JP2003214964A - 回転センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 回転センサの基本特性を損なうことなく、耐
久性と出力信号の安定を図ることが可能な回転センサを
提供する。 【解決手段】 回転センサ１においては、ケース４は第
１及び第２のロータ２，３と協働して内部に環状の空間
Ｓを形成し、環状の空間Ｓには、表面に第１及び第２の
電気導体５ａ〜５ｆがそれぞれ複数形成され、第１のロ
ータ２と一体に回転する基板５、第１の電気導体５ａ，
５ｂとそれぞれ接触し、第１及び第２のロータの回転に
伴う情報を電圧の変化として検出する第１のブラシ６
ａ，６ｂを保持する第１の保持部材６及び第２の電気導
体５ｃ〜５ｆとそれぞれ接触し、電力を供給したり、第
１及び第２のロータ２，３の回転に伴う情報を電圧の変
化として検出する第２のブラシ７ａ〜７ｄを保持する第
２の保持部材７、が配置されている。第２の電気導体の
電力を供給する電気導体は一部に導電性を有する合成樹
脂が被覆され、第１及び第２のロータが回転方向の中立
位置にあるとき、第２のブラシは導電性を有する合成樹
脂の上に位置する。

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】近年、
地球環境問題への関心の高まりに伴い、自動車の排出ガ
スを低減する対策の１つとして、車体の軽量化に関する
研究が進んでいる。このような車体軽量化として、例え
ば、パワーステアリング装置を電動式とし、機械部品を
油圧ポンプで作動させることで適度なパワーアシストを
実現する際に用いられる油圧ポンプを不用とすることが
検討されている。 【０００３】但し、パワーステアリング装置を電動式に
すると、アシスト力をコンピュータで計算するため、回
転センサ、即ち、ステアリング操作に伴う舵角を計測す
る舵角センサとトルクを計測するトルクセンサが必要と
なる。このような回転センサにおいては、ブラシと電気
導体とを用いることで、トルクや回転角度を検出するも
のがある。しかし、金属同士が接触するブラシと電気導
体は摩擦抵抗が大きいため、空気中の有機ガスによっ
て、ブラシと電気導体との摩擦部分でメカノケミカル反
応が引き起こされて絶縁皮膜が形成され、予期しない電
気抵抗の増大を招来することが考えられる。 【０００４】このような電気抵抗の増大は、予めブラシ
の電気導体への接触力を大きく設定しておくことによっ
て回避することが可能である。しかし、このようにする
と電気導体の耐久性が低下して出力信号が不安定とな
り、回転センサを長期に亘って使用することができなく
なるという問題の発生が考えられる。この場合、電気導
体の摩擦係数を下げると共に、接触力を上げることが１
つの手段として考えられる。しかし、グリース等の液体
潤滑剤は、ブラシと電気導体との摩擦に起因して発生す
る磨耗粉を凝集し、却って電気導体の磨耗を促進させて
しまう。一方、テフロン（登録商標）を用いた潤滑剤
は、テフロン粒子そのものが絶縁性であるため、摩擦係
数は下がっても接触不良が発生し易くなる。 【０００５】本発明は上記の点に鑑みてなされたもの
で、回転センサの基本特性を損なうことなく、耐久性と
出力信号の安定を図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。 【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、互いに回転自在に組み付けられる第
１及び第２のロータ並びに前記第１及び第２のロータを
回動自在に保持するケースを備え、前記第１及び第２の
ロータは、トーションバーを介して連結された第１の回
転軸と第２の回転軸のそれぞれに取り付けられて一体に
回転すると共に、前記第１の回転軸が前記第２の回転軸
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
転する回転センサであって、前記ケースは、前記第１及
び第２のロータと協働して内部に環状の空間を形成し、
該環状の空間には、表面に第１及び第２の電気導体がそ
れぞれ複数形成され、前記第１のロータと一体に回転す
る基板、前記第１の電気導体とそれぞれ接触し、前記第
１及び第２のロータの回転に伴う情報を電圧の変化とし
て検出する第１のブラシを保持する第１の保持部材及び
