JP6288482B1 - 角度センサおよび角度センサシステム - Google Patents
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Abstract
【課題】構成や設置に関して大きな制約を生じさせることなく、ノイズ磁界に起因した角度誤差を低減できる角度センサを実現する。【解決手段】角度センサは、複数の合成磁界情報生成部10,20と、角度演算部を備えている。合成磁界情報生成部10,20は、互いに異なる複数の検出位置P1,P2において、検出対象磁界と、それ以外のノイズ磁界との合成磁界を検出し、合成磁界の方向と強度のうちの少なくとも方向の情報を含む複数の合成磁界情報を生成する。複数の検出位置P1,P2において、検出対象磁界の強度は互いに異なる。角度演算部は、複数の合成磁界情報のうちの任意の1つのみに基づいて角度検出値を生成する場合に比べて、ノイズ磁界に起因した角度検出値の誤差が低減されるように、複数の合成磁界情報を用いた演算を行って、角度検出値を生成する。【選択図】図1
Description
本発明は、検出対象の角度と対応関係を有する角度検出値を生成する角度センサおよび角度センサシステムに関する。
近年、自動車におけるステアリングホイールまたはパワーステアリングモータの回転位置の検出等の種々の用途で、検出対象の角度と対応関係を有する角度検出値を生成する角度センサが広く利用されている。角度センサとしては、例えば磁気式の角度センサがある。磁気式の角度センサが用いられる角度センサシステムでは、一般的に、対象物の回転や直線的な運動に連動して方向が回転する検出対象磁界を発生する磁界発生部が設けられる。磁界発生部は、例えば磁石である。磁気式の角度センサにおける検出対象の角度は、基準位置における検出対象磁界の方向が基準方向に対してなす角度と対応関係を有する。
磁気式の角度センサとしては、特許文献1,2に記載されているように、互いに位相が異なる複数の検出信号を生成する複数の検出回路を備え、複数の検出信号を用いた演算によって角度検出値を生成するものが知られている。複数の検出回路の各々は、検出対象磁界を検出する。また、複数の検出回路の各々は、少なくとも1つの磁気検出素子を含んでいる。
特許文献1,2に記載されているように、磁気式の角度センサでは、複数の検出回路の各々に、検出対象磁界の他に、検出対象磁界以外のノイズ磁界が印加される場合がある。ノイズ磁界としては、例えば地磁気やモーターからの漏れ磁界がある。このように複数の検出回路の各々にノイズ磁界が印加される場合には、複数の検出回路の各々は、検出対象磁界とノイズ磁界との合成磁界を検出することになる。そのため、検出対象磁界の方向とノイズ磁界の方向が異なるときには、角度検出値に誤差が生じる。以下、角度検出値に生じる誤差を、角度誤差と言う。
特許文献1,2には、ノイズ磁界に起因した角度誤差を低減できるようにした回転磁界センサが記載されている。特許文献1,2に記載された回転磁界センサは、いずれも、回転磁界を発生する磁界発生部と、第1および第2の検出部とを備えている。回転磁界は、第1の位置における第1の部分磁界と第2の位置における第2の部分磁界とを含んでいる。第1の部分磁界と第2の部分磁界は、磁界の方向が互いに180°異なり且つ同じ回転方向に回転する。第1の検出部は、第1の位置において、第1の部分磁界とノイズ磁界との合成磁界を検出する。第2の検出部は、第2の位置において、第2の部分磁界とノイズ磁界との合成磁界を検出する。特許文献1,2に記載された回転磁界センサでは、第1の検出部の出力と第2の検出部の出力を用いた演算を行って、ノイズ磁界に起因した角度誤差が低減された角度検出値を生成する。
特許文献1,2に記載された回転磁界センサでは、前述のように規定された第1の部分磁界と第2の部分磁界とを含む回転磁界を発生する特殊な磁界発生部が必要であると共に、回転磁界の態様に応じて第1および第2の検出部の位置が制約される。そのため、この回転磁界センサでは、構成や設置に関して大きな制約が生じるという問題点がある。
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、構成や設置に関して大きな制約を生じさせることなく、ノイズ磁界に起因した角度誤差を低減できるようにした角度センサおよび角度センサシステムを提供することにある。
本発明の角度センサは、検出対象の角度と対応関係を有する角度検出値を生成するものである。本発明の角度センサは、それぞれ互いに異なる複数の検出位置において、検出対象磁界と、それ以外のノイズ磁界との合成磁界を検出し、合成磁界の方向と強度のうちの少なくとも方向の情報を含む複数の合成磁界情報を生成する複数の合成磁界情報生成部と、角度検出値を生成する角度演算部とを備えている。
複数の検出位置の各々において、検出対象磁界の方向は、検出対象の角度に応じて変化する。複数の検出位置において、検出対象磁界の強度は、互いに異なる。角度演算部は、複数の合成磁界情報のうちの任意の1つのみに基づいて角度検出値を生成する場合に比べて、ノイズ磁界に起因した角度検出値の誤差が低減されるように、複数の合成磁界情報を用いた演算を行って、角度検出値を生成する。
本発明の角度センサにおいて、複数の合成磁界情報生成部の各々は、合成磁界の、互いに異なる方向の2つの成分の強度を表す2つの検出信号を生成する2つの検出信号生成部を含んでいてもよい。また、合成磁界情報は、2つの検出信号に基づいて生成されてもよい。上記の2つの成分は、合成磁界の、互いに直交する方向の2つの成分であってもよい。また、2つの検出信号生成部の各々は、少なくとも1つの磁気検出素子を含んでいてもよい。
また、本発明の角度センサにおいて、複数の検出位置は、第1の検出位置と第2の検出位置であってもよい。この場合、複数の合成磁界情報は、第1の検出位置における合成磁界の方向と強度のうちの少なくとも方向の情報を含む第1の合成磁界情報と、第2の検出位置における合成磁界の方向と強度のうちの少なくとも方向の情報を含む第2の合成磁界情報であってもよい。また、複数の合成磁界情報生成部は、第1の合成磁界情報を生成する第1の合成磁界情報生成部と、第2の合成磁界情報を生成する第2の合成磁界情報生成部であってもよい。
第1の合成磁界情報は、第1の検出位置における合成磁界の方向が基準方向に対してなす角度θ1であってもよく、第2の合成磁界情報は、第2の検出位置における合成磁界の方向が基準方向に対してなす角度θ2であってもよい。この場合、角度演算部は、複数の合成磁界情報を用いた演算として、角度θ1,θ2と、第2の検出位置における検出対象磁界の強度に対する第1の検出位置における検出対象磁界の強度の比とを用いた演算を行ってもよい。
あるいは、第1の合成磁界情報は、第1の方向と第1の大きさを有する第1のベクトルで表わされてもよく、第2の合成磁界情報は、第2の方向と第2の大きさを有する第2のベクトルで表わされてもよい。第1の方向は、第1の検出位置における合成磁界の方向の情報に対応する。第1の大きさは、第1の検出位置における合成磁界の強度の情報に対応する。第2の方向は、第2の検出位置における合成磁界の方向の情報に対応する。第2の大きさは、第2の検出位置における合成磁界の強度の情報に対応する。この場合、角度演算部は、複数の合成磁界情報を用いた演算として、第1のベクトルと第2のベクトルの差を求める演算を行ってもよい。
第1の合成磁界情報が第1のベクトルで表わされ、第2の合成磁界情報が第2のベクトルで表わされる場合、第1の合成磁界情報生成部は、第1の検出位置における合成磁界の、互いに直交する方向の2つの成分の強度を表す第1および第2の検出信号を生成する第1および第2の検出信号生成部と、第1のベクトルを生成する第1のベクトル生成部とを含んでいてもよい。また、第2の合成磁界情報生成部は、第2の検出位置における合成磁界の、互いに直交する方向の2つの成分の強度を表す第3および第4の検出信号を生成する第3および第4の検出信号生成部と、第2のベクトルを生成する第2のベクトル生成部とを含んでいてもよい。この場合、第1のベクトル生成部は、第1の検出信号と第2の検出信号に基づいて第1の方向と第1の大きさを求めてもよい。また、第2のベクトル生成部は、第3の検出信号と第4の検出信号に基づいて第2の方向と第2の大きさを求めてもよい。
