JP2009300396A - 回転角度検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】算出した回転角度の異常を簡素な構成で判定することができる回転角度検出装置を提供する。
【解決手段】回転角度検出装置１は、信号出力装置１３と、回転角度演算装置１４とを備えている。信号出力装置１３は、回転軸１０の回転に応じた位相が９０度異なる２つの正弦波信号を出力する。回転角度演算装置１４は、２つの正弦波信号から回転角度を算出する。２つの正弦波信号と回転角度との間には対応関係がある。そのため、この対応関係を期待値として予め設定しておき、２つの正弦波信号と回転角度とをこの期待値と比較することで、回転角度が正常か否かを判定することができる。これにより、回転角度を算出するとともに、算出した回転角度の異常を簡素な構成で判定することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、対象物の回転角度を検出する回転角度検出装置に関する。

従来、対象物の回転角度を検出する回転角度検出装置として、例えば特許文献１に開示されている回転角度センサがある。この回転角度センサは、円板状の磁石と、２つ〜４つの磁気センサとから構成されている。磁気センサは、磁石に対して所定位置に配置され、磁石の回転に伴って変化する磁界の強さに応じた信号を出力する。そして、これらの磁気センサの出力信号から、所定の演算方法に基づいて回転角度を算出する。
特開２００３−７５１０８号公報

しかし、前述した回転角度センサでは、磁気センサの異常を判定することができない。そのため、算出した回転角度が正常か否かを判定できないという問題があった。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、算出した回転角度の異常を簡素な構成で判定することができる回転角度検出装置を提供することを目的とする。

課題を解決するための手段及び発明の効果

そこで、本発明者は、この課題を解決すべく鋭意研究し試行錯誤を重ねた結果、信号出力手段の出力する２つの正弦波信号と、これらから算出した回転角度とを、予め設定された期待値と比較することで、算出した回転角度が正常か否かを判定できることを思いつき、本発明を完成するに至った。

すなわち、請求項１に記載の回転角度検出装置は、回転体と、回転体の回転角度に応じて振幅がともに単調増加又は単調減少する、回転角度に応じた互いに同位相及び逆位相でない２つの正弦波信号を出力する信号出力手段と、２つの正弦波信号に基づいて回転角度を算出し、２つの正弦波信号と算出した回転角度とを予め設定された期待値と比較することで、算出した回転角度が正常か否かを判定する回転角度演算手段と、を有することを特徴とする。この構成によれば、２つの正弦波信号に基づいて回転角度を算出することができる。また、２つの正弦波信号と回転角度との間には対応関係がある。そのため、この対応関係を期待値として予め設定しておき、２つの正弦波信号と回転角度とをこの期待値と比較することで、回転角度が正常か否かを判定することができる。従って、回転角度を算出するとともに、算出した回転角度の異常を判定することができる。しかも、２つの正弦波信号と回転角度とを予め設定された期待値と比較するだけで判定できるため、構成を簡素化することができる。

請求項２に記載の回転角度検出装置は、請求項１に記載の回転角度検出装置において、期待値は、２つの正弦波信号に含まれる誤差成分に基づいて求められる許容範囲を有し、回転角度演算手段は、２つの正弦波信号と算出した回転角度とを許容範囲を有する期待値と比較することで、算出した回転角度が正常であるか否かを判定することを特徴とする。この構成によれば、２つの正弦波信号に含まれる誤差成分の影響を抑え、算出した回転角度の異常を精度よく判定することができる。

請求項３に記載の回転角度検出装置は、請求項２に記載の回転角度検出装置において、 回転角度演算手段は、２つの正弦波信号に基づいて１回転内の回転角度を算出するとともに、２つの正弦波信号の少なくともいずれかの振幅に基づいて回転回数を算出し、算出した１回転内の回転角度及び回転回数に基づいて回転角度を算出し、許容範囲は、算出した回転回数に基づいて求められることを特徴とする。この構成によれば、１回転内の回転角度は、回転角度に応じた２つの正弦波信号から三角関数演算によって算出することができる。２つの正弦波信号の振幅は、回転体の回転角度に応じて単調増加又は単調減少している。そのため、２つの正弦波信号の少なくともいずれかの振幅に基づいて回転回数を算出することができる。従って、１回転内の回転角度及び回転回数に基づいて多回転に渡って回転角度を算出することができる。また、２つの正弦波信号に含まれる誤差成分の影響は、算出した回転回数に表れる。そのため、算出した回転回数に基づいて許容範囲を求めることで、２つの正弦波信号に含まれる誤差成分の影響を確実に抑えることができる。

