JP5135277B2 - 回転型位置検出装置 - Google Patents

Description

この発明は、交流励磁されるコイルとこのコイルに対して相対的に変位する磁性体又は導電体とを含んで構成される回転型位置検出装置に関する。

誘導型の回転位置検出装置として、１相励磁入力で２相出力（サイン相とコサイン相の出力）を生じるものは「レゾルバ」として知られており、１相励磁入力で３相出力（１２０度ずれた３相）を生じるものは「シンクロ」として知られている。最も古いタイプの在来型のレゾルバは、ステータ側に９０度の機械角で直交する２極（サイン極とコサイン極）の２次巻線を配し、ロータ側に１次巻線を配したものである。このようなタイプのレゾルバはロータの１次巻線に電気的にコンタクトするためのブラシを必要としているので、これが欠点となっている。これに対して、ブラシを不要としたブラシレス’レゾルバの存在も知られている。ブラシレス’レゾルバは、ロータ側においてブラシに代わる回転トランスを設けたものである。しかし、このようなブラシレス’レゾルバはロータ側に回転トランスを具備する構成の故に、装置を小型化することが困難であり、小型化には限度があるし、また、回転トランスの分だけ装置構成部品点数が増すので製造コストの上昇にもつながってしまう。

一方、ステータ側の複数の凸極に１次巻線と２次巻線を配し、ロータを所定形状（偏心円形状、あるいは楕円形状、あるいは突起を持つ形状）の磁性体で構成し、ステータ凸極とロータ磁性体との間のギャップが回転位置に応じて変化することに基づき、回転位置に応じた磁気抵抗変化を生成し、これに応じた出力信号を得るようにした、無接触式’可変磁気抵抗型の回転位置検出装置が、古くは商品名「マイクロシン」として知られている。また、同様の可変磁気抵抗原理に基づく回転位置検出装置が、例えば、特開昭５５−４６８６２号、特開昭５５−７０４０６号、特開昭５９−２８６０３号などにおいて示されている。なお、この場合、出力信号に基づく位置検出方式は、位相方式（検出した位置データが出力信号の電気的位相角に対応している方式）と電圧方式（検出した位置データが出力信号の電圧レベルに対応している方式）のどちらもが知られている。例えば、位相方式を採用する場合は、２相励磁入力又は３相励磁入力等、異なる機械角で配置された各１次巻線を位相のずれた複数相で励磁し、回転位置に応じて電気的位相角がずれた１相の出力信号を生ずる。また、電圧方式を採用する場合は、１次巻線と２次巻線の関係が上記位相方式とは逆になり、上記「レゾルバ」のように１相励磁入力で複数相出力を生ずる。

「レゾルバ」のように１相励磁入力で複数相出力を生ずる回転位置検出装置においては、典型的には、サイン相出力とコサイン相出力の２相出力を生じるように構成されている。そのために、従来の無接触式’可変磁気抵抗型のレゾルバタイプの回転位置検出装置は、最低でもステータは４極構成とされ、各極が機械角で９０度の間隔で配置され、第１の極をサイン相とすると、それから９０度離れた第２の極はコサイン相とされ、更に９０度離れた第３の極はマイナスサイン相とされ、更に９０度離れた第４の極はマイナスコサイン相とされる。その場合、各ステータ極に対して回転に応じた磁気抵抗変化を生じさせるためにロータは、磁性体又は導電体からなり、その形状が偏心円形状や楕円形状あるいは歯車形状等の周期的な形状に形成される。そして、各ステータ極には１次コイルと２次コイルが設けられ、各ステータ極とロータ間のギャップがロータの回転位置に対応して変化することにより該ステータ極を通る磁気回路の磁気抵抗が変化し、これに基づき該ステータ極における１次コイルと２次コイルとの間の磁気結合度が回転位置に対応して変化し、こうして回転位置に対応する出力信号が２次コイルに誘導されるようにしており、各ステータ極の出力信号のピーク振幅特性は周期的関数特性を示す。

上記のような従来の無接触式’可変磁気抵抗型のレゾルバタイプの回転位置検出装置は、１次コイルと２次コイルを設ける１次−２次誘導タイプであるために、コイル数が多くなり、故に、構造を小型化するのに限度があり、また、コストを低減するのにも限度があった。更に、従来の回転位置検出装置は、複数のステータ極が１回転の全体にわたって均等間隔で配置される構成であるため、その構造上の制限から適用可能な場所やスペースに限度があった。また、従来の回転位置検出装置においては、サインとコサインの２相出力を得る場合であっても、ステータを単純な２極構成とすることはできず、４極構成としなければならなかったので、構造を小型化するのに限度があった。
更に下記特許文献１においては、交流信号で励磁されたコイルのインピーダンス変化に基づき位置検出信号を得るようにした位置検出装置が示されている。しかし、位置検出装置は、一体物として形成されたステータコアに複数のコイルを装備する構成からなっており、ステータ全体のサイズあるいは形状が異なれば、それに応じたステータコアをそれぞれ製作しなければならず、汎用性に欠け、かつ、コスト高となる。

特開２００１−２３５３０７号公報

本発明は上述の点に鑑みてなされたもので、小型かつシンプルな構造を持ち、また、検出対象の変位が微小でも高分解能での検出が可能な、かつ、汎用性に富み、ローコストな、回転型位置検出装置を提供しようとするものである。

