JP4976039B2 - 回転センサ - Google Patents

Description

本発明は、回転体に取り付けてこの回転体の回転角度を検出するのに使用する回転センサに関する。

例えば、自動車のステアリングシャフトなどの回転シャフトに取り付けてこのシャフトと一体になったハンドルの回転角度を検出するのにいわゆる回転センサが使用される。

かかる回転センサの一例として、ロータに対して固定コアを所定間隔隔てて対向配置したものがある。（例えば、特許文献１参照）。

この回転センサは、回転するシャフトの軸線方向所定位置に取り付けられ、周方向に沿って幅が変化するセンシング部を有するロータ、励磁コイルと、絶縁磁性材から成形され、励磁コイルを保持するコアとを有し、固定部材に取り付けて、ロータに対してシャフトの軸線方向に間隔を置いて対向配置される固定コア及び励磁コイルと接続され、特定周波数の発振信号を発信する発振手段を有する回転角度測定装置を備えている。

そして、このような構成の回転センサを用いて、この渦電流の発生に伴う励磁コイルのインピーダンス変動を利用してロータの０°〜３６０°の回転角度を検出するようになっている。
特開２００５−２６５８３０号公報（第６頁、図１）

特許文献１に記載の回転センサのように、コイルに交流電流を流してシールド板（センシング部）の面積の変化をこのコイルにて検知して、そのシールド板の回転角度を検出する方法において、周方向異なる位置に２個以上の励磁コイルを配置した場合、各励磁コイルによって発生した渦電流がシールド板を流れるループ電流として互いの励磁コイルに影響しあい、干渉して回転角度の誤差が大きくなることがある。

具体的には、図１１に示すように、一方の励磁コイル１を励磁する交流電流ｉ１により発生した磁界Φ１によりシールド板１２に渦電流を発生させ、その渦電流から発生した磁界Φ２が励磁コイル１に影響を与え、その磁界Φ２による電流ｉ２が励磁コイル１に生じる。その電流ｉ２は交流電流ｉ１とは位相ずれ１８０°程度遅れて励磁コイル１に影響する。そして、磁界Φ１を横切るシールド板１２の面積が変化すると渦電流による電流ｉ２も変化し、コイル１の電流変化をインピーダンスの変化（図１２における検出位相θとしてのベクトル方向参照）として検出することができる。このようにコイル１及びコイル２はそれぞれの近傍のシールド板の面積変化による渦電流の変化を検出している。しかしながら、一方のコイル（例えば、図１１におけるコイル２）の交流電流も同じように磁界Φ３を発生させると共にループ電流ＩＲ、磁界ΦＩＲを発生させ、１８０°程度の位相遅れで磁界ΦＩＲにより電流ｉｒが、他方のコイル（例えば、コイル１）に影響を及ぼし、これが誤差要因となる。

この問題を解決するために、例えばシールド板１２の一部をカット（電気的に縁切り）することでシールド板１２のループ電流回路を絶縁し、シールド板１２自体にループ電流を流れなくすれば良いが、シールド板１２の厚さが薄い板であった場合、構造上の強度が保てない問題が生じる。また、シールド板１２には励磁コイル１，２への投影面積の小さな幅の狭い部分が存在するため、製造をプレスで行う場合、シールド板１２の周方向を一部カットするような構造ではプレス時に変形を生じ、製品としてのシールド板１２の寸法精度が悪くなってしまう。また、プレス後にシールド板１２の周方向を一部カットする場合、応力が開放されてシールド板１２自体の寸法が変化する恐れもある。

このように、励磁コイルを２個以上配置した場合、各励磁コイルによって発生する渦電流により一方の励磁コイルに流れる電流が他方の励磁コイルに影響を及ぼすことがあるので、その問題を解決することが望まれている。

本発明の目的は、広範囲の回転角度にわたって検出精度に優れた回転センサを提供することにある。

上述の課題を解決するために、本発明の請求項１に記載の回転センサは、
回転するシャフトに取付けられ、周方向に沿って幅が変化する導電性のセンシング部を有するロータと、
交流励磁電流が流されることで前記ロータのセンシング部との間に磁気回路を形成する励磁コイルと、磁性材から成形されかつ前記励磁コイルを保持するコア本体とを有し、固定部材に取付けて前記ロータのセンシング部に対して前記シャフトの軸線方向に間隔をおいて対向配置される固定コアとを備えた回転センサにおいて、
前記回転センサは、位相遅れ部を有し、かつ前記固定コアがセンシング部の周方向異なる位置に配置された少なくとも２つの固定コアからなり、回転角度を検出するにあたって前記位相遅れ部を介して各固定コアの励磁コイルを励磁する交流電流の位相を予め所定角度だけ互いにずらすことで、或る固定コアにおいて発生した渦電流がセンシング部のループ電流となって他の固定コアの検出出力誤差となる影響を低減させる回転センサであって、
何れか一方の固定コアのみが前記回転センサに備わったとしたときの前記センシング部の幅が最も広い部分が当該固定コアに対応して位置したときの当該固定コアに備わった励磁コイルの抵抗値をＲ１、リアクタンスをＸＬ１とし、前記センシング部の幅が最も狭い部分が当該固定コアに対応して位置したときの当該固定コアに備わった励磁コイルの抵抗値をＲ２、リアクタンスをＸＬ２とし、
α＝ｔａｎ ^−１ ｛（ＸＬ２−ＸＬ１）／（Ｒ１−Ｒ２）｝
β＝ｔａｎ ^−１ ｛（ＸＬ２＋ＸＬ１）／（Ｒ１＋Ｒ２）｝
としたとき、
前記所定角度をθ３とすると、
θ３＝１８０−α−βで規定されることを特徴としている。

