JP2008111737A - 回転センサ - Google Patents

Abstract

【課題】部品点数が少なく小型で組み付け性及び検出特性に優れた回転センサを提供する。
【解決手段】回転角度を測定する被測定回転体Ｓｈと共に回転するように当該被測定回転体に取り付けられ、被測定回転体の回転角度に応じて当該被測定回転体周囲の磁束密度を変化させる磁石１１０を備えたロータ１２０と、被測定回転体の回転とは独立して取り付けられるステータ１３０と、ステータに固定され、被測定回転体の回転に応じた磁石の磁束密度の変化を検出する検出素子１５０（１５１〜１５４）と、ロータ、ステータ、及び検出素子を収容するケースを備え、被測定回転体の回転に伴う検出素子からの検出信号に応じて被測定回転体の回転角度を検出するようになっている。
【選択図】図１

Description

本発明は、回転体に取り付けてこの回転体の回転角度を検出するのに使用する回転センサに関する。

例えば、自動車のステアリングシャフトなどの回転するシャフトに取り付けて当該シャフトと一体になったハンドルの回転角度を検出する際にいわゆる回転センサが使用される（例えば、特許文献１参照）。ここで、従来の回転センサ５の構成について図面に基づいて具体的に説明する。

従来の回転センサ５は図２０及び図２１に示すように回転角センサ５Ａと回転数センサ５Ｂを備えている。回転角センサ５Ａは、図２０に示すようにロータ１０とステータ２０とを有し、ロータ１０はステアリングシャフトＳｈと一体に回転する一方、ステータ２０はケース３０を介して図示しないコンビネーションスイッチブラケットに固定されている。なお、ケース３０は交流磁界の遮蔽性を有するアルミニウム、銅等の金属でできている。

ロータ１０は図２１に示すようにリング状のロータセンシング部１１と段付き円柱状のロータ固定部１２とからなる。ロータ固定部１２は樹脂でできており、その縮径部がステアリングシャフトＳｈのセレーション（図２１では図示せず）に嵌合して当該シャフトＳｈの回転と一体に回転するようになっている。また、ロータセンシング部１１は導電性の部材でできた周方向に幅が可変のリング部材からなっている。なお、ロータセンシング部１１は、アルミニウム、銅、銀、真鍮等の導電性を有する金属をプレス加工して製造されている。

一方、ステータ２０の内壁面側には図２０及び図２１に示すように４つの固定コア２１〜２４がロータセンシング部１１の周方向に等間隔で固定されている。４つの固定コア２１〜２４はそれぞれ絶縁磁性材からなるコア本体（図２０にはコア本体２１ａのみ図示）と各コア本体内に保持される励磁コイル（図２０には励磁コイル２１ｂのみ図示）とからなる。

また、ケース３０の内壁面側にもステータ側の固定コア２１〜２４と対向する位置に固定コア３１〜３４（図２０には固定コア３１のみ図示）がロータセンシング部１１を所定間隔隔てて挟むようにしてそれぞれ取り付けられている。ケース側の固定コア３１〜３４もステータ側の固定コア２１〜２４と同様に絶縁磁性材からなるコア本体（図２０にはコア本体３１ａのみ図示）と各コア本体内に保持される励磁コイル（図２０には励磁コイル３１ｂのみ図示）とからなる。なお、ケース側の固定コア３１〜３４とステータ側の固定コア２１〜２４はそれぞれの対がここでは図示しないコイルコアホルダで保持されると共に、コイルコアホルダはケース内のプリント基板に固定されている。これによって、各固定コアの対がロータセンシング部１１を所定間隔隔てて対向した状態で挟み込むようになっている。

なお、所定間隔隔てて互いに対向しあう各固定コア２１〜２４，３１〜３４は、回転センサ用の特注品として製作され、コア本体は、プラスチックマグネット（例えばＰＰＳ（ポリフェニレンスルフィド）にＭｎ−Ｚｎ系軟磁性フェライトを混入した混合軟磁性材等）などの絶縁性の軟磁性材でできており、コア本体内に収容される対向する励磁コイル同士は、それぞれ直列に接続され、ケース３０内で回転角度検出部の備わったプリント基板と電気的に接続され、交流励磁電流が流されることで周囲に交流磁界を形成し、それぞれ対となっている固定コア間で磁気回路を形成している。

そして、ロータ１０と一体となったロータセンシング部１１を回転させることで、これら励磁コイルの交流磁界によって発生した渦電流の発生度合いを測定装置を介してコイルインダクタンスの変動に変換してこれを検知し、ロータ１０即ちシャフトＳｈの回転角度に換算するようになっている。
特開２００４−２２６３８２号公報（第４−５頁、図１）

上述のような構成を有する回転センサ５の場合、回転センサ用の特注品である励磁コイルとコア本体を同じく回転センサ用のコイルコアホルダに固定した状態で各対の励磁コイルとコア本体がロータセンシング部１１を互いに等間隔だけ隔てるようにプリント基板に配置させなければならないので、組み付け工数が増えると共に部品点数が多くなり、製造コストが嵩む。

また、各対の励磁コイルとコア本体をロータセンシング部１１に対向するようにプリント基板に配置させるので、回転センサ５のロータ軸線方向の厚さが厚くなり、回転センサ自体が大型化してしまう。また、特注品である励磁コイルとコア本体をコイルコアホルダを介してケース内のプリント基板に取り付けるので、特別な配線作業を行わなければならず、組付け作業性が低下する。

また、このような複雑な構造を有する回転センサ５の組み付け性向上を図るために、ある程度の部品交差や組み付け後の部品間の組み付け交差をかなり許容しなければならず、このようなことに起因するガタに基づく出力のずれを吸収するために一対の励磁コイルとコア本体を、ロータセンシング部１１を挟むように配置する必要がある。そして、一対の励磁コイルとコイルコアをセンシング部を挟むような特別な位置に配置させるために、市販されておらず特注品であるコイルコアホルダが必要となる。その結果、製造コストが嵩むと共に、コイルコアホルダの分だけ、回転センサ自体の厚みが厚くなり、回転センサの小型化を達成し難くなる。

