(57)【要約】【課題】低コストでかつ小型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】電線が巻き回される内側に磁路２５が形成され、磁路２５が部分円環状をなす検出コイル２０と、揺動中心の回りに所定角度の範囲で揺動可能に支持され、磁路２５を進退する可動コア１０と、可動コア１０を揺動可能に支持する揺動アーム１３と、を備える回転角度検出センサ１。可動コア１０のコア本体１１が磁路２５の内部を進退すると、検出コイル２０のインダクタンスＬが変化するので、インダクタンスＬを計測すれば、回転角度を検出できる。【選択図】図１
2015055472.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電線が巻き回される内側及び周囲に磁路が形成され、前記磁路が部分円環状をなす検出コイルと、
所定角度の範囲で揺動可能に支持され、前記磁路を進退する磁性体コアと、
前記磁性体コアを揺動可能に支持する揺動アームと、
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】
前記所定角度が９０度以下である、
請求項１に記載の回転角度検出センサ。
【請求項３】
前記磁性体コアは、前記磁路に先に進入する先端と、前記先端に対応する後端と、を備え、
前記揺動アームは、前記後端において前記磁性体コアを支持する、
請求項１または２に記載の回転角度検出センサ。
【請求項４】
前記磁性体コアと前記揺動アームが一体的に形成される、
請求項１〜３のいずれか一項に記載の回転角度検出センサ。
【請求項５】
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センサと、を備え、
前記センサは、請求項１〜４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、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。また、小型二輪車は車格が小さいために、ＦＩシステムのサイズを極力小さくすることが望まれる。特に、原動機付き自転車を適用対象とすると、低コスト化及び小型化の要求は大きい。
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、低コストでかつ小型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】
かかる目的のもとなされた、本発明の回転角度検出センサは、電線が巻き回される内側及び周囲に磁路が形成され、磁路が部分円環状をなす検出コイルと、所定角度の範囲で揺動可能に支持され、磁路に対して進退する磁性体コアと、磁性体コアを揺動可能に支持する揺動アームと、を備えることを特徴とする。
【０００７】
本発明の回転角度検出センサは、検出コイルが備える部分円環状の磁路を揺動運動する磁性体コアが進退する。検出コイルのインダクタンスは、磁性体コアの進退の程度に応じて変化するので、インダクタンスを計測することで、磁性体コアの進退の程度、つまり磁性体コアの回転角度を検出することができる。
本発明の回転角度検出センサは、検出コイルと磁性体コアを主たる構成要素とするが、これらの要素はホールセンサを構成するホール素子及び永久磁石に比べて安価であるから、低コストを実現できる。しかも、本発明の回転角度検出センサは、部分円環状の磁路の中心角を任意に設定することで、適用される用途に適した最小限のサイズにすることができる。
【０００８】
したがって、本発明は、回転角度を３６０度の範囲で検出する用途に限らず、回転角度が９０度以下と小さい用途に適用が可能であり、この場合には、磁性体コアは９０度以下の範囲で揺動される。検出コイルは、磁路の中心角を９０度以下とすればよい。
【０００９】
本発明の回転角度検出センサにおいて、磁性体コアは、磁路に先に進入する先端と、先端に対向する後端と、を備えるものとし、揺動アームは、後端において磁性体コアを支持することができる。磁性体コアの後端を揺動アームで支持すれば、支持部分から先端にかけて広い範囲が磁路に進退することができるので、磁路を進退しない磁性体コアの領域を最小限に抑えることができる。このことも回転角度検出センサの小型化に寄与する要因である。
【００１０】
本発明の回転角度検出センサにおいて、別体として作製された磁性体コアと揺動アームを接合することができるが、例えば、磁性体金属をプレス加工することで、磁性体コアと揺動アームを一体的に形成することができる。そうすれば、回転角度検出センサの製造コストを抑えることができる。
