JP2006105827A - 回転角度センサ - Google Patents

Abstract

【課題】回転体の回転角度の検出精度を向上させることができる回転角度センサを提供すること。
【解決手段】回転角度センサ１は、回転軸Ｏの直交方向が磁化方向となるディスク磁石１２を備えてステアリングシャフト１０と一体的に回転する第１歯車１１、第１歯車１１に歯合する第２歯車１７、第２歯車１７に固定された磁石、第１歯車１１の回転角度を検出して第１アナログ信号を出力する第１ＭＲセンサ１５、第２歯車１７の回転角度を検出して第２アナログ信号を出力する第２ＭＲセンサ、及び制御部を備える。第１歯車１１及び第２歯車１７の歯数比は、第２歯車１７の歯数を１としたときの第１歯車１１の歯数が整数とならない比に設定される。制御部は、第１，第２アナログ信号の相関関係に基づいて第１アナログ信号の周期数を求めると共に第１アナログ信号に基づいて第１歯車１１の回転角度を求めることにより、ステアリングシャフト１０の回転角度を求める。
【選択図】 図１

Description

本発明は、回転角度センサに関するものである。

近年、車両の高機能化に伴い、車両には、走行安定性を向上させるための種々のシステムが搭載されている。これらシステムは、ステアリングの操舵角を車両の姿勢情報の一つとして取得し、同姿勢情報に基づいて車両の姿勢が安定的な状態になるように制御する。そのため一般的に、車両には、ステアリングの操舵角を検出するための回転角度センサがステアリングコラム内に組み込まれている。

この種の回転角度センサとして、例えば特許文献１に記載の回転角度センサが提案されている。この回転角度センサは、ステアリングシャフト（回転体）と一体的に回転する主動歯車と、同歯車に歯合する２つの従動歯車とを備えている。２つの従動歯車の歯数は異なっている。回転角度センサは、２つの従動歯車の回転角度をそれぞれ求め、これら回転角度を基に演算を行って回転体の回転角度を求める。
特表平１１−５００８２８号公報

ところで、従来の回転角度センサは、上記のように、主動歯車と２つの従動歯車とによる歯車機構によって回転体の回転角度を求めている。一般に、一対の歯車が滑らかに回転するためには、各歯車を歯合させた際に各歯車間に遊び（バックラッシ）が存在することが必要とされる。このバックラッシの存在によって各従動歯車の回転角度には誤差が重畳してしまう。このため、従来の回転角度センサでは、回転体の回転角度の検出精度を向上させることが困難であった。

本発明は、こうした実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、回転体の回転角度の検出精度を向上させることができる回転角度センサを提供することにある。

上記の課題を解決するために、請求項１に記載の発明では、回転体の回転軸に直交する方向が磁化方向となるように着磁された磁気発生部を備えて該回転体と一体的に回転する第１歯車と、前記第１歯車に歯合する第２歯車と、前記第２歯車の回転軸に直交する方向が磁化方向となるように着磁され、該第２歯車に固定された磁石と、前記第１歯車の回転に伴って変化する磁束密度又は磁界の強さを検出して、該磁束密度又は該磁界の強さの変化に応じて周期的に変動する第１アナログ信号を出力する第１磁気検出手段と、前記第２歯車の回転に伴って変化する磁束密度又は磁界の強さを検出して、該磁束密度又は該磁界の強さの変化に応じて周期的に変動する第２アナログ信号を出力する第２磁気検出手段とを備え、前記第１歯車と前記第２歯車との歯数比は、前記第２歯車の歯数を「１」としたときの前記第１歯車の歯数が整数とならないような比に設定され、更に、前記第１アナログ信号及び前記第２アナログ信号の相関関係に基づいて前記第１アナログ信号の周期数を求めるとともに前記第１アナログ信号に基づいて前記第１歯車の回転角度を求めることにより、前記回転体の回転角度を求める演算手段を備えることを要旨とする。

請求項２に記載の発明では、請求項１に記載の回転角度センサにおいて、前記演算手段は、前記第１アナログ信号の１周期毎における前記第２アナログ信号の電気角に基づいて前記第１アナログ信号の周期数を求めることを要旨とする。

請求項３に記載の発明では、請求項２に記載の回転角度センサにおいて、前記第１歯車と前記第２歯車との間に遊びがないと仮定した場合の前記第１アナログ信号の１周期毎における前記第２アナログ信号の電気角に基づく基準位相差が予め複数個記録された記録手段を備え、前記演算手段は、前記第１アナログ信号の１周期毎に前記第２アナログ信号の電気角に基づいて比較位相差を求め、該比較位相差が前記記録手段に記録されている基準位相差よりも大きいか否か又は小さいか否かにより前記第１アナログ信号の周期数を求めることを要旨とする。

請求項４に記載の発明では、請求項３に記載の回転角度センサにおいて、前記第１歯車と前記第２歯車とは、前記第１歯車が１回転したときの前記基準位相差の絶対値が１８０°未満となるような歯数比に設定されていることを要旨とする。

