(57)【要約】      （修正有）【課題】回転角の測定精度が高く、かつ低い少ない電流で駆動でき、高速で回転する回転体の回転速度を測定できる回転角度検出装置を提供する。【解決手段】回転軸中心からの距離が異なる部位を複数箇所有する回転部材１００と、磁束検出部２０を有し、磁束検出部２０は、第１発振回路と、第2発振回路と、第1発振回路及び第2発振回路夫々における発振周波数を計測する計測手段と、計測手段にて計測した発振周波数の差分を算出する算出手段と、算出手段にて算出した差分を透磁率に変換する変換手段とからなり、回転部材１００の回転により変化する回転部材１００と磁束検出部２０の距離の変化を透磁率の変化として検知し回転部材１００の回転角度を検知することを特徴とする。【選択図】図３
2017150861.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁性材料からなり回転軸から半径方向の距離が異なる部位を複数箇所有する回転部材と、
回転部材の透磁率を検出する磁束検出部を有し、
前記磁束検出部は、
前記回転部材から磁気を受ける第1コイルを含んで発振する第１発振回路と、
前記回転部材から磁気を受ける第２コイルを含んで発振する第2発振回路と、
前記第1発振回路及び第2発振回路夫々における発振周波数を計測する計測手段と、
前記計測手段にて計測した発振周波数の差分を算出する算出手段と、
前記算出手段にて算出した差分を透磁率に変換する変換手段とからなり、
回転部材の回転により変化する回転部材と磁束検出部の距離の変化を透磁率の変化として検知し回転部材の回転角度を検知することを特徴とする回転角度検出装置。
【請求項２】
前記回転部材は外周面に凹凸を有する円筒形状であることを特徴とする請求項１記載の回転角度検出装置。
【請求項３】
前記回転部材は断面楕円形状の柱体であることを特徴とする請求項１記載の回転角度検出装置。
【請求項４】
前記回転部材の回転中心は、断面楕円形状の重心とは異なる位置であることを特徴とする請求項３記載の回転角度検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は回転する部分を有する機器の回転部の回転角度を検出する回転角度検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
回転機のロータ等の機械設備、あるいは自動車の回転部分の回転角や回転速度を測定する回転角センサが種々提案されている。
例えば特許文献１には自動車の車輪速度を測定する回転速度検出装置が開示されている。
導電体または磁性体からなる所定間隔で配置された複数の部位が外周を構成する被検出回転体近傍に配置された出力コイルを有する回転センサにより渦電流又は磁性体の透磁率の変化を検知している。
特許文献１には出力コイルの構成や測定方法についての具体的な開示は無い。
特許文献２には、自動車のステアリングの回転角を透磁率の変化パターンを有する円盤と当該円盤の透磁率の変化をインダクタンスの変化としてとらえる検出コイルを有する回転角度検出装置が開示されている。
特許文献２に開示の技術では、コアを励磁する必要があり励磁電流を多く流す必要が生じるため消費電力が大きくなる。
またコアの渦電流損失も透磁率の変化として含まれるため測定誤差が大きくなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００１−３３４６７
【特許文献２】特開２０１４−２０７９２
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
よって本発明の目的は、回転角の測定精度が高く、かつ少ない電流で駆動でき、高速で回転する回転体の回転速度を測定できる回転角度検出装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
磁性材料からなり、回転軸から半径方向の距離が異なる部位を複数箇所有する回転部材と、
回転部材の透磁率を検出する磁束検出部を有し、
前記磁束検出部は、
前記回転部材から磁気を受ける第1コイルを含んで発振する第１発振回路と、
前記回転部材から磁気を受ける第２コイルを含んで発振する第2発振回路と、
前記第1発振回路及び第２発振回路夫々における発振周波数を計測する計測手段と、
前記計測手段にて計測した発振周波数の差分を算出する算出手段と、
前記算出手段にて算出した差分を透磁率に変換する変換手段とからなり、
回転部材の回転により変化する回転部材と磁束検出部の距離の変化を透磁率の変化として検知し回転部材の回転角度を検出することを特徴とする回転角度検出装置。
【０００６】
本発明においては、二つの発振回路の発振周波数の差から透磁率を検出し、透磁率の変化から回転角を計測しているので回転角を正確に測定できる。
