JP2005017146A

JP2005017146A - 回転角度検出装置

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Publication number: JP2005017146A
Application number: JP2003183748A
Authority: JP
Inventors: Keiichi Umehara; 啓一梅原; Yasuhiko Futamura; 康彦二村
Original assignee: Tokai Rika Co Ltd
Current assignee: Tokai Rika Co Ltd
Priority date: 2003-06-27
Filing date: 2003-06-27
Publication date: 2005-01-20

Abstract

【課題】磁気抵抗素子を２つ配設した上で、本体を小型化した回転角度検出装置を提供する。
【解決手段】回転角度検出装置は、回転体としてのステアリングシャフトＳの周囲の構造体に固定されたハウジング１１を備え、このハウジング１１には回転板１２と、該回転板のギア部１２ａに噛合するギア体１３と、該ギア体１３の中央部に固定された永久磁石１６と、該永久磁石に対向する箇所に配設された磁気抵抗素子２１とを備える。
永久磁石１６と磁気抵抗素子２１の同軸上の飽和磁界に別の磁気抵抗素子２２を配設することにより、２つの磁気検出手段を有しながらギア体１３を１つにすることができ、ハウジング内のスペースを小さくする。
【選択図】図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば車両においてステアリングホイールの操舵角を検出する回転角度検出装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、自動車において、ＶＳＣ（ＶｅｈｉｃｌｅＳｔａｂｉｌｉｔｙＣｏｎｔｒｏｌ）システム（Ｒ）、ＥＳＰ（ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＳｔａｂｉｌｉｔｙＰｒｏｇｒａｍ）システム（Ｒ）といった車両安定性制御システムや、電子制御サスペンションシステムなどを搭載する場合には、そのシステム制御のためにステアリングの操舵角を検出する必要がある。このため、従来、こうした車両においては、操舵角を検出するための回転角度検出装置をステアリングコラム内に組み込むことが行われている。
【０００３】
回転角度検出装置としては、例えば特許文献１に示すような構成が知られている。この回転角度検出装置は、外周面にギア部を有する回転板と、前記ギア部に噛合した２つのギア体と、このギア体の中心部に固定された２つの永久磁石と、前記永久磁石に対して対向配設された２つの磁気抵抗素子とを備えている。前記回転板は、ステアリングシャフトに一体的に固定されている。従って、ステアリングシャフトが回転すると、ステアリングシャフトの回転に応じて回転板、及び永久磁石が固定されたギア体も回転する。前記磁気抵抗素子はステアリングシャフトが回転してもその位置が変化しない。このため、ステアリングシャフトが回転することにより永久磁石と磁気抵抗素子との相対位置が変化する。
【０００４】
前記磁気抵抗素子は、永久磁石が発生する磁束を検出してギア体の回転角に応じて連続的に変化する角度検出用の検出信号をマイコン（マイクロコンピュータ）に出力する。マイコンは、前記磁気抵抗素子からの検出信号に基づいて、ステアリングシャフトの回転角度検出と、回転角度検出装置の異常を検出するように構成されている。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００２−２１３９４４号公報（図６）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記回転角度検出装置では、２つの磁気抵抗素子に対して２つの永久磁石と２つのギア体を配設している。そのため、部品点数が多く、生産性を悪くするばかりでなく、回転板やギア体等を格納するハウジングを大きくする必要があり、ステアリングシャフトまわりの狭いスペースの中での搭載性も悪いという問題がある。