請求項５に記載の発明では、請求項１〜４のいずれか一項に記載の回転角度センサにおいて、前記第１磁気検出手段及び前記第２磁気検出手段の一方は回路基板の表面に実装され、前記第１磁気検出手段及び前記第２磁気検出手段の他方は前記回路基板の裏面に実装されることを要旨とする。

以下、本発明の作用について説明する。
請求項１に記載の発明によれば、第１歯車と第２歯車との歯数比は、第２歯車の歯数を「１」としたときに第１歯車の歯数が整数とならないような比に設定されている。このため、第１磁気検出手段から第１アナログ信号が１周期分出力された際、第１アナログ信号から求められる第１歯車の回転角度と、第２アナログ信号から求められる第２歯車の回転角度とは相違する。すなわち、第１アナログ信号と第２アナログ信号との相関関係は、第１アナログ信号の１周期毎に異なることになる。したがって、演算手段は、第１アナログ信号と第２アナログ信号との相関関係に基づいて第１アナログ信号の周期数を求め、この第１アナログ信号の周期数と、第１アナログ信号により求められる第１アナログ信号の１周期内の第１歯車の回転角度とから、回転体の回転角度を求めることができる。

また、第２歯車の回転角度は、第１アナログ信号の周期数を求める際にのみ用いられ、回転体の回転角度の算出には用いられない。したがって、本発明によれば、バックラッシの影響を受けず、回転体の回転角度の検出精度を向上させることができる。

請求項２に記載の発明によれば、第１アナログ信号と第２アナログ信号との相関関係は、第１アナログ信号の１周期毎における第２アナログ信号の電気角として具現化される。この第２アナログ信号の電気角は、第１アナログ信号の１周期毎に増加又は減少する。したがって、演算手段は、第１アナログ信号の１周期毎における第２アナログ信号の電気角に基づいて第１アナログ信号の周期数を求めることができ、請求項１の作用と同様に、回転体の回転角度を求めることができる。

請求項３に記載の発明によれば、記録手段には、第１アナログ信号の１周期毎における第２アナログ信号の電気角に基づく基準位相差が予め複数個記録されている。この基準位相差は、第１歯車と第２歯車との間に遊びがないとする条件下での第１アナログ信号の１周期毎における第２アナログ信号の電気角に基づく値である。演算手段は、比較位相差がどの基準位相差よりも大きいか否か又は小さいか否かにより、第１歯車が第１アナログ信号の１周期に相当する回転角度にわたって回転したか否かを判断する。このため、第１歯車と第２歯車との間にバックラッシが存在することにより比較位相差と基準位相差とが異なったとしても、その比較位相差が基準位相差間内であれば、演算手段は、バックラッシの存在の影響を受けずに第１アナログ信号の周期数を正確に求めることができる。したがって、本発明によれば、請求項１の作用と同様に、回転体の回転角度を求めることができるとともに、回転体の回転角度の検出精度を向上させることができる。

請求項４に記載の発明によれば、第１歯車と第２歯車とは、第１歯車が１回転したときの基準位相差の絶対値が１８０°未満となるような歯数比に設定されている。つまり、第１歯車が最低２回転するまで、第１アナログ信号の１周期毎における基準位相差は固有の値になる。例えば、回転体として車両のステアリングを想定した場合、ステアリングの操舵可能範囲は、最低でも２回転分に設定されるのが一般的である。本発明によれば、このような用途においても有効に請求項３の作用を奏することができる。

請求項５に記載の発明によれば、第１磁気検出手段と第２磁気検出手段とは、回路基板上の同一面に実装されない。したがって、両磁気検出手段を回路基板の同一面に実装した場合に比較して、回路基板の寸法を小さくすることが可能である。したがって、回転角度センサを小型化することができる。

本発明によれば、回転体の回転角度を高精度で検出することができる回転角度センサを提供することができる。

以下、車両に装備されたステアリングにおけるステアリングシャフトの絶対回転角を検出する回転角度センサに本発明を具体化した一実施形態を図１〜図８にしたがって説明する。

図１に示すように、回転角度センサ１は、回転体としてのステアリングシャフト１０と共に回転する第１歯車１１を備えている。第１歯車１１は、磁気発生部としてのディスク磁石１２と第１歯車部１３とを備え、環状に形成されている。

第１歯車部１３は、本実施形態においては平歯車である。第１歯車部１３には、第１歯車部１３の回転軸とステアリングシャフト１０の回転軸Ｏとが一致するように、ステアリングシャフト１０に第１歯車１１を嵌合可能な貫通孔１３ａが形成されている。また、第１歯車部１３において回転軸に直交する二面の一方には、貫通孔１３ａに沿って周壁１３ｂが突設されている。

