JP2005315696A - 回転体の回転角度検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】１つのホールアレイに２組の磁気検出素子群を設けることによって信頼性が高く、しかも安価で小型の装置を実現することのできる回転体の回転角度検出装置を提供する。
【解決手段】本発明の回転体の回転角度検出装置１は、マグネット５に対してホール素子Ｈ１〜Ｈ８をマグネット５が回転する回転軸の周囲に９０°間隔で配置し、これらのホール素子Ｈ１〜Ｈ８のうちホール素子Ｈ１〜Ｈ４は第１の磁気検出素子群に属し、ホール素子Ｈ５〜Ｈ８は第２の磁気検出素子群に属しており、これら２組の磁気検出素子群は、１８０°間隔にある２つのホール素子から差分データを生成し、この差分データから回転体の回転角度αを検出するとともに、異常発生の有無を判定することを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、例えば自動車のステアリング等の回転体の回転角度を検出する回転角度検出装置に関する。

従来から、例えば車両におけるステアリングハンドルに連動してヘッドランプの照射方向を左右に制御するために、ステアリングシャフトなどの回転体の回転角を測定する回転角測定装置があった。

このような回転体の回転角測定装置の従来例として、例えば特開２００２−２１３９４４号公報（特許文献１）が開示されている。

ここで、上述した従来の回転角測定装置の構成を図９に示す。図９に示すように従来の回転角測定装置１００は、ステアリングシャフト１０１に固定されて一体に回転する駆動歯車１０２と、この駆動歯車１０２に噛み合っている２つの従動歯車１０３ａ、１０３ｂと、これらの従動歯車１０３ａ、１０３ｂのそれぞれの裏面に固定されたマグネット１０４ａ、１０４ｂと、これらのマグネット１０４ａ、１０４ｂによって発生される磁界の変化に基づいて従動歯車１０３ａ、１０３ｂの回転を検出するＭＲセンサ１０５ａ、１０５ｂと、これらのＭＲセンサ１０５ａ、１０５ｂからの信号に基づいてステアリングシャフト１０１の回転角を算出する電子制御ユニット１０６とから構成されている。

上述した回転角測定装置１００において、電子制御ユニット１０６は２つのＭＲセンサ１０５ａ、１０５ｂからの信号の差分を算出し、この差分が構成部品から求められる許容誤差の範囲内に収まらなかった場合に異常であると判定する。

そして、従来の回転角測定装置１００では、２つのＭＲセンサ１０５ａ、１０５ｂを設けることによって、万が一どちらかのＭＲセンサに異常が発生した場合でも正確に異常を検出して、高い信頼性を得ることができるようにしている。
特開２００２−２１３９４４号公報

しかしながら、上述した特許文献１に開示された従来例では、正確に故障を検出して高い信頼性を得るために複数のＭＲセンサを設置しているので、装置が非常に高価になってしまうという問題点があった。

さらに、ＭＲセンサや歯車などを全て複数設置しなければならないので、小型にすることができないという問題点もあった。

この発明は、このような従来の課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、高い信頼性を確保できるとともに、装置を非常に安価で小型にすることができる回転体の回転角度検出装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、回転体の回転角度を検出する回転角度検出装置であって、磁界を発生させる磁界発生手段と、前記磁界発生手段によって発生された磁界の磁界強度を検出する磁気検出手段とを備え、前記磁気検出手段または前記磁界発生手段のうちのいずれか一方が前記回転体の回転に伴って回転し、前記磁気検出手段は、前記磁界強度を検出するための複数の磁気検出素子を含む磁気検出素子群によって構成され、前記磁気検出素子群は複数組設けられ、更に、前記複数組のうちの少なくとも２組の磁気検出素子群を用いて前記回転体の回転角度を検出する演算処理装置を有し、前記演算処理装置は、前記回転体の回転角度の検出結果に基づいて異常が発生しているか否かを判定することを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１の発明において、前記磁気検出素子群と前記演算処理装置は、同一のＩＣに配置されることを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１の発明において、前記磁気検出素子群と前記演算処理装置は、異なるＩＣに配置されることを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項１〜３に記載の回転体の回転角度検出装置において、前記少なくとも２組の磁気検出素子群のそれぞれによって検出された回転角度から平均値を求め、この平均値を前記回転体の回転角度として出力することを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、請求項１〜４のいずれかに記載の回転体の回転角度検出装置において、前記磁界発生手段が前記回転体の回転に伴って回転することを特徴とする。

