JP2004361199A - 角度センサ - Google Patents
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Abstract
【課題】構造が簡単で、耐環境性の優れた角度センサを提供する。
【解決手段】角度センサは、中心に回転軸２が貫通され、回転円板１の中心軸方向の一方の面に周方向の角度に応じて磁界の方向が変わるように着磁された回転円板１と、回転円板１の一方の面に近接して配置され、回転軸２の回転数を検出するための第１の磁界センサ３と、第１の磁界センサ３から９０°おいた位置に配置され、回転軸２の回転方向を検出するための第２の磁界センサ４とで構成されている。
【選択図】 図１
【解決手段】角度センサは、中心に回転軸２が貫通され、回転円板１の中心軸方向の一方の面に周方向の角度に応じて磁界の方向が変わるように着磁された回転円板１と、回転円板１の一方の面に近接して配置され、回転軸２の回転数を検出するための第１の磁界センサ３と、第１の磁界センサ３から９０°おいた位置に配置され、回転軸２の回転方向を検出するための第２の磁界センサ４とで構成されている。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回転軸の回転角を検出する角度センサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の角度センサとして、例えば図１３に示すようなものがある。この角度センサは、磁気抵抗素子からなる磁気抵抗角度センサ６１，６２で、互いに４５°のオフセットをもって配置されている（（ａ）参照）。このセンサ６１，６２の上方に配置された永久磁石６３が回転軸６４に連動して回転すると（（ｂ）参照）、（ｃ）に示すように、一方の磁気抵抗角度センサ６１からｓｉｎ 波の信号が出力され、もう一方の磁気抵抗角度センサ６２から９０°の位相差を有するｃｏｓ 波の信号が出力される（例えば、非特許文献１参照）。
【０００３】
【非特許文献１】
Ｋｌａｕｓ Ｄｉｅｔｍａｙｅｒ， Ｍａｒｃｕｓ Ｗｅｓｅｒ著、「アプリケーション・ノート ＫＭＺ４１及びＵＺＺ９００１ を使用した非接触角度測定 ＡＮ００００４Ｊ 」、ＰＨＩＬＩＰＳ、２０００ 年 １ 月１７日、Ｐ９−Ｐ１１
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前述した従来の角度センサは、例えば車輌の舵角センサとして応用されている。これは、ハンドルの回転軸の回転に伴って回転する２つのギャーを有し、一方のギャーの片面に磁石が取り付けられ、この磁石の磁界方向に応じて位相差の異なるｓｉｎ 波の信号とｃｏｓ 波の信号がセンサから出力されるようになっている。しかしながら、このように構成された場合、ギャーを用いているため、部品点数が増えて構造が複雑化し、ギャーが消耗した場合には、バックラッシュ（ガタ）による角度の誤差を生じる恐れがあった。
【０００５】
本発明は、かかる課題を解決するためになされたもので、部品点数を増やすことなく容易に回転軸の角度を検出できる角度センサを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
（１）本発明に係る角度センサは、中心に回転軸が貫通され、周方向の角度に応じて磁界の方向が変わるように着磁された回転円板と、回転円板に施された着磁面に接近して配置され、回転軸によって回転する回転円板の磁界の方向に基づいてそれぞれ信号を生成する磁界センサとを備えたものである。
【０００７】
（２）本発明に係る角度センサは、前記（１）において、磁界センサは、回転円板の中心を軸として９０°の角度間隔を以て２ヶ配置されている。
【０００８】
（３）本発明に係る角度センサは、前記（１）において、回転円板の半周に取り付けられたドグ板と、ドグ板を検知しているときに信号を出力する検知手段とを備え、磁界センサは、回転円板の中心を軸として４５°の角度間隔を以て２ヶ配置されている。
【０００９】
（４）本発明に係る角度センサは、前記（１）〜（３）の何れかにおいて、回転円板への着磁は、その回転円板の中心軸方向の一方の面に施されている。
【００１０】
（５）本発明に係る角度センサは、前記（１）〜（３）の何れかにおいて、回転円板への着磁は、その回転円板の外周面に施されている。
【００１１】
（６）本発明に係る角度センサは、前記（４）において、着磁に代えて、回転円板の中心軸方向の一方の面に周方向の角度に応じて磁極の向きが変わるように磁石が配列されている。
【００１２】
（７）本発明に係る角度センサは、前記（５）において、着磁に代えて、回転円板の外周面に周方向の角度に応じて磁極の向きが変わるように磁石が配列されている。
【００１３】
（８）本発明に係る角度センサは、中心に回転軸が貫通された回転円板と、回転円板の中心軸方向の一方の面に周方向に所定角度の間隔を以て設けられ、磁極が一方向に向けられた複数の磁石と、所定角度より狭い角度間隔を以て回転円板の一方の面に近接して配置され、磁石の磁界強度に基づいてそれぞれ信号を生成する一対の磁界センサとを備えたものである。
【００１４】
（９）本発明に係る角度センサは、前記（８）において、磁石に代えて、同一位置に磁界の方向が一方向になるよう着磁したものである。
【００１５】
（１０）本発明に係る角度センサは、前記（１）〜（９）の何れかにおいて、磁界センサはコアとコイルとでなっている。
【００１６】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１に係る角度センサの構成を示す斜視図である。図において、１は中心に例えば車輌のハンドルの回転軸２が貫通された回転円板で、中心軸方向の一方の面に、中心軸を中心とする周方向の角度に応じて磁界の方向が変わるように強磁性材が着磁されている。例えば、４５°毎の磁界の方向は図中に示すような方向になるように連続的に着磁されている。
【００１７】
３は回転円板１の一方の面に近接して配置された第１の磁界センサ、４は第１の磁界センサ３から９０°おいた位置に配置された第２の磁界センサである。これら第１及び第２の磁界センサ３，４は、例えばホール素子或いはアモルファス・ワイヤ素子からなり、磁界の方向に応じて出力の誘起電圧及びその方向が変移し、長さ方向に磁束が加わったときは出力（誘起電圧）が最大値となり、その磁束が直角に交叉したときは出力が最小値になるようになっている。
【００１８】
次に、前記のように構成された角度センサの動作について図２乃至図４を用いて説明する。図２は実施の形態１の角度センサにおける回転円板上の磁界方向と磁界センサとの相関を示す正面図、図３は回転円板の回転方向に応じて磁界センサを通過する磁界の方向を示す図、図４は磁界の方向に応じて出力する磁界センサの波形図である。
【００１９】
なお、図２に示す太い矢印は前述したように４５°毎の磁界の方向であり、その角度間の２本の矢印は１５°毎の磁界の方向を示している。実際は、前述したように各磁界センサが連続的に出力できるように着磁されているが、ここでは、磁界の方向の変化が大まかにわかるように図示している。図３及び図４は動作説明の便宜上、４５°毎の磁界の方向に基づく各磁界センサの出力を示したものである。また、図２及び図３に記載の符号５〜１２は、４５°毎の磁界に付したものである。
【００２０】
例えば、図２に示すような状態では、第１の磁界センサ３の出力は、磁束５が磁界センサ３の長さ方向に加わっているため正方向に最大値Ｖ１となっており、一方、第２の磁界センサ４の出力は、磁束１１が磁界センサ４に直角に交叉しているため最小値Ｖ２１となっている（図４参照）。
【００２１】
