JP2006322794A - Steering angle sensor - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a steering angle sensor, capable of instantaneously detecting steering angles when the power of a sensor is turned on, without having to make an object to be measured rotate and detecting the steering angles even in multiple rotations. <P>SOLUTION: The steering angle sensor is constituted of two parts of a shaft rotation angle detecting part A, having a gearwheel 6 having a larger diameter than that of a shaft 1 and an MR sensor part B, having a small-diameter gearwheel 8 provided, in such a way as to be engaged with the gearwheel 6. By a combination of sensor signals from magnetic detection elements 4a and 4b in the shaft rotation angle detection part A and from a magnetoresistive element 9 in the MR sensor part B, rotation angles are detected. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、車両等の軸の回転角度を検出する操舵角センサに関するものである。   The present invention relates to a steering angle sensor that detects a rotation angle of a shaft of a vehicle or the like.

図10、図11に、車両の操舵角センサに使用する回転角検出装置の一例を示す。
この回転角検出装置は、中心に回転軸22を有する円形の回転スリット板21の周縁部近くに、複数個のスリット23からなるスリット列を一定ピッチで配列形成し、このスリット列を両面側から挟むように、コ字型のフォトカプラ24を固定設置したものである。
10 and 11 show an example of a rotation angle detection device used for a vehicle steering angle sensor.
In this rotation angle detection device, a slit row composed of a plurality of slits 23 is arranged at a constant pitch near the periphery of a circular rotary slit plate 21 having a rotation shaft 22 at the center, and this slit row is formed from both sides. A U-shaped photocoupler 24 is fixedly installed so as to be sandwiched.

フォトカプラ24は、光源部25と受光部26とをギャップを挟んで対向配置したものである。光源部25としては発光ダイオード(LED)が用いられ、このLEDからの光でスリット列を片面側から照明し、反対側の受光部26の面にスリット列による明暗パターンを生じさせる。   The photocoupler 24 has a light source unit 25 and a light receiving unit 26 arranged to face each other with a gap interposed therebetween. A light emitting diode (LED) is used as the light source unit 25, and the slit row is illuminated from one side with the light from the LED, and a light / dark pattern is generated by the slit row on the surface of the light receiving unit 26 on the opposite side.

受光部26には、フォトダイオードアレイ(PDA)が使用され、例えば、図11に示すように、10個のフォトダイオードP〜Pがスリット23の配列方向に直線状に配列される。また、受光部26には、PDAと同一側に1個の受光素子27が設けられ、回転スリット板21が回転したときスリット23の通過数を検出する。PDAにおける各フォトダイオードP〜Pは、明暗パターンに対してそれぞれ独立して動作し、スリット23を通して光が当たったフォトダイオードから光電変換信号が出力され、回転スリット板21の影になったフォトダイオードからは光電変換信号が出力されない。 The light receiving unit 26 includes a photodiode array (PDA) is used, for example, as shown in FIG. 11, 10 photodiodes P 0 to P 9 are arranged linearly in the array direction of the slit 23. The light receiving unit 26 is provided with one light receiving element 27 on the same side as the PDA, and detects the number of passages of the slit 23 when the rotary slit plate 21 rotates. Each of the photodiodes P 0 to P 9 in the PDA operates independently with respect to the light and dark pattern, and a photoelectric conversion signal is output from the photodiode that has been irradiated with light through the slit 23, and becomes a shadow of the rotating slit plate 21. A photoelectric conversion signal is not output from the photodiode.

この回転角検出装置では、PDA上の何れの位置に明暗パターンにおける明暗境界線が移動したか、言い換えればPDA上の何れの位置にスリット23の端縁hが移動したかを検出するとともに、受光素子27で通過スリット23の数を検出し、この両検出情報に基づいて回転軸22の回転角を計測している(特許文献1参照)。   In this rotation angle detection device, it is detected to which position on the PDA the light / dark boundary line in the light / dark pattern has moved, in other words, to which position on the PDA the edge h of the slit 23 has moved, and to receive light. The number of the passage slits 23 is detected by the element 27, and the rotation angle of the rotary shaft 22 is measured based on both detection information (see Patent Document 1).

