JP2007327829A - 回転角度検出装置およびそれを備える電動パワーステアリング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】省スペース化を実現することができ、精度良く多回転の絶対角度を検出することができる回転角度検出装置を提供する。
【解決手段】電動パワーステアリング装置のステアリングシャフト１０２にレゾルバ３０を取り付ける。ステータハウジング３１０と第１の回転軸部材３４１とは、ねじ部３６０によって螺接される。これにより、第１の回転軸部材３４１は、回転に伴い上下に移動する。また、第１の回転軸部材３４１に固定されている第１のロータ３３１について、第１のロータ巻線は、回転軸方向についての単位長さ当たりの巻き数が変化するように構成されている。レゾルバ３０が回転すると、第１のステータ３２１と第１のロータ３３１とによって構成される変圧器の変圧比Ｋが変化する。これにより、レゾルバ３０から出力される角度信号Ｄの電圧レベルが変化する。
【選択図】図１

Description

本発明は、多回転の絶対角度を検出するための回転角度検出装置およびそれを備える電動パワーステアリング装置に関する。

従来より、電動パワーステアリング装置においてハンドルの操舵角を検出するための装置として、レゾルバ式の回転角度検出装置が知られている。図８は、電動パワーステアリング装置における従来の回転角度検出装置の構成を示す断面図である。この回転角度検出装置は、レゾルバ４０と回転数検出器５０とから構成されている。レゾルバ４０は、ステータハウジング４１０と第１のステータ４２１と第２のステータ４２２と第１のロータ４３１と第２のロータ４３２と第１の回転軸部材４４１と第２の回転軸部材４４２とを備えている。第１のステータ４２１と第２のステータ４２２とはステータハウジング４１０に固定され、第１のロータ４３１は第１の回転軸部材４４１に固定され、第２のロータ４３２は第２の回転軸部材４４２に固定されている。第１のステータ４２１と第１のロータ４３１とは対向しており、第２のステータ４２２と第２のロータ４３２とは対向している。また、第１のロータ４３１と第２のロータ４３２とは互いに電気的に接続されている。回転数検出器５０は、回転数をカウントするための回転数検出センサ５１と、レゾルバ４０の回転数のカウントが可能となるように回転数検出センサ５１を固定するためのギヤ５２、５３とを備えている。

第１のステータ４２１は、外部から与えられる励磁信号としての第１の電圧信号ＳＲを受け取りそれを第１のロータ４３１に伝えるための巻線（以下、「第１のステータ巻線」という。）を有している。第１のロータ４３１は、第１の電圧信号ＳＲに基づいて電圧（第２の電圧信号）を誘起させるための巻線（以下、「第１のロータ巻線」という。）を有している。第２のロータ４３２は、第１のロータ４３１から励磁信号としての第２の電圧信号を受け取りそれを第２のステータ４２２に伝えるための巻線（以下、「第２のロータ巻線」という。）を有している。第２のステータ４２２は、（回転角度と電圧との関係に着目したときに）絶対角度の零度を基準として正弦曲線状の電圧が誘起されるように構成された巻線（以下、「ｓｉｎ巻線」という。）と、絶対角度の零度を基準として余弦曲線状の電圧が誘起されるように構成された巻線（以下、「ｃｏｓ巻線」という。）とを有している。

図８に示す回転角度検出装置において、外部から第１のステータ巻線に励磁信号としての第１の電圧信号ＳＲが与えられると、第１の電圧信号ＳＲに基づいて第１のロータ巻線に電圧（第２の電圧信号）が誘起される。このとき、第２の電圧信号の電圧レベルは、第１のステータ巻線の巻数と第１のロータ巻線の巻数との比（変圧比）に基づく大きさとなる。第１のロータ巻線に誘起された第２の電圧信号は第２のロータ巻線に送られる。そして、第２のステータ４２２では、第２のロータ巻線に与えられた第２の電圧信号を励磁信号として、ｓｉｎ巻線およびｃｏｓ巻線に上述のような電圧が誘起される。そして、ｓｉｎ巻線に誘起された電圧（ｓｉｎ信号）とｃｏｓ巻線に誘起された電圧（ｃｏｓ信号）とに基づいて、相対角度が求められる。一方、回転数検出センサ５１では、レゾルバ４０の回転数のカウントが行われる。以上のようにして検出された相対角度と回転数とに基づいて、絶対角度の検出が行われている。

また、特開２００１−１９４２５１号公報には、トーションバーの上部軸に設けられた第１のレゾルバから出力される第１のレゾルバ信号とトーションバーの下部軸に設けられた第２のレゾルバから出力される第２のレゾルバ信号とによって、操舵トルクと操舵角とを検出するパワーステアリング装置の発明が開示されている。
特開２００１−１９４２５１号公報

図８に示した従来の構成によると、レゾルバ４０の他に、回転数をカウントするための回転数検出器５０が設けられている。また、上記特開２００１−１９４２５１号公報に開示された構成によると、２個のレゾルバが設けられている。従来、（１個の）レゾルバのみによっては、相対角度の検出を行うことはできるが、多回転の絶対角度を検出することができなかった。このため、多回転の絶対角度を検出するためには、上述のように、回転数を検出するためのセンサを備える構成や複数のレゾルバを備える構成にしなければならなかった。その結果、省スペース化の実現が課題となっている。また、省スペース化を実現する際には、高い検出精度が得られることが好ましい。

