JP4833424B2 - 回転センサ - Google Patents
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Description
【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】
シャフトの回転角度或いは相対回転角度を非接触で検出する回転センサ、例えば、相対回転する2本の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トルクを検出し、ステアリング装置の円滑な電子制御に利用する回転センサが知られている(例えば、特公平7−21433号公報参照)。この種の回転センサは、トーションバーで連結された第1のシャフトに第1のロータを、第2のシャフトに第2のロータを、それぞれ取り付けると共に、第1及び第2のロータを励磁コイルを有する固定コアの半径方向内側に回転自在に配置し、第1及び第2のシャフトの相対回転を前記励磁コイルのインダクタンスの変化によって検出し、第1のシャフトと第2のシャフトとの間に作用するトルクを検出するものである。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前記固定コアにおいては、複雑な形状でも成形が容易で、低コストで短時間に量産できることから、励磁コイルを収容するコア本体として電磁鋼板やフェライトコアに代えてプラスチックマグネットが使用されるようになってきた。
【0004】
しかし、プラスチックマグネットは、電磁鋼板やフェライトコアに比べると比透磁率が小さいため、電磁鋼板やフェライトコアを用いた固定コアに比べて形状上の制約が大きいという問題がある。
即ち、図9に示すように、固定コア1は、コア本体1aに励磁コイル1b(図10参照)のリード線を外部へ引き出すための引出孔1cを有している。このため、コア本体1aは、図10に示すように、引出孔1cを高さ方向中央に形成し、上下で対称な形状とする必要がある。これは、回転センサは、コア本体が上下で対称な形状でないと、内部に形成される磁気回路が上下対称とならず、感度(インダクタンス)の変動が大きく、回転角度等を誤検出してしまうおそれがあるからである。
【0005】
このように、固定コアのコア本体に形成される引出孔の位置が限定されると、回転センサは、設計上あるいは使用上の自由度が極端に制限されてしまうという問題がある。
本発明は上記の点に鑑みてなされたもので、コア本体にプラスチックマグネットを使用しても、リード線を引き出す引出孔の位置が制限されたり、回転角度等を誤検出するおそれがない回転センサを提供することを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】
本発明においては上記目的を達成するため、周方向に所定間隔を置いて配置される複数の非磁性導電体を有し、回転する第1のシャフトに取り付けられる第1のロータ、励磁コイルと、該励磁コイルのリード線を外部へ引き出す引出孔とを有し、前記第1のロータと半径方向に間隔を置いて固定部材に固定される固定コア、及び絶縁磁性材から筒状に成形される本体と、前記複数の非磁性導電体と対応する間隔で周方向に所定間隔を置いて該本体に配置される複数の非磁性導体層とを有し、前記第1のシャフトにトーションバーを介して連結されて相対回転する第2のシャフトに取り付けられ、前記第1のロータと半径方向に所定間隔をおいて配置される第2のロータを備え、前記第1及び第2のロータの相対回転による前記励磁コイルのインダクタンス変動に基づいて、前記両シャフトの回転角度或いは相対回転角度を非接触で検出する回転センサにおいて、前記固定コアは、コア本体がプラスチックマグネットから成形されると共に、リング状のコア本体の内部の内周面にコイルを収容するための凹溝が形成され、さらにコア本体の内部上面または下面に周方向に沿って溝が形成されている構成としたものである。
【0007】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の回転センサに係る一実施形態として、例えば、自動車において変換ジョイント(トーションバー)を介して主動シャフトから従動シャフトへ伝達されるステアリングシャフトのトルクを検出する回転センサを図1乃至図8に基づいて説明する。
