JP5434943B2 - Rotation sensor - Google Patents

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  • Transmission And Conversion Of Sensor Element Output (AREA)

Description

本発明は、磁電変換素子から出力される信号を用いて相対回転する測定対象の相対回転角度を演算する回転センサに関するものである。   The present invention relates to a rotation sensor that calculates a relative rotation angle of a measurement object that rotates relative to a signal output from a magnetoelectric conversion element.

従来、上述のような相対回転角度を演算する回転センサに関連する技術として、例えば、下記特許文献1に開示されるディジタルトラッキング方式R/D変換器が知られている。この変換器では、回転検出対象である回転子の回転に応じて回転検出器から正弦波信号および余弦波信号、具体的には、回転検出信号sinθ・f(t),cosθ・f(t)が入力されると、帰還入力されるディジタル角度出力φに応じたsinφ及びcosφに基づいて第1出力信号sin(θ−φ)・f(t)が得られる。この第1出力信号sin(θ−φ)・f(t)をコンパレータによる正負判定により量子化(ディジタル信号化)した後に同期検波することで、第2出力信号である制御偏差ε=sin(θ−φ)を求めて、デジタル角度出力φを得ている。これにより、R/D変換処理をディジタル化することができ、変換性能の向上(安定性、高速化、耐ノイズ性)を得ることができる。   Conventionally, as a technique related to the rotation sensor that calculates the relative rotation angle as described above, for example, a digital tracking R / D converter disclosed in Patent Document 1 below is known. In this converter, a sine wave signal and a cosine wave signal from the rotation detector according to the rotation of the rotor that is the object of rotation detection, specifically, rotation detection signals sinθ · f (t), cosθ · f (t). Is inputted, the first output signal sin (θ−φ) · f (t) is obtained based on sinφ and cosφ corresponding to the digital angle output φ inputted as feedback. The first output signal sin (θ−φ) · f (t) is quantized (digital signal) by positive / negative determination by a comparator and then synchronously detected, so that the control deviation ε = sin (θ -Φ) to obtain the digital angle output φ. Thereby, the R / D conversion processing can be digitized, and the conversion performance can be improved (stability, high speed, noise resistance).

特開2000−353957号公報JP 2000-353957 A

ところで、上記特許文献1に開示されるような回転センサでは、測定対象や磁電変換素子における形状誤差やレイアウト誤差などの構造誤差等に起因して、正弦波信号と余弦波信号との位相ずれなどが生じる場合がある。このような構造誤差等は、センサごとに異なるものであり、構造誤差等が大きなセンサでは、相対回転角度の測定精度が低下してしまう問題がある。   By the way, in the rotation sensor as disclosed in the above-mentioned Patent Document 1, due to a structural error such as a shape error or a layout error in a measurement object or a magnetoelectric conversion element, a phase shift between a sine wave signal and a cosine wave signal, etc. May occur. Such a structural error is different for each sensor, and there is a problem that the measurement accuracy of the relative rotation angle is lowered in a sensor having a large structural error.

本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、構造誤差等に起因する測定誤差の発生を抑制して相対回転角度をより正確に演算し得る回転センサを提供することにある。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and the object of the present invention is to provide a rotation that can more accurately calculate the relative rotation angle while suppressing the occurrence of measurement errors due to structural errors and the like. It is to provide a sensor.

上記目的を達成するため、特許請求の範囲に記載の請求項1の回転センサでは、相対回転する測定対象が1回転する間に磁界の強度に応じて信号レベルがN周期(但し、Nは自然数)で変化する正弦波信号及び余弦波信号をそれぞれ出力し、かつ、前記正弦波信号及び前記余弦波信号の間に位相差が出るように配置された複数の磁電変換素子を備え、各磁電変換素子から出力される前記正弦波信号及び前記余弦波信号を用いて前記測定対象に対する相対回転角度を求めるように構成された回転センサにおいて、前記複数の磁電変換素子から出力される前記正弦波信号及び前記余弦波信号を用い、前記測定対象に対する前記相対回転角度θと演算により求めた演算角度φとの偏差が所定値に収束するようにフィードバック制御を行って前記相対回転角度θを演算する角度演算部と、前記角度演算部が演算した演算角度φに対応する信号を出力する出力部と、を備え、前記相対回転角度θが基準角度となるように相対回転させた前記測定対象について、前記各磁電変換素子から前記正弦波信号として出力される信号に基づいて、前記正弦波信号に含まれる前記基準角度からのずれを角度αとして予め測定するとともに、前記余弦波信号として出力される信号に基づいて、前記余弦波信号に含まれる前記基準角度からのずれを角度βとして予め測定し、前記角度演算部は、前記複数の磁電変換素子から出力される前記正弦波信号sin(Nθ+α)にcos(Nφ+β)を乗算したものから前記余弦波信号cos(Nθ+β)にsin(Nφ+α)を乗算したものを減算する下記式の左辺を解いて求められる下記式の右辺について、その変数部分である(Nθ−Nφ)が、前記所定値になるようにフィードバック制御を行って、前記相対回転角度θを演算することを特徴とする。
sin(Nθ+α)×cos(Nφ+β)−cos(Nθ+β)×sin(Nφ+α)
=(sinαsinβ+cosαcosβ)×sin(Nθ−Nφ)
In order to achieve the above object, in the rotation sensor according to claim 1, the signal level is N periods (where N is a natural number) according to the strength of the magnetic field during one rotation of the relative rotating measurement object. And a plurality of magnetoelectric transducers arranged so as to output a phase difference between the sine wave signal and the cosine wave signal. In a rotation sensor configured to obtain a relative rotation angle with respect to the measurement object using the sine wave signal and the cosine wave signal output from an element, the sine wave signal output from the plurality of magnetoelectric conversion elements and Using the cosine wave signal, feedback control is performed so that the deviation between the relative rotation angle θ with respect to the measurement object and the calculation angle φ obtained by calculation converges to a predetermined value, and the relative rotation is performed. An angle calculation unit that calculates a rotation angle θ, and an output unit that outputs a signal corresponding to the calculation angle φ calculated by the angle calculation unit, and relatively rotates the relative rotation angle θ to be a reference angle. Further, for the measurement object, a deviation from the reference angle included in the sine wave signal is measured in advance as an angle α based on a signal output as the sine wave signal from each magnetoelectric transducer, and the cosine wave Based on a signal output as a signal, a deviation from the reference angle included in the cosine wave signal is measured in advance as an angle β, and the angle calculation unit is configured to output the sine wave output from the plurality of magnetoelectric transducers. Subtract the signal sin (Nθ + α) multiplied by cos (Nφ + β) from the cosine wave signal cos (Nθ + β) multiplied by sin (Nφ + α). For edges, is the variable portion (Nθ-Nφ) is performed a feedback control such that the predetermined value, characterized by calculating the relative rotation angle theta.
sin (Nθ + α) × cos (Nφ + β) −cos (Nθ + β) × sin (Nφ + α)
= (Sinαsinβ + cosαcosβ) × sin (Nθ−Nφ)

請求項2の発明は、請求項1に記載の回転センサにおいて、入力される角度に対して前記角度βを加算した角度を出力する第1加算手段と、前記第1加算手段から入力される角度に応じた余弦値を出力する余弦値出力手段と、を備え、前記cos(Nφ+β)は、前記第1加算手段に演算角度Nφを入力することで前記余弦値出力手段から出力される余弦値に基づいて演算されることを特徴とする。   According to a second aspect of the present invention, in the rotation sensor according to the first aspect, a first addition unit that outputs an angle obtained by adding the angle β to an input angle, and an angle that is input from the first addition unit Cosine value output means for outputting a cosine value in accordance with the cos (Nφ + β) is obtained by inputting a calculation angle Nφ to the first addition means to obtain a cosine value output from the cosine value output means. It is calculated based on this.

請求項3の発明は、請求項1または2に記載の回転センサにおいて、入力される角度に対して前記角度αを加算した角度を出力する第2加算手段と、前記第2加算手段から入力される角度に応じた正弦値を出力する正弦値出力手段と、を備え、前記sin(Nφ+α)は、前記第2加算手段に演算角度Nφを入力することで前記正弦値出力手段から出力される正弦値に基づいて演算されることを特徴とする。   According to a third aspect of the present invention, in the rotation sensor according to the first or second aspect, the second addition means for outputting an angle obtained by adding the angle α to the input angle and the second addition means are input. Sine value output means for outputting a sine value corresponding to the angle to be output, and sin (Nφ + α) is a sine output from the sine value output means by inputting a calculation angle Nφ to the second addition means. It is calculated based on a value.

請求項4の発明は、請求項1〜3のいずれか一項に記載の回転センサにおいて、前記各磁電変換素子から前記正弦波信号として出力される信号に基づいて、基準振幅に対する前記正弦波信号の振幅の比を第1振幅比Aとして予め測定するとともに、前記余弦波信号として出力される信号に基づいて、前記基準振幅に対する前記余弦波信号の振幅の比を第2振幅比Bとして予め測定し、前記角度演算部は、前記複数の磁電変換素子から出力される前記正弦波信号Asin(Nθ+α)にBcos(Nφ+β)を乗算したものから前記余弦波信号Bcos(Nθ+β)にAsin(Nφ+α)を乗算したものを減算する下記式の左辺を解いて求められる下記式の右辺について、その変数部分である(Nθ−Nφ)が、前記所定値になるようにフィードバック制御を行って、前記相対回転角度θを演算することを特徴とする。
Asin(Nθ+α)×Bcos(Nφ+β)−Bcos(Nθ+β)×Asin(Nφ+α)
=AB(sinαsinβ+cosαcosβ)×sin(Nθ−Nφ)
According to a fourth aspect of the present invention, in the rotation sensor according to any one of the first to third aspects, the sine wave signal with respect to a reference amplitude based on a signal output as the sine wave signal from each of the magnetoelectric transducers. The amplitude ratio of the cosine wave signal is previously measured as the first amplitude ratio A, and the amplitude ratio of the cosine wave signal to the reference amplitude is previously measured as the second amplitude ratio B based on the signal output as the cosine wave signal. Then, the angle calculating unit multiplies the cosine wave signal Bcos (Nθ + β) by Asin (Nφ + α) by multiplying the sine wave signal Asin (Nθ + α) output from the plurality of magnetoelectric transducers by Bcos (Nφ + β). Feedback control is performed so that the variable part (Nθ−Nφ) is the predetermined value for the right side of the following formula obtained by solving the left side of the following formula to subtract the product. Characterized by calculating the relative rotation angle theta.
Asin (Nθ + α) × Bcos (Nφ + β) −Bcos (Nθ + β) × Asin (Nφ + α)
= AB (sinαsinβ + cosαcosβ) × sin (Nθ−Nφ)

請求項1の発明では、相対回転角度θが基準角度となるように相対回転させた測定対象について、各磁電変換素子から正弦波信号として出力される信号に基づいて、上記正弦波信号に含まれる基準角度からのずれが角度αとして予め測定され、余弦波信号として出力される信号に基づいて、上記余弦波信号に含まれる基準角度からのずれが角度βとして予め測定される。そして、角度演算部により、複数の磁電変換素子から出力される正弦波信号sin(Nθ+α)にcos(Nφ+β)を乗算したものから余弦波信号cos(Nθ+β)にsin(Nφ+α)を乗算したものを減算する上記式の左辺を解いて求められる上記式の右辺について、その変数部分である(Nθ−Nφ)が、上記所定値になるようにフィードバック制御を行って、相対回転角度θが演算される。   According to the first aspect of the present invention, the sine wave signal is included in the measurement object that is relatively rotated so that the relative rotation angle θ becomes the reference angle, based on a signal output as a sine wave signal from each magnetoelectric transducer. The deviation from the reference angle is measured in advance as the angle α, and the deviation from the reference angle included in the cosine wave signal is measured in advance as the angle β based on the signal output as the cosine wave signal. Then, the angle calculation unit multiplies the cosine wave signal cos (Nθ + β) by sin (Nφ + α) from the one obtained by multiplying the sine wave signal sin (Nθ + α) output from the plurality of magnetoelectric transducers by the cos (Nφ + β). The relative rotation angle θ is calculated by performing feedback control so that the variable part (Nθ−Nφ) becomes the predetermined value for the right side of the above formula obtained by solving the left side of the above formula to be subtracted. .

各磁電変換素子から出力される正弦波信号および余弦波信号には、構造誤差等に起因する基準角度からのずれ(位相ずれ)が生じるため、このずれを角度αおよび角度βとして予め測定し、これら角度αおよび角度βを帰還される演算角度Nφに反映させることで、構造誤差等を考慮した相対回転角度θを演算することができる。特に、上記左辺を解くと、上記右辺に示すように、(sinαsinβ+cosαcosβ)で示される定数と、sin(Nθ−Nφ)で示される変数との乗算として表すことができ、従来技術と同様に、Nθ−Nφが上記所定値に収束するようにフィードバック制御を行い相対回転角度θが演算されるので、当該フィードバック制御における演算処理が複雑になることもない。
したがって、構造誤差等に起因する測定誤差の発生を抑制して相対回転角度θをより正確に演算することができる。
Since the sine wave signal and the cosine wave signal output from each magnetoelectric conversion element have a deviation (phase deviation) from a reference angle due to a structural error or the like, the deviation is measured in advance as an angle α and an angle β, By reflecting these angles α and β on the calculated calculation angle Nφ, it is possible to calculate the relative rotation angle θ in consideration of the structural error and the like. In particular, when the left side is solved, as shown on the right side, it can be expressed as a multiplication of a constant represented by (sin αsin β + cos αcos β) and a variable represented by sin (Nθ−Nφ). Since the relative rotation angle θ is calculated by performing feedback control so that −Nφ converges to the predetermined value, the calculation process in the feedback control is not complicated.
Therefore, it is possible to more accurately calculate the relative rotation angle θ while suppressing the occurrence of measurement errors due to structural errors and the like.

請求項2の発明では、上記cos(Nφ+β)は、第1加算手段に演算角度Nφを入力することで余弦値出力手段から出力される余弦値に基づいて演算される。   In the invention of claim 2, the cos (Nφ + β) is calculated based on the cosine value output from the cosine value output means by inputting the calculation angle Nφ to the first adding means.

演算角度Nφが入力されることでcos(Nφ+β)を出力するように余弦値出力手段が構成される場合、角度βは回転センサ毎に異なるため、その角度βに対する専用の余弦値出力手段を用意する必要がある。そこで、上記第1加算手段により出力される(Nφ+β)を余弦値出力手段に入力するように構成することで、汎用的な余弦値出力手段を採用することができ、上記第1加算手段を追加するだけで、余弦値出力手段について、部品の標準化や低コスト化を図ることができる。   When the cosine value output means is configured to output cos (Nφ + β) by inputting the calculation angle Nφ, the angle β differs for each rotation sensor, so a dedicated cosine value output means for the angle β is prepared. There is a need to. Therefore, a general-purpose cosine value output means can be adopted by configuring (Nφ + β) output from the first addition means to the cosine value output means, and the first addition means is added. By simply doing this, it is possible to standardize parts and reduce the cost of the cosine value output means.

請求項3の発明では、上記sin(Nφ+α)は、第2加算手段に演算角度Nφを入力することで正弦値出力手段から出力される正弦値に基づいて演算される。   In the invention of claim 3, the sin (Nφ + α) is calculated based on the sine value output from the sine value output means by inputting the calculation angle Nφ to the second addition means.

演算角度Nφが入力されることでsin(Nφ+α)を出力するように正弦値出力手段が構成される場合、角度αは回転センサ毎に異なるため、その角度αに対する専用の正弦値出力手段を用意する必要がある。そこで、上記第2加算手段により出力される(Nφ+α)を正弦値出力手段に入力するように構成することで、汎用的な正弦値出力手段を採用することができ、上記第2加算手段を追加するだけで、正弦値出力手段について、部品の標準化や低コスト化を図ることができる。   When the sine value output means is configured to output sin (Nφ + α) by inputting the calculation angle Nφ, the angle α is different for each rotation sensor, so a dedicated sine value output means for the angle α is prepared. There is a need to. Therefore, a general-purpose sine value output means can be adopted by configuring (Nφ + α) output by the second addition means to the sine value output means, and the second addition means is added. As a result, standardization of parts and cost reduction can be achieved for the sine value output means.

請求項4の発明では、各磁電変換素子から正弦波信号として出力される信号に基づいて、基準振幅に対する正弦波信号の振幅の比が第1振幅比Aとして予め測定され、余弦波信号として出力される信号に基づいて、上記基準振幅に対する余弦波信号の振幅の比が第2振幅比Bとして予め測定される。そして、角度演算部により、複数の磁電変換素子から出力される正弦波信号Asin(Nθ+α)にBcos(Nφ+β)を乗算したものから余弦波信号Bcos(Nθ+β)にAsin(Nφ+α)を乗算したものを減算する上記式の左辺を解いて求められる上記式の右辺について、その変数部分である(Nθ−Nφ)が、上記所定値になるようにフィードバック制御を行って、相対回転角度θが演算される。   In the fourth aspect of the invention, the ratio of the amplitude of the sine wave signal to the reference amplitude is measured in advance as the first amplitude ratio A based on the signal output as a sine wave signal from each magnetoelectric transducer, and output as a cosine wave signal. The ratio of the amplitude of the cosine wave signal with respect to the reference amplitude is measured in advance as the second amplitude ratio B based on the received signal. Then, the angle calculation unit multiplies the sine wave signal Asin (Nθ + α) output from the plurality of magnetoelectric transducers by Bcos (Nφ + β) to the cosine wave signal Bcos (Nθ + β) multiplied by Asin (Nφ + α). The relative rotation angle θ is calculated by performing feedback control so that the variable part (Nθ−Nφ) becomes the predetermined value for the right side of the above formula obtained by solving the left side of the above formula to be subtracted. .