前記第２の電気導体とそれぞれ接触し、電力を供給した
り、前記第１及び第２のロータの回転に伴う情報を電圧
の変化として検出する第２のブラシを保持する第２の保
持部材、がそれぞれ配置され、前記第２の電気導体の電
力を供給する電気導体の一部に導電性を有する合成樹脂
が被覆され、前記第１及び第２のロータが回転方向の中
立位置にあるときに、前記第２の電気導体と接触する前
記第２のブラシは、前記導電性を有する合成樹脂の上に
位置する構成としたのである。 【０００７】 【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、トーションバーを介して連
結される自動車のステアリングシャフトとコラムシャフ
トとに跨って配置され、ハンドル操作に伴う舵角及びト
ルクを計測する回転センサを図１乃至図７に基づいて詳
細に説明する。 【０００８】回転センサ１は、図１及び図３に示すよう
に、第１及び第２ロータ２，３、ケース４、基板５、保
持板６、固定基板７及びカップリング部材８を備えてい
る。第１ロータ２は、図１及び図３に示すように、第２
ロータ３と回転自在に組み付けられ、図示しないステア
リングシャフトに取り付けられる。第２ロータ３は、下
部に半径方向内方へ突出させたフランジ３ａ（図３参
照）を有し、図示しないコラムシャフトに取り付けられ
る。ここで、第１ロータ２と第２ロータ３は、図１及び
図３に示す回転軸Ａrtに対して一体に回転すると共に、
前記ステアリングシャフトが前記コラムシャフトに対し
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。 【０００９】ケース４は、図１及び図３に示すように、
上ケース４ａと下ケース４ｂを有し、第１及び第２ロー
タ２，３と協働して内部に環状の空間Ｓ（図３参照）を
形成する。空間Ｓには、後述する基板５、保持板６、固
定基板７及びカップリング部材８が配置される。基板５
は、第１ロータ２の下端外周に取り付けられて第１ロー
タ２と一体に回転する。基板５は、図３に示すように、
下面に第１の電気導体となるトルク検出用のスリップリ
ング５ａとトルク信号伝達用のスリップリング５ｂが、
それぞれ内周側から半径の異なる同心円上に形成されて
いる。また、基板５は、上面に第２の電気導体となる電
力供給用のスリップリング５ｃ、舵角検出用のスリップ
リング５ｄ、グランド電源供給用のスリップリング５ｅ
及びトルク信号伝達用のスリップリング５ｆが、それぞ
れ内周側から半径の異なる同心円上に形成されている。
これらのうち、スリップリング５ａ，５ｄを構成する電
気導体は、予め設定した所定の抵抗値を有している。ス
リップリング５ａ〜５ｆには、それぞれ目的に応じて所
定値の電圧が印加される。例えば、舵角検出用のスリッ
プリング５ｄは、図５に示すように、点Ａに０ボルト、
点ＢにＶボルトの電圧を印加すると、ポテンショメータ
の原理に従って、点Ａ，Ｂ間の電圧が周方向に沿った長
さｘに正比例して変化する。即ち、第１ロータ２が基板
５と一体に回転すると、後述するブラシ７ｂが当接して
いるスリップリング５ｄの周方向に沿った長さｘが変化
し、長さｘに対応した電圧として第１ロータ２の回転角
度が検出される。 【００１０】ここで、スリップリング５ａ〜５ｆは、例
えば、電気電導性を有するＮｉ等のメッキが施された銅
箔等を印刷或いは貼付したり、金属メッキによって形成
することができる。ここで、基板５に代えて図８に示す
基板１５を使用してもよい。即ち、基板１５は、下面に
第１の電気導体となるトルク検出用のスリップリング１
５ａとトルク信号伝達用のスリップリング１５ｂが、そ
れぞれ外周側から２本ずつ半径の異なる同心円上に形成
されている。また、基板１５は、上面に第２の電気導体
となるグランド電源供給用のスリップリング１５ｃ、電
力供給用のスリップリング１５ｄ、舵角検出用のスリッ
プリング１５ｅ及びトルク信号伝達用の２本のスリップ
リング１５ｆが、それぞれ内周側から半径の異なる同心
円上に形成されている。従って、第２の電気導体につい
て見ると、グランド電源供給用のスリップリング１５ｃ
及び電力供給用のスリップリング１５ｄは、半径方向最
も内周側に形成されている。 【００１１】そして、スリップリング１５ａ〜１５ｆの
うち、トルク検出用のスリップリング１５ａ、トルク信
