JP2007309681A - 回転角検出装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】360度超の回転角を検出可能な回転角検出装置の温度変化や経年変化を簡素な構成により高精度に実現可能な回転角検出装置を提供すること。
【解決手段】360度を超える入力角度範囲で単調増加する第一の演算値θ1と、360度の入力角度範囲で複数回の複数周期波形の第二の演算値θ2とに基づいて第一の演算値θ1の理想値θ1rを算出し、この第一の演算値θ1の理想値θ1rと第一の演算値θ1とに基づいて理想値θ1rと演算値θ1との間のずれ量に関する関数値を算出し、前記ずれ量の関数値に基づいて第一の演算値θ1を補正して補正済み第一の演算値θ1’を求め、求めた補正済み第一の演算値θ1’と第二の演算値θ2とに基づいて出力角度θoを算出する。
【選択図】図5

Description

本発明は、回転軸の回転による磁界ベクトルの回転を検出することにより、回転軸の回転角を検出する回転角検出装置の改良に関する。
磁石(着磁体を含む)の回転角変化を磁気検出素子により検出する回転角検出装置が知られている。この回転角検出装置において、被検出回転軸の360度を超える回転角を検出する装置(以下、360度超回転角検出装置とも言う)がたとえば特許文献1などにより知られている。
この特許文献1の360度超回転角検出装置は、回転角を検出すべき一つの被検出回転軸にそれぞれ独立に噛合する二つの磁石軸の回転角をそれぞれ磁気検出素子により検出し、これら二つの磁気検出素子から周期が異なる2つの角度信号を発生させ、これら二つの角度信号出力を演算して360度超の回転角を演算することを提案している。更に説明すると、第1の角度信号は検出角度範囲全体にて単調増加する単調増加角度信号であり、第2の角度信号は1回転当たり複数周期ののこぎり波状角度信号である。
この回転角検出装置の出力は温度変化や経年変化によって変化することが知られている。特許文献2は、温度変化補正のために、別に設けた温度検出手段からの情報を用いて回転角検出装置の出力を補正することを提案している。特許文献3は、予め記憶する経年変化特性に基づいて回転角検出装置の出力を補正することを提案している。
特開2002-213910号公報 特開2005-55297号公報 特開2004-53444号公報
しかしながら、上記した従来の温度補正方法は温度検出素子の追設を要求し、上記した従来の経年変化補正方法は、製造ばらつきなどにより想定する経年変化特性と実際の製品のそれとの不一致が問題となる。
本発明は、上記問題点に鑑みなされたものであり、360度超の回転角を検出可能な回転角検出装置の温度変化や経年変化を簡素な構成により高精度に実現可能な回転角検出装置を提供することをその解決すべき課題としている。
上記課題を解決する本発明は、ハウジングに回転自在に支承される磁石回転軸に固定される磁石と、前記磁石回転軸の軸心の延長線上に配置されて前記軸心と直交する2方向の磁束密度を個別に検出する2つの磁気検出素子を有する磁気検出部と、前記2つの磁気検出素子の出力信号を処理して前記被検出回転軸の回転角を検出する信号処理部とを備え、前記信号処理部は、360度を超える入力角度範囲で単調変化する第一の演算値θ1と、360度の入力角度範囲で複数回の複数周期波形の第二の演算値θ2を求め、前記第一の演算値θ1及び第二の演算値θ2に基づいて出力角度θoを算出して出力する回転角検出装置に適用される。この種の2つの角度信号を用いて360度超の角度を検出する回転角検出装置は、2角度信号演算型回転角検出装置として周知となっている。
本発明では特に、前記信号処理部が、前記第一の演算値θ1と前記第二の演算値θ2とに基づいて前記第一の演算値θ1の理想値θ1rを算出し、前記第一の演算値θ1の理想値θ1rと前記第一の演算値θ1とに基づいて前記理想値θ1rと演算値θ1との間のずれ量に関する量であるずれデータを算出し、前記ずれデータに基づいて前記第一の演算値θ1を補正して補正済み第一の演算値θ1’を求める第一の演算値補正部と、前記補正済み第一の演算値θ1’と前記第二の演算値θ2とに基づいて出力角度θoを算出する出力角度信号算出部とを有することを特徴としている。
