JP7302274B2 - 回転角検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、回転角検出装置に関する。

従来、車両の操舵機構にモータのトルクをアシスト力として付与するＥＰＳ（電動パワーステアリング装置）が存在する。ＥＰＳの制御装置は、操舵トルクおよび操舵角などに基づきモータを制御する。たとえば特許文献１のＥＰＳは、ＥＰＳの動作信頼性を確保する観点から、メインとサブの２つの操舵トルクセンサ、メインとサブの２つの舵角センサ、およびメインとサブの２つのモータ回転角センサを有している。ＥＰＳの制御装置は、これらセンサの異常を検出する機能を有している。

制御装置は、たとえば舵角センサの異常をつぎのようにして検出する。すなわち、制御装置は、２つのモータ回転角信号に基づき２つの舵角演算信号を演算し、これら舵角演算信号と、２つの舵角センサにより生成される２つの舵角検出信号との比較を通じて、メインあるいはサブの舵角センサにより生成される舵角検出信号の異常を検出する。ちなみに、制御装置は、操舵トルクセンサおよびモータ回転角センサの異常についても、舵角センサと同様に他のセンサの検出信号を使用して検出する。

特開２０１５－５８９１１号公報

特許文献１に記載されているセンサの異常検出方法は、ＥＰＳに複数の同一種のセンサが設けられていることを前提としている。製品仕様などによっては、舵角センサにより生成される舵角検出信号、ひいては舵角センサにより検出される操舵角の異常を、舵角センサ単体で検出することが要求される。

本発明の目的は、回転角の異常を検出することができる回転角検出装置を提供することにある。

上記目的を達成し得る回転角検出装置は、回転検出対象と一体回転する主動歯車と、前記主動歯車に噛合する歯数の異なる２つの従動歯車と、前記２つの従動歯車の回転角度を検出する２つのセンサと、前記２つのセンサを通じて検出される前記２つの従動歯車の回転角度に基づき前記主動歯車の回転角度を演算する演算回路と、を有している。前記演算回路は、前記２つのセンサを通じて検出される前記２つの従動歯車の回転角度の関係性が、前記演算回路により演算される前記主動歯車の回転角度が正常であるときの関係性と異なるとき、前記演算回路により演算される前記主動歯車の回転角度の異常を検出する異常検出部を有している。

たとえば２つのセンサを通じて検出される２つの従動歯車の回転角度に異常が生じた場合、これら２つの従動歯車の回転角度の関係性は、演算回路により演算される主動歯車の回転角度が正常であるときの関係性と異なる。また、２つのセンサを通じて検出される２つの従動歯車の回転角度に異常が生じた場合、これら２つの従動歯車の回転角度に基づき演算される主動歯車の回転角度は当然に正常値と異なる値となる。このため、上記の構成によるように、２つのセンサを通じて検出される２つの従動歯車の回転角度の関係性が、演算回路により演算される主動歯車の回転角度が正常であるときの関係性と異なることをもって、演算回路により演算される主動歯車の回転角度が異常であることを検出できる。

上記の回転角検出装置において、前記異常検出部は、前記２つの従動歯車の回転角度の関係性を示す値として演算される前記２つの従動歯車の回転角度の差と、前記２つの従動歯車の回転角度の理想的な差とに基づき、前記主動歯車の回転角度の異常を検出してもよい。

たとえば２つのセンサを通じて検出される２つの従動歯車の回転角度に異常が生じた場合、これら２つの従動歯車の回転角度の差も異常値を示す。このため、上記の構成によるように、２つのセンサを通じて検出される２つの従動歯車の回転角度の差と、２つのセンサを通じて検出される２つの従動歯車の回転角度の理想的な差とに基づき、主動歯車の回転角度の異常を検出することができる。

上記の回転角検出装置において、前記異常検出部は、前記２つの従動歯車の回転角度の関係性を示す値として演算される前記２つの従動歯車の回転量の差と、前記２つの従動歯車の回転量の理想的な差とに基づき、前記主動歯車の回転角度の異常を検出してもよい。

たとえば２つのセンサを通じて検出される２つの従動歯車の回転角度に異常が生じた場合、これら２つの従動歯車の回転量の差も異常値を示す。このため、上記の構成によるように、２つのセンサを通じて検出される２つの従動歯車の回転量の差と、２つのセンサを通じて検出される２つの従動歯車の回転量の理想的な差とに基づき、主動歯車の回転角度の異常を検出することができる。

上記の回転角検出装置において、前記異常検出部は、前記２つの従動歯車の回転角度の関係性を示す値として演算される前記２つの従動歯車の回転量の積算値の差と、前記２つの従動歯車の回転量の積算値の理想的な差とに基づき、前記主動歯車の回転角度の異常を検出してもよい。

たとえば２つのセンサを通じて検出される２つの従動歯車の回転角度に異常が生じた場合、これら２つの従動歯車の回転量の積算値の差も異常値を示す。このため、上記の構成によるように、２つのセンサを通じて検出される２つの従動歯車の回転量の積算値の差と、２つのセンサを通じて検出される２つの従動歯車の回転量の積算値の理想的な差とに基づき、主動歯車の回転角度の異常を検出することができる。

上記の回転角検出装置において、前記異常検出部は、前記差の値が、前記理想的な値を基準として定められる許容範囲外の値であるとき、前記主動歯車の回転角度の異常を検出してもよい。

この構成によれば、主動歯車の回転角度の異常が過剰に検出されることを抑制することができる。また、許容範囲の設定如何で、より適切に主動歯車の回転角度の異常を検出することができる。

上記の回転角検出装置において、前記回転検出対象は、車両の操舵装置におけるステアリングシャフトあるいはピニオンシャフトであってもよい。

本発明の回転角検出装置によれば、回転角の異常を検出することができる。

回転角検出装置の第１の実施の形態の概略構成を示すブロック図。 第１の実施の形態のマイクロコンピュータのブロック図。 第１の実施の形態の第１の従動歯車と主動歯車の回転角度との関係、および第２の従動歯車の回転角度と主動歯車の回転角度との関係を示すグラフ。 第１の実施の形態において、傾き調整後の第１の従動歯車の回転角度と主動歯車の回転角度との関係、および傾き調整後の第２の従動歯車の回転角度と主動歯車の回転角度との関係を示すグラフ。 第１の実施の形態において、傾き調整後の第１の従動歯車の回転角度と傾き調整後の第２の従動歯車の回転角度との差と、主動歯車の回転角度との関係を示すグラフ。 第１の実施の形態における実際の主動歯車の回転角度と主動歯車の回転角（絶対値）との関係を示すグラフ。 第１の実施の形態における傾き調整後の第１の従動歯車の回転角度と傾き調整後の第２の従動歯車の回転角度との差の許容範囲を示すグラフ。 第１の実施の形態における主動歯車の回転角度を演算する際に使用するテーブル。 第２の実施の形態のマイクロコンピュータのブロック図。 第２の実施の形態の異常検出部のブロック図。