各磁電変換素子から出力される正弦波信号および余弦波信号には、構造誤差等に起因する基準振幅に対するずれ(以下、歪みという)が生じるため、この歪みを上記基準振幅に対する第1振幅比Aおよび第2振幅比Bとして予め測定し、上述した角度αおよび角度βに加えてこれら第1振幅比Aおよび第2振幅比Bを帰還される演算角度Nφに反映させることで、位相ずれに加えて歪みをも考慮した相対回転角度θが演算され、構造誤差等に起因する測定誤差の発生をさらに抑制して相対回転角度θをより正確に演算することができる。   Since the sine wave signal and the cosine wave signal output from each magnetoelectric transducer have a deviation (hereinafter referred to as distortion) with respect to the reference amplitude due to a structural error or the like, this distortion is expressed by the first amplitude ratio A to the reference amplitude. In addition to the angle α and the angle β described above, the first amplitude ratio A and the second amplitude ratio B are reflected on the feedback calculation angle Nφ in addition to the angle α and the angle β described above. Thus, the relative rotation angle θ taking into account distortion is calculated, and the relative rotation angle θ can be calculated more accurately by further suppressing the occurrence of measurement errors due to structural errors and the like.

第1実施形態の回転センサの主要構成をブロックで示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the main structures of the rotation sensor of 1st Embodiment with a block. 図1に示す各ブロック間の信号の流れを示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the flow of the signal between each block shown in FIG. 第2実施形態における各ブロック間の信号の流れを示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the flow of the signal between each block in 2nd Embodiment. 第3実施形態における各ブロック間の信号の流れを示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the flow of the signal between each block in 3rd Embodiment. 第4実施形態の回転センサの主要構成をブロックで示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the main structures of the rotation sensor of 4th Embodiment with a block. 図5に示すセンサチップの使用状態の一例を示す説明図であり、(a)はセンサチップおよび永久磁石の縦断面図、(b)は(a)に示す永久磁石の平面図である。It is explanatory drawing which shows an example of the use condition of the sensor chip shown in FIG. 5, (a) is a longitudinal cross-sectional view of a sensor chip and a permanent magnet, (b) is a top view of the permanent magnet shown to (a). 図6(a)に示す永久磁石が180°回転した状態を示す縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view which shows the state which the permanent magnet shown to Fig.6 (a) rotated 180 degrees. センサチップの構造を模式的に示す説明図であり、(a)は平面図、(b)は(a)のA−A矢視断面図である。It is explanatory drawing which shows the structure of a sensor chip typically, (a) is a top view, (b) is AA arrow sectional drawing of (a). (a)は、磁気抵抗素子領域E1およびホール素子領域E2の平面図であり、(b)は、ホール素子H1,H2の配置角度を示す説明図である。(A) is a top view of the magnetoresistive element area | region E1 and Hall element area | region E2, (b) is explanatory drawing which shows the arrangement | positioning angle of Hall element H1, H2. AMRセンサM1の構造を模式的に示す平面図である。It is a top view which shows typically the structure of AMR sensor M1. AMRセンサM2の構造を模式的に示す平面図である。It is a top view which shows typically the structure of AMR sensor M2. AMRセンサM1の等価回路である。It is an equivalent circuit of the AMR sensor M1. AMRセンサM2の等価回路である。It is an equivalent circuit of the AMR sensor M2. AMRセンサM1,M2およびホール素子H1,H2の各出力信号を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows each output signal of AMR sensor M1, M2 and Hall element H1, H2. ホール素子H2の説明図であり、(a)はホール素子H2およびその周辺の一部を示す平面図、(b)は(a)のA−A矢視断面図、(c)は(a)のB−B矢視断面図である。It is explanatory drawing of Hall element H2, (a) is a top view which shows a part of Hall element H2 and its periphery, (b) is AA arrow sectional drawing of (a), (c) is (a). It is BB arrow sectional drawing of. 図5に示す各ブロック間の信号の流れを示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the flow of the signal between each block shown in FIG. 図5に示す初期値テーブル53dの構成を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the structure of the initial value table 53d shown in FIG. ホール素子などの出力波形を示す説明図であり、(a)はホール素子H1の出力波形、(b)は比較回路53aの出力波形、(c)はホール素子H2の出力波形、(d)は比較回路53bの出力波形、(e)は出力部70の出力波形である。It is explanatory drawing which shows output waveforms, such as a Hall element, (a) is an output waveform of Hall element H1, (b) is an output waveform of comparison circuit 53a, (c) is an output waveform of Hall element H2, (d) is The output waveform of the comparison circuit 53b, (e) is the output waveform of the output unit 70.

[第1実施形態]
以下、本発明の第1実施形態に係る回転センサについて、図面を参照して説明する。図1は、第1実施形態の回転センサの主要構成をブロックで示す説明図である。図2は、図1に示す各ブロック間の信号の流れを示す説明図である。
[First Embodiment]
Hereinafter, a rotation sensor according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is an explanatory diagram showing the main configuration of the rotation sensor of the first embodiment in blocks. FIG. 2 is an explanatory diagram showing a signal flow between the blocks shown in FIG.

本実施形態の回転センサの主要構成について説明する。図1に示すように、本実施形態の回転センサ1は、レゾルバ等からなる回転検出器2と、この回転検出器2と電気的に接続された検出回路50とを備える。回転検出器2は、励磁巻線3aおよび2相の出力巻線(以下、正弦波相コイル3b,余弦波相コイル3cという)を備え、検出回路50の励磁信号発生器(図示略)から所定の励磁信号が励磁巻線3aに印加されると、これらの巻線3a〜3cに対して相対回転する測定対象である回転子4の相対回転角度θに応じて、正弦波相コイル3bおよび余弦波相コイル3cから位相差を有する正弦波信号及び余弦波信号の2相の回転検出信号がそれぞれ検出回路50に出力されるように構成されている。すなわち、回転検出器2は、回転子4を1回転させた時、1回転分の信号出力が出力される1相励磁2相出力型の検出器である。なお、正弦波相コイル3bおよび余弦波相コイル3cは、特許請求の範囲に記載の「磁電変換素子」の一例に相当し、回転子4は、特許請求の範囲に記載の「測定対象」の一例に相当し得る。   A main configuration of the rotation sensor of the present embodiment will be described. As shown in FIG. 1, the rotation sensor 1 of this embodiment includes a rotation detector 2 made of a resolver and the like, and a detection circuit 50 electrically connected to the rotation detector 2. The rotation detector 2 includes an excitation winding 3a and a two-phase output winding (hereinafter referred to as a sine wave phase coil 3b and a cosine wave phase coil 3c), and is supplied from an excitation signal generator (not shown) of the detection circuit 50. Is applied to the excitation winding 3a, the sine wave phase coil 3b and the cosine according to the relative rotation angle θ of the rotor 4 to be measured that rotates relative to the windings 3a to 3c. A two-phase rotation detection signal of a sine wave signal and a cosine wave signal having a phase difference is output from the wave phase coil 3 c to the detection circuit 50. That is, the rotation detector 2 is a one-phase excitation two-phase output type detector that outputs a signal output for one rotation when the rotor 4 is rotated once. Note that the sine wave phase coil 3b and the cosine wave phase coil 3c correspond to an example of a “magnetoelectric conversion element” described in the claims, and the rotor 4 is a “measuring object” described in the claims. It can correspond to an example.

このように構成される正弦波相コイル3bおよび余弦波相コイル3cでは、その構造誤差等に起因して、相対回転角度θの場合には、正弦波相コイル3bから出力信号sin(θ+α)が出力され、余弦波相コイル3cから出力信号cos(θ+β)が出力されると仮定することができる。   In the sine wave phase coil 3b and the cosine wave phase coil 3c configured as described above, the output signal sin (θ + α) is output from the sine wave phase coil 3b in the case of the relative rotation angle θ due to the structural error or the like. It can be assumed that the output signal cos (θ + β) is output from the cosine wave phase coil 3c.

ここで、角度αは、相対回転角度θが基準角度、例えば0°となるように相対回転させた正弦波相コイル3bおよび回転子4について、正弦波相コイル3bから正弦波信号として出力される信号に基づいて、設定されるものである。つまり、角度αは、正弦波相コイル3bおよび回転子4に関する構造誤差等に起因する上記基準角度からのずれ(位相ずれ)であり、予め測定されて後述するsinROM(61g)に反映される。   Here, the angle α is output as a sine wave signal from the sine wave phase coil 3b with respect to the sine wave phase coil 3b and the rotor 4 that are relatively rotated so that the relative rotation angle θ becomes a reference angle, for example, 0 °. It is set based on the signal. That is, the angle α is a deviation (phase deviation) from the reference angle due to a structural error or the like related to the sine wave phase coil 3b and the rotor 4, and is measured in advance and reflected in a sinROM (61g) described later.

また、角度βは、相対回転角度θが上記基準角度となるように相対回転させた余弦波相コイル3cおよび回転子4について、余弦波相コイル3cから余弦波信号として出力される信号に基づいて、設定されるものである。つまり、角度βは、余弦波相コイル3cおよび回転子4に関する構造誤差等に起因する上記基準角度からのずれ(位相ずれ)であり、予め測定されて後述するcosROM(61f)に反映される。   Further, the angle β is based on a signal output as a cosine wave signal from the cosine wave phase coil 3c with respect to the cosine wave phase coil 3c and the rotor 4 that are relatively rotated such that the relative rotation angle θ becomes the reference angle. Are set. That is, the angle β is a deviation (phase deviation) from the reference angle due to a structural error or the like related to the cosine wave phase coil 3c and the rotor 4, and is measured in advance and reflected in a cosROM (61f) described later.

図1に示すように、検出回路50は、増幅部51と、角度演算部60と、出力部70とを備える。増幅部51は、正弦波相コイル3bおよび余弦波相コイル3cから出力される出力信号を増幅する。角度演算部60は、増幅部51から出力される増幅信号を用い、回転子4の相対回転角度θに相当する演算角度φを演算する。出力部70は、角度演算部60により演算された演算角度φを入力し、演算角度φに対応する電圧Voを有するリニアな特性の信号を、回転子4が1回転する間に1周期で出力する。   As shown in FIG. 1, the detection circuit 50 includes an amplification unit 51, an angle calculation unit 60, and an output unit 70. The amplifying unit 51 amplifies output signals output from the sine wave phase coil 3b and the cosine wave phase coil 3c. The angle calculation unit 60 calculates a calculation angle φ corresponding to the relative rotation angle θ of the rotor 4 using the amplified signal output from the amplification unit 51. The output unit 70 receives the calculation angle φ calculated by the angle calculation unit 60, and outputs a linear characteristic signal having a voltage Vo corresponding to the calculation angle φ in one cycle while the rotor 4 makes one rotation. To do.

次に、回転センサ1の主な電気的構成について説明する。
増幅部51は、差動増幅回路51a,51bを備える。差動増幅回路51aは、正弦波相コイル3bの出力信号sin(θ+α)を差動増幅し、差動増幅回路51bは、余弦波相コイル3cの出力信号cos(θ+β)を差動増幅する。角度演算部60は、トラッキングループ型デジタル角度変換回路であり、信号作成部61と、偏差算出部62と、正負判定部63と、アップダウンカウンタ(U/Dカウンタ)64とを備える。
Next, the main electrical configuration of the rotation sensor 1 will be described.
The amplification unit 51 includes differential amplification circuits 51a and 51b. The differential amplifier circuit 51a differentially amplifies the output signal sin (θ + α) of the sine wave phase coil 3b, and the differential amplifier circuit 51b differentially amplifies the output signal cos (θ + β) of the cosine wave phase coil 3c. The angle calculation unit 60 is a tracking loop type digital angle conversion circuit, and includes a signal creation unit 61, a deviation calculation unit 62, a positive / negative determination unit 63, and an up / down counter (U / D counter) 64.

角度演算部60は、正弦波相コイル3bおよび余弦波相コイル3cから出力される信号を用い、回転子4に対する相対回転角度θと演算により求めた演算角度φとの偏差が所定値に収束するようにフィードバック制御を行って相対回転角度θを演算する。   The angle calculation unit 60 uses signals output from the sine wave phase coil 3b and the cosine wave phase coil 3c, and the deviation between the relative rotation angle θ with respect to the rotor 4 and the calculation angle φ obtained by the calculation converges to a predetermined value. Thus, the feedback control is performed to calculate the relative rotation angle θ.

信号作成部61は、差動増幅回路51aから出力される信号sin(θ+α)と、差動増幅回路51bから出力される信号cos(θ+β)とを用い、信号(sinαsinβ+cosαcosβ)sin(θ−φ)を作成する。この信号(sinαsinβ+cosαcosβ)sin(θ−φ)については、後述する。   The signal creation unit 61 uses the signal sin (θ + α) output from the differential amplifier circuit 51a and the signal cos (θ + β) output from the differential amplifier circuit 51b, and uses the signal (sinαsinβ + cosαcosβ) sin (θ−φ). Create This signal (sinαsinβ + cosαcosβ) sin (θ−φ) will be described later.

偏差算出部62は、信号作成部61から出力される信号(sinαsinβ+cosαcosβ)sin(θ−φ)を用いて偏差(θ−φ)を算出する。正負判定部63は、偏差算出部62により算出された偏差(θ−φ)が正の値であるか負の値であるかを判定する。アップダウンカウンタ64は、正負判定部63の判定結果に応じてカウント値を加算(カウントアップ)または減算(カウントダウン)する。   The deviation calculation unit 62 calculates the deviation (θ−φ) using the signal (sin α sin β + cos α cos β) sin (θ−φ) output from the signal creation unit 61. The positive / negative determining unit 63 determines whether the deviation (θ−φ) calculated by the deviation calculating unit 62 is a positive value or a negative value. The up / down counter 64 adds (counts up) or subtracts (counts down) the count value according to the determination result of the positive / negative determination unit 63.

ここで、信号作成部61が実行する処理内容について図2を参照して説明する。図2において符号61a〜61gで示す各ブロックは、信号作成部61が実行する処理の内容、または、その処理によって発生する信号、あるいは、データを示す。   Here, processing contents executed by the signal creating unit 61 will be described with reference to FIG. Each block indicated by reference numerals 61a to 61g in FIG. 2 indicates the content of processing executed by the signal creation unit 61, or a signal or data generated by the processing.

信号作成部61は、信号sin(θ+α)に後述するように作成される信号cos(φ+β)を乗算して展開することで、図2に示す数式(5)の信号を作成する(61c)。なお、この乗算は、公知の乗算回路を用いて行うことができる。   The signal creation unit 61 creates a signal of Equation (5) shown in FIG. 2 by multiplying the signal sin (θ + α) by a signal cos (φ + β) created as will be described later and developing it (61c). This multiplication can be performed using a known multiplication circuit.

また、信号作成部61は、信号cos(θ+β)に後述するように作成される信号sin(φ+α)を乗算して展開することで、図2に示す数式(6)の信号を作成する(61d)。なお、この乗算は、公知の乗算回路を用いて行うことができる。   Further, the signal creation unit 61 creates a signal of Formula (6) shown in FIG. 2 by multiplying the signal cos (θ + β) by a signal sin (φ + α) created as will be described later and developing the signal (61d). ). This multiplication can be performed using a known multiplication circuit.

続いて、信号作成部61は、数式(5)から数式(6)を減算して変数部分と定数部分とに分けることで、図2に示す数式(7)の信号、すなわち、偏差(θ−φ)を変数とするsin信号を作成する(61e)。この減算は、公知の減算回路を用いて行うことができる。   Subsequently, the signal creation unit 61 subtracts the mathematical formula (6) from the mathematical formula (5) and divides it into a variable part and a constant part, so that the signal of the mathematical formula (7) shown in FIG. A sin signal having φ as a variable is created (61e). This subtraction can be performed using a known subtraction circuit.

次に、偏差算出部62は、信号作成部61が作成した信号(sinαsinβ+cosαcosβ)×sin(θ−φ)を逆正弦演算(アークサイン演算)し、偏差(θ−φ)を求める(62)。次に、正負判定部63は、偏差算出部62が求めた偏差(θ−φ)が正の値であるか負の値であるかを判定する。   Next, the deviation calculation unit 62 performs an inverse sine operation (arcsine operation) on the signal (sin α sin β + cos α cos β) × sin (θ−φ) generated by the signal generation unit 61 to obtain a deviation (θ−φ) (62). Next, the positive / negative determining unit 63 determines whether the deviation (θ−φ) obtained by the deviation calculating unit 62 is a positive value or a negative value.

なお、θ−φ≒0のときsin(θ−φ)=θ−φと近似できるので、偏差算出部62にて偏差(θ−φ)を求めることなく、正負判定部63にて、信号(sinαsinβ+cosαcosβ)×sin(θ−φ)が0よりも大きいときは正であると判定し、0よりも小さいときは負であると判定する手法を用いることもできる。この手法を用いれば、信号(sinαsinβ+cosαcosβ)×sin(θ−φ)を逆正弦演算する必要がない。   When θ−φ≈0, sin (θ−φ) = θ−φ can be approximated. Therefore, the deviation (θ−φ) is not calculated by the deviation calculating unit 62 and the signal ( It is also possible to use a method of determining that the positive value is obtained when sinαsinβ + cosαcosβ) × sin (θ−φ) is greater than 0 and negative when the value is smaller than 0. If this method is used, it is not necessary to perform an inverse sine operation on the signal (sin α sin β + cos α cos β) × sin (θ−φ).

