JP2007271330A

JP2007271330A - 回転センサ

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Publication number: JP2007271330A
Application number: JP2006094472A
Authority: JP
Inventors: Hisato Kobayashi; 久人小林; Akira Noguchi; 晃野口; Tomotaka Watanabe; 知孝渡邉; Tomoaki Toratani; 智明虎谷; Shinji Hori; 伸二堀; Shinichiro Iizuka; 晋一郎飯塚
Original assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Current assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Priority date: 2006-03-30
Filing date: 2006-03-30
Publication date: 2007-10-18

Abstract

【課題】歯車のバックラッシによる角度誤差を極力抑えつつ、３６０°を超える角度の検出が可能な回転センサを提供する。
【解決手段】被測定用回転体の回転角度をこれ以外の測定用回転体を用いて測定する回転センサであって、被測定用回転体１５０と連動してこれとほぼ同一の回転数で回転する第１の測定用回転体１１０と、第１の測定用回転体と連動して回転し、回転数が第１の測定用回転体より小さい第２の測定用回転体１２０を備え、第１の測定用回転体及び第２の測定用回転体には径方向磁界を有する永久磁石がそれぞれの中心に配置され、更に各永久磁石が発生する磁界の径方向の変化を検出可能な箇所に所定数のホール素子１１２，１２２が各測定用回転体の回転と独立してそれぞれ配置され、磁界検出素子の出力を用いて各測定用回転体の回転角度を検出することで被測定用回転体の回転角度を測定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、回転体に取付けてこの回転体の回転角度を検出するのに使用する回転センサに関する。

例えば、自動車のステアリングシャフトなどの回転シャフトに取付けてこのシャフトと一体になったハンドルの回転角度を検出するのにいわゆる回転センサが使用される。

そして、３６０°以上回転する対象物の回転角度を、当該対象物以外の２つの回転体を用いて測定する技術は、例えば特許文献１に開示されている。

かかる回転センサは、歯数の多い主回転体と、この主回転体より歯数が少なくかつ互いの歯数の差が１つである２つの副回転体を備えている。また、回転角度検出のためのセンサが各副回転体に設けられ、２つの副回転体の回転角度をそれぞれ測定するようになっている。そして、センサで検出された各副回転体の回転角度から主回転体の回転角度を求めている。
特表平１１−５００８２８号公報（第６−７頁、図１）

特許文献１に記載された回転センサは、対象物の回転角度を当該対象物と歯車で噛合せた２つの回転体の位相差により検出するようになっている。具体的には、各副回転体に備わった角度センサに基づいて第１の副回転体の回転角度と第２の副回転体の回転角度を測定する。そして、角度センサの周期性、第１の副回転体の歯数、第１の副回転体の歯数と一つだけ異なる第２の副回転体の歯数、及びこれらの定数によって所定の係数を求めて、この係数、定数、測定値から主回転体の回転角度を求めるようになっている。このように、第１の回転体の角度検出に協働する２つの測定用回転体の角度をともに主信号として用い、それぞれの信号から第１の回転体の角度を検出しているが、この構造では、回転体は２つの測定用回転体の歯車のバックラッシなどによる角度誤差の影響を受けてしまう。従って、それぞれの歯車の角度誤差を減らすことが、検出精度向上を図る上での課題となる。

本発明の目的は、歯車のバックラッシによる角度誤差を極力抑えつつ、３６０°を超える角度の検出が可能な検出精度に優れた回転センサを提供することにある。

上述の課題を解決するために、本発明にかかる回転センサは、
被測定用回転体の回転角度を当該被測定用回転体以外の測定用回転体を用いて測定する回転センサにおいて、
前記被測定用回転体と連動して当該被測定用回転体とほぼ同一の回転数で回転する第１の測定用回転体と、前記第１の測定用回転体と連動して回転し、回転数が当該第１の測定用回転体より小さい第２の測定用回転体を備え、
前記第１の測定用回転体及び第２の測定用回転体には、径方向磁界を有する永久磁石がそれぞれの中心に配置され、更に各永久磁石が発生する磁界の径方向の変化を検出可能な箇所に所定数の磁界検出素子が前記第１及び第２の測定用回転体の回転と独立してそれぞれ配置され、
前記磁界検出素子の出力を用いて前記第１の測定用回転体の回転角度及び第２の測定用回転体の回転角度を検出することにより被測定用回転体の回転角度を測定することを特徴としている。

このような回転センサを用いることで、従来型の回転センサのように第1の回転体に協働する２つの回転体の角度を共に主信号として用いなくて済み、かつバックラッシによる角度誤差の影響を従来の回転センサほど受けることがなく、検出精度を向上させることができる。

