回転角度検出装置
【課題】回転角度検出装置の部品点数を削減できると共に、検出回路の出力信号の誤差要因が少なくなるため、ロジック回路や増幅回路を簡略化でき、回転角度検出装置のコストダウンを達成する。
【解決手段】コイル及び抵抗体からなる検出素子部を含む検出回路と、コイルのインダクタンスを被測定回転体の回転に応じて変化させるインダクタンス変化手段とを有する角度検出手段を備え、さらに検出回路に出力信号を発生させるための基準パルス電圧発生手段と、検出回路の出力信号を演算する演算手段とを備えている回転角度検出装置であって、演算手段は、基準パルス電圧発生手段で発生した基準パルス電圧を前記検出回路に入力した際に生じる過渡現象的出力電圧を所定時間積分して積分値を求め、該積分値に基づいて前記被測定回転体の回転角度を検出する。
【解決手段】コイル及び抵抗体からなる検出素子部を含む検出回路と、コイルのインダクタンスを被測定回転体の回転に応じて変化させるインダクタンス変化手段とを有する角度検出手段を備え、さらに検出回路に出力信号を発生させるための基準パルス電圧発生手段と、検出回路の出力信号を演算する演算手段とを備えている回転角度検出装置であって、演算手段は、基準パルス電圧発生手段で発生した基準パルス電圧を前記検出回路に入力した際に生じる過渡現象的出力電圧を所定時間積分して積分値を求め、該積分値に基づいて前記被測定回転体の回転角度を検出する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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好適に利用可能な回転角度検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
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角度検出装置が使用される。
【０００３】
かかる回転角度検出装置の一例として、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）。
【０００４】
この回転角度検出装置は、特許文献１に示すように、回転するシャフトに取り付けられるロータと、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と、回転角度検出部を備えている。なお、励磁コイルは、２個の励磁コイルからなり、それぞれロータの周方向に例えば９０度などの所定の中心角度をなして配置されている。また、固定コアは、シャフトの近傍に位置する固定部材に取り付けられ、それぞれ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にロータと共に収納されている。
【０００５】
ロータは、絶縁磁性材のロータ取り付け部及びこれと支持部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ロータシールド部材とからなる。なお、ロータシールド部材は、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た導電性を有する金属からなり、ロータの回転角度に対応してロータシールド部材の半径方向の幅が変化するように形成され、交流磁界によって回転に伴う幅に対応した大きさの渦電流が誘起されるようになっている。そして、このような構成の回転角度検出装置を用いて、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回転角度を検出するようになっている。
【特許文献１】特開２００３−２０２２４０号公報（第４−５頁、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ここで、本発明の先行技術における回転角度検出装置の角度検出の方法について図８に基づいて説明する。この回転角度検出装置の回路ブロック図は、図８に示す構成を有している。この構成は特許文献１（特開２００３−２０２２４０号公報）の図５とほぼ同様の構成である。
【０００７】
具体的には、この回路ブロック図において、図８の下部に示される発振回路２０１で矩形状の基準パルス電圧Ｐ１を発生させる。この発振回路２０１で発生した基準パルス電圧Ｐ１は２つの位相シフト検出回路２１０，２２０にそれぞれ供給され、位置検出用の基本信号として使用される。
【０００８】
位相シフト検出回路２１０は、図８に示すように、ロータシールド部材の周方向一方に対向配置された励磁コイルと回路基板上に実装されたコンデンサ、排他的論理和ゲート２１１、及び積分回路２１２により構成され、排他的論理和ゲート２１１には、発振回路２０１から直接加えられたａ１１点の基準パルス電圧Ｐ１と励磁コイルを通過したａ１２点の電圧が印加されるようになっている。そして、これらのａ１１点とａ１２点の電圧の排他的論理和が排他的論理和ゲート２１１で取られてａ１３点の電圧となり、これを積分回路２１２で積分してａ１４点のアナログ出力信号を得るようになっている。その後、ａ１４点のアナログ出力信号はアンプ２１３で増幅されてａ１５点のアナログ出力信号となる。
【０００９】
同様に、別の位相シフト位相検出回路２２０も、ロータシールド部材の周方向他方に対向配置された励磁コイルと回路基板上に実装されたコンデンサ、排他的論理和ゲート２２１、及び積分回路２２２により構成され、排他的論理和ゲート２２１には、発振回路２０１から直接加えられたｂ１１点の基準パルス電圧Ｐ１と励磁コイルを通過したｂ１２点の電圧が印加されるようになっている。そして、これらのｂ１１点とｂ１２点の電圧の排他的論理和が排他的論理和ゲート２２１で取られてｂ１３点の電圧となり、これを積分回路２２２で積分してｂ１４点のアナログ出力信号を得るようになっている。その後、ｂ１４点のアナログ出力信号はアンプ２２３で増幅されてｂ１５点のアナログ出力信号となる。
【００１０】
そして、増幅された２つのアナログ出力信号ａ１５及びｂ１５はＡ／Ｄコンバータ部２３０に加えられ、それぞれデジタル信号である直流検出電圧として演算部２４０に送られ、後述するステアリングシャフトＳの各角度位置を逐次検出するための位置検出信号Ａ，Ｂ（図８では図示せず）となる。
【００１１】
なお、図９は、位相シフト検出回路２１０に関する出力電圧のタイミングチャートを示し、（１）がａ１１点における出力電圧を示すタイミングチャートで、（２）がａ１２点における出力電圧を示すタイミングチャートで、中央部の横軸がａ１２点における電圧を０か１の論理値に分けるための閾値を示している。また、（３）がａ１３点における出力電圧を示すタイミングチャートであり、（４）がａ１４点における出力電圧を示すタイミングチャートである。
【００１２】
同様に、図１０は、位相シフト検出回路２２０に関する出力電圧のタイミングチャートを示し、（１）がｂ１１点における出力電圧を示すタイミングチャートで、（２）がｂ１２点における出力電圧を示すタイミングチャートで、中央部の横軸がｂ１２点における電圧を０か１の論理値に分けるための閾値を示している。また、（３）がｂ１３点における出力電圧を示すタイミングチャートであり、（４）がｂ１４点における出力電圧を示すタイミングチャートである。
【００１３】
しかしながら、このような回転角度検出装置の回路基板上にコンデンサを備えると共に排他的論理和（ＥＸ−ＯＲ）ゲートを備えた回路構成によると、温度変化による検出角度の誤差が大きくなってしまうと共に、回転角度検出部を構成する部品点数が多くなり、回路センサ自体のコスト高につながってしまう課題がある。この課題が発生する理由は、初期の特性上のバラツキや回転角度検出装置周囲の温度変化に依存する温度特性を有したコンデンサと、入力電圧に温度特性をもつ排他的論理和からなるロジックＩＣを検出回路に使用していることであると考えられる。
【００１４】
そして、このような回転角度検出装置を温度変化の激しい使用環境下で使わざるを得ない例えば車両等に装着した場合、実装されるコンデンサの初期特性のばらつきや温度変化に伴うコンデンサの出力特性のずれに基づく検出出力誤差が無視できなくなり、この要因に起因してステアリングシャフトＳの回転角度検出にあたって高精度の出力特性を得られなくなる。
【００１５】
本発明の目的は、少ない部品点数で構成されるにも関わらず、温度変化の激しい環境下においても広範囲の回転角度に亘って検出精度に優れた回転角度検出装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上述の課題を解決するために、本発明にかかる回転角度検出装置は、
コイルおよび抵抗体からなる検出素子部を含む検出回路と、前記コイルのインダクタンスを被測定回転体の回転に応じて変化させるインダクタンス変化手段とを有する角度検出手段を備え、さらに前記検出回路に出力信号を発生させるための基準パルス電圧発生手段と、前記検出回路の出力信号を演算する演算手段とを備えている回転角度検出装置であって、
前記演算手段は、前記基準パルス電圧発生手段で発生した基準パルス電圧を前記検出回路に入力した際に生じる過渡現象的出力電圧を所定時間積分して積分値を求め、該積分値に基づいて前記被測定回転体の回転角度を検出することを特徴としている。
【００１７】
