WO2019146637A1

WO2019146637A1 - 誘導型回転検出装置

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Publication number: WO2019146637A1
Application number: PCT/JP2019/002073
Authority: WO
Inventors: 太輔後藤; 坂元　和也
Original assignee: Amiteq Co Ltd
Current assignee: Amiteq Co Ltd
Priority date: 2018-01-23
Filing date: 2019-01-23
Publication date: 2019-08-01
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Abstract

小型化を促進するのに適した簡潔な構造を持つ回転検出装置を提供する。磁気応答部材（３）は、回転体（２）と共に回転するように該回転体の円周に沿って該回転体上に配置され、回転軸方向に周期的に変位する線形状のパターンからなる。ステータ（４）は、回転体（２）の周囲において非接触的に配置され、回転体（２）の周囲に巻回された１次コイル（５）と、回転体（２）の円周に沿って複数サイクルのループパターンを形成する２次コイル（６）とを含む。１次コイル（５）を交流励磁し、回転体（２）の回転位置に依存する磁気応答部材（３）の線形状のパターンと、２次コイル（６）の前記ループパターンとの相対位置に応じた誘導出力交流信号を２次コイル（６）から出力する。回転検出装置（１０）それ自体は１次コイル（５）を持たず、１次コイル（５）を持つトルクセンサ（２０）と組み合わせることで、複合型検出装置を構成し得る。

Description

誘導型回転検出装置

　本発明は、誘導型回転検出装置に関し、さらには、回転シャフトのトルクを検出するトルクセンサと組み合わせられた状態で、該回転シャフトの回転を検出する複合型検出装置に関し、電動アシスト自転車のペダルクランクシャフトの回転検出あるいは自動車のステアリングシャフトの回転検出などに適用可能なものである。

　コイル（インダクタンス要素）を検出要素として使用する位置検出装置は従来より様々なタイプのものが知られている。装置構成の小型化という観点から、通常の円筒コイルを使用することなく、フラットなコイルを使用することが行われている。一例として、特許文献１に示されたものは、プリント基板上に渦巻き状に配置された小さなフラットコイルを検出要素として用いるものである。別の例として、特許文献２～６に示されたものは、フラットな基板上にループパターンを描くように導線を配置することにより、誘導コイルを構成している。位置検出装置において、前記コイルに磁気結合して、検出対象位置に応じて変位する磁気応答部材（又は磁気結合部材）は、鉄のような強磁性体あるいは銅のような良導体からなる金属素材が使用され、その面積あるいは体積が変化するような形状をなしている。

　一方、自動車のステアリングシャフトにおいてトルクセンサと回転検出装置を組み合わせて備えることも、従来より種々知られている。下記特許文献７～９は、その一例を示す。特許文献７又は８に示されたものは、誘導型のトルクセンサと誘導型の回転位置検出装置をそれぞれ独立の構成として、ステアリングシャフトに設ける。特許文献９に示されたものは、ステアリングシャフトに誘導型のトルクセンサを設ける一方で、変速ギヤ機構を介して回転角検出手段を設ける。電動アシスト自転車のペダルクランクシャフトにおいてトルクセンサと回転検出装置を組み合わせて備えることも、従来より種々知られている。下記特許文献１０～１２は、その一例を示す。

特開２０１０－１２２０１２号公報特開平８－３１３２９５号公報特開２００６－１１２８１５号公報特開２０１４－９５６５１号公報米国特許第６２３６１９９号明細書米国特許出願公開第２００２／００４３９７２号明細書特開２００５－４９１８０号公報国際公開２０１３／０８９２０６号公報特開２００７－２６９２８１号公報特開平８－２７６８８７号公報特開平８－２９０７９４号公報特開２０１７－２０６２６４号公報

　特許文献１～６に示されたようなフラットな基板上に配置するコイルは、リニア位置検出装置には適しているが回転位置検出装置にはあまり適していない。また、磁気応答部材（又は磁気結合部材）の面積あるいは体積が検出対象位置に応じて変化するような構成にあっては、可動部分の構成を小型化することが困難である。

　また、特許文献７～１２に示されたようなトルクセンサと回転検出装置の組合せは、各センサ又は検出装置がそれぞれ独立の構成からなっているため、装置構成を簡素化するには限度があった。また、回転軸と回転検出装置との間に変速ギヤ機構を介在させる構成にあっては、ギャのバックラッシュによるガタツキが制御性能を低下させるおそれがあった。

　本発明は、上述の点に鑑みてなされたもので、回転型の検出装置において小型化を促進するのに適した簡潔な構造を持つ回転検出装置を提供しようとするものであり、さらには、トルクセンサと組み合わせられた状態で回転シャフトの回転を検出する複合型検出装置を、簡素化した構成で提供することを目的とする。