次に、アップダウンカウンタ64は、正負判定部63の判定結果が正であった場合は、カウンタの最下位ビット(LSB)にnを加算してカウント値を加算し、正負判定部63の判定結果が負であった場合は、カウンタの最下位ビットからnを減算する。このアップダウンカウンタ64のカウント値がデジタル角度、つまり演算角度φである(65)。なお、本実施形態では、上述したnは1に設定されているが、収束性を向上させるために、信号(sinαsinβ+cosαcosβ)×sin(θ−φ)の大きさに応じてnの値を変化させてもよい。例えば、信号(sinαsinβ+cosαcosβ)×sin(θ−φ)が所定の閾値以下であれば、n=1とし、信号(sinαsinβ+cosαcosβ)×sin(θ−φ)が上記所定の閾値を超えると、n=5とすることができる。   Next, when the determination result of the positive / negative determination unit 63 is positive, the up / down counter 64 adds n to the least significant bit (LSB) of the counter and adds the count value. If the result is negative, subtract n from the least significant bit of the counter. The count value of the up / down counter 64 is a digital angle, that is, a calculation angle φ (65). In the present embodiment, the above-described n is set to 1. However, in order to improve the convergence, the value of n is changed according to the magnitude of the signal (sin α sin β + cos α cos β) × sin (θ−φ). May be. For example, if the signal (sinαsinβ + cosαcosβ) × sin (θ−φ) is less than or equal to a predetermined threshold, n = 1, and if the signal (sinαsinβ + cosαcosβ) × sin (θ−φ) exceeds the predetermined threshold, n = 5 It can be.

また、信号作成部61は、アップダウンカウンタ64から出力される演算角度φ(カウント値)を用い、信号cos(φ+β)およびsin(φ+α)を作成する(61f,61g)。信号cos(φ+β)の作成は、たとえば、演算角度φ(カウント値)とデータcos(φ+β)とを対応付けたテーブルを有するcosROMを予め用意し、演算角度φに対応付けられているデータcos(φ+β)を読出し、その読出したデータをアナログ信号に変換する手法によって行うことができる。また、信号sin(φ+α)の作成は、たとえば、演算角度φ(カウント値)とデータsin(φ+α)とを対応付けたテーブルを有するsinROMを予め用意し、演算角度φに対応付けられているデータsin(φ+α)を読出し、その読出したデータをアナログ信号に変換する手法によって行うことができる。   Further, the signal creation unit 61 creates signals cos (φ + β) and sin (φ + α) using the calculation angle φ (count value) output from the up / down counter 64 (61f, 61g). The signal cos (φ + β) is generated by, for example, preparing in advance a cosROM having a table in which the calculation angle φ (count value) and the data cos (φ + β) are associated with each other, and generating data cos ( (φ + β) can be read and the read data can be converted into an analog signal. The signal sin (φ + α) is created by preparing, for example, a sinROM having a table in which the calculation angle φ (count value) and the data sin (φ + α) are associated in advance, and the data associated with the calculation angle φ. It is possible to read sin (φ + α) and convert the read data into an analog signal.

そして、信号作成部61は、再度、信号sin(θ+α)に信号cos(φ+β)を乗算して、図2の数式(5)に示す信号を作成する。また、再度、信号cos(θ+β)に信号sin(φ+α)を乗算し、図2の数式(6)に示す信号を作成する。つまり、偏差(θ−φ)が、信号cos(φ+β)およびsin(φ+α)にフィードバックされ、信号(sinαsinβ+cosαcosβ)×sin(θ−φ)が変化する。このフィードバックは、偏差(θ−φ)が所定値、本実施形態では0に収束するまで繰り返す。   Then, the signal creation unit 61 again multiplies the signal sin (θ + α) by the signal cos (φ + β) to create the signal represented by the mathematical formula (5) in FIG. Further, the signal cos (θ + β) is multiplied by the signal sin (φ + α) again to create a signal represented by Expression (6) in FIG. That is, the deviation (θ−φ) is fed back to the signals cos (φ + β) and sin (φ + α), and the signal (sinαsinβ + cosαcosβ) × sin (θ−φ) changes. This feedback is repeated until the deviation (θ−φ) converges to a predetermined value, 0 in this embodiment.

次に、出力部70は、アップダウンカウンタ64から出力される演算角度φをアナログ値に変換した信号を出力する。詳しくは、出力部70は、アップダウンカウンタ64から出力される演算角度φをラッチし、偏差(θ−φ)が0になったときにラッチした演算角度φをアナログ電圧Voに変換し、演算角度φの0〜360°に対応して電圧(Vo)がリニアに上昇する特性を有する角度信号を作成して出力する。   Next, the output unit 70 outputs a signal obtained by converting the calculation angle φ output from the up / down counter 64 into an analog value. Specifically, the output unit 70 latches the calculation angle φ output from the up / down counter 64, converts the latched calculation angle φ to the analog voltage Vo when the deviation (θ−φ) becomes zero, and calculates An angle signal having the characteristic that the voltage (Vo) increases linearly corresponding to 0 to 360 ° of the angle φ is generated and output.

以上説明したように、本実施形態に係る回転センサ1では、相対回転角度θが基準角度となるように相対回転させた回転子4について、正弦波相コイル3bから正弦波信号として出力される信号に基づいて、上記正弦波信号に含まれる基準角度からのずれが角度αとして予め測定され、余弦波相コイル3cから余弦波信号として出力される信号に基づいて、上記余弦波信号に含まれる基準角度からのずれが角度βとして予め測定されている。そして、角度演算部60により、正弦波相コイル3bから出力される正弦波信号sin(θ+α)にcos(φ+β)を乗算したもの(図2の数式(5))から、余弦波相コイル3cから出力される余弦波信号cos(θ+β)にsin(φ+α)を乗算したもの図2の数式(6)を減算するsin(θ+α)×cos(φ+β)−cos(θ+β)×sin(φ+α)を解いて求められる(sinαsinβ+cosαcosβ)×sin(θ−φ)について、その変数部分である(θ−φ)が、上記所定値になるようにフィードバック制御を行って、相対回転角度θが演算される。   As described above, in the rotation sensor 1 according to the present embodiment, a signal output as a sine wave signal from the sine wave phase coil 3b for the rotor 4 that is relatively rotated so that the relative rotation angle θ becomes the reference angle. The deviation from the reference angle included in the sine wave signal is measured in advance as the angle α, and the reference included in the cosine wave signal is based on the signal output as the cosine wave signal from the cosine wave phase coil 3c. The deviation from the angle is measured in advance as the angle β. Then, the angle calculation unit 60 multiplies the sine wave signal sin (θ + α) output from the sine wave phase coil 3b by cos (φ + β) (formula (5) in FIG. 2), and the cosine wave phase coil 3c. Multiplying the output cosine wave signal cos (θ + β) by sin (φ + α) Subtracting equation (6) in FIG. 2 Subtracts sin (θ + α) × cos (φ + β) −cos (θ + β) × sin (φ + α) Thus, (sin α sin β + cos α cos β) × sin (θ−φ) is subjected to feedback control so that the variable portion (θ−φ) becomes the predetermined value, and the relative rotation angle θ is calculated.

このように、構造誤差等に起因する基準角度からのずれ(位相ずれ)を角度αおよび角度βとして予め測定し、これら角度αおよび角度βを帰還される演算角度φに反映させることで、構造誤差等を考慮した相対回転角度θを演算することができる。特に、図2の数式(5)から数式(6)を減算したsin(θ+α)×cos(φ+β)−cos(θ+β)×sin(φ+α)を解くと、(sinαsinβ+cosαcosβ)で示される定数と、sin(θ−φ)で示される変数との乗算として表すことができ(数式(7)参照)、従来技術と同様に、θ−φが上記所定値に収束するようにフィードバック制御を行い相対回転角度θが演算されるので、当該フィードバック制御における演算処理が複雑になることもない。
したがって、構造誤差等に起因する測定誤差の発生を抑制して相対回転角度θをより正確に演算することができる。
As described above, the deviation (phase deviation) from the reference angle caused by the structural error or the like is measured in advance as the angle α and the angle β, and the angle α and the angle β are reflected in the calculation angle φ to be fed back. The relative rotation angle θ can be calculated in consideration of errors and the like. In particular, when sin (θ + α) × cos (φ + β) −cos (θ + β) × sin (φ + α) obtained by subtracting equation (6) from equation (5) in FIG. 2 is solved, a constant represented by (sinαsinβ + cosαcosβ), sin The relative rotation angle can be expressed as multiplication with a variable represented by (θ−φ) (see Equation (7)), and feedback control is performed so that θ−φ converges to the predetermined value as in the prior art. Since θ is calculated, the calculation processing in the feedback control is not complicated.
Therefore, it is possible to more accurately calculate the relative rotation angle θ while suppressing the occurrence of measurement errors due to structural errors and the like.

[第2実施形態]
次に、本発明の第2実施形態に係る回転センサ1について図3を参照して説明する。図3は、第2実施形態における各ブロック間の信号の流れを示す説明図である。
本第2実施形態に係る回転センサ1の信号作成部61では、ブロック61fに示す処理に代えてブロック61h,61jに示す処理を実施するとともに、ブロック61gに示す処理に代えてブロック61i,61kに示す処理を実施する点が、上記第1実施形態に係る回転センサと主に異なる。したがって、上述した第1実施形態の回転センサと実質的に同一の構成部分には同一符号を付し、説明を省略する。
[Second Embodiment]
Next, a rotation sensor 1 according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 3 is an explanatory diagram showing a signal flow between blocks in the second embodiment.
In the signal creation unit 61 of the rotation sensor 1 according to the second embodiment, the processing shown in the blocks 61h and 61j is performed instead of the processing shown in the block 61f, and the processing shown in the block 61g is executed in the blocks 61i and 61k. The point which performs the process shown mainly differs from the rotation sensor which concerns on the said 1st Embodiment. Therefore, substantially the same components as those of the rotation sensor of the first embodiment described above are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.

図3に示すように、ブロック61hに示す処理は、入力される演算角度φに対して上記角度βを加算した角度φ+βをブロック61jに出力するように、公知の加算回路を用いて実施される。また、ブロック61jに示す処理は、ブロック61hから入力される角度φ+βに応じた余弦値cos(φ+β)を出力するように、予め所要の非線形特性が書込まれたcosROMを用いて実施される。すなわち、ブロック61hおよびブロック61jは、上述したブロック61fと等価のブロックであり、cos(φ+β)は、ブロック61hに演算角度φを入力することでブロック61jから出力される余弦値に基づいて演算される。なお、ブロック61hは、特許請求の範囲に記載の「第1加算手段」の一例に相当し、ブロック61jは、特許請求の範囲に記載の「余弦値出力手段」の一例に相当し得る。   As shown in FIG. 3, the processing shown in the block 61h is performed using a known addition circuit so that an angle φ + β obtained by adding the angle β to the input calculation angle φ is output to the block 61j. . The processing shown in the block 61j is performed using a cosROM in which necessary nonlinear characteristics are written in advance so as to output a cosine value cos (φ + β) corresponding to the angle φ + β input from the block 61h. That is, the block 61h and the block 61j are equivalent to the block 61f described above, and cos (φ + β) is calculated based on the cosine value output from the block 61j by inputting the calculation angle φ to the block 61h. The The block 61h may correspond to an example of “first addition unit” described in the claims, and the block 61j may correspond to an example of “cosine value output unit” described in the claims.

また、ブロック61iに示す処理は、入力される演算角度φに対して上記角度αを加算した角度φ+αをブロック61kに出力するように、公知の加算回路を用いて実施される。また、ブロック61kに示す処理は、ブロック61iから入力される角度φ+αに応じた正弦値sin(φ+α)を出力するように、予め所要の非線形特性が書込まれたsinROMを用いて実施される。すなわち、ブロック61iおよびブロック61kは、上述したブロック61gと等価のブロックであり、sin(φ+α)は、ブロック61iに演算角度φを入力することでブロック61kから出力される正弦値に基づいて演算される。なお、ブロック61iは、特許請求の範囲に記載の「第2加算手段」の一例に相当し、ブロック61kは、特許請求の範囲に記載の「正弦値出力手段」の一例に相当し得る。また、角度αおよび角度βは、予め測定されて検出回路50のメモリ等に記憶されている。   The processing shown in the block 61i is performed using a known addition circuit so as to output an angle φ + α obtained by adding the angle α to the input calculation angle φ to the block 61k. Further, the processing shown in the block 61k is performed using a sinROM in which necessary nonlinear characteristics are written in advance so as to output a sine value sin (φ + α) corresponding to the angle φ + α input from the block 61i. That is, the block 61i and the block 61k are equivalent to the block 61g described above, and sin (φ + α) is calculated based on the sine value output from the block 61k by inputting the calculation angle φ to the block 61i. The The block 61i may correspond to an example of “second addition means” recited in the claims, and the block 61k may correspond to an example of “sine value output means” recited in the claims. Further, the angle α and the angle β are measured in advance and stored in the memory of the detection circuit 50 or the like.

上記第1実施形態にて述べたブロック61fおよびブロック61gのように、演算角度φが入力されることで余弦値cos(φ+β)や正弦値sin(φ+α)を出力するように構成される場合、角度α,角度βは回転センサ毎に異なるため、その角度に対する専用のsinROMおよびcosROMを用意する必要がある。   When configured to output the cosine value cos (φ + β) or the sine value sin (φ + α) by inputting the calculation angle φ as in the blocks 61f and 61g described in the first embodiment, Since the angle α and the angle β are different for each rotation sensor, it is necessary to prepare dedicated sinROM and cosROM for the angle.

そこで、本実施形態では、ブロック61hにより出力される(φ+β)をcosROM(61j)に入力するとともにブロック61iにより出力される(φ+α)をsinROM(61k)に入力するように構成することで、汎用的なsinROMおよびcosROMを採用することができ、公知の加算回路からなるブロック61hおよびブロック61iを追加するだけで、sinROMおよびcosROMについて、部品の標準化や低コスト化を図ることができる。   Therefore, in the present embodiment, (φ + β) output from the block 61h is input to the cosROM (61j) and (φ + α) output from the block 61i is input to the sinROM (61k). A standard sinROM and cosROM can be adopted, and by simply adding a block 61h and a block 61i made of a known adder circuit, standardization of parts and cost reduction of the sinROM and cosROM can be achieved.

なお、測定対象等に応じて、ブロック61fのみ本実施形態の特徴的部分であるブロック61h,61jに代えてもよいし、ブロック61gのみ本実施形態の特徴的部分であるブロック61i,61kに代えてもよい。   Note that only the block 61f may be replaced with the blocks 61h and 61j that are characteristic parts of the present embodiment, or only the block 61g may be replaced with the blocks 61i and 61k that are characteristic parts of the present embodiment, depending on the measurement target and the like. May be.

[第3実施形態]
次に、本発明の第3実施形態に係る回転センサ1について図4を参照して説明する。図4は、第3実施形態における各ブロック間の信号の流れを示す説明図である。
本第3実施形態に係る回転センサ1の信号作成部61では、構造誤差等に起因する正弦波信号および余弦波信号における基準振幅に対するずれ(以下、歪みという)を抑制するため、第1振幅比Aおよび第2振幅比Bを上記フィードバック制御に反映させる点が、上記第1実施形態に係る回転センサと主に異なる。したがって、上述した第1実施形態の回転センサと実質的に同一の構成部分には同一符号を付し、説明を省略する。
[Third Embodiment]
Next, a rotation sensor 1 according to a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 4 is an explanatory diagram showing a signal flow between blocks in the third embodiment.
In the signal generation unit 61 of the rotation sensor 1 according to the third embodiment, the first amplitude ratio is controlled in order to suppress a deviation (hereinafter referred to as distortion) with respect to the reference amplitude in the sine wave signal and the cosine wave signal due to a structural error or the like. The point that A and the second amplitude ratio B are reflected in the feedback control is mainly different from the rotation sensor according to the first embodiment. Therefore, substantially the same components as those of the rotation sensor of the first embodiment described above are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.

本実施形態では、正弦波相コイル3bおよび余弦波相コイル3cでは、その構造誤差等に起因して、構造誤差等が影響しない場合の基準振幅(設計値)に対して振幅がずれる歪みが生じるため、相対回転角度θの場合には、正弦波相コイル3bから第1振幅比Aが反映された出力信号Asin(θ+α)が出力され、余弦波相コイル3cから第2振幅比Bが反映された出力信号Bcos(θ+β)が出力されるものとする。   In the present embodiment, in the sine wave phase coil 3b and the cosine wave phase coil 3c, due to the structure error or the like, distortion in which the amplitude deviates from the reference amplitude (design value) when the structure error or the like does not affect occurs. Therefore, in the case of the relative rotation angle θ, the output signal Asin (θ + α) reflecting the first amplitude ratio A is output from the sine wave phase coil 3b, and the second amplitude ratio B is reflected from the cosine wave phase coil 3c. The output signal Bcos (θ + β) is output.

ここで、第1振幅比Aは、上記基準振幅に対する正弦波信号の振幅の比であり、所定の相対回転角度に相対回転させた正弦波相コイル3bおよび回転子4について、正弦波相コイル3bから正弦波信号として出力される信号に基づいて、設定されるものである。つまり、第1振幅比Aは、正弦波相コイル3bおよび回転子4に関する構造誤差等に起因する歪みによる上記基準振幅に対するずれであり、予め測定されて後述するsinROM(61g’)に反映される。   Here, the first amplitude ratio A is a ratio of the amplitude of the sine wave signal to the reference amplitude, and the sine wave phase coil 3b and the sine wave phase coil 3b are rotated relative to a predetermined relative rotation angle. Is set based on a signal output as a sine wave signal. That is, the first amplitude ratio A is a deviation with respect to the reference amplitude due to distortion caused by a structural error or the like related to the sine wave phase coil 3b and the rotor 4, and is measured in advance and reflected in a sinROM (61g ′) described later. .

また、第2振幅比Bは、上記基準振幅に対する余弦波信号の振幅の比であり、所定の相対回転角度に相対回転させた余弦波相コイル3cおよび回転子4について、余弦波相コイル3cから余弦波信号として出力される信号に基づいて、設定されるものである。つまり、第2振幅比Bは、余弦波相コイル3cおよび回転子4に関する構造誤差等に起因する歪みによる上記基準振幅に対するずれであり、予め測定されて後述するcosROM(61f’)に反映される。   Further, the second amplitude ratio B is the ratio of the amplitude of the cosine wave signal to the reference amplitude, and the cosine wave phase coil 3c and the rotor 4 that are relatively rotated to a predetermined relative rotation angle from the cosine wave phase coil 3c. It is set based on a signal output as a cosine wave signal. That is, the second amplitude ratio B is a deviation from the reference amplitude due to distortion caused by a structural error or the like related to the cosine wave phase coil 3c and the rotor 4, and is measured in advance and reflected in a cosROM (61f ′) described later. .

