JP5803428B2 - 回転センサ、及び回転角検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、ロータの回転角に応じた３相の信号を出力する回転センサ、及び同回転センサを用いた回転角検出装置に関する。

従来、車両のパワーステアリング装置では、ステアリングシャフトや電動モータに回転角検出装置が設けられている。図１２に、ステアリングシャフトなどの回転軸の回転角を検出する回転角検出装置の一例を示す。

図１２に示すように、この回転角検出装置は、回転軸１の回転角に応じた３相の電圧信号Ｖａ〜Ｖｃを出力する回転センサとしてのレゾルバ２と、レゾルバ２の出力信号Ｖａ〜Ｖｃに基づき回転軸１の回転角を検出する制御部３とを備えている。なおここでは、レゾルバ２の軸倍角が「１倍」に設定されている場合について例示している。

レゾルバ２は、回転軸１と一体となって回転する磁性体からなるロータ２０と、励磁コイル２２及び第１〜第３のレゾルバコイル２３〜２５を有してロータ２０と所定の間隙を隔てて配置されるステータ２１とにより構成されている。第１〜第３のレゾルバコイル２３〜２５は、ロータ２０の回転中心Ｏを中心としてその周方向（図中の矢印Ｒ１で示す方向）に電気角の位相で１２０°の間隔を隔てて配置されている。レゾルバコイル２３〜２５は、それぞれの一端同士が電気的に接続されるとともに、それぞれの他端が信号線２３ａ〜２５ａを介して出力端子Ｔａ〜Ｔｃに電気的にそれぞれ接続されている。また、励磁コイル２２は、回転角検出装置に設けられた発振回路４からの交流電圧の供給に基づき交番磁界を生成する。そして、このレゾルバ２では、励磁コイル２２にて生成される交番磁界がロータ２０を介して第１〜第３のレゾルバコイル２３〜２５に付与されることで、電磁誘導作用により第１〜第３のレゾルバコイル２３〜２５にロータ２０の回転角（電気角）θｅに対して振幅が正弦波状に変化する以下の（ａ１）〜（ａ３）に示す電圧が誘起される。なおここでは、発振回路４から励磁コイル２２に交流電圧Ｖｒ（＝Ｅ×ｓｉｎ（ωｔ））が印加されているとしている（但し、「Ｅ」は振幅、「ω」は角周波数、「ｔ」は時刻）。また、「Ｋ」は変圧比を示す。

（ａ１）第１のレゾルバコイル２３には、電圧Ｖａ（＝Ｋ×Ｅ×ｓｉｎ（θｅ）×ｓｉｎ（ωｔ））が誘起される。
（ａ２）第２のレゾルバコイル２４には、電圧Ｖｂ（＝Ｋ×Ｅ×ｓｉｎ（θｅ＋１２０°）×ｓｉｎ（ωｔ））が誘起される。

（ａ３）第３のレゾルバコイル２５には、電圧Ｖｃ（＝Ｋ×Ｅ×ｓｉｎ（θｅ＋２４０°）×ｓｉｎ（ωｔ））が誘起される。
そして、これら第１〜第３のレゾルバコイル２３〜２５に誘起される電圧Ｖａ〜Ｖｃがレゾルバ２の出力端子Ｔａ〜Ｔｃからそれぞれ出力されて制御部３に取り込まれる。

制御部３は、レゾルバ２の出力信号Ｖａ〜Ｖｃからそれらの振幅成分を抽出する信号処理を実行する。これにより、制御部３は、出力信号Ｖａからその振幅値Ｓａ（＝Ｋ×Ｅ×ｓｉｎ（θｅ））を取得する。また、出力信号Ｖｂからその振幅値Ｓｂ（＝Ｋ×Ｅ×ｓｉｎ（θｅ＋１２０°））を取得する。さらに、出力信号Ｖｃからその振幅値Ｓｃ（＝Ｋ×Ｅ×ｓｉｎ（θｅ＋２４０°））を取得する。図１３は、出力信号振幅値Ｓａ〜Ｓｃとロータ２０の機械角θとの関係を、それぞれ縦軸及び横軸にとって示したグラフである。なお、図１３では、レゾルバ２の軸倍角が「４Ｘ」、励磁コイル２２に印加される交流電圧Ｖｒのピーク間の電位差Ｖｐｐ（＝２×Ｅ）が「４［Ｖ］」、変圧比Ｋが「０．２」に設定されている場合について例示している。そして、制御部３は、図１３に例示するように変化する出力信号振幅値Ｓａ〜Ｓｃから以下に示す式（１）〜（３）を用いてロータ２０の電気角θｅを３通りの方法で演算する。ここでは、式（１）〜（３）のそれぞれの式から算出される電気角をθｅ１〜θｅ３としている。なお、式（１）〜式（３）は、出力信号振幅値Ｓａ〜Ｓｃを正弦値及び余弦値の関係にそれぞれ変換し、それらの逆正接値からロータ２０の電気角を演算する式となっている。

θｅ１＝ｔａｎ^−１（（√３×Ｓａ）／（−２×Ｓｂ−Ｓａ））・・・（１）
θｅ２＝ｔａｎ^−１（（√３×Ｓｂ）／（−２×Ｓｃ−Ｓｂ））−１２０°・・・（２）
θｅ３＝ｔａｎ^−１（（√３×Ｓｃ）／（−２×Ｓａ−Ｓｃ））−２４０°・・・（３）
なお、図１４は、式（１）〜式（３）により演算されるロータ２０の電気角θｅ１〜θｅ３とロータ２０の機械角θとの関係を、それぞれ縦軸及び横軸にとって示したグラフである。正常時、電気角θｅ１〜θｅ３は全て同じ値で推移する。制御部３は、このようにしてロータ２０の電気角θｅ１〜θｅ３、換言すれば回転軸１の電気角を検出する。

