０を備えていてもよい。遅延時間Ｔ_pdは、第１の時期ｔ１における検出部１００の磁界の検出と、第２の時期ｔ２における出力端子Ａ１３０からの補正後回転角α_corrの出力との間の伝達遅延時間とすることができる。

ポジションセンサ装置は、複数の補間回転角α_int［ｋ］と、補正後回転角α_corrとを出力する出力端子Ａ１５０を有した補間回路１５０を選択的に備えていてもよい。補間回転角は、それぞれの時間間隔Ｔｓで位置補正部１３０が次々と補正後回転角α_corrを求める間の時期における、回転する磁石２１の位置を示す。角度補間部１５１は、出力する角度を、入力側に与えられるα１［ｋ］（ｋ＝１，．．．，ｎ）の値だけ増減させる。この処理では、サンプリング周波数がＦｓとすると、期間Ｔｓ＝１／Ｆｓが厳密に適用される。α１［ｋ］の値は、補間回転角α_int［ｋ］の実際の値と新たな補正後回転角との、時期ｔ＋Ｔｓにおいて予測される差である。

位置補正部が、例えば第１の時期ｔ１について補正後の第１回転角α０_(t1)を求め、第１の時期ｔ１より後となる第３の時期ｔ３＝ｔ１＋Ｔｓに次の第２回転角α０_(t3)を求めたとすると、角度補間部１５１は、第１回転角α０_(t1)と第２回転角α０_(t3)との間において、複数の補間回転角α_int［ｋ］（ｋ＝１，．．．，ｎ）を求める。

ポジションセンサ装置が、補間回路１５０を備える場合、遅延時間Ｔ_pdには、回転角α０の演算と、第２の時期ｔ２における補間回路１５０の出力端子Ａ１５０からの補間回転角の出力との間の期間を示す伝達遅延時間を含めることができる。

また、遅延時間Ｔ_pdには、アナログ構成要素、即ち、回転磁界を検出する検出部１００の遅延時間を含めることもできる。これにより、全体の伝達遅延時間のごく一部に過ぎない標準的なアナログ遅延時間、及び処理や補正されないままの温度変化による標準的なアナログ遅延時間の変動を考慮することが可能となる。処理や温度変化によるアナログ遅延時間の部分は、１μｓの程度に過ぎない極めて小さい値であって、別個に計測して標準的なアナログ遅延時間に加算することもできる。

遅延時間Ｔ_pdは、クロック信号ｃｌｋに基づくサンプリング周期Ｔｓの倍数とすることができる。通常、遅延時間Ｔ_pdは、製造の際に変化し、温度に応じて発振回路１４０の周波数変動により変化する。式α_err1＝ω・Ｔ_pdのＴ_pd／Δｔ_speedの項が発振回路の周波数から独立しているので、発振回路１４０の変動によって生じる遅延時間Ｔ_pdのいかなる変動も補正することが可能である。ここで提案して組み込まれた具体例により、クロック信号ｃｌｋによって与えられる同一の時間基準が用いられるので、システム伝達遅延時間を相殺することが可能となる。

図４は、回転する磁石２１の一定の加速度を更に考慮することが可能な、ポジションセンサ装置１０の一実施形態を示す図である。図４の実施形態においては、距離誤差決定部１２０が、磁石２１の回転の加速度を求め、磁石２１の回転の加速度と遅延時間Ｔ_pdとに基づき、角度誤差α_err2を求めるように構成される。距離誤差決定部１２０は、回転する磁石の速度の計測結果に基づき、回転する磁石の加速度を求める構成要素１２３と、角度誤差α_err2を求める構成要素１２４とを備えていてもよい。構成要素１２３は、回転する磁石の速度ωの微分値を演算することにより、回転する磁石の加速度を求めるように構成してもよい。構成要素１２３は、２つの異なる時期における２つの速度ωの値を、当該２つの異なる時期の差で除する演算に基づいて、当該加速度を求めるように構成してもよい。

