WO2001067059A1

WO2001067059A1 - Detecteur de rotation

Info

Publication number: WO2001067059A1
Application number: PCT/JP2001/001777
Authority: WO
Inventors: Dongzhi Jin; Fumihiko Abe; Kengo Tanaka
Original assignee: The Furukawa Electric Co., Ltd.
Priority date: 2000-03-09
Filing date: 2001-03-07
Publication date: 2001-09-13
Also published as: DE60143337D1; CA2373426A1; EP1186872A1; EP1186872A4; CA2373426C; KR100748045B1; JP4629946B2; EP1186872B1; US6532831B2; KR20020012572A; US20020043115A1

Description

明細書

回転センサ技術分野

本発明は、相対回転する 2つの部材間における相対回転角度や回転角度を検出する回転センサに関する。背景技術

相対回転する 2つの部材間における相対回転角度を検出する回転センサとして、図 1 2に示すように、励磁コイルを有する固定磁性部材 1 と、外周に凹凸を有する磁性材ロータ 2との間に複数の金属歯 3 aを有する金属口一夕 3を所定のギャップをおいて配置し、例えば、自動車のステァリングシャフトに作用するトルク検出に用いる回転センサが知られている。

このとき、前記励磁コイルは、発振回路及び信号検出回路と電気的に接続され、一定周波数の交流電流が流されることにより、コイル周囲に配置されている磁気回路に交流磁界が形成される。そして、この検出装置には、複数の金属歯 3 aが周方向に等間隔に配置され、両口一夕 2 ,

3の相対回転によって金属歯 3 aが、前記交流磁界を横切ると、金属歯 3 a内に渦電流が生ずる。この渦電流の大きさは、両口一夕 2， 3間の相対回転角度によって変動する。この渦電流の大きさの変動に伴い、前記コイルのインピ一ダンスが変動する。

従って、この検出装置は、前記コイルのインピーダンスの変動を前記信号検出回路によって検出することで、両口一タ 2， 3の相対回転角度, 即ち、相対回転する 2つの部材間における相対回転角度を検出している ₍ ところで、上記した従来の回転センサにおいては、コイルのインピーダンスが、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によって変動するので、相対回転角度や回転角度を正確に検出することが難しいという問題があった。

本発明は上記の点に鑑みてなされたもので、種々の外乱があっても検出精度の変動が少なく、相対回転角度や回転角度を正確に検出することが可能な回転センサを提供することを目的とする。発明の開示

上記目的を達成するため本発明の第 1の回転センサにおいては、絶縁磁性材層と第 1の導体層とを有し、相対回転する第 1及び第 2の回転シャフトのいずれか一方の軸線方向所定位置に取り付けられる第 1のロー夕、前記口一夕の回転軸の軸線方向に所定間隔をおいて配置される 2つの励磁コイルと、前記励磁コイルを収容するコア本体とを有し、固定部材に取り付けられる固定コア、第 2の導体層を有し、前記第 1及び第 2 の回転シャフ卜の他方のシャフ卜に取り付けられ、前記第 1のロー夕と前記固定コアとの間に配置される第 2の口一夕及び前記各励磁コイルと電気的に接続され、特定周波数の発振信号を発振する発振手段を備え、前記第 1のシャフトと第 2のシャフ卜との間の相対回転角度を検出する回転センサにおいて、前記第 1及び第 2のロー夕により発生する渦電流の大きさに応じて、前記 2つの励磁コイルに生じるそれぞれのインピーダンスの変動を検出する変動検出手段、前記検出されたインピーダンスの変動量の差分を求める差分検出手段、前記検出された差分に基づいて相対回転角度を測定する測定手段を備え、前記第 1のロータは、前記第 1の導体層が、前記回転軸方向に見て前記絶縁磁性材層の少なくともいずれか一方側に配置されると共に、周方向に所定間隔をおいて設けられ、前記固定コアは、前記回転軸に直交する面に関して、前記 2つの励磁コィルを収容したコア本体が面対称に配置され、前記第 2の口一夕は、前記第 2の導体層が前記第 1の導体層に対応する間隔で外周に設けられている構成としたのである。

また、上記目的を達成するため本発明の第 2の回転センサにおいては、回転シャフトに取り付けられ、絶縁磁性材層と、前記絶縁磁性材層に中心角 1 8 0度の範囲に設けられる第 1の導体層とを有するロータ、前記ロー夕の回転軸の軸線方向に所定間隔をおいて配置される 2つの励磁コィルと、前記励磁コイルを収容するコア本体とを有し、前記回転軸方向に見て少なくとも一方側の前記励磁コイル及び前記コア本体に、第 2の導体層が中心角 1 8 0度の範囲に設けられ、前記回転軸に直交する面に関して、前記励磁コイルを収容したコア本体が面対称に配置され、固定部材に取り付けられる固定コア、前記各励磁コイルと電気的に接続され, 特定周波数の発振信号を発振する発振手段、前記ロータに発生する渦電流の大きさに応じて、前記 2つの励磁コイルに生じるそれぞれのィンピ —ダンスの変動を検出する変動検出手段、前記検出されたインピ一ダンスの変動量の差分を求める差分検出手段、前記検出された差分に基づいて回転角度を測定する測定手段を備え、前記回転シャフ卜の回転角度を検出する構成としたのである。

