JP2018017584A - 検出手段、角度センサ、角度算出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な構造で、水平方向の回転角を算出するとともに偏向角度（傾き）を算出することが不可能である、という問題を解決することが出来る検出手段を提供すること。
【解決手段】入力される磁界の向きに応じて電圧値を出力するブリッジ回路を含む磁気センサと、Ｓ極とＮ極とが前記磁気センサの磁界検出面と対面するよう配置された磁石と、前記磁気センサが出力した電圧値に基づいて、前記磁気センサの磁界検出面に対する垂直方向の軸を中心とした前記磁石の回転角度を算出するとともに、予め定められた基準値と前記磁気センサが出力した電圧値とに基づいて、前記磁界検出面に対する前記磁石の傾きの角度を算出する角度算出手段と、を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、検出手段、角度センサ、角度算出方法に係り、特に、磁界を利用して回転角を検出する検出手段、角度センサ、角度算出方法に関する。

一対の磁気センサと、当該磁気センサと相対する向きに設置された磁石と、から構成され、磁界を検出して磁石の回転した角度を検出する角度センサが知られている。

このような角度センサの一例として、例えば、特許文献１がある。特許文献１には、磁石と、少なくとも１対の磁気センサとを備えた回転角度センサが記載されている。具体的には、少なくとも１対の磁気センサは、磁石の円板面に平行な平面上に、該平面と磁石の回転中心線との交点とほぼ一致する基準点から対称的な位置に配置されており、基準点から磁気センサの中心までの距離は磁石の半径と異なるよう構成されている。特許文献１によると、このように構成することで、軸ずれによる角度誤差を小さくすることが出来る。

特開２００３−２４０６０２号公報

特許文献１に記載の技術の場合、水平方向に回転した角度を導くことが出来る。しかしながら、一方で、特許文献１に記載されているような技術の場合、磁石がどのくらい磁気センサとの平行面から垂直方向に偏向しているか（傾いているか）を導き出すことは出来ない。このような傾きを導き出すためには、垂直方向に同様の構造を有するもう１組の磁石と磁気センサを設けることが必要となる。その結果、構成が複雑になる、などの問題が生じていた。

このように、水平方向の回転角を算出するとともに、傾きを算出するためには、複数の装置を用いることが必要になる、という問題が生じていた。換言すると、簡易な構造で、水平方向の回転角を算出するとともに偏向角度（傾き）を算出することが不可能である、という問題が生じていた。

そこで、本発明の目的は、簡易な構造で、水平方向の回転角を算出するとともに偏向角度（傾き）を算出することが不可能である、という問題を解決することが出来る検出手段、角度センサを提供することにある。換言すると、本発明の目的は、上記問題を解決するために、水平方向の回転角と偏向角を同時に算出するための角度算出方法を提供することにある。

かかる目的を達成するため本発明の一形態である検出手段は、
入力される磁界の向きに応じて電圧値を出力するブリッジ回路を含む磁気センサと、
Ｓ極とＮ極とが前記磁気センサの磁界検出面と対面するよう配置された磁石と、
前記磁気センサが出力した電圧値に基づいて、前記磁気センサの磁界検出面に対する垂直方向の軸を中心とした前記磁石の回転角度を算出するとともに、予め定められた基準値と前記磁気センサが出力した電圧値とに基づいて、前記磁界検出面に対する前記磁石の傾きの角度を算出する角度算出手段と、
を有する
という構成を採る。

また、上記検出手段は、
前記角度算出手段は、前記基準値と前記磁気センサが出力した電圧値とに基づいて、前記磁気センサの磁界検出面に対する垂直方向の軸であって前記磁石の中心を通る回転軸の傾きである前記磁石の傾きの角度を算出する
という構成を採る。

また、上記検出手段は、
前記回転角度ごとの前記基準値を記憶する記憶部を有し、
前記角度算出手段は、前記回転角度を算出するとともに、算出した前記回転角度における前記基準値と前記磁気センサが出力した電圧値とに基づいて前記磁石の傾きの角度を算出する
という構成を採る。

