WO2001067059A1 - Detecteur de rotation - Google Patents

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WO2001067059A1
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rotation
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magnetic material
rotor
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PCT/JP2001/001777
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Dongzhi Jin
Fumihiko Abe
Kengo Tanaka
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The Furukawa Electric Co., Ltd.
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    • G01BMEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
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    • GPHYSICS
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Definitions

  • the present invention relates to a rotation sensor that detects a relative rotation angle and a rotation angle between two members that rotate relatively.
  • a rotation sensor that detects the relative rotation angle between two members that rotate relative to each other
  • a fixed magnetic member 1 having an excitation coil and a magnetic material rotor 2 having irregularities on the outer periphery are used.
  • a rotation sensor in which a metal opening 3 having a plurality of metal teeth 3a is arranged at a predetermined gap, for example, for detecting torque acting on a steering shaft of an automobile.
  • the excitation coil is electrically connected to the oscillation circuit and the signal detection circuit, and an alternating current of a constant frequency is caused to flow, whereby an alternating magnetic field is formed in a magnetic circuit arranged around the coil.
  • a plurality of metal teeth 3a are arranged at equal intervals in the circumferential direction.
  • the detection device detects the change in the impedance of the coil by the signal detection circuit, and thereby determines the relative rotation angle of the two ports 1, 2, that is, the relative rotation angle between the two relatively rotating members. Detected (
  • the impedance of the coil fluctuates due to disturbances such as fluctuations in environmental temperature, electromagnetic noise, fluctuations in the oscillation frequency in the oscillation circuit, power supply voltage, and assembly errors. There was a problem that it was difficult to accurately detect the relative rotation angle and the rotation angle.
  • the present invention has been made in view of the above points, and it is an object of the present invention to provide a rotation sensor capable of detecting a relative rotation angle and a rotation angle accurately with little change in detection accuracy even when various disturbances are present. With the goal. Disclosure of the invention
  • a first rotation sensor of the present invention has an insulating magnetic material layer and a first conductor layer, and has an axis of one of a first and a second rotation shaft that rotates relative to each other.
  • a first rotor mounted at a predetermined position in a direction, two excitation coils arranged at a predetermined interval in an axial direction of a rotation axis of the mouth, and a core body accommodating the excitation coil.
  • a rotation sensor for detecting a relative rotation angle of Fluctuation detecting means for detecting fluctuations of the respective impedances generated in the two excitation coils according to the magnitude of the eddy current generated by the first and second rows, and a difference between the detected fluctuations in the impedance.
  • the first rotor comprises: One conductor layer is disposed on at least one side of the insulating magnetic material layer as viewed in the rotation axis direction, and is provided at a predetermined interval in a circumferential direction;
  • the core body containing the two exciting coils is arranged plane-symmetrically with respect to a plane perpendicular to the plane, and the second conductor layer corresponds to the first conductor layer in the second port. That is, it is configured to be provided on the outer periphery at intervals.
  • the rotation sensor is attached to a rotation shaft, and the insulating magnetic material layer is provided at a central angle of 180 degrees in the insulating magnetic material layer.
  • a rotor having a first conductor layer, two excitation coils arranged at a predetermined interval in an axial direction of the rotating shaft of the rotor, and a core body accommodating the excitation coils;
  • a second conductor layer is provided in a range of a central angle of 180 degrees on at least one of the excitation coil and the core body as viewed in the direction of the rotation axis, and the excitation is performed on a plane orthogonal to the rotation axis.
  • a core body accommodating a coil is disposed symmetrically with respect to a plane, and a fixed core attached to a fixing member; an oscillating means electrically connected to each of the excitation coils to oscillate an oscillation signal of a specific frequency; Depending on the size of the flow A fluctuation detecting means for detecting a fluctuation of each impedance generated in the two exciting coils; a difference detecting means for obtaining a difference between the detected impedance fluctuation amounts; and a rotation based on the detected difference. It is provided with measuring means for measuring the angle, and is configured to detect the rotation angle of the rotary shaft.
  • a third rotation sensor of the present invention has a configuration in which the first rotation sensor and the second rotation sensor are combined.