【０００７】
回転部材は外周面に凹凸を有する円筒体であることを特徴とする。
【０００８】
本発明においては回転部材として表面に凹凸を有する円筒体を用いているので回転角の変化を正確に測定することができる。
【０００９】
回転部材は断面楕円形状の柱体であることを特徴とする。
【００１０】
本発明においては回転部材として軸断面が楕円形の部材を用いたので回転角度の測定精度を高くすることができる。
【００１１】
断面楕円の回転中心が楕円の軸中心と異なることを特徴とする。
【００１２】
本発明においては、回転中心が楕円の軸中心と異なることから、回転角度を正確に知ることができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の回転角度検出装置は回転角の測定精度が高く、かつ少ない電流で駆動でき、高速で回転する回転体の回転角度を検出できる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の構成部分である磁束検出部を示す斜視図である。
【図２】本発明の構成部分ある磁束検出部を示す断面図である。
【図３】本発明の回転角度検出装置の構成を示す軸断面図である。
【図４】本発明の構成部分である磁束検出部の機能構成を示すブロック図である。
【図５】本発明の構成部分である磁束検出部の一構成例を示す回路図である。
【図６】本発明の構成の構成部分である磁束検出部の動作を説明するためのタイミングチャートである。
【図７】本発明の回転角測定装置の別の実施の形態を示す断面図である。
【図８】本発明の回転角測定装置のさらに別の実施の形態を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明をその実施の形態を示す図面に基づき具体的に説明する。図１及び図２は、本発明の磁束検出部の構成を示す斜視図及び断面図である。
【００１６】
図１及び図２において、１０は扁平矩形状の基板である。基板１０の一端部の一面（下面）には第１コイル１が形成されている（図２参照）。また、基板１０の一端部の他面（上面）には、第１コイル１と同軸をなして、第２コイル２が形成されている。これらの第１コイル１及び第２コイル２は、例えば、基板１０への銅箔パターンの印刷により形成される。
【００１７】
基板１０の他端部の上面には、他端から一部を突出させてコネクタ３が実装されている。基板１０の中央部の上面には、後述する各種の処理を行うマイクロコンピュータからなる電子チップ４が実装されている。さらに、電子チップ４の近傍には、回路部品５が実装されている。回路部品５は、第１コイル１または第２コイル２と発振回路を構成するためのコンデンサなどを含んでいる。本発明の磁束検出部２０は、以上のような構成をなす。
【００１８】
図３は本発明の回転角度検出装置の一例を示す断面図である。
磁性体からなる回転部材１００は円筒状あるいは円盤形状をしており、回転軸１１０を中心に回転する。回転部材の外周部には周方向に等間隔に配置された矩形状の凸部１２０を有している。凸部１２０の間は凹部１３０となっている。
言い換えると回転部材の外周部には等間隔に凹凸部が形成されている。
回転部材の外周部の凹部の軸中心(回転軸)から半径方向の距離と凸部の回転軸から半径方向の距離は異なっており、距離の異なる部位を複数箇所有していることになる。
磁束検出部２０は当該回転部材の中心（回転軸１１０）から径方向に一定の距離を保持し配置されている。
図３においては、磁束検出部２０は第１コイル１を下側とし、紙面手前側が基板１０の一端部（第１コイル１及び第２コイル２形成側）、紙面奥側が基板１０の他端部（コネクタ３実装側）となるように配置されている。
言い換えると図３においては図２の左側から見た部分が磁束検出部２０として表記されている。
回転部材は例えば図示しない機器の回転部分とシャフト等によって接続されている。
この構成により、回転部材の回転にともなって回転部材１００と磁束検出部２０の最短距離は変化する。
回転部材１００の凸部１２０が磁束検出部２０の下にある場合には回転部材１００と磁束検出部２０の距離は最も近くなり、回転部材１００の凹部１３０が磁束検出部２０の下にある場合には回転部材１００と磁束検出部２０の距離は最も遠くなる。
回転部材１００は磁性体であるため、磁束検出部２０（コイル部分）との間の距離が変化することでコイルのインダクタンスが変化する。
インダクタンスの変化から透磁率の変化を知ることができる。
回転部材が回転した際の透磁率の変化から回転部材の回転角度を知ることができる。
また検出した回転角度から回転速度や回転数を計算により求めることが可能となる。
