(57)【要約】【課題】歯車のがたつき、バックラッシなどにより検知精度の向上が困難なものに対し、簡易な構成で多回転する回転体の回転角度を高精度・高分解能に検出できる回転角度検出装置を提供することを目的としている。【解決手段】ステアリングシャフト等のトーションバーを有する軸部１と、この軸部１の回転角度を検出する回転角度検出部２と、トーションバーの捩り角度を検出するトルク検出部３とを備え、トーションバーの捩り角度は軸部１の回転角度よりも小さくするとともに、トーションバーの捩り角度に基づいて軸部１の回転角度を検出する構成である。【選択図】図１
2007278924.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
トーションバーを有する軸部と、前記軸部の回転角度を検出する回転角度検出部と、前記トーションバーの捩り角度を検出するトルク検出部とを備え、前記トーションバーの捩り角度は前記軸部の回転角度よりも小さくするとともに、前記トーションバーの捩り角度に基づいて前記軸部の回転角度を検出する回転角度検出装置。
【請求項２】
前記回転角度検出部には、前記軸部に連結するとともに前記軸部の回転と同期して回転する第１の回転体と、前記第１の回転体と同期して回転する第２の回転体と、前記第２の回転体の回転角度を検出する第１の検出手段とを設け、前記第２の回転体は前記第１の回転体よりも低速に回転させる請求項１記載の回転角度検出装置。
【請求項３】
前記回転角度検出部には、前記軸部に連結するとともに前記軸部の回転と同期して回転する第３の回転体と、前記第３の回転体と同期して回転する第４の回転体と、前記第４の回転体と同期して回転する第５の回転体と、前記第４、第５の回転体の回転角度を検出する第２、第３の検出手段とを設け、前記第３の回転体に対する前記第４、第５の回転体の回転数比を互いに異ならせた請求項１記載の回転角度検出装置。
【請求項４】
前記トルク検出部には、前記軸部に連結してレゾルバ励磁巻線と、前記軸部の回転に基づき前記レゾルバ励磁巻線に励磁され、Ｘ成分（ｃｏｓωｔ）およびＹ成分（ｓｉｎωｔ）の信号を出力するレゾルバ出力巻線とを有する第１、第２のレゾルバ機構を設け、前記第１のレゾルバ機構は前記トーションバーの一端の入力軸に配置し、前記第２のレゾルバ機構は前記トーションバーの他端の出力軸に配置した請求項１記載の回転角度検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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回転角度検出装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、自動車用ハンドルなどのように１回転以上に有限に回転する回転体の回転角度を検出する検出装置として、例えば特許文献１に開示されている回転体における角度測定方法及び装置が存在する。図９に示す装置においては、位相差を有する２つの回転体５０、５１の角度から回転角度を検出している。
【０００３】
また、トルクを検出する構成は電動式パワーステアリング装置で用いられるが、この電動式パワーステアリング装置には、ラックアシスト式、ピニオンアシスト式、コラムアシスト式が知られており、各々の特性や仕様に合わせて選択される。ラックアシスト式、ピニオンアシスト式は車軸側のステアリングギアボックスに配置され、コラムアシスト式はステアリングコラムに配置される。一方、回転角度を検出する構成はハンドル側のステアリングコラムに配置することが多い。
【特許文献１】特表平１１−５００８２８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記構成では、歯車のがたつきなどにより２つの回転体５０、５１の角度がそれぞれずれた場合に、大きな測定誤差が発生する可能性があるという問題点を有していた。
【０００５】
本発明は上記問題点を解決するものであり、ステアリングシャフトに嵌合連結したトルク検出部の回転角度に基づいて、ステアリングシャフトの回転角度を誤差なく、高精度かつ高分解能に検出できる回転角度検出装置を提供することを目的としている。
【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は、トーションバーを有する軸部と、前記軸部の回転角度を検出する回転角度検出部と、前記トーションバーの捩り角度を検出するトルク検出部とを備え、前記トーションバーの捩り角度は前記軸部の回転角度よりも小さくするとともに、前記トーションバーの捩り角度に基づいて前記軸部の回転角度を検出する構成である。
【発明の効果】
【０００７】