ところで、こうした回転角検出装置では、第１〜第３のレゾルバコイル２３〜２５の配線系に断線や天絡、地絡などの異常が生じると、レゾルバ２の出力信号Ｖａ〜Ｖｃが異常値を示すため、ロータ２０の電気角θｅ１〜θｅ３を適切に検出することができなくなるおそれがある。このため、第１〜第３のレゾルバコイル２３〜２５の配線系に断線などの異常が生じた場合には、これを的確に検出することが要求される。

そこで、従来の回転角検出装置では、例えば特許文献１に見られるように、上記出力信号振幅値Ｓａ〜Ｓｃの二乗和に基づいて異常を検出するようにしている。具体的には、出力信号振幅値Ｓａ〜Ｓｃの二乗和Ｓは以下の式（４）に示すように求められる。

Ｓ＝Ｖａ^２＋Ｖｂ^２＋Ｖｃ^２
＝（Ｋ×Ｖｐｐ／２）^２×（（ｓｉｎ（θｅ））^２＋（ｓｉｎ（θｅ＋１２０°））^２＋（ｓｉｎ（θｅ＋２４０°））^２）・・・（４）
ここで、ｓｉｎ（θｅ）、ｓｉｎ（θｅ＋１２０°）、及びｓｉｎ（θｅ＋２４０°）の間には以下の式（５）の関係が成り立つ。

（ｓｉｎ（θｅ））^２＋（ｓｉｎ（θｅ＋１２０°））^２＋（ｓｉｎ（θｅ＋２４０°））^２＝１．５・・・（５）
したがって、二乗和Ｓは以下の式（６）に示す固定値となる。

Ｓ＝１．５×（Ｋ×Ｖｐｐ／２）^２・・・（６）
このため、例えば励磁コイル２２に印加される交流電圧Ｖｒのピーク間の電位差Ｖｐｐが「４［Ｖ］」、変圧比Ｋが「０．２」にそれぞれ設定されている場合、二乗和Ｓは「０．２４」となる。

なお、式（６）は理想式であり、実際には検出誤差や演算誤差などに起因して二乗和Ｓ値にばらつきが生じる。このため、制御部３は、二乗和Ｓに対して、理論値「０．２４」よりも大きい上限閾値と、理論値「０．２４」よりも小さい下限閾値とを設定している。そして、二乗和Ｓが上限閾値以上になった場合、あるいは下限閾値以下になった場合には、レゾルバコイルの配線系に断線などの異常が発生したと判定する。これにより、レゾルバ２の出力信号Ｖａ〜Ｖｃの二乗和Ｓと閾値とを比較するだけで断線などの異常を検出することができるため、異常検出が容易となる。

特開２００６−１３８７７８号公報

ところで、レゾルバコイル２３〜２５の配線系に発生する異常としては、上述した断線や地絡などの他、例えばレゾルバコイル２３〜２５に対応する信号線２３ａ〜２５ａの短絡がある。そして、信号線２３ａ〜２５ａが短絡した場合、これを出力信号振幅値Ｓａ〜Ｓｃの二乗和Ｓに基づいて検出することは困難である。以下、その詳細を説明する。はじめに、図１２、図１５、及び図１６を参照して、信号線２３ａ〜２５ａが短絡したときに制御部３を通じて検出されるロータ２０の電気角について説明する。

図１２に二点差線で示すように、例えば第１のレゾルバコイル２３に対応する信号線２３ａと第２のレゾルバコイル２４に対応する信号線２４ａとが短絡したとする。この場合、レゾルバ２の出力端子Ｔａ，Ｔｂからそれぞれ出力される信号Ｖａ，Ｖｂは、第１及び第２のレゾルバコイル２３，２４にそれぞれ誘起される電圧の平均値となる。これにより、制御部３により検出される出力信号振幅値Ｓａ，Ｓｂの波形は、先の図１３に例示した形から図１５に示す形に変化する。このとき、制御部３により上記式（１）〜式（３）を用いて演算されるロータ２０の電気角θｅ１〜θｅ３は図１６に示すようになる。すなわち、演算電気角θｅ１〜θｅ３は、「３０°」及び「２１０°」のいずれかの値となって、実際のロータ２０の電気角と大きく異なる値となる。図１７（ａ）は、先の図１４に例示した正常時の演算電気角θｅ１から図１６に例示した信号線短絡異常時の演算電気角θｅ１を減算した電気角誤差Δθｄと、ロータの機械角θとの関係を、それぞれ縦軸及び横軸にとって示したグラフである。図１７（ａ）に示すように、信号線の短絡異常時に演算されるロータ２０の電気角と実際のロータ２０の電気角との間には、「−９０°」から「９０°」の範囲といった大きな誤差が生じることとなる。

一方、出力信号振幅値Ｓａ〜Ｓｃが先の図１５に示すように推移する場合、それらの二乗和Ｓは、図１７（ｂ）に示すように、ロータ２０の機械角θに対して正弦波状に推移する。ここで、二乗和Ｓの理論値「０．２４」に対して、その下限閾値Ｓｍｉｎが「０．１１７６（＝０．２４×０．７^２）」に、また上限閾値が「０．４０５６（＝０．２４×１．３^２）」に設定されているとする。なお、図１７（ｂ）では、便宜上、上限閾値の図示を割愛する。この場合、制御部３は、図１７（ｃ）に示すように、二乗和Ｓが下限閾値Ｓｍｉｎ以下の値であるときに異常を検出することができるのに対し、二乗和Ｓが下限閾値Ｓｍｉｎよりも大きい値であるときには異常を検出することができない。そして、制御部３は、二乗和Ｓが下限閾値Ｓｍｉｎ以下となるロータ２０の回転角範囲Ａ１〜Ａ９においてロータ２０の電気角θｅ１〜θｅ３を演算すると、これを正常な電気角として検出してしまう。したがって、制御部３により誤検出されるロータ２０の電気角と実際のロータ２０の電気角との誤差は、図１７（ｄ）に示すようになる。そして、例えばパワーステアリング装置において、こうした誤差の大きい電気角に基づいて電動モータの駆動が制御されると、電動モータの挙動が大きく変化するなどの不都合が生じるおそれがある。

