(57)【要約】      （修正有）【課題】製造コストが低く、かつ使用環境の影響を受け難くなって検出精度が向上し、しかも、簡単な構成で小型化できるとともに摩耗による経年劣化がない回転角検出装置を提供する。【解決手段】セクターギヤ１７（従動側歯車）と、セクターギヤ１７に歯車結合部を介して接続されたピニオン１９（駆動側歯車）とを備える。ピニオン１９に結合された出力軸１２ａを有する駆動用モータ１２を備える。セクターギヤ１７に固定されてこのセクターギヤ１７の振動を検出する振動ピックアップ２１を備える。振動ピックアップ２１によって検出された振動の大きさに基づいて現在の開度（セクターギヤ１７の回転角）を求める信号処理回路を備えている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転角を検出するための回動する従動側歯車と、
前記従動側歯車に歯車結合部を介して接続された駆動側歯車と、
前記駆動側歯車に結合された出力軸を有するモータと、
前記従動側歯車に固定され、この従動側歯車の振動を検出する振動ピックアップと、
前記振動ピックアップによって検出された振動の大きさに基づいて前記従動側歯車の回転角を求める信号処理回路とを備えている回転角検出装置。
【請求項２】
請求項１記載の回転角検出装置において、
前記従動側歯車と、前記駆動側歯車および前記モータは、回動式アクチュエータの駆動系を構成するものであることを特徴とする回転角検出装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２記載の回転角検出装置において、
前記信号処理回路は、前記モータが停止したときの前記従動側歯車の回転角を記憶する記憶部を備えていることを特徴とする回転角検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回動する部材の回転角を検出する回転角検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば空調用バルブを駆動する回動式アクチュエータは、回転軸の回転角を検出する回転角検出装置を備えている。従来のこの種の回転角検出装置としては、回転角に応じて電気抵抗が変化するポテンショメータや、回転角に応じて磁束密度が変化する磁気センサなどを用いたものが多い。
【０００３】
空調用バルブにおいて、回転軸の回転角を検出する回転角検出装置は、アクチュエータの制御精度に大きく影響する。このため、近年の空調用バルブにおいては、開度をより一層精度よく制御できるように、回転角検出装置の検出精度を更に高くすることが要請されている。
ポテンショメータや磁気センサなどを使用した回転角検出装置より検出精度を高くするためには、例えば特許文献１に記載されているような計測装置を用いることが考えられる。
特許文献１に開示された計測装置は、基体上の表面弾性波の伝播を位置検出に利用したものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１１−２５７３１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載された計測装置は、熱による影響を大きく受けて精度が変化するものである。一方、空調用バルブは、駆動用モータの熱や、バルブ内を流れる制御流体の熱によって温度が大きく変化するものである。このため、特許文献１に示す計測装置を空調用バルブの回動式アクチュエータに適用するためには、計測装置の基材を熱膨脹係数が小さい材料によって形成しなければ温度特性を保つことができない。このような基材は高価であるから、この計測装置を空調用バルブのアクチュエータに使用すると、空調用バルブの製造コストが高くなってしまう。
【０００６】
また、特許文献１の計測装置に使用されている表面弾性波のセンサは、湿度センサにも使用されるもので、一般的に湿度の影響を大きく受けることが知られている。このため、この計測装置では、相対湿度が5〜95RHとなるような湿度環境に設置される空調用バルブの開度を精度よく計測することは難しい。
【０００７】
