回転角度検出装置
【課題】設計の自由度が高い回転角度検出装置を提供すること。
【解決手段】被検出回転体の回転角度を検出する回転角度検出装置であって、前記被検出回転体に取り付け該被検出回転体と共に回転する主回転体と、前記主回転体に対して所定の回転比で回転する副回転体と、前記主回転体の回転に対応して周期的に変化する信号を出力する主回転検出機構と、前記副回転体の回転に対応して周期的に変化する信号を出力する副回転検出機構と、前記主回転検出機構および前記副回転検出機構が出力する信号の周期を変換し該信号を用いて該変換した周期における前記主回転体および前記副回転体の回転角度を算出する信号処理手段と、前記算出した主回転体または副回転体の回転角度と、前記主回転体と前記副回転体との相対回転角度と、前記変換した周期とに基づいて前記被検出回転体の回転角度を算出する演算処理手段と、を備える。
【解決手段】被検出回転体の回転角度を検出する回転角度検出装置であって、前記被検出回転体に取り付け該被検出回転体と共に回転する主回転体と、前記主回転体に対して所定の回転比で回転する副回転体と、前記主回転体の回転に対応して周期的に変化する信号を出力する主回転検出機構と、前記副回転体の回転に対応して周期的に変化する信号を出力する副回転検出機構と、前記主回転検出機構および前記副回転検出機構が出力する信号の周期を変換し該信号を用いて該変換した周期における前記主回転体および前記副回転体の回転角度を算出する信号処理手段と、前記算出した主回転体または副回転体の回転角度と、前記主回転体と前記副回転体との相対回転角度と、前記変換した周期とに基づいて前記被検出回転体の回転角度を算出する演算処理手段と、を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転体の回転角度を検出する回転角度検出装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
例えば、自動車のステアリングシャフトなどの回転体に取り付けて回転体の回転角度を検出する回転角度検出装置が開示されている。
【０００３】
特許文献１が開示する従来の回転角度検出装置は、回転体と共に回転する主回転体と、この主回転体と連動して回転する２つの副回転体とを備える。主回転体および２つの副回転体はそれぞれ互いに歯数の異なる歯車を備え、各副回転体の歯車はそれぞれ主回転体の歯車と噛み合っている。また、各副回転体はそれぞれ磁石を備えるとともに、各磁石の磁場を検出するＡＭＲセンサ（異方性磁気抵抗素子）を備える。そして、各ＡＭＲセンサが出力する各副回転体の回転角度の検出信号の間の位相差などを利用して回転体の回転角度を算出する。
【０００４】
一方、特許文献２が開示する従来の回転角度検出装置は、回転体によって回転される回転板と、回転体または回転板によって回転板よりも多い回転数で回転される歯車とを備える。そして、回転板には光センサを用いたアブソリュート信号型エンコーダが設けられ、このエンコーダが回転板の１回転を１周期とするコード信号を回転板の回転角度検出信号として出力する。また、歯車には磁石と磁気抵抗素子とを用いた磁気センサが設けられ、この磁気センサが歯車の１回転を１周期とするアナログ信号を歯車の回転角度検出信号として出力する。そして、これらのエンコーダと磁気センサとが出力する各回転角度検出信号の組み合わせから回転体の回転角度を算出する。
【０００５】
【特許文献１】特表２００１−５０５６６７号公報
【特許文献２】特開２００２−９８５２２５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、従来の回転角度検出装置は、回転体の回転角度を算出するために用いる検出信号間の位相差が各副回転体に備えた磁石の特性やギヤ比などで一意に決定されるため、設計の自由度が低いという問題があった。
【０００７】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、設計の自由度が高い回転角度検出装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る回転角度検出装置は、被検出回転体の回転角度を検出する回転角度検出装置であって、前記被検出回転体に取り付け該被検出回転体と共に回転する主回転体と、前記主回転体に対して所定の回転比で回転する副回転体と、前記主回転体の回転に対応して周期的に変化する信号を出力する主回転検出機構と、前記副回転体の回転に対応して周期的に変化する信号を出力する副回転検出機構と、前記主回転検出機構および前記副回転検出機構が出力する信号の周期を変換し該信号を用いて該変換した周期における前記主回転体および前記副回転体の回転角度を算出する信号処理手段と、前記算出した主回転体または副回転体の回転角度と、前記主回転体と前記副回転体との相対回転角度と、前記変換した周期とに基づいて前記被検出回転体の回転角度を算出する演算処理手段と、を備えることを特徴とする。
【０００９】
また、本発明に係る回転角度検出装置は、被検出回転体の回転角度を検出する回転角度検出装置であって、前記被検出回転体に取り付け該被検出回転体と共に回転する主回転体と、前記主回転体に対して所定の回転比で回転する副回転体と、前記主回転体の回転に対応して周期的に変化する連続した信号を出力する主回転検出機構と、前記副回転体の回転に対応して周期的に変化する連続した信号を出力する副回転検出機構と、前記主回転検出機構および前記副回転検出機構が出力する信号を用いて前記主回転体および前記副回転体の回転角度を算出する信号処理手段と、前記算出した主回転体または副回転体の回転角度と、前記主回転体と前記副回転体との相対回転角度と、前記主回転検出機構および前記副回転検出機構が出力する信号の周期とに基づいて前記被検出回転体の回転角度を算出する演算処理手段と、を備えることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明に係る回転角度検出装置は、上記の発明において、前記主回転検出機構または前記副回転検出機構は、前記主回転体または前記副回転体に取り付けられ回転方向において連続的かつ周期的に強度が変化する磁場を発生する磁石と、前記磁石の近傍に前記主回転体または前記副回転体の回転中心のまわりに所定の角度をなすように配置した２つの磁気検出素子と、を備えることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明に係る回転角度検出装置は、上記の発明において、前記磁気検出素子は、ホール素子であることを特徴とする。
【００１２】
また、本発明に係る回転角度検出装置は、上記の発明において、前記磁気検出素子は、磁気抵抗素子であることを特徴とする。
【００１３】
また、本発明に係る回転角度検出装置は、上記の発明において、前記変換した周期は、前記主回転体および前記副回転体の回転角度の許容誤差と前記被検出回転体の回転角度の検出角度範囲とが所望の値になるように決定された周期であることを特徴とする。
【００１４】
また、本発明に係る回転角度検出装置は、上記の発明において、前記演算処理手段は、前記算出した主回転体の回転角度をθ１、前記算出した副回転体の回転角度に前記所定の回転比を乗じた角度をθ２、前記変換した主回転検出機構の信号の周期をＴ１、前記変換した副回転検出機構の信号の周期に前記所定の回転比を乗じた周期をＴ２（Ｔ１≠Ｔ２）、周期Ｔ１とＴ２の差の絶対値｜Ｔ１−Ｔ２｜をｄとして、下記の式（１）〜（４）を用いて前記被検出回転体の回転角度Φを算出することを特徴とする。
Ｔ１＜Ｔ２、θ２≦θ１の場合は、
Φ＝θ１＋Ｔ１（θ１−θ２）／ｄ ・・・ （１）
Ｔ１＜Ｔ２、θ２＞θ１の場合は、
Φ＝θ１＋Ｔ１（θ１−θ２）／ｄ＋Ｔ１・Ｔ２／ｄ ・・・ （２）