＜第１の実施の形態＞
以下、回転角検出装置を具体化した第１の実施の形態を説明する。
図１に示すように、回転角検出装置１０は、主動歯車１１、第１の従動歯車１２，および第２の従動歯車１３を有している。これら主動歯車１１、第１の従動歯車１２および第２の従動歯車１３は、合成樹脂材料により形成されている。主動歯車１１は、検出対象であるシャフト１４に対して一体回転可能に嵌められる。第１の従動歯車１２および第２の従動歯車１３は、主動歯車１１と噛み合っている。第１の従動歯車１２の歯数と第２の従動歯車１３の歯数とは互いに異なっている。このため、シャフト１４の回転に連動して主動歯車１１が回転した場合、主動歯車１１の回転角度θに対する第１の従動歯車１２の回転角度αおよび第２の従動歯車１３の回転角度βは互いに異なる値となる。たとえば主動歯車１１の歯数を「ｚ」、第１の従動歯車１２の歯数を「ｍ」、第２の従動歯車１３の歯数を「ｎ」とした場合、主動歯車１１が１回転したとき、第１の従動歯車１２は「ｚ／ｍ」回転、第２の従動歯車１３は「ｚ／ｎ」回転する。

また、回転角検出装置１０は、第１の磁石１５、第２の磁石１６、第１の磁気センサ１７、第２の磁気センサ１８、およびマイクロコンピュータ１９を有している。
第１の磁石１５は、第１の従動歯車１２に対して一体回転可能に設けられている。第２の磁石１６は、第２の従動歯車１３に対して一体回転可能に設けられている。第１の磁気センサ１７は、第１の磁石１５の近傍に設けられていて、第１の磁石１５から発せられる磁界を検出する。第２の磁気センサ１８は、第２の磁石１６の近傍に設けられていて、第２の磁石１６から発せられる磁界を検出する。

第１の磁気センサ１７および第２の磁気センサ１８としては、たとえば４つの磁気抵抗素子がブリッジ状に接続されてなるＭＲセンサが採用される。磁気抵抗素子の抵抗値は、与えられる磁界の向きに応じて変化する。第１の磁気センサ１７は、第１の磁石１５から発せられる磁束の方向の変化に基づき第１の従動歯車１２の回転角度αを検出する。第２の磁気センサ１８は、第２の磁石１６から発せられる磁束の方向の変化に基づき第２の従動歯車１３の回転角度βを検出する。具体的には、つぎの通りである。

第１の磁気センサ１７は、第１の従動歯車１２の回転角度αに応じて連続的に変化する２つのアナログ信号である第１の正弦信号および第１の余弦信号を生成する。第１の正弦信号および第１の余弦信号は、第１の従動歯車１２が第１の磁気センサ１７の検出範囲Ωだけ回転したとき、すなわち主動歯車１１が「（ｍ／ｚ）Ω」だけ回転したときに１周期となる。第１の余弦信号の位相は、第１の正弦信号に対して１／４周期だけずれる。第１の磁気センサ１７は、第１の正弦信号および第１の余弦信号に基づく逆正接を演算することにより、第１の磁気センサ１７の検出範囲（１周期）Ωにおける第１の従動歯車１２の回転角度αを求める。

第２の磁気センサ１８は、第２の従動歯車１３の回転角度βに応じて連続的に変化する２つのアナログ信号である第２の正弦信号および第２の余弦信号を生成する。第２の正弦信号および第２の余弦信号は、第２の従動歯車１３が第２の磁気センサ１８の検出範囲Ωだけ回転したとき、すなわち主動歯車１１が「（ｎ／ｚ）Ω」だけ回転したときに１周期となる。第２の余弦信号の位相は、第２の正弦信号に対して１／４周期だけずれる。第２の磁気センサ１８は、第２の正弦信号および第２の余弦信号に基づく逆正接を演算することにより、第２の磁気センサ１８の検出範囲（１周期）Ωにおける第２の従動歯車１３の回転角度βを求める。

主動歯車１１の回転角度θの変化に対して第１の従動歯車１２の回転角度αおよび第２の従動歯車１３の回転角度βは、図３のグラフに示されるように変化する。図３のグラフにおいて、横軸は主動歯車１１の回転角度θを示す。また、図３のグラフにおいて、縦軸は第１の従動歯車１２の回転角度αおよび第２の従動歯車１３の回転角度βを示す。

図３のグラフに示されるように、主動歯車１１の回転角度θの変化に伴い第１の従動歯車１２の回転角度αは、歯数ｍに応じて所定の周期で立ち上がりと立ち下がりとを繰り返す。具体的には、回転角度αは、第１の従動歯車１２が第１の磁気センサ１７の検出範囲Ωだけ回転する毎に、換言すれば主動歯車１１が「ｍΩ／ｚ」だけ回転する毎に、立ち上がりと立ち下がりとを繰り返す。また、第２の従動歯車１３の回転角度βは、第２の従動歯車１３の歯数ｎに応じて、所定の周期で立ち上がりと立ち下がりとを繰り返す。具体的には、回転角度βは、第２の従動歯車１３が第２の磁気センサ１８の検出範囲Ωだけ回転する毎に、換言すれば主動歯車１１が「ｎΩ／ｚ」だけ回転する毎に、立ち上がりと立ち下がりとを繰り返す。

ここでは一例として、主動歯車１１の歯数ｚを「４８」、第１の従動歯車１２の歯数ｍを「２６」、第２の従動歯車１３の歯数ｎを「２４」、第１の磁気センサ１７および第２の磁気センサ１８の検出範囲Ωを３６０°とした場合について検討する。この場合、第１の従動歯車１２の回転角度αは主動歯車１１が１９５°だけ回転する毎に立ち上がりと立ち下がりとを繰り返す。また、第２の従動歯車１３の回転角度βは主動歯車１１が１８０°だけ回転する毎に、立ち上がりと立ち下がりとを繰り返す。