さらに、特許文献１に開示された計測装置を空調用バルブのアクチュエータに組み込むためには、以下のように部品が増えるとともに構造上の制約や設計上の制約を受けるために、アクチュエータが複雑化するとともに大型化するという問題もある。部品が増える理由は、２つある。第１の理由は、表面弾性波を伝播させるための基材がアクチュエータの部品の他に別途必要だからである。第２の理由は、計測装置の受信機がアクチェータの回転方向に移動するように、受信機とアクチェータとを連動させる機構が必要だからである。
【０００８】
構造上の制約は、励振機から発生した表面弾性波の伝播方向がアクチュエータの回転方向と一致するように構成し、受信機をこの方向に沿って配置しなければならないということである。
設計上の制約は、励振機と受信機とを必ず同一表面上に設置しなければならないということである。
加えて、特許文献１に示す計測装置の受信機は、スケール基板に接触してスライドするものである。このため、この計測装置には、長期間にわたって使用されることにより、受信機とスケール基板との接触部分が摩耗して劣化してしまうという問題もある。
【０００９】
本発明はこのような問題を解消するためになされたもので、製造コストが低く、かつ使用環境の影響を受け難くなって検出精度が向上し、しかも、簡単な構成で小型化できるとともに摩耗による経年劣化がない回転角検出装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係る回転角検出装置は、回転角を検出するための回動する従動側歯車と、前記従動側歯車に歯車結合部を介して接続された駆動側歯車と、前記駆動側歯車に結合された出力軸を有するモータと、前記従動側歯車に固定され、この従動側歯車の振動を検出する振動ピックアップと、前記振動ピックアップによって検出された振動の大きさに基づいて前記従動側歯車の回転角を求める信号処理回路とを備えているものである。
【００１１】
本発明は、前記回転角検出装置において、前記従動側歯車と、前記駆動側歯車および前記モータは、回動式アクチュエータの駆動系を構成するものであってもよい。
【００１２】
本発明は、前記回転角検出装置において、前記信号処理回路は、前記モータが停止したときの前記従動側歯車の回転角を記憶する記憶部を備えていてもよい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、モータの振動は、出力軸から駆動側歯車および従動側歯車を介して振動ピックアップに伝達される。振動ピックアップによって検出されるモータの振動は、モータと振動ピックアップとの間の距離に応じて減衰される。この振動は、モータと振動ピックアップとの距離が近ければ強く、この距離が長ければ弱くなる。モータと振動ピックアップとの距離は、従動側歯車の回転角の大きさに相当する。このため、この回転角検出装置によれば、この振動の大きさ（強さ）に基づいて従動側歯車の回転角を求めることができる。
【００１４】
この回転角検出装置は、従動側歯車と、駆動側歯車と、モータと、振動ピックアップと、信号処理回路とによって構成されており、少ない構成要素で実現された単純な構造のものである。このため、この回転角検出装置によれば、特許文献１に示す測定装置と較べると、製造コストを低く抑えることができる。この回転角検出装置に用いる振動ピックアップは、表面弾性波を用いるセンサと較べると、温度や湿度の影響を受け難いものであり、市販されている安価なものを使用することができる。このことからもコストダウンが図られている。
【００１５】
モータから振動ピックアップに伝播される振動の大きさ（強さ）は、温度や湿度が変わっても大きく変化することがない。このため、使用環境の影響を受け難く、検出精度が高くなる。
また、振動ピックアップが従動側歯車に固定される位置は、振動が伝播される方向を考慮する必要はなく、従動側歯車の回転に伴ってモータとの距離が変化する位置であればどのような位置でもよい。しかも、振動ピックアップを取付ける従動側歯車の材料は、剛体であれば特に制約を受けることもない。このため、回転角検出装置を設計する上で自由度が高い。
【００１６】
この結果、振動ピックアップを従動側歯車に沿うように、単純な取付構造でコンパクトに配置することが可能になる。
さらに、振動源はモータであり、振動ピックアップは従動側歯車に固定されているから、振動ピックアップが回転部材に接触することがなく、回転角を検出するにあたって摩耗が生じることがない。
【００１７】
