JP2002098506A

JP2002098506A - 回転センサ

Info

Publication number: JP2002098506A
Application number: JP2000288946A
Authority: JP
Inventors: Kosuke Yamawaki; 康介山脇; Fumihiko Abe; 文彦安倍; Toji Kin; 東治金; Kengo Tanaka; 賢吾田中; Masahiro Hasegawa; 正博長谷川; Kazuhiko Matsuzaki; 和彦松崎; 毅 ▲高▼見; Takeshi Takami
Original assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Current assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Priority date: 2000-09-22
Filing date: 2000-09-22
Publication date: 2002-04-05

Abstract

(57)【要約】【課題】左右いずれの回転位置であるかを識別可能
で、１８０度を超える回転角であっても測定でき、回転
角及び／又は回転トルクの測定が可能な回転センサを提
供する。【解決手段】第１及び第２のロータ２，３、第１及び
第２のロータの相対回転に伴う相対回転角を検出する相
対回転角コイル４ｆ及び回転角を検出する回転角コイル
４ｈを有する固定体４及び相対回転角コイル及び回転角
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１。第２のロータ３は、駆動
部３ｊが設けられ、固定体４は、固定体４に回転自在に
支持され、第２のロータの回転に伴って駆動部３ｊによ
って回転され、第３の導体61ｂを有するギア部材61と、
発振手段と接続されたコイルを有するコイル部材62とを
備え、第１及び第２のロータの回転に基づく第３の導体
61ｂとコイル部材62との間のコイルインダクタンスの変
化を検出する変位センサ６が設けられている。

Description

【発明の詳細な説明】

【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】

【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】絶縁磁
性材層と導体とを有する回転体（ロータ）と、励磁コイ
ルを有する固定体とを備え、相対回転する二本の回転
軸、例えば、トーションジョイントを介して二本の回転
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
角を検出する回転センサが知られている。

【０００３】ところで、上記した従来の回転センサは、
左右方向１８０度以内（１回転以内）の回転角を測定で
きるが、１８０度を越える回転角は測定できなかった。
また、測定した回転角が左右いずれの方向の角度である
かについては測定できず、別途回転方向を測定する必要
があった。この場合、回転センサは、用途によっては回
転角ではなく回転トルクの測定が求められることもあ
る。

【０００４】本発明は上記の点に鑑みてなされたもの
で、左右いずれの回転位置であるかを識別可能で、１８
０度を超える回転角であっても測定でき、回転角及び／
又は回転トルクの測定が可能な回転センサを提供するこ
とを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明においては上記目
的を達成するため、絶縁磁性材層と第１の導体とを有す
るロータ、励磁コイルと、絶縁磁性材から成形され、前
記励磁コイルを保持するコアとを有する固定体及び前記
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、前記ロータ
は、駆動部が設けられ、前記固定体は、当該固定体に回
転自在に支持され、前記ロータの回転に伴って前記駆動
部によって回転され、第２の導体を有するギア部材と、
前記発振手段と接続されたコイルを有するコイル部材と
を備え、前記ロータの回転に基づく前記第２の導体と前
記コイル部材との間のコイルインダクタンスの変化を検
出する変位センサが設けられている構成としたのであ
る。

【０００６】また、本発明においては上記目的を達成す
るため、絶縁磁性材層と第１の導体とを有するロータ、
前記ロータの相対回転角を検出する相対回転角コイル及
び前記ロータの回転角を検出する回転角コイルと、絶縁
磁性材から成形され、前記相対回転角コイルと回転角コ
イルとを保持するコアとを有する固定体及び前記相対回
転角コイル及び回転角コイルと接続され、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、前記ロータは、駆動部が設けられ、前記固定体は、
当該固定体に回転自在に支持され、前記ロータの回転に
伴って前記駆動部によって回転され、第２の導体を有す
るギア部材と、前記発振手段と接続されたコイルを有す
るコイル部材とを備え、前記ロータの回転に基づく前記
第２の導体と前記コイル部材との間のコイルインダクタ
ンスの変化を検出する変位センサが設けられている構成
としたのである。

【０００７】更に、本発明においては上記目的を達成す
るため、周方向に沿って所定間隔で配列される複数の第
１の導体を有する第１のロータ、絶縁磁性材層と第２の
導体とを有し、前記第１のロータと一体に回転すると共
に、前記第１のロータに対して所定の角度内を相対回転
する第２のロータ、励磁コイルと、絶縁磁性材から成形
され、前記励磁コイルを保持するコアとを有する固定体
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、前記
第２のロータは、駆動部が設けられ、前記固定体は、当
該固定体に回転自在に支持され、前記第２のロータの回
転に伴って前記駆動部によって回転され、第３の導体を
有するギア部材と、前記発振手段と接続されたコイルを
有するコイル部材とを備え、前記第１及び第２のロータ
の回転に基づく前記第３の導体と前記コイル部材との間
のコイルインダクタンスの変化を検出する変位センサが
設けられている構成としたのである。

【０００８】好ましくは、前記励磁コイルとして、前記
第１及び第２のロータの相対回転に伴う相対回転角を検
出する相対回転角コイルあるいは前記第１及び第２のロ
ータの前記固定体に対する回転角を検出する回転角コイ
ルの少なくとも一方を備える構成とする。また好ましく
は、前記相対回転角コイルからの出力信号を処理する第
１の信号処理手段と前記相対回転角の測定手段あるいは
前記回転角コイル及び変位センサからの出力信号を処理
する第２の信号処理手段と回転角の測定手段とを備える
構成とする。

