JP2020003221A - 回転角検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】回転角検出の精度を向上可能にした回転角検出装置を提供する。【解決手段】回転角検出装置１０は、回転軸１１と一体的に回転する磁石１３と、回転軸１１の回転に連動して磁石１３を回転軸方向に移動させる昇降機構１５と、磁石１３の磁界を３軸方向で検出する磁気センサ１４とを備える。回転角検出装置１０は、磁気センサ１４の検出結果から求められる磁石１３の回転角度と、磁石１３の回転軸方向における位置に基づき、回転軸１１の回転角度を演算する演算部１６を備えている。【選択図】図２

Description

本発明は、回転体の回転角度を検出する回転角検出装置に関する。

特許文献１には、ステアリングの操舵角を検出する回転角検出装置が開示されている。回転角検出装置は、ステアリングに連結されたステアリングシャフトと一体的に回転する主動歯車と、この主動歯車に連動して回転する２つの従動歯車とを備える。この回転角検出装置では、従動歯車にそれぞれ対応するセンサによって、従動歯車の回転角度が検出される。回転角検出装置は、これら２つの従動歯車の回転角度に基づき、ステアリングの絶対角度を算出する。

特開２０１２−２２５９１６号公報

ところで、主動歯車に従動歯車が噛合する構成では、誤差が発生することがある。例えば、主動歯車及び従動歯車の寸法のばらつき、組付け位置のばらつき、及び歯車間のバックラッシに起因する誤差が発生する。そのため、回転角検出の精度を向上したいニーズがあった。

本発明の目的は、回転角検出の精度を向上可能にした回転角検出装置を提供することにある。

上記課題を達成するための回転角検出装置は、回転体の複数周の回転を検出する回転角検出装置であって、前記回転体と一体的に回転する被検出体と、前記回転体の回転に連動して前記被検出体を前記回転体の回転軸方向に移動させる昇降機構と、前記被検出体の回転と当該被検出体の回転軸方向の移動とを検出する検出部と、前記検出部の検出結果に基づいて、前記回転体の回転角度を演算する演算部とを備えている。

この構成によれば、回転体と一体的に回転する被検出体の回転角度と軸方向の移動とを検出部によって直接検出するとともに、これら検出結果から回転角度を演算する。よって、歯車機構を用いた回転角検出装置に比較して、例えばバックラッシ等、回動の伝達に起因する誤差が発生し難くなるので、その点で回転角度の精度を向上可能になる。

前記回転角検出装置において、前記検出部は、自身１つで前記被検出体の回転と当該被検出体の回転軸方向の移動とを検出するセンサであることが好ましい。
この構成によれば、被検出体の回転と被検出体の回転軸方向の移動とを別々の検出部で検出する場合と比較して、部品点数の増加を抑制することができる。

前記回転角検出装置において、前記被検出体は、磁石であり、前記検出部は、３軸方向の磁界を検出する磁気センサである。
この構成によれば、磁石の磁界を３軸方向の磁界を検出可能な磁気センサで検出する。これにより、磁石の回転と磁石の回転軸方向の移動とを磁気センサにより検出できる。すなわち、被検出体の回転角度と回転軸方向の移動とを磁気の検出という簡素な方法で検出できる。

前記回転角検出装置において、前記磁石の磁極は、前記回転体の回転の周方向に並ぶように形成され、前記磁気センサは、前記回転体の回転の径方向に前記磁石と並ぶように配置され、前記磁石及び前記磁気センサは、回転角が０°として規定された基準位置において、前記回転軸方向における位置が揃うように配置される。

この構成によれば、磁石の回転と磁石の回転軸方向の移動とを検出するのに好適な位置に磁気センサを配置することができる。これは、回転角検出の精度向上に一層有利となる。

本発明の回転角検出装置は、回転角検出の精度を向上可能にする。

回転角検出装置を回転軸方向に見たときの構成図。 回転角検出装置を回転軸と直交する方向から見たときの構成図。 （ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、磁石の回転と磁束の向きとの関係を示す図。 絶対角度θに対する磁気センサの出力を示すグラフ。 （ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、磁石の回転軸方向における位置と磁束の向きとの関係を示す図。 絶対角度θに対する磁気センサの出力を示すグラフ。

