JP2007183121A - 回転角およびトルク検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】着磁極の寸法の細分化やコード板のバックラッシなどにより検知精度の向上が困難で、相対回転角検知しか出来ないものに対し、高精度・高分解能なトルク検知と多回転角検知を行える装置の提供を目的とする。
【解決手段】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多回転可能なターゲット１と、前記ターゲット１の半径方向にある一定距離を設けると共に前記ターゲットの軸方向の中心からも一定距離ずらし、かつ前記ターゲット１の半径方向と垂直な面に配置された検出手段２を含む磁気的センサを対として構成された回転角およびトルク検出装置で、トルク検知と多回転角検知を高分解能／高精度にできるという作用効果が得られる。
【選択図】図１

Description

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回転角とトルク検出を同時に可能にする回転角及びトルク検出装置に関するものである。

従来、トルク及び回転角を検知する方式として、例えば特許文献１に示されたような方式が知られている。図１２において、３８は歯車部であり、回転角を検知したい回転軸（図示せず）に、係合バネ３９を介して固定して取り付けられる。この歯車部３８は、外周端面に複数個の磁極を着磁したコード板４０が取り付けられた歯車部４１と噛み合っており、検知する回転軸の回転にしたがって、コード板４０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られた検知素子４２でカウントすることにより、回転角を検知する。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、各々の軸の回転角を比較することによって、作用したトルクの量を検知する。
特開平１１−１９４００７号公報

しかしながら、このように構成された回転角センサ或いはトルク検知センサにおいては、軸の回転角をコード板４０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知するため、検知角の分解能を向上させるためには、着磁磁極間の距離を小さくする必要があるという課題があった。また、コード板４０の回転と軸の回転とは歯車を介しているため、バックラッシ等により検知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検知しかできなく多回転の回転角検知ができないという課題があった。

本発明は、上記のような課題を解決するもので、高精度・高分解能にトルク検知及び多回転の回転角検知を行う回転角およびトルク検出装置の提供を目的とするものである。

上記目的を達成するために、本発明の回転角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。

本発明の請求項１に記載の発明は、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多回転可能なターゲットと、前記ターゲットの半径方向にある一定距離を設けると共に前記ターゲットの軸方向の中心からも一定距離ずらし、かつ前記ターゲットの半径方向と垂直な面に配置された検出手段を含む磁気的センサを対として構成されており、ターゲットの回転角を高分解能／高精度に検知できるという作用効果が得られる。

本発明の請求項２に記載の発明は、入力軸ないし出力軸と嵌合連結し請求項１記載のターゲットと同様の構造をもつ第１のターゲットを保持した多回転可能な第１の回転体と、請求項１記載の検出手段と同様の位置に配置され同様の構造をもつ第１の検出手段と、出力軸ないし入力軸と嵌合連結し請求項１記載のターゲットと同様の構造をもつ第２のターゲットを保持した多回転可能な第２の回転体と、請求項１記載の検出手段と同様の位置に配置され同様の構造をもつ第２の検出手段と、入力軸ないし出力軸と嵌合連結され、歯車を持つ第３の回転体と、前記第３の回転体の歯車に接続され、中心部に第３のターゲットが配置された歯車を持つ第４の回転体と、前記第４の回転体の回転角を検出する第３の検出手段と、前記第４の回転体の歯車に接続され、中心部に第４のターゲットが配置された歯車を持つ第５の回転体と、前記第５の回転体の回転角を検出する第４の検出手段とを配置した構成を有しており、前記第１ないし第２の検出手段により検出された前記第１ないし第２の回転体の回転角と、前記第３、第４の検出手段により検出された第４、第５の回転体の回転角から算出された第３の回転体の多回転角とを組み合わせることにより前記第１ないし第２の回転体の多回転角検知を高分解能／高精度に行うことができるという作用効果が得られる。