また、上記検出手段は、
前記角度算出手段は、算出した前記回転角度における前記基準値と前記磁気センサが出力した電圧値から算出される値との差に応じて前記磁石の傾きの角度を算出する
という構成を採る。

また、上記検出手段は、
前記角度算出部は、前記基準値と、前記磁気センサが出力した電圧値から算出される値を前記磁石の設置位置に基づいて生じるずれを補正するための補正値により補正した値と、に基づいて前記磁石の傾きの角度を算出する
という構成を採る。

また、上記検出手段は、
前記角度算出部は、前記基準値と、前記磁気センサが出力した電圧値から算出される値を当該電圧値出力時の温度に応じて補正した値と、に基づいて前記磁石の傾きの角度を算出する
という構成を採る。

また、上記検出手段は、
前記磁石は、前記磁気センサに対して予め定められた角度分傾けられた状態で設置されている
という構成を採る。

また、上記検出手段は、
前記磁気センサは、２つのブリッジ回路を含んでいる
という構成を採る。

また、本発明の他の形態である角度センサは、
上記いずれかに記載の検出手段を有する
という構成を採る。

また、本発明の他の形態である角度算出方法は、
入力される磁界の向きに応じて電圧値を出力するブリッジ回路を含む磁気センサが出力した電圧値に基づいて、前記磁気センサの磁界検出面に対する垂直方向の軸を中心とした、Ｓ極とＮ極とが前記磁気センサの磁界検出面と対面するよう配置された磁石の回転角度を算出し、予め定められた基準値と前記磁気センサが出力した電圧値とに基づいて、前記磁界検出面に対する前記磁石の傾きの角度を算出する
という構成を採る。

また、本発明の一実施例である風向計は、
請求項１乃至７のいずれかに記載の角度センサと、羽根部を有する本体部と、前記本体部を支持する支持部と、を有する風向計であって、
前記本体部は、前記風向計が設置される設置面に対する垂直方向の軸を中心として回転可能なよう前記支持部と連結されるとともに、前記設置面に対して平行な軸を中心として前後方向に揺動可能なよう前記支持部と連結され、
前記角度センサを構成する前記磁気センサは、前記設置面に対して平行となるよう前記支持部に配置され、
前記角度センサを構成する前記磁石は、Ｓ極とＮ極とが前記磁気センサの磁界検出面と対面するよう前記本体部に配置されている
という構成を採る。

本発明は、以上のように構成されることにより、簡易な構造で、水平方向の回転角を算出するとともに偏向角度（傾き）を算出することが不可能である、という問題を解決することが出来る検出手段、角度センサ、角度算出方法を提供することが可能となる。

本発明の第１の実施形態に係る角度センサの構成の一例を示すブロック図である。 図１で示す磁界検出手段の構成の一例を示す図である。 図２で示す磁気センサの一例を示す図である。 図２で示す磁気センサに含まれるブリッジ回路の構成の一例を示す図である。 図２で示す磁気センサが検出する値の一例を示す図である。 図１で示す情報格納部に含まれる情報の一例を示す図である。 磁石を３６０度回転させたときに得られるsin、cosから回転角度を算出した値を回転角(θ) ＝ arctan ( sin / cos )としてプロットした値の一例と補正したプロットの一例を示す図である。 図６で示す基準値情報の一例を示す図である。 図６で示す傾き情報の一例を示す図である。 磁石を４５度ずつ回転させて、各点で磁石を傾けた際のsin , cosの値のプロットの一例を示す図である。 角度センサを有する風向計の構成の一例を示す図である。 図１１で示す風向計の回転軸を示す図である。