すなわち、この発明は、第一の演算値θ1のずれがある程度小さい場合には、第一の演算値θ1から得た回転回数が正確であるため、この回転回数に1回の回転回数当たりの回転角度を掛けて得た値に第二の演算値θ2を加算した値が、第一の演算値θ1の理想値(誤差がない値)θ1rと一対一の関係になる事実を利用している。このことは、算出した第一の演算値θ1の理想値θ1rと第一の演算値θ1とを比較すれば、第一の演算値θ1の理想値θ1rからのずれの度合い(ずれデータ)を算出できることを意味する。したがって、求めた第一の演算値θ1のずれの度合い(ずれデータ)と第一の演算値θ1とからこのずれを補正した第一の演算値(補正済み第一の演算値)θ1’を求めることにより、補正済み第一の演算値θ1’と第二の演算値θ2とからずれが無い出力角度θoを得ることができる。したがって、本発明によれば、ずれを補正することができるため、高精度の回転角検出を実現することができる。
好適な態様1において、前記信号処理部は、前記補正済み第一の演算値θ1’と前記第二の演算値θ2とに基づいて前記第一の演算値θ1の理想値θ1rを算出する。このようにすれば、検出誤差が所定範囲においては、誤差の無い回転角を演算することが可能となる。
好適な態様2において、回転角度をθ、前記軸心と直交する2方向をX方向及びY方向、f (θ)を360度を超える入力回転角範囲において単調変化する関数、前記両磁気検出素子の出力信号をX方向磁束密度成分Bx(= f (θ)・cosθ)及びY方向磁束密度成分By( = f (θ)・sinθ)とする時、前記第一の演算値θ1はBxとByの二乗和の平方根 (=f (θ))、前記第二の演算値θ2は、arctan (By/Bx)とされる。これにより360度超の第一の演算値θ1を簡単かつ比較的高精度に得ることができ、360度未満の第二の演算値θ2を簡単かつ比較的高精度に得ることができる。
好適な態様3において、前記演算値補正部は、直前の所定期間の前記第一の演算値θ1及び第二の演算値θ2に基づいて前記第一の演算値θ1のずれデータを求め、今回読み込んだ第一の演算値(今回値)θ1を前記ずれデータにより補正して前記第一の補正済み第一の演算値θ1’とする。このようにすれば、簡素な演算により高精度に回転角を検出することができる。
好適な態様4において、前記補正部は、前記第一のθ1の理想値θ1rと前記第一の演算値θ1、あるいは、前記第一の演算値θ1の理想値θ1rと補正済み第一の演算値θ1’との差を算出して求めた第一演算値ずれ量Δθを前記ずれデータとして算出し、前記第一演算値ずれ量Δθを前記第一の演算値θ1から減算して補正済み第一の演算値θ1’を求める。このようにすれば、簡素な演算により高精度に回転角を検出することができる。この態様は、ずれがいわゆるオフセット誤差のような量である場合に特に好適である。
好適な態様5において、前記演算値補正部は、前記第一の演算値θ1の理想値θ1rと前記第一の演算値θ1、あるいは、前記第一の演算値θ1の理想値θ1rと補正済み第一の演算値θ1’との比を算出して求めた第一演算値ずれ比Rを前記ずれデータとして算出し、前記第一演算値ずれ比Rを前記第一の演算値θ1に乗算して補正済み第一の演算値θ1’を求める。このようにすれば、簡素な演算により高精度に回転角を検出することができる。
本発明の回転角検出装置を用いた操舵角検出装置の好適な実施形態を以下に説明する。ただし、本発明は、下記の実施形態に限定解釈されるものではなく、他の技術を組み合わせて本発明の技術思想を実現してもよい。
(実施形態1)
(装置構成)
実施形態1の回転角検出装置を図1を参照して説明する。図1は装置の軸方向模式断面図、図2は装置の要部平面図である。
