JP3824926B2 - 回転センサ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回転センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
２つの回転体（ロータ）と、励磁コイルを有する固定体とを備え、相対回転する２本の軸間における回転トルクを検出する回転センサとして、例えば、トーションバーを介して相対回転する２本の回転軸が連結された自動車のハンドルシャフトにおける回転トルクを検出し、ステアリング装置の円滑な電子制御に利用する回転センサが知られている（例えば、特公平７−２１４３３号公報参照）。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記した従来の回転センサは、各回転体（ロータ）が予めそれぞれの回転軸と一体に固定され、固定体と各回転軸との間にベアリング等の回転ガイドを配置することで、２つの回転体（ロータ）の回転軸と前記した固定体の励磁コイルの中心軸とを一致させている。
【０００４】
しかし、前記のような構成とすると、回転センサは、相対回転する２本の回転軸と一体化させて製造・組立を行う必要があり、使用対象、例えば、ステアリング装置の設計上の制約となる。また、回転センサは、通常、感度や出力レンジの調整が必要であるが、回転軸と一体化する場合には、前記調整は組立て完了後に行われる。このため、製造された回転センサは、回転軸との一体化による大型化のために、調整機構も大きく、かつ、複雑なるという問題があった。
【０００５】
本発明は上記の点に鑑みてなされたもので、回転軸と一体化して製造する必要がなく、後付けが可能で使用対象の設計上の制約がないうえ、小型化が可能な回転センサを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明においては上記目的を達成するため、絶縁磁性材から筒状に成形され、周方向に配置される導体層を有し、回転する第１のシャフトの軸線方向所定位置に取り付けられる第１のロータ、励磁コイルを有し、前記第１のシャフトの軸線方向に間隔を置いて固定部材に固定される固定コア、前記導体層と対応して周方向に配置される非磁性金属体を有し、前記第１のロータに隣接し、前記第１のシャフトに対して相対回転する第２のシャフトに取り付けられ、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のロータ及び前記励磁コイルと接続され、特定周波数の発振信号を発振する発振手段を備えた回転センサにおいて、
（ I ）前記第１のロータは、前記固定コアに対する前記第１のロータの回転を案内する第１のガイドリングを有し、
（ II ）前記第２のロータは、前記固定コアに対する前記第２のロータの回転を案内する第２のガイドリングを有し、
（ III ）前記第１のガイドリング及び前記第２のガイドリングは、それぞれ前記固定コアと係合することを特徴とする構成としたのである。
【０００７】
好ましくは、前記回転ガイドを、金属或いは合成樹脂から成形される第１及び第２のガイドリングとする。
好ましくは、前記第１及び第２のガイドリングを、前記第１及び第２のロータに形成され、前記固定コアと係合する構成とする。
好ましくは、前記第１及び第２のガイドリングは、外周及び上下の面に複数の突起が周方向に多数形成されている構成とする。
【０００８】
好ましくは、前記回転ガイドを、前記第１のロータと前記固定コアとの間及び前記第２のロータと前記固定コアとの間にそれぞれ配置されるベアリングとする。
好ましくは、前記固定コアは、コア本体内に１つの励磁コイルを有する構成とする。
【０００９】
好ましくは、前記固定コアは、コア本体内に２つの励磁コイルを有する構成とする。
