JP2002048508A - 相対的回転位置検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 温度ドリフト補償の改善。微小変位でも高分
解能での検出可能化。 【解決手段】 交流信号で励磁される１つのセンサ用コ
イルＬ１を持つ。磁性体又は導電体等からなる１対の磁
気応答部材１１，１２の相対的位置が入力軸２及び出力
軸３の相対的回転位置に応じて変化する。この相対的位
置に応じてコイルＬ１のインダクタンスが変化し、該セ
ンサ用コイルに生じる電圧が漸増（又は漸減）変化す
る。センサ用コイルに温度補償用コイルＬ２を直列接続
し、その接続点より、センサ用コイルの出力電圧Ｖｘを
取り出す。該電圧Ｖｘを基準電圧Ｖａ，Ｖｂと演算する
ことにより、検出対象の相対的回転位置に応じてサイン
及びコサイン関数特性に従う振幅をそれぞれ示す２つの
交流出力信号ｓｉｎθｓｉｎωｔ及びｃｏｓθｓｉｎω
ｔを生成する。このサイン及びコサイン関数特性の振幅
係数における位相値θを検出することで、相対的回転位
置を検出する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、交流励磁される
コイルと、このコイルに対して磁気的に結合し、相対的
に回転変位する１対の磁性体又は導電体とを含んで構成
される相対的回転位置検出装置に関し、相対的に回転可
能な２軸のねじれ量や回転ずれなどの相対的回転位置の
検出に適したものであり、特に、１相の交流で励磁され
る１次コイルのみを使用して複数相の振幅関数特性を示
す出力交流信号を検出対象たる相対的回転位置に応じて
生成するものに関する。

【０００２】

【従来の技術】相対的に回転可能な２軸のねじれ量を検
出するものとしては、従来からよく知られたものとし
て、トーションバーを介して結合された入力軸と出力軸
の両軸にレゾルバ装置を設け、これら両レゾルバ装置か
らの角度信号に基づいて相対回転量（ねじれ量）を検出
するものがある。また、相対的に回転可能な２軸の回転
ずれを検出するものとして、誘導コイルを用いたパワー
ステアリング用非接触トルクセンサーも開発されてい
る。この場合、誘導コイルに誘導された電圧を取り出す
ために、該コイルに直列に抵抗素子を接続し、該抵抗素
子と誘導コイルのインピーダンスとの分圧比によって誘
導電圧を取り出すようにしている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】従来知られたねじれ量
検出装置は、トーションバーで結合された入力軸と出力
軸の両方にレゾルバ装置を設けなくてはならないため、
装置全体が大型化し、コスト的にも高価になるという難
がある。また従来の誘導コイルを用いた電動パワーステ
アリング用非接触トルクセンサーとして知られたような
回転ずれ検出装置は、微小な回転ずれに応じて生じるア
ナログ電圧レベルを測定する構成であり、その検出分解
能において劣るものである。また、誘導コイルに誘導さ
れた電圧を取り出すために、該コイルに直列に抵抗素子
を接続し、該抵抗素子と誘導コイルのインピーダンスと
の分圧比によって誘導電圧を取り出すようにしているの
で、コイルと抵抗素子との温度特性の相違によって、温
度ドリフト補償性能が悪い、という問題がある。

【０００４】この発明は上述の点に鑑みてなされたもの
で、小型かつシンプルな構造を持つ相対的回転位置検出
装置を提供しようとするものである。また、検出対象の
相対的回転変位が微小でも高分解能での検出が可能であ
り、温度特性の補償も容易な、相対的回転位置検出装置
を提供しようとするものである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明に係る相対的回転
位置検出装置は、相対的に回転可能な第１及び第２の軸
の相対的回転位置を検出する相対的回転位置検出装置で
あって、交流信号で励磁される１つのセンサ用コイルを
配置してなるコイル部と、前記第１及び第２の軸に配置
された第１及び第２の磁気応答部材であって、前記コイ
ル部に対して磁気的に結合し、前記相対的回転位置に応
じて該第１及び第２の磁気応答部材の相対的位置が変化
し、これに応じて前記センサ用コイルのインピーダンス
を変化させるようにしたものと、前記センサ用コイルに
直列接続された温度補償用コイルと、前記センサ用コイ
ルと前記温度補償用コイルとの接続点より、前記センサ
用コイルのインピーダンス変化に基づき変化する該セン
サ用コイルの出力電圧を取り出す回路と、交流信号から
なる基準電圧を発生する回路と、前記センサ用コイルの
出力電圧と前記基準電圧と演算することで、所定の周期
的振幅関数を振幅係数として持つ交流出力信号を少なく
とも２つ生成する演算回路であって、前記各交流出力信
号の前記周期的振幅関数はその周期特性において所定位
相だけ異なっているものとを具えたものである。

【０００６】上記構成において、第１及び第２の磁気応
答部材は、典型的には、磁性体及び導電体の少なくとも
一方を含んでなるものである。第１及び第２の磁気応答
部材が磁性体からなる場合は、第１及び第２の軸の相対
的回転位置に応じて相対的位置が変化することでセンサ
用コイルに対する磁気結合の度合いが変化する。第１及
び第２の磁気応答部材のセンサ用コイルに対する磁気結
合の度合いが増すほど、該コイルのインダクタンスが増
加して、該コイルの電気的インピーダンスが増加し、該
コイルに生じる電圧すなわち端子間電圧が増加する。反
対に、第１及び第２の磁気応答部材のセンサ用コイルに
対する磁気結合の度合いが減少するほど、該コイル部の
インダクタンスが減少して、該コイル部の電気的インピ
ーダンスが減少する。こうして、検出対象の相対的回転
に伴い、コイル部に対する第１及び第２の磁気応答部材
の相対的回転位置が所定の回転角度範囲にわたって変化
する間で該コイルの端子間電圧は、漸増（又は漸減）変
化することとなる。

