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JP5043878B2 - Angle detection device and angle detection method - Google Patents

Angle detection device and angle detection method Download PDF

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JP5043878B2 JP2009067748A JP2009067748A JP5043878B2 JP 5043878 B2 JP5043878 B2 JP 5043878B2 JP 2009067748 A JP2009067748 A JP 2009067748A JP 2009067748 A JP2009067748 A JP 2009067748A JP 5043878 B2 JP5043878 B2 JP 5043878B2
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  • Transmission And Conversion Of Sensor Element Output (AREA)

Description

本発明は互いに直交する向きに配置された少なくとも2個のホール素子からの出力信号を受けて、磁界中における基準位置からの回転角変位に応じた値を出力する角度検出装置に関する。   The present invention relates to an angle detection device that receives output signals from at least two Hall elements arranged in directions orthogonal to each other and outputs a value corresponding to a rotational angular displacement from a reference position in a magnetic field.

モータの回転軸やサーボ機構中の回転体の回転角度を測定するための装置として、従来よりレゾルバが用いられている。周知のとおり、レゾルバは、ローターコイルとステーターコイルを有し、ステーターコイルに励磁電流を流したときに両コイル間の相対的な回転角度に応じてローターコイルに誘起する電圧をRD(レゾルバデジタル)変換ICで信号変換することによって回転角のデジタル信号を得ている。   A resolver has been conventionally used as a device for measuring the rotation angle of a rotating shaft of a motor or a rotating body in a servo mechanism. As is well known, a resolver has a rotor coil and a stator coil, and when an excitation current is passed through the stator coil, the voltage induced in the rotor coil according to the relative rotation angle between the two coils is RD (resolver digital). The digital signal of the rotation angle is obtained by converting the signal with the conversion IC.

レゾルバは、そのローターコイルおよびステーターコイルの巻き線数を多くすることにより電磁誘導効果を向上させているため、回転角度検出の感度が高い。レゾルバは、一般に、堅牢なハウジングにコイルを収納した構造をとり、高温環境でも使用できるという優れた耐環境性を持ったデバイスである。
しかし、レゾルバはその製造過程で、精密にコイルを巻く必要があるため、低コスト化が困難であり、また、ローターコイルおよびステーターコイルの巻き数を多くする必要性から、小型化、省スペース化、低コスト化の点では不利である。
Since the resolver improves the electromagnetic induction effect by increasing the number of windings of the rotor coil and the stator coil, the resolution of the rotation angle is high. A resolver generally has a structure in which a coil is housed in a solid housing and has excellent environmental resistance that can be used even in a high temperature environment.
However, it is difficult to reduce the cost of the resolver because it is necessary to wind the coil precisely during the manufacturing process. Also, the need to increase the number of windings of the rotor coil and the stator coil reduces the size and space. This is disadvantageous in terms of cost reduction.

また、レゾルバはコイルと上述のRD変換IC間を接続するための配線が必要であり、この配線が断線する虞がある。このため、レゾルバのコイルとRD変換IC間の配線の断線を検出するための技術も提案されている(例えば、特許文献1参照)。
一方、RD変換ICは、一般に、抵抗、コンデンサといった多くの外付け部品を必要とするものが多い(例えば、非特許文献1参照)。
In addition, the resolver requires wiring for connecting the coil and the above-described RD conversion IC, and there is a possibility that this wiring is disconnected. For this reason, a technique for detecting disconnection of the wiring between the resolver coil and the RD conversion IC has also been proposed (see, for example, Patent Document 1).
On the other hand, RD conversion ICs generally require many external parts such as resistors and capacitors (see Non-Patent Document 1, for example).

他方、レゾルバを用いない非接触回転角度検出装置では、磁石とホール素子等の磁気センサを用いて回転角度を検出する方式のものがある。これは、磁石が作る磁界内に、2つの磁気センサを互い直交する向きに配置し、該2つの磁気センサから得られるホール素子出力信号に基づいて磁石の回転角度を求める。
磁石とホール素子を用いて回転角度を検出する方式の回転角度検出装置では、レゾルバを用いた非接触回転角度センサによる回転角度検出装置と比較して、小型化、省スペース化、低コスト化を実現でき、また、組み立て、実装がしやすいという利点がある。
On the other hand, some non-contact rotation angle detection devices that do not use a resolver detect the rotation angle using a magnetic sensor such as a magnet and a Hall element. In this method, two magnetic sensors are arranged in a direction perpendicular to each other in a magnetic field generated by the magnet, and the rotation angle of the magnet is obtained based on the Hall element output signals obtained from the two magnetic sensors.
The rotation angle detection device that uses a magnet and a Hall element to detect the rotation angle is smaller, saves space, and costs less than a rotation angle detection device that uses a resolver and a non-contact rotation angle sensor. It has the advantage that it can be realized and is easy to assemble and mount.

しかし、ホール素子出力信号には、製造ばらつきによるオフセットが存在し、さらに非接触回転角度検出用IC中のアナログ回路部においてもオフセットが存在している。従って、このホール素子出力信号のオフセット及びアナログ回路部におけるオフセットが出力信号である角度検出値に誤差を生ずる。
角度検出信号に含まれる上述のような種々のオフセットのうち、ホール素子出力信号のオフセットを除去する技術はよく利用されている。これは、2つのホール素子の検出出力を、クロック信号で変調して、位相が反転した2相の信号として取り出し、該変調信号に対し復調をかけると、オフセット成分が相対的に高周波数側に分離するので、ローパスフィルタでこのオフセット成分を除去するといった技術である(例えば、非特許文献2参照)。
However, the Hall element output signal has an offset due to manufacturing variations, and there is also an offset in the analog circuit portion in the non-contact rotation angle detection IC. Therefore, the offset of the Hall element output signal and the offset in the analog circuit section cause an error in the detected angle value as the output signal.
Of the various offsets included in the angle detection signal as described above, a technique for removing the offset of the Hall element output signal is often used. This is because the detection output of the two Hall elements is modulated with a clock signal and taken out as a two-phase signal whose phase is inverted, and when the modulated signal is demodulated, the offset component becomes relatively high-frequency side. Therefore, the offset component is removed with a low-pass filter (see, for example, Non-Patent Document 2).

特開2000−131096号公報JP 2000-131096 A

アナログデバイセズ製 RD変換IC AD2S83 データシート(ANALOG DEVICES Variable Resolution Resolver-to-Digital Converter AD2S83)Analog Devices RD Converter IC AD2S83 Datasheet (ANALOG DEVICES Variable Resolution Resolver-to-Digital Converter AD2S83) R S Popovic著 Hall Effect Devices (ISBN-10:0750300965 Inst of Physics Pub Inc (1991/05)刊Published by R S Popovic, Hall Effect Devices (ISBN-10: 0750300965 Inst of Physics Pub Inc (1991/05)

しかしながら、上述のような非特許文献2所載の方法では、非接触回転角度検出用IC中のアナログ回路全体のオフセットを除去することはできず、角度の検出出力に誤差を生ずる。そのため、角度の高精度化と小型化を同時に実現するために、ホール素子出力信号のオフセット及びアナログ回路全体のオフセットを、回路規模を大きくすることなく効率的に除去する方法が課題となっている。
本発明は上述のような従来の技術課題に鑑みてなされたものであり、ホール素子出力信号のオフセットのみならずアナログ回路全体のオフセットを、回路規模を大きくすることなく効率よく除去して、高精度で信頼性が高く、小型化が容易な角度検出装置を提供することを目的とする。
However, with the method described in Non-Patent Document 2 as described above, the offset of the entire analog circuit in the non-contact rotation angle detection IC cannot be removed, and an error occurs in the angle detection output. Therefore, in order to achieve high accuracy and miniaturization of the angle at the same time, a method for efficiently removing the offset of the Hall element output signal and the offset of the entire analog circuit without increasing the circuit scale is an issue. .
The present invention has been made in view of the above-described conventional technical problems, and efficiently removes not only the offset of the Hall element output signal but also the offset of the entire analog circuit without increasing the circuit scale. An object of the present invention is to provide an angle detection device that is accurate, reliable, and easy to downsize.

