(57)【要約】      （修正有）【課題】低コスト化を実現できる回転角度検出センサを提供する。【解決手段】回転角度検出センサ１は、外力を受けて回転運動する回転子２０と、回転運動に基づいて生ずるひずみにより特性変化が生じるセンサ素子３１と、回転子２０の回転運動をひずみに変換するカム突起２３を備える。回転子２０が回転運動すると、その回転運動に基づいてカム突起２３がセンサ素子３１の特性変化を生じさせる。その特性変化を検出することで、回転子２０の回転角度θを特定する。【選択図】図１
2015105872.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外力を受けて回転運動する回転子と、
前記回転運動に基づいて生ずるひずみにより特性変化が生じるセンサ素子と、
前記回転子の前記回転運動を前記ひずみに変換するカム部材と、
を備えることを特徴とする回転角度検出センサ。
【請求項２】
前記カム部材が、前記回転子に一体的に設けられる、
請求項１に記載の回転角度検出センサ。
【請求項３】
前記センサ素子が、ひずみゲージからなる、
請求項１又は請求項２に記載の回転角度検出センサ。
【請求項４】
内燃機関において混合気の供給量を制御するスロットルバルブと、
前記スロットルバルブの開度を回転角度として検出する回転角度検出センサと、を備え、
前記回転角度検出センサは、請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の回転角度検出センサであることを特徴とする内燃機関のスロットル装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転角度検出センサに関し、特に種々の部材の回転角度を検出するセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
回転角度を検出するのに種々のセンサが使用されている。例えば、ホールセンサは、磁電変換素子が設けられたセンサチップの表面に対して水平な磁場を永久磁石により印加し、永久磁石の回転軸回りの絶対角度を検出する（例えば、特許文献１）。また、レゾルバ（resolvers）は、ステータ及びロータを有し、ステータに対するロータの回転位置によってステータとロータとの間の相互インダクタンスが変化することを利用して、ステータに対するロータの回転角度に応じた検出信号を出力する（例えば、特許文献２）。その他に、ＭＲセンサ、光学式エンコーダ、ポテンショメータ（potentiometer）なども知られている。
【０００３】
回転角度を検出する用途は多枝に亘り、検出精度、信頼性及びコストなどの要素を考慮して、用途に適したセンサが選択される。例えば、自動車（四輪）及び自動二輪車の駆動源である内燃機関に用いられる電子制御燃料噴射装置（Fuel Injection System：フューエルインジェクションシステム（ＦＩシステム））において、スロットルバルブ（Throttle Valve）の回転角度を検出するセンサには、主にホールセンサ、ポテンショメータが適用されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１３−２８３５号公報
【特許文献２】特開２０１０−２３９６９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ＦＩシステムは、高精度な空燃比の制御が可能であることから触媒との相乗効果による排ガス浄化効果と相まって、自動車及び大型二輪車への導入が先行し、その後、原動機付き自転車も含む小型の二輪車についても、ＦＩシステムの適用が進んでいる。しかし、小型二輪車は自動車、大・中型二輪車に比べ車両価格が低いため、環境への有効性を考慮したとしても、ＦＩシステムのコストを下げる必要がある。特に、原動機付き自転車を適用対象とすると、低コスト化の要求は大きい。
ＦＩシステムの構成要素であるスロットルバルブの回転角度を検出するセンサについて言うと、ホールセンサ及びポテンショメータは、ＭＲセンサ及び光学式エンコーダに比べると低コストではあるが、小型二輪車を想定すると、さらなる低コスト化が要求される。