更に、上記目的を達成するため本発明の第 3の回転センサにおいては. 上記第 1の回転センサと第 2の回転センサとを組み合わせた構成としたのである。図面の簡単な説明

図 1は、本発明の第 1の実施形態に係る回転センサを示す分解斜視図、図 2は、図 1の回転センサを直径方向に沿って切断した断面図、図 3は、図 1の回転センサにおいて、第 1のロータに設ける第 1の導体層と、第 2のロータに設ける第 2の導体層との位置関係を、第 1のロー夕を展開した状態として示す展開図、図 4は、図 1の回転センサで使用する相対回転角度測定装置の一例を示す回路図、図 5は、図 4に回路図を示した相対回転角度測定装置で得られる電圧値 S 1， S 2並びに電圧値に関する信号 T l , T 2と第 1及び第 2の口一夕の相対回転角度との関係を示す電圧特性図、図 6は、本発明の第 2の実施形態に係る回転センサの断面正面図、図 7は、図 6の回転センサにおいて、ロータに設ける第 1の導体層と、固定コアに設ける第 2の導体層との位置関係を、両導体層を展開した状態として示す展開図、図 8は、図 6の回転センサで使用する回転角度測定装置の一例を示す回路図、図 9は、図 8に回路図を示した回転角度測定装置で得られる電圧 S 1， S 2並びに電圧値に関する信号 T 1とロータの回転角度との関係を示す電圧特性図、図 1 0は、本発明の第 3 の実施形態に係る回転センサの断面正面図、図 1 1は、相対回転角度及び回転角度測定装置の一例を示す回路図、及び図 1 2は、回転センサの背景技術を説明する断面平面図である。発明を実施するための最良の形態

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 1 1に基づいて詳細に説明する。

先ず、第 1の実施形態として、例えば、自動車において変換ジョイント（トーシヨンパー）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ための回転センサを図 1 乃至図 5に基づいて説明する。

回転センサ 1 0は、図 1及び図 2に示すように、第 1 ロー夕 1 1、固定コア 1 2、第 2ロータ 1 3及び相対回転角度測定装置 1 4を備えている。ここで、前記主動シャフトは、前記従動シャフトに対して ± 8 ° の範囲内で相対回転する。

第 1ロータ 1 1は、ナイロン，ポリプロピレン（P P ) ，ポリフエ二レンスルフイド（P P S ) ， A B S樹脂等の電気絶縁性を有する熱可塑性合成樹脂に、 N i — Z nや M n— Z n系のフェライトからなる軟磁性材粉を 1 0〜7 0体積％の含有量で混合した絶縁磁性材によって円筒状に成形され、回転する前記主動シャフ卜の軸線方向所定位置に取り付けられる。第 1口一夕 1 1は、図 1に示すように、外周に回転軸 A r t方向に 2段に配置されると共に、周方向に所定間隔、例えば、上下で交互に位置をずらして中心角 3 0 ° 間隔で複数の銅箔 1 1 aが設けられている。

ここで、銅箔 1 1 aは、回転軸 A r t方向に上下 2段に分けた少なくともいずれか一方の外周に配置されると共に、周方向に所定間隔をおいて設ければよい。従って、銅箔 1 1 aは、上側あるいは下側のみに所定間隔をおいて設けたり、上側あるいは下側に所定間隔をおいて設けると共に、下側あるいは上側に全周に亘つて設けてもよい。また、非磁性導電体からなる導体層であれば、銅の他に、例えば、アルミニウム，銀等の素材を使用することができ、銅箔 1 1 aを含むこれら導体層は絶縁磁性材の内部に埋め込んでもよく、それらの素材よりなる薄板をプレス加工したものを用いてもよい。また、これら導体層は、高周波磁界を遮蔽するうえで、第 1ロータ 1 1と固定コア 1 2との半径方向のギヤップに基づく磁気抵抗を考慮すると、 0. 1〜0. 5 mm程度の厚さが望ましい。更に、銅箔 1 1 a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る。このため、回転センサ 1 0は、各銅箔 1 1 aに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）が大きくなつて、相対回転角度の検出感度が高くなるが、測定できる相対回転角度範囲が小さくなる。

