JP4532417B2 - 回転センサ - Google Patents

Description

本発明は、回転体に取り付けて当該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するシャフトに取り付けて当該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際にいわゆる回転センサが使用される（例えば、特許文献１及び特許文献２参照）。

かかる特許文献１に記載された回転センサは、２つの副回転体と連動して回転する主回転体の回転角度を測定する回転センサであって、主回転体にギアが備わるとともに、２つの副回転体にもそれぞれギアが備わっている。なお、主回転体のギアの歯数と副回転体の各ギアの歯数は互いに異なっており、主回転体のギアと一方の副回転体のギアが噛合するとともに、主回転体のギアと他方の副回転体のギアが噛合している。また、副回転体のそれぞれには磁石が備わるとともに、各磁石の磁束を検出する２つのＡＭＲセンサが回転センサの固定部に備わっている。

そして、２つのＡＭＲセンサから得られた互いに位相の異なる検出出力値の位相差等を利用して主回転体の絶対回転角度を算出するようになっている。

一方、特許文献２に記載された回転センサは、回転するシャフトに取り付けられかつ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と、固定部材に取り付けられかつセンシング部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とを備えている。なお、固定コアは、交流励磁電流が流されてロータとの間に磁気回路を形成する第１の励磁コイルと、絶縁磁性材から成形されて第１の励磁コイルを保持する第１のコアとを有している。そして、この回転センサは更に、ロータの回転面を挟む一方の固定部材に、回転方向に沿って幅が変化する導体層と、ロータの一回転ごとに所定の回転角度で送られるゼネバギアを備えている。また、第２の励磁コイルとこの励磁コイルを保持する第２のコアとを有し、ゼネバギアの送り量（ロータの回転数）に応じて出力を段階的に変化させてロータの回転数を検出する検出コイルを備えている。
特表２００１−５０５６６７号公報（第６−１０頁、図１） 特開２００１−３３７０４９号公報（第２−４頁、図１）

上述したように特許文献１に記載の回転センサは、主回転体の歯車に副回転体の歯車がそれぞれ噛合して副回転体のそれぞれの回転検出値から主回転体すなわち測定すべき回転体の絶対回転角度を算出するようになっている。そのため、一方の副回転体の歯車と主回転体との歯車間のバックラッシによる検出角度誤差及び他方の副回転体の歯車と主回転体の歯車間のバックラッシによる検出角度誤差が主回転体の回転角度の角度誤差として重畳してしまう。それゆえ、この特許文献１に記載の回転センサは、測定すべき回転体の正確な回転角度検出を行うのに適さなかった。

一方、特許文献２に記載の回転センサは、主回転体の回転角度を導電性部材からなるリング状のセンシング部とこのセンシング部を交差するように磁束を発生するコイルコアとの組み合わせから測定するようになっている。そのため、上述の特許文献１に記載した回転センサに比べて、測定すべき回転体の絶対回転角度を精度良く検出することが可能である。しかし、主回転体の回転数をゼネバ歯車、導電層、検出コイルによって回転数ごとに段階的に出力するようにしているので、主回転体の各回転数に対応した出力段の段差が小さいと、主回転体の回転数を検出しづらいことがあった。

本発明の目的は、測定すべき回転体の絶対回転角度検出の分解能を向上させるとともに耐ノイズ性を向上させた検出精度の高い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、
測定すべき回転体とともに一体に動く主回転体と、当該主回転体の回転に対応して当該主回転体の回転数と異なる回転数で回転する副回転体と、前記主回転体の回転を検出する第１の検出手段と、前記副回転体の回転を検出する第２の検出手段とを有し、前記第１の検出手段の検出信号と第２の検出手段の検出信号とから測定すべき回転体の絶対回転角度を検出する回転センサにおいて、
前記主回転体と副回転体とは歯車を介して回転が伝達され、
前記第１の検出手段と第２の検出手段から得られる各検出信号がそれぞれ各回転体の回転に対応して周期的に出力され、かつ前記第１の検出手段の検出信号の周期をＴｃ、前記第２の検出手段の検出信号の周期をＴｍとした場合、
（Ｔｍ−Ｔｃ×ｉ）×ｎ＝Ｔｍ（ｉ及びｎは正の整数）の関係を満たし、
前記第１の検出手段が、前記主回転体と一体に回転しかつ周方向に沿って幅が変化する導電性のセンシング部と、前記センシング部と協働して電磁誘導により前記主回転体の回転角度を検出する励磁コイルとを備えるとともに、前記第２の検出手段が、前記副回転体に磁石を設け、前記副回転体の回転に応じた前記磁石の磁束変化を検出する磁束検出素子を備え、
前記励磁コイルは前記センシング部と交差する方向を長手方向とするようにトラック状に巻回されたことを特徴としている。

