JP4330083B2 - 回転角度検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、対象物の回転角度を検出する回転角度検出装置に関する。

従来、対象物の回転角度を検出する回転角度検出装置として、例えば特開２００３−７５１０８号公報に開示されている回転角度センサがある。この回転角度センサは、円板状の磁石と、２つ〜３つの磁気センサとから構成されている。磁気センサは、磁石に対して所定位置に配置され、磁石の回転に伴って変化する磁界の強さに応じた信号を出力する。そして、これらの磁気センサの出力信号から、所定の演算方法に基づいて回転角度を算出する。
特開２００３−７５１０８号公報

しかし、前述した回転角度センサでは、２つ〜３つの磁気センサを使用しているにも係わらず、そのうちの１つでも出力信号が異常になると、回転角度を検出できなくなってしまう。これに対し、同一の構成を２組設けることも考えられるが、磁気センサを４つ〜６つ用いなければならない。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、回転体の回転に伴って出力される信号の数を抑えるとともに、そのうちの１つが異常になっても、回転角度を継続して検出することができる回転角度検出装置を提供することを目的とする。

課題を解決するための手段及び発明の効果

そこで、本発明者は、この課題を解決すべく鋭意研究し試行錯誤を重ねた結果、回転体の回転角度に応じた互いに同位相及び逆位相でない２つの正弦波信号から、所定の演算方法に基づいて回転角度を算出することで、信号の数を抑えるとともに、そのうちの１つが異常になっても、回転角度を継続して検出できることを思いつき、本発明を完成するに至った。

すなわち、請求項１に記載の回転角度検出装置は、回転体と、回転体の回転角度に応じた互いに同位相及び逆位相でない３つの正弦波信号を出力する信号出力手段と、３つの正弦波信号のうちから２つの正弦波信号を順次選択し、選択した２つの正弦波信号に基づいて回転角度に対する正弦値及び余弦値を演算し、正弦値及び余弦値に基づいて逆正接演算によって回転角度を算出するとともに、正弦値及び余弦値と回転角度に基づいて回転角度が正常か否かを判定し、正常と判定された回転角度を出力する回転角度演算手段とを有する回転角度検出装置であって、回転角度演算手段は、正弦値及び余弦値と回転角度とを予め設定された期待値と比較することで、回転角度が正常か否かを判定することを特徴とする。

この構成によれば、３つの正弦波信号の１つが異常になっても、回転角度を継続して検出することができる。回転角度演算手段は、３つの正弦波信号のうちから２の正弦波信号を順次選択し、選択した２つの正弦波信号に基づいて回転角度を算出する。そのため、異なる正弦波信号の組合せに基づいて３つの回転角度が算出されることとなる。ところで、正弦波信号の１つが異常になると、算出した３つの回転角度のうち、異常となった正弦波信号に基づいて算出した２つが異常となる。しかし、必ず１つは正常である。回転角度演算手段は、回転角度を算出するとともに、回転角度が正常か否かを判定している。そのため、３つの正弦波信号の１つが異常になっても、回転角度を継続して検出することができる。また、選択した２つの正弦波信号に基づいて回転角度を確実に算出することができる。さらに、正弦値及び余弦値と回転角度に基づいて回転角度が正常か否かを確実に判定することができる。ところで、回転角度は、回転角度に対する正弦値及び余弦値から逆正接演算によって算出することができる。ここで、回転角度に対する正弦値及び余弦値は、選択した２つの正弦波信号から三角関数を用いることによって演算することができる。そのため、選択した２つの正弦波信号に基づいて回転角度を確実に算出することができる。また、正常な正弦値及び余弦値と正常な回転角度との間には対応関係がある。従って、正弦値及び余弦値と回転角度との間に、正常な対応関係が成立しているか否かを判定することによって、回転角度が正常か否かを判定することができる。つまり、正弦値及び余弦値と回転角度とに基づいて回転角度が正常か否かを判定することができる。さらに、回転角度が正常か否かを確実に判定することができる。前述したように、正常な正弦値及び余弦値と正常な回転角度との間には対応関係がある。そのため、これらを期待値として予め設定しておき、正弦値及び余弦値と回転角度とをこの期待値と比較することで、回転角度が正常か否かを確実に判定することができる。

請求項２に記載の回転角度検出装置は、請求項１に記載の回転角度検出装置において、さらに、信号出力手段は、回転体に固定され、回転体の回転軸心近傍において回転軸心に直交する磁束を発生する磁石と、回転軸心の近傍に、感磁方向が、回転軸心に対して直交方向であって、互いに異なる方向となるように配置される３つの磁束密度検出手段とを有することを特徴とする。この構成によれば、回転体の回転に応じた互いに同位相及び逆位相でない３つの正弦波信号を確実に出力することができる。

請求項３に記載の回転角度検出装置は、請求項２に記載の回転角度検出装置において、さらに、磁石は、回転軸心の回りに配置され、回転軸心を挟んで対向する磁極を有することを特徴とする。この構成によれば、回転体の回転軸心近傍において回転軸心に直交する磁束を確実に発生することができる。

