(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
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のロータ、
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の回転シャフトの他方のシャフトに取り付けられ、前記第１のロータ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のロータ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。
【請求項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。
【請求項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１０〜７０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。
【請求項４】
前記熱可塑性合成樹脂が、ナイロン，ポリプロピレン，ポリフェニレンスルフィド，ＡＢＳ樹脂のいずれかである、請求項３の回転センサ。
【請求項５】
前記軟磁性材が、Ｎｉ−Ｚｎ系やＭｎ−Ｚｎ系のフェライトである、請求項３の回転センサ。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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１８０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、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１８０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。
【請求項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。
【請求項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１０〜７０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。
【請求項１１】
前記熱可塑性合成樹脂が、ナイロン，ポリプロピレン，ポリフェニレンスルフィド，ＡＢＳ樹脂のいずれかである、請求項１０の回転センサ。
【請求項１２】
前記軟磁性材が、Ｎｉ−Ｚｎ系やＭｎ−Ｚｎ系のフェライトである、請求項１０の回転センサ。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項１５】
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。
【請求項１６】
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徴とする回転センサ。
【発明の詳細な説明】
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１２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３ａを有する金属ロータ３を所定のギャップをおいて配置し、例えば、自動車のステア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３ａが周方向に等間隔に配置され、両ロータ２，３の相対回転によって金属歯３ａが、前記交流磁界を横切ると、金属歯３ａ内に渦電流が生ずる。この渦電流の大きさは、両ロータ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ーダンスが変動する。
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、両ロータ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のロータ、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の回転シャフトの他方のシャフトに取り付けられ、前記第１のロータ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のロータ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１８０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、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１８０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。
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１１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（トーションバー）を介して主動シャフトから従動シャフトへ伝達されるステアリングシャフトのトルクを検出する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１０は、図１及び図２に示すように、第１ロータ１１、固定コア１２、第２ロータ１３及び相対回転角度測定装置１４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１１は、ナイロン，ポリプロピレン（ＰＰ），ポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ），ＡＢＳ樹脂等の電気絶縁性を有する熱可塑性合成樹脂に、Ｎｉ−ＺｎやＭｎ−Ｚｎ系のフェライトからなる軟磁性材粉を１０〜７０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トの軸線方向所定位置に取り付けられる。第１ロータ１１は、図１に示すように、外周に回転軸Ａｒｔ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３０°間隔で複数の銅箔１１ａが設けられている。
ここで、銅箔１１ａは、回転軸Ａｒｔ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１１ａ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って設けてもよい。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１１ａ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１１と固定コア１２との半径方向のギャップに基づく磁気抵抗を考慮すると、０．１〜０．５ｍｍ程度の厚さが望ましい。更に、銅箔１１ａ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１０は、各銅箔１１ａ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）が大きくなって、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１２は、第１ロータ１１と半径方向に数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１２は、図２に示すように、第１ロータ１１と同一の絶縁磁性材からなる２つのコア本体１２ａと、各コア本体１２ａ内に収容される励磁コイル１２ｂと、両コア本体１２ａを収容する遮蔽ケース（以下、単に「ケース」という）１２ｃとを有している。各励磁コイル１２ｂは、ケース１２ｃから外部へ延出させた電線１２ｄ（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１２ｃ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１２ａを収容する２つの凹部１２ｅを有するリング状に形成されている。
