JP2007187500A - 回転角検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、高精度・高分解能な多回転角検知を行える装置の提供を目的とする。
【解決手段】入力軸に連結され、外周面に等間隔をなして交互に極性の異なる磁極が着磁してある第１のターゲット５とを保持した多回転可能な第１の回転体３と、この第１のターゲット５に対向配置され、前記第１の回転体３の回転角を検出する第１の検出手段１７と、前記入力軸に連結され歯車を持つ第２の回転体１０と、この第２の回転体１０の歯車に接続され、中心部に第２のターゲット１２が配置された歯車を持つ第３の回転体１１と、この第３の回転体１１の回転角を検出する第２の検出手段１３と、前記第３の回転体１１の歯車に接続され、中心部に第３のターゲット１５が配置された歯車を持つ第４の回転体１４と、この第４の回転体１４の回転角を検出する第３の検出手段１６を備えることにより、多回転角検知を高分解能／高精度にできるという作用効果が得られる。
【選択図】図１

Description

本発明は、車両の車体制御システムなどに用いられる回転角度検出装置に関わるものであり、特に多回転のハンドルの回転角検出装置に関するものである。

従来、回転角を検出する方式として、図８に示すような方式が知られている。図８において、歯車部３８は回転角度を検出したい回転軸（図示せず）に係合バネ３９を介して取り付けられる。歯車部３８は外周端面に複数個の磁極を着磁したコード板４０が取り付けられた歯車部４１と噛み合っており、検出する回転軸の回転にしたがってコード板４０に設けられた磁極が移動する。この磁極の数を外周端面に対向して設けた検出素子４２でカウントすることにより、回転角度を検出する。

なお、この出願の発明に関する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献１が知られている。
特開平１１−１９４００７号公報

しかしながら、このように構成された回転角センサにおいては、軸の回転角をコード板の外周端面に配置された複数の磁極の移動数をカウントすることにより検出するため、検出角度の分解能を向上させるためには着磁磁極の寸法を細かくする必要があり、また、コード板の回転と軸の回転とは歯車を介しているため、バックラッシュ等により検出精度の向上が困難であるという課題があった。またこの回転センサは相対回転角の検出しかできなくて、絶対回転角度の検出ができないという課題があった。

本発明は、上記のような課題を解決するもので、回転軸に連結し外周面に交互に極性の異なる磁極を着磁させたターゲットを用いて、高精度・高分解能に多回転の回転角検出を行う回転角検出装置を提供することを目的とするものである。

上記目的を達成するために、本発明の回転角検出装置は以下の構成を有するものである。

本発明の請求項１に記載の発明は、入力軸に連結され、外周面に等間隔をなして交互に極性の異なる磁極が着磁してある第１のターゲットを保持した多回転可能な第１の回転体と、前記第１のターゲットの磁極に対向配置され前記第１の回転体の回転角を検出する第１の検出手段と、入力軸に連結され歯車を持つ第２の回転体と、前記第２の回転体の歯車に接続され中心部に第２のターゲットが配置された歯車を持つ第３の回転体と、前記第２のターゲットに対向配置され前記第３の回転体の回転角を検出する第２の検出手段と、前記第３の回転体の歯車に接続され中心部に第３のターゲットが配置された歯車を持つ第４の回転体と、前記第３のターゲットに対向配置され、前記第４の回転体の回転角を検出する第３の検出手段とを配置した構成を有しており、前記第１の検出手段により検出された前記第１の回転体の回転角と、前記第２、第３の検出手段により検出された第３、第４の回転体の回転角から算出された第２の回転体の多回転角とを組み合わせることにより、前記第１の回転体の多回転角検知を高分解能／高精度に行うことができるという作用効果が得られる。

