CN103486963A - 旋转角传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及旋转角传感器。本发明的旋转角传感器（6）输出与旋转轴的旋转角对应的检测信号。从旋转角传感器（6）输出的检测信号由相对于旋转轴的旋转角θ正弦波形变化并且相位各不相同的第1～第4检测信号S1～S4构成。这里分别将第1检测信号S1与第2检测信号S2之间的相位差以及第3检测信号S3与第4检测信号S4之间的相位差设定为“90°”。另外，分别将第1检测信号S1与第3检测信号S3之间的相位差以及第2检测信号S2与第4检测信号S4之间的相位差设定为“45°”。

Description

旋转角传感器

技术领域

本申请引用2012年6月13日提交的日本专利申请号2012-133926的公开内容，包括说明书、附图和摘要。

本发明涉及检测旋转轴的旋转角的旋转角传感器。

背景技术

以往，作为这种旋转角传感器公知有US2011/0087456 A1所记载的装置。该旋转角传感器具备向分别由4个磁阻元件构成的2个桥式电路和2个桥式电路的各磁阻元件赋予偏置磁场的偏置磁铁。偏置磁铁与旋转轴成为一体而旋转。赋予各磁阻元件的偏置磁场的方向由于该偏置磁铁的旋转而变化，各磁阻元件的阻值也变化。由此，一个桥式电路输出相对于旋转轴的旋转角θ正弦波形变化的＋sinθ信号和余弦波形变化＋cosθ信号。另一个桥式电路输出相对于＋sinθ信号位移180°相位的－sinθ信号和相对于＋cosθ信号位移180°相位的－cosθ信号。因此，如果获取从旋转角传感器输出的这些检测信号并基于＋sinθ信号和＋cosθ信号来运算反正切值或基于－sinθ信号和－cosθ信号来运算反正切值，则能够检测旋转轴的旋转角θ。

根据这样的构成，例如即使在一个桥式电路的＋cosθ信号发生异常的情况下，也能够基于－sinθ信号和－cosθ信号来运算反正切值从而运算旋转角θ。另外，即使在另一个桥式电路的－sinθ信号也发生异常的情况下，只要分别调整剩余的＋sinθ信号和－cosθ信号的正号和负号并运算反正切值就能够运算旋转角θ。由此，能够确保冗余度。

然而，在US2011/0087456 A1所记载的旋转角传感器中，在一个桥式电路的＋cosθ信号发生异常后另一个桥式电路的－cosθ信号也发生异常的情况下，正常信号为＋sinθ信号和－sinθ信号。然而，无法基于这些信号来运算反正切值，因此作为其结果，无法检测旋转轴的旋转角θ。即，在4个检测信号中的2个检测信号发生了异常时，剩余的正常信号为sinθ系的信号或为cosθ系的信号的情况下，US2011/0087456A1所记载的旋转角传感器无法运算旋转角θ。

发明内容

本发明提供进一步提高冗余度的旋转角传感器。

根据本发明的一个特征,在输出与旋转轴的旋转角对应的检测信号的旋转角传感器中，上述检测信号由相对于上述旋转轴的旋转角正弦波形变化并且相位各不相同的第1～第4检测信号构成，上述第1～第4检测信号各自的相位差被设定为，在上述第1～第4检测信号各自的相位差的值为φ时，“0°＜φ＜180°”或者“180°＜φ＜360°”。