請求項４に記載の回転角度検出装置は、請求項１〜３のいずれか１項に記載の回転角度検出装置において、信号出力手段は、回転体に固定され、回転体の回転軸心近傍において回転軸心に直交し、回転軸心方向に大きさが単調増加又は単調減少する磁束を発生する磁石と、回転体の回転に伴って回転体を回転軸心方向に変位させる変位手段と、回転軸心の近傍に、感磁方向が、回転軸心に対して直交方向であって、互いに異なる方向となるように配置される２つの磁束密度検出手段と、を有することを特徴とする。この構成によれば、回転体の回転角度に応じて振幅がともに単調増加又は単調減少する、回転体の回転に応じた互いに同位相及び逆位相でない２つの正弦波信号を確実に出力することができる。

請求項５に記載の回転角度検出装置は、請求項４に記載の回転角度検出装置において、磁石は、回転軸心の回りに配置され、回転軸心を挟んで対向する磁極を有することを特徴とする。この構成によれば、回転体の回転軸心近傍において回転軸心に直交する磁束を確実に発生することができる。

請求項６に記載の回転角度検出装置は、請求項５に記載の回転角度検出装置において、 磁石は、回転軸心に対して直交方向の磁極間の距離が回転軸心方向に向かうに従って単調増加又は単調減少することを特徴とする。この構成によれば、回転体の回転軸心近傍において、回転軸心方向に大きさが単調増加又は単調減少する磁束を確実に発生することができる。

請求項７に記載の回転角度検出装置は、請求項１〜６のいずれか１項に記載の回転角度検出装置において、回転体は、ハウジングに回転可能に支持され、変位手段は、回転体とハウジングとの間に配設されるねじ機構であることを特徴とする。この構成によれば、回転体を回転軸心方向に確実に変位させることができる。

請求項８に記載の回転角度検出装置は、請求項１〜７のいずれか１項に記載の回転角度検出装置において、信号出力手段は、磁石の外周側を包囲し、磁路の一部を構成する筒状のヨークを有することを特徴とする。この構成によれば、外部からの磁気的影響を抑えることができる。

請求項９に記載の回転角度検出装置は、請求項８に記載の回転角度検出装置において、 ヨークは、回転体に一体的に形成されていることを特徴とする。この構成によれば、部品点数を削減しコストを抑えることができる。

次に、実施形態を挙げ、本発明をより詳しく説明する。本実施形態では、多回転、つまり０度〜３６０度の範囲だけでなく、３６０度を超える回転角度をも検出できる回転角度検出装置について説明する。

まず、図１〜図１０を参照して回転角度検出装置の構成及び動作について説明する。ここで、図１は、本実施形態における回転角度検出装置の軸方向断面図である。図２は、図１におけるギア周辺のＡ−Ａ矢視断面図である。図３は、図１における信号出力装置周辺の拡大図である。図４は、図２における信号出力装置周辺の拡大図である。図５は、変位装置の動作を説明するための軸方向断面図である。図６は、磁気検出素子の出力波形である。図７は、Ｖ１、Ｖ２と回転角度θの関係を示すグラフである。図８は、図７に対して許容範囲εを追加したグラフである。図９は、図８の一部を拡大したグラフである。図１０は、算出した回転回数ｎを示すグラフである。なお、図中における上下方向は、回転角度検出装置を説明するために便宜的に導入したものである。