号伝達用のスリップリング１５ｂ、舵角検出用のスリッ
プリング１５ｅ及びトルク信号伝達用の２本のスリップ
リング１５ｆには、摩擦抵抗が小さく、導電性を有する
カーボンが混入されたフェノール系の合成樹脂１６が被
覆されている。一方、グランド電源供給用のスリップリ
ング１５ｃ及び電力供給用のスリップリング１５ｄに
は、４本以上のブラシ７ａ，７ｂが接触するように構成
されている。また、グランド電源供給用のスリップリン
グ１５ｃ及び電力供給用のスリップリング１５ｄは、全
周又は一部に合成樹脂１６が被覆され、第１及び第２ロ
ータ２，３が回転方向の中立位置にあるときに、グラン
ド電源供給用又は電力供給用のスリップリング１５ｃ，
１５ｄと接触する４本以上のブラシ７ａ，７ｂは、合成
樹脂１６の上に位置するように固定基板７に配置する。 【００１２】ここで、第１及び第２ロータ２，３が回転
方向の中立位置にあるときとは、例えば、回転センサ１
を自動車に使用したときに、ステアリングハンドルが直
進状態にあるときのように、両ロータ２，３が回転して
いない初期状態の位置にあるときをいう。従って、基板
１５を用いた回転センサ１は、ブラシが合成樹脂１６を
介して対応するスリップリングと接触するため、メカノ
ケミカル反応の発生が防止されるうえ、ブラシの接触力
を大きく設定する必要もない。このため、基板１５を用
いた回転センサ１は、スリップリング１５アクション，
１５ｂ，１５ｅ，１５ｆの耐久性が向上して出力信号が
安定し、長期に亘って使用することができる。しかも、
グランド電源供給用のスリップリング１５ｃ及び電力供
給用のスリップリング１５ｄには、第１及び第２ロータ
２，３が回転方向の中立位置にあるときに、合成樹脂１
６を介して４本以上のブラシ７ａ，７ｂが接触するよう
に構成されている。このため、基板１５は、ブラシ７
ａ，７ｂとスリップリング１５ｃ，１５ｄとが摺動する
機会が多い中立位置においては、合成樹脂１６を介して
各スリップリング１５ｃ，１５ｄに少なくとも１つのブ
ラシ７ａ，７ｂが接触している。従って、基板１５は、
ブラシ７ａ，７ｂとスリップリング１５ｃ，１５ｄとの
接触安定性が向上する。しかも、各スリップリング１５
ｃ，１５ｄには、複数のブラシ７ａ，７ｂが接触してい
るので、１ヶ所で接触不良が発生しても他の箇所で接触
が確保されるため、信号のノイズを低減することができ
る。 【００１３】また、基板１５は、電力供給用のスリップ
リング１５ｄとグランド電源供給用のスリップリング１
５ｃとの間にコンデンサを電気的に介在させるとよい。
このようにすると、回転センサ１は、仮にグランド電源
供給用のスリップリング１５ｃと電力供給用のスリップ
リング１５ｄとの間で接触不良が発生しても、短時間で
あれば、スリップリング１５ｃ，１５ｄに前記コンデン
サから電気を供給できるので、ノイズを更に低減するこ
とができる。 【００１４】保持板６は、第１の保持部材となる円板状
の部材で、図３に示すように、上面にトルク検出用のブ
ラシ６ａとトルク信号伝達用のブラシ６ｂが保持されて
いる。ブラシ６ａ，６ｂは、それぞれスリップリング５
ａ，５ｂに接触して電気的に接続され、第１及び第２ロ
ータ２，３の回転に伴う情報を電圧の変化として検出す
る第１のブラシである。特に、トルク検出用のブラシ６
ａは、第１及び第２ロータ２，３の相対回転に伴う角度
差に応じた電圧を検出する。このようにして検出された
角度差に応じた電圧は、ブラシ６ａ→スリップリング５
ａ→スリップリング５ｅ→ブラシ７ｃ→後述するトルク
信号出力ケーブル１ｄを経て、また、ブラシ６ｂ→スリ
ップリング５ｂ→スリップリング５ｆ→後述するブラシ
７ｄ→後述するトルク信号出力ケーブル１ｄを経て、そ
れぞれ外部の演算処理装置１１（図１参照）へ出力され
る。このとき、演算処理装置１１は、角度信号出力ケー
ブル１ｂ及びトルク信号出力ケーブル１ｄから出力され
る各信号に基づき、回転センサ１におけるロータ２，３
の回転角度と相対回転に伴うトルクを演算するもので、
マイコンチップ（ＣＰＵ）等が使用される。 【００１５】固定基板７は、上ケース４ａと下ケース４
ｂとの間に支持され、第２の保持部材となる円板で、下
面に電力供給用のブラシ７ａ、角度検出用のブラシ７
ｂ、グランド電源供給用のブラシ７ｃ及びトルク信号伝
達用のブラシ７ｄが、それぞれ内周側から外周側にこの