以上のように本発明によれば、外周面に等間隔をなして交互に極性の異なる磁極が着磁してある多回転可能な第１のターゲットと、前記第１のターゲットの磁極に対向配置された第１の検出手段を含む磁気的センサを対として構成された回転角検出装置であり、この第１のターゲットと第１の検出手段の構成を入力軸に設けることにより高分解能／高精度に第１の回転体の回転角を検知することができると共に歯数の異なる歯車を持った第３、第４の回転体の回転角差より求めた多回転角と組み合わせることにより多回転角を高分解能／高精度に検知でき、検出手段を磁気検出素子にすることにより非接触でターゲットの回転角を検知できるため、装置の耐久性、信頼性の向上が図れ、前記多極着磁されたターゲットの回転角と歯車の回転角とを比較することにより装置の異常検知ができるという効果を奏するものである。

以下、本発明の実施の形態について、図１から図７を用いて説明する。

図１（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は実施の形態１における回転角検出装置の基本構成図、図２は回転角検出装置の回路ブロック図、図３（ａ）、（ｂ）は第１の検出手段の出力信号を示す図、図４（ａ）、（ｂ）は第３の検出手段の出力信号を示す図、図５（ａ）、（ｂ）は第４の検出手段の出力信号を示す図、図６は第１の回転体の回転角と第２の回転体の回転角検出に使われる第３、第４の回転体の回転角を示す図、図７は回転角検出誤差発生を防止する方法の説明図である。

図１において、３は入力軸４に嵌合した多回転可能な第１の回転体、５は第１の回転体３に保持され、外周面に等間隔をなして交互に極性の異なる磁極が着磁されている第１のターゲット、１０は第１の回転体３に嵌合した多回転可能な歯車を有する第２の回転体、１１は第２の回転体１０の歯車と噛合した第３の回転体、１２は第３の回転体１１の中央部に配置された第２のターゲット（単極磁石）、１３は第２のターゲット１２に対向する位置に配置されこの磁界方向を検出する第２の検出手段（磁気検出素子）、１４は第３の回転体１１の歯車と噛合した第４の回転体、１５は第４の回転体１４の中央部に配置された第３のターゲット（単極磁石）、１６は第３のターゲット１５に対向する位置に配置されこの磁界方向を検出する第３の検出手段（磁気検出素子）、１７は第１のターゲット５に対向する位置に配置されこの磁界方向を検出する第１の検出手段（磁気検出素子）、１９は第１の検出手段１７（磁気検出素子）が配置される基板、２０は第２、第３の検出手段１３、１６（磁気検出素子）が配置される基板である。

前記第１のターゲット５の着磁極数は余裕をみて３０極（Ｎ極１５、Ｓ極１５）と決定している。この場合、１極当り１２ｄｅｇになる。

第１、第２、第３の検出手段１７、１３、１６について、磁気抵抗素子（以下ＭＲ素子とする）を用いた場合について説明する。各ＭＲ素子は磁界方向を検知し正弦波信号と余弦波信号としてアナログ出力する。

第１の検出手段１７で第１のターゲット５の磁界方向の変化を検知する場合、磁極１極に対し、１周期の正弦波および余弦波信号が出力されるため、第１のターゲット５を１回転させると着磁極数分の正弦波および余弦波信号を得ることができる。図２に示すようにこれらの信号は増幅部２１にて規定の振幅に増幅し、マイクロコンピュータ２３（以下ＣＰＵとする）内のＡ／Ｄコンバータ（図示せず）に入力し演算処理して、第１のターゲット５すなわち第１の回転体３の回転角を算出する。図３にその波形を示す。図３（ａ）において、横軸は入力軸４に嵌合した第１の回転体３の回転角を示しており、縦軸は第１の検出手段１７からの正弦波信号２４および余弦波信号２５を示している。図３（ｂ）において、横軸は第１の回転体３の回転角を示しており、縦軸は前記正弦波信号２４および余弦波信号２５よりＣＰＵ２３で算出した第１の回転体３の回転角を示している。