また、第1の合成磁界情報が第1のベクトルで表わされ、第2の合成磁界情報が第2のベクトルで表わされる場合、第1の合成磁界情報生成部は、第1の検出位置における合成磁界の、互いに直交する方向の2つの成分の強度を表す第1および第2の検出信号を生成する第1および第2の検出信号生成部を含んでいてもよい。また、第2の合成磁界情報生成部は、第2の検出位置における合成磁界の、互いに直交する方向の2つの成分の強度を表す第3および第4の検出信号を生成する第3および第4の検出信号生成部を含んでいてもよい。この場合、第1および第2の検出信号は、直交座標系における第1のベクトルの2つの成分であってもよく、第3および第4の検出信号は、直交座標系における第2のベクトルの2つの成分であってもよい。
本発明の角度センサシステムは、本発明の角度センサと、検出対象磁界を発生する磁界発生部とを備えている。複数の検出位置は、磁界発生部からの距離が互いに異なる。
本発明の角度センサシステムにおいて、複数の検出位置は、磁界発生部を通過する仮想の直線上の互いに異なる位置であってもよい。
本発明の角度センサおよび角度センサシステムでは、複数の合成磁界情報を用いた演算を行うことにより、複数の合成磁界情報のうちの任意の1つのみに基づいて角度検出値を生成する場合に比べて、ノイズ磁界に起因した角度誤差が低減された角度検出値を生成することができる。また、本発明では、複数の検出位置において検出対象磁界の強度が互いに異なるという条件を満たす必要があるが、この条件は、角度センサおよび角度センサシステムの構成や設置に関して大きな制約を生じさせるものではない。従って、本発明によれば、角度センサおよび角度センサシステムの構成や設置に関して大きな制約を生じさせることなく、ノイズ磁界に起因した角度誤差を低減することができるという効果を奏する。
[第1の実施の形態]
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。始めに、図1を参照して、本発明の第1の実施の形態に係る角度センサシステムの概略の構成について説明する。本実施の形態に係る角度センサシステム100は、本実施の形態に係る角度センサ1と、磁界発生部5とを備えている。角度センサ1は、特に、磁気式の角度センサである。磁界発生部5は、角度センサ1が検出すべき本来の磁界である検出対象磁界を発生する。
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。始めに、図1を参照して、本発明の第1の実施の形態に係る角度センサシステムの概略の構成について説明する。本実施の形態に係る角度センサシステム100は、本実施の形態に係る角度センサ1と、磁界発生部5とを備えている。角度センサ1は、特に、磁気式の角度センサである。磁界発生部5は、角度センサ1が検出すべき本来の磁界である検出対象磁界を発生する。
本実施の形態における磁界発生部5は、円柱状の磁石6である。磁石6は、円柱の中心軸を含む仮想の平面を中心として対称に配置されたN極とS極とを有している。この磁石6は、円柱の中心軸を中心として回転する。これにより、磁石6が発生する検出対象磁界の方向は、円柱の中心軸を含む回転中心Cを中心として回転する。
角度センサ1は、検出対象の角度と対応関係を有する角度検出値θsを生成するものである。本実施の形態における検出対象の角度は、基準位置における検出対象磁界の方向が基準方向に対してなす角度と対応関係を有する。以下、基準位置における検出対象磁界の方向が基準方向に対してなす角度を回転磁界角度と言い、記号θMで表す。
基準位置は、磁石6の一方の端面に平行な仮想の平面(以下、基準平面と言う。)内に位置する。この基準平面内において、磁石6が発生する検出対象磁界の方向は、基準位置を中心として回転する。基準方向は、基準平面内に位置して、基準位置と交差する。以下の説明において、基準位置における検出対象磁界の方向とは、基準平面内に位置する方向を指す。
角度センサ1は、複数の合成磁界情報生成部を備えている。複数の合成磁界情報生成部は、それぞれ磁界発生部5からの距離が互いに異なる複数の検出位置において、検出対象磁界と、それ以外のノイズ磁界との合成磁界を検出し、合成磁界の方向と強度のうちの少なくとも方向の情報を含む複数の合成磁界情報を生成する。複数の検出位置の各々において、検出対象磁界の方向は、検出対象の角度および回転磁界角度θMに応じて変化する。複数の検出位置において、検出対象磁界の強度は、互いに異なる。
本実施の形態では、複数の検出位置は、第1の検出位置P1と第2の検出位置P2である。複数の合成磁界情報は、第1の合成磁界情報と第2の合成磁界情報である。複数の合成磁界情報生成部は、第1の合成磁界情報生成部10と第2の合成磁界情報生成部20である。第1および第2の合成磁界情報生成部10,20は、磁石6の一方の端面に対向するように配置される。
第1の検出位置P1と第2の検出位置P2は、磁界発生部5を通過する仮想の直線上の互いに異なる位置である。この仮想の直線は、回転中心Cと一致していてもよいし、一致していなくてもよい。図1には、前者の場合の例を示している。本実施の形態では特に、第2の検出位置P2は、第1の検出位置P1よりも磁界発生部5からより遠い位置である。
第1の合成磁界情報生成部10は、第1の検出位置P1において、検出対象磁界とノイズ磁界との合成磁界を検出し、第1の合成磁界情報を生成する。第2の合成磁界情報生成部20は、第2の検出位置P2において、検出対象磁界とノイズ磁界との合成磁界を検出し、第2の合成磁界情報を生成する。以下、第1の検出位置P1における検出対象磁界を特に第1の部分磁界MFaと言い、第2の検出位置P2における検出対象磁界を特に第2の部分磁界MFbと言う。第1の部分磁界MFaの方向と第2の部分磁界MFbの方向は、検出対象の角度および回転磁界角度θMに応じて変化する。第1の部分磁界MFaの強度と第2の部分磁界MFbの強度は、互いに異なる。
第1の合成磁界情報は、第1の検出位置P1における合成磁界の方向と強度のうちの少なくとも方向の情報を含む。第2の合成磁界情報は、第2の検出位置P2における合成磁界の方向と強度のうちの少なくとも方向の情報を含む。以下、第1の検出位置P1における合成磁界を特に第1の合成磁界MF1と言い、第2の検出位置P2における合成磁界を特に第2の合成磁界MF2と言う。
第2の検出位置P2におけるノイズ磁界の方向および強度は、それぞれ第1の検出位置P1におけるノイズ磁界の方向および強度と等しい。以下、ノイズ磁界を記号Mexで表す。ノイズ磁界Mexは、その方向と強度が時間的に一定の磁界であってもよいし、その方向と強度が時間的に周期的に変化する磁界であってもよいし、その方向と強度が時間的にランダムに変化する磁界であってもよい。第1の合成磁界MF1は、第1の部分磁界MFaとノイズ磁界Mexとの合成磁界である。第2の合成磁界MF2は、第2の部分磁界MFbとノイズ磁界Mexとの合成磁界である。
なお、本実施の形態に係る角度センサシステム100の構成は、図1に示した例に限られない。例えば、図1に示したように配置された磁界発生部5と第1および第2の合成磁界情報生成部10,20において、磁界発生部5が固定されて第1および第2の合成磁界情報生成部10,20が回転してもよいし、磁界発生部5と第1および第2の合成磁界情報生成部10,20が互いに反対方向に回転してもよいし、磁界発生部5と第1および第2の合成磁界情報生成部10,20が同じ方向に互いに異なる角速度で回転してもよい。
ここで、図1および図2を参照して、本実施の形態における方向と角度の定義について説明する。まず、図1に示した回転中心Cに平行で、図1における下から上に向かう方向をZ方向とする。図2では、Z方向を図2における奥から手前に向かう方向として表している。次に、Z方向に垂直な2方向であって、互いに直交する2つの方向をX方向とY方向とする。図2では、X方向を右側に向かう方向として表し、Y方向を上側に向かう方向として表している。また、X方向とは反対の方向を−X方向とし、Y方向とは反対の方向を−Y方向とする。
回転磁界角度θMは、基準方向DRを基準にして表される。本実施の形態では、X方向を基準方向DRとする。
第1の合成磁界MF1の方向と第2の合成磁界MF2の方向は、いずれも、図2において反時計回り方向に回転するものとする。図2に示したように、第1の合成磁界MF1の方向が基準方向DRに対してなす角度を記号θ1で表し、第2の合成磁界MF2の方向が基準方向DRに対してなす角度を記号θ2で表す。角度θ1,θ2は、基準方向DRから反時計回り方向に見たときに正の値で表し、基準方向DRから時計回り方向に見たときに負の値で表す。
