JP4028458B2 - 回転センサ - Google Patents

Description

本発明は、回転体に取り付けて当該回転体の回転角度を検出するのに使用される回転センサに関する。

例えば、自動車のステアリングシャフトなどの回転シャフトに取り付けてシャフトと一体になったハンドルの回転角度を検出する際にいわゆる回転センサが使用される（例えば、特許文献１参照）。

かかる回転センサの一例として、ロータに対して固定コアを所定間隔隔てて対向配置したものがある。以下にかかる回転センサの一構造例を関連技術として説明する。なお、ここで紹介する関連技術の構造は本発明にかかる特有のセンシング部形状を除いて本発明の一実施形態にかかる回転センサ（図１乃至図３参照）とその具体的構成が共通するので図示を省略する。

回転センサは、回転するシャフトに取り付けられるロータと、絶縁磁性材からなるコア本体及びコア本体内に収容される少なくとも１つの励磁コイルを有する固定コアと、回転角度検出部を備えている。なお、励磁コイルは、例えば４対の励磁コイルからなり、それぞれロータの周方向に等間隔で配置されている。これによってロータの０°〜３６０°の回転角度を検出するようになっている。

ロータ及び固定コアは、シャフトの近傍に位置する固定部材に取り付けられ、それぞれ交流磁界の遮蔽性を有する金属又は絶縁磁性材からなるケースに収納されている。そして、回転センサは、シャフトの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の回転角度を検出するようになっている。

ロータは、絶縁磁性材の支持体、及びこれとステーを介して連結され周方向にわたって幅が連続的に変化するセンシング部とからなる。なお、センシング部は、幅が最小の幅狭部と、この幅狭部と半径方向反対側に幅が最大の幅広部とを有している。導電性を有する金属からなり、ロータの回転角度に対応してセンシング部の半径方向の幅が変化するように形成され、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ようになっている。なお、センシング部は、後述するようにその形成のし易さから内径円と外径円との中心を互いに偏倚させることで周方向にその幅を変化させた単純な輪郭形状を有している（図８参照）。

また、対になった一方の固定コアは測定装置を構成するプリント基板上に搭載され、ロータのセンシング部を挟んでケースに取り付けられた他方の固定コアと所定距離隔てて対向配置されている。各固定コアは、絶縁磁性材からなるコア本体と、コア本体内に収容される励磁コイルを有している。そして、所定の励磁コイル同士がそれぞれ直列に接続され、測定手段からの交流励磁電流によって固定コア周囲に磁気回路を形成している。

測定装置は、分周回路と測定部との間に、位相シフト部、位相シフト量検出部、コンバータが４列並列に接続されて構成されている。また、対になったコンバータの出力信号が差動アンプで差分された後、増幅されて測定手段のＡ／Ｄコンバータへ電圧信号の出力として出力される。さらに、差動アンプには、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が接続されている。

発振回路は、分周回路を介して特定周波数の発振信号を抵抗、励磁コイル及びコンデンサからなる位相シフト部に出力する。このとき、各コンデンサ両端における電圧信号の位相は、各励磁コイルの後述するインピーダンスの変動によって変化する。また、コンデンサ両端の電圧信号は、位相シフト量検出部へ出力される。また、各位相シフト量検出部は、各コンデンサ両端の電圧信号の位相シフト量を検出する。また、コンバータは検出された位相シフト量を対応する電圧値に変換する役目を果たしている。

そして、増幅された２つの差分信号である出力及び４つのコンバータからの出力信号が測定手段に入力される。これによって、測定部は、最初に４つの出力信号レベルの大小関係を比較する。これによって、ロータのセンシング部において各励磁コイルが配置された位置を判別する。また、図７に示すように４対のコイルによって検出された回転角度に応じた検出出力が得られる。なお、励磁コイルの各出力電圧（Ｖ）は、同図に示すように、１８０°離れた位置にピーク状の突出部が現れるが、これらはロータの二箇所の接続部に対応して生じたものである。

そして、同図において、ピーク状に突出する部分を除く交互に繰り返す４つの領域Ａを用いてロータの回転角度を０°〜３６０°の全域にわたって測定している。

特開２００２−９８５０６号公報（第４−５頁、図１）

しかしながら、上述したようにセンシング部は、その設計や製造のし易さから大きさの異なる２つの円の各中心を若干偏倚させた状態で当該２つの円がその輪郭形状となるように設計されている。具体的には一例として、図８に示すように直径約５２ｍｍの円と直径約５７ｍｍの円の各中心をそれぞれ離間する方向に０．７５ｍｍづつ偏倚させ、各円の中心が結果的に１．５ｍｍ偏倚させた円の組み合わせをセンシング部の輪郭形状としている。その結果、センシング部の幅広部では４ｍｍの幅を有し、幅狭部では１ｍｍの幅を有するようになる。しかしながら、センシング面と直交する方向から見た各コイルとセンシング部の重なり領域の面積（センシング面と直交する方向から見たセンシング部のコイルに対する投影面積）は、センシング部（すなわち、ロータ）の回転角度に応じて正比例して増加しない。そのため、このようなセンシング部を介して得られた図７に示すピーク状に突出する部分を除く略直線状の４つの領域Ａの出力値は厳密な意味での直線とは言えない。

