JP5948656B2

JP5948656B2 - 回転角検出装置

Info

Publication number: JP5948656B2
Application number: JP2013036857A
Authority: JP
Inventors: 達郎鈴木; 晋一磯部; 高太郎椎野
Original assignee: Hitachi Automotive Systems Ltd
Current assignee: Hitachi Astemo Ltd
Priority date: 2013-02-27
Filing date: 2013-02-27
Publication date: 2016-07-06
Anticipated expiration: 2033-02-27
Also published as: JP2014163876A

Description

本発明は、回転角検出装置に関する。

この種の技術としては、下記の特許文献1に記載の技術が開示されている。この公報には、1つのGMRセンサを用いた回転角位置検出装置が開示されている。

特開2012-112897号公報

冗長性を確保するために2つのGMRセンサを用いた場合を考える。回転体側に取り付けられたマグネットの磁束変化を精度よく検出するためにはGMRセンサを適切な位置に設置しなければならない。しかしながら、2つのGMRセンサを同じ位置に設置することはできず、適切な位置から外れて設置したGMRセンサの回転角検出精度が悪化する恐れがあった。
本発明は上記問題に着目してなされたもので、その目的とするところは、複数のGMRセンサを設置したときであっても、回転角検出精度を確保することができる回転角検出装置を提供することである。

上記目的を達成するため本願発明では、横軸を回転軸に対する第二GMRセンサの径方向オフセット量、縦軸を第二GMRセンサの正弦波信号および余弦波信号から得られたマグネットの回転角θ2としたときの2軸座標系において、マグネットの実際の回転角をθa、回転角θaと検出回転角θ2との差をθdとしたとき、差θdが、径方向オフセット量を0から徐々に大きくしたとき、径方向オフセット量の増加に伴い負の方向に増加し、負の方向の最大値マイナスθdmaxをとった後、正の方向の増加傾向に変化し、回転角θaを通過した後、正の値であって絶対値が前記マイナスθdmaxと同じ値であるプラスθdmaxをとり、更に増加するように変化するものであるとき、第二GMRセンサの径方向オフセット量が、マイナスθdmaxと対応する位置からプラスθdmaxと対応する位置の間に配置されるようにした。

本発明により、第一GMRセンサと第二GMRセンサとの間の距離を確保しつつ、第二GMRセンサの回転角検出誤差を小さくすることができる。

実施例1の電動パワーステアリング装置の全体構成図である。実施例1の電動モータの部分断面図である。実施例1のセンサマグネットと第一GMRセンサおよび第二GMRセンサとの位置関係を示す図である。実施例1のセンサマグネットと第一GMRセンサおよび第二GMRセンサとの位置関係を示す図である。実施例1のセンサマグネットと第一GMRセンサおよび第二GMRセンサとの位置関係を示す図である。実施例1のセンサマグネットの回転角が45°のときの磁界の様子を示す図である。実施例1の径方向オフセット量Δdと検出回転角θ2の関係を示すグラフである。実施例1の径方向オフセット量Δdと検出回転角θ2の関係を示すグラフである。実施例1の径方向オフセット量Δdと検出誤差の関係を示すグラフである。実施例1の径方向オフセット量Δdと検出誤差の関係を示すグラフである。実施例1の補正前の検出回転角θ2と補正後の検出回転角θ2とを示すグラフである。他の実施例の電動パワーステアリング装置の全体構成図である。

〔実施例1〕
［パワーステアリング装置の全体構成］
図1は、電動パワーステアリング装置1の全体構成図である。
電動パワーステアリング装置1は、運転者による操舵操作が入力されるステアリングホイール2と、ステアリングホイール2に接続される操舵軸3と、操舵軸3と一体に回転するピニオン7と、ピニオン7と噛み合いピニオン7の回転運動を直線運動に変換するラック8と、ラック8の運動を転舵輪10に伝達するタイロッド9とを有している。これらはステアリングホイール2の操舵操作を転舵輪10に伝達する操舵機構4を構成している。また操舵軸3には、ステアリングホイール2に入力された操舵トルクを検出するトルクセンサ5、操舵軸3と一体に回転するウォームホイール6が設けられている。ウォームホイール6には、ウォームシャフト13が噛み合っている。ウォームシャフト13は、操舵力に対してアシスト力を付与する電動モータ11の駆動軸11aに接続している。電動モータ11は三相ブラシレスモータであり、モータコントロールユニット14により制御され、モータコントロールユニット14はトルクセンサ5が検出した操舵トルクや車速等の車両の運転状態に応じて電動モータ11が付与する操舵力を制御する。電動モータ11にはモータコントロールユニット14が一体に設けられている（機電一体）。