ディスク磁石１２は、磁性材料によって円環状に形成され、同ディスク磁石１２の回転軸に直交する方向が磁化方向となるように、すなわち、ディスク磁石１２の径方向に磁束を発生するように２極着磁されている（図４参照）。ディスク磁石１２の貫通孔１２ａの径（ディスク磁石１２の内径）は、第１歯車部１３の周壁１３ｂの外径とほぼ同一に設定されている。

ディスク磁石１２は、第１歯車部１３の周壁１３ｂにディスク磁石１２の貫通孔１２ａが係合された状態で第１歯車部１３に固定されている。すなわち、第１歯車１１は、ディスク磁石１２と第１歯車部１３とが互いの中心軸が一致するように組み合わされて一体的に成形されている。このため、第１歯車１１（第１歯車部１３）が回転すると、それに伴ってディスク磁石１２も回転し、第１歯車１１（第１歯車部１３）の周囲の磁界の強さや磁束密度が変化する。

図２及び図３には、ディスク磁石１２を省略した回転角度センサ１を示す。図２に示すように、第１歯車部１３の外周面と対向する位置には、回路基板１４が配設されている。回路基板１４の表面（図２における上面）には、第１磁気検出手段としての第１ＭＲセンサ１５が実装されている。この第１ＭＲセンサ１５は、第１歯車部１３の外周面と対向する位置において、回転軸Ｏに直交するディスク磁石１２の面と対向するように回路基板１４の表面に実装されている。

また、回路基板１４において、後述する第２ＭＲセンサ２１と第１ＭＲセンサ１５との間には、磁界を遮蔽する磁気遮蔽板１６（本実施形態では金属）が回路基板１４を跨いで設けられている。

図３に示すように、回路基板１４の裏面（図３における下面）側では、第１歯車１１の第１歯車部１３と第２歯車１７の第２歯車部１９（後述）とが歯合している。このため、ステアリングシャフト１０の回転に伴って第１歯車部１３が回転すると、第２歯車部１９は従動回転する。なお、第２歯車部１９の回転軸は、第１歯車部１３の回転軸と平行である。

第２歯車１７は、有底筒状の収容部１８と、同収容部１８の開口縁に沿って形成された第２歯車部１９とから構成されている。第２歯車部１９は、本実施形態においては平歯車である。第２歯車部１９の歯数は、第１歯車部１３の歯数よりも少なくなるように設定されている。詳しくは、第１歯車１１（第１歯車部１３）と第２歯車１７（第２歯車部１９）との歯数比は、第２歯車１７の歯数を「１」としたときに第１歯車１１の歯数が整数とならないような比に設定されている。本実施形態において第１歯車１１と第２歯車１７との歯数比は、「６３：２６」（約２．４２：１）に設定されている。

図５に示すように、収容部１８の内部には、鉤形状を成す複数のロック爪１８ａが突設されている。これらロック爪１８ａにより挟持されるように、第２歯車１７には、板状の磁石２０が固定されている。この磁石２０は、図４に示すように、第２歯車１７の回転軸に直交する方向が磁化方向となるように２極着磁されている。すなわち、磁石２０は、第２歯車１７の径方向に磁束を発生するように固定されている。

回路基板１４において磁石２０と対向する位置には、すなわち、回路基板１４の裏面には、第２磁気検出手段としての第２ＭＲセンサ２１が実装されている。つまり、第２ＭＲセンサ２１は、回路基板１４において第１ＭＲセンサ１５が実装されている面（表面）とは異なる面（裏面）に実装されている。なお、第２ＭＲセンサ２１は、同第２ＭＲセンサ２１の中心が磁石２０の中心に一致するように回路基板１４の裏面に実装されている。

次に、回転角度センサ１の電気的構成について図６にしたがって説明する。
回路基板１４には、演算手段としての制御部３０と、電源３１と、インターフェース回路３２とが実装されている。そして、第１ＭＲセンサ１５、第２ＭＲセンサ２１、電源３１、インターフェース回路３２は、制御部３０にそれぞれ電気的に接続されている。

第１ＭＲセンサ１５及び第２ＭＲセンサ２１は、磁気抵抗素子（ＭＲＥ）とアンプ等により構成されており、周辺の磁束密度の大きさに応じた電圧値であるアナログ信号を出力する。詳しくは、第１ＭＲセンサ１５は、第１歯車１１が等速で１回転すると、正弦波（ｓｉｎ波）状のアナログ信号及び余弦波（ｃｏｓ波）状のアナログ信号の２つのアナログ信号を第１アナログ信号として２周期出力する（図７参照）。同様に、第２ＭＲセンサ２１は、第２歯車１７が等速で１回転すると、ｓｉｎ波状のアナログ信号及びｃｏｓ波状のアナログ信号の２つのアナログ信号を第２アナログ信号として２周期出力する（図７参照）。本実施形態においては、第１歯車１１と第２歯車１７とのギア比は、「６３：２６」に設定されているため、第１歯車１１が１回転すると、第２歯車１７は約２．４２回転し、第２ＭＲセンサ２１は、約４．８４周期の第２アナログ信号を出力する（図７参照）。なお、第１アナログ信号及び第２アナログ信号は、ｓｉｎ波状のアナログ信号及びｃｏｓ波状のアナログ信号の２つのアナログ信号から構成されているため、その組み合わせを取ることにより１周期内において固有の値となる。