また、本発明の請求項２に記載の回転センサは、請求項１に記載の回転センサにおいて、前記磁気検出素子は、ホール素子であることを特徴としている。

また、本発明の請求項３に記載の回転センサは、請求項１に記載の回転センサにおいて、前記磁気検出素子は、例えばＭＲ素子などの磁気抵抗素子であることを特徴としている。

本発明によると、歯車のバックラッシによる角度誤差を極力抑えつつ、かつ３６０°を超える角度の検出が可能な検出精度に優れた回転センサを提供することができる。

以下、本発明の第１の実施形態にかかる回転センサを図面に基いて説明する。なお、本説明においては自動車のステアリング装置においてこの回転センサをステアリングシャフトに取付けてハンドルの回転角度を検出する場合について説明する。従って、ステアリングシャフトの回転範囲である−９００°〜＋９００°のうちの絶対回転角度を本実施形態にかかる回転センサで求める。

図１は、本発明の第１の実施形態にかかる回転センサの内部構造を概略的に示した平面図である。また、図２は本実施形態における回転センサの概略ブロック構成を示している。

本発明の第１の実施形態にかかる回転センサ１は、図１及び図２に示すように、回転するシャフトＳに取付けられ、周囲に主歯車１５１が形成された主回転体１５０と、主回転体１５０と同一の回転数で回転するように主回転体１５０に備わった主歯車１５１の歯数と等しい歯数の第１歯車１１１が全周に形成され、かつこの第１歯車１１１と主歯車１５１の歯車が常に噛み合った第１の測定用回転体１１０と、第１の測定用回転体１１０の第１歯車１１１の歯数よりも多い歯数の第２歯車１２１が周囲に形成された第２の測定用回転体１２０と、第１の測定用回転体１１０と第２の測定用回転体１２０の中間歯車として連結された中間歯車１６０と、主回転体１５０、第１の測定用回転体１１０、第２の測定用回転体１２０、及び中間歯車１６０を収容保持するとともに外部からの磁界の影響を遮断するケース１３０を備えている。

そして、第１の測定用回転体１１０と第２の測定用回転体１２０には、各回転体１１０，１２０の径方向に磁界を生じかつ回転体の周方向に磁界の強さが変化するようになった永久磁石１１５，１２５がそれぞれの測定用回転体１１０，１２０の中心に配置されている。

更に、ケース１３０にはホール素子配置用基板１４０が固定され、ケース上の所定位置には、第１の測定用回転体１１０及び第２の測定用回転体１２０に配置された永久磁石１１５，１２５が発生する磁界の径方向の変化をそれぞれ検出可能なホール素子１３１〜１３４，１３６〜１３９が備わっている。ホール素子１３１〜１３４，１３６〜１３９は、各測定用回転体１１０，１２０の周方向に４個ずつ隣接するホール素子同士がそれぞれ９０°の角度をなすように配置されている。

上述したように、本実施形態の回転センサ１の第１の測定用回転体１１０は、主回転体１５０の周囲に形成された歯車１５１とほぼ１：１の回転比で回転する第１歯車１１１を有している。この構成による回転伝達誤差は、主に歯車間のバックラッシによって生じるものであるが、特許文献１に記載された回転センサほどの影響は受けない。

また、永久磁石１１５は、第１の測定用回転体１１０の第１歯車１１１の中央に回転体の径方向に磁界を生じさせかつ回転体の周方向に磁界の強さを変化させるようになっており、基板上に配置されている４つのホール素子１３１〜１３４のうち、例えば隣り合って互いに９０°の角度をなす２組の組み合わせのホール素子の出力信号をマイコン（図示せず）で処理する。なお、ホール素子１３１〜１３４のうち隣り合うホール素子の組み合わせにより、各位相シフト量の出力値が９０°ずれるようになっている。これによって、第１の測定用回転体１１０、即ち被測定用回転体１５０の０゜〜３６０゜の小角度を分解能０．１゜として検出するようになっている。

このように本発明においては、２つのホール素子だけを備えてこれらの差動信号を利用し、検出精度確保のため、正弦波信号の直流レベル及び温度による変動をできるだけ小さく抑えることで第１の測定用回転体１１０の小角度を算出することが可能である。

従って、第１の測定用回転体１１０の周囲には、少なくとも２つのホール素子を周方向所定間隔隔てて配置すれば良く、必ずしも図１のように周方向に４つのホール素子を配置する必要はない。

また、中間歯車１６０は第１の測定用回転体１１０の第１の歯車と第２の測定用回転体１２０の中間歯車として連結されている。

また、第２の測定用回転体１２０の第２歯車１２１の歯数は第１の測定用回転体１１０の第１歯車１１１の歯数よりも多くなっており、中間歯車１６０を介して第１の測定用回転体１１０の回転数よりも第２の測定用回転体の回転数が小さくなる（減速される）ようになっている。具体的には、本実施形態の場合、第２の測定用回転体１２０の第２歯車１２１備わった歯数は、第１の測定用回転体１１０に備わった第１歯車１１１の歯数の５倍となっており、第１の測定用回転体１１０が５回転するごとに第２の測定用回転体１２０が１回転するようになっている。