  • FIG. 1 is an exploded perspective view showing a rotation sensor according to a first embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of the rotation sensor shown in FIG. 1 cut along a diameter direction
  • FIG. FIG. 4 is a development view showing a positional relationship between a first conductor layer provided on the first rotor and a second conductor layer provided on the second rotor in a state in which the first rotor is developed
  • FIG. FIG. 5 is a circuit diagram showing an example of a relative rotation angle measuring device used in the rotation sensor shown in FIG. 1.
  • FIG. 5 is a circuit diagram showing voltage values S 1, S 2 and voltage obtained by the relative rotation angle measuring device shown in the circuit diagram in FIG. FIG.
  • FIG. 6 is a voltage characteristic diagram showing a relationship between signals Tl and T2 relating to values and relative rotation angles of the first and second ports.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view of a rotation sensor according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a front view of the rotation sensor of FIG. 6, and
  • FIG. Fig. 8 is a developed view showing the positional relationship with the conductor layers of Fig. 2 as both conductor layers are expanded
  • Fig. 8 is a circuit diagram showing an example of a rotation angle measuring device used in the rotation sensor of Fig. 6, and
  • Fig. 9 is a diagram of Fig. FIG.
  • FIG. 8 is a circuit diagram showing a voltage characteristic diagram showing the relationship between the voltages S 1 and S 2 obtained by the rotation angle measuring device and the signal T 1 relating to the voltage value and the rotation angle of the rotor
  • FIG. FIG. 11 is a cross-sectional front view of a rotation sensor according to the third embodiment
  • FIG. 11 is a circuit diagram showing an example of a relative rotation angle and rotation angle measurement device
  • the rotation sensor 10 includes a first rotor 11, a fixed core 12, a second rotor 13, and a relative rotation angle measuring device 14.
  • the driven shaft rotates relative to the driven shaft within a range of ⁇ 8 °.
  • the first rotor 11 is made of an electrically insulating thermoplastic synthetic resin such as nylon, polypropylene (PP), polyphenylene sulfide (PPS), or ABS resin, and is made of Ni—Zn or Mn—Zn. It is formed into a cylindrical shape by an insulating magnetic material in which a soft magnetic material powder made of ferrite is mixed at a content of 10 to 70% by volume, and is attached to a predetermined position in the axial direction of the rotating main shaft. As shown in Fig. 1, the first opening 11 is arranged on the outer periphery in two stages in the direction of the rotation axis A rt, and at a predetermined interval in the circumferential direction, for example, the center angle is alternately shifted vertically. A plurality of copper foils 11a are provided at intervals of 30 °.
  • the copper foil 11a may be disposed on at least one of the outer circumferences divided into upper and lower stages in the direction of the rotation axis Art, and may be provided at predetermined intervals in the circumferential direction. Therefore, the copper foil 11a is provided on the upper or lower side only at a predetermined interval, or is provided on the upper or lower side at a predetermined interval, and is provided on the lower or upper side over the entire circumference. You may.
  • the conductor layer is made of a nonmagnetic conductor, other materials such as aluminum and silver can be used in addition to copper. These conductor layers including the copper foil 11a are formed inside the insulating magnetic material.
  • the material may be embedded in the material, or a material obtained by pressing a thin plate made of such a material may be used.
  • these conductive layers are about 0.1 to 0.5 mm when shielding the high-frequency magnetic field, taking into account the magnetic resistance based on the radial gap between the first rotor 11 and the fixed core 12. Is desirable. Change In theory, the number of the copper foil 11a as the conductor layer increases in theory as the center angle is reduced and the arrangement interval is reduced. For this reason, the rotation sensor 10 increases the amount of change in the total eddy current (in proportion to the number of conductor layers) induced in each copper foil 11a, thereby increasing the relative rotation angle detection sensitivity. The relative rotation angle range that can be measured becomes smaller.
  • the fixed core 12 is arranged with a slight gap of about several millimeters in the radial direction from the first opening 11 and fixed to a fixed member (not shown) located near the steering shaft.
  • the fixed core 12 includes two core bodies 12 a made of the same insulating magnetic material as the first rotor 11, and an excitation coil 12 housed in each core body 12 a. b, and a shielding case (hereinafter simply referred to as “case”) 12 c for accommodating both core bodies 12 a.
