(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
（Ｉ）絶縁磁性材から筒状に成形され、上下２段に配置される第１の導体層を有し、回転する第１のシャフトの軸線方向所定位置に取り付けられる第１のロータと、
（II）固定部材に固定され、前記第１のシャフトの軸線方向に間隔を置いて配置される２つの励磁コイルをそれぞれ収容する上下二つのコア本体１２ａを有する固定コアと、
（III）前記第１の導体層と対応する非磁性金属体を有し、前記第１のロ−タに隣接し、前記第１のシャフトに対して相対回転する第２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のロータと
（IV）前記各励磁コイルと接続され、特定周波数の発振信号を発振する発振手段とを備えた回転センサにおいて、
（Ｖ）前記第１のロータは、その回転軸方向から前記２つの励磁コイルをそれぞれ挟むように、前記第１のロータの周方向に亘って前記第１の導体層の上下及び中間に配置された第２の導体層（１１ｂ、１１ｃ）を有し、該第2の導体層は、上部のコア本体１２ａと上に配置された第２の導体層１１ｂとの前記回転軸方向に沿った距離Ｌ１，上部のコア本体１２ａと中間に配置された第２の導体層１１ｃとの前記回転軸方向に沿った距離Ｌ２，下部のコア本体１２ａと中間に配置された第２の導体層１１ｃとの前記回転軸方向に沿った距離Ｌ３，下部のコア本体１２ａと下に配置された第２の導体層１１ｂとの前記回転軸方向に沿った距離Ｌ４が、Ｌ１＝Ｌ３，Ｌ２＝Ｌ４と成るように設けると共に、前記各第１の導体層１１ａの前記回転軸方向の長さが、前記各コア本体１２ａの前記回転軸方向の長さより短く設けら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】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回転センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
絶縁磁性材層と導体とを有する回転体（ロータ）と、励磁コイルを有する固定体とを備えた回転センサとして、例えば、トーションジョイントを介して相対回転する二本の回転軸が連結された自動車のハンドルシャフトにおける回転トルクを検出し、ステアリング装置の円滑な電子制御に利用する回転センサが知られている。
【０００３】
この回転センサは、前記ハンドルシャフトの車輪側の回転軸と連動し、磁性体と非磁性金属体とを周方向に等間隔に交互に配置した第１ロータと、前記ハンドルシャフトのハンドル側の回転軸と連動し、非磁性金属体を周方向に等間隔で切り欠いて形成される第２ロータとにおいて、両ロータの相対回転位置によって変化する磁界を横切る導電性金属体の面積に応じて生ずる渦電流により、前記固定体の励磁コイルに発生する実効インダクタンスを変化させ、前記両回転軸間の相対回転ずれの角度を回転トルクとして検出している。
【０００４】
上記回転センサにおいては、温度変化を含む外乱の影響を抑えて検出精度を高めるため、２つのコイルを用いると共に、第１ロータの磁性体と非磁性金属体とを更に回転軸方向に沿って２段に配置している。このような目的から２つのコイルは、同一にする必要があり、コイルを構成する電線の直径、電線の巻数、コイルを保持するコア及びボビンの大きさ等が全く同一に設定される。
【０００５】
そして、この回転センサでは、２つのコイルがセンシングに際して互いに影響を及ぼすことがないように、回転軸方向にコイル１つ分の間隔をおいて配置される。また、回転センサは、回転軸方向に沿った前記第１及び第２のロータの長さを、回転軸方向に沿ったコイルの長さよりも数ｍｍ程度長く設定することで、回転軸に沿った上下振動の影響を回避している。回転トルクの検出に際しては、この回転センサは、２つのコイルの出力の差を取ることで外乱の影響を相殺し、最終の出力信号としている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記回転センサは、自動車に使用する場合には、自動車の軽量化や小型化のニーズから小型化が求められている。このとき、回転センサは、２つのコイルを回転軸方向に接近させて配置することが考えられる。しかし、このようにすると、回転センサは、走行に伴う上下振動によって２段に配置した第１ロータの磁性体と非磁性金属体との境界部分で２つのコイルのそれぞれに発生するインダクタンスが変化してしまう。このため、回転センサは、２つのコイルの出力の差を取った最終の出力信号が大きく出現し、トーションジョイントを介して連結されたハンドルシャフトの回転トルクを誤検出する結果、ステアリング装置の円滑な電子制御が難しくなってしまう。
【０００７】
例えば、図６に示す回転センサ１のように、第１ロータ２、第２ロータ３及び固定体４を配置し、磁性体からなるコア４ａ，４ｂに保持されるコイル４ｃ、４ｄを接近させて配置したとする。第１ロータ２は、絶縁磁性材からなる筒体２ａの外周に複数の銅箔２ｂが上下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°間隔で設けられている。また、第２ロータ３は、複数の銅箔２ｂと対応する非磁性の金属歯３ａが周方向に間隔で形成されている。
【０００８】
