JP4028559B2 - 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され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、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、例えば図２（ａ）に示すように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、あるいは絶縁性の樹脂材等からなるケースにロータとともに収納されている。

ロータは、絶縁磁性材あるいは絶縁性の樹脂材等からなるロータ取り付け部及びこれとステー部材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とからなる。なお、センシング部は、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センシング部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センシング部表面に誘起されるようになっており、この渦電流量の変動に伴い各励磁コイルのインピーダンスも変動する。

回転センサの回路ブロック図は、図１３に示すように、発振回路５０１からなり特定周波数の発振信号を出力する発振部５００と、センシング部に発生する渦電流の大きさに応じて発振部５００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５１０（５１１，５１２）と、位相シフト量を検出する位相シフト量検出部５２０（５２１，５２２）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５３０（５３１，５３２）と、位相シフト量コンバート部５３０から出力される位相シフト量を増幅する増幅部５４０（５４１，５４２）と、増幅部５４０からの出力に基づいて回転角度を算出する回転角度検出部５５０を有し、位相シフト部５１０に入力される回転角度を検出するようになっている。

また、位相シフト部５１０は、図２（ｂ）に示すように、電子回路の抵抗とコンデンサ及びコイルからからなる。ロータのセンシング部は上述したように周方向に幅が連続的に変化する形状を有しているので、回転軸の回転と連動するロータのセンシング部が回転することにより、コイルのインピーダンスが変化する。

回転軸が回転したとき、入力角度に対して位相シフト量検出部５２０の出力はセンシング部の形状によって決まり、図１４に示すようにＳｉｎ波形の如く変化させることができる。例えば、図２（ｂ）に示すように、２つの固定コア（コイルＡ、コイルＢ）をロータ回転軸の中心に対して９０°の中心角度で配置すると、図１５に示すように入力角度に対して、一方の固定コアのコイルＡのインピーダンス変化に基づいて信号処理した位相シフト量と、他方の固定コアのコイルＢのインピーダンス変化に基づいて信号処理した位相シフト量は９０°の位相差をもって変化することになる。

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回転角度を検出するようになっている。
特開２００３−２０２２４０号公報（第４−５頁、図１）

一方、回転センサはそのロータのセンシング部が回転軸に固定され、励磁コイルが固定コアを介してケースに固定されている。すなわち、回転センサを取り付けるにあたって、回転センサのロータ側を回転軸に取り付けるとともにステータ側をブラケット等で回転軸以外の部分に取り付けるようになっている。そのため、回転センサの取り付け性向上を図るためにロータのセンシング部と励磁コイルとの間にある程度のずれが生じる場合がある。このずれが許容範囲の場合は問題ないが、ずれが許容範囲を超えるとロータのセンシング部と励磁コイルとのガタやコイルの温度特性等に起因して、図４に示すように、入力角度に対する位相シフト量にも許容できない程度のずれが生じる。図４には、位相シフト量がずれた場合（グラフ上で縦にずれる）を示しているが、入力角度がずれる（グラフ上で横にずれる）こともあり、両方のずれを伴うこともある。実際には、ロータのセンシング部と励磁コイルとの間において、センシング部半径方向のずれが生じやすい。このとき、回転角度検出部５５０では、実際の入力角度とずれがある角度をそのまま検知することになるが、現状の構成のみではこのような許容できないずれ発生の検出は困難である。また、仮にこれを検出しようとすると追加部品が必要となりコストアップにつながる。このように、ロータのセンシング部と励磁コイル間のガタや温度に起因する検出出力の変化を本来の検出角度の変化と区別することは難しいため、想定外のずれが生じた場合には異常と診断することができず、回転角度を誤検知してしまう。かかる回転センサのセンシング部と励磁コイルとの許容できない位置ずれが判別できれば、センサ出力信号を適時キャンセルするなどの対策をとることができるが、このような位置ずれが判別できないと適切な対策をとることは困難である。

