JP2008216142A - 回転角検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、角度検出センサの数を増やしてもワイヤハーネスの増加を抑えることができる、回転角検出装置の提供を目的とする。
【解決手段】励磁信号によって励磁された励磁コイル（２２）（３２）の磁気力に伴って検知コイル（２４，２６）（３２，３６）に起電される検知信号であって回転体の回転角に応じて変化する検知信号を出力するレゾルバ（２０）（３０）を有し、前記励磁信号の周波数がレゾルバ（２０）（３０）毎に異なる、回転角検出装置であって、レゾルバ（２０）（３０）の各検知信号を多重した多重化信号が通るワイヤハーネス（４２，４３，４４，４５）と、ワイヤハーネス（４２，４３，４４，４５）を通る多重化信号を前記各検知信号に分離する検波回路７０と、検波回路７０によって分離された前記各検知信号に基づいて前記回転体の回転角情報を生成するＲ／Ｄコンバータ（８１）（８２）とを備える、回転角検出装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、回転体の回転角を検出する回転角検出装置に関する。

従来、モータや車両のステアリングシャフトなどの回転体の回転角を検出する角度検出センサとして、レゾルバが知られている。このレゾルバからの角度情報を取り出すために用いられるハーネスの配索スペースを最小限に抑える技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。この技術は、ハーネスの移動を考慮して余裕を持って配索スペースを確保する必要がないように、レゾルバのハーネスを固定するハーネスプロテクタにハーネスの移動を抑える突起を備えたものである。
特開２００５−２５４８５５号公報

しかしながら、角度検出センサを複数設ける場合、角度検出センサの増加に伴ってワイヤハーネスが増加してしまうと、ハーネスの配索スペースを最小限に抑制する上述の従来技術では、ワイヤハーネスの増加数によってはワイヤハーネスの配索が困難になることが考えられ得る。

そこで、本発明は、角度検出センサの数を増やしてもワイヤハーネスの増加を抑えることができる、回転角検出装置の提供を目的とする。

上記目的を達成するため、第１の発明に係る回転角検出装置は、
励磁信号によって励磁された励磁コイルの磁気力に伴って検知コイルに起電される検知信号であって回転体の回転角に応じて変化する検知信号を出力する角度検出センサを複数有し、前記励磁信号の周波数が前記角度検出センサ毎に異なり、
前記角度検出センサの各検知信号を多重した多重化信号が通るワイヤハーネスと、
前記ハーネスを通る多重化信号を前記各検知信号に分離するフィルタ手段と、
前記フィルタ手段によって分離された前記各検知信号に基づいて前記回転体の回転角情報を生成する生成手段とを備えていることを特徴としている。

また、第２の発明は、第１の発明に係る回転角検出装置であって、
前記角度検出センサ毎に設けられる前記検知コイル同士が直列接続されることを特徴としている。

また、第３の発明は、第１の発明に係る回転角検出装置であって、
前記角度検出センサ毎に設けられる前記検知コイルは、前記検知信号を互いに異なる位相で起電する２つの検知コイルから構成され、前記２つの検知コイルのうち、いずれか一方の検知コイル同士が直列接続されるとともに、もう一方の検知コイル同士が直列接続されることを特徴としている。

本発明によれば、角度検出センサの数を増やしてもワイヤハーネスの増加を抑えることができる。

以下、図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態の説明を行う。図１は、本発明の一実施形態である回転角検出装置１００を示す構成図である。回転角検出装置１００は、例えば、いわゆるハイブリッド車用のモータ／ジェネレータ（ＭＧ）をはじめとする車両に搭載されるモータやステアリングシャフトなどの回転体の回転角度を検出するために用いられるものである。回転角検出装置１００は、回転角検出部１０と、信号処理部５０と、回転角検出部１０と信号処理部５０との間の信号線であるワイヤハーネス４０（６本のワイヤハーネス４１〜４６から構成）を備える。