固定コア 1 2は、第 1口一夕 1 1と半径方向に数 m m程度の僅かなギヤップをおいて配置され、ステアリングシャフト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 1 2は、図 2に示すように、第 1ロータ 1 1と同一の絶縁磁性材からなる 2つのコア本体 1 2 aと、各コア本体 1 2 a内に収容される励磁コイル 1 2 bと、両コア本体 1 2 a を収容する遮蔽ケース（以下、単に「ケ一ス」という） 1 2 cとを有している。各励磁コイル 1 2 bは、ケース 1 2 cから外部へ延出させた電線 1 2 d (図 1参照）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。ケース 1 2 c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、各コア本体 1 2 aを収容する 2つの凹部 1 2 eを有するリング状に形成されている。

このとき、固定コア 1 2は、回転軸 A r tに直交する面に関して、図 2 に示すように、励磁コイル 1 2 bを収容した 2つのコア本体 1 2 a及びケ一ス 1 2 cを面対称に配置する。また、 2つの励磁コイル 1 2 bは、それぞれ巻き方向を逆に設定したり、交流電流を流す向きを逆にすることで、第 1 口一夕 1 1との間に形成される磁気回路の向きを逆にしてもよい。

第 2ロータ 1 3は、電気絶縁性を有し、成型性に優れた合成樹脂によつて、図 1に示すように、フランジ 1 3 aの外周に回転軸 A r tと並行する複数の羽板 1 3 bを均等に配置して形成されている。各羽板 1 3 bは、それぞれ各銅箔 1 1 aに対応する間隔で形成され、外表面には銅箔 1 3 cが設けられている。従って、第 1ロータ 1 1に上下 2段で、周方向に所定間隔をおいて設けられる銅箔 1 1 aと銅箔 1 3 cは、第 1ロータ 1 1を展開した状態として示すと図 3のようになる。そして、図 3に示す銅箔 1 1 aと銅箔 1 3 cの位置が、第 1 口一夕 1 1と第 2口一夕 1 3との相対回転における基準位置、言い替えると相対回転がゼロの位置である。

このとき、第 2ロー夕 1 3は、各羽板 1 3 bの内表面あるいは絶縁材で製作された筒体の内表面や内部に一定の厚さの導体層（例えば 0. 2 m mの銅箔，或いはアルミニウム，銀等の素材のもの）を銅箔 1 l aに対応させて均等に配置してもよいし、全体を金属で形成してもよく、これは後述する回転センサにおいても同じである。第 2ロータ 1 3は、第 1 口一夕 1 1 と固定コア 1 2との間に配置され、前記主動シャフトに対して相対回転する前記従動シャフ卜に取り付けられる。

以上のように構成される回転センサ 1 0は、第 1ロータ 1 1を前記主動シャフトに、第 2ロー夕 1 3を前記従動シャフトに、それぞれ取り付けるとともに、固定コア 1 2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。

次に、図 4及び図 5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測定を説明する。図 4は、回転センサの相対回転角度測定装置 1 4の一例を示す回路図である。図 4において、測定装置 1 4は、請求項 1の発振手段を構成し、発振信号を発振する発振回路 1 4 a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 1 4 bと、請求項 1の位相シフト手段を構成し、 2つの励磁コイル 1 2 bにそれぞれ生じる前記パルス信号の位相をシフ卜する位相シフ卜部 1 4 cと、請求項 1のシフト量検出手段を構成し、前記検出された各位相シフト量を検出する第 1及び第 2のシフト量検出部 1 4 d， 1 4 eと、前記検出されたシフト量を対応する電圧値に変換する第 1及び第 2のコンパ一夕 1 4 i， 1 4 gと、前記電圧値のシフトレベルを調整する第 1及び第 2のシフトレベル調整部 1 4 h， 1 4 i と、請求項 1の第 1のシフト量差分検出手段を構成し、第 1のコンパ一夕 1 4 f からのシフト量に対応する電圧と第 2のシフトレベル調整部 1 4 iからの調整された電圧との差分を求める第 1差動アンプ 1 4 j と、請求項 1の第 2のシフト量差分検出手段を構成し、第 1のシフトレベル調整部 1 4 hからの調整された電圧と第 2のコンバータ 1 4 gからのシフト量に対応する電圧との差分を求める第 2差動アンプ 1 4 kと、請求項 1の測定手段を構成し、求められた各差分の電圧から相対回転角度を測定する相対回転角度測定部 1 4 m とを有して構成される。

発振回路 1 4 aは、分周回路 1 4 bを介して特定周波数のパルス信号を位相シフ卜部 1 4 cに出力する。

位相シフト部 1 4 cは、本発明の第 1の励磁コイル 1 2 b， 1 2 が直列接続され、かつ直列接続されたコンデンサ C 1、抵抗 R 1及びコンデンサ C 2が励磁コイル 1 2 b , 1 2 bと並列に接続されている。励磁コイル 1 2 b， 1 2 bは、固定コア 1 2に卷回されて交流電流が流され. 第 1 ロー夕 1 1と協働して磁気回路を形成している。位相シフト部 1 4 cは、第 2口一夕 1 3に発生する渦電流の大きさに応じて、励磁コイル 1 2 b , 1 2 b間に接続された分周回路 1 4 bから入力するパルス信号の位相をシフ卜する。