第1の合成磁界MF1の主成分は、第1の部分磁界MFaである。第2の合成磁界MF2の主成分は、第2の部分磁界MFbである。第1の部分磁界MFaの方向と第2の部分磁界MFbの方向は、同じ方向になる。また、第1の部分磁界MFaの方向が基準方向DRに対してなす角度と第2の部分磁界MFbの方向が基準方向DRに対してなす角度は、互いに等しくなる。
本実施の形態では、第1の部分磁界MFaの方向と第2の部分磁界MFbの方向は、基準位置における検出対象磁界の方向に一致するものとする。また、第1の部分磁界MFaの方向が基準方向DRに対してなす角度と第2の部分磁界MFbの方向が基準方向DRに対してなす角度は、回転磁界角度θMと等しいものとする。これらの角度の正負の定義は、角度θ1,θ2と同様である。
基準位置は、上記の第1および第2の部分磁界MFa,MFbと基準位置における検出対象磁界との関係を満たす限り、第1の検出位置P1と一致していてもよいし、第2の検出位置P2と一致していてもよいし、これらの位置とは異なる任意の位置であってもよい。
後で詳しく説明するが、合成磁界情報は、合成磁界の、互いに異なる方向の2つの成分の強度に基づいて生成される。本実施の形態では特に、この2つの成分は、合成磁界の、互いに直交する方向の2つの成分である。本実施の形態では、この2つの成分の基準となる2つの方向を、X方向とY方向とする。
次に、図3を参照して、角度センサ1の構成について詳しく説明する。図3は、角度センサ1の構成を示す機能ブロック図である。前述の通り、角度センサ1は、複数の合成磁界情報生成部を備えている。複数の合成磁界情報生成部の各々は、合成磁界の、互いに異なる方向の2つの成分の強度を表す2つの検出信号を生成する2つの検出信号生成部を含んでいる。合成磁界情報は、2つの検出信号に基づいて生成される。2つの検出信号生成部の各々は、少なくとも1つの磁気検出素子を含んでいる。少なくとも1つの磁気検出素子は、少なくとも1つの磁気抵抗効果素子を含んでいてもよい。磁気抵抗効果素子は、GMR(巨大磁気抵抗効果)素子でもよいし、TMR(トンネル磁気抵抗効果)素子でもよいし、AMR(異方性磁気抵抗効果)素子でもよい。また、少なくとも1つの磁気検出素子は、ホール素子等、磁気抵抗効果素子以外の磁界を検出する素子を、少なくとも1つ含んでいてもよい。
本実施の形態では、複数の合成磁界情報生成部は、第1の合成磁界情報生成部10と第2の合成磁界情報生成部20である。第1の合成磁界情報生成部10は、第1の検出信号生成部11と第2の検出信号生成部12とを含んでいる。第1の検出信号生成部11は、第1の合成磁界MF1の、X方向の成分の強度を表す第1の検出信号S1を生成する。第2の検出信号生成部12は、第1の合成磁界MF1の、Y方向の成分の強度を表す第2の検出信号S2を生成する。
第1の合成磁界情報は、第1および第2の検出信号S1,S2に基づいて生成される。本実施の形態では、第1の合成磁界情報は、第1の合成磁界MF1の方向が基準方向DRに対してなす角度θ1である。第1の合成磁界情報生成部10は、更に、アナログ−デジタル変換器(以下、A/D変換器と記す。)13,14と、第1の初期角度演算部15とを含んでいる。A/D変換器13,14は、それぞれ、第1および第2の検出信号S1,S2をデジタル信号に変換する。第1の初期角度演算部15は、それぞれA/D変換器13,14によってデジタル信号に変換された第1および第2の検出信号S1,S2を用いた演算を行って、角度θ1を求める。第1の初期角度演算部15は、例えば、特定用途向け集積回路(ASIC)によって実現することができる。
第2の合成磁界情報生成部20は、第3の検出信号生成部21と第4の検出信号生成部22とを含んでいる。第3の検出信号生成部21は、第2の合成磁界MF2の、X方向の成分の強度を表す第3の検出信号S3を生成する。第4の検出信号生成部22は、第2の合成磁界MF2の、Y方向の成分の強度を表す第4の検出信号S4を生成する。
第2の合成磁界情報は、第3および第4の検出信号S3,S4に基づいて生成される。本実施の形態では、第2の合成磁界情報は、第2の合成磁界MF2の方向が基準方向DRに対してなす角度θ2である。第2の合成磁界情報生成部20は、更に、A/D変換器23,24と、第2の初期角度演算部25とを含んでいる。A/D変換器23,24は、それぞれ、第3および第4の検出信号S3,S4をデジタル信号に変換する。第2の初期角度演算部25は、それぞれA/D変換器23,24によってデジタル信号に変換された第3および第4の検出信号S3,S4を用いた演算を行って、角度θ2を求める。第2の初期角度演算部25は、例えば、ASICによって実現することができる。
検出対象磁界の方向が所定の周期で回転すると、回転磁界角度θMは所定の周期で変化する。この場合、第1ないし第4の検出信号S1〜S4は、いずれも、上記所定の周期と等しい信号周期で周期的に変化する。第2の検出信号S2の位相は、第1の検出信号S1の位相に対して、信号周期の1/4の奇数倍だけ異なっている。第3および第4の検出信号S3,S4の位相は、それぞれ、第1および第2の検出信号S1,S2の位相と一致している。なお、磁気検出素子の作製の精度等の観点から、これらの信号の位相の関係は、上記の関係からわずかにずれていてもよい。
角度センサ1は、更に、角度検出値θsを生成する角度演算部30を備えている。前述のように、本実施の形態では、複数の検出位置P1,P2において検出対象磁界の強度が互いに異なる。そのため、複数の合成磁界情報に与えるノイズ磁界Mexの相対的な影響に違いが生じる。その結果、複数の合成磁界情報間には、ノイズ磁界Mexに依存した違いが生じ得る。角度演算部30は、この性質を利用して、複数の合成磁界情報のうちの任意の1つのみに基づいて角度検出値θsを生成する場合に比べて、ノイズ磁界Mexに起因した角度検出値θsの誤差が低減されるように、複数の合成磁界情報を用いた演算を行って、角度検出値θsを生成する。角度演算部30は、例えば、ASICまたはマイクロコンピュータによって実現することができる。角度検出値θsの生成方法については、後で説明する。
次に、第1ないし第4の検出信号生成部11,12,21,22の構成について説明する。図4は、第1の検出信号生成部11の具体的な構成の一例を示している。この例では、第1の検出信号生成部11は、ホイートストンブリッジ回路17と、差分検出器18とを有している。ホイートストンブリッジ回路17は、電源ポートV1と、グランドポートG1と、2つの出力ポートE11,E12と、直列に接続された第1の対の磁気検出素子R11,R12と、直列に接続された第2の対の磁気検出素子R13,R14とを含んでいる。磁気検出素子R11,R13の各一端は、電源ポートV1に接続されている。磁気検出素子R11の他端は、磁気検出素子R12の一端と出力ポートE11に接続されている。磁気検出素子R13の他端は、磁気検出素子R14の一端と出力ポートE12に接続されている。磁気検出素子R12,R14の各他端は、グランドポートG1に接続されている。電源ポートV1には、所定の大きさの電源電圧が印加される。グランドポートG1はグランドに接続される。
図5は、第2の検出信号生成部12の具体的な構成の一例を示している。この例では、第2の検出信号生成部12は、ホイートストンブリッジ回路27と、差分検出器28とを有している。ホイートストンブリッジ回路27は、電源ポートV2と、グランドポートG2と、2つの出力ポートE21,E22と、直列に接続された第1の対の磁気検出素子R21,R22と、直列に接続された第2の対の磁気検出素子R23,R24とを含んでいる。磁気検出素子R21,R23の各一端は、電源ポートV2に接続されている。磁気検出素子R21の他端は、磁気検出素子R22の一端と出力ポートE21に接続されている。磁気検出素子R23の他端は、磁気検出素子R24の一端と出力ポートE22に接続されている。磁気検出素子R22,R24の各他端は、グランドポートG2に接続されている。電源ポートV2には、所定の大きさの電源電圧が印加される。グランドポートG2はグランドに接続される。
第3および第4の検出信号生成部21,22の構成は、それぞれ、第1および第2の検出信号生成部11,12の構成と同じである。そのため、以下の説明では、第3および第4の検出信号生成部21,22の構成要素について、第1および第2の検出信号生成部11,12の構成の構成要素と同じ符号を用いる。