【０００７】
本発明は、前述した事情に鑑みてなされたものであって、その目的は、素子の異常検出が行えるとともに、本体を小型化することが可能な回転角度検出装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、回転板の回転に伴い回転磁界を発生する磁界発生手段と、前記磁界発生手段にて発生する前記回転磁界を受け、前記回転板の回転に応じて連続して変化する第１検出信号を出力する第１磁気検出手段と、前記磁界発生手段にて発生する前記回転磁界の飽和磁界内に設けられ、前記回転板の回転に応じて変化する第２検出信号を出力する第２磁気検出手段と、前記第１検出信号の周期及び出力値に基づいて前記回転板の回転角度を算出する角度算出手段と、前記第１検出信号と前記第２検出信号とを比較して前記第１磁気検出手段又は前記第２磁気検出手段が故障しているか否かを判断する故障判断手段とを備えたことを要旨とする。
【０００９】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の回転角度検出装置において、前記第１磁気検出手段と前記第２磁気検出手段とを、前記磁界発生手段により発生する前記回転磁界の軸線上に配設したことを要旨とする。
【００１０】
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の回転角度検出装置において、前記第１磁気検出手段と前記第２磁気検出手段とをプリント配線板の表裏に配設したことを要旨とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の回転角度検出装置を車両におけるステアリングの操舵角を検出する操舵角検出装置として具体化した実施形態を図１〜図４に基づき詳細に説明する。
【００１２】
図１に示すように、回転角度検出装置としての操舵角検出装置１０は、図示しない車両のステアリングコラム内に配設され、回転体としてのステアリングシャフトＳに装着されている。操舵角検出装置１０は、ステアリングシャフトＳの周囲の構造体に固定されたハウジング１１を備え、このハウジング１１には回転板１２が回転可能に支持されている。この回転板１２はステアリングシャフトＳに外嵌した状態で固定され、ステアリングシャフトＳと共に回動する。つまり、回転板１２は、ステアリングシャフトＳが回転されると、同ステアリングシャフトＳと等しく回転する。また、回転板１２の外周面にはギア部１２ａが形成されている。そして、回転板１２の近辺には、ギア部１２ａと歯合するギア体１３が配設されている。ギア体１３は、ハウジング１１内に収容固定されたギアホルダ１４と、ハウジング１１に形成された軸受け部１５とにより軸支されている。このため、ステアリングシャフトＳが回転されると、回転板１２の回転に伴ってギア体１３も回転する。なお、回転板１２が１回転するとギア体１３が６回転するように、回転板１２とギア体１３との間の歯車比がそれぞれ設定されている。
【００１３】
図１及び図２に示すように、ギア体１３の軸線上には、磁界発生手段としての永久磁石１６が固定されている。永久磁石１６は、ギア体１３において所定の径方向に磁束を発生させるように設けられている。そして、永久磁石１６は、ギア体１３の回転平面と平行な平面に沿って回転するように固定されている。このため、ギア体１３が１回転（即ち、３６０°回転）すると、永久磁石１６が発生する磁束の方向も３６０゜回転する。
【００１４】
図１及び図２に示すように、ハウジング１１内においてギア体１３の軸線上には、第１磁気検出手段としての第１磁気抵抗素子２１が配設されている。第１磁気抵抗素子２１は、ギアホルダ１４に固定されたプリント配線板１７の表面に実装されている。