このとき、固定コア１２は、回転軸Ａｒｔに直交する面に関して、図２に示すように、励磁コイル１２ｂを収容した２つのコア本体１２ａ及びケース１２ｃを面対称に配置する。また、２つの励磁コイル１２ｂ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ロータ１１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１３は、電気絶縁性を有し、成型性に優れた合成樹脂によって、図１に示すように、フランジ１３ａの外周に回転軸Ａｒｔと並行する複数の羽板１３ｂを均等に配置して形成されている。各羽板１３ｂは、それぞれ各銅箔１１ａに対応する間隔で形成され、外表面には銅箔１３ｃが設けられている。従って、第１ロータ１１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１１ａと銅箔１３ｃは、第１ロータ１１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１１ａと銅箔１３ｃの位置が、第１ロータ１１と第２ロータ１３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ロータ１３は、各羽板１３ｂ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０．２ｍｍの銅箔，或いはアルミニウム，銀等の素材のもの）を銅箔１１ａ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１３は、第１ロータ１１と固定コア１２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トに取り付けられる。
以上のように構成される回転センサ１０は、第１ロータ１１を前記主動シャフトに、第２ロータ１３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１２を前記固定部材に固定してステアリング装置に組み付けられる。
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１４の一例を示す回路図である。図４において、測定装置１４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１４ａ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１４ｂ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１２ｂにそれぞれ生じる前記パルス信号の位相をシフトする位相シフト部１４ｃ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１４ｄ，１４ｅ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のコンバータ１４ｆ，１４ｇ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１４ｈ，１４ｉ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のコンバータ１４ｆ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１４ｉ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１４ｊ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１４ｈからの調整された電圧と第２のコンバータ１４ｇ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１４ｋ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１４ｍとを有して構成される。
発振回路１４ａは、分周回路１４ｂを介して特定周波数のパルス信号を位相シフト部１４ｃに出力する。
位相シフト部１４ｃは、本発明の第１の励磁コイル１２ｂ，１２ｂが直列接続され、かつ直列接続されたコンデンサＣ１、抵抗Ｒ１及びコンデンサＣ２が励磁コイル１２ｂ，１２ｂと並列に接続されている。励磁コイル１２ｂ，１２ｂは、固定コア１２に巻回されて交流電流が流され、第１ロータ１１と協働して磁気回路を形成している。位相シフト部１４ｃは、第２ロータ１３に発生する渦電流の大きさに応じて、励磁コイル１２ｂ，１２ｂ間に接続された分周回路１４ｂ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１４ｄ，１４ｅは、各励磁コイル１２ｂの一端にそれぞれ接続されている。第１のシフト量検出部１４ｄ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１４ｄ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のコンバータ１４ｆ，１４ｇ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Ｓ１，Ｓ２に変換する。このとき、第１ロータ１１と第２ロータ１３とが相対回転すると、複数の銅箔１１ａと複数の銅箔１３ｃ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１２ｂと下側の励磁コイル１２ｂ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１４ｈ，１４ｉは、コンバータ１４ｆ，１４ｇから出力される電圧レベル信号Ｓ１，Ｓ２のシフトレベルを調整して、第１及び第２差動アンプ１４ｊ，１４ｋに出力する。第１差動アンプ１４ｊは、コンバータ１４ｆからの電圧レベル信号Ｓ１とシフトレベル調整部１４ｉからの出力信号との差分Ｔ１を求め、相対回転角度測定部１４ｍに出力する。また、第２差動アンプ１４ｋは、コンバータ１４ｇからの電圧レベル信号Ｓ２とシフトレベル調整部１４ｈ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１４ｍに出力する。このとき、電圧レベル信号Ｓ１と電圧レベル信号Ｓ２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Ｓ１，Ｓ２の勾配の２倍となる。
相対回転角度測定部１４ｍは、図４に示すように、これら信号Ｔ１，Ｔ２の電圧値に基づき、２つのロータの相対回転角度を−８°〜＋８°の範囲で高精度に測定する。
従って、回転センサ１０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ト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Ｔ１，Ｔ２の電圧値に基づき、−８°〜＋８°の範囲のロータ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Ｔ１，Ｔ２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１０は、図２に示すように、回転軸Ａｒｔに直交する面に関して、励磁コイル１２ｂを収容した２つのコア本体１２ａ及びケース１２ｃを面対称に配置している。このため、回転センサ１０は、相対回転角度測定装置１４による相対回転角度の測定に際し、２つの励磁コイル１２ｂ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１２ｂ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ロータ１１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１０は、信号Ｔ１，Ｔ２には前記外乱の影響が入っていないので、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２０及び回転センサ３０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（トーションバー）を介して軸線方向に隣接配置される主動シャフト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ト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２０は、図６に示すように、ロータ２１、固定コア２２及び回転角度測定装置２３を備えている。
