JP2007024556A - 回転センサ - Google Patents

Abstract

【課題】 測定すべき回転体の絶対回転角度検出の分解能を向上させた検出精度の高い回転センサを提供する。
【解決手段】 回転するシャフトに取り付けられ、周方向に沿って幅が変化する導電性のセンシング部５０を有するロータと、交流励磁電流が流されることでロータのセンシング部５０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励磁コイルを保持するコア本体とを有し、固定部材に取り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６０，７０とを備えた回転センサであって、センシング部５０の３６０度あたりのセンシング幅の変化する周期を複数周期としている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、回転体に取り付けて当該回転体の回転角度を検出するのに使用す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り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に示すように、回転するシャフトに取り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。以下にこのような従来型の回転センサの構成について図面に基づいて説明する、このような従来型の回転センサは、図８及び図９に示すように、励磁コイルを備えた固定コアが２組の固定コア２０，３０からなり、それぞれロータの周方向に９０度の中心角度をなして配置されている。また、固定コア２０，３０は、シャフトの近傍に位置する固定部材（図示せず）に取り付けられ、ここでは図示しないが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、あるいは絶縁性の樹脂材等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、絶縁磁性材あるいは絶縁性の樹脂材等からなるロータ取り付け部（図示せず）及びこれとステー１０ａ，１０ｂ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１０とからなる。なお、センシング部１０は導電性を有する金属からなり、図９に示すように、周方向３６０度において幅が最小の幅狭部１１と、この幅狭部１１と半径方向反対側に幅が最大の幅広部１２とをそれぞれ一箇所ずつ有して周方向３６０度あたり１周期でセンシング幅が変化し、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センシング部表面に誘起されるようになっており、この渦電流量の変動に伴い各励磁コイルのインピーダンスも変動するようになっている。

なお、ロータの１周期は３６０度なので、前記固定コア２０，３０はこの１周期を１／４とした９０度の中心角度をなして配置されている。このように各固定コア２０，３０を配置すると、後処理が容易となるためである。

また、ここでは詳細には示さないが、回転センサの回路ブロック図は、発振回路からなり特定周波数の発振信号を出力する発振部と、センシング部に発生する渦電流の大きさに応じて発振部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と、位相シフト量を検出する位相シフト量検出部と、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と、位相シフト量コンバート部から出力される位相シフト量を増幅する増幅部と、増幅部からの出力に基づいて回転角度を算出する回転角度検出部を有し、位相シフト部に入力される回転角度を検出するようになっている。

また、位相シフト部は、電子回路の抵抗とコンデンサ及びコイルからからなる。ロータのセンシング部１０は上述したように周方向に幅が連続的に変化する形状を有しているので、シャフトの回転と連動するロータのセンシング部１０が回転することにより、コイルのインピーダンスが変化する。

そして、シャフトが回転したとき、入力角度に対して位相シフト量検出部の出力はセンシング部１０の形状によって決まり、Ｓｉｎ波形の如く変化させることができる。例えば、２つの固定コア２０，３０をロータの中心に対して図８に示すように９０度の中心角度で配置すると、入力角度に対して、一方の固定コア２０の励磁コイルのインピーダンス変化に基づいて信号処理した位相シフト量と、他方の固定コア３０の励磁コイルのインピーダンス変化に基づいて信号処理した位相シフト量は、図１０に示すように、９０度の位相差をもって変化することになる。

そして、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回転角度を検出するようになっている。
特開２００３−２０２２４０号公報（第４−５頁、図１）

従来型の回転センサは、上述したようにセンシング部のセンシング幅が周方向３６０度あたり１周期で変化するようになっている。ここで、この場合のロータの回転角度の検出方法について説明する。

まず、発振回路が分周回路を介して特定周波数の発振信号を抵抗、励磁コイル及びコンデンサからなる位相シフト部に出力する。このとき、センシング部における渦電流発生の大きさに応じて各励磁コイルのインピーダンスが変化し、このインピーダンス変化によって各コンデンサ両端における電圧信号の位相も変化する。そして、コンデンサの両端の電圧信号は、位相シフト量検出部へ出力され、この検出部で各コンデンサ両端の電圧信号の位相シフト量を検出する。そして、コンバータが、検出された位相シフト量を対応する電圧値に変換する。

なお、本実施形態では、各コイルコアとセンシング部とが協働することで得られる位相シフト量出力信号の位相が９０度ずれるように固定コア２０，３０をセンシング部１０の周方向に対応させてケースに配置しているので、上述のような信号処理によって、図１０に示すように、一方の固定コア２０の位相シフト量出力値ＳＡと他方の固定コア３０の位相シフト量出力値ＳＢのように互いに９０度位相のずれた３６０度周期の位相シフト量の出力値が得られる。

