JP3936225B2 - 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、外部からの電磁波ノイズを遮蔽したり、外部へ電磁波ノイズの影響を及ぼさないように電磁環境適合性(EMC: electromagnetic compatibility)の観点から電磁波シールドの対策を採る必要がある。この場合、電磁波をシールドする遮蔽部材としては、導電性の金属が最適である。
【０００４】
しかし、回転センサは、例えば、熱可塑性の合成樹脂を用いて回転体の本体を形成し、電気絶縁性を有する熱可塑性合成樹脂に軟磁性材粉を混合したプラスチックマグネットを用いて回転子を形成し、前記回転体としてこの回転子と前記本体とを組み合わせたものが使用されている。このため、回転センサは、摺動部が合成樹脂で形成されているので、遮蔽部材として金属を用いると、金属と合成樹脂との間の摩擦が大きいことから、使用に伴って回転体と遮蔽部材との摩擦によって合成樹脂が磨耗し、合成樹脂の粉が発生することがある。このため、回転センサにおいては、このような粉が原因となって回転体の円滑な回転が阻害されることがある。
【０００５】
本発明は上記の点に鑑みてなされたもので、電磁波をシールドしても回転体の円滑な回転が阻害されることがない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、（ａ）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のシャフトに取り付けられる第１のロータと、（ｂ）励磁コイルを有し、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固定される固定コア１２と、（ｃ）前記導体層と対応させ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１２との間に配置され、合成樹脂から成るフランジ１２ａを有する第２のロータ１３とを備え、（ｄ）前記第１及び第２のロータの相対回転による前記励磁コイルのインピーダ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検出する回転センサにおいて、
（ｉ）前記固定コアを電磁波を遮蔽する導電性金属から成る第１の遮蔽部材で覆うと共に、該第１の遮蔽部材を電磁波を遮蔽する導電性の合成樹脂から成る第２の遮蔽部材である合成樹脂ケース１４で覆い、
（ｉｉ）前記固定コア１２の合成樹脂ケース１４と前記第２のロータの合成樹脂フランジ１３ａとが当接して摺動部を構成する、ことを特徴としたのである。
【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トルクを検出する回転センサを図１乃至図６に基づいて説明する。
【０００９】
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及び樹脂ケース１４を備えている。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。
【００１０】
第１ロータ１１は、電気絶縁性を有するナイロン，ポリプロピレン（ＰＰ），ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ），ポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）等の熱可塑性の合成樹脂に、Ｎi−ＺnやＭn−Ｚn系のフェライトからなる軟磁性材粉を、軟磁性材の含有量が１０〜７０体積％で混合した軟磁性材によって円筒状に形成され、回転する従動シャフト５ｃの軸線方向所定位置に取り付けられる。第１ロータ１１は、円筒状の本体１１ａの外周に所定間隔、例えば、中心角３０°間隔で６枚の銅箔１１ｂ（図１参照）が周方向に設けられている。第１ロータ１１は、本体１１ａの下部に半径方向外方へ向けてフランジ部１１ｃが形成されている。ここで、銅箔１１ｂ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１１ｂ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。
【００１１】
固定コア１２は、第１ロータ１１の外側に本体１１ａとの間に半径方向に数ｍｍ程度の僅かなギャップをおいて配置され、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）に固定される。固定コア１２は、図１及び図２に示すように、第１ロータ１１と同一の絶縁磁性材からなる２つのコア本体１２ａと、各コア本体１２ａ内に収容される励磁コイル１２ｂと、各コア本体１２ａを収容する２つの遮蔽ケース１２ｃ及び２つのコア本体１２ａ間に配置される遮蔽板１２ｄとを有している。
【００１２】
コア本体１２ａは、第１ロータ１１と同一の絶縁磁性材からリング状に成形されている。励磁コイル１２ｂは、遮蔽ケース１２ｃから外部へ延出させた電線（図示せず）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。