ロータ２１は、ステアリングシャフトに取り付けられ、回転センサ１０の第１ロータ１１と同一の絶縁磁性材から円筒状に成形されている。ロータ２１は、回転軸Ａｒｔ方向に見て上側の中心角１８０度の範囲及び下側全周に銅箔２１ａが設けられている。
ここで、銅箔２１ａは、回転方向に見て少なくとも中心角１８０度の範囲で設けられていればよい。これは、回転センサ３０の銅箔３１ｇでも同様である。また、導体層であれば、銅箔２１ａに代えて、回転センサ１０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２１ａ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２２は、ロータ２１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２２は、図６に示すように、回転軸Ａｒｔ方向に所定間隔をおいて配置される２つのコア本体２２ａと、各コア本体２２ａ内に収容される励磁コイル２２ｂと、両コア本体２２ａを収容する遮蔽ケース（以下、単に「ケース」という）２２ｃとを有している。各励磁コイル２２ｂは、ケース２２ｃ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２２ａ及び励磁コイル２２ｂの内周には、中心角１８０度の範囲に、図６に示すように銅箔２２ｄが設けられている。従って、ロータ２１に設けられる銅箔２１ａと固定コア２２に設けられる銅箔２２ｄは、銅箔２１ａ，２２ｄ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２０は、銅箔２１ａと銅箔２２ｄとを互いに中心角９０度の範囲で重ね合わせた状態を、ロータ２１の回転角度がゼロの位置として設定する。銅箔２１ａの下側は全周に亘って設けられているので、ロール２１が回転すると、銅箔２１ａと銅箔２２ｄとが重なる面積は、銅箔２１ａ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２１ａの下側部分においては変動しない。よって、上側の励磁コイル２２ｂのインピーダンスはロータ２１の回転によって変動するが、下側の励磁コイル２２ｂのインピーダンスはロータ２１の回転によって変動しない。ここで、銅箔２２ｄは、上側に設ける他、下側にも中心角１８０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３０における銅箔３２ｋにおいても同様である。
ケース２２ｃ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２２ａを収容する２つの凹部２２ｅを有するリング状に形成されている。このとき、固定コア２２は、回転軸Ａｒｔに直交する面に関して、図６に示したように、励磁コイル１２ｂを収容した２つのコア本体２２ａ及びケース２２ｃを面対称に配置する。また、２つの励磁コイル２２ｂ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２１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２０は、ロータ２１をステアリングシャフトに取り付け、固定コア２２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２０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２３の一例を示す回路図である。図において、測定装置２３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２３ａ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２３ｂ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２３ｃ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２３ｄ，２３ｅ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のコンバータ２３ｆ，２３ｇと、コンバータ２３ｇ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２３ｈと、請求項２のシフト量差分検出手段を構成し、第１のコンバータ２３ｆからのシフト量に対応する電圧とシフトレベル調整部２３ｈからの調整された電圧との差分を求める差動アンプ２３ｉと、前記差分をデジタル変換するＡ／Ｄコンバータ２３ｊ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ロータ２１の回転角度を測定する回転角度測定部２３ｋとを有して構成される。
発振回路２３ａは、分周回路２３ｂを介して特定周波数のパルス信号を位相シフト部２３ｃに出力する。
位相シフト部２３ｃは、励磁コイル２２ｂ，２２ｂ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２２ｂ，２２ｂと並列に接続されて構成される。励磁コイル２２ｂ，２２ｂは、固定コアに巻回されて交流電流が流され、ロータ２１と協働して磁気回路を形成している。位相シフト部２３ｃは、ロータ２１に発生する渦電流の大きさに応じて、励磁コイル２２ｂ，２２ｂ間に接続された分周回路２３ｂ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２３ｄ，２３ｅは、各励磁コイル２２ｂの一端にそれぞれ接続され、第１のシフト量検出部２３ｄ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２３ｄ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のコンバータ２３ｆ，２３ｇ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Ｓ１，Ｓ２に変換する。このとき、ロータ２１の回転に伴い、電圧値Ｓ１は変動するが、電圧値Ｓ２は変動しない。シフトレベル調整部２３ｈは、コンバータ２３ｇから入力するパルス信号の電圧値Ｓ２のシフトレベルを調整し、差動アンプ２３ｉに出力する。差動アンプ２３ｉは、コンバータ２３ｆからのパルス信号の電圧値Ｓ１とシフトレベル調整部２３ｈからのパルス信号の電圧値Ｓ２との差分を求めて信号Ｔ１（電圧値）を、Ａ／Ｄコンバータ２３ｊを介して回転角度測定部２３ｋに出力する。
