JP4429484B2

JP4429484B2 - Rotation sensor

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Publication number: JP4429484B2
Application number: JP2000182166A
Authority: JP
Inventors: 康介山脇; 和彦松崎; 正博長谷川; 文彦安倍; 東治金; 賢吾田中
Original assignee: THE FURUKAW ELECTRIC CO., LTD.
Current assignee: THE FURUKAW ELECTRIC CO., LTD.
Priority date: 2000-06-16
Filing date: 2000-06-16
Publication date: 2010-03-10
Anticipated expiration: 2020-06-16
Also published as: JP2002005686A

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】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
絶縁磁性材層と導体層とを有する回転体（ロータ）と、励磁コイルを有する固定体とを備え、相対回転する二本の回転軸、例えば、トーションジョイントを介して二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回転角を検出する回転センサが知られている（例えば、特開平７−１３９９０５号公報参照）。
【０００３】
ところで、上記した従来の回転センサは、左右方向１８０度以内（１回転以内）の回転角を測定できるが、１８０度を越える回転角は測定できなかった。また、測定した回転角が左右いずれの方向の角度であるかについては測定できず、別途回転方向を測定する必要があった。
この場合、回転センサは、用途によっては回転角ではなく回転トルクの測定が求められることもある。
【０００４】
本発明は上記の点に鑑みてなされたもので、左右いずれの回転位置であるかを識別可能で、１８０度を超える回転角であっても測定でき、回転角及び／又は回転トルクの測定が可能な回転センサを提供することを目的とする。
【０００５】
【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、周方向に沿って所定間隔で配列される複数の第１の導体層を有する第１のロータ、絶縁磁性材層と第２の導体層とを有し、前記第１のロータと一体に回転すると共に、前記第１のロータに対して所定の角度内を相対回転する第２のロータ、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する固定体及び前記励磁コイルと接続され、特定周波数の発振信号を発振する発振手段を備えた回転センサにおいて、前記固定体に固定される第１のギア部材、それぞれ歯数の異なる第１及び第２のギア部を有し、前記第１のギア部が前記第２のロータと第１のギア部材とに形成された第３のギア部と噛合する第２のギア部材、前記第２のギア部と噛合する第４のギア部と第３の導体層とを有し、前記第２のロータの回転が減速されて伝達され、該ロータの回転方向に移動する磁性体からなるスライダ及び前記固定体に設けられ、前記発振手段と接続されるコイルを有するコイル部材を備え、前記第１及び第２のロータの回転に基づく前記第３の導体層とコイルとの間のコイルインダクタンスの変化を検出する変位センサを設けた構成としたのである。
【０００６】
好ましくは、前記励磁コイルとして、前記第１及び第２のロータの相対回転に伴う相対回転角を検出する相対回転角コイルあるいは前記第１及び第２のロータの前記固定体に対する回転角を検出する回転角コイルの少なくとも一方を備える構成とする。
また好ましくは、前記相対回転角コイルからの出力信号を処理する第１の信号処理手段と前記相対回転角の測定手段あるいは前記回転角コイル及び変位センサからの出力信号を処理する第２の信号処理手段と回転角の測定手段とを備える構成とする。
【０００７】
また、本発明においては上記目的を達成するため、周方向に沿って所定間隔で配列される複数の第１の導体層を有する第１のロータ、絶縁磁性材層と第２の導体層とを有し、前記第１のロータと一体に回転すると共に、前記第１のロータに対して所定の角度内を相対回転する第２のロータ、前記第１及び第２のロータの相対回転に伴う相対回転角を検出する相対回転角コイル及び前記第１及び第２のロータの回転角を検出する回転角コイルと、絶縁磁性材から成形され、前記相対回転角コイルと回転角コイルとを保持するコアとを有する固定体及び前記相対回転角コイル及び回転角コイルと接続され、特定周波数の発振信号を発振する発振手段を備えた回転センサにおいて、前記固定体に取り付けられる第１のギア部材、それぞれ歯数の異なる第１及び第２のギア部を有し、前記第１のギア部が前記第２のロータと第１のギア部材とに形成された第３のギア部と噛合する第２のギア部材、絶縁磁性材から成形され、前記第２のギア部と噛合する第４のギア部と第３の導体層とを有し、前記第２のロータの回転が減速されて伝達され、該ロータの回転方向に移動する磁性体からなるスライダ及び前記固定体に設けられ、前記発振手段と接続されるコイルを備え、前記第１及び第２のロータの回転に基づく前記第３の導体層とコイルとの間のコイルインダクタンスの変化を検出する変位センサを設けた構成としたのである。
【０００８】
好ましくは、前記相対回転角コイルからの出力信号を処理する第１の信号処理手段と前記相対回転角の測定手段並びに前記回転角コイル及び変位センサからの出力信号を処理する第２の信号処理手段と回転角の測定手段とを備える構成とする。
また好ましくは、導体片と、前記発振手段と接続され、前記導体片と協働するコイルとを有し、一方が前記固定体に、他方が前記第２のロータに、それぞれ設けられ、前記第２のロータの回転に基づくコイルインダクタンスの変化を検出するピッチセンサが設けられている構成とする。
【０００９】
更に好ましくは、前記第２の信号処理手段は、前記回転角コイルからの出力信号の上限点及び下限点付近では、前記上限点及び下限点時の出力信号と同じ信号を出力するように信号処理する構成とする。
【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を図１乃至図１２に基づいて詳細に説明する。
回転センサ１は、図１乃至図３並びに図７に示すように、第１ロータ２、第２ロータ３、固定ケース４、変位センサ６、発振手段を構成する発振回路１１、本発明に係る第１信号処理手段を構成する信号処理増幅回路１５、本発明に係る相対回転角の測定手段を構成する相対回転角度測定部２２、本発明に係る第２信号処理手段を構成する信号処理増幅回路１６〜１８及び本発明に係る回転角の測定手段を構成する回転角度測定部２３を備えている。回転センサ１は、回転軸、例えば、主動シャフトと従動シャフトがトーションバーを介して連結された自動車のステアリングシャフトにおける回転角と回転トルクを検出する。
【００１１】
ここで、第１ロータ２と第２ロータ３は、図１に示す回転軸Ａrtに対して一体に回転すると共に、前記主動シャフトが前記従動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。両ロータ２，３は、例えば、前記主動シャフトが前記従動シャフトに対して±８度の範囲内で相対回転するとき、同じく±８度の範囲内で相対回転する。
【００１２】
また、図４は、回転センサ１を構成する主要な部材の位置関係を示すため、一部の構成部材を省略して描いてある。
第１ロータ２は、成型性に優れた電気絶縁性の合成樹脂から成形された内筒２ａと、図１及び図２に示すように、内筒２ａに設けられた複数、本実施形態では６枚の銅片２ｂとを有し、内筒２ａには前記主動シャフトとの回り止めとなる係止片２ｃの上部が固定されている。複数の銅片２ｂは、第１の導体層で、内筒２ａの周方向に沿って中心角３０度の間隔で回転軸Ａrt方向に延出している。但し、銅片２ｂは、導体であれば、例えば、アルミニウム，銀等の素材を使用することができ、高周波磁界を遮蔽するうえで、第１ロータ２と固定ケース４との半径方向のギャップに基づく磁気抵抗を考慮すると、0.１〜0.５ｍｍ程度の厚さが望ましい。更に、銅片２ｂは、理論上、中心角を小さくして配置間隔を小さくする程、前記導体層としての数が多くなり、誘導されるトータル渦電流の変化量（導体層の数に比例する）が大きくなって、相対回転角の検出感度が高くなるが、測定できる相対回転角範囲が小さくなる。
【００１３】
