JP3979124B2 - 回転角度検出装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は自動車の車体制御システムに用いられる多回転のステアリングシャフトの回転角度検出装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、自動車のステアリングハンドルのように１回転以上数回転する軸等の回転角度を検出する装置として特表平１１−５００８２８号公報に開示されている回転体における角度測定方法および装置がある。この装置においては、主軸に係合された位相差を有する２つの回転体の角度から主軸の絶対回転角度を検出している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
このように構成された回転角度検出装置において、主軸に係合された２つの回転体の回転角度を求める検出器が何らかの異常により出力が出なくなった場合、回転体の角度検出に支障をきたす。また検出器からの信号は非常に小さく増幅回路を必要とするが、その増幅回路に異常が発生した場合、回転角度検出ができなくなる。
【０００４】
そこで本発明は、角度位置を検出する検出手段の異常や不具合およびその信号を増幅する増幅回路部の異常や不具合を検出する機能を有する回転角度検出装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明の請求項１に記載の発明は、外周に歯を有する多回転可能な第１の回転体と、この第１の回転体に係合する第２の回転体と、この第２の回転体に係合する第３の回転体と、前記第２の回転体の回転角度を検出する第１の検出手段と、前記第３の回転体の回転角度を検出する第２の検出手段と、前記第１、第２の検出手段の信号を増幅する第１、第２の増幅回路部と、前記第１、第２の増幅回路部の各一対の入力端子に自己診断用の基準電圧を印加する一定電圧供給手段と、前記第１、第２の増幅回路部の各一対の入力端子の一方に接続された中点電圧と接地電圧を切り替えて印加する第１、第２の電圧切替部と、これらの第１、第２の電圧切替部に接続された演算回路とを備えているので、第１、第２の増幅回路部からの出力をみることにより第１、第２の検出手段の異常を検出することが可能になる。
【０００６】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、第１の検出手段、第２の検出手段をそれぞれ磁石と磁気検出素子とし、各々の磁石は第２の回転体、第３の回転体に固定されている構成としたので前記回転体の角度を非接触で検出でき長期間にわたり高い検出精度を維持できる。
【０００７】
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の発明において、周期が１８０度であるサイン波とコサイン波で出力するので、これら出力を演算しタンジェント波として演算処理することによって検出素子からの信号が受ける温度やノイズ等の影響をキャンセルすることができ、精度の高い角度検出が可能になる。
【０００８】
請求項４に記載の発明は、請求項１から請求項３に記載のいずれかの発明において、増幅回路部に基準電圧を印加してその出力電圧をみることにより増幅回路部の異常を検出することができる。
【０００９】
請求項５に記載の発明は、請求項１から請求項４に記載のいずれかの発明において、第１、第２の検出手段からの信号を第１、第２の切替スイッチに振り分けてから第１、第２の増幅回路に出力しているので、各々のスイッチが切替動作をしている間に演算処理を行うことができトータルの切替、演算に要する時間を低減することができ、精度の高い角度検出が可能になる。
【００１０】
請求項６に記載の発明は、請求項１から請求項５のいずれかに記載の発明において、第１の回転体に係合した第４の回転体の回転角度を検出する第３の検出手段を設けたので第１、第２、第３、第４の回転体のうちどの回転体が機械的損傷を受けてもそれを検出することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
（実施の形態１）
以下、実施の形態１を用いて、本発明の特に請求項１から４に記載の発明について説明する。
【００１２】
図１は本発明の実施の形態１における回転角度検出装置の回路図であり、第１の磁気センサ１の４本の出力端子１ｗ，１ｘ，１ｙ，１ｚは第１の切替スイッチ２の入力端子２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄに、第２の磁気センサ３の４本の出力端子３ｗ，３ｘ，３ｙ，３ｚは第２の切替スイッチ４の入力端子４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄにそれぞれ接続されており、抵抗２１，２２，２３により設定される一定の電圧Ｖａは入力端子２ｅ，４ｅに、一定の電圧Ｖｂが入力端子２ｆ，４ｆに接続されている。
【００１３】
第１の切替スイッチ２、第２の切替スイッチ４は演算回路５からの信号を制御端子２ｋ，４ｋで受けて、それぞれの内部の入力端子２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ，２ｅ，２ｆと出力端子２ｉ，２ｊおよび入力端子４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ，４ｅ，４ｆと出力端子４ｉ，４ｊ間の接続を切り替えることができる。
【００１４】
第１の切替スイッチ２の出力端子２ｉ，２ｊは抵抗６，７を介して第１のオペアンプ１０に、第２の切替スイッチ４の出力端子４ｉ，４ｊは抵抗８，９を介して第２のオペアンプ１１に接続されている。第１のオペアンプ１０、第２のオペアンプ１１の出力の一部は抵抗１２，１３を介して第１のオペアンプ１０、第２のオペアンプ１１に帰還され、残りは演算回路５に入力される。ここで抵抗６，７，８，９はそれぞれ同じ抵抗値Ｒ１であり、抵抗１２，１３，１４，１５もそれぞれ同じ抵抗値Ｒ２である。
【００１５】
また第１のオペアンプ１０、第２のオペアンプ１１の＋入力部にはそれぞれ抵抗１４，１５を介して第１の電圧切替部１６、第２の電圧切替部１７が接続されている。第１の電圧切替部１６、第２の電圧切替部１７の出力電圧は演算回路５からの信号によりＶｃｃの半分の電圧（中点電圧）と接地電圧とに切り替えられる。
【００１６】
第１、第２の電圧切替部１６，１７は図２に示すように、２つの抵抗１８，１９と切替スイッチ２０から構成されている。演算回路５から制御信号が制御端子２０ｄに入力され、端子２０ａと端子２０ｃとが接続、あるいは端子２０ｂと端子２０ｃとが接続されるようにスイッチが切り替わる。抵抗１８と１９は同じ抵抗値のものを用いることにより端子２０ａと端子２０ｃが接続されたときは電源電圧Ｖｃｃの半分の電圧すなわち中点電圧が、端子２０ｂと端子２０ｃが接続されたときは接地電圧が端子２０ｃから出力される。
【００１７】