Ｔ１＞Ｔ２、θ１≦θ２の場合は、
Φ＝θ１＋Ｔ１（θ２−θ１）／ｄ ・・・ （３）
Ｔ１＞Ｔ２、θ１＞θ２の場合は、
Φ＝θ１＋Ｔ１（θ２−θ１）／ｄ＋Ｔ１・Ｔ２／ｄ ・・・ （４）
【発明の効果】
【００１５】
本発明に係る回転角度検出装置は、主回転体および副回転体の回転に対応して周期的に変化する信号の周期を変換し該信号を用いて該変換した周期における主回転体および副回転体の回転角度を算出し、算出した回転角度と、主回転体と副回転体との相対回転角度と、変換した周期とに基づいて被検出回転体の回転角度を算出するので、主回転検出機構、副回転検出機構、および主回転体と副回転体との回転比などを高い自由度で設計することができる。その結果、設計の自由度が高い回転角度検出装置を実現できるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下に、図面を参照して本発明に係る回転角度検出装置の実施の形態を詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００１７】
（実施の形態）
図１は、本発明の実施の形態に係る回転角度検出装置を模式的に表した断面概略図である。本実施の形態に係る回転角度検出装置は、被検出回転体である自動車のステアリングシャフトの回転角度を検出するものである。
【００１８】
図１に示すように、回転角度検出装置１は、紙面と垂直の方向に延びたステアリングシャフトＸを中心部の孔に嵌めることにより取り付けて固定し、ステアリングシャフトＸと共に回転する主回転体であるリング状の主歯車２と、主歯車２と噛み合って主歯車２に対して所定の回転比で回転する副回転体である副歯車３と、主歯車２の回転に対応して周期的に変化する信号を出力する主回転検出機構４と、主回転検出機構４が出力する信号の周期を変換し、この信号を用いて変換した周期における主歯車２の回転角度を算出する信号処理手段５と、副歯車３の回転に対応して周期的に変化する信号を出力する副回転検出機構６と、副回転検出機構６が出力する信号の周期を変換し、この信号を用いて変換した周期における副歯車３の回転角度を算出する信号処理手段７と、信号処理手段５、７が算出した主歯車２および副歯車３の回転角度と、主歯車２と副歯車３との相対回転角度と、変換した周期とに基づいてステアリングシャフトＸの回転角度を算出する演算処理手段８とを備える。なお、主歯車２と副歯車３とのギヤ比すなわち回転比は５／９である。また、符号９は回転角度検出装置１のハウジングを示す。
【００１９】
主回転検出機構４は、主歯車２に取り付けられたリング状の磁石４ａと、リング状磁石４ａの表面から０．５ｍｍだけ離れた位置に主歯車２の回転中心のまわりに９０度の角度をなすように配置したホール素子４ｂ、４ｃとを備える。同様に、副回転検出機構６は、副歯車３に取り付けられた円板状の磁石６ａと、円板状磁石６ａの表面から０．５ｍｍだけ離れた位置に副歯車３の回転中心のまわりに９０度の角度をなすように配置したホール素子６ｂ、６ｃとを備える。ホール素子４ｂ、４ｃ、６ｂ、６ｃは回転角度検出装置１に固定されている。
【００２０】
リング状磁石４ａは、Ｓ極の部分とＮ極の部分が交互に１箇所ずつ配置され、主歯車２の回転方向において正弦波状に連続的かつ周期的に強度が変化する磁場を発生するように着磁されている２極の磁石である。ホール素子４ｂ、４ｃは主歯車２の回転に対応して強度が変化する磁場を検出し、それぞれ磁場強度に対応した電圧信号を出力する。磁場強度の変化の周期すなわちホール素子４ｂ、４ｃが出力する電圧信号の周期は３６０度である。同様に、円板状磁石６ａも、Ｓ極の部分とＮ極の部分が交互に１箇所ずつ配置され、副歯車３の回転方向において正弦波状に連続的かつ周期的に強度が変化する磁場を発生するように着磁されている２極の磁石である。ホール素子６ｂ、６ｃは副歯車３の回転に対応して強度が変化する磁場を検出し、それぞれ周期が３６０度の磁場強度に対応した電圧信号を出力する。
【００２１】
図２は、図１に示す主回転検出機構４、副回転検出機構６、信号処理手段５、７、演算処理手段８の構成を示すブロック図である。ホール素子４ｂ、４ｃは増幅器Ａ１により増幅した電圧が印加され、主歯車２の回転に対応した強度の磁場を検出し、検出した磁場強度に対応した電圧値を有する電圧信号を出力する。増幅器Ａ２、Ａ３はホール素子４ｂ、４ｃが出力する電圧信号を増幅して電圧値であるＳ１、Ｓ２を、マイクロコントローラを備える信号処理手段５に出力する。信号処理手段５は電圧信号の周期を変換し、電圧値Ｓ１、Ｓ２を用いて変換後の周期における主歯車２の回転角度であるθ１を算出し、マイクロコントローラを備える演算処理手段８に出力する。
【００２２】
同様に、増幅器Ａ４により増幅した電圧を印加したホール素子６ｂ、６ｃは検出した磁場強度に応じた電圧値を有する電圧信号を出力する。増幅器Ａ５、Ａ６はホール素子６ｂ、６ｃが出力する電圧信号を増幅して電圧値であるＳ３、Ｓ４をマイクロコントローラを備える信号処理手段７に出力する。信号処理手段７は電圧信号の周期を変換し、電圧値Ｓ３、Ｓ４を用いて変換後の周期における副歯車３の回転角度を算出し、さらにこの回転角度に回転比５／９を乗じた角度であるθ２を算出し、演算処理手段８に出力する。そして、演算処理手段８はθ１、θ２を用いてステアリングシャフトＸの回転角度Φを算出する。
【００２３】
以下に図３〜５を参照して回転角度検出装置１がステアリングシャフトＸの回転角度を検出する方法について具体的に説明する。まず、図３を参照して主歯車２の回転角度を算出する方法について説明する。信号処理手段５に入力する電圧信号の電圧値であるＳ１、Ｓ２はたとえば図３の上段のグラフに示すような３６０度を周期とする正弦曲線Ｌ１、Ｌ２上の各１点に対応する。なお、このグラフにおいて横軸は任意の位置を基準とした主歯車２の回転角度を示し、縦軸は電圧信号の電圧を示す。また、ホール素子４ｂ、４ｃは主歯車２の回転中心のまわりに９０度の角度をなすように配置されているので、正弦曲線Ｌ１、Ｌ２の位相差は９０度である。
【００２４】
つぎに、信号処理手段５は、電圧値Ｓ１、Ｓ２を下記の式（５）、（６）を用いて規格化する。規格化した値をＭ１、Ｍ２とすると、
Ｍ１＝（Ｓ１−Ｓ１ａｖｇ）／Ｓ１ｐ ・・・ （５）
Ｍ２＝（Ｓ２−Ｓ２ａｖｇ）／Ｓ２ｐ ・・・ （６）
【００２５】
ただし、Ｓ１ａｖｇ、Ｓ２ａｖｇはそれぞれ電圧信号の１周期における最大値と最小値との平均値、Ｓ１ｐ、Ｓ２ｐはそれぞれ電圧信号の１周期における最大値と最小値との差である。Ｓ１ａｖｇ、Ｓ２ａｖｇ、Ｓ１ｐ、Ｓ２ｐについては、回転角度検出装置１の組み立て調整時に主歯車２を１回転させて電圧信号のデータを取得し、そのデータから各値を求め、信号処理手段５に記憶させておく。以上のように求めた規格化値Ｍ１、Ｍ２は図３の中段のグラフに示すような３６０度を周期とする正弦曲線Ｌ３、Ｌ４上の各１点に対応する。なお、このグラフにおいて横軸は任意の位置を基準とした主歯車２の回転角度を示し、縦軸は規格化値を示す。
【００２６】
つぎに、信号処理手段５は、電圧信号の周期を３６０度から１８０度に変換する。変換した周期をＴ１とするとＴ１＝１８０度である。そして、信号処理手段５は、規格化値Ｍ１、Ｍ２を用いてこの変換した周期Ｔ１における主歯車２の回転角度であるθ１を算出する。θ１の算出は例えば以下のように行うことができる。
【００２７】
まず、式（７）を用いてθを算出する。
θ＝Ａｒｃｔａｎ（Ｍ１／Ｍ２）＋α ・・・ （７）
ただし、Ｍ２＞０の場合、α＝９０度、Ｍ２＜０の場合、α＝２７０度であり、Ｍ２＝０の場合、Ｍ１＞０ならばθ＝１８０度、Ｍ１＜０ならばθ＝０度である。
そして、θが１８０度以下ならばθ１＝θとし、θが１８０度より大きければθ１＝θ−１８０とし、３６０度の周期を半分の１８０度周期に変換する。
