JP4028294B2

JP4028294B2 - 回転センサ

Info

Publication number: JP4028294B2
Application number: JP2002144936A
Authority: JP
Inventors: 賢吾田中; 東治金; 毅中本; 和彦松崎; 文彦安倍
Original assignee: THE FURUKAW ELECTRIC CO., LTD.
Current assignee: THE FURUKAW ELECTRIC CO., LTD.
Priority date: 2002-05-20
Filing date: 2002-05-20
Publication date: 2007-12-26
Anticipated expiration: 2022-05-20
Also published as: JP2003337049A

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】
回転する部材、例えば、シャフトの回転を検出する回転センサにおいては、前記シャフトの回転角度に加えて回転数の検出が要求されることがある。このような回転センサとして、特願２０００−２８８９４６号において間欠ギア（ゼネバギア）と同じ大きさのコイル部材を前記間欠ギアに対向配置した回転センサが提案されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前記間欠ギアは、その回転検出範囲が１８０°であったため、例えばハンドル５回転の回転数を検出するには、ハンドル１回転で間欠ギアを３６°回転しなければならず、間欠ギアの歯の数が１０歯必要であった。しかし、このように間欠ギアの歯の数が多くなると、その回転構造上、安定回転し難くなり、振動等によって間欠ギアが回転してしまう恐れが生じる。その結果、前記回転センサを例えばステアリング装置に設けたとき、走行に伴う振動によって間欠ギアが回転し易くなり、ハンドル回転数を誤検出する危険性が高くなるという問題があった。
【０００４】
本発明は上記の点に鑑みてなされたもので、回転数を正確に表示し得る回転センサを提供することを目的とする。
【０００５】
【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）回転するシャフトに取り付けられ、周方向に沿って幅が変化するセンシング部を有するロータと、交流励磁電流が流され、前記ロータとの間に磁気回路を形成する第１の励磁コイルと、絶縁磁性材から成形され、前記第１の励磁コイルを保持する第１のコアとを有し、固定部材に取り付けて、前記センシング部に対して前記シャフトの軸線方向に間隔を置いて対向配置される複数組の固定コアとを備えた回転センサであって、
（ＩＩ）前記センシング部の回転面を挟む一方の固定部材に、回転方向に沿って幅が変化する導電体を有し、前記ロータによって回転させられるゼネバギアを備え、
（ＩＩＩ）前記センシング部の回転面を挟む他方の固定部材に、交流励磁電流が流される第２の励磁コイルと、絶縁磁性材から成形され、前記第２の励磁コイルを保持する第２のコアとを有し、前記ロータの回転数を検出する検出コイルを備え、
（ＩＶ）前記対向配置された複数組の固定コアは前記固定部材の周方向（シャフトの回転周方向）に沿って中心角 90 度間隔で配置されている構成としたのである。
【０００６】
【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を図１乃至図８に基づいて詳細に説明する。
回転センサ１は、ステアリングシャフトに取り付けられ、図１及び図２（ａ），（ｂ）に示すように、ロータ２、固定コア４，５、測定装置６、ゼネバギア７及び検出コイル８を備え、ロータ２及び固定コア４，５はケース１０に収納されている。
【０００７】
ロータ２は、図２（ａ），（ｂ）に示すように、内筒２ａの外周に導電性素材からなるセンシング板３が取り付けられている。内筒２ａは、図２（ａ）に示すように、上部に半径方向外方へ突出し、ゼネバギア７の後述する突条７ｄと係合する突起２ｂが設けられている。また、内筒２ａの上下面には、ケース１０の後述する上ケース１１と下ケース１２の内周縁１１ａ，１２ａが係合する凹溝２ｃ，２ｄが周方向に形成されている。また、内筒２ａは、ゼネバギア７の歯７ａが通過する凹部２ｅがゼネバギア７側に設けられている。
