JP4833424B2 - 回転センサ - Google Patents

Description

【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）。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を有する固定コアの半径方向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励磁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。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前記固定コアにおいては、複雑な形状でも成形が容易で、低コストで短時間に量産できることから、励磁コイルを収容するコア本体として電磁鋼板やフェライトコアに代えてプラスチックマグネットが使用されるようになってきた。
【０００４】
しかし、プラスチックマグネットは、電磁鋼板やフェライトコアに比べると比透磁率が小さいため、電磁鋼板やフェライトコアを用いた固定コアに比べて形状上の制約が大きいという問題がある。
即ち、図９に示すように、固定コア１は、コア本体１ａに励磁コイル１ｂ（図１０参照）のリード線を外部へ引き出すための引出孔１ｃを有している。このため、コア本体１ａは、図１０に示すように、引出孔１ｃを高さ方向中央に形成し、上下で対称な形状とする必要がある。これは、回転センサは、コア本体が上下で対称な形状でないと、内部に形成される磁気回路が上下対称とならず、感度（インダクタンス）の変動が大きく、回転角度等を誤検出してしまうおそれがあるからである。
【０００５】
このように、固定コアのコア本体に形成される引出孔の位置が限定されると、回転センサは、設計上あるいは使用上の自由度が極端に制限されてしまうという問題がある。
本発明は上記の点に鑑みてなされたもので、コア本体にプラスチックマグネットを使用しても、リード線を引き出す引出孔の位置が制限されたり、回転角度等を誤検出するおそれがない回転センサを提供することを目的とする。
【０００６】
【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、周方向に所定間隔を置いて配置される複数の非磁性導電体を有し、回転する第１のシャフトに取り付けられる第１のロータ、励磁コイルと、該励磁コイルのリード線を外部へ引き出す引出孔とを有し、前記第１のロータと半径方向に間隔を置いて固定部材に固定される固定コア、及び絶縁磁性材から筒状に成形される本体と、前記複数の非磁性導電体と対応する間隔で周方向に所定間隔を置いて該本体に配置される複数の非磁性導体層とを有し、前記第１のシャフトにトーションバーを介して連結されて相対回転する第２のシャフトに取り付けられ、前記第１のロータと半径方向に所定間隔をおいて配置される第２のロータを備え、前記第１及び第２のロータの相対回転による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、前記固定コアは、コア本体がプラスチックマグネットから成形されると共に、リング状のコア本体の内部の内周面にコイルを収容するための凹溝が形成され、さらにコア本体の内部上面または下面に周方向に沿って溝が形成されている構成としたものである。
【０００７】
【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。
【０００８】
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及び第２ロータ１３を備えている。ここで、ステアリングシャフト５は、ハンドル側の主動シャフト５ａがトーションバー５ｂを介して車輪側の従動シャフト５ｃと連結され、主動シャフト５ａは、従動シャフト５ｃに対して所定角度範囲内で相対回転する。
【０００９】
第１ロータ１１は、主動シャフト５ａの軸線方向所定位置に取り付けられ、図１及び図２に示すように、フランジ１１ａと、第１ロータ１１と固定コア１２との間に配置される４枚の羽板１１ｂとを有している。各羽板１１ｂは、交流磁界の遮蔽性を有するアルミニウム，銅等の非磁性金属によって製造され、フランジ１１ａに所定の中心角、例えば中心角４５°の間隔で周方向に均等に配置して下方に向かって形成されている。
【００１０】
固定コア１２は、第１ロータ１１の外側に本体１１ａとの間に半径方向に数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５の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１及び図２に示すように、第２ロータ１３と同一のプラスチックマグネットから成形されるコア本体１２ａと、コア本体１２ａに周方向に形成される凹溝内に収容される励磁コイル１２ｈとを有している。
【００１１】
コア本体１２ａは、図３（ａ）〜（ｃ）に示すように、上半体１２ｂと下半体１２ｃとによってリング状に成形されている。上半体１２ｂは、図３（ｂ）に示すように、断面形状が逆Ｌ字型に成形されている。下半体１２ｃは、周方向の４ヶ所に凹部１２ｄが等間隔に形成され、図３（ａ）に示すように、導出窓部１２ｉが形成されると共に、図３（ｂ），（ｃ）に示すように、上面には周方向に沿って溝１２ｅが設けられている。
