WO2007077910A1

WO2007077910A1 - 回転角およびトルク検出装置

Info

Publication number: WO2007077910A1
Application number: PCT/JP2006/326185
Authority: WO
Inventors: Kouji Oike; Kiyotaka Uehira; Kiyotaka Sasanouchi; Kouichi Santo
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co., Ltd.
Priority date: 2006-01-05
Filing date: 2006-12-28
Publication date: 2007-07-12
Also published as: EP1845352A1; JP2007183121A; US20090211374A1

Abstract

　回転角およびトルク検出装置は、外周面に等間隔で交互に極性の異なる磁極が着磁されている多回転可能なターゲットと、ターゲットの半径方向に一定距離を設けると共にターゲットの軸方向の中心からも一定距離ずらし且つターゲットの半径方向と垂直な面に配置された検出器を対で備える。この回転角およびトルク検出装置は、トルク検知と多回転角検知を高分解能で高精度にできる。

Description

明細書

回転角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に用いられる回転角及びトルク検出装置に関わるものであり、特にステアリングの回転角検出とトルク検出を同時に可能にする回転角およびトルク検出装置に関する。

背景技術

[0002] 従来、トルクおよび回転角を検知する方式として、例えば特許文献 1に示されたような方式が知られて!/、る。図 13は従来の回転角およびトルク検出装置を示す断面図である。図 13において、歯車部 38は、回転角を検知したい回転軸（図示せず）に、係合パネ 39を介して固定して取り付けられる。この歯車部 38は、外周端面に複数個の磁極を着磁したコード板 40が取り付けられた歯車部 41と嚙み合っている。そうして、検知する回転軸の回転にしたがって、コード板 40に設けられた磁極が移動する。コード板 40の外周端面に対向して設けられた検知素子 42がこの磁極の数をカウントすることにより、回転角が検知される。なお、図 13における「N」と「S」は着磁されている磁極の極性を示している。また、この構成による機構を、トーシヨンバーを介して連結された 2本の軸に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、各々の軸の回転角を比較することによって作用したトルクの量を検知することができる。

[0003] し力しながら、このように構成された回転角およびトルク検知検出装置においては、軸の回転角をコード板 40の外周端面に配置された複数の磁極の移動数をカウントすることにより検知するため、検知角の分解能を向上させるためには、着磁磁極間の距離を小さくする必要があるという課題がある。また、コード板 40の回転と軸の回転とは歯車を介しているため、バックラッシ等により検知精度の向上が困難であるという課題がある。また、相対回転角の検知しかできなぐ多回転の回転角検知ができないという課題がある。

特許文献 1：特開平 11— 194007号公報発明の開示

[0004] 本発明は、上記のような従来の回転角およびトルク検出装置での課題を解決するもので、高精度で高分解能にトルク検知および多回転の回転角検知を行う回転角およびトルク検出装置を提供する。

[0005] 回転角およびトルク検出装置は、外周面に交互に極性の異なる磁極が着磁し、多回転可能なターゲットと、ターゲットの半径方向に一定距離を設けると共にターゲットの軸方向の中心からも一定距離ずらし、かつターゲットの半径方向と垂直な面に配置された検出器とを備える。

[0006] 回転角およびトルク検出装置は、外周面に交互に極性の異なる磁極が着磁し、多回転可能な第 1のターゲットと、入力軸と出力軸の少なくとも一方と嵌合連結し第 1のターゲットを保持した多回転可能な第 1の回転体と、第 1のターゲットの半径方向に一定距離を設けると共に第 1のターゲットの軸方向の中心からも一定距離ずらしかつ第 1のターゲットの半径方向と垂直な面に配置された第 1の検出器と、外周面に交互に極性の異なる磁極が着磁し多回転可能な第 2のターゲットと、第 1の検出器と、出力軸と入力軸の少なくとも一方と嵌合連結し第 2のターゲットを保持した多回転可能な第 2の回転体と、第 2のターゲットの半径方向に一定距離を設けると共に前記第 2のターゲットの軸方向の中心からも一定距離ずらしかつ第 2のターゲットの半径方向と垂直な面に配置された第 2の検出器と、入力軸と前記出力軸の少なくとも一方と嵌合連結され、歯車を持つ第 3の回転体と、着磁し多回転可能な第 3のターゲットと、第 3 の回転体の歯車に接続され中心部に第 3のターゲットを配置し歯車を持つ第 4の回転体と、第 4の回転体の回転角を検出する第 3の検出器と、着磁し多回転可能な第 4 のターゲットと、第 4の回転体の歯車に接続され中心部に第 4のターゲットを配置し歯車を持つ第 5の回転体と、第 5の回転体の回転角を検出する第 4の検出器とを備える図面の簡単な説明

[0007] [図 1]図 1は本発明の実施の形態におけるターゲットと検出器の基本構成図である。

[図 2A]図 2Aは本発明の実施の形態におけるターゲットに対する検出器の相対位置を示す側面図である。 [図 2B]図 2Bは本発明の実施の形態におけるターゲットに対する検出器の相対位置を示す平面図である。