以上のように本発明によれば、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多回転可能なターゲットと、前記ターゲットの半径方向にある一定距離を設けると共に前記ターゲットの軸方向の中心からも一定距離ずらし、かつ前記ターゲットの半径方向と垂直な面に配置された検出手段を含む磁気的センサを対として構成された回転角およびトルク検出装置を提供するものであり、このターゲットと検出手段の構成を入出力軸に設けることにより高分解能／高精度にトルク検知ができると共に歯数の異なる歯車を持った回転体の回転角差より求めた多回転回転角と組み合わせることにより前記ターゲットの多回転角を高分解能／高精度に検知でき、検出手段を磁気検出素子にすることにより非接触でターゲットの回転角を検知できるため、装置の耐久性、信頼性の向上が図れ、前記多極着磁されたターゲットの回転角と歯車の回転角とを比較することにより装置の異常検知ができるという効果を奏するものである。

以下、本発明の実施の形態について、図１から図１１を用いて説明する。

図１は実施の形態１におけるターゲットと検出手段の基本構成図、図２（ａ）、（ｂ）はターゲットに対する検出手段の相対位置を示す図、図３はターゲット軸方向の中心に対向する位置で、半径方向と垂直な面に形成された磁界方向を示す図、図４はターゲットのエッジ付近に対向する位置で半径方向と垂直な面に形成された磁界方向を示す図、図５（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は回転角およびトルク検出装置の基本構成図、図６は回転角及びトルク検出装置の回路ブロック図、図７（ａ）、（ｂ）は第１、第２の検出手段の出力信号を示す図、図８（ａ）、（ｂ）は第３の検出手段の出力信号を示す図、図９（ａ）、（ｂ）は第４の検出手段の出力信号を示す図、図１０はトルク検出に使われる第１、第２の回転体の回転角と第３の回転体の回転角検出に使われる第４、第５の回転体の回転角を示す図、図１１はトルク検出特性図である。

図１において、１は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ターゲット、２はターゲット１に対向する位置に配置されこの磁界方向を検出する検出手段（磁気検出素子）である。図２に示すように検出手段２（磁気検出素子）はターゲット１の半径方向（Ｘ方向）に一定距離を離し、ターゲット１の軸方向（Ｚ方向）にも中心から一定距離ずらし、しかも前記ターゲット１の半径方向（Ｘ方向）と垂直な面（ＹＺ面）に配置されている。図３に示すようにターゲット１の軸方向中心において円周面に対向する位置の磁界方向はＹＺ面において直線的に変化する。これは磁界方向を検出する検出手段２（磁気検出素子）が２方向の信号（０ｄｅｇ或いは１８０ｄｅｇ）しか得ることができないことを意味しており前記ターゲット１の回転角を検出できない。しかし検出手段２をターゲット１の軸方向（Ｚ方向）の中心から一定距離ずらすと図４に示すように円周面に対向する位置の磁界方向はＹＺ面において回転する。故に検出手段２（磁気検出素子）は前記ターゲット１の回転角に応じて変化する磁界方向を検出できる。

図５において、３は入力軸４に嵌合した多回転可能な第１の回転体、５は第１の回転体３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１のターゲット、６は出力軸７に嵌合した多回転可能な第２の回転体、８は第２の回転体６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２のターゲット、９は入力軸４と出力軸７の間の同心軸上に配置されたトーションバー、１０は第１の回転体３に嵌合した多回転可能な歯車を有する第３の回転体、１１は第３の回転体１０の歯車と係合した第４の回転体、１２は第４の回転体１１の中央部に配置された第３のターゲット（単極磁石）、１３は第３のターゲット１２に対向する位置に配置され、この磁界方向を検出する第３の検出手段（磁気検出素子）、１４は第４の回転体１１の歯車と係合した第５の回転体、１５は第５の回転体１４の中央部に配置された第４のターゲット（単極磁石）、１６は第４のターゲット１５に対向する位置に配置されこの磁界方向を検出する第４の検出手段（磁気検出素子）、１７は第１のターゲット５に対向する位置に配置されこの磁界方向を検出する第１の検出手段（磁気検出素子）、１８は第２のターゲット８に対向する位置に配置されこの磁界方向を検出する第２の検出手段（磁気検出素子）、１９は第１、第２の検出手段１７、１８（磁気検出素子）が配置される基板、２０は第３、第４の検出手段１３、１６（磁気検出素子）が配置される基板である。