第１の磁気センサ１７および第２の磁気センサ１８の検出範囲Ωにおける第１の従動歯車１２の回転角度αおよび第２の従動歯車１３の回転角度βの位相差は、主動歯車１１の回転角度θが所定値に達したときに無くなる。このため、主動歯車１１の３６０°を超える多回転の回転角度θの演算範囲（演算できる範囲）は、第１の従動歯車１２の歯数ｍ、第２の従動歯車１３の歯数ｎ、ならびに主動歯車１１の歯数ｚの比により決まる。主動歯車１１の回転角度θの演算範囲Ｒａは、たとえば次式（Ａ）で表される。

Ｒａ＝ｍｎΩ／ｚ（ｍ－ｎ） …（Ａ）
ただし、「ｍ」は第１の従動歯車１２の歯数、「ｎ」は第２の従動歯車１３の歯数、「ｚ」は主動歯車１１の歯数である。また、「Ω」は第１の磁気センサ１７および第２の磁気センサ１８の検出範囲である。

前述と同様に、主動歯車１１の歯数ｚを「４８」、第１の従動歯車１２の歯数ｍを「２６」、第２の従動歯車１３の歯数ｎを「２４」、第１の磁気センサ１７および第２の磁気センサ１８の検出範囲Ωを３６０°とした場合、主動歯車１１の回転角度θの演算範囲は、２３４０°となる。

図３のグラフでは、主動歯車１１の回転角度θの演算範囲Ｒａの中点を原点（回転角度θ＝０°）としている。ここでは主動歯車１１の回転角度θの演算範囲Ｒａが２３４０°であることから、演算範囲Ｒａの上限値は＋１１７０°、下限値は－１１７０°となる。すなわち、この例では、「－１１７０°～＋１１７０°」の範囲で主動歯車１１の回転角度θを絶対値で演算することができる。この演算範囲Ｒａは、シャフト１４の６．５回転（±３．２５回転）に相当する。また、主動歯車１１の回転角度θは、シャフト１４が原点である０°を基準として正方向へ回転するときにはプラス方向へ増大し、逆方向へ回転するときにはマイナス方向へ増大する。

マイクロコンピュータ１９は、第１の磁気センサ１７により検出される第１の従動歯車１２の回転角度α、および第２の磁気センサ１８により検出される第２の従動歯車１３の回転角度βを使用して主動歯車１１、すなわちシャフト１４の３６０°を超える多回転の回転角度θを絶対値で演算する。

つぎに、マイクロコンピュータの構成を詳細に説明する。
図２に示すように、マイクロコンピュータ１９は、傾き調整部２１、差分演算部２２、回転演算部２３、絶対角度演算部２４、および異常検出部２５を有している。

傾き調整部２１は、主動歯車１１の回転角度θの変化量に対する第１の従動歯車１２の回転角度αの変化量の比率である第１の傾き、および主動歯車１１の回転角度θの変化量に対する第２の従動歯車１３の回転角度βの変化量の比率である第２の傾きを、これら傾きが同じ値になるように調整する。

傾き調整部２１は、たとえば第１の磁気センサ１７により検出される第１の従動歯車１２の回転角度αに次式（Ｂ１）で表される重みＷ_αを乗ずるとともに、第２の磁気センサ１８により検出される第２の従動歯車１３の回転角度βに次式（Ｂ２）で表される重みＷ_βを乗ずる。これにより、主動歯車１１の回転角度θに対する第１の従動歯車１２の回転角度αの傾きと、主動歯車１１の回転角度θに対する第２の従動歯車１３の回転角度βの傾きとが同じになる。

Ｗ_α＝ｍ／ＬＣＭ_ｍｎ …（Ｂ１）
Ｗ_β＝ｎ／ＬＣＭ_ｍｎ …（Ｂ２）
ただし、「ｍ」は第１の従動歯車１２の歯数、「ｎ」は第２の従動歯車１３の歯数である。また、「ＬＣＭ_ｍｎ」は、第１の従動歯車１２の歯数ｍと第２の従動歯車１３の歯数ｎとの最小公倍数である。

図４のグラフに示すように、主動歯車１１の回転角度θの変化に対する傾き調整後の第１の従動歯車１２の回転角度α′の変化を示す第１の波形の傾きと、主動歯車１１の回転角度θの変化に対する傾き調整後の第２の従動歯車１３の回転角度β′の変化を示す第２の波形の傾きとは互いに平行となる。

差分演算部２２は、傾き調整部２１による傾き調整後の第１の従動歯車１２の回転角度α′と第２の従動歯車１３の回転角度β′との差Δαβを演算する。主動歯車１１の回転角度θと差Δαβとの関係は、つぎの通りである。

図５のグラフに示すように、差Δαβの値は、第１の従動歯車１２の回転角度αあるいは傾き調整部２１による傾き調整後の第１の従動歯車１２の回転角度α′が立ち上がりと立ち下がりを繰り返す周期ごとに、主動歯車１１の回転角度θに対して固有の値となる。すなわち、差Δαβの値は、第１の従動歯車１２の回転角度αあるいは傾き調整部２１による傾き調整後の第１の従動歯車１２の回転角度α′の周期数に対して固有の値となる。

また、差Δαβの値は、第２の従動歯車１３の回転角度βあるいは傾き調整部２１による傾き調整後の第２の従動歯車１３の回転角度β′が立ち上がりと立ち下がりを繰り返す周期ごとに、主動歯車１１の回転角度θに対して固有の値となる。すなわち、差Δαβの値は、第２の従動歯車１３の回転角度βあるいは傾き調整部２１による傾き調整後の第２の従動歯車１３の回転角度β′の周期数に対して固有の値となる。

回転演算部２３は、差分演算部２２により演算される差Δαβの値に基づき第１の従動歯車１２の周期数γ_１を演算する。周期数γ_１とは、第１の磁気センサ１７により生成される第１の正弦信号および第１の余弦信号の何周期目か、すなわち第１の磁気センサ１７の検出範囲（１周期）を何回繰り返しているかを示す整数値をいう。