＜実施形態１＞
本発明の第１の実施形態を、図１乃至図１２を参照して説明する。図１は、角度センサ１の構成の一例を示すブロック図である。図２は、磁界検出手段１１の構成の一例を示す図である。図３は、磁気センサ１１３の一例を示す図である。図４は、磁気センサ１１３に含まれるブリッジ回路１１４の構成の一例を示す図である。図５は、磁気センサ１１３が検出する値の一例を示す図である。図６は、情報格納部１４に含まれる情報の一例を示す図である。図７は、磁石１１１を３６０度回転させたときに得られるsin、cosの値を使って回転角(θ) ＝ arctan ( sin / cos )をプロットした値の一例と基準点の座標（０、０）が回転プロットの中心になるように補正し半径ｒを正規化したプロットの一例を示す図である。図８は、基準値情報１４３の一例を示す図である。図９は、傾き情報１４４の一例を示す図である。図１０は、磁石１１１を４５度ずつ回転させて、各点で磁石を傾けた際のsin , cosの値のプロットの一例を示す図である。図１１、１２は、角度センサを有する風向計の構成の一例を示す図である。

本実施形態においては、磁気センサ１１３などを用いて水平方向の回転角度を算出するとともに、垂直偏向角度である傾きを算出する角度センサ１について説明する。本実施形態における角度センサ１は、１つの磁気センサ１１３を有しており、当該磁気センサ１１３の出力結果に基づいて、水平方向の回転角度を算出する。また、後述するように、本実施形態における磁気センサ１１３は、磁気センサ１１３の出力結果と基準値との間の差（減少した割合）に応じて、傾きを検出する。このような構成により、本実施形態における角度センサ１は、１つの磁気センサ１１３の検出結果に基づいて、水平方向の回転角度を算出するとともに傾きを算出することが出来る。

［構成］
図１は、本実施形態における角度センサ１（検出手段）の構成の一例を示すブロック図である。図１を参照すると、角度センサ１は、例えば、磁界検出手段１１と、温度センサ１２と、角度算出部１３と、情報格納部１４と、を有している。

磁界検出手段１１は、図２で示すように、磁石１１１と、当該磁石１１１と対向するよう配置された磁気センサ１１３と、を有している。磁界検出手段１１は、磁石１１１の回転・傾きに応じて変化する磁界の変化に応じて電圧値を出力する。磁界検出手段１１は、角度算出手段１３と接続されており、出力した電圧値は角度算出手段１３に送信される。

磁石１１１は、径方向２極型や片面２極型などの同一方向（磁気センサ１１３の磁界検出面と対面する方向）にＮ極とＳ極とを有する円柱状の形状の磁石や球形の磁石などであり、支持部１１２を介して、水平方向の回転角度及び傾きの算出対象となる対象物に支持されている。換言すると、磁石１１１は、対象物の水平方向の回転に応じて水平方向に回転するとともに、対象物の傾きに応じて傾くよう、支持部１１２を介して対象物に支持されている。また、磁石１１１は、図２で示すように、磁石１１１の傾きが無い状態において、磁気センサ１１３と対面する（磁気センサ１１３側の）Ｓ極とＮ極の割合が等しくなるよう、支持部１１２により支持されている。

磁気センサ１１３は、磁界検出面を磁石１１１側に有し磁石１１１と対向するよう（平行に）配置されており、磁石１１１の水平方向の回転（磁界検出面に対する垂直方向の軸を中心とした磁石１１１の回転）や磁界検出面に対する傾き（磁石１１１の中心を通る軸であって磁界検出面に対する垂直方向の軸である回転軸の傾き）に起因する磁界の変化（磁束の変化）に応じて電圧値を出力する。図２、図３を参照すると、磁気センサ１１３は、例えば、略直方体の形状を有しており、平面視で短手側となる側面に、それぞれ４つの端子を有している。具体的には、磁気センサ１１３は、Ａ相出力端子＋Ａ、−Ａと、Ｂ相出力端子＋Ｂ、−Ｂと、２つの電源端子Ｖｃｃと、２つの接地端子Ｇｎｄと、を有している。磁気センサ１１３は、電源端子Ｖｃｃを介して外部から電圧を印加されている。また、磁気センサ１１３は、接地端子Ｇｎｄを介して接地されている。さらに、磁気センサ１１３のうちの、Ａ相出力端子＋Ａ、−Ａ、Ｂ相出力端子＋Ｂ、−Ｂ、は、角度算出部１３と接続されており、電圧値を角度算出部１３に出力する。以下、磁気センサ１１３のより詳細な構成の一例について説明する。