この回転角検出装置は、操舵軸をなす回転軸(被検出回転軸)の回転角を検出するための装置であって、ハウジング1に回転自在かつ軸方向変位可能に支承される磁石回転軸2と、磁石回転軸2と一体に形成されたフランジ状のヨーク3と、ヨーク3の内周面に固定された磁石4と、磁石回転軸2に形成された雄ねじ5と、雄ねじ5に螺合する雌ねじを有してハウジング1に嵌入される螺子筒6と、磁石回転軸2の軸心Mの延長線上に配置されて磁石4の磁束密度Bを検出する磁気検出部7と、磁気検出部7の出力信号を処理する信号処理部8とを有している。ヨーク3の外周面には、操舵軸をなす回転軸9の歯車10と噛合する歯車11が形成されている。12はハウジング1に固定された回路基板13から垂下する素子支持棒体であり、その先端には磁気検出部7が固定されている。なお、以下において、雄ねじ5及び雌ねじ6をねじ機構と称することもあり、歯車10と歯車11とを歯車機構をなす。歯車10、11の歯数比はたとえば2に設定され、ねじ機構は、磁石回転軸2の1回転により軸方向へ0.5mm移動するように設定されている。磁石回転軸2、ヨーク3、磁石4、雄ねじ5、歯車11を回転磁石アセンブリをなす。
ヨーク3は、軟磁性を有してフランジ状に形成されており、磁気検出部の位置での磁束密度の増大機能と、外部磁界の磁気検出部7への侵入の抑止の機能とを有している。
磁石4は、円筒状に形成されてヨーク3の内周面に嵌着された円筒状磁石であり、磁石4の内周面は軸方向に変位するにつれて連続的に径小となるテーパ断面を有している。磁石4は図2の状態にてX方向へ着磁されており、その結果、図2の回転状態において、磁気検出部7にはX方向へ磁束密度Bが形成されている。なお、X、Yは磁石回転軸2と直交し、互いに直交する2方向である。磁石4が回転すると、磁気検出部7を磁石回転軸2と直角に貫通する磁束密度Bは、そのX方向磁束密度成分であるBxと、そのY方向磁束密度成分であるByとに分解される。
磁気検出部7は、2つのホール素子(磁気検出素子)とこれらホール素子の周辺回路とが集積された半導体チップが内蔵されている。一つのホール素子は、軸心M上でのX方向磁束密度成分Bxに比例する信号電圧Vxを出力し、他の一つのホール素子は軸心M上でのY方向磁束密度成分Byに比例する信号電圧Vyを出力する。信号電圧Vx、信号電圧Vyの波形を図3に示す。
(角度算出)
次に、この装置の角度算出動作を以下に説明する。
この実施形態では、磁石4の内周面が断面テーパ形状に形成されているため、磁石4が一方向へ回転してねじ機構により降下すると磁石4が磁気検出部7に与える磁束密度Bのベクトル長は減少し、磁石4が他方向へ回転してねじ機構により上昇すると磁石4が磁気検出部7に与える磁束密度Bのベクトル長は増大する。したがって、磁石回転軸2に固定された磁石4のX方向を基準とした回転角度をθとする時、磁石4が磁気検出部7に与えるX方向磁束密度成分BxとY方向磁束密度成分Byとは、
Bx = f (θ)・cosθ
By = f (θ)・sinθ
となる。なお、f (θ)は、磁石4の軸方向変位により磁気検出部7の位置における磁束密度Bのベクトル長の変化を示す関数値である。 f (θ ) は磁石やヨークの形状、材質等で決まる値である。ただし、この実施形態では、磁石回転軸2の軸方向一方側(この実施形態では図1における上方)への変位において単調増加し、磁石回転軸2の軸方向他方側への変位において単調減少するように形成されている。信号処理部8は、磁束密度Bのベクトル長を示す関数値f (θ)と磁石回転軸の回転回数との関係を記憶している。
信号処理部8は、磁気検出部7から入力されるX方向磁束密度成分BxとY方向磁束密度成分Byとを逆正接演算する機能をもつ。この逆正接演算により、
θ2 = arctan (By/Bx)
が第二の演算値θ2として算出され、この第二の演算値(1回転未満情報)θ2により磁石4の360度内の角度情報を得ることができる。