そこで、本発明では、省スペース化を実現することができ、精度良く多回転の絶対角度を検出することができる回転角度検出装置を提供することを目的とする。

第１の発明は、励磁信号を非接触で２次側に伝える第１の回転トランスと励磁信号から位置信号を生成する第２の回転トランスとを備えるレゾルバ式の回転角度検出装置であって、
前記第１の回転トランスは、
励磁信号としての第１の電圧信号を受け取る第１のステータ巻線を有する第１のステータと、
前記第１のステータの内側に設けられ、所定の回転軸を中心に回転自在に構成された、前記第１の電圧信号に基づいて前記第１のステータ巻線との相対的な位置関係に応じた第２の電圧信号を生成する第１のロータ巻線を有する第１のロータと
を含み、
前記第２の回転トランスは、
前記第１のロータとともに回転し、前記第１のロータ巻線から前記第２の電圧信号を受け取る第２のロータ巻線を有する第２のロータと、
前記第２のロータの外側に設けられ、励磁信号としての前記第２の電圧信号に基づいて前記第２のロータの回転角度に応じた位置信号としての第３の電圧信号を生成する第２のステータ巻線を有する第２のステータと
を含み、
前記第１のロータは、前記所定の回転軸方向についての単位長さ当たりの前記第１のロータ巻線の巻き数が前記所定の回転軸方向に変化するように構成され、かつ、回転に伴って前記所定の回転軸方向に移動することによって前記第１のステータ巻線と前記第１のロータ巻線との対向部分が変化するように構成されていることを特徴とする。

第２の発明は、第１の発明において、
前記第１のロータは、前記所定の回転軸方向についての単位長さ当たりの前記第１のロータ巻線の巻き数が前記所定の回転軸方向に線形に増加または線形に減少するように構成されていることを特徴とする。

第３の発明は、励磁信号を非接触で２次側に伝える第１の回転トランスと励磁信号から位置信号を生成する第２の回転トランスとを備えるレゾルバ式の回転角度検出装置であって、
前記第１の回転トランスは、
励磁信号としての第１の電圧信号を受け取る第１のステータ巻線を有する第１のステータと、
前記第１のステータとともに回転トランスを構成するロータであって、前記第１のステータの内側に設けられ、所定の回転軸を中心に回転自在に構成された、前記第１の電圧信号に基づいて前記第１のステータ巻線との相対的な位置関係に応じた第２の電圧信号を生成する第１のロータ巻線を有する第１のロータと
を含み、
前記第２の回転トランスは、
前記第１のロータとともに回転し、前記第１のロータ巻線から前記第２の電圧信号を受け取る第２のロータ巻線を有する第２のロータと、
前記第２のロータの外側に設けられ、励磁信号としての前記第２の電圧信号に基づいて前記第２のロータの回転角度に応じた位置信号としての第３の電圧信号を生成する第２のステータ巻線を有する第２のステータと
を含み、
前記第１のステータは、前記所定の回転軸方向についての単位長さ当たりの前記第１のステータ巻線の巻き数が前記所定の回転軸方向に変化するように構成され、
前記第１のロータは、回転に伴って前記所定の回転軸方向に移動することによって前記第１のステータ巻線と前記第１のロータ巻線との対向部分が変化するように構成されていることを特徴とする。

第４の発明は、第３の発明において、
前記第１のステータは、前記所定の回転軸方向についての単位長さ当たりの前記第１のステータ巻線の巻き数が前記所定の回転軸方向に線形に増加または線形に減少するように構成されていることを特徴とする。

第５の発明は、トーションバーによって連結された第１のシャフトと第２のシャフトとからなるステアリングシャフトを備えた電動パワーステアリング装置であって、
前記第１のシャフトまたは前記第２のシャフトの回転角度を検出する、第１から第４までのいずれかの発明に係る回転角度検出装置を備えることを特徴とする。

第６の発明は、トーションバーによって連結された第１のシャフトと第２のシャフトとからなるステアリングシャフトを備えた電動パワーステアリング装置であって、
前記第１のシャフトおよび前記第２のシャフトのそれぞれに第１から第４までのいずれかの発明に係る回転角度検出装置を備え、当該回転角度検出装置によって検出された前記第１のシャフトおよび前記第２のシャフトの回転角度に基づき操舵トルクおよび操舵角を検出することを特徴とする。

上記第１の発明によれば、第１のロータの回転に伴い、第１のステータ巻線と第１のロータ巻線との対向部分が変化する。また、第１のロータについては、回転軸方向についての単位長さ当たりの第１のロータ巻線の巻き数が当該回転軸方向に変化するように構成されている。従って、第１のロータの回転に伴い、上記対向部分についての第１のロータ巻線の巻き数が変化する。

第１のステータと第１のロータとによって第１の回転トランスが構成されるところ、その第１の回転トランスにおける鎖交磁束数は、第１のステータ巻線と第１のロータ巻線との対向部分についての第１のロータ巻線の巻き数に依存する。また、上述のように、当該対向部分についての第１のロータ巻線の巻き数は第１のロータの回転に伴って変化する。従って、第１のロータの回転に伴い、第１の回転トランスにおける鎖交磁束数が変化する。その結果、第１のロータの回転に伴い、第１の回転トランスの変圧比が変化する。

ここで、位置信号（角度信号）としての第３の電圧信号は第２の電圧信号に基づき第２のステータと第２のロータとによって構成される第２の回転トランスによって生成されるところ、第３の電圧信号の電圧レベルは第２の電圧信号の電圧レベルに依存する。また、その第２の電圧信号は、外部から第１のステータ巻線に励磁信号として与えられる第１の電圧信号に基づき上記第１の回転トランスで生成される。従って、第２の回転トランスによって生成される位置信号（角度信号）の電圧レベルは、上記第１の回転トランスの変圧比に依存する。