上述のような課題を解決するべく、本発明の角度検出装置は次のような構成を有する。
(1)互いに直交する向きに配置された少なくとも1対のホール素子からの出力信号を入力し、磁界中における基準位置からの回転角変位に応じた値を出力する角度検出装置であって、
クロック信号に同期して、前記ホール素子の駆動電流の端子と出力端子とを交互に切り替えて後段側に接続すると共に前記ホール素子の駆動電流の方向を切り替える第1スイッチ回路部と、
前記クロック信号に同期して、前記第1スイッチ回路部から出力されるホール素子の出力信号の符号を切り替える第2スイッチ回路部と、
前記第2スイッチ回路部からの出力信号を△Σ変調する△Σ変調部と、
複数の角度に対応する正弦および余弦が記憶された記憶部と、
前記△Σ変調部の出力信号と前記記憶部から出力される所定の正弦および余弦とに基づく信号から低域通過特性を有するループフィルタによって高周波成分を除去した後に時間積分して得られる角度信号を前期記憶部に供給する角度検出ループ部と、
を備えたことを特徴とする角度検出装置。
In order to solve the above-described problems, the angle detection device of the present invention has the following configuration.
(1) An angle detection device that inputs output signals from at least one pair of Hall elements arranged in directions orthogonal to each other and outputs a value corresponding to a rotational angular displacement from a reference position in a magnetic field,
In synchronization with the clock signal, the first switch circuit unit that alternately switches the drive current terminal and the output terminal of the Hall element to connect to the subsequent stage and switches the direction of the drive current of the Hall element;
A second switch circuit unit that switches a sign of an output signal of the Hall element output from the first switch circuit unit in synchronization with the clock signal;
A ΔΣ modulator that ΔΣ modulates an output signal from the second switch circuit unit;
A storage unit storing sine and cosine corresponding to a plurality of angles;
An angle signal obtained by time integration after removing a high frequency component from a signal based on an output signal of the ΔΣ modulation unit and a predetermined sine and cosine output from the storage unit by a loop filter having a low-pass characteristic. An angle detection loop unit to be supplied to the storage unit in the previous period;
An angle detection device comprising:

上記(1)の角度検出装置では、互いに直交する向きに配置された少なくとも1対のホール素子からの出力信号を入力し、磁界中における基準位置からの回転角変位に応じた値を出力する。この場合、上記ホール素子の磁界中における基準位置からの回転角は、当該磁界(磁束)の方向との相対的角度であり、従って、静止した(例えば1対の)ホール素子に対して磁界側が回転変位する態様をとり得る。   In the angle detection apparatus of (1), output signals from at least one pair of Hall elements arranged in directions orthogonal to each other are input, and a value corresponding to the rotational angular displacement from the reference position in the magnetic field is output. In this case, the rotation angle of the hall element from the reference position in the magnetic field is a relative angle with respect to the direction of the magnetic field (magnetic flux). It can take the form of rotational displacement.

第1スイッチ回路部が、クロック信号に同期して、前記ホール素子の駆動電流の端子と出力端子とを交互に切り替えて後段側に接続すると共に前記ホール素子の駆動電流の方向を切り替える。
また、第2スイッチ回路部が、前記クロック信号に同期して、前記第1スイッチ回路部から出力されるホール素子の出力信号の符号を切り替える。
The first switch circuit unit alternately switches the drive current terminal and the output terminal of the Hall element in synchronization with the clock signal to connect to the rear stage side and switch the direction of the drive current of the Hall element.
The second switch circuit unit switches the sign of the output signal of the Hall element output from the first switch circuit unit in synchronization with the clock signal.

また、△Σ変調部では、前記第2スイッチ回路部からの出力信号を△Σ変調する。
一方、記憶部が、複数の角度に対応する正弦および余弦の値を記憶保持している。
更に、角度検出ループ部が、前記△Σ変調部の出力信号と前記記憶部から出力される所定の正弦および余弦とに基づく信号から、低域通過特性を有するループフィルタによって高周波成分を除去した後に時間積分して得られる角度信号を前期記憶部に供給する。
尚、上記のクロック信号としては、図5を参照して後述するようなチョッパークロック信号を適用可能である。
Further, the ΔΣ modulation unit ΔΣ modulates the output signal from the second switch circuit unit.
On the other hand, the storage unit stores and holds sine and cosine values corresponding to a plurality of angles.
Further, after the angle detection loop unit removes high frequency components from the signal based on the output signal of the ΔΣ modulation unit and the predetermined sine and cosine output from the storage unit by a loop filter having a low-pass characteristic. An angle signal obtained by time integration is supplied to the previous storage unit.
As the clock signal, a chopper clock signal as will be described later with reference to FIG. 5 can be applied.

ホール素子、ΔΣ変調器、チョッパークロック信号に同期したスイッチ回路によって、ホール起電力信号のオフセット及び非接触回転角度検出用IC中のアナログ回路全体のオフセットをチョッパークロック信号の周波数に変調し、後段の位相同期回路に内蔵されるループフィルタによって、新たにオフセットを除去する回路を設けることなく、変調されたオフセットを効率的に除去することができる。
同時にΔΣ変調器に入力される信号がチョッパークロック信号によって変調された信号であるため、ΔΣ変調器からのパターンノイズの発生を抑制することができる。
The Hall element, ΔΣ modulator, and switch circuit synchronized with the chopper clock signal modulate the offset of the Hall electromotive force signal and the offset of the entire analog circuit in the non-contact rotation angle detection IC to the frequency of the chopper clock signal. The modulated offset can be efficiently removed without providing a new circuit for removing the offset by the loop filter incorporated in the phase locked loop circuit.
At the same time, since the signal input to the ΔΣ modulator is a signal modulated by the chopper clock signal, generation of pattern noise from the ΔΣ modulator can be suppressed.

さらにΔΣ変調器で発生するノイズシェーピングされた量子化ノイズを、後段の位相同期回路に内蔵されるループフィルタによって、新たに量子化ノイズを低減させるための回路を設けることなく、効率的に低減することができる。
つまり、ホール素子、ΔΣ変調器、チョッパークロック信号に同期したスイッチ回路、ループフィルタを内蔵した位相同期回路を用いることによって、角度誤差の原因となる全てのオフセット及びノイズを、ICの面積を増やすことなく効率的に除去もしくは低減し、高精度で信頼性が高く、小型化が容易な角度検出装置を実現することができる。
Furthermore, the noise-shaped quantization noise generated in the ΔΣ modulator is efficiently reduced without providing a new circuit for reducing the quantization noise by a loop filter built in the subsequent phase synchronization circuit. be able to.
In other words, by using a Hall element, a ΔΣ modulator, a switch circuit synchronized with a chopper clock signal, and a phase locked loop with a built-in loop filter, all offsets and noise that cause angular errors can be increased in IC area. Therefore, it is possible to realize an angle detection device that is efficiently removed or reduced, highly accurate, highly reliable, and easy to downsize.

本発明の実施の形態としての角度検出装置を表すブロック図である。It is a block diagram showing the angle detection apparatus as embodiment of this invention. 図1の角度検出装置を適用した非接触回転角度センサの構成を表す図である。It is a figure showing the structure of the non-contact rotation angle sensor to which the angle detection apparatus of FIG. 1 is applied. 図1中の1対のホール素子による各ホール素子出力信号とこれによって検出される回転角度θとの関係を表すベクトル図である。FIG. 2 is a vector diagram showing a relationship between each Hall element output signal by a pair of Hall elements in FIG. 1 and a rotation angle θ detected thereby. チョッパークロック信号CCに同期してホール素子の駆動電流を変化させた場合にホール素子出力信号がホール素子の出力端子間に生起する様子を表す図である。It is a figure showing a mode that a Hall element output signal arises between the output terminals of a Hall element, when the drive current of a Hall element is changed synchronizing with the chopper clock signal CC. チョッパークロック信号CCとホール素子出力信号との関係を表すタイミングチャートである。It is a timing chart showing the relationship between the chopper clock signal CC and the Hall element output signal. 図1中の△Σ変調器の構成例を表すブロック図である。FIG. 2 is a block diagram illustrating a configuration example of a ΔΣ modulator in FIG. 1. △Σ変調器によるノイズシェーピング効果の図である。It is a figure of the noise shaping effect by a ΔΣ modulator. 図1の角度検出装置の前段であるホール素子、および、角度検出装置のうちのアナログ回路の具体例を示す図である。It is a figure which shows the specific example of the analog circuit of the Hall element which is the front | former stage of the angle detection apparatus of FIG. 1, and an angle detection apparatus. 図8の△Σ変調器に供給されるサンプリングクロック信号を表す図である。FIG. 9 is a diagram illustrating a sampling clock signal supplied to the ΔΣ modulator of FIG. 8. ホール起電力信号およびアナログ回路のオフセットの除去、パターンノイズの除去、量子化ノイズの低減化について説明するための図である。It is a figure for demonstrating the removal of the offset of a Hall electromotive force signal and an analog circuit, the removal of pattern noise, and reduction of quantization noise. パターンノイズ発生の抑制効果に関するシミュレーション結果(チョッパークロック信号による変調を伴わない場合)を表す図である。It is a figure showing the simulation result (when not accompanied by the modulation by a chopper clock signal) about the suppression effect of pattern noise generation. パターンノイズ発生の抑制効果に関するシミュレーション結果(チョッパークロック信号による変調を伴う場合)を表す図である。It is a figure showing the simulation result (when accompanied by the modulation by a chopper clock signal) regarding the suppression effect of pattern noise generation.

