JP4519038B2 - 回転状態検出装置 - Google Patents

Description

この発明は、凹凸状磁性回転体の回転状態を検出する回転状態検出装置に関するものである。

一般的に例えば、自動車のエンジンでは、エンジンの回転数や、複数ある気筒の点火タイミングを検出するために、回転センサが取り付けられている。
最近の自動車の高機能化に伴い、回転センサについては、回転数だけではなく回転方向を検出する機能が必要とされてきた。
回転方向を検出する従来の方法として、例えば、特開平６−５８７７０号公報（以下、特許文献１という。）に示されるものがある。
この特許文献１の「エンコーダ」では、回転ドラムの位置を検出し、位相が１２０゜ずつずれた正弦波信号を出力する３個のセンサと、正弦波信号の正負判定手段と、その判定結果が、計６種の組み合せのいずれであるかを判断する分類手段と、各センサからの直前の正弦波信号値を記憶する記憶手段と、正弦波信号の増減判定手段とを具備し、上記６種のいずれの状態にあるかを判定し、その時の所定の正弦波信号の増減判定情報をもとに回転方向を検出しようとしている。

特開平６−５８７７０号公報

このような特許文献１で示される回転検出装置にあっては、３個のセンサを１２０°ずつ位相差を持つように配置する必要があるため、センサのコストとサイズを小さくできないなどの問題があった。

この発明は上述のような課題を解消するためになされたもので、２個のセンサを用いて回転体の回転方向を検出可能とし、センサの数を減らして、コストおよびサイズを小さくすることができると共に、雑音などの影響による誤検出を防止して、精度良く回転体の回転方向を検出することのできる回転状態検出装置を提供することを目的とする。

この発明に係わる回転状態検出装置は、バイアス磁界を発生する磁石、この磁石のバイアス磁界中に、被検出対象である凹凸状磁性回転体に対向しその回転方向に並べて配置され、上記被検出対象の回転に応じるバイアス磁界の状態変化により抵抗変化を生じる磁気抵抗効果素子組で構成された第１ブリッジ回路と第２ブリッジ回路、上記第1ブリッジ回路の中点電圧の増減方向を検出し論理値を出力する第１コンパレータ、上記第１ブリッジ回路の中点電圧と２種類の所定の電圧レベルとの大小を比較し論理値を出力する第２コンパレータおよび第３コンパレータ、上記第２ブリッジ回路の中点電圧の増減方向を検出し論理値を出力する第４コンパレータ、上記第２ブリッジ回路の中点電圧と所定の電圧レベルとの大小を比較し論理値を出力する第５コンパレータを備え、上記第１〜第５コンパレータの出力の組合せにより上記被検出対象の回転方向を識別するようにしたものである。

この発明の回転状態検出装置によれば、２個のセンサを用いて回転体の回転方向を検出することができるため、センサのコストの低減やサイズの小型化を実現できる。

さらに、この発明の回転状態検出装置によれば、第１ブリッジ回路および第２ブリッジ回路の中点電圧の増減の変化の大きい部分を使用することにより、雑音などの影響による誤検出を防止して、より精度良く回転体の回転方向を検出することができる。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１である回転状態検出装置の主要部を示すブロック図、図２は、実施の形態１の回転状態検出装置に用いる磁気回路の構成図で、図２（ａ）は斜視図、図２（ｂ）は上面図、図２（ｃ）は磁気抵抗効果素子のパターン図である。
図２において、磁気抵抗効果素子ユニット１は、磁気抵抗効果素子１１ａ、１１ｂ、１２ａ、１２ｂで構成されている。図１に示されるように、磁気抵抗効果素子１１ａ、１１ｂは直列接続され、端子１１ｅが接地され、端子１１ｄに定電圧が印加され、端子１１ｃが中点電圧を出力する第１ブリッジ回路１１を構成している。
同様に、磁気抵抗効果素子１２ａ、１２ｂは直列接続され、端子１２ｅが接地され、端子１２ｄに定電圧が印加され、端子１２ｃが中点電圧を出力する第２ブリッジ回路１２を構成している。