一方、第３の回転体１１の歯車は第２の回転体１０の歯車と連結されており、第３の回転体１１と第２の回転体１０の歯数比による速比で回転する。

第２の検出手段１３は、第３の回転体１１の中心部に配置された第２のターゲット（単極磁石）１２の磁界方向を検知し、第２のターゲット（単極磁石）１２の０．５回転に対し、１周期の正弦波および余弦波信号が出力する。この出力をＣＰＵ２３にて演算処理し、第３の回転体１１の回転角を算出することができる。図４にその波形を示す。図４（ａ）において、横軸は第２の回転体１０の回転角を示しており、縦軸は第２の検出手段１３からの正弦波信号２６および余弦波信号２７を示している。図４（ｂ）において、横軸は第２の回転体１０の回転角を示しており、縦軸は第３の回転体１１の回転角を前記正弦波信号２６および余弦波信号２７よりＣＰＵ２３で演算したものを示している。

第４の回転体１４の歯車は第３の回転体１１の歯車を介して第２の回転体１０と連結されており、第４の回転体１４は第２の回転体１０が回転すると各歯車の歯数の比による速比で回転する。

第３の検出手段１６は、第４の回転体１４の中心部に配置された第３のターゲット（単極磁石）１５の磁界方向を検知し、第３のターゲット（単極磁石）１５の０．５回転に対し、１周期の正弦波および余弦波信号が出力する。この出力をＣＰＵ２３にて演算処理し、第４の回転体１４の回転角を算出する。図５にその波形を示す。図５（ａ）において、横軸は第２の回転体１０の回転角を示しており、縦軸は第３の検出手段１６からの正弦波信号２８および余弦波信号２９を示している。図５（ｂ）において、横軸は第２の回転体１０の回転角を示しており、縦軸は第４の回転体１４の回転角を前記正弦波信号２８および余弦波信号２９よりＣＰＵ２３で演算したものを示している。

図２において、前記第２、第３の検出手段１３、１６は増幅部３０、３１を介してＣＰＵ２３に接続されている。一方、ＣＰＵ２３で算出された回転角は出力信号線３２より出力する。

図６（ａ）において、横軸は入力軸４に嵌合された第２の回転体１０の回転角を示しており、縦軸は第２の検出手段１３から得た信号より算出した第３の回転体１１の回転角を示している。

図６（ｂ）において、横軸は入力軸４に嵌合された第２の回転体１０の回転角を示しており、縦軸は第３の検出手段１６から得た信号より算出した第４の回転体１４の回転角を示している。第３の回転体１１に搭載されている歯車の歯数と第４の回転体１４に搭載されている歯車の歯数が違うため第２の回転体１０の回転角に対する回転周期は異なる。

図６（ｃ）において、横軸は入力軸４に嵌合された第２の回転体１０の回転角を示しており、縦軸は第２の検出手段１３から得た信号と第３の検出手段１６から得た信号とより算出した第３の回転体１１と第４の回転体１４の回転角差を示している。

図６（ｄ）において、横軸は入力軸４に嵌合された第１の回転体３の回転角を示しており、縦軸は第１の検出手段１７から得た信号より算出した第１のターゲット５の回転角を示している。

次に、回転体の多回転角検出の方法について説明する。

図１において、第１の回転体３に嵌合された第２の回転体１０が回転したとき、その第２の回転体１０の歯車に接続された第３の回転体１１の歯車によって第３の回転体１１を回転させる。同時に第３の回転体１１の歯車に接続された第４の回転体１４の歯車によって第４の回転体１４を回転させる。第２の回転体１０の歯車の歯数をａ、第３の回転体１１の歯車の歯数をｂ、第４の回転体１４の歯車の歯数をｃとすると、第３の回転体１１は第２の回転体１０に対して、ａ／ｂ倍の速さで回転し、第４の回転体１４は第２の回転体１０に対して、ａ／ｃ倍の速さで回転する。

この際、歯車の歯数ａ、ｂ、ｃを適切に選択することにより、第３の回転体１１と第４の回転体１４の回転角差から第２の回転体１０の多回転角を得ることができる。

第３の回転体１１の中心部に配置された第２のターゲット（単極磁石）１２に対向するように配置された第２の検出手段１３は、第２の検出手段１３を貫く磁界方向を検知して第３の回転体１１の回転角を検出する。

