WO2022004092A1 - 角度センサ - Google Patents

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mode
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angle sensor
unit
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真一 東
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株式会社不二越
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    • G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
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    • G—PHYSICS
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Definitions

  • the present invention relates to an angle sensor.
  • a magnetic angle sensor that detects the angle of a rotating body by attaching a magnet to a rotating body including a motor shaft and measuring the strength of magnetism emitted from the magnet with a Hall element is known (for example, patented). See Documents 1 and 2).
  • the present invention has been made in view of such a problem, and an object thereof is to provide an angle sensor capable of analyzing a relative positional relationship between objects involved in angle detection while utilizing an existing angle detection function. To do.
  • the angle sensor in the first aspect of the present invention is a sensor fixed to a second object that can rotate relative to the first object, and is built in or externally attached to the first object.
  • a measuring unit that is provided at a distance from the magnet to be magnetized and that measures the strength of the magnetism emitted by the magnet to acquire a measurement signal indicating the strength of the magnetism, and the measurement unit that is obtained by the measurement by the measuring unit.
  • a measurement mode that generates an output signal indicating the relative rotation angle between the first object and the second object from the measurement signal, and an inspection mode that generates an output signal indicating the magnetic strength from the measurement signal. It is provided with a selection unit that selectively executes the above and an output unit that outputs an output signal generated according to the mode selection by the selection unit.
  • the selection unit starts the inspection mode triggered by the supply of power from an external device, and the magnetic strength or acquisition measured during the execution of the inspection mode.
  • the inspection mode is switched to the measurement mode.
  • the selection unit is from the inspection mode when the magnetic strength measured during the execution of the inspection mode or the acquired measurement signal is not within a predetermined range. , Switch to the notification mode that generates an output signal with a signal level different from that in the measurement mode.
  • the first object and the second object are arranged coaxially along the vertical direction.
  • FIG. 2 It is a schematic perspective view of the hydraulic rotary joint which incorporated the angle sensor in one Embodiment of this invention. It is a side view schematically showing the relative positional relationship between an angle sensor and a magnet. It is a figure which shows an example of the circuit structure which the sensor board of FIG. 2 has. It is a functional block diagram of the DSP shown in FIG. It is a figure which shows an example of the correspondence relation between a magnetic flux density and a voltage. It is a flowchart which shows an example of the operation by DSP of FIG. It is a time chart which shows an example of the voltage waveform in a normal state. It is a time chart which shows an example of the voltage waveform at the time of an abnormality.
  • FIG. 1 is a schematic perspective view of a hydraulic rotary joint 10 incorporating an angle sensor 24 according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a side view schematically showing the relative positional relationship between the angle sensor 24 and the magnet 32.
  • the hydraulic rotary joint 10 in FIG. 1 is a hydraulic device mounted on a vehicle that uses hydraulic pressure. Examples of vehicles include excavators, mini excavators, crawler cranes, and aerial work platforms.
  • the substantially cylindrical hydraulic rotary joint 10 is basically composed of a main body portion 12 and a rotary portion 14.
  • the main body portion 12 is fixed to the lower traveling body (not shown) of the vehicle via a fixing plate 16 projecting horizontally from the lower portion.
  • the rotating portion 14 is connected to an upper swivel body (not shown) of the vehicle via a pin 18 projecting horizontally from the side surface.
  • a plurality of input / output ports 20 are provided on the peripheral surfaces of the main body portion 12 and the rotating portion 14, respectively. That is, the hydraulic rotary joint 10 constitutes a part of the hydraulic circuit for controlling the hydraulic pressure of the vehicle.
  • a swivel motor 22 for swiveling the upper swivel body is provided outside the hydraulic rotary joint 10.
  • the rotating portion 14 can rotate clockwise or counterclockwise with respect to the main body portion 12 along the turning direction R.
  • the axial directions of the main body portion 12 and the rotating portion 14 substantially coincide with the vertical direction (that is, the direction of action of gravity).
  • the cable 26 is connected to the center of the upper surface of the rotating portion 14 via the angle sensor 24.
  • the fixing member 30 is a member fixed to the inner wall of the main body portion 12.
  • a columnar or disk-shaped magnet 32 is fixed to the upper surface of the fixing member 30.
  • the magnet 32 may be either a permanent magnet or an electromagnet.
  • the angle sensor 24 includes a cylindrical housing 34 having a flange on the rear end side, and a sensor substrate 36 provided at a position covering the opening on the front end side of the housing 34. In a state where the angle sensor 24 is fixed to the rotating portion 14, the magnet 32 and the sensor substrate 36 face each other while being separated from each other through a constant gap G.
  • the angle sensor 24 and the rotating portion 14 rotate integrally, the measured value of the magnetism generated by the magnet 32 changes. As a result, the angle sensor 24 detects the relative rotation angle between the coaxially provided main body portion 12 (corresponding to the “first object”) and the rotating portion 14 (corresponding to the “second object”). be able to.
  • the first object is fixed and the second object is rotatably provided, but the configuration is not limited to this as long as the rotation angle can be relatively changed.
  • the second object may be fixed and the first object may be provided to be rotatable, or [2] the first object and the second object may be provided to be independently rotatable. You may.
  • FIG. 3 is a diagram showing an example of a circuit configuration included in the sensor substrate 36 of FIG.
  • a logic IC (Integrated Circuit) 40 a logic IC (Integrated Circuit) 40, a crystal oscillator 42, a magnetic sensor IC 44 (corresponding to a “measurement unit”), a digital signal processor (hereinafter, DSP46), and an amplifier 48 are mounted. It will be provided.
  • the logic IC 40 is an integrated circuit for converting the logic level (here, Vcc) from 5.0V to 3.3V. Since the angle sensor 24 itself does not have a power supply, the driving power of the sensor board 36 is supplied from a higher-level device (not shown) via the cable 26 (FIG. 1).