好ましくは、前記固定コアは、交流磁界を遮蔽するケースを有している構成とする。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の回転センサに係る一実施形態として、例えば、自動車において変換ジョイント（トーションバー）を介して主動シャフトから従動シャフトへ伝達されるステアリングシャフトの回転トルクを検出する回転センサを図１乃至図５に基づいて説明する。
【００１１】
先ず、本発明の回転センサの第１の実施形態について説明すると、回転センサ１０は、図１及び図２に示すように、第１ロータ１１、固定コア１２、第２ロータ１３及び相対回転角度測定装置１４を備え、ステアリングシャフト５に取り付けられる。ここで、ステアリングシャフト５は、主動シャフト５ａがトーションバー５ｂを介して従動シャフト５ｃと連結され、主動シャフト５ａは、従動シャフト５ｃに対して、例えば±８°の範囲内で相対回転するように設けられている。
【００１２】
第１ロータ１１は、電気絶縁性を有する熱可塑性合成樹脂に軟磁性材粉を１０〜７０体積％混合した絶縁磁性材によって円筒状に成形され、回転する主動シャフト５ａの軸線方向所定位置に後付けによって取り付けられる。このような熱可塑性合成樹脂としては、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），ＡＢＳ樹脂等を使用することができる。また、軟磁性材粉としては、Ｎi−ＺnやＭn−Ｚn系のフェライト粉を使用することができる。第１ロータ１１は、図１において、外周に所定間隔、例えば、中心角３０°間隔で６枚の銅箔１１ａが周方向に設けられている。第１ロータ１１は、上部に半径方向へ向けてフランジ部１１ｂが形成され、フランジ部１１ｂの外周には第１ガイドリング１１ｃが設けられている。
【００１３】
第１ガイドリング１１ｃは、リング状に形成され、固定コア１２の後述する段部１２ｆに係合し、第１ロータ１１の固定コア１２に対する回転を案内する。このため、第１ガイドリング１１ｃは、後述する第２ガイドリング１３ｃと同じ素材、例えば、銅合金やアルミニウム等の金属や合成樹脂が用いられ、外周及び上下の面に複数の突起１１ｄが周方向に多数形成され、固定コア１２との摩擦の低減が図られている。尚、上記目的に合致していれば、第１ガイドリング１１ｃは、突起１１ｄに代えて、図３に示すように、周方向に延びる突条１１ｅを形成しても良い。
【００１４】
また、銅箔１１ａは、導体層であれば、例えば、アルミニウム，銀等の素材を使用することができ、銅箔１１ａを含むこれら導体層は絶縁磁性材の内部に埋め込んでもよい。
固定コア１２は、第１ロータ１１と半径方向に数ｍｍ程度の僅かなギャップをおいて最外側に配置され、ステアリングシャフト５の近傍に位置する固定部材（図示せず）に後付けによって固定される。固定コア１２は、図１に示すように、コア本体１２ａと、コア本体１２ａ内に収容される励磁コイル１２ｂと、コア本体１２ａを収容する金属製の遮蔽ケース（以下、単に「ケース」という）１２ｃとを有している。コア本体１２ａは、第１ロータ１１と同一の絶縁磁性材によってリング状に形成され、励磁コイル１２ｂを収容する凹部１２ｈを有している。励磁コイル１２ｂは、ケース１２ｃから外部へ延出させた電線１２ｄ（図１参照）によって図示しない信号処理回路と接続され、この信号処理回路から交流電流が流されている。ケース１２ｃは、交流磁界の遮蔽性を有するアルミニウム，銅等の金属によって、コア本体１２ａを収容する凹部１２ｅを有するリング状に形成されている。ここで、ケース１２ｃは、上下内周に第１及び第２のガイドリング１１ｃ，１３ｃが係合する段部１２ｆ，１２ｇが形成されている。
【００１５】
第２ロータ１３は、図１に示すように、第１ロータ１１と固定コア１２との間に配置され、主動シャフト５ａに対して相対回転する従動シャフト５ｃに後付けによって取り付けられる。第２ロータ１３は、交流磁界の遮蔽性を有するアルミニウム，銅等の金属によって製造され、下部に従動シャフト５ｃに取り付ける取付フランジ１３ａが設けられている。取付フランジ１３ａには、外周から回転軸Ａrtと並行する６枚の羽板１３ｂが複数の銅箔１１ａに対応して中心角６０°の間隔で周方向に均等に配置して上方に向かって形成されている。
