JP4369839B2 - Rotation sensor - Google Patents
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Description
本発明は、回転体に取付けてこの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。 The present invention relates to a rotation sensor used for detecting a rotation angle of a rotating body attached to the rotating body.
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付けてこの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のにいわゆる回転センサが使用される。 For example, a so-called rotation sensor is used to detect a rotation angle of a handle attached to a rotating shaft such as a steering shaft of an automobile and integrated with the shaft.
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。(例えば、特許文献1参照)。 As an example of such a rotation sensor, there is one in which a fixed core is disposed opposite to a rotor at a predetermined interval. (For example, refer to Patent Document 1).
この回転センサは、特許文献1の図1乃至図3に示すように、回転するシャフトに取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個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。
As shown in FIGS. 1 to 3 of
固定コアは、シャフトの近傍に位置する固定部材に取付けられ、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ロータとともに収納されている。 The fixed core is attached to a fixed member located in the vicinity of the shaft, and is housed together with a rotor in a case made of a metal or an insulating magnetic material each having an AC magnetic field shielding property.
ロータは、絶縁磁性材のロータ取付け部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た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。 The rotor includes a rotor mounting portion made of an insulating magnetic material and a sensing portion that is connected to the rotor through a stay and has a width that continuously changes in the circumferential direction. The sensing part is made of a conductive metal having a narrow part with the smallest width and a wide part with the largest width on the opposite side in the radial direction, and corresponds to the rotation angle of the rotor. Thus, the width of the sensing unit in the radial direction is changed, and an eddy current having a magnitude corresponding to the width accompanying rotation is induced by the AC magnetic field.
このような構成の回転センサを用いて、この渦電流の発生に伴う励磁コイルのインピーダンス変動を利用してロータの0°〜360°の回転角度を検出する。
しかしながら、このような回転センサを、例えば自動車のステアリングシャフトに取付けて当該ステアリングシャフトの回転角度を検出すると、車両の振動によりロータのセンシング部とコイルコアとのギャップが変化し、これが検出出力誤差となって正確な回転角度を検出できない場合がある。 However, when such a rotation sensor is attached to, for example, a steering shaft of an automobile and the rotation angle of the steering shaft is detected, the gap between the sensing portion of the rotor and the coil core changes due to the vibration of the vehicle, which becomes a detection output error. In some cases, an accurate rotation angle cannot be detected.
これを解決するために、特許文献1の図13乃至図16に示すように、対になった四組の固定コアをロータのセンシング部を挟んでケースに取付けた構造の回転センサが考えられている。この対になった各固定コアは、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。
In order to solve this, as shown in FIGS. 13 to 16 of
このように一つの回転センサに、ロータのセンシング部をはさんで上下2個を一組として四組の固定コアを90°の位相で配置することで、回転部の振動によって生じるロータ半径方向の各固定コアとの間隔変化による出力変動を軽減している。 In this way, by arranging four sets of fixed cores with a 90 ° phase, with two pairs of upper and lower parts sandwiching the rotor's sensing part in one rotation sensor, the rotor radial direction generated by the vibration of the rotating part The output fluctuation due to the change of the interval with each fixed core is reduced.
しかしながら、上述の回転センサにおいては、ロータのセンシング部が、各組の固定コアの上下固定コア間に配置される必要があるため、実際の回転センサ組付け上の制約から、上下固定コアごとに組付け工程を分割している。 However, in the rotation sensor described above, the rotor sensing unit needs to be disposed between the upper and lower fixed cores of each set of fixed cores. The assembly process is divided.
具体的な組付け工程を一例として紹介すると、図10に示すように、下側固定コア51〜54をコイルコアホルダ71に組付け、この組付けたコイルコアホルダ71を下ケース22に組付け、ロータ10と予め一体化したセンシング部12を下ケース22に組付ける。
A specific assembling process is introduced as an example. As shown in FIG. 10, the lower
一方、図11に示すように、上側固定コア61〜64をコイルコアホルダ72に組付けてこのコイルコアホルダ72をコイルコアホルダ71に合体させるとともに、上ケース(図示せず)を下ケース22に嵌めて回転コネクタを完成させるようになっている。
On the other hand, as shown in FIG. 11, the upper
すなわち、この工程による回転コネクタの組付けを行うに当って、上述の組付け上の制約により、各固定コア51〜54(61〜64)を保持するコイルコアホルダ71(72)は、総計4個の下側固定コア51〜54と同じく総計4個の上側固定コア61〜64のそれぞれを取付けるコイルコアホルダ71,72に分割し、2部品構成となっている。
That is, in assembling the rotary connector in this process, the coil core holder 71 (72) holding the
そのため、上下固定コア51〜54,61〜64の各組ごとの同芯度は、上下コイルコアホルダ71,72の位置精度に依存するようになり、部品公差や組付け公差の関係上、理想的な寸法関係に回転センサを組付けるのは難しく、精度良く組付けるには相応の設備を用いなければならず、非常にコスト高となってしまう。
Therefore, the concentricity of each pair of the upper and lower