図１〜図４に示すように、回転角度検出装置１は、回転軸１０と、ギア１１と、ギア１２（回転体）と、信号出力装置１３（信号出力手段）と、回転角度演算装置１４（回転角度演算手段）とから構成されている。

回転軸１０は、ハウジング１５に回転可能に支持され、回転角度を検出する対象物（図略）に連結されて、対象物とともに回転する部材である。

ギア１１は、回転軸１０に固定され、回転軸１０とともに回転する円板状の部材である。ギア１２は、ギア１１と噛合し、ギア１１の回転に伴って回転する円筒状の部材である。ギア１２は、後述するスリーブ１３２１を介してハウジング１５に回転可能に支持されている。ギア１１とギア１２のギア比ＧＲは、ギア１１が１回転するとギア１２が２回転するように設定されている。

信号出力装置１３は、ギア１１の回転角度θに応じた互いに同位相及び逆位相でない２つの正弦波信号を出力する装置である。信号出力装置１３は、磁石１３０と、ヨーク１３１と、変位装置１３２（変位手段）と、磁気検出素子１３３、１３４とから構成されている。

磁石１３０は、ギア１２の回転軸心Ｍの近傍において回転軸心Ｍに直交する磁束Φを発生するフェライトからなる円筒状の部材である。ヨーク１３１は、磁石１３０の外周側を包囲し、磁路の一部を構成する磁性体からなる円筒状の部材である。ヨーク１３１は、ギア１２の内周に一体的に形成されている。磁石１３０は、ヨーク１３１の内周面に固定されている。磁石１３０の内周面は、回転軸心Ｍの下方から上方に向かうに従って拡径するように、テーパ状に成形されている。つまり、回転軸心Ｍに対して直交方向の内周面間の距離が、回転軸心Ｍの下方から上方に向かうに従って単調増加するように成形されている。磁石１３０の内周面には、Ｎ極及びＳ極が、回転軸心Ｍを挟んで互いに対向するように着磁されている。これにより、矢印で示すように、回転軸心Ｍの近傍において、回転軸心Ｍに直交し、回転軸心Ｍの下方から上方に向かうに従って単調減少する磁束Φが発生する。

変位装置１３２は、回転軸１０の回転に伴って、ギア１２を回転軸心Ｍの方向、つまり上下方向に変位させる装置である。変位装置１３２は、ギア１２の外周面に形成される雄ねじ部１３２０（ねじ機構）と、スリーブ１３２１とから構成されている。スリーブ１３２１は、ハウジング１５に固定され、ギア１２を回転可能に支持する円弧板状の部材である。スリーブ１３２１の内周面には、ギア１２の雄ねじ部１３２０に螺合する雌ねじ部１３２２（ねじ機構）が形成されている。

磁気検出素子１３３、１３４は、磁石１３０、１３１の内側であって、回転軸心Ｍの近傍に配置され、磁束密度を検出し対応する信号を出力する素子である。具体的にはホールＩＣである。磁気検出素子１３３、１３４は、回転軸心Ｍの近傍であって、軸方向の同一位置に配置されている。また、感磁方向が、回転軸心Ｍに対して直交方向であって、互いに異なる方向となるように配置されている。具体的には、それぞれの感磁方向のなす角度が周方向に９０度になるように配置されている。磁気検出素子１３３、１３４は、このように配置された状態で支持部材１６にそれぞれ固定されている。磁気検出素子１３３、１３４は、回転軸１０の回転に伴って、それぞれの感磁方向の磁束密度に応じた信号Ｖ１、Ｖ２を出力する。

図５に示すように、回転軸１０が回転すると、ギア１１に噛合したギア１２が回転する。ギア１２の雄ねじ部１３２０は、スリーブ１３２１の雌ねじ部１３２２に螺合しているため、ギア１２は、回転に伴って回転軸心Ｍの下方に向かって変位する。ところで、図３及び図４に示すように、磁石１３０は、前述したように、回転軸心Ｍに直交し、回転軸心Ｍの下方から上方に向かうに従って単調減少する磁束Φを発生している。そのため、磁気検出素子１３３、１３４は、回転軸１０の回転に伴って、図６及び数１に示すように、振幅が回転角度θに伴って変化するｆ（θ）で同一であり、位相が９０度異なる回転角度θに応じた正弦波信号を出力する。