ここで、第１、第２の回転体３、６に設けた第１、第２のターゲット５、８に対向配置された第１、第２の検出手段１７、１８は、図１、図２において説明したと同様に第１、第２のターゲット５、８に対し、特定位置の関係を持って配置されていることは言うまでもない。

前記第１のターゲット５と第２のターゲット８の着磁極数は同数とする。その磁極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±８Ｎ・ｍ、トーションバー定数を２Ｎ・ｍ／ｄｅｇとした時最大捩れ角は±４ｄｅｇとなる。余裕をみて磁極数は３０極（Ｎ極１５、Ｓ極１５）と決定している。この場合、１極当り１２ｄｅｇになる。

第１、第２、第３、第４の検出手段１７、１８、１３、１６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ＭＲ素子は磁界方向を検知し正弦波信号と余弦波信号としてアナログ出力する。

第１、第２の検出手段１７、１８で第１、第２のターゲット５、８の磁界方向の変化を検知する場合、磁極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、第１、第２のターゲット５、８を１回転させると、着磁極数分の正弦波および余弦波信号を得ることができる。図６に示すようにこれらの信号は増幅部２１、２２にて規定の振幅に増幅し、マイクロコンピュータ２３（以下ＣＰＵとする）内のＡ／Ｄコンバータ（図示せず）に入力し演算処理して、第１、第２のターゲット５、８すなわち第１、第２の回転体３、６の回転角を算出する。図７にその波形を示す。図７（ａ）において、横軸は入力軸４および出力軸７に嵌合した第１、第２の回転体３、６の回転角を示しており、縦軸は第１、第２の検出手段１７、１８からの正弦波信号２４および余弦波信号２５を示している。図７（ｂ）において、横軸は第１、第２の回転体３、６の回転角を示しており、縦軸は前記正弦波信号２４および余弦波信号２５よりＣＰＵ２３で算出した第１、第２の回転体３、６の回転角を示している。

一方、第４の回転体１１の歯車は第３の回転体１０の歯車と連結されており、第４の回転体１１と第３の回転体１０の歯数比による速比で回転する。

第３の検出手段１３は、第４の回転体１１の中心部に配置された第３のターゲット（単極磁石）１２の磁界方向を検知し、第３のターゲット（単極磁石）１２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する。この出力をＣＰＵ２３にて演算処理し、第４の回転体１１の回転角を算出することができる。図８にその波形を示す。図８（ａ）において、横軸は第３の回転体１０の回転角を示しており、縦軸は第３の検出手段１３からの正弦波信号２６および余弦波信号２７を示している。図８（ｂ）において、横軸は第３の回転体１０の回転角を示しており、縦軸は、第４の回転体１１の回転角を前記正弦波信号２６および余弦波信号２７よりＣＰＵ２３で演算したものを示している。

第５の回転体１４の歯車は第４の回転体１１の歯車を介して第３の回転体１０と連結されており、第５の回転体１４は第３の回転体１０が回転すると各歯車の歯数の比による速比で回転する。

第４の検出手段１６は、第５の回転体１４の中心部に配置された第４のターゲット（単極磁石）１５の磁界方向を検知し、第４のターゲット（単極磁石）１５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する。この出力をＣＰＵ２３にて演算処理し、第５の回転体１４の回転角を算出する。図９にその波形を示す。図９（ａ）において、横軸は第３の回転体１０の回転角を示しており、縦軸は第４の検出手段１６からの正弦波信号２８および余弦波信号２９を示している。図９（ｂ）において、横軸は第３の回転体１０の回転角を示しており、縦軸は、第５の回転体１４の回転角を前記正弦波信号２８および余弦波信号２９よりＣＰＵ２３で演算したものを示している。