  • the crystal oscillator 42 is a passive element used when oscillating with high frequency accuracy by utilizing the piezoelectric effect of quartz. Based on this oscillation, a clock signal used for processing the DSP 46 is generated.
  • the magnetic sensor IC44 is an integrated circuit incorporating a Hall element that detects the strength of magnetism. Specifically, the magnetic sensor IC 44 measures the magnetic strength generated by the magnet 32 and acquires a measurement signal indicating the magnetic strength. This measurement signal is, for example, a digital signal defined to have a linear relationship with the strength of magnetism.
  • the magnetic strength may be any of magnetic flux density (unit: T), magnetic field strength (unit: A / m), and magnetic flux (unit: Wb).
  • the DSP 46 functions as a D / A converter that converts a digital signal supplied from the magnetic sensor IC 44 into an analog signal.
  • the execution function of the DSP 46 will be described in detail later with reference to FIG.
  • the amplifier 48 amplifies and outputs the analog voltage signal supplied from the DSP 46.
  • the amplified signal waveform is supplied to a host device (not shown) through a predetermined output port.
  • FIG. 4 is a functional block diagram of the DSP 46 shown in FIG.
  • the DSP 46 includes a mode selection unit 50 (corresponding to the "selection unit"), a front switch 52, a rear switch 54, an inspection determination unit 56 (corresponding to the "determination unit”), a magnetic conversion unit 58, an angle conversion unit 60, and a voltage. It functions as an output unit 62.
  • the mode selection unit 50 selectively executes a plurality of modes including a measurement mode, an inspection mode, and a notification mode.
  • the "measurement mode” is a mode in which a signal indicating a relative rotation angle between the main body unit 12 and the rotation unit 14 is generated and output from the acquired measurement signal.
  • the "inspection mode” is a mode in which a signal indicating the strength of magnetism is generated and output from the acquired measurement signal.
  • the “notification mode” is a mode in which a signal having a signal level different from that in the measurement mode is generated and output.
  • the mode selection unit 50 starts the inspection mode when it receives a start command triggered by the supply of electric power from an external device including the host controller. Specifically, the mode selection unit 50 controls the switch so that the output end of the front-stage switch 52 is connected to the inspection determination unit 56 and the input end of the rear-stage switch 54 is connected to the magnetic conversion unit 58.
  • the mode selection unit 50 When the mode selection unit 50 receives a positive determination result from the inspection determination unit 56, the mode selection unit 50 starts the measurement mode. Specifically, the mode selection unit 50 performs switch control so as to connect the output end of the front stage switch 52 and the input end of the rear stage switch 54 to the angle conversion unit 60, respectively.
  • the mode selection unit 50 When the mode selection unit 50 receives a negative determination result by the inspection determination unit 56, the mode selection unit 50 starts the notification mode. Specifically, the mode selection unit 50 disconnects the front switch 52 and the rear switch 54, respectively, and outputs a signal having a signal level different from that in the measurement mode (hereinafter, also referred to as “abnormality notification signal”). Instruct the voltage output unit 62.
  • the front-stage switch 52 is configured to be able to switch the output destination of the measurement signal according to the switch control by the mode selection unit 50.
  • One output end of the front-stage switch 52 is connected to the inspection determination unit 56.
  • the other output end of the front switch 52 is connected to the angle conversion unit 60.
  • the post-stage switch 54 is configured to be able to switch the output signal supply source according to the switch control by the mode selection unit 50.
  • One input end of the post-stage switch 54 is connected to the magnetic conversion unit 58.
  • the other input end of the post-stage switch 54 is connected to the angle conversion unit 60.
  • the inspection determination unit 56 determines whether or not the magnetic strength measured during the execution of the inspection mode or the acquired measurement signal belongs to a predetermined range (hereinafter, also referred to as “measurement guarantee range”). For example, the inspection determination unit 56 obtains the time average of the measurement signals during the execution period of the inspection mode, and determines whether or not this average value is within the measurement guarantee range. The inspection determination unit 56 notifies the mode selection unit 50 of the obtained positive or negative determination result.
  • the magnetic conversion unit 58 converts the measurement signal acquired from the magnetic sensor IC 44 into an output signal (hereinafter, also referred to as “magnetic signal”) according to the inspection mode according to a predetermined first conversion table.
  • the first transformation table corresponds to a table showing an identity transformation or a linear transformation.
  • the angle conversion unit 60 converts the measurement signal acquired from the magnetic sensor IC 44 into an output signal (hereinafter, also referred to as “angle signal”) according to the measurement mode according to a predetermined second conversion table.
  • angle signal an output signal
  • the second conversion table corresponds to a table showing the non-linear transformation.
  • the voltage output unit 62 is a D / A converter that converts a digital output signal into an analog voltage signal.
  • the conversion method may be, for example, any of a resistance string type, a resistance ladder type, a current output type, and a delta sigma type.
  • FIG. 5 is a diagram showing an example of the correspondence between the magnetic flux density and the voltage.
  • the horizontal axis of the bar graph indicates the magnetic flux density (unit: mT) measured by the magnetic sensor IC44 (FIG. 3).
  • the inspection mode and the measurement mode have the same normal output range, but differ in the correspondence with the magnetic flux density.
  • the minimum value of the magnetic flux density corresponds to the voltage Vmin
  • the maximum value of the magnetic flux density corresponds to the voltage Vmax.
  • the voltage within the normal output range is determined to have a linear relationship with the magnetic flux density. As a result, the output resolution of the magnetic flux density expressed by the voltage becomes substantially constant regardless of the magnitude of the magnetic flux density.
  • the minimum value of the rotation angle corresponds to the voltage Vmin
  • the maximum value of the rotation angle corresponds to the voltage Vmax.
  • the magnetic flux density at a rotation angle of 0 ° is 30 mT
  • the magnetic flux density at a rotation angle of 359 ° is 70 mT.