このとき、第１ロータ２が、上下振動によって少しでも下に動くと、上側のコイル４ｃでは磁束のシールド量が増加してインダクタンスが減少し、下側のコイル４ｄでは磁束のシールド量が減少してインダクタンスが増加する。この結果、両コイル４ｃ，４ｄの出力の差を取った最終出力が大きくなってしまう。具体的には、例えば、第１ロータ２が0.１ｍｍ下方へ移動すると、１００ｍＶ程度、ハンドルシャフトの相対回転角度に換算すると0.４度で、左右方向への相対回転角度が±８度、即ち、全範囲で１６度相対回転するハンドルシャフトの場合には2.５％程度相対回転角度、従って回転トルクを誤検出してしまう。
【０００９】
このため、ステアリング装置を円滑に電子制御するためには、ロータが回転軸方向に±0.２ｍｍ振動しても、全体の出力変動が0.５％以内に抑えられる回転センサが望まれている。
また、第２ロータ３を除外した図７に示すように、第１ロータ２の回転軸方向に沿った長さを短くすると、回転センサ１は、第１ロータ２の外側に漏れるコイル４ｃ，４ｄからの磁束ＭFの量が振動によって変化し、出力信号が変動してしまう。このため、回転センサ１は、コイル４ｃ，４ｄに発生するインダクタンスの変動方向が同じにならないと、外乱の影響を相殺できなくなる。
【００１０】
本発明は上記の点に鑑みてなされたもので、２つの励磁コイルの配置間隔を小さくして小型化、軽量化が可能であると共に、振動に強く、外乱の影響を除いて高い検出性能を発揮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。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明においては上記目的を達成するため、
（Ｉ）絶縁磁性材から筒状に成形され、上下２段に配置される第1の導体層を有し、回転する第１のシャフトの軸線方向所定位置に取り付けられる第１のロータと、
（II）固定部材に固定され、前記第１のシャフトの軸線方向に間隔を置いて配置される２つの励磁コイルをそれぞれ収容する上下二つのコア本体１２ａを有する固定コアと、
（III）前記第１の導体層と対応する非磁性金属体を有し、前記第１のロ−タに隣接し、前記第１のシャフトに対して相対回転する第２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のロータと
（IV）前記各励磁コイルと接続され、特定周波数の発振信号を発振する発振手段とを備えた回転センサにおいて、
（Ｖ）前記第１のロータは、その回転軸方向から前記２つの励磁コイルをそれぞれ挟むように、前記第１のロータの周方向に亘って前記第１の導体層の上下及び中間に配置された第２の導体層（１１ｂ、１１ｃ）を有し、該第2の導体層は、上部のコア本体１２ａと上に配置された第２の導体層１１ｂとの前記回転軸方向に沿った距離Ｌ１，上部のコア本体１２ａと中間に配置された第２の導体層１１ｃとの前記回転軸方向に沿った距離Ｌ２，下部のコア本体１２ａと中間に配置された第２の導体層１１ｃとの前記回転軸方向に沿った距離Ｌ３，下部のコア本体１２ａと下に配置された第２の導体層１１ｂとの前記回転軸方向に沿った距離Ｌ４が、Ｌ１＝Ｌ３，Ｌ２＝Ｌ４と成るように設けると共に、前記各第１の導体層１１ａの前記回転軸方向の長さが、前記各コア本体１２ａの前記回転軸方向の長さより短く設けられていることを特徴としている。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の回転センサに係る一実施形態として、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回転トルクを検出する２重コイル方式の回転センサを図１乃至図５に基づいて説明する。
【００１３】
回転センサ１０は、図１及び図３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、軟磁性材の含有量が１０〜７０体積％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方向に上下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°間隔で第１の導体層となる複数の銅箔１１ａが設けられている。
【００１４】
また、第１ロータ１１は、複数の銅箔１１ａの上下及び中間に第２の導体層となるアルミニウム等の補助導体１１ｂ，１１ｃがそれぞれ周方向に亘って配置されている。複数の補助導体１１ｂ，１１ｃは、図２に示すように、各補助導体１１ｂと各コア１２ａとの回転軸Ａrt方向に沿った距離Ｌ1〜Ｌ4が、Ｌ1＝Ｌ3，Ｌ2＝Ｌ4となるように設ける。例えば、コイル１２ｂの内径が４０ｍｍ、回転軸Ａrt方向に沿った高さが約５ｍｍ、後述する金属ケース１２ｃの厚さが１ｍｍ、コア１２ａの内周端面に露出した部分の厚さが１ｍｍ、コア１２ａ間の金属ケース１２ｃの厚みを0.５ｍｍに減少させたときには、距離Ｌ1＝Ｌ2＝Ｌ3＝Ｌ4＝0.５ｍｍとする。
【００１５】
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で設けたり、上側あるいは下側に所定間隔で設けると共に、下側あるいは上側に全周に亘って設けてもよい。また、導体層であれば、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い。
【００１６】
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を収容する金属製の遮蔽ケース（以下、単に「ケース」という）１２ｃとを有している。２つの励磁コイル１２ｂは、第１ロータ１１の銅箔１１ａの上下方向の配置間隔に対応させて回転軸Ａrt方向の配置間隔が小さく設定され、これにより回転センサ１０の小型化、軽量化が図られている。また、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。