図６において、前記第３、第４の検出手段１３、１６は増幅部３０、３１を介してＣＰＵ２３に接続されている。一方、ＣＰＵ２３で算出された回転角とトルクは出力信号線３２より出力する。

図１０（ａ）において、横軸は入力軸４に嵌合された第３の回転体１０の回転角を示しており、縦軸は第３の検出手段１３から得た信号より算出した第４の回転体１１の回転角を示している。

図１０（ｂ）において、横軸は入力軸４に嵌合された第３の回転体１０の回転角を示しており、縦軸は第４の検出手段１６から得た信号より算出した第５の回転体１４の回転角を示している。第４の回転体１１に搭載されている歯車の歯数と第５の回転体１４に搭載されている歯車の歯数が違うため第３の回転体１０の回転角に対する回転周期は異なる。

図１０（ｃ）において、横軸は入力軸４に嵌合された第３の回転体１０の回転角を示しており、縦軸は第３の検出手段１３から得た信号と第４の検出手段１６から得た信号とより算出した第４の回転体１１と第５の回転体１４の回転角差を示している。

図１０（ｄ）において、横軸は入力軸４に嵌合された第１の回転体３の回転角を示しており、縦軸は第１の検出手段１７から得た信号より算出した第１のターゲット５の回転角を示している。

図１０（ｅ）において、横軸は出力軸７に嵌合された第２の回転体６の回転角を示しており、縦軸は第２の検出手段１８から得た信号より算出した第２のターゲット８の回転角を示している。

図１１はトルク検出特性図を示しており、横軸は入力軸４或いは出力軸７の回転角を示している。縦軸は第１の回転体３に保持された第１のターゲット５と第２の回転体６に保持された第２のターゲット８の回転角差より算出されたトーションバー９のねじり角から得られるトルクを示している。第１の回転体３の回転角をＸ、第２の回転体６の回転角を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で算出することが出来る。

次に、以上の構成により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。

図５において、同一剛体である入力軸４とトーションバー９と出力軸７が回転したとき、この入力軸４と嵌合している第１の回転体３が回転する。この第１の回転体３が回転すると、この第１の回転体３に保持されている第１のターゲット５が回転する。これにより、第１のターゲット５に対向する位置に配置された第１の検出手段１７が多極リング磁石である第１のターゲット５の磁界方向を検知し、その出力をＣＰＵ２３にて演算処理して第１の回転体３の回転角を算出する。一方、前記出力軸７と嵌合している第２の回転体６も回転する。この第２の回転体６が回転すると、この第２の回転体６に保持されている第２のターゲット８が回転する。これにより、第２のターゲット８に対向する位置に配置された第２の検出手段１８が多極リング磁石である第２のターゲット８の磁界方向を検知し、その出力をＣＰＵ２３にて演算処理して、第２の回転体６の回転角を算出する。この第１、第２の回転体３、６の回転角の差をとり、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。図１０（ｄ）、（ｅ）にＣＰＵ２３で各検出手段の出力信号より算出した回転角を示す。３３は第１の回転体に保持された第１のターゲット５の回転角、３４は第２の回転体に保持された第２のターゲット８の回転角を示す。この回転角差より求めたトルクを図１１に示す。

次に、回転体の多回転角検出の方法について説明する。

図５において、第１の回転体３に嵌合された第３の回転体１０が回転したとき、その第３の回転体１０の歯車に接続された第４の回転体１１の歯車によって第４の回転体１１を回転させる。同時に第４の回転体１１の歯車に接続された第５の回転体１４の歯車によって第５の回転体１４を回転させる。第３の回転体１０の歯車の歯数をａ、第４の回転体１１の歯車の歯数をｂ、第５の回転体１４の歯車の歯数をｃとすると、第４の回転体１１は、第３の回転体１０に対して、ａ／ｂ倍の速さで回転し、第５の回転体１４は第３の回転体１０に対して、ａ／ｃ倍の速さで回転する。

