JP2005265830A - 回転センサ - Google Patents

Abstract

【課題】 組付け性に優れかつコストの低減を図るとともに広範囲にわたって検出精度に優れた回転センサを提供する。
【解決手段】 回転するシャフトＳに取付けられ、周方向に沿って幅が変化する導電性のセンシング部１２を有するロータ１０と、交流励磁電流が流されることでロータのセンシング部との間に磁気回路を形成する励磁コイルと、絶縁磁性材から成形されかつ励磁コイルを保持するコア本体とを有し、固定部材９０に取付けてロータのセンシング部に対してシャフトの軸線方向に間隔をおいて対向配置される固定コア３１，３２，４１，４２とを備えた回転センサにおいて、固定コアは、前記シャフトの軸に対してなす中心角が実質的に１８０°を除いた角度の２箇所に配置されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、回転体に取付けてこの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。

かかる回転センサの一例として、ロータに対して固定コアを所定間隔隔てて対向配置したものがある。（例えば、特許文献１参照）。

この回転センサは、特許文献１の図１乃至図３に示すように、回転するシャフトに取付けられるロータと、絶縁磁性材からなるコア本体及びコア本体内に収容される少なくとも１つの励磁コイルを有する固定コアと、回転角度検出部を備えている。なお、励磁コイルは、例えば４個の励磁コイルからなり、それぞれロータの周方向に等間隔で配置されている。

固定コアは、シャフトの近傍に位置する固定部材に取付けられ、それぞれ交流磁界の遮蔽性を有する金属又は絶縁磁性材からなるケースにロータとともに収納されている。

ロータは、絶縁磁性材のロータ取付け部及びこれとステーを介して連結され周方向にわたって幅が連続的に変化するセンシング部とからなる。なお、センシング部は、幅が最小の幅狭部と、この幅狭部と半径方向反対側に幅が最大の幅広部とを有した導電性を有する金属からなり、ロータの回転角度に対応してセンシング部の半径方向の幅が変化するように形成され、交流磁界によって回転に伴う幅に対応した大きさの渦電流が誘起されるようになっている。

このような構成の回転センサを用いて、この渦電流の発生に伴う励磁コイルのインピーダンス変動を利用してロータの０°〜３６０°の回転角度を検出する。
特開２００３−２０２２４０号公報（第４−５頁、図１）

しかしながら、このような回転センサを、例えば自動車のステアリングシャフトに取付けて当該ステアリングシャフトの回転角度を検出すると、車両の振動によりロータのセンシング部とコイルコアとのギャップが変化し、これが検出出力誤差となって正確な回転角度を検出できない場合がある。

これを解決するために、特許文献１の図１３乃至図１６に示すように、対になった四組の固定コアをロータのセンシング部を挟んでケースに取付けた構造の回転センサが考えられている。この対になった各固定コアは、絶縁磁性材からなるコア本体と、コア本体内に収容される励磁コイルを有している。そして、所定の励磁コイル同士がそれぞれ直列に接続され、測定手段からの交流励磁電流によって固定コア周囲に磁気回路を形成している。

このように一つの回転センサに、ロータのセンシング部をはさんで上下２個を一組として四組の固定コアを９０°の位相で配置することで、回転部の振動によって生じるロータ半径方向の各固定コアとの間隔変化による出力変動を軽減している。

しかしながら、上述の回転センサにおいては、ロータのセンシング部が、各組の固定コアの上下固定コア間に配置される必要があるため、実際の回転センサ組付け上の制約から、上下固定コアごとに組付け工程を分割している。

具体的な組付け工程を一例として紹介すると、図１０に示すように、下側固定コア５１〜５４をコイルコアホルダ７１に組付け、この組付けたコイルコアホルダ７１を下ケース２２に組付け、ロータ１０と予め一体化したセンシング部１２を下ケース２２に組付ける。

一方、図１１に示すように、上側固定コア６１〜６４をコイルコアホルダ７２に組付けてこのコイルコアホルダ７２をコイルコアホルダ７１に合体させるとともに、上ケース（図示せず）を下ケース２２に嵌めて回転コネクタを完成させるようになっている。

すなわち、この工程による回転コネクタの組付けを行うに当って、上述の組付け上の制約により、各固定コア５１〜５４（６１〜６４）を保持するコイルコアホルダ７１（７２）は、総計４個の下側固定コア５１〜５４と同じく総計４個の上側固定コア６１〜６４のそれぞれを取付けるコイルコアホルダ７１，７２に分割し、２部品構成となっている。

そのため、上下固定コア５１〜５４，６１〜６４の各組ごとの同芯度は、上下コイルコアホルダ７１，７２の位置精度に依存するようになり、部品公差や組付け公差の関係上、理想的な寸法関係に回転センサを組付けるのは難しく、精度良く組付けるには相応の設備を用いなければならず、非常にコスト高となってしまう。