図２に示す状態から回転軸２を通じて回転円板１を右方向に回転させた場合、第１及び第２の磁界センサ３，４に加わる磁界の方向が反時計方向に回転しているように変化する（図３（ａ）（ｂ）参照）。この場合、第１の磁界センサ３の出力は図４の右側の実線で示すように９０°遅れの波形（ｃｏｓ 波）となり、第２の磁界センサ４の出力は破線で示すような波形（ｓｉｎ 波）となる。
【００２２】
この時、第１の磁界センサ３においては、４５°の位置に着磁された磁界６が加わったときに出力がＶ２となり、９０°の位置に着磁された磁界７が加わったときは第１の磁界センサ３に直角に交叉するので最小値Ｖ３となり、さらに、１３５°の位置に着磁された磁界８が加わったときは負方向にＶ４となり、１８０°の位置に着磁された磁界９が加わったときは長さ方向に加わるので負方向で最大値Ｖ５となる。その後は、２２５°の位置の磁界１０が加わったときＶ６となり、２７０°の位置の磁界１１が加わったときは最小値Ｖ７となり、さらに、３１５°の位置の磁界１２が加わったとき正方向にＶ８となり、再び磁界５が加わったときは最大値Ｖ１となる。
【００２３】
一方、第２の磁界センサ４においては、３１５°の位置に着磁された磁界１２が加わったときに出力がＶ２２となり、０°の位置に着磁された磁界５が加わったときは長さ方向に加わるので最大値Ｖ２３となり、さらに、４５°の位置に着磁された磁界６が加わったときはＶ２４となり、９０°の位置に着磁された磁界７が加わったときは直角に交叉するので最小値Ｖ２５となる。その後は、１３５°の位置の磁界８が加わったとき負方向にＶ２６となり、１８０°の位置の磁界９が加わったときは負方向に最大値Ｖ２７となり、さらに、２２５°の位置の磁界１０が加わったときＶ２８となり、再び磁界１１が加わったときは最小値Ｖ２１となる。
【００２４】
また、図２に示す状態から回転円板１を左方向に回転させた場合は、第１及び第２の磁界センサ３，４に加わる磁界の方向が時計方向に回転しているように変化する（図３（ａ）（ｂ）参照）。この場合、第１の磁界センサ３の出力は図４の左側の実線で示すように９０°遅れの波形（ｃｏｓ 波）となり、第２の磁界センサ４の出力は破線で示すような波形（ｓｉｎ 波）となる。
【００２５】
前述した第１及び第２の磁界センサ３，４の各出力の電圧は、例えばＭＰＵを有する信号処理回路（図示せず）に入力する。その信号処理回路は、第１の磁界センサ３からの電圧（ｃｏｓ 波）と第２の磁界センサ４からの電圧（ｓｉｎ 波）を予め設定された時間間隔で取り込んでデジタル化すると共に、デジタル化した２入力の電圧の方向（＋／−）を予め設定された基準値を基に判別し、そして、その判別した各電圧を基に例えば逆正接関数の計算を行って回転軸２の回転角度を求め、車輌のステアリングの制御系に出力する。
【００２６】
このような方法で回転軸２の回転角度を検出する場合、変化する値の最大値付近（正方向及び負方向の最大値付近）では、角度変化に対する信号の変化量が減少し、角度算出精度が低下するが、例えば、第１の磁界センサ３の出力が最大値（正方向及び負方向の最大値付近）のとき、もう一方の第２の磁界センサ４の出力は中間の値（最小値）を示し、この中間付近の角度に対する信号の変化率、直線性が最大となるので、この中間付近の値を基に最大値付近の変化値を求め、これを９０°毎に切り替えることにより、分解能の低下を最小限に留めることができる。
【００２７】
以上のように実施の形態１によれば、一方の面に周方向の角度に応じて磁界の方向が変わるように強磁性材が着磁された回転円板１と、回転円板１の近傍に互いに９０°おいて配置された第１及び第２の磁界センサ３，４とで角度センサを構成したので、従来と比べ部品点数が少なくなって構造が簡単になり、しかも安価で小型軽量の角度センサを提供でき、前記の如く構造が簡単であるため、耐環境性が優れているという効果がある。
【００２８】
なお、前記の実施の形態１では、回転円板１の一方の面に周方向の角度に応じて磁界の方向が変わるように強磁性材を着磁したことを述べたが、これに代えて、例えば図５に示すように、棒磁石１３を回転円板１の一方の面に周方向に配列して、回転円板１の回転角度に応じた出力を２個の磁界センサ（図示せず）で得るようにしてもよい。この場合、磁石相互の干渉を整合するために、磁気誘導材やシールド材を用いる。前記の棒磁石１３は、円柱、角柱、針状或いは板状の何れの形状でもよい。また、棒磁石１３は、接着剤又は機械的に固定してもよいし、回転円板１と一体成形により埋め込んでもよい。棒磁石１３の数は、回転円板１の形状、検出精度、検出目的に応じて決定する。
【００２９】
実施の形態２．
図６は本発明の実施の形態２に係る角度センサの構成を示す斜視図であり、図において、２１は中心に例えば車輌のハンドルの回転軸２２が貫通された回転円板で、外周面に強磁性材が着磁されている。この着磁による磁界の方向は、周方向の角度に応じて変化し、回転円板２１の外周面を１周したとき１回転するように着磁されている。２３は回転円板２１の外周面に近接して配置された第１の磁界センサで、この配置は回転軸２２の基準位置に合わせられている。２４は第１の磁界センサ２３から反時計方向に例えば４５°の位置に配置されている第２の磁界センサである。
【００３０】
これら第１及び第２の磁界センサ２３，２４は、例えば磁気抵抗素子からなり、回転円板２１の外周面に着磁された磁界の方向が電流の方向と一致したとき出力（誘起電圧）が最大値となり、磁界の方向が電流の方向と直角に交叉したとき最小値となる。なお、この図においては、第１の磁界センサ２３の出力が最小値、第２の磁界センサ２４の出力が最大値となっており、各出力を例えば１３ビットの分解能でデジタル出力するＩＣチップ（図示せず）を有している。
【００３１】
２５は回転円板２１に設けられた半割リング状のドグ板、２６はホトインタラプタで、例えばドグ板２５によって光りが遮断されたときに信号を出力するようになっている。これらドグ板２５とホトインタラプタ２６は、回転軸２２の半周の１８０°〜３６０°の範囲を後段の信号処理回路（図示せず）に知らせるためである。
【００３２】
次に、実施の形態２の角度センサの動作について図７を参照しながら説明する。図７は実施の形態２に係る角度センサの動作を示す波形図である。
例えば、回転軸２２を右方向に１回転させると、この回転に伴って回転円板２１が１回転する。この時、第１及び第２の磁界センサ２３，２４に対して、外周面上の磁界の方向が反時計方向に回転するように変化するので、第１の磁界センサ２３は、図７に実線で示すように磁界の方向に応じて１周波の電圧（ｓｉｎ 波）を誘起し、一方、第２の磁界センサ２４は、同図に破線で示すように前記の電圧に対し位相差を有する１周波の電圧（ｃｏｓ 波）を誘起する。回転円板２１が０°〜１８０°回転したときは、ドグ板２５がホトインタラプタ２６の溝内を通過してホトインタラプタ２６の光りを遮断するので、ホトインタラプタ２６から信号が出力され、回転円板２１が１８０°〜３６０°回転したときにその出力はオフになる。
【００３３】
前記の信号処理回路は、１３ビットの分解能でデジタル化された第１及び第２の磁界センサ２３，２４からの各電圧を予め設定された時間間隔で取り込むと共に、その各電圧を基に例えば逆正接関数計算を行って回転軸２の回転角度を求め、かつ、ホトインタラプタ２６からの信号のオン／オフ状態に応じて回転軸２の回転方向を判別し、それぞれの情報（角度及び方向）を車輌のステアリングの制御系に出力する。
【００３４】
以上のように実施の形態２によれば、外周面が強磁性材で着磁された回転円板２１と、その外周面に近接して配置された第１の磁界センサ２３と、第１の磁界センサ２３から反時計方向に４５°の位置に配置された第２の磁界センサ２４と、回転円板２１に設けられた半割リング状のドグ板２５と、ホトインタラプタ２６とで角度センサを構成したので、従来と比べ部品点数が少なくなって構造が簡単になり、しかも安価で小型軽量の角度センサを提供でき、前記の如く構造が簡単であるため、耐環境性が優れているという効果がある。