磁気センサ１１３は、素子１１４１（素子１１４１−１、１１４１−２、１１４１−３、１１４１−４。特に区別しない場合は素子１１４１と表記する）を４つ有するブリッジ回路１１４を２つ有している。素子１１４１としては、ホール素子や磁気抵抗素子（AMR（Anisotropic Magneto Resistance）、GMR（Giant Magneto Resistance）、TMR（Tunneling Magneto Resistance）など）、マグネットインピーダンス素子、など様々な素子を採用することが出来る。

図４を参照すると、ブリッジ回路１１４は、素子１１４１−１、１１４１−３と、素子１１４１−２、１１４１−４がそれぞれ直列に接続されており、当該直列接続された素子１１４１−１、１１４１−３と素子１１４１−２、１１４１−４とは、電源に対して並列に接続され、閉回路を構成している。このような構成により、素子１１４１−１と１１４１−３との接続点Ｖａ（例えば、図３のＡ相出力端子＋Ａと接続される）と、素子１１４１−２と１１４１−４との接続点Ｖｂ（例えば、図３のＡ相出力端子−Ａと接続される）と、の間における差動電圧を検出することが可能となる。なお、１つのブリッジ回路１１４内の全ての素子１１４１は、同一の種類の素子であり同一方向に磁化固定されているものとする。

また、上記のように、磁気センサ１１３は、ブリッジ回路１１４を２つ有している。具体的には、素子１１４１がAMRでない場合、磁気センサ１１３は、磁化方向を９０度ずらした２個のブリッジ回路１１４を有している。一方、素子１１４がAMRである場合、磁気センサ１１３は、磁化方向を４５度ずらした２個のブリッジ回路１１４を有しており、さらに、バイアス磁石を有している。

本実施形態においては、このような２つのブリッジ回路１１４のうちの、一方のブリッジ回路１１４からの出力をＡ相、他方のブリッジ回路１１４からの出力をＢ相と定義する。従って、図３で示す構成のうち、一方の電源端子Ｖｃｃと、一方の接地端子Ｇｎｄと、Ａ相出力端子＋Ａ、−Ａと、が２つのブリッジ回路１１４のうちの一方のブリッジ回路１１４に対応する端子となる。また、図３で示す構成のうち他方の電源端子Ｖｃｃと、他方の接地端子Ｇｎｄと、Ｂ相出力端子＋Ｂ、−Ｂと、が２つのブリッジ回路１１４のうちの他方のブリッジ回路１１４に対応する端子となる。

図５は、Ａ相（例えば、Ａ相出力端子＋Ａから出力される電圧値からＡ相出力端子−Ａから出力される電圧値を減算した値）、及び、Ｂ相（Ｂ相出力端子＋Ｂから出力される電圧値からＢ相出力端子−Ｂから出力される電圧値を減算した値）の値と磁石の水平方向の回転角度との関係の一例を示している。図５を参照すると、Ａ相の値が０、Ｂ相の値が１、の状態（角度０の状態）から、図５で示す９０度回転した状態に磁石１１１が回転すると、Ａ相の値が１となりＢ相の値が０となっていることが分かる。同様に、さらに９０度磁石１１１が回転すると、Ａ相の値が０となりＢ相の値が−１となっていることが分かる。このように、図５を参照すると、磁石１１１の水平方向の回転角度に応じてＡ相、Ｂ相の値が変化しており、磁石１１１の水平方向の回転角度とＡ相、Ｂ相の値との間には所定の関係があることが分かる。また、図５を参照すると、Ａ相、Ｂ相の値に基づいて、磁石１１１の水平方向の回転角度を求めることが出来ることが分かる。

温度センサ１２は、当該温度センサ１２周辺の温度を測定することで、磁界検出手段１１周辺の温度を測定する。例えば、温度センサ１２は、磁気センサ１１３による電圧値の出力時の温度を測定する。温度センサ１２は、角度算出手段１３と接続されており、測定結果を角度算出手段１３に送信する。