回転演算部２３は、図示しない記憶装置に格納されるテーブルを参照することにより第１の従動歯車１２の周期数γ_１を演算する。
図８に示すように、テーブルＴＢは、３つの項目、すなわち傾き調整後の回転角度α′と回転角度β′との差Δαβの値の後述する許容範囲、差Δαβの理想値、および第１の従動歯車１２の周期数γ_１の関係を規定する。図８の例では、分類番号ＴＮ１～ＴＮ２７で示されるように、主動歯車１１の回転角度θの演算範囲の全域において、第１の磁気センサ１７の検出範囲である３６０°毎に前述の３つの項目が規定されている。

ただし実際には、テーブルＴＢとして、第１の磁気センサ１７の分解能および第１の従動歯車１２の歯数ｍなどに応じて決まる第１の従動歯車１２の回転角度αの最小検出角度（たとえば２°）ごとに、前述の３つの項目を分類番号ＴＮ１～ＴＮ２７に振り分けて設定したものを採用する。

回転演算部２３は、差分演算部２２により演算される差Δαβの値が属する分類番号ＴＮ１～ＴＮ２７を判定し、その判定される分類番号に対応する第１の従動歯車１２の周期数γ_１を検出する。たとえば、差分演算部２２により演算される差Δαβの値が「－２１６０°」である場合、この差Δαβの値は分類番号ＴＮ７に属するため、第１の従動歯車１２の周期数γ_１が「－６」であることが分かる。

絶対角度演算部２４は、第１の磁気センサ１７により検出される第１の従動歯車１２の回転角度αおよび回転演算部２３により演算される第１の従動歯車１２の周期数γ_１に基づき、主動歯車１１の回転角度θを絶対角で演算する。主動歯車１１の３６０°を超える多回転の回転角度θは、たとえば次式（Ｃ）に基づき求められる。

θ＝ｍα／ｚ＋（ｍ／ｚ）Ωγ_１ …（Ｃ）
ただし、「ｍ」は第１の従動歯車１２の歯数、「ｎ」は第２の従動歯車１３の歯数、「ｚ」は主動歯車１１の歯数である。「Ω」は第１の磁気センサ１７および第２の磁気センサ１８の検出範囲である。「α」は第１の磁気センサ１７により検出される第１の従動歯車１２の回転角度である。「ｍα／ｚ」は、第１の磁気センサ１７の検出範囲Ωにおける第１の従動歯車１２の回転角度αに対する主動歯車１１の回転角度を示す。

主動歯車１１の実際の回転角度θと、絶対角度演算部２４により演算される主動歯車１１の回転角度θ（絶対角）との関係は、図６のグラフに示される通りである。
図６のグラフにおいて、横軸は主動歯車１１の実際の回転角度θ、縦軸は絶対角度演算部２４により演算される主動歯車１１の回転角度θ（絶対角）を示す。図６のグラフに示すように、主動歯車１１の回転角度θ（絶対角）は、主動歯車１１の実際の回転角度θの変化に伴い直線的に変化する。主動歯車１１の実際の回転角度θと、主動歯車１１の回転角度θ（絶対角）とが比例関係にあることから、主動歯車１１の実際の回転角度θと主動歯車１１の回転角度θ（絶対角）とは１対１で対応する。すなわち、主動歯車１１の回転角度θ（絶対角）、すなわちシャフト１４の絶対回転角度を即時に検出することが可能となる。

異常検出部２５は、差分演算部２２により演算される傾き調整後の回転角度α′と回転角度β′との差Δαβの値に基づき、絶対角度演算部２４により演算される主動歯車１１の回転角度θ（絶対角）の異常を検出する。これは、差Δαβの値が異常であるとき、当該差Δαβの値に基づき演算される第１の従動歯車１２の周期数γ_１、ひいては当該周期数γ_１に基づき演算される主動歯車１１の回転角度θについても異常である蓋然性が高いことに基づく。異常検出部２５は、差Δαβの値が理想的な差Δαβの値である理想値を基準として定められる許容範囲外の値であるとき、絶対角度演算部２４により演算される主動歯車１１の回転角度θ（絶対角）が異常である旨判定する。

図７のグラフに示すように、差Δαβの許容範囲は、上限値εと下限値－εとで規定される。上限値εは、差Δαβの理想値である「０」を基準とする正の値に設定される。下限値－εは、差Δαβの理想値である「０」を基準とする負の値に設定される。これら上限値εおよび下限値－εの設定方法については、後に詳述する。

異常検出部２５は、傾き調整後の第１の従動歯車１２の回転角度α′と第２の従動歯車１３の回転角度β′との差Δαβの値が、その理想値に対して「±ε」の範囲内の値であるとき、絶対角度演算部２４により演算される主動歯車１１の回転角度θが正常である判定する。異常検出部２５は、傾き調整後の第１の従動歯車１２の回転角度α′と第２の従動歯車１３の回転角度β′との差Δαβの値が、その理想値に対して「±ε」の範囲外の値であるとき、絶対角度演算部２４により演算される主動歯車１１の回転角度θが異常である旨判定する。

ちなみに、主動歯車１１の回転角度θの異常が検出される場合、その旨運転者などに報知することにより、回転角検出装置１０を修理するなどの何らかの対処を促すことが可能となる。また、主動歯車１１の回転角度θの異常が検出される場合、主動歯車１１の回転角度θの演算を中止したり、演算される回転角度θを使用しないようにしたりすることによって、回転角検出装置１０の検出信頼性を確保することも可能となる。

＜上限値および下限値の設定方法＞
つぎに、上限値εおよび下限値－εの設定方法を説明する。
上限値εおよび下限値－εは、傾き調整後の回転角度α′と回転角度β′との差Δαβの理想値と実際値とに基づき求められる。差Δαβの理想値Δαβ_１は、次式（Ｄ１）で表される。差Δαβの実際値Δαβ_２は、次式（Ｄ２）で表される。

Δαβ_１＝α′・Ｗ_α－β′・Ｗ_β …（Ｄ１）
Δαβ_２＝Δαβ_１＋δ_αβ＝（α′＋δ_α）・Ｗ_α－（β′＋δ_β）・Ｗ_β …（Ｄ２）
ただし、「α′」は傾き調整後の第１の従動歯車１２の回転角度、「β′」は傾き調整後の第２の従動歯車１３の回転角度である。また、「Ｗ_α」は先の式（Ｂ１）により求められる第１の従動歯車１２の回転角度αに対する重み、「Ｗ_β」は先の式（Ｂ２）により求められる第２の従動歯車１３の回転角度βに対する重みである。