以上のように、第１のロータの回転に伴い、上記第１の回転トランスの変圧比が変化する。また、位置信号（角度信号）の電圧レベルは、上記第１の回転トランスの変圧比に依存する。従って、位置信号（角度信号）の電圧レベルは、第１のロータの回転に伴って変化する。このため、相対角度が同じであっても、回転数が異なれば、位置信号（角度信号）の電圧レベルは異なる大きさとなる。これにより、位置信号（角度信号）のみに基づいて、多回転の絶対角度が検出される。その結果、他のセンサ等を備えることなく、多回転の絶対角度を検出することができる。

上述のように、所定の回転軸方向についての単位長さ当たりの第１のロータ巻線の巻き数が変化するように第１のロータが構成されていることによって、上記第１の回転トランスの変圧比は回転に伴い変化する。逆に言えば、第１のロータ巻線の形状（巻き方）を調整することによって、回転に伴う変圧比の変化を調整することができる。また、上述のように、位置信号（角度信号）の電圧レベルは、上記第１の回転トランスの変圧比に依存する。従って、第１のロータの形状を調整することによって、位置信号（角度信号）の電圧レベルを調整することができる。このため、位置信号（角度信号）の電圧レベルを容易に調整することができる。これにより、多回転の絶対角度の検出精度を容易に向上させることができる。

上記第２の発明によれば、所定の回転軸方向についての単位長さ当たりの第１のロータ巻線の巻き数が当該回転軸方向に変化するように第１のロータが構成されていることによって上記第１の回転トランスの変圧比が変化するところ、第１のロータ巻線の巻き数が当該所定の回転軸方向に線形に増加または線形に減少するように構成されている。このため、回転に伴う上記第１の回転トランスの変圧比の変化は線形になる。また、上述のように、位置信号（角度信号）の電圧レベルは、上記第１の回転トランスの変圧比に依存する。従って、回転に伴う位置信号（角度信号）の電圧レベルの変化は線形になる。このため、多回転の絶対角度の検出精度がより向上する。

上記第３の発明によれば、第１のロータの回転に伴い、第１のステータ巻線と第１のロータ巻線との対向部分が変化する。また、第１のステータについては、所定の回転軸方向についての単位長さ当たりの第１のステータ巻線の巻き数が当該回転軸方向に変化するように構成されている。このため、第１のロータの回転に伴い、上記対向部分についての第１のステータ巻線の巻き数が変化する。従って、第１のロータの回転に伴い、第１のステータと第１のロータとによって構成される第１の回転トランスにおける鎖交磁束数が変化し、第１の回転トランスの変圧比が変化する。これにより、上記第１の発明と同様、他のセンサ等を備えることなく、多回転の絶対角度を検出することができる。また、位置信号（角度信号）の電圧レベルを容易に調整することができるので、多回転の絶対角度の検出精度を容易に向上させることができる。

上記第４の発明によれば、所定の回転軸方向についての単位長さ当たりの第１のステータ巻線の巻き数が線形に増加または線形に減少するように構成されている。このため、上記第２の発明と同様、回転に伴う位置信号（角度信号）の電圧レベルの変化は線形になり、多回転の絶対角度の検出精度がより向上する。

上記第５の発明によれば、電動パワーステアリング装置において、１つの回転角度検出装置のみによって、シャフトの回転角度（多回転の絶対角度）が高い精度で検出される。このため、例えば、ハンドルの操舵角を高い精度で検出することができる。これにより、ハンドル操作の際の操舵フィーリングを良くすることができる。

上記第６の発明によれば、ハンドルの操舵角を高い精度で検出することができる。このため、ハンドル操作の際の操舵フィーリングを良くすることができる。また、この回転角度検出装置によってハンドル操作による操舵トルクの検出が行われる。このため、電動パワーステアリング装置全体で必要な部品が削減され、コストが低減する。

以下、添付図面を参照しつつ、本発明の一実施形態について説明する。

＜１．レゾルバの構成＞
図１は、本発明の一実施形態に係るレゾルバ式の回転角度検出装置（以下、「レゾルバ」という。）３０の構成を示す断面図である。このレゾルバ３０は、ステータハウジング３１０と第１のステータ３２１と第２のステータ３２２と第１のロータ３３１と第２のロータ３３２と第１の回転軸部材３４１と第２の回転軸部材３４２とを備えている。第１のステータ３２１と第２のステータ３２２とはステータハウジング３１０に固定され、第１のロータ３３１は第１の回転軸部材３４１に固定され、第２のロータ３３２は第２の回転軸部材３４２に固定されている。第１のステータ３２１と第１のロータ３３１とは対向しており、第２のステータ３２２と第２のロータ３３２とは対向している。また、第１のロータ３３１と第２のロータ３３２とは互いに電気的に接続されている。

本実施形態では、このレゾルバ３０は、電動パワーステアリング装置のステアリングシャフト１０２に取り付けられる。ステアリングシャフト１０２は、その一端がハンドルに固着されている。図１に示すように、電動パワーステアリング装置のステアリングシャフト１０２にはキー１０３が設けられ、レゾルバ３０の第１の回転軸部材３４１にはキー溝３５０が設けられている。第１の回転軸部材３４１のキー溝３５０は、摺動自在にステアリングシャフト１０２のキー１０３に遊嵌されている。また、回転軸２００を中心にステアリングシャフト１０２の回転とともに第１の回転軸部材３４１および第２の回転軸部材３４２が回転するようになっている。ここで、ステータハウジング３１０と第１の回転軸部材３４１とは、ねじ部３６０によって螺接されている。これにより、第１の回転軸部材３４１は、回転に伴って上下に移動する。その結果、ハンドルが回転することによって、第１のステータ３２１と第１のロータ３３１との相対的な位置関係が変化する。