【０００９】また、本発明においては上記目的を達成す
るため、周方向に沿って所定間隔で配列される複数の第
１の導体を有する第１のロータ、絶縁磁性材層と第２の
導体とを有し、前記第１のロータと一体に回転すると共
に、前記第１のロータに対して所定の角度内を相対回転
する第２のロータ、前記第１及び第２のロータの相対回
転に伴う相対回転角を検出する相対回転角コイル及び前
記第１及び第２のロータの回転角を検出する回転角コイ
ルと、絶縁磁性材から成形され、前記相対回転角コイル
と回転角コイルとを保持するコアとを有する固定体及び
前記相対回転角コイル及び回転角コイルと接続され、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、前記第２のロータは、駆動部が設けら
れ、前記固定体は、当該固定体に回転自在に支持され、
前記第２のロータの回転に伴って前記駆動部によって回
転され、第３の導体を有するギア部材と、前記発振手段
と接続されたコイルを有するコイル部材とを備え、前記
第１及び第２のロータの回転に基づく前記第３の導体と
前記コイル部材との間のコイルインダクタンスの変化を
検出する変位センサが設けられている構成としたのであ
る。

【００１０】好ましくは、前記相対回転角コイルからの
出力信号を処理する第１の信号処理手段と前記相対回転
角の測定手段並びに前記回転角コイル及び変位センサか
らの出力信号を処理する第２の信号処理手段と回転角の
測定手段とを備える構成とする。また好ましくは、導体
片と、前記発振手段と接続され、前記導体片と協働する
コイルとを有し、一方が前記固定体に、他方が前記第２
のロータに、それぞれ設けられ、前記第２のロータの回
転に基づくコイルインダクタンスの変化を検出するピッ
チセンサが設けられている構成とする。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の回転センサに係る
一実施形態を図１乃至図１３に基づいて詳細に説明す
る。回転センサ１は、図１乃至図４並びに図６に示すよ
うに、第１ロータ２、第２ロータ３、固定ケース４、変
位センサ６、発振手段を構成する発振回路１１、第１信
号処理手段を構成する信号処理増幅回路１５、相対回転
角の測定手段を構成する相対回転角度測定部２２、第２
信号処理手段を構成する信号処理増幅回路１６〜１８及
び回転角の測定手段を構成する回転角度測定部２３を備
えている。回転センサ１は、回転軸、例えば、主動シャ
フトと従動シャフトがトーションバーを介して連結され
た自動車のステアリングシャフトにおける回転角と回転
トルクを検出する。

【００１２】ここで、第１ロータ２と第２ロータ３は、
図１に示す回転軸Ａrtに対して一体に回転すると共に、
前記主動シャフトが前記従動シャフトに対して相対回転
するのに対応して所定角度内を相対回転する。両ロータ
２，３は、例えば、前記主動シャフトが前記従動シャフ
トに対して±８度の範囲内で相対回転するとき、同じく
±８度の範囲内で相対回転する。

【００１３】また、図２，３は、図１に示す回転センサ
１をＣ1−Ｃ1線及びＣ2−Ｃ2線に沿って切断した断面図
であるが、主要な部材の位置関係を明確にするため、見
えない部材も描かれている。第１ロータ２は、成型性に
優れた電気絶縁性の合成樹脂から筒状に成形され、上部
に半径方向内方へ張り出すフランジを有する本体２ａ
と、図１及び図２に示すように、本体２ａの外周に設け
られた複数、本実施形態では６枚の銅片２ｂとを有して
いる。複数の銅片２ｂは、第１の導体で、本体２ａの周
方向に沿って中心角３０度の間隔で回転軸Ａrt方向に延
出している。但し、銅片２ｂは、導体であれば、例え
ば、アルミニウム，銀等の素材を使用することができ、
高周波磁界を遮蔽するうえで、第１ロータ２と固定ケー
ス４との半径方向のギャップに基づく磁気抵抗を考慮す
ると、0.１〜0.５ｍｍ程度の厚さが望ましい。更に、銅
片２ｂは、理論上、中心角を小さくして配置間隔を小さ
くする程、前記導体としての数が多くなり、誘導される
トータル渦電流の変化量（導体の数に比例する）が大き
くなって、相対回転角の検出感度が高くなるが、測定で
きる相対回転角範囲が小さくなる。

【００１４】第２ロータ３は、成型性に優れた電気絶縁
性の合成樹脂から成形され、図１及び図４に示すよう
に、本体２ａよりも小径に成形された筒状の本体３ａ、
フランジ３ｄ、第１支持部３ｅ及び第２支持部３ｈを有
している。本体３ａは、第１絶縁磁性材層３ｂの外周に
銅板３ｃが複数の銅片２ｂと対応するピッチで設けられ
ている。銅板３ｃは、後述する銅板３ｇと共に第２の導
体となる。フランジ３ｄは、本体３ａから水平方向へ延
出し、半径方向中間に第１支持部３ｅが、外縁に第２支
持部３ｈが、それぞれ筒状に形成されている。第１支持
部３ｅは、第２絶縁磁性材層３ｆを支持する部分で、第
２絶縁磁性材層３ｆの外周には、中心角１８０度の範囲
で銅板３ｇが周方向に設けられている。第２支持部３ｈ
は、後述するピッチセンサ７の銅板７ａを支持してい
る。第２支持部３ｈは、図２，３，４に示すように、外
周下部に半径方向外方へ突出する駆動突起３ｊが設けら
れている。