本発明にかかる回転角度検出装置は、抵抗とコイルとコンデンサを組み合わせたＲＬＣ回路を検出素子部として備えることなく、抵抗とコイルを組み合わせたＲＬ回路からなる検出素子部を含む検出回路を角度検出手段に備えた構成を有し、基準パルス電圧発生器で発生した基準パルス電圧を検出回路のコイルを通じて放電させ、この放電波形（過渡現象的波形）を演算手段で積分して、その積分値の変化を回転角度の検出情報としている。
【００１８】
これによって、初期の特性上のバラツキや温度特性による出力信号の誤差要因となりうるコンデンサを検出素子部に使用しなくて済むようになり、回転角度検出装置周囲の温度変化による回転角度誤差を小さくできる。その結果、例えば、車両等の温度変化の激しい環境下において回転角度検出装置を装着した場合であっても、安定した精度で回転角度を検出できる。
【００１９】
また、検出回路の検出素子部にコンデンサを使用しないことで回転角度検出装置の部品点数を削減できると共に、検出回路の出力信号の誤差要因が少なくなるため、ロジック回路や増幅回路を簡略化または省略でき、回転角度検出装置のコストダウンを達成できる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によると、少ない部品点数で構成されるにも関わらず、温度変化の激しい環境下においても広範囲の回転角度に亘って検出精度に優れた回転角度検出装置を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明の一実施形態にかかる回転角度検出装置を図面に基いて説明する。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角度検出装置をステアリングシャフトに取り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。
【００２２】
本発明の一実施形態にかかる回転角度検出装置１は、図１に示すように、測定すべき回転体であるステアリングシャフトＳ（以下、単に「シャフトＳ」とする）に嵌め込まれかつ外周部に第１歯車１１と噛合する歯車部１０ａを備えたロータ１０と、第１歯車１１と同心をなし一体に回転する第２歯車１２と、第２歯車１２と噛合する第３歯車１３と、ロータ１０及び第１歯車１１乃至第３歯車１３を回転可能に支持する下ケース２１と、下ケース２１と嵌合して箱状のケース２０をなす上ケース（図示せず）と、本発明に係る回転角度検出を行う回転角度検出部３０を備えている。
【００２３】
ロータ１０は、強度と成型性に優れた合成樹脂でできている。ロータ１０の周囲には例えば板厚０．５ｍｍ程度の板状のロータシールド部材１５が配置されている。このロータシールド部材１５の内周側所定位置から支持部１５ａがロータ１０の回転軸方向へ延在した状態でロータ１０に取り付けられている。または、ロータ１０の周囲所定位置から支持部１５ａが延在し、板状のロータシールド部材１５がこの支持部１５ａを介してロータ１０の周囲にリング状に備わっている。なお、ロータシールド部材１５は、真鍮、銀、アルミニウム、銅などの導電性部材でできており、本実施形態では周方向に１２０度ずつその幅が例えば２ｍｍから５ｍｍまで規則的に変化するようになっている。
【００２４】
また、図示しない上ケースと下ケース２１は、強度に優れかつ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遮蔽材でできており、上ケースと下ケース２１とが協働して箱体をなしてロータ１０やロータシールド部材１５、第１歯車１１乃至第３歯車１３を収容するようになっている。また、下ケース２１には、回転角度検出装置１に電力を供給したり、回転角度検出装置１の検出信号を外部に伝達したりするためのコネクタ（図示せず）が備わっている。
【００２５】
また、上ケース及び下ケース２１には、図１に示すように、２つの対のコイル部材５０,６０が設けられている。各対のコイル部材５０，６０は、一方の対のコイル部材５０が回転軸に垂直な面の周方向所定の角度をなして配置されたコイル部材５１,５２からなり、このコイル部材５１,５２はそれぞれロータ１０のロータシールド部材１５の回転軸に垂直な面に対して所定間隔隔てて対向配置するように取り付けられている。ここで、ロータシールド部材１５とコイル部材５０（５１，５２）との位置関係は、前述の特許文献１（特開２００３−２０２２４０号公報）の図１４および図１６に示されている位置関係とほぼ同様である。
【００２６】
なお、ロータシールド部材１５とコイル部材５１,５２が協働して第１の角度検出手段を構成している。このロータシールド部材１５は、コイル部材５０，６０のコイルのインダクタンスを、被測定回転体であるロータ１０の回転に応じて変化させるインダクタンス変化手段に相当する。ここで、前述のように周方向に１２０度ずつロータシールド部材１５の幅を変化させることで、ロータ１０の実際の回転角度に対するコイル部材５０からの検出信号の変化を大きくとるようにしている。
【００２７】
また、他方の対のコイル部材６０も回転軸に垂直な面の周方向所定の角度をなして配置されたコイル部材６１,６２からなり、このコイル部材６１,６２もそれぞれロータ１０のロータシールド部材１５の回転軸に垂直な面に対して所定間隔隔てて対向配置するように取り付けられている。ロータシールド部材１５とコイル部材６１,６２が協働して、前述のロータシールド部材１５とコイル部材５１,５２で構成される第１の角度検出手段と同様の手段を構成している。このように第１の角度検出手段を構成することで、角度検出手段の冗長系を構成することも可能である。
【００２８】
この２組のコイル部材５０,６０は、図１に示すように、後述するそれぞれのコイル部材に関して各位相シフト量の出力値が互いに３０度ずれるように（前記インダクタンス変化手段による出力が異なる位置に）それぞれのコイル部材５０，６０がロータシールド部材１５の周方向に関して所定の角度で取り付けられている。コイル部材５０，６０は、図１に示すように、各外周縁が図１に示す平面視でいわゆる陸上競技のトラック形状をなしている。
【００２９】
このように一方の対のコイル部材５０と他方の対のコイル部材６０を２組配置した理由は、一方の対のコイル部材５０の出力信号と他方の対のコイル部材６０の出力信号を比較して回転角度検出装置１の異常検知を迅速に行ったり、ロータシールド部材１５の周方向一部に備わった支持部１５ａの部分で形成される回転角度検出不能領域を回転角度検出時に互いに補完したりするためである。
【００３０】
本実施の形態においては、後述するようにロータシールド部材１５の一周期が１２０度であるが、３０度だけ位相がずれるように一方の対のコイル部材５０（５１,５２）を配置すると共に、同様に周方向所定の角度だけずらして他方の対のコイル部材６０（６１,６２）を配置している。なお、一方の対のコイル部材５０と他方の対のコイル部材６０とは基本的構成が共通するので、以下の材質や構造に関する説明では一方の対のコイル部材５０（５１，５２）についてのみ行う。
【００３１】
コイル部材５０は、プラスチックマグネット（例えばＰＰＳ（ポリフェニレンスルフィド）にＭｎ−Ｚｎ系軟磁性フェライトを混入した混合軟磁性材等）などの絶縁性の軟磁性材でできたコア本体と、コア本体の外周部に沿って形成されたトラック状の内周溝に巻回されてコア本体内に収容された励磁コイルとを備えている。
【００３２】
また、コイル部材５０の励磁コイル同士はロータシールド部材１５を挟んで対向するようになっており、かつそれぞれ直列に接続され、ケース内でここでは回転角度検出部３０の搭載されたプリント基板の導体パターンに電気的に接続されている。そして、対向する励磁コイルに交流励磁電流が流されることで周囲に交流磁界を形成し、それぞれ対となっているコア本体間でロータシールド部材の回転軸に垂直な面に対して交流磁界を交差させている。
【００３３】
そして、コイル部材５０から発生した交流磁界によって導電性部材のロータシールド部材１５には渦電流が発生するが、ロータ１０の回転に応じたロータシールド部材１５の幅の変化に対応してこの発生した渦電流が変化し、これに基づくインピーダンス変動を検出して各コイル部材５０がロータ１０の回転角度を１２０度周期で検出するようになっている。
【００３４】
なお、コイル部材５０が各組ごとにロータシールド部材１５を挟んで対向配置される理由は、振動等によりロータ１０の位置がシャフトＳの軸方向に変動すると、これに伴い各々のコイル部材５０からの出力も変動するが、ロータシールド部材１５を挟んで一側に配置されてコイル部材からの出力が増加した分、ロータシールド部材１５を挟んで他側に配置されたコイル部材からの出力は減少するので、対向する２つのコイル部材からの出力を検出すれば各々のコイル部材５０の出力変動を相殺できるからである。
【００３５】
そして、まず、例えば一方のコイル部材５０の各励磁コイルに交流励磁電流が流されると、コイル部材５１，５２の各励磁コイルは周囲に交流磁界を形成し、このとき、磁界がロータシールド部材１５を横切ると、ロータシールド部材１５の表面には渦電流が誘起され、各励磁コイルのインピーダンスを変動させる。即ち、コイル部材５１，５２に対応するロータシールド部材１５の面積（ロータシールド部材１５の回転軸に垂直な面と直交する方向から見てロータシールド部材１５のコイル部材５１，５２に対する投影面積、即ち「ロータシールド部材の固定コアへの投影面積」）により変動する渦電流が変化し、コイル部材５０を流れる励磁コイルの電流変化として検出される。このインピーダンスの変動量は、ロータシールド部材１５の表面に誘起される渦電流量の変動に対応する。