以上の点から、従来の回転センサ５の基本的構造を踏襲する限りにおいて、部品点数が少なく小型で組み付け性及び検出特性に優れた回転センサを実現するのに支障となっている。

本発明の目的は、部品点数が少なく小型で組み付け性及び検出特性に優れた回転センサを提供することにある。

上述の課題を解決するために、本発明にかかる回転センサは、
回転角度を測定する被測定回転体と共に回転するように当該被測定回転体に取り付けられ、前記被測定回転体の回転角度に応じて当該被測定回転体周囲の磁束密度を変化させる磁石を備えたロータと、
前記被測定回転体の回転とは独立して取り付けられるステータと、
前記ステータに固定され、前記被測定回転体の回転に応じた前記磁石の磁束密度の変化を検出する検出素子と、
前記ロータ、ステータ、及び検出素子を収容するケースを備え、
前記被測定回転体の回転に伴う前記検出素子からの検出信号に応じて前記被測定回転体の回転角度を検出するようになったことを特徴としている。

従来のセンシング部とコイルとの組み合わせからなる回転センサによると、この構成部品にコイルやコイルコア、コイルコアホルダ、ローターシールドが含まれ、これらの構成部品が特注品であることと、部品点数が多く複雑なコイル配線処理が必要となることからコスト高を招いていた。また、コイル及びコイルコアがローターシールドを所定間隔隔てた状態で挟むようにコイルコアホルダを介してコイルとコイルコアを配置する必要があるため、回転センサの厚みを薄くし難く、回転センサ自体の小型化が図れなかった。

しかしながら、本発明に係る回転センサによると、ロータと共に回転する磁石の磁束密度の変化を検出するようになっているので、この磁束密度の検出にいわゆるインダクタと呼ばれる市販の小さなコイルからなる検出素子を使用することができ、回転センサ自体の小型化が可能となる。また、インダクタと呼ばれる市販のコイルを検出素子として例えばプリント基板からなるステータに表面実装することができるので、配線処理が不要となり低コスト化を達成できる。また、ローターシールドを挟むようにコイルを配置する必要がないため、従来の回転センサのようにコイルコアホルダを用いなくて済み、その分回転センサの厚みを薄くすることができ、回転センサ自体の小型化が可能となる。

また、本発明の請求項２にかかる回転センサは、請求項１に記載の回転センサにおいて、
前記磁石は、前記被測定回転体の周囲を囲む円環形状を有し、かつ当該円環状の磁石の周方向一方の半分がＮ極で周方向他方の半分がＳ極となったことを特徴としている。

このような構成の磁石を利用することで、被測定回転体の回転に伴う磁束密度の変化を検出素子で確実に検出でき、被測定回転体の回転角度の測定精度を高めることができる。

また、本発明の請求項３にかかる回転センサは、請求項１に記載の回転センサにおいて、
前記磁石は、楕円の環形状を有し、かつ当該磁石の内側がＮ極で外側がＳ極か、又は内側がＳ極で外側がＮ極となったことを特徴としている。

このような構成の磁石を利用することでも、被測定回転体の回転に伴う磁束密度の変化を検出素子で確実に検出でき、被測定回転体の回転角度の測定精度を高めることができる。

また、本発明の請求項４にかかる回転センサは、請求項１に記載の回転センサにおいて、
前記磁石は、楕円の環形状を有し、かつ前記磁石の厚み方向一方の半分がＮ極で他方の半分がＳ極となったことを特徴としている。

このような構成の磁石を利用することでも、被測定回転体の回転に伴う磁束密度の変化を検出素子で確実に検出でき、被測定回転体の回転角度の測定精度を高めることができる。

また、本発明の請求項５にかかる回転センサは、請求項１乃至請求項４の何れかに記載の回転センサにおいて、
前記検出素子は、同一の検出特性を有する一対の検出素子からなり、かつ当該一対の検出素子を前記被測定回転体の中心軸線に対して対称となるように前記ステータに配置したことを特徴としている。

一対の検出素子をステータのこのような位置に配置することで、回転センサの部品公差や組付けに伴って発生するガタに伴う検出素子の信号出力のずれを相殺して吸収し、精度の高い回転角度検出を実現する。

また、本発明の請求項６にかかる回転センサは、請求項５に記載の回転センサにおいて、
前記一対の検出素子を被測定回転体の軸線の周方向異なる位置に少なくとも２組以上設けたことを特徴としている。

回転センサ自体のガタに対する出力特性の安定化を図る一対の検出素子をこのように２組設けることで、回転センサのガタの影響を受けることなく被測定回転体の回転角度を３６０°に亘って測定することができる。

本発明によると、部品点数が少なく小型で組み付け性及び検出精度に優れた回転センサを提供することができる。

以下、本発明の第１の実施形態にかかる回転センサ１について図面に基いて説明する。なお、この説明においては自動車のステアリング装置においてこの回転センサを被測定回転体であるステアリングシャフト（以下、「シャフトＳｈ」とする）に取り付けてハンドルの回転角度を検出する場合について説明する。

本発明の第１の実施形態にかかる回転センサ１は、回転角度を測定するシャフト（被測定回転体）Ｓｈと共に回転するようにシャフトＳｈに取り付けられ、シャフトＳｈの回転角度に応じてシャフト周囲の磁束密度を変化させる磁石１１０を備えたロータ１２０と、シャフトＳｈの回転とは独立して固定されたプリント基板（ステータ）１３０と、プリント基板１３０に固定されシャフトＳｈと一体に回転するロータ１２０の回転に応じた磁束密度の変化を検出するインダクタ（検出素子）１５０（１５１〜１５４）と、ロータ周囲に備わった大歯車１２１と噛合して回転しかつ内側に磁石１４５を備えた小歯車１４０と、プリント基板１３０に固定され小歯車１４０の回転に応じた磁束密度の変化を検出するインダクタ１６０（１６１〜１６４）と、ロータ１２０、小歯車１４０、及びインダクタ１５０，１６０、回転角度検出用のワンチップマイコン１３５やその他の電気部品、電子部品を実装したプリント基板１３０を収容しかつステータの一部をなすケース１７０を備えている。

