JP5016165B2 - 相対回転位置検出装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は２軸間の相対的回転位置を検出する装置に関し、例えば自動車のパワーステアリング軸に負荷されるねじり負荷を検出するためのトルクセンサとしての用途に適したものである。
【０００２】
【従来の技術】
相対的に回転可能な２軸のねじれ量を検出するやりかたとして、トーションバーを介して結合された入力軸及び出力軸にポテンショメータあるいはレゾルバ装置のような検出装置を設けることが従来からよく知られている。ポテンショメータを用いるものにあっては、入力軸に摺動子を設け、出力軸に抵抗を設けることで、摺動子の抵抗に対する接触位置が入力軸と出力軸の相対的回転位置に応じて変化し、これに対応するアナログ電圧を得るようになっている。レゾルバ装置を用いるものにあっては、入力軸と出力軸の両軸にレゾルバ装置を設け、これら両レゾルバ装置からの角度信号に基づいて相対回転量（ねじれ量）を検出する。一方、相対的に回転可能な２軸の回転ずれを検出するものとして、誘導コイルを用いたパワーステアリング用非接触トルクセンサーも開発されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ポテンショメータを用いるタイプの従来技術にあっては、機械的接触構造を持つため、接触不良や故障の問題が常につきまとう。また、温度変化によって抵抗のインピーダンス変化が起こるため、温度ドリフト補償を適切に行なわねばならない。また、従来の誘導コイルを用いたパワーステアリング用非接触トルクセンサとして知られたような回転ずれ検出装置は、微小な回転ずれに応じて生じるアナログ電圧レベルを測定する構成であり、その検出分解能において劣るものである。また、コイルの温度ドリフト特性を補償する必要があるのみならず、相対回転位置に応じてコイルに対する磁気結合を変化させる磁性体のリラクタンスや導電体の渦電流損にも温度ドリフト特性があり、これを適切に補償する必要がある。更に、自動車用のトルクセンサにあっては、安全対策上、デュアルセンサ構造であることが望まれる。
【０００４】
この発明は上述の点に鑑みてなされたもので、温度特性の補償性能に優れ、デュアルセンサ構造化も容易な、相対的回転位置検出装置を提供しようとするものである。さらには、検出対象の相対的回転変位が微小でも高分解能での検出が可能な相対的回転位置検出装置を提供しようとするものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明に従う相対的回転位置検出装置は、相対的に回転可能な第１及び第２の軸の相対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の軸と共に回転し、第１乃至第４系列の開口窓パターンを持つ磁気遮蔽物質又は反磁性体からなる外筒部と、前記外筒部内に挿入され、前記第２の軸と共に回転し、第１乃至第４系列の非磁性窓パターンを持つ磁性体からなる内筒部と、前記第１乃至第４系列にそれぞれ対応して設けられ、所定の交流信号で励磁される第１乃至第４のコイルとを具備し、各系列毎に前記開口窓パターンと前記非磁性窓パターンの配列が重複するように配置され、所定範囲にわたる相対回転位置に応じて各系列における開口窓と非磁性窓との重なり具合が変化し、第１系列における重なり具合の変化に対して第２系列における重なり具合の変化が差動特性を示し、第３系列における重なり具合の変化に対して第４系列における重なり具合の変化が差動特性を示し、第１及び第２系列の変化に対して第３及び第４系列の変化が所定のずれを示すように前記各系列の開口窓と非磁性窓の配置が設定されており、各系列に対応する前記コイルは各系列における前記開口窓と非磁性窓の重なり具合に応じたインピーダンスを示すことを特徴とする。
【０００６】
このように相対変位する開口窓と非磁性窓との組み合わせからなる系列を４系列具えて成る検出装置の構造は、温度ドリフト特性を補償して正確な検出を可能にする上で有利である。また、安全対策上、二重系の検出出力を得るように構成する上で有利である。
例えば、前記第１系列に対応する第１のコイルの出力と前記第２系列に対応する第２のコイルの出力との差をとることで第１の交流出力信号を生成し、前記第３系列に対応する第３のコイルの出力と前記第４系列に対応する第４のコイルの出力との差をとることで第２の交流出力信号を生成し、前記第１及び第２の交流出力信号の振幅が前記所定範囲にわたる相対回転位置に応じて所定の異なる特性で変化するように前記各系列の開口窓と非磁性窓の配置を設定するとよい。２系列の出力の差をとることで、コイルインピターンスの温度ドリフト誤差をキャンセルすることができる。また、第１及び第２の交流出力信号は、二重系の検出出力として利用できる。
【０００７】
前記第１及び第２の交流出力信号を合成して前記相対回転位置に応じた位相を示す交流信号を生成する第１回路と、前記第１及び第２の交流出力信号の一方を選択する第２回路とを更に具備することで、前記第１回路で得た前記相対回転位置に応じた位相を示す交流信号に基づき前記相対的回転位置を検出することと、前記第２回路で得た第１及び第２の交流出力信号のうち選択された交流出力信号の振幅レベルに基づき前記相対回転位置を検出すること、のどちらでもが可能な相対回転位置検出装置を提供することができる。例えば、通常は、第１回路の出力を用いて精度の良い位相検出方式で検出を行い、前記第１及び第２の交流出力信号の一方に異常が生じた場合には、前記第２回路で異常が生じていない方の前記交流出力信号を選択し、選択された交流出力信号の振幅レベルに基づき前記相対回転位置を検出することが可能である。こうして、検出精度と安全対策の双方を満足させることができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
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。
（１）第１実施例の構造
第１の実施例に係る相対回転位置検出装置の構造は、図１に示すように、概ね、円筒状の外筒部１１と、その内部に非接触的に挿入される円筒状の内筒部１２と、外筒部１１の周囲に非接触的に配置されるコイル部１０とを具える。後述するような外筒部１１及び内筒部１２における窓構造の４トラックに対応して、コイル部１０には４つのコイル１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄがそれぞれ設けられている。この第１の実施例では、コイル１０ａ〜１０ｄのリング内に外筒部１１が挿入され、その磁束が外筒部１１及び内筒部１２の軸線方向に生じる。図１では、各コイル１０ａ〜１０ｄは断面で示されている。
【０００９】
外筒部１１は相対的に回転しうる第１及び第２の軸１，２の一方（例えば第１の軸１）に結合されてそれと一体的に回転しうるようにされ、内筒部１２は他方の軸（例えば第１の軸２）に結合されてそれと一体的に回転しうるようにされる。例えば、第１及び第２の軸１，２は図示しないトーションバーによって連結され、該トーションバーによる捩じれ変形の許す限りの限られた角度範囲で相対的に回転しうる。このようなトーションバーによって連結された２軸（入力軸と出力軸）の構造は、例えば自動車のパワーステアリング機構において知られるものであり、本実施例に係る相対回転位置検出装置は、パワーステアリング機構のトーションバーに負荷されるトルクを検出するためのトルクセンサとして応用できる。
【００１０】
外筒部１１は、肉薄の磁気シールド性（反磁性）の金属素材からなっている。そのような金属素材としては、例えば、銅のような非磁性で良導電体のものを用いるとよく、その他にはアルミニウムや真鍮あるいは非磁性ステンレススチールなど適宜のものを用いることができる。外筒部１１には、軸方向に並んだ４列（４トラック）の開口窓２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄが穿たれている。図２に例示する展開図の如く、開口窓２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄの各列（トラック）には、円周方向に沿って複数の開口窓が所定間隔で設けられている。なお、１列（１トラック）における開口窓は１個だけであってもよい。