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について詳述することにより本発明を明らかにする。
図1は、本発明の実施の形態としての角度検出装置を表すブロック図である。互いに直交する向きに配置された1対のホール素子11および12の出力が各対応する第1スイッチ回路部13および14に供給されるように接続されている。
ホール素子11は通常の如く2対の端子を有する素子であり、仮想平面内に設定した直交する2軸であるX軸およびY軸のうちX軸に沿うように配設されている。このため、以下、適宜、ホール素子11をXホール素子と称呼する。
Hereinafter, the present invention will be clarified by describing embodiments of the present invention in detail with reference to the drawings.
FIG. 1 is a block diagram showing an angle detection apparatus as an embodiment of the present invention. The outputs of the pair of Hall elements 11 and 12 arranged in directions orthogonal to each other are connected so as to be supplied to the corresponding first switch circuit sections 13 and 14.
The Hall element 11 is an element having two pairs of terminals as usual, and is arranged along the X axis among the X axis and the Y axis, which are two orthogonal axes set in a virtual plane. For this reason, hereinafter, the Hall element 11 is appropriately referred to as an X Hall element.

また、ホール素子12も通常の如く2対の端子を有する素子であり、上述のX軸およびY軸のうちY軸に沿うように配設されている。このため、以下、適宜、ホール素子12をYホール素子と称呼する。
更に、上記に伴い、Xホール素子11に対応する第1スイッチ回路部13を、以下、適宜、Xチャンネル側第1スイッチ回路部と称呼する。
同様に、Yホール素子12に対応する第1スイッチ回路部14を、以下、適宜、Yチャンネル側第1スイッチ回路部と称呼する。
The Hall element 12 is also an element having two pairs of terminals as usual, and is arranged along the Y axis of the above-mentioned X axis and Y axis. For this reason, hereinafter, the Hall element 12 will be appropriately referred to as a Y Hall element.
Further, in connection with the above, the first switch circuit unit 13 corresponding to the X Hall element 11 is hereinafter referred to as an X channel side first switch circuit unit as appropriate.
Similarly, the first switch circuit unit 14 corresponding to the Y Hall element 12 is hereinafter appropriately referred to as a Y channel side first switch circuit unit.

第1スイッチ回路部13および14の出力は各対応するプリアンプ15および16を通して、各対応する第2スイッチ回路部17および18に供給される。
これら第2スイッチ回路部17および18についても、第1スイッチ回路部13および14について上述したところと同様に、以下、適宜、Xチャンネル側第2スイッチ回路部およびYチャンネル側第2スイッチ回路部と称呼する。
第2スイッチ回路部17および18の出力は各対応する△Σ変調器50および60に供給される。
The outputs of the first switch circuit units 13 and 14 are supplied to the corresponding second switch circuit units 17 and 18 through the corresponding preamplifiers 15 and 16.
As for the second switch circuit units 17 and 18, as described above for the first switch circuit units 13 and 14, hereinafter, the X channel side second switch circuit unit and the Y channel side second switch circuit unit will be appropriately Call it.
The outputs of the second switch circuit units 17 and 18 are supplied to the corresponding ΔΣ modulators 50 and 60, respectively.

△Σ変調器50および60についても、以下、適宜、△Σ変調器50をXチャンネル側△Σ変調器と称呼し、同様に、△Σ変調器60をYチャンネル側△Σ変調器と称呼する。
△Σ変調器50および60の出力は、各対応する乗算器21および22に供給され、更に、これら乗算器21および22の各出力が減算器23に供給されて、両乗算器21および22の各出力の差分の出力を得るように構成されている。尚、これら乗算器21および22、ならびに、減算器23を含んで、位相誤差検出回路20が構成されている。
Also for the ΔΣ modulators 50 and 60, hereinafter, the ΔΣ modulator 50 is appropriately referred to as an X channel side ΔΣ modulator, and similarly, the ΔΣ modulator 60 is also referred to as a Y channel side ΔΣ modulator. .
The outputs of the ΔΣ modulators 50 and 60 are supplied to the corresponding multipliers 21 and 22, and further, the outputs of the multipliers 21 and 22 are supplied to the subtractor 23. A difference output of each output is obtained. The phase error detection circuit 20 is configured including the multipliers 21 and 22 and the subtracter 23.

減算器23の出力が、低域通過特性を有するループフィルタ24を介して、DCO(Digitally Controlled Oscillator)25に供給される。
DCO25の出力は、正負の符号を持った出力であり、次段のカウンタ26でこのDCO25の出力を常時計数している。
カウンタ26の計数出力は測定対象である角度と相関を有する角度θの値であり、この角度θに対応する正弦および余弦の出力を得る記憶部27および28に供給される。本例の場合、記憶部27は、入力された角度(データ)θに対応する正弦関数の値を出力する信号変換部を成し、記憶部28は、入力された角度データに対応する余弦関数の値を出力する信号変換部を成している。これら記憶部27および28は入力側に供給された種々の角度(データ)θに対応してそれらデータの三角関数の値に相応する出力データの関係を設定したテーブルデータを保有するROMとして構成され得る。
記憶部27の出力は乗算器21に供給され、記憶部28の出力は乗算器22に供給される。
The output of the subtracter 23 is supplied to a DCO (Digitally Controlled Oscillator) 25 through a loop filter 24 having a low-pass characteristic.
The output of the DCO 25 is an output having a positive / negative sign, and the output of the DCO 25 is always counted by the counter 26 in the next stage.
The count output of the counter 26 is a value of an angle θ n that has a correlation with the angle to be measured, and is supplied to storage units 27 and 28 that obtain sine and cosine outputs corresponding to the angle θ n . In the case of this example, the storage unit 27 forms a signal conversion unit that outputs a value of a sine function corresponding to the input angle (data) θ n , and the storage unit 28 cosines corresponding to the input angle data. It constitutes a signal converter that outputs the value of the function. These storage units 27 and 28 are configured as ROMs holding table data in which the relationship of output data corresponding to the value of the trigonometric function of these data is set corresponding to various angles (data) θ n supplied to the input side. Can be done.
The output of the storage unit 27 is supplied to the multiplier 21, and the output of the storage unit 28 is supplied to the multiplier 22.

以上の構成において、第1スイッチ回路部13および14、第2スイッチ回路部17および18、ならびに、△Σ変調器50および60には、チョッパークロック生成回路300からのチョッパークロック信号CCが各供給されて、後述するスイッチング動作が実行される。また、△Σ変調器50および60には、サンプリングクロック生成回路400からのサンプリングクロック信号SCも供給されて、後述する△Σ変調動作が実行される。   In the above configuration, the chopper clock signal CC from the chopper clock generation circuit 300 is supplied to the first switch circuit units 13 and 14, the second switch circuit units 17 and 18, and the ΔΣ modulators 50 and 60, respectively. Thus, a switching operation described later is executed. The ΔΣ modulators 50 and 60 are also supplied with the sampling clock signal SC from the sampling clock generation circuit 400, and a ΔΣ modulation operation described later is executed.

また、本例では、上述の第1スイッチ回路部13および14、プリアンプ15および16、第2スイッチ回路部17および18、ならびに、△Σ変調器50および60を含んで、アナログ回路部100が構成されている。更に、図示の装置の場合は、1対のホール素子11および12は静止しており、これらに交差する磁界側が相対的に移動する方式を採っているため、これらホール素子11および12もアナログ回路部100内に設けられている。
更にまた、位相誤差検出回路20、ループフィルタ24、DCO25、カウンタ26、記憶部27および28を含んで、デジタル回路部である位相同期回路200が構成されている。
In this example, the analog circuit unit 100 includes the first switch circuit units 13 and 14, the preamplifiers 15 and 16, the second switch circuit units 17 and 18, and the ΔΣ modulators 50 and 60. Has been. Further, in the case of the illustrated apparatus, the pair of Hall elements 11 and 12 are stationary and the magnetic field side intersecting them is relatively moved, so that these Hall elements 11 and 12 are also analog circuits. It is provided in the part 100.
Further, the phase error detection circuit 20, the loop filter 24, the DCO 25, the counter 26, and the storage units 27 and 28 constitute a phase synchronization circuit 200 that is a digital circuit unit.

図2は、図1の角度検出装置を適用した非接触回転角度センサの構成を表す図である。図2におけるICパッケージ1内に図1の角度検出装置の回路が収められている。このICパッケージ1の上面に一定の間隔でモータの出力軸2の端部に同軸に取り付けた円盤状の永久磁石3が近接対抗する関係で位置している。
互いに直交する向きに配置された1対のホール素子11および12はICパッケージ1内に、既述のように、静止して配置されているのに対し、モータの出力軸2と一体的に回転する永久磁石3による磁界が相対的に移動する。
FIG. 2 is a diagram illustrating a configuration of a non-contact rotation angle sensor to which the angle detection device of FIG. 1 is applied. The circuit of the angle detection device in FIG. 1 is housed in the IC package 1 in FIG. Disc-shaped permanent magnets 3 that are coaxially attached to the end portion of the output shaft 2 of the motor at regular intervals are positioned on the upper surface of the IC package 1 so as to oppose each other.
The pair of Hall elements 11 and 12 arranged in the directions orthogonal to each other are arranged stationary in the IC package 1 as described above, but rotate integrally with the output shaft 2 of the motor. The magnetic field generated by the permanent magnet 3 is relatively moved.