また、別体で構成されるコイルコアホルダ71,72を仮に一体化しようとすると、一体化したコイルコアホルダの間にロータ10のセンシング部12を横からスライド挿入できることが必要とされる。すなわち、図10及び図11に示す寸法aと寸法bとの間にa>bの関係が要求され、回転センサ自体の大きさも大型化してしまう。
Further, if the
上述の構成に対し、図12及び図13に示すように、上下固定コア51〜54,61〜64を各々個別に保持する一体化した四組のコイルコアホルダ81〜84を設ける構造も考えられるが、これでは各組同士の相対位置、すなわちシャフトSの軸に関して互いに90°ずれて配置するのが難しくなる。これは、固定コア51〜54,61〜64の各組同士の相対位置が各コイルコアホルダ81〜84の下ケース22に対する取付け位置精度に依存するからである。
As shown in FIGS. 12 and 13, a structure in which four sets of integrated
このように、各組の固定コア同士を正確に対向配置させながらその間の適所にロータ10のセンシング部12を介在させた状態で回転センサを組み立てるのは困難性を伴う。
As described above, it is difficult to assemble the rotation sensor in a state where the
また、かかる回転センサを組付けるにあたって、固定コアの個数が合計8個必要となり、コスト高となる。回転センサのコスト低減を図るためには、固定コアの個数を減らすことが効果的であるが、かかる固定コアの個数を減らすにあたって、回転センサの出力特性を損なわないようにすることが必要とされる。 Further, when assembling such a rotation sensor, a total of eight fixed cores are required, resulting in high costs. In order to reduce the cost of the rotation sensor, it is effective to reduce the number of fixed cores. However, in order to reduce the number of fixed cores, it is necessary not to impair the output characteristics of the rotation sensor. The
以上のように回転センサの4箇所に固定コア51〜54,61〜64を対向配置する構成をとった場合、対向配置した固定コア間にロータ10のセンシング部12を設けなければならないことに起因する組付け上や部品構造上のさまざまな制約があるとともに、1つの回転センサに多数の固定コアを使用しなければならず、これが廉価で精度の良い回転センサを提供するにあたっての障害となっている。
As described above, when the
本発明の目的は、組付け性に優れかつコストの低減を図るとともに広範囲の回転角度にわたって検出精度に優れた回転センサを提供することにある。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a rotation sensor that is excellent in assembling property, reduces costs, and has excellent detection accuracy over a wide range of rotation angles.
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からなる固定コアとを有し、前記固定コアは保持部材に取付けられ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おいて対向配置されるようにした、回転センサにおいて、
前記固定コアは前記ロータのセンシング部を挟んで対向配置された固定コア対を1組として2組設けられており、前記保持部材は2つのコイルコアホルダを備えて一体化した一部品であり、前記2つのコイルコアホルダは前記2組の固定コアの各組が前記シャフトの軸に対してなす中心角が実質的に180°を除いた角度の2箇所に配置されるように当該2組の固定コアをそれぞれ保持することにより、前記対向配置された固定コアの同芯度が保たれ、かつ前記対向配置された固定コアと前記ロータのセンシング部との間隔が略一定に保たれていることを特徴としている。
In order to solve the above-mentioned problem, the rotation sensor according to the present invention is:
An excitation coil that is attached to a rotating shaft and that forms a magnetic circuit between a rotor having a conductive sensing portion whose width varies along the circumferential direction and an AC excitation current flowing through the rotor. And a fixed core formed of an insulating magnetic material and including a core body that holds the exciting coil, and the fixed core is attached to a holding member and extends in the axial direction of the shaft with respect to the sensing portion of the rotor In the rotation sensor, which is arranged to face each other at intervals,
The fixed core is provided as two sets of fixed core pairs arranged opposite to each other with the sensing part of the rotor interposed therebetween, and the holding member is a single component provided with two coil core holders, The two coil core holders are arranged at two locations where the central angle of the two sets of fixed cores with respect to the shaft axis is substantially excluding 180 °. By holding the fixed cores, the concentricity of the opposed fixed cores is maintained, and the distance between the opposed fixed cores and the sensing portion of the rotor is kept substantially constant. It is characterized by.
固定コアがシャフトの軸に対してなす中心角が実質的に180°を除いた角度の2箇所に配置されていることで、シャフトに取付けられたロータの回転角度を2つの固定コアのみで検出することができ、回転センサの検出精度を高く維持しながら固定コアの個数を減らすことが可能となり、その分回転センサ自体のコストダウンを図れる。
また、一体の保持部材に固定コアを配置することで、対向する固定コア同士の同芯度を正確に保つことができ、回転センサの検出精度を高く維持しながら回転センサの組付け性を向上させることができる。
また、固定コアをロータのセンシング部を挟んで対向配置された固定コア対とすることで、各固定コア対が振動に対する出力特性の変動を相殺することができ、耐振動性に優れた回転角度の検出を行うことができる。
また、従来の耐振性を有した回転センサの構造に比べて固定コアの個数を減らすことができるので、その分、コストダウンを図れる。
また、本発明にかかる回転センサは、従来の2つ以上の部品から構成される保持部材を取付ける構造をとっていないので、各固定コア同士の同芯度を保ったままかつ各固定コアとロータのセンシング部との間隔を一定に保ちながら容易に組付けることができる。
すなわち、従来の回転センサでは、ロータのセンシング部を挟んで上下一組をなす固定コアを合計四組、それぞれ所定角度の位相で配置していたのに対し、本発明にかかる回転センサでは、ロータのセンシング部を挟んで上下一組をなす固定コアを合計二組、シャフトの軸に対して所定角度の中心角をなして保持部材に配置し、各固定コアを保持する保持部材は、コイルコアホルダを備えて一体化した状態で構成されているので、構造が極めて簡単になる。
これに加えて、本発明にかかる回転センサは各固定コアを保持する保持部材が一部品であるため、互いに対向配置された各組ごとの固定コアの同芯度や180°以外の所定の角度だけ隔てて配置された各組ごとの固定コアの相対位置が、部品同士の組付け誤差から影響を受けることがなくなり、回転センサの組付け工程においてロータのセンシング部と固定コアや固定コア同士をより高い精度で位置決めすることが可能となる。
The rotation angle of the rotor attached to the shaft can be detected by only two fixed cores because the fixed core is arranged at two positions with the central angle made with respect to the shaft axis excluding 180 °. This makes it possible to reduce the number of fixed cores while maintaining high detection accuracy of the rotation sensor, thereby reducing the cost of the rotation sensor.