回転部材１００の断面形状は回転軸中心から、回転部材表面までの距離が異なる部位を少なくとも２か所以上有していれば良い。言い換えると、断面が円形であっても回転軸が円の重心からずれていれば（偏心していれば）回転部材１００の回転により回転部材１００と磁束検出部２０の距離は変化することから、回転部材としての機能を発揮する。
図３においては、回転部材を例えば筒状の筐体１６０内に配置し、当該筐体に磁束検出部を配置した構成を模式的に表している。
回転部材と磁束検出部の間隔を一定に保つ構成であれば良く、図３の構成に限られない。
【００１９】
磁束検出部２０は図１及び図２に示した基板１０の下面側が回転部材側になるように、配置される。よって、第１コイル１が基板の厚さだけ第２コイル２よりも、回転部材に近い位置に配されることになる。
【００２０】
以下に回転角度を検出するパラメータとなる透磁率を検出する方法について説明する。
得られた透磁率から回転角度を知る方法や回転角度から回転速度、回転数を知る方法については公知の方法を使用すればよい。
【００２１】
図４は、本発明の回転角度検出装置の磁束検出部２０の機能構成を示すブロック図である。図４において、図１及び図２と同一または同様な部分には同一の符号を付している。
第１コイル１と回路部品５の一部とにより、第１発振回路６が構成されており、第２コイル２と回路部品５の一部とにより、第２発振回路７が構成されている。本発明の磁束検出部２０にあっては、第１発振回路６と第２発振回路７とにおいて、第１コイル１及び第２コイル２を除く他の構成部材は共通としている。よって、第１発振回路６及び第２発振回路７夫々で計測される発振周波数は、異なる構成部材による特性のばらつきの影響を受けず、正確な値が計測される。よって、透磁率の検出精度は高い。
【００２２】
また、電子チップ４は、第１発振回路６及び第２発振回路７夫々における発振周波数を計測する計測部４１と、計測部４１で計測した発振周波数の差分を算出する算出部４２と、算出部４２にて算出した差分を透磁率に変換する変換部４３とを機能的に有している。
【００２３】
図５は、本発明の磁束検出部２０の一構成例を示す回路図である。図５において、コイルＬ１及びコイルＬ２は夫々、前述した第１コイル１及び第２コイル２に該当する。また、マイクロコンピュータＵ１は、前述した電子チップ４に相当する。
【００２４】
コイルＬ１の一端は、マイクロコンピュータＵ１の第６端子に接続され、コイルＬ２の一端は、マイクロコンピュータＵ１の第３端子に接続されている。コイルＬ１の他端及びコイルＬ２の他端はコンデンサＣ１を介してトランジスタＱ１のベースに接続されている。トランジスタＱ１のベース、コレクタ間には抵抗Ｒ２が設けられ、トランジスタＱ１のベース、エミッタ間にはコンデンサＣ２が設けられている。トランジスタＱ１のコレクタは、マイクロコンピュータＵ１の第２端子に接続されているとともに、抵抗Ｒ３を介して接地されている。
【００２５】
マイクロコンピュータＵ１の第１端子には、電源電圧Ｖｄｄの入力端子が接続されている。電源電圧Ｖｄｄの入力端子は、抵抗Ｒ１を介してトランジスタＱ１のエミッタに接続されている。抵抗Ｒ１とトランジスタＱ１のエミッタとの間にはコンデンサＣ３の一端が接続され、コンデンサＣ３の他端は接地されている。電源電圧Ｖｄｄの入力端子と前記第１端子との間にはコンデンサＣ６の一端が接続され、コンデンサＣ６の他端は接地されている。マイクロコンピュータＵ１の第８端子には、接地用の端子が接続されている。
【００２６】
マイクロコンピュータＵ１の第７端子には、抵抗Ｒ４を介して、透磁率に相当する検出電圧Ｖｏｕｔを出力する出力端子が接続されている。該出力端子と抵抗Ｒ４との間にはコンデンサＣ７の一端が接続され、コンデンサＣ７の他端は接地されている。マイクロコンピュータＵ１の第５端子には、抵抗Ｒ６を介して、オフセット制御を行うための制御電圧Ｖｃｏｎｔを入力する入力端子が接続されている。マイクロコンピュータＵ１の第５端子と抵抗Ｒ６との間にはコンデンサＣ４の一端が接続され、コンデンサＣ４の他端は接地されている。
【００２７】
コイルＬ１、２個のコンデンサＣ２及びＣ３並びにトランジスタＱ１にて、前述した第１発振回路６（コルピッツ発振回路）が構成され、コイルＬ２、２個のコンデンサＣ２及びＣ３並びにトランジスタＱ１にて、前述した第２発振回路７（コルピッツ発振回路）が構成されている。そして、マイクロコンピュータＵ１の切り替え動作（マイクロコンピュータＵ１の第３端子及び第６端子で切り替え動作を行っている）により、第１発振回路６と第２発振回路７とが所定時間ずつ交互に発振するようになっている。
【００２８】
次に、本発明の磁束検出部２０の動作について説明する。図６は、本発明の磁束検出部２０の動作を説明するためのタイミングチャートである。
【００２９】