また、図12に、車両の操舵角センサの他の例を示す。
この操舵角センサは、ステアリングシャフト31に、減速ギア機構32が取り付けられたものであり、この減速ギア機構32は、ステアリングシャフト31と一体的に回転する最大半径歯車32aと、最大半径歯車32aに噛み合って回転する大半径歯車32bと、大半径歯車32bの回転軸に取り付けられ、大半径歯車32bと一体的に回転する小半径歯車32cと、小半径歯車32cに噛み合って回転する中半径歯車32dとで構成されている。この減速ギア機構32により、ステアリングシャフト31の全回転角度範囲(例えば左右2回転の角度範囲;±720度)を双方向において1回転(360度)未満の回転角度範囲に変換して、出力軸を構成する中半径歯車32dの回転軸が左右1回転未満の角度範囲内で回転する。この中半径歯車32dの回転軸に検出部33が取り付けられ、検出部33の出力が信号処理回路34に導かれる。
FIG. 12 shows another example of a vehicle steering angle sensor.
In this steering angle sensor, a reduction gear mechanism 32 is attached to a steering shaft 31, and the reduction gear mechanism 32 is connected to a maximum radius gear 32a that rotates integrally with the steering shaft 31, and a maximum radius gear 32a. A large radius gear 32b that rotates in mesh with each other, a small radius gear 32c that is attached to the rotation shaft of the large radius gear 32b and rotates integrally with the large radius gear 32b, and a medium radius gear 32d that rotates in mesh with the small radius gear 32c. It consists of and. The reduction gear mechanism 32 converts the entire rotation angle range of the steering shaft 31 (for example, an angle range of two rotations left and right; ± 720 degrees) into a rotation angle range of less than one rotation (360 degrees) in both directions, and outputs the output shaft. The rotation shaft of the medium radius gear 32d constituting the rotation rotates within an angular range of less than one rotation left and right. The detection unit 33 is attached to the rotation shaft of the medium radius gear 32 d, and the output of the detection unit 33 is guided to the signal processing circuit 34.

図13に、検出部33の具体的な構成を示す。
この検出部33において、中半径歯車32dの回転軸41には、円環帯状ヨーク42が固定され、円環帯状ヨーク42の外周側面には、円環帯状磁石43が接着されている。円環帯状ヨーク42は、軟鉄などの軟磁性材料で作られている。円環帯状磁石43は、半径方向に磁化されている。この円環帯状磁石43の外周囲には、4個の固定子44が所定のギャップ45を置いて90度間隔で固定配置されている。4個のギャップ45のうち隣接する2個のギャップには、磁気センサであるホール素子46、47がそれぞれ設けられている。ホール素子46、47の出力端は、信号処理回路34に接続される。
FIG. 13 shows a specific configuration of the detection unit 33.
In the detection unit 33, an annular belt yoke 42 is fixed to the rotation shaft 41 of the medium radius gear 32d, and an annular belt magnet 43 is bonded to the outer peripheral side surface of the annular belt yoke 42. The annular belt-like yoke 42 is made of a soft magnetic material such as soft iron. The annular belt magnet 43 is magnetized in the radial direction. Four stators 44 are fixedly arranged at intervals of 90 degrees with a predetermined gap 45 around the outer periphery of the annular belt-shaped magnet 43. Hall elements 46 and 47, which are magnetic sensors, are provided in two adjacent gaps of the four gaps 45, respectively. The output ends of the hall elements 46 and 47 are connected to the signal processing circuit 34.

以上のような構成を有する検出部33の構成において、円環帯状磁石43が回転すると、回転角度に応じてギャップ45での磁束密度が直線的に変化するので、そこに設けたホール素子46または47により回転角度に応じた出力をアナログ的に取り出すことができる。   In the configuration of the detection unit 33 having the above configuration, when the annular belt-shaped magnet 43 rotates, the magnetic flux density in the gap 45 changes linearly according to the rotation angle. The output corresponding to the rotation angle can be taken out in analog by 47.

そして、信号処理回路34では、ホール素子46または47により得られた出力に基づき、減速ギア機構32により変換した分を補正して操舵角度が得られる(特許文献2参照)。
特開昭62−7173号公報 特開2002−148015号公報
In the signal processing circuit 34, the steering angle is obtained by correcting the amount converted by the reduction gear mechanism 32 based on the output obtained by the Hall element 46 or 47 (see Patent Document 2).
JP-A-62-7173 JP 2002-148015 A

しかしながら、図10、11に示す方法では、絶対舵角を検出する際に、ステアリングを動作させる必要があった。また、センサが光エンコーダ方式のため、センサの分解能が粗くなるという問題もあった。更に、光エンコーダのパルス信号をカウンターでカウントすることで、絶対舵角を演算しているため、パルス信号を数えるカウンターの電源は、ステアリングシャフトに取り付け、調整した後、常時通電しておかなければならない。そのため、自動車といった電源にバッテリーを使用する場合、センサ信号の必要の有無に関わらず、電流を消費するので、バッテリーあがりの原因となっていた。   However, in the method shown in FIGS. 10 and 11, it is necessary to operate the steering when detecting the absolute steering angle. Further, since the sensor is an optical encoder system, there is a problem that the resolution of the sensor becomes coarse. In addition, since the absolute steering angle is calculated by counting the pulse signal of the optical encoder with a counter, the power supply of the counter that counts the pulse signal must be attached to the steering shaft, adjusted, and always energized. Don't be. Therefore, when a battery is used for a power source such as an automobile, current is consumed regardless of whether or not a sensor signal is necessary, which causes the battery to rise.

