JP4651540B2 - 相対回転位置検出装置 - Google Patents
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Description
好ましくは、前記コイル部の各コイルの出力信号を合成して、前記第1及び第2の軸の相対的回転位置に応じて基準交流信号を位相シフトした出力交流信号を生ずる回路を更に備える。
また、好ましくは、1つの前記境界部は、第1及び第2の軸の相対的回転位置の変化に応じてサイン特性の磁気結合変化を示し、別の前記境界部は、第1及び第2の軸の相対的回転位置の変化に応じてコサイン特性の磁気結合変化を示す。
図1(a)は、本発明の第1の観点に従う相対回転位置検出装置の一実施例を示す側面一部断面概略図である。この実施例に係る相対回転位置検出装置は、自動車のハンドル(ステアリング)に連結されるステアリングシャフトのトーションバー3にかかるねじれトルク検出のためのトルク検出装置4として構成されている。なお、図1(a)及び添付図面におけるその他の断面又は一部断面概略図においては、図示の簡略化のために、断面にハッチングを付していないことに注意されたい。
図1(b)は第1の磁性体部(入力軸ロータ)10と第2の磁性体部(出力軸ロータ)20とを抽出して示す側面略図である。第1の磁性体部(入力軸ロータ)10は、円周方向に沿って不等ピッチの複数の磁性歯1a,1b,1c,1d,・・・を有する円筒部材からなっている。同様に、第2の磁性体部(出力軸ロータ)20も、円周方向に沿って不等ピッチの複数の磁性歯2a,2b,2c,2d,・・・を有する円筒部材からなっている。第1の磁性体部(入力軸ロータ)10は入力軸1に取り付けられ、該入力軸1と共に回転する。第2の磁性体部(出力軸ロータ)20は出力軸2に取り付けられ、該出力軸2と共に回転する。第1の磁性体部(入力軸ロータ)10における複数の磁性歯1a,1b,1c,1d,・・・は4つのグループa〜dを成しており、各グループ毎に歯の軸方向の長さが異なっている。一方、第2の磁性体部(出力軸ロータ)20における複数の磁性歯2a,2b,2c,2d,・・・も同様の4つのグループa〜dを成しており、各グループ毎に歯の軸方向の長さが異なっている。なお、図1(b)及び添付図面におけるその他の側面略図においては、面の違いを明らかにするために、面毎に異なるパターンの斜線を付しているが、これらの斜線は断面を示すものではないことに注意されたい。
コイル部30は、第1及び第2の磁性体部10,20の各グループa〜d毎の磁性歯1a,1b,1c,1d,・・・,2a,2b,2c,2d,・・・の間で形成された上記4つの可変磁気結合境界部の周りにそれぞれ巻設される4つのコイルL1,L2,L3,L4からなる。すなわち、各コイルL1〜L4は各境界部のオフセットの間隔に対応して軸方向に離隔して配置され、第1及び第2の磁性体部10,20の各磁性歯1a,1b,1c,1d,・・・,2a,2b,2c,2d,・・・の間で形成された上記4つの境界部の各々が対応するコイルL1〜L4の内部空間内に挿入される格好となっている。
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、オフセット定数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。
また、上記グループbの境界部の磁気結合に応答する出力を生ずるコイル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。
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、上記グループdの境界部の磁気結合に応答する出力を生ずるコイル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。
Va=(P0+sinθ)sinωt
Vb=(P0+cosθ)sinωt
Vc=(P0−sinθ)sinωt
Vd=(P0−cosθ)sinωt
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
図2(d)は、上記のようにしてアナログ演算器31,32で得られる各交流出力信号のサイン関数特性の振幅係数つまり振幅関数(sinθ)とコサイン関数特性の振幅係数つまり振幅関数(cosθ)のグラフである。図2(e)は、図2(d)に示すような振幅関数を持つ各交流出力信号に基づきその位相θ(略90度の範囲の値を持つ)を測定することにより、相対的回転位置(トーションバー3のねじれ量つまりトルク)を検出することを模式的に示すグラフである。
