KR20020012572A - 회전 센서 - Google Patents

Abstract

상대 회전 각도를 검출하는 회전 센서에 있어서 여러가지의 외란이 있어도 검출 정밀도에 변동이 적은 회전 센서를 제공한다.

제 1 및 제 2 로터 (11, 13) 에 의해 발생되는 과전류의 크기에 따라 2 개의 여자 코일 (12b) 에 발생하는 각각의 임피던스 변동을 검출하고, 양 변동량의 차분에 근거하여 상대 회전 각도를 측정하는 회전 센서에 있어서, 제 1 로터에는 제 1 도체층 (11a) 이 회전축 방향에 대하여 어느 하나의 일방측에 배치됨과 동시에, 둘레방향으로 소정 간격을 두고 형성되고, 고정 코어 (12) 에는 회전축에 직교하는 면에 관하여 2 개의 여자 코일 (12b) 을 수용한 코어 본체 (12a) 가 면대상으로 배치되고, 제 2 로터 (13) 에는, 제 2 도체층 (13c) 이 제 1 도체층 (11a) 에 대응하는 간격으로 외주에 형성되어 있다.

Description

회전 센서{ROTATION SENSOR}

상대 회전하는 2 개의 부재 사이의 상대 회전 각도를 검출하는 회전 센서로서, 도 12 에 도시한 바와 같이 여자 코일을 갖는 고정 자성 부재 (1) 와, 외주에 요철을 갖는 자성재 로터 (2) 사이에 복수의 금속 톱니 (3a) 를 갖는 금속 로터 (3) 를 소정의 갭을 두고 배치하여, 예컨대, 자동차의 스티어링 샤프트에 작용하는 토크검출에 사용하는 회전 센서가 알려져 있다.

이 때, 상기 여자 코일은 발진회로 및 신호 검출 회로와 전기적으로 접속되어, 일정주파수의 교류 전류가 흘려보내짐으로써 코일 주위에 배치되어 있는 자기회로에 교류자계가 형성된다. 그리고, 이 검출장치에는 복수의 금속 톱니 (3a) 가 둘레방향으로 등간격으로 배치되어, 양 로터 (2, 3) 의 상대 회전에 의해 금속 톱니 (3a) 가 상기 교류 자계를 가로지르면 금속 톱니 (3a) 내에 과전류가 발생한다. 이 과전류의 크기는 양 로터 (2, 3) 사이의 상대 회전 각도에 따라 변동한다. 이 과전류의 크기의 변동에 따라 상기 코일의 임피던스가 변동한다.

따라서, 이 검출장치는 상기 코일의 임피던스의 변동을 상기 신호 검출 회로에 의해 검출함으로써, 양 로터 (2, 3) 의 상대 회전 각도, 즉, 상대 회전하는 2 개 부재 사이의 상대 회전 각도를 검출하고 있다.

그러나, 상기의 종래의 회전 센서에 있어서는, 코일의 임피던스가 환경온도의 변동, 전자 노이즈, 상기 발진회로에서의 발진주파수의 변동, 전원전압 또는 장착 오차 등의 외란에 의해 변동되므로, 상대 회전 각도나 회전 각도를 정확하게 검출하는 데에 어려운 문제가 있었다.

본 발명은 상기의 점을 감안하여 이루어진 것으로, 여러가지의 외란이 있어도 검출 정밀도의 변동이 적어, 상대 회전 각도나 회전 각도를 정확하게 검출할 수 있는 회전 센서를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 상대 회전하는 2 개의 부재 사이의 상대 회전 각도나 회전 각도를 검출하는 회전 센서에 관한 것이다.

도 1 은 본 발명의 제 1 실시형태에 관련되는 회전 센서를 도시한 분해사시도이다.

도 2 는 도 1 의 회전 센서를 직경방향을 따라 절단한 단면도이다.

도 3 은 도 1 의 회전 센서에 있어서, 제 1 로터에 형성하는 제 1 도체층과, 제 2 로터에 형성하는 제 2 도체층의 위치관계를 제 1 로터를 전개한 상태로 도시한 전개도이다.

도 4 는 도 1 의 회전 센서에서 사용하는 상대 회전 각도 측정장치의 일례를 도시한 회로도이다.

도 5 는 도 4 에 회로도를 도시한 상대 회전 각도 측정장치에서 얻어지는 전압값 (S1, S2) 및 전압값에 관한 신호 (T1, T2) 와 제 1 및 제 2 로터의 상대 회전 각도의 관계를 도시한 전압특성도이다.

도 6 은 본 발명의 제 2 실시형태에 관련되는 회전 센서의 단면정면도이다.

도 7 은 도 6 의 회전 센서에 있어서, 로터에 형성하는 제 1 도체층과, 고정 코어에 형성하는 제 2 도체층의 위치관계를, 양 도체층을 전개한 상태로 도시한 전개도이다.

도 8 은 도 6 의 회전 센서에서 사용하는 회전 각도 측정장치의 일레를 도시한 회로도이다.

도 9 는 도 8 에 회로도를 도시한 회전 각도 측정장치에서 얻어지는 전압 (S1, S2) 및 전압값에 관한 신호 (T1) 와 로터의 회전 각도와의 관계를 도시한 전압특성도이다.

도 10 은 본 발명의 제 3 실시형태에 관련되는 회전 센서의 단면정면도이다.

도 11 은 상대 회전 각도 및 회전 각도 측정장치의 일례를 도시한 회로도이다.

도 12 는 회전 센서의 배경기술을 설명하는 단면평면도이다.

(발명을 실시하기 위한 최적의 형태)

이하, 본 발명의 회전 센서에 관련되는 일 실시형태를 도 1 내지 도 11 에 의거하여 상세하게 설명한다.

먼저, 제 1 실시형태로서 예컨대 자동차에서 변환 조인트 (토션 바) 를 통하여 주동 샤프트로부터 종동 샤프트로 전달되는 스티어링 샤프트의 토크를 검출하기 위한 회전 센서를 도 1 내지 도 5 에 의거하여 설명한다.

회전 센서 (10) 는 도 1 및 도 2 에 도시한 바와 같이 제 1 로터 (11), 고정 코어 (12), 제 2 로터 (13) 및 상대 회전 각도 측정장치 (14) 를 구비하고 있다. 여기에서, 상기 주동 샤프트는 상기 종동 샤프트에 대하여 ±8°의 범위내에서 상대 회전한다.