  • Each excitation coil 12b is connected to a signal processing circuit (not shown) by a power line 12d (see Fig. 1) extending from the case 12c to the outside, and an alternating current flows from the signal processing circuit.
  • the case 12c is made of a metal such as aluminum, copper, or iron having a shielding property against an alternating magnetic field, and is formed in a ring shape having two recesses 12e for accommodating each core body 12a.
  • the fixed core 12 faces the two core bodies 12 a and the case 12 c containing the excitation coil 12 b with respect to a plane orthogonal to the rotation axis A rt. Place them symmetrically.
  • the two excitation coils 1 2b can be set in the opposite winding direction or in the direction in which the alternating current flows, so that the magnetic circuit formed between May be reversed.
  • the second rotor 13 is made of a synthetic resin having electrical insulation properties and excellent moldability, and is arranged on the outer periphery of the flange 13 a in parallel with the rotation axis Art.
  • the plurality of blades 13 b are arranged uniformly.
  • Each wing plate 13b is formed at an interval corresponding to each copper foil 11a, and a copper foil 13c is provided on the outer surface. Therefore, the copper foil 11a and the copper foil 13c provided in the first rotor 11 at upper and lower two stages at a predetermined interval in the circumferential direction are shown in a state where the first rotor 11 is unfolded as shown in FIG. become that way.
  • the positions of the copper foil 11a and copper foil 13c shown in Fig. 3 are the reference positions for the relative rotation between the first mouth 11 and the second mouth 13; in other words, the relative rotation is zero. Position.
  • the second row 13 is made of a conductor layer with a certain thickness (for example, a 0.2 mm copper layer) on the inner surface of each blade 13 b or the inner surface or inside of a cylindrical body made of insulating material. Foil or a material such as aluminum or silver) may be evenly arranged corresponding to 1 la of copper foil, or the whole may be formed of metal. It is.
  • the second rotor 13 is disposed between the first opening 11 and the fixed core 12, and is attached to the driven shaft that rotates relative to the driving shaft.
  • the first rotor 11 is attached to the driven shaft
  • the second rotor 13 is attached to the driven shaft
  • the fixed core 12 is fixed. It is fixed to members and assembled to the steering system.
  • FIG. 4 is a circuit diagram showing an example of a relative rotation angle measuring device 14 of the rotation sensor.
  • a measuring device 14 constitutes the oscillating means of claim 1, and includes an oscillating circuit 14a for oscillating an oscillating signal and a component for dividing the oscillating signal to output a pulse signal of a specific frequency.
  • the phase shift means of claim 1 and each of the two exciting coils 12 b
  • a phase shifter 14c for shifting the phase of the generated pulse signal, and a shift amount detecting means according to claim 1, wherein the first and second shifts detect each of the detected phase shift amounts.
  • the first and second shift level adjusting units 14 h and 14 i for adjusting the level and the first shift amount difference detecting means according to claim 1 are constituted, and the first and second shift level adjusting units 14 h and 14 i are connected to each other. 2.
  • a first shift amplifier 14j for obtaining a difference between a voltage corresponding to the shift amount and a voltage adjusted from the second shift level adjuster 14i, and a second shift amount difference detecting means according to claim 1.
  • the oscillation circuit 14a outputs a pulse signal of a specific frequency to the phase shift unit 14c via the frequency dividing circuit 14b.
  • the phase shift section 14c is configured such that the first exciting coils 12b and 12 of the present invention are connected in series, and the series-connected capacitor C1, resistor R1 and capacitor C2 are connected to the exciting coil 12b. , 1 2 b in parallel.
  • the exciting coils 12b and 12b are wound around the fixed core 12 and an alternating current is passed through them.
  • a magnetic circuit is formed in cooperation with the first row 11b.
  • the phase shifter 14 c inputs from the frequency divider circuit 14 b connected between the excitation coils 12 b and 12 b according to the magnitude of the eddy current generated in the second port 13 Shifts the phase of the pulse signal.
  • the first and second shift amount detectors 14 d and 14 e are provided with respective excitation coils 1 2 b is connected to one end.