請求項４記載の回転角度検出装置は、回転体と、回転体の回転角度に応じて振幅がともに単調増加又は単調減少する、回転角度に応じた互いに同位相及び逆位相でない３つの正弦波信号を出力する信号出力手段と、３つの正弦波信号のうちから２つの正弦波信号を順次選択し、選択した２つの正弦波信号に基づいて１回転内の回転角度を演算するとともに、選択した２つの正弦波信号に基づいて回転角度に対する正弦値及び余弦値を演算し、正弦値及び余弦値に基づいて逆正接演算によって１回転内の回転角度を演算し、選択した２つの正弦波信号の少なくともいずれかの振幅に基づいて回転回数を演算し、１回転内の回転角度及び回転回数に基づいて回転角度を算出するとともに、正弦値及び余弦値と回転角度に基づいて回転角度が正常か否かを判定し、正常と判定された回転角度を出力する回転角度演算手段とを有する回転角度検出装置であって、回転角度演算手段は、正弦値及び余弦値と回転角度とを予め設定された期待値と比較することで、回転角度が正常か否かを判定することを特徴とする。

この構成によれば、回転体の回転角度を多回転に渡って検出することができる。しかも、３つの正弦波信号の１つが異常になっても、回転角度を継続して検出することができる。回転角度演算手段は、３つの正弦波信号のうちから２の正弦波信号を順次選択し、選択した２つの正弦波信号に基づいて１回転内の回転角度を算出する。また、選択した２つの正弦波信号の少なくともいずれかの振幅に基づいて回転回数を演算する。そして、１回転内の回転数及び回転数に基づいて回転角度を算出する。そのため、回転体の回転角度を多回転に渡って検出することができる。前述したように、回転角度演算手段は、３つの正弦波信号のうちから２の正弦波信号を順次選択し、選択した２つの正弦波信号に基づいて１回転内の回転角度を算出する。そのため、異なる正弦波信号の組合せに基づいて３つの１回転内の回転角度が算出されることとなる。ところで、正弦波信号の１つが異常になると、算出した３つの１回転内の回転角度のうち、異常となった正弦波信号に基づいて算出した２つが異常となる。しかし、必ず１つは正常である。回転角度演算手段は、１回転内の回転角度と回転回数から回転角度を算出するとともに、回転角度が正常か否かを判定している。そのため、正弦波信号の１つが異常になっても、回転角度を継続して検出することができる。また、選択した２つの正弦波信号に基づいて多回転に渡って回転角度を確実に算出することができる。さらに、正弦値及び余弦値と回転角度と基づいて回転角度が正常か否かを確実に判定することができる。ところで、１回転内の回転角度は、回転角度に対する正弦値及び余弦値から逆正接演算によって算出することができる。ここで、回転角度に対する正弦値及び余弦値は、選択した２つの正弦波信号から三角関数を用いることによって演算することができる。そのため、選択した２つの正弦波信号に基づいて１回転内の回転角度を確実に算出することができる。また、３つの正弦波信号の振幅は、回転体の回転角度に応じて単調増加又は単調減少している。そのため、選択した２つの正弦波信号の少なくともいずれかの振幅に基づいて回転回数を確実に演算することができる。従って、１回転内の回転角度及び回転回数に基づいて多回転に渡って回転角度を算出することができる。また、正常な正弦値及び余弦値と正常な回転角度との間には対応関係がある。従って、正弦値及び余弦値と回転角度との間に、正常な対応関係が成立しているか否かを判定することによって、回転角度が正常か否かを判定することができる。つまり、正弦値及び余弦値と回転角度とに基づいて回転角度が正常か否かを判定することができる。さらに、回転角度が正常か否かを確実に判定することができる。前述したように、正常な正弦値及び余弦値と正常な回転角度との間には対応関係がある。そのため、これらを期待値として予め設定しておき、正弦値及び余弦値と回転角度とをこの期待値と比較することで、回転角度が正常か否かを確実に判定することができる。

請求項５に記載の回転角度検出装置は、請求項４に記載の回転角度検出装置において、さらに、信号出力手段は、回転体に固定され、回転体の回転軸心近傍において回転軸心に直交し、回転軸心方向に大きさが単調増加又は単調減少する磁束を発生する磁石と、回転体の回転に伴って回転体を回転軸心方向に変位させる変位手段と、回転軸心の近傍に、感磁方向が、回転軸心に対して直交方向であって、互いに異なる方向となるように配置される３つの磁束密度検出手段とを有することを特徴とする。この構成によれば、回転体の回転角度に応じて振幅がともに単調増加又は単調減少する、回転体の回転に応じた互いに同位相及び逆位相でない３つの正弦波信号を確実に出力することができる。

請求項６に記載の回転角度検出装置は、請求項５に記載の回転角度検出装置において、さらに、磁石は、回転軸心の回りに配置され、回転軸心を挟んで対向する磁極を有することを特徴とする。この構成によれば、回転体の回転軸心近傍において回転軸心に直交する磁束を確実に発生することができる。