本発明の目的は、回転センサのロータのセンシング部と励磁コイル間に許容できない位置ずれが生じた場合に検出誤差を含んだまま回転角度検出を行うことなく、回転センサの異常と判断する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、本発明にかかる回転センサは、
回転するシャフトに取り付けられ、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、回転するシャフト以外に取付けられる固定部材に取り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、
前記固定コアが前記ロータのセンシング部の周方向に所定の間隔で複数配置され、かつ各固定コアの励磁コイルが位相シフト部を形成し、当該位相シフト部は発振部と位相シフト量検出部に接続され、
前記何れか一つの励磁コイルに接続された位相シフト量検出部で得られた位相シフト量の値と、前記他の一つの励磁コイルに接続された位相シフト量検出部で得られた位相シフト量の値とからセンサ異常を検知する手段を有し、
前記センサ異常を検知する手段は、前記何れか一つの励磁コイルに接続された位相シフト量検出部で得られた位相シフト量を一部飽和させて形成された平坦部からなる判定限界値を備え、当該判定限界値をなす位相シフト量の平坦部と平坦部でない通常変化部分の境目における位相シフト量と、前記他の何れか一つの励磁コイルに接続された位相シフト量検出部で得られた同一の入力角度における位相シフト量との差を予め定められた判定基準値と比較し、前記差が前記判定基準値を超えた時にセンサ異常を検知するようになっていることを特徴としている。

本発明の回転センサは、このような手段を有することで、回転センサのセンシング部と励磁コイル間の取り付け上のずれに伴う出力のシフト量が許容できない範囲となったときに、簡易な装置構成で回転センサの異常を判断することができる。

即ち、センサ異常を検知する手段が、何れか一つの励磁コイルに接続された位相シフト量検出部で得られた位相シフト量を一部飽和させて形成された平坦部からなる判定限界値を備え、当該判定限界値をなす位相シフト量の平坦部と平坦部でない通常変化部分の境目における位相シフト量と、他の何れか一つの励磁コイルに接続された位相シフト量検出部で得られた同一の入力角度における位相シフト量との差を予め定められた判定基準値と比較し、差が判定基準値を超えた時にセンサ異常を検知するようになっていることで、回転センサのセンシング部と励磁コイル間の取り付け上のずれに伴う出力のシフト量が許容できない範囲となったときに、特別な異常診断回路を追加することなく簡易な構成で回転センサを異常と判断することができる。

また、本発明の請求項２に記載の回転センサは、
回転するシャフトに取り付けられ、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、回転するシャフト以外に取付けられた固定部材に取り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、
前記固定コアが前記ロータのセンシング部の周方向に所定の間隔で複数配置され、かつ各固定コアの励磁コイルが位相シフト部を形成し、当該位相シフト部は発振部と位相シフト量検出部に接続され、
前記何れか一つの励磁コイルに接続された位相シフト量検出部で得られた位相シフト量の値と、前記他の何れか一つの励磁コイルに接続された位相シフト量検出部で得られた位相シフト量の値とからセンサ異常を検知する手段を有し、
前記センサ異常を検知する手段は、前記何れか一つの励磁コイルに接続された位相シフト量検出部で得られた位相シフト量と前記他の何れか一つの励磁コイルに接続された位相シフト量検出部で得られた位相シフト量の交点を求め、当該交点に対応する入力角度が予め決められた入力角度である最小の許容限界値と最大の許容限界値との間に入っている場合はセンサ正常と判断し、この範囲を超えた場合にセンサ異常と判断するようになっていることを特徴としている。

本発明によると、回転センサに許容できない位相シフト量のずれが生じた場合に検出誤差を含んだまま回転角度検出を行うことなくセンサ異常と判断し、これに対応するため、正確な回転角度の検出が可能となる。

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。

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１２に示すように、回転するシャフトＳに取り付けられるロータ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を間隔Ｇ（図１２参照）で対向配置させるコイルコアホルダ９２と、固定コア３２，４２を間隔Ｇ（図１２参照）で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、図２（ａ）に示すように、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。これによって、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°をなして配置される。そして、固定コア３１，３２は、上述の通りシャフト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２１側に配置される。

なお、一側の固定コア３１，３２は、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）、アクリロニトリルブタジエンスチレン（ＡＢＳ）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，３２ｂと励磁コイル４１ｂ，４２ｂは、それぞれ直列に接続され、保持部材９０の信号処理回路９９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。なお、本実施形態においては、その信号処理回路の説明において対となっている固定コアの励磁コイルをそれぞれコイルＡ、コイルＢとして説明する。

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）、アクリロニトリルブタジエンスチレン（ＡＢＳ）等であり、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）等も含む）でできた矩形状の板部材であって下ケース２２に取り付けられるベース部からなり、このベース部の一側端部にコイルコアホルダ９２，９３が備わっている。

