JPS6073402A - 角度センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔技術分野〕 本発明は回転軸の回転角度を検出するセンサに関し、特
に、エンジンのスロットルバルブの回動軸およびその他
の、回転角度が３６０度以内の軸体の回転角度を電気信
号で表わす角度センサに関する。

〔従来技術〕

従来のこの種の角度センサの内、アナログ信号を得るも
のとしては、ポテンショメータを用いるものがある。デ
ジタルデータを得るものとしては、ロータリーエンコー
ダやアブソリュートロータリーエンコーダなどがある。

ポテンショメータを用いるものでは、アナログ信号が得
られるので、角度検出の分解能が高く、その信号に基づ
いた各種の制御を比較的に高い精度で行ない得る。しか
し、ポテンショメータが、抵抗被膜にスライダが摺接す
るものであるので、摩耗やスライダの接触不良を生じや
すく、たとえば車上搭載等の、振動が多い用途において
は高い信頼性をおくことができない。

また、ロータリーエンコーダを用いるものでは、その発
生パルスをカウンタでカウントする形で、比較的に高分
解能のデジタルデータを得ることができるし、あるいは
発生パルスをＦ／Ｖ変換器に与えて、比較的に高分解能
のアナログ信号を得ることができる。しかしこれにおい
ても、回転スリット板に振動が与えられると、パルス発
生が乱れたり、あるいはスリット板やフォトセンサが損
傷を受けたり変形したりすることがあるので、振動。

衝撃が大きい用途では１通常の高分解能のロータリーエ
ンコーダでは耐久性に難点がある。耐久性を高くするた
めには、スリット板を堅牢なもとすればよいが、分解能
が大幅に低下し、また汎用性が低いものとなる。アブソ
リュートロータリーエンコーダでは、デジタルデータが
直接に得られるが、接触形のものではポテンショメータ
と同様な問題があり、フォトセンサなどの非接触形のも
のではロータリーエンコーダと同様な問題がある。

一方、最近は各種制御が複雑多様になり、これに応じて
、センサ自身に信号処理回路を内蔵して、制御装置自身
の回路構成、装置構成等を極力簡単にすることが望まれ
ている。このような要望を満すには、センサ構造が極力
簡単でしかも電気回路要素のセンサ内装備が簡単かつコ
ンパクトに行なわれる必要があると共に、センサ内での
リード引き廻しが極力単純であるのが望ましい。

〔目的〕

本発明の第１の目的は、耐振動、耐衝撃、耐摩耗等の機
械的な耐性が高い角度センサを提供することを第１の目
的とし、角度検出信号処理を行なう電気回路の装着が容
易かつ簡単で、しかも可動電気接続部が実質上ない角度
センサを提供することを第２の目的とし、電気リードの
センサ内引き廻しが実質上省略された角度センサを提供
することを第３の目的とする。

〔構成〕

上記目的を達成するために本発明においては、両端が開
口した筒状ハウジングの内部に、その内部空間を両端の
開口の間で２つに区分する形で。

軸体貫通穴を有する磁性体第１ヨークを配置固定し、磁
性体第１ヨークの該穴に磁性体軸体を貫通させ、磁性体
軸体の一端部には磁性体軸体の軸心に対して偏心した曲
面を有する磁性体ロータを一体とし、磁性体ロータの曲
面および磁性体第１ヨークに対向させて磁性体第２ヨー
クを配置し、しかも磁性体第２ヨークと磁性体ロータの
曲面のみに対向する磁性体第３ヨークとの間に、両ヨー
クを結ぶ方向に磁気分極した永久磁石を配置し、磁性体
第１ヨークと磁性体第２ヨークの間に非磁性体スペーサ
を介挿して、両者間に空間を形成する。