【０００７】ここで、センサ用コイルに直列接続された
温度補償用コイルを具備し、前記センサ用コイルと前記
温度補償用コイルとの接続点より、前記センサ用コイル
のインピーダンス変化に基づき変化する該センサ用コイ
ルの出力電圧を取り出すようにしているので、同じコイ
ルであることにより温度ドリフトを適正に相殺し、温度
ドリフト補償済みの出力電圧を取り出すことができる。

【０００８】一例として、第１及び第２の磁気応答部材
は、所定ピッチの凹凸又はパターンを有し、前記第１及
び第２の軸の相対的回転位置に応じて該第１及び第２の
磁気応答部材の前記凹凸又はパターンの対応関係が変化
し、これに応じて前記コイルの自己インダクタンスすな
わちインピーダンスが変化するようにしたものである。
このインピーダンスに対応する振幅レベルを持つ交流電
圧が１個のセンサ用コイルに生じる。

【０００９】例えば、典型的には、１対の磁気応答部材
の相対的位置が所定の範囲にわたって変化する間で該コ
イルに生じる電圧が示す漸増変化カーブは、サイン関数
における０度から９０度までの範囲の関数値変化になぞ
らえることができる。ここで、交流信号成分をｓｉｎω
ｔで示し、センサ用コイルの端子間電圧が示す漸増変化
カーブにおける適当な区間の始まりの位置に対応して得
られるセンサ用コイル出力電圧Ｖｘの振幅係数レベル値
をＰａとすると、該区間の始まりの位置に対応するコイ
ル出力電圧Ｖｘは、Ｐa ｓｉｎωｔと表わせる。そし
て、該区間の終わりの位置に対応して得られるセンサ用
コイル出力電圧Ｖｘの振幅係数レベル値をＰｂとする
と、該区間の終わりの位置に対応するセンサ用コイル出
力電圧は、Ｐb ｓｉｎωｔと表わせる。ここで、始まり
の位置に対応するコイル出力電圧Ｖｘの値Ｐa ｓｉｎω
ｔと同じ値の交流電圧を基準電圧Ｖａと定めて、これを
センサ用コイル出力電圧Ｖｘから減算すると、センサ用
コイル出力電圧Ｖｘの振幅係数を関数Ａ（ｘ）で示す
と、 Ｖｘ−Ｖａ＝Ａ(ｘ) ｓｉｎωｔ−Ｐa ｓｉｎωｔ ＝｛Ａ(ｘ) −Ｐa ｝ｓｉｎωｔ …式（１） となる。前記区間の始まりの位置では、Ａ（ｘ）＝Ｐａ
であることから、この演算結果の振幅係数「Ａ(ｘ) −
Ｐa 」は「０」となる。一方、前記区間の終わり位置で
は、Ａ（ｘ）＝Ｐｂであることから、この演算結果の振
幅係数「Ａ(ｘ)−Ｐa 」は「Ｐb −Ｐa 」となる。よっ
て、この演算結果の振幅係数「Ａ(ｘ)−Ｐa 」は、前記
区間の範囲内において、「０」から「Ｐb −Ｐa 」まで
漸増する関数特性を示す。ここで、「Ｐb −Ｐa 」は最
大値であるから、これを等価的に「１」と考えると、前
記式（１）に従う交流信号の振幅係数「Ａ(ｘ) −Ｐa」
は、前記区間の範囲内において、「０」から「１」まで
変化することになり、この振幅係数の関数特性は、サイ
ン関数の第１象限（つまり０度から９０度の範囲）の特
性になぞらえることができる。よって、前記式（１）に
従う交流信号の振幅係数「Ａ(ｘ) −Ｐa 」は、等価的
にｓｉｎθ（ただし、大体、０°≦θ≦９０°）と表わ
せる。

【００１０】一例として、前記基準電圧を発生する回路
は、交流信号が印加されるように直列接続された２つの
コイルを含み、該コイルの接続点より前記基準電圧を取
り出すようにしたものである。これにより、基準電圧の
温度ドリフト補償も行なうことができ、出力電圧及び基
準電圧が共に温度ドリフト補償された正確なアナログ演
算を行なうことができる。

【００１１】好ましい一実施形態は、前記所定の基準電
圧を発生する回路は、第１及び第２の基準電圧を発生
し、前記演算回路は、前記１つのコイルから取り出した
電圧と前記第１及び第２の基準電圧とを用いて所定の第
１の演算及び第２の演算をそれぞれ行うことで、第１の
振幅関数を振幅係数として持つ第１の交流出力信号と、
第２の振幅関数を振幅係数として持つ第２の交流出力信
号とをそれぞれ生成するものである。この場合、コイル
部は、ただ１つのセンサ用コイルを持つだけでよいの
で、構成を最小限に簡略化することができる。上記第１
の基準電圧として上記Ｖａを使用することで、上記第１
の振幅関数として、サイン関数のほぼ第１象限（つまり
０度から９０度の範囲）の特性を持つものを得ることが
できる。

【００１２】また、前記区間の終わりの位置に対応する
コイル出力電圧Ｖｘの値Ｐb ｓｉｎωｔと同じ値の交流
電圧を第２の基準電圧Ｖｂと定め、これとコイル出力電
圧Ｖｘとの差を求めると、 Ｖｂ−Ｖｘ＝Ｐb ｓｉｎωｔ−Ａ(ｘ) ｓｉｎωｔ ＝｛Ｐb −Ａ(ｘ) ｝ｓｉｎωｔ …式（２） となる。前記区間の始まりの位置では、Ａ（ｘ）＝Ｐａ
であることから、この演算結果の振幅係数「Ｐb −Ａ
(ｘ) 」は「Ｐb −Ｐa 」となる。一方、前記区間の終
わり位置では、Ａ（ｘ）＝Ｐｂであることから、この演
算結果の振幅係数「Ｐb −Ａ(ｘ) 」は「０」となる。
よって、この演算結果の振幅係数「Ｐb −Ａ(ｘ) 」
は、前記区間の範囲内において、「Ｐb −Ｐa 」から
「０」まで漸減する関数特性を示す。前記と同様に、
「Ｐb −Ｐa 」を等価的に「１」と考えると、前記式
（２）に従う交流信号の振幅係数「Ｐb −Ａ(ｘ) 」
は、前記区間の範囲内において、「１」から「０」まで
変化することになり、この振幅係数の関数特性は、コサ
イン関数の第１象限（つまり０度から９０度の範囲）の
特性になぞらえることができる。よって、前記式（２）
に従う交流信号の振幅係数「Ｐb −Ａ(ｘ) 」は、等価
的にｃｏｓθ（ただし、大体、０°≦θ≦９０°）と表
わせる。なお、式（２）の減算は「Ｖｘ−Ｖｂ」であっ
てもよい。