また、別体で構成されるコイルコアホルダ７１，７２を仮に一体化しようとすると、一体化したコイルコアホルダの間にロータ１０のセンシング部１２を横からスライド挿入できることが必要とされる。すなわち、図１０及び図１１に示す寸法ａと寸法ｂとの間にａ＞ｂの関係が要求され、回転センサ自体の大きさも大型化してしまう。

上述の構成に対し、図１２及び図１３に示すように、上下固定コア５１〜５４，６１〜６４を各々個別に保持する一体化した四組のコイルコアホルダ８１〜８４を設ける構造も考えられるが、これでは各組同士の相対位置、すなわちシャフトＳの軸に関して互いに９０°ずれて配置するのが難しくなる。これは、固定コア５１〜５４，６１〜６４の各組同士の相対位置が各コイルコアホルダ８１〜８４の下ケース２２に対する取付け位置精度に依存するからである。

このように、各組の固定コア同士を正確に対向配置させながらその間の適所にロータ１０のセンシング部１２を介在させた状態で回転センサを組み立てるのは困難性を伴う。

また、かかる回転センサを組付けるにあたって、固定コアの個数が合計８個必要となり、コスト高となる。回転センサのコスト低減を図るためには、固定コアの個数を減らすことが効果的であるが、かかる固定コアの個数を減らすにあたって、回転センサの出力特性を損なわないようにすることが必要とされる。

以上のように回転センサの４箇所に固定コア５１〜５４，６１〜６４を対向配置する構成をとった場合、対向配置した固定コア間にロータ１０のセンシング部１２を設けなければならないことに起因する組付け上や部品構造上のさまざまな制約があるとともに、１つの回転センサに多数の固定コアを使用しなければならず、これが廉価で精度の良い回転センサを提供するにあたっての障害となっている。

本発明の目的は、組付け性に優れかつコストの低減を図るとともに広範囲の回転角度にわたって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、
回転するシャフトに取付けられ、周方向に沿って幅が変化する導電性のセンシング部を有するロータと、
交流励磁電流が流されることで前記ロータのセンシング部との間に磁気回路を形成する励磁コイルと、磁性材から成形されかつ前記励磁コイルを保持するコア本体とを有し、固定部材に取付けて前記ロータのセンシング部に対して前記シャフトの軸線方向に間隔をおいて対向配置される固定コアとを備えた回転センサにおいて、
前記固定コアは、前記シャフトの軸に対してなす中心角が実質的に１８０°を除いた角度の２箇所に配置されていることを特徴としている。

固定コアがシャフトの軸に対してなす中心角が実質的に１８０°を除いた角度の２箇所に配置されていることで、シャフトに取付けられたロータの回転角度を２つの固定コアのみで検出することができ、回転センサの検出精度を高く維持しながら固定コアの個数を減らすことが可能となり、その分回転センサ自体のコストダウンを図れる。

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、
前記固定コアは、前記ロータのセンシング部を挟んで対向配置された固定コア対として固定コアの組が設けられていることを特徴としている。

例えば一体の保持部材に固定コアをこのように配置することで、対向する固定コア同士の同芯度を正確に保つことができ、回転センサの検出精度を高く維持しながら回転センサの組付け性を向上させることができる。

また、固定コアをロータのセンシング部を挟んで対向配置された固定コア対とすることで、各固定コア対が振動に対する出力特性の変動を相殺することができ、耐振動性に優れた回転角度の検出を行うことができる。

また、従来の耐振性を有した回転センサの構造に比べて固定コアの個数を減らすことができるので、その分、コストダウンを図れる。

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２箇所の固定コアが互いに前記シャフトの軸に対してなす中心角は、実質的に９０°であることを特徴としている。

２箇所の固定コアが互いにシャフトの軸に対して実質的に９０°の中心角をなすように配置することで、対向する固定コア同士の同芯度をより正確に保つことができるようになり、その結果、回転センサの検出精度を高く維持しながら回転センサの組付け性を向上させることが可能となる。また、従来の耐振性を有した回転センサの構造に比べて固定コアの個数を減らすことができるので、その分、コストダウンを図れる。

また、本発明の請求項４に記載の回転センサは、請求項１乃至請求項３の何れかに記載の回転センサにおいて、
前記各励磁コイルが発振部と位相シフト部と位相シフト量検出部に接続され、
各励磁コイルの位相シフト量検出部で得られた位相シフト量及び当該位相シフト量をそれぞれ反転させた位相シフト量に基づき、前記ロータの回転角度を検出することを特徴としている。

各励磁コイルの位相シフト量検出部で得られた位相シフト量の他に当該位相シフト量をそれぞれ反転させた位相シフト量を用いることで、少ない個数の固定コアを備えた簡易な構成でもロータの回転角度を広範囲にわたって検出可能とする。