［電動モータの構成］
図2は電動モータ11の部分断面図である。電動モータ11は、シャフト11aと一体に回転するロータ11bと、モータハウジング110に固定されたステータ11cと、シャフト11aの端部に取り付けられたセンサマグネット11dと、センサマグネット11dの回転による磁束変化を検出する第一GMRセンサ11f、第二GMRセンサ11gと、この第一GMRセンサ11f、第二GMRセンサ11gが取り付けられたセンサ基板11eを有している。
ロータ11bには永久磁石が周方向に二極対（二極対以上でも良い）設けられている。ステータ11cは6つのコイルにより構成されており、三相電流の制御により各コイルに磁力が発生するようになっている。センサマグネット11dは永久磁石が周方向に一極対（一極対以上でも良い）設けられている。つまり、センサマグネット11dには、シャフト11aの回転軸に対し対称にS極およびN極が配置されている。
第一GMRセンサ11fおよび第二GMRセンサ11gは、センサマグネット11dに対してシャフト11aの回転軸に方向に（センサマグネット11dの磁極面に）対向して設けられている。第一GMRセンサ11fおよび第二GMRセンサ11gは、2つの巨大磁気抵抗効果(GMR)素子が90度異なる磁束の向きの変化を正弦波信号および余弦波信号の二相信号として夫々出力するように集積回路パッケージ内に組み込まれている。第一GMRセンサ11fおよび第二GMRセンサ11gは、センサ基板11eに半田付けされており、センサ基板11eはモータコントロールユニット14に接続している。

図3、図4、図5はセンサマグネット11dと第一GMRセンサ11fおよび第二GMRセンサ11gとの位置関係を示す図である。図3、図4、図5に示すように、第一GMRセンサ11fはシャフト11aの回転軸O上に第一GMRセンサ11fの中心が来るように設置されている。しかし、第一GMRセンサ11fの中心は必ずしも回転軸O上になくとも良い。また、第二GMRセンサ11gは回転軸Oに対して第一GMRセンサ11fから離間し、センサマグネット11dの磁極面範囲内に設けられている。以下では、回転軸Oから第二GMRセンサ11gの中心までの距離を径方向オフセット量Δdと称する。
モータコントロールユニット14は、異常検出回路14aとθ2補正回路14bを有している。異常検出回路14aは、第一GMRセンサ11fと第二GMRセンサ11gの出力を比較して装置の異常を検出する。θ2補正回路14bは、第二GMRセンサ11gにより検出した検出回転角θ2の補正を行う。この補正については後で詳述する。

［GMRセンサ位置と回転角検出誤差の関係］
図5に示すように、第一GMRセンサ11fの中心から第二GMRセンサ11gの中心に向かう方向が、センサマグネット11dのN極からS極に向かう方向と一致しているときのセンサマグネット11dの回転角を0°とする。図6はセンサマグネット11dの回転角が45°のときの磁界の様子を示す図である。第一GMRセンサ11fの中心は回転軸O上にあるため、第一GMRセンサ11f上にはN極からS極に直接向かう磁極線が通るが、第二GMRセンサ11g上には回り込む磁極線が通ることとなる。そのため第二GMRセンサ11gの検出回転角は誤差が生じることがある。
図7は第二GMRセンサ11gの径方向オフセット量Δdと検出回転角θ2の関係を示すグラフである。図7では、横軸に径方向オフセット量Δd、縦軸に検出回転角θ2を取り、各線はセンサマグネット11dが各回転角（0°,10°,20°,30°,40°,50°,60°,70°,80°,90°）にあることを示している。図8は図7のグラフの検出角40°付近の拡大図である。
センサマグネット11dの回転角が40°のときを例にとって説明する。図7および図8に示すように、径方向オフセット量Δdが大きくなるにつれて、検出回転角θ2の変化量は負となり40°より小さくなり、径方向オフセット量Δdがセンサマグネット11dの半径の2分の1程度の位置で最小となる。その後は、変化量は正となり検出回転角θ2の値は指数的に大きくなる。
検出回転角θ2が最も小さいときの径方向オフセット量をΔd1、このときの検出回転角θ2、検出回転角θ2と40°との差をマイナスθdmaxとする。また径方向オフセット量がΔd1を超えた後に、検出回転角θ2が40°を示したときの径方向オフセット量をΔd2とする。さらに径方向オフセット量がΔd2を超えた後に、検出回転角θ2と40°との差がプラスθdmaxとなったときの径方向オフセット量をΔd3とする。
上記ではセンサマグネット11dの回転角が40°のときを例にとって説明したが、他の回転角であっても誤差の大きさ自体は異なるが、径方向オフセット量Δdの変化に対する誤差の増減は同様の傾向を示す。
図9は第二GMRセンサ11gの径方向オフセット量Δdと検出誤差の関係を示すグラフである。図9では、横軸に径方向オフセット量Δd、縦軸に検出誤差を取り、各線はセンサマグネット11dが各回転角（0°,10°,20°,30°,40°,50°,60°,70°,80°,90°）にあることを示している。図10は図9のグラフの誤差0°付近の拡大図である。図9および図10に示すように、センサマグネット11dの回転角が0°では誤差が小さく、40°〜50°までは回転角が大きくなるほど誤差も大きくなる。40°〜50°を超えると回転角が大きくなるほど誤差は小さくなり90°での誤差は0°と同程度になっている。