本発明に係る回転型位置検出装置は、交流信号で励磁される複数のコイルを含むコイル部であって、個々の前記コイルはそれぞれ独立の磁性体コアに装着されていて、それぞれのコイル及び磁性体コアの組が他の組から物理的に分離された構成からなっており、前記コイル及び磁性体コアの各組を所定の相対的位置関係で、検出対象回転軸の１回転に満たない所定の一部の回転角度範囲内のサイズからなる固定用部材に対して固定配置してなる前記コイル部と、前記コイル部に対して相対的に変位するよう前記回転軸に設けられた磁気応答部材であって、前記回転軸の回転位置に応じて該磁気応答部材と前記コイル部との相対的位置が変化し、この相対的位置に応じて前記各コイルのインピーダンスを変化させる形状からなる前記磁気応答部材とを備え、前記各コイルのインピーダンスに応じた出力電圧に基づき前記回転軸の回転位置検出データを得ることを特徴とする。
本発明によれば、コイル部における個々のコイルはそれぞれ独立の磁性体コアに装着されていて、それぞれのコイル及び磁性体コアの組が他の組から物理的に分離された構成からなっており、該コイル及び磁性体コアの各組を所定の相対的位置関係で固定用部材に固定配置してなる構成であるから、回転型位置検出装置のステータの形状あるいはサイズが異なっていても、同じタイプのコイル及び磁性体コアの組を使い回すことができる。すなわち、異なる構成の固定用部材に対して、同じタイプのコイル及び磁性体コアの組を取り付け配置することができ、汎用性に富み、共用化と量産化によって、回転型位置検出装置の製造コストを大きく下げることができる。加えて、コイル部は、コイル及び磁性体コアの各組を所定の相対的位置関係で、検出対象回転軸の１回転に満たない所定の一部の回転角度範囲内のサイズからなる固定用部材に対して固定配置した構成からなっているため、既存の機械内に本発明に係る回転型位置検出装置を後から設置するような場合に有効である。例えば、検出対象回転軸における所定の角度範囲においては既に障害物が存在していて、１回転フルにわたるステータコイルの設置が不可能なような場合、障害物が存在していない角度範囲の場所に、所定の一部の回転角度範囲内のサイズからなる固定用部材に複数コイルを固定配置したコイル部を設置することができる、という優れた効果を奏する。

本発明は、それぞれのコイル及び磁性体コアの組が他の組から物理的に分離された構成からなっているため、前記コイル部をが１回転内の限られた所定の角度範囲の任意の領域に設けるのに適してられており、該限られた所定の角度範囲における回転位置の検出を行うのに適するようになっている。この場合は、追って詳しく説明するように、所定の限られた機械的回転角範囲の回転変位に関して、３６０度フルの位相検出スケールではなく、所定の限られた範囲内の位相検出スケールで（例えば６０度の範囲）位置検出データを得ることができる。すなわち、所定の限られた範囲内の検出スケールではあるが、レゾルバと同様の２つの交流出力信号、つまりサイン相出力信号（ｓｉｎθｓｉｎωｔ）とコサイン相出力信号（ｃｏｓθｓｉｎωｔ）、を得ることができる。このような偏ったコイル部の配置は、既存の機械内に本発明に係る回転型位置検出装置を後から設置するような場合に有効である。例えば、検出対象回転軸における所定の角度範囲においては既に障害物が存在していて、１回転フルにわたるステータコイルの設置が不可能なような場合、障害物が存在していない角度範囲の場所に偏った配置のコイル部を設置することができるので有利である。

なお、磁気応答部材として、銅のような非磁性良導電体すなわち反磁性体を使用した場合は、渦電流損によってコイルのインダクタンスが減少し、磁気応答部材の近接に応じてコイルの端子間電圧が減少することになる。この場合も、上記と同様に検出することが可能である。磁気応答部材として、磁性体と非磁性良導電体（反磁性体）を組合わせたハイブリッドタイプのものを用いてもよい。

本発明に係る回転型位置検出装置の一実施例を示すもので、（Ａ）は該回転型位置検出装置の構造を示す正面略図、（Ｂ）はその側面断面略図、（Ｃ）は該回転型位置検出装置における検知部の拡大斜視図。

図１に示した回転型位置検出装置におけるセンサ用コイルに関連する電気回路図。

図１の実施例の検出動作説明図であって、（Ａ）は回転角度θの変化に対する各検出用コイルのインピーダンス変化の理想的なカーブを示し、（Ｂ）は、各検出用コイルの出力電圧を演算することにより得られる出力信号の回転角度θに対する振幅変化特性を示す図。

センサヘッドの他の実施例として磁気シールド機能を果たすハウジングを有する例を示すもので、（Ａ）はセンサヘッド全体を磁性体のハウジングでカバーした実施例を示す断面略図、（Ｂ）はセンサ用コイルの磁性体コアの変更例を示す断面略図、（Ｃ）はセンサ用コイルの磁性体コアがセンサロータプレートのラジアル方向を指向するように配置構成した例を示す断面略図。

