特許ウォッチ

公開番号2024158981
公報種別公開特許公報(A)
公開日2024-11-08
出願番号2023074672
出願日2023-04-28
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 5/16 20060101AFI20241031BHJP(測定;試験)
要約【課題】MRセンサの出力のオフセットを補正することなく磁界の角度を検出する。
【解決手段】角度検出装置1は、MRセンサ10と、MRセンサ10の出力電圧を測定するセンサ出力測定部111,112と、磁界発生部からMRセンサ10に磁界が印加されるときの出力電圧と磁界の角度とを、磁界発生部の軌道上の少なくとも4点について記憶する記憶部113と、測定された出力電圧と記憶部113に記憶されている情報とに基づいて、磁界の角度を算出する角度算出部118と、角度検出時に測定された出力電圧を既知の振幅で除算した値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1
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、
外部の磁界発生部から前記ＭＲセンサに磁界が印加されるときの前記出力電圧と前記磁界の角度とを、前記磁界発生部の軌道上の少なくとも４点について予め記憶するように構成された記憶部と、
角度検出時に前記センサ出力測定部によって測定された前記出力電圧と前記記憶部に記憶されている情報とに基づいて、前記磁界の角度を算出するように構成された角度算出部と、
角度検出時に前記センサ出力測定部によって測定された前記出力電圧を既知の振幅で除算した値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 5,700 文字）【請求項２】
請求項１記載の角度検出装置において、
前記角度算出部は、角度検出時に、前記記憶部に記憶されている情報のうち、前記磁界発生部の軌道上の１点を選択し、前記選択した１点における前記出力電圧と前記角度検出時に測定された前記出力電圧とに基づいて、前記角度検出時の前記磁界発生部の位置と前記選択した１点との中間点に前記磁界発生部が位置する場合の前記磁界の角度を算出し、この算出した角度と前記選択した１点における前記磁界の角度とに基づいて、前記角度検出時に前記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、
角度検出時に前記磁界の角度変化における前記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、
初期設定時に前記記憶部に記憶する情報を設定するように構成された初期設定部をさらに備え、
前記角度算出部は、初期設定時に、前記磁界発生部の軌道上の隣接する２点においてそれぞれ測定された前記出力電圧に基づいて、前記隣接する２点の中間点に前記磁界発生部が位置する場合の前記磁界の角度を算出し、
前記第２の判定部は、初期設定時に、前記磁界発生部が前記軌道上の連続する３点を移動したときに第１の点と第２の点との中間点における前記磁界の角度の値と、前記第２の点と第３の点との中間点における前記磁界の角度の値とを前記角度算出部から取得し、前記第１、第２の点においてそれぞれ測定された前記出力電圧の平均電圧を前記第１の点と前記第２の点との中間点に前記磁界発生部が位置する場合の出力電圧として算出する共に、前記第２、第３の点においてそれぞれ測定された前記出力電圧の平均電圧を前記第２の点と前記第３の点との中間点に前記磁界発生部が位置する場合の出力電圧として算出し、算出した出力電圧と前記角度算出部から取得した前記磁界の角度とに基づいて、前記磁界の角度変化における前記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し、
前記初期設定部は、前記第２の判定部から前記ＭＲセンサによって正確な角度算出が可能という判定結果が得られたときに、前記第１の点と前記第２の点との中間点に前記磁界発生部が位置する場合の出力電圧と、前記第１の点と前記第２の点との中間点に前記磁界発生部が位置する場合の前記磁界の角度とを、前記第１の点と前記第２の点との中間点についての情報として前記記憶部に格納することを特徴とする角度検出装置。
【請求項５】
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、