제 1 로터 (11) 는 나일론, 폴리프로필렌 (PP), 폴리페닐렌술피드 (PPS), ABS 수지 등의 전기절연성을 갖는 열가소성 합성수지에, Ni-Zn 이나 Mn-Zn 계의 페라이트로 이루어지는 연자성재 분말을 10 ∼ 70 체적%의 함유량으로 혼합한 절연자성재에 의해 원통형상으로 성형되고, 회전하는 상기 주동 샤프트의 축선 방향 소정 위치에 장착된다. 제 1 로터 (11) 는 도 1 에 도시한 바와 같이 외주에 회전축 (Art) 방향으로 2 단으로 배치됨과 동시에, 둘레방향으로 소정 간격, 예컨대, 상하로 번갈아 위치를 어긋나게 하여 중심각 30° 간격으로 복수의 동박 (11a) 이 형성되어 있다.

여기에서 동박 (11a) 은 회전축 (Art) 방향으로 상하 2 단으로 나눈 적어도 어느 하나의 일측의 외주에 배치됨과 동시에, 둘레방향으로 소정 간격을 두고 형성하면 된다. 따라서, 동박 (11a) 은 상측 또는 하측에만 소정간격을 두고 형성되거나, 상측 또는 하측에 소정 간격을 두고 형성함과 동시에, 하측 또는 상측에 전체둘레에 걸쳐 형성하여도 된다. 또, 비자성 도전체로 이루어지는 도체층이면 구리 외에 예컨대 알루미늄, 은 등의 소재를 사용할 수 있고, 동박 (11a) 을 포함하는 이들 도체층은 절연자성재의 내부에 매입되어도 되고, 이들의 소재로 이루어지는 박판을 프레스 가공한 것을 사용하여도 된다. 또, 이들 도체층은, 고주파자계를 차폐하는데다, 제 1 로터 (11) 와 고정 코어 (12) 의 반경방향의 갭에 의거한 자기 저항을 고려하면, 0.1 ∼ 0.5 ㎜ 정도의 두께가 바람직하다. 또한, 동박 (11a) 은 이론상 중심각을 작게 하여 배치 간격을 작게 할수록, 상기 도체층으로서의 수가 많아진다. 따라서, 회전 센서 (10) 는 각 동박 (11a) 으로 유도되는 전체 과전류의 변화량 (도체층의 수에 비례함) 이 커져, 상대 회전 각도의 검출감도가 높아지지만 측정할 수 있는 상대 회전 각도범위가 작아진다.

고정 코어 (12) 는, 제 1 로터 (11) 와 반경방향으로 수 ㎜ 정도의 약간 갭을 두고 배치되고, 스티어링 샤프트 근방에 위치하는 고정부재 (도시생략) 에 고정된다. 고정 코어 (12) 는, 도 2 에 도시한 바와 같이 제 1 로터 (11) 와 동일한 절연자성재로 이루어지는 2 개의 코어 본체 (12a) 와, 각 코어 본체 (12a) 내에 수용되는 여자 코일 (12b) 과, 양 코어 본체 (12a) 를 수용하는 차폐 케이스 (이하, 간단히 「케이스」라고 함)(12c) 를 갖고 있다. 각 여자 코일 (12b) 은 케이스 (12c) 로부터 외부로 연장시킨 전선 (12d)(도 1 참조) 으로 도시하지 않은 신호 처리 회로와 접속되고, 이 신호 처리 회로로부터 교류 전류가 흘려보내지고 있다. 케이스 (12c) 는 교류자계의 차폐성을 갖는 알루미늄, 구리, 철 등의 금속에 의해 각 코어 본체 (12a) 를 수용하는 2 개의 오목부 (12e) 를 갖는 링형상으로 형성되어 있다.

이 때, 고정 코어 (12) 는 회전축 (Art) 에 직교하는 면에 관하여, 도 2 에 도시한 바와 같이 여자 코일 (12b) 를 수용한 2 개의 코어 본체 (12a) 및 케이스 (12c) 를 면대칭으로 배치한다. 또, 2 개의 여자 코일 (12b) 은 각각 권선 방향을 반대로 설정하거나 교류 전류를 흘려보내는 방향을 반대로 함으로써, 제 1 로터 (11) 와의 사이에 형성되는 자기회로의 방향을 반대로 하여도 된다.

제 2 로터 (13) 는 전기절연성을 갖고 성형성이 우수한 합성수지에 의해, 도 1 에 도시한 바와 같이 플랜지 (13a) 의 외주에 회전축 (Art) 에 병행하는 복수의 날개판 (13b) 을 균등하게 배치하여 형성되어 있다. 각 날개판 (13b) 은, 각각 각 동박 (11a) 에 대응하는 간격으로 형성되고, 외표면에는 동박 (13c) 이 형성되어 있다. 따라서, 제 1 로터 (11) 에 상하 2 단으로 둘레방향으로 소정 간격을 두고 형성되는 동박 (11a) 과 동박 (13c) 은 제 1 로터 (11) 를 펼친 상태로 나타내면 도 3 과 같이 된다. 그리고, 도 3 에 나타낸 동박 (11a) 과 동박 (13c) 의 위치가, 제 1 로터 (1) 와 제 2 로터 (13) 의 상대 회전에 있어서의 기준위치, 바꿔말하면 상대 회전이 제로인 위치이다.

이 때, 제 2 로터 (13) 는, 각 날개판 (13b) 의 내표면 또는 절연재로 제작된 통체의 내표면이나 내부에 일정한 두께의 도체층 (예컨대 0.2 ㎜ 의 동박, 또는 알루미늄, 은 등의 소재인 것) 을 동박 (11a) 에 대응시켜 균등하게 배치하여도 되고, 전체를 금속으로 형성하여도 되고, 이것은 후술하는 회전 센서에 있어서도 동일하다. 제 2 로터 (13) 는, 제 1 로터 (11) 와 고정 코어 (12) 의 사이에 배치되고, 상기 주동 샤프트에 대하여 상대 회전하는 상기 종동 샤프트에 장착된다.