したがって、本発明によれば、製造コストが低く、かつ使用環境の影響を受け難い構成を採りながら検出精度が高く、しかも、簡単な構成で小型化できるとともに摩耗による経年劣化がない回転角検出装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明に係る回転角検出装置を備えた空調用バルブのバルブボディを破断して示す斜視図である。
【図２】回転角検出装置の構成を示す斜視図である。
【図３】全閉状態における伝動機構の一部とモータおよび振動ピックアップの平面図である。
【図４】全開状態における伝動機構の一部とモータおよび振動ピックアップの平面図である。
【図５】制御系の構成を示すブロック図である。
【図６】全閉状態から全開状態に移行するときの振動の大きさの変化を示すグラフである。
【図７】全開状態から全閉状態に移行するときの振動の大きさの変化を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明に係る回転角検出装置の一実施の形態を図１〜図７によって詳細に説明する。
図１に示す回転角検出装置１は、空調用バルブ２を駆動するアクチュエータ３に装備されている。空調用バルブ２は、バルブボディ４に弁体５とバルブステム６などを組付けて構成されている。バルブボディ４の内部には流体通路７が形成されている。バルブボディ４の両端部には取付用フランジ８が設けられている。
【００２０】
弁体５は、球状に形成されて流体通路７内に配置されており、バルブボディ４に回動自在に支持されている。
バルブステム６は、円柱状に形成され、一端部がバルブボディ４から突出する状態でバルブボディ４に回動自在に支持されている。バルブステム６の一端部はアクチュエータ３に接続されている。バルブステム６の他端部は、弁体５に一体に回動するように接続されている。このため、弁体５は、バルブステム６の軸線Ｃを中心にして回動する。この弁体５が回動するときの最大回転角は約９０°である。この実施の形態による空調用バルブ２においては、弁体５が全開状態から約９０°回ることによって全閉状態になり、この全閉状態から上記とは反対方向に弁体５が約９０°回ることによって全開状態に戻る。
【００２１】
アクチュエータ３は、弁体５を回動させる回動式のもので、バルブボディ４に支持された筐体１１と、この筐体１１の中に収容された駆動用モータ１２およびバルブ制御装置１３などを備えている。
駆動用モータ１２は、空調用バルブ２を駆動するための動力源になるもので、バルブステム６に伝動機構１４を介して接続されている。この実施の形態においては、この駆動用モータが本発明でいう「モータ」に相当する。この駆動用モータは、図示していないブラケットを介して筐体１１に支持されている。
伝動機構１４は、回動式アクチュエータ３の駆動系を構成するもので、バルブステム６にジョイント１５を介して接続された回転軸１６と、この回転軸１６に固定されたセクターギヤ１７と、このセクターギヤ１７に歯車結合部１８を介して接続されたピニオン１９などによって構成されている。
【００２２】
セクターギヤ１７は、図２に示すように、回転軸１６が貫通するボス部１７ａと、このボス部１７ａから径方向の外側に突出する板状の歯車部１７ｂとによって構成されている。歯車部１７ｂは、回転軸１６の軸線方向から見て扇状に形成されている。この歯車部１７ｂの周壁部分には歯１７ｃが形成されている。 
セクターギヤ１７の歯車部１７ｂには、後述する振動ピックアップ２１が固定されている。この振動ピックアップ２１が取付けられている位置は、歯車部１７ｂにおける軸線方向の一方の端面であって、セクターギヤ１７の回転方向の一端部である。
【００２３】
歯車結合部１８は、この実施の形態においてはセクターギヤ１７とピニオン１９とが噛み合う部分である。なお、図示してはいないが、減速比を大きくするために、セクターギヤ１７とピニオン１８との間に複数の中間ギヤを設ける場合は、これらの中間ギヤによる動力伝達部が歯車結合部１８となる。
【００２４】
ピニオン１９は、駆動用モータ１２の出力軸１２ａ（図２参照）に固着されている。このため、駆動用モータ１２が回転することによって、回転力がピニオン１９から歯車結合部１８を介してセクターギヤ１７に伝達され、回転軸１６がバルブステム６および弁体５と一体に回転する。