請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の回転体の回転角度検出装置において、前記磁気検出素子群は２組であり、それぞれの磁気検出素子群が４個の磁気検出素子を備え、前記４個の磁気検出素子は前記磁界発生手段が回転する回転軸の周囲に９０°間隔で配置されており、前記２組の磁気検出素子群のそれぞれは、１８０°間隔にある２つの磁気検出素子から差分データを生成し、この差分データに基づいて前記回転体の回転角度を検出することを特徴とする。

請求項７に記載の発明は、請求項１〜６のいずれかに記載の回転体の回転角度検出装置において、前記回転体はステアリングシャフトであることを特徴とする。

請求項１の発明によれば、少なくとも２組の磁気検出素子群を設けてそれぞれの磁気検出素子群が回転角度の検出を行うので、検出精度を高くすることができる。さらに、１つの磁気検出手段に少なくとも２組の磁気検出素子群を設けて回転角度の検出及び異常発生の有無の判定を行うので、測定対象となる回転体に高い信頼性が求められる場合でも複数の角度検出センサを必要とせずに、１つの磁気検出手段で信頼性を高くすることができ、これによって非常に安価かつ小型のセンサを実現することができる。

請求項２の発明によれば、演算処理手段と磁気検出素子とが同一のＩＣ内に設けられるので、構成を簡素化することができ、冗長化を図ることができる。

請求項３の発明によれば、演算処理手段と磁気検出素子とが異なるＩＣ内に設けられるので、汎用性を向上させることができる。

請求項４の発明によれば、少なくとも２組の磁気検出素子群のそれぞれによって検出された回転角度の平均値を回転体の回転角度として出力するので、より精度の高い検出結果を得ることができる。

請求項５の発明によれば、磁界発生手段が回転体の回転に伴って回転するようにしたので、磁気検出手段を固定することができ、これによって磁気検出手段と外部との接続を容易にすることができる。

請求項６の発明によれば、磁気検出素子群が２組あり、それぞれの磁気検出素子群に４個の磁気検出素子を備えるようにしたので、必要となる最低限の磁気検出素子群による構成となり、最も安価で小型の回転角度検出装置を提供することができる。さらに、差分データを生成するようにしたので、磁界発生手段のセンターと磁気検出手段のセンターとの間のずれをキャンセルすることができる。

請求項７の発明によれば、回転体をステアリングシャフトとしたので、本発明の回転角度検出装置を車両等に適用することが可能であることを示している。

以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。図１は本発明に係る回転体の回転角度検出装置の平面図、図２は、マグネット５とホールアレイＩＣ６との位置関係を示す説明図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は平面視した図である。ここでは回転体の一例としてステアリングを例示して説明する。

図１に示すように、回転角度検出装置１には、回転体であるステアリング（図示せず）と一体に回転するステアリングシャフト２と、このステアリングシャフト２に固定されて一体に回転する第１歯車３と、この第１歯車３に噛み合う第２歯車４とが備えられており、第１の歯車３の歯数が第２の歯車４の歯数の４倍と成っている。よって、ステアリングシャフト２が１回転すると、第２の歯車４は４回転することになる。

そして、第２歯車４の下面には、磁界発生手段であるマグネット５が固定され、第２歯車と共に回転する。マグネット５の近接下方には、図２に示すように、磁気検出手段であるホールアレイＩＣ６が配置され、このホールアレイＩＣ６には磁気検出素子であるホール素子Ｈ１〜Ｈ８が８箇所に固定されている。