【0008】
回転センサ10は、図1及び図2に示すように、第1ロータ11、固定コア12及び第2ロータ13を備えている。ここで、ステアリングシャフト5は、ハンドル側の主動シャフト5aがトーションバー5bを介して車輪側の従動シャフト5cと連結され、主動シャフト5aは、従動シャフト5cに対して所定角度範囲内で相対回転する。
【0009】
第1ロータ11は、主動シャフト5aの軸線方向所定位置に取り付けられ、図1及び図2に示すように、フランジ11aと、第1ロータ11と固定コア12との間に配置される4枚の羽板11bとを有している。各羽板11bは、交流磁界の遮蔽性を有するアルミニウム,銅等の非磁性金属によって製造され、フランジ11aに所定の中心角、例えば中心角45°の間隔で周方向に均等に配置して下方に向かって形成されている。
【0010】
固定コア12は、第1ロータ11の外側に本体11aとの間に半径方向に数mm程度の僅かなギャップをおいて配置され、ステアリングシャフト5の近傍に位置する固定部材(図示せず)に固定される。固定コア12は、図1及び図2に示すように、第2ロータ13と同一のプラスチックマグネットから成形されるコア本体12aと、コア本体12aに周方向に形成される凹溝内に収容される励磁コイル12hとを有している。
【0011】
コア本体12aは、図3(a)〜(c)に示すように、上半体12bと下半体12cとによってリング状に成形されている。上半体12bは、図3(b)に示すように、断面形状が逆L字型に成形されている。下半体12cは、周方向の4ヶ所に凹部12dが等間隔に形成され、図3(a)に示すように、導出窓部12iが形成されると共に、図3(b),(c)に示すように、上面には周方向に沿って溝12eが設けられている。
【0012】
凹部12dは、上半体12bと下半体12cとを接合したときに、励磁コイル12hのリード線12fを外部へ引き出すための引出孔となる。溝12eは、コア本体12a内を流れる磁束を遮蔽するために設ける。このため、溝12eは、図4に示すように、幅をW、深さをt、励磁コイル12hを収容する部分の高さをH、導出窓部12iの高さをLとしたとき、幅WはL/2<W<H、深さtはH/10<t<H/2、の範囲にあることが好ましい。
【0013】
また、溝12eは、上半体12bの下面と下半体12cの上面のうち、導出窓部12iに近い方の面に設けることが好ましい。
更に、リード線12fは、凹部12dに設けた端子板12g(図3(b)参照)によって回転センサ10を使用中の振動等に起因する断線から保護されている。励磁コイル12hは、凹部12dから外部へ延出させた電線(図示せず)によって図示しない信号処理回路と接続され、この信号処理回路から交流電流が流されている。ここで、励磁コイル12hは、ボビンに電線を巻回したものを使用することもある。
【0014】
第2ロータ13は、従動シャフト5cの軸線方向所定位置に取り付けられ、図2に示すように、本体13aに銅片13bが中心角45°間隔で周方向に交互に設けられている。本体13aは、従動シャフト5cに取り付けられるフランジ13cが下部に設けられ、絶縁磁性材から筒状に成形されている。本体13a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、Mg−Zn系、Ni−Zn系やMn−Zn系のフェライトからなる軟磁性材粉を10〜70体積%で混合したプラスチックマグネットが用いられている。ここで、第2ロータ13は、前記プラスチックマグネットによって円筒状に成形した本体13aの外周に非磁性導電体を周方向に所定の中心角の間隔で設けたり、前記本体13aの内部に埋め込んでもよい。
【0015】
以上のように構成される回転センサ10は、第1ロータ11を主動シャフト5aに、第2ロータ13を従動シャフト5cに、それぞれ取り付けると共に、固定コア12を前記固定部材に固定してステアリング装置に組み付けられる。