角度誤差α_err2は、下記式から得られる。

構成要素１２４は、演算で得られた回転する磁石の加速度ａに、遅延時間Ｔ_pdの２乗と定数とを乗じることにより、角度誤差α_err2を求めるように構成することができる。

位置補正部１３０は、角度誤差α_err2に基づき、補正後回転角α_corrを求めるように構成される。位置補正部１３０は、回転角α０_(t1)と、角度誤差α_err1と、もう１つの角度誤差α_err2との和に基づき、補正後回転角α_corrを求めるように構成することができる。このために、位置補正部１３０は、更に加算器１３２を備えていてもよい。磁石２１の回転運動が一定の加速である場合には、角度誤差α_err1が０となり、補正後回転角α_corrは、回転角α０_(t1)と角度誤差α_err2との和にのみ基づくものとなる。

図５は、回転する磁石２１の加速度の変化、具体的には一定に増加する加速度を更に考慮することが可能な、ポジションセンサ装置１０の一実施形態を示す図である。図５の実施形態においては、距離誤差決定部１２０が、磁石２１の回転の加速度の変化を求め、磁石２１の回転の加速度の変化と遅延時間Ｔ_pdとに基づき、角度誤差α_err3を求めるように構成される。距離誤差決定部１２０は、回転する磁石２１の加速度の計測結果に基づいて、回転する磁石２１の加速度の変化を求める構成要素１２５を備えていてもよい。距離誤差決定部１２０は、更に、角度誤差α_err3を求める構成要素１２６を備えていてもよい。位置補正部１３０は、加算器１３３を備えていてもよい。位置補正部１３０は、加算器１３３を用い、回転角α０_(t1)と角度誤差α_err1と角度誤差α_err2との和に、角度誤差α_err3を加算することにより、補正後回転角α_corrを求めるように構成される。構成要素１２５と構成要素１２６との間に破線の矢印で示しているように、距離誤差決定部１２０は、更に多段階に角度誤差を求める構成を備えていてもよい。

磁気ポジションセンサ装置として構成されたポジションセンサ装置を用い、ポジションセンサ装置の構成及び機能を説明したが、運動体の位置を求めるポジションセンサ装置及び方法は、磁気ポジションセンサ装置による回転の計測に限定されるものではなく、例えば、直線変位の計測にも適用することが可能である。また、検出部は、例えば、運動体が生成する光学信号を検出する光学センサ、或いは運動体が生成する電気信号を検出する静電容量センサを備えていてもよい。計測処理部は、回転角に代えて、位置を検出するようにしてもよい。距離誤差決定部は、運動体が第１の時期ｔ１から、第１の時期ｔ１より後となる第２の時期ｔ２までの間に運動体が動いた距離を示す、少なくとも１つの距離誤差α_err1、α_err2、α_err3を求めればよい。位置補正部１３０は、第２の時期ｔ２における運動体の位置を示す補正後位置α_corrを出力するように構成される。距離誤差決定部１２０は、運動体の運動の速度を求め、運動体の運動の速度と、第１の時期から第２の時期までの期間を示す遅延時間Ｔ_pdとに基づき、少なくとも１つの距離誤差α_err1、α_err2、α_err3を求めるように構成される。位置補正部１３０は、少なくとも１つの距離誤差α_err1、α_err2、α_err3と第１位置α０_(t1)とに基づき、補正後位置α_corrを求めるように構成される。

当業者は、上述した説明及び付随する図面に示された教示による利益が得られるような多くの変形例及び別の実施形態を想起しうるであろう。従って、明細書及び請求項の趣旨は、開示した特定の実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例及び別の実施形態も、添付の特許請求の範囲に含まれるものである。ここで述べた実施形態の修正や変更を含む実施の形態は、添付の請求項及びその均等の範囲に含まれるものである。ここでは具体的な用語を用いているが、それらは、総称的なものとして説明を行うために用いたものであり、限定を目的とするものではない。