このようにして得られた位相シフト量の出力値からロータの回転角度を３６０度周期で検出する方法は以下の通りである。

図１０に示すように、各固定コア２０，３０から得られるロータの回転角度の出力値（ＳＡ，ＳＢ）とこれらをそれぞれ反転させた出力値（ＲＳＡ，ＲＳＢ）とを重畳させる。そして、各位相シフト量検出値の大小関係からロータの回転角度が０度〜９０度、９０度〜１８０度、１８０度〜２７０度、２７０度〜３６０度、のいずれの範囲にあるかを判断する。そして、これら４つの位相シフト量検出値の検出特性に優れた直線部分を用いるとともに、この直線部分同士をジョイント（結合）処理する。次いで、上述した４つの角度範囲の何れの角度範囲にあるかの判断結果に基づき、図１１に示す３６０度ごとの周期で変化する鋸歯状波形の出力信号からロータの回転角度を３６０度周期で求めるようになっている。

このような構成によると、３６０度ごとに検出出力電圧が例えば１Ｖから４Ｖまで変化するようになる。ここで、図１１の（１），（２），（３），（４）に対応する図１０の太線部（１），（２），（３），（４）については、最小値が１Ｖであり最大値が４Ｖとすると、センシング部３６０度において１度当たりの電圧Ｖ１は、図１０から、Ｖ１＝（４−１）÷９０＝０．０３３３Ｖと求まる。このような１度あたり０．０３３３Ｖの検出出力差であっても回転角度の検出に特段支障は生じないが、更に高分解能を求められる仕様の回転センサの場合には対応できないことがあった。

本発明の目的は、測定すべき回転体の絶対回転角度検出の分解能を向上させた検出精度の高い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り付けられ、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、固定部材に取り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、
前記センシング部の周方向３６０度あたりのセンシング幅の変化する周期を複数周期としたことを特徴としている。

このようにセンシング部の３６０度あたりのセンシング幅の変化する周期を複数周期とすることで、測定すべき回転体の絶対回転角度検出の分解能を一定の上限値と下限値を備えた検出出力がそれぞれの周期に対応して繰り返し出力されるようになり、センシング部の周方向１度あたりの出力電圧が大きくなり、その結果、測定すべき回転体の絶対回転角度検出の分解能を向上させた検出精度の高い回転センサとすることができる。

本発明によると、測定すべき回転体の絶対回転角度検出の分解能を向上させた検出精度の高い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、本実施形態では、自動車のステアリング装置に関してこの回転センサをステアリングシャフトに取り付け、ハンドルの回転角度を検出するために回転センサを用いた場合について説明する。

この回転センサは、回転するシャフトに取り付けられるロータ（図示せず）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２組の固定コア６０，７０（図１参照）と、回転角度検出部を備えている。なお、固定コア６０，７０は、ロータのセンシング部周方向に３０度の中心角度をなしてそれぞれ配置されている。また、固定コア６０，７０は、シャフトの近傍に位置する固定部材（図示せず）に取り付けられ、ここでは図示しないが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、あるいは絶縁性の樹脂材等からなるケースにロータとともに収納されている。

さらに、図１において各固定コア６０，７０は、それぞれ固定コア６１と固定コア６２がセンシング部５０を挟んで対向配置されて組みをなし、固定コア７１と固定コア７２がセンシング部５０を挟んで対向配置されて組みをなして設けられているが、対向配置せずに、例えば固定コア６２，７２を用いて設けても良いが、例えば本発明にかかる回転センサが、振動等が加わる場所に配置される場合は、固定コア６０，７０は図１のようにそれぞれ固定コア同士を組みをなすように対向配置して設ければ、振動に影響される出力の変動を相殺することができ好ましい。

ロータは、絶縁磁性材あるいは絶縁性の樹脂材等からなるロータ取り付け部（図示せず）及びこれとステー５０ａ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５０とからなる。なお、センシング部５０は、図２に示すように、周方向３６０度において幅が最小の幅狭部５１と、この幅狭部５１と半径方向反対側に幅が最大の幅広部５２とをそれぞれ３箇所ずつ有して周方向１２０度あたり１周期、すなわち周方向３６０度あたり３周期でセンシング幅が変化するようになっている。また、センシング部５０は導電性を有する金属からなり、前記固定コア６０，７０のそれぞれの固定コアは６１，６２，７１，７２の励磁コイルに交流励磁電流が流されると、各対向配置されている固定コア６１，６２間、及び固定コア７１，７２間にそれぞれセンシング部５０を横切って磁気回路が形成され、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センシング部表面に誘起されるようになっており、この渦電流量の変動に伴い各励磁コイルのインピーダンスも変動するようになっている。