【００１５】ここで、第１絶縁磁性材層３ｂ及び第２絶
縁磁性材層３ｆの素材は、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），ＡＢ
Ｓ樹脂等の電気絶縁性を有する熱可塑性合成樹脂に、Ｎ
ｉ−ＺｎやＭｎ−Ｚｎ系等のフェライトからなる軟磁性
材粉を１０〜７０体積％混合したものを使用する。固定
ケース４は、交流磁界の遮蔽性を有するアルミニウム，
銅，鉄等の金属によって形成される固定体で、図１及び
図４に示すように、円筒状に成形される本体４ａの上部
に、半径方向内側へ延出する上フランジ４ｂが一体に形
成され、第１支持部４ｄ及び第２支持部４ｅを有してい
る。上フランジ４ｂは、上面の内周側に周方向に周壁４
ｃが形成され、後述する上カバー９ａとの間に回路基板
５が配置されている。また、上フランジ４ｂは、下面の
半径の異なる同心円上の位置に第１支持部４ｄ及び第２
支持部４ｅが形成されている。第１支持部４ｄは、図１
及び図４に示すように、第２ロータ３の第１支持部３ｅ
よりも僅かに半径が小さく、内周には回転トルク検出用
の励磁コイルである相対回転角コイル４ｆを保持したコ
ア４ｇが設けられている。一方、第２支持部４ｅは、図
示のように、第２ロータ３の第２支持部３ｈよりも半径
が小さく、内周には回転トルク検出用の励磁コイルであ
る回転角コイル４ｈを保持したコア４ｊが設けられてい
る。回転角コイル４ｈ及びコア４ｊは、内周面に中心角
１８０度の範囲で銅板４ｋが周方向に設けられている。
コア４ｇ，４ｊは、第１絶縁磁性材層３ｂ及び第２絶縁
磁性材層３ｆと同じ素材が使用されている。

【００１６】ここで、相対回転角コイル４ｆ及び回転角
コイル４ｈは、後述する変位センサ６の信号コイル６２
ｂ及びピッチセンサ７のコイル７ｃと共に、固定ケース
４から外部へ延出させた電線（図示せず）によって発振
回路１１及び分周回路１２と接続され、発振回路１１及
び分周回路１２から交流電流が流されている。本実施形
態では、各コイルが同じ発振回路１１及び分周回路１２
と接続され、同じ信号周波数を使用しているが、異なる
信号周波数を使用することも可能である。即ち、各コイ
ルは、それぞれ信号周波数の異なる発振回路１１及び分
周回路１２と接続してもよい。これにより、回転センサ
１においては、コア４ｇと第１絶縁磁性材層３ｂ並びに
コア４ｊと第２絶縁磁性材層３ｆとの間に磁気回路Ｃm
（図４参照）が形成される。

【００１７】また、回路基板５は、図１，４には示して
いないが、以下に詳述する発振回路１１、相対回転角コ
イル４ｆからの出力信号を処理する第１信号処理手段、
相対回転角の測定手段、回転角コイル４ｈ及び変位セン
サ６からの出力信号を処理する第２信号処理手段、回転
角の測定手段及びコントローラが配置されると共に、こ
れらに関する電気回路が形成されている。

【００１８】一方、固定ケース４は、図１及び図４に示
すように、上部と下部にそれぞれ上カバー９ａと下カバ
ー９ｂを有するカバー９が取り付けられる。変位センサ
６は、第１及び第２ロータ２，３の回転に基づく後述す
る銅板６１ｂとコイル部材６２の信号コイル６２ｂとの
間のコイルインダクタンスの変化を検出するセンサで、
図２乃至図４に示すように、間欠ギア６１とコイル部材
６２とを備えている。

【００１９】間欠ギア６１は、図２乃至図４に示すよう
に、上面に円盤状のコア６１ａが設けられている。コア
６１ａは、コイル部材６２側の上面に銅板６２ａと対向
する半円形の銅板６１ｂが取り付けられている。間欠ギ
ア６１は、外周部に中心角４５度間隔で歯を軸に対して
放射状に突出させて設けたギア部６１ｃが形成されてい
る。間欠ギア６１は、ギア部６１ｃが第２ロータ３に設
けられた駆動突起３ｊと間欠的に噛み合い、両ロータ
２，３が１回転する毎に中心角４５度ずつ回転する。

【００２０】コイル部材６２は、半円形の銅板６２ａと
信号コイル６２ｂを有し、信号コイル６２ｂは第１絶縁
磁性材層３ｂと同じ素材からなるコア６２ｃに保持され
ている。一方、銅板６２ａは、信号コイル６２ｂの下側
を覆っている。信号コイル６２ｂは、図示していない
が、図６に示す発振手段および第２信号処理手段と接続
され、前記発振手段から流れる一定周波数の交流電流に
よりコイル部材６２とコア６１ａとによって構成される
磁気回路に交流磁界が形成される。

【００２１】また、ピッチセンサ７は、第１及び第２ロ
ータ２，３が基準位置から左方向１８０内あるいは右方
向１８０内のどちらの回転位置にあるかを検出する。ピ
ッチセンサ７は、一方が固定ケース４に、他方が第２ロ
ータ３に、それぞれ設けられている。即ち、ピッチセン
サ７は、図１乃至図３に示すように、第２ロータ３の第
２支持部３ｈ内側に周方向へ半円の範囲に設けられる銅
板７ａと、固定ケース４に設けられるコア７ｂ、コイル
７ｃ及び銅板７ｄとを有している。銅板７ｄは、図５に
示すようにスリット７ｅが形成されている。ここで、ピ
ッチセンサ７は、実用上所定の精度を確保するうえで、
コイル７ｃの直径をＤ、スリット７ｅの幅をＷsとした
とき、幅Ｗsの対直径比（＝Ｗs／Ｄ）を以下の範囲に設
定する。１／５０≦Ｗs／Ｄ≦１／３