そして、第２の測定用回転体１２０の第２歯車の中央に回転体の径方向に磁界を生じかつ回転体の周方向に磁界の強さが変化するようになった永久磁石１２５を備え、基板上に配置されている４つのホール素子１３６〜１３９の出力信号のうち、例えば隣り合って同方向に９０°の角度をなす２つのホール素子の組み合わせを利用してこの出力をマイコン（図示せず）で処理し、第２の測定用回転体１２０の回転角度を検出するようになっている。

このように、この第２の測定用回転体１２０とホール素子１３６〜１３９による被測定用回転体１５０の回転角度検出にあたっても、本実施形態の場合、２つのホール素子を備えてこれらの差動信号を利用し、検出精度確保のため、正弦波信号の直流レベル及び温度による変動をできるだけ小さく抑えることで第１の測定用回転体１１０の回転角度、即ち被測定用回転体１５０の回転角度を算出することが可能である。

従って、第２の測定用回転体１２０の周囲には、少なくとも２つのホール素子を周方向所定間隔隔てて配置すれば良く、必ずしも図１に示すように周方向４つのホール素子を配置する必要はない。

続いて、以上の構成を有する回転センサ１による被測定用回転体１５０の絶対回転角度の検出方法について説明する。なお、図２は、第１の実施形態にかかる回転センサの概略ブロック図である。また、図３は上述の実施形態における被測定用回転体１５０の絶対回転角度算出用のフローチャートである。

本実施形態の回転センサは、図１に示すように主歯車１５１を備えたロータが主回転体１５０として回転シャフトＳに直接嵌め込まれて被測定用回転体を構成しているため、第１歯車１１１は完全にシャフトＳの回転と同期する。

被測定用回転体１５０である主回転体の絶対回転角度を求めるにあたって、まず、主回転体１５０と同一の回転数で回転する第１の測定用回転体１１０に備わった磁石１１５とホール素子１３１〜１３４から、主回転体１５０の０゜〜＋３６０゜の小角度範囲の回転角度検出を行う。

なお、３６０゜周期を有し、かつ互いに９０゜の位相差を有する４つの正弦波信号から図４に示す３６０゜の絶対角度信号を算出する方法は既に多く実用化されている。

本実施形態においては、この方法を実施するための一形態であるホール素子１３１〜１３４を第１の測定用回転体１１０の周方向に９０°の角度をなして等間隔に基板１４０に配置しているので、互いに９０°の位相差を有する４つの正弦波信号が第１の測定用回転体１１０の回転によって得られる。

具体的には、ホール素子１３１〜１３４のうち、隣り合う２個のホール素子同士から得られる位相シフト量出力信号の位相が９０°ずれるようになっているので、上述のような信号処理によって、図４（ａ）に示すように、一方のホール素子の位相シフト量出力値ＳＡと他方のホール素子の位相シフト量出力値ＳＢのように互いに９０°位相のずれた３６０°周期の位相シフト量の出力値が得られる。

このようにして得られた位相シフト量の出力値からロータ１１０の回転角度を３６０°周期で検出する方法は以下の通りである。

図４（ａ）に示すように、各ホール素子から得られる第１の測定用回転体１１０の回転角度の出力値（ＳＡ，ＳＢ）とこれらをそれぞれ反転させた出力値（ＲＳＡ，ＲＳＢ）とを重畳させる。そして、各位相シフト量検出値の大小関係から第１の測定用回転体１１０の回転角度が０°〜２２．５°、２２．５°〜４５°、４５°〜６７．５°、６７．５°〜９０°、のいずれの範囲にあるかを判断する。そして、これら４つの位相シフト量検出値の直線部分を用いるとともに、この直線部分同士をジョイント（結合）処理する。次いで、上述した４つの角度範囲の何れの角度範囲にあるかの判断結果に基づき、図４（ｂ）に示す３６０°ごとの周期で変化する鋸歯状波形の出力信号から第１の測定用回転体１１０の０°から３６０°の小角度を図５上段参照に示すように３６０°周期で求めるようになっている（ステップＳ１）。

なお、この段階では、主回転体１５０が−９００°〜＋９００°のうち、何回転目にあるかを把握できない。従って、第２の測定用回転体１２０とホール素子１３６〜１３９を用いて第１の測定用回転体１１０、即ち主回転体１５０の回転数が何回転目にあるかを検出する（ステップＳ２）。

なお、図５下段の正弦波信号は第２の測定用回転体１２０の回転に伴うホール素子の出力信号を示し、４つのホール素子１３６〜１３９の正弦波信号のうち、２つのホール素子の正弦波信号を示している。