この際、歯車の歯数ａ、ｂ、ｃを適切に選択することにより、第４の回転体１１と第５の回転体１４の回転角差から第３の回転体１０の多回転角を得ることができる。

第４の回転体１１の中心部に配置された第３のターゲット（単極磁石）１２に対向するように配置された第３の検出手段１３は、第３の検出手段１３を貫く磁界方向を検知して第４の回転体１１の回転角を検出する。

一方第５の回転体１４の中心部に配置された第４のターゲット（単極磁石）１５に対向して配置された第４の検出手段１６は、第４の検出手段１６を貫く磁界方向を検知して第５の回転体１４の回転角を検知する。第３の検出手段１３と第４の検出手段１６の出力信号はＣＰＵ２３内のＡ／Ｄコンバータを介して入力される。第３の検出手段１３と第４の検出手段１６の出力信号から算出される回転角差から第３の回転体１０の多回転角を算出し、この多回転角から第１或いは第２のターゲット５、８の磁極の位置を推定して、第１或いは第２のターゲット５、８の多回転角を高精度に算出する。図１０に第１、第２、第３、第４の検出手段１７、１８、１３、１６の信号に基づいてＣＰＵ２３で算出された回転角を示す。３５は第３の検出手段１３の出力信号より演算した第４の回転体１１の回転角を、３６は第４の検出手段１６の出力信号より演算した第５の回転体１４の回転角をそれぞれ示している。３７は第３、第４の検出手段１３、１６の出力信号より算出した第４、第５の回転体１１、１４の回転角差を示している。回転角差３７は第３の回転体１０の回転検出範囲０ｄｅｇ〜１８００ｄｅｇにおいて電気角が０ｄｅｇから１８０ｄｅｇ直線的に変化する。これは回転角差３７でもって第３の回転体１０の多回転角を回転検出範囲０ｄｅｇ〜１８００ｄｅｇにおいて一意的に確定できることを意味する。

一方第１の検出手段１７の信号に基づいて算出された第１のターゲット５（多極リング磁石）の回転角３３は着磁された極間の回転角（この例の場合１２ｄｅｇ）において電気角が０ｄｅｇから１８０ｄｅｇ直線的に変化する。これは回転角３３でもって第１のターゲット５を保持している第１の回転体３の回転角を着磁された極間の回転角において一意的に確定できることを意味する。前記第３の回転体１０と第１或いは第２のターゲット５、８が保持されている第１、第２の回転体３、６は同一軸に嵌合されているため前記第３の回転体１０の多回転角から第１或いは第２のターゲット５、８の磁極の位置を推定して、第１或いは第２のターゲット５、８の多回転角を高精度に算出することができる。

次に第１の回転体３と第２の回転体６の絶対回転角を常に比較して装置の異常を検知する方法について図５、図７、図１０より説明する。

図５において、第１の回転体３が回転すると第２の回転体６もトーションバー９を介して回転する。しかし最大トルク以上がかからない構造になっているため第１の回転体３と第２の回転体６の回転角差が規定値以上になると機構上の異常あるいは素子回路上の異常と判断できる。第１の回転体３が回転すると第１のターゲット５も回転する。この第１のターゲット５の回転と共に磁界方向も変化し、この磁界方向の変化を第１の検出手段１７で検出する。第１の検出手段１７からは、この磁界方向の変化に対して正弦波信号２４と余弦波信号２５を出力する。図７（ａ）にこれらの出力信号を示す。横軸に第１の回転体３の回転角をとってそれぞれの信号を示している。これらの信号は増幅器２１を介してＣＰＵ２３に入力され正弦波信号２４と余弦波信号２５より逆正接信号を算出して第１の回転体３の回転角を求める。