이상과 같이 구성되는 회전 센서 (10) 는, 제 1 로터 (11) 를 상기 주동 샤프트에, 제 2 로터 (13) 를 상기 종동 샤프트에 각각 장착함과 동시에, 고정 코어 (12) 를 상기 고정 부재에 고정하여 스티어링 장치에 장착된다.

다음으로, 도 4 및 도 5 를 사용하여 제 1 실시형태에 관련되는 회전 센서에 의한 상대 회전 각도 측정을 설명한다. 도 4 는 회전 센서의 상대 회전 각도 측정 장치 (14) 의 일례를 도시한 회로도이다. 도 4 에 있어서, 측정장치 (14) 는 청구항 1 의 발진수단을 구성하고, 발진 신호를 발진하는 발진회로 (14a) 와, 발진 신호를 분주하여 특정 주파수의 펄스신호를 출력하는 분주회로 (14b) 와, 청구항 1 의 위상시프트 수단을 구성하고, 2 개의 여자 코일 (12b) 에 각각 발생하는상기 펄스신호의 위상을 시프트하는 위상시프트부 (14c) 와, 청구항 1 의 시프트량 검출수단을 구성하고, 상기 검출된 각 위상시프트량을 검출하는 제 1 및 제 2 시프트량 검출부 (14d, 14e) 와, 상기 검출된 시프트량을 대응하는 전압값으로 변환하는 제 1 및 제 2 컨버터 (14f, 14g) 와, 상기 전압값의 시프트 레벨을 조정하는 제 1 및 제 2 시프트 레벨 조정부 (14h, 14i) 와, 청구항 1 의 제 1 시프트량 차분 검출 수단을 구성하고, 제 1 컨버터 (14f) 로부터의 시프트량에 대응하는 전압과 제 2 시프트 레벨 조정부 (14i) 로부터의 조정된 전압의 차분을 구하는 제 1 차동 앰프 (14j) 와 청구항 1 의 제 2 샤프트량 차분 검출 수단을 구성하고, 제 1 시프트 레벨 조정부 (14h) 로부터의 조정된 전압과 제 2 컨버터 (14g) 로부터의 시프트량에 대응하는 전압의 차분을 구하는 제 2 차동 앰프 (14k) 와, 청구항 1 의 측정 수단을 구성하고, 구하여진 각 차분의 전압으로부터 상대 회전 각도를 측정하는 상대 회전 각도 측정부 (14m) 를 갖고 구성된다.

발진회로 (14a) 는 분주회로 (14b) 를 통하여 특정주파수의 펄스신호를 위상시프트부 (14c) 로 출력한다.

위상 시프트부 (14c) 는, 본 발명의 제 1 여자 코일 (12b, 12b) 이 직렬로 접속되고, 또한 직렬 접속된 콘덴서 (C1), 저항 (R1) 및 콘덴서 (C2) 가 여자 코일 (12b, 12b) 과 병렬로 접속되어 있다. 여자 코일 (12b, 12b) 은 고정 코어 (12) 에 감겨 교류 전류가 흘려보내지고, 제 1 로터 (11) 와 협동하여 자기회로를 형성하고 있다. 위상시프트부 (14c) 와 제 2 로터 (13) 에 발생하는 과전류의 크기에 따라, 여자 코일 (12b, 12b) 사이에 접속된 분주회로 (14b) 로부터 입력되는 펄스신호의 위상을 시프트한다.

제 1 및 제 2 시프트량 검출부 (14d, 14e) 는 각 여자 코일 (12b) 의 일단에 각각 접속되어 있다. 제 1 시프트량 검출부 (14d) 는 A 점과 B 점 사이에서의 펄스신호의 위상 편차량을, 제 2 시프트량 검출부 (14d) 는 A 점과 C 점 사이에서의 펄스 신호의 위상 편차량을 각각 검출한다.

제 1 및 제 2 컨버터 (14f, 14g) 는 도 5 에 도시한 바와 같이 검출된 각 위상 편차량을 대응하는 전압값 (S1, S2) 으로 변환한다. 이 때, 제 1 로터 (11) 와 제 2 로터 (13) 가 상대 회전하면 복수의 동박 (11a) 과 복수의 동박 (13c) 에 의해 자속을 차폐하는 전체 면적의 변화는, 도 3 으로부터 명확한 바와 같이 상측의 여자 코일 (12b) 과 하측의 여자 코일 (12b) 로 반대로 되기 때문에, 도 5 에 도시한 바와 같이 구배가 반대로 되는 것에 주의하여야 한다.

시프트 레벨 조정부 (14h, 14i) 는 컨버터 (14f, 14g) 로부터 출력되는 전압 레벨 신호 (S1, S2) 의 시프트 레벨을 조정하여 제 1 및 제 2 차동 앰프 (14j, 14k) 로 출력한다. 제 1 차동 앰프 (14j) 는, 컨버터 (14f) 로부터의 전압 레벨 신호 (S1) 와 시프트 레벨 조정부 (14i) 로부터의 출력신호와의 차분 (T1) 을 구하여 상대 회전 각도 측정부 (14m) 로 출력한다. 또, 제 2 차동 앰프 (14k) 는 컨버 (14g) 로부터의 전압 레벨 신호 (S2) 와 시프트 레벨 조정부 (14h) 로부터의 출력신호의 차분 (T2) 을 구하여, 상대 회전 각도 측정부 (14m) 로 출력한다. 이 때, 전압 레벨 신호 (S1) 와 전압 레벨 신호 (S2) 의 구배는 반대이므로, 차분 (T1) 과 차분 (T2) 의 구배는 각각 전압 레벨 신호 (S1, S2) 의 구배의 2 배로 된다.

상대 회전 각도 측정부 (14m) 는, 도 4 에 도시한 바와 같이 이들 신호 (T1, T2) 의 전압값에 의거하여, 2 개의 로터의 상대 회전 각도를 －8°∼ ＋8°의 범위에서 고정밀도로 측정한다.

따라서, 회전 센서 (10) 는 이 상대 회전 각도에 의거하여 미리 구해 놓은 상기 주동 샤프트와 상기 종동 샤프트 사이에 작용하는 토크와, 양 시프트 사이의 상대 회전 각도의 관계에 의거하여 작용하고 있는 토크를 구할 수 있다.

