(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁磁性材から形成される第１のロータ、
コア本体と、交流電流が流され、前記絶縁磁性材と協働して磁気回路を形成する励磁コイルとを有する固定コア、
前記第１のロータと前記固定コアとの間に配置される第２のロータを有し、
前記第１及び第２のロータの相対回転角度を測定する相対回転角度検出装置において、
特定周波数の発振信号を発振する発振手段と、
前記第２のロータに発生する渦電流の大きさに応じて、前記発振信号の位相をシフトする位相シフト手段と、
前記シフトされた発振信号の位相シフト量を検出するシフト量検出手段と、
前記検出された位相シフト量に基づいて相対回転角度を測定する測定手段とを備えたことを特徴とする相対回転角度検出装置の測定回路。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、第１及び第２のロータの相対回転角度を測定する相対回転角度検出装置の測定回路に関する。
【０００２】
【関連する背景技術】
従来、この種の相対回転角度検出装置の測定回路では、図８に示すように、励磁コイル１は、図示しない固定コアに設けられて交流電流が流されており、第１及び第２のロータの相対回転角度によってコイルのインピーダンスが変化している。また、励磁コイル１は、発振回路２と電気的に接続されており、発振回路２の発振周波数は、励磁コイル１のインピーダンスの変化に応じて変動している。そこで、前記測定回路では、発振回路２から発振されるパルス信号をパルスカウンタ３でカウントし、前記発振周波数を検出することで、第１のロータと第２のロータの相対回転角度を測定していた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、前記測定回路では、例えばコイルのインピーダンス変化に対して、発振回路２の発振周波数は、９８ｋＨｚ〜１０８ｋＨｚの範囲で変動しており、通常５ｍｓの時間内で発振パルス信号をパルスカウントする分解能でパルス数を測定していた。このため、前記測定回路を例えば車両のステアリングシャフトに作用するトルクを検出するために使用すると、パルスカウンタ３でのパルスカウントに時間がかかって応答性が悪くなるという問題点があった。例えば前記分解能で発振回路２の発振周波数が１００ｋＨｚから１０５ｋＨｚに変動する場合、パルス数は、５００パルスから５２５パルスの変動、すなわち２５パルスの変動分で測定されることとなる。
【０００４】
また、前記測定回路では、応答性を良くするためにパルスカウンタ３でのパルスカウント時間を短くすると、パルス数の変動分が少なくなって分解能がおち、発振周波数変動の検出が難しくなるという問題点があった。
本発明は、前記問題点に鑑みなされたもので、相対回転角度測定の分解能が高く、かつ応答性が向上できる相対回転角度検出装置の測定回路を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するため、本発明では、絶縁磁性材から形成される第１のロータ、コア本体と、交流電流が流され、前記絶縁磁性材と協働して磁気回路を形成する励磁コイルとを有する固定コア、前記第１のロータと前記固定コアとの間に配置される第２のロータを有し、前記第１及び第２のロータの相対回転角度を測定する相対回転角度検出装置において、特定周波数の発振信号を発振する発振手段と、前記第２のロータに発生する渦電流の大きさに応じて、前記発振信号の位相をシフトする位相シフト手段と、前記シフトされた発振信号の位相シフト量を検出するシフト量検出手段と、前記検出された位相シフト量に基づいて相対回転角度を測定する測定手段とを備えた相対回転角度検出装置の測定回路が提供される。
【０００６】