請求項７に記載の回転角度検出装置は、請求項６に記載の回転角度検出装置において、さらに、磁石は、回転軸心に対して直交方向の磁極間の距離が、回転軸心方向に向かうに従って単調増加又は単調減少することを特徴とする。この構成によれば、回転体の回転軸心近傍において、回転軸心方向に大きさが単調増加又は単調減少する磁束を確実に発生することができる。

請求項８に記載の回転角度検出装置は、請求項５〜７のいずれかに記載の回転角度検出装置において、さらに、回転体は、ハウジングに回転可能に支持され、変位手段は、回転体とハウジングとの間に配設されるねじ機構であることを特徴とする。この構成によれば、回転体を回転軸心方向に確実に変位させることができる。

請求項９に記載の回転角度検出装置は、請求項１〜８のいずれかに記載の回転角度検出装置において、さらに、信号出力手段は、磁石の外周側を包囲し、磁路の一部を構成する筒状のヨークを有することを特徴とする。この構成によれば、外部からの磁気的影響を抑えることができる。

請求項１０に記載の回転角度検出装置は、請求項９に記載の回転角度検出装置において、さらに、ヨークは、回転体に一体的に形成されていることを特徴とする。この構成によれば、部品点数を削減しコストを抑えることができる。

次に実施形態を挙げ、本発明をより詳しく説明する。

（第１実施形態）
第１実施形態では、１回転内、つまり０度〜３６０度の範囲の回転角度を検出する回転角度検出装置について説明する。

まず、図１〜図４を参照して構成及び動作について説明する。ここで、図１は、第１実施形態における回転角度検出装置の軸方向断面図である。図２は、図１における信号出力装置のａ−ａ矢視断面図である。図３は、磁気検出素子の出力波形である。図４は、Ｖａｂ、Ｖａと回転角度θの関係を示すグラフである。

図１及び図２に示すように、回転角度検出装置１は、回転軸１０（回転体）と、信号出力装置１１（信号出力手段）と、回転角度演算装置１２（回転角度演算手段）とから構成されている。

回転軸１０は、ハウジング１３に回転可能に支持され、回転角度を検出する対象物（図略）に連結されて、対象物とともに回転する部材である。

信号出力装置１１は、回転軸１０の回転角度θ（０度≦θ≦３６０度）に応じた互いに同位相及び逆位相でない３つの正弦波信号を出力する装置である。信号出力装置１１は、磁石１１０と、ヨーク１１２と、磁気検出素子１１３〜１１５とから構成されている。

磁石１１０は、回転軸１０の軸方向端部に固定され、回転軸１０の回転軸心Ｍ近傍において、回転軸心Ｍに直交する磁束Φを発生するフェライトからなる円筒状の部材である。磁石１１０の内周面の一方は、Ｎ極に着磁されている。また、Ｎ極に対向する内周面は、Ｓ極に着磁されている。つまり、Ｎ極及びＳ極が、回転軸心Ｍを挟んで互いに対向するように着磁されている。これにより、回転軸心Ｍの近傍において、矢印で示すように回転軸心Ｍに直交する磁束Φが発生する。

ヨーク１１２は、磁石１１０の外周側を包囲し、磁路の一部を構成する磁性体からなる円筒状の部材である。ヨーク１１２は、回転軸１０の軸方向端部に一体的に形成されている。

磁気検出素子１１３〜１１５は、磁石１１０の内側であって、回転軸心Ｍの近傍に配置され、磁束密度を検出し対応する信号を出力する素子である。具体的にはホールＩＣである。磁気検出素子１１３〜１１５には、磁束密度を検出できる方向、つまり感磁方向がある。磁気検出素子１１３〜１１５は、回転軸心Ｍの近傍であって、軸方向の同一位置に配置されている。また、感磁方向が、回転軸心Ｍに対して直交方向であって、互いに異なる方向となるように配置されている。具体的には、それぞれの感磁方向のなす角度が、周方向に１２０度になるように配置されている。磁気検出素子１１３〜１１５は、このように配置された状態で支持部材１４にそれぞれ固定されている。磁気検出素子１１３〜１１５は、回転軸１０の回転に伴って、それぞれの感磁方向の磁束密度に応じた信号Ｖａ、Ｖｂ、Ｖｃを出力する。具体的には、図３及び数１に示すように、振幅がＡで一定同一であり、位相が互いに１２０度ずつ異なる回転角度θに応じた正弦波信号を出力する。

回転角度演算装置１２は、３つの正弦波信号Ｖａ、Ｖｂ、Ｖｃのうちから２つの正弦波信号を順次選択し、選択した２つの正弦波信号に基づいて回転角度θを算出するマイクロコンピュータからなる装置である。また、回転角度θが正常か否かを判定し、正常と判定された回転角度θを出力する装置でもある。

回転角度演算装置１２は、磁気検出素子１１３の出力信号Ｖａ、Ｖｂをデータに変換するとともに、数２に従ってＶａｂを演算する。

さらに、Ｖａ及びＶａｂから、数３に従って回転軸１０の回転角度θを算出する。つまり、回転角度θに応じた正弦値（Ａｓｉｎθ）及び余弦値（Ａｃｏｓθ）から、逆正接演算によって回転角度θを算出する。

