(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
シャフトの軸線方向所定位置に固定される第１のロータと、前記第１のロータに隣接して前記シャフトに固定される第２のロータと、前記第１のロータの周囲に配設され、前記第１のロータと協働して磁気回路を形成する共振コイルを有する磁性材コアとを備えた相対回転角度検出装置において、
前記第１のロータは、絶縁体からなる磁性材で形成されると共に、前記第１のロータと前記磁性材コア間で非均一磁界を形成し、前記第２のロータは、前記第１のロータの固定されるシャフト位置と前記第２のロータの固定されるシャフト位置との間で相対的な回転角度差が生じたときにこの回転角度差に応じて前記非均一磁界の強さの異なる領域を横切る導体部を備えたことを特徴とする相対回転角度検出装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、軸線方向の異なる位置で相対回転角度のずれを生じるシャフトに取り付けられ、この相対回転角度差を検出する検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
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を検出するために相対回転角度検出装置が使用される場合がある。この相対回転角度検出装置は、主動シャフトと受動シャフトとこれらを連結するトーションジョイントからなるシャフトがトルクに応じて相対的に回転するのを回転角度差として検出する装置である。
【０００３】
より具体的には、図１３に示すように、図示しないハンドルからのトルクが主動シャフト５a及びトーションジョイント５bを介して受動シャフト５cに伝達される。トーションジョイント５bを介することで、トルクの大きさに比例して主動シャフト５aと受動シャフト５cとの間に相対的な回転角度差が生じる。例えば、両シャフトの相対的な回転角度差、即ち回転角度のずれ量は±８度の範囲内で変動する。この両シャフト間の回転角度のずれ量を正確に検出できればシャフト５に作用するトルクに正確に換算することができる。
【０００４】
このような相対回転角度検出装置の一例として、図１３に示す検出装置５０が知られている。この検出装置５０は、トーションジョイント５bの近傍に、内部に共振コイル５３cを巻回した固定磁性部材５３を配設し、主動シャフト５aには円筒形状の可動磁性部材５１を固定し、受動シャフト５cには円筒形状の可動磁性部材５２を固定している。又、可動磁性部材５１，５２の互いに対向する端面には図示しない切欠き部が周囲に亘って等間隔に形成されている。この構成によって、両シャフト間に生じた回転角度のずれ量に比例して可動磁性部材５１，５２の端面の互いに近接する部分の面積を変化させ、これによって磁気回路の実効比透磁率を変化させてコイルのインダクタンスを変え、可動磁性部材５１，５２間、即ち両シャフト間の回転角度のずれ量を検出するようになっている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述の装置において共振コイルに交流電流を流すと磁気回路が図１４中の点線で示すように形成される。磁性材の比透磁率がかなり高い場合、この磁気回路における磁気抵抗は図中に示すＧ１，Ｇ２，Ｇ３の３つのギャップの磁気抵抗で決定される。尚、磁気回路の実効比透磁率は磁気回路の総磁気抵抗に逆比例すること及びコイルのインダクタンスＬはその磁気回路の実効比透磁率に比例することから、ギャップＧ１，Ｇ２，Ｇ３が一定でないと、磁気回路の実効比透磁率が変化してしまい、コイルのインダクタンスＬも一定にならなくなることが明らかである。
【０００６】
ここで可動磁性部材５１，５２は円筒形状を有し、固定磁性部材５３も可動磁性部材５１，５２の外径よりも大きい内径を有する円筒形状を有しているので、固定磁性部材５３と可動磁性部材５１，５２との間に空気ギャップが形成される。固定磁性部材５３と可動磁性部材５１，５２の同心度が高いと、固定磁性部材と可動磁性部材間における空気ギャップの間隔は各部材円周方向に亘って常に一定となるが、固定磁性部材５３と可動磁性部材５１，５２の同心度が低いとこの空気ギャップの間隔が円周方向に亘って一定とならなくなる。しかし、空気ギャップの間隔が最小となる地点と円周方向反対側の地点では必ず空気ギャップが最大となるので、全体的に空気ギャップは一定とみなすことができ、従って、ギャップＧ２，Ｇ３のばらつきは磁気回路の実効比透磁率の変化にあまり影響を与えない。
