JP5566871B2 - Rotation detector - Google Patents
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Description
本発明は、回転検出装置に関する。 The present invention relates to a rotation detection device.
従来、半導体基板に作り込まれその表面に平行な磁界を検出する縦型ホール素子と、縦型ホール素子を作り込んだ半導体基板上に形成されその表面に平行な磁界の強さにより抵抗値が変化する磁気抵抗素子とを備え、縦型ホール素子の出力信号と磁気抵抗素子により得られる信号を用いて被検出体の回転を検出するようにした回転検出装置がある(例えば、特許文献1参照)。この装置においては、Arctan演算器によって、磁気抵抗素子により得られる信号と磁気抵抗素子により得られる信号からArctanの演算をする。この装置によれば、信号処理回路により磁気抵抗素子の出力信号をパルス化し、合成器によってArctan演算器による信号とパルス化回路による信号を合成して0〜360°の角度においてリニアな出力が得られるとされている。 Conventionally, a vertical Hall element is formed on a semiconductor substrate and detects a magnetic field parallel to the surface thereof, and a resistance value is determined by the strength of the magnetic field formed on the semiconductor substrate formed with the vertical Hall element and parallel to the surface. There is a rotation detection device that includes a changing magnetoresistive element and detects the rotation of a detection object using an output signal of a vertical Hall element and a signal obtained by the magnetoresistive element (for example, see Patent Document 1). ). In this apparatus, an Arctan calculator is used to calculate Arctan from a signal obtained from the magnetoresistive element and a signal obtained from the magnetoresistive element. According to this apparatus, the output signal of the magnetoresistive element is pulsed by the signal processing circuit, and the signal from the Arctan calculator and the signal from the pulse circuit are synthesized by the synthesizer to obtain a linear output at an angle of 0 to 360 °. It is supposed to be done.
しかし、上記のようなデジタル技術を用いると、例えば、メモリにsin、cosに対応する数値データをテーブルとして記憶しておきそれらを参照しながらArctanを算出等する必要がある。よって、信号処理回路が大規模となり、その信号処理に用いるICが大きくなりコストが高くなるという問題があった。 However, when the digital technique as described above is used, for example, it is necessary to store numerical data corresponding to sin and cos in a memory as a table and calculate Arctan while referring to them. Therefore, there is a problem that the signal processing circuit becomes large-scale, the IC used for the signal processing becomes large, and the cost increases.
そこで本発明の目的は、アナログ回路のみの簡易な構成による回転検出装置を提供することにある。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a rotation detection device having a simple configuration with only an analog circuit.
[1]本発明は、上記目的を達成するため、回転検出部の回転角に応じてそれぞれ位相の異なる正弦波信号を出力する第1検出部及び第2検出部を備えた検出部と、前記検出部の第1検出部の出力と第2検出部の出力との割算を行なう割算部と、前記割算部の出力と前記検出部の出力の線形和を出力するアナログ演算部と、を有し、前記回転角の一部の範囲において、その回転角に対応した線形出力を行ない、前記位相は90°であり、回転角θに対する前記第1検出部の出力をsinθ、前記第2検出部の出力をcosθとすると、前記アナログ演算部の出力は、(cotθ+4cosθ)/5であって、50≦θ≦150°における前記線形出力を回転検出部の回転角に応じた出力とすることを特徴とする回転検出装置を提供する。 [1] In order to achieve the above object, the present invention provides a detection unit including a first detection unit and a second detection unit that output sine wave signals having different phases according to the rotation angle of the rotation detection unit, A division unit that divides the output of the first detection unit and the output of the second detection unit of the detection unit; an analog calculation unit that outputs a linear sum of the output of the division unit and the output of the detection unit; has, in some range of the rotation angle, the have a linear output corresponding to the rotation angle row, the phase is 90 °, sin [theta output of the first detector for rotation angle theta, the If the output of the second detection unit is cos θ, the output of the analog calculation unit is (cot θ + 4 cos θ) / 5, and the linear output at 50 ≦ θ ≦ 150 ° is the output corresponding to the rotation angle of the rotation detection unit. A rotation detecting device is provided.
[2]前記第1検出部及び前記第2検出部は、それぞれMR素子により構成され、互いに45°方向をずらして2方向の磁場を検出するよう配置されていることを特徴とする上記[1]に記載の回転検出装置であってもよい。 [2] before Symbol first detector and the second detector is constituted by an MR element, respectively, above, characterized in that it is arranged to detect two directions of the magnetic field by shifting the 45 ° directions [ 1] may be used.
