JPH0140929B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は回転角を電気信号に変換する回転角セ
ンサーに関するものである。 この種の従来のものの１つに、回転角変位する
可動体とこの可動体にスライダーが連結されたポ
テンシヨメータを備えるものがある。これにおい
ては可動体の角変位置に対応したアナログ電圧が
ポテンシヨメータより得られる。この回転角セン
サーにおいては、ポテンシヨメータの薄膜抵抗の
耐摩耗性が高くしかもスライダーポジシヨンに対
する出力電圧レベルが安定していることが望まれ
ており、更には、可動体とスライダーの連結機構
におけるガタが少なく、しかも振動や衝撃に対し
ても、スライダーと薄膜抵抗との接触が十分に安
定していることが望まれている。 しかしながら、ポテンシヨメータにおけるスラ
イダーと薄膜抵抗との接続は圧接であるため、摩
耗、振動等により、回転角に対していずれは不安
定な出力電圧を生ずるようになる。 また、従来のセンサの１つに、磁心と、この磁
心に巻回された巻線およびこの巻線を一部に用い
た発振回路を備えたセンサがある。この種のセン
サは、例えば、ロータの回転位置を検出する装置
を開示した実公昭51−3018号公報、特開昭50−
65275号公報、位置、動きの測定装置を開示した
特公昭43−9793号公報、圧力を位置の変位に変換
する装置を開示した実開昭54−56990号公報等に
開示されている。これらのセンサは、磁心に加わ
る外部磁界の変化により発振回路の発振周波数が
変化することを用い、変位を周波数に変換するも
のである。 このような周波数の変化を利用したセンサは、
検出結果が周波数で出力されるため周波数測定器
が必要となる。また、結出結果の出力に測定には
最低でも、発振の起点（ＨレベルからＬレベル
へ、またはＬレベルからＨレベルへ移り変わる
点）から1/2周期必要である。したがつて、測定
の開始時には、開始点から発振の起点までの間の
遅れが生ずる。 更に、従来のセンサの１つに、位置の変化を磁
界の変化に換算し、磁界の変化をコイルにより電
圧に変換するセンサがある。この種のセンサは、
外圧を磁歪素子により磁束の変化に変換する装置
を開示した特開昭52−21875号公報、実用新案登
録第353311号明細書、バイメタルの変位を用いて
温度を検出する装置を開示した実開昭48−20481
号公報、圧力に応じて磁石を変位させた装置を開
示した特公昭46−23674号公報等に開示されてい
る。 このような磁界の変化を電圧に変換するセンサ
は、電圧値を出力とするため、電気ノイズに対し
て弱く、誤差が大きくなる。 本発明の第１の目的は、機械的変位を電気信号
に変換する機械−電気変換系に機械的な接触機構
を有しない、非接触変換手段を備える回転角セン
サーを提供することである。 本発明の第２の目的は、耐振動、耐衝撃性が高
い堅牢な回転角センサーを提供することである。 本発明の第３の目的は、回転角検出信号の電気
処理が比較的に簡単な回転角センサーを提供する
ことである。 本発明の第４の目的は、最近目覚しい進歩をと
げたマイクロコンピユータなどのLSIにて、比較
的に簡単な読取ロジツクで回転角データを読み取
り得る回転角センサーを提供することである。 本発明によれば、樹脂製ボデイの内部に回転軸
が回転可能に支持されるとともに、電気コイルが
巻回された軟磁性体と永久磁石が固定的に配設さ
れる。該回転軸上には強磁性体が固定されて軟磁
性体に作用する永久磁石の磁束を制御すべく永久
磁石と軟磁性体に接触することなく回転軸ととも
に回転変位可能である。１つの実施例によれば、
２つの軟磁性体が回転軸に関し半径方向に対向し
た位置に配設され、１つの永久磁石が２つの軟磁