順序で保持されている。ブラシ７ａ〜７ｄは、それぞれ
スリップリング５ｃ〜５ｆと接触して電気的に接続さ
れ、第１及び第２ロータ２，３の回転に伴う情報を電圧
の変化として検出する第２のブラシである。また、ブラ
シ７ａ〜７ｄは、それぞれ図１に示す電力ケーブル１
ａ、角度信号出力ケーブル１ｂ、グランド電源入力ケー
ブル１ｃ及びトルク信号出力ケーブル１ｄが接続されて
いる。 【００１６】カップリング部材８は、ステンレス等の金
属やＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート）等のプラス
チックから成形され、第２ロータ３と保持板６との間を
弾性的に連結する弾性連結部材である。カップリング部
材８は、図２乃至図４に示すように、リング状の本体８
ａの外周に、２つの第１弾性片８ｂと２つの第２弾性片
８ｃがそれぞれ対向配置され、第１弾性片８ｂと第２弾
性片８ｃは９０度の中心角を置いて配置されている。但
し、図３に示すカップリング部材８は、右半側と左半側
とを９０度ずらした断面とし、第１弾性片８ｂと第２弾
性片８ｃの双方を示している。第１弾性片８ｂは、先端
側に２つのねじ孔８ｄを有し、半径方向外方へ湾曲させ
ると共に、外方へ突出させて形成され、保持板６の内周
上面にねじ止めされる。第２弾性片８ｃは、先端側に２
つのねじ孔８ｅを有し、半径方向内方へ湾曲させると共
に、内方へ突出させて形成され、フランジ３ａの下面に
ねじ止めされる。カップリング部材８は、このように構
成することで、保持板６が回転する方向には剛性が高
く、ロータ２，３の回転軸Ａrtと垂直な板面方向の変位
に対しては剛性が低い構造となる。このため、カップリ
ング部材８は、図示しないコラムシャフトから第２ロー
タ３に伝達された回転を保持板６に伝達しつつ、図示し
ないステアリングシャフトとコラムシャフトとの間の軸
ずれを吸収することができる。 【００１７】但し、カップリング部材８は、前記のよう
に図示しないステアリングシャフトとコラムシャフトと
の間の軸ずれを吸収する機能を有するから、回転センサ
１に必須のものではない。従って、以上のように構成さ
れる回転センサ１においては、前記ステアリングシャフ
トが所定のトルク内で回転している場合には、トーショ
ンバーを介して前記コラムシャフトにそのトルクが伝達
され、前記ステアリングシャフトと前記コラムシャフ
ト、従ってロータ２，３が一体に回転する。一方、前記
ステアリングシャフトが、所定のトルクを超えて回転す
ると、前記コラムシャフトとの間に回転のずれが生じ、
第１ロータ２と第２ロータ３とが所定角度内を相対回転
する。 【００１８】上記のような各回転状況の際に、回転セン
サ１においては、角度信号出力ケーブル１ｂ及びトルク
信号出力ケーブル１ｄから角度信号及びトルク信号が出
力され、演算処理装置１１においてロータ２，３の回転
角度と相対回転に伴うトルクが演算される。ここで、弾
性連結部材は、図６及び図８に示すカップリング部材１
０のように、ステンレス等の金属からなる四角形の板を
打ち抜くと共に折り曲げ加工し、板面から立ち上がる２
つの第１弾性片１０ａと２つの第２弾性片１０ｂをそれ
ぞれ外縁側に対向させて形成し、図６に斜線で示す部分
を開口１０ｃとする構造としてもよい。そして、カップ
リング部材１０は、連結片１０ｄで第２ロータ３のフラ
ンジ３ａ下面に、連結片１０ｅで保持板６の内周上面
に、それぞれねじ止めする。このような構造とすること
により、カップリング部材１０は、カップリング部材８
に比べて製作が容易で安価になる。 【００１９】尚、上記実施形態の回転センサは、自動車
のステアリングシャフトとコラムシャフトとに跨って配
置され、ハンドル操作に伴う舵角及びトルクを計測する
ものについて説明した。しかし、本発明の回転センサ
は、例えば、ロボットアームのように、互いに回転する
２つの回転軸間の回転角度や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。 【００２０】 【発明の効果】請求項１の発明によれば、回転センサの
基本特性を損なうことなく、耐久性と出力信号の安定を
図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外観を示す斜視図であ
る。 【図２】図１の回転センサで使用する弾性部材の斜視図
