JP6361769B1 - 位置予測装置及び位置検出装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】連続的に作動する動作体の所定時刻における位置を極めて高い精度で予測することのできる位置予測装置及び当該位置予測装置を含む位置検出装置を提供する。
【解決手段】連続的に作動する動作体の所定時刻における位置を予測する位置予測装置は、所定時刻よりも過去の位置推定時刻における動作体の推定位置状態を求める推定部と、推定部により推定された動作体の推定位置状態に基づき、動作体の所定時刻における位置を予測する位置予測部とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、動作体の作動による位置を予測する装置及び当該動作体の作動による位置を検出する装置に関する。
従来、工作機械等における機械可動部に取り付けられるサーボモータ等の動作体の回転動作等による物理量の変化を検出することで、当該動作体の位置を検出する位置検出装置が用いられている。この位置検出装置による出力を通じて動作体の回転動作等を連続的に追尾し、動作体にフィードバックすることで、当該動作体の動作制御が行われる。
このような位置検出装置としては、磁界を発生する磁界発生部と磁気検出装置とを備えるものが知られている。かかる磁気検出装置は、一般に、磁界発生部により発生する外部磁界を検知し、磁界発生部が相対的に移動した物理量を示すアナログ信号を出力する磁気検出素子と、上記アナログ信号をデジタル信号に変換し、当該デジタル信号に基づいて現在時刻における動作体の位置を算出することのできる演算回路とを備え、磁気検出素子と演算回路とが同一の半導体チップ上に集積されて一体化された集積回路として構成される。
このような磁気検出装置の演算回路において算出された、現在時刻における動作体の位置情報に基づき、動作体の動作制御が行われる。しかし、磁気検出素子から出力されるアナログ信号についてのフィルタリング処理、アナログ信号をデジタル信号に変換する処理、当該デジタル信号に含まれるノイズを除去するフィルタリング処理、当該デジタル信号に基づいて現在時刻における動作体の位置を算出する処理等により、遅延が生じ得る。そのため、特に高速に作動する動作体を精確に動作制御するために、上記遅延を取り戻すべく、動作体の位置情報から未来の時刻における動作体の位置を予測し、当該予測値に基づいて動作体を制御する方法が採用されている。
このような方法を実施可能な位置検出装置として、従来、回転体に設けられた磁石の磁界強度を計測する磁気センサ素子、磁気センサ素子の計測値から磁石の回転角度を演算する角度計算手段、角度計算手段の出力する回転角度のデータを記憶しておく記憶手段、記憶手段の記憶内容を統計処理することにより回転状態を推定する回転状態推定手段、回転状態推定手段で推定された回転状態から以降の回転角度を予測する外挿処理手段、及び外挿処理手段で予測した回転角度に基づいて回転角度を算出し出力する出力手段を備える回転検出装置が提案されている（特許文献１参照）。
特開２００８−１１６２９２号公報
上記特許文献１に記載の回転検出装置において、磁気センサ素子により一定サンプリング周期で現在時刻の角度が出力され、記憶手段に記憶、蓄積される。そして、記憶手段に記憶、蓄積されている現在時刻の角度データに至る過去の角度データに、平均化フィルタ等の処理を行い、予測すべきサンプリング時刻における角度（予測角度）が求められる。
磁気センサ素子により一定サンプリング周期で出力される、現在時刻の角度データには所定のノイズが含まれる。このようなノイズを含む角度データを用いて、上記特許文献１のように線形外挿処理により予測角度を求めると、予測角度の精度が低下してしまうという問題がある。図１４に示す予測モデルから明らかなように、所定のサンプリング時刻ＴXの角度θXとそれよりも過去のサンプリング時刻ＴX-1の角度θX-1とが、それぞれ所定のノイズ（図１４中、矢印はノイズ幅を表す。）を含み、それらの角度データを用いて所定の時刻ＴXよりも未来のサンプリング時刻ＴX+1における予測角度θX+1を線形外挿予測する場合、予測角度θX+1に含まれるノイズは角度θX，θX-1に含まれるノイズよりも増幅されてしまう。
