JP2007271372A

JP2007271372A - 回転センサ

Info

Publication number: JP2007271372A
Application number: JP2006095369A
Authority: JP
Inventors: Yoshihiro Kawamura; 佳弘川村; Hisato Kobayashi; 久人小林; Akira Noguchi; 晃野口
Original assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Current assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Priority date: 2006-03-30
Filing date: 2006-03-30
Publication date: 2007-10-18

Abstract

【課題】歯車のバックラッシ等の影響を極力受けず検出精度に優れた回転センサを提供する。
【解決手段】被測定用回転体５０の回転角度をこの回転体以外の測定用回転体を用いて測定する回転センサで、被測定用回転体とほぼ同一の回転数で回転する第１の測定用回転体１０と、この回転体と連動して回転し、回転数がこの回転体より小さい第２の測定用回転体２０を備え、被測定用回転体と第１の測定用回転体が歯車で連結され、第１の測定用回転体と第２の測定用回転体が歯車で連結され、第２の測定用回転体は第１の測定用回転体の回転に伴って間欠的に回転し、各測定用回転体には、径方向磁界を有する永久磁石が中心に配置され、更に各磁石が発生する磁界の径方向の変化を検出可能な箇所に所定数の磁界検出素子が測定用回転体の回転と独立してそれぞれ配置されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、回転体の回転角度を検出するのに使用される回転センサに関する。

例えば、自動車のステアリングシャフトなどの回転シャフトに取付けてこのシャフトと一体になったハンドルの回転角度を検出するのにいわゆる回転センサが使用される。

そして、３６０°以上回転する対象物の回転角度を、当該対象物以外の２つの回転体を用いて測定する技術は、例えば特許文献１に開示されている。

かかる回転センサは、歯数の多い主回転体と、この主回転体より歯数が少なくかつ互いの歯数の差が１つである２つの副回転体を備えている。また、回転角度検出のためのセンサが各副回転体に設けられ、２つの副回転体の回転角度をそれぞれ測定するようになっている。そして、センサで検出された各副回転体の回転角度から主回転体の回転角度を求めている。
特表平１１−５００８２８号公報（第６−７頁、図１）

特許文献１に記載された回転センサは、対象物の回転角度を当該対象物と歯車で噛合せた２つの回転体の位相差により検出するようになっている。具体的には、各副回転体に備わった角度センサに基づいて第１の副回転体の回転角度と第２の副回転体の回転角度を測定する。そして、角度センサの周期性、第１の副回転体の歯数、第１の副回転体の歯数と一つだけ異なる第２の副回転体の歯数、及びこれらの定数によって所定の係数を求めて、この係数、定数、測定値から主回転体の回転角度を求めるようになっている。しかしながら、このようなそれぞれがギアを介して噛合わされると共に、主回転体と３つの回転体間の位相差で主回転体の回転角度を検出する回転センサでは、歯車のバックラッシが、主回転体と第１の副回転体との間、主回転体と第２の副回転体との間で起こり、それぞれが回転角度の誤差として影響しあう。即ち、３つの回転体間の歯車のバックラッシが重畳して主回転体の検出精度に影響を与え易くなるため、検出精度を高くすることが難しくなる。

本発明の目的は、歯車のバックラッシ等の影響を極力受けず、検出精度に優れた回転センサを提供することにある。

上述の課題を解決するために、本発明にかかる回転センサは、被測定用回転体の回転角度を当該被測定用回転体以外の測定用回転体を用いて測定する回転センサにおいて、
前記被測定用回転体と連動して当該被測定用回転体とほぼ同一の回転数で回転する第１の測定用回転体と、前記第１の測定用回転体と連動して回転し、回転数が当該第１の測定用回転体より小さい第２の測定用回転体を備え、
前記被測定用回転体と第１の測定用回転体が歯車で連結され、
前記第２の測定用回転体はゼネバ歯車からなり、前記第１の測定用回転体の回転に伴って間欠的に回転し、
前記第１の測定用回転体及び第２の測定用回転体には、径方向磁界を有する永久磁石がそれぞれの中心に配置され、更に各永久磁石が発生する磁界の径方向の変化を検出可能な箇所に所定数の磁界検出素子が前記第１及び第２の測定用回転体の回転と独立してそれぞれ配置され、
前記磁界検出素子の出力を用いて前記第１の測定用回転体の回転角度及び第２の測定用回転体の回転数を検出することにより被測定用回転体の回転角度を測定することを特徴としている。

