JP2012122963A - 回転角検出装置、トルク検出装置、及び電動パワーステアリング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高い角度分解能を確保しつつ、一の回転角センサが出力するセンサ信号に基づいて検出対象の機械的な一回転を一周期とする機械角の検出が可能な回転角検出装置を提供すること。
【解決手段】トルクセンサを構成する各回転角センサは、３倍角成分及び７倍角成分の合成波形を有するとともに回転角に応じた信号変化の位相が均等にずれた三相のセンサ信号を出力する。一方、各回転角検出部は、各センサ値ａ，ｂ，ｃから該各センサ値ａ，ｂ，ｃの平均値を減算して各センサ値ａ，ｂ，ｃに含まれる７倍角成分の値を抽出することにより７倍の軸倍角を有する電気角θelを検出する。そして、その電気角θelに基づき推定される７個の機械角推定値θab_e（θab_e１〜θab_e７）を３倍角成分に換算して上記各センサ値ａ，ｂ，ｃの平均値と比較することにより、検出対象であるステアリングシャフトの機械角θabを検出する。
【選択図】図５

Description

本発明は、回転角検出装置、トルク検出装置、及び電動パワーステアリング装置に関するものである。

通常、モータレゾルバやトルクセンサ等、高精度の角度検出が要求される用途においては、その回転角センサに高い軸倍角（電気角倍率）が設定されている。例えば、軸倍角が６倍である場合（６Ｘ）、その回転角センサにより検出される回転角（電気角）の一周期（電気角３６０°）は、検出対象の機械的な一回転を一周期とする機械角に換算すると、「１／６（機械角６０°）」となる。そして、これにより、高い角度分解能を確保する構成が一般的となっている。

ところが、その軸倍角を高めることにより、検出される一の電気角に対して複数の機械角が対応することになる。例えば、上記のような「６Ｘ」の回転角センサに基づき検出される電機角が「６０°」である場合、推定される機械角は、「１０°」「７０°」「１３０°」「１９０°」「２５０°」「３１０°」の６つとなる。このため、従来、こうした高い軸倍角を有する回転角センサを用いて機械角を検出しようとする場合には、その検出される電気角の増減をカウンタを用いて積算する、或いは二つの回転角センサを用いて両者により検出される各電気角を比較する等の手法が用いられている。

例えば、特許文献１に記載の電動パワーステアリング装置には、ステアリングシャフトに設けられたトーションバーの両端に一対のレゾルバを配置してなる所謂ツインレゾルバ型のトルクセンサが設けられている。そして、これら二つのレゾルバにより検出されるステアリング側及びラック側における回転角変化の差分、即ちトーションバーの捻れ角に基づき操舵トルクを検出するとともに、その軸倍角の異なる二つの電気角を比較することにより、そのステアリングシャフトの回転角、即ち機械角である操舵角を検出することが可能となっている。

特開２００５−１４７７３３号公報 特開２０１０−４８７６０号公報 特開２００７−５１６８３号公報

しかしながら、上記のような二つのレゾルバを用いる構成は、装置が大型となることから、既存の構成を利用することが可能なツインレゾルバ型のトルクセンサを有するもの以外には適用し難い。そして、そのレゾルバ数の増加に伴う製造コストの上昇を考慮した場合、ＥＰＳのような汎用製品では、事実上、その多重化を図ることができない。

尚、特許文献２には、レゾルバによるセンサ信号の出力数を三相以上に拡張する構成が開示されており、これにより、その異常検出性能を含めた信頼性の向上を図ることができる。しかし、各レゾルバの信頼性を向上させることは可能であっても、何れか一方が完全に故障した場合には、その機械角の検出ができなくなることに変わりはない。

また、特許文献３には、転がり軸受の内輪に設けられた第１のロータ及び転動体の保持器に設けられた第２のロータ、並びに転がり軸受の外輪に設けられたステータを備えたレゾルバが開示されている。即ち、このように独立した二つのロータの回転により生ずる誘起電圧変化を一のステータで検知する構成を採用することで、装置の小型化を図ることができる。更に、その出力するセンサ信号は、各ロータの回転角に応じて変化する既知の二成分の合成波形を有する。従って、そのセンサ信号に基づいて、ステータに対する各ロータの相対的な回転角を検出することができる。そして、二つのロータの回転角を比較することにより、その第１のロータに設定された軸倍角を超えて、当該第１のロータと一体に回転する検出対象の回転角を検出することができる。

しかしながら、この従来例に開示されたレゾルバは、あくまで複数回転に亘る検出対象の回転角（絶対回転角）を検出するためのものであり、高い軸倍角の設定による高精度の角度検出に適した構造にはなっていない。即ち、第２のロータが設けられた保持器は、ステータが設けられた外輪と第１のロータが設けられた内輪とが相対回転することにより回転する。そして、その外輪に対する相対的な保持器の回転角は、同じく外輪に対する相対的な内輪の回転角に依存する。ところが、その回転角変化の割合については、高い軸倍角の設定による高分解能化に応え得る程の厳密さをもって一定というわけではない。そして、その合成波形に基づく回転角の演算方法についてもまた、その検出誤差（例えば、温度特性や配線インピーダンス等）の影響を排除し得るものとはなっておらず、この点において、なお改善の余地を残すものとなっていた。

本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、高い角度分解能を確保しつつ、一の回転角センサが出力するセンサ信号に基づいて検出対象の機械的な一回転を一周期とする機械角の検出が可能な回転角検出装置及びトルク検出装置、並びに電動パワーステアリング装置を提供することにある。

