JP4699544B2 - 回転型位置検出装置 - Google Patents

Description

この発明は、交流励磁される複数のコイルとこのコイルに対して相対的に変位する磁性体又は導電体とを含んで構成される回転型位置検出装置に関する。

誘導型の回転位置検出装置として、１相励磁入力で２相出力（サイン相とコサイン相の出力）を生じるものは「レゾルバ」として知られており、１相励磁入力で３相出力（１２０度ずれた３相）を生じるものは「シンクロ」として知られている。最も古いタイプの在来型のレゾルバは、ステータ側に９０度の機械角で直交する２極（サイン極とコサイン極）の２次巻線を配し、ロータ側に１次巻線を配したものである。このようなタイプのレゾルバはロータの１次巻線に電気的にコンタクトするためのブラシを必要としているので、これが欠点となっている。これに対して、ブラシを不要としたブラシレス・レゾルバの存在も知られている。ブラシレス・レゾルバは、ロータ側においてブラシに代わる回転トランスを設けたものである。しかし、このようなブラシレス・レゾルバはロータ側に回転トランスを具備する構成の故に、装置を小型化することが困難であり、小型化には限度があるし、また、回転トランスの分だけ装置構成部品点数が増すので製造コストの上昇にもつながってしまう。

一方、ステータ側の複数の凸極に１次巻線と２次巻線を配し、ロータを所定形状（偏心円形状、あるいは楕円形状、あるいは突起を持つ形状）の磁性体で構成し、ステータ凸極とロータ磁性体との間のギャップが回転位置に応じて変化することに基づき、回転位置に応じた磁気抵抗変化を生成し、これに応じた出力信号を得るようにした、無接触式・可変磁気抵抗型の回転位置検出装置が、古くは商品名「マイクロシン」として知られている。また、同様の可変磁気抵抗原理に基づく回転位置検出装置が、例えば、特開昭５５−４６８６２号、特開昭５５−７０４０６号、特開昭５９−２８６０３号などにおいて示されている。なお、この場合、出力信号に基づく位置検出方式は、位相方式（検出した位置データが出力信号の電気的位相角に対応している方式）と電圧方式（検出した位置データが出力信号の電圧レベルに対応している方式）のどちらもが知られている。例えば、位相方式を採用する場合は、２相励磁入力又は３相励磁入力等、異なる機械角で配置された各１次巻線を位相のずれた複数相で励磁し、回転位置に応じて電気的位相角がずれた１相の出力信号を生ずる。また、電圧方式を採用する場合は、１次巻線と２次巻線の関係が上記位相方式とは逆になり、上記「レゾルバ」のように１相励磁入力で複数相出力を生ずる。

「レゾルバ」のように１相励磁入力で複数相出力を生ずる回転位置検出装置においては、典型的には、サイン相出力とコサイン相出力の２相出力を生じるように構成されている。そのために、従来の無接触式・可変磁気抵抗型のレゾルバタイプの回転位置検出装置は、最低でもステータは４極構成とされ、各極が機械角で９０度の間隔で配置され、第１の極をサイン相とすると、それから９０度離れた第２の極はコサイン相とされ、更に９０度離れた第３の極はマイナスサイン相とされ、更に９０度離れた第４の極はマイナスコサイン相とされる。その場合、各ステータ極に対して回転に応じた磁気抵抗変化を生じさせるためにロータは、磁性体又は導電体からなり、その形状が偏心円形状や楕円形状あるいは歯車形状等の周期的な形状に形成される。そして、各ステータ極には１次コイルと２次コイルが設けられ、各ステータ極とロータ間のギャップがロータの回転位置に対応して変化することにより該ステータ極を通る磁気回路の磁気抵抗が変化し、これに基づき該ステータ極における１次コイルと２次コイルとの間の磁気結合度が回転位置に対応して変化し、こうして回転位置に対応する出力信号が２次コイルに誘導されるようにしており、各ステータ極の出力信号のピーク振幅特性は周期的関数特性を示す。

上記のような従来の無接触式・可変磁気抵抗型のレゾルバタイプの回転位置検出装置は、１次コイルと２次コイルを設ける１次−２次誘導タイプであるために、コイル数が多くなり、故に、構造を小型化するのに限度があり、また、コストを低減するのにも限度があった。更に、従来の回転位置検出装置は、複数のステータ極が１回転の全体にわたって均等間隔で配置される構成であるため、その構造上の制限から適用可能な場所やスペースに限度があった。また、従来の回転位置検出装置においては、サインとコサインの２相出力を得る場合であっても、ステータを単純な２極構成とすることはできず、４極構成としなければならなかったので、構造を小型化するのに限度があった。
更に下記特許文献１においては、所定の検出対象角度範囲に対応して複数のコイルを設け、該所定の検出対象角度範囲内で傾斜角を検出する傾斜検出装置が示されている。しかし、これは１回転以上の回転を検出する回転型位置検出装置を示すものではなく、示唆するものでもない。また、回転型位置検出装置において複数のステータ極が１回転の全体にわたって均等間隔で配置される構成であるため、その構造上の制限から適用可能な場所やスペースに限度があることによる問題点を認識するものでもなく、ましてやその問題点の解決策を示すものではない。

特開平１０−１６０４５９号公報

本発明は上述の点に鑑みてなされたもので、検出対象回転軸の周囲に障害物が存在する等の構造上の制約によって複数のステータ極を１回転の全体にわたって均等間隔で配置することが困難な場合であっても、適切に回転位置検出を行うことができるようにした回転型位置検出装置を提供しようとするものである。