また、本発明の請求項２に記載の回転センサは、請求項１に記載の回転センサにおいて、前記磁気検出素子は、ホール素子であることを特徴としている。

また、本発明の請求項３に記載の回転センサは、請求項１又は請求項２に記載の回転センサにおいて、前記磁気検出素子は、磁気抵抗素子（ＭＲ素子）であることを特徴としている。

このような回転センサを用いることで、従来型の回転センサのように３つの回転体間の位相差で回転数を検出する方法を取らずに済み、かつ歯車のバックラッシの影響を極力受けることなく、検出精度の高い回転センサとすることができる。

また、磁気検出素子をホール素子または磁気抵抗素子（ＭＲ素子）とすることで、検出精度の高い回転センサを容易に実現することができる。

本発明によると、歯車のバックラッシ等の影響を極力受けず、検出精度に優れた回転センサを提供することができる。

以下、本発明の一実施形態にかかる回転センサを図面に基いて説明する。なお、本説明においては自動車のステアリング装置においてこの回転センサをステアリングシャフトに取付けてハンドルの回転角度を検出する場合について説明する。従って、ステアリングシャフトの回転範囲である−９００°〜＋９００°のうちの絶対回転角度を本実施形態にかかる回転センサで求める。

図１は、本発明の一実施形態にかかる回転センサの内部構造を概略的に示した平面図である。また、図２は本実施形態における回転センサの概略ブロック構成を示している。

本発明の一実施形態にかかる回転センサ１は、図１及び図２に示すように、回転するシャフトＳに取付けられ、周囲に１次歯車が形成された主回転体５０と、主回転体５０と同一の回転数で回転するように主回転体５０の歯数と等しい歯数の歯車が全周に形成され、かつこの歯車と主回転体５０の歯車が常に噛み合った第１の測定用回転体１０と、第１の測定用回転体１０の回転数を測定するゼネバ歯車で構成された第２の測定用回転体２０と、これらの回転体１０，２０，５０を収容保持するとともに外部からの磁界の影響を遮断するケース３０を備えている。そして、第１の測定用回転体１０と第２の測定用回転体２０には、各回転体１０，２０の径方向に磁界を生じかつ回転体の周方向に磁界の強さが変化するようになった永久磁石１５，２５がそれぞれの測定用回転体１０，２０の中心に配置されている。

更に、ケース３０には磁界検出素子配置用基板４０が固定され、ケース上の所定位置には、第１の測定用回転体１０及び第２の測定用回転体２０に配置された永久磁石１５，２５が発生する磁界の径方向の変化をそれぞれ検出可能な磁界検出素子３１〜３４，３６〜３９が各測定用回転体１０，２０の周方向に４個ずつ隣接する磁界検出素子がそれぞれ９０°の角度をなすように配置されている。この磁界検出素子３１〜３４，３６〜３９として、ホール素子、磁気抵抗素子（ＭＲ素子）などを用いることができる。実際にはどちらを用いてもよいが、ホール素子を用いた場合は、素子自体で磁界の大きさの成分だけでなく向きの成分も検出可能となるため、素子の数を減らすことができるなどの利点もある。以下、本実施形態では、磁界検出素子としてホール素子を用いた場合について説明する。

即ち、本実施形態の回転センサ１の第１の測定用回転体１０は、主回転体５０の１次歯車（図示せず）とほぼ１：１の回転比で回転する２次歯車（図示せず）を有している。この構成による回転伝達誤差は、主に歯車間のバックラッシによって生じるものであるが、本実施形態の回転センサ１においては、歯車間のバックラッシは１次歯車と２次歯車との間のみで発生し、他の歯車間のバックラッシの影響を受けないため、結果として特許文献１に記載された回転センサほどバックラッシの影響を受けることはない。