ケース１７０は、ＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート）などのプラスチックからなり、そのケース内にプリント基板１３０が固定された状態で収容されると共に、ロータ１２０がシャフトＳｈと共に回転可能に収容されている。ケース１７０は、図示しないブラケットでシャフトＳｈの回転とは独立してシャフト周囲の例えばステアリングコラムやコンビネーションスイッチ等に取り付けられている。

プリント基板１３０には、同一の検出特性を有する一方の対のインダクタ１５１，１５２と他方の対のインダクタ１５３，１５４がシャフトＳｈの中心軸線ＣＬ１（図２参照）周りであってロータ１２０の磁石１１０と同一平面上に位置するように取り付けられている。そして、一方の対のインダクタ１５１，１５２は、シャフトＳｈの中心軸線ＣＬ１との垂直面上であって中心軸線ＣＬ１から直径方向で反対側に等距離だけ隔てるようにプリント基板上に備わると共に、他方の対のインダクタ１５３，１５４もシャフトのＳｈの中心軸線ＣＬ１との垂直面上であって中心軸線ＣＬ１から直径方向で反対側に等距離だけ隔てるようにプリント基板上に備わる。また、各対のインダクタ１５１（１５２）とインダクタ１５３（１５４）はシャフトＳｈの中心軸線周りにおいて４５°の角度を隔ててプリント基板１３０に配置されている（図２参照）。

各インダクタ１５０はフェライトコアに銅線からなるコイルが巻かれた構成を有し、市販され容易に入手可能でプリント基板１３０への表面実装が可能ないわゆるチップインダクタが用いられている。

なお、一方の対のインダクタ１５１，１５２は直列接続され、他方の対のインダクタ１５３，１５４も直列接続されている。

また、プリント基板１３０には、シャフトＳｈと一体に回転するロータ１２０が貫通する貫通孔（図１では図示せず）が設けられ、ロータ１２０が回転する際にプリント基板１３０がロータ１２０に干渉しないようになっている。

ロータ１２０は、略円筒形状を有し、例えばＰＯＭ（ポリアセタール）でできており、内周面が図示しないセレーション等でシャフトＳｈに嵌合してシャフトＳｈと一体に回転可能であると共に、外周面の一部に全周に亘ってギア１２１ａが備わり、ロータ外周部に大歯車１２１を形成している。また、この大歯車１２１とはロータ軸線方向にずれた位置であってプリント基板１３０の各インダクタ１５０と同一平面上になる位置にロータ１２０の大歯車１２１よりさらに大径の円環状の磁石１１０がロータ１２０の回転と一体に回転するように取り付けられている。

ロータ１２０に取り付けられた円環状の磁石１１０は、シャフトＳｈの周囲を同心をなして囲むと共に上述の通りロータ１２０の回転と一体となって回転するようになっている。そして、この円環状をなす磁石１１０の周方向一方の半部（図１では右側半部）がＮ極で周方向他方の半部（図１では左側半部）がＳ極となり、磁石１１０の内側ではＳ極からＮ極へ、磁石１１０の外側ではＮ極からＳ極へ、パラレル異方性をもって互いに平行な磁束を発生するようになっている（図３乃至図７の磁束の向きを示す矢印参照）。

プリント基板１３０にはロータ外周の大歯車１２１と噛合してロータ１２０の回転に伴って同時に回転する小歯車１４０が備わっている。小歯車１４０は例えばＰＯＭ（ポリアセタール）でできている。そして、小歯車１４０の内側には平面視で一方の半部（図１では右側半部）が半円状のＮ極をなし他方の半部（図１では左側半部）が半円状のＳ極をなす円板状の小磁石１４５が備わっている。また、プリント基板上には一方の対のインダクタ１６１，１６２と他方の対のインダクタ１６３，１６４も小歯車１４０の周囲に配置されている。なお、この各インダクタ１６０は、図１０に示すように、一方の対のインダクタ１６１，１６２が小歯車１４０の回転中心ＣＬ２に対して互いに９０°の角度をなし、他方の対のインダクタ１６３，１６４が小歯車１４０の回転中心ＣＬ２に対して互いに９０°の角度をなすようにプリント基板上に配置されると共に、一方の対のインダクタ１６１（１６２）と他方の対のインダクタ１６３（１６４）が小歯車１４０の回転中心ＣＬ２に対して互いに４５°の角度をなすようにプリント基板上に配置されている。また、一方の対のインダクタ１６１，１６２は並列接続され、他方の対のインダクタ１６３，１６４も並列接続されている。

各インダクタ１６０は、上述したロータ１２０と一体に回転する磁石１１０の周囲に配置された各インダクタ１５０と同様に市販され容易に入手できプリント基板上への表面実装が可能ないわゆるチップインダクタが利用されている。

続いて、このような構成を有する回転センサ１を用いたシャフトＳｈの回転角度の検出方法について説明する。なお、図３乃至図７は、シャフトＳｈの回転に伴ってロータ１２０及び磁石１１０が回転した際における磁石周囲の磁束の変化を矢印で模式的に示している。

図３は、Ｎ極とＳ極の境目が他方の対のインダクタ１５３，１５４の最も近傍に位置した状態を示している。このシャフトＳｈ（ロータ１２０）の回転角度では、磁束の向きが図中垂直方向を向いており、一方の対のインダクタ１５１，１５２を磁束が４５°程度をなして横切るが、他方の対のインダクタ１５３，１５４には磁束が全く横切っていないことが分かる。そして、他方の対のインダクタ１５３，１５４を横切る磁束の磁束密度がゼロ（最小）となっており、一方の対のインダクタ１５１，１５２を横切る磁束の磁束密度が中程度となっている。

図４は、図３の状態よりもシャフトＳｈ（ロータ１２０）が図中反時計周りに若干回転し、Ｎ極とＳ極の境目が他方の対のインダクタ１５３，１５４から反時計方向に僅かに離れた状態を示している。このシャフトＳｈ（ロータ１２０）の回転角度では、磁束の向きが図中垂直に近い左斜め上方を向いており、一方の対のインダクタ１５１，１５２を磁束が６０°程度をなして横切ると共に、他方の対のインダクタ１５３，１５４を磁束が３０°程度をなして横切っていることが分かる。