１０ ポジションセンサ装置
２０ 運動体
２１ 磁石
１００ 検出部
１０１ センサ
１０２ アナログフロントエンド
１１０ 計測処理部
１１１ アナログ・デジタル変換器
１２０ 距離誤差決定部
１３０ 位置補正部
１４０ 発振回路
１５０ 補間回路

Claims (17)

1. 運動体の位置を検出するポジションセンサ装置において、
   運動体（２０，２１，２２）が生成する信号を検出する検出部（１００）であって、運動体（２０，２１，２２）が生成する信号を第１の時期（ｔ１）に検出するように構成される検出部（１００）と、
   検出された前記信号を演算処理することにより、ある時期（ｔ）における前記運動体（２０，２１，２２）の位置を示す前記運動体（２０，２１，２２）の位置（α０_(t)）を求める計測処理部（１１０）であって、前記第１の時期（ｔ１）における前記運動体（２０，２１，２２）の位置を示す第１位置（α０_(t1)）を求めるように構成される計測処理部（１１０）と、
   前記第１の時期（ｔ１）から、前記第１の時期（ｔ１）より後となる第２の時期（ｔ２）までの間に前記運動体（２０，２１，２２）が動いた距離を示す少なくとも１つの距離誤差（α_err1，α_err2，α_err3）を求める距離誤差決定部（１２０）と、
   前記第２の時期（ｔ２）における前記運動体（２０，２１，２２）の位置を示す補正後位置（α_corr）を出力する位置補正部（１３０）とを備え、
   前記距離誤差決定部（１２０）は、前記運動体（２０，２１，２２）の運動の速度を求め、前記運動体（２０，２１，２２）の運動の前記速度に基づくと共に、前記第１の時期（ｔ１）から前記第２の時期（ｔ２）までの期間を示す遅延時間（Ｔ_pd）に基づき、前記少なくとも１つの距離誤差（α_err1，α_err2，α_err3）を求めるように構成され、
   前記位置補正部（１３０）は、前記少なくとも１つの距離誤差（α_err1，α_err2，α_err3）と前記第１位置（α０_(t1)）とに基づき、前記補正後位置（α_corr）を求めるように構成される
   ことを特徴とするポジションセンサ装置。
2. 前記検出部（１００）は、回転する磁石（２１）が生成する回転磁界を検出するように構成されて、前記回転磁界を前記第１の時期（ｔ１）に検出し、
   前記計測処理部（１１０）は、検出された前記回転磁界を演算処理することによって、ある時期（ｔ）における前記磁石（２１）の位置を示す前記磁石（２１）の回転角（α０_(t)）を求めるように構成されて、前記第１の時期（ｔ１）における前記磁石（２１）の位置を示す第１回転角（α０_(t1)）を求め、
   前記距離誤差決定部（１２０）は、前記第１の時期（ｔ１）から前記第２の時期（ｔ２）までの間に前記磁石（２１）が回転した角度を示す少なくとも１つの角度誤差（α_err1，α_err2，α_err3）を求めるように構成され、
   前記位置補正部（１３０）は、前記第２の時期（ｔ２）における前記磁石（２１）の位置を示す補正後回転角（α_corr）を出力するように構成され、
   前記距離誤差決定部（１２０）は、前記磁石（２１）の回転の速度を求めて、前記磁石（２１）の回転の前記速度に基づくと共に、前記遅延時間（Ｔ_pd）に基づき、前記少なくとも１つの角度誤差（α_err1，α_err2，α_err3）を求めるように構成され、
   前記位置補正部（１３０）は、前記少なくとも１つの角度誤差（α_err1，α_err2，α_err3）と前記第１回転角（α０_(t1)）とに基づき、前記補正後回転角（α_corr）を求めるように構成される
   ことを特徴とする請求項１に記載のポジションセンサ装置。
3. 前記距離誤差決定部（１２０）は、前記少なくとも１つの角度誤差として第１角度誤差（α_err1）を求めるように構成され、前記第１の時期（ｔ１）と、前記第１の時期（ｔ１）より前となる先行時期（ｔ０）との間における前記磁石（２１）の回転の速度に基づき、前記第１角度誤差（α_err1）を求めることを特徴とする請求項２に記載のポジションセンサ装置。
