JP2018179558A - 電子装置 - Google Patents

Abstract

【課題】回路規模の増大を抑制しつつ、高精度に磁束の変動を検出できる電子装置を提供する。【解決手段】この電子装置は、被測定磁束を電気信号に変換する磁電変換素子と、該磁電変換素子の出力信号を処理する処理部と、を備える。磁電変換素子は、被測定磁束を正弦波の変換する第１素子と、被測定磁束を、正弦波とは振幅が同一であるが、位相がπ／２だけ異なる余弦波に変換する第２素子と、を有する。処理部は、第１素子から出力される正弦波と、第２素子から出力される余弦波とに基づいて、位相を算出する位相算出部を有する。【選択図】図１

Description

この明細書の開示は、複数の磁電変換素子を用いる電子装置に関する。

特許文献１に開示される磁気センサは、被測定磁束を電気信号に変換する磁電変換素子を備えている。回転体の回転角を検出する等のように被測定磁束が周期的に変動するような場合には、磁電変換素子は被測定磁束の変化を正弦波として出力する。

特許文献１に記載の磁気センサは、出力される正弦波の位相が互いにπ／２だけ異なる２つの磁電変換素子を備えている。各出力信号の二乗和は振幅の二乗に等しい。磁電変換素子が出力する正弦波の振幅は、磁電変換素子を貫く磁束の大きさと、温度とに依存する。特許文献１に記載の磁気センサは、計算された振幅の二乗の値から温度を推定することができるとするものである。

特開２０１４−１３４４３３号公報

ところで、例えば、回転するギアの回転角を検出する回転角センサでは、ギアの歯が磁電変換素子の前を通過すると、歯の存在によって磁束が周期的に変化するので、磁電変換素子は正弦波を出力する。この出力信号に所定の閾値を設けることで、歯の通過の有無を検出することができる。回転角センサは、通過する歯数をカウントすることによって回転角を検出している。

出力信号に対する閾値は、固定閾値と変動閾値との２つに大別できる。固定閾値は、予め絶対値が固定されて設定されるものであり、出力信号がその閾値を超えるか否かでギアの歯の通過を判定する。固定閾値は、予め固定値を設定しておけばよいので、検出の開始から終了まで精度を維持できるが、回転体の磁化が低下したり、回転体に対する磁電変換素子の位置ずれに起因して出力信号の振幅が低下したりすると、閾値の設定が適切でなくなる場合がある。

また、変動閾値は、複数回の歯の通過により検出される出力信号の振幅をサンプリングし、サンプリングされた振幅に基づいて閾値が決定されるものである。変動閾値では、磁化の低下や磁電変換素子の位置ずれに対する精度低下を抑制できるが、検出開始直後の波形のサンプリングが出来ない状態では閾値を定義することができない。また、閾値を算出するための回路が新たに必要となり、回路規模の増大につながる虞がある。

上記の問題は、回転角センサに限らず、交流電流を検出する電流センサや、その他センサにおいても同様に生じるものである。

そこで、この明細書の開示は、回路規模の増大を抑制しつつ、高精度に磁束の変動を検出できる電子装置を提供することを目的とする。

この明細書の開示は、上記目的を達成するために以下の技術的手段を採用する。なお、特許請求の範囲およびこの項に記載した括弧内の符号は、ひとつの態様として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って、発明の技術的範囲を限定するものではない。

上記目的を達成するために、この明細書に開示される電子装置は、被測定磁束を電気信号に変換する磁電変換素子（１０）と、該磁電変換素子の出力信号を処理する処理部（２０）と、を備える電子装置であって、磁電変換素子は、被測定磁束を正弦波の変換する第１素子（１１）と、被測定磁束を、正弦波とは振幅が同一であるが、位相がπ／２だけ異なる余弦波に変換する第２素子（１２）と、を有し、処理部は、第１素子から出力される正弦波と、第２素子から出力される余弦波とに基づいて、位相を算出する位相算出部（３０）を有する。