【００１５】
第１磁気抵抗素子２１は永久磁石１６が発生する磁束を検出してギア体１３の回転角に応じて連続的に変化する角度検出用のアナログ信号を出力する。詳しくは、回転板１２が６０゜回転する毎にギア体１３が１回転（３６０゜回転）する。このため、図４に示すように、第１磁気抵抗素子２１は、回転板１２が６０゜回転する毎に１周期となる正弦波からなる第１アナログ信号Ａｎ１と、その第１アナログ信号Ａｎ１に対して１／４周期だけ位相がずれた正弦波からなる第２アナログ信号Ａｎ２とを出力する。前記第１アナログ信号Ａｎ１は第１角度検出用アナログ信号に相当し、前記第２アナログ信号Ａｎ２は第２角度検出用アナログ信号に相当する。
【００１６】
また、図２に示すように、ハウジング１１内においてギア体１３の軸線上には、第２磁気検出手段としての第２磁気抵抗素子２２が配設されている。第２磁気抵抗素子２２は、プリント配線板１７の裏面に実装されている。即ち、ギアホルダ１４には、２つの磁気抵抗素子２１，２２が表裏に実装されたプリント配線板１７が固定され、永久磁石１６と第１及び第２磁気抵抗素子２１，２２が同一線上に配列されている。
【００１７】
第２磁気抵抗素子２２は、前記第１磁気抵抗素子２１と同等の特性を持つ素子であり、永久磁石１６が発生する磁束を検出してギア体１３の回転角に応じて連続的に変化する角度検出用のアナログ信号を出力する。詳しくは、図４に示すように、第２磁気抵抗素子２２は、回転板１２が６０゜回転する毎に１周期となる正弦波からなる第３アナログ信号Ａｎ３と、その第３アナログ信号Ａｎ３に対して１／４周期だけ位相がずれた正弦波からなる第４アナログ信号Ａｎ４とを出力する。前記第３アナログ信号Ａｎ３は第３角度検出用アナログ信号に相当し、前記第４アナログ信号Ａｎ４は第４角度検出用アナログ信号に相当する。
【００１８】
次に、こうした操舵角検出装置１０の電気的構成について説明する。
図３に示すように、操舵角検出装置１０は、前記磁気抵抗素子２１，２２、角度算出手段及び故障判断手段としてのマイコン（マイクロコンピュータ）２３、電源回路２４及びインターフェイス部２５を備えている。
【００１９】
マイコン２３は、具体的には図示しないＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ａ／Ｄ変換器等を備えたＣＰＵユニットであり、図２に示すプリント配線板１７に配設されている。このマイコン２３の第１及び第２入力端子ＩＮ１，ＩＮ２には、前記第１磁気抵抗素子２１からの第１及び第２アナログ信号Ａｎ１，Ａｎ２がそれぞれ入力されるようになっている。また、マイコン２３の第３及び第４入力端子ＩＮ３，ＩＮ４には、前記第２磁気抵抗素子２２からの第３及び第４アナログ信号Ａｎ３，Ａｎ４がそれぞれ入力されるようになっている。
【００２０】
また、マイコン２３の電源入力端子Ｖｉｎには電源回路２４が電気的に接続され、マイコン２３はこの電源回路２４から電力供給されている。電源回路２４は、バッテリ電圧を降圧してマイコン２３の駆動電圧に変換するＤＣ−ＤＣコンバータによって構成され、２つの入力端子を備えている。そして、一方の入力端子には図示しないイグニッションＯＮリレーを介してバッテリ電圧が入力され、他方の入力端子にはイグニッションＯＮリレーを介さずにバッテリ電圧が入力されている。また、電源回路２４には、トランジスタＴｒ１を介して磁気抵抗素子２１，２２がそれぞれ電気的に接続されている。詳しくは、トランジスタＴｒ１のコレクタ端子が電源回路２４に電気的に接続され、エミッタ端子が磁気抵抗素子２１，２２にそれぞれ電気的に接続されている。そして、トランジスタＴｒ１のベース端子はマイコン２３の出力端子ＯＵＴに電気的に接続されている。
【００２１】
マイコン２３からトランジスタＴｒ１に対してベース電流が通電された際にトランジスタＴｒ１が作動し、電源回路２４から磁気抵抗素子２１，２２に対して電力が供給される。即ち、第１磁気抵抗素子２１は、マイコン２３によって給電が制御され、給電されているときに前記第１及び第２アナログ信号Ａｎ１，Ａｎ２を出力する。また、第２磁気抵抗素子２２は、マイコン２３によって給電が制御され、給電されているときに前記第３及び第４アナログ信号Ａｎ３，Ａｎ４を出力する。