［第二GMRセンサの位置］
検出誤差を小さくするためには、第二GMRセンサ11gも、回転軸O上に第二GMRセンサ11gの中心が来るように設置されることが望ましいが、第一GMRセンサ11fと第二GMRセンサ11gとを回転軸O上に並べて配置することはできない。また、第一GMRセンサ11fと第二GMRセンサ11gとを接近させすぎると、センサ基板11eに半田付けする際に、端子間がショートするおそれがあり、また半田付け作業も困難となる。
そこで前述の検出誤差の傾向を踏まえて、実施例1では第二GMRセンサ11gを径方向オフセット量がΔd1からΔd3の範囲に設けるようにした。これにより、第二GMRセンサ11gの誤差が比較的小さくなるように配置することができる。好ましくは、第二GMRセンサ11gを径方向オフセット量がΔd2の位置に設けることにより、誤差をほぼなくすことができる。

［検出回転角の補正］
θ2補正回路14bでは、第二GMRセンサ11gの検出回転角θ2に補正係数をかけている。補正係数は1よりも小さい正値であって、径方向オフセット量がΔd2以降では、径方向オフセット量Δdが大きくなるほど小さな値となるように設定している。
図11は、補正前の検出回転角θ2と補正後の検出回転角θ2とを示すグラフである。図11では、横軸に径方向オフセット量Δd、縦軸に検出回転角θ2を取り、センサマグネット11dの回転角がθaのときを示している。実線は補正前の検出回転角θ2、一点鎖線は補正後の検出回転角θ2を示す。
θ2補正回路14bにより検出回転角θ2を補正すると径方向オフセット量Δd2以降の検出回転角θ2は、補正前の検出回転角θ2よりも増加変化量が小さくなる。そのため、径方向オフセット量がΔd2を超えた後に、検出回転角θ2と40°との差がプラスθdmaxとなったときの径方向オフセット量はΔd4にまで広がる。
これにより第二GMRセンサ11gを設ける範囲は補正前はΔd1からΔd3までであったが、補正後はΔd1からΔd4に広げることができる。

［効果］
実施例1の効果について説明する。
(1) 電動モータ11のシャフト11a（回転体）の回転角を検出する回転角検出装置であって、シャフト11aと一体に回転するように設けられ、前記シャフト11aの回転軸に対し対称にS極およびN極が配置されたセンサマグネット11d（マグネット）と、シャフト11aの軸線上であってセンサマグネット11dの磁極面と対向するように設けられ、2つの巨大磁気抵抗効果素子が90度異なる磁束の向きの変化を正弦波信号および余弦波信号の二相信号として夫々出力するように集積回路パッケージ内に組み込まれた第一GMRセンサ11fと、シャフト11aを軸方向としたとき、第一GMRセンサ11fに対し径方向に離間した位置であってセンサマグネット11dの磁極面と対向するように設けられ、2つの巨大磁気抵抗効果素子が90度異なる磁束の向きの変化を正弦波信号および余弦波信号の二相信号として夫々出力するように集積回路パッケージ内に組み込まれた第二GMRセンサ11gと、第一GMRセンサ11fの出力と第二GMRセンサ11gの出力を比較することにより装置の異常を検出する異常検出回路14aと、を有する回転角検出装置において、横軸をシャフト11aに対する第二GMRセンサ11gの径方向オフセット量、縦軸を第二GMRセンサ11gの正弦波信号および余弦波信号から得られたセンサマグネット11dの回転角θ2としたときの2軸座標系において、センサマグネット11dの実際の回転角をθa、回転角θaと回転角θ2との差をθdとしたとき、回転角差θdが、径方向オフセット量を0から徐々に大きくしたとき、径方向オフセット量の増加に伴い負の方向に増加し、負の方向の最大値マイナスθdmaxをとった後、正の方向の増加傾向に変化し、回転角θaを通過した後、正の値であって絶対値が前記マイナスθdmaxと同じ値であるプラスθdmaxをとり、更に増加するように変化するものであるとき、第二GMRセンサ11gは、第一GMRセンサ11fに対する第二GMRセンサ11gの径方向オフセット量が、マイナスθdmaxと対応する位置からプラスθdmaxと対応する位置の間に配置されるようにした。
よって、第一GMRセンサ11fと第二GMRセンサ11gとの間の距離を確保しつつ、第二GMRセンサ11gの回転角検出誤差を小さくすることができる。