【００３６】
回転角度検出装置１の回転角度検出部３０は、図２の回路ブロック図に示すような回路を一部に有し、この回路に入力される信号に基づき回転角度を検出するようになっている。なお、本実施形態では、本発明の作用を特に発揮し易いロータ１０、ロータシールド部材１５とコイル部材５０（６０）との組み合わせからロータ１０即ちステアリングシャフトＳの回転角度を検出する方法についてのみ説明し、第３歯車１３とＭＲ素子７２との組み合わせによる第３歯車１３の回転角度検出方法に関しては他の実施形態において説明する。
【００３７】
回転角度検出部３０は、２つの検出回路１１０，１２０の出力を処理する演算手段を含んでいる。また、図２の下部に示される発振回路１０１を含んでおり、この発振回路１０１で矩形状の基準パルス電圧を発生させる。この発振回路１０１によって発生した基準パルス電圧は２つの検出回路１１０，１２０にそれぞれ供給されるようになっている。
【００３８】
一方の検出回路１１０は、コイル部材５１（６１）の励磁コイルと抵抗から構成され、検出回路１１０に入力されて発生したａ点の電圧をＡ／Ｄコンバータ部１３０でデジタル信号に変換するようになっている。
【００３９】
同様に他方の検出回路１２０もコイル部材５２（６２）と抵抗から構成され、基準パルス電圧が検出回路１２０に入力されてｂ点の発生した電圧をＡ／Ｄコンバータ部１３０でデジタル信号に変換するようになっている。そして、２つのデジタル化された電圧は演算部１４０にロータ１０が回転している間中回転角度位置情報検出のための信号として逐次加えられるようになっている。
【００４０】
ここで、回転角度検出装置１の回転角度検出部３０は、図３の回路ブロック図に示すような回路を一部に有していてもよい。図３の回路ブロック図が図２の回路ブロック図と異なる点は、２つの検出回路１１０，１２０のａ点、ｂ点の出力を強制的に放電させてＧＮＤレベルとする放電回路１１１，１２１を含んでいる点である。この放電回路１１１，１２１は、発振回路１０２からのパルスにより動作するが、発振回路１０２からのパルスは、検出回路１１０，１２０の動作前後に発生し、検出回路１１０，１２０の動作中には発生しないようになっている。このことにより、発振回路１０１からのパルスにより検出回路１１０，１２０はＧＮＤレベルから動作するため、回転角度の検出精度がより高まる効果がある。なお、放電回路１１１，１２１として、ＦＥＴ等の能動素子を利用することが可能である。
【００４１】
本実施形態においては、図２および図３に図示される回転角度検出装置１のブロック図において、検出回路１１０、１２０の構成に特徴を有する。すなわち、検出素子部を構成する検出素子として抵抗とコイルのみを用いており、初期の特性上のバラツキや回転角度検出装置周囲の温度変化に依存する温度特性を有したコンデンサを用いていない。また、検出回路１１０，１２０には、入力電圧に温度特性をもつ排他的論理和（ＥＸ−ＯＲ）からなるロジックＩＣを用いていない。
【００４２】
このことで、検出回路の出力信号の誤差要因が少なくなり、回転角度検出装置周囲の温度変化による回転角度誤差を小さくすることができる。
【００４３】
続いて、この回転角度検出の具体的な信号処理方法について説明する。本実施形態における回転角度検出方法は、いわゆる積分方式の位置検出方法となっており、検出回路を構成するコイルのインダクタンスの値の変化による過渡現象電圧変化を応用したもので、２つのコイル部材５１，５２の励磁コイルに現れるパルスＰ１の過渡現象的電圧値をマイコンの演算部１４０により積分してステアリングシャフトＳの位置を計算するものである。
【００４４】
まず、一方の検出回路１１０に関連した回転角度の検出方法を説明する。図４において発振回路１０１から基準パルス電圧Ｐ１が加えられる（タイミングチャート（１）参照）。この場合、実際にはタイミングチャート（２）に示すようにｃ点の電圧を監視して、信号がＯＮになったタイミングからａ点の信号を一定時間毎にサンプリングする。そして、一方のコイル部材５１（６１）の励磁コイルを経て現れるａ点の電圧を図４のタイミングチャート（３）のように一定のサンプリング間隔でサンプリングすると共にＡ／Ｄコンバータ部１３０でＡ／Ｄ変換し、ロータ１０の各回転角度における電圧を演算部１４０に加え、図４のタイミングチャート（４）のように演算部１４０で一定の積分期間Ｔだけ積分して積分値Ａを算出し、この積分値Ａに基づきステアリングの位置を後に詳述する方法により演算部１４０で演算するようになっている。ここで、図４のタイミングチャート（３）の波形の立ち上がりが、タイミングチャート（１）の波形の立ち上がりと同期しており、図４のタイミングチャート（３）の波形に、検出回路１１０の検出素子部を抵抗とコイルで構成した（コンデンサを排除した）効果が現れていることになる。また、図４のタイミングチャート（４）の波形および積分値Ａにも図４のタイミングチャート（３）の波形改善の効果が現れていることになる。
【００４５】
また、他方の検出回路１２０に関連した回転角度の検出方法についても同様に行われる。具体的には、図５において発振回路１０１から基準パルス電圧Ｐ１が加えられる（タイミングチャート（１）参照）。この場合、実際にはタイミングチャート（２）に示すようにｃ点の電圧を監視して、信号がＯＮになったタイミングからｂ点の信号を一定時間毎にサンプリングする。そして、一方のコイル部材５２（６２）の励磁コイルを経て現れる電圧ａを図５のタイミングチャート（３）のように一定のサンプリング間隔でサンプリングすると共にＡ／Ｄコンバータ部１３０でＡ／Ｄ変換し、所定のロータ回転角度における電圧を演算部１４０に加え、図５のタイミングチャート（４）のように演算部１４０で一定の積分期間Ｔで積分して積分値Ｂを算出して、この積分値Ｂに基づきステアリングの位置を後に詳述する方法により演算部で演算するようになっている。ここでも、検出回路１１０と同様、検出回路１２０の検出素子部を抵抗とコイルで構成した効果が現れていることになる。
【００４６】
なお、ｃ点の電圧も積分期間内に１回または複数回サンプリングしてｃ点電圧を示す基準パルス電圧Ｐ１の振幅を求める。そして、基準パルス電圧Ｐ１の振幅の変動をキャンセルするために、ａ点及びｂ点の電圧に基づいて求めた上述の積分値Ａ，Ｂをｃ点における基準パルス電圧の振幅でそれぞれ割って補正する。ここで、図４のタイミングチャート（３）の波形改善および図５のタイミングチャート（３）の波形改善を図っているため、上記積分値Ａ，Ｂおよびこれらの補正の値について、それぞれ理想的な値との誤差が小さくなる。すなわち、測定誤差が小さくなることになる。
【００４７】
図４、図５から分かるように、特定のロータ回転角度においてはコイル部材５１，５２に投影するロータシールド部材１５の面積が異なるので、ロータシールド部材１５に発生する渦電流も異なり、これに伴ってコイル部材５１，５２をそれぞれ含む検出回路１１０，１２０のインピーダンスが異なって、ａ点、ｂ点の電圧の積分値Ａ，Ｂも常に異なるようになる。
【００４８】
このようにロータ１０の或る特定の角度における積分値Ａ，Ｂを演算部１４０に入力してロータ１０の回転角度毎に逐次演算部１４０のメモリに記憶すると、横軸がロータ即ちステアリングシャフトＳの回転角度となる図６に示すような互いに位相が３０度ずれた略ｓｉｎ波形に近似した出力ＳＡと出力ＳＢが得られる。即ち、本実施形態では、各コイル部材５０とロータシールド部材１５とが協働することで得られる位相シフト量出力信号の位相が３０度ずれるようにコイル部材５０をロータシールド部材１５の周方向に対応させてケース２０に配置しているので、上述のような信号処理によって、図６に示すように、一方のコイル部材５１の位相シフト量出力値ＳＡと他方のコイル部材５２の位相シフト量出力値ＳＢのように互いに３０度位相のずれた１２０度周期の位相シフト量の出力値が得られる。
【００４９】
このようにして得られた位相シフト量の出力値からロータ１０の回転角度を１２０度周期で検出する方法は以下の通りである。
【００５０】
図５に示すように、各コイル部材５０から得られるロータ１０の回転角度の出力値（ＳＡ，ＳＢ）とこれらをそれぞれ反転させた出力値（ＲＳＡ，ＲＳＢ）とを演算部１４０において重畳させる。そして、各位相シフト量検出値の大小関係からロータ１０の回転角度が０度〜３０度、３０度〜６０度、６０度〜９０度、９０度〜１２０度、のいずれの範囲にあるかを判断する。そして、これら４つの位相シフト量検出値の直線部分を用いると共に、この直線部分同士をジョイント（連結）処理する。次いで、上述した４つの角度範囲の何れの角度範囲にあるかの判断結果に基づき、図７に示す１２０度ごとの周期で変化する鋸歯状波形の出力信号からロータ１０の回転角度を１２０度周期で求めるようになっている。
【００５１】
一方、下ケース２１には、図１に示すように、第３歯車１３の中心部分に第３歯車１３と一体に回転する磁石７１を備えるとともに、磁石７１に対向する下ケース２１の部分にこの磁石７１の磁束を検出するＭＲ素子（磁束検出素子）７２を備えている。そして、この磁石７１とＭＲ素子７２とが協働して第２の検出手段を構成している。
【００５２】
ＭＲ素子７２は、その検出出力がｓｉｎ曲線状の検出出力とｃｏｓ曲線状の検出出力として得られ、これらの検出出力をｔａｎ関数の検出出力に換算して、ここでは特に図示しないが、−１１２．５度〜＋１１２．５度、即ち２２５度ごとの周期で変化する鋸歯状波形の出力信号として出力するようになっている。