性体の円周方向中間位置に配設される。他の実施
例によれば、１つの軟磁性体と１つの永久磁石が
円周方向に互いに離間した位置に配設される。軟
磁性体の横断面面積は磁気飽和を生じやすいよう
に小面積とされ、電気コイルの巻回数は比較的に
低い印加電圧すなわち比較的に低い通電電流レベ
ルで軟磁性体が磁気飽和するに十分に多い巻回数
とされ、強磁性体は、その予定移動範囲内におい
て軟磁性体に、その移動量に対応した強度の磁界
を与える程度の小形のものとされる。 軟磁性体に巻回したコイルに電圧を印加し、電
圧印加始点より、軟磁性体が磁気飽和するまでの
時間をＴとすると、概略では、 Ｔ−Ｎ／Ｅ・（φm−φx） ……(1) となる。但し、 Ｅ：電気コイル印加電圧 Ｎ：電気コイルの巻回数 φm：最大磁束（≒飽和磁束） φx：外部磁界による磁束 である。そこで、強磁性体の移動によりφxが変
化するとＴが変化する。すなわち、回転角に応じ
て強磁性体が変位し、これに対応して軟磁性体に
加わる外部磁束φxが変化し、コイルに電圧を印
加してからコイル電流が所定レベルになるまでの
時間Ｔが変化する。それ故本発明の回転角センサ
ーには、Ｔを計測しそれを電圧レベル、デジタル
コード等の電気信号で表わす電気回路又は半導体
電子装置を接続する。本発明の好ましい実施例に
おいては、軟磁性体をアモーフアス
（amorphous：非晶質）磁性体とする。アモーフ
アス磁性体は、液相金属を急冷して作らざるを得
ないため薄板であり、しかも磁気的には強磁性で
あつて透磁率及び飽和磁化が大きくそして保持力
が小さく、又機械的には破断強さがきわめて高
く、弾力性および復力性に優れる。このようなア
モーフアス磁性体の特性は、本発明の回転角セン
サーにきわめて好都合であり、これを用いると電
気的にはＴの計測において信号処理が簡単かつ高
精度となるというメリツトがあり、機械的には製
造が簡単になり、耐振，耐衝撃性が向上する。 本発明の他の目的および特徴は、図面を参照し
た以下の実施例説明において明確にする。 第１図に示す実施例において回転角センサー１
は、中央開孔２を有する第１の樹脂製ボデイ３お
よび偏心開口４を有する第２の樹脂製ボデイ５を
有する。両ボデイ３，５は、金属製リング６によ
つてＯリングシール７を介して互いに固定され
る。該中央開孔２内には樹脂製の回転軸８が挿通
し、該回転軸８の一端９は図示しない回転駆動手
段に連結され、その他端１０は第２の樹脂ボデイ
５の底壁凹所１１内にベアリング保持される。さ
らに回転軸８の中央部にはネジ部１２が形成さ
れ、該ネジ部１２と螺合するナツト１３によつて
位置決めされた強磁性体の扇形部材１４（第２図
参照）が固定される。従つて、扇形部材１４は回
転軸８の回転と一体に回転する。 第２の樹脂ボデイ５の底壁上には、略扇形（第
２図）をした金属製台座１５がビス１６により固
着され、該台座１５上には、樹脂製ホルダ１７に
よつて保持された永久磁石１８が回転軸８と略平
行に固定される。 第２図であきらかなように、回転軸８に関し半
径方向に対向した位置に第１の軟磁性体１９と第
２の軟磁性体２０が配置される。第１の軟磁性体
１９は、ボビン２１を貫通し、このボビン２１に
電気コイル２２が巻回されている。ボビン２１は
第１の軟磁性体１９を圧着した状態で、金属製台
座１５を貫通し、ボデイ５の底壁に固着される。
コイル２２の両端はそれぞれターミナルを介して
リード２３および２４に接続されている。第２の
軟磁性体２０も同様な構成で、リード２５および
２６が接続されている。これらのリード２３ない
し２６は、ボデイ５の偏心開口４を挿通するチユ
ーブ２７内に収容されて、回転角センサー１外に
延在する。該チユーブ２７は、ゴム製ホルダ２８
によつて位置決めされ、該ホルダ２８はビス２