各固定コアの励磁コイルを励磁する交流電流を所定角度だけずらすことにより、或る固定コアにおいて発生した渦電流がセンシング部のループ電流となって他の固定コアの検出出力誤差となる影響を少なくする。

また、一方の励磁コイルの交流励磁電流ｉ１より磁界Φ１が発生し、それを打ち消す方向に磁界Φ２が発生するよう渦電流がセンシング部の表面に流れ、更にこの磁界Φ２によって励磁された電流ｉ２が発生すると共に、他方の励磁コイルの交流電流が磁界Φ３を発生させ、ループ電流ＩＲを励起し、更に磁界ΦIRを誘導発生させｉ２と同じようにおよそ１８０°の位相遅れで電流ｉｒを発生させる。この場合に、同一線上ベクトルで変化するｉ２影響分とｉｒ影響分のｉｒ影響分のみのベクトル方向を原点に向くようにずらす。即ち各固定コアの励磁コイルを励磁する交流電流の位相を上述のように規定された角度θ３分、各固定コアの励磁コイルを励磁する交流電流の位相をずらしたとき、一方の励磁コイルの位相検出が他方の励磁コイルの位相検出に与える影響が最も小さくなる。

本発明によると、広範囲の回転角度にわたって検出精度に優れた回転センサを得ることができる。

以下、本発明の一実施形態にかかる回転センサを図面に基づいて説明する。なお、この説明においては自動車のステアリング装置においてこの回転センサをステアリングシャフトに取付けてハンドルの回転角度を検出する場合について説明する。

本発明の一実施形態にかかる回転センサ１は、図１及び図２に示すように、回転するシャフトＳに取付けられるロータ１０と、絶縁磁性材からなるコア本体及びコア本体内に収容される少なくとも１つの励磁コイルを有する固定コア３１，３２（４１，４２）と、固定コア３１，３２（４１，４２）を保持する保持部材９０と、保持部材９０の一部に備わった回路基板９５と、これらを収容するケース２０とを備えている。また、保持部材９０には、固定コア３１，４１を対向配置させるコイルコアホルダ９２と、固定コア３２，４２を対向配置させるコイルコアホルダ９３が備わっている。そして、保持部材９０は、コイルコアホルダ９２，９３がシャフトＳの軸に対して中心角９０度をなすように回転センサ１に組付けられている。

保持部材９０は、例えば合成樹脂（例えば、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、ナイロン、ポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）、ＡＢＳ樹脂等ガラス繊維にエポキシ樹脂を含浸させたＦＲＰ（繊維強化プラスチック）等）でできた矩形状の板部材であって下ケース２２に取付けられるベース部９１と、このベース部９１の一側端部に備わったコイルコアホルダ９２，９３とからなる。

保持部材９０の一方のコイルコアホルダ９２には、固定コア３１，４１が互いに同芯度を保ちながら対向配置された状態で備わり、保持部材９０の他方のコイルコアホルダ９３には固定コア３２，４２が互いに同芯度を保ちながら対向配置されている。また、一方の組の各固定コア３１，４１が他方の組の固定コア３２，４２に対してシャフトＳの軸に関して中心角９０°をなして配置されている。これによって、一側の固定コア３１（３２）は、ロータ１０を挟んで他側の固定コア４１（４２）との間に所定間隔Ｇ（図２参照）を隔てて対向配置されている。

また、保持部材９０の一部には回路基板９５が備わり、この回路基板９５に回転角度検出回路１００が備わっている。回転角度検出回路１００は、ケース２０から外部に延出させた複数の電線（図示せず）を介して電源や信号伝送用のワイヤハーネスと接続されると共に、ケース２０の外部に設けられた外部装置と接続されるようになっている。

上述のように、固定コア３１，３２は、シャフトＳの軸に対して中心角９０°をなすように保持部材９０の下ケース側に配置される。一方、固定コア４１，４２は、シャフトＳの軸に対して中心角９０°をなすように保持部材９０の上ケース側に配置される。

また、固定コア３１と固定コア４１はロータ１０のセンシング部１２を挟んで同芯度を維持しながら対向配置され、固定コア３２と固定コア４２もロータ１０のセンシング部１２を挟んで同芯度を維持しながら対向配置される。