【００２２】好ましくは、対直径比（＝Ｗs／Ｄ）は１
／１０以上とする。次に、図６乃至図１２を用いて回転
センサ１による相対回転角度及び回転角度測定を説明す
る。図６は、回転センサ１に係る回転角度測定装置（以
下、単に「測定装置」という）１０の一例を示すブロッ
ク図である。

【００２３】図６において、測定装置１０は、発振信号
を発振する発振回路１１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１２と、上述した
複数の銅片２ｂ、第１絶縁磁性材層３ｂ、銅板３ｃ、相
対回転角コイル４ｆ及びコア４ｇを有するトルクセンサ
１３と、上述した第２絶縁磁性材層３ｆ、銅板３ｇ、回
転角コイル４ｈ、コア４ｊ及び銅箔４ｋを有する回転角
センサ１４と、変位センサ６と、ピッチセンサ７と、ト
ルクセンサ１３からの信号を処理する信号処理増幅回路
１５と、回転角センサ１４、変位センサ６及びピッチセ
ンサ７からの信号をそれぞれ処理する信号処理増幅回路
１６〜１８と、信号処理増幅回路１５〜１７からの信号
をそれぞれアナログ／デジタル変換するＡ／Ｄコンバー
タ１９〜２１と、Ａ／Ｄコンバータ１９からのデジタル
信号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２２と、信号処理増幅回路１８及びＡ／Ｄコンバー
タ２０，２１からのデジタル信号に基づいて回転角度を
測定する回転角度測定部２３とを有している。

【００２４】以上のように構成される回転センサ１は、
例えば、主動シャフトと従動シャフトがトーションバー
を介して連結された自動車のステアリングシャフトにお
ける回転角、回転数及び回転トルクを検出するときに、
以下のようにして使用される。即ち、回転センサ１は、
ステアリングシャフトの回転に伴って第１ロータ２が第
２ロータ３と共に回転すると、間欠ギア６１が第２ロー
タ３の駆動突起３ｊによって１回転毎に１ピッチ回転さ
せられる。

【００２５】このとき、測定装置１０において、発振回
路１１は、分周回路１２を介して特定周波数のパルス信
号を各センサ６，７，１３，１４に出力している。相対
回転角コイル４ｆには、交流電流が流され、第２ロータ
の第１絶縁磁性材層３ｂと協働して磁気回路を形成して
いる。トルクセンサ１３は、ロータに発生する渦電流の
大きさに応じて変化するコイルのインダクタンスを検出
する。第１信号処理手段は、相対回転角コイル４ｆに接
続された分周回路１２から入力するパルス信号の位相シ
フト量を検出する。

【００２６】信号処理増幅回路１５は、相対回転角コイ
ル４ｆのインダクタンスの変化量を検出し、それを対応
する電圧値の信号に処理し、前記信号をＡ／Ｄコンバー
タ１９を介して相対回転角度測定部２２に出力する。相
対回転角度測定部２２は、例えば図６に示すように、変
換された信号の電圧値０．５Ｖ〜４．５Ｖに基づき、２
つのロータの相対回転角度を−８°〜＋８°の範囲で測
定する。

【００２７】回転角コイル４ｈには、交流電流が流さ
れ、第２ロータ３の第２絶縁磁性材層３ｆと協働して磁
気回路を形成している。回転角センサ１４は、信号処理
増幅回路１６と共に、ロータに発生する渦電流の大きさ
に応じて、回転角コイル４ｈに接続された分周回路１２
から入力するパルス信号の位相シフト量を検出する。つ
まり、回転角センサ１４は、回転角コイル４ｈ両端のパ
ルス信号の位相ずれ量を検出しており、回転時に第２絶
縁磁性材層３ｆの銅板３ｇとコア４ｊの銅板４ｋとの円
周方向の重なり代が変化し、これに伴う回転角コイル４
ｈとコア４ｊ間の磁束の変化により、図７（ａ）に示す
ように左右１８０°内の回転角（Ｓ1）を検出してい
る。

【００２８】ここで、図７において、（ｂ）はピッチセ
ンサ７の出力（Ｓ2）、（ｃ）は（ａ）と（ｂ）の出力
を組み合わせて得られるロータ２，３の回転角度に関す
る情報であるファイン出力で、下部に記載したように、
角度が０〜３６０°の範囲で繰り返されていることに注
意されたい。また、（ｄ）は変位センサ６の出力（Ｓ
3）、（ｅ）は回転角度測定部２３の出力、をそれぞれ
示している。

【００２９】処理増幅回路１６は、検出された位相シフ
ト量を対応する電圧値の信号に処理し、前記信号をＡ／
Ｄコンバータ２０を介して回転角度測定部２３に出力す
る。また、回転センサ１においては、間欠ギア６１は、
第２ロータ３が１回転する毎に駆動突起３ｊがギア部６
１ｃと噛み合って中心角４５度ずつ間欠的に回転する。
これに伴い、第２ロータ３が１回転する毎に、銅板６１
ｂが中心角４５度ずつ回転し、半円形の銅板６２ａ，６
１ｂの重なる部分が、図８（ａ）〜図８（ｅ）に示すよ
うに、中心角４５度ずつ変化する。ここにおいて、図８
（ａ）〜図８（ｅ）は、第２ロータ３の回転を基準とし
て、図８（ａ）が左方向へ２回転（Ｎ＝−２）、図８
（ｂ）が左方向へ１回転（Ｎ＝−１）、図８（ｃ）が左
右方向へ回転していない場合（Ｎ＝０）、図８（ｄ）が
右方向へ１回転（Ｎ＝＋１）、図８（ｅ）が右方向へ２
回転（Ｎ＝＋２）、をそれぞれ示している。