【００３５】
なお、前記の実施の形態２では、回転円板２１の外周面に周方向の角度に応じて磁界の方向が変わるように強磁性材を着磁したことを述べたが、これに代えて、棒磁石などを回転円板１の外周面に配列して、回転円板２１の回転角度に応じた出力波形を２個の磁界センサ２３，２４で得るようにしてもよい。
【００３６】
実施の形態３．
前述した実施の形態１、２では、回転円板に着磁した強磁性材の磁界の方向から回転軸の回転角度及び方向を検出できるようにしたものであるが、本実施の形態３は、例えば９０°の角度範囲内で回転軸の回転角度及び方向を検出できるようにしたものである。
【００３７】
図８は本発明の実施の形態３に係る角度センサの構成を示す正面図である。この図に示す角度センサは、中心に回転軸２が貫通された回転円板１と、回転円板１の一方の面に周方向に例えば互いに９０°の角度間隔をもって配置された２本の棒磁石３１，３２と、回転円板１の一方の面に近接して所定の角度位置に配置された第１の磁界センサ３３と、この第１の磁界センサ３３を基準として周方向に例えば２２．５°の角度間隔をもって配置された第２の磁界センサ３４とから構成されている。
【００３８】
これら第１及び第２の磁界センサ３４，３５は、例えば磁気抵抗素子からなり、棒磁石３１，３２の各磁界の強さに基づいて電圧を誘起し、各棒磁石３１，３２と対向したときに誘起電圧が最大となり、この状態から各棒磁石３１，３２が４５°移動したとき誘起電圧が最小値になるようになっている。
【００３９】
次に、実施の形態３の角度センサの動作について図９を参照しながら説明する。図９は実施の形態３に係る角度センサの出力を示す波形図である。なお、出力変化の範囲を１．５Ｖ〜３．５Ｖ（２．５±１Ｖ）とし、０°〜２２．５°と４５°〜６７．５°以外の角度での出力（電圧）の差を１．０Ｖとする。
【００４０】
例えば、図示していないが第１の磁界センサ３３と棒磁石３１とが対向している位置から図８に示すような状態になるまで回転軸２を通じて回転円板１を回転（右方向）させた場合、第１の磁界センサ３３の出力は、図９の実線に示すように、棒磁石３１が右方向に遠ざかるに従って最大値の３．５Ｖから徐々に下がり、回転円板１と共に棒磁石３１が周方向に４５°移動したときに最小値の１．５Ｖとなる。この時、もう一方の棒磁石３２が第１の磁界センサ３３に接近しているため、その出力は１．５Ｖから徐々に上がり、回転円板１が９０°まで回転して第１の磁界センサ３３と棒磁石３２とが重なったときに再び最大値の３．５Ｖになる。一方、第２の磁界センサ３４の出力は、図９の破線に示すように、第１の磁界センサ３３の出力より１．０Ｖ低い２．５Ｖから２２．５°遅れで最大値の３．５Ｖとなり、第１の磁界センサ３３の出力と平行して徐々に下がって６７．５°のところで最小値の１．５Ｖになる。そして、その出力は棒磁石３２の接近により２２．５°遅れで上がり始め、回転円板１が９０°まで回転したとき２．５Ｖになる。
【００４１】
また、図８に示す状態から回転円板１を左方向に９０°回転させた場合は、第１の磁界センサ３３の出力は、棒磁石３２が左方向に遠ざかるに従って最大値から徐々に下がり、棒磁石３２が周方向に４５°移動したときに最小値となる。この時、もう一方の棒磁石３１が第２の磁界センサ３４に接近しているため、その出力は徐々に上がり、棒磁石３１と重なったときに最大値となる。一方、第２の磁界センサ３４の出力は、第１の磁界センサ３３の出力と平行して徐々に下がっており、第１の磁界センサ３３の出力よりも２２．５°進んで最小値となる。この時、棒磁石３１が接近しているため、第２の磁界センサ３４の出力は、第１の磁界センサ３３の出力よりも２２．５°進んで上がり、棒磁石３１と重なったときに最大値となる。
【００４２】
この角度センサによる角度の検出については、回転軸２の所定角度毎に各センサ３３、３４の出力値を測定し、これら出力値と所定角度をデータとしてメモリに格納しておくことにより可能になる。また、回転軸２の回転方向については、各センサ３３、３４の出力がアナログであるため、そのセンサ３３、３４毎にそれぞれ現在値と次の瞬間の値とを比較して、その符号から判断するようにする。
【００４３】
以上のように実施の形態３においては、回転軸２が貫通した回転円板１と、回転円板１の一方の面に周方向に９０°の角度間隔を以て配置された２本の棒磁石３１，３２と、その一方の面に対向するように所定の角度位置に配置された第１の磁界センサ３３と、この磁界センサ３４を基準として周方向に２２．５°の角度位置に配置された第２の磁界センサ３４とで角度センサを構成したので、構造が簡単で、かつ安価で小型軽量の角度センサを提供でき、構造が簡単であるため、耐環境性が優れているという効果がある。
【００４４】
なお、前記の実施の形態３では、回転軸２の検出範囲を９０°以内として述べたが、これに限定されることはなく、例えば１８０°の検出範囲でもよいし、２７０°の検出範囲でもよい。その場合、検出範囲に応じて棒磁石３１，３２を回転円板１上に設ける。また、回転円板１に棒磁石３１，３２を設けたことを述べたが、その部分を強磁性材を着磁して第１及び第２の磁界センサ３３，３４で検出できるようにしてもよい。
【００４５】
実施の形態４．
本実施の形態は、回転軸の多回転（例えば３回転）を検出する角度センサであり、以下、図１０乃至図１２を用いて説明する。図１０は実施の形態４に係る角度センサの構成を示す斜視図、図１１は角度センサの回転円板の説明図である。図において、４４は中心に回転軸４３が貫通された第１の回転円板で、外周部に一定の間隔を置いて形成された歯４４ａを有し、中心軸方向の一方の面には、図１１に示すように周方向の角度に応じて磁界の方向が変わるように強磁性材が着磁されている。４５は中心に設けられたベアリング４２を介して回転軸４３に回動可能に取り付けられた第２の回転円板で、外周部に第１の回転円板４４と同様の歯４５ａを有し、中心軸方向の一方の面には、第１の回転円板４４と同様に周方向の角度に応じて磁界の方向が変わるように強磁性材が着磁されている。４６は例えば第１の回転円板４４が３回転したとき第２の回転円板４５が２回転するギャー比を有する減速歯車である。なお、図１１に示す矢印は１５°毎の磁界の方向を示しているが、実際は、後述する各磁界センサが連続的に磁界を検出できるように着磁されている。
【００４６】
４７は第１の回転円板４４に着磁された強磁性材に近接して設けられた第１の磁界センサ、４８は第１の磁界センサ４７から９０°おいた位置に配置された第２の磁界センサである。４９は第２の回転円板４５に着磁された強磁性材に近接して設けられた第３の磁界センサ、５０は第３の磁界センサ４９から９０°おいた位置に配置された第４の磁界センサである。これらの磁界センサ４７〜５０は、前述した実施の形態１と同様にホール素子或いはアモルファス・ワイヤ素子からなり、強磁性材の磁界方向に応じて出力の誘起電圧及びその方向が変化し、磁界センサ４７〜５０の軸方向に磁束が加わったときに出力（誘起電圧）が最大値となり、その磁束が直角に交叉したときは出力が最小値になるようになっている。
【００４７】
次に、実施の形態４の角度センサの動作を図１２を参照しながら説明する。図１２は実施の形態４に係る角度センサの出力を示す波形図である。なお、この図は回転軸を図１１に示す矢印方向に回転させたときの波形である。
【００４８】
例えば、図１１に示すような状態では、第１の磁界センサ４７と第３の磁界センサ４９の各出力は、磁界の方向が直角に交叉しているため最小値となっており、一方、第２の磁界センサ４８と第４の磁界センサ５０の各出力は、磁界の方向が軸方向であるため最大値となっていて、第１の磁界センサ４７と第３の磁界センサ４９の出力に対して９０°進んでいる。この状態から回転軸４３を通じて第１の回転円板４４を矢印方向に回転させた場合、各磁界センサ４７〜５０に加わる磁界の方向が反時計方向に回転しているように変化する。