【００１２】
凹部１２ｄは、上半体１２ｂと下半体１２ｃとを接合したときに、励磁コイル１２ｈのリード線１２ｆを外部へ引き出すための引出孔となる。溝１２ｅは、コア本体１２ａ内を流れる磁束を遮蔽するために設ける。このため、溝１２ｅは、図４に示すように、幅をＷ、深さをｔ、励磁コイル１２ｈを収容する部分の高さをＨ、導出窓部１２ｉの高さをＬとしたとき、幅ＷはＬ／２＜Ｗ＜Ｈ、深さｔはＨ／１０＜ｔ＜Ｈ／２、の範囲にあることが好ましい。
【００１３】
また、溝１２ｅは、上半体１２ｂの下面と下半体１２ｃの上面のうち、導出窓部１２ｉに近い方の面に設けることが好ましい。
更に、リード線１２ｆは、凹部１２ｄに設けた端子板１２ｇ（図３（ｂ）参照）によって回転センサ１０を使用中の振動等に起因する断線から保護されている。励磁コイル１２ｈは、凹部１２ｄ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。ここで、励磁コイル１２ｈは、ボビンに電線を巻回したものを使用することもある。
【００１４】
第２ロータ１３は、従動シャフト５ｃの軸線方向所定位置に取り付けられ、図２に示すように、本体１３ａに銅片１３ｂが中心角４５°間隔で周方向に交互に設けられている。本体１３ａは、従動シャフト５ｃに取り付けられるフランジ１３ｃが下部に設けられ、絶縁磁性材から筒状に成形されている。本体１３ａ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、Ｍｇ−Ｚn系、Ｎi−Ｚn系やＭｎ−Ｚn系のフェライトからなる軟磁性材粉を１０〜７０体積％で混合したプラスチックマグネットが用いられている。ここで、第２ロータ１３は、前記プラスチックマグネットによって円筒状に成形した本体１３ａの外周に非磁性導電体を周方向に所定の中心角の間隔で設けたり、前記本体１３ａの内部に埋め込んでもよい。
【００１５】
以上のように構成される回転センサ１０は、第１ロータ１１を主動シャフト５ａに、第２ロータ１３を従動シャフト５ｃに、それぞれ取り付けると共に、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。
組み立てられた回転センサ１０においては、励磁コイル１２ｈを流れる交流電流による磁束が、図５（ａ）に示すように、コア本体１２ａと第１ロータ１１のプラスチックマグネットからなる本体１３ａとを結ぶ磁気回路ＣMGに沿って流れる。これにより、第１ロータ１１の非磁性金属からなる複数の羽板１１ｂを交流磁界が横切るため、銅片１３ｂ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１２ｈ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、羽板１１ｂが存在するコア本体１２ａと第２ロータ１３との間のギャップ部分に生ずる励磁コイル１２ｈ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とが逆になるため、トータルの磁束密度が小さくなる。この反対に、羽板１１ｂが存在しない上記ギャップの部分では、励磁コイル１２ｈ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とが同じになるため、トータルの磁束密度が大きくなる。即ち、コア本体１２ａと第２ロータ１３との間のギャップ部分に不均一磁界が形成される。
【００１６】
従って、第１ロータ１１が第２ロータ１３に対して相対回転すると、第１ロータ１１の羽板１１ｂが上記不均一磁界を横切り、羽板１１ｂが横切るトータルの磁束の量が変化するので、銅片１３ｂに生ずる渦電流の大きさが変化する。このため、回転センサ１０においては、励磁コイル１２ｈのインピーダンスは第１ロータ１１と第２ロータ１３との相対回転角度によって変動する。
【００１７】
回転センサ１０は、励磁コイル１２ｈのインピーダンス変動をパルス信号の位相シフト量の検出によって測定し、これに基づいて第１ロータ１１と第２ロータ１３との相対回転角度、従ってトルクを検出する。
ここで、回転センサ１０は、固定コア１２の内部、即ち、コア本体１２ａを構成する下半体１２ｃの上面に周方向に沿って溝１２ｅが形成されていない図１０に示す構造の固定コア１を用いた場合、励磁コイル１２ｈを流れる交流電流による磁束は、図５（ｂ）に示すように、磁気回路ＣMGに沿って流れる他に、内側を短絡して流れる磁束が生じ、磁気回路ＣMGが上下方向に対称とならない。更に、導出窓部１２ｉが中央部より上下方向にずらして配置されると、磁気回路ＣMGは、顕著に上下方向に対称とはならなくなる。
【００１８】
これに対し、本発明の回転センサ１０は、固定コア１２の内部、即ち、コア本体１２ａを構成する下半体１２ｃの上面に周方向に沿って溝１２ｅが形成されている。このため、回転センサ１０は、励磁コイル１２ｈを流れる交流電流による磁束が、透磁率の低い溝１２ｅ側を流れることがないため、図５（ａ）に示すように、コア本体１２ａと第１ロータ１１のプラスチックマグネットからなる本体１３ａとを結ぶ磁気回路ＣMGに沿って流れ、上下方向に対称な磁気回路ＣMGが形成される。
【００１９】
この結果、回転センサ１０は、下半体１２ｃに形成した凹部１２ｄのために、コア本体１２ａが上下で対称な形状でなくても、磁気回路ＣMGが上下対称となるので、相対回転角度、従ってトルクを正しく検出することができる。