センサヘッドの更に他の実施例を示す概略斜視図。

ロータ部において磁気シールド機能を備えた回転位置検出装置の実施例を示す概略斜視図。

以下、添付図面を参照してこの発明の実施の形態を詳細に説明する。図１（Ａ）はこの発明の一実施の形態に係る回転型位置検出装置の構造を示す正面略図、同図（Ｂ）はその側面断面略図、同図（Ｃ）は該回転型位置検出装置における検知部の拡大斜視図である。また、図２は同装置におけるセンサ用コイルに関連する電気回路図である。
この実施例に示す回転型位置検出装置は、モータの回転角を検出するために検出対象とする回転体（例えば、ロータ）の適宜の位置に配置することのできる分離型のセンサヘッドを具えた回転型位置検出装置である。該回転型位置検出装置はモータＭ等の駆動に伴って回転動作するように回転軸ＭＪに取りつけられた回転体たる本体プレートＰの回転角を検出するものであり、センサ用コイルＬ１〜Ｌ４を各々含む複数個の検知部Ｓ１〜Ｓ４を具えたコイル部たる分離型のセンサヘッドＳＨと、シールドリングＳＲと共に取付ねじＴ等で前記本体プレートＰに一体的に取りつけられる所定形状の磁気応答部材（例えば、センサロータプレートＲＰを鉄のような磁性体からなる磁気応答部材で構成する）とを含んで構成されている。すなわち、この回転型位置検出装置では、本体プレートＰと共に回転軸ＭＪを中心にして回転動作するセンサロータプレートＲＰの回転をセンサヘッドＳＨの複数個の検知部Ｓ１〜Ｓ４で同時に検知することによって、モータＭの回転軸ＭＪの回転角を検出できるようになっている。

センサヘッドＳＨは、センサロータプレートＲＰの回転を検出するための検出用コイルとして複数個（この実施例では４個）の検知部Ｓ１〜Ｓ４を具える。各検知部Ｓ１〜Ｓ４は本体プレートＰの曲率にあわせて回転軸ＭＪの回転中心位置を指向するように、また、センサヘッドＳＨ上において各検知部Ｓ１〜Ｓ４が円周方向に所定間隔で離隔するように配置されており、この間隔は例えば回転軸ＭＪの回転中心位置に関して各々１５度をなすような間隔である。各検知部Ｓ１（Ｓ２〜Ｓ４）はそれぞれ異なる磁性体コアＣ１（Ｃ２〜Ｃ４）に互いに対向する向きに巻き回された２個のセンサ用コイルＬ１（Ｌ１〜Ｌ４）を含んでおり、この２個のセンサ用コイルＬ１（Ｌ２〜Ｌ４）内を通る磁束Φは回転軸ＭＪの軸方向を指向する。こうしたセンサ用コイルＬ１（Ｌ２〜Ｌ４）を配置する磁性体コアＣ１（Ｃ２〜Ｃ４）は、例えば図１（Ｃ）に示すような「Ｃ」の字に形成されたケイ素鋼板を複数個積み重ねた形状の積層ケイ素鋼板からなる。磁性体コアＣ１（Ｃ２〜Ｃ４）を積層ケイ素鋼板で構成すると、センサ用コイルＬ１（Ｌ２〜Ｌ４）で各々発生する磁束が変化した際に生じる渦電流をできるだけ小さくすることができ、これにより渦電流損を減少することができるので非常に好ましい。また、「Ｃ」の字に形成した磁性体コアＣ１〜Ｃ４にセンサ用コイルＬ１〜Ｌ４を巻き回すことによって、センサ用コイルＬ１〜Ｌ４で発生する磁束を通す磁路（つまり、磁束回路）を積極的に生成することから、外部で生じた他の磁束の影響を減少することができ好ましいことになる。

各センサ用コイルＬ１〜Ｌ４とセンサロータプレートＲＰの表面との間には空隙が形成されるようにそれぞれを構成’配置することによって、センサロータプレートＲＰはセンサヘッドＳＨの検知部Ｓ１〜Ｓ４に対して非接触の状態で回転する。この空隙の距離は、一定に保たれるように、センサロータプレートＲＰとセンサヘッドＳＨの相対的配置が図示しない機構を介して定められる。センサロータプレートＲＰが磁性体からなる場合には、本体プレートＰの回転位置に応じて所定の形状、例えば花弁形状に形成されたセンサロータプレートＲＰが回転することでセンサ用コイルＬ１〜Ｌ４に対する磁気結合の度合いが変化する。すなわち、センサ用コイルＬ１〜Ｌ４とセンサロータプレートＲＰの表面との間における対向空隙面積が変化することによって、磁性体コアＣ１〜Ｃ４を通ってセンサ用コイルＬ１〜Ｌ４を貫く各々の磁束量が変化し、これによりセンサ用コイルＬ１〜Ｌ４毎の磁気結合の度合いは変化する。このセンサ用コイルＬ１〜Ｌ４に対する磁気結合の度合いが増せば増すほど、該センサ用コイルＬ１〜Ｌ４のインダクタンスが増加していくので、該センサ用コイルＬ１〜Ｌ４の電気的インピーダンスが増加し、該センサ用コイルＬ１〜Ｌ４に生じる電圧すなわち端子間電圧が増加する。反対に、センサ用コイルＬ１〜Ｌ４に対する磁気結合の度合いが減少すれば減少するほど、該センサ用コイルＬ１〜Ｌ４のインダクタンスが減少していくので、該センサ用コイルＬ１〜Ｌ４の電気的インピーダンスが減少し、該センサ用コイルＬ１〜Ｌ４に生じる電圧すなわち端子間電圧が減少する。こうして、検出対象の回転に伴い、検知部Ｓ１〜Ｓ４に対するセンサロータプレートＲＰの相対的回転位置が所定の回転角度範囲にわたって変化する間で該センサ用コイルＬ１〜Ｌ４の端子間電圧は、漸増（又は漸減）変化することとなる。

