JP2005055235A

JP2005055235A - 相対回転位置検出装置

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Publication number: JP2005055235A
Application number: JP2003284585A
Authority: JP
Inventors: Tadatoshi Goto; 忠敏後藤; Kazuya Sakamoto; 和也坂元; Hiroshi Sakamoto; 宏坂本
Original assignee: Amitec Corp
Current assignee: Amitec Corp
Priority date: 2003-07-31
Filing date: 2003-07-31
Publication date: 2005-03-03
Anticipated expiration: 2023-07-31
Also published as: JP4828090B2

Abstract

【課題】温度特性の補償性能に優れていながら、簡素な構成からなる相対回転位置検出装置を提供する。
【解決手段】第１の軸の回転位置を非接触的に検出し、検出した回転位置に応じて基準交流信号を位相シフトした第１の出力信号を生ずる第１のセンサと、第２の軸の回転位置を非接触的に検出し、検出した回転位置に応じて基準交流信号を位相シフトした第２の出力信号を生ずる第２のセンサとを有する。第１の出力信号の位相シフト量に対応する第１のタイミング信号と、第２の出力信号の位相シフト量に対応する第２のタイミング信号とをそれぞれの出力ラインを介して出力する。２軸の回転差である相対的回転位置検出データは、第１のタイミング信号と第２のタイミング信号の時間差に現われる。第１及び第２のタイミング信号の時間差に対応するパルス幅を持つＰＷＭ信号を出力してもよい。
【選択図】図１

Description

この発明は２軸間の相対的回転位置を検出する装置に関し、例えば自動車のパワーステアリング軸に負荷されるねじり負荷を検出するためのトルクセンサとしての用途に適したものである。

相対的に回転可能な２軸のねじれ量を検出するやりかたとして、トーションバーを介して結合された入力軸及び出力軸にポテンショメータあるいはレゾルバ装置のような検出装置を設けることが従来からよく知られている。ポテンショメータを用いるものにあっては、入力軸に摺動子を設け、出力軸に抵抗を設けることで、摺動子の抵抗に対する接触位置が入力軸と出力軸の相対的回転位置に応じて変化し、これに対応するアナログ電圧を得るようになっている。レゾルバ装置を用いるものにあっては、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。一方、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。

特開２０００−５５６１０特開２００２−４８５０８特開２００２−１０７１１０特開２００２−３１０８１６上記各特許文献に示された発明は、いずれも、上述の先行技術の欠点を改善するために提案されたものであり、コイル部と磁気応答部材（磁性体あるいは導電体）とを用いた非接触式の誘導又は可変磁気結合型のセンサを使用している。

ポテンショメータを用いるタイプの従来技術にあっては、機械的接触構造を持つため、接触不良や故障の問題が常につきまとう。また、温度変化によって抵抗のインピーダンス変化が起こるため、温度ドリフト補償を適切に行なわねばならない。また、従来の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、コイルの温度ドリフト特性を補償する必要があるのみならず、相対回転位置に応じてコイルに対する磁気結合を変化させる磁性体のリラクタンスや導電体の渦電流損にも温度ドリフト特性があり、これを適切に補償する必要がある。また、上述の各特許文献に示された発明における検出装置にあっては、十分に簡素な構成のセンサを構成するには至っていない。

この発明は上述の点に鑑みてなされたもので、温度特性の補償性能に優れていながら、簡素な構成からなる相対回転位置検出装置を提供しようとするものである。

本発明の第１の観点に従う相対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回転位置検出装置であって、前記第１の軸の回転位置を非接触的に検出し、検出した回転位置に応じて基準交流信号を位相シフトした第１の出力信号を生ずる第１のセンサと、前記第２の軸の回転位置を非接触的に検出し、検出した回転位置に応じて基準交流信号を位相シフトした第２の出力信号を生ずる第２のセンサと、前記第１の出力信号の位相シフト量に対応する第１のタイミング信号と、前記第２の出力信号の位相シフト量に対応する第２のタイミング信号とをそれぞれの出力ラインを介して出力する出力回路とを具備し、前記出力回路から出される２本の出力ラインで相対的回転位置検出データを出力し、この相対的回転位置検出データは、該２本の出力ラインに出された前記第１のタイミング信号と第２のタイミング信号の時間差に現われていることを特徴とする。

本発明に係る検出システムは、上記第１の観点に従う相対回転位置検出装置と、前記出力回路からの２つの出力ラインの信号を入力する２つの入力端子を有し、該入力端子に入力される前記第１のタイミング信号と第２のタイミング信号との時間差を測定することで、前記相対的回転位置の測定データを取得する処理を行うコンピュータとで構成される。既存のマイクロコンピュータにおける既存のタイミング信号キャプチャ用の入力ポートを利用できるので、相対的回転位置の測定データを取得する演算処理を容易かつ安価に実現できる。

本発明の第２の観点に従う相対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回転位置検出装置であって、前記第１の軸の回転位置を非接触的に検出し、検出した回転位置に応じて基準交流信号を位相シフトした第１の出力信号を生ずる第１のセンサと、前記第２の軸の回転位置を非接触的に検出し、検出した回転位置に応じて基準交流信号を位相シフトした第２の出力信号を生ずる第２のセンサと、前記第１の出力信号の位相シフト量に対応する第１のタイミング信号と前記第２の出力信号の位相シフト量に対応する第２のタイミング信号との時間差に対応するパルス幅を持つ可変パルス幅信号を出力ラインを介して出力する出力回路とを具備し、前記出力回路から出される１本の出力ラインで相対的回転位置検出データを出力し、この相対的回転位置検出データは、該１本の出力ラインに出された前記可変パルス幅信号のパルス時間幅に現われていることを特徴とする。

