JP2006220530A - 絶対回転角度検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】回転軸に連結し外周面に交互に極性の異なる磁極を着磁させたターゲットを用いて、高精度・高分解能に多回転の絶対回転角度の検出を行う装置を提供することを目的とする。
【解決手段】入力軸２と連結し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してあるターゲット３を保持し多回転可能な歯車を持つ第１の回転体１と、この第１の回転体１の歯車に接続され第１の回転体１より低速に回転し、中心部に磁石９が配置された第２の回転体８と、これらの回転角度を検出する第１、第２の検出手段１１、１０からなる簡単な構成で、高精度・高分解能に絶対回転角度の検出を行うものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、車両の車体制御システムなどに用いられる回転角度検出装置に関わるものであり、特に多回転のハンドル絶対回転角度検出装置に関するものである。

従来、回転角度を検出する方式として、図８に示すような方式が知られている。図８において、歯車部３３は回転角度を検出したい回転軸（図示せず）に係合バネ３４を介して取り付けられる。歯車部３３は外周端面に複数個の磁極を着磁したコード板３５が取り付けられた歯車部３６と噛み合っており、検出す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。この磁極の数を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、回転角度を検出する。

なお、この出願の発明に関する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献１が知られている。
特開平１１−１９４００７号公報

しかしながら、このように構成された回転角センサにおいては、軸の回転角をコード板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出するため、検出角度の分解能を向上させるためには着磁磁極の寸法を細かくする必要があり、また、コード板の回転と軸の回転とは歯車を介しているため、バックラッシュ等により検出精度の向上が困難であるという課題があった。またこの回転センサは相対回転角の検出しかできなくて、絶対回転角度の検出ができないという課題があった。

本発明は、上記のような課題を解決するもので、回転軸に連結し外周面に交互に極性の異なる磁極を着磁させたターゲットを用いて、高精度・高分解能に多回転の絶対回転角度検出を行う装置を提供することを目的とするものである。

上記目的を達成するために、本発明の絶対回転角度検出装置は以下の構成を有するものである。

本発明の請求項１に記載の発明は、入力軸と連結し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してあるターゲットを保持し多回転可能な歯車を持つ第１の回転体と、この第１の回転体の回転角度を検出する第１の検出手段と、前記第１の回転体の歯車に接続され第１の回転体より低速に回転し、中心部に磁石が配置された第２の回転体と、この第２の回転体の回転角度を検出する第２の検出手段とから構成を有しており、前記第１の検出手段により細かい絶対回転角度を検出し、前記第２の検出手段により粗い絶対回転角度を検出し、これらの絶対回転角度より第１の回転体の多回転の絶対回転角度を検出するとともに、簡単な構成で高精度・高分解能に絶対回転角度の検出を行うことができるという作用効果が得られる。

本発明の請求項２に記載の発明は、第１および第２の検出手段をターゲットおよび磁石に対向する位置に配置した磁気検出素子で構成したものであり、これにより非接触で第１および第２の回転体の絶対回転角度を検出できるため、装置の耐久性、信頼性の向上が図れるという作用効果が得られる。

本発明の請求項３に記載の発明は、第１および第２の検出手段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有し、第１と第２の回転体を組込んだ後、電源投入時毎に前記それぞれの感度にて前記正弦波信号と前記余弦波信号の補正を行うようにしたもので、検出素子および検出素子増幅部の感度バラツキによる角度検出誤差を発生することなく、回転体の回転角度を検出することができるという作用効果が得られる。

本発明の請求項４に記載の発明は、それぞれの磁気検出素子の感度を記憶するときに、その感度が規定値内であるか否かを確認する手段を有することにより、磁気検出素子の感度バラツキなどにより、感度が基準範囲外の信号が入力されても除去することができるという作用効果が得られる。

本発明の請求項５に記載の発明は、それぞれの磁気検出素子の感度を記憶するときに、出力信号の振幅の中心が規定値内であるか否かを確認する手段を有することにより、磁気検出素子の特性のバラツキなどにより基準範囲外の振幅中心を持つ信号が入力されても除去することができるという作用効果が得られる。