次に回転角度検出装置の構造を説明する。図３（ａ）において、外周部に歯を有する第１の回転体３０に第２の回転体３１が係合されている。図３（ｂ）において、第２の回転体３１の軸３２は軸受け３３，３４にて支えられ、軸３２のウォームギア３５は歯車３６に係合され第３の回転体３７を構成している。図３（ｂ）と図３（ｃ）において第２の回転体３１の中央部分には磁石３８が埋め込まれ、この磁石３８に対向する位置に第１の磁気センサ１が固定されている。第３の回転体３７の中央部分にも同様に磁石４０が埋め込まれ、対向する位置に第２の磁気センサ３が固定されている。
【００１８】
第１の磁気センサ１の構成は図４に示すように磁束の方向により抵抗値が変化する８個の異方性磁気抵抗素子１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅ，１ｆ，１ｇ，１ｈを組み込んだものである。なおこれら異方性磁気抵抗素子の抵抗値変化と磁束の極性は関係ないので、磁束の方向に対する抵抗値変化の周期は１８０度である。
【００１９】
４つの磁気抵抗素子１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄが一つのブリッジを構成し、磁気抵抗素子１ａ，１ｄの磁気に対する抵抗値変化特性は磁気抵抗素子１ｂ，１ｃとは逆になっている。すなわち磁束の方向により磁気抵抗素子１ａ，１ｄの抵抗値が増加するときは磁気抵抗素子１ｂ，１ｃは減少するように配置されているので、出力端子１ｗと１ｘの出力は位相が反転した信号を出力する。
【００２０】
磁気センサ１は図４に示すように磁気抵抗素子１ｅ，１ｆ，１ｇ，１ｈからなるもう一つのブリッジを有しており、これら磁気抵抗素子１ｅ，１ｆ，１ｇ，１ｈのパターンは磁気抵抗素子１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄに対し４５度傾けて配置しているので磁気抵抗素子１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄの出力と磁気抵抗素子１ｅ，１ｆ，１ｇ，１ｈの出力とは位相が４５度ずれて出力される。
【００２１】
前述したようにこれらの磁気抵抗素子１ａ〜１ｇの磁束の方向に対する抵抗値変化は１８０度周期であるので、出力の４５度の位相のずれは丁度サイン波とコサイン波となる。すなわちブリッジのパターンを４５度傾けて配置することにより磁気センサ１は出力端子１ｗ，１ｘからはサイン波を、出力端子１ｙ，１ｚからはコサイン波を出力する。
【００２２】
図５（ａ）に示すようにサイン波（sin＋と記す）と位相が反転したサイン波（sin−と記す）の差をとることにより図５（ｂ）に示すように元のサイン波の２倍の振幅の信号が得られる。コサイン波（cos＋と記す）についても同様に位相が反転したコサイン波（cos−と記す）の差をとることにより元のコサイン波の２倍の振幅の信号が得られる。
【００２３】
なおここでは第１の磁気センサ１について説明したが、第２の磁気センサ３は第１の磁気センサ１とまったく同じものを用いているのでその動作や出力は同じである。
【００２４】
以上の構成による回転角度検出装置の回転角度検出方法について説明する。図３（ａ）、図３（ｂ）および図３（ｃ）において第１の回転体３０が回転するとそれに伴い第２の回転体３１、第３の回転体３７が回転する。第２の回転体３１の回転の検出手段として磁石３８と第１の磁気センサ１により、第３の回転体３７の検出手段として磁石４０と第２の磁気センサ３により第２の回転体３１、第３の回転体３７の回転が検出される。検出対象である第１の回転体３０の１回転内のこまかな角度は第２の回転体３１の回転角度により求められ、第１の回転体の１回転以上何回転したかはウォームギア３５で回転される第３の回転体３７の回転角度により求めることができる。
【００２５】
また第２の回転体３１、第３の回転体３７の回転角度の検出手段として磁石３８，４０と第１、第２の磁気センサ１，３を用いて、非接触で検出しているので検出手段の磨耗等による劣化の心配がなく、高い検出精度を維持することが可能となる。
【００２６】
次に第１、第２の磁気センサ１，３からの出力信号の流れについて説明する。図１において第１の磁気センサ１の出力端子１ｗ，１ｘからのサイン波信号出力は第１の切替スイッチ２の端子２ａ，２ｂに入力される。これらの出力信号は第１の切替スイッチ２の出力端子２ｉ，２ｊを通して第１のオペアンプ１０に入力、増幅されて演算回路５に入る。この時第１の磁気センサ１の出力端子１ｗからはサイン波、出力端子１ｘからは位相が反転したサイン波が出力されて第１のオペアンプ１０にて差動増幅される。
【００２７】
次に図１において第１の切替スイッチ２の入力端子２ｃと出力端子２ｉが接続され、入力端子２ｄと出力端子２ｊが接続されるように、第１の切替スイッチ２が切り替えられ、第１の磁気センサ１の出力端子１ｙ，１ｚからのコサイン波信号出力は切替スイッチ２の出力端子２ｉ，２ｊを通り第１のオペアンプ１０で差動増幅され、演算回路５に入る。
【００２８】
次に第２の磁気センサ３の出力端子３ｗ，３ｘからのサイン波信号出力は第２の切替スイッチ４の入力端子４ａ，４ｂに入力され、第２の切替スイッチ４の出力端子４ｉ，４ｊを通り第２のオペアンプ１１にて差動増幅され演算回路５に入る。
【００２９】
次に第２の切替スイッチ４の入力端子４ｃが出力端子４ｉに接続され、入力端子４ｄが出力端子４ｊに接続されるように第２の切替スイッチ４が切り替えられ、第２の磁気センサ３の出力端子３ｙ，３ｚからのコサイン波信号出力は切替スイッチ４の出力端子４ｉ，４ｊを通り第２のオペアンプ１１で差動増幅され、演算回路５に入る。
【００３０】
以上に述べたように第１の切替スイッチ２を切り替えた後、次に第２の切替スイッチ４を切り替えて第２の回転体３１、第３の回転体３７の回転角度を求める１回のルーチンが完了する。このルーチンは１秒間に約２００回程度行っている。ここで第１、第２の切替スイッチ２，４を切り替えるのは演算回路５の内部のＡ／Ｄ変換器の数の制約から複数入力を同時に処理することが困難であることによる。
【００３１】
第１の磁気センサ１、第２の磁気センサ３の出力をサイン波、コサイン波にしている理由について説明する。磁気センサからのサイン波出力をＶｓ、コサイン波出力をＶｃとし、磁石の回転角度をθとすると、ある温度での出力は（数１）にて表される。
【００３２】
【数１】
【００３３】
第１、第２の磁気センサ１，３からの出力はアナログ出力であり、サイン波出力、コサイン波出力それぞれの信号の係数Ａは周囲の温度変化やノイズ等によりＡからＡｔに変化し、変化後の各々の出力Ｖｓｔ，Ｖｃｔは（数２）に示すようになる。
【００３４】
【数２】
【００３５】
サイン波出力とコサイン波出力の２種類の信号形態からタンジェントを計算することにより（数３）に示すように温度変化やノイズ等による出力信号の変化分をキャンセルでき、精度の高い角度検出ができる。
【００３６】
【数３】
【００３７】