本発明に係る回転型位置検出装置は、１回転以上の回転をする回転軸の回転位置を検出するための回転型位置検出装置であって、交流信号で励磁される複数のコイルを、前記回転軸の１回転に満たない所定の一部の回転角度範囲内において該１回転を等分割していない間隔で順次ずらして配置してなるコイル部であって、前記複数のコイルを保持する磁性体ステータが前記複数のコイルを配置した前記回転軸の１回転に満たない所定の一部の回転角度範囲内のサイズからなっているものと、前記コイル部に対して相対的に回転変位するよう配置された磁気応答部材であって、検出対象の回転に応じて該部材と前記コイル部との相対的回転位置が変化し、この相対的回転位置に応じて各コイルのインピーダンスを変化させる形状からなる前記磁気応答部材とを具え、前記各コイルのインピーダンスに応じた出力電圧に基づき前記回転軸の回転位置検出データを得ることを特徴とする。
本発明によれば、コイル部において、複数のコイルが、回転軸の１回転に満たない所定の一部の回転角度範囲内において該１回転を等分割していない間隔で順次ずらして配置されているのみならず、各複数のコイルを保持する磁性体ステータが複数のコイルを配置した前記回転軸の１回転に満たない所定の一部の回転角度範囲内のサイズからなっている。すなわち、複数コイルが１回転内で均等配置されずに、偏って配置されており、かつ、該コイルを保持する磁性体ステータのサイズが回転軸の１回転に満たない所定の一部の回転角度範囲内のコンパクトなサイズからなっている。このような偏ったコイル部の配置及び１回転に満たない所定の一部の回転角度範囲内のコンパクトなステータの構造は、既存の機械内に本発明に係る回転型位置検出装置を後から設置するような場合に有効である。例えば、検出対象回転軸における所定の角度範囲においては既に障害物が存在していて、１回転フルにわたるステータコイルの設置が不可能なような場合、障害物が存在していない角度範囲の場所に、該偏った配置のコイル部を設置することができる、という優れた効果を奏する。

一実施例において、磁気応答部材は、典型的には、磁性体及び導電体の少なくとも一方を含んでなるものである。磁気応答部材が磁性体からなる場合は、該部材のコイルに対する近接の度合いが増すほど、該コイルのインダクタンスが増加して、該コイルの電気的インピーダンスが増加し、該コイルに生じる電圧（すなわち端子間電圧）が増加する。反対に、該磁気応答部材のコイルに対する近接の度合いが減少するほど、該コイルのインダクタンスが減少して、該コイルの電気的インピーダンスが減少し、該コイルの端子間電圧が減少する。こうして、検出対象の回転に伴い、コイルに対する磁気応答部材の相対的回転位置が所定の回転角範囲にわたって変化する間で該コイルの端子間電圧は、増減変化することになる。

ここで、コイルを流れる交流信号をｓｉｎωｔで示し、一例として、この増減変化によって生ずる振幅係数成分を、回転角θを変数とする関数Ａ（θ）で示すと、コイルの端子間電圧はＡ（θ）ｓｉｎωｔで表すことができる。この場合、振幅係数成分Ａ（θ）は回転に伴って増減変化はするが、その値は正の値しかとらない。例えば、この振幅係数成分Ａ（θ）の増減変化のカーブがサインカーブに近似する特性を示すとし、そのピーク値をＰとすると、Ａ（θ）＝Ｐ₀＋Ｐｓｉｎθのような式で典型的には示されるものである。ここで、Ｐ₀≧Ｐである。すなわち、Ｐｓｉｎθの値を或るオフセット値Ｐ₀でプラス方向にオフセットしたような特性である。

なお、磁気応答部材として、銅のような良導電体を使用した場合は、渦電流損によってコイルのインダクタンスが減少し、磁気応答部材の近接に応じてコイルの端子間電圧が減少することになる。この場合も、上記と同様に検出することが可能である。磁気応答部材として、磁性体と導電体を組合わせたハイブリッドタイプのものを用いてもよい。

本発明に係る回転型位置検出装置の一実施例を示すもので、（Ａ）はステータ部側の検出用コイルとロータ部側の磁気応答部材との物理的配置関係の一例を正面略図によって示すもの、（Ｂ）はその側断面略図、（Ｃ）はステータ部側の検出用コイルに関連する回路の一例を示すブロック図。 図１の実施例の検出動作説明図であって、（Ａ）は回転角度θの変化に対する各検出用コイルのインピーダンス変化の理想的なカーブを示し、（Ｂ）は、各検出用コイルの出力電圧を基準電圧で演算することにより得られる出力信号の回転角度θに対する振幅変化特性を示す図。 本発明に係る回転型位置検出装置の別の実施例を示すもので、（Ａ）は正面略図、（Ｂ）はその側断面略図。 本発明に係る回転型位置検出装置の更に別の実施例を示すもので、（Ａ）は正面略図、（Ｂ）はその側断面略図。 本発明に係る回転型位置検出装置の更に他の実施例を示す正面略図。 検出用コイルを１個とした本発明に係る回転型位置検出装置の一実施例を示すもので、（Ａ）はステータ部側の検出用コイルとロータ部側の磁気応答部材との物理的配置関係の一例を正面略図によって示すもの、（Ｂ）はその側断面略図、（Ｃ）はステータ部側の検出用コイルに関連する回路の一例を示すブロック図。 図１の実施例の検出動作説明図。 基準電圧を使用しないタイプの本発明に係る回転型位置検出装置の一実施例を示すもので、（Ａ）はステータ部側の検出用コイルとロータ部側の磁気応答部材との物理的配置関係の一例を正面略図によって示すもの、（Ｂ）はその側断面略図、（Ｃ）はステータ部側の検出用コイルに関連する回路の一例を示すブロック図。 基準電圧を使用しないタイプの本発明に係る回転型位置検出装置の別の実施例の構造を略示する斜視図。 本発明に係る高分解能タイプの回転型位置検出装置の他の実施例の構造を略示する斜視図。 本発明に係る回転型位置検出装置の別の実施例を対象箇所に取り付けた状態で略示する斜視図。