本発明に係る検出システムは、上記第２の観点に従う相対回転位置検出装置と、前記出力回路からの出力ラインの信号を入力する入力端子を有し、該入力端子に入力される前記可変パルス幅出力信号のパルス時間幅を測定することで、前記相対的回転位置の測定データを取得する処理を行うコンピュータとで構成される。既存のマイクロコンピュータにおける既存のパルス時間幅信号（ＰＷＭ）キャプチャ用の入力ポートを利用できるので、相対的回転位置の測定データを取得する演算処理を容易かつ安価に実現できる。

上記第１の観点に従えば、相対回転位置検出装置は、２本の出力ラインで相対的回転位置検出データを出力する構成となるので、回路構成及び端子構成を簡素化することができ、また、第１及び第２のセンサには複雑な構造が要求されないので、その点でも構成が簡素化され、省スペースで、故障の少ない、安価な検出装置を提供することができる。第１及び第２のセンサの出力信号に温度ドリフト誤差が含まれていたとしても、該２本の出力ラインに出された前記第１のタイミング信号と第２の出力信号の時間差に現われてくる相対的回転位置検出データは、そのような温度ドリフト誤差を自動的に相殺したものとなり、温度特性の補償性能に優れている。

上記第２の観点に従えば、相対回転位置検出装置は、１本の出力ラインで相対的回転位置検出データを出力する構成となるので、回路構成及び端子構成を簡素化することができ、また、第１及び第２のセンサには複雑な構造が要求されないので、その点でも構成が簡素化され、省スペースで、故障の少ない、安価な検出装置を提供することができる。第１及び第２のセンサの出力信号に温度ドリフト誤差が含まれていたとしても、該１本の出力ラインに出された前記可変パルス幅信号は、第１のタイミング信号と第２の出力信号の時間差に相当するため、そのような温度ドリフト誤差を自動的に相殺したものとなり、温度特性の補償性能に優れている。

以下、添付図面を参照してこの発明の実施の形態を詳細に説明する。
図１は、本発明に係る相対回転位置検出装置の一実施例を示す側断面概略図である。この実施例においては、自動車のハンドル（ステアリング）に関連して、異なる２つの機能の検出装置、つまり、ステアリングシャフトのトーションバーにかかるねじれトルク検出機能を有するトルク検出装置４Ａと、ハンドル切れ角（ステアリングシャフト回転）センサとしての機能を有するハンドル角検出装置４Ｂとを、インテグレートして円筒形状の外部ケース４内に一体的に収納してなる新規な検出システムが示されている。このうち、本発明に係る相対回転位置検出装置の一実施例は、トルク検出装置４Ａである。なお、図１に示した実施例では図示の簡略化のために側断面の上半分のみを図示しているが、残りの下半分は図示されたものと対称のものが図１下方に現れる。符号ＣＬは、軸の中心線である。ただし、後述するようなハンドル角検出装置４Ｂの複数のギアＧ１〜Ｇ３及びステータ部１００及びロータ部２００等からなるハンドル角検出装置４Ｂ（図６参照）は少なくとも１箇所のみに構成してあればよい。勿論、トルク検出装置４Ａとハンドル角検出装置４Ｂとを外部ケース４内に一体的に構成することに限らず、それぞれを別々に構成するようにしてもよい。また、相対回転位置検出装置（トルク検出装置４Ａ）としての本発明の実施にあたっては、ハンドル角検出装置４Ｂの存在は必須ではない。

図１に示した相対回転位置検出装置（トルク検出装置４Ａ）は、入力軸１（例えば第１の軸）の回転位置を非接触的に検出するための第１のセンサ１０と、出力軸２（例えば第２の軸）の回転位置を非接触的に検出するための第２のセンサ２０とを具備する。入力軸１及び出力軸２はトーションバー３によって連結されており、該トーションバー３によるねじれ変形の許す限りの限られた角度範囲（例えば最大でも＋６度〜−６度程度の範囲）で相対的に回転しうる。このようなトーションバー３によって連結された２軸（入力軸１と出力軸２）の構造は、自動車のパワーステアリング機構において知られるものである。本実施例に係る相対回転位置検出装置（トルク検出装置４Ａ）はパワーステアリング機構のトーションバー３に負荷されるトルクを検出するためのトルクセンサとして応用されるものとしているが、これに限らず、本発明に係る相対回転位置検出装置は、あらゆる用途の相対回転位置検出において適用することができるのはもちろんである。