主回転体の回転角度とこれと異なる回転数で回転する副回転体の回転角度を各検出手段の検出周期が上述のような関係を満たす条件下で検出することで、主回転体すなわち測定すべき回転体の回転角度検出の分解能を向上させるとともに耐ノイズ性を向上させる。

また、このような検出方式とすることで、副回転体に２つの歯車を利用した回転センサに較べて検出精度を格段に向上させる。また、主回転体の回転数をゼネバ歯車によって検出する回転センサに比べても検出精度や耐振動性を向上させることができるとともに回転センサ自体の組み付け性を向上させる。

より具体的には、ゼネバ歯車を備えた従来の回転センサの欠点、すなわち主回転体の回転数をゼネバ歯車、導電層、検出コイルによって回転数ごとに段階的に出力することで、主回転体の各回転数に対応した出力段の段差が小さいと主回転体の回転数を検出しづらくなる欠点を解決する。

これに加えて、従来技術にかかる回転センサの更なる欠点であるゼネバ歯車が振動などにより回転してしまうおそれがあることに起因する回転センサ自体の耐振動性低下の問題も解決する。

更に、従来技術にかかる回転センサの更に別の欠点である組み付け性やコストの問題、すなわちゼネバ歯車に回転方向により幅が変化するロータを設け、このロータを挟む位置にコイルとコアの組を設ける場合に部品の位置決めが容易でないため回転センサ自体の組み付け性が良くない欠点と部品及び組立工数のコストが高くなる欠点も解決する。

また、請求項２に記載の回転センサは、請求項１に記載の回転センサにおいて、
前記励磁コイルはポリフェニレンスルフィドにＭｎ−Ｚｎ系軟磁性材フェライトを混合した混合軟磁性材でできたコア本体によって保持されていることを特徴としている。

このようないわゆるソフトフェライトをコア本体の材質に使用することで成形が容易なので、コアの形状の設定自由度を向上させることができる。

また、請求項３に記載の回転センサは、請求項１に記載の回転センサにおいて、
前記励磁コイルは、エポキシ樹脂にＦｅ−Ｓｉ−Ａｌ系センダストを混合した混合軟磁性材でできたコア本体によって保持されていることを特徴としている。

このようなセンダストをコア本体に使用することで透磁率を高めて検出特性を向上させることができる。また、透磁率の温度特性を高めることができ、周囲温度の影響を受けずに幅広い温度範囲の使用環境で回転センサを使用できる。

本発明によると、測定すべき回転体の絶対回転角度検出の分解能を向上させるとともに耐ノイズ性や耐振動性、組み付け性を向上させた検出精度の高い高分解能の回転センサを提供することができる。

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いて説明する。なお、本実施形態では、自動車のステアリング装置に関してこの回転センサをステアリングシャフトに取り付け、ハンドルの回転角度を検出するために回転センサを用いた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、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を備えたロータ１０と、当該ロータ１０の第１歯車１１と噛合する第２歯車１２と、ロータ１０及び第２歯車１２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２２を備えている。

ロータ１０は、強度と成型性に優れた合成樹脂でできており、ロータ１０の周囲所定位置からステー１５ａが延在し、例えば板厚０．５ｍｍ程度の板状のセンシング部１５がこのステー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、センシング部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９０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。このように周方向に９０度ずつセンシング部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コア５０からの検出信号の変化を大きくとるようにしている。

また、上ケース２２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２２と下ケース２１とが協働して箱体をなしてロータ１０やセンシング部１５、第２歯車１２を収容するようになっている。また、下ケース２１には、回転センサ１に電力を供給したり、回転センサ１の検出信号を外部に伝達したりするためのコネクタ２５が備わっている。

また、上ケース２２及び下ケース２１には、図１及び図３に示すように、２組のコイルコア５０がロータ１０のセンシング部１５のセンシング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。なお、センシング部１５とコイルコア５０が協働して第１の検出手段を構成している。

この２組のコイルコア５０は、図１に示すように、後述する各位相シフト量の出力値が２２．５度ずれるようにセンシング部１５の周方向に関して所定の角度で取り付けられており、図３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。なお、本実施の形態においては、後述するようにセンシング部１５の一周期が９０度なので、この１／４周期すなわち２２．５度ずれるように２組のコイルコア５０を配置している。