【００１６】
このとき、第２ロータ１３は、取付フランジ１３ａの外周に、第１ロータ１１と同様に、第２ガイドリング１３ｃが一体に設けられている。第２ガイドリング１３ｃは、リング状に形成され、外周及び上下の面に複数の突起１３ｄが周方向に多数形成され、固定コア１２の後述する段部１２ｇに低摩擦の下に係合し、第２ロータ１３の固定コア１２に対する回転を案内する。第２ガイドリング１３ｃは、第１ガイドリング１１ｃと同様に、突起１３ｄに代えて、周方向に延びる突条を形成しても良い。
【００１７】
以上のように構成される回転センサ１０は、第１ロータ１１を主動シャフト５ａに、第２ロータ１３を従動シャフト５ｃに、それぞれ取り付けると共に、固定コア１２を前記固定部材に固定してステアリング装置に後付けによって組み付けられる。
組み立てられた回転センサ１０においては、励磁コイル１２ｂを流れる交流電流による磁束がコア本体１２ａと第１ロータ１１の絶縁磁性材からなる磁気回路に沿って流れる。これにより、第１ロータ１１の複数の銅箔１１ａを交流磁界が横切るため、銅箔１１ａ内に渦電流が誘起される。
【００１８】
このとき、渦電流によって励起される交流磁界の方向は、励磁コイル１２ｂを流れる交流電流による交流磁界の方向と逆になる。結果として、銅箔１１ａが存在するコア本体１２ａと第１ロータ１１との間のギャップ部分に生ずる励磁コイル１２ｂの交流励磁電流による磁束と上記渦電流による磁束の方向とが逆になるため、トータルの磁束密度が小さくなる。この反対に、銅箔１１ａが存在しなかった上記ギャップ部分では、励磁コイル１２ｂの交流励磁電流による磁束と上記渦電流による磁束の方向とが同じになるため、トータルの磁束密度が大きくなる。即ち、コア本体１２ａと第１ロータ１１との間のギャップ部分に不均一磁界が形成される。
【００１９】
従って、回転センサ１０においては、第２ロータ１３が第１ロータ１１に対して相対回転すると、第２ロータ１３に中心角６０°間隔で周方向に形成された羽板１３ｂが上記不均一磁界を横切る。その際、第１ロータ１１と第２ロータ１３との相対回転によって、羽板１３ｂが横切るトータルの磁束の量が変化するので、羽板１３ｂに生ずる渦電流の大きさが変化する。このため、回転センサ１０においては、励磁コイル１２ｂのインピーダンスは第１ロータ１１と第２ロータ１３との相対回転角度によって変動する。
【００２０】
本実施形態の回転センサ１０では、励磁コイル１２ｂのインピーダンス変動はパルス信号の位相シフト量の検出によって測定する。
次に、図２を用いて回転センサ１０による相対回転角度測定を説明する。図２は、回転センサ１０で用いられる相対回転角度測定装置１４の一例を示す回路ブロック図である。
【００２１】
図２において、測定装置１４は、回転センサ１０の発振手段を構成し、発振信号を発振する発振回路１４ａと、発振信号を分周して特定周波数のパルス信号を出力する分周回路１４ｂと、後述する位相シフト量を検出するシフト量回路１４ｄと、検出された前記位相シフト量を対応する電圧値に変換するコンバータ１４ｆと、前記電圧値のシフトレベルを調整するシフトレベル調整部１４ｈと、コンバータ１４ｆから出力される位相シフト量に対応する電圧を増幅する増幅回路１４ｊと、増幅された電圧から相対回転角度を測定する相対回転角度測定部１４ｍとを有している。
【００２２】
発振回路１４ａは、分周回路１４ｂを介して特定周波数のパルス信号を、図２に示す抵抗Ｒ、励磁コイル１２ｂ及びコンデンサＣからなる共振回路に出力する。励磁コイル１２ｂのインピーダンスの変動によって、コンデンサＣ両端における電圧信号の位相が変化する。コンデンサＣ両端の電圧信号をシフト量回路１４ｄへ出力する。
【００２３】
シフト量回路１４ｄは、コンデンサＣ両端の電圧信号の位相シフト量を検出する。