同様に第２の回転体６が回転すると第２のターゲット８も回転する。この第２のターゲット８の回転と共に磁界方向も変化し、この磁界方向の変化を第２の検出手段１８で検出する。第２の検出手段１８からは、この磁界方向の変化に対して正弦波信号２４と余弦波信号２５を出力する。図７（ａ）にこれらの出力信号を示す。横軸に第２の回転体６の回転角をとってそれぞれの信号を示している。これらの信号は増幅器２２を介してＣＰＵ２３に入力され正弦波信号２４と余弦波信号２５より逆正接信号を算出して第２の回転体６の回転角を求める。図１０（ｄ）、（ｅ）において第１の回転体３（すなわち第１のターゲット５）の回転角３３と第２の回転体６（すなわち第２のターゲット８）の回転角との差は回転角の原点を一致させておけば異常がない限り規定値以下の値となる。

次に第１の回転体３と第４の回転体１１の回転角を常に比較して装置の異常を検知する方法について図５、図７、図８、図１０より説明する。

図５において、第１の回転体３が回転するとこの第１の回転体３に保持されている第１のターゲット５が回転する。第１のターゲット５の表面に３０極が着磁してあるとすると図７（ａ）に示すような出力信号が第１検出手段１７より得られる。第１の回転体３が１２ｄｅｇ回転する毎に正弦波信号２４と余弦波信号２５が１周期変化しこれらの信号より算出される電気角が１８０ｄｅｇ変化する。すなわち第１の回転体３の回転角を１２ｄｅｇの範囲において一意的に得ることができる。第３の回転体１０の歯車と第４の回転体１１の歯車の歯数比を１／３とすると図８（ａ）に示すように第３の回転体１０が６０ｄｅｇ回転する毎に正弦波信号２６と余弦波信号２７が１周期変化しこれらの信号より算出される電気角が１８０ｄｅｇ変化する。図１０において第１の検出手段１７より算出した第１のターゲット５の回転角３３と第３の検出手段１３より算出した第４の回転体１１の回転角３５との差はある回転角を原点にして回転角３３と回転角３５の勾配を１周期の回転角比（１２：６０＝１：５）にて補正すれば装置に異常がない限り規定値以下の値となる。すなわち回転角３５の値を５倍したものと回転角３３との差を求めて異常判定を行う。

次に前記第１、第２、第３、第４の検出手段（磁気検出素子）１７、１８、１３、１６および増幅部２１、２２、３０、３１等の感度バラツキによる回転検出誤差発生を防止する方法について図５、図６、図７、図８、図９、図１３より説明する。

図５において、第１回転体３が回転すると第１のターゲット５も回転する。この第１のターゲット５の回転と共に磁界方向が変化し、この磁界方向の変化を第１の検出手段１７で検出する。第１の検出手段１７からは、この磁界方向の変化に対して正弦波信号２４と余弦波信号２５を出力する。図７（ａ）にこれらの出力信号を示す。横軸に第１の回転体３の回転角をとってそれぞれの信号出力を示している。これらの信号は増幅部２１を介してＣＰＵ２３に入力され前記正弦波信号２４と前記余弦波信号２５より逆正接信号を算出する。しかし図１３に示すように正弦波信号レベル４５と余弦波信号レベル４６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６に示すスイッチ信号５０をＯＮして感度記憶モードにした時のみ、第１の回転体３を１２ｄｅｇ以上回転させ、正弦波信号４４と余弦波信号４３の信号レベル（感度）４５、４６を算出し、不揮発性のメモリ（ＥＥＰＲＯＭ）５１に記憶する。同様に第２の回転体６に保持されている第２のターゲット８の回転角を検出する第２の検出手段１８の信号レベルについても不揮発性のメモリ（ＥＥＰＲＯＭ）５１に記憶する。回転角の算出時にはスイッチ信号５０をＯＦＦにし、記憶した信号レベル（感度）４５、４６により正弦波信号４４と余弦波信号４３の最大、最小レベルが一致するように補正したものから逆正接信号を算出して回転角を求める。

また図５に示す第４、第５の回転体１１、１４が１８０ｄｅｇ以上回転するように第３の回転体１０を回転させ、図８、図９に示す正弦波信号２６、２８と余弦波信号２７、２９の信号レベル（感度）を算出し不揮発性のメモリ（ＥＥＰＲＯＭ）５１に記憶し、図１３に示したように記憶した信号レベル（感度）４５、４６により正弦波信号４４と余弦波信号４３の最大、最小レベルが一致するように補正したものから逆正接信号を算出して回転角を求める。