なお、このような課題は、レゾルバに限らず、ロータの周方向に離間して配置される３つの磁界変化検出部からロータの回転角に応じた３相の信号が出力される回転センサにおいても共通する課題である。

本発明は、こうした実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、信号線の短絡異常をより的確に検出することのできる回転センサ、及び回転角検出装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、ロータの周方向に離間して配置される３つの磁界変化検出部と、これらの磁界変化検出部に付与する磁界を生成する磁界生成部とを有して、前記ロータの回転に伴い前記磁界生成部から前記磁界変化検出部に付与される磁界が変化することで前記ロータの回転角に応じて変化する３相の信号を出力する回転センサにおいて、前記３つの磁界変化検出部のうちの互いに隣り合うもの同士が前記ロータの回転中心を中心として同ロータの周方向にずれている角度をそれぞれ第１〜第３の分割角度とするとき、前記３つの磁界変化検出部は、前記第１〜第３の分割角度が全て異なるように配置されてなることを要旨とする。

この発明にあたって、発明者は種々の実験等を通じて次のことを新たに見いだした。すなわち、上記構成によれば、３つの磁界変化検出部に対応する３つの信号線のうちのいずれか２つの信号線が短絡したときに、回転センサの３相の出力信号から演算可能な３つのロータ電気角が互いに異なる値を示しやすくなる。このため、例えば第１〜第３の演算電気角のうちのいずれか２つの差分値を求めるなどすれば、求められた差分値に基づいて信号線の短絡異常をより的確に検出することが可能となる。

そしてこの場合、前記３つの磁界変化検出部は、それらのうちの第１の磁界変化検出部の位置と第２の磁界変化検出部の位置とが前記ロータの電気角の位相でその周方向にずれている角度をθａ、前記第１の磁界変化検出部と第３の磁界変化検出部とが前記ロータの電気角の位相でその周方向にずれている角度をθｂとするとき、次式
θｂ＝θａ×（１／４）
あるいは、次式
θｂ＝θａ×（１／４）＋１８０°
あるいは、次式
θｂ＝θａ×（３／４）
あるいは、次式
θｂ＝θａ×（３／４）＋１８０°を満たすように配置されているといった構成を採用することが有効であり、これにより、信号線の短絡異常をさらに的確に検出することが可能となる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の回転センサにおいて、前記角度θａが１２０°に設定されるとともに、前記角度θｂが２７０°に設定されていることを要旨とする。

同構成によれば、３つの磁界変化検出部をロータの周方向に分散して配置することができるため、例えば磁気ノイズなどの外乱が磁界変化検出部に及ぼす影響を軽減することができる。したがって、外乱に対する高い耐性を確保することが可能となる。

請求項３に記載の発明は、回転センサから出力される３相の信号に基づいてロータの電気角を検出する回転角検出装置において、前記回転センサとして請求項１又は請求項２に記載の回転センサを用いるとともに、前記回転センサから出力される３相の信号から演算可能な３つのロータ電気角を第１〜第３の演算電気角とするとき、これら第１〜第３の演算電気角のうちのいずれか２つの差分値に基づき前記回転センサの異常を検出する制御手段とを備えることを要旨とする。

同構成によれば、差分値を演算するだけで、回転センサの信号線の短絡異常を検出することができるため、制御手段の演算負担を軽減することができるようになる。

本発明にかかる回転センサ、及び回転角検出装置によれば、信号線の短絡異常をより的確に検出することができるようになる。

本発明にかかる回転角検出装置の一実施形態についてその構成を模式的に示すブロック図。 同実施形態の回転角検出装置により演算されるレゾルバ出力信号振幅値とロータの機械角との関係を示すグラフ。 同実施形態の回転角検出装置により演算される３つのロータ電気角とロータの機械角との関係を示すグラフ。 レゾルバの信号線の短絡時に同実施形態の回転角検出装置により演算されるレゾルバ出力信号振幅値とロータの機械角との関係を示すグラフ。 レゾルバの信号線の短絡時に同実施形態の回転角検出装置により演算される３つのロータ電気角とロータの機械角との関係を示すグラフ。 （ａ）〜（ｄ）は、同実施形態の回転角検出装置の動作例を示すタイミングチャート。 （ａ）及び（ｂ）は、同実施形態の回転角検出装置についてレゾルバの信号線の短絡異常を検出することのできないレゾルバコイルの配置例を模式的に示す図。 同実施形態の回転角検出装置について誤検出されるロータ電気角及び実際のロータ電気角の誤差と、ロータの機械角との関係を示すグラフ。 （ａ）及び（ｂ）は、同実施形態の回転角検出装置についてレゾルバの信号線の短絡異常の検出精度を最も高めることのできるレゾルバコイルの配置例を模式的に示す図。 本発明にかかる回転センサを利用した回転角検出装置についてその概略構成を模式的に示すブロック図。 同回転センサから出力される３相の信号とロータの機械角との関係を示すグラフ。 従来の回転角検出装置についてその構成を模式的に示すブロック図。 同従来の回転角検出装置により演算されるレゾルバ出力信号振幅値とロータの機械角との関係を示すグラフ。 同従来の回転角検出装置により演算される３つのロータ電気角とロータの機械角との関係を示すグラフ。 レゾルバの信号線の短絡時に同従来の回転角検出装置により演算されるレゾルバ出力信号振幅値とロータの機械角との関係を示すグラフ。 レゾルバの信号線の短絡時に同従来の回転角検出装置により演算される３つのロータ電気角とロータの機械角との関係を示すグラフ。 （ａ）〜（ｄ）は、同従来の回転角検出装置の動作例を示すタイミングチャート。