【０００８】
センシング板３は、図３に示すように、内筒２ａに取り付けられるリング状の取付部３ａと、取付部３ａの外側に配置され、周方向に沿って幅が変化するセンシング部３ｂと、取付部３ａとセンシング部３ｂとの間を接続する２ヶ所の接続部３ｃが一体に形成されている。センシング部３ｂは、一方の接続部３ｃにおける幅が最小で、１８０°回転した他方の接続部３ｃにおいて最大の幅を有し、ロータ２の回転角度に対応して半径方向の幅が変化するように形成され、後述する交流磁界によって回転に伴う幅に対応した大きさの渦電流が誘起される。ロータ２は、アルミニウム，銅，銀，鉄，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る。
【０００９】
固定コア４は、測定装置６を構成するプリント基板上に搭載され、図２（ｂ）に示すように、センシング板３を挟んで固定コア５との間に距離を置いて対向配置されている。固定コア５は、ケース１０の後述する上ケース１１に取り付けられている。固定コア４，５は、図１に示すように、それぞれ周方向に沿って中心角９０°間隔で４箇所に対向配置されている。固定コア４，５は、絶縁磁性材からなるコア本体４ａ，５ａと各コア本体４ａ，５ａ内に保持される励磁コイル４ｂ1〜４ｂ4と励磁コイル５ｂ1〜５ｂ4を有している（図３参照）。励磁コイル４ｂ1〜４ｂ4と励磁コイル５ｂ1〜５ｂ4は、それぞれ直列に接続されると共に、ケース１０内で測定装置６の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ている。これらの励磁コイルは、流される交流励磁電流により周囲に交流磁界を形成し、磁気回路を形成する。
【００１０】
測定装置６は、図２（ａ），（ｂ）に示すように、ケース１０の後述する下ケース１２に固定されている。測定装置６は、ケース１０から外部へ延出させた複数の電線１０ａを介して電源や信号伝送用のワイヤハーネスと接続されると共に、ケース１０の外部に設けられた外部装置と接続される。
測定装置６は、図４に示すように、分周回路６ｂと測定部６ｇとの間に、位相シフト部６ｃ1，位相シフト量検出部６ｄ1，コンバータ６ｅ1、位相シフト部６ｃ2，位相シフト量検出部６ｄ2，コンバータ６ｅ2、位相シフト部６ｃ3，位相シフト量検出部６ｄ3，コンバータ６ｅ3及び位相シフト部６ｃ4，位相シフト量検出部６ｄ4，コンバータ６ｅ4が並列に接続されている。
【００１１】
コンバータ６ｅ1の出力信号Ｓc1とコンバータ６ｅ2の出力信号Ｓc2は、差動アンプ６ｈ1で差分された後、増幅されて測定部６ｇのＡ／Ｄコンバータへ電圧信号の出力Ｐo1として出力される他、直接測定部６ｇへと出力される。また、差動アンプ６ｈ1には、増幅された電圧値の電圧レベルを調整するシフトレベル調整部６ｊ1が接続されている。
【００１２】
同様に、コンバータ６ｅ3の出力信号Ｓc3とコンバータ６ｅ4の出力信号Ｓc4は、差動アンプ６ｈ2で差分された後、増幅されて測定部６ｇのＡ／Ｄコンバータへ電圧信号の出力Ｐo2として出力される他、直接測定部６ｇへと出力される。また、差動アンプ６ｈ2には、増幅された電圧値の電圧レベルを調整するシフトレベル調整部６ｊ2が接続されている。さらに、コンバータ６ｅ5の出力信号Ｓc5は、直接測定部６ｇへ出力される。
【００１３】
発振回路６ａは、分周回路６ｂを介して特定周波数の発振信号を、図４に示す抵抗Ｒ1〜Ｒ4、励磁コイル４ｂ1〜４ｂ4，励磁コイル５ｂ1〜５ｂ4及びコンデンサＣ1〜Ｃ4からなる位相シフト部６ｃ1〜６ｃ4に出力する。このとき、各コンデンサＣ1〜Ｃ4両端における電圧信号の位相は、励磁コイル４ｂ1〜４ｂ4や励磁コイル５ｂ1〜５ｂ4の後述するインピーダンスの変動によって変化する。コンデンサＣ1〜Ｃ4両端の電圧信号は、位相シフト量検出部６ｄ1〜６ｄ4へ出力される。
【００１４】
各位相シフト量検出部６ｄ1〜６ｄ4は、各コンデンサＣ1〜Ｃ4両端の電圧信号の位相シフト量を検出する。
コンバータ６ｅ1〜６ｅ4は、検出された前記位相シフト量を対応する電圧値に変換する。