以下、添付図面を参照してこの発明の実施の形態を詳細に説明しよう。
図１は、サイン及びコサイン関数特性を示す振幅をそれぞれ持つ２つの交流出力信号において、電気角で０度から３６０度までのフルの範囲での振幅変化が得られるようにする実施例を示す。図１（Ａ）は、この実施例に係る回転型位置検出装置におけるステータ部１０側の検出用コイル１１，１２とロータ部２０側の磁気応答部材２１との物理的配置関係の一例を正面略図によって示すもの、同図（Ｂ）はその側断面略図、同図（Ｃ）はステータ部１０側の検出用コイル１１，１２に関連する電気回路及び電子回路の一例を示すブロック図である。検出対象たる回転軸２２に所定形状、例えば偏心円板状、の磁気応答部材２１が取り付けられて、ロータ部２０が構成される。一例として、磁気応答部材２１の材質は鉄のような磁性体からなっているものとして説明を進める。ロータ部２０に対してスラスト方向に向き合うような形でステータ部１０が配置される。

ステータ部１０は、検出用コイルとして２つのコイル１１及び１２を含んでいる。各コイル１１，１２は、ステータ基板１４上において円周方向に所定間隔で離隔して配置されており、この間隔は例えば回転軸２２に関して９０度をなすような間隔である。各コイル１１，１２は、それぞれ鉄心（磁性体コア）１５，１６に巻回されており、コイル内を通る磁束が回転軸２２の軸方向を指向する。各コイル１１，１２の鉄心１５，１６の端面と、ロータ部２０の磁気応答部材２１の表面との間に空隙が形成され、ロータ部２０はステータ部１０に対して非接触で回転する。この空隙の距離は、一定に保たれるように、ロータ部２０とステータ部１０の相対的配置が図示しない機構を介して定められる。ロータ部２０の磁気応答部材２１の所定の形状、例えば偏心円板状、の故に、空隙を介して磁気応答部材２１と向き合うコイル鉄心１５，１６の端面の面積が、回転位置に応じて、変化する。この対向空隙面積の変化によって、鉄心１５，１６を通ってコイル１１，１２を貫く磁束量が変化し、もって、コイル１１，１２の自己インダクタンスが変化する。このインダクタンス変化は、各コイル１１，１２のインピーダンス変化でもある。

ロータ部２０の磁気応答部材２１の所定の形状は、理想的なサイン関数のカーブが得られるように、適切に設計される。例えば、回転軸２２の１回転につき１周期のサイン関数のカーブが得られるようにするには、その形状は、一般的には上記のように偏心円板に近いものと言ってもさしつかえないが、正確には、コイルや鉄心形状等の設計条件に応じて、適宜ゆがんだ形状あるいはハート型に類似した形状となりうることが知られている。この形状をいかに設計するかは本発明の目的ではなく、かつ、公知／未公知のこの種の可変磁気抵抗型回転検出器で採用されているロータ形状を採用してよいので、ロータ形状についてのこれ以上の言及は差し控える。重要なことは、ロータ部２０の磁気応答部材２１の所定の形状が如何なる形状であるかということではなく、要するに、ロータ部２０の回転位置の変化に応じた各コイル１１，１２のインダクタンス変化つまりインピーダンス変化が、理想的なサイン関数のカーブと同じようになるようにできるだけ適切に設計されていればよい。

図２（Ａ）は、回転角度θの変化に対する一方のコイル１１のインピーダンス変化の理想的なサイン関数のカーブをＡ（θ）で示している。回転角度θの変化に対する他方のコイル１２のインピーダンス変化の理想的なサイン関数のカーブをＢ（θ）で示す。明らかなように、他方のコイル１２は、コイル１１に対して９０度ずれた配置の故に、そのカーブＢ（θ）はコサイン関数に相当している。かくして、各カーブＡ（θ），Ｂ（θ）の増減変化の中点をＰ₀とし、振れの振幅をＰとすると、
Ａ（θ）＝Ｐ₀＋Ｐｓｉｎθ\ine Ｂ（θ）＝Ｐ₀＋Ｐｃｏｓθ\ine と表せる。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ことにする。

図１（Ｃ）に示すように、各コイル１１，１２は、交流発生源３０から発生されるの所定の１相の高周波交流信号（仮にｓｉｎωｔで示す）によって定電圧又は定電流で励磁される。各コイル１１，１２の端子間電圧をそれぞれＶｓ，Ｖｃで示すと、検出対象たる回転角θを変数として、これらは下記のように表せる。
Ｖｓ＝Ａ（θ）ｓｉｎωｔ＝（Ｐ₀＋ｓｉｎθ）ｓｉｎωｔ
Ｖｃ＝Ｂ（θ）ｓｉｎωｔ＝（Ｐ₀＋ｃｏｓθ）ｓｉｎωｔ