　本発明に係る回転検出装置は、回転体と共に回転するように該回転体の円周に沿って該回転体上に配置され、回転軸方向に周期的に変位する線形状のパターンからなる磁気応答部材と、前記回転体の周囲において非接触的に配置されたステータであって、前記回転体の円周に沿って複数サイクルのループパターンを形成する２次コイルを含む前記ステータとを備え、前記２次コイルは交流磁場に置かれ、前記回転体の回転位置に依存する前記磁気応答部材の線形状のパターンと前記２次コイルの前記ループパターンとの相対位置に応じた誘導出力交流信号を前記２次コイルから出力するようにしたものである。

　本発明によれば、回転体上に配置された磁気応答部材は、回転軸方向に周期的に変位する線形状のパターンからなっているので、構造が簡潔であり、検出装置において小型化を促進するのに適している。また、ステータにおけるコイル構成においては、２次コイルが前記回転体の円周に沿って複数サイクルのループパターンを形成するように構成されているため、回転体の円周に沿ってコンパクトに装備されるのに適したものとなっている。こうして、回転型の検出装置において小型化を促進するのに適した簡潔な構造を持つ回転検出装置を提供することができる。

　前記回転体は、回転検出対象である機械又は装置内に設けられた回転シャフトそれ自体であってよい。したがって、回転検出装置における専用のロータ部品を省略又は簡略化することができ、検出装置全体の小型化に一層寄与する。前記ステータは、前記交流磁場を発生するための１次コイルを含んでいてもよい。この１次コイルは、前記回転体の周囲に巻回された円筒コイルからなっていてもよく、これにより、簡潔な構成によって回転体の周囲に必要十分な交流磁界を発生させることができる。別の例として、前記ステータは前記１次コイルを含むことなく、この回転検出装置を、前記交流磁場を発生するための１次コイルを含んでいる他の検出装置に近接して配置するようにしてもよい。その場合、前記ステータに含まれる前記２次コイルは、前記他の検出装置の１次コイルから漏洩する交流磁場に置かれる。

　例えば、この回転検出装置を、回転可能なシャフトに生じる捩れトルクを検出するトルクセンサと組み合わせることにより、複合型検出装置を構成するようにしてよい。その場合、前記トルクセンサは、交流磁場を発生するための１次コイルを少なくとも含むように構成されたものであるとよく、それにより、該トルクセンサを前記他の検出装置として機能させることができる。換言すれば、発明に係る複合型検出装置は、回転可能なシャフト（回転体）に生じる捩れトルクを検出するトルクセンサであって、交流磁場を発生するための１次コイルを少なくとも含む、前記トルクセンサと、前記シャフトの回転を検出するための回転検出装置とを具備し、前記回転検出装置は、前記シャフトと共に回転する回転体の円周に沿って該回転体上に配置され、回転軸方向に周期的に変位する線形状のパターンからなる磁気応答部材と、前記回転体の周囲において非接触的に配置されたステータであって、前記回転体の円周に沿って複数サイクルのループパターンを形成する２次コイルを含む前記ステータとを備え、前記２次コイルは前記トルクセンサの前記１次コイルから漏洩する前記交流磁場に置かれ、前記回転体の回転位置に依存する前記磁気応答部材の線形状のパターンと前記２次コイルの前記ループパターンとの相対位置に応じた誘導出力交流信号を、前記回転検出装置の前記２次コイルから出力することを特徴とする。

　本発明に係る複合型検出装置によれば、回転検出装置は専用の１次コイルを持たず、前記ステータは２次コイルのみを含んでいればよいため、回転検出装置の構造を簡素化することができる。また、回転体上に配置された磁気応答部材は、回転軸方向に周期的に変位する線形状のパターンからなっているので、構造が簡潔であり、回転検出装置において小型化を促進するのに適している。また、ステータにおけるコイル構成においては、２次コイルが前記回転体の円周に沿って複数サイクルのループパターンを形成するように構成されているため、回転体の円周に沿ってコンパクトに装備されるのに適したものとなっている。こうして、小型化を促進するのに適した簡潔な構造を持つ複合型検出装置を提供することができる。さらに、変速ギヤ機構を必要としないため、ギャバックラッシュによる制御性能の低下が起こらない。

（ａ）は本発明の一実施例に係る回転検出装置の外観を示す概略斜視図、（ｂ）は該回転検出装置の要部を分解して示す概略斜視図。（ａ）は２次コイルのループパターンを展開して例示する図、（ｂ）は磁気応答部材のパターンを展開して例示する図、（ｃ）～（ｅ）は（ｂ）とは異なる回転位置にあるときの磁気応答部材のパターンを展開して例示する図、（ｆ）は２次コイルの誘導出力交流信号の１回転（１円周）にわたるレベル変化の一例を示す図、（ｇ）は２次コイルの誘導出力交流信号の１回転（１円周）にわたるレベル変化の別の例を示す図、（ｈ）は２次コイルの誘導出力交流信号の１回転（１円周）にわたるレベル変化に基づいて生成される回転速度検出用のパルス波形を例示する図。（ａ）は２次コイルの誘導出力交流信号に基づいて回転位置を示すデータを得るための回路例を示す図、（ｂ）は２次コイルの誘導出力交流信号に基づいて回転速度を示すデータを得るための回路例を示す図。２つの２次コイルを重ね合わせてリング状の基板上に配置する実施例における各２次コイルのループパターンの展開図。磁気応答部材の線形状パターンをサイン波状に形成した例を示す展開図。２次コイルのループパターンの別の例を示す展開図。本発明に係る回転検出装置を、交流磁場発生機能を持つ別のセンサと組み合わせることにより、複合型検出装置として構成した実施例を示す概略外観斜視図。

