JP4471471B2 - 相対的回転位置検出装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、交流励磁されるコイルと、このコイルに対して磁気的に結合し、相対的に回転変位する１対の磁性体又は導電体とを含んで構成される相対的回転位置検出装置に関し、相対的に回転可能な２軸のねじれ量や回転ずれなどの相対的回転位置の検出に適したものであり、特に、１相の交流で励磁される１次コイルのみを使用して複数相の振幅関数特性を示す出力交流信号を検出対象たる相対的回転位置に応じて生成するものに関する。
【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ものとしては、従来からよく知られたものとして、トーションバーを介して結合された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）を検出するものがある。また、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。この場合、誘導コイルに誘導された電圧を取り出すために、該コイルに直列に抵抗素子を接続し、該抵抗素子と誘導コイルのインピーダンスとの分圧比によって誘導電圧を取り出すようにしている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従来知られたねじれ量検出装置は、トーションバーで結合された入力軸と出力軸の両方にレゾルバ装置を設けなくてはならないため、装置全体が大型化し、コスト的にも高価になるという難がある。また従来の誘導コイルを用いた電動パワーステアリング用非接触トルクセンサー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、誘導コイルに誘導された電圧を取り出すために、該コイルに直列に抵抗素子を接続し、該抵抗素子と誘導コイルのインピーダンスとの分圧比によって誘導電圧を取り出すようにしているので、コイルと抵抗素子との温度特性の相違によって、温度ドリフト補償性能が悪い、という問題がある。
【０００４】
この発明は上述の点に鑑みてなされたもので、小型かつシンプルな構造を持つ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。また、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であり、温度特性の補償も容易な、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。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る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の軸の相対的回転位置を検出する相対的回転位置検出装置であって、交流信号で励磁される１つのセンサ用コイルを配置してなるコイル部と、前記第１及び第２の軸に配置された第１及び第２の磁気応答部材であって、前記コイル部に対して磁気的に結合し、前記相対的回転位置に応じて該第１及び第２の磁気応答部材の相対的位置が変化し、これに応じて前記センサ用コイルのインピーダンスを変化させるようにしたものと、前記センサ用コイルに直列接続された温度補償用コイルと、前記センサ用コイルと前記温度補償用コイルとの接続点より、前記センサ用コイルのインピーダンス変化に基づき変化する該センサ用コイルの出力電圧を取り出す回路と、交流信号からなる基準電圧を発生する回路と、前記センサ用コイルの出力電圧と前記基準電圧と演算することで、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少なくとも２つ生成する演算回路であって、前記各交流出力信号の前記周期的振幅関数はその周期特性においてサイン及びコサイン関数に相当する所定位相だけ異なっているものとを具えたものである。
【０００６】
上記構成において、第１及び第２の磁気応答部材は、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。第１及び第２の磁気応答部材が磁性体からなる場合は、第１及び第２の軸の相対的回転位置に応じて相対的位置が変化することでセンサ用コイルに対する磁気結合の度合いが変化する。第１及び第２の磁気応答部材のセンサ用コイルに対する磁気結合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、第１及び第２の磁気応答部材のセンサ用コイルに対する磁気結合の度合いが減少するほど、該コイル部のインダクタンスが減少して、該コイル部の電気的インピーダンスが減少する。こうして、検出対象の相対的回転に伴い、コイル部に対する第１及び第２の磁気応答部材の相対的回転位置が所定の回転角度範囲にわたって変化する間で該コイルの端子間電圧は、漸増（又は漸減）変化することとなる。