또한, 본 실시형태에서는, 측정 정밀도를 높이기 위해 신호 (T1, T2) 의 전압값에 의거하여 －8°∼ ＋8°의 범위의 로터의 상대 회전 각도를 구하였으나, 본 발명은 이것에 한정되지 않고, 예컨대 신호 (T1, T2) 중 어느 하나 일측의 전압값에 의거하여 상기 상대 회전 각도를 구할 수도 있다.

이 때, 회전 센서 (10) 는, 도 2 에 도시한 바와 같이 회전축 (Art) 에 직교하는 면에 관하여, 여자 코일 (12b) 을 수용한 2 개의 코어 본체 (12a) 및 케이스 (12c) 를 면대칭으로 배치하고 있다. 이 때, 회전 센서 (10) 는, 상대 회전 각도 측정장치 (14) 에 의한 상대 회전 각도를 측정할 때에, 2 개의 여자 코일 (12b) 에 발생하는 환경온도의 변동, 전자노이즈, 상기 발진회로에 있어서의 발진주파수의 변동, 전원전압 또는 장착 오차 등의 외란이 상쇄된다. 또한, 2 개의 여자 코일 (12b) 은, 각각 권선 방향을 반대로 설정하거나, 교류 전류를 흘려보내는 방향을 반대로 함으로써, 제 1 로터 (11) 와의 사이에 형성되는 자기회로의 방향을 반대로 하여도 된다.

따라서, 회전 센서 (10) 는 신호 (T1, T2) 에는 상기 외란의 영향을 받지 않으므로, 여러가지의 외란이 있어도 검출정밀도의 변동이 적어 상대 회전 각도, 따라서 토크를 정확하게 검출할 수 있다. 이것은 이하에 서술하는 회전 센서 (20) 및 회전 센서 (30) 에 있어서도 마찬가지이다.

다음으로, 제 2 실시형태로서, 예컨대, 변환 조인트 (토션 바) 를 통하여 축선방향으로 인접 배치되는 주동 샤프트와 종동 샤프트를 갖는 자동차의 스티어링 샤프트에 있어서, 상기 주동 샤프트와 종동 샤프트 사이의 회전 각도를 검출하는 회전 센서를 도 6 내지 도 9 에 의거하여 설명한다.

회전 센서 (20) 는, 도 6 에 도시한 바와 같이 로터 (21), 고정 코어 (22) 및 회전 각도 측정 장치 (23) 를 구비하고 있다.

로터 (21) 는, 스티어링 샤프트에 장착되고, 회전 센서 (10) 의 제 1 로터 (11) 와 동일한 절연자성재로 원통형상으로 성형되어 있다. 로터 (21) 는, 회전축 (Art) 방향에서 보아 상측의 중심각 180 도의 범위 및 하측 전체둘레에 동박 (21a) 이 형성되어 있다.

여기에서, 동박 (21a) 은, 회전방향에서 보아 적어도 중심각 180 도의 범위에서 형성되어 있으면 된다. 이것은, 회전 센서 (30) 의 동박 (31g) 에서도 마찬가지이다. 또, 도체층이면, 동박 (21a) 대신에, 회전 센서 (10) 와 마찬가지로, 예컨대, 알루미늄, 은 등의 소재를 사용할 수 있고, 동박 (21a) 을 포함하는 이들 도체층은 절연자성재의 내부에 매입되어도 되며, 이들의 소재로 이루어지는 박판을 프레스 가공한 것을 사용하여도 된다.

고정 코어 (22) 는, 로터 (21) 의 외측에 반경방향으로 수 ㎜ 정도의 약간 갭을 두고 배치되어, 스티어링 샤프트 근방에 위치하는 고정 부재 (도시생략) 에 고정된다. 고정 코어 (22) 는, 도 6 에 도시한 바와 같이 회전축 (Art) 방향으로 소정 간격을 두고 배치되는 2 개의 코어 본체 (22a) 와, 각 코어 본체 (22a) 내에 수용되는 여자 코일 (22b) 과, 양 코어 본체 (22a) 를 수용하는 차폐 케이스 (이하, 간단히「케이스」라고 함)(22c) 를 갖고 있다. 각 여자 코일 (22b) 은, 케이스 (22c) 로부터 외부로 연장시킨 전선 (도시생략) 으로 도시하지 않은 신호 처리 회로와 접속되고, 이 신호 처리 회로로부터 교류 전류가 흘려보내지고 있다. 또, 상측에 위치하는 코어 본체 (22a) 및 여자 코일 (22b) 의 내주에는, 중심각 180 도의 범위에, 도 6 에 도시한 바와 같이 동박 (22d) 이 형성되어 있다. 따라서, 로터 (21) 에 형성되는 동박 (21a) 과 고정 코어 (22) 에 형성되는 동박 (22d) 은, 동박 (21a, 22d) 을 전개한 상태로 나타내면 도 7 과 같이 된다.

그리고, 회전 센서 (20) 는 동박 (21a) 과 동박 (22d) 을 서로 중심각 90 도의 범위에서 중첩한 상태를 로터 (21) 의 회전 각도가 제로인 위치로 하여 설정한다. 동박 (21a) 의 하측은 전체 둘레에 걸쳐 형성되어 있으므로, 롤 (21) 이 회전하면 동박 (21a) 과 동박 (22d) 이 겹쳐지는 면적은 동박 (21a) 의 상측부분에 서는 회전 각도에 비례하여 변동되지만, 동박 (21a) 의 하측부분에서는 변동되지 않는다. 따라서, 상측의 여자 코일 (22b) 의 임피던스는 로터 (21) 의 회전에 의해 변동되지만, 하측의 여자 코일 (22b) 의 임피던스는 로터 (21) 의 회전에 의해 변동되지 않는다. 여기에서, 동박 (22d) 은, 상측에 형성하는 것 외에, 하측에도 중심각 180 도의 위상을 어긋나게 하여 동일하게 형성하여도 된다. 이것은, 이하에 설명하는 회전 센서 (30) 의 동박 (32k) 에 있어서도 동일하다.