なお、一側の固定コア３１，３２は、図２に示すように、絶縁磁性材（例えば、Ｎｉ−Ｚｎ系、Ｍｎ−Ｚｎ系、Ｍｇ−Ｚｎ系のフェライトに、ナイロン、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）、ＡＢＳ樹脂等の電気絶縁性を有する熱可塑性合成樹脂を混合したもの、あるいはセラミック等）からなり、円柱状に形成され、上面側に励磁コイルが収容されるリング状の空隙部を有するコア本体３１ａ，３２ａとコア本体３１ａ，３２ａ内に収容される励磁コイル３１ｂ，３２ｂを有している。

また、他側の固定コア４１，４２も同様に、絶縁磁性材からなるコア本体４１ａ，４２ａとコア本体４１ａ，４２ａ内に収容される励磁コイル４１ｂ，４２ｂを有している。そして、励磁コイル３１ｂと励磁コイル４１ｂ、励磁コイル３２ｂと励磁コイル４２ｂは、それぞれ直列に接続され、保持部材９０の回転角度検出回路１００と電気的に接続され、交流励磁電流が流されることでコイル周囲に交流磁界を形成し、それぞれ対となっている固定コア間で磁気回路を形成するようになっている。

また、固定コア３１，３２（４１，４２）が備わった保持部材９０、回転角度検出回路１００が備わった回路基板９５、及びロータ１０は、交流磁界の遮蔽性を有する金属又は絶縁磁性材からなるケース２０に収容されている。なお、ケース２０は上ケース２１と下ケース２２とからなり、シャフトＳの近傍に位置する固定部材（図示せず）に図示しないブラケット等を介して取付けられている。

ロータ１０は、図１に示すように、絶縁磁性材のロータ取付け部１１と、このロータ取付け部１１とステー１２ａ，１２ｂを介して連結され、周方向にわたって幅が連続的に変化するセンシング部１２とからなる。なお、センシング部１２は、アルミニウム，銅，銀，真鍮等の導電性を有する金属でできている。また、センシング部１２は、図１及び図３に示すように、幅が最小の幅狭部と、この幅狭部と半径方向反対側に幅が最大の幅広部とを有している。そして、ロータ１０の回転角度に対応して半径方向の幅が変化するように形成され、ロータ回転に伴い後述する交流磁界によってセンシング幅の、各コイルに対応した領域の面積に基く大きさの渦電流が誘起されるようになっている。

回転センサ１の回転角度検出回路１００は、図４の回路ブロック図に示すように、発振回路１１１からなり特定周波数の発振信号を出力する発振部１１０と、発振部１１０から後述する一方の位相シフト部１２２の励磁コイルＢ２（図５における励磁コイル３２ｂ，４２ｂ）に供給される交流電流の位相を他方の位相シフト部１２１の励磁コイルＢ１（図５における励磁コイル３１ｂ，４１ｂ）に供給される交流電流の位相に対して所定角度だけ遅らせる位相遅れ回路１１１ａと、発振部１１０から入力された発振信号の位相をシフトする位相シフト部１２０（１２１，１２２）と、位相シフト量を検出する位相シフト量検出部１３０（１３１，１３２）と、検出された位相シフト量を対応するパラメータに変換する位相シフト量コンバート部１４０（１４１，１４２）と、位相シフト量コンバート部１４０から出力される位相シフト量を増幅させる増幅部１５０（１５１，１５２）と、位相シフト量に対応するパラメータから回転角度を算出する信号処理部１６０とを有し、位相シフト部１２０に入力される各回転角度を検出するようになっている。

なお、一方の位相シフト部１２２の励磁コイルＢ２（図５における励磁コイル３２ｂ，４２ｂ）に供給される交流電流の位相を他方の位相シフト部１２１の励磁コイルＢ１（図５における励磁コイル３１ｂ，４１ｂ）に供給される交流電流の位相に対して所定角度だけ位相遅れ回路１１１ａで遅らせるこの所定の角度θ３は、本実施形態の場合、何れか一方の固定コアのみが回転センサに備わったとしたときのセンシング部の幅が最も広い部分が当該固定コアに対応して位置したときの当該固定コアに備わった励磁コイルの抵抗値をＲ１、リアクタンスをＸＬ１とし、センシング部の幅が最も狭い部分が当該固定コアに対応して位置したときの当該固定コアに備わった励磁コイルの抵抗値をＲ２、リアクタンスをＸＬ２とし、
α＝ｔａｎ^−１｛（ＸＬ２−ＸＬ１）／（Ｒ１−Ｒ２）｝
β＝ｔａｎ^−１｛（ＸＬ２＋ＸＬ１）／（Ｒ１＋Ｒ２）｝
としたとき、図１３に示すように、θ３＝１８０−α−βで規定される。
また、本実施形態では記載されていないが、発振回路１１１と位相シフト部１２０との間に必要に応じて分周回路やバッファを設けても良い。