回転角検出部１０は、２つの角度検出センサ（レゾルバ２０，３０）を備える。２つのレゾルバ２０，３０は、同一の回転軸又は互いに異なる回転軸に配置される。例えば、レゾルバ２０，３０は、モータ等の回転体の回転軸に対して同軸に配置される。また、例えば、レゾルバ２０が上述のＭＧのモータの回転軸に配置され、レゾルバ３０がＭＧのジェネレータの回転軸に配置される。同一の回転軸に２つ又はそれ以上のレゾルバを配置することによって、冗長性を確保し、フォールトトレランスを向上させることができる。

２つのレゾルバ２０，３０は、例えばＶＲ型（可変リラクタンス）レゾルバであり、回転体と共に回転するロータ、ステータ及びコイルを備える。１相入力/２相出力の場合、コイルは、励磁コイルと、２つの検知コイル（ｓｉｎ相及びｃｏｓ相の出力コイル）を備える。レゾルバ２０は、励磁相を形成する励磁コイル２２と、ｓｉｎ相を形成する検知コイル２４と、ｃｏｓ相を形成する検知コイル２６とを備える。同様に、レゾルバ３０は、励磁相を形成する励磁コイル３２と、ｓｉｎ相を形成する検知コイル３４と、ｃｏｓ相を形成する検知コイル３６とを備える。検知コイル２４と検知コイル３４が直列に接続され、検知コイル２６と検知コイル３６が直列に接続される。ロータの外形輪郭線は、一定の径ではなく、周期的に変化する径により画成される。即ち、ロータの径方向の幅は、ロータの回転角を変数とし軸倍角Ｎにより周期が定まる略正弦波関数に従って、変化するように決定される。径の変化周期を定める軸倍角Ｎは、必要な分解能に応じて適宜決定されてよい。本実施例では、２つのレゾルバ２０，３０の軸倍角は、互いに同一でも異なっていてもよい。また、レゾルバ２０，３０の極数も、互いに同一でも異なっていてもよい。

レゾルバ２０，３０は、例えば図２（Ａ）及び図３に示すように、ロータに対して径方向に対向する凸状のステータコア（歯）に巻線（励磁コイル及び検知コイル）を巻き付け、径方向の磁気抵抗の変化を利用して角度検出を行うタイプであってよい。或いは、レゾルバ２０，３０は、図２（Ｂ）に示すように、ロータに対して軸方向に対向する凸状のステータコアに巻線（励磁コイル及び検知コイル）を巻き付け、軸方向の磁気抵抗の変化を利用して角度検出を行うタイプであってよい。また、図２（Ｂ）に示す構成の場合、励磁コイル及び検知コイルは、必ずしも巻き線を巻くタイプである必要はなく、フィルム上のコイル（基板上にプリントされたコイル）を用いて薄型化を図ることも可能である。なお、図３（Ａ）は、レゾルバ２０，３０が互いに同軸に配置された構成を示し、図３（Ｂ）は、レゾルバ２０，３０が互いに異軸に配置された構成を示す。

レゾルバ２０，３０は、互いに同軸に配置される図３（Ａ）の場合、軸方向の互いに近接した位置に配置される。例えば、レゾルバ２０，３０は、図３（Ａ）に示すように、互いに隣接した状態で一体的に構成されてよい。これにより、２つのレゾルバ２０，３０を、効率的な搭載スペースで搭載でき、また、それぞれのレゾルバ２０，３０に対する配線や電気的接続（コネクタ接続）等も効率化することができる。

一方、信号処理部５０は、励磁コイル２２にワイヤハーネス４１を介して接続される交流電源６１と、励磁コイル３２にワイヤハーネス４６を介して接続される交流電源６２と、レゾルバ２０，３０の検知信号（レゾルバ信号）をワイヤハーネス４２〜４５を介して検波する検波回路７０と、検波回路７０の出力信号が入力されるレゾルバデジタル変換器（Ｒ／Ｄコンバータ）８１，８２とを備える。