これによれば、電子装置は、被測定磁束を位相情報に変換する。換言すれば、電子装置は、第１素子と第２素子から出力された被測定磁束の強度を、位相情報に正規化する。位相は、第１素子および第２素子に入力される被測定磁束の大きさに依らず、変動する被測定磁束の周期内において、出力信号の大小を反映する。このため、位相情報に基づけば、磁電変換素子が出力する正弦波および余弦波の振幅に依ることなく、被測定磁束の強度の相対的な大きさを比較することができる。よって、被測定対象の磁化が低下したり、回転体に対する磁電変換素子の位置ずれに起因して出力信号の振幅が低下したりした場合でも、高精度に変動を検出することができる。

第１実施形態に係る電子装置の概略構成を示すブロック図である。 電子装置の出力結果について、従来技術との比較を示す図である。

以下に、図面を参照しながら本開示を実施するための複数の形態を説明する。各形態において先行する形態で説明した事項に対応する部分には同一の参照符号を付して重複する説明を省略する場合がある。各形態において構成の一部のみを説明している場合は、構成の他の部分については先行して説明した他の形態を適用することができる。各形態で具体的に組み合わせが可能であることを明示している部分同士の組み合わせばかりではなく、特に組み合わせに支障が生じなければ、明示していなくても形態同士を部分的に組み合せることも可能である。

（第１実施形態）
最初に、図１を参照して、本実施形態に係る電子装置の概略構成について説明する。

本実施形態における電子装置は、例えばクランクロータなどの回転体の回転角を検出するための回転角センサの供される。クランクロータはギア状であり、複数の歯が回転方向に並んでいる。

図１に示すように、電子装置１００は、被測定磁束を電気信号に変換する磁電変換素子１０と、磁電変換素子１０の出力信号（以下、検出信号と示す）を処理する処理部２０と、を備えている。処理部２０は、検出信号の強度を位相情報に変換し、変換された位相情報に基づいて検出信号の大小関係を出力する。

磁電変換素子１０は、第１素子１１、及び、第２素子１２を有している。素子１１、１２それぞれは自身を透過する被測定磁束の量と方向が互いに同じになるように配置されている。具体的には、第１素子１１と第２素子１２は、クランクロータ２００の歯２０１の並び方向に沿って、近接しつつ並んで配置されている。すなわち、第１素子１１と第２素子１２とが略等価な位置に配置されることで、略同一の磁束が貫くようになっている。クランクロータ２００が回転すると、回転体に形成された歯２０１も回転し、その凹凸の回転に伴って、クランクロータ２００に印加される被測定磁束の方向が変化する。これにより、素子１１、１２を透過する被測定磁束の方向も変化する。これにより、歯２０１の周期的な通過に伴って、第１素子１１からは正弦波としての検出信号が出力され、第２素子１２からは余弦波としての検出信号が出力される。正弦波と余弦波それぞれの位相は、クランクロータ２００の回転角度に依存する。

上記のとおり、第１素子１１は、自身を透過した被測定磁束を正弦波に変換するものであり、第２素子１２は、自身を透過した被測定磁束を余弦波に変換するものである。正弦波と余弦波は、振幅が同一であるが、位相がπ／２だけ異なり、正弦波と余弦波それぞれは、アナログ信号として素子１１、１２から出力される。

素子１１、１２は、図示しないが、永久磁石と、永久磁石によって磁化方向が固定されたピン層（固定層）と、非磁性の中間層と、自身を透過する磁束の方向によって磁化方向が変化する自由層とが順に積層された磁気抵抗素子である。中間層は導電性を有しており、素子１１、１２は巨大磁気抵抗素子である。

素子１１、１２は、ピン層の磁化方向と、自由層の磁化方向とがなす角度によって抵抗値が変化する。ピン層の磁化方向と自由層の磁化方向が平行のときに抵抗値が最も低くなり、ピン層の磁化方向と自由層の磁化方向が半平行のときに抵抗値が最も高くなる。第１素子１１におけるピン層の磁化方向と、第２素子１２におけるピン層の磁化方向はπ／２異なっている。また、上記したように、素子１１、１２はそれぞれを透過する被測定磁束の量と方向が互いに同じになっている。そのため、第１素子１１から正弦波が出力されると、振幅が同一であり、位相がπ／２異なる余弦波が第２素子１２から出力される。