なお、センシング部５０の１周期は１２０度なので、前記固定コア６０，７０はこの１周期を１／４とした３０度の中心角度をなして配置されている。

図３は本実施形態の全体的な信号処理回路を示しており、信号発生部１００は固定コア５０，６０で検出された信号をそれぞれ増幅して信号処理部１５０に出力する役目を果たしている。また、信号処理部１５０は、入力された信号をＣＰＵで処理してＥＣＵ２００にそのデータを出力する役目を果たしている。また、ＥＣＵ２００は、入力されたデータより、回転体の回転角度を車両の様々な制御に利用する役目を果たしている。

ここで、回転センサの詳細な回路ブロック構成は図４に示すようになっている。なお、図４は、各固定コア６０，７０はそれぞれ、固定コアを対向配置せずに用いた例（例えば図１において固定コア６２，７２のみを用いた例）を示したものである。この回路ブロック図は、発振部としての役目を果たし特定周波数の発振信号を出力する発振回路１０１と、センシング部に発生する渦電流の大きさに応じて発振回路１０１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１１０（１１１，１１２）と、位相シフト量を検出する位相シフト量検出部１２０（１２１，１２２）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１３０（１３１，１３２）と、位相シフト量コンバート部１３０から出力される位相シフト量を増幅する増幅部１４０（１４１，１４２）と、増幅部１４０からの出力に基づいて回転角度を算出する回転角度検出部１５１を備えた信号処理部１５０を有し、位相シフト部１１０に入力される回転角度を検出するようになっている。

また、位相シフト部１１０は、電子回路の抵抗とコンデンサ及び各固定コア内に収容されている励磁コイルからなる。ロータのセンシング部５０は上述したように周方向に幅が連続的に変化する形状を有しているので、シャフトの回転と連動するロータのセンシング部５０が回転することにより、励磁コイルのインピーダンスが変化する。

シャフトが回転したとき、入力角度に対して位相シフト量検出部１２０の出力はセンシング部の形状によって決まり、頭部と底部の出力を飽和させてそれぞれ平坦部を形成した図５に示すＳｉｎ波形の如く変化させることができる。例えば、図１に示すように、２つの固定コア６０，７０をロータの中心に対して３０度の中心角度で配置すると、図４に示すように入力角度に対して、一方の固定コア６０の励磁コイルのインピーダンス変化に基づいて信号処理した位相シフト量と、他方の固定コア７０の励磁コイルのインピーダンス変化に基づいて信号処理した位相シフト量は３０度の位相差をもって変化することになる。

そして、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回転角度を検出するようになっている。

この回転センサは、センシング部５０のセンシング幅が図２に示すように周方向３６０度あたり３周期で変化するようになっている。この場合のロータの回転角度の検出方法について説明する。まず、発振回路１０１が分周回路を介して特定周波数の発振信号を抵抗、励磁コイル及びコンデンサからなる位相シフト部１１０に出力する。このとき、センシング部５０における渦電流発生の大きさに応じて各励磁コイルのインピーダンスが変化し、このインピーダンス変化によって各コンデンサ両端における電圧信号の位相も変化する。そして、コンデンサの両端の電圧信号は、位相シフト量検出部１２０へ出力され、この検出部で各コンデンサ両端の電圧信号の位相シフト量を検出する。そして、コンバータが、検出された位相シフト量を対応する電圧値に変換する。

なお、本実施形態では、各固定コア６０，７０とセンシング部５０とが協働することで得られる位相シフト量出力信号の位相が３０度ずれるように固定コア６０，７０をセンシング部５０の周方向に対応させてケースに配置しているので、上述のような信号処理によって、図５に示すように、一方の固定コア６０の位相シフト量出力値ＳＡと他方の固定コア７０の位相シフト量出力値ＳＢのように互いに３０度位相のずれた１２０度周期の位相シフト量の出力値が得られる。

このようにして得られた位相シフト量の出力値からロータの回転角度を１２０度周期で検出する方法は以下の通りである。

図５に示すように、各固定コア６０，７０から得られるロータの回転角度の出力値（ＳＡ，ＳＢ）とこれらをそれぞれ反転させた出力値（ＲＳＡ，ＲＳＢ）とを重畳させる。そして、各位相シフト量検出値の大小関係からロータの回転角度が０度〜３０度、３０度〜６０度、６０度〜９０度、９０度〜１２０度、のいずれの範囲にあるかを判断する。そして、これら４つの位相シフト量検出値の検出特性に優れた直線部分を用いるとともに、この直線部分同士をジョイント（結合）処理する。なお、前記固定コア６０，７０を、センシング部５０の１周期１２０度を１／４とした３０度の中心角度をなすように配置したのは、このように直線部分を抽出して直線部分同士をジョイント（結合）処理し易いからである。次いで、上述した４つの角度範囲の何れの角度範囲にあるかの判断結果に基づき、図６に示す１２０度ごとの周期で変化する鋸歯状波形の出力信号から、ロータの回転角度を１２０度周期で求めるようになっている。