上記構成によれば、回転角度検出部により軸部の回転角度を検出できる。特に、トーションバーの捩り角度は軸部の回転角度よりも小さくするとともに、トーションバーの捩り角度に基づいて軸部の回転角度を検出するので、高精度かつ高分解に検出ができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、本発明の実施の形態１について、図１から図５を用いて説明する。
【０００９】
図１は実施の形態１における回転角度検出装置の基本構成図、図２は同検出装置の回路ブロック図、図３は同検出装置におけるトルク検出部の基本構成図、図４はトルク検出部の原理図、図５は同検出装置における軸部の絶対回転角度の検出波形図である。
【００１０】
図１において、１はステアリングシャフト等の軸部、２は回転角度検出部、３はトルク検出部、４はシリアル通信ライン、５はウォーム部をもった第１の回転体、６は第１の回転体のウォーム部に接続されたホイール部をもった第２の回転体、７は第２の回転体６の中心部に配置された磁石、８は回転角度を検出する第１の検出手段である。第１の回転体５のウォームは、第２の回転体６のホイールと連結されており、第２の回転体６は第１の回転体５が回転するとウォーム、ホイールの歯数比による速比で回転する。
【００１１】
上記回転角度検出装置は、車両のハンドルと車軸を連結したステアリングシャフト等の軸部１に対して、回転角度検出部２をハンドル側のステアリングコラムに配置し、トルク検出部３を車軸側のステアリングギアボックスに配置している。
【００１２】
図２において、９は第１の検出手段８の信号を処理するマイクロコンピュータ（以下ＣＰＵとする）である。
【００１３】
第１の検出手段８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。磁気検知素子からは磁界方向の変化に対し、正弦波信号と余弦波信号がアナログ出力される。第１の検出手段８で磁石７の磁界方向変化を検知する場合、１８０度の回転に対し、１周期の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ＣＰＵ９内のＡ／Ｄコンバータを介して演算処理し、磁石７の回転すなわち第２の回転体６の回転角度を算出することができる。一方、軸部１に嵌合連結されたトルク検出部３で検出した高精度、高分解能な３６０度以下の回転角度をシリアル通信ライン４を経由してＣＰＵ９に取り込めるようにしている。
【００１４】
図３において、１０はハンドルと結合された軸部１の入力軸、１２は車軸側と結合された軸部１の出力軸、１３はトルク検出部３（２個のレゾルバより構成されている）のステータ、１４は軸部１の入力軸の回転角度を検出する第１のレゾルバ機構、１５は軸部１の出力軸の回転角度を検出する第２のレゾルバ機構、１６は第１レゾルバ機構１４のステータに配置されたレゾルバ出力巻線、１７は入力軸１０に配置された第１のレゾルバ機構１４のレゾルバ励磁巻線、１８は第２のレゾルバ機構１５のステータに配置されたレゾルバ出力巻線、１９は出力軸１２に配置された第２のレゾルバ機構１５のレゾルバ励磁巻線である。
【００１５】
図４（ａ）において、２０はレゾルバ出力巻線１６及びレゾルバ出力巻線１８の一部を構成する励磁用巻線、２１はレゾルバ出力巻線１６及びレゾルバ出力巻線１８の一部を構成する位置出力用巻線である。励磁用巻線２０より出力された励磁電圧は、入力軸１０及び出力軸１２に配置されたロータのレゾルバ励磁巻線１７、１９に出力される。この励磁電圧に重畳するかたちで、入力軸１０あるいは出力軸１２の回転角度θに比例した電圧が位置出力用巻線２１に帰還する。図４（ｂ）の信号図において、横軸は時間ｔを縦軸は励磁電圧と位置出力電圧を示している。ｓｉｎωｔは励磁用巻線２０より出力された励磁電圧を、ｓｉｎ（ωｔ＋θ）は位置出力用巻線２１に帰還した位置出力電圧を示している。位置出力電圧の励磁電圧に対する位相角が入力軸１０、出力軸１２の回転角度となる。
【００１６】
図５に回転角度検出部２に組み込まれた第２の回転体６の回転角度とトルク検出部３に組み込まれたレゾルバの回転角度の検出波形を示す。図５の上段図では、横軸は軸部１の回転角度を示し、縦軸はトルク検出部３から取り込んだ回転角度を示している。図５は下段図では、横軸は軸部１の回転角度を示し、縦軸は第２の回転体６の回転角度を示している。この回転角度は第１の検出手段８の信号をＣＰＵ９で演算したものである。
【００１７】
第１の検出手段８（磁気検知素子）は、第２の回転体６の中心部に配置された磁石７の磁界方向変化を検知し、磁石７は０．５回転に対し、１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ＣＰＵ９にて演算処理し、第２の回転体６の回転角度を算出することができる。
【００１８】