【００１１】
内筒部１２は、適宜の肉厚の円筒状の磁性体（例えば鉄やフェライトなどの強磁性体）からなっており、外筒部１１の各列（トラック）の開口窓２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄにそれぞれ対応して、所定の配置で、非磁性窓２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄが設けられている。例えば、非磁性窓２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄは、内筒部１２を構成する磁性体に穿たれた開口窓からなる。非磁性窓２２ａ〜２２ｄはそのような開口窓からなるものに限らず、磁気シールド性（反磁性）の素材からなっていてもよい。図２に例示する展開図の如く、非磁性窓２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄの各列（トラック）には、円周方向に沿って複数の非磁性窓が所定間隔で設けられている。１つのトラックにおいて設ける窓の所定間隔は等間隔である必要はなく、要するに、外筒部１１の開口窓と内筒部１２に非磁性窓との相関関係が、後述するような各トラック毎の所定の関係を満たすようになっていればよい。なお、外筒部１１における１列（１トラック）における対応する開口窓２１ａ〜２１ｄが１個だけの場合はそれに対応する非磁性窓２２ａ〜２２ｄも１個だけであってよい。
【００１２】
外筒部１１において開口窓２１ａが設けられた円周と、内筒部１２において非磁性窓２２ａが設けられた円周とが重なっており、１つのトラック（仮りにこれをＡという）を形成している。このトラックＡの円周を囲むようにコイル１０ａが配置される。外筒部１１において開口窓２１ｂが設けられた円周と、内筒部１２において非磁性窓２２ｂが設けられた円周とが重なっており、別のトラック（仮りにこれをＢという）を形成している。このトラックＢの円周を囲むようにコイル１０ｂが配置される。外筒部１１において開口窓２１ｃが設けられた円周と、内筒部１２において非磁性窓２２ｃが設けられた円周とが重なっており、更に別のトラック（仮りにこれをＣという）を形成している。このトラックＣの円周を囲むようにコイル１０ｃが配置される。外筒部１１において開口窓２１ｄが設けられた円周と、内筒部１２において非磁性窓２２ｄが設けられた円周とが重なっており、更に別のトラック（仮りにこれをＤという）を形成している。このトラックＤの円周を囲むようにコイル１０ｄが配置される。各コイル１０ａ〜１０ｄは、それぞれの発生する磁界が他のコイルに影響を及ぼさないように、それぞれ磁性体製または反磁性体製のケース１３ａ〜１３ｄ内に収納される。
【００１３】
外筒部１１の磁気シールド性（反磁性）の故に、１つのトラック例えばＡにおける外筒部１１の開口窓２１ａと内筒部１２の非磁性窓２２ａとの重なり具合が、それに対応するコイル１０ａのインピーダンスを決定する。すなわち、外筒部１１の開口窓２１ａに現われる、その下の内筒部１２の磁性体の露出量がコイル１０ａのインダクタンスつまりインピーダンスを左右する。外筒部１１の開口窓２１ａと内筒部１２の非磁性窓２２ａとが全面的に重複している状態では、コイル１０ａのインダクタンスつまりインピーダンスが最小である。一方、外筒部１１の開口窓２１ａと内筒部１２の非磁性窓２２ａとがまったく重なっていない状態、つまり開口窓２１ａに内筒部１２の磁性体が全面的に露出している状態では、コイル１０ａのインダクタンスつまりインピーダンスが最大である。また、外筒部１１の開口窓２１ａの略半分に内筒部１２の非磁性窓２２ａが重なっている状態、つまり開口窓２１ａの略半分に内筒部１２の磁性体が露出している状態では、コイル１０ａのインダクタンスつまりインピーダンスは真中の中間値（最大値と最小値との中間の値）である。こうして、外筒部１１の開口窓２１ａと内筒部１２の非磁性窓２２ａとの重なり具合に応じて、コイル１０ａのインダクタンスつまりインピーダンスが最大値から最小値の間で変化する。この外筒部１１の開口窓２１ａと内筒部１２の非磁性窓２２ａとの重なり具合は、検出対象たる第１の軸１と第２の軸２との間の相対回転位置に対応しているので、コイル１０ａのインダクタンスつまりインピーダンスは、検出対象たる相対回転位置に応じた値を示すことになる。
【００１４】
他のトラックＢ〜Ｄにおける外筒部１１の開口窓２１ｂ〜２１ｄと内筒部１２の非磁性窓２２ｂ〜２２ｄとの関係も同様であり、それぞれに対応するコイル１０ｂ〜１０ｄのインダクタンスつまりインピーダンスが、検出対象たる相対回転位置に応じた値を示すように配置されている。
ここで、各トラックＡ〜Ｄにおける外筒部１１の開口窓２１ａ〜２１ｄと内筒部１２の非磁性窓２２ａ〜２２ｄとの重なり具合が、検出対象たる相対回転位置に対して所定の位相差を持って変化するように、それぞれ設定される。
【００１５】
図３は、各トラックＡ〜Ｄ毎の外筒部１１及び内筒部１２の各窓の相関関係を例示する図である。（ｂ）は第１及び第２の軸１，２の相対回転位置が０つまり中立位置に対応する各トラック毎の窓の相対関係を示す。この相対回転位置は、この中立位置から左右方向に（時計方向及び反時計方向に）所定範囲で動く。（ａ）はその最左位置に対応する各トラック毎の窓の相対関係を示し、（ｃ）はその最右位置に対応する各トラック毎の窓の相対関係を示す。
この実施例では、外筒部１１の開口窓２１ｂ〜２１ｄ又は内筒部１２の非磁性窓２２ｂ〜２２ｄの円周方向の長さｗの約半分の長さに相当する範囲が相対回転可能な範囲であるとしている。トラックＡについて言うと、（ａ）に示す最左位置において、外筒部１１の開口窓２１ａと内筒部１２の非磁性窓２２ａが全く重なっておらず、コイル１０ａのインピーダンスは最大である。そして、（ｂ）に示す中立位置において、外筒部１１の開口窓２１ａに内筒部１２の非磁性窓２２ａが約ｗ／４だけ重なる。そして、（ｃ）に示す最右位置において、外筒部１１の開口窓２１ａに内筒部１２の非磁性窓２２ａが約ｗ／２だけ重なる。
【００１６】
トラックＢについて言うと、（ａ）に示す最左位置において、外筒部１１の開口窓２１ｂに内筒部１２の非磁性窓２２ｂが約ｗ／２だけ重なり、（ｂ）に示す中立位置において、外筒部１１の開口窓２１ｂに内筒部１２の非磁性窓２２ｂが約３ｗ／４だけ重なり、そして、（ｃ）に示す最右位置において、外筒部１１の開口窓２１ｂに内筒部１２の非磁性窓２２ｂが全面的に重なる。
トラックＣについて言うと、（ａ）に示す最左位置において、外筒部１１の開口窓２１ｃに内筒部１２の非磁性窓２２ｃが全面的に重なり、（ｂ）に示す中立位置において、外筒部１１の開口窓２１ｃに内筒部１２の非磁性窓２２ｃが約３ｗ／４だけ重なり、そして、（ｃ）に示す最右位置において、外筒部１１の開口窓２１ｃに内筒部１２の非磁性窓２２ｃが約ｗ／２だけ重なる。
トラックＤについて言うと、（ａ）に示す最左位置において、外筒部１１の開口窓２１ｄに内筒部１２の非磁性窓２２ｄが約ｗ／２だけ重なり、（ｂ）に示す中立位置において、外筒部１１の開口窓２１ｄに内筒部１２の非磁性窓２２ｄが約ｗ／４だけ重なり、そして、（ｄ）に示す最右位置において、外筒部１１の開口窓２１ｄに内筒部１２の非磁性窓２２ｄが全く重ならない。
【００１７】
上記から明らかなように、相対回転位置に対するトラックＡにおける窓２１ａ，２２ａの重なり具合の変化に対して、トラックＣにおける窓２１ｃ，２２ｃの重なり具合の変化は、逆相つまり差動的である。また、相対回転位置に対するトラックＢにおける窓２１ｂ，２２ｂの重なり具合の変化に対して、トラックＤにおける窓２１ｄ，２２ｄの重なり具合の変化は、逆相つまり差動的である。そして、相対回転位置に対するトラックＡにおける窓２１ａ，２２ａの重なり具合の変化に対して、トラックＢにおける窓２１ｂ，２２ｂの重なり具合の変化は、１／４サイクル（つまり電気角で９０度）のずれを示す。
【００１８】
例えば、トラックＡにおける各窓２１ａ，２２ａの重なり具合の最左位置から最右位置までの略ｗ／２の長さにわたる相対的変位において、該トラックＡに対応するコイル１０ａに生じるインピーダンス変化が、サイン関数（若しくはコサイン関数）の１／４サイクルの範囲にわたる変化に対応するものとなるように、各窓２１ａ，２２ａの形状を適切に設定することができる。図示の例では、外筒部１１の開口窓２１ａが角のない丸みのある形状を成し、内筒部１２の非磁性窓２２ｄは長方形を成しているが、これに限らないのは勿論である。