第 1及び第 2のシフト量検出部 1 4 d , 1 4 eは、各励磁コイル 1 2 bの一端にそれぞれ接続されている。第 1のシフ卜量検出部 1 4 dは、 A点と B点との間におけるパルス信号の位相ずれ量を、第 2のシフト量検出部 1 4 dは A点と C点との間におけるパルス信号の位相ずれ量を、それぞれ検出する。

第 1及び第 2のコンパ一夕 1 4 f , 1 4 gは、図 5に示すように、検出された各位相ずれ量を対応する電圧値 S 1， S2に変換する。このとき、第 1口一夕 1 1と第 2ロータ 1 3とが相対回転すると、複数の銅箔 1 1 aと複数の銅箔 1 3 cとによって磁束を遮蔽する全面積の変化は、図 3 から明らかなように、上側の励磁コイル 1 2 bと下側の励磁コイル 1 2 bとで逆になるため、図 5に示すように勾配が逆となることに注意されたい。

シフトレベル調整部 1 4 h， 1 4 iは、コンバータ 1 4 i， 14 gから出力される電圧レベル信号 S 1， S 2のシフトレベルを調整して、第 1 及び第 2差動アンプ 14 j， 1 4 kに出力する。第 1差動アンプ 1 4 j は、コンパ一夕 1 4 f からの電圧レベル信号 S 1とシフトレベル調整部 14 iからの出力信号との差分 Tlを求め、相対回転角度測定部 1 4m に出力する。また、第 2差動アンプ 1 4 kは、コンパ一夕 1 4 gからの電圧レベル信号 S 2とシフ卜レベル調整部 1 4 hからの出力信号との差分 T2を求めて、相対回転角度測定部 1 4mに出力する。このとき、電圧レベル信号 S 1と電圧レベル信号 S 2との勾配は逆なので、差分 T1と差分 T2の勾配は、それぞれ電圧レベル信号 S 1, S 2の勾配の 2倍となる。

相対回転角度測定部 1 4mは、図 4に示すように、これら信号 Tl， Τ2の電圧値に基づき、 2つのロー夕の相対回転角度を一 8 ° 〜十 8 ° の範囲で高精度に測定する。従って、回転センサ 1 0は、この相対回転角度に基づき、予め求めてある前記主動シャフトと前記従動シャフ卜との間に作用するトルクと、両シャフト間の相対回転角度との関係に基づき、作用しているトルクを求めることができる。

なお、本実施形態では、測定精度を高めるため，信号 T l， Τ 2の電圧値に基づき、一 8 ° 〜+ 8 ° の範囲の口一夕の相対回転角度を求めたが、本発明はこれに限らず、例えば信号 T l， Τ 2のいずれか一方の電圧値に基づいて上記相対回転角度を求めることも可能である。

このとき、回転センサ 1 0は、図 2に示すように、回転軸 A r Uこ直交する面に関して、励磁コイル 1 2 bを収容した 2つのコア本体 1 2 a及びケ一ス 1 2 cを面対称に配置している。このため、回転センサ 1 0は, 相対回転角度測定装置 1 4による相対回転角度の測定に際し、 2つの励磁コイル 1 2 bに生ずる環境温度の変動，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相殺される。尚、 2つの励磁コイル 1 2 bは、それぞれ巻き方向を逆に設定したり、交流電流を流す向きを逆にすることで、第 1口一夕 1 1との間に形成される磁気回路の向きを逆にしてもよい。

従って、回転センサ 1 0は、信号 T l， Τ 2には前記外乱の影響が入つていないので、種々の外乱があっても検出精度の変動が少なく、相対回転角度、従ってトルクを正確に検出することができる。このことは、以下に述べる回転センサ 2 0及び回転センサ 3 0においても同様である。次に、第 2の実施形態として、例えば、変換ジョイント（トーシヨンバー）を介して軸線方向に隣接配置される主動シャフ卜と従動シャフトを有する自動車のステアリングシャフトにおいて、前記主動シャフトと従動シャフ卜との間の回転角度を検出する回転センサを図 6乃至図 9に基づいて説明する。

回転センサ 2 0は、図 6に示すように、口一夕 2 1、固定コア 2 2及び回転角度測定装置 2 3を備えている。

口一夕 2 1は、ステアリングシャフトに取り付けられ、回転センサ 1 0の第 1ロータ 1 1 と同一の絶縁磁性材から円筒状に成形されている。ロー夕 2 1は、回転軸 A r t方向に見て上側の中心角 1 8 0度の範囲及び下側全周に銅箔 2 1 aが設けられている。

ここで、銅箔 2 1 aは、回転方向に見て少なくとも中心角 1 8 0度の範囲で設けられていればよい。これは、回転センサ 3 0の銅箔 3 1 gでも同様である。また、導体層であれば、銅箔 2 1 aに代えて、回転センサ 1 0と同様に、例えば、アルミニウム，銀等の素材を使用することができ、銅箔 2 1 aを含むこれら導体層は絶縁磁性材の内部に埋め込んでもよく、それらの素材よりなる薄板をプレス加工したものを用いてもよい。