角度算出手段１３は、磁界検出手段１１から受信した電圧値に基づいて、磁石１１１の水平方向の回転角度（つまり、対象物の水平方向の回転角度）を算出する。また、角度算出手段１３は、後述するように、磁界検出手段１１からの受信した電圧値や温度センサ１２から受信した測定結果、情報格納部１４から取得した各種情報などに基づいて、磁石１１１の垂直方向の偏向角度である傾き（つまり、対象物の傾き）を算出する。

なお、角度算出手段１３は、例えば、プロセッサなどの演算手段と、ROM（Read Only Memory）やRAM（Random Access Memory）などの記憶装置と、を有しており、記憶装置が記憶するプログラムを演算手段が実行することで、上記算出処理（水平方向の回転角度の算出と傾きの算出）を実行する。

角度算出手段１３は、例えば下記数１に基づいて、水平回転角θを算出する
［数１］
θ ＝ arctan ( Out A / Out B )
なお、
Out A = ( Vout +A) - ( Vout -A)
Out B = ( Vout +B) - ( Vout -B)
ここで、Vout +Aは、Ａ相出力端子＋Ａから出力される電圧値を示しており、Vout -Aは、Ａ相出力端子−Ａから出力される電圧値を示している。また、Vout +Bは、Ｂ相出力端子＋Ｂから出力される電圧値を示しており、Vout -Bは、Ｂ相出力端子−Ｂから出力される電圧値を示している。

なお、Ａ相をsinとし、Ｂ相をcosとすると、上記数１は、下記数２のように表すことが出来る。
［数２］
θ ＝ arctan ( sin / cos )
数２で示す式は、回転角を求める際に一般的に用いられる、周知の式である。

また、角度算出手段１３は、上記sin、cosの値（つまり、Ａ相、Ｂ相の値）を用いて、磁石１１１の垂直方向の偏向角度である傾きを算出する。

具体的には、例えば、角度算出手段１３は、上記sin、cosの値を基準となる値と比較するため、当該sin、cosの値を、温度センサ１２から受信した測定結果や情報格納部１４から取得した後述する軸ずれ補正値１４１に基づいて補正する。

一般に、磁石１１１の回転軸と磁気センサ１１３の回転検出軸との間にはずれ（磁石１１１の設置位置に基づいて生じるずれ）がある。このずれを補正するため、角度算出手段１３は、軸ずれ補正値１４１を用いて、sin、cosの値の補正を行う。また、一般的なフェライト磁石の場合、温度が１度上昇すると、磁界強度は約０．２％減少する。この温度に起因したsin、cosの値のずれを補正するため、角度算出手段１３は、温度センサ１２から受信した測定結果と情報格納部１４から取得した基準温度を示す基準温度情報１４２とに基づいて、基準となる温度である場合に検出されたであろう値となるよう、sin、cosの値を補正する。換言すると、水平角の検出であれば、sin、cosとも同様に、磁石１１１の回転軸と磁気センサ１１３の回転検出軸との間のずれの影響や温度による変動の影響を受ける。そのため、数２による計算上、上記ずれや温度の変動は影響しない。一方で、偏向角は、sin、cosそれぞれの絶対値と基準値とに基づいて求めることになる。そのため、基準値と比較するための情報（軸ずれ補正値１４１、基準温度情報１４２）が必要となる。

このように、角度算出手段１３は、sin、cosの値を、温度センサ１２から受信した測定結果や情報格納部１４に格納されている各種情報に基づいて補正する。続いて、角度算出手段１３は、情報格納部１４から、算出した水平回転角度θの場合における基準値を示す基準値情報１４３を取得する。そして、角度算出手段１３は、基準値情報１４３が示す基準値と補正したsin、cosの値との間の絶対値の差（減少の割合）（換言すると、基準値に対する、補正したsin、cosの値の割合）を算出し、当該算出した差に基づいて磁石１１１の傾きを算出する。具体的には、例えば、差と磁石１１１の傾きとの関係を示す傾き情報１４４が情報格納部１４に格納されており、角度算出手段１３は、傾き情報１４４を参照することで、算出した差に基づいて磁石１１１の傾きを算出する。