4. 前記計測処理部（１１０）は、前記第１の時期（ｔ１）と前記先行時期（ｔ０）とに検出された回転磁界を演算処理するように構成され、前記先行時期（ｔ０）における前記磁石（２１）の位置を示す前記磁石（２１）の先行回転角（α０_(t0)）を求め、
   前記距離誤差決定部（１２０）は、前記第１回転角（α０_(t1)）と前記先行回転角（α０_(t0)）との差、及び前記第１の時期（ｔ１）と前記先行時期（ｔ０）との差に基づき、前記磁石（２１）の回転の前記速度を求める
   ことを特徴とする請求項３に記載のポジションセンサ装置。
5. 前記位置補正部（１３０）は、前記第１回転角（α０_(t1)）と前記第１角度誤差（α_err1）との和に基づき、前記補正後回転角（α_corr）を求めるように構成されることを特徴とする請求項３または４に記載のポジションセンサ装置。
6. 前記計測処理部（１１０）及び前記距離誤差決定部（１２０）を作動させるためのクロック信号（ｃｌｋ）を供給する発振回路（１４０）を備え、
   前記計測処理部（１１０）は、前記クロック信号（ｃｌｋ）に基づく時間間隔（Ｔｓ）で検出された回転磁界を演算処理して、前記第１回転角（α０_(t1)）及び前記先行回転角（α０_(t0)）を求めるように構成される
   ことを特徴とする請求項４または５に記載のポジションセンサ装置。
7. 前記計測処理部（１１０）は、前記先行時期（ｔ０）から前記第１の時期（ｔ１）までの期間を、前記時間間隔（Ｔｓ）の整数倍とするように構成されることを特徴とする請求項６に記載のポジションセンサ装置。
8. 前記距離誤差決定部（１２０）は、前記磁石（２１）の回転の加速度を求め、前記磁石（２１）の回転の前記加速度と前記遅延時間（Ｔ_pd）とに基づき、前記少なくとも１つの角度誤差として第２角度誤差（α_err2）を求めるように構成され、
   前記位置補正部（１３０）は、前記第２角度誤差（α_err2）に基づき、前記補正後回転角（α_corr）を求めるように構成される
   ことを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載のポジションセンサ装置。
9. 前記位置補正部（１３０）は、前記第１回転角（α０_(t1)）と前記第１角度誤差（α_err1）と前記第２角度誤差（α_err2）との和に基づき、前記補正後回転角（α_corr）を求めるように構成されることを特徴とする請求項８に記載のポジションセンサ装置。
10. 前記距離誤差決定部（１２０）は、前記磁石（２１）の回転の加速度の変化を求め、前記磁石（２１）の回転の加速度の前記変化と前記遅延時間（Ｔ_pd）とに基づき、前記少なくとも１つの角度誤差として第３角度誤差（α_err3）を求めるように構成され、
    前記位置補正部（１３０）は、前記第１回転角（α０_(t1)）と前記第１角度誤差（α_err1）と前記第２角度誤差（α_err2）との和に、前記第３角度誤差（α_err3）を加算することにより、前記補正後回転角（α_corr）を求めるように構成される
    ことを特徴とする請求項８または９に記載のポジションセンサ装置。
11. 前記位置補正部（１３０）に接続され、前記補正後回転角（α_corr）を出力する出力端子（Ａ１３０，Ａ１５０）を備え、
    前記遅延時間（Ｔ_pd）は、前記第１の時期（ｔ１）における前記回転磁界の検出から、前記出力端子（Ａ１３０，Ａ１５０）からの前記補正後回転角（α_corr）の出力までの期間を示す伝達遅延時間である
    ことを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載のポジションセンサ装置。
12. 運動体の位置を検出する方法であって、
    運動体（２０，２１，２２）が生成する信号を第１の時期（ｔ１）に検出する工程と、