上記問題点を解決するために、請求項１に記載の発明は、検出対象の回転角に応じて値が変化するとともに前記回転角に応じた信号変化の位相が均等にずれるように設定された三相以上のセンサ信号を出力する回転角センサと、前記各センサ信号に基づき前記回転角を検出する検出手段とを備えた回転角検出装置において、前記各センサ信号は、相数の倍数に対応するｎ倍角成分（但し、ｎは整数）及び前記相数の非倍数に対応するｍ倍角成分（但し、ｍは整数）の合成波形を有し、前記検出手段は、各センサ値から該各センサ値の平均値を減算して前記各センサ値に含まれる前記ｍ倍角成分の値を抽出することによりｍ倍の軸倍角を有する電気角を検出するとともに、前記電気角に基づき推定されるｍ個の機械角推定値を前記ｎ倍角成分の値に換算して前記平均値と比較することにより、前記検出対象の機械的な一回転を一周期とする機械角を検出すること、を要旨とする。

即ち、信号変化の位相が均等にずれたｎ相のセンサ信号における各センサ値の平均値は、当該各センサ値に含まれたｎ倍角成分の値に等しい。従って、各センサ値から当該各センサ値の平均値を減算することにより、各センサ値に含まれたｍ倍角成分の値が抽出される。また、例えば、ｍ倍の軸倍角を有する電気角が「Ｘ°」である場合に取りうる機械角の値、つまり機械角推定値は、「Ｘ°」、「Ｘ＋（３６０／ｍ）°」、…、「Ｘ＋（ｍ−２）×（３６０／ｍ）°」「Ｘ＋（ｍ−１）×（３６０／ｍ）°」のｍ個である。そして、これらｍ個の機械角推定値のうち、ｎ倍角成分の基本式に代入することにより得られる値、即ちｎ倍角成分に換算した値が上記平均値に最も近いものが、実際の機械角に対応する。

従って、上記構成によれば、高い角度分解能を確保しつつ、一の回転角センサが出力するセンサ信号に基づいて、検出対象の機械的な一回転を一周期とする機械角を検出することができる。

請求項２に記載の発明は、前記回転角センサは、周方向に沿ってｎ対の磁極が形成された第１磁極部及びｍ対の磁極が形成された第２磁極部を有する磁石回転子と、前記磁石回転子と同軸の円周上に均等角度間隔で配置された前記相数に対応する複数の磁気検出手段と、を備えてなること、
上記構成によれば、簡素な構成にて、ｎ倍角成分及びｍ倍角成分の合成波形を有するとともに回転角に応じた信号変化の位相が均等にずれた三相以上のセンサ信号を出力させることができる。

請求項３に記載の発明は、トーションバーを挟む二位置において回転軸の回転角を検出する一対の回転角検出装置を備えたトルク検出装置において、前記各回転角検出装置は、請求項１又は請求項２に記載の回転角検出装置であること、
上記構成によれば、新たに専用の回転角センサを付加することなく、回転軸の機械角を検出することができる。そして、二つの回転角センサの一方に異常が発生した場合でも、他方側のセンサ信号に基づいて機械角の検出を継続することができる。その結果、簡素な構成にて、より高い信頼性を確保することができる。

請求項４に記載の発明は、請求項１又は請求項２に記載の回転角検出装置、及び請求項３に記載のトルク検出装置の少なくとも何れかを備えた電動パワーステアリング装置。
上記構成によれば、その回転角検出装置を用いて駆動源であるモータの回転角を検出する、或いは、そのトルク検出装置を用いてステアリングシャフトを伝達する操舵トルクを検出することにより、新たにステアリングセンサ等の回転角センサを付加することなく、ステアリングに生じた操舵角を検出することができる。そして、特に上記トルク検出装置を含め、直接又は間接的にステアリングシャフトの回転角を検出可能な複数の上記回転角検出装置を備える構成では、その何れか一方に異常が発生した場合であっても、他方側のセンサ信号に基づいて操舵角の検出を継続することができる。その結果、簡素な構成にて、より高い信頼性を確保することができる。

本発明によれば、高い角度分解能を確保しつつ、一の回転角センサが出力するセンサ信号に基づいて検出対象の機械的な一回転を一周期とする機械角の検出が可能な回転角検出装置及びトルク検出装置、並びに電動パワーステアリング装置を提供することができる。

電動パワーステアリング装置（ＥＰＳ）の概略構成図。 ＥＰＳの制御ブロック図。 回転角センサの概略構成図。 （ａ）〜（ｃ）回転角センサが出力するセンサ信号の波形図。 回転角検出の処理手順を示すフローチャート。 別例の回転角センサの概略構成図。 別例の回転角センサが出力するセンサ信号の波形図。

以下、本発明を具体化した一実施形態を図面に従って説明する。
図１に示すように、本実施形態の電動パワーステアリング装置（ＥＰＳ）１において、ステアリング２が固定されたステアリングシャフト３は、ラックアンドピニオン機構４を介してラック軸５と連結されている。そして、ステアリング操作に伴うステアリングシャフト３の回転は、ラックアンドピニオン機構４によりラック軸５の往復直線運動に変換される。尚、本実施形態のステアリングシャフト３は、コラムシャフト３ａ、インターミディエイトシャフト３ｂ、及びピニオンシャフト３ｃを連結してなる。そして、このステアリングシャフト３の回転に伴うラック軸５の往復直線運動が、同ラック軸５の両端に連結されたタイロッド６を介して図示しないナックルに伝達されることにより、転舵輪７の舵角、即ち車両の進行方向が変更される。