コンバータ１４ｆは、検出された前記位相シフト量を対応する電圧値に変換し、シフトレベル調整部１４ｈは、コンバータ１４ｆから出力された信号電圧レベルを調整し、増幅回路１４ｊに出力する。増幅回路１４ｊは、コンバータ１４ｆから出力された信号電圧レベルを増幅し、相対回転角度測定部１４ｍに出力する。
【００２４】
相対回転角度測定部１４ｍは、増幅回路１４ｊから入力される信号（電圧値）に基づき、２つのロータ１１，１３の相対回転角度を−８°〜＋８°の範囲で高精度に測定する。
従って、回転センサ１０は、この相対回転角度に基づき、予め求めてある主動シャフト５ａと従動シャフト５ｃとの間に作用する回転トルクと、そのときの両シャフト間の相対回転角度との関係に基づき、作用している回転トルクを求めることができる。
【００２５】
このとき、回転センサ１０は、各構成部材、即ち、第１ロータ１１，固定コア１２及び第２ロータ１３が使用対象、例えば、ステアリング装置に後付けによって組み付けられる。このため、回転センサ１０は、回転軸と一体化して製造する必要がなく、使用対象の設計上の制約がないうえ、小型化も容易である。また、回転センサ１０は、感度や出力レンジを調整してからステアリング装置に組み付けることもできる。
【００２６】
更に、回転センサ１０は、第１ロータ１１に固定コア１２の段部１２ｆに係合する第１ガイドリング１１ｃが、第２ロータ１３に固定コア１２の段部１２ｇに係合する第２ガイドリング１３ｃが、それぞれ設けられている。このため、回転センサ１０は、ロータ１１，１３の回転が円滑で、作動上の信頼性も向上する。
ここで、本発明の回転センサは、例えば、図４に示す回転センサ２０のように、複数の回転センサを一体化して用いる場合にも適用可能である。回転センサ２０は、２つの回転センサを１つの固定ケース内に収容して一体化したものである。回転センサ２０は、回転する第１のシャフトと前記第１のシャフトに対して相対回転する第２のシャフト間の相対回転角度を検出する第１の回転センサと、回転する第１のシャフトと固定ケース間の相対回転角度を検出する第２の回転センサを有する。
【００２７】
回転センサ２０は、図４に示すように、第１ロータ２１、第２ロータ２２及び固定ケース２３を備え、使用対象に取り付けられる。そして、回転センサ２０は、図４のＡ部に示すように、第２ロータ２２の内筒２２ａ外周に固定ケース２３の内筒部２３ａから延出したフランジ２３ｂ内周が、また、図４のＢ部に示すように、第１ロータ２１の内筒２１ａ下部外周に固定ケース２３の下カバー２３ｃ内周が、それぞれ当接し、第１ロータ２１及び第２ロータ２２の固定ケース２３に対する回転を案内している。
【００２８】
第１ロータ２１は、熱可塑性合成樹脂からなり、円筒状に形成された内筒２１ａを有し、内筒２１ａから延出するフランジには周壁２１ｆが形成されている。前記合成樹脂としては、ナイロン，ポリプロピレン（ＰＰ），ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）等を使用することができる。図４に示すように、第１ロータ２１は、内筒２１ａに第１リング部材２１ｄが、周壁２１ｆに第２リング部材２１ｅが、それぞれ設けられている。第１及び第２リング部材２１ｄ，２１ｅは、電気絶縁性を有する熱可塑性合成樹脂に軟磁性材粉を１０〜７０体積％混合した絶縁磁性材によってリング状に形成されている。前記熱可塑性合成樹脂としては、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），ＡＢＳ樹脂等を使用することができる。また、前記軟磁性材粉としては、Ｎｉ−ＺｎやＭｎ−Ｚｎ系のフェライト粉を使用することができる。第１リング部材２１ｄは、外周面に後述する複数の銅片２２ｂと対応するピッチで銅箔２１ｂを有している。第２リング部材２１ｅは、外周面に周方向へ中心角１８０°の範囲で設けられる銅箔２１ｃを有している。更に、第１ロータ２１は、前記フランジ外周に円筒状に形成されたスクリュー部材２５ａが取り付けられている。そして、第１ロータ２１は、前記フランジの上面に中心角１８０°の範囲に亘って半リング形状の銅製の薄板２９が設けられている。