【００１３】こうして、１つのコイルと２つの基準電圧
を用いるだけで、検出対象たる相対的回転位置に応じて
サイン及びコサイン関数特性に従う振幅をそれぞれ示す
２つの交流出力信号を生成することができる。例えば、
検出対象たる相対的回転位置を所定の検出可能範囲を３
６０度分の位相角に換算した場合の位相角θにて示す
と、概ね、サイン関数特性を示す振幅を持つ交流出力信
号は、ｓｉｎθｓｉｎωｔで示すことができるものであ
り、コサイン関数特性を示す振幅を持つ交流出力信号
は、ｃｏｓθｓｉｎωｔで示すことができるものであ
る。これは、レゾルバといわれる位置検出器の出力信号
の形態と同様のものであり、極めて有用なものである。
例えば、前記演算回路で生成された前記２つの交流出力
信号を入力し、該２つの交流出力信号における振幅値の
相関関係から該振幅値を規定する前記サイン及びコサイ
ン関数における位相値を検出し、検出した位相値に基づ
き前記検出対象の位置検出データを生成する振幅位相変
換部を具備するようにするとよい。なお、上記サイン及
びコサイン関数は、ほぼ１象限分（９０度）の範囲の特
性を示すので、検出可能な位置範囲がほぼ９０度の範囲
の位相角に換算されて検出されることになる。

【００１４】なお、磁気応答部材として、銅のような良
導電体を使用した場合は、渦電流損によってコイルの自
己インダクタンスが減少し、磁気応答部材のコイルに対
する近接に伴い該コイルの端子間電圧が漸減することに
なる。この場合も、上記と同様に検出することが可能で
ある。また、磁気応答部材として、磁性体と導電体を組
合わせたハイブリッドタイプのものを用いてもよい。

【００１５】別の実施形態として、磁気応答部材として
永久磁石を含み、コイルは磁性体コアを含むようにして
もよい。この場合は、コイルの側の磁性体コアにおいて
永久磁石の接近に応じて対応する箇所が磁気飽和又は過
飽和となり、該磁気応答部材すなわち永久磁石のコイル
に対する相対的変位に応じて該コイルの端子間電圧が漸
減することになる。

【００１６】かくして、この発明によれば、１次コイル
のみを設ければよく、２次コイルは不要であるため、小
型かつシンプルな構造の位置検出装置を提供することが
できる。また、１つのセンサ用コイルを用いることによ
り、検出対象位置に応じて所定の周期関数特性に従う振
幅をそれぞれ示す複数の交流出力信号（例えばサイン及
びコサイン関数特性に従う振幅をそれぞれ示す２つの交
流出力信号）を容易に生成することができ、利用可能な
位相角範囲として少なくともほぼ１象限（９０度）分を
とることができる。従って、少ないコイルでありながら
比較的広い位相角範囲で検出を行うことができ、検出分
解能を向上させることができる。また、検出対象の変位
が微小でも高分解能での相対的位置検出が可能である。
更に、出力電圧及び基準電圧が共に温度ドリフト補償さ
れた正確なアナログ演算を行なうことができることとな
り、温度変化の影響を排除した相対的位置検出を容易に
行うことができる。勿論、基準電圧を発生する回路は、
コイルに限らず、抵抗等、その他適宜の構成からなる電
圧生成回路を使用してよい。なお、コイルと基準電圧の
数は１又は２に限定されず、それ以上であってもよく、
これに伴い、利用可能な位相角範囲を、ほぼ１象限（９
０度）分に限らず、更に拡大することも可能である。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、添付図面を参照してこの発
明の実施の形態を説明する。図１（Ａ）はこの発明の一
実施の形態に係る相対的回転位置検出装置の構造を示す
外観斜視図であって、コイル部１０については断面で示
したものである。同図（Ｂ）はその軸方向断面略図、
（Ｃ）は同装置におけるコイルに関連する電気回路図で
ある。この相対的回転位置検出装置は、トーションバー
１を介して連結された入力軸（第１の軸）２及び出力軸
（第２の軸）３の間のねじれ角を検出するものであり、
コイル部１０と、各軸２，３の端部にそれぞれ設けられ
ていて非接触的に対向している１対の（第１及び第２
の）磁気応答部材１１，１２とを含んで構成されてい
る。コイル部１０は、断面Ｃ字型のリング状の磁性体ケ
ース１０ａ内に収納された１個のセンサ用コイルＬ１を
含んでおり、このセンサ用コイルＬ１は磁気応答部材１
１，１２の対向箇所における後述する凹凸歯若しくはパ
ターンの箇所をカバーしている。