また、図１３の第１、第２、第３、第４の検出手段１７、１８、１３、１６の出力の最大値、最小値が基準範囲内４７に無い場合、温度特性などによって出力が変化しなくなったり、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４７内に最大値、最小値があることを比較確認する手段（図示せず）で確認することにより回転角の検出誤差拡大の防止が可能になる。なお、第１、第２、第３、第４の検出手段１７、１８、１３、１６の出力の振幅中心４８、４９を比較確認する手段（図示せず）で、ある範囲に入っているか否かを確認することにより、また前記振幅中心４８、４９を一致させる補正をすることにより、算出された回転角の検出誤差拡大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、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回転角検出が可能となる。

また、任意の特定位置での第１、第２、第３、第４の検出手段１７、１８、１３、１６の信号出力又はこれらの信号出力より算出される回転角を記憶することにより任意の位置からの回転角を一意的に検出できる。またトルクをかけない状態でこれらの値を記憶することによりトルクの原点も設定できる。またこのとき、図６の特定位置決定用信号線５２のように電気信号で特定位置であることを送信すれば機械的な動作無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みチェックする、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５２は出力信号線３２の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。

本発明の回転角及びトルク検出装置は、車両のパワーステアリング等で使用され、簡単な構成で高精度・高分解能にトルク検知及び多回転角検知を行うことができるという作用効果を有する。

本発明の実施の形態１におけるターゲットと検出手段の基本構成図 （ａ）本発明の実施の形態１におけるターゲットに対する検出手段の相対位置を示す側面図、（ｂ）同平面図 本発明の実施の形態１におけるターゲット軸方向の中心に対向する位置で半径方向と垂直な面に形成された磁界の方向を示す図 本発明の実施の形態１におけるターゲットのエッジ付近に対向する位置で半径方向と垂直な面に形成された磁界の方向を示す図 （ａ）本発明の実施の形態１における回転角及びトルク検出装置の基本構成を示す側断面図、（ｂ）同平面図、（ｃ）同部分断面図 本発明の実施の形態１における回転角及びトルク検出装置の回路ブロック図 （ａ）本発明の実施の形態１における第１、第２の検出手段の出力信号を示す波形図、（ｂ）同電気角を示す波形図 （ａ）本発明の実施の形態１における第３の検出手段の出力信号を示す波形図、（ｂ）同電気角を示す波形図 （ａ）本発明の実施の形態１における第４の検出手段の出力信号を示す波形図、（ｂ）同電気角を示す波形図 本発明の実施の形態１におけるトルク検出に使われる第１、第２の回転体の回転角と回転角検出に使われる第４、第５の回転体の回転角を示す波形図 本発明の実施の形態１におけるトルク検出特性図 従来のトルク及び回転角検知装置を示す断面図 本発明の実施の形態１における回転角検出誤差発生を防止する方法を示す波形図

符号の説明

１ ターゲット
２ 検出手段
３ 第１の回転体
４ 入力軸
５ 第１のターゲット
６ 第２の回転体
７ 出力軸
８ 第２のターゲット
９ トーションバー
１０ 第３の回転体
１１ 第４の回転体
１２ 第３のターゲット
１３ 第３の検出手段
１４ 第５の回転体
１５ 第４のターゲット
１６ 第４の検出手段
１７ 第１の検出手段
１８ 第２の検出手段
１９ 基板
２０ 基板

Claims (15)