【００２８】
以上の方法で算出した角度θ１は図３の下段のグラフに示すような１８０度を周期とするノコギリ状曲線Ｌ５上の１点に対応する。なお、このグラフにおいて横軸は任意の位置を基準とした主歯車２の回転角度を示し、縦軸は主歯車２の算出した回転角度を示す。
【００２９】
つぎに副歯車３の回転角度を算出する方法について説明するが、この方法は主歯車２の回転角度を算出する方法とほぼ同様である。信号処理手段７に入力する電圧信号の電圧値であるＳ３、Ｓ４はたとえば図４の上段のグラフに示すような３６０度を周期とする正弦曲線Ｌ６、Ｌ７上の各１点に対応する。なお、このグラフにおいて横軸は任意の位置を基準とした副歯車３の回転角度を示し、縦軸は電圧信号の電圧を示す。また、正弦曲線Ｌ６、Ｌ７の位相差は９０度である。
【００３０】
つぎに、信号処理手段７は、電圧信号Ｓ３、Ｓ４を下記の式（８）、（９）を用いて値Ｍ３、Ｍ４に規格化する。
Ｍ３＝（Ｓ３−Ｓ３ａｖｇ）／Ｓ３ｐ ・・・ （８）
Ｍ４＝（Ｓ４−Ｓ４ａｖｇ）／Ｓ４ｐ ・・・ （９）
【００３１】
ただし、Ｓ３ａｖｇ、Ｓ４ａｖｇはそれぞれ電圧信号の最大値と最小値との平均値、Ｓ３ｐ、Ｓ４ｐはそれぞれ電圧信号の最大値と最小値との差であり、回転角度検出装置１の組み立て調整時に副歯車３を１回転させて電圧信号のデータを取得し、そのデータから各値を求め、信号処理手段７に記憶させておく。規格化値Ｍ３、Ｍ４は図４の中段のグラフに示すような３６０度を周期とする正弦曲線Ｌ８、Ｌ９上の各１点に対応する。なお、横軸は任意の位置を基準とした副歯車３の回転角度を示し、縦軸は規格化値を示す。
【００３２】
つぎに、信号処理手段７は、電圧信号の周期を３６０度から３６０度に変換し、ギヤ比５／９を乗じる。つまり、変換した周期にギヤ比を乗じた周期をＴ２とするとＴ２＝３６０×５／９＝２００度である。このように、本明細書では、信号の周期の変換とは同一の周期に変換する場合も含むものとする。
【００３３】
そして、信号処理手段７は、規格化値Ｍ３、Ｍ４を用いて周期Ｔ２における副歯車３の回転角度を算出し、さらに回転角度にギヤ比を乗じた角度であるθ２を算出する。θ２の算出は例えば以下のように行うことができる。
【００３４】
まず、式（１０）を用いてθを算出する。
θ＝Ａｒｃｔａｎ（Ｍ３／Ｍ４）＋α ・・・ （１０）
ただし、Ｍ４＞０の場合、α＝９０度、Ｍ４＜０の場合、α＝２７０度であり、Ｍ４＝０の場合、Ｍ３＞０ならばθ＝１８０度、Ｍ３＜ならばθ＝０度である。
そして、θにギヤ比５／９を乗じてθ２を算出する。
【００３５】
以上の方法で算出した角度θ２は図４の下段のグラフに示すような２００度を周期とするノコギリ状曲線Ｌ１０上の１点に対応する。なお、このグラフにおいて横軸は任意の位置を基準とした副歯車３の回転角度を示し、縦軸は副歯車３の算出した回転角度にギヤ比を乗じた角度を示す。
【００３６】
つぎに、信号処理手段５、７は上記のように求めた角度θ１、θ２をそれぞれ演算処理手段８に出力する。本実施の形態に係る回転角度検出装置１においては上記のようにＴ１＝１８０度、Ｔ２＝２００度であるから、演算処理手段８は周期Ｔ１、Ｔ２の周期差の絶対値をｄ＝｜Ｔ１−Ｔ２｜として式（１）および（２）を用いてステアリングシャフトＸの回転角度であるΦを算出する。
【００３７】
θ２≦θ１の場合は、
Φ＝θ１＋Ｔ１（θ１−θ２）／ｄ ・・・ （１）
θ２＞θ１の場合は、
Φ＝θ１＋Ｔ１（θ１−θ２）／ｄ＋Ｔ１・Ｔ２／ｄ ・・・ （２）
【００３８】
ここで、θ２≦θ１の場合に角度θ１、θ２、周期Ｔ１、Ｔ２、周期差ｄ、回転角度Φの関係について図５を参照して説明する。図５の横軸はステアリングシャフトＸの回転角度の検出角度範囲Ｒ＝Ｔ１・Ｔ２／｜Ｔ１−Ｔ２｜＝１８００度を示す。ノコギリ状曲線Ｌ１１は図３のノコギリ状曲線Ｌ５を検出角度範囲Ｒ内に１０周期分並べたものである。ただし、縦軸は１周期に対する比率を表し、角度が１８０度のとき比率が１００％となる。一方、ノコギリ状曲線Ｌ１２は図４のノコギリ状曲線Ｌ１０を検出角度範囲Ｒ内に９周期分並べたものである。ただし、縦軸は１周期に対する比率を表し、角度が２００度のとき比率が１００％とする。なお、回転角度Φはノコギリ状曲線Ｌ１１とＬ１２の位相が一致する位置を０度とする。このときΦが１８００度の位置においてもノコギリ状曲線Ｌ１１とＬ１２の位相が一致する。
【００３９】
たとえば、主歯車２、副歯車３について図５に示すようにそれぞれ角度θ１、θ２が算出されたとする。一方、式（１）を用いて回転角度Φが算出されたとする。この場合、主歯車２と副歯車３との相対回転角度である（θ１−θ２）は回転角度Φにおけるノコギリ状曲線Ｌ１１、Ｌ１２の位相のずれを示す。また、ノコギリ状曲線Ｌ１１とＬ１２は主歯車２が１周期分回転する毎に周期差ｄだけ位相がずれるから、（θ１−θ２）／ｄは回転角度Φが主歯車の何周期分の回転を含むかを示す数式であり、整数の値をとる。具体的には、主歯車２、副歯車３について周期Ｔ１、Ｔ２はそれぞれ１８０度、２００度であるから、ｄ＝２０度である。すなわち、主歯車２が１周期分回転するとノコギリ状曲線Ｌ１１とＬ１２の位相が２０度ずれる。図５では、回転角度Φは主歯車が３周期分回転した状態からさらに角度θ１だけ回転した値であるから、（θ１−θ２）／ｄ＝３である。つまり、角度θ１、θ２、周期Ｔ１、Ｔ２、周期差ｄ、回転角度Φが上記のような関係を有するので、式（１）を用いて回転角度Φを算出することができる。
【００４０】
なお、θ２＞θ１の場合は、回転角度Φが主歯車の何周期分の回転を含むかを示し整数の値をとる数式は｛Ｔ２−（θ２−θ１）｝／ｄとなるので、式（２）を用いて回転角度Φを算出する。
【００４１】
また、式（１）と下記式（１ａ）、式（２）と下記式（２ａ）は等価な式であるから、式（１）の代わりに式（１ａ）を用いて回転角度Φを算出してもよいし、式（２）の代わりに式（２ａ）を用いても回転角度Φを算出できる。
Φ＝θ２＋Ｔ２（θ１−θ２）／ｄ ・・・ （１ａ）
Φ＝θ２＋Ｔ２（θ１−θ２）／ｄ＋Ｔ１・Ｔ２／ｄ ・・・ （２ａ）
【００４２】
上記のように、検出角度範囲ＲはＲ＝Ｔ１・Ｔ２／｜Ｔ１−Ｔ２｜で表される。すなわち、検出角度範囲Ｒは周期Ｔ１とＴ２の最小公倍数である。したがって、周期Ｔ１、Ｔ２は所望の検出角度範囲Ｒとなるように決定する必要がある。また、周期差ｄは回転角度Φが主歯車の何周期分の回転を含むかを決定するために用いられるので、角度θ1、θ２の検出に許容される誤差は周期差ｄで表される。この許容誤差は回転角度検出装置の組み立て精度や温度特性などに応じて所望の値に設定する。したがって、周期Ｔ１、Ｔ２は所望の許容誤差すなわち周期差ｄとなるように決定する必要がある。
【００４３】
しかし、本発明に係る回転角度検出装置１は信号処理の際に電圧信号の周期を変換して所望の周期Ｔ１、Ｔ２を得ることができる。したがって、周期差ｄと検出角度範囲Ｒとが所望の値になるように周期Ｔ１、Ｔ２を決定することができる。その結果、検出角度範囲Ｒおよび周期差ｄは主回転検出機構４および副回転検出機構６が発生する信号の周期やギヤ比などによって一意に固定されるものではなく、高い自由度で設定することができるものとなる。
【００４４】
以上説明したように、本実施の形態に係る回転角度検出装置１は、主回転検出機構４および副回転検出機構６が出力する信号の周期を変換し、この信号を用いて変換した周期における主歯車２および副歯車３の回転角度を算出し、算出した回転角度と、主歯車２と副歯車３との相対回転角度と、変換した信号の周期とに基づいてステアリングシャフトＸの回転角度を算出する。その結果、主回転検出機構、副回転検出機構、および主歯車と副歯車とのギヤ比などを高い自由度で設計することができる。
【００４５】