第１及び第２ののセンサ１０，２０は、検出した回転位置に応じて基準交流信号を位相シフトした出力信号を生ずるタイプのものである。第１のセンサ１０の機械的構成の一例を示すと、図２のようであり、可変インダクタンス（可変インピーダンス）型若しくは可変磁気抵抗型の誘導式センサからなる。図２は軸方向から見た正面図であり、コイルは断面で示してある。第１のセンサ１０は、鉄のような磁性体（又は導電体でもよい）からなる複数の突起（又は歯）を有するロータ１１と、円周方向に９０度の間隔で設けられた４つの磁極コアを有するステータ１２とを含んで構成される。第２のセンサ２０も同様に、鉄のような磁性体（又は導電体でもよい）からなる複数の突起（又は歯）を有するロータ２１と、円周方向に９０度の間隔で設けられた４つの磁極コアを有するステータ２２とを含んで構成される。入力軸１に入力軸センサ取付リング５が結合され、この取付リング５に第１のセンサ１０のロータ１１が取り付けられる。これにより、第１のセンサ１０では、ロータ１１が入力軸１と一体に回転し、ステータ１２に設けた検出用のコイルによって該ロータ１１つまり入力軸１の回転位置を検出する。また、出力軸２に出力軸センサ取付リング６が結合され、この取付リング６に第２のセンサ２０のロータ２１が取り付けられる。これにより、第２のセンサ２０では、ロータ２１が出力軸２と一体に回転し、ステータ２２に設けた検出用のコイルによって該ロータ２１つまり出力軸２の回転位置を検出する。

以下、図２を参照して第１のセンサ１０につき具体的構成例を説明する。第２のセンサ２０の構成は、第１のセンサ１０と同様であってよいので、詳しい構成例の説明は省略する。
センサ１０において、ステータ１２の各磁極コアにはそれぞれ１つのコイルＬ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４が嵌め込まれており、各コイルＬ１〜Ｌ４は共通の基準交流信号（例えばｓｉｎωｔとする）で励磁される。ステータ１２の各磁極コアには、ロータ１１の突起（又は歯）のピッチに対応するピッチで凹凸歯が形成される。こうして、交流励磁されるステータ１２の各磁極コアの凹凸歯は、ロータ１１の突起（又は歯）にエアギャップを介して対向し、ロータ１１の回転に応じてステータ１２の各磁極コアの凹凸歯とロータ１１の突起（又は歯）との対応関係が変化し、これに応じて各磁極コアを通る磁気回路の磁気抵抗が変化し、各磁極コアに設けられたコイルＬ１〜Ｌ４のインピーダンスが変化する。このインピーダンス変化は、ロータ１１の突起（又は歯）の１ピッチに相当する回転変位を１サイクルとして生じる。図示の例では、ロータ１１の突起（又は歯）は１円周で２９ピッチ形成されており、１ピッチに相当する回転範囲は、３６０度／２９＝約１２度強である。前述のように、トーションバー３によるねじれ変形の最大角度範囲は約１２度であるので、ロータ１１の突起（又は歯）の１ピッチの範囲内での回転角度を検出することで、ねじれ量の検出を問題なく行うことができる。

ステータ１２の各磁極コアにおけるロータ１１の突起（又は歯）との対応関係は、１／４ピッチづつ順にずれている。これにより、入力軸１の回転位置を該１ピッチ幅（約１２度）を３６０度とする高分解能スケールの角度表現による角度変数θを用いて示して、コイルＬ１に生じる理想的なサイン関数特性のインピーダンス変化Ａ（θ）を示すと、
Ａ（θ）＝Ｐ₀＋Ｐｓｉｎθ
のような式で等価的に表せる。インピーダンス変化は負の領域に入らないため、上記式で、オフセット値Ｐ₀は振幅係数Ｐよりも大きく（Ｐ₀≧Ｐ）、「Ｐ₀＋Ｐｓｉｎθ」は負の値をとらない。
これに対して、これよりも９０度離れた磁極では、更に１／４ピッチの対応ずれがあるため、該磁極に設けられたコイルＬ２に生じる理想的なインピーダンス変化Ｂ（θ）は、
Ｂ（θ）＝Ｐ₀＋Ｐｃｏｓθ
のようなコサイン関数特性の式で等価的に表せる。
また、これよりも更に９０度離れた磁極では、更に１／４ピッチの対応ずれがあるため、該磁極に設けられたコイルＬ３に生じる理想的なインピーダンス変化Ｃ（θ）は、
Ｃ（θ）＝Ｐ₀−Ｐｓｉｎθ
のようなマイナスサイン関数特性の式で等価的に表せる。
更にこれよりも９０度離れた磁極では、更に１／４ピッチの対応ずれがあるため、該磁極に設けられたコイルＬ４に生じる理想的なインピーダンス変化Ｄ（θ）は、
Ｄ（θ）＝Ｐ₀−Ｐｃｏｓθ
のようなマイナスコサイン関数特性の式で等価的に表せる。なお、Ｐは１とみなして省略しても説明上不都合はないので、以下の説明ではこれを省略する。

図３は、図１に示された相対位置検出装置（トルク検出装置４Ａ）に適用される電気回路例を示す。図３において、各コイルＬ１〜Ｌ４は可変インダクタンス要素として等価的に示されている。各コイルＬ１〜Ｌ４は、基準交流信号源３０から与えられる所定の高周波交流信号（便宜上、これをＥｓｉｎωｔで示す）によって１相で励磁される。各コイルＬ１〜Ｌ４に生じる電圧Ｖａ，Ｖｂ，Ｖｃ，Ｖｄは、下記のように、検出対象たる回転位置に対応する前記角度変数θに応じた上記ステータ各磁極毎のインピーダンス値に応じた大きさを示す。
Ｖａ＝（Ｐ₀＋ｓｉｎθ）ｓｉｎωｔ
Ｖｂ＝（Ｐ₀＋ｃｏｓθ）ｓｉｎωｔ
Ｖｃ＝（Ｐ₀−ｓｉｎθ）ｓｉｎωｔ
Ｖｄ＝（Ｐ₀−ｃｏｓθ）ｓｉｎωｔ

