JP2004045041A - 回転角検出装置及びトルク検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】故障時の検出性がオペアンプにおいて損なわれることを防止する。
【解決手段】回転体に設けられたターゲット３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄと、当該ターゲットに対向配置されて当該ターゲットの回転に応じた検出信号を出力する第１センサ１Ａ，２Ａ，３Ａ，４Ａ及び当該第１センサの検出信号とは位相が異なる検出信号を出力する第２センサ１Ｂ，２Ｂ，３Ｂ，４Ｂと、第１センサの検出信号を増幅するための第１オペアンプ２６ａ及び第２センサの検出信号を増幅するための第２オペアンプ２６ｂと、を備え、増幅された前記検出信号に基づいて前記回転体の回転角度を検出する回転角度検出装置であって、前記第１オペアンプ２６ａ及び第２オペアンプ２６ｂは互いに異なるＩＣパッケージ２８ａ，２８ｂに内蔵されたオペアンプである。
【選択図】　　　図５

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車用の電動パワーステアリング装置などに用いられる回転角検出装置及びトルク検出装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
自動車のパワーステアリング装置には、電動モータを駆動して操舵補助を行い、運転者の負担を軽減するものがある。これは、操舵部材（ステアリングホイール）に繋がる入力軸と、ピニオン及びラック等により操向車輪に繋がる出力軸と、入力軸及び出力軸を連結する連結軸とを備え、連結軸に生じる捩れ角度によって、トルク検出装置が入力軸に加わる操舵トルクを検出し、トルク検出装置が検出した操舵トルクに基づき、出力軸に連動する操舵補助用の電動モータを駆動制御するものである。
【０００３】
そして、本出願人は、回転体に設けられたターゲットと、当該ターゲットに対向配置されて当該ターゲットの回転に応じた検出信号を出力する第１センサと、当該第１センサの検出信号とは位相が異なる検出信号を出力する第２センサと、を備えた回転角検出装置及びトルク検出装置を特願２００２−１５２５３０号等において提案している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明者は、同一のターゲットの回転に従って変化するが位相差のある前記第１センサ検出信号及び前記第２センサ検出信号を相互監視することにより、フェールセーフ判定をすることに着目した。
すなわち、第１センサと第２センサとは同一のターゲットの回転を検出しているため、正常時においては、各センサ検出信号は、位相が異なるだけの略同じ波形となるが、一方のセンサが故障すれば、故障したセンサの出力と正常なセンサの出力とが異なるものとなる。したがって、各検出信号を相互監視することで、フェールセーフ判定を行うことができる。
【０００５】
また、故障時の検出性を高めるには、第１センサの回路系統と、第２センサの回路系統が独立していることが必要である。そして、センサ自体は、第１センサと第２センサとで独立しており、故障時の検出性は高い。
ところが、回転角検出装置等では、第１センサ検出信号及び第２センサ検出信号の信号増幅のため、オペアンプも必要とされ、このオペアンプにおいても、独立性が確保される必要がある。
【０００６】
ここで、オペアンプはＩＣ化されたものが一般的であり、一つのＩＣパッケージに２つのオペアンプが内蔵されたデュアル型、一つのＩＣパッケージに４つのオペアンプが内蔵されたクワッド型などがある。