以下、本発明にかかる回転角検出装置の一実施形態について図１〜図９を参照して説明する。なお、本実施形態にかかる回転角検出装置は、例えば車両のステアリングシャフトなどの回転軸の回転角を検出するものである。はじめに、図１を参照して、本実施形態の回転角検出装置の概略構成について説明する。なお、図１に示す回転角検出装置も、回転軸１の回転角を検出するための構成は、先の図１２に例示した回転角検出装置と基本的に同様である。すなわち、この回転角検出装置も、回転軸１の回転角に応じてレゾルバ２から出力される３相の出力信号Ｖａ〜Ｖｃに基づいてロータ２０の回転角を検出する装置であり、その動作も基本的には先の図１２を参照して説明した通りである。なおここでも、レゾルバ２の軸倍角が「１Ｘ」に設定されている場合について例示している。また、図１において先の図１２に示した要素と同一の機能を有する要素には各々同一の符号を付しており、それらの要素についての重複する説明は割愛する。

図１に示すように、レゾルバ２のステータ２１には、第１のレゾルバコイル２３の位置を基準として、ロータ２０の回転中心Ｏを中心としてその周方向（図中の矢印Ｒ１で示す方向）に電気角の位相で「９０°」だけずれた位置に第２のレゾルバコイル２４が配置されている。また、第１のレゾルバコイル２３の位置を基準として、ロータ２０の回転中心Ｏを中心としてその周方向Ｒ１に電気角の位相で「２１０°」だけずれた位置に第３のレゾルバコイル２５が配置されている。これにより、第１〜第３のレゾルバコイル２３〜２５のうちの互いに隣り合うもの同士の位置が電気角の位相でロータ２０の周方向Ｒ１にずれている角度をそれぞれ第１〜第３の分割角度θ１〜θ３とするとき、第１の分割角度θ１が「９０°」、第２の分割角度θ２が「１２０°」、第３の分割角度θ３が「１５０°」となっている。このように、第１〜第３のレゾルバコイル２３〜２５は、第１〜第３の分割角度θ１〜θ３が全て異なるように配置されている。

そして、レゾルバ２では、励磁コイル２２において生成される交番磁束がロータ２０を介して磁界変化検出部としての第１〜第３のレゾルバコイル２３〜２５に付与されることで、電磁誘導作用により第１〜第３のレゾルバコイル２３〜２５にロータ２０の電気角θｅに応じた以下の（ｂ１）〜（ｂ３）に示す電圧が誘起される。なおここでは、発振回路４から励磁コイル２２に交流電圧Ｖｒ（＝Ｅ×ｓｉｎ（ωｔ））が印加されているとしている（但し、「Ｅ」は振幅、「ω」は角周波数、「ｔ」は時刻）。また、「Ｋ」は、励磁コイル２２と各レゾルバコイル２２〜２５との間の変圧比を示す。

（ｂ１）第１のレゾルバコイル２３には、電圧Ｖａ（＝Ｋ×Ｅ×ｓｉｎ（θｅ）×ｓｉｎ（ωｔ））が誘起される。
（ｂ２）第２のレゾルバコイル２４には、電圧Ｖｂ（＝Ｋ×Ｅ×ｓｉｎ（θｅ＋９０°）×ｓｉｎ（ωｔ））が誘起される。

（ｂ３）第３のレゾルバコイル２５には、電圧Ｖｃ（＝Ｋ×Ｅ×ｓｉｎ（θｅ＋２１０°）×ｓｉｎ（ωｔ））が誘起される。
一方、制御部（制御手段）３は、レゾルバ２の出力信号Ｖａ〜Ｖｃからそれらの振幅成分を抽出する信号処理を行う。これにより、制御部３は、出力信号Ｖａからその振幅値Ｓａ（＝Ｋ×Ｅ×ｓｉｎ（θｅ））を取得する。また、出力信号Ｖｂからその振幅値Ｓｂ（＝Ｋ×Ｅ×ｓｉｎ（θｅ＋９０°））を取得する。さらに、出力信号Ｖｃからその振幅値Ｓｃ（＝Ｋ×Ｅ×ｓｉｎ（θｅ＋２１０°））を取得する。図２は、出力信号振幅値Ｓａ〜Ｓｃとロータ２０の機械角θとの関係を、それぞれ縦軸及び横軸にとって示したグラフである。なお、図２では、レゾルバ２の軸倍角が「４Ｘ」、励磁コイル２２に印加される交流電圧Ｖｒのピーク間の電位差Ｖｐｐ（＝２×Ｅ）が「４［Ｖ］」、変圧比が「０．２」に設定されている場合について例示している。そして、制御部３は、図２に例示するように推移する出力信号振幅値Ｓａ〜Ｓｃから以下に示す式（７）〜（９）を用いてロータ２０の電気角θｅを３通りの方法で演算する。ここでは、式（７）〜（９）のそれぞれの式から算出される電気角をθｅ１〜θｅ３としている。なお、式（７）〜式（９）は、出力信号振幅値Ｓａ〜Ｓｃを正弦値及び余弦値の関係にそれぞれ変換し、それらの逆正接値からロータ２０の電気角を求める式となっている。