  • the voltage within the normal output range is determined so as to have a linear relationship with the rotation angle. As a result, the output resolution of the rotation angle expressed by the voltage becomes substantially constant regardless of the magnitude of the rotation angle.
  • the expressable range (0 to 127 mT) of the inspection mode is provided so as to include the expressible range (30 to 70 mT) of the measurement mode. That is, even in a range (0 to 30 mT or 70 to 127 mT) that cannot be output in the measurement mode, the measurement result of the magnetic flux density can be quantitatively output by selecting the inspection mode.
  • angle sensor 24 in this embodiment is configured as described above. Subsequently, the operation of the angle sensor 24 (more specifically, DSP46) will be described in detail with reference to the flowchart of FIG. 6, FIGS. 7 and 8.
  • step SP10 of FIG. 6 the DSP46 starts the inspection mode triggered by the supply of electric power from the host controller. Then, the DSP 46 outputs a start signal showing a waveform pattern that can identify the start state from the start time until a certain time (for example, 20 ms) elapses.
  • step SP12 the DSP 46 performs signal processing corresponding to the "inspection mode" on the sequentially input measurement signals, and outputs a voltage waveform indicating the measurement result of the magnetic flux density.
  • step SP14 DSP46 determines whether or not the magnetic flux density measured in step SP12 is within the measurement guarantee range. If it is determined that the measurement is within the guaranteed range (step SP14: YES), the process proceeds to the next step SP16.
  • step SP16 the DSP 46 is executed by switching from the current inspection mode to the measurement mode.
  • step SP18 the DSP 46 performs signal processing corresponding to the "measurement mode" on the sequentially input measurement signals, and outputs a voltage waveform indicating the measurement result of the rotation angle. After that, the DSP 46 continues to measure the rotation angle with respect to the rotating unit 14 while the electric power is supplied from the external device.
  • step SP14 when returning to step SP14 and determining that the magnetic flux density is not within the measurement guarantee range (step SP14: NO), the process proceeds to step SP20.
  • step SP20 DSP46 switches from the current inspection mode to the notification mode for execution.
  • step SP20 DSP46 outputs a voltage waveform notifying that the inspection result is abnormal. After that, the DSP 46 continues to output the abnormality notification signal while the power is supplied from the external device.
  • the DSP 46 operates according to the flowchart of FIG.
  • the host controller collects the voltage signal output from the angle sensor 24 in association with the acquisition time, so that the relative positional relationship between the objects involved in the angle detection (for example, between the magnet 32 and the sensor substrate 36) Changes can be analyzed.
  • FIG. 7 is a time chart showing an example of a voltage waveform in a normal state.
  • the horizontal axis of the graph shows time (unit: ms), and the vertical axis of the graph shows voltage (unit: V).
  • a start signal over the first execution time here, 20 ms
  • a magnetic signal over a second execution time for example, 100 ms
  • [3] Time series of angle signals are sequentially output.
  • the magnetic signal in this figure corresponds to a voltage signal output during execution of the inspection mode.
  • the angle signal corresponds to a voltage signal output during execution of the measurement mode.
  • the gap G between the magnet 32 and the sensor board 36 is provided to have a length as designed.
  • the magnetic signal is within the measurement guarantee range shown by double hatching (“30 to 70 mT” in terms of magnetic flux density, “1.25 to 2.36 V” in terms of voltage) regardless of the rotation angle of the rotating portion 14. Transition with.
  • FIG. 8 is a time chart showing an example of a voltage waveform at the time of abnormality.
  • a start signal over the first execution time (20 ms)
  • a magnetic signal over the second execution time 100 ms
  • a time series of abnormality notification signals It is output sequentially.
  • the magnetic signal in this figure corresponds to a voltage signal output during execution of the inspection mode.
  • the abnormality notification signal corresponds to a voltage signal output during execution of the notification mode.
  • the magnetic signal may transition in a range below the measurement guarantee range (“0 to 30 mT” in terms of magnetic flux density, “0.4 to 1.25 V” in terms of voltage).
  • a voltage signal of 0 V is continuously output as an abnormality notification signal.
  • the magnetic sensor IC 44 fails and the measurement signal is no longer output, the same abnormality processing can be performed.
  • the magnetic signal may transition in a range above the measurement guarantee range (“70 to 127 mT” in terms of magnetic flux density, “2.36 to 4.0 V” in terms of voltage).
  • a voltage signal of Vcc (for example, around 5V) is continuously output as an abnormality notification signal.
  • the angle sensor 24 is fixed to the rotating portion 14 that can rotate relative to the main body portion 12 of the hydraulic rotary joint 10.
  • the angle sensor 24 is provided at a distance from the magnet 32 built in or externally to the main body 12, measures the magnetic strength emitted by the magnet 32, and outputs a measurement signal indicating the magnetic strength.
  • a measurement mode that generates an output signal indicating the relative rotation angle between the main body 12 and the rotating unit 14 from the acquired magnetic sensor IC 44 and the acquired measurement signal, and the magnetic strength from the acquired measurement signal.
  • a mode selection unit 50 that selectively executes a plurality of modes including an inspection mode that generates an output signal indicating the above, and a voltage output unit 62 that outputs an output signal generated according to the mode selection are provided.
  • the relative rotation angle between the main body 12 and the rotating unit 14 can be detected by selecting the measurement mode, while the magnet 32 uses the magnetic strength detected when the inspection mode is selected. And the length of the gap G of the magnetic sensor IC44 can be estimated. This makes it possible to analyze the relative positional relationship between objects involved in angle detection while utilizing the existing angle detection function.
  • the mode selection unit 50 starts the inspection mode triggered by the supply of electric power from the external device, and the magnetic strength measured during the execution of the inspection mode or the acquired measurement signal is within a predetermined range.
  • the inspection mode may be switched to the measurement mode.
  • the inspection is always performed every time the angle sensor 24 becomes usable, and when the magnetic strength or the measurement signal is within a predetermined range, it is determined that the angle sensor 24 is normal and the rotation angle can be measured. It can be automatically transitioned to the state.