【００３０】更に、信号コイル６２ｂは、図示していな
いが、図６に示す発振手段および第２信号処理手段と接
続され、前記発振手段から流れる一定周波数の交流電流
によりコイル部材６２とコア６１ａとによって構成され
る磁気回路に交流磁界が形成される。これにより、回転
センサ１は、固定コア６２と間欠ギア６１とに対向して
設けられた半円形の銅板６２ａと銅板６１ｂとが交流磁
界を横切ることによって、渦電流が生ずる。

【００３１】このとき、発生する渦電流の量は、銅板６
２ａと銅板６１ｂとの重なる面積が少ない程大きくな
る。この渦電流量の変動により、回転センサ１において
は、信号コイル６２ｂのインピーダンスが変動する。従
って、回転センサ１は、間欠ギア６１のギア部６１ｃと
第２ロータ３の駆動突起３ｊとが噛み合って回転すると
きは、コイル６２ｂのインピーダンスは大きく変動し、
ギア部６１ｃと駆動突起３ｊが噛み合わず、間欠ギア６
１が回転しないときは、コイル６２ｂのインピーダンス
は変化しない。

【００３２】このように、回転センサ１においては、コ
イル６２ｂのインピーダンスが第２ロータ３が１回転す
る毎に間欠的に変動する。これにより、上記第２信号処
理手段の出力レベルは、コイル６２ｂのインピーダンス
の間欠変動量によって変動する。図９は、そのときの出
力信号レベル（Ｖ）を左右方向の回転角度に対して示し
たものである。

【００３３】信号処理増幅回路１７は、銅板６１ｂの位
置変化によって検出される信号コイル６２ｂのコイルイ
ンダクタンスの変化量を対応する電圧値の信号に処理し
て変換し、前記信号をＡ／Ｄコンバータ２１を介して回
転角度測定部２３に出力する。ピッチセンサ７は、銅板
７ａとスリット７ｅとの相対位置関係（重なっているか
いないかの関係）によるコイル７ｃとコア７ｂ間の磁束
の変化により、図７（ｂ）に示すような“１”又は
“０”のデジタル信号を１８０°毎に出力する。

【００３４】信号処理増幅回路１８は、検出された相対
位置関係の変化量を対応する電圧値のデジタル信号に処
理し、前記信号を回転角度測定部２３に出力する。回転
角度測定部２３は、変位センサ６、ピッチセンサ７及び
回転角センサ１４から入力する信号の組み合わせによっ
て、例えば主動シャフトと従動シャフトがトーションバ
ーを介して連結された自動車のステアリングシャフトに
おける回転角度を測定する。すなわち、本実施形態の回
転角度測定部２３では、上述した回転角センサ１４とピ
ッチセンサ７の出力の関係によって、−１８０°〜０°
と０°〜１８０°のいずれの範囲内の変化であるかを認
識でき、さらにその時の変位センサ６の出力との関係に
よって実際の回転角度が測定される。図７（ｃ）は、ピ
ッチセンサ７及び回転角センサ１４から得られる信号の
関係を用いて、回転角度０〜３６０°の波形を繰り返し
表わしたファイン出力で、この図に基づいて前記ステア
リングシャフトの１回転毎の回転角度を高分解能の下に
測定することができる。図７（ｅ）は、変位センサ６、
ピッチセンサ７及び回転角センサ１４からの信号の関係
を、有限の回転角度−９００°〜９００°の範囲内で表
した波形であり、これによって回転角度を測定する。

【００３５】このとき、回転角センサ１４の出力（Ｓ
1）は、図７（ａ）に示したように、回転数が０回から
１回に跨り（図７（ｂ）参照）、回転角度が図７（ｅ）
に示す０°〜１８０°の場合と１８０°〜３６０°の場
合とを比較すると、１８０°を対称の軸として左右対称
で、出力値が同一となる。これは他の角度範囲であって
も同様である。このため、図７（ａ）に示す回転角セン
サ１４の出力のみでは、１回転毎の回転角度（０〜３６
０°）及び回転数を測定することができない。

【００３６】そこで、本実施形態の回転センサ１では、
回路基板５に配置した前記コントローラが、回転角セン
サ１４の出力（Ｓ1）の他に、ピッチセンサ７からの出
力（Ｓ2）を以下のように利用してロータ２，３の回転
数を判定する。即ち、前記コントローラは、例えば０°
〜３６０°の範囲において、図１１に示すように、回転
角センサ１４の出力（Ｓ1）を読み出し(ステップＳ１０
０)、変数Ｓ1として記憶する(ステップＳ１０２)。

【００３７】次に、前記コントローラは、ピッチセンサ
７の出力（Ｓ2）を読み出し(ステップＳ１０４)、変数
Ｓ2として記憶する(ステップＳ１０６)。次いで、コン
トローラは、読み出した出力値Ｓ2がＳ2＝１か否かを判
定する(ステップＳ１０８)。この判定結果が肯定（Ｙｅ
ｓ）ならば、図７（ｃ）から決まるファイン出力Ｓfine
はＳfine＝Ｓ1（ステップＳ１１０）、否定（Ｎｏ）な
らば、同じくファイン出力ＳfineはＳfine＝３６０−Ｓ
1となる（ステップＳ１１２）。従って、コントローラ
は、この判定結果を変数Ｓfineに記憶し、ファイン出力
Ｓfineとして出力する（ステップＳ１１４）。