θｅ１＝ｔａｎ^−１（Ｓａ／Ｓｂ）・・・（７）
θｅ２＝ｔａｎ^−１（（Ｓｂ／２＋Ｓｃ）／（−Ｓｂ×√３／２）−９０°・・・（８）
θｅ３＝ｔａｎ^−１（（−Ｓａ／２）／（Ｓｃ＋Ｓａ×√３／２）−２１０°・・・（９）
図３は、式（７）〜式（９）により演算されるロータ２０の電気角θｅ１〜θｅ３とロータ２０の機械角θとの関係を、それぞれ縦軸及び横軸にとって示したグラフである。このように、本実施形態の回転角検出装置でも、先の図１２に例示した回転角検出装置と同様に、正常時の演算電気角θｅ１〜θｅ３は全て同じ値で推移する。

一方、第１〜第３のレゾルバコイル２３〜２５を図１に示すように配置することにより、それらに対応する信号線２３ａ〜２５ａのうちのいずれか２つの信号線が短絡したとき、演算電気角θｅ１〜θｅ３が互いに異なる値を示しやすくなることが発明者により確認されている。以下、発明者により確認された内容を図４及び図５を参照して説明する。

図１に二点鎖線で示すように、例えば第１のレゾルバコイル２３に対応する信号線２３ａと第２のレゾルバコイル２４に対応する信号線２４ａとが短絡したとする。この場合、出力信号振幅値Ｓａ，Ｓｂの波形は先の図２に例示した形から図４に示す形へとそれぞれ変化する。このとき、制御部３により上記式（７）〜式（９）に基づき演算される電気角θｅ１〜θｅ３は、ロータ２０の機械角θに対して図５に示すように推移する。なお、図中の実線は演算電気角θｅ１、一点鎖線は演算電気角θｅ２、二点鎖線は演算電気角θｅ３、破線は演算電気角θｅ１〜θｅ３の平均値θｅａを示す。同図５と先の図３を比較して明らかなように、信号線２３ａと信号線２４ａとが短絡すると、演算電気角θｅ１〜θｅ３が互いに異なる値を示すようになる。

そこで、本実施形態では、演算電気角θｅ１〜θｅ３のうちのいずれか２つの差分値に基づいてレゾルバ２の信号線の短絡異常を検出することとしている。具体的には、制御部３は、以下の（ｃ１）〜（ｃ３）に示す電気角差分値Δθｅ１〜Δθｅ３の絶対値｜Δθｅ１｜〜｜Δθｅ３｜をそれぞれ演算する。

（ｃ１）演算電気角θｅ１，θｅ２の差分値Δθｅ１（＝θｅ１−θｅ２）の絶対値｜Δθｅ１｜。
（ｃ２）演算電気角θｅ２，θｅ３の差分値Δθｅ２（＝θｅ２−θｅ３）の絶対値｜Δθｅ２｜。

（ｃ３）演算電気角θｅ３，θｅ１の差分値Δθｅ３（＝θｅ３−θｅ１）の絶対値｜Δθｅ３｜。
また、制御部３は、演算された絶対値｜Δθｅ１｜〜｜Δθｅ３｜のいずれかが予め定められた異常判定閾値θｔｈ（＞０）よりも大きい場合には、レゾルバ２の信号線の短絡異常が発生していると判定する。

次に、図６を参照して、制御部３によりレゾルバ２の信号線の短絡異常が検出される様子について説明する。なおここでは、異常判定閾値θｔｈが「５°」に設定されている場合について例示している。

例えば、レゾルバ２の信号線の短絡異常により演算電気角θｅ１〜θｅ３が先の図５に示すように推移するようになったとする。このとき、制御部３により演算される電気角差分値Δθｅ１〜Δθｅ３は、ロータ２０の機械角θに対して図６（ａ）に示すように推移する。なお、図中の実線は電気角差分値Δθｅ１、一点鎖線は電気角差分値Δθｅ２、二点鎖線は電気角差分値Δθｅ３を示す。制御部３は、電気角差分値Δθｅ１〜Δθｅ３のいずれかが「５°」よりも大きいとき、あるいは電気角差分値Δθｅ１〜Δθｅ３のいずれかが「−５°」よりも小さいときにレゾルバ２の信号線の短絡異常を検出する。これにより、図６（ｂ）に示すように、ロータ２０の回転角θが角度範囲Ｂ１〜Ｂ９であるときにレゾルバ２の信号線の短絡異常が検出されるため、制御部３による異常検出がより的確に行われるようになる。

また、図６（ｃ）は、先の図３に示した正常時の演算電気角θｅ１から先の図５に例示した異常時の演算電気角θｅ１〜θｅ３の平均値θｅａを減算することにより求められる電気角誤差Δθｄの推移を示したものである。ここで、制御部３は、ロータ２０の回転角が角度範囲Ｂ１〜Ｂ９であるときにはレゾルバ２の信号線の短絡異常を検出することができるため、実際に誤差を含む電気角が誤検出されるのは、ロータ２０の回転角θが、角度範囲Ｂ１〜Ｂ９以外であるとき、すなわち図中の角度範囲Ｃ１〜Ｃ８であるときとなる。したがって、制御部３によって誤検出されるロータ２０の電気角と実際のロータ２０の電気角との誤差は、図６（ｄ）に示すようになる。この図６（ｄ）と先の図１７（ｄ）とを比較して明らかなように、本実施形態にかかる回転角検出装置によれば、制御部３により誤検出されるロータ２０の電気角と実際の電気角との誤差を小さくすることができる。これは、回転角検出装置を通じて検出されるロータ２０の電気角に基づいて電動モータの駆動を制御する装置、例えば車両のパワーステアリング装置などにおいて有効となる。すなわち、仮にレゾルバ２に信号線の短絡異常が発生したとしても、回転角検出装置を通じて誤検出されるロータ２０の電気角の誤差が小さいため、電動モータの挙動が大きく変化するような状況を未然に回避することができる。

