JP2014020792A

JP2014020792A - 回転角度検出装置

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Publication number: JP2014020792A
Application number: JP2012156386A
Authority: JP
Inventors: Manpei Tamamura; 万平玉村; Kazuo Kumagai; 和夫熊谷; Junichiro Matsuoka; 潤一郎松岡; Yunosuke Akachi; 雄之介赤地
Original assignee: Keeper Co Ltd; Parker Corp
Current assignee: Keeper Co Ltd; Parker Corp
Priority date: 2012-07-12
Filing date: 2012-07-12
Publication date: 2014-02-03

Abstract

【課題】回転軸の絶対的な回転角度を検出する磁気式の回転角度検出装置において、コストの上昇を抑えつつ、検出精度を向上させる。
【解決手段】ステアリングシャフト２の回転角度に応じて円盤５の透磁率をアナログ的に変化させる透磁率変化パターン１０と、透磁率変化パターン１０と対向配置される磁気ヘッド６に設けられ、円盤５の透磁率をインダクタンスの変化として検出する検出コイル１２と、ステアリングシャフト２の絶対的な回転角度を算出するコントローラ９と、を備え、磁気ヘッド６は、所定のクリアランスを介して円盤５を表裏から挟み込み、かつ、円盤５の外周側を迂回してループ状の磁路を形成するコ字状のコア１１を備え、該コア１１に巻装された検出コイル１２を交流励磁しつつ、コア１１で挟み込んだ円盤５の透磁率を検出する。
【選択図】図３

Description

本発明は、回転軸の絶対的な回転角度を検出する磁気式の回転角度検出装置に関する。

回転軸の絶対的な回転角度を検出する磁気式の回転角度検出装置が提案されている。例えば、特許文献１に示される回転角度検出装置（舵角センサ）は、回転軸（ステアリングシャフト）と一体的に回転する磁石と、磁石の位置を検出する磁気検出器（ホールＩＣ）と、磁気検出器の検出信号にもとづいて回転軸の回転角度を算出する回転角度算出手段（回転情報算出手段）と、を備えて構成されており、磁気検出器は、周方向に所定の間隔を存して複数配置され、回転軸の回転角度に応じた検出信号を多相状に出力し、回転角度算出手段は、多相状に出力される検出信号にもとづいて回転軸の回転角度を算出するようになっている。

このような回転角度検出装置によれば、多相状に出力される検出信号にもとづいて回転角度を算出するので、信頼性の高い回転角度検出を行なうことが可能であるが、磁石を用いるので、長期間にわたって使用すると、磁石に磁性粉などが付着し、検出精度が劣化するおそれがある。

そこで、特許文献２に示すように、磁石を使用しない磁気式の回転角度検出装置も提案されている。この回転角度検出装置は、回転軸の表面に形成した薄膜パターンの幅を磁気ヘッドで読み取り、その幅にもとづいて回転角度を算出するものである。このような回転角度検出装置によれば、磁石が不要なので、長期間にわたって使用しても、磁性粉などの付着による検出精度の劣化がない。しかも、特許文献２の回転角度検出装置では、振幅変調方式に比べてノイズに強い周波数変調方式を採用しているので、ノイズによる検出精度の低下も抑制することができる。

特開２００９−２１０５７０号公報特開２０１２−１２２７８０号公報

しかしながら、特許文献２に示される回転角度検出装置では、磁気ヘッドの検出信号が、薄膜パターンの幅（透磁率）に応じて変化するだけでなく、磁気ヘッドと薄膜パターンとのクリアランス変動に応じて変化するので、大きなガタが存在する用途や、大きな振動や衝撃が発生する環境への適応は難しい。

なお、薄膜パターンの長さや幅を大きくすれば、Ｓ／Ｎ比を改善することが可能であると考えられるが、特許文献２の回転角度検出装置では、薄膜パターンの長さや幅が回転軸の寸法によって制限されるので、大きな改善は難しい。