  • the voltage output unit 62 starts the inspection mode triggered by the supply of electric power from the external device, and the magnetic strength measured during the execution of the inspection mode or the acquired measurement signal is not within a predetermined range.
  • the inspection mode may be switched to the notification mode that generates an output signal having a signal level different from that in the measurement mode.
  • the inspection is always performed every time the angle sensor 24 becomes usable, and when the magnetic strength or the measurement signal is not within the predetermined range, it is determined to be abnormal and the measurement mode is not executed. Can be notified to the outside.
  • main body portion 12 and the rotating portion 14 may be arranged coaxially along the vertical direction.
  • gravity acts on the main body portion 12 and the rotating portion 14, and the relative positional relationship is likely to change. Therefore, the estimation of the length of the gap G by the inspection mode becomes effective.
  • the present invention is not limited to the above specific examples. That is, the above-mentioned specific examples to which those skilled in the art have appropriately modified the design are also included in the scope of the present invention as long as they have the features of the present invention. Further, the elements included in the above-described embodiment and the later-described modification can be combined as much as technically possible, and the combination thereof is also included in the scope of the present invention as long as the features of the present invention are included. ..
  • the angle sensor 24 is incorporated in the hydraulic rotary joint 10 to detect the rotation angle that changes with the drive of the swivel motor 22
  • the type of rotating body to be measured is not limited to these combinations.
  • the angle sensor 24 is arranged so as to be separated in the axial direction of the fixing member 30, but instead, the angle sensor 24 may be arranged so as to be separated in the circumferential direction of the fixing member 30.
  • the magnet 32 is externally attached to the fixing member 30, but instead, the magnet 32 may be built in the fixing member 30.
  • the hydraulic rotary joint 10 is arranged so that its axial direction substantially coincides with the vertical direction, but the arrangement direction of the hydraulic rotary joint 10 is not limited to this. Specifically, the hydraulic rotary joint 10 may be arranged along the vertical direction in the axial direction thereof, or may be arranged along the horizontal direction. In addition, “along the vertical direction” includes not only the case where the vertical direction coincides with the case but also the case where the inclination is within a predetermined range (generally within ⁇ 20 degrees) with respect to the vertical direction.