【００４９】
第１の回転円板４４が１回転したとき、第２の回転円板４５が減速歯車４６により２／３回転するため、第１及び第２の磁界センサ４７、４８は、第１の回転円板４４が１回転する毎に１周波の電圧を誘起し（破線と実線の波形）、第３及び第４の磁界センサ４９、５０は、第１及び第２の磁界センサ４７、４８が１周波の電圧を誘起する毎に波長の長い２／３周波の電圧を誘起する（一点鎖線と二点鎖線の波形）。つまり、第１及び第２の磁界センサ４７、４８が３周波の電圧を誘起したとき、第３及び第４の磁界センサ４９、５０は、その期間内において２周波の電圧を誘起する。
【００５０】
本実施の形態における回転軸４３の回転数を検出する場合、三角関数を用いて各磁界センサ４７〜５０の出力値からそれぞれ角度を算出し、かつ、それぞれの角度の符号状態から第１の磁界センサ４７の現在の角度が第何象限にあるかを判断して０°〜３５９°範囲内の角度を得る。そして。３６０°を超えた場合は、回転軸４３が１回転したと判断して第１の磁界センサ４７の出力値から得られる角度に３６０°を加算し、前記と同様に各磁界センサ４７〜５０の出力値から得られるそれぞれの角度の符号状態から再び第１の磁界センサ４７の現在の角度が第何象限にあるかを判断して３６０°〜７１９°範囲内の角度を得る。７２０°を超えた場合は、前述した処理を繰り返して３回転目に入っている回転軸４３の角度を得る。また、回転軸の回転方向は、第１及び第２の磁界センサ４７、４８の現在の出力値と次の瞬間の出力値とをそれぞれ比較して、その符号から判断するようにする。
【００５１】
以上のように実施の形態４においては、周方向の角度に応じて磁界の方向が変わるように強磁性材が着磁された第１の回転円板４４と、この第１の回転円板４４が１回転したときに２／３回転し、前記と同様に強磁性材が着磁された第２の回転円板４５と、第１の回転円板４４に着磁された強磁性材の磁界方向に基づいて電圧を誘起する第１及び第２の磁界センサ４７、４８と、第２の回転円板４５に着磁された強磁性材の磁界方向に基づいて電圧を誘起する第３及び第４の磁界センサ４９、５０とで角度センサを構成したので、構造が簡単な多回転検出可能な角度センサを提供でき、構造が簡単であるため、耐環境性が優れているという効果がある。
【００５２】
なお、前記の実施の形態４では、第１及び第２の回転円板４４、４５の各面に周方向の角度に応じて磁界の方向が変わるように強磁性材を着磁したことを述べたが、これに代えて、棒磁石などを各回転円板４４、４５の面に周方向に配列して、回転角度に応じた出力波形が各磁界センサ４７〜５０で得られるようにしてもよい。
【００５３】
また、前述した各実施の形態では、磁界センサがホール素子、アモルファス・ワイヤ素子或いは磁気抵抗素子の何れかでなっていることについて説明したが、これらに代えて、コアとコイルとでなる磁界センサを用いて、磁界の方向や強度に応じた電圧を誘起させるようにしてもよい。
【００５４】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、周方向の角度に応じて磁界の方向が変わるように着磁された回転円板と、回転円板に施された着磁面に接近して配置され、回転軸によって回転する回転円板の磁界の方向に基づいてそれぞれ信号を生成する一対の磁界センサとで角度センサを構成したので、従来と比べ部品点数が少なくなって構造が簡単になり、しかも安価で小型軽量の角度センサを提供でき、前記の如く構造が簡単であるため、耐環境性が優れているという効果がある。
【００５５】
また、本発明によれば、外周面が着磁された回転円板と、その外周面に４５°の角度間隔を以て配置された２ヶの磁界センサと、回転円板に設けられた半割リング状のドグ板と、ホトインタラプタとで角度センサを構成したので、従来と比べ部品点数が少なくなって構造が簡単になり、しかも安価で小型軽量の角度センサを提供でき、前記の如く構造が簡単であるため、耐環境性が優れているという効果がある。
【００５６】
さらに、本発明によれば、回転軸が貫通された回転円板と、回転円板の中心軸方向の一方の面に周方向に所定角度の間隔を以て設けられ、磁極が一方向に向けられた複数の磁石と、所定角度より狭い角度間隔を以て回転円板の一方の面に近接して配置され、磁石の磁界強度に基づいてそれぞれ信号を生成する一対の磁界センサとで角度センサを構成したので、構造が簡単で、かつ安価で小型軽量の角度センサを提供でき、構造が簡単であるため、耐環境性が優れているという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１に係る角度センサの構成を示す斜視図である。
【図２】実施の形態１の角度センサにおける回転円板上の磁界方向と磁界センサとの相関を示す正面図である。
【図３】回転円板の回転方向に応じて磁界センサを通過する磁界の方向を示す図である。
【図４】磁界の方向に応じて出力する磁界センサの波形図である。
【図５】回転円板の他の例を示す正面図である。
【図６】本発明の実施の形態２に係る角度センサの構成を示す斜視図である。
【図７】実施の形態２に係る角度センサの動作を示す波形図である。
【図８】本発明の実施の形態３に係る角度センサの構成を示す正面図である。
【図９】実施の形態３に係る角度センサの出力を示す波形図である。
【図１０】実施の形態４に係る角度センサの構成を示す斜視図である。
【図１１】角度センサの回転円板の説明図である。
【図１２】実施の形態４に係る角度センサの出力を示す波形図である。
【図１３】従来の角度センサの原理図である。
【符号の説明】
１ 回転円板、２ 回転軸、３ 第１の磁界センサ、４ 第２の磁界センサ、１３ 棒磁石、２１ 回転円板、２２ 回転軸、２３ 第１の磁界センサ、２４第２の磁界センサ、２５ ドグ板、２６ ホトインタラプタ、３１，３２ 棒磁石、３３ 第１の磁界センサ、３４ 第２の磁界センサ。
【発明の属する技術分野】
本発明は、回転軸の回転角を検出する角度センサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の角度センサとして、例えば図１３に示すようなものがある。この角度センサは、磁気抵抗素子からなる磁気抵抗角度センサ６１，６２で、互いに４５°のオフセットをもって配置されている（（ａ）参照）。このセンサ６１，６２の上方に配置された永久磁石６３が回転軸６４に連動して回転すると（（ｂ）参照）、（ｃ）に示すように、一方の磁気抵抗角度センサ６１からｓｉｎ 波の信号が出力され、もう一方の磁気抵抗角度センサ６２から９０°の位相差を有するｃｏｓ 波の信号が出力される（例えば、非特許文献１参照）。
【０００３】
【非特許文献１】
Ｋｌａｕｓ Ｄｉｅｔｍａｙｅｒ， Ｍａｒｃｕｓ Ｗｅｓｅｒ著、「アプリケーション・ノート ＫＭＺ４１及びＵＺＺ９００１ を使用した非接触角度測定 ＡＮ００００４Ｊ 」、ＰＨＩＬＩＰＳ、２０００ 年 １ 月１７日、Ｐ９−Ｐ１１
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前述した従来の角度センサは、例えば車輌の舵角センサとして応用されている。これは、ハンドルの回転軸の回転に伴って回転する２つのギャーを有し、一方のギャーの片面に磁石が取り付けられ、この磁石の磁界方向に応じて位相差の異なるｓｉｎ 波の信号とｃｏｓ 波の信号がセンサから出力されるようになっている。しかしながら、このように構成された場合、ギャーを用いているため、部品点数が増えて構造が複雑化し、ギャーが消耗した場合には、バックラッシュ（ガタ）による角度の誤差を生じる恐れがあった。
【０００５】
本発明は、かかる課題を解決するためになされたもので、部品点数を増やすことなく容易に回転軸の角度を検出できる角度センサを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