図５の上段図の縦軸に示すトルク検出部３から取り込む回転角度は、この入力軸１１のものを利用する。
【００１９】
次に、実施の形態１における回転体の回転角度検出の方法について説明する。
【００２０】
図１、図２において、軸部１が回転したとき、回転角度検出部２の第１の回転体５のウォーム部に接続された第２の回転体６のホイールによって、第２の回転体６の中心に配置された磁石７が回転する。
【００２１】
第１の回転体５のウォーム部の歯数をａ、第２の回転体６のホイールの歯数をｂとすると、第２の回転体６は第１の回転体５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２の回転体６は第１の回転体５よりも十分低速回転する。第２の回転体６の中心部に配置された磁石７に対向する位置に配置された第１の検出手段８は、磁石７の回転による磁界方向変化を検知することで出力が変化する。この第１の検出手段８の出力をＣＰＵ９内のＡ／Ｄコンバータを介して入力する。
【００２２】
一方、軸部１の同軸上に配置されたトルク検出部３は、図３、図４に示す２個のレゾルバから構成されており、トーションバー１１の捩り角度をこれらの第１のレゾルバ機構１４と第２のレゾルバ機構１５の回転角度差より求めトルク値に換算している。回転角度検出部２のＣＰＵ９はハンドルと結合された側の軸部１の入力軸の回転角度を、この第１のレゾルバ機構１４より、シリアル通信ライン４を経由して取り込む。図５に、軸部１の回転にともなって変化するトルク検出部３の回転角度と、第２の回転体６の回転角度の挙動を示している。トルク検出部３では、軸部１の回転角度を回転角度検出範囲４５度において、高精度かつ高分解能に検出できることを示している。
【００２３】
第２の回転体６は、軸部１の回転角度７２０度に対し、１８０度回転することをＣＰＵ９で第１の検出手段８の信号を処理して算出している。
【００２４】
図５に示す軸部１の回転角度がＡのときの、トルク検出部３の回転角度Ｂの回転角度検出部２に取り込む。
【００２５】
一方、この時の第２の回転体６の回転角度Ｃから軸部１の初期位置（０度）からの回転角度Ａを求め、この回転角度Ａをトルク検出部３の第１のレゾルバ機構１４の回転角度検出範囲の４５度で割ることにより、第１のレゾルバ機構１４の初期位置からの回転周期数を求める。図５の場合、回転角度Ｂが４周期目のものを示しているので、「４５度＊｛（回転角度Ａ）／４５度｝＝４５度＊３＝１３５度  ｛  ｝内の値は整数とする」となり、軸部１の絶対回転角度は、「４５度＊｛（回転角度Ａ）／４５度｝＋（回転角度Ｃ）」となり、算出することができる。
【００２６】
本発明の実施の形態２について、図６から図８を用いて説明する。
【００２７】
図６は実施の形態２における回転角度検出装置の基本構成図、図７は同検出装置の回路ブロック図、図８は同検出装置における軸部の絶対回転角度の検出波形図を示す。
【００２８】
図６、図７において、１はステアリングシャフト等の軸部、２は回転角度検出部、２５は軸部１に接続された歯車からなる第３の回転体、２６は第３の回転体２５の歯車に連結された歯車からなる第４の回転体、２７は第４の回転体２６の中心部に配置された磁石、２９は第４の回転体２６の歯車と連結された歯車からなる第５の回転体、３０は第５の回転体２９の中心部に配置された磁石であり、第４の回転体２６と第５の回転体２９の歯数が互いに異なるように設定されている。
【００２９】
第４の回転体２６の中心部に配置された磁石２７と対向する位置には第４の回転体２６の回転角度を検出し、図７に示すように、ＣＰＵ３２（マイクロコンピュータ）と接続された第２の検出手段２８を設け、第５の回転体２９の中心部に配置された磁石３０と対向する位置には第５の回転体２９の回転角度を検出し、図７に示すように、ＣＰＵ３２（マイクロコンピュータ）と接続された第３の検出手段３１を設けている。
【００３０】
第２の検出手段２８と第３の検出手段３１は、実施の形態１と同様に磁気抵抗素子（以下ＭＲ素子とする）を用い、この出力はＣＰＵ３２内のＡ／Ｄコンバータを介して演算処理され、磁石２７と磁石３０の回転すなわち第４の回転体２６と第５の回転体２９の回転角度を算出している。一方、軸部１に嵌合連結されたトルク検出部３で検出した高精度かつ高分解能な３６０度以下の回転角度をシリアル通信ライン４を経由してＣＰＵ３２に取り込めるようにしている。
【００３１】
図８にその波形を示す。図８は１段目の図において、横軸は軸部１の回転角度を示しており、縦軸は第４の回転体２６の回転角度を示している。この回転角度は第２の検出手段２８の信号をＣＰＵ３２で演算したものである。図８は２段目の図において、横軸は軸部１の回転角度を示しており、縦軸は第５の回転体２９の回転角度を示している。この回転角度は第３の検出手段３１の信号をＣＰＵ３２で演算したものである。