このように従来のセンシング部は大きさの異なる円を単に組み合わせてその幅を周方向にわたって変化させたものに過ぎないので、ロータの回転角度に対して直に得られる出力電圧は正弦波信号となる。かかる正弦波信号を直線に近似することにより所望の直線出力を最終的に得ることも考えられるが、この正弦波信号を近似する過程で誤差を含んでしまう。

すなわち、ロータの回転角度の変化に応じてセンシング部のコイルに対応する領域の面積が直線的に変化せず、直の出力電圧をそのまま用いてもこれを近似して直線化してもいずれにおいても誤差を含むので、従来の回転センサでは精度良く回転角度を検出するには適さなかった。

本発明の目的は、ロータの回転角度の変化に応じて回転出力も直線的に変化する検出精度の良い回転センサを提供することを目的とする。

上述の課題を解決するために、本発明にかかる回転センサは、
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導電性のセンシング部を有するロータと、
交流励磁電流が流されることで前記ロータのセンシング部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かつ前記励磁コイルを保持するコア本体とを有し、固定部材に取り付けて、前記ロータのセンシング部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において、
前記センシング部の、前記固定コアに対応する領域の面積が前記ロータの回転角度の変化に正比例して直線的に変化していくことにより、前記コイルと前記ロータのセンシング部とが協働して発生する出力信号が前記ロータの回転角度に応じて直線的に変化することを特徴としている。

コイルとロータとの協働によって発生する出力信号を特別な信号補正処理を行うことなくロータの回転角度に応じて直線的に変化させることができ、誤差を含まない精度の良い回転角度の検出を確実に行うことができる。

コイルとロータのセンシング部との協働によって発生する出力信号がロータの回転角度に応じて直線的に変化することで、誤差を含まない精度の良い回転角度の検出が可能となった。具体的には、ロータのセンシング部の形状を工夫することで、コイルとロータとの協働によって発生する出力信号をロータの回転角度に応じて直線的に変化させ、これによって出力信号の正弦波波形から直線への近似処理などを行うことなくこれを達成することができた。

以下、本発明の一実施形態にかかる回転センサを図面に基いて説明する。なお、この説明においては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際にこの回転センサを用いた場合について説明する。

本発明の一実施形態にかかる回転センサ１は、図１及び図２に示すように、回転するシャフトＳに取り付けられるロータ１０と、絶縁磁性材からなるコア本体及びコア本体内に収容される少なくとも１つの励磁コイルを有する固定コア３１〜３４（４１〜４４）と、回転角度検出部１００を備えている。なお、励磁コイル３１ｂ〜３４ｂ（４１ｂ〜４４ｂ）は、図２に示すように、例えば片側４個の励磁コイルからなり、それぞれロータの周方向等間隔で配置され、これによってロータの０°〜３６０°の回転角度をくまなく検出するようになっている。

固定コア３１〜３４（４１〜４４）および回転角度検出部１００は、交流磁界の遮蔽性を有する金属又は絶縁磁性材からなるケース２０に収納され、シャフトＳの近傍に位置する固定部材（図示せず）に当該ケース２０を介して取り付けられている。なお、ケース２０は上ケース２１と下ケース２２とから構成されている。そして、回転センサ１は、シャフトＳの回転による励磁コイル３１ｂ〜３４ｂ（４１ｂ〜４４ｂ）のインピーダンス変動に基づいてシャフトＳの回転角度を検出するようになっている。

ロータ１０は、図２に示すように、絶縁磁性材の支持体１１と、当該支持体１１とステー１２ａ，１２ｂを介して連結され、周方向にわたって幅が連続的に変化するセンシング部１２とからなる。また、センシング部１２は、図２及び図３に示すように、幅が最小の幅狭部と、この幅狭部と半径方向反対側に幅が最大の幅広部とを有している。なお、センシング部１２は、アルミニウム，銅，銀，鉄，真鍮等の導電性を有する金属でできている。そして、ロータ１０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、ロータ回転に伴い後述する交流磁界によってセンシング幅の、各コイルに対応した領域の面積に基く大きさの渦電流が誘起されるようになっている。