【００１８】入力軸２及び出力軸３はそれぞれ他の機械
系（図示せず）に連結されており、入力軸２の回転に連
動して出力軸３が回転し、そのトルクの大きさに応じて
トーションバー１を介して入力軸２と出力軸３の間にね
じれが生じる。このねじれによって、入力軸２と出力軸
３との間に回転誤差（回転ずれ）が生じる。例えば、自
動車のパワーステアリングに適用する場合、入力軸２は
ステアリングホイールに連結され、出力軸３はステアリ
ングギア機構に連結される。第１及び第２の磁気応答部
材１１，１２は、例えば円筒状の鉄のような磁性体から
なり、コイルＬ１と磁気的に結合する。第１及び第２の
磁気応答部材１１，１２の対向端部には、入力軸２と出
力軸３との相対的回転量に応じてコイル部１０に対する
磁気結合を変化させる可変磁気結合部としての凸部１１
ａ，１２ａが複数設けられている。この実施の形態で
は、凸部１１ａ，１２ａを方形歯状に形成し、該凸部１
１ａ，１２ａを第１及び第２の磁気応答部材１１，１２
の回転方向（周方向）に沿って所定ピッチＰで繰り返し
設けている。

【００１９】センサ用コイルＬ１は、交流発生源３０か
ら発生される所定の１相の交流信号（仮にｓｉｎωｔで
示す）によって定電圧又は定電流で励磁される。コイル
Ｌ１から発生した磁界は、図１（Ｂ）で破線で示すよう
に、第１および第２の磁気応答部材１１，１２を通る磁
気回路Φを形成する。温度補償用コイルＬ２がセンサ用
コイルＬ１に直列接続されており、その接続点からセン
サ用コイルＬ１の出力電圧Ｖｘが取り出される。温度補
償用コイルＬ２は、第１および第２の磁気応答部材１
１，１２の相対的位置には応答せず、一定のインピーダ
ンス（インダクタンス）を示すものであるが、できるだ
けセンサ用コイルＬ１と同等の温度ドリフト特性を示す
ように、センサ用コイルＬ１とできるだけ同一条件のコ
イル素子であることが好ましく、また、できるだけ同一
環境下に配置されることが好ましい。センサ用コイルＬ
１と温度補償用コイルＬ２の分圧比により、センサ用コ
イルＬ１の出力電圧Ｖｘが取り出されるので、両コイル
Ｌ１，Ｌ２の温度ドリフト特性が相殺され、センサ用コ
イルＬ１の出力電圧Ｖｘは正確に温度補償されたものと
なる。

【００２０】図２は、第１及び第２の軸２，３間の相対
的回転位置の変化に応じた、第１および第２の磁気応答
部材１１，１２における凹凸歯の対応関係の変化を示す
展開図である。図２（ｃ）は、相対的回転位置０（つま
り捩じれ量０）のときの凹凸歯の対応関係を示す。この
状態では、それぞれの磁気応答部材１１，１２の凸部１
１ａ，１２ａと凹部１１ｂ，１２ｂが半々で対応してお
り（磁気応答部材１１，１２の凹凸歯が１／４ピッチず
れている）、該磁気応答部材１１，１２を通るコイルｌ
１の磁気回路Φの磁気結合度合いは中間値をとる。

【００２１】図２（ｂ）は、（ｃ）の中間状態から第１
の磁気応答部材１１が第２の磁気応答部材１２に対して
相対的に矢印ＣＷ方向（時計回り方向）に１／４ピッチ
だけ回転した状態を示す。この状態では、それぞれの磁
気応答部材１１，１２の凸部１１ａ，１２ａ同士及び凹
部１１ｂ，１２ｂ同士が丁度一致しており（磁気応答部
材１１，１２の凹凸歯のずれがない）、該磁気応答部材
１１，１２を通るコイルｌ１の磁気回路Φの磁気結合度
合いは最大値をとる。

【００２２】図２（ａ）は、（ｃ）の中間状態から第１
の磁気応答部材１１が第２の磁気応答部材１２に対して
相対的に矢印ＣＣＷ方向（反時計回り方向）に１／４ピ
ッチだけ回転した状態を示す。この状態では、それぞれ
の磁気応答部材１１，１２の凸部１１ａ，１２ａと凹部
１１ｂ，１２ｂが逆に対応しており（磁気応答部材１
１，１２の凹凸歯が１／２ピッチずれている）、該磁気
応答部材１１，１２を通るコイルＬ１の磁気回路Φの磁
気結合度合いは最小値をとる。

【００２３】このように、入力軸２及び出力軸３の相対
的回転位置に応じて第１及び第２の磁気応答部材１１，
１２の凹凸歯１１ａ，１１ｂ，１２ａ，１２ｂの相対的
位置が変化することでコイルＬ１の磁気回路Φにおける
磁気結合の度合いが変化し、該コイルＬ１の自己インダ
クタンスが変化し、電気的インピーダンスが変化する。
する。よって、このインピーダンスに応じてセンサ用コ
イルＬ１に生じる電圧（端子間電圧）は、検出対象たる
相対的回転位置に対応するものとなる。

【００２４】図３（Ａ）は、検出対象たる相対的回転位
置（横軸ｘ）に対応してセンサ用コイルＬ１に生じる電
圧（たて軸）を例示するグラフである。横軸ｘに記した
ａ，ｃ，ｂは図２の（ａ），（ｃ），（ｂ）に示す各位
置に対応しており、上述のように、図２（ａ）に対応す
る位置ａでは、インピーダンス最小のため、コイルＬ１
に生じる電圧は最小レベル（最小振幅係数）であ。ま
た、図２（ｂ）に対応する位置ｂでは、インピーダンス
最大のため、コイルＬ１に生じる電圧は最大レベル（最
大振幅係数）である。

【００２５】センサ用コイルＬ１に生じる電圧は、第１
及び第２の磁気応答部材１１，１２の相対的位置がａか
らｂまで動く間で、最小値から最大値まで漸増変化す
る。この位置ａにおいて最小値をとるコイルＬ１の出力
電圧ＶｘがＰa ｓｉｎωｔであるとすると（Ｐaは最小
インピーダンス）、これを第１の基準電圧Ｖａとして設
定する。すなわち、 Ｖａ＝Ｐa ｓｉｎωｔ である。また、位置ｂにおいて最大値をとるコイルＬ１
の出力電圧ＶｘがＰb ｓｉｎωｔであるとすると（Ｐｂ
は最大インピーダンス）、これを第２の基準電圧Ｖｂと
して設定する。すなわち、 Ｖｂ＝Ｐb ｓｉｎωｔ である。