固定コア 2 2は、ロータ 2 1の外側に半径方向に数 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 2 2は、図 6に示すように、回転軸 A r t方向に所定間隔をおいて配置される 2つのコア本体 2 2 aと- 各コア本体 2 2 a内に収容される励磁コイル 2 2 bと、両コア本体 2 2 aを収容する遮蔽ケース（以下、単に「ケース」という） 2 2 cとを有している。各励磁コイル 2 2 bは、ケース 2 2 c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。また、上側に位置するコア本体 2 2 a及び励磁コイル 2 2 bの内周には、中心角 1 8 0度の範囲に、図 6に示すように銅箔 2 2 dが設けられている。従って、ロータ 2 1に設けられる銅箔 2 1 aと固定コア 2 2に設けられる銅箔 2 2 dは、銅箔 2 1 a , 2 2 dを展開した状態として示すと図 7のようになる。

そして、回転センサ 2 0は、銅箔 2 1 aと銅箔 2 2 dとを互いに中心角 9 Q度の範囲で重ね合わせた状態を、ロータ 2 1の回転角度がゼロの位置として設定する。銅箔 2 1 aの下側は全周に亘つて設けられているので、ロール 2 1が回転すると、銅箔 2 1 aと銅箔 2 2 dとが重なる面積は、銅箔 2 1 aの上側部分においては回転角度に比例して変動するが, 銅箔 2 1 aの下側部分においては変動しない。よって、上側の励磁コィル 2 2 bのインピ一ダンスは口一タ 2 1の回転によって変動するが、下側の励磁コイル 2 2 bのインピーダンスは口一夕 2 1の回転によって変動しない。ここで、銅箔 2 2 dは、上側に設ける他、下側にも中心角 1 8 0度の位相をずらして同様に設けてもよい。これは、以下に説明する回転センサ 3 0における銅箔 3 2 kにおいても同様である。

ケース 2 2 c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、各コア本体 2 2 aを収容する 2つの凹部 2 2 eを有するリング状に形成されている。このとき、固定コア 2 2は、回転軸 A r t に直交する面に関して、図 6に示したように、励磁コイル 1 2 bを収容した 2つのコア本体 2 2 a及びケ一ス 2 2 cを面対称に配置する。また, 2つの励磁コイル 2 2 bは、それぞれ巻き方向を逆に設定したり、交流電流を流す向きを逆にすることで、ロータ 2 1 との間に形成される磁気回路の向きを逆にしてもよい。

以上のように構成される回転センサ 2 0は、ロータ 2 1をステアリングシャフトに取り付け、固定コア 2 2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。

次に、図 8及び図 9を用いて第 2実施形態に係る回転センサ 2 0による回転角度測定を説明する。図 8は、回転センサの回転角度測定装置 2 3の一例を示す回路図である。図において、測定装置 2 3は、本発明に係る請求項 2の発振手段を構成し、発振信号を発振する発振回路 2 3 a 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 2 3 bと、請求項 2の位相シフト手段を構成し、前記 2つの励磁コイルにそれぞれ生じる前記発振信号の位相をシフトする位相シフト部 2 3 cと、請求項 2のシフト量検出手段を構成し、前記検出された各位相シフト量を検出する第 1及び第 2のシフト量検出部 2 3 d， 2 3 eと、前記検出されたシフト量を対応する電圧値に変換する第 1及び第 2のコンパ一夕 2 3 i， 2 3 gと、コンパ一夕 2 3 gからの前記電圧値のシフトレベルを調整するシフトレベル調整部 2 3 hと、請求項 2のシフト量差分検出手段を構成し、第 1のコンパ一夕 2 3 f からのシフ卜量に対応する電圧とシフトレベル調整部 2 3 hからの調整された電圧との差分を求める差動アンプ 2 3 i と、前記差分をデジタル変換する AZDコンパ一夕 2 3 j と、請求項 2の回転角度測定手段を構成し、検出された差分に基づいて口一夕 2 1の回転角度を測定する回転角度測定部 2 3 kとを有して構成される。

発振回路 2 3 aは、分周回路 2 3 を介して特定周波数のパルス信号を位相シフト部 2 3 cに出力する。

位相シフト部 2 3 cは、励磁コイル 2 2 b， 22 bが直列接続され、かつ直列接続されたコンデンサ C3、抵抗 R2及びコンデンサ C4が励磁コイル 2 2 b， 2 2 bと並列に接続されて構成される。励磁コイル 2 2 b, 2 2 bは、固定コアに巻回されて交流電流が流され、口一タ 2 1 と' 協働して磁気回路を形成している。位相シフト部 2 3 cは、ロータ 2 1 に発生する渦電流の大きさに応じて、励磁コイル 2 2 b， 22 b間に接続された分周回路 2 3 bから入力するパルス信号の位相をシフトする。第 1及び第 2のシフト量検出部 2 3 d， 2 3 eは、各励磁コイル 2 2 bの一端にそれぞれ接続され、第 1のシフト量検出部 2 3 dは A点と B 点との間におけるパルス信号の位相ずれ量を、第 2のシフ卜量検出部 2 3 dは A点と C点との間におけるパルス信号の位相ずれ量を、それぞれ検出する。