９，２９によりボデイ５に固定された金属製カバ
ー３０によつて脱け止めされる。 第４ａ図に示す電気処理回路１８０は、第１−
３図に示す回転角センサー１における扇形部材１
４の位置に対応したアナログ電圧Vxを生ずる。
回路１８０において、入力電圧パルス（IN）の
プラスレベルの間NPNトランジスタ１０３がオ
ン、アースレベルの間１０３がオフとなる。トラ
ンジスタ１０３のコレクタ電圧は、２個の反転増
幅器IN３およびIN４を通して増幅および波形整
形されてNPNトランジスタ１２１のベースに印
加される。それ故入力電圧パルス（IN）のプラ
スレベルの間トランジスタ１０３がオン、１２１
がオフでPNPトランジスタ１０４がオフ、アー
スレベルの間トランジスタ１０３がオフ、１２１
がオンでトランジスタ１０４がオンとなる。つま
りコイル２２には、パルス状に電圧が印加され、
抵抗１０５に、扇形部材１４の軟磁性体１９又は
２０からの距離x₁に対応した、入力電圧パルス
（IN）の立下りからtd₁遅れて立上る電圧パルス
が現われる。もう一方の電気コイルにはPNPト
ランジスタ１８１を介して定電圧が印加される。
このトランジスタ１８１は、入力電圧パルス
（IN）がプラスレベルの間、トランジスタ１０３
がオンで反転増幅器IN５の出力がプラスレベル
でNPNトランジスタ１８２がオンであるため、
オンであり、トランジスタ１８１は入力電圧パル
ス（IN）がアースレベルの間オフである。これ
により、第２の電気コイルには、第１の電気コイ
ル２２に電圧が印加されていない間に一定電圧が
印加され、コイル２２に電圧が印加されている間
には電圧は印加されない。つまり入力電圧パルス
（IN）に応じて、第１および第２のコイル２２，
３１には交互に一定電圧が印加される。第２の電
気コイル３１には抵抗１８３が接続されており、
この抵抗に、扇形部材１４の軟磁性体１９又は２
０よりの距離X₂に対応した、入力電圧パルス
（IN）の立上りからtd₂遅れて立上る電圧パルス
が現われる。抵抗１０５の電圧Vx₁はキヤパシタ
１８４の一方の電極に、また抵抗１８３の電圧
Vx₂はキヤパシタ１８４の他方の電極に印加され
る。扇形部材１４と第１および第２の軟磁性体１
９および２０との距離がそれぞれX₁およびX₂で
あり、X₁＋X₂＝Ｋ（定数）であるので、また、
Vx₁∝X₁およびVx₂∝X₂であるので、キヤパシ
タ１８４の両端間の電位差はX₁−X₂に対応する。
キヤパシタ１８４と抵抗１８５で積分回路が構成
されているので、キヤパシタ１８４の電圧はX₁
−X₂に対応する。ここでX₂＝Ｋ−X₁であるか
ら、X₁−X₂＝2X₁＋Ｋで、キヤパシタ１８４の
電圧は2X₁に対応する。つまり、第１の軟磁性体
１９を基点にとつた扇形部材１４の移動量X₁の
２倍に対応するアナログ電圧が得られる。キヤパ
シタ１８４の両端は、差動増幅設定とした演算増
幅器１８６に印加される。増幅器１８６のアナロ
グ出力Vxは、したがつて2X₁に対応する。第１
０ｂ図に示す電気処理回路２００は、２つの回路
１２０のそれぞれで入力パルスの立上りよりtd₁
およびtd₂遅れたパルスが得られ、これらは２個
の計数回路１４０のそれぞれに印加され、td₁お
よびtd₂を示すコードＳ１８およびＳ２９に変換
され、引算器２０１に印加される。引算器２０１
はＳ１８とＳ２９を用いてtd₁−td₂の減算をし
て、td₁−td₂つまり2X₁を表わすデジタルコード
Sx＝Ｓ１８−Ｓ２９を出力する。第１０ｃ図に
示す論理処理電子装置２２０では、１チツプマイ
クロコンピユータ２２１が、まず、電気コイル２
２に接続された回路１２０に１パルスを与えて、
その立上りから時間カウントを開始してtd₁カウ
ントデータＳ１８を作成して保持し、次に電気コ