図3は、1対のホール素子11および12による上述の各ホール素子出力信号VxおよびVyと、これによって検出される回転角度θとの関係を表すベクトル図である。Xホール素子11およびYホール素子12は、既述のように互いに直交する向きに配置された位置関係で図2のICパッケージ1内に配置され、円盤状の永久磁石3による回転磁界中にあって、それぞれホール素子出力信号をその1対の検出出力端子に生起する。
Xホール素子11およびYホール素子12によるホール素子出力信号VxおよびVyは
FIG. 3 is a vector diagram showing the relationship between the above-described Hall element output signals Vx and Vy from the pair of Hall elements 11 and 12 and the rotation angle θ detected thereby. As described above, the X Hall element 11 and the Y Hall element 12 are arranged in the IC package 1 in FIG. 2 in a positional relationship in which the X Hall element 11 and the Y Hall element 12 are orthogonal to each other. Thus, each Hall element output signal is generated at the pair of detection output terminals.
Hall element output signals Vx and Vy from the X Hall element 11 and the Y Hall element 12 are

Figure 0005043878
Figure 0005043878

Figure 0005043878
である。ここでAはホール素子の感度である。
Figure 0005043878
It is. Here, A is the sensitivity of the Hall element.

図4は、チョッパークロック信号CCに同期してホール素子の駆動電流を変化させた場合にホール素子出力信号がホール素子の出力端子間に生起する様子を表す図である。
図4(a)は、チョッパークロック信号CCの一の半周期毎の位相(位相1)における駆動電流の方向とホール素子出力信号の方向とを示す図であり、図4(b)は、チョッパークロック信号CCの他の半周期毎の位相(位相2)における駆動電流の方向とホール素子出力信号の方向とを示す図である。何れの場合も磁界はシンボルで示したように紙面に垂直で後方に抜ける向きであると想定している。
FIG. 4 is a diagram illustrating how the Hall element output signal is generated between the output terminals of the Hall element when the drive current of the Hall element is changed in synchronization with the chopper clock signal CC.
FIG. 4A is a diagram showing the direction of the drive current and the direction of the Hall element output signal in the phase (phase 1) of one half cycle of the chopper clock signal CC, and FIG. It is a figure which shows the direction of the drive current in the phase (phase 2) for every other half cycle of the clock signal CC, and the direction of a Hall element output signal. In either case, it is assumed that the magnetic field is in a direction perpendicular to the paper surface and exiting backward as indicated by the symbol.

図4(a)および図4(b)を対比して明らかな如く、位相1においては、ホール素子の2対の端子のうちの一方の1対の端子に駆動電流を流し他の1対の端子からホール素子出力信号V1を得る。また、位相2においては、ホール素子の2対の端子のうちの他方の1対の端子に駆動電流を流して一方の1対の端子からホール素子出力信号V2を得る。このとき、位相1における駆動電流の方向と位相2おける駆動電流の方向とは図示のとおり相互に直角をなす関係になる。ホール素子によるホール素子出力信号V1およびV2は位相の切替わりに同期して、第1スイッチ回路部13および14によって交互に後段の回路である各対応するプリアンプ15および16に供給される。   4A and 4B, in phase 1, in the phase 1, a driving current is supplied to one of the two terminals of the Hall element, and the other pair of terminals. The Hall element output signal V1 is obtained from the terminal. Further, in phase 2, a drive current is passed through the other pair of terminals of the two pairs of Hall elements to obtain the Hall element output signal V2 from the one pair of terminals. At this time, the direction of the drive current in phase 1 and the direction of the drive current in phase 2 are perpendicular to each other as shown. Hall element output signals V1 and V2 by the Hall elements are supplied alternately to the corresponding preamplifiers 15 and 16 as the subsequent circuits by the first switch circuit sections 13 and 14 in synchronization with the switching of the phase.

図4(a)および図4(b)を参照して説明した駆動電流とホール素子出力信号との関係は、換言すれば、第1スイッチ回路部によって、チョッパークロック信号CCに同期して、ホール素子の駆動電流の端子と出力端子とを交互に切り替えて後段側に接続すると共にこのホール素子の駆動電流の方向を切り替えるということである。
図5は、チョッパークロック信号CCとホール素子出力信号との関係を表すタイミングチャートである。図5(a)は周波数fcのチョッパークロック信号CCを表し、図5(b)はホール素子出力信号を表している。
The relationship between the drive current and the Hall element output signal described with reference to FIGS. 4A and 4B is, in other words, the Hall signal output signal synchronized with the chopper clock signal CC by the first switch circuit unit. This means that the drive current terminal and the output terminal of the element are alternately switched and connected to the subsequent stage side, and the direction of the drive current of the Hall element is switched.
FIG. 5 is a timing chart showing the relationship between the chopper clock signal CC and the Hall element output signal. FIGS. 5 (a) represents the chopper clock signal CC frequency f c, FIG. 5 (b) represents the Hall element output signal.

ホール素子出力信号の正負は、駆動電流の方向に依存しているため、チョッパークロック信号CCの周波数fcで変調されるのに対し、ホール素子出力信号のオフセットは駆動電流の向きに依存しないため、直流成分となる。そのため、図5(b)のように、位相1ではV1=VHall + Voff、位相2ではV2=−VHall + Voffとなる。この信号を復調する際に、ホール起電力信号のオフセットは変調されるため、後段にローパスフィルタを設けることによって、ホール起電力信号のオフセットを除去することが可能となる。 The positive and negative Hall element output signal, because it depends on the direction of the driving current, while being modulated at a frequency f c of the chopper clock signal CC, the offset of the Hall element output signal does not depend on the orientation of the drive current It becomes a DC component. Therefore, as shown in FIG. 5B, V1 = V Hall + V off in phase 1 and V2 = −V Hall + V off in phase 2. Since the offset of the Hall electromotive force signal is modulated when demodulating this signal, it is possible to remove the offset of the Hall electromotive force signal by providing a low-pass filter in the subsequent stage.

ここで説明を図1に戻す。Xホール素子11の系統では、Xチャンネル側第1スイッチ回路部13によって、チョッパークロック信号CCに同期して、ホール素子の駆動電流の端子と出力端子とを交互に切り替えて後段側のプリアンプ15に接続すると共にこのホール素子の駆動電流の方向を切り替える。
Yホール素子12の系統についても同様に、Yチャンネル側第1スイッチ回路部14によって、チョッパークロック信号CCに同期して、ホール素子の駆動電流の端子と出力端子とを交互に切り替えて後段側のプリアンプ16に接続すると共にこのホール素子の駆動電流の方向を切り替える。
Here, the description returns to FIG. In the X Hall element 11 system, the X channel side first switch circuit unit 13 switches the Hall element drive current terminal and the output terminal alternately in synchronism with the chopper clock signal CC to provide the preamplifier 15 on the rear stage side. While connecting, the direction of the drive current of the Hall element is switched.
Similarly, with respect to the system of the Y Hall element 12, the Y channel side first switch circuit unit 14 alternately switches the terminal of the Hall element drive current and the output terminal in synchronism with the chopper clock signal CC. The direction of the drive current of the Hall element is switched while being connected to the preamplifier 16.

プリアンプ15の出力信号はXチャンネル側第2スイッチ回路部17に供給されて、チョッパークロック信号CCに同期して、該出力信号の符号が切替えられる。この切替えは、前段のYチャンネル側第1スイッチ回路部14における変調に対応する復調である。この復調に際して、前段で変調されていたホール素子出力信号が復調される一方、Xホール素子11に関するオフセットおよびプリアンプ15のオフセットについては、チョッパークロック信号CC周波数fcで変調がかけられる。 The output signal of the preamplifier 15 is supplied to the X channel side second switch circuit unit 17, and the sign of the output signal is switched in synchronization with the chopper clock signal CC. This switching is demodulation corresponding to the modulation in the Y-channel first switch circuit unit 14 in the preceding stage. During this demodulation, while the Hall element output signal which has been modulated in the preceding paragraph is demodulated, for offset of the offset and the preamplifier 15 in the X Hall element 11, the modulation is applied by the chopper clock signal CC frequency f c.

プリアンプ16の出力信号についても、その出力信号はYチャンネル側第2スイッチ回路部18に供給されて、チョッパークロック信号CCに同期して、該出力信号の符号が切替えられる。Xチャンネル側におけると同様に、前段で変調されていたホール素子出力信号が復調される一方、Yホール素子12に関するオフセットおよびプリアンプ16のオフセットについては、チョッパークロック信号CC周波数fcで変調がかけられる。 Also for the output signal of the preamplifier 16, the output signal is supplied to the Y channel side second switch circuit section 18, and the sign of the output signal is switched in synchronization with the chopper clock signal CC. As in the X channel side, while the Hall element output signal which has been modulated in the preceding paragraph is demodulated, for offset Y offset and pre-amplifier 16 relates to the Hall element 12, the modulation is applied by the chopper clock signal CC frequency f c .