被検出対象である磁性回転体８は、磁界を変化させる形状を具備した凹凸状又は歯状（両者を合わせて凹凸状と言う）である。
磁石９は着磁方向が、凹凸状磁性回転体８の回転軸８１方向に向き、凹凸状磁性回転体８に対向し、間隔を空けて配置され、バイアス磁界を発生する。
磁気抵抗効果素子ユニット1は、磁石９と所定の間隔を持って配置されると共に、凹凸状磁性回転体８と対向しその半径方向に所定の間隔を持って配置される。
磁気抵抗効果素子ユニット1を構成する第１ブリッジ回路１１と第２ブリッジ回路１２は、図２（ｃ）に示すように、凹凸状磁性回転体８の回転方向８２に並べて配置されている。実施の形態１では、磁気抵抗効果素子１１ａ、１１ｂ、１２ａ、１２ｂの順に凹凸状磁性回転体８の回転方向８２に所定の間隔で並べて配置されている。
なお、図２の（ｂ）は凹凸状磁性回転体８の外周縁を直線上に延ばして表示している。

図１において、第１ブリッジ回路１１、第２ブリッジ回路１２では、それぞれ、印加される磁界の強度によって、それらを構成する磁気抵抗効果素子１１ａ、１１ｂ、１２ａ、１２ｂの抵抗値が変化する。抵抗値が変化することにより第１ブリッジ回路１１、および第２ブリッジ回路１２の中点電圧（端子１１ｃ、１２ｃの電圧で、以後その電圧も同一符号で示す）も変化する。
遅延回路２１、２２は、中点電圧１１ｃ、１２ｃを所定の時間遅延させる。
コンパレータ３１ａ、３２ａは、中点電圧１１ｃ、１２ｃと、遅延回路２１、２２の出力とを比較することにより、中点電圧１１ｃおよび１２ｃの増減方向を検出する。

コンパレータ３１ｂ、３１ｃは、中点電圧１１ｃと所定の電圧Ｖｒｅｆ０、Ｖｒｅｆ１との差分をとり、その正負に基づく論理値を出力する。
コンパレータ３２ｂは、中点電圧１２ｃと所定の電圧Ｖｒｅｆ２との差分をとり、その正負に基づく論理値を出力する。
論理回路４１は、図５に示すテーブルに従い、論理値０あるいは１を出力する回路で、上記コンパレータ３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３２ａ、３２ｂの出力の組み合わせにより、上記凹凸状磁性回転体８が図２（ａ）に示す回転方向８２の向きに回転する場合（以下、正回転と言う）１を出力し、回転方向８２と逆向きに回転する場合（以下、逆回転と言う）０を出力する。

次に動作について、図３、図４に沿って説明する。
図３に凹凸状磁性回転体８が正回転をした場合の各信号波形を示す。
磁性回転体８が正回転をした場合は、図３に示すように、中点電圧１１ｃ、１２ｃの波形は、中点電圧１１ｃの方が位相が９０°進んだ正弦波状の波形となる。
この中点電圧１１ｃの信号を遅延回路２１にて遅延させた信号と、中点電圧１１ｃをコンパレータ３１ａで比較することにより、中点電圧１１ｃの増減方向を検知する。
つまり、図中時刻ｔ１からｔ３の区間では、中点電圧１１ｃのレベルは減少しているため、コンパレータ３１ａの出力は０となり、時刻ｔ３からｔ５の区間では、中点電圧１１ｃのレベルは増加しているため、コンパレータ３１ａの出力は１となる。
また、コンパレータ３１ｂでは、中点電圧１１ｃと所定の電圧Ｖｒｅｆ０と比較し、図３に示すように、Ａの領域では中点電圧１１ｃは所定の電圧Ｖｒｅｆ０よりもレベルが大きいため、コンパレータ３１ｂの出力は０となり、Ｂ、Ｃ、Ｄの領域では中点電圧１１ｃは所定の電圧Ｖｒｅｆ０よりもレベルが小さいため、コンパレータ３１ｂの出力は１となる。
同様にコンパレータ３１ｃでは、中点電圧１１ｃと所定の電圧Ｖｒｅｆ１と比較することにより、Ａ、Ｂ、Ｄの領域では、コンパレータ３１ｃの出力は０となり、Ｃの領域では１となる。