【００３８】一方、変位センサ６の出力（Ｓ3）は、図
７（ｄ）に示すように、出力が一定の平坦な区間（間欠
ギア６１が第２ロータ３の駆動突起３ｊと噛み合わずに
回転しない区間）と、隣接する出力値へ変化する斜めの
区間（間欠ギア６１が第２ロータ３の駆動突起３ｊと噛
み合って回転する区間）とがある。このとき、変位セン
サ６の出力（Ｓ3）が変化する斜めの区間は、図７
（ｂ）に示すように、回転数が変化する区間で、この区
間内には回転数＝Ｎ（回転数の小さい側）と回転数＝Ｎ
＋１（回転数の大きい側）の双方の場合が存在し、回転
数の判断が難しい区間である。また、変位センサ６の出
力（Ｓ3）が一定の平坦な区間であっても、各出力信号
のレベルはある誤差範囲を有している。例えば、図７
（ｄ）に示す例では誤差範囲は±0.06Ｖである。

【００３９】このため、本発明の回転センサ１において
は、前記コントローラが、回転角センサ１４の出力（Ｓ
1）とピッチセンサ７の出力（Ｓ2）とを利用し、変位セ
ンサ６の出力（Ｓ3）に基づいて以下のようにして回転
数を正確に判定する。先ず、コントローラは、図１２に
示すように、変位センサ６の出力（Ｓ3）を読み出し(ス
テップＳ１１６)、変数Ｓ3として記憶する(ステップＳ
１１８)。

【００４０】次に、コントローラは、図７（ｃ）に基づ
いてファイン出力Ｓfineをチェックする。このチェック
は、ファイン出力Ｓfineの値が、４５°よりも小さいか
否か（Ｓfine≦４５°）、３１５°よりも大きいか否か
（Ｓfine≧３１５°）を判定するチェックである（ステ
ップＳ１２０）。このとき、４５°〜３１５°の角度範
囲は、図７（ｄ）において回転数が変化しない区間より
やや大きめに設定した図７（ｃ）における角度である。

【００４１】この結果、ファイン出力Ｓfineの値が４５
°から３１５°の範囲にあり（４５°＜Ｓfine＜３１５
°）、判定結果が否定（Ｎｏ）の場合、図７（ｃ）に示
すように、ロータ２，３の回転角度は図７（ｄ）に示す
変位センサ６の出力（Ｓ3）が一定の平坦な区間に存在
する。従って、コントローラは、予め設定した表１に基
づいて回転数Ｎを決定する（ステップＳ１２２）。

【００４２】ここで、表１において、出力（Ｓ3）の値
が各回転数Ｎの境界で連続せずに不連続な値としたの
は、図７（ｄ）の回転数が変化する区間を除外するため
である。

【００４３】

【表１】

【００４４】一方、図７（ｃ）におけるファイン出力Ｓ
fineの値が４５°以下か、３１５°以上の範囲にあり
（Ｓfine≦４５°，Ｓfine≧３１５°）、判定結果が肯
定（Ｙｅｓ）の場合、ロータ２，３の回転角度は図７
（ｄ）に示す変位センサ６の出力（Ｓ3）が変化する斜
めの区間にある。このため、コントローラは、ピッチセ
ンサ７の出力（Ｓ2）を利用し、その出力（Ｓ2）が１か
否かを判定する（ステップＳ１２８）。ここで、変位セ
ンサ６の出力（Ｓ3）が変化する斜めの区間が、例え
ば、図７（ｅ）に示す角度で見たときに−５４０°に相
当する斜めの区間の場合について説明する。

【００４５】この判定結果が否定（Ｎｏ）の場合、出力
がＳ2＝０の場合であるから、ロータ２，３の回転角度
は、図７（ｅ）の−５４０°の角度を挟んで左側の、図
７（ｂ）に示す回転数が−２側の小さい側に存在する。
従って、コントローラは、予め設定した表２に基づいて
回転数Ｎを決定する（ステップＳ１２６）。

【００４６】

【表２】

【００４７】ステップＳ１２８における判定結果が肯定
（Ｙｅｓ）の場合、出力がＳ2＝１の場合であるから、
ロータ２，３の回転角度は、図７（ｅ）の−５４０°の
角度を挟んで右側の、図７（ｂ）に示す回転数が−１側
の大きい側に存在する。従って、コントローラは、予め
設定した表３に基づいて回転数Ｎを決定する（ステップ
Ｓ１２８）。

【００４８】

【表３】

【００４９】従って、コントローラは、決定した回転数
を記憶しておく（ステップＳ１３０）。回転センサ１の
コントローラにおいては、以下同様の作業が繰り返され
てロータ２，３の回転数が記憶される。ここで、表１は
変位センサ６の出力（Ｓ3）の最大値と最小値を中間値
±0.1Ｖ、表２は同じく中間値＋0.2，中間値−0.1、表
３は同じく中間値＋0.1，中間値−0.2、にそれぞれ設定
した。

【００５０】このように、本実施形態の回転センサ１
は、トルクセンサ１３で検出されるパルス信号の位相シ
フト量から主動シャフトと従動シャフトに作用する回転
トルクを求めることができる。また、回転センサ１は、
変位センサ６、ピッチセンサ７及び回転角センサ１４の
出力の関係から、これらシャフトにおける回転角度を正
確に測定することができる。

【００５１】ところで、実際に回転センサ１に各センサ
を取り付ける際に、ピッチセンサ７の信号の切り替え位
置と、回転角センサ１４の出力（角度信号）が例えば０
°、１８０°、３６０°、……になる位置とをできるだ
け一致させるが、現実には取り付け精度の差によって若
干誤差が生じてしまう。すなわち、回転角センサ１４と
ピッチセンサ７の出力波形を示す図１０のように、例え
ば、ピッチセンサ７の“０”から“１”の切り替え位置
と、回転角センサの１８０°の位置間に、εというずれ
がある場合、１８０°までは、正確に実際の回転角度を
出力できるが、１８０°から１８０°＋εまでは、１８
０°−（Ｓ−１８０°）となる。ここで、Ｓは、角度信
号に基づいて求める回転角度Ｓである。