【００１９】
ここで、相対回転位置に関連する角度変数をθを用いて示して、トラックＡに対応するコイル１０ａ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Ａ（θ）を示すと、
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、オフセット値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。ここで、角度変数θは、各窓２１ａ，２２ａの重なり具合が変化する範囲に相当するｗ／２の長さが、位相角π／２に相当するような関係で、検出対象たる相対回転位置に相関する若しくは比例する。最大変位範囲がｗ／２であるから、概ね、θは０〜π／２の範囲つまり電気角で略９０度幅の範囲でのみ変化するものとしている。
【００２０】
これに対して、トラックＡの変化に対して差動的な変化を示すトラックＣに対応するコイル１０ｃに生じる理想的なインピーダンス変化Ｃ（θ）は、
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。
また、トラックＡの変化に対して１／４サイクル（電気角にしてπ／２）変化を示すトラックＢに対応するコイル１０ｂ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。
更に、トラックＢの変化に対して差動的な変化を示すトラックＤに対応するコイル１０ｄ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。
【００２１】
（２）回路構成例
図４は、図１に示された相対位置検出装置に適用される電気回路例を示す。なお、この回路構成は、図１に示された第１実施例の構造を持つ相対位置検出装置に限らず、他の実施例に係る構造を持つ本発明の相対位置検出装置のどれにおいても適用可能である。図４において、各コイル１０ａ〜１０ｄは可変インダクタンス要素として等価的に示されている。各コイル１０ａ〜１０ｄは、交流源３０から与えられる所定の高周波交流信号（便宜上、これをＥｓｉｎωｔで示す）によって１相で定電圧又は定電流で励磁される。各コイル１０ａ〜１０ｄに生じる電圧Ｖａ，Ｖｂ，Ｖｃ，Ｖｄは、下記のように、検出対象たる相対回転位置に対応する前記角度変数θに応じた上記各トラックＡ〜Ｄ毎のインピーダンス値に応じた大きさを示す。
Ｖａ＝（Ｐ₀＋ｓｉｎθ）ｓｉｎωｔ
Ｖｂ＝（Ｐ₀＋ｃｏｓθ）ｓｉｎωｔ
Ｖｃ＝（Ｐ₀−ｓｉｎθ）ｓｉｎωｔ
Ｖｄ＝（Ｐ₀−ｃｏｓθ）ｓｉｎωｔ
図５（ａ）は各コイル１０ａ〜１０ｄに生じる電圧Ｖａ，Ｖｂ，Ｖｃ，Ｖｄをθ成分についてのみ模式的に示すグラフである（時間ｔの成分は示していない）。
【００２２】
演算器３１は、下記のように、トラックＡに対応するコイル１０ａの出力電圧Ｖａと、それに対して差動変化するトラックＣに対応するコイル１０ｃの出力電圧Ｖｃとの差を求め、角度変数θの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。
Ｖａ−Ｖｃ＝（Ｐ₀＋ｓｉｎθ）ｓｉｎωｔ−（Ｐ₀−ｓｉｎθ）ｓｉｎωｔ
＝２ｓｉｎθｓｉｎωｔ
演算器３２は、下記のように、トラックＢに対応するコイル１０ｂの出力電圧Ｖｂと、それに対して差動変化するトラックＤに対応するコイル１０ｄ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
【００２３】
こうして、検出対象たる相対回転位置に相関する角度変数θを含む２つの周期的振幅関数（ｓｉｎθとｃｏｓθ）によってそれぞれ振幅変調された２つの交流出力信号「２ｓｉｎθｓｉｎωｔ」と「２ｃｏｓθｓｉｎωｔ」が得られる（以下、係数の「２」は省略する。）。これは、従来からレゾルバとして知られた検出器のサイン相出力信号ｓｉｎθｓｉｎωｔ及びコサイン相出力信号ｃｏｓθｓｉｎωｔと同等のものである。図５（ｂ）は、演算器３１及び３２から出力されるサイン相出力信号ｓｉｎθｓｉｎωｔ及びコサイン相出力信号ｃｏｓθｓｉｎωｔを、θ成分についてのみ模式的に示すグラフである（時間ｔの成分は示していない）。なお、サイン相及びコサイン相という呼び名、及び２つの交流出力信号の振幅関数のサイン、コサインの表わし方は便宜的なものであり、一方がサインで他方がコサインでありさえすれば、どちらをサインと言ってもよい。すなわち、Ｖａ−Ｖｃ＝ｃｏｓθｓｉｎωｔで、Ｖｂ−Ｖｄ＝ｓｉｎθｓｉｎωｔである、と表現してもよい。
【００２４】
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１０ａ〜１０ｄのインピーダンスが変化し、その出力電圧Ｖａ〜Ｖｄも変動する。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、「Ｖａ−Ｖｃ」及び「Ｖｂ−Ｖｄ」の演算によって、コイルの温度ドリフト誤差が完全に補償されるので、温度ドリフトによるコイルインピーダンス変化の影響を受けないものとなる。
従って、精度のよい検出が可能である。
【００２５】
本実施例においては、演算器３１、３２から出力される２つの交流出力信号ｓｉｎθｓｉｎωｔ及びｃｏｓθｓｉｎωｔに基づき、位相検出方式と電圧検出方式の両方で相対回転位置検出（トルクセンサへの応用の場合はトルク検出）を行うことができるようになっている。
こ場合の位相検出方式としては、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、一方の交流出力信号ｓｉｎθｓｉｎωｔをシフト回路３３で電気的に９０度シフトすることで、交流信号ｓｉｎθｃｏｓωｔを生成し、これと他方の交流出力信号ｃｏｓθｓｉｎωｔを加算器３４及び引算器３５で加算合成及び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）を生成する。そして、位相シフトされた交流信号ｓｉｎ（ωｔ＋θ）およびｓｉｎ（ωｔ−θ）のゼロクロスをコンパレータ３６．３７で検出し、進相の検出交流信号ｓｉｎ（ωｔ＋θ）のゼロクロス検出パルスＬｐと、遅相の検出交流信号ｓｉｎ（ωｔ−θ）のゼロクロス検出パルスＬｍとを生成して、ディジタル処理装置４０に入力する。ディジタル処理装置４０では、基準信号ｓｉｎωｔのゼロ位相時点から進相のゼロクロス検出パルスＬｐの発生時点までの時間差を計測することで、進相の位相ずれ量＋θをディジタル検出し、基準信号ｓｉｎωｔのゼロ位相時点から遅相のゼロクロス検出パルスＬｍの発生時点までの時間差を計測することで、遅相の位相ずれ量−θをディジタル検出する。温度ドリフトやその他の誤差要因による誤差±δは、進相の位相ずれ量＋θにも遅相の位相ずれ量−θにも同方向・同量で含まれるので、ディジタル処理装置４０において、更に、進相及び遅相の位相検出値＋θ，−θ同士を加算又は減算することを含む所定の演算を行うことで、誤差±δを除去した正確な位相検出データθを得ることができる。ディジタル処理装置４０としては、例えば汎用のマイクロコンピュータを用いることができる。
【００２６】
このような進相及び遅相の位相検出値＋θ，−θを用いた補償演算によって、コイルの出力を差動演算することで除去しきれなかった温度ドリフト誤差成分を完全に除去することができる。すなわち、演算器３１，３２における差演算では、コイルインピーダンスの温度ドリフト誤差を補償することができるが、外筒部１１及び内筒部１２を構成する反磁性金属のうず電流損あるいは磁性金属の鉄損の温度ドリフト成分までは補償できない。しかし、この位相検出方式における上記のような進相及び遅相の位相検出値＋θ，−θを用いた補償演算によって、コイル出力を差動演算することでは除去しきれなかった温度ドリフト誤差成分までも完全に除去することができる。
【００２７】
