JP2003202240A

JP2003202240A - 回転センサと回転角度の検出方法

Info

Publication number: JP2003202240A
Application number: JP2002083535A
Authority: JP
Inventors: Toji Kin; 東治金; Fumihiko Abe; 文彦安倍
Original assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Current assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Priority date: 2001-11-01
Filing date: 2002-03-25
Publication date: 2003-07-18

Abstract

(57)【要約】【課題】小型で安価な回転センサと回転角度の検出方
法を提供する。【解決手段】回転するシャフトＳhの軸線方向所定位
置に取り付けられ、周方向に沿って幅が変化するセンシ
ング部２ｂを有するロータ２、励磁コイル３ｂ1と、絶
縁磁性材から成形され、励磁コイルを保持するコア３ａ
とを有し、固定部材に取り付けて、ロータに対してシャ
フトの軸線方向に間隔を置いて対向配置される固定コア
３及び励磁コイル３ｂ1と接続され、特定周波数の発振
信号を発信する発振手段を有する回転角度測定装置４を
備えた回転センサ１と回転角度の検出方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、回転センサと回転
角度の検出方法に関する。

【０００２】

【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】自動車
のステアリング装置においては、ハンドルの回転角度を
検出して様々な走行制御を行うため、電磁誘導方式の回
転センサが用いられている（例えば、特開２００１−０
９９６８０号公報参照）。ところで、上記回転センサ
は、第１のロータ、固定コア及び第２のロータを回転す
るシャフトの半径方向に配置する構造で、第１及び第２
のロータには周方向に所定間隔で金属層が設けられてい
る。

【０００３】このように構成部材を半径方向に配置し、
金属層を設ける構造のため、従来の回転センサは、小型
化、特に厚さ方向における小型化が難しいうえ、構造が
複雑なことから高価になるという問題があった。また、
同じセンシング部に対して複数のピックアップコイルを
設けて、差動信号処理、リニアリティ補正等を行うこと
が非常に困難であった。

【０００４】本発明は上記の点に鑑みてなされたもの
で、小型で安価な回転センサと回転角度の検出方法を提
供することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
本発明の回転センサにおいては、回転するシャフトの軸
線方向所定位置に取り付けられ、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、励磁コイルと、絶
縁磁性材から成形され、前記励磁コイルを保持するコア
とを有し、固定部材に取り付けて、前記ロータに対して
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
固定体及び前記励磁コイルと接続され、特定周波数の発
振信号を発振する発振手段を有する回転角度測定装置を
備えた構成としたのである。

【０００６】好ましくは、更に、前記ロータを挟んでサ
ブコアが前記励磁コイルと対向配置されている構成とす
る。また好ましくは、更に、他の励磁コイルを保持する
他の固定コアが、前記ロータを挟んで前記固定コアと対
向配置されている構成とする。また、上記目的を達成す
るため本発明の回転角度の検出方法においては、励磁コ
イルと、回転角度に対応して幅が変化するセンシング部
とを回転するシャフトの軸線方向に間隔をおいて対向配
置し、前記シャフトの回転による前記励磁コイルのイン
ピーダンス変動に基づいて前記シャフトの回転角度を検
出する構成としたのである。

【０００７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の回転センサと回転
角度の検出方法に係る一実施形態を図１乃至図１６に基
づいて詳細に説明する。先ず、第１の実施形態について
説明すると、回転センサ１は、図１に示すように、ロー
タ２、固定コア３及び回転角度測定装置（以下、単に
「測定装置」という）４を備え、ロータ２及び固定コア
３はケース５に収納されている。回転センサ１は、回転
するシャフト、例えば、自動車のステアリング装置にお
いて、ハンドルの回転角度を検出する際等に使用され
る。

【０００８】ロータ２は、回転するシャフトＳhの軸線
方向所定位置にダンパ２ｃを介して取り付けられる。ロ
ータ２は、図２に示すように、円盤状の本体２ａに周方
向に沿ってセンシング部２ｂが設けられている。センシ
ング部２ｂは、位置Ｐ1の幅が最小で、１８０°回転し
た位置Ｐ2で最大の幅を有し、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。

【０００９】本体２ａ及びセンシング部２ｂは、異なる
材料で構成する必要があり、次に挙げる種々の材料を使
用することができ、例えば、本体２ａは、導電性材料，
絶縁磁性材，絶縁材或いは非磁性金属（導電性材料）
を、センシング部２ｂは非磁性金属（導電性材料），絶
縁磁性材，絶縁材或いは導電性材料を、それぞれ適宜組
み合わせて使用することができる。

【００１０】導電性材料としては、アルミニウム，銅，
銀，鉄等の導電性を有する金属や、導電性カーボン（炭
素繊維を含む）入り合成樹脂等を使用することができ
る。絶縁磁性材としては、Ｎｉ−Ｚｎ系、Ｍｎ−Ｚｎ
系、Ｍｇ−Ｚｎ系のフェライトに、ナイロン，ポリプロ
ピレン（ＰＰ），ポリフェニレンスルフィド（ＰＰ
Ｓ），ＡＢＳ樹脂等の電気絶縁性を有する熱可塑性合成
樹脂を１０〜７０体積％混合したものを使用することが
できる。絶縁材としては、ナイロン，ポリフェニレンス
ルフィド（ＰＰＳ），ＡＢＳ樹脂等，ガラス繊維にエポ
キシ樹脂を含浸させたＦＲＰ（繊維強化プラスチック）
あるいはセラミック等を使用することができる。非磁性
金属（導電性材料）としては、アルミニウム，銅等を使
用することができる。