交流電源６１，６２は、所定の周波数の信号を生成する発振回路とその出力を増幅するアンプとを備える。動作時、交流電源は、例えば４Ｖの交流の入力電圧を、励磁信号として、励磁コイルの両端に印加する。交流電源６１，６２は、互いに異なる周波数の励磁信号を励磁コイル２２，３２に供給する。例えば、交流電源６１は、レゾルバ２０に係る励磁コイル２２に第１の周波数（例えば、１０ｋＨｚ）の励磁信号を供給し、交流電源６２は、レゾルバ３０に係る励磁コイル３２に第２の周波数（例えば、２０ｋＨｚ）の励磁信号を供給する。励磁コイルが励磁されてそれに磁気力が発生すると、それに伴い、検知コイルが起電する。

なお、第１の周波数と第２の周波数は、互いに整数倍となる関係にせず、さらに、それらの周波数の差がいずれの周波数よりも小さくなる関係に設定してもよい（例えば、第１の周波数を９ｋＨｚと設定し、第２の周波数を１１ｋＨｚと設定する）。これによって、磁気的な干渉を抑えることができる。

上述の如く、ロータの外形輪郭線は、一定の径ではなく、周期的に変化する径により画成されている。従って、図２（Ａ）に示す構成では、ロータが回転すると、ロータとステータコア（歯）の径方向の距離が周期的に変化するので、それに伴って、磁束抵抗が変化して、当該コアまわりの検知コイルに誘起される電流（検知信号）が変化する。図２（Ｂ）に示す構成では、ロータが回転すると、ロータの外周部とステータコアの上面との遮蔽幅が変化し、ステータコアを通る磁束が遮へいされる幅が周期的に変化するので、それに伴って、磁束抵抗が変化して、当該コアまわりの検知コイルに誘起される電流（検知信号）が変化する。このような現象を利用して、ロータの回転角すなわち回転体の回転角を磁気的に検出される。

レゾルバ２０に設けられた検知コイル２４とレゾルバ３０に設けられた検知コイル３４は直列に接続され、検知コイル２４と検知コイル３４の直列回路の両端のうちの一方にワイヤハーネス４２が接続され、もう一方にワイヤハーネス４３が接続される。このような接続構成にすることによって、検知コイル２４に誘起された検知信号と検知コイル３４に誘起された検知信号とを重畳することができ、その重畳された多重化信号がワイヤハーネス４２，４３を流れる。一方、レゾルバ２０に設けられた検知コイル２６とレゾルバ３０に設けられた検知コイル３６は直列に接続され、検知コイル２６と検知コイル３６の直列回路の両端のうちの一方にワイヤハーネス４４が接続され、もう一方にワイヤハーネス４５が接続される。このような接続構成にすることによって、検知コイル２６に誘起された検知信号と検知コイル３６に誘起された検知信号とを重畳することができ、その重畳された多重化信号がワイヤハーネス４４，４５を流れる。

上述のように、互いに異なる周波数の励磁信号を励磁コイル２２，３２に供給することによって、レゾルバ２０に係る検知コイル２４には、第１の周波数のｓｉｎ相の電圧が起電し、レゾルバ２０に係る検知コイル２６には、第１の周波数のｃｏｓ相の電圧が起電し、レゾルバ３０に係る検知コイル３４には、第２の周波数のｓｉｎ相の電圧が起電し、レゾルバ３０に係る検知コイル３６には、第１の周波数のｃｏｓ相の電圧が起電することになる。励磁コイル２２と３２で励磁信号の周波数を互いに異ならせることによって、検知コイルに誘起された検知信号を多重化しても、レゾルバ２０に係るものなのかレゾルバ３０に係るものなのかを区別することができる。

したがって、検知コイル２４で起電した第１の周波数のｓｉｎ相の出力信号と検知コイル３４で起電した第２の周波数のｓｉｎ層の出力信号とが多重化した第１の多重化信号が、ワイヤハーネス４２，４３を介して検波回路７０に入力され、検知コイル２６で起電した第１の周波数のｃｏｓ相の出力信号と検知コイル３６で起電した第２の周波数のｃｏｓ層の出力信号とが多重化した第２の多重化信号が、ワイヤハーネス４４，４５を介して検波回路７０に入力される。