【００５３】
なお、この信号処理方法は、例えば特開２００４−５３４４４号公報において記載されているように公知である。ＭＲ素子７２の検出出力の周期がこのように２２５度となっている理由は、本実施形態の場合、ロータ１０の外周部に備わった歯数、これに噛合する第１歯車１１の歯数、第１歯車１１と同心をなし一体に回転する第２歯車１２の歯数、第２歯車１２と噛合する第３歯車１３の歯数の各減速比を予め規定しておくことによる。そして、これらの歯車比の関係から、第２歯車１２の回転に応じて検出されるＭＲ素子７２の検出信号の周期が２２５度となっている。
【００５４】
このように、本実施形態にかかる回転角度検出装置１では、コイル部材５０とロータシールド部材１５が協働して構成する第１の検出手段から得られる第１の検出信号がロータ１０の回転に対応して１２０度の周期で出力され（図７参照）、かつ磁石７１とＭＲ素子７２が協働して構成する第２の検出手段から得られる第２の検出信号が第２歯車１２の回転に対応して２２５度の周期で出力されるようになる。即ち、本実施形態では、被測定回転体であるシャフトＳの回転に伴ってコイル部材５０の出力信号が増加（減少）する場合はＭＲ素子７２の出力信号も増加（減少）するようになっている。そして、本発明にかかる回転角度検出装置１においては、ここではその算出アルゴリズムを詳細には説明しないが、これら検出信号の周期の最小公倍数である０度〜１８００度（−９００度〜＋９００度）の測定可能範囲内での絶対回転角度を求めるようになっている。
【００５５】
なお、本実施形態のように固定コアはロータシールド部材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角度検出装置のように、これより多い個数の固定コアがロータシールド部材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。
【００５６】
また、固定コア同士は、上述した実施形態にかかる回転角度検出装置のようにロータのロータシールド部材を挟んで対向配置された固定コア対（本実施形態では詳細には図示せず）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ロータシールド部材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ロータシールド部材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。
【００５７】
また、本実施形態のように広範囲の回転角度を求める必要がなければ、コイル部材１組だけロータシールド部材に備えた構成の回転角度検出装置としても良い。この場合、図２に示した検出回路も本実施形態のように２組とすることなく、１組だけで済ませることができる。
【００５８】
また、ロータシールド部材の支持部を導電性の材質で構成しないようにすれば、コイル部材による回転角度検出不能領域がなくなるので、コイル部材を本実施形態のように２組設けることなく、１組だけにすることができるようになる。
【００５９】
以上説明したように、本発明にかかる回転角度検出装置は、抵抗とコイルとコンデンサを組み合わせたＲＬＣ回路を検出素子部として備えることなく、抵抗とインダクタンスを組み合わせた検出回路からなるＲＬ回路を検出素子部として角度検知回路に備えた構成を有し、基準パルス電圧発生器で発生した基準パルス電圧を検出回路で放電させ、この放電波形を積分回路で積分して、その積分値の変化を回転角度の検出情報としている。
【００６０】
これによって、初期の特性上のバラツキや温度特性による出力信号の誤差要因となりうるコンデンサを検出素子部に使用しなくて済むようになり、回転角度検出装置周囲の温度変化による回転角度誤差を小さくできる。その結果、例えば、車両等の温度変化の激しい環境下において回転角度検出装置を装着した場合であっても、安定した精度で回転角度を検出できる。
【００６１】
また、コンデンサを検出素子部に使用しないことで回転角度検出装置の部品点数を削減できると共に、検出回路の出力信号の誤差要因が少なくなるため、ロジック回路や増幅回路を簡略化または省略でき、回転角度検出装置のコストダウンを達成できる。
【００６２】
そして、本実施形態による回転角度検出装置がこのような構成を有することで、構成部品点数を削減しつつ広範囲の回転角度にわたって高い検出精度を維持できるようになる。
【００６３】
なお、本実施形態における回転角度検出方法については、ロータ、ロータシールド部材、及びコイル部材の組合せによる回転角度検出方法に基づいて説明したが、本発明の作用を発揮するものであれば必ずしもこのような構成要素の組み合わせに限定されず、回転角度検出に適していれば他の構成要素の組合せであっても良いことは言うまでもない。
【００６４】
本発明にかかる回転角度検出装置は、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角度検出装置は、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。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】本発明の一実施形態にかかる回転角度検出装置の内部構造を、上カバーを取った状態で示した平面図である。
【図２】図１に示した回転角度検出装置の回転角度検出部の回路ブロック図の一例、
【図３】図１に示した回転角度検出装置の回転角度検出部の回路ブロック図の他の一例、
【図４】図１に示した一方のコイル部材に関する回転角度検出部における回転角度の検出処理の仕方を説明するタイミングチャート、
【図５】図４とは異なるコイル部材に関する回転角度検出部における回転角度の検出処理の仕方を説明するタイミングチャート、
【図６】図４及び図５でそれぞれ得られた検出出力を横軸をステアリングシャフトの回転角度とし、縦軸を各回転角度に伴う各コイル部材に対応する回転角度検出部で得られる出力を示した出力特性図、
【図７】図６の出力特性図をさらにそれぞれの出力特性を信号処理して鋸刃状に出力特性とした図であり、横軸がステアリングシャフトの回転角度を示し、縦軸が回転角度検出部で得られた出力を示す図、
【図８】従来の回転角度検出装置における回転角度検出部における回路ブロック図、
【図９】従来の回転角度検出装置の一方のコイル部材に関する回転角度検出部における回転角度の検出処理の仕方を説明するタイミングチャート、
【図１０】図９とは異なるコイル部材に関する回転角度検出部における回転角度の検出処理の仕方を説明するタイミングチャートである。
【符号の説明】
【００６６】
１ 回転角度検出装置
１０ ロータ
１０ａ 歯車部
１１ 第１歯車
１２ 第２歯車
１３ 第３歯車
１５ ロータシールド部材
１５ａ 支持部
２０ ケース
２１ 下ケース
３０ 回転角度検出部
５０，５１，５２ 一方の対のコイル部材
６０，６１，６２ 他方の対のコイル部材
７１ 磁石
７２ ＭＲ素子（磁束検出素子）
１０１，１０２ 発振回路
１１０ 検出回路
１１１ 放電回路
１２０ 検出回路
１２１ 放電回路
１３０ Ａ／Ｄコンバータ部
１４０ 演算部
２０１ 発振回路
２１０，２２０ 位相シフト検出回路
２１１ 排他的論理和ゲート
２１２ 積分回路
２１３ アンプ
２２１ 排他的論理和ゲート
２２２ 積分回路
２２３ アンプ
２３０ Ａ／Ｄコンバータ部
２４０ 演算部
Ａ，Ｂ 積分値
Ｐ１ 基準パルス電圧
Ｓ シャフト
【技術分野】
【０００１】
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好適に利用可能な回転角度検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
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角度検出装置が使用される。
【０００３】
かかる回転角度検出装置の一例として、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）。
【０００４】
この回転角度検出装置は、特許文献１に示すように、回転するシャフトに取り付けられるロータと、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と、回転角度検出部を備えている。なお、励磁コイルは、２個の励磁コイルからなり、それぞれロータの周方向に例えば９０度などの所定の中心角度をなして配置されている。また、固定コアは、シャフトの近傍に位置する固定部材に取り付けられ、それぞれ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にロータと共に収納されている。
【０００５】
ロータは、絶縁磁性材のロータ取り付け部及びこれと支持部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ロータシールド部材とからなる。なお、ロータシールド部材は、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た導電性を有する金属からなり、ロータの回転角度に対応してロータシールド部材の半径方向の幅が変化するように形成され、交流磁界によって回転に伴う幅に対応した大きさの渦電流が誘起されるようになっている。そして、このような構成の回転角度検出装置を用いて、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回転角度を検出するようになっている。