　図１において、（ａ）は本発明の一実施例に係る回転検出装置１の外観を示す概略斜視図、（ｂ）は該回転検出装置１の要部を分解して示す概略斜視図である。回転検出装置１は、回転体２の回転位置を検出するもので、該回転体２と共に回転するように該回転体２の円周に沿って該回転体２上に配置された磁気応答部材３と、該回転体２の周囲において非接触的に配置されたステータ４とで構成される。図１（ａ）において、矢印Ｒは回転体２の回転方向を示し、矢印Ａは回転軸方向を示す。磁気応答部材３は、回転方向Ｒ及び回転軸方向Ａに関して周期的に変位する線形状のパターンからなっており、鉄あるいはフェライトのような強磁性体素材又は銅あるいはアルミニウムのような良導電体素材からなる。回転体２の素材が鉄のような磁性体である場合、磁気応答部材３としては良導電体素材を用いるとよい。別の例として、回転体２の素材がアルミニウムのような導電体である場合、磁気応答部材３としては磁性体素材を用いるとよい。この磁気応答部材３のパターンは、メッキあるいは印刷若しくは焼き付け等適宜の加工技法によって回転体２の円周面に直接的に形成され得る。別の例として、磁気応答部材３のパターンは、非磁気応答素材からなる適宜のフィルム上に形成されていてもよく、そのようなフィルムを回転体２の円周面に接着剤を介して貼り付けることにより、該磁気応答部材３のパターンを回転体２上に配置し得る。なお、回転体２は、回転検出装置１の専用部品ではなく、該回転検出装置１を適用する（つまり、回転検出対象である）機械又は構造若しくは装置あるいは設備内に設けられた回転シャフトそれ自体であり、すなわち、回転検出対象である回転シャフトそれ自体である。したがって、回転検出装置１における専用のロータ部品を省略又は簡略化することができ、検出装置全体の小型化に寄与する。

　ステータ４は、回転体２の周囲に巻回された１次コイル５と、該回転体２の円周に沿って複数サイクルのループパターンを形成する２次コイル６とを含む。典型的には、２次コイル６は、円周面を有するリング状の絶縁性の基板７上にリード線（導体）からなる所定のループパターンをプリント配線することにより構成し得る。すなわち、２次コイル６のループパターンは、回転体２の円周に沿って湾曲する基板７の円周面上に形成されている。１次コイル５は、よく知られたような円筒コイルからなっていてよい。円筒コイルからなる１次コイル５の内部に、２次コイル６を備えたリング状の基板７が配置されることにより、ステータ４のコイルアセンブリが構成される。そして、このステータ４のコイルアセンブリは、回転体２に嵌装され、該回転体２上に配置された磁気応答部材３の部分をコイルアセンブリ内に挿入した状態で固定される。通常知られているように、１次コイル５の入力端子には一定周波数の交流信号（例えばｓｉｎωｔ）が印加され、コイルアセンブリにおいて交流磁場が形成される。このように回転検出装置１を回転体２の所定位置に設置した状態で、回転体２が回転すると、その回転位置に応じて磁気応答部材３のパターンがステータ４のコイルアセンブリに対して相対的に変位し、この相対的変位に応じて１次コイル５と２次コイル６間の磁気結合度が変化し、回転位置に応じた出力信号が２次コイル６の出力端子から得られる。

　図２（ａ）は、リング状の基板７上に配置された２次コイル６のループパターンを展開して例示する図である。２次コイル６は、リング状の基板７の１円周にわたって複数サイクルのループパターンを形成している。詳しくは、２次コイル６は、２つの出力端子Ｏ₁，Ｏ₂間に接続された、全体として一連のリード線（導体）からなり、該リード線が所定のパターンで蛇行しつつリング状基板７の１円周の行程を辿って折り返す（往復する）ことにより４つのループエリアＬ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４を形成している。各ループエリアＬ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４の回転方向Ｒの長さ（幅）は、概ね、円周の１／４である。図２（ａ）の例においては、各１つのループエリアＬ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４は上ラインｕｐ１，ｕｐ２，ｕｐ３，ｕｐ４と下ラインｄｎ１，ｄｎ２，ｄｎ３，ｄｎ４とを含み、各上ラインｕｐ１，ｕｐ２，ｕｐ３，ｕｐ４は隣接するループエリアの下ラインｄｎ１，ｄｎ２，ｄｎ３，ｄｎ４につながり、各下ラインｄｎ１，ｄｎ２，ｄｎ３，ｄｎ４は隣接するループエリアの上ラインｕｐ１，ｕｐ２，ｕｐ３，ｕｐ４につながる。これにより、各ループエリアＬ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４において、或る瞬間において上下の対向するリード線（つまり、上ラインと下ライン）を流れる電流の向きは、図中矢印で例示するように、互いに逆向きとなる。なお、図中矢印で例示した電流の向きは、出力端子Ｏ₁，Ｏ₂間からみれば同じ向きであることに注意されたい。なお、図２（ａ）の例においては、２次コイル６が概ね矩形状に蛇行するループパターンを形成している。これにより、各ループエリアＬ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４において、上ラインｕｐ１，ｕｐ２，ｕｐ３，ｕｐ４は当該エリアの上辺において概ね直線状に延び、下ラインｄｎ１，ｄｎ２，ｄｎ３，ｄｎ４は当該エリアの下辺において概ね直線状に延びている。