第２ロータ３は、成型性に優れた電気絶縁性の合成樹脂から成形され、図１及び図２に示すように、内筒３ａ、フランジ３ｄ、支持部３ｅ及び係止片３ｈを有している。内筒３ａは、第１絶縁磁性材層３ｂの外周に銅箔３ｃが複数の銅片２ｂと対応するピッチで設けられている。銅箔３ｃは、後述する銅箔３ｇと共に第２の導体層となる。フランジ３ｄは、内筒３ａから水平方向へ延出し、半径方向中間から立ち上がる支持部３ｅが筒状に形成されると共に、外周近傍の上面に周方向へ中心角１８０度の範囲で後述するピッチセンサ７の銅箔７ａが設けられている。また、フランジ３ｄは、後述する変位センサ６の遊星歯車６２に形成した第１ギア部６２ａと噛合し、第３のギア部となるギア部３ｊが下部に形成されている。支持部３ｅは、第２絶縁磁性材層３ｆを支持する部分で、第２絶縁磁性材層３ｆの外周に周方向へ中心角１８０度の範囲で銅箔３ｇが設けられている。係止片３ｈは、前記従動シャフトの回り止めで、下部で内筒３ａの下部に取り付けられている。
【００１４】
ここで、第１絶縁磁性材層３ｂ及び第２絶縁磁性材層３ｆの素材は、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に、Ｎｉ−ＺｎやＭｎ−Ｚｎ系等のフェライトからなる軟磁性材粉を１０〜７０体積％混合したものを使用する。
固定ケース４は、交流磁界の遮蔽性を有するアルミニウム，銅，鉄等の金属によって形成される固定体で、図１及び図２に示すように、上フランジ４ｂ、第１支持部４ｃ及び第２支持部４ｄを有している。上フランジ４ｂは、上部に回路基板５が配置され、下面の半径の異なる同心円上の位置に第１支持部４ｃ及び第２支持部４ｄが形成され、外周近傍に開口４ｅが設けられている。第１支持部４ｃは、図１及び図２に示すように、第２ロータ３の支持部３ｅよりも半径方向内側に位置し、内周には回転トルク検出用の励磁コイルである相対回転角コイル４ｆを保持したコア４ｇが設けられている。第２支持部４ｄは、図示のように、第２ロータ３の支持部３ｅよりも半径方向外側に位置し、内周には回転トルク検出用の励磁コイルである回転角コイル４ｈを保持したコア４ｊが設けられ、回転角コイル４ｈ及びコア４ｊの銅箔３ｇと対向する表面には、周方向へ中心角１８０度の範囲で銅箔４ｋが設けられている。
【００１５】
ここで、相対回転角コイル４ｆ及び回転角コイル４ｈは、後述する変位センサ６のコイル６ｆ及びピッチセンサ７のコイル７ｃと共に、固定ケース４から外部へ延出させた電線（図示せず）によって発振手段１１及び分周回路１２と接続され、発振手段１１及び分周回路１２から交流電流が流されている。本実施形態では、各コイルが同じ発振手段１１及び分周回路１２と接続され、同じ信号周波数を使用しているが、異なる信号周波数を使用することも可能である。即ち、各コイルは、それぞれ信号周波数の異なる発振手段１１及び分周回路１２と接続してもよい。これにより、回転センサ１においては、コア４ｇと第１絶縁磁性材層３ｂ並びにコア４ｊと第２絶縁磁性材層３ｆとの間に、図２に点線で示す磁気回路Ｃmが形成される。
【００１６】
また、固定ケース４は、図１及び図２に示すように、上部と下部にそれぞれ上カバー９ａと下カバー９ｂを有するカバー９が取り付けられる。
変位センサ６は、第１及び第２ロータ２，３の回転に基づく後述する銅箔層６３ｄと複数のコイル６４ａとの間のコイルインダクタンスの変化を検出するセンサで、図１，図２及び図３（ａ），（ｂ）に示すように、第１ギア部材６１、遊星歯車６２、スライダ６３及びコイル部材６４を備えている。
【００１７】
第１ギア部材６１は、下カバー９ｂによって固定ケース４に固定される合成樹脂から成形されたリング状の部材で、内周に第３のギア部となる内歯歯車６１ａが設けられている。
遊星歯車６２は、第２ロータ３の回転を減速してスライダ６３へ伝達する第２のギア部材で、上下２段にそれぞれ歯数の異なる第１ギア部６２ａと第２ギア部６２ｂとが形成されている。第１ギア部６２ａは、第２ロータ３と第１ギア部材６１にそれぞれ形成され、第３のギア部となるギア部３ｊ及び内歯歯車６１ａと噛合する。
【００１８】
スライダ６３は、絶縁磁性材層３ｂ，３ｆと同一の磁性材から成形されたリング状の本体６３ａに規制壁６３ｂが周方向に所望の中心角の範囲、例えば、中心角３００度の範囲に亘って立設され、第２ロータ３の回転方向に移動する。スライダ６３は、本体６３ａに第２ギア部６２ｂと噛合する第４のギア部であるギア部６３ｃが、規制壁６３ｂに第３の導体層となる銅箔層６３ｄが、それぞれ設けられている。銅箔層６３ｄは、図３（ａ）及び図４に示すように、規制壁６３ｂの周方向に沿ってコイル部材６４と対応する範囲に、後述する複数のコイル６４ａと対向配置して設けられている。第３の導体層は、非鉄金属からなる素材であれば、アルミニウムを用いてもよい。スライダ６３は、第２ロータ３の回転が遊星歯車６２によって減速して伝達され、固定ケース４に形成された図４に示す係止壁４ｎ，４ｐに規制壁６３ｂが当接することよって左右方向への回転が所定角度内に規制されている。例えば、本実施形態の回転センサ１においては、遊星歯車６２による第２ロータ３とスライダ６３との間の減速比を１：３０に設定し、第２ロータ３が１回転したとき、スライダ６３が１２度回転するように設計した。
【００１９】
コイル部材６４は、図１，図２，図３（ａ）及び図４に示すように、固定ケース４の外周内側に周方向に沿って設けられ、発振手段１１と接続される４つのコイル６４ａが合成樹脂からなる保持部材６４ｂ内に設けられている。
ここで、スライダ６３は、規制壁６３ｂ及びコイル部材６４を展開し、これを上方から見た図６に示すように、周方向に見たとき、銅箔層６３ｄの一方の端部Ｅがコイル部材６４の中央に位置するときを左右方向の初期位置（左右方向への回転角が０度）として回転センサ１に組み付けられる。このとき、図６に示す銅箔層６３ｄとコイル部材６４の位置は、図４に示す位置に対応している。
【００２０】
従って、変位センサ６においては、第２ロータ３の回転に伴ってスライダ６３が移動し、端部Ｅが各コイル６４ａの間の保持部材６４ｂの部分を通過するときには、総インダクタンスコイル６４ａの部分を通過するときに４つのコイル６４ａの総インダクタンスが変化する。
ここで、回路基板５は、図１，図２には示していないが、以下に詳述する発振手段、相対回転角コイル４ｆからの出力信号を処理する第１信号処理手段、相対回転角の測定手段、回転角コイル４ｈ及び変位センサ６からの出力信号を処理する第２信号処理手段及び回転角の測定手段が配置されると共に、これらに関する電気回路が形成されている。
【００２１】
また、ピッチセンサ７は、第１及び第２ロータ２，３が基準位置から左方向１８０内あるいは右方向１８０内のどちらの回転位置にあるかを検出する。ピッチセンサ７は、第２ロータ３に設けられ、一方となる銅箔７ａと、図２に示すように第２支持部４ｄの半径方向外側に配置され、ピッチセンサ７の他方となる図５に示すコア７ｂ、コイル７ｃ及び銅箔７ｄを有している。銅箔７ｄには、図示のようにスリット７ｅが形成されている。ここで、ピッチセンサ７は、実用上所定の精度を確保するうえで、コイル７ｃの直径をＤ、スリット７ｅの幅をＷsとしたとき、幅Ｗsの対直径比（＝Ｗs／Ｄ）を以下の範囲に設定する。
１／５０≦Ｗs／Ｄ≦１／３
好ましくは、対直径比（＝Ｗs／Ｄ）は１／１０以上とする。
【００２２】
次に、図７及び図８を用いて第１実施形態に係る回転センサによる相対回転角度及び回転角度測定を説明する。図７は、回転センサの回転角度測定装置１０の一例を示すブロック図である。図において、測定装置１０は、発振信号を発振する発振回路１１と、発振信号を分周して特定周波数のパルス信号を出力する分周回路１２と、上述した複数の銅片２ｂ、第１絶縁磁性材層３ｂ、銅箔３ｃ、相対回転角コイル４ｆ及びコア４ｇを有するトルクセンサ１３と、上述した第２絶縁磁性材層３ｆ、銅箔３ｇ、回転角コイル４ｈ、コア４ｊ及び銅箔４ｋを有する回転角センサ１４と、変位センサ６と、ピッチセンサ７と、トルクセンサ１３からの信号を処理する信号処理増幅回路１５と、回転角センサ１４、変位センサ６及びピッチセンサ７からの信号をそれぞれ処理する信号処理増幅回路１６〜１８と、信号処理増幅回路１５〜１７からの信号をそれぞれアナログ／デジタル変換するＡ／Ｄコンバータ１９〜２１と、Ａ／Ｄコンバータ１９からのデジタル信号に基づいて相対回転角度を測定する相対回転角度測定部２２と、信号処理増幅回路１８及びＡ／Ｄコンバータ２０，２１からのデジタル信号に基づいて回転角度を測定する回転角度測定部２３とを有して構成される。
【００２３】
以上のように構成される回転センサ１は、例えば、主動シャフトと従動シャフトがトーションバーを介して連結された自動車のステアリングシャフトにおける回転角、回転数及び回転トルクを検出するときに、以下のようにして使用される。
即ち、回転センサ１は、ステアリングシャフトの回転に伴って第１ロータ２が第２ロータ３と共に回転すると、遊星歯車６２によって第２ロータ３の回転が減速されてスライダ６３へ伝達される。これにより、スライダ６３は、第２ロータ３が１回転する毎に１２度回転しながら、第２ロータ３の回転方向に移動してゆく。