  • the first shift amount detector 14d calculates the amount of phase shift of the pulse signal between points A and B
  • the second shift amount detector 14d calculates the amount of phase shift between points A and C. , The phase shift amount of the pulse signal is detected.
  • the first and second comparators 14f and 14g convert the detected phase shift amounts into corresponding voltage values S1 and S2.
  • the change in the total area of shielding magnetic flux by the plurality of copper foils 11a and the plurality of copper foils 13c is as shown in FIG.
  • the gradient is reversed as shown in Fig. 5 because the upper excitation coil 12b and the lower excitation coil 12b are reversed.
  • the shift level adjusters 14 h and 14 i adjust the shift levels of the voltage level signals S 1 and S 2 output from the converters 14 i and 14 g to adjust the shift levels of the first and second differential amplifiers 14.
  • Output to j, 14k The first differential amplifier 14 j obtains the difference Tl between the voltage level signal S 1 from the comparator 14 f and the output signal from the shift level adjuster 14 i, and outputs the difference Tl to the relative rotation angle measuring unit 14 m. I do.
  • the second differential amplifier 14k calculates the difference T2 between the voltage level signal S2 from the comparator 14g and the output signal from the shift level adjuster 14h to obtain the relative rotation angle. Output to measuring section 14m. At this time, since the gradients of the voltage level signal S1 and the voltage level signal S2 are opposite, the gradient of the difference T1 and the difference T2 is twice the gradient of the voltage level signals S1 and S2, respectively.
  • the relative rotation angle measurement unit 14m measures the relative rotation angle of the two rows with high precision in the range of 18 ° to 18 ° based on the voltage values of these signals Tl and ⁇ 2. I do. Therefore, based on the relative rotation angle, the rotation sensor 10 operates based on the relationship between the previously determined torque acting between the drive shaft and the driven shaft and the relative rotation angle between the two shafts. You can find the torque you are working on.
  • the relative rotation angle between the mouth and the mouth in the range of 18 ° to + 8 ° is obtained based on the voltage value of the signal Tl and ⁇ 2.
  • the present invention is not limited to this.
  • the relative rotation angle can be obtained based on one of the voltage values of the signals Tl and ⁇ 2.
  • the rotation sensor 10 is configured such that, with respect to the plane orthogonal to the rotation axis A r U, the two core bodies 12 a and the case 12 c that house the excitation coil 12 b Are arranged in plane symmetry. For this reason, when measuring the relative rotation angle by the relative rotation angle measuring device 14, the rotation sensor 10 detects the fluctuation of the environmental temperature generated in the two excitation coils 12 b, the electromagnetic noise, and the oscillation frequency of the oscillation circuit. Disturbances such as fluctuations, power supply voltage, and assembly errors are canceled.
  • the two exciting coils 12b can be set in the opposite direction to each other by setting the winding direction to the opposite direction or by passing the alternating current in the opposite direction. The direction may be reversed.
  • the rotation sensor 10 does not include the influence of the disturbance in the signal Tl, ⁇ 2, even if various disturbances occur, the detection accuracy does not fluctuate much, and the relative rotation angle, and therefore the torque, can be accurately determined. Can be detected.
  • the driving shaft and the driven shaft Figures 6 to 9 show the rotation sensor that detects the rotation angle between It will be described based on the following.
  • the rotation sensor 20 includes a mouth 21, a fixed core 22, and a rotation angle measuring device 23.
  • Rho 21 is attached to a steering shaft, and is formed into a cylindrical shape from the same insulating magnetic material as the first rotor 11 of the rotation sensor 10.
  • Rho 21 has a copper foil 21a provided in a range of a central angle of 180 degrees on the upper side as viewed in the direction of the rotation axis Art and all around the lower side.
  • the copper foil 21a may be provided at least in the range of the central angle of 180 degrees when viewed in the rotation direction. This is the same for the copper foil 31 g of the rotation sensor 30.
  • a conductor layer for example, a material such as aluminum or silver can be used in place of the copper foil 21a as in the case of the rotary sensor 10, and these conductors including the copper foil 21a can be used.
  • the layer may be embedded in the insulating magnetic material, or a thin plate made of such a material may be pressed.