また、ＥＰＳ１は、操舵系にアシスト力を付与する操舵力補助装置としてのＥＰＳアクチュエータ１０と、該ＥＰＳアクチュエータ１０の作動を制御する制御手段としてのＥＣＵ１１とを備えている。

詳述すると、本実施形態のＥＰＳアクチュエータ１０は、駆動源としてのモータ１２と、ラック軸５に設けられたボール螺子装置１３とを備えた所謂ラックアシスト型のＥＰＳとして構成されている。尚、本実施形態では、中空状のモータ軸を有するブラシレスモータを採用することにより、モータ１２は、ラック軸５と同軸に配置されている。そして、ボール螺子装置１３は、ラック軸５の外周に螺子溝を螺刻することにより螺子軸を形成し、その螺子軸に複数のボールを介してボール螺子ナットを螺着する周知の構成を有している。

また、本実施形態のモータ１２は、上記ＥＣＵ１１が供給する三相（Ｕ，Ｖ，Ｗ）の駆動電力に基づき回転する。そして、本実施形態のＥＰＳアクチュエータ１０は、そのモータ１２の回転をボール螺子装置１３によりラック軸５の軸方向移動に変換する、即ちそのモータトルクを軸方向の押圧力に変換してラック軸５に伝達することにより、操舵系にアシスト力を付与する構成となっている。

一方、ＥＣＵ１１は、トルクセンサ１４の出力信号に基づいて、ステアリングシャフト３を介して伝達される操舵トルクτを検出する。本実施形態では、ステアリングシャフト３を構成するピニオンシャフト３ｃの途中に、トーションバー１５が設けられている。そして、トルクセンサ１４には、このトーションバー１５の両端に一対の回転角センサ１６（１６Ａ，１６Ｂ）を配置してなる所謂ツインレゾルバ型のトルクセンサが採用されている。

具体的には、本実施形態では、トルクセンサ１４を構成する上記二つの各回転角センサ１６Ａ，１６Ｂは、それぞれ、その検出対象となるステアリングシャフト３（ピニオンシャフト３ｃ）におけるトーションバー１５を挟んだ二位置Ｐ１，Ｐ２の回転角に応じて値が変化する三相のセンサ信号Ｓa，Ｓb，Ｓcを出力するように構成されている。そして、ＥＣＵ１１は、各回転角センサ１６Ａ，１６Ｂが出力する二系統のセンサ信号群Ｓ１，Ｓ２に基づいて、トーションバー１５を挟む二位置Ｐ１，Ｐ２の回転角を検出し、その差分、即ちトーションバー１５の捻れ角に基づいて、操舵トルクτを検出する。

また、本実施形態のＥＣＵ１１には、車速センサ１７により検出される車速Ｖが入力されるようになっており、同ＥＣＵ１１は、これら操舵トルクτ及び車速Ｖに基づいて、そのＥＰＳアクチュエータ１０に発生させるべきアシスト力の目標値（目標アシスト力）を演算する。そして、その目標アシスト力を発生させるべく、駆動源であるモータ１２に駆動電力を供給することにより、同ＥＰＳアクチュエータ１０の作動、即ち操舵系に付与するアシスト力を制御する構成となっている。

次に、本実施形態のＥＰＳにおけるアシスト制御の態様について説明する。
図２に示すように、ＥＣＵ１１は、モータ制御信号を出力するマイコン２１と、そのモータ制御信号に基づいて、ＥＰＳアクチュエータ１０の駆動源であるモータ１２に駆動電力を供給する駆動回路２２とを備えている。

尚、以下に示す制御ブロックは、マイコン２１が実行するコンピュータプログラムにより実現されるものである。そして、同マイコン２１は、所定のサンプリング周期で上記各状態量を検出し、所定周期毎に以下の各制御ブロックに示される各演算処理を実行することにより、モータ制御信号を生成する。

詳述すると、本実施形態のマイコン２１には、上記トルクセンサ１４を構成する二つの回転角センサ１６Ａ，１６Ｂが出力する二系統のセンサ信号群Ｓ１，Ｓ２に基づいて、トーションバー１５を挟んでステアリング２側及びラック軸５側における二位置Ｐ１，Ｐ２の各回転角を検出する二つの回転角検出部２３（２３Ａ，２３Ｂ）が設けられている。そして、これら各回転角検出部２３（２３Ａ，２３Ｂ）は、それぞれに対応したセンサ信号群Ｓ１，Ｓ２として入力される各センサ信号Ｓa，Ｓb，Ｓcに基づいて、所定の軸倍角を有する電気角θel１，θel２、及びその検出対象となるステアリングシャフト３の機械的な一回転を一周期とした機械角θab１，θab２を検出する。

また、マイコン２１には、操舵トルク検出部２４及び操舵角検出部２５が設けられており、上記各回転角検出部２３（２３Ａ，２３Ｂ）により検出された各電気角θel１，θel２は、操舵トルク検出部２４に入力され、各機械角θab１，θab２は、操舵角検出部２５に入力される。そして、操舵トルク検出部２４は、各電気角θel１，θel２の差分に基づきステアリングシャフト３を伝達する操舵トルクτを検出し、操舵角検出部２５は、各機械角θab１，θab２に基づいて、そのステアリング２に発生した舵角、即ち操舵角θsを検出する。