【０００７】
一方、可動磁性部材５１，５２間の間隔が一定しないとギャップＧ１も一定にならず、ギャップＧ１のばらつきは磁気回路の実効比透磁率の変化にかなり影響を与える。従って、ギャップＧ１を正確に管理することが磁気回路の実効比透磁率の不必要な変化を防止する点で重要である。
しかしながら、一般に検出装置５０をシャフト５に後付けする場合、組立精度等の関係からギャップＧ１を正確に管理しながら組み付けることが難しい。従って、検出装置５０をシャフト５に予め組み付けた状態でこれらをシャフトごと被取付物に取り付けることが実際上要求され、組付けコストがかかると共に組付け工程に制約を受けるという問題が生じる。又、シャフト５のトーションジョイント５bが熱膨張や熱収縮を起こすと、ギャップＧ１もこれに応じて変化してしまい、磁気回路の実効比透磁率がロータの相対回転に関係なく不必要に変化してしまう問題もある。
【０００８】
一方、特公昭６３−４５５２８号公報には、その公報第８図に示すように、円筒形状からなる２つの導電性部材の長手方向所定位置に切欠き部を形成せしめ、導電性部材の取り付けられたシャフトが相対的に回転することで磁界を横切る導電性部材の面積を変化させて導電性部材に渦電流を発生させ、これによってコイルのインダクタンスを変化させてシャフト相対回転角度のずれ量を検出する構成が開示されている。
【０００９】
かかる構成によると、２つの導電性部材の相対的な位置変化によって磁界を横切る導電性部材の面積を変化させているので、シャフト回転角度のずれ量を正確に検出するためには、両シャフトの回転角度のずれ量と導電性部材に生じる渦電流の大きさを比例させる必要がある。構造上、導電体部材が磁界を横切る面積はそのずれ量に比例しているが、必要なのは両導電体部材の横切る磁界の強さを一定にすることである。しかし、コイルから生じる磁界は円周方向上ほぼ均一に分布しているが、回転軸方向上あるいはコイルの半径方向上の磁界分布は非均一である。従って、リニア特性に富んだセンシングを確保するためには、２つの導電性部材が互いに隙間なく重なり合うように組み付けられる必要があり、シャフト回転角度の検出特性を向上させるために依然として組み付け精度を厳密に要求される問題がある。
【００１０】
本発明の目的は、組み付け精度を要求されることなくシャフトに検出装置を容易に組み付けることができ、且つ検出特性に優れた相対回転角度検出装置を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上述の目的を達成するために、本発明に係る相対回転角度検出装置は、シャフトの軸線方向所定位置に固定される第１のロータと、第１のロータに隣接してシャフトに固定される第２のロータと、第１のロータの周囲に配設され、第１のロータと協働して磁気回路を形成する共振コイルを有する磁性材コアとを備え、第１のロータは、絶縁体からなる磁性材で形成されると共に、第１のロータと磁性材コア間で非均一磁界を形成し、第２のロータは、第１のロータの固定されるシャフト位置と第２のロータの固定されるシャフト位置との間で相対的な回転角度差が生じたときにこの回転角度差に応じて非均一磁界の強さの異なる領域を横切る導体部を備えたことを特徴としている。
【００１２】
第１のロータとこの周囲に配設された磁性材コアとで形成される非均一磁界の強さの異なる領域を第２のロータの導体部が横切る面積が第１のロータの固定されるシャフト位置と第２のロータの固定されるシャフト位置とで生じる相対的な回転角度差に応じて変化することに基づき相対回転角度差の検出を行うので、第１のロータと第２のロータとのシャフト軸線方向の取り付け位置精度を厳密に要求されることなく、シャフトの相対回転角度検出を行うことができる。
【００１３】
