JP5428625B2

JP5428625B2 - 回転角度検出装置

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Publication number: JP5428625B2
Application number: JP2009182152A
Authority: JP
Inventors: 泰範冨野
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2009-08-05
Filing date: 2009-08-05
Publication date: 2014-02-26
Anticipated expiration: 2029-08-05
Also published as: JP2011033559A

Description

本発明は、主に自動車のステアリングの回転角度の検出等に用いられる回転角度検出装置に関するものである。

近年、自動車の高機能化が進むなか、様々な回転角度検出装置を用いてステアリングの回転角度を検出し、この回転角度を用いて車両の各種制御を行うものが増えている。

このような、従来の回転角度検出装置について、図７〜図９を用いて説明する。

図７は従来の回転角度検出装置の要部ブロック回路図、図８は同斜視図であり、同図において、１は外周に平歯車部１Ａが形成された回転体で、中央部には挿通するステアリング（図示せず）の軸と係合する係合部１Ｂが設けられている。

そして、２は外周に平歯車部２Ａが形成された第一の検出体、３は外周に第一の検出体２とは歯数の異なる平歯車部３Ａが形成された第二の検出体で、第一の検出体２と第二の検出体３が回転体１に各々噛合すると共に、第一の検出体２と第二の検出体３の中央には、磁石４と５がインサート成形等により各々装着されている。

また、６は第一の検出体２と第二の検出体３の上面にほぼ平行に配置された配線基板で、上下面に複数の配線パターン（図示せず）が形成されると共に、第一の検出体２の磁石４との対向面には異方性磁気抵抗素子（以下、ＡＭＲ素子と記載する）７が、第二の検出体３の磁石５との対向面にはＡＭＲ素子８が各々装着されている。

そして、このＡＭＲ素子７や８は、図７に示すように、四つの磁気抵抗素子９を略矩形状に接続した第一のホイートストンブリッジ１０と第二のホイートストンブリッジ１１が、互いに４５度傾けて重ねて形成されると共に、この二つのホイートストンブリッジの結合点から導出した電源端子１０Ａと１１ＡがＤＣ５Ｖの電源に、電源端子１０Ａと１１Ａの対角位置の結合点から導出したグランド端子１０Ｂと１１Ｂがグランドに、各々接続されている。

また、これらとは異なる対角位置の結合点から導出した＋出力端子１０Ｃと１１Ｃ、及び−出力端子１０Ｄと１１Ｄが、トランジスタ等の増幅手段１２に各々接続されると共に、これらシリコンウェハー上に形成された磁気抵抗素子９や増幅手段１２を、絶縁樹脂製のモールド（図示せず）が覆っている。

さらに、このＡＭＲ素子７や８が実装された配線基板６には、マイコン等を実装して制御手段１３が形成され、この制御手段１３に配線パターンを介して、増幅手段１２の出力端子１２Ａと１２Ｂが接続されて、回転角度検出装置が構成されている。

そして、このように構成された回転角度検出装置が、制御手段１３がコネクタやリード線（図示せず）等を介して、自動車の電子回路（図示せず）に接続されると共に、回転体１の係合部１Ｂにはステアリングの軸が挿通されて、自動車に装着される。

以上の構成において、運転時にステアリングを回転すると、回転体１が回転し、これに連動して第一の検出体２と第二の検出体３が各々回転するため、これらの中央に装着された磁石４と５も回転して、この磁石４と５の磁気の方向が変化し、これをＡＭＲ素子７と８が各々検出する。

そして、例えば、磁石４と対向したＡＭＲ素子７の、第一のホイートストンブリッジ１０の＋出力端子１０Ｃと−出力端子１０Ｄからは正弦波の出力信号が、第二のホイートストンブリッジ１１の＋出力端子１１Ｃと−出力端子１１Ｄからは余弦波の出力信号が、各々増幅手段１２に入力される。

また、この正弦波と余弦波の出力信号を増幅手段１２が差動増幅し、例えば、出力端子１２Ａからは、図９（ａ）の波形図に示すような、電圧が１．５〜３．５Ｖ前後で正弦波の出力信号が、出力端子１２Ｂからは、図９（ｂ）に示すような、余弦波の出力信号が各々制御手段１３に出力される。