次に第１、第２の磁気センサ１，３の自己診断方法について説明する。図１において異方性磁気抵抗素子を用いた第１、第２の磁気センサ１，３が不具合になった場合、オペアンプ１０，１１からの電圧出力は、電源電圧に貼り付くか接地電圧に貼り付くかあるいは中点電圧近傍に貼り付くか、の三種類である。もし第１、第２の磁気センサ１，３のどちらかに不具合が発生しオペアンプ１０，１１の出力電圧が電源電圧あるいは接地電圧に貼り付いた場合、演算回路５部で特定電圧以上あるいは以下を第１、第２の磁気センサ１，３の不具合と判定するようにすれば第１、第２の磁気センサ１，３の自己診断を容易に行うことができる。
【００３８】
第１、第２の磁気センサ１，３の不具合によりオペアンプ１０，１１の電圧出力が中点電圧（Ｖｃｃを５ＶＤＣとするとほぼ２．５Ｖ）に貼り付いた場合の自己診断について説明する。この場合の不具合検出は、第１の電圧切替部１６および第２の電圧切替部１７の出力電圧を中点電圧と接地電圧に切り替えて抵抗１４，１５を介してオペアンプ１０，１１の＋入力に印加してオペアンプ１０，１１の出力電圧をみることにより可能となる。
【００３９】
第１、第２の磁気センサ１，３が正常に動作している時はオペアンプ１０，１１の＋入力に中点電圧を印加すると、この中点電圧をセンターにした交流信号がオペアンプ１０，１１から出力される。この状態でオペアンプ１０，１１の＋入力の電圧を接地電圧に切り替えるとこの接地電圧をセンターとする交流電圧すなわち交流波形の上半分の信号がオペアンプ１０，１１から出力される。オペアンプ１０，１１の増幅率は交流信号の振幅が最大値でも電源電圧以下になるように設定されているので、接地電圧をセンターとする交流電圧の平均電圧は中点電圧の半分以下の電圧になる。
【００４０】
もし第１、第２の磁気センサ１，３がオープンとなった場合、オペアンプ１０，１１の＋入力に中点電圧が印加されるとその電圧がそのままオペアンプ１０，１１から出力される。オペアンプ１０，１１の＋入力に接地電圧を印加するとオペアンプの一般的な特性からオペアンプ１０，１１の出力は中点電圧近傍の電圧を出力する。従ってオペアンプ１０，１１の＋入力に印加する電圧を中点電圧と接地電圧に切り替えた時のオペアンプ１０，１１の出力をモニタすれば第１、第２の磁気センサ１，３のオープンを検出できる。
【００４１】
次にオペアンプ１０，１１の自己診断方法について説明する。図１において抵抗６，７，８，９の抵抗値は前述したようにすべてＲ１、抵抗１２，１３，１４，１５の抵抗値はすべてＲ２で、第１の切替スイッチ２の端子２ｉに電圧Ｖ１、端子２ｊに電圧Ｖ２を印加するとオペアンプ１０の出力電圧は（数４）のようになる。すなわち中点電圧をセンターにし（Ｒ２／Ｒ１）倍に差動増幅されることになる。
【００４２】
【数４】
【００４３】
抵抗２１，２２，２３によって決まる基準電圧Ｖａ，Ｖｂ（ＧＮＤ≦Ｖｂ＜Ｖａ≦Ｖｃｃ）を第１の切替スイッチ２の端子２ｅ，２ｆに接続し、スイッチを切り替えて端子２ｉに電圧Ｖａ、端子２ｊに電圧Ｖｂを印加するとオペアンプ１０の出力電圧は（数１）のＶ１，Ｖ２のかわりにＶａ，Ｖｂの入った（数５）で表される。
【００４４】
【数５】
【００４５】
基準電圧Ｖａ，Ｖｂをオペアンプ１０に入力した場合の出力電圧は（数５）により決まるのでその出力電圧が正しくでているかどうかを演算回路５で判定することによりオペアンプ１０の自己診断ができる。
【００４６】
基準電圧Ｖａ，Ｖｂは第２の切替スイッチ４の端子４ｅ，４ｆにも接続されているので、オペアンプ１１の自己診断は第２の切替スイッチ４を切り替えて端子４ｉに電圧Ｖａ、端子４ｊに電圧Ｖｂを印加することによりオペアンプ１０の場合と同様に行うことができる。
【００４７】
（実施の形態２）
実施の形態２を用いて、本発明の特に請求項５に記載の発明について説明する。この実施の形態２は回転角度を検出する回転体の構造および磁気センサは実施の形態１で説明したものと同じであるが、回路部が実施の形態１の回路部と異なっている。この異なっている回路部について図６にて説明する。第１の磁気センサ１からコサイン波を出力する出力端子１ｙ，１ｚは第２の切替スイッチ４の入力端子４ｅ，４ｆに接続され、第２の磁気センサ３からサイン波を出力する出力端子３ｗ，３ｘは第１の切替スイッチ２の入力端子２ｅ，２ｆに接続されている。またオペアンプ１０，１１の自己診断用の基準電圧Ｖａ，Ｖｂは第１の切替スイッチ２の入力端子２ｃ，２ｄと第２の切替スイッチ４の入力端子４ｃ，４ｄに入力される。
【００４８】
第１、第２の磁気センサ１，３からの出力信号の流れについて説明する。図６において、まず第１の磁気センサ１の出力端子１ｗ，１ｘからのサイン波信号は第１の切替スイッチ２の端子２ａ，２ｂから第１の切替スイッチ２の出力端子２ｉ，２ｊを通して第１のオペアンプ１０に入力され、差動増幅されて演算回路５に入り信号処理される。
【００４９】
次に第１の磁気センサ１の出力端子１ｙ，１ｚからのコサイン波出力は第２の切替スイッチ４の入力端子４ｅ，４ｆから第２の切替スイッチ４の出力端子４ｉ，４ｊを通して第２のオペアンプ１１に入力され、差動増幅されて演算回路５に入り信号処理される。
【００５０】
その次に第１の切替スイッチ２の各端子間の接続が切り替えられ、第２の磁気センサ３の出力端子３ｗ，３ｘからのサイン波信号は第１の切替スイッチ２の入力端子２ｅ，２ｆに入り、出力端子２ｉ，２ｊを通って第１のオペアンプ１０に入力され、差動増幅されて演算回路５に入り信号処理される。
【００５１】
次に第２の切替スイッチ４の各端子間の接続が切り替えられ、第２の磁気センサ３の出力端子３ｙ，３ｚからのコサイン波出力は第２の切替スイッチ４の入力端子４ａ，４ｂから出力端子４ｉ，４ｊを通して第２のオペアンプ１１に入力され、差動増幅されて演算回路５に入り信号処理される。
【００５２】
以上に述べたように第１の磁気センサ１からのサイン波信号とコサイン波信号、第２の磁気センサからのサイン波信号とコサイン波信号、合計４種類の信号が順番に１回ずつ演算回路５に入力され、第２の回転体３１、第３の回転体３７の回転角度を求める１回のルーチンが完了する。
【００５３】
第１、第２の切替スイッチ２，４の切替に要する時間はおよそ３００μｓｅｃであり、その後の演算回路５ではＡ／Ｄ変換器への入力切替に数μｓｅｃ、Ａ／Ｄ変換に３０μｓｅｃ前後の時間を要している。
【００５４】
本実施の形態２による回路構成の場合、第１、第２の磁気センサ１，３からのサイン波信号とコサイン波信号のうちサイン波信号を第１の切替スイッチ２に通し、コサイン波信号を第２の切替スイッチ４に通しているので、サイン波信号が第１のオペアンプ１０による増幅および演算回路５による信号処理が完了した後、直ちに第２の切替スイッチ４を通してコサイン波信号の増幅と信号処理を行うことができ、このコサイン波信号の増幅と信号処理の間に第１の切替スイッチ２を切り替える動作を行うことにより１回のルーチンの時間を大幅に短縮することができる。
【００５５】