コイル（ダミーコイル）１３は、基準電圧Ｖｒを発生するものであり、例えば、前記カーブＡ（θ），Ｂ（θ）の増減変化の中点Ｐ₀に相当する所定インピーダンスを持つ。例えば、コイル１３は、図１（Ａ），（Ｂ）に示されるように、ステータ基板１４上に配置されるが、ロータ部２０の磁気応答部材２１の変位の影響を受けない位置に配置されていて、検出用のコイル１１，１２と温度ドリフト条件が同じになるようになっている。このことは、検出用のコイル１１，１２の温度ドリフト誤差を補償するのに役立つ。コイル（ダミーコイル）１３も交流励磁されており、その端子間電圧つまり基準電圧Ｖｒは下記のように表せる。
Ｖｒ＝Ｐ₀ｓｉｎωｔ

各コイル１１，１２，１３の出力電圧Ｖｓ，Ｖｃ，Ｖｒは、アナログ演算回路３１に入力され、下記演算式に従って演算されることで、アナログ演算回路３１から検出対象位置θに応じたサイン及びコサイン関数特性を示す振幅をそれぞれ持つ２つの交流出力信号（つまり互に９０度位相のずれた振幅関数特性を持つ２つの交流出力信号）が生成される。すなわち、検出用の各コイル１１，１２の出力電圧Ｖｓ，Ｖｃから基準電圧Ｖｒを減算する。
Ｖｓ−Ｖｒ＝（Ｐ₀＋ sinθ）sinωｔ−Ｐ₀sinωｔ＝ sinθ\och sinωｔ
Ｖｃ−Ｖｒ＝（Ｐ₀＋ cosθ）sinωｔ−Ｐ₀sinωｔ＝ cosθ\och sinωｔ

以上のように、検出用の各コイル１１，１２の端子間電圧Ｖｓ，Ｖｃと基準電圧Ｖｒとを演算することで、基準電圧Ｖｒ分のオフセットを解消し、増減変化の中点を零点として正負に振れる２つの周期的振幅関数（ｓｉｎθ及びｃｏｓθ）を振幅係数として持つ２つの交流出力信号（ｓｉｎθｓｉｎωｔ及びｃｏｓθｓｉｎωｔ）を生成することができる。図２（Ｂ）は、この状態をθ成分についてのみ模式的に示すものである（時間ｔの成分は示していない）。このように、２つの検出用コイル１１，１２を設けるだけで、従来より知られたレゾルバと同様のサイン相出力信号（ｓｉｎθｓｉｎωｔ）とコサイン相出力信号（ｃｏｓθｓｉｎωｔ）を得ることができる。

演算回路３１から出力されたサイン及びコサイン関数特性の交流出力信号ｓｉｎθｓｉｎωｔ及びｃｏｓθｓｉｎωｔにおける振幅関数ｓｉｎθ及びｃｏｓθの位相成分θを、位相検出回路（若しくは振幅位相変換手段）３２で計測することで、検出対象回転位置θをアブソリュートで検出することができる。この位相検出回路３２としては、例えば本出願人の出願に係る特開平９−１２６８０９号公報に示された技術を用いて構成するとよい。例えば、第１の交流出力信号ｓｉｎθｓｉｎωｔを電気的に９０度シフトすることで、交流信号ｓｉｎθｃｏｓωｔを生成し、これと第２の交流出力信号ｃｏｓθｓｉｎωｔを加減算合成することで、ｓｉｎ（ωｔ＋θ）およびｓｉｎ（ωｔ−θ）なる、θに応じて進相および遅相方向に位相シフトされた２つの交流信号（位相成分θを交流位相ずれに変換した信号）を生成し、その位相θを測定することで、回転位置検出データを得ることができる。あるいは、公知のレゾルバ出力信号を処理するために使用されるＲ−Ｄコンバータを、この位相検出回路３２として使用するようにしてもよい。位相検出回路３２における位相成分θの検出処理は、ディジタル処理に限らず、積分回路等を使用したアナログ処理で行ってもよい。また、ディジタル位相検出処理によって回転位置θを示すディジタル検出データを生成した後、これをアナログ変換して回転位置θを示すアナログ検出データを得るようにしてもよい。勿論、位相検出回路３２を設けずに、演算回路３１の出力信号ｓｉｎθｓｉｎωｔ及びｃｏｓθｓｉｎωｔをそのまま出力するようにしてもよい。例えば、シンクロと同様の３相信号を演算回路３１から出力したような場合は、そのような応用形態もありうることである。なお、図１（Ｂ）において示された、ステータ部１０の基板１４の裏側のブロック３３は、この部分に必要な回路を搭載してよいことを示している。例えば、演算回路３１のみ、または更に交流発生源３０と位相検出回路３２を含む図１（Ｃ）のすべての回路をブロック３３の場所に搭載してよい。交流発生源３０と位相検出回路３２をディジタル回路で構成する場合、ＬＳＩ化できるので、小型となり、これらの回路をステータ基板１４の裏側に一体的に搭載することができる。

ここで、温度ドリフト特性の補償について説明すると、温度に応じて各コイル１１，１２，１３のインピーダンスが変化し、その出力電圧Ｖｓ，Ｖｃ，Ｖｒも変動する。例えば、図２（Ａ）で実線のカーブに対して破線で示すように各電圧が一方向に増加または減少変動する。しかし、これらを演算合成したサイン及びコサイン関数特性の交流出力信号ｓｉｎθｓｉｎωｔ及びｃｏｓθｓｉｎωｔにおいては、「Ｖｓ−Ｖｒ」及び「Ｖｃ−Ｖｒ」の演算によって、温度ドリフトが完全に補償されているので、図２（Ｂ）に示すように、温度ドリフトの影響を受けない。従って、基準電圧Ｖｒの発生回路としてダミーコイル１３を使用する実施形態においては、周辺環境の温度変化に応じて基準電圧Ｖｒの値も変化する（温度ドリフトする）ので、差演算を行ったときに検出用コイル１１，１２の温度ドリフト特性が自動的に補償されることとなり、精度のよい位置検出が期待できる。勿論、基準電圧Ｖｒの発生回路は、コイルに限らず、コイルと抵抗の組合せ、あるいは抵抗のみなど、その他適宜の回路を用いてもよい。例えば、少し面倒ではあるが、検出動作前に前記カーブＡ（θ），Ｂ（θ）の最大値と最小値を検出する作業を行い、その平均値を求めること、該カーブＡ（θ），Ｂ（θ）の値増減変化の中点Ｐ₀に相当する電圧を求め、これを基準電圧Ｖｒとして発生してもよい。