図５は、図４の状態よりもシャフトＳｈ（ロータ１２０）が図中反時計周りに更に若干回転し、磁石１１０のＮ極とＳ極の境目が他方の対のインダクタ１５３，１５４から反時計方向で４５°程度離れた状態を示している。このシャフトＳｈ（ロータ１２０）の回転角度では、磁束の向きが図中左斜め上方を向いており、一方の対のインダクタ１５１，１５２を磁束が垂直に横切ると共に、他方の対のインダクタ１５３，１５４を磁束が４５°程度をなして横切っていることが分かる。そして、一方の対のインダクタ１５１，１５２を横切る磁束の磁束密度が最大となっており、他方の対のインダクタ１５３，１５４を横切る磁束の磁束密度が中程度となっている。

図６は、図５の状態よりもシャフトＳｈ（ロータ１２０）が図中反時計周りに更に若干回転し、磁石１１０のＮ極とＳ極の境目が他方の対のインダクタ１５３，１５４から反時計方向で６０°程度離れた状態を示している。このシャフトＳｈ（ロータ１２０）の回転角度では、磁束の向きが図中水平に近い左斜め上方を向いており、一方の対のインダクタ１５１，１５２を磁束が３０°程度をなして横切ると共に、他方の対のインダクタ１５３，１５４を磁束が３０°程度をなして横切っていることが分かる。

図７は、図６の状態よりもシャフトＳｈ（ロータ１２０）が図中反時計周りに更に若干回転し、磁石１１０のＮ極とＳ極の境目が他方の対のインダクタ１５３，１５４から反時計方向で９０°程度離れた状態を示している。このシャフトＳｈ（ロータ１２０）の回転角度では、磁束の向きが図中水平方向左側を向いており、一方の対のインダクタ１５１，１５２を磁束が４５°程度をなして横切ると共に、他方の対のインダクタ１５３，１５４を磁束が垂直に横切っていることが分かる。そして、他方の対のインダクタ１５３，１５４を横切る磁束の磁束密度が最大となっており、一方の対のインダクタ１５１，１５２を横切る磁束の磁束密度が中程度となっている。

以上の説明から明らかなように、一方の対のインダクタ１５１，１５２と他方の対のインダクタ１５３，１５４を横切る磁束密度の方向と大きさがシャフトＳｈ（ロータ１２０）の回転に伴い磁束密度が３６０°周期で変化する。この磁束密度の変化を一方の対のインダクタ１５１，１５２及び他方の対のインダクタ１５３，１５４を介して接続されたプリント基板上のワンチップマイコン１３５で信号処理する。この信号処理に際しては、一方の対のインダクタ１５１，１５２についてのインダクタンスの合計の出力信号Ａを得ると共に、他方の対のインダクタ１５３，１５４についてのインダクタンスの合計の出力信号Ｂを得るようになる。なお、インダクタ１５１，１５２或いはインダクタ１５３，１５４から検出されるインダクタンスの周期は１８０°となる。

なお、一方の対のインダクタ１５１，１５２はシャフトＳｈの中心軸線ＣＬ１に対して直径方向対称となるようにプリント基板１３０に配置され、かつ他方の対のインダクタ１５３，１５４もシャフトＳｈの中心軸線ＣＬ１に対して直径方向対称となるようにプリント基板１３０に配置されているので、１８０°位相のずれた一方の対のインダクタ１５１，１５２のインダクタンス出力を加算すると共に、同じく１８０°位相のずれた他方のインダクタ１５３，１５４のインダクタンス出力を加算することで、ステータをなすプリント基板１３０とロータ１２０との間のガタによる各インダクタ１５０の出力のズレを相殺して吸収することができ、各対のインダクタ１５０からのインダクタンス出力をシャフトＳｈの回転角度に正確に対応した精度の高いものとしている。

これらの各対のインダクタ１５０のインダクタンスの出力信号を表したのが図８の出力特性図である。同図から分かるように、一方の対のインダクタ１５１，１５２のインダクタンスの合計出力信号Ａは各インダクタ１５１，１５２のインダクタンスの和としてｓｉｎ曲線を描くと共に、他方の対のインダクタ１５３，１５４のインダクタンス合計出力信号Ｂもこれと４５°の周期だけずれたｓｉｎ曲線を描くようになる。

このようにして得られた各対のインダクタンスの合計出力信号Ａ，Ｂのｔａｎ^−１（Ａ／Ｂ）をとることで、図９に示すような鋸波状の出力を得る。これによって、本実施形態の場合、シャフトＳｈ即ちロータ１２０の回転角度に対応した９０°周期のインダクタ１５０のインダクタンス出力を得ることができる。

一方、図１に示す小歯車１４０に備わった磁石１４５と小歯車１４０の周囲に配置されたインダクタ１６０も大歯車１２１に対応して回転する小歯車１４０の回転角度を測定している。即ち、各インダクタ１６０は、上述と同様の原理で小歯車１４０の回転に応じた各インダクタンスを検出する。なお、この場合、上述のロータ周囲に備わったインダクタ１５０とは異なり、図１０に示すように一方の対のインダクタ１６１，１６２が小歯車１４０の回転中心ＣＬ２から周方向で９０°隔てているので、図１１に示すように一方の対のインダクタ１６１，１６２におけるインダクタンス出力は位相が９０°ずれ、他方の対のインダクタ１６３，１６４も小歯車１４０の回転中心ＣＬ２から周方向で９０°隔てているので、図１１に示すように他方の対のインダクタ１６３，１６４のインダクタンス出力も位相が９０°ずれている。また、一方の対のインダクタ１６１，１６２と他方の対のインダクタ１６３，１６４が互いに小歯車１４０の回転中心ＣＬ２に対して周方向に４５°隔てて配置されているので、一方の対のインダクタ１６１，１６２のインダクタンス出力と他方の対のインダクタ１６３，１６４のインダクタンス出力は互いに４５°位相がずれている。