本発明は、上記の如き実情に鑑みこれらの課題を解決することを目的として創作されたものであって、回転軸の絶対的な回転角度を検出する磁気式の回転角度検出装置であって、前記回転軸を中心として一体的に回転する円盤と、前記回転軸を中心とする円周に沿うように前記円盤に形成され、前記回転軸の回転角度に応じて前記円盤の透磁率をアナログ的に変化させる透磁率変化パターンと、前記透磁率変化パターンと対向配置される磁気ヘッドに設けられ、前記円盤の透磁率をインダクタンスの変化として検出する検出コイルと、前記検出コイルを交流励磁しつつ、前記検出コイルのインダクタンス変化に応じて交流励磁波に位相ズレを生じさせる交流励磁回路と、前記交流励磁回路が所定数の交流励磁波を出力するのに要した時間にもとづいて、蓄積された交流励磁波の位相ズレを検出し、該蓄積された位相ズレ検出情報にもとづいて、前記回転軸の絶対的な回転角度を算出する回転角度算出手段と、を備え、前記磁気ヘッドは、所定のクリアランスを介して前記円盤を表裏から挟み込み、かつ、前記円盤の外周側を迂回してループ状の磁路を形成するコ字状のコアを備え、該コアに巻装された前記検出コイルを交流励磁しつつ、前記コアで挟み込んだ前記円盤の透磁率を検出するものであることを特徴とする。
また、前記磁気ヘッドは、前記円周方向に所定の間隔を存して複数配置され、前記回転角度算出手段は、複数の前記磁気ヘッドで検出した多相状の位相ズレ検出情報にもとづいて、前記回転軸の絶対的な回転角度を算出することを特徴とする。
また、前記透磁率変化パターンは、前記円盤と透磁率が異なる材料で、前記円周に沿うように前記円盤に形成された円形帯状のパターンであり、前記回転軸の回転角度に応じて幅寸法がアナログ的に変化し、前記磁気ヘッドは、前記透磁率変化パターンの幅寸法の変化を前記円盤の透磁率の変化として検出することを特徴とする。

請求項１の発明によれば、回転軸と一体的に回転する円盤に透磁率変化パターンを形成し、該透磁率変化パターンを磁気ヘッドで読み取るので、回転軸の寸法による制限を受けることなく、透磁率変化パターンの長さなどを任意に設定し、Ｓ／Ｎ比の改善が図れる。また、振幅変調方式に比べてノイズに強い周波数変調方式（位相ズレを時間的に蓄積して検出する方式）を採用しているので、ノイズによる検出精度の低下も抑制することができる。しかも、磁気ヘッドは、所定のクリアランスを介して円盤を表裏から挟み込み、かつ、円盤の外周側を迂回してループ状の磁路を形成するコ字状のコアを備え、該コアに巻装された検出コイルを交流励磁しつつ、コアで挟み込んだ円盤の透磁率を検出するので、磁気ヘッドを円盤の片面側に配置して透磁率を検出する場合に比べ、クリアランスの変動に起因する誤差の発生を飛躍的に減らすことができ、その結果、大きなガタが存在する用途や、大きな振動や衝撃が発生する環境への適応が可能となる。また、コ字状に形成される一つのコアで円盤を表裏から挟み込むので、二つのコアで円盤を表裏から挟み込む場合に比べ、コアやコイルの個数を削減できるだけでなく、円盤を挟み込むコアのギャップ部分に強い磁界を発生させて検出精度を高めることができる。
また、請求項２の発明によれば、複数の磁気ヘッドで検出した多相状の位相ズレ検出情報にもとづいて、回転軸の絶対的な回転角度を算出するので、各相の位相ズレ検出情報に含まれる共通のバイアス成分をキャンセルし、精度の高い回転角度検出を行うことができる。
また、請求項３の発明によれば、回転軸と一体的に回転する円盤に形成される透磁率変化パターンの幅を磁気ヘッドで読み取るので、回転軸の寸法による制限を受けることなく、透磁率変化パターンの幅や長さを任意に設定し、Ｓ／Ｎ比の改善が図れる。