以下、本実施形態の角度演算部60の信号作成部61が実行する処理内容について、図4を用いて説明する。
信号作成部61は、信号Asin(θ+α)に後述するように作成される信号Bcos(φ+β)を乗算して展開することで図4に示す数式(5)’の信号を作成し(61c)、信号Bcos(θ+β)に後述するように作成される信号Asin(φ+α)を乗算して展開することで、図4に示す数式(6)’の信号を作成する(61d)。続いて、信号作成部61は、数式(5)’から数式(6)’を減算して変数部分と定数部分とに分けることで、図4に示す数式(7)’の信号、すなわち、偏差(θ−φ)を変数とするsin信号を作成する(61e)。
Hereafter, the processing content which the signal preparation part 61 of the angle calculating part 60 of this embodiment performs is demonstrated using FIG.
The signal creation unit 61 creates a signal of Formula (5) ′ shown in FIG. 4 by multiplying the signal Asin (θ + α) by a signal Bcos (φ + β) created as will be described later (61c). By multiplying the signal Bcos (θ + β) by a signal Asin (φ + α) created as described later and developing the signal, a signal of Formula (6) ′ shown in FIG. 4 is created (61d). Subsequently, the signal generator 61 subtracts the equation (6) ′ from the equation (5) ′ to divide it into a variable portion and a constant portion, thereby obtaining the signal of the equation (7) ′ shown in FIG. A sin signal having (θ−φ) as a variable is created (61e).

次に、偏差算出部62は、信号作成部61が作成した信号AB(sinαsinβ+cosαcosβ)×sin(θ−φ)を逆正弦演算(アークサイン演算)し、偏差(θ−φ)を求め、正負判定部63は、偏差算出部62が求めた偏差(θ−φ)が正の値であるか負の値であるかを判定する。   Next, the deviation calculation unit 62 performs an inverse sine operation (arc sine calculation) on the signal AB (sin α sin β + cos α cos β) × sin (θ−φ) generated by the signal generation unit 61, obtains the deviation (θ−φ), and determines whether it is positive or negative The unit 63 determines whether the deviation (θ−φ) obtained by the deviation calculating unit 62 is a positive value or a negative value.

次に、アップダウンカウンタ64は、正負判定部63の判定結果が正であった場合は、カウンタの最下位ビット(LSB)にnを加算してカウント値を加算し、正負判定部63の判定結果が負であった場合は、カウンタの最下位ビットからnを減算する。   Next, when the determination result of the positive / negative determination unit 63 is positive, the up / down counter 64 adds n to the least significant bit (LSB) of the counter and adds the count value. If the result is negative, subtract n from the least significant bit of the counter.

また、信号作成部61は、アップダウンカウンタ64から出力される演算角度φ(カウント値)を用い、信号Bcos(φ+β)およびAsin(φ+α)を作成する(61f’,61g’)。信号Bcos(φ+β)の作成は、たとえば、演算角度φ(カウント値)とデータBcos(φ+β)とを対応付けたテーブルを有するcosROMを予め用意し、演算角度φに対応付けられているデータBcos(φ+β)を読出し、その読出したデータをアナログ信号に変換する手法によって行うことができる。また、信号Asin(φ+α)の作成は、たとえば、演算角度φ(カウント値)とデータAsin(φ+α)とを対応付けたテーブルを有するsinROMを予め用意し、演算角度φに対応付けられているデータAsin(φ+α)を読出し、その読出したデータをアナログ信号に変換する手法によって行うことができる。   Further, the signal creation unit 61 creates signals Bcos (φ + β) and Asin (φ + α) using the calculation angle φ (count value) output from the up / down counter 64 (61f ′, 61g ′). The signal Bcos (φ + β) is generated by, for example, preparing in advance a cosROM having a table in which the calculation angle φ (count value) and the data Bcos (φ + β) are associated with each other, and data Bcos ( (φ + β) can be read and the read data can be converted into an analog signal. The signal Asin (φ + α) is created by preparing a sinROM having a table in which the calculation angle φ (count value) and the data Asin (φ + α) are associated in advance, and data associated with the calculation angle φ. Asin (φ + α) can be read out and the read data can be converted into an analog signal.

そして、信号作成部61は、再度、信号Asin(θ+α)に信号Bcos(φ+β)を乗算して、図4の数式(5)’に示す信号を作成する。また、再度、信号Bcos(θ+β)に信号Asin(φ+α)を乗算し、図4の数式(6)’に示す信号を作成する。つまり、偏差(θ−φ)が、信号Bcos(φ+β)およびAsin(φ+α)にフィードバックされ、信号AB(sinαsinβ+cosαcosβ)×sin(θ−φ)が変化する。このフィードバックは、偏差(θ−φ)が所定値、本実施形態では0に収束するまで繰り返す。   Then, the signal creation unit 61 again multiplies the signal Asin (θ + α) by the signal Bcos (φ + β) to create a signal represented by Equation (5) ′ in FIG. Further, the signal Bcos (θ + β) is multiplied by the signal Asin (φ + α) again to create a signal represented by the equation (6) ′ in FIG. That is, the deviation (θ−φ) is fed back to the signals Bcos (φ + β) and Asin (φ + α), and the signal AB (sinαsinβ + cosαcosβ) × sin (θ−φ) changes. This feedback is repeated until the deviation (θ−φ) converges to a predetermined value, 0 in this embodiment.

以上説明したように、本実施形態に係る回転センサ1では、正弦波相コイル3bから正弦波信号として出力される信号に基づいて、基準振幅に対する正弦波信号の振幅の比が第1振幅比Aとして予め測定され、余弦波相コイル3cから余弦波信号として出力される信号に基づいて、上記基準振幅に対する余弦波信号の振幅の比が第2振幅比Bとして予め測定されている。そして、角度演算部60により、正弦波相コイル3bから出力される正弦波信号Asin(θ+α)にBcos(φ+β)を乗算したもの(図4の数式(5)’)から、余弦波相コイル3cから出力される余弦波信号Bcos(θ+β)にAsin(φ+α)を乗算したもの(図4の数式(6)’)を減算するAsin(θ+α)×Bcos(φ+β)−Bcos(θ+β)×Asin(φ+α)を解いて求められるAB(sinαsinβ+cosαcosβ)×sin(θ−φ)について、その変数部分である(θ−φ)が、上記所定値になるようにフィードバック制御を行って、相対回転角度θが演算される。   As described above, in the rotation sensor 1 according to the present embodiment, the ratio of the amplitude of the sine wave signal to the reference amplitude is the first amplitude ratio A based on the signal output as the sine wave signal from the sine wave phase coil 3b. As a second amplitude ratio B, the ratio of the amplitude of the cosine wave signal to the reference amplitude is measured in advance based on a signal output as a cosine wave signal from the cosine wave phase coil 3c. Then, the cosine wave phase coil 3c is obtained by multiplying the sine wave signal Asin (θ + α) output from the sine wave phase coil 3b by the angle calculation unit 60 by Bcos (φ + β) (equation (5) ′ in FIG. 4). Subtracting a signal obtained by multiplying the cosine wave signal Bcos (θ + β) output from Asin (φ + α) (the equation (6) ′ in FIG. 4) by subtracting Asin (θ + α) × Bcos (φ + β) −Bcos (θ + β) × Asin ( For AB (sinαsinβ + cosαcosβ) × sin (θ−φ) obtained by solving (φ + α), feedback control is performed so that the variable portion (θ−φ) becomes the predetermined value, and the relative rotation angle θ is Calculated.

このように、構造誤差等に起因する基準振幅に対する歪みを上記基準振幅に対する第1振幅比Aおよび第2振幅比Bとして予め測定し、上述した角度αおよび角度βに加えてこれら第1振幅比Aおよび第2振幅比Bを帰還される演算角度φに反映させることで、位相ずれに加えて歪みをも考慮した相対回転角度θが演算され、構造誤差等に起因する測定誤差の発生をさらに抑制して相対回転角度θをより正確に演算することができる。   As described above, the distortion with respect to the reference amplitude caused by the structural error or the like is measured in advance as the first amplitude ratio A and the second amplitude ratio B with respect to the reference amplitude, and the first amplitude ratio is added to the angle α and the angle β described above. By reflecting A and the second amplitude ratio B in the feedback calculation angle φ, the relative rotation angle θ considering the distortion in addition to the phase shift is calculated, and the generation of the measurement error due to the structural error or the like is further increased. Thus, the relative rotation angle θ can be calculated more accurately.

[第4実施形態]
次に、本発明の第4実施形態に係る回転センサ1aについて図を参照して説明する。図5は、第4実施形態の回転センサ1aの主要構成をブロックで示す説明図である。図6は、図5に示すセンサチップ15の使用状態の一例を示す説明図であり、(a)はセンサチップ15および永久磁石12の縦断面図、(b)は(a)に示す永久磁石12の平面図である。図7は、図6(a)に示す永久磁石12が180°回転した状態を示す縦断面図である。
[Fourth Embodiment]
Next, a rotation sensor 1a according to a fourth embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 5 is an explanatory diagram showing the main configuration of the rotation sensor 1a of the fourth embodiment in blocks. FIG. 6 is an explanatory view showing an example of a usage state of the sensor chip 15 shown in FIG. 5, (a) is a longitudinal sectional view of the sensor chip 15 and the permanent magnet 12, and (b) is a permanent magnet shown in (a). 12 is a plan view of FIG. FIG. 7 is a longitudinal sectional view showing a state in which the permanent magnet 12 shown in FIG.

図5に示すように、本実施形態の回転センサ1aは、センサチップ15と、このセンサチップ15と電気的に接続された検出回路50aとを備える。センサチップ15は、磁気抵抗素子から成る2つの異方性磁気抵抗センサ(以下、AMRセンサという)M1,M2と、2つのホール素子H1,H2とを備える。   As shown in FIG. 5, the rotation sensor 1 a of this embodiment includes a sensor chip 15 and a detection circuit 50 a electrically connected to the sensor chip 15. The sensor chip 15 includes two anisotropic magnetoresistive sensors (hereinafter referred to as AMR sensors) M1 and M2 made of magnetoresistive elements, and two Hall elements H1 and H2.

図6(a)に示すように、センサチップ15は、検出対象の永久磁石(磁気発生部)12の径に沿った回転面12cと対向する位置に配置される。また、センサチップ15は、支持部材(図示せず)によって支持されており、配置位置が変化しないように固定されている。また、図6(b)に示すように、永久磁石12は、円板形状を成しており、径方向で同じ大きさに2分された一方がN極の永久磁石12aに、他方がS極の永久磁石12bになっている。図6(a)に示すように、永久磁石12は、回転シャフト13の先端に取付けられており、矢印F1で示す方向に回転する。   As shown in FIG. 6A, the sensor chip 15 is arranged at a position facing the rotating surface 12c along the diameter of the permanent magnet (magnet generator) 12 to be detected. The sensor chip 15 is supported by a support member (not shown), and is fixed so that the arrangement position does not change. Further, as shown in FIG. 6B, the permanent magnet 12 has a disk shape, one of which is divided into the same size in the radial direction is an N-pole permanent magnet 12a and the other is S. It is a pole permanent magnet 12b. As shown in FIG. 6A, the permanent magnet 12 is attached to the tip of the rotating shaft 13, and rotates in the direction indicated by the arrow F1.

また、永久磁石12は、N極の永久磁石12aからS極の永久磁石12bに向けて磁界を発生し、そのうち、センサチップ15の表面15aに平行な磁界B1を発生する。図示の例では、磁界B1はホール素子H1からホール素子H2を貫通している。永久磁石12が図6(a)に示す状態から図7に示すように180°回転すると、磁界B1の向きが180°変化する。図示の例では、磁界B1はホール素子H2からH1を貫通している。なお、永久磁石12は、特許請求の範囲に記載の「測定対象」の一例に相当し得る。   The permanent magnet 12 generates a magnetic field from the N-pole permanent magnet 12a toward the S-pole permanent magnet 12b, and generates a magnetic field B1 parallel to the surface 15a of the sensor chip 15. In the illustrated example, the magnetic field B1 passes through the Hall element H2 from the Hall element H1. When the permanent magnet 12 rotates 180 ° from the state shown in FIG. 6A as shown in FIG. 7, the direction of the magnetic field B1 changes by 180 °. In the illustrated example, the magnetic field B1 passes through the Hall elements H2 to H1. The permanent magnet 12 may correspond to an example of “measuring object” described in the claims.

図5に示すように、検出回路50aは、上記第2実施形態と同様に、増幅部51,52と、初期値決定部53と、角度演算部60と、出力部70とを備える。増幅部51は、AMRセンサM1,M2から出力される出力信号を増幅する。角度演算部60は、増幅部51から出力される増幅信号を用い、永久磁石12の相対回転角度θを演算する。
増幅部52は、ホール素子H1,H2から出力される出力信号を増幅する。初期値決定部53は、増幅部52から出力された各増幅信号を閾値と比較し、その各比較結果に基いて永久磁石12の相対回転角度θの初期値θ0が、何度から何度までの角度範囲に存在するかを判定し、その判定した角度範囲に対応する演算角度φの初期値φ0を決定する。
As shown in FIG. 5, the detection circuit 50 a includes amplification units 51 and 52, an initial value determination unit 53, an angle calculation unit 60, and an output unit 70 as in the second embodiment. The amplifying unit 51 amplifies output signals output from the AMR sensors M1 and M2. The angle calculation unit 60 calculates the relative rotation angle θ of the permanent magnet 12 using the amplified signal output from the amplification unit 51.
The amplifying unit 52 amplifies output signals output from the Hall elements H1 and H2. The initial value determining unit 53 compares each amplified signal output from the amplifying unit 52 with a threshold value, and the initial value θ0 of the relative rotation angle θ of the permanent magnet 12 is determined from how many times to how many times based on the comparison result. The initial value φ0 of the calculation angle φ corresponding to the determined angle range is determined.

出力部70は、角度演算部60により演算された演算角度φを入力し、演算角度φに対応する電圧Voを有するリニアな特性の信号を、永久磁石12が1回転する間に1周期で出力する。   The output unit 70 receives the calculation angle φ calculated by the angle calculation unit 60 and outputs a linear characteristic signal having a voltage Vo corresponding to the calculation angle φ in one cycle while the permanent magnet 12 makes one rotation. To do.

次に、センサチップ15の構造について説明する。図8は、センサチップ15の構造を模式的に示す説明図であり、(a)は平面図、(b)は(a)のA−A矢視断面図である。図9(a)は、磁気抵抗素子領域E1およびホール素子領域E2の平面図であり、(b)は、ホール素子H1,H2の配置角度を示す説明図である。なお、各図では、ホール素子H1,H2の配置状態を分かり易くするため、実際の寸法よりも大きく描いてある。また、磁気抵抗素子の形状も、素子の形成方向を分かり易くするため、実際の寸法よりも大きく描いてある。   Next, the structure of the sensor chip 15 will be described. 8A and 8B are explanatory views schematically showing the structure of the sensor chip 15, wherein FIG. 8A is a plan view and FIG. 8B is a cross-sectional view taken along line AA in FIG. FIG. 9A is a plan view of the magnetoresistive element region E1 and the Hall element region E2, and FIG. 9B is an explanatory diagram showing the arrangement angles of the Hall elements H1 and H2. In each drawing, the dimensions of the hall elements H1 and H2 are drawn larger than the actual dimensions for easy understanding. Also, the shape of the magnetoresistive element is drawn larger than the actual size in order to make the formation direction of the element easy to understand.

図8に示すように、センサチップ15は、シリコン基板10と、このシリコン基板10の表面に形成された絶縁膜90と、この絶縁膜90の表面に形成されたAMRセンサM1,M2(磁電変換素子)と、シリコン基板10に作り込まれたホール素子H1,H2(検出素子)とを備える。AMRセンサM1は、磁気抵抗素子R1〜R4を備えており、AMRセンサM2は、磁気抵抗素子R5〜R8を備える。ホール素子H1,H2は、絶縁膜90を介して磁気抵抗素子R1〜R8の下方に重ねて配置されている。   As shown in FIG. 8, the sensor chip 15 includes a silicon substrate 10, an insulating film 90 formed on the surface of the silicon substrate 10, and AMR sensors M1 and M2 (magnetoelectric conversion) formed on the surface of the insulating film 90. Element) and Hall elements H1 and H2 (detection elements) formed in the silicon substrate 10. The AMR sensor M1 includes magnetoresistive elements R1 to R4, and the AMR sensor M2 includes magnetoresistive elements R5 to R8. The Hall elements H1 and H2 are arranged so as to overlap below the magnetoresistive elements R1 to R8 with the insulating film 90 interposed therebetween.

図9(b)に示すように、ホール素子H1,H2は、各磁気検出部HPの磁気検出面HP1,HP2の成す角度が90°となるように配置されている。つまり、ホール素子H1,H2は、出力信号間の位相差が90°となるように配置されている。センサチップ15の相対回転中心P1から磁気抵抗素子R2の方へ水平に延ばした線を基準線L3とし、ホール素子H1の磁気検出面HP1と平行な線をL4とし、基準線L3の位置を基準角度0°とすると、ホール素子H1は、自身の磁気検出面HP1と基準線L3とが成す角度γが90°となるように配置されている。   As shown in FIG. 9B, the Hall elements H1 and H2 are arranged such that the angle formed by the magnetic detection surfaces HP1 and HP2 of each magnetic detection unit HP is 90 °. That is, the Hall elements H1 and H2 are arranged so that the phase difference between the output signals is 90 °. A line extending horizontally from the relative rotation center P1 of the sensor chip 15 toward the magnetoresistive element R2 is a reference line L3, a line parallel to the magnetic detection surface HP1 of the Hall element H1 is L4, and the position of the reference line L3 is a reference. When the angle is 0 °, the Hall element H1 is arranged such that an angle γ formed by its magnetic detection surface HP1 and the reference line L3 is 90 °.