ここで、図１２に示すように一方の対のインダクタ１６１，１６２のインダクタンス出力の差Ｃをとると共に、他方の対のインダクタ１６３，１６４のインダクタンス出力の差Ｄをとり、ｔａｎ^−１（Ｃ／Ｄ）を算出すると、図１２に示す鋸波の出力が得られる。そして、図９に示す鋸波状の出力と図１２に示す鋸波状の出力の組合せから、シャフトＳｈ即ちロータ１２０が例えば−９００°〜＋９００°の大角度のうち、何回転目であるかをマイコン内のメモリテーブルで一義的に求めると共に、図８のｓｉｎ曲線からその回転数内の０°〜３６０°のどの回転角度に当たるかを判断し、最終的に−９００°〜＋９００°の範囲内における絶対回転角度をマイコン内で求める。なお、この絶対回転角度の算出にあたっては、実際には上述の実施形態の大歯車１２１と小歯車１４０の歯車比を角度算出に適した歯車比に適宜変更して算出する。

以上説明したように、従来のセンシング部とコイルとの組み合わせからなる回転センサによると、この構成部品にコイルやコイルコア、コイルコアホルダ、ローターシールドが含まれ、これらの構成部品が特注品であることと、部品点数が多く複雑なコイル配線処理が必要となることからコスト高を招いていた。また、コイルとコイルコアがローターシールドを所定間隔隔てた状態で挟むようにコイルコアホルダを介してコイルとコイルコアを配置する必要があるため、回転センサの厚みを薄くし難く、回転センサ自体の小型化が図れなかった。

しかしながら、本発明に係る回転センサ１によると、ロータ１２０と共に回転する磁石１１０の磁束密度の変化を検出するようになっているので、この磁束密度の検出にいわゆるチップインダクタと呼ばれる市販の小さなコイルからなる検出素子を使用することができ、回転センサ自体の小型化が可能となる。また、インダクタと呼ばれる市販のコイルを検出素子として例えばプリント基板からなるステータに表面実装することで、配線処理が不要となり低コスト化を達成できる。また、ローターシールドを挟むようにコイルを配置する必要がないため、従来の回転センサのようにコイルコアホルダを用いなくて済み、その分回転センサの厚みを薄くすることができ、回転センサ自体の小型化が可能となる。

続いて、本発明の第２の実施形態に係る回転センサについて図面に基づいて説明する。なお、上述した第１の実施形態にかかる回転センサ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。

本発明の第２の実施形態に係る回転センサ２は、図１３及び図１４に示すように、回転角度を測定するシャフト（被測定回転体）Ｓｈと共に回転するようにシャフトＳｈに取り付けられ、シャフトＳｈの回転角度に応じてシャフト周囲の磁束密度を変化させる磁石２１０を備えたロータ２２０と、シャフトＳｈの回転とは独立して固定されたプリント基板（ステータ）２３０と、プリント基板２３０に固定されシャフトＳｈと一体に回転するロータ２２０の回転に応じた磁束密度の変化を検出するインダクタ（検出素子）２５０（２５１〜２５４）と、ロータ周囲の大歯車２２１と噛合して回転しかつ内側に磁石２４５を備えた小歯車２４０と、プリント基板２３０に固定され小歯車２４０の回転に応じた磁束密度の変化を検出するインダクタ２６０（２６１〜２６４）と、ロータ２２０、小歯車２４０、及びインダクタ２５０，２６０、回転角度検出用のワンチップマイコン２３５やその他の電気部品、電子部品を実装したプリント基板２３０を収容しかつステータの一部をなすケース２７０を備えている。

ケース２７０は、ＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート）などのプラスチックからなり、そのケース内にプリント基板２３０が固定された状態で収容されると共に、ロータ２２０がシャフトＳｈと共に回転可能に収容されている。ケース２７０は、図示しないブラケットでシャフトＳｈの回転とは独立してシャフト周囲の例えばステアリングコラムやコンビネーションスイッチ等に取り付けられている。

プリント基板２３０には、同一の検出特性を有する一方の対のインダクタ２５１，２５２と同じく同一の検出特性を有する他方の対のインダクタ２５３，２５４が取り付けられている。そして、一方の各対のインダクタ２５１，２５２は、シャフトＳｈの中心軸線ＣＬ３（図１４参照）に対して対称となるようにプリント基板２３０に固定されると共に、他方の対のインダクタ２５３，２５４もシャフトＳｈの中心軸線ＣＬ３に対して対称となるようにプリント基板２３０に固定されている。また、一方の対のインダクタ２５１（２５２）と他方の対のインダクタ２５３（２５４）とはシャフトＳｈの軸線まわりに互いに４５°の角度だけずれて配置されている。また、各インダクタ２５０は、ロータ２２０の磁石２１０と同一平面上に位置するようにプリント基板２３０に取り付けられている。

インダクタ２５１，２５２（２５３，２５４）はフェライトコアに銅線が巻かれたコイルを備えた構成を有し、市販され容易に入手できプリント基板２３０への表面実装が可能ないわゆるチップインダクタが用いられている。

なお、一方の対のインダクタ２５１，２５２は直列接続され、他方の対のインダクタ２５３，２５４についても直列接続されている。

また、プリント基板２３０には、シャフトＳｈと一体に回転するロータ２２０が貫通する貫通孔（図１３では図示せず）が設けられ、ロータ２２０が回転する際にプリント基板２３０がロータ２２０に干渉しないようになっている。

ロータ２２０は、略円筒形状を有し、例えばＰＯＭ（ポリアセタール）でできており、内周面が図示しないセレーション等でシャフトＳｈに嵌合してシャフトＳｈと一体に回転すると共に、外周面の一部に全周に亘ってギア２２１ａが備わり、ロータ外周部に大歯車２２１を形成している。また、この大歯車２２１とはロータ軸線方向にずれた位置であってプリント基板２３０のインダクタ２６０と同一平面上になる位置にロータ２２０の大歯車２２１よりさらに大径の楕円状の環状の磁石２１０がロータ２２０の回転と一体に回転するように取り付けられている。

ロータ２２０に取り付けられた楕円の環状の磁石２１０は、シャフトＳｈの周囲を同心をなして囲むと共に、上述の通りロータ２２０の回転と一体となって回転するようになっている。そして、この円環状をなす磁石２１０の幅方向外側半分がＮ極で幅方向内側の半分がＳ極となり、磁石２１０の外周面全体から放射方向にラジアル異方性をもって磁束を発生するようになっている。