【００２４】
このとき、前記測定装置１０において、発振回路１１は、分周回路１２を介して特定周波数のパルス信号を各センサ６，７，１３，１４に出力している。
相対回転角コイル４ｆには、交流電流が流され、第２ロータの第１絶縁磁性材層３ｂと協働して磁気回路を形成している。トルクセンサ１３は、ロータに発生する渦電流の大きさに応じて、コイルのインダクタンスが変化する。第１信号処理手段は、相対回転角コイル４ｆに接続された分周回路１２から入力するパルス信号の位相シフト量を検出する。
【００２５】
信号処理増幅回路１５は、コイル４ｆのインダクタンスの変化量を検出し、それを対応する電圧値の信号に処理し、前記信号をＡ／Ｄコンバータ１９を介して相対回転角度測定部２２に出力する。
相対回転角度測定部２２は、例えば図７に示すように、変換された信号の電圧値０．５Ｖ〜４．５Ｖに基づき、２つのロータの相対回転角度を−８°〜＋８°の範囲で測定できる。
【００２６】
回転角コイル４ｈには、交流電流が流され、第２ロータの第２絶縁磁性材層３ｆと協働して磁気回路を形成している。回転角センサ１４は、信号処理増幅回路１６と共に、ロータに発生する渦電流の大きさに応じて、回転角コイル４ｈに接続された分周回路１２から入力するパルス信号の位相シフト量を検出する。つまり、回転角センサ１４は、回転角コイル４ｈ両端のパルス信号の位相ずれ量を検出しており、回転時に第２絶縁磁性材層３ｆの銅箔３ｇとコア４ｊの銅箔３ｇの円周方向の重なり代が変化し、これに伴うコイル４ｈとコア４ｊ間の磁束の変化により、図８（ａ）に示すように左右１８０°内の回転角度を検出している。
【００２７】
信号処理増幅回路１６は、検出された位相シフト量を対応する電圧値の信号に処理し、前記信号をＡ／Ｄコンバータ２０を介して回転角度測定部２３に出力する。
変位センサ６は、第２ロータ３の回転に伴ってスライダ６３が移動し、端部Ｅが各コイル６４ａの部分を通過するときに、４つのコイル６４ａの総インダクタンスの変化を検出している。
【００２８】
すなわち、図９に示すように、スライダ６３の移動量をＨ、コイルインダクタンスをＬとすると、第２ロータ３の回転に伴って、ＨとＬの関係は、銅箔層６３ｄの端部Ｅがコイル６４ａの部分を通過するときにはほぼ線形な関係になり、回転角度検出の一構成部分になり、前記端部Ｅが各コイル６４ａの間の保持部材６４ｂの部分を通過するときには、コイルインダクタンスＬが変化せずに一定となる。このとき、回転数（ｎ）と４つのコイル６４ａの総インダクタンスの変化に伴うコイル部材６４からの出力電圧（Ｖ）の変化は、スライダ６３と銅箔層６３ｄとの位置関係から、図１０に示すように変化する。なお、図８（ｃ）に示した変位センサ６の出力は、図６に示したスライダ６３の銅箔層６３ｄの中間位置を０°とした場合の有限回転の回転角度９００°〜−９００°の検出に利用する場合の一例を示したものである。
【００２９】
信号処理増幅回路１７は、検出されたコイルインダクタンスの変化量を対応する電圧値の信号に処理して変換し、前記信号をＡ／Ｄコンバータ２１を介して回転角度測定部２３に出力する。
ピッチセンサ７は、第２ロータ３の回転に基づくコイル７ｂのインダクタンスの変化を検出する。すなわち、ピッチセンサ７における第２ロータ３の銅箔７ａとスリット７ｅの相対位置関係（重なっているかいないかの関係）によるコイル７ｃとコア７ｄ間の磁束の変化により、図８（ｂ）に示すような“１”又は“０”のデジタル信号を１８０°毎に出力している。
【００３０】
信号処理増幅回路１８は、検出された相対位置関係の変化量を対応する電圧値のデジタル信号に処理し、前記信号を回転角度測定部２３に出力する。
回転角度測定部２３は、変位センサ６、ピッチセンサ７及び回転角センサ１４から入力する信号の組み合わせによって、例えば主動シャフトと従動シャフトがトーションバーを介して連結された自動車のステアリングシャフトにおける回転角度を測定する。すなわち、本実施形態では、上述したスライダ６３の中間位置０°から変化する回転角センサ１４とピッチセンサ７の出力の関係によって、−１８０°〜０°と０°〜１８０°のいずれの範囲内の変化か認識でき、さらにその時の変位センサ６の出力との関係によって実際の回転角度が測定される。図８（ｄ）は、変位センサ６、ピッチセンサ７及び回転角センサ１４からの信号の関係を、有限の回転角度９００°〜−９００°の範囲内で表した波形であり、これによって回転角度を測定する。
【００３１】
このように、本実施形態の回転センサでは、トルクセンサで検出されるパルス信号の位相シフト量から主動シャフトと従動シャフトに作用する回転トルクを求めることができ、また変位センサ、ピッチセンサ及び回転角センサの出力の関係から、これらシャフトにおける回転角度を正確に測定することができる。
ところで、実際に回転センサに各センサを取り付ける際に、ピッチセンサ７の信号の切り替え位置と、回転角センサ１４の出力（角度信号）が例えば０°、１８０°、３６０°、…になる位置とをできるだけ一致させるが、現実には取り付け精度の差によって若干誤差が生じてしまう。すなわち、図１１の回転角センサとピッチセンサの出力波形の関係に示すように、例えばピッチセンサの“０”から“１”の切り替え位置と、回転角センサの１８０°の位置間に、εというずれがある場合、１８０°までは、正確に実際の回転角度を出力できるが、１８０°から１８０°＋εまでは、１８０°−（Ｓ−１８０°）となる。ここで、Ｓは、角度信号に基づいて求める回転角度Ｓである。
【００３２】
つまり、実際の角度信号は１８０°を超えているのに１８０°より小さい角度信号が逆に出力され、１８０°＋εを過ぎると、実際の角度信号が出力されて回転角度が１８０°近辺で検出できない角度が存在してしまって連続性が損なわれるという問題点があった。
このεが小さいほど取り付け精度が上がるが、そのためにこのセンサの取り付けを高精度にすると、センサの製作コストが高くなってしまう。
【００３３】
そこで、本実施形態における信号処理増幅回路１６では、回転角センサ１４からの信号を取り込むと、前記信号に基づいて求める回転角度Ｓが、例えば１７９．５°≦Ｓ≦１８０．５°の範囲かどうか判断し、前記範囲内ならば求める回転角度を１８０°として、対応する電圧値の信号を出力し、また前記範囲外ならばピッチセンサ７からの信号を取り込み前記信号が“１”かどうか判断し、“１”ならば（３６０−Ｓ）の回転角度に対応する電圧値の信号を出力し、“１”でなければ回転角度Ｓに対応する電圧値の信号を出力するようにする。なお、上記信号処理は、回転角センサが出力する三角波形からなる角度信号の上限点及び下限点として示される回転角度である−７２０°、−５４０°、−３６０°、−１８０、０°、１８０°、３６０°、５４０°、７２０°付近において同様に行う。
【００３４】
これにより、本実施形態では、前記三角波形の上限点及び下限点の回転角度近辺でのピッチセンサの信号の切り替え位置と、回転角センサの信号の位置が一致するようになり、取り付け精度が向上し、連続性のある回転角度検出が可能となる。
以上のように、上記実施形態の回転センサにおいては、回転によるコイルのインピーダンスの変動を検出するために、位相シフト量を検出する場合に基づいて説明した。しかし、本発明の回転センサは、信号周波数や信号振幅の変動を検出することで回転によるコイルのインピーダンスの変動を検出してもよい。
【００３５】
なお、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、種々の変形実施形態が可能である。例えば、前記実施形態の回転センサ１においては、ロータ２，３の相対回転角に基づいて回転トルクを検出すると共に、ロータ２，３の固定ケース４に対する回転角及び回転数を高精度に求めたが、実用上の検出精度に問題がなければ、図１０の回転センサの回転角度測定装置１０の一例を示す回路図に示すように、ピッチセンサ７を省略してもよい。
【００３６】
この場合には、図１２に示すように、それほど高くない検出精度において、予め回転角度（回転数）に対応する変位センサ６の出力信号を設定しておき、この関係によって簡易的に回転数を検出することが可能となる。また、回転センサ１は、所望に応じて一方を所略し、回転トルクあるいは回転角のいずれか一方を検出する構成としてもよい。
【００３７】
また、上記実用上の検出精度を問題にしないのであれば、回転角センサを省いて、変位センサと少なくとも１つピッチセンサの出力の組み合わせによっても回転角度（回転数）を検出することが可能である。
一方、回転センサ１は、所望に応じて一方を所略し、回転トルクあるいは回転角のいずれか一方を検出する構成としてもよい。
【００３８】
更に、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，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。