本発明は、このような背景に基づいてなされたもので、低コスト化を実現できる回転角度検出センサを提供することを目的とする。
また、本発明はそのような回転角度検出センサを備える内燃機関用スロットル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】
【０００６】
かかる目的のもと、本発明の回転角度検出センサは、外力を受けて回転運動する回転子と、回転運動に基づいて生ずるひずみにより特性変化が生じるセンサ素子と、回転子の回転運動をひずみに変換するカム部材と、を備えることを特徴とする。
本発明の回転角度検出センサは、外力を受けて回転子が回転運動すると、その回転運動に基づいて、カム部材がセンサ素子に特性変化を生じさせる。特性変化は回転子の回転角度に対応して変動するので、その特性変化を検出すれば、回転子の回転角度を特定することができる。
【０００７】
また、本発明の回転角検出センサにおいて、カム部材は回転子に一体的に設けられていることが好ましい。
カム部材が回転子に一体的に設けられることで、カム部材を回転子とともに回転運動させることができる。
【０００８】
また、本発明の回転角度検出センサのセンサ素子にひずみゲージを用いることができる。
センサ素子にひずみゲージを用いることで、回転によるカム部材の回転変位をひずみの変動として捉えることが可能となる。さらに、ひずみゲージは安価であるため、センサ素子に用いることで、回転角度検出センサを低コストで作製できる。
【０００９】
本発明では、上記回転角度検出センサを備える内燃機関用スロットル装置をも提供する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、回転運動する回転子とカム部材により、特性変化を生じるセンサ素子を主たる構成要素とするので、低コスト化できる回転角度検出センサが提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本実施の形態における回転角度検出センサを示す図である。
【図２】図１のカム部材の動作を示す図である。
【図３】回転角度検出センサの電圧の変化に関する相関データを示すグラフである。
【図４】図１の回転角度検出センサをＦＩシステムのスロットルバルブの開度の検出に適用する例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、添付図面に示す実施形態に基づいてこの発明を詳細に説明する。
本実施形態に係る回転角度検出センサ１は、図１に示すように、検出部１１と支持部１６を備える固定子１０と、支持部１６に支持される回転子２０と、検出部１１に設けられ、回転子２０の回転に基づいて特性変化が生じるセンサ素子３１を有する検出部３０を備える。
【００１３】
［固定子１０］
固定子１０は、検出部１１と支持部１６と、を備える。なお、以下では、検出部１１が設けられている側を上と定義して説明する。
検出部１１は、シェル１２により外部と隔離された検出室１３を備えている。検出室１３には、支柱１４が建てられており、その側面には保持板１５の一端が固定されている。
保持板１５はその平面が上下方向に沿って固定されている。保持板１５は、後述するカム突起２３が押し付けられると、無理なく撓むことができる弾性を備えている。
支持部１６は、軸方向に貫通する支持孔１７が形成されている。この支持孔１７に回転子２０が回転自在に支持される。回転子２０は、一対のフランジ１８が支持部１６を挟み込んでおり、軸方向への変位が拘束されている。
【００１４】
［回転子２０］
回転子２０は、先端にカム突起２３が一体的に形成された部材であり、カム突起２３を除く部分は円柱状をなし、下方端にはレバー２５を備えている。
カム突起２３は、回転子２０が外力を受けて回転すると、保持板１５に押し付けられることで、保持板１５を撓ませる。以下、保持板１５が撓む方向を前方とする。レバー２５は、回転子２０を回転させる際に操作される。回転子２０は、レバー２５が左回りに回転（以下、正転ということがある）すると、左回りに回転し、反対に、レバー２５が右回りに回転すると、右回りに回転する。