処理部２０は、位相算出部３０と、比較部４０と、アンプ５０と、Ａ／Ｄ変換部６０と、を有している。素子１１、１２はアンプ５０と、Ａ／Ｄ変換部６０とを介して位相算出部３０に接続されている。位相算出部３０は比較部４０と接続されている。

より具体的には、アンプ５０は、第１アンプ５１と、第２アンプ５２と、を有し、Ａ／Ｄ変換部６０は、第１変換部６１と、第２変換部６２と、を有している。第１素子１１は、第１アンプ５１と、第１変換部６１と、を介して位相算出部３０に接続され、第２素子１２は、第２アンプ５２と、第２変換部６２と、を介して位相算出部３０に接続されている。

このため、第１素子１１から出力された正弦波の検出信号は、第１アンプ５１と、第１変換部５１と、を介して位相算出部３０へ入力され、第２素子１２から出力された余弦波は、第２アンプ５２と、第２変換部６２と、を介して位相算出部３０へ入力される。そして、位相算出部３０に入力された正弦波および余弦波としての検出信号は、位相情報に変換されて比較部４０に入力される。

位相算出部３０はロジック回路であり、第１アンプ５１と第１変換部６１を介してデジタル信号に変換された第１素子１１の検出信号Ｓ１（＝Ａｓｉｎθ、Ａは振幅、θは位相）と、第２アンプ５２と第２変換部６２を介してデジタル信号に変換された第２素子１２の検出信号Ｓ２（＝Ａｃｏｓθ）と、が入力される。

位相算出部３０は、除算器と逆正接器とを有している。入力された検出信号Ｓ１，Ｓ２は、除算器によってＳ１／Ｓ２に相当するデジタル信号Ｓ３に変換される。さらに、デジタル信号Ｓ３は、逆正接器によって、ａｒｃｔａｎ（Ｓ３）に相当するデジタル信号Ｓ４に変換される。

なお、除算器において、Ｓ２がゼロとなる場合には演算が成立しない。位相θで表現すれば、θ＝π／２においては演算が成立しない。このため、Ｓ２として、ゼロを含むゼロ近傍の値が入力された場合には除算器による演算を行わないようにされるべきである。

ここで、デジタル信号Ｓ３は、Ａｓｉｎθ／Ａｃｏｓθ＝ｔａｎθであり、検出信号Ｓ１，Ｓ２に包含される振幅Ａの情報が排除される。そして、デジタル信号Ｓ３は、位相θに対する正接であるから、逆正接器の出力信号であるデジタル信号Ｓ４は、位相θに対応する電圧信号である。

比較部４０は、例えばコンパレータである。比較部４０には、デジタル信号Ｓ４と、比較対象となる閾値位相θｔｈが入力されている。比較部４０は、デジタル信号Ｓ４がθｔｈ以上の値であればＨｉｇｈ信号を出力し、デジタル信号Ｓ４がθｔｈよりも小さい値であればＬｏｗ信号を出力する。比較部４０の出力信号が電子装置１００の出力信号ＯＵＴとなる。

アンプ５０は、磁電変換素子１０の検出信号を増幅するものである。つまり、第１素子１１が出力する正弦波、および、第２素子１２が出力する余弦波の振幅を増幅するものである。上記したように、アンプ５０は、第１アンプ５１と、第２アンプ５２と、を有している。第１アンプ５１は、第１素子１１から出力される正弦波の振幅を増幅してＡ／Ｄ変換部８０へ出力する。第２アンプ５２は、第２素子１２から出力される余弦波の振幅を増幅してＡ／Ｄ変換部８０へ出力する。

図示しないが、アンプ５１、５２は、非反転入力端子、反転入力端子、出力端子を有するオペアンプであり、非反転入力端子が素子１１、１２と接続され、出力端子がＡ／Ｄ変換部８０に接続され、反転入力端子が抵抗を介して出力端子と電気的に接続されている。反転入力端子に接続された抵抗の抵抗値により、アンプ５１、５２による出力信号の増幅率が決定される。