케이스 (22c) 는, 교류 자계의 차폐성을 갖는 알루미늄, 구리, 철 등의 금속에 의해, 각 코어 본체 (22a) 를 수용하는 2 개의 오목부 (22e) 를 갖는 링형상으로 형성되어 있다. 이 때, 고정 코어 (22) 는, 회전축 (Art) 에 직교하는 면에 관하여, 도 6 에 도시한 바와 같이 여자 코일 (12b) 을 수용한 2 개의 코어 본체 (22a) 및 케이스 (22c) 를 면대칭으로 배치한다. 또, 2 개의 여자 코일 (22b) 은, 각각 권선방향을 반대로 설정하거나, 교류 전류를 흘려보내는 방향을 반대로 함으로써, 로터 (21) 와의 사이에 형성되는 자기 회로의 방향을 반대로 하여도 된다.

이상과 같이 구성되는 회전 센서 (20) 는, 로터 (21) 를 스티어링 샤프트에 장착하고, 고정 코어 (22) 를 상기 고정 부재에 고정하여 스티어링 장치에 장착된다.

다음으로, 도 8 및 도 9 를 이용하여 제 2 실시형태에 관련되는 회전 센서 (20) 에 의한 회전 각도 측정을 설명한다. 도 8 은, 회전 센서의 회전 각도 측정 장치 (23) 의 일례를 도시한 회로도이다. 도면에 있어서, 측정 장치 (23) 는, 본 발명에 관련되는 청구항 2 의 발진 수단을 구성하고, 발진 신호를 발진하는 발진 회로 (23a) 와, 발진 신호를 분주하여 특정 주파수의 펄스 신호를 출력하는 분주 회로 (23b) 와, 청구항 2 의 위상 시프트 수단을 구성하고, 상기 2 개의 여자 코일에 각각 발생하는 상기 발진회로의 위상을 시프트하는 위상 시프트부 (23c)와, 청구항 2 의 시프트량 검출수단을 구성하고, 상기 검출된 각 위상 시프트량을 검출하는 제 1 및 제 2 시프트량 검출부 (23d, 23e) 와, 상기 검출된 시프트량을 대응하는 전압값으로 변환하는 제 1 및 제 2 컨버터 (23f, 23g) 와, 컨버터 (23g) 로부터의 상기 전압값의 시프트 레벨을 조정하는 시프트 레벨 조정부 (23h) 와, 청구항 2 의 시트프량 차분 검출 수단을 구성하고, 제 1 컨버터 (23f) 로부터의 시프트량에 대응하는 전압과 시트프 레벨 조정부 (23h) 로부터의 조정된 전압의 차분을 구하는 차동 앰프 (23i) 와, 상기 차분을 디지털 변환하는 A/D 컨버터 (23j) 와, 청구항 2 의 회전 각도 측정 수단을 구성하고, 검출된 차분에 의거하여 로터 (21) 의 회전 각도를 측정하는 회전 각도 측정부 (23k) 를 갖고 구성된다.

발진회로 (23a) 는 분주회로 (23b) 를 통하여 특정 주파수의 펄스 신호를 위상 시프트부 (23c) 로 출력한다.

위상 시프트부 (23c) 는 여자 코일 (22b, 22b) 이 직렬 접속되고, 또한 직렬 접속된 콘덴서 (C3), 저항 (R2) 및 콘덴서 (C4) 가 여자 코일 (22b, 22b) 과 병렬로 접속되어 구성된다. 여자 코일 (22b, 22b) 은 고정 코어에 감겨 교류 전류가 흘려보내지고, 로터 (21) 와 협동하여 자기회로를 형성하고 있다. 위상 시프트부 (23c) 는 로터 (21) 에 발생하는 과전류의 크기에 따라, 여자 코일 (22b, 22b) 사이에 접속된 분주 회로 (23b) 로부터 입력되는 펄스신호의 위상을 시프트한다.

제 1 및 제 2 시프트량 검출부 (23d, 23e) 는, 각 여자 코일 (22b) 의 일단에 각각 접속되고, 제 1 시프트량 검출부 (23d) 는 A 점과 B 점 사이에서의 펄스신호의 위상 편차량을, 제 2 시프트량 검출부 (23d) 는 A 점과 C 점의 사이에서의 펄스신호의 위상 편차량을 각각 검출한다.

제 1 및 제 2 컨버터 (23f, 23g) 는 도 9 에 도시한 바와 같이 상기 검출된 시프트량을 대응하는 전압값 (S1, S2) 으로 변환한다. 이 때, 로터 (21) 의 회전에 따라 전압값 (S1) 은 변동되지만, 전압값 (S2) 은 변동되지 않는다. 시프트 레벨 조정부 (23h) 는 컨버터 (23g) 로부터 입력되는 펄스신호의 전압값 (S2) 의 시프트 레벨을 조정하여 차동 앰프 (23i) 로 출력한다. 차동 앰프 (23i) 는 컨버터 (23f) 로부터의 펄스신호의 전압값 (S1) 과 시프트 레벨 조정부 (23h) 로부터의 펄스신호의 전압값 (S2) 의 차분을 구하여 신호 (T1 ; 전압값) 를, A/D 컨버터 (23j) 를 통하여 회전 각도 측정부 (23k) 로 출력한다.

회전 각도 측정부 (23k) 는, 도 9 에 도시한 바와 같이 신호 (T1) 의 전압값에 의거하여, 로터의 회전 각도를 －90°∼ ＋90°의 범위에서 고정밀도로 측정할 수 있다. 따라서, 이 회전 각도로부터 스티어링 샤프트의 회전 각도를 구할 수 있다.

또한, 실시 형태에서는, 신호 (T1) 의 전압값에 근거하여 －90°∼ ＋90°의 범위의 로터의 회전 각도를 구하였다. 그러나, 본 발명은 이것에 한정되지 않고, 예컨대, 컨버터 (23f) 로부터의 펄스 신호의 전압값의 시프트 레벨을 조정하는 시프트 레벨 조정부를 별도로 설치하여, 이 시프트 레벨 조정부로부터의 전압값과 컨버터 (23g) 로부터의 펄스신호의 전압값의 차분을 취한 신호와 신호 (T1) 의 2 개의 신호로부터 회전 각도를 측정할 수도 있고, 이 경우에는 회전 각도의 측정 정밀도를 높일 수 있다.