電圧検出方式のための回路は、演算器３１、３２から出力される２つの交流出力信号ｓｉｎθｓｉｎωｔ及びｃｏｓθｓｉｎωｔをそれぞれ整流器３８，３９で整流することにより、それぞれの振幅係数成分ｓｉｎθ、ｃｏｓθに対応するアナログ電圧Ｖ（ｓｉｎθ）、Ｖ（ｃｏｓθ）を得るようにすることで構成される。この場合、相対回転位置検出のためには、一方の交流出力信号ｓｉｎθｓｉｎωｔ又はｃｏｓθｓｉｎωｔのみを整流してアナログ電圧Ｖ（ｓｉｎθ）又はＶ（ｃｏｓθ）を得るようにすれば足りるのであるが、デュアル検出機能のために、両方の交流出力信号ｓｉｎθｓｉｎωｔ及びｃｏｓθｓｉｎωｔをそれぞれ整流して、検出対象たる相対回転位置に相関する角度変数θに対して互いに逆特性の関数特性を示す２つのアナログ電圧Ｖ（ｓｉｎθ）及びＶ（ｃｏｓθ）を発生するようにしている。すなわち、この２つのアナログ電圧Ｖ（ｓｉｎθ）及びＶ（ｃｏｓθ）の特性は、図５（ｂ）に示す「Ｖａ−Ｖｃ」と「Ｖｂ−Ｖｄ」の変化特性と同じである。このような逆特性の２系列の検出電圧は、自動車に搭載されるトルクセンサの冗長的安全対策として要求されるデュアル検出性能を満たすことができるものである。通常は、検出したアナログ電圧Ｖ（ｓｉｎθ）及びＶ（ｃｏｓθ）の一方が利用され、一方の検出系列に故障が生じた場合に、故障の起きていない方の検出系列の出力Ｖ（ｓｉｎθ）又はＶ（ｃｏｓθ）が利用される。例えば、通常は出力選択回路４１で所定の一方の系列の検出電圧Ｖ（ｓｉｎθ）又はＶ（ｃｏｓθ）を選択出力する一方で、故障検出回路４２で２つの系列の検出電圧Ｖ（ｓｉｎθ）及びＶ（ｃｏｓθ）の状態を監視して異常の有無を検出し、断線によるレベル低下等の異常が検出されたならば、異常のない方の検出電圧Ｖ（ｓｉｎθ）又はＶ（ｃｏｓθ）を選択出力するように出力選択回路４１を制御する。出力されたアナログ電圧はそのまま利用してもよいし、ディジタル変換して利用てもよい。
【００２８】
ここで、各交流出力信号ｓｉｎθｓｉｎωｔ及びｃｏｓθｓｉｎωｔの振幅関数ｓｉｎθ及びｃｏｓθがとり得る変化の範囲（検出範囲）は、１サイクル（２π）全部ではなく、図３を参照して説明したように、略１／４サイクル（略π／２の幅つまり９０度の範囲）である。図５では、この検出範囲を実線で示している。このように各交流出力信号ｓｉｎθｓｉｎωｔ及びｃｏｓθｓｉｎωｔの振幅関数ｓｉｎθ及びｃｏｓθがとり得る変化の範囲を、略１／４サイクル（略π／２の幅つまり９０度の範囲）に制限したことにより、図５に実線で示したように、実効ある２系列の検出電圧Ｖ（ｓｉｎθ）及びＶ（ｃｏｓθ）を生成することができる。これに伴い、位相検出方式において、測定される位相の範囲も略１／４サイクル（略π／２の幅つまり９０度の範囲）であるが、相対回転の範囲が元々狭いため、これで十分に精度のよう位相検出を行うことができる。
なお、上記例において、格別の演算器３１，３２を使用せずに、コイル１０ａと１０ｃを逆相接続し、また、コイル１０ｂと１０ｄを逆相接続することで、それぞれの差「Ｖａ−Ｖｃ」及び「Ｖｂ−Ｖｄ」に相当する出力交流信号を得るように、回路を単純化して構成してもよい。
【００２９】
（３）窓パターンの変更例
外筒部１１の開口窓２１ａ〜２１ｄの形状及びその配列パターン及び内筒部１２の非磁性窓２２ａ〜２２ｄの形状及びその配列パターンは、各トラックＡ〜Ｄ毎の開口窓２１ａ〜２１ｄと非磁性窓２２ａ〜２２ｄとの相関関係が上述の所定の関係（サイン関数特性及びコサイン関数特性）を満たすようになっていればよく、様々なバリエーションがありうる。図６は、かかる窓パターンの別の一例を示す展開図である。Ａ〜Ｄのトラックが順番に並んでいる必要はなく、各窓パータンのバランスを考慮して（例えば開口窓パターンを穿った場合のバランスを考慮して）適当な並びであってよい。また、窓の形状は、方形に限らず、円形、楕円形、三角形、など任意の形状であってよい。
【００３０】
（４）非磁性窓の製造法例
次に、内筒部１２の非磁性窓２２ａ〜２２ｄを、磁気シールド性（反磁性）の素材で構成する場合の製造方法例について説明する。
その一例は、内筒部１２の本体を鉄等の強磁性の肉薄筒体で構成し、その外周に全体に銅のような所定の反磁性体をめっきし、その後、形成すべき非磁性窓２２ａ〜２２ｄのパターンでめっきした反磁性体が残されるように、不要部分の反磁性体をエッチングで除去する方法である。
別の例は、内筒部１２を２重筒体で構成し、該２重筒体の内側を鉄等の強磁性の筒体で構成し、該２重筒体の外側を銅若しくは真鍮のような反磁性金属製の肉薄筒体で構成し、該外側の肉薄反磁性金属製筒体に、形成すべき非磁性窓２２ａ〜２２ｄのパターンが残されるように開口窓を設け、該開口窓から内側の強磁性筒体が露出するようにする方法である。この場合、内筒部１２の２重筒体が一体的に回転するようにしてもよいし、あるいは外側の肉薄反磁性金属製筒体のみが回転し、内側の強磁性筒体は回転しないようにしてもよい。
【００３１】
更に別の例は、内筒部１２の本体をプラスチックのような非磁性筒体又は銅若しくは真鍮のような反磁性金属製の肉薄筒体で構成し、その外周に鉄のような所定の強磁性体を所定のパターンで形成することで、形成すべき非磁性窓２２ａ〜２２ｄのパターンが非磁性体又は反磁性体で残されるようにする方法である。この場合、強磁性体を所定のパターンで形成する方法として、外周に全体に鉄のような所定の強磁性体をめっきし、その後、形成すべき非磁性窓２２ａ〜２２ｄのパターンで強磁性体が除去されるようにエッチングする方法がある。強磁性体を所定のパターンで形成する別の方法として、フェライト等の強磁性粉体を所定のパターンで溶着または焼成することで、所望の非磁性窓２２ａ〜２２ｄのパターンが残されるようにする方法がある。
更に別の例として、内筒部１２の本体を鉄等の強磁性の筒体で構成し、その外周に所定のパターンでレーザ焼き付けを行い、レーザ焼き付けした部分が非磁性化されることで、形成すべき非磁性窓２２ａ〜２２ｄのパターンを形成されるようにする方法がある。
【００３２】
（５）変形例の構造
本実施例に係る相対回転位置検出装置を自動車のパワーステアリング機構におけるトルクセンサとして使用する場合、前述の通り、第１の軸１と第２の軸２がトーションバーで連結される。トーションバーとしては鉄のような磁性体金属が用いられることがある。その場合、本実施例に係る相対回転位置検出装置の内筒部１２の内側に磁性体のトーションバーが挿入された状態となるので、バイアスがかかり、非磁性窓２２ａ〜２２ｄの効果が低下すること（検出感度の低下）があるかもしれない。そのような検出感度の低下に対処するためには、図７に示すように、内筒部１２の内側であってかつ磁性体製トーションバー３の外側に、銅又は真鍮のような肉薄反磁性金属製筒体１４を挿入するようにするとよい。それによって、中心の磁性体製トーションバー３が磁気シールドされて、検出感度に影響を与えないようにすることができる。
【００３３】
（６）第２の実施例
図８は、本発明の第２の実施例に係る相対回転位置検出装置を示す。図８の実施例は、コイル部１０の構造が図１に示すものと相違している。その他の構造は図１に示す実施例と同様であってよい。図８（ａ）はコイル部１０を断面で示した概略斜視図であり、（ｂ）は１つのトラック（例えばトラックＡ）に対応する部分の径方向断面略図である。１つのトラック（例えばトラックＡ）のコイル部１０においては、円周方向（トラック方向）に所定間隔（例えば（ｂ）に示すように１８０度の間隔）で複数の（例では２つの）鉄心コア１６ａ１，１６ａ２が配置され、それぞれにコイル１０ａ１，１０ａ２が配置される。鉄心コア１６ａ１，１６ａ２の端部から外筒部１１及び内筒部１２の径方向に向かって各コイル１０ａ１，１０ａ２による磁束が生じる。外筒部１１の開口窓２１ａの円周方向の長さが各鉄心コア１６ａ１，１６ａ２の長さｗに略対応しており、かつ、図示のように一方の鉄心コア１６ａ１の端部が開口窓２１ａに完全に重なるときに他方の鉄心コア１６ａ２の端部が開口窓２１ａに完全に重ならないような関係となるように、複数の開口窓２１ａの配置パターンが決定される。すなわち、外筒部１１の回転位置がどのような位置であっても、鉄心コア１６ａ１及び１６ａ２の開口窓２１ａに対する重なりの合計量が一定であるようになっている。よって、図８の例における２つのコイル１０ａ１，１０ａ２の出力を加算合計した信号は、図１の例における１つのコイル１０ａの出力と同じ特性を示す。こうして、図８の例におけるトラックＡの２つのコイル１０ａ１，１０ａ２の出力の加算合計信号は、図１の例におけるコイル１０ａの出力信号Ｖａと同様に、外筒部１１と内筒部１２の相対回転位置に応じた開口窓２１ａと非磁性窓２２ａとの重なり具合に対応するものとなる。
【００３４】
他のトラックＢ〜Ｄも、同様に、鉄心コアに巻設された２個のコイル１０ｂ１，１０ｂ２、１０ｃ１，１０ｃ２、１０ｄ１，１０ｄ２でコイル部が構成され、各２つのコイルの出力を加算合計した信号が、各トラックＢ〜Ｄの検出出力信号Ｖｂ〜Ｖｄとなる。各トラックＡ〜Ｄの検出出力信号Ｖａ〜Ｖｄの処理の仕方は、前述の実施例と同様である。