さらに、磁石５と対向したＡＭＲ素子８からも同様に、正弦波と余弦波の出力信号が増幅手段１２を介して制御手段１３に出力されるが、第一の検出体２と第二の検出体３の平歯車部２Ａと３Ａは歯数が異なっているため、これらは位相差のある波形となって制御手段１３に入力される。

そして、この第一の検出体２と第二の検出体３からの出力信号と、各々の平歯車部の歯数から、制御手段１３が所定の演算を行って、回転体１即ちステアリングの回転角度を検出し、これが自動車本体の電子回路へ出力されて、車両の様々な制御が行われるように構成されている。

なお、上記のように、ＡＭＲ素子７と８からの正弦波と余弦波の出力信号によって回転角度の検出を行う際、略矩形状に接続された四つの磁気抵抗素子９のばらつきによって、特に、回転角度検出装置が使用される周囲温度が高い場合には、制御手段１３に入力される出力信号にばらつきが生じ、回転角度の検出に誤差が発生する場合がある。

つまり、例えば、ＡＭＲ素子７や８の第一のホイートストンブリッジ１０の＋出力端子１０Ｃの電圧は、磁気抵抗素子９Ａと９Ｂの分圧となっているため、磁気抵抗素子９Ａと９Ｂの温度変化による抵抗値変化に差があった場合、＋出力端子１０Ｃから出力される正弦波の出力信号の、振幅中心電圧にずれが生じる。

そして、この時、例えば、磁気抵抗素子９Ａの抵抗値が磁気抵抗素子９Ｂの抵抗値より小さかった場合、振幅中心電圧は電源電圧側にずれるため、増幅手段１２の出力端子１２Ａから出力される正弦波の出力信号は、図９（ｃ）の破線に示すように電源電圧側にずれたものとなる。

したがって、このようなずれた出力信号によって制御手段１３が回転角度の演算を行った場合には、回転角度の検出に誤差が発生してしまい、精度の劣った回転角度の検出となってしまうものであった。

なお、この出願の発明に関連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２００７−２５６１３９号公報

しかしながら、上記従来の回転角度検出装置においては、特に高温下で使用された場合、磁気抵抗素子９の温度による抵抗値の変化によって出力信号の電圧にずれが発生し、回転角度の検出に誤差が生じる場合があるため、高精度な角度検出を行うことが困難であるという課題があった。

本発明は、このような従来の課題を解決するものであり、温度変化による誤差等がなく、高精度で確実な回転角度の検出が可能な回転角度検出装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明は、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、ステアリングに連動して回転する回転体と、この回転体に連動して回転する検出体と、この検出体の中央に装着された磁石と、複数の磁気抵抗素子が所定の角度間隔で、２つの側に対向させて放射状に配列され、上記磁気抵抗素子の一端部に切換手段が接続され、上記２つの側の一方に配列された上記磁気抵抗素子の他端部に電源を接続すると共に、上記２つの側の他方に配列された上記磁気抵抗素子の他端部にグランドを接続し、上記２つの側の一方に配列された上記磁気抵抗素子に接続された上記切換手段を二値化手段の＋端子に接続すると共に、上記２つの側の他方に配列された上記磁気抵抗素子に接続された上記切換手段を上記二値化手段の−端子に接続し、上記磁石に対向して配置された磁気検出ユニットと、上記２つの側に対向して配列された上記磁気抵抗素子を上記放射状の配列の一端から他端まで、上記切換手段によって順次切換え、上記二値化手段からの出力信号により演算して上記磁石の磁気方向を検出し、上記回転体の回転角度を検出する制御手段から回転角度検出装置を構成したものであり、制御手段によって回転体の回転角度の検出を行う際、複数の磁気抵抗素子の抵抗値に温度による多少の変化や、抵抗値変化の差があった場合でも、制御手段が二値化手段からの出力信号を演算して、回転角度を検出することで、回転角度の正しい検出を行うことができるため、温度変化等による誤差がなく、高精度で確実な回転角度の検出が可能な回転角度検出装置を実現することができるという作用を有する。