また、固定コア３１，３２（４１，４２）が備わった保持部材９０、信号処理回路９９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、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り付けられている。

また、保持部材９０の一部に備わった回路基板９５には図３に示す信号処理回路９９が実装されている。信号処理回路９９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。

ロータ１０は、図１、図２、及び図１２に示すように、絶縁磁性材のロータ取り付け部と、当該ロータ取り付け部とステー部材を介して連結され、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２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づく大きさの渦電流が誘起されるようになっている。

すなわち、各励磁コイル３１ｂ，３２ｂ，４１ｂ，４２ｂに交流励磁電流が流されると、各励磁コイル３１ｂ，３２ｂ，４１ｂ，４２ｂは周囲に交流磁界を形成し、対向するコア本体３１ａとコア本体４１ａは協働して磁気回路を形成し、同様に、対向するコア本体３２ａとコア本体４２ａも協働して磁気回路を形成する。このとき、磁束がセンシング部１２を横切ると、該センシング部１２の表面には渦電流が誘起され、各励磁コイル３１ｂ，３２ｂ，４１ｂ，４２ｂ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に対応して変動する。センシング部１２の表面に誘起される渦電流量は、固定コア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の固定コアに対する投影面積、すなわち「センシング部の固定コアへの投影面積」である。）により変動する。よって、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信号処理回路（図３参照）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ようになっている。

回転センサの信号処理回路は、図３の回路ブロック図に示すように、特定周波数の発振信号を発生する発振回路１０１を含んで構成される発振部１００と、センシング部１２に発生する渦電流の大きさに応じて発振部１００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１１０（１１１，１１２）と、位相シフト量を検出する位相シフト量検出部１２０（１２１，１２２）と、検出された位相シフト量を対応するパラメータ（例えば電圧値やデジタル値）に変換する位相シフト量コンバート部１３０（１３１，１３２）と、位相シフト量コンバート部１３０から出力される位相シフト量を増幅する増幅部１４０（１４１，１４２）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とともにセンサ異常の判断を行う信号処理部１５０とを有し、位相シフト部１１０に入力される各回転角度を検出するようになっている。信号処理部１５０は回転角度検出部１５１と異常検出部１５２を備え、回転角度の検出に加えてロータのセンシング部と励磁コイルとの位置ずれが許容できない範囲のときにセンサ異常も判断するようになっている。なお、本実施形態では記載されていないが、発振回路１０１と位相シフト部１１０との間に必要に応じて分周回路や緩衝増幅器（バッファ）を設けても良い。

続いて、本発明の実施形態にかかる回転センサ１の具体的な信号処理方法について説明する。まず、発振回路１０１は、特定周波数の発振信号を各励磁コイル３１ｂ及びコイル４１ｂ（コイルＡ）、コイル３２ｂ及びコイル４２ｂ（コイルＢ）に伝達する。これによって、各発振信号が図２（ｂ）に示す抵抗Ｒ１，Ｒ２、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１１０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、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１２０へ出力される。各位相シフト量検出部１２０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１３０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１３０の後段に接続した増幅部１４０（１４１，１４２）に伝達する。増幅器１４０はオペアンプ等からなる電子回路であり、オペアンプの増幅率を調整することにより、上限はオペアンプのプラス側電源電圧、下限はオペアンプのマイナス側電源電圧（又はＧＮＤ電圧）に飽和させて位相シフト量を対応する電圧値にフラット領域を形成する。

信号処理部１５０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１４０から入力される電圧値に基づき、回転角度検出部１５１がロータ２の回転角度を測定するとともに、異常検出部１５２が回転センサ１の異常を検出する。

続いて、本実施形態における回転センサ１の異常診断の具体的構成について説明する。かかる回転センサの異常診断の構成は、図３に示すように、少なくとも何れか一方の励磁コイル（本実施形態ではコイルＢ）の位相シフト量検出部１２０で得られた位相シフト量の振幅に増幅部１４０で上限と下限を設けて当該位相シフト量をその上限と下限の一定値で飽和させ、フラット領域を積極的に形成する（図５及び図１１参照）。そして、この飽和させた位相シフト量と何れか他方の励磁コイル（本実施形態ではコイルＡ）の位相シフト量検出部１２０で得られた位相シフト量とを比較してセンサ異常を検知するようになっている。なお、各コイルＡ、コイルＢの位相シフト量検出部１２０は位相シフト量コンバート部１３０を介して増幅部１４０にそれぞれ接続されており、センサ異常を検出する信号は実際にはアナログ信号の電圧値となっている。