上述のようなXチャンネル側第2スイッチ回路部17の出力信号およびYチャンネル側第2スイッチ回路部18の出力信号が、各対応する△Σ変調器50および60に入力される。既述のように△Σ変調器50および60ではチョッパークロック生成回路300からのチョッパークロック信号CCおよびサンプリングクロック生成回路400からのサンプリングクロック信号SCが供給され、上記入力された信号に対し△Σ変調をかける。   The output signal of the X channel side second switch circuit unit 17 and the output signal of the Y channel side second switch circuit unit 18 as described above are input to the corresponding ΔΣ modulators 50 and 60, respectively. As described above, the ΔΣ modulators 50 and 60 are supplied with the chopper clock signal CC from the chopper clock generation circuit 300 and the sampling clock signal SC from the sampling clock generation circuit 400, and ΔΣ modulation is performed on the input signal. multiply.

図6は、△Σ変調器50および60の構成例である1次の△Σ変調器を表すブロック図である。この△Σ変調器に改めて参照符号60を附す。この△Σ変調器60は、アナログ信号の入力部の加算器61、この加算器61の出力を積分する積分器62、積分器62の出力を量子化する量子化器63、および、量子化器63の出力を入力側の加算器61にフィードバックするループ中に介挿されたデジタルアナログ変換器64を含んで構成されている。
図6の△Σ変調器60は、入力をVin(z)、出力をVout(z)、量子化ノイズをE(z)としたとき、以下の(3)式で表される。
FIG. 6 is a block diagram showing a first-order ΔΣ modulator which is a configuration example of ΔΣ modulators 50 and 60. This ΔΣ modulator is given a reference numeral 60 again. This ΔΣ modulator 60 includes an adder 61 at the analog signal input unit, an integrator 62 that integrates the output of the adder 61, a quantizer 63 that quantizes the output of the integrator 62, and a quantizer The digital-analog converter 64 inserted in the loop which feeds back the output of 63 to the adder 61 of the input side is comprised.
The ΔΣ modulator 60 in FIG. 6 is expressed by the following equation (3), where V in (z) is the input, V out (z) is the output, and E (z) is the quantization noise.

Figure 0005043878
Figure 0005043878

即ち、量子化ノイズに関する伝達関数は(1− z−1)となる。この量子化ノイズに関する伝達関数を周波数に関する式に変換した上、さらにk次の△Σ変調器にまで拡張すると次の(4)式となる。 That is, the transfer function related to quantization noise is (1−z −1 ). When the transfer function related to the quantization noise is converted into an expression related to the frequency and further expanded to a k-th order ΔΣ modulator, the following expression (4) is obtained.

Figure 0005043878
Figure 0005043878

ここでfsは、既述のとおり、△Σ変調器のサンプリング周波数である。ここで振幅の大きさに注目すると、(4)式の大きさは、次の(5)式で表される。 Here, f s is the sampling frequency of the ΔΣ modulator as described above. Here, paying attention to the magnitude of the amplitude, the magnitude of the equation (4) is expressed by the following equation (5).

Figure 0005043878
Figure 0005043878

この(5)式から、量子化ノイズは、周波数が高いほうへシェーピングされることがわかる。
図7は、△Σ変調器によるノイズシェーピング効果の図である。ノイズシェーピング効果を考慮しない場合には、量子化ノイズは、破線図示のように、低周波域から高周波域まで略一様に分布する。これに対しノイズシェーピング効果を考慮した場合の量子化ノイズは、実線図示のように、高周波域に向けて漸増する特性を有し、低周波域ではそのレベルが低い。従って、実線図示のようなローパスフィルタを適用して大部分の量子化ノイズを除くことができる。図7では、上述のようにノイズシェーピング効果によって低減させることのできる量子化ノイズの部分にハッチングを施して示してある。
From this equation (5), it can be seen that the quantization noise is shaped toward a higher frequency.
FIG. 7 is a diagram of the noise shaping effect by the ΔΣ modulator. When the noise shaping effect is not considered, the quantization noise is distributed substantially uniformly from the low frequency range to the high frequency range as shown by the broken line. On the other hand, the quantization noise in consideration of the noise shaping effect has a characteristic of gradually increasing toward the high frequency region as shown by the solid line, and its level is low in the low frequency region. Therefore, most of the quantization noise can be removed by applying a low-pass filter as shown by a solid line. In FIG. 7, the quantization noise portion that can be reduced by the noise shaping effect as described above is hatched.

更に、△Σ変調器の後段に接続された位相同期回路部200には、ローパスフィルタの特性を有するループフィルタ24が備えられているため、他に別段のフィルタを設けることなく量子化ノイズを効率よく除去することができる。
ここで再び説明を図1に戻し、位相同期回路200について次に詳述する。位相同期回路200に入力される信号は、△Σ変調器50および60の出力信号であるs1およびs2、ならびに、デジタル角度出力θがある。また、記憶部27および28の出力であるsinθおよびcosθがある。これらの信号は位相誤差検出回路20の乗算器21および22に供給される。これら乗算器21および22で上述の各対応する入力信号が乗算され、次の(6)式および(7)式によって表される信号s3およびs4を得る。
Further, since the phase locked loop circuit unit 200 connected to the subsequent stage of the ΔΣ modulator is provided with a loop filter 24 having the characteristics of a low-pass filter, it is possible to efficiently perform quantization noise without providing another filter. Can be removed well.
Here, the description will be returned to FIG. 1 again, and the phase synchronization circuit 200 will be described in detail. Signal inputted to the phase synchronizing circuit 200, △ sigma modulator 50 and 60 is the output signal of the s1 and s2, as well, there is a digital angle output theta n. Further, there is a sin [theta n and cos [theta] n, which is the output of the memory unit 27 and 28. These signals are supplied to the multipliers 21 and 22 of the phase error detection circuit 20. These multipliers 21 and 22 multiply the corresponding input signals described above to obtain signals s3 and s4 represented by the following equations (6) and (7).

Figure 0005043878
Figure 0005043878

Figure 0005043878
Figure 0005043878

ここでαはプリアンプ15及びプリアンプ16の信号増幅率である。これらs3およびs4は減算器23に供給されてそれらの差分である(8)式によって表される信号s5を得る。   Here, α is a signal amplification factor of the preamplifier 15 and the preamplifier 16. These s3 and s4 are supplied to the subtracter 23 to obtain a signal s5 represented by the equation (8) which is a difference between them.

Figure 0005043878
Figure 0005043878

上述のようにして△Σ変調器50および60の出力信号から位相誤差検出回路20を通して信号s5を得る場合には、次のような利点がある。
S1=Aαcosθ、および、S2=Aαsinθは、△Σ変調器50および60によって+1および−1の符号付1ビット信号に変換された信号である。そのためS5は、S1及びS2の正負4パターンの組み合わせによって、以下の(9)式で表される。
When the signal s5 is obtained from the output signals of the ΔΣ modulators 50 and 60 through the phase error detection circuit 20 as described above, there are the following advantages.
S1 = Aαcosθ and S2 = Aαsinθ are signals converted by the ΔΣ modulators 50 and 60 into signed 1-bit signals of +1 and −1. Therefore, S5 is expressed by the following equation (9) by a combination of four positive and negative patterns of S1 and S2.

Figure 0005043878
Figure 0005043878

(9)式から、位相誤差検出回路の出力信号S5は、ディジタル角度出力θnを、記憶部27および28に通して得られるsinθn及びcosθnの加減算回路で取得できる。
従って、本発明のように△Σ変調器50および60と位相同期回路200(その位相誤差検出回路20)を組み合わせることにより、位相誤差検出回路は加減算回路で実現でき、位相誤差検出回路の回路規模を小さくすることが可能となる。
また、本実施の形態では、位相誤差検出回路20の後段のループフィルタ24が重要な機能を担っている。
(9) from the equation, the output signal S5 of the phase error detection circuit, the digital angle output theta n, can be obtained by adding and subtracting circuit for sin [theta n and cos [theta] n obtained through the storage unit 27 and 28.
Therefore, by combining the ΔΣ modulators 50 and 60 and the phase synchronization circuit 200 (its phase error detection circuit 20) as in the present invention, the phase error detection circuit can be realized by an addition / subtraction circuit, and the circuit scale of the phase error detection circuit Can be reduced.
In the present embodiment, the loop filter 24 at the subsequent stage of the phase error detection circuit 20 has an important function.