以上のように本発明によれば、温度変化等による誤差がなく、高精度で確実な回転角度の検出が可能な回転角度検出装置を実現することができるという有利な効果が得られる。

本発明の一実施の形態による回転角度検出装置の要部ブロック回路図同斜視図同波形図同波形図同波形図同波形図従来の回転角度検出装置の要部ブロック回路図同斜視図同波形図

以下、本発明の実施の形態について、図１〜図６を用いて説明する。

（実施の形態）
図１は本発明の一実施の形態による回転角度検出装置の要部ブロック回路図、図２は同斜視図であり、同図において、２１は外周に平歯車部２１Ａが形成された回転体で、中央部には挿通するステアリング（図示せず）の軸と係合する係合部２１Ｂが設けられている。

そして、２２は外周に平歯車部２２Ａが形成された第一の検出体、２３は外周に第一の検出体２２とは歯数の異なる平歯車部２３Ａが形成された第二の検出体で、第一の検出体２２が回転体２１に、第二の検出体２３が第一の検出体２２に各々噛合すると共に、第一の検出体２２と第二の検出体２３の中央には、磁石２４と２５がインサート成形等により各々装着されている。

また、２６は第一の検出体２２と第二の検出体２３の上面にほぼ平行に配置された配線基板で、上下面に複数の配線パターン（図示せず）が形成されると共に、第一の検出体２２の磁石２４との対向面には磁気検出ユニット２７が、第二の検出体２３の磁石２５との対向面には磁気検出ユニット２８が各々装着されている。

そして、この磁気検出ユニット２７と２８は、図１に示すように、複数の磁気抵抗素子２９と３０が０．５〜１０度の角度間隔で、右側と左側に対向して放射状に配列されて形成されると共に、これら磁気抵抗素子２９と３０の外周側端部には、ＦＥＴ等の複数の切換手段３１と３２が各々接続されている。

また、これら磁気抵抗素子２９と３０の内周側端部は、例えば右側の磁気抵抗素子２９Ａや２９Ｂ等の内周側端部が連結されて電源に、左側の磁気抵抗素子３０Ａや３０Ｂ等の内周側端部が連結されてグランドに、各々接続されている。

さらに、３３はコンパレータ等の二値化手段で、この二値化手段３３の＋端子に右側の切換手段３１Ａや３１Ｂ等が、−端子に左側の切換手段３２Ａや３２Ｂ等が各々接続されると共に、右側の切換手段３１Ａや３１Ｂ等は抵抗３６を介してグランドに、左側の切換手段３２Ａや３２Ｂ等は抵抗３４を介して電源に、各々接続されている。

そして、シリコンウェハー上にスパッタ法等によって形成された、これら複数の磁気抵抗素子２９や３０、切換手段３１や３２、二値化手段３３等を、絶縁樹脂製のモールド（図示せず）が覆って、磁気検出ユニット２７や２８が形成されている。

つまり、複数の磁気抵抗素子２９と３０を右側と左側に対向して放射状に配列すると共に、この磁気抵抗素子２９と３０の外周側端部に切換手段３１と３２を設け、これらの切換手段３１と３２を二値化手段３３に接続して、磁気検出ユニット２７や２８が形成された構成となっている。

また、この磁気検出ユニット２７や２８が実装された配線基板２６には、マイコン等を実装して制御手段３５が形成され、この制御手段３５に配線パターンを介して、磁気検出ユニット２７と２８の二値化手段３３や、複数の切換手段３１と３２が接続されて、回転角度検出装置が構成されている。

そして、このように構成された回転角度検出装置が、制御手段３５がコネクタやリード線（図示せず）等を介して、自動車の電子回路（図示せず）に接続されると共に、回転体２１の係合部２１Ｂにはステアリングの軸が挿通されて、自動車に装着される。

以上の構成において、運転時にステアリングが回転すると、回転体２１が回転し、これに連動して第一の検出体２２が、第一の検出体２２に連動して第二の検出体２３が各々回転するため、これらの中央に装着された磁石２４と２５も回転して、この磁石２４と２５の磁気の方向が変化し、これを磁気検出ユニット２７と２８が各々検出する。