(2) 電動モータ11のシャフト11a（回転体）の回転角を検出する回転角検出装置であって、シャフト11aと対向するように設けられ、シャフト11aの回転軸に対し対称にS極およびN極が配置されたセンサマグネット11dと、センサマグネット11dの磁極面と対向するようにシャフト11aに設けられ、2つの巨大磁気抵抗効果素子が90度異なる磁束の向きの変化を正弦波信号および余弦波信号の二相信号として夫々出力するように集積回路パッケージ内に組み込まれた第一GMRセンサ11fと、シャフト11aを軸方向としたとき、第一GMRセンサ11fに対し径方向に離間した位置であってセンサマグネット11dの磁極面と対向するように設けられ、2つの巨大磁気抵抗効果素子が90度異なる磁束の向きの変化を正弦波信号および余弦波信号の二相信号として夫々出力するように集積回路パッケージ内に組み込まれた第二GMRセンサ11gと、第一GMRセンサ11fの出力と第二GMRセンサ11gの出力を比較することにより装置の異常を検出する異常検出回路14aと、を有する回転角検出装置において、横軸をシャフト11aに対する第二GMRセンサ11gの径方向オフセット量、縦軸を第二GMRセンサ11gの正弦波信号および余弦波信号から得られたセンサマグネット11dの回転角θ2としたときの2軸座標系において、センサマグネット11dの実際の回転角をθa、回転角θaと回転角θ2との差をθdとしたとき、回転角差θdが、径方向オフセット量を0から徐々に大きくしたとき、径方向オフセット量の増加に伴い負の方向に増加し、負の方向の最大値マイナスθdmaxをとった後、正の方向の増加傾向に変化し、回転角θaを通過した後、正の値であって絶対値が前記マイナスθdmaxと同じ値であるプラスθdmaxをとり、更に増加するように変化するものであるとき、第二GMRセンサ11gは、第一GMRセンサ11fに対する第二GMRセンサ11gの径方向オフセット量が、マイナスθdmaxと対応する位置からプラスθdmaxと対応する位置の間に配置されるようにした。
よって、第一GMRセンサ11fと第二GMRセンサ11gとの間の距離を確保しつつ、第二GMRセンサ11gの回転角検出誤差を小さくすることができる。

(3) 第二GMRセンサ11gは、径方向オフセット量が、回転角θaと対応する位置に配置されるようにした。
よって、第一GMRセンサ11fと第二GMRセンサ11gとの間の距離を確保しつつ、第二GMRセンサ11gの回転角検出誤差をほぼゼロにすることができる。
(4) 第二GMRセンサ11gから出力される回転角θ2に補正係数を掛けることにより、その演算結果が前一GMRセンサ11fから出力される回転角θ1と近似するように演算を行うθ2補正回路14bを備え、θ2補正回路14bの補正係数は、第二GMRセンサ11gの径方向オフセット位置が回転角θaと対応する位置よりも径方向外側にあるとき、径方向オフセット量が大きいほど小さくなるように設定されるようにした。
よって、第二GMRセンサ11gの回転角検出誤差を増大することなく、第一GMRセンサ11fと第二GMRセンサ11gとの間の距離を確保することができ、レイアウト自由度を高め、また取り付け作業性を向上させることができる。

〔他の実施例〕
以上、本願発明を実施例1に基づいて説明してきたが、各発明の具体的な構成は各実施例に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等があっても、本発明に含まれる。
図12は電動パワーステアリング装置1の全体構成図である。実施例1では、電動モータ11とモータコントロールユニット14が一体に設けられていたが、図12に示すように電動モータ11とモータコントロールユニット14を別体に設けるようにしても良い。