【００１７】
また、固定コア１２は、上側のコア本体１２ａ及び励磁コイル１２ｂと下側のコア本体１２ａ及び励磁コイル１２ｂとの間の回転軸Ａrtに直交する面に関し、図２に示すようにケース１２ｃを面対称に形成し、上側のコア本体１２ａ及び励磁コイル１２ｂと下側のコア本体１２ａ及び励磁コイル１２ｂとが前記面に関して面対称に配置されるようにする。更に、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する。
【００１８】
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。
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。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。
【００１９】
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３及び図４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３は、回転センサ１０における相対回転角度を測定する測定装置１４の一例を示す回路図である。
【００２０】
測定装置１４は、本発明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、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、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、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の差動アンプ１４ｊと、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の差動アンプ１４ｋと、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とを有している。
【００２１】
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に出力している。
位相シフト部１４ｃは、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構成される。励磁コイル１２ｂ，１２ｂは、固定コアに巻回されて交流電流が流され、第１のロータ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のロータ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から入力されるパルス信号の位相をシフトする。
【００２２】
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、第１のシフト量検出部１４ｄはＡ点とＢ点とのパルス信号の位相ずれ量を検出し、第２のシフト量検出部１４ｄはＡ点とＣ点とのパルス信号の位相ずれ量を検出することによって、位相シフト量を検出する。
第１及び第２のコンバータ１４ｆ，１４ｇは、図４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に変換し、シフトレベル調整部１４ｈ，１４ｉは、コンバータ１４ｆ，１４ｇから入力するパルス信号の電圧値Ｓ1，Ｓ2のシフトレベルを調整し、第１及び第２の差動アンプ１４ｊ，１４ｋに出力している。第１の差動アンプ１４ｊは、コンバータ１４ｆからのパルス信号の電圧値Ｓ1とシフトレベル調整部１４ｉからのパルス信号の電圧値Ｓ2の差分を求め、元の信号の２倍の出力レベルからなる信号Ｔ1（電圧値）を相対回転角度測定部１４ｍに出力する。また、差動アンプ１４ｋは、コンバータ１４ｇから入力するパルス信号の電圧値Ｓ2とシフトレベル調整部１４ｈからのパルス信号の電圧値Ｓ1の差分を求め、元の信号の２倍の出力レベルからなる信号Ｔ2（電圧値）を相対回転角度測定部１４ｍに出力する。
【００２３】
相対回転角度測定部１４ｍは、図３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できる。
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回転トルクと、両シャフト間の相対回転角度との関係に基づき、作用している回転トルクを求めることができる。
【００２４】
また、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、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。このため、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、相対回転角度や回転トルクを正確に検出することができる。
【００２５】