電源３１は、バッテリ電圧を降圧して制御部３０の駆動電圧に変換するＤＣ−ＤＣコンバータによって構成されている。そして、入力端子には図示しないイグニッションリレーを介してバッテリ電圧が供給されるようになっている。

制御部３０は、図示しないＣＰＵ、Ａ／Ｄコンバータ、記録手段としてのメモリ３０ａを備えたＣＰＵユニットである。メモリ３０ａには、第１歯車１１の半回転（１８０°回転）毎における第２アナログ信号の電気角に基づいて設定された基準位相差が予め複数個記録されている。つまり、メモリ３０ａには、ステアリングシャフト１０が半回転する毎の基準位相差が予め記録されている。この基準位相差は、第１歯車１１と第２歯車１７との間にバックラッシ（遊び）がないと仮定した場合の第１アナログ信号の１周期毎における第２アナログ信号の電気角（基準電気角）に基づいて設定される。詳しくは、基準位相差は、基準電気角と電気角０°との間の角度Ａ１（＝基準電気角）、基準電気角と電気角１８０°との間の角度Ａ２、及び基準電気角と電気角３６０°との間の角度Ａ３のうち絶対値が一番小さい角度（比較位相差）に設定されている。すなわち、基準位相差は、第１歯車１１と第２歯車１７との間にバックラッシがないと仮定した場合の比較位相差である。また、この基準位相差は、換言すれば、基準電気角に一番近い変極点から基準電気角までの角度でもある。

例えば、第１歯車１１が半回転したときの第２アナログ信号の電気角は約１５２．３°（＝３６０×６３／２６−３６０×２）であるため、角度Ａ１は１５２．３°、角度Ａ２は−２７．７°（１５２．３−１８０）、角度Ａ３は−２０７．７°（１５２．３−３６０）となる。よって、第１歯車１１の半回転に対応する基準位相差は、−２７．７°となる。また、例えば、第１歯車１１が１回転したときの第２アナログ信号の電気角は約３０４．６°（＝２×３６０×６３／２６−３６０×４）であるため、角度Ａ１は３０４．６°、角度Ａ２は１２４．６°（３０４．６−１８０）、角度Ａ３は−５５．４°（３０４．６−３６０）となる。よって、第１歯車１１の１回転に対応する基準位相差は、−５５．４°となる。つまり、第１歯車１１が半回転する毎に、基準位相差は絶対値で２７．７°ずつ増加（シフト）していく。すなわち、第１歯車１１と第２歯車１７との歯数比である「６３：２６」は、第１歯車１１が半回転する毎の基準位相差のシフト量が２７．７°となるような歯数比でもある。このような計算に基づき、本実施形態におけるメモリ３０ａには、「０」、「２７．７」、「５５．４」、「８３．１」、「１１０．８」、「−２７．７」、「−５５．４」、「−８３．１」、及び「−１１０．８」といった固有の基準位相差が予め記録されている（図８参照）。

制御部３０は、第１ＭＲセンサ１５から入力された第１アナログ信号と第２ＭＲセンサ２１から入力された第２アナログ信号とに基づいてステアリングシャフト１０の絶対回転角度を求める。そして、算出した絶対回転角度をインターフェース回路３２を介して種々の車両システム（例えば、車両安定制御システムや電子サスペンションシステムなど）に対して出力する。ここで、図７及び図８にしたがって、制御部３０が行う絶対回転角度の検出方法について説明する。なお、本実施形態において、ステアリングシャフト１０の操舵可能範囲は、０°から±７２０°（１４４０°）である。このため、本実施形態の回転角度センサ１は、ステアリングシャフト１０の絶対回転角度を０°〜±７２０°の範囲で検出可能である。また、ここではステアリングシャフト１０が、一方向に操舵された場合について説明する。

まず、制御部３０は、第１アナログ信号の１周期内における第１歯車１１の回転角度、すなわち、第１歯車１１の半回転以内の絶対回転角度を第１アナログ信号から求める。また、制御部３０は、この第１アナログ信号の１周期毎に、第２アナログ信号の電気角から比較位相差を求める。そして、制御部３０は、比較位相差と基準位相差とを比較することにより第１アナログ信号の周期数を求める。例えば、第１アナログ信号が１周期入力された時点（第１歯車１１が半回転した時点）における第２アナログ信号の比較位相差は、第１歯車１１と第２歯車１７との間にバックラッシがない場合、−２７．７°となる。この比較位相差は、基準位相差「−２７．７」以下の値であり、基準位相差「−５５．４」よりも大きい値であるため、制御部３０は、第１歯車１１が半回転したと判断して、第１アナログ信号の周期数を１とする。また、例えば、第１アナログ信号が２周期入力された時点（第１歯車１１が１回転した時点）における第２アナログ信号の比較位相差は、「−５５．４°」となる。この比較位相差は、基準位相差「−５５．４」以下の値であり、基準位相差「−８３．１」よりも大きい値であるため、制御部３０は、第１歯車１１が１回転したと判断して、第１アナログ信号の周期数を２とする。