In addition, by arranging the fixed core on the integral holding member, the concentricity of the fixed cores facing each other can be accurately maintained, improving the assembly of the rotation sensor while maintaining high detection accuracy of the rotation sensor. Can be made.
In addition, by making the fixed cores a fixed core pair that is placed opposite to each other with the sensing part of the rotor in between, each fixed core pair can cancel out fluctuations in output characteristics with respect to vibration, and rotation angles with excellent vibration resistance Can be detected.
Further, since the number of fixed cores can be reduced as compared with the structure of a conventional rotation sensor having vibration resistance, the cost can be reduced accordingly.
In addition, since the rotation sensor according to the present invention does not have a conventional structure for attaching a holding member composed of two or more parts, the fixed core and the rotor are maintained while maintaining the concentricity between the fixed cores. It can be easily assembled while keeping the distance from the sensing part constant.
That is, in the conventional rotation sensor, a total of four sets of fixed cores that are paired up and down across the rotor's sensing portion are arranged at a predetermined angle, whereas in the rotation sensor according to the present invention, the rotor A total of two sets of fixed cores that form a pair of upper and lower sides sandwiching the sensing portion of the sensor unit are arranged on the holding member at a central angle of a predetermined angle with respect to the shaft axis, and the holding member that holds each fixed core is a coil core Since it is configured to be integrated with the holder, the structure becomes extremely simple.
In addition, since the rotation sensor according to the present invention has a single holding member for holding each fixed core, the concentricity of the fixed cores for each set arranged opposite to each other and a predetermined angle other than 180 ° The relative position of the fixed cores for each set placed apart from each other is no longer affected by the assembly error between the parts, and the rotor sensing section and the fixed cores or fixed cores are connected in the assembly process of the rotation sensor. Positioning can be performed with higher accuracy.
また、本発明の請求項2に記載の回転センサは、請求項1に記載の回転センサにおいて、
前記2箇所の固定コアが互いに前記シャフトの軸に対してなす中心角は、実質的に90°であることを特徴としている。
Moreover, the rotation sensor according to
A central angle formed by the two fixed cores with respect to the axis of the shaft is substantially 90 °.
2箇所の固定コアが互いにシャフトの軸に対して実質的に90°の中心角をなすように配置することで、対向する固定コア同士の同芯度をより正確に保つことができるようになり、その結果、回転センサの検出精度を高く維持しながら回転センサの組付け性を向上させることが可能となる。また、従来の耐振性を有した回転センサの構造に比べて固定コアの個数を減らすことができるので、その分、コストダウンを図れる。
また、請求項2に記載の本発明にかかる回転センサは、2箇所の固定コアが互いにシャフトの軸に対して実質的に90°の中心角をなすように配置された構成を有しているので、ロータのセンシング部を保持部材に対して横方向からスライドして組付けることができ、回転センサの組付け作業性に優れる。
By arranging the two fixed cores so as to form a substantially 90 ° central angle with respect to the shaft axis, the concentricity between the fixed cores facing each other can be more accurately maintained. As a result, it is possible to improve the assembly of the rotation sensor while maintaining high detection accuracy of the rotation sensor. Further, since the number of fixed cores can be reduced as compared with the structure of a conventional rotation sensor having vibration resistance, the cost can be reduced accordingly.
According to a second aspect of the present invention, the rotation sensor according to the present invention has a configuration in which the two fixed cores are arranged so as to form a central angle of substantially 90 ° with respect to the shaft axis. Therefore, the sensing portion of the rotor can be slid and assembled with respect to the holding member from the lateral direction, and the assembly workability of the rotation sensor is excellent.
また、本発明の請求項3に記載の回転センサは、請求項1又は請求項2に記載の回転センサにおいて、
前記各励磁コイルが発振部と位相シフト部と位相シフト量検出部に接続され、
各励磁コイルの位相シフト量検出部で得られた位相シフト量及び当該位相シフト量をそれぞれ反転させた位相シフト量に基づき、前記ロータの回転角度を検出することを特徴としている。
Moreover, the rotation sensor according to
Each excitation coil is connected to an oscillation unit, a phase shift unit, and a phase shift amount detection unit,
The rotation angle of the rotor is detected based on the phase shift amount obtained by the phase shift amount detection unit of each excitation coil and the phase shift amount obtained by inverting the phase shift amount.
各励磁コイルの位相シフト量検出部で得られた位相シフト量の他に当該位相シフト量をそれぞれ反転させた位相シフト量を用いることで、少ない個数の固定コアを備えた簡易な構成でもロータの回転角度を広範囲にわたって検出可能とする。 By using the phase shift amount obtained by inverting the phase shift amount in addition to the phase shift amount obtained by the phase shift amount detection unit of each excitation coil, even a simple configuration with a small number of fixed cores can be used. The rotation angle can be detected over a wide range.