以下、回転角検出装置の一実施形態について、図１〜６を用いて説明する。
図１及び図２に示すように、回転角検出装置１０は、軸Ｌ１回りに回転する回転軸１１に組み付けられている。回転軸１１は、回転角検出装置１０が車両に適用される場合、運転時に操舵されるステアリングホイールに一体回転可能に組み付けられたステアリングシャフトであることが好ましい。

回転角検出装置１０のハウジング１２内には、回転軸１１に一体回転可能、且つ同軸上に外嵌された磁石１３が収容されている。本例の環状（円環状）をなす磁石１３は、回転軸１１の周方向に沿って２つの磁極（Ｎ極及びＳ極）が配列されている。磁石１３のＮ極及びＳ極は、周方向においてＮ極とＳ極が１８０°ずつ配置されている。

回転角検出装置１０は、磁石１３の磁界を検出する磁気センサ１４を備えている。磁気センサ１４は、回転軸１１の径方向に沿って磁石１３の隣に位置することにより、磁石１３と並ぶように配置されている。磁気センサ１４は、例えば複数の磁気抵抗素子をブリッジ回路で接続してなるいわゆるＭＲセンサが採用されている。具体的には、磁気センサ１４は、２つの磁気抵抗素子を直列接続したハーフブリッジ回路の２組を並列に接続したフルブリッジ回路からなる。磁気抵抗素子の抵抗値は、与えられる磁界（磁束の向き）に応じて変化する。そして、磁気センサ１４は、与えられる磁界（磁束の向き）の変化に応じて、ハーフブリッジ回路の中点電位を出力信号として出力する。本例の磁気センサ１４は、図中のＸ方向、Ｙ方向及びＺ方向の３軸方向の磁界（磁束の向き）を検出し、それぞれ出力可能になっている。なお、Ｘ方向、Ｙ方向及びＺ方向は、それぞれ直交し、Ｘ方向は、回転軸１１の径方向に沿い、Ｚ方向は、回転軸１１の回転軸方向に沿っている。

回転角検出装置１０は、磁気センサ１４の出力に基づき回転軸１１の回転角度を演算する演算部１６を備えている。演算部１６は、磁気センサ１４の出力から３６０°を超える回転角度を含む角度である絶対角度θを演算する。本例では、回転軸１１が図１の紙面において右回り（時計回り）に回転するのに従って、絶対角度θは増加する。また、回転軸１１が図１の紙面において左回り（反時計回り）に回転するのに従って、絶対角度θは低下する。このように、回転軸１１は、回転角が「０°」として規定された基準位置（中立位置）に対し、右回り及び左回りに複数周回り、そのときの回転角度が演算部１６によって演算される。本例の演算部１６は、例えば回転軸１１が中立位置（０°）を基点に左右に各々３回転する場合、絶対角度θを−１０８０°〜＋１０８０°の範囲で検出する。

図２に示すように、回転角検出装置１０は、回転軸１１の回転に連動して磁石１３を回転軸方向（Ｚ方向）に移動させる昇降機構１５を備えている。昇降機構１５は、回転軸１１の右回りの回転に伴いＺ方向の一方へ磁石１３を移動させる。また、昇降機構１５は、回転軸１１の左回りの回転に伴いＺ方向の他方へ磁石１３を移動させる。本例では、回転軸１１が右回りに回転するのに従って、昇降機構１５は、磁石１３を図２中のＺ方向の矢印（＋Ｚ方向）に沿う向きに移動させる。また、回転軸１１が左回りに回転するのに従って、昇降機構１５は、磁石１３を図２中のＺ方向の矢印とは反対の向き（−Ｚ方向）に移動させる。

磁気センサ１４は、回転角が「０°」として規定された基準位置（中立位置）のとき、回転軸１１の回転軸方向において磁石１３と同じ高さをとるように配置されている。ここで言う同じ高さとは、磁石１３のＺ方向の中心点と、磁気センサ１４のＺ方向の中心点とが一致することをいう。そして、磁石１３は、回転軸１１が右回りに回ったとき、磁気センサ１４に対して同じ高さから＋Ｚ方向に直線移動し、回転軸１１が左回りに回ったとき、磁気センサ１４に対して同じ高さから−Ｚ方向に直線移動する。