又、第１のロータは絶縁体からなる磁性材で形成されているので、第１のロータには渦電流が発生することがない。その為、シャフトの相対回転角度差と第２のロータの導体部が非均一磁界の強さの異なる領域を横切ることで発生する渦電流の大きさが比例し、検出出力のリニア特性が優れる。従って、第１のロータと第２のロータとの半径方向のギャップについても厳密に管理する必要がなく、シャフトへの検出装置の組み付け性が向上する。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の第１の実施形態に係る相対回転角度検出装置について説明する。
本発明の第１の実施形態に係る相対回転角度検出装置１０は、図１及び図２に示すように、第１のロータ１１、第２のロータ１２、及び磁性材コア１３（図１にのみ図示）から構成され、主動シャフト５aと受動シャフト５cとこれらを連結しトルクに応じてねじれが増大するトーションジョイント５bからなるシャフト５に取り付けられるものである。
【００１５】
第１のロータ１１は有底円筒形状を有し、接着剤やネジ等の締結具で受動シャフト５cに固定されるようになっている。第２のロータ１２も第１のロータ１１の外径よりも大きい内径を備えた有底円筒形状を有し、接着剤やネジ等の締結具で主動シャフト５aに固定されている。又、第２のロータ１２の周囲には磁性材コア１３が図示しない非磁性材ブラケットを介して回転しない構造物に固定されている。
【００１６】
従って、第２のロータ１２の周縁部は第１のロータ１１と磁性材コア１３との間に形成されたリング状ギャップの中に位置している。
第１のロータ１１は、例えば、ナイロン、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ＡＢＳ樹脂等の絶縁成型材に、例えば、Ｎi-Ｚn、Ｍn-Ｚn系の軟質磁性粉末を一定の比率で混合した軟質磁性部材からなり、熱可塑性を有し、コストが安く且つ耐振性に優れている。又、第１のロータ１１の外周部には、斜視図で示す図２及び展開状態で示す図５から明らかなように円周方向に６つの切欠き１１aが等間隔で形成されると共に各切欠き間に６つの歯１１bが等間隔で形成されている。このような構成を採ることで、図３に示すように、磁性材コア１３と第１のロータの歯１１bとの間で磁束密度の大きい領域Ａが形成され、磁性材コア１３と第１のロータの切欠き１１aとの間で磁束密度の小さい領域Ｂが形成される。即ち、第１のロータ１１と磁性材コア１３との間では非均一磁界が形成されることになる。尚、第１のロータ１１が固定された受動シャフト５cが回転すると、この非均一磁界もこれに応じて回転する。
【００１７】
磁性材コア１３は、上述した第１のロータ１１と同様の軟質磁性部材からなる円筒体の内周面側に第１のロータ１１と協働して磁気回路を形成する共振コイル１３cが巻回された構成を有している。
第２のロータ１２は、例えばアルミニウム等の導電性部材でできており全体が導体部を形成している。又、その外周部には斜視図で示す図２及び外周部を展開状態で示した図５から明らかなように第１のロータ１１と同様の６つの切欠き１２aが等間隔で形成されると共に各切欠き間に６つの歯１２bが等間隔で形成されている。
【００１８】
従って、図５(a)及び図６(a)に示すように、第１のロータの歯１１bと第２のロータの歯１２bが完全に対向し合う状態では第２のロータ１２が磁性材コア１３と第１のロータの歯１１bとの間で形成された磁気回路を横切る磁界領域の磁束密度は最も強くなり、従って、第２のロータ１２に発生する渦電流も最も大きくなる。
【００１９】
又、図５(b)及び図６(b)に示すように、第１のロータの歯１１bと第２のロータの歯１２bが一部対向し合う状態では第２のロータ１２が前記磁気回路を横切る磁界領域の磁束密度は中程度となり、従って、第２のロータ１２に発生する渦電流も中程度となる。
更に、図５(c)及び図６(c)に示すように、第１のロータの歯１１bと第２のロータの歯１２bが全く対向し合わない状態では第２のロータ１２が前記磁気回路を横切る磁界領域の磁束密度は最も弱くなり、従って、第２のロータ１２に発生する渦電流も最も小さくなる。
【００２０】