[図 3]図 3は本発明の実施の形態におけるターゲット軸方向の中心に対向する位置で半径方向と垂直な面に形成された磁界の方向を示す図である。

[図 4]図 4は本発明の実施の形態におけるターゲットのエッジ付近に対向する位置で半径方向と垂直な面に形成された磁界の方向を示す図である。

圆 5A]図 5Aは本発明の実施の形態における回転角およびトルク検出装置の基本構成を示す側断面図である。

圆 5B]図 5Bは本発明の実施の形態における回転角およびトルク検出装置の基本構成を示す平面図である。

圆 5C]図 5Cは本発明の実施の形態における回転角およびトルク検出装置の基本構成を示す部分断面図である。

[図 6]図 6は本発明の実施の形態における回転角およびトルク検出装置の回路ブロック図である。

圆 7A]図 7Aは本発明の実施の形態における第 1、第 2の検出器の出力信号を示す波形図である。

圆 7B]図 7Bは本発明の実施の形態における第 1、第 2の検出器の電気角を示す波形図である。

圆 8A]図 8Aは本発明の実施の形態における第 3の検出器の出力信号を示す波形図である。

[図 8B]図 8Bは本発明の実施の形態における第 3の検出器の電気角を示す波形図である。

圆 9A]図 9Aは本発明の実施の形態における第 4の検出器の出力信号を示す波形図である。

[図 9B]図 9Bは本発明の実施の形態における第 4の検出器の電気角を示す波形図である。

[図 10A]図 10Aは本発明の実施の形態におけるトルク検出に使われる第 4の回転体の回転角を示す波形図である。 [図 10B]図 10Bは本発明の実施の形態におけるトルク検出に使われる第 5の回転体の回転角を示す波形図である。

[図 10C]図 10Cは本発明の実施の形態におけるトルク検出に使われる第 3、第 4の検出部信号より算出した回転角を示す波形図である。

[図 10D]図 10Dは本発明の実施の形態におけるトルク検出に使われる回転角を示す波形図である。

[図 10E]図 10Eは本発明の実施の形態におけるトルク検出に使われる第 2の検出部より算出した第 2のターゲットの回転角を示す波形図である。

圆 11]図 11は本発明の実施の形態におけるトルク検出特性図である。

圆 12]図 12は本発明の実施の形態における回転角検出誤差発生を防止する方法を示す波形図である。

[図 13]図 13は従来のトルクおよび回転角検知装置を示す断面図である。

符号の説明

1 ターゲット

2 検出器

3 第 1の回転体

4 入力軸

5 第 1のターゲット

6 第 2の回転体

7 出力軸

8 第 2のターゲット

9 トーンヨンバー

10 第 3の回転体

11 第 4の回転体

12 第 3のターゲット

13 第 3の検出器

14 第 5の回転体

15 第 4のターゲット 16 第 4の検出器

17 第 1の検出器

18 第 2の検出器

19 基板

20 基板

発明を実施するための最良の形態

[0009] 以下、本発明の実施の形態について説明する。

[0010] 図 1、図 2A、図 2B、図 3、図 4において、ターゲット 1は外周面に等間隔をなして交互に極性の異なる磁極が着磁されている。検出器 2はターゲット 1に対向する位置に配置され、この磁界方向を検出する。検出器 2は、例えば、磁気検出素子で構成される。図 2Aおよび図 2Bに示すように、検出器 2はターゲット 1の半径方向に一定距離を離し、ターゲット 1の軸方向にも中心から一定距離ずらし、し力もターゲット 1の半径方向と垂直な面に配置されている。ここで、ターゲット 1の半径方向を X方向、ターゲット 1の軸方向を Z方向、ターゲット 1の回転接線方向を Y方向、ターゲット 1の半径方向と垂直な面を YZ面とする。

[0011] 図 3に示すように、ターゲット 1の Z軸方向中心において、円周面に対向する位置の磁界方向は YZ面において直線的に変化する。これは磁界方向を検出する検出器 2 力 S 2つの方向の信号 (0度或いは 180度）しか検出できな、ことを意味して、る。ターゲット 1の回転角を細力べ検出することはできない。尚、矢印は、その磁界方向を示している。

[0012] しかし、図 4に示すように、検出器 2を Z方向の中心から一定距離ずらすと、ターゲット 1の円周面に対向する位置の磁界方向は YZ面において回転する。故に、検出器 2 はターゲット 1の回転角に応じて変化する磁界方向を細力べ検出できる。尚、矢印は、その磁界方向を示している。また、図 2A、図 2B、図 3、図 4における「N」と「S」は着磁されて!/、る磁極の極性を示して!/、る。