ここで、溝１２ｅの幅Ｗ＝２ｍｍ、深さｔ＝１ｍｍ、励磁コイル１２ｈを収容する部分の高さＨ＝３ｍｍの回転センサ１０と、幅Ｗ＝１ｍｍ、溝１２ｅの深さｔ＝0.５ｍｍ、励磁コイル１２ｈを収容する部分の高さＨ＝３ｍｍの回転センサ１０を用い、トルクが０となるように第１ロータ１１と第２ロータ１３の相対角度を０°に設定し、第１及び第２ロータ１１，１３を固定コア１２に対して１回転させ、回転角度（°）とトルクとの関係を測定した。その結果を図６（ａ），（ｂ）に示す。比較のため、溝１２ｅを有しない回転センサ１０と、溝１２ｅを有さず、図９及び図１０に示すように、引出孔１ｃが高さ方向中央に形成され、上半体と下半体とが上下対称な固定コア１を用いたことを除き構成が同一の回転センサ１０を用い、同様にして回転角度（°）とトルクとの関係を測定した。その結果を図６（ｃ），（ｄ）に示す。
【００２０】
図６（ａ），（ｂ）と図６（ｃ），（ｄ）とに示された結果の対比から明らかなように、固定コア１２の内部に周方向に沿って溝１２ｅを形成すると、回転センサ１０は、回転角度（°）の変化に伴うトルクの変動が小さく、溝１２ｅの幅Ｗ及び深さｔが大きい方がトルクの変化が安定し、正しいトルクを検出することができることが分かる。
【００２１】
ここで、本発明の回転センサは、固定コアの内部に周方向に沿って溝が形成されていれば、図７に示す回転センサ２０のように、固定コア１２が上下２段に配置され、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あっても検出精度の変動が少なく、トルクを正確に検出できるダブルコアタイプのものでもよい。この場合、回転センサ２０は、回転センサ１０と同様に、固定コア１２と第２ロータ１３との間に第１ロータ１１を配置する。
【００２２】
また、図８に示す回転センサ２５のように、固定コア２６のコア本体２６ａを上部材２６ｂ、中間板２６ｃ及び下部材２６ｄで構成し、回転センサ１０の下半体１２ｃと同様に、中間板２６ｃに、周方向に沿った複数箇所に凹部２６ｅを等間隔で形成し、上下の面に周方向に沿って溝２６ｆを設けてもよい。この場合、回転センサ２５は、固定コア２６の励磁コイル２６ｇから延出するリード線２６ｈを凹部２６ｅに設けた端子板２６ｊで保護する。
【００２３】
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。
【００２４】
【発明の効果】
請求項１の発明によれば、固定コアのコア本体にプラスチックマグネットを使用しても、リード線を引き出す引出孔の位置が制限されたり、誤検出のおそれがない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断面正面図である。
【図２】図１の回転センサのＣ1−Ｃ1線に沿った断面図である。
【図３】図１の回転センサで用いられる固定コアの正面図（ａ）、左半断面図（ｂ）および下半体の平面図（ｃ）である。
【図４】図３に示す固定コアに形成される溝の形状について説明する断面図である。
【図５】固定コアに形成される溝がある場合（ａ）とない場合（ｂ）とにおける磁気回路を示す回転センサの左半断面図である。
【図６】固定コアに形成される溝がある場合（ａ），（ｂ）とない場合（ｃ），（ｄ）とにおける回転センサで測定される回転角度とトルクの関係を示すトルク変化図である。
【図７】本発明の回転センサの他の実施形態を示す左半断面図である。
【図８】本発明の回転センサの更に他の実施形態を示す左半断面図である。
【図９】従来の回転センサで用いられている固定コアの正面図である。
【図１０】図９の固定コアの左半断面図である。
【符号の説明】
１０ 回転センサ
１１ 第１ロータ
１１ａ フランジ
１１ｂ 羽板
１２ 固定コア
１２ａ コア本体
１２ｂ 上半体
１２ｃ 下半体
１２ｄ 凹部（引出孔）
１２ｅ 溝
１２ｆ リード線
１２ｈ 励磁コイル
１２ｉ 導出窓部
１３ 第２ロータ
１３ａ 本体
１３ｂ 銅片
２０ 回転センサ
２５ 回転センサ
２６ 固定コア
２６ａ コア本体
２６ｂ 上部材
２６ｃ 中間板
２６ｄ 下部材
２６ｅ 凹部
２６ｆ 溝
２６ｇ 励磁コイル
２６ｈ リード線
２６ｊ 端子板

Claims (1)

1. 周方向に所定間隔を置いて配置される複数の非磁性導電体を有し、回転する第１のシャフトに取り付けられる第１のロータ、
   励磁コイルと、該励磁コイルのリード線を外部へ引き出す引出孔とを有し、前記第１のロータと半径方向に間隔を置いて固定部材に固定される固定コア、及び絶縁磁性材から筒状に成形される本体と、前記複数の非磁性導電体と対応する間隔で周方向に所定間隔を置いて該本体に配置される複数の非磁性導体層とを有し、前記第１のシャフトにトーションバーを介して連結されて相対回転する第２のシャフトに取り付けられ、前記第１のロータと半径方向に所定間隔をおいて配置される第２のロータを備え、
   前記第１及び第２のロータの相対回転による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、
   前記固定コアは、コア本体がプラスチックマグネットから成形されると共に、リング状のコア本体の内部の内周面にコイルを収容するための凹溝が形成され、さらにコア本体の内部上面または下面に周方向に沿って溝が形成されていることを特徴とする回転センサ。

Images