本実施形態のマイコン２１では、上記モータ制御信号を生成するモータ制御部２６には、これらの操舵トルクτ及び操舵角θsとともに、上記車速センサ１７により検出される車速Ｖが入力される。そして、同モータ制御部２６は、これら操舵トルクτ、操舵角θs及び車速Ｖに基づいて、そのＥＰＳアクチュエータ１０に発生させるべき目標アシスト力に対応した電流指令値を演算する。

尚、モータ制御部２６は、その検出される操舵トルクτ（の絶対値）が大きいほど、また車速Ｖが小さいほど、より大きなアシスト力が発生するような電流指令値の基礎成分を演算する。そして、その検出される操舵角θs（及び車速Ｖ等）に基づいて、当該電流指令値の補償成分を演算する（例えば、ステアリング中立位置への戻り性を改善するためのステアリング戻し制御等）。

また、モータ制御部２６には、電流センサ２７により検出される実電流値Ｉ、及びモータレゾルバ（モータ回転角センサ）２８により検出されるモータ回転角θmが入力される。そして、モータ制御部２６は、その検出される実電流値Ｉを上記電流指令値に追従させるべく、電流フィードバック制御を実行することによりモータ制御信号を生成する。

具体的には、本実施形態のマイコン２１は、モータ１２の実電流値Ｉとして三相（Ｕ，Ｖ，Ｗ）の相電流値Ｉu，Ｉv，Ｉwを検出する。また、モータ制御部２６は、その検出されるモータ回転角θmに基づいて、上記相電流値Ｉu，Ｉv，Ｉwを二相回転座標系（ｄ／ｑ）のｄ軸電流値及びｑ軸電流値に変換する。そして、同モータ制御部２６は、このｄ／ｑ座標系において、その電流フィードバック制御演算を実行する構成となっている。

尚、本実施形態では、上記各回転角検出部２３（２３Ａ，２３Ｂ）は、入力される各センサ信号Ｓa，Ｓb，Ｓcの異常検知機能を備えている。そして、当該各センサ信号Ｓa，Ｓb，Ｓcの異常を検知した場合には、それぞれ、その回転角検出を停止する。

また、上記操舵角検出部２５は、第１回転角検出部２３Ａが検出する機械角θab１、及び第２回転角検出部２３Ｂが検出する機械角θab２の両方を取得可能な正常時には、第１回転角検出部２３Ａから入力されるトーションバー１５よりもステアリング２側の位置（Ｐ１）における機械角θab１に基づいて操舵角θsを検出する。そして、第１回転角検出部２３Ａによる回転角検出が停止した場合には、第２回転角検出部２３Ｂから入力されるトーションバー１５よりもラック軸５側の位置（Ｐ２）における機械角θab２に基づいて操舵角θsを検出する。

更に、上記操舵トルク検出部２４は、第１回転角検出部２３Ａ又は第２回転角検出部２３Ｂの何れかにおいて回転角検出が停止した場合には、その操舵トルクτの検出を停止する。そして、モータ制御部２６は、このようなトルク検出異常の発生時において、第１回転角検出部２３Ａ又は第２回転角検出部２３Ｂの何れか一方が正常である場合には、その正常な機械角に基づき検出される操舵角θsに基づいて、代替的なパワーアシスト制御を実行する構成となっている。

（回転角センサ）
次に、本実施形態のトルクセンサを構成する一対の回転角センサの構成について説明する。

図３に示すように、本実施形態では、回転角検出の対象となる回転軸としてのステアリングシャフト３（ピニオンシャフト３ｃ）には、そのトーションバー１５を挟むステアリング２側及びラック軸５側の二位置Ｐ１，Ｐ２（図２参照）において、同ステアリングシャフト３とともに一体回転する一対の磁石回転子３１（３１Ａ，３１Ｂ）が設けられている。そして、上記のようにトルクセンサ１４を構成する本実施形態の各回転角センサ１６（１６Ａ，１６Ｂ）は、これら各磁石回転子３１の回転により生ずる磁束変化に基づいて、その出力する各センサ信号Ｓa，Ｓb，Ｓcの出力レベルが変化する磁気式の回転角センサとして構成されている。

詳述すると、本実施形態の磁石回転子３１は、所定の径方向幅を有して円環状に形成されるとともに、同磁石回転子３１には、その周方向に沿って極性（Ｎ／Ｓ）の異なる磁極が交互に形成されている。そして、本実施形態の回転角センサ１６（１６Ａ，１６Ｂ）は、この磁石回転子３１と同軸の円周上に均等角度間隔で３つの磁気検出素子３２（３２ａ，３２ｂ，３２ｃ）を配置することにより形成されている。

具体的には、本実施形態の磁石回転子３１は、その内周３１ａに沿って３対の磁極（合計６極）が形成された第１磁極部３３、及びその外周３１ｂに沿って７対の磁極（合計１４極）が形成された第２磁極部３４を有している。尚、上記各磁気検出素子３２（３２ａ，３２ｂ，３２ｃ）には、ホール素子が用いられている。また、本実施形態では、これら第１磁極部３３及び第２磁極部３４の径方向幅は、等しく設定されている。そして、これら各磁気検出素子３２（３２ａ，３２ｂ，３２ｃ）は、上記第１磁極部３３及び第２磁極部３４の境界部（同図中、円周Ｌ）と対向する軸方向位置に設けられている。