１回のルーチンに要する時間は例えば実施の形態１の場合には、第１、第２のスイッチ２，４の切替時間が約３００μｓｅｃ、演算回路５の内部でのＡ／Ｄ変換器の入力切替に６μｓｅｃ、Ａ／Ｄ変換に要する時間を４０μｓｅｃとすると１回のルーチンは第１、第２のスイッチを２回ずつ計４回切り替える時間に加えＡ／Ｄ変換器の入力切替およびＡ／Ｄ変換の時間を合計すると、合計時間１３８４μｓｅｃ要することになる。本実施の形態２の場合では第１の切替スイッチ２が切り替わっている間に、増幅とＡ／Ｄ変換と第２のスイッチ切替の動作を行い、また第２の切替スイッチ４が切り替わっている間に同様の動作を行うことにより約半分の時間で１回のルーチンを完了することができる。
【００５６】
従って短時間で第２、第３の回転体３１，３７の回転角度を測定できるのでより精度の高い回転角度検出が可能になる。
【００５７】
（実施の形態３）
以下、実施の形態３を用いて、本発明の特に請求項６に記載の発明について説明する。図７（ａ）において第４の回転体４２が第１の回転体３０に係合されており、この第４の回転体４２の回転中心には磁石４３が埋め込まれている。この第４の回転体４２の歯車部分の形状寸法は第２の回転体３１と同じである。図７（ｂ）において、軸受け４１によって支持された第４の回転体４２の中心部の上方には第３の検出手段として第３の磁気センサ４４が配置されている。
【００５８】
また残りの部品の構成、動作および回転角度検出の方法は実施の形態１および実施の形態２で説明したのと同じである。
【００５９】
次に本実施の形態３における回路について簡単に説明する。図８において第３の磁気センサ４４からの出力のうちサイン波の出力端子４４ｗ，４４ｘは第１の切替スイッチ２の入力端子２ｇ，２ｈに、コサイン波の出力端子４４ｙ，４４ｚは第２の切替スイッチ４の入力端子４ｇ，４ｈに接続されている。第１、第２の切替スイッチ２，４以降の回路構成は実施の形態１と同じである。
【００６０】
上記構成による回転角度検出装置の特徴は第２の回転体３１と第４の回転体４２の回転すなわち第１の磁気センサ１と第３の磁気センサ４４の出力を比較することにより第１の回転体３０、第２の回転体３１、第４の回転体４２の軸受け４１や歯車等の機械的損傷を検出できることである。すなわちこれら第１の回転体３０、第２の回転体３１、第４の回転体４２が正常に係合し回転している限り、第２の回転体３１と第４の回転体４２の歯車部分は同じ歯数のため双方とも同じ速度で同じ方向に回転し、従って第１の磁気センサ１と第３の磁気センサ４４からの出力の位相差は常に一定となる。
【００６１】
第１の回転体３０、第２の回転体３１、第４の回転体４２の軸受けや歯車等が機械的損傷を受けて滑らかに回転しない場合は第１の磁気センサ１と第３の磁気センサ４４からの出力の位相が異なるので、不具合ということを直ちに検出することができる。
【００６２】
なお第３の回転体３７の回転を検出する第２の磁気センサ３からの出力も同時にモニタすればすべての回転体の機械的損傷を検出することが可能である。
【００６３】
【発明の効果】
以上のように本発明は、外周に歯を有する多回転可能な第１の回転体と、この第１の回転体に係合する第２の回転体と、この第２の回転体に係合する第３の回転体と、前記第２の回転体の回転角度を検出する第１の検出手段と、前記第３の回転体の回転角度を検出する第２の検出手段と、前記第１、第２の検出手段の信号を増幅する第１、第２の増幅回路部と、前記第１、第２の増幅回路部の各一対の入力端子に自己診断用の基準電圧を印加する一定電圧供給手段と、前記第１、第２の増幅回路部の各一対の入力端子の一方に接続された中点電圧と接地電圧を切り替えて印加する第１、第２の電圧切替部と、これらの第１、第２の電圧切替部に接続された演算回路とを備えているので、角度位置を検出する検出手段とその信号を増幅する増幅回路部の異常や不具合を検出する自己診断機能を有する回転角度検出装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１の回転角度検出装置の回路図
【図２】同回転角度検出装置の電圧切替部の構成を示す回路図
【図３】（ａ）〜（ｃ）は同回転角度検出装置の構成を示す正面図、上面図、側面図
【図４】同回転角度検出装置の磁気抵抗素子の内部の回路構成を示す回路図
【図５】（ａ）（ｂ）はともに同回転角度検出装置の磁気抵抗素子からの出力信号を説明する波形図
【図６】本発明の実施の形態２の回転角度検出装置の回路図
【図７】（ａ）（ｂ）は本発明の実施の形態３の回転角度検出装置の構成を示す正面図、上面図
【図８】本発明の実施の形態３の回転角度検出装置の回路図
【符号の説明】
１ 第１の磁気センサ
１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ 磁気抵抗素子
１ｅ，１ｆ，１ｇ，１ｈ 磁気抵抗素子
１ｗ，１ｘ，１ｙ，１ｚ 出力端子
２ 第１の切替スイッチ
２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ，２ｅ，２ｆ 入力端子
２ｉ，２ｊ 出力端子
２ｋ 制御端子
３ 第２の磁気センサ
３ｗ，３ｘ，３ｙ，３ｚ 出力端子
４ 第２の切替スイッチ
４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ，４ｅ，４ｆ 入力端子
４ｉ，４ｊ 出力端子
４ｋ 制御端子
５ 演算回路
６，８ 抵抗
７，９ 抵抗
１０ 第１のオペアンプ
１１ 第２のオペアンプ
１２，１３ 抵抗
１４，１５ 抵抗
１６ 第１の電圧切替部
１７ 第２の電圧切替部
１８，１９ 抵抗
２０ 切替スイッチ
２０ａ，２０ｂ 端子
２０ｃ 端子
２０ｄ 制御端子
２１ 抵抗
２２ 抵抗
２３ 抵抗
３０ 第１の回転体
３１ 第２の回転体
３２ 軸
３３ 軸受け
３４ 軸受け
３５ ウォームギア
３６ 歯車
３７ 第３の回転体
３８ 磁石
４０ 磁石
４１ 軸受け
４２ 第４の回転体
４３ 磁石
４４ 第３の磁気センサ
４４ｗ，４４ｘ，４４ｙ，４４ｚ 出力端子
【発明の属する技術分野】
本発明は自動車の車体制御システムに用いられる多回転のステアリングシャフトの回転角度検出装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、自動車のステアリングハンドルのように１回転以上数回転する軸等の回転角度を検出する装置として特表平１１−５００８２８号公報に開示されている回転体における角度測定方法および装置がある。この装置においては、主軸に係合された位相差を有する２つの回転体の角度から主軸の絶対回転角度を検出している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
このように構成された回転角度検出装置において、主軸に係合された２つの回転体の回転角度を求める検出器が何らかの異常により出力が出なくなった場合、回転体の角度検出に支障をきたす。また検出器からの信号は非常に小さく増幅回路を必要とするが、その増幅回路に異常が発生した場合、回転角度検出ができなくなる。
【０００４】