上述のように、第１のステータ３２１と第１のロータ３３１とは対向している。その第１のステータ３２１は、外部から与えられる励磁信号としての第１の電圧信号ＳＲを受け取りそれを第１のロータ３３１に伝えるための第１のステータ巻線を有している。また、第１のロータ３３１は、第１の電圧信号ＳＲに基づいて電圧（第２の電圧信号）を誘起させるための第１のロータ巻線を有している。このように、第１のステータ３２１と第１のロータ３３１とによって、第１のステータ３２１を一次側、第１のロータ３３１を二次側とする変圧器（第１の回転トランス）が構成されている。

ここで、第１のロータ３３１における第１のロータ巻線の巻き方について説明する。図１に示すように、第１のロータ巻線はテーパ状に巻かれている。詳しくは、第１のロータ巻線は、回転軸方向に一端（図１では下）から他端（図１では上）にいくにしたがい回転軸方向についての単位長さ当たりの巻き数が大きくなるように構成されている。このため、第１のステータ３２１と第１のロータ３３１との相対的な位置関係の変化に伴い、第１のステータ巻線と対向する部分にある第１のロータ巻線の巻き数が変化する。

上述のように、第２のステータ３２２と第２のロータ３３２とは対向し、第１のロータ３３１と第２のロータ３３２とは互いに電気的に接続されている。その第２のロータ３３２は、第１のロータ３３１から励磁信号としての第２の電圧信号を受け取りそれを第２のステータ３２２に伝えるための第２のロータ巻線を有している。また、第２のステータ３２２は、（回転角度と電圧との関係に着目したときに）絶対角度の零度を基準として正弦曲線状の電圧が誘起されるように構成されたｓｉｎ巻線と、絶対角度の零度を基準として余弦曲線状の電圧が誘起されるように構成されたｃｏｓ巻線とを有している。これらｓｉｎ巻線に誘起される電圧とｃｏｓ巻線に誘起される電圧とが角度信号としてこのレゾルバ３０から出力される。このように、第２のロータ３３２と第２のステータ３２２とによって、第２のロータ３３２を一次側、第２のステータ３２２を二次側とする変圧器（第２の回転トランス）が構成されている。

＜２．絶対角度の検出＞
次に、本実施形態における多回転の絶対角度の検出について説明する。第１のステータ巻線には、外部から励磁信号としての第１の電圧信号ＳＲが与えられる。このとき、第１のステータ３２１と第１のロータ３３１とによって構成される変圧器に関し、第１のステータ巻線の両端間の電圧をＶ１、第１のロータ巻線の両端間の電圧をＶ２、変圧比をＫとすると、次式（１）が成立する。
Ｋ＝Ｖ１／Ｖ２ ・・・（１）

上述のように、第１のステータ３２１と第１のロータ３３１との相対的な位置関係に応じて、第１のステータ巻線と対向する部分にある第１のロータ巻線の巻き数が変化する。ここで、第１のステータ巻線と対向する部分にある第１のロータ巻線の巻き数が変化すると、上記変圧器における鎖交磁束数が変化する。詳しくは、当該巻き数が大きくなると鎖交磁束数は大きくなり、当該巻き数が小さくなると鎖交磁束数は小さくなる。また、鎖交磁束数が大きくなると上記変圧比Ｋは小さくなり、鎖交磁束数が小さくなると上記変圧比Ｋは大きくなる。従って、第１のステータ巻線と対向する部分の第１のロータ巻線の巻き数が大きくなれば上記変圧比Ｋは小さくなり、当該巻き数が小さくなれば上記変圧比Ｋは大きくなる。

第１のロータ巻線には、式（１）より算出される電圧Ｖ２が誘起される。その誘起された電圧Ｖ２は、第２の電圧信号として第１のロータ３３１から第２のロータ３３２に送られる。第２のロータ３３２では、第２の電圧信号が励磁信号として第２のロータ巻線に与えられる。ここで、第２のロータ３３２は、上述したｓｉｎ巻線およびｃｏｓ巻線を有する第２のステータ３２２と対向している。これにより、第２のステータ３２２のｓｉｎ巻線およびｃｏｓ巻線には、第２の電圧信号の電圧レベルＶ２に基づき回転角度に応じた電圧が誘起される。詳しくは、上述したように、ｓｉｎ巻線には絶対角度の零度を基準として正弦曲線状の電圧（以下、「ｓｉｎ信号」という。）が誘起され、ｃｏｓ巻線には絶対角度の零度を基準として余弦曲線状の電圧（以下、「ｃｏｓ信号」という。）が誘起される。

本実施形態では、第１の回転軸部材３４１の回転に伴って、第１のステータ３２１と第１のロータ３３１との相対的な位置関係が変化する。このため、回転によって第１のステータ巻線と第１のロータ巻線とが対向する部分についての第１のロータ巻線の巻き数が変化する。また、上述のように、第１のステータ巻線と対向する部分の第１のロータ巻線の巻き数が大きくなれば上記変圧比Ｋは小さくなり、当該巻き数が小さくなれば上記変圧比Ｋは大きくなる。また、式（１）から把握されるように、変圧比Ｋが大きくなれば第１のロータ巻線の両端間に生ずる電圧Ｖ２は小さくなり、変圧比Ｋが小さくなれば第１のロータ巻線の両端間に生ずる電圧Ｖ２は大きくなる。以上より、回転に伴って第１のロータ巻線の両端間に生ずる電圧Ｖ２の電圧レベルが変化する。その結果、相対角度が同じであっても、例えば１回転目に生じるｓｉｎ信号およびｃｏｓ信号の電圧レベルと２回転目に生じるｓｉｎ信号およびｃｏｓ信号の電圧レベルとが異なるものとなる。これにより、その電圧レベルの違いに基づいて回転数を検出することができ、相対角度と回転数とから多回転したときの絶対角度を求めている。