本発明によると、組付け性に優れかつコストの低減を図るとともに広範囲の回転角度にわたって検出精度に優れた回転センサを得ることができる。 According to the present invention, it is possible to obtain a rotation sensor that is excellent in assembling property, reduces cost, and has excellent detection accuracy over a wide range of rotation angles.
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この回転センサをステアリングシャフトに取付けてハンドルの回転角度を検出する場合について説明する。 Hereinafter, a rotation sensor according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In this description, a case where the rotation angle of the steering wheel is detected by attaching the rotation sensor to the steering shaft in a steering apparatus for an automobile will be described.
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31,32(41,42)と、固定コア31,32(41,42)を保持する保持部材90と、保持部材90の一部に備わった回路基板95と、これらを収容するケース20とを備えている。また、保持部材90には、固定コア31,41を対向配置させるコイルコアホルダ92と、固定コア32,42を対向配置させるコイルコアホルダ93が備わっている。そして、保持部材90は、コイルコアホルダ92,93がシャフトSの軸に対して中心角90度をなすように回転センサ1に組付けられている。
As shown in FIGS. 1 and 2, the
以下、保持部材90及び固定コア31,32,41,42の構造について詳細に説明する。保持部材90は、例えば合成樹脂(例えば、ポリブチレンテレフタレート(PBT)、ナイロン、ポリフェニレンスルフィド(PPS)、ABS樹脂等ガラス繊維にエポキシ樹脂を含浸させたFRP(繊維強化プラスチック)等)でできた矩形状の板部材であって下ケース22に取付けられるベース部91と、このベース部91の一側端部に備わったコイルコアホルダ92,93とからなる。
Hereinafter, the structure of the holding
保持部材90の一方のコイルコアホルダ92には、固定コア31,41が互いに同芯度を保ちながら対向配置された状態で備わり、保持部材90の他方のコイルコアホルダ93には固定コア32,42が互いに同芯度を保ちながら対向配置されている。また、一方の組の各固定コア31,41が他方の組の固定コア32,42に対してシャフトSの軸に関して中心角90°をなして配置されている。これによって、一側の固定コア31(32)は、ロータ10を挟んで他側の固定コア41(42)との間に所定間隔G(図2参照)を隔てて対向配置されている。
One
また、保持部材90の一部には回路基板95が備わり、当該回路基板95に回転角度検出回路100が備わっている。回転角度検出回路100は、ケース20から外部に延出させた複数の電線(図示せず)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。
A part of the holding
上述のように、固定コア31,32は、シャフトSの軸に対して中心角90°をなすように保持部材90の下ケース側に配置される。一方、固定コア41,42は、シャフトSの軸に対して中心角90°をなすように保持部材90の上ケース側に配置される。
As described above, the fixed
また、固定コア31と固定コア41はロータ10のセンシング部12を挟んで同芯度を維持しながら対向配置され、固定コア32と固定コア42もロータ10のセンシング部12を挟んで同芯度を維持しながら対向配置される。
The fixed
なお、一側の固定コア31,32は、図2に示すように、絶縁磁性材(例えば、Ni−Zn系、Mn−Zn系、Mg−Zn系のフェライトに、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を混合したもの、あるいはセラミック等)からなり、円柱状に形成され、上面側に励磁コイルが収容されるリング状の空隙部を有するコア本体31a,32aとコア本体31a,32a内に収容される励磁コイル31b,32bを有している。また、他側の固定コア41,42も同様に、絶縁磁性材からなるコア本体41a,42aとコア本体41a,42a内に収容される励磁コイル41b,42bを有している。そして、励磁コイル31bと励磁コイル41b、励磁コイル32bと励磁コイル42bは、それぞれ直列に接続され、保持部材90の回転角度検出回路100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磁気回路を形成するようになっている。
As shown in FIG. 2, the fixed
また、固定コア31,32(41,42)が備わった保持部材90、回転角度検出回路100が備わった回路基板95、及びロータ10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に収容されている。なお、ケース20は上ケース21と下ケース22とからなり、シャフトSの近傍に位置する固定部材(図示せず)に図示しないブラケット等を介して取付けられている。
The holding
ロータ10は、図1に示すように、絶縁磁性材のロータ取付け部11と、当該ロータ取付け部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。なお、センシング部12は、アルミニウム,銅,銀,真鍮等の導電性を有する金属でできている。また、センシング部12は、同図に示すように、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。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。
As shown in FIG. 1, the
すなわち、各励磁コイル31b,32b,41b,42bに交流励磁電流が流されると、各励磁コイル31b,32b,41b,42bは周囲に交流磁界を形成し、対向するコア本体31aとコア本体41aは協働して磁気回路を形成し、同様に、対向するコア本体32aとコア本体42aも協働して磁気回路を形成する。このとき、磁束がセンシング部12を横切ると、センシング部12の表面には渦電流が誘起され、各励磁コイル31b,32b,41b,42bのインピーダンスを変動させる。このインピーダンスの変動量は、センシング部12の表面に誘起される渦電流量の変動に対応する。センシング部12の表面に誘起される渦電流量は、固定コア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、すなわち「センシング部の固定コアへの投影面積」である。)により変動する。よって、ロータ10が回転すると、各固定コア31,32,41,42に対応するセンシング部12の幅はロータ10の回転角度に比例して変動し、これに伴い各励磁コイル31b,32b,41b,42bにおけるインピーダンスも変動する。このときの各励磁コイル31b,32b,41b,42bからの出力信号を後述する回転角度検出回路100で検出し、ロータ10の角度信号に変換して、ロータ10の回転角度を検出することができる。
That is, when an alternating current is passed through each of the