検波回路７０は、電気信号の特定の周波数成分を取り出すバンドパスフィルタを備える。検波回路７０のバンドパスフィルタは、第１の多重化信号を、検知コイル２４に係る第１の周波数のｓｉｎ相の検知信号と検知コイル３４に係る第２の周波数のｓｉｎ相の検知信号とに分離する。同様に、検波回路７０のバンドパスフィルタは、第２の多重化信号を、検知コイル２６に係る第１の周波数のｃｏｓ相の出力信号と検知コイル３６に係る第２の周波数のｃｏｓ相の出力信号とに分離する。なお、多重化された信号から異なる周波数の信号を分離する方法は、特に限定しない。

Ｒ／Ｄコンバータ８１，８２は、検波回路７０によって分離された信号が入力される。Ｒ／Ｄコンバータ８１は、検知コイル２４に係る第１の周波数のｓｉｎ相の出力信号と検知コイル２６に係る第１の周波数のｃｏｓ相の出力信号が入力される。Ｒ／Ｄコンバータ８２は、検知コイル３４に係る第２の周波数のｓｉｎ相の出力信号と検知コイル３６に係る第２の周波数のｃｏｓ相の出力信号が入力される。Ｒ／Ｄコンバータ８１，８２は、ｓｉｎ相の出力信号とｃｏｓ相の出力信号とに基づいて、レゾルバ２０，３０によって検知される回転体の回転角情報として、ロータの回転角θを表すデジタル信号φを出力する。ロータの回転角θは、例えば、次式の関係を用いて導出される。

θ＝１／Ｎ・ｔａｎ−１（ＥＳＩＮ−ＧＮＤ／ＥＣＯＳ−ＧＮＤ）
ここで、ＥＣＯＳ−ＧＮＤは、ｃｏｓ相の出力電圧を表し、ＥＳＩＮ−ＧＮＤは、ｓｉｎ相の出力電圧を表す。

したがって、Ｒ／Ｄコンバータ８１は、検知コイル２４に係る第１の周波数のｓｉｎ相の出力信号と検知コイル２６に係る第１の周波数のｃｏｓ相の出力信号とに基づいて、上式に従って、レゾルバ２０によって検出される回転角θ１を算出する。同様に、Ｒ／Ｄコンバータ８２は、検知コイル３４に係る第２の周波数のｓｉｎ相の出力信号と検知コイル３６に係る第２の周波数のｃｏｓ相の出力信号とに基づいて、上式に従って、レゾルバ３０によって検出される回転角θ２を算出する。

したがって、上述の実施例によれば、レゾルバ２０に係る検知コイル２４に誘起された検知信号とレゾルバ３０に係る検知コイル３４に誘起された検知信号を多重化して検波回路７０に入力しているとともに、レゾルバ２０に係る検知コイル２６に誘起された検知信号とレゾルバ３０に係る検知コイル３６に誘起された検知信号を多重化して検波回路７０に入力しているので、各検知コイルと検波回路７０を結ぶワイヤハーネスの本数をレゾルバの数が増えても抑えることができる。

この点について、図４を参照しながら、補説する。図４は、２つのレゾルバの検知コイルに誘起された検知信号を多重化しない実施形態である回転角検出装置２００を示す構成図である。各検知コイルに誘起された検知信号は多重化する必要性はないため、レゾルバ２０に係る励磁コイル２２に供給される励磁信号の周波数とレゾルバ３０に係る励磁コイル３２に供給される励磁信号の周波数は同じでよい。したがって、励磁信号が流れるワイヤハーネスは１４１の１本のみでよい。しかしながら、各検知コイルに接続されるワイヤハーネスの数は、図４に示されるように、１レゾルバにつき４本必要となる。すなわち、レゾルバの数が増えるにつれて、（４×レゾルバ数）本のワイヤハーネスが必要となる。

