WO2006085499A1 - 回転角度およびトルク検出装置 - Google Patents

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rotation angle
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magnetic detection
magnetic
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PCT/JP2006/301956
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Kiyotaka Uehira
Noritaka Ichinomiya
Kouji Oike
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Matsushita Electric Industrial Co., Ltd.
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Definitions

  • the present invention relates to a rotation angle and torque detection device that detects an absolute rotation angle and torque of a rotation device such as a power steering of a vehicle.
  • FIG. 24 is a configuration diagram of a conventional torque sensor 5001 disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 11-194007.
  • the gear portion 33 is attached to a rotation shaft (not shown) whose rotation angle is to be detected via an engagement panel 34.
  • the gear portion 33 is in mesh with the gear portion 36.
  • a code plate 35 having a plurality of magnetic poles is attached to the outer peripheral end face of the gear portion 36.
  • the magnetic pole provided on the code plate 35 moves according to the rotation of the rotary shaft.
  • the rotation angle of the rotating shaft is detected by counting the number of moving magnetic poles with the detecting element 37 provided facing the outer peripheral end face of the gear portion 36.
  • the torque sensor 5001 Since the torque sensor 5001 detects the rotation angle by counting the number of magnetic poles that move the rotation angle of the shaft, it is necessary to reduce the magnetic pole in order to improve the resolution. In addition, since the code plate 35 is coupled to the shaft via the gear portions 33 and 36, it is difficult to improve the detection accuracy of the rotation angle due to knock lash or the like. The torque sensor 5001 can detect the relative rotation angle but cannot detect the absolute rotation angle.
  • FIG. 25 is a configuration diagram of a conventional torque detector 5002 disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 2003-98018. Ferromagnetic targets 1100 and 1101 are attached to shafts 1102 and 1103, respectively, whose rotation angles are to be detected. The targets 1100 and 1101 are placed opposite to the magnetic sensors 1104A, 1104B, 1105A and 1105B. By detecting the rotational displacement of the targets 1100 and 1101 with the magnetic sensors 1104A, 1104B, 1105A and 1105B, the rotational angle of the arithmetic processing axis 1106 ⁇ and the axes 1102 and 1103 is detected. Axis on axis 1102, 1103f3 ⁇ 4 When the rotation angle difference between the shaft 1102 and the shaft 1103 occurs,
  • 1106 can detect the amount of torque that has acted by comparing the difference in rotation angle between the targets 1100 and 1101.
  • the targets 1100 and 1101 made of a ferromagnetic material must be processed with high accuracy because variations in the dimensional accuracy of the materials affect the detection accuracy. Furthermore, a magnet for bias is required for the magnetic sensors 1104A, 1104B, 1105A, 1105B.
  • the rotation angle and torque detection device includes a first rotating body, a first target fixed to the first rotating body, a first gear fixed to the first rotating body, and a first gear.
  • This detection apparatus can detect a multi-turn absolute rotation angle and torque with high accuracy and high resolution.
  • FIG. 1 is a configuration diagram of an absolute rotation angle and torque detection device according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 2A shows a signal output from the magnetic detection element of the detection apparatus in the first embodiment.
  • FIG. 2B shows mechanical rotations of the input shaft and output shaft of the detection device in Embodiment 1. The relationship between a rotation angle and the rotation angle in a calculation is shown.
  • FIG. 3A shows a signal output from the magnetic detection element of the detection apparatus according to Embodiment 1.
  • FIG. 3B shows the relationship between the mechanical rotation angle of the input shaft and the output shaft of the detection device in Embodiment 1 and the rotation angle in calculation.
  • FIG. 4 is a circuit block diagram of the detection apparatus in the first embodiment.
  • FIG. 5A shows an ideal value and an actual value of the absolute rotation angle of the rotating body of the detection apparatus in the first embodiment.
  • FIG. 5B shows an ideal value and an actual value of the absolute rotation angle of the rotating body of the detection apparatus in the first embodiment.
  • FIG. 6 shows torque detection characteristics of the detection device in the first embodiment.
  • FIG. 7 shows the rotation angle and absolute rotation angle obtained by the detection apparatus in the first embodiment.
  • FIG. 8 shows signals output by the magnetic detection element of the detection apparatus in the first embodiment.
  • FIG. 9A is a front sectional view of an absolute rotation angle and torque detection apparatus according to Embodiment 2 of the present invention.
  • FIG. 9B is a side sectional view of the detection apparatus shown in FIG. 9A.
  • FIG. 9C is a cross-sectional view of the detection device shown in FIG. 9A along line 9C-9C.
  • FIG. 10 is a side cross-sectional view of the detection apparatus in the second embodiment.
  • FIG. 11A is a front view of the ring-shaped magnet of the detection device in the second embodiment.
  • FIG. 11B is a sectional view taken along line 1 IB-1 IB of the ring-shaped magnet shown in FIG. 11A.
  • FIG. 12 is a cross-sectional view of another rotating body of the detection device according to Embodiment 2.
  • FIG. 13 is a cross-sectional view of another rotating body of the detection device according to Embodiment 2.
  • FIG. 14 is a cross-sectional view of another rotating body of the detection device according to Embodiment 2.
  • FIG. 15A is a configuration diagram of a rotation angle and torque detection apparatus according to Embodiment 3 of the present invention.
  • FIG. 15B is a cross-sectional view taken along line 15B-15B of the detection device shown in FIG. 15A.
  • FIG. 15C is a cross-sectional view of main parts of the detection device shown in FIG. 15A.
  • FIG. 16 is a circuit block diagram of the detection apparatus in the third embodiment.
  • FIG. 17A shows a signal output from the magnetic detection element of the detection device in the third exemplary embodiment.
  • FIG. 17B shows the relationship between the mechanical rotation angles of the input shaft and the output shaft of the detection device in Embodiment 3 and the rotation angle in the calculation.
  • FIG. 18A shows a signal output from the magnetic detection element of the detection device in the third exemplary embodiment.
  • FIG. 18B shows the relationship between the mechanical rotation angle of the input shaft and the output shaft of the detection device in Embodiment 1 and the rotation angle in calculation.
  • FIG. 19A shows a signal output from the magnetic detection element of the detection apparatus in the third embodiment.
  • FIG. 19B shows the relationship between the mechanical rotation angles of the input shaft and the output shaft of the detection device in Embodiment 1 and the rotation angle in calculation.
  • FIG. 20A shows the rotation angle of the rotating body of the detection apparatus in the third embodiment.
  • FIG. 20B shows the rotation angle of the rotating body of the detection apparatus in the third embodiment.
  • FIG. 20C shows the rotation angle of the rotating body of the detection apparatus in the third embodiment.
  • FIG. 20D shows the rotation angle of the rotating body of the detection apparatus in the third embodiment.
  • FIG. 20E shows the rotation angle of the rotating body of the detection apparatus in the third embodiment.
  • FIG. 21A shows the rotation angle of the rotating body of the detection apparatus in the third embodiment.
  • FIG. 21B shows the rotation angle of the rotating body of the detection apparatus in the third embodiment.
  • FIG. 21C shows the rotation angle of the rotating body of the detection apparatus in the third embodiment.
  • FIG. 22 shows torque detection characteristics of the detection device in the third embodiment.
  • FIG. 23 shows a signal output from the magnetic detection element of the detection apparatus according to the third embodiment.
  • FIG. 24 is a configuration diagram of a conventional torque sensor that detects a rotation angle and torque.
  • FIG. 25 is a configuration diagram of a conventional torque detector. Explanation of symbols
  • Magnetic detection element (second magnetic detection element) 11 Magnetic detection element (first magnetic detection element) 12 Magnetic detection element (third magnetic detection element) 14 Control unit
  • FIG. 1 is a configuration diagram of a rotation angle and torque detection device 6001 according to Embodiment 1 of the present invention.
  • the rotating body 1 has a multi-rotatable gear 1A that is fitted and connected to the input shaft 2.
  • the gear 1A is fixed to the rotating body 1.
  • Target 3 is fixed to rotating body 1.
  • magnetic poles 3A and 3B having different polarities are alternately arranged at equal intervals.
  • the rotating body 4 has a multi-rotatable gear that is fitted and connected to the output shaft 5.
  • the target 6 is fixed to the rotating body 4.
  • magnetic poles 6A and 6B having different polarities are alternately arranged at equal intervals.
  • a torsion bar 7 is arranged on a concentric shaft 6001A between the input shaft 2 and the output shaft 5, and is fixed to the input shaft 2 and the output shaft 5.
  • the torsion bar 7 is connected between the rotating body 1 and the rotating body 4 between the rotating body 1 and the rotating body 4.
  • the rotating body 8 has a gear 8B that engages with the gear 1A of the rotating body 1, and a magnet 9 is disposed in the central portion 8A.
  • the gear 8B is fixed to the rotating body 8.
  • the magnetic detection element 11 faces the outer peripheral surface 3C of the target 3.
  • the magnetic detection element 10 faces the magnet 9.
  • the magnetic detection element 12 faces the outer peripheral surface 6C of the target 6.
  • the magnetic detection elements 11, 10, 12 are installed on the substrate 13.
  • the gear 1A of the rotating body 1 and the gear 8B of the rotating body 8 are connected to each other, and the rotating body 8 rotates at a speed based on the ratio of the number of teeth of the gears 1A and 8B when the rotating body 1 rotates.
  • the number of magnetic poles 3A and 3B of the target 3 and the number of magnetic poles 6A and 6B of the target 6 are set to be the same.
  • the number of magnetic poles 3A, 3B, 6A, 6B is determined by the maximum torque to be detected and the spring constant of the torsion bar 7.
  • the maximum torsion angle of the torsion bar 7 is ⁇ 4 degrees when the maximum torque detection is ⁇ 12 N'm and the spring constant of the torsion bar 7 is 2 N ⁇ mZdeg.
  • the total number of magnetic poles 3A and 3B of the target 3 is 30, and the total number of magnetic poles 6A and 6B of the target 6 is 30.
  • the number of N-pole magnetic poles 3A and 6A is set to 15 each, and the number of S-pole magnetic poles 3B and 6B is set to 15 each. In this case, adjacent magnetic poles are arranged at an angular interval of 12 degrees. Since the torsion bar 7 has a maximum twist angle of ⁇ 4 degrees, the difference between the absolute rotation angles of the rotating bodies 1 and 4 does not exceed 8 degrees. Therefore, the magnetic poles 3A, 3B, 6A and 6B of the targets 3 and 6 are added to the torsion bar 7 The measured torque can be measured correctly. [0014] The operation of the detection device 6001 when a magnetoresistive element (MR element) is used as the magnetic detection elements 11, 10, and 12 will be described.
  • MR element magnetoresistive element
  • Each magnetic detection element outputs a sine wave signal and a cosine wave signal with respect to the rotation angle of the rotating body by a magnetic field of magnetic poles or magnet force.
  • Figure 2 shows the signals output from the magnetic detector elements 11, 10, and 12.
  • the magnetic detection elements 11 and 12 output a sine wave signal of one period per magnetic pole according to the magnetic field from the magnetic poles 3A, 3B, 6A and 6B as the targets 3 and 6 rotate. Therefore, the magnetic detection element 11 outputs a sine wave signal having a period of the number of magnetic poles 3A and 3B per rotation of the target 3, and the magnetic detection element 12 is a period of the number of magnetic poles 6A and 6B per rotation of the target 6.
  • the sine wave signal is output.
  • These sine wave signals are amplified by the amplifier so as to have a prescribed amplitude, and input to a control unit such as a microcomputer or CPU.
  • the sine wave signal is converted into a digital signal by the AZD converter in the control unit and processed, and the control unit calculates the absolute rotation angle of the targets 3 and 6, that is, the rotating bodies 1 and 4. That is, the target 3 having the magnetic poles 3A and 3B and the magnetic detection element 11 1 form a rotation angle detection unit 201 that detects the rotation angle of the rotating body 1.
  • the target 6 having the magnetic poles 6A and 6B and the magnetic detection element 11 form a rotation angle detection unit 203 that detects the rotation angle of the rotating body 5.
  • FIG. 2A shows the voltage of the sine wave signal output from the magnetic detection elements 11 and 12.
  • the horizontal axis indicates the absolute rotation angles of the input shaft 2 and the output shaft 5, and the vertical axis indicates the sine wave signal 24 output from the magnetic detection element 11 and the cosine wave signal 23 output from the magnetic detection element 12.
  • Fig. 2B shows the absolute rotation angle (horizontal axis), which is the mechanical rotation angle of input shaft 2 and output shaft 5, and the absolute rotation angle or sine wave signal 23 in the calculation of the control unit of rotating bodies 1 and 4
  • the relationship with the phase angle (vertical axis) of the cosine wave signal 24 is shown.
  • the magnetic detection element 10 detects the magnetic field of the magnet 9 disposed in the central portion 8A of the rotating body 8, and outputs a two-cycle sine wave signal and cosine wave signal for one rotation of the magnet 9. These signals are processed by the control unit, and the absolute rotation angle of the rotating body 8 can be calculated.
  • FIG. 3A shows the voltages of the sine wave signal 124 and the cosine wave signal 123 output from the magnetic detection element 10.
  • the horizontal axis represents the absolute rotation angles of the input shaft 2 and the output shaft 5
  • the vertical axis represents the sine wave signal 124 and the cosine wave signal 123 output from the magnetic detection element 10.
  • Figure 3B shows the absolute mechanical rotation angle (horizontal axis) of input shaft 2 and output shaft 5 and the calculation of rotating body 8.
  • the absolute rotation angle that is, the phase (vertical axis) of the sine wave signal 124 and the cosine wave signal 123 is shown.
  • FIG. 4 is a circuit block diagram of detection device 6001.
  • the sine wave signal and cosine wave signal output from the magnetic detection elements 11, 10, and 12 are input to the control unit 14 such as a CPU via the detector 16A and the amplification unit 16 and processed. Outputs absolute rotation angle and torque of input shaft 2 and output shaft 5.
  • a nonvolatile memory 15 such as an EEPROM is connected to the control unit 14.
  • the detector 16A detects whether or not the signal output from the magnetic detection elements 10, 11, and 12 is within a predetermined range.
  • FIG. 5A shows a mechanical absolute rotation angle (horizontal axis) of the input shaft 2 and the output shaft 5 and an absolute rotation angle (horizontal axis) of the rotating bodies 1 and 4.
  • the dotted line indicates the ideal value 24A of the absolute rotation angle of the rotating bodies 1 and 4 (similar to FIG. 2B), and the solid line indicates the actual value 24B of the absolute rotation angle of the rotating bodies 1 and 4.
  • FIG. 5B shows a mechanical absolute rotation angle (horizontal axis) of the input shaft 2 and the output shaft 5 and an absolute rotation angle (horizontal axis) of the rotating body 8.