また、回転角度検出装置１は副歯車を１つだけ用いるので、副歯車３と主歯車２との間に発生する歯車のバックラッシによる回転の検出誤差が主歯車２の回転角度の誤差として重畳することはなく、より正確にステアリングシャフトＸの回転角度を検出できる。さらに、従来の回転角度検出装置よりも部品点数を減らすことができ、一層小型、軽量で低コストの回転角度検出装置となる。さらに、回転角度検出装置１は磁気検出素子としてホール素子を用いているので、より一層小型化、軽量化、低コスト化が可能となる。
【００４６】
また、回転角度検出装置１においては、主回転検出機構４および副回転検出機構６は主歯車２または副歯車３の回転に対応して周期的に変化する連続したアナログ信号を出力するものである。したがって、特許文献２に記載のデジタル信号を出力するエンコーダの場合よりも小型化できる。さらに、主歯車２および副歯車３の回転角度の検出をする際に連続したアナログ信号を用いるので、離散化したデジタル信号を用いる場合よりも分解能が高い角度検出ができる。
【００４７】
つぎに、実施の形態において、検出角度範囲Ｒが１８００度の場合について周期Ｔ１をさまざまに変化させた場合の周期Ｔ２、ギヤ比、許容誤差を図６に示す。なお、実施の形態ではＴ１＜Ｔ２であるので、ステアリングシャフトＸの回転角度の算出の際に式（１）、（２）を用いたが、電圧信号の周期の変換によりＴ１＞Ｔ２となる場合には下記の式（３）、（４）を用いて回転角度を算出した。
θ１≦θ２の場合は、
Φ＝θ１＋Ｔ１（θ２−θ１）／ｄ ・・・ （３）
θ１＞θ２の場合は、
Φ＝θ１＋Ｔ１（θ２−θ１）／ｄ＋Ｔ１・Ｔ２／ｄ ・・・ （４）
【００４８】
図６において、項目番号「１」〜「６」はそれぞれ周期Ｔ１が３６０／ｎ（ｎは１〜６の整数）の場合に対応する。Ｒ＝Ｔ１・Ｔ２／｜Ｔ１−Ｔ２｜であるから、Ｒ＝１８００を満足するために各Ｔ１に対してＴ１＜Ｔ２またはＴ１＞Ｔ２となる２つのＴ２が存在する。そして各Ｔ２に対してギヤ比ｋ＝ｍ・Ｔ２／３６０と許容誤差が定まる。なお、ｍは３６０を副回転検出機構の信号の周期で除したものである。図６においてはｍ＝１としている。
【００４９】
ギヤ比は小さいほうが副歯車を小さくできそれによって装置の小型化、軽量化が実現できるので好ましい。一方、許容誤差が大きければ装置の組み立て精度や温度特性による角度θ1、θ２の検出誤差の許容量が大きくなり好ましい。図６に示すように、ギヤ比と許容誤差はトレードオフの関係にあるが、本実施の形態に係る回転角度検出装置１においては、主回転検出機構および副回転検出機構の信号の周期を変換することにより、ギヤ比と許容誤差を最適な値とすることができる。
【００５０】
なお、上記実施の形態では磁気検出素子としてホール素子を用いたが、回転角度検出装置の用途に応じて温度特性が小さく角度分解能が高い磁気抵抗素子を用いてもよい。また、上記実施の形態は主回転検出機構および副回転検出機構として連続したアナログ信号を出力するものを用いた回転角度検出装置であるが、主回転検出機構または副回転検出機構としてエンコーダなどのデジタル信号を出力するものを用い、出力したデジタル信号を信号処理する回転角度検出装置でもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明の実施の形態に係る回転角度検出装置を模式的に表した断面概略図である。
【図２】図１に示す主回転検出機構、副回転検出機構、信号処理手段、演算処理手段の構成を示すブロック図である。
【図３】実施の形態に係る回転角度検出装置において主歯車の回転角度を算出する方法を説明する図である。
【図４】実施の形態に係る回転角度検出装置において副歯車の回転角度を算出する方法を説明する図である。
【図５】θ２≦θ１の場合に角度θ１、θ２、周期Ｔ１、Ｔ２、周期差ｄ、回転角度Φの関係について説明する図である。
【図６】実施の形態において、検出角度範囲Ｒが１８００度の場合について周期Ｔ１をさまざまに変化させた場合の周期Ｔ２、ギヤ比、許容誤差を示す図である。
【符号の説明】
【００５２】
１ 回転角度検出装置
２ 主歯車
３ 副歯車
４ 主回転検出機構
４ａ リング状磁石
４ｂ、４ｃ ホール素子
５、７ 信号処理手段
６ 副回転検出機構
６ａ 円板状磁石
６ｂ、６ｃ ホール素子
８ 演算処理手段
９ ハウジング
Ａ１〜Ａ６ 増幅器
Ｌ１〜Ｌ１２ 曲線
Ｘ ステアリングシャフト
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転体の回転角度を検出する回転角度検出装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
例えば、自動車のステアリングシャフトなどの回転体に取り付けて回転体の回転角度を検出する回転角度検出装置が開示されている。
【０００３】
特許文献１が開示する従来の回転角度検出装置は、回転体と共に回転する主回転体と、この主回転体と連動して回転する２つの副回転体とを備える。主回転体および２つの副回転体はそれぞれ互いに歯数の異なる歯車を備え、各副回転体の歯車はそれぞれ主回転体の歯車と噛み合っている。また、各副回転体はそれぞれ磁石を備えるとともに、各磁石の磁場を検出するＡＭＲセンサ（異方性磁気抵抗素子）を備える。そして、各ＡＭＲセンサが出力する各副回転体の回転角度の検出信号の間の位相差などを利用して回転体の回転角度を算出する。
【０００４】
一方、特許文献２が開示する従来の回転角度検出装置は、回転体によって回転される回転板と、回転体または回転板によって回転板よりも多い回転数で回転される歯車とを備える。そして、回転板には光センサを用いたアブソリュート信号型エンコーダが設けられ、このエンコーダが回転板の１回転を１周期とするコード信号を回転板の回転角度検出信号として出力する。また、歯車には磁石と磁気抵抗素子とを用いた磁気センサが設けられ、この磁気センサが歯車の１回転を１周期とするアナログ信号を歯車の回転角度検出信号として出力する。そして、これらのエンコーダと磁気センサとが出力する各回転角度検出信号の組み合わせから回転体の回転角度を算出する。
【０００５】
【特許文献１】特表２００１−５０５６６７号公報
【特許文献２】特開２００２−９８５２２５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、従来の回転角度検出装置は、回転体の回転角度を算出するために用いる検出信号間の位相差が各副回転体に備えた磁石の特性やギヤ比などで一意に決定されるため、設計の自由度が低いという問題があった。
【０００７】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、設計の自由度が高い回転角度検出装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る回転角度検出装置は、被検出回転体の回転角度を検出する回転角度検出装置であって、前記被検出回転体に取り付け該被検出回転体と共に回転する主回転体と、前記主回転体に対して所定の回転比で回転する副回転体と、前記主回転体の回転に対応して周期的に変化する信号を出力する主回転検出機構と、前記副回転体の回転に対応して周期的に変化する信号を出力する副回転検出機構と、前記主回転検出機構および前記副回転検出機構が出力する信号の周期を変換し該信号を用いて該変換した周期における前記主回転体および前記副回転体の回転角度を算出する信号処理手段と、前記算出した主回転体または副回転体の回転角度と、前記主回転体と前記副回転体との相対回転角度と、前記変換した周期とに基づいて前記被検出回転体の回転角度を算出する演算処理手段と、を備えることを特徴とする。
【０００９】