すなわち、第２ロータに発生する渦電流の大きさに応じて、磁気回路を形成する励磁コイルに印加される発振パルス信号の位相シフトを検出し、前記検出された位相シフト量と相対回転角度の関係から、第１ロータと第２ロータの相対回転角度を測定する。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明に係る相対回転角度検出装置の測定回路の一実施形態を図１乃至図７の図面に基づいて説明する。
図１は、本発明に係る相対回転角度測定装置の測定回路の一実施形態を示す回路図であり、前記測定回路は、本発明の発振手段を構成し、特定周波数の発振信号であるパルス信号を発振する発振器２１と、前記パルス信号のシフトレベルを調整するレベル調整部２２と、本発明の位相シフト手段を構成し、後述する第２のロータに発生する渦電流の大きさに応じて、前記パルス信号の位相をシフトする位相シフト部２３と、本発明のシフト量検出手段を構成し、前記シフトされたパルス信号の位相シフト量を検出するシフト量検出部２４と、本発明の測定手段を構成し、前記検出された位相シフト量に基づいて相対回転角度を測定する相対回転角度測定部２５とを有して構成される。
【０００８】
発振器２１は、インバータ２２ａを介して、図２の（ａ）に示すような波形の特定周波数のパルス信号をレベル調整部２２及びシフト量検出部２４に出力している。
レベル調整部２２は、２つのインバータ２２ａ，２２ｄと、前記インバータの間に直列接続された可変抵抗２２ｂと抵抗２２ｃと、一端が抵抗２２ｃとインバータ２２ｄ間に接続されるとともに他端が接地されるコンデンサ２２ｅとから構成される。可変抵抗２２ｂ、抵抗２２ｃ及びコンデンサ２２ｅは、位相シフト部２３の前段に設けられた位相シフト回路を形成する。前記位相シフト回路では、可変抵抗２２ｂの調整により、予めパルス信号の位相シフト量を調整する。例えば、本実施形態においては、２つのロータの相対回転の−８°〜＋８°が測定できるように設けられており、相対回転は０°の場合の出力信号を一定のレベルまで調整する必要がある。このレベル調整部２２はそのために設けられたものである。
【０００９】
位相シフト部２３は、直列接続された抵抗２３ａと本発明の励磁コイル２３ｂとインバータ２３ｃと、一端が励磁コイル２３ｂとインバータ２３ｃ間に接続されるとともに他端が接地されるコンデンサ２３ｄとから構成される。励磁コイル２３ｂは、後述する固定コアに巻回されて交流電流が流され、第１ロータと協働して磁気回路を形成している。位相シフト部２３は、第２ロータに発生する渦電流の大きさに応じて、レベル調整部２２から入力するパルス信号の位相をシフトする。すなわち、抵抗２３ａの電気抵抗をＲ、励磁コイル２３ｂのインダクタンスをＬ、コンデンサ２３ｄのキャパシタをＣ、渦電流をｉe、測定回路の構造で決まる相互インピーダンスをＭ、位相シフト部２３への入力電流をｉとすると、レベル調整部２２からの入力電圧Ｖinは、
Ｖin＝ｉ・Ｒ＋ｉ・ｊωＬ−ｉe・ｊωＭ＋ｉ（１／ｊωＣ）
となり、渦電流ｉeの変化によってＶinとｉの位相シフト角度が変化する。すなわち、位相シフト部２３からの出力電圧Ｖoutとｉの位相ずれは、９０度で固定なので、渦電流ｉeの変化によってＶinとＶoutの位相シフト角度が変化することとなる。従って、レベル調整部２２におけるインバータ２２ａの出力であるＡ地点におけるパルス信号の波形と、インバータ２３ｃの出力であるＢ地点におけるパルス信号の波形（図２（ｂ）参照）とを比較することによって、パルス信号の位相シフト量（本実施形態では位相シフト角度で表す）を検出することができる。
【００１０】
シフト量検出部２４は、入力端子がインバータ２２ａ、２３ｃとそれぞれ接続された排他的ＯＲ（Exclusive OR）２４ａと、排他的ＯＲ２４ａの出力端子に接続された抵抗２４ｂと、一端が抵抗２４ｂと相対回転角度測定部２５間に接続されるとともに他端が接地されるコンデンサ２４ｃとから構成される。排他的ＯＲ２４ａは、発振器２１からのパルス信号、すなわち入力電圧Ｖinと、位相シフト部２３でシフトされたパルス信号、すなわち出力電圧Ｖoutを排他的ＯＲ演算を行って位相シフト角度を求める。前記求めた位相シフト角度は、図２（ｃ）に示すように、Ｃ地点におけるパルス信号の幅として検出される。すなわち、このＣ地点におけるパルス信号は、Ａ地点とＢ地点とのパルス信号の位相ずれ量を表している。抵抗２４ｂとコンデンサ２４ｃはローパスフィルタを構成し、Ｃ地点におけるパルス信号は、前記両ロータの相対回転に比例する直流信号に変換され（図２（ｄ）参照）、相対回転角度測定部２５に入力される。