また、本発明の請求項５に記載の回転センサは、請求項４に記載の回転センサにおいて、
前記各位相シフト量及び反転された各位相シフト量の差が一定範囲の場合に前記ロータの回転角度を検出する複数の位相シフト量出力領域のジョイント部かその近傍領域であると判断することを特徴としている。

このようにして複数の位相シフト量の接続部かその近傍領域であると判断することで、ロータの回転角度に対応する複数の位相シフト量出力領域のジョイント部における出力のズレをなくして連続した位相シフト量出力領域を形成し、ロータの回転角度を広範囲にわたって連続的に検出可能とする。

本発明によると、組付け性に優れかつコストの低減を図るとともに広範囲の回転角度にわたって検出精度に優れた回転センサを得ることができる。

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、この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。

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に取付けられるロータ１０と、絶縁磁性材からなるコア本体及びコア本体内に収容される少なくとも１つの励磁コイルを有する固定コア３１，３２（４１，４２）と、固定コア３１，３２（４１，４２）を保持する保持部材９０と、保持部材９０の一部に備わった回路基板９５と、これらを収容するケース２０とを備えている。また、保持部材９０には、固定コア３１，４１を対向配置させるコイルコアホルダ９２と、固定コア３２，４２を対向配置させるコイルコアホルダ９３が備わっている。そして、保持部材９０は、コイルコアホルダ９２，９３がシャフトＳの軸に対して中心角９０度をなすように回転センサ１に組付けられている。

以下、保持部材９０及び固定コア３１，３２，４１，４２の構造について詳細に説明する。保持部材９０は、例えば合成樹脂（例えば、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、ナイロン、ポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）、ＡＢＳ樹脂等ガラス繊維にエポキシ樹脂を含浸させたＦＲＰ（繊維強化プラスチック）等）でできた矩形状の板部材であって下ケース２２に取付けられるベース部９１と、このベース部９１の一側端部に備わったコイルコアホルダ９２，９３とからなる。

保持部材９０の一方のコイルコアホルダ９２には、固定コア３１，４１が互いに同芯度を保ちながら対向配置された状態で備わり、保持部材９０の他方のコイルコアホルダ９３には固定コア３２，４２が互いに同芯度を保ちながら対向配置されている。また、一方の組の各固定コア３１，４１が他方の組の固定コア３２，４２に対してシャフトＳの軸に関して中心角９０°をなして配置されている。これによって、一側の固定コア３１（３２）は、ロータ１０を挟んで他側の固定コア４１（４２）との間に所定間隔Ｇ（図２参照）を隔てて対向配置されている。

また、保持部材９０の一部には回路基板９５が備わり、当該回路基板９５に回転角度検出回路１００が備わっている。回転角度検出回路１００は、ケース２０から外部に延出させた複数の電線（図示せず）を介して電源や信号伝送用のワイヤハーネスと接続されると共に、ケース２０の外部に設けられた外部装置と接続されるようになっている。

上述のように、固定コア３１，３２は、シャフトＳの軸に対して中心角９０°をなすように保持部材９０の下ケース側に配置される。一方、固定コア４１，４２は、シャフトＳの軸に対して中心角９０°をなすように保持部材９０の上ケース側に配置される。

また、固定コア３１と固定コア４１はロータ１０のセンシング部１２を挟んで同芯度を維持しながら対向配置され、固定コア３２と固定コア４２もロータ１０のセンシング部１２を挟んで同芯度を維持しながら対向配置される。

なお、一側の固定コア３１，３２は、図２に示すように、絶縁磁性材（例えば、Ｎｉ−Ｚｎ系、Ｍｎ−Ｚｎ系、Ｍｇ−Ｚｎ系のフェライトに、ナイロン、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）、ＡＢＳ樹脂等の電気絶縁性を有する熱可塑性合成樹脂を混合したもの、あるいはセラミック等）からなり、円柱状に形成され、上面側に励磁コイルが収容されるリング状の空隙部を有するコア本体３１ａ，３２ａとコア本体３１ａ，３２ａ内に収容される励磁コイル３１ｂ，３２ｂを有している。また、他側の固定コア４１，４２も同様に、絶縁磁性材からなるコア本体４１ａ，４２ａとコア本体４１ａ，４２ａ内に収容される励磁コイル４１ｂ，４２ｂを有している。そして、励磁コイル３１ｂと励磁コイル４１ｂ、励磁コイル３２ｂと励磁コイル４２ｂは、それぞれ直列に接続され、保持部材９０の回転角度検出回路１００と電気的に接続され、交流励磁電流が流されることでコイル周囲に交流磁界を形成し、それぞれ対となっている固定コア間で磁気回路を形成するようになっている。

また、固定コア３１，３２（４１，４２）が備わった保持部材９０、回転角度検出回路１００が備わった回路基板９５、及びロータ１０は、交流磁界の遮蔽性を有する金属又は絶縁磁性材からなるケース２０に収容されている。なお、ケース２０は上ケース２１と下ケース２２とからなり、シャフトＳの近傍に位置する固定部材（図示せず）に図示しないブラケット等を介して取付けられている。