　一方、２次コイル６の各ループエリアＬ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４において、１次コイル５からの交流磁場に応じて誘導される電流の方向は、上ラインｕｐ１，ｕｐ２，ｕｐ３，ｕｐ４と下ラインｄｎ１，ｄｎ２，ｄｎ３，ｄｎ４とで、同じ向きである。したがって、例えば、ループエリアＬ１において、上ラインｕｐ１と下ラインｄｎ１に同量の電流が誘導されるとき、これらの誘導電流は相殺され、該ループエリアＬ１の部分における誘導電流の合計は０となる。あるいは、ループエリアＬ１の上ラインｕｐ１と下ラインｄｎ１に誘導される電流が異なるとき、これらの誘導電流の差分が該ループエリアＬ１の部分において生じる。このように、上ラインｕｐ１，ｕｐ２，ｕｐ３，ｕｐ４と下ラインｄｎ１，ｄｎ２，ｄｎ３，ｄｎ４の誘導電流の差分が各ループエリアＬ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４の部分において生じ、それらの合計が２次コイル６の出力端子Ｏ₁，Ｏ₂間に生じることになる。

　図２（ｂ）は、回転体２上において円周方向に沿って配置された磁気応答部材３のパターンを展開して例示する図である。一例として、磁気応答部材３の線形状パターンは、１円周にわたって２サイクルで、回転軸Ａ方向に周期的に変位する、矩形波状のパターンからなっている。展開図において、両端の部分３ａと３ａ'は同一の部分である。すなわち、磁気応答部材３の２サイクル変化パターンはリング状につながっている。磁気応答部材３の矩形状パターンの１サイクルは、回転方向Ｒに直線状に延びた上辺部分３ｕｐ１，３ｕｐ２と、回転方向Ｒに直線状に延びた下辺部分３ｄｎ１，３ｄｎ２とを含む。上辺部３ｕｐ１，３ｕｐ２と下辺部分３ｄｎ１，３ｄｎ２は、回転方向Ｒ及び軸方向Ａの両方に関してオフセットされている。上辺部分３ｕｐ１，３ｕｐ２及び下辺部分３ｄｎ１，３ｄｎ２の各々の回転方向Ｒの長さ（幅）は、円周の１／４である。

　図２（ａ）に示された２次コイル６のループエリアＬ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４と、図２（ｂ）に示されたような磁気応答部材３のパターンの対応関係について説明する。図２（ａ）と（ｂ）に示すように、磁気応答部材３のパターンの上辺部分３ｕｐ１がループエリアＬ１に略一致し、下辺部分３ｄｎ１がループエリアＬ２に略一致し、上辺部分３ｕｐ２がループエリアＬ３に略一致し、下辺部分３ｄｎ２がループエリアＬ４に略一致した状態を、便宜上、同相状態ということにする。ループエリアＬ１について見ると、磁気応答部材３の上辺部分３ｕｐ１が上ラインｕｐ１の全域にオーバーラップすることにより、上ラインｕｐ１に最大の誘導電流が流れ、その一方で、下ラインｄｎ１には磁気応答部材３がオーバーラップしていないことにより、下ラインｄｎ１の誘導電流は０である。したがって、上ラインｕｐ１の誘導電流は差し引かれることなく流れる。ループエリアＬ２については、磁気応答部材３の下辺部分３ｄｎ１が下ラインｄｎ２の全域にオーバーラップすることにより、下ラインｄｎ２に最大の誘導電流が流れ、その一方で、上ラインｕｐ２には磁気応答部材３がオーバーラップしていないことにより、上ラインｕｐ２の誘導電流は０である。したがって、下ラインｄｎ２の誘導電流は差し引かれることなく流れ、上ラインｕｐ１の誘導電流に対して同相で加算される。ループエリアＬ３については前記ループエリアＬ１と同様に動作し、ループエリアＬ４については前記ループエリアＬ２と同様に動作する。この状態においては、各ループエリアＬ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４における磁気結合度は正の最大値であるということができる。したがって、この場合、２次コイル６の出力端子Ｏ₁，Ｏ₂間に最大レベルの誘導出力交流信号が生じる。