附图说明

为了明确本发明的上述和其他目标、特征以及优点，参照附图对本发明的实施方式进行说明，其中，对相同元素赋予相同符号。

图1是示意性地表示车辆的动力转向装置的构成的框图。

图2是针对本发明的旋转角传感器的一实施方式，表示安装了相同的旋转角传感器的电动马达的剖面构造的剖视图。

图3是针对实施方式的旋转角传感器，表示其斜视构造的立体图。

图4是针对实施方式的旋转角传感器，表示其等效电路的电路图。

图5A是针对实施方式的旋转角传感器，表示从第1桥式电路输出的第1检测信号与旋转轴的旋转角之间关系的图表。

图5B是表示从第1桥式电路输出的第2检测信号与旋转轴的旋转角之间关系的图表。

图6A是针对实施方式的旋转角传感器，表示从第2桥式电路输出的第3检测信号与旋转轴的旋转角之间关系的图表。

图6B是表示从第2桥式电路输出的第4检测信号与旋转轴的旋转角之间关系的图表。

图7是针对实施方式的旋转角传感器，表示在第2检测信号和第4检测信号发生了异常时被获取至控制装置的正常检测信号的图表。

图8是针对实施方式的旋转角传感器，表示在第1检测信号和第4检测信号发生了异常时被获取至控制装置的正常检测信号的图表。

具体实施方式

以下参照附图对本发明的实施方式进行说明。

以下，对将本发明用于电动马达的旋转角传感器的一实施方式进行说明。首先，参照图1对利用了本实施方式的旋转角传感器的车辆的动力转向装置的概要进行说明。

如图1所示，该动力转向装置具备基于驾驶员进行的转向盘10的操作来使转向轮18转向的转向操作机构1和辅助驾驶员的转向操作的辅助机构2。

转向操作机构1具备作为转向盘10的旋转轴的转向轴11。转向轴11由与转向盘10的中心连结的柱轴12、与柱轴12的下端部连结的中间轴13以及与中间轴13的下端部连结的齿轮轴14构成。齿轮轴14的下端部经由齿轮齿条机构15连结有齿条轴16。由此，若转向轴11随驾驶员的转向操作而旋转，则该旋转运动经由齿轮齿条机构15被转换为齿条轴16在轴向上的往复直线运动。该齿条轴16的往复直线运动经由与其两端连结的转向横拉杆17被向转向轮18传递，从而转向轮18的转向角发生变化，并且车辆的行进方向被变更。

辅助机构2具备赋予柱轴12辅助转矩的电动马达20。该电动马达20的旋转轴21的旋转被经由齿轮机构22向柱轴12传递，从而转向轴11被赋予马达转矩并被辅助转向操作。

另外，在该动力转向装置中设置有检测转向盘10的操作量、车辆的状态量的各种传感器。例如，在柱轴12中设置有在驾驶员进行转向操作时检测赋予给转向轴11的转矩（转向操作转矩）Th的转矩传感器4。在车辆中设置有检测其行驶速度V的车速传感器5。在电动马达20中设置有检测其旋转角θ的旋转角传感器6。这些传感器的输出被输入到控制装置3。控制装置3基于各传感器的输出设定目标辅助转矩并按照从电动马达20赋予给柱轴12的辅助转矩成为目标辅助转矩的方式对向电动马达20供给的电流进行反馈控制。

接下来，参照图2和图3对电动马达20和旋转角传感器6的构造进行详细说明。如图2所示，电动马达20具备固定于旋转轴21并与该旋转轴21成为一体而旋转的转子23、和被配置成包围转子23周围的定子24。转子23和定子24被收容在壳体25的内部。永久磁铁被粘贴于转子23的外圆周。定子24固定于壳体25的内壁。在定子24的内圆周以规定的角度间隔沿圆周方向设置有朝向内侧突出的多个突出部，并且在该多个突出部上卷绕有线圈26。在电动马达20中，通过由向线圈26通电形成的旋转磁场使转子23与旋转轴21一起旋转。

旋转角传感器6具备固定于旋转轴21的端部的偏置磁铁60、和按照与该偏置磁铁60对置的方式被固定于壳体25的内壁面的MR传感器70。

如图3所示，偏置磁铁60由在径向被磁化为N极和S极的圆柱状的两极磁铁所构成。由该偏置磁铁60向MR传感器70赋予实线箭头所示的方向的偏置磁场。而且，例如旋转轴21若从图中的位置向箭头a所示的方向旋转规定角度θ，则偏置磁铁60也向箭头a所示的方向旋转规定角度θ。由此，赋予给MR传感器70的偏置磁场的方向从实线箭头方向变化为以轴线m为中心旋转规定角度θ后的双点划线箭头的方向。这样，赋予给MR传感器70的磁场的方向根据旋转轴21的旋转角θ而变化。

MR传感器70检测从偏置磁铁60赋予的偏置磁场的方向并输出与该方向对应的检测信号。如图4所示，MR传感器70具备由4个磁阻元件MRE11～MRE14构成的第1桥式电路71和同样由4个磁阻元件MRE21～MRE24构成的第2桥式电路72。

第1桥式电路71由磁阻元件MRE11和MRE12串联连接而成的半桥式电路71a、磁阻元件MRE13和MRE14串联连接而成的半桥式电路71b构成。半桥式电路71a、71b各自的一端分别与电源（电源电压“+Vcc”）连接而各自的另一端分别被接地。而且，该第1桥式电路71作为第1检测信号S1输出磁阻元件MRE11和MRE12的中点电位，并作为第2检测信号S2输出磁阻元件MRE13和MRE14的中点电位。