[0013] 次に、図 5A、図 5B、図 5Cにおいて、第 1の回転体 3は入力軸 4に嵌合し多回転可能である。第 1のターゲット 5は第 1の回転体 3に保持され、外周面に等間隔をなして交互に極性の異なる磁極が着磁されている。第 2の回転体 6は出力軸 7に嵌合し多回転可能である。第 2のターゲット 8は第 2の回転体 6に保持され、外周面に等間隔をなして交互に極性の異なる磁極が着磁されている。トーシヨンバー 9は入力軸 4と出力軸 7の間の同心軸上に配置されている。第 3の回転体 10は第 1の回転体 3に嵌合した多回転可能な歯車を有する。第 4の回転体 11は第 3の回転体 10の歯車と係合している。第 3のターゲット 12は第 4の回転体 11の中央部に配置されている。第 3の検出器 13は第 3のターゲット 12に対向する位置に配置される。第 3の検出器 13は、第 3のターゲット 12によって発生する磁界方向を検出する。第 5の回転体 14は第 4の回転体 11の歯車と係合している。第 4のターゲット 15は第 5の回転体 14の中央部に配置されている。第 4の検出器 16は第 4のターゲット 15に対向する位置に配置され、第 4のターゲット 15によって発生される磁界方向を検出する。第 1の検出器 17は第 1のターゲット 5に対向する位置に配置され、第 1のターゲット 5によって発生される磁界方向を検出する。第 2の検出器 18は第 2のターゲット 8に対向する位置に配置され、第 2のターゲット 8によって発生される磁界方向を検出する。第 1の検出器 17と第 2の検出器 18は基板 19に配置される。第 3の検出器 13と第 4の検出器 16は基板 20に配置される。尚、第 3のターゲット 12と第 4のターゲット 15は、例えば、単極磁石で構成される。また、第 1の検出器 17と第 2の検出器 18と第 3の検出器 13と第 4の検出器 16は、例えば、磁気検出素子で構成される。

[0014] ここで、第 1の回転体 3に設けられている第 1のターゲット 5に対向配置された第 1検出器 17は、図 1と図 2において説明したと同様に、第 1のターゲット 5に対して特定位置の関係を持って配置されて、る。第 2の回転体 6に設けられて、る第 2のターゲット 8に対向配置された第 2の検出器 18は、図 1と図 2において説明したと同様に、第 2 のターゲット 8に対して特定位置の関係を持って配置されている。

[0015] 第 1のターゲット 5と第 2のターゲット 8の着磁極数は同数とする。その磁極数は最大トルク検出量やトーシヨンバー定数によって決まる。たとえば、最大トルク検出を ±8N •m、トーシヨンバー定数を 2N'mZ度とした時、最大捩れ角は ±4度となる。余裕をみて磁極数は 30極（N極 15個、 S極 15個）としている。この場合、 1極当り 12度になる。

[0016] 第 1の検出器 17、第 2の検出器 18、第 3の検出器 13、第 4の検出器 16について、磁気検出素子の 1つである磁気抵抗素子 (以下 MR素子とする）を用いた場合について説明する。各 MR素子は磁界方向を検知し、正弦波信号と余弦波信号としてァナログ信号を出力する。

[0017] 第 1の検出器 17と第 2の検出器 18で第 1ターゲット 5と第 2のターゲット 8の磁界方向の変化を検知する場合、磁極 1極に対して 1周期の正弦波および余弦波信号が出力される。そのため、第 1のターゲット 5と第 2のターゲット 8を 1回転させると、着磁極数分の正弦波および余弦波信号が検出される。

[0018] 図 6に示すように、第 1の検出器 17と第 2の検出器 18の出力信号は増幅器 21と増幅器 22で規定の振幅に増幅され、マイクロコンピュータ 23 (以下 CPU23と記載する )内の AZDコンバータ（図示せず）に入力される。 CPU23は、これらの入力された信号を演算処理して、第 1の回転体 3の回転角と第 2の回転体 6の回転角を算出する。図 7Aと図 7Bはその波形を示す。

[0019] 図 7Aにおいて、横軸は入力軸 4および出力軸 7に嵌合した第 1の回転体 3と第 2の回転体 6の回転角を示しており、縦軸は第 1の検出器 17と第 2の検出器 18からの正弦波信号 24および余弦波信号 25を示している。図 7Bにおいて、横軸は第 1の回転体 3と第 2の回転体 6の回転角を示しており、縦軸は正弦波信号 24および余弦波信号 25を基にして CPU23が算出した第 1の回転体 3の回転角と第 2の回転体 6のそれぞれの回転角を示して、る。

[0020] 一方、第 4の回転体 11の歯車は第 3の回転体 10の歯車と連結されており、第 4の回転体 11と第 3の回転体 10の歯数比による速比で回転する。

[0021] 第 3の検出器 13は、第 3のターゲット（単極磁石） 12の磁界方向を検知し、第 3のタ一ゲット 12の 0. 5回転に対し、 1周期の正弦波および余弦波信号を出力する。この出力を CPU23が演算処理し、第 4の回転体 11の回転角を算出する。図 8Aと図 8B はその波形を示す。