一方、シフト回路33から出力される交流信号sinθcosωtsと他方の交流出力信号cosθsinωtとをアナログ引算器36で引算合成することで、sin(ωt−θ)なる、θに応じてマイナス方向(遅相)に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、遅相シフトされた交流検出信号sin(ωt−θ)のゼロクロスをフィルタ及びコンパレータ37で検出し、ゼロクロス検出パルスLmを生成する。
また、コンパレータ37から出力される遅相シフトのゼロクロス検出パルスLmは、遅相シフトされた交流検出信号sin(ωt−θ)における位相シフト量θつまり入力軸1と出力軸2との間の相対的回転位置を、基準交流信号sinωtのゼロ位相時点からの遅れ時間位置で示すタイミング信号に相当する。
このように、図8の実施例は、図1の例に比べて、第1及び第2の磁性体部101,201の磁性歯1s,1c,・・・,2s,2c,・・・の構成が簡素化され、また、コイル部301のコイル数が合計2個と簡素化されている。
例えば、図9(a)は、入力軸1の出力軸2に対する時計方向のずれ量(相対的回転位置)が最大(例えば+7度)のときの、第1の磁性体部101の磁性歯1s,1cと第2の磁性体部201の磁性歯2s,2cの対応例を示す。また、図9(b)は、入力軸1の出力軸2に対するずれ量(相対的回転位置)が0(中立位置)のときの、第1の磁性体部101の磁性歯1s,1cと第2の磁性体部201の磁性歯2s,2cの対応例を示す。更に、図9(c)は、入力軸1の出力軸2に対する反時計方向のずれ量(相対的回転位置)が最大(例えば−7度)のときの、第1の磁性体部101の磁性歯1s,1cと第2の磁性体部201の磁性歯2s,2cの対応例を示す。
また、反時計方向の最大ずれに対応する図9(c)において、グループsに関する第1及び第2の磁性体部101,201の磁性歯1s,2sは歯の横幅分だけ丁度ずれており(つまり重なっていない)、その境界部の磁気結合度は正弦関数値に換算するとトニミ0°の値に対応付けることができる。そのとき、グループcに関する第1及び第2の磁性体部101,201の磁性歯1c,2cは丁度一致しており、その境界部の磁気結合度は正弦関数値に換算するとcos0°の値に対応付けることができる。
A(θ)=P0+Psinθ
また、上記グループcの境界部の磁気結合に応答する出力を生ずるコイル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。前述のとおり、Pは以下省略する。
Vs=(P0+sinθ)sinωt
Vc=(P0+cosθ)sinωt
Vs−Vr
=(P0+sinθ)sinωt−Vr
= sinθsinωt
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Vcから交流基準電圧Vrを引き算し、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。
Vc−Vr
=(P0+cosθ)sinωt−Vr
= cosθsinωt
グループsについてはコイルL1とLsが対をなし、図12(a)から(c)までの最大移動範囲に対応して、そのインピーダンス変化が略90度の範囲のサイン関数特性を示すように、それぞれのコイル巻数(インダクタンス)が設定される。また、グループcについてはコイルL2とLcが対をなし、図12(a)から(c)までの最大移動範囲に対応して、そのインピーダンス変化が略90度の範囲のコサイン関数特性を示すように、それぞれのコイル巻数(インダクタンス)が設定される。メインのコイルL1,L2の巻数(インダクタンス)は等しく(L1=L2)、また、サブのコイルLs,Lcの巻数(インダクタンス)も等しく(Ls=Lc)、メインとサブとの間では巻数(インダクタンス)が異なっている。
これをまとめると、メインのコイルL1,L2の巻数Nは、最大磁気結合でインピーダンス「2a+b」(sin90°=cos0°に相当)、最小磁気結合でインピーダンス「a+b」(cos90°=sin0°に相当)となるように設定し、サブのコイルLs,Lcの巻数nは、最大磁気結合でインピーダンス「a+b」(−cos90°=−sin0°に相当)、最小磁気結合でインピーダンス「b」(−sin90°=−cos0°に相当)となるように設定する。
A(θ)=P0+Psinθ
と表わすことができる。また、上記グループcの境界部の磁気結合に応答する出力を生ずるコイルL2に生じる理想的なコサイン関数特性のインピーダンス変化B(θ)は、
B(θ)=P0+Pcosθ
と表わすことができる。また、グループsに対応付けられるサブのコイルLs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C(θ)は、