また、「δ_αβ」は、差Δαβの理想値Δαβ_１に対して許容される最大の公差である。「δ_α」は、回転角検出装置１０が正常である場合、傾き調整後の第１の従動歯車１２の回転角度α′を演算する際に許容される最大の公差である。「δ_β」は、回転角検出装置１０が正常である場合、傾き調整後の第２の従動歯車１３の回転角度β′を演算する際に許容される最大の公差である。

公差δ_αには、たとえば主動歯車１１と第１の従動歯車１２との間のバックラッシおよび組み立て公差などの機械的な公差、ならびに第１の磁気センサ１７の検出精度および温度特性などに起因する電気的な公差が含まれる。また、公差δ_βには、たとえば主動歯車１１と第２の従動歯車１３との間のバックラッシおよび組み立て公差などの機械的な公差、ならびに第２の磁気センサ１８の検出精度および温度特性などに起因する電気的な公差が含まれる。

したがって、次式（Ｄ３）で表されるように、先の式（Ｄ１），（Ｄ２）から差Δαβの理想値Δαβ_１に対して許容される最大の公差δ_αβを求めることができる。
δ_αβ＝δ_α・Ｗ_α－δ_β・Ｗ_β …（Ｄ３）
本実施の形態では、次式（Ｄ４）で表されるように、差Δαβの理想値Δαβ_１に対して許容される最大の公差δ_αβの絶対値が上限値εおよび下限値－εの絶対値として設定される。

│δ_αβ│＝│±ε│ …（Ｄ４）
このため、差Δαβの許容範囲Ｒ_αβは、次式（Ｄ５）で表される。
Ｒ_αβ＝Δαβ_１±ε …（Ｄ５）
＜第１の実施の形態の効果＞
したがって、第１の実施の形態によれば、以下の効果を得ることができる。

（１）傾き調整後の第１の従動歯車１２の回転角度α′と第２の従動歯車１３の回転角度β′との差Δαβの値に基づき、絶対角度演算部２４により演算される主動歯車１１の回転角度θの異常を検出することができる。これは、差Δαβの値が異常であるとき、当該差Δαβの値に基づき演算される第１の従動歯車１２の周期数γ_１、ひいては当該周期数γ_１に基づき演算される主動歯車１１の回転角度θについても異常である蓋然性が高いことに基づく。

（２）異常検出部２５は、差分演算部２２により演算される差Δαβの値が、その差Δαβの理想値を基準として定められる許容範囲外の値であるとき、絶対角度演算部２４により演算される主動歯車１１の回転角度θの異常を検出する。このため、主動歯車１１の回転角度θが異常である旨過剰に判定されることが抑制される。

たとえば、単に差Δαβの値と、その理想値との比較に基づき主動歯車１１の回転角度θの異常を判定するようにした場合、つぎのようなことが懸念される。すなわち、第１の従動歯車１２および第２の従動歯車１３の寸法公差などに起因して差Δαβの値が理想値と異なる値になることがあるところ、このような場合であれ主動歯車１１の回転角度θが異常である旨判定されるおそれがある。このため、差Δαβの値がその理想値を基準として定められる許容範囲内の値であるかどうかに基づき主動歯車１１の回転角度θの異常を判定することが好ましい。本実施の形態では、差Δαβの値の許容範囲を製品仕様などに応じて許容される最大の公差に基づき設定されるため、主動歯車１１の回転角度θの異常をより適切に検出することができる。また、回転角検出装置１０の動作信頼性を確保することもできる。

（３）主動歯車１１、第１の従動歯車１２および第２の従動歯車１３は、合成樹脂材料により形成されている。このため、歯車の噛合に伴う異音の発生を抑えることができる反面、長期間の使用に伴い第１の従動歯車１２および第２の従動歯車１３が摩耗するおそれがある。この摩耗に起因して、主動歯車１１に対する従動歯車（１２，１３）の噛合状態が変化することにより、磁気センサ（１７，１８）により検出される従動歯車の回転角度α，β、ひいてはこれら回転角度α，βに基づき演算される主動歯車１１の回転角度θが異常な値を示すことが懸念される。したがって、主動歯車１１、第１の従動歯車１２および第２の従動歯車１３が合成樹脂材料により形成されている場合、主動歯車１１の回転角度θの異常を検出することが特に要求される。

（４）主動歯車１１の回転角度θの異常を検出するための特別な構成を回転角検出装置１０に設ける必要がない。このため、回転角検出装置１０の構成が複雑になることもない。

（５）図５のグラフに示されるように、傾き調整後の第１の従動歯車１２の回転角度α′と第２の従動歯車１３の回転角度β′との差Δαβの値は、傾き調整後の回転角度α′，β′が主動歯車１１の回転角度θの変化に対して立ち上がりと立ち下がりとを繰り返す周期ごとに、主動歯車１１の回転角度θに対して固有の値となる。このため、差Δαβの値は、第１の従動歯車１２の周期数γ_１あるいは第２の従動歯車１３の周期数γ_２、ひいては主動歯車１１の回転角度θを検出する用途に好適である。また、図５のグラフに示されるように、差Δαβの値は、主動歯車１１の回転角度θの変化に対して矩形波状に変化する。このため、異常検出部２５は、差Δαβの値をパターンとして認識しやすくなり、ひいては差Δαβの値とその理想値との比較を行いやすくなる。したがって、差Δαβの値は、主動歯車１１の回転角度θの異常を検出する用途に好適である。ちなみに、傾き調整前の回転角度α，βの差の値は、たとえば主動歯車１１の回転角度θの変化に対して直線状に変化する。

＜第２の実施の形態＞
つぎに、回転角検出装置を具体化した第２の実施の形態を説明する。本実施の形態は、基本的には先の図１および図２に示される第１の実施の形態と同様の構成を有している。本実施の形態は、主動歯車１１の回転角度θの異常判定方法の点で第１の実施の形態と異なる。したがって、第１の実施の形態と同一の部材および構成については同一の符号を付し、その詳細な説明を割愛する。

先の第１の実施の形態によれば、傾き調整後の第１の従動歯車１２の回転角度α′と第２の従動歯車１３の回転角度β′との差Δαβの値が、その許容範囲外の値であるかどうかに基づき、主動歯車１１の回転角度θの異常を検出することができる。