  • the dotted line shows the ideal value 124A of the absolute rotation angle of the rotating bodies 1 and 4 (similar to FIG. 3B), and the solid line shows the actual value 124B of the absolute rotation angle of the rotating bodies 1 and 4.
  • the angle at which the rotating bodies 1 and 4 rotate while the rotating body 8 makes one revolution (720 ° in FIG. 5B) is the upper limit for detecting the absolute rotation angle.
  • FIG. 6 shows torque detection characteristics of the detection device 6001.
  • the horizontal axis indicates the absolute rotation angle of the input shaft 2 and the output shaft 5, and the vertical axis indicates the torque applied to the torsion bar 7.
  • the torque is calculated as ( ⁇ X ⁇ y) XT by the absolute rotation angle ⁇ x of the rotating body 1, the absolute rotation angle ⁇ y of the rotating body 4, and the spring constant T of the torsion bar 7.
  • the control unit 14 calculates the absolute rotation angle ⁇ y of the rotating body 4 by processing the signal.
  • the control unit 14 calculates the torque by multiplying the difference between the absolute rotation angles ⁇ x, 0y of the first rotating body 1 and the rotating body 4 by the spring constant T of the torsion bar 7. Since the torsion angle can be increased with respect to the torque applied to the torsion bar 7, the resolution of the detected torque can be increased.
  • the rotating body 8 When the rotating body 1 rotates, the rotating body 8 is rotated via the gear 8B of the rotating body 8 that meshes with the gear 1A of the rotating body 1.
  • the rotating body 8 rotates at a speed NAZNB times that of the rotating body 1.
  • the rotating body 8 rotates at a sufficiently lower speed than the rotating body 1.
  • the magnetic detection element 11 that receives the magnetic field from the magnetic poles 3A and 3B, which changes as the rotating body 1 rotates, outputs a signal corresponding to the magnetic field.
  • the magnetic detection element 10 facing the rotating body 8 having the magnet 9 disposed in the central portion 8A receives a magnetic field from the magnet 9 that changes as the rotating body 8 rotates, and outputs a signal corresponding to the magnetic field.
  • Signals output from the magnetic detection elements 11 and 10 are input to the control unit 14 and converted into digital signals by the AZD converter in the control unit 14.
  • the control unit 14 calculates the rotation angle from the initial position of the rotating body 8 from the signal output from the magnetic detection element 10, and detects the rotation angle of the rotating body 1 from the signal force output from the magnetic detection element 11. To do.
  • the control unit 14 calculates the rough absolute rotation angle of the rotating body 1 from the rotation angle of the rotating body 8 and corrects the rough absolute rotation angle with the calculated rotation angle of the rotating body 1 to calculate the signal force output by the magnetic detection element 11. Calculate the absolute rotation angle of body 1 more than one rotation.
  • FIG. 7 shows the rotation angle and absolute rotation angle of the rotating body 1 calculated by the control unit 14. In the three graphs in Fig. 7, the horizontal axis shows the absolute rotation angle of rotating body 1.
  • FIG. 7 shows the rotation angle 19 based on the output signal of the magnetic detection element 11, the absolute rotation angle 20 based on the output signal of the magnetic detection element 10, the calculated actual absolute rotation angle 21, and the ideal absolute rotation angle. 22 is shown.
  • the graph showing the rotation angle 19 based on the output signal of the magnetic detection element 11 shows the portion of 0 to 60 ° of the absolute rotation angle of the rotating body 1 indicated by the horizontal axis in an enlarged manner from the other graphs.
  • FIG. Fig. 8 shows the signals output by the magnetic detection elements 10, 11, and 12.
  • the target 3 When the rotating body 1 rotates, the target 3 also rotates. As the target 3 rotates, the magnetic field received by the magnetic detection element 11 from the magnetic poles 3A and 3B changes. The magnetic detection element 11 outputs a sine wave signal 24 and a cosine wave signal 23 according to the magnetic field.
  • Figure 8 shows a sine wave signal 24 and a cosine wave signal 23. These signals are amplified by the amplification unit 16 and input to the control unit 14. The control unit 14 calculates an arc tangent signal from the sine wave signal 24 and the cosine wave signal 23. However, as shown in Fig.
  • the memory 15 stores the sensitivity in the magnetic detection elements 10, 11, and 12. That is, only when the switch 29 shown in FIG. 4 is turned on to enter the sensitivity memory mode, the rotating body 1 is rotated so that the rotating body 8 rotates 180 degrees or more, and the maximum value 24C of the sine wave signal 24 is obtained.
  • the minimum value 24D and cosine wave signal 23 maximum value 23C and minimum value 23C are stored in memory 15.
  • the control unit 14 reads the minimum and maximum values stored in the memory 15 and the input sine wave signal 24 and cosine wave signal.
  • the arc tangent signal is calculated by correcting the sine wave signal 24 and the cosine wave signal 23 so that the maximum value 24C, 23C and the minimum value 24D, 23D of 23 coincide with each other, and the rotation angle is obtained. That is, the control unit 14 corrects the sine wave signal 24 and the cosine wave signal 23 based on the sensitivities of the magnetic detection elements 10, 11, and 12 stored in the memory 15 to calculate an arc tangent signal and obtain a rotation angle.
  • the signal output from the amplifier 16 depends on the ambient temperature or the like. It may not change or the required resolution of the signal may not be obtained.
  • Detector 16A detects whether the maximum value 23C, 24C and the minimum value 23D, 24D are within the reference range 28 or not. The detector 16A may remove signals outside the reference range when it detects that the maximum values 23C, 24C and the minimum values 23D, 24D are not within the reference range 28.
  • the detector 16A may detect the amplitude centers 27 and 26 of the sine wave signal 24 and the cosine wave signal 23, and detect whether or not the amplitude centers 27 and 26 are within the reference range 28. When detecting that the amplitude centers 27 and 26 are not within the reference range 28, the detector 16A can remove a signal having the amplitude center.
  • System The control unit 14 may compare the amplitude centers 27 and 26 of the sine wave signal 24 and the cosine wave signal 23 output from the magnetic detection elements 11 and 10. The control unit 14 corrects the sine wave signal 24 and the cosine wave signal 23 so that the amplitude center 27 and the amplitude center 26 coincide with each other, thereby causing an error due to characteristic variations of the magnetic detection elements 10, 11, 12 and the amplification unit 16. Signal output can be prevented.
  • the control unit 14 may calculate the average value of the amplitude centers of the sine wave signal 24 and the cosine wave signal 23 multiple times, and finally calculate the amplitude centers 26 and 27. Incorrect output can be prevented. Further, the control unit 14 may calculate the average value excluding the maximum values 23C and 24C and the minimum values 23D and 24D, thereby preventing erroneous output with higher accuracy.
  • the memory 15 stores a signal output from the magnetic detection elements 11 and 10 at an arbitrary predetermined position of the rotating body 1, whereby the control unit 14 can detect an absolute rotation angle of the predetermined position force. . If a signal indicating that the signal output from the magnetic detection elements 11 and 10 is the predetermined position is sent to the control unit 14 through the predetermined position determination signal line 31 shown in FIG. 4, the predetermined position can be set without mechanical operation. It can be confirmed. At this time, the control unit 14 can remove the error signal when an error signal such as noise is input by reading the signal a plurality of times and sending it by a check signal or a serial signal. Note that the signal line 31 for determining the predetermined position can be switched between input and output with the output signal line 32 to use a common terminal.
  • FIG. 9A and 9B are a front sectional view and a side sectional view of rotation angle and torque detection device 6002 according to Embodiment 2 of the present invention.
  • FIG. 9C is a cross-sectional view of the detection device 6002 shown in FIG. 9A along line 9C-9C.
  • FIG. 10 is a side sectional view of the detection device 6002.
  • FIG. 11A shows the ring magnets 4 and 4A and the magnetic detection elements 7A and 7B.
  • FIG. 11B is a cross-sectional view taken along line 1 IB-1 IB of ring-shaped magnets 4 and 4A and magnetic detection elements 7A and 7B shown in FIG. 11A.
  • a hollow noveal rotating body 1001 made of a nonmagnetic material such as metal or resin and having a through hole 1001A is fixed to a housing 1002 formed by aluminum die casting or the like. It is held rotatably.
  • the rotating body 1001 has a protrusion 1001B that also protrudes the outer surface force.
  • a ring-shaped magnet 1004 is fixed to the protrusion 1001B. As shown in FIG. 11A, the ring-shaped magnet 1004 includes a plurality of magnetic poles 1004C and 1004D magnetized in the radial direction at right angles to the rotating body 1001.
  • Rotating body 1001 coaxial and through hole Rotating body formed in a hollow pipe shape having 1005A 1005 force It is rotatably held by a bearing 1003B fixed to a housing 1002. Similar to the rotating body 1001, the rotating body 1005 has a protrusion 1005B. Similarly to the ring-shaped magnet 4, a ring-shaped magnet 1004A having a plurality of magnetic poles is fixed to the protruding portion 1005B. The rotating body 1001 and the rotating body 1005 can rotate independently of each other.
  • a torsion bar 1022 is inserted into the through holes 1001A and 1005A of the rotating bodies 1001 and 1005. The torsion bar 1022 rotates in conjunction with vehicle steering.
  • the rotating body 1001 is fixed by the input shaft 1022A of the torsion bar 1022 inserted into the through hole 1001A and the screw 1006A, and the rotating body 1005 is fixed by the output shaft 1022B of the torsion bar 1022 and the screw 1006B.
  • magnetic sensing elements 1007A and 1007B such as magnetoresistive (MR) elements are arranged on a printed circuit board 1008 so as to face the ring magnet 1004 and the second ring magnet 1004A. Yes.
  • the printed circuit board 1008 is fixed on the housing 1002 with screws 1006C.
  • a gear 1009 is fixed to the rotating body 1005 with screws 1006D.
  • Gear 1009 is mated with gear 1010.
  • the number of teeth of the gears 1009 and 1010 is set so as to obtain a predetermined reduction ratio determined by the maximum number of rotations of the torsion bar 1022.
  • a rotating magnet 1011 that rotates together with the gear 1010 is fixed to the end face of the gear 1010.
  • a magnetic detection element 1012 is arranged opposite to the rotating magnet 1011.
  • the sub printed circuit board 1013 on which the magnetic detection element 1012 is mounted is fixed on the housing 1002. These components are housed in an upper case 1014 and a lower case 1015.
  • the rotating body 1001 fixed to the input shaft 1022A of the torsion bar 1022 rotates.
  • the magnetic field received by the magnetic detection element 1007A changes from the magnetic poles 1004C and 1004D forces of the ring magnet 1004 fixed to the rotating body 1001. That is, the magnetic field received by the magnetic detection element 1007A changes according to the rotation angle of the input shaft 1022A of the torsion bar 1022.
  • the magnetic detection element 1007A can detect the rotation angle of the torsion bar 1022 and thus the rotation angle of the steering wheel by outputting a signal corresponding to the magnetic field.
  • the rotating body 1005 fixed to the output shaft 1022B of the torsion bar 1022 rotates.
  • the magnetic field received by the magnetic detection element 1007B also changes due to the plurality of magnetic pole forces of the ring magnet 1004A fixed to the rotating body 1005. That is, the magnetic field received by the magnetic detection element 1007B changes according to the rotation angle of the output shaft 1022B of the torsion bar 1022.
  • the magnetic detection element 1007B can detect the rotation angle of the output shaft 1022B of the torsion bar 1022 by outputting a signal corresponding to the magnetic field.
  • the ring-shaped magnet 1004 having the magnetic poles 1004C and 1004D and the magnetic detection element 1007A form a rotation angle detection unit 1201 that detects the rotation angle of the rotating body 1005.
  • the ring-shaped magnet 1004A having a plurality of magnetic poles and the magnetic detection element 1007B form a rotation angle detection unit 1203 that detects the rotation angle of the rotating body 1001.
  • the rotating magnet 1011 and the magnetic detection element 1012 form a rotation angle detection unit 1202 that detects the rotation angle of the gear 1010.
  • the torsion bar 1022 When torque is applied to the torsion bar 1022, the torsion bar 1022 is twisted.
  • the difference between the rotation angle detected by the magnetic detection element 1007A and the rotation angle detected by the magnetic detection element 1007B is proportional to the twisting twist angle of the torsion bar 1022.
  • the detected torque can be detected.
  • the rotation of the torsion bar 1022 is transmitted from the gear 1009 to the gear 1010 at a predetermined reduction ratio.
  • the reduction ratio By appropriately selecting the reduction ratio, even when the torsion bar 1022 rotates more than one rotation (generally 4 to 6 rotations), the rotating magnet 1011 provided on the gear 1010 can be rotated within one rotation.
  • the absolute rotation angle of one or more rotations of the torsion bar 1022 and the rotating bodies 1001 and 1005 can be detected.
  • the reduction gear train consisting of gear 1009 and gear 1010 with worm gears and pinion gears
  • the gear train can be configured with a small reduction gear ratio and a large gear ratio.
  • the device 6001 can have a compact and simple structure. That is, the detection device 6002 can detect both the torque and absolute rotation angle of the torsion bar 1022 with a simple structure.
  • FIG. 12 is a cross-sectional view of another rotating body 2005 that can be used in place of rotating body 1005 according to the second embodiment.
  • the ring-shaped magnets 1004 and 1004A can be a problem in ensuring the accuracy of the force and the production man-hours that are generally attached to the rotating bodies 1001 and 1005 shown in FIG.
  • the rotating body 2005 shown in FIG. 12 is made of a resin material. Rotating body 2005 is insert-molded with a ring-shaped magnet 1004A with a resin material force. This method can improve the mounting accuracy of the ring magnet 1004A and reduce the number of assembly steps and parts.
  • FIG. 13 is a cross-sectional view of still another rotating body 3005 that can be used in place of the rotating body 1005 according to the second embodiment.
  • the worm gear 1009 is formed of an elastic resin such as polyoxymethylene (POM) resin.
  • a protrusion 1016 is provided on a cylindrical surface that engages with the rotating body 3005 of the gear 1009.
  • the surface of the rotating body 3005 that contacts the gear 1009 is provided with a recess 1017. Since the protrusion 1016 of the gear 1009 is elastically fitted to the recess 1017 of the rotating body 3005, the gear 1009 can be fixed to the rotating body 3005 easily and reliably.
  • FIG. 14 is a cross-sectional view of still another rotating body 4005 that can be used in place of rotating body 1005 according to the second embodiment.
  • the rotating body 4005 is made of a resin material.