【００５２】つまり、実際の角度信号は１８０°を超え
ているのに１８０°より小さい角度信号が逆に出力さ
れ、１８０°＋εを過ぎると、実際の角度信号が出力さ
れて回転角度が１８０°近辺で検出できない角度が存在
し、測定範囲の連続性が損なわれるという問題点があっ
た。このとき、前記ずれεが小さいほど取り付け精度は
上がる。しかし、ピッチセンサ７の取り付けを高精度に
すると、回転センサ１の製作コストが高くなってしま
う。

【００５３】そこで、本実施形態の信号処理増幅回路１
６では、回転角センサ１４からの信号を取り込むと、前
記信号に基づいて求める回転角度Ｓが、例えば１７９．
５°≦Ｓ≦１８０．５°の範囲かどうか判断し、前記範
囲内ならば求める回転角度を１８０°として、対応する
電圧値の信号を出力し、また前記範囲外ならばピッチセ
ンサ７からの信号を取り込み前記信号が“１”かどうか
判断し、“１”ならば（３６０−Ｓ）の回転角度に対応
する電圧値の信号を出力し、“１”でなければ回転角度
Ｓに対応する電圧値の信号を出力するようにする。な
お、上記信号処理は、回転角センサが出力する三角波形
からなる角度信号の上限点及び下限点として示される回
転角度である−７２０°、−５４０°、−３６０°、−
１８０°、０°、１８０°、３６０°、５４０°、７２
０°付近において同様に行う。

【００５４】これにより、本実施形態の回転センサ１で
は、前記三角波形の上限点及び下限点の回転角度近辺で
のピッチセンサ７の信号の切り替え位置と、回転角セン
サ１４の信号の位置が一致し、取り付け精度が向上し、
連続性のある回転角度検出が可能となる。以上のよう
に、本実施形態の回転センサ１は、第１及び第２ロータ
２，３の回転によるコイルのインピーダンスの変動を検
出するために、位相シフト量を検出する場合に基づいて
説明した。しかし、本発明の回転センサは、信号周波数
や信号振幅の変動を検出することで回転によるコイルの
インピーダンスの変動を検出してもよい。

【００５５】また、本発明の回転センサは、少なくとも
ギア部材とコイル部材とを備えた変位センサ６が固定ケ
ース４に設けられ、第２ロータ３に駆動突起３ｊが設け
られていればよい。このため、本発明の回転センサは、
第１ロータ２はなくてもよい。なお、本発明の回転セン
サは、前記実施形態の回転センサ１に限定されるもので
はなく、種々の変形実施形態が可能である。例えば、前
記実施形態の回転センサ１においては、ロータ２，３の
相対回転角に基づいて回転トルクを検出すると共に、ロ
ータ２，３の固定ケース４に対する回転角及び回転数を
高精度に求めたが、実用上の検出精度に問題がなけれ
ば、図１３の回転センサの回転角度測定装置１０の一例
を示す回路図に示すように、ピッチセンサ７を省略して
もよい。

【００５６】この場合には、それほど高くない検出精度
において、予め回転角度（回転数）に対応する変位セン
サ６の出力信号を設定しておき、この関係によって簡易
的に回転数を検出することが可能となる。また、回転セ
ンサ１は、所望に応じて一方を所略し、回転トルクある
いは回転角のいずれか一方を検出する構成としてもよ
い。

【００５７】また、上記実用上の検出精度を問題にしな
いのであれば、回転角センサを省いて、変位センサと少
なくとも１つピッチセンサの出力の組み合わせによって
も回転角度（回転数）を検出することが可能である。一
方、回転センサ１は、所望に応じて一方を所略し、回転
トルクあるいは回転角のいずれか一方を検出する構成と
してもよい。

【００５８】更に、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。

【００５９】

【発明の効果】請求項１乃至８の発明によれば、左右い
ずれの回転位置であるかを識別可能で、１８０度を超え
る回転角であっても測定でき、回転角及び／又は回転ト
ルクの測定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断面正面図である。

【図２】図１の回転センサをＣ1−Ｃ1線に沿って切断し
た矢視図である。

【図３】図１の回転センサをＣ2−Ｃ2線に沿って切断し
た矢視図である。

【図４】図１の回転センサの左半断面図である。

【図５】ピッチセンサと銅箔との配置を、他の構成部材
を省略して示す断面正面図である。

【図６】回転センサにおける回転角度測定装置の構成の
一例を示すブロック図である。

【図７】図６に示した各センサと回転角度測定部での出
力波形を示す波形図である。

【図８】間欠ギアが回転した際における固定コアと間欠
ギアの双方の銅板の重なり状態の変化を回転数毎に示し
た摸式図である。

【図９】間欠ギアと組み合わせたコイルの出力波形図で
ある。

【図１０】回転角センサとピッチセンサの出力の関係を
説明するための部分波形図である。

【図１１】回転数の判定について説明する第１のフロー
トチャートである。

【図１２】回転数の判定について説明する第２のフロー
トチャートである。

【図１３】回転センサにおける回転角度測定装置の構成
の他の例を示すブロック図である。

【符号の説明】

１回転センサ２第１ロータ３第２ロータ４固定ケース５回路基板６変位センサ７ピッチセンサ１０測定装置１１発振回路１２分周回路１３トルクセンサ１４回転角センサ１５〜１８信号処理増幅回路１９〜２１Ａ／Ｄコンバータ２２相対回転角度測定部２３回転角度測定部６１間欠ギア６２コイル部材