이어서, 제 3 실시형태로서, 상기의 스티어링 샤프트의 상대 회전 각도 및 회전 각도를 검출하는 각각의 회전 센서를 일체화하여 토크 및 회전 각도를 검출할 수 있게 한 회전 센서의 실시형태를 도 10 및 도 11 에 의거하여 설명한다.

회전 센서 (30) 는, 도 10 에 도시한 바와 같이 제 1 로터 (31), 고정 코어 (32), 제 2 로터 (33) 및 각도 측정 장치 (34) 를 구비하고 있다.

제 1 로터 (31) 는, 상기 스티어링 샤프트의 종동 샤프트 (Sdvn) 에 장착되고, 베이스 (31a) 에 반경이 다른 2 개의 축부 (31b, 31c) 를 갖고 있다. 축부 (31b) 는 제 1 절연 자성재층 (31d) 을 통하여 그 외측에 복수의 제 1 동박 (31e) 이 형성되어 있다. 복수의 제 1 동박 (31e) 은 회전 센서 (10) 의 제 1 로터 (11) 와 마찬가지로, 회전축 (Art) 방향으로 2 단으로 배치됨과 동시에, 둘레방향으로 소정 간격, 예컨대, 상하로 번갈아 위치를 어긋나게 하여 중심각 30°간격으로 6장 형성되어 있다. 한편, 축부 (31c) 는 축부 (31b) 의 반경 방향 외측에 형성되고, 제 2 절연 자성재층 (31f) 을 통하여 그 외측에 제 2 동박 (31g) 이 형성되어 있다. 제 2 동박 (31g) 은 회전축 (Art) 방향에서 보아 하측의 중심각 180 도의 범위 및 상측 전체 둘레에 형성되어 있다.

여기에서, 제 2 동박 (31g) 은 회전축 방향에서 보아 적어도 상측이나 하측중 어느 일측의 외주에 중심각 180 도의 범위에서 형성되어 있으면 된다. 또, 제 1 및 제 2 절연 자성재층 (31d, 31f) 은, 회전 센서 (10) 의 제 1 로터 (11) 와 동일한 소재로 원통형상으로 형성되어 있다. 또, 도체층이면, 제 1 동박 (31e)이나 제 2 동박 (31g) 대신에, 회전 센서 (10) 와 마찬가지로, 예컨대 알루미늄, 은 등의 소재를 사용할 수 있고, 제 1 동박 (31e) 이나 제 2 동박 (31g) 을 포함하는 이들 도체층은 절연자성재의 내부에 매입하여도 되고, 이들의 소재로 이루어지는 박판을 프레스 가공한 것을 사용하여도 된다.

고정 코어 (32) 는, 제 1 로터 (31) 와 반경방향으로 수 ㎜ 정도의 약간의 갭을 두고 배치되고, 스티어링 샤프트 근방에 위치하는 고정부재 (도시생략) 에 고정된다. 고정 코어 (32) 는, 도 10 에 도시한 바와 같이 2 개의 제 1 코어 본체 (32a), 각 제 1 코어 본체 (32a) 내에 수용되는 제 1 여자 코일 (32b), 2 개의 제 2 코어 본체 (32c), 각 제 2 코어 본체 (32c) 내에 수용되는 제 2 여자 코일 (32d) 및 이들 제 1, 제 2 코어 본체 (32a, 32c) 를 수용하는 차폐 케이스 (이하, 간단히 「케이스」라고 함)(32e) 를 갖고 있다. 이 때, 제 1 코어 본체 (32a) 는 제 2 코어 본체 (32c) 보다 반경 방향 내측에 배치되어 있다. 또, 하측에 배치되는 제 2 코어 본체 (32c) 및 제 2 여자 코일 (32d) 의 내주에는 도 10 에 도시한 바와 같이 중심각 180 도의 범위에 동박 (32k) 이 형성되어 있다.

이 때, 각 제 1 및 제 2 여자 코일 (32b, 32d) 는, 케이스 (32e) 로부터 외부로 연장시킨 전선 (도시생략) 으로 도시하지 않은 신호 처리 회로와 접속되고, 이 신호 처리 회로로부터 교류 전류가 흘려보내지고 있다. 케이스 (32e) 는 교류 자계의 차폐성을 갖는 알루미늄, 구리, 철 등의 금속에 의해 각 제 1, 제 2 코어 본체 (32a, 32c) 를 수용하는 오목부 (32f, 32g) 가 반경방향으로 다른 위치에 형성되어 있다. 각 제 1 코어 본체 (32a) 는 각 제 2 코어 본체 (32c) 보다 내주측에 배치된다.

또, 고정 코어 (32) 는 회전축 (Art) 에 직교하는 면에 관하여, 도 10 에 도시한 바와 같이 각각 2 개의 제 1, 제 2 코어 본체 (32a, 32c) 및 케이스 (32e) 를 면대칭으로 배치한다. 또한, 각각 2개의 각 제 1 및 제 2 여자 코일 (32b, 32d) 은, 각각의 권선 방향을 반대로 설정하거나, 교류 전류를 흘려보내는 방향을 반대로 함으로써, 제 1 로터 (31) 의 제 1 및 제 2 절연 자성재층 (31d, 31f) 의 사이에 형성되는 자기 회로의 방향을 반대로 한다. 여기에서, 고정 코어 (32) 는, 도 10 에 도시한 바와 같이 각종 전기부품류를 탑재한 프린트 기판 (32h) 이 탑재되고, 상하에는 합성 수지성의 뚜껑 (32j) 이 덮여져 있다.

제 2 로터 (33) 는, 전기절연성을 갖고, 성형성이 우수한 합성수지에 의해, 도 10 에 도시한 바와 같이 주동 샤프트 (Sdvi) 에 장착되는 원통형상의 기부 (基部)(33a) 의 외주에 회전축 (Art) 과 병행하는 6 장의 날개판 (33b) 을 균등하게 배치하여 형성되어 있다. 각 날개판 (33b) 은 각각 제 1 로터 (31) 의 각 제 1 동박 (31e) 에 대응하는 간격으로 형성되고, 외표면에는 동박 (33c) 이 형성되어 있다. 제 2 로터 (33) 는, 각 날개판 (33b) 의 내표면 또는 절연재로 제작된 통체의 내표면이나 내부에 일정한 두께의 도체층 (예컨대, 0.2㎜ 의 동박, 또는 알루미늄, 은 등의 소재의 것) 을 제 1 동박 (31e) 에 대응시켜 균등하게 배치하여도 된다.