以上の構成により、永久磁石−磁性体第２ヨーク−空間
−磁性体第１ヨーク−磁性体軸体−磁性体ローター磁性
体第３ヨークとめぐる主磁束ループと、磁性体ロータの
回転に伴って該空間の磁束に増減を与える永久磁石−磁
性体第２ヨーク−磁性体ローター磁性体第３ヨークとめ
ぐる副磁束ループが形成されろ。そこで、該空間にホー
ルＩＣなどの磁気センサを配置して、この磁気センサの
電気信号を電気処理回路で処理して出力とするが、該空
間に、磁気センサを固着する第１電気導体基板、つまり
第１プリント基板を配置して磁気センサはこの第１プリ
ント基板に電気接続および固着する。

この磁気センサの電気リードの引き廻しを省略するため
、第１プリント基板のセンサ接続電気導体に導体ピンを
立植し、第２磁性体ヨークと磁性体ロータの間を通して
引き伸ばし、磁性体ロータを越えた位置で、信号処理電
気回路要素を装備した第２電気導体基板、つまり第２プ
リント基板に、導体ピンの引き伸ばし端を電気接続およ
び固着する。

以上の構成により１機構的な可動部は磁性体ロータおよ
びそれと一体の磁性体軸体のみであり。

電気接続系に機械的な可動接続部がない。したがって機
械的な耐性が高い。また、磁気センサは第１プリント基
板に固着して、第１プリント基板と第２プリント基板の
間をピンで電気接続するので、例えば磁気センサを固着
しピンを固着した第１プリント基板を該空間に位置決め
し固定してから、該ピンを信号処理回路要素を装備した
第２プリント基板に差し通す形で第２プリント基板を装
着し、ピンを第２プリント基板にはんだ付けするなど、
簡単な組付けで内部配線が完成するので、可動電気接続
部が実質上なく、しかも電気リードのセンサ内引き廻し
が実質上省略される。

本発明の好ましい実施例では、永久磁石および第３磁性
体ヨークは共に２個とし、第２磁性体ヨークを中央にし
てその両端にそれぞれ永久磁石を、永久磁石の端部にそ
れぞれ第３磁性体ヨークを、連続させる。

これによれば、主磁束ループの磁束が増大し、磁性体ロ
ータの回転に伴なう主磁束ループの磁束の増減が大きく
なり、検出感度が高くなると共に検出信号レベルが大き
くなり、信号処理が容易になると共に、Ｓ／Ｎを大きく
し得る。

〔実施例〕

第１図に本発明の一実施例の、測定対象回転軸結合側の
端面（左端面）を示し、第２図にその■−■線断面を示
し、第３図にハウジングカバー１６および第２プリント
基板１４を除去した他端面（右端面）を示し、第４図に
ハウジングのみの他端面（右端面）を示す。

第２図および第４図を主に参照すると、ハウジング５は
略円筒状であり、左端と右端が開口しており１両開口の
間に中底５ｂを有する。中底５ｂの中心部に穴５ｄが開
けられており、しかも、第１磁性体ヨーク８を収納する
略長方形の溝５Ｃが形成されている。

この溝５Ｃに第１磁性体ヨーク８がはめ込まわている。

第７ａ図に第１磁性体ヨーク８の平面を、第７ｂ図にそ
の■−■線断面図を示す。第１磁性体ヨーク８には、磁
性体軸体２を通す穴が中央に開けられている。

磁性体軸体２は第２図に示すように、左端を最も小径と
し、右側に行くとまず段差をもたせてやや大径とし、更
に右側で段差をもたせて更に大径として小径部、中径部
および大径部を形成し、最も右側では、これらの小、中
、大径部の軸より偏心させてロータ５ａを形成した形状
であり、中径部で第１磁性体ヨーク８およびハウジング
５の中底５ｂを貫通している。大径部と中径部の段差の
所に１つのスペーサを、また中径部と／Ｊ％径部の段差
の所にもう１つのスペーサ７を配置してｂ）る。

ハウジング５の中底５ｂの左側面には、コイルスプリン
グ６の右端を収納するリング状の溝と、その溝に連続す
るコイル端係合溝５ｅが形成されており、第２図に示す
ようにコイル６を配置して軸体２の小径部を軸駆動レバ
ー１に通し、Ｅリング３でレバー１の抜けを阻止してい
る＝コイルスプリング６の一端は溝５ｅに係合させ、他
端はレバー１に係合させている。なお、軸体２の小径部
と中径部の段差面には、十文字に溝２ｂが切られており
、この溝にレバー１の突起１ｂが進入しており、これら
の組合せによりレバー１の回動が軸体２に伝えられる。