【００１１】但し、図１に示す回転センサ１において
は、本体２ａに絶縁材を、センシング部２ｂに導電性材
料を、それぞれ使用している。この組み合わせにする
と、回転センサ１を最も薄く、安価に提供することがで
きる。一方、センシング部２ｂの素材として絶縁磁性材
を用いる場合、ロータ２は、図３に示すように、本体２
ａにセンシング部２ｂを埋設した構成とし、後述するサ
ブコア６ａを使用せずに励磁コイル３ｂ1とセンシング
部２ｂと協働して磁気回路Ｃmgを形成する。このよう
に、絶縁磁性材で構成したセンシング部２ｂと固定コア
３と励磁コイル３ｂ1により磁気回路Ｃmgを形成する
（サブコア６ａの必要がなくなる）ため、センシング部
２ｂの厚みを固定コア３の厚みと実質的に同じ厚さにす
る必要がある。ここで、図３において、磁気回路Ｃmgの
固定コア３とセンシング部２ｂとの間がエアギャップと
なる。

【００１２】このとき、ロータ２が回転すると、ロータ
２上のセンシング部２ｂの幅が回転角度に比例して変動
し、更に、センシング部２ｂの絶縁磁性材部と固定コア
３との間のエアギャップの大きさがそれに伴って変動す
る。この結果、励磁コイル３ｂ1のインピーダンスの変
動を生じ、後述する測定装置４が励磁コイル３ｂ1のイ
ンピーダンスの変動を検出して、ロータ２の角度信号に
変換する。

【００１３】即ち、励磁コイル３ｂ1におけるインピー
ダンスの変動は、センシング部２ｂに発生する渦電流の
大きさによるものだけでなく、センシング部２ｂの絶縁
磁性材部と固定コア３との間のエアギャップの大きさよ
って変動するものもある。ダンパ２ｃは、ロータ２とシ
ャフトＳhとの間に周方向に沿って４箇所設けられ、ロ
ータ２の半径方向の振動を抑制する。

【００１４】固定コア３は、図１に示すように、測定装
置４を構成する基板上に搭載され、シャフトＳh近傍の
固定部材に取り付けられるケース５に収納されている。
固定コア３は、シャフトＳhの軸線方向にロータ２と数
ｍｍ程度の僅かなギャップＧ（図４参照）をおいて対向
配置される。固定コア３は、ロータ２と同一の絶縁磁性
材からなるコア本体３ａとコア本体３ａ内に収容される
励磁コイル３ｂ1とを有している。励磁コイル３ｂ1は、
ケース５にコア本体３ａと共に少なくとも１つ設けら
れ、ケース５内で測定装置４の基板と電気的に接続さ
れ、交流励磁電流が流されている。励磁コイル３ｂ1
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、後述するサブコア６ａと協働して、図４に示すよう
に、磁気回路Ｃmgを形成する。

【００１５】測定装置４は、図１に示すように、基板が
絶縁体Ｉbを介して後述する下ケース７に固定されてい
る。測定装置４は、ケース５から外部へ延出させた電線
３ｃ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５の外部に設けられた外部装置と
接続される。また、測定装置４は、基板上に後述する各
種の回路と信号処理手段が配置され、励磁コイル３ｂ1
が１つの場合とそれ以上の場合とで若干構成が異なる。

【００１６】先ず、励磁コイル３ｂ1が１つの場合、測
定装置４は、図５に示すように、回転センサ１の発振手
段を構成し、発振信号を発信する発振回路４ａ、発振信
号を分周して特定周波数の発振信号を出力する分周回路
４ｂ、センシング部２ｂに発生する渦電流の大きさに応
じ、分周回路４ｂから入力された発振信号の位相をシフ
トする位相シフト部４ｃ1、後述する位相シフト量を検
出する位相シフト量検出部４ｄ1、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コンバータ４ｅ
1、コンバータ４ｅ1から出力される位相シフト量に対応
する電圧を増幅する増幅回路４ｆ1及び増幅された電圧
から回転角度を測定する測定部４ｇを有している。

【００１７】発振回路４ａは、分周回路４ｂを介して特
定周波数の発振信号を、図５に示す抵抗Ｒ1、励磁コイ
ル３ｂ1及びコンデンサＣ1からなる位相シフト部４ｃ1
に出力する。このとき、コンデンサＣ1両端における電
圧信号の位相は、励磁コイル３ｂ1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両端の
電圧信号は、位相シフト量検出部４ｄ1へ出力される。

【００１８】位相シフト量検出部４ｄ1は、コンデンサ
Ｃ両端の電圧信号の位相シフト量を検出する。コンバー
タ４ｅ1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。増幅回路４ｆ1は、コンバータ４ｅ1か
ら出力された信号電圧レベルを増幅し、測定部４ｇに出
力する。

【００１９】測定部４ｇは、演算処理手段として、例え
ば、ワンチップマイクロプロセッサが使用され、増幅回
路４ｆ1から入力される信号（電圧値）に基づき、ロー
タ２の回転角度を測定する。ケース５は、シャフトＳh
近傍に位置する固定部材（図示せず）に取り付けられ、
それぞれ交流磁界の遮蔽性を有する、即ち、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６と下ケース７を備え
ている。