  • the protrusion 4005B of the rotating body 4005 is provided with a plurality of locking claws 1018, and the ring-shaped magnet 1004A is fixed to the protrusion 4005B by the locking claws 1018. With this configuration, since the complicated process of attaching and attaching the ring-shaped magnet 1004A can be omitted, the number of manufacturing steps of the detection device 6002 can be reduced.
  • a thrust is generated in the direction of the rotation axis of the gear 1010, which is a pion gear, by rotation. If a misalignment occurs due to this thrust, the rotational accuracy of the gear 1010 will decrease.
  • a groove 1019 is provided on the shaft of the gear 1010 as shown in FIG.
  • the substantially U-shaped notch 1021 of the leaf spring 1020 fixed to the housing 1002 is fitted into the groove 1019.
  • the leaf spring 1020 always generates an elastic force in the axial direction of the gear 1010, and can always bring the gear 1010 into contact with the gear 1009. As a result, the accuracy with which the magnetic detection element 1012 detects the rotation of the rotating body 1005 can be improved.
  • the ring magnets 1004 and 1004A are arranged in a radial direction perpendicular to the rotation axis of the rotating bodies 1001 and 1005. Magnetized and magnetic detection elements 1007A and 1007B are arranged in the radial direction.
  • the ring magnets 1004 and 1004A may be magnetized in the thickness direction parallel to the rotation axes of the rotating bodies 1001 and 1005.
  • the magnetic detection elements 1007A and 1007B are arranged to face the surfaces 1004B and 1004E of the ring-shaped magnets 1004 and 1004A shown in FIG. 11B, respectively.
  • FIG. 15A is a configuration diagram of a rotation angle and torque detection device 6003 in the third embodiment.
  • FIG. 15B is a cross-sectional view taken along line 15B-15B of detection device 6003 shown in FIG. 15A.
  • FIG. 15C is a cross-sectional view of the main part of the detection device 6003.
  • the rotating body 8001 is coupled to the input shaft 8002 and can be rotated multiple times.
  • On the outer peripheral surface 8003C of the target 8003 held and fixed to the rotating body 8001, a plurality of magnetic poles having different polarities are alternately arranged at equal intervals, as in the detection device 6001 shown in FIG.
  • the rotating body 8004 is fitted to the output shaft 8005 and can be rotated multiple times.
  • a plurality of magnetic poles having different polarities are alternately arranged at equal intervals like the detection device shown in FIG. Torsion No. 8007
  • the gear 8008 is fixed to the rotating body 8001!
  • a gear 8009A that meshes with the gear 8008 is fixed to the rotating body 8009.
  • Magnet 8010 force rotating body 8009 is arranged in the central part 8009B.
  • Magnetic detection element 8011 faces magnet 8010 and outputs a signal corresponding to the magnetic field received from magnet 8010.
  • the rotating body 8012 is fixed with a gear 8012 that meshes with the gear 8009A.
  • a magnet 8013 is disposed in the central portion 8012B of the rotating body 8012.
  • the magnetic detection element 8014 faces the magnet 8013 and outputs a signal corresponding to the magnetic field received from the magnet 8013.
  • the magnetic detection element 8015 can be opposed to a plurality of magnetic poles of the target 8003, and outputs a signal corresponding to the magnetic field that receives these magnetic pole forces.
  • the magnetic detection element 8016 faces a plurality of magnetic poles of the target 8006, and outputs a signal corresponding to the magnetic field that also receives these magnetic pole forces.
  • Magnetic detection elements 8015 and 8016 are mounted on the substrate 8017.
  • Magnetic detection elements 8011 and 8014 are arranged on the substrate 8018.
  • the number of the plurality of magnetic poles of the target 8003 is the same as the number of the plurality of magnetic poles of the target 8006. Set the same time.
  • the number of magnetic poles is determined by the maximum torque to be detected and the spring constant of the torsion bar 8007. For example, when the maximum torque is ⁇ 8 N'm and the spring constant of the torsion bar 8007 is 2 N'mZdeg, the maximum twist angle of the torsion bar 8007 is ⁇ 4 degrees.
  • the adjacent magnetic poles are arranged at an angular interval of 12 degrees.
  • the torsion bar 8007 has a maximum twist angle of ⁇ 4 degrees, so the difference between the absolute rotation angles of the rotating bodies 8001 and 8004 does not exceed 8 degrees. Can be measured correctly.
  • FIG. 16 is a circuit block diagram of the detection device 6003.
  • Each magnetic detection element outputs a sine wave signal and a cosine wave signal with respect to the rotation angle of the rotating body by a magnetic field from a magnetic pole or a magnet.
  • the magnetic detection elements 8015 and 8016 detect the magnetic fields of the multiple magnetic poles of the rotating targets 8003 and 8006, they output a single sine wave and cosine wave signal for each magnetic pole, and the rotating bodies 8001 and 8004 A sine wave signal and cosine wave signal with the number of magnetic poles per rotation are output.
  • Fig. 17A shows the absolute rotation angles (horizontal axis) of the rotating bodies 8001 and 8004, and the sine wave signal 8019 and cosine wave signal 8020 (vertical axis) output by the magnetic detection elements 8015 and 8016.
  • Fig. 17A shows the absolute rotation angles (horizontal axis) of the rotating bodies 8001 and 8004, and the sine wave signal 8019 and cosine wave signal 8020 (vertical axis) output by the magnetic detection elements 8015 and 8016.
  • 17B shows the absolute rotation angle (horizontal axis) of the rotating bodies 8001 and 8004 and the absolute rotation angle (vertical axis) in the calculation of the control unit 8026 of the rotating bodies 8001 and 8004, that is, the sine wave signal 8019 and cosine wave signal 8020. Indicates the phase.
  • the gear 8009A of the rotating body 8009 is connected to the gear 8008.
  • rotating body 8009 rotates by rotating body 8008 force S
  • rotating body 8009 rotates at the rotational speed obtained by multiplying the rotational speed of rotating body 8008 by the ratio of the number of teeth of gear 8009A to gear 8008.
  • the magnetic detection element 8011 includes a magnet 8010 force arranged at the center 8009B of the rotating body 8009.
  • the sine wave signal 8019 and cosine wave signal 8020 of one cycle are output for 0.5 rotation of the magnet 8010 according to the magnetic field received from the magnetic field.
  • the control unit 8026 calculates these signals and calculates the absolute rotation angle of the rotating body 8009.
  • FIG. 18A shows the absolute rotation angle (horizontal axis) of the rotator 8001 and the sine wave signal 8021 and cosine wave signal 8022 (vertical axis) output from the magnetic detection element 8011.
  • FIG. 18B shows the absolute rotation angle (horizontal axis) of rotating body 8001 and the rotation angle (horizontal axis) in the calculation of rotating body 8009, that is, the phases of sine wave signal 8021 and cosine wave signal 8022.
  • the gear 8012A is fixed to the rotating body 8012 and meshes with the gear 8009A of the rotating body 8009.
  • the rotating body 8012 rotates by 8001 force
  • the rotating body 8012 rotates at a rotation speed according to the ratio of the number of teeth of the gears 8008, 8009A, and 8012A.
  • the magnetic detection element 8014 receives a magnetic field from the magnet 8013 disposed at the central portion 8012B of the rotating body 8012, and receives a sine wave signal and a cosine wave signal of one cycle for 0.5 rotation of the magnet 8013. Is output.
  • the controller 8026 calculates these signals to calculate the absolute rotation angle of the rotating body 8012.
  • FIG. 19A shows the absolute rotation angle (horizontal axis) of the rotator 8001 and the voltages (vertical axis) of the sine wave signal 8023 and the cosine wave signal 8024 output from the magnetic detection element 8014.
  • FIG. 19B shows the absolute rotation angle (horizontal axis) of rotating body 8001 and the absolute rotation angle (vertical axis) in the calculation of rotating body 8012, that is, the phases of sine wave signal 8023 and cosine wave signal 8024.
  • FIG. 20A shows the absolute rotation angle (horizontal axis) of rotating body 8001 and the rotation angle (horizontal axis) of rotating body 8009.
  • FIG. 20B shows the absolute rotation angle (horizontal axis) of the rotator 8001 and the rotation angle (vertical axis) of the rotator 8012. Since the number of teeth of the gear 8009A of the rotating body 8009 and the number of teeth of the gear 8012 A of the rotating body 8012 are different, the period of the rotating body 8009 and the rotating body 8 012 with respect to the absolute rotation angle of the rotating body 8001 is different.
  • FIG. 20C shows the absolute rotation angle (horizontal axis) of rotating body 8001 and the difference (vertical axis) of the rotation angles of rotating body 8009 and rotating body 8012.
  • FIG. 20D shows the absolute rotation angle (horizontal axis) of the rotating body 8001 and the rotation angle obtained by the signal force output from the magnetic detection element 8015, that is, the phase of the sine wave signal 8019.
  • FIG. 20E shows the absolute rotation angle (horizontal axis) of the rotating body 8004 fitted to the output shaft 8005 and the rotation angle at which the sine wave signal force output from the magnetic detection element 8016 is obtained, that is, the phase of the sine wave signal.
  • FIG. 21A shows the absolute rotation angle (horizontal axis) of the rotator 8001 and the rotation angle (vertical axis) of the rotator 8009.
  • FIG. 21B shows the absolute rotation angle of the rotating body 8001 (horizontal axis) and the difference between the rotational angles of the rotating body 8009 and the rotating body 8012 (vertical axis).
  • FIG. 21C shows the absolute rotation angle (horizontal axis) of the rotating body 8001 and the rotation angle (vertical axis) of the rotating body 8001 obtained from the sine wave signal 8019 and cosine wave signal 8020 output from the magnetic detection element 8015, that is, the sine wave signal.
  • the phases of 8019 and cosine wave signal 8020 are shown.
  • Figure 22 shows the torque detection characteristics of the detector 6003.
  • the horizontal axis represents the absolute rotation angle of the input shaft 8002 and the output shaft 8005, and the vertical axis represents the torque applied to the torsion bar 8017.
  • the torque can be calculated as ( ⁇ X ⁇ y) XT based on the absolute rotation angle ⁇ x of the rotating body 8001, the absolute rotation angle ⁇ y of the rotating body 8004, and the spring constant T of the torsion bar 8007.
  • Rotating body 8001 fitted to the human power shaft 8002 rotates when the human power shaft 8002, the machine shaft 8007, the output shaft 8005, and the output shaft 8005 rotate.
  • the target 8003 fixed to the rotating body 8001 rotates.
  • the magnetic detection element 8015 facing the plurality of magnetic poles of the target 8003 outputs a signal corresponding to the magnetic field from the magnetic poles.
  • the controller 8026 calculates the rotation angle of the rotating body 8001 by processing the signal.
  • the rotating body 8004 fitted to the output shaft 8005 also rotates.
  • FIG. 20D shows the rotation angle 8034 of the rotator 8001 in which the control unit 8026 also calculates the signal force output from the magnetic detection element 8015.
  • FIG. 20E shows the rotation angle 8035 of the rotator 8004 in which the control unit 8026 also calculates the signal force output from the magnetic detection element 8016. As described above, this is obtained from the difference between the rotation angles 8034 and 8035 shown in FIG.
  • a magnetic detection element 8011 disposed opposite to the magnet 8010 disposed in the central portion 8009B of the rotating body 8009 detects a magnetic field from the magnet 8010 when the rotating body 8009 rotates.
  • the magnetic detection element 8014 facing the magnet 8013 disposed in the central portion 8012B of the rotating body 8012 detects the magnetic field from the magnet 8013 when the rotating body 8012 rotates.
  • Signals output from the magnetic detection element 8011 and the magnetic detection element 8014 are input to the control unit 8026, converted into digital signals by the AZD converter in the control unit 8026, and processed.
  • the control unit 8026 calculates the rotation angle of the rotating bodies 8009 and 8012 in which the signal force output from the magnetic detection elements 8011 and 8014 is also calculated, and the absolute difference between the rotating body 8001 and the multiple rotations is calculated from the difference between the rotation angles. Calculate the rotation angle.
  • the control unit 8026 calculates the rotation angle of the rotating body 8009 from the signal output from the magnetic detection element 8011, corrects the rough absolute rotation angle of the rotating body 8001 with the rotation angle obtained from the rotation angle of the rotating body 8009, and rotates.
  • the absolute rotation angle of the multi-turn of the body 8001 is calculated with high accuracy.
  • FIG. 20A shows the rotation angle 8031 of the rotating body 8009 obtained from the output signal of the magnetic detection element 8011.
  • FIG. 20B shows the rotation angle 8032 of the rotator 8012 obtained from the output signal of the magnetic detection element 8014.
  • FIG. 20C shows a rotation angle difference 8033 between the rotating bodies 8009 and 8012 obtained from the output signals of the magnetic detection elements 8011 and 8014.
  • FIG. 21B shows a rotation angle difference 8033 between the rotating bodies 8009 and 8012 obtained from the output signals of the magnetic detection elements 8011 and 8014. Since the detected rotation angles of the rotating bodies 8009 and 8012 include mechanical errors, element and circuit errors, the difference 80 033 between the rotating angles of the rotating bodies 8009 and 8012 also includes a detection error 8036. The absolute rotation angle of the rotating body 8001 calculated from the rotation angle difference 8033 including the detection error 8036 includes the detection error 8037. Rotating body 8001 When the absolute rotation angle detection range is widened, the gradient of the absolute rotation angle difference 8033 is reduced, so that the influence of the detection error 8036 included in the difference 8033 on the detection of the absolute rotation angle of the rotating body 8001 increases.
  • the position of the detection period 8041 within the detection range of the absolute rotation angle of the rotator 8001 is determined from the difference 8033. Can be determined.
  • Rotation body 8001 absolute rotation angle detection error 8037 is set to be smaller than rotation body 8009 rotation angle detection cycle 8038, and absolute rotation angle difference 803 3 is within the absolute rotation angle detection range of rotation body 8001. The position of detection period 8038 can be determined.
  • the range of rotation of the rotating body 8001 detected by the magnetic detection element 8011 is narrow, and the gradient of the absolute rotation angle 8031 is large. Therefore, the absolute rotation angle detection error 8040 of the rotating body 8001 corresponding to the rotation angle detection error 8039 of the rotating body 8009 can be made smaller than the absolute rotation angle detection cycle 8041 of the rotating body 8001. Therefore, the position of absolute rotation angle 8034 within the absolute rotation angle detection range of rotating body 8001 can be determined from absolute rotation angle 8031, and the rotation angle of rotating body 8001 can be determined without changing the detection range of absolute rotation angle difference 8033. Can be detected with high accuracy.
  • Torsion bar 8007 is not subjected to a torque exceeding the predetermined maximum torque, and therefore, if the difference in absolute rotation angle between rotating body 8001 and rotating body 8004 exceeds a specified value, it can be determined that the mechanism or circuit of detection device 6003 is abnormal.