[0022] 図 8Aにおいて、横軸は第 3の回転体 10の回転角を示しており、縦軸は第 3の検出器 13からの正弦波信号 26および余弦波信号 27を示している。図 8Bにおいて、横軸は第 3の回転体 10の回転角を示しており、縦軸は第 4の回転体 11の回転角（電気角 )を正弦波信号 26および余弦波信号 27を基にして CPU23が演算した結果を示している。

[0023] 第 5の回転体 14の歯車は第 4の回転体 11の歯車を介して第 3の回転体 10と連結されており、第 5の回転体 14は第 3の回転体 10が回転すると各歯車の歯数の比による速比で回転する。

[0024] 第 4の検出器 16は、第 4のターゲット 15の磁界方向を検知し、第 4のターゲット 15 の 0. 5回転に対し、 1周期の正弦波および余弦波信号を出力する。 CPU23は、この出力を演算処理し、第 5の回転体 14の回転角を算出する。図 9Aと図 9Bはその波形を示す。

[0025] 図 9Aにおいて、横軸は第 3の回転体 10の回転角を示しており、縦軸は第 4の検出器 16からの正弦波信号 28および余弦波信号 29を示している。図 9Bにおいて、横軸は第 3の回転体 10の回転角を示しており、縦軸は第 5の回転体 14の回転角（電気角 )を正弦波信号 28および余弦波信号 29を基にして CPU23が演算した結果を示している。

[0026] 図 6において、第 3の検出器 13の出力信号は増幅器 30を介して CPU23に接続されている。第 4の検出器 16の出力信号は増幅器 31を介して CPU23に接続されている。一方、 CPU23で算出された回転角とトルクは出力信号線 32より出力される。

[0027] 次に、図 10Aにおいて、横軸は入力軸 4に嵌合された第 3の回転体 10の回転角を示しており、縦軸は第 3の検出器 13から得た信号より算出した第 4の回転体 11の回転角を示している。

[0028] 図 10Bにおいて、横軸は第 3の回転体 10の回転角を示しており、縦軸は第 4の検出器 16から得た信号より算出した第 5の回転体 14の回転角を示している。第 4の回転体 11に搭載されて!ヽる歯車の歯数と第 5の回転体 14に搭載されてヽる歯車の歯数が異なるため、第 3の回転体 10の回転周期に対する第 4の回転体 11の回転周期は異なる。

[0029] 図 10Cにおいて、横軸は第 3の回転体 10の回転角を示しており、縦軸は第 3の検出器 13から得た信号と第 4の検出器 16から得た信号とより算出した第 4の回転体 11 と第 5の回転体 14の回転角差を示している。線 37は第 3の回転体 10の回転角と第 4 の回転体 11の回転角との関係を示している。 [0030] 図 10Dにおいて、横軸は入力軸 4に嵌合された第 1の回転体 3の回転角を示しており、縦軸は第 1の検出器 17から得た信号より算出した第 1のターゲット 5の回転角を示している。

[0031] 図 10Eにおいて、横軸は出力軸 7に嵌合された第 2の回転体 6の回転角を示しており、縦軸は第 2の検出器 18から得た信号より算出した第 2のターゲット 8の回転角を示している。

[0032] 図 11はトルク検出特性図を示しており、横軸は入力軸 4或いは出力軸 7の回転角（機械角）を示している。縦軸は第 1のターゲット 5と第 2のターゲット 8の回転角差より算出されたトーシヨンバー 9のねじり角力も得られるトルクを示している。第 1の回転体 3 の回転角を X、第 2の回転体 6の回転角を Y、トーシヨンバー定数を Τとすると、検出トルクは (X— Y) XTで算出することが出来る。

[0033] 次に、以上の構成によりトーシヨンバーに力かるトルクの算出方法について説明する。

[0034] 図 5Aにおいて、同一剛体である入力軸 4とトーシヨンバー 9と出力軸 7が回転したとき、この入力軸 4と嵌合している第 1の回転体 3が回転する。この第 1の回転体 3が回転すると、第 1の回転体 3に保持されている第 1のターゲット 5が回転する。これにより、第 1の検出器 17が第 1のターゲット 5の磁界方向を検知する。なお、第 1のターゲット 5は、例えば多極リング磁石である。その検知出力を CPU23が演算処理して第 1の回転体 3の回転角を算出する。一方、出力軸 7と嵌合している第 2の回転体 6も回転する。この第 2の回転体 6が回転すると、この第 2の回転体 6に保持されている第 2のターゲット 8が回転する。これにより、第 2のターゲット 8に対向する位置に配置された第 2の検出器 18が第 2のターゲット 8の磁界方向を検知する。なお、第 2のターゲット 8は、例えば多極リング磁石である。その検知出力を CPU23が演算処理して、第 2の回転体 6の回転角を算出する。第 1の回転体 3の回転角と第 2の回転体 6の回転角の差をとり、これにトーシヨンバー定数を乗ずることでトルクを算出することができる。図 1 ODと図 10Eは CPU23が各検出器の出力信号より算出した回転角を示す。線 33は第 2の回転体に保持された第 1のターゲット 5の回転角を示している。線 34は第 2のタ一ゲット 8の回転角を示している。図 11はこの回転角差より求めたトルクを示す。 [0035] 次に、回転体の多回転角検出の方法について説明する。