本実施形態にかかる回転センサ１の異常診断方法は以下の通りである。上述した通り、増幅部１４０によって位相シフト量の入力角度に対する振幅に上限と下限で規定されるフラット領域をもたせる（図１１参照）。そして、図５に示すようにコイルＢの位相シフト量を示す電圧値においてフラット領域と通常変化部分の境界であるＡ点でコイルＢのインピーダンスから得られた位相シフト量をコイルＡから得られた位相シフト量と比較する。Ａ点を含む入力角度におけるコイルＡとコイルＢのインピーダンスから得られた位相シフト量の差Ｘは、設計により予め正常範囲が決められている。なお、図１１においては正常範囲の上限値が判定基準上限値で規定され、下限値が判定基準下限値で規定されるようになっている。

このように、入力角度に対する位相シフト量はフラットな部分を有することになる。そして、図５に示すようにコイルＢの位相シフト量における飽和部分と通常変化部分の境界であるＡ点における位相シフト量をこれと同じ入力角度におけるコイルＡのインピーダンスから得られた位相シフト量と比較する。コイルＡとコイルＢのインピーダンスから得られた位相シフト量の差Ｘ（判定基準値）は、設計により予め正常範囲を特定する既定値が決められており、Ｘを既定値と比較することにより回転センサが正常か否かを判断することができる。

具体的には、Ａ点における位相シフト量の差Ｘが既定値ｘ１＜＝Ｘ＜＝ｘ２の場合は、回転センサの励磁コイルとセンシング部との間にずれがないか又は許容できるずれの範囲内として回転センサは正常と判断する。また、Ａ点における位相シフト量の差ＸがＸ＜既定値ｘ１、又はＸ＞既定値ｘ２の場合は、回転センサの励磁コイルとセンシング部との間に許容できないずれがあるとして、回転センサが異常と判断する。同様に、位相シフト量を示す電圧値の下限における飽和領域と通常変化部分との境界において上述のように位相シフト量の差を求めて、これが所定の範囲に含まれているか否かで回転センサの正常・異常を判断しても良い。

なお、上述のように位相シフト量を表す電圧値の上限と下限の双方を設ける代わりに、ダイオードなどのリミッターを用いて位相シフト量の上限又は下限の片方のみを設けてこの片方の位相シフト量の電圧値のみから回転センサの取り付け位置ずれに伴うセンサ異常を判断するようにしても良い。

ここで、上述した実施形態について、図６乃至図８に示すように、少なくとも何れか一方の励磁コイル（本実施形態ではコイルＢ）の位相シフト量検出部１２０で得られた位相シフト量の波形と、何れか他方の励磁コイル（本実施形態ではコイルＡ）の位相シフト量検出部１２０で得られた位相シフト量の波形との交点のずれを判定してセンサ異常を検知するようにしてもよい。この場合、少なくとも一方の振幅に増幅部１４０で上限と下限を設けて当該位相シフト量をその上限と下限の一定値で飽和させるなどの方法で、フラット領域を積極的に形成することが望ましい。

具体的には、上述したセンサ異常判断の方法に代えて、図６乃至図８に示すような信号処理方法を用いても良い。すなわち、図６に示す位相シフト量の判定基準上限値以下のリニア領域において、例えばコイルＡの信号とコイルＢの信号の交点を求め、これとともにコイルＡの許容できる位相シフト量のズレを図中一点鎖線で示すように定め、この一点鎖線で示す許容されるコイルＡの位相シフト量とコイルＢの位相シフト量の交点をそれぞれ許容限界値とする。この後、図７に示すように、この交点が予め決められた入力角度に関する最小の許容限界値Ｗ１と最大の許容限界値Ｗ２との間に入っている場合はセンサ正常と判断し、この範囲を超えた場合にセンサ異常と判断するようにしても良い。また、この交点が、図８に示すように、位相シフト量の最小の許容限界値Ｚ１と最大の許容限界値Ｚ２との間に入っている場合はセンサ正常と判断し、この範囲を超えたときにセンサ異常と判断するようにしても良い。