なお、上記においては、第１のステータ巻線と第１のロータ巻線とが対向する部分についての第１のロータ巻線の巻き数の変化に着目して変圧比Ｋが変化する旨の説明をしているが、第１のステータ３２１と第１のロータ３３１との相対的な位置関係の変化に伴う磁束の変化によっても上記変圧比Ｋは変化している。第１のステータ３２１と第１のロータ３３１との相対的な位置関係が変化すると、漏れ磁束の大きさが変化するからである。すなわち、本実施形態では、回転に伴う第１のステータ巻線と第１のロータ巻線とが対向する部分についての第１のロータ巻線の巻き数の変化および回転に伴う磁束の大きさの変化に基づいて上記変圧器の変圧比Ｋは変化している。

＜３．レゾルバの動作＞
次に、図２および図３を参照しつつ、本実施形態に係るレゾルバ３０の動作について詳しく説明する。上述したように、第１の回転軸部材３４１は、回転に伴って上下に移動する。このため、例えば、ハンドルが或る操舵位置にある時に図１に示すような（第１のステータ３２１と第１のロータ３３１との）位置関係にあったものが、ハンドルが回転することによって図２に示すような位置関係となる。ここで、上述のとおり、第１のステータ３２１と第１のロータ３３１とによって構成される変圧器の変圧比Ｋは、ハンドルの回転に伴う第１の回転軸部材３４１の上下移動によって変化する。これについて、図３を参照しつつ説明する。なお、図３（ａ）〜（ｅ）には、第１のステータ３２１と第１のロータ３３１との相対的な位置関係を示している。

図３（ａ）は、ハンドルの操舵角（絶対角度）が零度の時の第１のステータ３２１と第１のロータ３３１との位置関係を示している。この時には、第１のステータ巻線と第１のロータ巻線とが対向する部分についての第１のロータ巻線の巻き数は中程度となり、変圧比Ｋは中程度の大きさとなる。このため、第１のロータ巻線に誘起される第２の電圧信号の電圧レベルＶ２は中程度の大きさとなる。その結果、レゾルバ３０から出力される角度信号（ｓｉｎ信号およびｃｏｓ信号）の電圧レベルは中程度の大きさとなる。

図３（ａ）に示す状態から右方向へハンドルの回転が行われると、図３（ｂ）に示すような状態となる。この時には、第１のステータ巻線と第１のロータ巻線とが対向する部分についての第１のロータ巻線の巻き数は比較的小さくなり、変圧比Ｋは比較的大きい状態となる。このため、第１のロータ巻線に誘起される第２の電圧信号の電圧レベルＶ２は比較的小さくなる。その結果、レゾルバ３０から出力される角度信号の電圧レベルは比較的小さくなる。

図３（ｂ）に示す状態からさらに右方向へハンドルの回転が行われると、図３（ｃ）に示すような状態となる。この時には、第１のステータ巻線と第１のロータ巻線とが対向する部分についての第１のロータ巻線の巻き数は小さくなり、変圧比Ｋはさらに大きい状態となる。このため、第１のロータ巻線に誘起される第２の電圧信号の電圧レベルＶ２は小さくなる。その結果、レゾルバ３０から出力される角度信号の電圧レベルは小さくなる。

一方、図３（ａ）に示す状態から左方向へハンドルの回転が行われると、図３（ｄ）に示すような状態となる。この時には、第１のステータ巻線と第１のロータ巻線とが対向する部分についての第１のロータ巻線の巻き数は比較的大きくなり、変圧比Ｋは比較的小さい状態となる。このため、第１のロータ巻線に誘起される第２の電圧信号の電圧レベルＶ２は比較的大きくなる。その結果、レゾルバ３０から出力される角度信号の電圧レベルは比較的大きくなる。

図３（ｄ）に示す状態からさらに左方向へハンドルの回転が行われると、図３（ｅ）に示すような状態となる。この時には、第１のステータ大きくなり、変圧比Ｋはさらに小さい状態となる。このため、第１のロータ巻線に誘起される第２の電圧信号の電圧レベルＶ２は大きくなる。その結果、レゾルバ３０から出力される角度信号の電圧レベルは大きくなる。

以上のように、ハンドルの回転に応じて、第１のステータ３２１と第１のロータ３３１とによって構成される変圧器の変圧比Ｋが変化し、相対角度が同じであってもレゾルバ３０から出力される角度信号の電圧レベルが変化する。このため、相対角度が同じであっても、回転数が異なれば、角度信号の電圧レベルは異なるものとなる。例えば、ハンドルが右方向へ最大Ｎ回転することができる場合、右方向への１回転目の相対角度が３０度の時の電圧レベル、２回転目の相対角度が３０度の時の電圧レベル、・・・、（Ｎ−１）回転目の相対角度が３０度の時の電圧レベル、Ｎ回転目の相対角度が３０度の時の電圧レベルは全て異なるものとなる。また、それらの電圧レベルの大きさは、１回転目が最も大きく、Ｎ回転目が最も小さくなる。さらに、或る状態から同じ回転数だけハンドルを回転させたときであっても、右方向へ回転したときの電圧レベルと左方向へ回転したときの電圧レベルとは異なっている。以上より、レゾルバ３０から出力される角度信号の電圧レベルに基づいて回転方向と回転数と相対角度とが検出されるので、多回転の絶対角度を求めることができる。