  • the inspection determination unit 56 determines the range of the measurement signal, but instead, determines the range of the output signal (that is, the magnetic signal) indicating the strength of the magnetism. It may be configured as follows. In this case, the arrangement of the inspection determination unit 56 and the magnetic conversion unit 58 in FIG. 4 may be reversed. Further, when the magnetic conversion unit 58 performs the identity conversion, the configuration of the magnetic conversion unit 58 may be omitted.
  • the inspection determination unit 56 makes a determination on the measurement signal, but instead of this, the angle sensor 24 does not have to make the determination.
  • an external device for example, a host controller
  • the angle sensor 24 may analyze the output signal.
  • the voltage output unit 62 outputs a voltage waveform, but instead of this, it may be configured to output a current waveform. Further, the normal output range of the voltage (see FIG. 5) may be appropriately changed as needed.
  • the measurement guarantee range matches the expressible range (30 to 70 mT) of the measurement mode, but it may not match this.
  • the measurement guarantee range is [1] only the lower limit value, [2] only the upper limit value, or [3] both the upper limit value and the lower limit value, and a predetermined margin (for example, 1 to 5 mT). Value) may be provided.

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Abstract

既存の角度検出機能を活用しつつ、角度の検出に関わる物体間の相対的位置関係を解析可能な角度センサを提供する。角度センサ（２４）は、磁石（３２）が発する磁気の強さを測定して該磁気の強さを示す測定信号を取得する測定部（４４）と、取得された測定信号から第一物体（１２）と第二物体（１４）の間の相対的な回転角度を示す出力信号を生成する測定モード、及び、取得された測定信号から磁気の強さを示す出力信号を生成する検査モードを選択的に実行する選択部（５０）と、モードの選択に応じて生成された出力信号を出力する出力部（６２）と、を備える。

Description

角度センサ
　本発明は、角度センサに関する。
　モータ軸などを含む回転体に磁石を取り付け、当該磁石から発する磁気の強さをホール素子によって測定することで、回転体の角度を検出する磁気式の角度センサが知られている（例えば、特許文献１及び２を参照）。
特開２００９－１０３５０２号公報 特開２０１９－２０７２０４号公報
　ところで、何らかの理由で回転体又は角度センサの位置がずれることで、磁石とホール素子の間の相対的な位置関係が変化する場合があり得る。この状況下で角度の検出を試みる場合、角度の検出精度が低下し、あるいは角度を検出できないという問題が生じる。その対策として、例えば、回転体と角度センサの間の相対位置の変化を検出するための検出機構を設けることが想定される。しかし、検出機構の増設に伴って、角度センサの部品コストが上昇してしまう。
　本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、既存の角度検出機能を活用しつつ、角度の検出に関わる物体間の相対的位置関係を解析可能な角度センサを提供することにある。
　上記課題を解決するために、本発明の第一態様における角度センサは、第一物体に対して相対回転可能な第二物体に固定されるセンサであって、前記第一物体に内蔵又は外付けされる磁石に対して離間して設けられ、前記磁石が発する磁気の強さを測定して該磁気の強さを示す測定信号を取得する測定部と、前記測定部による測定で取得された前記測定信号から前記第一物体と前記第二物体の間の相対的な回転角度を示す出力信号を生成する測定モード、及び、前記測定信号から前記磁気の強さを示す出力信号を生成する検査モードを選択的に実行する選択部と、前記選択部によるモードの選択に応じて生成された出力信号を出力する出力部と、を備える。
　本発明の第二態様における角度センサでは、前記選択部は、外部装置からの電力の供給を契機として前記検査モードを開始し、前記検査モードの実行中に測定された前記磁気の強さ又は取得された前記測定信号が所定範囲内にある場合、前記検査モードから前記測定モードに切り替える。
　本発明の第三態様における角度センサでは、前記選択部は、前記検査モードの実行中に測定された前記磁気の強さ又は取得された前記測定信号が所定範囲内にない場合、前記検査モードから、前記測定モードの場合とは信号レベルが異なる出力信号を生成する通知モードに切り替える。
　本発明の第四態様における角度センサでは、前記第一物体及び前記第二物体は、鉛直方向に沿って同軸的に配置される。
　本発明によれば、既存の角度検出機能を活用しつつ、角度の検出に関わる物体間の相対的位置関係を解析することができる。
本発明の一実施形態における角度センサが組み込まれた油圧回転継手の概略斜視図である。 角度センサと磁石の間の相対的位置関係を模式的に示す側面図である。 図２のセンサ基板が有する回路構成の一例を示す図である。 図３に示すＤＳＰの機能ブロック図である。 磁束密度と電圧の間の対応関係の一例を示す図である。 図４のＤＳＰによる動作の一例を示すフローチャートである。 正常時における電圧波形の一例を示すタイムチャートである。 異常時における電圧波形の一例を示すタイムチャートである。
　以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素及びステップに対しては可能な限り同一の符号を付して、重複する説明は省略する。