[0036] 図 5Aから図 5Cにおいて、第 1の回転体 3に嵌合された第 3の回転体 10が回転したとき、第 3の回転体 10の歯車に接続された第 4の回転体 11の歯車によって第 4の回転体 11が回転させられる。同時に第 4の回転体 11の歯車に接続された第 5の回転体 14の歯車によって第 5の回転体 14が回転させられる。第 3の回転体 10の歯車の歯数を a、第 4の回転体 11の歯車の歯数を b、第 5の回転体 14の歯車の歯数を cと仮定する。この場合、第 4の回転体 11は、第 3の回転体 10に対して、 aZb倍の速さで回転する。また、第 5の回転体 14は第 3の回転体 10に対して、 aZc倍の速さで回転する。

[0037] この際、歯車の歯数 a、 b、 cを適切に選択することにより、第 4の回転体 11と第 5の回転体 14の回転角差力第 3の回転体 10の多回転角を得ることができる。

[0038] 第 3の検出器 13は、第 3の検出器 13を貫く磁界方向を検知して第 4の回転体 11の回転角を検出する。

[0039] 一方、第 4の検出器 16は、第 4の検出器 16を貫く磁界方向を検知して第 5の回転体 14の回転角を検知する。第 3の検出器 13と第 4の検出器 16の出力信号は CPU2 3内の AZDコンバータ（図示していない）に介して入力される。第 3の検出器 13と第 4の検出器 16の出力信号力も算出される回転角差力も第 3の回転体 10の多回転角が算出される。この多回転角力も第 1ターゲット 5或いは第 2のターゲット 8の磁極の位置を推定して、第 1ターゲット 5或いは第 2のターゲット 8の多回転角が高精度に算出される。

[0040] 図 10Aから図 10Eは、第 1の検出器 17、第 2の検出器 18、第 3の検出器 13、第 4 の検出器 16の出力信号に基づいて CPU23が算出した回転角を示す。線 35は第 3 の検出器 13の出力信号より演算した第 4の回転体 11の回転角を、線 36は第 4の検出器 16の出力信号より演算した第 5の回転体 14の回転角をそれぞれ示している。回転角差 37は第 3、第 4の検出器 13、 16の出力信号より算出した第 4、第 5の回転体 1 1、 14の回転角差を示している。回転角差 37は第 3の回転体 10の回転検出範囲 0 度から 1800度において電気角力 O度から 180度の範囲で直線的に変化する。これは回転角差 37で、第 3の回転体 10の多回転角を回転検出範囲 0度から 1800度にぉ、て一意的に確定できることを意味する。

[0041] 一方、第 1の検出器 17の出力信号に基づいて算出された第 1のターゲット 5の回転角 33は、着磁された極間の回転角（この例の場合 12度）において電気角が 0度から 180度の間で直線的に変化する。これは回転角 33で、第 1のターゲット 5を保持している第 1の回転体 3の回転角を着磁された極間の回転角において一意的に確定できることを意味する。第 3の回転体 10と第 1のターゲット 5或いは第 2のターゲット 8が保持されて!、る第 1の回転体 3或いは第 2の回転体 6は同一軸に嵌合されて、る。そのため、第 3の回転体 10の多回転角力第 1のターゲット 5或いは第 2のターゲット 8の磁極の位置を推定して、第 1のターゲット 5或いは第 2のターゲット 8の多回転角を高精度に算出することができる。

[0042] 次に第 1の回転体 3と第 2の回転体 6の絶対回転角を常に比較して装置の異常を検知する方法について図 5A、図 5B、図 5C、図 7A、図 7B、図 10A、図 10B、図 10C、図 10D、図 10Eを用いて以下に説明する。

[0043] 図 5A、図 5B、図 5Cにおいて、第 1の回転体 3が回転すると第 2の回転体 6もトーシヨンバー 9を介して回転する。しかし最大トルク以上がかからなヽ構造になってヽるため、第 1の回転体 3と第 2の回転体 6の回転角差が規定値以上になると機構上の異常あるいは素子回路上の異常と判断できる。第 1の回転体 3が回転すると第 1のターゲット 5も回転する。この第 1のターゲット 5の回転と共に磁界方向も変化する。この磁界方向の変化を第 1の検出器 17が検出する。第 1の検出器 17は、この磁界方向の変化に対して正弦波信号 24と余弦波信号 25を出力する。

[0044] 図 7Aはこれらの出力信号を示す。横軸は第 1の回転体 3の回転角をとつてそれぞれの信号を示している。これらの信号は増幅器 21を介して CPU23に入力され、正弦波信号 24と余弦波信号 25より逆正接信号が算出されて、第 1の回転体 3の回転角が求められる。