ところが、回転角検出装置１０には、つぎのような事象が発生することが懸念される。たとえば主動歯車１１と第１の従動歯車１２との噛み合い、あるいは主動歯車１１と第２の従動歯車１３との噛み合いにおいて、いわゆる歯飛びが発生することが考えられる。また、磁気センサ（１７，１８）などの異常に起因して、従動歯車（１２，１３）の回転角度（α，β）として実際とは異なる異常値が演算される、いわゆるオフセット誤差が発生することも考えられる。そして、これらの事象に起因して、差Δαβの値が本来の周期数γ_１に対応する許容範囲を大きく外れることにより、本来と異なる他の周期数γ_１に対応する許容範囲内の値になることが想定される。

たとえば、先の図８に示すように、差Δαβの値が本来は「０」であるにもかかわらず、回転角検出装置１０の異常に起因して差Δαβの値が「３６０」と誤って演算される場合、回転演算部２３は本来の周期数γ_１が「０」であるにもかかわらず、周期数γ_１を「－１」と誤って認識する。この場合、誤って認識された差Δαβの値である「３６０」は、周期数γ_１が「－１」であるときの差Δαβの許容範囲内の値であるため、異常検出部２５は異常を検出することが困難である。そこで、本実施の形態では、マイクロコンピュータ１９として、つぎの構成を採用している。

図９に示すように、マイクロコンピュータ１９は、異常検出部２５に加えて、もう一つの異常検出部２６を有している。この異常検出部２６は、第１の従動歯車１２の回転量および第２の従動歯車１３の回転量に基づき、絶対角度演算部２４により演算される主動歯車１１の回転角度θの異常を検出する。

図１０に示すように、異常検出部２６は、２つの前回値保持部３１ａ，３１ｂ、２つの減算器３２ａ，３２ｂ、２つの積算値保持部３３ａ，３３ｂ、２つの加算器３４ａ，３４ｂ、換算部３５、差分演算部３６、および判定部３７を有している。

前回値保持部３１ａは、第１の磁気センサ１７により演算される第１の従動歯車１２の回転角度αを取り込み、この取り込まれる回転角度αを保持する。第１の磁気センサ１７は、所定の演算周期で回転角度αを演算するところ、前回値保持部３１ａに保持される回転角度αは第１の磁気センサ１７により回転角度αが演算される度に更新される。すなわち、前回値保持部３１ａに保持されている回転角度αは、第１の磁気センサ１７により演算される今回値としての回転角度αに対する前回値（一演算周期前の回転角度α）である。

減算器３２ａは、第１の磁気センサ１７により演算される回転角度αの今回値から、前回値保持部３１ａに保持されている回転角度αの前回値を減算することにより、第１の従動歯車１２の一演算周期における回転量Δαを演算する。

積算値保持部３３ａは、後述する加算器３４ａにより演算される積算値Σ_αを取り込み、この取り込まれる積算値Σ_αを保持する。積算値保持部３３ａに保持される積算値Σ_αは加算器３４ａにより積算値Σ_αが演算される度に更新される。すなわち、積算値保持部３３ａに保持されている積算値Σ_αは、加算器３４ａにより演算される積算値Σ_αの今回値に対する前回値（一演算周期前の積算値Σ_α）である。

加算器３４ａは、減算器３２ａにより演算される第１の従動歯車１２の一演算周期における回転量Δαの今回値と、積算値保持部３３ａに保持されている回転量Δαの積算値Σ_αの前回値とを加算することにより、積算値Σ_αの今回値を演算する。

前回値保持部３１ｂは、第２の磁気センサ１８により演算される第２の従動歯車１３の回転角度βを取り込み、この取り込まれる回転角度βを保持する。前回値保持部３１ｂに保持されている回転角度βは、第２の磁気センサ１８により演算される回転角度βの今回値に対する前回値（一演算周期前の回転角度β）である。

減算器３２ｂは、第２の磁気センサ１８により演算される回転角度βの今回値から、前回値保持部３１ｂに保持されている回転角度βの前回値を減算することにより、第２の従動歯車１３の一演算周期における回転量Δβを演算する。

積算値保持部３３ｂは、後述する加算器３４ｂにより演算される積算値Σ_βを取り込み、この取り込まれる積算値Σ_βを保持する。積算値保持部３３ｂに保持されている積算値Σ_βは、加算器３４ｂにより演算される積算値Σ_βの今回値に対する前回値である。

加算器３４ｂは、減算器３２ｂにより演算される第２の従動歯車１３の一演算周期における回転量Δβの今回値と、積算値保持部３３ｂに保持されている回転量Δβの積算値Σ_βの前回値とを加算することにより、積算値Σ_βの今回値を演算する。

換算部３５は、加算器３４ａにより演算される回転量Δαの積算値Σ_αを主動歯車１１の回転角度θ_αに換算する。また、換算部３５は加算器３４ｂにより演算される回転量Δβの積算値Σ_βを主動歯車１１の回転角度θ_βに換算する。これら換算される回転角度θ_α，θ_βは、理論的には同じ値になる。

換算部３５は、たとえば加算器３４ａにより演算される回転量Δαの積算値Σ_αに対して、主動歯車１１と第１の従動歯車１２とのギヤ比（＝ｚ／ｍ）を乗算することにより、主動歯車１１の回転角度θ_αを演算する。また、換算部３５は、加算器３４ｂにより演算される回転量Δβの積算値Σ_βに対して、主動歯車１１と第２の従動歯車１３とのギヤ比（＝ｚ／ｎ）を乗算することにより、主動歯車１１の回転角度θ_βを演算する。

差分演算部３６は、換算部３５により演算される２つの回転角度θ_α，θ_βの差Δθ_αβを演算する。回転角度θ_αと回転角度θ_βとは理論的には同じ値になるため、差Δθ_αβの値は理論的には「０」となる。

判定部３７は、差分演算部３６により演算される２つの回転角度θ_α，θ_βの差Δθ_αβの値が理想的な差Δθ_αβの値である理想値を基準として定められる許容範囲外の値であるとき、絶対角度演算部２４により演算される主動歯車１１の回転角度θが異常である旨判定する。

差Δθ_αβの許容範囲は、上限値κと下限値－κとで規定される。上限値κは、差Δθ_αβの理想値である「０」を基準とする正の値に設定される。下限値－κは、差Δθ_αβの理想値である「０」を基準とする負の値に設定される。これら上限値κおよび下限値－κの設定方法については、後に詳述する。

