JP2002340705A - 回転センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 電磁環境適合性に関する規格を、小型、か
つ、安価にクリアすることが可能な回転センサを提供す
る。 【解決手段】 絶縁磁性材から筒状に成形される本体11
ｃと、周方向に配置される第１の導体層11ｄとを有し、
第１のシャフトＳF1に取り付けられる第１のロータ11、
励磁コイル12ｂと、励磁コイルを収容するコア本体12ａ
とを有し、第１のロータ11と半径方向に間隔を置いて固
定部材に取り付けられる固定コア12、第１の導体層と対
応させて周方向に配置される第２の導体層13ｂを有し、
第１のロータと半径方向に所定間隔をおいて配置され、
第２のシャフトＳF2に取り付けられる第２のロータ13及
び励磁コイル12ｂに励磁信号を流す発振回路が形成され
た基板14を備え、第１及び第２のロータ11，13の回転に
伴う励磁コイル12ｂのインダクタンス変動に基づいて、
両シャフトＳF1，ＳF2の回転角度或いは相対回転角度を
非接触で検出する回転センサ10。基板14に励磁信号から
高周波成分を減衰させる減衰手段が設けられている。

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】シャフトの回転角度或いは相対回転角度
を非接触で検出する回転センサ、例えば、相対回転する
２本の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】この種の回転センサは、トーションバーで
連結された第１のシャフトに第１のロータを、第２のシ
ャフトに第２のロータを、それぞれ取り付けると共に、
第１及び第２のロータを励磁コイルの内側に回転自在に
配置し、第１及び第２のシャフトの相対回転を前記コイ
ルのインダクタンスの変化によって検出し、第１のシャ
フトと第２のシャフトとの間に作用するトルクを検出す
るものである。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記回転セ
ンサは、自動車等の移動体等に使用する場合には、車載
機器類との間における電磁波の影響を防ぐため、電磁環
境適合性(EMC: electro-magnetic compatibility)に関
する厳しい規格が設けられている。具体的には、電磁波
を回転センサの外部へ出さない電磁干渉(EMI: electro-
magnetic interference)、外来電磁波に対する電磁感受
性(EMS: electro-magnetic susceptibility)の２つの規
格がある。

【０００５】このとき、上記回転センサは、電気回路の
基板部分の電磁環境適合性に対しては、上記規格を満た
すための種々の手段があり、例えば、基板部分を遮蔽板
で覆うことで対処できる。しかし、回転センサは、第１
及び第２のロータをステアリングシャフトに取り付けて
使用するため、全体を遮蔽板で覆ってシールドすること
が難しい。特に、前記励磁コイルは、発振回路から出力
される方形のパルスで励磁される。このため、上記回転
センサでは、波形の立ち上がりが鋭く、この部分に含ま
れる高周波成分が外部へ漏れないようにする必要があ
る。

【０００６】この場合、回転センサは、前記励磁コイル
を励磁するパルスをサイン波形にすれば外部の漏れを防
止することができる。しかし、サイン波形のパルスを作
り出す回路が複雑となって、回転センサが大型化すると
共に、高価格になってしまうという問題があった。本発
明は上記の点に鑑みてなされたもので、電磁環境適合性
に関する規格を、小型、かつ、安価にクリアすることが
可能な回転センサを提供することを目的とする。

【０００７】

【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る本
体と、周方向に配置される第１の導体層とを有し、第１
のシャフトに取り付けられる第１のロータ、励磁コイル
と、前記励磁コイルを収容するコア本体とを有し、前記
第１のロータと半径方向に間隔を置いて固定部材に取り
付けられる固定コア、前記第１の導体層と対応させて周
方向に配置される第２の導体層を有し、前記第１のロー
タと半径方向に所定間隔をおいて配置され、第２のシャ
フトに取り付けられる第２のロータ、及び前記励磁コイ
ルに励磁信号を流す発振回路が形成された基板を備え、
前記第１及び第２のロータの回転に伴う前記励磁コイル
のインダクタンス変動に基づいて、前記両シャフトの回
転角度或いは相対回転角度を非接触で検出する回転セン
サにおいて、前記基板に前記励磁信号から高周波成分を
減衰させる減衰手段が設けられている構成としたのであ
る。

