JP4888015B2 - 基板コイル型磁歪トルクセンサ - Google Patents

基板コイル型磁歪トルクセンサ Download PDF

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Description

本発明は、温度特性を向上させると共に回転角度依存性を抑制する基板コイル型磁歪トルクセンサに関する。
自動車のパワーステアリング機構、エンジン制御機構、動力伝達機構などでは、受動軸であるハンドル軸などに加わるトルクを検出する必要性が高い。
一般に、磁歪特性を有するニッケル(Ni)、鉄(Fe)−アルミニウム(Al)合金、鉄(Fe)−コバルト(Co)合金などの材料は、外力の印加によってその比透磁率が変化する。すなわち、圧縮方向では比透磁率が減少し、拡張方向では比透磁率が増加する。この原理を利用した基板コイル型磁歪トルクセンサが知られている。
この基板コイル型磁歪トルクセンサは、図8(a)及び図8(b)に示すように、磁歪特性を有し中心軸線φの回りに回転する回転軸81と、該回転軸81と同軸で該回転軸81の外周と距離rの間隙を隔てて、磁心(磁性リングとも言う)82と、該磁心82の内面に装着されたフレキシブル基板83と、フレキシブル基板83に設けられた複数のコイル84と、これらのコイル84を組み合わせた複数の検出コイル回路(図5参照)とを備える。
図5に示されるように、特許文献2に記載された基板コイル型磁歪トルクセンサのフレキシブル基板101は、上層102、中間層103、下層104の3層からなる。中間層103はフレキシブル基板用のフィルムであり、上層102と下層104は、それぞれ銅からなり、その表面は絶縁処理される。以下、上層102と下層104を配線層102,104と呼ぶ。
基板コイル型磁歪トルクセンサは、回転軸に対して+45度傾斜させた複数のコイルからなる+45度検出コイル回路と回転軸に対して−45度傾斜させた複数のコイルからなる−45度検出コイル回路とを組み合わせてブリッジ回路を組むようになっている。なお、ブリッジ回路については、磁歪トルクセンサの周知技術であるので、ここでは説明を省略する。
+45度検出コイル回路の配線は、以下のように行う。
まず、配線層102,104にビア(接続ビアとも言う)a〜lを配置する。このうち、ビアa,f,g,lはフレキシブル基板101の端部に設けて取り出し用パッド(図示せず)を形成したものである。その他のビアは配線層102,104間を貫通する貫通口(貫通ビアとも言う)となるものである。なお、図5において、配線層102,104におけるビア配置は、それぞれ上面から見たものである。また、ビアh,i,j,kは図示を一部略しているがビアb,c,d,eと同様に配線層102,104の両層に現れることは言うまでもない。
配線層102において、図示左上隅のビアaからビアbまで回転軸に対して+45度傾斜するようにフレキシブル基板101の辺に対して+45度傾斜させ順時計回りに第一コイル106を配線する。次に、図示上辺のビアcから図示下辺のビアdまで同様の傾斜で反時計回りに第二コイル107を配線すると共に引き続き順時計回りに第三コイル108を配線する。次に、ビアeから図示右下隅のビアfまで同様の傾斜で反時計回りに第四コイル109を配線する。なお、これらのコイルの配線の一部は傾斜をしておらず、フレキシブル基板101の辺に沿う(以下同様)。
配線層104において、ビアbとビアcをラインで接続し、ビアdとビアeをラインで接続する。これにより、ビアaからビアfまでが一繋がりの回路となる。これを+45度検出コイル回路110と言う。
−45度検出コイル回路の配線は、以下のように行う。
配線層104において、図示左下隅のビアgからビアhまで回転軸に対して−45度傾斜するようにフレキシブル基板101の辺に対して−45度傾斜させ反時計回りに第五コイル111を配線する。次に、図示下辺のビアiから図示上辺のビアjまで同様の傾斜で順時計回りに第六コイル112を配線すると共に引き続き反時計回りに第七コイル113を配線する。次に、ビアkから図示右上隅のビアlまで同様の傾斜で順時計回りに第八コイル114を配線する。