ループフィルタ24は、ローパスフィルタ特性を持つフィルタ回路であり、このループフィルタ24の周波数特性によって、非接触回転角度センサ用ICである本角度検出装置の応答特性が決定される。ループフィルタ24から出力されるDCO制御信号ωは、DCO(Digitally Controlled Oscillator)回路25を制御するために使用される。このDCO回路25では、時刻tのとき、時刻t以前のサンプリング時間に得られたωの値がカウンタ26で積算されてディジタル角度出力θnが得られる。
既述のように、記憶部27および記憶部28では、それぞれ、θnに対する正弦と余弦の値を保持しており、これらの値sinθn及びcosθnを、位相誤差検出回路20にフィードバックしている。上述のような構成をとることで、回転角度検出を実現することができる。
The loop filter 24 is a filter circuit having a low-pass filter characteristic, and the response characteristic of the present angle detection device, which is a non-contact rotation angle sensor IC, is determined by the frequency characteristic of the loop filter 24. A DCO control signal ω output from the loop filter 24 is used to control a DCO (Digitally Controlled Oscillator) circuit 25. In the DCO circuit 25, at the time t, the value of ω obtained at the sampling time before the time t is integrated by the counter 26 to obtain the digital angle output θ n .
As described above, the storage unit 27 and the storage unit 28 hold sine and cosine values for θ n , respectively, and these values sin θ n and cos θ n are fed back to the phase error detection circuit 20. Yes. By adopting the configuration as described above, rotation angle detection can be realized.

一般に角度センサとしての非線形性は、位相誤差検出回路の非線形性によって劣化することが多い。これは、従来の位相誤差検出回路ではDAC(デジタルアナログ変換器)が用いられているため、このDACの非線形性が角度出力に大きく影響してしまうためである。そのため、位相誤差検出回路におけるDACは高い線形性が要求され、この要求を満たすためにはマッチングの優れた抵抗アレイやコンデンサアレイを必要とする。従って、回路規模も大きく、低コスト化が困難であった。本発明では、角度センサの非線形性に大きく影響する位相誤差検出回路を加減算回路に置き換えられるため、回路規模を大きくすることなく、高い検出精度を得ることができる。   In general, nonlinearity as an angle sensor often deteriorates due to nonlinearity of a phase error detection circuit. This is because the DAC (digital / analog converter) is used in the conventional phase error detection circuit, and the nonlinearity of the DAC greatly affects the angle output. For this reason, the DAC in the phase error detection circuit is required to have high linearity, and a resistor array and a capacitor array with excellent matching are required to satisfy this requirement. Therefore, the circuit scale is large and it is difficult to reduce the cost. In the present invention, since the phase error detection circuit that greatly affects the nonlinearity of the angle sensor can be replaced with an addition / subtraction circuit, high detection accuracy can be obtained without increasing the circuit scale.

次にホール素子出力信号のオフセット、プリアンプのオフセット及び△Σ変調器のオフセットがチョッパークロック周波数fcに変調されることについて、図8を参照して詳細に説明する。
図8は、図1の角度検出装置の前段であるホール素子、および、角度検出装置のうち既述のアナログ回路の具体例を示す図である。尚、図8では既述の位相同期回路については一つのブロックとしてのみ示してあるが、この部分に関する開示は図1におけるものを援用する。また、図8においては、△Σ変調器に関して、図1における参照符号50および60に替えて500および600を附している。
Then the Hall element output signal offset for the offset and △ sigma modulator offset of the preamplifier is modulated chopper clock frequency f c, is described in detail with reference to FIG.
FIG. 8 is a diagram illustrating a specific example of the above-described analog circuit among the Hall element, which is the previous stage of the angle detection device of FIG. 1, and the angle detection device. In FIG. 8, the above-described phase synchronization circuit is shown only as one block, but the disclosure relating to this part is the same as in FIG. In FIG. 8, regarding the ΔΣ modulator, reference numerals 50 and 60 in FIG.

先ず、Xホール素子11に関するスイッチング動作について説明する。Xホール素子11の出力信号は、対応する第1スイッチ回路部13で、既述のようにチョッパークロック信号CCに同期して2対の端子うちの1対の端子からの出力が交互に切替えて導出され、プリアンプ15に供給される。
プリアンプ15の出力は、第2スイッチ回路部17で、チョッパークロック信号CCに同期して極性が反転するようにして切替えて出力され、従って、前段の第1スイッチ回路部13で受けた変調が、この第2スイッチ回路部17で復調される。
First, the switching operation regarding the X Hall element 11 will be described. The output signal of the X Hall element 11 is switched by the corresponding first switch circuit unit 13 so that the output from one of the two pairs of terminals is alternately switched in synchronization with the chopper clock signal CC as described above. Derived and supplied to the preamplifier 15.
The output of the preamplifier 15 is switched and output by the second switch circuit unit 17 so that the polarity is inverted in synchronization with the chopper clock signal CC. Therefore, the modulation received by the first switch circuit unit 13 in the previous stage is Demodulated by the second switch circuit unit 17.

上述のように第1スイッチ回路部でホール素子の出力信号に変調を与え、これを第2スイッチ回路部で復調する作用については、Yホール素子12に関するスイッチング動作についても同様である。
Xホール素子11からの出力信号およびYホール素子12からの出力信号Vx,Vyは、オフセットがある場合、次の(10)式および(11)式で表される。
As described above, the operation of modulating the output signal of the Hall element by the first switch circuit unit and demodulating it by the second switch circuit unit is the same as the switching operation for the Y Hall element 12.
When there is an offset, the output signals from the X Hall element 11 and the output signals Vx and Vy from the Y Hall element 12 are expressed by the following equations (10) and (11).

Figure 0005043878
Figure 0005043878

Figure 0005043878
Figure 0005043878

(10)式および(11)式で表されるVx,Vyは、第1スイッチ回路部13および14で変調される。既述のように、Xホール素子11からの出力信号およびYホール素子12からのホール起電力信号がチョッパークロック信号CCの周波数fcで変調されるのに対し、ホール素子出力信号のオフセットは駆動電流の向きに依存しないため、直流成分となる。次段のプリアンプ15および16では、入力信号がα倍される。プリアンプ15および16にもオフセットはあるが、入力信号に対し一定であるため、ホール起電力信号のオフセットと同様に直流成分である。 Vx and Vy expressed by the equations (10) and (11) are modulated by the first switch circuit units 13 and 14. As described above, while the Hall electromotive force signal from the output signal and the Y Hall element 12 from the X Hall element 11 is modulated at a frequency f c of the chopper clock signal CC, the offset of the Hall element output signal is driven Since it does not depend on the direction of current, it becomes a DC component. In the preamplifiers 15 and 16 at the next stage, the input signal is multiplied by α. Although the preamplifiers 15 and 16 also have an offset, they are constant with respect to the input signal, and thus have a direct current component similar to the offset of the Hall electromotive force signal.

プリアンプ15および16の次段の第2スイッチ回路部17および18はチョッパークロック信号CCに同期してプリアンプ15および16の1対の出力信号を後段に接続するときの接続関係を交互に切替える。このため、前段の第1スイッチ回路部13および14で変調を受けた信号はこの第2スイッチ回路部17および18で元のDC信号に復調される。   The second switch circuit units 17 and 18 in the next stage of the preamplifiers 15 and 16 alternately switch the connection relationship when the pair of output signals of the preamplifiers 15 and 16 are connected to the subsequent stage in synchronization with the chopper clock signal CC. For this reason, the signals modulated by the first switch circuit sections 13 and 14 in the previous stage are demodulated into original DC signals by the second switch circuit sections 17 and 18.

これに対し、第1スイッチ回路部13および14で変調を受けずDC信号として留まっていたホール起電力信号のオフセット及びプリアンプのオフセットはチョッパークロック信号CCに同期してその周波数fcで変調される。このように変調された信号が、各対応する△Σ変調器500および600に入力される。
本例の△Σ変調器500および600は、図6を参照して既述の1次の△Σ変調器であるが、本発明の角度検出装置に適合する△Σ変調器は1次である必然性はなく、複数次の△Σ変調器を適用可能である。
Contrast is modulated with the frequency f c in synchronization with the offset and the offset of the preamplifier of the first switch circuit section 13 and the Hall electromotive force signal has remained as a DC signal without being modulated at 14 chopper clock signal CC . The signals modulated in this way are input to the corresponding ΔΣ modulators 500 and 600, respectively.
The ΔΣ modulators 500 and 600 of the present example are the first-order ΔΣ modulators already described with reference to FIG. 6, but the ΔΣ modulator suitable for the angle detection device of the present invention is the first order. There is no necessity, and a multiple-order ΔΣ modulator can be applied.