本実施の形態では、磁気検出素子R11〜R14,R21〜R24の各々は、直列に接続された複数の磁気抵抗効果素子(MR素子)を含んでいる。複数のMR素子の各々は、例えばスピンバルブ型のMR素子である。このスピンバルブ型のMR素子は、磁化方向が固定された磁化固定層と、検出対象磁界の方向に応じて磁化の方向が変化する磁性層である自由層と、磁化固定層と自由層の間に配置された非磁性層とを有している。スピンバルブ型のMR素子は、TMR素子でもよいし、GMR素子でもよい。TMR素子では、非磁性層はトンネルバリア層である。GMR素子では、非磁性層は非磁性導電層である。スピンバルブ型のMR素子では、自由層の磁化の方向が磁化固定層の磁化の方向に対してなす角度に応じて抵抗値が変化し、この角度が0°のときに抵抗値は最小値となり、角度が180°のときに抵抗値は最大値となる。図4および図5において、塗りつぶした矢印は、MR素子における磁化固定層の磁化の方向を表し、白抜きの矢印は、MR素子における自由層の磁化の方向を表している。
第1の検出信号生成部11では、磁気検出素子R11,R14に含まれる複数のMR素子における磁化固定層の磁化の方向はX方向であり、磁気検出素子R12,R13に含まれる複数のMR素子における磁化固定層の磁化の方向は−X方向である。この場合、第1の合成磁界MF1のX方向の成分の強度に応じて、出力ポートE11,E12の電位差が変化する。差分検出器18は、出力ポートE11,E12の電位差に対応する信号を第1の検出信号S1として出力する。従って、第1の検出信号生成部11は、第1の合成磁界MF1のX方向の成分の強度を検出して、その強度を表す第1の検出信号S1を生成する。
第2の検出信号生成部12では、磁気検出素子R21,R24に含まれる複数のMR素子における磁化固定層の磁化の方向はY方向であり、磁気検出素子R22,R23に含まれる複数のMR素子における磁化固定層の磁化の方向は−Y方向である。この場合、第1の合成磁界MF1のY方向の成分の強度に応じて、出力ポートE21,E22の電位差が変化する。差分検出器28は、出力ポートE21,E22の電位差に対応する信号を第2の検出信号S2として出力する。従って、第2の検出信号生成部12は、第1の合成磁界MF1のY方向の成分の強度を検出して、その強度を表す第2の検出信号S2を生成する。
第3の検出信号生成部21では、第2の合成磁界MF2のX方向の成分の強度に応じて、出力ポートE11,E12の電位差が変化する。差分検出器18は、出力ポートE11,E12の電位差に対応する信号を第3の検出信号S3として出力する。従って、第3の検出信号生成部21は、第2の合成磁界MF2のX方向の成分の強度を検出して、その強度を表す第3の検出信号S3を生成する。
第4の検出信号生成部22では、第2の合成磁界MF2のY方向の成分の強度に応じて、出力ポートE21,E22の電位差が変化する。差分検出器28は、出力ポートE21,E22の電位差に対応する信号を第4の検出信号S4として出力する。従って、第4の検出信号生成部22は、第2の合成磁界MF2のY方向の成分の強度を検出して、その強度を表す第4の検出信号S4を生成する。
なお、検出信号生成部11,12,21,22内の複数のMR素子における磁化固定層の磁化の方向は、MR素子の作製の精度等の観点から、上述の方向からわずかにずれていてもよい。
ここで、図6を参照して、磁気検出素子の構成の一例について説明する。図6は、図4および図5に示した検出信号生成部11,12における1つの磁気検出素子の一部を示す斜視図である。この例では、1つの磁気検出素子は、複数の下部電極62と、複数のMR素子50と、複数の上部電極63とを有している。複数の下部電極62は図示しない基板上に配置されている。個々の下部電極62は細長い形状を有している。下部電極62の長手方向に隣接する2つの下部電極62の間には、間隙が形成されている。図6に示したように、下部電極62の上面上において、長手方向の両端の近傍に、それぞれMR素子50が配置されている。MR素子50は、下部電極62側から順に積層された自由層51、非磁性層52、磁化固定層53および反強磁性層54を含んでいる。自由層51は、下部電極62に電気的に接続されている。反強磁性層54は、反強磁性材料よりなり、磁化固定層53との間で交換結合を生じさせて、磁化固定層53の磁化の方向を固定する。複数の上部電極63は、複数のMR素子50の上に配置されている。個々の上部電極63は細長い形状を有し、下部電極62の長手方向に隣接する2つの下部電極62上に配置されて隣接する2つのMR素子50の反強磁性層54同士を電気的に接続する。このような構成により、図6に示した磁気検出素子は、複数の下部電極62と複数の上部電極63とによって直列に接続された複数のMR素子50を有している。なお、MR素子50における層51〜54の配置は、図6に示した配置とは上下が反対でもよい。
次に、第1および第2の合成磁界情報の生成方法について説明する。第1の合成磁界情報生成部10の第1の初期角度演算部15は、第1の合成磁界情報として、前述の角度θ1を算出する。角度θ1は、下記の式(1)のように、第1の検出信号S1と第2の検出信号S2の比のアークタンジェントを計算することによって求めることができる。なお、“atan”は、アークタンジェントを表す。
θ1=atan(S2/S1) …(1)
θ1が0°以上360°未満の範囲内では、式(1)におけるθ1の解には、180°異なる2つの値がある。しかし、S1,S2の正負の組み合わせにより、θ1の真の値が、式(1)におけるθ1の2つの解のいずれであるかを判別することができる。第1の初期角度演算部15は、式(1)と、上記のS1,S2の正負の組み合わせの判定により、0°以上360°未満の範囲内でθ1を求める。
第2の合成磁界情報生成部20の第2の初期角度演算部25は、第2の合成磁界情報として、前述の角度θ2を算出する。角度θ2は、下記の式(2)のように、第3の検出信号S3と第4の検出信号S4の比のアークタンジェントを計算することによって求めることができる。
θ2=atan(S4/S3) …(2)
θ2が0°以上360°未満の範囲内では、式(2)におけるθ2の解には、180°異なる2つの値がある。しかし、S3,S4の正負の組み合わせにより、θ2の真の値が、式(2)におけるθ2の2つの解のいずれであるかを判別することができる。第2の初期角度演算部25は、式(2)と、上記のS3,S4の正負の組み合わせの判定により、0°以上360°未満の範囲内でθ2を求める。
次に、角度検出値θsの生成方法について説明する。始めに、角度θ1,θ2と回転磁界角度θMとの関係について説明する。ノイズ磁界Mexが存在しない場合には、角度θ1は、回転磁界角度θMと等しくなる。しかし、ノイズ磁界Mexが存在すると、第1の合成磁界MF1の方向が第1の部分磁界MFaの方向からずれて、その結果、角度θ1が回転磁界角度θMとは異なる値になる場合がある。以下、角度θ1と回転磁界角度θMの差を、角度θ1の角度誤差と言う。角度θ1の角度誤差は、ノイズ磁界Mexに起因して生じる。
同様に、ノイズ磁界Mexが存在しない場合には、角度θ2は、回転磁界角度θMと等しくなる。しかし、ノイズ磁界Mexが存在すると、第2の合成磁界MF2の方向が、第2の部分磁界MFbの方向からずれて、その結果、角度θ2が回転磁界角度θMとは異なる値になる場合がある。以下、角度θ2と回転磁界角度θMの差を、角度θ2の角度誤差と言う。角度θ2の角度誤差は、ノイズ磁界Mexに起因して生じる。
ここで、ノイズ磁界Mexについて、第1および第2の部分磁界MFa,MFbに直交する成分(以下、第1の成分と言う。)と、第1および第2の部分磁界MFa,MFbに平行な成分(以下、第2の成分と言う。)を想定する。図7は、第1および第2の合成磁界MF1,MF2とノイズ磁界Mexとの関係を模式的に示す説明図である。図7における(a)は第1の合成磁界MF1とノイズ磁界Mexの第1の成分との関係を示している。図7における(b)は第2の合成磁界MF2とノイズ磁界Mexの第1の成分との関係を示している。図7において、記号Mex1を付した矢印は、ノイズ磁界Mexの第1の成分を表している。なお、図7では、第1の成分Mex1の大きさを強調して描いている。図7に示したように、第1および第2の合成磁界MF1,MF2の方向は、第1の成分Mex1の影響によって、それぞれ第1および第2の部分磁界MFa,MFbの方向からずれる。