制御部３０は、第１アナログ信号の周期数と第１アナログ信号の１周期内における第１歯車１１の絶対回転角度とから第１歯車１１の絶対回転角度、すなわち、ステアリングシャフト１０の絶対回転角度を求める。詳しくは、制御部３０は、第１アナログ信号の周期数に１８０°を乗算し、これに第１アナログ信号の１周期内における第１歯車１１の絶対回転角度を加算することによりステアリングシャフト１０の絶対回転角度を求める。

具体的には、例えば、図７にポイントＰ３で示される時点までステアリングシャフト１０が回転された場合、制御部３０は、まず、第１アナログ信号の電圧値Ｖ１，Ｖ２の組合せから第１歯車１１の半回転内における絶対回転角度を１３５°と求める。そして、制御部３０は、ポイントＰ２において第１アナログ信号の周期数を１と求めていることから、第１アナログ信号から求めた絶対角度１３５°に１８０°×１を加算して、ステアリングシャフト１０の絶対回転角度を３１５°と求める。なお、ポイントＰ３における第１アナログ信号の電圧値Ｖ１，Ｖ２の組合せは、図７に示すポイントＰ１の時点における第１アナログ信号の電圧値Ｖ１，Ｖ２の組合せと同一である。しかし、制御部３０は、第１アナログ信号の周期数に基づいて、ステアリングシャフト１０の絶対回転角度を求めることができる。つまり、ポイントＰ１の時点では第１アナログ信号の周期数は０であるため、制御部３０は、第１アナログ信号から求めた絶対角度１３５°に１８０°×０を加算して、ステアリングシャフト１０の絶対回転角度を１３５°と求めることができる。

以上のように、制御部３０は、図８に示すポイントＬ１〜Ｌ５、Ｒ１〜Ｒ４のうちのどの範囲に比較位相差が入るかによって第１アナログ信号の周期数を求め、この周期数と第１アナログ信号の１周期内における絶対回転角度とからステアリングシャフト１０の絶対回転角度を求めている。

さて、次に、第１歯車１１と第２歯車１７との間にバックラッシが存在する場合について説明する。なお、ここでは、バックラッシを０．２７°として説明する。
バックラッシが存在する場合、第２歯車１７は、第１歯車１１の回転に対して遅れて回転し始める。この遅れは、第１アナログ信号と第２アナログ信号との相関関係の変化として現れる。つまり、第２アナログ信号は、図７に示す第１アナログ信号に対して電気角で０．５４°遅れることになる。この場合のポイントＰ１における比較位相差は、「−２８．２°」である。この比較位相差は、基準位相差「−２７．７」以下の値であり、基準位相差「−５５．４」よりも大きい値であるため、制御部３０は、第１歯車１１が半回転したと判断して、第１アナログ信号の周期数を１とする。したがって、制御部３０は、バックラッシによる影響が基準位相差の間隔である２７．７°よりも小さければ、第１アナログ信号の周期数を正確に求めることができる。一方、第１歯車１１はステアリングシャフト１０の回転に同期して回転するため、制御部３０は、第１アナログ信号の１周期内における第１歯車１１の絶対回転角度をバックラッシの影響を一切受けずに求めることができる。

このように、第２アナログ信号は、第１アナログ信号の周期数を求める際にのみ用いられるため、バックラッシの存在によって第１アナログ信号と第２アナログ信号との相関関係が変化したとしても、回転角度センサ１は、ステアリングシャフト１０の絶対回転角度を正確に求めることができる。

したがって、本実施形態によれば以下のような効果を得ることができる。
（１）第１歯車１１と第２歯車１７との歯数比は、「６３：２６」に設定されている。このため、第１ＭＲセンサ１５から第１アナログ信号が１周期分出力された際、第１アナログ信号から求められる第１歯車１１の絶対回転角度と第２アナログ信号から求められる第２歯車１７の絶対回転角度とは相違する。すなわち、第１アナログ信号と第２アナログ信号との相関関係が第１アナログ信号の１周期毎に異なっている。この相違により、第２アナログ信号の比較位相差は、第１アナログ信号の１周期毎に２７．７°ずつシフトする。メモリ３０ａには、第１歯車１１と第２歯車１７との間にバックラッシが存在しない場合の比較位相差が基準位相差として予め記録されている。制御部３０は、第１アナログ信号が１周期入力される毎に比較位相差を求め、求めた比較位相差と基準位相差とを比較することによって第１アナログ信号の周期数を求めることができる。また、制御部３０は、第１歯車１１（ステアリングシャフト１０）の半回転内の絶対回転角度を第１アナログ信号の電圧値Ｖ１，Ｖ２から求める。したがって、回転角度センサ１は、同周期数と第１歯車１１の半回転以内の絶対回転角度とからステアリングシャフト１０の絶対回転角度を求めることができる。