＜全体構成＞
　図１は、本発明の一実施形態における角度センサ２４が組み込まれた油圧回転継手１０の概略斜視図である。図２は、角度センサ２４と磁石３２の間の相対的位置関係を模式的に示す側面図である。
　図１の油圧回転継手１０は、油圧を利用する車両に搭載される油圧機器である。車両の一例として、ショベルカー、ミニショベルカー、クローラクレーン、高所作業車などが挙げられる。概略円筒状の油圧回転継手１０は、基本的には、本体部１２と、回転部１４と、から構成される。
　本体部１２は、下部から水平方向に張り出す固定プレート１６を介して、車両の下部走行体（不図示）に固定される。回転部１４は、側面から水平方向に張り出すピン１８を介して、車両の上部旋回体（不図示）に接続される。本体部１２及び回転部１４の周面にはそれぞれ、複数の入出力ポート２０が設けられる。すなわち、油圧回転継手１０は、車両の油圧制御を行うための油圧回路の一部を構成する。
　油圧回転継手１０の外部には、上部旋回体を旋回させるための旋回モータ２２が設けられる。この旋回モータ２２の駆動により、回転部１４は、本体部１２に対して、旋回方向Ｒに沿って時計周り又は反時計周りに回転可能である。車両が水平状態である場合、本体部１２及び回転部１４の軸方向は、鉛直方向（つまり、重力の作用方向）に略一致する。また、回転部１４の上面中心には、角度センサ２４を介してケーブル２６が接続される。
　図２に示すように、固定部材３０は、本体部１２の内壁に固定される部材である。固定部材３０の上面には、円柱状又は円板状の磁石３２が固定される。この磁石３２は、永久磁石又は電磁石のいずれであってもよい。一方、角度センサ２４は、後端側にフランジを有する円筒状の筐体３４と、筐体３４の先端側開口部を覆う位置に設けられるセンサ基板３６と、を備える。角度センサ２４が回転部１４に固定された状態では、磁石３２とセンサ基板３６は、一定の隙間Ｇを介して離間しながら対向する。
　角度センサ２４と回転部１４とが一体的に回転することで、磁石３２が発する磁気の測定値が変化する。これにより、角度センサ２４は、同軸的に設けられた本体部１２（「第一物体」に相当）と回転部１４（「第二物体」に相当）の間の相対的な回転角度を検出することができる。なお、図１及び図２の例では、第一物体が固定され、かつ第二物体が回転可能に設けられるが、回転角度を相対的に変更可能であればこの構成に限られない。具体的には、［１］第二物体が固定され、かつ第一物体が回転可能に設けられてもよいし、［２］第一物体及び第二物体がそれぞれ独立して回転可能に設けられてもよい。
＜センサ基板３６の回路構成＞
　図３は、図２のセンサ基板３６が有する回路構成の一例を示す図である。センサ基板３６上には、ロジックＩＣ（Integrated Circuit）４０と、水晶振動子４２と、磁気センサＩＣ４４（「測定部」に相当）と、ディジタルシグナルプロセッサ（以下、ＤＳＰ４６）と、増幅器４８と、が設けられる。
　ロジックＩＣ４０は、ロジックレベル（ここでは、Ｖｃｃ）を５．０Ｖから３．３Ｖに変換するための集積回路である。なお、角度センサ２４自体は電源を備えていないため、センサ基板３６の駆動電力は、図示しない上位装置からケーブル２６（図１）を介して供給される。
　水晶振動子４２は、水晶の圧電効果を利用して高い周波数精度の発振を起こす際に用いられる受動素子である。この発振に基づいて、ＤＳＰ４６の処理に用いられるクロック信号が生成される。
　磁気センサＩＣ４４は、磁気の強さを検出するホール素子が組み込まれた集積回路である。具体的には、磁気センサＩＣ４４は、磁石３２が発する磁気の強さを測定して該磁気の強さを示す測定信号を取得する。この測定信号は、例えば、磁気の強さに対して線形的な関係になるように定められるデジタル信号である。なお、磁気の強さは、磁束密度（単位：Ｔ）、磁界強度（単位：Ａ／ｍ）、磁束（単位：Ｗｂ）のいずれであってもよい。
　ＤＳＰ４６は、磁気センサＩＣ４４から供給されるデジタル信号をアナログ信号に変換するＤ／Ａコンバータとして機能する。ＤＳＰ４６の実行機能については、後ほど図４を参照しながら詳しく説明する。
　増幅器４８は、ＤＳＰ４６から供給されたアナログ電圧信号を増幅して出力する。増幅された信号波形は、所定の出力ポートを通じて図示しない上位装置に供給される。
　図４は、図３に示すＤＳＰ４６の機能ブロック図である。このＤＳＰ４６は、モード選択部５０（「選択部」に相当）、前段スイッチ５２、後段スイッチ５４、検査判定部５６（「判定部」に相当）、磁気変換部５８、角度変換部６０、及び電圧出力部６２として機能する。
　モード選択部５０は、測定モード、検査モード、及び通知モードを含む複数のモードを選択的に実行する。「測定モード」は、取得された測定信号から本体部１２と回転部１４の間の相対的な回転角度を示す信号を生成して出力するモードである。「検査モード」は、取得された測定信号から磁気の強さを示す信号を生成して出力するモードである。「通知モード」は、測定モードの場合とは信号レベルが異なる信号を生成して出力するモードである。
　モード選択部５０は、上位コントローラを含む外部装置からの電力の供給を契機として起動命令を受け付けた場合に検査モードを開始する。具体的には、モード選択部５０は、前段スイッチ５２の出力端を検査判定部５６に接続し、後段スイッチ５４の入力端を磁気変換部５８に接続するようにスイッチ制御を行う。
　モード選択部５０は、検査判定部５６による肯定的な判定結果を受け付けた場合、測定モードを開始する。具体的には、モード選択部５０は、前段スイッチ５２の出力端及び後段スイッチ５４の入力端をそれぞれ角度変換部６０に接続するようにスイッチ制御を行う。
　モード選択部５０は、検査判定部５６による否定的な判定結果を受け付けた場合、通知モードを開始する。具体的には、モード選択部５０は、前段スイッチ５２及び後段スイッチ５４の接続をそれぞれ解除し、測定モードの場合とは信号レベルが異なる信号（以下、「異常通知信号」ともいう）の出力を電圧出力部６２に対して指示する。
　前段スイッチ５２は、モード選択部５０によるスイッチ制御に従って、測定信号の出力先を切り替え可能に構成される。前段スイッチ５２の一方の出力端は、検査判定部５６に接続される。前段スイッチ５２の他方の出力端は、角度変換部６０に接続される。
　後段スイッチ５４は、モード選択部５０によるスイッチ制御に従って、出力信号の供給元を切り替え可能に構成される。後段スイッチ５４の一方の入力端は、磁気変換部５８に接続される。後段スイッチ５４の他方の入力端は、角度変換部６０に接続される。
　検査判定部５６は、検査モードの実行中に測定された磁気の強さ又は取得された測定信号が所定範囲（以下、「測定保障範囲」ともいう）に属するか否かを判定する。例えば、検査判定部５６は、検査モードの実行期間における測定信号の時間平均を求め、この平均値が測定保障範囲内にあるか否かを判定する。検査判定部５６は、得られた肯定的又は否定的な判定結果をモード選択部５０に通知する。