センサロータプレートＲＰは磁気応答部材であって、その形状は理想的なサイン関数のカーブが得られるように適切な形状に設計される。センサ用コイルＬ１〜Ｌ４等の設計’配置条件に応じて、例えば、回転軸ＭＪの１／６回転につき１周期のサイン関数のカーブが得られるようにするにはセンサロータプレートＲＰの形状は６歯若しくは６花弁の形状、回転軸ＭＪの１／４回転につき１周期のサイン関数のカーブが得られるようにするにはセンサロータプレートＲＰの形状は４歯若しくは４花弁の形状となりうる。このセンサロータプレートＲＰの形状をいかに設計するかは本発明の目的ではなく、かつ、公知／未公知のこの種の可変磁気抵抗型回転検出器で採用されているロータの形状を該センサロータプレートＲＰの形状として採用してよいことから、ここでは図１（Ａ）に示した形状（つまり、６歯若しくは６花弁の形状）のセンサロータプレートＲＰについて簡単に説明する。

図１（Ａ）の実施例に示したセンサロータプレートＲＰは回転軸ＭＪと共に回転する多歯若しくは多花弁（この実施例では６歯若しくは６花弁）のような、１回転当り複数（Ｎ）周期の磁気抵抗変化をもたらすような形状をしており、各検知部Ｓ１〜Ｓ４は該センサロータプレートＲＰの１／Ｎ回転（つまり３６０度／Ｎ）分の狭い範囲内に配置される構造からなっている。図１（Ａ）の実施例では、３６０度／Ｎ＝３６０／６＝６０度の機械角範囲内に４つの検知部Ｓ１〜Ｓ４が「６０度／４＝１５度」の間隔でセンサヘッドＳＨに配置されている。センサヘッドＳＨに配置された各検知部Ｓ１〜Ｓ４のセンサ用コイルＬ１〜Ｌ４は回転軸ＭＪの軸方向に互いに対向するように向いており、該センサ用コイルＬ１〜Ｌ４は１回転当り６周期の凹凸変化を持つセンサロータプレートＲＰの表面に対向する。これにより得られるサイン関数ｓｉｎθとコサイン関数ｃｏｓθは、回転軸ＭＪの実際の機械角のＮ＝６倍の精度を持つものである。例えば、回転軸ＭＪの実際の機械角をψとすると、ｓｉｎθ＝ｓｉｎＮψ，ｃｏｓθ＝ｃｏｓＮψである。本実施例においては、センサヘッドＳＨの各検知部Ｓ１〜Ｓ４が１／Ｎ回転（つまり３６０度／Ｎ）分の狭い範囲内に配置される構造からなっているので、センサヘッドＳＨの取付けスペースが狭い範囲に限定されるような応用に際して非常に適している。
以上のことから、センサロータプレートＲＰの形状について重要なことは、センサロータプレートＲＰ、つまり、磁気応答部材の所定の形状が如何なる形状であるかということではなく、要するに、センサロータプレートＲＰの回転位置の変化に応じた各センサ用コイルＬ１〜Ｌ４のインダクタンス変化つまりインピーダンス変化が、理想的なサイン関数のカーブと同じようになるようにできるだけ適切な形状に設計されていればよい。

なお、上述した実施例においては、センサヘッドＳＨに検知部Ｓ１〜Ｓ４を４個配置した４極構成のものを示したが、これに限らず検知部Ｓ１〜Ｓ４を複数個構成したものであればよい。すなわち、センサロータプレートＲＰの回転に伴って理想的なサイン関数及びコサイン関数が得られるものであればどのような構成であってもよい。
また、センサロータプレートＲＰを挟み込むようにしてセンサヘッドＳＨの各極毎に２個ずつセンサ用コイルＬ１〜Ｌ４を対向配置した例を示したが、センサ用コイルＬ１〜Ｌ４をセンサヘッドＳＨの同一側面側に各極毎に１個ずつ配置するようにしてもよい。しかし、上記のようにセンサロータプレートＲＰを挟み込むようにしてセンサヘッドＳＨの各極毎に２個ずつセンサ用コイルＬ１〜Ｌ４を対向配置した方が、キャリブレーションの発生によるセンサロータプレートＰのぶれの影響に伴う磁束の変動を相殺することができることから好ましい。
なお、本体プレートＰは鉄のような磁性体で構成するとよい。こうすると、本体プレートＰがモータＭ側で発生する磁束を遮蔽することになり、センサヘッドＳＨ側にモータＭ側で発生した磁束が漏れることがない。すなわち、センサヘッドＳＨのセンサ用コイルＬ１〜Ｌ４はモータＭ側で発生する磁束の影響を受けることがないことから、回転位置の検出を正確に行うことができるようになり好ましい。
また、シールドリングＳＲは金や銅あるいは銀のような反磁性の性質を具える反磁性体材料で構成するのが好ましい。こうすると、各センサ用コイルＬ１〜Ｌ４から発生した磁束がモータ側Ｍに漏れることがなくなるので、正確な回転角の検出を行うことができるようになる。