ロータ１０は、図１に示すように、絶縁磁性材のロータ取付け部１１と、当該ロータ取付け部１１とステー１２ａ，１２ｂを介して連結され、周方向にわたって幅が連続的に変化するセンシング部１２とからなる。なお、センシング部１２は、アルミニウム，銅，銀，真鍮等の導電性を有する金属でできている。また、センシング部１２は、同図に示すように、幅が最小の幅狭部と、この幅狭部と半径方向反対側に幅が最大の幅広部とを有している。そして、ロータ１０の回転角度に対応して半径方向の幅が変化するように形成され、ロータ回転に伴い後述する交流磁界によってセンシング幅の、各コイルに対応した領域の面積に基く大きさの渦電流が誘起されるようになっている。

すなわち、各励磁コイル３１ｂ，３２ｂ，４１ｂ，４２ｂに交流励磁電流が流されると、各励磁コイル３１ｂ，３２ｂ，４１ｂ，４２ｂは周囲に交流磁界を形成し、対向するコア本体３１ａとコア本体４１ａは協働して磁気回路を形成し、同様に、対向するコア本体３２ａとコア本体４２ａも協働して磁気回路を形成する。このとき、磁束がセンシング部１２を横切ると、センシング部１２の表面には渦電流が誘起され、各励磁コイル３１ｂ，３２ｂ，４１ｂ，４２ｂのインピーダンスを変動させる。このインピーダンスの変動量は、センシング部１２の表面に誘起される渦電流量の変動に対応する。センシング部１２の表面に誘起される渦電流量は、固定コアに対応するセンシング部１２の面積（センシング部１２のセンシング面と直交する方向から見てセンシング部の固定コアに対する投影面積、すなわち「センシング部の固定コアへの投影面積」である。）により変動する。よって、ロータ１０が回転すると、各固定コア３１，３２，４１，４２に対応するセンシング部１２の幅はロータ１０の回転角度に比例して変動し、これに伴い各励磁コイル３１ｂ，３２ｂ，４１ｂ，４２ｂにおけるインピーダンスも変動する。このときの各励磁コイル３１ｂ，３２ｂ，４１ｂ，４２ｂからの出力信号を後述する回転角度検出回路１００で検出し、ロータ１０の角度信号に変換して、ロータ１０の回転角度を検出することができる。

回転センサ１の回転角度検出回路１００は、図３の回路ブロック図に示すように、発振回路１１１からなり特定周波数の発振信号を出力する発振部１１０と、センシング部１２に発生する渦電流の大きさに応じて発振部１１０から入力された発振信号の位相をシフトする位相シフト部１２０（１２１，１２２）と、位相シフト量を検出する位相シフト量検出部１３０（１３１，１３２）と、検出された位相シフト量を対応するパラメータに変換する位相シフト量コンバート部１４０（１４１，１４２）と、位相シフト量コンバート部１４０から出力される位相シフト量を増幅させる増幅部１５０（１５１，１５２）と、位相シフト量に対応するパラメータから回転角度を算出する信号処理部１６０とを有し、位相シフト部１２０に入力される各回転角度を検出するようになっている。なお、本実施形態では記載されていないが、発振回路１１１と位相シフト部１２０との間に必要に応じて分周回路やバッファを設けても良い。

以上の構成を有する回転センサ１は、シャフトＳの回転による励磁コイル３１ｂ，３２ｂ，４１ｂ，４２ｂのインピーダンス変動を利用して出力を回転角度検出回路１００で信号処理することで、後述するようにロータの０°〜３６０°の回転角度全体にわたって検出するようになっている。

続いて、かかる回転センサの組付け方について説明する。まず、保持部材９０のコイルコアホルダ９２に固定コア３１，４１を取付けるとともに、保持部材９０のコイルコアホルダ９３に固定コア３２，４２を取付ける。そして、保持部材９０に対向配置された固定コア間にロータ１０のセンシング部１２を挿入する。これによって、一方の組の固定コア３１，４１が同芯度を保ちかつ他方の組の固定コア３２，４２が同芯度を保った状態で、各組の固定コア間の適所にロータ１０のセンシング部１２が配置されるようにする。そして、このように仮組付けされた保持部材９０とロータ１０とを下ケース２２に取付ける。次いで、下ケース２２に上ケース２１を取付けて回転センサ１の組付けを終える。

このように、本実施形態にかかる回転センサ１は、従来の２つ以上の部品から構成される保持部材を取付ける構造をとっていないので、各固定コア同士の同芯度を保ったままかつ各固定コア３１，４１（３２，４２）とロータ１０のセンシング部１２との間隔を一定に保ちながら容易に組付けることができる。