なお、例えば第２のレゾルバコイル２４に対応する信号線２４ａと第３のレゾルバコイル２５に対応する信号線２５ａとが短絡した場合や、第３のレゾルバコイル２５に対応する信号線２５ａと第１のレゾルバコイル２３に対応する信号線２３ａとが短絡した場合にも、同様に制御部３により異常を検出することが可能であることは言うまでもない。

一方、発明者によるシミュレーション解析によれば、３つのレゾルバコイルの分割角度を調整することで、制御部３の異常検出能力が向上することが確認されている。以下、図７〜図９を参照して、その詳細を説明する。なお、図７及び図８では、第１のレゾルバコイル（第１の磁界変化検出部）５０の位置と第２のレゾルバコイル（第２の磁界変化検出部）５１の位置とがロータの回転中心Ｏを中心としてその周方向Ｒ１に電気角の位相でずれている角度をθａで示している。また、第１のレゾルバコイル（第１の磁界変化検出部）５０の位置と第３のレゾルバコイル（第３の磁界変化検出部）５２の位置とがロータの回転中心Ｏを中心としてその周方向Ｒ１に電気角の位相でずれている角度をθｂで示している。

図７（ａ）に示すように、例えば第２のレゾルバコイル５１のずれ角度θａが「１２０°」に設定されるとともに、第３のレゾルバコイル５２のずれ角度θｂが「２４０°」に設定されているとする。この場合、第１〜第３のレゾルバコイル５０〜５２が先の図１２に例示したレゾルバ２と同様に配置されることとなるため、第１のレゾルバコイル５０に対応する信号線５０ａと第２のレゾルバコイル５１に対応する信号線５１ａとが短絡したときに制御部３により演算されるロータ２０の電気角θｅ１〜θｅ３は、先の図１６に示すようになる。すなわち、演算電気角θｅ１〜θｅ３が全て同じ値となる。このため、それらのうちのいずれか２つの差分をとることにより求められる電気角差分値Δθｅ１〜Δθｅ３が常に「０」となる。このため、上述した電気角差分値Δθｅ１〜Δθｅ３の絶対値｜Δθｅ１｜〜｜Δθｅ３｜と異常判定閾値θｔｈとを比較するといった方法では異常を検出することができない。

なお、信号線５０ａ，５１ａが短絡したときに演算電気角θｅ１〜θｅ３が全て同一の値となる他の例としては、例えば以下の（ｄ１）〜（ｄ３）の場合がある。
（ｄ１）図７（ａ）に示すように第２のレゾルバコイル５１のずれ角度θａが「１２０°」に設定されている場合において、図中に二点鎖線で示すように、第３のレゾルバコイル５２のずれ角度θｂが「６０°」に設定されている場合。

（ｄ２）図７（ｂ）に示すように、第２のレゾルバコイル５１のずれ角度θａが「９０°」に設定されていて且つ、第３のレゾルバコイル５２のずれ角度θｂが「２２５°」に設定されている場合。

（ｄ３）図７（ｂ）に示すように第２のレゾルバコイル５１のずれ角度θａが「９０°」に設定されている場合において、図中に二点鎖線で示すように、第３のレゾルバコイル５２のずれ角度θｂが「４５°」に設定されている場合。

そして、これらのシミュレーション解析を含め、発明者により行われたシミュレーション解析によれば、第２及び第３のレゾルバコイル５１，５２のずれ角度θａ，θｂが以下の式（１０）あるいは式（１１）を満たすとき、演算電気角θｅ１〜θｅ３が全て同一の値となるため、制御部３により異常を検出することができないことが確認されている。

θｂ＝θａ／２・・・（１０）
θｂ＝θａ／２＋１８０°・・・（１１）
一方、発明者によるシミュレーション解析によれば、図７（ｂ）に示すように第２のレゾルバコイル５１のずれ角度θａが「９０°」に設定されている場合、第３のレゾルバコイル５２のずれ角度θｂを「２２５°」から徐々に大きくすると、制御部３による異常検出態様が図８に示すように変化することが確認されている。図８は、先の図６（ｄ）に対応する図として、制御部３により誤検出されるロータ電気角及び実際のロータ電気角の誤差と、ロータ２０の機械角θとの関係を、それぞれ縦軸及び横軸にとって示したグラフである。図８に示すように、電気角が誤検出されるロータ２０の角度範囲は、第３のレゾルバコイル５２のずれ角度θｂが「２２５°」から大きくなるほど狭くなり、第３のレゾルバコイル５２のずれ角度θｂが「２４７．５°」となったときに最も狭くなる。また、電気角が誤検出されるロータ２０の角度範囲は、第３のレゾルバコイル５２のずれ角度θｂが「２４７．５°」から大きくなると再び広がる。したがって、第３のレゾルバコイル５２のずれ角度θｂが「２４７．５°」に設定されているとき、電気角が誤検出されるロータ２０の角度範囲が最も狭くなる、換言すれば回転角検出装置の異常検出能力が最も高まることがわかる。そして、これらのシミュレーション解析を含め、発明者により行われたシミュレーション解析によれば、第２及び第３のレゾルバコイル５１，５２のずれ角度θａ，θｂが以下の式（１２）〜式（１５）のいずれかを満たすとき、回転角検出装置の異常検出能力が最も高まることが確認されている。