図１の実施例では、各コイル１１，１２の鉄心（磁性体コア）１５，１６の端部は回転軸２２のスラスト方向を指向しているが、本発明の実施にあたっては、これに限らず、ラジアル方向を指向するように配置してもよいのは勿論である。図３は、各コイル１１，１２の鉄心（磁性体コア）１５，１６が回転軸２２のラジアル方向を指向するように配置構成した例を示し、（Ａ）は正面略図、（Ｂ）は側断面略図である。図３で図１と同一符号は同一機能の要素を示すので、上記説明を援用し、同じ説明の繰り返しを省略する。図３では、各コイル１１，１２の鉄心１５，１６の端部が回転軸２２のラジアル方向を内向きに指向し、空隙を介してロータ部２０の磁気応答部材２１の外周側面に向き合う構造である。この場合、ロータ部２０の磁気応答部材２１の所定の形状（例えば偏心円板状あるいはハート形状など適切に設計した形状）の故に、コイル鉄心１５，１６の端部と磁気応答部材２１の外周側面との間でラジアル方向に関して形成される空隙の距離が、回転位置に応じて、変化する。この対向空隙距離の変化によって、鉄心１５，１６を通ってコイル１１，１２を貫く磁束量が変化し、もって、コイル１１，１２の自己インダクタンスが変化し、各コイル１１，１２のインピーダンスが変化する。よって、図１と同様に動作して、回転位置の検出を行うことができる。図３の場合、ロータ部２０の磁気応答部材２１の外周側面の軸方向の長さを幾分長くしておく。これによって、検出対象回転軸２２がスラスト方向に機械的ぶれを多少起こしたとしても、コイル鉄心１５，１６の端部と磁気応答部材２１の外周側面との間でラジアル方向に関して形成される空隙の距離は変化せず、検出精度が低下しない。従って、図３のように空隙をラジアル方向に関して形成する構造は、検出対象回転軸２２がスラスト方向に機械的ぶれを起こし易いような環境又は機械において本発明を適用する場合に、該スラスト方向に機械的ぶれの影響を受けない回転位置検出を可能にする、という利点をもたらす。図４以降に示された他の実施例においても、図３と同様の変形があり得るのは勿論である。

図１及び図３のいずれの実施例も、コイル１１，１２の配置は、１回転内の限られた所定の角度範囲（９０度より或る程度広い範囲）に設けられているだけである。従って、ステータ基板１４のサイズは、図１及び図３に示したようなロータ部２０のフル回転に対応する広いものである必要はなく、図４に示すように、ほぼ半回転分位の限られた範囲に対応する大きさとすることができる。そうすれば、図４に示すような箇所に障害物４０があったとしても、これを避けて検出装置を設置することができる。このようなステータ部１０における偏ったコイル１１，１２の配置は、既存の機械内に本発明に係る回転型位置検出装置を後から設置するような場合に有効である。すなわち、回転軸２２の所定の回転角度範囲においては既に障害物４０が存在していて、１回転フルに対応する大きさのステータ部１０の設置が不可能なような場合、障害物４０が存在していない角度範囲の場所に対して、偏った配置のコイル１１，１２を配置したステータ部１０を設置することで対応することができるので有利である。検出対象回転軸２２それ自体は、フル１回転以上の連続的回転が可能である。

図１〜図４の例では、各コイル１１，１２の出力に基づき得られる交流出力信号ｓｉｎθｓｉｎωｔ及びｃｏｓθｓｉｎωｔにおける振幅関数における位相成分θが回転軸２２の機械的回転角度θに１対１で対応している。しかし、これに限らず、振幅関数における位相成分θが回転軸２２の機械的回転角度のｎ倍又は１／ｎ倍に対応するようにしてもよい。一例として、ｎ＝２倍とした例を図５に示す。図５は、図１（Ａ）と同様の正面略図を示しており、２つのコイル１１，１２の配置間隔が回転軸２２に関してほぼ４５度とされ、ロータ部２０の磁気応答部材２１Ａの形状を、例えば楕円に類似したような、回転軸２２の機械的１回転につき２サイクルのサイン関数状のインピーダン増減変化を各コイル１１，１２にもたらすような形状に設計する。これにより、回転軸２２の機械的回転角度θ\quote に対して、各コイル１１，１２の出力に基づき得られる交流出力信号ｓｉｎθｓｉｎωｔ及びｃｏｓθｓｉｎωｔにおける振幅関数における位相成分θは２倍の値を示すものとなる。つまり、θ＝２θ\quote である。図５に限らず、様々な変形例が実施可能である。