組み立てられた回転センサ10においては、励磁コイル12hを流れる交流電流による磁束が、図5(a)に示すように、コア本体12aと第1ロータ11のプラスチックマグネットからなる本体13aとを結ぶ磁気回路CMGに沿って流れる。これにより、第1ロータ11の非磁性金属からなる複数の羽板11bを交流磁界が横切るため、銅片13b内に渦電流が誘起される。このとき、渦電流によって誘起される交流磁界の方向は、励磁コイル12hを流れる交流電流による交流磁界の方向と逆になる。結果として、羽板11bが存在するコア本体12aと第2ロータ13との間のギャップ部分に生ずる励磁コイル12hの交流励磁電流による磁束と上記渦電流による磁束の方向とが逆になるため、トータルの磁束密度が小さくなる。この反対に、羽板11bが存在しない上記ギャップの部分では、励磁コイル12hの交流励磁電流による磁束と上記渦電流による磁束の方向とが同じになるため、トータルの磁束密度が大きくなる。即ち、コア本体12aと第2ロータ13との間のギャップ部分に不均一磁界が形成される。
【0016】
従って、第1ロータ11が第2ロータ13に対して相対回転すると、第1ロータ11の羽板11bが上記不均一磁界を横切り、羽板11bが横切るトータルの磁束の量が変化するので、銅片13bに生ずる渦電流の大きさが変化する。このため、回転センサ10においては、励磁コイル12hのインピーダンスは第1ロータ11と第2ロータ13との相対回転角度によって変動する。
【0017】
回転センサ10は、励磁コイル12hのインピーダンス変動をパルス信号の位相シフト量の検出によって測定し、これに基づいて第1ロータ11と第2ロータ13との相対回転角度、従ってトルクを検出する。
ここで、回転センサ10は、固定コア12の内部、即ち、コア本体12aを構成する下半体12cの上面に周方向に沿って溝12eが形成されていない図10に示す構造の固定コア1を用いた場合、励磁コイル12hを流れる交流電流による磁束は、図5(b)に示すように、磁気回路CMGに沿って流れる他に、内側を短絡して流れる磁束が生じ、磁気回路CMGが上下方向に対称とならない。更に、導出窓部12iが中央部より上下方向にずらして配置されると、磁気回路CMGは、顕著に上下方向に対称とはならなくなる。
【0018】
これに対し、本発明の回転センサ10は、固定コア12の内部、即ち、コア本体12aを構成する下半体12cの上面に周方向に沿って溝12eが形成されている。このため、回転センサ10は、励磁コイル12hを流れる交流電流による磁束が、透磁率の低い溝12e側を流れることがないため、図5(a)に示すように、コア本体12aと第1ロータ11のプラスチックマグネットからなる本体13aとを結ぶ磁気回路CMGに沿って流れ、上下方向に対称な磁気回路CMGが形成される。
【0019】
この結果、回転センサ10は、下半体12cに形成した凹部12dのために、コア本体12aが上下で対称な形状でなくても、磁気回路CMGが上下対称となるので、相対回転角度、従ってトルクを正しく検出することができる。
ここで、溝12eの幅W=2mm、深さt=1mm、励磁コイル12hを収容する部分の高さH=3mmの回転センサ10と、幅W=1mm、溝12eの深さt=0.5mm、励磁コイル12hを収容する部分の高さH=3mmの回転センサ10を用い、トルクが0となるように第1ロータ11と第2ロータ13の相対角度を0°に設定し、第1及び第2ロータ11,13を固定コア12に対して1回転させ、回転角度(°)とトルクとの関係を測定した。その結果を図6(a),(b)に示す。比較のため、溝12eを有しない回転センサ10と、溝12eを有さず、図9及び図10に示すように、引出孔1cが高さ方向中央に形成され、上半体と下半体とが上下対称な固定コア1を用いたことを除き構成が同一の回転センサ10を用い、同様にして回転角度(°)とトルクとの関係を測定した。その結果を図6(c),(d)に示す。
【0020】
図6(a),(b)と図6(c),(d)とに示された結果の対比から明らかなように、固定コア12の内部に周方向に沿って溝12eを形成すると、回転センサ10は、回転角度(°)の変化に伴うトルクの変動が小さく、溝12eの幅W及び深さtが大きい方がトルクの変化が安定し、正しいトルクを検出することができることが分かる。
【0021】