イル３１に接続された回路１２０に１パルスを与
えてその立上りから時間カウントを開始してtd₂
カウントデータＳ２９を作成して、td₁−td₂を演
算してそれを示すコードSx＝S18−S29を出力し、
測定指令信号が与えられている間、これを継続す
る。 本発明者は、第５ａ，５ｂ図に示す如く、軟磁
性体１９および２０を互いに平行にして固定しそ
れらの中間に永久磁石１８を配置して、磁石１８
を軟磁性体１９および２０に平行にし、かつ、扇
形の軟鉄板１４を軟磁性体１９，２０および永久
磁石１４の上方を回動するようにして、軟鉄板１
４の中心が永久磁石１４の真上にあるとき、すな
わち、軟鉄板１４の中心が２つの軟磁性体１９，
２０の中間にあるとき、回転角αを０として、軟
鉄板１４の回転量αに対する出力電圧Ｖを測定し
た。形状および配置位置を示す寸法、および軟磁
性体の材質等の測定データの対応関係を次のテー
ブル１に示す。

【表】

【表】 軟鉄板１４の回転角αが−15゜≦α≦＋15゜の範
囲にあるときは、第６ａ図であきらかなように、
直線性が高いα対Ｖ特性が得られる。また、第６
ｂ図であきらかなように、−15゜≦α≦15゜の範囲
で、直線性が高いα対td（時間差）特性が得られ
る。これは軟鉄板１４の中心が図示位置から±
15゜の範囲内で回転角変位すれば直線性が良くな
ることを表し、軟鉄板１４が上記範囲内にあれば
軟磁性体に作用する磁石の磁束が増加し、範囲外
にまで回転角変位すれば磁束が減少することを意
味する。それ故、軟磁性体１９と２０の距離角β
のみならず、永久磁石１８の形状およびその発生
磁界の強さによつてもα−Ｖ特性が変わるので、
α−Ｖ特性は比較的に容易に所望のものに選定し
うる。 第７〜９図は本発明の他の実施例を示し、前記
実施例と大きく異るところは、軟磁性体が１個配
設されている点である。すなわち、この実施例に
よる回転角センサー５０は、第１の樹脂製ボデイ
５１と該ボデイ５１に超音波溶着された第２の樹
脂製ボデイ５２を有する。ボデイ５１の中央開孔
５３には回転軸５４が挿通され、回転軸５４の端
部に強磁性体の扇形部材５５が固着される。 第２樹脂ボデイ５２は、円周方向に離間した位
置に第１突起部５６と第２突起部５７が形成さ
れ、第１突起部５６内部には、その周囲が電気コ
イル５８によつて巻回された軟磁性体５９が固着
される。コイル５８の各端は夫々リード６０，６
１となつて回転角センサー５０のボデイ外部に延
在する。第２突起部５７内部には永久磁石６２が
固定的に配設される。 扇形部材５５の回転角変位によつて、永久磁石
６２の軟磁性体５０に作用する磁束が変化し、こ
の変化は電気処理回路もしくは論理処理電子装置
で検出される。 第１０ａ図は１つの電気処理回路１００を示
す。回路１００の定電圧電源端子１０１には一定
レベルの直流電圧（たとえば＋5V）が印加され
る。入力端子１０２には、たとえば５〜25KHzの
電圧パルスが印加され、該電圧パルスのプラス電
圧区間にNPNトランジスタ１０３が導通し、ア
ースレベルの間NPNトランジスタ１０３は非導
通となる。PNPトランジスタ１０４はトランジ
スタ１０３がオンの間オンとなり、オフの間オフ
となる。したがつて電気コイル５８には、入力端
子１０２に印加される電圧パルスのプラスレベル
区間に定電圧（Vcc）が印加され、アースレベル
区間には電圧は加わらない。コイル５８に流れる
電流に比例した電圧が抵抗１０５に現われ、この
電圧が抵抗１０６とキヤパシタ１０７でなる積分
回路で積分され、積分電圧が出力端１０８に現わ
れる。第１０ｂ図は第１０ａ図に示す回路の入、
出力電圧波形を示す。入力電圧（IN）がプラス
レベルに立上つてから、抵抗１０５の電圧がある
レベル以上に立上るまでの時間tdおよび抵抗１０