【００１１】
本発明は、以上説明した回転角度検出センサを、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の開度を回転角度として検出する用途に適用することができる。
この内燃機関用スロットル装置は、回転角度検出センサのコストを低く抑えることができるので、スロットル装置を用いる二輪車を含む車両の低価格化に寄与することができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、検出コイルと磁性体コアを主たる構成要素とするので、低コストでかつ小型化を実現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】
【００１３】
【図１】本実施形態における回転角度検出センサの構成を示す図である。
【図２】図１の回転角度検出センサの動作を示す図である。
【図３】図１の回転角度検出センサの変形例を示す図である。
【図４】図１の回転角度検出センサの回転角度θに対するインダクタンスＬの変化に関する相関データを示すグラフである。
【図５】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】
【００１４】
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、部分円環状に形成されたコア本体１１を備える可動コア１０と、コア本体１１が進退する部分円環状の磁路２５を備える検出コイル２０と、検出コイル２０から取得したインダクタンスＬから回転角度θを求める検出器３０と、を構成要素として備える。
以下、回転角度検出センサ１の各構成要素を順に説明する。
【００１５】
［可動コア１０］
可動コア１０は、回転軸１５を中心にして正転及び逆転、つまり揺動運動が可能に支持された部材であり、回転軸１５に支持される揺動アーム１３と、揺動アーム１３の先端に設けられるコア本体１１と、を備えている。可動コア１０は、回転軸１５を中心にして、図１（ａ）に示される基準位置（回転角度＝０度）から、図２（ａ）の途中の位置を通過して、図２（ｂ）に示される最大変位位置（回転角度＝９０度）までの範囲で揺動が可能とされている。
【００１６】
コア本体１１は、磁性体からなり、平面視した形状が部分円環状の部材である。
コア本体１１は、可動コア１０が揺動運動するのに追従して、検出コイル２０の磁路２５の内部を進退する。コア本体１１は、磁性体から構成されているので、磁束が生じている磁路２５の内部を進退することにより、検出コイル２０のインダクタンスＬを変化させる。より具体的には、コア本体１１が磁路２５の内部に入り込んでいる部分円環の長さ（以下、進入長ということがある）が長いほど、換言すると可動コア１０の回転角度が大きくなるほど、検出コイル２０のインダクタンスＬは大きくなる。
【００１７】
検出コイル２０のインダクタンスＬを変化させることができる限り、コア本体１１を構成する磁性体に制限はない。しかし、進入長に対するインダクタンスＬの変化が大きいほうが、回転角度の検出精度を高くすることができるので、インダクタンスＬを大きくできる透磁率の高い材料を用いることが好ましい。透磁率の高い金属元素としてＦｅ、Ｎｉ及びＣｏが知られているが、パーマロイと称されるＦｅ−Ｎｉ合金、特に高い透磁率を有するＰＣパーマロイ（ＪｌＳ Ｃ ２５３１）を用いるのが好ましい。
【００１８】
コア本体１１は、磁路２５に先に進入する先端１１ｃから先端１１ｃに対応する後端１１ｄまで幅Ｗが一定の例を示しているが、これも好ましい例示に過ぎず、幅Ｗが変動することを許容する。例えば、図３（ａ）に示すように、後端１１ｄから先端１１ｃに向かうのにつれて幅Ｗが狭くなる先細りの形状にすることもできる。また、図３（ｂ）に示すように、後端１１ｄから先端１１ｃに向かうのにつれて厚さＴが薄くなる先細りの形状にすることもできる。
また、コア本体１１の外周縁１１ａ及び内周縁１１ｂが単一の曲率をもつ部分円環である必要はなく、例えば、外周縁１１ａ及び内周縁１１ｂの各々を直線又は曲線をつなぎ合わせて形成してもよい。要は、部分円環状の磁路２５を、検出コイル２０に干渉することなく進退できる形態であれば、本実施形態を機能させることができる。
さらに、コア本体１１の横断面の形状は任意であり、円形、矩形、多角形などから選択できる。
【００１９】