【００２０】上ケース６は、下ケース７と組み合わされ
てロータ２，固定コア３及び測定装置４を収容する環状
の空間を形成する板状の部材で、励磁コイル３ｂ1と対
向する位置にサブコア６ａが配置されている。下ケース
７は、コア本体３ａを収容する凹部７ａが励磁コイル３
ｂ1の数に応じて形成されている。上記のように構成さ
れる回転センサ１は、ダンパ２ｃを介してロータ２をシ
ャフトＳhに、ケース５をシャフトＳh近傍の固定部材
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２ｂ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２ｂ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３ｂ1のインピーダ
ンスを変動させる。励磁コイル３ｂ1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。従って、
励磁コイル３ｂ1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本発
明の回転センサ１の基本原理である。

【００２１】即ち、回転センサ１においては、ロータ２
の回転角度に応じて励磁コイル３ｂ1のインピーダンス
が変動し、位相シフト部４ｃ1のコンデンサＣ1両端の電
圧信号の位相が変化する。測定装置４は、コンデンサＣ
1両端の電圧信号を、位相シフト量検出部４ｄ1，コンバ
ータ４ｅ1及び増幅回路４ｆ1を経て測定部４ｇへ出力す
る。このとき、測定部４ｇへは、図６に示す出力信号Ｓ
1が出力される。

【００２２】ここで、図６において、角度０°は、図２
に示すロータ２において、センシング部２ｂの位置Ｐ1
が励磁コイル３ｂ1の位置に一致しているときをいう。
また、図６に示す出力信号Ｓ1の特性上、４５°〜１３
５°及び２２５°〜３１５°の範囲が直線性に近い感度
が得られる測定精度に優れた領域である。これは、後述
する出力信号Ｓ2の場合も同様である。

【００２３】従って、シャフトＳhの回転方向が左方向
なのか、あるいは右方向なのか何れかが分かっていれ
ば、回転センサ１においては、出力信号Ｓ1の値に基づ
いて測定装置４がシャフトＳhの回転角度を決定するこ
とができる。以上のように、回転センサ１は、従来の回
転センサと異なり、励磁コイル３ｂ1とロータ２とを対
向する平面対向形としたので、大幅なダウンサイジング
が可能となる。例えば、従来の回転センサでは直径１０
０ｍｍ、厚さ２２ｍｍ、重量１５０ｇであったのに対
し、本発明の回転センサ１では直径７０ｍｍ、厚さ８ｍ
ｍ、重量４０ｇと、大幅に小型化できたうえ、価格も従
来の１／６以下に低減することができた。

【００２４】ここで、回転センサ１においては、励磁コ
イル３ｂ1とコア本体３ａ端面の交流磁界のシャフトＳh
方向の分布は不均一である。このため、ロータ２のセン
シング２ａと固定コア３との間のギャップＧ（図４参
照）が、何らかの原因で変動すると、センシング部２ｂ
に誘起される渦電流の量が前記交流磁界の不均一度によ
って変動する。この変動量は、ロータ２の回転と無関係
に生じる一種のノイズである。このノイズを抑えるた
め、回転センサ１は、図１及び図４に示すように、サブ
コア６ａが設けられている。回転センサ１は、サブコア
６ａにより前記交流磁界の不均一度を大幅に改善するこ
とができ、従って、その複数の均一度によるノイズを抑
えることができる。

【００２５】更に、回転センサ１は、自動車で使用する
場合等、環境温度の変動による影響，周囲電磁ノイズ等
の影響により、回転角度の測定精度に悪影響を及ぼす。
従って、上記のようなノイズの影響を抑制するため、固
定コアをケース５の上ケース６に２つ設ける。このと
き、２つの固定コアは、ロータ２の回転中心に対して対
称となるように、励磁コイル３ｂ1を有する固定コア３
に対して中心角１８０°の位置に励磁コイル３ｂ2を有
する固定コア３を配置する。即ち、図２に示すように、
励磁コイル３ｂ1と励磁コイル３ｂ2とを中心角１８０°
隔てて配置する。

【００２６】また、２つの励磁コイルを使用する場合、
図７に示す測定装置１０を使用する。ここで、以下に説
明する測定装置は、主要構成部分が測定装置４と共通し
ている。このため、以下の測定装置において、測定装置
４と構成が同一の部分には説明並びに図面において同一
の符号を使用することで重複した説明を省略する。

【００２７】図７に示す測定装置１０は、図５に示す測
定装置４を変形したもので、分周回路４ｂと測定部４ｇ
との間に、位相シフト部４ｃ1、位相シフト量検出部４
ｄ1及びコンバータ４ｅ1と、位相シフト部４ｃ2、位相
シフト量検出部４ｄ2及びコンバータ４ｅ2とが並列に接
続され、コンバータ４ｅ1の出力信号Ｓc1とコンバータ
４ｅ2の出力信号Ｓc2は、差動アンプ４ｈ1で差分された
後、増幅されて測定部４ｇのＡ／Ｄコンバータへ電圧信
号の出力Ｐo1（図６参照）として出力される他、直接測
定部４ｇへと出力される。また、差動アンプ４ｈ1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４ｊ1が接続されている。

【００２８】励磁コイル３ｂ1，３ｂ2を上記のように配
置し、図７に示す測定装置１０を用いると、測定部４ｇ
へは、図６に示す出力信号Ｓ1の他に出力信号Ｓ2が出力
される。このとき、励磁コイル３ｂ1と励磁コイル３ｂ2
とは中心角１８０°隔てて配置されているため、出力信
号Ｓ1，Ｓ2の位相も１８０°異なっている。従って、回
転センサ１においては、回転に伴うセンシング部２ｂの
幅の変化による励磁コイル３ｂ1，３ｂ2のインピーダン
スの変動の方向が逆になる。これに対して、回転センサ
１は、振動等の外部要因による励磁コイル３ｂ1，３ｂ2
のインピーダンスの変動の方向は同じである。