図６は、ステータ部１０において１つの検出用コイル１１のみを設け、この１つのコイル１１の出力と基準電圧Ｖｒに基づき２つの交流出力信号ｓｉｎθｓｉｎωｔ及びｃｏｓθｓｉｎωｔと等価の信号を形成する実施例を示すもので、（Ａ）はこの実施例に係るステータ部１０側の検出用コイル１１とロータ部２０側の磁気応答部材２１Ｂとの物理的配置関係の一例を正面略図によって示すもの、同図（Ｂ）はその側断面略図、同図（Ｃ）はステータ部１０側の検出用コイル１１に関連する電気回路及び電子回路の一例を示すブロック図である。この例の場合、ロータ部２０の磁気応答部材２１Ｂの形状が例えば渦巻カム形状をしており、交流出力信号の振幅関数における位相成分θが回転軸２２の機械的回転角度範囲に関してほぼ９０度の範囲の変化を示すように設計される。ロータ部２０の渦巻カム形状の故に、回転軸２２の１回転フルの回転検出には幾分不向きであるが、磁気応答部材２１Ｂの渦巻カム形状の段差部分を除く１回転未満の所定の機械的回転角度範囲に関しての回転位置の検出に向いている。

図６の場合、コイル１１の端子間電圧Ｖｓ'は、例えば図７に示すように、回転軸２２の１回転未満の所定の機械的回転角度範囲において一方向に略直線的に増加（又は減少）するような特性を示す。このコイル１１の端子間電圧Ｖｓ'の変化のうち、最小値又はそれに近い値Ｖｍの２倍の値を基準電圧Ｖｒ'として設定し、ダミーコイル１３によってこれを生成する。図６（Ｃ）に示すように各コイル１１，１３の出力電圧が演算回路３１に入力される。図６（Ｃ）に示す演算回路３１では、下記のように、基準電圧Ｖｒ'の１／２の電圧（つまりＶｍ）をコイル１１の端子間電圧Ｖｓ'から減算することで、図７で符号Ｖａに示すようなほぼ零レベルから増加する特性の振幅関数特性を持つ第１の交流出力信号を形成すると共に、基準電圧Ｖｒ'（つまり２Ｖｍ）からコイル１１の端子間電圧Ｖｓ'を減算することで、図７の符号Ｖｂに示すようなほぼＶｍから減少する特性の振幅関数特性を持つ第２の交流出力信号を形成する。
Ｖａ＝Ｖｓ'−（Ｖｒ'／２）
Ｖｂ＝Ｖｒ'−Ｖｓ'

図７に示した範囲Ｗにおけるこれらの交流出力信号の振幅関数特性は、サイン関数及びコサイン関数の１つの象限（９０度の範囲）に等価的に対応づけることができる。例えば、第１の交流出力信号Ｖａはサイン関数に対応付けることができ、等価的に、ｓｉｎθｓｉｎωｔとして取り扱うことができる。また、第２の交流出力信号Ｖｂはコサイン関数に対応付けることができ、等価的に、ｃｏｓθｓｉｎωｔとして取り扱うことができる。ただし、回転軸２２の所定の機械的回転範囲Ｗに対する位相成分θの範囲は９０度の範囲である。よって、図６（Ｃ）の位相検出回路３２で検出する位相角θは、０度〜９０度の範囲の値をとり、これが回転軸２２の所定の機械的回転範囲Ｗにおける回転位置をアブソリュートで示すこととなる。

なお、図７に示すように、ほぼ直線的な振幅変化特性を示す第１及び第２の交流出力信号Ｖａ及びＶｂをｓｉｎθｓｉｎωｔ及びｃｏｓθｓｉｎωｔに対応づけたとすると、その振幅特性ｓｉｎθ，ｃｏｓθは、回転軸２２の機械的回転角度に対して幾分非線形性を示すこととなる。つまり、真のサイン及びコサイン関数特性を示していない。しかし、位相検出回路２２では、見かけ上、この交流出力信号Ｖａ及びＶｂをそれぞれサイン及びコサイン関数の振幅特性を持つ信号ｓｉｎθｓｉｎωｔ及びｃｏｓθｓｉｎωｔをものとして位相検出処理する。その結果、検出した位相角θは、検出対象回転軸２２の回転角に対して、線形性を示さないことになる。しかし、回転位置検出にあたっては、そのように、検出出力データ（検出した位相角θ）と実際の検出対象位置との非直線性はあまり重要な問題とはならない場合が多い。つまり、所定の反復再現性をもって位置検出を行なうことができればよいのである。また、必要とあらば、位相検出回路２２の出力データを適宜のデータ変換テーブルを用いてデータ変換することにより、検出出力データと実際の検出対象位置との間に正確な線形性を持たせることが容易に行なえる。よって、本発明でいうサイン及びコサイン関数の振幅特性を持つ交流出力信号ｓｉｎθｓｉｎωｔ及びｃｏｓθｓｉｎωｔとは、真のサイン及びコサイン関数特性を示していなければならないものではなく、図７に示されるように、実際は三角波形状のようなもの（線形の傾きを持つもの）であってよいものであり、要するに、そのような傾向を示していればよい。