（１）本発明に係る角度センサは、中心に回転軸が貫通され、周方向の角度に応じて磁界の方向が変わるように着磁された回転円板と、回転円板に施された着磁面に接近して配置され、回転軸によって回転する回転円板の磁界の方向に基づいてそれぞれ信号を生成する磁界センサとを備えたものである。
【０００７】
（２）本発明に係る角度センサは、前記（１）において、磁界センサは、回転円板の中心を軸として９０°の角度間隔を以て２ヶ配置されている。
【０００８】
（３）本発明に係る角度センサは、前記（１）において、回転円板の半周に取り付けられたドグ板と、ドグ板を検知しているときに信号を出力する検知手段とを備え、磁界センサは、回転円板の中心を軸として４５°の角度間隔を以て２ヶ配置されている。
【０００９】
（４）本発明に係る角度センサは、前記（１）〜（３）の何れかにおいて、回転円板への着磁は、その回転円板の中心軸方向の一方の面に施されている。
【００１０】
（５）本発明に係る角度センサは、前記（１）〜（３）の何れかにおいて、回転円板への着磁は、その回転円板の外周面に施されている。
【００１１】
（６）本発明に係る角度センサは、前記（４）において、着磁に代えて、回転円板の中心軸方向の一方の面に周方向の角度に応じて磁極の向きが変わるように磁石が配列されている。
【００１２】
（７）本発明に係る角度センサは、前記（５）において、着磁に代えて、回転円板の外周面に周方向の角度に応じて磁極の向きが変わるように磁石が配列されている。
【００１３】
（８）本発明に係る角度センサは、中心に回転軸が貫通された回転円板と、回転円板の中心軸方向の一方の面に周方向に所定角度の間隔を以て設けられ、磁極が一方向に向けられた複数の磁石と、所定角度より狭い角度間隔を以て回転円板の一方の面に近接して配置され、磁石の磁界強度に基づいてそれぞれ信号を生成する一対の磁界センサとを備えたものである。
【００１４】
（９）本発明に係る角度センサは、前記（８）において、磁石に代えて、同一位置に磁界の方向が一方向になるよう着磁したものである。
【００１５】
（１０）本発明に係る角度センサは、前記（１）〜（９）の何れかにおいて、磁界センサはコアとコイルとでなっている。
【００１６】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１に係る角度センサの構成を示す斜視図である。図において、１は中心に例えば車輌のハンドルの回転軸２が貫通された回転円板で、中心軸方向の一方の面に、中心軸を中心とする周方向の角度に応じて磁界の方向が変わるように強磁性材が着磁されている。例えば、４５°毎の磁界の方向は図中に示すような方向になるように連続的に着磁されている。
【００１７】
３は回転円板１の一方の面に近接して配置された第１の磁界センサ、４は第１の磁界センサ３から９０°おいた位置に配置された第２の磁界センサである。これら第１及び第２の磁界センサ３，４は、例えばホール素子或いはアモルファス・ワイヤ素子からなり、磁界の方向に応じて出力の誘起電圧及びその方向が変移し、長さ方向に磁束が加わったときは出力（誘起電圧）が最大値となり、その磁束が直角に交叉したときは出力が最小値になるようになっている。
【００１８】
次に、前記のように構成された角度センサの動作について図２乃至図４を用いて説明する。図２は実施の形態１の角度センサにおける回転円板上の磁界方向と磁界センサとの相関を示す正面図、図３は回転円板の回転方向に応じて磁界センサを通過する磁界の方向を示す図、図４は磁界の方向に応じて出力する磁界センサの波形図である。
【００１９】
なお、図２に示す太い矢印は前述したように４５°毎の磁界の方向であり、その角度間の２本の矢印は１５°毎の磁界の方向を示している。実際は、前述したように各磁界センサが連続的に出力できるように着磁されているが、ここでは、磁界の方向の変化が大まかにわかるように図示している。図３及び図４は動作説明の便宜上、４５°毎の磁界の方向に基づく各磁界センサの出力を示したものである。また、図２及び図３に記載の符号５〜１２は、４５°毎の磁界に付したものである。
【００２０】
例えば、図２に示すような状態では、第１の磁界センサ３の出力は、磁束５が磁界センサ３の長さ方向に加わっているため正方向に最大値Ｖ１となっており、一方、第２の磁界センサ４の出力は、磁束１１が磁界センサ４に直角に交叉しているため最小値Ｖ２１となっている（図４参照）。
【００２１】
図２に示す状態から回転軸２を通じて回転円板１を右方向に回転させた場合、第１及び第２の磁界センサ３，４に加わる磁界の方向が反時計方向に回転しているように変化する（図３（ａ）（ｂ）参照）。この場合、第１の磁界センサ３の出力は図４の右側の実線で示すように９０°遅れの波形（ｃｏｓ 波）となり、第２の磁界センサ４の出力は破線で示すような波形（ｓｉｎ 波）となる。
【００２２】
この時、第１の磁界センサ３においては、４５°の位置に着磁された磁界６が加わったときに出力がＶ２となり、９０°の位置に着磁された磁界７が加わったときは第１の磁界センサ３に直角に交叉するので最小値Ｖ３となり、さらに、１３５°の位置に着磁された磁界８が加わったときは負方向にＶ４となり、１８０°の位置に着磁された磁界９が加わったときは長さ方向に加わるので負方向で最大値Ｖ５となる。その後は、２２５°の位置の磁界１０が加わったときＶ６となり、２７０°の位置の磁界１１が加わったときは最小値Ｖ７となり、さらに、３１５°の位置の磁界１２が加わったとき正方向にＶ８となり、再び磁界５が加わったときは最大値Ｖ１となる。
【００２３】
一方、第２の磁界センサ４においては、３１５°の位置に着磁された磁界１２が加わったときに出力がＶ２２となり、０°の位置に着磁された磁界５が加わったときは長さ方向に加わるので最大値Ｖ２３となり、さらに、４５°の位置に着磁された磁界６が加わったときはＶ２４となり、９０°の位置に着磁された磁界７が加わったときは直角に交叉するので最小値Ｖ２５となる。その後は、１３５°の位置の磁界８が加わったとき負方向にＶ２６となり、１８０°の位置の磁界９が加わったときは負方向に最大値Ｖ２７となり、さらに、２２５°の位置の磁界１０が加わったときＶ２８となり、再び磁界１１が加わったときは最小値Ｖ２１となる。
【００２４】
また、図２に示す状態から回転円板１を左方向に回転させた場合は、第１及び第２の磁界センサ３，４に加わる磁界の方向が時計方向に回転しているように変化する（図３（ａ）（ｂ）参照）。この場合、第１の磁界センサ３の出力は図４の左側の実線で示すように９０°遅れの波形（ｃｏｓ 波）となり、第２の磁界センサ４の出力は破線で示すような波形（ｓｉｎ 波）となる。
【００２５】
前述した第１及び第２の磁界センサ３，４の各出力の電圧は、例えばＭＰＵを有する信号処理回路（図示せず）に入力する。その信号処理回路は、第１の磁界センサ３からの電圧（ｃｏｓ 波）と第２の磁界センサ４からの電圧（ｓｉｎ 波）を予め設定された時間間隔で取り込んでデジタル化すると共に、デジタル化した２入力の電圧の方向（＋／−）を予め設定された基準値を基に判別し、そして、その判別した各電圧を基に例えば逆正接関数の計算を行って回転軸２の回転角度を求め、車輌のステアリングの制御系に出力する。
【００２６】
このような方法で回転軸２の回転角度を検出する場合、変化する値の最大値付近（正方向及び負方向の最大値付近）では、角度変化に対する信号の変化量が減少し、角度算出精度が低下するが、例えば、第１の磁界センサ３の出力が最大値（正方向及び負方向の最大値付近）のとき、もう一方の第２の磁界センサ４の出力は中間の値（最小値）を示し、この中間付近の角度に対する信号の変化率、直線性が最大となるので、この中間付近の値を基に最大値付近の変化値を求め、これを９０°毎に切り替えることにより、分解能の低下を最小限に留めることができる。