ハウジング５の内壁面には、コイルスプリング６による
レバー１の戻し方向の回動（第１図で反時計方向）を所
定点で拘束するストッパ５ａが形成されている。コイル
スプリング６は、レバー１　（および軸体２）の、第１
図で時計方向の回動に対してばね力で抵抗し、その回動
の間にばねチャージし、時計方向の回動力が解除される
と、レバー１がストッパ５ａに当たるまで、レバー１を
反時計方向に駆動する。角度センサを実地に使用すると
きには、エンジンスロットルレバーの回動軸などの、測
定対象軸にレバー１が結合される。

再び第２図および第３図を参照する。第１磁性体ヨーク
８の上には非磁性体スペーサ１０が載置され、該スペー
サ１０の上に、第２磁性体ヨーク１２、永久磁石１８１
，１８２および第３磁性体ヨーク２０１，２０２が載置
されている。

非磁性体スペーサ１０の平面を第８ａ図に、その■Ｂ−
■Ｂ線断面図を第８ｂ図に示す。非磁性体スペーサ１０
は、１部を切欠した板状リングであり、第２図および第
３図で、その切欠部が第１磁性体ヨーク８の上に位置す
る。

非磁性体スペーサｌＯの、切欠部を中央とする薄板部に
第１プリント基板９が配置され、第２図で、第１磁性体
ヨーク８と非磁性スペーサ１０で挟まれている。

第１プリント基板９の平面を第９図に示す。この基板９
には、ホール素子１１を収納する４角形の穴９ａが開け
られ、その穴９ａの周りに４個のプリント配線が形成さ
れ、プリント配線のそれぞれにピン穴２３１〜２３４が
開けられている。穴９ａにホール素子１１を収納してそ
の４本の端子をプリント配線のそれぞれにはんだ付けし
、また４個の穴２３１〜２３４のそれぞれにピン２２１
〜２２４の一端を差し込んではんだ付けしてから第２図
および第３図に示すように、第１磁性体ヨーク８と非磁
性体スペーサｌＯの間に配置し、スペーサ１０および第
１磁性体ヨーク８にねじ１９を通してそのねじを中底５
ｂにねじ込んでスペーサ１９および第１プリント基板９
の位置決めをしている。非磁性体スペーサＩＯの上に、
第３図（更に明確には第１０図）に示す配列で、第２磁
性体ヨーク１２．永久磁石１８１１１８２および第３磁
性体ヨーク２０１，２０２を載置して、第２磁性体ヨー
ク１２．スペーサ１０および第１プリント基板９にねじ
１７１，１７２を通してそれらのねじを中底５ｂにねじ
込み、また第３磁性体ヨーク２０１．２０ｚとスペーサ
ｌＯにねじを通してそれらのねじを中底５ｂにねじ込ん
で、最終的に、第１〜第３磁性体ヨークＬ　Ｌ　２１２
０１ｔ　２０２　を非磁性体スペーサ１０および第１プ
リント基板９を一体にしてハウジング５の中底５ｂに固
着している。第３図がこのような組合せを示す平面図で
あるが、この組合せにより、第２磁性体ヨーク１２．永
久磁石１８１１１８２および第３磁性体ヨーク２０１，
２０２は第１０図に示す配列となっており、これらの配
列の下方に非磁性体スペーサ１０（第８ａ図）が位置し
、非磁性体スペーサ１０の切欠部にホール素子１１を位
置させて第１プリント基板９が位置することになる。

第２磁性体ヨーク１２永久磁石１８１，１８２および第
３磁性体ヨーク２０１，２０２の上に更にスペーサ１２
を載せて、このスペーサ１２に第２プリント基板１４を
当て、４個のピン２２１〜２２４を第２プリント基板１
４の穴２４１〜２４４に通し、第２のプリント基板１４
でスペーサ１２を押さえた状態でピン２２１〜２２４を
第２プリント基板１４にはんだ付けしている。