（２）制御部３０は、第１アナログ信号の周期数を求める際にのみ第２アナログ信号を用いる。また、制御部３０は、第１アナログ信号の周期数と第１アナログ信号の電圧値Ｖ１，Ｖ２とからステアリングシャフト１０の絶対回転角度を求める。つまり、第１歯車１１と第２歯車１７との間にバックラッシが存在し、第１アナログ信号と第２アナログ信号との相関関係がずれたとしても、制御部３０は、ステアリングシャフト１０の絶対回転角度を正確に求めることができる。したがって、回転角度センサ１によれば、ステアリングシャフト１０の絶対回転角度の検出精度を向上させることができる。

（３）第１歯車１１と第２歯車１７との歯数比は、第１歯車１１が半回転する毎の基準位相差のシフト量が２７．７°となるような歯数比に設定されている。このため、第１歯車１１の約６回転（３６０／２７．７／２から）にわたって基準位相差は固有の値となる。よって、制御部３０は、ステアリングシャフト１０が最大６回転したとしても、その絶対回転角度を正確に求めることができる。このように、回転角度センサ１によれば、ステアリングシャフト１０のように多回転する回転体において、特に有効に上記（１）の効果を奏することができる。

（４）第１歯車１１は環状に形成され、第１歯車１１の外周面よりも外側に第１ＭＲセンサ１５が配置されている。このため、ステアリングシャフト１０と第１ＭＲセンサ１５とが干渉することはない。したがって、ステアリングシャフト１０を第１歯車１１に貫通せざるを得ないような本実施形態のような用途においても、上記（１）〜（３）の効果を有効に奏する。

（５）第２ＭＲセンサ２１は、回路基板１４において第１ＭＲセンサ１５が実装されている面とは異なる面に実装されている。つまり、第１ＭＲセンサ１５と第２ＭＲセンサ２１とは、回路基板１４上の同一面に実装されていない。したがって、第１ＭＲセンサ１５及び第２ＭＲセンサ２１を回路基板１４の同一面に実装した場合に比較して、回路基板１４の寸法を小さくすることが可能である。したがって、回転角度センサ１を小型化することが可能である。

（６）制御部３０は、第１アナログ信号に基づいてステアリングシャフト１０の絶対回転角度を求めている。この第１アナログ信号は、時間的に連続的な信号であるため、制御部３０は、第１歯車１１の極微小な回転角度の変化を求めることが可能である。したがって、回転角度センサ１によれば、ステアリングシャフト１０の絶対回転角度の分解能を向上させることができる。

ちなみに、従来の回転角度センサには、上記特許文献１に示す回転角度センサの他に、ステアリングシャフトと一体的に回転するスリットを透過したＬＥＤ等の光の有無に基づいてステアリングシャフトの回転角度を検出するものがある。このような従来の回転角度センサ（光学式回転角度センサ）による回転角度の分解能は、スリットのピッチにより定まってしまい、限界があった。

（７）制御部３０は、第１ＭＲセンサ１５から出力された第１アナログ信号と第２ＭＲセンサ２１から出力された第２アナログ信号とからステアリングシャフト１０の絶対回転角度を求める。従来の光学式回転角度センサで回転体の絶対回転角度を検出する一つの方法として、回転体の回転に伴って変移するスリットのパターンを所定数サンプリングし、そのパターンを回転体の絶対回転角度に対応付ける方法がある。しかし、この方法では、回転体が所定角度回転しないと回転体の絶対回転角度を確定できないといった問題があった。しかし、回転角度センサ１によれば、第１アナログ信号が１周期内において固有の値を取るため、第１アナログ信号に基づいて即時にステアリングシャフト１０の絶対回転角度を求めることができる。

（８）回転角度センサ１は、ステアリングシャフト１０と一体となって回転する第１歯車１１と、同第１歯車１１に歯合する第２歯車１７とを備えている。これに対し、従来の回転角度センサは、ステアリングシャフト１０と一体となって回転する主動歯車と、同歯車に歯合する２つの従動歯車を備えていた。回転角度センサ１によれば、従来の回転角度センサに比較して部品点数が少なくて済む。したがって、回転角度センサ１の構成を簡単にし、回転角度センサ１を小型化することができる。

（９）回路基板１４において、第２ＭＲセンサ２１と第１ＭＲセンサ１５との間には、磁界を遮蔽する磁気遮蔽板１６が回路基板１４を跨いで設けられている。このため、第１ＭＲセンサ１５は、第２ＭＲセンサ２１周辺の磁束密度の変化、すなわち磁石２０による磁場の影響を受けずに、第１歯車１１の回転角度を正確に求めることができる。一方、第２ＭＲセンサ２１は、ディスク磁石１２による磁場の影響を受けずに、第２歯車１７の回転角度を正確に求めることができる。したがって、回転角度センサ１によれば、ステアリングシャフト１０の絶対回転角度の検出精度を向上させることができる。