一方、第４の回転体１４の中心部に配置された第３のターゲット（単極磁石）１５に対向して配置された第３の検出手段１６は、第３の検出手段１６を貫く磁界方向を検知して第４の回転体１４の回転角を検知する。第２の検出手段１３と第３の検出手段１６の出力信号はＣＰＵ２３内のＡ／Ｄコンバータを介して入力される。第２の検出手段１３と第３の検出手段１６の出力信号から算出される回転角差から第２の回転体１０の多回転角を算出し、この多回転角から第１のターゲット５の磁極の位置を推定して、第１のターゲット５の多回転角を高精度に算出する。図６に第１、第２、第３の検出手段１７、１３、１６の信号に基づいてＣＰＵ２３で算出された回転角を示す。３５は第２の検出手段１３の出力信号より演算した第３の回転体１１の回転角を、３６は第３の検出手段１６の出力信号より演算した第４の回転体１４の回転角をそれぞれ示している。３７は第２、第３の検出手段１３、１６の出力信号より算出した第３、第４の回転体１１、１４の回転角差を示している。回転角差３７は第２の回転体１０の回転検出範囲０ｄｅｇ〜１８００ｄｅｇにおいて電気角が０ｄｅｇから１８０ｄｅｇ直線的に変化する。これは回転角差３７でもって第２の回転体１０の多回転角を回転検出範囲０ｄｅｇ〜１８００ｄｅｇにおいて一意的に確定できることを意味する。

一方、第１の検出手段１７の信号に基づいて算出された第１のターゲット５（多極リング磁石）の回転角３３は着磁された極間の回転角（この例の場合１２ｄｅｇ）において電気角が０ｄｅｇから１８０ｄｅｇ直線的に変化する。これは回転角３３でもって第１のターゲット５を保持している第１の回転体３の回転角を着磁された極間の回転角において一意的に確定できることを意味する。前記第２の回転体１０と第１のターゲット５が保持されている第１の回転体３は同一軸に嵌合されているため前記第２の回転体１０の多回転角から第１のターゲット５の磁極の位置を推定して、第１のターゲット５の多回転角を高精度に算出することができる。

次に第１の回転体３と第３の回転体１１の回転角を常に比較して、装置の異常を検知する方法について図２、図３、図４、図６より説明する。

図２において、第１の回転体３が回転するとこの第１の回転体３に保持されている第１のターゲット５が回転する。第１のターゲット５の表面に３０極が着磁してあるとすると図３（ａ）に示すような出力信号が第１の検出手段１７より得られる。第１の回転体３が１２ｄｅｇ回転する毎に正弦波信号２４と余弦波信号２５が１周期変化し、これらの信号より算出される電気角が１８０ｄｅｇ変化する。すなわち第１の回転体３の回転角を１２ｄｅｇの範囲において一意的に得ることができる。第２の回転体１０の歯車と第３の回転体１１の歯車の歯数比を１／３とすると、図４（ａ）に示すように第２の回転体１０が６０ｄｅｇ回転する毎に正弦波信号２６と余弦波信号２７が１周期変化し、これらの信号より算出される電気角が１８０ｄｅｇ変化する。図６において、第１の検出手段１７より算出した第１のターゲット５の回転角３３と第２の検出手段１３より算出した第３の回転体１１の回転角３５との差はある回転角を原点にして回転角３３と回転角３５の勾配を１周期の回転角比（１２：６０＝１：５）にて補正すれば、装置に異常がない限り規定値以下の値となる。すなわち回転角３５の値を５倍したものと回転角３３との差を求めて異常判定を行う。

次に前記第１、第２、第３の検出手段（磁気検出素子）１７、１３、１６および増幅部２１、３０、３１等の感度バラツキによる回転検出誤差発生を防止する方法について説明する。