本発明によれば、アナログ回路のみの簡易な構成による回転検出装置を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the rotation detection apparatus by the simple structure only of an analog circuit can be provided.
[回転検出装置の構成]
図1は、本発明の実施の形態に係る回転検出装置の全体概略構成図である。図2は、検出部のパターン構成例である。図3は、本発明の実施の形態に係る回転検出装置の電気回路図である。
[Configuration of rotation detector]
FIG. 1 is an overall schematic configuration diagram of a rotation detection device according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a pattern configuration example of the detection unit. FIG. 3 is an electric circuit diagram of the rotation detection device according to the embodiment of the present invention.
回転検出装置10は、測定対象の回転角を発生させる回転検出部100、その回転検出部100の回転角に応じてそれぞれ位相の異なる正弦波信号を出力する第1検出部及び第2検出部を備えた検出部としての磁気センサデバイス200、及び、割算部の出力と検出部の出力の線形和を出力するアナログ演算部としてのアナログ演算回路300とから構成されている。
The
回転検出部100は、S極及びN極に着磁されたマグネット102が回転部材101に装着され、このマグネット102に近接して磁気センサデバイス200が載置された構成とされている。回転操作により回転部材101と共にマグネット102が回転し、磁気センサデバイス200に磁界の変化が印加される。
The
この磁気センサデバイス200はMRセンサで、マグネット102により形成される磁界の変化を感知する磁気感知面が各々45°ずつ傾くかたちで同一の半導体基板上にて環状に配置される8つの磁気抵抗素子Ra〜Rd,Re〜Rhが設けられている。ここで、これら磁気抵抗素子Ra〜Rd,Re〜Rhは、強磁性金属を主成分とする磁気抵抗膜からなり、印加される磁界に応じてその抵抗値が変化すると共に、所定の大きさを超える磁束密度が印加されることでその抵抗値が飽和するといった物性を有している。磁気抵抗素子Ra〜Rd,Re〜Rhは放射状に配置され、各々の磁気抵抗素子は外側に向かうほど長く形成され、複数の直線状の膜の端部が交互に接続されることでジグザグ状のパターンに形成されている。そして、この磁気センサデバイス200では、これら磁気抵抗素子Ra〜Rd,Re〜Rhを形成する磁気抵抗膜の膜厚をそれぞれ一定の厚さに設定する。すなわち、この磁気センサデバイス200は、磁界の磁気ベクトル及び磁束密度の変化を検出する磁気検出部が、8つの磁気抵抗素子Ra〜Rd,Re〜Rhからなる磁気検出部によってMRセンサとして構成されている。
This
尚、上記の構成は一例であり、図3に示すように、磁気抵抗素子Ra〜RdとRe〜Rhがそれぞれブリッジ回路を構成し、その2つのブリッジ回路が互いに45°傾くかたちで配置されていればよい。 The above configuration is an example, and as shown in FIG. 3, the magnetoresistive elements Ra to Rd and Re to Rh each constitute a bridge circuit, and the two bridge circuits are arranged at an angle of 45 ° to each other. Just do it.
図3は、本発明の実施の形態に係る回転検出装置の電気回路図であり、磁気センサデバイス200とアナログ演算回路300から構成される。
FIG. 3 is an electric circuit diagram of the rotation detecting device according to the embodiment of the present invention, and is composed of a
磁気抵抗素子Ra及び磁気抵抗素子Rcには電源電圧Vccが供給され、磁気抵抗素子Rb及び磁気抵抗素子Rdはグランドに接続されている。磁気抵抗素子Rcと磁気抵抗素子Rdの接続点は第1の中点電圧V1として抵抗R1を介してオペアンプ301の反転入力端子に入力され、磁気抵抗素子Raと磁気抵抗素子Rbの接続点は第2の中点電圧V2として抵抗R2を介してオペアンプ301の非反転入力端子に入力される。
A power supply voltage Vcc is supplied to the magnetoresistive element Ra and the magnetoresistive element Rc, and the magnetoresistive element Rb and the magnetoresistive element Rd are connected to the ground. The connection point between the magnetoresistive element Rc and the magnetoresistive element Rd is input to the inverting input terminal of the
上記の磁気抵抗素子Ra〜Rdによるブリッジ回路と45°傾いて配置された磁気抵抗素子Re〜Rhによるブリッジ回路も同様に、磁気抵抗素子Re及び磁気抵抗素子Rgに電源電圧Vccが供給され、磁気抵抗素子Rf及び磁気抵抗素子Rhはグランドに接続されている。磁気抵抗素子Rgと磁気抵抗素子Rhの接続点は第3の中点電圧V3として抵抗R4を介してオペアンプ302の反転入力端子に入力され、磁気抵抗素子Reと磁気抵抗素子Rfの接続点は第4の中点電圧V4として抵抗R5を介してオペアンプ302の非反転入力端子に入力される。