なお、本実施の形態では、第1および第2の合成磁界MF1,MF2の方向のずれに対するノイズ磁界Mexの第2の成分の影響を無視することができる程度に、ノイズ磁界Mexの強度は、第1および第2の部分磁界MFa,MFbの強度に比べて十分に小さいものとする。図7では、第1の合成磁界MF1を、第1の部分磁界MFaとノイズ磁界Mexの第1の成分Mex1との合成磁界として表し、第2の合成磁界MF2を、第2の部分磁界MFbとノイズ磁界Mexの第1の成分Mex1との合成磁界として表している。
図7における(a)に示したように、第1の合成磁界MF1の方向が第1の部分磁界MFaの方向からずれると、角度θ1には角度誤差が生じる。第1の部分磁界MFaの強度をB1とし、ノイズ磁界Mexの第1の成分Mex1の強度をBexとすると、角度θ1の角度誤差は、atan(Bex/B1)になる。
また、図7における(b)に示したように、第2の合成磁界MF2の方向が第2の部分磁界MFbの方向からずれると、角度θ2には角度誤差が生じる。第2の部分磁界MFbの強度をB2とすると、角度θ2の角度誤差は、atan(Bex/B2)になる。
角度θ1は、回転磁界角度θMと、角度θ1の角度誤差とを用いて表すことができる。同様に、角度θ2は、回転磁界角度θMと、角度θ2の角度誤差とを用いて表すことができる。具体的には、角度θ1,θ2は、それぞれ下記の式(3)、(4)によって表すことができる。
θ1=θM−atan(Bex/B1) …(3)
θ2=θM−atan(Bex/B2) …(4)
θ2=θM−atan(Bex/B2) …(4)
ところで、xが十分に小さいときには、atan(x)をAT・xと近似することができる。ATは、定数であり、例えば56.57である。本実施の形態では、ノイズ磁界Mexの第1の成分Mex1の強度Bexは、第1および第2の部分磁界MFa,MFbの強度B1,B2に比べて十分に小さいため、atan(Bex/B1)、atan(Bex/B2)をそれぞれAT・(Bex/B1)、AT・(Bex/B2)と近似することができる。この近似を式(3)に適用して変形すると、Bexは下記の式(5)で表すことができる。
Bex=−B1・(θ1−θM)/AT …(5)
また、上記の近似を適用して式(4)を変形し、変形後の式に式(5)を代入すると、下記の式(6)が得られる。
θ2=θM+B1・(θ1−θM)/B2 …(6)
式(6)を変形すると、回転磁界角度θMは下記の式(7)で表すことができる。
θM={θ2−(B1/B2)・θ1}/{1−(B1/B2)} …(7)
式(7)において、“B1/B2”は、第2の部分磁界MFbの強度B2に対する第1の部分磁界MFaの強度B1の比を表している。以下、この比を記号B12で表す。本実施の形態では、比B12の値は、第1および第2の検出位置P1,P2の位置関係によって決まり、回転磁界角度θMの値によらずに一定になる。
次に、角度演算部30における角度検出値θsの生成方法について具体的に説明する。本実施の形態では、角度演算部30は、複数の合成磁界情報を用いた演算として、角度θ1,θ2と上記の比B12とを用いた演算を行う。具体的には、角度演算部30は、複数の合成磁界情報を用いた演算として、式(7)と同様の下記の式(8)で表される演算を行って、角度検出値θsを生成する。
θs=(θ2−B12・θ1)/(1−B12) …(8)
式(8)は、式(7)における“θM”、“B1/B2”を、それぞれ“θs”、“B12”に置き換えたものである。
角度演算部30は、角度検出値θsを算出する演算処理部31と、第2の部分磁界MFbの強度B2に対する第1の部分磁界MFaの強度B1の比B12の値を保持する記憶部32とを含んでいる。演算処理部31は、第1の合成磁界情報生成部10の第1の初期角度演算部15によって算出された角度θ1と、第2の合成磁界情報生成部20の第2の初期角度演算部25によって算出された角度θ2と、記憶部32によって保持された比B12とを用いて、式(8)によって、角度検出値θsを算出する。
なお、比B12の値は、第1および第2の部分磁界MFa,MFbの強度B1,B2を測定することによって求めることができる。第1および第2の部分磁界MFa,MFbの強度B1,B2の測定は、角度センサ1の出荷前または使用前に、角度センサ1の外部の図示しない制御部によって実行される。第1および第2の部分磁界MFa,MFbの強度B1,B2の測定は、第1および第2の合成磁界情報生成部10,20を用いてもよいし、他の磁気センサを用いてもよい。
本実施の形態によれば、第1および第2の合成磁界情報を用いた演算を行うことにより、第1および第2の合成磁界情報のうちの任意の1つのみに基づいて角度検出値θsを生成する場合に比べて、ノイズ磁界Mexに起因した角度誤差が低減された角度検出値θsを生成することができる。以下、その理由について詳しく説明する。
式(3)に示したように、角度θ1は、ノイズ磁界Mexに起因した角度誤差“atan(Bex/B1)”によって変化する。また、式(4)に示したように、角度θ2は、ノイズ磁界Mexに起因した角度誤差“atan(Bex/B2)”によって変化する。本実施の形態では、第1の合成磁界情報は角度θ1であり、第2の合成磁界情報は角度θ2である。従って、式(3)、(4)は、第1および第2の合成磁界情報がノイズ磁界Mexの影響を受けることを表している。
また、本実施の形態では、第1の部分磁界MFaの強度B1と第2の部分磁界MFbの強度B2は、互いに異なる。そのため、第1および第2の合成磁界情報に与えるノイズ磁界Mexの相対的な影響に違いが生じる。その結果、第1および第2の合成磁界情報間には、ノイズ磁界Mexに依存した違いが生じ得る。具体的には、角度θ1,θ2の角度誤差の値に、ノイズ磁界Mexに依存した違いが生じる。式(7)に示した回転磁界角度θMは、この性質を利用して導かれたものである。本実施の形態では、第1および第2の合成磁界情報を用いた演算、具体的には式(8)に示した演算を行って、角度検出値θsを生成する。
ところで、角度θ1,θ2は、第1および第2の合成磁界情報のうちの任意の1つのみに基づいて生成された角度検出値θsに相当する。前述のように、角度θ1,θ2は、ノイズ磁界Mexに起因した角度誤差を含んでいる。一方、回転磁界角度θMは、ノイズ磁界Mexに起因した角度誤差を含まないことから、式(8)に示した演算を行って生成された角度検出値θsも、理論上、ノイズ磁界Mexに起因した角度誤差を含まない。これにより、本実施の形態によれば、角度θ1,θ2に比べて、ノイズ磁界Mexに起因した角度誤差が低減された角度検出値θsを生成することができる。
また、本実施の形態では、上述のように角度検出値θsを生成するためには、第1の部分磁界MFaの強度B1と第2の部分磁界MFbの強度B2が互いに異なるという条件を満たす必要があるが、この条件は、角度センサ1および角度センサシステム100の構成や設置に関して大きな制約を生じさせるものではない。例えば、本実施の形態のように、第1の検出位置P1と第2の検出位置P2を互いに異ならせることによって、簡単に、上記の条件を満たすことができる。従って、本実施の形態によれば、角度センサ1および角度センサシステム100の構成や設置に関して大きな制約を生じさせることなく、ノイズ磁界Mexに起因した角度誤差を低減することができる。
以下、シミュレーションの結果を参照して、本実施の形態の効果について説明する。シミュレーションでは、方向と強度が一定のノイズ磁界Mexが存在する状況の下で、角度θ1,θ2および角度検出値θsを生成したときの、角度θ1の角度誤差と角度θ2の角度誤差と角度検出値θsの角度誤差を求めた。なお、このシミュレーションでは、角度θ1と回転磁界角度θMの差を角度θ1の角度誤差とし、角度θ2と回転磁界角度θMの差を角度θ2の角度誤差とし、角度検出値θsと回転磁界角度θMの差を角度検出値θsの角度誤差とした。また、このシミュレーションでは、角度θ1,θ2の値に、それぞれ乱数で生成した誤差を重畳した。この誤差は、角度センサ1において生じる通常の誤差を想定したものである。通常の誤差は、第1および第2の合成磁界情報生成部10,20の非線形性による誤差と白色ノイズによる誤差を含む。この通常の誤差に起因した角度誤差は、ノイズ磁界Mexに起因した角度誤差よりも十分に小さい。
図8は、シミュレーションによって得られた角度誤差の一例を示す波形図である。図8において、横軸は回転磁界角度θMを示し、縦軸は角度誤差を示している。また、符号81は角度θ1の角度誤差を示し、符号82は角度θ2の角度誤差を示し、符号83は角度検出値θsの角度誤差を示している。図8に示したように、角度検出値θsの角度誤差は、角度θ1の角度誤差および角度θ2の角度誤差に比べて極めて小さい。角度θ1の角度誤差と角度θ2の角度誤差は、主にノイズ磁界Mexに起因して生じたものである。一方、角度検出値θsの角度誤差は、主に通常の誤差に起因して生じたものである。このように、本実施の形態によれば、ノイズ磁界Mexに起因した角度誤差を低減することができる。