つまり、図３（ａ）の波形図に示すように、先ず磁気検出ユニット２７と２８の制御手段３５から、制御信号ＬＡが時間ＴＡからＴＢの間出力されて、右側の切換手段３１Ａと左側の切換手段３２ＡがＯＮとなり、磁気抵抗素子２９Ａとこれに対向した磁気抵抗素子３０Ａが、磁石２４や２５の磁気方向を検出する。

なお、磁気抵抗素子２９や３０は、これに流れる電流の方向と磁気の方向の傾き角度によって抵抗値が変化し、これが０度の場合には抵抗値は小さくなり、９０度の場合には抵抗値が最大となるように形成されている。

したがって、この時、例えば車両が直進状態でステアリングの回転角度が０度、すなわち磁石２４と２５の磁気方向が、図１の上下方向であった場合、磁気抵抗素子２９Ａと３０Ａはこの磁気方向と平行に配列され、流れる電流の方向と磁気の方向の傾き角度が０度であるため、磁気抵抗素子２９Ａと３０Ａの抵抗値は小さなものとなる。

そして、この磁気抵抗素子２９Ａと抵抗３６で分圧された、図３（ｂ）に示すような、小さな電圧ＭＡが二値化手段３３の＋端子に、磁気抵抗素子３０Ａと抵抗３４で分圧され大きさが反転した、図３（ｃ）に示すような、大きな電圧ＮＡが二値化手段３３の−端子に、各々入力される。

また、続いて、制御手段３５から図３（ａ）に示すように、制御信号ＬＢが時間ＴＢからＴＣの間出力されて、切換手段３１Ｂと３２ＢがＯＮとなり、磁気抵抗素子２９Ｂとこれに対向した磁気抵抗素子３０Ｂが、磁石２４や２５の磁気方向を検出する。

なお、この時、磁気抵抗素子２９Ｂと３０Ｂは、磁石２４と２５の磁気方向である上下方向に対してやや傾いているため、図３（ｂ）や図３（ｃ）に示すように、これらと抵抗３６や３４で分圧された、電圧ＭＢは電圧ＭＡよりやや大きく、電圧ＮＢは電圧ＮＡよりやや小さなものとなる。

さらに、この後、制御手段３５から制御信号が順次出力されて、複数の切換手段３１と３２が切換えられ、右側と左側に対向して放射状に配列された複数の磁気抵抗素子２９と３０が、磁石２４と２５の磁気方向を順次検出して、これらの電圧が二値化手段３３に入力される。

なお、これら複数の磁気抵抗素子２９と３０のうち、上記のように磁石２４と２５の磁気方向が上下方向の場合には、これと垂直な左右方向、すなわち９０度と２７０度の位置に配列された、磁気抵抗素子２９と３０の抵抗値が最も大きなものとなり、この後、抵抗値は順次小さなものとなっていく。

つまり、制御手段３５が０度と１８０度の位置の切換手段３１Ａと３２Ａから、これらとほぼ真下あるいは真上の切換手段３１と３２まで順次切換えを行った場合、二値化手段３３の＋端子と−端子には、図４（ａ）の波形図に示すような、電圧信号ＭとＮが各々入力される。

また、二値化手段３３からは、時間ＴＡからＴ１の間と時間Ｔ２からＴＺの間は、電圧信号Ｍの電圧値が電圧信号Ｎよりも小さいためＬｏｗ、時間Ｔ１からＴ２の間は、電圧信号Ｍの電圧値が電圧信号Ｎよりも大きいためＨｉｇｈとなった、図４（ｂ）に示すような、電圧信号Ｓが制御手段３５へ出力される。

そして、この電圧信号Ｓから制御手段３５が磁石２４と２５の磁気方向を検出するが、制御信号を順次出力して、複数の切換手段３１と３２の切換えを行った制御手段３５は、例えば時間Ｔ１やＴ２の電圧信号Ｓが、右側と左側に対向して放射状に配列された複数の磁気抵抗素子２９と３０のうち、何度の位置に配列された磁気抵抗素子２９と３０によって検出されたものかを判別することが可能となっている。