アナログ演算器３１は、下記のように、サイン相に相当するコイルＬ１の出力電圧Ｖａと、それに対して差動変化するマイナスサイン相に相当するコイルＬ３の出力電圧Ｖｃとの差を求め、角度変数θのサイン関数特性の振幅係数を持つ交流出力信号を生成する。
Ｖａ−Ｖｃ＝（Ｐ₀＋ｓｉｎθ）ｓｉｎωｔ−（Ｐ₀−ｓｉｎθ）ｓｉｎωｔ
＝２ｓｉｎθｓｉｎωｔ
アナログ演算器３２は、下記のように、コサイン相に相当するコイルＬ２の出力電圧Ｖｂと、それに対して差動変化するマイナスコサイン相に相当するコイルＬ４の出力電圧Ｖｄとの差を求め、角度変数θのコサイン関数特性の振幅係数を持つ交流出力信号を生成する。
Ｖｂ−Ｖｄ＝（Ｐ₀＋ｃｏｓθ）ｓｉｎωｔ−（Ｐ₀−ｃｏｓθ）ｓｉｎωｔ
＝２ｃｏｓθｓｉｎωｔ

こうして、検出対象たる相対回転位置に相関する角度変数θを含む２つの周期的振幅関数（ｓｉｎθとｃｏｓθ）によってそれぞれ振幅変調された２つの交流出力信号「２ｓｉｎθｓｉｎωｔ」と「２ｃｏｓθｓｉｎωｔ」が得られる（以下、係数の「２」は省略する。）。これは、従来からレゾルバとして知られた検出器のサイン相出力信号ｓｉｎθｓｉｎωｔ及びコサイン相出力信号ｃｏｓθｓｉｎωｔと同等のものである。なお、サイン相及びコサイン相という呼び名、及び２つの交流出力信号の振幅関数のサイン、コサインの表わし方は便宜的なものであり、一方がサインで他方がコサインでありさえすれば、どちらをサインと言ってもよい。すなわち、Ｖａ−Ｖｃ＝ｃｏｓθｓｉｎωｔで、Ｖｂ−Ｖｄ＝ｓｉｎθｓｉｎωｔである、と表現してもよい。

ここで、温度ドリフト特性の補償について説明すると、温度に応じて各コイルＬ１〜Ｌ４のインピーダンスが変化し、その出力電圧Ｖａ〜Ｖｄも変動する。しかし、これらを演算合成したサイン及びコサイン関数特性の交流出力信号ｓｉｎθｓｉｎωｔ及びｃｏｓθｓｉｎωｔにおいては、「Ｖａ−Ｖｃ」及び「Ｖｂ−Ｖｄ」の演算によって、コイルの温度ドリフト誤差が補償されるので、温度ドリフトによるコイルインピーダンス変化の影響を受けないものとなる。従って、精度のよい検出が可能である。また、その他の回路部分例えば基準交流信号源３０での温度ドリフト特性も、後述するように自動的に補償される。

本実施例においては、演算器３１、３２から出力される２つの交流出力信号ｓｉｎθｓｉｎωｔ及びｃｏｓθｓｉｎωｔに基づき、位相検出方式で回転位置検出を行う。こ場合の位相検出方式としては、例えば特開平９−１２６８０９号公報に示された技術を一部用いるとよい。例えば、一方の交流出力信号ｓｉｎθｓｉｎωｔをシフト回路３３で電気的に９０度シフトすることで、交流信号ｓｉｎθｃｏｓωｔを生成し、これと他方の交流出力信号ｃｏｓθｓｉｎωｔをアナログ加算器３４で加算合成することで、ｓｉｎ（ωｔ＋θ）なる、θに応じて位相シフトされた交流信号（位相成分θを交流位相ずれに変換した信号）を生成する。そして、位相シフトされた交流信号ｓｉｎ（ωｔ＋θ）のゼロクロスをコンパレータ３５で検出し、ゼロクロス検出パルスＬｐを生成する。
第１のセンサ１０について言うと、加算器３４から出力される信号ｓｉｎ（ωｔ＋θ）が、検出した入力軸１の回転位置θに応じて基準交流信号ｓｉｎωｔを位相シフトした第１の出力信号に相当する。以下、入力軸１の回転位置θをθ₁で示すものとし、該第１の出力信号をｓｉｎ（ωｔ＋θ₁）で示す。また、コンパレータ３５から出力されるゼロクロス検出パルスＬｐは、該第１の出力信号の位相シフト量θ₁に対応する第１のタイミング信号に相当する。以下、入力軸１の回転位置θ₁に対応する第１のタイミング信号であるゼロクロス検出パルスＬｐをＬｐ₁で示す。