すなわち、従来の回転センサでは、ロータのセンシング部を挟んで上下一組をなす固定コアを合計四組、それぞれ９０°の位相で配置していたのに対し、本実施形態にかかる回転センサでは、ロータのセンシング部を挟んで上下一組をなす固定コアを合計二組、シャフトの軸に対して中心角９０°をなして保持部材９０に配置している。また、各固定コア３２，４２を保持する保持部材９０は、コイルコアホルダ９２，９３を備えて一体化した状態で構成されている。また、保持部材９０には回路基板９５を介して回転角度検出回路１００が備わっている関係上、固定コア３１，３２，４１，４２は回転角度検出回路１００に近い位置に配置されている。

本実施形態にかかる回転センサ１は上述した構成を有しているので、ロータ１０のセンシング部１２を保持部材９０に対して横方向からスライドして組付けることができ、従来のように保持部材９０を上下固定コア用に二分割する必要がなくなる。また、従来のように四組からなる固定コアの各組用に保持部材９０を分割する必要がない。その結果、構成部品の部品点数を削減することが可能となる。

これに加えて、本実施形態にかかる回転センサは各固定コアを保持する保持部材９０が一部品であるため、互いに対向配置された各組ごとの固定コア３１，４１（３２，４２）の同芯度や９０°隔てて配置された各組ごとの固定コア３１，４２（３２，４２）の相対位置が、部品同士の組付け誤差から影響を受けることがなくなり、回転センサ１の組付け工程においてロータ１０のセンシング部１２と固定コア３１，３２，４１，４２や固定コア同士をより高い精度で位置決めすることが可能となる。

また、本実施形態にかかる回転センサ１の場合、２組の固定コア３１，３２，４１，４２がいずれも保持部材９０に備わった回転角度検出回路１００の近傍に配置されているため、回転角度検出回路１００と固定コア３１，３２，４１，４２との電気接続を行うコイル線の長さを短くすることができ、これにより電気ノイズの影響が受け難くなる。

続いて、上述のように組付けた回転センサ１を用いた回転角度検出を行うにあたっての具体的な信号処理の仕方について説明する。まず、発振回路１１１は、特定周波数の発振信号を各励磁コイル３１ｂ及び励磁コイル４１ｂ（コイルＢ１）、励磁コイル３２ｂ及び励磁コイル４２ｂ（コイルＢ２）に伝達する。これによって、各発振信号が抵抗Ｒ１，Ｒ２、励磁コイルＢ１，Ｂ２及びコンデンサＣ１，Ｃ２からなる各位相シフト部１２０に出力される。このとき、コンデンサＣ１，Ｃ２両端における電圧信号の位相は、励磁コイルＢ１，Ｂ２のインピーダンスの変動によって変化する。コンデンサＣ１，Ｃ２両端の電圧信号は、各位相シフト量検出部１３０へ出力される。各位相シフト量検出部１３０は、コンデンサＣ１，Ｃ２両端の電圧信号の位相シフト量をそれぞれ検出する。各位相シフト量コンバート部１４０は検出された各位相シフト量を対応する電圧に変換する。

そして、この電圧値を位相シフト量コンバート部１４０の後段に接続した増幅部１５０（１５１，１５２）に伝達する。増幅器１５０はオペアンプ等からなる電子回路である。

信号処理部１６０は、演算処理手段として例えばワンチップマイクロプロセッサが使用され、各増幅部１５０から入力される電圧値に基づき、信号処理部１６０がロータ１０の回転角度を測定する。

これによって、例えば一方の励磁コイル（コイルＢ１）の出力電圧（Ｖ）が図４に示すように得られる。同図の励磁コイルに関するロータ回転角度と出力電圧との関係から明らかなように、１８０°離れた位置にセンシング部１２の２箇所のステー１２ａ，１２ｂに対応するピーク状の突出部が出現する。また、この部分を除いて従来の回転センサよりも回転角度に応じて正比例して直線的に変化する特性上向上した出力電圧を得られる検出帯域Ｑが現れる。

なお、励磁コイル３１ｂ，４１ｂと励磁コイル３２ｂ，４２ｂとは、図５に示すように９０°の中心角度をなして配置されているので、このようなロータ回転角度に応じた直線性に優れた検出帯域Ｑを図６に示すようにロータ回転角度の０°〜３６０°まで互いに１８０°の位相だけずれたまま入れ替わり連続的に生じさせることができる。なお、図６においてはピーク状の突出部は省略して示している。

図６から明らかなように、ロータ回転角度の変化に応じて位相シフト量に対応する出力信号のリニアリティの優れた区域とそうではない区域が生じる。図７は、図６の理解を容易にするために、位相シフト量に対応する特性図においてリニアリティに優れた区域を太線で示し、それ以外を細線で示したものである。リニアリティの優れた区域は９０°よりやや大きい。そして、２つコイル出力信号のリニアリティ部分をうまくジョイントするには本実施形態にかかる回転センサのように、各励磁コイルの配置場所が中心角度で９０°ずれていることが必要である。このように、コイルが９０°の中心角度をもって配置されていることが、ロータの角度位置を判別するには最も好都合である。