コイルコア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５１と、コア本体５１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５１内に収容された励磁コイル５２を備えている。この場合、コア本体５１は射出成型によって形成され、磁性粉充填率は５０重量％程度となっている。ソフトフェライトを含んだ軟磁性材をこのような充填率で射出成型してコア本体５１を形成することで、成形が容易となり、コアの形状の設定自由度を向上させることができる。

なお、このようないわゆるソフトフェライトを用いたコア本体５１で励磁コイルを保持する代わりに、エポキシ樹脂にＦｅ−Ｓｉ−Ａｌ系センダストを混合した混合軟磁性材でできたコア本体によってコア本体が保持されていても良い。この場合、コア本体は圧粉成型によって形成され、磁性粉充填率は９０重量％以上となっている。センダストを含んだ軟磁性材をこのような充填率で圧粉成型してコア本体を形成することで、透磁率を高めて検出特性を向上させることができる。また、透磁率の温度特性を向上させ、幅広い温度範囲の環境で回転センサを使用することができる。

また、対向する励磁コイル５２同士は、それぞれ直列に接続され、ケース２０内でここでは図示しない回転角度検出部のプリント基板と電気的に接続されている。そして、対向する励磁コイル５２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５１間でセンシング部１５のセンシング面に対して交流磁界を交差させている。

そして、コイルコア５０から発生した交流磁界によって導電性部材のセンシング部１５には渦電流が発生するが、ロータ１０の回転に応じたセンシング部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コア５０がロータ１０の回転角度を９０度周期で検出するようになっている。

なお、コイルコア５０が各組ごとにセンシング部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コア５０からの出力も変動するが、一方のコイルコア５０からの出力が増加した分、他方のコイルコア５０からの出力は減少するので、対向する２つのコイルコア５０からの出力を検出すれば各々のコイルコア５０の出力変動を相殺できるからである。

このロータ１０の回転角度検出のための信号処理方法は以下の通りである。なお、各回路構成については図示を省略する。まず、発振回路が分周回路を介して特定周波数の発振信号を抵抗、励磁コイル５２及びコンデンサからなる位相シフト部に出力する。このとき、センシング部１５における渦電流発生の大きさに応じて各励磁コイル５２のインピーダンスが変化し、このインピーダンス変化によって各コンデンサ両端における電圧信号の位相も変化する。そして、コンデンサの両端の電圧信号は、位相シフト量検出部へ出力され、この検出部で各コンデンサ両端の電圧信号の位相シフト量を検出する。そして、コンバータが、検出された位相シフト量を対応する電圧値に変換する。

なお、本実施形態では、各コイルコア５０とセンシング部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２２．５度ずれるようにコイルコア５０をセンシング部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５（ａ）に示すように、一方のコイルコア５０の位相シフト量出力値ＳＡと他方のコイルコア５０の位相シフト量出力値ＳＢのように互いに２２．５度位相のずれた９０度周期の位相シフト量の出力値が得られる。

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９０度周期で検出する方法は以下の通りである。

図５（ａ）に示すように、各コイルコア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〜２２．５度、２２．５度〜４５度、４５度〜６７．５度、６７．５度〜９０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ともに、この直線部分同士をジョイント（結合）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５（ｂ）に示す９０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９０度周期で求めるようになっている。

一方、下ケース２１には、図１及び図２に示すように、第２歯車１２の中心部分に第２歯車１２と一体に回転する磁石６１を備えるとともに、磁石６１に対向する下ケース２１の部分にこの磁石６１の磁束を検出するＭＲ素子（磁束検出素子）６２を備えている。そして、この磁石６１とＭＲ素子６２とが協働して第２の検出手段を構成している。

ＭＲ素子６２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、図７に示すような１９１．２５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。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６２の検出出力の周期がこのように１９１．２５度となっている理由は、本実施形態の場合、ロータ１０に備わった第１歯車１１の歯数が８０、第２歯車１２の歯数が８５であるため、これらの歯数の関係から、第２歯車１２の回転に応じて検出されるＭＲ素子６２の検出信号の周期が１８０度×８５／８０＝１９１．２５度となっているためである。

このように、本実施形態にかかる回転センサ１では、コイルコア５０とセンシング部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９０度の周期で出力され、かつ磁石６１とＭＲ素子６２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１９１.２５度の周期で出力されるようになるが、本発明にかかる回転センサ１においては、これらの検出信号の周期間で以下の各関係を満たすことが必要とされている。