回転角度測定部２３ｋは、図９に示すように、信号Ｔ１の電圧値に基づき、ロータの回転角度を−９０°〜＋９０°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Ｔ１の電圧値に基づき、−９０°〜＋９０°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、例えばコンバータ２３ｆ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ト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バータ２３ｇからのパルス信号の電圧値との差分をとった信号と信号Ｔ１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、前記したステアリン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１０及び図１１に基づいて説明する。
回転センサ３０は、図１０に示すように、第１ロータ３１、固定コア３２、第２ロータ３３及び角度測定装置３４を備えている。
第１ロータ３１は、前記ステアリングシャフトの従動シャフトＳｄｖｎに取り付けられ、ベース３１ａに半径の異なる２つの軸部３１ｂ，３１ｃを有している。軸部３１ｂは、第１絶縁磁性材層３１ｄを介してその外側に複数の第１銅箔３１ｅが設けられている。複数の第１銅箔３１ｅは、回転センサ１０の第１ロータ１１と同様に、回転軸Ａｒｔ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３０°間隔で６枚設けられている。一方、軸部３１ｃは、軸部３１ｂの半径方向外側に形成され、第２絶縁磁性材層３１ｆを介してその外側に第２銅箔３１ｇが設けられている。第２銅箔３１ｇは、回転軸Ａｒｔ方向に見て下側の中心角１８０の範囲及び上側全周に設けられている。
ここで、第２銅箔３１ｇ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１８０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３１ｄ，３１ｆは、回転センサ１０の第１ロータ１１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３１ｅや第２銅箔３１ｇに代えて、回転センサ１０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３１ｅや第２銅箔３１ｇ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３２は、第１ロータ３１と半径方向に数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３２は、図１０に示すように、２つの第１コア本体３２ａ、各第１コア本体３２ａ内に収容される第１励磁コイル３２ｂ、２つの第２コア本体３２ｃ、各第２コア本体３２ｃ内に収容される第２励磁コイル３２ｄ及びこれら第１，第２コア本体３２ａ，３２ｃを収容する遮蔽ケース（以下、単に「ケース」という）３２ｅを有している。このとき、第１コア本体３２ａは、第２コア本体３２ｃ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３２ｃ及び第２励磁コイル３２ｄの内周には、図１０に示すように、中心角１８０度の範囲に銅箔３２ｋが設けられている。
このとき、各第１及び第２励磁コイル３２ｂ，３２ｄは、ケース３２ｅ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３２ｅ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３２ａ，３２ｃを収容する凹部３２ｆ，３２ｇ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３２ａは、各第２コア本体３２ｃよりも内周側に配置される。
また、固定コア３２は、回転軸Ａｒｔに直交する面に関して、図１０に示すように、それぞれ２つの第１，第２コア本体３２ａ，３２ｃ及びケース３２ｅ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３２ｂ，３２ｄ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ロータ３１の第１及び第２絶縁磁性材層３１ｄ，３１ｆ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３２は、図１０に示すように、各種電気部品類を搭載したプリント基板３２ｈが載置され、上下には合成樹脂性の蓋３２ｊが被せられている。
第２ロータ３３は、電気絶縁性を有し、成型性に優れた合成樹脂によって、図１０に示すように、主動シャフトＳｄｖｉに取り付けられる円筒状の基部３３ａの外周に回転軸Ａｒｔと並行する６枚の羽板３３ｂを均等に配置して形成されている。各羽板３３ｂは、それぞれ第１ロータ３１の各第１銅箔３１ｅに対応する間隔で形成され、外表面には銅箔３３ｃが設けられている。第２ロータ３３は、各羽板３３ｂ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０．２ｍｍ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３１ｅに対応させて均等に配置してもよい。
角度測定装置３４は、図１１に示すように、相対回転角度測定装置３５と回転角度測定装置３６とを備えており、これらはそれぞれ回転センサ１０の相対回転角度測定装置１４及び回転センサ２０の回転角度測定装置２３と同一である。従って、図１１においては、相対回転角度測定装置１４及び回転角度測定装置２３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３０は、第１ロータ３１を前記ステアリングシャフトの従動シャフトＳｄｖｎに、第２ロータ３３を主動シャフトＳｄｖｉ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１０，２０，３０は、自動車のステアリング装置で使用する場合について説明したが、例えば、ロボットアームのように互いに回転する回転軸間の相対回転角度，回転角度，トルクを求めるものであれば、どのようなものにも使用できる。
また、回転センサ２０は、−９０度〜９０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、−１８０度〜１８０度に検出範囲を広げることができる。
更に、回転センサ１０においては、第１ロータ１１をステアリングシャフトの主動シャフトに、第２ロータ１３を従動シャフトに、回転センサ３０においては、第１ロータ３１をステアリングシャフトの従動シャフトＳｄｖｎに、第２ロータ３３を主動シャフトＳｄｖｉ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３０の固定コア３２においては、第１コア本体３２ａを第２コア本体３２ｃ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。
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。
【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のロータ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Ｓ１，Ｓ２並びに電圧値に関する信号Ｔ１，Ｔ２と第１及び第２のロータ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Ｓ１，Ｓ２並びに電圧値に関する信号Ｔ１とロータの回転角度との関係を示す電圧特性図、図１０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１１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１２は、回転センサの背景技術を説明する断面平面図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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