図8に示したように、角度θ1の角度誤差と角度θ2の角度誤差は、互いに異なる。これは、第1および第2の合成磁界情報に与えるノイズ磁界Mexの相対的な影響の違いに起因するものである。本実施の形態では、第2の検出位置P2は、第1の検出位置P1よりも磁界発生部5から遠い位置にある。そのため、第2の部分磁界MFbの強度B2は、第1の部分磁界MFaの強度B1よりも小さくなる。その結果、角度θ2の角度誤差は、角度θ1の角度誤差に比べて大きくなる。
[第2の実施の形態]
次に、本発明の第2の実施の形態について説明する。始めに、図9を参照して、本実施の形態に係る角度センサ1の構成について説明する。本実施の形態に係る角度センサ1は、以下の点で第1の実施の形態と異なっている。本実施の形態では、第1の合成磁界情報は、第1の方向D1と第1の大きさA1を有する第1のベクトルH1で表わされる。また、本実施の形態では、第2の合成磁界情報は、第2の方向D2と第2の大きさA2を有する第2のベクトルH2で表わされる。図9に示したように、第1の合成磁界情報生成部10は、第1の実施の形態における第1の初期角度演算部15の代わりに、第1のベクトルH1を生成する第1のベクトル生成部16を含んでいる。また、第2の合成磁界情報生成部20は、第1の実施の形態における第2の初期角度演算部25の代わりに、第2のベクトルH2を生成する第2のベクトル生成部26を含んでいる。第1および第2のベクトル生成部16,26は、それぞれ、例えばASICによって実現することができる。
次に、本発明の第2の実施の形態について説明する。始めに、図9を参照して、本実施の形態に係る角度センサ1の構成について説明する。本実施の形態に係る角度センサ1は、以下の点で第1の実施の形態と異なっている。本実施の形態では、第1の合成磁界情報は、第1の方向D1と第1の大きさA1を有する第1のベクトルH1で表わされる。また、本実施の形態では、第2の合成磁界情報は、第2の方向D2と第2の大きさA2を有する第2のベクトルH2で表わされる。図9に示したように、第1の合成磁界情報生成部10は、第1の実施の形態における第1の初期角度演算部15の代わりに、第1のベクトルH1を生成する第1のベクトル生成部16を含んでいる。また、第2の合成磁界情報生成部20は、第1の実施の形態における第2の初期角度演算部25の代わりに、第2のベクトルH2を生成する第2のベクトル生成部26を含んでいる。第1および第2のベクトル生成部16,26は、それぞれ、例えばASICによって実現することができる。
第1の方向D1は、第1の合成磁界MF1の方向の情報に対応する。本実施の形態では、第1の方向D1を、第1の合成磁界MF1の方向が基準方向DRに対してなす角度θ1(図2参照)を用いて表す。第1の大きさA1は、第1の合成磁界MF1の強度の情報に対応する。
第2の方向D2は、第2の合成磁界MF2の方向の情報に対応する。本実施の形態では、第2の方向D2を、第2の合成磁界MF2の方向が基準方向DRに対してなす角度θ2(図2参照)を用いて表す。第2の大きさA2は、第2の合成磁界MF2の強度の情報に対応する。
また、本実施の形態に係る角度センサ1は、第1の実施の形態における角度演算部30の代わりに、角度演算部130を備えている。角度演算部130は、複数の合成磁界情報を用いた演算として、第1のベクトルH1と第2のベクトルH2の差を求める演算を行う。角度演算部130は、例えば、ASICまたはマイクロコンピュータによって実現することができる。
次に、第1および第2のベクトルH1,H2の生成方法について説明する。第1のベクトル生成部16は、それぞれA/D変換器13,14によってデジタル信号に変換された第1および第2の検出信号S1,S2に基づいて、第1のベクトルH1の第1の方向D1と第1の大きさA1を求める。具体的には、第1のベクトル生成部16は、第1の検出信号S1と第2の検出信号S2の比のアークタンジェントを計算して第1の方向D1すなわち角度θ1を求める。角度θ1の具体的な算出方法は、第1の実施の形態と同じである。
また、第1のベクトル生成部16は、第1の検出信号S1の二乗と第2の検出信号S2の二乗との和S12+S22を計算して第1の大きさA1を求める。第1の実施の形態で説明したように、第1の検出信号S1は第1の合成磁界MF1のX方向の強度を表し、第2の検出信号S2は第1の合成磁界MF1のY方向の強度を表している。従って、S12+S22は、第1の合成磁界MF1の強度と対応関係を有するパラメータである。第1の大きさA1は、S12+S22そのものであってもよいし、S12+S22から求めた第1の合成磁界MF1の強度であってもよい。また、第1のベクトル生成部16は、第1および第2の検出信号S1,S2に基づいて、上記のS12+S22以外の、第1の合成磁界MF1の強度と対応関係を有するパラメータの値を求めて、このパラメータの値に基づいて第1の大きさA1を求めてもよい。
第2のベクトル生成部26は、それぞれA/D変換器23,24によってデジタル信号に変換された第3および第4の検出信号S3,S4に基づいて、第2のベクトルH2の第2の方向D2と第2の大きさA2を求める。具体的には、第2のベクトル生成部26は、第3の検出信号S3と第4の検出信号S4の比のアークタンジェントを計算して第2の方向D2すなわち角度θ2を求める。角度θ2の具体的な算出方法は、第1の実施の形態と同じである。
また、第2のベクトル生成部26は、第3の検出信号S3の二乗と第4の検出信号S4の二乗との和S32+S42を計算して第2の大きさA2を求める。第1の実施の形態で説明したように、第3の検出信号S3は第2の合成磁界MF2のX方向の強度を表し、第4の検出信号S4は第2の合成磁界MF2のY方向の強度を表している。従って、S32+S42は、第2の合成磁界MF2の強度と対応関係を有するパラメータである。第2の大きさA2は、S32+S42そのものであってもよいし、S32+S42から求めた第2の合成磁界MF2の強度であってもよい。また、第2のベクトル生成部26は、第3および第4の検出信号S3,S4に基づいて、上記のS32+S42以外の、第2の合成磁界MF2の強度と対応関係を有するパラメータの値を求めて、このパラメータの値に基づいて第2の大きさA2を求めてもよい。
回転磁界角度θMが所定の周期で変化する場合、第1の検出信号S1の波形は、理想的には、回転磁界角度θMに依存したコサイン波形になり、第2の検出信号S2の波形は、理想的には、回転磁界角度θMに依存したサイン波形になる。従って、S12+S22は、理想的には、回転磁界角度θMに関わらずに、一定の値になる。同様に、回転磁界角度θMが所定の周期で変化する場合、第3の検出信号S3の波形は、理想的には、回転磁界角度θMに依存したコサイン波形になり、第4の検出信号S4の波形は、理想的には、回転磁界角度θMに依存したサイン波形になる。従って、S32+S42は、理想的には、回転磁界角度θMに関わらずに、一定の値になる。
なお、上述のように第1および第2の大きさA1,A2を求めるためには、第1ないし第4の検出信号S1〜S4の大きさが、第1および第2の合成磁界MF1,MF2の強度の範囲内では飽和しないという条件の下で、第1ないし第4の検出信号生成部11,12,21,22を使用する必要がある。
次に、角度演算部130の構成と、角度検出値θsの生成方法について説明する。角度演算部130では、第1のベクトルH1と第2のベクトルH2の差を求める演算が行われる。ここで、第3のベクトルH3を、下記の式(9)のように定義する。
H3=H1−H2 …(9)
第3のベクトルH3は、第3の方向と第3の大きさを有している。角度演算部130は、第3の方向を求めることによって、角度検出値θsを生成する。
本実施の形態では、角度演算部130における演算は、複素数を用いて行われる。図10は、角度演算部130の構成の一例を示すブロック図である。この例では、角度演算部130は、第1の変換部131と、第2の変換部132と、第1の演算部133と、第2の演算部134と、偏角演算部135とを含んでいる。第1の変換部131は、第1のベクトルH1を、複素数C1に変換する。複素数C1の実部Re1と虚部Im1は、それぞれ下記の式(10)、(11)によって表される。