＜４．電動パワーステアリング装置の全体構成＞
次に、上述のレゾルバ３０を電動パワーステアリング装置のトルクセンサに用いた例を説明する。図４は、電動パワーステアリング装置の構成をそれに関連する車両構成と共に示す概略図である。この電動パワーステアリング装置は、操舵のための操作手段としてのハンドル１００に一端が固着されるステアリングシャフト１０２と、そのステアリングシャフト１０２の他端に連結されたラックピニオン機構１０４と、ハンドル１００の操作によってステアリングシャフト１０２に加えられる操舵トルクを検出するためのトルクセンサ３と、当該車両の走行速度を検出する車速センサ４と、ハンドル操作による運転者の負荷を軽減するための操舵補助力を発生するモータ６と、そのモータ６の発生する操舵補助力をステアリングシャフト１０２に伝達する減速ギヤ７と、車載バッテリ８から電源の供給を受けて、トルクセンサ３および車速センサ４からのセンサ信号に基づきモータ６の駆動を制御する電子制御ユニット（ＥＣＵ）５とを備えている。

運転者がハンドル１００を操作すると、トルクセンサ３からのセンサ信号に基づいて検出される操舵トルクおよび操舵角と車速センサ４によって検出される車速とに基づいてＥＣＵ５によりモータ６が駆動される。これによりモータ６は操舵補助力を発生し、この操舵補助力が減速ギヤ７を介してステアリングシャフト１０２に加えられることにより、操舵操作による運転者の負荷が軽減される。すなわち、ハンドル操作によって加えられる操舵トルクとモータ６の発生する操舵補助力Ｔａとの和が、出力トルクＴｂとして、ステアリングシャフト１０２を介してラックピニオン機構１０４に与えられる。これによりピニオン軸が回転すると、その回転がラックピニオン機構１０４によってラック軸の往復運動に変換される。ラック軸の両端はタイロッドおよびナックルアームからなる連結部材１０６を介して車輪１０８に連結されており、ラック軸の往復運動に応じて車輪１０８の向きが変わる。

＜５．トルクセンサの構成＞
図５は、この電動パワーステアリング装置のトルクセンサ３の構成を模式的に示した概略図である。このトルクセンサ３は、第１のレゾルバ３０ａと第２のレゾルバ３０ｂとを有している。第１のレゾルバ３０ａおよび第２のレゾルバ３０ｂの詳細な構成は、図１に示したとおりである。トルクセンサ３内において、ハンドル１００に一端が固着されたステアリングシャフト（以下、「インプットシャフト」という。）１０２ａと、ラックピニオン機構１０４に一端が連結されたステアリングシャフト（以下、「アウトプットシャフト」という。）１０２ｂとが、トーションバー１０２ｃによって接続されている。第１のレゾルバ３０ａは、インプットシャフト１０２ａに設けられ、第２のレゾルバ３０ｂは、アウトプットシャフト１０２ｂに設けられている。すなわち、第１のレゾルバ３０ａはインプットシャフト１０２ａの回転角度を検出するために設けられ、第２のレゾルバ３０ｂはアウトプットシャフト１０２ｂの回転角度を検出するために設けられている。なお、インプットシャフト１０２ａの回転角度のうち絶対角度を符号θａで表し、アウトプットシャフト１０２ｂの回転角度のうち絶対角度を符号θｂで表す。

第１のレゾルバ３０ａからは、インプットシャフト１０２ａの絶対角度（以下、「第１の絶対角度」という。）θａを検出するための第１のｓｉｎ信号ｓｉｎθａと第１のｃｏｓ信号ｃｏｓθａとが出力される。第２のレゾルバ３０ｂからは、アウトプットシャフト１０２ｂの絶対角度（以下、「第２の絶対角度」という。）θｂを検出するための第２のｓｉｎ信号ｓｉｎθｂと第２のｃｏｓ信号ｃｏｓθｂとが出力される。ここで、ハンドル１００が回転すると、トーションバー１０２ｃがねじれ、第１の絶対角度θａと第２の絶対角度θｂとは異なる値となる。それらの絶対角度の差分（θａ−θｂ）に基づいて、ハンドル１００に加えられた操舵トルクが求められる。

＜６．制御装置の構成＞
図６は、上記電動パワーステアリング装置を制御的観点から見た構成を示すブロック図である。電動パワーステアリング装置の制御装置であるＥＣＵ５は、角度検出部１０と、トルク検出部１１と、目標電流演算部１２と、減算器１４と、ＰＩ制御部１５と、モータ駆動部２０と、電流検出器１９とを備えている。なお、ＥＣＵ５の構成要素のうち角度検出部１０、トルク検出部１１、目標電流演算部１２、減算器１４、およびＰＩ制御部１５は、マイクロコンピュータが所定のプログラムを実行することによりソフトウェア的に実現される。

トルクセンサ３は、ハンドル１００の操作に応じて、操舵角および操舵トルクを検出するための角度信号Ｄを出力する。この角度信号Ｄには、上述した第１のｓｉｎ信号ｓｉｎθａ、第１のｃｏｓ信号ｃｏｓθａ、第２のｓｉｎ信号ｓｉｎθｂ、および第２のｃｏｓ信号ｃｏｓθｂが含まれている。角度検出部１０は、角度信号Ｄに基づいて第１の絶対角度θａと第２の絶対角度θｂとを検出し、それら出力する。トルク検出部１１は、第１の絶対角度θａと第２の絶対角度θｂとを受け取り、それらの差分（θａ−θｂ）に基づいて操舵トルクを検出し、操舵トルク信号Ｔｓとして出力する。車速センサ４は、この電動パワーステアリング装置が搭載される車両の走行速度を検出し、その検出値を示す信号を車速信号Ｓｓとして出力する。