C(θ)=P0−Psinθ
と表わすことができる。また、グループcに対応付けられるサブのコイルLcに生じる理想的なコサイン関数特性のインピーダンス変化D(θ)は、
D(θ)=P0−Pcosθ
と表わすことができる。ここで、P0は上記「a+b」に相当し、Pは上記「a」に相当すると考えてよい。
図14(a)の例では、一方の磁性歯1aの先端が平坦であり、他方の磁性歯2aの先端がサインカーブのような曲線をなしている。これにより、両者1a,2aが図で横方向に相対的に変位するときに得られる磁気結合度の変化(インピーダンス変化)として、サインカーブ(コサインカーブ)に近いものを容易に得ることができる。
図14(b)の例では、双方の磁性歯1a,2aの先端が斜めになっていて、互いに対向している。この場合、両者1a,2aが図で横方向に相対的に変位するとき、斜め先端間のギャップ距離が変化することで、磁気結合度の変化(インピーダンス変化)が得られる。対向する磁性歯1a,2aの先端面の斜め形状により、ギャップを介して対向する先端面の面積を大きくすることができるので、磁束量を増大させて磁気応答感度を向上させることができる。その場合、図14(c)に示すように、第1及び第2の磁性体部(入力軸ロータ,出力軸ロータ)101,201の各磁性歯1a,2a,1b,2bの傾きは逆になる。
図14(e)の例では、対向する磁性歯1a,2aの平面が一定距離のギャップを介して重なる構成である。この場合、両者1a,2aが図で横方向に相対的に変位するとき、磁性歯1a,2aが重なって対向する平面の面積が変化することで、磁気結合度の変化(インピーダンス変化)が得られる。重複する面積を大きくすることで、磁束量を増大させて磁気応答感度を向上させることができる。
図15は、本発明の第2の観点に従う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41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15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15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41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。
第1の磁性体部10は、軸方向に離隔して配置された複数(図の例では2個)第1の磁性体リング11,12で構成される。記第2の磁性体部20は、軸方向に離隔して配置された複数(図の例では3個)の第3の磁性体リング21,22,23で構成される。一方の各磁性体リング11,12の各々が他方の各磁性体リング21,22,23の間にそれぞれ配置されるような関係で、一方の取付リング6のスリーブ部分6aに挿入される。出力軸2とともに回転すべき第2の磁性体部20の各磁性体リング21,22,23は、後述するような所定の相互関係で取付リング6に固定される。
コイル部30は、図16に示すように組み立てられた状態の各磁性体リング21,11,22,12,23間の各境界部の周りに巻設される4つのコイルL1,L2,L3,L4からなる。すなわち、各コイルL1,L2,L3,L4は軸方向に適宜の間隔で離隔して配置され、各磁性体リング21,11,22,12,23間の4つの境界部の各々が対応するコイルL1〜L4の内部空間内に挿入される格好となっている。
このような配置のずれによって、入力軸1と出力軸2の相対的回転位置の変化に伴って、隣接する第1の磁性体リングと第2の磁性体リングの凹凸歯の対応が変化するとき、4つの各境界部での変化の位相がそれぞれ次のように異なるものもとなる。
A(θ)=P0+Psinθ
前述のように、前記各磁性体リングの境界部の磁気結合の変化は、1/4サイクルづつ順にずれる。よって、磁性体リング11と22の境界部の磁気結合に応答する出力を生ずるコイル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。
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、磁性体リング22と12の境界部の磁気結合に応答する出力を生ずるコイル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。
図15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41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。