【００２７】
以上のように実施の形態１によれば、一方の面に周方向の角度に応じて磁界の方向が変わるように強磁性材が着磁された回転円板１と、回転円板１の近傍に互いに９０°おいて配置された第１及び第２の磁界センサ３，４とで角度センサを構成したので、従来と比べ部品点数が少なくなって構造が簡単になり、しかも安価で小型軽量の角度センサを提供でき、前記の如く構造が簡単であるため、耐環境性が優れているという効果がある。
【００２８】
なお、前記の実施の形態１では、回転円板１の一方の面に周方向の角度に応じて磁界の方向が変わるように強磁性材を着磁したことを述べたが、これに代えて、例えば図５に示すように、棒磁石１３を回転円板１の一方の面に周方向に配列して、回転円板１の回転角度に応じた出力を２個の磁界センサ（図示せず）で得るようにしてもよい。この場合、磁石相互の干渉を整合するために、磁気誘導材やシールド材を用いる。前記の棒磁石１３は、円柱、角柱、針状或いは板状の何れの形状でもよい。また、棒磁石１３は、接着剤又は機械的に固定してもよいし、回転円板１と一体成形により埋め込んでもよい。棒磁石１３の数は、回転円板１の形状、検出精度、検出目的に応じて決定する。
【００２９】
実施の形態２．
図６は本発明の実施の形態２に係る角度センサの構成を示す斜視図であり、図において、２１は中心に例えば車輌のハンドルの回転軸２２が貫通された回転円板で、外周面に強磁性材が着磁されている。この着磁による磁界の方向は、周方向の角度に応じて変化し、回転円板２１の外周面を１周したとき１回転するように着磁されている。２３は回転円板２１の外周面に近接して配置された第１の磁界センサで、この配置は回転軸２２の基準位置に合わせられている。２４は第１の磁界センサ２３から反時計方向に例えば４５°の位置に配置されている第２の磁界センサである。
【００３０】
これら第１及び第２の磁界センサ２３，２４は、例えば磁気抵抗素子からなり、回転円板２１の外周面に着磁された磁界の方向が電流の方向と一致したとき出力（誘起電圧）が最大値となり、磁界の方向が電流の方向と直角に交叉したとき最小値となる。なお、この図においては、第１の磁界センサ２３の出力が最小値、第２の磁界センサ２４の出力が最大値となっており、各出力を例えば１３ビットの分解能でデジタル出力するＩＣチップ（図示せず）を有している。
【００３１】
２５は回転円板２１に設けられた半割リング状のドグ板、２６はホトインタラプタで、例えばドグ板２５によって光りが遮断されたときに信号を出力するようになっている。これらドグ板２５とホトインタラプタ２６は、回転軸２２の半周の１８０°〜３６０°の範囲を後段の信号処理回路（図示せず）に知らせるためである。
【００３２】
次に、実施の形態２の角度センサの動作について図７を参照しながら説明する。図７は実施の形態２に係る角度センサの動作を示す波形図である。
例えば、回転軸２２を右方向に１回転させると、この回転に伴って回転円板２１が１回転する。この時、第１及び第２の磁界センサ２３，２４に対して、外周面上の磁界の方向が反時計方向に回転するように変化するので、第１の磁界センサ２３は、図７に実線で示すように磁界の方向に応じて１周波の電圧（ｓｉｎ 波）を誘起し、一方、第２の磁界センサ２４は、同図に破線で示すように前記の電圧に対し位相差を有する１周波の電圧（ｃｏｓ 波）を誘起する。回転円板２１が０°〜１８０°回転したときは、ドグ板２５がホトインタラプタ２６の溝内を通過してホトインタラプタ２６の光りを遮断するので、ホトインタラプタ２６から信号が出力され、回転円板２１が１８０°〜３６０°回転したときにその出力はオフになる。
【００３３】
前記の信号処理回路は、１３ビットの分解能でデジタル化された第１及び第２の磁界センサ２３，２４からの各電圧を予め設定された時間間隔で取り込むと共に、その各電圧を基に例えば逆正接関数計算を行って回転軸２の回転角度を求め、かつ、ホトインタラプタ２６からの信号のオン／オフ状態に応じて回転軸２の回転方向を判別し、それぞれの情報（角度及び方向）を車輌のステアリングの制御系に出力する。
【００３４】
以上のように実施の形態２によれば、外周面が強磁性材で着磁された回転円板２１と、その外周面に近接して配置された第１の磁界センサ２３と、第１の磁界センサ２３から反時計方向に４５°の位置に配置された第２の磁界センサ２４と、回転円板２１に設けられた半割リング状のドグ板２５と、ホトインタラプタ２６とで角度センサを構成したので、従来と比べ部品点数が少なくなって構造が簡単になり、しかも安価で小型軽量の角度センサを提供でき、前記の如く構造が簡単であるため、耐環境性が優れているという効果がある。
【００３５】
なお、前記の実施の形態２では、回転円板２１の外周面に周方向の角度に応じて磁界の方向が変わるように強磁性材を着磁したことを述べたが、これに代えて、棒磁石などを回転円板１の外周面に配列して、回転円板２１の回転角度に応じた出力波形を２個の磁界センサ２３，２４で得るようにしてもよい。
【００３６】
実施の形態３．
前述した実施の形態１、２では、回転円板に着磁した強磁性材の磁界の方向から回転軸の回転角度及び方向を検出できるようにしたものであるが、本実施の形態３は、例えば９０°の角度範囲内で回転軸の回転角度及び方向を検出できるようにしたものである。
【００３７】
図８は本発明の実施の形態３に係る角度センサの構成を示す正面図である。この図に示す角度センサは、中心に回転軸２が貫通された回転円板１と、回転円板１の一方の面に周方向に例えば互いに９０°の角度間隔をもって配置された２本の棒磁石３１，３２と、回転円板１の一方の面に近接して所定の角度位置に配置された第１の磁界センサ３３と、この第１の磁界センサ３３を基準として周方向に例えば２２．５°の角度間隔をもって配置された第２の磁界センサ３４とから構成されている。
【００３８】
これら第１及び第２の磁界センサ３４，３５は、例えば磁気抵抗素子からなり、棒磁石３１，３２の各磁界の強さに基づいて電圧を誘起し、各棒磁石３１，３２と対向したときに誘起電圧が最大となり、この状態から各棒磁石３１，３２が４５°移動したとき誘起電圧が最小値になるようになっている。
【００３９】
次に、実施の形態３の角度センサの動作について図９を参照しながら説明する。図９は実施の形態３に係る角度センサの出力を示す波形図である。なお、出力変化の範囲を１．５Ｖ〜３．５Ｖ（２．５±１Ｖ）とし、０°〜２２．５°と４５°〜６７．５°以外の角度での出力（電圧）の差を１．０Ｖとする。
【００４０】
例えば、図示していないが第１の磁界センサ３３と棒磁石３１とが対向している位置から図８に示すような状態になるまで回転軸２を通じて回転円板１を回転（右方向）させた場合、第１の磁界センサ３３の出力は、図９の実線に示すように、棒磁石３１が右方向に遠ざかるに従って最大値の３．５Ｖから徐々に下がり、回転円板１と共に棒磁石３１が周方向に４５°移動したときに最小値の１．５Ｖとなる。この時、もう一方の棒磁石３２が第１の磁界センサ３３に接近しているため、その出力は１．５Ｖから徐々に上がり、回転円板１が９０°まで回転して第１の磁界センサ３３と棒磁石３２とが重なったときに再び最大値の３．５Ｖになる。一方、第２の磁界センサ３４の出力は、図９の破線に示すように、第１の磁界センサ３３の出力より１．０Ｖ低い２．５Ｖから２２．５°遅れで最大値の３．５Ｖとなり、第１の磁界センサ３３の出力と平行して徐々に下がって６７．５°のところで最小値の１．５Ｖになる。そして、その出力は棒磁石３２の接近により２２．５°遅れで上がり始め、回転円板１が９０°まで回転したとき２．５Ｖになる。
【００４１】