コア本体１１は、中心角αが９０度である。この中心角αは、回転角度検出センサ１の検出対象の回転角度が９０度以下である場合に対応して設定されている。したがって、検出対象の回転角度が９０度を越える場合には、コア本体１１の中心角αは、当該回転角度に対応する角度に設定される。
【００２０】
揺動アーム１３は、一端が回転軸１５の回転に追従して回転可能に軸支されるとともに、他端がコア本体１１をその後端１１ｄで支持するものであり、機械的な構造部材として機能する。したがって、この機能を有する限り、形状及び材質は問われない。また、コア本体１１とは異なり磁性体で構成される必要はないが、本実施形態の揺動アーム１３はコア本体１１と一体的に成形されている。加工コストの低減のためである。このコア本体１１と揺動アーム１３が一体の可動コア１０は、例えば、ＰＣパーマロイからなる板材を打ち抜くことで作製することができる。もちろん、揺動アーム１３の部分をコア本体１１とは別体として作製し、コア本体１１と接合することで、可動コア１０を作製することもできる。また、コア本体１１を樹脂モールディングすることにより、外観上は揺動アーム１３と一体的な可動コア１０を作製することもできる。
本実施形態の可動コア１０は、コア本体１１の後端１１ｄを揺動アーム１３で支持するので、支持部分である後端１１ｄから先端１１ｃまでのほぼ全に範囲が磁路２５に進退することができる。したがって、本実施形態によると、磁路２５を進退しないコア本体１１の領域をなくすことができるので、回転角度検出センサ１の小型化に寄与する要因である。
【００２１】
回転軸１５は、回転駆動される種々の機械要素の回転軸（以下、原動軸）の動作に同期して回転される。原動軸を延長して回転軸１５として機能させることができるし、原動軸に直接的にまたは間接的に回転軸１５を接続することもできる。間接的に接続する例としては、減速機又は増速機を介在させることが想定される。
【００２２】
［検出コイル２０］
検出コイル２０は、可動コア１０のコア本体１１が磁路２５を進退することにより、インダクタンスが変化する。このインダクタンスの変化を検出器３０で変換処理することにより、検出されたインダクタンスに応じた可動コア１０の回転角度を特定する。
【００２３】
検出コイル２０は、電線を巻き回してなる巻線（空芯コイル）２１と、巻線２１を内側から保持するボビン２３と、を備えており、ボビン２３の内部に磁路２５が構成される。検出コイル２０は、可動コア１０のコア本体１１の形状に対応してボビン２３を形成することで、磁路２５を部分円環状に形成している。この例では、検出コイル２０の中心角βは、コア本体１１の中心角αに一致する９０度であるが、コア本体１１の中心角αに対応して設定される。
検出コイル２０の横断面の形状は任意であり、円形、矩形などから選択できるが、検出コイル２０を薄くし小型化に寄与するために、矩形にするのが好ましい。
【００２４】
ここで、空芯コイルのインダクタンスＬ［Ｈ］は、単位電流当たりの磁束鎖交数であり、式（１）で表される。なお、ここでいうインダクタンスは自己インダクタンスであるが、以下でも単にインダクタンスと表現する。
Ｌ＝Ｎ・φ／Ｉ  …式（１）
Ｎ：コイルの巻数
φ：コイルの鎖交磁束［Ｗｂ］
I：コイルに印加される電流［Ａ］
【００２５】
式（１）より、巻き数Ｎと電流Ｉが一定の場合、鎖交磁束φの大きさによってインダクタンスＬが変化する。つまり、鎖交磁束φが大きいほどインダクタンスＬは大きくなり、鎖交磁束φが小さいとインダクタンスＬは小さくなる。
磁束は、磁路が空気で満たされているのに比べてコア（磁性体）が磁路の奥まで存在している方が多くなる。各々の磁束は式（２）、式（３）で与えられる。コアに用いられる磁性体の比透磁率μsは、通常、数千に達するのでφＳ＞φ０となる。したがって、空芯コイルだけのインダクタンスをＬ０とし、磁路がコアで満たされている（空芯）コイルのインダクタンスをＬＳとすると、ＬＳ（Ｎ・φＳ／Ｉ）＞Ｌ０（Ｎ・φ０／Ｉ）となる。
空心コイルの磁束φ０＝ｋ・μ０       …式（２）
コア入りコイルの磁束φＳ＝ｋ・μ０・μＳ  …式（３）
μ０：真空の透磁率（４π×１０−７（Ｔ・ｍ／Ａ））
μｓ：コアの比透磁率
ｋ：比例定数
【００２６】
ここで、ＬＳは磁路２５の奥までコア本体１１が進入しているときのインダクタンスＬであり、磁路２５の途中までしかコア本体１１が進入していないときは、磁路２５の全長ｌ（エル）に対するコア本体１１が磁路２５に進入している長さｌｓの比率でインダクタンスＬＳが定まる。
【００２７】
［検出器３０］