1. 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多回転可能なターゲットと、前記ターゲットの半径方向にある一定距離を設けると共に前記ターゲットの軸方向の中心からも一定距離ずらし、かつ前記ターゲットの半径方向と垂直な面に配置された検出手段を含む磁気的センサを対として構成されたことを特徴とする回転角およびトルク検出装置。
2. 入力軸ないし出力軸と嵌合連結し請求項１記載のターゲットと同様の構造をもつ第１のターゲットを保持した多回転可能な第１の回転体と、請求項１記載の検出手段と同様の位置に配置され同様の構造をもつ第１の検出手段と、出力軸ないし入力軸と嵌合連結し請求項１記載のターゲットと同様の構造をもつ第２のターゲットを保持した多回転可能な第２の回転体と、請求項１記載の検出手段と同様の位置に配置され同様の構造をもつ第２の検出手段と、入力軸ないし出力軸と嵌合連結され、歯車を持つ第３の回転体と、前記第３の回転体の歯車に接続され、中心部に第３のターゲットが配置された歯車を持つ第４の回転体と、前記第４の回転体の回転角を検出する第３の検出手段と、前記第４の回転体の歯車に接続され、中心部に第４のターゲットが配置された歯車を持つ第５の回転体と、前記第５の回転体の回転角を検出する第４の検出手段とを配置したことを特徴とする回転角およびトルク検出装置。
3. 第１のターゲットと第２のターゲットの着磁極数を同一にし、第１の回転体の回転角と第２の回転体の回転角を前記第１、第２のターゲットの磁界方向変化として第１、第２の検出手段より検出し、前記第１、第２の回転体の回転角差よりトルク算出する請求項２に記載の回転角およびトルク検出装置。
4. 第１、第２、第３、第４の検出手段は磁気検出素子からなり、第３、第４のターゲットは単極磁石からなる請求項２に記載の回転角およびトルク検出装置。
5. 第３の回転体の歯車に順次接続され、歯数がそれぞれ異なる歯車を有する第４の回転体及び第５の回転体の回転角差と前記第４の回転体ないし前記第５の回転体の回転角を組合わせて前記第３の回転体の多回転角を算出する請求項２に記載の回転角およびトルク検出装置。
6. 第３の回転体の歯車に順次接続され、歯数がそれぞれ異なる歯車を有する第４の回転体及び第５の回転体の回転角差と前記第４の回転体ないし前記第５の回転体の回転角と第１のターゲットより求められた第１の回転体の回転角を組合わせて前記第１の回転体の多回転角を算出する請求項２に記載の回転角およびトルク検出装置。
7. 入力軸と出力軸の間にトーションバーを設けた請求項２に記載の回転角およびトルク検出装置。
8. 第１、第２の検出手段より算出した回転角を常に比較して回転角差が規定値内であるか否かを確認する手段を有することを特徴とする請求項２に記載の回転角およびトルク検出装置。
9. 第１ないし第２の検出手段より算出補正した回転角と第３ないし第４の検出手段より算出補正した回転角を常に比較して回転角差が規定値内であるか否かを確認する手段を有することを特徴とする請求項２に記載の回転角およびトルク検出装置。
10. 第１、第２、第３、第４の回転体を組込み後、第１、第２、第３、第４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、電源投入時毎に各感度にて前記正弦波信号と余弦波信号の補正を行うことを特徴とする請求項２に記載の回転角およびトルク検出装置。
11. 第１ないし第４の検出手段としての各磁気検出素子の感度を記憶するときに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を特徴とする請求項１０に記載の回転角およびトルク検出装置。
12. 第１ないし第４の検出手段としての各磁気検出素子の信号出力の振幅中心を記憶する不揮発性のメモリを有し、電源投入時毎に各振幅中心にて正弦波信号と余弦波信号の補正を行うことを特徴とする請求項２に記載の絶対回転角およびトルク検出装置。
13. 第１ないし第４の検出手段としての各磁気検出素子の信号出力の振幅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を特徴とする請求項２に記載の回転角およびトルク検出装置。
14. 第１ないし第４の検出手段としての各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、余弦波信号の値を記憶し、特定位置からの絶対回転角を検出することを特徴とする請求項２に記載の回転角およびトルク検出装置。
15. 第１ないし第４の検出手段としての各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、余弦波信号より算出される絶対回転角を記憶し、特定位置からの絶対回転角を検出することを特徴とする請求項２に記載の回転角およびトルク検出装置。

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