【００３９】
【発明の効果】
請求項１乃至７の発明によれば、左右いずれの回転位置であるかを識別可能で、１８０度を超える回転角であっても測定でき、回転角及び／又は回転トルクの測定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一実施形態を示す断面正面図である。
【図２】図１の左半側を拡大した断面正面図である。
【図３】図１のＡ−Ａ線に沿った断面平面図（ａ）と、Ｂ−Ｂ線に沿った断面平面図（ｂ）である。
【図４】図１の回転センサを構成する主要な部材の位置関係を示すもので、一部の構成部材を省略して描いた断面平面図である。
【図５】ピッチセンサと銅箔との配置を、他の構成部材を省略して示す断面正面図である。
【図６】スライダの規制壁及びコイル部材を展開して示す平面図である。
【図７】回転センサにおける回転角度測定装置の構成の一例を示すブロック図である。
【図８】図７に示した各センサと回転角度測定部での出力波形を示す波形図である。
【図９】同じく、変位センサにおけるスライダの移動量とコイルインダクタンスの関係を示す関係図である。
【図１０】変位センサの出力と回転数を簡易的に表した関係図である。
【図１１】同じく、回転角センサとピッチセンサの出力の関係を説明するための部分波形図である。
【図１２】回転センサにおける回転角度測定装置の構成の他の例を示すブロック図である。
【符号の説明】
１回転センサ
２第１ロータ
２ｂ銅片（複数の第１の導体層）
３第２ロータ
３ｂ第１絶縁磁性材層
３ｃ銅箔（第２の導体層）
３ｆ第２絶縁磁性材層
３ｇ銅箔（第２の導体層）
３ｊギア部（第３のギア部）
４固定ケース
４ｆ相対回転角コイル（励磁コイル）
４ｇコア
４ｈ回転角コイル（励磁コイル）
４ｊコア
５回路基板
６変位センサ
７ピッチセンサ
７ａ銅箔（導体片）
７ｃコイル
１０測定装置
１１発振回路（発振手段）
１２分周回路
１３トルクセンサ
１４回転角センサ
１５〜１８信号処理増幅回路
１９〜２１Ａ／Ｄコンバータ
２２相対回転角度測定部
２３回転角度測定部
６１第１ギア部材
６１ａ内歯歯車（第３のギア部）
６２遊星歯車（第２のギア部材）
６２ａ第１ギア部
６２ｂ第２ギア部
６３スライダ
６３ｃギア部（第４のギア部）
６３ｄ銅箔層（第３の導体層）
６４コイル部材
６４ａコイル[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a rotation sensor.
[0002]
[Prior art and problems to be solved by the invention]
A rotating body (rotor) having an insulating magnetic material layer and a conductor layer, and a fixed body having an exciting coil, and two rotating shafts that rotate relative to each other, for example, two rotating shafts are connected via a torsion joint. A rotation sensor that detects a rotation angle of a handle shaft of an automobile is known (see, for example, JP-A-7-139905).
[0003]
By the way, the above-described conventional rotation sensor can measure a rotation angle within 180 degrees in the left-right direction (within one rotation), but cannot measure a rotation angle exceeding 180 degrees. Further, it is impossible to measure whether the measured rotation angle is in the left or right direction, and it is necessary to separately measure the rotation direction.
In this case, the rotation sensor may be required to measure the rotation torque instead of the rotation angle depending on the application.
[0004]
The present invention has been made in view of the above points, and can identify whether the rotational position is left or right, can measure even a rotational angle exceeding 180 degrees, and can measure rotational angle and / or rotational torque. An object is to provide a possible rotation sensor.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the present invention includes a first rotor having a plurality of first conductor layers arranged at predetermined intervals along the circumferential direction, an insulating magnetic material layer, and a second conductor layer. A second rotor that rotates integrally with the first rotor and that rotates relative to the first rotor within a predetermined angle, an excitation coil, and an insulating magnetic material are formed to hold the excitation coil In a rotation sensor provided with a fixed body having a core and an oscillating means connected to the exciting coil and oscillating an oscillation signal having a specific frequency, the first gear member fixed to the fixed body has a different number of teeth. A second gear member having first and second gear portions, the first gear portion meshing with a third gear portion formed on the second rotor and the first gear member, A fourth gear portion and a third gear meshing with the second gear portion A coil that is provided on the slider and the fixed body and is connected to the oscillating means. The coil is provided with a body layer, wherein the rotation of the second rotor is decelerated and transmitted and is moved in the rotation direction of the rotor. And a displacement sensor that detects a change in coil inductance between the third conductor layer and the coil based on the rotation of the first and second rotors.