Re1=A1・cosθ1 …(10)
Im1=A1・sinθ1 …(11)
Im1=A1・sinθ1 …(11)
第2の変換部132は、第2のベクトルH2を、複素数C2に変換する。複素数C2の実部Re2と虚部Im2は、それぞれ下記の式(12)、(13)によって表される。
Re2=A2・cosθ2 …(12)
Im2=A2・sinθ2 …(13)
Im2=A2・sinθ2 …(13)
複素数C1と複素数C2の差を求める演算は、第1のベクトルH1と第2のベクトルH2の差を求める演算に相当する。ここで、複素数C3を、下記の式(14)のように定義する。
C3=C1−C2 …(14)
第1の演算部133は、複素数C1の実部Re1と複素数C2の実部Re2の差を求める演算を行って、複素数C3の実部Re3を求める。第2の演算部134は、複素数C1の虚部Im1と複素数C2の虚部Im2の差を求める演算を行って、複素数C3の虚部Im3を求める。実部Re3と虚部Im3は、それぞれ下記の式(15)、(16)によって表される。
Re3=Re1−Re2 …(15)
Im3=Im1−Im2 …(16)
Im3=Im1−Im2 …(16)
複素数C3の偏角は、第3のベクトルH3の第3の方向に対応する。本実施の形態では、複素数C3の偏角を、角度検出値θsとする。偏角演算部135は、複素数C3の偏角を求めることによって、角度検出値θsを算出する。具体的には、偏角演算部135は、例えば、複素数C3の実部Re3と虚部Im3を用いて、下記の式(17)によってθsを算出する。
θs=atan(Im3/Re3) …(17)
θsが0°以上360°未満の範囲内では、式(17)におけるθsの解には、180°異なる2つの値がある。しかし、Re3,Im3の正負の組み合わせにより、θsの真の値が、式(17)におけるθsの2つの解のいずれであるかを判別することができる。偏角演算部135は、式(17)と、上記のRe3,Im3の正負の組み合わせの判定により、0°以上360°未満の範囲内でθsを求める。
本実施の形態によれば、第1および第2の合成磁界情報を用いた演算を行うことにより、第1および第2の合成磁界情報のうちの任意の1つのみに基づいて角度検出値θsを生成する場合に比べて、ノイズ磁界Mexに起因した角度誤差が低減された角度検出値θsを生成することができる。以下、その理由について、図11を参照して説明する。
図11は、第1ないし第3のベクトルH1〜H3を模式的に示す説明図である。図11において(a)は第1のベクトルH1を示し、(b)は第2のベクトルH2を示し、(c)は第3のベクトルH3を示している。
また、図11には、ベクトルHa,Hb,Hexを示している。ベクトルHa,Hb,Hexの方向は、それぞれ第1および第2の部分磁界MFa,MFbならびにノイズ磁界Mexの方向を表している。ベクトルHa,Hb,Hexの大きさは、それぞれ第1および第2の部分磁界MFa,MFbならびにノイズ磁界Mexの強度を表している。なお、図11では、ベクトルHexの大きさを強調して描いている。
第1の合成磁界MF1は、第1の部分磁界MFaとノイズ磁界Mexとの合成磁界である。従って、第1のベクトルH1は、ベクトルHa,Hexを用いて、下記の式(18)で表すことができる。
H1=Ha+Hex …(18)
また、第2の合成磁界MF2は、第2の部分磁界MFbとノイズ磁界Mexとの合成磁界である。従って、第2のベクトルH2は、ベクトルHb,Hexを用いて、下記の式(19)で表すことができる。
H2=Hb+Hex …(19)
式(18)および図11(a)に示したように、第1のベクトルH1の方向と大きさは、ベクトルHexによって変化する。また、式(19)および図11(b)に示したように、第2のベクトルH2の方向と大きさは、ベクトルHexによって変化する。本実施の形態では、第1の合成磁界情報は第1のベクトルH1で表わされ、第2の合成磁界情報は第2のベクトルH2で表わされる。従って、式(18)、(19)および図11(a)、(b)は、第1および第2の合成磁界情報がノイズ磁界Mexの影響を受けることを表している。
図11において、ベクトルHaの大きさは第1の部分磁界MFaの強度を表し、ベクトルHbの大きさは第2の部分磁界MFbの強度を表している。本実施の形態では、第1の部分磁界MFaの強度と第2の部分磁界MFbの強度は、互いに異なる。そのため、第1および第2の合成磁界情報に与えるノイズ磁界Mexの相対的な影響に違いが生じる。その結果、第1および第2の合成磁界情報間には、ノイズ磁界Mexに依存した違いが生じ得る。具体的には、第1および第2のベクトルH1,H2の方向および大きさに、ノイズ磁界Mexに依存した違いが生じる。本実施の形態では、この性質を利用して、以下のようにして、ノイズ磁界Mexの影響が除外された角度検出値θsを生成する。まず、式(18)、(19)を式(9)に代入すると、下記の式(20)が得られる。
H3=H1−H2
=Ha+Hex−(Hb+Hex)
=Ha−Hb …(20)
=Ha+Hex−(Hb+Hex)
=Ha−Hb …(20)
式(20)に示したように、第1のベクトルH1と第2のベクトルH2の差を求める演算を行うと、ベクトルHexを相殺して、ベクトルHa,Hbと同じ方向を有する第3のベクトルH3を生成することができる。このように、本実施の形態では、第1および第2の合成磁界情報を用いた演算、具体的には、第1のベクトルH1と第2のベクトルH2の差を求める演算を行って第3のベクトルH3を生成し、第3のベクトルH3の方向すなわち第3の方向を求めることによって角度検出値θsを生成する。
ところで、角度θ1,θ2は、第1および第2の合成磁界情報のうちの任意の1つのみに基づいて生成された角度検出値θsに相当する。第1の実施の形態で説明したように、角度θ1,θ2は、ノイズ磁界Mexに起因した角度誤差を含んでいる。一方、式(20)に示したように、第3のベクトルH3は、ベクトルHaとベクトルHbの差で表されることから、上述のようにして生成された角度検出値θsは、理論上、ノイズ磁界Mexに起因した角度誤差を含まない。これにより、本実施の形態によれば、角度θ1,θ2に比べて、ノイズ磁界Mexに起因した角度誤差が低減された角度検出値θsを生成することができる。
本実施の形態におけるその他の構成、作用および効果は、第1の実施の形態と同様である。
[第3の実施の形態]
次に、本発明の第3の実施の形態について説明する。始めに、図12を参照して、本実施の形態に係る角度センサ1の構成について説明する。本実施の形態に係る角度センサ1は、以下の点で第2の実施の形態と異なっている。本実施の形態では、第2の実施の形態における第1および第2のベクトル生成部16,26が設けられていない。また、本実施の形態に係る角度センサ1は、第2の実施の形態における角度演算部130の代わりに、角度演算部230を備えている。角度演算部230は、例えば、ASICまたはマイクロコンピュータによって実現することができる。
次に、本発明の第3の実施の形態について説明する。始めに、図12を参照して、本実施の形態に係る角度センサ1の構成について説明する。本実施の形態に係る角度センサ1は、以下の点で第2の実施の形態と異なっている。本実施の形態では、第2の実施の形態における第1および第2のベクトル生成部16,26が設けられていない。また、本実施の形態に係る角度センサ1は、第2の実施の形態における角度演算部130の代わりに、角度演算部230を備えている。角度演算部230は、例えば、ASICまたはマイクロコンピュータによって実現することができる。
角度演算部230は、角度演算部130と同様に、複数の合成磁界情報を用いた演算として、第1のベクトルH1と第2のベクトルH2の差を求める演算を行って、第2の実施の形態で定義された第3のベクトルH3を求める。角度演算部230は、第3のベクトルH3の第3の方向を求めることによって、角度検出値θsを生成する。
本実施の形態では、第1および第2の検出信号S1,S2を、直交座標系における第1のベクトルH1の2つの成分とし、第3および第4の検出信号S3,S4を、直交座標系における第2のベクトルH2の2つの成分とする。なお、このようにするためには、第1ないし第4の検出信号S1〜S4の大きさが、第1および第2の合成磁界MF1,MF2の強度の範囲内では飽和しないという条件の下で、第1ないし第4の検出信号生成部11,12,21,22を使用する必要がある。
