JP3910875B2 - 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】
回転するシャフト、例えば、自動車のステアリングシャフトに取り付けて、ハンドルの回転角度を検出する際等に使用される回転センサ、例えば、ロータに対して固定コアを間隔を置いて対向配置する回転センサとして図５に示す回転センサ１が提案されている。
【０００３】
回転センサ１は、図５に示すように、回転するシャフトＳhに取り付けられるロータ２、絶縁磁性材からなるコア本体３ａとコア本体３ａ内に収容される少なくとも１つの励磁コイル３ｂとを有する固定コア３及び回転角度測定装置（以下、単に「測定装置」という）４を備えている。励磁コイル３ｂは、目的に応じて複数、例えば、図６に示すように、４個の磁コイル３ｂ1〜３ｂ4を設けると０°〜３６０°の範囲でリニアリティ良く回転角度を検出することができる。
【０００４】
ロータ２及び固定コア３は、シャフトＳh近傍に位置する固定部材（図示せず）に取り付けられ、それぞれ交流磁界の遮蔽性を有する金属或いは絶縁磁性材からリング状に成形される上ケース６と下ケース７とを備えたケース５に収納されている。回転センサ１は、シャフトＳhの回転による励磁コイル３ｂのインピーダンス変動に基づいてシャフトＳhの回転角度を検出する。
【０００５】
ロータ２は、例えば、プラスチックマグネット等の絶縁磁性材によって円盤状に形成された本体２ａの固定コア３と対向する面に、周方向に沿って銅箔やアルミ箔等の導電性材料を貼付したセンシング部２ｂが設けられている。ロータ２は、図５に示すように、回転するシャフトＳhの軸線方向所定位置にダンパ２ｃを介して取り付けられる。センシング部２ｂは、図６に示すように、位置Ｐ1の幅が最小で、１８０°回転した位置Ｐ2で最大の幅を有し、ロータ２の回転角度に対応して半径方向の幅が変化するように形成され、後述する交流磁界によって回転に伴う幅に対応した大きさの渦電流が誘起される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、回転センサ１は、本体２ａの表面にセンシング部２ｂとなる銅箔等を貼付したり、銅箔を貼り付けた後、センシング部２ｂの形状が残るよるように銅箔をエッチングで除去したりしてロータ２を製造している。このため、ロータ２の製造に手間が掛かり回転センサのコストアップになるという問題があった。
【０００７】
また、ロータ２の素材としてプラスチックマグネットを用いた場合、強度を考慮すると、ロータ２はある程度の厚みを有する必要がある。一方、センシング部２ｂは、固定コア３と接触しないように固定コア３との間に所定の隙間を取る必要がある。このため、ロータ２の強度を考慮して厚さを増すと、回転センサが全体として厚くなり、ユーザーが要求する小型化に反することになってしまう。
【０００８】
本発明は上記の点に鑑みてなされたもので、製造コストを低減できると共に、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。
【０００９】
【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、回転するシャフトに取り付けられ、周方向に沿って幅が変化するセンシング部を有するロータと、交流励磁電流が流され、前記ロータとの間に磁気回路を形成する励磁コイルと、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し、固定部材に取り付けて、前記ロータに対して前記シャフトの軸線方向に間隔を置いて対向配置される固定コアとを備えた回転センサであって、前記ロータは、前記シャフトに取り付けられるリング状の取付部と、該取付部の外側に配置され、周方向に沿って幅が変化するセンシング部と、前記取付部とセンシング部との間を接続する接続部が導電性素材によって一体に形成されている構成としたのである。
【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、自動車のステアリング装置において、ステアリングシャフトに取り付けてハンドルの回転角度を検出する回転センサを図１乃至図４に基づいて詳細に説明する。
回転センサ１０は、図１に示すように、ステアリングシャフトＳhに取り付けられ、ロータ１１、固定コア１２，１３及び回転角度の測定装置１４を備え、ロータ１１及び固定コア１２，１３はケース１５に収納されている。
【００１１】
ロータ１１は、図２に示すように、ステアリングシャフトＳhに取り付けられるリング状の取付部１１ａと、取付部１１ａの外側に配置され、周方向に沿って幅が変化するセンシング部１１ｂと、取付部１１ａとセンシング部１１ｂとの間を接続する２ヶ所の接続部１１ｃが導電性素材によって一体に形成されている。センシング部１１ｂは、一方の接続部１１ｃにおける幅が最小で、１８０°回転した他方の接続部１１ｃにおいて最大の幅を有し、ロータ１１の回転角度に対応して半径方向の幅が変化するように形成され、後述する交流磁界によって回転に伴う幅に対応した大きさの渦電流が誘起される。ロータ１１は、導電性素材として、アルミニウム，銅，銀，鉄，真鍮等の導電性を有する金属をプレス加工等によって従来に比べて極めて安価に製造することができる。