そして、第１センサ検出信号増幅用の第１オペアンプと第２センサ検出信号増幅用の第２オペアンプとで複数のオペアンプが必要とされる場合には、一つのＩＣパッケージの複数のオペアンプの何れかを第１オペアンプとし、同ＩＣパッケージの他のオペアンプを第２オペアンプとし、一つのＩＣパッケージ中に第１オペアンプと第２オペアンプとを混在させて、ＩＣパッケージの数を節約することが考えられる。
【０００７】
ところが、複数のオペアンプがＩＣ化されたものの場合、電気特性上、故障するときには、一つのＩＣに含まれるオペアンプすべてが同時に故障することがある。つまり、第１オペアンプと第２オペアンプとが同時に故障してしまい、故障の検出性が低下する。
本発明は、かかる問題に鑑みてなされたものであって、その課題は、故障時の検出性がオペアンプにおいて損なわれることを防止することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
回転角検出装置に係る本発明は、回転体に設けられたターゲットと、当該ターゲットに対向配置されて当該ターゲットの回転に応じた検出信号を出力する第１センサ及び当該第１センサの検出信号とは位相が異なる検出信号を出力する第２センサと、第１センサの検出信号を増幅するための第１オペアンプ及び第２センサの検出信号を増幅するための第２オペアンプと、を備え、増幅された前記検出信号に基づいて前記回転体の回転角度を検出する回転角度検出装置であって、前記第１オペアンプ及び第２オペアンプは互いに異なるＩＣパッケージに内蔵されたオペアンプであることを特徴とする。第１オペアンプと第２オペアンプが同じＩＣパッケージに混在していると第１オペアンプと第２オペアンプが同時に故障し、故障の検出性が低下するおそれがあるが、第１オペアンプと第２オペアンプを異なるＩＣパッケージに分けることで故障の検出性を良くすることができる。
【０００９】
また、前記ＩＣパッケージは、オペアンプを複数個内蔵したものが複数個設けられ、各ＩＣパッケージ内には、第１オペアンプと第２オペアンプが混在しないように当該ＩＣパッケージに内蔵されているオペアンプには第１センサ又は第２センサのいずれか一方が接続されているのが好ましい。
【００１０】
さらに、前記ターゲットは、前記回転体の周方向に略等間隔で突設された突起からなり、前記センサは、磁気抵抗効果素子であるのが好ましい。
また、トルク検出装置に係る本発明は、前記回転角検出装置を、連結軸により連結された第１軸及び第２軸にそれぞれ備え、第１軸の前記第１センサ又は第２センサの検出信号と、第２軸の第１センサ又は第２センサの検出信号との差に基づき、トルクを検出するよう構成されていることを特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の一実施形態による電動パワーステアリング装置の構造を模式的に示す図である。当該装置は、例えば、自動車に搭載され、上端が操舵部材１（操舵輪）に連結された入力軸１６（回転体、第１軸として機能する）と、下端が舵取機構のピニオン１８に連結された出力軸１７（回転体、第２軸）とを、細径のトーションバー１９（連結軸）を介して同軸状に連結し、前記操舵部材１と操舵機構とを連絡する操舵軸１３が構成されており、前記入力軸１６及び出力軸１７の連結部近傍は以下のように構成されている。
【００１２】
入力軸１６には、出力軸１７との連結側端部近傍に、円板形をなすターゲット板１２ａ，１２ｂが同軸状に、ターゲット板１２ａ（回転体）を操舵部材１側にして外嵌固定されている。ターゲット板１２ａの外周面には、磁性体製の突起であるターゲット３ａが、例えば、３６個、周方向に等間隔で突設され、ターゲット板１２ｂの外周面には、磁性体製の突起であるターゲット３ｂが、ターゲット３ａの個数Ｎ（＝３６）とは互いに素（１以外の公約数をもたない）である数（例えば３５個）、周方向に等間隔で突設されている。