この実施の形態によるセクターギヤ１７とピニオン１９は、プラスチック材料によって形成されている。また、セクターギヤ１７とピニオン１９の噛み合い率は１．０以上である。すなわち、これらのギヤは、歯が常に接触する状態で噛合している。
【００２５】
この伝動機構１４においては、空調用バルブ２の開度が０％になる全閉状態から開度が１００％になる全開状態に移行することによって、セクターギヤ１７が図３に示す全閉位置から同図において時計方向に約９０°回り、図４に示す全開位置に位置付けられる。この実施の形態においては、セクターギヤ１７が本発明でいう「従動側歯車」に相当し、ピニオン１８が本発明でいう「駆動側歯車」に相当する。
【００２６】
バルブ制御装置１３は、空調用バルブ２の現在の開度が目標開度となるように駆動用モータ１２の動作を制御するものである。このバルブ制御装置１３は、図５に示すように、上述した駆動用モータ１２と、振動ピックアップ２１とが接続されているとともに、複数の機能部を有している。この複数の機能部とは、詳細は後述するが、通信部２２と、モータ制御部２３と、開度検出部２４である。
【００２７】
空調用バルブ２の現在の開度は、駆動用モータ１２と振動ピックアップ２１とを有する回転角検出装置１によって検出される。この回転角検出装置１の説明は後述する。
空調用バルブ２の目標開度は、図示していない空調制御装置によって設定され、制御信号として空調制御装置からバルブ制御装置１３に送られる。
【００２８】
駆動用モータ１２は、動作するときに振動するものである。この駆動用モータ１２が動作するときの振動は、出力軸１２ａからピニオン１９と、このピニオン１９とセクターギヤ１７との噛合部（歯車結合部１８）とを介してセクターギヤ１７に伝達される。すなわち、駆動用モータ１２の振動は、出力軸１２ａ→ピニオン１９→セクターギヤ１７という振動伝達経路を経て振動ピックアップ２１に伝達される。このため、セクターギヤ１７は、ピニオン１９と噛合する部分から振動が伝達されて振動しながら図３に示す全閉位置と図４に示す全開位置との間で回動する。
【００２９】
バルブ制御装置１３に接続された振動ピックアップ２１は、例えば加速度センサ（図示せず）を使用して振動を電気信号に変換するものを用いることができる。この振動ピックアップ２１は、セクターギヤ１７の歯車部２１ｂに図示していない固定用ねじや接着剤によって固定されている。このため、振動ピックアップ２１は、セクターギヤ１７の歯車部２１ｂの振動を検出する。
【００３０】
歯車部２１ｂにおける振動ピックアップ２１が固定されている位置は、図３に示すように、ピニオン１９が噛合する位置からセクターギヤ１７の回転方向において離間した位置である。この実施の形態による振動ピックアップ２１は、セクターギヤ１７の回転方向の一端部であって、空調用バルブ２の開度が増す方向（図３においては時計方向）へセクターギヤ１７が回るときに進行方向後側となるセクターギヤ１７の一端部に配置されている。このため、振動ピックアップ２１と駆動用モータ１２との間の距離は、セクターギヤ１７が図３に示す全閉位置から図４に示す全開位置まで回ることにより徐々に短くなり、セクターギヤ１７が全開位置から全閉位置に回ることにより徐々に長くなる。
【００３１】
バルブ制御装置１３に設けられている通信部２２は、図示していない空調制御装置から制御信号を受信する機能を有している。この制御信号には、目標開度のデータが含まれている。
モータ制御部２３は、駆動用モータ１２の正転、逆転の切替えを行うとともに、駆動用モータ１２の回転、停止を切替えて回動式アクチュエータ３の動作を制御する機能を有している。
【００３２】
開度検出部２４は、回転角検出装置１の一部を構成するもので、バルブ制御装置１３に信号処理回路２５として設けられている。この実施の形態による回転角検出装置１は、この信号処理回路２５と、上述したセクターギヤ１７と、ピニオン１９を有する駆動用モータ１２と、振動ピックアップ２１などによって構成されている。
開度検出部２４は、第１〜第４の機能を有している。第１の機能は、上述した振動ピックアップ２１によって検出された振動の大きさに基づいて空調用バルブ２の現在の開度を求める機能である。
【００３３】