次に、回転角検出装置１０の作用及び効果について、図３〜６を用いて説明する。ここでは、回転角検出装置１０の回転の中立位置において、絶対角度θは、「０°」となるように、磁気センサ１４の出力の基準（ゼロ点）が調整されているとする。

図３に示すように、中立位置を起点に回転軸１１の回転に従って磁石１３から発せられる磁束ＦのＸＹ平面における方向が変化する。例えば、図３（ａ）〜（ｃ）に示すように、絶対角度θが変化するに従って、ＸＹ平面において磁気センサ１４を通る磁束Ｆの向きが変化する。

図４に示すように、磁石１３が回転したときの磁気センサ１４のＸＹ平面方向の出力信号Ｓ１は、磁石１３から磁気センサ１４に付与される磁束の変化に基づき、出力が比例増加する波形が周期毎に繰り返される波形をとる。演算部１６は、このとき磁気センサ１４から入力するＸＹ平面方向の出力信号Ｓ１に基づき、磁石１３の相対角度αを算出する。出力信号Ｓ１は、所定の周期（磁石１３の１回転）で立ち上がりと立ち下がりとを繰り返す。なお、この周期は、磁石１３に形成される磁極同士の間隔によって決まる。

図５（ａ）〜（ｃ）に示すように、磁石１３は、回転軸１１の回転に従い、昇降機構１５によってＺ方向に移動する。ここでは、回転軸１１の右回りの回転に伴い、磁石１３は、回転角が「０°」として規定された基準位置（中立位置）から、昇降機構１５によってＺ方向の一方（紙面下向き）に移動する。これにより、ＸＺ平面において磁気センサ１４を通る磁束Ｆの向きが変化する。すなわち、ＸＺ平面において磁気センサ１４を通る磁束Ｆの角度が変化する。

図６に示すように、磁石１３が回転軸方向に沿って下方に直線移動したときのＸＺ平面方向の磁気センサ１４の出力信号Ｓ２は、直線方向の移動量に応じて増加する２つの平行線（Ｌ２，Ｌ３）上の値が、交互に出現する変化をとる。これは、磁石１３が１８０°回転する毎に、磁石１３のＮ極とＳ極とが交互に磁気センサ１４に対向するため、ＸＺ平面において磁束Ｆの向きが反転することに起因する。例えば、磁石１３のＮ極が磁気センサ１４に対向するとき、出力信号Ｓ２は、図６において上側の平行線Ｌ２上に現れる。一方、磁石１３のＳ極が磁気センサ１４に対向するとき、出力信号Ｓ２は、図６において下側の平行線Ｌ３上に現れる。このように、磁石１３のＮ極及びＳ極のどちらが磁気センサ１４に向いているかによって、出力信号Ｓ２が飛び飛びの値をとる。

演算部１６は、このとき磁気センサ１４から入力するＸＺ平面方向の出力信号Ｓ２に基づき、磁石１３の回転数を演算する。本例の場合、演算部１６は、出力信号Ｓ２と判定閾値Ｔ（ｎ）との対比によって、磁石１３の回転数を算出する。判定閾値Ｔ（ｎ）は、磁石１３の回転数に対応して複数設定される。例えば、演算部１６は、所定のＴ（ｎ）とその隣のＴ（ｎ＋１）との間の範囲に出力信号Ｓ２があるとき、磁石１３の回転数がｎ回転であると判定する。演算部１６は、得られた回転数を、演算部１６のメモリ（図示略）に保持して、回転軸１１の絶対角度θの演算に使用する。

また、演算部１６は、ＸＺ平面方向の出力信号Ｓ２によって磁石１３のＳ極が磁気センサ１４に対向していることを検出した場合、Ｓ極検出前の回転数を維持する。Ｓ極か否かの判定は、例えば出力信号Ｓ２が排除閾値Ｒ以下となるか否かにより行う。これにより、磁石１３のＳ極が磁気センサ１４に対向しているときには、演算部１６は回転数の算出を行わず、回転数は維持されたままにされる。演算部１６は、磁石１３の相対角度α及び回転数に基づき、回転軸１１の絶対角度θを演算する。