本発明の実施形態に係る回転角度検出装置（舵角センサ）の取付状態を示す斜視図である。（Ａ）は本発明の実施形態に係る回転角度検出装置（舵角センサ）の内部概略平面図、（Ｂ）はハウジング、円盤、磁気ヘッドおよび基板を示す要部Ｘ−Ｘ断面図である。（Ａ）は本発明の実施形態に係る回転角度検出装置（舵角センサ）の円盤および磁気ヘッドを示す要部斜視図、（Ｂ）は要部側面図である。本発明の実施形態に係る回転角度検出装置（舵角センサ）の磁気ヘッドの検出波形の例を示す波形図である。本発明の実施形態に係る回転角度検出装置（舵角センサ）の交流励磁回路の例を示す回路図である。本発明の実施形態に係る回転角度検出装置（舵角センサ）の回転角度検出処理手順を示すフローチャートである。

以下、本発明の実施の形態について、図面に基づいて説明する。図１において、１は自動車などの車両に搭載される舵角センサ（回転角度検出装置）であって、該舵角センサ１は、ステアリングシャフト２（回転軸）が貫通する状態で、車両の所定箇所に固定状に取り付けられ、ステアリングホイール３の操作に応じて回転するステアリングシャフト２の絶対的な回転角度を検出するように構成されている。

図２に示すように、本実施形態の舵角センサ１は、車両の所定箇所に固定状に取り付けられるハウジング４内に、円盤５、磁気ヘッド６、基板７などを組み込んで構成されており、基板７には、交流励磁回路８やコントローラ９（回転角度算出手段）が実装されている。

円盤５は、ステアリングシャフト２と外嵌状に結合され、ステアリングシャフト２を中心として一体的に回転する。例えば、本実施形態では、円盤５の中心部にシャフト貫通孔５ａおよび係合凹部５ｂを形成し、シャフト貫通孔５ａにステアリングシャフト２を貫通させる際に、ステアリングシャフト２側の係合凸部（図示せず）に係合凹部５ｂを係合させることにより、円盤５をステアリングシャフト２と一体的に回転させる。

円盤５には、ステアリングシャフト２を中心とする円周に沿うように透磁率変化パターン１０が形成されており、この透磁率変化パターン１０は、ステアリングシャフト２の回転角度に応じて円盤５の透磁率をアナログ的に変化させる。例えば、本実施形態の透磁率変化パターン１０は、円盤５と透磁率が異なる材料で、前記円周に沿うように円盤５に形成された円形帯状のパターンであり、ステアリングシャフト２の回転角度に応じて幅寸法がアナログ的に変化するように形成されている。

なお、本実施形態の透磁率変化パターン１０は、３６０゜を１サイクルとし、幅寸法がサイン波状に変化するように形成されているが、ステアリングシャフト２の回転角度に応じて円盤５の透磁率をアナログ的に変化させるものであれば、その形状は任意に設定することができる。

また、透磁率変化パターン１０を形成する材料や形成方法も任意に選択することができる。例えば、透磁率変化パターン１０を形成する材料としては、アルミニウム、ニッケル、金、銀などの金属を挙げることができ、また、形成方法としては、板状またはフィルム状の透磁率変化パターン１０を形成し、これを円盤５の所定箇所に接着する方法の他、メッキや蒸着によって円盤５に透磁率変化パターン１０を成膜する方法などを挙げることができる。

磁気ヘッド６は、透磁率変化パターン１０と対向するようにハウジング４の所定箇所に固定され、ステアリングシャフト２の回転角度に応じて変化する円盤５の透磁率を検出する。本発明の実施形態に係る磁気ヘッド６は、パーマロイ、フェライトなどの高透磁率材料で形成されるコア１１と、コア１１に巻装される検出コイル１２とを備えて構成されており、円盤５の透磁率を変化させる透磁率変化パターン１０の幅寸法を検出コイル１２のインダクタンスの変化として検出するようになっている。