図9において、Xホール素子11側のチャンネルに関する△Σ変調器500の回路要素については、500番台の参照符号を附してある。またYホール素子12に関する△Σ変調器600の回路要素については、600番台の参照符号を附してある。両△Σ変調器500および600は相似的な構成を有するものであるため、△Σ変調器500についてその構成に言及し、△Σ変調器600については、対応する回路要素に600番台の符号を附して示し、△Σ変調器500に関する言及を援用する。   In FIG. 9, the circuit elements of the ΔΣ modulator 500 relating to the channel on the X Hall element 11 side are given reference numerals in the 500s. The circuit elements of the ΔΣ modulator 600 relating to the Y Hall element 12 are given reference numerals in the 600s. Since both ΔΣ modulators 500 and 600 have similar configurations, the configuration of the ΔΣ modulator 500 will be referred to, and for the ΔΣ modulator 600, the corresponding circuit elements are denoted by reference numerals in the 600s. Additional reference is made to the reference to the ΔΣ modulator 500.

△Σ変調器500にはチョッパークロック信号CCが供給され、この信号CCに同期して全差動オペアンプ530の入力側切替えスイッチ510および出力側切替えスイッチ550の切替え動作が行われる。尚、全差動オペアンプ530にはこれらのスイッチ510および550を介した各帰還ループ中にそれぞれコンデンサ531および532が設けられてスイッチドキャパシタ回路を構成している。
また、△Σ変調器500には図1のサンプリングクロック生成回路400からのサンプリングクロック信号SCに基づいて生成された、図9に示すような、何れも周波数fsの2相のノーオーバーラップのクロック信号であるサンプリングクロック信号φ1およびφ2が供給される。
The ΔΣ modulator 500 is supplied with a chopper clock signal CC, and the input side changeover switch 510 and the output side changeover switch 550 of the fully differential operational amplifier 530 are switched in synchronization with the signal CC. The fully-differential operational amplifier 530 is provided with capacitors 531 and 532 in each feedback loop via these switches 510 and 550 to constitute a switched capacitor circuit.
Further, the ΔΣ modulator 500 is a two-phase no-overlapping circuit having a frequency f s as shown in FIG. 9, which is generated based on the sampling clock signal SC from the sampling clock generation circuit 400 of FIG. Sampling clock signals φ1 and φ2 which are clock signals are supplied.

△Σ変調器500に関する図示のスイッチ501、502、505、および、506、がサンプリングクロック信号φ1によって制御され、スイッチ515、516、517、および、518がサンプリングクロック信号φ2によって制御される。これらサンプリングクロック信号φ1によって制御されるスイッチ群とサンプリングクロック信号φ2によって制御されるスイッチ群とは、図9の2相のノーオーバーラップのクロック信号の波形に実質的に添う形で、略逆相の形でそれらの開閉が制御される。   The illustrated switches 501, 502, 505, and 506 for the ΔΣ modulator 500 are controlled by the sampling clock signal φ1, and the switches 515, 516, 517, and 518 are controlled by the sampling clock signal φ2. The switch group controlled by the sampling clock signal φ1 and the switch group controlled by the sampling clock signal φ2 substantially follow the waveform of the two-phase no-overlap clock signal in FIG. Their opening and closing is controlled in the form of

積分コンデンサ503および504はサンプリングクロック信号φ1によって制御されるスイッチ群がオンであるときに入力信号(第2スイッチ回路部17の出力信号)s1によって接地(GND)電位との電位差で充電され、サンプリングクロック信号φ2によって制御されるスイッチ群がオンであるときに入力側切替えスイッチ510を通して全差動オペアンプ530に供給される。
全差動オペアンプ530の出力側には出力側切替えスイッチ550を介して量子化器570が接続されている。この量子化器570の出力s1が既述の位相同期回路220に供給される。
The integration capacitors 503 and 504 are charged by the potential difference from the ground (GND) potential by the input signal (output signal of the second switch circuit unit 17) s1 when the switch group controlled by the sampling clock signal φ1 is on, and sampling is performed. When the switch group controlled by the clock signal φ2 is on, the signal is supplied to the fully differential operational amplifier 530 through the input side changeover switch 510.
A quantizer 570 is connected to the output side of the fully differential operational amplifier 530 via an output side changeover switch 550. The output s1 of the quantizer 570 is supplied to the phase synchronization circuit 220 described above.

また、一方、この出力s1は、切替えスイッチ581および582の切替え制御信号としても用いられる。これら切替えスイッチ581および582は、所定の正側の電源電圧Vref+および負側の電源電圧Vref-を信号s1に従って選択的に切替えて、各対応するスイッチ515および516を介して、積分コンデンサ503および504の各入力側に印加する。これにより、所定のタイミングで、積分コンデンサ503および504の蓄積電荷がリセットされる。   On the other hand, the output s1 is also used as a switching control signal for the changeover switches 581 and 582. These change-over switches 581 and 582 selectively switch a predetermined positive-side power supply voltage Vref + and negative-side power supply voltage Vref− according to the signal s1, and integrate capacitors 503 and 504 via the corresponding switches 515 and 516, respectively. Applied to each input side. As a result, the accumulated charges in the integrating capacitors 503 and 504 are reset at a predetermined timing.

上述の全差動オペアンプ530はオフセットを持つが、この全差動オペアンプ530の前後に配置された入力側切替えスイッチ510および出力側切替えスイッチ550を周波数fcのチョッパークロック信号CCに同期して1対の配線を交互に切り替えることにより、全差動オペアンプ530のオフセットをチョッパークロック周波数fcに変調させることができる。 Although fully differential operational amplifier 530 described above has an offset, in synchronism with switch 510 and the output side changeover switch 550 input-side switch disposed before and after the fully differential operational amplifier 530 to the chopper clock signal CC frequency f c 1 by switching the wire pairs alternately, the offset of the fully differential operational amplifier 530 can be modulated to the chopper clock frequency f c.

以上のように、全差動オペアンプ530のオフセットもチョッパークロック周波数fcで変調できたことによって、△Σ変調器500の出力信号は、DC帯域に復調されたホール起電力信号、チョッパークロック周波数fcに変調されたホール起電力信号のオフセット、及びチョッパークロック周波数fcに変調された図1のアナログ回路部100のオフセットを含んだものとなる。 As described above, by made modulated offset of the fully differential operational amplifier 530 in the chopper clock frequency f c, △ sigma output signal of the modulator 500, the Hall electromotive force signal demodulated in DC band, chopper clock frequency f offset of the modulated Hall electromotive force signal c, and the one that contains the offset of the analog circuit portion 100 of Fig. 1 modulated chopper clock frequency f c.

換言すれば、ホール起電力信号のオフセットおよびアナログ回路部100におけるオフセットは、全てチョッパークロック信号CCの周波数fcで変調されており、後段の位相同期回路200中の既述のローパスフィルタ特性を有するループフィルタ24によって、新たにローパスフィルタを設けることなく、効率よく除去することが可能となる。従って、何らも構成の複雑化を招来することなく種々のオフセットを除去し、角度検出精度の向上を図ることができる。 In other words, the offset in the offset and the analog circuit portion 100 of the Hall electromotive force signal is modulated at a frequency f c of all chopper clock signal CC, having a low-pass filter characteristics described above in the subsequent stage of the phase synchronization circuit 200 The loop filter 24 enables efficient removal without newly providing a low-pass filter. Therefore, various offsets can be removed without increasing the complexity of the configuration, and the angle detection accuracy can be improved.

尚、一般に、△Σ変調器にDC信号を入力して使用する場合には、△Σ変調器からパターンノイズと呼ばれるトーン状のノイズが発生する問題が知られており、ディザリングといった方法によってパターンノイズを抑制する手法が用いられることが多い。この場合には、ディザリングを実行するための構成の複雑化ないし信号処理の増加は不可避である。
これに対し、本発明の実施の形態では、△Σ変調器に供給される信号にチョッパークロック信号CCの周波数fcで変調されたオフセット成分が重畳しているため、この成分をローパスフィルタで除去するという極めて簡易な手法が功を奏する。
In general, when a DC signal is input to a ΔΣ modulator and used, there is a known problem that tone-like noise called pattern noise is generated from the ΔΣ modulator. A technique for suppressing noise is often used. In this case, it is inevitable that the configuration for performing dithering is complicated or the signal processing is increased.
In contrast, since in the embodiment of the present invention, it is superimposed offset component modulated at the frequency f c of the chopper clock signal CC to the signal supplied to △ sigma modulator, remove the component with a low pass filter An extremely simple method of doing this works.

図10は、ホール起電力信号およびアナログ回路のオフセットの除去、パターンノイズの除去、量子化ノイズの低減化について説明するための図である。
図10より容易に理解される通り、チョッパークロック信号CCの周波数fcは、ローパスフィルタとしても機能するループフィルタの帯域よりも高い周波数であるため、△Σ変調器が発生するパターンノイズは、ループフィルタによって除去される。
上記の様に、本発明の信号処理方式を用いれば、ディザリングのための回路といった新たな回路を追加することなく、△Σ変調器において問題となるパターンノイズの発生を抑制することが可能になるわけであるが、実際に、パターンノイズの発生を抑制する効果をシミュレーションした結果を、図11と図12に示す。
FIG. 10 is a diagram for explaining the removal of the Hall electromotive force signal and analog circuit offset, the removal of pattern noise, and the reduction of quantization noise.
As can be easily understood from FIG. 10, since the frequency f c of the chopper clock signal CC is higher than the band of the loop filter that also functions as a low-pass filter, the pattern noise generated by the ΔΣ modulator is Removed by filter.
As described above, by using the signal processing method of the present invention, it is possible to suppress the generation of pattern noise that becomes a problem in the ΔΣ modulator without adding a new circuit such as a circuit for dithering. That is, the results of actually simulating the effect of suppressing the generation of pattern noise are shown in FIG. 11 and FIG.