【特許文献１】特開２００３−２０２２４０号公報（第４−５頁、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ここで、本発明の先行技術における回転角度検出装置の角度検出の方法について図８に基づいて説明する。この回転角度検出装置の回路ブロック図は、図８に示す構成を有している。この構成は特許文献１（特開２００３−２０２２４０号公報）の図５とほぼ同様の構成である。
【０００７】
具体的には、この回路ブロック図において、図８の下部に示される発振回路２０１で矩形状の基準パルス電圧Ｐ１を発生させる。この発振回路２０１で発生した基準パルス電圧Ｐ１は２つの位相シフト検出回路２１０，２２０にそれぞれ供給され、位置検出用の基本信号として使用される。
【０００８】
位相シフト検出回路２１０は、図８に示すように、ロータシールド部材の周方向一方に対向配置された励磁コイルと回路基板上に実装されたコンデンサ、排他的論理和ゲート２１１、及び積分回路２１２により構成され、排他的論理和ゲート２１１には、発振回路２０１から直接加えられたａ１１点の基準パルス電圧Ｐ１と励磁コイルを通過したａ１２点の電圧が印加されるようになっている。そして、これらのａ１１点とａ１２点の電圧の排他的論理和が排他的論理和ゲート２１１で取られてａ１３点の電圧となり、これを積分回路２１２で積分してａ１４点のアナログ出力信号を得るようになっている。その後、ａ１４点のアナログ出力信号はアンプ２１３で増幅されてａ１５点のアナログ出力信号となる。
【０００９】
同様に、別の位相シフト位相検出回路２２０も、ロータシールド部材の周方向他方に対向配置された励磁コイルと回路基板上に実装されたコンデンサ、排他的論理和ゲート２２１、及び積分回路２２２により構成され、排他的論理和ゲート２２１には、発振回路２０１から直接加えられたｂ１１点の基準パルス電圧Ｐ１と励磁コイルを通過したｂ１２点の電圧が印加されるようになっている。そして、これらのｂ１１点とｂ１２点の電圧の排他的論理和が排他的論理和ゲート２２１で取られてｂ１３点の電圧となり、これを積分回路２２２で積分してｂ１４点のアナログ出力信号を得るようになっている。その後、ｂ１４点のアナログ出力信号はアンプ２２３で増幅されてｂ１５点のアナログ出力信号となる。
【００１０】
そして、増幅された２つのアナログ出力信号ａ１５及びｂ１５はＡ／Ｄコンバータ部２３０に加えられ、それぞれデジタル信号である直流検出電圧として演算部２４０に送られ、後述するステアリングシャフトＳの各角度位置を逐次検出するための位置検出信号Ａ，Ｂ（図８では図示せず）となる。
【００１１】
なお、図９は、位相シフト検出回路２１０に関する出力電圧のタイミングチャートを示し、（１）がａ１１点における出力電圧を示すタイミングチャートで、（２）がａ１２点における出力電圧を示すタイミングチャートで、中央部の横軸がａ１２点における電圧を０か１の論理値に分けるための閾値を示している。また、（３）がａ１３点における出力電圧を示すタイミングチャートであり、（４）がａ１４点における出力電圧を示すタイミングチャートである。
【００１２】
同様に、図１０は、位相シフト検出回路２２０に関する出力電圧のタイミングチャートを示し、（１）がｂ１１点における出力電圧を示すタイミングチャートで、（２）がｂ１２点における出力電圧を示すタイミングチャートで、中央部の横軸がｂ１２点における電圧を０か１の論理値に分けるための閾値を示している。また、（３）がｂ１３点における出力電圧を示すタイミングチャートであり、（４）がｂ１４点における出力電圧を示すタイミングチャートである。
【００１３】
しかしながら、このような回転角度検出装置の回路基板上にコンデンサを備えると共に排他的論理和（ＥＸ−ＯＲ）ゲートを備えた回路構成によると、温度変化による検出角度の誤差が大きくなってしまうと共に、回転角度検出部を構成する部品点数が多くなり、回路センサ自体のコスト高につながってしまう課題がある。この課題が発生する理由は、初期の特性上のバラツキや回転角度検出装置周囲の温度変化に依存する温度特性を有したコンデンサと、入力電圧に温度特性をもつ排他的論理和からなるロジックＩＣを検出回路に使用していることであると考えられる。
【００１４】
そして、このような回転角度検出装置を温度変化の激しい使用環境下で使わざるを得ない例えば車両等に装着した場合、実装されるコンデンサの初期特性のばらつきや温度変化に伴うコンデンサの出力特性のずれに基づく検出出力誤差が無視できなくなり、この要因に起因してステアリングシャフトＳの回転角度検出にあたって高精度の出力特性を得られなくなる。
【００１５】
本発明の目的は、少ない部品点数で構成されるにも関わらず、温度変化の激しい環境下においても広範囲の回転角度に亘って検出精度に優れた回転角度検出装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上述の課題を解決するために、本発明にかかる回転角度検出装置は、
コイルおよび抵抗体からなる検出素子部を含む検出回路と、前記コイルのインダクタンスを被測定回転体の回転に応じて変化させるインダクタンス変化手段とを有する角度検出手段を備え、さらに前記検出回路に出力信号を発生させるための基準パルス電圧発生手段と、前記検出回路の出力信号を演算する演算手段とを備えている回転角度検出装置であって、
前記演算手段は、前記基準パルス電圧発生手段で発生した基準パルス電圧を前記検出回路に入力した際に生じる過渡現象的出力電圧を所定時間積分して積分値を求め、該積分値に基づいて前記被測定回転体の回転角度を検出することを特徴としている。
【００１７】
本発明にかかる回転角度検出装置は、抵抗とコイルとコンデンサを組み合わせたＲＬＣ回路を検出素子部として備えることなく、抵抗とコイルを組み合わせたＲＬ回路からなる検出素子部を含む検出回路を角度検出手段に備えた構成を有し、基準パルス電圧発生器で発生した基準パルス電圧を検出回路のコイルを通じて放電させ、この放電波形（過渡現象的波形）を演算手段で積分して、その積分値の変化を回転角度の検出情報としている。
【００１８】
これによって、初期の特性上のバラツキや温度特性による出力信号の誤差要因となりうるコンデンサを検出素子部に使用しなくて済むようになり、回転角度検出装置周囲の温度変化による回転角度誤差を小さくできる。その結果、例えば、車両等の温度変化の激しい環境下において回転角度検出装置を装着した場合であっても、安定した精度で回転角度を検出できる。
【００１９】
また、検出回路の検出素子部にコンデンサを使用しないことで回転角度検出装置の部品点数を削減できると共に、検出回路の出力信号の誤差要因が少なくなるため、ロジック回路や増幅回路を簡略化または省略でき、回転角度検出装置のコストダウンを達成できる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によると、少ない部品点数で構成されるにも関わらず、温度変化の激しい環境下においても広範囲の回転角度に亘って検出精度に優れた回転角度検出装置を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明の一実施形態にかかる回転角度検出装置を図面に基いて説明する。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角度検出装置をステアリングシャフトに取り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。
【００２２】
本発明の一実施形態にかかる回転角度検出装置１は、図１に示すように、測定すべき回転体であるステアリングシャフトＳ（以下、単に「シャフトＳ」とする）に嵌め込まれかつ外周部に第１歯車１１と噛合する歯車部１０ａを備えたロータ１０と、第１歯車１１と同心をなし一体に回転する第２歯車１２と、第２歯車１２と噛合する第３歯車１３と、ロータ１０及び第１歯車１１乃至第３歯車１３を回転可能に支持する下ケース２１と、下ケース２１と嵌合して箱状のケース２０をなす上ケース（図示せず）と、本発明に係る回転角度検出を行う回転角度検出部３０を備えている。
【００２３】
ロータ１０は、強度と成型性に優れた合成樹脂でできている。ロータ１０の周囲には例えば板厚０．５ｍｍ程度の板状のロータシールド部材１５が配置されている。このロータシールド部材１５の内周側所定位置から支持部１５ａがロータ１０の回転軸方向へ延在した状態でロータ１０に取り付けられている。または、ロータ１０の周囲所定位置から支持部１５ａが延在し、板状のロータシールド部材１５がこの支持部１５ａを介してロータ１０の周囲にリング状に備わっている。なお、ロータシールド部材１５は、真鍮、銀、アルミニウム、銅などの導電性部材でできており、本実施形態では周方向に１２０度ずつその幅が例えば２ｍｍから５ｍｍまで規則的に変化するようになっている。
【００２４】
また、図示しない上ケースと下ケース２１は、強度に優れかつ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遮蔽材でできており、上ケースと下ケース２１とが協働して箱体をなしてロータ１０やロータシールド部材１５、第１歯車１１乃至第３歯車１３を収容するようになっている。また、下ケース２１には、回転角度検出装置１に電力を供給したり、回転角度検出装置１の検出信号を外部に伝達したりするためのコネクタ（図示せず）が備わっている。