コア１１は、所定のクリアランスを介して円盤５を表裏から挟み込み、かつ、円盤５の外周側を迂回してループ状の磁路を形成するようにコ字状に形成されている。このようなコア１１を備える磁気ヘッド６によれば、磁気ヘッドを円盤５の片面側に配置して透磁率を検出する場合に比べ、クリアランスの変動に起因する誤差の発生を飛躍的に減らすことができる。また、コ字状に形成される一つのコア１１で円盤５を表裏から挟み込むので、二つのコアで円盤５を表裏から挟み込む場合に比べ、コア１１や検出コイル１２の個数を削減できるだけでなく、円盤５を挟み込むコア１１のギャップ部分に強い磁界を発生させて検出精度を高めることができる。

本実施形態の舵角センサ１では、前記円周方向に所定の間隔（１２０゜）を存して３個の磁気ヘッド６を配置し、これらの磁気ヘッド６で検出した３相のサイン波（図４参照）にもとづいて、ステアリングシャフト２の絶対的な回転角度を算出するようになっている。なお、磁気ヘッド６の個数は、３個に限定されず、任意の個数を選択することができる。

交流励磁回路８は、検出コイル１２を交流励磁しつつ、検出コイル１２のインダクタンス変化に応じて交流励磁波に位相ズレを生じさせる。例えば、図５に示す交流励磁回路８は、検出コイル１２とコンデンサＣとを直列又は並列に接続した共振回路（例えば、直列共振回路）で構成されており、単発または数発の駆動パルスを入力した後の共振動作（自由振動）で検出コイル１２を交流励磁しつつ、検出コイル１２のインダクタンス変化に応じて自由振動波に位相ズレを生じさせる。

なお、交流励磁回路８は、共振回路に限定されるものではなく、所定の周波数で自律的に発振する発振回路（例えば、シュミット発振回路）を用いて構成することもできる。この場合は、発振回路の帰還経路に検出コイル１２を配置することにより、検出コイル１２のインダクタンス変化に応じて発振波に位相ズレを生じさせることができる。

コントローラ９は、例えば、マイコンを用いて構成され、該マイコンに書き込まれるプログラムとの協働により、舵角センサ１のコントローラとして所定の処理動作を行なう。この処理動作には、交流励磁回路８が所定数の交流励磁波を出力するのに要した時間にもとづいて、蓄積された交流励磁波の位相ズレを検出し、該蓄積された位相ズレ検出情報にもとづいて、ステアリングシャフト２の絶対的な回転角度を算出する処理動作が含まれる。このようなコントローラ９によれば、透磁率変化パターン１０による透磁率の変化が微小であっても、その微小な変化を蓄積して高精度に検出することができる。しかも、この検出方式は、振幅変調方式に比べてノイズに強い周波数変調方式であるため、ノイズによる検出精度の低下も抑制することができる。

つぎに、コントローラ９の具体的な検出処理手順について、図６を参照して説明する。図６に示す回転角度検出処理では、まず、１相目、２相目、３相目の磁気ヘッド６による透磁率の検出処理を行なう（Ｓ１１〜Ｓ１３）。この処理では、まず、時間計測タイマおよび自由振動波フラグをクリアした後（Ｓ２１）、交流励磁回路８に駆動パルスを出力し（Ｓ２２）、自由振動波の入力を監視する（Ｓ２３）。ここで、自由振動波が入力されたら、自由振動波フラグをインクリメントし（Ｓ２４）、自由振動波の入力数が所定数（例えば、１０）に達したか否かを判断する（Ｓ２５）。この判断結果がＮＯの場合は、ステップＳ２３〜Ｓ２５を繰り返し、判断結果がＹＥＳの場合は、時間計測タイマ値を取得して上位ルーチンへ復帰する（Ｓ２６）。なお、取得した時間計測タイマ値は、交流励磁派の蓄積された位相ズレ検出情報であり、円盤５の透磁率検出値に相当する。