上記したように、第１素子１１が出力する正弦波と第２素子１２が出力する余弦波は振幅が同一であるが、位相がπ／２異なっている。そのため、本実施形態に係るアンプ５１，５２それぞれの増幅率は、同一となっている。しかしながら、素子１１，１２それぞれの設計によって、第１素子１１から出力される正弦波と、第２素子１２から出力される余弦波それぞれの振幅が異なる場合がある。この場合、アンプ５１，５２それぞれの増幅率を調整することで、アンプ５１，５２それぞれから、振幅が同一の正弦波と余弦波とを、後段のＡ／Ｄ変換部８０に出力する。このように、アンプ５１，５２によって、第１素子１１から出力される正弦波と、第２素子１２から出力される余弦波それぞれの振幅が調整される。したがって、上記した処理部を経由する前の段階においては、第１素子１１から出力される正弦波と、第２素子１２から出力される余弦波それぞれの振幅が同一である必要はない。

Ａ／Ｄ変換部６０は、アンプ５０により増幅された検出信号をデジタル信号に変換するものである。上記したように、Ａ／Ｄ変換部６０は、第１変換部６１と、第２変換部６２と、を有している。

第１変換部６１は、第１素子１１の検出信号である正弦波をデジタル信号Ｓ１に変換するものであり、第２変換部２２は、第２素子１２の検出信号である余弦波をデジタル信号Ｓ２に変換するものである。変換されたデジタル信号Ｓ１，Ｓ２は位相算出部３０に入力される。変換部６１、６２は、正弦波および余弦波の信号を一定間隔で測定することで離散信号として収集する標本化と、収集した離散信号を最も近い整数値で近似する量子化と、を実行することで、正弦波および余弦波をアナログ信号からデジタル信号に変換している。

次に、図２を参照して、本実施形態に係る電子装置１００を採用することによる作用効果について説明する。

上記したとおり、第１素子１１および第２素子１１の検出信号は、クランクロータ２００が回転することによる歯２０１の通過によって、その強度が周期的に変動する。図２に示すように、従来技術では、デジタル化された信号、アナログ信号の別を問わず、振幅の情報を含んだ検出信号に対して閾値を設定し、検出信号の出力が閾値を超えるか否かによって歯２０１の通過を判断していた。この検出方法では、振幅が変動するような事態に対して、検出精度が低下したり、即応できないという問題がある。

これに対して、本実施形態における電子装置１００は、処理部２０において位相算出部３０を有しているので、検出信号Ｓ１，Ｓ２が位相θに正規化されて比較部４０に入力される。正規化されたデジタル信号Ｓ４は、元の検出信号Ｓ１，Ｓ２の振幅に依らないので、閾値位相θｔｈを固定閾値として設定することにより、回転体の磁化の低下や、磁電変換素子の位置ずれによる被測定磁束の強度の変動に影響されることなく、歯２０１の通過の有無をＨｉｇｈ／Ｌｏｗのデジタル信号として出力することができる。

さらに、閾値位相θｔｈは固定閾値として設定できるので、処理部２０の回路規模の増大を抑制することができる。

上記のとおり、本実施形態に係る電子装置１００を採用することにより、回路規模の増大を抑制しつつ、歯２０１の通過等による磁束の変動を、高精度に検出することができる。

（その他の実施形態）
以上、好ましい実施形態について説明したが、上記した実施形態になんら制限されることなく、この明細書に開示する主旨を逸脱しない範囲において、種々変形して実施することが可能である。

上記した実施形態では、素子１１、１２の中間層が導電性を有しており、素子１１、１２が巨大磁気抵抗素子である例を示した。しかしながら、素子１１、１２の中間層が絶縁性を有しており、素子１１、１２がトンネル磁気抵抗素子である構成を採用することができる。