【０００７】
ここで、センサ用コイルに直列接続された温度補償用コイルを具備し、前記センサ用コイルと前記温度補償用コイルとの接続点より、前記センサ用コイルのインピーダンス変化に基づき変化する該センサ用コイルの出力電圧を取り出すようにしているので、同じコイルであることにより温度ドリフトを適正に相殺し、温度ドリフト補償済みの出力電圧を取り出すことができる。
【０００８】
一例として、第１及び第２の磁気応答部材は、所定ピッチの凹凸又はパターンを有し、前記第１及び第２の軸の相対的回転位置に応じて該第１及び第２の磁気応答部材の前記凹凸又はパターンの対応関係が変化し、これに応じて前記コイルの自己インダクタンスすなわちインピーダンスが変化するようにしたものである。このインピーダンスに対応する振幅レベルを持つ交流電圧が１個のセンサ用コイルに生じる。
【０００９】
例えば、典型的には、１対の磁気応答部材の相対的位置が所定の範囲にわたって変化する間で該コイルに生じる電圧が示す漸増変化カーブは、サイン関数における０度から９０度までの範囲の関数値変化になぞらえることができる。ここで、交流信号成分をｓｉｎωｔで示し、センサ用コイルの端子間電圧が示す漸増変化カーブにおける適当な区間の始まりの位置に対応して得られるセンサ用コイル出力電圧Ｖｘの振幅係数レベル値をＰａとすると、該区間の始まりの位置に対応するコイル出力電圧Ｖｘは、Ｐa ｓｉｎωｔと表わせる。そして、該区間の終わりの位置に対応して得られるセンサ用コイル出力電圧Ｖｘの振幅係数レベル値をＰｂとすると、該区間の終わりの位置に対応するセンサ用コイル出力電圧は、Ｐb ｓｉｎωｔと表わせる。ここで、始まりの位置に対応するコイル出力電圧Ｖｘの値Ｐa ｓｉｎωｔと同じ値の交流電圧を基準電圧Ｖａと定めて、これをセンサ用コイル出力電圧Ｖｘから減算すると、センサ用コイル出力電圧Ｖｘの振幅係数を関数Ａ（ｘ）で示すと、

となる。前記区間の始まりの位置では、Ａ（ｘ）＝Ｐａであることから、この演算結果の振幅係数「Ａ(ｘ) −Ｐa 」は「０」となる。一方、前記区間の終わり位置では、Ａ（ｘ）＝Ｐｂであることから、この演算結果の振幅係数「Ａ(ｘ) −Ｐa 」は「Ｐb −Ｐa 」となる。よって、この演算結果の振幅係数「Ａ(ｘ) −Ｐa 」は、前記区間の範囲内において、「０」から「Ｐb −Ｐa 」まで漸増する関数特性を示す。ここで、「Ｐb −Ｐa 」は最大値であるから、これを等価的に「１」と考えると、前記式（１）に従う交流信号の振幅係数「Ａ(ｘ) −Ｐa 」は、前記区間の範囲内において、「０」から「１」まで変化することになり、この振幅係数の関数特性は、サイン関数の第１象限（つまり０度から９０度の範囲）の特性になぞらえることができる。よって、前記式（１）に従う交流信号の振幅係数「Ａ(ｘ) −Ｐa 」は、等価的にｓｉｎθ（ただし、大体、０°≦θ≦９０°）と表わせる。
【００１０】
一例として、前記基準電圧を発生する回路は、交流信号が印加されるように直列接続された２つのコイルを含み、該コイルの接続点より前記基準電圧を取り出すようにしたものである。これにより、基準電圧の温度ドリフト補償も行なうことができ、出力電圧及び基準電圧が共に温度ドリフト補償された正確なアナログ演算を行なうことができる。
【００１１】
好ましい一実施形態は、前記所定の基準電圧を発生する回路は、第１及び第２の基準電圧を発生し、前記演算回路は、前記１つのコイルから取り出した電圧と前記第１及び第２の基準電圧とを用いて所定の第１の演算及び第２の演算をそれぞれ行うことで、第１の振幅関数を振幅係数として持つ第１の交流出力信号と、第２の振幅関数を振幅係数として持つ第２の交流出力信号とをそれぞれ生成するものである。この場合、コイル部は、ただ１つのセンサ用コイルを持つだけでよいので、構成を最小限に簡略化することができる。上記第１の基準電圧として上記Ｖａを使用することで、上記第１の振幅関数として、サイン関数のほぼ第１象限（つまり０度から９０度の範囲）の特性を持つものを得ることができる。
【００１２】
また、前記区間の終わりの位置に対応するコイル出力電圧Ｖｘの値Ｐb ｓｉｎωｔと同じ値の交流電圧を第２の基準電圧Ｖｂと定め、これとコイル出力電圧Ｖｘとの差を求めると、