【０００８】

【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トルクを検出する回転センサ
を図１乃至図８に基づいて説明する。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及び回路基板１４を備え、ト
ーションバーＢtrによって連結されて相対回転する第１
シャフトＳF1と第２シャフトＳF2（図２参照）の相対回
転角度を検出する。このとき、両シャフトＳF1，ＳF2
は、±８°の範囲内で相対回転する。

【０００９】第１ロータ１１は、図２に示すように、回
転する第１シャフトＳF1の軸線方向所定位置に取り付け
られる。第１ロータ１１は、図１に示すように、円筒状
に成形される本体１１ａの上部に半径方向外方へ延出す
るフランジ１１ｂが合成樹脂によって一体に形成され、
本体１１ａの外周に絶縁磁性部材１１ｃが取り付けられ
ると共に、絶縁磁性部材１１ｃの表面に周方向に沿って
所定間隔、例えば、中心角３０°間隔で複数の銅箔１１
ｄが中心角３０°で貼付されている。絶縁磁性部材１１
ｃ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樹脂等の電気絶縁性
を有する熱可塑性合成樹脂に、Ｎｉ−ＺｎやＭｎ−Ｚｎ
系のフェライトからなる軟質磁性材粉を、１０〜７０体
積％の含有量で混合したものから成形される。

【００１０】但し、銅箔１１ｄは、第１の導体層である
が、絶縁磁性部材１１ｃの表面ではなく、内部に設けて
も良い。また、非磁性導電体からなる導体層であれば、
銅箔１１ｄに代えて、例えば、アルミニウム，銀等の素
材からなる導体を使用することができる。更に、導体層
は、理論上、中心角を小さくして配置間隔を小さくする
程、前記第１の導体層あるいは後述する第２の導体層の
数が多くなり、銅箔１１ｄ内に誘起されるトータル渦電
流の変化量（第１の導体層あるいは第２の導体層の数に
比例する）が大きくなって、相対回転角度の検出感度が
高くなるが、測定できる角度範囲が小さくなる。本実施
形態の回転センサ１０は、前記のように複数の銅箔１１
ｄを中心角３０°間隔で配置したので、測定可能な最大
角度範囲は約３０°である。

【００１１】固定コア１２は、第１ロータ１１と半径方
向に間隔を置いてステアリング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１２ａ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１２ｂとを有している。コア本体
１２ａは、絶縁磁性部材１１ｃと同じ素材からなる。励
磁コイル１２ｂは、外部へ延出させた図示しない電線
（図示せず）によって回路基板１４の発振回路１４ａ
（図３参照）と接続され、発振回路１４ａから交流電流
が流されている。

【００１２】第２ロータ１３は、図１に示すように、リ
ング状の本体１３ａに第２の導体層となる複数の金属歯
１３ｂがリング状に均等に配置されている。各金属歯１
３ｂは、それぞれ各銅箔１１ｄに対応する中心角３０°
の間隔で配置されている。第２ロータ１３は、例えば、
銅，銅合金，アルミニウム，アルミニウム合金よりな
り、図１に示すように、複数の金属歯１３ｂは銅箔１１
ｄ同様リング状に均等に配置され、各銅箔１１ｄに対応
して設けられている。第２ロータ１３は、次のように構
成することもできる。即ち、絶縁材で製作された筒状の
表面あるいは内部に非磁性導電体からなる一定の厚さの
導体層（例えば0.２ｍｍの銅箔，或いはアルミニウム，
銀等の素材のもの）を銅箔１１ｄと同数、銅箔１１ｄに
対応させてリング状に均等に配置する。第２ロータ１３
は、第１ロータ１１に隣接し、第１シャフトＳF1に対し
て相対回転する第２シャフトＳF2（図２参照）に取り付
けられ、複数の金属歯１３ｂは、図２に示すように、第
１ロータ１１と固定コア１２との間に配置される。