ここで、本発明の回転センサは、固定コアの内部に周方向に沿って溝が形成されていれば、図7に示す回転センサ20のように、固定コア12が上下2段に配置され、環境温度の変動,電磁ノイズ,前記発振回路における発振周波数の変動,電源電圧あるいは組付け誤差等の外乱があっても検出精度の変動が少なく、トルクを正確に検出できるダブルコアタイプのものでもよい。この場合、回転センサ20は、回転センサ10と同様に、固定コア12と第2ロータ13との間に第1ロータ11を配置する。
【0022】
また、図8に示す回転センサ25のように、固定コア26のコア本体26aを上部材26b、中間板26c及び下部材26dで構成し、回転センサ10の下半体12cと同様に、中間板26cに、周方向に沿った複数箇所に凹部26eを等間隔で形成し、上下の面に周方向に沿って溝26fを設けてもよい。この場合、回転センサ25は、固定コア26の励磁コイル26gから延出するリード線26hを凹部26eに設けた端子板26jで保護する。
【0023】
尚、上記実施形態はトルクを検出する回転センサの場合について説明したが、回転角度を検出することも可能である。
また、本発明の回転センサは、上記実施形態で説明した自動車のステアリングシャフトの他、例えば、ロボットアームのように、互いに回転する回転軸間の相対回転角度,回転角度,トルクを求めるものであれば、どのようなものにも使用できる。
【0024】
【発明の効果】
請求項1の発明によれば、固定コアのコア本体にプラスチックマグネットを使用しても、リード線を引き出す引出孔の位置が制限されたり、誤検出のおそれがない回転センサを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の回転センサの断面正面図である。
【図2】図1の回転センサのC1−C1線に沿った断面図である。
【図3】図1の回転センサで用いられる固定コアの正面図(a)、左半断面図(b)および下半体の平面図(c)である。
【図4】図3に示す固定コアに形成される溝の形状について説明する断面図である。
【図5】固定コアに形成される溝がある場合(a)とない場合(b)とにおける磁気回路を示す回転センサの左半断面図である。
【図6】固定コアに形成される溝がある場合(a),(b)とない場合(c),(d)とにおける回転センサで測定される回転角度とトルクの関係を示すトルク変化図である。
【図7】本発明の回転センサの他の実施形態を示す左半断面図である。
【図8】本発明の回転センサの更に他の実施形態を示す左半断面図である。
【図9】従来の回転センサで用いられている固定コアの正面図である。
【図10】図9の固定コアの左半断面図である。
【符号の説明】
10 回転センサ
11 第1ロータ
11a フランジ
11b 羽板
12 固定コア
12a コア本体
12b 上半体
12c 下半体
12d 凹部(引出孔)
12e 溝
12f リード線
12h 励磁コイル
12i 導出窓部
13 第2ロータ
13a 本体
13b 銅片
20 回転センサ
25 回転センサ
26 固定コア
26a コア本体
26b 上部材
26c 中間板
26d 下部材
26e 凹部
26f 溝
26g 励磁コイル
26h リード線
26j 端子板
Claims (1)
- 周方向に所定間隔を置いて配置される複数の非磁性導電体を有し、回転する第1のシャフトに取り付けられる第1のロータ、
励磁コイルと、該励磁コイルのリード線を外部へ引き出す引出孔とを有し、前記第1のロータと半径方向に間隔を置いて固定部材に固定される固定コア、及び絶縁磁性材から筒状に成形される本体と、前記複数の非磁性導電体と対応する間隔で周方向に所定間隔を置いて該本体に配置される複数の非磁性導体層とを有し、前記第1のシャフトにトーションバーを介して連結されて相対回転する第2のシャフトに取り付けられ、前記第1のロータと半径方向に所定間隔をおいて配置される第2のロータを備え、
前記第1及び第2のロータの相対回転による前記励磁コイルのインダクタンス変動に基づいて、前記両シャフトの回転角度或いは相対回転角度を非接触で検出する回転センサにおいて、
前記固定コアは、コア本体がプラスチックマグネットから成形されると共に、リング状のコア本体の内部の内周面にコイルを収容するための凹溝が形成され、さらにコア本体の内部上面または下面に周方向に沿って溝が形成されていることを特徴とする回転センサ。
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