第 1及び第 2のコンパ一夕 2 3 ί , 2 3 gは、図 9に示すように、前記検出されたシフト量を対応する電圧値 S 1 , S 2に変換する。このとき，口一夕 2 1の回転に伴い、電圧値 S 1は変動するが、電圧値 S 2は変動しない。シフトレベル調整部 2 3 hは、コンパ一夕 2 3 gから入力するパルス信号の電圧値 S 2のシフトレベルを調整し、差動アンプ 2 3 i に出力する。差動アンプ 2 3 iは、コンパ一夕 2 3 ίからのパルス信号の電圧値 S 1とシフ卜レベル調整部 2 3 hからのパルス信号の電圧値 S 2との差分を求めて信号 T 1 (電圧値）を、 A / Dコンバータ 2 3 j を介して回転角度測定部 2 3 kに出力する。

回転角度測定部 2 3 kは、図 9に示すように、信号 T 1の電圧値に基づき、ロータの回転角度を一 9 0 ° 〜+ 9 0 ° の範囲で高精度に測定できる。従って、この回転角度に基づき、ステアリングシャフトの回転角度を求めることができる。

なお、本実施形態では、信号 T 1の電圧値に基づき、一 9 0。〜十 9 0 ° の範囲のロータの回転角度を求めた。しかし、本発明はこれに限らず、例えばコンパ一タ 2 3 f からのパルス信号の電圧値のシフトレベルを調整するシフ卜レベル調整部を別に設け、このシフトレベル調整部からの電圧値とコンパ一夕 2 3 gからのパルス信号の電圧値との差分をとつた信号と信号 T 1の 2つの信号から回転角度を測定することも可能であり、この場合には回転角度の測定精度を高めることが可能である。次いで、第 3の実施形態として、前記したステアリグシャフトの相対回転角度及び回転角度を検出するそれぞれの回転センサを一体化し、トルク及び回転角度を検出可能とした回転センサの実施形態を図 1 0及び図 1 1に基づいて説明する。

回転センサ 3 0は、図 1 0に示すように、第 1 ロータ 3 1、固定コア 3 2、第 2口一夕 3 3及び角度測定装置 3 4を備えている。

第 1口一夕 3 1は、前記ステアリングシャフトの従動シャフト S dvn に取り付けられ、ベース 3 1 aに半径の異なる 2つの軸部 3 l b , 3 1 cを有している。軸部 3 1 bは、第 1絶縁磁性材層 3 1 dを介してその外側に複数の第 1銅箔 3 1 eが設けられている。複数の第 1銅箔 3 1 e は、回転センサ 1 0の第 1 口一夕 1 1 と同様に、回転軸 A r t方向に 2段に配置されると共に、周方向に所定間隔、例えば、上下で交互に位置をずらして中心角 3 0 ° 間隔で 6枚設けられている。一方、軸部 3 1 cは、軸部 3 1 bの半径方向外側に形成され、第 2絶縁磁性材層 3 1 ίを介してその外側に第 2銅箔 3 1 gが設けられている。第 2銅箔 3 1 gは、回転軸 A r t方向に見て下側の中心角 1 8 0の範囲及び上側全周に設けられている。

ここで、第 2銅箔 3 1 gは、回転軸方向に見て少なくとも上側か下側いずれか一方の外周に中心角 1 8 0度の範囲で設けられていればよい。また、第 1及び第 2絶縁磁性材層 3 I d , 3 1 f は、回転センサ 1 0の第 1ロー夕 1 1と同一の素材から円筒状に形成されている。また、導体層であれば、第 1銅箔 3 1 eや第 2銅箔 3 1 gに代えて、回転センサ 1 0と同様に、例えば、アルミニウム，銀等の素材を使用することができ- 第 1銅箔 3 1 eや第 2銅箔 3 1 gを含むこれら導体層は絶縁磁性材の内部に埋め込んでもよく、それらの素材よりなる薄板をプレス加工したものを用いてもよい。

固定コア 3 2は、第 1 ロー夕 3 1と半径方向に数 mm程度の僅かなギヤップをおいて配置され、ステアリングシャフト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 3 2は、図 1 0に示すように、 2つの第 1コア本体 3 2 a、各第 1コア本体 3 2 a内に収容される第 1 励磁コイル 3 2 b、 2つの第 2コア本体 3 2 c、各第 2コア本体 3 2 c 内に収容される第 2励磁コイル 3 2 d及びこれら第 1 , 第 2コァ本体 3 2 a , 3 2 cを収容する遮蔽ケース（以下、単に「ケース」という） 3 2 eを有している。このとき、第 1コア本体 3 2 aは、第 2コア本体 3