角度算出手段１３は、例えば、このような処理により、磁石１１１の水平方向回転角度を算出するとともに、磁石１１１の垂直方向偏向角度である傾きを算出する。

情報格納部１４は、ディスク装置や不揮発性メモリなどの記憶装置である。情報格納部１４は、角度算出手段１３で利用される各種情報を記憶している。

図６は、情報格納部１４に格納されている情報の一例を示している。図６を参照すると、情報格納部１４は、軸ずれ補正値１４１と、基準温度情報１４２と、基準値情報１４３と、傾き情報１４４と、を有している。

軸ずれ補正値１４１は、磁石１１１の回転軸と磁気センサ１１３の回転検出軸との間に存在するずれに起因した値のずれを補正するための値である。例えば、図７のＣ１で示すように、磁石１１１を３６０度回転させたときに得られるsin、cosの値をそのままプロットすると、磁石１１１の回転軸と磁気センサ１１３の回転検出軸との間にずれがあるため、磁石１１１を３６０度１周させてもその中心が座標（Ｘ＝０、Ｙ＝０）に来ない。そこで、磁石１１１を３６０度回転させた際の中心が座標（Ｘ＝０、Ｙ＝０）に来るよう補正する。このプロットした円の中心を座標（Ｘ＝０、Ｙ＝０）に補正するための値が軸ずれ補正値１４１である。

軸ずれ補正値１４１は、例えば、予め、磁石１１１の傾きがない状態において磁石１１１を３６０度回転させて得た値をプロットし、当該磁石１１１を３６０度回転させた際のプロットの中心を座標（Ｘ＝０、Ｙ＝０）に補正するための値を算出しておくことで得ることが出来る。このように、軸ずれ補正値１４１は、予め測定された結果に基づいて予め算出され、格納されている。

基準温度情報１４２は、磁石１１１の傾きを算出する際の基準となる温度を示している。上述したように、一般的なフェライト磁石の場合、温度が１度上昇すると、磁界強度は約０．２％減少する。この温度に起因したsin、cosの値のずれを補正するため、基準となる温度が予め定められている。なお、基準となる温度は、任意の温度で構わない。

基準値情報１４３は、基準温度情報１４２が示す温度の際に測定されるsin、cosの値と水平回転角度θとの関係を示しており、上述した軸ずれ補正値１４１を用いて補正した後の値を示している。基準値情報１４３は、例えば、予め基準温度情報１４２が示す温度の際に磁石１１１を３６０度回転させて各地点（水平回転角度）におけるsin、cosの値を測定して軸ずれ補正値１４１で補正する、又は、磁石１１１を３６０度回転させて測定した際の温度・軸ずれ補正値１４１を基に補正する、などの方法により予め測定・算出され、情報格納部１４に格納されている。

図８は、基準値情報１４３の一例である。図８を参照すると、基準値情報１４３は、水平方向の回転角度ごとのsin（Ａ相）の値とcos（Ｂ相）の値とを示している。例えば、図８の１行目は、角度ＴＡ１のときsin（Ａ相）の基準値がa1、cos（Ｂ相）の基準値がb1であることを示している。

このように、基準値情報１４３には、水平方向の回転角度ごとの基準値が格納されている。なお、基準値情報１４３には、任意の角度ごとのsin、cosの値を格納して構わない。
また、基準値情報１４３をプロットすると、例えば図７のＣ２で示すようになる。図７のＣ２を参照すると、円の中心が座標（Ｘ＝０、Ｙ＝０）に補正されていること（軸ずれ補正値１４１により補正されていること）や、円の大きさが補正されていること（基準値温度情報１４２により補正されていること）が分かる。

傾き情報１４４は、基準値情報１４３が示す基準値と傾き算出の対象となる出力値（軸ずれ補正値１４１や基準温度情報１４２に基づく補正を行ったsin、cosの値）との間の差と、磁石１１１の傾きと、の関係を示している。