また、ホール素子H2は、自身の磁気検出面HP2と基準線L3とが平行となるように配置されている。また、ホール素子H1の磁気検出面HP1と、基準角度0°に配置された磁気抵抗素子R2の磁化容易軸とが90°の角度を成している。つまり、ホール素子H1は、相対回転角度θに対して同相のsinθ信号を出力し、ホール素子H2は、ホール素子H1に対して位相が90°異なるcosθ信号を出力する。sinθ信号およびcos信号は、永久磁石12が1回転する間に、それぞれ磁界の強度に応じて信号レベルが2周期で変化する。   In addition, the Hall element H2 is arranged so that its magnetic detection surface HP2 and the reference line L3 are parallel to each other. Further, the magnetic detection surface HP1 of the Hall element H1 and the easy axis of the magnetoresistive element R2 arranged at the reference angle of 0 ° form an angle of 90 °. That is, the Hall element H1 outputs a sin θ signal having the same phase with respect to the relative rotation angle θ, and the Hall element H2 outputs a cos θ signal whose phase is 90 ° different from that of the Hall element H1. The signal levels of the sin θ signal and the cos signal change in two cycles according to the strength of the magnetic field while the permanent magnet 12 rotates once.

ここで、磁気抵抗素子R1〜R8が配置された領域を磁気抵抗素子領域E1とし、ホール素子H1,H2が配置された領域をホール素子領域E2とする。図9(a)は、図8(a)に基づいて作成したものである。磁気抵抗素子領域E1は、四角形を呈しており、その面積は、磁気抵抗素子R1〜R8を配置するために必要な最小面積に略等しい。また、ホール素子領域E2は、T字形を呈しており、その面積は、ホール素子H1,H2を配置するために必要な最小面積に略等しい。   Here, a region where the magnetoresistive elements R1 to R8 are disposed is referred to as a magnetoresistive element region E1, and a region where the Hall elements H1 and H2 are disposed is referred to as a Hall element region E2. FIG. 9A is created based on FIG. The magnetoresistive element region E1 has a quadrangular shape, and its area is substantially equal to the minimum area required for arranging the magnetoresistive elements R1 to R8. The hall element region E2 has a T-shape, and its area is substantially equal to the minimum area necessary for arranging the hall elements H1 and H2.

図示のように、ホール素子領域E2の全部が磁気抵抗素子領域E1の下方に重ねられており、ホール素子領域E2の一部も磁気抵抗素子領域E1の端部から、はみ出ていない。また、磁気抵抗素子領域E1の対角線L1,L2の交点がセンサチップ15の相対回転中心P1と一致している。   As illustrated, the entire Hall element region E2 is overlapped below the magnetoresistive element region E1, and a part of the Hall element region E2 does not protrude from the end of the magnetoresistive element region E1. Further, the intersection of the diagonal lines L1 and L2 of the magnetoresistive element region E1 coincides with the relative rotation center P1 of the sensor chip 15.

つまり、センサチップ15の相対回転中心P1は、永久磁石12の相対回転軸C1(図6(a))の延長線上に位置しており、センサチップ15の相対回転中心P1および永久磁石12の相対回転中心は同軸上に存在する。このため、永久磁石12が回転していない状態においてセンサチップ15を相対回転中心P1を中心にして相対回転させた場合でも、永久磁石12に対するセンサチップ15の相対回転角度を検出することができる。   That is, the relative rotation center P1 of the sensor chip 15 is located on an extension line of the relative rotation axis C1 (FIG. 6A) of the permanent magnet 12, and the relative rotation center P1 of the sensor chip 15 and the permanent magnet 12 are relative to each other. The center of rotation exists on the same axis. Therefore, even when the sensor chip 15 is relatively rotated around the relative rotation center P1 in a state where the permanent magnet 12 is not rotating, the relative rotation angle of the sensor chip 15 with respect to the permanent magnet 12 can be detected.

センサチップ15は、上記の構造であるため、AMRセンサおよびホール素子を半導体基板の基板面方向に配置した従来の回転センサと比較して、センサチップ15の基板面方向の大きさ(横幅)を小さくすることができる。
また、AMRセンサM1,M2およびホール素子領域H1,H2は、永久磁石12の相対回転軸C1(図6(a))に対応する方向に重ねられている。
したがって、センサチップ15を永久磁石12の相対回転中心方向に縮小することができるため、永久磁石12の回転面2cと対向する空間を有効活用することができる。
Since the sensor chip 15 has the above-described structure, the sensor chip 15 has a size (horizontal width) in the substrate surface direction as compared with the conventional rotation sensor in which the AMR sensor and the Hall element are arranged in the substrate surface direction of the semiconductor substrate. Can be small.
The AMR sensors M1 and M2 and the Hall element regions H1 and H2 are overlapped in a direction corresponding to the relative rotation axis C1 of the permanent magnet 12 (FIG. 6A).
Therefore, since the sensor chip 15 can be reduced in the direction of the relative rotation center of the permanent magnet 12, the space facing the rotation surface 2c of the permanent magnet 12 can be effectively used.

次に、AMRセンサM1,M2の構造について説明する。図10は、AMRセンサM1の構造を模式的に示す平面図である。図11は、AMRセンサM2の構造を模式的に示す平面図である。図12は、AMRセンサM1の等価回路であり、図13は、AMRセンサM2の等価回路である。図14は、AMRセンサM1,M2およびホール素子H1,H2の各出力信号を示す説明図である。   Next, the structure of the AMR sensors M1 and M2 will be described. FIG. 10 is a plan view schematically showing the structure of the AMR sensor M1. FIG. 11 is a plan view schematically showing the structure of the AMR sensor M2. FIG. 12 is an equivalent circuit of the AMR sensor M1, and FIG. 13 is an equivalent circuit of the AMR sensor M2. FIG. 14 is an explanatory diagram showing output signals of the AMR sensors M1, M2 and the Hall elements H1, H2.

磁気抵抗素子R1〜R8は、帯状領域を複数回折り返した形状、つまり、メアンダ状(蛇行状)に形成されている。磁気抵抗素子R1〜R8は、主としてシリコン基板10の表面に平行な磁界の強度および向きにより抵抗値が変化し、抵抗値に応じたレベルの信号を出力する。つまり、磁気抵抗素子R1〜R8は、異方性磁気抵抗効果を発生する素子である。
この実施形態では、磁気抵抗素子R1〜R8は、強磁性体の金属薄膜により形成されている。強磁性体としては、NiFe(パーマロイ)やNiCoなどを用いることができる。また、強磁性体の金属薄膜は、スパッタ法や蒸着法により成膜することができる。
The magnetoresistive elements R <b> 1 to R <b> 8 are formed in a shape obtained by folding a plurality of band-shaped regions, that is, in a meander shape (meandering shape). The resistance values of the magnetoresistive elements R1 to R8 change mainly depending on the intensity and direction of the magnetic field parallel to the surface of the silicon substrate 10, and output a signal having a level corresponding to the resistance value. That is, the magnetoresistive elements R1 to R8 are elements that generate an anisotropic magnetoresistive effect.
In this embodiment, the magnetoresistive elements R1 to R8 are formed of a ferromagnetic metal thin film. As the ferromagnetic material, NiFe (permalloy), NiCo, or the like can be used. The ferromagnetic metal thin film can be formed by sputtering or vapor deposition.

図10に示すように、AMRセンサM1は、4つの磁気抵抗素子R1〜R4を備える。磁気抵抗素子R1〜R4は、相互に隣接する磁気抵抗素子において帯状素子の延設方向の成す角度が90°になるように配置されている。換言すると、磁気抵抗素子R1〜R4は、隣り合う磁気抵抗素子の電流の方向(磁化容易軸)が90°の角度を成すように配置されている。つまり、磁気抵抗素子R1,R4およびR2,R3の各組は、各組において出力信号間の位相が90°異なるように配置されている。   As shown in FIG. 10, the AMR sensor M1 includes four magnetoresistive elements R1 to R4. The magnetoresistive elements R <b> 1 to R <b> 4 are arranged so that the angle formed by the extending direction of the strip-shaped elements in the adjacent magnetoresistive elements is 90 °. In other words, the magnetoresistive elements R <b> 1 to R <b> 4 are arranged so that the current direction (magnetization easy axis) of the adjacent magnetoresistive elements forms an angle of 90 °. That is, each set of the magnetoresistive elements R1, R4 and R2, R3 is arranged such that the phase between the output signals is 90 ° different in each set.

図12に示すように、磁気抵抗素子R1およびR4は電気的に直列接続されており、ハーフブリッジ回路を構成している。このハーフブリッジ回路の中点には、中点出力Vout1を取出すための出力端子31が電気的に接続されている。磁気抵抗素子R2およびR3も電気的に直列接続されており、ハーフブリッジ回路を構成している。このハーフブリッジ回路の中点には、中点出力Vout2を取出すための出力端子32が電気的に接続されている。   As shown in FIG. 12, the magnetoresistive elements R1 and R4 are electrically connected in series to form a half bridge circuit. An output terminal 31 for taking out the midpoint output Vout1 is electrically connected to the midpoint of the half bridge circuit. The magnetoresistive elements R2 and R3 are also electrically connected in series to form a half bridge circuit. An output terminal 32 for taking out the midpoint output Vout2 is electrically connected to the midpoint of the half bridge circuit.

そして、両ハーフブリッジ回路は並列接続され、cos2θ信号を出力するフルブリッジ回路が構成されている。このフルブリッジ回路には、電源Vccを供給するための電源供給端子30と、グランドG1と電気的に接続するための端子33とが電気的に接続されている。このフルブリッジ回路において相対向する磁気抵抗素子R1およびR2は、(R0−ΔRcos2θ)信号を出力し、磁気抵抗素子R3およびR4は、(R0+ΔRcos2θ)信号を出力する。ここで、R0は、無磁界中における磁気抵抗素子の抵抗値であり、ΔRは、抵抗値変化量である。   Both half-bridge circuits are connected in parallel to form a full-bridge circuit that outputs a cos 2θ signal. The full bridge circuit is electrically connected to a power supply terminal 30 for supplying power Vcc and a terminal 33 for electrically connecting to the ground G1. In the full bridge circuit, the magnetoresistive elements R1 and R2 facing each other output the (R0−ΔRcos2θ) signal, and the magnetoresistive elements R3 and R4 output the (R0 + ΔRcos2θ) signal. Here, R0 is a resistance value of the magnetoresistive element in the absence of a magnetic field, and ΔR is a resistance value change amount.

各中点出力Vout1,Vout2は、それぞれVcc/2を中心に振動するため、環境温度の変化などに起因する出力波形のオフセットを抑制することができる。
また、出力端子31,32は、差動増幅回路(図5において符号51aで示す)に接続され、中点出力Vout1,Vout2が差動増幅される。このため、AMRセンサM1を1つのハーフブリッジ回路によって構成する場合と比較して、AMRセンサM1の出力振幅を2倍にすることができるため、磁気の検出感度を高めることができる。
Since each of the midpoint outputs Vout1 and Vout2 vibrates around Vcc / 2, it is possible to suppress an offset of the output waveform caused by a change in environmental temperature or the like.
The output terminals 31 and 32 are connected to a differential amplifier circuit (indicated by reference numeral 51a in FIG. 5), and the midpoint outputs Vout1 and Vout2 are differentially amplified. Therefore, the output amplitude of the AMR sensor M1 can be doubled compared to the case where the AMR sensor M1 is configured by one half bridge circuit, so that the magnetic detection sensitivity can be increased.

図11に示すように、AMRセンサM2は、4つの磁気抵抗素子R5〜R8を備える。磁気抵抗素子R5〜R8は、相互に隣接する磁気抵抗素子において帯状素子の延設方向の成す角度が90°になるように配置されている。換言すると、磁気抵抗素子R5〜R8は、隣り合う磁気抵抗素子の電流の方向(磁化容易軸)が90°の角度を成すように配置されている。つまり、磁気抵抗素子R5,R7およびR8,R6の各組は、各組において出力信号間の位相が90°異なるように配置されている。   As shown in FIG. 11, the AMR sensor M2 includes four magnetoresistive elements R5 to R8. The magnetoresistive elements R5 to R8 are arranged so that the angle formed by the extending direction of the strip-shaped elements in the adjacent magnetoresistive elements is 90 °. In other words, the magnetoresistive elements R5 to R8 are arranged so that the current direction (magnetization easy axis) of the adjacent magnetoresistive elements forms an angle of 90 °. That is, each set of magnetoresistive elements R5, R7 and R8, R6 is arranged such that the phase between the output signals is 90 ° different in each set.

図13に示すように、磁気抵抗素子R5およびR7は電気的に直列接続されており、ハーフブリッジ回路を構成している。このハーフブリッジ回路の中点には、中点出力Vout3を取出すための出力端子37が電気的に接続されている。磁気抵抗素子R8およびR6も電気的に直列接続されており、ハーフブリッジ回路を構成している。このハーフブリッジ回路の中点には、中点出力Vout4を取出すための出力端子38が電気的に接続されている。   As shown in FIG. 13, the magnetoresistive elements R5 and R7 are electrically connected in series to form a half bridge circuit. An output terminal 37 for taking out the midpoint output Vout3 is electrically connected to the midpoint of the half bridge circuit. The magnetoresistive elements R8 and R6 are also electrically connected in series to form a half bridge circuit. An output terminal 38 for taking out the midpoint output Vout4 is electrically connected to the midpoint of the half bridge circuit.

そして、両ハーフブリッジ回路は並列接続され、sin2θ信号を出力するフルブリッジ回路が構成されている。このフルブリッジ回路には、電源Vccを供給するための電源供給端子36と、グランドG2と電気的に接続するための端子39とが電気的に接続されている。このフルブリッジ回路において相対向する磁気抵抗素子R5およびR6は、(R0+ΔRsin2θ)信号を出力し、磁気抵抗素子R7およびR8は、(R0−ΔRsin2θ)信号を出力する。   Both half bridge circuits are connected in parallel to form a full bridge circuit that outputs a sin 2θ signal. The full bridge circuit is electrically connected to a power supply terminal 36 for supplying power Vcc and a terminal 39 for electrically connecting to the ground G2. The magnetoresistive elements R5 and R6 facing each other in this full bridge circuit output (R0 + ΔRsin2θ) signals, and the magnetoresistive elements R7 and R8 output (R0−ΔRsin2θ) signals.

各中点出力Vout3,Vout4は、それぞれVcc/2を中心に振動するため、環境温度の変化などに起因する出力波形のオフセットを抑制することができる。
また、出力端子37,38は、差動増幅回路(図5において符号51bで示す)に接続され、中点出力Vout3,Vout4が差動増幅される。このため、AMRセンサM2を1つのハーフブリッジ回路によって構成する場合と比較して、AMRセンサM2の出力振幅を2倍にすることができるため、磁気の検出感度を高めることができる。
Since each of the midpoint outputs Vout3 and Vout4 vibrates around Vcc / 2, it is possible to suppress an offset of the output waveform caused by a change in environmental temperature or the like.
The output terminals 37 and 38 are connected to a differential amplifier circuit (indicated by reference numeral 51b in FIG. 5), and the midpoint outputs Vout3 and Vout4 are differentially amplified. For this reason, the output amplitude of the AMR sensor M2 can be doubled as compared with the case where the AMR sensor M2 is configured by one half bridge circuit, so that the magnetic detection sensitivity can be increased.

図8(a)に示すように、AMRセンサM1,M2の各磁気抵抗素子は同心円状に交互に配置されており、隣り合うAMRセンサM1の磁気抵抗素子R1〜R4と、AMRセンサM2の磁気抵抗素子R5〜R8とが、電流の方向(磁化容易軸)が45°の角度を成すように配置されている。異方性磁気抵抗素子の電気抵抗の変化量ΔRは、自身の金属薄膜に流れる電流の方向(磁化容易軸)と、磁界の方向との成す角度が90°および270°のときに最大になり、0°および180°のときに最小になる。   As shown in FIG. 8A, the magnetoresistive elements of the AMR sensors M1 and M2 are alternately arranged concentrically, and the magnetoresistive elements R1 to R4 of the adjacent AMR sensor M1 and the magnetism of the AMR sensor M2. The resistance elements R5 to R8 are arranged so that the direction of current (magnetization easy axis) forms an angle of 45 °. The amount of change ΔR in the electrical resistance of the anisotropic magnetoresistive element is maximized when the angle between the direction of the current flowing in its own metal thin film (magnetization easy axis) and the direction of the magnetic field is 90 ° and 270 °. , 0 ° and 180 °.

したがって、図14に示すように、AMRセンサM1は、1波長が電気角180°のsin信号を出力し、AMRセンサM2は、AMRセンサM1との位相差が45°で、1波長が電気角180°のcos信号を出力する。   Therefore, as shown in FIG. 14, the AMR sensor M1 outputs a sin signal whose one wavelength is an electrical angle of 180 °, and the AMR sensor M2 has a phase difference of 45 ° with respect to the AMR sensor M1 and one wavelength has an electrical angle. A 180 ° cos signal is output.

図8(b)に示すように、AMRセンサM1,M2を構成する磁気抵抗素子R1〜R8は、絶縁膜90を解してシリコン基板10の表層部に配置されている。AMRセンサM1,M2は、磁気抵抗素子領域E1、つまり、シリコン基板10に対して平行な磁界B1の磁束密度の変化を主として検出する。ホール素子H1,H2は、シリコン基板10に作り込まれており、絶縁膜90を解して磁気抵抗素子R1〜R8の下方に重ねて配置されている。この実施形態では、ホール素子H1,H2は、それぞれCMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)構造の縦型ホール素子である。また、絶縁膜90はシリコン酸化膜である。   As shown in FIG. 8B, the magnetoresistive elements R <b> 1 to R <b> 8 constituting the AMR sensors M <b> 1 and M <b> 2 are disposed on the surface layer portion of the silicon substrate 10 through the insulating film 90. The AMR sensors M1 and M2 mainly detect a change in magnetic flux density of the magnetic field B1 parallel to the magnetoresistive element region E1, that is, the silicon substrate 10. The Hall elements H1 and H2 are built in the silicon substrate 10, and are disposed below the magnetoresistive elements R1 to R8 through the insulating film 90. In this embodiment, each of the Hall elements H1 and H2 is a vertical Hall element having a CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) structure. The insulating film 90 is a silicon oxide film.