また、第１の測定用回転体１０の中央には当該回転体の径方向に磁界を生じかつ回転体の周方向に磁界の強さが変化するようになった永久磁石１５を備え、基板上に配置されている４つのホール素子３１〜３４の出力信号をマイコン（図示せず）で処理し、第１の測定用回転体１０、即ち被測定用回転体５０の０゜〜３６０゜の小角度を要求される分解能（例えば０．１゜，０．５°など）で検出するようになっている。

また、第１の測定用回転体１０の円周方向所定位置には後述する第２の測定用回転体２０であるゼネバ歯車（図１では概略的に図示）の周囲に形成された切り欠き部２０ａ〜２０ｅに間欠的に係合する送りピン１１が備わり、図１に示すように第１の測定用回転体１０の各回転に応じてゼネバ歯車である第２の測定用回転体２０を間欠的に送るようになっている。

なお、第１の測定用回転体１０において上述の実施形態の代わりに２つのホール素子だけを備えてこれらの差動信号を利用し、検出精度確保のため、正弦波信号の直流レベル及び温度による変動をできるだけ小さく抑えることで第１の測定用回転体１０の小角度を算出することも可能である。

従って、第１の測定用回転体１０の周囲には、少なくとも２つのホール素子を１８０°の対向配置を除く周方向所定間隔隔てて配置すれば良く、必ずしも本実施形態のように周方向４つのホール素子を配置する必要はない。この場合、磁界検出素子としてホール素子の他、磁気抵抗素子（ＭＲ素子）なども同様に利用することができる。

また、第２の測定用回転体２０は上述したように、ゼネバ歯車で構成された周方向に第1の測定用回転体１０の送りピン１１と係合する切り欠き部２０ａ〜２０ｅが５箇所形成されている。

また、第２の測定用回転体２０には中心に上述した特性の磁石を備えたゼネバ歯車を用い、このゼネバ歯車の周囲のケース上に４個のホール素子を配置している。

これによって、第２の測定用回転体２０の中央に回転体の径方向に磁界を生じかつ回転体の周方向に磁界の強さが変化するようになった永久磁石２５を備え、基板上に配置されている４つのホール素子３６〜３９の出力信号をマイコン（図示せず）で処理し、第２の測定用回転体２０の回転角度から第１の測定用回転体１０、即ち被測定用回転体５０の回転数を検出するようになっている。

具体的には、図４下段に示すように、第２の測定用回転体２０が間欠的に送られることで、ホール素子３６〜３９の出力が段階的に変化するようになるが、このような出力の段階的変化によって主回転体５０が−９００°〜＋９００°のうち第１回転から第５回転の何れかの回転数に属しているかを検出することが可能となる。

なお、この第２の測定用回転体２０とホール素子３６〜３９による被測定用回転体５０の回転数検出にあたっても、２つのホール素子を１８０°の対向位置以外の第２の測定用回転体の周方向所定位置に備えてこれらの差動信号を利用し、検出精度確保のため、段階的信号の直流レベル及び温度による変動をできるだけ小さく抑えることで第１の測定用回転体１０の回転数、即ち被測定用回転体５０の回転数を算出することも可能である。

従って、第２の測定用回転体２０の周囲には、間欠送りのための切り欠き部が周方向全体にわたって所定間隔で形成されている場合、少なくとも２つのホール素子を周方向所定間隔隔てて配置すれば良く、必ずしも本実施形態のように周方向４つのホール素子を配置する必要はない。

続いて、以上の構成を有する回転センサ１による被測定用回転体５０の絶対回転角度の検出方法について説明する。なお、図３は上述の実施形態における被測定用回転体５０の絶対回転角度算出用のフローチャートである。

本実施形態の回転センサは、図１に示すように１次歯車を備えたロータが主回転体５０として回転シャフトＳに直接嵌め込まれて被測定用回転体５０を構成しているため、１次歯車は完全にシャフトＳの回転と同期できる。