そして、各ホール素子Ｈ１〜Ｈ８の検出出力は、ホールアレイＩＣ６に内蔵された演算処理装置（演算処理手段）７（後述する図５参照）において角度演算し、更にステアリング角に演算処理される。なお、本実施形態では、演算処理装置７がホールアレイＩＣ６に内蔵される場合を例に挙げているが、演算処理装置７がホールアレイＩＣ６の外部に設けられる構成とすることも可能である。

更に、本実施形態ではマグネット５が回転体の回転に伴って回転する構成としたが、反対にホールアレイＩＣ６あるいはホール素子Ｈ１〜Ｈ８が回転するようにしてもよい。しかし、ホールアレイＩＣ６やホール素子５は検出結果を外部へ出力するために外部との間で接続する必要があるので、マグネット５を回転させるように構成したほうが、簡単な構成とすることができる。

次に、図２に基づいてマグネット５に対するホール素子Ｈ１〜Ｈ８の配置を説明する。

図２（ａ）に示すように、マグネット５は円柱状に形成され、Ｎ極とＳ極の２極に平行着磁されている。つまり、Ｎ極とＳ極のそれぞれが１８０度の回転角度範囲に亘って形成され、１８０度対向する位置に着磁の境界が設けられている。ホール素子Ｈ１〜Ｈ８は、マグネット５が作る磁場内に等間隔（４５度間隔）に配置されており、マグネット５から発生される磁界強度に応じた電圧を出力する。

また、ホール素子Ｈ１〜Ｈ４の４つのホール素子によって第１の磁気検出素子群を構成し、ホール素子Ｈ５〜Ｈ８の４つのホール素子によって第２の磁気検出素子群を構成している。

ここで、第１の磁気検出素子群の各ホール素子Ｈ１〜Ｈ４の検出出力を図３に示す。同図に示すように、各ホール素子Ｈ１〜Ｈ４による検出出力は、回転角度αによって変化し、それぞれ９０度の位相差を有するサイン波形となる。同様に第２の磁気検出素子群の各ホール素子Ｈ５〜Ｈ８の検出出力を図４に示す。同図に示すように、各ホール素子Ｈ５〜Ｈ８による検出出力は、それぞれ９０度の位相差を有するサイン波形となっている。

図３及び図４では、サイン波形の検出出力を−１〜＋１の大きさに規格化してあり、図３、図４における出力０のポイントはマグネット５のＳ極とＮ極の境界位置にホール素子が来たときの検出出力となっている。

そして、各ホール素子Ｈ１〜Ｈ８は演算処理装置７に接続されており、演算処理装置７はホール素子Ｈ１〜Ｈ８の検出出力によりマグネット５の回転角度を算出するとともに、異常が発生しているか否かの判定を行う。

ここで、演算処理装置７の構成を図５に基づいて説明する。演算処理装置７は、ホールアレイＩＣ６内部に設けられており、図示のように、第１の磁気検出素子群からの検出出力を処理する第１のＡＤＣ（Ａ／Ｄ変換器）５１と、第２の磁気検出素子群からの検出出力を処理する第２のＡＤＣ５２と、回転角度の検出処理や異常発生の有無を判定するための処理を行う演算処理部５３と、演算処理で使われるデータを記憶しておくデータ記憶部５４と、外部との間で情報のやり取りを行うインターフェース部５５とから構成されている。

上述のような構成の演算処理装置７において、第１の磁気検出素子群からの検出出力は第１のＡＤＣ５１に入力され、１８０度の位相差があるホール素子Ｈ１とホール素子Ｈ２との間の差分データＨ１−Ｈ２が生成され、同様に１８０度の位相差があるホール素子Ｈ３とホール素子Ｈ４との間の差分データＨ３−Ｈ４が生成される。

この差分データＨ１−Ｈ２、Ｈ３−Ｈ４を図６に示す。同図に示すように、差分データＨ１−Ｈ２は回転角度をαとするとｃｏｓαの波形となり、差分データＨ３−Ｈ４はｓｉｎαの波形となる。

このように、１８０度の位相差があるホール素子の間で差分データを生成することによって、回転するマグネット５のセンターとホール素子Ｈ１〜Ｈ８の配置されたホールアレイのセンターとの間のずれをキャンセルすることができる。