　磁気変換部５８は、予め定められた第一変換テーブルに従って、磁気センサＩＣ４４から取得された測定信号を、検査モードに応じた出力信号（以下、「磁気信号」ともいう）に変換する。測定信号が磁気の強さに対して線形的な関係にある場合、第一変換テーブルは、恒等変換又は線形変換を示すテーブルに相当する。
　角度変換部６０は、予め定められた第二変換テーブルに従って、磁気センサＩＣ４４から取得された測定信号を、測定モードに応じた出力信号（以下、「角度信号」ともいう）に変換する。測定信号が磁気の強さに対して線形的な関係にある場合、第二変換テーブルは、非線形変換を示すテーブルに相当する。
　電圧出力部６２は、デジタル出力信号をアナログ電圧信号に変換するＤ／Ａコンバータである。変換方式は、例えば、抵抗ストリング型、抵抗ラダー型、電流出力型、デルタシグマ型のいずれであってもよい。
　図５は、磁束密度と電圧の間の対応関係の一例を示す図である。バーグラフの横軸は、磁気センサＩＣ４４（図３）により測定される磁束密度（単位：ｍＴ）を示している。正常時における電圧の出力可能範囲（以下、正常出力範囲）に関して、例えば、下限値をＶｍｉｎ＝０．４Ｖ、上限値をＶｍａｘ＝４．０Ｖとそれぞれ定めたとする。本図から理解されるように、検査モード及び測定モードは、正常出力範囲は同一である一方、磁束密度との対応関係が異なっている。
　検査モードでは、磁束密度の最小値（例えば、０ｍＴ）が電圧Ｖｍｉｎに対応するとともに、磁束密度の最大値（例えば、１２７ｍＴ）が電圧Ｖｍａｘに対応する。本図の例では、正常出力範囲内の電圧は、磁束密度に対して線形的な関係になるように定められる。これにより、電圧によって表現される磁束密度の出力分解能は、磁束密度の大きさにかかわらず概ね一定となる。
　一方、測定モードでは、回転角度の最小値（例えば、０°）が電圧Ｖｍｉｎに対応するとともに、回転角度の最大値（例えば、３５９°）が電圧Ｖｍａｘに対応する。ここで、回転角度が０°における磁束密度が３０ｍＴであり、回転角度が３５９°における磁束密度が７０ｍＴであると想定する。本図の例では、正常出力範囲内の電圧は、回転角度に対して線形的な関係になるように定められる。これにより、電圧によって表現される回転角度の出力分解能は、回転角度の大きさにかかわらず概ね一定となる。
　本図から理解されるように、磁束密度同士で比較すると、検査モードの表現可能範囲（０～１２７ｍＴ）は、測定モードの表現可能範囲（３０～７０ｍＴ）を包含するように設けられる。すなわち、測定モードでは出力できない範囲（０～３０ｍＴ、あるいは７０～１２７ｍＴ）であっても、検査モードを選択することで、磁束密度の測定結果を定量的に出力可能となる。
＜角度センサ２４の動作＞
　本実施形態における角度センサ２４は、以上のように構成される。続いて、この角度センサ２４（より詳しくは、ＤＳＰ４６）の動作について、図６のフローチャート、図７及び図８を参照しながら詳細に説明する。
　図６のステップＳＰ１０において、ＤＳＰ４６は、上位コントローラからの電力の供給を契機として検査モードを開始する。そうすると、ＤＳＰ４６は、起動時点から一定時間（例えば、２０ｍｓ）が経過するまでの間、起動状態を識別可能な波形パターンを示す起動信号を出力する。
　ステップＳＰ１２において、ＤＳＰ４６は、逐次入力される測定信号に対して「検査モード」に対応する信号処理を行い、磁束密度の測定結果を示す電圧波形を出力する。
　ステップＳＰ１４において、ＤＳＰ４６は、ステップＳＰ１２で測定された磁束密度が測定保障範囲内にあるか否かを判定する。測定保障範囲内にあると判定された場合（ステップＳＰ１４：ＹＥＳ）、次のステップＳＰ１６に進む。
　ステップＳＰ１６において、ＤＳＰ４６は、現在の検査モードから測定モードに切り替えて実行する。
　ステップＳＰ１８において、ＤＳＰ４６は、逐次入力される測定信号に対して「測定モード」に対応する信号処理を行い、回転角度の測定結果を示す電圧波形を出力する。これ以降、ＤＳＰ４６は、外部装置から電力が供給されている間、回転部１４に対する回転角度の測定を継続する。
　一方、ステップＳＰ１４に戻って、磁束密度が測定保障範囲内にないと判定された場合（ステップＳＰ１４：ＮＯ）、ステップＳＰ２０に進む。
　ステップＳＰ２０において、ＤＳＰ４６は、現在の検査モードから通知モードに切り替えて実行する。
　ステップＳＰ２０において、ＤＳＰ４６は、検査結果が異常である旨を通知する電圧波形を出力する。これ以降、ＤＳＰ４６は、外部装置から電力が供給されている間、異常通知信号の出力を継続する。
　以上のように、ＤＳＰ４６は、図６のフローチャートに従って動作を行う。上位コントローラは、角度センサ２４から出力される電圧信号を取得時間と対応付けて収集することで、角度の検出に関わる物体間（例えば、磁石３２とセンサ基板３６の間）の相対的位置関係の変化を解析することができる。
　図７は、正常時における電圧波形の一例を示すタイムチャートである。グラフの横軸は時間（単位：ｍｓ）を示すとともに、グラフの縦軸は電圧（単位：Ｖ）を示している。角度センサ２４に電力が供給されると、［１］第一実行時間（ここでは、２０ｍｓ）にわたる起動信号、［２］第一実行時間よりも長い第二実行時間（例えば、１００ｍｓ）にわたる磁気信号、［３］角度信号の時系列、が順次出力される。本図における磁気信号は、検査モードの実行中に出力される電圧信号に相当する。一方、角度信号は、測定モードの実行中に出力される電圧信号に相当する。
　正常時において、磁石３２とセンサ基板３６の隙間Ｇは、設計値通りの長さに設けられる。この場合、磁気信号は、回転部１４の回転角度にかかわらず、ダブルハッチングで図示した測定保障範囲内（磁束密度換算では「３０～７０ｍＴ」、電圧換算では「１．２５～２．３６Ｖ」）で遷移する。
　図８は、異常時における電圧波形の一例を示すタイムチャートである。角度センサ２４に電力が供給されると、［１］第一実行時間（２０ｍｓ）にわたる起動信号、［２］第二実行時間（１００ｍｓ）にわたる磁気信号、［３］異常通知信号の時系列、が順次出力される。本図における磁気信号は、検査モードの実行中に出力される電圧信号に相当する。一方、異常通知信号は、通知モードの実行中に出力される電圧信号に相当する。
　例えば、固定部材３０が下方にずれ落ちることで、磁石３２とセンサ基板３６の隙間Ｇが、設計値よりも長くなった場合を想定する。そうすると、磁気信号は、測定保障範囲よりもの下方の範囲（磁束密度換算では「０～３０ｍＴ」、電圧換算では「０．４～１．２５Ｖ」）で遷移する場合がある。この場合、異常通知信号として０Ｖの電圧信号が継続して出力される。あるいは、磁気センサＩＣ４４が故障して測定信号が出力されなくなった場合にも、これと同様の異常処理がなされ得る。
　例えば、センサ基板３６が下方にずれ落ちることで、磁石３２とセンサ基板３６の隙間Ｇが、設計値よりも短くなった場合を想定する。そうすると、磁気信号は、測定保障範囲よりもの上方の範囲（磁束密度換算では「７０～１２７ｍＴ」、電圧換算では「２．３６～４．０Ｖ」）で遷移する場合がある。この場合、異常通知信号としてＶｃｃ（例えば、５Ｖ前後）の電圧信号が継続して出力される。