【００１１】
相対回転角度測定部２５では、例えば図３の関係図に示すように、位相シフト角度と両ロータの相対回転角度の関係が予め設定されており、シフト量検出部２４から入力する位相シフト角度から相対回転角度を求めることができる。
次に、図１に示した測定回路を使用する相対回転角度検出装置の一実施形態を説明する。相対回転角度検出装置（以下、「検出装置」という）１０は、図４及び図５に示すように、第１ロータ１１、第２ロータ１２及び固定コア１３を備え、相対回転する第１シャフト５ａと第２シャフト５ｃの相対回転角度を検出する。前記検出装置は、変換ジョイント（トーションバー）５ｂによって回転トルクを主動シャフトから従動シャフトへ伝達することで自動車のハンドルシャフトの回転トルクを検出する場合等に用いられ、主動シャフト（例えば第１シャフト５ａ）と従動シャフト（例えば第２シャフト５ｃ）の相対回転角度は±８°の範囲で変化する。
【００１２】
第１ロータ１１は、第１シャフト５ａが貫通する部分を除いて有底の円筒状に成形され、回転する第１シャフト５ａの軸線方向所定位置に取り付けられる。第１ロータ１１は、絶縁磁性部材からなり、外周部には斜視図で示す図４から明らかなように円筒方向に６つの切欠き１１ａが等間隔で形成されるとともに、各切欠き間に６つの歯１１ｂが等間隔で形成されている。
【００１３】
固定コア１３は、図７に示すように、第１ロータ１１と半径方向にギャップＧをおいてハンドルシャフト近傍に位置する固定部材（図示せず）に固定され、絶縁磁性材からなるコア本体１３ａと、第１ロータ１１と協働して磁気回路を形成する励磁コイル２３ｂ（図１参照）とを有している。励磁コイル２３ｂは、外部へ延出させた電線１３ｂ（図６参照）によって外部の電流供給手段から交流電流が供給されている。
【００１４】
第２ロータ１２は、第２シャフト５ｃが貫通する部分を除いて有底の円筒状に成形され、第２シャフト５ｃの軸線方向所定位置に取り付けられる。第２ロータ１２は、導電性部材からなり全体が導体部を形成しており、外周部には図４から明らかなように第１ロータ１１と同様に、６つの切欠き１２ａが等間隔で形成されるとともに、各切欠き間に６つの歯１２ｂが等間隔で形成されている。
【００１５】
第２ロータ１２は、第１ロータ１１に隣接し、第１シャフト５ａに対して相対回転する第２シャフト５ｃに取り付けられ、複数の歯１２ｂは、図５に示すように第１ロータ１１と固定コア１３との間に配置される。
以上のように構成される検出装置１０は、第１ロータ１１を第１シャフト５ａに、第２ロータ１２を第２シャフトに、それぞれ取り付けるとともに、固定コア１３を前記固定部材に固定して組み立てられる。
【００１６】
そして、組み立てられた検出装置１０においては、励磁コイル２３ｂを流れる交流電流による磁束が、図７に示す磁気回路に沿って流れる。そして、第１ロータ１１の歯１１ｂと固定コア１３間のギャップは小さくなるため、実効透磁率が大きくなり、磁界領域Ａの磁束密度が大きくなる。逆に第１ロータ１１の切欠き１１ａと固定コア１３間のギャップは大きくなるため、実効透磁率が小さくなり、磁界領域Ｂの磁束密度が小さくなる（図６参照）。
【００１７】
このため、検出装置１０においては、第１ロータ１１と固定コア１３との間に形成されるギャップＧ内に、磁束密度が大きい磁界領域Ａと、磁束密度が小さい磁界領域Ｂとが周方向に交互に形成される。この結果、検出装置１０は、第１ロータ１１と固定コア１３との間のギャップＧ内に、間隔が中心角を６０°とする不均一な磁界が周方向に形成される。
【００１８】