また、本実施の形態では、角度演算部230における演算は、角度演算部130と同様に、複素数を用いて行われる。図12には、角度演算部230の構成の一例を示している。この例では、角度演算部230は、第1の演算部231と、第2の演算部232と、偏角演算部233とを含んでいる。角度演算部230では、直交座標系における第1のベクトルH1の2つの成分を、複素数C1の実部Re1と虚部Im1とし、直交座標系における第2のベクトルH2の2つの成分を、複素数C2の実部Re2と虚部Im2とする。具体的には、それぞれA/D変換器13,14によってデジタル信号に変換された第1および第2の検出信号S1,S2を、複素数C1の実部Re1と虚部Im1とし、それぞれA/D変換器23,24によってデジタル信号に変換された第3および第4の検出信号S3,S4を、複素数C2の実部Re2と虚部Im2としている。複素数C1と複素数C2の差を求める演算は、第1のベクトルH1と第2のベクトルH2の差を求める演算に相当する。
第1の演算部231は、複素数C1の実部Re1と複素数C2の実部Re2の差を求める演算を行って、第2の実施の形態で定義された複素数C3の実部Re3を求める。第2の演算部232は、複素数C1の虚部Im1と複素数C2の虚部Im2の差を求める演算を行って、複素数C3の虚部Im3を求める。実部Re3と虚部Im3は、それぞれ、第2の実施の形態における式(15)、(16)によって表される。
複素数C3の偏角は、第3のベクトルH3の第3の方向に対応する。本実施の形態では、複素数C3の偏角を、角度検出値θsとする。偏角演算部233は、複素数C3の偏角を求めることによって、角度検出値θsを算出する。角度検出値θsの算出方法は、第2の実施の形態と同じである。
本実施の形態では、第1および第2の検出信号S1,S2が、直接、複素数C1の実部Re1と虚部Im1として用いられ、第3および第4の検出信号S3,S4が、直接、複素数C2の実部Re2と虚部Im2として用いられる。そのため、本実施の形態では、第2の実施の形態で説明した、第1および第2の方向D1,D2、第1および第2の大きさA1,A2、実部Re1,Re2ならびに虚部Im1,Im2を求めるための演算が不要になる。これにより、本実施の形態によれば、第2の実施の形態に比べて、角度センサ1の構成が簡単になると共に、角度検出値θsの生成が容易になる。
本実施の形態におけるその他の構成、作用および効果は、第2の実施の形態と同様である。
なお、本発明は、上記実施の形態に限定されず、種々の変更が可能である。例えば、本発明における複数の合成磁界情報生成部の各々は、第1の実施の形態における第1および第2の合成磁界情報生成部10,20と同様にして合成磁界の方向の情報のみを生成する部分と、それとは別個の、合成磁界の強度の情報のみを生成する部分とを含んでいてもよい。
1…角度センサ、5…磁界発生部、6…磁石、10…第1の合成磁界情報生成部、11…第1の検出信号生成部、12…第2の検出信号生成部、20…第2の合成磁界情報生成部、21…第3の検出信号生成部、22…第4の検出信号生成部、30…角度演算部、100…角度センサシステム。
Claims (11)
- 検出対象の角度と対応関係を有する角度検出値を生成する角度センサであって、
それぞれ互いに異なる複数の検出位置において、検出対象磁界と、それ以外のノイズ磁界との合成磁界を検出し、前記合成磁界の方向と強度のうちの少なくとも方向の情報を含む複数の合成磁界情報を生成する複数の合成磁界情報生成部と、
前記角度検出値を生成する角度演算部とを備え、
前記複数の検出位置の各々において、前記検出対象磁界の方向は、前記検出対象の角度に応じて変化し、
前記複数の検出位置において、前記検出対象磁界の強度は、互いに異なり、
前記角度演算部は、前記複数の合成磁界情報のうちの任意の1つのみに基づいて前記角度検出値を生成する場合に比べて、前記ノイズ磁界に起因した前記角度検出値の誤差が低減されるように、前記複数の合成磁界情報を用いた演算を行って、前記角度検出値を生成することを特徴とする角度センサ。 - 前記複数の合成磁界情報生成部の各々は、前記合成磁界の、互いに異なる方向の2つの成分の強度を表す2つの検出信号を生成する2つの検出信号生成部を含み、前記合成磁界情報は、前記2つの検出信号に基づいて生成されることを特徴とする請求項1記載の角度センサ。
- 前記2つの成分は、前記合成磁界の、互いに直交する方向の2つの成分であることを特徴とする請求項2記載の角度センサ。
- 前記2つの検出信号生成部の各々は、少なくとも1つの磁気検出素子を含むことを特徴とする請求項2または3記載の角度センサ。
- 前記複数の検出位置は、第1の検出位置と第2の検出位置であり、
前記複数の合成磁界情報は、前記第1の検出位置における前記合成磁界の方向と強度のうちの少なくとも方向の情報を含む第1の合成磁界情報と、前記第2の検出位置における前記合成磁界の方向と強度のうちの少なくとも方向の情報を含む第2の合成磁界情報であり、
前記複数の合成磁界情報生成部は、前記第1の合成磁界情報を生成する第1の合成磁界情報生成部と、前記第2の合成磁界情報を生成する第2の合成磁界情報生成部であることを特徴とする請求項1記載の角度センサ。 - 前記第1の合成磁界情報は、前記第1の検出位置における前記合成磁界の方向が基準方向に対してなす角度θ1であり、
前記第2の合成磁界情報は、前記第2の検出位置における前記合成磁界の方向が前記基準方向に対してなす角度θ2であり、
前記角度演算部は、複数の合成磁界情報を用いた演算として、前記角度θ1,θ2と、前記第2の検出位置における前記検出対象磁界の強度に対する前記第1の検出位置における前記検出対象磁界の強度の比とを用いた演算を行うことを特徴とする請求項5記載の角度センサ。 - 前記第1の合成磁界情報は、第1の方向と第1の大きさを有する第1のベクトルで表わされ、
前記第1の方向は、前記第1の検出位置における前記合成磁界の方向の情報に対応し、
前記第1の大きさは、前記第1の検出位置における前記合成磁界の強度の情報に対応し、
前記第2の合成磁界情報は、第2の方向と第2の大きさを有する第2のベクトルで表わされ、
前記第2の方向は、前記第2の検出位置における前記合成磁界の方向の情報に対応し、
前記第2の大きさは、前記第2の検出位置における前記合成磁界の強度の情報に対応し、
前記角度演算部は、複数の合成磁界情報を用いた演算として、前記第1のベクトルと前記第2のベクトルの差を求める演算を行うことを特徴とする請求項5記載の角度センサ。 - 前記第1の合成磁界情報生成部は、前記第1の検出位置における前記合成磁界の、互いに直交する方向の2つの成分の強度を表す第1および第2の検出信号を生成する第1および第2の検出信号生成部と、前記第1のベクトルを生成する第1のベクトル生成部とを含み、
前記第1のベクトル生成部は、前記第1の検出信号と前記第2の検出信号に基づいて前記第1の方向と前記第1の大きさを求め、
前記第2の合成磁界情報生成部は、前記第2の検出位置における前記合成磁界の、互いに直交する方向の2つの成分の強度を表す第3および第4の検出信号を生成する第3および第4の検出信号生成部と、前記第2のベクトルを生成する第2のベクトル生成部とを含み、
前記第2のベクトル生成部は、前記第3の検出信号と前記第4の検出信号に基づいて前記第2の方向と前記第2の大きさを求めることを特徴とする請求項7記載の角度センサ。 - 前記第1の合成磁界情報生成部は、前記第1の検出位置における前記合成磁界の、互いに直交する方向の2つの成分の強度を表す第1および第2の検出信号を生成する第1および第2の検出信号生成部を含み、
前記第2の合成磁界情報生成部は、前記第2の検出位置における前記合成磁界の、互いに直交する方向の2つの成分の強度を表す第3および第4の検出信号を生成する第3および第4の検出信号生成部を含み、
前記第1および第2の検出信号は、直交座標系における前記第1のベクトルの2つの成分であり、
前記第3および第4の検出信号は、直交座標系における前記第2のベクトルの2つの成分であることを特徴とする請求項7記載の角度センサ。 - 請求項1ないし9のいずれかに記載の角度センサと、
前記検出対象磁界を発生する磁界発生部とを備えた角度センサシステムであって、
前記複数の検出位置は、前記磁界発生部からの距離が互いに異なることを特徴とする角度センサシステム。 - 前記複数の検出位置は、前記磁界発生部を通過する仮想の直線上の互いに異なる位置であることを特徴とする請求項10記載の角度センサシステム。
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