θｂ＝θａ×（１／４）・・・（１２）
θｂ＝θａ×（１／４）＋１８０°・・・（１３）
θｂ＝θａ×（３／４）・・・（１４）
θｂ＝θａ×（３／４）＋１８０°・・・（１５）
具体的には、図９（ａ）に示すように、第２のレゾルバコイル５１のずれ角度θａが「１２０°」に設定されている場合には、第３のレゾルバコイル５２のずれ角度θｂを「９０°」あるいは「２７０°」に設定すれば、回転角検出装置の異常検出能力を最も高めることができる。またこの場合、図示は割愛しているが、第３のレゾルバコイル５２のずれ角度θｂを「３０°」あるいは「２１０°」に設定することにより、同様に回転角検出装置の異常検出能力を最も高めることができる。一方、図９（ｂ）に示すように、第２のレゾルバコイル５１のずれ角度θｂが「９０°」に設定されている場合には、第３のレゾルバコイル５２のずれ角度θｂを例えば「６７．５°」あるいは「２４７．５°」に設定すれば、回転角検出装置の異常検出能力を最も高めることができる。またこの場合、図示は割愛しているが、第３のレゾルバコイル５２のずれ角度θｂを「２２．５°」あるいは「２０２．５°」に設定することにより、同様に回転角検出装置の異常検出能力を最も高めることができる。なお、先の図１に例示したレゾルバ２は、図９（ａ）において第１のレゾルバコイル５０の位置に第２のレゾルバコイル２４を、第２のレゾルバコイル５１の位置に第３のレゾルバコイル２５を、第３のレゾルバコイル５２の位置に第１のレゾルバコイル２３をそれぞれ配置したものである。すなわち、先の図１に例示した回転角検出装置でも異常検出能力が最も高められている。

ところで、図９（ａ）に示すように、第２のレゾルバコイル５１のずれ角度θｂを「１２０°」に、また第３のレゾルバコイル５２のずれ角度θｂを「２７０°」に設定することとすれば、３つのレゾルバコイル５０〜５２をロータ２０の周方向Ｒ１に分散して配置することができる。これにより、例えば磁気ノイズなどの外乱が第１〜第３のレゾルバコイル５０〜５２に及ぼす影響を軽減することができるため、レゾルバ２の外乱に対する耐性を高めることができる。

以上説明したように、本実施形態にかかるレゾルバ及び回転角検出装置によれば、以下のような効果が得られるようになる。
（１）図１に示すように、第１〜第３のレゾルバコイル２３〜２５の分割角度θ１〜θ３を「９０°」、「１２０°」、「１５０°」にそれぞれ設定することとした。換言すれば、図９（ａ）に示すように、第１のレゾルバコイル５０の位置と第２のレゾルバコイル５１の位置とがロータ２０の周方向Ｒ１にずれている角度θａを「１２０°」に設定して且つ、第１のレゾルバコイル５０の位置と第３のレゾルバコイル５２の位置とがロータ２０の周方向Ｒ１にずれている角度θｂを「２７０°」に設定することとした。これにより、信号線２３ａ〜２５ａのうちのいずれか２つの信号線が短絡したときに、その異常をより的確に検出することができるようになる。また、例えば磁気ノイズなどの外乱が第１〜第３のレゾルバコイル２３〜２５に及ぼす影響を軽減することができるため、レゾルバ２の外乱に対する耐性を高めることができるようになる。

（２）上記式（７）〜（９）により演算されるロータ２０の電気角θｅ１〜θｅ３のうちのいずれか２つの差分をとることにより求められる電気角差分値Δθｅ１〜Δθｅ３に基づいてレゾルバ２の信号線の短絡異常を検出することとした。これにより、差分値を演算するだけでレゾルバ２の信号線の短絡異常を検出することができるため、制御部３の演算負担を軽減することができるようになる。

なお、上記実施形態は、これを適宜変更した以下の形態にて実施することもできる。
・上記実施形態では、演算電気角θｅ１〜θｅ３のうちのいずれか２つの差分をとることにより求められる電気角差分値Δθｅ１〜Δθｅ３に基づいてレゾルバ２の信号線の短絡異常を検出することとした。これに代えて、例えば演算電気角θｅ１〜θｅ３の平均値θｅａと、演算電気角θｅ１〜θｅ３との差分値に基づいてレゾルバ２の信号線の短絡異常を検出することも可能である。要は、演算電気角θｅ１〜θｅ３が先の図５に示すように変化していることを検知したときに異常を検出するものであればよい。

・上記実施形態では、第１〜第３のレゾルバコイル２３〜２５の分割角度θ１〜θ３を「９０°」、「１２０°」、「１５０°」にそれぞれ設定することとしたが、これらの分割角度θ１〜θ３は、全てが異なる値であれば、適宜変更可能である。但し、回転角検出装置の異常検出能力を高めるためには、上記式（１２）〜式（１５）を満たすように３つのレゾルバコイルを配置することが望ましい。

・本発明は、ホール素子や磁気抵抗素子などの磁気検出部を利用してロータの回転を検出する回転センサにも適用可能である。図１０に、こうした回転センサの一例を示す。図１０に示すように、この回転センサ６は、永久磁石からなるロータ６０と、ロータ６０の周方向Ｒ１に離間して配置される３つの磁気検出部６１〜６３とを備えている。なおここでは、ロータ６０が磁界生成部となっている。そして、ロータ６０の回転に伴ってロータ６０から磁気検出部６１〜６３に付与される磁界が変化すると、磁気検出部６１〜６３からロータの回転角（電気角）θに対して正弦波状に変化する信号がそれぞれ出力される。また、磁気検出部６１〜６３の出力は、信号線６１ａ〜６３ａ及び端子Ｔａ〜Ｔｃを介して制御部３に取り込まれる。こうした回転センサ６では、磁気検出部６１〜６３の分割角度θ１〜θ３を上記実施形態と同様に「９０°」、「１２０°」、「１５０°」にそれぞれ設定すれば、回転センサ６の出力信号Ｖｄ〜Ｖｅを図１１に示すように推移させることができる。すなわち、回転センサ６の出力信号Ｖｄ〜Ｖｅを、ロータ６０の機械角θに対して先の図２に例示した出力信号振幅値Ｓａ〜Ｓｃと同様の態様で推移させることができる。これにより、制御部３では、上記実施形態に準じた異常検出方法を用いることにより、出力信号Ｖｄ〜Ｖｅから回転センサ６の信号線の短絡異常を検出することができる。要は、本発明にかかる回転センサは、レゾルバコイルやホール素子、磁気抵抗素子などを含む適宜の磁界変化検出部を利用してロータの回転を検出する回転センサに適用することができる。