また、位相シフトタイプの回転位置検出手段の構成は、上述したものに限らず、どのような構成からなっていてもよい。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、あるいはレゾルバ方式を用いてもよいし、あるいは基準交流信号としてサイン波sinωtとコサイン波cosωtの2相交流信号を用いる励磁方式であってもよい。
Claims (8)
- 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の軸の回転に連動して回転するように設けられた第1の磁性体部と、
前記第2の軸の回転に連動して回転するように設けられた第2の磁性体部と
を備え、前記第1の磁性体部と第2の磁性体部は、互いにギャップを介して対向するリング状の可変磁気結合境界部を少なくとも2つ構成するものであり、第1及び第2の軸の相対的回転位置の変化に応じて前記各境界部の磁気結合が変化し、その磁気結合の変化の位相が各境界部間でずれており、
前記各境界部に対応してそれぞれ設けられた検出用のコイルを具備するコイル部を
更に備え、
前記第1及び第2の磁性体部は、円周方向に沿って不等ピッチの複数の磁性歯を有する円筒部材からそれぞれなっており、前記複数の磁性歯は、前記複数の境界部の夫々に対応するグループを成しており、各磁性体部においては各グループ毎に歯の軸方向の長さが異なっており、前記第1及び第2の磁性体部における同一グループの歯同士がそれぞれ対向することにより当該グループに対応する前記境界部を構成し、これにより、前記各境界部が軸方向にオフセットされた配置で構成されるようにしてなることを特徴とする相対回転位置検出装置。 - 前記コイル部の各コイルの出力信号を合成して、前記第1及び第2の軸の相対的回転位置に応じて基準交流信号を位相シフトした出力交流信号を生ずる回路を更に備える請求項1に記載の相対回転位置検出装置。
- 1つの前記境界部は、第1及び第2の軸の相対的回転位置の変化に応じてサイン特性の磁気結合変化を示し、別の前記境界部は、第1及び第2の軸の相対的回転位置の変化に応じてコサイン特性の磁気結合変化を示す請求項1又は2に記載の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の軸の回転に連動して回転するように設けられた第1の磁性体部と、
前記第2の軸の回転に連動して回転するように設けられた第2の磁性体部と
を備え、前記第1の磁性体部と第2の磁性体部は、互いにギャップを介して対向するリング状の可変磁気結合境界部を少なくとも2つ構成するものであり、第1及び第2の軸の相対的回転位置の変化に応じて前記各境界部の磁気結合が変化し、その磁気結合の変化の位相が各境界部間でずれており、
前記各境界部に対応してそれぞれ設けられた検出用のコイルを具備するコイル部を
更に備え、
前記第1の磁性体部は、軸方向に離隔して配置された複数の第1の磁性体リングを含み、
前記第2の磁性体部は、軸方向に離隔して配置された複数の第2の磁性体リングを含み、
前記複数の第2の磁性体リングの各々は、前記複数の第1の磁性体リングの間にそれぞれ配置され、かつ、各第2の磁性体リングが前記第2の軸と一緒に回転するように連結手段を介して連結されており、
隣接する前記第1の磁性体リングと第2の磁性体リングの間で前記境界部が形成されるように、該第1の磁性体リングと第2の磁性体リングのそれぞれの対向面が磁性体の増減パターンをなしていることを特徴とする相対回転位置検出装置。 - 複数の隣接する前記第1の磁性体リングと第2の磁性体リングの間で4つの前記境界部が形成され、第1の境界部が第1及び第2の軸の相対的回転位置の変化に応じてサイン特性の磁気結合変化を示し、第2の境界部が第1及び第2の軸の相対的回転位置の変化に応じてコサイン特性の磁気結合変化を示し、第3の境界部が第1及び第2の軸の相対的回転位置の変化に応じてマイナスサイン特性の磁気結合変化を示し、第4の境界部が第1及び第2の軸の相対的回転位置の変化に応じてマイナスコサイン特性の磁気結合変化を示すことを特徴とする請求項4に記載の相対回転位置検出装置。
- 前記コイル部の各コイルは、所定の基準交流信号によって励磁される1個のコイルからなり、それに対応する前記境界部の磁気結合に応じて該1個のコイルのインピーダンスが定まり、該インピーダンスに応じた振幅を有する出力交流信号を生ずるものである請求項1乃至5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6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7のいずれかに記載の相対回転位置検出装置。
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