５の電圧(a)の積分電圧Vxは扇形部材５５の位置
に対応する。 第１１ａ図は他の１つの電気処理回路１２０を
示す。入力電圧（IN）がプラスレベルの間NPN
トランジスタ１０３がオン、PNPトランジスタ
１０４がオンしてコイル５８には電圧が印加され
る。入力電圧（IN）がアースレベルの間トラン
ジスタ１０３がオフ、PNPトランジスタ１０４
がオフしてコイル５８には電圧が印加されない。
コイル電流は定電流接続をした接合形Ｎチヤンネ
ルFET１およびFET２に流れ、FET１および
FET２で一定レベル電流値に制御される。FET
２を流れる電流のレベルは可変抵抗１２２で設定
される。FET１およびFET２に接続されたコイ
ル端子の電圧は、反転増幅器IN１およびIN２で
増幅および波形成形される。第１１ｂ図は第１１
ａ図に示す回路の入、出力電圧波形を示す。回路
１２０の出力（OUT）は、入力パルス（IN）よ
りもtdだけ遅れて立上る電圧パルスであり、この
tdが磁石１４の位置に対応する。tdは第４図に示
す計数回路１４０でデジタルコードで表わされ
る。回路１４０において、入力電圧（IN）の立
上りでフリツプフロツプＦ１がセツトされてその
Ｑ出力が高レベル「１」となり、アンドゲートＡ
１がゲート開（オン）となつてクロツクパルス発
振器１４１の発生パルスがカウンタ１４２のカウ
ントパルス入力端CKに印加される。出力パルス
（OUT）とＦ１のＱ出力がアンドゲートＡ２に印
加され、出力パルス（OUT）が立上るとアンド
ゲートＡ２が高レベル「１」に立上り、その立上
り点でフリツプフロツプＦ１がリセツトされその
Ｑ出力が低レベル「０」となる。これによりアン
ドゲートＡ１がゲート閉（オフ）となり、カウン
タ１４２へのクロツクパルスは遮断される。アン
ドゲートＡ２の出力が「１」になつたとき、ラツ
チ１４３にカウンタ１４２のカウントコードが取
り込まれる。フリツプフロツプＦ１がリセツトさ
れ、ラツチ１４３にカウントコードが取り込まれ
た後に、アンドゲートＡ３がクロツクパルスを出
力し、カウンタ１４２をクリアする。ラツチ１４
３の出力コードはtdの間のクロツクパルス発生個
数を示し、このコードがtdを示すことになる。 第１３図に示す電子処理ユニツト１６０は、１
チツプマイクロコンピユータ（大規模集積半導体
装置）１６１、増幅器１６２、定電流制御用の接
合形ＮチヤンネルFET１、抵抗１６３、キヤパ
シタ１６４、増幅器１６５およびクロツクパルス
発振器１６６で構成する。抵抗１６３とキヤパシ
タ１６４は、入、出力パルス周波数よりも高い周
波数の電圧振動を吸収するフイルタを構成してい
る。マイクロコンピユータ１６１はクロツクパル
スを基本に5KHz〜30KHzの範囲内の一定周波数
のパルスを形成しこれを増幅器１６２に与える。
一方、マイクロコンピユータ１６１はＮチヤンネ
ルFET１とコイル５８の一端との接続点の電圧
（増幅器１６５の出力電圧）を監視し、それ自身
が出力したパルスの立上り点から増幅器１６５の
出力電圧の立上り点まで（td）の間クロツクパル
スをカウントし、tdを示すコードを出力する
（DATA OUT）。 以上のように、第７図に示す回転角センサー５
０には、各種の電気処理回路および論理処理電子
装置を接続して、回転角センサー５０の扇形部材
５５の位置に対応した電気信号を得ることができ
る。 以上の実施例および実験データを参照した説明
から理解されるように、本発明の回転角センサー
は摺動接点を有せず、回転角に対応した可動体の
変位を電気コイルの入力パルスと電気コイルの通
電電流パルスの時間差tdに変換し、tdをアナログ
電圧もしくは時間カウントコードで得る電気的処
理で回転角検出信号が得られるので、耐振動性が
高く、しかも機械的な摩耗等の劣化が少ない。可