図３には、第２のセンサ２０に関する各コイルＬ１〜Ｌ４と、演算器３１₂、３２₂、３３₂、３４₂、コンパレータ３５₂も図示されており、これらは、第１のセンサ１０に関する上述のものと同様の構成からなっている。第２のセンサ２０が検出する出力軸２の回転位置θをθ₂で示すものとすると、演算器３４₂の出力信号ｓｉｎ（ωｔ＋θ₂）は該第２のセンサ２０が検出した出力軸２の回転位置θ₂に応じて基準交流信号ｓｉｎωｔを位相シフトした第２の出力信号に相当する。また、コンパレータ３５₂から出力されるゼロクロス検出パルスＬｐ₂は、該第２の出力信号の位相シフト量θ₂に対応する第２のタイミング信号に相当する。
コンパレータ３５から出力される第１のタイミング信号すなわちゼロクロス検出パルスＬｐ₁は、入力軸１の回転位置θ₁に対応する位相ずれθ₁を時間位置で示している。また、コンパレータ３５₂から出力される第２のタイミング信号すなわちゼロクロス検出パルスＬｐ₂は、出力軸２の回転位置θ₂に対応する位相ずれθ₂を時間位置で示している。よって、これらの第１及び第２のタイミング信号（ゼロクロス検出パルスＬｐ₁とＬｐ₂）の時間差Δｔには、入力軸１の回転位置θ₁と出力軸２の回転位置θ₂の差、つまり両者の相対的回転位置Δθ、すなわちトーションバー３のねじれ量が現われている。

図３に示された各回路３０〜３５、３１₂〜３５₂は１つの回路基板上にユニット化して収容されて回路ユニット７としてまとめられる。そして、該回路ユニット７が、図１に示すように、ケース４内に収納される。こうして、ケース４内にセンサと回路がコンパクトに収められる。図４は、ケース４内に収納された図３に示す実施例に係る検出装置を、その検出出力を利用するためのマイクロコンピュータ８に接続してなるシステム構成例を示す。マイクロコンピュータ８と図３実施例検出装置との間は、少なくとも電源供給ラインと２本の出力ライン７ａ，７ｂで接続されるだけでよい。この２本の出力ライン７ａ，７ｂには、入力軸１の回転位置θ₁を基準位相からの位相ずれθ₁つまり時間位置で示す第１のタイミング信号すなわち第１のゼロクロス検出パルスＬｐ₁と、出力軸２の回転位置θ₂を基準位相からの位相ずれθ₂つまり時間位置で示す第２のタイミング信号すなわち第２のゼロクロス検出パルスＬｐ₂とが、図３の回路から出力される。マイクロコンピュータ８は、タイミング信号キャプチャ用の入力ポートを複数有しており、この入力ポートに上記出力ライン７ａ，７ｂをそれぞれ接続する。マイクロコンピュータ８は該入力ポートに接続されたライン７ａ，７ｂから与えられる２つのタイミング信号（パルスＬｐ₁とＬｐ₂）の時間差Δｔをカウントすることで、入力軸１と出力軸２間の回転位置差Δθつまり相対回転位置をデジタル的に測定する。測定した相対回転位置データΔθは、トーションバー３のねじれ角検出データとして、パワーステアリング制御のために利用される。

なお、マイクロコンピュータ８では、ライン７ａ，７ｂから与えられる２つのタイミング信号（パルスＬｐ₁とＬｐ₂）の時間差Δｔをカウントするだけでよく、検出装置で使用されている基準交流信号ｓｉｎωｔの位相を知る必要がない。よって、コンピュータの側での時間測定のための処理・構成が簡素化される。一方、検出装置では、アナログ発振回路により又はサイン波関数発生器などにより、内部で基準交流信号ｓｉｎωｔするだけでよく、これを同期化のための参照信号としてマイクロコンピュータ８に与える必要がないので、この意味でも外部端子の構成を簡素化できる。

ここで、再び温度ドリフト特性の補償について説明する。温度ドリフト特性によって、例えば基準交流信号源３０で発生する交流信号の周波数や振幅レベルに変動が起きたり、その他の回路要素や信号線路でのインピーダンスが変動した場合、検出する位相成分θに温度ドリフト特性による誤差εが含まれることになる。これにより、各軸１，２の検出位相データθ₁，θ₂は、誤差εをそれぞれ含むものとなる。しかし、この誤差εは両位相データθ₁，θ₂において同値同一方向（同値同一符号）で現われるので、２つのタイミング信号（パルスＬｐ₁とＬｐ₂）の時間差Δｔにおいては、自動的に誤差εが相殺されることになる。従って、温度ドリフトによる回路等のインピーダンス変化の影響を受けず、高精度な検出が可能となる。

図５は、本発明の別の実施例を示す回路ブロック略図である。この実施例では、回路ユニット７において、入力軸１の回転位置θ₁を基準位相からの位相ずれθ₁つまり時間位置で示す第１のタイミング信号すなわち第１のゼロクロス検出パルスＬｐ₁と、出力軸２の回転位置θ₂を基準位相からの位相ずれθ₂つまり時間位置で示す第２のタイミング信号すなわち第２のゼロクロス検出パルスＬｐ₂とのを時間差Δｔに対応するパルス幅を持つ可変パルス幅信号ＰＷＭ形成するＰＷＭ変換回路７１が更に設けられている。このＰＷＭ変換回路７１で形成された該時間差Δｔに対応するパルス幅を持つ可変パルス幅信号ＰＷＭは、１本の出力ライン７ｃを介して出力され、マイクロコンピュータ８に入力される。マイクロコンピュータ８は、ＰＷＭ信号キャプチャ用の入力ポートを有しており、この入力ポートに上記出力ライン７ｃを接続する。マイクロコンピュータ８は該入力ポートに接続されたライン７ｃからのＰＷＭ信号のパルス時間幅Δｔをカウントすることで、入力軸１と出力軸２間の回転位置差Δθつまり相対回転位置をデジタル的に測定する。測定した相対回転位置データΔθは、前述と同様に、トーションバー３のねじれ角検出データとして、パワーステアリング制御のために利用される。この実施例においては、出力ライン７ｃが１本で済むので、より一層、構成を簡素化できる。