まず、各検出信号の周期が満たすべき第１の関係として、コイルコア（第１の検出手段）５０の検出信号の周期をＴｃ、ＭＲ素子（第２の検出手段）６２の検出信号の周期をＴｍとした場合、
（Ｔｍ−Ｔｃ×ｉ）×ｎ＝Ｔｍ（ｉ及びｎは正の整数）の関係を満たすようになっている。このような関係を満たすことで、ロータ１０すなわち測定すべきシャフトＳの絶対回転角度検出の分解能を向上させるとともに耐ノイズ性を向上させるようになっている。なお、本実施形態にかかる回転センサ１の場合、Ｔｃ＝９０度、Ｔｍ＝１９１．２５度として、ｉ＝２、ｎ＝１７とすると、
（１９１．２５−９０×２）×１７＝１９１．２５となり、上述の関係式を満たしている。

また、この周期Ｔｍ及び周期Ｔｃに互いに異なる正の整数をかけたそれぞれの倍数において、共通で最小のものをＴｘとすると、Ｔｘ≧１４４０度の関係を満たすようになっている。このような関係を満たすことで、測定範囲の±７２０度の範囲内で、第１の検出手段をなすコイルコア５０と第２の検出手段をなすＭＲ素子６２によって得られる２つの出力値の組み合わせに対応するロータ１０すなわちシャフトＳの絶対回転角度の解が複数発生してしまうのを回避し、コイルコア５０の出力値とＭＲ素子６２の出力値とから確実かつ一義的にロータ１０すなわちシャフトＳの絶対回転角度を求めることができるようになる。

なお、本実施形態にかかる回転センサ１の場合、Ｔｃ＝９０度、Ｔｍ＝１９１．２５度として、Ｔｘ＝９０×１７＝１９１．２５×８＝１５３０度、となり、上述の関係式を満たしている。

また、Ｔｘ＝Ｔｃ×ｎの関係を満たしている。その結果、第１の検出手段と第２の検出手段との２つの出力値の組み合わせによって規定される検量線の隣接する検量線同士の間隔が広くなる。これによって、ＴｍとＴｃの組み合わせの範囲をより狭くし、絶対角度に対応する第１の検出手段と第２の検出手段との２つの出力値の組み合わせにおいて検出性能が向上されない組み合わせを減らして有効な組み合わせ範囲に絞ることができるようにしている。

なお、本実施形態にかかる回転センサ１の場合、Ｔｃ＝９０度、Ｔｘ＝１５３０度、であるので、１５３０＝９０×１７、よってｎ＝１７となり、上述の関係式を満たしている。

なお、主回転体であるロータ１０すなわちシャフトＳは３６０度で１周するため、必然的にＴｃは３６０度以下となり、Ｔｃ＝３６０度／ｋ（ｋは、正の整数）の関係を満たすようになる。

本実施形態の場合、上述のような関係式を満たす周期のうちで、既に説明したように主回転体であるロータ１０の検出信号の周期Ｔｃを９０度、副回転体である第２歯車の検出信号の周期Ｔｍを１９１．２５度としている。この周期の組み合わせによると、第１の検出手段と第２の検出手段との２つの出力値の組み合わせを主回転体であるロータ１０の絶対回転角度に最適に対応させている。

しかしながら、第１の検出手段であるコイルコア５０から得られたロータ１０の回転検出信号の周期と第２の検出手段であるＭＲ素子６２から得られた第２歯車１２の回転検出信号の周期との関係は、本実施形態のように９０度と１９１．２５度に限定されず、各周期が上述した関係式を満たすようであれば、他の周期であってもかまわない。

これらの関係を満たすことにより、後述するように、コイルコア５０とセンシング部１５から得られる第１の検出信号と磁石６１とＭＲ素子６２から得られる第２の検出信号との組み合わせからロータ１０すなわちシャフトＳの絶対回転角度を求めるための検量線が、図８に示すように広範囲の絶対回転角度にわたって均等に分散するようになる。すなわち、検量線の分布する領域をできるだけ広くし、かつ検量線がこの広くなった領域において等間隔で分布するようになる。これによって、コイルコア５０からの回転検出信号とＭＲ素子６２からの回転検出信号の組み合わせに対応するロータ１０すなわちシャフトＳの絶対回転角度の対応関係を明確化できるようになる。