本発明の回転センサ１０は、上記のように第１ロータ１１に複数の補助導体１１ｂ，１１ｃが設けられている。このため、回転センサ１０においては、第１ロータ１１の外側に漏れる各コイル１２ｂからの磁束ＭFが、図２に示すように内側へ引き寄せられ、図７と比較して明らかなように、外側へ出る磁束ＭFの量が減少する。従って、回転センサ１０は、磁束ＭFの量が振動によって変化せず、出力信号が変動することが抑えられると共に、感度も向上し、高い検出性能を発揮することができる。また、振動によって第１ロータ１１が上下方向に動いても、距離Ｌ1，Ｌ2，Ｌ3，Ｌ4の範囲内において各励磁コイル１２ｂとの位置関係が全く同一となり、各励磁コイル１２ｂに生ずる信号の変化量と方向が一致するため、最終の出力に何も影響を及ぼすことがない。
【００２６】
ここで、本発明の回転センサは、両ロータ１１，１３の相対回転位置によって変化する磁界を横切る銅箔１３ｃの面積に応じて生ずる渦電流により、固定コア１２の励磁コイル１２ｂに発生する実効インダクタンスを変化させ、前記主動シャフトと従動シャフト間の相対回転ずれの角度を回転トルクとして検出できれば、次のように構成してもよい。
【００２７】
即ち、回転センサ２０は、図５に示すように、第１ロータ２１、固定コア２２及び第２ロータ２３と、図３に示す相対回転角度測定装置１４を備えている。
ここで、回転センサ２０は、相対回転角度測定装置１４によって回転センサ１０と同様にして相対回転角度や回転トルクを検出する。また、固定コア２２は、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、図１の固定コア１２と構成が同一であるので、図５及び以下の説明においては、対応する構成要素に対応する符号を使用することで重複した説明を省略する。
【００２８】
第１ロータ２１は、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２１は、第１ロータ１１と同じ素材からなる絶縁磁性材によって円筒状に成形され、図５に示すように、外周に第１の導体層となる銅箔２１ａが上下に中心角１８０°ずらして半周に亘って上下２段に配置されている。また、第１ロータ２１は、上下２段の銅箔２１ａの上下及び中間に第２の導体層となるアルミニウム等の補助導体２１ｂ，１１ｃがそれぞれ周方向に亘って配置されている。複数の補助導体２１ｂ，２１ｃは、第１ロータ１１と同様の寸法で設けられる。
【００２９】
第２ロータ２３は、第１ロータ２１と固定コア２２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。第２ロータ２３は、第２ロータ１３と同じ素材によってフランジ２３ａの外周に回転軸Ａrtと並行する羽板２３ｂが半周に亘って形成されている。羽板２３ｂは、銅箔２１ａと対応に対応する形状に形成され、外表面には銅箔２３ｃが設けられている。
【００３０】
ここで、第２ロータ２３は、第２ロータ１３と同様に、各羽板２３ｂ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２１ａに対応させて配置してもよい。
【００３１】
【発明の効果】
請求項１の発明によれば、２つの励磁コイルの配置間隔を小さくして小型化、軽量化が可能であると共に、振動に強く、外乱の影響を除いて高い検出性能を発揮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】本発明の回転センサの一実施形態を示す分解斜視図である。
【図２】図１の回転センサを直径方向に沿って切断し、第１ロータと固定部材の左半側とを示した断面図である。
【図３】図１の回転センサにおける相対回転角度を測定する測定装置の一例を示す回路図である。
【図４】図３に回路図を示した相対回転角度の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である。
【図５】本発明の回転センサの他の実施形態を示す分解斜視図である。
【図６】従来の回転センサにおける第１のロータ，第２のロータ及び固定体の配置と複数の導体層の配置を示す一部断面正面図である。
【図７】図６の回転センサから第２のロータを除外し、振動による出力信号の変動を説明する一部断面正面図である。
【符号の説明】
１０              回転センサ
１１              第１ロータ
１１ａ            銅箔（第１の導体層）
１１ｂ，１１ｃ    補助導体（第２の導体層）
１２              固定コア
１２ｃ            金属ケース
１２ｆ            突起
１２ｇ            空気層（非磁性の絶縁層）
１３              第２ロータ
１４              相対回転角度の測定装置
２０              回転センサ
２１              第１ロータ
２１ａ            銅箔（第１の導体層）
２１ｂ，２１ｃ    補助導体（第２の導体層）
２２              固定コア
２２ａ            コア本体
２２ｂ            励磁コイル
２３              第２ロータ
２３ｃ            銅箔（非磁性金属体）
ＭF               磁束
【図１】
0004219597.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
0004219597.tif 000005
【図５】
0004219597.tif 000006
【図６】
0004219597.tif 000007
【図７】
0004219597.tif 000008