【００２６】図１（Ｃ）に示すように、各基準電圧Ｖ
ａ，Ｖｂを発生するための回路として、２つのコイルＬ
ａ１，Ｌａ２を直列接続した回路と、２つのコイルＬｂ
１，Ｌｂ２を直列接続した回路とが設けられており、こ
れらも交流発生源３０からの交流信号によって駆動され
る。基準電圧ＶａはコイルＬａ１，Ｌａ２の接続点から
取り出され、基準電圧ＶｂはコイルＬｂ１，Ｌｂ２の接
続点から取り出される。コイルＬａ１，Ｌａ２，コイル
Ｌ１，Ｌ２の各対は、所望の基準電圧Ｖａ，Ｖｂが得ら
れるように、そのインピーダンス（インダクタンス）が
適切に調整される。コイルＬａ１，Ｌａ２の分圧比によ
り基準電圧Ｖａが取り出されるので、コイルＬａ１，Ｌ
ａ２の温度ドリフト特性が相殺され、基準電圧Ｖａは正
確に温度補償されたものとなる。同様に、コイルＬｂ
１，Ｌｂ２の分圧比により基準電圧Ｖｂが取り出される
ので、コイルＬｂ１，Ｌｂ２の温度ドリフト特性が相殺
され、基準電圧Ｖｂは正確に温度補償されたものとな
る。

【００２７】演算回路３１Ａは、センサ用コイルＬ１の
出力電圧Ｖｘから第１の基準電圧Ｖａを減算するもの
で、前記式（１）のように、コイル出力電圧Ｖｘの振幅
係数を関数Ａ（ｘ）で示すと、 なる演算を行う。第１の基準電圧Ｖａによって設定した
検出対象区間の始まりの位置ａでは、Ａ（ｘ）＝Ｐａで
あることから、この演算結果の振幅係数「Ａ(ｘ)−Ｐa
」は「０」となる。一方、該検出対象区間の終わりの
位置ｂでは、Ａ（ｘ）＝Ｐｂであることから、この演算
結果の振幅係数「Ａ(ｘ) −Ｐa 」は「Ｐb−Ｐa 」とな
る。よって、この演算結果の振幅係数「Ａ(ｘ) −Ｐa
」は、該検出対象区間の範囲内において、「０」から
「Ｐb −Ｐa 」まで漸増する関数特性を示す。ここで、
「Ｐb −Ｐa 」は最大値であるから、これを等価的に
「１」と考えると、前記式に従う交流信号の振幅係数
「Ａ(ｘ) −Ｐa 」は、検出対象区間の範囲内におい
て、図３（Ｂ）に示すように、「０」から「１」まで変
化することになり、この振幅係数の関数特性は、図３
（Ｃ）に示すようなサイン関数ｓｉｎθの第１象限（つ
まり０度から９０度の範囲）の特性になぞらえることが
できる。よって、前記式に従う交流信号の振幅係数「Ａ
(ｘ) −Ｐa 」は、等価的にｓｉｎθ（ただし、大体、
０°≦θ≦９０°）を用いて表わせる。なお、図３
（Ｂ）、（Ｃ）では、位置ｘに対するサイン関数特性の
振幅係数のカーブｓｉｎθのみを示しているが、実際の
演算回路３１Ａの出力はこの振幅係数ｓｉｎθに対応す
る振幅レベルを持つ交流信号ｓｉｎθｓｉｎωｔであ
る。

【００２８】演算回路３１Ｂは、検出用コイルＬ１の出
力電圧Ｖｘと第２の基準電圧Ｖｂとの差を求めるもの
で、前記式（２）のように、 なる演算を行う。検出対象区間の始まりの位置ａでは、
Ａ（ｘ）＝Ｐａであることから、この演算結果の振幅係
数「Ｐb −Ａ(ｘ) 」は「Ｐb −Ｐa 」となる。一方、
第２の基準電圧Ｖｂによって設定した該区間の終わりの
位置ｂでは、Ａ（ｘ）＝Ｐｂであることから、この演算
結果の振幅係数「Ｐb −Ａ(ｘ) 」は「０」となる。よ
って、この演算結果の振幅係数「Ｐb −Ａ(ｘ) 」は、
該検出対象区間の範囲内において、「Ｐb −Ｐa 」から
「０」まで漸減する関数特性を示す。前記と同様に、
「Ｐb −Ｐa 」を等価的に「１」と考えると、前記式に
従う交流信号の振幅係数「Ｐb −Ａ(ｘ) 」は、検出対
象区間の範囲内において、図３（Ｂ）に示すように、
「１」から「０」まで変化することになり、この振幅係
数の関数特性は、図３（Ｃ）に示すようなコサイン関数
の第１象限（つまり０度から９０度の範囲）の特性にな
ぞらえることができる。よって、前記式に従う交流信号
の振幅係数「Ｐb −Ａ(ｘ) 」は、等価的にｃｏｓθ
（ただし、大体、０°≦θ≦９０°）を用いて表わせ
る。この場合も、図２（Ｂ）では、位置ｘに対するコサ
イン関数特性の振幅係数のカーブｃｏｓθのみを示して
いるが、実際の演算回路３１Ｂの出力はこの振幅係数ｃ
ｏｓθに対応する振幅レベルを持つ交流信号ｃｏｓθｓ
ｉｎωｔである。なお、演算回路３１Ｂでの減算は「Ｖ
ｘ−Ｖｂ」であってもよい。