また、上記角度データを用いた平均フィルタ処理等により予測角度を求めようとすると、それによる群遅延が生じてしまい、予測すべきサンプリング時刻をさらに未来に設定する必要がある。予測すべきサンプリング時刻をさらに未来に設定すると、ノイズの増幅を抑制することができず、予測角度の精度が低下してしまうという問題がある。
予測角度の精度を高めるために、磁気センサ素子により出力される角度データについてフィルタ回路等による処理を行い、当該角度データに含まれるノイズを低減することが考えられる。フィルタ回路等による処理によって、角度データに含まれるノイズを低減することは可能である。しかし、フィルタ回路等による処理により、さらなる遅延が生じてしまうため、予測すべきサンプリング時刻をさらに未来に設定せざるを得ない。このように予測すべきサンプリング時刻をさらに未来に設定すると、フィルタ回路等により低減されたノイズが再び増幅して予測角度に含まれてしまうため、結果として予測角度の精度が低下してしまうという問題がある。
上記課題に鑑み、本発明は、連続的に作動する動作体の所定時刻における位置を極めて高い精度で予測することのできる位置予測装置及び当該位置予測装置を含む位置検出装置を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明は、連続的に作動する動作体の所定時刻における位置を予測する装置であって、前記所定時刻よりも過去の第１時刻における前記動作体の推定位置状態を求める推定部と、前記推定部により推定された前記動作体の推定位置状態に基づき、前記動作体の前記所定時刻における位置を予測する位置予測部と、前記動作体に設けられている磁界発生部の外部磁界を検出することで出力される前記動作体の位置に関する信号に基づき、前記動作体の位置状態を算出する演算処理部と、前記推定部により推定された、前記第１時刻よりも過去の第２時刻における前記動作体の推定位置状態に基づいて、前記動作体の前記第１時刻におけるシミュレート位置状態を求めるシミュレート部とを備え、前記推定部は、前記シミュレート部により求められた前記第１時刻における前記動作体の前記シミュレート位置状態と、前記演算処理部により算出された前記第１時刻における前記動作体の前記位置状態とに基づいて、前記動作体の前記第１時刻における前記推定位置状態を求めることを特徴とする位置予測装置を提供する。
上記位置予測装置において、前記第１時刻における前記動作体の前記位置状態は、前記演算処理部により算出される前記動作体の前記位置状態のうちの最新時刻における前記位置状態であるのが好ましい。
上記予測装置において、前記動作体が、所定の回転軸を中心として回転する回転動作体であり、前記推定部は、前記動作体の前記位置推定時刻における回転角度、角速度及び角加速度の推定値を前記推定位置状態として求めるのが好ましい。
また、本発明は、上記位置予測装置と、前記動作体に設けられてなる前記磁界発生部に対向して配置され、前記動作体の位置を検出可能な検出部とを備えることを特徴とする位置検出装置を提供する。かかる位置検出装置において、前記検出部は、磁気抵抗効果素子を含むのが好ましい。
本発明によれば、連続的に作動する動作体の所定時刻における位置を極めて高い精度で予測することのできる位置予測装置及び当該位置予測装置を含む位置検出装置を提供することができる。
図１は、本発明の一実施形態に係る回転角度検出装置の概略構成を示す斜視図である。 図２は、本発明の一実施形態に係る回転角度検出装置の概略構成を示す側面図である。 図３は、本発明の一実施形態における磁気検出装置の概略構成を示すブロック図である。 図４は、本発明の一実施形態における検出部の回路構成を概略的に示す回路図である。 図５は、本発明の一実施形態における磁気検出素子としてのＭＲ素子の概略構成を示す斜視図である。 図６は、実施例１及び比較例１〜２のモデルにおけるノイズを示すグラフである。 図７は、実施例１におけるシミュレーション結果を示すグラフである。 図８は、比較例１におけるシミュレーション結果を示すグラフである。 図９は、比較例２におけるシミュレーション結果を示すグラフである。 図１０は、実施例２及び比較例３〜４のモデルにおけるノイズを示すグラフである。 図１１は、実施例２におけるシミュレーション結果を示すグラフである。 図１２は、比較例３におけるシミュレーション結果を示すグラフである。 図１３は、比較例４におけるシミュレーション結果を示すグラフである。 図１４は、ノイズを含む角度データを用いた線形予測モデルにおいて予測値に含まれるノイズが増幅することを説明するためのグラフである。
