(57)【要約】【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およびトルク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第１のターゲット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、出力軸５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第２のターゲット６を保持し多回転可能な歯車を持つ第３の回転体４と、これらのそれぞれの回転角度を検出する第１、第２、第３の検出手段１１、１０、１２からなる簡単な構成で、高精度・高分解能に絶対回転角度およびトルク検出を行うものである。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項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第１の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、出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第２のターゲットを保持し多回転可能な歯車を持つ第３の回転体と、この第３の回転体の回転角度を検出する第３の検出手段とから構成した絶対回転角度およびトルク検出装置。
【請求項２】
第１のターゲットと第２のターゲットの磁極の数を同一にし、第１の回転体の絶対回転角度と第３の回転体の絶対回転角度との差動分により算出するようにした請求項１に記載の絶対回転角度およびトルク検出装置。
【請求項３】
第１、第２および第３の検出手段を第１、第２の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およびトルク検出装置。
【請求項４】
入力軸と出力軸の間にトーションバーを設けた構成の請求項１に記載の絶対回転角度およびトルク検出装置。
【請求項５】
第１、第２および第３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およびトルク検出装置。
【請求項６】
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５に記載の絶対回転角度およびトルク検出装置。
【請求項７】
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５に記載の絶対回転角度およびトルク検出装置。
【請求項８】
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検出する手段を設けた請求項５に記載の絶対回転角度およびトルク検出装置。
【請求項９】
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５に記載の絶対回転角度およびトルク検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、車両のパワーステアリング等に用いられる絶対回転角度及びトルク検出装置に関わるものであり、特にステアリングの絶対回転角度とトルクの検出を同時に可能とする絶対回転角度及びトルク検出装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、回転角度およびトルクを検出する方式として、図９に示すような方式が知られている。図９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。また、この構成による機構をトーションバーを介して連結された２本の軸に各々取り付けることにより、２本の軸間にトルクが作用して軸間のねじれが発生した時、各々の軸の回転角度を比較することによって作用したトルクの量を検出する。
【０００３】
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。
【特許文献１】特開平１１−１９４００７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、このように構成された回転角センサあるいはトルク検出センサにおいては、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。
【０００５】
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およびトルク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。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために、本発明の絶対回転角度およびトルク検出装置は以下の構成を有するものである。
【０００７】
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第１の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、出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第２のターゲットを保持し多回転可能な歯車を持つ第３の回転体と、この第３の回転体の回転角度を検出する第３の検出手段とからなる構成を有しており、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およびトルク検出を行うことができるという作用効果が得られる。
【０００８】
本発明の請求項２に記載の発明は、特に第１のターゲットと第２のターゲットの磁極の数を同一にして、第１の検出手段より得られる絶対回転角度と第２の検出手段より得られる絶対回転角度との差動分により算出することにより、簡単な構成で高精度・高分解能に絶対回転角度およびトルク検出を行うことができるという作用効果が得られる。
【０００９】
本発明の請求項３に記載の発明は、第１、第２および第３の検出手段を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、第２および第３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。
【００１０】
本発明の請求項４に記載の発明は、特に、入力軸と出力軸の間にトーションバーを設けた構成を有しており、これによりトルクに対応した捩れ角を拡大することができるため、トルク検出の分解能を上げることができるという作用効果が得られる。
【００１１】
本発明の請求項５に記載の発明は、第１、第２および第３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。
【００１２】
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、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。
【００１３】
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。
【００１４】
本発明の請求項８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。
【００１５】
本発明の請求項９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。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の絶対回転角度およびトルク検出装置は、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検出とトルク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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の実施の形態について、図１から図８を用いて説明する。
【００１８】
図１は本発明の実施の形態における絶対回転角度及びトルク検出装置の基本構成図、図２は第１、第３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は絶対回転角度及びトルク検出装置の回路ブロック図である。図５は第１、第３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はトルク検出特性図、図７はＣＰＵ内での各素子の回転角度演算出力と絶対回転角度を表す図、図８は第１、第２、第３の磁気検出素子の出力図を示す。
【００１９】