【００２９】こうして、検出対象位置ｘに応じてサイン
及びコサイン関数特性に従う振幅をそれぞれ示す２つの
交流出力信号ｓｉｎθｓｉｎωｔとｃｏｓθｓｉｎωｔ
を生成することができる。これは一般にレゾルバといわ
れる位置検出器の出力信号の形態と同様のものであり、
有効に活用することができる。例えば、演算回路３１
Ａ，３１Ｂで生成されたレゾルバタイプの２つの交流出
力信号を位相検出回路（若しくは振幅位相変換手段）３
２に入力し、該２つの交流出力信号における振幅値の相
関関係から該振幅値を規定する前記サイン及びコサイン
関数ｓｉｎθ及びｃｏｓθの位相値θを計測すること
で、検出対象位置をアブソリュートで検出することがで
きる。この位相検出回路３２としては、例えば本出願人
の出願に係る特開平９−１２６８０９号公報に示された
技術を用いて構成するとよい。例えば、第１の交流出力
信号ｓｉｎθｓｉｎωｔを電気的に９０度シフトするこ
とで、交流信号ｓｉｎθｃｏｓωｔを生成し、これと第
２の交流出力信号ｃｏｓθｓｉｎωｔを加減算合成する
ことで、ｓｉｎ（ωｔ＋θ）およびｓｉｎ（ωｔ−θ）
なる、θに応じて進相および遅相方向に位相シフトされ
た２つの交流信号（位相成分θを交流位相ずれに変換し
た信号）を生成し、その位相θを測定することで、スト
ローク位置検出データを得ることができる。位相検出回
路３２は、専用回路（例えば集積回路装置）で構成して
もよいし、プログラム可能なプロセッサまたはコンピュ
ータを使用して所定のソフトウェアを実行することによ
り位相検出処理を行うようにしてもよい。あるいは、公
知のレゾルバ出力を処理するために使用されるＲ−Ｄコ
ンバータを、この位相検出回路３２として使用するよう
にしてもよい。また、位相検出回路３２における位相成
分θの検出処理は、ディジタル処理に限らず、積分回路
等を使用したアナログ処理で行ってもよい。また、ディ
ジタル位相検出処理によって回転位置θを示すディジタ
ル検出データを生成した後、これをアナログ変換して回
転位置θを示すアナログ検出データを得るようにしても
よい。勿論、位相検出回路３２を設けずに、演算回路３
１Ａ，３１Ｂの出力信号ｓｉｎθｓｉｎωｔ及びｃｏｓ
θｓｉｎωｔをそのまま出力するようにしてもよい。

【００３０】なお、図３（Ｂ）に示すように、サイン及
びコサイン関数特性の交流出力信号ｓｉｎθｓｉｎωｔ
及びｃｏｓθｓｉｎωｔにおける振幅特性は、位相角θ
と検出対象位置ｘとの対応関係が線形性を持つものとす
ると、図３（Ｃ）に示すような真のサイン及びコサイン
関数特性を示していない。しかし、位相検出回路３２で
は、見かけ上、この交流出力信号ｓｉｎθｓｉｎωｔ及
びｃｏｓθｓｉｎωｔをそれぞれサイン及びコサイン関
数の振幅特性を持つものとして位相検出処理する。その
結果、検出した位相角θは、検出対象位置ｘに対して、
線形性を示さないことになる。しかし、位置検出にあた
っては、そのように、検出出力データ（検出した位相角
θ）と実際の検出対象位置との非直線性はあまり重要な
問題とはならない。つまり、所定の反復再現性をもって
位置検出を行なうことができればよいのである。また、
必要とあらば、位相検出回路３２の出力データを適宜の
データ変換テーブルを用いてデータ変換することによ
り、検出出力データと実際の検出対象位置との間に正確
な線形性を持たせることが容易に行なえる。よって、本
発明でいうサイン及びコサイン関数の振幅特性とは、真
のサイン及びコサイン関数特性を示していなければなら
ないものではなく、図３（Ｂ）に示されるように、実際
は三角波形状のようなものであってよいものであり、要
するに、そのような傾向を示していればよい。つまり、
サイン等の三角関数に類似した関数であればよい。な
お、図３（Ｂ）の例では、観点を変えて、その横軸の目
盛をθと見立ててその目盛が所要の非線形目盛からなっ
ているとすれば、横軸の目盛をｘと見立てた場合には見
かけ上三角波形状に見えるものであっても、θに関して
はサイン関数又はコサイン関数ということができる。

【００３１】ここで、更なる温度ドリフト特性の補償に
ついて説明する。前述した通りセンサ用コイルＬ１の出
力電圧Ｖｘと基準電圧Ｖａ，Ｖｂはそれぞれ温度ドリフ
ト補償されているものであるが、演算回路３１Ａ，３１
Ｂにおける差演算によって、同一方向のレベル変動誤差
がもしあったとしてもこれも相殺されることになり、温
度ドリフト特性がより一層確実に補償されることにな
る。

【００３２】基準電圧発生用の各コイルＬａ１，Ｌａ
２，Ｌｂ１，Ｌｂ２は、センサ用コイルＬ１と同等の特
性のコイルを使用し、かつ、これらのコイルＬａ１，Ｌ
ａ２，Ｌｂ１，Ｌｂ２とセンサ用コイルＬ１と同様の温
度環境に置く（つまりセンサ用コイルＬ１の比較的近く
に配置する）のがよいが、これに限らず、別の配置でも
よい。何故ならば、図１（Ｃ）のような各対のコイルの
直列接続とその接続点からの電圧取り出しによって、温
度ドリフト補償が達成されているからである。よって、
基準電圧発生用の各コイルＬａ１，Ｌａ２，Ｌｂ１，Ｌ
ｂ２は、演算回路３１Ａ，３１Ｂの回路基板側に設けて
もよい。