そこで本発明は、角度位置を検出する検出手段の異常や不具合およびその信号を増幅する増幅回路部の異常や不具合を検出する機能を有する回転角度検出装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明の請求項１に記載の発明は、外周に歯を有する多回転可能な第１の回転体と、この第１の回転体に係合する第２の回転体と、この第２の回転体に係合する第３の回転体と、前記第２の回転体の回転角度を検出する第１の検出手段と、前記第３の回転体の回転角度を検出する第２の検出手段と、前記第１、第２の検出手段の信号を増幅する第１、第２の増幅回路部と、前記第１、第２の増幅回路部の各一対の入力端子に自己診断用の基準電圧を印加する一定電圧供給手段と、前記第１、第２の増幅回路部の各一対の入力端子の一方に接続された中点電圧と接地電圧を切り替えて印加する第１、第２の電圧切替部と、これらの第１、第２の電圧切替部に接続された演算回路とを備えているので、第１、第２の増幅回路部からの出力をみることにより第１、第２の検出手段の異常を検出することが可能になる。
【０００６】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、第１の検出手段、第２の検出手段をそれぞれ磁石と磁気検出素子とし、各々の磁石は第２の回転体、第３の回転体に固定されている構成としたので前記回転体の角度を非接触で検出でき長期間にわたり高い検出精度を維持できる。
【０００７】
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の発明において、周期が１８０度であるサイン波とコサイン波で出力するので、これら出力を演算しタンジェント波として演算処理することによって検出素子からの信号が受ける温度やノイズ等の影響をキャンセルすることができ、精度の高い角度検出が可能になる。
【０００８】
請求項４に記載の発明は、請求項１から請求項３に記載のいずれかの発明において、増幅回路部に基準電圧を印加してその出力電圧をみることにより増幅回路部の異常を検出することができる。
【０００９】
請求項５に記載の発明は、請求項１から請求項４に記載のいずれかの発明において、第１、第２の検出手段からの信号を第１、第２の切替スイッチに振り分けてから第１、第２の増幅回路に出力しているので、各々のスイッチが切替動作をしている間に演算処理を行うことができトータルの切替、演算に要する時間を低減することができ、精度の高い角度検出が可能になる。
【００１０】
請求項６に記載の発明は、請求項１から請求項５のいずれかに記載の発明において、第１の回転体に係合した第４の回転体の回転角度を検出する第３の検出手段を設けたので第１、第２、第３、第４の回転体のうちどの回転体が機械的損傷を受けてもそれを検出することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
（実施の形態１）
以下、実施の形態１を用いて、本発明の特に請求項１から４に記載の発明について説明する。
【００１２】
図１は本発明の実施の形態１における回転角度検出装置の回路図であり、第１の磁気センサ１の４本の出力端子１ｗ，１ｘ，１ｙ，１ｚは第１の切替スイッチ２の入力端子２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄに、第２の磁気センサ３の４本の出力端子３ｗ，３ｘ，３ｙ，３ｚは第２の切替スイッチ４の入力端子４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄにそれぞれ接続されており、抵抗２１，２２，２３により設定される一定の電圧Ｖａは入力端子２ｅ，４ｅに、一定の電圧Ｖｂが入力端子２ｆ，４ｆに接続されている。
【００１３】
第１の切替スイッチ２、第２の切替スイッチ４は演算回路５からの信号を制御端子２ｋ，４ｋで受けて、それぞれの内部の入力端子２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ，２ｅ，２ｆと出力端子２ｉ，２ｊおよび入力端子４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ，４ｅ，４ｆと出力端子４ｉ，４ｊ間の接続を切り替えることができる。
【００１４】
第１の切替スイッチ２の出力端子２ｉ，２ｊは抵抗６，７を介して第１のオペアンプ１０に、第２の切替スイッチ４の出力端子４ｉ，４ｊは抵抗８，９を介して第２のオペアンプ１１に接続されている。第１のオペアンプ１０、第２のオペアンプ１１の出力の一部は抵抗１２，１３を介して第１のオペアンプ１０、第２のオペアンプ１１に帰還され、残りは演算回路５に入力される。ここで抵抗６，７，８，９はそれぞれ同じ抵抗値Ｒ１であり、抵抗１２，１３，１４，１５もそれぞれ同じ抵抗値Ｒ２である。
【００１５】
また第１のオペアンプ１０、第２のオペアンプ１１の＋入力部にはそれぞれ抵抗１４，１５を介して第１の電圧切替部１６、第２の電圧切替部１７が接続されている。第１の電圧切替部１６、第２の電圧切替部１７の出力電圧は演算回路５からの信号によりＶｃｃの半分の電圧（中点電圧）と接地電圧とに切り替えられる。
【００１６】
第１、第２の電圧切替部１６，１７は図２に示すように、２つの抵抗１８，１９と切替スイッチ２０から構成されている。演算回路５から制御信号が制御端子２０ｄに入力され、端子２０ａと端子２０ｃとが接続、あるいは端子２０ｂと端子２０ｃとが接続されるようにスイッチが切り替わる。抵抗１８と１９は同じ抵抗値のものを用いることにより端子２０ａと端子２０ｃが接続されたときは電源電圧Ｖｃｃの半分の電圧すなわち中点電圧が、端子２０ｂと端子２０ｃが接続されたときは接地電圧が端子２０ｃから出力される。
【００１７】
次に回転角度検出装置の構造を説明する。図３（ａ）において、外周部に歯を有する第１の回転体３０に第２の回転体３１が係合されている。図３（ｂ）において、第２の回転体３１の軸３２は軸受け３３，３４にて支えられ、軸３２のウォームギア３５は歯車３６に係合され第３の回転体３７を構成している。図３（ｂ）と図３（ｃ）において第２の回転体３１の中央部分には磁石３８が埋め込まれ、この磁石３８に対向する位置に第１の磁気センサ１が固定されている。第３の回転体３７の中央部分にも同様に磁石４０が埋め込まれ、対向する位置に第２の磁気センサ３が固定されている。
【００１８】
第１の磁気センサ１の構成は図４に示すように磁束の方向により抵抗値が変化する８個の異方性磁気抵抗素子１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅ，１ｆ，１ｇ，１ｈを組み込んだものである。なおこれら異方性磁気抵抗素子の抵抗値変化と磁束の極性は関係ないので、磁束の方向に対する抵抗値変化の周期は１８０度である。
【００１９】
４つの磁気抵抗素子１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄが一つのブリッジを構成し、磁気抵抗素子１ａ，１ｄの磁気に対する抵抗値変化特性は磁気抵抗素子１ｂ，１ｃとは逆になっている。すなわち磁束の方向により磁気抵抗素子１ａ，１ｄの抵抗値が増加するときは磁気抵抗素子１ｂ，１ｃは減少するように配置されているので、出力端子１ｗと１ｘの出力は位相が反転した信号を出力する。