同様に、第２の磁気検出素子群からの検出出力は第２のＡＤＣ５２に入力され、１８０度の位相差があるホール素子Ｈ６とホール素子Ｈ５との間の差分データＨ６−Ｈ５が生成されるとともに、ホール素子Ｈ８とホール素子Ｈ７との間の差分データＨ８−Ｈ７が生成される。この差分データＨ６−Ｈ５、Ｈ８−Ｈ７を図７に示す。同図に示すように、差分データＨ８−Ｈ７は回転角度をαとするとｃｏｓαの波形となり、差分データＨ６−Ｈ５はｓｉｎαの波形となる。

こうして生成された差分データは、演算処理部５３に入力され、差分データＨ１−Ｈ２と差分データＨ４−Ｈ３とから、次の（１）式が計算される。

θ１＝ｔａｎ^−１｛（Ｈ４−Ｈ３）／（Ｈ１−Ｈ２）｝
＝ｔａｎ^−１｛ｓｉｎα／ｃｏｓα｝ ・・・（１）
その結果、回転体の回転角度θ１が算出される。同様にして差分データＨ６−Ｈ５と差分データＨ８−Ｈ７とから、次の（２）式が計算される。

θ２＝ｔａｎ^−１｛（Ｈ６−Ｈ５）／（Ｈ８−Ｈ７）｝
＝ｔａｎ^−１｛ｓｉｎα／ｃｏｓα｝ ・・・（２）
その結果、回転体の回転角度θ２が算出される。

こうして算出された回転角度θ１と回転角度θ２とを図８に示す。同図に示すように回転角度θ１と回転角度θ２との間には４５度の位相差があるので、回転角度θ２に４５度を加算して回転角度θ２’を求めると、回転角度θ１とθ２’とは理論上等しくなる。また、回転角度θ２’が３６０度を超えた場合にはその値から３６０度引く演算処理を行うようにする。

こうして算出された回転角度θ１とθ２’とはそれぞれインターフェース部５５を介して外部にＤＡＴＡとして出力される。

また、回転角度θ１とθ２’との平均値を算出して外部に出力するようにしてもよい。これによって、算出される回転角度の精度をより向上させることができる。

そして、これらの回転角度θ１とθ２’とを比較し、この差がマグネット５の組み付け精度によって生じる誤差や電子回路部の誤差を考慮して設定されている角度許容値を超えた場合には、ホール素子Ｈ１〜Ｈ８のいずれかが故障したと判定する。例えば、角度許容値を５度とした場合には、以下の（３）式で異常が発生しているかどうかを判定する。

５度＜θ１とθ２’の差の絶対値＜３５５度 ・・・（３）
（３）式が成立したときに異常が発生したと判定し、インターフェース部５５を介して外部に故障信号を出力する。ここで、３５５度以下としたのは、０度から３６０度に切り替わる点では誤差が５度以上ある場合にはθ１とθ２’の差は３５５度以下の差が生じることになるからである。

また、角度許容値は予めデータ記憶部５４に設定しておいてもよいが、必要とされる精度に応じて外部からインターフェース部５５を介して入力するようにしてもよい。

さらに、図８では０〜３６０度の範囲で回転角度を表示しているが、θ１とθ２’の差を求めるためだけであれば、−１８０度〜＋１８０度の範囲で表示するなど、図８で示した範囲で回転角度を表示しなくてもよい。

上述したように、本実施形態に係る回転角度検出装置１では、１つのホールアレイＩＣ６に少なくとも２組の磁気検出素子群を設けて回転角度の検出を行うので、検出精度を高くすることができる。さらに、測定対象となる回転体に高い信頼性が求められる場合でも複数の角度検出センサを必要とせずに、１つのホールアレイＩＣ６に２組の磁気検出素子群を設けることによって信頼性を高くすることができ、これによって非常に安価かつ小型で信頼性の高いセンサを実現することができる。

以上、本発明の回転角度検出装置について、図示した実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、各部の構成は同様の機能を有する任意の構成のものに置き換えることができる。