【００２９】このため、コンバータ４ｅ1，４ｅ2の出力
信号Ｓc1，Ｓc2は、差動アンプ４ｈ1で差分をとると、
出力Ｐo1は倍になるが、ノイズが互いに打ち消される。
このため、測定装置１０を用いると、回転センサ１は、
Ｓ／Ｎ比が大幅に改善される。ここで、図６から分かる
ように、出力信号Ｓ1，Ｓ2は、左右対称である。このた
め、前記のようにシャフトＳhの回転方向が左方向なの
か、あるいは右方向なのか何れかが分かっていれば、回
転センサ１においては、出力信号Ｓ1の値に基づいて測
定装置４がシャフトＳh、従ってロータ２の回転角度を
決定することができる。しかし、シャフトＳhの回転方
向が分からない場合には、ロータ２の回転角度の検出範
囲は、０°〜１８０°に限定されてしまう。

【００３０】しかし、回転センサ１は、実用上、０°〜
３６０°の範囲で測定できることが望まれる。このよう
な場合には、固定コア３を３つ、測定装置４を構成する
基板上に設ける。このとき、３つの固定コアのうち２つ
の固定コアは、前記と同様に、図２に示すように、励磁
コイル３ｂ1と励磁コイル３ｂ2とを中心角１８０°隔て
て配置し、残る１つの励磁コイル３ｂ3を励磁コイル３
ｂ1,３ｂ2に対して中心角９０°隔てて配置する。

【００３１】また、測定装置は、図８に示す測定装置１
２を使用する。測定装置１２は、分周回路４ｂと測定部
４ｇとの間に、位相シフト部４ｃ1，位相シフト量検出
部４ｄ1，コンバータ４ｅ1、位相シフト部４ｃ2，位相
シフト量検出部４ｄ2，コンバータ４ｅ2並びに位相シフ
ト部４ｃ3，位相シフト量検出部４ｄ3，コンバータ４ｅ
3，増幅回路４ｆ3が並列に接続され、測定装置１０と同
様に、差動アンプ４ｈ1とシフトレベル調整部４ｊ1が接
続されている。

【００３２】従って、測定装置１２を用いた回転センサ
１では、励磁コイル３ｂ3の出力信号Ｓ3は、図９に示す
ように、出力信号Ｓ1，Ｓ2（図６参照）に対して９０°
位相がずれている。この結果、測定装置１２を用いた回
転センサ１では、励磁コイル３ｂ3からの出力信号Ｓ3の
レベルの判別（任意のレベルに対し、そのレベル以上か
以下か）によってロータ２の回転角度が０°〜１８０°
の範囲内であるのか、或いは１８０°〜３６０°の範囲
内であるのかを測定装置１２が判別することができる。

【００３３】このとき、言うまでもないが、図２に示す
ように、励磁コイル３ｂ4を励磁コイル３ｂ1,３ｂ2に対
して中心角９０°隔てると共に、励磁コイル３ｂ3と中
心角１８０°隔てて配置する。このように４個の励磁コ
イル３ｂ1〜３ｂ4を用いた主な目的は、回転センサ１の
リニアリティの改善である。図６及び図９に示すよう
に、各励磁コイル３ｂ1〜３ｂ4の出力信号とロータ２の
回転角度との相対関係は正弦波になっている。即ち、各
励磁コイル３ｂ1〜３ｂ4は、ロータ２のセンシング部２
ｂにおける位置Ｐ1，Ｐ2と対向しているときには、出力
信号の正弦波の山或いは谷に相当し、リニアリティは最
も悪くなる。これに対し、各励磁コイル３ｂ1〜３ｂ4
が、センシング部２ｂの位置Ｐ1，Ｐ2から９０°異なる
位置と対向しているときにはリニアリティが最も良くな
る。

【００３４】このとき、回転センサ１は、図１０に示す
測定装置１４を用いる。測定装置１４は、位相シフト部
４ｃ3，位相シフト量検出部４ｄ3，コンバータ４ｅ3及
び位相シフト部４ｃ4，位相シフト量検出部４ｄ4，コン
バータ４ｅ4側に、差動アンプ４ｈ2とシフトレベル調整
部４ｊ2が接続され、差動アンプ４ｈ2から測定部４ｇの
Ａ／Ｄコンバータへ電圧信号の出力Ｐo2（図９参照）が
出力される。

【００３５】本発明では、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４ｇにに、図１０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４ｅ1〜４ｅ4からの出力信号Ｓc1
〜Ｓc4が入力される。すると、測定部４ｇ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２ｂにおいて、
励磁コイル３ｂ1〜３ｂ4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３ｂ1〜３ｂ4の差分信号を用いて適当な信号処
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、ワン
チップマイクロプロセッサから出力する角度信号は、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。

【００３６】具体的には、ロータ２の回転角度位置をα
1〜α4とし、出力信号Ｓc1〜Ｓc4のレベルの大小関係及
び出力信号Ｓc1と出力信号Ｓc2の差分信号並びに出力信
号Ｓc3と出力信号Ｓc4の差分信号の特徴に基づき、ロー
タ２の以下に示す角度位置α1〜α4を判別する。 1) 角度位置α1：−４５°≦α1＜４５° 特徴：｜Ｓc2−Ｓc1｜≧｜Ｓc4−Ｓc3｜，Ｓc2＞Ｓc1，出力Ｐo2のリニアリティが優れている。 2) 角度位置α2：４５°≦α2＜１３５° 特徴：｜Ｓc4−Ｓc3｜＞｜Ｓc2−Ｓc1｜，Ｓc4＞Ｓc3，出力Ｐo1のリニアリティが優れている。 3) 角度位置α3：１３５°≦α2＜２２５° 特徴：｜Ｓc2−Ｓc1｜≧｜Ｓc4−Ｓc3｜，Ｓc2＜Ｓc1，出力Ｐo2のリニアリティが優れている。 4) 角度位置α4：２２５°≦α2＜３１５°(＝−４５
°) 特徴：｜Ｓc4−Ｓc3｜＞｜Ｓc2−Ｓc1｜，Ｓc4＜Ｓc3，出力Ｐo1のリニアリティが優れている。