信号処理部8は、X方向磁束密度成分BxとY方向磁束密度成分Byとの二乗和の平方根を演算する。この演算により、f (θ ) としてX方向磁束密度成分BxとY方向磁束密度成分Byとの二乗和の平方根すなわち磁束密度Bのベクトル長が算出され、この磁束密度Bのベクトル長を示す関数値 f (θ)が第一の演算値θ1として出力される。
第一の演算値θ1と第二の演算値θ2とから出力角度θoを求めるには次の方法を採用する。
まず、予め記憶している第一の演算値θ1=f (θ)と磁石回転軸の回転回数Nとの関係と、検出した第一の演算値θ1とから磁石回転軸の回転回数Nを算出する。Nは360度ごとに1増加するように設定しても良く、180度ごとに1増加するように設定しても良い。前者の場合には、求めた回転回数Nに360度を掛け、θ2を加算して出力角度θoを算出する。つまり、f (θ)の大きさから所定の軸方向基準位置からの何回転目の回転かを演算し、arctan(By/Bx)から現在の磁石4の回転角θを演算し、これらから出力角度θoを求める。
たとえば現在2回目の回転であり、θが55度であれば、出力角度θoは415度が算出されて出力される。第一の演算値θ1、第二の演算値θ2、出力角度θoと入力回転角θiとの関係を図4に示す。結局、この実施形態によれば磁石を回転とともに軸方向へ変位させる磁石変位機構を採用することにより、1セットの回転磁石アセンブリだけで360度以上の回転角を検出する。
(第一の演算値θ1の補正例1)
次に、第一の演算値θ1の角度補正例1を説明する。
まず、検出した単調増加角度情報(第一の演算値θ1)とのこぎり波状角度情報(第二の演算値θ2)とを読み込み、第一の演算値θ1により出力角度θoの概略値を算出し、入力1回転に対し多周期で変化するのこぎり波状角度情報(第二の演算値θ2)により出力角度θoの詳細値を算出し、第一の演算値θ1及び第二の演算値θ2から既述の方法により出力角度θoを算出する。
ここで、第一の演算値θ1が温度変化や経年変化によって理想の値からずれた場合を考える。第一の演算値θ1は概略の角度を算出する程度の精度でよく、ずれが回転回数Nを間違わない程度の所定しきい値以下であれば出力角度θoに誤差が生じることはない。つまり、出力角度θoは第一の演算値θ1に誤差があってもそれがあるしきい値未満ならそれを補正する機能を有しているわけである。言い換えると、第一の演算値θ1の誤差が所定値未満であれば、出力角度θoは第一の演算値θ1の理想値を表していると考えることができる(図4参照)。したがって、第一の演算値θ1のずれ量が上記しきい値より小さいと仮定して出力角度θoすなわち第一の演算値θ1の理想値と第一の演算値θ1との差を第一の演算値ずれ量Δθとして算出することができる。
そこで、第一の演算値θ1と出力角度θoとの差を算出して第一の演算値のずれ量Δθを求め、直前の所定期間のこの第一の演算値のずれ量Δθと第一の演算値θ1との関係をマップデータ又は関係式として記憶しておく。
次に、今回検出した第一の演算値(今回値)θ1に、直前の所定期間の第一の演算値のずれ量Δθを今回検出した第一の演算値(今回値)θ1に加算して、補正した第一の演算値θ1’とする。
この補正した第一の演算値θ1’と今回検出した第二の演算値θ2とにより既述の方法により出力角度θoを算出する。
このようにすれば、第一の演算値のずれ量Δθのずれを補正して高精度に出力角度信号θoを算出することができる。
なお、上記説明では、第一の演算値のずれデータとしてずれ量(差)Δθを算出したが、その代わりに、両者の比率である第一の演算値のずれ比(θ1r/θ1)を求め、この(θ1r/θ1)を第一の演算値θ1に掛けて補正済み第一の演算値θ1’としてもよい。この補正例1の処理を図5に図示する。
なお、直前の所定期間における第一の演算値のずれ量Δθと第一の演算値θ1との関係は、直前の所定期間における第一の演算値θ1が離散値データとなるため、第一の演算値θ1が直前の所定期間における第一の演算値θ1と一致しないケースが生じる。