図３（Ａ）は、回転角度θの変化に対する一方のセンサ用コイルＬ１のインピーダンス変化の理想的なサイン関数のカーブをＡ（θ）で示している。回転角度θの変化に対する他方のセンサ用コイルＬ２のインピーダンス変化の理想的なサイン関数のカーブをＢ（θ）で示す。他方のセンサ用コイルＬ２のインピーダンス変化カーブＢ（θ）は、センサ用コイルＬ１に対して９０度ずれた位相のコサイン関数に相当している。かくして、各カーブＡ（θ），Ｂ（θ）の増減変化の中点をＰ0とし、振れの振幅をＰとすると、
Ａ（θ）＝Ｐ0＋Ｐｓｉｎθ
Ｂ（θ）＝Ｐ0＋Ｐｃｏｓθ
と表せる。

また、上述の実施例は差動変化するコイル対を２つ設けた実施例を示すものである。この構成では、１個おきに配置されたセンサ用コイルを各々組合せて１組のコイル対とし（つまり、センサ用コイルＬ１とＬ３、センサ用コイルＬ２とＬ４とを組合せて１組のコイル対となる）、該１組のコイル対における各センサ用コイルＬ１〜Ｌ４のインピーダンスが差動的に変化し、よって各センサ用コイルＬ１〜Ｌ４の端子間電圧の増減変化が差動的な特性を示すものとなる。すなわち、サイン相のセンサ用コイルＬ１とＬ３の対では、センサ用コイルＬ１のインピーダンス変化が回転軸ＭＪの回転角度θに対して上述のように「Ｐ0＋Ｐｓｉｎθ」という関数特性を示すとすると、他のセンサ用コイルＬ３のインピーダンス変化は回転軸ＭＪの回転角度θに対して「Ｐ0−Ｐｓｉｎθ」という関数特性を示す。同様に、コサイン相のセンサ用コイルＬ２とＬ４の対では、センサ用コイルＬ２のインピーダンス変化が回転軸ＭＪの回転角度θに対して上述のように「Ｐ0＋Ｐｃｏｓθ」という関数特性を示すとすると、他のセンサ用コイルＬ４のインピーダンス変化は回転軸ＭＪの回転角度θに対して「Ｐ0−Ｐｃｏｓθ」という関数特性を示す。すなわち、
Ａ’（θ）＝Ｐ0−Ｐｓｉｎθ
Ｂ’（θ）＝Ｐ0−Ｐｃｏｓθ
と表せる。
なお、Ｐは１とみなして省略しても説明上不都合はないので、以下の説明ではこれを省略することにする。

図２に示すように、各センサ用コイルＬ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４は交流発生源３０から発生されるの所定の１相の高周波交流信号（仮にｓｉｎωｔで示す）によって定電圧又は定電流で励磁される。各センサ用コイルＬ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４の端子間電圧をそれぞれＶｓ，Ｖｃ，Ｖｓａ，Ｖｃａで示すと、検出対象たる回転角θを変数として、これらは下記のように表せる。
Ｖｓ＝Ａ（θ）ｓｉｎωｔ＝（Ｐ0＋ｓｉｎθ）ｓｉｎωｔ
Ｖｓａ＝Ａ’（θ）ｓｉｎωｔ＝（Ｐ0−ｓｉｎθ）ｓｉｎωｔ
Ｖｃ＝Ｂ（θ）ｓｉｎωｔ＝（Ｐ0＋ｃｏｓθ）ｓｉｎωｔ
Ｖｃａ＝Ｂ’（θ）ｓｉｎωｔ＝（Ｐ0−ｃｏｓθ）ｓｉｎωｔ
演算回路３１では、下記のように、各コイル対毎に各センサ用コイルＬ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４の端子間電圧の差をそれぞれ取り出し、所定の周期的振幅関数を振幅係数として持つ交流出力信号を各コイル対毎に生成する。すなわち、各センサ用コイルＬ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４の出力電圧Ｖｓ，Ｖｃ，Ｖｓａ，Ｖｃａは演算回路３１に入力され、下記演算式に従って演算されることで、該演算回路３１から検出対象位置θに応じたサイン及びコサイン関数特性を示す振幅をそれぞれ持つ２つの交流出力信号（つまり互に９０度位相のずれた振幅関数特性を持つ２つの交流出力信号）が生成される。
Ｖｓ−Ｖｓａ＝（Ｐ0＋ｓｉｎθ）ｓｉｎωｔ−（Ｐ0−ｓｉｎθ）ｓｉｎωｔ
＝２ｓｉｎθｓｉｎωｔ
Ｖｃ−Ｖｃａ＝（Ｐ0＋ｃｏｓθ）ｓｉｎωｔ−（Ｐ0−ｃｏｓθ）ｓｉｎωｔ
＝２ｃｏｓθｓｉｎωｔ