図１及び図２に示す回転角度演算装置１４は、２つの正弦波信号Ｖ１、Ｖ２に基づいて回転角度θを算出するマイクロコンピュータからなる装置である。また、算出した回転角度θが正常か否かを判定する装置でもある。回転角度演算装置１４は、磁気検出素子１３３、１３４の出力信号Ｖ１、Ｖ２をデータに変換し、数２に示すように、逆正接演算によってギア１２の１回転内の回転角度θ１を算出する。

また、Ｖ１、Ｖ２の少なくともいずれかの振幅ｆ（θ）から、ギア１２の回転回数ｎを演算する。そして、ギア１２の１回転内の回転角度θ１及び回転回数ｎから、ギア１１の回転角度θ、つまり回転軸１０の回転角度θを算出する。

ところで、磁気検出素子１３３、１３４の出力信号Ｖ１及びＶ２が正常である場合、Ｖ１、Ｖ２によって決まる点を直交座標上に描くと、図７に示すように、座標原点からの距離がｆ（θ）の渦状の曲線となる。このとき、Ｖ１、Ｖ２によって決まる点と座標原点とを結ぶ直線と、Ｖ１軸とのなす角が回転角度θとなる。つまり、Ｖ１、Ｖ２、回転角度θの間には一定の対応関係がある。そのため、Ｖ１、Ｖ２、回転角度θを、予め設定されたＶ１、Ｖ２、回転角度θの間の正常な対応関係を示す期待値と比較することで、回転角度θが正常か否かを判定することができる。

しかし、実際には、数３に示すように、磁気検出素子１３３、１３４の出力信号Ｖ１、Ｖ２にノイズ等による誤差成分Ｖｅ１，Ｖｅ２が重畳されている。

そのため、誤差成分を除いた項が正常であっても、Ｖ１、Ｖ２、回転角度θによって決まる点が、期待値から外れてしまう場合がある。

そこで、このような事態を防止すため、図８及び図９に示すように、期待値に許容範囲を設けている。具体的には、算出したギア１２の回転回数ｎの端数に基づいて許容範囲を設けている。そして、Ｖ１、Ｖ２、回転角度θによって決まる点が、この許容範囲内にあるか否かによって回転角度θが正常か否かを判定している。

ギア１２の回転回数ｎは、数４に示すように、磁気検出素子１３３、１３４の出力信号Ｖ１、Ｖ２、回転角度θに伴って変化する振幅ｆ（θ）の最大値、最小値、及び、ギア比によって算出される。

本来、ギア１２の回転回数は整数である。しかし、算出したギア１２の回転回数ｎには、図１０に示すように、誤差成分Ｖｅ１，Ｖｅ２に起因する小数点以下の端数が含まれている。この端数の最大値に対して余裕を考慮し、図８及び図９に示す許容範囲εが求められる。

最後に、効果について説明する。本実施形態によれば、磁気検出素子１３３、１３４の出力信号Ｖ１、Ｖ２に基づいて回転軸１０の回転角度θを算出することができる。また、Ｖ１、Ｖ２と回転角度θとの間には一体の対応関係がある。そのため、この対応関係を期待値として予め設定しておき、Ｖ１、Ｖ２と回転角度θとをこの期待値と比較することで、回転角度θが正常か否かを判定することができる。従って、回転角度θを算出するとともに、算出した回転角度θの異常を判定することができる。しかも、Ｖ１、Ｖ２と回転角度θとを予め設定された期待値と比較するだけで判定できるため、構成を簡素化することができる。

また、本実施形態によれば、期待値は、磁気検出素子１３３、１３４の出力信号Ｖ１、Ｖ２に含まれる誤差成分Ｖｅ１，Ｖｅ２に基づいて求められる許容範囲を有している。そのため、Ｖ２に含まれる誤差成分Ｖｅ１，Ｖｅ２の影響を抑え、算出した回転軸１０の回転角度θの異常を精度よく判定することができる。