一方、図12、13に示す方法では、多回転により基準位置から360°より大きな角度で回転した場合は、絶対角度そのものを検出できなかった。例えば、基準位置から500°回転した場合、360°で一旦リセットされて、500−360=140°が検出角度として検出されてしまっていた。   On the other hand, in the method shown in FIGS. 12 and 13, the absolute angle itself could not be detected when it was rotated at an angle larger than 360 ° from the reference position due to multiple rotations. For example, when the rotation is performed by 500 ° from the reference position, the rotation is once reset at 360 °, and 500-360 = 140 ° is detected as the detection angle.

従って、本発明の目的は、測定対象を回転させること無く、センサの電源を入れた時に瞬時に回転角度を検出できるとともに、多回転においても絶対角度を検出できる操舵角センサを提供することにある。   Therefore, an object of the present invention is to provide a steering angle sensor that can detect the rotation angle instantaneously when the sensor is turned on without rotating the object to be measured and can detect the absolute angle even in multiple rotations. .

上記課題を解決するため、本発明の操舵角センサは、シャフトの径よりも大径の歯車Iを有し、かつ前記歯車Iの内側に磁気センサIが設けられたシャフト回転角度検出部と、前記歯車Iと噛み合うように設けられた小径の歯車IIを有すると共に、一部に磁気センサIIが配されたMRセンサ部と、前記磁気センサIにより検出したシャフト回転角度信号に対して、更に、前記磁気センサIIから検出したセンサ信号を組み合わせることにより絶対角度を演算する演算部とを備え、前記歯車Iの歯数は、前記歯車IIの歯数より大きく、かつ前記歯車Iの歯数は、前記歯車IIの歯数の非整数倍とすることを特徴とする。   In order to solve the above problems, a steering angle sensor of the present invention includes a shaft rotation angle detection unit having a gear I having a diameter larger than the diameter of the shaft, and a magnetic sensor I provided inside the gear I. An MR sensor unit having a small-diameter gear II provided so as to mesh with the gear I, and a part of which is provided with a magnetic sensor II, and a shaft rotation angle signal detected by the magnetic sensor I, A calculation unit that calculates an absolute angle by combining sensor signals detected from the magnetic sensor II, the number of teeth of the gear I is larger than the number of teeth of the gear II, and the number of teeth of the gear I is The number of teeth of the gear II is a non-integer multiple.

前記シャフト回転角度検出部は、前記シャフトの周囲に設けられた環状磁石の外周面に、複数個の磁気ヨークをそれぞれ所定のギャップを空けて固定配置すると共に、前記ギャップには、磁気センサIを設け、前記MRセンサ部は、前記歯車IIの中心に磁石を設けると共に、前記磁石の下部には磁気センサIIを固定設置することもできる。   The shaft rotation angle detector has a plurality of magnetic yokes fixedly arranged on the outer peripheral surface of an annular magnet provided around the shaft with a predetermined gap therebetween, and a magnetic sensor I is provided in the gap. The MR sensor unit may be provided with a magnet at the center of the gear II, and the magnetic sensor II may be fixedly installed below the magnet.

前記シャフト回転角度検出部において、4個の磁気ヨークをそれぞれ所定のギャップを空けて固定配置し、前記ギャップのうちの2つに、磁気センサIとしての磁気検出素子を設け、かつ前記MRセンサ部において、磁気センサIIとしての磁気抵抗素子を固定設置することもできる。   In the shaft rotation angle detection unit, four magnetic yokes are fixedly arranged with a predetermined gap between them, a magnetic detection element as a magnetic sensor I is provided in two of the gaps, and the MR sensor unit The magnetic resistance element as the magnetic sensor II can be fixedly installed.

本発明によれば、測定対象を回転させることなく、センサの電源を入れた時点で絶対舵角を検出することができる。このため、絶対舵角値が必要なときのみ、電源を使用するので、消費電流を最小とすることが可能となり、バッテリーあがりを最小限にすることができる。   According to the present invention, the absolute steering angle can be detected when the sensor is turned on without rotating the measurement target. For this reason, since the power source is used only when the absolute steering angle value is required, it is possible to minimize the current consumption and to minimize the battery rising.

また、本発明によれば、基準位置から360°の範囲のみならず、多回転により基準位置から360°より大きな角度で回転した場合でも絶対角度を検出することができ、車両等の軸の角度を広範囲に渡って検出することが可能となる。   Further, according to the present invention, the absolute angle can be detected not only in the range of 360 ° from the reference position, but also when rotating at an angle larger than 360 ° from the reference position by multiple rotations. Can be detected over a wide range.