こうすると、検出対象回転軸ＭＪの回転角度θに対応する２つの周期的振幅関数（ｓｉｎθ及びｃｏｓθ）を振幅係数として持つ、レゾルバと同様の、２つの交流出力信号（ｓｉｎθｓｉｎωｔ及びｃｏｓθｓｉｎωｔ）を生成することができる。すなわち、増減変化の中点を零点として正負に振れる２つの周期的振幅関数（ｓｉｎθ及びｃｏｓθ）を振幅係数として持つ２つの交流出力信号（ｓｉｎθｓｉｎωｔ及びｃｏｓθｓｉｎωｔ）を生成することができる。図３（Ｂ）は、この状態をθ成分についてのみ模式的に示すものである（ここでは、時間ｔの成分は示していない）。このように、従来のレゾルバに比べて、本発明では、１次コイルのみを設ければよく、誘導出力用の２次コイルは不要であるため、コイル構成が簡単であり、シンプルな構造の回転型位置検出装置を提供することができる。なお、各コイル対毎に各コイルの端子間電圧の差をそれぞれ取り出すために、格別の演算回路３１を使用せずに、センサ用コイルＬ１とＬ３を差動接続し、また、センサ用コイルＬ２とＬ４を差動接続することで、それぞれの差「Ｖｓ−Ｖｓａ」及び「Ｖｃ−Ｖｃａ」に相当する出力交流信号を得るように、単純に回路を構成してもよい。

演算回路３１から出力されたサイン及びコサイン関数特性の交流出力信号ｓｉｎθｓｉｎωｔ及びｃｏｓθｓｉｎωｔにおける振幅関数ｓｉｎθ及びｃｏｓθの位相成分θを、位相検出回路（若しくは振幅位相変換手段）３２で計測することで、検出対象回転位置θをアブソリュートで検出することができる。この位相検出回路３２としては、例えば本出願人の出願に係る特開平９−１２６８０９号公報に示された技術を用いて構成するとよい。例えば、第１の交流出力信号ｓｉｎθｓｉｎωｔを電気的に９０度シフトすることで、交流信号ｓｉｎθｃｏｓωｔを生成し、これと第２の交流出力信号ｃｏｓθｓｉｎωｔを加減算合成することで、ｓｉｎ（ωｔ＋θ）およびｓｉｎ（ωｔ−θ）なる、θに応じて進相および遅相方向に位相シフトされた２つの交流信号（位相成分θを交流位相ずれに変換した信号）を生成し、その位相θを測定することで、回転位置検出データを得ることができる。あるいは、公知のレゾルバ出力信号を処理するために使用されるＲ−Ｄコンバータを、この位相検出回路３２として使用するようにしてもよい。位相検出回路３２における位相成分θの検出処理は、ディジタル処理に限らず、積分回路等を使用したアナログ処理で行ってもよい。また、ディジタル位相検出処理によって回転位置θを示すディジタル検出データを生成した後、これをアナログ変換して回転位置θを示すアナログ検出データを得るようにしてもよい。勿論、位相検出回路３２を設けずに、演算回路３１の出力信号ｓｉｎθｓｉｎωｔ及びｃｏｓθｓｉｎωｔをそのまま出力するようにしてもよい。例えば、シンクロと同様の３相信号を演算回路３１から出力したような場合は、そのような応用形態も有り得る。

上述した実施例において、センサ用コイルＬ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４の配置は、１回転内の限られた所定の角度範囲（６０度の範囲）に設けられているだけである。従って、センサヘッドＳＨのサイズは、図１に示したようなものである必要はなく、より狭い範囲に対応する大きさとすることができる。そうすれば、センサロータプレートＲＰの所定の範囲に障害物があったとしても、これを避けて検出装置を設置することができる。また、回転体に上記のようなセンサロータプレートＲＰを付設し、これにあわせてセンサヘッドＳＨを配置するだけで回転位置検出を行うことができるようになるので、既存の回転体であっても簡単に回転型位置検出装置を具えつけることができるようになる。このように、本発明に係る回転型位置検出装置は、既存の機械内に回転型位置検出装置を後から設置するような場合や、機械類が所定範囲に密集する自動車用エンジンモータなどに設置する場合に特に有効である。すなわち、回転軸ＭＪの所定の回転角度範囲においては既に障害物が存在していて、１回転フルに対応する大きさの従来の回転型位置検出装置の設置が不可能なような場合、障害物が存在していない角度範囲の場所に対して、本発明に係る回転型位置検出装置を設置することで対応することができるので有利である。勿論、いずれの実施例においても、検出対象回転軸ＭＪそれ自体は、フル１回転以上の連続的回転が可能であってもよいし、あるいは、１回転未満の限られた角度範囲でのみ回転（つまり往復揺動）するものであってもよい。