この正弦波信号を利用して、第２の測定用回転体１２０とホール素子１３６〜１３９とから主回転体１５０の−９００°〜＋９００°のうちのどの回転数に属するかを検出する。

具体的には、この主回転体１５０の回転数検出にあたって、本実施形態の場合、第１の測定用回転体１１０と同じ回転をする第１歯車１１１に備わった歯車の歯数よりも多くの歯数（本実施形態では５倍の歯数）を有する第２歯車１２１を備えた第２の測定用回転体１２０の回転角度を第１の測定用回転体１１０と同様の方法で４つのホール素子１３６〜１３９のうち隣り合う２個のホール素子を用いて測定する。図１においては第１歯車１１１と第２歯車１２１を概略的に示しているが、実際には上述したように第１の測定用回転体１１０の第１歯車１１１の歯数：第２の測定用回転体１２０の第２歯車１２１の歯数＝１：５となるような減速比とし、第１の測定用回転体１１０が５回転するごとに第２の測定用回転体１２０が１回転するようになっている。

即ち、径方向磁界を有する永久磁石１２５を回転させ、永久磁石１２５の周囲に９０°間隔に配置した４個のホール素子１３６〜１３９のうち隣り合う２個のホール素子の出力によって本実施形態の場合４つの３６０゜周期を持つ正弦波信号を出力する。

そして、第１の測定用回転体１１０よりも１／５に減速された第２の測定用回転体１２０の回転に伴うホール素子１３６〜１３９を利用して、−９００゜〜＋９００゜の角度範囲のうち、第１回転から第５回転の何れかに主回転体が属しているか、即ち主回転体１５０のいずれかの大角度にあるかを５段階で算出したものを副信号とする（ステップＳ２）。

この場合も図４（ａ）及び図４（ｂ）に基づいて既に説明した方法によって大角度を求める。具体的には、互いに１８００°の位相差を有する４つの正弦波信号のプラスの立ち上がり部分を用いるとともに、各正弦波信号の大小関係を比較して、各正弦波信号の立ち上がり部分をジョイントした図４上段に示す直線状出力に相当する直線状の０°〜＋１８００°周期の回転角度検出用出力を得たものを副信号とする。

そして、この主回転体１５０の大角度信号（副信号）と既に算出した主回転体５０の０°〜＋３６０°のうちの小角度信号（主信号）の検出結果を組み合わせることで、主回転体１５０が−９００°〜＋９００°のうち、０°〜３６０°の何れかの小角度にあるのかを求め、これを主回転体１５０の回転角度とし、かつ副信号から第１回転から第５回転の回転数にあるかの角度位置検知を行う。これによって、被測定用回転体１５０の絶対回転角度を算出することができる（ステップＳ３）。

続いて、本発明の第２の実施形態にかかる回転センサについて説明する。本発明の第２の実施形態にかかる回転センサ２は、図６に示すように、回転するシャフトＳに取付けられ、周囲に主歯車２５１が形成された主回転体２５０と、主回転体２５０と同一の回転数で回転するように主回転体２５０の歯数と等しい歯数の第１歯車２１１が全周に形成され、かつこの第１歯車２１１と主回転体２５０の主歯車２５１が常に噛み合った第１の測定用回転体２１０と、第１の測定用回転体２１０に備わった第１歯車２１１の歯数よりも多い歯数の第２歯車２２１が周囲に形成された第２の測定用回転体２２０と、第１の測定用回転体２１０と第２の測定用回転体２２０の中間歯車として連結された中間歯車２６０と、これらの主回転体２５０、第１の測定用回転体２１０、第２の測定用回転体２２０、及び中間歯車２６０を収容保持するとともに外部からの磁界の影響を遮断するケース２３０を備えている。

そして、第１の測定用回転体２１０と第２の測定用回転体２２０には、各回転体２１０，２２０の径方向に磁界を生じかつ回転体の周方向に磁界の強さが変化するようになった永久磁石２１５，２２５がそれぞれの測定用回転体２１０，２２０の中心に配置されている。

更に、ケース２３０にはＭＲ素子配置用基板２４０が固定され、ケース上の所定位置には、第１の測定用回転体２１０及び第２の測定用回転体２２０に配置された永久磁石２１５，２２５が発生する磁界の径方向の変化をそれぞれ検出可能なＭＲ素子（磁気抵抗素子）２３１，２３２が各測定用回転体２１０，２２０の中央部に備わっている。なお、ＭＲ素子とは磁気抵抗の効果のために磁界によって変化する抵抗値を出力する磁界検出素子である。

即ち、本実施形態の回転センサ２の第１の測定用回転体２１０は、主回転体２５０の周囲に形成された歯車２５１とほぼ１：１の回転比で回転する第１歯車２１１を有している。この構成による回転伝達誤差は、主に歯車間のバックラッシによって生じるものであるが、特許文献１に記載された回転センサほどの影響は受けない。