振動ピックアップ２１は、駆動用モータ１２からピニオン１９とセクターギヤ１７とを介して伝達された振動波を検出する。振動ピックアップ２１によって検出される振動は、駆動用モータ１２と振動ピックアップ２１との間の距離に応じて減衰される。この振動は、駆動用モータ１２と振動ピックアップ２１との距離が近ければ強く、この距離が長ければ弱くなる。このため、振動ピックアップ２１によって検出された振動の大きさがセクターギヤ１７の回転角の大きさに相当する。
【００３４】
この実施の形態において、振動ピックアップ２１が検出する振動は、セクターギヤ１７が図３に示す全閉位置にあるときに最も小さく（弱く）なり、図４に示す全開位置にあるときに最も大きく（強く）なる。セクターギヤ１７が全閉位置の約０°から全開位置の約９０°まで回るときに振動ピックアップ２１が検出する振動は、図６に示すように徐々に増大する。セクターギヤ１７が全開位置から全閉位置まで回るときに振動ピックアップ２１が検出する振動は、図７に示すように徐々に減少する。
【００３５】
開度検出部２４が現在の開度を求めるにあたっては、例えば、振動ピックアップ２１によって検出された現在の振動の大きさに対応する開度を開度特定用のデータマップ（図示せず）から読み出して行うことができる。このデータマップには、振動ピックアップ２１を使用して行った実験により得たデータが記録されている。このデータは、実験時の振動の大きさと、その振動を検出したときの開度である。このため、開度検出部２４によって求められる現在の開度は、現在の振動の大きさに相当する実験時の開度である。
【００３６】
開度検出部２４の第２の機能は、振動ピックアップ２１によって検出された振動の中から不必要な振動を除去する機能である。不必要な振動とは、セクターギヤ１７と小径ギヤ２２との噛合部で生じる振動や、バルブボディ４から伝達された振動などである。この第２の機能は、振動ピックアップ２１の出力データにノイズカットや平均化処理などの補正処理を施すことによって実現することができる。
【００３７】
開度検出部２４の第３の機能は、駆動用モータ１２が停止したときに、停止時のセクターギヤ１７の回転角に相当する空調用バルブ２の開度を保存する機能である。この保存は、開度検出部２４に設けられているメモリ２６にモータ停止時の開度を記憶させることによって行う。この実施の形態においては、このメモリ２６が請求項３記載の発明でいう「記憶部」に相当する。
このようにモータ停止時の開度を保存することにより、駆動用モータ１２が停止している期間中に目標開度が変更されたとしても、メモリ２６から読み出した停止時の開度を現在の開度として代用して駆動用モータ１２の動作を制御することが可能になる。
【００３８】
また、開度検出部２４は、回動式アクチュエータ３の電源が断たれた場合は、次に回動式アクチュエータ３が再起動されたときにキャリブレーションを行う構成が採られている。すなわち、開度検出部２４は、再起動後に振動ピックアップ２１によって検出された現在のデータと、上述したデータマップに記録されているデータとが整合するような補正値を求め、現在のデータをこの補正値で補正して現在の開度を検出する。このため、例えばメンテナンスが行われて振動ピックアップ２１に検出される振動の大きさが変化したとしても、初期の検出精度で現在の開度を検出することが可能になる。
【００３９】
開度検出部２４の第４の機能は、駆動用モータ１２や伝動機構１４の異常を検出する機能である。駆動用モータ１２や伝動機構１４に異常が生じると、それが振動となって現れる。このような異常に起因した振動を検出することによって、異常の有無を判別することが可能である。開度検出部２４は、振動ピックアップ２１の検出データに含まれる振動の周波数成分を解析し、異常振動に相当する周波数成分の振動を検出したときに異常有りと判別する。
【００４０】
このように構成された空調用バルブ２においては、回転角検出装置１によって求められた現在の開度が目標開度と一致するように、バルブ制御装置１３によって駆動用モータ１２の動作が制御される。
この実施の形態による回転角検出装置１は、セクターギヤ１７と、ピニオン１９と、駆動用モータ１２と、振動ピックアップ２１と、信号処理回路２５とによって構成されており、少ない構成要素で実現された単純な構造のものである。このため、この回転角検出装置１によれば、特許文献１に示す測定装置と較べると、製造コストを低く抑えることができる。
【００４１】