続いて、本発明にかかる回転センサの変形例について説明する。具体的には、本変形例の場合、図９の回路ブロック図に示すように、発振回路２０１からなり特定周波数の発振信号を出力する発振部２００と、センシング部１２に発生する渦電流の大きさに応じて発振部２００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２１０（２１１，２１２）と、位相シフト量を検出する位相シフト量検出部２２０（２２１，２２２）と、検出された位相シフト量を対応するパラメータ（例えば電圧値やデジタル値）に変換する位相シフト量コンバート部２３０（２３１，２３２）と、位相シフト量コンバート部２３０から出力される位相シフト量に上下限を設ける設定演算部２４０（２４１，２４２）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とともにセンサ異常の判断を行う信号処理部２５０とを有し、位相シフト部２１０に入力される各回転角度を検出するようになっている。信号処理部２５０は回転角度検出部２５１と異常検出部２５２を備え、回転角度の検出に加えてロータのセンシング部と励磁コイルとの位置ずれが許容できない範囲のときにセンサ異常も判断するようになっている。本変形例においては、各コイルＡ、コイルＢの位相シフト量検出部２２０は位相シフト量コンバート部２３０を介して設定演算部２４０にそれぞれ接続されており、センサ異常を検出する信号は実際にはアナログ信号の位相シフト量ではなく、位相シフト量をコンバートしたデジタル信号となっている。なお、本変形例では記載されていないが、発振回路２０１と位相シフト部２１０との間に必要に応じて分周回路や緩衝増幅器（バッファ）を設けても良い。

続いて、本変形例の具体的な信号処理方法について説明する。まず、発振回路２０１は、特定周波数の発振信号を各励磁コイル３１ｂ及びコイル４１ｂ（コイルＡ）、コイル３２ｂ及びコイル４２ｂ（コイルＢ）に伝達する。これによって、各発振信号が図２（ｂ）に示す抵抗Ｒ１，Ｒ２、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２１０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、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２２０へ出力される。各位相シフト量検出部２２０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２３０は、検出された各位相シフト量を対応するデジタル信号に変換する。各設定演算部２４０は、各位相シフト量コンバート部２３０から出力された信号の上限値と下限値を定め、この上限値と下限値によって位相シフト量に対応するデジタル値をコイルＡの位相シフト量とコイルＢの位相シフト量ごとに形成する。信号処理部２５０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、各設定演算部２４０から入力されるデジタル信号に基づき、回転角度検出部２５１がロータ１０の回転角度を測定するとともに、異常検出部２５２が回転センサの異常を検出する。

続いて、本変形例における回転センサの異常診断の具体的構成について説明する。かかる回転センサの異常診断の構成は、図９に示すように、少なくとも何れか一方の励磁コイル（本実施形態では図５におけるコイルＢ）の位相シフト量検出部２２０で得られた位相シフト量の振幅に設定演算部２４０で上限と下限を設けて、当該位相シフト量のフラット領域を積極的に形成する（図５及び図１１参照）。そして、この位相シフト量と何れか他方の励磁コイル（本実施形態では図５におけるコイルＡ）の位相シフト量検出部２２０で得られた位相シフト量とを比較してセンサ異常を検知するようになっている。

本変形例にかかる回転センサの異常診断方法は以下の通りである。具体的には、図９に示すように、位相シフト量検出部２２０で得られた位相シフト量をそれぞれ位相シフト量コンバート部２３０でデジタル信号に変換する。そして、このデジタル値を位相シフト量コンバート部２３０の後段に接続した設定演算部２４０（２４１，２４２）に伝達する。そして、位相シフト量コンバート部２３０の後段に接続した設定演算部２４０においてそれぞれ位相シフト量の上限と下限を設けて、この上限と下限で位相シフト量を飽和させる。具体的には、設定演算部２４０が予め設定してある判定限界値の上限側の値である判定上限値（図５参照）と下限側の値である判定下限値（図１１参照）を有し、位相シフト量が判定基準上限値以上のデジタル値であれば判定基準上限値に置き換え、位相シフト量が判定基準下限値以下のデジタル値であれば判定基準下限値に置き換える演算処理を行う。この演算処理により、位相シフト量を表すデジタル値をその上限が判定基準上限値、下限が判定基準下限値となるようにする。

これによって、図１１に示すように、位相シフト量の入力角度に対する振幅に上限と下限のそれぞれにフラットな領域をもたせることができる。なお、図１１は位相シフト量がアナログ値で描かれているが、本変形例ではこれを量子化し、デジタル値として回転角度ごとに位相シフト量が出力され、そのうちの上限値が判定基準上限値で規定され、下限値が判定基準下限値で規定されるようになっている。