第１発振回路６と第２発振回路７とを、交互に所定時間ずつ発振させ、夫々の発振における発振周波数を計測部４１にて計測する。所定時間は、例えば２ｍｓである。この際、図６に示すように、第１発振回路６を発振させてその発振周波数を計測する期間では第２発振回路７を発振させず、また、第２発振回路７を発振させてその発振周波数を計測する期間では第１発振回路６を発振させない。よって、互いに発振の影響を受けることなく、発振周波数を計測するので、その計測値は精度が高い。
【００３０】
所定時間（例えば２ｍｓ）ずつの発振周波数の計測を終了すると、第１発振回路６における（第１コイル１に由来する）計測された発振周波数と、第２発振回路７における（第２コイル２に由来する）計測された発振周波数との差分を、算出部４２にて算出する。そして、変換部４３により、算出した差分を透磁率に変換し、透磁率の変化量を求める。磁束検出部２０では、磁性体との距離の変化を透磁率の変化として検出する。
所定時間は測定するものの回転数に合わせてさらに短くできる。
また回転部材の形状や大きさを回転数に合わせ適宜設定することも可能である。
短い時間で第１発振回路と第２発振回路の切り替えを行い計測することから高速で回転する場合でも測定可能である。
【００３１】
また、第１発振回路６を発振させて、その発振周波数を計測する期間では、それ以前の第１発振回路６と第２発振回路７の計測値（例えばＡ′とＢ′）の差分を、算出部４２にて算出し、変換部４３により、算出した差分を透磁率に変換し、透磁率の変化量を求めるので、各発振回路の発振周波数の計測開始のタイミングで透磁率の変化量の更新が順次行われる。
【００３２】
本発明において下記のような利点があげられる。使用される回転部材の磁性体の種類や形状によって、透磁率の変化する範囲が変わる場合がある。この場合、例えばマイクロコンピュータＵ１の未使用端子を利用して、この未使用端子の電圧レベルを外部から制御することで、調節するオフセット機能を与えることができる。
【００３３】
なお、図５には一例として端子を８個有するマイクロコンピュータを記載したが、この構成に限定されるものではない。必要な場合には異なる端子数のマイクロコンピュータを使用し透磁率の変化などの情報をシリアル通信などの手段で、上位の制御側に伝達し、また上位側からの制御信号を受けることも可能である。
【００３４】
以下、上述したような手順により、透磁率を検出できる原理を説明する。
被検出物の透磁率が大きくなった場合（回転部材の一部がコイルに近づいた場合）、被検出物の近傍に配されたコイルのインダクタンスは、この透磁率の変動に応じて増加する。この結果、そのコイルを含む発振回路の発振周波数は低下する。ここで、被検出物からの距離を異ならせて２個のコイルを配置している場合、何れのコイルもインダクタンスが増加して、何れの発振回路も発振周波数は低下する。但し、被検出物に近い方のコイルは、遠い方のコイルに比べて、透磁率の変化の影響を強く受けるので、上記の場合、インダクタンスの増加量が大きくなり、発振周波数の低下量も大きくなる。よって、２個のコイル夫々を含む２つの発振回路における発振周波数には、透磁率の変化の程度に応じた分の差異が生じることになる。このように、両発振周波数の差分と透磁率との間には相関関係が存在するので、本発明では、両発振回路の発振周波数の差分に基づいて被検出物の透磁率を検出することが可能である。
【００３５】
上述した実施の形態では、同軸状に基板１０に配した２個のコイル（第１コイル１及び第２コイル２）のインダクタンスの変化を、マイクロコンピュータ（電子チップ４）に内蔵された発振器の正確なクロック信号で駆動される２つの発振回路（第１発振回路６及び第２発振回路７）における発振周波数の差分として検出し、その差分（発振周波数の変化量）をマイクロコンピュータにて演算処理して透磁率の変化を検出している。ここで、２個のコイル夫々を交互に発振回路に接続させて、夫々所定時間にわたって交互にマイクロコンピュータにて発振周波数を計測し、その差分を算出して透磁率の変化を検出している。
【００３６】
本実施の形態では、第１コイル１及び第２コイル２を基板１０の上下面に同軸状に配しているので、コイルの配置に必要な面積を低減でき、水平方向での狭小化を図れる。また、基板１０に導体パターンを印刷してコイルを形成するようにしたので、高さ方向における低背化を図れる。さらに、マイクロコンピュータを用いて各種の処理を行うようにしたので、部品点数を低減できて、回路部品を実装する面積は少なくて済む。以上のことから、磁束検出部の大幅な小型化を実現できる。
【００３７】
本実施の形態では、コイルはコアを有しておらず、測定の際にコアの励磁を行わないので、消費電力を抑えることができる。
【００３８】
２つの発振回路における発振周波数の計測を交互に行うようにしているので、一方のコイルを含む発振回路の計測が他方のコイルで発生する磁束（他方のコイルでのインダクタンス変化）の影響を受けないため、正確な発振周波数を計測することができ、この結果、高い精度にて透磁率を検出することが可能である。