配線層102において、ビアhとビアiをライン(図示せず)で接続し、ビアjとビアkをライン(図示せず)で接続する。これにより、ビアgからビアlまでが一繋がりの回路となる。これを−45度検出コイル回路115と言う。
なお、第一コイル106と第二コイル107の導通に使用されるビアbとビアcは、第七コイル113に囲まれる無配線部分に配置し、ビアbとビアcを接続するラインの回転軸に対する傾斜は任意である。第三コイル108と第四コイル109の導通に使用されるビアdとビアeは、第六コイル112に囲まれる無配線部分に配置し、ビアdとビアeを接続するラインの回転軸に対する傾斜は任意である。
同様に、第五コイル111と第六コイル112の導通に使用されるビアhとビアiは、第三コイル108に囲まれる無配線部分に配置し、ビアhとビアiを接続するラインの回転軸に対する傾斜は任意である。第七コイル113と第八コイル114の導通に使用されるビアjとビアkは、第二コイル107に囲まれる無配線部分に配置し、ビアjとビアkを接続するラインの回転軸に対する傾斜は任意である(図示せず)。
以上の基板コイル型磁歪トルクセンサの構成をまとめると、+45度検出コイル回路は、配線層102に設けた第一から第四までの4つの+45度傾斜のコイル106〜109を直列接続して形成され、ビア間を渡るラインが配線層104に配線される。−45度検出コイル回路115は、配線層104に設けた第五から第八までの4つの−45度傾斜のコイル111〜114を直列接続して形成され、ビア間を渡るラインが配線層102に配線される。
図6に示した基板コイル型磁歪トルクセンサのフレキシブル基板201は、回転軸の回転角度によるトルク検出出力の変動を低減するために、図5の基板コイル型磁歪トルクセンサのフレキシブル基板101を2つ重ねて接着することで、4つの検出コイル回路を有するようにしたものである。つまり、これまで説明した配線層102、フィルム基板103、配線層104に加えて同様の配線層202、フィルム203、配線層204を設け、配線層104と配線層202との間には中間層205を設ける。2層基板を2つ重ねたことで4層基板構造となる(配線層の数を示す;中間層、表面絶縁層は数えない)。
図7に示されるように、4層基板構造のフレキシブル基板においては、配線層102、フィルム103、配線層104における配線、ビア配置は図5のフレキシブル基板101と全く同じである。配線層202,204には、フレキシブル基板101のビアa〜lと全く同様のビアa〜lを配置する。ただし、ビアが貫通しない中間層205が存在することにより、上下のビアa〜lとビアa〜lとはいずれの組み合わせも互いに導通しない。これにより、+45度検出コイル回路110、−45度検出コイル回路115のほかに、+45度検出コイル回路310、−45度検出コイル回路315が形成される。
4つの検出コイル回路を組み合わせたブリッジ回路については、説明を省略する。
特開2005−164531号公報 特開2006−126130号公報
図7の基板コイル型磁歪トルクセンサのフレキシブル基板は、4層基板構造であり、+45度検出コイル回路110、−45度検出コイル回路115、+45度検出コイル回路310、−45度検出コイル回路315が各々1つの配線層に設けた4つのコイルを直列配線して形成される。このフレキシブル基板は磁心の内面に装着され回転軸と対向する。このため、各検出コイル回路を形成する4つずつのコイルは回転軸までの距離が異なる。このため、4つのコイルごとに(配線層ごとに)コイルのインダクタンスが異なる。言い換えると、検出コイル回路ごとにコイルのインダクタンスがばらつく。
また、配線層102,104,202,204は、各々自層内で層厚が不均一であることは希だが、配線層ごとに層厚が不均一になることはある。このため、4つのコイルごとに(配線層ごとに)コイルの抵抗が異なる。言い換えると、検出コイル回路ごとにコイルの抵抗がばらつく。