なお、図８（ａ）では、図示の便宜上、各トラックＡ〜Ｄのコイルが同じ機械角で配置されている（軸方向にそろっている）ように示されているが、これに限らず、それぞれ任意の関係であってよい。
【００３５】
また、１トラックにおける鉄心コアつまりコイルの数は２個に限らず、それ以上の偶数個であってもよい。その場合、同相のコイル（例えば１０ａ１と同じ関係のコイル）を円周上で等間隔に配置するとよい。そうすれば、コイルを配置した鉄心コアの回転中心からの芯ずれがあっても、それによる誤差を同相加算によって相殺することができる。図９はその一例を示すためのもので、トラックＡに対応する部分の径方向断面略図である。コイル１０ａ１と外筒部１１の開口窓２１ａとの関係と、コイル１０ａ１’と外筒部１１の開口窓２１ａとの関係とが、同相であり、コイル１０ａ１に対してコイル１０ａ１’は１８０度対称位置に配置されている。また、コイル１０ａ２と外筒部１１の開口窓２１ａとの関係と、コイル１０ａ２’と外筒部１１の開口窓２１ａとの関係とが、同相であり、コイル１０ａ２に対してコイル１０ａ２’は１８０度対称位置に配置されている。図９の例では、外筒部１１の開口窓２１ａに対する関係が同相であるコイルが２個設けられているが、これは３個以上であってもよい。同相コイルが３個の場合は、各コイルの配置間隔は１２０度とする。それに合わせて、開口窓２１ａの長さｗ及び数は、適宜に設計される。
図８、図９に示されたようなコイルの配置構造によれば、コイルの磁束が、その内側の筒部の表面を通り易くなるので、中心寄りに磁性体製のトーションバーが存在していても、その影響を受けにくいというメリットがある。よって、図７に示したような反磁性金属製筒体１４を挿入する必要性が薄れる。
【００３６】
（７）第２実施例の変形例
図８の変形例として、サイン相のトラックＡとマイナスサイン相のトラックＣにおける外筒部１１及び内筒部１２の窓配列を共通化し、また、コサイン相のトラックＢとマイナスコサイン相のトラックＤにおける外筒部１１及び内筒部１２の窓配列を共通化することができる。図１０はその一例を示す。図１０の（ａ）に示すように、外筒部１１は、見かけ上、トラックＡに対応する開口窓２１ａの列と、トラックＢに対応する開口窓２１ｂの列とからなる２列構成である。内筒部１２も同様に、見かけ上、トラックＡに対応する非磁性窓２２ａの列と、トラックＢに対応する非磁性窓２２ｂの列とからなる２列構成である。図１０の（ｂ）はトラックＡに対応する部分の径方向断面略図、（ｃ）トラックＢに対応する部分の径方向断面略図、である。
【００３７】
図１０（ｂ）に示すように、トラックＡに対応するコイル１０ａ１，１０ａ２と同一円周上に、トラックＣに対応するコイル１０ｃ１，１０ｃ２が配置される。この場合、コイル１０ａ１に対する外筒部１１の開口窓２１ａの対応関係と、コイル１０ｃ１に対する外筒部１１の開口窓２１ａの対応関係とが、逆相となり、サインとマイナスサインの関係が満たされている。また、前述の通り、コイル１０ａ１に対する外筒部１１の開口窓２１ａの対応関係と、コイル１０ａ２に対する外筒部１１の開口窓２１ａの対応関係も逆相とされ、同様に、コイル１０ｃ１に対する外筒部１１の開口窓２１ａの対応関係と、コイル１０ｃ２に対する外筒部１１の開口窓２１ａの対応関係も逆相とされる。勿論、コイル１０ａ１，１０ａ２の出力が加算合計されてトラックＡに対応する出力信号Ｖａが得られ、コイル１０ｃ１，１０ｃ２の出力が加算合計されてトラックＣに対応する出力信号Ｖｃが得られる。
【００３８】
同様に、図１０（ｃ）に示すように、トラックＢに対応するコイル１０ｂ１，１０ｂ２と同一円周上に、トラックＤに対応するコイル１０ｄ１，１０ｄ２が配置される。この場合、コイル１０ｂ１に対する外筒部１１の開口窓２１ｂの対応関係と、コイル１０ｄ１に対する外筒部１１の開口窓２１ｂの対応関係とが、逆相となり、コサインとマイナスコサインの関係が満たされている。また、前述の通り、コイル１０ｂ１に対する外筒部１１の開口窓２１ｂの対応関係と、コイル１ｂａ２に対する外筒部１１の開口窓２１ｂの対応関係も逆相とされ、同様に、コイル１０ｄ１に対する外筒部１１の開口窓２１ｂの対応関係と、コイル１０ｄ２に対する外筒部１１の開口窓２１ｂの対応関係も逆相とされる。勿論、コイル１０ｂ１，１０ｂ２の出力が加算合計されてトラックＢに対応する出力信号Ｖｂが得られ、コイル１０ｄ１，１０ｄ２の出力が加算合計されてトラックＤに対応する出力信号Ｖｄが得られる。
【００３９】
（８）第３の実施例
本発明の第３の実施例に係る相対回転位置検出装置は、二重系のアナログ電圧検出方式のみを採用し、位相検出方式は採用しないタイプのものである。この第３の実施例に係る相対回転位置検出装置の外観斜視図は、概ね図１あるいは図８と同様であってよいため、図示を省略し、図１あるいは図８を援用する。図１１は、この第３の実施例に係る相対回転位置検出装置における外筒部１１の開口窓２３ａ〜２３ｄの各トラックＡ〜Ｄ毎の配置パターン例と、内筒部１２の非磁性窓２４ａ〜２４ｄの各トラックＡ〜Ｄ毎の配置パターン例とを示す展開図である。トラックＡ及びＢの開口窓２３ａ，２３ｂの長さはｗであり、トラックＣ及びＤの開口窓２３ｃ，２３ｄの長さは略ｗ／２である。内筒部１２の各非磁性窓２４ａ〜２４ｄの長さはｗである。この例でも、１つの開口窓２３ａの長さｗの半分の長さｗ／２が相対回転可能範囲つまり検出対象範囲であるとしている。トラックＣ及びＤの開口窓２３ｃ，２３ｄの長さは略ｗ／２であるのに対して、それに対応する内筒部１２の非磁性窓２４ｃ，２４ｄの長さはｗであるが故に、検出対象範囲であるｗ／２の幅全体にわたって、トラックＣ及びＤのコイル１０ｃ，１０ｄのインピーダンスは変化しない。
【００４０】
図１１における各トラック毎の外筒部１１の開口窓２３ａ〜２３ｄと内筒部１２の非磁性窓２４ａ〜２４ｄの対応関係は、例えば、相対回転位置が最左位置のときの状態を示している。この場合は、トラックＡについては、長さｗの外筒部１１の開口窓２３ａと長さｗの内筒部１２の非磁性窓２４ａは全く重なっておらず、コイル１０ａのインピダンスは最大である。この位置から相対回転位置が最右位置に向かうにつれて、外筒部１１の開口窓２３ａと内筒部１２の非磁性窓２４ａの重なり面積が増し、最右位置では開口窓２３ａの半分が非磁性窓２４ａの半分に重なる。これによって、相対回転位置が最左位置から最右位置まで変化する間で、最大値から中間値まで変化する。
一方、トラックＣについては、相対回転位置が図示の最左位置のとき、ｗ／２の長さの外筒部１１の開口窓２３ｃが、ｗの長さの内筒部１２の非磁性窓２４ｃの半分に重なることで、ｗ／２の長さの開口窓２３ｃがすべて非磁性窓２４ｃに重なり、コイル１０ｃのインピダンスは最小値である。この位置から相対回転位置が最右位置に向かうにつれても、ｗ／２の長さの外筒部１１の開口窓２３ａはｗの長さの内筒部１２の非磁性窓２４ａの中を移動するだけであり、コイル１０ｃのインピダンスは最小値を維持する。
【００４１】
また、トラックＢについては、相対回転位置が図示の最左位置のとき、ｗの長さの外筒部１１の開口窓２３ｂの半分がｗの長さの内筒部１２の非磁性窓２４ｂの半分に重なっており、コイル１０ｂのインピダンスは中間値である。この位置から相対回転位置が最右位置に向かうにつれて、外筒部１１の開口窓２３ｂと内筒部１２の非磁性窓２４ｂの重なり面積が減少し、最右位置では開口窓２３ｂは非磁性窓２４ｂとまったく重ならない。これによって、相対回転位置が最左位置から最右位置まで変化する間で、中間値から最大値まで変化する。
一方、トラックＤについては、相対回転位置が図示の最左位置のとき、ｗ／２の長さの外筒部１１の開口窓２３ｄが、Ｗの長さの内筒部１２の非磁性窓２４ｄの半分に重なることで、ｗ／２の長さの開口窓２３ｃがすべて非磁性窓２４ｃに重なり、コイル１０ｄのインピダンスは最小値である。この位置から相対回転位置が最右位置に向かうにつれても、ｗ／２の長さの外筒部１１の開口窓２３ｄはｗの長さの内筒部１２の非磁性窓２４ｄの中を移動するだけであり、コイル１０ｄのインピダンスは最小値を維持する。
【００４２】