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｇ０１Ｌ 3/10 Ｇ０１Ｌ 3/10 Ｆ (72)発明者金東治東京都千代田区丸の内２丁目６番１号古河電気工業株式会社内 (72)発明者田中賢吾東京都千代田区丸の内２丁目６番１号古河電気工業株式会社内 (72)発明者長谷川正博東京都千代田区丸の内２丁目６番１号古河電気工業株式会社内 (72)発明者松崎和彦東京都千代田区丸の内２丁目６番１号古河電気工業株式会社内 (72)発明者 ▲高▼見毅東京都千代田区丸の内２丁目６番１号古河電気工業株式会社内Ｆターム(参考） 2F063 AA35 CA10 CA40 DA05 DD04 EA03 GA08 GA33 GA36 KA01 2F077 AA30 AA37 AA49 CC02 CC09 FF03 FF31 FF39 VV02 3D030 DC27 3D033 CA16 CA17 CA28 CA29 DB05

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】絶縁磁性材層と第１の導体とを有するロ
ータ、励磁コイルと、絶縁磁性材から成形され、前記励磁コイ
ルを保持するコアとを有する固定体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、前記ロータは、駆動部が設けられ、前記固定体は、当該固定体に回転自在に支持され、前記
ロータの回転に伴って前記駆動部によって回転され、第
２の導体を有するギア部材と、前記発振手段と接続され
たコイルを有するコイル部材とを備え、前記ロータの回
転に基づく前記第２の導体と前記コイル部材との間のコ
イルインダクタンスの変化を検出する変位センサが設け
られていることを特徴とする回転センサ。
【請求項２】絶縁磁性材層と第１の導体とを有するロ
ータ、前記ロータの相対回転角を検出する相対回転角コイル及
び前記ロータの回転角を検出する回転角コイルと、絶縁
磁性材から成形され、前記相対回転角コイルと回転角コ
イルとを保持するコアとを有する固定体及び前記相対回
転角コイル及び回転角コイルと接続され、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、前記ロータは、駆動部が設けられ、前記固定体は、当該固定体に回転自在に支持され、前記
ロータの回転に伴って前記駆動部によって回転され、第
２の導体を有するギア部材と、前記発振手段と接続され
たコイルを有するコイル部材とを備え、前記ロータの回
転に基づく前記第２の導体と前記コイル部材との間のコ
イルインダクタンスの変化を検出する変位センサが設け
られていることを特徴とする回転センサ。
【請求項３】周方向に沿って所定間隔で配列される複
数の第１の導体を有する第１のロータ、絶縁磁性材層と第２の導体とを有し、前記第１のロータ
と一体に回転すると共に、前記第１のロータに対して所
定の角度内を相対回転する第２のロータ、励磁コイルと、絶縁磁性材から成形され、前記励磁コイ
ルを保持するコアとを有する固定体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、前記第２のロータは、駆動部が設けられ、前記固定体は、当該固定体に回転自在に支持され、前記
第２のロータの回転に伴って前記駆動部によって回転さ
れ、第３の導体を有するギア部材と、前記発振手段と接
続されたコイルを有するコイル部材とを備え、前記第１
及び第２のロータの回転に基づく前記第３の導体と前記
コイル部材との間のコイルインダクタンスの変化を検出
する変位センサが設けられていることを特徴とする回転
センサ。
【請求項４】前記励磁コイルとして、前記第１及び第
２のロータの相対回転に伴う相対回転角を検出する相対
回転角コイルあるいは前記第１及び第２のロータの前記
固定体に対する回転角を検出する回転角コイルの少なく
とも一方を備える、請求項１の回転センサ。
【請求項５】前記相対回転角コイルからの出力信号を
処理する第１の信号処理手段と前記相対回転角の測定手
段あるいは前記回転角コイル及び変位センサからの出力
信号を処理する第２の信号処理手段と回転角の測定手段
とを備える、請求項２の回転センサ。
【請求項６】周方向に沿って所定間隔で配列される複
数の第１の導体を有する第１のロータ、絶縁磁性材層と第２の導体とを有し、前記第１のロータ
と一体に回転すると共に、前記第１のロータに対して所
定の角度内を相対回転する第２のロータ、前記第１及び第２のロータの相対回転に伴う相対回転角
を検出する相対回転角コイル及び前記第１及び第２のロ
ータの回転角を検出する回転角コイルと、絶縁磁性材か
ら成形され、前記相対回転角コイルと回転角コイルとを
保持するコアとを有する固定体及び前記相対回転角コイ
ル及び回転角コイルと接続され、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、前記第２のロータは、駆動部が設けられ、前記固定体は、当該固定体に回転自在に支持され、前記
第２のロータの回転に伴って前記駆動部によって回転さ
れ、第３の導体を有するギア部材と、前記発振手段と接
続されたコイルを有するコイル部材とを備え、前記第１
及び第２のロータの回転に基づく前記第３の導体と前記
コイル部材との間のコイルインダクタンスの変化を検出
する変位センサが設けられていることを特徴とする回転
センサ。
【請求項７】前記相対回転角コイルからの出力信号を
処理する第１の信号処理手段と前記相対回転角の測定手
段並びに前記回転角コイル及び変位センサからの出力信
号を処理する第２の信号処理手段と回転角の測定手段と
を備える、請求項４の回転センサ。
【請求項８】導体片と、前記発振手段と接続され、前
記導体片と協働するコイルとを有し、一方が前記固定体
に、他方が前記第２のロータに、それぞれ設けられ、前
記第２のロータの回転に基づくコイルインダクタンスの
変化を検出するピッチセンサが設けられている、請求項
１乃至５いずれかの回転センサ。