在第1桥式电路71中，若偏置磁铁60伴随上述旋转轴21的旋转而旋转并赋予给磁阻元件MRE11～MRE14的偏置磁场的方向发生变化，则磁阻元件MRE11～MRE14的阻抗值发生变化。从半桥式电路71a输出的第1检测信号S1和从半桥式电路71b输出的第2检测信号S2因这些阻抗值的变化而发生变化。即，第1检测信号S1和第2检测信号S2根据旋转轴21的旋转角θ而变化。图5A和图5B将旋转轴21的旋转角θ设为横轴、将第1检测信号S1和第2检测信号S2设为纵轴来表示两者的关系。如图5A和图5B所示，第1检测信号S1和第2检测信号S2均是相对于旋转轴21的旋转角θ正弦波形变化的信号。另外，在本实施方式中，通过适当地调整磁阻元件MRE11～MRE14的配置，使第2检测信号S2成为相对于第1检测信号S1前进“90°”相位的信号。即，能够用以下的式（1）、（2）表示各检测信号S1、S2。此外，“A”表示各检测信号S1、S2的振幅。

S1＝Asinθ···（1）

S2＝Asin（θ＋90°）

＝Acosθ···（2）

如图4所示，第2桥式电路72具有与第1桥式电路71相同的电路构成。即，第2桥式电路72也由磁阻元件MRE21和MRE22串联连接而成的半桥式电路72a、磁阻元件MRE23和MRE24串联连接而成的半桥式电路72b构成。半桥式电路72a、72b的一端分别与电源连接而另一端分别被接地。而且，第2桥式电路72作为第3检测信号S3输出磁阻元件MRE21和MRE22的中点电位，并作为第4检测信号S4输出磁阻元件MRE23和MRE24的中点电位。

在本实施方式中，虽然未图示，但第2桥式电路72配置为相对于第1桥式电路71向上述旋转轴21的旋转方向位移规定角度。由此，如图6A所示，第3检测信号S3成为相对于第1检测信号S1延迟“45°”相位的正弦波形的信号。另外，如图6B所示，第4检测信号S4成为相对于第3检测信号S3前进“90°”相位且相对于第2检测信号S2延迟“45°”相位的正弦波形的信号。即，能够用以下的式（3）、（4）表示各检测信号S3、S4。

S3＝Asin（θ－45°）···（3）

S4＝Asin（（θ－45°）＋90°）

＝Acos（θ－45°）···（4）

如图4所示，从第1桥式电路71输出的检测信号S1、S2和从第2桥式电路72输出的检测信号S3、S4被获取至控制装置3。控制装置3基于第1检测信号S1和第2检测信号S2运算反正切值arctanθ，并基于第3检测信号S3和第4检测信号S4运算反正切值arctan（θ－45°），从而检测旋转轴21的旋转角θ。另外，在4个检测信号S1～S4中的任意一个发生了异常的情况下，控制装置3利用剩余的正常检测信号来运算旋转轴21的旋转角θ。以下，对该详细内容和本实施方式的旋转角传感器6的作用进行说明。

例如，假设在第1桥式电路71中发生某种异常而第1检测信号S1和第2检测信号S2中的任意一个信号发生异常或者在两个信号都发生异常。在该情况下，控制装置3基于第3检测信号S3和第4检测信号S4来运算反正切值arctan（θ－45°）并将运算出的反正切值arctan（θ－45°）加上“45°”，从而检测旋转轴21的旋转角θ。同样的，在第2桥式电路72的第3检测信号S3和第4检测信号S4中的任意一个信号发生异常或者这两个信号都发生了异常的情况下，控制装置3通过基于第1检测信号S1和第2检测信号S2运算反正切值arctanθ来检测旋转轴21的旋转角θ。

另一方面，例如假设第2检测信号S2和第4检测信号S4发生了异常。在该情况下，被获取至控制装置3的正常信号为第1检测信号S1和第3检测信号S3。然而，如图7所示，第1检测信号S1和第3检测信号S3都是正弦波信号，因此无法根据他们直接运算反正切值。于是，本实施方式的控制装置3利用第1检测信号S1和第3检测信号S3来运算第2检测信号S2的正常值即正常余弦值Acosθ。具体而言，使用三角函数的公式和上述式（1）能够对上述式（3）进行下述的变形。