図１２（ａ）は、図１１に示した第３の実施例における回路例を示し、トラックＡのコイル１０ａとトラックＣのコイル１０ｃを直列接続し、その接続点から第１系列の出力信号Ｖ（ｘ）ｓｉｎωｔを出力する。また、トラックＢのコイル１０ｂとトラックＤのコイル１０ｄを直列接続し、その接続点から第２系列の出力信号Ｖ（−ｘ）ｓｉｎωｔを出力する。第１系列の出力信号Ｖ（ｘ）ｓｉｎωｔは、下記のように、トラックＡのコイル１０ａのインピーダンスに応じた電圧ＶａとトラックＣのコイル１０ｃのインピーダンスに応じた電圧Ｖｃとの比に相当する振幅レベルを持つ。同様に、第２系列の出力信号Ｖ（−ｘ）ｓｉｎωｔは、トラックＢのコイル１０ｂのインピーダンスに応じた電圧ＶｂとトラックＤのコイル１０ｄのインピーダンスに応じた電圧Ｖｄとの比に相当する振幅レベルを持つ。上述から明らかなように、Ｖａ，Ｖｂが相対回転位置の変化に応じた可変値、Ｖｃ，Ｖｄが一定値である。
Ｖ（ｘ）ｓｉｎωｔ＝［Ｖａ／（Ｖａ＋Ｖｃ）］ｓｉｎωｔ
Ｖ（−ｘ）ｓｉｎωｔ＝［Ｖｂ／（Ｖｂ＋Ｖｄ）］ｓｉｎωｔ
このように、出力信号Ｖ（ｘ）ｓｉｎωｔの振幅レベルが２つのコイル１０ａ，１０ｃのインピーダンスの比で表わされることにより、コイルインピーダンスの温度ドリフト誤差を解消した出力信号を得ることができる。出力信号Ｖ（−ｘ）ｓｉｎωｔの場合も同様に、コイルインピーダンスの温度ドリフト誤差を解消したものとなっている。
【００４３】
各系列の出力信号Ｖ（ｘ）ｓｉｎωｔ，Ｖ（−ｘ）ｓｉｎωｔは、それぞれ整流器３８、３９で整流され、検出対象たる相対回転位置を示すアナログ出力電圧Ｖ（ｘ）、Ｖ（−ｘ）を得る。このアナログ出力電圧Ｖ（ｘ）、Ｖ（−ｘ）の一例を示すと図１２（ｂ）のようである。一方の系列（トラックＡ及びＣの比の系列）のアナログ出力電圧Ｖ（ｘ）の変化特性に対して、他方の系列（トラックＢ及びＤの比の系列）のアナログ出力電圧Ｖ（−ｘ）の変化特性は、逆特性を示す。こうして、検出対象たる相対回転位置に応じた二重系の出力信号を得ることができ、自動車のステアリング軸のトルクセンサとして使用する場合の安全基準を満たすことができる。アナログ出力電圧Ｖ（ｘ）、Ｖ（−ｘ）を更にディジタル信号に変換して利用してもよいことは、前述と同様である。勿論、この第３の実施例においても、外筒部１１の開口窓と内筒部１２の非磁性窓の配置パターンは、図１１に示したものに限らず、上記のような逆特性の二重系の出力信号Ｖ（ｘ）、Ｖ（−ｘ）を最終的に得ることができるものであればよく、様々な変形があり得る。
【００４４】
（９）第３の実施例の変形例
上記第３の実施例の変形例として、外筒部１１及び内筒部１２の窓配列を２トラック構成とする例を図１３に示す。図１３の（ａ）はコイル部を断面で示す概略斜視図、（ｂ）は外筒部１１及び内筒部１２の展開図、（ｃ）は回路図である。図１３に示すように、外筒部１１は、見かけ上、トラックＡに対応する開口窓２５ａの列と、トラックＣに対応する開口窓２５ｃの列とからなる２列構成である。内筒部１２も同様に、見かけ上、トラックＡに対応する非磁性窓２６ａの列と、トラックＣに対応する非磁性窓２６ｃの列とからなる２列構成である。トラックＡに対応するコイル１０ａと同一円周上にトラックＤに対応するコイル１０ｄが配置され、トラックＣに対応するコイル１０ｃと同一円周上にトラックＢに対応するコイル１０ｂが配置される。
【００４５】
図１３（ｂ）の展開図は、例えば、相対回転位置が最左位置のときの状態を示しているものとする。この場合は、トラックＡについては、長さｗの外筒部１１の開口窓２５ａと長さｗの内筒部１２の非磁性窓２６ａは全く重なっておらず、コイル１０ａのインピダンスは最大である。この位置から相対回転位置が最右位置に向かうにつれて、外筒部１１の開口窓２５ａと内筒部１２の非磁性窓２６ａの重なり面積が増し、最右位置では開口窓２５ａの半分が非磁性窓２６ａの半分に重なる。これによって、相対回転位置が最左位置から最右位置まで変化する間で、最大値から中間値まで変化する。
一方、トラックＣについては、相対回転位置が図示の最左位置のとき、ｗの長さの外筒部１１の開口窓２５ｃの半分が、ｗの長さの内筒部１２の非磁性窓２６ｃの半分に重なることで、コイル１０ｃのインピダンスは中間値である。この位置から相対回転位置が最右位置に向かうにつれて、外筒部１１の開口窓２５ｃと内筒部１２の非磁性窓２６ｃとの重なり面積が増し、最右位置では開口窓２５ｃの全部が非磁性窓２６ｃに重なる。これによって、相対回転位置が最左位置から最右位置まで変化する間で、中間値から最小値まで変化する。
コイル１０ａと同じ位置に配置されたトラックＤのコイル１０ｄのインピーダンスは、相対回転位置が最左位置から最右位置まで変化する間で、最大値から中間値まで変化する。また、コイル１０ｃと同じ位置に配置されたトラックＢのコイル１０ｂのインピーダンスは、相対回転位置が最左位置から最右位置まで変化する間で、中間値から最小値まで変化する。
【００４６】
図１３（ｃ）に示すように、コイル１０ａと１０ｃとが差動接続され、その出力信号が整流器３８で整流される。また、コイル１０ｂと１０ｄとが差動接続され、その出力信号が整流器３９で整流される。これによって、コイル１０ａと１０ｃの差動出力信号Ｖ（ｙ）に対して、コイル１０ｂと１０ｄの差動出力信号Ｖ（−ｙ）が、図１３（ｄ）に示すように逆特性の関係となり、二重系の出力信号が得られる。また、コイルの差動接続によってコイルインピーダンスの温度ドリフト誤差が除去される。
【００４７】
（４）第４の実施例
図１に示された実施例のように、リング状のコイル１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄを隣接して配置する構成においては、コイル間のクロストーク若しくは干渉の問題が生じるおそれがある。磁性または反磁性体からなる磁気シールド用のケーシング１３ａ〜１３ｄは、そのようなクロストーク若しくは干渉の問題を解消するための手段である。これに似てはいるが、別の手段としては、相互干渉が問題とされないトラック同士を隣接させて配置するやり方である。すなわち、トラックＡとＣはクロストーク若しくは干渉が問題とならないので、トラックＡとＣを隣接して配置し、それぞれに対応するコイル１０ａ，１０ｃは、磁性または反磁性体からなる磁気シールド用の共通のケーシング内に納める。また、トラックＢとＤはクロストーク若しくは干渉が問題とならないので、トラックＢとＤを隣接して配置し、それぞれに対応するコイル１０ｂ，１０ｄは、磁性または反磁性体からなる磁気シールド用の共通のケーシング内に納める。ここで、第４の実施例として提案するやり方は、コイルの時分割的励磁によってクロストーク若しくは干渉の問題を解決しようとするものである。
【００４８】
図１４は、その一例を示す回路図で、トラックＡ，Ｃに対応するサイン相とマイナスサイン相のコイル１０ａ，１０ｃを１ペアとして、ドライバ４１から励磁交流信号ｓｉｎωｔを印加し、トラックＢ，Ｄに対応するコサイン相とマイナスコサイン相のコイル１０ｂ，１０ｄを別の１ペアとして、ドライバ４２から励磁交流信号ｓｉｎωｔを印加する構成からなる。デューティ比５０％の時分割制御パルスＴＤＭは、励磁交流信号ｓｉｎωｔの所定周期数に同期して“１”となり、次の所定周期数に同期して“０”となる。時分割制御パルスＴＤＭが“１”のとき、アナログスイッチ４３ａがオンしてドライバ４１をオンとし、励磁交流信号ｓｉｎωｔに応じた励磁電流をトラックＡ，Ｃに対応するサイン相とマイナスサイン相のコイル１０ａ，１０ｃのペアに印加する。このとき、トラックＢ，Ｄに対応するコサイン相とマイナスコサイン相のコイル１０ｂ，１０ｄには励磁交流が印加されない。よって、クロストーク若しくは干渉が起こらない。差動アンプ４５では、コイル１０ａの出力とコイル１０ｃの出力の差をとり、前述のｓｉｎθｓｉｎωｔに相当する信号を出力する。差動アンプ４５の出力側に設けられたアナログスイッチ４４ａは、時分割制御パルスＴＤＭが“１”のとき、アナログスイッチ４３ａに同期してオンとされ、差動アンプ４５の出力信号ｓｉｎθｓｉｎωｔを出力する。
【００４９】
一方、時分割制御パルスＴＤＭが“０”のとき、アナログスイッチ４３ｂがオンしてドライバ４２をオンとし、励磁交流信号ｓｉｎωｔに応じた励磁電流をトラックＢ，Ｄに対応するコサイン相とマイナスコサイン相のコイル１０ｂ，１０ｄペアに印加する。このとき、トラックＡ，Ｃに対応するサイン相とマイナスサイン相のコイル１０ａ，１０ｃには励磁交流が印加されない。よって、クロストーク若しくは干渉が起こらない。差動アンプ４６では、コイル１０ｂの出力とコイル１０ｃｄ出力の差をとり、前述のｃｏｓθｓｉｎωｔに相当する信号を出力する。差動アンプ４６の出力側に設けられたアナログスイッチ４４ｂは、時分割制御パルスＴＤＭが“０”のとき、アナログスイッチ４３ｂに同期してオンとされ、差動アンプ４６の出力信号ｃｏｓθｓｉｎωｔを出力する。