【００１３】回路基板１４は、図１及び図２に示すよう
に、第２ロータ１３の下面に配置される。回路基板１４
は、図３に示すように、発振回路１４ａ、減衰手段１４
ｂ、位相検出回路１４ｃ、コンバータ１４ｄ及び増幅回
路１４ｅが形成され、減衰手段１４ｂと位相検出回路１
４ｃとの間に励磁コイル１２ｂが接続されている。発振
回路１４ａは、発振信号を発振して励磁コイル１２ｂを
励磁させる。このとき、励磁コイル１２ｂのインピーダ
ンスが変動すると、コンデンサＣ1両端における電圧信
号の位相が変化する。コンデンサＣ1両端の電圧信号
は、位相検出回路１４ｃへ出力される。

【００１４】減衰手段１４ｂは、励磁コイル１２ｂで励
磁される励磁信号から高周波成分を減衰させる。このよ
うな減衰手段１４ｂとしては、例えば、図５（ａ）に示
すコンデンサＣ2や、図５（ｂ）に示すフェライトビー
ズＢfを使用することができる。位相検出回路１４ｃ
は、コンデンサＣ1両端の電圧信号の位相シフト量を検
出する。

【００１５】コンバータ１４ｄは、検出された前記位相
シフト量に対応する電圧値に変換すると共に、信号電圧
レベルを調整し、増幅回路１４ｅに出力する。増幅回路
１４ｅは、コンバータ１４ｄから出力された信号電圧レ
ベルを増幅する。このようにして増幅された信号（電圧
値）は相対回転角度測定部に出力され、２つのロータ１
１，１３の相対回転角度が−８°〜＋８°の範囲で高精
度に測定される。

【００１６】従って、回転センサ１０は、この相対回転
角度に基づき、予め求めてある第１シャフトＳF1と第２
シャフトＳF2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。以上のよう
に構成される回転センサ１０は、第１ロータ１１を第１
シャフトＳF1に、第２ロータ１３を第２シャフトＳF2
に、それぞれ取り付けるとともに、固定コア１２を前記
固定部材に固定して組み立てられる。

【００１７】そして、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、図４に示す磁気回路ＰMGに沿って流れる。これに
より、第１ロータ１１の複数の銅箔１１ｄを交流磁界が
横切るため、銅箔１１ｄ内に渦電流が誘起される。この
とき、渦電流によって誘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、複数の銅箔１１ｄが存在する
上記ギャップ部分の空間におけるコイルの交流励磁電流
による磁束と上記渦電流による磁束の方向は逆となるた
め、トータル磁束密度がが小さくなり、反対に複数の銅
箔１１ｄが存在しない上記ギャップ部分の空間における
コイルの交流励磁電流による磁束の方向は同じとなるた
め、トータル磁束密度が大きくなる。

【００１８】このため、回転センサ１０においては、第
１ロータ１１と固定コア１２との間に形成されるギャッ
プＧ内に、銅箔１１ｄが存在し、磁束密度が小さい領域
と、銅箔１１ｄが存在せず、磁束密度が大きい領域が周
方向に沿って交互に形成される。この結果、回転センサ
１０は、第１ロータ１１と固定コア１２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。

【００１９】従って、第１ロータ１１が第１シャフトＳ
F1と共に第２ロータ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１１と共に周方向に沿って回
転する。このため、ギャップＧ内では、中心角６０°間
隔で周方向に形成された金属歯１３ｂがこの不均一な磁
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金属歯１３ｂが磁束密度が小さい
領域に位置する面積と、磁束密度が大きい領域に位置す
る面積の割合が変化し、横切るトータル磁束の量が変化
するので、金属歯１３ｂに生ずる渦電流の大きさが変化
する。金属歯１３ｂに生じるこの渦電流の大きさの変化
に伴い、励磁コイル１２ｂのインピーダンスも変化す
る。