このため、制御手段３５はこれらの磁気抵抗素子２９と３０が配列された角度によって、先ず、電圧信号Ｓの時間Ｔ１から例えば４５度の角度を、時間Ｔ２から１３５度の角度を各々検出し、これらを加算した後、半分に除算してＴ０の９０度という角度を算出し、さらにこれから９０度を減じて、磁石２４と２５の磁気方向の角度０度を検出する。

なお、以上の説明では判り易くするために、磁石２４と２５の磁気方向が上下方向、つまりステアリングの回転角度が０度の場合について説明したが、第一の検出体２２や第二の検出体２３が回転し、磁石２４と２５の磁気方向が、例えば３０度の場合には、二値化手段３３には、図５（ａ）の波形図に示すような、電圧信号Ｍ１とＮ１が各々入力される。

そして、二値化手段３３から制御手段３５へは電圧信号Ｓ１が出力され、制御手段３５が上記と同様に、７５度と１６５度を加算した後、これを半分に除算した角度１２０度から９０度を減じて、磁石２４と２５の磁気方向の角度３０度を検出する。

また、磁石２４と２５の磁気方向が、例えば６０度の場合には、図５（ｂ）に示すように、二値化手段３３には電圧信号Ｍ２とＮ２が入力されると共に、二値化手段３３から制御手段３５へは電圧信号Ｓ２が出力され、制御手段３５が演算を行って、磁気方向の角度６０度を検出する。

なお、このように制御手段３５が複数の切換手段３１と３２を順次切換え、複数の磁気抵抗素子２９と３０の抵抗値をもとに形成された、二値化手段３３からの電圧信号によって、制御手段３５が磁石２４と２５の磁気方向の角度、つまり第一の検出体２２と第二の検出体２３の回転角度の検出を行うが、第一の検出体２２と第二の検出体２３の平歯車部２２Ａと２３Ａは歯数が異なっているため、これらは位相差のある波形となって制御手段３５に入力される。

そして、この第一の検出体２２と第二の検出体２３からの二つの異なる出力信号と、各々の平歯車部の歯数から、制御手段３５が所定の演算を行って、回転体１即ちステアリングの回転角度を検出し、これが自動車本体の電子回路へ出力されて、車両の様々な制御が行われるように構成されている。

なお、上記のように、複数の磁気抵抗素子２９と３０の抵抗値をもとにした、二値化手段３３からの出力信号によって回転角度の検出を行う際、対向して放射状に配列された磁気抵抗素子２９や３０の抵抗値にばらつきや、特に、回転角度検出装置が使用される周囲温度が高い場合には、この温度変化による抵抗値変化に差が生じる場合がある。

つまり、例えば、上述した場合と同様に、ステアリングの回転角度が０度で磁石２４と２５の磁気方向が上下方向であった場合、図６の波形図に示すように、正規の電圧信号ＭやＮに対し、磁気抵抗素子２９や３０の温度による抵抗値の変化によって、上下にずれた電圧信号Ｍ３やＮ３が二値化手段３３に入力される。

このため、二値化手段３３から制御手段３５へも、正規の電圧信号Ｓに対してずれた電圧信号Ｓ３が出力されるが、この時、制御手段３５は上述したように、ずれた時間Ｔ３とＴ４から検出した角度を加算した後、半分に除算し、さらにこれから９０度を減じるという演算を行う。

したがって、上記のように二値化手段３３からの電圧信号Ｓ３がずれたものであった場合でも、時間Ｔ３とＴ４から検出した角度を加算した後、半分に除算してＴ０の９０度という角度が算出され、これから９０度を減じて、磁石２４と２５の正しい磁気方向の角度、０度が検出されるようになっている。

すなわち、制御手段３５が複数の切換手段３１と３２を順次切換え、複数の磁気抵抗素子２９と３０の抵抗値をもとに形成された、二値化手段３３からの出力信号によって、制御手段３５が磁石２４と２５の磁気方向の角度、つまり回転角度の検出を行うことで、温度変化による誤差がなく、高精度な回転角度の検出が可能なように構成されている。