プリント基板２３０には上述の通りロータ外周の大歯車２２１と噛合してロータ２２０の回転に伴って同時に回転する小歯車２４０が備わっている。そして、小歯車２４０の内側には平面視で一方の半部が半円状のＮ極をなし他方の半部が半円状のＳ極をなす円板状の小磁石２４５が備わっている。また、プリント基板上には各インダクタ２６０が小歯車２４０の周囲に配置されている。具体的には、図１０に示す配置構成を有しており、一方の対のインダクタ２６１，２６２がそれぞれ小歯車２４０の回転中心ＣＬ２に対して周方向に９０°の角度をなすと共に、他方の対のインダクタ２６３，２６４もそれぞれ小歯車の回転中心ＣＬ２に対して周方向に９０°の角度をなすようにプリント基板上に配置される。また、一方の対のインダクタ２６１（２６２）と他方の対のインダクタ２６３（２６４）とは小歯車２４０の回転中心ＣＬ２に対して４５°の角度をなすようにプリント基板上に配置されている。また、一方の対のインダクタ２６１，２６２は並列接続され、他方の対のインダクタ２６３，２６４も並列接続されている。

なお、インダクタ２６０は、上述したロータ２２０と一体に回転する磁石２１０の周囲に配置されたインダクタ２５０と同様に市販され容易に入手できかつプリント基板２３０への表面実装が可能ないわゆるチップインダクタが利用されている。

続いて、このような構成を有する回転センサ２を用いたシャフトＳｈの回転角度の検出方法について説明する。図１５乃至図１９は、シャフトＳｈの回転に伴ってロータ２２０及び磁石２１０が回転した際における磁石周囲の磁束の変化を矢印で模式的に示している。

図１５は、磁石の長軸が図中垂直方向を向いて他方の対のインダクタ２５３，２５４と磁石２１０が離れた状態を示している。このシャフトＳｈ（ロータ２２０）の回転角度では、一方の対のインダクタ２５１，２５２を磁束が中程度の磁束密度で横切るが、他方の対のインダクタ２５３，２５４を横切る磁束の磁束密度が小さくなっていることが分かる。

図１６は、図１５の状態よりもシャフトＳｈ（ロータ２２０）が図中反時計周りに若干回転し、磁石２１０の長軸が一方の対のインダクタ２５１，２５２にかなり接近した状態を示している。このシャフトＳｈ（ロータ２２０）の回転角度では、一方の対のインダクタ２５１，２５２を横切る磁束の磁束密度がかなり大きくなっており、他方の対のインダクタ２５３，２５４を横切る磁束の磁束密度が図１５に示す最小値に比べて若干増加していることが分かる。

図１７は、図１６の状態よりもシャフトＳｈ（ロータ２２０）が図中反時計周りに更に若干回転し、磁石２１０の長軸が一方の対のインダクタ２５１，２５２に丁度合致した状態を示している。このシャフトＳｈ（ロータ２２０）の回転角度では、一方の対のインダクタ２５１，２５２を横切る磁束の磁束密度が最大となっていると共に、他方の対のインダクタ２５３，２５４を横切る磁束の磁束密度が中程度となっていることが分かる。

図１８は、図１７の状態よりもシャフトＳｈ（ロータ２２０）が図中反時計周りに更に若干回転し、一方の対のインダクタ２５１，２５２と他方の対のインダクタ２５３，２５４のほぼ中間に磁石２１０の長軸が位置する状態を示している。このシャフトＳｈ（ロータ２２０）の回転角度では、一方の対のインダクタ２５１，２５２と他方の対のインダクタ２５３，２５４を横切る磁束の磁束密度が最大値から若干小さい程度となっていることが分かる。

図１９は、図１８の状態よりもシャフトＳｈ（ロータ２２０）が図中反時計周りに更に若干回転し、磁石２１０の長軸が図中水平方向を向いた状態を示している。このシャフトＳｈ（ロータ２２０）の回転角度では、他方の対のインダクタ２５３，２５４を横切る磁束の磁束密度が最大となっていると共に、一方の対のインダクタ２５１，２５２を横切る磁束の磁束密度が中程度となっていることが分かる。

以上の説明から明らかなように一方の対のインダクタ２５１，２５２と他方の対のインダクタ２５３，２５４を横切る磁束密度がシャフトＳｈ（ロータ２２０）の回転角度で３６０°周期で変化するので、この磁束密度の変化を一方の対のインダクタ２５１，２５２及び他方の対のインダクタ２５３，２５４に接続された回路基板上のワンチップマイコン２３５で信号処理する。この信号処理に際しては、一方の対のインダクタ２５１，２５２についての各インダクタンスに対応する出力信号を得ると共に、他方の対のインダクタ２５３，２５４についての各インダクタンスに対応する出力信号を得る。

なお、一方の対のインダクタ２５１，２５２は直列接続され、他方の対のインダクタ２５３，２５４についても直列接続されている。

なお、一方の対のインダクタ２５１，２５２はシャフトＳｈの中心軸線に対して直径方向対称となるようにプリント基板２３０に配置されると共に、他方の対のインダクタ２５３，２５４もシャフトＳｈの中心軸線に対して直径方向対称となるようにプリント基板２３０に配置されているので、一方の対のインダクタ２５１，２５２のインダクタンス出力は１８０°位相がずれ、かつ他方の対のインダクタ２５３，２５４のインダクタンス出力も１８０°位相がずれる。そして、このように１８０°位相のずれた一方の対のインダクタ２５１，２５２の出力を加算すると共に、他方の対のインダクタ２５３，２５４の出力を加算することで、ステータをなすプリント基板２３０とロータ２２０との間のガタによる各インダクタ２５０の出力のズレを相殺して吸収することができ、各インダクタ２５０からのインダクタンス出力をシャフトＳｈの回転角度に正確に対応した精度の高いものとすることができる。