回転センサ１は、例えば、ワンチップマイクロプロセッサ等を用いた測定部６ｇに、図４に示すように、増幅された２つの差分信号である出力Ｐo1，Ｐo2及び４つのコンバータ６ｅ1〜６ｅ4からの出力信号Ｓc1〜Ｓc4が入力される。すると、測定部６ｇは、先ず、４つの出力信号Ｓc1〜Ｓc4のレベルの大小関係を比較することによって、ロータ２のセンシング部３ｂにおいて、励磁コイル４ｂ1〜４ｂ4や励磁コイル５ｂ1〜５ｂ4が配置された位置を判別する。その後、その位置に従い、リニアリティが優れている励磁コイル４ｂ1〜４ｂ4や励磁コイル５ｂ1〜５ｂ4の差分信号を用いて測定部６ｇが適当な信号処理を行い、処理された信号を角度信号としてワンチップマイクロプロセッサから出力する。本実施例では、測定部６ｇのワンチップマイクロプロセッサから出力される角度信号は、一定周期のパルス信号で、そのデューティー比はロータ２の回転角度に比例する。
【００１５】
ゼネバギア７は、図２（ａ）に示すように、ケース１０の後述する上ケース１１の下面に回転自在にねじ止めされている。ゼネバギア７は、図５に示すように、周方向に沿って等間隔に５つの歯７ａが形成され、中央にねじ孔７ｂが設けられている。ゼネバギア７は、図２（ａ）に示すように、ケース１０の後述する上ケース１１の下面にねじ孔７ｂを利用して回転自在にねじ止めされる。ゼネバギア７は、下面には周方向に沿って幅が５段階に変化するアルミニウム，銅，銀，鉄，真鍮等の導電性を有する金属からなる導体層７ｃが設けられ、各歯７ａの上面中央には半径方向に伸びる突条７ｄ（図１参照）が設けられている。
【００１６】
検出コイル８は、図２（ａ）に示すように、ゼネバギア７外周側の、測定装置６を構成するプリント基板上に設置され、絶縁磁性材からなるコア本体８ａとコア本体８ａ内に保持され、交流励磁電流が流される励磁コイル８ｂを有している。検出コイル８の励磁コイル８ｂは、図４に示される位相シフト部６ｃ5に接続され、その信号は位相検出部６ｄ5を通り、コンバータ６ｅ5を介して測定部６ｇへ出力信号Ｓc5として出力される。そして、測定部６ｇにおいて電圧値を読み取り、適当な信号処理を行い、後述するようにロータ２の回転数を検出する。
【００１７】
ケース１０は、回転するステアリングシャフトＳh近傍に位置する車体側の部材（図示せず）に取り付けられる固定部材で、それぞれ交流磁界の遮蔽性を有するアルミニウム，銅等の導電性を有する金属或いは前記絶縁磁性材からリング状に成形され、上ケース１１と下ケース１２を備えている。
上ケース１１は、下ケース１２と組み合わされてロータ２，固定コア４及び測定装置６を収容する環状の空間を形成する円板状の部材で、内筒２ａの凹溝２ｃに係合する内周縁１１ａを有している。下ケース１２は、固定コア４を設置した測定装置６を収容する円板状の部材で、内筒２ａの凹溝２ｄに係合する内周縁１２ａを有している。
【００１８】
上記のように構成される回転センサ１は、ロータ２をステアリングシャフトに、ケース１０をステアリングシャフト近傍の車体側の部材（図示せず）に、それぞれ取り付けて使用される。
回転センサ１においては、センシング部３ｂの幅はロータ２の回転角度に比例するように設定されている。このため、ロータ２の回転に伴い、センシング部３ｂに生ずる渦電流によって誘起される交流磁界は、励磁コイル４ｂ1〜４ｂ4や励磁コイル５ｂ1〜５ｂ4のインピーダンスを変動させる。励磁コイル４ｂ1〜４ｂ4や励磁コイル５ｂ1〜５ｂ4のインピーダンスの変動量は、ロータ２の回転角度に比例する。
【００１９】
従って、回転センサ１は、励磁コイル４ｂ1〜４ｂ4や励磁コイル５ｂ1〜５ｂ4におけるインピーダンスの変動量を測定することでロータ２の回転角度を測定することができる。
ここで、回転センサ１は、ロータ２が１回転する毎に、突起２ｂが突条７ｄと係合してゼネバギア７を３６０°の１／５、即ち、７２°ずつ回転させる。この結果、検出コイル８の出力（Ｖ）は、対向しているセンシング部３ｂの位置に応じて５段階に変化する。従って、これら５段階の出力（Ｖ）に基づいて、回転センサ１においては、ロータ２の回転数を検出することができる。
【００２０】
よって、ロータ２の回転角度を測定した際の信号と、ロータ２の回転数を検出した際の信号を処理することにより、ハンドル５回転分の角度を出力させることも可能になる。