[0045] 同様に第 2の回転体 6が回転すると第 2のターゲット 8も回転する。この第 2のターゲット 8の回転と共に磁界方向も変化する。この磁界方向の変化を第 2の検出器 18が検出する。第 2の検出器 18からは、この磁界方向の変化に対して正弦波信号 24と余弦波信号 25を出力する。図 7Aはこれらの出力信号も示す。横軸に第 2の回転体 6の回転角をとつてそれぞれの信号を示して、る。これらの信号は増幅器 22を介して CP U23に入力される。 CPU23は正弦波信号 24と余弦波信号 25より逆正接信号を算出して第 2の回転体 6の回転角を求める。図 10Dと図 10Eにおいて、第 1の回転体 3 すなわち第 1のターゲット 5の回転角 33と第 2の回転体 6すなわち第 2のターゲット 8 の回転角との差は回転角の原点を一致させておけば異常がない限り規定値以下の値となる。

[0046] 次に第 1の回転体 3と第 4の回転体 11の回転角を常に比較して装置の異常を検知する方法について図 5A、図 5B、図 5C、図 7A、図 7B、図 8A、図 8B、図 10A、図 10 B、図 10C、図 10D、図 10Eを用いて説明する。

[0047] 図 5A、図 5B、図 5Cにおいて、第 1の回転体 3が回転するとこの第 1の回転体 3に保持されている第 1のターゲット 5が回転する。第 1のターゲット 5の表面に 30極が着磁していると、図 7Aに示すような出力信号が第 1の検出器 17から出力される。第 1の回転体 3が 12度回転する毎に正弦波信号 24と余弦波信号 25が 1周期変化し、これらの信号より算出される電気角が 180度変化する。すなわち第 1の回転体 3の回転角を 12度の範囲にぉ、て一意的に得ることができる。第 3の回転体 10の歯車と第 4の回転体 11の歯車の歯数比を 1 : 3とすると、図 8Aに示すように第 3の回転体 10が 60 度回転する毎に正弦波信号 26と余弦波信号 27が 1周期変化する。これらの信号より算出される電気角は 180度変化する。図 10A、図 10B、図 10C、図 10D、図 10Eにおいて、第 1の検出器 17より算出された第 1のターゲット 5の回転角 33と第 3の検出器 13より算出された第 4の回転体 11の回転角 35との差は、ある回転角を原点にして回転角 33と回転角 35の勾配を 1周期の回転角比（12 : 60= 1 : 5)で補正すれば装置に異常がない限り規定値以下の値となる。すなわち、回転角 35の値を 5倍したものと回転角 33との差を求めて異常判定が行われる。

[0048] 次に第 1の検出器 17、第 2の検出器 18、第 3の検出器 13、第 4の検出器 16、増幅器 21、増幅器 22、増幅器 30、増幅器 31等の感度バラツキによる回転検出誤差発生を防止する方法について図 5A、図 5B、図 5C、図 6、図 7A、図 7B、図 8A、図 8B、図 9A、図 9B、図 12を用いて説明する。

[0049] 図 5A、図 5B、図 5Cにおいて、第 1回転体 3が回転すると第 1のターゲット 5も回転する。この第 1のターゲット 5の回転と共に磁界方向が変化し、この磁界方向の変化を第 1の検出器 17が検出する。第 1の検出器 17は、この磁界方向の変化に対して正弦波信号 24と余弦波信号 25を出力する。図 7Aにこれらの出力信号を示す。横軸に第 1の回転体 3の回転角をとつてそれぞれの信号出力を示している。これらの信号は増幅器 21を介して CPU23に入力される。 CPU23は正弦波信号 24と余弦波信号 25より逆正接信号を算出する。しかし、図 12に示すように、正弦波信号レベル 45と余弦波信号レベル 46が磁気検出素子や増幅器の感度バラツキにより微妙に異なると、算出された逆正接信号の精度が落ちてくる。そこで図 6に示すスィッチ信号 50を ONして感度記憶モードにした時のみ、第 1の回転体 3を 12度以上回転させ、正弦波信号 44と余弦波信号 43の信号レベル 45、信号レベル 46を CPU23が算出し、不揮発性のメモリ 51に記憶する。不揮発性のメモリ 51は、例えば EEPROMで構成される。以降、不揮発性のメモリ 51を EEPROM51と記載する。同様に第 2の検出器 18の信号レベルについても EEPROM51に記憶される。回転角の算出時にはスィッチ信号 50 をオフにし、記憶した信号レベル 45、信号レベル 46により正弦波信号 44と余弦波信号 43の最大、最小レベルが一致するように補正したもの力も逆正接信号を算出して回転角が求められる。

[0050] また図 5A、図 5B、図 5Cに示す第 4の回転体 11、第 5の回転体 14が 180度以上回転するように第 3の回転体 10を回転させ、図 8A、図 8B、図 9A、図 9Bに示す正弦波信号 26、 28と余弦波信号 27、 29の信号レベルを算出し EEPROM51に記憶し、図 13に示したように記憶した信号レベル 45、 46により正弦波信号 44と余弦波信号 43 の最大、最小レベルが一致するように補正したものから逆正接信号を算出して回転角が求められる。なお、これら信号レベル 45、 46は感度であるともいえる。