である。 【図３】図１の回転センサを直径に沿って切断した断面
正面図である。 【図４】図３の回転センサをＡ−Ａ線に沿って切断した
断面図である。 【図５】スリップリングの長さに基づいて第１のロータ
の回転角度を検出する原理を説明する説明図である。 【図６】弾性部材の他の形態を示す斜視図である。 【図７】図６の弾性部材を用いた回転センサの図４に対
応する断面図である。 【図８】本発明の回転センサで用いる基板の断面図であ
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 ケース ５ 基板 ５ａ トルク検出用のスリップリング（第
１の電気導体） ５ｂ トルク信号伝達用のスリップリング
（第１の電気導体） ５ｃ 電力供給用のスリップリング（第２
の電気導体） ５ｄ 舵角検出用のスリップリング（第２
の電気導体） ５ｅ グランド電源供給用のスリップリン
グ（第２の電気導体） ５ｆ トルク信号伝達用のスリップリング
（第２の電気導体） ６ 保持板（第１の保持部材） ６ａ トルク検出用のブラシ（第１のブラ
シ） ６ｂ トルク信号伝達用のブラシ（第１の
ブラシ） ７ 固定基板（第２の保持部材） ７ａ 電力供給用のブラシ（第２のブラ
シ） ７ｂ 角度検出用のブラシ（第２のブラ
シ） ７ｃ グランド電源供給用のブラシ（第２
のブラシ） ７ｄ トルク信号伝達用のブラシ（第２の
ブラシ） ８ カップリング部材（弾性連結部材） ８ｂ 第１弾性片 ８ｃ 第２弾性片 １０ カップリング部材（弾性連結部材） １０ａ 第１弾性片 １０ｂ 第２弾性片 １１ 演算処理装置 １５ 基板 １５ａ トルク検出用のスリップリング（第
１の電気導体） １５ｂ トルク信号伝達用のスリップリング
（第１の電気導体） １５ｃ グランド電源供給用のスリップリン
グ（第２の電気導体） １５ｄ 電力供給用のスリップリング（第２
の電気導体） １５ｅ 舵角検出用のスリップリング（第２
の電気導体） １５ｆ トルク信号伝達用のスリップリング
（第２の電気導体） １６ 合成樹脂（導電性を有する） Ｓ 環状の空間

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山本 敏郎 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 野口 晃 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 AA36 BA08 CA29 DA02 FA01 KA01 2F077 AA42 CC02 EE02 NN13 PP03 VV02

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 【請求項１】 互いに回転自在に組み付けられる第１及
   び第２のロータ並びに前記第１及び第２のロータを回動
   自在に保持するケースを備え、前記第１及び第２のロー
   タは、トーションバーを介して連結された第１の回転軸
   と第２の回転軸のそれぞれに取り付けられて一体に回転
   すると共に、前記第１の回転軸が前記第２の回転軸に対
   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
   る回転センサであって、 前記ケースは、前記第１及び第２のロータと協働して内
   部に環状の空間を形成し、該環状の空間には、表面に第
   １及び第２の電気導体がそれぞれ複数形成され、前記第
   １のロータと一体に回転する基板、前記第１の電気導体
   とそれぞれ接触し、前記第１及び第２のロータの回転に
   伴う情報を電圧の変化として検出する第１のブラシを保
   持する第１の保持部材及び前記第２の電気導体とそれぞ
   れ接触し、電力を供給したり、前記第１及び第２のロー
   タの回転に伴う情報を電圧の変化として検出する第２の
   ブラシを保持する第２の保持部材、がそれぞれ配置さ
   れ、 前記第２の電気導体の電力を供給する電気導体の一部に
   導電性を有する合成樹脂が被覆され、前記第１及び第２
   のロータが回転方向の中立位置にあるときに、前記第２
   の電気導体と接触する前記第２のブラシは、前記導電性
   を有する合成樹脂の上に位置することを特徴とする回転
   センサ。