本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、本実施形態に係る回転角度検出装置の概略構成を示す斜視図であり、図２は、本実施形態に係る回転角度検出装置の概略構成を示す側面図であり、図３は、本実施形態における磁気検出装置の概略構成を示すブロック図であり、図４は、本実施形態における検出部の回路構成を概略的に示す回路図であり、図５は、本実施形態における磁気検出素子としてのＭＲ素子の概略構成を示す斜視図である。
図１及び図２に示すように、本実施形態に係る回転角度検出装置１は、磁石２と、磁石２に対向して配置される磁気検出装置３とを備える。磁石２は、回転軸Ｃを中心として連続的に回転する軸部１１（例えばサーボモータ等のモータ軸等）の軸方向の一端部に固定されており、軸部１１の回転に連動して、回転軸Ｃを中心として回転する。
磁石２は、回転軸Ｃに直交する端面２１と、回転軸Ｃを含む仮想平面を中心として対称に配置されたＮ極２２及びＳ極２３とを有し、回転軸Ｃに直交する方向（Ｓ極２３からＮ極２２に向かう方向であって、Ｎ極２２とＳ極２３との境界に直交する方向）に磁化されている。磁石２は、それが有する磁化に基づいて磁界を発生する。
磁気検出装置３は、磁石２の端面２１に対向するように配置されており、磁石２による磁界を検出する。本実施形態に係る回転角度検出装置１は、磁気検出装置３の出力に基づいて磁石２の回転角度、すなわち回転移動する軸部１１の回転角度を検出することができる。
図３に示すように、磁気検出装置３は、検出部３１、Ａ／Ｄ（アナログ−デジタル）変換部３２、演算処理部３３、シミュレート部３４、推定部３５及び予測部３６を有する。検出部３１は、磁石２（図１、図２参照）の磁界を検出する。Ａ／Ｄ変換部３２は、検出部３１から出力されるアナログ信号をデジタル信号に変換する。演算処理部３３は、Ａ／Ｄ変換部３２によりデジタル変換されたデジタル信号を演算処理し、回転角度θを算出する。シミュレート部３４は、推定部３５により推定された回転角度θE、角速度ωE及び角速度αEに基づいて、所定のサンプリング時刻における回転角度θSをシミュレートする。推定部３５は、シミュレート部３４によりシミュレートされた回転角度θSと、演算処理部３３により算出された回転角度θのうちの最新の回転角度θとに基づいて、所定のサンプリング時刻における回転角度θE、角速度ωE及び角加速度αEを推定する。予測部３６は、推定部３５による推定結果（回転角度θE、角速度ωE及び角加速度αE）に基づいて、現在サンプリング時刻における回転角度θPを予測する。本実施形態においては、少なくとも演算処理部３３、シミュレート部３４、推定部３５及び予測部３６により、連続的に作動する動作体（例えば連続的に回転するサーボモータのモータ軸等）の位置（回転位置）を予測可能な位置予測装置が構成される。
図４に示すように、検出部３１は、第１の検出部３１Ａ及び第２の検出部３１Ｂを含み、第１及び第２の検出部３１Ａ，３１Ｂのそれぞれは、少なくとも１つの磁気検出素子を含む。検出部３１は、所定のサンプリング周期（１サンプリング周期は、例えば５０〜１００μｓｅｃ程度）で、磁石２の磁界の方向が所定の方向に対するなす角度（回転角度）に関する検出信号（アナログ信号）を生成し、出力する。
第１及び第２の検出部３１Ａ，３１Ｂのそれぞれは、少なくとも１つの磁気検出素子として、直列に接続された一対の磁気検出素子を含んでいてもよい。この場合において、第１及び第２の検出部３１Ａ，３１Ｂのそれぞれは、直列に接続された第１の一対の磁気検出素子と、直列に接続された第２の一対の磁気検出素子とを含むホイートストンブリッジ回路を有する。
第１の検出部３１Ａが有するホイートストンブリッジ回路３１１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の一対の磁気検出素子Ｒ１１，Ｒ１２と、直列に接続された第２の一対の磁気検出素子Ｒ１３，Ｒ１４とを含む。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とに接続されている。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とに接続されている。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、グランドポートＧ１はグランドに接続される。
