特許ウォッチ

公開番号2024134342
公報種別公開特許公報(A)
公開日2024-10-03
出願番号2023044598
出願日2023-03-20
発明の名称角度検出装置およびポジショナ
出願人アズビル株式会社
代理人個人
主分類G01D 5/245 20060101AFI20240926BHJP(測定;試験)
要約【課題】正確な角度算出が可能なタイミングかどうかを判定して磁界の角度を検出する。
【解決手段】角度検出装置は、MRセンサ10と、MRセンサ10の出力電圧V₁,V₂を測定するセンサ出力測定部111,112と、電圧V₁,V₂に基づいてMRセンサ10に印加される磁界の角度を算出する角度算出部118と、電圧V₁,V₂が所定の幾何学的関係を満たすかどうかを判定して、正確な角度算出が可能なタイミングかどうかを判定する判定部116とを備える。角度算出部118は、算出した値を正確な値として採用するかどうかを、判定部116から得られた結果に基づいて判定する。
【選択図】図2
特許請求の範囲【請求項１】
第１乃至第４の磁気抵抗効果素子からなる第１のブリッジ回路と、前記第１のブリッジ回路と出力電圧の位相が異なるように配置された第５乃至第８の磁気抵抗効果素子からなる第２のブリッジ回路とから構成されたＭＲセンサと、
前記第１、第２のブリッジ回路の出力電圧をそれぞれ測定するように構成されたセンサ出力測定部と、
前記センサ出力測定部によって測定された前記第１、第２のブリッジ回路の出力電圧に基づいて、外部の磁界発生部から前記ＭＲセンサに印加される磁界の角度を算出するように構成された角度算出部と、
前記第１、第２のブリッジ回路の出力電圧が所定の幾何学的関係を満たすかどうかを判定することにより、前記ＭＲセンサによって正確な角度算出が可能なタイミングかどうかを判定するように構成された第１の判定部とを備え、
前記角度算出部は、算出した値を前記磁界の角度の正確な値として採用するかどうかを、前記第１の判定部から得られた結果に基づいて判定することを特徴とする角度検出装置。
続きを表示（約 4,600 文字）【請求項２】
請求項１記載の角度検出装置において、
前記ＭＲセンサを複数備え、
前記センサ出力測定部は、前記複数のＭＲセンサのそれぞれについて前記第１、第２のブリッジ回路の出力電圧を測定し、
前記角度算出部は、前記複数のＭＲセンサのそれぞれについて前記磁界発生部から印加される磁界の角度を算出し、
前記第１の判定部は、前記第１、第２のブリッジ回路の出力電圧が所定の幾何学的関係を満たすかどうかをＭＲセンサ毎に判定することにより、正確な角度算出が可能なタイミングかどうかをＭＲセンサ毎に判定し、
前記角度算出部は、前記複数のＭＲセンサのそれぞれについて算出した値を前記磁界の角度の正確な値として採用するかどうかを、前記第１の判定部から得られた結果に基づいて判定することを特徴とする角度検出装置。
【請求項３】
請求項１記載の角度検出装置において、
前記磁界の角度変化における前記第１、第２のブリッジ回路の出力電圧の平均変化率が所定の条件を満たすかどうかを判定することにより、前記ＭＲセンサによって正確な角度算出が可能なタイミングかどうかを判定するように構成された第２の判定部をさらに備え、
前記角度算出部は、算出した値を前記磁界の角度の正確な値として採用するかどうかを、前記第１の判定部から得られた結果に加えて、前記第２の判定部から得られた結果に基づいて判定することを特徴とする角度検出装置。
【請求項４】
請求項３記載の角度検出装置において、
前記ＭＲセンサを複数備え、
前記センサ出力測定部は、前記複数のＭＲセンサのそれぞれについて前記第１、第２のブリッジ回路の出力電圧を測定し、
前記角度算出部は、前記複数のＭＲセンサのそれぞれについて前記磁界発生部から印加される磁界の角度を算出し、