【００２２】
マイコン２３は、第１磁気抵抗素子２１から第１及び第２アナログ信号Ａｎ１，Ａｎ２が入力されると、第１及び第２アナログ信号Ａｎ１，Ａｎ２の出力値としての第１及び第２アナログ信号Ａｎ１，Ａｎ２の電圧値に基づいて前記回転板１２の回転角度を算出する。マイコン２３は、算出した回転角度をインターフェイス部２５を介して種々の車両システム（例えば車両安定性制御システムや、電子制御サスペンションシステムなど）に対して出力する。
【００２３】
また、マイコン２３は、第２磁気抵抗素子２２から入力される第３及び第４アナログ信号Ａｎ３，Ａｎ４に基づいて、第１及び第２磁気抵抗素子２１，２２が正常か否かを判断する。第１又は第２磁気抵抗素子２１，２２自体が故障しているとき、マイコン２３には所望の波形を持つ信号Ａｎ１〜Ａｎ４が入力されない。このとき、第１又は第２磁気抵抗素子２１，２２が正常ではない（異常である）という。
【００２４】
ステアリングが操作されていない場合、第１及び第２磁気抵抗素子２１，２２に対する永久磁石１６による磁束の方向が変化しないため、両磁気抵抗素子２１，２２は一定電圧の第１及び第２アナログ信号Ａｎ１，Ａｎ２、第３及び第４アナログ信号Ａｎ３，Ａｎ４を出力する。一方、第１又は第２磁気抵抗素子２１，２２が故障している場合、故障している第１又は第２磁気抵抗素子２１，２２は、ステアリングが操作されても一定電圧の第１及び第２アナログ信号Ａｎ１，Ａｎ２、又は第３及び第４アナログ信号Ａｎ３，Ａｎ４しか出力しない。
【００２５】
どちらか一方の磁気抵抗素子が所望の波形を持つ信号を出力しているにも関わらず、もう一方の磁気抵抗素子が一定電圧の信号を出力している場合は、一定電圧の信号を出力している磁気抵抗素子に異常等の故障が生じていると判断する。
【００２６】
そして、マイコン２３は、第１磁気抵抗素子２１又は第２磁気抵抗素子２２に異常が生じたと判断した場合、図示しないインストルメントパネルに設けられたインジケータやブザーなどに作動信号を出力して該異常が生じた旨を搭乗者に報知する。また、マイコン２３は、第１磁気抵抗素子２１又は第２磁気抵抗素子２２に異常が生じたと判断した場合、ステアリングシャフトＳの回転角度を利用して制御を行う車両システムに対して禁止信号を出力して該車両システムによる制御を禁止させる。
【００２７】
従って、本実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）回転板１２が回転しているにも関わらず、第１〜第４アナログ信号Ａｎ１〜Ａｎ４が変化しない際には、磁気抵抗素子が異常であるものとしてインジケータやブザーなどに作動信号を出力して該異常が生じた旨を搭乗者に報知できる。マイコン２３は、第１〜第４アナログ信号Ａｎ１〜Ａｎ４が回転板の回転に対して変化している際には、回転角度の算出結果が正しいものとして、その回転角度を種々の車両システムへ出力することができる。よって、マイコン２３は磁気抵抗素子２１，２２が正常であるか否かを判断できる。
【００２８】
（２）永久磁石とギア体を配設し、その磁束が及ぶ範囲に磁気抵抗素子を２つ配設したため、部品点数を少なくすることができ、組立てが容易になり生産性も向上する。
【００２９】
（３）部品点数が少なくなったことから、ギア体等を格納するハウジング１１のスペースを小さくすることができ、ステアリングシャフトまわりの狭いスペースの中での搭載性も向上できる。
【００３０】
なお、本発明の実施形態は以下のように変更してもよい。
・前記実施形態では、磁気抵抗素子を２つのみ設けたが、磁気抵抗素子を３つ以上（３つや４つ等）設けた構成にしてもよい。
【００３１】