となる。前記区間の始まりの位置では、Ａ（ｘ）＝Ｐａであることから、この演算結果の振幅係数「Ｐb −Ａ(ｘ) 」は「Ｐb −Ｐa 」となる。一方、前記区間の終わり位置では、Ａ（ｘ）＝Ｐｂであることから、この演算結果の振幅係数「Ｐb −Ａ(ｘ) 」は「０」となる。よって、この演算結果の振幅係数「Ｐb −Ａ(ｘ) 」は、前記区間の範囲内において、「Ｐb −Ｐa 」から「０」まで漸減する関数特性を示す。前記と同様に、「Ｐb −Ｐa 」を等価的に「１」と考えると、前記式（２）に従う交流信号の振幅係数「Ｐb −Ａ(ｘ) 」は、前記区間の範囲内において、「１」から「０」まで変化することになり、この振幅係数の関数特性は、コサイン関数の第１象限（つまり０度から９０度の範囲）の特性になぞらえることができる。よって、前記式（２）に従う交流信号の振幅係数「Ｐb −Ａ(ｘ) 」は、等価的にｃｏｓθ（ただし、大体、０°≦θ≦９０°）と表わせる。なお、式（２）の減算は「Ｖｘ−Ｖｂ」であってもよい。
【００１３】
こうして、１つのコイルと２つの基準電圧を用いるだけで、検出対象たる相対的回転位置に応じてサイン及びコサイン関数特性に従う振幅をそれぞれ示す２つの交流出力信号を生成することができる。例えば、検出対象たる相対的回転位置を所定の検出可能範囲を３６０度分の位相角に換算した場合の位相角θにて示すと、概ね、サイン関数特性を示す振幅を持つ交流出力信号は、ｓｉｎθｓｉｎωｔで示すことができるものであり、コサイン関数特性を示す振幅を持つ交流出力信号は、ｃｏｓθｓｉｎωｔで示すことができるものである。これは、レゾルバといわれる位置検出器の出力信号の形態と同様のものであり、極めて有用なものである。例えば、前記演算回路で生成された前記２つの交流出力信号を入力し、該２つの交流出力信号における振幅値の相関関係から該振幅値を規定する前記サイン及びコサイン関数における位相値を検出し、検出した位相値に基づき前記検出対象の位置検出データを生成する振幅位相変換部を具備するようにするとよい。なお、上記サイン及びコサイン関数は、ほぼ１象限分（９０度）の範囲の特性を示すので、検出可能な位置範囲がほぼ９０度の範囲の位相角に換算されて検出されることになる。
【００１４】
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自己インダクタンスが減少し、磁気応答部材のコイルに対する近接に伴い該コイルの端子間電圧が漸減することになる。この場合も、上記と同様に検出することが可能である。また、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。
【００１５】
別の実施形態として、磁気応答部材として永久磁石を含み、コイルは磁性体コアを含むようにしてもよい。この場合は、コイルの側の磁性体コアにおいて永久磁石の接近に応じて対応する箇所が磁気飽和又は過飽和となり、該磁気応答部材すなわち永久磁石のコイルに対する相対的変位に応じて該コイルの端子間電圧が漸減することになる。
【００１６】
かくして、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位置検出装置を提供することができる。また、１つのセンサ用コイルを用いることにより、検出対象位置に応じて所定の周期関数特性に従う振幅をそれぞれ示す複数の交流出力信号（例えばサイン及びコサイン関数特性に従う振幅をそれぞれ示す２つの交流出力信号）を容易に生成することができ、利用可能な位相角範囲として少なくともほぼ１象限（９０度）分をとることができる。従って、少ないコイルでありながら比較的広い位相角範囲で検出を行うことができ、検出分解能を向上させることができる。また、検出対象の変位が微小でも高分解能での相対的位置検出が可能である。更に、出力電圧及び基準電圧が共に温度ドリフト補償された正確なアナログ演算を行なうことができることとなり、温度変化の影響を排除した相対的位置検出を容易に行うことができる。勿論、基準電圧を発生する回路は、コイルに限らず、抵抗等、その他適宜の構成からなる電圧生成回路を使用してよい。なお、コイルと基準電圧の数は１又は２に限定されず、それ以上であってもよく、これに伴い、利用可能な位相角範囲を、ほぼ１象限（９０度）分に限らず、更に拡大することも可能である。
【００１７】
【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説明する。図１（Ａ）はこの発明の一実施の形態に係る相対的回転位置検出装置の構造を示す外観斜視図であって、コイル部１０については断面で示したものである。同図（Ｂ）はその軸方向断面略図、（Ｃ）は同装置におけるコイルに関連する電気回路図である。この相対的回転位置検出装置は、トーションバー１を介して連結された入力軸（第１の軸）２及び出力軸（第２の軸）３の間のねじれ角を検出するものであり、コイル部１０と、各軸２，３の端部にそれぞれ設けられていて非接触的に対向している１対の（第１及び第２の）磁気応答部材１１，１２とを含んで構成されている。コイル部１０は、断面Ｃ字型のリング状の磁性体ケース１０ａ内に収納された１個のセンサ用コイルＬ１を含んでおり、このセンサ用コイルＬ１は磁気応答部材１１，１２の対向箇所における後述する凹凸歯若しくはパターンの箇所をカバーしている。