回転センサ1の回転角度検出回路100は、図3の回路ブロック図に示すように、発振回路111からなり特定周波数の発振信号を出力する発振部110と、センシング部12に発生する渦電流の大きさに応じて発振部110から入力された発振信号の位相をシフトする位相シフト部120(121,122)と、位相シフト量を検出する位相シフト量検出部130(131,132)と、検出された位相シフト量を対応するパラメータに変換する位相シフト量コンバート部140(141,142)と、位相シフト量コンバート部140から出力される位相シフト量を増幅させる増幅部150(151,152)と、位相シフト量に対応するパラメータから回転角度を算出する信号処理部160とを有し、位相シフト部120に入力される各回転角度を検出するようになっている。なお、本実施形態では記載されていないが、発振回路111と位相シフト部120との間に必要に応じて分周回路やバッファを設けても良い。
As shown in the circuit block diagram of FIG. 3, the rotation
以上の構成を有する回転センサ1は、シャフトSの回転による励磁コイル31b,32b,41b,42bのインピーダンス変動を利用して出力を回転角度検出回路100で信号処理することで、後述するようにロータの0°〜360°の回転角度全体にわたって検出するようになっている。
The
続いて、かかる回転センサの組付け方について説明する。まず、保持部材90のコイルコアホルダ92に固定コア31,41を取付けるとともに、保持部材90のコイルコアホルダ93に固定コア32,42を取付ける。そして、保持部材90に対向配置された固定コア間にロータ10のセンシング部12を挿入する。これによって、一方の組の固定コア31,41が同芯度を保ちかつ他方の組の固定コア32,42が同芯度を保った状態で、各組の固定コア間の適所にロータ10のセンシング部12が配置されるようにする。そして、このように仮組付けされた保持部材90とロータ10とを下ケース22に取付ける。次いで、下ケース22に上ケース21を取付けて回転センサ1の組付けを終える。
Next, how to install the rotation sensor will be described. First, the fixed
このように、本実施形態にかかる回転センサ1は、従来の2つ以上の部品から構成される保持部材を取付ける構造をとっていないので、各固定コア同士の同芯度を保ったままかつ各固定コア31,41(32,42)とロータ10のセンシング部12との間隔を一定に保ちながら容易に組付けることができる。
As described above, the
すなわち、従来の回転センサでは、ロータのセンシング部を挟んで上下一組をなす固定コアを合計四組、それぞれ90°の位相で配置していたのに対し、本実施形態にかかる回転センサでは、ロータのセンシング部を挟んで上下一組をなす固定コアを合計二組、シャフトの軸に対して中心角90°をなして保持部材90に配置している。また、各固定コア32,42を保持する保持部材90は、コイルコアホルダ92,93を備えて一体化した状態で構成されている。また、保持部材90には回路基板95を介して回転角度検出回路100が備わっている関係上、固定コア31,32,41,42は回転角度検出回路100に近い位置に配置されている。
That is, in the conventional rotation sensor, a total of four sets of fixed cores that are paired up and down across the sensing part of the rotor are arranged at a phase of 90 °, whereas in the rotation sensor according to this embodiment, A total of two sets of fixed cores that form a pair of upper and lower sides sandwiching the sensing portion of the rotor are arranged on the holding
本実施形態にかかる回転センサ1は上述した構成を有しているので、ロータ10のセンシング部12を保持部材90に対して横方向からスライドして組付けることができ、従来のように保持部材90を上下固定コア用に二分割する必要がなくなる。また、従来のように四組からなる固定コアの各組用に保持部材90を分割する必要がない。その結果、構成部品の部品点数を削減することが可能となる。
Since the
これに加えて、本実施形態にかかる回転センサは各固定コアを保持する保持部材90が一部品であるため、互いに対向配置された各組ごとの固定コア31,41(32,42)の同芯度や90°隔てて配置された各組ごとの固定コア31,41(32,42)の相対位置が、部品同士の組付け誤差から影響を受けることがなくなり、回転センサ1の組付け工程においてロータ10のセンシング部12と固定コア31,32,41,42や固定コア同士をより高い精度で位置決めすることが可能となる。
In addition to this, since the rotation sensor according to the present embodiment has a holding
また、本実施形態にかかる回転センサ1の場合、2組の固定コア31,32,41,42がいずれも保持部材90に備わった回転角度検出回路100の近傍に配置されているため、回転角度検出回路100と固定コア31,32,41,42との電気接続を行うコイル線の長さを短くすることができ、これにより電気ノイズの影響が受け難くなる。
In the case of the
続いて、上述のように組付けた回転センサ1を用いた回転角度検出を行うにあたっての具体的な信号処理の仕方について説明する。まず、発振回路111は、特定周波数の発振信号を各励磁コイル31b及び励磁コイル41b(コイルB1)、励磁コイル32b及び励磁コイル42b(コイルB2)に伝達する。これによって、各発振信号が抵抗R1,R2、励磁コイルB1,B2及びコンデンサC1,C2からなる各位相シフト部120に出力される。このとき、コンデンサC1,C2両端における電圧信号の位相は、励磁コイルB1,B2のインピーダンスの変動によって変化する。コンデンサC1,C2両端の電圧信号は、各位相シフト量検出部130へ出力される。各位相シフト量検出部130は、コンデンサC1,C2両端の電圧信号の位相シフト量をそれぞれ検出する。各位相シフト量コンバート部140は検出された各位相シフト量を対応する電圧に変換する。
Next, a specific signal processing method for performing rotation angle detection using the
そして、この電圧値を位相シフト量コンバート部140の後段に接続した増幅部150(151,152)に伝達する。増幅器150はオペアンプ等からなる電子回路である。
Then, this voltage value is transmitted to the amplification unit 150 (151 and 152) connected to the subsequent stage of the phase shift
信号処理部160は、演算処理手段として例えばワンチップマイクロプロセッサが使用され、各増幅部150から入力される電圧値に基づき、信号処理部160がロータ10の回転角度を測定する。
The
これによって、例えば一方の励磁コイル(コイルB1)の出力電圧(V)が図4に示すように得られる。同図の励磁コイル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°離れた位置にセンシング部12の2箇所のステー12a,12bに対応するピーク状の突出部が出現する。また、この部分を除いて従来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Qが現れる。
Thereby, for example, the output voltage (V) of one exciting coil (coil B1) is obtained as shown in FIG. As is apparent from the relationship between the rotor rotation angle and the output voltage with respect to the excitation coil shown in the figure, peak-shaped protrusions corresponding to the two