【００１２】
固定コア１２は、測定装置１４を構成するプリント基板上に搭載され、ロータ１１を挟んで固定コア１３との間に距離Ｌを置いて対向配置されている。固定コア１３は、ケース１５の後述する上ケース１６に取り付けられている。固定コア１２，１３は、それぞれ周方向に沿って中心角９０°間隔で４箇所に配置され、絶縁磁性材からなるコア本体１２ａ，１３ａとコア本体１２ａ，１３ａ内に収容される励磁コイル１２ｂ1〜１２ｂ4と励磁コイル１３ｂ1〜１３ｂ4を有している。ここで、図１においては、励磁コイル１２ｂ1，１２ｂ4と励磁コイル１３ｂ1，１３ｂ4のみが図示され、他は省略されている。励磁コイル１２ｂ1〜１２ｂ4と励磁コイル１３ｂ1〜１３ｂ4は、それぞれ直列に接続され、ケース１５内で測定装置１４のプリント基板と電気的に接続され、交流励磁電流が流されている。これらの励磁コイルは、流される交流励磁電流により周囲に交流磁界を形成し、図１に示すように、磁気回路Ｃmgを形成する。
【００１３】
ここで、２つの固定コア１２，１３を用いるのは、環境温度の変化に伴う温度補償をするためである。
測定装置１４は、図１に示すように、ケース１５の後述する下ケース１７に固定されている。測定装置１４は、ケース１５から外部へ延出させた複数の電線１４ａを介して電源や信号伝送用のワイヤハーネスと接続されると共に、ケース１５の外部に設けられた外部装置と接続される。
【００１４】
測定装置１４は、図３に示すように、分周回路１４ｂと測定部１４ｇとの間に、位相シフト部１４ｃ1，位相シフト量検出部１４ｄ1，コンバータ１４ｅ1、位相シフト部１４ｃ2，位相シフト量検出部１４ｄ2，コンバータ１４ｅ2、位相シフト部１４ｃ3，位相シフト量検出部１４ｄ3，コンバータ１４ｅ3及び位相シフト部１４ｃ4，位相シフト量検出部１４ｄ4，コンバータ１４ｅ4が並列に接続されている。コンバータ１４ｅ1の出力信号Ｓc1とコンバータ１４ｅ2の出力信号Ｓc2は、差動アンプ１４ｈ1で差分された後、増幅されて測定部１４ｇのＡ／Ｄコンバータへ電圧信号の出力Ｐo1として出力される他、直接測定部１４ｇへと出力される。また、差動アンプ１４ｈ1には、増幅された電圧値の電圧レベルを調整するシフトレベル調整部１４ｊ1が接続されている。同様に、コンバータ１４ｅ3の出力信号Ｓc3とコンバータ１４ｅ4の出力信号Ｓc4は、差動アンプ１４ｈ2で差分された後、増幅されて測定部１４ｇのＡ／Ｄコンバータへ電圧信号の出力Ｐo2として出力される他、直接測定部１４ｇへと出力される。また、差動アンプ１４ｈ2には、増幅された電圧値の電圧レベルを調整するシフトレベル調整部１４ｊ2が接続されている。
【００１５】
発振回路１４ａは、分周回路１４ｂを介して特定周波数の発振信号を、図３に示す抵抗Ｒ1〜Ｒ4、励磁コイル１２ｂ1〜１２ｂ4，励磁コイル１３ｂ1〜１３ｂ4及びコンデンサＣ1〜Ｃ4からなる位相シフト部１４ｃ1〜１４ｃ4に出力する。このとき、各コンデンサＣ1〜Ｃ4両端における電圧信号の位相は、励磁コイル１２ｂ1〜１２ｂ4や励磁コイル１３ｂ1〜１３ｂ4の後述するインピーダンスの変動によって変化する。コンデンサＣ1〜Ｃ4両端の電圧信号は、位相シフト量検出部１４ｄ1〜１４ｄ4へ出力される。
【００１６】
各位相シフト量検出部１４ｄ1〜１４ｄ4は、各コンデンサＣ1〜Ｃ4両端の電圧信号の位相シフト量を検出する。
コンバータ１４ｅ1〜１４ｅ4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する。
回転センサ１０は、例えば、ワンチップマイクロプロセッサ等を用いた測定部１４ｇに、図３に示すように、増幅された２つの差分信号である出力Ｐo1，Ｐo2及び４つのコンバータ１４ｅ1〜１４ｅ4からの出力信号Ｓc1〜Ｓc4が入力される。すると、測定部１４ｇは、先ず、４つの出力信号Ｓc1〜Ｓc4のレベルの大小関係を比較することによって、ロータ１１のセンシング部１１ｂにおいて、励磁コイル１２ｂ1〜１２ｂ4や励磁コイル１３ｂ1〜１３ｂ4が配置された位置を判別する。その後、その位置に従い、リニアリティが優れている励磁コイル１２ｂ1〜１２ｂ4や励磁コイル１３ｂ1〜１３ｂ4の差分信号を用いて測定部１４ｇが適当な信号処理を行い、処理された信号を角度信号としてワンチップマイクロプロセッサから出力する。本実施例では、測定部１４ｇのワンチップマイクロプロセッサから出力される角度信号は、一定周期のパルス信号で、そのデューティー比はロータ１１の回転角度に比例する。
【００１７】
ケース１５は、回転するステアリングシャフトＳh近傍に位置する固定部材（図示せず）に取り付けられ、それぞれ交流磁界の遮蔽性を有するアルミニウム，銅等の導電性を有する金属或いは前記絶縁磁性材からリング状に成形され、上ケース１６と下ケース１７を備えている。