第２の検出部３１Ｂが有するホイートストンブリッジ回路３１２は、第１の検出部３１Ａのホイートストンブリッジ回路３１１と同様の構成を有し、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の一対の磁気検出素子Ｒ２１，Ｒ２２と、直列に接続された第２の一対の磁気検出素子Ｒ２３，Ｒ２４とを含む。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とに接続されている。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とに接続されている。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、グランドポートＧ２はグランドに接続される。
本実施形態において、ホイートストンブリッジ回路３１１，３１２に含まれるすべての磁気検出素子Ｒ１１〜Ｒ１４，Ｒ２１〜Ｒ２４として、ＴＭＲ素子、ＧＭＲ素子等のＭＲ素子を用いることができ、特にＴＭＲ素子を用いるのが好ましい。ＴＭＲ素子、ＧＭＲ素子は、磁化方向が固定された磁化固定層と、印加される磁界の方向に応じて磁化方向が変化する自由層と、磁化固定層及び自由層の間に配置される非磁性層とを有する。
具体的には、図５に示すように、ＭＲ素子は、複数の下部電極４１と、複数のＭＲ膜５０と、複数の上部電極４２とを有する。複数の下部電極４１は、基板（図示せず）上に設けられている。各下部電極４１は細長い形状を有する。下部電極４１の長手方向に隣接する２つの下部電極４１の間には、間隙が形成されている。下部電極４１の上面における、長手方向の両端近傍にそれぞれＭＲ膜５０が設けられている。ＭＲ膜５０は、下部電極４１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及び反強磁性層５４を含む。自由層５１は、下部電極４１に電気的に接続されている。反強磁性層５４は、反強磁性材料により構成され、磁化固定層５３との間で交換結合を生じさせることで、磁化固定層５３の磁化の方向を固定する役割を果たす。複数の上部電極４２は、複数のＭＲ膜５０上に設けられている。各上部電極４２は細長い形状を有し、下部電極４１の長手方向に隣接する２つの下部電極４１上に配置され、隣接する２つのＭＲ膜５０の反強磁性層５４同士を電気的に接続する。なお、ＭＲ膜５０は、上部電極４２側から順に自由層５１、非磁性層５２、磁化固定層５３及び反強磁性層５４が積層されてなる構成を有していてもよい。また、磁化固定層５３を、強磁性層／非磁性中間層／強磁性層の積層フェリ構造とし、両強磁性層を反強磁性的に結合させてなる、いわゆるセルフピン止め型の固定層（Synthetic Ferri Pinned層，ＳＦＰ層）とすることで、反強磁性層５４が省略されていてもよい。
ＴＭＲ素子においては、非磁性層５２はトンネルバリア層である。ＧＭＲ素子においては、非磁性層５２は非磁性導電層である。ＴＭＲ素子、ＧＭＲ素子において、自由層５１の磁化の方向が磁化固定層５３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°（互いの磁化方向が平行）のときに抵抗値が最小となり、１８０°（互いの磁化方向が反平行）のときに抵抗値が最大となる。
図４において、磁気検出素子Ｒ１１〜Ｒ１４，Ｒ２１〜Ｒ２４の磁化固定層の磁化の方向を塗りつぶした矢印で表し、自由層の磁化の方向を白抜きの矢印で表す。第１の検出部３１Ａにおいて、磁気検出素子Ｒ１１，Ｒ１４の磁化固定層の磁化の方向は第１の方向Ｄ１に平行な方向であり、磁気検出素子Ｒ１２，Ｒ１３の磁化固定層の磁化の方向は、磁気検出素子Ｒ１１，Ｒ１４の磁化固定層の磁化の方向と反平行方向である。第１の検出部３１Ａにおいて、磁石２の磁界の第１の方向Ｄ１の成分の強度に応じて、出力ポートＥ１１，Ｅ１２の電位差が変化し、磁石２の磁界の第１の方向Ｄ１の強度を表す信号が出力される。
第２の検出部３１Ｂにおいて、磁気検出素子Ｒ２１，Ｒ２４の磁化固定層の磁化の方向は第２の方向Ｄ２（第１の方向Ｄ１に直交する方向）であり、磁気検出素子Ｒ２２，Ｒ２３の磁化固定層の磁化の方向は、磁気検出素子Ｒ２１，Ｒ２４の磁化固定層の磁化の方向と反平行方向である。第２の検出部３１Ｂにおいて、磁石２の磁界の第２の方向Ｄ２の成分の強度に応じて、出力ポートＥ２１，Ｅ２２の電位差が変化し、磁石２の磁界の第２の方向Ｄ２の強度を表す信号が出力される。