なお、励磁コイル31b,41bと励磁コイル32b,42bとは、図5に示すように90°の中心角度をなして配置されているので、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Qを図6に示すようにロータ回転角度の0°〜360°まで互いに180°の位相だけずれたまま入れ替わり連続的に生じさせることができる。なお、図6においてはピーク状の突出部は省略して示している。 Since the excitation coils 31b and 41b and the excitation coils 32b and 42b are arranged at a central angle of 90 ° as shown in FIG. 5, the linearity corresponding to the rotor rotation angle is excellent. As shown in FIG. 6, the detection band Q can be continuously generated while being shifted by a phase of 180 ° from the rotor rotation angle of 0 ° to 360 °. In FIG. 6, the peak-like protrusions are omitted.
図6から明らかなように、ロータ回転角度の変化に応じて位相シフト量に対応する出力信号のリニアリティの優れた区域とそうではない区域が生じる。図7は、図6の理解を容易にするために、位相シフト量に対応する特性図においてリニアリティに優れた区域を太線で示し、それ以外を細線で示したものである。リニアリティの優れた区域は90°よりやや大きい。そして、2つコイル出力信号のリニアリティ部分をうまくジョイントするには本実施形態にかかる回転センサのように、各励磁コイルの配置場所が中心角度で90°ずれていることが必要である。このように、コイルが90°の中心角度をもって配置されていることが、ロータの角度位置を判別するには最も好都合である。 As apparent from FIG. 6, an area where the linearity of the output signal corresponding to the phase shift amount is excellent and an area where it is not so are generated according to the change of the rotor rotation angle. In order to facilitate understanding of FIG. 6, FIG. 7 shows a region having excellent linearity in the characteristic diagram corresponding to the phase shift amount by a bold line, and shows the other by a thin line. The area with excellent linearity is slightly larger than 90 °. In order to successfully joint the linearity portions of the two coil output signals, it is necessary that the arrangement positions of the respective excitation coils be shifted by 90 ° at the central angle as in the rotation sensor according to the present embodiment. Thus, it is most convenient to determine the angular position of the rotor that the coils are arranged with a central angle of 90 °.
続いて、ロータ10の回転角度位置を判別する方法を詳しく説明する。信号処理アルゴリズムの中、2つのコイル検出信号から360°の回転角度に変換するために、信号処理回路から検出した2種類の信号を検出に際して適宜選択(判別)することが必要である。
Next, a method for determining the rotational angle position of the
すなわち、ロータ10が任意の位置で、検出された中心角度が互いに90°ずれて配置された2つの励磁コイルの位相シフト量に対応する信号をそれぞれS1,S2とする信号S1とS2の中、リニアリティの優れたコイル信号(図7における太線部分)を選択する必要がある。
That is, among the signals S1 and S2 in which the signals corresponding to the phase shift amounts of the two exciting coils arranged with the
これには、まず、角度範囲の判別を行う必要がある。図6及び図7に示すように1つコイル信号は360°の周期を持っている。即ち、2つのコイルが90°の回転角度で配置されていると、角度θの出力信号レベル=角度(θ+90°)の出力信号レベルとなり、同じ信号レベルが、角度θか或いは角度(θ+90°)かという判別が必要である。この具体的な判別方法は以下の通りとなる。 To do this, it is necessary to first determine the angle range. One coil signal as shown in FIGS. 6 and 7 has a period of 360 °. That is, if the two coils are arranged at a rotation angle of 90 °, the output signal level at angle θ = the output signal level at angle (θ + 90 °), and the same signal level is either angle θ or angle (θ + 90). It is necessary to determine whether or not This specific determination method is as follows.
まず、リニアリティ信号レベルの範囲を設定する。すなわち、図7に示すようにリニアリティ区間範囲内の信号を用いて角度位置を算出する。具体的には以下のようになる。
・ロータ回転位置区域X1(0°≦α<45°、315°≦α<360°)の場合:条件がS1>S2となり、S1の信号のリニアリティが優れている。そのため、S1信号を用いて0°≦α<45°、315°≦α<360°の角度位置を算出する。
・ロータ回転位置区域X2(45°≦α<135°)の場合:条件がS2>S1となり、S2の信号のリニアリティが優れている。そのため、S2信号を用いて45°≦α<135°の角度位置を算出する。
・ロータ回転位置区域X3(135°≦α<225°)の場合:条件がS2>S1となり、S1の信号のリニアリティが優れている。そのため、S1信号を用いて135°≦α<225°の角度位置を算出する。
・ロータ回転位置区域X4(225°≦α<315°)の場合:条件がS1>S2となり、S2の信号のリニアリティが優れている。そのため、S2信号を用いて225°≦α<315°の角度位置を算出する。
First, the range of the linearity signal level is set. That is, as shown in FIG. 7, the angular position is calculated using a signal within the linearity interval range. Specifically:
In the case of the rotor rotation position area X1 (0 ° ≦ α <45 °, 315 ° ≦ α <360 °): the condition is S1> S2, and the linearity of the signal of S1 is excellent. Therefore, the angular position of 0 ° ≦ α <45 °, 315 ° ≦ α <360 ° is calculated using the S1 signal.