以下、本発明の操舵角センサの実施形態について添付図面を参照しつつ説明する。
(全体構成)
図1(a)、(b)に、本発明の操舵角センサの一実施形態を示す。
この操舵角センサは、シャフト1の径よりも大径の歯車6を有するシャフト回転角度検出部Aと、歯車6と噛み合うように設けられた小径の歯車8を有するMRセンサ部Bとの2つの部分から構成される。
Hereinafter, embodiments of a steering angle sensor of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
(overall structure)
1 (a) and 1 (b) show an embodiment of the steering angle sensor of the present invention.
The steering angle sensor includes two shaft rotation angle detection units A having a gear 6 having a diameter larger than the diameter of the shaft 1 and MR sensor unit B having a small diameter gear 8 provided so as to mesh with the gear 6. Consists of parts.

シャフト回転角度検出部Aでは、シャフト1の周囲に、環状磁石2が設けられ、この環状磁石2の外周面には、4個の磁気ヨーク3が所定のギャップ5を空けて90度間隔で固定配置されている。4個のギャップ5のうち隣接する2個のギャップには、磁気センサである磁気検出素子4a、4bがそれぞれ設けられている。   In the shaft rotation angle detection unit A, an annular magnet 2 is provided around the shaft 1, and four magnetic yokes 3 are fixed to the outer peripheral surface of the annular magnet 2 at predetermined intervals with a predetermined gap 5. Has been placed. Magnetic detecting elements 4a and 4b, which are magnetic sensors, are provided in two adjacent gaps among the four gaps 5, respectively.

一方、MRセンサ部Bでは、歯車8の中心に円形磁石7が取り付けられ、更に、歯車8の下部には磁気抵抗素子9が固定設置されている。
この操舵角センサでは、シャフト回転角度検出部Aにおける磁気検出素子4a、4b及びMRセンサ部Bにおける磁気抵抗素子9からのセンサ信号の組み合わせにより、回転角度を検出する。以下、構成部分毎に詳しく説明する。
On the other hand, in the MR sensor portion B, a circular magnet 7 is attached to the center of the gear 8, and a magnetoresistive element 9 is fixedly installed below the gear 8.
In this steering angle sensor, the rotation angle is detected by a combination of sensor signals from the magnetic detection elements 4a and 4b in the shaft rotation angle detection unit A and the magnetoresistive element 9 in the MR sensor unit B. Hereinafter, each component will be described in detail.

(シャフト回転角度検出部A)
図2に、シャフト回転角度検出部Aの部分構成(図2(a))と磁気検出素子4a、4bによる出力波形(図2(b))を示す。
(Shaft rotation angle detector A)
FIG. 2 shows a partial configuration of the shaft rotation angle detector A (FIG. 2A) and output waveforms (FIG. 2B) of the magnetic detection elements 4a and 4b.

図2(a)において、環状磁石2の外側には、4つの磁性体からなる磁気ヨーク3が環状磁石2とは非接触で設置されており、磁気ヨーク3は互いに均等な間隔をおいて設置されている。磁気ヨークの間には、磁気検出素子4a、4bが配置されている。シャフト1が回転すると、それに伴い環状磁石2が同期して回転する。環状磁石2が発生する磁界は、磁気ヨーク3を通過しながら、N極からS極へ戻るため、磁気検出素子4a、4bはシャフト1の回転に応じて磁束密度の変化が生じる。   In FIG. 2 (a), on the outside of the annular magnet 2, a magnetic yoke 3 made of four magnetic bodies is installed in non-contact with the annular magnet 2, and the magnetic yokes 3 are installed at equal intervals. Has been. Magnetic detection elements 4a and 4b are arranged between the magnetic yokes. When the shaft 1 rotates, the annular magnet 2 rotates in synchronization therewith. Since the magnetic field generated by the annular magnet 2 returns from the north pole to the south pole while passing through the magnetic yoke 3, the magnetic detection elements 4a and 4b change in magnetic flux density according to the rotation of the shaft 1.

図2(b)に、シャフト1の回転角度と磁気検出素子4a、4bの出力波形の関係例を示す。図に示すように、磁石の回転角度に応じて、磁気検出素子4aの出力はsin波形を示し、磁気検出素子4bの出力はcos波形を示す。磁気検出素子4aの出力と磁気検出素子4bの出力の2信号をA/Dコンバータで取り込み、tan−1を求めることで、シャフト1の回転角度波形が求められる。演算後の出力波形の一例を図3に示す。 FIG. 2B shows an example of the relationship between the rotation angle of the shaft 1 and the output waveforms of the magnetic detection elements 4a and 4b. As shown in the figure, according to the rotation angle of the magnet, the output of the magnetic detection element 4a shows a sin waveform, and the output of the magnetic detection element 4b shows a cos waveform. The rotation angle waveform of the shaft 1 is obtained by taking in two signals of the output of the magnetic detection element 4a and the output of the magnetic detection element 4b by an A / D converter and obtaining tan -1 . An example of the output waveform after the calculation is shown in FIG.