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。第１のターゲット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３の回転体４は出力軸５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。第２のターゲット６はその第３の回転体４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。トーションバー７は入力軸２と出力軸５の間の同心軸上に配置されている。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は第１のターゲット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、第３の磁気検出素子（検出手段）１２は第２のターゲット６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、第２、第３の磁気検出素子１１、１０、１２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。
【００２０】
第１のターゲット３と第２のターゲット６の磁極の数は同数とする。その磁極の数は最大トルク検出量やトーションバー定数によって決まる。たとえば、最大トルク検出を±１２Ｎ・ｍ、トーションバー定数を２Ｎ・ｍ／ｄｅｇとした時の磁極の数は、３０極となりＮ極１５、Ｓ極１５と決定している。この場合は１極あたり１２ｄｅｇとなる。
【００２１】
第１、第２、第３の磁気検出素子１１、１０、１２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て、正弦波信号と余弦波信号がアナログ出力される。第１、第３の磁気検出素子１１、１２で第１、第２のターゲット３、６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、第１、第２のターゲット３、６の回転すなわち第１、第３の回転体１、４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および出力軸５の絶対回転角度を示しており、縦軸は第１、第３の磁気検出素子１１、１２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および出力軸５の絶対回転角度を示しており、縦軸は第１、第３の回転体１、４のＣＰＵの演算過程における絶対回転角度を示している。
【００２２】
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および出力軸５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および出力軸５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。
【００２３】
図４において、第１、第２、第３の磁気検出素子１１、１０、１２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とトルクを出力する。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。
【００２４】
図５の上段図において、横軸は入力軸２および出力軸５の絶対回転角度を示しており、縦軸は第１、第３の回転体１、４から得られる細かい絶対回転角度差を示している。点線は第１、第３の回転体１、４の絶対回転角度の理想値を、実線は第１、第３の回転体１、４から得られる絶対回転角度の実力値を示している。
【００２５】
図５の下段図において、横軸は入力軸２および出力軸５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。
【００２６】
図６はトルク検出特性を示す図であり、横軸は入力軸２および出力軸５の絶対回転角度を示し、縦軸は第１の回転体１と第３の回転体４の絶対回転角度差を示している。第１の回転体１の絶対回転角度をＸ、第３の回転体４の絶対回転角度をＹ、トーションバー定数をＴとすると、検出トルクは（Ｘ−Ｙ）×Ｔで算出することができる。
【００２７】
次に、トーションバーにかかるトルクの算出方法について説明する。
【００２８】
図１において同一剛体である入力軸２とトーションバー７と出力軸５が回転したとき、この入力軸２と嵌合し連結している第１の回転体１が回転する。この第１の回転体１が回転すると、この第１の回転体１に保持されている第１のターゲット３が回転する。これにより、第１のターゲット３に対向する位置に配置された第１の磁気検出素子１１が磁界変化を検出し、その出力をＣＰＵにて演算処理して第１の回転体１の絶対回転角度を算出する。一方、出力軸５と嵌合し連結している第３の回転体４も回転する。この第３の回転体４が回転するとこの第３の回転体４に保持されている第２のターゲット６が回転する。これにより、第２のターゲット６に対向する位置に配置された第３の磁気検出素子１２が磁界変化を検出し、その出力をＣＰＵにて演算処理して第３の回転体４の絶対回転角度を算出する。この第１の回転体１と第３の回転体４との絶対回転角度の差をとり、これにトーションバー定数を乗することでトルクを算出することができる。
【００２９】
次に、回転体の回転角度検出方法について説明する。
【００３０】
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。
【００３１】
第１の回転体１に保持されている第１のターゲット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７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。
【００３２】
次に、第１、第２、第３の磁気検出素子１１、１０、１２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８より説明する。
【００３３】
図１において、第１の回転体１が回転すると第１のターゲット３も回転する。この第１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８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８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、回転角度を算出する時には、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回転角度を求める。
【００３４】
また、図８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。
【００３５】
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。
【産業上の利用可能性】
【００３６】
本発明の絶対回転角度及びトルク検出装置は、簡単な構成で高精度・高分解能に絶対回転角度およびトルク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及びトルク検出装置への適用に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の実施の形態における絶対回転角度及びトルク検出装置の基本構成図
【図２】本発明の実施の形態における第１、第３の磁気検出素子の回転角度検出信号を表す図
【図３】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
【図４】本発明の実施の形態における絶対回転角度及びトルク検出装置の回路ブロック図
【図５】本発明の実施の形態における第１、第３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】本発明の実施の形態におけるトルク検出特性図
【図７】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
【図８】本発明の実施の形態における第１、第２、第３の磁気検出素子の出力図
【図９】従来の回転角度およびトルクを検出する構成図
【符号の説明】
【００３８】
１  第１の回転体
２  入力軸
３  第１のターゲット
４  第３の回転体
５  出力軸
６  第２のターゲット
７  トーションバー
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
１２  第３の磁気検出素子
１３  基板
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
【図１】
2006220529.tif 000003
【図２】
2006220529.tif 000004
【図３】
2006220529.tif 000005
【図４】
2006220529.tif 000006
【図５】
2006220529.tif 000007
【図６】
2006220529.tif 000008
【図７】
2006220529.tif 000009
【図８】
2006220529.tif 000010
【図９】
2006220529.tif 000011