図11は、通常の2次の△Σ変調器に対して、その基準電圧VRefの1/10 24に相当するDC電圧を入力した際の、△Σ変調器から出力される信号の周波数スペクトルである。
図11を見ると、ナイキスト周波数の1/1024付近の周波数をはじめとして、信号スペクトルの中にパターンノイズのピークが数多く見られる。
図12は、△Σ変調器および△Σ変調器への入力信号については、図11と同じ条件であるが、本発明に基づいてホール素子の出力信号に対して、チョッパークロック信号による変調を行った時に△Σ変調器から出力される信号の周波数スペクトルである。
図12の周波数スペクトルにおいては、図11と比較して、パターンノイズがほとんど発生していないことがわかる。
FIG. 11 shows a frequency spectrum of a signal output from the ΔΣ modulator when a DC voltage corresponding to 1/1024 of the reference voltage VRef is input to a normal secondary ΔΣ modulator. is there.
When FIG. 11 is seen, many peaks of pattern noise are seen in the signal spectrum including a frequency near 1/1024 of the Nyquist frequency.
FIG. 12 shows that the input signal to the ΔΣ modulator and ΔΣ modulator is the same as in FIG. 11, but the output signal of the Hall element is modulated by the chopper clock signal according to the present invention. This is a frequency spectrum of a signal output from the ΔΣ modulator at a time.
In the frequency spectrum of FIG. 12, it can be seen that almost no pattern noise occurs compared to FIG.

以上説明した実施の形態は、互いに直交する向きに配置された1対のホール素子を検出素子として適用した場合に適宜するように構成した角度検出装置の場合の例である。
しかしながら、本発明の技術思想は、このように、直交するようにホール素子を配置した場合にのみ対応する限りのものではない。
即ち、本発明の技術思想は、本来、少なくとも1対のホール素子が互いに種々の既知の角度で交差するように対をなして配されたホール素子を検出素子として適用した場合に対応可能な角度検出装置を限定するものである。
The embodiment described above is an example of an angle detection device configured to be appropriate when a pair of Hall elements arranged in directions orthogonal to each other is applied as a detection element.
However, the technical idea of the present invention is not limited only to the case where the Hall elements are arranged so as to be orthogonal to each other.
That is, the technical idea of the present invention is an angle that can be dealt with when a hall element, which is arranged in pairs so that at least one pair of hall elements intersect with each other at various known angles, is applied as a detection element. The detection device is limited.

1…………………………………ICパッケージ
2…………………………………出力軸
3…………………………………永久磁石
11,12………………………ホール素子
13,14………………………第1スイッチ回路部
15,16………………………プリアンプ
17,18………………………第2スイッチ回路部
21,22………………………乗算器
23………………………………減算器
24………………………………ループフィルタ
25………………………………DCO(Digitally Controlled Oscillator)
26………………………………カウンタ
27,28………………………記憶部
50,60,500,600…△Σ変調器
100……………………………アナログ回路部
200……………………………位相同期回路
300……………………………チョッパークロック生成回路
400……………………………サンプリングクロック生成回路
1 ………………………………… IC package 2 ………………………………… Output shaft 3 ………………………………… Permanent magnet 11, 12 ... …………………… Hall elements 13, 14 ……………………… First switch circuit parts 15, 16 ……………………… Preamplifiers 17, 18 …………… ………… Second switch circuit unit 21, 22 …………………… Multiplier 23 ……………………………… Subtractor 24 …………………………… ... Loop filter 25 ……………………………… DCO (Digitally Controlled Oscillator)
26 ……………………………… Counter 27, 28 ……………………… Storage section 50, 60, 500, 600… ΔΣ modulator 100 ……………………… …… Analog circuit unit 200 ……………………………… Phase synchronization circuit 300 …………………………… Chopper clock generation circuit 400 …………………………… Sampling clock Generator circuit

Claims (2)

互いに直交する向きに配置された少なくとも1対のホール素子からの出力信号を入力し、磁界中における基準位置からの回転角変位に応じた値を出力する角度検出装置であって、
クロック信号に同期して、前記ホール素子の駆動電流の端子と出力端子とを交互に切り替えて後段側に接続すると共に前記ホール素子の駆動電流の方向を切り替える第1スイッチ回路部と、
前記クロック信号に同期して、前記第1スイッチ回路部から出力されるホール素子の出力信号の符号を切り替える第2スイッチ回路部と、
前記第2スイッチ回路部からの出力信号を△Σ変調する△Σ変調部と、
複数の角度に対応する正弦および余弦が記憶された記憶部と、
前記△Σ変調部の出力信号と前記記憶部から出力される所定の正弦および余弦とに基づく信号から低域通過特性を有するループフィルタによって高周波成分を除去した後に時間積分して得られる角度信号を前期記憶部に供給する角度検出ループ部と、
を備えたことを特徴とする角度検出装置。
An angle detection device for inputting output signals from at least one pair of Hall elements arranged in directions orthogonal to each other and outputting a value corresponding to a rotational angular displacement from a reference position in a magnetic field,
In synchronization with the clock signal, the first switch circuit unit that alternately switches the drive current terminal and the output terminal of the Hall element to connect to the subsequent stage and switches the direction of the drive current of the Hall element;
A second switch circuit unit that switches a sign of an output signal of the Hall element output from the first switch circuit unit in synchronization with the clock signal;
A ΔΣ modulator that ΔΣ modulates an output signal from the second switch circuit unit;
A storage unit storing sine and cosine corresponding to a plurality of angles;
An angle signal obtained by time integration after removing a high frequency component from a signal based on an output signal of the ΔΣ modulation unit and a predetermined sine and cosine output from the storage unit by a loop filter having a low-pass characteristic. An angle detection loop unit to be supplied to the storage unit in the previous period;
An angle detection device comprising:
互いに直交する向きに配置された少なくとも1対のホール素子からの出力により表現されるベクトルを用いて、前記ホール素子の磁界に対する相対的な回転角度を求める角度検出方法であって、
前記ホール素子の駆動方向を既定の周波数で切替えると共に前記ホール素子の2対の出力を前記既定の周波数で切替えて取出し更に該取出した信号の符号を前記既定の周波数で反転させて対をなすホール素子出力信号を取得するスイッチングステップと、
前記スイッチングステップで取得したホール素子出力信号に対して、適用するオペアンプの反転入力端子および非反転入力端子に各供給する両入力信号の対応関係を前記既定の周波数で相互に切り替えると共に前記オペアンプの非反転出力端子および反転出力端子から各取出す両出力信号の対応関係を前記既定の周波数で相互に切り替えるようにしつつ前記オペアンプと所定のコンデンサによって当該入力信号を積分した値を時系列に量子化するようにして△Σ変調を施す△Σ変調ステップと、
前記対をなすホール素子出力信号の位相差に対応する角度データθと、予め保持している角度データθnとの間の角度誤差(θ−θn)を算出すると共に該算出した角度誤差に含まれる高周波成分をループフィルタで除去し、該角度誤差の値に応じてカウンタ値を増減する制御を行うことによって、前記角度データθを検出する閉ループ位相同期ステップと
を含むことを特徴とする角度検出方法。
An angle detection method for obtaining a relative rotation angle with respect to a magnetic field of the Hall element using a vector expressed by outputs from at least one pair of Hall elements arranged in directions orthogonal to each other,
The driving direction of the Hall element is switched at a predetermined frequency and the two pairs of outputs of the Hall element are switched at the predetermined frequency for extraction, and the sign of the extracted signal is inverted at the predetermined frequency to form a pair of holes. A switching step for obtaining an element output signal;
For the Hall element output signal acquired in the switching step, the correspondence relationship between the input signals supplied to the inverting input terminal and the non-inverting input terminal of the operational amplifier to be applied is mutually switched at the predetermined frequency and the non-operational state of the operational amplifier is switched. The value obtained by integrating the input signal by the operational amplifier and the predetermined capacitor is quantized in time series while the correspondence relationship between the output signals taken out from the inverting output terminal and the inverting output terminal is mutually switched at the predetermined frequency. ΔΣ modulation step for applying ΔΣ modulation,
An angle error (θ−θ n ) between the angle data θ corresponding to the phase difference between the paired Hall element output signals and the angle data θ n held in advance is calculated, and the calculated angle error A closed-loop phase synchronization step of detecting the angle data θ by performing control to remove the high-frequency component included by a loop filter and increase or decrease the counter value according to the value of the angle error. Detection method.
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