前記第１の判定部は、前記第１、第２のブリッジ回路の出力電圧が所定の幾何学的関係を満たすかどうかをＭＲセンサ毎に判定することにより、正確な角度算出が可能なタイミングかどうかをＭＲセンサ毎に判定し、
前記第２の判定部は、前記磁界の角度変化における前記第１、第２のブリッジ回路の出力電圧の平均変化率が所定の条件を満たすかどうかをＭＲセンサ毎に判定することにより、正確な角度算出が可能なタイミングかどうかをＭＲセンサ毎に判定し、
前記角度算出部は、前記複数のＭＲセンサのそれぞれについて算出した値を前記磁界の角度の正確な値として採用するかどうかを、前記第１、第２の判定部から得られた結果に基づいて判定することを特徴とする角度検出装置。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の角度検出装置において、
前記第１の判定部は、前記第１のブリッジ回路の出力電圧をＶ
１
、前記第２のブリッジ回路の出力電圧をＶ
２
、前記出力電圧Ｖ
１
の既知のオフセットをＶ
１
ｏｆｆ、前記出力電圧Ｖ
２
の既知のオフセットをＶ
２
ｏｆｆ、前記出力電圧Ｖ
１
の既知の振幅をＶ
ｍ１
、前記出力電圧Ｖ
２
の既知の振幅をＶ
ｍ２
とし、第１の軸が－Ｖ
ｍ１
からＶ
ｍ１
、前記第１の軸と直交する第２の軸が－Ｖ
ｍ２
からＶ
ｍ２
である２次元平面上の楕円において、前記楕円の第１の焦点から点（Ｖ
１
－Ｖ
１
ｏｆｆ，Ｖ
２
－Ｖ
２
ｏｆｆ）までの距離をＣ、前記楕円の第２の焦点から点（Ｖ
１
－Ｖ
１
ｏｆｆ，Ｖ
２
－Ｖ
２
ｏｆｆ）までの距離をＤとしたとき、Ｖ
ｍ１
＞Ｖ
ｍ２
の場合にＣ＋Ｄ＝２×Ｖ
ｍ１
が成立するとき、またはＶ
ｍ１
＜Ｖ
ｍ２
の場合にＣ＋Ｄ＝２×Ｖ
ｍ２
が成立するときに、前記ＭＲセンサによって正確な角度算出が可能なタイミングと判定することを特徴とする角度検出装置。
【請求項６】
請求項３または４記載の角度検出装置において、
前記第１乃至第８の磁気抵抗効果素子は、ＡＭＲ素子であり、
前記第２の判定部は、前記第１のブリッジ回路の出力電圧をＶ
１
、前記第２のブリッジ回路の出力電圧をＶ
２
、前記出力電圧Ｖ
１
の既知の振幅をＶ
ｍ１
、前記出力電圧Ｖ
２
の既知の振幅をＶ
ｍ２
としたとき、前記角度算出部が前記出力電圧Ｖ
１
，Ｖ
２
に基づいて算出した磁界の角度α
Ｂ
と、前記角度算出部が前回の時刻における前記出力電圧Ｖ
１
，Ｖ
２
に基づいて算出した磁界の角度α
Ａ
とから、前記出力電圧Ｖ
１
，Ｖ
２
の変化ΔＶ
１
，ΔＶ
２
を、ΔＶ
１
＝Ｖ
ｍ１
ｃｏｓ２α
Ｂ
－Ｖ
ｍ１
ｃｏｓ２α
Ａ
、ΔＶ
２
＝Ｖ
ｍ２
ｓｉｎ２α
Ｂ
－Ｖ
ｍ２
ｓｉｎ２α
Ａ
により算出し、算出したΔＶ
１
，ΔＶ
２
と前記振幅Ｖ
ｍ１
，Ｖ
ｍ２
と前記角度α
Ｂ
とα
Ａ
との差Δαとについて、［｛（１／Ｖ
ｍ１
）×（ΔＶ
１
／Δα）｝
２
＋｛（１／Ｖ
ｍ２
）×（ΔＶ
２
／Δα）｝
２
］／４≒１が成立するときに、前記ＭＲセンサによって正確な角度算出が可能なタイミングと判定することを特徴とする角度検出装置。
【請求項７】
請求項３または４記載の角度検出装置において、
前記第１乃至第８の磁気抵抗効果素子は、ＧＭＲ素子またはＴＭＲ素子であり、
前記第２の判定部は、前記第１のブリッジ回路の出力電圧をＶ
１
、前記第２のブリッジ回路の出力電圧をＶ
２
、前記出力電圧Ｖ
１
の既知の振幅をＶ
ｍ１
、前記出力電圧Ｖ
２
の既知の振幅をＶ
ｍ２
としたとき、前記角度算出部が前記出力電圧Ｖ
１
，Ｖ
２
に基づいて算出した磁界の角度α
Ｂ
と、前記角度算出部が前回の時刻における前記出力電圧Ｖ
１
，Ｖ
２
に基づいて算出した磁界の角度α
Ａ
とから、前記出力電圧Ｖ
１
，Ｖ
２
の変化ΔＶ
１
，ΔＶ
２
を、ΔＶ
１
＝Ｖ
ｍ１
ｃｏｓα
Ｂ
－Ｖ
ｍ１
ｃｏｓα
Ａ
、ΔＶ
２
＝Ｖ
ｍ２
ｓｉｎα
Ｂ
－Ｖ
ｍ２