また、図８に示す状態から回転円板１を左方向に９０°回転させた場合は、第１の磁界センサ３３の出力は、棒磁石３２が左方向に遠ざかるに従って最大値から徐々に下がり、棒磁石３２が周方向に４５°移動したときに最小値となる。この時、もう一方の棒磁石３１が第２の磁界センサ３４に接近しているため、その出力は徐々に上がり、棒磁石３１と重なったときに最大値となる。一方、第２の磁界センサ３４の出力は、第１の磁界センサ３３の出力と平行して徐々に下がっており、第１の磁界センサ３３の出力よりも２２．５°進んで最小値となる。この時、棒磁石３１が接近しているため、第２の磁界センサ３４の出力は、第１の磁界センサ３３の出力よりも２２．５°進んで上がり、棒磁石３１と重なったときに最大値となる。
【００４２】
この角度センサによる角度の検出については、回転軸２の所定角度毎に各センサ３３、３４の出力値を測定し、これら出力値と所定角度をデータとしてメモリに格納しておくことにより可能になる。また、回転軸２の回転方向については、各センサ３３、３４の出力がアナログであるため、そのセンサ３３、３４毎にそれぞれ現在値と次の瞬間の値とを比較して、その符号から判断するようにする。
【００４３】
以上のように実施の形態３においては、回転軸２が貫通した回転円板１と、回転円板１の一方の面に周方向に９０°の角度間隔を以て配置された２本の棒磁石３１，３２と、その一方の面に対向するように所定の角度位置に配置された第１の磁界センサ３３と、この磁界センサ３４を基準として周方向に２２．５°の角度位置に配置された第２の磁界センサ３４とで角度センサを構成したので、構造が簡単で、かつ安価で小型軽量の角度センサを提供でき、構造が簡単であるため、耐環境性が優れているという効果がある。
【００４４】
なお、前記の実施の形態３では、回転軸２の検出範囲を９０°以内として述べたが、これに限定されることはなく、例えば１８０°の検出範囲でもよいし、２７０°の検出範囲でもよい。その場合、検出範囲に応じて棒磁石３１，３２を回転円板１上に設ける。また、回転円板１に棒磁石３１，３２を設けたことを述べたが、その部分を強磁性材を着磁して第１及び第２の磁界センサ３３，３４で検出できるようにしてもよい。
【００４５】
実施の形態４．
本実施の形態は、回転軸の多回転（例えば３回転）を検出する角度センサであり、以下、図１０乃至図１２を用いて説明する。図１０は実施の形態４に係る角度センサの構成を示す斜視図、図１１は角度センサの回転円板の説明図である。図において、４４は中心に回転軸４３が貫通された第１の回転円板で、外周部に一定の間隔を置いて形成された歯４４ａを有し、中心軸方向の一方の面には、図１１に示すように周方向の角度に応じて磁界の方向が変わるように強磁性材が着磁されている。４５は中心に設けられたベアリング４２を介して回転軸４３に回動可能に取り付けられた第２の回転円板で、外周部に第１の回転円板４４と同様の歯４５ａを有し、中心軸方向の一方の面には、第１の回転円板４４と同様に周方向の角度に応じて磁界の方向が変わるように強磁性材が着磁されている。４６は例えば第１の回転円板４４が３回転したとき第２の回転円板４５が２回転するギャー比を有する減速歯車である。なお、図１１に示す矢印は１５°毎の磁界の方向を示しているが、実際は、後述する各磁界センサが連続的に磁界を検出できるように着磁されている。
【００４６】
４７は第１の回転円板４４に着磁された強磁性材に近接して設けられた第１の磁界センサ、４８は第１の磁界センサ４７から９０°おいた位置に配置された第２の磁界センサである。４９は第２の回転円板４５に着磁された強磁性材に近接して設けられた第３の磁界センサ、５０は第３の磁界センサ４９から９０°おいた位置に配置された第４の磁界センサである。これらの磁界センサ４７〜５０は、前述した実施の形態１と同様にホール素子或いはアモルファス・ワイヤ素子からなり、強磁性材の磁界方向に応じて出力の誘起電圧及びその方向が変化し、磁界センサ４７〜５０の軸方向に磁束が加わったときに出力（誘起電圧）が最大値となり、その磁束が直角に交叉したときは出力が最小値になるようになっている。
【００４７】
次に、実施の形態４の角度センサの動作を図１２を参照しながら説明する。図１２は実施の形態４に係る角度センサの出力を示す波形図である。なお、この図は回転軸を図１１に示す矢印方向に回転させたときの波形である。
【００４８】
例えば、図１１に示すような状態では、第１の磁界センサ４７と第３の磁界センサ４９の各出力は、磁界の方向が直角に交叉しているため最小値となっており、一方、第２の磁界センサ４８と第４の磁界センサ５０の各出力は、磁界の方向が軸方向であるため最大値となっていて、第１の磁界センサ４７と第３の磁界センサ４９の出力に対して９０°進んでいる。この状態から回転軸４３を通じて第１の回転円板４４を矢印方向に回転させた場合、各磁界センサ４７〜５０に加わる磁界の方向が反時計方向に回転しているように変化する。
【００４９】
第１の回転円板４４が１回転したとき、第２の回転円板４５が減速歯車４６により２／３回転するため、第１及び第２の磁界センサ４７、４８は、第１の回転円板４４が１回転する毎に１周波の電圧を誘起し（破線と実線の波形）、第３及び第４の磁界センサ４９、５０は、第１及び第２の磁界センサ４７、４８が１周波の電圧を誘起する毎に波長の長い２／３周波の電圧を誘起する（一点鎖線と二点鎖線の波形）。つまり、第１及び第２の磁界センサ４７、４８が３周波の電圧を誘起したとき、第３及び第４の磁界センサ４９、５０は、その期間内において２周波の電圧を誘起する。
【００５０】
本実施の形態における回転軸４３の回転数を検出する場合、三角関数を用いて各磁界センサ４７〜５０の出力値からそれぞれ角度を算出し、かつ、それぞれの角度の符号状態から第１の磁界センサ４７の現在の角度が第何象限にあるかを判断して０°〜３５９°範囲内の角度を得る。そして。３６０°を超えた場合は、回転軸４３が１回転したと判断して第１の磁界センサ４７の出力値から得られる角度に３６０°を加算し、前記と同様に各磁界センサ４７〜５０の出力値から得られるそれぞれの角度の符号状態から再び第１の磁界センサ４７の現在の角度が第何象限にあるかを判断して３６０°〜７１９°範囲内の角度を得る。７２０°を超えた場合は、前述した処理を繰り返して３回転目に入っている回転軸４３の角度を得る。また、回転軸の回転方向は、第１及び第２の磁界センサ４７、４８の現在の出力値と次の瞬間の出力値とをそれぞれ比較して、その符号から判断するようにする。
【００５１】
以上のように実施の形態４においては、周方向の角度に応じて磁界の方向が変わるように強磁性材が着磁された第１の回転円板４４と、この第１の回転円板４４が１回転したときに２／３回転し、前記と同様に強磁性材が着磁された第２の回転円板４５と、第１の回転円板４４に着磁された強磁性材の磁界方向に基づいて電圧を誘起する第１及び第２の磁界センサ４７、４８と、第２の回転円板４５に着磁された強磁性材の磁界方向に基づいて電圧を誘起する第３及び第４の磁界センサ４９、５０とで角度センサを構成したので、構造が簡単な多回転検出可能な角度センサを提供でき、構造が簡単であるため、耐環境性が優れているという効果がある。
【００５２】
なお、前記の実施の形態４では、第１及び第２の回転円板４４、４５の各面に周方向の角度に応じて磁界の方向が変わるように強磁性材を着磁したことを述べたが、これに代えて、棒磁石などを各回転円板４４、４５の面に周方向に配列して、回転角度に応じた出力波形が各磁界センサ４７〜５０で得られるようにしてもよい。
【００５３】
また、前述した各実施の形態では、磁界センサがホール素子、アモルファス・ワイヤ素子或いは磁気抵抗素子の何れかでなっていることについて説明したが、これらに代えて、コアとコイルとでなる磁界センサを用いて、磁界の方向や強度に応じた電圧を誘起させるようにしてもよい。