そして、ロータの所定の回転角度における固定コア３１〜３４（４１〜４４）に対応するセンシング部１２の面積（センシング部１２のセンシング面と直交する方向から見てセンシング部の固定コアに対する投影面積、以下、これを「センシング部の固定コアへの投影面積」とする。）がロータ１０の回転角度の変化に応じて正比例して直線的に変化していくことで、励磁コイル３１ｂ〜３４ｂ（４１ｂ〜４４ｂ）とセンシング部１２の協働によって発生する出力信号がロータ１０の回転角度に応じて直線的に変化するようになっている。

センシング部１２の形状決定方法の一実施例としては、図３に示すように、センシング部１２の周方向１２°〜１５°ごとに固定コア３１〜３４（４１〜４４）への投影面積を設計過程でＣＡＤを用いて算出する。図３に示すセンシング部１２は基準径が約５４ｍｍで、センシング部１２の周方向１２°〜１５°ごとにセンシング部幅が最狭部の１ｍｍから最広部の４ｍｍまで０．２５ｍｍづつ等差的に変化していくようになっている。なお、固定コア３１〜３４（４１〜４４）は外径１６ｍｍの寸法形状を有し、この一部がセンシング部１２のセンシング面と直交する方向から見て重なり、この重なり領域が固定コア３１〜３４（４１〜４４）への投影部をなすようになっている。なお、センシング部１２の幅は固定コア３１〜３４（４１〜４４）の外径より小さい範囲で変化する。

一方、下ケース２１に固定される一側の固定コア３１〜３４は、回転角度検出部１００を構成するプリント基板上に搭載され、ロータ１０を挟んで他側の固定コア４１〜４４との間に間隔Ｇを隔てて対向配置されている。他側の固定コア４１〜４４は、ケース２０の上ケース２２に取り付けられている。なお、一側の固定コア３１〜３４は、絶縁磁性材からなるコア本体３１ａ〜３４ａとコア本体３１ａ〜３４ａ内に収容される励磁コイル３１ｂ〜３４ｂを有している。また、他側の固定コア４１〜４４は、絶縁磁性材からなるコア本体４１ａ〜４４ａとコア本体４１ａ〜４４ａ内に収容される励磁コイル４１ｂ〜４４ｂを有している。励磁コイル３１ｂ〜３４ｂと励磁コイル４１ｂ〜４４ｂは、それぞれ直列に接続され、ケース２０内で回転角度検出部１００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ることでコイル周囲に交流磁界を形成し、それぞれ対となっている固定コア間で図１に矢印Ｘで示すような磁気回路を形成している。

回転角度検出部１００は、図１に示すように、ケース２０の後述する下ケース２１に固定されている。回転角度検出部１００は、ケース２０から外部に延出させた複数の電線１００ａ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２０の外部に設けられた外部装置と接続されるようになっている。

回転角度検出部１００は、図４の回路ブロック図に示すように、分周回路１６０と測定部１５０との間に、位相シフト部１０１〜１０４、位相シフト量検出部１２１〜１２４、コンバータ１３１〜１３４が４列並列に接続されている。また、コンバータ１３１の出力信号Ｓ１とコンバータ１３２の出力信号Ｓ２は、差動アンプ１４１で差分された後、増幅されて測定部１５０のＡ／Ｄコンバータ１５１へ電圧信号出力Ｓ５として出力される。また、差動アンプ１４１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１４２が接続されている。

同様に、コンバータ１３３の出力信号Ｓ３とコンバータ１３４の出力信号Ｓ４は、差動アンプ１４４で差分された後、増幅されて測定部１５０のＡ／Ｄコンバータ１５１へ電圧信号出力Ｓ６として出力される。また、差動アンプ１４４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１４３が接続されている。

続いて、回転センサ１における具体的な信号処理の方法について説明する。

まず、発振回路１７０は、分周回路１６０を介して特定周波数の発振信号を、図４に示す抵抗Ｒ１〜Ｒ４、励磁コイル３１ｂ〜３４ｂ，４１ｂ〜４４ｂ及びコンデンサＣ１〜Ｃ４からなる位相シフト部１０１〜１０４に出力する。このとき、ロータのセンシング部１２の渦電流発生の大きさに応じて励磁コイル３１ｂ〜３４ｂ，４１ｂ〜４４ｂのインピーダンスが変化し、このインピーダンス変化によって各コンデンサＣ１〜Ｃ４両端における電圧信号の位相も変化する。そして、コンデンサＣ１〜Ｃ４の両端の電圧信号は、位相シフト量検出部１２１〜１２４へ出力され、この検出部で各コンデンサ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１３１〜１３４は、検出された位相シフト量を対応する電圧値に変換する。そして、増幅された２つの差分信号である出力Ｓ５，Ｓ６及び４つのコンバータ１３１〜１３４からの出力信号Ｓ１〜Ｓ４が、例えば、ワンチップマイクロプロセッサ等からなる測定部１５０に入力される。これによって、測定部１５０は、最初に４つの出力信号Ｓ１〜Ｓ４のレベル（大小関係）比較を行う。そして、ロータ１０のセンシング部１２において、励磁コイル３１ｂ〜３４ｂや励磁コイル４１ｂ〜４４ｂが配置された位置を判別する。