ホール素子H1,H2は、出力信号間の位相差が90°となるように配置されている。このため、図14に示すように、永久磁石12が360°回転すると、ホール素子H1は、1波長が電気角360°のsin信号を出力し、ホール素子H2は、1波長が電気角360°のcos信号を出力する。なお、永久磁石12が2回転以上する場合は、360°および0°は連続しているものとして扱う。   The Hall elements H1 and H2 are arranged so that the phase difference between the output signals is 90 °. For this reason, as shown in FIG. 14, when the permanent magnet 12 rotates 360 °, the Hall element H1 outputs a sin signal having an electrical angle of 360 °, and the Hall element H2 has an electrical angle of 360 °. The cos signal is output. When the permanent magnet 12 makes two or more revolutions, 360 ° and 0 ° are treated as being continuous.

次に、ホール素子H1,H2の構造について説明する。なお、ホール素子H1,H2は同一の構造であるため、ここでは、ホール素子H2を例に挙げて説明する。図15は、ホール素子H2の説明図であり、(a)はホール素子H2およびその周辺の一部を示す平面図、(b)は(a)のA−A矢視断面図、(c)は(a)のB−B矢視断面図である。   Next, the structure of the Hall elements H1 and H2 will be described. Since the Hall elements H1 and H2 have the same structure, the Hall element H2 will be described as an example here. 15A and 15B are explanatory views of the Hall element H2, in which FIG. 15A is a plan view showing the Hall element H2 and a part of the periphery thereof, FIG. 15B is a cross-sectional view taken along line AA in FIG. [FIG. 2] is a sectional view taken along line BB in FIG.

ホール素子H2は、高耐圧CMOSトランジスタ(HVCMOS)構造を有する。ホール素子H2は、P型(第1導電型)のシリコン基板(P−sub)10と、このシリコン基板10の表層部から深さ方向に形成されたN型(第2導電型)の半導体領域(Nwell)91と、この半導体領域91の全周を囲むP型(第1導電型)の拡散層(Pwell)92と、シリコン基板10の表層部から深さ方向に形成され、半導体領域91の表層部から所定深さまでの領域を3つの半導体領域91a,91b,91cに分割するP型(第1導電型)の拡散層(Pwell)93,99と、半導体領域91a,91b,91cの各表層部に形成されたコンタクト領域(N+拡散層(不純物拡散領域))94〜98とを備える。   The Hall element H2 has a high breakdown voltage CMOS transistor (HVCMOS) structure. The Hall element H2 includes a P-type (first conductivity type) silicon substrate (P-sub) 10 and an N-type (second conductivity type) semiconductor region formed in the depth direction from the surface layer portion of the silicon substrate 10. (Nwell) 91, a P-type (first conductivity type) diffusion layer (Pwell) 92 that surrounds the entire circumference of the semiconductor region 91, and a depth direction from the surface layer portion of the silicon substrate 10. P-type (first conductivity type) diffusion layers (Pwell) 93, 99 that divide a region from the surface layer portion to a predetermined depth into three semiconductor regions 91a, 91b, 91c, and respective surface layers of the semiconductor regions 91a, 91b, 91c Contact regions (N + diffusion layers (impurity diffusion regions)) 94 to 98 formed in the portion.

コンタクト領域94〜98には、配線を介して端子S,V1,V2,G3,G4が電気的に接続されている。端子S,G3,G4は、駆動電流を供給するための端子であり、端子V1,V2は、ホール電圧信号を取出すための端子である。つまり、コンタクト領域97,98が電流供給対であり、コンタクト領域95,96が電圧出力対である。したがって、図8(a)に示したホール素子H1,H2は、電流供給対を結ぶ線が直交するように配置されていることになる。また、電圧出力対を結ぶ線が直交するように配置されていることになる。   Terminals S, V1, V2, G3, and G4 are electrically connected to the contact regions 94 to 98 through wiring. Terminals S, G3, and G4 are terminals for supplying a driving current, and terminals V1 and V2 are terminals for taking out a Hall voltage signal. That is, the contact regions 97 and 98 are current supply pairs, and the contact regions 95 and 96 are voltage output pairs. Therefore, the Hall elements H1 and H2 shown in FIG. 8A are arranged so that the lines connecting the current supply pairs are orthogonal to each other. Further, the lines connecting the voltage output pairs are arranged so as to be orthogonal to each other.

図15(c)に示すように、コンタクト領域95,96によって挟まれる領域が、磁気検出部(ホールプレート)HPとなる。また、その磁気検出部HPのうち、コンタクト領域95,96を結ぶラインと平行な両面がそれぞれ磁気検出面HP2となる。つまり、ホール素子H2は、その磁気検出面HP2から磁気検出部HPに印加される磁界に対応するホール電圧信号を端子V1,V2から出力する。
図15(b)に示すように、端子Sから端子G3へ、さらに、端子Sから端子G4へそれぞれ一定の駆動電流iを流すと、その駆動電流iは、コンタクト領域94から磁気検出部HP、そして拡散層93,98の下方の半導体領域91を通じてコンタクト領域97,98へとそれぞれ流れる。
As shown in FIG. 15C, a region sandwiched between the contact regions 95 and 96 is a magnetic detection unit (hole plate) HP. Further, in the magnetic detection part HP, both surfaces parallel to the line connecting the contact regions 95 and 96 become the magnetic detection surface HP2, respectively. That is, the Hall element H2 outputs the Hall voltage signal corresponding to the magnetic field applied from the magnetic detection surface HP2 to the magnetic detection unit HP from the terminals V1 and V2.
As shown in FIG. 15B, when a constant drive current i is supplied from the terminal S to the terminal G3 and from the terminal S to the terminal G4, the drive current i is supplied from the contact region 94 to the magnetic detection unit HP, Then, it flows to the contact regions 97 and 98 through the semiconductor region 91 below the diffusion layers 93 and 98, respectively.

つまり、磁気検出部HPには、基板表面(センサチップ表面)に垂直な成分を含む駆動電流が流れる。このため、その駆動電流を流した状態において、基板表面(センサチップ表面)に平行な成分を含む磁界(たとえば、図15(c)において矢印B1で示す磁界)が磁気検出部HPに印加されると、ホール効果によって端子V1,V2間にその磁界に対応するホール電圧VHが発生する。ホール電圧VHは、磁気検出面HP2と磁界の方向とが成す角度、つまり、磁気検出面HP2に対する磁界の入射角度に応じて変化する。   That is, a drive current including a component perpendicular to the substrate surface (sensor chip surface) flows through the magnetic detection unit HP. For this reason, a magnetic field (for example, a magnetic field indicated by an arrow B1 in FIG. 15C) including a component parallel to the substrate surface (sensor chip surface) is applied to the magnetic detection unit HP in a state where the drive current is supplied. The Hall voltage VH corresponding to the magnetic field is generated between the terminals V1 and V2 by the Hall effect. The Hall voltage VH changes according to the angle formed by the magnetic detection surface HP2 and the direction of the magnetic field, that is, the incident angle of the magnetic field with respect to the magnetic detection surface HP2.

図6(a)および図7に示したように、ホール素子H1,H2は、各磁気検出面HP1,HP2がシリコン基板10の表面に対して垂直となるように配置されているため、永久磁石12から発生し、シリコン基板10の表面に平行な磁界B1が各磁気検出面HP1,HP2を垂直に貫通する。図示の状態では、磁界B1は、ホール素子H2の磁気検出面HP2に垂直に貫通しているが、永久磁石12が図示の位置から90°回転すると、磁界B1は、ホール素子H1の磁気検出面HP1に垂直に貫通する。つまり、ホール素子H1,H2は、シリコン基板10の表面に平行な磁界B1の磁束密度の変化を主として検出する。   As shown in FIGS. 6A and 7, the Hall elements H <b> 1 and H <b> 2 are arranged so that the magnetic detection surfaces HP <b> 1 and HP <b> 2 are perpendicular to the surface of the silicon substrate 10. 12 and a magnetic field B1 parallel to the surface of the silicon substrate 10 penetrates the magnetic detection surfaces HP1 and HP2 vertically. In the illustrated state, the magnetic field B1 penetrates perpendicularly to the magnetic detection surface HP2 of the Hall element H2, but when the permanent magnet 12 rotates 90 ° from the illustrated position, the magnetic field B1 changes to the magnetic detection surface of the Hall element H1. It penetrates perpendicularly to HP1. That is, the Hall elements H1 and H2 mainly detect changes in the magnetic flux density of the magnetic field B1 parallel to the surface of the silicon substrate 10.

N型の半導体領域91は、低耐圧CMOSトランジスタ構造におけるN型の半導体領域よりも深く形成されており、それに伴い、P型の拡散層92,93,98も、低耐圧CMOSトランジスタ構造におけるP型の拡散層よりも深く形成されている。この実施形態では、P型の拡散層92,93,98は、それぞれN型の半導体領域91の略半分の深さに形成されている。   The N-type semiconductor region 91 is formed deeper than the N-type semiconductor region in the low breakdown voltage CMOS transistor structure, and accordingly, the P-type diffusion layers 92, 93, 98 are also P-type in the low breakdown voltage CMOS transistor structure. It is formed deeper than the diffusion layer. In this embodiment, the P-type diffusion layers 92, 93 and 98 are each formed to a depth approximately half that of the N-type semiconductor region 91.

このようにホール素子H1は、N型の半導体領域91を深く形成しているため、キャリア移動度が高くなり、ホール効果を大きくすることができるため、ホール電圧VHを高くすることができるので、磁界に対する検出感度を高めることができる。
また、ホール素子H1は、CMOS工程で製造するため、バイポーラ工程で製造する縦型ホール素子よりもコスト的に有利である。
Thus, since the Hall element H1 has the N-type semiconductor region 91 formed deeply, the carrier mobility is increased and the Hall effect can be increased, so that the Hall voltage VH can be increased. The detection sensitivity with respect to the magnetic field can be increased.
In addition, since the Hall element H1 is manufactured by a CMOS process, it is more cost-effective than a vertical Hall element manufactured by a bipolar process.

このように構成されるセンサチップ15では、上記第3実施形態と同様に、その構造誤差等に起因して、相対回転角度θの場合には、AMRセンサM1から角度α'および第1振幅比A'が反映された出力信号A'sin(2θ+α')が出力され、AMRセンサM2から角度β'および第2振幅比B'が反映された出力信号B'cos(2θ+β')が出力されると仮定することができる。   In the sensor chip 15 configured as described above, the angle α ′ and the first amplitude ratio from the AMR sensor M1 in the case of the relative rotation angle θ due to the structural error and the like, as in the third embodiment. An output signal A′sin (2θ + α ′) reflecting A ′ is output, and an output signal B′cos (2θ + β ′) reflecting the angle β ′ and the second amplitude ratio B ′ is output from the AMR sensor M2. Can be assumed.

ここで、角度α'は、相対回転角度θが基準角度、例えば0°となるように相対回転させたAMRセンサM1および永久磁石12について、AMRセンサM1から正弦波信号として出力される信号に基づいて、設定されるものである。つまり、角度α'は、AMRセンサM1および永久磁石12に関する構造誤差等に起因する上記基準角度からのずれ(位相ずれ)であり、予め測定されて検出回路50aのメモリ等に記憶される。   Here, the angle α ′ is based on a signal output as a sine wave signal from the AMR sensor M1 with respect to the AMR sensor M1 and the permanent magnet 12 that are relatively rotated so that the relative rotation angle θ becomes a reference angle, for example, 0 °. Is set. That is, the angle α ′ is a deviation (phase deviation) from the reference angle due to a structural error or the like related to the AMR sensor M1 and the permanent magnet 12, and is measured in advance and stored in a memory or the like of the detection circuit 50a.

また、角度β'は、相対回転角度θが上記基準角度となるように相対回転させたAMRセンサM2および永久磁石12について、AMRセンサM2から余弦波信号として出力される信号に基づいて、設定されるものである。つまり、角度β'は、AMRセンサM2および永久磁石12に関する構造誤差等に起因する上記基準角度からのずれ(位相ずれ)であり、予め測定されて検出回路50aのメモリ等に記憶される。   Further, the angle β ′ is set based on a signal output as a cosine wave signal from the AMR sensor M2 with respect to the AMR sensor M2 and the permanent magnet 12 that are relatively rotated so that the relative rotation angle θ becomes the reference angle. Is. That is, the angle β ′ is a deviation (phase deviation) from the reference angle due to a structural error or the like related to the AMR sensor M2 and the permanent magnet 12, and is measured in advance and stored in a memory or the like of the detection circuit 50a.

また、第1振幅比A'は、上記基準振幅に対する正弦波信号の振幅の比であり、所定の相対回転角度に相対回転させたAMRセンサM1および永久磁石12について、AMRセンサM1から正弦波信号として出力される信号に基づいて、設定されるものである。つまり、第1振幅比A'は、AMRセンサM1および永久磁石12に関する構造誤差等に起因する歪みによる上記基準振幅に対するずれであり、予め測定されて上述したsinROM(61i)に反映される。   The first amplitude ratio A ′ is the ratio of the amplitude of the sine wave signal to the reference amplitude, and the sine wave signal from the AMR sensor M1 for the AMR sensor M1 and the permanent magnet 12 rotated relative to a predetermined relative rotation angle. Is set based on the signal output as. That is, the first amplitude ratio A ′ is a deviation from the reference amplitude due to distortion caused by a structural error or the like regarding the AMR sensor M1 and the permanent magnet 12, and is measured in advance and reflected in the above-described sinROM (61i).

また、第2振幅比B'は、上記基準振幅に対する余弦波信号の振幅の比であり、所定の相対回転角度に相対回転させたAMRセンサM2および永久磁石12について、AMRセンサM2から余弦波信号として出力される信号に基づいて、設定されるものである。つまり、第2振幅比B'は、AMRセンサM2および永久磁石12に関する構造誤差等に起因する歪みによる上記基準振幅に対するずれであり、予め測定されて上述したcosROM(61j)に反映される。   Further, the second amplitude ratio B ′ is a ratio of the amplitude of the cosine wave signal to the reference amplitude, and the cosine wave signal from the AMR sensor M2 with respect to the AMR sensor M2 and the permanent magnet 12 rotated relative to a predetermined relative rotation angle. Is set based on the signal output as. That is, the second amplitude ratio B ′ is a deviation from the reference amplitude due to distortion caused by a structural error or the like related to the AMR sensor M2 and the permanent magnet 12, and is measured in advance and reflected in the above-described cosROM (61j).

次に、本実施形態に係る回転センサ1aの主な電気的構成について説明する。図16は、図5に示す各ブロック間の信号の流れを示す説明図である。図17は、図5に示す初期値テーブル53dの構成を示す説明図である。図18は、ホール素子などの出力波形を示す説明図であり、(a)はホール素子H1の出力波形、(b)は比較回路53aの出力波形、(c)はホール素子H2の出力波形、(d)は比較回路53bの出力波形、(e)は出力部70の出力波形である。   Next, the main electrical configuration of the rotation sensor 1a according to the present embodiment will be described. FIG. 16 is an explanatory diagram showing a signal flow between the blocks shown in FIG. FIG. 17 is an explanatory diagram showing the structure of the initial value table 53d shown in FIG. 18A and 18B are explanatory diagrams showing the output waveform of the Hall element, where FIG. 18A shows the output waveform of the Hall element H1, FIG. 18B shows the output waveform of the comparison circuit 53a, FIG. 18C shows the output waveform of the Hall element H2, (D) is an output waveform of the comparison circuit 53b, and (e) is an output waveform of the output unit.

図5に示すように、増幅部52は、増幅回路52aおよび52bを備える。増幅回路52aは、ホール素子H1から出力される検出信号sinθを増幅し、増幅回路52bは、ホール素子H2から出力される検出信号cosθを増幅する。初期値決定部53は、比較回路53aおよび53bと、初期値読出し部53cと、初期値テーブル53dとを備える。   As shown in FIG. 5, the amplification unit 52 includes amplification circuits 52a and 52b. The amplifier circuit 52a amplifies the detection signal sin θ output from the Hall element H1, and the amplifier circuit 52b amplifies the detection signal cos θ output from the Hall element H2. The initial value determining unit 53 includes comparison circuits 53a and 53b, an initial value reading unit 53c, and an initial value table 53d.

比較回路53aは、増幅回路52aから出力される検出信号(図18(a))の信号レベルVH1と閾値(0V)とを比較し、その比較結果に対応するパルス信号(図18(b))を出力する。比較回路53bは、増幅回路52bから出力される検出信号(図18(c))の信号レベルVH2と閾値(0V)とを比較し、その比較結果に対応するパルス信号(図18(d))を出力する。   The comparison circuit 53a compares the signal level VH1 of the detection signal (FIG. 18 (a)) output from the amplification circuit 52a with a threshold value (0V), and a pulse signal (FIG. 18 (b)) corresponding to the comparison result. Is output. The comparison circuit 53b compares the signal level VH2 of the detection signal (FIG. 18C) output from the amplification circuit 52b with a threshold value (0V), and a pulse signal corresponding to the comparison result (FIG. 18D). Is output.