ｓｉｎα
Ａ
により算出し、算出したΔＶ
１
，ΔＶ
２
と前記振幅Ｖ
ｍ１
，Ｖ
ｍ２
と前記角度α
Ｂ
とα
Ａ
との差Δαとについて、［｛（１／Ｖ
ｍ１
）×（ΔＶ
１
／Δα）｝
２
＋｛（１／Ｖ
ｍ２
）×（ΔＶ
２
／Δα）｝
２
］≒１が成立するときに、前記ＭＲセンサによって正確な角度算出が可能なタイミングと判定することを特徴とする角度検出装置。
【請求項８】
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の角度検出装置において、
前記第１乃至第８の磁気抵抗効果素子は、ＡＭＲ素子であり、
前記角度算出部は、前記第１のブリッジ回路の出力電圧をＶ
１
、前記第２のブリッジ回路の出力電圧をＶ
２
、前記出力電圧Ｖ
１
の既知の振幅をＶ
ｍ１
、前記出力電圧Ｖ
２
の既知の振幅をＶ
ｍ２
としたとき、前記磁界の角度αを、α＝（１／２）ｔａｎ
－１
［｛Ｖ
ｍ１
（Ｖ
２
－Ｖ
２
ｏｆｆ）｝／｛Ｖ
ｍ２
（Ｖ
１
－Ｖ
１
ｏｆｆ）｝］により算出することを特徴とする角度検出装置。
【請求項９】
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の角度検出装置において、
前記第１乃至第８の磁気抵抗効果素子は、ＧＭＲ素子またはＴＭＲ素子であり、
前記角度算出部は、前記第１のブリッジ回路の出力電圧をＶ
１
、前記第２のブリッジ回路の出力電圧をＶ
２
、前記出力電圧Ｖ
１
の既知の振幅をＶ
ｍ１
、前記出力電圧Ｖ
２
の既知の振幅をＶ
ｍ２
としたとき、前記磁界の角度αを、α＝ｔａｎ
－１
［｛Ｖ
ｍ１
（Ｖ
２
－Ｖ
２
ｏｆｆ）｝／｛Ｖ
ｍ２
（Ｖ
１
－Ｖ
１
ｏｆｆ）｝］により算出することを特徴とする角度検出装置。
【請求項１０】
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の角度検出装置と、
バルブ制御運転時に、前記角度算出部によって正確な値として採用された磁界の角度に基づいてバルブの開度実測値を求めるように構成された開度実測値生成部と、
前記バルブ制御運転時に、前記バルブの開度設定値と前記開度実測値とに基づいて前記バルブの開度を制御するための制御信号を生成するように構成された制御信号生成部とを備え、
前記ＭＲセンサは、前記バルブの開閉によって移動する前記磁界発生部から印加される磁界の角度を検出するように配置されることを特徴とするポジショナ。

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気抵抗効果素子を用いた角度検出装置と、角度検出装置を用いたポジショナに関するものである。
続きを表示（約 2,400 文字）【背景技術】
【０００２】
従来より、角度センサとして、回転体に取り付けられた磁石による磁界の回転角度を測定するセンサが知られている。角度測定には、磁気抵抗効果（ＭＲ：Magneto Resistance effect）素子などを用いたセンサ回路が使用される（特許文献１～４参照）。
【０００３】
図３３は従来のＭＲセンサの構成を示すブロック図である。ＭＲセンサ１０は、磁場のベクトル変化によって電気抵抗が変化するＭＲ素子で構成された２つのブリッジ回路１００，１０１から構成される。ブリッジ回路１００は、ＭＲ素子Ｒ１とＭＲ素子Ｒ２とを直列に接続した直列回路１０３と、ＭＲ素子Ｒ３とＭＲ素子Ｒ４とを直列に接続した直列回路１０４とを並列に接続したものである。同様に、ブリッジ回路１０１は、ＭＲ素子Ｒ５とＭＲ素子Ｒ６とを直列に接続した直列回路１０５と、ＭＲ素子Ｒ７とＭＲ素子Ｒ８とを直列に接続した直列回路１０６とを並列に接続したものである。
【０００４】