ＭＲ素子２３１，２３２は、その検出出力がｓｉｎ曲線状の検出出力とｃｏｓ曲線状の検出出力として得られ、これらの検出出力をｔａｎ関数の検出出力に換算して、図７に示すような第１の測定用回転体２１０に対応する第１のＭＲ素子２３１が９０°ごとの周期で変化する。鋸歯状波形の出力信号として第２の測定用回転体２２０に対応する第２のＭＲ素子２３２が１９１．２５°ごとの周期で変化する鋸歯状波形の出力信号として出力するようになっている。なお、この信号処理方法は、例えば特開２００４−５３４４４号公報において記載されているように公知である。第２のＭＲ素子２３２の検出出力の周期がこのように１９１．２５°となっている理由は、本実施形態の場合、第１の測定用回転体２１０に備わった第１歯車２１１の歯数が８０、第２歯車２２１の歯数が８５であるため、これらの歯数の関係から、第２歯車２２１の回転に応じて検出される第２のＭＲ素子２３２の検出信号の周期が１８０°×８５／８０＝１９１．２５°となっているためである。

このように、本実施形態にかかる回転センサ２は、第１の測定用回転体２１０に備わった永久磁石２１５とこれに対応する第１のＭＲ素子２３１から協働して得られる第１の検出信号が第１の測定用回転体２１０、即ち主回転体２５０の回転に対応して９０°の周期で出力され、かつ第２の測定用回転体２２０に備わった永久磁石２２５とこれに対応する第２のＭＲ素子２３２が協働して得られる第２の検出信号が第２の測定用回転体２２０の回転に対応して１９１.２５°の周期で出力されるようになるが、本発明にかかる回転センサ２においては、これらの検出信号の周期間で以下の各関係を満たすことが必要とされている。

まず、各検出信号の周期が満たすべき第１の関係として、第１のＭＲ素子（第１の検出手段）２３１の検出信号の周期をＴｃ、第２のＭＲ素子（第２の検出手段）２３２の検出信号の周期をＴｍとした場合、
（Ｔｍ−Ｔｃ×ｉ）×ｎ＝Ｔｍ（ｉ及びｎは正の整数）の関係を満たすようになっている。このような関係を満たすことで、主回転体２５０、即ち測定すべきシャフトＳの絶対回転角度検出の分解能を向上させるとともに耐ノイズ性を向上させるようになっている。なお、本実施形態にかかる回転センサ２の場合、Ｔｃ＝９０°、Ｔｍ＝１９１．２５°として、ｉ＝２、ｎ＝１７とすると、
（１９１．２５−９０×２）×１７＝１９１．２５となり、上述の関係式を満たしている。

また、この周期Ｔｍ及び周期Ｔｃに互いに異なる正の整数をかけたそれぞれの倍数において、共通で最小のものをＴｘとすると、Ｔｘ≧１４４０°の関係を満たすようになっている。このような関係を満たすことで、測定範囲の±７２０°の範囲内で、第１の検出手段をなす第１のＭＲ素子２３１と第２の検出手段をなす第２のＭＲ素子２３２によって得られる２つの出力値の組み合わせに対応する主回転体２５０、即ちシャフトＳの絶対回転角度の解が複数発生してしまうのを回避し、第１のＭＲ素子２３１の出力値と第２のＭＲ素子２３２の出力値とから確実かつ一義的に主回転体２５０、即ちシャフトＳの絶対回転角度を求めることができるようになる。

なお、本実施形態にかかる回転センサ２の場合、Ｔｃ＝９０°、Ｔｍ＝１９１．２５°として、Ｔｘ＝９０×１７＝１９１．２５×８＝１５３０°、となり、上述の関係式を満たしている。

また、Ｔｘ＝Ｔｃ×ｎの関係を満たしている。その結果、第１の検出手段と第２の検出手段との２つの出力値の組み合わせによって規定される検量線の隣接する検量線同士の間隔が広くなる。これによって、ＴｍとＴｃの組み合わせの範囲をより狭くし、絶対角度に対応する第１の検出手段と第２の検出手段との２つの出力値の組み合わせにおいて検出性能が向上されない組み合わせを減らして有効な組み合わせ範囲に絞ることができるようにしている。

なお、本実施形態にかかる回転センサ２の場合、Ｔｃ＝９０°、Ｔｘ＝１５３０°、であるので、１５３０＝９０×１７、よってｎ＝１７となり、上述の関係式を満たしている。

なお、主回転体２５０、即ちシャフトＳは３６０°で１周するため、必然的にＴｃは３６０°以下となり、Ｔｃ＝３６０°／ｋ（ｋは、正の整数）の関係を満たすようになる。

本実施形態の場合、上述のような関係式を満たす周期のうちで、既に説明したように主回転体２５０である第１の測定用回転体２１０の検出信号の周期Ｔｃを９０°、副回転体である第２の測定用回転体２２０の検出信号の周期Ｔｍを１９１．２５°としている。この周期の組み合わせによると、第１の検出手段と第２の検出手段との２つの出力値の組み合わせを主回転体２５０の絶対回転角度に最適に対応させている。