遮蔽ケース１２ｃ及び遮蔽板１２ｄは、電磁波を遮蔽するもので、それぞれ導電性に優れ、電触のおそれのない銅，真鍮等の金属が用いられる。遮蔽ケース１２ｃは、コア本体１２ａを収容する収容部１２ｅを有するカップ状に成形され、遮蔽板１２ｄと共に中央に開口１２ｆが形成されている。各遮蔽ケース１２ｃは、フランジ部１２ｇの外径が遮蔽板１２ｄの外径と等しくなるように成形されている。ここで、遮蔽ケース１２ｃ及び遮蔽板１２ｄは、各励磁コイル１２ｂに流される交流電流の周波数に基づく表皮効果以上の厚みを有していれば、最低の周波数帯域の電磁波を遮蔽することができる。例えば、各励磁コイル１２ｂに流される交流電流の周波数が１００ｋＨｚで、遮蔽ケース１２ｃ及び遮蔽板１２ｄの素材として銅を使用した場合、遮蔽ケース１２ｃ及び遮蔽板１２ｄは、厚さが0.２ｍｍ以上あればよい。従って、遮蔽ケース１２ｃ及び遮蔽板１２ｄは、上記金属素材をプレス絞り加工して製造される。
【００１３】
第２ロータ１３は、図１に示すように、フランジ１３ａと、第１ロータ１１と固定コア１２との間に配置される複数の羽板１３ｂとを有し、主動シャフト５ａにカップリングＣpを介して取り付けられる。フランジ１３ａは、樹脂ケース１４との摩擦が小さいポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ），ポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ），液晶プラスチック（ＬＣＰ）Ｉ，II型，ポリアセタール（ＰＯＭ）ポリカーボネート（ＰＣ）等の合成樹脂が使用される。複数の羽板１３ｂは、交流磁界の遮蔽性を有するアルミニウム，銅等の非磁性金属によって製造され、フランジ１３ａに、複数の銅箔１１ｂに対応して中心角６０°の間隔で周方向に均等に配置して下方に向かって形成されている。
【００１４】
ここで、本発明の回転センサに係る第１及び第２ロータ１１，１３は、導体層及び非磁性金属体が後述するように単数であっても、両ロータ１１，１３の相対回転による励磁コイルのインピーダ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検出することができる。
樹脂ケース１４は、ポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）にカーボンを混練した導電性の合成樹脂が使用され、図１に示すように、上ケース１４ａと下ケース１４ｂによって遮蔽ケース１２ｃ及び遮蔽板１２ｄを覆っている。ここで、樹脂ケース１４は、ＰＰＳの代わりに液晶プラスチック（ＬＣＰ）Ｉ，II型、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）、シンジオタクティックポリスチレン（ＳＰＳ）、ポリエーテルサルフォン（ＰＥＳ）、ポリアリルサルフォン（ＰＡＳＦ）等を使用してもよい。
【００１５】
そして、回転センサ１０は、図１に示すように、上ケース１４ａの上部と下ケース１４ｂの下部に、それぞれ上蓋１５及び下蓋１６が被せられる。
以上のように構成される回転センサ１０は、第１ロータ１１を従動シャフト５ｃに、第２ロータ１３をカップリングＣpを介して主動シャフト５ａ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組み付けられる。
【００１６】
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１１ｂを交流磁界が横切るため、銅箔１１ｂ内に渦電流が誘起される。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１１ｂ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１１ｂ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。
【００１７】
従って、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り、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。
【００１８】
回転センサ１０は、励磁コイル１２ｂのインピーダンス変動を検出し、第１ロータ１１と第２ロータ１３との相対回転角度を検出する。例えば、パルス波もしくは正弦波を励磁コイル１２ｂに印加し、位相シフト量を測定してもよく、また、振幅変化量を測定してもよい。
このとき、回転センサ１０は、各コア本体１２ａが導電性の遮蔽ケース１２ｃ及び遮蔽板１２ｄによって遮蔽されているうえ、更に導電性の樹脂ケース１４によって遮蔽されている。
【００１９】
このため、回転センサ１０は、外部からの電磁波ノイズの侵入並びに外部への電磁波の漏れ出しがないように電磁波シールドの対策を採っているにも拘わらず、上ケース１４ａは、合成樹脂から成形され、内縁部が第２ロータ１３の合成樹脂製のフランジ１３ａと当接する。従って、回転センサ１０は、上ケース１４ａとフランジ１３ａとが互いに当接しても、合成樹脂の粉が発生することなく、第２ロータ１３が円滑に回転する。しかも、回転センサ１０は、遮蔽ケース１２ｃ、遮蔽板１２ｄ及び樹脂ケース１４で電磁波を遮蔽しているので、遮蔽ケース１２ｃ及び遮蔽板１２ｄのみで遮蔽する場合に比べて、軽量となる。更に、回転センサ１０は、前記のように遮蔽ケース１２ｃ及び遮蔽板１２ｄをプレス絞り加工で製造しているので、±５０μｍ程度の加工精度が得られるので、加工精度のうえからも問題はない。
【００２０】