(MRセンサ部B)
MRセンサ部Bでは、シャフト1の回転より増速した歯車8の回転角度を検出する。
歯車8が回転すると、歯車8の下部に固定設置された磁気抵抗素子9は、歯車8の中心に取り付けられた円形磁石7が発生する磁界の影響を受け、歯車8の回転角度に対し、例えば図4に示す出力波形を示す。
(MR sensor part B)
The MR sensor unit B detects the rotation angle of the gear 8 that has been accelerated from the rotation of the shaft 1.
When the gear 8 rotates, the magnetoresistive element 9 fixedly installed at the lower portion of the gear 8 is affected by the magnetic field generated by the circular magnet 7 attached to the center of the gear 8, and the rotation angle of the gear 8 is, for example, The output waveform shown in FIG. 4 is shown.

(シャフト回転角度検出部Aの歯車6とMRセンサ部Bの歯車8との関係)
本操舵角センサでは、歯車6を有するシャフト回転角度検出部Aからの出力波形と、歯車8を有するMRセンサ部Bからの出力波形とを組み合わせることにより絶対角度を演算する。ここで、歯車6と歯車8の歯数は下記条件を満たすように形成されている。
(1)歯車6の歯数>歯車8の歯数
(2)歯車6の歯数は、歯車8の歯数の整数倍であってはならない。
(Relationship between the gear 6 of the shaft rotation angle detector A and the gear 8 of the MR sensor B)
In this steering angle sensor, the absolute angle is calculated by combining the output waveform from the shaft rotation angle detector A having the gear 6 and the output waveform from the MR sensor B having the gear 8. Here, the number of teeth of the gear 6 and the gear 8 is formed so as to satisfy the following condition.
(1) Number of teeth of gear 6> Number of teeth of gear 8 (2) The number of teeth of gear 6 should not be an integral multiple of the number of teeth of gear 8.

(1)の条件により、シャフト1の回転に対して歯車8は増速されて回転する。MRセンサ部Bの増速数は、シャフト1に取り付けられた歯車6と、歯車8の歯数により決まる。
また、上記(2)の要件を必要としたのは、歯車6の歯数が歯車8の歯数の整数倍になると、歯車6を有するシャフト回転角度検出部Aからの出力波形信号と歯車8を有するMRセンサ部Bからの出力波形信号とが重なってしまい、これらの信号を組み合わせることにより絶対角度を演算することができなくなるからである。
このため、上記(1)、(2)の条件を満たす場合に初めて、歯車6と歯車8との組み合わせにより、任意回転数に対する絶対角度を検出することが可能となる。
Under the condition (1), the gear 8 is increased in speed with respect to the rotation of the shaft 1 and rotates. The number of accelerations of the MR sensor portion B is determined by the number of teeth of the gear 6 attached to the shaft 1 and the gear 8.
The requirement (2) is required because when the number of teeth of the gear 6 is an integral multiple of the number of teeth of the gear 8, the output waveform signal from the shaft rotation angle detection unit A having the gear 6 and the gear 8 are required. This is because the output waveform signal from the MR sensor section B having the above overlaps and the absolute angle cannot be calculated by combining these signals.
For this reason, the absolute angle with respect to the arbitrary rotational speed can be detected by the combination of the gear 6 and the gear 8 only when the above conditions (1) and (2) are satisfied.

図5は、シャフト回転角度検出部Aによるシャフト回転角度検出信号と、MRセンサ部Bによる磁気抵抗素子9の出力信号とを重ね合わせ、絶対角度を横軸にしたグラフ上に示したものである。ここでは、シャフト回転角度検出部Aの歯車6の歯数とMRセンサ部Bの歯車8の歯数との比を1.13:1とし、絶対角度範囲を−540°〜540°とした。絶対角度を検出するためには、全ての絶対角度領域内で2つの信号波形値を組み合わせる必要がある。この図では、シャフト回転角度検出信号値は、180°ごとの絶対舵角の繰り返し波形を示しているため、180°毎の領域内において磁気抵抗素子9の出力信号が重複しなければ、これらの信号波形の組み合わせにより、絶対角度を演算することができる。   FIG. 5 is a graph showing the shaft rotation angle detection signal from the shaft rotation angle detection unit A and the output signal of the magnetoresistive element 9 from the MR sensor unit B on the horizontal axis. . Here, the ratio of the number of teeth of the gear 6 of the shaft rotation angle detector A and the number of teeth of the gear 8 of the MR sensor B was 1.13: 1, and the absolute angle range was −540 ° to 540 °. In order to detect an absolute angle, it is necessary to combine two signal waveform values in all absolute angle regions. In this figure, the shaft rotation angle detection signal value indicates a repetitive waveform of the absolute steering angle every 180 °. Therefore, if the output signals of the magnetoresistive elements 9 do not overlap in the region of every 180 °, these values The absolute angle can be calculated by combining the signal waveforms.