このように、回転角検出装置１０は、磁石１３の相対角度αと回転軸方向における位置から求められる回転数とに基づいて回転軸１１の絶対角度θを演算する。磁石１３は、回転軸１１と一体的に回転する部材であり、回転軸１１と磁石１３との間に回動を伝達するための部材を設ける必要がない。そのため、回動の伝達に起因する誤差の影響を受け難く、それだけ、回転角検出の精度を向上可能となる。

本例では、回転軸１１と一体的に回転する磁石１３と、回転軸１１の回転に連動して磁石１３を回転軸方向に移動させる昇降機構１５とを備え、磁気センサ１４の検出した磁石１３の回転角度と回転軸方向の位置から回転軸１１の絶対角度θを演算する構成とした。この構成によれば、回転軸１１と一体的に回転する磁石１３の相対角度αと磁石１３の回転軸方向への移動とを磁気センサ１４によって直接検出するとともに、これら検出結果から回転軸１１の絶対角度θを演算することができる。よって、歯車機構を用いた回転角検出装置に比較して、例えばバックラッシ等、回動の伝達に起因する誤差が発生し難くいので、その点で回転角度の精度を向上可能になる。

本例では、磁気センサ１４は、自身１つで磁石１３の相対角度αと、磁石１３の回転軸方向への移動とを検出する構成とした。この構成によれば、磁石１３の相対角度αと、磁石１３の回転軸方向への移動とを別々の検出部（センサ）で検出する場合と比較して、部品点数の増加を抑制できる。

本例では、磁石１３の磁界を３軸方向で検出する磁気センサ１４を備えた。この構成によれば、磁石１３の相対角度αと、磁石１３の回転軸方向の移動とを、磁気センサ１４を通る磁束Ｆの向きにより検出できる。すなわち、磁石１３の相対角度αと磁石１３の回転軸方向の移動とを磁気の検出という簡素な方法で検出できる。

本例では、磁石１３の磁極は、回転軸１１の周方向に並ぶように形成され、磁気センサ１４は、回転軸１１の径方向に磁石１３と並ぶように配置され、回転軸１１の回転の中立位置において、磁石１３及び磁気センサ１４は、回転軸方向の位置が揃うように配置される構成とした。この構成によれば、磁石１３と磁気センサ１４との距離を中立位置で近くすることができる等、磁石１３の相対角度αと磁石１３の回転軸方向への移動とを検出するのに好適な位置に磁気センサ１４を配置することができる。これは、回転角検出の精度向上に一層有利となる。

なお、本実施形態は、以下のように変更して実施することができる。本実施形態及び以下の変更例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。
・本実施形態において、磁石１３の磁極はＮ極とＳ極がそれぞれ一つずつ形成されることに限定されない。例えば、環状の磁石１３にＮ極とＳ極が２つずつ形成され、周回りに９０°ずつ交互に形成されていてもよい。

・本実施形態において、磁石１３及び磁気センサ１４は、本実施形態の配置に限定されない。例えば、磁石１３の回転軸方向に重なるように磁気センサ１４が配置されてもよい。ただし、径方向に磁石１３と磁気センサ１４が並ぶように配置し、かつ、中立位置において磁石１３と磁気センサ１４との回転軸方向における位置が揃うように配置することで、磁石１３と磁気センサ１４との距離を中立位置で近くすることができる等、回転角検出の精度向上に有利となる。

・本実施形態において、回転数の算出方法は、実施例の方式に限定されず、判定閾値Ｔ（ｎ）を用いなくてもよい。また、判定閾値Ｔ（ｎ）を用いる場合にも、判定閾値Ｔ（ｎ）の設定の仕方は適宜変更可能である。例えば、右回りと左回りとで判定閾値Ｔ（ｎ）を異なる値としてもよい。

・本実施形態において、磁石１３のＳ極（又はＮ極でも可）が磁気センサ１４に対向していることを検出する方法は、特に限定されない。また、排除閾値Ｒは、特に限定されず、所定の値とすることができる。さらに、Ｓ極を検出するために排除閾値Ｒ以外の判定基準を設けてもよい。例えば、出力信号Ｓ２の出力値が所定の幅以上変化した場合に、磁石１３の磁極が変化したと判定してもよい。