スペーサｌｌａの平面を第１１ａ図に、そのＸＩＢ−Ｘ
ＩＢ線断面図を第１１ｂ図に、プリント基板１４の平面
を第５図に示す。

第２プリント基板１４は両面基板であり、ピン２２１〜
２２４を通す穴２４１〜２４４．および電気リードを通
す穴２６１〜２６２が開けられている。第２プリント基
板１４は、その両面にプリント導体を形成し、第１２図
で表わされる信号処理回路の電気素子をはんだ付けし、
穴２６１〜２６４に電気り−゛ド（引出しリード）２１
１〜２１４を通してそれらの先端をプリント導体にはん
だ付けした状態で前述のようにハウジング５内に組付け
られる。なお、第１２図に示す回路において、比較回路
は、回転角が１０度程度未満では出力端子２６３に低レ
ベルＬの出力を与える。この出力は、本実施例をスロッ
トルバルブの開度検出器として用いたときに、アイドリ
ンク開度にあるか否かを示す信号として用いられる。

第２プリント基板１４を組込んでから、それに接続した
電気リード２１１〜２１４をハウジング５の案内溝２５
１〜２５４　（第４図）に沿わせて、ハウジング５の右
端開口にハウジングカバー１５のリング状突起１５ａを
差し込み、カバー１５の４つの穴にねじ１６を通してそ
れらのねじをハウリング５にねじ込んで第２図に示すよ
うに、ハウジング５とカバー１６を一体にしている。カ
バー１６の平面（第２図で右端面）を第６図に示す。

永久磁石１８１，１８２は第３図（第１０図）に示すよ
うに分極しており、こわにより、永久磁石１８１−第２
磁性体ヨーク１２−非磁性体スペーサ１０の切入部のホ
ール素子１１−第１磁性体ヨーク８−磁性体軸体２の中
径部および大径部−磁性体ロータ２ａ−第３磁性体ヨー
ク２０１のループをたどる第１主磁束ループ、永久磁石
１８２−第２磁性体ヨーク１２−非磁性体スペーサ１０
の切欠部のホール素子１１−第１磁性体ヨーク８−磁性
体軸体２の中径部および大径部−磁性体ロータ２ａ−第
３磁性体ヨーク２０２のループをたどる第２主磁束ルー
プ、および永久磁石１８．−第２磁性体ヨーク１２−永
久磁石１８２−第３磁性体ヨーク２０２−磁性体ロータ
２ａ−第３磁性体ヨーク２０１をたどる副磁束ループ、
　が形成され、第１主磁束ループと第２主磁束ループと
は、ホール素子１１部で向きが反対であり、Ｌ者の差に
相当する磁束がホール素子１１を横切る。しかもロータ
２ａの回転に伴ない、第１主磁束ループと第２磁束ルー
プの磁気抵抗は、一方が増大し他方が減少するという相
反する変化を示す。これに対して、副磁束ループでは、
ロータ２ａが回転しても、ロータ２ａ−第３磁性体ヨー
ク２０１間距離と、ロータ２ａ−第３磁性体ヨーク２０
２間距離との和が実質上一定になるので磁気抵抗の変化
がない。

したがって、ロータ２ａの回転に伴ってホール素子１１
を横切る磁束が大きく変化し、これに伴ってホール素子
１１の出力電圧が変化する。この出力電圧が、第２プリ
ント基板１４の増幅回路（第１２図）で増幅されて、電
気リード２１４に表われる。