(絶対角変換方法)
シャフト回転角度検出部Aによるシャフト回転角度検出信号と、MRセンサ部Bによる磁気抵抗素子9の出力信号との2つの検出信号は、ADコンバータにより一度パソコンに取り込まれ、後述する絶対舵角を算出するテーブル(図6)にて演算され、絶対舵角に変換される。テーブルは、シャフト回転角度周期と同じ180°で作成されるが、MRセンサの周期は180°未満である。このため、0〜540°の各範囲における磁気抵抗素子9の出力信号をテーブル上に重ね合わせると、これらの出力信号が重複していなければ、磁気抵抗素子9の出力信号とシャフト回転角検出信号の両者のレベルを比較することにより、絶対舵角を算出することが可能となる。
(Absolute angle conversion method)
Two detection signals, a shaft rotation angle detection signal from the shaft rotation angle detection unit A and an output signal of the magnetoresistive element 9 from the MR sensor unit B, are once taken into a personal computer by an AD converter, and an absolute steering angle described later is calculated. Calculated by the table (FIG. 6) to be converted into an absolute steering angle. The table is created at the same 180 ° shaft rotation angle period, but the MR sensor period is less than 180 °. For this reason, when the output signals of the magnetoresistive element 9 in the respective ranges of 0 to 540 ° are superimposed on the table, if these output signals do not overlap, the output signal of the magnetoresistive element 9 and the shaft rotation angle detection signal The absolute steering angle can be calculated by comparing the two levels.

具体的には、歯車6の歯数をX、歯車8の歯数をXとすると、歯車6の回転周期は、180[°]、歯車8の回転周期は、(X/X)*180[°]と示すことが出来る。
一例として図6(a)に、0<X/X<1における、絶対角0〜180°での変化を示す絶対角変換テーブルを示す。0<X/X<1であるから、磁気抵抗素子9の出力信号は、周期が(X/X)*180[°]であるため、1波長と{(X−X)/X}*180周期分の信号波形が検出される。これに更に、磁気抵抗素子9の0〜180°と180°〜360°の波形を重ねると、(b)のようになり、磁気抵抗素子9の信号波形が重なることはない。多回転により磁気抵抗素子9のセンサ信号が0になる位置が原点に戻ると、それ以降は同じ繰り返し信号になるため、絶対角度を演算することができなくなる。よって、XとXの歯数を調整することにより、0〜180°と同じ波形となるまで絶対舵角を検出することが出来る。
Specifically, when the number of teeth of the gear 6 is X 1 and the number of teeth of the gear 8 is X 2 , the rotation period of the gear 6 is 180 [°], and the rotation period of the gear 8 is (X 2 / X 1 ) * 180 [°].
As an example, FIG. 6A shows an absolute angle conversion table showing a change at an absolute angle of 0 to 180 ° in 0 <X 2 / X 1 <1. Since 0 <X 2 / X 1 <1, the output signal of the magnetoresistive element 9 has a period of (X 2 / X 1 ) * 180 [°], so that one wavelength and {(X 1 −X 2 ) / X 1 } * 180 period signal waveforms are detected. Further, when the waveforms of 0 to 180 ° and 180 ° to 360 ° of the magnetoresistive element 9 are overlapped, as shown in (b), the signal waveform of the magnetoresistive element 9 does not overlap. When the position at which the sensor signal of the magnetoresistive element 9 becomes 0 due to multiple rotations returns to the origin, the same repetitive signal is obtained thereafter, and the absolute angle cannot be calculated. Therefore, by adjusting the number of teeth X 1 and X 2, it is possible to detect the absolute steering angle until the same waveform as 0 to 180 °.

なお、0〜180°と同じ波形が検出される場合は、下記の場合である。
シャフトの回転角をΦとすると、歯車8の回転角は、(X/X)*Φとなる。シャフトの回転角は180°毎の繰り返しとなるため、(X/X)*Φが180で割り切れる場合となる。
The case where the same waveform as 0 to 180 ° is detected is as follows.
If the rotation angle of the shaft is Φ, the rotation angle of the gear 8 is (X 2 / X 1 ) * Φ. Since the rotation angle of the shaft is repeated every 180 °, (X 2 / X 1 ) * Φ is divisible by 180.