一方、中点電圧１２ｃの信号を遅延回路２２にて遅延させた信号と、中点電圧１２ｃをコンパレータ３２ａで比較することにより、中点電圧１２ｃの増減方向を検知する。
つまり、図中時刻ｔ０からｔ２の区間では、中点電圧１２ｃのレベルは増加しているため、コンパレータ３２ａの出力は１となり、時刻ｔ２からｔ４の区間では、コンパレータ３２ａの出力は０となる。
また、コンパレータ３２ｂでは、中点電圧１２ｃと基準電圧Ｖｒｅｆ２と比較し、図３に示すように、時刻ｔ１からｔ３の区間では、コンパレータ３２ｂの出力は１となり、時刻ｔ３からｔ５の区間では、コンパレータ３２ｂの出力は０となる。

次に磁性回転体８が逆回転をした場合の各信号波形を図４に示す。
磁性回転体８が逆回転をした場合は、図４に示すように、中点電圧１１ｃ、１２ｃの波形は、中点電圧１１ｃの方が位相が９０°遅れた正弦波状の波形となる。
この中点電圧１１ｃの信号を遅延回路２１にて遅延させた信号と、中点電圧１１ｃをコンパレータ３１ａで比較した出力は、図中時刻ｔ１からｔ３の区間では０となり、時刻ｔ３からｔ５の区間では１となる。
また、中点電圧１１ｃと基準電圧Ｖｒｅｆ０と比較したコンパレータ３１ｂの出力は、Ｅの領域では０となり、Ｆ、Ｇ、Ｈの領域では１となる。
同様に、中点電圧１１ｃと基準電圧Ｖｒｅｆ１と比較したコンパレータ３１ｃの出力は、Ｅ、Ｆ、Ｈの領域では０となり、Ｇの領域では１となる。

一方、中点電圧１２ｃの信号を遅延回路２２にて遅延させた信号と、中点電圧１２ｃをコンパレータ３２ａで比較したコンパレータ３２ａの出力は、図中時刻ｔ０からｔ２の区間では０となり、時刻ｔ２からｔ４の区間では１となる。
また、中点電圧１２ｃと基準電圧Ｖｒｅｆ２と比較したコンパレータ３２ｂの出力は、時刻ｔ１からｔ３の区間では０となり、時刻ｔ３からｔ５の区間では１となる。

以上の各コンパレータの出力を元に、回転方向を判別する方法について、図５に沿って説明する。
まず、中点電圧１１ｃが増加から減少に変化する領域（Ａ、Ｅ）では、コンパレータ３１ｂの出力が０となり、この時の中点電圧１２ｃの増減（コンパレータ３２ａの出力）を観測することにより、回転方向を検出できる。
つまり、コンパレータ３１ｂの出力が０かつコンパレータ３２ａの出力が１の時は、正回転と判別され、コンパレータ３１ｂの出力が０かつコンパレータ３２ａの出力が０の時は、逆回転と判別される。
この場合、中点電圧１２ｃの比較的変化の大きい部分を使用して、回転方向を判別しているため、回転方向の判別を誤る可能性は低い。

次に、中点電圧１１ｃが減少から増加に変化する領域（Ｃ、Ｇ）では、コンパレータ３１ｃの出力が１となり、この時の中点電圧１２ｃの増減（コンパレータ３２ａの出力）を観測することにより、回転方向を検出できる。
つまり、コンパレータ３１ｃの出力が１かつコンパレータ３２ａの出力が０の時は、正回転と判別され、コンパレータ３１ｃの出力が１かつコンパレータ３２ａの出力が１の時は、逆回転と判別される。
この場合も、中点電圧１２ｃの比較的変化の大きい部分を使用して、回転方向を判別しているため、回転方向の判別を誤る可能性は低い。