即ち、本実施形態の回転角センサ１６（１６Ａ，１６Ｂ）において、センサ要素を構成する各磁気検出素子３２（３２ａ，３２ｂ，３２ｃ）は、その対応する磁石回転子３１（３１Ａ，３１Ｂ）の回転に伴い、第１磁極部３３の磁界に基づく３倍角成分及び第２磁極部３４の磁界に基づく７倍角成分の合成波形を有したセンサ信号Ｓa，Ｓb，Ｓcを出力する。そして、本実施形態の回転角センサ１６（１６Ａ，１６Ｂ）は、これら各磁気検出素子３２（３２ａ，３２ｂ，３２ｃ）を、磁石回転子３１と同軸の円周上に均等角度間隔で配置することにより、図４（ａ）〜（ｃ）に示すように、その信号変化の位相が均等にずれた三相のセンサ信号Ｓa，Ｓb，Ｓcを出力する構成となっている。

（回転角検出）
次に、各回転角検出部による回転角検出の態様について説明する。
上記のように、本実施形態の回転角センサ１６（１６Ａ，１６Ｂ）が出力する三相のセンサ信号Ｓa，Ｓb，Ｓcは、その相数に等しい３倍角成分及び相数の非倍数に対応する７倍角成分の合成波形を有する。また、各磁気検出素子３２（３２ａ，３２ｂ，３２ｃ）は、上記第１磁極部３３及び第２磁極部３４の境界部（同図中、円周Ｌ）と対向する軸方向位置に設けられていることから、これら３倍角成分及び７倍角成分は、略等しい振幅を有している。従って、各回転角検出部２３（２３Ａ，２３Ｂ）にセンサ信号群Ｓ１，Ｓ２として入力される各センサ信号Ｓa，Ｓb，Ｓcの値（センサ値）を「ａ」「ｂ」「ｃ」とすると、その波形は、次の（１）〜（３）式に表すことができる。尚、「θ」は、回転角（電気角）である。

ａ＝sin３（θ）＋sin７（θ） ・・・（１）
ｂ＝sin３（θ＋１２０°）＋sin７（θ＋１２０°） ・・・（２）
ｃ＝sin３（θ＋２４０°）＋sin７（θ＋２４０°） ・・・（３）
ここで、上記（１）〜（３）式は、次のように変形することができる。

ａ＝sin（３θ）＋sin（７θ） ・・・（４）
ｂ＝sin（３θ＋３６０°）＋sin（７θ＋８４０°） ・・・（５）
ｃ＝sin（３θ＋７２０°）＋sin（７θ＋１６８０°） ・・・（６）
更に、「sin（３６０°）＝０」から、次のように変形される。

ａ＝sin（３θ）＋sin（７θ） ・・・（７）
ｂ＝sin（３θ）＋sin（７θ＋１２０°） ・・・（８）
ｃ＝sin（３θ）＋sin（７θ＋２４０°） ・・・（９）
そして、これら（７）〜（９）式を加算して、各センサ信号Ｓa，Ｓb，Ｓcの相数である「３」で除することにより、次式を得る。

（ａ＋ｂ＋ｃ）／３＝sin（３θ） ・・・（１０）
即ち、各センサ値ａ，ｂ，ｃの平均値「（ａ＋ｂ＋ｃ）／３」は、当該各センサ値ａ，ｂ，ｃに含まれた３倍角成分「sin（３θ）」の値に等しい。

この点を踏まえ、検出手段としての各回転角検出部２３（２３Ａ，２３Ｂ）は、入力される各センサ値ａ，ｂ，ｃから当該各センサ値ａ，ｂ，ｃの平均値「（ａ＋ｂ＋ｃ）／３」を減算することにより、各センサ値ａ，ｂ，ｃに含まれる７倍角成分の値を抽出する。具体的には、上記（７）〜（９）式から（１０）式を減算することにより、次の各式を得る。

ａ−（ａ＋ｂ＋ｃ）／３＝sin（７θ） ・・・（１１）
ｂ−（ａ＋ｂ＋ｃ）／３＝sin（７θ＋１２０°） ・・・（１２）
ｃ−（ａ＋ｂ＋ｃ）／３＝sin（７θ＋２４０°） ・・・（１３）
そして、各回転角検出部２３（２３Ａ，２３Ｂ）は、これら（１１）〜（１３）式に基づいて、各センサ信号Ｓa，Ｓb，Ｓcにおける任意の二信号の組み合わせ数に対応した３つの回転角検出値θa，θb，θcを演算する。

詳述すると、先ず、次の（１４）〜（１６）式に示すように、上記（１１）〜（１３）式の左辺、即ち各センサ値ａ，ｂ，ｃから当該各センサ値ａ，ｂ，ｃの平均値を減算した値を「α」「β」「γ」とする。

α＝ａ−（ａ＋ｂ＋ｃ）／３ ・・・（１４）
β＝ｂ−（ａ＋ｂ＋ｃ）／３ ・・・（１５）
γ＝ｃ−（ａ＋ｂ＋ｃ）／３ ・・・（１６）
これにより、これら「α」「β」「γ」における任意の二値の組合せの比は、次の（１７）〜（１９）式に表すことができる。