【００１３】
このターゲット３ａ，３ｂは、インボリュート歯形を有する平歯車の歯からなり、環状の平歯車がターゲット板１２ａ，１２ｂ及びターゲット３ａ，３ｂを構成している。
出力軸１７には、入力軸１６との連結側端部近傍に、ターゲット板１２ｃ，１２ｄが同軸状に、ターゲット板１２ｃ（回転体）を操舵輪１側にして外嵌固定されている。ターゲット板１２ｃは、上述したターゲット板１２ａと同様のものであって、３６個のターゲット３ｃを備えている。また、ターゲット板１２ｄは、上述したターゲット板１２ｂと同様のものであって、３５個のターゲット３ｄを備えている。なお、ターゲット板１２ｃのターゲット３ｃはターゲット板１２ａのターゲット３ａと、ターゲット板１２ｄのターゲット３ｄはターゲット板１２ｂのターゲット３ｂと周方向に整合されて並設されている。
【００１４】
ターゲット板１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄの外側には、それぞれの外周のターゲット３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄの外縁を臨むようにセンサボックス１１が配設されている。センサボックス１１は、入力軸１６及び出力軸１７を支承するハウジング（図示せず）等の動かない部位に固定支持されている。センサボックス１１の内部には、入力軸１６側のターゲット３ａの周方向に異なる部位に対向する第１磁気センサ（第１センサ）１Ａ及び第２磁気センサ（第２センサ）１Ｂと、ターゲット３ｂの周方向に異なる部位に対向する第１磁気センサ（第１センサ）３Ａ及び第２磁気センサ（第２センサ）３Ｂと、出力軸１７側のターゲット３ｃの周方向に異なる部位に対向する第１磁気センサ（第１センサ）２Ａ及び第２磁気センサ（第２センサ）２Ｂと、ターゲット３ｄの周方向に異なる部位に対向する第１磁気センサ（第１センサ）４Ａ及び第２磁気センサ（第２センサ）４Ｂとが、それぞれ周方向位置を正しく合わせて収納されている。
【００１５】
磁気センサ１Ａ，１Ｂ，２Ａ，２Ｂ，３Ａ，３Ｂ，４Ａ，４Ｂは、磁気抵抗効果素子（ＭＲ素子）等、磁界の作用により電気的特性（抵抗）が変化する特性を有する素子を用い、対向するターゲット３ａ，３ｃ，３ｂ，３ｄの近接する部位に応じて検出信号が変わるように構成されたセンサである。
磁気センサ１Ａ，１Ｂ，２Ａ，２Ｂ，３Ａ，３Ｂ，４Ａ，４Ｂは、各ターゲット３ａ，３ｃ，３ｂ，３ｄの通過に応じて三角波又は正弦波に近似した検出信号を出力する。図２は、第１磁気センサ１Ａの検出信号Ｖ１Ａ及び第２磁気センサの検出信号Ｖ１Ｂの波形を示している。第１磁気センサ１Ａと第２磁気センサ１Ｂとは、ターゲット板１２ａの周方向に、所定の電気角（ここでは、９０゜）位相が異なるように配置されているため、図２では、検出信号Ｖ１Ａと検出信号Ｖ１Ｂとは位相が９０゜ずれている。なお、他の磁気センサ２Ａ，２Ｂ，３Ａ，３Ｂ，４Ａ，４Ｂについても第１磁気センサと第２磁気センサとは位相が９０゜異なっている。
【００１６】
各磁気センサの検出信号は、図３に示すように、増幅回路２０、フィルタ２１、Ａ／Ｄコンバータ２２等によって構成される信号処理回路２５を経由して、マイクロプロセッサを用いてなる演算処理回路１０に与えられている。