したがって、本発明に係る上述の実施例によれば、励磁信号の周波数をレゾルバ毎に異ならせる必要があるため励磁信号が通るワイヤハーネスの本数は増えるものの、検知信号の多重化によってワイヤハーネスの本数を削減することができるので、全体として、ワイヤハーネスの本数を削減することができる（多重化しない図４の場合、励磁側と検知側のワイヤハーネスを合わせて９本必要であるが、本実施例の図２の場合、励磁側と検知側のワイヤハーネスを合わせて６本で済む）。

また、レゾルバを３個以上有する回転角検出装置であっても、上述と同様の考えに従って、レゾルバ毎の励磁周波数を異なる値に設定し、各レゾルバに係る検知コイルを一つずつ直列接続することで、検知信号を多重化することができる。多重化された検知信号を分離すれば、３つの回転体の回転角を検出することが可能となる。

すなわち、レゾルバの数が増えても、検知側のワイヤハーネスは常に４本のままにすることができる。言い換えれば、レゾルバの数が増えても、検知側のワイヤハーネスはレゾルバが１つの場合と同じ本数にすることができる。したがって、レゾルバの数が増えるにつれて、ワイヤハーネスの本数の削減効果は大きくなる。

以上、本発明の好ましい実施例について詳説したが、本発明は、上述した実施例に制限されることはなく、本発明の範囲を逸脱することなく、上述した実施例に種々の変形及び置換を加えることができる。

例えば、交流電源６１，６２を信号処理部５０の構成要素に含めずに、それぞれ独立した構成にしてもよい。

例えば、上述の実施例では、１相入力/２相出力の構成であったが、２相入力/１相出力であってもよいし、相の態様は任意である。１相出力の場合、レゾルバ毎に設けられる一つの検知コイル同士を直列接続すればよい。

また、上述の実施例では、回転角を相対角で検出しているが、互いに同軸に配置され、且つ、軸倍角が同一である、レゾルバ２０，３０の場合、軸倍角の異なる第３のレゾルバを設定することによって、回転角を絶対角で検出することも可能である。

本発明の一実施形態である回転角検出装置１００を示す構成図である。 レゾルバ２０，３０の種類の一例を示す概略図である。 レゾルバ２０，３０の配置状態の一例を示す図である。 ２つのレゾルバの検知コイルに誘起された検知信号を多重化しない実施形態である回転角検出装置２００を示す構成図である。

符号の説明

１０ 角度検出部
２０，３０ レゾルバ
２２，３２ 励磁コイル
２４，２６，３４，３６ 検知コイル
４０〜４６ ワイヤハーネス
５０ 信号処理部
６１，６２ 交流電源
７０ 検波回路
８１，８２ Ｒ／Ｄコンバータ
１００ 回転角検出装置

Claims (3)

1. 励磁信号によって励磁された励磁コイルの磁気力に伴って検知コイルに起電される検知信号であって回転体の回転角に応じて変化する検知信号を出力する角度検出センサを複数有し、前記励磁信号の周波数が前記角度検出センサ毎に異なる、回転角検出装置であって、
   前記角度検出センサの各検知信号を多重した多重化信号が通るワイヤハーネスと、
   前記ハーネスを通る多重化信号を前記各検知信号に分離するフィルタ手段と、
   前記フィルタ手段によって分離された前記各検知信号に基づいて前記回転体の回転角情報を生成する生成手段とを備える、回転角検出装置。
2. 前記角度検出センサ毎に設けられる前記検知コイル同士が直列接続される、請求項１に記載の回転角検出装置。
3. 前記角度検出センサ毎に設けられる前記検知コイルは、前記検知信号を互いに異なる位相で起電する２つの検知コイルから構成され、
   前記２つの検知コイルのうち、いずれか一方の検知コイル同士が直列接続されるとともに、もう一方の検知コイル同士が直列接続される、請求項１に記載の回転角検出装置。

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