本発明の請求項６に記載の発明は、それぞれの磁気検出素子の感度を記憶するときに、正弦波信号と余弦波信号を複数回数検出する手段を設けることにより、ノイズなどにより正弦波信号、余弦波信号に異常があった場合でも検出誤差を小さくすることができるという作用効果が得られる。

本発明の請求項７に記載の発明は、それぞれの磁気検出素子の任意の特定位置を判断する手段を有し、その位置での正弦波信号と余弦波信号の値を記憶することで、一定回転範囲内での特定位置からの絶対回転角度を検出することができるという作用効果が得られる。

本発明の絶対回転角度検出装置は、上記の構成をとることにより、高精度・高分解能に多回転の絶対回転角度の検出を行うことができるという効果を奏するものである。

以下、本発明の実施の形態について、図１から図７を用いて説明する。

図１は本発明の実施の形態における絶対回転角度検出装置の基本構成図、図２は第１の磁気検出素子の回転角度検出信号を表す図、図３は第２の磁気検出素子の回転角度検出信号を表す図、図４は絶対回転角度検出装置の回路ブロック図である。図５は第１、第２の回転体の絶対回転角度の理想値と実力値を示す図、図６はＣＰＵ内での回転角度演算出力と絶対回転角度を表す図、図７は第１、第２の磁気検出素子の出力図を示す。

図１において、第１の回転体１は入力軸２に嵌合して連結された多回転可能な歯車を持つ回転体である。ターゲット３はその第１の回転体１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８は第１の回転体１の歯車に係合するように設けられた回転体であり、その中央部には磁石９が配置されている。第１の磁気検出素子（検出手段）１１はターゲット３に対向する位置に、第２の磁気検出素子（検出手段）１０は磁石９に対向する位置にそれぞれ配置され、この磁界方向を検出する。第１および第２の磁気検出素子１１、１０は基板１３上に設置されている。第１の回転体１の歯車と第２の回転体８の歯車とは連結されており、第２の回転体８は第１の回転体１が回転するとそれぞれの歯車の歯数の比による速度で回転する。

第１、第２の磁気検出素子１１、１０について、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。各磁気検出素子からは磁界変化に対し、正弦波信号と余弦波信号がアナログ出力される。第１の磁気検出素子１１でターゲット３の磁界変化を検出する場合、１極に対し１周期の正弦波および余弦波信号が出力されるため、１回転あたり磁極の数の分だけ正弦波および余弦波信号出力を得ることができる。この出力を増幅器にて規定の振幅に増幅し、マイクロコンピュータ（以下ＣＰＵとする）内のＡ／Ｄコンバータを介して演算処理し、ターゲット３の回転すなわち第１の回転体１の絶対回転角度を算出することができる。図２にその波形を示す。図２の上段図において、横軸は入力軸２の絶対回転角度を示しており、縦軸は第１の磁気検出素子１１からの正弦波および余弦波信号を示している。図２の下段図において、横軸は入力軸２の絶対回転角度を示しており、縦軸は第１の回転体１のＣＰＵの演算過程における絶対回転角度を示している。

第２の磁気検出素子１０は第２の回転体８の中心部に配置された磁石９の磁界変化を検出し、磁石９の１回転に対し２周期の正弦波および余弦波信号が出力される。この出力をＣＰＵにて演算処理し、第２の回転体８の絶対回転角度を算出することができる。図３にその波形を示す。図３の上段図において、横軸は入力軸２の絶対回転角度を示しており、縦軸は第２の磁気検出素子１０からの正弦波および余弦波信号を示している。図３の下段図において、横軸は入力軸２の絶対回転角度を示しており、縦軸は第２の回転体８のＣＰＵの演算過程における絶対回転角度を示している。