【００３３】図４は、本検出装置を、自動車のパワース
テアリングのトルクセンサとして使用した場合の実施例
を示す。センサ用コイルＬ１に直列接続される温度補償
用コイルＬ２は、該センサ用コイルＬ１の近傍に配置さ
れ、なるべく同一環境下に置かれる。基準電圧発生用の
各コイルＬａ１，Ｌａ２，Ｌｂ１，Ｌｂ２も、センサ用
コイルＬ１の近傍に配置されるとよいが、これに限らな
いのは前述の通りである。勿論、温度補償用コイルＬ２
及び基準電圧発生用の各コイルＬａ１，Ｌａ２，Ｌｂ
１，Ｌｂ２は、磁気応答部材１１，１２の凹凸歯１１
ａ，１１ｂ，１２ａ，１２ｂをカバーしておらず、これ
らの相対的変位によるインピーダンス変化を受けない。
所定の基準電圧Ｖａ，Ｖｂを定電圧で発生し得るように
するために、鉄のような磁性体又は銅のような導電体若
しくはそれらのハイブリッド構造からなる適宜のマスキ
ング部材をこれらの基準電圧発生用コイルＬａ１，Ｌａ
２，Ｌｂ１，Ｌｂ２に施して、そのインダクタンスすな
わちインピーダンスを設定するようにするとよい。同様
に温度補償用コイルＬ２のインダクタンスすなわちイン
ピーダンスを設定・調整することができる。

【００３４】図５は、基準電圧発生用コイルＬａ１，Ｌ
ａ２，Ｌｂ１，Ｌｂ２のインダクタンスすなわちインピ
ーダンスの設定法の一例を示す。１対のコイルＬａ１，
Ｌａ２に対して磁性体コアＭａが可変的に挿入され、そ
の配置を調整することで、２つのコイルＬａ１，Ｌａ２
のそれぞれに対する磁性体コアＭａの侵入量が差動的に
調整され、基準電圧Ｖａのレベルを可変調整することが
できる。同様に、１対のコイルＬｂ１，Ｌｂ２に対して
磁性体コアＭｂが可変的に挿入され、その配置を調整す
ることで、２つのコイルＬｂ１，Ｌｂ２のそれぞれに対
する磁性体コアＭｂの侵入量が差動的に調整され、基準
電圧Ｖｂのレベルを可変調整することができる。

【００３５】基準電圧発生用回路は、コイルに限らず、
抵抗その他の適当な定電圧発生回路を使用してもよい。
図１の例では、コイルＬ１の軸線は回転軸２，３の軸線
と同じ方向（スラスト方向）であるが、これに限らず、
コイルＬ１の軸線の方向が回転軸２，３のラジアル方向
になるようにしてもよい。

【００３６】なお、磁気応答部材１１，１２として、磁
性体の代わりに、銅のような非磁性良導電体を使用して
もよい。その場合は、渦電流損によってコイルのインダ
クタンスが減少し、磁気応答部材１１，１２の凸部１１
ａ，１２ａの近接に応じてコイルの端子間電圧が減少す
ることになる。この場合も、上記と同様に位置検出動作
することが可能である。また、磁気応答部材として、磁
性体と導電体を組合わせたハイブリッドタイプのものを
用いてもよい。例えば、凸部１１ａ，１２ａを磁性体と
し、凹部１１ｂ，１２ｂのギャップを導電体で埋める。
また、磁気応答部材１１，１２は凹凸歯形状からなるも
のに限らず、適宜の漸減又は漸増形状であってよく、ま
た所定の基材の表面上にめっき等で適宜の漸減又は漸増
形状からなるパターンを形成したものであってもよい。

【００３７】また、磁気応答部材１１，１２として永久
磁石を含み、コイル部１０のコイルには鉄心コアを含む
ようにしてもよい。永久磁石が、コイルに接近するとそ
の近接箇所に対応する鉄心コアが部分的に磁気飽和ない
し過飽和状態となり、該コイルの端子間電圧が低下す
る。これにより、磁気応答部材１１，１２の相対的変位
に応じたコイルの端子間電圧の漸減（又は漸増）変化を
引き起こさせることができる。

【００３８】本発明に係る相対的回転位置検出装置は、
ねじり量検出装置あるいはトルクセンサに限らず、例え
ば、エンジンオーバーヘッドカムの相対的な回転角度を
検出するエンジン噴射タイミング制御用センサにも応用
することができる。その他、要するに、回転可能な２軸
の所定角度範囲にわたるねじれ量や回転ずれなどの相対
的回転位置の検出センサとして好適なものである。

【００３９】

【発明の効果】以上のとおり、この発明によれば、１次
コイルのみを設ければよく、２次コイルは不要であるた
め、小型かつシンプルな構造の相対的回転位置検出装置
を提供することができる。また、第１及び第２の軸の相
対的回転位置に応じて第１及び第２の磁気応答部材の相
対的位置が変化する間に生じるコイルの電圧の漸増（又
は漸減）変化特性を利用し、これを基準電圧と演算して
組み合わせることにより、検出対象の相対的回転位置に
応じて所定の周期関数特性に従う振幅をそれぞれ示す複
数の交流出力信号（例えばサイン及びコサイン関数特性
に従う振幅をそれぞれ示す２つの交流出力信号）を容易
に生成することができる。また、その際、センサ用コイ
ルに直列接続された温度補償用コイルを具備し、前記セ
ンサ用コイルと前記温度補償用コイルとの接続点より、
前記センサ用コイルのインピーダンス変化に基づき変化
する該センサ用コイルの出力電圧を取り出すようにして
いるので、同じコイルであることにより温度ドリフトを
適正に相殺し、温度ドリフト補償済みの出力電圧を取り
出すことができる。同様に、基準電圧の発生にあたって
は、交流信号が印加されるように直列接続された２つの
コイルを含み、該コイルの接続点より基準電圧を取り出
すようにすることにより、基準電圧の温度ドリフト補償
も行なうことができ、出力電圧及び基準電圧が共に温度
ドリフト補償された正確なアナログ演算を行なうことが
できることとなり、温度変化の影響を排除した相対的位
置検出を容易に行うことができる。更に、これら複数の
交流出力信号における振幅値の相関関係から該振幅値を
規定する所定周期関数（例えばサイン及びコサイン関
数）における位相値を検出することで、検出対象の変位
が微小でも高分解能での相対的回転位置検出が可能であ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の一実施例に係る相対的回転位置検出
装置の構造例を示すもので、（Ａ）は外観斜視図、
（Ｂ）は同装置の軸方向断面図、（Ｃ）は同装置のコイ
ルに関連る電気回路図。