しかしながら、第１の検出手段である第１のＭＲ素子２３１から得られた主回転体２５０の回転検出信号の周期と第２の検出手段である第２のＭＲ素子２３２から得られた第２歯車２２１の回転検出信号の周期との関係は、本実施形態のように９０°と１９１．２５°に限定されず、各周期が上述した関係式を満たすようであれば、他の周期であってもかまわない。

これらの関係を満たすことにより、後述するように、永久磁石２１５及び第１のＭＲ素子２３１の組み合わせから得られる第１の検出信号と永久磁石２２５と第２のＭＲ素子２３２から得られる第２の検出信号との組み合わせから主回転体２５０、即ちシャフトＳの絶対回転角度を求めるための検量線が、図８０に示すように広範囲の絶対回転角度にわたって均等に分散するようになる。即ち、検量線の分布する領域をできるだけ広くし、かつ検量線がこの広くなった領域において等間隔で分布するようになる。これによって、第１のＭＲ素子２３１からの回転検出信号と第２のＭＲ素子２３２からの回転検出信号の組み合わせに対応する主回転体２５０、即ちシャフトＳの絶対回転角度の対応関係を明確化できるようになる。

なお、例えば他の一例として、第１のＭＲ素子からの回転検出信号の周期が１２０°、第２のＭＲ素子からの回転検出信号の周期が１３０°となっていても、第１の検出信号と第２の検出信号との周期が上述した関係式を満たすことができ、主回転体２５０、即ちシャフトＳの絶対回転角度を精度良く検出することができる。即ち、この場合であっても、測定すべき主回転体２５０、即ちシャフトＳの幅広い絶対回転角度の範囲内で図８に示す各検量線が全体的に分散して規定されるようになる。

続いて、上述した回転センサ２を用いたシャフトＳの絶対回転角度の測定方法について説明する。本実施形態にかかる回転センサ２は、上述したように第１のＭＲ素子２３１の検出信号の周期と第２のＭＲ素子２３２の検出信号の周期が特別の関係を満たすので、主回転体２５０の回転に対応する第１のＭＲ素子２３１の出力信号の周期と第２歯車２２１に備わった第２のＭＲ素子２３２の出力信号の周期との対応関係は図８の検量線に限定された関係になる。これに伴って、図７に示すように永久磁石２１５と第１のＭＲ素子２３１による主回転体２５０の回転信号検出値が−７５０°から＋７５０°にわたって９０°ごとに鋸歯状の波形で交互に連続的に出力されるとともに、永久磁石２２５と第２のＭＲ素子２３２による第２歯車２２１の回転角度検出出力の周期が１９１．２５°ごとに鋸歯状の波形で交互に連続的に出力される。

従って、永久磁石２１５と第１のＭＲ素子２３１から検出された周期と永久磁石２２５と第２のＭＲ素子２３２から検出された周期を比較することによって、以下に示すように主回転体２５０と一体となって回転するシャフトＳの絶対回転角度を精度良く求めることができる。

図９は、主回転体２５０の回転角度を９０°の範囲ごとに検出した小舵角（小回転角）の検出出力値と、第２歯車２２１の回転角度を１９１．２５°の範囲ごとに検出した大舵角（大回転角）の検出出力値と、これらの検出出力値に基づき回転角度が求められる測定すべき回転体（被測定用回転体）である主回転体２５０、即ちシャフトＳの絶対回転角度との対応関係の一例を示した一覧表である。ここで、本実施形態にかかる回転センサ２は、これらに対応する絶対回転角の関係を全て一対一対応でメモリに記憶させておいても良いが、本実施形態においては、小舵角の検出出力値と大舵角の検出出力値とからマイコンの計算によりこの絶対回転角度を一義的に求めるようにしている。

以下に、小舵角の検出出力値と、大舵角の検出出力値とから絶対回転角度を決定する方法をより詳細に説明する。なお、本実施形態においては、大舵角を検出する第２のＭＲ素子２３２によって検出される角度は−９５．６２５°〜＋９５．６２５°（合計１９１．２５°）となっている。また、小舵角を検出する第１のＭＲ素子２３１によって決定される角度は０°〜＋９０°となっている。また、原点では第１のＭＲ素子２３１、及び第２のＭＲ素子２３２の双方とも０°になるものとしている。

ここで、センシングのレンジとしては、第１のＭＲ素子２３１の検出周期Ｔｃが９０°、第２のＭＲ素子２３２の検出周期Ｔｍが１９１．２５°なので、最小公倍数を考えると、
９０×１７＝１９１．２５×８＝１５３０°、となる。