ところで、Ｖａ及びＶｂが正常である場合、Ｖａｂ、Ｖａによって決まる点を直交座標上に描くと、図４に示すように、半径が振幅Ａの円となる。このとき、Ｖａｂ、Ｖａによって決まる点と座標原点とを結ぶ直線と、Ｖａｂ軸とのなす角が回転角度θとなる。つまり、Ｖａｂ、Ｖａ、回転角度θの間には、対応関係がある。そのため、Ｖａｂ、Ｖａ、回転角度θの間に、正常な対応関係が成立しているか否かを判定することによって、回転角度が正常か否かを判定することができる。

回転角度演算装置１２は、Ｖａｂ、Ｖａ、回転角度θを、予め設定されたＶａｂ、Ｖａ、回転角度θの間の正常な対応関係を示す期待値と比較することで、回転角度θが正常か否かを判定する。ここで、期待値は、図４に示すように、円軌跡によって表されるＶａｂ、Ｖａ、回転角度θの間の対応関係を示す値に設定されている。つまり、回転角度θに応じた正弦値（Ａｓｉｎθ）及び余弦値（Ａｃｏｓθ）と回転角度θから、回転角度θが正常か否かを判定する。

回転角度演算装置１２は、同様にして、磁気検出素子１１４、１１５の出力信号Ｖｂ、Ｖｃから回転角度θを算出するとともに、Ｖｂｃ、Ｖｂ、回転角度θから回転角度θが正常か否かを判定する。さらに、同様にして、磁気検出素子１１５、１１３の出力信号Ｖｃ、Ｖａから回転角度θを算出するとともに、Ｖｃａ、Ｖｃ、回転角度θから回転角度θが正常か否かを判定する。

回転角度演算装置１２は、算出した３つの回転角度θのうち正常であると判定された値を出力する。例えば、磁気検出素子１１３が故障した場合、Ｖａが異常となる。そのため、Ｖａに基づいて算出された回転角度θも異常な値となる。一方、磁気検出素子１１４、１１５は正常であり、Ｖｂ、Ｖｃに基づいて算出された回転角度θは正常な値となる。前述したように、回転角度演算装置１２は、回転角度θが正常か否かを判定することができる。そのため、磁気検出素子１１４、１１５の出力信号に基づいて算出された正常な回転角度θを出力することができる。つまり、磁気検出素子１１３〜１１５のいずれかが故障しても、正常な２つの磁気検出素子の出力信号に基づいて正常な回転角度θを出力することができる。

次に、具体的効果について説明する。第１実施形態によれば、回転角度演算装置１２は、３つの正弦波信号Ｖａ、Ｖｂ、Ｖｃのうちから２の正弦波信号を順次選択し、選択した２つの正弦波信号に基づいて回転角度θを算出する。そのため、異なる正弦波信号の組合せに基づいて３つの回転角度θが算出されることとなる。ところで、正弦波信号の１つが異常になると、算出した３つの回転角度θのうち、異常となった正弦波信号に基づいて算出した２つが異常となる。しかし、必ず１つは正常である。回転角度演算装置１２は、回転角度θを算出するとともに、回転角度θが正常か否かを判定している。そのため、３つの正弦波信号Ｖａ、Ｖｂ、Ｖｃの１つが異常になっても、回転角度θを継続して検出することができる。

また、第１実施形態によれば、回転角度θは、回転角度θに対する正弦値（Ａｓｉｎθ）及び余弦値（Ａｃｏｓθ）から逆正接演算によって算出することができる。ここで、正弦値（Ａｓｉｎθ）及び余弦値（Ａｃｏｓθ）は、選択した２つの正弦波信号から三角関数を用いることによって演算することができる。そのため、選択した２つの正弦波信号に基づいて回転角度θを確実に算出することができる。また、正常な正弦値（Ａｓｉｎθ）及び余弦値（Ａｃｏｓθ）と正常な回転角度θとの間には対応関係がある。従って、正弦値（Ａｓｉｎθ）及び余弦値（Ａｃｏｓθ）と回転角度θとの間に、正常な対応関係が成立しているか否かを判定することによって、回転角度θが正常か否かを判定することができる。つまり、正弦値（Ａｓｉｎθ）、余弦値（Ａｃｏｓθ）、回転角度θを予め設定された正常な対応関係を示す期待値と比較することで、回転角度θが正常か否かを確実に判定することができる。

さらに、第１実施形態によれば、磁石１１０は、回転軸心Ｍの回りに円筒状で同心状に配置されている。しかも、回転軸心Ｍを挟んで互いに対向するように着磁されている。そのため、回転軸心Ｍの近傍において回転軸心Ｍに直交する磁束を発生することができる。また、磁気検出素子１１３〜１１５は、磁石１１０の内側に、感磁方向が、回転軸心Ｍに対して直交方向であって、互いに異なる方向となるように配置されている。具体的には、それぞれの感磁方向のなす角度が周方向に１２０度になるように配置されている。そのため、回転軸１０の回転に応じた互いに同位相及び逆位相でない３つの正弦波信号を確実に出力することができる。具体的には、振幅がＡで一定同一であり、位相が互いに１２０度ずつ異なる正弦波信号を出力することができる。