図２において、第１の回転体３が回転すると第１のターゲット５も回転する。この第１のターゲット５の回転と共に磁界方向が変化し、この磁界方向の変化を第１の検出手段１７で検出する。第１の検出手段１７からは、この磁界方向の変化に対して正弦波信号２４と余弦波信号２５を出力する。図３（ａ）にこれらの出力信号を示す。横軸に第１の回転体３の回転角をとってそれぞれの信号出力を示している。これらの信号は増幅部２１を介してＣＰＵ２３に入力され、前記正弦波信号２４と前記余弦波信号２５より逆正接信号を算出する。しかし図７に示すように正弦波信号レベル４５と余弦波信号レベル４６が、磁気検出素子や増幅部の感度バラツキにより微妙に異なると、算出された逆正接信号の精度が落ちてくる。そこで図２に示すスイッチ信号５０をＯＮして感度記憶モードにした時のみ、第１の回転体３を１２ｄｅｇ以上回転させ、正弦波信号４４と余弦波信号４３の信号レベル（感度）４５、４６を算出し、不揮発性のメモリ（ＥＥＰＲＯＭ）５１に記憶する。回転角の算出時にはスイッチ信号５０をＯＦＦにし、記憶した信号レベル（感度）４５、４６により正弦波信号４４と余弦波信号４３の最大、最小レベルが一致するように補正したものから逆正接信号を算出して回転角を求める。

また図１に示す第３、第４の回転体１１、１４が１８０ｄｅｇ以上回転するように第２の回転体１０を回転させ、図４、図５に示す正弦波信号２６、２８と余弦波信号２７、２９の信号レベル（感度）を算出し不揮発性のメモリ（ＥＥＰＲＯＭ）５１に記憶し、図７に示したように記憶した信号レベル（感度）４５、４６により正弦波信号４４と余弦波信号４３の最大、最小レベルが一致するように補正したものから逆正接信号を算出して回転角を求める。

また、図７の第１、第２、第３の検出手段１７、１３、１６の出力の最大値、最小値が基準範囲４７内に無い場合、温度特性などによって出力が変化しなくなったり、必要な分解能が得られないことが発生する。そこで、出力が基準範囲４７内に最大値、最小値があることを比較確認する手段（図示しない）で確認することにより、回転角の検出誤差拡大の防止が可能になる。なお、第１、第２、第３の検出手段１７、１３、１６の出力の振幅中心４８、４９を比較確認する手段（図示しない）で、ある範囲に入っているか否かを確認することにより、また前記振幅中心４８、４９を一致させる補正をすることにより、算出された回転角の検出誤差拡大の防止が可能になる。さらに、このとき複数回ずつ入力を行い、平均値を取る、もしくは最大値、最小値を除いた平均値を取るなどすればより高い精度で回転角検出が可能となる。

また、任意の特定位置での第１、第２、第３の検出手段１７、１３、１６の信号出力又はこれらの信号出力より算出される回転角を記憶することにより、任意の位置からの回転角を一意的に検出できる。また電気信号を複数回読み込みチェックする、または、シリアル信号などで送るようにすれば、ノイズなどにより誤った信号が入った場合除去することができる。なお、特定位置決定用信号線５２は出力信号線３２の入出力を切り替えて、同じ端子を使っても同様の効果が得られる。

本発明の回転角検出装置は、車両のパワーステアリング等で使用され、簡単な構成で高精度・高分解能に多回転角検知を行うことができるという作用効果を有する。

（ａ）本発明の実施の形態１における回転角検出装置の基本構成を示す側断面図、（ｂ）同平面図、（ｃ）同部分断面図 本発明の実施の形態１における回転角検出装置の回路ブロック図 （ａ）本発明の実施の形態１における第１の検出手段の出力信号を示す波形図、（ｂ）同電気角を示す波形図 （ａ）本発明の実施の形態１における第３の検出手段の出力信号を示す波形図、（ｂ）同電気角を示す波形図 （ａ）本発明の実施の形態１における第４の検出手段の出力信号を示す波形図、（ｂ）同電気角を示す波形図 本発明の実施の形態１における第１の回転体の回転角と回転角検出に使われる第３、第４の回転体の回転角を示す波形図 本発明の実施の形態１における回転角検出誤差発生を防止する方法を示す波形図 従来の回転角検出装置を示す断面図