[0006]
Preferably, as the excitation coil, a relative rotation angle coil for detecting a relative rotation angle associated with relative rotation of the first and second rotors or a rotation angle of the first and second rotors with respect to the fixed body is detected. It is set as the structure provided with at least one of a rotation angle coil.
Also preferably, the first signal processing means for processing the output signal from the relative rotation angle coil and the second signal processing for processing the output signal from the relative rotation angle measuring means or the rotation angle coil and the displacement sensor. And means for measuring the rotation angle.
[0007]
In the present invention, in order to achieve the above object, a first rotor having a plurality of first conductor layers arranged at predetermined intervals along the circumferential direction, an insulating magnetic material layer, and a second conductor layer are provided. A second rotor that rotates integrally with the first rotor and that rotates relative to the first rotor within a predetermined angle, and relative to the relative rotation of the first and second rotors. A relative rotation angle coil for detecting a rotation angle, a rotation angle coil for detecting the rotation angle of the first and second rotors, and a core formed of an insulating magnetic material and holding the relative rotation angle coil and the rotation angle coil And a first gear member attached to the fixed body, each of which is connected to the relative rotation angle coil and the rotation angle coil and includes an oscillating means that oscillates an oscillation signal of a specific frequency. Different number A second gear member having first and second gear portions, wherein the first gear portion meshes with a third gear portion formed on the second rotor and the first gear member; A fourth gear portion that is molded from a magnetic material and meshes with the second gear portion and a third conductor layer, and the rotation of the second rotor is transmitted after being decelerated, and the rotation direction of the rotor Provided with a slider made of a magnetic body that moves to the fixed body and a coil connected to the oscillating means, and between the third conductor layer and the coil based on the rotation of the first and second rotors The displacement sensor for detecting the change in the coil inductance is provided.
[0008]
Preferably, the first signal processing means for processing the output signal from the relative rotation angle coil, the measurement means for the relative rotation angle, and the second signal processing means for processing the output signal from the rotation angle coil and the displacement sensor. And a rotation angle measuring means.
Preferably, a conductor piece and a coil connected to the oscillating means and cooperating with the conductor piece are provided, one provided on the fixed body and the other provided on the second rotor. It is assumed that a pitch sensor for detecting a change in coil inductance based on the rotation of the rotor 2 is provided.
[0009]
More preferably, the second signal processing means performs signal processing so as to output the same signals as the output signals at the upper limit point and the lower limit point in the vicinity of the upper limit point and the lower limit point of the output signal from the rotating angle coil. The configuration is as follows.
[0010]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, an embodiment according to the rotation sensor of the present invention will be described in detail with reference to FIGS. 1 to 12.
As shown in FIG. 1 to FIG. 3 and FIG. 7, the rotation sensor 1 includes a first rotor 2, a second rotor 3, a fixed case 4, a displacement sensor 6, an oscillation circuit 11 constituting oscillation means, and a first embodiment according to the present invention. A signal processing amplification circuit 15 constituting one signal processing means, a relative rotation angle measuring section 22 constituting a relative rotation angle measuring means according to the present invention, and a signal processing amplification circuit 16 constituting a second signal processing means according to the present invention. To 18 and a rotation angle measuring unit 23 constituting the rotation angle measuring means according to the present invention. The rotation sensor 1 detects a rotation angle and a rotation torque of a rotating shaft, for example, a steering shaft of an automobile in which a main driving shaft and a driven shaft are connected via a torsion bar.
[0011]
Here, the first rotor 2 and the second rotor 3 rotate integrally with respect to the rotation axis Art shown in FIG. 1, and at a predetermined angle corresponding to the rotation of the main driving shaft relative to the driven shaft. Relative rotation inside. For example, when the main driving shaft rotates relative to the driven shaft within a range of ± 8 degrees, the rotors 2 and 3 also rotate relative to each other within a range of ± 8 degrees.
[0012]
Further, FIG. 4 is drawn by omitting some of the constituent members in order to show the positional relationship of main members constituting the rotation sensor 1.
The first rotor 2 includes an inner cylinder 2a molded from an electrically insulating synthetic resin having excellent moldability, and a plurality of first cylinders 2 provided in the inner cylinder 2a, as shown in FIGS. The upper part of the latching piece 2c used as a detent with respect to the said main drive shaft is being fixed to the inner cylinder 2a. The plurality of copper pieces 2b are first conductor layers and extend in the direction of the rotation axis Art at intervals of a central angle of 30 degrees along the circumferential direction of the inner cylinder 2a. However, as long as the copper piece 2b is a conductor, for example, a material such as aluminum or silver can be used. In shielding the high-frequency magnetic field, the copper piece 2b has a radial gap between the first rotor 2 and the fixed case 4. Considering the magnetic resistance based on it, a thickness of about 0.1 to 0.5 mm is desirable. Further, the copper piece 2b theoretically increases in number as the conductor layer as the central angle is reduced and the arrangement interval is reduced, and the amount of change in the induced total eddy current (proportional to the number of conductor layers). ) Increases and the relative rotation angle detection sensitivity increases, but the measurable relative rotation angle range decreases.
[0013]
The 2nd rotor 3 is shape | molded from the electrically insulating synthetic resin excellent in the moldability, and as shown in FIG.1 and FIG.2, it has the inner cylinder 3a, the flange 3d, the support part 3e, and the latching piece 3h. Yes. In the inner cylinder 3a, copper foils 3c are provided on the outer periphery of the first insulating magnetic material layer 3b at a pitch corresponding to the plurality of copper pieces 2b. The copper foil 3c becomes a second conductor layer together with a copper foil 3g described later. The flange 3d is formed in a cylindrical shape with a support portion 3e extending in a horizontal direction from the inner cylinder 3a and rising from the middle in the radial direction, and a pitch sensor which will be described later on the upper surface in the vicinity of the outer periphery within a range of a central angle of 180 degrees. 7 copper foils 7a are provided. Further, the flange 3d meshes with a first gear portion 62a formed on a planetary gear 62 of the displacement sensor 6 described later, and a gear portion 3j serving as a third gear portion is formed at the lower portion. The support portion 3e is a portion that supports the second insulating magnetic material layer 3f, and a copper foil 3g is provided on the outer periphery of the second insulating magnetic material layer 3f in the range of a central angle of 180 degrees in the circumferential direction. The locking piece 3h is a detent for the driven shaft, and is attached to the lower part of the inner cylinder 3a at the lower part.
[0014]
Here, the material of the first insulating magnetic material layer 3b and the second insulating magnetic material layer 3f is a thermoplastic synthetic resin having electrical insulation properties such as nylon, polypropylene (PP), polyphenylene sulfide (PPS), ABS resin, What mixed 10-70 volume% of soft-magnetic material powders which consist of ferrites, such as Ni-Zn and Mn-Zn type, is used.
The fixed case 4 is a fixed body formed of a metal such as aluminum, copper, or iron having a shielding property against an alternating magnetic field. As shown in FIGS. 1 and 2, the upper flange 4b, the first support portion 4c, and the second support case 4 are formed. It has a support 4d. In the upper flange 4b, the circuit board 5 is disposed at the upper part, the first support part 4c and the second support part 4d are formed at positions on concentric circles having different radii on the lower surface, and the opening 4e is provided in the vicinity of the outer periphery. As shown in FIGS. 1 and 2, the first support portion 4 c is located radially inward of the support portion 3 e of the second rotor 3, and has a relative rotation angle that is an excitation coil for detecting rotational torque on the inner periphery. A core 4g holding the coil 4f is provided. As shown in the figure, the second support portion 4d is positioned radially outward from the support portion 3e of the second rotor 3, and a core holding a rotation angle coil 4h that is an excitation coil for detecting rotational torque on the inner periphery. 4j is provided, and the copper foil 4k is provided in the circumferential direction with a central angle of 180 degrees on the surface of the rotating angle coil 4h and the core 4j facing the copper foil 3g.