加えて、第１実施形態によれば、磁気検出素子１１３〜１１５は磁石１１０の内側に配置され、磁石１１０の外周側はヨーク１１２によって包囲されている。そのため、磁気検出素子１１３〜１１５に対する外部からの磁気的影響を抑えることができる。しかも、ヨーク１１２は回転軸１０に一体的に形成されている。そのため、部品点数を削減しコストを抑えることができる。

（第２実施形態）
第２実施形態では、多回転、つまり０度〜３６０度の範囲だけでなく、３６０度を超える回転角度をも検出できる回転角度検出装置について説明する。

まず、図５〜図１１を参照して構成及び動作について説明する。ここで、図５は、第２実施形態における回転角度検出装置の軸方向断面図である。図６は、図５におけるギア周辺のｂ−ｂ矢視断面図である。図７は、図５における信号出力装置周辺の拡大図である。図８は、図６における信号出力装置周辺の拡大図である。図９は、変位装置の動作を説明するための軸方向断面図である。図１０は、磁気検出素子の出力波形である。図１１は、Ｖａｂ、Ｖａと回転角度θの関係を示すグラフである。なお、図中における上下方向は、構成及び動作を説明するために便宜的に導入したものである。

図５〜図１１に示すように、回転角度検出装置２は、回転軸２０と、ギア２１と、ギア２２（回転体）と、信号出力装置２３（信号出力手段）と、回転角度演算装置２４（回転角度演算手段）とから構成されている。

回転軸２０は、ハウジング２５に回転可能に支持され、回転角度を検出する対象物（図略）に連結されて、対象物とともに回転する部材である。

ギア２１は、回転軸２０に固定され、回転軸２０とともに回転する円板状の部材である。

ギア２２は、ギア２１と噛合し、ギア２１の回転に伴って回転する円筒状の部材である。ギア２２は、後述するスリーブ２３３１を介してハウジング２５に回転可能に支持されている。

信号出力装置２３は、ギア２２の回転角度θ（０度≦θ）に応じた互いに同位相及び逆位相でない３つの正弦波信号を出力する装置である。信号出力装置２３は、磁石２３０と、ヨーク２３２と、変位装置２３３（変位手段）と、磁気検出素子２３４〜２３６とから構成されている。

磁石２３０は、ギア２２の回転軸心Ｍ近傍において回転軸心Ｍに直交する磁束Φを発生するフェライトからなる円筒状の部材である。ヨーク２３２は、磁石２３０の外周側を包囲し、磁路の一部を構成する磁性体からなる円筒状の部材である。ヨーク１１２は、ギア２２の内周に一体的に形成されている。磁石２３０は、回転軸心Ｍの回りに円筒状で同心状に配置され、ヨーク２３２の内周面に固定されている。磁石２３０の内周面は、回転軸心Ｍの下方から上方に向かうに従って拡径するように、テーパ状に成形されている。つまり、回転軸心Ｍに対して直交方向の内周面間の距離が、回転軸心Ｍの下方から上方に向かうに従って単調増加するように成形されている。磁石２３０の内周面の一方は、Ｎ極に着磁されている。また、Ｎ極に対向する内周面は、Ｓ極に着磁されている。つまり、Ｎ極及びＳ極が、回転軸心Ｍを挟んで互いに対向するように着磁されている。これにより、回転軸心Ｍの近傍において、矢印で示すように回転軸心Ｍに直交し、回転軸心Ｍの下方から上方に向かうに従って単調減少する磁束Φが発生する。

変位装置２３３は、回転軸２０の回転に伴ってギア２２を回転軸心Ｍ方向、つまり上下方向に変位させる装置である。変位装置２３３は、ギア２２の外周面に形成される雄ねじ部２３３０と、スリーブ２３３１とから構成されている。スリーブ２３３１は、ハウジング２５に固定され、ギア２２を回転可能に支持する円弧板状の部材である。スリーブ２３３１の内周面には、ギア２２の雄ねじ部２３３０に螺合する雌ねじ部２３３２が形成されている。

磁気検出素子２３４〜２３６は、磁石２３０の内側であって、回転軸心Ｍの近傍に配置され、磁束密度を検出し対応する信号を出力する素子である。具体的にはホールＩＣである。磁気検出素子２３４〜２３６は、回転軸心Ｍの近傍であって、軸方向の同一位置に配置されている。また、感磁方向が、回転軸心Ｍに対して直交方向であって、互いに異なる方向となるように配置されている。具体的には、それぞれの感磁方向のなす角度が周方向に１２０度になるように配置されている。磁気検出素子２３４〜２３６は、このように配置された状態で支持部材２６にそれぞれ固定されている。磁気検出素子２３４〜２３６は、回転軸２０の回転に伴って、それぞれの感磁方向の磁束密度に応じた信号Ｖａ、Ｖｂ、Ｖｃを出力する。図９に示すように、回転軸２０が回転すると、ギア２１に噛合したギア２２が回転する。ギア２２の雄ねじ部２３３０は、スリーブ２３３１の雌ねじ部２３３２に螺合しているため、ギア２２は、回転に伴って回転軸心Ｍの下方に向かって変位する。ところで、磁石２３０は、前述したように、回転軸心Ｍに直交し、回転軸心Ｍの下方から上方に向かうに従って単調減少する磁束Φを発生している。そのため、磁気検出素子２３４〜２３６は、回転軸２０の回転に伴って、図１０及び数４に示すように、振幅が回転角度θに伴って変化するｆ（θ）で同一であり、位相が互いに１２０度ずつ異なる回転角度θに応じた正弦波信号を出力する。