続いて、ロータ１０の回転角度位置を判別する方法を詳しく説明する。信号処理アルゴリズムの中、２つのコイル検出信号から３６０°の回転角度に変換するために、信号処理回路から検出した２種類の信号を検出に際して適宜選択（判別）することが必要である。

すなわち、ロータ１０が任意の位置で、検出された中心角度が互いに９０°ずれて配置された２つの励磁コイルの位相シフト量に対応する信号をそれぞれＳ１，Ｓ２とする信号Ｓ１とＳ２の中、リニアリティの優れたコイル信号（図７における太線部分）を選択する必要がある。

これには、まず、角度範囲の判別を行う必要がある。図６及び図７に示すように１つコイル信号は１８０°の周期を持ち、３６０°範囲内には２値性を持っている。即ち、２つのコイルが９０°の回転角度で配置されていると、角度θの出力信号レベル＝角度（θ＋１８０°）の出力信号レベルとなり、同じ信号レベルが、角度θか或いは角度（θ＋１８０°）かという判別が必要である。この具体的な判別方法は以下の通りとなる。

まず、リニアリティ信号レベルの範囲を設定する。すなわち、図７に示すようにリニアリティ区間範囲内の信号を用いて角度位置を算出する。具体的には以下のようになる。
・ロータ回転位置区域Ｘ１（０°≦α＜４５°、３１５°≦α＜３６０°）の場合：条件がＳ１＞Ｓ２となり、Ｓ１の信号のリニアリティが優れている。そのため、Ｓ１信号を用いて０°≦α＜４５°、３１５°≦α＜３６０°の角度位置を算出する。
・ロータ回転位置区域Ｘ２（４５°≦α＜１３５°）の場合：条件がＳ２＞Ｓ１となり、Ｓ２の信号のリニアリティが優れている。そのため、Ｓ２信号を用いて４５°≦α＜１３５°の角度位置を算出する。
・ロータ回転位置区域Ｘ３（１３５°≦α＜２２５°）の場合：条件がＳ２＞Ｓ１となり、Ｓ１の信号のリニアリティが優れている。そのため、Ｓ１信号を用いて１３５°≦α＜２２５°の角度位置を算出する。
・ロータ回転位置区域Ｘ４（２２５°≦α＜３１５°）の場合：条件がＳ１＞Ｓ２となり、Ｓ２の信号のリニアリティが優れている。そのため、Ｓ２信号を用いて２２５°≦α＜３１５°の角度位置を算出する。

以上の判別処理は全て図３に示す信号処理部１６０で実行する。具体的には、図８に示すように、各励磁コイルの位相シフト量検出部１３０で得られた位相シフト量に対応する信号Ｓ１，Ｓ２の他に当該位相シフト量をそれぞれ反転させた位相シフト量に対応する反転信号Ｓ１Ｒ，Ｓ２Ｒを求め、これらの信号及び反転信号に基づき、最もリニアリティに優れた出力信号を選択する。図８は、互いに１８０°位相のずれた信号Ｓ１、信号Ｓ２に関してそれぞれ、出力を反転した信号Ｓ１Ｒ、信号Ｓ２Ｒを求めてこれらを重畳して示している。

次いで、ロータ１０の回転角度に応じた信号Ｓ１、信号Ｓ２、信号Ｓ１Ｒ、信号Ｓ２Ｒの大小関係から信号処理部１６０においてロータ１０が現在、どの回転区間にあるかを判断する。具体的には、位相シフト量の出力がＳ２Ｒ＜Ｓ１＜Ｓ１Ｒ＜Ｓ２の場合、０°＜ロータ回転角度＜４５°でロータ回転位置区域Ｘ１ｂと判断する。また、位相シフト量の出力がＳ１＜Ｓ２Ｒ＜Ｓ２＜Ｓ１Ｒの場合、４５°＜ロータ回転角度＜９０°でロータ回転位置区域Ｘ２ａと判断する。また、位相シフト量の出力がＳ１＜Ｓ２＜Ｓ２Ｒ＜Ｓ１Ｒの場合、９０°＜ロータ回転角度＜１３５°でロータ回転位置区域Ｘ２ｂと判断する。また、位相シフト量の出力がＳ２＜Ｓ１＜Ｓ１Ｒ＜Ｓ２Ｒの場合、１３５°＜ロータ回転角度＜１８０°でロータ回転位置区域Ｘ３ａと判断する。また、位相シフト量の出力がＳ２＜Ｓ１Ｒ＜Ｓ１＜Ｓ２Ｒの場合、１８０°＜ロータ回転角度＜２２５°でロータ回転位置区域Ｘ３ｂと判断する。また、位相シフト量の出力がＳ１Ｒ＜Ｓ２＜Ｓ２Ｒ＜Ｓ１の場合、２２５°＜ロータ回転角度＜２７０°でロータ回転位置区域Ｘ４ａと判断する。また、位相シフト量の出力がＳ１Ｒ＜Ｓ２Ｒ＜Ｓ２＜Ｓ１の場合、２７０°＜ロータ回転角度＜３１５°でロータ回転位置区域Ｘ４ｂと判断する。また、位相シフト量の出力がＳ２Ｒ＜Ｓ１Ｒ＜Ｓ１＜Ｓ２の場合、３１５°＜ロータ回転角度＜３６０°でロータ回転位置区域Ｘ１ａと判断する。