[0051] また、図 12の第 1の検出器 17、第 2の検出器 18、第 3の検出器 13、第 4の検出器 1 6の出力の最大値、最小値が基準範囲内 47に収まっていない場合は、温度特性などによって出力が変化しなくなったり、必要な分解能が得られないことになる。そこで、出力が基準範囲 47内に最大値、最小値があることを比較確認することにより回転角の検出誤差拡大の防止が可能になる。第 1の検出器 17、第 2の検出器 18、第 3の検出器 13、第 4の検出器 16の出力の振幅中心 48、 49を比較確認し、ある範囲に入つている力否かを確認することにより、また振幅中心 48、 49を一致させる補正をすることにより、算出された回転角の検出誤差拡大の防止が可能になる。さらに、このとき複数回ずつ入力を行い、平均値を取る、もしくは最大値、最小値を除いた平均値を取るなどすればより高い精度で回転角検出が可能となる。

[0052] また、任意の特定位置での第 1の検出器 17、第 2の検出器 18、第 3の検出器 13、第 4の検出器 16の信号出力又はこれらの信号出力より算出される回転角を記憶することにより任意の位置力もの回転角を一意的に検出できる。また、トルクをかけない状態でこれらの値を記憶することによりトルクの原点も設定できる。このとき、図 6の特定位置決定用信号線 52のように電気信号で特定位置であることを送信すれば機械的な動作なしで特定位置の確定ができる。さらに、電気信号を複数回読み込みチェックする、または、シリアル信号などで送るようにすれば、ノイズなどにより誤った信号が入つた場合除去することができる。なお、特定位置決定用信号線 52は出力信号線 32 の入出力を切り替えて、同じ端子を使っても同様の効果が得られる。

[0053] なお、第 1の検出器 17と第 2の検出器 18が算出した回転角を常に比較して回転角差が規定値内である力否かを確認することを説明した。また、第 1の検出器 17と第 2 の検出器 18が算出補正した回転角と第 3の検出器 13と第 16の検出器が算出補正した回転角を常に比較して回転角差が規定値内であるか否かを確認することを説明した。また、第 1の検出器 17と第 2の検出器 18と第 3の検出器 13と第 4の検出器 16の感度を記憶するときに感度が規定値内であるか否かを確認することを説明した。また、第 1の検出器 17と第 2の検出器 18と第 3の検出器 13と第 4の検出器 16の信号出力の振幅中心が規定値内であるカゝ否かを確認することを説明した。本発明の実施の形態では、確認部がこの確認を実施する。本発明の実施の形態では、この確認部を 1例として CPU23で構成して!/、る。

[0054] 更に、第 1の検出器 17と第 2の検出器 18と第 3の検出器 13と第 4の検出器 16から出力される正弦波信号と余弦波信号の感度を記憶する不揮発性のメモリ 51 (EEPR OM51)を備え、各感度にて正弦波信号と余弦波信号の補正が行われることを説明した。また、第 1の検出器 17と第 2の検出器 18と第 3の検出器 13と第 4の検出器 16 の信号出力の振幅中心を記憶する不揮発性のメモリ 51 (EEPROM51)を備え、各振幅中心にて正弦波信号と余弦波信号の補正を行うことを説明した。これらの補正は、電源投入時毎に実施するようにすることも可能である。

[0055] また、第 1の検出器 17と第 2の検出器 18と第 3の検出器 13と第 4の検出器 16の任意の特定位置を判断し、特定位置での正弦波信号と余弦波信号の値を記憶し、特定位置からの絶対回転角を検出することを説明した。この判断は判断部で実施される。本発明の実施の形態では、この判断を実施する判断部を 1例として CPU23で構成している。

産業上の利用可能性

[0056] 本発明の回転角及びトルク検出装置は、車両のパワーステアリング等で使用され、簡単な構成で高精度で高分解能にトルク検知及び多回転角検知を行うことができる

Claims

請求の範囲

[1] 外周面に交互に極性の異なる磁極が着磁し、多回転可能なターゲットと、

前記ターゲットの半径方向に一定距離を設けると共に前記ターゲットの軸方向の中心からも一定距離ずらし、かつ前記ターゲットの半径方向と垂直な面に配置された検出器と

を備える回転角およびトルク検出装置。

[2] 外周面に交互に極性の異なる磁極が着磁し、多回転可能な第 1のターゲットと、入力軸と出力軸の少なくとも一方と嵌合連結し、前記第 1のターゲットを保持した多回転可能な第 1の回転体と、

前記第 1のターゲットの半径方向に一定距離を設けると共に前記第 1のターゲットの軸方向の中心からも一定距離ずらし、かつ前記第 1のターゲットの半径方向と垂直な面に配置された第 1の検出器と、