続いて、上記構成を有した回転センサ１の回転角度検出方法について説明する。

まず、一方の各励磁コイル３１ｂ，４１ｂに交流励磁電流ｉ１が流されると、図１１に示すように各励磁コイル３１ｂ，４１ｂは周囲に交流磁界Φ１を形成し、このとき、磁界Φ１がセンシング部１２を横切ると、センシング部１２の表面には渦電流が誘起され、各励磁コイル３１ｂ，４１ｂのインピーダンスを変動させる。このインピーダンスの変動量は、センシング部１２の表面に誘起される渦電流量の変動に対応する。

更に詳しく説明すると、各励磁コイル３１ｂ，４１ｂに流された交流励磁電流ｉ１より磁界Φ１が発生し、それを打ち消す方向に磁界Φ２が発生するよう渦電流がセンシング部１２の表面に流れる。さらにこの磁界Φ２によって励磁された電流ｉ２（ｉ１とは位相がおよそ１８０度ずれている）が励磁コイル３１ｂ，４１ｂに影響を及ぼす。この原理により、固定コア３１，４１に対応するセンシング部１２の面積（センシング部１２のセンシング面と直交する方向から見てセンシング部１２の固定コア３１，４１に対する投影面積、即ち「センシング部の固定コアへの投影面積」）により渦電流の大きさが変化し、励磁コイル３１ｂ，４１ｂの電流変化、即ちコイル１のインピーダンスの変化として検出される。実際のインピーダンスは面積が広い部分では図１２の点Ｐ１となるＲ、ＸＬを得られ、面積の狭い部分では点Ｐ２となり、信号検出は位相θ１を検出して角度換算している。

従来の回転センサでは、図１１に示すように励磁コイル３２ｂ，４２ｂの交流電流が磁界Φ３を発生させ、ループ電流ＩＲを励起し、図１１に示すようにさらに磁界ΦIRを誘導発生させｉ２と同じようにおよそ１８０°の位相遅れで電流ｉｒとなり励磁コイル３１ｂ，４１ｂに図１２のように影響を及ぼし、これが検出誤差θ２となっていた。すなわち、図１２のｉ２影響分とｉｒ影響分は、ともにセンシング部１２に流れる渦電流の影響を受けるため、ほぼ同方向のベクトルとなっていた。

これに対して、本実施形態における回転センサ１は、上述した位相遅れ回路１１１ａにより励磁コイル３２ｂ，４２ｂの励磁電流の位相を予め上述した角度θ３だけずらしている。これによって、上述した図１２に示す電流ｉｒ影響分が角度θ３ずれた形となり、励磁コイル３２ｂ，４２ｂの位相θ１の検出には影響しづらくなる。検出しているｉ２影響分の方向（図１２中のベクトル方向）とｉｒ影響分はθ３位相がずれているので実際に検出しようとしている角度相当量のθ１に対してはその変化の影響は小さくなるからである。

その後、ロータ１０が回転すると、各固定コア３１，３２，４１，４２に対応するセンシング部１２の幅はロータ１０の回転角度に比例して変動し、これに伴い各励磁コイル３１ｂ，３２ｂ，４１ｂ，４２ｂにおけるインピーダンスも変動する。このときの各励磁コイル３１ｂ，３２ｂ，４１ｂ，４２ｂからの出力信号を後述する回転角度検出回路１００で検出し、ロータ１０の角度信号に変換して、ロータ１０の回転角度を検出することができる。

以上の構成を有する回転センサ１は、シャフトＳの回転による励磁コイル３１ｂ，３２ｂ，４１ｂ，４２ｂのインピーダンス変動を利用して出力を回転角度検出回路１００で信号処理することで、後述するようにロータの０°〜３６０°の回転角度全体にわたって検出するようになっている。

以下に上述の回転センサ１を用いた回転角度検出を行うにあたっての具体的な信号処理の仕方について説明する。まず、発振回路１１１は、特定周波数の発振信号を直接励磁コイル３１ｂ及び励磁コイル４１ｂ（コイルＢ１）に伝達すると同時に位相遅れ回路１１１ａによって所定角度だけ位相が遅れた発振信号として励磁コイル３２ｂ及び励磁コイル４２ｂ（コイルＢ２）に伝達する。これによって、各発振信号が抵抗Ｒ１，Ｒ２、励磁コイルＢ１，Ｂ２及びコンデンサＣ１，Ｃ２からなる各位相シフト部１２０に出力される。このとき、コンデンサＣ１，Ｃ２両端における電圧信号の位相は、励磁コイルＢ１，Ｂ２のインピーダンスの変動によって変化する。コンデンサＣ１，Ｃ２両端の電圧信号は、各位相シフト量検出部１３０へ出力される。各位相シフト量検出部１３０は、コンデンサＣ１，Ｃ２両端の電圧信号の位相シフト量をそれぞれ検出する。各位相シフト量コンバート部１４０は検出された各位相シフト量を対応する電圧に変換する。