ここで、図３に示す増幅回路２０は、オペアンプ２６を非反転増幅器として用いて構成されており、各センサ検出信号を増幅する。また、フィルタ２１は、ノイズカットを行い、Ａ／Ｄコンバータ２２は、各センサ検出信号をデジタル信号に変換する。前記演算処理回路１０へは、デジタル信号に変換された検出信号が与えられる。
【００１７】
図３の信号処理回路２５は、各磁気センサ１Ａ，１Ｂ，２Ａ，２Ｂ，３Ａ，３Ｂ，４Ａ，４Ｂに対応して、それぞれ設けられている。すなわち、信号処理回路２５は複数設けられており、具体的には第１磁気センサ１Ａ，２Ａ，３Ａ，４Ａ用に４個、第２磁気センサ１Ｂ，２Ｂ，３Ｂ，４Ｂ用に４個、計８個設けられている。したがって、オペアンプ２６も第１磁気センサ１Ａ，２Ａ，３Ａ，４Ａ用に４個、第２磁気センサ１Ｂ，２Ｂ，３Ｂ，４Ｂ用に４個、計８個必要である。
８個のオペアンプ２６を得るために、本実施形態では、クワッド型のオペアンプＩＣパッケージ２８ａ，２８ｂを２個用いている。ここで、クワッド型とは、図４に示すように、一つのＩＣパッケージに４個のオペアンプ２６が内蔵されているものをいう。なお、２個のオペアンプが内蔵されているＩＣパッケージをデュアル型、１個のオペアンプが内蔵されているＩＣパッケージをシングル型という。
【００１８】
図５に示すように、４個（複数）の第１磁気センサ１Ａ，２Ａ，３Ａ，４Ａは、２個のＩＣパッケージ２８ａ，２８ｂのうちの一方のＩＣパッケージ２８ａ（以下、第１ＩＣパッケージ２８ａという）に接続されており、４個（複数）の第２磁気センサ１Ｂ，２Ｂ，３Ｂ，４Ｂは、他方のＩＣパッケージ２８ｂ（以下、第２ＩＣパッケージ２８ｂという）に接続されている。第１磁気センサ１Ａ，２Ａ，３Ａ，４Ａの検出信号を増幅するオペアンプを第１オペアンプ２６ａとし、第２磁気センサ１Ｂ，２Ｂ，３Ｂ，４Ｂの検出信号を増幅するオペアンプを第２オペアンプ２６ｂとすると、第１ＩＣパッケージ２８ａには、第１オペアンプ２６ａがあるが第２オペアンプ２６ｂはなく、第２ＩＣパッケージ２８ｂには第２オペアンプ２６ｂがあるが第１オペアンプ２６ａがないことになる。なお、図４においては、磁気センサとＩＣパッケージとの接続関係を簡潔に示すため、抵抗等その他の回路素子の図示を省略している。
【００１９】
一つのＩＣパッケージ２８ａ，２８ｂに内蔵されている複数のオペアンプは、電源端子などが共通であるため、故障する際には、一つのＩＣパッケージ２８ａ，２８ｂに含まれる個々のオペアンプが故障するのではなく、すべてのオペアンプが故障することがある。ところが、本実施形態では、第１磁気センサ群用のＩＣパッケージ２８ａと、第２磁気センサ群用のＩＣパッケージ２８ｂとを分けているため、例えば、第２磁気センサが接続されている第２ＩＣパッケージ２８ｂが故障したとしても、第１磁気センサが接続されている第１ＩＣパッケージ２８ａは別物であるため正常に動作できる。
【００２０】
図２において直線状の点線は、第２オペアンプ２６ｂ（第２ＩＣパッケージ２８ｂ）故障時の第２オペアンプ２６ｂの出力（演算処理回路１０に与えられる検出信号Ｖ１Ｂ）を例示しており、第２オペアンプ２６ｂの電源電圧値等の一定値になることが多い。このように、いずれかのオペアンプ２６ａ，２６ｂが故障すると、演算処理回路１０に与えられる検出信号Ｖ１Ａと検出信号Ｖ１Ｂとが異なった波形となる。
【００２１】
演算処理回路１０では、両検出信号Ｖ１Ａ，Ｖ１Ｂを監視して、フェールセーフ判定を行っている。いずれかの検出信号Ｖ１Ａ，Ｖ１Ｂに異常があるか否かを判定するために、検出信号Ｖ１Ａ，Ｖ１Ｂが正常であるときの両者の関係を示すテーブル３０を備えている。このテーブル３０のデータは、両検出信号Ｖ１Ａ，Ｖ１Ｂから得られるリサージュ図形に相当するデータである。すなわち、正常時において検出信号Ｖ１Ａと検出信号Ｖ１Ｂとがともに正弦波であって位相差が９０゜である場合には、検出信号Ｖ１Ａ，Ｖ１Ｂをそれぞれｘ座標，ｙ座標にとったリサージュ図形は図６に示すように円形の図形Ｒ１であり、テーブル３０は、この図形Ｒ１の座標をデータとして持っている。