図８は、基準電圧発生回路を省略し、その代わりに差動変化するコイル対を設けた実施例を示すもので、（Ａ）はこの実施例に係るステータ部１０側の各コイルとロータ部２０側の磁気応答部材２１の物理的配置関係の一例を正面略図によって示すもの、同図（Ｂ）はその側断面略図、同図（Ｃ）はステータ部１０側の各コイルに関連する電気若しくは電子回路の一例を示すブロック図である。この実施例においては、ステータ部１０おいて、サイン出力用のコイル１１の１８０度反対側の角度位置にコイル１１Ａを鉄心１５Ａに巻回して設けると共に、コサイン出力用のコイル１２の１８０度反対側の角度位置にコイル１２Ａを鉄心１６Ａに巻回して設け、基準電圧発生用のコイル１３は省略する。ロータ部２０側の磁気応答部材２１の形状は図１の例と同様であってよい。この構成によって、１つのコイル対における各コイルのインピーダンスが差動的に変化し、よって各コイルの端子間電圧の増減変化が差動的な特性を示すものとなる。すなわち、サイン相のコイル１１と１１Ａの対では、コイル１１のインピーダンス変化つまり出力振幅変化が回転軸２２の回転角度θに対して「Ｐ₀＋Ｐｓｉｎθ」という関数特性を示すとすると、他のコイル１１Ａのインピーダンス変化つまり出力振幅変化は回転軸２２の回転角度θに対して「Ｐ₀−Ｐｓｉｎθ」という関数特性を示す。同様に、コサイン相のコイル１２と１２Ａの対では、コイル１２のインピーダンス変化つまり出力振幅変化が回転軸２２の回転角度θに対して「Ｐ₀＋Ｐｃｏｓθ」という関数特性を示すとすると、他のコイル１２Ａのインピーダンス変化つまり出力振幅変化は回転軸２２の回転角度θに対して「Ｐ₀−Ｐｃｏｓθ」という関数特性を示す。以下、前述と同様に、便宜上、Ｐを１とみなして省略する。

図８（Ｃ）に示すように、各コイル１１，１１Ａ，１２，１２Ａは所定の交流信号によって励磁され、それぞれの端子間電圧Ｖｓ，Ｖｓａ，Ｖｃ，Ｖｃａは、下記のように、回転角度θに対応するそれぞれのインピーダンスに応じた大きさを示す。
Ｖｓ＝（Ｐ₀＋ｓｉｎθ）ｓｉｎωｔ
Ｖｓａ＝（Ｐ₀−ｓｉｎθ）ｓｉｎωｔ
Ｖｃ＝（Ｐ₀＋ｃｏｓθ）ｓｉｎωｔ
Ｖｃａ＝（Ｐ₀−ｃｏｓθ）ｓｉｎωｔ
演算回路３１では、下記のように、各コイル対毎に各コイルの端子間電圧の差をそれぞれ取り出し、所定の周期的振幅関数を振幅係数として持つ交流出力信号を各コイル対毎に生成する。
Ｖｓ−Ｖｓａ＝（Ｐ₀＋ｓｉｎθ）ｓｉｎωｔ−（Ｐ₀−ｓｉｎθ）ｓｉｎωｔ
＝２ｓｉｎθｓｉｎωｔ
Ｖｃ−Ｖｃａ＝（Ｐ₀＋ｃｏｓθ）ｓｉｎωｔ−（Ｐ₀−ｃｏｓθ）ｓｉｎωｔ
＝２ｃｏｓθｓｉｎωｔ

従って、前述の実施例と同様に、検出対象回転軸２２の回転角度θに対応する２つの周期的振幅関数（ｓｉｎθ及びｃｏｓθ）を振幅係数として持つ、レゾルバと同様の、２つの交流出力信号（ｓｉｎθｓｉｎωｔ及びｃｏｓθｓｉｎωｔ）を生成することができる。従来のレゾルバに比べて、本発明では、１次コイルのみを設ければよく、誘導出力用の２次コイルは不要であるため、コイル構成が簡単であり、シンプルな構造の回転型位置検出装置を提供することができる。なお、各コイル対毎に各コイルの端子間電圧の差をそれぞれ取り出すために、格別の演算回路３１を使用せずに、コイル１１と１１Ａを差動接続し、また、コイル１２と１２Ａを差動接続することで、それぞれの差「Ｖｓ−Ｖｓａ」及び「Ｖｃ−Ｖｃａ」に相当する出力交流信号を得るように、単純に回路を構成してもよい。

図９は、図８と同様にステータ部１０が４コイル構成からなる実施例を示す。ただし、図９では、各コイル１１，１１Ａ，１２，１２Ａの鉄心コア１５，１５Ａ，１６，１６Ａが回転軸２２のラジアル方向に向く、つまり、磁気応答部材２１のカム状円筒側面に対向するようにしたものである。これに対しては図８（Ｃ）と同様の回路構成を適用してよい。

図１０は、図８及び図９と同様にステータ部１０が４コイル構成からなる実施例を示すものであるが、回転軸２２と共に回転する磁気応答部材２１が多歯（図では４歯）若しくは多花弁（図では４花弁）のような、１回転当り複数（Ｎ）周期の磁気抵抗変化をもたらすような形状をしており、各コイル１１，１１Ａ，１２，１２Ａは、１／Ｎ回転（つまり３６０度／Ｎ）分の狭い範囲内に配置される構造からなっている。図の例では、３６０度／Ｎ＝３６０／４＝９０度の機械角範囲内に４つの各コイル１１，１２，１１Ａ，１２Ａが「９０度／４＝２２．５度」の間隔で配置されている。図９と同様に、各コイル１１，１２，１１Ａ，１２Ａの鉄心コア１５，１５Ａ，１６，１６Ａが回転軸２２のラジアル方向に向いており、１回転当り４周期の凹凸変化を持つ磁気応答部材２１のカム状円筒側面に対向する。これに対しても図８（Ｃ）と同様の回路構成を適用してよい。ただし、得られるサイン関数ｓｉｎθとコサイン関数ｃｏｓθは、回転軸２２の実際の機械角のＮ＝４倍の精度を持つものである。例えば、回転軸２２の実際の機械角をψとすると、ｓｉｎθ＝ｓｉｎＮψ，ｃｏｓθ＝ｃｏｓＮψである。この図１０の例は、ステータ部１０の各コイル１１，１１Ａ，１２，１２Ａが１／Ｎ回転（つまり３６０度／Ｎ）分の狭い範囲内に配置される構造からなっているので、図４と同様に、ステータ取付けスペースが狭い範囲に限定されるような応用に際して非常に適したものである。