被測定用回転体５０である主回転体の絶対回転角度を求めるにあたって、まず、主回転体５０と同一の回転数で回転する第１の測定用回転体１０に備わった磁石１５とホール素子３１〜３４から、主回転体５０の０゜〜＋３６０゜の小角度範囲の回転角度検出を行う。

なお、３６０゜周期を有し、かつ互いに９０゜の位相差を有する４つの正弦波信号から図４上段に示す３６０゜の絶対角度信号を算出する方法は既に多く実用化されている。

本実施形態においては、この方法を実施するための一形態であるホール素子３１〜３４を第１の測定用回転体１０の周方向に９０°の角度をなして等間隔に基板４０に配置しているので、互いに９０°の位相差を有する４つの正弦波信号が第１の測定用回転体１０の回転によって得られる。

そして、互いに９０°の位相差を有する４つの正弦波信号のプラスの立ち上がり部分を用いるとともに、各正弦波信号の大小関係を比較して、各正弦波信号の立ち上がり部分をジョイントした図４上段に示すような直線上の０°〜＋３６０°の回転角度検出用出力を得る。そして、これにより被測定用回転体の０°〜＋３６０°のうちの小角度を算出する（ステップＳ１）。

なお、この段階では、主回転体５０が−９００°〜＋９００°のうち、何回転目にあるかを把握できない。従って、ゼネバ歯車からなる第２の測定用回転体２０とホール素子３６〜３９を用いて主回転体５０の回転数が何回転目にあるかを検出する。

なお、図４下段の段階的信号は、ゼネバ歯車からなる第２の測定用回転体２０の間欠的回転に伴うホール素子３６〜３９のうち例えば互いに周方向１８０°の角度をなして対向配置されていない２つのホール素子の組み合わせから得られた出力信号を示している。図４下段に示される出力信号は電圧として示され、０．５Ｖ〜４．５Ｖの間で１Ｖ単位で変化する波形が示されるが、それ以外の波形となるようにしてもよい。

この段階的信号を利用して、第２の測定用回転体２０とホール素子３６〜３９とから第１の測定用回転体１０、即ち主回転体５０が絶対回転角度−９００°〜＋９００°で規定される１回転〜５回転のうちのどの回転数に属するかを検出する。

具体的には、この主回転体５０の回転数検出にあたって、本実施形態の場合、第１の測定用回転体１０の回転を間欠的に回転させるゼネバ歯車で形成された第２の測定用回転体２０の回転角度を第１の測定用回転体１０と同様の方法で４つのホール素子３６〜３９のうち必要な数のホール素子の組み合わせから測定する。

即ち、径方向磁界を有する永久磁石２５を回転させ、永久磁石２５の周囲に９０°間隔に配置した４個のホール素子３６〜３９のうちの必要な数の組み合わせの出力によって本実施形態の場合３６０゜周期を持つ４つの段階的信号を出力する。

そして、第１の測定用回転体１０よりも減速された第２の測定用回転体２０の回転に伴うホール素子３６〜３９を利用して、−９００゜〜＋９００゜の角度範囲のうち、第１回転から第５回転の何れかに主回転体が属しているか、即ち主回転体５０のいずれの回転数にあるかを５段階で算出する（ステップＳ２）。

そして、この主回転体５０の回転数信号と既に算出した主回転体５０の０°〜＋３６０°のうちの小角度信号の検出結果を組み合わせることで、主回転体５０が−９００°〜＋９００°のうち、第１回転から第５回転のいずれの回転数にあるかと、その回転数における０°〜３６０°の何れかの小角度にあるのかを求める。これによって、被測定用回転体５０の絶対回転角度を算出することができる（ステップＳ３）。

なお、ホール素子３１〜３４，３６〜３９は、第１の測定用回転体１０である同速歯車、第２の測定用回転体２０であるゼネバ歯車とも２個乃至４個配置される。そして、２個又は４個の場合は周方向の９０゜の角度をなして配置することが望ましい。