[0015]
Here, the relative rotation angle coil 4f and the rotation angle coil 4h are oscillated by an electric wire (not shown) extending from the fixed case 4 to the outside together with a coil 6f of the displacement sensor 6 and a coil 7c of the pitch sensor 7 which will be described later. The means 11 and the frequency dividing circuit 12 are connected, and an alternating current is passed from the oscillation means 11 and the frequency dividing circuit 12. In this embodiment, each coil is connected to the same oscillating means 11 and the frequency dividing circuit 12 and uses the same signal frequency, but it is also possible to use different signal frequencies. That is, each coil may be connected to the oscillating means 11 and the frequency dividing circuit 12 having different signal frequencies. Thereby, in the rotation sensor 1, a magnetic circuit Cm indicated by a dotted line in FIG. 2 is formed between the core 4g and the first insulating magnetic material layer 3b and between the core 4j and the second insulating magnetic material layer 3f.
[0016]
As shown in FIGS. 1 and 2, the fixed case 4 is provided with a cover 9 having an upper cover 9a and a lower cover 9b at the upper and lower portions, respectively.
The displacement sensor 6 is a sensor that detects a change in coil inductance between a copper foil layer 63d (described later) and a plurality of coils 64a based on the rotation of the first and second rotors 2 and 3, and is shown in FIGS. 3 (a) and 3 (b), a first gear member 61, a planetary gear 62, a slider 63, and a coil member 64 are provided.
[0017]
The first gear member 61 is a ring-shaped member molded from a synthetic resin that is fixed to the fixed case 4 by the lower cover 9b, and an internal gear 61a serving as a third gear portion is provided on the inner periphery.
The planetary gear 62 is a second gear member that decelerates the rotation of the second rotor 3 and transmits it to the slider 63. The first gear portion 62a and the second gear portion 62b having different numbers of teeth are formed in two upper and lower stages. Has been. The first gear portion 62a is formed on the second rotor 3 and the first gear member 61, respectively, and meshes with the gear portion 3j and the internal gear 61a that become the third gear portion.
[0018]
The slider 63 includes a ring-shaped main body 63a formed of the same magnetic material as the insulating magnetic material layers 3b and 3f, and a regulating wall 63b in the circumferential direction over a range of a desired central angle, for example, a central angle of 300 degrees. And move in the direction of rotation of the second rotor 3. The slider 63 is provided with a gear portion 63c that is a fourth gear portion that meshes with the second gear portion 62b in the main body 63a, and a copper foil layer 63d that is a third conductor layer on the regulation wall 63b. As shown in FIGS. 3A and 4, the copper foil layer 63d is provided in a range corresponding to the coil member 64 along the circumferential direction of the regulating wall 63b so as to face a plurality of coils 64a described later. ing. If the third conductor layer is made of a non-ferrous metal, aluminum may be used. The slider 63 transmits the rotation of the second rotor 3 decelerated by the planetary gear 62, and the restriction wall 63b abuts against the locking walls 4n and 4p shown in FIG. Is regulated within a predetermined angle. For example, in the rotation sensor 1 of the present embodiment, when the reduction ratio between the second rotor 3 and the slider 63 by the planetary gear 62 is set to 1:30 and the second rotor 3 makes one revolution, the slider 63 Designed to rotate 12 degrees.
[0019]
As shown in FIGS. 1, 2, 3 (a) and 4, the coil member 64 is provided along the circumferential direction inside the outer periphery of the fixed case 4, and is connected to the oscillating means 11. Is provided in a holding member 64b made of synthetic resin.
Here, the slider 63 unfolds the regulating wall 63b and the coil member 64, and when viewed in the circumferential direction as shown in FIG. 6, one end E of the copper foil layer 63d is a coil. It is assembled to the rotation sensor 1 with the position at the center of the member 64 as the initial position in the left-right direction (the rotation angle in the left-right direction is 0 degree). At this time, the positions of the copper foil layer 63d and the coil member 64 shown in FIG. 6 correspond to the positions shown in FIG.
[0020]
Accordingly, in the displacement sensor 6, when the slider 63 moves with the rotation of the second rotor 3 and the end E passes through the holding member 64b between the coils 64a, the portion of the total inductance coil 64a is moved. When passing, the total inductance of the four coils 64a changes.
Here, the circuit board 5 is not shown in FIGS. 1 and 2, but the oscillation means, the first signal processing means for processing the output signal from the relative rotation angle coil 4f, The measurement means, the second signal processing means for processing the output signals from the rotation angle coil 4h and the displacement sensor 6, and the measurement means for the rotation angle are arranged, and an electric circuit related to these is formed.
[0021]
In addition, the pitch sensor 7 detects whether the first and second rotors 2 and 3 are in the rotation position in the left direction 180 or the right direction 180 from the reference position. The pitch sensor 7 is provided on the second rotor 3, and becomes one copper foil 7 a and is arranged on the radially outer side of the second support portion 4 d as shown in FIG. 2, and becomes the other of the pitch sensor 7 in FIG. 5. It has a core 7b, a coil 7c and a copper foil 7d shown. A slit 7e is formed in the copper foil 7d as shown. Here, the pitch sensor 7 has the following diameter ratio (= Ws / D) of the width Ws when the diameter of the coil 7c is D and the width of the slit 7e is Ws in order to ensure a predetermined accuracy in practice. Set to the range.
1/50 ≦ Ws / D ≦ 1/3
Preferably, the ratio of diameter (= Ws / D) is 1/10 or more.
[0022]
Next, the relative rotation angle and rotation angle measurement by the rotation sensor according to the first embodiment will be described with reference to FIGS. FIG. 7 is a block diagram illustrating an example of the rotation angle measurement device 10 of the rotation sensor. In the figure, a measuring apparatus 10 includes an oscillation circuit 11 that oscillates an oscillation signal, a frequency division circuit 12 that divides the oscillation signal and outputs a pulse signal of a specific frequency, the plurality of copper pieces 2b described above, and a first insulation. The torque sensor 13 having the magnetic material layer 3b, the copper foil 3c, the relative rotation angle coil 4f, and the core 4g, and the second insulating magnetic material layer 3f, the copper foil 3g, the rotation angle coil 4h, the core 4j, and the copper foil 4k described above. The rotation angle sensor 14, the displacement sensor 6, the pitch sensor 7, the signal processing amplification circuit 15 that processes signals from the torque sensor 13, and the signals from the rotation angle sensor 14, the displacement sensor 6, and the pitch sensor 7, respectively. Signal processing amplifier circuits 16 to 18 to be processed, A / D converters 19 to 21 for analog / digital conversion of signals from the signal processing amplifier circuits 15 to 17, respectively, and an A / D converter The relative rotation angle measurement unit 22 that measures the relative rotation angle based on the digital signal from 19, and the rotation angle measurement that measures the rotation angle based on the digital signal from the signal processing amplification circuit 18 and the A / D converters 20 and 21. Part 23.
[0023]
The rotation sensor 1 configured as described above is, for example, as follows when detecting the rotation angle, rotation speed, and rotation torque of a steering shaft of an automobile in which a main driving shaft and a driven shaft are connected via a torsion bar. Used.
That is, in the rotation sensor 1, when the first rotor 2 rotates together with the second rotor 3 as the steering shaft rotates, the rotation of the second rotor 3 is decelerated by the planetary gear 62 and is transmitted to the slider 63. Thereby, the slider 63 moves in the rotation direction of the second rotor 3 while rotating 12 degrees every time the second rotor 3 makes one rotation.