このように、入力角度に対する位相シフト量はフラットな部分を有することになる。そして、図５に示すようにコイルＢの位相シフト量におけるフラットな部分と通常変化部分の境界であるＡ点における位相シフト量をこれと同じ入力角度におけるコイルＡのインピーダンスから得られた位相シフト量と比較する。コイルＡとコイルＢのインピーダンスから得られた位相シフト量の差Ｘは、設計により予め正常範囲を特定する既定値が決められており、Ｘを既定値と比較することにより回転センサが正常か否かを判断することができる。

具体的には、Ａ点における位相シフト量の差Ｘが既定値ｘ１＜＝Ｘ＜＝ｘ２の場合は、回転センサの励磁コイルとセンシング部との間にずれがないか又は許容できるずれの範囲内として回転センサは正常と判断する。また、Ａ点における位相シフト量の差ＸがＸ＜既定値ｘ１、又はＸ＞既定値ｘ２の場合は、回転センサの励磁コイルとセンシング部との間に許容できないずれがあるとして、回転センサが異常と判断する。同様に、位相シフト量のデジタル値の下限におけるフラットな領域と通常変化部分との境界において上述のように位相シフト量の差を求めて、これが所定の範囲に含まれているか否かで回転センサの正常・異常を判断しても良い。

なお、上述のように位相シフト量を表すデジタル値の上限と下限の双方を設ける代わりに、上限又は下限の片方のみを設けてこの片方の位相シフト量のデジタル値のみから回転センサの取り付け位置ずれに伴うセンサ異常を判断するようにしても良い。

続いて、上述の実施形態の参考例について説明する。本参考例では励磁コイルがロータセンシング部の周方向所定位置に配置され、かつ励磁コイルが発振部と位相シフト部と位相シフト量検出部に接続されている。

また、本参考例の信号処理回路（図示せず）は、以下の構成となっている。すなわち、位相シフト量検出部は、位相シフト量コンバート部に接続され、位相シフト量が電圧値に変換されるようになっている。また、位相シフト量コンバート部は増幅部に接続され、上述の実施形態のように増幅部のゲインを変えることで電圧値に変換された位相シフト量を予め設定された上限と下限で飽和させるようになっている。そして、この飽和させた位相シフト量の飽和領域と予め定めたしきい値とを比較してセンサ異常を検知する。具体的には、図１０に示すようにこの位相シフト量の電圧値の飽和領域におけるフラット部の幅Ｙが図１１に示す一定範囲の幅（許容最小幅ｙ１と許容最大幅ｙ２）で規定されるしきい値を超えた場合は、位相シフト量が許容できない範囲まで上下方向にずれていることになる。これは、励磁コイルがセンシング部の半径方向に許容できない範囲までずれていることを示しているので、この場合には回転センサの異常と判断する。

このようにすると、励磁コイルがセンシング部の周方向において一ヶ所にしか配置されていなくても、飽和させた位相シフト量の電圧値の飽和領域の幅と予め定めたしきい値とを比較することで、回転センサの取り付け上のずれに伴う出力のシフト量が許容できない範囲となったときに、特別な異常診断回路を追加することなく回転センサを異常と判断することができる。

なお、この参考例のように増幅部のゲインを変えることで位相シフト量を予め設定された上限と下限で飽和させる代わりにダイオードによるリミッター回路を介して位相シフト量の電圧値の上限又は下限の双方若しくは何れか一方を飽和させ、この飽和したフラット部の領域の幅に基づいて回転センサの異常を判断しても良い。

なお、この参考例においては、上述の変形例のように、位相シフト量コンバート部が位相シフト量をデジタル値に変換し、このデジタル値に基づいて上述と同様のやり方で異常診断を行っても良い。

また、本参考例においては、一つの励磁コイルのみから回転センサの異常判断を可能としているが、回転センサが複数の励磁コイルを備える場合においても、何れか一つの励磁コイルのみを用いて回転センサの異常の判断を行うことも可能であるとともに、各励磁コイルの位相シフト量に基づいて各励磁コイルごとに回転センサの異常判断を行うことも可能である。これによって、特に励磁コイルがセンシング部の半径方向に許容できない程度にまでずれて回転センサが取り付けられた場合は全て回転センサを異常と判断できる。