差分検出器３７は、出力ポートＥ１１，Ｅ１２の電位差に対応する信号を第１の信号Ｓ１としてＡ／Ｄ変換部３２に出力する。差分検出器３８は、出力ポートＥ２１，Ｅ２２の電位差に対応する信号を第２の信号Ｓ２としてＡ／Ｄ変換部３２に出力する。
図４に示すように、第１の検出部３１Ａにおける磁気検出素子Ｒ１１〜Ｒ１４の磁化固定層の磁化方向と、第２の検出部３１Ｂにおける磁気検出素子Ｒ２１〜Ｒ２４の磁化固定層の磁化方向とは、互いに直交する。この場合、第１の信号Ｓ１の波形は、回転角度θに依存したコサイン（Ｃｏｓｉｎｅ）波形になり、第２の信号Ｓ２の波形は、回転角度θに依存したサイン（Ｓｉｎｅ）波形になる。本実施形態において、第２の信号Ｓ２の位相は、第１の信号Ｓ１の位相に対して信号周期の１／４、すなわちπ／２（９０°）異なっている。
Ａ／Ｄ変換部３２は、検出部３１から所定のサンプリング周期で出力される、第１及び第２の信号（回転角度θに関するアナログ信号）Ｓ１，Ｓ２をデジタル信号に変換し、当該デジタル信号が演算処理部３３に入力される。
演算処理部３３は、Ａ／Ｄ変換部３２によりアナログ信号から変換されたデジタル信号についての演算処理を行い、磁石２の回転角度θを算出する。この演算処理部３３は、例えば、マイクロコンピュータ等により構成される。演算処理部３３により算出された磁石２の回転角度θは、演算処理部３３に含まれる記憶部（図示せず）に記憶される。
磁石２の回転角度θは、例えば下記式で示すアークタンジェント計算によって算出され得る。
θ＝ａｔａｎ（Ｓ１／Ｓ２）
なお、３６０°の範囲内で、上記式における回転角度θの解には、１８０°異なる２つの値がある。しかし、第１の信号Ｓ１及び第２の信号Ｓ２の正負の組み合わせにより、回転角度θの真の値が、上記式における２つの解のいずれかであるかを判別することができる。すなわち、第１の信号Ｓ１が正の値のときは、回転角度θは０°よりも大きく１８０°よりも小さい。第１の信号Ｓ１が負の値のときは、回転角度θは１８０°よりも大きく３６０°よりも小さい。第２の信号Ｓ２が正の値のときは、回転角度θは０°以上９０°未満及び２７０°より大きく３６０°以下の範囲内である。第２の信号Ｓ２が負の値のときは、回転角度θは９０°よりも大きく２７０°よりも小さい。演算処理部３３は、上記式と、第１の信号Ｓ１及び第２の信号Ｓ２の正負の組み合わせの判定とにより、３６０°の範囲内で回転角度θを算出する。
シミュレート部３４は、推定部３５により推定され、記憶部に記憶されている過去のサンプリング時刻における磁石２の回転角度θE、角速度ωE及び角加速度αEから、所定のサンプリング時刻における磁石２の回転角度θSをシミュレートする。例えば、シミュレート部３４は、推定部３５により推定された過去のサンプリング時刻における磁石２の回転角度θE等について、例えば外挿処理等を行うことで、所定のサンプリング時刻における磁石２の回転角度θSをシミュレートすることができる。
推定部３５は、シミュレート部３４により求められた磁石２の回転角度θSに所定のサンプリング時刻における磁石２の回転角度θを反映させることで、当該所定のサンプリング時刻における磁石２の回転角度θEを推定するとともに、角速度ωE及び角加速度αEを推定する。
予測部３６は、推定部３５により推定された磁石２の回転角度θE、角速度ωE及び角加速度αEに基づいて、現在サンプリング時刻における磁石２の回転角度θPを予測する。例えば、予測部３６は、推定部３５により推定された磁石２の回転角度θE等について、例えば外挿処理等を行うことで、現在サンプリング時刻における磁石２の回転角度θPを算出する。
上記構成を有する回転角度検出装置１において、軸部１１の回転に伴い磁石２が回転すると、磁石２の磁界が変化する。その磁界の変化に応じ、検出部３１の磁気検出素子Ｒ１１〜Ｒ１４，Ｒ２１〜Ｒ２４の抵抗値が変化し、第１の検出部３１Ａ及び第２の検出部３１Ｂのそれぞれの出力ポートＥ１１，Ｅ１２，Ｅ２１，Ｅ２２の電位差に応じ、所定のサンプリング周期で第１の方向Ｄ１及び第２の方向Ｄ２における磁石２の磁界強度を表す信号Ｓ１，Ｓ２が差分検出器３７，３８から出力される。そして、差分検出器３７，３８から出力された第１の信号Ｓ１及び第２の信号Ｓ２が出力され、Ａ／Ｄ変換部３２によりデジタル信号に変換される。その後、演算処理部３３により、磁石２の回転角度θが算出される。