動体とトランスデユーサとの間に連結機構が無い
ので、ガタなどを生ぜず、安定して圧力検出をお
こなう。特筆すべきは、センサーに接続される電
気処理回路の構成が簡単であり、特に、１チツプ
マイクロコンピユータなどの大規模半導体装置
で、回転角検出用パルスを作成し、そのパルスと
電気コイルの通電電流検出パルスの時間差をデジ
タルコードで簡単に得ることができるということ
である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例回転角センサーの縦
断面図、第２図は第１図のＡ−Ａ線断面図、第３
図は第２図のＢ−Ｂ線断面図、第４ａ図は第１図
に示す回転角センサーに接続され、検出圧に対応
したレベルのアナログ電圧を生ずる電気処理回路
１８０を示す回路図、第４ｂ図は第１図に示す回
転角センサーに接続され、検出圧に対応したデジ
タルコードを生ずる電気処理回路２００の構成を
示すブロツク図、第４ｃ図は、第１図に示す回転
角センサーに接続され、検出圧に対応したデジタ
ルコードを生ずる論理処理電子装置２２０の構成
を示すブロツク図、第５ａ図は軟磁性体に対する
永久磁石の、強磁性体の回転角変位に対応した各
電気コイルの遅れ時間の差を実験で求めたとき
の、軟磁性体、永久磁石、および強磁性体の相対
位置関係を示す平面ブロツク図、第５ｂ図は第５
ａ図の正面図、第６ａ図は第５ａ図、第５ｂ図に
示す配置関係で強磁性体を回転角変位させ、軟磁
性体と永久磁石間の出力電圧を測定したグラフ、
第６ｂ図は第５ａ図、第５ｂ図に示す配置関係で
強磁性体を回転角変位させ、第４ｂ図の電気処理
回路２００を接続し、その入、出力パルス波形を
シンクロスコープで観測し両者の時間差tdを測定
して得られたデータを示すグラフ、第７図は本発
明の別実施例回転角センサーの縦断面図、第８図
は第７図のＡ−Ａ線断面図、第９図は第８図のＢ
−Ｂ線断面図、第１０ａ図は第７図に示す回転角
センサーに接続され、回転角に対応したレベルの
アナログ電圧を生ずる電気処理回路１００を示す
回路図、第１０ｂ図は第１０ａ図に示す電気処理
回路１００の入、出力信号を示す波形図、第１１
ａ図は第７図に示す回転角センサーに接続され、
回転角に対応した時間差のパルスを生ずる電気回
路１２０を示す回路図、第１１ｂ図は第１１ａ図
に示す電気処理回路１２０の入、出力信号を示す
波形図、第１２図は第１１ａ図に示す電気処理回
路１２０の入、出力パルス時間差tdをデジタルコ
ードに変換する計数回路１４０を示すブロツク
図、第１３図は第７図に示す回転角センサーに接
続され、１チツプマイクロコンピユータで回転角
センサーの電気コイルに印加するパルス電圧に対
する電気コイルに流れる電流の立上りの遅れ時間
を計数する電子処理ユニツト１６０を示すブロツ
ク図である。 ３……ボデイ、８……回転軸、１８……永久磁
石、１９，２０……軟磁性体、２２……電気コイ
ル、１４……扇形部材（強磁性体）。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ ボデイに回転可能に支持された回転軸、 前記ボデイ内部に固定された永久磁石、 該永久磁石の近傍に該永久磁石の磁力線に沿つ
   て配置された軟磁性体コア手段、 該軟磁性体コア手段に巻回された電気コイル手
   段、 前記回転軸上に固定され前記永久磁石と軟磁性
   体コア手段から隔離して回転変位可能な強磁性
   体、 電圧発生手段、 指示に応じて電圧発生手段の発生電圧を前記電
   気コイル手段に印加する電圧切換手段、および 前記電気コイル手段に流れる電流を検出する電
   流検出手段、 を備え、指示から該電流検出手段の測定電流の飽
   和までの時間を出力値とする回転角センサー。