【００３２】
第２の検出手段２８（磁気検知素子）は、第４の回転体２６の中心部に配置された磁石２７の磁界方向変化を検知し、磁石２７の０．５回転に対し、１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ＣＰＵ３２にて演算処理し、第４の回転体２６の回転角度を算出することができる。トルク検出部３は実施の形態１と同様にレゾルバを用いている。
【００３３】
次に、実施の形態２における回転体の回転角度検出の方法について説明する。
【００３４】
図６〜図８において、軸部１が回転したとき、回転角度検出部２の第３の回転体２５の歯車に接続された第４の回転体２６の歯車によって第４の回転体２６が回転する。同時に、第４の回転体２６の歯車に接続された第５の回転体２９の歯車によって第５の回転体２９が回転する。第４の回転体２６の歯車の歯数と第５の回転体２９の歯車の歯数は異なるため、異なった周期で回転する。第４の回転体２６の中心部に配置された磁石２７に対向する位置に配置された第２の検出手段２８は、回転する第４の回転体２６の磁石２７の磁界方向を検知することで出力が変化する。この第２の検出手段２８の出力をＣＰＵ３２内のＡ／Ｄコンバータを介して入力する。同時に回転する第５の回転体２９の中心部に配置された磁石３０の磁界方向を検出する第３の検出手段３１の出力をＣＰＵ３２内のＡ／Ｄコンバータを介して入力する。トルク検出部３は実施の形態１と同様にレゾルバを用いているため、軸部１の回転角度を回転角度検出範囲４５度において、高精度かつ高分解能に検出できる。回転角度検出部２のＣＰＵ３２はハンドルと結合された側の軸部１の入力軸の回転角度を第１のレゾルバ機構１４よりシリアル通信ライン４を経由して取り込む。
【００３５】
図８に示すように、軸部１の回転角度がＡのときのトルク検出部３から求められる回転角度Ｂを回転角度検出部２に取り込む。一方、軸部１の回転角度がＡのときの第４の回転体２６の回転角度Ｃと、第５の回転体２９の回転角度Ｄとの回転角度差Ｅから、軸部１の初期位置（０度）からの回転角度Ａを求めることができる。この回転角度Ａのトルク検出部３の第１のレゾルバ機構１４の回転角度検出範囲４５度で割ることにより、第１のレゾルバ機構１４の初期位置からの回転周期数を求められる。図８の場合、回転角度Ｂが６周期目のものを示しているが、軸部１の回転角度は、実施の形態１と同様に、「４５度＊｛（回転角度Ａ）／４５度｝＝４５度＊５＝２２５度  ｛  ｝内の値は整数とする」となり、軸部１の絶対回転角度は、「４５度＊｛（回転角度Ａ）／４５度｝＋（回転角度Ｂ）」となり、算出することができる。
【産業上の利用可能性】
【００３６】
本発明にかかる回転角度検出装置は、ステアリングシャフト等に装着して、簡単な構成で高精度かつ高分解能に多回転のハンドル絶対回転角度検知を行うことができ、各種の車両のパワーステアリング等で用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】実施の形態１における回転角度検出装置の基本構成図
【図２】同検出装置の回路ブロック図
【図３】同検出装置におけるトルク検出部の基本構成図
【図４】トルク検出部の原理図
【図５】同検出装置における軸部の絶対回転角度の検出波形図
【図６】実施の形態２における回転角度検出装置の基本構成図
【図７】同検出装置の回路ブロック図
【図８】同検出装置における軸部の絶対回転角度の検出波形図
【図９】回転角度を検知する従来の方式を示す図
【符号の説明】
【００３８】
１  軸部
２  回転角度検出部
３  トルク検出部
４  シリアル通信ライン
５  第１の回転体
６  第２の回転体
７  磁石
８  第１の検出手段
９  マイクロコンピュータ
１０  入力軸
１１  トーションバー
１２  出力軸
１３  ステータ
１４  第１のレゾルバ機構
１５  第２のレゾルバ機構
１６  レゾルバ出力巻線
１７  レゾルバ励磁巻線
１８  レゾルバ出力巻線
１９  レゾルバ励磁巻線
２０  励磁用巻線
２１  位置出力用巻線
２５  第３の回転体
２６  第４の回転体
２７  磁石
２８  第２の検出手段
２９  第５の回転体
３０  磁石
３１  第３の検出手段
３２  ＣＰＵ
【図１】
2007278924.tif 000003
【図２】
2007278924.tif 000004
【図３】
2007278924.tif 000005
【図４】
2007278924.tif 000006
【図５】
2007278924.tif 000007
【図６】
2007278924.tif 000008
【図７】
2007278924.tif 000009
【図８】
2007278924.tif 000010
【図９】
2007278924.tif 000011