なお、ロータ１０の回転角度を検出するにあたって、上述した４つの信号区間をジョイントして１つ連続的な信号とする処理も必要である。具体的には、図８に示す各太線の交差する端部を互いに連結して回転角度検出用の信号が図９に示すように連結する太線で構成されるようにすることが必要とされる。そのジョイント処理は誤差をできるだけ小さくするために、両コイルから算出した角度のずれをある角度範囲内に分散することが要求される。これは、いわゆるスムージング処理と呼ばれるものである。また、できるだけ、角度ずれ値を細かく分散するため、ジョイント処理の角度範囲をある程度大きくすることが必要である。そこで、本実施形態にかかる回転センサの場合、信号処理部１６０においてもう１つ別の信号判別処理を行う。即ち、信号Ｓ１又は信号Ｓ２のみからロータの回転角度を検出する信号処理に加えて、通常の信号算出区間かジョイント処理区間かの判別を行う信号判別処理である。その判別を行い易いようにするために、図８に示したように信号処理部１６０であるマイコンで作り出した信号Ｓ１と信号Ｓ２の反転信号Ｓ１ＲとＳ２Ｒをこの信号判別処理においても利用する。

例えば、ロータ回転角度４５°近辺のジョイント区間Ｊ１を判別する場合、信号Ｓ１と信号Ｓ２Ｒの差分がある範囲内に入れば、ロータ回転角度がジョイント処理区間Ｊ１に入ったと判別する。また、ロータ回転角度１３５°近辺のジョイント区間Ｊ２を判別する場合、信号Ｓ１Ｒと信号Ｓ２Ｒの差分がある範囲内に入れば、ロータ回転角度がジョイント処理区間Ｊ２に入ったと判別する。また、ロータ回転角度２２５°近辺のジョイント区間Ｊ３を判別する場合、信号Ｓ１Ｒと信号Ｓ２の差分がある範囲内に入れば、ロータ回転角度がジョイント処理区間Ｊ３に入ったと判別する。また、ロータ回転角度３１５°近辺のジョイント区間Ｊ４を判別する場合、信号Ｓ２と信号Ｓ１の差分がある範囲内に入れば、ロータ回転角度がジョイント処理区間Ｊ４に入ったと判別する。このようにしてジョイント区間Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３，Ｊ４における信号間の誤差をできるだけ小さくするとともに両コイルから算出した角度のずれをある角度範囲内に分散するスムージング処理を行う。これによって、図９に示すように、上述した４つの信号区間をジョイントしてＳ１，Ｓ２Ｒ，Ｓ１Ｒ，Ｓ２から構成される１つ連続的な信号にするジョイント処理を行う。

このようにして、ロータ回転角度がどの区間にあるかを判断した後、ロータ回転角度が上述したロータ回転位置区域Ｘ１にあるときは信号Ｓ１のリニアリティが優れているので、信号Ｓ１からロータ１０の回転角度を検出する。また、ロータ１０の回転角度が上述したロータ回転位置区域Ｘ２にあるときは、リニアリティの優れた信号Ｓ２の反転信号Ｓ２Ｒからロータ１０の回転角度を検出する。また、ロータ１０の回転角度が上述したロータ回転位置区域Ｘ３にあるときは、リニアリティに優れた信号Ｓ１の反転信号Ｓ１Ｒからロータの回転角度を検出する。また、ロータの回転角度が上述したロータ回転位置区域Ｘ４にあるときは、信号Ｓ２のリニアリティが優れているので、信号Ｓ２からロータの回転角度を検出する。

以上のようにして、ロータの回転角度を検出するにあたって、中心角９０°をなした二組の固定コアに励磁コイルが備わっただけの簡易な構成であってもロータの回転角度を広範囲にわたって正確に検出できるようになる。

なお、上述の実施形態においては、０°≦ロータ回転角度＜３６０°におけるロータ回転角度検出方法について説明したが、−３６０°≦ロータ回転角度＜０°におけるロータ回転角度検出についても同様の原理で行うことができることは言うまでもない。