３相分の時間計測タイマ値を取得したら、これらに含まれるバイアス成分を除去する（Ｓ１４）。つまり、各相の時間計測タイマ値には、透磁率変化パターン１０の幅寸法に応じて変化するサイン波形成分と、温度などの誤差要因によって変化するバイアス成分が含まれているため、バイアス成分を除去して純粋なサイン波形成分を抽出する。この処理は、３相のサイン波形成分の和が一定値（例えば、０）になることを利用して行なうことができ、例えば、３相分の時間計測タイマ値の和を求め、これを３で割れば、各相に含まれる共通のバイアス成分が求められる。

つぎに、バイアス成分が除去された３相分の時間計測タイマ値にもとづいて、ステアリングシャフト２の回転角度を算出する（Ｓ１５）。回転角度の算出方法としては、所定の演算式を使って演算する方法や、あらかじめ作成したテーブル（３相分の値と回転角度との対応データ）を参照する方法を用いることができる。なお、３相のサイン波形成分にもとづいてステアリングシャフト２の回転角度を算出する演算式は、公知の演算式を用いることができる。例えば、前述した特許文献１に示される逆三角関数の演算式を用いることができる。

叙述の如く構成された本実施形態によれば、ステアリングシャフト２の絶対的な回転角度を検出する磁気式の舵角センサ１であって、ステアリングシャフト２を中心として一体的に回転する円盤５と、ステアリングシャフト２を中心とする円周に沿うように円盤５に形成され、ステアリングシャフト２の回転角度に応じて円盤５の透磁率をアナログ的に変化させる透磁率変化パターン１０と、透磁率変化パターン１０と対向配置される磁気ヘッド６に設けられ、円盤５の透磁率をインダクタンスの変化として検出する検出コイル１２と、検出コイル１２を交流励磁しつつ、検出コイル１２のインダクタンス変化に応じて交流励磁波に位相ズレを生じさせる交流励磁回路８と、交流励磁回路８が所定数の交流励磁波を出力するのに要した時間にもとづいて、蓄積された交流励磁波の位相ズレを検出し、該蓄積された位相ズレ検出情報にもとづいて、ステアリングシャフト２の絶対的な回転角度を算出するコントローラ９と、を備え、磁気ヘッド６は、所定のクリアランスを介して円盤５を表裏から挟み込み、かつ、円盤５の外周側を迂回してループ状の磁路を形成するコ字状のコア１１を備え、該コア１１に巻装された検出コイル１２を交流励磁しつつ、コア１１で挟み込んだ円盤５の透磁率を検出するものとしてある。

つまり、本発明の実施形態に係る舵角センサ１では、ステアリングシャフト２と一体的に回転する円盤５に透磁率変化パターン１０を形成し、該透磁率変化パターン１０を磁気ヘッド６で読み取るので、ステアリングシャフト２の寸法による制限を受けることなく、透磁率変化パターン１０の長さなどを任意に設定し、Ｓ／Ｎ比の改善が図れる。

また、振幅変調方式に比べてノイズに強い周波数変調方式を採用しているので、ノイズによる検出精度の低下も抑制することができる。また、周波数変調方式として、位相ズレを時間的に蓄積して検出する方式を採用しているので、微小な変化を時間的に蓄積して高精度に検出することができる。

しかも、磁気ヘッド６は、所定のクリアランスを介して円盤５を表裏から挟み込み、かつ、円盤５の外周側を迂回してループ状の磁路を形成するコ字状のコア１１を備え、該コア１１に巻装された検出コイル１２を交流励磁しつつ、コア１１で挟み込んだ円盤５の透磁率を検出するので、磁気ヘッドを円盤５の片面側に配置して透磁率を検出する場合に比べ、クリアランスの変動に起因する誤差の発生を飛躍的に減らすことができ、その結果、大きなガタが存在する用途や、大きな振動や衝撃が発生する環境への適応が可能となる。また、コ字状に形成される一つのコア１１で円盤５を表裏から挟み込むので、二つのコアで円盤５を表裏から挟み込む場合に比べ、コア１１やコイル１２の個数を削減できるだけでなく、円盤５を挟み込むコア１１のギャップ部分に強い磁界を発生させて検出精度を高めることができる。