  • the fixed core 22 is arranged outside the rotor 21 with a slight gap of about several mm in the radial direction, and is fixed to a fixed member (not shown) located near the steering shaft.
  • the fixed cores 22 are provided with two core bodies 2 2a arranged at a predetermined interval in the direction of the rotation axis A rt and an excitation coil 2 housed in each core body 2 2a. 2 b and a shielding case (hereinafter simply referred to as “case”) 22 c for accommodating both core bodies 22 a.
  • Each excitation coil 22b is connected to a signal processing circuit (not shown) by an electric wire (not shown) extending from the case 22c to the outside, and an alternating current flows from the signal processing circuit.
  • a copper foil 22 d is provided on the inner periphery of the core body 22 a and the excitation coil 22 b located at the upper side in a range of a central angle of 180 degrees as shown in FIG. 6. . Therefore, the rotor 21 The copper foil 21 a provided and the copper foil 22 d provided on the fixed core 22 are shown in FIG. 7 when the copper foils 21 a and 22 d are shown in an expanded state.
  • the rotation sensor 20 sets a state in which the copper foil 21a and the copper foil 22d are overlapped with each other within the range of the central angle 9 Q degrees as the position where the rotation angle of the rotor 21 is zero. Since the lower side of the copper foil 21 a is provided over the entire circumference, when the roll 21 rotates, the area where the copper foil 21 a and the copper foil 22 d overlap is the copper foil 21 a In the upper part of the copper foil 21a, it fluctuates in proportion to the rotation angle, but does not fluctuate in the lower part of the copper foil 21a. Thus, the impedance of the upper excitation coil 22b fluctuates due to the rotation of the mouthpiece 21, but the impedance of the lower excitation coil 22b does not fluctuate due to the rotation of the mouthpiece 21.
  • the copper foil 22 d may be provided on the upper side and similarly provided on the lower side with a phase shift of 180 ° of the central angle. The same applies to the copper foil 32 k in the rotation sensor 30 described below.
  • the case 22c is made of a metal such as aluminum, copper, or iron having an AC magnetic field shielding property, and is formed in a ring shape having two recesses 22e for accommodating each core body 22a.
  • the fixed core 22 couples the two core bodies 22 a and the case 22 c accommodating the exciting coil 12 b with respect to a plane perpendicular to the rotation axis A rt. Place them in plane symmetry.
  • the winding directions of the two exciting coils 2 2 b to be reversed or by reversing the direction in which the alternating current flows, the direction of the magnetic circuit formed between the two exciting coils 2 2 b and the rotor 21 is reversed. You may.
  • the rotor 21 is attached to the steering shaft, and the fixed core 22 is fixed to the fixed member, and is assembled to the steering device.
  • FIG. 8 is a circuit diagram showing an example of the rotation angle measuring device 23 of the rotation sensor.
  • a measuring device 23 constitutes the oscillating means of claim 2 according to the present invention, and an oscillating circuit 23 a for oscillating an oscillating signal, and outputs a pulse signal of a specific frequency by dividing the oscillating signal
  • a frequency divider circuit 23b, a phase shifter 23c that constitutes the phase shift means of claim 2 and shifts the phase of the oscillation signal generated in each of the two exciting coils, and a shift amount according to claim 2.
  • a first and a second shift amount detecting section for detecting each of the detected phase shift amounts; and converting the detected shift amounts to corresponding voltage values.
  • the difference detection means is composed of a voltage corresponding to the shift amount from the first comparator 23 f and a voltage corresponding to the shift amount.
  • a differential amplifier for obtaining a difference from the adjusted voltage from the shift level adjuster, a differential amplifier for digitally converting the difference, and a rotation angle measuring unit according to claim 2.
  • a rotation angle measuring unit 23k for measuring the rotation angle of the mouth 21 based on the detected difference.
  • the oscillation circuit 23a outputs a pulse signal of a specific frequency to the phase shift unit 23c via the frequency dividing circuit 23.
  • the phase shift unit 23c is configured by connecting the exciting coils 22b and 22b in series, and connecting the capacitor C3, the resistor R2 and the capacitor C4 connected in series to the exciting coils 22b and 22b in parallel. Be composed.