＜実施形態による効果＞
　以上のように、角度センサ２４は、油圧回転継手１０の本体部１２に対して相対回転可能な回転部１４に固定される。そして、角度センサ２４は、本体部１２に内蔵又は外付けされる磁石３２に対して離間して設けられ、磁石３２が発する磁気の強さを測定して該磁気の強さを示す測定信号を取得する磁気センサＩＣ４４と、取得された測定信号から本体部１２と回転部１４の間の相対的な回転角度を示す出力信号を生成する測定モード、及び、取得された測定信号から磁気の強さを示す出力信号を生成する検査モードを含む複数のモードを選択的に実行するモード選択部５０と、モードの選択に応じて生成された出力信号を出力する電圧出力部６２と、を備える。
　このように構成したので、測定モードの選択によって本体部１２と回転部１４の間の相対的な回転角度を検出できる一方、検査モードの選択時に検出される磁気の強さを用いて、磁石３２と磁気センサＩＣ４４の隙間Ｇの長さを推定できる。これにより、既存の角度検出機能を活用しつつ、角度の検出に関わる物体間の相対的位置関係を解析することができる。
　また、モード選択部５０は、外部装置からの電力の供給を契機として検査モードを開始し、検査モードの実行中に測定された磁気の強さ又は取得された測定信号が所定範囲内にある場合、検査モードから測定モードに切り替えてもよい。これにより、角度センサ２４が使用可能な状態になる度に必ず検査が行われるとともに、磁気の強さ又は測定信号が所定範囲内にある場合に正常であると判定し、回転角度を測定可能な状態に自動的に移行させることができる。
　また、電圧出力部６２は、外部装置からの電力の供給を契機として検査モードを開始し、検査モードの実行中に測定された磁気の強さ又は取得された測定信号が所定範囲内にない場合、検査モードから、測定モードの場合とは信号レベルが異なる出力信号を生成する通知モードに切り替えてもよい。これにより、角度センサ２４が使用可能な状態になる度に必ず検査が行われるとともに、磁気の強さ又は測定信号が所定範囲内にない場合に異常であると判定し、測定モードが実行されない旨を外部に通知することができる。
　また、本体部１２及び回転部１４は、鉛直方向に沿って同軸的に配置されてもよい。この場合、本体部１２及び回転部１４に重力が作用して相対的位置関係の変化が起こりやすくなる。その分だけ、検査モードによる隙間Ｇの長さの推定が有効になる。
＜変形例＞
　なお、本発明は上記の具体例に限定されるものではない。すなわち、上記の具体例に、当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。また、前述した実施形態及び後述する変形例が備える各要素は、技術的に可能な限りにおいて組み合わせることができ、これらを組み合わせたものも本発明の特徴を含む限り本発明の範囲に包含される。
　上記した実施形態では、角度センサ２４を油圧回転継手１０に組み込み、旋回モータ２２の駆動に伴って変化する回転角度を検出する場合を例示して説明したが、角度センサ２４を適用する装置、あるいは測定対象である回転体の種類はこれらの組み合わせに限られない。
　上記した実施形態では、角度センサ２４が固定部材３０の軸方向に離間するように配置されているが、これに代えて、固定部材３０の周方向に離間するように配置されてもよい。また、上記した実施形態では、磁石３２が固定部材３０に外付けされるが、これに代えて、磁石３２が固定部材３０に内蔵されてもよい。
　上記した実施形態では、油圧回転継手１０はその軸方向が鉛直方向に略一致するように配置されているが、油圧回転継手１０の配置向きはこれに限られない。具体的には、油圧回転継手１０は、その軸方向が鉛直方向に沿って配置されてもよいし、水平方向に沿って配置されてもよい。なお、「鉛直方向に沿って」とは、鉛直方向に一致する場合のみならず、鉛直方向に対して所定範囲内（概ね、±２０度以内）で傾斜する場合が含まれる。
　上記した実施形態では、検査判定部５６が測定信号に対して範囲判定を行っているが、これに代えて、磁気の強さを示す出力信号（つまり、磁気信号）に対して範囲判定を行うように構成されてもよい。この場合、図４における検査判定部５６と磁気変換部５８の配置を逆にすればよい。また、磁気変換部５８が恒等変換を行う場合、磁気変換部５８の構成を省略してもよい。
　上記した実施形態では、検査判定部５６が測定信号に対して判定を行っているが、これに代えて、角度センサ２４が判定を行わなくてもよい。この場合、角度センサ２４に接続される外部装置（例えば、上位コントローラ）が出力信号を解析すればよい。
　上記した実施形態では、電圧出力部６２が電圧波形を出力しているが、これに代えて、電流波形を出力するように構成されてもよい。また、電圧の正常出力範囲（図５参照）は必要に応じて適宜変更されてもよい。
　上記した実施形態では、測定保障範囲が、測定モードの表現可能範囲（３０～７０ｍＴ）に一致しているが、これと一致しない場合もあり得る。具体的には、測定保障範囲は、［１］下限値のみ、［２］上限値のみ、あるいは［３］上限値及び下限値の両方、に所定のマージン（例えば、１～５ｍＴのいずれかの値）が設けられてもよい。
［符号の説明］
　１０‥油圧回転継手、１２‥本体部（第一物体）、１４‥回転部（第二物体）、２６‥角度センサ、３２‥磁石、４４‥磁気センサＩＣ（測定部）、５０‥モード選択部（選択部）、６２‥電圧出力部（出力部）

 

Claims (4)

  1. 　第一物体に対して相対回転可能な第二物体に固定される角度センサであって、
    　前記第一物体に内蔵又は外付けされる磁石に対して離間して設けられ、前記磁石が発する磁気の強さを測定して該磁気の強さを示す測定信号を取得する測定部と、
    　前記測定部による測定で取得された前記測定信号から前記第一物体と前記第二物体の間の相対的な回転角度を示す出力信号を生成する測定モード、及び、前記測定信号から前記磁気の強さを示す出力信号を生成する検査モードを含む複数のモードを選択的に実行する選択部と、
    　前記選択部によるモードの選択に応じて生成された出力信号を出力する出力部と、
    　を備える角度センサ。
  2. 　前記選択部は、
    　外部装置からの電力の供給を契機として前記検査モードを開始し、
    　前記検査モードの実行中に測定された前記磁気の強さ又は取得された前記測定信号が所定範囲内にある場合、前記検査モードから前記測定モードに切り替える、
    　請求項１に記載の角度センサ。
  3. 　前記選択部は、
    　前記検査モードの実行中に測定された前記磁気の強さ又は取得された前記測定信号が所定範囲内にない場合、前記検査モードから、前記測定モードの場合とは信号レベルが異なる出力信号を生成する通知モードに切り替える、
    　請求項２に記載の角度センサ。
  4. 　前記第一物体及び前記第二物体は、鉛直方向に沿って同軸的に配置される、
    　請求項１～３のいずれか１項に記載の角度センサ。

     
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