由此，能够基于下面的式（5）运算余弦值Acosθ。

$A\cos \mathrm{\θ}=S1-\sqrt{\mathrm{}}2\×S3\·\·\·\left(5\right)$

这里，控制装置3使用式（5）根据正常的第1检测信号S1和第3检测信号S3各自的值来运算余弦值Acosθ。而且，基于运算出的余弦值Acosθ和第1检测信号S1（＝Asinθ）的值来运算反正切值arctanθ，从而检测旋转轴21的旋转角θ。同样的，在第1检测信号S1和第3检测信号S3发生了异常的情况下，控制装置3根据正常的第2检测信号S2和第4检测信号S4来运算第1检测信号S1的值即正弦值Asinθ。而且，基于运算出的正弦值Asinθ和第2检测信号S2（＝Acosθ）的值来运算反正切值arctanθ，从而运算旋转轴21的旋转角θ。

另外，例如假设第1检测信号S1和第4检测信号S4发生了异常。在该情况下，被获取至控制装置3的正常信号为第2检测信号S2和第3检测信号S3。如图8所示，这些第2检测信号S2和第3检测信号S3分别是余弦波信号和正弦波信号，但是他们中存在相位差，因此无法由他们直接运算反正切值。于是，本实施方式的控制装置3基于第2检测信号S2和第3检测信号S3来运算第1检测信号S1的正常值即正常的正弦值Asinθ。具体而言，使用三角函数的公式和上述式（1）能够对上述式（3）进行下述的变形。

因此，能够利用下式（6）运算正弦值Asinθ。

$A\sin \mathrm{\θ}=S2-\sqrt{}2\×S3\·\·\·\left(6\right)$

这里，控制装置3使用式（6）根据正常的第2检测信号S2和第3检测信号S3各自的值来运算正弦值Asinθ。而且，基于运算出的正弦值Asinθ和第2检测信号S2（＝Acosθ）的值来运算反正切值，从而检测旋转轴21的旋转角θ。同样的，在第2检测信号S2和第3检测信号S3发生了异常的情况下，控制装置3根据正常的第1检测信号S1和第4检测信号S4来运算第2检测信号S2的正常值即正常的余弦值Acosθ。而且，基于运算出的余弦值Acosθ和第1检测信号S1（＝Asinθ）的值来运算反正切值arctanθ，从而检测旋转轴21的旋转角θ。

这样，根据本实施方式的旋转角传感器6，即使在4个检测信号S1～S4中的任意一个发生了异常的情况下，也能够运算旋转轴21的旋转角θ。另外，即使在4个检测信号S1～S4中的某2个检测信号发生了异常的情况下也能够运算旋转轴21的旋转角θ。由此提高冗余度。

如上所述，根据本实施方式的旋转角传感器能够得到以下效果。

（1）旋转角传感器6输出相对于旋转轴21的旋转角θ正弦波形变化且相位不同的4个检测信号S1～S4。而且，将第1检测信号S1与第2检测信号S2之间的相位差以及第3检测信号S3与第4检测信号S4之间的相位差分别设定为“90°”。由此进一步提高冗余度。

（2）将第1检测信号S1与第3检测信号S3之间的相位差以及第2检测信号S2与第4检测信号S4之间的相位差分别设定为“45°”。由此，减少在基于第1检测信号S1和第3检测信号S3运算第2检测信号S2的正常值时、基于第2检测信号S2和第3检测信号S3运算第1检测信号S1的正常值时的运算量。由此提高旋转角θ的运算速度。

（3）在MR传感器70中设置了4个磁阻元件被桥式连接的第1桥式电路71和第2桥式电路72。而且，从构成第1桥式电路71的2个半桥式电路71a、71b各自的中点输出第1检测信号S1和第2检测信号S2。另外，从构成第2桥式电路72的2个半桥式电路72a、72b各自的中点输出第3检测信号S3和第4检测信号S4。并且，将第2桥式电路72配置为相对于第1桥式电路71向旋转轴21的旋转方向位移规定角度。由此，在制造旋转角传感器6时，能够通过将第1桥式电路71和第2桥式电路72配置成向旋转轴21的旋转方向位移规定角度，来分别使第1检测信号S1与第3检测信号S3之间的相位差以及第2检测信号S2与第4检测信号S4之间的相位差为“45°”。由此，使旋转角传感器6的制造变得容易。