  • the target 8003 also rotates.
  • the magnetic field received by the magnetic detection element 8015 also changes with a plurality of magnetic pole forces fixed to the target 8003.
  • the magnetic detection element 8015 outputs a sine wave signal 8019 and a cosine wave signal 8020 corresponding to the magnetic field.
  • FIG. 17A shows the sine wave signal 8019, cosine wave signal 8020 (vertical axis), and the absolute rotation angle (horizontal axis) of the rotating body 8001. These signals are input to the control unit 8026 via the amplifier 8025. The control unit 8026 calculates an arctangent signal from the sine wave signal 8019 and the cosine wave signal 8020, and rotates the rotating body. Obtain the absolute rotation angle of 8001.
  • the target 8006 When the rotating body 8004 rotates, the target 8006 also rotates. As the target 8006 rotates, the magnetic field received by the magnetic detection element 8016 also changes due to the multiple magnetic pole forces fixed to the target 8006.
  • the magnetic detection element 8016 outputs a sine wave signal 8019 and a cosine wave signal 8020 corresponding to the change in the magnetic field. These signals are input to the control unit 8026 via the amplifier 8025, and the control unit 8026 calculates an arc tangent signal from the sine wave signal 8019 and the cosine wave signal 8020 to obtain the absolute rotation angle of the rotating body 8004.
  • the difference between the absolute rotation angle 8034 of the rotating body 8001 and the absolute rotation angle 8035 of the rotating body 8004 is the same as that of the device 6003 if the origins of the absolute rotation angles 8034 and 8004 are the same. Unless otherwise specified, it will be below the specified value.
  • FIG. 15, FIG. 17A, FIG. 17B, FIG. 18A, FIG. 18B, FIG. 20A to FIG. 15 show a method for detecting abnormality of the detection device 6003 by constantly comparing the rotation angles of the rotator 8001 and the rotator 8009. This is illustrated by Figure 20E.
  • the sine wave signal 8021 and the cosine wave signal 8022 have one cycle (electrical angle 180 Degrees) change.
  • the difference between the absolute rotation angle 8034 of the rotator 8001 and the rotation angle 8031 of the rotator 8009 is equal to or less than a predetermined value unless the detection device 6003 is abnormal.
  • Sine wave signal 8019 and cosine wave signal 8020 are input to control unit 8026 via amplifier 8025, and control unit 8026 calculates an arctangent signal from sine wave signal 8019 and cosine wave signal 8020.
  • FIG. 23 shows a sine wave signal 8042 and a cosine wave signal 8043 which output magnetic detection elements 8011, 8014, 8015 and 8016. As shown in FIG. 23, when the amplitude 8044 of the sine wave signal 8042 and the amplitude 8045 of the cosine wave signal 8043 are different due to variations in the sensitivity of the magnetic detection element and the amplification unit, the accuracy of the calculated arctangent signal decreases. Only when switch 8028 shown in Fig.
  • sensitivity memory mode rotating bodies 8001 and 8004 are rotated 12 degrees or more, and amplitudes 8044 and 8045 of sine wave signal 8042 and cosine wave signal 8043 are calculated.
  • a non-volatile memory 8027 such as EEPROM.
  • amplitudes 8044 and 8045 (sensitivity) of the sine wave signal 8043 and cosine wave signal 8042 output from the magnetic detection element 8016 for detecting the absolute rotation angle of the rotating body 8004 are stored in the memory 8027.
  • switch 8028 is turned OFF.
  • the control unit 8026 matches the maximum value of the sine wave signal 8043 and the maximum value of the cosine wave signal 8042 according to the amplitude (sensitivity) stored in the memory 8027, and the minimum value of the sine wave signal 8043 and the minimum value of the cosine wave signal 8042.
  • the arc tangent signal is calculated by correcting the sine wave signal 8043 and the cosine wave signal 8042 so that the values match, and the rotation angles of the rotating bodies 8001 and 8004 are obtained.
  • switch 8028 is turned ON and detection device 6003 is set to the sensitivity storage mode, and rotating body 8001 is rotated so that rotating bodies 8009 and 8012 rotate 180 degrees or more.
  • the amplitudes (sensitivities) of the sine wave signals 8021 and 8023 and the cosine wave signals 8022 and 8024 shown in FIG. 18A and FIG. 19A are calculated and stored in the memory 8027.
  • the control unit 8026 uses the sensitivity stored in the memory 8027 to match the maximum value of the sine wave signal 8043 and the cosine wave signal 8042, and the sine wave signal 8043 and the minimum value of the cosine wave signal 8042 to match.
  • the detector 8025A can prevent an erroneous signal from being output by detecting whether or not the sine wave signal and the cosine wave signal have maximum and minimum values within the reference range 8046.
  • the control unit 8026 can prevent an erroneous signal from being output by comparing the amplitude center 8048 of the sine wave signal 8042 output from the magnetic detection elements 8015, 8016, 8011, and 8014 with the amplitude center 8047 of the cosine wave signal. In this case, the control unit 8026 calculates the average value of the amplitude centers of the sine wave signal and the cosine wave signal input multiple times, or removes the maximum and minimum values of the sine wave signal and the cosine wave signal. ! By calculating the average value of the sine wave signal and cosine wave signal, it is possible to prevent erroneous signal output with higher accuracy.
  • the control unit 8026 By storing the signals output by the magnetic detection elements 8015, 8016, 8011, 8014 at arbitrary arbitrary positions of the memory 8027 force or the rotation angles calculated by these signal forces, the control unit 8026 The absolute rotation angle of the predetermined position force can be detected.
  • the memory 8017 stores the rotation angle at which the magnetic detection element 8015, 8016, 8011, 8014 force ⁇ the output force or these signal forces are also calculated in the torsion bar 8007! The origin to detect torque can be set. By sending a signal indicating that the signals output by the magnetic detection elements 8015, 8016, 8011, and 8014 are at the predetermined position through the predetermined position determination signal line 80 29 shown in FIG. Can be determined.
  • control unit 14 can remove the erroneous signal when an erroneous signal such as noise is received by reading the signal a plurality of times and sending it by a serial signal.
  • the predetermined position determining signal line 8029 may use a common terminal by switching input / output with the output signal line 8030.
  • the detection device can detect the absolute rotation angle and torque of multiple rotations with high accuracy and high resolution, and is useful as a device for detecting the absolute rotation angle and torque of a vehicle power steering or the like.

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Abstract

　回転角度およびトルク検出装置は、第１の回転体と、第１の回転体に固定された第１のターゲットと、第１の回転体に固定された第１の歯車と、第１の回転体の回転角度を検出する第１の磁気検出素子と、第１の歯車に噛み合う第２の歯車と、第２の歯車が固定された第２の回転体と、第２の回転体に設けられた磁石と、第２の回転体の回転角度を検出する第２の磁気検出素子と、第３の回転体と、第３の回転体に固定された第２のターゲットと、第３の回転体の回転角度を検出する第３の磁気検出素子と、第１の回転体と第３の回転体の間で第１の回転体と第３の回転体とに接続されたトーションバーと、第１から第３の磁気検出素子が出力する信号に基づき第1の回転体の回転角度とトーションバーに加えられたトルクとを算出する制御部とを備える。この検出装置は高精度・高分解能に多回転の絶対回転角度およびトルクを検出できる。 　