Similarly, the bridge circuit composed of the magnetoresistive elements Ra to Rd and the bridge circuit composed of the magnetoresistive elements Re to Rh arranged at an angle of 45 ° are supplied with the power supply voltage Vcc to the magnetoresistive element Re and the magnetoresistive element Rg. The resistance element Rf and the magnetoresistance element Rh are connected to the ground. The connection point between the magnetoresistive element Rg and the magnetoresistive element Rh is input to the inverting input terminal of the
オペアンプ301は、上記した中点電圧V1と中点電圧V2の差動増幅器として動作する。その差動出力をVsとすると、Vs=−(V1−V2)・Rf1/R1である。また、オペアンプ302は、上記した中点電圧V3と中点電圧V4の差動増幅器として動作する。その差動出力をVcとすると、Vc=−(V3−V4)・Rf2/R4である。
The
オペアンプ301は減算回路であり、差動出力Vsを得る第1検出部として機能する。また、オペアンプ302は減算回路であり、差動出力Vcを得る第2検出部として機能する。ここで、図4は、第1検出部と第2検出部の回転検出部の回転角θと出力信号の関係を示すグラフである。図1に示した回転検出部100と磁気センサデバイス200との角度θの設定とR1、Rf1、R4、Rf2の設定により、図4に示すように、差動出力Vsをsinθ(sin波)、差動出力Vcを位相差90°のcosθ(cos波)とすることができる。
The
割算回路303は、入力をX、Yとすると、出力VTは、VT=X/Yであるアナログ回路である。入力Xとして上記の差動出力Vc、入力Yとして上記の差動出力Vsとすると、出力VTは、VT=Vc/Vsであり、これはcotθである。尚、割算回路303は、例えば、図6に示すように、オペアンプA1〜A4、トランジスタQ1〜Q4、抵抗R101〜R108、コンデンサC1〜C7、ダイオードD1、D2の組合せによるアナログ回路で実現できる。
The
オペアンプ304は、反転増幅器である。オペアンプ302の差動出力Vcが反転入力端子に入力され、ゲイン4倍で増幅する。図3に示すように、Rf3/R7を4に設定することにより、その出力は、−4Vcとなる。
The
オペアンプ305は、減算回路である。割算回路303の出力VTが反転入力端子に入力され、オペアンプ304の出力(−4Vc)が非反転入力端子に入力される。ここで、Rf4/R9を1/5に設定することにより、出力Voutは、Vout=−(VT+4Vc)/5とすることができる。すなわち、極性を反転させて示せば、アナログ演算回路300の出力は、Vout=(cotθ+4cosθ)/5と表すことができる。
The
図5は、アナログ演算回路300の回転検出部の回転角θと演算結果の出力信号の関係を示すグラフである。第1検出部の出力sinθと第2検出部の出力cosθから、アナログ演算により、(cotθ+4cosθ)/5が出力できる。この出力(cotθ+4cosθ)/5の一部の範囲は、角度θに対する線形性が良好である。図5に示すように、例えば、50≦θ≦150°における出力を回転検出部の回転角θに応じた出力とすることで、理想的な直線(目標)に近似する線形性のよい回転検出装置10が実現できる。
FIG. 5 is a graph showing the relationship between the rotation angle θ of the rotation detector of the analog
[本発明の実施の形態による効果]
(1)本発明の実施の形態によれば、回転検出部の出力であるsin波、cos波からArctanを算出する必要がないので、デジタル技術を使用しないで、アナログ技術で直線出力信号に変換することができる。従って、sin波、cos波から算出される直線出力信号は、オペアンプ等のアナログ回路のみで構成可能である為、簡易な回路構成で、回転角度を直線出力信号に変換するセンサを実現できる。
(2)第1検出部の出力sin波と第2検出部の出力cos波の四則演算及びそれらの線形和から回転角度を直線出力信号に変換する。上記示した実施の形態では、演算結果の出力を(cotθ+4cosθ)/5としたが、線形和の組み合わせ及び各係数は、回転角度に対する直線出力の直線性に応じて適宜変更することができる。
(3)本発明の実施の形態では、回転角を50≦θ≦150°の範囲としたが、この直線出力の範囲は変更することが可能である。回転角に対する直線出力の精度を向上させるために、回転角の範囲を狭めて直線性に優れた回転検出装置とすることができる。また、回転角に対する直線出力の精度を低下させて回転角の範囲を広げた回転検出装置とすることもでき、アナログ回路のみで構成した応用性の高い回転検出装置を実現できる。
(4)上記示したように、本発明の実施の形態はアナログ回路のみで構成することができるので、大規模な信号処理回路を必要とせず、面積を小さくできる。従って、IC化する場合でも低コスト化が可能になる。
[Effects of the embodiment of the present invention]
(1) According to the embodiment of the present invention, since it is not necessary to calculate Arctan from the sine wave and cosine wave that are the outputs of the rotation detection unit, conversion to a linear output signal by analog technology without using digital technology can do. Therefore, since the linear output signal calculated from the sine wave and cos wave can be configured only by an analog circuit such as an operational amplifier, a sensor that converts the rotation angle into a linear output signal can be realized with a simple circuit configuration.