目標電流演算部１２は、ハンドルの操舵角としての第１の絶対角度θａと操舵トルク信号Ｔｓと車速信号Ｓｓとに基づき目標電流値Ｉｔを設定する。電流検出器１９は、モータ６に実際に供給される電流を検出し、その電流を示す電流検出値Ｉｓを出力する。減算器１４は、目標電流演算部１２から出力される目標電流値Ｉｔと電流検出器１９から出力される電流検出値Ｉｓとの偏差（Ｉｔ−Ｉｓ）を算出する。ＰＩ制御部１５は、この偏差（Ｉｔ−Ｉｓ）に基づき比例積分制御演算によって電圧指令値Ｖを生成する。モータ駆動部２０は、この電圧指令値Ｖに基づいて、モータ６に電圧を印加する。この電圧印加によりモータ６に電流が流れ、運転者のハンドル操作を補助している。

＜７．効果＞
本実施形態によると、レゾルバ３０の第１のロータ３３１は、回転に伴い上下移動するように構成されている。また、第１のロータ３３１は、所定の回転軸方向についての単位長さ当たりの第１のロータ巻線の巻き数が変化するように構成されている。このため、回転に伴って、第１のステータ巻線と第１のロータ巻線との対向部分についての第１のロータ巻線の巻き数が変化する。これにより、回転に伴って、第１のステータ３２１と第１のロータ３３１とによって構成される変圧器における鎖交磁束数が変化する。その結果、回転に伴って、上記変圧器の変圧比Ｋが変化し、第１のロータ巻線に誘起される第２の電圧信号の電圧レベルが変化する。

ここで、レゾルバ３０から出力される角度信号（ｓｉｎ信号およびｃｏｓ信号）Ｄの電圧レベルは第２のロータ巻線に与えられる励磁信号の電圧レベルに基づくところ、第２のロータ巻線には第２の電圧信号が励磁信号として与えられる。また、上述のように、回転に伴って、第１のロータ巻線に誘起される第２の電圧信号の電圧レベルが変化する。従って、回転に伴ってレゾルバ３０から出力される角度信号Ｄの電圧レベルは変化する。このため、相対角度が同じであっても、回転数が異なれば、角度信号Ｄの電圧レベルは異なるものとなる。これにより、角度信号Ｄの電圧レベルに基づいて回転数を検出することができる。その結果、相対角度と回転数とから多回転の絶対角度が検出される。以上より、他のセンサ等を備えることなく、本実施形態に係るレゾルバ３０のみで多回転の絶対角度を検出することができる。

また、本実施形態では、第１のロータ巻線がテーパ状に巻かれることによって、回転軸方向についての単位長さ当たりの第１のロータ巻線の巻き数が変化している。このように構成されていることによって、第１のステータ３２１と第１のロータ３３１とによって構成される変圧器の変圧比Ｋは変化している。逆に言えば、第１のロータ巻線の形状（巻き方）を調整することによって、回転に伴う変圧比Ｋの変化を調整することができる。また、上述のように、角度信号Ｄの電圧レベルは、上記変圧器の変圧比Ｋに依存している。このため、角度信号Ｄの電圧レベルを容易に調整することができ、その結果、多回転の絶対角度の検出精度が向上する。

さらに、第１のロータ巻線の形状を調整することによって、第１のロータ３３１に誘起される第２の電圧信号の電圧レベルが線形になるように第１のロータ３３１を構成することができる。第２の電圧信号の電圧レベルの変化が線形になると、回転による角度信号Ｄの電圧レベルの変化も線形になる。これにより、多回転の絶対角度の検出精度がより高くなり、操舵フィーリングが向上する。

さらにまた、本実施形態によれば、電動パワーステアリング装置において、レゾルバ３０は、ハンドルの操舵角を検出するだけでなく、ハンドル操作によって加えられるトルクを検出するために機能する。このため、電動パワーステアリング装置全体で必要な部品が削減される。これにより、電動パワーステアリング装置において、低コスト化や省スペース化が実現される。

＜８．変形例＞
上記実施形態においては、回転軸方向に一端から他端にいくにしたがい当該回転軸方向についての単位長さ当たりの第１のロータ巻線の巻き数が変化する構成となっているが、本発明はこれに限定されない。図７に示すように、第１のステータ巻線の形状（巻き方）をテーパ状にする構成としても良い。本構成によると、第１のロータ３３１の回転に伴い、第１のステータ巻線と第１のロータ巻線との対向部分についての第１のステータ巻線の巻き数が変化するので、第１のステータ３２１と第１のロータ３３１とによって構成される変圧器における鎖交磁束数が変化し、変圧器の変圧比Ｋが変化する。このため、角度信号Ｄを生成するための第２の電圧信号の電圧レベルが回転に伴い変化するので、相対角度が同じであっても、回転数が異なれば、角度信号Ｄの電圧レベルは異なるものとなる。これにより、上記実施形態と同様、他のセンサ等を備えることなく、多回転の絶対角度を精度良く検出することができる。