此外，对于上述实施方式而言，能够以对其适当地进行了变更的以下的方式来实施。

在上述实施方式中，虽作为检测偏置磁场的变化的磁传感器使用了MR传感器70，但是也可以代替它而使用例如霍尔传感器等。也就是说，只要是在旋转轴21旋转时感知偏置磁场所产生的变化并输出4个检测信号S1～S4的磁传感器即可。

在上述实施方式中，虽使用了由偏置磁铁60和MR传感器70构成的旋转角传感器6，但旋转角传感器6的构造是任意的。例如也可以使用分解器等作为旋转角传感器6。旋转角传感器6只要是输出与旋转轴21的旋转角θ对应的4个检测信号S1～S4的即可。

在上述实施方式中，虽分别将第1检测信号S1与第3检测信号S3之间的相位差以及第2检测信号S2与第4检测信号S4之间的相位差设定为“45°”，但也可以将这些相位差设定为“135°”、“225°”、以及“315°”中的任意一个值。这样设定各相位差也能够得到与上述（2）相同的效果。

在上述实施方式和其变形例中，虽分别将第1检测信号S1与第3检测信号S3之间的相位差以及第2检测信号S2与第4检测信号S4之间的相位差设定为“45°”、“135°”、“225°”以及“315°”中的任意一个值，但并不局限于此，能够适当地变更这些相位差。此时，也可以将前者的相位差和后者的相位差设定为不同的值。另外，在上述实施方式中，虽分别将第1检测信号S1与第2检测信号S2之间的相位差以及第3检测信号S3与第4检测信号S4之间的相位差设定为“90°”，但并不局限于此，能够适当地变更这些相位差。此时，也可以将前者的相位差和后者的相位差设定为不同的值。也就是说，只要使第1～第4检测信号S1～S4各自的相位不同并且将这些相位差φ设定为“0°＜φ＜180°”或者“180°＜φ＜360°”即可。只要如此设定第1～第4检测信号S1～S4各自的相位差φ，在第1～第4检测信号中的任意一个信号发生了异常时，能够基于剩余的正常的3个检测信号并进行基于上述式（5）、（6）的运算，从而运算反正切值。由此，能够检测旋转轴21的旋转角θ。另外，即使在3个检测信号中的任意一个信号还发生了异常的情况下，也能够基于剩余的正常的2个检测信号并进行基于述式（5）、（6）的运算，从而运算反正切值。由此，能够检测旋转轴21的旋转角θ。

在上述实施方式中，虽将本发明用于检测电动马达20的旋转轴21的旋转角θ的旋转角传感器6，但例如也能够将本发明用于检测转向轴的旋转角的旋转角传感器等合适的旋转角传感器。即，旋转角传感器作为检测对象的旋转轴是任意的。也就是说，只要是输出与旋转轴的旋转角对应的检测信号的旋转角传感器就能够利用本发明。

Claims (4)

1.一种旋转角传感器，其输出与旋转轴的旋转角对应的检测信号，所述旋转角传感器的特征在于，

所述检测信号由相对于所述旋转轴的旋转角正弦波形变化且相位各不相同的第1～第4检测信号构成，

所述第1～第4检测信号的各自的相位差被设定为，在所述第1～第4检测信号的各自的相位差的值为φ时，“0°＜φ＜180°”或者“180°＜φ＜360°”。

2.根据权利要求1所述的旋转角传感器，其特征在于，

所述第1检测信号与所述第2检测信号之间的相位差以及所述第3检测信号与所述第4检测信号之间的相位差分别被设定为“90°”。

3.根据权利要求2所述的旋转角传感器，其特征在于，

所述第1检测信号与所述第3检测信号之间的相位差以及所述第2检测信号与所述第4检测信号之间的相位差被设定为相同的规定值并且该规定值被设定为“45°”、“135°”、“225°”以及“315°”中的任意一个值。

4.根据权利要求3所述的旋转角传感器，其特征在于，

具备磁传感器和向该磁传感器赋予偏置磁场并与所述旋转轴成为一体而旋转的偏置磁铁，

所述磁传感器具有桥式连接了4个磁阻元件的第1桥式电路和第2桥式电路，在所述旋转轴旋转时由所述第1桥式电路和所述第2桥式电路感知所述偏置磁场发生的变化，从构成所述第1桥式电路的2个半桥式电路的各自的中点输出所述第1检测信号和所述第2检测信号，并且从构成所述第2桥式电路的2个半桥式电路的各自的中点输出所述第3检测信号和所述第4检测信号，

所述第2桥式电路被配置为，相对于所述第1桥式电路向所述旋转轴的旋转方向偏移规定的角度。

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