Description

明 細 書
回転角度およびトルク検出装置
技術分野
[0001] 本発明は、車両のパワーステアリング等の回転装置の絶対回転角度およびトルクを 検出する回転角度およびトルク検出装置に関する。
背景技術
[0002] 図 24は特開平 11— 194007号公報に開示されている従来のトルクセンサ 5001の 構成図である。歯車部 33は回転角度を検出したい回転軸（図示せず）に係合パネ 3 4を介して取り付けられる。歯車部 33は歯車部 36と嚙み合っておいる。歯車部 36の 外周端面には複数個の磁極を着磁したコード板 35が取り付けられている。回転軸の 回転にしたがってコード板 35に設けられた磁極が移動する。移動する磁極の数を歯 車部 36の外周端面に対向して設けた検出素子 37でカウントすることにより、回転軸 の回転角度を検出する。
[0003] トーシヨンバーを介して連結された 2本の軸にトルクセンサ 5001を各々取り付けるこ とにより、 2本の軸間にトルクが作用して軸間のねじれが発生した時、各々の軸の回 転角度を比較することによって作用したトルクの量を検出できる。
[0004] トルクセンサ 5001は軸の回転角度を移動する磁極の数をカウントすることにより回 転角度を検出するので、分解能を向上させるためには磁極を小さくする必要がある。 また、コード板 35は歯車部 33、 36を介して軸と結合しているので、ノ ックラッシュ等 により回転角度の検出精度の向上が困難である。また、トルクセンサ 5001は相対回 転角度を検出できるが、絶対回転角度を検出できない。
[0005] 図 25は特開 2003— 98018号公報に開示された従来のトルク検出装置 5002の構 成図である。強磁性体よりなるターゲット 1100、 1101は回転角度を検出したい軸 11 02、 1103にそれぞれ取り付けられている。ターゲット 1100、 1101は磁気センサ 11 04A、 1104B、 1105A、 1105Bに対向して酉己置されている。ターゲット 1100、 110 1の回転変位を磁気センサ 1104A、 1104B、 1105A、 1105Bで検出することで、演 算処理咅 1106ίま軸 1102、 1103の回転角度を検出する。軸 1102、 1103f¾に卜ノレ クが作用して軸 1102と軸 1103との間に回転角度の差が生じたときは、演算処理部
1106は、ターゲット 1100、 1101の回転角度の差を比較することにより、作用したト ルクの量を検出することができる。
[0006] トルク検出装置 5002では、ターゲット 1100、 1101が 1回転すると磁気センサ 110
4A、 1104B、 1105A、 1105Bは同じ出力を発生するので、 1回転以上の回転角度 を検出することは困難である。
[0007] また、強磁性体で構成されたターゲット 1100、 1101は、その材料のバラツキゃ寸 法精度のバラツキが検出精度に影響を与えるので、高精度に加工しなければならな い。さらに磁気センサ 1104A、 1104B、 1105A、 1105Bにはバイアス用の磁石が 必要になる。
発明の開示
[0008] 回転角度およびトルク検出装置は、第 1の回転体と、第 1の回転体に固定された第 1のターゲットと、第 1の回転体に固定された第 1の歯車と、第 1の回転体の回転角度 を検出する第 1の磁気検出素子と、第 1の歯車に嚙み合う第 2の歯車と、第 2の歯車 が固定された第 2の回転体と、第 2の回転体に設けられた磁石と、第 2の回転体の回 転角度を検出する第 2の磁気検出素子と、第 3の回転体と、第 3の回転体に固定され た第 2のターゲットと、第 3の回転体の回転角度を検出する第 3の磁気検出素子と、 第 1の回転体と第 3の回転体の間で第 1の回転体と第 3の回転体とに接続されたトー シヨンバーと、第 1から第 3の磁気検出素子が出力する信号に基づき第 1の回転体の 回転角度とトーシヨンバーに加えられたトルクとを算出する制御部とを備える。
[0009] この検出装置は高精度 ·高分解能に多回転の絶対回転角度およびトルクを検出で きる。
図面の簡単な説明
[0010] [図 1]図 1は本発明の実施の形態 1における絶対回転角度およびトルク検出装置の 構成図である。
[図 2A]図 2Aは実施の形態 1における検出装置の磁気検出素子の出力する信号を 示す。
[図 2B]図 2Bは実施の形態 1における検出装置の入力軸および出力軸の機械的な回 転角度と、演算における回転角度との関係を示す。
[図 3A]図 3Aは実施の形態 1における検出装置の磁気検出素子の出力する信号を 示す。
[図 3B]図 3Bは実施の形態 1における検出装置の入力軸および出力軸の機械的な回 転角度と、演算における回転角度との関係を示す。
[図 4]図 4は実施の形態 1における検出装置の回路ブロック図である。
[図 5A]図 5Aは実施の形態 1における検出装置の回転体の絶対回転角度の理想値 と現実値を示す。
[図 5B]図 5Bは実施の形態 1における検出装置の回転体の絶対回転角度の理想値と 現実値を示す。
[図 6]図 6は実施の形態 1における検出装置のトルク検出特性を示す。
圆 7]図 7は実施の形態 1における検出装置で得られる回転角度と絶対回転角度を 示す。
圆 8]図 8は実施の形態 1における検出装置の磁気検出素子が出力する信号を示す
[図 9A]図 9Aは本発明の実施の形態 2における絶対回転角度およびトルク検出装置 の正面断面図である。
[図 9B]図 9Bは図 9Aに示す検出装置の側面断面図である。
[図 9C]図 9Cは図 9Aに示す検出装置の線 9C— 9Cにおける断面図である。
[図 10]図 10は実施の形態 2における検出装置の側面断面図である。
[図 11A]図 11Aは実施の形態 2における検出装置のリング状磁石の正面図である。
[図 11B]図 11Bは図 11Aに示すリング状磁石の線 1 IB— 1 IBにおける断面図である
[図 12]図 12は実施の形態 2における検出装置の他の回転体の断面図である。
[図 13]図 13は実施の形態 2における検出装置の他の回転体の断面図である。
[図 14]図 14は実施の形態 2における検出装置の他の回転体の断面図である。
[図 15A]図 15Aは本発明の実施の形態 3における回転角およびトルク検出装置の構 成図である。 [図 15B]図 15Bは図 15Aに示す検出装置の線 15B— 15Bにおける断面図である。
[図 15C]図 15Cは図 15Aに示す検出装置の要部断面図である。
[図 16]図 16は実施の形態 3における検出装置の回路ブロック図である。
[図 17A]図 17Aは実施の形態 3における検出装置の磁気検出素子の出力する信号 を示す。
[図 17B]図 17Bは実施の形態 3における検出装置の入力軸および出力軸の機械的 な回転角度と、演算における回転角度との関係を示す。
[図 18A]図 18Aは実施の形態 3における検出装置の磁気検出素子の出力する信号 を示す。
[図 18B]図 18Bは実施の形態 1における検出装置の入力軸および出力軸の機械的 な回転角度と、演算における回転角度との関係を示す。
[図 19A]図 19Aは実施の形態 3における検出装置の磁気検出素子の出力する信号 を示す。
[図 19B]図 19Bは実施の形態 1における検出装置の入力軸および出力軸の機械的 な回転角度と、演算における回転角度との関係を示す。
[図 20A]図 20Aは実施の形態 3における検出装置の回転体の回転角度を示す。
[図 20B]図 20Bは実施の形態 3における検出装置の回転体の回転角度を示す。
[図 20C]図 20Cは実施の形態 3における検出装置の回転体の回転角度を示す。
[図 20D]図 20Dは実施の形態 3における検出装置の回転体の回転角度を示す。
[図 20E]図 20Eは実施の形態 3における検出装置の回転体の回転角度を示す。
[図 21A]図 21Aは実施の形態 3における検出装置の回転体の回転角度を示す。
[図 21B]図 21Bは実施の形態 3における検出装置の回転体の回転角度を示す。
[図 21C]図 21Cは実施の形態 3における検出装置の回転体の回転角度を示す。
[図 22]図 22は実施の形態 3における検出装置のトルク検出特性を示す。
圆 23]図 23は実施の形態 3における検出装置の磁気検出素子が出力する信号を示 す。
[図 24]図 24は従来の回転角度およびトルクを検出するトルクセンサの構成図である。
[図 25]図 25は従来のトルク検出装置の構成図である。 符号の説明
1 回転体 (第 1の回転体）
1A 歯車 (第 1の歯車）
2 入力軸
3 ターゲット（第 1のターゲット）
4 回転体 (第 3の回転体）
5 出力軸
6 ターゲット（第 2のターゲット）
7 トーシヨンバー
8 回転体 (第 2の回転体）
8B 歯車 (第 2の歯車）
9 磁石
10 磁気検出素子 (第 2の磁気検出素子） 11 磁気検出素子 (第 1の磁気検出素子） 12 磁気検出素子 (第 3の磁気検出素子） 14 制御部
15 メモリ
16 増幅部
16A 検出器
1001 回転体 (第 1の回転体）
1004 リング状磁石
1004A リング状磁石
1005 回転体 (第 3の回転体）
1007A 磁気検出素子 (第 1の磁気検出素子)
1007B 磁気検出素子 (第 3の磁気検出素子)
1009 歯車 (第 1の歯車）
1010 歯車 (第 2の歯車、第 2の回転体）
1011 磁石 (第 1の磁石） 1012 磁気検出素子 (第 2の磁気検出素子)
1016 突起部
1017 凹部
1018 係止爪
1020 板ばね
1022 トーンヨンバー
8001 回転体 (第 1の回転体）
8002 入力軸
8003 ターゲット（第 1のターゲット）
8004 回転体 (第 3の回転体）
8005 出力軸
8006 ターゲット（第 2のターゲット）
8007 トーンヨンバー
8008 困单 (弟 1の困束リ
8009 回転体 (第 2の回転体）
8009A 歯車 (第 2の歯車）
8010 磁石（第 1の磁石）
8011 磁気検出素子 (第 3の磁気検出素子)
8012 回転体 (第 4の回転体）
8012A 歯車 (第 3の歯車）
8013 磁石（第 2の磁石）
8014 磁気検出素子 (第 4の磁気検出素子)
8015 磁気検出素子 (第 1の磁気検出素子)
8016 磁気検出素子 (第 2の磁気検出素子)
8025 増幅部
8026 制御部
8027 メモリ
8028 スィッチ 発明を実施するための最良の形態
[0012] (実施の形態 1)
図 1は本発明の実施の形態 1における回転角度およびトルク検出装置 6001の構成 図である。回転体 1は入力軸 2に嵌合して連結された多回転可能な歯車 1Aを有する 。歯車 1Aは回転体 1に固定されている。ターゲット 3は回転体 1に固定されている。タ 一ゲット 3の外周面 3C上には、極性の異なる磁極 3A、 3Bが交互に等間隔に配置さ れている。回転体 4は出力軸 5に嵌合して連結された多回転可能な歯車を有する。タ 一ゲット 6は回転体 4に固定されている。ターゲット 6の外周面 6C上には、極性の異な る磁極 6A、 6Bが交互に等間隔で配置されている。トーシヨンバー 7が入力軸 2と出力 軸 5の間で同心軸 6001Aに配置され、入力軸 2と出力軸 5に固定されている。すなわ ち、トーシヨンバー 7は回転体 1と回転体 4の間で、回転体 1と回転体 4とに接続されて いる。回転体 8には、回転体 1の歯車 1Aに係合する歯車 8Bを有し、中央部 8Aに磁 石 9が配置されている。歯車 8Bは回転体 8に固定されている。磁気検出素子 11はタ 一ゲット 3の外周面 3Cに対向している。磁気検出素子 10は磁石 9に対向している。 磁気検出素子 12はターゲット 6の外周面 6Cに対向している。磁気検出素子 11、 10 、 12は基板 13上に設置されている。回転体 1の歯車 1Aと回転体 8の歯車 8Bとは連 結されており、回転体 8は回転体 1が回転すると歯車 1A、 8Bの歯の数の比に基づく 速度で回転する。
[0013] ここで、ターゲット 3の磁極 3A、 3Bの数とターゲット 6の磁極 6A、 6Bの数は同じに 設定する。磁極 3A、 3B、 6A、 6Bの数は、検出する最大トルクやトーシヨンバー 7の ばね定数によって決まる。たとえば、最大トルク検出を ± 12N'm、トーシヨンバー 7の ばね定数を 2N · mZdegとしたときのトーシヨンバー 7の最大捩れ角は ±4度となる。 ターゲット 3の磁極 3A、 3Bの合計の数は 30であり、ターゲット 6の磁極 6A、 6Bの合 計の数は 30である。 N極の磁極 3A、 6Aの数はそれぞれ 15個、 S極の磁極 3B、 6B の数はそれぞれ 15個に設定する。この場合は、隣り合う磁極は 12度の角度間隔で 配置される。トーシヨンバー 7の最大捩れ角は ±4度なので、回転体 1、 4の絶対回転 角度の差は 8度を超えず、したがってターゲット 3、 6の磁極 3A、 3B、 6A、 6Bによりト ーシヨンバー 7に加えられたトルクを正しく測定できる。 [0014] 磁気検出素子 11、 10、 12として磁気抵抗素子 (MR素子）を用いる場合の検出装 置 6001の動作について説明する。各磁気検出素子は磁極や磁石力もの磁界により 、回転体の回転角度に対して正弦波信号と余弦波信号とを出力する。図 2は磁気検 出素子 11、 10、 12の出力する信号を示す。磁気検出素子 11、 12はターゲット 3、 6 の回転に伴う磁極 3A、 3B、 6A、 6Bからの磁界にしたがって、 1つの磁極あたり 1周 期の正弦波信号を出力する。したがって、磁気検出素子 11はターゲット 3の 1回転あ たり磁極 3A、 3Bの数の周期の正弦波信号を出力し、磁気検出素子 12はターゲット 6の 1回転あたり磁極 6 A、 6Bの数の周期の正弦波信号を出力する。これらの正弦波 信号は増幅部にて規定の振幅を有するように増幅され、マイクロコンピュータや CPU 等の制御部に入力される。正弦波信号は制御部内の AZDコンバータでデジタル信 号に変換され、演算処理され、制御部はターゲット 3、 6すなわち回転体 1、 4の絶対 回転角度を算出する。すなわち、磁極 3A、 3Bを有するターゲット 3と磁気検出素子 1 1は、回転体 1の回転角度を検出する回転角度検出部 201を形成する。同様に、磁 極 6A、 6Bを有するターゲット 6と磁気検出素子 11は、回転体 5の回転角度を検出す る回転角度検出部 203を形成する。磁石 9と磁気検出素子 10は、回転体 4の回転角 度を検出する回転角度検出部 202を形成する。図 2Aは磁気検出素子 11、 12の出 力する正弦波信号の電圧を示す。横軸は入力軸 2および出力軸 5の絶対回転角度 を示し、縦軸は、磁気検出素子 11が出力する正弦波信号 24と磁気検出素子 12が 出力する余弦波信号 23とを示す。図 2Bは、入力軸 2および出力軸 5の機械的な回 転角度である絶対回転角度 (横軸）と、回転体 1、 4の制御部の演算における絶対回 転角度すなわち正弦波信号 23と余弦波信号 24の位相角（縦軸)との関係を示す。
[0015] 磁気検出素子 10は回転体 8の中心部 8Aに配置された磁石 9の磁界を検出し、磁 石 9の 1回転に対し 2周期の正弦波信号と余弦波信号とを出力する。これらの信号を 制御部にて演算処理し、回転体 8の絶対回転角度を算出することができる。図 3Aは 磁気検出素子 10の出力する正弦波信号 124と余弦波信号 123の電圧を示す。図 3 Aにおいて、横軸は入力軸 2および出力軸 5の絶対回転角度を示し、縦軸は磁気検 出素子 10が出力する正弦波信号 124および余弦波信号 123を示す。図 3Bは、入 力軸 2および出力軸 5の機械的な絶対回転角度 (横軸）と、回転体 8の演算における 絶対回転角度すなわち正弦波信号 124と余弦波信号 123の位相 (縦軸)を示す。
[0016] 図 4は検出装置 6001の回路ブロック図である。磁気検出素子 11、 10、 12が出力 する正弦波信号と余弦波信号は検出器 16Aと増幅部 16を介してマイクロコンピュー タゃ CPU等の制御部 14に入力され、演算処理されることにより入力軸 2と出力軸 5の 絶対回転角度とトルクを出力する。制御部 14には EEPROM等の不揮発性のメモリ 1 5が接続されている。検出器 16Aは磁気検出素子 10、 11、 12の出力する信号が所 定の範囲である力否かを検出する。