前記記憶部は、前記複数のＭＲセンサのそれぞれについて前記出力電圧と前記磁界の角度の情報を前記磁界発生部の軌道上の少なくとも４点について記憶し、
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、角度検出時に前記センサ出力測定部によって測定された前記出力電圧を既知の振幅で除算した値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、角度検出時に前記複数の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６】
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、
前記記憶部は、前記複数のＭＲセンサのそれぞれについて前記出力電圧と前記磁界の角度の情報を前記磁界発生部の軌道上の少なくとも４点について記憶し、
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、角度検出時に前記センサ出力測定部によって測定された前記出力電圧を既知の振幅で除算した値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、角度検出時に前記磁界の角度変化における前記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、角度検出時に前記複数の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７】
請求項１記載の角度検出装置において、
前記第１の判定部は、前記記憶部に記憶されている情報のうち３組の情報を選択し、選択した第１の組における前記第１のブリッジ回路の出力電圧をＶ
１Ａ
、前記第１の組における前記第２のブリッジ回路の出力電圧をＶ
２Ａ
、選択した第２の組における前記第１のブリッジ回路の出力電圧をＶ
１Ｂ
、前記第２の組における前記第２のブリッジ回路の出力電圧をＶ
２Ｂ
、選択した第３の組における前記第１のブリッジ回路の出力電圧をＶ
１Ｄ
、前記第３の組における前記第２のブリッジ回路の出力電圧をＶ
２Ｄ
、角度検出時に測定された前記第１のブリッジ回路の出力電圧をＶ
１Ｅ
、角度検出時に測定された前記第２のブリッジ回路の出力電圧をＶ
２Ｅ
とし、前記第１のブリッジ回路の出力電圧の既知の振幅をＶ
ｍ１
、前記第２のブリッジ回路の出力電圧の既知の振幅をＶ
ｍ２
とし、点（Ｖ
１Ａ
／Ｖ
ｍ１
，Ｖ
２Ａ
／Ｖ
ｍ２
）と点（Ｖ
１Ｂ
／Ｖ
ｍ１
，Ｖ
２Ｂ
／Ｖ
ｍ２
）を結ぶ辺の長さをＡＢ、点（Ｖ
１Ｂ
／Ｖ
ｍ１
，Ｖ
２Ｂ
／Ｖ
ｍ２
）と点（Ｖ
１Ｄ
／Ｖ
ｍ１
，Ｖ
２Ｄ
／Ｖ
ｍ２
）を結ぶ辺の長さをＢＤ、点（Ｖ
１Ｄ
／Ｖ
ｍ１
，Ｖ
２Ｄ
／Ｖ
ｍ２
）と点（Ｖ
１Ａ
／Ｖ
ｍ１
，Ｖ
２Ａ
／Ｖ
ｍ２
）を結ぶ辺の長さをＤＡ、点（Ｖ
１Ａ
／Ｖ
ｍ１
，Ｖ
２Ａ
／Ｖ
ｍ２
）と点（Ｖ
１Ｅ
／Ｖ
ｍ１
，Ｖ
２Ｅ
／Ｖ
ｍ２
）を結ぶ辺の長さをＡＥ、点（Ｖ
１Ｅ
／Ｖ
ｍ１
，Ｖ
２Ｅ
／Ｖ
ｍ２
）と点（Ｖ
１Ｄ
／Ｖ
ｍ１
，Ｖ
２Ｄ
【請求項８】
請求項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の点と前記第２の点との中間点に前記磁界発生部が位置する場合の前記第１のブリッジ回路の出力電圧をａｖｅＶ
１α１α２
、前記第１の点と前記第２の点との中間点に前記磁界発生部が位置する場合の前記第１のブリッジ回路の出力電圧をａｖｅＶ
２α１α２
、前記第２の点と前記第３の点との中間点に前記磁界発生部が位置する場合の前記第１のブリッジ回路の出力電圧をａｖｅＶ
１α２α３
、前記第１の点と前記第２の点との中間点に前記磁界発生部が位置する場合の前記第２のブリッジ回路の出力電圧をａｖｅＶ
２α２α３
とし、前記第１の点と前記第２の点との中間点における前記磁界の角度を（α２＋α１）／２、前記第２の点と前記第３の点との中間点における前記磁界の角度を（α３＋α２）／２、前記第１のブリッジ回路の出力電圧の既知の振幅をＶ
ｍ１
、前記第２のブリッジ回路の出力電圧の既知の振幅をＶ
ｍ２
としたとき、磁界の角度変化における前記第１のブリッジ回路の出力電圧の平均変化率（ｃｏｓ２α３－ｃｏｓ２α１）／（α３－α１）を（ａｖｅＶ