この電気リード２１４の電圧Ｖ丁Ａと軸体２の回転角度
との関係を第１３図に示す。

〔効果〕

以上の通り本発明によれば、可動電気接続がないので機
械的な耐久性が高く、しかも第１プリント基板と第２プ
リント基板の間をピンで接続するので、角度センサ内で
の電気リードの引き廻しがなく、信号処理回路の内蔵が
きわめて容易になり、電気要素の組付けが簡単である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の一端面を示す側面図、第２
図はその■−■線断面図である。 第３図は第２図に示す状態よりカバー１６および第２プ
リント基板１４を除去した他端面を示す側面図である。 第４図はハウジング５のみの一端のみを示す平面図、第
５図は第２プリント基板１４の平面図、第６図はカバー
５の平面図である。 第７ａ図は第１ｗｉ性体ヨーク８の平面図であり第７ｂ
図はその■Ｂ−■Ｂ線断面図である。 第８ａ図は非磁性体スペーサ１０の平面図であり第８ｂ
図はその■Ｂ−■Ｂ線断面図である。 第９図は第１プリント基板９の平面図、第１０図は第２
磁性体ヨーク１２．永久磁石１８１゜１８□および第３
磁性体ヨーク２０１＋　２０２の配置関係を示す平面図
である。 第１１ａ図はスペーサ１２の平面図であり第１１ｂ図は
そのＸＩＢ−ＸＩＢ線断面図である。 第１２図は第２プリント基板１４に組まれた信号処理回
路を示す電気回路図であり、第１３図は該信号処理回路
の検出出力を示すグラフである。 １：軸駆動レバー　２：軸体 ３：Ｅリング　４：プッシュ ５；ハウジング　５ｂ：中底 ６：コイルスプリング　７：スペーサ ８：第１磁性体ヨーク（磁性体第１ヨーク）９：第１プ
リント基板（第１電気導体基板）１０：非磁性体スペー
サ １にホール素子（磁気検出素子） １２：第２磁性体ヨーク（磁性体第２ヨーク）１３ニス
ペーサ １４：第２プリント基板（第２電気導体基板）１５：ハ
ウジングカバー　１６，１７１，１７２．１９　：ねじ
１８、．１ｇ□＝永久磁石 ２０１．２０２：第３磁性体ヨーク（磁性体第３ヨーク
）２１１〜２１４：電気リード ２２１〜２２４：ピン（導体ピン） ２３１〜２３４．２４１〜２４４：ピン穴２５１〜２５
４：溝　２６１〜２６４：リード通し穴皐１図 一］■ ＝」■ 第２図 第３図 ■― 第４図 荊５図 東７ｂｌＫ　蔦７ａ「る　１８ｂＥ ＝−」■Ｂ 第６図 （ 第８ａ図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）両端が開口した筒状ハウジング；筒状ハウジング
   の内部に、その内部空間を両端の開口の間で２つに区分
   する形で配置固定され、軸体が貫通する穴が開けられた
   磁性体第１ヨーク；磁性体第１ヨークの該穴を一方の開
   口側から他方の開口側に貫通する磁性体軸体； 磁性体軸体と一体であって磁性体軸体の軸心に対して偏
   心した曲面を有する磁性体ロータ；磁性体ロータの曲面
   および磁性体第１ヨークに対向する磁性体第２ヨーク； 磁性体ロータの曲面のみに対向する磁性体第３ヨーク； 磁性体第２ヨークと磁性体第３ヨークの間に配置された
   両ヨークを結ぶ方向に磁気分極した永久磁石； 磁性体第１ヨークと磁性体第２ヨークの間に介挿された
   非磁性体スペーサ纂 磁性体第１ヨークと磁性体第２ヨークの間の空間に配置
   された第１電気導体基板； 第１電気導体基板に固着接続された磁気検出素子； 一端が第１電気導体基板に固着されかつ第１電気導体基
   板の電気導体に電気接続され、磁性体軸体の軸に沿う方
   向に伸びる複数個の導体ピン；および、 該複数個の導体ピンの他端が固着され、導体ピンに電気
   接続された電気導体および該電気導体に接続された電気
   信号処理回路要素を備える第２電気導体基板； を備える角度センサ。
2. （２）永久磁石および第３磁性体ヨークは共に２個であ
   り、第２磁性体ヨークを中央にしてその両端にそれぞれ
   永久磁石を、永久磁石の端部にそれぞれ第３磁性体ヨー
   クを、連続させた前記特許請求の範囲第（１）項記載の
   角度センサ。