図４において、第１、第２の磁気検出素子１１、１０からの出力信号は増幅部１６を介してＣＰＵ１４に入力され、演算処理されることにより絶対回転角度を出力する。また、このＣＰＵ１４には不揮発性メモリであるＥＥＰＲＯＭ１５が接続されている。

図５の上段図において、横軸は入力軸２の絶対回転角度を示しており、縦軸は第１の回転体１から得られる細かい絶対回転角度を示している。点線は第１の回転体１の絶対回転角度の理想値を、実線は第１の回転体１から得られる絶対回転角度の実力値を示している。

図５の下段図において、横軸は入力軸２の絶対回転角度を示しており、縦軸は第２の回転体８から得られる粗い絶対回転角度を示している。点線は第２の回転体８の絶対回転角度の理想値を、実線は第２の回転体８から得られる絶対回転角度の実力値を示している。

次に、回転体の回転角度検出方法について説明する。

図１において、第１の回転体１が回転したとき、その第１の回転体１の歯車に接続された第２の回転体８の歯車によって第２の回転体８を回転させる。第１の回転体１の歯車の歯数をａ、第２の回転体８の歯車の歯数をｂとすると、第２の回転体８は第１の回転体１に対してａ／ｂ倍の速さで回転する。この際、歯車の歯数ａ，ｂを適切に選択することにより、第１の回転体１よりも十分低速で回転する。

第１の回転体１に保持されているターゲット３に対向する位置に配置された第１の磁気検出素子１１により、第１の回転体１の回転に対する磁界変化を検出することで出力が変化する。一方、中心部に磁石９が配置された第２の回転体８に対向して配置された第２の磁気検出素子１０は、第２の回転体８が回転すると第２の磁気検出素子１０を貫く磁界変化を検出することで出力が変化する。さらに、第１の磁気検出素子１１と第２の磁気検出素子１０の出力をＣＰＵ内のＡ／Ｄコンバータを介して入力する。第２の磁気検出素子１０の出力から第２の回転体８が初期位置から何度であるかという粗い絶対角度検出を行い、第１の磁気検出素子１１の出力から第１の回転体１の回転角度の細かい絶対角度を検出し、その出力から絶対回転角度を算出し出力する。

図６にＣＰＵ内での各磁気検出素子の回転角度演算出力と回転角度検出装置の絶対回転角度を示す。出力１９は第１の磁気検出素子１１の回転角度演算出力、出力２０は第２の磁気検出素子１０の回転角度演算出力、出力２１は回転角度検出装置の算出絶対回転角度、出力２２は理想絶対回転角度を示す。

次に、第１、第２の磁気検出素子１１、１０および増幅部１６の感度バラツキを抑え、動作時の回転角度検出誤差の発生を防止する方法について、図１、図４、図７より説明する。

図１において、第１の回転体１が回転するとターゲット３も回転する。このターゲット３の回転により磁界が変化し、この磁界変化を第１の磁気検出素子１１で検出する。第１の磁気検出素子１１からは、この磁界変化に対して正弦波信号２４と余弦波信号２３を出力する。図７にこれらの出力信号を示す。これらの信号は増幅器を介してＣＰＵに入力され、正弦波信号２４と余弦波信号２３より逆正接信号を算出する。しかし、図７に示すように正弦波信号レベル２７と余弦波信号レベル２６が磁気検出素子や増幅部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、第２の回転体８が１８０ｄｅｇ以上回転するように第１の回転体１を回転させ、正弦波信号２４と余弦波信号２３の最大、最小レベルを算出し、それぞれの信号レベル（感度）を不揮発性のメモリ（ＥＥＰＲＯＭ）１５に記憶する。次にスイッチ２９をＯＦＦして、舵角値を算出する時には、記憶した感度により正弦波信号２４と余弦波信号２３の最大、最小レベルが一致するように操作して逆正接信号を算出して舵角値を求める。