11a シャフト（回転体）
11d センサマグネット（マグネット）
11f 第一GMRセンサ
11g 第二GMRセンサ
14a 異常検出回路
14b θ2補正回路

Claims

回転体の回転角を検出する回転角検出装置であって、
前記回転体と一体に回転するように設けられ、前記回転体の回転軸に対し対称にS極およびN極が配置されたマグネットと、
前記回転軸の軸線上であって前記マグネットの磁極面と対向するように設けられ、2つの巨大磁気抵抗効果素子が90度異なる磁束の向きの変化を正弦波信号および余弦波信号の二相信号として夫々出力するように集積回路パッケージ内に組み込まれた第一GMRセンサと、
前記回転軸を軸方向としたとき、前記第一GMRセンサに対し径方向に離間した位置であって前記マグネットの磁極面と対向するように設けられ、2つの巨大磁気抵抗効果素子が90度異なる磁束の向きの変化を正弦波信号および余弦波信号の二相信号として夫々出力するように集積回路パッケージ内に組み込まれた第二GMRセンサと、
前記第一GMRセンサの出力と前記第二GMRセンサの出力を比較することにより装置の異常を検出する異常検出回路と、
を有する回転角検出装置において、
横軸を前記回転軸に対する前記第二GMRセンサの径方向オフセット量、縦軸を前記第二GMRセンサの前記正弦波信号および前記余弦波信号から得られた前記マグネットの回転角θ2としたときの2軸座標系において、前記マグネットの実際の回転角をθa、前記θaと前記θ2との差をθdとしたとき、前記θdが、前記径方向オフセット量を0から徐々に大きくしたとき、前記径方向オフセット量の増加に伴い負の方向に増加し、負の方向の最大値マイナスθdmaxをとった後、正の方向の増加傾向に変化し、前記θaを通過した後、正の値であって絶対値が前記マイナスθdmaxと同じ値であるプラスθdmaxをとり、更に増加するように変化するものであるとき、
前記第二GMRセンサは、前記第一GMRセンサに対する前記第二GMRセンサの径方向オフセット量が、前記マイナスθdmaxと対応する位置から前記プラスθdmaxと対応する位置の間に配置されることを特徴とする回転角検出装置。
回転体の回転角を検出する回転角検出装置であって、
前記回転体と対向するように設けられ、前記回転体の回転軸に対し対称にS極およびN極が配置されたマグネットと、
前記マグネットの磁極面と対向するように前記回転軸に設けられ、2つの巨大磁気抵抗効果素子が90度異なる磁束の向きの変化を正弦波信号および余弦波信号の二相信号として夫々出力するように集積回路パッケージ内に組み込まれた第一GMRセンサと、
前記回転軸を軸方向としたとき、前記第一GMR素子に対し径方向に離間した位置であって前記マグネットの磁極面と対向するように設けられ、2つの巨大磁気抵抗効果素子が90度異なる磁束の向きの変化を正弦波信号および余弦波信号の二相信号として夫々出力するように集積回路パッケージ内に組み込まれた第二GMRセンサと、
前記第一GMRセンサの出力と前記第二GMRセンサの出力を比較することにより装置の異常を検出する異常検出回路と、
を有する回転角検出装置において、
横軸を前記回転軸に対する前記第二GMRセンサの径方向オフセット量、縦軸を前記第二GMRセンサの前記正弦波信号および前記余弦波信号から得られた前記マグネットの回転角θ2としたときの2軸座標系において、前記マグネットの実際の回転角をθa、前記θaと前記θ2との差をθdとしたとき、前記θdが、前記径方向オフセット量を0から徐々に大きくしたとき、前記径方向オフセット量の増加に伴い負の方向に増加し、負の方向の最大値マイナスθdmaxをとった後、正の方向の増加傾向に変化し、前記θaを通過した後、正の値であって絶対値が前記マイナスθdmaxと同じ値であるプラスθdmaxをとり、更に増加するように変化するものであるとき、
前記第二GMRセンサは、前記第一GMRセンサに対する前記第二GMRセンサの径方向オフセット量が、前記マイナスθdmaxと対応する位置から前記プラスθdmaxと対応する位置の間に配置されることを特徴とする回転角検出装置。
請求項1または請求項2に記載の回転角検出装置において、
前記第二GMRセンサは、前記径方向オフセット量が、前記θaと対応する位置に配置されることを特徴とする回転角検出装置。