主動シャフト５aと受動シャフト５cとが相対的に回転することで、第１のロータの歯１１bと第２のロータの歯１２bが図５(a)（図６(a)）乃至図５(c)（図６(c)）の順に互い違いにずれていく。これに応じて上述のように導体部である第２のロータ１２に発生する渦電流の大きさが周期的に変化する。この渦電流の変化に伴うコイルインピーダンスの変化を利用して第１のロータ１１と第２のロータ１２の相対的な回転角度差、ひいては受動シャフト５cと主動シャフト５aとの相対的な回転角度差を容易に検出することができる。
【００２１】
具体的には、共振コイル１３cは、図７に示すように、発振回路を経てｆ／Ｖ変換されるように電気的に接続され、コイルのＬとコンデンサ（図１には図示せず）のＣとから求まる共振周波数ｆ0＝１／（２π（ＬＣ）1/2）を求めるようになっている。第１のロータ１１と第２のロータ１２との相対的な回転によって上述のように第２のロータ１２に発生する渦電流の大きさが変化し、これによってコイル１３cのコイルインピーダンスが変化し、共振回路の共振周波数ｆ0が変わる。信号処理回路によってこのｆ0を検出することで、第１のロータ１１（受動シャフト５c）と第２のロータ１２（主動シャフト５a）の相対的な回転角度差を測定することができる。
【００２２】
以上説明したように、本発明に係る相対回転角度検出装置１０の構造によると、図１４に示す従来の相対回転角度検出装置５０のように、軟質磁性部材間のシャフト軸線方向のギャップＧ１が形成されなくて済む。又、第１のロータ１１は絶縁体からなる磁性材で形成されているので、第１のロータ１１と第２のロータ１２の相対的な取付位置精度を厳密に要求しなくても、第１のロータ１１と第２のロータ１２との相対的な回転角度差と第２のロータ１２の導体部が非均一磁界の強さの異なる領域を横切る面積の変化量とが常に比例関係になり、検出出力のリニア特性が優れる。
【００２３】
より詳細には、本発明に係る相対回転角度検出装置１０において、軟磁性部材は第１のロータ１１と磁性材コア１３のみなので、両者の同心度を厳密に維持することなく両者を取り付け、第１のロータ１１の外周面と磁性材コア１３の内周面とのギャップが不均一になっても、円周方向全体に亘っては磁気抵抗の差が相殺され、結果として、両者の同心度を厳密に維持して取り付けた場合の磁気抵抗の総和とほぼ一致する。即ち、ギャップがリング状に形成されているので、シャフトとコイル間の同心度の変動、回転中心軸線の振れなどの影響を受けることなく磁気抵抗の総和が一定になり、検出誤差も小さく抑えられる。
【００２４】
又、第１のロータ11は絶縁体からなる磁性材で形成されているので、第１のロータ11には渦電流が発生することがない。その為、シャフト5の相対回転角度差と第２のロータ12の導体部が非均一磁界の強さの異なる領域を横切ることで発生する渦電流の大きさが比例し、検出出力のリニア特性が優れる。即ち、コイル１３cのインピーダンスに影響を与える渦電流を第２のロータ１２のみに発生させているので、検出装置の感度・リニア性を向上させることができる。
【００２５】
従って、リニア特性に優れた相対回転角度検出を行うに当たって、ロータ間のギャップを数μオーダーまで要求することなく、数mmオーダーまで許容することができる。その為、例えば、大量生産を要求される自動車のステアリング装置に本発明に係る相対回転角度検出装置を組み付ける場合、上述のようにロータ間のギャップを数mmオーダーまで許容することにより組み付けコストの低減に大きく貢献する。又、自動車のアセンブリラインにおいても相対回転角度検出装置を組み付けることが可能になり、組み付け工程の制約を受けなくてすむ。
【００２６】
又、絶縁性を有する磁性材で第１のロータ１１と磁性材コア１３とを製造しているので、製造コストを低減させることができる。
尚、上述の実施形態において、図４に示すように、磁性材コア１３の軸線方向全長ＬA、第１のロータ１１の軸線方向全長ＬB、第２のロータ１２の軸線方向全長ＬCとの間に、ＬB＞ＬA、ＬC ＞ＬAの寸法関係を有するのが好ましい。これによって、第１のロータ１１、第２のロータ１２、及び磁性材コア１３の軸線方向の取り付け位置精度をより緩やかにし、検出装置の組み付けをより行い易くすることができる。
【００２７】