ここで、上記実施形態は、固定コア１２が、２つの励磁コイル１２ｂを有する場合について説明した。しかし、図３に示す固定コア２２のように、励磁コイル２２ｂが収容されたコア本体２２ａを上下同じ形の２つの遮蔽ケース２２ｃで遮蔽すると共に、遮蔽ケース２２ｃを上ケース２４ａと下ケース２４ｂとを有する樹脂ケース２４で覆う構成としてもよい。
【００２１】
更に、図４に示す固定コア３２のように、励磁コイル３２ｂが収容されたコア本体３２ａを遮蔽ケース３２ｃと遮蔽板３２ｄとで覆って遮蔽する構成としてもよい。
ここで、本発明の回転センサは、図５に示す回転センサ４０のように構成しても、第１及び第２のロータの相対回転による励磁コイルのインピーダ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検出することができる。
【００２２】
ここにおいて、以下に説明する回転センサ４０は、第１ロータ４１及び第２ロータ４３の構成が回転センサ１０と若干異なるだけで、その他は回転センサ１０と構成が同一である。従って、以下の説明並びに図５，６においては、回転センサ２０は、固定コア１２、樹脂ケース１４、上蓋１５及び下蓋１６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４１と第２ロータ４３について説明する。
【００２３】
第１ロータ４１は、図５及び図６（ａ）に示すように、第１ロータ１１と同一の素材から半円筒状に成形される本体４１ａの外周に、銅箔４１ｂ（図１参照）が周方向に半周に亘って配置され、下部には半径方向外方へ向けてフランジ部４１ｃが形成されている。ここで、銅箔４１ｂ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４１ｂ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。
【００２４】
第２ロータ４３は、図５及び図６（ｂ）に示すように、フランジ４３ａと、第１ロータ４１と固定コア１２との間に配置される羽板４３ｂとを有し、主動シャフト５ａにカップリングＣpを介して取り付けられる。フランジ４３ａは、フランジ１３ａと同じ合成樹脂が使用される。羽板４３ｂは、交流磁界の遮蔽性を有するアルミニウム，銅等の非磁性金属によって製造され、フランジ４３ａに、銅箔４１ｂに対応させて周方向に沿って下方に向かって配置されている。
【００２５】
尚、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。
【００２６】
【発明の効果】
請求項１の発明によれば、電磁波をシールドしても回転体の円滑な回転が阻害されることがない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の回転センサで用いる固定ケースの断面正面図である。
【図３】回転ケースの他の実施形態を示す断面正面図である。
【図４】回転ケースの更に他の実施形態を示す断面正面図である。
【図５】本発明の回転センサの他の実施形態を示す回転センサの断面正面図である。
【図６】図５の回転センサで用いる第１のロータの斜視図（ａ）及び第２のロータの斜視図（ｂ）である。
【符号の説明】
５ ステアリングシャフト５ａ主動シャフト５ｂ トーションバー５ｃ 従動シャフト１０回転センサ１１ 第１ロータ１１ａ円筒状本体１１ｂ 導体層１２ 固定コア１２ａコア本体１２ｂ 励磁コイル１２ｃ 遮蔽ケース（第１の遮蔽部材）１２ｄ 遮蔽板（第１の遮蔽部材）１３ 第２ロータ１３ａ合成樹脂製フランジ１３ｂ 非磁性金属体１４ 樹脂ケース（第２の遮蔽部材）１４ａ 上ケース１４ｂ 下ケース２２ 固定コア２２ａコア本体２２ｂ励磁コイル２２ｃ 遮蔽ケース（第１の遮蔽部材）２４ 樹脂ケース（第２の遮蔽部材）２４ａ 上ケース２４ｂ 下ケース３２固定コア３２ａコア本体３２ｂ 励磁コイル３２ｃ 遮蔽ケース（第１の遮蔽部材）３２ｄ 遮蔽板（第１の遮蔽部材）４０ 回転センサ４１ 第１ロータ４１ａ半円状本体４１ｂ 導体層４３ 第２ロータ４３ａ合成樹脂フランジ４３ｂ 非磁性金属体

Claims (1)

1. （ａ）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のシャフトに取り付けられる第１のロータと、（ｂ）励磁コイルを有し、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固定される固定コアと、（ｃ）前記導体層と対応させ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、合成樹脂から成るフランジを有する第２のロータとを備え、（ｄ）前記第１及び第２のロータの相対回転による前記励磁コイルのインピーダ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検出する回転センサにおいて、
   （ｉ）前記固定コアを電磁波を遮蔽する導電性金属から成る第１の遮蔽部材で覆うと共に、該第１の遮蔽部材を電磁波を遮蔽する導電性の合成樹脂から成る第２の遮蔽部材である合成樹脂ケースで覆い、
   （ｉｉ）前記固定コアの合成樹脂ケースと前記第２のロータの合成樹脂フランジとが当接して摺動部を構成する、
   ことを特徴とする回転センサ。

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