なお、例えば他の一例として、コイルコア５０からの回転検出信号の周期が１２０度、ＭＲ素子６２からの回転検出信号の周期が１３０度となっていても、第１の検出信号と第２の検出信号との周期が上述した関係式を満たすことができ、ロータ１０すなわちシャフトＳの絶対回転角度を精度良く検出することができる。すなわち、この場合であっても、測定すべきロータ１０すなわちシャフトＳの幅広い絶対回転角度の範囲内で図６に示す各検量線が全体的に分散して規定されるようになる。

続いて、上述した回転センサ１を用いたシャフトＳの絶対回転角度の測定方法について説明する。本実施形態にかかる回転センサ１は、上述したようにコイルコア５０の検出信号の周期と第２歯車１２の検出信号の周期が特別の関係を満たすので、ロータ１０の回転に対応するコイルコア５０の出力信号の周期と第２歯車１２に備わったＭＲ素子６２の出力信号の周期との対応関係は図６の検量線に限定された関係になる。これに伴って、図７に示すようにコイルコア５０とセンシング部１５によるロータ１０の回転信号検出値が−７５０度から＋７５０度にわたって９０度ごとに鋸歯状の波形で交互に連続的に出力されるとともに、ＭＲ素子６２と磁石６１による第２歯車１２の回転角度検出出力の周期が１９１．２５度ごとに鋸歯状の波形で交互に連続的に出力される。

従って、コイルコア５０とセンシング部１５から検出された周期とＭＲ素子６２と磁石６１から検出された周期を比較することによって、以下に示すようにロータ１０と一体となって回転するシャフトＳの絶対回転角度を精度良く求めることができる。

図８は、ロータ１０の回転角度を９０度の範囲ごとに検出した小舵角の検出出力値と、第２歯車１２の回転角度を１９１．２５度の範囲ごとに検出した大舵角の検出出力値と、これらの検出出力値に基づき求められた測定すべき回転体であるロータ１０すなわちシャフトＳの絶対回転角度との対応関係の一例を示した一覧表である。ここで、本実施形態にかかる回転センサ１は、これらに対応する絶対回転角の関係を全て一対一対応でメモリに記憶させておいても良いが、本実施形態においては、小舵角の検出出力値と大舵角の検出出力値とからマイコンの計算によりこの絶対回転角度を一義的に求めるようにしている。

以下に、小舵角の検出出力値と、大舵角の検出出力値とから絶対回転角度を決定する方法をより詳細に説明する。なお、本実施形態においては、大舵角を検出するＭＲ素子６２によって検出される角度は−９５．６２５度〜＋９５．６２５度（合計１９１．２５度）となっている。また、小舵角を検出するコイルコア５０によって決定される角度は０度〜＋９０度となっている。また、原点ではＭＲ素子６２、コイルコア５０ともに０度になるものとしている。

ここで、センシングのレンジとしては、コイルコア５０の検出周期Ｔｃが９０度、ＭＲ素子６２の検出周期Ｔｍが１９１．２５度なので、最小公倍数を考えると、
９０×１７＝１９１．２５×８＝１５３０度、となる。

すなわち、ロータ１０をどちらか一方向に１５３０度回転させると、コイルコア５０から得られる小舵角の検出出力とＭＲ素子６２から得られる大舵角の検出出力が完全に同じ関係になるので、本実施形態の場合、センシングのレンジ仕様を１５３０度（−７６５度〜＋７６５度）の範囲に設定してロータ１０すなわちシャフトＳの絶対回転角度を測定することになる。

なお、例えば、ＭＲ素子６２の周期が１９２度の場合を考えると、コイルコアの周期Ｔｃ＝９０度、ＭＲ素子の周期Ｔｍ＝１９２度となるので、
９０×３２＝１９２×１５＝２８８０度、
となり、−１４４０度〜＋１４４０度がセンシング範囲となる。

続いて、特定の小舵角に対して大舵角がどのように対応するかについて説明する。本実施形態の場合、１９１．２５−（９０×２）＝１１．２５度刻みで小舵角に対して大舵角の角度が変化していく。但し、ＭＲ素子６２の周期が２倍あるので、小舵角からみて大舵角は２系列（４４度と−４６度が基点）になっている。

図８の表では、小舵角が４４度の時の大舵角と絶対角を示している。この場合、絶対回転角度が−７６６度と７６４度において小舵角と大舵角が同じ関係になっている。また、他の場合であっても絶対角度で１５３０度の隔たりがあるところでは同じ関係になっている。