【００２５】
また、上ケース及び下ケース２１には、図１に示すように、２つの対のコイル部材５０,６０が設けられている。各対のコイル部材５０，６０は、一方の対のコイル部材５０が回転軸に垂直な面の周方向所定の角度をなして配置されたコイル部材５１,５２からなり、このコイル部材５１,５２はそれぞれロータ１０のロータシールド部材１５の回転軸に垂直な面に対して所定間隔隔てて対向配置するように取り付けられている。ここで、ロータシールド部材１５とコイル部材５０（５１，５２）との位置関係は、前述の特許文献１（特開２００３−２０２２４０号公報）の図１４および図１６に示されている位置関係とほぼ同様である。
【００２６】
なお、ロータシールド部材１５とコイル部材５１,５２が協働して第１の角度検出手段を構成している。このロータシールド部材１５は、コイル部材５０，６０のコイルのインダクタンスを、被測定回転体であるロータ１０の回転に応じて変化させるインダクタンス変化手段に相当する。ここで、前述のように周方向に１２０度ずつロータシールド部材１５の幅を変化させることで、ロータ１０の実際の回転角度に対するコイル部材５０からの検出信号の変化を大きくとるようにしている。
【００２７】
また、他方の対のコイル部材６０も回転軸に垂直な面の周方向所定の角度をなして配置されたコイル部材６１,６２からなり、このコイル部材６１,６２もそれぞれロータ１０のロータシールド部材１５の回転軸に垂直な面に対して所定間隔隔てて対向配置するように取り付けられている。ロータシールド部材１５とコイル部材６１,６２が協働して、前述のロータシールド部材１５とコイル部材５１,５２で構成される第１の角度検出手段と同様の手段を構成している。このように第１の角度検出手段を構成することで、角度検出手段の冗長系を構成することも可能である。
【００２８】
この２組のコイル部材５０,６０は、図１に示すように、後述するそれぞれのコイル部材に関して各位相シフト量の出力値が互いに３０度ずれるように（前記インダクタンス変化手段による出力が異なる位置に）それぞれのコイル部材５０，６０がロータシールド部材１５の周方向に関して所定の角度で取り付けられている。コイル部材５０，６０は、図１に示すように、各外周縁が図１に示す平面視でいわゆる陸上競技のトラック形状をなしている。
【００２９】
このように一方の対のコイル部材５０と他方の対のコイル部材６０を２組配置した理由は、一方の対のコイル部材５０の出力信号と他方の対のコイル部材６０の出力信号を比較して回転角度検出装置１の異常検知を迅速に行ったり、ロータシールド部材１５の周方向一部に備わった支持部１５ａの部分で形成される回転角度検出不能領域を回転角度検出時に互いに補完したりするためである。
【００３０】
本実施の形態においては、後述するようにロータシールド部材１５の一周期が１２０度であるが、３０度だけ位相がずれるように一方の対のコイル部材５０（５１,５２）を配置すると共に、同様に周方向所定の角度だけずらして他方の対のコイル部材６０（６１,６２）を配置している。なお、一方の対のコイル部材５０と他方の対のコイル部材６０とは基本的構成が共通するので、以下の材質や構造に関する説明では一方の対のコイル部材５０（５１，５２）についてのみ行う。
【００３１】
コイル部材５０は、プラスチックマグネット（例えばＰＰＳ（ポリフェニレンスルフィド）にＭｎ−Ｚｎ系軟磁性フェライトを混入した混合軟磁性材等）などの絶縁性の軟磁性材でできたコア本体と、コア本体の外周部に沿って形成されたトラック状の内周溝に巻回されてコア本体内に収容された励磁コイルとを備えている。
【００３２】
また、コイル部材５０の励磁コイル同士はロータシールド部材１５を挟んで対向するようになっており、かつそれぞれ直列に接続され、ケース内でここでは回転角度検出部３０の搭載されたプリント基板の導体パターンに電気的に接続されている。そして、対向する励磁コイルに交流励磁電流が流されることで周囲に交流磁界を形成し、それぞれ対となっているコア本体間でロータシールド部材の回転軸に垂直な面に対して交流磁界を交差させている。
【００３３】
そして、コイル部材５０から発生した交流磁界によって導電性部材のロータシールド部材１５には渦電流が発生するが、ロータ１０の回転に応じたロータシールド部材１５の幅の変化に対応してこの発生した渦電流が変化し、これに基づくインピーダンス変動を検出して各コイル部材５０がロータ１０の回転角度を１２０度周期で検出するようになっている。
【００３４】
なお、コイル部材５０が各組ごとにロータシールド部材１５を挟んで対向配置される理由は、振動等によりロータ１０の位置がシャフトＳの軸方向に変動すると、これに伴い各々のコイル部材５０からの出力も変動するが、ロータシールド部材１５を挟んで一側に配置されてコイル部材からの出力が増加した分、ロータシールド部材１５を挟んで他側に配置されたコイル部材からの出力は減少するので、対向する２つのコイル部材からの出力を検出すれば各々のコイル部材５０の出力変動を相殺できるからである。
【００３５】
そして、まず、例えば一方のコイル部材５０の各励磁コイルに交流励磁電流が流されると、コイル部材５１，５２の各励磁コイルは周囲に交流磁界を形成し、このとき、磁界がロータシールド部材１５を横切ると、ロータシールド部材１５の表面には渦電流が誘起され、各励磁コイルのインピーダンスを変動させる。即ち、コイル部材５１，５２に対応するロータシールド部材１５の面積（ロータシールド部材１５の回転軸に垂直な面と直交する方向から見てロータシールド部材１５のコイル部材５１，５２に対する投影面積、即ち「ロータシールド部材の固定コアへの投影面積」）により変動する渦電流が変化し、コイル部材５０を流れる励磁コイルの電流変化として検出される。このインピーダンスの変動量は、ロータシールド部材１５の表面に誘起される渦電流量の変動に対応する。
【００３６】
回転角度検出装置１の回転角度検出部３０は、図２の回路ブロック図に示すような回路を一部に有し、この回路に入力される信号に基づき回転角度を検出するようになっている。なお、本実施形態では、本発明の作用を特に発揮し易いロータ１０、ロータシールド部材１５とコイル部材５０（６０）との組み合わせからロータ１０即ちステアリングシャフトＳの回転角度を検出する方法についてのみ説明し、第３歯車１３とＭＲ素子７２との組み合わせによる第３歯車１３の回転角度検出方法に関しては他の実施形態において説明する。
【００３７】
回転角度検出部３０は、２つの検出回路１１０，１２０の出力を処理する演算手段を含んでいる。また、図２の下部に示される発振回路１０１を含んでおり、この発振回路１０１で矩形状の基準パルス電圧を発生させる。この発振回路１０１によって発生した基準パルス電圧は２つの検出回路１１０，１２０にそれぞれ供給されるようになっている。
【００３８】
一方の検出回路１１０は、コイル部材５１（６１）の励磁コイルと抵抗から構成され、検出回路１１０に入力されて発生したａ点の電圧をＡ／Ｄコンバータ部１３０でデジタル信号に変換するようになっている。
【００３９】
同様に他方の検出回路１２０もコイル部材５２（６２）と抵抗から構成され、基準パルス電圧が検出回路１２０に入力されてｂ点の発生した電圧をＡ／Ｄコンバータ部１３０でデジタル信号に変換するようになっている。そして、２つのデジタル化された電圧は演算部１４０にロータ１０が回転している間中回転角度位置情報検出のための信号として逐次加えられるようになっている。
【００４０】
ここで、回転角度検出装置１の回転角度検出部３０は、図３の回路ブロック図に示すような回路を一部に有していてもよい。図３の回路ブロック図が図２の回路ブロック図と異なる点は、２つの検出回路１１０，１２０のａ点、ｂ点の出力を強制的に放電させてＧＮＤレベルとする放電回路１１１，１２１を含んでいる点である。この放電回路１１１，１２１は、発振回路１０２からのパルスにより動作するが、発振回路１０２からのパルスは、検出回路１１０，１２０の動作前後に発生し、検出回路１１０，１２０の動作中には発生しないようになっている。このことにより、発振回路１０１からのパルスにより検出回路１１０，１２０はＧＮＤレベルから動作するため、回転角度の検出精度がより高まる効果がある。なお、放電回路１１１，１２１として、ＦＥＴ等の能動素子を利用することが可能である。
【００４１】
本実施形態においては、図２および図３に図示される回転角度検出装置１のブロック図において、検出回路１１０、１２０の構成に特徴を有する。すなわち、検出素子部を構成する検出素子として抵抗とコイルのみを用いており、初期の特性上のバラツキや回転角度検出装置周囲の温度変化に依存する温度特性を有したコンデンサを用いていない。また、検出回路１１０，１２０には、入力電圧に温度特性をもつ排他的論理和（ＥＸ−ＯＲ）からなるロジックＩＣを用いていない。
【００４２】
このことで、検出回路の出力信号の誤差要因が少なくなり、回転角度検出装置周囲の温度変化による回転角度誤差を小さくすることができる。
【００４３】