2 cよりも半径方向内側に配置されている。また、下側に配置される第 2コア本体 3 2 c及び第 2励磁コイル 3 2 dの内周には、図 1 0に示すように、中心角 1 8 0度の範囲に銅箔 3 2 kが設けられている。

このとき、各第 1及び第 2励磁コイル 3 2 b , 3 2 dは、ケース 3 2 e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。ケース 3 2 e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、各第 1，第 2コア本体 3 2 a , 3 2 cを収容する凹部 3 2 f

3 2 gが半径方向に異なる位置に形成されている。各第 1コア本体 3 2 aは、各第 2コア本体 3 2 cよりも内周側に配置される。

また、固定コア 3 2は、回転軸 A r tに直交する面に関して、図 1 0に示すように、それぞれ 2つの第 1，第 2コア本体 3 2 a， 3 2 c及びケース 3 2 eを面対称に配置する。更に、それぞれ 2つの各第 1及び第 2 励磁コイル 3 2 b , 3 2 dは、それぞれの巻き方向を逆に設定したり、交流電流を流す向きを逆にすることで、第 1口一夕 3 1の第 1及び第 2 絶縁磁性材層 3 1 d , 3 1 ίとの間に形成される磁気回路の向きを逆にする。ここで、固定コア 3 2は、図 1 0に示すように、各種電気部品類を搭載したプリント基板 3 2 hが載置され、上下には合成樹脂性の蓋 3 2 jが被せられている。

第 2ロー夕 3 3は、電気絶縁性を有し、成型性に優れた合成樹脂によつて、図 1 0に示すように、主動シャフト S dv iに取り付けられる円筒状の基部 3 3 aの外周に回転軸 A r tと並行する 6枚の羽板 3 3 bを均等に配置して形成されている。各羽板 3 3 bは、それぞれ第 1ロータ 3 1 の各第 1銅箔 3 1 eに対応する間隔で形成され、外表面には銅箔 3 3 c が設けられている。第 2ロー夕 3 3は、各羽板 3 3 bの内表面あるいは絶縁材で製作された筒体の'内表面や内部に一定の厚さの導体層（例えば 0. 2 mmの銅箔，或いはアルミニウム，銀等の素材のもの）を第 1銅箔 3 1 eに対応させて均等に配置してもよい。

角度測定装置 3 4は、図 1 1に示すように、相対回転角度測定装置 3 5と回転角度測定装置 3 6とを備えており、これらはそれぞれ回転センサ 1 0の相対回転角度測定装置 1 4及び回転センサ 2 0の回転角度測定装置 2 3と同一である。従って、図 1 1においては、相対回転角度測定装置 1 4及び回転角度測定装置 2 3と同一の構成部分に、対応する符号を付して詳細な説明を省略する。

以上のように構成される回転センサ 3 0は、第 1ロータ 3 1を前記ステアリングシャフトの従動シャフト S dvnに、第 2口一夕 3 3を主動シャフト S dv iに、それぞれ取り付けて自動車のステアリング装置に組み付けることにより、前記と同様にして、相対回転角度（トルク）及び回転角度を単一のセンサで測定することができる。

尚、上記各実施形態の回転センサ 1 0 , 2 0， 3 0は、自動車のステァリング装置で使用する場合について説明したが、例えば、ロボットァ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。

また、回転センサ 2 0は、一 9 0度〜 9 0度の回転角度を検出範囲とするが、絶対回転位置センサを設ければ、一 1 8 0度〜 1 8 0度に検出範囲を広げることができる。

更に、回転センサ 1 0においては、第 1 ロー夕 1 1をステアリングシャフトの主動シャフ卜に、第 2ロータ 1 3を従動シャフ卜に、回転センサ 3 0においては、第 1ロータ 3 1をステアリングシャフトの従動シャフト S dvnに、第 2口一夕 3 3を主動シャフト S dv iに、それぞれ取り付けた。しかし、これらは、逆に取り付けてもよいことは言うまでもないまた、回転センサ 3 0の固定コア 3 2においては、第 1コア本体 3 2 a を第 2コア本体 3 2 cよりも半径方向内側に配置したが、この逆に外側に配置してもよい。

また、励磁コイルを収容する 2つのコア本体は、一体型としても良いことは言うまでもない。

更に、変動検出手段は、発振信号の位相シフト量を検出する例を挙げたが、これに限定されるものではなく、例えば、信号の実効値の変動、信号の振幅値の変動、発振周波数の変動を検出するものであっても良い _c 産業上の利用可能性

第 1乃至第 3の観点（aspects)の発明によれば、種々の外乱があっても検出精度の変動が少なく、相対回転角度や回転角度を正確に検出することが可能な回転センサを提供することができる。