また、Ｔｘ＝Ｔｃ×ｎの関係を満たしている。これによって、第１の検出手段と第２の検出手段の２つの出力値の組み合わせによって規定される検量線の隣接する検量線同士の間隔が広くなる。これによって、ＴｍとＴｃの組み合わせの範囲をより狭くし、絶対角度に対応する第１の検出手段と第２の検出手段との２つの出力値の組み合わせにおいて検出性能が向上されない組み合わせを減らして有効な組み合わせ範囲に絞っている。

なお、主回転体であるロータ１０すなわちシャフトＳは３６０度で１周するため、必然的にＴｃは３６０度以下となり、ｃ＝３６０度／ｋ（ｋは、正の整数）の関係を満たしている。

続いて、検出された大舵角と小舵角から測定すべきロータ１０すなわちシャフトＳの絶対回転角度を決定する方法について説明する。この場合、絶対回転角度の範囲が−７５０度〜＋７５０度としている。小舵角をコイルコア５０の検出値から４４．００度と検出したとする。この場合、大舵角をＭＲ素子６２の検出値から決定する。ＭＲ素子６２の検出値が図８に示すように約−１２．２５度であったとする。この場合、大舵角の符号（マイナス）が小舵角の符号（プラス）と＋／−が反転しているので、
４４−９０＝−４６度、を基点に−１２．２度に向かって１１．２５度ずつ加算する。この場合、
−４６／−３４．７５／−２３．５／−１２．２５
と３回、１１．２５度を加算するとＭＲ素子６２が検出された大舵角に近い値になるので、小舵角の検出出力値と大舵角の検出出力値に対応するメモリテーブルを有さなくても、マイコンの計算により小舵角と大舵角の検出出力値から、
−４６−１８０×３＝−５８６度、として図８の一覧表に示す絶対回転角度（−５８６度）を求めることができる。

図９は、この求められた小舵角の検出出力値と大舵角の検出出力値とから絶対回転角度を一義的に求める方法の他の一例について説明した図である。この場合、小舵角４４度、大舵角−４６度の場合、絶対回転角度は−４６度として規定されている。図９に示すように例えばコイルコア５０の出力から小舵角が４４度でＭＲ素子６２の出力から大舵角が−６８．５度と検出されたときに絶対回転角度を算出する場合について説明する。この場合、大舵角の−４６度から１１．２５度を減算して−６８．５度に対する減算回数を算出する。１１．２５度を小舵角の−４６度から２回減算すると大舵角の−６８．５度に達するので、絶対回転角度は−４６度＋（１８０×（減算回数＝２））＝３１４度として一義的に求めることができる。

以上説明したように、本発明にかかる回転センサ１は、小舵角としてコイルコア５０及びセンシング部１５を介してロータ１０の回転角度を９０度ごとの周期を検出するとともに、大舵角として磁石６１及びＭＲ素子６２を介して第２歯車１２の回転を１９１．２５度ごとの周期で検出している。すなわち、上述した主回転体であるロータ１０すなわちシャフトＳから得られた第１の検出信号の周期と副回転体である第２歯車１２から得られた第２の検出信号の周期とが上述した周期の関係式を満たすような回転センサとしている。これによって、例えば周期が上述のように規定された場合、図８に示すような小舵角の検出出力と大舵角の検出出力とを得るだけで絶対回転角度を精度良く一義的に算出できるようになり、精度が高くかつ耐ノイズ性に優れた絶対回転角度検出を行うことが可能となる。

なお、本実施形態では、第１、第２の検出用としてコイルコアとセンシング部、磁石とＭＲ素子を協働させて設けたが、これに限定されることはなく、これらを入れ替えて用いても良く、また、ＭＲ素子の代わりに、ＡＭＲ素子やホール素子、ＧＭＲ素子などの他の磁束検出手段を用いても良いことは言うまでもない。また、コイルコアは平面視トラック状なしていたが、これに限定されず平面視円形状をなしていても構わない。

なお、上述した実施形態の変形例として以下のようなものも考えられる。この変形例は、図１０及び図１１に示すように、一方の組のコイルコア１５０（コイルＡ１であるコイル１５１とコイルＢ１であるコイル１５２）をセンシング部１１５の適所に配置するとともに、他方の組のコイルコア１６０（コイルＡ２であるコイル１６１とコイルＢ２であるコイル１６２）をこのコイルコア１５０とは異なるセンシング部１１５の適所に配置している。ここで、図１０は、ロータ１１０、センシング部１１５、及びコイルコア１５０，１６０のみを示しており、このセンシング部１１５は図１０においてはセンシング幅が周方向に一定に描かれているが、実際には例えばセンシング幅の変化の周期が一周期１２０度としてセンシング部周方向に３分割されていても良いし、一周期９０度としてセンシング部周方向に４分割されていても良いし、あるいは一周期７２度としてセンシング部周方向に５分割されていても良いし、一周期が任意の度数でセンシング部周方向に均等に分割されていればどの様な形態でも良い。