また、図７の第１、第２の磁気検出素子１１、１０の出力の最大値、最小値が基準範囲２８内にない場合、温度特性などによって出力が変化しなかったり、必要な分解能が得られないことが発生する。そこで、出力が基準範囲２８内に最大値、最小値があることを確認する手段（図示しない）を用いて確認することにより誤出力の防止が可能になる。なお、第１、第２の磁気検出素子１１、１０の出力の振幅中心を比較確認する手段（図示しない）で確認することにより、特性バラツキによる誤出力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か、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、より高い精度で誤出力の防止が可能となる。

また、任意の特定位置での第１の磁気検出素子１１、第２の磁気検出素子１０の出力を記憶することにより、任意の特定位置からの絶対回転角度の検出も可能となる。またこのとき、図４の特定位置決定用信号線３１のように電気信号で特定位置であることの信号を送れば、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んでチェックするか、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っ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３１は出力信号線３２と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。

本発明の絶対回転角度検出装置は、簡単な構成で高精度・高分解能に絶対回転角度の検出を行うことができるので、車両のパワーステアリング等で使用される絶対回転角度への適用に有用である。

本発明の実施の形態における絶対回転角度検出装置の基本構成図 本発明の実施の形態における第１の磁気検出素子の回転角度検出信号を表す図 本発明の実施の形態における第２の磁気検出素子の回転角度検出信号を表す図 本発明の実施の形態における絶対回転角度検出装置の回路ブロック図 本発明の実施の形態における第１の回転体の絶対回転角度の理想値と実力値を示す図 本発明の実施の形態におけるＣＰＵ内での各素子の回転角度演算出力と回転角度検出装置の絶対回転角度を表す図 本発明の実施の形態における第１、第２の磁気検出素子の出力図 従来の回転角度を検出する構成図

符号の説明

１ 第１の回転体
２ 入力軸
３ ターゲット
８ 第２の回転体
９ 磁石
１０ 第２の磁気検出素子
１１ 第１の磁気検出素子
１４ マイクロコンピュータ（ＣＰＵ）
１５ 不揮発性メモリ（ＥＥＰＲＯＭ）
１６ 増幅部
１９ 第１の磁気検出素子の回転角度演算出力
２０ 第２の磁気検出素子の回転角度演算出力
２１ 回転角度検出装置の算出絶対回転角度
２２ 理想絶対角度
２３ 余弦波信号
２４ 正弦波信号
２６ 余弦波信号レベル
２７ 正弦波信号レベル
２８ 基準範囲
２９ スイッチ
３１ 特定位置決定用信号線
３２ 出力信号線

Claims (7)

1. 入力軸と連結し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してあるターゲットを保持し多回転可能な歯車を持つ第１の回転体と、この第１の回転体の回転角度を検出する第１の検出手段と、前記第１の回転体の歯車に接続され第１の回転体より低速に回転し、中心部に磁石が配置された第２の回転体と、この第２の回転体の回転角度を検出する第２の検出手段とから構成した絶対回転角度検出装置。
2. 第１および第２の検出手段をターゲットおよび磁石に対向する位置に配置した磁気検出素子で構成した請求項１に記載の絶対回転角度検出装置。
3. 第１および第２の検出手段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有し、第１と第２の回転体を組込んだ後、電源投入時毎に前記それぞれの感度にて前記正弦波信号と前記余弦波信号の補正を行うようにした請求項１に記載の絶対回転角度検出装置。
4. それぞれの磁気検出素子の感度を記憶するときに、その感度が規定値内であるか否かを確認する手段を有する請求項３に記載の絶対回転角度検出装置。
5. それぞれの磁気検出素子の感度を記憶するときに、出力信号の振幅の中心が規定値内であるか否かを確認する手段を有する請求項３に記載の絶対回転角度検出装置。
6. それぞれの磁気検出素子の感度を記憶するときに、正弦波信号と余弦波信号を複数回数検出する手段を設けた請求項３に記載の絶対回転角度検出装置。
7. それぞれの磁気検出素子の任意の特定位置を判断する手段を有し、その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度を検出するようにした請求項３に記載の絶対回転角度検出装置。

Images