【００２２】
演算処理回路１０では、入力された検出信号Ｖ１Ａ，Ｖ１Ｂが図形Ｒ１の線の近傍にあれば、正常であると判断できる。一方、第１オペアンプ２６ａが故障して検出信号Ｖ１Ａが異常であるときには、両検出信号Ｖ１Ａ，Ｖ１Ｂから得られるリサージュ図形は直線状の図形Ｒ２になる。また、第２オペアンプ２６ｂが故障して検出信号Ｖ２Ａが異常であるときには、両検出信号Ｖ１Ａ，Ｖ１Ｂから得られるリサージュ図形は直線状の図形Ｒ３になり、いずれも正しい図形Ｒ１から外れているので、異常であると判定することができる。また、この判定においては、いずれか一方の検出信号が正常である必要があり、本実施形態では、第１磁気センサ用のオペアンプ２６ａのＩＣパッケージ２８ａと第２磁気センサ用のオペアンプ２６ｂのＩＣパッケージ２８ｂとを分けているため、いずれか一方の検出信号が正常である可能性が高く、検出性に優れている。
【００２３】
各検出信号が正常であれば、当該検出信号に基づいて、演算処理回路１０は、入力軸１６及び出力軸１７の回転角並びに入力軸１６に加えられたトルクを算出することができる。
ここで、磁気センサ１Ａ，１Ｂの検出信号は、これらに対応するターゲット３ａが設けられた入力軸１６の回転角度に対応するものとなり、磁気センサ３Ａ，３Ｂの検出信号は、これらに対応するターゲット３ｂが設けられた入力軸１６の回転角度に対応するものとなり、磁気センサ２Ａ，２Ｂの検出信号は、これらに対応するターゲット３ｃが設けられた出力軸１７の回転角度に対応するものとなり、磁気センサ４Ａ，４Ｂの検出信号は、これらに対応するターゲット３ｄが設けられた出力軸１７の回転角度に対応するものとなる。
【００２４】
したがって、演算処理回路１０は、磁気センサ１Ａ，１Ｂの検出信号から入力軸１６の相対回転角度を算出することができ、演算処理回路１０及び磁気センサ１Ａ，１Ｂは入力軸１６の回転角検出装置として作動する。
また、演算処理回路１０は、磁気センサ２Ａ，２Ｂの検出信号から出力軸１７の相対回転角度を検出することができ、演算処理回路１０及び磁気センサ２Ａ，２Ｂは出力軸１７の回転角検出装置として作動する。
【００２５】
入力軸１６にトルクが加わった場合、磁気センサ１Ａ，１Ｂの各検出信号と磁気センサ２Ａ，２Ｂの各検出信号とには差が生じる。ここで、磁気センサ１Ａの検出信号と磁気センサ２Ａの検出信号との差、又は磁気センサ１Ｂの検出信号と磁気センサ２Ｂの検出信号との差は、入力軸１６と出力軸１７との回転角度の差（相対角度変位）に対応するものとなる。この相対角度変位は、入力軸１６に加わるトルクの作用下において、入力軸１６と出力軸１７とを連結するトーションバー１９に生じる捩れ角度に対応する。従って、前述した検出信号の差に基づいて入力軸１６又は出力軸１７に加わるトルクを算出することができ、トルク検出装置として作動することができる。
【００２６】
また、磁気センサ１Ａ及び磁気センサ１Ｂに対向するターゲット３ａの個数が３６個であるのに対して、磁気センサ３Ａ及び磁気センサ３Ｂに対向するターゲット３ｂの個数は３５個であるから、磁気センサ３Ａ及び３Ｂの出力は、磁気センサ１Ａ及び磁気センサ１Ｂの出力と比べて、入力軸１６の回転量（２π／３６）当たりに（（２π／３６）−（２π／３５））の位相ずれを生じ、入力軸１６の１回転でずれがなくなる。従って、予め出力軸３３の絶対回転位置と上記位相のずれとの関係をテーブル化して演算処理回路に記憶させておくことで、位相ずれから入力軸１６の絶対回転位置を割り出すことができる。