図１１は、図３と同様に、ステータ部１０が２コイル構成からなると共に、各コイル１１，１２の鉄心コア１５，１６が回転軸２２のラジアル方向に向く、つまり、磁気応答部材２１のカム状円筒側面に対向するようにした実施例を示す。これに対しては図８（Ｃ）と同様の回路構成を適用してよい。この例では、ステータ部１０を配置する箇所が、回転軸２２に設けられた歯車４１と下側から延びてきた障害物４２との間の限られたスペースしかない。この点に鑑みて、ステータ部１０は９０度の機械角の間隔で配置された２つのコイル１１，１２しか持たない構成であるため、図４の例と同様に、ステータ部１０の取付け又は取外しに際して、障害物４２を避けて、矢印Ｒの方向から、限られた取付けスペースに対して容易にアクセスすることができる。なお、点線で示すように、ステータ部１０の真中にダミーコイル１３用のコアを配置してもよい。その場合、ダミーコイル１３が、ロータ部２０の磁気応答部材２１の影響を受けないようにするために、所定の基準電圧発生用の固定的インダクタンスを該ダミーコイル１３に生ぜしめるように、該ダミーコイル１３用のコア端部を鉄又は銅等の磁気応答材質でマスキングするものとする。

なお、磁気応答部材２１として、銅のような良導電体を使用した場合は、渦電流損によってコイルのインダクタンスが減少し、磁気応答部材２１の近接に応じてコイルの端子間電圧が減少することになる。この場合も、上記と同様に位置検出動作することが可能である。また、磁気応答部材２１として、磁性体と導電体を組合わせたハイブリッドタイプのものを用いてもよい。
なお、１回転未満の回転範囲で揺動する動きの回転位置を検出するタイプのものにおいては、上記各実施例において、磁気応答部材２１の方を固定し、検出用コイル１１，１２の方を検出対象の変位に応じて移動させるようにしてもよい。
上記各実施例では、出力交流信号の数（相数）はサインとコサインの２相（つまりレゾルバタイプ）であるが、これに限らないのは勿論である。例えば、３相（各相の振幅関数が例えばｓｉｎθ，ｓｉｎ（θ＋１２０），ｓｉｎ（θ＋２４０）のようなもの）であってもよい。

なお、コイルの交流励磁の仕方としては、少なくとも２つのコイルの各々をｓｉｎωｔとｃｏｓωｔで別々に励磁する公知の２相励磁法を用いることも可能である。しかし、上記実施例で説明したような１相励磁の方が、構成の簡単化及び温度ドリフト補償特性等、種々の面で、優れている。

なお、この発明において、コイルに生じる電圧若しくはコイルの端子間電圧とは、必ずしも電圧検出タイプの回路構成に限定されるものではなく、広義に解釈されるべきであり、電流検出タイプの回路構成を採用するものも範囲に含まれる。要するにコイルのインピーダンス変化に応じたアナログ電圧または電流を生じ、これを検出することのできる回路構成であればよい。

以上のとおり、この発明によれば、１次コイルのみを設ければよく、２次コイルは不要であるため、小型かつシンプルな構造の回転型位置検出装置を提供することができる。また、１つのコイルの出力信号と基準電圧とを演算することで、振幅係数成分が正負に振れる真のサイン関数又はコサイン関数の振幅係数特性を示す出力信号を得ることができるので、コイル構成が簡単であり、一層、小型かつシンプルな構造の回転型位置検出装置を提供することができる。

１０ ステータ部
１１，１２，１１Ａ，１２Ａ 検出用のコイル
１３ 基準電圧発生用のコイル（ダミーコイル）
１４ ステータ基板
１５，１６，１５Ａ，１６Ａ 鉄心（磁性体コア）
２０ ロータ部
２１，２１Ａ，２１Ｂ 磁気応答部材
２２ 回転軸
交流発生源３０
アナログ演算回路３１
位相検出回路３２

Claims (3)

1. １回転以上の回転をする回転軸の回転位置を検出するための回転型位置検出装置であって、
   交流信号で励磁される複数のコイルを、前記回転軸の１回転に満たない所定の一部の回転角度範囲内において該１回転を等分割していない間隔で順次ずらして配置してなるコイル部であって、前記複数のコイルを保持する磁性体ステータが前記複数のコイルを配置した前記回転軸の１回転に満たない所定の一部の回転角度範囲内のサイズからなっているものと、
   前記コイル部に対して相対的に回転変位するよう配置された磁気応答部材であって、検出対象の回転に応じて該部材と前記コイル部との相対的回転位置が変化し、この相対的回転位置に応じて各コイルのインピーダンスを変化させる形状からなる前記磁気応答部材と
   を具え、前記各コイルのインピーダンスに応じた出力電圧に基づき前記回転軸の回転位置検出データを得ることを特徴とする回転型位置検出装置。
2. 前記複数のコイルは、少なくとも１対のコイルで構成され、該少なくとも１対のコイルにおいて対をなしているコイル同士でその出力電圧の差を求めることにより、前記回転軸の回転位置に応答する所定の周期的振幅関数を振幅係数として持つ交流出力信号を生成することを特徴とする請求項１に記載の回転型位置検出装置。
3. 前記磁気応答部材は、前記回転軸の１回転当り複数Ｎ周期のインピーダンス変化をもたらすような形状をなしており、
   前記コイル部が配置される前記所定の一部の回転角度範囲は１／Ｎ回転分の範囲であることを特徴とする請求項１又は２に記載の回転型位置検出装置。

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