Claims

請求の範囲 . 絶縁磁性材層と第 1の導体層とを有し、相対回転する第 1及び第 2 の回転シャフ卜のいずれか一方の軸線方向所定位置に取り付けられる第 1の口一夕、

前記ロータの回転軸の軸線方向に所定間隔をおいて配置される 2つの励磁コイルと、前記励磁コイルを収容するコア本体とを有し、固定部材に取り付けられる固定コア、

第 2の導体層を有し、前記第 1及び第 2の回転シャフ卜の他方のシャフトに取り付けられ、前記第 1の口一夕と前記固定コアとの間に配置される第 2のロータ及び

前記各励磁コイルと電気的に接続され、特定周波数の発振信号を発振する発振手段を備え、

前記第 1のシャフトと第 2のシャフトとの間の相対回転角度を検出する回転センサにおいて、

前記第 1及び第 2の口一夕により発生する渦電流の大きさに応じて，前記 2つの励磁コイルに生じるそれぞれのインピーダンスの変動を検出する変動検出手段、

前記検出されたインピーダンスの変動量の差分を求める差分検出手段、

前記検出された差分に基づいて相対回転角度を測定する測定手段を備え、

前記第 1のロータは、前記第 1の導体層が、前記回転軸方向に見て前記絶縁磁性材層の少なくともいずれか一方側に配置されると共に、周方向に所定間隔をおいて設けられ、前記固定コアは、前記回転軸に直交する面に関して、前記 2つの励磁コイルを収容したコア本体が面対称に配置され、前記第 2のロータは、前記第 2の導体層が前記第 1 の導体層に対応する間隔で外周に設けられていることを特徴とする回転センサ。

2 . 前記固定コアは、前記コア本体が交流磁界の遮蔽性を有する遮蔽ケースに収容されている、請求項 1の回転センサ。

3 . 前記絶縁磁性材層が、電気絶縁性を有する熱可塑性合成樹脂に、軟磁性材粉を 1 0〜 7 0体積％の含有量で混合した絶縁磁性材である、請求項 1の回転センサ。

4 . 前記熱可塑性合成樹脂が、ナイロン，ポリプロピレン，ポリフエ二レンスルフイド， A B S樹脂のいずれかである、請求項 3の回転センサ。

5 . 前記軟磁性材が、 N i— Z n系や M n— Z n系のフェライトである、請求項 3の回転センサ。

6 . 前記第 1及び第 2の導体層が、銅，アルミニウム，銀から成形されている、請求項 1の回転センサ。

7 . 前記遮蔽ケースが、アルミニウム，銀，鉄から成形されている、請求項 2の回転センサ。

8 . 回転シャフトに取り付けられ、絶縁磁性材層と、前記絶縁磁性材層に中心角 1 8 0度の範囲に設けられる第 1の導体層とを有するロー夕、前記口一夕の回転軸の軸線方向に所定間隔をおいて配置される 2つの励磁コイルと、前記励磁コイルを収容するコア本体とを有し、前記回転軸方向に見て少なくとも一方側の前記励磁コイル及び前記コア本体に、第 2の導体層が中心角 1 8 0度の範囲に設けられ、前記回転軸に直交する面に関して、前記励磁コイルを収容したコア本体が面対称に配置され、固定部材に取り付けられる固定コア、

前記各励磁コイルと電気的に接続され、特定周波数の発振信号を発振する発振手段、

前記口一夕に発生する渦電流の大きさに応じて、前記 2つの励磁コィルに生じるそれぞれのィンピーダンスの変動を検出する変動検出手段、

前記検出された差分に基づいて回転角度を測定する測定手段を備え、前記回転シャフトの回転角度を検出することを特徴とする回転センサ。

9 . 前記固定コアは、前記コア本体が遮蔽ケースに収容されている、請求項 8の回転ケース。

10. 前記絶縁磁性材層が、電気絶縁性を有する熱可塑性合成樹脂に、軟磁性材粉を 1 0〜 7 0体積％の含有量で混合した絶縁磁性材である、請求項 8の回転センサ。

1 1. 前記熱可塑性合成樹脂が、ナイロン，ポリプロピレン，ポリフエ二レンスルフィド, A B S樹脂のいずれかである、請求項 1 0の回転センサ。

12. 前記軟磁性材が、 N i— Z n系や M n— Z n系のフェライトである, 請求項 1 0の回転センサ。

13. 前記第 1の導体層が、銅，アルミニウム，銀から成形されている、請求項 8の回転センサ。

14. 前記遮蔽ケースが、アルミニウム，銀，鉄から成形されている、請求項 9の回転センサ。

5. 請求項 1の回転センサと請求項 8の回転センサが組み合わされていることを特徴とする回転センサ。

6. 請求項 2の回転センサと請求項 9の回転センサが組み合わされていることを特徵とする回転センサ。