図１に示した実施例にかかわる検出システムは、パワーステアリング機構のトーションバー３に負荷されるトルクを検出するトルク検出装置４Ａのみならず、ハンドルの回転操作量に応じたハンドル角と操舵輪との対応関係のずれを補正する等の目的のために、ハンドルの回転位置に応じたハンドル角を検出するハンドル角検出装置４Ｂの機能も一体的に具備している。
図１におけるハンドル角検出装置４Ｂについて説明すると、外部ケース４内の所定位置に、複数のギアＧ１〜Ｇ３と、ステータ部１００と、磁気応答部材３００を含むロータ部２００とからなる。複数のギアＧ１〜Ｇ３はハンドルに連結された入力軸２の回転を段階的に減少させてロータ部２００を回転するためのギアリング機構であって、例えば出力軸２が５回転するとロータ部２００を１回転するなどの比率で出力軸２の回転を減少してロータ部２００に出力軸２の回転を伝達し、ハンドル（ステアリングシャフト）の多回転にわたる回転位置を１回転型アブソリュートセンサで検出しうるようにしている。

図６はハンドル角検出装置４Ｂの一実施例を示す概略図であって、ステータ部１００のコイルＣ１〜Ｃ４とロータ部２００の表面上に形成された磁気応答部材３００との物理的配置関係の一例を正面略図によって示したものである。ロータ部２００の表面上には所定形状の磁気応答部材３００が形成されており、該磁気応答部材３００はロータ部２００の回転に合わせて回転する。ステータ部１００は検出用コイルとして４つのコイルＣ１〜Ｃ４（図６参照）を含んでおり、各コイルＣ１〜Ｃ４内を通る磁束が軸線方向を指向する。ステータ部１００とロータ部２００とは、ステータ部１００の各コイルＣ１〜Ｃ４のコイルコア（例えば鉄心などの磁性体コア）の端面とロータ部２００表面上に形成された磁気応答部材３００とが所定の間隔を空けた状態で、すなわち各コイルＣ１〜Ｃ４のコイルコアの端面とロータ部２００の磁気応答部材３００の表面との間に空隙が形成されるようにして互いに対向する位置に配置されており、ロータ部２００はステータ部１００に対して非接触で回転する。磁気応答部材３００と向き合う各コイルＣ１〜Ｃ４のコイルコアの端面の面積がロータ部２００の回転位置に応じて変化することによって、出力軸２の回転角度、つまりハンドル角を検出することができるように構成されている。

この実施例に示すハンドル角検出装置４Ｂは電磁誘導方式の１回転型アブソリュート位置検出センサであって、各々が順次に噛み合わされたギア比の異なる複数のギアＧ１〜Ｇ３と、ステータ部１００と、ロータ部２００とを含む。複数のギアＧ１〜Ｇ３は、ステアリングシャフトの出力軸２の回転を段階的に減少させてロータ部２００を回転するための減速機構である。ギアＧ１は出力軸２に結合して同じように回転し、ギアＧ１に対して減速用のギアＧ２が噛み合わされ、更に、このギアＧ２に対して減速用のギアＧ３が噛み合わされる。このギアＧ３には例えば円盤状に形成されたロータ部２００が設置されており、ギアＧ３が回転することでロータ部２００が軸中心線ＣＬを中心として回転するようになっている。このようにして、出力軸２の回転を減速してロータ部２００の回転として伝達する構成となっている。

ロータ部２００の表面上には所定形状、例えば螺旋リング形状の磁気応答部材３００が取り付けられる。該磁気応答部材３００は鉄等の磁性体からなるもの、あるいは銅等の導電体からなるもの、あるいは磁性体と導電体との組み合わせからなるものなど、磁気結合係数を変化させる材質からなるものであればどのようなものであってもよい。一例として、以下では磁気応答部材３００の材質は鉄のような磁性体からなっているものとして説明を進める。こうしたロータ部２００に対してスラスト方向に向き合うような形でステータ部１００が配置される。

ステータ部１００は４つのコイルＣ１〜Ｃ４を含んでなり、各コイルＣ１〜Ｃ４はそれぞれコイルコア（例えば鉄心などの磁性体コア）に巻回されており、コイル内を通る磁束が軸方向を指向する。各コイルＣ１〜Ｃ４のコイルコアの端面と、ロータ部２００表面上の磁気応答部材３００との間には空隙が形成され、上述したようにロータ部２００は出力軸２の回転に応じてステータ部１００に対して非接触で回転する。この空隙の距離は、一定に保たれるように、ロータ部２００とステータ部１００の相対的配置が図示しない機構を介して定められる。ロータ部２００上の磁気応答部材３００の所定の形状、例えば螺旋リング状、の故に、空隙を介して磁気応答部材３００と向き合う各コイルコアの端面の面積はロータ部２００の回転位置に応じて変化する。この対向空隙面積の変化によって、各コイルコアを通ってコイルＣ１〜Ｃ４を貫く磁束量が変化し、もって、各コイルＣ１〜Ｃ４の自己インダクタンスが変化する。このインダクタンス変化は、各コイルＣ１〜Ｃ４のインピーダンス変化でもある。