α／β＝sin７θ／sin（７θ＋１２０°） ・・・（１７）
β／γ＝sin（７θ＋１２０°）／sin（７θ＋２４０°） ・・・（１８）
γ／α＝sin（７θ＋２４０°）／sin７θ ・・・（１９）
そして、これら（１７）〜（１９）式を変形することで、次の各式を得る。

tan７θ＝α√３／（２β＋α） ・・・（２０）
tan７θ＝（β＋γ）√３／（γ−β） ・・・（２１）
tan７θ＝−α√３／（２γ＋α） ・・・（２２）
即ち、次の各式に示す正接逆関数（arctan：アークタンジェント）を用いることにより、各センサ値ａ，ｂ，ｃから当該各センサ値ａ，ｂ，ｃの平均値を減算した値α，β，γに基づいて、当該各センサ信号Ｓa，Ｓb，Ｓcにおける任意の二信号の組み合わせ数に対応した３つの回転角検出値θａ，θb，θcが得られる。

θa＝arctan（α√３／（２β＋α））／７ ・・・（２３）
θb＝arctan（（β＋γ）√３／（γ−β））／７ ・・・（２４）
θc＝arctan（−α√３／（２γ＋α））／７ ・・・（２５）
そして、本実施形態の各回転角検出部２３（２３Ａ，２３Ｂ）は、次式に示すように、これら各回転角検出値θa，θb，θcの平均を求めることにより、７倍の軸倍角を有する電気角θel（θel１，θel２）を検出する。

θel＝（θa＋θb＋θc）／３ ・・・（２６）
尚、上記（１７）〜（２５）式に示される回転角（電気角）検出の詳細については、例えば、特許文献２の記載等を参照されたい。

次に、各回転角検出部２３（２３Ａ，２３Ｂ）は、このようにして検出された電気角θelに基づいて、７個の機械角推定値（θab_e）を演算する。
即ち、軸倍角が７倍であることから、例えば、その電気角θelが「Ｘ°」である場合に取りうる機械角の値、つまり機械角推定値（θab_e）は、「Ｘ°」「Ｘ＋（３６０／７）°」「Ｘ＋２×（３６０／７）°」「Ｘ＋３×（３６０／７）°」「Ｘ＋４×（３６０／７）°」「Ｘ＋５×（３６０／７）°」「Ｘ＋６×（３６０／７）°」の７個となる。

本実施形態では、各回転角検出部２３（２３Ａ，２３Ｂ）は、これらの各機械角推定値（θab_e）を各センサ値ａ，ｂ，ｃに含まれる３倍角成分の基本式に代入する（上記（１０）式参照）。そして、これにより得られる各値、つまり各機械角推定値（θab_e）を３倍角成分に換算した値を上記平均値（（ａ＋ｂ＋ｃ）／３）と比較して、最も値が近いもの（差分の絶対値が小さいもの）を機械角（θab１，θab２）として検出する。

即ち、図５のフローチャートに示すように、各回転角検出部２３（２３Ａ，２３Ｂ）は、対応する回転角センサ１６から三相のセンサ信号Ｓa，Ｓb，Ｓcが入力されると（ステップ１０１）、先ず、その各センサ値ａ，ｂ，ｃの平均値「（ａ＋ｂ＋ｃ）／３」を演算する（ステップ１０２、上記（１）〜（１０）式参照）。続いて、各回転角検出部２３（２３Ａ，２３Ｂ）は、上記ステップ１０２において演算された平均値を各センサ値ａ，ｂ，ｃから減算することにより、当該各センサ値ａ，ｂ，ｃに含まれる７倍角成分を抽出する（非相倍数倍角成分：ステップ１０３、上記（１１）〜（１３）式参照）。そして、当該７倍角成分に基づいて、７倍の軸倍角を有する電気角θel（θel１，θel２）を検出し（（１７）〜（２５）式参照）、当該電気角θelを上記操舵トルク検出部２４に出力する（ステップ１０４）。

次に、各回転角検出部２３（２３Ａ，２３Ｂ）は、上記ステップ１０４において演算された電気角θelに基づいて、その軸倍角に対応する７個の機械角推定値θab_e（θab_e１〜θab_e７）を演算する（ステップ１０５）。更に、これらの各機械角推定値θab_eを各センサ値ａ，ｂ，ｃに含まれる３倍角成分の基本式に代入して得られる値を上記平均値と比較する（ステップ１０６、上記（１０）式参照）。そして、その比較結果に基づいて、検出対象となるステアリングシャフト３の機械角θab（θab１，θab２）を検出し、操舵角検出部２５に出力する（ステップ１０７）。

以上、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）トルクセンサ１４を構成する各回転角センサ１６（１６Ａ，１６Ｂ）は、３倍角成分及び７倍角成分の合成波形を有するとともに回転角に応じた信号変化の位相が均等にずれた三相のセンサ信号Ｓa，Ｓb，Ｓcを出力する。一方、各回転角検出部２３（２３Ａ，２３Ｂ）は、各センサ値ａ，ｂ，ｃから該各センサ値ａ，ｂ，ｃの平均値を減算して各センサ値ａ，ｂ，ｃに含まれる７倍角成分の値を抽出することにより７倍の軸倍角を有する電気角θel（θel１，θel２）を検出する。そして、その電気角θelに基づき推定される７個の機械角推定値θab_e（θab_e１〜θab_e７）を３倍角成分に換算して上記各センサ値ａ，ｂ，ｃの平均値と比較することにより、検出対象であるステアリングシャフト３の機械角θab（θab１，θab２）を検出する。