【００１８】
入力軸２及び出力軸３はそれぞれ他の機械系（図示せず）に連結されており、入力軸２の回転に連動して出力軸３が回転し、そのトルクの大きさに応じてトーションバー１を介して入力軸２と出力軸３の間にねじれが生じる。このねじれによって、入力軸２と出力軸３との間に回転誤差（回転ずれ）が生じる。例えば、自動車のパワーステアリングに適用する場合、入力軸２はステアリングホイールに連結され、出力軸３はステアリングギア機構に連結される。第１及び第２の磁気応答部材１１，１２は、例えば円筒状の鉄のような磁性体からなり、コイルＬ１と磁気的に結合する。第１及び第２の磁気応答部材１１，１２の対向端部には、入力軸２と出力軸３との相対的回転量に応じてコイル部１０に対する磁気結合を変化させる可変磁気結合部としての凸部１１ａ，１２ａが複数設けられている。この実施の形態では、凸部１１ａ，１２ａを方形歯状に形成し、該凸部１１ａ，１２ａを第１及び第２の磁気応答部材１１，１２の回転方向（周方向）に沿って所定ピッチＰで繰り返し設けている。
【００１９】
センサ用コイルＬ１は、交流発生源３０から発生される所定の１相の交流信号（仮にｓｉｎωｔで示す）によって定電圧又は定電流で励磁される。コイルＬ１から発生した磁界は、図１（Ｂ）で破線で示すように、第１および第２の磁気応答部材１１，１２を通る磁気回路Φを形成する。温度補償用コイルＬ２がセンサ用コイルＬ１に直列接続されており、その接続点からセンサ用コイルＬ１の出力電圧Ｖｘが取り出される。温度補償用コイルＬ２は、第１および第２の磁気応答部材１１，１２の相対的位置には応答せず、一定のインピーダンス（インダクタンス）を示すものであるが、できるだけセンサ用コイルＬ１と同等の温度ドリフト特性を示すように、センサ用コイルＬ１とできるだけ同一条件のコイル素子であることが好ましく、また、できるだけ同一環境下に配置されることが好ましい。センサ用コイルＬ１と温度補償用コイルＬ２の分圧比により、センサ用コイルＬ１の出力電圧Ｖｘが取り出されるので、両コイルＬ１，Ｌ２の温度ドリフト特性が相殺され、センサ用コイルＬ１の出力電圧Ｖｘは正確に温度補償されたものとなる。
【００２０】
図２は、第１及び第２の軸２，３間の相対的回転位置の変化に応じた、第１および第２の磁気応答部材１１，１２における凹凸歯の対応関係の変化を示す展開図である。図２（ｃ）は、相対的回転位置０（つまり捩じれ量０）のときの凹凸歯の対応関係を示す。この状態では、それぞれの磁気応答部材１１，１２の凸部１１ａ，１２ａと凹部１１ｂ，１２ｂが半々で対応しており（磁気応答部材１１，１２の凹凸歯が１／４ピッチずれている）、該磁気応答部材１１，１２を通るコイルｌ１の磁気回路Φの磁気結合度合いは中間値をとる。
【００２１】
図２（ｂ）は、（ｃ）の中間状態から第１の磁気応答部材１１が第２の磁気応答部材１２に対して相対的に矢印ＣＷ方向（時計回り方向）に１／４ピッチだけ回転した状態を示す。この状態では、それぞれの磁気応答部材１１，１２の凸部１１ａ，１２ａ同士及び凹部１１ｂ，１２ｂ同士が丁度一致しており（磁気応答部材１１，１２の凹凸歯のずれがない）、該磁気応答部材１１，１２を通るコイルｌ１の磁気回路Φの磁気結合度合いは最大値をとる。
【００２２】
図２（ａ）は、（ｃ）の中間状態から第１の磁気応答部材１１が第２の磁気応答部材１２に対して相対的に矢印ＣＣＷ方向（反時計回り方向）に１／４ピッチだけ回転した状態を示す。この状態では、それぞれの磁気応答部材１１，１２の凸部１１ａ，１２ａと凹部１１ｂ，１２ｂが逆に対応しており（磁気応答部材１１，１２の凹凸歯が１／２ピッチずれている）、該磁気応答部材１１，１２を通るコイルＬ１の磁気回路Φの磁気結合度合いは最小値をとる。
【００２３】
このように、入力軸２及び出力軸３の相対的回転位置に応じて第１及び第２の磁気応答部材１１，１２の凹凸歯１１ａ，１１ｂ，１２ａ，１２ｂの相対的位置が変化することでコイルＬ１の磁気回路Φにおける磁気結合の度合いが変化し、該コイルＬ１の自己インダクタンスが変化し、電気的インピーダンスが変化する。する。よって、このインピーダンスに応じてセンサ用コイルＬ１に生じる電圧（端子間電圧）は、検出対象たる相対的回転位置に対応するものとなる。
【００２４】
図３（Ａ）は、検出対象たる相対的回転位置（横軸ｘ）に対応してセンサ用コイルＬ１に生じる電圧（たて軸）を例示するグラフである。横軸ｘに記したａ，ｃ，ｂは図２の（ａ），（ｃ），（ｂ）に示す各位置に対応しており、上述のように、図２（ａ）に対応する位置ａでは、インピーダンス最小のため、コイルＬ１に生じる電圧は最小レベル（最小振幅係数）であ。また、図２（ｂ）に対応する位置ｂでは、インピーダンス最大のため、コイルＬ１に生じる電圧は最大レベル（最大振幅係数）である。