　図２（ｃ）は、回転体２が図２（ｂ）の位置から磁気応答部材３のパターンの１／４サイクル相当の距離だけ変位した状態を示す展開図である。磁気応答部材３のパターンの１サイクルを２πで表すとすると、磁気応答部材３のパターンの１／４サイクル相当の距離はπ／２で表せる。この場合、図２（ａ）に示された２次コイル６のループエリアＬ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４に対する図２（ｃ）に示された磁気応答部材３のパターンの相対位置関係は、上記同相状態に比べて１／４サイクルずれた状態となる。この場合、各ループエリアＬ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４における磁気結合度は正負同値となって相殺され、２次コイル６の出力端子Ｏ₁，Ｏ₂間の誘導出力交流信号のレベルは０となる。

　図２（ｄ）は、回転体２が図２（ｂ）の位置から磁気応答部材３のパターンの１／２サイクル相当の距離だけ変位した状態を示す展開図である。磁気応答部材３のパターンの１／２サイクル相当の距離はπで表せる。この場合、図２（ａ）に示された２次コイル６のループエリアＬ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４に対する図２（ｄ）に示された磁気応答部材３のパターンの相対位置関係は、上記同相状態に比べて１／２サイクルずれた状態（つまり逆相状態）となる。この場合、各ループエリアＬ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４における磁気結合度は負の最大値となる。したがって、この場合、２次コイル６の出力端子Ｏ₁，Ｏ₂間に最大レベルの誘導出力交流信号が生じる。ただし、図２（ｄ）の位置関係において生じる最大レベルの誘導出力交流信号の電気的位相は、前記図２（ｂ）の位置関係において生じる最大レベルの誘導出力交流信号の電気的位相に対して逆相となる。

　図２（ｅ）は、回転体２が図２（ｂ）の位置から磁気応答部材３のパターンの３／４サイクル相当の距離だけ変位した状態を示す展開図である。磁気応答部材３のパターンの３／４サイクル相当の距離は３π／２で表せる。この場合、図２（ａ）に示された２次コイル６のループエリアＬ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４に対する図２（ｅ）に示された磁気応答部材３のパターンの相対位置関係は、上記同相状態に比べて３／４サイクルずれた状態となる。この場合、各ループエリアＬ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４における磁気結合度は正負同値となって相殺され、２次コイル６の出力端子Ｏ₁，Ｏ₂間の誘導出力交流信号のレベルは０となる。

　上述のように、２次コイル６の出力端子Ｏ₁，Ｏ₂間の誘導出力交流信号のレベルは、回転体２に設けられた磁気応答部材３のパターンの１サイクルに相当する回転変位を１サイクルとして周期的に変化する。したがって、２次コイル６の出力端子Ｏ₁，Ｏ₂間の誘導出力交流信号のレベルは回転体２の回転位置に関連した値を示すことになるので、該２次コイル６の出力端子Ｏ₁，Ｏ₂間の誘導出力交流信号に基づき回転体２の回転位置及び／又は回転速度を検出することができる。

　図２（ｆ）は、回転体２の１回転（１円周）にわたる変位にしたがって生じる、２次コイル６の出力端子Ｏ₁，Ｏ₂間の誘導出力交流信号のレベル変化の一例を示すもので、概ね、サイン関数特性（ｓｉｎθ）のレベル変化を得ることができるように、磁気応答部材３のパターンと２次コイル６のループエリアＬ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４等との関係を設計した例を示す。この場合、磁気応答部材３のパターンは、回転体２の１回転（１円周）につき２サイクル配置されているので、上記サイン関数特性（ｓｉｎθ）の角度変数θは、回転体２の１回転（１円周）につき４πの範囲で変化する。つまり、２次コイル６の出力端子Ｏ₁，Ｏ₂間の出力信号においては、回転体２の４分の１回転の範囲の回転位置をアブソリュート値で示すレベル変化が生じる。このサイン関数特性（ｓｉｎθ）のレベルを示すデータは、公知のように、２次コイル６の出力端子Ｏ₁，Ｏ₂間の誘導出力交流信号（例えばｓｉｎθｓｉｎωｔ）を整流することにより得られる。

　図２（ｇ）は、回転体２の１回転（１円周）にわたる変位にしたがって生じる、２次コイル６の出力端子Ｏ₁，Ｏ₂間の誘導出力交流信号のレベル変化の別の一例を示すもので、概ね、三角波関数特性のレベル変化を得ることができるように、磁気応答部材３のパターンと２次コイル６のループエリアＬ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４等との関係を設計した例を示す。この場合も、磁気応答部材３のパターンは、回転体２の１回転（１円周）につき２サイクル配置されているので、上記三角波関数の角度変数θは、回転体２の１回転（１円周）につき４πの範囲で変化する。つまり、２次コイル６の出力端子Ｏ₁，Ｏ₂間の出力信号においては、回転体２の４分の１回転の範囲の回転位置をアブソリュート値で示すレベル変化が生じる。この三角波関数の角度変数θを示すデータも、公知のように、２次コイル６の出力端子Ｏ₁，Ｏ₂間の誘導出力交流信号を整流することにより得られる。