ホール素子が例えば２個だけ周方向９０°の角度をなして配置される場合は、各ホール素子の正弦波信号の出力を反転させることで、合計４つの正弦波信号を得、これらの正弦波信号の出力の組み合わせから第１の測定用回転体１０とホール素子３１〜３４の出力０°〜３６０°の小角度や第２の測定用回転体２０とホール素子３６〜３９の出力から主回転体５０の第１回転から第５回転のうちのいずれの回転数にあるかを求めることができる。

以上、説明したように本発明による回転センサを用いることで、従来型の回転センサのように３つの回転体間の位相差で回転数を検出する方法を取らずに済み、かつ、歯車のバックラッシの影響を極力受けず、検出精度を高めることができる。

なお、上述した実施形態においてはゼネバ歯車にホール素子を４個配置したが、例えば、ゼネバ歯車の周方向１８０°以内に第１の回転体の回転数を検出するのに十分な数のゼネバ歯車間欠送り用切り欠き部が周方向所定間隔で形成されていれば、１つのホール素子だけを配置してゼネバ歯車の１８０度以内の回転角度を検出することで第１の測定用回転体の回転数を検出することも可能である。

また、本実施形態のようにゼネバ歯車の周方向に第１の測定用回転体の回転数を検出するのに十分な数のゼネバ歯車間欠送り用切り欠き部が周方向所定間隔で形成されているのであれば、周方向１８０度をなす互いに対向する位置以外に２つのホール素子を配置するだけでも、ゼネバ歯車の３６０度の回転角度を検出することができ、これによって第１の測定用回転体の回転数を検出することが可能となる。この場合、磁界検出素子としてホール素子の他、磁気抵抗素子（ＭＲ素子）なども同様に利用することができる。

本発明にかかる回転センサは、振動の影響をかなり受け易い車両用ステアリング装置の回転角度検出に特に適している。しかしながら、本発明にかかる回転センサは、例えば、ロボットアームのように振動しながら回転する回転軸間の相対回転角度や回転トルクを求めるものであれば、どのようなものにも適用可能である。

本発明の一実施形態にかかる回転センサの内部構造を概略的に示した平面図である。本発明の実施形態における概略ブロック図を示した図である。本発明の実施形態における絶対回転角度算出用のフローチャートを示した図である。図１に示した回転センサの主回転体の絶対回転角度の検出方法を説明する図である。

符号の説明

１回転センサ
１０第１の測定用回転体
１１送りピン
１５永久磁石
２０第２の測定用回転体
２０ａ〜２０ｅ切り欠き部
２５永久磁石
３０ケース
３１〜３４，３６〜３９磁界検出素子
４０基板
５０被測定用回転体（主回転体）
Ｓシャフト

Claims

被測定用回転体の回転角度を当該被測定用回転体以外の測定用回転体を用いて測定する回転センサにおいて、
前記被測定用回転体と連動して当該被測定用回転体とほぼ同一の回転数で回転する第１の測定用回転体と、前記第１の測定用回転体と連動して回転し、回転数が当該第１の測定用回転体より小さい第２の測定用回転体を備え、
前記被測定用回転体と前記第１の測定用回転体が歯車で連結され、
前記第１の測定用回転体と前記第２の測定用回転体が歯車で連結され、前記第２の測定用回転体は前記第１の測定用回転体の回転に伴って間欠的に回転し、
前記第１の測定用回転体及び第２の測定用回転体には、径方向磁界を有する永久磁石がそれぞれの中心に配置され、更に各永久磁石が発生する磁界の径方向の変化を検出可能な箇所に所定数の磁界検出素子が前記第１及び第２の測定用回転体の回転と独立してそれぞれ配置され、
前記磁界検出素子の出力を用いて前記第１の測定用回転体の回転角度及び第２の測定用回転体の回転数を検出することにより、被測定用回転体の絶対回転角度を測定することを特徴とする回転センサ。
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１に記載の回転センサ。
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１に記載の回転センサ。