各アナログスイッチ４４ａ，４４ｂの出力信号ｓｉｎθｓｉｎωｔ，ｃｏｓθｓｉｎωｔは、図示を省略した整流器でそれぞれ整流することにより、相対回転位置に応じた２系列のアナログ出力電圧として利用することができる。このとき、対応するアナログスイッチがオフのタイムスロットでは、出力電圧を適宜ホールドしておけばよい。
【００５０】
各アナログスイッチ４４ａ，４４ｂの出力信号ｓｉｎθｓｉｎωｔ，ｃｏｓθｓｉｎωｔを位相検出方式で利用することも可能である。そのためには、対応するアナログスイッチがオンのタイムスロットでアナログバッファに出力信号ｓｉｎθｓｉｎωｔ，ｃｏｓθｓｉｎωｔの波形を取り込んでホールドしておき、対応するアナログスイッチがオフのタイムスロットでホールドされた波形を読み出すことにより、時間的に連続する出力信号ｓｉｎθｓｉｎωｔ，ｃｏｓθｓｉｎωｔを生成することが可能である。
【００５１】
更に、図１５は本発明の別の実施例を示すもので、（ａ）は概略斜視図、（ｂ）は外筒部及び内筒部の展開図である。この実施例においては、外筒部１１が、両側に非磁性及び非導電性のプラスチック等からなるリム５０，５１を有し、リム５０，５１に沿ってリング状の導電性物質が存在していない構成である。例えば、図１の例では、外筒部１１の構成は、導電性円筒にいくつかの開口窓２１ａ〜２１ｄを開けてなる構成であるため、例えば、両側にリング状の導電性材質が残り、これが１巻きタイプの簡易なコイルとして作用し、その部分で電流が流れる等の現象が起こり、検出精度に影響を及ぼすことがありうる。これに対して、図１５の例のように、外筒部１１の両側に非磁性及び非導電性のプラスチック等からなるリム５０，５１を配置して、該リム５０，５１によって複数の導電性帯１１１，１１２，１１３，１１４，…の端部を把持する組立体構造とし、リム５０，５１に沿うリング状の導電性部分が存在しないように構成すれば、外筒部１１の両側でのリング状の導電性物質の存在がなくなり、上記のような不都合が防止できる。コイル部１０の構成は図１と同様であってよい。
【００５２】
図１５（ｂ）の展開図に示すように、複数の導電性帯１１１，１１２，１１３，１１４，…は軸線に対して斜めに延びており、各導電性帯１１１，１１２，１１３，１１４，…の間の空間が開口窓２１１，２１２，２１３，…となっている。この場合、開口窓２１１，２１２，２１３，…は各トラックＡ〜Ｄに対応して分離されておらず、斜めに延びた開口窓２１１，２１２，２１３，…が、各トラックＡ〜Ｄに対応する位置で該トラックに対応する開口窓として機能する。よって、外筒部１１においては、両側のリム５０，５１以外の中間部分においても、リング状の導電性物質が存在していない。これによっても、検出精度が向上される。
一方、内筒部１２においては、非磁性窓２２１，２２２，２２３，…が軸方向に平行に延び、各トラックＡ〜Ｄに対して共通の位置で各々に対応する非磁性窓が配置されることになる。内筒部１２においても、リング上の導電体部分が形成されることのないように図示のように非磁性窓を形成するのが、検出精度を向上させる上ではよい。しかし、必須ではない。内筒部１２においては非磁性窓はめっき又はエッチング等の表面加工技術で形成可能であるため、組立体構造からなる外筒部１１で使用されたリム５０，５１に相当する結合部材は不要であるため、図示していない。もちろん、必要に応じて内筒部１２も両側にリムを設けた組立体構造としてもよい。
【００５３】
図示の状態では、コイル１０ａに対応するトラックＡにおいて、外筒部１１の開口窓２１１，２１２，…と内筒部１２の非磁性窓２２１，２２２，…との重なり具合が最大であり、コイル１０ｃに対応するトラックＣにおいて、外筒部１１の開口窓２１１，２１２，…と内筒部１２の非磁性窓２２１，２２２，…との重なり具合が最小である。よって、コイル１０ａに対応するトラックＡがサイン相であるとすると、コイル１０ｃに対応するトラックＣがマイナスサイン相に相当する。また、コイル１０ｂに対応するトラックＢにおいて、外筒部１１の開口窓２１１，２１２，…と内筒部１２の非磁性窓２２１，２２２，…との重なり具合が１／２であり、コサイン相に相当している。また、コイル１０ｄに対応するトラックＤにおいて、外筒部１１の開口窓２１１，２１２，…と内筒部１２の非磁性窓２２１，２２２，…との重なり具合が逆の１／２であり、マイナスコサイン相に相当している。
【００５４】
図１５の例では、外筒部１１の開口窓２１１，２１２，…を軸線に対して斜めに形成したが、これに限らず、内筒部１２の非磁性窓２２１，２２２，…の配置が軸線に対して斜めになるようにしてもよい。あるいは、両方の窓が互いに逆向きに軸線に対して斜めに形成されていてもよい。この開口窓２１１，２１２，…の配列の傾き角度等は、適宜に設計変更される。要は、各コイル１０ａ〜１０ｄのインピーダンスが、所定の範囲の相対回転位置に応じて所定の範囲（９０度未満）のサイン、コサイン、マイナスサイン、マイナスコサインという関数特性で変化するようになっていればよい。図１５の実施例におけるコイル周辺の電気回路の構成は、既に述べたものと同様の構成を採用してよい。
【００５５】
図１あるいは図８，図１５等の実施例において、トラック数が４個であるが、それ以上設けてもよい。
また、図１５に示したような外筒部１１及び内筒部１２において導電体のリングが形成されるようことのないように構造を工夫することは、４トラック構造タイプのものに限らず、図１１や図１３に示したような２トラック構造タイプのものにも適用可能であるのはもちろんである。
【００５６】
【発明の効果】
以上の通り、本発明によれば、検出対象たる相対回転位置に応じて相対変位する開口窓と非磁性窓との組み合わせからなる系列を４系列具えてなる構造であるから、温度ドリフト特性を補償して正確な検出を可能にすることができ、また、安全対策上好ましい二重系の検出出力を得るように構成することができる。また、位相検出方式と電圧検出方式のどちらでも採用できるように構成することができ、使い勝手がよい。特に位相検出方式を採用することで、コイルインピーダンスに限らず、鉄損又はうず電流損の温度ドリフト誤差も解消することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係る相対回転位置検出装置の第１の実施例を示す一部断面斜視図。
【図２】 図１における各トラック毎の外筒部の開口窓と内筒部の非磁性窓の配置パターンの一例を示す展開図。
【図３】 図１における各トラック毎の外筒部及び内筒部の各窓の相関関係を相対回転位置に応じて例示する説明図。
【図４】 図１に示された相対位置検出装置に適用可能な電気回路例を示す図。
【図５】 （ａ）は図１の各コイルに生じる電圧をθ成分についてのみ模式的に示すグラフ、（ｂ）はサイン相に対応する２つのトラックの合成出力例及びコサイン相に対応する２つのトラックの合成出力例を示すグラフ。
【図６】 図１における各トラック毎の外筒部の開口窓と内筒部の非磁性窓の配置パターンの別の例を示す展開図。
【図７】 図１の実施例の変形例を示す一部断面斜視図。
【図８】 本発明に係る相対回転位置検出装置の第２の実施例を示す一部断面斜視図。
【図９】 図８の変形例を示すもので、１トラックに対応する部分の径方向断面略図。
【図１０】 図８の別の変形例として２トラック構成の検出装置を示す図。
【図１１】 本発明に係る相対回転位置検出装置の第３の実施例を示すための図で、外筒部の開口窓と内筒部の非磁性窓の配置パターンの展開図。
【図１２】 図１１の実施例に適用される回路例を示す図。
【図１３】 図１１の変形例として２トラック構成の検出装置を示す図。
【図１４】 本発明に係る相対回転位置検出装置の第４の実施例として、時分割励磁方式を採用する場合の回路構成例を示す図。
【図１５】 本発明に係る相対回転位置検出装置の更に別の実施例を示す概略斜視図及び展開略図。
【符号の説明】
１ 第１の軸
２ 第２の軸
３ トーションバー
１０ コイル部
１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ コイル