【００２５】
センサ用コイルＬ１に生じる電圧は、第１及び第２の磁気応答部材１１，１２の相対的位置がａからｂまで動く間で、最小値から最大値まで漸増変化する。この位置ａにおいて最小値をとるコイルＬ１の出力電圧ＶｘがＰa ｓｉｎωｔであるとすると（Ｐaは最小インピーダンス）、これを第１の基準電圧Ｖａとして設定する。すなわち、
Ｖａ＝Ｐa ｓｉｎωｔ
である。また、位置ｂにおいて最大値をとるコイルＬ１の出力電圧ＶｘがＰb ｓｉｎωｔであるとすると（Ｐｂは最大インピーダンス）、これを第２の基準電圧Ｖｂとして設定する。すなわち、
Ｖｂ＝Ｐb ｓｉｎωｔ
である。
【００２６】
図１（Ｃ）に示すように、各基準電圧Ｖａ，Ｖｂを発生するための回路として、２つのコイルＬａ１，Ｌａ２を直列接続した回路と、２つのコイルＬｂ１，Ｌｂ２を直列接続した回路とが設けられており、これらも交流発生源３０からの交流信号によって駆動される。基準電圧ＶａはコイルＬａ１，Ｌａ２の接続点から取り出され、基準電圧ＶｂはコイルＬｂ１，Ｌｂ２の接続点から取り出される。コイルＬａ１，Ｌａ２，コイルＬ１，Ｌ２の各対は、所望の基準電圧Ｖａ，Ｖｂが得られるように、そのインピーダンス（インダクタンス）が適切に調整される。
コイルＬａ１，Ｌａ２の分圧比により基準電圧Ｖａが取り出されるので、コイルＬａ１，Ｌａ２の温度ドリフト特性が相殺され、基準電圧Ｖａは正確に温度補償されたものとなる。同様に、コイルＬｂ１，Ｌｂ２の分圧比により基準電圧Ｖｂが取り出されるので、コイルＬｂ１，Ｌｂ２の温度ドリフト特性が相殺され、基準電圧Ｖｂは正確に温度補償されたものとなる。
【００２７】
演算回路３１Ａは、センサ用コイルＬ１の出力電圧Ｖｘから第１の基準電圧Ｖａを減算するもので、前記式（１）のように、コイル出力電圧Ｖｘの振幅係数を関数Ａ（ｘ）で示すと、

なる演算を行う。第１の基準電圧Ｖａによって設定した検出対象区間の始まりの位置ａでは、Ａ（ｘ）＝Ｐａであることから、この演算結果の振幅係数「Ａ(ｘ)−Ｐa 」は「０」となる。一方、該検出対象区間の終わりの位置ｂでは、Ａ（ｘ）＝Ｐｂであることから、この演算結果の振幅係数「Ａ(ｘ) −Ｐa 」は「Ｐb−Ｐa 」となる。よって、この演算結果の振幅係数「Ａ(ｘ) −Ｐa 」は、該検出対象区間の範囲内において、「０」から「Ｐb −Ｐa 」まで漸増する関数特性を示す。ここで、「Ｐb −Ｐa 」は最大値であるから、これを等価的に「１」と考えると、前記式に従う交流信号の振幅係数「Ａ(ｘ) −Ｐa 」は、検出対象区間の範囲内において、図３（Ｂ）に示すように、「０」から「１」まで変化することになり、この振幅係数の関数特性は、図３（Ｃ）に示すようなサイン関数ｓｉｎθの第１象限（つまり０度から９０度の範囲）の特性になぞらえることができる。よって、前記式に従う交流信号の振幅係数「Ａ(ｘ) −Ｐa 」は、等価的にｓｉｎθ（ただし、大体、０°≦θ≦９０°）を用いて表わせる。なお、図３（Ｂ）、（Ｃ）では、位置ｘに対するサイン関数特性の振幅係数のカーブｓｉｎθのみを示しているが、実際の演算回路３１Ａの出力はこの振幅係数ｓｉｎθに対応する振幅レベルを持つ交流信号ｓｉｎθｓｉｎωｔである。
【００２８】
演算回路３１Ｂは、検出用コイルＬ１の出力電圧Ｖｘと第２の基準電圧Ｖｂとの差を求めるもので、前記式（２）のように、

なる演算を行う。検出対象区間の始まりの位置ａでは、Ａ（ｘ）＝Ｐａであることから、この演算結果の振幅係数「Ｐb −Ａ(ｘ) 」は「Ｐb −Ｐa 」となる。一方、第２の基準電圧Ｖｂによって設定した該区間の終わりの位置ｂでは、Ａ（ｘ）＝Ｐｂであることから、この演算結果の振幅係数「Ｐb −Ａ(ｘ) 」は「０」となる。よって、この演算結果の振幅係数「Ｐb −Ａ(ｘ) 」は、該検出対象区間の範囲内において、「Ｐb −Ｐa 」から「０」まで漸減する関数特性を示す。前記と同様に、「Ｐb −Ｐa 」を等価的に「１」と考えると、前記式に従う交流信号の振幅係数「Ｐb −Ａ(ｘ) 」は、検出対象区間の範囲内において、図３（Ｂ）に示すように、「１」から「０」まで変化することになり、この振幅係数の関数特性は、図３（Ｃ）に示すようなコサイン関数の第１象限（つまり０度から９０度の範囲）の特性になぞらえることができる。よって、前記式に従う交流信号の振幅係数「Ｐb −Ａ(ｘ) 」は、等価的にｃｏｓθ（ただし、大体、０°≦θ≦９０°）を用いて表わせる。この場合も、図２（Ｂ）では、位置ｘに対するコサイン関数特性の振幅係数のカーブｃｏｓθのみを示しているが、実際の演算回路３１Ｂの出力はこの振幅係数ｃｏｓθに対応する振幅レベルを持つ交流信号ｃｏｓθｓｉｎωｔである。なお、演算回路３１Ｂでの減算は「Ｖｘ−Ｖｂ」であってもよい。
【００２９】