・上記実施形態では、レゾルバ２の軸倍角を「１Ｘ」や「４Ｘ」に設定する場合について例示したが、レゾルバ２の軸倍角に限定があるわけではない。
・本発明にかかる回転角検出装置は、車両のステアリングシャフトの回転角を検出する装置に限らず、適宜の回転軸の回転角を検出する装置に適用することが可能である。

＜付記＞
次に、上記実施形態及びその変形例から把握できる技術的思想について追記する。
（イ）ロータの周方向に離間して配置される３つのレゾルバコイルと、同３つのレゾルバコイルに電圧を誘起させるべく通電に基づき磁界を生成する励磁コイルとを有して、前記ロータの回転に伴い前記励磁コイルから前記３つのレゾルバコイルに付与される磁界が変化したときに前記３つのレゾルバコイルに誘起される電圧が変化することにより、前記ロータの回転角に対して振幅が正弦波状に変化する３相の信号を出力するレゾルバにおいて、前記３つのレゾルバコイルのうちの互いに隣り合うもの同士の位置が前記ロータの回転中心を中心として同ロータの周方向にずれている角度をそれぞれ第１〜第３の分割角度とするとき、前記３つのレゾルバコイルは、前記第１〜第３の分割角度が全て異なるように配置されてなることを特徴とするレゾルバ。同構成によれば、３つのレゾルバコイルに対応する３つの信号線のうちのいずれか２つの信号線が短絡したときに、レゾルバの３相の出力信号から演算可能な３つのロータ電気角が互いに異なる値を示しやすくなる。このため、例えば第１〜第３の演算電気角のうちのいずれか２つの差分値を求めるなどすれば、求められた差分値に基づいて信号線の短絡異常をより的確に検出することが可能となる。

（ロ）ロータの周方向に離間して配置される３つの磁気検出部と、これら３つの磁気検出部に付与する磁界を生成する磁界生成部とを有して、前記ロータの回転に伴い前記磁界生成部から前記３つの磁気検出部に付与される磁界が変化することで前記ロータの回転角に対して正弦波状に変化する３相の信号を出力する回転センサにおいて、前記３つの磁気検出部のうちの互いに隣り合うもの同士の位置が前記ロータの回転中心を中心として同ロータの周方向にずれている角度をそれぞれ第１〜第３の分割角度とするとき、前記３つの磁気検出部は、前記第１〜第３の分割角度が全て異なるように配置されてなることを特徴とする回転センサ。同構成によれば、３つの磁気検出部に対応する３つの信号線のうちのいずれか２つの信号線が短絡したときに、回転センサの３相の出力信号から演算可能な３つのロータ電気角が互いに異なる値を示しやすくなる。このため、例えば第１〜第３の演算電気角のうちのいずれか２つの差分値を求めるなどすれば、求められた差分値に基づいて信号線の短絡異常をより的確に検出することが可能となる。

Ｔａ〜Ｔｃ…出力端子、１…回転軸、２…レゾルバ、３…制御部、４…発振回路、６…回転センサ、２０，６０…ロータ、２１…ステータ、２２…励磁コイル、２２〜２５，５０〜５２…レゾルバコイル、２３ａ〜２５ａ，５０ａ，５１ａ，６１ａ〜６３ａ…信号線、６１〜６３…磁気検出部。

Claims (3)

1. ロータの周方向に離間して配置される３つの磁界変化検出部と、これらの磁界変化検出部に付与する磁界を生成する磁界生成部とを有して、前記ロータの回転に伴い前記磁界生成部から前記磁界変化検出部に付与される磁界が変化することで前記ロータの回転角に応じて変化する３相の信号を出力する回転センサにおいて、
   前記３つの磁界変化検出部のうちの互いに隣り合うもの同士が前記ロータの回転中心を中心として同ロータの周方向にずれている角度をそれぞれ第１〜第３の分割角度とするとき、前記３つの磁界変化検出部は、前記第１〜第３の分割角度が全て異なるように配置され、
   前記３つの磁界変化検出部は、それらのうちの第１の磁界変化検出部の位置と第２の磁界変化検出部の位置とが前記ロータの電気角の位相で前記周方向にずれている角度をθａ、前記第１の磁界変化検出部の位置と第３の磁界変化検出部の位置とが前記ロータの電気角の位相で前記周方向にずれている角度をθｂとするとき、次式
   θｂ＝θａ×（１／４）
   あるいは、次式
   θｂ＝θａ×（１／４）＋１８０°
   あるいは、次式
   θｂ＝θａ×（３／４）
   あるいは、次式
   θｂ＝θａ×（３／４）＋１８０°
   を満たすように配置されてなる
   ことを特徴とする回転センサ。
2. 前記角度θａが１２０°に設定されるとともに、前記角度θｂが２７０°に設定されている
   請求項１に記載の回転センサ。
3. 回転センサから出力される３相の信号に基づいてロータの電気角を検出する回転角検出装置において、
   前記回転センサとして請求項１又は請求項２に記載の回転センサを用いるとともに、
   前記回転センサから出力される３相の信号から演算可能な３つのロータ電気角を第１〜第３の演算電気角とするとき、これら第１〜第３の演算電気角のうちのいずれか２つの差分値に基づき前記回転センサの異常を検出する制御手段と
   を備えることを特徴とする回転角検出装置。

Images