そして、この電圧値を位相シフト量コンバート部１４０の後段に接続した増幅部１５０（１５１，１５２）に伝達する。増幅器１５０はオペアンプ等からなる電子回路である。

信号処理部１６０には演算処理手段として例えばワンチップマイクロプロセッサが使用され、各増幅部１５０から入力される電圧値に基づき、信号処理部１６０がロータ１０の回転角度を測定する。

これによって、例えば一方の励磁コイル（コイルＢ１）の出力電圧（Ｖ）が図６に示すように得られる。同図の励磁コイルに関するロータ回転角度と出力電圧との関係から明らかなように、１８０°離れた位置にセンシング部１２の２箇所のステー１２ａ，１２ｂに対応するピーク状の突出部が出現する。また、この部分を除いて従来の回転センサよりも回転角度に応じて正比例して直線的に変化する特性上向上した出力電圧を得られる検出帯域Ｑが現れる。

なお、励磁コイル３１ｂ，４１ｂと励磁コイル３２ｂ，４２ｂとは、図３に示すように９０°の中心角度をなして配置されているので、このようなロータ回転角度に応じた直線性に優れた検出帯域Ｑを図７に示すようにロータ回転角度の０°〜３６０°まで互いに９０°の位相だけずれたまま入れ替わり連続的に生じさせることができる。なお、図７においてはピーク状の突出部は省略して示している。

ところで、図７から明らかなように、ロータ回転角度の変化に応じて位相シフト量に対応する出力信号のリニアリティの優れた区域とそうではない区域が生じる。図８は、図７の理解を容易にするために、位相シフト量に対応する特性図においてリニアリティに優れた区域を太線で示し、それ以外を細線で示したものである。リニアリティの優れた区域は９０°よりやや大きい。そして、２つコイル出力信号のリニアリティ部分のみを回転角度位置の検出に用いるためにうまく連結するには、本実施形態にかかる回転センサのように、各励磁コイルの配置場所が中心角度で９０°ずれていることが望ましい。このように、コイルが９０°の中心角度をもって配置されていることが、ロータの角度位置を判別するには最も好都合である。

続いて、ロータ１０の回転角度位置を判別する方法の望ましい一例を詳しく説明する。信号処理アルゴリズムの中、２つのコイル検出信号から３６０°の回転角度に変換するために、信号処理回路から検出した２種類の信号を検出に際して適宜選択（判別）する。

すなわち、ロータ１０が任意の位置で、検出された中心角度が互いに９０°ずれて配置された２つの励磁コイルの位相シフト量に対応する信号をそれぞれＳ１，Ｓ２とする信号Ｓ１とＳ２の中、リニアリティの優れたコイル信号（図８における太線部分）を選択する。

このためには、まず、角度範囲の判別を行う。図７及び図８に示すように１つのコイル信号は１８０°の周期を持ち、３６０°の範囲内には２値性を持っている。即ち、２つのコイルが９０°の回転角度で配置されていると、角度θの出力信号レベル＝角度（θ＋１８０°）の出力信号レベルとなり、同じ信号レベルが、角度θか或いは角度（θ＋１８０°）かという判別を行う。この具体的な判別方法は以下の通りとなる。

まず、リニアリティ信号レベルの範囲を設定する。すなわち、図１０に示すようにリニアリティ区間範囲内の信号を用いて角度位置を算出する。具体的には以下のようになる。
・ロータ回転位置区域Ｘ１（０°≦α＜４５°、３１５°≦α＜３６０°）の場合：条件がＳ１＞Ｓ２となり、Ｓ１の信号のリニアリティが優れている。そのため、Ｓ１信号を用いて０°≦α＜４５°、３１５°≦α＜３６０°の角度位置を算出する。
・ロータ回転位置区域Ｘ２（４５°≦α＜１３５°）の場合：条件がＳ２＞Ｓ１となり、Ｓ２の信号のリニアリティが優れている。そのため、Ｓ２信号を用いて４５°≦α＜１３５°の角度位置を算出する。
・ロータ回転位置区域Ｘ３（１３５°≦α＜２２５°）の場合：条件がＳ２＞Ｓ１となり、Ｓ１の信号のリニアリティが優れている。そのため、Ｓ１信号を用いて１３５°≦α＜２２５°の角度位置を算出する。
・ロータ回転位置区域Ｘ４（２２５°≦α＜３１５°）の場合：条件がＳ１＞Ｓ２となり、Ｓ２の信号のリニアリティが優れている。そのため、Ｓ２信号を用いて２２５°≦α＜３１５°の角度位置を算出する。

以上の判別処理は全て図４に示す信号処理部１６０で実行する。具体的には、図１０に示すように、各励磁コイルの位相シフト量検出部１３０で得られた位相シフト量に対応する信号Ｓ１，Ｓ２の他に当該位相シフト量をそれぞれ反転させた位相シフト量に対応する反転信号Ｓ１Ｒ，Ｓ２Ｒを求め、これらの信号及び反転信号に基づき、最もリニアリティに優れた出力信号を選択する。図１０は、互いに１８０°位相のずれた信号Ｓ１、信号Ｓ２に関してそれぞれ、出力を反転した信号Ｓ１Ｒ、信号Ｓ２Ｒを求めてこれらを重畳して示している。