続いて、この回転角度検出の具体的な信号処理方法について説明する。本実施形態における回転角度検出方法は、いわゆる積分方式の位置検出方法となっており、検出回路を構成するコイルのインダクタンスの値の変化による過渡現象電圧変化を応用したもので、２つのコイル部材５１，５２の励磁コイルに現れるパルスＰ１の過渡現象的電圧値をマイコンの演算部１４０により積分してステアリングシャフトＳの位置を計算するものである。
【００４４】
まず、一方の検出回路１１０に関連した回転角度の検出方法を説明する。図４において発振回路１０１から基準パルス電圧Ｐ１が加えられる（タイミングチャート（１）参照）。この場合、実際にはタイミングチャート（２）に示すようにｃ点の電圧を監視して、信号がＯＮになったタイミングからａ点の信号を一定時間毎にサンプリングする。そして、一方のコイル部材５１（６１）の励磁コイルを経て現れるａ点の電圧を図４のタイミングチャート（３）のように一定のサンプリング間隔でサンプリングすると共にＡ／Ｄコンバータ部１３０でＡ／Ｄ変換し、ロータ１０の各回転角度における電圧を演算部１４０に加え、図４のタイミングチャート（４）のように演算部１４０で一定の積分期間Ｔだけ積分して積分値Ａを算出し、この積分値Ａに基づきステアリングの位置を後に詳述する方法により演算部１４０で演算するようになっている。ここで、図４のタイミングチャート（３）の波形の立ち上がりが、タイミングチャート（１）の波形の立ち上がりと同期しており、図４のタイミングチャート（３）の波形に、検出回路１１０の検出素子部を抵抗とコイルで構成した（コンデンサを排除した）効果が現れていることになる。また、図４のタイミングチャート（４）の波形および積分値Ａにも図４のタイミングチャート（３）の波形改善の効果が現れていることになる。
【００４５】
また、他方の検出回路１２０に関連した回転角度の検出方法についても同様に行われる。具体的には、図５において発振回路１０１から基準パルス電圧Ｐ１が加えられる（タイミングチャート（１）参照）。この場合、実際にはタイミングチャート（２）に示すようにｃ点の電圧を監視して、信号がＯＮになったタイミングからｂ点の信号を一定時間毎にサンプリングする。そして、一方のコイル部材５２（６２）の励磁コイルを経て現れる電圧ａを図５のタイミングチャート（３）のように一定のサンプリング間隔でサンプリングすると共にＡ／Ｄコンバータ部１３０でＡ／Ｄ変換し、所定のロータ回転角度における電圧を演算部１４０に加え、図５のタイミングチャート（４）のように演算部１４０で一定の積分期間Ｔで積分して積分値Ｂを算出して、この積分値Ｂに基づきステアリングの位置を後に詳述する方法により演算部で演算するようになっている。ここでも、検出回路１１０と同様、検出回路１２０の検出素子部を抵抗とコイルで構成した効果が現れていることになる。
【００４６】
なお、ｃ点の電圧も積分期間内に１回または複数回サンプリングしてｃ点電圧を示す基準パルス電圧Ｐ１の振幅を求める。そして、基準パルス電圧Ｐ１の振幅の変動をキャンセルするために、ａ点及びｂ点の電圧に基づいて求めた上述の積分値Ａ，Ｂをｃ点における基準パルス電圧の振幅でそれぞれ割って補正する。ここで、図４のタイミングチャート（３）の波形改善および図５のタイミングチャート（３）の波形改善を図っているため、上記積分値Ａ，Ｂおよびこれらの補正の値について、それぞれ理想的な値との誤差が小さくなる。すなわち、測定誤差が小さくなることになる。
【００４７】
図４、図５から分かるように、特定のロータ回転角度においてはコイル部材５１，５２に投影するロータシールド部材１５の面積が異なるので、ロータシールド部材１５に発生する渦電流も異なり、これに伴ってコイル部材５１，５２をそれぞれ含む検出回路１１０，１２０のインピーダンスが異なって、ａ点、ｂ点の電圧の積分値Ａ，Ｂも常に異なるようになる。
【００４８】
このようにロータ１０の或る特定の角度における積分値Ａ，Ｂを演算部１４０に入力してロータ１０の回転角度毎に逐次演算部１４０のメモリに記憶すると、横軸がロータ即ちステアリングシャフトＳの回転角度となる図６に示すような互いに位相が３０度ずれた略ｓｉｎ波形に近似した出力ＳＡと出力ＳＢが得られる。即ち、本実施形態では、各コイル部材５０とロータシールド部材１５とが協働することで得られる位相シフト量出力信号の位相が３０度ずれるようにコイル部材５０をロータシールド部材１５の周方向に対応させてケース２０に配置しているので、上述のような信号処理によって、図６に示すように、一方のコイル部材５１の位相シフト量出力値ＳＡと他方のコイル部材５２の位相シフト量出力値ＳＢのように互いに３０度位相のずれた１２０度周期の位相シフト量の出力値が得られる。
【００４９】
このようにして得られた位相シフト量の出力値からロータ１０の回転角度を１２０度周期で検出する方法は以下の通りである。
【００５０】
図５に示すように、各コイル部材５０から得られるロータ１０の回転角度の出力値（ＳＡ，ＳＢ）とこれらをそれぞれ反転させた出力値（ＲＳＡ，ＲＳＢ）とを演算部１４０において重畳させる。そして、各位相シフト量検出値の大小関係からロータ１０の回転角度が０度〜３０度、３０度〜６０度、６０度〜９０度、９０度〜１２０度、のいずれの範囲にあるかを判断する。そして、これら４つの位相シフト量検出値の直線部分を用いると共に、この直線部分同士をジョイント（連結）処理する。次いで、上述した４つの角度範囲の何れの角度範囲にあるかの判断結果に基づき、図７に示す１２０度ごとの周期で変化する鋸歯状波形の出力信号からロータ１０の回転角度を１２０度周期で求めるようになっている。
【００５１】
一方、下ケース２１には、図１に示すように、第３歯車１３の中心部分に第３歯車１３と一体に回転する磁石７１を備えるとともに、磁石７１に対向する下ケース２１の部分にこの磁石７１の磁束を検出するＭＲ素子（磁束検出素子）７２を備えている。そして、この磁石７１とＭＲ素子７２とが協働して第２の検出手段を構成している。
【００５２】
ＭＲ素子７２は、その検出出力がｓｉｎ曲線状の検出出力とｃｏｓ曲線状の検出出力として得られ、これらの検出出力をｔａｎ関数の検出出力に換算して、ここでは特に図示しないが、−１１２．５度〜＋１１２．５度、即ち２２５度ごとの周期で変化する鋸歯状波形の出力信号として出力するようになっている。
【００５３】
なお、この信号処理方法は、例えば特開２００４−５３４４４号公報において記載されているように公知である。ＭＲ素子７２の検出出力の周期がこのように２２５度となっている理由は、本実施形態の場合、ロータ１０の外周部に備わった歯数、これに噛合する第１歯車１１の歯数、第１歯車１１と同心をなし一体に回転する第２歯車１２の歯数、第２歯車１２と噛合する第３歯車１３の歯数の各減速比を予め規定しておくことによる。そして、これらの歯車比の関係から、第２歯車１２の回転に応じて検出されるＭＲ素子７２の検出信号の周期が２２５度となっている。
【００５４】
このように、本実施形態にかかる回転角度検出装置１では、コイル部材５０とロータシールド部材１５が協働して構成する第１の検出手段から得られる第１の検出信号がロータ１０の回転に対応して１２０度の周期で出力され（図７参照）、かつ磁石７１とＭＲ素子７２が協働して構成する第２の検出手段から得られる第２の検出信号が第２歯車１２の回転に対応して２２５度の周期で出力されるようになる。即ち、本実施形態では、被測定回転体であるシャフトＳの回転に伴ってコイル部材５０の出力信号が増加（減少）する場合はＭＲ素子７２の出力信号も増加（減少）するようになっている。そして、本発明にかかる回転角度検出装置１においては、ここではその算出アルゴリズムを詳細には説明しないが、これら検出信号の周期の最小公倍数である０度〜１８００度（−９００度〜＋９００度）の測定可能範囲内での絶対回転角度を求めるようになっている。
【００５５】
なお、本実施形態のように固定コアはロータシールド部材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角度検出装置のように、これより多い個数の固定コアがロータシールド部材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。
【００５６】
また、固定コア同士は、上述した実施形態にかかる回転角度検出装置のようにロータのロータシールド部材を挟んで対向配置された固定コア対（本実施形態では詳細には図示せず）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ロータシールド部材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ロータシールド部材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。
【００５７】
また、本実施形態のように広範囲の回転角度を求める必要がなければ、コイル部材１組だけロータシールド部材に備えた構成の回転角度検出装置としても良い。この場合、図２に示した検出回路も本実施形態のように２組とすることなく、１組だけで済ませることができる。
【００５８】
また、ロータシールド部材の支持部を導電性の材質で構成しないようにすれば、コイル部材による回転角度検出不能領域がなくなるので、コイル部材を本実施形態のように２組設けることなく、１組だけにすることができるようになる。
【００５９】
以上説明したように、本発明にかかる回転角度検出装置は、抵抗とコイルとコンデンサを組み合わせたＲＬＣ回路を検出素子部として備えることなく、抵抗とインダクタンスを組み合わせた検出回路からなるＲＬ回路を検出素子部として角度検知回路に備えた構成を有し、基準パルス電圧発生器で発生した基準パルス電圧を検出回路で放電させ、この放電波形を積分回路で積分して、その積分値の変化を回転角度の検出情報としている。