ロータ部２００表面上に形成される磁気応答部材３００の所定の形状は、各コイルＣ１〜Ｃ４から理想的なサイン、コサイン、マイナスサイン、マイナスコサインのカーブが得られるように適切に設計される。例えば、コイルＣ１に生じるインピーダンス変化がサイン関数に相当するものとすると、コイルＣ２に生じるインピーダンス変化はマイナスサイン関数、コイルＣ３に生じるインピーダンス変化はコサイン関数、コイルＣ４に生じるインピーダンス変化はマイナスコサイン関数に、それぞれ相当するよう、各コイルＣ１〜Ｃ４の配置や磁気応答部材３００の形状を設定することができる。ロータ部２００の１回転において、コイルＣ１のインピーダンスは０度から９０度の範囲にわたるサイン関数で変化し、コイルＣ２のインピーダンスは０度から９０度の範囲にわたるマイナスサイン関数で変化し、コイルＣ３のインピーダンスは０度から９０度の範囲にわたるコサイン関数で変化し、コイルＣ４のインピーダンスは０度から９０度の範囲にわたるマイナスコサイン関数で変化するように設定される。このようにサイン関数及びコサイン関数における０度から９０度の範囲内の関数値変化に略々なぞらえることができるので、よって、ロータ部２００の１回転を、９０度の位相角範囲の変化に換算して測定することができることになる。

なお、ロータ部２００の１回転につき９０度の範囲でのサイン、コサイン、マイナスサイン、マイナスコサインのカーブがそれぞれ得られるようにするには、磁気応答部材３００の形状としては上記したように螺旋リング形状のものでよいがこれに限らず、コイルやコイルコアの配置や形状等の設計条件に応じて中心部に穴の空いた偏心円盤形状あるいはハート型に類似した形状など、適宜の形状に形成したものであってもよい。この磁気応答部材３００の形状をいかに設計するかは本発明の目的ではなく、かつ、公知／未公知のこの種の可変磁気抵抗型回転検出器で採用されている磁気応答部材３００の形状を採用してよいので、磁気応答部材３００の形状についてのこれ以上の言及は差し控える。

この構成によって、コイルＣ１，Ｃ２の対のインピーダンスが差動的に変化し、両出力の差動合成によってサイン関数ｓｉｎθを振幅係数として持つ交流出力信号ｓｉｎθｓｉｎωｔが得られる。また、コイルＣ３，Ｃ４の対のインピーダンスが差動的に変化し、両出力の差動合成によってコサイン関数ｃｏｓθを振幅係数として持つ交流出力信号ｃｏｓθｓｉｎωｔが得られる。このようなレゾルバと同様の出力信号に基づき、θ分だけ位相シフトされた交流信号を合成し、その位相シフト値θを測定することで、ロータ部２００の回転位置を検出できる。こうして、多回転（例えば２．５〜３回転程度）にわたるハンドルの回転角度が、ロータ部２００の１回転内のアブソリュート回転位置に換算されてアブソリュートで検出される。

なお、ハンドル角度検出装置４Ｂは、上記の構成に限らず、他の適宜の構成を採用してよい。例えば、ギヤＧ１〜Ｇ３による減速機構を省略し、ロータ部２００を出力軸２（又は入力軸１）に１対１の回転比で結合するようにしてもよい。その場合は、１回転未満のハンドル角度をアブソリュートで検出し、１回転を超えるハンドル角度は回転数カウントによって検出するようにすればよい。あるいは、ハンドル角度検出装置４Ｂとして専用のセンサを設けずに、トルク検出装置４Ａ用に設けた第１のセンサ１０又は第２のセンサ２０の出力を利用して、ハンドル角度検出信号を生成するようにしてもよい。

なお、上述したトルク検出装置４Ａ及び／又はハンドル角検出装置４Ｂにおいて、磁気応答部材とこれに対応するコイルの配置パターンや、数、サイズ等については、上述したものに限定されるものではなく、種々の配置パターン等が有り得るものであって、要するに、コイル部からサイン相及びコサイン相の２相の出力信号を生ぜしめることができるようになっていれば、どのような構成のものであってもよい。勿論、ここで言うサイン相やコサイン相は便宜的な呼称であり、どちらをサイン相またはコサイン相と称してもよい。
また、回転位置検出手段の構成・原理は、上述したものに限らず、どのようなタイプのものであつてもよい。例えば、１次コイルのみからなるタイプのものに限らず、１次及び２次コイルを有するタイプのものであってもよく、あるいはレゾルバを用いてもよいし、あるいはサイン・コサインの２相交流励磁方式であつてもよい。また、磁気誘導又は磁気結合タイプのセンサに限らず、どのようなタイプのセンサであってもよい。
また、第１及び第２のセンサ１０，２０の歯数（１回転あたりのピッチ数）は、上述例のような２９ピッチに限らず、如何なる数でもよい。また、多歯タイプに限らず、１回転あたり１ピッチ（１サイクル）のインピーダンス変化を生ぜしめるようなタイプであってもよいのは勿論である。