4つの検出コイル回路を組み合わせたブリッジ回路にあっては、各検出コイル回路ごとにコイルのインダクタンス及び抵抗がばらついていると、トルクが非印加であるときにもブリッジ回路から電圧が出力される。これをオフセット電圧という。
オフセット電圧は、各コイルのインピーダンスの関数であり、さらにインピーダンスは回転軸の透磁率μの関数である。よって、オフセット電圧は、透磁率μの関数となる。透磁率μは温度特性を有し、温度によって値が変化する。この結果、オフセット電圧が温度によって変動する。
オフセット電圧が変動すると、トルクが非印加であるときのブリッジ回路の較正が困難になり、トルク測定に支障が生じる。もし、オフセット電圧を低減できれば、基板コイル型磁歪トルクセンサの温度特性を向上させると共に回転角度依存性を抑制することができる。
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、温度特性を向上させると共に回転角度依存性を抑制する基板コイル型磁歪トルクセンサを提供することにある。
上記目的を達成するために本発明の基板コイル型磁歪トルクセンサは、磁歪特性を有する回転軸と磁心との間に回転軸に対して+45度傾斜直線部が形成された複数のコイルを有する+45度配線層と−45度傾斜した直線部が形成された複数のコイルを有する−45度配線層とをそれぞれ2層有する4層フレキシブル基板が配置されており、2つの上記+45度配線層のそれぞれ半数のコイルを直列接続して形成される+45度第1検出コイル回路及び+45度第2検出コイル回路と、2つの上記−45度配線層のそれぞれ半数のコイルを直列接続して形成される−45度第1検出コイル回路及び−45度第2検出コイル回路でブリッジ回路が組まれているものである。
また、本発明の基板コイル型磁歪トルクセンサは、磁歪特性を有し中心軸線の回りに回転する回転軸と、該回転軸と同軸で該回転軸の外周と間隙を隔てて配置された磁心と、該磁心の内面に装着され配線層を4層有するフレキシブル基板と、第1の配線層に設けられ上記回転軸に対して+45度傾斜した直線部が形成された第1から第4までの4つのコイルと、第2の配線層に設けられ上記回転軸に対して−45度傾斜した直線部が形成された第5から第8までの4つのコイルと、第3の配線層に設けられ上記回転軸に対して+45度傾斜した直線部が形成された第9から第12までの4つのコイルと、第4の配線層に設けられ上記回転軸に対して−45度傾斜した直線部が形成された第13から第16までの4つのコイルと、第1、第10、第11、第4のコイルを直列接続して形成された+45度第1検出コイル回路と、第9、第2、第3、第12のコイルを直列接続して形成された+45度第2検出コイル回路と、第5、第14、第15、第8のコイルを直列接続して形成された−45度第1検出コイル回路と、第13、第6、第7、第16のコイルを直列接続して形成された−45度第2検出コイル回路とを備えたものである。
上記+45度第1検出コイル回路と上記+45度第2検出コイル回路または上記−45度第1検出コイル回路と上記−45度第2検出コイル回路におけるコイルから回転軸までの平均距離が等しくてもよい。
上記+45度第1検出コイル回路と上記+45度第2検出コイル回路または上記−45度第1検出コイル回路と上記−45度第2検出コイル回路における配線層の平均厚さが等しくてもよい。
本発明は次の如き優れた効果を発揮する。
(1)温度特性を向上させることができる。
(2)回転角度依存性を抑制することができる。
以下、本発明の一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。
図1に示されるように、本発明に係る基板コイル型磁歪トルクセンサのフレキシブル基板1は、4層の配線層2,3,4,5を有し、第1の配線層2に設けられ回転軸に対して+45度傾斜した第1から第4までの4つのコイル6,7,8,9と、第2の配線層3に設けられ回転軸に対して−45度傾斜した第5から第8までの4つのコイル10,11,12,13と、第3の配線層4に設けられ回転軸に対して+45度傾斜した第9から第12までの4つのコイル14,15,16,17と、第4の配線層5に設けられ回転軸に対して−45度傾斜した第13から第16までの4つのコイル18,19,20,21とを備える。