上記構成によれば、高い角度分解能を確保しつつ、一の回転角センサ１６が出力するセンサ信号Ｓa，Ｓb，Ｓcに基づいて、検出対象であるステアリングシャフト３の機械的な一回転を一周期とする機械角θab（θab１，θab２）を検出することができる。これにより、ステアリングセンサ等の回転角センサを付加することなく、ステアリング２に生じた操舵角θsを検出することができる。そして、各回転角センサ１６（１６Ａ，１６Ｂ）の一方に異常が発生した場合でも、他方側において検出される機械角を用いることにより、その操舵角θsの検出を継続することができる。その結果、簡素な構成にて、より高い信頼性を確保することができるようになる。

（２）回転角センサ１６は、周方向に沿って３対の磁極が形成された第１磁極部３３及び７対の磁極が形成された第２磁極部３４を有する磁石回転子３１と、当該磁石回転子３１と同軸の円周上に均等角度間隔で配置された３個の磁気検出素子３２（３２ａ，３２ｂ，３２ｃ）と、を備えてなる。

上記構成によれば、簡素な構成にて、３倍角成分及び７倍角成分の合成波形を有するとともに回転角に応じた信号変化の位相が均等にずれた三相のセンサ信号Ｓa，Ｓb，Ｓcを出力させることができる。

なお、上記実施形態は以下のように変更してもよい。
・上記実施形態では、本発明を、ＥＰＳ１において回転角検出装置を構成するＥＣＵ１１に具体化した。しかし、これに限らず、ＥＰＳ以外の用途に用いられる回転角検出装置に具体化してもよい。

・また、ＥＰＳ用の回転角センサに具体化する場合においても、そのＥＰＳの形式については、所謂コラム型に限らず、所謂ピニオン型やラックアシスト型であってもよい。
・更に、上記実施形態では、本発明を、トルクセンサ１４を構成する各回転角センサ１６（１６Ａ，１６Ｂ）による回転角検出に適用してステアリングシャフト３の機械角を検出することとした。しかし、これに限らず、例えば、モータレゾルバ（モータ回転角センサ）２８に適用して、ＥＰＳアクチュエータ１０の駆動源であるモータ１２の回転角（電気角：モータ回転角θm）を検出する。そして、モータ回転軸の機械角を検出し、当該機械角及びＥＰＳアクチュエータ１０の減速比に基づいて、ステアリング２に生じた操舵角θsを検出する構成としてもよい。更に、トルクセンサ１４を構成する各回転角センサ１６（１６Ａ，１６Ｂ）によるステアリングシャフト３の回転角検出及びモータレゾルバ２８によるモータ回転角検出の双方に、本発明の回転角検出装置を適用する構成であってもよい。そして、専用の回転角センサ（ステアリングセンサ）を用いて操舵角検出を行う構成についても同様に、本実施形態の回転角検出装置を適用してもよい。

・上記実施形態では、各回転角センサ１６（１６Ａ，１６Ｂ）が出力する三相のセンサ信号Ｓa，Ｓb，Ｓcは、その相数に等しい３倍角成分及び相数の非倍数に対応する７倍角成分の合成波形を有することとした。しかし、これに限らず、各センサ信号は、当該各センサ信号の相数の倍数に対応するｎ倍角成分（但し、ｎは整数）及びその相数の非倍数に対応するｍ倍角成分（但し、ｍは整数）の合成波形を有するものであればよい（sin（ｎθ）＋sin（ｍθ））。

具体的には、その相数の倍数に対応するｎ倍角成分を「相倍数倍角成分」、相数の非倍数に対応するｍ倍角成分を「非相倍数倍角成分」とすると、例えば、各センサ信号Ｓa，Ｓb，Ｓcが、その「相倍数倍角成分」として相数の２倍に対応する６倍角成分を含む構成であってもよい。

・また、「非相倍数倍角成分」は、「相倍数倍角成分」よりも小さくてもよい。具体的には、例えば、図６に示すように、各磁気検出素子３２（３２ａ，３２ｂ，３２ｃ）の個数、即ちセンサ信号の相数に等しい３対の磁極が形成された第１磁極部３６、及び１対の磁極が形成された第２磁極部３７を備えた回転角センサ３８を用いる。即ち、同回転角センサ３８は、３倍角成分（sin３θ）及び「非相倍数倍角成分」として１倍角成分の合成波形を有する三相のセンサ信号Ｓa，Ｓb，Ｓc、つまり図７に示されるような基本波形Ｓを有した各センサ信号Ｓa，Ｓb，Ｓcを出力する。そして、このように、その検出される電気角の軸倍角（電気角倍率）を小さく設定することによって、その検出される電気角から推定される機械角の数を低減して当該機械角の検出に要する演算負荷を軽減することができる。特に、「非相倍数倍角成分」の軸倍角が「１」であることで、その機械角推定値の数は一つとなる。従って、このような場合には、その機械角推定値の演算、及び当該機械角推定値を「相倍数倍角成分」の基本式に代入して得られる値と上記平均値とを比較する工程（図５参照、ステップ１０５，１０６）を省略することができる。

・更に、センサ信号の相数については、三相以上あれば何相あってもよい。
・上記実施形態では、各磁気検出素子３２（３２ａ，３２ｂ，３２ｃ）には、ホール素子を用いることとしたが、その他、磁気抵抗素子（ＧＭＲ等）を用いる等の構成であってもよい。