例えば、上述した実施形態では、ステアリングシャフトを例にして説明したが、その他の回転体に適用することも可能である。

また、上述した実施形態では、２組の磁気検出素子群を設けているが、３組以上の磁気検出素子群を設けて回転角度の検出を行うようにしてもよい。

ステアリングなどの回転体の回転角度を検出する回転角度検出装置に関し、高い信頼性を実現させるとともに、装置を安価で小型にするための技術として極めて有用である。

本発明の一実施形態に係る回転体の回転角度検出装置の構成を示すブロック図である。 本発明の回転体の回転角度検出装置におけるマグネットに対するホール素子の配置を説明するための図である。 本発明の回転体の回転角度検出装置における第１の磁気検出素子群の出力波形を示す図である。 本発明の回転体の回転角度検出装置における第２の磁気検出素子群の出力波形を示す図である。 本発明の回転体の回転角度検出装置における演算処理装置の構成を示すブロック図である。 本発明の回転体の回転角度検出装置における第１の磁気検出素子群の差分データの波形を示す図である。 本発明の回転体の回転角度検出装置における第２の磁気検出素子群の差分データの波形を示す図である。 本発明の回転体の回転角度検出装置によって検出された検出結果を示す図である。 従来の回転角測定装置の構成を示すブロック図である。

符号の説明

１ 回転角度検出装置
２ ステアリングシャフト
３ 第１歯車
４ 第２歯車
５ マグネット（磁界発生手段）
６ ホールアレイＩＣ（磁気検出手段）
７ 演算処理装置（演算処理手段）
Ｈ１〜Ｈ８ ホール素子（磁気検出素子）
５１ 第１のＡＤＣ
５２ 第２のＡＤＣ
５３ 演算処理部
５４ データ記憶部
５５ インターフェース部
１００ 回転角測定装置
１０１ ステアリングシャフト
１０２ 駆動歯車
１０３ａ、１０３ｂ 従動歯車
１０４ａ、１０４ｂ マグネット
１０５ａ、１０５ｂ ＭＲセンサ
１０６ 電子制御ユニット

Claims (7)

1. 回転体の回転角度を検出する回転角度検出装置であって、
   磁界を発生させる磁界発生手段と、
   前記磁界発生手段によって発生された磁界の磁界強度を検出する磁気検出手段とを備え、
   前記磁気検出手段または前記磁界発生手段のうちのいずれか一方が前記回転体の回転に伴って回転し、
   前記磁気検出手段は、前記磁界強度を検出するための複数の磁気検出素子を含む磁気検出素子群によって構成され、前記磁気検出素子群は複数組設けられ、
   更に、前記複数組のうちの少なくとも２組の磁気検出素子群を用いて前記回転体の回転角度を検出する演算処理装置を有し、
   前記演算処理装置は、前記回転体の回転角度の検出結果に基づいて異常が発生しているか否かを判定することを特徴とする回転体の回転角度検出装置。
2. 前記磁気検出素子群と前記演算処理装置は、同一のＩＣに配置されることを特徴とする請求項１に記載の回転体の回転角度検出装置。
3. 前記磁気検出素子群と前記演算処理装置は、異なるＩＣに配置されることを特徴とする請求項１に記載の回転体の回転角度検出装置。
4. 前記演算処理装置は、前記少なくとも２組の磁気検出素子群のそれぞれによって検出された回転角度から平均値を求め、この平均値を前記回転体の回転角度として出力することを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の回転体の回転角度検出装置。
5. 前記磁界発生手段が前記回転体の回転に伴って回転することを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の回転体の回転角度検出装置。
6. 前記磁気検出素子群は２組であり、それぞれの磁気検出素子群が４個の磁気検出素子を備え、前記４個の磁気検出素子は前記磁界発生手段が回転する回転軸の周囲に９０°間隔で配置されており、
   前記２組の磁気検出素子群のそれぞれは、１８０°間隔にある２つの磁気検出素子から差分データを生成し、この差分データに基づいて前記回転体の回転角度を検出することを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の回転体の回転角度検出装置。
7. 前記回転体はステアリングシャフトであることを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載の回転体の回転角度検出装置。
   

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