フレキシブル基板1の第1〜第16の16のコイル6〜21を4つずつ組み合わせて4つの検出コイル回路を形成するが、図を簡素にするため、各検出コイル回路を図1〜図4に分散して示す。
図1に示されるように、このフレキシブル基板1は、第1、第10、第11、第4のコイル6,15,16,9を直列接続して形成された+45度第1検出コイル回路22と、図2に示されるように、第9、第2、第3、第12のコイル14,7,8,17を直列接続して形成された+45度第2検出コイル回路23と、図3に示されるように、第5、第14、第15、第8のコイル10,19,20,13を直列接続して形成された−45度第1検出コイル回路24と、図4に示されるように、第13、第6、第7、第16のコイル18,11,12,21を直列接続して形成された−45度第2検出コイル回路25とを備える。
フレキシブル基板1は、第1の配線層2と第2の配線層3の間には中間層(フィルム)26を備え、第2の配線層3と第3の配線層4の間には中間層(フィルム)27を備え、第3の配線層4と第4の配線層5の間には中間層(フィルム)28を備える。
本発明の基板コイル型磁歪トルクセンサは、従来同様に回転軸と磁心(図6参照)を備え、磁心の内面に図1〜図4のフレキシブル基板1を装着し、4つの検出コイル回路22,23,24,25を組み合わせた従来同様のブリッジ回路を用いる。
本発明のフレキシブル基板1における第1から第16の各コイル6〜21の巻き方は、図7に示した従来のフレキシブル基板における各コイルの巻き方と同じである。また、ビアの配置は大体同じである。しかし、ビアの貫通構造とビア間を接続するラインは従来と本発明とで異なる。以下、詳しく説明する。
まず、配線層2〜5に互いに位置の異なるビアA〜Xを配置する。このうち、ビアA,F,G,L,M,R,S,Xはフレキシブル基板1の端部に設けて取り出し用パッド(図示せず)を形成したものである。その他のビアは配線層2〜5間を貫通する貫通口となるものである。全てのビアA〜Xが全ての配線層2〜5間を貫通せずとも、各々のビアA〜Xがそれぞれ必要な配線層間を貫通していればよいが、全てのビアA〜Xが全ての配線層2〜5間を貫通してもよい。なお、図1〜図4において、配線層2〜5におけるビア配置は、それぞれ上面から見たものである。また、ビアのいくつかは図示を略している。
第1配線層2において、図示左上隅のビアAからビアBまで回転軸(図示せず)に対して+45度傾斜するようにフレキシブル基板1の辺に対して+45度傾斜させ順時計回りに第1のコイル6を配線する。次に、図示上辺のビアCから図示下辺のビアDまで同様の傾斜で反時計回りに第2のコイル7を配線すると共に引き続き順時計回りに第3のコイル8を配線する。次に、ビアEから図示右下隅のビアFまで同様の傾斜で反時計回りに第4のコイル9を配線する。
第2配線層3において、図示左下隅のビアGからビアHまで回転軸(図示せず)に対して−45度傾斜するようにフレキシブル基板1の辺に対して−45度傾斜させ反時計回りに第5のコイル10を配線する。次に、図示下辺のビアIから図示上辺のビアJまで同様の傾斜で順時計回りに第6のコイル11を配線すると共に引き続き反時計回りに第7のコイル12を配線する。次に、ビアKから図示右上隅のビアLまで同様の傾斜で順時計回りに第8のコイル13を配線する。
第3配線層4において、図示左上隅のビアMからビアNまで回転軸(図示せず)に対して+45度傾斜するようにフレキシブル基板1の辺に対して+45度傾斜させ順時計回りに第9のコイル14を配線する。次に、図示上辺のビアOから図示下辺のビアPまで同様の傾斜で反時計回りに第10のコイル15を配線すると共に引き続き順時計回りに第11のコイル16を配線する。次に、ビアQから図示右下隅のビアRまで同様の傾斜で反時計回りに第12のコイル17を配線する。
