(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る本体と、周方向に配置される第1の導体層とを有し、第1のシャフトに取り付けられる第1のロータと、
(ii)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、前記第１のロータと半径方向に所定間隔を置いて固定部材に取り付けられる固定コアと、
(iii)前記第１の導体層と対応させて周方向に配置される第2の導体層を有し、前記第１のロータ１１と半径方向に所定間隔をおいて配置され、第2のシャフトに取り付けられる第2のロータと、
(iv)前記励磁コイルに励磁信号を流す発信回路が形成された基板と
を備え、
前記第1及び第2のロータの回転に伴う前記励磁コイルのインダクタンス変動に基づいて、前記両シャフトの回転角度或いは相対回転角度を非接触で検出する回転センサにおいて、
(v)前記基板は前記第２ロータの下面に配置され、前記基板に前記励磁信号から高周波成分を減衰させる減衰手段が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】
シャフトの回転角度或いは相対回転角度を非接触で検出する回転センサ、例えば、相対回転する２本のシャフトがトーションバーを介して連結された自動車のステアリング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（例えば、特公平７−２１４３３号公報参照）。
【０００３】
この種の回転センサは、トーションバーで連結された第１のシャフトに第１のロータを、第２のシャフトに第２のロータを、それぞれ取り付けると共に、第１及び第２のロータを励磁コイルの内側に回転自在に配置し、第１及び第２のシャフトの相対回転を前記コイルのインダクタンスの変化によって検出し、第１のシャフトと第２のシャフトとの間に作用するトルクを検出するものである。
【０００４】
【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、自動車等の移動体等に使用する場合には、車載機器類との間における電磁波の影響を防ぐため、電磁環境適合性(EMC: electro-magnetic compatibility)に関する厳しい規格が設けられている。具体的には、電磁波を回転センサの外部へ出さない電磁干渉(EMI: electro-magnetic interference)、外来電磁波に対する電磁感受性(EMS: electro-magnetic susceptibility)の２つの規格がある。
【０００５】
このとき、上記回転センサは、電気回路の基板部分の電磁環境適合性に対しては、上記規格を満たすための種々の手段があり、例えば、基板部分を遮蔽板で覆うことで対処できる。しかし、回転センサは、第１及び第２のロータをステアリングシャフトに取り付けて使用するため、全体を遮蔽板で覆ってシールドすることが難しい。特に、前記励磁コイルは、発振回路から出力される方形のパルスで励磁される。このため、上記回転センサでは、波形の立ち上がりが鋭く、この部分に含まれる高周波成分が外部へ漏れないようにする必要がある。
【０００６】
この場合、回転センサは、前記励磁コイルを励磁するパルスをサイン波形にすれば外部の漏れを防止することができる。しかし、サイン波形のパルスを作り出す回路が複雑となって、回転センサが大型化すると共に、高価格になってしまう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、電磁環境適合性に関する規格を、小型、かつ、安価にクリア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。
【０００７】
【発明の属する技術分野】
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る本体と、周方向に配置される第1の導体層とを有し、第1のシャフトに取り付けられる第1のロータと、
(ii)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、前記第１のロータと半径方向に所定間隔を置いて固定部材に取り付けられる固定コアと、
(iii)前記第１の導体層と対応させて周方向に配置される第2の導体層を有し、前記第１のロータ１１と半径方向に所定間隔をおいて配置され、第2のシャフトに取り付けられる第2のロータと、
(iv)前記励磁コイルに励磁信号を流す発信回路が形成された基板と
を備え、
前記第1及び第2のロータの回転に伴う前記励磁コイルのインダクタンス変動に基づいて、前記両シャフトの回転角度或いは相対回転角度を非接触で検出する回転センサにおいて、
(v)前記基板は前記第２ロータの下面に配置され、前記基板に前記励磁信号から高周波成手段が設けられている構成としたのである。
【０００８】