なお、上記実施形態は、以下のように変更してもよい。
・上記実施形態において制御部３０は、第１アナログ信号の１周期毎における第２アナログ信号の電気角を、ｓｉｎ波状のアナログ信号とｃｏｓ波状のアナログ信号との２つのアナログ信号の逆正接から求めてもよい。一般に、第１ＭＲセンサ１５や第２ＭＲセンサ２１のアンプゲインは、周囲の温度によって変化する。この場合、ｓｉｎ波状のアナログ信号及びｃｏｓ波状のアナログ信号は、共に同じ傾向で振幅が変化してしまう。しかし、このように、第２アナログ信号の電気角を逆正接から求めることにより、制御部３０は、各アナログ信号の振幅変動に影響されないで第２アナログ信号の比較位相差を正確に求めることができる。したがって、ステアリングシャフト１０の絶対回転角度の回転角度の検出精度を一層向上させることができる。

・上記実施形態においてメモリ３０ａには、ステアリングシャフト１０の１４４０°までの回転に対応する９個の基準位相差が記録されている。しかし、メモリ３０ａに記録される基準位相差の数はこれに限られず、例えば、新たに「１３８．５」（１１０．８＋２７．７）を加えた１０個の基準位相差がメモリ３０ａに記録されてもよい。このようにすれば、回転角度センサ１は、ステアリングシャフト１０の−７２０°から＋９００°までの絶対回転角度、すなわち、１６２０°までの絶対回転角度を検出することが可能となる。つまり、所望する絶対回転角度の範囲に応じて基準位相差を２７．７°間隔で増加させることにより、要求される絶対回転角度の検出範囲を拡大することが可能となる。

また、各基準位相差の間隔は、２７．７°に限定されない。例えば、第１歯車１１と第２歯車１７との歯数比を変更することによりこの間隔を更に細かくすれば、より多く回転する回転体の絶対回転角度の検出が可能となる。

・上記実施形態において第１歯車１１と第２歯車１７との歯数比は、第２歯車１７の歯数を「１」としたときの第１歯車１１の歯数が整数とならないような比であればよく、上記実施形態における「６３：２６」に限定されない。つまり、第１歯車１１が半回転したときに、第１歯車１１と第２歯車１７との間に位相差が生じるような歯数比であればよい。このような歯数比を有するように第１歯車１１及び第２歯車１７を小型化すれば、回転角度センサ１を更に小型化することが可能となる。また、このような歯数比であれば、第１歯車１１と第２歯車１７とは、第１歯車１１の歯数よりも第２歯車１７の歯数が多くなるように構成されてもよい。このようにしても、上記（１）〜（９）の効果を得ることができる。

・上記実施形態において第１歯車１１の第１歯車部１３は、内歯車でもよい。この場合、第２歯車１７は、第１歯車部１３に歯合するように第１歯車部１３の内側に配置され、第２ＭＲセンサ２１も第１歯車部１３の内側に配置されてもよい。

また、第１ＭＲセンサ１５は、第１歯車部１３の内側に配置されてもよい。このようにしても、上記（１）〜（９）の効果を得ることができる。要するに、回転角度センサ１は、第１歯車１１と第２歯車１７とが歯合し、第１ＭＲセンサ１５及び第２ＭＲセンサ２１とにより各歯車１１，１７の回転角度を検出することができる構成であればよい。

・上記実施形態において制御部３０は、第１アナログ信号の１周期毎に、第２アナログ信号の少なくとも一方のアナログ信号の電気角（比較位相差）を求め、この電気角の大きさが予め設定された電気角（基準位相差）よりも大きいか又は小さいかに基づいて第１アナログ信号の周期数を求めるようにしてもよい。なお、ここでの基準位相差は、第１歯車１１と第２歯車１７との間にバックラッシがないと仮定した場合における、第２アナログ信号の電気角である。

また、第２アナログ信号を構成するアナログ信号の数は２つに限定されない。例えば、第２アナログ信号は、互いに６０°ずつ位相が異なる３つのアナログ信号から構成されてもよい。この場合、制御部３０は、第１アナログ信号の１周期毎に各アナログ信号の電圧値を求め、これら３つのアナログ信号の電圧値の組合せから第１アナログ信号の周期数を求めるようにしてもよい。

このようにしても、上記（１）〜（９）の効果を得ることができる。要するに、制御部３０が第１アナログ信号の周期数を求める際に用いる数値は、第１歯車１１の回転に伴って変化し、且つ、第１アナログ信号の周期数と一定の関係がある数値であればよい。

・上記実施形態において第１ＭＲセンサ１５は、第１歯車１１の１回転に対して１周期の第１アナログ信号を出力するように構成されてもよい。この場合、制御部３０は、第１歯車１１が３６０°回転する毎に比較位相差と基準位相差とを比較して第１アナログ信号の周期数を求めるようにしてもよい。