また、本実施形態によれば、ギア１２の１回転内の回転角度θ１は、磁気検出素子１３３、１３４の出力信号Ｖ１、Ｖ２から三角関数演算によって算出することができる。Ｖ１、Ｖ２の振幅は、回転軸１０の回転角度θに応じて単調増加又は単調減少する。そのため、Ｖ１、Ｖ２の少なくともいずれかの振幅に基づいてギア１２の回転回数ｎを算出することができる。従って、ギア１２の１回転内の回転角度θ１及び回転回数ｎに基づいて回転軸１０の回転角度θを算出することができる。また、期待値の許容範囲は、算出したギア１２の回転回数ｎに基づいて求められる。Ｖ１、Ｖ２に含まれる誤差成分Ｖｅ１，Ｖｅ２の影響は、算出したギア１２の回転回数ｎに小数点以下の端数として表れる。そのため、算出したギア１２の回転回数ｎに基づいて許容範囲を求めることで、Ｖ１、Ｖ２に含まれる誤差成分Ｖｅ１，Ｖｅ２の影響を確実に抑えることができる。

また、本実施形態によれば、磁石１３０は、回転軸心Ｍの近傍において、回転軸心Ｍに直交し、回転軸心Ｍの下方から上方に向かうに従って単調減少する磁束Φが発生する。また、変位装置１３２は、回転軸１０の回転に伴って、磁石１３０の固定されたギア１２を回転軸心Ｍの上下方向に変位させる。さらに、磁気検出素子１３３、１３４は、感磁方向が回転軸心Ｍに対して直交方向であって、互いのなす角度が周方向に９０度になるように配置されている。そのため、回転軸１０の回転角度θに応じて振幅がともに単調増加又は単調減少する、互いに同位相及び逆位相でない２つの正弦波信号を確実に出力することができる。

また、本実施形態によれば、磁石１３０の内周面には、Ｎ極及びＳ極が、回転軸心Ｍを挟んで互いに対向するように着磁されている。そのため、ギア１２の回転軸心Ｍの近傍において回転軸心Ｍに直交する磁束を確実に発生することができる。

また、本実施形態によれば、磁石１３０の内周面は、回転軸心Ｍの下方から上方に向かうに従って拡径するように、テーパ状に成形されている。そのため、ギア１２の回転軸心Ｍの近傍において、回転軸心Ｍの方向に大きさが単調増加又は単調減少する磁束を確実に発生することができる。

また、本実施形態によれば、ギア１２は、ハウジング１５に回転可能に支持されている。また、変位装置１３２は、雄ねじ部１３２０と、それに螺合する雌ねじ部１３２２とから構成されている。雄ねじ部１３２０はギア１２の外周面に、雌ねじ部１３２２はハウジング１５に固定されたスリーブ１３２１の外周面にそれぞれ形成されている。そのため、ギア１２を回転軸心Ｍの方向に確実に変位させることができる。

さらに、本実施形態によれば、信号出力装置１３は、磁石１３０の外周側を包囲し、磁路の一部を構成するヨーク１３１を備えている。そのため、外部からの磁気的影響を抑えることができる。

加えて、本実施形態によれば、ヨーク１３１は、ギア１２の内周に一体的に形成されている。そのため、部品点数を削減しコストを抑えることができる。

なお、本実施形態では、磁気検出素子１３３、１３４の出力信号が、位相が９０度異なる回転角度に応じた正弦波信号である例を挙げているが、これに限られるものではない。互いに同位相及び逆位相でない正弦波信号であればよい。

また、本実施形態では、磁石１３０と磁気検出素子１３３、１３４から磁気的に正弦波信号を出力する例を挙げているが、これに限られるものではない。例えば、光学的に正弦波信号を出力するようにしてもよい。