初期値決定部53は、ホール素子H1,H2から出力された各検出信号の各信号レベルVH1,VH2と、閾値(0V)との各比較結果、つまり、比較回路53aおよび53bの出力を用い、相対回転角度θの初期値θ0が含まれる角度範囲を判定する。そして、その判定した角度範囲の中で発生し得る相対回転角度θの初期値θ0と演算角度φの初期値φ0との差の絶対値が90°未満(|θ0−φ0|<90°)となるような演算角度φの初期値φ0を、初期値テーブル53dを用いて決定する。   The initial value determination unit 53 uses the comparison results between the signal levels VH1 and VH2 of the detection signals output from the Hall elements H1 and H2 and the threshold value (0 V), that is, the outputs of the comparison circuits 53a and 53b. An angle range including the initial value θ0 of the relative rotation angle θ is determined. The absolute value of the difference between the initial value θ0 of the relative rotation angle θ and the initial value φ0 of the calculation angle φ that can occur within the determined angle range is less than 90 ° (| θ0−φ0 | <90 °). The initial value φ0 of the calculation angle φ is determined using the initial value table 53d.

図18(b)に示すように、比較回路53aからは、入力角度θが0〜180°の間はハイレベル(H)を維持し、入力角度θが180〜360°の間はローレベル(L)を維持するパルス信号が出力される。また、図18(d)に示すように、比較回路53bからは、入力角度θが90〜270°の間はハイレベル(H)を維持し、入力角度θが270〜90°の間はローレベル(L)を維持するパルス信号が出力される。   As shown in FIG. 18B, the comparison circuit 53a maintains a high level (H) when the input angle θ is 0 to 180 °, and a low level (when the input angle θ is 180 to 360 °). A pulse signal maintaining L) is output. Further, as shown in FIG. 18D, the comparison circuit 53b maintains a high level (H) when the input angle θ is 90 to 270 ° and low when the input angle θ is 270 to 90 °. A pulse signal that maintains the level (L) is output.

したがって、永久磁石12が回転していない初期状態において、比較回路53aから出力されたパルス信号の信号レベルがHであり、比較回路53bから出力されたパルス信号の信号レベルがLであった場合は、永久磁石12の相対回転角度θの初期値θ0は、第1象限(0°≦θ<90°)に存在すると判定することができる。また、比較回路53aから出力されたパルス信号の信号レベルがHであり、比較回路53bから出力されたパルス信号の信号レベルもHであった場合は、永久磁石12の相対回転角度θの初期値θ0は、第2象限(90°≦θ<180°)に存在すると判定することができる。   Accordingly, when the signal level of the pulse signal output from the comparison circuit 53a is H and the signal level of the pulse signal output from the comparison circuit 53b is L in the initial state where the permanent magnet 12 is not rotating. The initial value θ0 of the relative rotation angle θ of the permanent magnet 12 can be determined to exist in the first quadrant (0 ° ≦ θ <90 °). When the signal level of the pulse signal output from the comparison circuit 53a is H and the signal level of the pulse signal output from the comparison circuit 53b is also H, the initial value of the relative rotation angle θ of the permanent magnet 12 is set. It can be determined that θ0 exists in the second quadrant (90 ° ≦ θ <180 °).

また、比較回路53aから出力されたパルス信号の信号レベルがLであり、比較回路53bから出力されたパルス信号の信号レベルがHであった場合は、永久磁石12の相対回転角度θの初期値θ0は、第3象限(180°≦θ<270°)に存在すると判定することができる。さらに、比較回路53aから出力されたパルス信号の信号レベルがLであり、比較回路53bから出力されたパルス信号の信号レベルもLであった場合は、永久磁石12の相対回転角度θの初期値θ0は、第4象限(270°≦θ<360°)に存在すると判定することができる。
つまり、比較回路53aおよび53bから出力される各パルス信号の信号レベルの組合せを用いることにより、永久磁石12の相対回転角度θの初期値θ0が存在する象限(角度範囲)を判定することができる。
When the signal level of the pulse signal output from the comparison circuit 53a is L and the signal level of the pulse signal output from the comparison circuit 53b is H, the initial value of the relative rotation angle θ of the permanent magnet 12 is set. It can be determined that θ0 exists in the third quadrant (180 ° ≦ θ <270 °). Further, when the signal level of the pulse signal output from the comparison circuit 53a is L and the signal level of the pulse signal output from the comparison circuit 53b is also L, the initial value of the relative rotation angle θ of the permanent magnet 12 is set. It can be determined that θ0 exists in the fourth quadrant (270 ° ≦ θ <360 °).
That is, the quadrant (angle range) where the initial value θ0 of the relative rotation angle θ of the permanent magnet 12 exists can be determined by using a combination of signal levels of the pulse signals output from the comparison circuits 53a and 53b. .

この実施形態では、初期値θ0が含まれる角度範囲は、相対回転角度θの0〜360°をホール素子H1,H2の出力信号間の位相差90°で除した値4で除することにより、4個の角度範囲が設定されている。つまり、図17に示すように、第1象限(0°≦θ0<90°)と、第2象限(90°≦θ0<180°)と、第3象限(180°≦θ0<270°)および第4象限(270°≦θ0<360°)から成る4つの象限が角度範囲として設定されている。   In this embodiment, the angle range including the initial value θ0 is divided by a value 4 obtained by dividing 0 to 360 ° of the relative rotation angle θ by the phase difference 90 ° between the output signals of the Hall elements H1 and H2. Four angle ranges are set. That is, as shown in FIG. 17, the first quadrant (0 ° ≦ θ0 <90 °), the second quadrant (90 ° ≦ θ0 <180 °), the third quadrant (180 ° ≦ θ0 <270 °), and Four quadrants composed of the fourth quadrant (270 ° ≦ θ0 <360 °) are set as the angle range.

また、図17に示すように、初期値テーブル53dは、比較回路53aから出力されるパルス信号の信号レベルVH1(HまたはL)と、比較回路53bから出力されるパルス信号の信号レベルVH2(HまたはL)と、演算角度φの初期値φ0とを対応付けて構成されている。この実施形態では、信号レベルVH1,VH2の組合せH,Lと初期値45°が、信号レベルVH1,VH2の組合せH,Hと初期値135°が、信号レベルVH1,VH2の組合せL,Hと初期値225°が、信号レベルVH1,VH2の組合せL,Lと初期値315°がそれぞれ対応付けられており、信号レベルVH1,VH2の組合せが各象限において総て異なるように構成されている。   As shown in FIG. 17, the initial value table 53d includes a signal level VH1 (H or L) of the pulse signal output from the comparison circuit 53a and a signal level VH2 (H of the pulse signal output from the comparison circuit 53b. Or L) and the initial value φ0 of the calculation angle φ are associated with each other. In this embodiment, the combinations H and L of the signal levels VH1 and VH2 and the initial value 45 ° are the combinations H and H of the signal levels VH1 and VH2 and the initial value 135 ° are the combinations L and H of the signal levels VH1 and VH2. The initial value 225 ° is associated with the combinations L and L of the signal levels VH1 and VH2 and the initial value 315 °, respectively, and the combinations of the signal levels VH1 and VH2 are all different in each quadrant.

各初期値は、デジタル角度であり、後述する角度演算部60を構成するアップダウンカウンタ64によるカウント値であり、そのカウント値が初期値として初期値テーブル53dに格納されている。初期値テーブル53dは、ROMやフラッシュROMなどの格納媒体に格納しておくことができる。   Each initial value is a digital angle, which is a count value by an up / down counter 64 constituting an angle calculation unit 60 described later, and the count value is stored in the initial value table 53d as an initial value. The initial value table 53d can be stored in a storage medium such as a ROM or a flash ROM.

初期値読出し部53c(図5)は、初期値テーブル53dを参照し、比較回路53aおよび53bから出力される各パルス信号の信号レベルVH1,VH2の組合せに対応付けられている初期値φ0を読出す。たとえば、初期値読出し部53cは、比較回路53aおよび53bから出力される各パルス信号の信号レベルVH1,VH2の組合せがH,Lであった場合は、初期値テーブル53dから初期値φ0として45°を読出す。   The initial value reading unit 53c (FIG. 5) reads the initial value φ0 associated with the combination of the signal levels VH1 and VH2 of each pulse signal output from the comparison circuits 53a and 53b with reference to the initial value table 53d. put out. For example, when the combination of the signal levels VH1 and VH2 of the pulse signals output from the comparison circuits 53a and 53b is H and L, the initial value reading unit 53c sets 45 ° as the initial value φ0 from the initial value table 53d. Read out.

本実施形態では、相対回転する永久磁石(磁気発生部)12の磁界中に磁電変換素子に相当するAMRセンサM1,M2が配置されている。そして、AMRセンサM1,M2は、永久磁石12が1回転する間に磁界の強度に応じ、永久磁石12に対する相対回転角度をθとし且つNを自然数とするsinNθ信号及びcosNθ信号を出力するようになっている。なお、本実施形態の例では、永久磁石12が1回転する間に、AMRセンサM1,M2は磁界の強度に応じて信号レベルが2周期で変化するsin2θ信号及びcos2θ信号を出力しているため、N=2である。   In the present embodiment, AMR sensors M1 and M2 corresponding to magnetoelectric transducers are arranged in the magnetic field of a permanent magnet (magnet generator) 12 that rotates relatively. Then, the AMR sensors M1 and M2 output a sinNθ signal and a cosNθ signal in which the relative rotation angle with respect to the permanent magnet 12 is θ and N is a natural number according to the strength of the magnetic field during one rotation of the permanent magnet 12. It has become. In the example of the present embodiment, the AMR sensors M1 and M2 output the sin 2θ signal and the cos 2θ signal whose signal level changes in two periods according to the strength of the magnetic field while the permanent magnet 12 rotates once. , N = 2.

増幅部51の差動増幅回路51aは、AMRセンサM1の出力信号A'sin(2θ+α')を差動増幅し、差動増幅回路51bは、AMRセンサM2の出力信号B'cos(2θ+β')を差動増幅する。角度演算部60は、トラッキングループ型デジタル角度変換回路であり、信号作成部61と、偏差算出部62と、正負判定部63と、アップダウンカウンタ(U/Dカウンタ)64とを備える。   The differential amplifier circuit 51a of the amplifier 51 differentially amplifies the output signal A′sin (2θ + α ′) of the AMR sensor M1, and the differential amplifier circuit 51b outputs the output signal B′cos (2θ + β ′) of the AMR sensor M2. Is differentially amplified. The angle calculation unit 60 is a tracking loop type digital angle conversion circuit, and includes a signal creation unit 61, a deviation calculation unit 62, a positive / negative determination unit 63, and an up / down counter (U / D counter) 64.

角度演算部60は、AMRセンサM1,M2から出力される信号を用い、永久磁石12に対する相対回転角度θと演算により求めた演算角度φとの偏差が所定値に収束するようにフィードバック制御を行って相対回転角度θを演算する。また、角度演算部60は、相対回転角度θの演算を開始するときの演算角度φの初期値φ0として初期値決定部53により決定された初期値φ0を用いる(54)。   The angle calculator 60 uses the signals output from the AMR sensors M1 and M2 to perform feedback control so that the deviation between the relative rotation angle θ with respect to the permanent magnet 12 and the calculated angle φ obtained by the calculation converges to a predetermined value. To calculate the relative rotation angle θ. The angle calculation unit 60 uses the initial value φ0 determined by the initial value determination unit 53 as the initial value φ0 of the calculation angle φ when starting the calculation of the relative rotation angle θ (54).

信号作成部61は、差動増幅回路51aから出力される信号A'sin(2θ+α')と、差動増幅回路51bから出力される信号B'cos(2θ+β')とを用い、信号A'B'(sinα'sinβ'+cosα'cosβ')sin(2θ−2φ)を作成する。この信号A'B'(sinα'sinβ'+cosα'cosβ')sin(2θ−2φ)については、後述する。   The signal creation unit 61 uses the signal A′sin (2θ + α ′) output from the differential amplifier circuit 51a and the signal B′cos (2θ + β ′) output from the differential amplifier circuit 51b, and uses the signal A′B. '(Sinα'sinβ' + cosα'cosβ ') sin (2θ-2φ) is created. This signal A′B ′ (sinα′sinβ ′ + cosα′cosβ ′) sin (2θ−2φ) will be described later.

偏差算出部62は、信号作成部61から出力される信号A'B'(sinα'sinβ'+cosα'cosβ')sin(2θ−2φ)を用いて偏差(2θ−2φ)を算出する。正負判定部63は、偏差算出部により算出された偏差(2θ−2φ)が正の値であるか負の値であるかを判定する。アップダウンカウンタ64は、正負判定部63の判定結果に応じてカウント値を加算(カウントアップ)または減算(カウントダウン)する。   The deviation calculation unit 62 calculates the deviation (2θ-2φ) using the signal A′B ′ (sin α′sin β ′ + cos α′cos β ′) sin (2θ-2φ) output from the signal creation unit 61. The positive / negative determining unit 63 determines whether the deviation (2θ−2φ) calculated by the deviation calculating unit is a positive value or a negative value. The up / down counter 64 adds (counts up) or subtracts (counts down) the count value according to the determination result of the positive / negative determination unit 63.

ここで、信号作成部61が実行する処理内容について図16を参照して説明する。
信号作成部61は、信号A'sin(2θ+α')に後述するように作成される信号B'cos(2φ+β')を乗算して展開することで、図16に示す数式(5)''の信号を作成する(61c)。また、信号作成部61は、信号B'cos(2θ+β')に後述するように作成される信号A'sin(2φ+α')を乗算して展開することで、図16に示す数式(6)''の信号を作成する(61d)。続いて、信号作成部61は、数式(5)''から数式(6)''を減算して変数部分と定数部分とに分けることで、図16に示す数式(7)''の信号、すなわち、偏差(2θ−2φ)を変数とするsin信号を作成する(61e)。
Here, processing contents executed by the signal creating unit 61 will be described with reference to FIG.
The signal creation unit 61 multiplies the signal A′sin (2θ + α ′) by a signal B′cos (2φ + β ′) created as described later, and develops the result, so that the formula (5) ″ shown in FIG. A signal is created (61c). Further, the signal creation unit 61 multiplies the signal B′cos (2θ + β ′) by a signal A′sin (2φ + α ′) created as will be described later, and develops it, thereby expressing the formula (6) ′ shown in FIG. 'Signal is created (61d). Subsequently, the signal generating unit 61 subtracts the formula (6) '' from the formula (5) '' to divide it into a variable part and a constant part, whereby the signal of the formula (7) '' shown in FIG. That is, a sin signal having a deviation (2θ−2φ) as a variable is created (61e).

次に、偏差算出部62は、信号作成部61が作成した信号A'B'(sinα'sinβ'+cosα'cosβ')×sin(2θ−2φ)を逆正弦演算(アークサイン演算)し、偏差(2θ−2φ)を求める(62)。次に、正負判定部63は、偏差算出部62が求めた偏差(2θ−2φ)が正の値であるか負の値であるかを判定する。   Next, the deviation calculation unit 62 performs an inverse sine operation (arcsine operation) on the signal A′B ′ (sin α′sin β ′ + cos α′cos β ′) × sin (2θ−2φ) generated by the signal generation unit 61 to obtain the deviation. (2θ-2φ) is obtained (62). Next, the positive / negative determining unit 63 determines whether the deviation (2θ−2φ) obtained by the deviation calculating unit 62 is a positive value or a negative value.

次に、アップダウンカウンタ64は、正負判定部63の判定結果が正であった場合は、カウンタの最下位ビット(LSB)にnを加算してカウント値を加算し、正負判定部63の判定結果が負であった場合は、カウンタの最下位ビットからnを減算する。このアップダウンカウンタ64のカウント値がデジタル角度、つまり演算角度φである(65)。   Next, when the determination result of the positive / negative determination unit 63 is positive, the up / down counter 64 adds n to the least significant bit (LSB) of the counter and adds the count value. If the result is negative, subtract n from the least significant bit of the counter. The count value of the up / down counter 64 is a digital angle, that is, a calculation angle φ (65).

また、信号作成部61は、アップダウンカウンタ64から出力される演算角度φ(カウント値)を用い、上記第2実施形態と同様に、演算角度φをブロック61hに入力することでブロック61jから出力される余弦値に基づいてB'cos(2φ+β')を作成するとともに、演算角度φをブロック61iに入力することでブロック61kから出力される正弦値に基づいてA'sin(2φ+α')を作成する。   Further, the signal generation unit 61 uses the calculation angle φ (count value) output from the up / down counter 64, and outputs the calculation angle φ from the block 61j by inputting the calculation angle φ to the block 61h, as in the second embodiment. B′cos (2φ + β ′) is created based on the cosine value to be generated, and A′sin (2φ + α ′) is created based on the sine value output from the block 61k by inputting the calculation angle φ to the block 61i. To do.

なお、2φ+β'(61h)および2φ+α'(61i)の各φは、アップダウンカウンタ64のカウント値により変化する変数である。永久磁石12が回転を開始する前、つまり、回転センサ1aが相対回転角度θの検出を行う前は、初期値読出し部53cが初期値テーブル53dから読出した初期値φ0を演算角度φとして用いる。   Each φ of 2φ + β ′ (61h) and 2φ + α ′ (61i) is a variable that varies depending on the count value of the up / down counter 64. Before the permanent magnet 12 starts rotating, that is, before the rotation sensor 1a detects the relative rotation angle θ, the initial value reading unit 53c uses the initial value φ0 read from the initial value table 53d as the calculation angle φ.

そして、信号作成部61は、再度、信号A'sin(2θ+α')に信号B'cos(2φ+β')を乗算して、図16の数式(5)''に示す信号を作成する。また、再度、信号B'cos(2θ+β')に信号A'sin(2φ+α')を乗算し、図16の数式(6)''に示す信号を作成する。つまり、偏差(2θ−2φ)が、信号B'cos(2φ+β')およびA'sin(2φ+α')にフィードバックされ、信号A'B'(sinα'sinβ'+cosα'cosβ')×sin(2θ−2φ)が変化する。このフィードバックは、偏差(2θ−2φ)が所定値、本実施形態では0に収束するまで繰り返す。   Then, the signal creation unit 61 again multiplies the signal A′sin (2θ + α ′) by the signal B′cos (2φ + β ′) to create a signal represented by Expression (5) ″ in FIG. Further, the signal B′cos (2θ + β ′) is multiplied by the signal A′sin (2φ + α ′) again to create a signal represented by the equation (6) ″ in FIG. That is, the deviation (2θ−2φ) is fed back to the signals B′cos (2φ + β ′) and A′sin (2φ + α ′), and the signal A′B ′ (sinα′sinβ ′ + cosα′cosβ ′) × sin (2θ− 2φ) changes. This feedback is repeated until the deviation (2θ-2φ) converges to a predetermined value, 0 in this embodiment.