このような構成によると、１２０度ごとに検出出力電圧が例えば１Ｖから４Ｖまで変化するようになる。ここで、１周期は１２０度となり、２組のコイルは３０度の角度ずれた位置に配置する。図６の（１），（２），（３），（４）に対応する図５の太線部（１），（２），（３），（４）については、最小値が１Ｖであり最大値が４Ｖとすると、センシング部３６０度において１度当たりの電圧Ｖ２は、
Ｖ２＝（４−１）÷３０＝０．１Ｖ
となり、１度当たりの検出電圧は従来の回転センサの場合に比べて３倍となる。このように、センシング部５０の３６０度あたりのセンシング幅が可変する周期を複数周期とすることによりセンシング部５０の周方向１度当たりの測定電圧の変化量を増加させることができるので、分解能を向上させることができる。

図７は上述した実施形態の変形例を示したセンシング部８０の平面図である。本変形例の回転センサは、センシング部８０のセンシング幅が幅狭部８１から幅広部８２へと周方向３６０度あたり４周期で変化するようになっている。ここで、１周期は９０度となり、ここでは図示しない２組の固定コアを、９０度を１／４とした２２．５度の角度ずれた位置に配置する。この場合、センシング部８０の周方向１度当たりの電圧Ｖ３の変化量は、
Ｖ３＝（４−１）÷２２．５＝０．１３Ｖとなり、３６０度あたりセンシング幅の変化が４周期の場合は、３６０度あたりのセンシング幅の変化が１周期の従来型の回転センサに比べて、１度あたりの電圧変化量が４倍となる。このように、本変形例においても、センシング部の３６０度あたりのセンシング幅の変化の周期を複数とすることにより、１度当たりの測定電圧の変化量を増加させることができるので、上述の実施形態と同様に分解能を向上させることができる。

なお、本発明の回転センサにおけるセンシング部の１周期は１２０度や９０度に限定されることはなく、３６０度を実質的に等間隔にしたものを１周期として複数周期設けるようにすれば、１周期は何度にしても良い。

本発明にかかる回転センサは、自動車のステアリング装置の回転角度検出に適している。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互いに回転するシャフト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固定コアとロータのセンシング部のみを示した平面図である。 図１のセンシング部の平面図である。 本発明の一実施形態にかかる回転センサの信号処理ブロック図である。 図３に示した信号処理ブロック図の一部をより詳細に示した回路ブロック図である。 図１に示した固定コアとセンシング部との組み合わせからロータの回転角度を検出する方法を示した説明図である。 図５に続いて、図１に示した固定コアとセンシング部との組み合わせからロータの回転角度を検出する方法を示した説明図である。 本発明の一実施形態の変形例にかかる回転センサのセンシング部の平面図である。 従来の回転センサの固定コアとロータのセンシング部のみを示した平面図である。 図８のセンシング部の平面図である。 図７に示したコイルコアとセンシング部との組み合わせからロータの回転角度を検出する方法を示した説明図である。 図１０に続いて、図７に示した固定コアとセンシング部との組み合わせからロータの回転角度を検出する方法を示した説明図である。

符号の説明

１０ センシング部
１０ａ，１０ｂ ステー
１１ 幅狭部
１２ 幅広部
２０（２１，２２） 固定コア
３０（３１，３２） 固定コア
５０ センシング部
５０ａ ステー
５１ 幅狭部
５２ 幅広部
６０（６１，６２） 固定コア
７０（７１，７２） 固定コア
８０ センシング部
８１ 幅狭部
８２ 幅広部
１００ 信号発生部
１０１ 発振回路
１１０（１１１，１１２） 位相シフト部
１２０（１２１，１２２） 位相シフト量検出部
１３０（１３１，１３２） 位相シフト量コンバート部
１４０（１４１，１４２） 増幅部
１５０ 信号処理部
１５１ 回転角度検出部
２００ ＥＣＵ

Claims (1)

1. 回転するシャフトに取り付けられ、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、固定部材に取り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、
   前記センシング部の周方向３６０度あたりのセンシング幅の変化する周期を複数周期としたことを特徴とする回転センサ。

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