次いで、ロータ１０の回転角度に応じた信号Ｓ１、信号Ｓ２、信号Ｓ１Ｒ、信号Ｓ２Ｒの大小関係から信号処理部１６０においてロータ１０が現在、どの回転区間にあるかを判断する。具体的には、位相シフト量の出力がＳ２Ｒ＜Ｓ１＜Ｓ１Ｒ＜Ｓ２の場合、０°＜ロータ回転角度＜４５°でロータ回転位置区域Ｘ１ｂと判断する。また、位相シフト量の出力がＳ１＜Ｓ２Ｒ＜Ｓ２＜Ｓ１Ｒの場合、４５°＜ロータ回転角度＜９０°でロータ回転位置区域Ｘ２ａと判断する。また、位相シフト量の出力がＳ１＜Ｓ２＜Ｓ２Ｒ＜Ｓ１Ｒの場合、９０°＜ロータ回転角度＜１３５°でロータ回転位置区域Ｘ２ｂと判断する。また、位相シフト量の出力がＳ２＜Ｓ１＜Ｓ１Ｒ＜Ｓ２Ｒの場合、１３５°＜ロータ回転角度＜１８０°でロータ回転位置区域Ｘ３ａと判断する。また、位相シフト量の出力がＳ２＜Ｓ１Ｒ＜Ｓ１＜Ｓ２Ｒの場合、１８０°＜ロータ回転角度＜２２５°でロータ回転位置区域Ｘ３ｂと判断する。また、位相シフト量の出力がＳ１Ｒ＜Ｓ２＜Ｓ２Ｒ＜Ｓ１の場合、２２５°＜ロータ回転角度＜２７０°でロータ回転位置区域Ｘ４ａと判断する。また、位相シフト量の出力がＳ１Ｒ＜Ｓ２Ｒ＜Ｓ２＜Ｓ１の場合、２７０°＜ロータ回転角度＜３１５°でロータ回転位置区域Ｘ４ｂと判断する。また、位相シフト量の出力がＳ２Ｒ＜Ｓ１Ｒ＜Ｓ１＜Ｓ２の場合、３１５°＜ロータ回転角度＜３６０°でロータ回転位置区域Ｘ１ａと判断する。

なお、ロータ１０の回転角度を検出するにあたって、上述した４つの信号区間を連結して１つ連続的な信号とする処理も行う。具体的には、図９に示す各太線の交差する端部を互いに連結して回転角度検出用の信号が図１０に示すように連結する太線で構成されるようにする。その連結処理は誤差をできるだけ小さくするために、両コイルから算出した角度のずれをある角度範囲内に分散することが望まれる。これは、いわゆるスムージング処理と呼ばれるものである。また、できるだけ、角度ずれ値を細かく分散するため、連結処理の角度範囲をある程度大きくすることが望まれる。そこで、本実施形態にかかる回転センサの場合、信号処理部１６０においてもう１つ別の信号判別処理を行う。即ち、信号Ｓ１又は信号Ｓ２のみからロータの回転角度を検出する信号処理に加えて、通常の信号算出区間か連結処理区間かの判別を行う信号判別処理である。その判別を行い易いようにするために、図９に示したように信号処理部１６０であるマイコンで作り出した信号Ｓ１と信号Ｓ２の反転信号Ｓ１ＲとＳ２Ｒをこの信号判別処理においても利用する。

例えば、ロータ回転角度４５°近辺の連結区間Ｊ１を判別する場合、信号Ｓ１と信号Ｓ２Ｒの差分がある範囲内に入れば、ロータ回転角度が連結処理区間Ｊ１に入ったと判別する。また、ロータ回転角度１３５°近辺の連結区間Ｊ２を判別する場合、信号Ｓ１Ｒと信号Ｓ２Ｒの差分がある範囲内に入れば、ロータ回転角度が連結処理区間Ｊ２に入ったと判別する。また、ロータ回転角度２２５°近辺の連結区間Ｊ３を判別する場合、信号Ｓ１Ｒと信号Ｓ２の差分がある範囲内に入れば、ロータ回転角度が連結処理区間Ｊ３に入ったと判別する。また、ロータ回転角度３１５°近辺の連結区間Ｊ４を判別する場合、信号Ｓ２と信号Ｓ１の差分がある範囲内に入れば、ロータ回転角度が連結処理区間Ｊ４に入ったと判別する。このようにして連結区間Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３，Ｊ４における信号間の誤差をできるだけ小さくするとともに両コイルから算出した角度のずれをある角度範囲内に分散するスムージング処理を行う。これによって、図１０に示すように、上述した４つの信号区間を連結してＳ１，Ｓ２Ｒ，Ｓ１Ｒ，Ｓ２から構成される１つ連続的な信号にする連結処理を行う。