第4配線層5において、図示左下隅のビアSからビアTまで回転軸(図示せず)に対して−45度傾斜するようにフレキシブル基板1の辺に対して−45度傾斜させ反時計回りに第13のコイル18を配線する。次に、図示下辺のビアUから図示上辺のビアVまで同様の傾斜で順時計回りに第14のコイル19を配線すると共に引き続き反時計回りに第15のコイル20を配線する。次に、ビアWから図示右上隅のビアXまで同様の傾斜で順時計回りに第16のコイル21を配線する。
+45度第1検出コイル回路22の結線は、図1のように行う。すなわち、第2配線層3において、ビアBとビアOとをラインで繋ぐと共にビアPとビアEとをラインで繋ぐ。これにより、ビアA、第1コイル6、ビアB、ビアO、第10コイル15、第11コイル16、ビアP、ビアE、第4コイル9、ビアFを直列接続する。
+45度第2検出コイル回路23の結線は、図2のように行う。すなわち、第4配線層5において、ビアDとビアQとをラインで繋ぐと共にビアNとビアCとをラインで繋ぐ。これにより、ビアM、第9コイル14、ビアN、ビアC、第2コイル7、第3コイル8、ビアD、ビアQ、第12コイル17、ビアRを直列接続する。
−45度第1検出コイル回路24の結線は、図3のように行う。すなわち、第1配線層2において、ビアHとビアUとをラインで繋ぐと共にビアVとビアKとをラインで繋ぐ。これにより、ビアG、第5コイル10、ビアH、ビアU、第14コイル19、第15コイル20、ビアV、ビアK、第8コイル13、ビアLを直列接続する。
−45度第2検出コイル回路25の結線は、図4のように行う。すなわち、第3配線層4において、ビアTとビアIとをラインで繋ぐと共にビアJとビアWとをラインで繋ぐ。これにより、ビアS、第13コイル18、ビアT、ビアI、第6コイル11、第7コイル12、ビアJ、ビアW、第16コイル21、ビアXを直列接続する。
さて、本発明にあっては、+45度第1検出コイル回路22と+45度第2検出コイル回路23がクロス構造になっている。また、−45度第1検出コイル回路24と−45度第2検出コイル回路25とがクロス構造になっている。クロス構造とは、2つの検出コイル回路が2つの配線層のそれぞれ半数のコイルを直列接続して形成され、一方の検出コイル回路が一方の配線層のコイルを経由しているとき、他方の検出コイル回路が他方の配線層の対応するコイルを経由し、一方の検出コイル回路が他方の配線層のコイルを経由するとき、入れ替わりに他方の検出コイル回路が一方の配線層の対応するコイルを経由することである。
+45度検出コイル回路22,23と−45度検出コイル回路24,25との関係もほぼクロス構造となっている。
これにより、+45度検出コイル回路22,23または−45度検出コイル回路24,25におけるコイルから回転軸までの平均距離が等しくなるので、+45度検出コイル回路22,23または−45度検出コイル回路24,25のインダクタンスが等しくなる。これに加えて、+45度検出コイル回路22,23の平均距離と−45度検出コイル回路24,25の平均距離の差が小さくなることから、インダクタンスのばらつきが従来よりも小さくなる。
また、+45度検出コイル回路22,23または−45度検出コイル回路24,25における配線層の平均厚さが等しくなるので、+45度検出コイル回路22,23または−45度検出コイル回路24,25抵抗が等しくなり、抵抗のばらつきが従来よりも小さくなる。
ここで、平均距離とは、各検出コイル22,23,24,25の回転軸に近い側のコイルから回転軸までの距離と、各検出コイル22,23,24,25の回転軸から遠い側のコイルから回転軸までの距離とを平均したものである。また、平均厚さとは、各検出コイル22,23,24,25を形成する2つの配線層の厚さを平均したものである。
この結果、4つの検出コイル回路を組み合わせたブリッジ回路のオフセット電圧が小さくなる。オフセット電圧が小さくなったことで、温度特性が向上すると共に回転角度依存性が抑制される。