【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回転センサを図１乃至図８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及び回路基板１４を備え、トーションバーＢtrによって連結されて相対回転する第１シャフトＳF1と第２シャフトＳF2（図２参照）の相対回転角度を検出する。このとき、両シャフトＳF1，ＳF2は、±８°の範囲内で相対回転する。
【０００９】
第１ロータ１１は、図２に示すように、回転する第１シャフトＳF1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、円筒状に成形される本体１１ａの上部に半径方向外方へ延出するフランジ１１ｂが合成樹脂によって一体に形成され、本体１１ａの外周に絶縁磁性部材１１ｃが取り付けられると共に、絶縁磁性部材１１ｃの表面に周方向に沿って所定間隔、例えば、中心角３０°間隔で複数の銅箔１１ｄが中心角３０°で貼付されている。絶縁磁性部材１１ｃ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質磁性材粉を、１０〜７０体積％の含有量で混合したものから成形される。
【００１０】
但し、銅箔１１ｄは、第１の導体層であるが、絶縁磁性部材１１ｃの表面ではなく、内部に設けても良い。また、非磁性導電体からなる導体層であれば、銅箔１１ｄに代えて、例えば、アルミニウム，銀等の素材からなる導体を使用することができる。更に、導体層は、理論上、中心角を小さくして配置間隔を小さくする程、前記第１の導体層あるいは後述する第２の導体層の数が多くなり、銅箔１１ｄ内に誘起されるトータル渦電流の変化量（第１の導体層あるいは第２の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、測定できる角度範囲が小さくなる。本実施形態の回転センサ１０は、前記のように複数の銅箔１１ｄを中心角３０°間隔で配置したので、測定可能な最大角度範囲は約３０°である。
【００１１】
固定コア１２は、第１ロータ１１と半径方向に間隔を置いて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、絶縁磁性材からなるコア本体１２ａと、第１ロータ１１と協働して磁気回路を形成する励磁コイル１２ｂとを有している。コア本体１２ａは、絶縁磁性部材１１ｃと同じ素材からなる。励磁コイル１２ｂは、外部へ延出させた図示しない電線（図示せず）によって回路基板１４の発振回路１４ａ（図３参照）と接続され、発振回路１４ａから交流電流が流されている。
【００１２】
第２ロータ１３は、図１に示すように、リング状の本体１３ａに第２の導体層となる複数の金属歯１３ｂがリング状に均等に配置されている。各金属歯１３ｂは、それぞれ各銅箔１１ｄに対応する中心角３０°の間隔で配置されている。第２ロータ１３は、例えば、銅，銅合金，アルミニウム，アルミニウム合金よりなり、図１に示すように、複数の金属歯１３ｂは銅箔１１ｄ同様リング状に均等に配置され、各銅箔１１ｄに対応して設けられている。第２ロータ１３は、次のように構成することもできる。即ち、絶縁材で製作された筒状の表面あるいは内部に非磁性導電体からなる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１１ｄと同数、銅箔１１ｄに対応させてリング状に均等に配置する。第２ロータ１３は、第１ロータ１１に隣接し、第１シャフトＳF1に対して相対回転する第２シャフトＳF2（図２参照）に取り付けられ、複数の金属歯１３ｂは、図２に示すように、第１ロータ１１と固定コア１２との間に配置される。
【００１３】
回路基板１４は、図１及び図２に示すように、第２ロータ１３の下面に配置される。回路基板１４は、図３に示すように、発振回路１４ａ、減衰手段１４ｂ、位相検出回路１４ｃ、コンバータ１４ｄ及び増幅回路１４ｅが形成され、減衰手段１４ｂと位相検出回路１４ｃとの間に励磁コイル１２ｂが接続されている。
発振回路１４ａは、発振信号を発振して励磁コイル１２ｂを励磁させる。このとき、励磁コイル１２ｂのインピーダンスが変動すると、コンデンサＣ1両端における電圧信号の位相が変化する。コンデンサＣ1両端の電圧信号は、位相検出回路１４ｃへ出力される。
【００１４】
減衰手段１４ｂは、励磁コイル１２ｂで励磁される励磁信号から高周波成分を減衰させる。このような減衰手段１４ｂとしては、例えば、図５（ａ）に示すコンデンサＣ2や、図５（ｂ）に示すフェライトビーズＢfを使用することができる。
位相検出回路１４ｃは、コンデンサＣ1両端の電圧信号の位相シフト量を検出する。
【００１５】
コンバータ１４ｄは、検出された前記位相シフト量に対応する電圧値に変換すると共に、信号電圧レベルを調整し、増幅回路１４ｅに出力する。