【００６０】
これによって、初期の特性上のバラツキや温度特性による出力信号の誤差要因となりうるコンデンサを検出素子部に使用しなくて済むようになり、回転角度検出装置周囲の温度変化による回転角度誤差を小さくできる。その結果、例えば、車両等の温度変化の激しい環境下において回転角度検出装置を装着した場合であっても、安定した精度で回転角度を検出できる。
【００６１】
また、コンデンサを検出素子部に使用しないことで回転角度検出装置の部品点数を削減できると共に、検出回路の出力信号の誤差要因が少なくなるため、ロジック回路や増幅回路を簡略化または省略でき、回転角度検出装置のコストダウンを達成できる。
【００６２】
そして、本実施形態による回転角度検出装置がこのような構成を有することで、構成部品点数を削減しつつ広範囲の回転角度にわたって高い検出精度を維持できるようになる。
【００６３】
なお、本実施形態における回転角度検出方法については、ロータ、ロータシールド部材、及びコイル部材の組合せによる回転角度検出方法に基づいて説明したが、本発明の作用を発揮するものであれば必ずしもこのような構成要素の組み合わせに限定されず、回転角度検出に適していれば他の構成要素の組合せであっても良いことは言うまでもない。
【００６４】
本発明にかかる回転角度検出装置は、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角度検出装置は、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。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】本発明の一実施形態にかかる回転角度検出装置の内部構造を、上カバーを取った状態で示した平面図である。
【図２】図１に示した回転角度検出装置の回転角度検出部の回路ブロック図の一例、
【図３】図１に示した回転角度検出装置の回転角度検出部の回路ブロック図の他の一例、
【図４】図１に示した一方のコイル部材に関する回転角度検出部における回転角度の検出処理の仕方を説明するタイミングチャート、
【図５】図４とは異なるコイル部材に関する回転角度検出部における回転角度の検出処理の仕方を説明するタイミングチャート、
【図６】図４及び図５でそれぞれ得られた検出出力を横軸をステアリングシャフトの回転角度とし、縦軸を各回転角度に伴う各コイル部材に対応する回転角度検出部で得られる出力を示した出力特性図、
【図７】図６の出力特性図をさらにそれぞれの出力特性を信号処理して鋸刃状に出力特性とした図であり、横軸がステアリングシャフトの回転角度を示し、縦軸が回転角度検出部で得られた出力を示す図、
【図８】従来の回転角度検出装置における回転角度検出部における回路ブロック図、
【図９】従来の回転角度検出装置の一方のコイル部材に関する回転角度検出部における回転角度の検出処理の仕方を説明するタイミングチャート、
【図１０】図９とは異なるコイル部材に関する回転角度検出部における回転角度の検出処理の仕方を説明するタイミングチャートである。
【符号の説明】
【００６６】
１ 回転角度検出装置
１０ ロータ
１０ａ 歯車部
１１ 第１歯車
１２ 第２歯車
１３ 第３歯車
１５ ロータシールド部材
１５ａ 支持部
２０ ケース
２１ 下ケース
３０ 回転角度検出部
５０，５１，５２ 一方の対のコイル部材
６０，６１，６２ 他方の対のコイル部材
７１ 磁石
７２ ＭＲ素子（磁束検出素子）
１０１，１０２ 発振回路
１１０ 検出回路
１１１ 放電回路
１２０ 検出回路
１２１ 放電回路
１３０ Ａ／Ｄコンバータ部
１４０ 演算部
２０１ 発振回路
２１０，２２０ 位相シフト検出回路
２１１ 排他的論理和ゲート
２１２ 積分回路
２１３ アンプ
２２１ 排他的論理和ゲート
２２２ 積分回路
２２３ アンプ
２３０ Ａ／Ｄコンバータ部
２４０ 演算部
Ａ，Ｂ 積分値
Ｐ１ 基準パルス電圧
Ｓ シャフト
【特許請求の範囲】
【請求項１】
コイルおよび抵抗体からなる検出素子部を含む検出回路と、前記コイルのインダクタンスを被測定回転体の回転に応じて変化させるインダクタンス変化手段とを有する角度検出手段を備え、さらに前記検出回路に出力信号を発生させるための基準パルス電圧発生手段と、前記検出回路の出力信号を演算する演算手段とを備えている回転角度検出装置であって、
前記演算手段は、前記基準パルス電圧発生手段で発生した基準パルス電圧を前記検出回路に入力した際に生じる過渡現象的出力電圧を所定時間積分して積分値を求め、該積分値に基づいて前記被測定回転体の回転角度を検出することを特徴とする回転角度検出装置。
【請求項２】
前記検出回路は、前記インダクタンス変化手段による出力が異なる位置に少なくとも２つ設けられていることを特徴とする、請求項１記載の回転角度検出装置。
【請求項３】
前記演算手段は、前記検出回路からの第１の検出信号と、前記被測定回転体の回転に応じて前記検出回路が発生する信号の周期とは異なる周期の第２の検出信号とにより前記被測定回転体の回転角度を検出することを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の回転角度検出装置。
【請求項４】
コイルおよび抵抗体からなる検出素子部を含む検出回路と、前記コイルのインダクタンスを被測定回転体の回転に応じて変化させるインダクタンス変化手段とを有する角度検出手段を備え、さらに前記検出回路に出力信号を発生させるための基準パルス電圧発生手段と、前記検出回路の出力信号を演算する演算手段とを備えている回転角度検出装置を用いた回転角度検出方法であって、
基準パルスを発生させるステップと、前記検出回路が発生する前記基準パルスによる信号を前記基準パルスの幅より短い一定時間毎にサンプリングするステップと、前記サンプリングされた信号をＡ／Ｄ変換するステップと、前記Ａ／Ｄ変換された信号を一定の積分期間Ｔだけ積分して積分値を算出するステップと、算出された積分値に基づきステアリングの角度位置を演算するステップを備えていることを特徴とする回転角度検出方法。
【請求項１】
コイルおよび抵抗体からなる検出素子部を含む検出回路と、前記コイルのインダクタンスを被測定回転体の回転に応じて変化させるインダクタンス変化手段とを有する角度検出手段を備え、さらに前記検出回路に出力信号を発生させるための基準パルス電圧発生手段と、前記検出回路の出力信号を演算する演算手段とを備えている回転角度検出装置であって、
前記演算手段は、前記基準パルス電圧発生手段で発生した基準パルス電圧を前記検出回路に入力した際に生じる過渡現象的出力電圧を所定時間積分して積分値を求め、該積分値に基づいて前記被測定回転体の回転角度を検出することを特徴とする回転角度検出装置。
【請求項２】
前記検出回路は、前記インダクタンス変化手段による出力が異なる位置に少なくとも２つ設けられていることを特徴とする、請求項１記載の回転角度検出装置。
【請求項３】
前記演算手段は、前記検出回路からの第１の検出信号と、前記被測定回転体の回転に応じて前記検出回路が発生する信号の周期とは異なる周期の第２の検出信号とにより前記被測定回転体の回転角度を検出することを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の回転角度検出装置。
【請求項４】
コイルおよび抵抗体からなる検出素子部を含む検出回路と、前記コイルのインダクタンスを被測定回転体の回転に応じて変化させるインダクタンス変化手段とを有する角度検出手段を備え、さらに前記検出回路に出力信号を発生させるための基準パルス電圧発生手段と、前記検出回路の出力信号を演算する演算手段とを備えている回転角度検出装置を用いた回転角度検出方法であって、
基準パルスを発生させるステップと、前記検出回路が発生する前記基準パルスによる信号を前記基準パルスの幅より短い一定時間毎にサンプリングするステップと、前記サンプリングされた信号をＡ／Ｄ変換するステップと、前記Ａ／Ｄ変換された信号を一定の積分期間Ｔだけ積分して積分値を算出するステップと、算出された積分値に基づきステアリングの角度位置を演算するステップを備えていることを特徴とする回転角度検出方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２００８−１３９３００（Ｐ２００８−１３９３００Ａ）
【公開日】平成２０年６月１９日（２００８．６．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−２９２６３３（Ｐ２００７−２９２６３３）
【出願日】平成１９年１１月９日（２００７．１１．９）
【出願人】（０００００５２９０）古河電気工業株式会社 (4,457)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年６月１９日（２００８．６．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年１１月９日（２００７．１１．９）
【出願人】（０００００５２９０）古河電気工業株式会社 (4,457)
【Ｆターム（参考）】
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