第１の実施形態の場合、円周上の歯の数が多い程、同様の検出出力が繰り返し得られるので、検出可能な相対回転角度差の範囲が狭くなるが検出感度が高くなる。具体的には、第１の実施形態の場合、６つの歯と６つの切欠きは均一な大きさを有し、夫々、３６０度の１／１２（３０度）の角度範囲を占める。従って、検出可能な相対回転角度の最大ずれ量は±１５度である。即ち、２つのロータの相対的な回転において３０度回転する毎に同様の検出出力が繰り返し得られる。
【００２８】
従って、第１の実施形態の相対回転角度検出装置１０は、シャフト５の相対回転角度のずれ量が例えば±８度と小さいが相対回転角度のずれ量を精度良く検出する必要がある場合、一例として、シャフト５のトルク検出等に好適に利用される。
尚、上述の実施形態と異なり、アルミニウム等の導体のみで第２のロータ１２を形成する代わりに、図８に示すように、成型可能な樹脂材１５aの一部にアルミニウム等の導体１５bを付着させて第２のロータ１５を形成しても良い。第２のロータの導体部１５bがシャフト５の相対的な回転に応じて第１のロータ１１と磁性材コア１３とで形成された磁界を徐々に横切るようにすれば、上述の実施形態の回転角度検出装置１０と同様にシャフト５の回転角度のずれ量を精度良く検出することができる。
【００２９】
続いて、本発明の第２の実施形態に係る回転角度検出装置を説明する。
尚、第１の実施形態に係る回転角度検出装置１０と同等の構成については、対応する符号を付して詳細な説明を省略する。
第２の実施形態に係る回転角度検出装置２０は、図９に示すように、第１の実施形態に係る回転角度検出装置１０と同様に、主動シャフト５aと受動シャフト５cとトーションジョイント５bからなるシャフト５に取り付けられるものであり、受動シャフト５cには上述した絶縁性の軟磁性部材からなる第１のロータ２１が固定され、主動シャフト５aには、全体がアルミニウム等の導電体でできており、第１のロータ２１の外径よりも大きい内径を有する第２のロータ２２が固定されている。又、第１のロータ２１の周囲には磁性材コア（図９には図示せず）２３が配設されている。
【００３０】
磁性材コア２３は第１の実施形態の磁性材コア１３と同様の構成を有するが、第１のロータ２１と第２のロータ２２が、第１の実施形態における形状のように周囲に夫々６つの歯と切欠きを有する代わりに、半円弧状の連続した切欠き２１a，２２aと歯２１b，２２bとを夫々有している点で構成が異なっている。
このような構成を有することで、図１０に示すように第１のロータ２１の端面視半円弧状の歯２１bと磁性材コア２３との間Ｃが磁束密度の大きい領域となり、第１のロータ２１の端面視半円弧状の切欠き２１aと磁性材コア２３との間Ｄが磁束密度の小さい領域となる。その結果、円周方向に亘って非均一磁界が形成されることになる。
【００３１】
又、この非均一磁界の強さの異なる領域を横切る第２のロータ２２の導体部も図９に示した通り端面視半円弧状の歯２２bを有しているので、シャフト５の相対的な回転角度のずれ量と第２のロータ２２の導体部に発生する渦電流の大きさとの間には広範囲に亘って比例関係を有するようになる。
第２の実施形態の場合、２つのロータ２１，２２の相対回転角度を連続的に測定することができるので、例えば、自動車のハンドルの操舵角度検出に好適に利用される。
【００３２】
具体的には、３６０度の範囲に亘って相対回転角度のずれを検出するために、２つのロータ２１，２２の歯を上述のように端面視半円弧状に形成し、図１１及び図１２に示すように、シャフト５の相対回転回転角度のずれ量に応じて第１のロータ２１と磁性材コア２３とで形成された磁気回路を第２のロータの歯２２bが徐々に横切って、磁気回路を横切る第２のロータ２２の面積変化量に比例して渦電流を発生させ、これに比例してコイルインピーダンスを変化させ、リニア特性に優れた広範囲に亘る回転角度のずれ量を検出でき、シャフト５の操舵角度を正確に検出するのを可能にする。
【００３３】
尚、シャフト相対回転の回転角度方向を判別する必要がある場合、絶対位置センサを検出装置に付加的に設ければ良い。例えば、市販されているフォトセンサを第１のロータ又は第２のロータの適当な位置に取り付け、相対回転角度が０度乃至１８０度でフォトセンサの出力がオン、相対回転角度が１８０度乃至３６０度でフォトセンサの出力がオフにするようにすれば、シャフトの相対的な回転角度方向も同時に判別することができる。