本発明に係る検出装置においてはセンサヘッドＳＨにおいて磁気作用で位置検出を行うようにしているため、外部から不所望の磁気が及ぼされた場合、位置検出精度に悪影響を与える恐れがある。この点に対処するために、一実施例によれば、センサヘッドＳＨの周囲に、外部からの磁気をシールドする磁気シールド部材を設けるようにしている。特に、本発明に係る位置検出装置を前述のように電気自動車用エンジンモータに適用した場合、該自動車用エンジンモータは大出力のため外部への漏洩磁気も多いため、位置検出装置においては適切な磁気シールド対策を講じる必要がある。図４、図５はそのような磁気シールド対策を講じた実施例を示す。
図４（Ａ）は、図１に示すような複数の検知部Ｓ１〜Ｓ４（図４では単にＳで示す）を含むセンサヘッドＳＨ全体を磁性体からなるハウジングＫでカバーした実施例を示す断面略図である。この場合、外部からの磁気の磁気回路がハウジングＫの磁性体を通って形成され、内部の検知部Ｓには外部磁気が侵入しないように遮蔽することができる。この場合更に、各検知部Ｓの磁性体コアＣ全体を反磁性体（銅、アルミニウム、真鍮等の非磁性良導電体）Ａでカバーするように構成するとよい。外部からの磁気が反磁性体（非磁性良導電体）の個所で渦電流損により減衰されることで、検知部Ｓ内部に漏洩する外部磁気が減衰される。したがって、正確な回転位置の検出を行うことができるようになる。図４（Ｂ）は、磁性体コイルＣの変形例を示す断面略図であり、センサ用コイルＬに独立した磁性体コアＣを配置した例を示す。図４（Ｂ）に示すように、磁性体コアＣとして、「Ｃ」の字型（図１（Ｃ）参照）に形成した磁性体コアＣを用いることなく、単に円筒形あるいは直方体形などの形状に形成した磁性体コアＣを用いるようにしてもよく、こうすると、センサヘッドＳＨをより小型に、かつ、シンプルに構成することができることから、狭い場所への設置により有利な回転型位置検出装置とすることができる、という利点がある。

前述したセンサヘッドＳＨにおける検知部Ｓの磁性体コアＣの端部は、センサロータプレートＲＰのスラスト方向を指向しているが、本発明の実施にあたってはこれに限らず、ラジアル方向を指向するように配置してもよい。図４（Ｃ）は、センサ用コイルＬの磁性体コアＣがセンサロータプレートＲＰのラジアル方向を指向するように配置構成した例を示す断面略図である。図４（Ｃ）で図４（Ａ），図４（Ｂ）と同一符号は同一機能の要素を示すので、上記説明を援用し、同じ説明の繰り返しを省略する。図４（Ｃ）では、センサ用コイルＬの磁性体コアＣの端部がセンサロータプレートＲＰのラジアル方向を内向きに指向し、空隙を介してセンサロータプレートＲＰの外周側面に向き合う構造である。この場合、センサロータプレートＲＰの所定の形状（例えば、図１（Ａ）に示すような６歯あるいは６花弁形状など適切に設計した形状）の故に、磁性体コアＣの端部とセンサロータプレートＲＰの外周側面との間でラジアル方向に関して形成される空隙の距離が、回転位置に応じて変化する。この対向空隙距離の変化によって、磁性体コアＣを通ってセンサ用コイルＬを貫く磁束量が変化し、もって、センサ用コイルＬの自己インダクタンスが変化し、センサ用コイルＬのインピーダンスが変化する。よって、図１に示した実施例と同様にして、回転位置の検出を行うことができる。図４（Ｃ）の場合、センサロータプレートＲＰの外周側面の軸方向の長さを幾分長くしておく。これによって、センサロータプレートＲＰがスラスト方向に機械的ぶれを多少起こしたとしても、磁性体コアＣの端部とセンサロータプレートＲＰの外周側面との間でラジアル方向に関して形成される空隙の距離は変化せず、検出精度が低下しない。したがって、この場合においても、センサロータプレートＲＰがスラスト方向に機械ぶれを起こしやすいような環境又は機械において、該スラスト方向への機械的ぶれの影響を受けない回転位置検出を可能にする、という利点がある。

上述の例では、各検知部Ｓを反磁性体（非磁性良導電体）Ａでそれぞれ個別にカバーする例を示したが、磁気シールド部材の別の構成例として、磁性体からなるハウジングＫの表面全体を銅等の反磁性体でカバーするように構成してもよい。この場合は、磁性体からなるハウジングＫの表面に例えば銅メッキを施すことで、ハウジングＫ表面に反磁性体からなる薄い層を形成するとよい。そのような磁気シールド対策を講じた例を図５に示す。複数の検知部Ｓ１〜Ｓ４を含むセンサヘッドＳＨ全体を磁性体Ｋ１からなるハウジングＫでカバーし、ハウジングＫの表面に銅等の反磁性体Ｋ２の薄い層をメッキ等によって施す。図５の例ではハウジングＫの基部Ｋ３をプラスチック等の非磁性非導電性物質で形成し、強度を増すことで磁性体Ｋ１を軽量薄型のものとすることができる。検知部Ｓ１〜Ｓ４の磁性体コアは、図４（Ｂ）に示したものと同様な、円筒形、直方形等の形状に形成したタイプ、あるいは「Ｃ」の字型（図４（Ａ）参照）に形成するタイプのいずれであってもよい。なお、ハウジングＫの裏面、すなわちハウジングＫとケーシング部Ｋ３の間に非磁性良導電体の層を形成するようにしてもよい。図４（Ａ）及び（Ｂ）に示した例においても、ハウジングＫを非磁性良導電性の材質で被覆（銅メッキを施す等）する構成にしてもよい。