・上記実施形態において第１磁気検出手段や第２磁気検出手段は、第１ＭＲセンサ１５や第２ＭＲセンサ２１に限られず、例えば、ホールエレメントセンサやＧＭＲセンサが適用されてもよい。

・上記実施形態において第１歯車１１は、ディスク磁石１２と第１歯車部１３とが組み合わされることにより構成されているが、ディスク磁石１２と第１歯車部１３とを含めた単一物品として成形されてもよい。このようにすれば、回転角度センサ１を構成する部品数を更に削減することができる。

・本発明の回転角度センサ１は、ステアリングシャフト１０の絶対回転角度を検出する用途以外の用途に用いられてもよい。
次に、本実施形態及び他の実施形態から把握できる技術的思想について以下に追記する。

（１）請求項１〜５に記載の回転角度センサにおいて、前記第１磁気検出手段と前記第２磁気検出手段との間には、磁気遮蔽手段が設けられていること。なお、上記実施形態において、磁気遮蔽手段は磁気遮蔽板に相当する。

（２）請求項１〜５、技術的思想（１）のいずれか一項に記載の回転角度センサにおいて、前記第１磁気検出手段及び前記第２磁気検出手段は共にＭＲセンサであること。
（３）請求項１〜５、技術的思想（１），（２）のいずれか一項に記載の回転角度センサにおいて、前記回転体は、車両の操舵軸であること。

本実施形態における回転角度センサの斜視図。 同回転角度センサにおいて、ディスク磁石を省略した斜視図。 同回転角度センサにおいて、ディスク磁石を省略した斜視図。 同回転角度センサの平面図。 同回転角度センサにおいて、第２歯車の断面構造を示す側面図。 同回転角度センサの電気ブロック図。 同回転角度センサにおいて、第１アナログ信号及び第２アナログ信号を示すグラフ。 同回転角度センサにおいて、基準位相差と比較位相差との関係を示す模式図。

符号の説明

１…回転角度センサ、１０…回転体としてのステアリングシャフト、１１…第１歯車、１２…磁気発生部としてのディスク磁石、１４…回路基板、１５…第１磁気検出手段としての第１ＭＲセンサ、１７…第２歯車、２０…磁石、２１…第２磁気検出手段としての第２ＭＲセンサ、３０…演算手段としての制御部、３０ａ…記録手段としてのメモリ。

Claims (5)

1. 回転体の回転軸に直交する方向が磁化方向となるように着磁された磁気発生部を備えて該回転体と一体的に回転する第１歯車と、前記第１歯車に歯合する第２歯車と、前記第２歯車の回転軸に直交する方向が磁化方向となるように着磁され、該第２歯車に固定された磁石と、前記第１歯車の回転に伴って変化する磁束密度又は磁界の強さを検出して、該磁束密度又は該磁界の強さの変化に応じて周期的に変動する第１アナログ信号を出力する第１磁気検出手段と、前記第２歯車の回転に伴って変化する磁束密度又は磁界の強さを検出して、該磁束密度又は該磁界の強さの変化に応じて周期的に変動する第２アナログ信号を出力する第２磁気検出手段とを備え、
   前記第１歯車と前記第２歯車との歯数比は、前記第２歯車の歯数を「１」としたときの前記第１歯車の歯数が整数とならないような比に設定され、
   更に、前記第１アナログ信号及び前記第２アナログ信号の相関関係に基づいて前記第１アナログ信号の周期数を求めるとともに前記第１アナログ信号に基づいて前記第１歯車の回転角度を求めることにより、前記回転体の回転角度を求める演算手段を備える回転角度センサ。
2. 前記演算手段は、前記第１アナログ信号の１周期毎における前記第２アナログ信号の電気角に基づいて前記第１アナログ信号の周期数を求める請求項１に記載の回転角度センサ。
3. 前記第１歯車と前記第２歯車との間に遊びがないと仮定した場合の前記第１アナログ信号の１周期毎における前記第２アナログ信号の電気角に基づく基準位相差が予め複数個記録された記録手段を備え、
   前記演算手段は、前記第１アナログ信号の１周期毎に前記第２アナログ信号の電気角に基づいて比較位相差を求め、該比較位相差が前記記録手段に記録されている基準位相差よりも大きいか否か又は小さいか否かにより前記第１アナログ信号の周期数を求める請求項２に記載の回転角度センサ。
4. 前記第１歯車と前記第２歯車とは、前記第１歯車が１回転したときの前記基準位相差の絶対値が１８０°未満となるような歯数比に設定されている請求項３に記載の回転角度センサ。
5. 前記第１磁気検出手段及び前記第２磁気検出手段の一方は回路基板の表面に実装され、前記第１磁気検出手段及び前記第２磁気検出手段の他方は前記回路基板の裏面に実装される請求項１〜４のいずれか一項に記載の回転角度センサ。

Images