符号の説明

３ 第１の回転体
４ 入力軸
５ 第１のターゲット
１０ 第２の回転体
１１ 第３の回転体
１２ 第２のターゲット
１３ 第２の検出手段
１４ 第４の回転体
１５ 第３のターゲット
１６ 第３の検出手段
１７ 第１の検出手段
１９ 基板
２０ 基板

Claims (11)

1. 入力軸に連結され、外周面に等間隔をなして交互に極性の異なる磁極が着磁してある第１のターゲットを保持した多回転可能な第１の回転体と、前記第１のターゲットの磁極と対向配置され、前記第１の回転体の回転角を検出する第１の検出手段と、入力軸に連結され歯車を持つ第２の回転体と、前記第２の回転体の歯車に接続され中心部に第２のターゲットが配置された歯車を持つ第３の回転体と、前記第３の回転体の回転角を検出する第２の検出手段と、前記第３の回転体の歯車に接続され中心部に第３のターゲットが配置された歯車を持つ第４の回転体と、前記第４の回転体の回転角を検出する第３の検出手段とを配置したことを特徴とする回転角検出装置。
2. 第１、第２、第３の検出手段は磁気検出素子からなり、第２、第３のターゲットは単極磁石からなる請求項１に記載の回転角検出装置。
3. 第２の回転体の歯車に順次接続され、歯数がそれぞれ異なる歯車を有する第３の回転体及び第４の回転体の回転角差と、前記第３の回転体ないし前記第４の回転体の回転角を組合わせて、前記第２の回転体の多回転角を算出する請求項１に記載の回転角検出装置。
4. 第２の回転体の歯車に順次接続され、歯数がそれぞれ異なる歯車を有する第３の回転体及び第４の回転体の回転角差と、前記第３の回転体ないし前記第４の回転体の回転角と、第１のターゲットより求められた第１の回転体の回転角を組合わせて、前記第１の回転体の多回転角を算出する請求項１に記載の回転角検出装置。
5. 第１の検出手段より算出した回転角と、第２または第３の検出手段より算出した回転角を常に比較して、回転角差が規定値内であるか否かを確認する手段を有することを特徴とする請求項１に記載の回転角検出装置。
6. 第１、第２、第３の回転体を組込み後、第１、第２、第３の検出手段から出力される正弦波信号と余弦波信号の感度を記憶する不揮発性のメモリを有し、電源投入時毎に各感度にて前記正弦波信号と余弦波信号の補正を行うことを特徴とする請求項１に記載の回転角検出装置。
7. 第１ないし第３の検出手段としての各磁気検出素子の感度を記憶するときに感度が規定値内であるか否かを確認する手段を有することを特徴とする請求項５に記載の回転角検出装置。
8. 第１ないし第３の検出手段としての各磁気検出素子の信号出力の振幅中心を記憶する不揮発性のメモリを有し、電源投入時毎に各振幅中心にて正弦波信号と余弦波信号の補正を行うことを特徴とする請求項１に記載の回転角検出装置。
9. 第１ないし第３の検出手段としての各磁気検出素子の信号出力の振幅中心が規定値内であるか否かを確認する手段を有することを特徴とする請求項１に記載の回転角検出装置。
10. 第１ないし第３の検出手段としての各磁気検出素子の任意の特定位置を判断する手段を有し、その位置での正弦波信号、余弦波信号の値を記憶し、特定位置からの絶対回転角を検出することを特徴とする請求項２に記載の回転角検出装置。
11. 第１ないし第３の検出手段としての各磁気検出素子の任意の特定位置を判断する手段を有し、その位置での正弦波信号、余弦波信号より算出される絶対回転角を記憶し、特定位置からの絶対回転角を検出することを特徴とする請求項２に記載の回転角検出装置。

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