    前記第１の時期（ｔ１）に検出した信号を演算処理することにより、前記第１の時期（ｔ１）における前記運動体（２０，２１，２２）の位置を示す前記運動体（２０，２１，２２）の第１位置（α０_(t1)）を求める工程と、
    前記運動体（２０，２１，２２）の運動の速度を求める工程と、
    前記運動体（２０，２１，２２）の運動の前記速度と、前記第１の時期（ｔ１）から、前記第１の時期（ｔ１）より後となる第２の時期（ｔ２）までの期間を示す遅延時間（Ｔ_pd）とに基づき、前記第１の時期（ｔ１）から前記第２の時期（ｔ２）までの間に前記運動体（２０，２１，２２）が動いた距離を示す少なくとも１つの距離誤差（α_err1，α_err2，α_err3）を求める工程と、
    前記少なくとも１つの距離誤差（α_err1，α_err2，α_err3）と前記第１位置（α０_(t1)）とに基づき、前記第２の時期（ｔ２）における前記運動体（２０，２１，２２）の位置を示す補正後位置（α_corr）を求める工程と
    を備えることを特徴とする方法。
13. 回転する磁石（２１）の回転磁界を前記第１の時期（ｔ１）に検出する工程と、
    前記第１の時期（ｔ１）に検出された前記回転磁界を演算処理することによって、前記第１の時期（ｔ１）における前記磁石（２１）の位置を示す前記磁石（２１）の第１回転角（α０_(t1)）を求める工程と、
    前記磁石（２１）の回転の速度を検出する工程と、
    前記磁石（２１）の回転の前記速度と前記遅延時間（Ｔ_pd）とに基づき、前記第１の時期（ｔ１）から前記第２の時期（ｔ２）までの間に前記磁石（２１）が回転した角度を示す少なくとも１つの角度誤差（α_err1，α_err2，α_err3）を求める工程と、
    前記少なくとも１つの角度誤差（α_err1，α_err2，α_err3）と前記第１回転角（α０_(t1)）とに基づき、前記第２の時期（ｔ２）における前記磁石（２１）の位置を示す補正後回転角（α_corr）を求める工程と
    を備えることを特徴とする請求項１２に記載の方法。
14. 前記少なくとも１つの角度誤差として第１角度誤差（α_err1）を求める工程と、
    前記第１時期（ｔ１）と、前記第１時期（ｔ１）より前となる先行時期（ｔ０）との間における前記磁石（２１）の回転の速度に基づき、前記第１角度誤差（α_err1）を求める工程と、
    前記第１回転角（α０_(t1)）と前記第１角度誤差（α_err1）とに基づき、前記補正後回転角（α_corr）を求める工程と
    を備えることを特徴とする請求項１３に記載の方法。
15. 前記磁石（２１）の回転の加速度を求める工程と、
    前記磁石（２１）の回転の前記加速度と前記遅延時間（Ｔ_pd）とに基づき、前記少なくとも１つの角度誤差として第２角度誤差（α_err2）を求める工程と、
    前記第２角度誤差（α_err2）に基づき、前記補正後回転角（α_corr）を求める工程と
    を備えることを特徴とする請求項１２〜１４のいずれかに記載の方法。
16. 前記第１回転角（α０_(t1)）と前記第１角度誤差（α_err1）と前記第２角度誤差（α_err2）との和に基づき、前記補正後回転角（α_corr）を求める工程を備えることを特徴とする請求項１５に記載の方法。
17. 前記磁石（２１）の回転の加速度の変化を求める工程と、
    前記磁石（２１）の回転の加速度の前記変化と前記遅延時間（Ｔ_pd）とに基づき、前記少なくとも１つの角度誤差として第３角度誤差（α_err3）を求める工程と、
    前記第１回転角（α０_(t1)）と前記第１角度誤差（α_err1）と前記第２角度誤差（α_err2）との和に、前記第３角度誤差（α_err3）を加算することにより、前記補正後回転角（α_corr）を求める工程と
    を備えることを特徴とする請求項１５または１６に記載の方法。

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