このようにして、ロータ回転角度がどの区間にあるかを判断した後、図１０に示すように、ロータ回転角度が上述したロータ回転位置区域Ｘ１にあるときは信号Ｓ１のリニアリティが優れているので、信号Ｓ１からロータ１０の回転角度を検出する。また、ロータ１０の回転角度が上述したロータ回転位置区域Ｘ２にあるときは、リニアリティの優れた信号Ｓ２の反転信号Ｓ２Ｒからロータ１０の回転角度を検出する。また、ロータ１０の回転角度が上述したロータ回転位置区域Ｘ３にあるときは、リニアリティに優れた信号Ｓ１の反転信号Ｓ１Ｒからロータの回転角度を検出する。また、ロータの回転角度が上述したロータ回転位置区域Ｘ４にあるときは、信号Ｓ２のリニアリティが優れているので、信号Ｓ２からロータの回転角度を検出する。

なお、上述した実施形態にかかる回転センサのように２つの固定コアが互いにシャフトの軸に対してなす中心角は、実質的に９０°であることは必ずしも必要でなく、シャフトの軸に対してなす中心角が実質的に１８０°を除いた角度の２箇所に配置されていれば、本発明の効果を発揮することが可能である。しかしながら、２つの固定コアが互いにシャフトの軸に対してなす中心角が実質的に９０°であることによって図８乃至図１０に示した出力特性を得ることができるので、少ない個数の固定コアによって精度の良い回転角度検出を行うためにはこのような固定コアの配置が最も好ましいと言える。

以上のようにして、ロータの回転角度を検出するにあたって、図４に示す励磁コイルB１、コイルB２（図１乃至図３に示す励磁コイル３１ｂ，４１ｂと励磁コイル３２ｂ、４２ｂ）を励磁する交流電流の位相を予めずらしておくことで、一方の励磁コイルに交流電流を印加して励磁させたときに発生する渦電流がループ電流となってセンシング部（シールド板）を伝わって他方の励磁コイルの検出精度に悪影響を与えることを防止できる。その結果、ロータの回転角度を広範囲にわたって正確に検出できるようになる。

すなわち、本発明にかかる回転センサ１は、センシング部１２を構成するシールド板の周方向異なる位置に配置された励磁コイルを励磁する交流電流の位相をずらすことで、互いの励磁コイルの干渉レベルを最小にすることが可能となり、シールド板をカットせずに角度誤差を小さくできる。

なお、本実施形態のように固定コアはセンシング部の周方向に必ずしも２つだけ配置されているとは限定されず、例えば特開２００３−２０２２４０号公報に記載された回転センサのように、これより多い個数の固定コアがセンシング部の周方向に配置されている場合であっても、本発明は適用可能である。この場合、各固定コアの励磁コイルを励磁する交流電流の位相を全て互いに異ならしめるのが良い。

また、固定コア同士は、上述した実施形態にかかる回転センサのようにロータのセンシング部を挟んで対向配置された固定コア対として配置されていることを必ずしも必要としない。しかしながら、各固定コア同士がロータのセンシング部を挟んで対向配置していることで、各固定コア対が振動に対する出力特性の変動を相殺することができ、耐振動性に優れた回転角度の検出を行うことが可能となるので、このようなロータのセンシング部を挟んで各固定コア同士の対向配置が好ましい配置態様と言える。

以上説明したように、本発明においては上述した原理で一方の励磁コイルの位相検出が他方の励磁コイルの位相検出に与える影響をなるべく少なくするには各固定コアの励磁コイルを励磁する交流電流の位相差が上述した角度θ３であることが最も好ましいと言える。

一方の励磁コイルの交流励磁電流ｉ１より磁界Φ１が発生し、それを打ち消す方向に磁界Φ２が発生するよう渦電流がセンシング部の表面に流れる。更にこの磁界Φ２によって励磁された電流ｉ２が発生すると共に、他方の励磁コイルの交流電流が磁界Φ３を発生させ、ループ電流ＩＲを励起し、更に磁界ΦIRを誘導発生させｉ２と同じようにおよそ１８０°の位相遅れで電流ｉｒを発生させる。この場合に、ｉ２影響分の線分と角度θ３の位置にｉｒ影響分を配置したとき、即ち各固定コアの励磁コイルを励磁する交流電流の位相が角度θ３かその近傍の角度で各固定コアの励磁コイルを励磁する交流電流の位相をずらしたとき、一方の励磁コイルの位相検出が他方の励磁コイルの位相検出に与える影響が最も小さくなる。

また、上述した位相遅れ回路で遅らせる位相の角度θ３に関する規定の仕方について、本実施形態においてはその一例を示したものに過ぎない。従って、どのように位相遅れを持たせるか又はどのように位相を進めるかは本発明の作用を発揮する範囲で位相遅れ回路を適宜設計変更することで対応可能となる。位相遅れ回路は、一般にはローパスフィルタ（ＬＰＦ）で構成され、抵抗器、コンデンサを１個ずつ用いたＲＣ回路が最小限の構成となる。実際には演算増幅器（オペアンプ）などと組み合わせることもある。