本実施形態に係る回転角度検出装置１において、検出部３１からの出力に基づくアナログ信号についてのフィルタリング処理、Ａ／Ｄ変換部３２にてデジタル信号に変換する処理、デジタル信号についてのフィルタリング処理、演算処理部３３における演算処理等により遅延が生じる。この遅延を取り戻すために、予測部３６による回転角度の予測が重要となる。
例えば、本実施形態に係る回転角度検出装置１にて、種々の処理により３サンプリング時刻分の遅延が生じるものとする。すると、現在サンプリング時刻Ｔnにおいて、現在サンプリング時刻Ｔnよりも３サンプリング時刻前Ｔn-3における磁石２の回転角度θn-3が、演算処理部３３により算出される。一方で、シミュレート部３４は、例えば、推定部３５により推定された、現在サンプリング時刻Ｔnよりも４サンプリング時刻前Ｔn-4における磁石２の回転角度θEn-4、角速度ωEn-4及び角加速度αEn-4に基づいて、現在サンプリング時刻Ｔnよりも３サンプリング時刻前Ｔn-3における磁石の回転角度θSn-3をシミュレートして求める。推定部３５は、シミュレート部３４によりシミュレートされた磁石２の回転角度θSn-3に、演算処理部３３により算出された磁石２の回転角度θn-3（現在サンプリング時刻Ｔnにおける最新の磁石２の回転角度）を反映させて、３サンプリング時刻前Ｔn-3における磁石２の回転角度θEn-3を推定するとともに、角速度ωEn-3及び角加速度αEn-3を推定する。そして、予測部３６は、推定部３５により推定された磁石２の回転角度θEn-3、角速度ωEn-3及び角加速度αEn-3に基づき、現在サンプリング時刻Ｔnにおける磁石２の回転角度θPnを予測する。
ここで、演算処理部３３により算出される磁石の回転角度θには、所定のノイズが含まれる。このノイズを含む回転角度θに基づいて現在サンプリング時刻Ｔnにおける回転角度θPnを予測しようとすると、予測される回転角度θPnの予測値に含まれるノイズが増幅されてしまい、正確な予測が困難となる。また、本発明者が先に提案した角速度ωや角加速度αを用いた予測方法（特願２０１５−６７４９８号）においては、予測される回転角度θPnに含まれるノイズの低減が可能であるものの、回転角度θPnの予測値が、演算処理部３３にて算出される回転角度θnからずれてしまうおそれがある。当該予測方法においては、高速で回転動作する動作体において、サンプリング周期のうちの極めて短期間（例えば、現在サンプリング時刻Ｔnから遡って３サンプリング周期以下程度）であれば磁石２の回転運動を等速度回転運動又は等加速度回転運動と仮定し、３サンプリング時刻前Ｔn-3における角速度ωn-3や角加速度αn-3と、現在サンプリング時刻Ｔnにおける角速度ωnや角加速度αnとは実質的に同一であると仮定可能であることを前提とし、３サンプリング時刻前Ｔn-3における磁石２の回転角度θn-3の実測値（演算処理部により算出された回転角度θn-3）から算出された角速度ωn-3や角加速度αn-3に基づいて現在サンプリング時刻Ｔnにおける磁石２の回転角度θPnを予測することで、回転角度θPnに含まれるノイズを低減することができる。しかし、現在サンプリング時刻Ｔnにおける磁石２の回転角度θPnを予測するために用いられる３サンプリング時刻前Ｔn-3における回転角度θn-3が実測値（演算処理部３３により算出された回転角度θn-3）であることで、予測部３６により予測される回転角度θPnが実測値からずれてしまうという問題が生じるものと推察される。
この点、本実施形態においては、現在サンプリング時刻Ｔnにおける磁石２の回転角度θPnを予測するために用いられる３サンプリング時刻前Ｔn-3における回転角度θEn-3、角速度ωEn-3及び角加速度αEn-3が推定値であることで、予測部３６により予測される回転角度θPnが演算処理部３３により算出される回転角度θnからずれてしまうという問題を解消することができ、現在サンプリング時刻Ｔnにおける磁石２の回転角度θPnを極めて精確に予測することができる。
このように、予測部３６により極めて精確に予測される磁石２の回転角度θPnは、軸部１１を含む動作体（例えばモータ軸を含むサーボモータ等）の駆動回路等（図示せず）に入力され、当該動作体の動作制御が行われる。したがって、当該動作体の動作制御を高い精度で行うことができる。