【００３７】ここで、図１に示す回転センサ１において
は、測定装置４の基板と下ケース７との間には、電気的
な接続を回避するため隙間が形成されているが、例え
ば、この隙間に絶縁シート等の絶縁体を配置してもよ
い。更に、回転センサ１は、測定装置４をケース５の外
に設け、固定コア３をケース５の内側に取り付けてもよ
い。

【００３８】次に、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回転トルクと回転
角度を検出する回転センサの第２の実施形態を以下に説
明する。回転センサ２０は、図１１に示すように、第１
ロータ２１、固定コア２２、第２ロータ２３、第３ロー
タ２４、ケース２５及び角度測定装置２８を備えてい
る。ここで、主動シャフトＳdiは、従動シャフトＳdnに
対して±８°の範囲内で相対回転する。

【００３９】第１ロータ２１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
磁性材粉を、軟磁性材の含有量が１０〜７０体積％で混
合した絶縁磁性材によって円筒状に成形され、従動シャ
フトＳdnの軸線方向所定位置に取り付けられる。第１ロ
ータ２１は、図１に示すように、外周下部に周方向に所
定間隔、例えば、中心角３０°間隔で複数の銅箔２１ａ
が設けられている。

【００４０】ここで、銅箔２１ａは、上側あるいは下側
のみに所定間隔で設けたり、上側あるいは下側に所定間
隔で設けると共に、下側あるいは上側に全周に亘って設
けてもよい。また、導体層であれば、例えば、アルミニ
ウム，銀等の素材を使用することができ、銅箔２１ａを
含むこれら導体層は絶縁磁性材の内部に埋め込んでもよ
い。また、これら導体層は、高周波磁界を遮蔽するうえ
で、第１ロータ２１と固定コア２２との半径方向のギャ
ップに基づく磁気抵抗を考慮すると、0.１〜0.５ｍｍ程
度の厚さが望ましい。更に、銅箔２１ａは、理論上、中
心角を小さくして配置間隔を小さくする程、前記導体層
としての数が多くなり、誘導されるトータル渦電流の変
化量（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、測定できる相対回転角
度範囲が小さくなる。

【００４１】固定コア２２は、第１ロータ２１と半径方
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２２は、図１１に示すよう
に、第１ロータ２１と同一の絶縁磁性材からなる２つの
第１コア本体２２ａ、各第１コア本体２２ａ内に収容さ
れる第１励磁コイル２２ｂ1，２２ｂ2、第３ロータ２４
の後述するセンシング部２４ｃと対向配置される第２コ
ア本体２２ｃ、第２コア本体２２ｃ内に収容される第２
励磁コイル２２ｄ及び第１コア本体２２ａと第２コア本
体２２ｃを収容する遮蔽ケース（以下、単に「ケース」
という）２２ｅとを有している。第１励磁コイル２２ｂ
1，２２ｂ2は、ケース２２ｅから外部へ延出させた電線
２２ｆ（図１参照）によって角度測定装置２８と接続さ
れ、角度測定装置２８から交流励磁電流が流されてい
る。ケース２２ｅは、アルミニウム，銅等の交流磁界の
遮蔽性を有する金属によってリング状に形成されてい
る。

【００４２】このとき、固定コア２２は、従動シャフト
Ｓdnの軸に直交する面に関して、図１１に示すように、
第１励磁コイル２２ｂ1，２２ｂ2を収容した２つの第１
コア本体２２ａを面対称に配置する。第２ロータ２３
は、電気絶縁性を有し、成型性に優れた合成樹脂によっ
て成形されたフランジ２３ａに、図１１に示すように、
フランジ２３ａに従動シャフトＳdnの軸と並行する導電
性金属からなる複数の羽板２３ｂが周方向に均等に配置
されている。フランジ２３ａは、外周下面にケース２２
ｅの上面に当接する突起２３ｃが設けられている。

【００４３】このとき、第２ロータ２３は、絶縁材で製
作された筒体の内表面や内部に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２１ａに対応させて均等に配置して羽板
２３ｂを形成してもよい。第２ロータ２３は、第１ロー
タ２１と固定コア２２との間に配置され、主動シャフト
Ｓdiに取り付けられる。

【００４４】第３ロータ２４は、回転する従動シャフト
Ｓdnの第１ロータ２１下部に複数のダンパ２４ａを介し
て取り付けられている。第３ロータ２４は、ロータ２と
同様の素材によって円盤状の本体２４ｂに周方向に沿っ
てセンシング部２４ｃが形成されている。センシング部
２４ｃは、最小幅の位置から１８０°回転した位置で最
大幅となるように、第３ロータ２４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。

【００４５】ケース２５は、ケース２２ｅの上部に取り
付けられる上ケース２６とケース２２ｅの下部に取り付
けられる下ケース２７を有している。上ケース２６は、
第２ロータ２３を収容する凹部２６ａが形成されてい
る。下ケース２７は、第３ロータ２４と数ｍｍ程度の僅
かなギャップをおいて対向配置され、第２励磁コイル２
２ｄと対向する位置にサブコア２７ａが配置されてい
る。