【００３９】
本実施の形態では、２つの発振回路を構成するトランジスタとコンデンサを共通とし、コイルを発振回路それぞれに配置したので、部品の数を少なくすることができて、コストダウンがはかれる。又部品数が少ないため部品特性のばらつきを低減でき、さらに温度変化、ノイズといった外乱の影響を受け難く、正確な測定が可能となる。
【００４０】
マイクロコンピュータを用いてソフトウェアにより種々の処理を行うようにしたので、ハードウェアとしての回路部品の点数を減少できて、回路部品における特性のばらつきの影響を受けることが少なくなる。また、ソフトウェアにて処理するので、環境（温度、湿度など）の影響を受けにくくなる。よって、検出される透磁率の精度を高めることができる。
【００４１】
また、回転部材１００の材質を変更した場合にあっても、ソフトウェアの内容を変更するのみで簡単に対応できる。よって、磁束検出部２０の大量生産が容易となって、低コスト化を図ることができる。
【００４２】
図７は本発明の別の実施の形態を示している。
外周面に凹凸のある回転部材に変わり、断面が楕円形状の回転部材１５０を使用している。
回転部材の形状を変えたのみであり磁束検出部２０の構成に変更は無い。
回転部材１５０の回転に伴い、透磁率は変化するため透磁率の変化を回転部材の回転として検出し、回転角度や回転速度あるいは回転数を検出することができる。
図８は本発明のさらに別の実施の形態を示している。
楕円の回転中心は楕円の重心からずれた位置にあり偏心している。
回転部材を回転させることによって、回転部材１４０と磁束検出部２０との距離が変化する。
磁束検出部はこの距離の変化を透磁率の変化として検知することで回転部材の回転角度を検知することができる。
回転部材の回転軸から半径方向の距離は連続的に変化しているが、透磁率の測定は所定時間づつ行うため回転部材の外表面は回転軸から半径方向に距離の異なる複数の部位によって形成されていると考えることができる。
【００４３】
本発明においては、回転に伴い回転部材の一部と磁束検出部の距離が変化すればよく、実施の形態に限定されない。
例えば回転部材の外周面に三角形の凸部があっても良いしあるいは半円状の凸部があっても良い。また回転部材の断面形状自身が多角形であっても良い。
また回転部材を断面円形とし、外周面に磁性体と非磁性体を等間隔で交互に配置しても回転部材として機能する。
回転部材は板状であってもあるいは柱状であっても良い。柱状の部材の外表面と磁束検出部の距離が回転に伴って変化すれば良い。
本実施の形態では、回転部材を設け、回転部材の回転を検出したが回転角度を検出する必要のある機器に歯車を有している場合には歯車を回転部材としても良い。
また回転部材において、回転軸から半径方向に距離の異なる部位の数は、測定精度によって適宜設定すれば良い。  
【００４４】
本発明においては第１コイル及び第２コイルで構成し透磁率を検出しているが、この際第１コイル、第２コイルそれぞれを複数のコイルで構成しても良い。
複数のコイルで構成することで、インダクタンスを大きくすることができる。
また、本発明においてはコイル部分と回路部分を矩形状の基板の上に配置したが、コイル部分と回路部分を別の基板上に配置し、コイル部と回路部を配線でつないでも良い。
この際コイルをフレキシブル基板上に形成したものを使用しても良い。
フレキシブル基板上に形成することで、曲面へのコイルの配置や、狭い場所で回路部分が配置できない場所へのコイルのみの配置が実現できる。
【００４５】
なお、開示された実施の形態は、全ての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上述の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【００４６】
１  第１コイル
２  第２コイル
３  コネクタ
４  電子チップ
５  回路部品
６  第１発振回路
７  第２発振回路
１０  基板
２０  磁束検出部
４１  検出部
４２  算出部
４３  変換部
１００  １４０  １５０  回転部材
１１０  回転軸
１２０  凸部
１３０  凹部
１６０  筐体
【図１】
2017150861.tif 000003
【図２】
2017150861.tif 000004
【図３】
2017150861.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
2017150861.tif 000008
【図７】
2017150861.tif 000009
【図８】
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