さらに、中点電圧１１ｃがＶｒｅｆ０とＶｒｅｆ１の間にある領域（Ｂ、Ｄ、Ｆ、Ｈ）では、コンパレータ３１ｂの出力が１かつコンパレータ３１ｃの出力が０となり、この時のコンパレータ３１ａとコンパレータ３２ｂの出力を観測することにより、回転方向を検出できる。
つまり、コンパレータ３１ｂの出力が１かつコンパレータ３１ｃの出力が０で、コンパレータ３１ａの出力が０かつコンパレータ３２ｂの出力が１、あるいはコンパレータ３１ａの出力が１かつコンパレータ３２ｂの出力が０の時は、正回転と判別される。
また、コンパレータ３１ｂの出力が１かつコンパレータ３１ｃの出力が０で、コンパレータ３１ａの出力が０かつコンパレータ３２ｂの出力が０、あるいはコンパレータ３１ａの出力が１かつコンパレータ３２ｂの出力が１の時は、逆回転と判別される。
この場合は、中点電圧１２ｃが増加から減少、あるいは減少から増加に遷移する部分であるので、比較的変化が少なく、増減情報を誤りやすいので、この領域では中点電圧１１ｃの比較的変化の大きい部分を使用して、回転方向を判別しているため、回転方向の判別を誤る可能性は低い。
以上の判別をロジックで実現した場合の回路が、図１の論理回路４１である。

なお、実施の形態１では、論理回路４１により、回転方向を検出しているが、コンパレータ３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３２ａ、３２ｂの出力をもとに、マイクロコンピュータなどのプログラムにより実現しても良い。この判別をプログラムにて実現した場合のフローチャートの例を、図６に示す。
回転方向の検出をマイクロコンピュータなどのプログラムにより実現することにより、回路規模を削減することができる。以下、判別のフローについて図６により説明する。

図６において、まず、コンパレータ３１ｂの出力が０（中点電圧１１ｃの電圧がＶｒｅｆ０より大きい）の時、コンパレータ３２ａの出力を観測し、０（中点電圧１２ｃが減少中）であれば逆回転（領域E）、１（中点電圧１２ｃが増加中）であれば正回転（領域Ａ）と判別できる。
コンパレータ３１ｂの出力が０でない場合は、コンパレータ３１ｃの出力が１（中点電圧１１ｃの電圧がＶｒｅｆ１より小さい）の時、コンパレータ３２ａの出力を観測し、０（中点電圧１２ｃが減少中）であれば正回転（領域Ｃ）、１（中点電圧１２ｃが増加中）であれば逆回転（領域G）と判別できる。
さらに、コンパレータ３１ｂの出力が０でなく、コンパレータ３１ｃの出力が１でない（中点電圧１１ｃの電圧がＶｒｅｆ０とＶｒｅｆ１の間）場合は、コンパレータ３１ａの出力が０（中点電圧１１ｃが減少中）の時は、コンパレータ３２ｂの出力を観測し、０（中点電圧１２ｃが減少中）であれば逆回転（領域F）、１（中点電圧１２ｃが増加中）であれば正回転（領域Ｂ）と判別できる。
また、コンパレータ３１ａの出力が１（中点電圧１１ｃが増加中）の時は、コンパレータ３２ｂの出力が０（中点電圧１２ｃが減少中）であれば正回転（領域Ｄ）、１（中点電圧１２ｃが増加中）であれば逆回転（領域H）と判別できる。

以上のように、この発明の実施の形態１の回転状態検出装置は、中点電圧１１ｃの出力レベルを２種類の基準電圧Ｖｒｅｆ０、Ｖｒｅｆ１と比較することにより領域を４つに分け、回転方向の判別に、基準電圧Ｖｒｅｆ０よりも大きい領域あるいは基準電圧Ｖｒｅｆ１よりも小さい領域については、中点電圧１２ｃの増減情報を使用し、中点電圧１１ｃの出力レベルが基準電圧Ｖｒｅｆ０とＶｒｅｆ１の間にある領域では、中点電圧１１ｃの増減情報を使用して回転方向を判別するようにしたものである。

このように構成することにより、９０°の出力位相差を持つ２個のセンサ（第１ブリッジ回路１１、第２ブリッジ回路１２）を用いて回転体の回転方向を検出することができ、センサのコスト低減やサイズの小型化が実現できると共に、中点電圧１１ｃ、１２ｃの変化量が比較的大きい領域を使用するため、増減情報を誤る可能性を低くすることができ、精度良く回転体の回転方向を検出することができる。