なお、この場合のコイルコアに使用するコア本体も上述した実施形態と同様にポリフェニレンスルフィドにＭｎ−Ｚｎ系軟磁性材フェライトを混合した混合軟磁性材でできている。この場合、コア本体は射出成型によって形成され、磁性粉充填率は５０重量％程度となっている。ソフトフェライトを含んだ軟磁性材をこのような充填率で射出成型してコア本体を形成することで、成形が容易となり、コアの形状の設定自由度を向上させることができる。

又は、コア本体がエポキシ樹脂にＦｅ−Ｓｉ−Ａｌ系センダストを混合した混合軟磁性材でできていても良い。この場合、コア本体は圧粉成型によって形成され、磁性粉充填率は９０重量％以上となっている。センダストを含んだ軟磁性材をこのような充填率で圧粉成型してコア本体を形成することで、透磁率を高めて検出特性を向上させることができる。また、透磁率の温度特性を向上させ、幅広い温度範囲の環境で回転センサを使用することができる。

そして、一方の組のコイルコア１５０（コイルＡ１とコイルＢ１）は、センシング部１１５の周方向に以下のように互いにずらして配置する。具体的には、センシング部１１５の幅の変化がセンシング部１１５の周方向３６０度当たり繰り返される回数を分割数とし、Ｓ＝３６０度／分割数とすると、配置される一方の組のコイルコアの周方向になす角度θは、
θ＝ｎ×Ｓ＋Ｓ／４（但し、ｎは整数）で規定されている。同じく、他方の組のコイルコア１６０もこの角度θをなすようにセンシング部１１５の周方向に互いにずれて配置されている。

また、図１１には本変形例における信号処理回路を示しており、信号発生部２５０，２６０はコイルコア１５０，１６０で検出された信号をそれぞれ増幅して信号処理部３５０，３６０に出力する役目を果たしている。また、信号処理部３５０，３６０は、入力された信号を各ＣＰＵで処理してＥＣＵ４００にそのデータを出力する役目を果たしている。また、ＥＣＵ４００は、入力されたデータより、回転体の回転角度を検出する役目を果たしている。

このような変形例の構成によって、一方の組のコイルコアからの信号による出力データと、他方の組のコイルコアからの信号による出力データとを確認することにより、主回転体の回転角度を検出する際の冗長性を確保することができるようになる。

以上説明したように、従来技術にかかる回転センサは、回転方向に幅が変化するロータとコイルコアを使用して主回転体の回転角度を検出するとともに、主回転体の３６０度以上の回転角度の測定を可能とするために、主回転体と連結して回転するゼネバギアを備え、更にこのゼネバギアの回転を回転方向に幅が変化するロータとコイルコアを使用して検出するようになっていた。

しかしながら、本発明にかかる回転センサはこのようなゼネバ歯車を用いていない。すなわち、主回転体と歯車を介して連結している副回転体を設け、ゼネバ歯車の代わりにその副回転体に磁石を備えるとともに固定部材にＭＲ素子などの磁束変化を検知するセンサ素子を設けて磁石とセンサ素子との組み合わせで副回転体の回転角度を検出するようになっている。このように電磁誘導方式で主回転体の回転を検出するとともに磁石とセンサとの組み合わせで磁束変化を検出する方式で副回転体の回転を検出して、この２種類の信号から主回転体の３６０度以上の範囲の回転角度を算出している。

そして、本発明がこのような構成を有することで、ゼネバ歯車を備えた従来の回転センサの欠点、すなわち主回転体の回転数をゼネバ歯車、導電層、検出コイルによって回転数ごとに段階的に出力することで主回転体の各回転数に対応した出力段の段差が小さいと主回転体の回転数を検出しづらくなる欠点を解決できた。

また、検出角度が広い場合、ゼネバ方式では、多くの階段状信号が必要になり、機構部が大きくなり、小型化に不利であるが、本発明の方式によると小型化が可能となる。

これに加えて、本発明にかかる回転センサは、従来技術にかかる回転センサの更なる欠点であるゼネバ歯車が振動などにより回転してしまうおそれがあることに起因する回転センサ自体の耐振動性低下の問題も解決できた。