本発明に係る相対回転位置検出装置の一実施例を示す側断面略図。図１における相対回転位置検出装置（トルク検出装置）の１つのセンの一実施例を示す正面図。同実施例に係る第１及び第２のセンサに関連する電気回路例を示す図。同実施例に係る相対回転位置検出装置の出力をマイクロコンピュータに接続してなる検出システムの一例を示すブロック図。本に係る相対回転位置検出装置の別の実施例を示すもので、該検出装置の出力をマイクロコンピュータに接続してなる状態を示すブロック図。図１におけるハンドル角検出装置の一実施例を示す正面略図。

符号の説明

１入力軸
２出力軸
３トーションバー
４外部ケース
４Ａ相対回転位置検出装置（トルク検出装置）
４Ｂハンドル角度検出装置
１０第１のセンサ
２０第１のセンサ
１１，２１ロータ
１２，２２ステータ
Ｌ１〜Ｌ４（Ｃ１〜Ｃ４）コイル
１００ステータ部
２００ロータ部
Ｇ１〜Ｇ３ギア

Claims

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回転位置検出装置であって、
前記第１の軸の回転位置を非接触的に検出し、検出した回転位置に応じて基準交流信号を位相シフトした第１の出力信号を生ずる第１のセンサと、
前記第２の軸の回転位置を非接触的に検出し、検出した回転位置に応じて基準交流信号を位相シフトした第２の出力信号を生ずる第２のセンサと、
前記第１の出力信号の位相シフト量に対応する第１のタイミング信号と、前記第２の出力信号の位相シフト量に対応する第２のタイミング信号とをそれぞれの出力ラインを介して出力する出力回路と
を具備し、前記出力回路から出される２本の出力ラインで相対的回転位置検出データを出力し、この相対的回転位置検出データは、該２本の出力ラインに出された前記第１のタイミング信号と第２のタイミング信号の時間差に現われていることを特徴とする相対回転位置検出装置。
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回転位置検出装置であって、
前記第１の軸の回転位置を非接触的に検出し、検出した回転位置に応じて基準交流信号を位相シフトした第１の出力信号を生ずる第１のセンサと、
前記第２の軸の回転位置を非接触的に検出し、検出した回転位置に応じて基準交流信号を位相シフトした第２の出力信号を生ずる第２のセンサと、
前記第１の出力信号の位相シフト量に対応する第１のタイミング信号と前記第２の出力信号の位相シフト量に対応する第２のタイミング信号との時間差に対応するパルス幅を持つ可変パルス幅出力信号を出力ラインを介して出力する出力回路と
を具備し、前記出力回路から出される１本の出力ラインで相対的回転位置検出データを出力し、この相対的回転位置検出データは、該１本の出力ラインに出された前記可変パルス幅出力信号のパルス時間幅に現われていることを特徴とする相対回転位置検出装置。
前記第１のセンサは、基準交流信号によって励磁される第１のコイル部と、第１の磁気応答部材とを含み、該第１のコイル部と第１の磁気応答部材の一方を前記第１の軸に連動して回転するように配置し、他方を静止状態に配置し、前記第１の軸の回転位置に応じて該第１のコイル部と第１の磁気応答部材の相対位置が変位することで磁気結合が変化し、これにより該第１の軸の回転位置に応じたインピーダンスが前記第１のコイル部に生じ、該インピーダンスに応じた出力を生ずるものであり、
前記第２のセンサは、基準交流信号によって励磁される第２のコイル部と、第２の磁気応答部材とを含み、該第２のコイル部と第２の磁気応答部材の一方を前記第２の軸に連動して回転するように配置し、他方を静止状態に配置し、前記第２の軸の回転位置に応じて該第２のコイル部と第２の磁気応答部材の相対位置が変位することで磁気結合が変化し、これにより該第２の軸の回転位置に応じたインピーダンスが前記第２のコイル部に生じ、該インピーダンスに応じた出力を生ずるものである請求項１又は２に記載の相対回転位置検出装置。
前記第１及び第２の軸はトーションバーで連結されており、前記第１及び第２の軸の間のねじれ量を相対回転位置として検出する請求項１乃至３のいずれかに記載の相対回転位置検出装置。
前記第１及び第２の軸は自動車のパワーステアリングの入力軸と出力軸である請求項１乃至４のいずれかに記載の相対回転位置検出装置。
請求項１、３、４、５のいずれかに記載の相対回転位置検出装置と、前記出力回路からの２つの出力ラインの信号を入力する２つの入力端子を有し、該入力端子に入力される前記第１のタイミング信号と第２のタイミング信号との時間差を測定することで、前記相対的回転位置の測定データを取得する処理を行うコンピュータとで構成される検出システム。
請求項２、３、４、５のいずれかに記載の相対回転位置検出装置と、前記出力回路からの出力ラインの信号を入力する入力端子を有し、該入力端子に入力される前記可変パルス幅出力信号のパルス時間幅を測定することで、前記相対的回転位置の測定データを取得する処理を行うコンピュータとで構成される検出システム。