また、本発明に係る回転角度検出装置は、被検出回転体の回転角度を検出する回転角度検出装置であって、前記被検出回転体に取り付け該被検出回転体と共に回転する主回転体と、前記主回転体に対して所定の回転比で回転する副回転体と、前記主回転体の回転に対応して周期的に変化する連続した信号を出力する主回転検出機構と、前記副回転体の回転に対応して周期的に変化する連続した信号を出力する副回転検出機構と、前記主回転検出機構および前記副回転検出機構が出力する信号を用いて前記主回転体および前記副回転体の回転角度を算出する信号処理手段と、前記算出した主回転体または副回転体の回転角度と、前記主回転体と前記副回転体との相対回転角度と、前記主回転検出機構および前記副回転検出機構が出力する信号の周期とに基づいて前記被検出回転体の回転角度を算出する演算処理手段と、を備えることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明に係る回転角度検出装置は、上記の発明において、前記主回転検出機構または前記副回転検出機構は、前記主回転体または前記副回転体に取り付けられ回転方向において連続的かつ周期的に強度が変化する磁場を発生する磁石と、前記磁石の近傍に前記主回転体または前記副回転体の回転中心のまわりに所定の角度をなすように配置した２つの磁気検出素子と、を備えることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明に係る回転角度検出装置は、上記の発明において、前記磁気検出素子は、ホール素子であることを特徴とする。
【００１２】
また、本発明に係る回転角度検出装置は、上記の発明において、前記磁気検出素子は、磁気抵抗素子であることを特徴とする。
【００１３】
また、本発明に係る回転角度検出装置は、上記の発明において、前記変換した周期は、前記主回転体および前記副回転体の回転角度の許容誤差と前記被検出回転体の回転角度の検出角度範囲とが所望の値になるように決定された周期であることを特徴とする。
【００１４】
また、本発明に係る回転角度検出装置は、上記の発明において、前記演算処理手段は、前記算出した主回転体の回転角度をθ１、前記算出した副回転体の回転角度に前記所定の回転比を乗じた角度をθ２、前記変換した主回転検出機構の信号の周期をＴ１、前記変換した副回転検出機構の信号の周期に前記所定の回転比を乗じた周期をＴ２（Ｔ１≠Ｔ２）、周期Ｔ１とＴ２の差の絶対値｜Ｔ１−Ｔ２｜をｄとして、下記の式（１）〜（４）を用いて前記被検出回転体の回転角度Φを算出することを特徴とする。
Ｔ１＜Ｔ２、θ２≦θ１の場合は、
Φ＝θ１＋Ｔ１（θ１−θ２）／ｄ ・・・ （１）
Ｔ１＜Ｔ２、θ２＞θ１の場合は、
Φ＝θ１＋Ｔ１（θ１−θ２）／ｄ＋Ｔ１・Ｔ２／ｄ ・・・ （２）
Ｔ１＞Ｔ２、θ１≦θ２の場合は、
Φ＝θ１＋Ｔ１（θ２−θ１）／ｄ ・・・ （３）
Ｔ１＞Ｔ２、θ１＞θ２の場合は、
Φ＝θ１＋Ｔ１（θ２−θ１）／ｄ＋Ｔ１・Ｔ２／ｄ ・・・ （４）
【発明の効果】
【００１５】
本発明に係る回転角度検出装置は、主回転体および副回転体の回転に対応して周期的に変化する信号の周期を変換し該信号を用いて該変換した周期における主回転体および副回転体の回転角度を算出し、算出した回転角度と、主回転体と副回転体との相対回転角度と、変換した周期とに基づいて被検出回転体の回転角度を算出するので、主回転検出機構、副回転検出機構、および主回転体と副回転体との回転比などを高い自由度で設計することができる。その結果、設計の自由度が高い回転角度検出装置を実現できるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下に、図面を参照して本発明に係る回転角度検出装置の実施の形態を詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００１７】
（実施の形態）
図１は、本発明の実施の形態に係る回転角度検出装置を模式的に表した断面概略図である。本実施の形態に係る回転角度検出装置は、被検出回転体である自動車のステアリングシャフトの回転角度を検出するものである。
【００１８】
図１に示すように、回転角度検出装置１は、紙面と垂直の方向に延びたステアリングシャフトＸを中心部の孔に嵌めることにより取り付けて固定し、ステアリングシャフトＸと共に回転する主回転体であるリング状の主歯車２と、主歯車２と噛み合って主歯車２に対して所定の回転比で回転する副回転体である副歯車３と、主歯車２の回転に対応して周期的に変化する信号を出力する主回転検出機構４と、主回転検出機構４が出力する信号の周期を変換し、この信号を用いて変換した周期における主歯車２の回転角度を算出する信号処理手段５と、副歯車３の回転に対応して周期的に変化する信号を出力する副回転検出機構６と、副回転検出機構６が出力する信号の周期を変換し、この信号を用いて変換した周期における副歯車３の回転角度を算出する信号処理手段７と、信号処理手段５、７が算出した主歯車２および副歯車３の回転角度と、主歯車２と副歯車３との相対回転角度と、変換した周期とに基づいてステアリングシャフトＸの回転角度を算出する演算処理手段８とを備える。なお、主歯車２と副歯車３とのギヤ比すなわち回転比は５／９である。また、符号９は回転角度検出装置１のハウジングを示す。
【００１９】
主回転検出機構４は、主歯車２に取り付けられたリング状の磁石４ａと、リング状磁石４ａの表面から０．５ｍｍだけ離れた位置に主歯車２の回転中心のまわりに９０度の角度をなすように配置したホール素子４ｂ、４ｃとを備える。同様に、副回転検出機構６は、副歯車３に取り付けられた円板状の磁石６ａと、円板状磁石６ａの表面から０．５ｍｍだけ離れた位置に副歯車３の回転中心のまわりに９０度の角度をなすように配置したホール素子６ｂ、６ｃとを備える。ホール素子４ｂ、４ｃ、６ｂ、６ｃは回転角度検出装置１に固定されている。
【００２０】
リング状磁石４ａは、Ｓ極の部分とＮ極の部分が交互に１箇所ずつ配置され、主歯車２の回転方向において正弦波状に連続的かつ周期的に強度が変化する磁場を発生するように着磁されている２極の磁石である。ホール素子４ｂ、４ｃは主歯車２の回転に対応して強度が変化する磁場を検出し、それぞれ磁場強度に対応した電圧信号を出力する。磁場強度の変化の周期すなわちホール素子４ｂ、４ｃが出力する電圧信号の周期は３６０度である。同様に、円板状磁石６ａも、Ｓ極の部分とＮ極の部分が交互に１箇所ずつ配置され、副歯車３の回転方向において正弦波状に連続的かつ周期的に強度が変化する磁場を発生するように着磁されている２極の磁石である。ホール素子６ｂ、６ｃは副歯車３の回転に対応して強度が変化する磁場を検出し、それぞれ周期が３６０度の磁場強度に対応した電圧信号を出力する。
【００２１】
図２は、図１に示す主回転検出機構４、副回転検出機構６、信号処理手段５、７、演算処理手段８の構成を示すブロック図である。ホール素子４ｂ、４ｃは増幅器Ａ１により増幅した電圧が印加され、主歯車２の回転に対応した強度の磁場を検出し、検出した磁場強度に対応した電圧値を有する電圧信号を出力する。増幅器Ａ２、Ａ３はホール素子４ｂ、４ｃが出力する電圧信号を増幅して電圧値であるＳ１、Ｓ２を、マイクロコントローラを備える信号処理手段５に出力する。信号処理手段５は電圧信号の周期を変換し、電圧値Ｓ１、Ｓ２を用いて変換後の周期における主歯車２の回転角度であるθ１を算出し、マイクロコントローラを備える演算処理手段８に出力する。
【００２２】
同様に、増幅器Ａ４により増幅した電圧を印加したホール素子６ｂ、６ｃは検出した磁場強度に応じた電圧値を有する電圧信号を出力する。増幅器Ａ５、Ａ６はホール素子６ｂ、６ｃが出力する電圧信号を増幅して電圧値であるＳ３、Ｓ４をマイクロコントローラを備える信号処理手段７に出力する。信号処理手段７は電圧信号の周期を変換し、電圧値Ｓ３、Ｓ４を用いて変換後の周期における副歯車３の回転角度を算出し、さらにこの回転角度に回転比５／９を乗じた角度であるθ２を算出し、演算処理手段８に出力する。そして、演算処理手段８はθ１、θ２を用いてステアリングシャフトＸの回転角度Φを算出する。