なお、上述した実施形態にかかる回転センサのように２つの固定コアが互いにシャフトの軸に対してなす中心角は、実質的に９０°であることは必ずしも必要でなく、シャフトの軸に対してなす中心角が実質的に１８０°を除いた角度の２箇所に配置されていれば、本発明の効果を発揮することが可能である。しかしながら、２つの固定コアが互いにシャフトの軸に対してなす中心角が実質的に９０°であることによって図７乃至図９に示した出力特性を得ることができるので、少ない個数の固定コアによって精度の良い回転角度検出を行うためにはこのような固定コアの配置が最も好ましいと言える。

また、固定コア同士は、上述した実施形態にかかる回転センサのようにロータのセンシング部を挟んで対向配置された固定コア対として配置されていることを必ずしも必要としない。しかしながら、各固定コア同士がロータのセンシング部を挟んで対向配置していることで、各固定コア対が振動に対する出力特性の変動を相殺することができ、耐振動性に優れた回転角度の検出を行うことが可能となるので、このようなロータのセンシング部を挟んで各固定コア同士の対向配置が好ましい配置態様と言える。

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示した平面図である。 図１に示した回転センサをステアリングシャフトに装着した状態で示したII-II断面図である。 図１に示した回転センサの信号処理回路を説明する回路ブロック図である。 図３の回路ブロック図において一方の増幅部で得られたロータ回転角度ごとの位相シフト量を示す図である。 図１に示した回転センサのロータセンシング部と２つの励磁コイルとの配置関係を分かりやすく示した平面図である。 図１に示した２つの励磁コイルの位相シフト量に対応する出力特性を示す図である。 図３の回路ブロック図における両増幅部で得られた位相シフト量に対応する出力を信号処理部で重畳した状態を示した出力特性図である。 反転した位相シフト量に対応する出力を図７の出力特性図に更に重畳した状態を示した出力特性図である。 図８の出力特性図にジョイント処理を施した状態を示した出力特性図である。 従来の回転センサの内部構造を示した平面図である。 図１０に示した回転センサの上側固定コアと上側保持部材を示した平面図である。 図１１とは別の従来の回転センサの内部構造を示した平面図である。 図１２に示した回転センサのXIII-XIII断面図である。

符号の説明

１ 回転センサ
１０ ロータ
１１ ロータ取付け部
１２ センシング部
１２ａ，１２ｂ ステー
２０ ケース
２１ 上ケース
２２ 下ケース
３１，３２ 固定コア
３１ａ，３２ａ コア本体
３１ｂ，３２ｂ 励磁コイル
４１，４２ 固定コア
４１ａ，４２ａ コア本体
４１ｂ，４２ｂ 励磁コイル
５１〜５４ 固定コア
６１〜６４ 固定コア
７１，７２ コイルコアホルダ
８１〜８４ コイルコアホルダ
９０ 保持部材
９１ ベース部
９２ コイルコアホルダ
９３ コイルコアホルダ
９５ 回路基板
１００ 回転角度検出回路
１１０ 発振部
１１１ 発振回路
１２０（１２１，１２２） 位相シフト部
１３０（１３１，１３２） 位相シフト量検出部
１４０（１４１，１４２） 位相シフト量コンバート部
１５０（１５１，１５２） 増幅部
１６０ 信号処理部
Ｓ シャフト

Claims (5)

1. 回転するシャフトに取付けられ、周方向に沿って幅が変化する導電性のセンシング部を有するロータと、
   交流励磁電流が流されることで前記ロータのセンシング部との間に磁気回路を形成する励磁コイルと、磁性材から成形されかつ前記励磁コイルを保持するコア本体とを有し、固定部材に取付けて前記ロータのセンシング部に対して前記シャフトの軸線方向に間隔をおいて対向配置される固定コアとを備えた回転センサにおいて、
   前記固定コアは、前記シャフトの軸に対してなす中心角が実質的に１８０°を除いた角度の２箇所に配置されていることを特徴とする回転センサ。
2. 前記固定コアは、前記ロータのセンシング部を挟んで対向配置された固定コア対として固定コアの組が設けられていることを特徴とする、請求項１に記載の回転センサ。
3. 前記２箇所の固定コアが互いに前記シャフトの軸に対してなす中心角は、実質的に９０°であることを特徴とする、請求項１又は請求項２に記載の回転センサ。
4. 前記各励磁コイルが発振部と位相シフト部と位相シフト量検出部に接続され、
   各励磁コイルの位相シフト量検出部で得られた位相シフト量及び当該位相シフト量をそれぞれ反転させた位相シフト量に基づき、前記ロータの回転角度を検出することを特徴とする、請求項１乃至請求項３の何れかに記載の回転センサ。
5. 前記各位相シフト量及び反転された各位相シフト量の差が一定範囲の場合に前記ロータの回転角度を検出する複数の位相シフト量の出力領域のジョイント部かその近傍区域であると判断することを特徴とする、請求項４に記載の回転センサ。

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