また、励磁コイルを３つ以上センシング部の周方向異なる位置に配置した構成の回転センサにおいても、このような位相遅れ回路を適宜設けることで本発明に記載した作用を発揮することが同様に可能となる。

本発明にかかる回転センサは、振動の影響をかなり受け易い車両用ステアリング装置の回転角度検出に特に適している。しかしながら、本発明にかかる回転センサは、例えば、ロボットアームのように振動しながら回転する回転軸間の相対回転角度や回転トルクを求めるものであれば、どのようなものにも適用可能である。

本発明の一実施形態にかかる回転センサの内部構造を示した平面図である。 図１に示した回転センサをステアリングシャフトに装着した状態で示したII-II断面図である。 図１に示した回転センサのロータセンシング部と２つの励磁コイルとの配置関係を分かりやすく示した平面図である。 図１に示した回転センサの信号処理回路を説明する回路ブロック図である。 図４に示した回路ブロック図における位相遅れ回路の部分を分かり易く示した図である。 図４の回路ブロック図において一方の増幅部で得られたロータの回転角度毎の位相シフト量を示す図である。 図１に示した２つの励磁コイルの位相シフト量に対応する出力特性を示す図である。 図４の回路ブロック図における両増幅部で得られた位相シフト量に対応する出力を信号処理部で重畳した状態を示す出力特性図である。 反転した位相シフト量に対応する出力を図８の出力特性図に更に重畳した状態を示した特性図である。 図９の出力特性図に連結処理を施した状態を示した平面図である。 従来技術の問題点と本発明にかかる回転センサの検出原理をセンシング部とコイルを用いて示した説明図である。 本実施形態にかかる位相をずらす様子をベクトルを用いて示したベクトル図である。 角度θ３を算出するための説明図である。

符号の説明

１ 回転センサ
１０ ロータ
１１ ロータ取付け部
１２ センシング部
１２ａ，１２ｂ ステー
２０ ケース
２１ 上ケース
２２ 下ケース
３１，３２ 固定コア
３１ａ，３２ａ コア本体
３１ｂ，３２ｂ 励磁コイル
４１，４２ 固定コア
４１ａ，４２ａ コア本体
４１ｂ，４２ｂ 励磁コイル
９０ 保持部材
９１ ベース部
９２ コイルコアホルダ
９３ コイルコアホルダ
９５ 回路基板
１００ 回転角度検出回路
１１０ 発振部
１１１ 発振回路
１１１ａ 位相遅れ回路
１２０（１２１，１２２） 位相シフト部
１３０（１３１，１３２） 検出部
１４０（１４１，１４２） コンバート部
１５０（１５１，１５２） 増幅部
１６０ 信号処理部
Ｂ１，Ｂ２ 励磁コイル
Ｃ１，Ｃ２ コンデンサ
Ｇ 所定間隔
ＩＲ ループ電流
ｉ１ 交流励磁電流
ｉ２ 電流変化
ｉｒａ 位相遅れの励磁電流
ｉｒｂ θ位相をずらした励磁電流
Ｑ 検出帯域
Ｓ シャフト
Ｒ１，Ｒ２ 抵抗
Φ１，Φ２ 磁界

Claims (1)

1. 回転するシャフトに取付けられ、周方向に沿って幅が変化する導電性のセンシング部を有するロータと、
   交流励磁電流が流されることで前記ロータのセンシング部との間に磁気回路を形成する励磁コイルと、磁性材から成形されかつ前記励磁コイルを保持するコア本体とを有し、固定部材に取付けて前記ロータのセンシング部に対して前記シャフトの軸線方向に間隔をおいて対向配置される固定コアとを備えた回転センサにおいて、
   前記回転センサは、位相遅れ部を有し、かつ前記固定コアがセンシング部の周方向異なる位置に配置された少なくとも２つの固定コアからなり、回転角度を検出するにあたって前記位相遅れ部を介して各固定コアの励磁コイルを励磁する交流電流の位相を予め所定角度だけ互いにずらすことで、或る固定コアにおいて発生した渦電流がセンシング部のループ電流となって他の固定コアの検出出力誤差となる影響を低減させる回転センサであって、
   何れか一方の固定コアのみが前記回転センサに備わったとしたときの前記センシング部の幅が最も広い部分が当該固定コアに対応して位置したときの当該固定コアに備わった励磁コイルの抵抗値をＲ１、リアクタンスをＸＬ１とし、前記センシング部の幅が最も狭い部分が当該固定コアに対応して位置したときの当該固定コアに備わった励磁コイルの抵抗値をＲ２、リアクタンスをＸＬ２とし、
   α＝ｔａｎ ^−１ ｛（ＸＬ２−ＸＬ１）／（Ｒ１−Ｒ２）｝
   β＝ｔａｎ ^−１ ｛（ＸＬ２＋ＸＬ１）／（Ｒ１＋Ｒ２）｝
   としたとき、
   前記所定角度をθ３とすると、
   θ３＝１８０−α−βで規定されることを特徴とする回転センサ。

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