このような場合には、データ処理において通常行われるデータ補間を用いて、第一の演算値θ1に対応する第一の演算値のずれ量Δθ又は第一の演算値θ1のずれ比(θ1r/θ1)を推定することができる。このようなデータ補間処理は周知事項であるため、詳細説明は省略する。
(第一の演算値θ1の補正例2)
次に、第一の演算値θ1の角度補正例2を図6に示すフローチャートを参照して説明する。
ずれ量Δθ、あるいは、ずれ比を算出するまでは補正例1と共通のため省略する。
直前の所定期間で算出した第一の演算値のずれ量Δθの絶対値が所定しきい値より大きいかどうかを調べ(S106)、小さければステップS110に進んで、第一の演算値θ1を用いて算出した出力角度θoを出力し、大きければ求めた第一の演算値のずれ量Δθを第一の信号θ1に加算したり、上記比(ずれ比)を第一の演算値θ1に乗算したりして補正済み第一の演算値θ1’を算出し(S108)、この補正済み第一の演算値θ1’と第二の演算値θ2を用いて出力角度θoを算出して出力する(S116)。
(変形態様1)
この第一の演算値θ1の補正は、図1に示す構造の360度超検出型回転角検出装置だけでなく、上記したのこぎり波状角度情報である第一の演算値θ1と、単調増加角度情報である第二の演算値θ2に基づいて従来の360度超検出型回転角検出装置にも適用することができる。
(変形態様2)
なお、上記した実施形態では、ずれデータとして、第一の演算値のずれ量(差)Δθと第一の演算値のずれ比R(θ1r/θ1)とのどちらかを用いて、第一の演算値θ1の補正を行った。
しかし、第一の演算値θ1に対して、まず第一の演算値のずれ量(差)Δθによる第1の補正を行い、その後、第一の演算値のずれ比R(θ1r/θ1)による第2の補正を行っても良く、この第2の補正を行ってから第1の補正を行っても良い。
その他、第一の演算値θ1と第一の演算値θ1の理想値θ1rとの関係が、次の一次関数で表されると考えても良い。
理想値θ1r=k1・演算値θ1+k2・演算値θ1
k1、2は定数である。この場合には、たとえば直前の所定期間の第一の演算値θ1と上記方法により求めたずれ量とから定数k1、k2を決定し、この決定されたk1、k2と第一の演算値(今回値)θ1とから今回の理想値θ1rを算出し、算出した第一の演算値θ1の理想値θ1rと第二の演算値θ2とから出力角度θoを上記方法により算出してもよい。
(出力角度θoの算出方法)
次に、第一の演算値θ1と第二の演算値θ2から出力角度θoを算出する方法を図7に示すフローチャートを参照して説明する。なお、以下の説明において、αは第二の演算値θ2の1周期当たりの第一の演算値θ1の変化量(角度差)、βを入力θが0度(deg)の時の第一の演算値θ1の値(切片)、kを入力θ1回転(360度)当たりの第二の演算値θ2の周期の数とする。
まず、第一の演算値θ1及び第二の演算値θ2を読み込む(S120)。
読み込んだ第一のθ1と第二の演算値θ2、および上記α、β、kを用いると出力角度信号θoは次の式から算出することができる(S122)。但し、tは整数で小数点以下は切り捨てる。
t=(θ1−β)/α−(θ2/360)+1/2 (但し、tは整数)
θo=(360・t+θ2)/k
なお、第一の演算値θ1として補正済み第一の演算値θ1’を用いてもよい。
実施形態1の回転角検出装置の軸方向模式断面図である。 図1の回転角検出装置の要部平面図である。 図1の回転角検出装置の信号電圧Vx、信号電圧Vyの波形を示すタイミングチャートである。 第一の演算値θ1、第二の演算値θ2、出力角度θoと入力回転角θiとの関係を示すタイミングチャートである。 第一の演算値θ1の角度補正例1を示すフローチャートである。 第一の演算値θ1の角度補正例2を示すフローチャートである。 出力角度θoの算出方法を示すフローチャートである。
符号の説明
Bx X方向磁束密度成分