【００２３】
以下に図３〜５を参照して回転角度検出装置１がステアリングシャフトＸの回転角度を検出する方法について具体的に説明する。まず、図３を参照して主歯車２の回転角度を算出する方法について説明する。信号処理手段５に入力する電圧信号の電圧値であるＳ１、Ｓ２はたとえば図３の上段のグラフに示すような３６０度を周期とする正弦曲線Ｌ１、Ｌ２上の各１点に対応する。なお、このグラフにおいて横軸は任意の位置を基準とした主歯車２の回転角度を示し、縦軸は電圧信号の電圧を示す。また、ホール素子４ｂ、４ｃは主歯車２の回転中心のまわりに９０度の角度をなすように配置されているので、正弦曲線Ｌ１、Ｌ２の位相差は９０度である。
【００２４】
つぎに、信号処理手段５は、電圧値Ｓ１、Ｓ２を下記の式（５）、（６）を用いて規格化する。規格化した値をＭ１、Ｍ２とすると、
Ｍ１＝（Ｓ１−Ｓ１ａｖｇ）／Ｓ１ｐ ・・・ （５）
Ｍ２＝（Ｓ２−Ｓ２ａｖｇ）／Ｓ２ｐ ・・・ （６）
【００２５】
ただし、Ｓ１ａｖｇ、Ｓ２ａｖｇはそれぞれ電圧信号の１周期における最大値と最小値との平均値、Ｓ１ｐ、Ｓ２ｐはそれぞれ電圧信号の１周期における最大値と最小値との差である。Ｓ１ａｖｇ、Ｓ２ａｖｇ、Ｓ１ｐ、Ｓ２ｐについては、回転角度検出装置１の組み立て調整時に主歯車２を１回転させて電圧信号のデータを取得し、そのデータから各値を求め、信号処理手段５に記憶させておく。以上のように求めた規格化値Ｍ１、Ｍ２は図３の中段のグラフに示すような３６０度を周期とする正弦曲線Ｌ３、Ｌ４上の各１点に対応する。なお、このグラフにおいて横軸は任意の位置を基準とした主歯車２の回転角度を示し、縦軸は規格化値を示す。
【００２６】
つぎに、信号処理手段５は、電圧信号の周期を３６０度から１８０度に変換する。変換した周期をＴ１とするとＴ１＝１８０度である。そして、信号処理手段５は、規格化値Ｍ１、Ｍ２を用いてこの変換した周期Ｔ１における主歯車２の回転角度であるθ１を算出する。θ１の算出は例えば以下のように行うことができる。
【００２７】
まず、式（７）を用いてθを算出する。
θ＝Ａｒｃｔａｎ（Ｍ１／Ｍ２）＋α ・・・ （７）
ただし、Ｍ２＞０の場合、α＝９０度、Ｍ２＜０の場合、α＝２７０度であり、Ｍ２＝０の場合、Ｍ１＞０ならばθ＝１８０度、Ｍ１＜０ならばθ＝０度である。
そして、θが１８０度以下ならばθ１＝θとし、θが１８０度より大きければθ１＝θ−１８０とし、３６０度の周期を半分の１８０度周期に変換する。
【００２８】
以上の方法で算出した角度θ１は図３の下段のグラフに示すような１８０度を周期とするノコギリ状曲線Ｌ５上の１点に対応する。なお、このグラフにおいて横軸は任意の位置を基準とした主歯車２の回転角度を示し、縦軸は主歯車２の算出した回転角度を示す。
【００２９】
つぎに副歯車３の回転角度を算出する方法について説明するが、この方法は主歯車２の回転角度を算出する方法とほぼ同様である。信号処理手段７に入力する電圧信号の電圧値であるＳ３、Ｓ４はたとえば図４の上段のグラフに示すような３６０度を周期とする正弦曲線Ｌ６、Ｌ７上の各１点に対応する。なお、このグラフにおいて横軸は任意の位置を基準とした副歯車３の回転角度を示し、縦軸は電圧信号の電圧を示す。また、正弦曲線Ｌ６、Ｌ７の位相差は９０度である。
【００３０】
つぎに、信号処理手段７は、電圧信号Ｓ３、Ｓ４を下記の式（８）、（９）を用いて値Ｍ３、Ｍ４に規格化する。
Ｍ３＝（Ｓ３−Ｓ３ａｖｇ）／Ｓ３ｐ ・・・ （８）
Ｍ４＝（Ｓ４−Ｓ４ａｖｇ）／Ｓ４ｐ ・・・ （９）
【００３１】
ただし、Ｓ３ａｖｇ、Ｓ４ａｖｇはそれぞれ電圧信号の最大値と最小値との平均値、Ｓ３ｐ、Ｓ４ｐはそれぞれ電圧信号の最大値と最小値との差であり、回転角度検出装置１の組み立て調整時に副歯車３を１回転させて電圧信号のデータを取得し、そのデータから各値を求め、信号処理手段７に記憶させておく。規格化値Ｍ３、Ｍ４は図４の中段のグラフに示すような３６０度を周期とする正弦曲線Ｌ８、Ｌ９上の各１点に対応する。なお、横軸は任意の位置を基準とした副歯車３の回転角度を示し、縦軸は規格化値を示す。
【００３２】
つぎに、信号処理手段７は、電圧信号の周期を３６０度から３６０度に変換し、ギヤ比５／９を乗じる。つまり、変換した周期にギヤ比を乗じた周期をＴ２とするとＴ２＝３６０×５／９＝２００度である。このように、本明細書では、信号の周期の変換とは同一の周期に変換する場合も含むものとする。
【００３３】
そして、信号処理手段７は、規格化値Ｍ３、Ｍ４を用いて周期Ｔ２における副歯車３の回転角度を算出し、さらに回転角度にギヤ比を乗じた角度であるθ２を算出する。θ２の算出は例えば以下のように行うことができる。
【００３４】
まず、式（１０）を用いてθを算出する。
θ＝Ａｒｃｔａｎ（Ｍ３／Ｍ４）＋α ・・・ （１０）
ただし、Ｍ４＞０の場合、α＝９０度、Ｍ４＜０の場合、α＝２７０度であり、Ｍ４＝０の場合、Ｍ３＞０ならばθ＝１８０度、Ｍ３＜ならばθ＝０度である。
そして、θにギヤ比５／９を乗じてθ２を算出する。
【００３５】
以上の方法で算出した角度θ２は図４の下段のグラフに示すような２００度を周期とするノコギリ状曲線Ｌ１０上の１点に対応する。なお、このグラフにおいて横軸は任意の位置を基準とした副歯車３の回転角度を示し、縦軸は副歯車３の算出した回転角度にギヤ比を乗じた角度を示す。
【００３６】
つぎに、信号処理手段５、７は上記のように求めた角度θ１、θ２をそれぞれ演算処理手段８に出力する。本実施の形態に係る回転角度検出装置１においては上記のようにＴ１＝１８０度、Ｔ２＝２００度であるから、演算処理手段８は周期Ｔ１、Ｔ２の周期差の絶対値をｄ＝｜Ｔ１−Ｔ２｜として式（１）および（２）を用いてステアリングシャフトＸの回転角度であるΦを算出する。
【００３７】
θ２≦θ１の場合は、
Φ＝θ１＋Ｔ１（θ１−θ２）／ｄ ・・・ （１）
θ２＞θ１の場合は、
Φ＝θ１＋Ｔ１（θ１−θ２）／ｄ＋Ｔ１・Ｔ２／ｄ ・・・ （２）
【００３８】
ここで、θ２≦θ１の場合に角度θ１、θ２、周期Ｔ１、Ｔ２、周期差ｄ、回転角度Φの関係について図５を参照して説明する。図５の横軸はステアリングシャフトＸの回転角度の検出角度範囲Ｒ＝Ｔ１・Ｔ２／｜Ｔ１−Ｔ２｜＝１８００度を示す。ノコギリ状曲線Ｌ１１は図３のノコギリ状曲線Ｌ５を検出角度範囲Ｒ内に１０周期分並べたものである。ただし、縦軸は１周期に対する比率を表し、角度が１８０度のとき比率が１００％となる。一方、ノコギリ状曲線Ｌ１２は図４のノコギリ状曲線Ｌ１０を検出角度範囲Ｒ内に９周期分並べたものである。ただし、縦軸は１周期に対する比率を表し、角度が２００度のとき比率が１００％とする。なお、回転角度Φはノコギリ状曲線Ｌ１１とＬ１２の位相が一致する位置を０度とする。このときΦが１８００度の位置においてもノコギリ状曲線Ｌ１１とＬ１２の位相が一致する。
【００３９】
たとえば、主歯車２、副歯車３について図５に示すようにそれぞれ角度θ１、θ２が算出されたとする。一方、式（１）を用いて回転角度Φが算出されたとする。この場合、主歯車２と副歯車３との相対回転角度である（θ１−θ２）は回転角度Φにおけるノコギリ状曲線Ｌ１１、Ｌ１２の位相のずれを示す。また、ノコギリ状曲線Ｌ１１とＬ１２は主歯車２が１周期分回転する毎に周期差ｄだけ位相がずれるから、（θ１−θ２）／ｄは回転角度Φが主歯車の何周期分の回転を含むかを示す数式であり、整数の値をとる。具体的には、主歯車２、副歯車３について周期Ｔ１、Ｔ２はそれぞれ１８０度、２００度であるから、ｄ＝２０度である。すなわち、主歯車２が１周期分回転するとノコギリ状曲線Ｌ１１とＬ１２の位相が２０度ずれる。図５では、回転角度Φは主歯車が３周期分回転した状態からさらに角度θ１だけ回転した値であるから、（θ１−θ２）／ｄ＝３である。つまり、角度θ１、θ２、周期Ｔ１、Ｔ２、周期差ｄ、回転角度Φが上記のような関係を有するので、式（１）を用いて回転角度Φを算出することができる。