１α２α３
－ａｖｅＶ
１α１α２
）／｛（α２＋α３）／２－（α１＋α２）／２｝／Ｖ
ｍ１
＝（ｃｏｓ２α３－ｃｏｓ２α１）／（α３－α１）により算出し、磁界の角度変化における前記第２のブリッジ回路の出力電圧の平均変化率（ｓｉｎ２α３－ｓｉｎ２α１）／（α３－α１）を（ａｖｅＶ
２α２α３
－ａｖｅＶ
２α１α２
）／｛（α２＋α３）－（α１＋α２）｝／Ｖ
ｍ２
＝（ｓｉｎ２α３－ｓｉｎ２α１）／（α３－α１）により算出し、（１／４）×｛（ｃｏｓ２α３－ｃｏｓ２α１）／（α３－α１）｝
２
＋｛（ｓｉｎ２α３－ｓｉｎ２α１）／（α３－α１）｝
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９】
請求項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の点と前記第２の点との中間点に前記磁界発生部が位置する場合の前記第１のブリッジ回路の出力電圧をａｖｅＶ
１α１α２
、前記第１の点と前記第２の点との中間点に前記磁界発生部が位置する場合の前記第１のブリッジ回路の出力電圧をａｖｅＶ
２α１α２
、前記第２の点と前記第３の点との中間点に前記磁界発生部が位置する場合の前記第１のブリッジ回路の出力電圧をａｖｅＶ
１α２α３
、前記第１の点と前記第２の点との中間点に前記磁界発生部が位置する場合の前記第２のブリッジ回路の出力電圧をａｖｅＶ
２α２α３
とし、前記第１の点と前記第２の点との中間点における前記磁界の角度を（α２＋α１）／２、前記第２の点と前記第３の点との中間点における前記磁界の角度を（α３＋α２）／２、前記第１のブリッジ回路の出力電圧の既知の振幅をＶ
ｍ１
、前記第２のブリッジ回路の出力電圧の既知の振幅をＶ
ｍ２
としたとき、磁界の角度変化における前記第１のブリッジ回路の出力電圧の平均変化率（ｃｏｓα３－ｃｏｓα１）／（α３－α１）を（ａｖｅＶ
１α２α３
－ａｖｅＶ
１α１α２
）／｛（α２＋α３）／２－（α１＋α２）／２｝／Ｖ
ｍ１
＝（ｃｏｓα３－ｃｏｓα１）／（α３－α１）により算出し、磁界の角度変化における前記第２のブリッジ回路の出力電圧の平均変化率（ｓｉｎα３－ｓｉｎα１）／（α３－α１）を（ａｖｅＶ
２α２α３
－ａｖｅＶ
２α１α２
）／｛（α２＋α３）－（α１＋α２）｝／Ｖ
ｍ２
＝（ｓｉｎα３－ｓｉｎα１）／（α３－α１）により算出し、｛（ｃｏｓα３－ｃｏｓα１）／（α３－α１）｝
２
＋｛（ｓｉｎα３－ｓｉｎα１）／（α３－α１）｝
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１０】
請求項１または３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 2,500 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３５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３６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：AnisotropicMagneto 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３７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３８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３７、図３８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３９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３９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、ＭＲセンサの出力には角度誤差要因となるオフセットがあるため、正確な角度を算出するためにはオフセットを補正する必要がある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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