【００３４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る相対回転角度検出装置は、第１のロータとこの周囲に配設された磁性材コアとで形成される磁気回路を第２のロータの導体部が横切る面積が第１のロータの固定されるシャフト位置と第２のロータの固定されるシャフト位置とで生じる相対的な回転角度差に応じて変化することに基づき相対回転角度差の検出を行うので、第１のロータと第２のロータとのシャフト軸線方向の取り付け位置精度を厳密に要求されることなく、シャフトの相対回転角度検出を行うことができる。
【００３５】
又、第１のロータは絶縁体からなる磁性材で形成されているので、第１のロータには渦電流が発生することがない。その為、シャフトの相対回転角度差と第２のロータの導体部が非均一磁界の強さの異なる領域を横切ることで発生する渦電流の大きさが比例し、検出出力のリニア特性が優れる。従って、第１のロータと第２のロータとの半径方向のギャップについても厳密に管理する必要がなく、シャフトへの検出装置の組み付け性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る相対回転角度検出装置１０をシャフト５に取り付けられた状態で概略的に示す断面図である。
【図２】図１の相対回転角度検出装置１０を、磁性材コア１３を除いて概略的に示す斜視図である。
【図３】図１の相対回転角度検出装置１０における磁束密度の大小を端面視で示す図である。
【図４】図１の相対回転角度検出装置１０において形成される磁気回路を示す部分的断面図である。
【図５】図１の相対回転角度検出装置１０における第１のロータ１１と第２のロータ１２の外周部を展開状態で示す図である。
【図６】図３の第１のロータ１１と第２のロータ１２が相対的に回転した状態と磁束密度の関係を端面視で示す図である。
【図７】図１のコイル１３cと信号処理回路との接続関係を示す回路ブロック図である。
【図８】図１の相対回転角度検出装置１０の変形例を示す部分的断面図である。
【図９】本発明の第２の実施形態に係る相対回転角度検出装置２０を、磁性材コア２３を除いて概略的に示す斜視図である。
【図１０】図９の相対回転角度検出装置２０を端面視で示す図である。
【図１１】図９の第１のロータ２１と第２のロータ２２が相対的に回転した状態と磁束密度の関係を端面視で示す図である。
【図１２】図９の第１のロータ２１と第２のロータ２２が相対的に回転した状態と磁束密度の関係を端面視で示す図１１とは別の図である。
【図１３】従来の相対回転角度検出装置５０を示す概略断面図である。
【図１４】従来の相対回転角度検出装置５０に形成される磁気回路を示す部分的断面図である。
【符号の説明】
５a   主動シャフト
５b   トーションジョイント
５c   受動シャフト
１１    第１のロータ
１１a   切欠き
１１b   歯
１２    第２のロータ
１２a   切欠き
１２b   歯
１３    磁性材コア
１３c   コイル
２１    第１のロータ
２１a   切欠き
２１b   歯
２２    第２のロータ
２２a   切欠き
２２b   歯
２３    磁性材コア
２３c   コイル
【図１】
0004252676.tif 000002
【図２】
0004252676.tif 000003
【図３】
0004252676.tif 000004
【図４】
0004252676.tif 000005
【図５】
0004252676.tif 000006
【図６】
0004252676.tif 000007
【図７】
0004252676.tif 000008
【図８】
0004252676.tif 000009
【図９】
0004252676.tif 000010
【図１０】
0004252676.tif 000011
【図１１】
0004252676.tif 000012
【図１２】
0004252676.tif 000013
【図１３】
0004252676.tif 000014
【図１４】
0004252676.tif 000015