さらに、同様に、磁気センサ２Ａ，２Ｂ及び磁気センサ４Ａ，４Ｂに生じる位相差から出力軸１７の絶対回転位置を割り出すことができる。
【００２７】
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば、第１センサ及び第２センサの数は、それぞれ１又は複数の任意の数とすることができる。また、ＩＣパッケージとしては、クワッド型以外にデュアル型、シングル型などを採用してもよい。さらに、ターゲットの形状、センサの特性などは特に限定されない。
【００２８】
【発明の効果】
本発明によると、第１オペアンプと第２オペアンプを異なるＩＣパッケージに分けたので、故障の検出性を良くすることができる
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る回転角検出装置及びトルク検出装置の構成を模式的に示す模式図である。
【図２】磁気センサの検出信号の波形図である。
【図３】信号処理回路の回路図である。
【図４】クワッド型のＩＣパッケージ図である。
【図５】磁気センサとオペアンプの接続関係を示す図である。
【図６】磁気センサの検出信号のリサージュ図形である。
【符号の説明】
３ａ　ターゲット
３ｂ　ターゲット
３ｃ　ターゲット
３ｄ　ターゲット
１Ａ　第１磁気センサ（第１センサ）
２Ａ　第１磁気センサ（第１センサ）
３Ａ　第１磁気センサ（第１センサ）
４Ａ　第１磁気センサ（第１センサ）
１Ｂ　第２磁気センサ（第２センサ）
２Ｂ　第２磁気センサ（第２センサ）
３Ｂ　第２磁気センサ（第２センサ）
４Ｂ　第２磁気センサ（第２センサ）
１６　入力軸（回転体）
１７　出力軸（回転体）
１９　トーションバー（連結軸）
２６ａ　第１オペアンプ
２６ｂ　第２オペアンプ
２８ａ　第１ＩＣパッケージ
２８ｂ　第２ＩＣパッケージ

Claims (4)

1. 回転体に設けられたターゲットと、
   当該ターゲットに対向配置されて当該ターゲットの回転に応じた検出信号を出力する第１センサ及び当該第１センサの検出信号とは位相が異なる検出信号を出力する第２センサと、
   第１センサの検出信号を増幅するための第１オペアンプ及び第２センサの検出信号を増幅するための第２オペアンプと、を備え、
   増幅された前記検出信号に基づいて前記回転体の回転角度を検出する回転角度検出装置であって、
   前記第１オペアンプ及び第２オペアンプは互いに異なるＩＣパッケージに内蔵されたオペアンプであることを特徴とする回転角検出装置。
2. 前記ＩＣパッケージは、オペアンプを複数個内蔵したものが複数個設けられ、各ＩＣパッケージ内には、第１オペアンプと第２オペアンプが混在しないように当該ＩＣパッケージに内蔵されているオペアンプには第１センサ又は第２センサのいずれか一方が接続されていることを特徴とする請求項１記載の回転角検出装置。
3. 前記ターゲットは、前記回転体の周方向に略等間隔で突設された突起からなり、
   前記センサは、磁気抵抗効果素子であることを特徴とする請求項１又は２記載の回転角検出装置。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載の前記回転角検出装置を、連結軸により連結された第１軸及び第２軸にそれぞれ備え、
   第１軸の前記第１センサ又は第２センサの検出信号と、第２軸の第１センサ又は第２センサの検出信号との差に基づき、トルクを検出するよう構成されていることを特徴とするトルク検出装置。

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