また、素子１１、１２が異方性磁気抵抗素子である構成を採用することもできる。この場合、素子１１、１２は強磁性体からなり、自身を透過する被測定磁束と自身を流れる電流とがなす角度に依存して抵抗値が変化する。具体的には、電流方向と磁束方向が垂直のとき抵抗値は最大となり、電流方向と磁束方向が平行のとき抵抗値は最小となる。この構成では、第１素子１１および第２素子１２は、それぞれを流れる電流の向きがπ／２異なるように配置される。

なお、上記した実施形態では、電子装置１００が回転角センサに供される例について説明したが、これに限定されるものではない。例えば、電子装置１００を、交流電流を検出する電流センサに適用することもできる。この電流センサでは、本実施形態と同様にして、第１素子１１におけるピン層の磁化方向と、第２素子１２におけるピン層の磁化方向がπ／２異なっており、素子１１、１２が電流経路に沿って並んで配置される。電流経路に電流が流れると、右ねじの法則にしたがって、電流経路の周方向に被測定磁束が生じる。このため、素子１１、１２それぞれに透過する被測定磁束の量と方向とが同一となっている。交流電流の位相が変化すると、被測定磁束の量も変化する。そのため、素子１１、１２を透過する被測定磁束の量も変化し、第１素子１１から正弦波が出力されると、第２素子１２から余弦波が出力される。正弦波と余弦波それぞれの位相は、交流電流の位相に依存する。

また、上記した実施形態では、説明をよりわかりやすくするため、第１素子１１の検出信号が第１変換部６１を経由してデジタル信号に変換され、第２素子１２の検出信号が第２変換部６２を経由してデジタル信号に変換される例について説明した。すなわち、２つのＡＤＣを必要とする態様について説明した。しかしながら、第１素子１１の検出信号と第２素子１２の検出信号をマルチプレクサに入力して、１つのＡＤＣに対して選択的に検出信号を出力するように構成しても良い。

１０…磁電変換素子，２０…処理部，３０…位相算出部，４０…比較部，５０…アンプ，６０…Ａ／Ｄ変換部，２００…クランクロータ，２０１…歯

Claims (8)

1. 被測定磁束を電気信号に変換する磁電変換素子（１０）と、
   該磁電変換素子の出力信号を処理する処理部（２０）と、を備える電子装置であって、
   前記磁電変換素子は、
   前記被測定磁束を正弦波の変換する第１素子（１１）と、
   前記被測定磁束を、前記正弦波とは振幅が同一であるが、位相がπ／２だけ異なる余弦波に変換する第２素子（１２）と、を有し、
   前記処理部は、前記第１素子から出力される前記正弦波と、前記第２素子から出力される前記余弦波とに基づいて、位相（θ）を算出する位相算出部（３０）を有する電子装置。
2. 前記位相算出部は、前記第１素子の出力信号を前記第２素子の出力信号で除した正接信号に、逆正接の演算を施すことにより前記位相を算出する請求項１に記載の電子装置。
3. 前記処理部は、前記位相算出部により出力された位相と、所定の値に固定された閾値位相とを比較する比較部（４０）をさらに有する請求項１または請求項２に記載の電子装置。
4. 前記磁電変換素子の出力信号はアナログ信号であり、
   前記処理部は、前記位相算出部と前記磁電変換素子との間にＡ／Ｄ変換部を有する請求項１〜３のいずれか１項に記載の電子装置。
5. 前記磁電変換素子は、磁化方向が固定された固定層と、前記被測定磁束によって磁化方向が変化する自由層と、前記固定層と前記自由層との間に設けられた、非磁性の中間層と、を有し、前記固定層の磁化方向と、前記自由層の磁化方向とが成す角度によって抵抗値が変化する磁気抵抗素子である請求項１〜４いずれか１項に記載の電子装置。
6. 前記磁電変換素子は、前記中間層が導電性を有する巨大磁気抵抗素子である請求項５に記載の電子装置。
7. 前記磁電変換素子は、前記中間層が絶縁性を有するトンネル磁気抵抗素子である請求項５に記載の電子装置。
8. 前記磁電変換素子は、異方性磁気抵抗素子である請求項１〜４いずれか１項に記載の電子装置。

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