外周面に交互に極性の異なる磁極が着磁し、多回転可能な第 2のターゲットと、前記第 1の検出器と、出力軸と入力軸の少なくとも一方と嵌合連結し、前記第 2 のターゲットを保持した多回転可能な第 2の回転体と、

前記第 2のターゲットの半径方向に一定距離を設けると共に前記第 2のターゲットの軸方向の中心からも一定距離ずらし、かつ前記第 2のターゲットの半径方向と垂直な面に配置された第 2の検出器と、

前記入力軸と前記出力軸の少なくとも一方と嵌合連結され、歯車を持つ第 3の回転体と、

着磁し多回転可能な第 3のターゲットと、

前記第 3の回転体の歯車に接続され、中心部に前記第 3のターゲットを配置し、歯車を持つ第 4の回転体と、

前記第 4の回転体の回転角を検出する第 3の検出器と、

着磁し多回転可能な第 4のターゲットと、

前記第 4の回転体の歯車に接続され、中心部に前記第 4のターゲットを配置し、歯車を持つ第 5の回転体と、

前記第 5の回転体の回転角を検出する第 4の検出器とを備える回転角およびトルク検出装置。

[3] 前記第 1のターゲットと前記第 2のターゲットの着磁極数は同一であり、

前記第 1の検出手段と前記第 2の検出手段は、前記第 1の回転体の回転角と前記第 2の回転体の回転角を前記第 1ターゲットの磁界方向変化と前記第 2のターゲットの磁界方向変化とし検出し、前記第 1の回転体と前記第 2の回転体の回転角差よりトルクが算出される請求項 2に記載の回転角およびトルク検出装置。

[4] 前記第 1の検出器と前記第 2の検出器と前記第 3の検出器と前記第 4の検出器は磁気検出素子からなり、

前記第 3のターゲットと前記第 4のターゲットは単極磁石力もなる請求項 2に記載の回転角およびトルク検出装置。

[5] 前記第 4の回転体の歯数と前記第 5の回転体の歯数はそれぞれ異なり、

前記第 4の回転体および前記第 5の回転体の回転角差と前記第 4の回転体ないし前記第 5の回転体の回転角を組合わせて前記第 3の回転体の多回転角を算出する請求項 2に記載の回転角およびトルク検出装置。

[6] 前記第 4の回転体の歯数と前記第 5の回転体の歯数はそれぞれ異なり、

前記第 4の回転体および前記第 5の回転体の回転角差と、前記第 4の回転体ないし前記第 5の回転体の回転角と第 1のターゲットより求められた前記第 1の回転体の回転角を組合わせて前記第 1の回転体の多回転角を算出する請求項 2に記載の回転角およびトルク検出装置。

[7] 前記入力軸と前記出力軸の間にトーシヨンバーを更に備える請求項 2に記載の回転角およびトルク検出装置。

[8] 前記第 1の検出器と前記第 2の検出器が算出した回転角を常に比較して回転角差が規定値内である力否かを確認する確認部を更に備える請求項 2に記載の回転角およびトルク検出装置。

[9] 前記第 1の検出器と前記第 2の検出器が算出補正した回転角と前記第 3の検出器と前記第 4の検出器が算出補正した回転角を常に比較して回転角差が規定値内であるか否かを確認する確認部を更に備える請求項 2に記載の回転角およびトルク検出装置。

[10] 前記第 1の検出器と前記第 2の検出器と前記第 3の検出器と前記第 4の検出器から出力される正弦波信号と余弦波信号の感度を記憶する不揮発性のメモリを更に備え、電源投入時毎に各感度にて前記正弦波信号と前記余弦波信号の補正が行われる請求項 2に記載の回転角およびトルク検出装置。

[11] 前記記憶するときに感度が規定値内である力否かを確認する確認部を更に備える請求項 10に記載の回転角およびトルク検出装置。

[12] 前記第 1の検出器と前記第 2の検出器と前記第 3の検出器と前記第 4の検出器の出力信号の振幅中心を記憶する不揮発性のメモリを備え、電源投入時毎に各振幅中心にて前記出力信号の補正を行う請求項 2に記載の絶対回転角およびトルク検出装置。

[13] 前記第 1の検出器と前記第 2の検出器と前記第 3の検出器と前記第 4の検出器の出力信号の振幅中心が規定値内である力否かを確認する確認部を更に備える請求項 2に記載の回転角およびトルク検出装置。

[14] 前記第 1の検出器と前記第 2の検出器と前記第 3の検出器と前記第 4の検出器の任意の特定位置を判断する判断部を更に備え、

前記特定位置での前記第 1の検出器と前記第 2の検出器と前記第 3の検出器と前記第 4の検出器の値を記憶し、前記特定位置からの絶対回転角を検出する請求項 2に記載の回転角およびトルク検出装置。

[15] 前記特定位置での正弦波信号、余弦波信号より算出される絶対回転角を記憶し、特定位置力もの絶対回転角を検出する請求項 14に記載の回転角およびトルク検出装置。