これによって、例えば励磁コイル３１ｂの各出力電圧（Ｖ）が図５に示すように得られる。同図の励磁コイル３１ｂに関するロータ回転角度と出力電圧との関係から明らかなように、１８０°離れた位置にロータ１１の２ヶ所の接続部１１ｃに対応するピーク状の突出部が出現する。また、この部分を除いて前述した関連技術の回転センサよりも回転角度に応じて正比例して直線的に変化する特性上向上した出力電圧を得られる検出帯域Bが現れる。また、４対の励磁コイルをセンシング部の周方向に等間隔で配置することで、このようなロータ回転角度に応じた直線性に優れた検出帯域Ｂをロータ回転角度の０°〜３６０°まで入れ替わり連続的に生じさせることができる。そして、この検出帯域Ｂをそれぞれ使用することにより、ロータ１１の回転角度を正確に測定することが可能となる。

本実施形態にかかる回転センサ（以下、これを「本実施例」とする）を、内径円と外径円を単に偏倚させて組み合わせた単純な輪郭形状のセンシング部を有するに過ぎない従来の回転センサ（以下、これを「比較例」とする）とを比較評価した。

なお、この比較評価に当ってはロータを１０°づつ回転させてその時点における特定の固定コアの検出出力をプロットしてこれをロータ一回転にわたって測定した。この比較試験の結果を図６に示す。同図から明らかなように、本実施例の方が比較例に較べてロータ回転角度０°〜１８０°の範囲全体にわたって直線性が優れていることが分った。これによって、本実施例のロータを備えた回転センサを利用することで特別な信号補正処理を行うことなく正確な回転角度検出を行えることが立証できた。

本発明にかかる回転センサは、自動車のステアリング装置の回転角度検出に特に適している。しかしながら、本発明にかかる回転センサは、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や回転トルクを求めるものであれば、どのようなものにも適用可能である。

本発明の一実施形態にかかる回転センサをステアリングシャフトに装着した状態で示した断面図である。 図１に示した本実施形態にかかるロータのセンシング部とコイルとの配置関係を概略的に示した説明図である。 本発明の一実施形態にかかる回転センサのロータのセンシング部を示した平面図である。 本実施形態にかかる回転センサの回転角度検出に関する信号処理回路を示したブロック図である。 図１に示した回転センサを用いて回転角度と出力電圧値を測定した測定結果である。 本実施形態における実施例に示した回転センサと比較例にかかる回転センサとを所定の回転角度ごとの固定コアと対応するセンシング部の面積をプロットしてこれを連続的にした図である。 従来の回転センサによって得られた回転角度に対する検出出力の値を示した図である。 従来の回転センサに用いるロータのセンシング部を示した平面図である。

符号の説明

１ 回転センサ
１０ ロータ
１２ａ，１２ｂ ステー
２０ ケース
２１ 上ケース
２２ 下ケース
３１〜３４ 固定コア
３１ａ〜３４ａ コア本体
３１ｂ〜３４ｂ 励磁コイル
４１〜４４ 固定コア
４１ａ〜４４ａ コア本体
４１ｂ〜４４ｂ 励磁コイル
１００ 回転角度検出部
１００ａ 電線
１０１〜１０４ 位相シフト部
１２１〜１２４ 位相シフト量検出部
１３１〜１３４ コンバータ
１４１ 差動アンプ
１５０ 測定部
１５１ Ａ／Ｄコンバータ
１６０ 分周回路
１７０ 発振回路
Ｓ 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導電性のセンシング部を有するロータと、
   交流励磁電流が流されることで前記ロータのセンシング部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かつ前記励磁コイルを保持するコア本体とを有し、固定部材に取り付けて、前記ロータのセンシング部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において、
   前記センシング部の、前記固定コアに対応する領域の面積が前記ロータの回転角度の変化に正比例して直線的に変化していくことにより、前記コイルと前記ロータのセンシング部とが協働して発生する出力信号が前記ロータの回転角度に応じて直線的に変化することを特徴とする回転センサ。

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