In the case of the rotor rotation position area X2 (45 ° ≦ α <135 °): the condition is S2> S1, and the signal linearity of S2 is excellent. Therefore, an angular position of 45 ° ≦ α <135 ° is calculated using the S2 signal.
In the case of the rotor rotational position area X3 (135 ° ≦ α <225 °): the condition is S2> S1, and the linearity of the signal of S1 is excellent. Therefore, an angular position of 135 ° ≦ α <225 ° is calculated using the S1 signal.
In the case of the rotor rotation position area X4 (225 ° ≦ α <315 °): the condition is S1> S2, and the signal linearity of S2 is excellent. Therefore, the angular position of 225 ° ≦ α <315 ° is calculated using the S2 signal.
以上の判別処理は全て図3に示す信号処理部160で実行する。具体的には、図8に示すように、各励磁コイルの位相シフト量検出部130で得られた位相シフト量に対応する信号S1,S2の他に当該位相シフト量をそれぞれ反転させた位相シフト量に対応する反転信号S1R,S2Rを求め、これらの信号及び反転信号に基づき、最もリニアリティに優れた出力信号を選択する。図8は、互いに180°位相のずれた信号S1、信号S2に関してそれぞれ、出力を反転した信号S1R、信号S2Rを求めてこれらを重畳して示している。
All the above determination processing is executed by the
次いで、ロータ10の回転角度に応じた信号S1、信号S2、信号S1R、信号S2Rの大小関係から信号処理部160においてロータ10が現在、どの回転区間にあるかを判断する。具体的には、位相シフト量の出力がS2R<S1<S1R<S2の場合、0°<ロータ回転角度<45°でロータ回転位置区域X1bと判断する。また、位相シフト量の出力がS1<S2R<S2<S1Rの場合、45°<ロータ回転角度<90°でロータ回転位置区域X2aと判断する。また、位相シフト量の出力がS1<S2<S2R<S1Rの場合、90°<ロータ回転角度<135°でロータ回転位置区域X2bと判断する。また、位相シフト量の出力がS2<S1<S1R<S2Rの場合、135°<ロータ回転角度<180°でロータ回転位置区域X3aと判断する。また、位相シフト量の出力がS2<S1R<S1<S2Rの場合、180°<ロータ回転角度<225°でロータ回転位置区域X3bと判断する。また、位相シフト量の出力がS1R<S2<S2R<S1の場合、225°<ロータ回転角度<270°でロータ回転位置区域X4aと判断する。また、位相シフト量の出力がS1R<S2R<S2<S1の場合、270°<ロータ回転角度<315°でロータ回転位置区域X4bと判断する。また、位相シフト量の出力がS2R<S1R<S1<S2の場合、315°<ロータ回転角度<360°でロータ回転位置区域X1aと判断する。
Next, the
このようにして、ロータ回転角度がどの区間にあるかを判断した後、ロータ回転角度が上述したロータ回転位置区域X1にあるときは信号S1のリニアリティが優れているので、信号S1からロータ10の回転角度を検出する。また、ロータ10の回転角度が上述したロータ回転位置区域X2にあるときは、リニアリティの優れた信号S2の反転信号S2Rからロータ10の回転角度を検出する。また、ロータ10の回転角度が上述したロータ回転位置区域X3にあるときは、リニアリティに優れた信号S1の反転信号S1Rからロータの回転角度を検出する。また、ロータの回転角度が上述したロータ回転位置区域X4にあるときは、信号S2のリニアリティが優れているので、信号S2からロータの回転角度を検出する。
In this way, after determining which section the rotor rotation angle is in, when the rotor rotation angle is in the above-described rotor rotation position area X1, the linearity of the signal S1 is excellent. Detect the rotation angle. When the rotation angle of the
以上のようにして、ロータの回転角度を検出するにあたって、中心角90°をなした二組の固定コアに励磁コイルが備わっただけの簡易な構成であってもロータの回転角度を広範囲にわたって正確に検出できるようになる。 As described above, when detecting the rotation angle of the rotor, the rotation angle of the rotor can be accurately measured over a wide range even with a simple configuration in which two sets of fixed cores having a central angle of 90 ° are provided with excitation coils. Can be detected.
なお、上述の実施形態においては、0°≦ロータ回転角度<360°におけるロータ回転角度検出方法について説明したが、−360°≦ロータ回転角度<0°におけるロータ回転角度検出についても同様の原理で行うことができることは言うまでもない。 In the above-described embodiment, the rotor rotation angle detection method when 0 ° ≦ rotor rotation angle <360 ° has been described. However, the same principle applies to rotor rotation angle detection when −360 ° ≦ rotor rotation angle <0 °. It goes without saying that it can be done.