【００２０】従って、回転センサ１０においては、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
励磁コイル１２ｂのインピーダンスが変動する。そこ
で、回転センサ１０は、励磁コイル１２ｂが接続された
回路基板１４において公知の方法で前記インピーダンス
を測定すれば、第１ロータ１１と第２ロータ１３との相
対回転角度を簡単に検出することができる。

【００２１】このとき、回路基板１４は、図３に示すよ
うに、励磁信号から高周波成分を減衰させる減衰手段１
４ｂが設けられている。このため、回転センサ１０にお
いては、発振回路１４ａが、高周波成分を含む特定周波
数のパルス信号を出力しても、含まれる高周波成分が減
衰手段１４ｂで減衰され、外部へ漏れることがない。こ
こで、減衰手段１４ｂとして図５（ｂ）に示すフェライ
トビーズＢfを使用した回転センサ１０と、回路基板１
４に減衰手段１４ｂを設けない回転センサとを用意し、
第１ロータ１１と第２ロータ１３とを相対回転させた際
の電磁波放射レベルを測定したところ、それぞれ図６及
び図７に示す結果が得られた。図６及び図７において、
横軸は周波数（ＭＨｚ）、縦軸は放射レベル（ｄＢμ
Ｖ）である。

【００２２】図６及び図７から明らかなように、回転セ
ンサ１０は、回路基板１４に減衰手段１４ｂを設けるこ
とにより、電磁波放射レベルの高周波成分が大幅に減衰
されることが分かる。しかも、回転センサ１０は、回路
基板１４にコンデンサＣ2やフェライトビーズＢfからな
る減衰手段１４ｂを設けるため、大型化することがな
く、減衰手段１４ｂは、非常に構造が簡単で安価なた
め、安価に電磁環境適合性に関する規格をクリアするこ
とができる。

【００２３】一方、本発明の回転センサは、以下のよう
に構成しても第１及び第２のロータの回転に伴う励磁コ
イルのインダクタンス変動に基づいて、シャフトＳF1，
ＳF2の回転角度或いは相対回転角度を非接触で検出する
ことができる。ここで、以下に説明する回転センサは、
第１ロータ及び第２ロータの構成が回転センサ１０と若
干異なるだけで、固定コア及び回路基板は回転センサ１
０と構成が同一である。従って、以下の説明並びに説明
で使用する図面においては、回転センサ２０は、固定コ
ア１２と回路基板１４については同一の符号を用いるこ
とで重複した説明を省略し、第１ロータと第２ロータに
ついて説明する。

【００２４】回転センサ２０は、図８に示すように、第
１ロータ２１、固定コア１２、第２ロータ２３及び回路
基板１４を備え、トーションバーＢtrによって連結され
て相対回転する第１シャフトＳF1と第２シャフトＳF2
（図２参照）の相対回転角度を検出する。第１ロータ２
１は、回転する第１シャフトＳF1の軸線方向所定位置に
取り付けられ、図１に示すように、円筒状に成形される
本体２１ａの上部に半径方向外方へ延出するフランジ２
１ｂが合成樹脂によって一体に形成され、本体２１ａの
外周に絶縁磁性部材２１ｃが取り付けられると共に、絶
縁磁性部材２１ｃの表面に周方向に沿って半周に亘って
第１の導体層となる銅箔２１ｄが貼付されている。絶縁
磁性部材２１ｃは、回転センサ１０の絶縁磁性部材１１
ｃと同一の素材が使用される。