また、磁気ヘッド６は、前記円周方向に所定の間隔を存して複数配置され、コントローラ９は、複数の磁気ヘッド６で検出した多相状の位相ズレ検出情報にもとづいて、ステアリングシャフト２の絶対的な回転角度を算出するので、各相の位相ズレ検出情報に含まれる共通のバイアス成分をキャンセルし、精度の高い回転角度検出を行うことができる。

また、透磁率変化パターン１０は、円盤５と透磁率が異なる材料で、前記円周に沿うように円盤５に形成された円形帯状のパターンであり、ステアリングシャフト２の回転角度に応じて幅寸法がアナログ的に変化し、磁気ヘッド６は、透磁率変化パターン１０の幅寸法の変化を円盤５の透磁率の変化として検出するので、ステアリングシャフト２の寸法による制限を受けることなく、透磁率変化パターン１０の幅や長さを任意に設定し、Ｓ／Ｎ比の改善が図れる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されず、特許請求の範囲内で適宜変更可能であることは言うまでもない。例えば、前記実施形態では、本発明の回転角度検出装置を舵角センサとして説明したが、本発明の回転角度検出装置が舵角センサ以外の用途にも適用できることは勿論であり、例えば、ロボットの関節角度を検出するロボット用関節角度検出装置にも適用することができる。また、前記実施形態の回転軸は、回転範囲が３６０゜以上であるが、回転範囲が３６０゜未満の回転軸にも適用することができる。

１舵角センサ
２ステアリングシャフト
３ステアリングホイール
４ハウジング
５円盤
６磁気ヘッド
７基板
８交流励磁回路
９コントローラ
１０透磁率変化パターン
１１コア
１２検出コイル

Claims

回転軸の絶対的な回転角度を検出する磁気式の回転角度検出装置であって、
前記回転軸を中心として一体的に回転する円盤と、
前記回転軸を中心とする円周に沿うように前記円盤に形成され、前記回転軸の回転角度に応じて前記円盤の透磁率をアナログ的に変化させる透磁率変化パターンと、
前記透磁率変化パターンと対向配置される磁気ヘッドに設けられ、前記円盤の透磁率をインダクタンスの変化として検出する検出コイルと、
前記検出コイルを交流励磁しつつ、前記検出コイルのインダクタンス変化に応じて交流励磁波に位相ズレを生じさせる交流励磁回路と、
前記交流励磁回路が所定数の交流励磁波を出力するのに要した時間にもとづいて、蓄積された交流励磁波の位相ズレを検出し、該蓄積された位相ズレ検出情報にもとづいて、前記回転軸の絶対的な回転角度を算出する回転角度算出手段と、を備え、
前記磁気ヘッドは、
所定のクリアランスを介して前記円盤を表裏から挟み込み、かつ、前記円盤の外周側を迂回してループ状の磁路を形成するコ字状のコアを備え、該コアに巻装された前記検出コイルを交流励磁しつつ、前記コアで挟み込んだ前記円盤の透磁率を検出するものであることを特徴とする回転角度検出装置。
前記磁気ヘッドは、前記円周方向に所定の間隔を存して複数配置され、
前記回転角度算出手段は、複数の前記磁気ヘッドで検出した多相状の位相ズレ検出情報にもとづいて、前記回転軸の絶対的な回転角度を算出することを特徴とする請求項１に記載の回転角度検出装置。
前記透磁率変化パターンは、前記円盤と透磁率が異なる材料で、前記円周に沿うように前記円盤に形成された円形帯状のパターンであり、前記回転軸の回転角度に応じて幅寸法がアナログ的に変化し、
前記磁気ヘッドは、前記透磁率変化パターンの幅寸法の変化を前記円盤の透磁率の変化として検出することを特徴とする請求項１または２に記載の回転角度検出装置。