【００４０】
なお、θ２＞θ１の場合は、回転角度Φが主歯車の何周期分の回転を含むかを示し整数の値をとる数式は｛Ｔ２−（θ２−θ１）｝／ｄとなるので、式（２）を用いて回転角度Φを算出する。
【００４１】
また、式（１）と下記式（１ａ）、式（２）と下記式（２ａ）は等価な式であるから、式（１）の代わりに式（１ａ）を用いて回転角度Φを算出してもよいし、式（２）の代わりに式（２ａ）を用いても回転角度Φを算出できる。
Φ＝θ２＋Ｔ２（θ１−θ２）／ｄ ・・・ （１ａ）
Φ＝θ２＋Ｔ２（θ１−θ２）／ｄ＋Ｔ１・Ｔ２／ｄ ・・・ （２ａ）
【００４２】
上記のように、検出角度範囲ＲはＲ＝Ｔ１・Ｔ２／｜Ｔ１−Ｔ２｜で表される。すなわち、検出角度範囲Ｒは周期Ｔ１とＴ２の最小公倍数である。したがって、周期Ｔ１、Ｔ２は所望の検出角度範囲Ｒとなるように決定する必要がある。また、周期差ｄは回転角度Φが主歯車の何周期分の回転を含むかを決定するために用いられるので、角度θ1、θ２の検出に許容される誤差は周期差ｄで表される。この許容誤差は回転角度検出装置の組み立て精度や温度特性などに応じて所望の値に設定する。したがって、周期Ｔ１、Ｔ２は所望の許容誤差すなわち周期差ｄとなるように決定する必要がある。
【００４３】
しかし、本発明に係る回転角度検出装置１は信号処理の際に電圧信号の周期を変換して所望の周期Ｔ１、Ｔ２を得ることができる。したがって、周期差ｄと検出角度範囲Ｒとが所望の値になるように周期Ｔ１、Ｔ２を決定することができる。その結果、検出角度範囲Ｒおよび周期差ｄは主回転検出機構４および副回転検出機構６が発生する信号の周期やギヤ比などによって一意に固定されるものではなく、高い自由度で設定することができるものとなる。
【００４４】
以上説明したように、本実施の形態に係る回転角度検出装置１は、主回転検出機構４および副回転検出機構６が出力する信号の周期を変換し、この信号を用いて変換した周期における主歯車２および副歯車３の回転角度を算出し、算出した回転角度と、主歯車２と副歯車３との相対回転角度と、変換した信号の周期とに基づいてステアリングシャフトＸの回転角度を算出する。その結果、主回転検出機構、副回転検出機構、および主歯車と副歯車とのギヤ比などを高い自由度で設計することができる。
【００４５】
また、回転角度検出装置１は副歯車を１つだけ用いるので、副歯車３と主歯車２との間に発生する歯車のバックラッシによる回転の検出誤差が主歯車２の回転角度の誤差として重畳することはなく、より正確にステアリングシャフトＸの回転角度を検出できる。さらに、従来の回転角度検出装置よりも部品点数を減らすことができ、一層小型、軽量で低コストの回転角度検出装置となる。さらに、回転角度検出装置１は磁気検出素子としてホール素子を用いているので、より一層小型化、軽量化、低コスト化が可能となる。
【００４６】
また、回転角度検出装置１においては、主回転検出機構４および副回転検出機構６は主歯車２または副歯車３の回転に対応して周期的に変化する連続したアナログ信号を出力するものである。したがって、特許文献２に記載のデジタル信号を出力するエンコーダの場合よりも小型化できる。さらに、主歯車２および副歯車３の回転角度の検出をする際に連続したアナログ信号を用いるので、離散化したデジタル信号を用いる場合よりも分解能が高い角度検出ができる。
【００４７】
つぎに、実施の形態において、検出角度範囲Ｒが１８００度の場合について周期Ｔ１をさまざまに変化させた場合の周期Ｔ２、ギヤ比、許容誤差を図６に示す。なお、実施の形態ではＴ１＜Ｔ２であるので、ステアリングシャフトＸの回転角度の算出の際に式（１）、（２）を用いたが、電圧信号の周期の変換によりＴ１＞Ｔ２となる場合には下記の式（３）、（４）を用いて回転角度を算出した。
θ１≦θ２の場合は、
Φ＝θ１＋Ｔ１（θ２−θ１）／ｄ ・・・ （３）
θ１＞θ２の場合は、
Φ＝θ１＋Ｔ１（θ２−θ１）／ｄ＋Ｔ１・Ｔ２／ｄ ・・・ （４）
【００４８】
図６において、項目番号「１」〜「６」はそれぞれ周期Ｔ１が３６０／ｎ（ｎは１〜６の整数）の場合に対応する。Ｒ＝Ｔ１・Ｔ２／｜Ｔ１−Ｔ２｜であるから、Ｒ＝１８００を満足するために各Ｔ１に対してＴ１＜Ｔ２またはＴ１＞Ｔ２となる２つのＴ２が存在する。そして各Ｔ２に対してギヤ比ｋ＝ｍ・Ｔ２／３６０と許容誤差が定まる。なお、ｍは３６０を副回転検出機構の信号の周期で除したものである。図６においてはｍ＝１としている。
【００４９】
ギヤ比は小さいほうが副歯車を小さくできそれによって装置の小型化、軽量化が実現できるので好ましい。一方、許容誤差が大きければ装置の組み立て精度や温度特性による角度θ1、θ２の検出誤差の許容量が大きくなり好ましい。図６に示すように、ギヤ比と許容誤差はトレードオフの関係にあるが、本実施の形態に係る回転角度検出装置１においては、主回転検出機構および副回転検出機構の信号の周期を変換することにより、ギヤ比と許容誤差を最適な値とすることができる。
【００５０】
なお、上記実施の形態では磁気検出素子としてホール素子を用いたが、回転角度検出装置の用途に応じて温度特性が小さく角度分解能が高い磁気抵抗素子を用いてもよい。また、上記実施の形態は主回転検出機構および副回転検出機構として連続したアナログ信号を出力するものを用いた回転角度検出装置であるが、主回転検出機構または副回転検出機構としてエンコーダなどのデジタル信号を出力するものを用い、出力したデジタル信号を信号処理する回転角度検出装置でもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明の実施の形態に係る回転角度検出装置を模式的に表した断面概略図である。
【図２】図１に示す主回転検出機構、副回転検出機構、信号処理手段、演算処理手段の構成を示すブロック図である。
【図３】実施の形態に係る回転角度検出装置において主歯車の回転角度を算出する方法を説明する図である。
【図４】実施の形態に係る回転角度検出装置において副歯車の回転角度を算出する方法を説明する図である。
【図５】θ２≦θ１の場合に角度θ１、θ２、周期Ｔ１、Ｔ２、周期差ｄ、回転角度Φの関係について説明する図である。
【図６】実施の形態において、検出角度範囲Ｒが１８００度の場合について周期Ｔ１をさまざまに変化させた場合の周期Ｔ２、ギヤ比、許容誤差を示す図である。
【符号の説明】
【００５２】
１ 回転角度検出装置
２ 主歯車
３ 副歯車
４ 主回転検出機構
４ａ リング状磁石
４ｂ、４ｃ ホール素子
５、７ 信号処理手段
６ 副回転検出機構
６ａ 円板状磁石
６ｂ、６ｃ ホール素子
８ 演算処理手段
９ ハウジング
Ａ１〜Ａ６ 増幅器
Ｌ１〜Ｌ１２ 曲線
Ｘ ステアリングシャフト
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被検出回転体の回転角度を検出する回転角度検出装置であって、
前記被検出回転体に取り付け該被検出回転体と共に回転する主回転体と、
前記主回転体に対して所定の回転比で回転する副回転体と、
前記主回転体の回転に対応して周期的に変化する信号を出力する主回転検出機構と、
前記副回転体の回転に対応して周期的に変化する信号を出力する副回転検出機構と、
前記主回転検出機構および前記副回転検出機構が出力する信号の周期を変換し該信号を用いて該変換した周期における前記主回転体および前記副回転体の回転角度を算出する信号処理手段と、