【００４６】角度測定装置２８は、図１１に示すよう
に、下ケース２７の下部に配置され、前記第１の実施形
態における測定装置と同一の原理に基づいて回転角度を
測定する。一方、相対回転角度は、以下のようにして主
動シャフトＳdiと従動シャフトＳdnとの間の相対回転角
度を測定する。角度測定装置２８は、図１２に示すよう
に、発振信号を発振する発振回路２８ａと、発振信号を
分周して特定周波数の発振信号を出力する分周回路２８
ｂと、励磁コイル２２ｂ1，２２ｂ2にそれぞれ生じる前
記発振信号の位相をシフトする位相シフト部２８ｃと、
前記検出された各位相シフト量を検出する第１及び第２
シフト量検出部２８ｄ，２８ｅと、前記検出されたシフ
ト量を対応する電圧値に変換する第１及び第２コンバー
タ２８ｆ，２８ｇと、前記電圧値のシフトレベルを調整
する第１及び第２シフトレベル調整部２８ｈ，２８ｉ
と、第１コンバータ２８ｆからのシフト量に対応する電
圧と第２シフトレベル調整部２８ｉからの調整された電
圧との差分を求める第１差動アンプ２８ｊと、第１シフ
トレベル調整部２８ｈからの調整された電圧と第２コン
バータ２８ｇからのシフト量に対応する電圧との差分を
求める第２差動アンプ２８ｋと、求められた各差分の電
圧から相対回転角度を測定する相対回転角度測定部２８
ｍとを有している。

【００４７】発振回路２８ａは、分周回路２８ｂを介し
て特定周波数の発振信号を位相シフト部２８ｃに出力す
る。位相シフト部２８ｃは、図１２に示すように、Ａ点
とＢ点の間が励磁コイル２２ｂ1、Ａ点とＣ点の間が励
磁コイル２２ｂ2、Ｂ点とＣ点の間がコンデンサＣ11，
抵抗Ｒ11，抵抗Ｒ12及びコンデンサＣ12で、それぞれ直
列接続され、それぞれが位相シフト回路を形成してい
る。励磁コイル２２ｂ1，２２ｂ2は、交流励磁電流が流
されて周囲に交流磁界を形成し、２つの第１コア本体２
２ａ及び第１ロータ２１と協働して磁気回路を形成して
いる。位相シフト部２８ｃは、第２ロータ２３及び第１
ロータ２１の銅箔２１ａに発生する渦電流の大きさに応
じて、励磁コイル２２ｂ1，２２ｂ2に接続された分周回
路２８ｂから入力される発振信号の位相をシフトする。

【００４８】第１及び第２シフト量検出部２８ｄ，２８
ｅは、位相シフト部２８ｃのＢ点，Ｃ点にそれぞれ接続
されている。第１シフト量検出部２８ｄは、Ａ点とＢ点
との間における発振信号の位相ずれ量を、第２のシフト
量検出部２８ｄはＡ点とＣ点との間における発振信号の
位相ずれ量を、それぞれ検出する。第１及び第２のコン
バータ２８ｆ，２８ｇは、検出された各位相ずれ量を対
応する電圧値Ｓ11，Ｓ12に変換する。このとき、第１ロ
ータ２１と第２ロータ２３とが相対回転すると、複数の
銅箔２１ａと複数の羽板２３ｂとによって磁束を遮蔽す
る全面積の変化は、上側の励磁コイル２２ｂ1と下側の
励磁コイル２２ｂ2とで逆になるため、出力勾配が逆と
なる。

【００４９】シフトレベル調整部２８ｈ，２８ｉは、コ
ンバータ２８ｆ，２８ｇから出力される電圧レベル信号
Ｓ11，Ｓ12のシフトレベルを調整して、第１及び第２差
動アンプ２８ｊ，２８ｋに出力する。第１差動アンプ２
８ｊは、コンバータ２８ｆからの電圧レベル信号Ｓ11と
シフトレベル調整部２８ｉからの出力信号との差分Ｔ1
を求め、相対回転角度測定部２８ｍに出力する。また、
第２差動アンプ２８ｋは、コンバータ２８ｇからの電圧
レベル信号Ｓ12とシフトレベル調整部２８ｈからの出力
信号との差分Ｔ2を求めて、相対回転角度測定部２８ｍ
に出力する。このとき、電圧レベル信号Ｓ11と電圧レベ
ル信号Ｓ12との出力勾配は逆なので、差分Ｔ1と差分Ｔ2
の勾配は、それぞれ電圧レベル信号Ｓ11，Ｓ12の勾配の
２倍となる。

【００５０】相対回転角度測定部２８ｍは、これら信号
Ｔ1，Ｔ2の電圧値に基づき、２つのロータ２１，２３、
従って主動シャフトＳdiと従動シャフトＳdnとの間の相
対回転角度を−８°〜＋８°の範囲で高精度に測定す
る。従って、回転センサ２０は、この相対回転角度に基
づき、予め求めてある主動シャフトＳdiと従動シャフト
Ｓdnとの間に作用するトルクと、両シャフト間の相対回
転角度との関係に基づき、作用しているトルクを求める
ことができる。

【００５１】ここで、上記実施形態で説明した回転セン
サ１は、図１３に示すように、ロータ２を挟んで固定コ
ア３と対向し、固定コア３との間が距離Ｌとなる位置に
更に固定コア８を配置してもよい。固定コア８は、配置
される固定コア３に合わせて対抗配置すればいくつ設け
てもよい。このとき、ロータ２は、絶縁磁性材からなる
本体２ａの表裏両面に導電性材料からなる図２に示す形
状のセンシング部２ｂが形成されている。