【００２９】
第２ロータ２２は、熱可塑性合成樹脂からなり、円筒状に形成された内筒２２ａを有し、内筒２２ａには６枚の銅片２２ｂが中心角６０°の間隔で周方向に均等に配置して取り付けられている。熱可塑性合成樹脂としては、第１ロータ２１と同じものを使用することができる。
固定ケース２３は、図４に示すように、第１固定コア２７と第２固定コア２８を有している。両コア２７，２８は、リング部材２１ｄ，２１ｅと同一の絶縁磁性材を用いてリング状に形成されたコア本体に励磁コイルを収容してそれぞれ組み立てられる。更に、固定ケース２３は、回路基板２４、変位センサ２５及びピッチセンサ２６を有している。
【００３０】
回路基板２４は、第１固定コア２７の励磁コイルと第２固定コア２８の励磁コイルに接続され、特定周波数の信号を発信する発信回路を有し、前記第１の回転センサと第２の回転センサのそれぞれから検出された信号を相対回転角度に変換する回路を有する。このように、回路基板２４は、前記第１の回転センサと第２の回転センサのそれぞれから検出された信号を処理する。
【００３１】
変位センサ２５は、後述するスライドコア２５ｅの回転軸方向の移動に基づくコイルインダクタンスの変化を検出し、第１ロータ２１と固定ケース２３間の回転数を検出する。変位センサ２５は、スクリュー部材２５ａ、ねじ部２５ｂ、スライダ２５ｃ、ねじ部２５ｄ、スライドコア２５ｅ、コイル２５ｆ及びコア２５ｇを有している。ピッチセンサ２６は、第１及び第２ロータ２１，２２が基準位置から左方向１８０°内あるいは右方向１８０°内のいずれの回転位置にあるかを検出する。
【００３２】
回転センサ２０は、第１リング部材２１ｄを第１固定コア２７に、第２リング部材２１ｅを第２固定コア２８に、それぞれ対向させて、第１ロータ２１が第２ロータ２２に回転可能に取り付けられている。回転センサ２０は、６枚の銅片２２ｂを第１リング部材２１ｄと固定コア２７との間に配置して、第２ロータ２２が固定ケース２３に回転可能に取り付けられている。
【００３３】
ここで、前記第１の回転センサは、第１リング部材２１ｄ、第１固定コア２７及び銅片２２ｂを有し、回路基板２４によって特定周波数の信号を励磁コイルに発信し、第１ロータ２１と第２ロータ２２との間の相対回転角度を検出する。
一方、前記第２の回転センサは、第２リング部材２１ｅ、変位センサ２５、ピッチセンサ２６及び第２固定コア２８を有し、回路基板２４によって特定周波数の信号を励磁コイルに発信し、第１ロータ２１と固定ケース２３との間の相対回転角度を検出する。
【００３４】
以上のように構成される回転センサ２０は、第１ロータ２１を第１のシャフトに、第２ロータ２２を第２のシャフトに、それぞれ取り付けて、使用対象、例えば、ステアリング装置に後付けによって組み付けられる。このとき、回転センサ２０においては、第１ロータ２１の内筒２１ａと第２ロータ２２の内筒２２ａが、それぞれ回転センサ１０の第１ガイドリング１１ｃや第２ガイドリング１３ｃに対応するガイドリングとして機能する。
【００３５】
従って、回転センサ２０は、回転センサ１０と同様に、回転軸と一体化して製造する必要がなく、使用対象の設計上の制約がないうえ、小型化も容易である。
次に、本発明の回転センサの第２の実施形態について説明するが、第１の実施形態の回転センサ１０と構成が同一の部分については同一の符号を使用することで重複した説明を省略する。
【００３６】
回転センサ３０は、図５に示すように、第１ロータ１１、固定コア１２、第２ロータ１３及び相対回転角度測定装置１４（図２参照）を備えている。回転センサ３０は、第１ロータ１１のフランジ部１１ｂと固定コア１２の段部１２ｆとの間にベアリング１６が、第２ロータ１３の取付フランジ１３ａと固定コア１２の段部１２ｇとの間にベアリング１７が、それぞれ設けられている。
【００３７】