このように本方式では、回転センサ１をステアリング装置に設けた場合、ゼネバギア７の回転検出範囲が３６０°であるため、例えばハンドル５回転の回転数を検出するには、ハンドル１回転でゼネバギア７を７２°回転すればよく、ゼネバギア７の歯の数は５歯と少なくて済む。従って、回転構造上、ゼネバギア７を安定して回転させることが可能になり、その結果、ハンドル回転数の誤検出を防止することができる。
【００２１】
また、ゼネバギア７は、ロータ２の突起２ｂが各突条７ｄと係合し、歯７ａが内筒２ａの凹部２ｅを通過しながら回転するので、振動によって簡単に回転するようなことはない。このため、回転センサ１は、ステアリング装置に設けたときに、走行に伴う振動があっても、回転数を正確に表示することができ、信頼性にも優れている。
【００２２】
また、従来のゼネバギア回転数検出コイルにおいては、コイル側に導電体を設ける必要があったのに対し、本方式では、その必要がないため、回転センサ１の作製が容易になるというメリットもある。
ここで、回転センサ１で用いるゼネバギアは、間欠的な回転と、そのときの導体層の幅によってロータ２の回転数を検出する。従って、図７に示すゼネバギア９のように、下面のねじ孔９ｂの外側に設けられる導体層９ｃを、周方向に沿って幅が連続的に変化するように形成してもよい。この場合、ゼネバギア９が間欠的に回転せず、連続的に回転したときの出力（Ｖ）は、図８のようになる。但し、ゼネバギア９は、間欠的に回転するので、検出コイル８の出力（Ｖ）は、図８に示す連続的な出力（Ｖ）中の５等分した点に対応した離散的な値となる。
【００２３】
この他、検出コイル８は、ゼネバギアにおける導体層の厚さを変化させたり、幅方向に横断する溝を導体層に形成して出力（Ｖ）を変化させてもよい。
尚、上記実施形態の回転センサは、自動車のステアリング装置に使用する場合について説明した。しかし、本発明の回転センサは、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，回転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、回転数を正確に表示し得る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平面図である。
【図２】図１の回転センサのＣ1−Ｃ1線に沿った断面図（ａ）と、Ｃ2−Ｃ2線に沿った断面図（ｂ）である。
【図３】図１の回転センサで用いるセンシング板を、第１の励磁コイルの配置と共に示した平面図である。
【図４】図１の回転センサで使用する回転角度の測定装置の回路図である。
【図５】図１の回転センサで使用するゼネバギアを、検出コイルの配置と共に示した底面図である。
【図６】図５のゼネバギアを用いたときの検出コイルの出力特性図である。
【図７】ゼネバギアの変形例を、検出コイルの配置と共に示した底面図である。
【図８】図７のゼネバギアを用いたときの検出コイルの出力特性図である。
【符号の説明】
１回転センサ
２ロータ
３センシング板
３ａ取付部
３ｂセンシング部
３ｃ接続部
４，５固定コア
４ａ，５ａコア本体（第１のコア）
４ｂ1〜４ｂ4 励磁コイル（第１の）
５ｂ1〜５ｂ4 励磁コイル（第１の）
６測定装置
７ゼネバギア
７ａ歯
７ｂねじ孔
７ｃ導体層
７ｄ突条
８検出コイル
８ａコア本体（第２のコア）
８ｂ励磁コイル（第２の）
１０ケース
１１上ケース
１２下ケース

Claims

（Ｉ）回転するシャフトに取り付けられ、周方向に沿って幅が変化するセンシング部を有するロータと、交流励磁電流が流され、前記ロータとの間に磁気回路を形成する第１の励磁コイルと、絶縁磁性材から成形され、前記第１の励磁コイルを保持する第１のコアとを有し、固定部材に取り付けて、前記センシング部に対して前記シャフトの軸線方向に間隔を置いて対向配置される複数組の固定コアとを備えた回転センサであって、
（ＩＩ）前記センシング部の回転面を挟む一方の固定部材に、回転方向に沿って幅が変化する導電体を有し、前記ロータによって回転させられるゼネバギアを備え、
（ＩＩＩ）前記センシング部の回転面を挟む他方の固定部材に、交流励磁電流が流される第２の励磁コイルと、絶縁磁性材から成形され、前記第２の励磁コイルを保持する第２のコアとを有し、前記ロータの回転数を検出する検出コイルを備え、
( ＩＶ ) 前記対向配置された複数組の固定コアは前記固定部材の周方向（シャフトの回転周方向）に沿って中心角 90 度間隔で配置されていることを特徴とする回転センサ。