【００５２】固定コア８は、上ケース６の下面に固定コ
ア３と同様に取り付けられる。固定コア８は、ロータ２
と同一の絶縁磁性材からなるコア本体８ａとコア本体８
ａ内に収容される励磁コイル８ｂ1とを有している。励
磁コイル８ｂ1は、ロータ２を挟んで励磁コイル３ｂ1と
対向配置され、励磁コイル８ｂ1と励磁コイル３ｂ1とは
直列に接続されている。そして、これらの励磁コイル３
ｂ1，８ｂ1は、ケース５内で測定装置４の基板と電気的
に接続され、流される交流励磁電流によって周囲に交流
磁界を形成し、図１３に示すように、それぞれの磁気回
路Ｃmgを形成する。

【００５３】尚、図１５においては、各々のコア本体８
ａ内の励磁コイル８ｂ1〜８ｂ4と各々のコア本体３ａ内
の励磁コイル３ｂ1〜３ｂ4とは、ロータ２を挟んでそれ
ぞれ対向配置されている。このとき、それぞれの励磁コ
イル８ｂ1〜８ｂ4と励磁コイル３ｂ1〜３ｂ4とは、それ
ぞれ直列に接続され、流される交流励磁電流により、周
囲に交流磁界を形成し、それぞれの磁気回路Ｃmgを形成
する。

【００５４】このように、ロータ２を挟んで固定コア３
と固定コア８とを対向配置すると、回転センサ１は、固
定コア３，８との間が常に距離Ｌに保持される。このた
め、ロータ２が回転軸方向に振動すると、ロータ２は、
固定コア３，８間で振動する際、固定コア３や固定コア
８との距離がそれぞれ変動する。しかし、一方の距離が
短くなった分、他方の固定コアとの距離が長くなると共
に、変動方向が逆となる。よって、ロータ２と固定コア
３や固定コア８との距離の変動に伴うコイルインピーダ
ンスの変動も、相互に補完されて互いに打ち消し合うこ
とになる。

【００５５】従って、図１３に示す回転センサ１は、振
動に起因したノイズが図１に示す回転センサ１よりも更
に低減されて、回転角度の検出誤差が大幅に小さく抑え
られ、回転角度を検出する精度が一層向上する。例え
ば、図１に示す回転センサ１の場合、ロータ２の直径が
５５ｍｍで、固定コア３とサブコア６ａとの間のギャッ
プ1.６ｍｍの場合、ロータ２が外縁部で軸方向に±0.２
ｍｍ振動した場合、回転角度の検出誤差は±５％であっ
た。これに対して、サイズが同じで、固定コア３と固定
コア８との距離ＬをＬ＝1.６ｍｍに設定して対向配置し
た図１３に示す回転センサ１の場合、回転角度の検出誤
差は１／２５の±0.２％まで飛躍的に低減された。

【００５６】このとき、図１３に示す回転センサ１にお
いては、ロータ２に代えて図１４に示すように、固定コ
ア３と固定コア８との間に導電性材料からなるメタルロ
ータ９を配置してもよい。メタルロータ９は、センシン
グ部２ｂと同じ導電性金属を打ち抜き加工して製造さ
れ、図１５に示すように、取付リング９ａの外周に形成
される２ヶ所のブリッジ部９ｂを介してセンシング部９
ｃが形成されている。メタルロータ９は、取付リング９
ａで回転するシャフトShの所定位置に取り付けられる。
センシング部９ｃは、回転角度に対応して半径方向の幅
が変化するように、ロータ２のセンシング部２ｂと同様
に、位置Ｐ1の幅が最小で、１８０°回転した位置Ｐ2で
最大の幅を有するように形成されている。

【００５７】メタルロータ９を用いた回転センサ１は、
前記のように導電性金属を打ち抜き加工して製造される
ので、ロータ２よりも薄くすることができ、距離Ｌを置
いた固定コア３と固定コア８との間への配置が容易なう
え、ロータ２に比べて非常に安価となる。従って、ロー
タを挟んで２つの固定コアを対向配置する構造の回転セ
ンサは、図１６に示す回転センサ３０のように構成して
もよい。

【００５８】即ち、図１６に示す回転センサ３０は、メ
タルロータ３１、固定コア３２，３３及び測定装置３４
を備え、メタルロータ３１及び固定コア３２，３３はケ
ース３５に収納されている。メタルロータ３１は、メタ
ルロータ９と同一の素材から打ち抜き加工によって同一
形状に形成され、取付リング３１ａ、２ヶ所のブリッジ
部３１ｂ及びセンシング部３１ｃを有している。

【００５９】固定コア３２は、測定装置３４を構成する
プリント基板上に搭載され、メタルロータ３１を挟んで
固定コア３３との間に距離Ｌを置いて対向配置されてい
る。固定コア３２，３３は、ロータ２と同一の絶縁磁性
材からなるコア本体３２ａ，３３ａとコア本体３２ａ，
３３ａ内に収容される励磁コイル３２ｂ1〜３２ｂ4と励
磁コイル３３ｂ1〜３３ｂ4を有している。ここで、図１
６においては、励磁コイル３２ｂ1と励磁コイル３３ｂ1
のみが図示され、他は省略されている。励磁コイル３２
ｂ1〜３２ｂ4と励磁コイル３３ｂ1〜３３ｂ4は、それぞ
れ直列に接続され、ケース３５内で測定装置３４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、図１６に示すように、磁
気回路Ｃmgを形成する。