非磁性良導電性を具える材質からなる磁気シールド部材を設置し、磁気応答部材の個所の渦電流損により外部からの磁気を遮蔽するという技術思想は、上述のようなセンサヘッドＳＨのハウジングＫに磁気シールドを施す例に限らず、図６に示すようにロータ部２１側に磁気シールドを施すことで実現することもできる。図６において、回転位置検出装置は、コイル部を含むステータ部２３と、検出対象回転運動が与えられる磁性体からなる回転軸２０と、回転軸２０に取り付けられた所定の磁気応答部材からなる所定形状のロータ部２１とを含んで構成されるもので、回転軸２０の回転に応じてロータ部２１と前記コイル部との空隙の距離が回転位置に応じて変化し、この変化に応じて前記コイル部のインピーダンスを変化させ、このインピーダンス変化に応じた出力信号を生成する。この回転位置検出装置の具体的な構成は公知のいかなる構成を用いてもよい。この実施例出特徴とする点は、ロータ部２１を回転軸２０に固定する接合部分を反磁性体（例えば銅）の磁気シールド部材２２で構成する。これにより、回転軸２０を通ってロータ部２１に漏洩する外部からの磁気Φが磁気シールド部材２２の個所で渦電流損により減衰され、ロータ部２１及びステータ部２３の検出用の磁気回路に漏洩する外部磁気が遮蔽される。従って、外部磁気の影響を受けない正確な位置検出が可能となる。なお、図６に示すような装置においてもステータ部２３のコイル部の周囲に該コイル部に対する外部からの磁気を遮蔽するための磁気シールド部材を更に設けるようにしてもよい。

なお、磁気応答部材として、銅のような良導電体を使用した場合は、渦電流損によってコイルのインダクタンスが減少し、磁気応答部材の近接に応じてコイルの端子間電圧が減少することになる。この場合も、上記と同様に位置検出動作することが可能である。また、磁気応答部材として、磁性体と導電体を組合わせたハイブリッドタイプのものを用いてもよい。
なお、１回転未満の回転範囲で揺動する動きの回転位置を検出するタイプのものにおいては、上記各実施例において、磁気応答部材（上述の実施例においては、センサロータプレートＲＰ）の方を固定し、センサ用コイルＬ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４を配置したセンサヘッドＳＨの方を検出対象の変位に応じて移動させるようにしてもよい。
また、上記実施例では、出力交流信号の数（相数）はサインとコサインの２相（つまりレゾルバタイプ）であるが、これに限らないのは勿論である。例えば、３相（各相の振幅関数が例えばｓｉｎθ，ｓｉｎ（θ＋１２０），ｓｉｎ（θ＋２４０）のようなもの）であってもよい。

なお、センサ用コイルの交流励磁の仕方としては、少なくとも２つのセンサ用コイルの各々をｓｉｎωｔとｃｏｓωｔで別々に励磁する公知の２相励磁法を用いることも可能である。しかし、上記実施例で説明したような１相励磁の方が、構成の簡単化及び温度ドリフト補償特性等、種々の面で、優れている。
なお、この発明において、コイルに生じる電圧若しくはコイルの端子間電圧とは、必ずしも電圧検出タイプの回路構成に限定されるものではなく、広義に解釈されるべきであり、電流検出タイプの回路構成を採用するものも範囲に含まれる。要するにコイルのインピーダンス変化に応じたアナログ電圧または電流を生じ、これを検出することのできる回路構成であればよい。

以上のとおり、この発明によれば、１次コイルのみを設ければよく、２次コイルは不要であるため、小型かつシンプルな構造の回転型位置検出装置を提供することができる。また、コイルの出力信号を演算することで、振幅係数成分が正負に振れる真のサイン関数又はコサイン関数の振幅係数特性を示す出力信号を得ることができるので、コイル構成が簡単であり、一層、小型かつシンプルな構造の回転型位置検出装置を提供することができる。また、外部からの磁気の影響を受けない正確な位置検出が可能な回転型位置検出装置を提供することができる。

ＳＨ センサヘッド
Ｓ，Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４ 検知部
Ｌ，Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４ センサ用コイル
Ｃ，Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４ 磁性体コア
Ｐ 本体プレート
ＲＰ センサロータプレート（磁気応答部材）
Ｔ 取付ねじ
Ｍ モータ
ＭＪ 回転軸
Ｋ ハウジング
ＳＲ シールドリング
２０ 回転軸
２１ ロータ
２２ 磁気シールド部材
２３ ステータ
３０ 交流発生源
３１ 演算回路
３２ 位相検出回路

Claims (1)

1. 交流信号で励磁される複数のコイルを含むコイル部であって、個々の前記コイルはそれぞれ独立の磁性体コアに装着されていて、それぞれのコイル及び磁性体コアの組が他の組から物理的に分離された構成からなっており、前記コイル及び磁性体コアの各組を所定の相対的位置関係で、検出対象回転軸の１回転に満たない所定の一部の回転角度範囲内のサイズからなる固定用部材に対して固定配置してなる前記コイル部と、
   前記コイル部に対して相対的に変位するよう前記回転軸に設けられた磁気応答部材であって、前記回転軸の回転位置に応じて該磁気応答部材と前記コイル部との相対的位置が変化し、この相対的位置に応じて前記各コイルのインピーダンスを変化させる形状からなる前記磁気応答部材と
   を備え、前記各コイルのインピーダンスに応じた出力電圧に基づき前記回転軸の回転位置検出データを得ることを特徴とする回転型位置検出装置。

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