上ケース１６は、下ケース１７と組み合わされてロータ１１，固定コア１２及び測定装置１４を収容する環状の空間を形成する板状の部材である。下ケース１７は、固定コア１２を設置した測定装置１４を収容している。
【００１８】
上記のように構成される回転センサ１０は、ロータ１１をステアリングシャフトＳhに、ケース１５をステアリングシャフトＳh近傍の固定部材に、それぞれ取り付けて使用される。回転センサ１０においては、センシング部１１ｂの幅はロータ１１の回転角度に比例するように設定されている。このため、ロータ１１の回転に伴い、センシング部１１ｂに生ずる渦電流によって誘起される交流磁界は、励磁コイル１２ｂ1〜１２ｂ4や励磁コイル１３ｂ1〜１３ｂ4のインピーダンスを変動させる。励磁コイル１２ｂ1〜１２ｂ4や励磁コイル１３ｂ1〜１３ｂ4のインピーダンスの変動量は、ロータ１１の回転角度に比例する。従って、回転センサ１０は、励磁コイル１２ｂ1〜１２ｂ4や励磁コイル１３ｂ1〜１３ｂ4におけるインピーダンスの変動量を測定することでロータ１１の回転角度を測定することができる。
【００１９】
例えば、ステアリングシャフトＳhの回転角度（°）に対し、インピーダンスの変動に伴う励磁コイル１２ｂ1〜１２ｂ4の出力電圧（Ｖ）を測定すると、図４にＮｏ．１〜４で示すようになる。このとき、励磁コイル１２ｂ1〜１２ｂ4の各出力電圧（Ｖ）は、図示のように、１８０°離れた位置にピーク状に突出する部分が出現するが、これらはロータ１１の２ヶ所の接続部１１ｃに対応している。従って、図４において、ピーク状に突出する部分を除く、略直線状の４箇所の部分Ａを使用することにより、ロータ１１の回転角度を高精度に測定することができる。
【００２０】
このとき、回転センサ１０においては、ロータ１１が前記のように導電性金属をプレス加工して製造されるので、安価に製造することができ、従って回転センサ１０自体の製造コストも安くなる。しかも、ロータ１１は、金属製なので薄くすることができるうえ、プラスチックマグネット等の合成樹脂を使用したものに比べて変形を小さく抑えることができ、回転センサ１０の精度や感度を向上させることができる。また、ロータ１１は、距離Ｌを置いた固定コア１２と固定コア１３との間への配置が容易なうえ、回転センサ１０を薄くすることができるので小型化の点でも優れている。
【００２１】
更に、回転センサ１０は、ロータ１１を挟んで固定コア１２と固定コア１３とが対向配置され、固定コア１２，１３の間が常に距離Ｌに保持される。このため、回転センサ１０は、ロータ１１が回転軸方向に振動しても、ロータ１１は、固定コア１２，１３との距離Ｌの間を振動するだけで、振動に起因した影響が固定コア１２，１３によって相互に補完される。このため、回転センサ１０は、振動に起因した回転角度の検出誤差が大幅に小さく抑えられる。
【００２２】
尚、上記実施形態の回転センサは、自動車のステアリング装置に使用する場合について説明した。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。
【００２３】
【発明の効果】
請求項１の発明によれば、製造コストを低減できると共に、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断面正面図である。
【図２】図１の回転センサで使用するロータを、励磁コイルの配置と共に示した平面図である。
【図３】図１の回転センサで使用する回転角度の測定装置の回路図である。
【図４】図１の回転センサにおける励磁コイルの出力電圧の一例を示す出力特性図である。
【図５】従来の回転センサの右半断面正面図である。
【図６】図５の回転センサで用いられるロータを、励磁コイルの配置と共に示した平面図である。
【符号の説明】
１０ 回転センサ
１１ ロータ
１１ａ 取付部
１１ｂ センシング部
１１ｃ 接続部
１２，１３ 固定コア
１２ｂ1〜１２ｂ4 励磁コイル
１３ｂ1〜１３ｂ4 励磁コイル
１４ 測定装置
１５ ケース
１６ 上ケース
１７ 下ケース
Ｃmg 磁気回路
Ｓh ステアリングシャフト

Claims (1)

1. 回転するシャフトに取り付けられ、周方向に沿って幅が変化するセンシング部を有するロータと、
   交流励磁電流が流され、前記ロータとの間に磁気回路を形成する励磁コイルと、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し、固定部材に取り付けて、前記ロータに対して前記シャフトの軸線方向に間隔を置いて対向配置される固定コアとを備えた回転センサであって、
   前記ロータは、前記シャフトに取り付けられるリング状の取付部と、該取付部の外側に配置され、周方向に沿って幅が変化するセンシング部と、前記取付部とセンシング部との間を接続する接続部が導電性素材によって一体に形成されていることを特徴とする回転センサ。

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