【００２０】
磁気センサ１は図４に示すように磁気抵抗素子１ｅ，１ｆ，１ｇ，１ｈからなるもう一つのブリッジを有しており、これら磁気抵抗素子１ｅ，１ｆ，１ｇ，１ｈのパターンは磁気抵抗素子１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄに対し４５度傾けて配置しているので磁気抵抗素子１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄの出力と磁気抵抗素子１ｅ，１ｆ，１ｇ，１ｈの出力とは位相が４５度ずれて出力される。
【００２１】
前述したようにこれらの磁気抵抗素子１ａ〜１ｇの磁束の方向に対する抵抗値変化は１８０度周期であるので、出力の４５度の位相のずれは丁度サイン波とコサイン波となる。すなわちブリッジのパターンを４５度傾けて配置することにより磁気センサ１は出力端子１ｗ，１ｘからはサイン波を、出力端子１ｙ，１ｚからはコサイン波を出力する。
【００２２】
図５（ａ）に示すようにサイン波（sin＋と記す）と位相が反転したサイン波（sin−と記す）の差をとることにより図５（ｂ）に示すように元のサイン波の２倍の振幅の信号が得られる。コサイン波（cos＋と記す）についても同様に位相が反転したコサイン波（cos−と記す）の差をとることにより元のコサイン波の２倍の振幅の信号が得られる。
【００２３】
なおここでは第１の磁気センサ１について説明したが、第２の磁気センサ３は第１の磁気センサ１とまったく同じものを用いているのでその動作や出力は同じである。
【００２４】
以上の構成による回転角度検出装置の回転角度検出方法について説明する。図３（ａ）、図３（ｂ）および図３（ｃ）において第１の回転体３０が回転するとそれに伴い第２の回転体３１、第３の回転体３７が回転する。第２の回転体３１の回転の検出手段として磁石３８と第１の磁気センサ１により、第３の回転体３７の検出手段として磁石４０と第２の磁気センサ３により第２の回転体３１、第３の回転体３７の回転が検出される。検出対象である第１の回転体３０の１回転内のこまかな角度は第２の回転体３１の回転角度により求められ、第１の回転体の１回転以上何回転したかはウォームギア３５で回転される第３の回転体３７の回転角度により求めることができる。
【００２５】
また第２の回転体３１、第３の回転体３７の回転角度の検出手段として磁石３８，４０と第１、第２の磁気センサ１，３を用いて、非接触で検出しているので検出手段の磨耗等による劣化の心配がなく、高い検出精度を維持することが可能となる。
【００２６】
次に第１、第２の磁気センサ１，３からの出力信号の流れについて説明する。図１において第１の磁気センサ１の出力端子１ｗ，１ｘからのサイン波信号出力は第１の切替スイッチ２の端子２ａ，２ｂに入力される。これらの出力信号は第１の切替スイッチ２の出力端子２ｉ，２ｊを通して第１のオペアンプ１０に入力、増幅されて演算回路５に入る。この時第１の磁気センサ１の出力端子１ｗからはサイン波、出力端子１ｘからは位相が反転したサイン波が出力されて第１のオペアンプ１０にて差動増幅される。
【００２７】
次に図１において第１の切替スイッチ２の入力端子２ｃと出力端子２ｉが接続され、入力端子２ｄと出力端子２ｊが接続されるように、第１の切替スイッチ２が切り替えられ、第１の磁気センサ１の出力端子１ｙ，１ｚからのコサイン波信号出力は切替スイッチ２の出力端子２ｉ，２ｊを通り第１のオペアンプ１０で差動増幅され、演算回路５に入る。
【００２８】
次に第２の磁気センサ３の出力端子３ｗ，３ｘからのサイン波信号出力は第２の切替スイッチ４の入力端子４ａ，４ｂに入力され、第２の切替スイッチ４の出力端子４ｉ，４ｊを通り第２のオペアンプ１１にて差動増幅され演算回路５に入る。
【００２９】
次に第２の切替スイッチ４の入力端子４ｃが出力端子４ｉに接続され、入力端子４ｄが出力端子４ｊに接続されるように第２の切替スイッチ４が切り替えられ、第２の磁気センサ３の出力端子３ｙ，３ｚからのコサイン波信号出力は切替スイッチ４の出力端子４ｉ，４ｊを通り第２のオペアンプ１１で差動増幅され、演算回路５に入る。
【００３０】
以上に述べたように第１の切替スイッチ２を切り替えた後、次に第２の切替スイッチ４を切り替えて第２の回転体３１、第３の回転体３７の回転角度を求める１回のルーチンが完了する。このルーチンは１秒間に約２００回程度行っている。ここで第１、第２の切替スイッチ２，４を切り替えるのは演算回路５の内部のＡ／Ｄ変換器の数の制約から複数入力を同時に処理することが困難であることによる。
【００３１】
第１の磁気センサ１、第２の磁気センサ３の出力をサイン波、コサイン波にしている理由について説明する。磁気センサからのサイン波出力をＶｓ、コサイン波出力をＶｃとし、磁石の回転角度をθとすると、ある温度での出力は（数１）にて表される。
【００３２】
【数１】
第１、第２の磁気センサ１，３からの出力はアナログ出力であり、サイン波出力、コサイン波出力それぞれの信号の係数Ａは周囲の温度変化やノイズ等によりＡからＡｔに変化し、変化後の各々の出力Ｖｓｔ，Ｖｃｔは（数２）に示すようになる。
【００３４】
【数２】
サイン波出力とコサイン波出力の２種類の信号形態からタンジェントを計算することにより（数３）に示すように温度変化やノイズ等による出力信号の変化分をキャンセルでき、精度の高い角度検出ができる。
【００３６】
【数３】
次に第１、第２の磁気センサ１，３の自己診断方法について説明する。図１において異方性磁気抵抗素子を用いた第１、第２の磁気センサ１，３が不具合になった場合、オペアンプ１０，１１からの電圧出力は、電源電圧に貼り付くか接地電圧に貼り付くかあるいは中点電圧近傍に貼り付くか、の三種類である。もし第１、第２の磁気センサ１，３のどちらかに不具合が発生しオペアンプ１０，１１の出力電圧が電源電圧あるいは接地電圧に貼り付いた場合、演算回路５部で特定電圧以上あるいは以下を第１、第２の磁気センサ１，３の不具合と判定するようにすれば第１、第２の磁気センサ１，３の自己診断を容易に行うことができる。
【００３８】
第１、第２の磁気センサ１，３の不具合によりオペアンプ１０，１１の電圧出力が中点電圧（Ｖｃｃを５ＶＤＣとするとほぼ２．５Ｖ）に貼り付いた場合の自己診断について説明する。この場合の不具合検出は、第１の電圧切替部１６および第２の電圧切替部１７の出力電圧を中点電圧と接地電圧に切り替えて抵抗１４，１５を介してオペアンプ１０，１１の＋入力に印加してオペアンプ１０，１１の出力電圧をみることにより可能となる。
【００３９】
第１、第２の磁気センサ１，３が正常に動作している時はオペアンプ１０，１１の＋入力に中点電圧を印加すると、この中点電圧をセンターにした交流信号がオペアンプ１０，１１から出力される。この状態でオペアンプ１０，１１の＋入力の電圧を接地電圧に切り替えるとこの接地電圧をセンターとする交流電圧すなわち交流波形の上半分の信号がオペアンプ１０，１１から出力される。オペアンプ１０，１１の増幅率は交流信号の振幅が最大値でも電源電圧以下になるように設定されているので、接地電圧をセンターとする交流電圧の平均電圧は中点電圧の半分以下の電圧になる。