実施の形態２．
図７は、この発明の実施の形態２における回転状態検出装置の主要部を示すブロック図である。なお、図中、図１との同一符号は、同一あるいは相当部分を示す。
この実施の形態２の回転状態検出装置は、コンパレータ３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３２ａ、３２ｂは、中点電圧１１ｃ、１２ｃと、遅延回路２１、２２の出力、あるいは所定の電圧Ｖｒｅｆ０、Ｖｒｅｆ１、Ｖｒｅｆ２とを比較しているが、誤動作を防止するため、それぞれに、ローパスフィルタ２３、２４を挿入することにより、雑音成分を除去した信号を比較するよう構成したものである。

図７において、ローパスフィルタ２３、２４は、第１ブリッジ回路１１の中点電圧１１ｃ、第２ブリッジ回路１２の中点電圧１２ｃ出力の高周波成分の雑音成分を除去し、ローパスフィルタ２３、２４の出力と、その出力を遅延する遅延回路２１、２２、あるいは所定の電圧Ｖｒｅｆ０、Ｖｒｅｆ１、Ｖｒｅｆ２をコンパレータ３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３２ａ、３２ｂで比較する。

これにより、外乱などによる高周波成分の雑音を除去した信号で比較するため、雑音による誤動作を抑制できる。
なお、上述の実施の形態２では、ローパスフィルタ２３、２４の出力と、この出力を遅延回路２１、２２で遅延させた出力とをコンパレータ３１ａ、３２ａで比較したが、中点電圧１１ｃ、１２ｃをそれぞれ時定数の異なる２つのローパスフィルタを通して得た出力をコンパレータ３１ａ、３２ａで比較しても良い。

実施の形態３．
図８は、この発明の実施の形態３の回転状態検出装置の主要部を示すブロック図である。
上述の実施の形態１では、第１ブリッジ回路１１、第２ブリッジ回路１２の各中点電圧１１ｃ、１２ｃの増減方向を、遅延回路２１、２２とコンパレータ３１ａ、３２ａを使用して検出し、所定の電圧Ｖｒｅｆ０、Ｖｒｅｆ１、Ｖｒｅｆ２との大小関係を、コンパレータ３１ｂ、３１ｃ、３２ｂを使用して検出していたが、実施の形態３では、中点電圧１１ｃ、１２ｃのアナログ値をＡ／Ｄコンバータ２５、２６でデジタル値に変換し、そのデジタル値（信号）を、Ｄフリップフロップ回路２７、２８を使って遅延させ、各中点電圧１１ｃ、１２ｃの増減方向および所定の電圧との大小関係を検出するよう構成したものである。

図８において、Ａ／Ｄコンバータ２５、２６は、中点電圧１１ｃ、１２ｃのアナログ値（信号）をデジタル値（信号）に変換する。Ｄフリップフロップ回路２７、２８はデジタル値に変換された中点電圧１１ｃ、１２ｃを1タイミング分遅延させる。
比較回路３１ａ’、３２ａ’は、中点電圧１１ｃ、１２ｃのデジタル値（Ａ／Ｄコンバータ２５、２６の出力）と、1タイミング遅延した中点電圧１１ｃ、１２ｃのデジタル値（Ｄフリップフロップ回路２７、２８の出力）を比較し論理値を出力するもので、コンパレータの機能を有する。
比較回路３１ｂ’、３１ｃ’、３２ｂ’は、中点電圧１１ｃ，１２ｃのデジタル値（Ａ／Ｄコンバータ２５、２６の出力）と、所定の電圧Ｖｒｅｆ０、Ｖｒｅｆ１、Ｖｒｅｆ２のデジタル値Ｖｒｅｆ０’、Ｖｒｅｆ１’、Ｖｒｅｆ２’を比較し論理値を出力するもので、コンパレータの機能を有する。

この実施の形態３によれば、実施の形態１の効果に加え、信号をデジタル化することにより、雑音などによる誤動作をより抑制することができる。

なお、中点電圧１１ｃ、１２ｃの信号を、実施の形態２に示すように、ローパスフィルタ２３、２４にて外乱などによる高周波成分の雑音を除去してからＡ／Ｄコンバータ２５、２６でデジタル値に変換して、さらに雑音などによる誤動作を抑制してもよい。