(2) The rotation angle is converted into a linear output signal from the four arithmetic operations of the output sine wave of the first detector and the output cosine wave of the second detector and their linear sum. In the embodiment described above, the output of the calculation result is ( cot θ + 4 cos θ) / 5, but the combination of linear sums and each coefficient can be appropriately changed according to the linearity of the linear output with respect to the rotation angle.
(3) In the embodiment of the present invention, the rotation angle is in the range of 50 ≦ θ ≦ 150 °, but the range of this linear output can be changed. In order to improve the accuracy of the straight line output with respect to the rotation angle, the rotation angle range can be narrowed to provide a rotation detection device with excellent linearity. In addition, it is possible to provide a rotation detection device that expands the range of the rotation angle by reducing the accuracy of the linear output with respect to the rotation angle, and it is possible to realize a rotation detection device with high applicability constituted only by an analog circuit.
(4) As described above, since the embodiment of the present invention can be configured only by an analog circuit, a large-scale signal processing circuit is not required and the area can be reduced. Therefore, the cost can be reduced even when an IC is used.
以上、本発明に好適な実施の形態を説明したが、本発明はこの実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲内で種々の変形が可能である。 The preferred embodiment of the present invention has been described above, but the present invention is not limited to this embodiment, and various modifications can be made without departing from the scope of the present invention.
10…回転検出装置
100…回転検出部
101…回転部材
102…マグネット
200…磁気センサデバイス
300…アナログ演算回路
301、302…オペアンプ
303…割算回路
304、305…オペアンプ
R1、R2、R3、R4…抵抗
Rf1、Rf2、Rf3、Rf4…抵抗
Ra、Rb、Rc、Rd…磁気抵抗素子
Re、Rf、Rg、Rh…磁気抵抗素子
V1、V2、V3、V4…中点電圧
Vs、Vc…差動出力
Vcc…電源電圧
Vout…出力
VT 出力
X、Y…入力
θ…回転角
DESCRIPTION OF
Claims (2)
前記検出部の第1検出部の出力と第2検出部の出力との割算を行なう割算部と、前記割算部の出力と前記検出部の出力の線形和を出力するアナログ演算部と、を有し、
前記回転角の一部の範囲において、その回転角に対応した線形出力を行ない、
前記位相は90°であり、回転角θに対する前記第1検出部の出力をsinθ、前記第2検出部の出力をcosθとすると、
前記アナログ演算部の出力は、(cotθ+4cosθ)/5であって、50≦θ≦150°における前記線形出力を回転検出部の回転角に応じた出力とすることを特徴とする回転検出装置。 A detection unit including a first detection unit and a second detection unit that output sine wave signals having different phases according to the rotation angle of the rotation detection unit;
A division unit that divides the output of the first detection unit and the output of the second detection unit of the detection unit; an analog calculation unit that outputs a linear sum of the output of the division unit and the output of the detection unit; Have
Wherein the portion of the range of rotation angles, the linear output line stomach corresponding to the rotation angle,
The phase is 90 °, and the output of the first detector with respect to the rotation angle θ is sin θ, and the output of the second detector is cos θ.
The output of the analog calculation unit is (cot θ + 4 cos θ) / 5, and the linear output at 50 ≦ θ ≦ 150 ° is used as an output corresponding to the rotation angle of the rotation detection unit.
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