１１ 外筒部
１２ 内筒部
１３ コイルのケース
１４ 反磁性金属製筒体
２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄ 開口窓
２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄ 非磁性窓
３１，３２ 演算器
１６ａ１，１６ａ２ 鉄心コア
４１，４２ ドライバ
４３ａ，４３ｂ，４４ａ，４４ｂ アナログスイッチ

Claims (18)

1. 相対的に回転可能な第１及び第２の軸の相対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の軸と共に回転し、第１乃至第４系列の開口窓パターンを持つ磁気遮蔽物質又は反磁性体からなる外筒部と、
   前記外筒部内に挿入され、前記第２の軸と共に回転し、第１乃至第４系列の非磁性窓パターンを持つ磁性体からなる内筒部と、
   前記第１乃至第４系列にそれぞれ対応して設けられ、所定の交流信号で励磁される第１乃至第４のコイルと
   を具備し、各系列毎に前記開口窓パターンと前記非磁性窓パターンの配列が重複するように配置され、所定範囲にわたる相対回転位置に応じて各系列における開口窓と非磁性窓との重なり具合が変化し、第１系列における重なり具合の変化に対して第２系列における重なり具合の変化が差動特性を示し、第３系列における重なり具合の変化に対して第４系列における重なり具合の変化が差動特性を示し、第１及び第２系列の変化に対して第３及び第４系列の変化が所定のずれを示すように前記各系列の開口窓と非磁性窓の配置が設定されており、各系列に対応する前記コイルは各系列における前記開口窓と非磁性窓の重なり具合に応じたインピーダンスを示すことを特徴とする相対回転位置検出装置。
2. 前記第１系列に対応する第１のコイルの出力と前記第２系列に対応する第２のコイルの出力との差をとることで第１の交流出力信号を生成し、
   前記第３系列に対応する第３のコイルの出力と前記第４系列に対応する第４のコイルの出力との差をとることで第２の交流出力信号を生成し、
   前記第１及び第２の交流出力信号の振幅が前記所定範囲にわたる相対回転位置に応じて所定の異なる特性で変化するように前記各系列の開口窓と非磁性窓の配置が設定されていることを特徴とする請求項１に記載の相対回転位置検出装置。
3. 前記第１及び第２の交流出力信号の振幅が前記所定範囲にわたる相対回転位置に応じて逆特性で変化するように前記パターンの配置が決定されていることを特徴とする請求項２に記載の相対回転位置検出装置。
4. 前記第１及び第２の交流出力信号を合成して前記相対回転位置に応じた位相を示す交流信号を生成する第１回路と、
   前記第１及び第２の交流出力信号の一方を選択する第２回路と
   を更に具備し、前記第１回路で得た前記相対回転位置に応じた位相を示す交流信号に基づき前記相対的回転位置を検出することと、前記第２回路で得た第１及び第２の交流出力信号のうち選択された交流出力信号の振幅レベルに基づき前記相対回転位置を検出すること、のどちらでも可能であることを特徴とする請求項２又は３に記載の相対回転位置検出装置。
5. 前記第１及び第２の交流出力信号の一方に異常が生じた場合に、前記第２回路で異常が生じていない方の前記交流出力信号を選択し、選択された交流出力信号の振幅レベルに基づき前記相対回転位置を検出することが可能である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。
6. 前記第１系列に対応する第１のコイルの出力と前記第２系列に対応する第２のコイルの出力との比をとることで第１の交流出力信号を生成し、
   前記第３系列に対応する第３のコイルの出力と前記第４系列に対応する第４のコイルの出力との比をとることで第２の交流出力信号を生成し、
   前記第１及び第２の交流出力信号の振幅が前記所定範囲にわたる相対回転位置に応じて所定の異なる特性で変化するように前記各系列の開口窓と非磁性窓の配置が設定されていることを特徴とする請求項１に記載の相対回転位置検出装置。
7. 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ことで、該トーションバーに負荷されるトルクを検出するトルクセンサとして機能する請求項１乃至６のいずれかに記載の相対回転位置検出装置。
8. 前記外筒部及び内筒部が前記トーションバーの周囲に配置され、前記内筒部と前記トーションバーとの間に磁気遮蔽物質又は反磁性体からなる筒部が更に設けられていることを特徴とする請求項７に記載の相対回転位置検出装置。
9. 前記各系列のコイルは、前記外筒部の外周においてリング状に設けられている請求項１乃至８のいずれかに記載の相対回転位置検出装置。
10. １つの前記系列につき少なくとも２つのコイルが設けられ、該少なくとも２つのコイルは、前記外筒部の外周において所定角度をおいて離隔して配置された少なくとも２つの磁性体コアにそれぞれ嵌め込まれており、該磁性体コアの端面が空隙を介して前記外筒部の外周面に対向し、１つの系列における前記磁性体コアの端面と前記外筒部の開口窓との重なりの面積の合計が相対回転位置にかかわらず常に一定であることを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の相対回転位置検出装置。
11. 前記内筒部の非磁性窓は、開口窓からなる請求項１乃至１０のいずれかに記載の相対回転位置検出装置。
12. 前記内筒部の非磁性窓は、所定の磁気遮蔽物質又は反磁性体からなる請求項１乃至１０のいずれかに記載の相対回転位置検出装置。
13. 前記内筒部の非磁性窓は、磁性体からなる前記内筒部の基部に所定の磁気遮蔽物質又は反磁性体を所定の配置パターンで付着させることで形成されたものである請求項１２に記載の相対回転位置検出装置。
14. 磁性体からなる前記内筒部の基部に所定の磁気遮蔽物質又は反磁性体をめっきし、その後エッチングによって不要部分を除去することで、所定の磁気遮蔽物質又は反磁性体を所定の配置パターンで付着させてなる前記非磁性窓を形成するようにした請求項１３に記載の相対回転位置検出装置。
15. 磁気遮蔽物質又は反磁性体からなる前記内筒部の基部に磁性体を所定の配置パターンで付着させることで、該磁性体が付着されていない箇所が前記内筒部の非磁性窓として形成されることを特徴とする請求項１２に記載の相対回転位置検出装置。
16. 相対的に回転可能な第１及び第２の軸の相対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の軸と共に回転し、第１及び第２系列の開口窓パターンを持つ磁気遮蔽物質又は反磁性体からなる外筒部と、
    前記外筒部内に挿入され、前記第２の軸と共に回転し、第１及び第２系列の非磁性窓パターンを持つ磁性体からなる内筒部と、
    前記第１及び第２系列に対応して１系列につきそれぞれ少なくとも２つのコイルを設けてなり、所定の交流信号で励磁されるコイル部と
    を具備し、各系列毎に前記開口窓パターンと前記非磁性窓パターンの配列が重複するように配置され、所定範囲にわたる相対回転位置に応じて各系列における開口窓と非磁性窓との重なり具合が変化し、第１系列における重なり具合の変化に対して第２系列における重なり具合の変化が所定のずれを示すように前記各系列の開口窓と非磁性窓の配置が設定されており、各系列に対応する前記コイルは各系列における前記開口窓と非磁性窓の重なり具合に応じたインピーダンスを示し、
    前記外筒部における前記磁気遮蔽物質又は反磁性体は導電性物質からなり、該外筒部の少なくとも軸方向両端部において導電性物質のリングが形成されることのないように構成されていることを特徴とする相対回転位置検出装置。
17. 前記各コイルを少なくとも２つのグループに分けて時分割的に交流励磁することを特徴とする請求項１乃至１６のいずれかに記載の相対回転位置検出装置。
18. 前記外筒部における前記磁気遮蔽物質又は反磁性体は導電性物質からなり、該外筒部の少なくとも軸方向両端部において導電性物質のリングが形成されることのないように構成されていることを特徴とする請求項１乃至１５のいずれかに記載の相対回転位置検出装置。

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