・本実施形態において、回転数の算出において、Ｓ極（又はＮ極）を検出した場合に、Ｓ極（Ｎ極）検出前の回転数を維持することに限定されない。例えば、磁石１３のＳ極が磁気センサ１４に対向している場合の出力信号Ｓ２が、磁石１３のＮ極が磁気センサ１４に対向している場合の出力信号Ｓ２と直線的に連続するように、演算処理してもよい。すなわち、回転数は、演算部１６のメモリに保持されることに限定されず、出力信号Ｓ２から逐次判定するようにしてもよい。

・本実施形態において、絶対角度θの演算処理において、磁石１３の回転軸方向の位置から回転数を求めたが、これに限定されない。例えば、回転数ではなく、出力信号Ｓ２をそのまま演算に用いてもよい。すなわち、演算部１６は、回転数に限らず、回転軸方向の位置に基づく磁石１３の回転情報を絶対角度θの演算に用いることができる。

・本実施形態において、演算部１６は、磁気センサ１４と別の部材としたが、これに限定されない。演算部１６における演算処理の一部、例えば、磁石１３の相対角度や回転軸方向の位置の算出を磁気センサ１４が演算するようにしてもよいし、演算処理の全てを磁気センサ１４がしてもよい。すなわち、回転角検出装置１０において、演算部１６が設けられる箇所は、どこでもよい。

・本実施形態において、回転軸１１の回転の基準（中立位置）と、磁気センサ１４の出力（出力信号Ｓ１及び出力信号Ｓ２）の基準とは、任意の位置で調整（ゼロ点調整）が可能である。

・本実施形態において、昇降機構１５は特に限定されない。例えば、ボールねじ機構を用いるなど、種々の機構が採用可能である。
・本実施形態において、検出方法は、磁気を利用したものに限定されない。光学式など種々の検出方法に変更できる。また、被検出体の回転検出と、被検出体の回転軸方向への移動検出とで検出方法が異なっていてもよい。

・本実施形態において、検出部は、複数設けられてもよい。例えば、被検出体の回転を検出する検出部と、被検出体の回転軸方向の位置を検出する検出部とは、別で設けられてもよい。

・本実施形態において、回転角検出装置１０は、回転体の絶対角度θを検出するものに限定されず、回転体の回転に係わるパラメータを検出すればよい。
・本実施形態において、回転角検出装置１０は、ステアリングの回転角を検出するステアリングセンサに限定されない。回転体全般について、その回転態様を検出する回転角検出装置に適用可能である。

次に、上述した実施形態やその変形例から把握できる技術的思想について以下に記載する。
（イ）前記回転角検出装置において、前記磁石は２つの磁極を備え、それぞれの磁極は前記磁石の周方向において反対方向を向くように形成されている。

（ロ）前記回転角検出装置において、前記演算部は、前記磁石の前記磁極の一方が前記磁気センサに対向している場合、前記磁石の回転軸方向における位置に基づき前記磁石の回転情報を算出し、前記演算部は、前記磁石の前記磁極の他方が前記磁気センサに対向している場合、前記回転情報を維持する。

１０…回転角検出装置、１１…回転軸、１２…ハウジング、１３…磁石、１４…磁気センサ、１５…昇降機構、１６…演算部。

Claims (4)

1. 回転体の複数周の回転を検出する回転角検出装置であって、
   前記回転体と一体的に回転する被検出体と、
   前記回転体の回転に連動して前記被検出体を前記回転体の回転軸方向に移動させる昇降機構と、
   前記被検出体の回転と当該被検出体の回転軸方向の移動とを検出する検出部と、
   前記検出部の検出結果に基づいて、前記回転体の回転角度を演算する演算部とを備えている回転角検出装置。
2. 前記検出部は、自身１つで前記被検出体の回転と当該被検出体の回転軸方向の移動とを検出するセンサである
   請求項１に記載の回転角検出装置。
3. 前記被検出体は、磁石であり、
   前記検出部は、３軸方向の磁界を検出する磁気センサである
   請求項１又は２に記載の回転角検出装置。
4. 前記磁石の磁極は、前記回転体の回転の周方向に並ぶように形成され、
   前記磁気センサは、前記回転体の回転の径方向に前記磁石と並ぶように配置され、
   前記磁石及び前記磁気センサは、回転角が０°として規定された基準位置において、前記回転軸方向における位置が揃うように配置される
   請求項３に記載の回転角検出装置。