　図２（ｆ）及び（ｇ）において、縦軸の＋領域と－領域は、２次コイル６の出力端子Ｏ₁，Ｏ₂間の誘導出力交流信号の電気的位相が互いに逆相であることを示す。つまり、－領域における誘導出力交流信号のレベルの電気的位相は、＋領域における誘導出力交流信号のレベルの電気的位相に対して逆相となる。なお、２次コイル６の出力端子Ｏ₁，Ｏ₂間の誘導出力交流信号のレベル変化の関数特性は、図２（ｆ）又は（ｇ）に示したようなサイン関数特性又は三角波関数特性に限らず、任意に設計可能である。

　回転体２の回転位置を示すデータを得るために、図３（ａ）に示すように、２次コイル６の出力端子Ｏ₁，Ｏ₂間の誘導出力交流信号を整流回路１１に入力してよい。整流回路１１は、該誘導出力交流信号を整流してその振幅レベルを検出する（振幅レベルを示す直流電圧を出力する）。整流回路１１は、２次コイル６から出力される前記誘導出力交流信号の振幅レベルを検出することに基づき前記回転体２の回転位置を示すデータを得る回路である。振幅レベルを示す直流電圧を出力する整流回路１１に限らず、該誘導出力交流信号の振幅レベルをデジタル的に検出する回路を用いてもよい。

　次に、回転体２の回転速度の測定例について図２（ｈ）及び図３（ｂ）を参照して説明する。図３（ｂ）は回転速度用の回路構成例を示す。２次コイル６の出力端子Ｏ₁，Ｏ₂間の誘導出力交流信号をレベル比較回路１２に入力し、該誘導出力交流信号の振幅レベルが所定の基準電圧Ｖｒより大きいときレベル比較回路１２から出力電圧を生じる。この基準電圧Ｖｒは、図２（ｆ），（ｇ）に例示するように、図２（ｂ）及び（ｄ）に示すような位置関係において生じる誘導出力交流信号の最大レベルよりも小さな適宜の値である。レベル比較回路１２の出力電圧はパルス成形回路１３に入力され、交流信号成分を除去して平滑化したパルス波形として成形される。図２（ｈ）は、パルス成形回路１３から出力されるパルス波形を例示する。図２の例では、回転体２の１回転につき４個のパルス波形が生じる。パルス成形回路１３から出力されるパルス波形は回転数カウント回路１４に入力される。回転数カウント回路１４は、パルス成形回路１３から出力されるパルス波形の数をカウントし、所定の単位時間あたりのパルスカウント数から回転速度を検出する。レベル比較回路１２、パルス成形回路１３及び回転数カウント回路１４は、２次コイル６から出力される前記誘導出力交流信号の振幅レベルに応じてパルス波形信号を生成し、該パルス波形信号に基づき回転体２の回転速度を示すデータを得る回路として機能する。

　上記実施例ではリング状の基板７上に１つの２次コイル６のみを設けているが、これに限らず、円周方向の角度配置を互いにずらした状態で、２以上の２次コイル６を前記リング状の基板７上に配置するようにしてよい。例えば、２つの２次コイル６ａ，６ｂを重ね合わせて前記リング状の基板７上に配置する場合の各２次コイル６ａ，６ｂの展開図を図４に示し、（ａ）が２次コイル６ａの展開図、（ｂ）が２次コイル６ｂの展開図である。各２次コイル６ａ，６ｂは、上述の図２（ａ）に示すような２次コイル６と同一パターンからなっていてよいが、その円周方向の角度配置が磁気応答部材３のパターンの１／４サイクル相当の距離π／２だけ互いにずれるように配置される。これにより、一方の２次コイル６ａ（又は６ｂ）の出力端子Ｏ₁，Ｏ₂間の誘導出力交流信号のレベル変化特性がサイン関数特性であるとすると、他方の２次コイル６ｂ（又は６ａ）の出力端子Ｏ₁，Ｏ₂間の誘導出力交流信号のレベル変化特性がコサイン関数特性となるように設計することができる。すなわち、２つの２次コイル６ａ，６ｂから、回転変位成分θに対してサイン関数振幅特性を示す誘導出力交流信号ｓｉｎθｓｉｎωｔと、回転変位成分θに対してコサイン関数振幅特性を示す誘導出力交流信号ｃｏｓθｓｉｎωｔを得るようにすることができる。これは公知のレゾルバ型の回転検出装置と同様の出力信号であるから、このような２つの２次コイル６ａ，６ｂを備えた本発明に係る回転検出装置を公知のレゾルバ型の回転検出装置と同様の用途に応用することができる。