判定部３７は、差分演算部３６により演算される２つの回転角度θ_α，θ_βの差Δθ_αβの値が、その理想値（ここでは、「０」）に対して「±κ」の範囲内の値であるとき、絶対角度演算部２４により演算される主動歯車１１の回転角度θが正常である判定する。判定部３７は、差分演算部３６により演算される２つの回転角度θ_α，θ_βの差Δθ_αβの値が、その理想値に対して「±κ」の範囲外の値であるとき、絶対角度演算部２４により演算される主動歯車１１の回転角度θが異常である旨判定する。

つぎに、上限値κおよび下限値－κの設定方法を説明する。
上限値κおよび下限値－κは、差分演算部３６により演算される２つの回転角度θ_α，θ_βの差Δθ_αβの理想値と実際値とに基づき求められる。差Δθ_αβの理想値Δθ_αβ１は、次式（Ｅ１）で表される。差Δθ_αβの実際値Δθ_αβ２は、次式（Ｅ２）で表される。

Δθ_αβ１＝θ_α・λ_１－θ_β・λ_２＝０ …（Ｅ１）
Δθ_αβ２＝（θ_α＋δ_１）・λ_１－（θ_β＋δ_２）・λ_２＝０ …（Ｅ２）
ただし、「λ_１」は主動歯車１１と第１の従動歯車１２とのギヤ比（＝ｚ／ｍ）、「λ_２」は主動歯車１１と第２の従動歯車１３とのギヤ比（＝ｚ／ｎ）である。「δ_１」は、回転角検出装置１０が正常である場合、差分演算部３６により演算される回転角度θ_αに許容される最大の公差である。「δ_２」は、回転角検出装置１０が正常である場合、差分演算部３６により演算される回転角度θ_βに許容される最大の公差である。

公差δ_１には、たとえば主動歯車１１と第１の従動歯車１２との間のバックラッシおよび組み立て公差などの機械的な公差、ならびに第１の磁気センサ１７の検出精度および温度特性などに起因する電気的な公差が含まれる。また、公差δ_２には、たとえば主動歯車１１と第２の従動歯車１３との間のバックラッシおよび組み立て公差などの機械的な公差、ならびに第２の磁気センサ１８の検出精度および温度特性などに起因する電気的な公差が含まれる。

したがって、次式（Ｅ３）で表されるように、先の式（Ｅ１），（Ｅ２）から差Δθ_αβの理想値Δθ_αβ１に対して許容される最大の公差δ_１２を求めることができる。
δ_１２＝δ_１・λ_１－δ_２・λ_２ …（Ｅ３）
本実施の形態では、次式（Ｅ４）で表されるように、差Δθ_αβの理想値Δθ_αβ１に対して許容される最大の公差δ_１２の絶対値が上限値κおよび下限値－κの絶対値として設定される。

│δ_１２│＝│±κ│ …（Ｅ４）
このため、差Δθ_αβの許容範囲Ｒ_Δαβは、次式（Ｅ５）で表される。
Ｒ_Δαβ＝Δθ_αβ１±κ …（Ｅ５）
したがって、第２の実施の形態によれば、以下の効果を得ることができる。

（６）２つの従動歯車（１２，１３）の少なくとも一方が主動歯車１１の回転角度θに対して適切に回転していない場合、差分演算部３６により演算される２つの回転角度θ_α，θ_βの差Δθ_αβの値が、その許容範囲Ｒ_Δαβ外の値となる。このため、差分演算部３６により演算される２つの回転角度θ_α，θ_βの差Δθ_αβの値が、その許容範囲Ｒ_Δαβ内の値であるかどうかに基づき、従動歯車（１２，１３）が主動歯車１１の回転角度θに対して適切に回転しているかどうかを判定することができる。ひいては、絶対角度演算部２４により演算される主動歯車１１の回転角度θが正常であるかどうかを判定することができる。

（７）また、従動歯車（１２，１３）の回転量（Δα、Δβ）の積算値（Σ_α，Σ_β）を主動歯車１１の回転角度θ_α，θ_βに換算し、これら換算される回転角度θ_α，θ_βに基づき、主動歯車１１の回転角度θの異常を検出する。たとえば、主動歯車１１と２つの従動歯車（１２，１３）のいずれか一方との噛み合いにおいて、いわゆる歯飛びが発生した場合、第１の従動歯車１２の回転量Δαの積算値Σ_αと、第２の従動歯車１３の回転量Δβの積算値Σ_βとが大きく乖離する。このため、２つの回転角度θ_α，θ_βの差Δθ_αβは、許容範囲Ｒ_Δαβから外れた値になる蓋然性が高い。このため、差Δαβの値が本来の周期数γ_１に対応する許容範囲を大きく外れることにより、本来と異なる他の周期数γ_１に対応する許容範囲内の値になるなどの異常についても適切に検出することができる。

＜他の実施の形態＞
なお、第１および第２の実施の形態は、つぎのように変更して実施してもよい。
・第１の実施の形態において、マイクロコンピュータ１９として、傾き調整部２１を割愛した構成を採用してもよい。第１の磁気センサ１７により検出される第１の従動歯車１２の回転角度αと第２の磁気センサ１８により検出される第２の従動歯車１３の回転角度αとの差の値と、当該差の理想値との比較を通じて、主動歯車１１の回転角度θの異常を検出することも可能である。

・第１の実施の形態において、先の図２に二点鎖線で示すように、異常検出部２５は、主動歯車１１の回転角度θの異常を検出するに際して、回転演算部２３により演算される周期数γ_１を取り込み、この取り込まれる周期数γ_１に基づき、先の図８に示されるテーブルＴＢを参照するようにしてもよい。このようにすれば、異常検出部２５は、周期数γ_１が分かることによって、差分演算部２２により演算される傾き調整後の回転角度α′と回転角度β′との差Δαβの今回値の許容範囲を、より迅速に認識することができる。このため、異常検出部２５は主動歯車の回転角度θの異常をより迅速に検出することができる。

・第２の実施の形態において、マイクロコンピュータ１９として、主動歯車１１の回転角度θの異常を検出する部分として、異常検出部２６のみを有する構成を採用してもよい。このようにしても、主動歯車１１の回転角度θの異常を検出することができる。