図示しない回転体と共に磁石がブリッジ回路１００，１０１の周囲を回転すると、ブリッジ回路１００，１０１に作用する磁界の方向が変化してブリッジ回路１００，１０１のＭＲ素子Ｒ１～Ｒ８の抵抗値が変化する。図３４に示すようにＭＲセンサ１０のブリッジ回路１００，１０１に対して磁界を角度α＝０°～３６０°の向きで印加した場合、ブリッジ回路１００の出力電圧Ｖ
１
を余弦（ｃｏｓ）波で表せるとすると、ブリッジ回路１０１の出力電圧Ｖ
２
を正弦（ｓｉｎ）波で表すことができる。
【０００５】
ＭＲ素子Ｒ１～Ｒ８として異方性磁気抵抗効果（ＡＭＲ：Anisotropic Magneto Resistance effect）素子を用いる場合、ブリッジ回路１００，１０１の出力電圧Ｖ
１
，Ｖ
２
の周期が１８０°であるため、以下の式が得られる。
Ｖ
１
＝Ｖ
ｍ１
ｃｏｓ２α＋Ｖ
１
ｏｆｆ・・・（１）
Ｖ
２
＝Ｖ
ｍ２
ｓｉｎ２α＋Ｖ
２
ｏｆｆ・・・（２）
【０００６】
Ｖ
ｍ１
は出力電圧Ｖ
１
の最大振幅、Ｖ
ｍ２
は出力電圧Ｖ
２
の最大振幅、Ｖ
１
ｏｆｆは出力電圧Ｖ
１
のオフセット、Ｖ
２
ｏｆｆは出力電圧Ｖ
２
のオフセットである。オフセットＶ
１
ｏｆｆ，Ｖ
２
ｏｆｆと振幅Ｖ
ｍ１
，Ｖ
ｍ２
とを事前に求めておけば、出力電圧Ｖ
１
，Ｖ
２
を測定することにより、磁界の角度αを算出することができる。また、ＭＲ素子Ｒ１～Ｒ８として巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ：Giant Magneto Resistance effect）素子またはトンネル磁気抵抗効果（ＴＭＲ：Tunnel Magneto resistance effect）素子を用いる場合、出力電圧Ｖ
１
，Ｖ
２
の周期が３６０°であるため、式（１）、式（２）の２αがαとなる。
【０００７】
ただし、式（１）、式（２）は正確な角度検出をするうえで十分な磁界がかけられている状態の場合で、十分な磁界がかけられていない場合には、ブリッジ回路１００，１０１の出力電圧Ｖ
１
，Ｖ
２
の関係性が不明瞭となる（必ずしも正弦波，余弦波の関係とはならない）。例えばＭＲセンサ１０と磁石１３０とが図３５のような位置関係にある場合、ＭＲセンサ１０が十分な磁界がかけられている状態となり、磁界の角度αを検出することが可能である。一方、ＭＲセンサ１０と磁石１３０とが図３６のような位置関係にある場合、ＭＲセンサ１０に印加される磁界の強度が不十分となり、角度αを検出することが不可能となる。図３５、図３６では、実線１３１の内側がＭＲセンサ１０の角度検出可能範囲を示している。
【０００８】
図３７は、ＭＲ素子Ｒ１～Ｒ８としてＡＭＲ素子を用いた場合の磁界の角度αとブリッジ回路１００，１０１の出力電圧Ｖ
１
，Ｖ
２
との関係を示す図である。図３７の５００は角度検出にとって十分な強度の磁界がＭＲセンサに印加されている範囲を示し、５０１は磁界の強度が不十分な範囲を示している。
【０００９】
以上のように、従来の技術では、ＭＲセンサの検知範囲を超えるような磁石の動きを検知する際、検知範囲外のときは出力電圧Ｖ
１
，Ｖ
２
の関係が不明瞭となるため、どのタイミングからセンシングすれば角度を正確に検知できるかタイミングが分からないという課題があった。また、複数のＭＲセンサがある場合に、どのセンサを選択すれば角度を正確に検知できるか分からないという課題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
米国特許第１０５７１３０５号明細書
欧州特許第２６７２２８５号明細書
特開２０２１－１４８４４７号公報
米国特許出願公開第２０２０／０１９１５４６号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
（【００１１】以降は省略されています）

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