　磁気応答部材３の線形状パターンは、図示のような矩形状のパターンに限らず、周期的に変位する線形状であれば、サイン波状あるいは三角波状などその他任意の形状であってよい。また、１円周あたりのサイクル数も任意に設計してよい。図５は、磁気応答部材３の線形状パターンをサイン波状に形成した例を示す展開図である。

　２次コイル６，６ａ，６ｂのループパターンの形状も、図示のような矩形状のものに限らず、サイン波状あるいは三角波状などその他任意の形状であってよい。図６（ａ）は、２次コイル６のループパターンをサイン波状に形成した例を示す。図６（ａ）の場合、磁気応答部材３の線形状パターンも図５のようなサイン波状にするとよい。図６（ｂ）は、２次コイル６の各ループエリアＬ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４をフラットな渦巻状のパターンで形成した例を示す。図６（ｂ）の場合、各隣接するループエリアＬ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４の渦巻パターンの巻回方向は、図中矢印で示すように、互いに逆方向となる。なお、図６（ｂ）に示すような渦巻パターン状のループエリアＬ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４からなる２次コイル６を使用する場合は、磁気応答部材３の線形状パターンもそれに適合するように適宜変形するものとする。例えば、磁気応答部材３の矩形状パターンのうち上辺部分３ｕｐ１，３ｕｐ２だけが渦巻パターン状のループエリアＬ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４に対応し、下辺部分３ｄｎ１，３ｄｎ２は渦巻パターン状のループエリアＬ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４に対応しないようにする。

　上記実施例においては、説明の便宜上、回転検出装置１は、回転体２の１回転（１円周）に満たない範囲の回転位置をアブソリュートで検出する例について説明した。しかし、これに限らず、この技術分野で公知の技術に従い回転体２の１回転（１円周）にわたる範囲の回転位置をアブソリュートで検出する場合にも、あるいは回転体２の１回転（１円周）以上の範囲の回転位置をアブソリュートで検出する場合にも、本発明に従う回転検出装置の技術思想を適用することができる。

　本発明に係る回転検出装置１は、交流磁場発生機能を持つ他の検出装置（センサ）と組み合わせて使用することにより、１次コイル５を省略することができる。図７は、その一例を示す概略外観斜視図であり、前記回転検出装置１を前記他の検出装置（センサ）として機能するトルクセンサ２０と組み合わせることにより複合型検出装置１０を構成した例を示す。この複合型検出装置１０は、電動アシスト型自転車（図示せず）のペダルクランク（図示せず）のクランクシャフトのトルク及び回転数検出を行うように構成されている。この場合、該クランクシャフトが前記回転体２として機能する。図において、矢印２Ａ及び２Ｂの方向には左右のペダルクランク（図示せず）がそれぞれ接続され、該クランクシャフト（回転体２）の所定箇所にドライブスプロケット（図示せず）が配置される。公知のように、ドライブスプロケットは後輪駆動用のチェーン（図示せず）を駆動するように構成されており、該チェーンはパワーアシスト用のスプロケット（図示せず）にも係合している。該パワーアシスト用のスプロケットは電気モータ（図示せず）によって駆動される。公知のように、電動アシスト型自転車においては、乗り手のペダル踏み込み力を検知すると共にクランク回転数及び車速を検知し、検知した踏み込み力とクランク回転数及び車速等に基づき前記電気モータによってアシストすべき動力を決定し、該決定した動力を生成するように該電気モータを駆動する仕組みを有している。

　図７において、トルクセンサ２０は、前記クランクシャフト（回転体２）に設けられており、該クランクシャフトに生じる捩れトルクを検出することにより、前記ペダル踏み込み力を検知するように機能するものである。このトルクセンサ２０の具体的な構成は、少なくとも交流磁場を生成する１次コイルを有するものであれば、如何なる仕組みからなるものであってもよい。一例として、トルクセンサ２０は、磁歪効果を利用して前記クランクシャフト（回転体２）に生じる捩れを検知する磁歪リング式トルクセンサであってよい。トルクセンサ２０は、クランクシャフト（回転体２）と一緒に回転するように配置されたリング状の磁歪材２１を含み、該磁歪材２１の所定箇所には円周に沿って２列のナーリングパターン（凹凸）が形成されており、各ナーリングパターンに対応して検出コイル２２及び２３が設けられている。各検出コイル２２及び２３は、交流信号によって励磁されて交流磁場を形成し、対応する磁歪材２１の磁歪効果に応じた検出信号を生成する。公知のように、これらの検出コイル２２及び２３から得られる検出信号に基づきクランクシャフト（回転体２）の捩れ（トルク）が検出される。