각도 측정 장치 (34) 는, 도 11 에 도시한 바와 같이 상대 회전 각도 측정 장치 (35) 와 회전 각도 측정 장치 (36) 를 구비하고 있고, 이들은 각각 회전 센서(10) 의 상대 회전 각도 측정 장치 (14) 및 회전 센서 (20) 의 회전 각도 측정 장치 (23) 와 동일하다. 따라서, 도 11 에서는 상대 회전 각도 측정 장치 (14) 및 회전 각도 측정 장치 (23) 와 동일한 구성부분에, 대응하는 부호를 달아 상세한 설명을 생략한다.

이상과 같이 구성되는 회전 센서 (30) 는 제 1 로터 (31) 를 상기 스티어링 샤프트의 종동 샤프트 (Sdvn) 에, 제 2 로터 (33) 를 주동 샤프트 (Sdvi) 에 각각 장착하여 자동차의 스테어링 장치에 장착함으로써, 상기와 동일한 방법으로 상대 회전 각도 (토크) 및 회전 각도를 단일 센서로 측정할 수 있다.

또한, 상기 각 실시형태의 회전 센서 (10, 20, 30) 는 자동차의 스티어링 장치에서 사용하는 경우에 대하여 설명하였으나, 예컨대, 로봇 아암과 같이 서로 회전하는 회전축 사이의 상대 회전 각도, 회전 각도, 토크를 구하는 것이면 어떠한 것에도 사용할 수 있다.

또, 회전 센서 (20) 는 -90°∼ 90°의 회전 각도를 검출 범위로 하는데, 절대 회전 위치 센서를 형성하면 -180°∼ 180°로 검출 범위를 넓힐 수 있다.

또한, 회전 센서 (10) 에서는 제 1 로터 (11) 를 스티어링 샤프트의 주동 샤프트에 제 2 로터 (13) 를 종동 샤프트에, 회전 센서 (30) 에서는 제 1 로터 (31) 를 스티어링 샤프트의 종동 샤프트 (Sdvn) 에, 제 2 로터 (33) 를 주동 샤프트 (Sdvi) 에 각각 장착하였다. 그러나, 이들은 반대로 장착하여도 되는 것은 말할 필요도 없다. 회전 센서 (30) 의 고정 코어 (32) 에 있어서는, 제 1 코어 본체 (32a) 를 제 2 코어 본체 (32c) 보다 반경 방향 내측에 배치하였으나, 이 반대로 외측에 배치하여도 된다.

또, 여자 코일을 수용하는 2 개의 코어 본체는 일체형으로 하여도 상관없다.

또한, 변동 검출 수단은, 발진 신호의 위상 시프트량을 검출하는 예를 들었는데, 이것에 한정되는 것이 아니라, 예컨대, 신호의 실효값의 변동, 신호의 진폭값의 변동, 발진주파수의 변동을 검출하는 것이어도 된다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명의 제 1 회전 센서에 있어서는, 절연 자성재층과 제 1 도체층을 갖고 상대 회전하는 제 1 및 제 2 회전 샤프트 중 어느 하나의 일측의 축선방향 소정 위치에 장착되는 제 1 로터, 상기 로터의 회전축의 축선방향으로 소정 간격을 두고 배치되는 2 개의 여자 코일과, 상기 여자 코일을 수용하는 코어 본체를 갖고 고정부재에 장착되는 고정 코어, 제 2 도체층을 갖고 상기 제 1 및 제 2 회전 샤프트의 타측의 샤프트에 장착되어 상기 제 1 로터와 상기 고정코어 사이에 배치되는 제 2 로터, 및 상기 각 여자 코일과 전기적으로 접속되어 특정 주파수의 발진 신호를 발진하는 발진수단을 구비하고, 상기 제 1 샤프트와 제 2 샤프트 사이의 상대 회전 각도를 검출하는 회전 센서에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 로터에 의해 발생하는 과전류의 크기에 따라 상기 2 개의 여자 코일에 발생하는 각각의 임피던스의 변동을 검출하는 변동검출수단, 상기 검출된 임피던스의 변동량의 차분을 구하는 차분 검출 수단, 및 상기 검출된 차분에 의거하여 상대 회전 각도를 측정하는 측정수단을 구비하고, 상기 제 1 로터는 상기 제 1 도체층이 상기 회전축방향에서 보아 상기 절연 자성재층의 적어도 어느 하나의 일방측에 배치됨과 동시에, 둘레방향으로 소정 간격을 두고 설치되고, 상기 고정코어는 상기 회전측에 직교하는 면에 관하여, 상기 2 개의 여자 코일을 수용한 코어 본체가 면대칭으로 배치되고, 상기 제 2 로터는 상기 제 2 도체층이 상기 제 1 도체층에 대응하는 간격으로 외주에 형성되어 있는 구성으로 한 것이다.

또, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제 2 회전 센서에 있어서는, 회전 샤프트에 장착되고, 절연 자성재층과, 상기 절연 자성재층에 중심각 180 도의 범위에 설치되는 제 1 도체층을 갖는 로터, 상기 로터의 회전축의 축선방향으로 소정 간격을 두고 배치되는 2 개의 여자 코일과, 상기 여자 코일을 수용하는 코어 본체를 갖고, 상기 회전축 방향에서 보아 적어도 일방 측의 상기 여자 코일 및 상기 코어 본체에, 제 2 도체층이 중심각 180 도의 범위에 형성되고, 상기 회전축에 직교하는 면에 관하여, 상기 여자 코일을 수용한 코어 본체가 면대칭으로 배치되어, 고정 부재에 장착되는 고정 코어, 상기 각 여자 코일과 전기적으로 접속되고, 특정 주파수의 발진 신호를 발진하는 발진 수단, 상기 로터에 발생하는 과전류의 크기에 따라 상기 2 개의 여자 코일에 발생하는 각각의 임피던스의 변동을 검출하는 변동 검출 수단, 상기 검출된 임피던스의 변동량의 차분을 구하는 차분 검출 수단, 및 상기 검출된 차분에 의거하여 회전 각도를 측정하는 측정수단을 구비하고, 상기 회전 샤프트의 회전 각도를 검출하는 구성으로 한 것이다.