【図２】 同実施例における第１及び第２の磁気応答部
材の相対的位置の関係を示す図。

【図３】 図１の実施例の検出動作説明図。

【図４】 本発明に係る相対的回転位置検出装置を自動
車のパワーステアリングのトルクセンサとして使用した
場合の実施例を示す概略図。

【図５】 基準電圧発生用コイルのインピーダンス調整
法の一例を示す略図。

【符号の説明】

１ トーションバー ２ 入力軸 ３ 出力軸 １０ コイル部 Ｌ１ センサ用コイル Ｌ２ 温度補償用コイル １１，１２ 磁気応答部材 １１ａ，１２ａ 凸部 １１ｂ，１２ｂ 凹部 ３０ 交流発生源 ３１Ａ，３１Ｂ アナログ演算回路 ３２ 位相検出回路 Ｌａ１，Ｌａ２，Ｌｂ１，Ｌｂ２ 基準電圧発生用のコ
イル

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｇ０１Ｌ 5/22 Ｇ０１Ｌ 5/22 Ｆターム(参考） 2F051 AA01 AB05 AC04 BA03 2F063 AA34 AA50 BA08 BA30 BD03 CB01 CC04 DA01 DA05 DD01 EA03 GA22 GA33 GA43 GA50 KA01 KA06 LA01 LA03 LA19 LA29 LA30 2F077 AA13 AA25 FF03 FF13 TT04 TT21 UU07 3D033 CA28 DB04

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 相対的に回転可能な第１及び第２の軸の
   相対的回転位置を検出する相対的回転位置検出装置であ
   って、 交流信号で励磁される１つのセンサ用コイルを配置して
   なるコイル部と、 前記第１及び第２の軸に配置された第１及び第２の磁気
   応答部材であって、前記コイル部に対して磁気的に結合
   し、前記相対的回転位置に応じて該第１及び第２の磁気
   応答部材の相対的位置が変化し、これに応じて前記セン
   サ用コイルのインピーダンスを変化させるようにしたも
   のと、 前記センサ用コイルに直列接続された温度補償用コイル
   と、 前記センサ用コイルと前記温度補償用コイルとの接続点
   より、前記センサ用コイルのインピーダンス変化に基づ
   き変化する該センサ用コイルの出力電圧を取り出す回路
   と、 交流信号からなる基準電圧を発生する回路と、 前記センサ用コイルの出力電圧と前記基準電圧と演算す
   ることで、所定の周期的振幅関数を振幅係数として持つ
   交流出力信号を少なくとも２つ生成する演算回路であっ
   て、前記各交流出力信号の前記周期的振幅関数はその周
   期特性において所定位相だけ異なっているものとを具え
   た相対的回転位置検出装置。
2. 【請求項２】 前記基準電圧を発生する回路は、交流信
   号が印加されるように直列接続された２つのコイルを含
   み、該コイルの接続点より前記基準電圧を取り出すよう
   にした請求項１に記載の相対的回転位置検出装置。
3. 【請求項３】 前記基準電圧を発生する回路は、第１及
   び第２の基準電圧を発生し、 前記演算回路は、前記センサ用コイルの出力電圧と前記
   第１及び第２の基準電圧とを用いて所定の第１の演算及
   び第２の演算をそれぞれ行うことで、第１の振幅関数を
   振幅係数として持つ第１の交流出力信号と、第２の振幅
   関数を振幅係数として持つ第２の交流出力信号とをそれ
   ぞれ生成するものである請求項１に記載の相対的回転位
   置検出装置。
4. 【請求項４】 前記第１及び第２の基準電圧は、前記第
   １及び第２の交流出力信号における前記第１及び第２の
   振幅関数の周期特性における特定の位相区間を定めるも
   のであり、この第１及び第２の基準電圧を可変すること
   で、該特定の位相区間と前記相対的位置の変化範囲との
   対応関係を可変できることを特徴とする請求項３に記載
   の相対的回転位置検出装置。
5. 【請求項５】 前記基準電圧を発生する回路は、交流信
   号が印加されるように直列接続された２つのコイルを含
   む第１の回路と、交流信号が印加されるように直列接続
   された２つのコイルを含む第２の回路とを含み、該第１
   の回路のコイルの接続点より前記第１の基準電圧を取り
   出し、該第２の回路のコイルの接続点より前記第２の基
   準電圧を取り出すようにした請求項３又は４に記載の相
   対的回転位置検出装置。
6. 【請求項６】 前記直列接続された２つのコイルは磁性
   体コアを有し、該２つのコイルのそれぞれに対する磁性
   体コアの配置を調整することで、コイルのインピーダン
   スを調整し、もって該２つのコイルの接続点より取り出
   される基準電圧のレベルを調整できるようにした請求項
   ２又は５に記載の相対的回転位置検出装置。
7. 【請求項７】 前記第１及び第２の磁気応答部材は、所
   定ピッチの凹凸又はパターンを有し、前記第１及び第２
   の軸の相対的回転位置に応じて該第１及び第２の磁気応
   答部材の前記凹凸又はパターンの対応関係が変化し、こ
   れに応じて前記コイルのインピーダンスが変化するよう
   にした請求項１乃至６のいずれかに記載の相対的回転位
   置検出装置。
8. 【請求項８】 前記第１の軸が入力軸、第２の軸が出力
   軸であり、該第１及び第２の軸がトーションバーで連結
   されており、入力軸と出力軸との間のトルクを検出する
   ことを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の相
   対的回転位置検出装置。