従って、回転センサ３０は、回転センサ１０と同様に、第１ロータ１１，固定コア１２及び第２ロータ１３がステアリング装置等の使用対象に後付けによって組み付けられるので、回転軸と一体化して製造する必要がなく、使用対象の設計上の制約がないうえ、小型化も容易である。
尚、上記実施形態は回転トルクを検出する回転センサの場合について説明したが、絶対回転角度を検出することもできる。
【００３８】
また、本発明の回転センサは、上記実施形態で説明した自動車のステアリングシャフトの他、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，回転角度，回転トルクを求めるものであれば、どのようなものにも使用できる。
【００３９】
【発明の効果】
請求項１乃至８の発明によれば、回転軸と一体化して製造する必要がなく、後付けが可能で使用対象の設計上の制約がないうえ、小型化が可能な回転センサを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の回転センサの第１の実施形態を示す断面図である。
【図２】図１の回転センサの相対回転角度測定装置の一例を示す回路ブロック図である。
【図３】第１のロータで使用するガイドリングの斜視図である。
【図４】図１の回転センサの変形例を示す断面図である。
【図５】本発明の回転センサの第２の実施形態を示す断面図である。
【符号の説明】
１０ 回転センサ
１１ 第１ロータ
１１ａ 銅箔（第１の複数の導体層）
１１ｃ 第１ガイドリング（回転ガイド）
１１ｄ 突起
１１ｅ 突条
１２ 固定コア
１２ａ コア本体
１２ｂ 励磁コイル
１２ｃ ケース
１２ｅ，１２ｆ 段部
１３ 第２ロータ
１３ａ 取付フランジ
１３ｂ 羽板
１３ｃ 第２ガイドリング（回転ガイド）
１４ 相対回転角度の測定装置
１６，１７ ベアリング（回転ガイド）
２０ 回転センサ
２１ 第１ロータ
２２ 第２ロータ
２３ 固定ケース
２５ 変位センサ
２６ ピッチセンサ
３０ 回転センサ

Claims (7)

1. 絶縁磁性材から筒状に成形され、周方向に配置される導体層を有し、回転する第１のシャフトの軸線方向所定位置に取り付けられる第１のロータ、励磁コイルを有し、前記第１のシャフトの軸線方向に間隔を置いて固定部材に固定される固定コア、前記導体層と対応して周方向に配置される非磁性金属体を有し、前記第１のロータに隣接し、前記第１のシャフトに対して相対回転する第２のシャフトに取り付けられ、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のロータ及び前記励磁コイルと接続され、特定周波数の発振信号を発振する発振手段を備えた回転センサにおいて、
   （ I ）前記第１のロータは、前記固定コアに対する前記第１のロータの回転を案内する第１のガイドリングを有し、
   （ II ）前記第２のロータは、前記固定コアに対する前記第２のロータの回転を案内する第２のガイドリングを有し、
   （ III ）前記第１のガイドリング及び前記第２のガイドリングは、それぞれ前記固定コアと係合することを特徴とする回転センサ。
2. 前記ガイドリングが、金属或いは合成樹脂から成形される、請求項１の回転センサ。
3. 前記第１及び第２のガイドリングは、外周及び上下の面に複数の突起が周方向に多数形成されている、請求項１の回転センサ。
4. 前記ガイドリングは、前記第１のロータと前記固定コアとの間及び前記第２のロータと前記固定コアとの間にそれぞれ配置されるベアリングである、請求項１の回転センサ。
5. 前記固定コアは、コア本体内に１つの励磁コイルを有する、請求項１の回転センサ。
6. 前記固定コアは、コア本体内に２つの励磁コイルを有する、請求項１の回転センサ。
7. 前記固定コアは、交流磁界を遮蔽するケースを有している、請求項１の回転センサ。

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