또한, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제 3 회전 센서에 있어서는, 상기 제 1 회전 센서와 제 2 회전 센서를 조합한 구성으로 한 것이다.

제 1 내지 제 3 관점 (aspects) 의 발명에 의하면, 여러가지의 외란이 있어도 검출 정밀도의 변동이 적고, 상대 회전 각도나 회전 각도를 정확하게 검출할 수 있는 회전 센서를 제공할 수 있다.

Claims (16)

1. 절연 자성재층과 제 1 도체층을 갖고, 상대 회전하는 제 1 및 제 2 회전 샤프트 중 어느 하나의 일측의 축선방향 소정 위치에 장착되는 제 1 로터;

   상기 로터의 회전축의 축선방향으로 소정 간격을 두고 배치되는 2 개의 여자 코일과, 상기 여자 코일을 수용하는 코어 본체를 갖고, 고정부재에 장착되는 고정 코어;

   제 2 도체층을 갖고, 상기 제 1 및 제 2 회전 샤프트의 타측의 샤프트에 장착되어, 상기 제 1 로터와 상기 고정코어 사이에 배치되는 제 2 로터; 및

   상기 각 여자 코일과 전기적으로 접속되어, 특정 주파수의 발진 신호를 발진하는 발진수단을 구비하고,

   상기 제 1 샤프트와 제 2 샤프트 사이의 상대 회전 각도를 검출하는 회전 센서에 있어서,

   상기 제 1 및 제 2 로터에 의해 발생하는 과전류의 크기에 따라, 상기 2 개의 여자 코일에 발생하는 각각의 임피던스의 변동을 검출하는 변동검출수단;

   상기 검출된 임피던스의 변동량의 차분을 구하는 차분 검출 수단;

   상기 검출된 차분에 의거하여 상대 회전 각도를 측정하는 측정수단을 구비하고,

   상기 제 1 로터는 상기 제 1 도체층이 상기 회전축방향에서 보아 상기 절연 자성재층의 적어도 어느 하나의 일방측에 배치됨과 동시에, 둘레방향으로 소정 간격을 두어 설치되고, 상기 고정코어는 상기 회전축에 직교하는 면에 관하여, 상기 2 개의 여자 코일을 수용한 코어 본체가 면대칭으로 배치되고, 상기 제 2 로터는 상기 제 2 도체층이 상기 제 1 도체층에 대응하는 간격으로 외주에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 회전 센서.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 고정 코어는 상기 코어 본체가 교류자계의 차폐성을 갖는 차폐 케이스에 수용되어 있는 것을 특징으로 하는 회전 센서.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 절연 자성재층이 전기절연성을 갖는 열가소성 합성수지에 연자성재 분말을 10 ∼ 70 체적% 의 함유량으로 혼합한 절연자성재인 것을 특징으로 하는 회전 센서.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 열가소성 합성수지가 나일론, 폴리프로필렌, 폴리페닐렌술피드, ABS 수지중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 회전 센서.
5. 제 3 항에 있어서, 상기 연자성재가 Ni-Zn계나 Mn-Zn계의 페라이트인 것을 특징으로 하는 회전 센서.
6. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 도체층이 구리, 알루미늄, 은으로 성형되어 있는 것을 특징으로 하는 회전 센서.
7. 제 2 항에 있어서, 상기 차폐 케이스는 알루미늄, 은, 철로 성형되어 있는 것을 특징으로 하는 회전 센서.
8. 회전 샤프트에 장착되고, 절연 자성재층과, 상기 절연 자성재층에 중심각 180 도의 범위에 설치되는 제 1 도체층을 갖는 로터;

   상기 로터의 회전축의 축선방향으로 소정 간격을 두고 배치되는 2 개의 여자 코일과, 상기 여자 코일을 수용하는 코어 본체를 갖고, 상기 회전축 방향에서 보아 적어도 일방 측의 상기 여자 코일 및 상기 코어 본체에, 제 2 도체층이 중심각 180 도의 범위에 형성되고, 상기 회전축에 직교하는 면에 관하여, 상기 여자 코일을 수용한 코어 본체가 면대칭으로 배치되어, 고정 부재에 장착되는 고정 코어;

   상기 각 여자 코일과 전기적으로 접속되고, 특정 주파수의 발진 신호를 발진하는 발진 수단;

   상기 로터에 발생하는 과전류의 크기에 따라, 상기 2 개의 여자 코일에 발생하는 각각의 임피던스의 변동을 검출하는 변동 검출 수단;

   상기 검출된 임피던스의 변동량의 차분을 구하는 차분 검출 수단; 및

   상기 검출된 차분에 근거하여 회전 각도를 측정하는 측정수단을 구비하고,

   상기 회전 샤프트의 회전 각도를 검출하는 것을 특징으로 하는 회전 센서.
9. 제 8 항에 있어서, 상기 고정 코어는 상기 코어 본체가 차폐 케이스에 수용되어 있는 것을 특징으로 하는 회전 케이스.
10. 제 8 항에 있어서, 상기 절연 자성재층이 전기절연성을 갖는 열가소성 합성수지에 연자성재 분말을 10 ∼ 70 체적%의 함유량으로 혼합한 절연자성재인 것을 특징으로 하는 회전 센서.
11. 제 10 항에 있어서, 상기 열가소성 합성수지는 나일론, 폴리프로필렌, 폴리페닐렌술피드, ABS 수지중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 회전 센서.
12. 제 10 항에 있어서, 상기 연자성재가 Ni-Zn계나 Mn-Zn계의 페라이트인 것을 특징으로 하는 회전 센서.
13. 제 8 항에 있어서, 상기 제 1 도체층이 구리, 알루미늄, 은으로 성형되어 있는 것을 특징으로 하는 회전 센서.
14. 제 9 항에 있어서, 상기 차폐 케이스는 알루미늄, 은, 철로 성형되어 있는 것을 특징으로 하는 회전 센서.
15. 제 1 항의 회전 센서와 제 8 항의 회전 센서가 조합되어 있는 것을 특징으로 하는 회전 센서.
16. 제 2 항의 회전 센서와 제 9 항의 회전 센서가 조합되어 있는 것을 특징으로 하는 회전 센서.