なお、上述した実施形態にかかる回転センサのように2つの固定コアが互いにシャフトの軸に対してなす中心角は、実質的に90°であることは必ずしも必要でなく、シャフトの軸に対してなす中心角が実質的に180°を除いた角度の2箇所に配置されていれば、本発明の効果を発揮することが可能である。しかしながら、2つの固定コアが互いにシャフトの軸に対してなす中心角が実質的に90°であることによって図7乃至図9に示した出力特性を得ることができるので、少ない個数の固定コアによって精度の良い回転角度検出を行うためにはこのような固定コアの配置が最も好ましいと言える。 Note that the central angle formed by the two fixed cores with respect to the shaft axis as in the rotation sensor according to the above-described embodiment is not necessarily 90 °. If the center angle formed is arranged at two positions substantially excluding 180 °, the effect of the present invention can be exhibited. However, since the center angle formed by the two fixed cores with respect to the shaft axis is substantially 90 °, the output characteristics shown in FIGS. 7 to 9 can be obtained. It can be said that the arrangement of the fixed core is most preferable in order to detect the rotation angle with high accuracy.
また、固定コア同士は、上述した実施形態にかかる回転センサのようにロータのセンシング部を挟んで対向配置された固定コア対として配置されていることを必ずしも必要としない。しかしながら、各固定コア同士がロータのセンシング部を挟んで対向配置していることで、各固定コア対が振動に対する出力特性の変動を相殺することができ、耐振動性に優れた回転角度の検出を行うことが可能となるので、このようなロータのセンシング部を挟んで各固定コア同士の対向配置が好ましい配置態様と言える。 In addition, the fixed cores do not necessarily need to be arranged as a pair of fixed cores arranged opposite to each other with the sensing part of the rotor interposed therebetween as in the rotation sensor according to the above-described embodiment. However, because the fixed cores are placed facing each other across the rotor sensing section, each fixed core pair can cancel out fluctuations in output characteristics with respect to vibration, and rotation angle detection with excellent vibration resistance can be achieved. Therefore, it can be said that the arrangement of the fixed cores facing each other with the sensing portion of the rotor interposed therebetween is a preferable arrangement mode.
本発明にかかる回転センサは、振動の影響をかなり受け易い車両用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振動しながら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。 The rotation sensor according to the present invention is particularly suitable for detecting the rotation angle of a vehicle steering apparatus that is quite susceptible to vibration. However, the rotation sensor according to the present invention can be applied to any sensor as long as it obtains the relative rotation angle and rotation torque between rotating shafts that rotate while vibrating, such as a robot arm.
1 回転センサ
10 ロータ
11 ロータ取付け部
12 センシング部
12a,12b ステー
20 ケース
21 上ケース
22 下ケース
31,32 固定コア
31a,32a コア本体
31b,32b 励磁コイル
41,42 固定コア
41a,42a コア本体
41b,42b 励磁コイル
51〜54 固定コア
61〜64 固定コア
71,72 コイルコアホルダ
81〜84 コイルコアホルダ
90 保持部材
91 ベース部
92 コイルコアホルダ
93 コイルコアホルダ
95 回路基板
100 回転角度検出回路
110 発振部
111 発振回路
120(121,122) 位相シフト部
130(131,132) 位相シフト量検出部
140(141,142) 位相シフト量コンバート部
150(151,152) 増幅部
160 信号処理部
S シャフト
DESCRIPTION OF
Claims (3)
前記固定コアは前記ロータのセンシング部を挟んで対向配置された固定コア対を1組として2組設けられており、前記保持部材は2つのコイルコアホルダを備えて一体化した一部品であり、前記2つのコイルコアホルダは前記2組の固定コアの各組が前記シャフトの軸に対してなす中心角が実質的に180°を除いた角度の2箇所に配置されるように当該2組の固定コアをそれぞれ保持することにより、前記対向配置された固定コアの同芯度が保たれ、かつ前記対向配置された固定コアと前記ロータのセンシング部との間隔が略一定に保たれていることを特徴とする回転センサ。 An excitation coil that is attached to a rotating shaft and that forms a magnetic circuit between a rotor having a conductive sensing portion whose width varies along the circumferential direction and an AC excitation current flowing through the rotor. And a fixed core formed of an insulating magnetic material and including a core body that holds the exciting coil, and the fixed core is attached to a holding member and extends in the axial direction of the shaft with respect to the sensing portion of the rotor In the rotation sensor, which is arranged to face each other at intervals,
The fixed core is provided as two sets of fixed core pairs arranged opposite to each other with the sensing part of the rotor interposed therebetween, and the holding member is a single component provided with two coil core holders, The two coil core holders are arranged at two locations where the central angle of the two sets of fixed cores with respect to the shaft axis is substantially excluding 180 °. By holding the fixed cores, the concentricity of the opposed fixed cores is maintained, and the distance between the opposed fixed cores and the sensing portion of the rotor is kept substantially constant. A rotation sensor.
前記各励磁コイルの前記位相シフト量検出部で得られた位相シフト量及び当該位相シフト量をそれぞれ反転させた位相シフト量に基づき、前記ロータの回転角度を検出することを特徴とする、請求項1又は請求項2に記載の回転センサ。 Each excitation coil is connected to an oscillation unit, a phase shift unit, and a phase shift amount detection unit,
Wherein based on the phase shift amount detected phase shift amount obtained by the unit and the phase shift amount obtained by inverting each said phase shift amount of the exciting coil, and detects the rotation angle of the rotor, claim The rotation sensor according to claim 1 or 2.
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