上述したように、本実施形態に係る回転角度検出装置１によれば、予測部３６により現在サンプリング時刻Ｔnにおける回転角度θPnを予測するために用いられる回転角度θEn-3、角速度ωEn-3及び角加速度αEn-3が、現在サンプリング時刻Ｔnのときに演算処理部３３により算出される過去のサンプリング時刻における回転角度θn-3を、シミュレート部３４によりシミュレートされた回転角度θSn-3に反映させることで求められるため、当該回転角度θEn-3、角速度ωEn-3及び角加速度αEn-3に基づき、現在サンプリング時刻Ｔnの回転角度θPnを極めて精確に予測することができる。
また、本実施形態に係る回転角度検出装置１によれば、現在サンプリング時刻Ｔnにおける磁石２の回転角度θPnを予測するために推定部３５により推定される回転角度θEn-3、角速度ωEn-3及び角加速度αEn-3が、シミュレート部３４がシミュレートした回転角度θSn-3と演算処理部３３が算出した最新の回転角度θn-3とを用いるだけで求められるため、当該回転角度θPnの予測のために必要な情報量（サンプル数）を少なくすることができるという効果も奏し得る。
以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって、本発明を限定するために記載されたものではない。したがって、上記実施形態に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨である。
上記実施形態において、予測部３６は、現在サンプリング時刻Ｔnにおける回転角度θPnを予測する態様を例に挙げて説明したが、本発明はこのような態様に限定されるものではなく、例えば、現在サンプリング時刻Ｔnよりも未来（例えば３サンプリング時刻先Ｔn+3の回転角度θPn+3を予測してもよい。
上記実施形態において、磁界発生部として軸部１１に固定された磁石２を用いているが、本発明はこのような態様に限定されるものではなく、例えば、少なくとも１組のＮ極及びＳ極が交互にリング状に配置された磁石を磁界発生部として用い、当該磁石の外周部に磁気検出装置を対向配置させてなるものであってもよいし、直線状スケールを磁界発生部として用いてもよい。
上記実施形態において、磁石２が固定された軸部１１が回転軸Ｃを中心に回転することにより磁石２が磁気検出装置３に対して相対的に回転移動するが、本発明はこのような態様に限定されるものではない。例えば、磁石２（軸部１１）と磁気検出装置３とが、互いに反対方向に回転するものであってもよいし、磁石２（軸部１１）が回転せずに磁気検出装置３が回転するものであってもよい。
以下、実施例等を挙げて本発明をさらに詳細に説明するが、本発明は下記の実施例等に何ら限定されるものではない。
〔実施例１〕
図３及び図４に示す構成を有する磁気検出装置３における、予測部３６による現在サンプリング時刻Ｔnにおける回転角度θPnの予測に関し、ＭＡＴＬＡＢを用いてシミュレーションを行い、回転角度θPnの予測値に含まれるノイズを求めた。かかるシミュレーションにおいて、磁石２が１００００ｄｅｇ／ｓｅｃで等速回転運動し、検出部３１によるサンプリング周期が５０μｓｅｃであり、演算処理部３３により算出される回転角度θに含まれるノイズが±０．１ｄｅｇであり（図６参照）、３サンプリング時刻分（１５０μｓｅｃ）の群遅延が生じるものとした。また、シミュレート部３４は、４サンプリング時刻前Ｔn-4における回転角度θEn-4、角速度ωEn-4及び角加速度En-4を用いた外挿処理により３サンプリング時刻前Ｔn-3の回転角度θSn-3をシミュレートし、推定部３５は、３サンプリング時刻前Ｔn-3の回転角度θn-3を回転角度θSn-3に反映させることで回転角度θEn-3、角速度ωEn-3及び角加速度αEn-3を推定し、それらの推定値θEn-3、ωEn-3、αEn-3を用いた線形外挿処理によって、予測部３６が回転角度θPnを予測するものとした。シミュレーション結果を図７に示す。
〔比較例１〕
演算処理部３３により算出された３サンプリング時刻Ｔn-3〜Ｔn-5における回転角度θn-3〜θn-5を用いて線形外挿処理を行うことで現在サンプリング時刻Ｔnにおける回転角度θPnの予測をすることとした以外は、実施例１と同様にして回転角度θPnの予測値に含まれるノイズを求めた。シミュレーション結果を図８に示す。
〔比較例２〕
４サンプリング時刻Ｔn-3〜Ｔn-6における回転角度θn-3〜θn-6をそれぞれ１回微分した角速度ωn-3〜ωn-6を用いた移動平均フィルタ処理を行うことで現在サンプリング時刻Ｔnにおける回転角度θPnを予測することとした以外は、実施例１と同様にして回転角度θPnの予測値に含まれるノイズを求めた。シミュレーション結果を図９に示す。