[0017] 図 5Aは、入力軸 2および出力軸 5の機械的な絶対回転角度 (横軸）と、回転体 1、 4 の絶対回転角度 (横軸）を示す。点線は回転体 1、 4の絶対回転角度の理想値 24A( 図 2Bと同様)を示し、実線は回転体 1、 4の絶対回転角度の現実値 24Bを示す。
[0018] 図 5Bは、入力軸 2および出力軸 5の機械的な絶対回転角度 (横軸）と、回転体 8の 絶対回転角度 (横軸）を示す。点線は回転体 1、 4の絶対回転角度の理想値 124A( 図 3Bと同様)を示し、実線は回転体 1、 4の絶対回転角度の現実値 124Bを示す。回 転体 8が 1周する間に回転体 1、 4が回転する角度（図 5Bでは 720° )が絶対回転角 度を検出できる上限である。
[0019] 図 6は検出装置 6001のトルク検出特性を示す。横軸は入力軸 2および出力軸 5の 絶対回転角度を示し、縦軸はトーシヨンバー 7にかかるトルクを示す。回転体 1の絶対 回転角度 θ x、回転体 4の絶対回転角度 Θ y、トーシヨンバー 7のばね定数 Tにより、ト ルクは（ θ X - Θ y) XTで算出される。
[0020] 次に、トーシヨンバー 7にかかるトルクの算出方法について説明する。互いに固定さ れている入力軸 2とトーシヨンバー 7と出力軸 5が回転すると、入力軸 2と嵌合し連結し ている回転体 1が回転する。回転体 1が回転すると、回転体 1に保持されているター ゲット 3が回転する。この回転に伴い、ターゲット 3に対向する磁気検出素子 11が磁 極 3A、 3B力もの磁界を検出して、磁界に応じた信号を出力する。制御部 14はその 信号を演算して回転体 1の絶対回転角度 θ Xを算出する。また、入力軸 2とトーシヨン バー 7と出力軸 5が回転すると、出力軸 5と嵌合し連結している回転体 4も回転する。 回転体 4が回転すると、回転体 4に保持されているターゲット 6が回転する。この回転 に伴い、ターゲット 6に対向する磁気検出素子 12が磁極 6A、 6Bの磁界を検出し、磁 界に応じた信号を出力する。制御部 14はその信号を演算処理して回転体 4の絶対 回転角度 Θ yを算出する。制御部 14は第 1の回転体 1と回転体 4の絶対回転角度 Θ x、 0 yの差にトーシヨンバー 7のばね定数 Tを乗じてトルクを算出する。トーシヨンバ 一 7に加えられるトルクに対して捩れ角を拡大できるので、検出されるトルクの分解能 を大きくすることができる。
[0021] 次に、回転体 1、 4、 8の回転角度の検出方法について説明する。回転体 1が回転 すると、回転体 1の歯車 1Aに嚙み合う回転体 8の歯車 8Bを介して回転体 8を回転さ せる。回転体 1の歯車 1Aの歯数を NA、回転体 8の歯車 8Bの歯数を NBとすると、回 転体 8は回転体 1の NAZNB倍の速さで回転する。歯数 NA、 NBを適切に選択する ことにより、回転体 8は回転体 1よりも十分低速で回転する。
[0022] 回転体 1の回転に伴い変化する磁極 3A、 3Bからの磁界を受ける磁気検出素子 11 はその磁界に応じた信号を出力する。中心部 8Aに磁石 9が配置された回転体 8に対 向する磁気検出素子 10は、回転体 8の回転に伴って変化する磁石 9から磁界を受け 、その磁界に応じた信号を出力する。磁気検出素子 11、 10が出力する信号は制御 部 14に入力され、制御部 14内の AZDコンバータでデジタル信号に変換される。制 御部 14は磁気検出素子 10の出力する信号から回転体 8が初期位置からの回転角 度を算出し、磁気検出素子 11が出力する信号力 回転体 1の回転角度を細力べ検 出する。制御部 14は回転体 8の回転角度から回転体 1の粗い絶対回転角度を算出 し、磁気検出素子 11が出力する信号力 算出した回転体 1の回転角度で粗い絶対 回転角度を補正して回転体 1の 1回転以上の絶対回転角度を算出する。図 7は制御 部 14で算出される回転体 1の回転角度と絶対回転角度を示す。図 7の 3つのグラフ において横軸は回転体 1の絶対回転角度を示す。また、図 7は、磁気検出素子 11の 出力信号による回転角度 19と、磁気検出素子 10の出力信号による絶対回転角度 2 0と、算出した現実の絶対回転角度 21と、理想的な絶対回転角度 22とを示す。なお 磁気検出素子 11の出力信号による回転角度 19を示すグラフは、横軸で示される回 転体 1の絶対回転角度の 0〜60° の部分を他のグラフより拡大して示している。
[0023] 次に、磁気検出素子 10、 11、 12の感度のバラツキや増幅部 16の増幅度等の特性 のノ ツキを補正して、算出される絶対回転角度の誤差の発生を防止する方法につ いて、図 1、図 4、図 8を参照して説明する。図 8は磁気検出素子 10、 11、 12が出力 する信号を示す。
[0024] 回転体 1が回転するとターゲット 3も回転する。ターゲット 3の回転に伴い磁極 3A、 3 Bから磁気検出素子 11が受ける磁界が変化する。磁気検出素子 11は、この磁界に 応じて正弦波信号 24と余弦波信号 23を出力する。図 8は正弦波信号 24と余弦波信 号 23を示す。これらの信号は増幅部 16で増幅され制御部 14に入力される。制御部 14は正弦波信号 24と余弦波信号 23から逆正接信号を算出する。しかし、図 8に示 すように正弦波信号 24の振幅中心 27と余弦波信号 24の振幅中心 26が磁気検出素 子 11や増幅部 16のバラツキにより異なると、算出された逆正接信号の精度が落ちる 。メモリ 15は磁気検出素子 10、 11、 12に感度を記憶する。すなわち、図 4に示すス イッチ 29を ONして感度記憶モードにした時のみに、回転体 8が 180度以上回転す るように回転体 1を回転させて正弦波信号 24の最大値 24Cと最小値 24Dと余弦波信 号 23の最大値 23Cと最小値 23Cをメモリ 15に記憶する。次にスィッチ 29を OFFして 通常動作モードに移行して回転角度を算出する時には、制御部 14はメモリ 15に記 憶された最小値と最大値と入力された正弦波信号 24と余弦波信号 23の最大値 24C 、 23Cと最小値 24D、 23Dがそれぞれ一致するように正弦波信号 24と余弦波信号 2 3を補正して逆正接信号を算出し、回転角度を求める。すなわち、制御部 14はメモリ 15に記憶された磁気検出素子 10、 11、 12の感度に基づき正弦波信号 24と余弦波 信号 23を補正して逆正接信号を算出し、回転角度を求める。
[0025] 図 8に示す正弦波信号 24と余弦波信号 23の最大値 24C、 23Cと最小値 24D, 23 Dが基準範囲 28内にない場合、周囲温度などによって増幅部 16の出力する信号が 変化しなかったり、その信号の必要な分解能が得られない場合がある。検出器 16A は最大値 23C, 24Cと最小値 23D、 24Dが基準範囲 28内にある力否かを検出する 。検出器 16Aは、最大値 23C, 24Cと最小値 23D、 24Dが基準範囲 28内にないこと 検出した場合に、基準範囲外の信号を除去してもよい。また、検出器 16Aは、正弦 波信号 24と余弦波信号 23の振幅中心 27、 26を検出し、振幅中心 27、 26が基準範 囲 28内にある力否かを検出してもよい。検出器 16Aは、振幅中心 27、 26が基準範 囲 28内に無いことを検出した場合に、その振幅中心を有する信号を除去できる。制 御部 14は磁気検出素子 11、 10の出力する正弦波信号 24と余弦波信号 23の振幅 中心 27、 26を比較してもよい。制御部 14は、振幅中心 27と振幅中心 26がー致する ように正弦波信号 24と余弦波信号 23を補正することにより、磁気検出素子 10、 11、 12や増幅部 16の特性バラツキによる誤信号の出力を防止できる。なお、制御部 14 は、複数回正弦波信号 24と余弦波信号 23の振幅中心の平均値を算出して最終的 に振幅中心 26、 27を算出してもよぐこれにより、さらに高い精度で誤出力を防止で きる。また、制御部 14は、最大値 23C, 24Cと最小値 23D、 24Dを除いて平均値を 算出してもよぐこれにより、さらに高い精度で誤出力を防止できる。
[0026] また、メモリ 15が回転体 1の任意の所定位置での磁気検出素子 11、 10が出力する 信号を記憶することにより、制御部 14はその所定位置力もの絶対回転角度を検出で きる。図 4に示す所定位置決定用信号線 31を通して磁気検出素子 11、 10の出力す る信号がその所定位置であることを示す信号を制御部 14に送れば、機械的な動作 なしで所定位置を確定できる。この際、制御部 14はその信号を複数回読み込んでチ エックする力 またはシリアル信号で送ることにより、ノイズなどの誤信号が入った場合 に誤信号を除去できる。なお、所定位置決定用信号線 31は出力信号線 32と入出力 を切り替えて共通の端子を使ってもょ 、。
[0027] (実施の形態 2)
図 9Aと図 9Bは本発明の実施の形態 2における回転角度およびトルク検出装置 60 02の正面断面図と側面断面図である。図 9Cは図 9Aに示す検出装置 6002の線 9C —9Cにおける断面図である。図 10は検出装置 6002の側面断面図である。図 11A はリング状磁石 4、 4Aと磁気検出素子 7A、 7Bを示す。図 11Bは図 11Aに示すリング 状磁石 4、 4Aと磁気検出素子 7A、 7Bの線 1 IB— 1 IBにおける断面図である。
[0028] 金属または榭脂等の非磁性材料よりなり貫通穴 1001Aが形成された中空ノイブ状 の回転体 1001は、アルミダイキャスト等で形成されたハウジング 1002に固定された 軸受 1003Aの内周面で回転自在に保持されている。回転体 1001は外側面力も突 出する突出部 1001Bを有する。突出部 1001Bにはリング状の磁石 1004が固定され ている。図 11Aに示すように、リング状磁石 1004は、回転体 1001と直角に半径方向 に着磁された複数の磁極 1004C、 1004Dを備える。回転体 1001と同軸〖こ、貫通孔 1005Aを有する中空パイプ状に形成された回転体 1005力 ハウジング 1002に固 定された軸受 1003Bによって回転自在に保持されている。回転体 1005は、回転体 1001と同様に、突出部 1005Bを有する。突出部 1005Bには、リング状磁石 4と同様 に、複数の磁極を有するリング状磁石 1004Aが固定されている。回転体 1001と回 転体 1005は互いに独立に回転できる。回転体 1001、 1005の貫通孔 1001A、 100 5Aにはトーシヨンバー 1022が挿入されている。トーシヨンバー 1022は車両のステア リングに連動して回転する。
[0029] 回転体 1001は貫通孔 1001Aに挿入されたトーシヨンバー 1022の入力軸 1022A とビス 1006Aによって固定され、回転体 1005はトーシヨンバー 1022の出力軸 1022 Bとビス 1006Bによって固定される。図 11Aと図 11Bに示すように、リング状磁石 100 4および第二のリング状磁石 1004Aに対向して磁気抵抗 (MR)素子等の磁気検出 素子 1007A、 1007Bがプリント基板 1008上に配置されている。プリント基板 1008 はハウジング 1002上にビス 1006Cにより固定されている。回転体 1005には歯車 10 09がビス 1006Dにより固定されている。歯車 1009は歯車 1010と嚙合っている。歯 車 1009、 1010の歯数は、トーシヨンバー 1022の最大回転数により決まる所定の減 速比が得られるように設定される。歯車 1010の端面には歯車 1010と共に回転する 回転磁石 1011が固定されている。回転磁石 1011と対向して磁気検出素子 1012が 配置されている。磁気検出素子 1012を搭載されたサブプリント基板 1013がハウジン グ 1002上に固定されている。これらの各部品は、上ケース 1014と下ケース 1015に 収納されている。
[0030] 以上のように構成された検出装置 6002の動作を説明する。
[0031] ステアリングに連動して回転するトーシヨンバー 1022が回転すると、トーシヨンバー 1022の入力軸 1022Aに固定された回転体 1001が回転する。回転体 1001の回転 に伴って、回転体 1001に固定されたリング状磁石 1004の磁極 1004C、 1004D力 ら磁気検出素子 1007Aが受ける磁界が変化する。すなわち、トーシヨンバー 1022の 入力軸 1022Aの回転角度に応じて磁気検出素子 1007Aが受ける磁界が変化する 。磁気検出素子 1007Aはその磁界に応じた信号を出力することで、トーシヨンバー 1 022の回転角度ひいてはステアリングの回転角度を検出できる。 [0032] トーシヨンバー 1022が回転すると、トーシヨンバー 1022の出力軸 1022Bに固定さ れた回転体 1005が回転する。回転体 1005の回転に伴って、回転体 1005に固定さ れたリング状磁石 1004Aの複数の磁極力も磁気検出素子 1007Bが受ける磁界が変 化する。すなわち、トーシヨンバー 1022の出力軸 1022Bの回転角度に応じて磁気 検出素子 1007Bが受ける磁界が変化する。磁気検出素子 1007Bはその磁界に応 じた信号を出力することで、トーシヨンバー 1022の出力軸 1022Bの回転角度を検出 できる。すなわち、磁極 1004C、 1004Dを有するリング状磁石 1004と磁気検出素 子 1007Aは、回転体 1005の回転角度を検出する回転角度検出部 1201を形成す る。同様に、複数の磁極を有するリング状磁石 1004Aと磁気検出素子 1007Bは、回 転体 1001の回転角度を検出する回転角度検出部 1203を形成する。回転磁石 101 1と磁気検出素子 1012は、歯車 1010の回転角度を検出する回転角度検出部 120 2を形成する。
[0033] トーシヨンバー 1022にトルクが加わった場合にはトーシヨンバー 1022が捩れる。磁 気検出素子 1007Aで検出される回転角度と、磁気検出素子 1007Bで検出される回 転角度の差がトーシヨンバー 1022の捩れる捩れ角度に比例するので、回転角度の 差によりトーシヨンバー 1022にカ卩えられたトルクを検出できる。
[0034] トーシヨンバー 1022の回転は、歯車 1009から所定の減速比で歯車 1010に伝達さ れる。減速比を適切に選択することで、トーシヨンバー 1022が 1回転より多く（一般に 4〜6回転）回転する場合でも、歯車 1010に設けられた回転磁石 1011は 1回転以 内で回転させることができる。回転磁石 1011の回転角度を磁気検出素子 1012で検 出することで、トーシヨンバー 1022や回転体 1001、 1005の 1回転以上の絶対回転 角度を検出できる。歯車 1009と歯車 1010で構成される減速歯車列をウォーム歯車 とピニオン歯車で構成することで、小型で減速比の大き 、歯車列を構成できるので、 平歯車や遊星歯車を用いた場合に比べ検出装置 6001をコンパクトで簡潔な構造と することができる。すなわち、検出装置 6002は簡単な構造でトーシヨンバー 1022の トルクと回転の絶対回転角度の両者を検出できる。
[0035] リング状磁石 1004、 1004Aは図 11Aに示すように着磁されているので、均一な磁 界が形成され、検出装置 6001は回転角度を精度よく検出できる。 [0036] 図 12は、実施の形態 2による回転体 1005の代わりに用いることのできる他の回転 体 2005の断面図である。リング状磁石 1004、 1004Aは、図 11Bに示す回転体 100 1、 1005へ一般には接着 ·貼り付け等の通常の方法で取り付けられる力 精度の確 保と生産工数で課題となることがある。図 12に示す回転体 2005は榭脂材料よりなる 。回転体 2005は、榭脂材料力もリング状磁石 1004Aと共にインサート成形される。こ の方法によりリング状磁石 1004Aの取り付け精度を向上でき、組立工数と部品点数 を削減できる。
[0037] 図 13は実施の形態 2による回転体 1005の代わりに用いることのできるさらに他の 回転体 3005の断面図である。ウォーム歯車 1009はポリオキシメチレン（POM)榭脂 等の弾性榭脂で形成される。歯車 1009の回転体 3005と嵌合する円筒面に突起部 1016が設けられる。回転体 3005の歯車 1009と当接する面は凹部 1017が設けら れる。歯車 1009の突起部 1016が回転体 3005の凹部 1017に弾性嵌合することに よって、歯車 1009を簡単で確実に回転体 3005に固定できる。