By Y方向磁束密度成分
M 軸心
N 回転回数
R ずれ比
Δθ ずれ量(差)
θ 回転角
θ1 第一の演算値
θ1r 第一の演算値の理想値
θ2 第二の演算値
θi 入力回転角
θo 出力角度
1 ハウジング
2 磁石回転軸
3 ヨーク
4 磁石
6 螺子筒
7 磁気検出部
8 信号処理部
9 回転軸
10 歯車
11 歯車

Claims (6)

  1. ハウジングに回転自在に支承される磁石回転軸に固定される磁石と、前記磁石回転軸の軸心の延長線上に配置されて前記軸心と直交する2方向の磁束密度を個別に検出する2つの磁気検出素子を有する磁気検出部と、前記2つの磁気検出素子の出力信号を処理して前記被検出回転軸の回転角を検出する信号処理部とを備え、前記信号処理部は、360度を超える入力角度範囲で単調変化する第一の演算値θ1と、360度の入力角度範囲で複数周期波形の第二の演算値θ2を求め、前記第一の演算値θ1及び第二の演算値θ2に基づいて出力角度θoを算出して出力する回転角検出装置において、
    前記信号処理部は、
    前記第一の演算値θ1と前記第二の演算値θ2とに基づいて前記第一の演算値θ1の理想値θ1rを算出し、前記第一の演算値θ1の理想値θ1rと前記第一の演算値θ1とに基づいて前記理想値θ1rと演算値θ1との間のずれ量に関する量であるずれデータを算出し、前記ずれデータに基づいて前記第一の演算値θ1を補正して補正済み第一の演算値θ1’を求める第一の演算値補正部と、
    前記補正済み第一の演算値θ1’と前記第二の演算値θ2とに基づいて出力角度θoを算出する出力角度算出部と、
    を有することを特徴とする回転角検出装置。
  2. 請求項1記載の回転角検出装置において、
    前記信号処理部は、
    前記補正済み第一の演算値θ1’と前記第二の演算値θ2とに基づいて前記第一の演算値θ1の理想値θ1rを算出する回転角検出装置。
  3. 請求項1又は2に記載の回転角検出装置において、
    回転角度をθ、前記軸心と直交する2方向をX方向及びY方向、f (θ)を360度を超える入力回転角範囲において単調変化する関数、前記両磁気検出素子の出力信号をX方向磁束密度成分Bx(= f (θ)・cosθ)及びY方向磁束密度成分By( = f (θ)・sinθ)とする時、
    前記第一の演算値θ1はBxとByの二乗和の平方根、前記第二の演算値θ2はarctan (By/Bx)とされる回転角検出装置。
  4. 請求項1乃至3のいずれか記載の回転角検出装置において、
    前記演算値補正部は、
    直前の所定期間の前記第一の演算値θ1及び第二の演算値θ2に基づいて前記第一の演算値θ1のずれデータを求め、
    今回読み込んだ第一の演算値(今回値)θ1を前記ずれデータにより補正して前記補正済み第一の演算値θ1’とする回転角検出装置。
  5. 請求項1乃至4いずれか記載の回転角検出装置において、
    前記演算値補正部は、
    前記第一の演算値θ1の理想値θ1rと前記第一の演算値θ1、あるいは、前記第一の演算値θ1の理想値θ1rと補正済み第一の演算値θ1’との差を算出して求めた第一の演算値のずれ量Δθを前記ずれデータとして算出し、
    前記第一の演算値のずれ量Δθを前記第一の演算値θ1から減算して補正済み第一の演算値θ1’を求める回転角検出装置。
  6. 請求項1乃至4のいずれか記載の回転角検出装置において、
    前記演算値補正部は、
    前記第一の演算値θ1の理想値θ1rと前記第一の演算値θ1、あるいは、前記第一の演算値θ1の理想値θ1rと補正済み第一の演算値θ1’との比を算出して求めた第一の演算値のずれ比Rを前記ずれデータとして算出し、前記第一の演算値のずれ比Rを前記第一の演算値θ1に乗算して補正済み第一の演算値θ1’を求める回転角検出装置。
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