従って、第１ロータ１１が第１シャフト５ａと共に固定コア１３に対して相対回転すると、前記不均一な磁界も第１ロータと共に周方向に沿って回転する。このため、ギャップＧでは、中心角６０°間隔で周方向に形成された第２ロータの歯１２ｂがこの不均一な磁界を横切り、その際第１ロータ１１と第２ロータ１２との相対回転によって前記歯１２ｂが、磁束密度が小さい磁界領域Ｂに位置する面積と、磁束密度が大きい磁界領域Ａに位置する面積の割合が変化し、横切るローたる磁束の量は変化するので、第２ロータ１２に生ずる渦電流の大きさが変化する。
【００１９】
従って、測定回路においては、磁気回路を形成する励磁コイル２３ｂに発振器２１からのパルス信号を印加し、位相シフト部２３で第２ロータ１２に発生する渦電流の大きさに応じてパルス信号の位相をシフトさせ、その位相シフト量をシフト量検出部２４で検出し、相対回転速度測定部２５によって、前記検出された位相シフト量と相対回転角度の関係から（図３参照）、第１ロータ１１と第２ロータ１２の相対回転角度を測定することができる。
【００２０】
なお、図３における位相シフト角度と相対回転角度の関係は、位相シフト部２３内の抵抗２３ａが５１Ω、コンデンサ２３ｄが４７０ＰＦで、シフト量検出部２４内の抵抗２４ｂが５１０Ω、コンデンサ２４ｃが０．１μＦに設定することで得られたものである。
従って、本実施形態では、第２ロータに発生する渦電流の大きさに応じてパルス信号の位相をシフトさせ、位相シフト量と相対回転角度の関係から相対回転角度を正確に測定し、またシフト量検出部内の抵抗とコンデンサの時定数、すなわち５１０×０．１＝５１μｓによって位相シフト量の検出時間が決まるので、測定時間が短くなって、従来例に比べて相対回転角度測定の分解能が高く、かつ応答性が格段に向上できる。
【００２１】
本発明は、これら実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変形実施が可能である。
【００２２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明では、前記第２のロータに発生する渦電流の大きさに応じて、発振手段からの発振信号の位相をシフトさせ、位相シフト量を検出して前記検出された位相シフト量に基づいて相対回転角度を測定するので、相対回転角度測定の分解能が小さく、かつ応答性が向上できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る相対回転角度測定装置の測定回路の一実施形態を示す回路図である。
【図２】図１に示した各部でのパルス波形を示す波形図である。
【図３】位相シフト角度と相対回転角度の関係を示す関係図である。
【図４】図１に示した測定回路を使用する相対回転角度検出装置の一実施形態を、固定コアを除いてシャフトに取り付けた状態で示す斜視図である。
【図５】図４の相対回転角度検出装置を示す断面図である。
【図６】組み立てた相対回転角度検出装置の平面図である。
【図７】図５の相対回転角度検出装置の右半側を拡大して概略構成を示す断面図である。
【図８】相対回転角度検出装置の測定回路の従来例を示す回路図である。
【符号の説明】
１０  相対回転角度検出装置
１１  第１ロータ
１１ａ，１２ａ  切欠き
１１ｂ，１２ｂ  歯
１２  第２ロータ
１３  固定コア
１３ａ  コア本体
２１  発振器
２２  レベル調整部
２２ａ，２２ｄ，２３ｃ  インバータ
２２ｂ  可変抵抗
２２ｃ，２３ａ，２４ｂ  抵抗
２２ｅ，２３ｄ，２４ｃ  コンデンサ
２３  位相シフト部
２３ｂ  励磁コイル
２４  シフト量検出部
２４ａ  排他的ＯＲ（Exclusive OR）
２５  相対回転角度測定部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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