[0038] 図 14は実施の形態 2による回転体 1005の代わりに用いることのできるさらに他の 回転体 4005の断面図である。回転体 4005は榭脂材料で形成される。回転体 4005 の突出部 4005Bには複数の係止爪 1018が設けられ、リング状磁石 1004Aは係止 爪 1018で突出部 4005Bに固定される。この構成により、リング状磁石 1004Aの接 着'貼り付けという煩雑な工程が省けるので、検出装置 6002の製造工数を削減でき る。
[0039] 歯車 1009にウォーム歯車を用いた場合には、回転によりピ-オン歯車である歯車 1010の回転軸の方向に推力が生じる。この推力により嚙合いのズレが発生すると歯 車 1010の回転精度が低下する。精度の低下を防止するために、図 10に示すように 、歯車 1010の軸に溝部 1019を設ける。溝部 1019にハウジング 1002に固定した板 ばね 1020の略 U字状の切欠き 1021を嵌合させる。板ばね 1020は歯車 1010の軸 方向に常時弾性力を発生し、歯車 1010を歯車 1009に常に当接させることができる 。これにより、磁気検出素子 1012が回転体 1005の回転を検出する精度を向上させ ることがでさる。
[0040] リング状磁石 1004、 1004Aは回転体 1001、 1005の回転軸と直角の半径方向に 着磁され、半径方向に磁気検出素子 1007A、 1007Bが配置されている。装置 600 2の外形の制約等の条件力も、リング状磁石 1004、 1004Aは回転体 1001、 1005 の回転軸と平行な厚み方向に着磁されてもよい。この場合は、図 11Bに示すリング状 磁石 1004、 1004Aの面 1004B、 1004Eに対向して磁気検出素子 1007A、 1007 Bがそれぞれ配置される。
[0041] (実施の形態 3)
図 15Aは実施の形態 3における回転角およびトルク検出装置 6003の構成図であ る。図 15Bは図 15Aに示す検出装置 6003の線 15B— 15Bでの断面図である。図 1 5Cは検出装置 6003の要部断面図である。回転体 8001は入力軸 8002に嵌合して 連結され、多回転可能である。回転体 8001に保持、固定されたターゲット 8003の外 周面 8003C上には、図 1に示す検出装置 6001と同様に、極性の異なる複数の磁極 が交互に等間隔に配置されている。回転体 8004は出力軸 8005に嵌合し、多回転 可能である。回転体 8004に保持、固定されたターゲット 8006の外周面 8006B上に は、図 1に示す検出装置と同様に、極性の異なる複数の磁極が交互に等間隔に配置 されて!/、る。トーシヨンノ ー 8007力入力軸 8002と出力軸 8005の間で同'、軸 6003 A上に酉己置され、人力軸 8002と出力軸 8005に固定されている。歯車 8008は回転 体 8001に固定されて!ヽる。回転体 8009には歯車 8008の歯車と嚙み合う歯車 800 9Aが固定されている。磁石 8010力回転体 8009の中央部 8009Bに配置されている 。磁気検出素子 8011は磁石 8010に対向し、磁石 8010から受ける磁界に応じた信 号を出力する。回転体 8012に ίま回転体 8009の歯車 8009Aに嚙み合う歯車 8012 Αが固定されている。磁石 8013が回転体 8012の中央部 8012Bに配置されている。 磁気検出素子 8014は磁石 8013に対向し、磁石 8013から受ける磁界に応じた信号 を出力する。磁気検出素子 8015はターゲット 8003の複数の磁極に対向でき、これ らの磁極力も受ける磁界に応じた信号を出力する。磁気検出素子 8016はターゲット 8006の複数の磁極に対向し、これらの磁極力も受ける磁界に応じた信号を出力する 。基板 8017には磁気検出素子 8015、 8016が搭載されている。基板 8018には磁 気検出素子 8011、 8014が配置される。
[0042] ここでターゲット 8003の複数の磁極の数とターゲット 8006の複数の磁極の数は同 じに設定する。磁極の数は、検出する最大トルクやトーシヨンバー 8007のばね定数 によって決まる。たとえば、最大トルクを ±8N'm、トーシヨンバー 8007のばね定数を 2N'mZdegとした時、トーシヨンバー 8007の最大捩れ角は ±4度となる。ターゲット 8003の磁極の数を 30 (N極： 15、 S極： 15)に設定し、ターゲット 8006の磁極の数を 30 (N極： 15、 S極： 15)に設定する。この場合、隣り合う磁極は 12度の角度間隔で 配置される。トーシヨンバー 8007の最大捩れ角は ±4度なので、回転体 8001、 800 4の絶対回転角度の差は 8度を超えず、したがってターゲット 8003、 8006の複数の 磁極によりトーシヨンバー 8007にカ卩えられたトルクを正しく測定できる。
[0043] 磁気検出素子 8015、 8016、 8011、 8014に磁気抵抗（MR)素子を用いた場合の 検出装置 6003の動作について説明する。図 16は検出装置 6003の回路ブロック図 である。各磁気検出素子は磁極や磁石からの磁界により、回転体の回転角度に対し て正弦波信号と余弦波信号とを出力する。磁気検出素子 8015、 8016は、回転する ターゲット 8003、 8006の複数の磁極の磁界を検出すると、 1つの磁極に対して 1周 期の正弦波および余弦波信号を出力し、回転体 8001、 8004の 1回転あたり磁極の 数の周期の正弦波信号と余弦波信号を出力する。これらの信号は増幅器 8025にて 所定の振幅を有するように増幅され、マイクロコンピュータや CPU等の制御部 8026 に入力される。入力された信号は制御部 8026内の AZDコンバータでデジタル信号 に変換され、制御部 8026はデジタル信号を演算処理して、ターゲット 8003、 8006 の回転すなわち回転体 8001、 8004の絶対回転角度を算出し出力信号線 8030か ら出力する。図 17Aは、回転体 8001、 8004の絶対回転角度 (横軸）と、磁気検出素 子 8015、 8016が出力する正弦波信号 8019および余弦波信号 8020 (縦軸）を示 す。図 17Bは、回転体 8001、 8004の絶対回転角度（横軸）と、回転体 8001、 8004 の制御部 8026の演算における絶対回転角度 (縦軸）、すなわち正弦波信号 8019お よび余弦波信号 8020の位相を示す。
[0044] 回転体 8009の歯車 8009Aは歯車 8008と連結されている。回転体 8009は、回転 体 8008力 S回転すると、回転体 8008の回転速度に歯車 8009Aの歯車 8008に対す る歯数の比を乗じた回転速度で回転する。
[0045] 磁気検出素子 8011は、回転体 8009の中心部 8009Bに配置された磁石 8010力 ら受ける磁界に応じて、磁石 8010の 0. 5回転に対して 1周期の正弦波信号 8019お よび余弦波信号 8020を出力する。制御部 8026はこれらの信号を演算処理し、回転 体 8009の絶対回転角度を算出する。図 18Aは、回転体 8001の絶対回転角度 (横 軸）と、磁気検出素子 8011が出力する正弦波信号 8021および余弦波信号 8022 ( 縦軸）を示す。図 18Bは回転体 8001の絶対回転角度 (横軸）と、回転体 8009の演 算における回転角度 (横軸）、すなわち正弦波信号 8021と余弦波信号 8022の位相 を示す。
[0046] 歯車 8012Aは回転体 8012に固定され、回転体 8009の歯車 8009Aに嚙み合つ て ヽる。回転体 8012は回転体 8001力回転すると、歯車 8008、 8009A、 8012Aの 歯数の比による回転速度で回転する。
[0047] 磁気検出素子 8014は、回転体 8012の中心部 8012Bに配置された磁石 8013か らの磁界を受け、磁石 8013の 0. 5回転に対して 1周期の正弦波信号と余弦波信号 とを出力する。制御部 8026はこれらの信号を演算処理して回転体 8012の絶対回転 角度を算出する。図 19Aは、回転体 8001の絶対回転角度 (横軸）と、磁気検出素子 8014が出力する正弦波信号 8023および余弦波信号 8024の電圧 (縦軸）を示す。 図 19Bは、回転体 8001の絶対回転角度 (横軸）と、回転体 8012の演算における絶 対回転角度 (縦軸）、すなわち正弦波信号 8023と余弦波信号 8024の位相を示す。
[0048] 図 20Aは、回転体 8001の絶対回転角度 (横軸）と、回転体 8009の回転角度 (横 軸）を示す。図 20Bは、回転体 8001の絶対回転角度 (横軸）と、回転体 8012の回転 角度（縦軸）を示す。回転体 8009の歯車 8009Aの歯数と回転体 8012の歯車 8012 Aの歯数が違うので、回転体 8001の絶対回転角度に対する回転体 8009と回転体 8 012の周期は異なる。図 20Cは、回転体 8001の絶対回転角度 (横軸）と、回転体 80 09と回転体 8012の回転角度の差 (縦軸）とを示す。図 20Dは、回転体 8001の絶対 回転角度 (横軸)と、磁気検出素子 8015の出力する信号力 得られる回転角度すな わち正弦波信号 8019の位相を示す。図 20Eは、出力軸 8005に嵌合された回転体 8004の絶対回転角度 (横軸）と、磁気検出素子 8016が出力する正弦波信号力も得 られる回転角度すなわち正弦波信号の位相を示す。
[0049] 図 21A力ら図 21Cは回転体 8009、 8012の回転角度の誤差が回転体 8001の絶 対回転角度に与える影響を示す。図 21 Aは、回転体 8001の絶対回転角度 (横軸） と、回転体 8009の回転角度 (縦軸）を示す。図 21Bは、回転体 8001の絶対回転角 度 (横軸）と、回転体 8009と回転体 8012の回転角度の差 (縦軸）を示す。図 21Cは 回転体 8001の絶対回転角度 (横軸）と、磁気検出素子 8015が出力する正弦波信 号 8019と余弦波信号 8020から得られる回転体 8001の回転角度 (縦軸)すなわち 正弦波信号 8019と余弦波信号 8020の位相を示す。図 22は検出装置 6003のトル ク検出特性を示す。横軸は入力軸 8002および出力軸 8005の絶対回転角度を示し 、縦軸はトーシヨンバー 8017に加えられるトルクを示す。回転体 8001の絶対回転角 度 θ x、回転体 8004の絶対回転角度 Θ y、トーシヨンバー 8007のばね定数 Tにより 、トルクは（ θ X - Θ y) XTで算出できる。
[0050] 次に、トーシヨンバー 8007にかかるトルクの算出方法について説明する。互いに固 定されて!/ヽる人力軸 8002と卜ーシヨンノ ー 8007と出力軸 8005力回転すると、人力 軸 8002と嵌合している回転体 8001が回転する。回転体 8001が回転すると、回転 体 8001に固定されているターゲット 8003力回転する。この回転に伴い、ターゲット 8 003の複数の磁極に対向する磁気検出素子 8015が磁極からの磁界に応じた信号 を出力する。制御部 8026はその信号を演算処理して回転体 8001の回転角度を算 出する。人力軸 8002と卜ーシヨンノ ー 8007と出力軸 8005力回転すると、出力軸 80 05と嵌合している回転体 8004も回転する。回転体 8004が回転すると、回転体 800 4に固定されているターゲット 8006が回転する。この回転により、ターゲット 8006の 複数の磁極に対向する磁気検出素子 8016が磁極力もの磁界に応じた信号を出力 する。制御部 8026はその信号を演算処理して回転体 8004の回転角度を算出する 。制御部 8026は回転体 8001、 8004の回転角度の差を算出し、この差にドーシヨン バー 8007のばね定数を乗じてトルクを算出する。図 20Dは制御部 8026が磁気検 出素子 8015の出力する信号力も算出した回転体 8001の回転角度 8034を示す。 図 20Eは制御部 8026が磁気検出素子 8016の出力する信号力も算出した回転体 8 004の回転角度 8035を示す。前述したよう【こ、図 22【こ示す卜ノレク ίま回転角度 8034 、 8035の差より求められる。
[0051] 次に、各回転体の絶対回転角度を検出する方法について説明する。 [0052] 回転体 8001に固定された歯車 8008が回転すると、歯車 8008に嚙み合った歯車 8009Aにより回転体 8009力 S回転する。同時に、回転体 8009の歯車 8009Aに噴み 合った歯車 8012Aにより回転体 8012が回転する。歯車 8008の歯数 NAと歯車 800 9Aの歯数 NBと歯車 8012Aの歯数 NCに基づき、回転体 8009は回転体 8008の N AZNB倍の速さで回転し、回転体 8012は回転体 8008の NAZNC倍の速さで回 転する。歯数 NA、 NB、 NCを適切に選択することにより、回転体 8009と回転体 801 2の回転角度の差から回転体 8001の絶対回転角度を得ることができる。
[0053] 回転体 8009の中心部 8009Bに配置された磁石 8010に対向して配置された磁気 検出素子 8011は、回転体 8009が回転すると磁石 8010からの磁界を検知する。回 転体 8012の中心部 8012Bに配置された磁石 8013に対向する磁気検出素子 8014 は、回転体 8012が回転すると磁石 8013からの磁界を検知する。磁気検出素子 801 1と磁気検出素子 8014が出力する信号は制御部 8026に入力され、制御部 8026内 の AZDコンバータによりデジタル信号に変換されて演算処理される。制御部 8026 は、磁気検出素子 8011、 8014が出力する信号力も算出される回転体 8009、 8012 の回転角度を算出して、それらの回転角度の差から回転体 8001の粗 、多回転の絶 対回転角度を算出する。制御部 8026は磁気検出素子 8011の出力する信号から回 転体 8009の回転角度を算出し、回転体 8001の粗い絶対回転角度を回転体 8009 の回転角度から得られる回転角度で補正して、回転体 8001の多回転の絶対回転角 度を高精度に算出する。図 20Aは、磁気検出素子 8011の出力信号より得られた回 転体 8009の回転角度 8031を示す。図 20Bは、磁気検出素子 8014の出力信号か ら得られた回転体 8012の回転角度 8032を示す。図 20Cは、磁気検出素子 8011、 8014の出力信号から得られた回転体 8009、 8012の回転角度の差 8033を示す。
[0054] 次に、回転体の回転角度を更に高精度に検出する方法について説明する。
[0055] 図 21Bは磁気検出素子 8011、 8014の出力信号から得られた回転体 8009、 801 2の回転角度の差 8033を示す。回転体 8009、 8012の検出された回転角度には機 械的誤差、素子や回路誤差が含まれるので、回転体 8009、 8012の回転角度の差 8 033にも検出誤差 8036が含まれる。検出誤差 8036を含む回転角度の差 8033から 算出された回転体 8001の絶対回転角度は検出誤差 8037を含む。回転体 8001の 絶対回転角度の検出範囲が広くなると絶対回転角度の差 8033の勾配が小さくなる ので、差 8033に含まれる検出誤差 8036が回転体 8001の絶対回転角度の検出に 与える影響は大きくなる。回転体 8001の絶対回転角度の検出誤差 8037が回転体 8 001の回転角度の検出周期 8041よりも小さければ、回転体 8001の絶対回転角度 の検出範囲内での検出周期 8041の位置を差 8033から決定できる。検出装置 600 3では、回転体 8009、 8012の回転角度の差 8033の検出範囲を狭くして検出誤差 8 037を小さくする必要がある。回転体 8001の絶対回転角度の検出誤差 8037を回転 体 8009の回転角度の検出周期 8038よりも小さく設定して、絶対回転角度の差 803 3から回転体 8001の絶対回転角度の検出範囲内での検出周期 8038の位置を決定 できるようにする。磁気検出素子 8011が検出する回転体 8001の回転の範囲は狭く 、絶対回転角度 8031の勾配は大きい。したがって、回転体 8009の回転角度の検出 誤差 8039に対応する回転体 8001の絶対回転角度の検出誤差 8040を、回転体 80 01の絶対回転角度の検出周期 8041よりも小さくできる。よって、絶対回転角度 803 1より回転体 8001の絶対回転角度の検出範囲内での絶対回転角度 8034の位置を 決定でき、絶対回転角度の差 8033の検出範囲を変えずに回転体 8001の回転角度 を高精度で検出できる。
[0056] 次に回転体 8001、 8004の絶対回転角度を常に比較して、検出装置 6003の異常 を検知する方法について図 15、図 17A、図 17B、図 20A〜図 20Eにより説明する。