つまり、複数の磁気抵抗素子２９と３０を放射状に対向して配列すると共に、制御手段３５が二値化手段３３から出力された電圧信号ＳやＳ３を演算して、回転角度の検出を行うことによって、複数の磁気抵抗素子２９や３０の抵抗値に温度による多少の変化や、抵抗値変化の差があった場合でも、電圧信号Ｍ３やＮ３の値が逆転するような極端な変化や差でない限り、回転角度の正しい検出が行えるようになっている。

このように本実施の形態によれば、複数の磁気抵抗素子２９と３０を放射状に対向させて配列すると共に、この一端に切換手段３１と３２を各々設け、これらの切換手段３１と３２を二値化手段３３に接続して磁気検出ユニット２７や２８を形成すると共に、この磁気検出ユニット２７や２８を第一の検出体２２や第一の検出体２２中央の磁石２４や２５に対向して配置し、制御手段３５が切換手段３１と３２を切換え、磁気抵抗素子２９と３０の出力信号から回転体２１の回転角度を検出することによって、温度変化等による誤差がなく、高精度で確実な回転角度の検出が可能な回転角度検出装置を得ることができるものである。

なお、以上の説明では、磁気検出ユニット２７や２８と制御手段３５を別体に設け、配線基板２６の配線パターンを介して、制御手段３５と二値化手段３３や切換手段３１と３２を接続した構成として説明したが、これらを一つのチップ部品として一体に形成した構成としても、本発明の実施は可能である。

また、以上の説明では、回転体２１に第一の検出体２２を噛合させ、この第一の検出体２２に第二の検出体２３を噛合させた構成の回転角度検出装置について説明したが、背景技術の項で説明したように、回転体２１に第一の検出体２２と第二の検出体２３の両方を噛合させた構成や、あるいは一方の検出体のみを回転体２１に噛合させた構成のものとしても、本発明の実施は可能である。

さらに、以上の説明では、回転体２１や第一の検出体２２、第二の検出体２３の外周に各々平歯車部を形成し、これらが噛合して互いに連動して回転する構成について説明したが、平歯車部以外にも傘歯車等、他の形状の歯車を用いた構成や、あるいは歯車に代えて、回転を伝達できる凹凸部や高摩擦部などを回転体や各検出体の外周に形成し、これによって互いに連動して回転する構成としてもよい。

本発明による回転角度検出装置は、温度変化等による誤差がなく、高精度で確実な回転角度の検出が可能なものが得られ、主に自動車のステアリングの回転角度検出等に有用である。

２１回転体
２１Ａ、２２Ａ、２３Ａ平歯車部
２１Ｂ係合部
２２第一の検出体
２３第二の検出体
２４、２５磁石
２６配線基板
２７、２８磁気検出ユニット
２９、２９Ａ、２９Ｂ、３０、３０Ａ、３０Ｂ磁気抵抗素子
３１、３１Ａ、３１Ｂ、３２、３２Ａ、３２Ｂ切換手段
３３二値化手段
３４、３６抵抗
３５制御手段

Claims

ステアリングに連動して回転する回転体と、この回転体に連動して回転する検出体と、この検出体の中央に装着された磁石と、複数の磁気抵抗素子が所定の角度間隔で、２つの側に対向させて放射状に配列され、上記磁気抵抗素子の一端部に切換手段が接続され、上記２つの側の一方に配列された上記磁気抵抗素子の他端部に電源を接続すると共に、上記２つの側の他方に配列された上記磁気抵抗素子の他端部にグランドを接続し、上記２つの側の一方に配列された上記磁気抵抗素子に接続された上記切換手段を二値化手段の＋端子に接続すると共に、上記２つの側の他方に配列された上記磁気抵抗素子に接続された上記切換手段を上記二値化手段の−端子に接続し、上記磁石に対向して配置された磁気検出ユニットと、上記２つの側に対向して配列された上記磁気抵抗素子を上記放射状の配列の一端から他端まで、上記切換手段によって順次切換え、上記二値化手段からの出力信号により演算して上記磁石の磁気方向を検出し、上記回転体の回転角度を検出する制御手段からなる回転角度検出装置。