増幅回路１４ｅは、コンバータ１４ｄから出力された信号電圧レベルを増幅する。このようにして増幅された信号（電圧値）は相対回転角度測定部に出力され、２つのロータ１１，１３の相対回転角度が−８°〜＋８°の範囲で高精度に測定される。
【００１６】
従って、回転センサ１０は、この相対回転角度に基づき、予め求めてある第１シャフトＳF1と第２シャフトＳF2との間に作用する回転トルクと、そのときの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。
以上のように構成される回転センサ１０は、第１ロータ１１を第１シャフトＳF1に、第２ロータ１３を第２シャフトＳF2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組み立てられる。
【００１７】
そして、組み立てられた回転センサ１０においては、励磁コイル１２ｂを流れる交流電流による磁束が、図４に示す磁気回路ＰMGに沿って流れる。これにより、第１ロータ１１の複数の銅箔１１ｄを交流磁界が横切るため、銅箔１１ｄ内に渦電流が誘起される。このとき、渦電流によって誘起される交流磁界の方向は、励磁コイル１２ｂを流れる交流電流による交流磁界の方向と逆になる。結果として、複数の銅箔１１ｄが存在する上記ギャップ部分の空間におけるコイルの交流励磁電流による磁束と上記渦電流による磁束の方向は逆となるため、トータル磁束密度がが小さくなり、反対に複数の銅箔１１ｄが存在しない上記ギャップ部分の空間におけるコイルの交流励磁電流による磁束の方向は同じとなるため、トータル磁束密度が大きくなる。
【００１８】
このため、回転センサ１０においては、第１ロータ１１と固定コア１２との間に形成されるギャップＧ内に、銅箔１１ｄが存在し、磁束密度が小さい領域と、銅箔１１ｄが存在せず、磁束密度が大きい領域が周方向に沿って交互に形成される。この結果、回転センサ１０は、第１ロータ１１と固定コア１２との間のギャップＧ内に、間隔が中心角を６０°とする不均一な磁界が周方向に形成される。
【００１９】
従って、第１ロータ１１が第１シャフトＳF1と共に第２ロータ１３に対して相対回転すると、前記不均一な磁界も第１ロータ１１と共に周方向に沿って回転する。このため、ギャップＧ内では、中心角６０°間隔で周方向に形成された金属歯１３ｂがこの不均一な磁界を横切る。その際、第１ロータ１１と第２ロータ１３との相対回転によって金属歯１３ｂが磁束密度が小さい領域に位置する面積と、磁束密度が大きい領域に位置する面積の割合が変化し、横切るトータル磁束の量が変化するので、金属歯１３ｂに生ずる渦電流の大きさが変化する。金属歯１３ｂに生じるこの渦電流の大きさの変化に伴い、励磁コイル１２ｂのインピーダンスも変化する。
【００２０】
従って、回転センサ１０においては、第１ロータ１１と第２ロータ１３との相対回転角度によって励磁コイル１２ｂのインピーダンスが変動する。そこで、回転センサ１０は、励磁コイル１２ｂが接続された回路基板１４において公知の方法で前記インピーダンスを測定すれば、第１ロータ１１と第２ロータ１３との相対回転角度を簡単に検出することができる。
【００２１】
このとき、回路基板１４は、図３に示すように、励磁信号から高周波成分を減衰させる減衰手段１４ｂが設けられている。このため、回転センサ１０においては、発振回路１４ａが、高周波成分を含む特定周波数のパルス信号を出力しても、含まれる高周波成分が減衰手段１４ｂで減衰され、外部へ漏れることがない。
ここで、減衰手段１４ｂとして図５（ｂ）に示すフェライトビーズＢfを使用した回転センサ１０と、回路基板１４に減衰手段１４ｂを設けない回転センサとを用意し、第１ロータ１１と第２ロータ１３とを相対回転させた際の電磁波放射レベルを測定したところ、それぞれ図６及び図７に示す結果が得られた。図６及び図７において、横軸は周波数（ＭＨｚ）、縦軸は放射レベル（ｄＢμＶ）である。
【００２２】
図６及び図７から明らかなように、回転センサ１０は、回路基板１４に減衰手段１４ｂを設けることにより、電磁波放射レベルの高周波成分が大幅に減衰されることが分かる。
しかも、回転センサ１０は、回路基板１４にコンデンサＣ2やフェライトビーズＢfからなる減衰手段１４ｂを設けるため、大型化することがなく、減衰手段１４ｂは、非常に構造が簡単で安価なため、安価に電磁環境適合性に関する規格をクリアすることができる。
【００２３】
一方、本発明の回転センサは、以下のように構成しても第１及び第２のロータの回転に伴う励磁コイルのインダクタンス変動に基づいて、シャフトＳF1，ＳF2の回転角度或いは相対回転角度を非接触で検出することができる。
ここで、以下に説明する回転センサは、第１ロータ及び第２ロータの構成が回転センサ１０と若干異なるだけで、固定コア及び回路基板は回転センサ１０と構成が同一である。従って、以下の説明並びに説明で使用する図面においては、回転センサ２０は、固定コア１２と回路基板１４については同一の符号を用いることで重複した説明を省略し、第１ロータと第２ロータについて説明する。
【００２４】