[0057] 図 15において、回転体 8001が回転すると回転体 8004もトークシヨンバー 8007を 介して回転する。トーシヨンバー 8007には予め決められた最大トルク以上のトルクが 加わらないので、回転体 8001と回転体 8004の絶対回転角度の差が規定値以上に なると検出装置 6003の機構または回路の異常と判断できる。回転体 8001が回転す るとターゲット 8003も回転する。ターゲット 8003が回転するとターゲット 8003に固定 された複数の磁極力も磁気検出素子 8015が受ける磁界が変化する。磁気検出素子 8015は、この磁界に応じた正弦波信号 8019と余弦波信号 8020を出力する。図 17 Aに正弦波信号 8019と余弦波信号 8020 (縦軸）と、回転体 8001の絶対回転角度（ 横軸）を示す。これらの信号は増幅器 8025を介して制御部 8026に入力され、制御 部 8026は正弦波信号 8019と余弦波信号 8020から逆正接信号を算出して回転体 8001の絶対回転角度を求める。
[0058] 回転体 8004が回転するとターゲット 8006も回転する。ターゲット 8006の回転に伴 い、ターゲット 8006に固定された複数の磁極力も磁気検出素子 8016が受ける磁界 が変化する。磁気検出素子 8016は、この磁界の変化に応じた正弦波信号 8019と 余弦波信号 8020を出力する。これらの信号は増幅器 8025を介して制御部 8026に 入力され、制御部 8026は正弦波信号 8019と余弦波信号 8020より逆正接信号を算 出して、回転体 8004の絶対回転角度を求める。図 20Dと図 20Eにおいて、回転体 8 001の絶対回転角度 8034と回転体 8004の絶対回転角度 8035との差は、絶対回 転角度 8034、 8004の原点を一致させておけば装置 6003の異常がない限り規定値 以下となる。
[0059] 次に、回転体 8001と回転体 8009の回転角度を常に比較して、検出装置 6003の 異常を検知する方法について図 15、図 17A、図 17B、図 18A、図 18B、図 20A〜 図 20Eにより説明する。
[0060] 図 15において、回転体 8001が回転するとターゲット 8003が回転する。ターゲット 8 003固定された複数の磁極の数が 30個の場合、図 17Aと図 17Bに示すように、回転 体 8001が 12度回転する毎に正弦波信号 8019と余弦波信号 8020が 1周期（電気 角 180度)変化する。すなわち、回転体 8001の 12度の周期で絶対回転角度が得ら れる。回転体 8001が回転して歯車 8008が回転すると、歯車 8008に嚙み合った歯 車 8009Aが回転し、歯車 8009Aが固定された回転体 8009が回転する。歯車 8008 に対する歯車 8009Aの歯数比が 1Z3の場合、図 18Aと図 18Bに示すように、回転 体 8001が 60度回転する毎に正弦波信号 8021と余弦波信号 8022が 1周期（電気 角 180度）変化する。図 20Aと図 20Dにおいて、絶対回転角度 8031、 8034の原点 を一致させてかつ絶対回転角度 8031と絶対回転角度 8034の勾配を 1周期の回転 角度比（ 12： 60 = 1： 5)で補正すれば、回転体 8001の絶対回転角度 8034と回転体 8009の回転角度 8031との差は、検出装置 6003に異常がない限り、既定値以下と なる。
[0061] 次【こ、磁気検知素子 8011、 8014、 8015、 8016および増幅咅 8025の感度のノ ラツキをおさえ、回転角度の検出誤差の発生を防止する方法について説明する。 [0062] 図 15において、回転体 8001が回転するとターゲット 8003も回転する。ターゲット 8 003の回転に伴い、ターゲット 8003に固定された複数の磁極力も磁気検出素子 80 15が受ける磁界が変化する。磁気検出素子 8015は、この磁界に応じた正弦波信号 8019と余弦波信号 8020を出力する。
[0063] 正弦波信号 8019と余弦波信号 8020は増幅器 8025を介して制御部 8026に入力 され、制御部 8026は正弦波信号 8019と余弦波信号 8020より逆正接信号を算出す る。図 23は磁気検出素子 8011、 8014、 8015、 8016力出力する正弦波信号 8042 と余弦波信号 8043を示す。図 23に示すように、正弦波信号 8042の振幅 8044と余 弦波信号 8043の振幅 8045が磁気検出素子や増幅部の感度のバラツキにより異な ると、算出された逆正接信号の精度が落ちる。図 16に示すスィッチ 8028を ONして 感度記憶モードにした時のみに、回転体 8001、 8004を 12度以上回転させ、正弦 波信号 8042と余弦波信号 8043の振幅 8044、 8045すなわち感度を算出し、 EEP ROM等の不揮発性のメモリ 8027に記憶する。同様に、回転体 8004の絶対回転角 度を検出する磁気検出素子 8016の出力する正弦波信号 8043と余弦波信号 8042 の振幅 8044、 8045 (感度）力 メモリ 8027に記'隐される。回転体 8001、 8004の絶 対回転角度を算出するときにはスィッチ 8028を OFFする。制御部 8026はメモリ 802 7に記憶された振幅 (感度）により正弦波信号 8043の最大値と余弦波信号 8042の 最大値が一致し、かつ正弦波信号 8043の最小値と余弦波信号 8042の最小値が一 致するように正弦波信号 8043と余弦波信号 8042を補正して逆正接信号を算出し、 回転体 8001、 8004の回転角度を求める。
[0064] 同様に、スィッチ 8028を ONにして検出装置 6003を感度記憶モードに設定して、 回転体 8009、 8012が 180度以上回転するように回転体 8001を回転させ、制御部 8026は、図 18A、図 19Aに示す正弦波信号 8021、 8023と余弦波信号 8022、 80 24の振幅 (感度）を算出してメモリ 8027に記憶する。制御部 8026は、メモリ 8027に 記憶された感度により正弦波信号 8043と余弦波信号 8042の最大値が一致し、正 弦波信号 8043と余弦波信号 8042の最小値が一致するように正弦波信号 8043と余 弦波信号 8042を補正し、逆正接信号を算出して回転体 8009、 8012の回転角度を 求める。 [0065] 図 23【こお!ヽて、磁気検出素子 8015、 8016、 8011、 8014の出力する信号の最 大値、最小値が基準範囲 8046内に無い場合、温度特性などによって信号が変化し なかったり、必要な分解能が得られない場合がある。検出器 8025Aは、基準範囲 80 46内に正弦波信号と余弦波信号の最大値、最小値がある力否かを検出することによ り誤信号の出力を防止できる。制御部 8026は、磁気検出素子 8015、 8016、 8011 、 8014の出力する正弦波信号 8042の振幅中心 8048と余弦波信号の振幅中心 80 47を比較することにより、誤信号の出力を防止できる。この場合、制御部 8026は、複 数回ずつ入力された正弦波信号と余弦波信号の振幅中心の平均値を算出し、もしく は正弦波信号と余弦波信号の最大値、最小値を除!、て正弦波信号と余弦波信号の それぞれの平均値を算出することで、より高精度で誤信号の出力を防止できる。
[0066] また、メモリ 8027力 壬意の所定位置での磁気検出素子 8015、 8016、 8011、 801 4が出力する信号又はこれらの信号力 算出される回転角度を記憶することにより、 制御部 8026はその所定位置力もの絶対回転角度を検出できる。また、トーシヨンバ 一 8007に卜ノレクをカロえな!ヽ状態で磁気検出素子 8015、 8016、 8011、 8014力 ^出 力する信号又はこれらの信号力も算出される回転角度をメモリ 8017が記憶すること により、トルクを検出する原点を設定できる。図 16に示す所定位置決定用信号線 80 29を通して磁気検出素子 8015、 8016、 8011、 8014が出力する信号がその所定 位置であることを示す信号を送ることにより、機械的な動作無しで所定位置を確定で きる。この際、制御部 14はその信号を複数回読み込んでチェックする力、またはシリ アル信号で送ることにより、ノイズなどの誤信号が入った場合に誤信号を除去できる。 なお、所定位置決定用信号線 8029は出力信号線 8030と入出力を切り替えて共通 の端子を使ってもよい。
産業上の利用可能性
[0067] 本発明による検出装置は高精度'高分解能に多回転の絶対回転角度およびトルク を検出でき、車両のパワーステアリング等の絶対回転角度およびトルクとを検出する 装置に有用である。

Claims

請求の範囲
[1] 第 1の回転体と、
前記第 1の回転体に固定され、等間隔で配置された複数の磁極を有する第 1のター ゲッ卜と、
前記第 1の回転体に固定された第 1の歯車と、
前記第 1のターゲットの前記複数の磁極に対向して、前記第 1の回転体の回転角度 を検出する第 1の磁気検出素子と、
前記第 1の歯車に嚙み合う第 2の歯車と、
前記第 2の歯車が固定され、前記第 1の回転体と共に前記第 1の回転体より低速に 回転する第 2の回転体と、
前記第 2の回転体に設けられた第 1の磁石と、
前記第 1の磁石に対向し、前記第 2の回転体の回転角度を検出する第 2の磁気検出 素子と、
第 3の回転体と、
前記第 3の回転体に固定され、等間隔で配置された複数の磁極を有する第 2のター ゲッ卜と、
前記第 2のターゲットの前記複数の磁極に対向し、前記第 3の回転体の回転角度を 検出する第 3の磁気検出素子と、
前記第 1の回転体と前記第 2の回転体の間に設けられ、前記第 1の回転体と前記第 2の回転体とに接続されたトーシヨンバーと、
前記第 1の磁気検出素子と前記第 2の磁気検出素子と前記第 3の磁気検出素子が 出力する信号に基づき、前記第 1の回転体の回転角度と前記トーシヨンバーに加えら れたトルクとを算出する制御部と、
を備えた回転角度およびトルク検出装置。
[2] 前記第 1のターゲットの前記複数の磁極の数と前記第 2のターゲットの前記複数の磁 極の数は同じである、請求項 1に記載の回転角度およびトルク検出装置。
[3] 前記第 1の回転体の前記回転角度は 1回転以上の絶対回転角度である、請求項 1に 記載の回転角度およびトルク検出装置。
[4] 前記第 1の磁気検出素子と前記第 2の磁気検出素子と前記第 3の磁気検出素子の 少なくとも 1つの感度を記憶するメモリをさらに備え、
前記制御部は、前記第 1の磁気検出素子と前記第 2の磁気検出素子と前記第 3の磁 気検出素子の前記少なくとも 1つが出力する信号を前記メモリが記憶する前記感度 により補正して、前記トーシヨンバーに加えられた前記トルクを算出する、請求項 1に 記載の回転角度およびトルク検出装置。
[5] 前記第 1の磁気検出素子と前記第 2の磁気検出素子と前記第 3の磁気検出素子の 前記少なくとも 1つが出力する信号が基準範囲内にある力否かを検出する検出器を さらに備えた、請求項 4に記載の回転角度およびトルク検出装置。
[6] 前記第 1の磁気検出素子と前記第 2の磁気検出素子と前記第 3の磁気検出素子の 前記少なくとも 1つが出力する信号の振幅中心が基準範囲内にある力否かを検出す る検出器をさらに備えた、請求項 4に記載の回転角度およびトルク検出装置。
[7] 前記制御部は、
前記第 1の磁気検出素子と前記第 2の磁気検出素子と前記第 3の磁気検出素 子の前記少なくとも 1つが出力する前記信号を複数回入力され、
前記信号に基づき前記第 1の磁気検出素子と前記第 2の磁気検出素子と前記 第 3の磁気検出素子の少なくとも 1つの前記感度を算出する、請求項 4に記載の回転 角度およびトルク検出装置。
[8] 前記制御部は、
前記第 1の回転体の所定位置に対応する前記第 1の磁気検出素子の信号を記 し、
前記第 1の磁気検出素子と前記第 2の磁気検出素子と前記第 3の磁気検出素 子の少なくとも 1つが出力する信号に基づき、前記第 1の回転体の前記所定位置力も の絶対回転角度を算出する、請求項 1に記載の回転角度およびトルク検出装置。
[9] 前記第 1の歯車はウォーム歯車である、請求項 1に記載の回転角度およびトルク検 出装置。
[10] 前記第 1の歯車を前記第 2の歯車に当接させる板ばねをさらに備えた、請求項 9に記 載の回転角度およびトルク検出装置。
[11] 前記第 1の回転体と前記第 2の回転体は榭脂材料で形成され、
前記第 1のターゲットは、前記第 1の回転体にインサート成形された第 1のリング状磁 石であり、
前記第 2のターゲットは、前記第 2の回転体にインサート成形された第 2のリング状磁 石である、請求項 1に記載の回転角度およびトルク検出装置。
[12] 前記第 1の回転体の外周面には凹部が設けられ、
前記第 1の歯車は、前記第 1の回転体の前記凹部に嵌合する突出部を有する、請求 項 1に記載の回転角度およびトルク検出装置。
[13] 前記第 1のターゲットは、前記第 1の回転体にインサート成形されたリング状磁石であ り、
前記第 1の回転体は、前記リング状磁石を固定する係止爪を有する、請求項 1に記 載の回転角度およびトルク検出装置。
[14] 前記第 2の歯車に嚙み合う第 3の歯車と、
前記第 3の歯車が固定され、前記第 2の回転体と異なる回転速度で回転する第 4の 回転体と、
前記第 4の回転体に設けられた第 2の磁石と、
前記第 2の磁石に対向し、前記第 4の回転体の回転角度を検出する第 4の磁気検出 素子と、
をさらに備え、前記制御部は、前記第 1の磁気検出素子と前記第 2の磁気検出素子 と前記第 3の磁気検出素子と前記第 4の磁気検出素子が出力する信号に基づき、前 記第 1の回転体の回転角度と前記トーシヨンバーに加えられたトルクとを算出する、請 求項 1に記載の回転角度およびトルク検出装置。
[15] 前記制御部は、
前記第 2の磁気検出素子と前記第 4の磁気検出素子が出力する信号に基づき 前記第 2の回転体の回転角度と前記第 4の回転体の回転角度とを算出し、
前記第 2の回転体の前記回転角度と、前記第 4の回転体の前記回転角度と、前 記第 2の回転体の前記回転角度と前記第 4の回転体の前記回転角度との差により、 前記第 1の回転体の回転角度を算出する、請求項 14に記載の回転角度およびトル ク検出装置。
[16] 前記制御部は、
前記第 2の磁気検出素子と前記第 4の磁気検出素子が出力する信号に基づき 前記第 2の回転体の回転角度と前記第 4の回転体の回転角度とを算出し、
前記第 1の磁気検出素子が出力する信号に基づき前記第 1の回転体の回転角 度を算出し、
前記第 2の回転体の前記回転角度と、前記第 4の回転体の前記回転角度と、前 記第 2の回転体の前記回転角度と前記第 4の回転体の前記回転角度との差と、前記 第 1の回転体の前記算出された回転角度とに基づき、前記第 1の回転体の 1回転以 上の回転角度を算出する、請求項 15に記載の回転角度およびトルク検出装置。
[17] 前記第 1の磁気検出素子と前記第 2の磁気検出素子と前記第 3の磁気検出素子と前 記第 4の磁気検出素子の少なくとも 1つの感度を記憶するメモリをさらに備え、 前記制御部は、前記第 1の磁気検出素子と前記第 2の磁気検出素子と前記第 3の磁 気検出素子と前記第 4の磁気検出素子の前記少なくとも 1つが出力する信号を前記 メモリが記憶する前記感度により補正して、前記トーシヨンバーに加えられた前記トル クを算出する、請求項 14に記載の回転角度およびトルク検出装置。
[18] 前記第 1の磁気検出素子と前記第 2の磁気検出素子と前記第 3の磁気検出素子と前 記第 4の磁気検出素子の少なくとも 1つが出力する信号が基準範囲内にある力否か を検出する検出器をさらに備えた、請求項 14に記載の回転角度およびトルク検出装 置。
[19] 前記第 1の磁気検出素子と前記第 2の磁気検出素子と前記第 3の磁気検出素子と前 記第 4の磁気検出素子の少なくとも 1つが出力する信号の振幅中心が基準範囲内に ある力否かを検出する検出器をさらに備えた、請求項 14に記載の回転角度およびト ルク検出装置。
[20] 前記制御部は、
前記第 1の回転体の所定位置に対応する前記第 1の磁気検出素子の信号を記 し、
前記第 1の磁気検出素子と前記第 2の磁気検出素子と前記第 3の磁気検出素 子と前記第 4の磁気検出素子の少なくとも 1つが出力する信号に基づき、前記第 1の 回転体の前記所定位置力 の絶対回転角度を算出する、請求項 14に記載の回転 角度およびトルク検出装置。
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