即ち、主回転体２５０をどちらか一方向に１５３０°回転させると、第１のＭＲ素子２３１から得られる小舵角の検出出力と第２のＭＲ素子２３２から得られる大舵角の検出出力が完全に同じ関係になるので、本実施形態の場合、センシングのレンジ仕様を１５３０°（−７６５°〜＋７６５°）の範囲に設定して主回転体２５０、即ちシャフトＳの絶対回転角度を測定することになる。

なお、例えば、第２のＭＲ素子２３２の周期が１９２°の場合を考えると、第１のＭＲ素子２３１の周期Ｔｃ＝９０°、第２のＭＲ素子２３２の周期Ｔｍ＝１９２°となるので、
９０×３２＝１９２×１５＝２８８０°、
となり、−１４４０°〜＋１４４０°がセンシング範囲となる。

続いて、特定の小舵角に対して大舵角がどのように対応するかについて説明する。本実施形態の場合、１９１．２５−（９０×２）＝１１．２５°刻みで小舵角に対して大舵角の角度が変化していく。但し、第２のＭＲ素子２３２の周期が２倍あるので、小舵角からみて大舵角は２系列（４４°と−４６°が基点）になっている。

図９の表では、小舵角が４４°の時の大舵角と絶対角を示している。この場合、絶対回転角度が−７６６°と７６４°において小舵角と大舵角が同じ関係になっている。また、他の場合であっても絶対角度で１５３０°の隔たりがあるところでは同じ関係になっている。

また、Ｔｘ＝Ｔｃ×ｎの関係を満たしている。これによって、第１の検出手段と第２の検出手段の２つの出力値の組み合わせによって規定される検量線の隣接する検量線同士の間隔が広くなる。これによって、ＴｍとＴｃの組み合わせの範囲をより狭くし、絶対角度に対応する第１の検出手段と第２の検出手段との２つの出力値の組み合わせにおいて検出性能が向上されない組み合わせを減らして有効な組み合わせ範囲に絞っている。

なお、主回転体２５０、即ちシャフトＳは３６０°で１周するため、必然的にＴｃは３６０°以下となり、ｃ＝３６０°／ｋ（ｋは、正の整数）の関係を満たしている。

続いて、検出された大舵角と小舵角から測定すべき主回転体２５０、即ちシャフトＳの絶対回転角度を決定する方法について説明する。この場合、絶対回転角度の範囲が−７５０°〜＋７５０°としている。小舵角を第１のＭＲ素子２３１の検出値から４４．００°と検出したとする。この場合、大舵角を第２のＭＲ素子２３２の検出値から決定する。第２のＭＲ素子２３２の検出値が図９に示すように約−１２．２５°であったとする。この場合、大舵角の符号（マイナス）が小舵角の符号（プラス）と＋／−が反転しているので、
４４−９０＝−４６°、を基点に−１２．２°に向かって１１．２５°ずつ加算する。この場合、
−４６／−３４．７５／−２３．５／−１２．２５
と３回、１１．２５°を加算すると第２のＭＲ素子２３２が検出された大舵角に近い値になるので、小舵角の検出出力値と大舵角の検出出力値に対応するメモリテーブルを有さなくても、マイコンの計算により小舵角と大舵角の検出出力値から、
−４６−１８０×３＝−５８６°、として図９の一覧表に示す絶対回転角度（−５８６°）を求めることができる。

図１０は、この求められた小舵角の検出出力値と大舵角の検出出力値とから絶対回転角度を一義的に求める方法の他の一例について説明した図である。この場合、小舵角４４°、大舵角−４６°の場合、絶対回転角度は−４６°として規定されている。図１０に示すように例えばコイルコア５０の出力から小舵角が４４°で第２のＭＲ素子２３２の出力から大舵角が−６８．５°と検出されたときに絶対回転角度を算出する場合について説明する。この場合、大舵角の−４６°から１１．２５°を減算して−６８．５°に対する減算回数を算出する。１１．２５°を小舵角の−４６°から２回減算すると大舵角の−６８．５°に達するので、絶対回転角度は−４６°＋（１８０×（減算回数＝２））＝３１４°として一義的に求めることができる。

以上説明したように、本発明にかかる回転センサ２は、小舵角として永久磁石２１５と第１のＭＲ素子２３１の組み合わせを介してロータ１０の回転角度を９０°ごとの周期を検出するとともに、大舵角として永久磁石２２５と第２のＭＲ素子２３２の組み合わせを介して第２歯車２２１の回転を１９１．２５°ごとの周期で検出している。即ち、上述した主回転体２５０、即ちシャフトＳから得られた第１の検出信号の周期と副回転体である第２歯車２２１から得られた第２の検出信号の周期とが上述した周期の関係式を満たすような回転センサとしている。これによって、例えば周期が上述のように規定された場合、図１０に示すような小舵角の検出出力と大舵角の検出出力とを得るだけで絶対回転角度を精度良く一義的に算出できるようになり、精度が高くかつ耐ノイズ性に優れた絶対回転角度検出を行うことが可能となる。