・上記実施形態では、各回転角センサ１６（１６Ａ，１６Ｂ）は、磁気検出素子３２（３２ａ，３２ｂ，３２ｃ）をセンサ要素とする磁気式の回転角センサとして構成されることとした。しかし、センサ要素として磁気検出手段を用いるものに限らず、励磁信号に基づくセンサ信号を出力するレゾルバを回転角センサに用いる構成であってもよい。尚、既知の二成分の合成波形を有したセンサ信号を出力するレゾルバについては、例えば、特開２００８−１５７６６４号公報等に、その開示がある。

・上記実施形態では、３倍角成分と７倍角成分の振幅は、略等しいこととしたが、「相倍数倍角成分」と「非相倍数倍角成分」との振幅比は、必ずしもこれに限るものではない。

次に、以上の実施形態から把握することのできる技術的思想を記載する。
（イ）周方向に沿ってｎ対（但し、ｎは整数）の磁極が形成された第１磁極部及びｍ対（但し、ｍは整数）の磁極が形成された第２磁極部を有する磁石回転子と、前記磁石回転子と同軸の円周上に均等角度間隔で配置された前記相数に対応する複数の磁気検出手段と、を備えてなる回転角センサ。これにより、簡素な構成にて、ｍ倍角成分及びｎ倍角成分の合成波形を有するとともに回転角に応じた信号変化の位相が均等にずれたｎ相のセンサ信号を出力させることができる。

（ロ）検出対象の回転角に応じて値が変化するとともに前記回転角に応じた信号変化の位相が均等にずれるように設定された三相以上のセンサ信号に基づいて、前記回転角を検出する回転角の検出方法において、前記各センサ信号は、相数の倍数に対応するｎ倍角成分（但し、ｎは整数）及び前記相数の非倍数に対応するｍ倍角成分（但し、ｍは整数）の合成波形を有するものであって、各センサ値から該各センサ値の平均値を減算して前記各センサ値に含まれる前記ｍ倍角成分の値を抽出することによりｍ倍の軸倍角を有する電気角を検出するとともに、前記電気角に基づき推定されるｍ個の機械角推定値を前記ｎ倍角成分の値に換算して前記平均値と比較することにより、前記検出対象の機械的な一回転を一周期とする機械角を検出すること、を特徴とする回転角の検出方法。これにより、高い角度分解能を確保しつつ、一の回転角センサが出力するセンサ信号に基づいて、検出対象の機械的な一回転を一周期とする機械角を検出することができる。

１…電動パワーステアリング装置（ＥＰＳ）、２…ステアリング、３…ステアリングシャフト、１０…ＥＰＳアクチュエータ、１１…ＥＣＵ、１２…モータ、１４…トルクセンサ、１５…トーションバー、１６（１６Ａ，１６Ｂ），３８…回転角センサ、２１…マイコン、２３…回転角検出部、２３Ａ…第１回転角検出部、２３Ｂ…第２回転角検出部、２４…操舵トルク検出部、２５…操舵角検出部、２８…モータレゾルバ、３１…磁石回転子、３２（３２ａ，３２ｂ，３２ｃ）…磁気検出素子、３３，３６…第１磁極部、３４，３７…第２磁極部、Ｓ１，Ｓ２…センサ信号群、Ｓa，Ｓb，Ｓc…センサ信号、ａ，ｂ，ｃ…センサ値、θa，θb，θc…回転角検出値、θel（θel１，θel２）…電気角、τ…操舵トルク、θab_e（θab_e１〜θab_e７）…機械角推定値、θab（θab１，θab２）…機械角、θs…操舵角、θm…モータ回転角。

Claims (4)

1. 検出対象の回転角に応じて値が変化するとともに前記回転角に応じた信号変化の位相が均等にずれるように設定された三相以上のセンサ信号を出力する回転角センサと、前記各センサ信号に基づき前記回転角を検出する検出手段とを備えた回転角検出装置において、
   前記各センサ信号は、相数の倍数に対応するｎ倍角成分（但し、ｎは整数）及び前記相数の非倍数に対応するｍ倍角成分（但し、ｍは整数）の合成波形を有し、
   前記検出手段は、各センサ値から該各センサ値の平均値を減算して前記各センサ値に含まれる前記ｍ倍角成分の値を抽出することによりｍ倍の軸倍角を有する電気角を検出するとともに、前記電気角に基づき推定されるｍ個の機械角推定値を前記ｎ倍角成分の値に換算して前記平均値と比較することにより、前記検出対象の機械的な一回転を一周期とする機械角を検出すること、を特徴とする回転角検出装置。
2. 請求項１に記載の回転角検出装置において、
   前記回転角センサは、周方向に沿ってｎ対の磁極が形成された第１磁極部及びｍ対の磁極が形成された第２磁極部を有する磁石回転子と、前記磁石回転子と同軸の円周上に均等角度間隔で配置された前記相数に対応する複数の磁気検出手段と、を備えてなること、
   を特徴とする回転角検出装置。
3. トーションバーを挟む二位置において回転軸の回転角を検出する一対の回転角検出装置を備えたトルク検出装置において、
   前記各回転角検出装置は、請求項１又は請求項２に記載の回転角検出装置であること、
   を特徴とするトルク検出装置。
4. 請求項１又は請求項２に記載の回転角検出装置、及び請求項３に記載のトルク検出装置の少なくとも何れかを備えた電動パワーステアリング装置。

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