検出器３０は、検出コイル２０に交流電流Ｉを印加するとともに、電流Ｉを印加している間、検出コイル２０のインダクタンスＬを継続して検出し、さらに、検出したインダクタンスＬの値に対応する回転角度θを算出する。
【００２８】
回転角度θを算出するために、検出器３０は、可動コア１０の回転角度θに対するインダクタンスＬの変化に関する相関データを保持する。相関データは、回転角度検出センサ１を用い、可動コア１０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に対応するインダクタンスＬを測定することで得ることができる。図４に相関データの一例を線図にして示しているが、検出器３０は、テーブル形式のデータとして保持することができるし、また、関数として保持すこともできる。また、図４の相関データは、回転角度θとインダクタンスＬが比例関係にあるが、これはあくまで一例にすぎない。
回転角度検出センサ１は、回転角度θの検出対象に適用されている際には、検出器３０がインダクタンスＬを検出すると、相関データを参照して検出されたインダクタンスＬに対応する回転角度θを特定する。特定された回転角度θは、検出対象の制御処理に用いられる。
【００２９】
本実施形態は、検出器３０の具体的な構成を問わず、インダクタンスＬを検出できる公知の回路、機器を検出器３０に適用できる。ただし、本発明は低コストで回転角度θを検出することを目的としているので、検出器３０はこの目的に沿う構成にすることが望まれる。もっとも、相関データを保持し、かつ、検出されたインダクタンスＬに対応する回転角度θを特定するという簡易な信号処理が行えれば足りるので、安価な１チップのマイクロコンピュータで検出器３０を構成することができる。
【００３０】
［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５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３０の機能を兼ね備える。
【００３１】
回転角度検出センサ１は、可動コア１０の回転軸１５が弁軸４１に接続されており、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に追従して回転軸１５が回転する。回転軸１５の回転に伴ってコア本体１１が磁路２５を進退し、検出コイル２０のインダクタンスＬが変動するので、ＥＣＵ３５は検出するインダクタンスＬに基づいて、回転軸１５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。
【００３２】
以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明の主旨を逸脱しない限り、上記実施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したりすることが可能である。
例えば、本実施形態ではインダクタンスＬを検出対象として説明したが、コア本体１１が磁路２５を進退することにより生ずる誘導起電力を検出対象にすることができる。
また、本実施形態は、検出する回転角度の範囲を０〜９０度の例を説明したが、本発明は、９０度を超える回転角度を検出することができる。ただし、揺動アーム１３と検出コイル２０の干渉を避ける必要があるので、検出できる最大の回転角度の範囲は０〜１８０度になる。
また、本実施形態は、巻線２１（ボビン２３）の内部に形成される磁路２５を可動コア１０が進退する構成としているが、磁路を構成する磁束は巻線２１の周囲にも生じるので、本発明は検出コイルの周囲に形成される磁路を可動コアが進退する構成にすることもできる。
さらに、本発明による回転角度検出センサの適用用途は、ＦＩシステムのスロットルバルブの開度検出に限らない。
【符号の説明】
【００３３】
１      回転角度検出センサ
１０    可動コア
１１    コア本体
１１ａ  外周縁
１１ｂ  内周縁
１１ｃ  先端
１１ｄ  後端
１３    揺動アーム
１５    回転軸
２０    検出コイル
２１    巻線
２３    ボビン
２５    磁路
３０    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
【図１】
2015055472.tif 000003
【図２】
2015055472.tif 000004
【図３】
2015055472.tif 000005
【図４】
2015055472.tif 000006
【図５】
2015055472.tif 000007