回転角度演算装置２４は、３つの正弦波信号Ｖａ、Ｖｂ、Ｖｃのうちから２つの正弦波信号を順次選択し、選択した２つの正弦波信号に基づいて回転角度θを算出するマイクロコンピュータからなる装置である。また、回転角度θが正常か否かを判定し、正常と判定された回転角度θを出力する装置でもある。

回転角度演算装置２４は、磁気検出素子１１３の出力信号Ｖａ、Ｖｂをデータに変換するとともに、数５に従ってＶａｂを演算する。

さらに、Ｖａ及びＶａｂから、数６に従って、ギア２２の１回転内の回転角度θ１（０度≦θ１≦３６０度）を算出する。つまり、回転角度θに応じた正弦値（ｆ（θ）ｓｉｎθ）及び余弦値（ｆ（θ）ｃｏｓθ）から、逆正接演算によって１回転内の回転角度θ１を算出する。

また、回転角度演算装置２４は、Ｖａ、Ｖｂの少なくともいずれかの振幅ｆ（θ）から、ギア２２の回転回数を演算する。そして、ギア２２の１回転内の回転角度θ１及び回転回数から、ギア２２の回転角度θを算出する。

ところで、Ｖａ及びＶｂが正常である場合、Ｖａｂ、Ｖａによって決まる点を直交座標上に描くと、図１１に示すように、座標原点からの距離がｆ（θ）の渦状の曲線となる。このとき、Ｖａｂ、Ｖａによって決まる点と座標原点とを結ぶ直線と、Ｖａｂ軸とのなす角が回転角度θとなる。つまり、Ｖａｂ、Ｖａ、回転角度θの間には対応関係がある。そのため、Ｖａｂ、Ｖａ、回転角度θの間に、正常な対応関係が成立しているか否かを判定することによって、回転角度が正常か否かを判定することができる。

回転角度演算装置２４は、Ｖａｂ、Ｖａ、回転角度θを、予め設定されたＶａｂ、Ｖａ、回転角度θの間の正常な対応関係を示す期待値と比較することで、回転角度θが正常か否かを判定する。ここで、期待値は、図１１に示すように、渦状の曲線によって表されるＶａｂ、Ｖａ、回転角度θの間の対応関係を示す値に設定されている。つまり、回転角度θに応じた正弦値（ｆ（θ）ｓｉｎθ）及び余弦値（ｆ（θ）ｃｏｓθ）と回転角度θから、回転角度θが正常か否かを判定する。

回転角度演算装置２４は、同様にして、磁気検出素子２３５、２３６の出力信号Ｖｂ、Ｖｃから回転角度θを算出するとともに、Ｖｂｃ、Ｖｂ、回転角度θから回転角度θが正常か否かを判定する。さらに、同様にして、磁気検出素子２３６、２３４の出力信号Ｖｃ、Ｖａから回転角度θを算出するとともに、Ｖｃａ、Ｖｃ、回転角度θから回転角度θが正常か否かを判定する。

回転角度演算装置２４は、算出した３つの回転角度θのうち正常であると判定された値を出力する。そのため、磁気検出素子２３４〜２３６のいずれかが故障しても、正常な２つの磁気検出素子の出力信号に基づいて正常な回転角度θを出力することができる。

次に、具体的効果について説明する。第２実施形態によれば、回転角度演算装置２４は、３つの正弦波信号Ｖａ、Ｖｂ、Ｖｃのうちから２の正弦波信号を順次選択し、選択した２つの正弦波信号に基づいて１回転内の回転角度θ１を算出する。また、選択した２つの正弦波信号の少なくともいずれかの振幅に基づいて回転回数を演算する。そして、１回転内の回転角度θ１及び回転数に基づいて回転角度θを算出する。そのため、ギア２２の回転角度θを多回転に渡って検出することができる。前述したように、回転角度演算装置２４は、選択した２つの正弦波信号に基づいて１回転内の回転角度θ１を算出する。そのため、異なる正弦波信号の組合せに基づいて３つの１回転内の回転角度θ１が算出されることとなる。そのため、第１実施形態の場合と同様に、３つの正弦波信号Ｖａ、Ｖｂ、Ｖｃの１つが異常になっても、回転角度θを継続して検出することができる。