・回転角度検出装置は、ステアリングホイールの回転角度を検出する操舵角検出装置１０以外の用途、例えば回転軸を備えた工作機械における回転軸の回転角度を検出する回転角度検出装置として用いてもよい。
【００３２】
・前記実施形態では、第１及び第２磁気検出手段として磁気抵抗素子２１，２２を用いている。これに限らず、磁気検出手段として巨大磁気抵抗素子（ＧＭＲ素子）や、磁気インピーダンス素子、ホール素子などの各種磁気センサや、ポテンションメータなどの接触型の素子を用いてもよい。要は、磁気検出手段は、ステアリングシャフトＳの回転に伴って連続的に変化するアナログ信号を出力する素子によって構成されていればよい。
【００３３】
・前記実施形態において、第１〜第４アナログ信号Ａｎ１〜Ａｎ４が１周期となる回転板１２の回転角度は、６０°に限らず、例えば９０°、１２０°、１８０°、３６０°、７２０°、１０８０°など、任意の角度に変更してもよい。
【００３４】
・前記実施形態では、第２磁気検出手段としての第２磁気抵抗素子２２の位置を前記永久磁石１６と前記第１磁気抵抗素子２１とを結ぶ同軸上であって、前記第１磁気抵抗素子２１が配設されているプリント配線板１７の裏面としたが、永久磁石１６の飽和磁界の範囲内であれば、任意に配設してもよい。
【００３５】
次に、上記実施形態より把握される技術的思想を以下に列挙する。
（イ）請求項１乃至請求項３のうちいずれか１項に記載の回転角度検出装置において、前記第１磁気検出手段及び前記第２磁気検出手段は、磁気抵抗素子または磁気インピーダンス素子であることを特徴とする回転角度検出装置。
【００３６】
（ロ）請求項１乃至請求項３、上記（イ）のうちいずれか１つに記載の回転角度検出装置において、前記回転体は車両におけるステアリングホイールであることを特徴とする回転角度検出装置。
【００３７】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、本体の小型化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態における操舵角検出装置の概略構成図。
【図２】図１におけるＡ−Ａ線矢視断面図。
【図３】本実施形態における電気的構成を概略的に示すブロック図。
【図４】本実施形態の作用を説明するために模式的に示すタイムチャート。
【符号の説明】
１０…回転角度検出装置としての操舵角検出装置、
１２…回転板、１６…永久磁石、１７…プリント配線板、
２１…第１磁気検出手段としての磁気抵抗素子、
２２…第２磁気検出手段としての磁気抵抗素子、
２３…角度算出手段としてのマイコン（マイクロコンピュータ）、
Ａｎ１…第１角度検出用アナログ信号としての第１アナログ信号、
Ａｎ２…第２角度検出用アナログ信号としての第２アナログ信号、
Ａｎ３…第３角度検出用アナログ信号としての第３アナログ信号、
Ａｎ４…第４角度検出用アナログ信号としての第４アナログ信号、
Ｓ…回転体としてのステアリングシャフト

Claims

回転板の回転に伴い回転磁界を発生する磁界発生手段と、
前記磁界発生手段にて発生する前記回転磁界を受け、前記回転板の回転に応じて連続して変化する第１検出信号を出力する第１磁気検出手段と、
前記磁界発生手段にて発生する前記回転磁界の飽和磁界内に設けられ、前記回転板の回転に応じて変化する第２検出信号を出力する第２磁気検出手段と、
前記第１検出信号の周期及び出力値に基づいて前記回転板の回転角度を算出する角度算出手段と、
前記第１検出信号と前記第２検出信号とを比較して前記第１磁気検出手段又は前記第２磁気検出手段が故障しているか否かを判断する故障判断手段と、
を備えたことを特徴とする回転角度検出装置。
請求項１に記載の回転角度検出装置において、
前記第１磁気検出手段と前記第２磁気検出手段とを、前記磁界発生手段により発生する前記回転磁界の軸線上に配設したことを特徴とする回転角度検出装置。
請求項１又は２に記載の回転角度検出装置において、
前記第１磁気検出手段と前記第２磁気検出手段とをプリント配線板の表裏に配設したことを特徴とする回転角度検出装置。