カム突起２３は、始点２３ｓと終点２３ｅを備える。始点２３ｓと中心Ｃを結ぶ線分と、終点２３ｅと中心Ｃを結ぶ線分は、直交する。カム突起２３は、後述するように、回転子２０の回転に伴って、保持板１５のうら面１５ｂに始点２３ｓから終点２３ｅに向けて連続的に接することで、保持板１５を撓ませる。
【００１５】
［検出部３０］
検出部３０は、固定子１０の保持板１５に設けられるセンサ素子３１と、センサ素子の特性変化を検出する検出器３３を備える。センサ素子３１は、固定子１０の外部に配置されている検出器３３に電気的に接続されている。
センサ素子３１は、保持板１５のおもて面１５ａに固定されており、保持板１５が撓むのに応じて応力が生じる。本実施形態において、センサ素子３１はひずみゲージを用いる。
ひずみゲージとしては、例えば、薄い電気絶縁体と、この電気絶縁体の上にエッチングにより形成され、連続して蛇行する金属抵抗体とを備える箔ひずみゲージを用いることができる。この金属抵抗体はひずみが生じると電気抵抗値が変化するので、金属抵抗体に電流を流しつつ電圧を検出していれば、その変化から金属抵抗体にひずみが生じたか否かを検出することができる。ひずみゲージは、箔ひずみゲージの他、線ひずみゲージや半導体ひずみゲージなどを用いることができる。
なお、センサ素子３１を設ける位置は特に限定されないが、回転子２０の回転に基づく保持板１５の撓みが大きくなる領域に設けることが、高い検出感度を得る上で好ましい。
【００１６】
検出器３３は、センサ素子３１に電流を流すとともに、センサ素子３１の電圧Ｖを検出する。
また、検出器３３は、電圧Ｖに対応する回転角度θに関する相関データを保持している。相関データは、回転角度検出センサ１を用い、レバー２５を所定角度、例えば０度、１度、２度…というように１度ずつ回転させる度に、各回転角度θに対応する電圧Ｖを測定することで得ることができる。図３に回転角度θと電圧Ｖが比例関係にある例を示す。ただし、これはあくまで一例にすぎない。
検出器３３は、検出された電圧Ｖを相関データに照合することで、レバー２５（回転子２０）の回転角度θを特定する。
【００１７】
以上のように構成された回転角度検出センサ１の動作について、図１および図２を参照して説明する。
図１（ｂ）に示すように、カム突起２３の始点２３ｓが、保持板１５に負荷を与えることなくそのうら面１５ｂに接点となるように配置された状態を回転角度θが０度として設定されている。このように配置することで、回転子２０の回転角度θが０度から９０度の範囲で、保持板１５の撓みの程度、つまり、電圧Ｖを特定できる。
そして、レバー２５を正転させると、カム突起２３も同期して正転する。そうすると、図２(ａ)に示すように、カム突起２３が保持板１５を前方に撓ませ、センサ素子３１にはひずみが生じる。ことのき、カム突起２３は回転子２０の回転運動をセンサ素子３１のひずみに変換する。センサ素子３１にひずみが生じると、金属抵抗体の電気抵抗値が変化するので、検出器３３は変化した電気抵抗値に対応する電圧Ｖａを検出する。
レバー２５をさらに正転させると、図２（ｂ）に示すように、カム突起２３は正転するので保持板１５には大きく撓む。検出器３３はさらに変化した電気抵抗値に対応する電圧Ｖｂ（Ｖｂ＞Ｖａ）を検出する。
検出器３３は、検出された電圧Ｖａ，Ｖｂを相関データと照合することにより、レバー２５の回転角度θａ，θｂを特定することができる。
【００１８】
［用途例］
本実施形態の回転角度検出センサ１の用途の一つとして、ＦＩシステムの構成要素であるスロットルバルブの回転角度を検出するのに用いることができる。
図４に概略の構成を示す。このスロットルバルブ４０はバタフライバルブ（butterfly valve）からなり、弁軸４１を９０度回転させることで、図示を省略する弁箱に設けられる流路を弁体４３が開閉する。弁軸４１は電動アクチュエータ４５に接続されており、電動アクチュエータ４５はＥＣＵ（Engine Control Unit）３５から与えられる制御信号により弁軸４１を介して弁体４３を開閉動作させる。ＥＣＵ３５は、弁体４３の開度を制御することで、図示を省略するインジェクタ（Engine Control Unit）から噴射された燃料を含む最適な量の混合気をエンジンのシリンダ内に供給する。弁体４３を制御する前提として、ＥＣＵ３５は弁体４３の開度を継続して認識する必要がある。回転角度検出センサ１は、この弁体４３の開度を検出するのに用いられる。ＥＣＵ３５は、図１に示す検出器３３の機能を兼ね備える。