　トルクセンサ２０における検出コイル２２及び２３は、本発明に係る回転検出装置１における１次コイルとしても機能する。すなわち、本発明に係る回転検出装置１を、トルクセンサ２０の近傍に配置し、検出コイル２２及び２３が発生する交流磁場の影響下に置かれるようにする。図７の例では、２つの検出コイル２２及び２３の間に本発明に係る回転検出装置１が配置される。この場合、回転検出装置１は、クランクシャフト（回転体２）と一緒に回転するように配置された磁気応答部材３と、ステータ４とを備え、ステータ４は、２次コイル６を配置したリング状の基板７を有するが、専用の１次コイル５は持たない。専用の１次コイル５を持たないことにより、回転検出装置１の構造を簡素化することができる。なお、磁気応答部材３及び２次コイル６の構成は、上記実施例に示したものと同様であり、同様の動作で回転検出を行う。この回転検出装置１は、ペダルクランクの回転数（回転速度）センサとして使用されるが、ペダルクランクの回転位置（角度）の検出にも使用可能である。

　本発明に係る回転検出装置１を、交流磁場発生機能を持つ別のセンサと組み合わせて使用する場合、電動アシスト型の自転車のペダルクランク回転数検出に限らず、その他任意の用途に適用し得る。例えば、本発明に係る回転検出装置１を、自動車のハンドルのステアリングシャフトに設けられたトルクセンサと組み合わせて使用してもよい。すなわち、本発明に係る複合型検出装置１０を、自動車のハンドルのステアリングシャフト（前記回転体２として機能する）に関連して設置することにより、ステアリングトルクとステアリング操舵角検出を、簡略化された構成によって効果的に行うことができる。なお、トルクセンサ２０は、前述したような磁歪式センサに限らず、交流磁場を発生するための１次コイルを少なくとも含むタイプであれば、如何なる検出原理に基づくものであってもよい。

Claims

　回転体と共に回転するように該回転体の円周に沿って該回転体上に配置され、回転軸方向に周期的に変位する線形状のパターンからなる磁気応答部材と、
　前記回転体の周囲において非接触的に配置されたステータであって、前記回転体の円周に沿って複数サイクルのループパターンを形成する２次コイルを含む前記ステータと
を備え、前記２次コイルは交流磁場に置かれ、前記回転体の回転位置に依存する前記磁気応答部材の線形状のパターンと前記２次コイルの前記ループパターンとの相対位置に応じた誘導出力交流信号を前記２次コイルから出力する回転検出装置。
　前記回転体は、回転検出対象である機械又は装置内に設けられた回転シャフトそれ自体である、請求項１の回転検出装置。
　前記２次コイルの前記ループパターンは、前記回転体の円周に沿って湾曲する基板の円周面上に形成されている、請求項１又は２の回転検出装置。
　前記磁気応答部材の線形状パターンは矩形波状である、請求項１乃至３のいずれかの回転検出装置。
　前記磁気応答部材の線形状パターンはサイン波状である、請求項１乃至３のいずれかの回転検出装置。
　前記磁気応答部材は、メッキあるいは印刷若しくは焼き付けによって前記回転体の円周面に直接的に形成されている、請求項１乃至５のいずれかの回転検出装置。
　前記磁気応答部材は、非磁気応答素材からなるフィルム上に形成されてなり、該フィルムを前記回転体の円周面上に貼り付けることにより、該回転体上に配置される、請求項１乃至５のいずれかの回転検出装置。
　前記ステータは、前記交流磁場を発生するための１次コイルを含む、請求項１乃至７のいずれかの回転検出装置。
　前記１次コイルは、前記回転体の周囲に巻回された円筒コイルからなる、請求項８の回転検出装置。
　前記回転検出装置は、前記交流磁場を発生するための１次コイルを含んでいる他の検出装置に近接して配置され、
　前記２次コイルは、該他の検出装置の前記１次コイルから漏洩する前記交流磁場に置かれる、請求項１乃至７のいずれかの回転検出装置。
　前記２次コイルから出力される前記誘導出力交流信号の振幅レベルを検出することに基づき前記回転体の回転位置を示すデータを得る回路をさらに備える、請求項１乃至１０のいずれかの回転検出装置。
　前記２次コイルから出力される前記誘導出力交流信号の振幅レベルに応じてパルス波形信号を生成し、該パルス波形信号に基づき前記回転体の回転速度を示すデータを得る回路をさらに備える、請求項１乃至１１のいずれかの回転検出装置。
　前記ステータは、２つの前記２次コイルを含み、該２つの２次コイルの間で、前記ループパターンが前記回転体の円周に関して互いにずれており、一方の２次コイルから回転位置に対してサイン関数振幅特性を示す誘導出力交流信号を生じ、他方の２次コイルから回転位置に対してコサイン関数振幅特性を示す誘導出力交流信号を生じる、請求項１乃至１２のいずれかの回転検出装置。
　前記回転体として機能するシャフトの回転を検出するように構成された、請求項１０の回転検出装置と、
　前記シャフトに生じる捩れトルクを検出するトルクセンサと
を備え、前記トルクセンサが前記他の検出装置として機能する、複合型検出装置。
　前記シャフトは、電動アシスト自転車のペダルクランクシャフト又は自動車のステアリングシャフトである、請求項１４の複合型検出装置。