前記算出した主回転体または副回転体の回転角度と、前記主回転体と前記副回転体との相対回転角度と、前記変換した周期とに基づいて前記被検出回転体の回転角度を算出する演算処理手段と、
を備えることを特徴とする回転角度検出装置。
【請求項２】
被検出回転体の回転角度を検出する回転角度検出装置であって、
前記被検出回転体に取り付け該被検出回転体と共に回転する主回転体と、
前記主回転体に対して所定の回転比で回転する副回転体と、
前記主回転体の回転に対応して周期的に変化する連続した信号を出力する主回転検出機構と、
前記副回転体の回転に対応して周期的に変化する連続した信号を出力する副回転検出機構と、
前記主回転検出機構および前記副回転検出機構が出力する信号を用いて前記主回転体および前記副回転体の回転角度を算出する信号処理手段と、
前記算出した主回転体または副回転体の回転角度と、前記主回転体と前記副回転体との相対回転角度と、前記主回転検出機構および前記副回転検出機構が出力する信号の周期とに基づいて前記被検出回転体の回転角度を算出する演算処理手段と、
を備えることを特徴とする回転角度検出装置。
【請求項３】
前記主回転検出機構または前記副回転検出機構は、
前記主回転体または前記副回転体に取り付けられ回転方向において連続的かつ周期的に強度が変化する磁場を発生する磁石と、
前記磁石の近傍に前記主回転体または前記副回転体の回転中心のまわりに所定の角度をなすように配置した２つの磁気検出素子と、
を備えることを特徴とする請求項１または２に記載の回転角度検出装置。
【請求項４】
前記磁気検出素子は、ホール素子であることを特徴とする請求項３に記載の回転角度検出装置。
【請求項５】
前記磁気検出素子は、磁気抵抗素子であることを特徴とする請求項３に記載の回転角度検出装置。
【請求項６】
前記変換した周期は、前記主回転体および前記副回転体の回転角度の許容誤差と前記被検出回転体の回転角度の検出角度範囲とが所望の値になるように決定された周期であることを特徴とする請求項１、３〜５のいずれか１つに記載の回転角度検出装置。
【請求項７】
前記演算処理手段は、前記算出した主回転体の回転角度をθ１、前記算出した副回転体の回転角度に前記所定の回転比を乗じた角度をθ２、前記変換した主回転検出機構の信号の周期をＴ１、前記変換した副回転検出機構の信号の周期に前記所定の回転比を乗じた周期をＴ２（Ｔ１≠Ｔ２）、周期Ｔ１とＴ２の差の絶対値｜Ｔ１−Ｔ２｜をｄとして、下記の式（１）〜（４）を用いて前記被検出回転体の回転角度Φを算出することを特徴とする請求項１、３〜６のいずれか１つに記載の回転角度検出装置。
Ｔ１＜Ｔ２、θ２≦θ１の場合は、
Φ＝θ１＋Ｔ１（θ１−θ２）／ｄ ・・・ （１）
Ｔ１＜Ｔ２、θ２＞θ１の場合は、
Φ＝θ１＋Ｔ１（θ１−θ２）／ｄ＋Ｔ１・Ｔ２／ｄ ・・・ （２）
Ｔ１＞Ｔ２、θ１≦θ２の場合は、
Φ＝θ１＋Ｔ１（θ２−θ１）／ｄ ・・・ （３）
Ｔ１＞Ｔ２、θ１＞θ２の場合は、
Φ＝θ１＋Ｔ１（θ２−θ１）／ｄ＋Ｔ１・Ｔ２／ｄ ・・・ （４）
【請求項１】
被検出回転体の回転角度を検出する回転角度検出装置であって、
前記被検出回転体に取り付け該被検出回転体と共に回転する主回転体と、
前記主回転体に対して所定の回転比で回転する副回転体と、
前記主回転体の回転に対応して周期的に変化する信号を出力する主回転検出機構と、
前記副回転体の回転に対応して周期的に変化する信号を出力する副回転検出機構と、
前記主回転検出機構および前記副回転検出機構が出力する信号の周期を変換し該信号を用いて該変換した周期における前記主回転体および前記副回転体の回転角度を算出する信号処理手段と、
前記算出した主回転体または副回転体の回転角度と、前記主回転体と前記副回転体との相対回転角度と、前記変換した周期とに基づいて前記被検出回転体の回転角度を算出する演算処理手段と、
を備えることを特徴とする回転角度検出装置。
【請求項２】
被検出回転体の回転角度を検出する回転角度検出装置であって、
前記被検出回転体に取り付け該被検出回転体と共に回転する主回転体と、
前記主回転体に対して所定の回転比で回転する副回転体と、
前記主回転体の回転に対応して周期的に変化する連続した信号を出力する主回転検出機構と、
前記副回転体の回転に対応して周期的に変化する連続した信号を出力する副回転検出機構と、
前記主回転検出機構および前記副回転検出機構が出力する信号を用いて前記主回転体および前記副回転体の回転角度を算出する信号処理手段と、
前記算出した主回転体または副回転体の回転角度と、前記主回転体と前記副回転体との相対回転角度と、前記主回転検出機構および前記副回転検出機構が出力する信号の周期とに基づいて前記被検出回転体の回転角度を算出する演算処理手段と、
を備えることを特徴とする回転角度検出装置。
【請求項３】
前記主回転検出機構または前記副回転検出機構は、
前記主回転体または前記副回転体に取り付けられ回転方向において連続的かつ周期的に強度が変化する磁場を発生する磁石と、
前記磁石の近傍に前記主回転体または前記副回転体の回転中心のまわりに所定の角度をなすように配置した２つの磁気検出素子と、
を備えることを特徴とする請求項１または２に記載の回転角度検出装置。
【請求項４】
前記磁気検出素子は、ホール素子であることを特徴とする請求項３に記載の回転角度検出装置。
【請求項５】
前記磁気検出素子は、磁気抵抗素子であることを特徴とする請求項３に記載の回転角度検出装置。
【請求項６】
前記変換した周期は、前記主回転体および前記副回転体の回転角度の許容誤差と前記被検出回転体の回転角度の検出角度範囲とが所望の値になるように決定された周期であることを特徴とする請求項１、３〜５のいずれか１つに記載の回転角度検出装置。
【請求項７】
前記演算処理手段は、前記算出した主回転体の回転角度をθ１、前記算出した副回転体の回転角度に前記所定の回転比を乗じた角度をθ２、前記変換した主回転検出機構の信号の周期をＴ１、前記変換した副回転検出機構の信号の周期に前記所定の回転比を乗じた周期をＴ２（Ｔ１≠Ｔ２）、周期Ｔ１とＴ２の差の絶対値｜Ｔ１−Ｔ２｜をｄとして、下記の式（１）〜（４）を用いて前記被検出回転体の回転角度Φを算出することを特徴とする請求項１、３〜６のいずれか１つに記載の回転角度検出装置。
Ｔ１＜Ｔ２、θ２≦θ１の場合は、
Φ＝θ１＋Ｔ１（θ１−θ２）／ｄ ・・・ （１）
Ｔ１＜Ｔ２、θ２＞θ１の場合は、
Φ＝θ１＋Ｔ１（θ１−θ２）／ｄ＋Ｔ１・Ｔ２／ｄ ・・・ （２）
Ｔ１＞Ｔ２、θ１≦θ２の場合は、
Φ＝θ１＋Ｔ１（θ２−θ１）／ｄ ・・・ （３）
Ｔ１＞Ｔ２、θ１＞θ２の場合は、
Φ＝θ１＋Ｔ１（θ２−θ１）／ｄ＋Ｔ１・Ｔ２／ｄ ・・・ （４）
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２００７−３３３５２０（Ｐ２００７−３３３５２０Ａ）
【公開日】平成１９年１２月２７日（２００７．１２．２７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−１６４７７２（Ｐ２００６−１６４７７２）
【出願日】平成１８年６月１４日（２００６．６．１４）
【出願人】（０００００５２９０）古河電気工業株式会社 (4,457)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年１２月２７日（２００７．１２．２７）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年６月１４日（２００６．６．１４）
【出願人】（０００００５２９０）古河電気工業株式会社 (4,457)
【Ｆターム（参考）】
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