回転センサ２０は、図８に示すように、第１ロータ２１、固定コア１２、第２ロータ２３及び回路基板１４を備え、トーションバーＢtrによって連結されて相対回転する第１シャフトＳF1と第２シャフトＳF2（図２参照）の相対回転角度を検出する。
第１ロータ２１は、回転する第１シャフトＳF1の軸線方向所定位置に取り付けられ、図１に示すように、円筒状に成形される本体２１ａの上部に半径方向外方へ延出するフランジ２１ｂが合成樹脂によって一体に形成され、本体２１ａの外周に絶縁磁性部材２１ｃが取り付けられると共に、絶縁磁性部材２１ｃの表面に周方向に沿って半周に亘って第１の導体層となる銅箔２１ｄが貼付されている。絶縁磁性部材２１ｃは、回転センサ１０の絶縁磁性部材１１ｃと同一の素材が使用される。
【００２５】
一方、銅箔２１ｄは、絶縁磁性部材２１ｃの内部に設けても良く、この他に、例えば、アルミニウム，銀等の素材からなる導体を使用することができる。
第２ロータ２３は、第１ロータ２１と固定コア１２との間に配置され、図８に示すように、リング状の本体２３ａに第２の導体層となる金属歯２３ｂが第１の導体層と対応させて周方向に沿って半周配置されている。第２ロータ２３は、第２ロータ１３と同一の素材からなるが、第２ロータ１３と同様に構成してもよい。
【００２６】
このように構成することによって、回転センサ２０は、第１ロータ２１と第２ロータ２３との相対回転に伴い、銅箔２１ｄと金属歯２３ｂとが重なる面積が変化するのに伴って、励磁コイル１２ｂのインピーダンスが変化し、回転センサ１０と同様にしてシャフトＳF1，ＳF2の回転角度或いは相対回転角度を非接触で検出することができる。
【００２７】
尚、上記実施形態はトルクを検出する回転センサの場合について説明したが、回転角度を検出することも可能である。
また、本発明の回転センサは、上記実施形態で説明した自動車のステアリングシャフトの他、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。
【００２８】
【発明の効果】
請求項１の発明によれば、電磁環境適合性に関する規格を、小型、かつ、安価にクリア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の回転センサを第１及び第２のシャフトに取り付けた状態を示す断面図である。
【図３】図１の回転センサの回路基板のブロックダイヤグラムである。
【図４】図２の回転センサの右半側を拡大した断面図である。
【図５】図３の回路基板に設けられる減衰手段の一例を示す回路図である。
【図６】減衰手段としてフェライトビーズを回路基板に設けた図１の回転センサにおける電磁波放射レベルの測定結果を示す周波数特性図である。
【図７】減衰手段を回路基板に設けない図１の回転センサにおける電磁波放射レベルの測定結果を示す周波数特性図である。
【図８】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。
【符号の説明】
１０              回転センサ
１１              第１ロータ
１１ａ            本体
１１ｂ            フランジ
１１ｃ            絶縁磁性部材
１１ｄ            銅箔（第１の導体層）
１２              固定コア
１２ａ            コア本体
１２ｂ            励磁コイル
１３              第２ロータ
１３ａ            本体
１３ｂ            金属歯（第２の導体層）
１４              回路基板
１４ａ            発振回路
１４ｂ            減衰手段
１４ｃ            位相検出回路
１４ｄ            コンバータ
１４ｅ            増幅回路
２０              回転センサ
２１              第１ロータ
２１ａ            本体
２１ｂ            フランジ
２１ｃ            絶縁磁性部材
２１ｄ            銅箔
２３              第２ロータ
２３ａ            本体
２３ｂ            金属歯（第２の導体層）
Ｂtr              トーションバー
ＳF1              第１シャフト
ＳF2              第２シャフト
【図１】
0003824953.tif 000002
【図２】
0003824953.tif 000003
【図３】
0003824953.tif 000004
【図４】
0003824953.tif 000005
【図５】
0003824953.tif 000006
【図６】
0003824953.tif 000007
【図７】
0003824953.tif 000008
【図８】
0003824953.tif 000009