本発明の一実施形態に係るレゾルバ式の回転角度検出装置の構成を示す断面図である。 上記実施形態において、回転後のレゾルバの構成を示す断面図である。 上記実施形態において、レゾルバの回転に伴う変圧比の変化について説明するための図である。 上記実施形態において、電動パワーステアリング装置の構成をそれに関連する車両構成と共に示す概略図である。 上記実施形態において、電動パワーステアリング装置のトルクセンサの構成を模式的に示した概略図である。 上記実施形態において、電動パワーステアリング装置を制御的観点から見た構成を示すブロック図。 上記実施形態の変形例に係るレゾルバ式の回転角度検出装置の構成を示す断面図である。 従来例に係る回転角度検出装置の構成を示す断面図である。

符号の説明

３…トルクセンサ、４…車速センサ、５…電子制御ユニット（ＥＣＵ）、６…モータ、３０…レゾルバ式の回転角度検出装置、３０ａ…第１のレゾルバ、３０ｂ…第２のレゾルバ、１０２…ステアリングシャフト、１０２ａ…インプットシャフト、１０２ｂ…アウトプットシャフト、１０２ｃ…トーションバー、１０３…キー、２００…回転軸、３１０…ステータハウジング、３２１…第１のステータ、３２２…第２のステータ、３３１…第１のロータ、３３２…第２のロータ、３４１…第１の回転軸部材、３４２…第２の回転軸部材、３５０…キー溝、３６０…ねじ部

Claims (6)

1. 励磁信号を非接触で２次側に伝える第１の回転トランスと励磁信号から位置信号を生成する第２の回転トランスとを備えるレゾルバ式の回転角度検出装置であって、
   前記第１の回転トランスは、
   励磁信号としての第１の電圧信号を受け取る第１のステータ巻線を有する第１のステータと、
   前記第１のステータの内側に設けられ、所定の回転軸を中心に回転自在に構成された、前記第１の電圧信号に基づいて前記第１のステータ巻線との相対的な位置関係に応じた第２の電圧信号を生成する第１のロータ巻線を有する第１のロータと
   を含み、
   前記第２の回転トランスは、
   前記第１のロータとともに回転し、前記第１のロータ巻線から前記第２の電圧信号を受け取る第２のロータ巻線を有する第２のロータと、
   前記第２のロータの外側に設けられ、励磁信号としての前記第２の電圧信号に基づいて前記第２のロータの回転角度に応じた位置信号としての第３の電圧信号を生成する第２のステータ巻線を有する第２のステータと
   を含み、
   前記第１のロータは、前記所定の回転軸方向についての単位長さ当たりの前記第１のロータ巻線の巻き数が前記所定の回転軸方向に変化するように構成され、かつ、回転に伴って前記所定の回転軸方向に移動することによって前記第１のステータ巻線と前記第１のロータ巻線との対向部分が変化するように構成されていることを特徴とする、回転角度検出装置。
2. 前記第１のロータは、前記所定の回転軸方向についての単位長さ当たりの前記第１のロータ巻線の巻き数が前記所定の回転軸方向に線形に増加または線形に減少するように構成されていることを特徴とする、請求項１に記載の回転角度検出装置。
3. 励磁信号を非接触で２次側に伝える第１の回転トランスと励磁信号から位置信号を生成する第２の回転トランスとを備えるレゾルバ式の回転角度検出装置であって、
   前記第１の回転トランスは、
   励磁信号としての第１の電圧信号を受け取る第１のステータ巻線を有する第１のステータと、
   前記第１のステータとともに回転トランスを構成するロータであって、前記第１のステータの内側に設けられ、所定の回転軸を中心に回転自在に構成された、前記第１の電圧信号に基づいて前記第１のステータ巻線との相対的な位置関係に応じた第２の電圧信号を生成する第１のロータ巻線を有する第１のロータと
   を含み、
   前記第２の回転トランスは、
   前記第１のロータとともに回転し、前記第１のロータ巻線から前記第２の電圧信号を受け取る第２のロータ巻線を有する第２のロータと、
   前記第２のロータの外側に設けられ、励磁信号としての前記第２の電圧信号に基づいて前記第２のロータの回転角度に応じた位置信号としての第３の電圧信号を生成する第２のステータ巻線を有する第２のステータと
   を含み、
   前記第１のステータは、前記所定の回転軸方向についての単位長さ当たりの前記第１のステータ巻線の巻き数が前記所定の回転軸方向に変化するように構成され、
   前記第１のロータは、回転に伴って前記所定の回転軸方向に移動することによって前記第１のステータ巻線と前記第１のロータ巻線との対向部分が変化するように構成されていることを特徴とする、回転角度検出装置。
4. 前記第１のステータは、前記所定の回転軸方向についての単位長さ当たりの前記第１のステータ巻線の巻き数が前記所定の回転軸方向に線形に増加または線形に減少するように構成されていることを特徴とする、請求項３に記載の回転角度検出装置。
5. トーションバーによって連結された第１のシャフトと第２のシャフトとからなるステアリングシャフトを備えた電動パワーステアリング装置であって、
   前記第１のシャフトまたは前記第２のシャフトの回転角度を検出する、請求項１から４までのいずれか１項に記載の回転角度検出装置を備えることを特徴とする、電動パワーステアリング装置。
6. トーションバーによって連結された第１のシャフトと第２のシャフトとからなるステアリングシャフトを備えた電動パワーステアリング装置であって、
   前記第１のシャフトおよび前記第２のシャフトのそれぞれに請求項１から４までのいずれか１項に記載の回転角度検出装置を備え、当該回転角度検出装置によって検出された前記第１のシャフトおよび前記第２のシャフトの回転角度に基づき操舵トルクおよび操舵角を検出することを特徴とする、電動パワーステアリング装置。
   

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