  • the exciting coils 22 b and 22 b are wound around a fixed core, and an alternating current is passed therethrough.
  • the exciting coils 22 b and 22 b form a magnetic circuit in cooperation with the terminal 21.
  • the phase shifter 23c is connected between the exciting coils 22b and 22b according to the magnitude of the eddy current generated in the rotor 21.
  • the phase of the pulse signal input from the succeeding frequency dividing circuit 23 b is shifted.
  • the first and second shift amount detectors 23d and 23e are respectively connected to one end of each excitation coil 22b, and the first shift amount detector 23d is connected between the points A and B.
  • the second shift amount detector 23d detects the phase shift amount of the pulse signal between the points A and C, respectively.
  • the first and second comparators 23 3 and 23g convert the shift amounts detected as described above into corresponding voltage values S 1 and S 2.
  • the voltage value S 1 fluctuates with the rotation of the mouth 21, but the voltage value S 2 does not fluctuate.
  • the shift level adjuster 23h adjusts the shift level of the voltage value S2 of the pulse signal input from the comparator 23g and outputs it to the differential amplifier 23i.
  • the differential amplifier 23 i calculates the difference between the voltage value S 1 of the pulse signal from the comparator 23 and the voltage value S 2 of the pulse signal from the shift level adjuster 23 h to obtain a signal T. 1 (voltage value) is output to the rotation angle measurement unit 23 k via the A / D converter 23 j.
  • the rotation angle measurement unit 23k can measure the rotation angle of the rotor with high accuracy in the range of 190 ° to + 90 ° based on the voltage value of the signal T1. Therefore, the rotation angle of the steering shaft can be obtained based on the rotation angle.
  • the value is 190 based on the voltage value of the signal T1.
  • the rotation angle of the rotor in the range of up to 90 ° was obtained.
  • the present invention is not limited to this.
  • a shift level adjusting unit for adjusting the shift level of the voltage value of the pulse signal from the comparator 23 f is separately provided, and the voltage value from the shift level adjusting unit is different from the shift level adjusting unit.
  • FIG. 10 shows an embodiment of a rotation sensor capable of detecting the torque and the rotation angle by integrating the respective rotation sensors for detecting the relative rotation angle and the rotation angle of the steering shaft. This will be described with reference to FIG.
  • the rotation sensor 30 includes a first rotor 31, a fixed core 32, a second port 33, and an angle measuring device 34.
  • the first opening 31 is attached to a driven shaft Sdvn of the steering shaft, and has two shaft portions 3lb and 31c having different radii on a base 31a.
  • the shaft portion 31b is provided with a plurality of first copper foils 31e outside the first insulating magnetic material layer 31d.
  • the plurality of first copper foils 31e are arranged in two stages in the direction of the rotation axis Art, similarly to the first mouth 11 of the rotation sensor 10, and at predetermined intervals in the circumferential direction, for example, up and down. 6 sheets are provided at a central angle of 30 ° at alternately shifted positions.
  • the shaft portion 31c is formed radially outside the shaft portion 31b, and the second copper foil 31g is provided outside the shaft portion 31b via the second insulating magnetic material layer 31 #.
  • the second copper foil 31 g is provided in a lower central angle range of 180 and in the entire upper periphery as viewed in the direction of the rotation axis Art.
  • the second copper foil 31 g only needs to be provided in a range of a central angle of 180 degrees on at least one of the upper and lower outer peripheries as viewed in the rotation axis direction.
  • the first and second insulating magnetic material layers 3 Id and 31 f are formed in a cylindrical shape from the same material as the first row 11 of the rotation sensor 10.
  • a conductor layer for example, a material such as aluminum or silver can be used in place of the first copper foil 31e or the second copper foil 31g, similarly to the rotation sensor 10.
  • These conductor layers, including the first copper foil 31 e and the second copper foil 31 g, are It may be embedded in the part, or a thin plate made of such a material may be pressed.
  • the fixed core 32 is arranged with a slight gap of about several mm in the radial direction from the first row 31 and fixed to a fixed member (not shown) located near the steering shaft.
  • the fixed core 32 includes two first core bodies 32 a, first excitation coils 32 b accommodated in each first core body 32 a, and two second cores.