【００６０】測定装置３４は、図１６に示すように、ケ
ース３５の後述する下ケース３７に固定されている。測
定装置３４は、ケース３５から外部へ延出させた複数の
電線３４ａｃ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３５の外部に設けられた
外部装置と接続される。ケース３５は、回転するシャフ
ト近傍に位置する固定部材（図示せず）に取り付けら
れ、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３６と下ケース３７を備え
ている。

【００６１】上記のように構成される回転センサ３０
は、メタルロータ３１を挟んで固定コア３２と固定コア
３３とが対向配置され、固定コア３２，３３の間が常に
距離Ｌに保持される。このため、回転センサ３０は、メ
タルロータ３１が回転軸方向に振動しても、メタルロー
タ３１は、固定コア３２，３３との距離Ｌの間を振動す
るだけで、振動に起因した影響が固定コア３２，３３に
よって相互に補完される。このため、回転センサ３０
は、振動に起因した回転角度の検出誤差が大幅に小さく
抑えられる。

【００６２】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。

【００６３】

【発明の効果】請求項１，４の発明によれば、小型で安
価な回転センサと回転角度の検出方法を提供することが
できる。請求項２の発明によれば、回転センサが振動し
てロータと励磁コイルを有する固定体との間のギャップ
が変動しても、ロータと固定体との間に発生する磁界を
安定させて磁界の変動に起因するノイズを小さく抑える
ことができる。このため、回転センサは、回転角度を検
出する精度が向上する。

【００６４】請求項３の発明によれば、振動に起因した
ノイズが更に低減されて、回転角度の検出誤差が大幅に
小さく抑えられ、回転角度を検出する精度が一層向上す
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の回転角度の検出方法を適用した回転セ
ンサの第１の実施形態を示す断面図である。

【図２】図１の回転センサで用いるロータの平面図であ
る。

【図３】図１の回転センサで用いるロータの変形例を固
定コアと共に示した断面図である。

【図４】図１の回転センサのロータの要部を、対応する
固定体及びサブコアと共に示した断面図である。

【図５】図１の回転センサで使用する回転角度測定装置
の一例を示す回路図である。

【図６】図１の回転センサにおける励磁コイルの出力信
号と回転角度測定装置の測定部へ出力される電圧信号の
出力特性図である。

【図７】回転角度測定装置の変形例を示す回路図であ
る。

【図８】回転角度測定装置の他の変形例を示す回路図で
ある。

【図９】図１の回転センサにおける励磁コイルの出力信
号と回転角度測定装置の測定部へ出力される電圧信号の
出力特性図である。

【図１０】回転角度測定装置の更に他の変形例を示す回
路図である。

【図１１】本発明の回転センサの第２の実施形態を示す
断面図である。

【図１２】図１１の回転センサで使用する角度測定装置
の一例を示す回路図である。

【図１３】図１の回転センサの変形例を示す断面図であ
る。

【図１４】図１の回転センサの他の変形例を示す断面図
である。

【図１５】図１４の回転センサで用いるメタルロータの
平面図である。

【図１６】図１の回転センサの更に他の変形例を示すも
ので、左半側の断面図である。

【符号の説明】

１回転センサ２ロータ２ｂセンシング部３固定コア３ａコア本体３ｂ1〜３ｂ4 励磁コイル４回転角度測定装置４ａ発振回路４ｂ分周回路４ｃ1〜４ｃ4 位相シフト部４ｄ1〜４ｄ4 位相シフト量検出部４ｅ1〜４ｅ4 コンバータ４ｆ1，４ｆ3 増幅回路４ｇ測定部４ｈ1，４ｈ2 差動アンプ４ｊ1，４ｊ2 シフトレベル調整部５ケース６上ケース６ａサブコア７下ケース８固定コア８ａコア本体８ｂ1〜８ｂ4 励磁コイル９メタルロータ９ａ取付リング９ｂブリッジ部９ｃセンシング部１０，１２回転角度測定装置１４回転角度測定装置２０回転センサ２１第１ロータ２２固定コア２２ｄ励磁コイル２３第２ロータ２４第３ロータ２４ｃセンシング部２５ケース２６上ケース２７下ケース２７ａサブコア２８角度測定装置３０回転センサ３１メタルロータ３２，３３固定コア３４測定装置３５ケース３６上ケース３７下ケースＣmg 磁気回路Ｓh シャフト

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 2F077 CC02 FF02 FF03 FF13 FF31 VV02 VV11 3D033 CA29 DB05

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】回転するシャフトの軸線方向所定位置に
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、励磁コイルと、絶縁磁性材から成形され、前記励磁コイ
ルを保持するコアとを有し、固定部材に取り付けて、前
記ロータに対して前記シャフトの軸線方向に間隔を置い
て対向配置される固定コア及び前記励磁コイルと接続さ
れ、特定周波数の発振信号を発信する発振手段を有する
回転角度測定装置を備えたことを特徴とする回転セン
サ。
【請求項２】更に、前記ロータを挟んでサブコアが前
記励磁コイルと対向配置されている、請求項１の回転セ
ンサ。
【請求項３】更に、他の励磁コイルを保持する他の固
定コアが、前記ロータを挟んで前記固定コアと対向配置
されている、請求項１の回転センサ。
【請求項４】励磁コイルと、回転角度に対応して幅が
変化するセンシング部とを回転するシャフトの軸線方向
に間隔をおいて対向配置し、前記シャフトの回転による
前記励磁コイルのインピーダンス変動に基づいて前記シ
ャフトの回転角度を検出することを特徴とする回転角度
の検出方法。