なお、図７から図１０までを用いて説明した第２の実施形態の回転センサ２の回転角度検出の流れは、第２の実施形態の回転センサ２にのみ適用されるものではなく、第１の実施形態の回転センサ１において回転角度を検出する際にも適用することができることはいうまでもない。

以上説明したように、従来技術にかかる回転センサは、主回転体の角度検出に協働する２つの測定用回転体の角度をともに主信号として用い、それぞれの信号から主回転体の角度を検出している。しかしながら、この構造では、主回転体の回転角度は２つ測定用回転体の歯車のバックラッシなどによる角度誤差の影響を受けてしまい、検出精度を高めることに問題があった。一方、本実施形態にかかる回転センサを用いることで、主回転体と協働する２つの測定用回転体において、主回転体と同一の回転数で回転するように主回転体と同数の歯数をもつ一方の測定用回転体が検出する信号を主信号とし、更に第１の測定用回転体より減速するような歯数をもつ他方の測定用回転体が検出する信号を副信号とする。主回転体の回転角度は第１の測定用回転体の主信号から検出し、第２の測定用回転体の副信号は、第１の測定用回転体の回転角度が３６０°を越える角度を検出するために、第１の測定用回転体の回転位置検出の役割を果たしている。これにより、角度誤差は第１の測定用回転体の検出した回転角度に依存し、第２の測定用回転体の角度誤差の許容範囲が大幅に増えることでバックラッシの影響を最小限に抑えることができ、検出精度を向上させることができる。

本発明にかかる回転センサは、振動の影響をかなり受け易い車両用ステアリング装置の回転角度検出に特に適している。しかしながら、本発明にかかる回転センサは、例えば、ロボットアームのように振動しながら回転する回転軸間の相対回転角度や回転トルクを求めるものであれば、どのようなものにも適用可能である。

本発明の第１の実施形態にかかる回転センサの内部構造を概略的に示した平面図である。第１の実施形態にかかる回転センサの概略ブロック図である。第１の実施形態における絶対回転角度算出用のフローチャートである。図１に示した回転センサの主回転体の絶対回転角度の検出方法を説明する図である。図４に関連して小角度検出用の出力信号と大角度検出用の出力信号を上下に並べて示した図である。本発明の第２の実施形態にかかる周期センサの内部構造を概略的に示した平面図である。測定すべき回転体の絶対回転角度と第１のＭＲ素子検出出力の周期に対する割合及びＭＲ素子検出出力の周期に対する割合を示した図である。第２の実施形態における周期センサの第１のＭＲ素子検出出力の周期に対する割合と第２のＭＲ素子検出出力の周期に対する割合との絶対回転角度に対応する組み合わせを示した検量線である。小舵角、大舵角、絶対回転角度の関係を小舵角４４°から４６°の範囲で絶対回転角度順に示した一覧表である。小舵角と大舵角の検出出力からメモリテーブルを用いずに計算により絶対回転角度を算出する方法を示す説明図である。

符号の説明

１，２回転センサ
１１０第１の測定用回転体
１１１第１歯車
１１５永久磁石
１２０第２の測定用回転体
１２１第２歯車
１２５永久磁石
１３０ケース
１３１〜１３４，１３６〜１３９ホール素子
１４０ホール素子配置用基板
１５０主回転体
１５１主歯車
１６０中間歯車
２１０第１の測定用回転体
２１１第１歯車
２１５永久磁石
２２０第２の測定用回転体
２２１第２歯車
２２５永久磁石
２３０ケース
２３１第１のＭＲ素子
２３２第２のＭＲ素子
２４０ＭＲ素子配置用基板
２５０主回転体
２５１主歯車

Claims

被測定用回転体の回転角度を当該被測定用回転体以外の測定用回転体を用いて測定する回転センサにおいて、
前記被測定用回転体と連動して当該被測定用回転体とほぼ同一の回転数で回転する第１の測定用回転体と、前記第１の測定用回転体と連動して回転し、回転数が当該第１の測定用回転体より小さい第２の測定用回転体を備え、
前記第１の測定用回転体及び第２の測定用回転体には、径方向磁界を有する永久磁石がそれぞれの中心に配置され、更に各永久磁石が発生する磁界の径方向の変化を検出可能な箇所に所定数の２個の磁界検出素子が前記第１及び第２の測定用回転体の回転と独立してそれぞれ配置され、
前記磁界検出素子の出力を用いて前記第１の測定用回転体の回転角度及び第２の測定用回転体の回転角度を検出することにより被測定用回転体の回転角度を測定することを特徴とする回転センサ。
前記磁気検出素子は、ホール素子であることを特徴とする、請求項1に記載の回転センサ。
前記磁気検出素子は、磁気抵抗素子であることを特徴とする、請求項１に記載の回転センサ。