本発明の一実施形態を示す基板コイル型磁歪トルクセンサのフレキシブル基板の分解斜視図、ビア配置・配線図兼+45度第1検出コイル回路図である。 本発明の一実施形態を示す基板コイル型磁歪トルクセンサのフレキシブル基板の分解斜視図、ビア配置・配線図兼+45度第2検出コイル回路図である。 本発明の一実施形態を示す基板コイル型磁歪トルクセンサのフレキシブル基板の分解斜視図、ビア配置・配線図兼−45度第1検出コイル回路図である。 本発明の一実施形態を示す基板コイル型磁歪トルクセンサのフレキシブル基板の分解斜視図、ビア配置・配線図兼+45度第2検出コイル回路図である。 従来の基板コイル型磁歪トルクセンサのフレキシブル基板の分解斜視図、ビア配置・配線図兼回路図、透視図である。 従来の基板コイル型磁歪トルクセンサのフレキシブル基板の分解斜視図、組立図である。 従来の基板コイル型磁歪トルクセンサのフレキシブル基板の分解斜視図、ビア配置・配線図兼回路図、透視図である。 従来の基板コイル型磁歪トルクセンサの構造図であり、(a)は回転軸に直交する断面図、(b)は分解斜視図である。
符号の説明
1 フレキシブル基板
2〜5 配線層
6〜21 コイル
22,23 +45度検出コイル回路
24,25 −45度検出コイル回路

Claims (4)

  1. 磁歪特性を有する回転軸と磁心との間に回転軸に対して+45度傾斜直線部が形成された複数のコイルを有する+45度配線層と−45度傾斜した直線部が形成された複数のコイルを有する−45度配線層とをそれぞれ2層有する4層フレキシブル基板が配置されており、2つの上記+45度配線層のそれぞれ半数のコイルを直列接続して形成される+45度第1検出コイル回路及び+45度第2検出コイル回路と、2つの上記−45度配線層のそれぞれ半数のコイルを直列接続して形成される−45度第1検出コイル回路及び−45度第2検出コイル回路でブリッジ回路が組まれていることを特徴とする基板コイル型磁歪トルクセンサ。
  2. 磁歪特性を有し中心軸線の回りに回転する回転軸と、該回転軸と同軸で該回転軸の外周と間隙を隔てて配置された磁心と、該磁心の内面に装着され配線層を4層有するフレキシブル基板と、第1の配線層に設けられ上記回転軸に対して+45度傾斜した直線部が形成された第1から第4までの4つのコイルと、第2の配線層に設けられ上記回転軸に対して−45度傾斜した直線部が形成された第5から第8までの4つのコイルと、第3の配線層に設けられ上記回転軸に対して+45度傾斜した直線部が形成された第9から第12までの4つのコイルと、第4の配線層に設けられ上記回転軸に対して−45度傾斜した直線部が形成された第13から第16までの4つのコイルと、第1、第10、第11、第4のコイルを直列接続して形成された+45度第1検出コイル回路と、第9、第2、第3、第12のコイルを直列接続して形成された+45度第2検出コイル回路と、第5、第14、第15、第8のコイルを直列接続して形成された−45度第1検出コイル回路と、第13、第6、第7、第16のコイルを直列接続して形成された−45度第2検出コイル回路とを備えたことを特徴とする基板コイル型磁歪トルクセンサ。
  3. 上記+45度第1検出コイル回路と上記+45度第2検出コイル回路または上記−45度第1検出コイル回路と上記−45度第2検出コイル回路におけるコイルから回転軸までの平均距離が等しいことを特徴とする請求項1又は2に記載の基板コイル型磁歪トルクセンサ。
  4. 上記+45度第1検出コイル回路と上記+45度第2検出コイル回路または上記−45度第1検出コイル回路と上記−45度第2検出コイル回路における配線層の平均厚さが等しいことを特徴とする請求項1〜3いずれかに記載の基板コイル型磁歪トルクセンサ。
JP2006266845A 2006-09-29 2006-09-29 基板コイル型磁歪トルクセンサ Active JP4888015B2 (ja)

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