こうして、検出対象位置ｘに応じてサイン及びコサイン関数特性に従う振幅をそれぞれ示す２つの交流出力信号ｓｉｎθｓｉｎωｔとｃｏｓθｓｉｎωｔを生成することができる。これは一般にレゾルバといわれる位置検出器の出力信号の形態と同様のものであり、有効に活用することができる。例えば、演算回路３１Ａ，３１Ｂで生成されたレゾルバタイプの２つの交流出力信号を位相検出回路（若しくは振幅位相変換手段）３２に入力し、該２つの交流出力信号における振幅値の相関関係から該振幅値を規定する前記サイン及びコサイン関数ｓｉｎθ及びｃｏｓθの位相値θを計測することで、検出対象位置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、ストローク位置検出データを得ることができる。位相検出回路３２は、専用回路（例えば集積回路装置）で構成してもよいし、プログラム可能なプロセッサまたはコンピュータを使用して所定のソフトウェアを実行することにより位相検出処理を行うようにしてもよい。あるいは、公知のレゾルバ出力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。また、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３１Ａ，３１Ｂ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。
【００３０】
なお、図３（Ｂ）に示すように、サイン及びコサイン関数特性の交流出力信号ｓｉｎθｓｉｎωｔ及びｃｏｓθｓｉｎωｔにおける振幅特性は、位相角θと検出対象位置ｘとの対応関係が線形性を持つものとすると、図３（Ｃ）に示すような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３２では、見かけ上、この交流出力信号ｓｉｎθｓｉｎωｔ及びｃｏｓθｓｉｎωｔをそれぞれサイン及びコサイン関数の振幅特性を持つ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、検出対象位置ｘに対して、線形性を示さないことになる。しかし、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。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３２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３（Ｂ）に示されるように、実際は三角波形状のような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。つまり、サイン等の三角関数に類似した関数であればよい。なお、図３（Ｂ）の例では、観点を変えて、その横軸の目盛をθと見立ててその目盛が所要の非線形目盛からなっているとすれば、横軸の目盛をｘと見立てた場合には見かけ上三角波形状に見えるものであっても、θに関してはサイン関数又はコサイン関数ということができる。
【００３１】
ここで、更なる温度ドリフト特性の補償について説明する。前述した通りセンサ用コイルＬ１の出力電圧Ｖｘと基準電圧Ｖａ，Ｖｂはそれぞれ温度ドリフト補償されているものであるが、演算回路３１Ａ，３１Ｂにおける差演算によって、同一方向のレベル変動誤差がもしあったとしてもこれも相殺されることになり、温度ドリフト特性がより一層確実に補償されることになる。
【００３２】
基準電圧発生用の各コイルＬａ１，Ｌａ２，Ｌｂ１，Ｌｂ２は、センサ用コイルＬ１と同等の特性のコイルを使用し、かつ、これらのコイルＬａ１，Ｌａ２，Ｌｂ１，Ｌｂ２とセンサ用コイルＬ１と同様の温度環境に置く（つまりセンサ用コイルＬ１の比較的近くに配置する）のがよいが、これに限らず、別の配置でもよい。何故ならば、図１（Ｃ）のような各対のコイルの直列接続とその接続点からの電圧取り出しによって、温度ドリフト補償が達成されているからである。よって、基準電圧発生用の各コイルＬａ１，Ｌａ２，Ｌｂ１，Ｌｂ２は、演算回路３１Ａ，３１Ｂの回路基板側に設けてもよい。
【００３３】
図４は、本検出装置を、自動車のパワーステアリングのトルクセンサとして使用した場合の実施例を示す。センサ用コイルＬ１に直列接続される温度補償用コイルＬ２は、該センサ用コイルＬ１の近傍に配置され、なるべく同一環境下に置かれる。基準電圧発生用の各コイルＬａ１，Ｌａ２，Ｌｂ１，Ｌｂ２も、センサ用コイルＬ１の近傍に配置されるとよいが、これに限らないのは前述の通りである。勿論、温度補償用コイルＬ２及び基準電圧発生用の各コイルＬａ１，Ｌａ２，Ｌｂ１，Ｌｂ２は、磁気応答部材１１，１２の凹凸歯１１ａ，１１ｂ，１２ａ，１２ｂをカバーしておらず、これらの相対的変位によるインピーダンス変化を受けない。所定の基準電圧Ｖａ，Ｖｂを定電圧で発生し得るようにするために、鉄のような磁性体又は銅のような導電体若しくはそれらのハイブリッド構造からなる適宜のマスキング部材をこれらの基準電圧発生用コイルＬａ１，Ｌａ２，Ｌｂ１，Ｌｂ２に施して、そのインダクタンスすなわちインピーダンスを設定するようにするとよい。同様に温度補償用コイルＬ２のインダクタンスすなわちインピーダンスを設定・調整することができる。