【００５４】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、周方向の角度に応じて磁界の方向が変わるように着磁された回転円板と、回転円板に施された着磁面に接近して配置され、回転軸によって回転する回転円板の磁界の方向に基づいてそれぞれ信号を生成する一対の磁界センサとで角度センサを構成したので、従来と比べ部品点数が少なくなって構造が簡単になり、しかも安価で小型軽量の角度センサを提供でき、前記の如く構造が簡単であるため、耐環境性が優れているという効果がある。
【００５５】
また、本発明によれば、外周面が着磁された回転円板と、その外周面に４５°の角度間隔を以て配置された２ヶの磁界センサと、回転円板に設けられた半割リング状のドグ板と、ホトインタラプタとで角度センサを構成したので、従来と比べ部品点数が少なくなって構造が簡単になり、しかも安価で小型軽量の角度センサを提供でき、前記の如く構造が簡単であるため、耐環境性が優れているという効果がある。
【００５６】
さらに、本発明によれば、回転軸が貫通された回転円板と、回転円板の中心軸方向の一方の面に周方向に所定角度の間隔を以て設けられ、磁極が一方向に向けられた複数の磁石と、所定角度より狭い角度間隔を以て回転円板の一方の面に近接して配置され、磁石の磁界強度に基づいてそれぞれ信号を生成する一対の磁界センサとで角度センサを構成したので、構造が簡単で、かつ安価で小型軽量の角度センサを提供でき、構造が簡単であるため、耐環境性が優れているという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１に係る角度センサの構成を示す斜視図である。
【図２】実施の形態１の角度センサにおける回転円板上の磁界方向と磁界センサとの相関を示す正面図である。
【図３】回転円板の回転方向に応じて磁界センサを通過する磁界の方向を示す図である。
【図４】磁界の方向に応じて出力する磁界センサの波形図である。
【図５】回転円板の他の例を示す正面図である。
【図６】本発明の実施の形態２に係る角度センサの構成を示す斜視図である。
【図７】実施の形態２に係る角度センサの動作を示す波形図である。
【図８】本発明の実施の形態３に係る角度センサの構成を示す正面図である。
【図９】実施の形態３に係る角度センサの出力を示す波形図である。
【図１０】実施の形態４に係る角度センサの構成を示す斜視図である。
【図１１】角度センサの回転円板の説明図である。
【図１２】実施の形態４に係る角度センサの出力を示す波形図である。
【図１３】従来の角度センサの原理図である。
【符号の説明】
１ 回転円板、２ 回転軸、３ 第１の磁界センサ、４ 第２の磁界センサ、１３ 棒磁石、２１ 回転円板、２２ 回転軸、２３ 第１の磁界センサ、２４第２の磁界センサ、２５ ドグ板、２６ ホトインタラプタ、３１，３２ 棒磁石、３３ 第１の磁界センサ、３４ 第２の磁界センサ。
Claims (10)
- 中心に回転軸が貫通され、周方向の角度に応じて磁界の方向が変わるように着磁された回転円板と、
該回転円板に施された着磁面に接近して配置され、回転軸によって回転する前記回転円板の磁界の方向に基づいてそれぞれ信号を生成する磁界センサと
を備えたことを特徴とする角度センサ。 - 前記磁界センサは、前記回転円板の中心を軸として９０°の角度間隔を以て２ヶ配置されていることを特徴とする請求項１記載の角度センサ。
- 前記回転円板の半周に取り付けられたドグ板と、該ドグ板を検知しているときに信号を出力する検知手段とを備え、前記磁界センサは、前記回転円板の中心を軸として４５°の角度間隔を以て２ヶ配置されていることを特徴とする請求項１記載の角度センサ。
- 前記回転円板への着磁は、当該回転円板の中心軸方向の一方の面に施されていることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の角度センサ。
- 前記回転円板への着磁は、当該回転円板の外周面に施されていることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の角度センサ。
- 前記着磁に代えて、前記回転円板の中心軸方向の一方の面に周方向の角度に応じて磁極の向きが変わるように磁石が配列されていることを特徴とする請求項４記載の角度センサ。
- 前記着磁に代えて、前記回転円板の外周面に周方向の角度に応じて磁極の向きが変わるように磁石が配列されていることを特徴とする請求項５記載の角度センサ。
- 中心に回転軸が貫通された回転円板と、
該回転円板の中心軸方向の一方の面に周方向に所定角度の間隔を以て設けられ、磁極が一方向に向けられた複数の磁石と、
前記所定角度より狭い角度間隔を以て前記回転円板の一方の面に近接して配置され、前記磁石の磁界強度に基づいてそれぞれ信号を生成する一対の磁界センサと
を備えたことを特徴とする角度センサ。 - 前記磁石に代えて、同一位置に磁界の方向が一方向になるよう着磁したことを特徴とする請求項８記載の角度センサ。
- 前記磁界センサは、コアとコイルとでなっていることを特徴とする請求項１〜９の何れかに記載の角度センサ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2003158936A JP2004361199A (ja) | 2003-06-04 | 2003-06-04 | 角度センサ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2003158936A JP2004361199A (ja) | 2003-06-04 | 2003-06-04 | 角度センサ |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2004361199A true JP2004361199A (ja) | 2004-12-24 |
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ID=34052143
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2003158936A Pending JP2004361199A (ja) | 2003-06-04 | 2003-06-04 | 角度センサ |
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| Country | Link |
|---|---|
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Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2009085771A (ja) * | 2007-09-28 | 2009-04-23 | Tdk Corp | 回転角検出装置および回転角検出方法 |
| JP2010185828A (ja) * | 2009-02-13 | 2010-08-26 | Showa Corp | 回転角度検出装置及びステアリング装置 |
| JP2012506553A (ja) * | 2008-10-24 | 2012-03-15 | ムービング マグネット テクノロジーズ | 磁場方向の測定値とフラックスコレクタとを用いる磁気位置センサ |
| JP2015051709A (ja) * | 2013-09-06 | 2015-03-19 | アスモ株式会社 | ワイパ装置 |
| JP2017159908A (ja) * | 2017-06-27 | 2017-09-14 | アスモ株式会社 | ワイパ装置 |
-
2003
- 2003-06-04 JP JP2003158936A patent/JP2004361199A/ja active Pending
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