また、第２実施形態によれば、１回転内の回転角度θ１は、回転角度θに対する正弦値（ｆ（θ）ｓｉｎθ）及び余弦値（ｆ（θ）ｃｏｓθ）から逆正接演算によって算出することができる。ここで、正弦値（ｆ（θ）ｓｉｎθ）及び余弦値（ｆ（θ）ｃｏｓθ）は、選択した２つの正弦波信号から三角関数を用いることによって演算することができる。そのため、選択した２つの正弦波信号に基づいて１回転内の回転角度θ１を確実に算出することができる。３つの正弦波信号の振幅は、ギア２２の回転角度θに応じて単調増加又は単調減少している。そのため、選択した２つの正弦波信号の少なくともいずれかの振幅に基づいて回転回数を確実に演算することができる。従って、１回転内の回転角度θ１及び回転回数に基づいて多回転に渡って回転角度θを算出することができる。また、正常な正弦値（ｆ（θ）ｓｉｎθ）及び余弦値（ｆ（θ）ｃｏｓθ）と正常な回転角度θとの間には対応関係がある。従って、正弦値（ｆ（θ）ｓｉｎθ）及び余弦値（ｆ（θ）ｃｏｓθ）と回転角度θとの間に、正常な対応関係が成立しているか否かを判定することによって、回転角度θが正常か否かを判定することができる。つまり、正弦値（ｆ（θ）ｓｉｎθ）、余弦値（ｆ（θ）ｃｏｓθ）、回転角度θを予め設定された正常な対応関係を示す期待値と比較することで、回転角度θが正常か否かを確実に判定することができる。

さらに、第２実施形態によれば、磁石２３０は、回転軸心Ｍの回りに円筒状で同心状に配置されている。磁石２３０の内周面は、下方から上方に向かうに従って拡径するように、テーパ状に成形されている。つまり、回転軸心Ｍに対して直交方向の内周面間の距離が、回転軸心Ｍの下方から上方に向かうに従って単調増加するように成形されている。しかも、回転軸心Ｍを挟んで互いに対向するように着磁されている。そのため、回転軸心Ｍの近傍において、回転軸心Ｍに直交し、下方から上方に向かうに従って単調減少する磁束Φを発生することができる。また、変位装置２３３は、回転軸２０の回転に伴ってギア２２を上下方向に変位させることができる。さらに、磁気検出素子２３４〜２３６は、磁石２３０の内側に、感磁方向が、回転軸心Ｍに対して直交方向であって、互いに異なる方向となるように配置されている。具体的には、それぞれの感磁方向のなす角度が周方向に１２０度になるように配置されている。そのため、回転軸２０の回転、つまりギア２２の回転に応じて、振幅がともに単調減少する互いに同位相及び逆位相でない３つの正弦波信号を確実に出力することができる。具体的には、振幅が回転角度θに伴って減少するｆ（θ）で同一であり、位相が互いに１２０度ずつ異なる正弦波信号を出力することができる。

加えて、第２実施形態によれば、ギア２２の外周面に形成される雄ねじ部２３３０と、ハウジング２５に固定され、雄ねじ部２３３０と螺合する雌ねじ部２３３２の形成されたスリーブ２３３１とを備えている。そのため、回転軸２０の回転に伴って、ギア２２を上下方向に確実に変位させることができる。

なお、第１及び第２実施形態では、３つの磁気検出素子の正弦波信号の位相が互いに１２０度ずつ異なる例を挙げているが、これに限られるものではない。２つの正弦波信号が、同位相又は逆位相でなければ、これらの信号から回転角度を算出することができる。一般的には、２つの正弦波信号をＶａ’、Ｖｂ’とした場合、数７に従ってＶａ’、Ｖａｂ’を演算する。つまり、回転角度θ’に応じた正弦値（Ａ’ｓｉｎθ’）及び余弦値（Ａ’ｃｏｓθ’）を演算する。

さらに、Ｖａ’、Ｖａｂ’から、数８に従って演算することで、回転角度θ’を算出することができる。つまり、正弦値（Ａ’ｓｉｎθ’）及び余弦値（Ａ’ｃｏｓθ’）から、逆正接演算によって回転角度θ’を算出することができる。

また、第１及び第２実施形態では、互いに同位相及び逆位相でない３つの正弦波信号のうちから２つの正弦波信号を選択して回転角度を算出する例を挙げているが、これに限られるものではない。少なくとも３つの正弦波信号があればよく、４つ以上の正弦波信号のうちから２つの正弦波信号を選択して回転角度を算出するようにしてもよい。これにより、冗長性を向上させることができる。

さらに、第１及び第２実施形態では、磁石と磁気検出素子から磁気的に正弦波信号を出力する例を挙げているが、これに限られるものではない。光学的に正弦波信号を出力するようにしてもよい。

加えて、第１及び第２実施形態では、円筒状の磁石を用いた例を挙げているが、これに限られるものではない。２つの直方体の磁石を用い、回転軸心を挟んで磁極が互いに対向するように配置してもよい。回転軸心近傍において回転軸心に直交する磁束を形成できればよい。