【００３４】
図５は、基準電圧発生用コイルＬａ１，Ｌａ２，Ｌｂ１，Ｌｂ２のインダクタンスすなわちインピーダンスの設定法の一例を示す。１対のコイルＬａ１，Ｌａ２に対して磁性体コアＭａが可変的に挿入され、その配置を調整することで、２つのコイルＬａ１，Ｌａ２のそれぞれに対する磁性体コアＭａの侵入量が差動的に調整され、基準電圧Ｖａのレベルを可変調整することができる。同様に、１対のコイルＬｂ１，Ｌｂ２に対して磁性体コアＭｂが可変的に挿入され、その配置を調整することで、２つのコイルＬｂ１，Ｌｂ２のそれぞれに対する磁性体コアＭｂの侵入量が差動的に調整され、基準電圧Ｖｂのレベルを可変調整することができる。
【００３５】
基準電圧発生用回路は、コイルに限らず、抵抗その他の適当な定電圧発生回路を使用してもよい。図１の例では、コイルＬ１の軸線は回転軸２，３の軸線と同じ方向（スラスト方向）であるが、これに限らず、コイルＬ１の軸線の方向が回転軸２，３のラジアル方向になるようにしてもよい。
【００３６】
なお、磁気応答部材１１，１２として、磁性体の代わりに、銅のような非磁性良導電体を使用してもよい。その場合は、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１１，１２の凸部１１ａ，１２ａ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。例えば、凸部１１ａ，１２ａを磁性体とし、凹部１１ｂ，１２ｂのギャップを導電体で埋める。また、磁気応答部材１１，１２は凹凸歯形状からなるものに限らず、適宜の漸減又は漸増形状であってよく、また所定の基材の表面上にめっき等で適宜の漸減又は漸増形状からなるパターンを形成したものであってもよい。
【００３７】
また、磁気応答部材１１，１２として永久磁石を含み、コイル部１０のコイルには鉄心コアを含むようにしてもよい。永久磁石が、コイルに接近するとその近接箇所に対応する鉄心コアが部分的に磁気飽和ないし過飽和状態となり、該コイルの端子間電圧が低下する。これにより、磁気応答部材１１，１２の相対的変位に応じたコイルの端子間電圧の漸減（又は漸増）変化を引き起こさせることができる。
【００３８】
本発明に係る相対的回転位置検出装置は、ねじり量検出装置あるいはトルクセンサに限らず、例えば、エンジンオーバーヘッドカムの相対的な回転角度を検出するエンジン噴射タイミング制御用センサにも応用することができる。その他、要するに、回転可能な２軸の所定角度範囲にわたるねじれ量や回転ずれなどの相対的回転位置の検出センサとして好適なものである。
【００３９】
【発明の効果】
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相対的回転位置検出装置を提供することができる。また、第１及び第２の軸の相対的回転位置に応じて第１及び第２の磁気応答部材の相対的位置が変化する間に生じるコイルの電圧の漸増（又は漸減）変化特性を利用し、これを基準電圧と演算して組み合わせることにより、検出対象の相対的回転位置に応じて所定の周期関数特性に従う振幅をそれぞれ示す複数の交流出力信号（例えばサイン及びコサイン関数特性に従う振幅をそれぞれ示す２つの交流出力信号）を容易に生成することができる。また、その際、センサ用コイルに直列接続された温度補償用コイルを具備し、前記センサ用コイルと前記温度補償用コイルとの接続点より、前記センサ用コイルのインピーダンス変化に基づき変化する該センサ用コイルの出力電圧を取り出すようにしているので、同じコイルであることにより温度ドリフトを適正に相殺し、温度ドリフト補償済みの出力電圧を取り出すことができる。同様に、基準電圧の発生にあたっては、交流信号が印加されるように直列接続された２つのコイルを含み、該コイルの接続点より基準電圧を取り出すようにすることにより、基準電圧の温度ドリフト補償も行なうことができ、出力電圧及び基準電圧が共に温度ドリフト補償された正確なアナログ演算を行なうことができることとなり、温度変化の影響を排除した相対的位置検出を容易に行うことができる。更に、これら複数の交流出力信号における振幅値の相関関係から該振幅値を規定する所定周期関数（例えばサイン及びコサイン関数）における位相値を検出することで、検出対象の変位が微小でも高分解能での相対的回転位置検出が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施例に係る相対的回転位置検出装置の構造例を示すもので、（Ａ）は外観斜視図、（Ｂ）は同装置の軸方向断面図、（Ｃ）は同装置のコイルに関連る電気回路図。