さらに、本実施形態では、円筒状の磁石１３０を用いた例を挙げているが、これに限られるものではない。例えば、円弧状の磁石を用い、回転軸心Ｍを挟んで磁極が互いに対向するように配置してもよい。また、２つの直方体の磁石を用い、回転軸心Ｍを挟んで磁極が互いに対向するように配置してもよい。回転軸心Ｍの近傍において回転軸心Ｍに直交する磁束を形成できればよい。

本実施形態における回転角度検出装置の軸方向断面図である。 図１におけるギア周辺のＡ−Ａ矢視断面図である。 図１における信号出力装置周辺の拡大図である。 図２における信号出力装置周辺の拡大図である。 変位装置の動作を説明するための軸方向断面図である。 磁気検出素子の出力波形である。 Ｖ１、Ｖ２と回転角度θの関係を示すグラフである。 図７に対して許容範囲εを追加したグラフである。 図８の一部を拡大したグラフである。 算出した回転回数ｎを示すグラフである。

符号の説明

１・・・回転角度検出装置、１０・・・回転軸、１１・・・ギア、１２・・・ギア（回転体）、１３・・・信号出力装置（信号出力手段）、１３０・・・磁石、１３１・・・ヨーク、１３２・・・変位装置（変位手段）、１３２０・・・雄ねじ部、１３２１・・・スリーブ、１３２２・・・雌ねじ部、１３３、１３４・・磁気検出素子、１４・・・回転角度演算装置（回転角度演算手段）、１５・・・ハウジング、１６・・・支持部材

Claims (9)

1. 回転体と、
   前記回転体の回転角度に応じて振幅がともに単調増加又は単調減少する、回転角度に応じた互いに同位相及び逆位相でない２つの正弦波信号を出力する信号出力手段と、
   前記２つの正弦波信号に基づいて回転角度を算出し、前記２つの正弦波信号と算出した前記回転角度とを予め設定された期待値と比較することで、算出した前記回転角度が正常か否かを判定する回転角度演算手段と、
   を有することを特徴とする回転角度検出装置。
2. 前記期待値は、前記２つの正弦波信号に含まれる誤差成分に基づいて求められる許容範囲を有し、
   前記回転角度演算手段は、前記２つの正弦波信号と算出した前記回転角度とを前記許容範囲を有する前記期待値と比較することで、算出した前記回転角度が正常であるか否かを判定することを特徴とする請求項１に記載の回転角度検出装置。
3. 前記回転角度演算手段は、
   前記２つの正弦波信号に基づいて１回転内の回転角度を算出するとともに、前記２つの正弦波信号の少なくともいずれかの振幅に基づいて回転回数を算出し、算出した前記１回転内の回転角度及び前記回転回数に基づいて回転角度を算出し、
   前記許容範囲は、算出した前記回転回数に基づいて求められることを特徴とする請求項２に記載の回転角度検出装置。
4. 前記信号出力手段は、前記回転体に固定され、前記回転体の回転軸心近傍において回転軸心に直交し、回転軸心方向に大きさが単調増加又は単調減少する磁束を発生する磁石と、
   前記回転体の回転に伴って前記回転体を回転軸心方向に変位させる変位手段と、
   回転軸心の近傍に、感磁方向が、回転軸心に対して直交方向であって、互いに異なる方向となるように配置される２つの磁束密度検出手段と、
   を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の回転角度検出装置。
5. 前記磁石は、回転軸心の回りに配置され、回転軸心を挟んで対向する磁極を有することを特徴とする請求項４に記載の回転角度検出装置。
6. 前記磁石は、回転軸心に対して直交方向の前記磁極間の距離が回転軸心方向に向かうに従って単調増加又は単調減少することを特徴とする請求項５に記載の回転角度検出装置。
7. 前記回転体は、ハウジングに回転可能に支持され、
   前記変位手段は、前記回転体と前記ハウジングとの間に配設されるねじ機構であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の回転角度検出装置。
8. 前記信号出力手段は、前記磁石の外周側を包囲し、磁路の一部を構成する筒状のヨークを有することを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の回転角度検出装置。
9. 前記ヨークは、前記回転体に一体的に形成されていることを特徴とする請求項８に記載の回転角度検出装置。

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