・第２の実施の形態において、製品仕様などによって、いわゆる歯飛びなどに起因する主動歯車１１の回転角度θの異常を検出しなくてもよいのであれば、先の図１０に示される異常検出部２６として、加算器３４ａ，３４ｂおよび積算値保持部３３ａ，３３ｂを割愛した構成を採用してもよい。この場合、換算部３５は２つの従動歯車（１２，１３）の回転量Δα，Δβを主動歯車１１の回転角度θ_α，θ_βに換算する。また、差分演算部３６は、換算部３５により換算された回転角度θ_α，θ_βの差Δθ_αβを演算する。そして判定部３７は、差Δθ_αβの値が、その理想値を基準として設定される許容範囲内の値であるかどうかに基づき、主動歯車１１の回転角度θの異常を検出する。ただし、許容範囲を規定する上限値κおよび下限値－κは、つぎのようにして設定される。

すなわち、この場合の差Δθ_αβの理想値Δθ_αβ１は、次式（Ｆ１）で表される。また、この場合の差Δθ_αβの実際値Δθ_αβ２は、次式（Ｆ２）で表される。
Δθ_αβ１＝Δα・λ_１－Δβ・λ_２＝０ …（Ｆ１）
Δθ_αβ２＝（Δα＋δ_１）・λ_１－（Δβ＋δ_２）・λ_２＝０ …（Ｆ２）
したがって、次式（Ｆ３）で表されるように、先の式（Ｆ１），（Ｆ２）から差Δθ_αβの理想値Δθ_αβ１に対して許容される最大の公差δ_１２を求めることができる。

δ_１２＝δ_１・λ_１－δ_２・λ_２ …（Ｆ３）
そして、次式（Ｆ４）で表されるように、差Δθ_αβの理想値Δθ_αβ１に対して許容される最大の公差δ_１２の絶対値が上限値κおよび下限値－κの絶対値として設定される。

│δ_１２│＝│±κ│ …（Ｆ４）
・第１および第２の実施の形態において、主動歯車１１、第１の従動歯車１２および第２の従動歯車１３は、金属材料により形成してもよい。

・第１および第２の実施の形態において、回転演算部２３は、差分演算部２２により演算される差Δαβの値に基づき第２の従動歯車１３の周期数γ_２を演算するようにしてもよい。この場合、テーブルＴＢとしては、差Δαβと第２の従動歯車１３の周期数γ_２との関係を規定するものを採用する。回転演算部２３により第２の従動歯車１３の周期数γ_２が演算される構成が採用される場合、絶対角度演算部２４は、第２の磁気センサ１８により検出される第２の従動歯車１３の回転角度βおよび回転演算部２３により演算される第２の従動歯車１３の周期数γ_２に基づき、主動歯車１１の３６０°を超える多回転の回転角度θを絶対値で演算する。このようにしても、主動歯車１１の回転角度θ、すなわちシャフト１４の絶対回転角度を即時に検出することが可能である。

・第１および第２の実施の形態において、２つの従動歯車（１２，１３）の回転角度α，βを検出する磁気センサ（１７，１８）として、ホールセンサあるいはレゾルバなどを採用してもよい。また、２つの従動歯車（１２，１３）の回転角度α，βを検出するセンサとして、光学式のセンサを採用してもよい。

・第１および第２の実施の形態において、第１の従動歯車１２の回転角度αおよび第２の従動歯車１３の回転角度βは、マイクロコンピュータ１９、具体的には絶対角度演算部２４により演算するようにしてもよい。

・第１および第２の実施の形態において、シャフト１４の一例としては、車両の操舵装置において、ステアリングホイールの操作に連動して回転するステアリングシャフト、あるいはラックアンドピニオン機構を構成するピニオンシャフトなどが挙げられる。また、回転角検出装置１０は、車両の操舵装置以外の種々の機械装置のシャフトの回転角度を検出する用途に好適である。

１０…回転角検出装置、１１…主動歯車、１２…第１の従動歯車、１３…第２の従動歯車、１４…シャフト（回転検出対象、ステアリングシャフト、ピニオンシャフト）、１７…第１の磁気センサ、１８…第２の磁気センサ、１９…マイクロコンピュータ（演算回路）、２５，２６…異常検出部、α…第１の従動歯車の回転角度、β…第２の従動歯車の回転角度、Δα…第１の従動歯車の回転量、Δβ…第２の従動歯車の回転量、Σα…第１の従動歯車の回転量の積算値、Σβ…第２の従動歯車の回転量の積算値。

Claims (4)

1. 回転検出対象と一体回転する主動歯車と、
   前記主動歯車に噛合する歯数の異なる２つの従動歯車と、
   前記２つの従動歯車の回転角度を検出する２つのセンサと、
   前記２つのセンサを通じて検出される前記２つの従動歯車の回転角度に基づき前記主動歯車の回転角度を演算する演算回路と、を有し、
   前記演算回路は、前記２つのセンサを通じて検出される前記２つの従動歯車の回転角度の関係性が、前記演算回路により演算される前記主動歯車の回転角度が正常であるときの関係性と異なるとき、前記演算回路により演算される前記主動歯車の回転角度の異常を検出する異常検出部を有し、
   前記異常検出部は、前記２つの従動歯車の回転角度の関係性を示す値として演算される前記２つの従動歯車の回転量の積算値の差と、前記２つの従動歯車の回転量の積算値の理想的な差とに基づき、前記主動歯車の回転角度の異常を検出する第１の異常検出部を含み、
   前記主動歯車の回転角度の異常は、前記主動歯車と前記２つの従動歯車との間の噛み合いにおける歯飛びに起因する前記主動歯車の回転角度の異常を含む回転角検出装置。
2. 前記異常検出部は、前記２つの従動歯車の回転角度の関係性を示す値として演算される前記２つの従動歯車の回転角度の差と、前記２つの従動歯車の回転角度の理想的な差とに基づき、前記主動歯車の回転角度の異常を検出する第２の異常検出部を含む請求項１に記載の回転角検出装置。
3. 前記異常検出部は、前記差が、前記理想的な値を基準として定められる許容範囲外の値であるとき、前記主動歯車の回転角度の異常を検出する請求項１または請求項２に記載の回転角検出装置。
4. 前記回転検出対象は、車両の操舵装置におけるステアリングシャフトあるいはピニオンシャフトである請求項１～請求項３のうちいずれか一項に記載の回転角検出装置。

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