また、一方の対のインダクタ２５１（２５２）と他方の対のインダクタ２５３（２５４）とはシャフトＳｈの中心軸線廻りに互いに４５°の角度だけずれて配置されている。

その結果、一方の対のインダクタ２５１，２５２のインダクタンス出力Ａは各インダクタ２５１，２５２のインダクタンスの和として図８に示すようにｓｉｎ曲線を描くと共に、他方の対のインダクタ２５３，２５４のインダクタンス出力Ｂもこれと４５°の周期だけずれたｓｉｎ曲線を描くようになる。

このようにして得られた各対のインダクタンス出力のｔａｎ^−１（Ａ／Ｂ）をとることで、図９に示すような鋸波状の出力を得ることができる。これによって、本実施形態の場合、シャフトＳｈ即ちロータ２２０の回転角度に対応した９０°周期のインダクタのインダクタンス出力を得ることができる。

一方、図１３に示す小歯車２４０に備わった磁石２４５と小歯車２４０の周囲に配置されたインダクタ２６０も、大歯車２２１に対応して回転する小歯車２４０の回転角度を測定する。即ち、各インダクタ２６０は、第１の実施形態の小歯車１４０と磁石１４５、小歯車１４０の周囲に配置されたインダクタ１６０と同様の原理で小歯車２４０の回転に応じた一方の対のインダクタ２６１，２６２のインダクタンス出力の差Ｃと他方の対のインダクタ２６３，２６４のインダクタンス出力の差Ｄを求める。なお、この場合、上述のロータ周囲に備わったインダクタとは異なり、図１０に示すように一方の対のインダクタ２６１，２６２は、小歯車２４０の回転中心ＣＬ２から周方向で９０°隔てており、他方の対のインダクタ２６３，２６４も小歯車２４０の回転中心ＣＬ２から周方向で９０°隔てているので、図１１に示すように一方の対のインダクタ２６１，２６２の各インダクタの出力は位相が９０°ずれ、他方の対のインダクタ２６３，２６４のインダクタンス出力も位相が９０°ずれる。また、一方の対のインダクタ２６１（２６２）と他方の対のインダクタ２６３（２６４）とが互いに小歯車２４０の中心軸線に対して周方向４５°隔てて配置されているので、一方の対のインダクタ２６１，２６２と他方の対のインダクタ２６３，２６４は互いに４５°位相がずれる。ここで、図１２に示すように一方の対のインダクタ２６１，２６２のインダクタンス出力差Ｃをとると共に、他方の対のインダクタ２６３，２６４のインダクタンス出力差Ｄをとり、ｔａｎ^−１（Ｃ／Ｄ）を算出すると図１２に示す鋸波の出力が得られる。そして、図９に示す鋸波状の出力と図１２に示す鋸波状の出力の組合せから、シャフトＳｈ即ちロータが例えば−９００°〜＋９００°の大角度のうち、何回転目であるかをワンチップマイコン内のメモリテーブルで一義的に求めると共に、図８のｓｉｎ曲線からその回転数内の０°〜３６０°のどの回転角度に当たるかを判断し、最終的に−９００°〜＋９００°の範囲内における絶対回転角度をワンチップマイコン内で求める。なお、この絶対回転角度の算出にあたっては、実際には上述の実施形態の大歯車２２１と小歯車２４０の歯車比を角度算出に適した歯車比に適宜変更して算出する。

以上説明した各実施形態にかかる回転センサ１，２の組み付けに当たっては、上述したようにその部品点数が少ないことに起因して、回転センサ全体を簡単に組み付けることができる。即ち、従来の回転センサのように、センシング部を挟んでコイルコアホルダを用いてセンシング部と等距離だけ対向するようにコイル及びコイルコアをプリント基板に配置する必要がない。

これによって、コイルとコイルコアをこのようにプリント基板に取り付けるためのコイルコアホルダを必要としなくなり、回転センサ自体の厚さを薄くでき、回転センサ２の小型化を達成する。また、コイルとコイルコアをセンシング部との関係でこのような複雑な位置関係で取り付ける必要がない。即ち、プリント基板２３０に実装可能かつ容易に入手できる市販のチップインダクタをプリント基板上に実装するだけで済む。そのため、従来のようにプリント基板の回路パターンとコイルとの面倒な配線作業を必要とせず、組み付け工数の低減を図り、回転センサの製造コストを抑えることができる。

なお、第２の実施形態にかかる回転センサにおいて、楕円の環形状を有する磁石は、磁石の内側がＳ極で外側がＮ極となっていたが、これとは逆に磁石の内側がＮ極で外側がＳ極となっていても良いことは言うまでもない。

また、上述の第２の実施形態の変形例として、磁石が楕円の環形状を有し、かつ磁石の厚み方向で一方の半分がＮ極で他方の半分がＳ極となった磁石を用いても、上述の第２の実施形態と同様の作用効果を発揮し得る。

また、上述した各実施形態では、一対のインダクタを二組用意し、これでロータと一体の取り付けられた磁石の周囲に位置するようにプリント基板上に配置していたが、必ずしもこの組数に限定されず、一対のインダクタを一組だけ配置しても良く、三組以上配置しても良い。

また、上述の実施形態では、各インダクタを磁石と同一面上になるようにプリント基板上に配置したが、回転する磁石の磁束密度の変化を各インダクタが正確に検出できれば、必ずしも磁石と同一面上にインダクタを配置する必要はない。

また、シャフトＳｈの回転数には本実施形態では磁石とインダクタとの組合せを用いたが、必ずしもこれに限定されず、磁石とホール素子、磁石とＭＲ素子、その他磁石とゼネバ歯車などの組み合わせも考えられる。

また、上述の各実施形態で紹介した各部材の材質名はそれらに限定されるものではなく、本発明の作用を発揮するものであればどのような材質を用いても良いことは言うまでもない。

本発明にかかる回転センサは、高い回転角度検出精度を要求されると共に、組み付け性向上のためにある程度の部品交差や組み付け状態でのガタを許容せざるを得ない車両用ステアリング装置の回転角度検出に特に適している。しかしながら、本発明にかかる回転センサは、例えば、ロボットアームのように振動しながら回転する回転軸間の相対回転角度や回転トルクを求めるものであれば、どのようなものにも適用可能である。