【図２】 同実施例における第１及び第２の磁気応答部材の相対的位置の関係を示す図。
【図３】 図１の実施例の検出動作説明図。
【図４】 本発明に係る相対的回転位置検出装置を自動車のパワーステアリングのトルクセンサとして使用した場合の実施例を示す概略図。
【図５】 基準電圧発生用コイルのインピーダンス調整法の一例を示す略図。
【符号の説明】
１ トーションバー
２ 入力軸
３ 出力軸
１０ コイル部
Ｌ１ センサ用コイル
Ｌ２ 温度補償用コイル
１１，１２ 磁気応答部材
１１ａ，１２ａ 凸部
１１ｂ，１２ｂ 凹部
３０ 交流発生源
３１Ａ，３１Ｂ アナログ演算回路
３２ 位相検出回路
Ｌａ１，Ｌａ２，Ｌｂ１，Ｌｂ２ 基準電圧発生用のコイル

Claims (8)

1. 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的回転位置検出装置であって、
   交流信号で励磁される１つのセンサ用コイルを配置してなるコイル部と、
   前記第１及び第２の軸に配置された第１及び第２の磁気応答部材であって、前記コイル部に対して磁気的に結合し、前記相対的回転位置に応じて該第１及び第２の磁気応答部材の相対的位置が変化し、これに応じて前記センサ用コイルのインピーダンスを変化させるようにしたものと、
   前記センサ用コイルに直列接続された温度補償用コイルと、
   前記センサ用コイルと前記温度補償用コイルとの接続点より、前記センサ用コイルのインピーダンス変化に基づき変化する該センサ用コイルの出力電圧を取り出す回路と、
   交流信号からなる基準電圧を発生する回路と、
   前記センサ用コイルの出力電圧と前記基準電圧と演算することで、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少なくとも２つ生成する演算回路であって、前記各交流出力信号の前記周期的振幅関数はその周期特性においてサイン及びコサイン関数に相当する所定位相だけ異なっているものと
   を具えた相対的回転位置検出装置。
2. 前記基準電圧を発生する回路は、交流信号が印加されるように直列接続された２つのコイルを含み、該コイルの接続点より前記基準電圧を取り出すようにした請求項１に記載の相対的回転位置検出装置。
3. 前記基準電圧を発生する回路は、第１及び第２の基準電圧を発生し、
   前記演算回路は、前記センサ用コイルの出力電圧と前記第１及び第２の基準電圧とを用いて所定の第１の演算及び第２の演算をそれぞれ行うことで、第１の振幅関数を振幅係数として持つ第１の交流出力信号と、第２の振幅関数を振幅係数として持つ第２の交流出力信号とをそれぞれ生成するものである請求項１に記載の相対的回転位置検出装置。
4. 前記第１及び第２の基準電圧は、前記第１及び第２の交流出力信号における前記第１及び第２の振幅関数の周期特性における特定の位相区間を定めるものであり、この第１及び第２の基準電圧を可変することで、該特定の位相区間と前記相対的位置の変化範囲との対応関係を可変できることを特徴とする請求項３に記載の相対的回転位置検出装置。
5. 前記基準電圧を発生する回路は、交流信号が印加されるように直列接続された２つのコイルを含む第１の回路と、交流信号が印加されるように直列接続された２つのコイルを含む第２の回路とを含み、該第１の回路のコイルの接続点より前記第１の基準電圧を取り出し、該第２の回路のコイルの接続点より前記第２の基準電圧を取り出すようにした請求項３又は４に記載の相対的回転位置検出装置。
6. 前記直列接続された２つのコイルは磁性体コアを有し、該２つのコイルのそれぞれに対する磁性体コアの配置を調整することで、コイルのインピーダンスを調整し、もって該２つのコイルの接続点より取り出される基準電圧のレベルを調整できるようにした請求項２又は５に記載の相対的回転位置検出装置。
7. 前記第１及び第２の磁気応答部材は、所定ピッチの凹凸又はパターンを有し、前記第１及び第２の軸の相対的回転位置に応じて該第１及び第２の磁気応答部材の前記凹凸又はパターンの対応関係が変化し、これに応じて前記コイルのインピーダンスが変化するようにした請求項１乃至６のいずれかに記載の相対的回転位置検出装置。
8. 前記第１の軸が入力軸、第２の軸が出力軸であり、該第１及び第２の軸がトーションバーで連結されており、入力軸と出力軸との間のトルクを検出することを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の相対的回転位置検出装置。

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