(本操舵角センサの効果)
(1)本操舵角センサでは、シャフト回転角度検出部Aにより検出した回転角度と、MRセンサBにおいてシャフトの回転より増速した磁石付き歯車において検出した回転角度を組み合わせることで、多回転での絶対角度を検出することができる。例えば、基準位置から500°回転した場合、従来の角度センサでは、角度140°(360°でリセットされる)と検出されるのに対して、本操舵角センサでは、絶対角度500°と検出される。
(2)ステアリングを動作させることなく、センサの電源を入れた時点で絶対舵角を検出することができる。このため、絶対舵角値が必要なときのみ、電源を使用するので、消費電流を最小とすることが可能となり、バッテリーあがりを最小限にすることができる。
(3)測定対象の絶対回転角度を非接触で検出することができる。
(4)本操舵角センサでは操舵角情報が得られるので、将来の自動車の自動操縦の1つの要素技術を提供できる。
(5)カーナビゲーションの自立航法に活用することも可能である。
(Effect of this steering angle sensor)
(1) In this steering angle sensor, by combining the rotation angle detected by the shaft rotation angle detector A and the rotation angle detected in the gear with a magnet accelerated by the MR sensor B from the rotation of the shaft, An absolute angle can be detected. For example, when rotating by 500 ° from the reference position, the conventional angle sensor detects an angle of 140 ° (reset at 360 °), whereas the steering angle sensor detects an absolute angle of 500 °. The
(2) The absolute steering angle can be detected when the sensor is turned on without operating the steering. For this reason, since the power source is used only when the absolute steering angle value is required, it is possible to minimize the current consumption and to minimize the battery rising.
(3) The absolute rotation angle of the measurement object can be detected without contact.
(4) Since the steering angle information can be obtained by this steering angle sensor, it is possible to provide one elemental technology for future automatic driving of the automobile.
(5) It can also be used for autonomous navigation in car navigation.

図7に、本操舵角センサをステアリングシャフト用角度センサに適用した例を示す。
このステアリングシャフト用角度センサ10は、センサ部分として図1に示した構成の操舵角センサを用いている。また、演算用プロセッサ11を同一基板上に配置することで実装面積を最小にしている。
FIG. 7 shows an example in which the present steering angle sensor is applied to a steering shaft angle sensor.
The steering shaft angle sensor 10 uses a steering angle sensor having the configuration shown in FIG. 1 as a sensor portion. In addition, the mounting area is minimized by arranging the arithmetic processor 11 on the same substrate.

図8に、自動車ステアリング全体システムの説明図を示す。上記ステアリングシャフト用角度センサ10は、図8に示した絶対舵角センサ12、演算回路13、運動制御用コントローラ14、及びステアリングシャフト15の内、絶対舵角センサ12及び演算回路13の部分に対応している。   FIG. 8 is an explanatory diagram of the entire vehicle steering system. The steering shaft angle sensor 10 corresponds to the absolute steering angle sensor 12 and the arithmetic circuit 13 among the absolute steering angle sensor 12, the arithmetic circuit 13, the motion control controller 14 and the steering shaft 15 shown in FIG. is doing.

図9に、シャフト回転角度検出部の磁界シミュレーション結果を示す。解析は、図2に示すシャフト回転角度検出部Aの形状を用い、環状磁石2を回転させて行った。これより、磁気検出素子4a、4b共に、図2(b)に対応した出力波形が得られた。   FIG. 9 shows a magnetic field simulation result of the shaft rotation angle detection unit. The analysis was performed by rotating the annular magnet 2 using the shape of the shaft rotation angle detector A shown in FIG. Thus, an output waveform corresponding to FIG. 2B was obtained for both the magnetic detection elements 4a and 4b.

本発明の操舵角センサの一実施形態を示す構成図であり、(a)は平面図、(b)は側面図である。It is a block diagram which shows one Embodiment of the steering angle sensor of this invention, (a) is a top view, (b) is a side view. 本実施形態の操舵角センサの説明図であり、(a)は、シャフト回転角度検出部の部分構成図、(b)は2つの磁気検出素子による絶対角度出力波形図である。It is explanatory drawing of the steering angle sensor of this embodiment, (a) is a partial block diagram of a shaft rotation angle detection part, (b) is an absolute angle output waveform figure by two magnetic detection elements. 本実施形態の操舵角センサのシャフト回転角度検出部Aにおける演算後の絶対角度出力波形図である。It is an absolute angle output waveform figure after the calculation in the shaft rotation angle detection part A of the steering angle sensor of this embodiment. 本実施形態の操舵角センサのMRセンサ部Bにおける絶対角度出力波形図である。It is an absolute angle output waveform figure in MR sensor part B of the steering angle sensor of this embodiment. シャフト回転角度検出信号と磁気抵抗素子の出力信号の組み合わせを示したグラフである。It is the graph which showed the combination of the shaft rotation angle detection signal and the output signal of a magnetoresistive element. シャフト回転角度検出信号と磁気抵抗素子の出力信号の組み合わせを示したグラフであり、(a)は絶対角0〜180°での変化を示すもの、(b)は絶対角0〜180°と180°〜360°の変化を重ねたものである。It is the graph which showed the combination of the shaft rotation angle detection signal and the output signal of a magnetoresistive element, (a) shows the change in an absolute angle 0-180 degree, (b) is absolute angle 0-180 degree and 180. It is a superposition of changes of ° to 360 °. ステアリングシャフト用角度センサの一例を示す平面図である。It is a top view which shows an example of the angle sensor for steering shafts. 自動車ステアリング全体システムを示す説明図である。It is explanatory drawing which shows a motor vehicle steering whole system. シャフト回転角度検出部の磁界シミュレーション結果を示すグラフである。It is a graph which shows the magnetic field simulation result of a shaft rotation angle detection part. 従来の車両の操舵角センサに使用する回転角検出装置を示す一部断面図である。It is a partial cross section figure which shows the rotation angle detection apparatus used for the steering angle sensor of the conventional vehicle. 図10における受光部の部分の部分拡大図である。It is the elements on larger scale of the part of the light-receiving part in FIG. 従来の操舵角センサを示す構成図である。It is a block diagram which shows the conventional steering angle sensor. 図12における検出部の部分拡大図である。It is the elements on larger scale of the detection part in FIG.