回転角検出装置１に用いられている駆動用モータ１２と振動ピックアップ２１は、表面弾性波を用いるセンサと較べると、温度や湿度の影響を受け難いものであり、いずれも市販されている安価なものを使用することができる。このことからもコストダウンが図られている。
駆動用モータ１２から振動ピックアップ２１に伝播される振動の大きさ（強さ）は、温度や湿度が変わっても大きく変化することがない。このため、使用環境の影響を受け難く、検出精度が高くなる。
【００４２】
また、振動ピックアップ２１がセクターギヤ１７に固定される位置は、振動が伝播される方向を考慮する必要はなく、セクターギヤ１７の回転に伴って駆動用モータ１２との距離が変化する位置であればどのような位置でもよい。しかも、セクターギヤ１７を形成する材料は、剛体であれば特に制約を受けることもない。このため、回転角検出装置１を設計する上で自由度が高い。この結果、振動ピックアップ２１をセクターギヤ１７に沿うように、単純な取付構造でコンパクトに配置することが可能になる。
【００４３】
さらに、振動ピックアップ２１は、セクターギヤ１７に固定されているから回転部材に接触することがなく、回転角を検出するにあたって摩耗が生じることがない。
したがって、この実施の形態によれば、製造コストが低く、かつ使用環境の影響を受け難くなって検出精度が向上し、しかも、簡単な構成で小型化できるとともに摩耗による経年劣化がない回転角検出装置を提供することができる。
【００４４】
この実施の形態によるセクターギヤ１７と、ピニオン１９を有する駆動用モータ１２は、回動式アクチュエータ３の駆動系の一部を構成するものである。振動ピックアップ２１はセクターギヤ１７の歯車部１７ｂに固定されている。この実施の形態によれば、振動ピックアップ２１で振動を検出するにあたって、専ら振動を伝達するための部品は不要である。このため、振動伝達用の専用部品を用いる場合と較べると、部品数が少なくなり、製造コストが更に低くなるとともに、更なる小型化が可能になる。
【００４５】
この実施の形態による信号処理回路２４は、駆動用モータ１２が停止したときのセクターギヤ１７の回転角に相当する空調用バルブの開度を記憶するメモリ２６（記憶部）を備えている。
このため、駆動用モータ１２が停止して振動が生じないときであっても、メモリ２６に保存されているモータ停止時の開度（回転角）を代用することにより、実質的に現在の開度（現在の回転角）を検出できるようになる。したがって、開度（回転角）を常に検出できるようになるから、検出値の信頼性が高い回転角検出装置を提供することができる。
【００４６】
この実施の形態による回転角検出装置１は、現在の振動の大きさに相当する実験時の開度を現在の開度とするものである。このため、振動ピックアップ２１を設置するにあたっては、精密な位置決めを行う必要がない。
振動ピックアップ２１は、表面を伝わる振動のみではなく、物質内を伝わる振動波も検出できるものである。このため、振動ピックアップ２１がセクターギヤ１７に固定される位置は、図３に示す位置に限定されることはなく、適宜変更することができる。振動ピックアップ２１は、例えば図３において紙面の下方となるセクターギヤ１７の下面側に配置したり、セクターギヤ１７のボス部１７ａに固定することもできる。
【００４７】
上述した実施の形態においては、振動を伝達するセクターギヤ１７とピニオン１９がプラスチック材料によって形成されている例を示した。しかし、セクターギヤ１７およびピニオン１９は、金属材料によって形成することができる。また、歯車結合部１８として中間ギヤを使用する場合は、セクターギヤ１７およびピニオン１９と同一の材料によって形成された中間ギヤを用いることができる。
【符号の説明】
【００４８】
１…回転角検出装置、３…回動式アクチュエータ、１２…駆動用モータ、１２ａ…出力軸、１７…セクターギヤ（従動側歯車）、１８…歯車結合部、１９…ピニオン（従動側歯車）、２１…振動ピックアップ、２４…信号処理回路、２６…メモリ（記憶部）。
【図１】
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【図２】
2018155528.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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