第１実施形態における回転角度検出装置の軸方向断面図である。 図１における信号出力装置のａ−ａ矢視断面図である。 磁気検出素子の出力波形である。 Ｖａｂ、Ｖａと回転角度θの関係を示すグラフである。 第２実施形態における回転角度検出装置の軸方向断面図である。 図５におけるギア周辺のｂ−ｂ矢視断面図である。 図５における信号出力装置周辺の拡大図である。 図６における信号出力装置周辺の拡大図である。 変位装置の動作を説明するための軸方向断面図である。 磁気検出素子の出力波形である。 Ｖａｂ、Ｖａと回転角度θの関係を示すグラフである。

符号の説明

１、２・・・回転角度検出装置、１０、２０・・・回転軸（回転体）、１１、２３・・・信号出力装置（信号出力手段）、１１０、２３０・・・磁石、１１２、２３２・・・ヨーク、１１３〜１１５。２３４〜２３６・・磁気検出素子、１２、２４・・・回転角度演算装置（回転角度演算手段）、１３、２５・・・ハウジング、１４、２６・・・支持部材、２１・・・ギア、２２・・・ギア（回転体）、２３３・・・変位装置（変位手段）、２３３０・・・雄ねじ部、２３３１・・・スリーブ、２３３２・・・雌ねじ部

Claims (10)

1. 回転体と、前記回転体の回転角度に応じた互いに同位相及び逆位相でない３つの正弦波信号を出力する信号出力手段と、前記３つの正弦波信号のうちから２つの正弦波信号を順次選択し、前記選択した２つの正弦波信号に基づいて前記回転角度に対する正弦値及び余弦値を演算し、前記正弦値及び前記余弦値に基づいて逆正接演算によって前記回転角度を算出するとともに、前記正弦値及び前記余弦値と前記回転角度に基づいて前記回転角度が正常か否かを判定し、正常と判定された回転角度を出力する回転角度演算手段とを有する回転角度検出装置であって、
   前記回転角度演算手段は、前記正弦値及び前記余弦値と前記回転角度とを予め設定された期待値と比較することで、前記回転角度が正常か否かを判定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。
2. 前記信号出力手段は、前記回転体に固定され、前記回転体の回転軸心近傍において回転軸心に直交する磁束を発生する磁石と、回転軸心の近傍に、感磁方向が、回転軸心に対して直交方向であって、互いに異なる方向となるように配置される３つの磁束密度検出手段とを有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。
3. 前記磁石は、回転軸心の回りに配置され、回転軸心を挟んで対向する磁極を有することを特徴とする請求項２に記載の回転角度検出装置。
4. 回転体と、前記回転体の回転角度に応じて振幅がともに単調増加又は単調減少する、
   前記回転角度に応じた互いに同位相及び逆位相でない３つの正弦波信号を出力する信号出力手段と、前記３つの正弦波信号のうちから２つの正弦波信号を順次選択し、前記選択した２つの正弦波信号に基づいて１回転内の回転角度を演算するとともに、前記選択した２つの正弦波信号に基づいて前記回転角度に対する正弦値及び余弦値を演算し、前記正弦値及び前記余弦値に基づいて逆正接演算によって１回転内の回転角度を演算し、前記選択した２つの正弦波信号の少なくともいずれかの振幅に基づいて回転回数を演算し、前記１回転内の回転角度及び前記回転回数に基づいて前記回転角度を算出するとともに、前記正弦値及び前記余弦値と前記回転角度に基づいて前記回転角度が正常か否かを判定し、正常と判定された回転角度を出力する回転角度演算手段とを有する回転角度検出装置であって、
   前記回転角度演算手段は、前記正弦値及び前記余弦値と前記回転角度とを予め設定された期待値と比較することで、前記回転角度が正常か否かを判定することを特徴とする請求項５に記載の回転角度検出装置。
5. 前記信号出力手段は、前記回転体に固定され、前記回転体の回転軸心近傍において回転軸心に直交し、回転軸心方向に大きさが単調増加又は単調減少する磁束を発生する磁石と、前記回転体の回転に伴って前記回転体を回転軸心方向に変位させる変位手段と、回転軸心の近傍に、感磁方向が、回転軸心に対して直交方向であって、互いに異なる方向となるように配置される３つの磁束密度検出手段とを有することを特徴とする請求項４に記載の回転角度検出装置。
6. 前記磁石は、回転軸心の回りに配置され、回転軸心を挟んで対向する磁極を有することを特徴とする請求項５に記載の回転角度検出装置。
7. 前記磁石は、回転軸心に対して直交方向の前記磁極間の距離が回転軸心方向に向かうに従って単調増加又は単調減少することを特徴とする請求項６に記載の回転角度検出装置。
8. 前記回転体は、ハウジングに回転可能に支持され、前記変位手段は、前記回転体と前記ハウジングとの間に配設されるねじ機構であることを特徴とする請求項５〜７のいずれかに記載の回転角度検出装置。
9. 前記信号出力手段は、前記磁石の外周側を包囲し、磁路の一部を構成する筒状のヨークを有することを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の回転角度検出装置。
10. 前記ヨークは、前記回転体に一体的に形成されていることを特徴とする請求項９に記載の回転角度検出装置。

Images