【００１９】
回転角度検出センサ１において、回転子２０は弁軸に接続されている。この際、回転子２０の軸は弁軸４１と一致するように接続されている。そのため、弁軸４１が電動アクチュエータ４５により駆動されると、弁軸４１に追従して回転子２０が回転する。回転子２０が回転すると、それに伴いカム突起２３も回転し、センサ素子３１のひずみ度合いが変化する。そのため、ＥＣＵ３５は電圧Ｖに基づいて、レバー２５の回転角度θ、つまり弁体４３の開度を検出することができる。ＥＣＵ３５は、検出した弁体４３の開度を参照しながら、電動アクチュエータ４５に制御信号を送る。
【００２０】
以上、本実施の形態について説明したが、これ以外にも、本発明の主旨を逸脱しない限り、上記実施の形態で挙げた構成を取捨選択したり、他の構成に適宜変更することが可能である。
本発明は、回転子２０が回転することで、カム突起２３がセンサ素子３１に特性変化を生じさせる構成とすれば本実施の形態に限定されない。例えば、カム突起２３を支柱１４に設け、センサ素子３１が設けられた保持板１５を回転子２０に設けても、同様な効果を享受できる。
本発明は、カム突起２３によってセンサ素子３１の特性が変化すればよい。そのため、センサ素子３１を保持板１５ではなく、カム突起２３に設けることもできる。この場合、回転子２０の回転によって、カム突起２３は保持板１５に負荷した応力に対応する反作用の力が負荷されるため、センサ素子３１にひずみを生じさせることができる。
【００２１】
本実施形態では、センサ素子３１としてひずみゲージを例に説明したが、ひずみにより特性が変化する他の素子として、例えば、ひずみにより受ける圧力に対応する電圧を出力する圧電素子をセンサ素子に用いることもできる。
【００２２】
また、本実施形態は、支柱１４に固定した保持板１５にセンサ素子３１を設けているが、カム突起２３によってセンサ素子の特性が変化する限り、本発明のセンサ素子３１を設ける部位は限定されない。例えば、固定子１０のシェル１２にセンサ素子３１を固定し、回転子２０のカム突起２３がシェル１２に押し付けられるようにしても、センサ素子３１の特性を変化させることができる。ただし、本実施形態のように、検出室１３の中にシェル１２とは独立する支柱１４を建て、センサ素子３１を設ける保持板１５を支柱１４に固定する構造にすれば、仮にシェル１２に外力が作用したとしても、センサ素子３１による検出結果は外力の影響をほとんど受けることがない。
【００２３】
また、本実施形態は、固定子１０に、シェル１２により隔離された検出室１３を設け、その中にセンサ素子３１を含む検出のための主要素を収容している。しかし、本発明は、隔離された検出室１３を設けることを必須とするものでなく、検出のための主要素が露出していても回転角度を検出することができる。もっとも、隔離された検出室１３の中に収容することにより、当該主要素を保護することができる。
【符号の説明】
【００２４】
１      回転角度検出センサ
１０    固定体
１１    検出部
１２    シェル
１３    検出室
１４    支柱
１５    保持板
１５ａ  おもて面
１５ｂ  うら面
１６    支持部
１７    支持孔
１８    フランジ
２０    回転子
２３    カム突起
２３ｓ  始点
２３ｅ  終点
２５    レバー
３０    検出部
３１    センサ素子
３３    検出器
３５    ＥＣＵ
４０    スロットルバルブ
４１    弁軸
４３    弁体
４５    電動アクチュエータ
θ      回転角度
Ｖ      電圧
Ｃ      中心
【図１】
2015105872.tif 000003
【図２】
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【図３】
2015105872.tif 000005
【図４】
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