[0024]
At this time, in the measurement apparatus 10, the oscillation circuit 11 outputs a pulse signal having a specific frequency to each of the sensors 6, 7, 13, and 14 via the frequency dividing circuit 12.
An alternating current flows through the relative rotation angle coil 4f, and forms a magnetic circuit in cooperation with the first insulating magnetic material layer 3b of the second rotor. In the torque sensor 13, the inductance of the coil changes according to the magnitude of the eddy current generated in the rotor. The first signal processing means detects the phase shift amount of the pulse signal input from the frequency dividing circuit 12 connected to the relative rotation angle coil 4f.
[0025]
The signal processing amplification circuit 15 detects the amount of change in the inductance of the coil 4 f, processes it into a signal having a corresponding voltage value, and outputs the signal to the relative rotation angle measurement unit 22 via the A / D converter 19. .
For example, as shown in FIG. 7, the relative rotation angle measurement unit 22 sets the relative rotation angle of the two rotors in a range of −8 ° to + 8 ° based on the voltage value of 0.5 V to 4.5 V of the converted signal. It can be measured.
[0026]
An alternating current is passed through the rotation angle coil 4h, and a magnetic circuit is formed in cooperation with the second insulating magnetic material layer 3f of the second rotor. The rotation angle sensor 14 detects the amount of phase shift of the pulse signal input from the frequency dividing circuit 12 connected to the rotation angle coil 4h according to the magnitude of the eddy current generated in the rotor together with the signal processing amplification circuit 16. . That is, the rotation angle sensor 14 detects the phase shift amount of the pulse signal at both ends of the rotation angle coil 4h, and the circumferential direction of the copper foil 3g of the second insulating magnetic material layer 3f and the copper foil 3g of the core 4j during rotation. As shown in FIG. 8 (a), the rotation angle within 180 ° to the left and right is detected by the change in the magnetic flux between the coil 4h and the core 4j.
[0027]
The signal processing amplification circuit 16 processes the detected phase shift amount into a signal having a corresponding voltage value, and outputs the signal to the rotation angle measurement unit 23 via the A / D converter 20.
The displacement sensor 6 detects a change in the total inductance of the four coils 64a when the slider 63 moves with the rotation of the second rotor 3 and the end portion E passes through each coil 64a.
[0028]
That is, as shown in FIG. 9, when the movement amount of the slider 63 is H and the coil inductance is L, the relationship between H and L is that the end E of the copper foil layer 63 d is in accordance with the rotation of the second rotor 3. When passing through the portion of the coil 64a, it becomes a substantially linear relationship and becomes a component of the rotation angle detection. When the end E passes through the portion of the holding member 64b between the coils 64a, the coil inductance L is It remains constant without change. At this time, the change in the output voltage (V) from the coil member 64 due to the change in the rotational speed (n) and the total inductance of the four coils 64a is shown in FIG. 10 from the positional relationship between the slider 63 and the copper foil layer 63d. It changes as shown. Note that the output of the displacement sensor 6 shown in FIG. 8C is a finite rotation angle of 900 ° to −900 ° when the intermediate position of the copper foil layer 63d of the slider 63 shown in FIG. An example in the case of using for detection of this is shown.
[0029]
The signal processing amplification circuit 17 processes and converts the detected change amount of the coil inductance into a signal having a corresponding voltage value, and outputs the signal to the rotation angle measurement unit 23 via the A / D converter 21.
The pitch sensor 7 detects a change in inductance of the coil 7 b based on the rotation of the second rotor 3. That is, FIG. 8B shows the change in magnetic flux between the coil 7c and the core 7d due to the relative positional relationship between the copper foil 7a of the second rotor 3 and the slit 7e in the pitch sensor 7 (whether they overlap or not). Such a “1” or “0” digital signal is output every 180 °.
[0030]
The signal processing amplification circuit 18 processes the detected change in the relative positional relationship into a digital signal having a corresponding voltage value, and outputs the signal to the rotation angle measurement unit 23.
The rotation angle measurement unit 23 determines, for example, the rotation angle of the steering shaft of an automobile in which a main driving shaft and a driven shaft are connected via a torsion bar by a combination of signals input from the displacement sensor 6, the pitch sensor 7, and the rotation angle sensor 14. taking measurement. That is, in the present embodiment, in the range of −180 ° to 0 ° and 0 ° to 180 ° depending on the relationship between the rotation angle sensor 14 and the output of the pitch sensor 7 that change from the intermediate position 0 ° of the slider 63 described above. The actual rotation angle is measured by the relationship with the output of the displacement sensor 6 at that time. FIG. 8D is a waveform representing the relationship between the signals from the displacement sensor 6, the pitch sensor 7 and the rotation angle sensor 14 within a finite rotation angle range of 900 ° to −900 °. Measure.
[0031]
As described above, in the rotation sensor of the present embodiment, the rotational torque acting on the main drive shaft and the driven shaft can be obtained from the phase shift amount of the pulse signal detected by the torque sensor, and the displacement sensor, pitch sensor, and rotation angle are obtained. From the relationship of the sensor output, the rotation angle of these shafts can be accurately measured.
By the way, when each sensor is actually attached to the rotation sensor, the signal switching position of the pitch sensor 7 and the position where the output (angle signal) of the rotation angle sensor 14 becomes 0 °, 180 °, 360 °,. Are matched as much as possible, but in reality, a slight error occurs due to a difference in mounting accuracy. That is, as shown in the relationship between the rotation angle sensor and the output waveform of the pitch sensor in FIG. 11, for example, ε between the switching position of “0” to “1” of the pitch sensor and the 180 ° position of the rotation angle sensor. If there is a deviation, the actual rotation angle can be accurately output up to 180 °, but 180 ° − (S−180 °) from 180 ° to 180 ° + ε. Here, S is the rotation angle S obtained based on the angle signal.
[0032]
In other words, although the actual angle signal exceeds 180 °, an angle signal smaller than 180 ° is output in reverse, and when it exceeds 180 ° + ε, the actual angle signal is output and the rotation angle is detected around 180 °. There is a problem in that there is an angle that cannot be performed and the continuity is impaired.
The smaller the ε is, the higher the mounting accuracy is. However, if this sensor is mounted with high accuracy, the manufacturing cost of the sensor becomes high.
[0033]
Therefore, in the signal processing amplification circuit 16 according to the present embodiment, when the signal from the rotation angle sensor 14 is captured, the rotation angle S obtained based on the signal is within a range of, for example, 179.5 ° ≦ S ≦ 180.5 °. If it is within the range, the rotation angle to be obtained is set to 180 °, and a signal of a corresponding voltage value is output. If it is outside the range, a signal from the pitch sensor 7 is fetched to determine whether the signal is “1”. If it is “1”, a voltage value signal corresponding to the rotation angle (360-S) is output, and if it is not “1”, a voltage value signal corresponding to the rotation angle S is output. In the signal processing, -720 °, -540 °, -360 °, -180, 0 °, which are rotation angles indicated as an upper limit point and a lower limit point of an angle signal composed of a triangular waveform output from the rotation angle sensor. The same operation is performed at around 180 °, 360 °, 540 °, and 720 °.
[0034]
Thereby, in this embodiment, the switching position of the pitch sensor signal in the vicinity of the rotation angle of the upper limit point and the lower limit point of the triangular waveform and the position of the rotation angle sensor signal coincide with each other, and the mounting accuracy is improved. Thus, it is possible to detect the rotation angle with continuity.
As described above, in the rotation sensor of the above-described embodiment, the description has been made based on the case of detecting the phase shift amount in order to detect the fluctuation of the coil impedance due to the rotation. However, the rotation sensor of the present invention may detect fluctuations in the impedance of the coil due to rotation by detecting fluctuations in the signal frequency and signal amplitude.