次に、出力部70は、アップダウンカウンタ64から出力される演算角度φをアナログ値に変換した信号を出力する。詳しくは、出力部70は、アップダウンカウンタ64から出力される演算角度φをラッチし、偏差(θ−φ)が0になったときにラッチした演算角度φをアナログ電圧Voに変換し、演算角度φの0〜360°に対応して電圧(Vo)がリニアに上昇する特性を有する角度信号を作成して出力する。   Next, the output unit 70 outputs a signal obtained by converting the calculation angle φ output from the up / down counter 64 into an analog value. Specifically, the output unit 70 latches the calculation angle φ output from the up / down counter 64, converts the latched calculation angle φ to the analog voltage Vo when the deviation (θ−φ) becomes zero, and calculates An angle signal having the characteristic that the voltage (Vo) increases linearly corresponding to 0 to 360 ° of the angle φ is generated and output.

以上説明したように、本実施形態に係る回転センサ1aでは、永久磁石2が1回転する間に、AMRセンサM1,M2は磁界の強度に応じて信号レベルが2周期で変化する正弦波信号及び余弦波信号を出力するように構成されている。そして、構造誤差等に起因する基準角度からのずれ(位相ずれ)を角度α'および角度β'として予め測定するとともに構造誤差等に起因する基準振幅に対する歪みを上記基準振幅に対する第1振幅比A'および第2振幅比B'として予め測定し、これら角度α'および角度β'や第1振幅比A'および第2振幅比B'を帰還される演算角度φに反映させることで、構造誤差等を考慮した相対回転角度θを演算することができる。   As described above, in the rotation sensor 1a according to this embodiment, the AMR sensors M1 and M2 have a sine wave signal whose signal level changes in two cycles according to the strength of the magnetic field while the permanent magnet 2 makes one rotation. It is configured to output a cosine wave signal. Then, the deviation (phase deviation) from the reference angle caused by the structural error or the like is measured in advance as the angle α ′ and the angle β ′, and the distortion with respect to the reference amplitude caused by the structural error or the like is the first amplitude ratio A to the reference amplitude. By measuring in advance as 'and the second amplitude ratio B', and reflecting these angles α 'and β', the first amplitude ratio A 'and the second amplitude ratio B' in the feedback calculation angle φ, the structure error The relative rotation angle θ can be calculated in consideration of the above.

特に、図16の数式(5)''から数式(6)''を減算したA'B'sin(2θ+α')×cos(2φ+β')−A'B'cos(2θ+β')×sin(2φ+α')を解くと、A'B'(sinα'sinβ'+cosα'cosβ')で示される定数と、sin(2θ−2φ)で示される変数との乗算として表すことができ(数式(7)''参照)、従来技術と同様に、2θ−2φが上記所定値に収束するようにフィードバック制御を行い相対回転角度θが演算されるので、当該フィードバック制御における演算処理が複雑になることもない。
したがって、構造誤差等に起因する測定誤差の発生を抑制して相対回転角度θをより正確に演算することができる。
In particular, A′B′sin (2θ + α ′) × cos (2φ + β ′) − A′B′cos (2θ + β ′) × sin (2φ + α) obtained by subtracting equation (6) ″ from equation (5) ″ in FIG. When ') is solved, it can be expressed as multiplication of a constant represented by A'B' (sin α'sin β '+ cos α'cos β') and a variable represented by sin (2θ-2φ) (formula (7) ' Since the relative rotation angle θ is calculated by performing feedback control so that 2θ−2φ converges to the predetermined value, the calculation process in the feedback control is not complicated as in the conventional technique.
Therefore, it is possible to more accurately calculate the relative rotation angle θ while suppressing the occurrence of measurement errors due to structural errors and the like.

AMRセンサM1,M2などの磁電変換素子は、永久磁石12が1回転する間に磁界の強度に応じ、永久磁石12に対する相対回転角度をθとし且つNを自然数とするsinNθ信号及びcosNθ信号を出力するように構成されてもよい。この場合でも、Nθ−Nφが上記所定値に収束するようにフィードバック制御を行い相対回転角度θが演算されるので、当該フィードバック制御における演算処理が複雑になることもない。   Magnetoelectric transducers such as AMR sensors M1 and M2 output a sin Nθ signal and a cos Nθ signal in which the relative rotation angle with respect to the permanent magnet 12 is θ and N is a natural number according to the strength of the magnetic field during one rotation of the permanent magnet 12. It may be configured to. Even in this case, since the relative rotation angle θ is calculated by performing feedback control so that Nθ−Nφ converges to the predetermined value, the calculation processing in the feedback control is not complicated.

また、本第4実施形態において、上記第3実施形態と同様に、ブロック61h,61jに代えてブロック61fを採用し、このブロック61fに演算角度φを入力することで、信号B'cos(2φ+β')を出力するように構成されてもよい。この場合、ブロック61fは、角度β'および第2振幅比B'が反映された専用のcosROMにより構成される。また、ブロック61i,61kに代えてブロック61gを採用し、このブロック61gに演算角度φを入力することで、信号A'sin(2φ+α')を出力するように構成されてもよい。この場合、ブロック61fは、角度α'および第1振幅比A'が反映された専用のsinROMにより構成される。   In the fourth embodiment, similarly to the third embodiment, a block 61f is adopted instead of the blocks 61h and 61j, and the operation angle φ is input to the block 61f, whereby the signal B′cos (2φ + β ') May be configured to output. In this case, the block 61f is configured by a dedicated cosROM that reflects the angle β ′ and the second amplitude ratio B ′. Further, instead of the blocks 61i and 61k, a block 61g may be adopted, and a signal A′sin (2φ + α ′) may be output by inputting a calculation angle φ to the block 61g. In this case, the block 61f is configured by a dedicated sinROM that reflects the angle α ′ and the first amplitude ratio A ′.

なお、本発明は上記各実施形態およびその変形例に限定されるものではなく、以下のように具体化してもよい。
(1)この発明に係る回転センサ1,1aは、検出対象が相対回転するものであれば、適用用途は限定されない。たとえば、内燃機関に設けられたクランクシャフトのクランク角を検出するクランク角センサ、カムシャフトのカム角を検出するカム角センサ、車両に設けられた操舵装置の操舵角を検出する操舵角センサなどに適用することができる。また、ロボットに設けられた関節の角度を検出するセンサなどにも適用することができる。
In addition, this invention is not limited to said each embodiment and its modification, You may actualize as follows.
(1) Applications of the rotation sensors 1 and 1a according to the present invention are not limited as long as the detection target is a relative rotation. For example, a crank angle sensor that detects a crank angle of a crankshaft provided in an internal combustion engine, a cam angle sensor that detects a cam angle of a camshaft, a steering angle sensor that detects a steering angle of a steering device provided in a vehicle, etc. Can be applied. The present invention can also be applied to a sensor that detects the angle of a joint provided in a robot.

(2)上記各実施形態において、相対回転する測定対象が1回転する間に磁界の強度に応じて信号レベルがN周期(但し、Nは自然数)で変化する正弦波信号及び余弦波信号を出力する磁電変換素子として、正弦波相コイル3bおよび余弦波相コイル3cやAMRセンサM1,M2に代えて、磁電変換素子として機能し得る他のセンサを用いることもできる。 (2) In each of the above embodiments, a sine wave signal and a cosine wave signal whose signal level changes in N periods (where N is a natural number) according to the strength of the magnetic field while the measurement object that rotates relative to each other makes one rotation are output. Instead of the sine wave phase coil 3b, the cosine wave phase coil 3c, and the AMR sensors M1 and M2, other sensors that can function as magnetoelectric conversion elements can be used as the magnetoelectric conversion element.

(3)上記各実施形態に係る構成では、角度演算部60、初期値決定部53および出力部70は、ディスクリート回路などのハードウエアによって実現することができる他、マイクロコンピュータを用いたソフトウエアによって実現することもできる。 (3) In the configuration according to each of the above embodiments, the angle calculation unit 60, the initial value determination unit 53, and the output unit 70 can be realized by hardware such as a discrete circuit, or by software using a microcomputer. It can also be realized.

(4)上記各実施形態に係る構成では、初期値決定部53が行う内容は、出力部70が行うようにしても良い。 (4) In the configuration according to each of the above embodiments, the content performed by the initial value determination unit 53 may be performed by the output unit 70.

(5)上記各実施形態に係る構成では、出力部70が演算角度をアナログ信号に変換しないでデジタル値の状態で出力するように構成することもできる。 (5) In the configuration according to each of the embodiments described above, the output unit 70 can also be configured to output a digital value without converting the calculation angle into an analog signal.

(6)上記第4実施形態に係る構成では、検出回路50aをシリコン基板10に形成し、センサチップ15および検出回路50aを一体化することもできる。
また、シリコン基板10に代えてGaAs、InAs、InSbなどの化合物半導体により形成された基板を用いることもできる。
また、永久磁石12に代えて、磁気インクを塗布した部材を用いることもできる。また、導電性部材の表面に着磁した部材を用いることもできる。
(6) In the configuration according to the fourth embodiment, the detection circuit 50a can be formed on the silicon substrate 10, and the sensor chip 15 and the detection circuit 50a can be integrated.
Moreover, it can replace with the silicon substrate 10 and the board | substrate formed with compound semiconductors, such as GaAs, InAs, and InSb, can also be used.
Further, instead of the permanent magnet 12, a member coated with magnetic ink can be used. A member magnetized on the surface of the conductive member can also be used.

1,1a…回転センサ
2…回転検出器
3b…正弦波相コイル(磁電変換素子)
3c…余弦波相コイル(磁電変換素子)
4…回転子(測定対象)
12…永久磁石(測定対象)
15…センサチップ
50,50a…検出回路
60…角度演算部
61…信号作成部
70…出力部
A…第1振幅比
B…第2振幅比
H1,H2…ホール素子
M1,M2…AMRセンサ(磁電変換素子)
α,β…角度
θ…相対回転角度
φ…演算角度
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1,1a ... Rotation sensor 2 ... Rotation detector 3b ... Sine wave phase coil (magnetoelectric conversion element)
3c ... cosine phase coil (magnetoelectric transducer)
4 ... Rotor (measurement target)
12 ... Permanent magnet (measurement object)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 15 ... Sensor chip 50, 50a ... Detection circuit 60 ... Angle calculating part 61 ... Signal preparation part 70 ... Output part A ... 1st amplitude ratio B ... 2nd amplitude ratio H1, H2 ... Hall element M1, M2 ... AMR sensor (magnetoelectricity) Conversion element)
α, β ... Angle θ ... Relative rotation angle φ ... Calculation angle

Claims (4)

相対回転する測定対象が1回転する間に磁界の強度に応じて信号レベルがN周期(但し、Nは自然数)で変化する正弦波信号及び余弦波信号をそれぞれ出力し、かつ、前記正弦波信号及び前記余弦波信号の間に位相差が出るように配置された複数の磁電変換素子を備え、
各磁電変換素子から出力される前記正弦波信号及び前記余弦波信号を用いて前記測定対象に対する相対回転角度を求めるように構成された回転センサにおいて、
前記複数の磁電変換素子から出力される前記正弦波信号及び前記余弦波信号を用い、前記測定対象に対する前記相対回転角度θと演算により求めた演算角度φとの偏差が所定値に収束するようにフィードバック制御を行って前記相対回転角度θを演算する角度演算部と、
前記角度演算部が演算した演算角度φに対応する信号を出力する出力部と、を備え、
前記相対回転角度θが基準角度となるように相対回転させた前記測定対象について、前記各磁電変換素子から前記正弦波信号として出力される信号に基づいて、前記正弦波信号に含まれる前記基準角度からのずれを角度αとして予め測定するとともに、前記余弦波信号として出力される信号に基づいて、前記余弦波信号に含まれる前記基準角度からのずれを角度βとして予め測定し、
前記角度演算部は、
前記複数の磁電変換素子から出力される前記正弦波信号sin(Nθ+α)にcos(Nφ+β)を乗算したものから前記余弦波信号cos(Nθ+β)にsin(Nφ+α)を乗算したものを減算する下記式の左辺を解いて求められる下記式の右辺について、その変数部分である(Nθ−Nφ)が、前記所定値になるようにフィードバック制御を行って、前記相対回転角度θを演算することを特徴とする回転センサ。
sin(Nθ+α)×cos(Nφ+β)−cos(Nθ+β)×sin(Nφ+α)
=(sinαsinβ+cosαcosβ)×sin(Nθ−Nφ)
A sine wave signal and a cosine wave signal whose signal levels change in N periods (where N is a natural number) according to the strength of the magnetic field while the measurement object that rotates relative to each other rotates, respectively, and the sine wave signal And a plurality of magnetoelectric transducers arranged so as to produce a phase difference between the cosine wave signals,
In a rotation sensor configured to obtain a relative rotation angle with respect to the measurement object using the sine wave signal and the cosine wave signal output from each magnetoelectric conversion element,
Using the sine wave signal and the cosine wave signal output from the plurality of magnetoelectric transducers, the deviation between the relative rotation angle θ with respect to the measurement object and the calculation angle φ obtained by calculation converges to a predetermined value. An angle calculation unit for calculating the relative rotation angle θ by performing feedback control;
An output unit that outputs a signal corresponding to the calculation angle φ calculated by the angle calculation unit,
The reference angle included in the sine wave signal based on a signal output as the sine wave signal from each magnetoelectric conversion element with respect to the measurement object relatively rotated so that the relative rotation angle θ becomes a reference angle. And measuring in advance as the angle α, based on the signal output as the cosine wave signal, and measuring in advance as the angle β the deviation from the reference angle included in the cosine wave signal,
The angle calculator is
Subtracting a value obtained by multiplying the cosine wave signal cos (Nθ + β) by sin (Nφ + α) from a value obtained by multiplying the sine wave signal sin (Nθ + α) output from the plurality of magnetoelectric transducers by cos (Nφ + β). The variable portion (Nθ−Nφ) of the right side of the following equation obtained by solving the left side of the equation is subjected to feedback control so that the predetermined value is obtained, and the relative rotation angle θ is calculated. Rotation sensor.
sin (Nθ + α) × cos (Nφ + β) −cos (Nθ + β) × sin (Nφ + α)
= (Sinαsinβ + cosαcosβ) × sin (Nθ−Nφ)
入力される角度に対して前記角度βを加算した角度を出力する第1加算手段と、
前記第1加算手段から入力される角度に応じた余弦値を出力する余弦値出力手段と、を備え、
前記cos(Nφ+β)は、前記第1加算手段に演算角度Nφを入力することで前記余弦値出力手段から出力される余弦値に基づいて演算されることを特徴とする請求項1に記載の回転センサ。
First addition means for outputting an angle obtained by adding the angle β to an input angle;
Cosine value output means for outputting a cosine value corresponding to the angle input from the first addition means,
2. The rotation according to claim 1, wherein cos (Nφ + β) is calculated based on a cosine value output from the cosine value output unit when a calculation angle Nφ is input to the first addition unit. Sensor.
入力される角度に対して前記角度αを加算した角度を出力する第2加算手段と、
前記第2加算手段から入力される角度に応じた正弦値を出力する正弦値出力手段と、を備え、
前記sin(Nφ+α)は、前記第2加算手段に演算角度Nφを入力することで前記正弦値出力手段から出力される正弦値に基づいて演算されることを特徴とする請求項1または2に記載の回転センサ。
Second addition means for outputting an angle obtained by adding the angle α to the input angle;
Sine value output means for outputting a sine value according to the angle input from the second addition means,
3. The sin (Nφ + α) is calculated based on a sine value output from the sine value output means by inputting a calculation angle Nφ to the second addition means. Rotation sensor.
前記各磁電変換素子から前記正弦波信号として出力される信号に基づいて、基準振幅に対する前記正弦波信号の振幅の比を第1振幅比Aとして予め測定するとともに、前記余弦波信号として出力される信号に基づいて、前記基準振幅に対する前記余弦波信号の振幅の比を第2振幅比Bとして予め測定し、
前記角度演算部は、
前記複数の磁電変換素子から出力される前記正弦波信号Asin(Nθ+α)にBcos(Nφ+β)を乗算したものから前記余弦波信号Bcos(Nθ+β)にAsin(Nφ+α)を乗算したものを減算する下記式の左辺を解いて求められる下記式の右辺について、その変数部分である(Nθ−Nφ)が、前記所定値になるようにフィードバック制御を行って、前記相対回転角度θを演算することを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の回転センサ。
Asin(Nθ+α)×Bcos(Nφ+β)−Bcos(Nθ+β)×Asin(Nφ+α)
=AB(sinαsinβ+cosαcosβ)×sin(Nθ−Nφ)
Based on the signal output as the sine wave signal from each magnetoelectric conversion element, the ratio of the amplitude of the sine wave signal to the reference amplitude is measured in advance as a first amplitude ratio A and output as the cosine wave signal. Based on the signal, a ratio of the amplitude of the cosine wave signal to the reference amplitude is measured in advance as a second amplitude ratio B,
The angle calculator is
Subtracting the cosine wave signal Bcos (Nθ + β) multiplied by Asin (Nφ + α) from the one obtained by multiplying the sine wave signal Asin (Nθ + α) output from the plurality of magnetoelectric transducers by Bcos (Nφ + β) The variable portion (Nθ−Nφ) of the right side of the following equation obtained by solving the left side of the equation is subjected to feedback control so that the predetermined value is obtained, and the relative rotation angle θ is calculated. The rotation sensor according to any one of claims 1 to 3.
Asin (Nθ + α) × Bcos (Nφ + β) −Bcos (Nθ + β) × Asin (Nφ + α)
= AB (sinαsinβ + cosαcosβ) × sin (Nθ−Nφ)
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