なお、上記実施形態及びその変形例において、コイルコアホルダ９２は、図１２に示すような保持部材９０に載置されているような構成でも良い。この場合、保持部材９０は回路基板（図示せず）を兼ね備えることができる。具体的には、図１２に示すように、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，３２ｂと励磁コイル４１ｂ，４２ｂは、それぞれ直列に接続され、保持部材９０の信号処理回路（図示せず）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。

このように、本発明にかかる回転センサは、取り付け性向上を図るためにロータのセンシング部と励磁コイル間で多少のガタを許容せざるを得な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、取り付け状態でロータのセンシング部と励磁コイルとがずれる可能性のあるものであれば、例えばロボットアームのような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コイルコアとの配置を示した平面図（図２（ａ））及びこの励磁コイルに関連した回路図（図２（ｂ））である。 本実施形態に関する回転センサの回路ブロック図である。 中心角度９０°でコイルコアを配置した場合に一方の励磁コイルの位相シフト量がずれた状態を示した検出特性図である。 本実施形態及びその変形例に関する回転センサの異常判断の原理を示した位相シフト量の検出特性図の部分的拡大図である。 本実施形態にかかる回転センサの異常判断の原理の類似例を示した検出特性図である。 図６に示した検出特性図における異常判断の第１の方法を示した部分拡大図である。 図６に示した検出特性図における異常判断の第２の方法を示した部分拡大図である。 本実施形態の変形例に関する回転センサの回路ブロック図である。 本実施形態の参考例に関する回転センサの異常判断の原理を示した位相シフト量の検出特性図である。 本実施形態及び変形例並びに参考例に関する回転センサの異常判断の原理を示した位相シフト量の検出特性図である。 図１におけ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XII-XII断面図である。 従来の回転センサの回路ブロック図である。 従来の回転センサの特定のコイルコアの位相シフト量の検出特性図である。 中心角度を９０°でコイルコアを配置した場合の位相シフト量の検出特性図である。

符号の説明

１ 回転センサ
１０ ロータ
１２ センシング部
２０ ケース
２１ 上ケース
２２ 下ケース
３１，３２，４１，４２ 固定コア
３１ａ，３２ａ コア本体
３１ｂ，３２ｂ 励磁コイル
４１ａ，４２ａ コア本体
４１ｂ，４２ｂ 励磁コイル
９０ 保持部材
９２，９３ コイルコアホルダ
１００，２００ 発振部
１０１，２０１ 発振回路
１１０（１１１，１１２），２１０（２１１，２１２） 位相シフト部
１２０（１２１，１２２），２２０（２２１，２２２） 位相シフト量検出部
１３０（１３１，１３２），２３０（２３１，２３２） 位相シフト量コンバート部
１４０ 増幅部
１５０ 信号処理部
１５１ 回転角度検出部
１５２ 異常検出部
２４０ 設定演算部
５００ 発振部
５０１ 発振回路
５１０（５１１，５１２） 位相シフト部
５２０（５２１，５２２） 位相シフト量検出部
５３０（５３１，５３２） 位相シフト量コンバート部
５４０（５４１，５４２） 増幅部
５５０ 回転角度検出部
Ｓ シャフト

Claims (1)

1. 回転するシャフトに取り付けられ、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、回
   転するシャフト以外に取付けられる固定部材に取り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、
   前記固定コアが前記ロータのセンシング部の周方向に所定の間隔で複数配置され、かつ
   各固定コアの励磁コイルが位相シフト部を形成し、当該位相シフト部は発振部と位相シフ
   ト量検出部に接続され、
   前記何れか一つの励磁コイルに接続された位相シフト量検出部で得られた位相シフト量
   の値と、前記他の一つの励磁コイルに接続された位相シフト量検出部で得られた位相シフ
   ト量の値とからセンサ異常を検知する手段を有し、
   前記センサ異常を検知する手段は、前記何れか一つの励磁コイルに接続された位相シフ
   ト量検出部で得られた位相シフト量を一部飽和させて形成された平坦部からなる判定限界
   値を備え、当該判定限界値をなす位相シフト量の平坦部と平坦部でない通常変化部分の境
   目における位相シフト量と、前記他の何れか一つの励磁コイルに接続された位相シフト量
   検出部で得られた同一の入力角度における位相シフト量との差を予め定められた判定基準
   値と比較し、前記差が前記判定基準値を超えた時にセンサ異常を検知するようになってい
   ることを特徴とする回転センサ。

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