[0035]
In addition, this invention is not limited to the said embodiment, A various deformation | transformation embodiment is possible. For example, in the rotation sensor 1 of the embodiment, the rotation torque is detected based on the relative rotation angle of the rotors 2 and 3 and the rotation angle and the rotation speed of the rotors 2 and 3 with respect to the fixed case 4 are obtained with high accuracy. However, if there is no problem in practical detection accuracy, the pitch sensor 7 may be omitted as shown in a circuit diagram showing an example of the rotation angle measurement device 10 of the rotation sensor in FIG.
[0036]
In this case, as shown in FIG. 12, the output signal of the displacement sensor 6 corresponding to the rotation angle (number of rotations) is set in advance with a detection accuracy that is not so high, and the number of rotations can be simply determined by this relationship. It becomes possible to detect. Further, the rotation sensor 1 may be abbreviated as desired to detect either the rotation torque or the rotation angle.
[0037]
If the above-mentioned practical detection accuracy is not a problem, it is possible to omit the rotation angle sensor and detect the rotation angle (number of rotations) by a combination of the displacement sensor and the output of at least one pitch sensor. is there.
On the other hand, the rotation sensor 1 may be abbreviated as desired, and may be configured to detect either the rotation torque or the rotation angle.
[0038]
Furthermore, the rotation sensor of the present invention obtains the relative rotation angle, rotation angle, and rotation torque between the rotating shafts that rotate with each other, such as a robot arm, in addition to the automobile steering shaft described in the above embodiment. It can be used for anything.
[0039]
【The invention's effect】
According to the first to seventh aspects of the present invention, it is possible to identify whether the rotational position is the left or right rotational position, it is possible to measure even a rotational angle exceeding 180 degrees, and the rotational angle and / or rotational torque can be measured. A sensor can be provided.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional front view showing an embodiment of a rotation sensor of the present invention.
FIG. 2 is an enlarged cross-sectional front view of the left half side of FIG.
3 is a cross-sectional plan view (a) along the line AA in FIG. 1 and a cross-sectional plan view (b) along the line BB. FIG.
4 is a cross-sectional plan view illustrating a positional relationship of main members constituting the rotation sensor of FIG. 1, with some constituent members omitted. FIG.
FIG. 5 is a sectional front view showing the arrangement of the pitch sensor and the copper foil, omitting other components.
FIG. 6 is a plan view showing a slider regulating wall and a coil member in an expanded state.
FIG. 7 is a block diagram showing an example of the configuration of a rotation angle measuring device in the rotation sensor.
8 is a waveform diagram showing output waveforms at each sensor and rotation angle measurement unit shown in FIG. 7;
FIG. 9 is a relational diagram showing the relationship between the amount of slider movement and the coil inductance in the displacement sensor, similarly;
FIG. 10 is a relationship diagram simply showing the output of the displacement sensor and the rotation speed.
FIG. 11 is a partial waveform diagram for explaining the relationship between the rotation angle sensor and the output of the pitch sensor.
FIG. 12 is a block diagram showing another example of the configuration of the rotation angle measuring device in the rotation sensor.
[Explanation of symbols]
1 Rotation sensor
2 First rotor
2b Copper piece (multiple first conductor layers)
3 Second rotor
3b First insulating magnetic material layer
3c Copper foil (second conductor layer)
3f Second insulating magnetic material layer
3g copper foil (second conductor layer)
3j Gear part (third gear part)
4 Fixed case
4f Relative rotation angle coil (excitation coil)
4g core
4h Rotating angle coil (Excitation coil)
4j core
5 Circuit board
6 Displacement sensor
7 Pitch sensor
7a Copper foil (conductor piece)
7c coil
10 Measuring device
11 Oscillation circuit (oscillation means)
12 divider circuit
13 Torque sensor
14 Rotation angle sensor
15-18 Signal processing amplifier circuit
19-21 A / D converter
22 Relative rotation angle measurement unit
23 Rotation angle measurement unit
61 First gear member
61a Internal gear (third gear part)
62 Planetary gear (second gear member)
62a 1st gear part
62b Second gear part
63 Slider
63c Gear part (fourth gear part)
63d Copper foil layer (third conductor layer)
64 Coil member
64a coil

Claims

A first rotor having a plurality of first conductor layers arranged at predetermined intervals along the circumferential direction;
A second rotor having an insulating magnetic material layer and a second conductor layer, rotating integrally with the first rotor, and relatively rotating within a predetermined angle with respect to the first rotor;
In a rotation sensor comprising an exciting coil and a fixed body formed of an insulating magnetic material and having a core for holding the exciting coil and an oscillating means connected to the exciting coil and oscillating an oscillation signal of a specific frequency.
The first gear member fixed to the fixed body has first and second gear portions having different numbers of teeth, and the first gear portion is connected to the second rotor and the first gear member. A second gear member that meshes with the formed third gear part; a fourth gear part that meshes with the second gear part; and a third conductor layer, wherein the second rotor rotates. The first and second rotors include a slider made of a magnetic material that is transmitted by being decelerated and moves in the rotational direction of the rotor, and a coil member that is provided on the fixed body and has a coil that is connected to the oscillation means. A rotation sensor comprising a displacement sensor for detecting a change in coil inductance between the third conductor layer and the coil based on the rotation of the rotation sensor.

As the excitation coil, a relative rotation angle coil that detects a relative rotation angle associated with a relative rotation of the first and second rotors, or a rotation angle coil that detects a rotation angle of the first and second rotors relative to the fixed body. The rotation sensor according to claim 1, comprising at least one of the following.

First signal processing means for processing an output signal from the relative rotation angle coil and measurement means for the relative rotation angle, or second signal processing means for processing output signals from the rotation angle coil and the displacement sensor, and a rotation angle. The rotation sensor according to claim 2, further comprising:

A first rotor having a plurality of first conductor layers arranged at predetermined intervals along the circumferential direction;
A second rotor having an insulating magnetic material layer and a second conductor layer, rotating integrally with the first rotor, and relatively rotating within a predetermined angle with respect to the first rotor;
A relative rotation angle coil that detects a relative rotation angle associated with a relative rotation of the first and second rotors, a rotation angle coil that detects a rotation angle of the first and second rotors, and an insulating magnetic material; In a rotation sensor provided with a fixed body having the relative rotation angle coil and a core for holding the rotation angle coil, and an oscillation means connected to the relative rotation angle coil and the rotation angle coil to oscillate an oscillation signal of a specific frequency,
A first gear member attached to the fixed body has first and second gear portions having different numbers of teeth, and the first gear portion is formed on the second rotor and the first gear member. A second gear member that meshes with the third gear portion, an insulating magnetic material, a fourth gear portion that meshes with the second gear portion, and a third conductor layer, The rotor is decelerated and transmitted, and includes a slider made of a magnetic material that moves in the direction of rotation of the rotor and a coil that is provided on the fixed body and connected to the oscillating means; A rotation sensor comprising a displacement sensor for detecting a change in coil inductance between the third conductor layer and the coil based on rotation of the rotor.

The first signal processing means for processing the output signal from the relative rotation angle coil, the measurement means for the relative rotation angle, the second signal processing means for processing the output signal from the rotation angle coil and the displacement sensor, and the rotation angle. The rotation sensor according to claim 4, further comprising:

A conductor piece and a coil connected to the oscillating means and cooperating with the conductor piece, one provided on the fixed body and the other on the second rotor, The rotation sensor according to claim 1, further comprising a pitch sensor for detecting a change in coil inductance based on rotation.

The second signal processing means performs signal processing so as to output the same signals as the output signals at the upper limit point and the lower limit point in the vicinity of the upper limit point and the lower limit point of the output signal from the rotation angle coil. The rotation sensor according to 3 or 5.