更に、本発明にかかる回転センサは、従来技術にかかる回転センサの更に別の欠点である組み付け性やコストの問題、すなわちゼネバ歯車に回転方向により幅が変化するロータを設け、このロータを挟む位置にコイルとコアの組を設ける場合に部品の位置決めが容易でないため回転センサ自体の組み付け性が良くない欠点と部品及び組立工数のコストが高くなる欠点も解決することができた。

本発明にかかる回転センサは、自動車のステアリング装置の回転角度検出に適している。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互いに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を、上ケースを透過した状態で示した平面図である。 図１に対応する回転センサの内部構成を一部透過した状態で示す側面図である。 図１に示した回転センサのコイルコアとセンシング部との関係を拡大して示した斜視図である。 図３に示したコイルコアの一方のコイルコアのみを拡大して示した斜視図である。 図３に示したコイルコアとセンシング部との組み合わせからロータの回転角度を検出する方法を図５（ａ）から図５（ｂ）の順番に示した説明図である。 コイルコア検出出力の周期に対する割合とＭＲ素子検出出力の周期に対する割合との絶対回転角度に対応する組み合わせを示した検量線である。 測定すべき回転体の絶対回転角度とコイルコア検出出力の周期に対する割合及びＭＲ素子検出出力の周期に対する割合を示した図である。 小舵角、大舵角、絶対回転角度の関係を小舵角４４度から４６度の範囲で絶対回転角度順に示した一覧表である。 小舵角と大舵角の検出出力からメモリテーブルを用いずに計算により絶対回転角度を算出する方法を示す説明図である。 本発明の一実施形態の変形例にかかる回転センサを、上ケースを部分的に透過した状態で示した平面図である。 図１０に示した変形例の信号処理回路である。

符号の説明

１ 回転センサ
１０ ロータ
１１ 第１歯車
１２ 第２歯車
１５ センシング部
１５ａ ステー
２０ ケース
２１ 下ケース
２２ 上ケース
２５ コネクタ
５０ コイルコア
５１ コア本体
５２ 励磁コイル
６１ 磁石
６２ ＭＲ素子（磁束検出素子）
１１０ ロータ
１１５ センシング部
１５０ コイルコア
１５１，１５２ コイル
１６０ コイルコア
１６１，１６２ コイル
２５０，２６０ 信号発生部
３５０，３６０ 信号処理部
４００ ＥＣＵ
Ｓ シャフト

Claims (3)

1. 測定すべき回転体とともに一体に動く主回転体と、当該主回転体の回転に対応して当該主回転体の回転数と異なる回転数で回転する副回転体と、前記主回転体の回転を検出する第１の検出手段と、前記副回転体の回転を検出する第２の検出手段とを有し、前記第１の検出手段の検出信号と第２の検出手段の検出信号とから測定すべき回転体の絶対回転角度を検出する回転センサにおいて、
   前記主回転体と副回転体とは歯車を介して回転が伝達され、
   前記第１の検出手段と第２の検出手段から得られる各検出信号がそれぞれ各回転体の回転に対応して周期的に出力され、かつ前記第１の検出手段の検出信号の周期をＴｃ、前記第２の検出手段の検出信号の周期をＴｍとした場合、
   （Ｔｍ−Ｔｃ×ｉ）×ｎ＝Ｔｍ（ｉ及びｎは正の整数）の関係を満たし、
   前記第１の検出手段が、前記主回転体と一体に回転しかつ周方向に沿って幅が変化する導電性のセンシング部と、前記センシング部と協働して電磁誘導により前記主回転体の回転角度を検出する励磁コイルとを備えるとともに、前記第２の検出手段が、前記副回転体に磁石を設け、前記副回転体の回転に応じた前記磁石の磁束変化を検出する磁束検出素子を備え、
   前記励磁コイルは前記センシング部と交差する方向を長手方向とするようにトラック状に巻回されたことを特徴とする回転センサ。
2. 前記励磁コイルはポリフェニレンスルフィドにＭｎ−Ｚｎ系軟磁性材フェライトを混合した混合軟磁性材でできたコア本体によって保持されていることを特徴とする、請求項１に記載の回転センサ。
3. 前記励磁コイルは、エポキシ樹脂にＦｅ−Ｓｉ−Ａｌ系センダストを混合した混合軟磁性材でできたコア本体によって保持されていることを特徴とする、請求項１に記載の回転センサ。

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