【００４０】
もし第１、第２の磁気センサ１，３がオープンとなった場合、オペアンプ１０，１１の＋入力に中点電圧が印加されるとその電圧がそのままオペアンプ１０，１１から出力される。オペアンプ１０，１１の＋入力に接地電圧を印加するとオペアンプの一般的な特性からオペアンプ１０，１１の出力は中点電圧近傍の電圧を出力する。従ってオペアンプ１０，１１の＋入力に印加する電圧を中点電圧と接地電圧に切り替えた時のオペアンプ１０，１１の出力をモニタすれば第１、第２の磁気センサ１，３のオープンを検出できる。
【００４１】
次にオペアンプ１０，１１の自己診断方法について説明する。図１において抵抗６，７，８，９の抵抗値は前述したようにすべてＲ１、抵抗１２，１３，１４，１５の抵抗値はすべてＲ２で、第１の切替スイッチ２の端子２ｉに電圧Ｖ１、端子２ｊに電圧Ｖ２を印加するとオペアンプ１０の出力電圧は（数４）のようになる。すなわち中点電圧をセンターにし（Ｒ２／Ｒ１）倍に差動増幅されることになる。
【００４２】
【数４】
抵抗２１，２２，２３によって決まる基準電圧Ｖａ，Ｖｂ（ＧＮＤ≦Ｖｂ＜Ｖａ≦Ｖｃｃ）を第１の切替スイッチ２の端子２ｅ，２ｆに接続し、スイッチを切り替えて端子２ｉに電圧Ｖａ、端子２ｊに電圧Ｖｂを印加するとオペアンプ１０の出力電圧は（数１）のＶ１，Ｖ２のかわりにＶａ，Ｖｂの入った（数５）で表される。
【００４４】
【数５】
基準電圧Ｖａ，Ｖｂをオペアンプ１０に入力した場合の出力電圧は（数５）により決まるのでその出力電圧が正しくでているかどうかを演算回路５で判定することによりオペアンプ１０の自己診断ができる。
【００４６】
基準電圧Ｖａ，Ｖｂは第２の切替スイッチ４の端子４ｅ，４ｆにも接続されているので、オペアンプ１１の自己診断は第２の切替スイッチ４を切り替えて端子４ｉに電圧Ｖａ、端子４ｊに電圧Ｖｂを印加することによりオペアンプ１０の場合と同様に行うことができる。
【００４７】
（実施の形態２）
実施の形態２を用いて、本発明の特に請求項５に記載の発明について説明する。この実施の形態２は回転角度を検出する回転体の構造および磁気センサは実施の形態１で説明したものと同じであるが、回路部が実施の形態１の回路部と異なっている。この異なっている回路部について図６にて説明する。第１の磁気センサ１からコサイン波を出力する出力端子１ｙ，１ｚは第２の切替スイッチ４の入力端子４ｅ，４ｆに接続され、第２の磁気センサ３からサイン波を出力する出力端子３ｗ，３ｘは第１の切替スイッチ２の入力端子２ｅ，２ｆに接続されている。またオペアンプ１０，１１の自己診断用の基準電圧Ｖａ，Ｖｂは第１の切替スイッチ２の入力端子２ｃ，２ｄと第２の切替スイッチ４の入力端子４ｃ，４ｄに入力される。
【００４８】
第１、第２の磁気センサ１，３からの出力信号の流れについて説明する。図６において、まず第１の磁気センサ１の出力端子１ｗ，１ｘからのサイン波信号は第１の切替スイッチ２の端子２ａ，２ｂから第１の切替スイッチ２の出力端子２ｉ，２ｊを通して第１のオペアンプ１０に入力され、差動増幅されて演算回路５に入り信号処理される。
【００４９】
次に第１の磁気センサ１の出力端子１ｙ，１ｚからのコサイン波出力は第２の切替スイッチ４の入力端子４ｅ，４ｆから第２の切替スイッチ４の出力端子４ｉ，４ｊを通して第２のオペアンプ１１に入力され、差動増幅されて演算回路５に入り信号処理される。
【００５０】
その次に第１の切替スイッチ２の各端子間の接続が切り替えられ、第２の磁気センサ３の出力端子３ｗ，３ｘからのサイン波信号は第１の切替スイッチ２の入力端子２ｅ，２ｆに入り、出力端子２ｉ，２ｊを通って第１のオペアンプ１０に入力され、差動増幅されて演算回路５に入り信号処理される。
【００５１】
次に第２の切替スイッチ４の各端子間の接続が切り替えられ、第２の磁気センサ３の出力端子３ｙ，３ｚからのコサイン波出力は第２の切替スイッチ４の入力端子４ａ，４ｂから出力端子４ｉ，４ｊを通して第２のオペアンプ１１に入力され、差動増幅されて演算回路５に入り信号処理される。
【００５２】
以上に述べたように第１の磁気センサ１からのサイン波信号とコサイン波信号、第２の磁気センサからのサイン波信号とコサイン波信号、合計４種類の信号が順番に１回ずつ演算回路５に入力され、第２の回転体３１、第３の回転体３７の回転角度を求める１回のルーチンが完了する。
【００５３】
第１、第２の切替スイッチ２，４の切替に要する時間はおよそ３００μｓｅｃであり、その後の演算回路５ではＡ／Ｄ変換器への入力切替に数μｓｅｃ、Ａ／Ｄ変換に３０μｓｅｃ前後の時間を要している。
【００５４】
本実施の形態２による回路構成の場合、第１、第２の磁気センサ１，３からのサイン波信号とコサイン波信号のうちサイン波信号を第１の切替スイッチ２に通し、コサイン波信号を第２の切替スイッチ４に通しているので、サイン波信号が第１のオペアンプ１０による増幅および演算回路５による信号処理が完了した後、直ちに第２の切替スイッチ４を通してコサイン波信号の増幅と信号処理を行うことができ、このコサイン波信号の増幅と信号処理の間に第１の切替スイッチ２を切り替える動作を行うことにより１回のルーチンの時間を大幅に短縮することができる。
【００５５】
１回のルーチンに要する時間は例えば実施の形態１の場合には、第１、第２のスイッチ２，４の切替時間が約３００μｓｅｃ、演算回路５の内部でのＡ／Ｄ変換器の入力切替に６μｓｅｃ、Ａ／Ｄ変換に要する時間を４０μｓｅｃとすると１回のルーチンは第１、第２のスイッチを２回ずつ計４回切り替える時間に加えＡ／Ｄ変換器の入力切替およびＡ／Ｄ変換の時間を合計すると、合計時間１３８４μｓｅｃ要することになる。本実施の形態２の場合では第１の切替スイッチ２が切り替わっている間に、増幅とＡ／Ｄ変換と第２のスイッチ切替の動作を行い、また第２の切替スイッチ４が切り替わっている間に同様の動作を行うことにより約半分の時間で１回のルーチンを完了することができる。
【００５６】
従って短時間で第２、第３の回転体３１，３７の回転角度を測定できるのでより精度の高い回転角度検出が可能になる。
【００５７】
（実施の形態３）
以下、実施の形態３を用いて、本発明の特に請求項６に記載の発明について説明する。図７（ａ）において第４の回転体４２が第１の回転体３０に係合されており、この第４の回転体４２の回転中心には磁石４３が埋め込まれている。この第４の回転体４２の歯車部分の形状寸法は第２の回転体３１と同じである。図７（ｂ）において、軸受け４１によって支持された第４の回転体４２の中心部の上方には第３の検出手段として第３の磁気センサ４４が配置されている。
【００５８】
また残りの部品の構成、動作および回転角度検出の方法は実施の形態１および実施の形態２で説明したのと同じである。
【００５９】