本発明の第１の実施形態にかかる回転センサの内部構造を示す平面図である。 図１に示した回転センサの一部の基本的構造をより分かり易く示す概略平面図である。 図１に示した回転センサにおいて磁石のN極とＳ極の境目が他方のインダクタに最も接近した状態の磁束を示す説明図である。 図３に示した状態からロータを反時計方向に僅かに（約３０°）回転させたときの磁束の状態を示す説明図である。 図４より更にロータを反時計方向に僅かに回転させ、磁石のＮ極とＳ極の継ぎ目が他方の対のインダクタと約４５°をなした状態の磁束を示す説明図である。 図５より更にロータを反時計方向に回転させ磁石のＮ極とＳ極の継ぎ目が他方の対のインダクタと約６０°なした状態の磁束を示す説明図である。 図６より更にロータを反時計方向に回転させ磁石のＮ極とＳ極の継ぎ目が他方の対のインダクタと約９０°なした状態の磁束を示す説明図である。 図１及び図１３に示す回転センサの各対のインダクタの出力特性を表わした図であり、横軸をロータの回転角度とし、縦軸を各対のインダクタのインダクタンス出力Ａ，Ｂとして示す出力特性図である。 図８の出力特性図にｔａｎ^−１（Ａ／Ｂ）の演算処理を施した出力を重畳して示す出力特性図である。 小歯車に設けられた磁石とその周囲に配置されたインダクタの位置を概略的に示した説明図である。 図１０に示した各インダクタのインダクタンスを、横軸を小歯車の回転角度とし、縦軸を各対のインダクタのインダクタンス出力として示す出力特性図である。 図１１の出力特性図に一方の対のインダクタのインダクタンス出力の差Ｃと他方の対のインダクタのインダクタンス出力の差Ｄとからｔａｎ^−１（Ｃ／Ｄ）の演算処理を示した出力を重畳させ、横軸を小歯車の回転角度とし、縦軸を各対のインダクタのインダクタンス出力として示す出力特性図である。 本発明の第２の実施形態にかかる回転センサの内部構造を示す平面図である。 図１３に示した回転センサの一部の基本的構造をより分かり易く示す概略平面図である。 図１３に示した回転センサの磁石の磁束密度を示す図であり、磁石の長軸が図中垂直方向に位置した状態の磁束を示す説明図である。 図１５の状態からロータを約３０°反時計方向に回転させた状態の磁束を各インダクタと共に示す説明図である。 図１５の状態からロータを約４５°反時計方向に回転させた状態の磁束を各インダクタと共に示す説明図である。 図１５の状態からロータを約６０°反時計方向に回転させた状態の磁束を各インダクタと共に示す説明図である。 図１５の状態からロータを約９０°反時計方向に回転させた状態の磁束を各インダクタと共に示す説明図である。 従来の回転センサの内部構造を示す断面図である。 図２０に備わったセンシング部をコイルコアの配置と共に示す概略平面図である。

符号の説明

１，２，５ 回転センサ
５Ａ 回転角センサ
５Ｂ 回転数センサ
１０ ロータ
１１ ロータセンシング部
１２ ロータ固定部
２０ ステータ
２１〜２４ 固定コア
２１ａ コア本体
２１ｂ 励磁コイル
３０ ケース
３１〜３４ 固定コア
３１ａ コア本体
３１ｂ 励磁コイル
１１０ 磁石
１２０ ロータ
１２１ 大歯車
１２１ａ ギア
１３０ プリント基板
１３５ ワンチップマイコン
１４０ 小歯車
１４５ 磁石
１５０（１５１〜１５４） インダクタ
１６０（１６１〜１６４） インダクタ
１７０ ケース
２１０ 磁石
２２０ ロータ
２２１ 大歯車
２２１ａ ギア
２３０ プリント基板
２３５ ワンチップマイコン
２４０ 小歯車
２４５ 磁石
２５０（２５１〜２５４） インダクタ
２６０（２６１〜２６４） インダクタ
２７０ ケース
Ａ 一方の対のインダクタのインダクタンス出力和
Ｂ 他方の対のインダクタのインダクタンス出力和
Ｃ 一方の対のインダクタのインダクタンス出力差
Ｄ 他方の対のインダクタのインダクタンス出力差
Ｓｈ シャフト
ＣＬ１，ＣＬ３ 中心軸線
ＣＬ２ 回転中心

Claims (6)

1. 回転角度を測定する被測定回転体と共に回転するように当該被測定回転体に取り付けられ、前記被測定回転体の回転角度に応じて当該被測定回転体周囲の磁束密度を変化させる磁石を備えたロータと、
   前記被測定回転体の回転とは独立して取り付けられるステータと、
   前記ステータに固定され、前記被測定回転体の回転に応じた前記磁石の磁束密度の変化を検出する検出素子と、
   前記ロータ、ステータ、及び検出素子を収容するケースを備え、
   前記被測定回転体の回転に伴う前記検出素子からの検出信号に応じて前記被測定回転体の回転角度を検出するようになったことを特徴とする回転センサ。
2. 前記磁石は、前記被測定回転体の周囲を囲む円環形状を有し、かつ当該円環状の磁石の周方向一方の半分がＮ極で周方向他方の半分がＳ極となったことを特徴とする、請求項１に記載の回転センサ。
3. 前記磁石は、楕円の環形状を有し、かつ当該磁石の内側がＮ極で外側がＳ極か、又は内側がＳ極で外側がＮ極となったことを特徴とする、請求項１に記載の回転センサ。
4. 前記磁石は、楕円の環形状を有し、かつ前記磁石の厚み方向一方の半分がＮ極で他方の半分がＳ極となったことを特徴とする、請求項１に記載の回転センサ。
5. 前記検出素子は、同一の検出特性を有する一対の検出素子からなり、かつ当該一対の検出素子を前記被測定回転体の中心軸線に対して対称となるように前記ステータに配置したことを特徴とする、請求項１乃至請求項４の何れかに記載の回転センサ。
6. 前記一対の検出素子を被測定回転体の軸線の周方向異なる位置に少なくとも２組以上設けたことを特徴とする、請求項５に記載の回転センサ。
   

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