この発明の実施の形態１である回転状態検出装置の主要部を示すブロック図である。 この発明の実施の形態１の回転状態検出装置に用いる磁気回路構成図である。 この発明の実施の形態１において磁性回転体が正回転の場合の各出力端子の出力を示す波形図である。 この発明の実施の形態１において磁性回転体が逆回転の場合の各出力端子の出力を示す波形図である。 この発明の実施の形態１における動作状態を分類する真理値表を示す図である。 この発明の実施の形態１における回転方向を判別するプログラムのフローチャート例を示す図である。 この発明の実施の形態２における回転状態検出装置の主要部を示すブロック図である。 この発明の実施の形態３における回転状態検出装置の主要部を示すブロック図である。

符号の説明

１：磁気抵抗効果素子ユニット ８：凹凸状磁性回転体
９：磁石 １１：第１ブリッジ回路
１１ａ、１１ｂ、１２ａ、１２ｂ：磁気抵抗効果素子
１１ｃ：端子（中点電圧） １１ｄ：端子
１１ｅ：端子 １２：第２ブリッジ回路
１２ｃ：端子（中点電圧） １２ｄ：端子
１２ｅ：端子 ２１、２２：遅延回路
２３、２４：ローパスフィルタ（ＬＰＦ） ２５、２６：Ａ／Ｄコンバータ
２７、２８：Ｄフリップフロップ（Ｄ−ＦＦ）
３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３２ａ、３２ｂ：コンパレータ
３１ａ’、３１ｂ’、３１ｃ’、３２ａ’、３２ｂ’：比較回路
４１：論理回路 ８１：回転軸
８２：回転方向。

Claims (5)

1. バイアス磁界を発生する磁石、この磁石のバイアス磁界中に、被検出対象である凹凸状磁性回転体に対向しその回転方向に並べて配置され、上記被検出対象の回転に応じるバイアス磁界の状態変化により抵抗変化を生じる磁気抵抗効果素子組で構成された第１ブリッジ回路と第２ブリッジ回路、上記第1ブリッジ回路の中点電圧の増減方向を検出し論理値を出力する第１コンパレータ、
   上記第１ブリッジ回路の中点電圧と２種類の所定の電圧レベルとの大小を比較し論理値を出力する第２コンパレータおよび第３コンパレータ、
   上記第２ブリッジ回路の中点電圧の増減方向を検出し論理値を出力する第４コンパレータ、
   上記第２ブリッジ回路の中点電圧と所定の電圧レベルとの大小を比較し論理値を出力する第５コンパレータを備え、
   上記第１コンパレータ〜第５コンパレータの出力の組合せにより上記被検出対象の回転方向を識別するようにしたことを特徴とする回転状態検出装置。
2. 上記第１コンパレータと第４コンパレータは、それぞれ、上記第1ブリッジ回路と第２ブリッジ回路の各中点電圧と、その遅延出力とを比較して、上記第1ブリッジ回路と第２ブリッジ回路の中点電圧の増減方向を検出し論理値を出力することを特徴とする請求項１に記載の回転状態検出装置。
3. 上記第1ブリッジ回路と第２ブリッジ回路の中点電圧を、ローパスフィルタを介して出力するようにしたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の回転状態検出装置。
4. 上記第1ブリッジ回路、第２ブリッジ回路の中点電圧のアナログ値をデジタル値に変換するＡ／Ｄコンバータと、上記第1ブリッジ回路、第２ブリッジ回路の中点電圧のデジタル値を一時格納する手段とを設け、上記Ａ／Ｄコンバータのデジタル値出力と一時格納したデジタル値出力とを比較して上記第1ブリッジ回路と第２ブリッジ回路の中点電圧の増減方向を検出し論理値を出力し、上記第１ブリッジ回路に接続したＡ／Ｄコンバータのデジタル値出力と２種類の所定の電圧レベルの値を比較し、上記第２ブリッジ回路に接続したＡ／Ｄコンバータのデジタル値出力と所定の電圧レベルの値を比較するようにしたことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の回転状態検出装置。
5. 上記各コンパレータおよび回転方向の識別は、マイクロコンピュータで構成されていることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の回転状態検出装置。

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