次に本実施の形態３における回路について簡単に説明する。図８において第３の磁気センサ４４からの出力のうちサイン波の出力端子４４ｗ，４４ｘは第１の切替スイッチ２の入力端子２ｇ，２ｈに、コサイン波の出力端子４４ｙ，４４ｚは第２の切替スイッチ４の入力端子４ｇ，４ｈに接続されている。第１、第２の切替スイッチ２，４以降の回路構成は実施の形態１と同じである。
【００６０】
上記構成による回転角度検出装置の特徴は第２の回転体３１と第４の回転体４２の回転すなわち第１の磁気センサ１と第３の磁気センサ４４の出力を比較することにより第１の回転体３０、第２の回転体３１、第４の回転体４２の軸受け４１や歯車等の機械的損傷を検出できることである。すなわちこれら第１の回転体３０、第２の回転体３１、第４の回転体４２が正常に係合し回転している限り、第２の回転体３１と第４の回転体４２の歯車部分は同じ歯数のため双方とも同じ速度で同じ方向に回転し、従って第１の磁気センサ１と第３の磁気センサ４４からの出力の位相差は常に一定となる。
【００６１】
第１の回転体３０、第２の回転体３１、第４の回転体４２の軸受けや歯車等が機械的損傷を受けて滑らかに回転しない場合は第１の磁気センサ１と第３の磁気センサ４４からの出力の位相が異なるので、不具合ということを直ちに検出することができる。
【００６２】
なお第３の回転体３７の回転を検出する第２の磁気センサ３からの出力も同時にモニタすればすべての回転体の機械的損傷を検出することが可能である。
【００６３】
【発明の効果】
以上のように本発明は、外周に歯を有する多回転可能な第１の回転体と、この第１の回転体に係合する第２の回転体と、この第２の回転体に係合する第３の回転体と、前記第２の回転体の回転角度を検出する第１の検出手段と、前記第３の回転体の回転角度を検出する第２の検出手段と、前記第１、第２の検出手段の信号を増幅する第１、第２の増幅回路部と、前記第１、第２の増幅回路部の各一対の入力端子に自己診断用の基準電圧を印加する一定電圧供給手段と、前記第１、第２の増幅回路部の各一対の入力端子の一方に接続された中点電圧と接地電圧を切り替えて印加する第１、第２の電圧切替部と、これらの第１、第２の電圧切替部に接続された演算回路とを備えているので、角度位置を検出する検出手段とその信号を増幅する増幅回路部の異常や不具合を検出する自己診断機能を有する回転角度検出装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１の回転角度検出装置の回路図
【図２】同回転角度検出装置の電圧切替部の構成を示す回路図
【図３】（ａ）〜（ｃ）は同回転角度検出装置の構成を示す正面図、上面図、側面図
【図４】同回転角度検出装置の磁気抵抗素子の内部の回路構成を示す回路図
【図５】（ａ）（ｂ）はともに同回転角度検出装置の磁気抵抗素子からの出力信号を説明する波形図
【図６】本発明の実施の形態２の回転角度検出装置の回路図
【図７】（ａ）（ｂ）は本発明の実施の形態３の回転角度検出装置の構成を示す正面図、上面図
【図８】本発明の実施の形態３の回転角度検出装置の回路図
【符号の説明】
１ 第１の磁気センサ
１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ 磁気抵抗素子
１ｅ，１ｆ，１ｇ，１ｈ 磁気抵抗素子
１ｗ，１ｘ，１ｙ，１ｚ 出力端子
２ 第１の切替スイッチ
２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ，２ｅ，２ｆ 入力端子
２ｉ，２ｊ 出力端子
２ｋ 制御端子
３ 第２の磁気センサ
３ｗ，３ｘ，３ｙ，３ｚ 出力端子
４ 第２の切替スイッチ
４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ，４ｅ，４ｆ 入力端子
４ｉ，４ｊ 出力端子
４ｋ 制御端子
５ 演算回路
６，８ 抵抗
７，９ 抵抗
１０ 第１のオペアンプ
１１ 第２のオペアンプ
１２，１３ 抵抗
１４，１５ 抵抗
１６ 第１の電圧切替部
１７ 第２の電圧切替部
１８，１９ 抵抗
２０ 切替スイッチ
２０ａ，２０ｂ 端子
２０ｃ 端子
２０ｄ 制御端子
２１ 抵抗
２２ 抵抗
２３ 抵抗
３０ 第１の回転体
３１ 第２の回転体
３２ 軸
３３ 軸受け
３４ 軸受け
３５ ウォームギア
３６ 歯車
３７ 第３の回転体
３８ 磁石
４０ 磁石
４１ 軸受け
４２ 第４の回転体
４３ 磁石
４４ 第３の磁気センサ
４４ｗ，４４ｘ，４４ｙ，４４ｚ 出力端子
Claims (6)
- 外周に歯を有する多回転可能な第１の回転体と、この第１の回転体に係合する第２の回転体と、この第２の回転体に係合する第３の回転体と、前記第２の回転体の回転角度を検出する第１の検出手段と、前記第３の回転体の回転角度を検出する第２の検出手段と、前記第１、第２の検出手段の信号を増幅する第１、第２の増幅回路部と、前記第１、第２の増幅回路部の各一対の入力端子に自己診断用の基準電圧を印加する一定電圧供給手段と、前記第１、第２の増幅回路部の各一対の入力端子の一方に接続された中点電圧と接地電圧を切り替えて印加する第１、第２の電圧切替部と、これらの第１、第２の電圧切替部に接続された演算回路とを備えた回転角度検出装置。
- 第１の検出手段、第２の検出手段は、それぞれ磁石と磁気センサとからなり、前記磁石は第２の回転体、第３の回転体に固定されている請求項１に記載の回転角度検出装置。
- 磁気センサは複数のブリッジを構成する磁気抵抗素子からなり、この磁気抵抗素子は磁束の方向に対する抵抗値変化が１８０度周期であるとともに、一方のブリッジからの出力波形の位相が、残りのブリッジからの出力波形の位相と略４５度ずれるように配置された請求項２に記載の回転角度検出装置。
- 第１、第２の増幅回路部の一方あるいは両方に一定電圧供給手段から自己診断用の基準電圧を入力し、前記基準電圧を入力された増幅回路部から出力された電圧により前記基準電圧を入力された増幅回路部の診断を行う請求項１から請求項３のいずれかに記載の回転角度検出装置。
- 第１の検出手段に設けられた４つの磁気抵抗素子にて得られる４種類の波形の信号を、波形が互いに逆位相の関係である信号同士を一つの組とした二つの組に分け、いずれか一方の組の信号を第１の増幅回路へ、他方の組の信号を第２の増幅回路へそれぞれ第１、第２の切替スイッチにて入力し、第２の検出手段に設けられた４つの磁気抵抗素子にて得られる４種類の波形の信号を、波形が互いに逆位相の関係である信号同士を一つの組とした二つの組に分け、前記第１の増幅回路へ入力された信号と略同位相の組の信号を第１の増幅回路へ、他方の組の信号を第２の増幅回路へそれぞれ第１、第２の切替スイッチにて入力する構成とした請求項１から請求項４のいずれかに記載の回転角度検出装置。
- 外周に歯を有する多回転可能な第１の回転体と、この第１の回転体に係合する第４の回転体と、この第４の回転体の回転角度を検出する第３の検出手段とを有する請求項１から請求項５のいずれかに記載の回転角度検出装置。
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