符号の説明Explanation of symbols

1 シャフト
2 環状磁石
3 磁気ヨーク
4a、4b 磁気検出素子
5 ギャップ
6 歯車
7 円形磁石
8 歯車
9 磁気抵抗素子
A シャフト回転角度検出部
B MRセンサ部
10 ステアリングシャフト用角度センサ
11 演算用プロセッサ
12 絶対舵角センサ
13 演算回路
14 運動制御用コントローラ
15 ステアリングシャフト
16 タイヤ
17 ピニオン
18 ラック
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Shaft 2 Ring magnet 3 Magnetic yoke 4a, 4b Magnetic detection element 5 Gap 6 Gear 7 Circular magnet 8 Gear 9 Magnetoresistive element A Shaft rotation angle detection part B MR sensor part 10 Steering shaft angle sensor 11 Calculation processor 12 Absolute steering Angle sensor 13 Arithmetic circuit 14 Motion control controller 15 Steering shaft 16 Tire 17 Pinion 18 Rack

Claims (3)

シャフトの径よりも大径の歯車Iを有し、かつ前記歯車Iの内側に磁気センサIが設けられたシャフト回転角度検出部と、
前記歯車Iと噛み合うように設けられた小径の歯車IIを有すると共に、一部に磁気センサIIが配されたMRセンサ部と、
前記磁気センサIにより検出したシャフト回転角度信号に対して、更に、前記磁気センサIIから検出したセンサ信号を組み合わせることにより絶対角度を演算する演算部とを備え、
前記歯車Iの歯数は、前記歯車IIの歯数より大きく、かつ前記歯車Iの歯数は、前記歯車IIの歯数の非整数倍とすることを特徴とする操舵角センサ。
A shaft rotation angle detector having a gear I having a diameter larger than the diameter of the shaft, and a magnetic sensor I provided inside the gear I;
An MR sensor portion having a small-diameter gear II provided so as to mesh with the gear I and having a magnetic sensor II disposed in part;
A calculation unit that calculates an absolute angle by combining the sensor rotation angle signal detected by the magnetic sensor I with the sensor signal detected by the magnetic sensor II;
The steering angle sensor, wherein the number of teeth of the gear I is larger than the number of teeth of the gear II, and the number of teeth of the gear I is a non-integer multiple of the number of teeth of the gear II.
前記シャフト回転角度検出部は、前記シャフトの周囲に設けられた環状磁石の外周面に、複数個の磁気ヨークがそれぞれ所定のギャップを空けて固定配置されると共に、前記ギャップには、磁気センサIが設けられ、前記MRセンサ部は、前記歯車IIの中心に磁石が設けられると共に、前記磁石の下部には磁気センサIIが固定設置されることを特徴とする請求項1記載の操舵角センサ。   In the shaft rotation angle detection unit, a plurality of magnetic yokes are fixedly disposed on an outer peripheral surface of an annular magnet provided around the shaft with a predetermined gap therebetween, and a magnetic sensor I is provided in the gap. The steering angle sensor according to claim 1, wherein the MR sensor unit is provided with a magnet at the center of the gear II, and the magnetic sensor II is fixedly installed at a lower portion of the magnet. 前記シャフト回転角度検出部において、4個の磁気ヨークがそれぞれ所定のギャップを空けて固定配置され、前記ギャップのうちの2つに、磁気センサIとしての磁気検出素子が設けられ、かつ前記MRセンサ部において、磁気センサIIとしての磁気抵抗素子が固定設置されていることを特徴とする請求項1記載の操舵角センサ。   In the shaft rotation angle detection unit, four magnetic yokes are fixedly arranged with a predetermined gap therebetween, a magnetic detection element as a magnetic sensor I is provided in two of the gaps, and the MR sensor The steering angle sensor according to claim 1, wherein a magnetoresistive element as the magnetic sensor II is fixedly installed in the section.
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