【００２５】一方、銅箔２１ｄは、絶縁磁性部材２１ｃ
の内部に設けても良く、この他に、例えば、アルミニウ
ム，銀等の素材からなる導体を使用することができる。
第２ロータ２３は、第１ロータ２１と固定コア１２との
間に配置され、図８に示すように、リング状の本体２３
ａに第２の導体層となる金属歯２３ｂが第１の導体層と
対応させて周方向に沿って半周配置されている。第２ロ
ータ２３は、第２ロータ１３と同一の素材からなるが、
第２ロータ１３と同様に構成してもよい。

【００２６】このように構成することによって、回転セ
ンサ２０は、第１ロータ２１と第２ロータ２３との相対
回転に伴い、銅箔２１ｄと金属歯２３ｂとが重なる面積
が変化するのに伴って、励磁コイル１２ｂのインピーダ
ンスが変化し、回転センサ１０と同様にしてシャフトＳ
F1，ＳF2の回転角度或いは相対回転角度を非接触で検出
することができる。

【００２７】尚、上記実施形態は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、回転角度を検出する
ことも可能である。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，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。

【００２８】

【発明の効果】請求項１の発明によれば、電磁環境適合
性に関する規格を、小型、かつ、安価にクリアすること
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一実施形態を示す分解斜
視図である。

【図２】図１の回転センサを第１及び第２のシャフトに
取り付けた状態を示す断面図である。

【図３】図１の回転センサの回路基板のブロックダイヤ
グラムである。

【図４】図２の回転センサの右半側を拡大した断面図で
ある。

【図５】図３の回路基板に設けられる減衰手段の一例を
示す回路図である。

【図６】減衰手段としてフェライトビーズを回路基板に
設けた図１の回転センサにおける電磁波放射レベルの測
定結果を示す周波数特性図である。

【図７】減衰手段を回路基板に設けない図１の回転セン
サにおける電磁波放射レベルの測定結果を示す周波数特
性図である。

【図８】本発明の回転センサの他の実施形態を示す分解
斜視図である。

【符号の説明】

１０ 回転センサ １１ 第１ロータ １１ａ 本体 １１ｂ フランジ １１ｃ 絶縁磁性部材 １１ｄ 銅箔（第１の導体層） １２ 固定コア １２ａ コア本体 １２ｂ 励磁コイル １３ 第２ロータ １３ａ 本体 １３ｂ 金属歯（第２の導体層） １４ 回路基板 １４ａ 発振回路 １４ｂ 減衰手段 １４ｃ 位相検出回路 １４ｄ コンバータ １４ｅ 増幅回路 ２０ 回転センサ ２１ 第１ロータ ２１ａ 本体 ２１ｂ フランジ ２１ｃ 絶縁磁性部材 ２１ｄ 銅箔 ２３ 第２ロータ ２３ａ 本体 ２３ｂ 金属歯（第２の導体層） Ｂtr トーションバー ＳF1 第１シャフト ＳF2 第２シャフト

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 松井 正和 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 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 安倍 文彦 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 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 山脇 康介 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 渡邉 知孝 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 Ｆターム(参考） 2F077 AA21 CC02 FF02 FF31 FF39 TT04 TT82 UU22 3D033 CA28 DB05

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 絶縁磁性材から筒状に成形される本体
   と、周方向に配置される第１の導体層とを有し、第１の
   シャフトに取り付けられる第１のロータ、 励磁コイルと、前記励磁コイルを収容するコア本体とを
   有し、前記第１のロータと半径方向に間隔を置いて固定
   部材に取り付けられる固定コア、 前記第１の導体層と対応させて周方向に配置される第２
   の導体層を有し、前記第１のロータと半径方向に所定間
   隔をおいて配置され、第２のシャフトに取り付けられる
   第２のロータ、及び前記励磁コイルに励磁信号を流す発
   振回路が形成された基板を備え、 前記第１及び第２のロータの回転に伴う前記励磁コイル
   のインダクタンス変動に基づいて、前記両シャフトの回
   転角度或いは相対回転角度を非接触で検出する回転セン
   サにおいて、 前記基板に前記励磁信号から高周波成分を減衰させる減
   衰手段が設けられていることを特徴とする回転センサ。