  • the first core body 3 2a is
  • the copper foil 3 2 has a central angle of 180 degrees in the inner periphery of the second core body 32 c and the second exciting coil 32 d arranged on the lower side. k is provided.
  • each of the first and second excitation coils 32b and 32d is connected to a signal processing circuit (not shown) by an electric wire (not shown) extending from the case 32e to the outside. Alternating current is flowing from the circuit.
  • the case 32e is made of a metal such as aluminum, copper, or iron having a shielding property against an alternating magnetic field, and is formed of a recess 32f for accommodating the first and second core bodies 32a, 32c.
  • Each of the first core bodies 32a is disposed on the inner peripheral side of each of the second core bodies 32c.
  • the fixed core 32 has two first and second core bodies 32 a and 32 c and a case 32 e with respect to a plane perpendicular to the rotation axis A rt. Are arranged in plane symmetry. Further, the first and second exciting coils 32b and 32d, respectively, have their winding directions set in the opposite direction or the direction in which the alternating current flows is reversed, so that the first opening and closing coils are turned off. 3 1st 1st and 2nd The direction of the magnetic circuit formed between the insulating magnetic material layers 31 d and 31 ⁇ is reversed.
  • the fixed core 32 has a printed circuit board 32h on which various electric components are mounted, and a synthetic resin lid 32j is placed on the upper and lower sides. .
  • the second row 33 is made of a synthetic resin having electrical insulation properties and excellent moldability, and as shown in FIG. 10, a cylindrical base 33 a attached to the driving shaft Sdv i
  • Six blades 33 b parallel to the rotation axis A rt are uniformly arranged on the outer periphery of the blade.
  • Each of the blades 33 b is formed at an interval corresponding to each of the first copper foils 31 e of the first rotor 31, and a copper foil 33 c is provided on the outer surface.
  • the second row 33 is composed of a conductor layer of a certain thickness (for example, a copper foil of 0.2 mm, on the inner surface of each blade 33 b or on the inner surface or inside of a cylindrical body made of insulating material.
  • a material such as aluminum or silver may be evenly arranged in correspondence with the first copper foil 31e.
  • the angle measurement device 34 includes a relative rotation angle measurement device 35 and a rotation angle measurement device 36, which are each a relative rotation angle measurement device 1 of the rotation sensor 10. 4 and the same as the rotation angle measuring device 23 of the rotation sensor 20. Therefore, in FIG. 11, the same components as those of the relative rotation angle measuring device 14 and the rotation angle measuring device 23 are denoted by the corresponding reference numerals, and detailed description thereof will be omitted.
  • the rotation sensor 30 configured as described above includes the first rotor 31 on the driven shaft Sdvn of the steering shaft, and the second port 33 on the driven shaft Sdvi, respectively.
  • the rotation sensors 10, 20, 30 of each of the above-described embodiments are used to Although the description has been given of the case where the present invention is used in a ringing device, it can be used in any device that obtains a relative rotation angle, a rotation angle, and a torque between rotating shafts rotating with each other, such as a robot arm. .
  • the rotation sensor 20 has a rotation angle of 190 to 90 degrees as a detection range, but if an absolute rotation position sensor is provided, the detection range is extended to 180 to 180 degrees. be able to.
  • the first rotor 11 is used as the driving shaft of the steering shaft
  • the second rotor 13 is used as the driven shaft
  • the first rotor 31 is used as the driving shaft.
  • the second shaft, 33 was attached to the driven shaft Sdvvn and the driven shaft Sdvn, respectively.
  • the first core body 32 a is positioned radially inward of the second core body 32 c. Although it is arranged, it may be arranged outside on the contrary.
  • the two core bodies that house the excitation coils may be integrated.
  • variation detecting means has been described as an example in which the phase shift amount of the oscillation signal is detected.
  • the present invention is not limited to this.
  • the variation of the effective value of the signal, the variation of the amplitude value of the signal, May detect fluctuations c Industrial applicability
  • a rotation sensor capable of detecting a relative rotation angle and a rotation angle accurately with little variation in detection accuracy even when various disturbances are present. be able to.

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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。
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