実施例１、比較例１及び比較例２の結果（図７〜９参照）から明らかなように、推定部３４により推定された回転角度θEn-3、角速度ωEn-3及び角加速度αEn-3を用いた予測により、回転角度θに所定のノイズが含まれていたとしても、そのノイズを増幅させることなく、現在サンプリング時刻Ｔnの回転角度θPnを極めて精確に予測可能であることが確認された。
〔実施例２〕
磁石２が２×１０8ｄｅｇ／ｓｅｃ2で等加速回転運動しているものとし、演算処理部３３により算出される回転角度θに含まれるノイズが、図１０に示すように速度が大きくなるに従い増大することとした以外は、実施例１と同様にして回転角度θPnの予測値に含まれるノイズを求めた。結果を図１１に示す。
〔比較例３〕
演算処理部３３により算出された３サンプリング時刻Ｔn-3〜Ｔn-5における回転角度θn-3〜θn-5を用いて線形外挿処理を行うことで現在サンプリング時刻Ｔnにおける回転角度θPnの予測をすることとした以外は、実施例２と同様にして回転角度θPnの予測値に含まれるノイズを求めた。シミュレーション結果を図１２に示す。
〔比較例４〕
４サンプリング時刻Ｔn-3〜Ｔn-6における回転角度θn-3〜θn-6をそれぞれ２回微分した角加速度αn-3〜αn-6を用いた移動平均フィルタ処理を行うことで現在サンプリング時刻Ｔnにおける回転角度θPnを予測することとした以外は、実施例２と同様にして回転角度θPnの予測値に含まれるノイズを求めた。シミュレーション結果を図１３に示す。
実施例２、比較例３及び比較例４の結果（図１１〜１３参照）から明らかなように、推定部３４により推定された回転角度θEn-3、角速度ωEn-3及び角加速度αEn-3を用いた予測により、回転角度θに所定のノイズが含まれていたとしても、そのノイズを低減させ、かつ現在サンプリング時刻Ｔnの回転角度θPnの予測値が真の値（演算処理部３３により算出される回転角度θn）からはずれることなく、極めて精確に予測可能であることが確認された。
１…回転角度検出装置（位置検出装置）
２…磁石（磁界発生部）
３…磁気検出装置
３１…検出部
３３…演算処理部
３４…シミュレート部
３５…推定部
３６…予測部

Claims (5)

  1. 連続的に作動する動作体の所定時刻における位置を予測する装置であって、
    前記所定時刻よりも過去の第１時刻における前記動作体の推定位置状態を求める推定部と、
    前記推定部により推定された前記動作体の推定位置状態に基づき、前記動作体の前記所定時刻における位置を予測する位置予測部と、
    前記動作体に設けられている磁界発生部の外部磁界を検出することで出力される前記動作体の位置に関する信号に基づき、前記動作体の位置状態を算出する演算処理部と、
    前記推定部により推定された、前記第１時刻よりも過去の第２時刻における前記動作体の推定位置状態に基づいて、前記動作体の前記第１時刻におけるシミュレート位置状態を求めるシミュレート部と
    を備え、
    前記推定部は、前記シミュレート部により求められた前記第１時刻における前記動作体の前記シミュレート位置状態と、前記演算処理部により算出された前記第１時刻における前記動作体の前記位置状態とに基づいて、前記動作体の前記第１時刻における前記推定位置状態を求めることを特徴とする位置予測装置。
  2. 前記第１時刻における前記動作体の前記位置状態は、前記演算処理部により算出される前記動作体の前記位置状態のうちの最新時刻における前記位置状態であることを特徴とする請求項１に記載の位置予測装置。
  3. 前記動作体が、所定の回転軸を中心として回転する回転動作体であり、
    前記推定部は、前記動作体の前記位置推定時刻における回転角度、角速度及び角加速度の推定値を前記推定位置状態として求めることを特徴とする請求項１又は２に記載の位置予測装置。
  4. 請求項１〜３のいずれかに記載の位置予測装置と、
    前記動作体に設けられてなる前記磁界発生部に対向して配置され、前記動作体の位置を検出可能な検出部と
    を備えることを特徴とする位置検出装置。
  5. 前記検出部は、磁気抵抗効果素子を含むことを特徴とする請求項４に記載の位置検出装置。
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