一般に、磁気センサ１１３が検出する磁界強度は、磁石１１１の傾きによって変動する。具体的には、磁石１１１が磁気センサ１１３に対して平行（つまり、傾き＝０）のときの磁界強度が最大であり、磁石１１１が傾くほど磁界強度は減少する。従って、磁石１１１の傾きが大きくなれば大きくなるほど、基準値と補正を行った出力値との間の差は大きくなることになる（基準値に対する補正を行ったsin、cosの値の割合は小さくなることになる）。そこで、予め、ある水平方向への回転角度の状態（例えば、図５で示す角度０の状態）において傾きの角度（上方向＋τ、下方向−τ。間隔は任意で構わない）を変えながら変化する出力値をそれぞれ検出し、検出結果と基準値との間の差と磁石１１１の傾きの関係を調べておく。例えば、このような方法により、傾き情報１４４を予め算出し、格納することが出来る。

図９は、傾き情報１４４の一例である。図９を参照すると、傾き情報１４４は、基準値と補正を行った出力値との間の差と磁石１１１の傾きとの関係を示している。例えば、図９の１行目は、基準値と補正を行った出力値との間の差がＤ１である場合、磁石１１１は＋Ｓ１傾いていることを示している。

なお、傾き情報１４４は、水平方向の回転角度が様々な場合（例えば、４５度ごと）における、それぞれの基準値と補正を行った出力値との間の差と、磁石１１１の傾きと、の間の関係を含んでいても構わない。つまり、傾き情報１４４には、水平方向の回転角度ごと（つまり、複数）の差と傾きの関係を示す情報を含むことが出来る。

以上が、角度センサ１の構成の一例についての説明である。

［計測原理］
続いて、本実施形態における角度センサ１の計測原理について説明する。

図５で示したように、磁石１１１の水平方向への回転と磁気センサ１１３が出力する出力値（sin、cosの値）には、所定の関係がある。例えば、図５の場合、磁石１１１と磁気センサ１１３が平行でかつその間の距離（Gap）が一定であれば、sinの絶対値とcosの絶対値との和は常に１である。

磁石１１１と磁気センサ１１３との間の距離（Gap）が変化すれば、磁気センサ１１３が受ける磁界強度は変化する。一般的に、距離（Gap）が大きくなれば磁気センサ１１３が出力するsin , cosの値は減少し、距離（Gap）が小さくなれば逆に磁気センサ１１３が出力するsin , cosの値は増加する。ここで、角度算出手段１３が水平方向の回転角度を算出する際に用いる数式はθ ＝ arctan ( sin / cos )である。そのため、角度算出手段１３は、sin , cosの値が同じ方向に変化する磁石１１１と磁気センサ１１３との間の距離（Gap）の変動に影響されずに正確な水平方向の回転角度を算出することが出来る。

また、磁気センサ１１３の出力値は、磁石１１１と磁気センサ１１３との間の距離（Gap）だけでなく、計測時の周囲の温度にも影響される。この場合も、sin , cosの値は同じ割合で変動するため、角度算出手段１３は、周囲の温度に影響されずに正確な水平方向の回転角度を算出することが出来る。

さらに、磁気センサ１１３の出力値は、磁石１１１の傾きによっても変動する。この場合も上記２つの場合と同様に、sin , cosの値は同じ割合で変動するため、角度算出手段１３は、磁石１１１の傾きに影響されずに正確な水平方向の回転角度を算出することが出来る。

以上のように、角度算出手段１１３は、sin , cosの出力値が正確に得られる範囲内において、距離（Gap）、温度変動、傾きの変動を受けずに正確な水平方向の回転角度を算出することが出来る。

また、一般的に、角度センサ１において、磁石１１１は支持部１１２により支持されている。そのため、磁石１１１と磁気センサ１１３との間の距離（Gap）が変化することは考えにくい。従って、温度変動によるsin , cosの出力値の変化を補正すれば、水平方向の回転角度がある状態におけるsin , cosの出力値を補正した値の基準値からの変化（基準値と補正した値との間の差）は、磁石１１１の傾きの影響によるものであると考えることが出来る。そこで、予め磁石１１１の傾きと、基準値と補正した値との間の差と、の間の関係を調べておくことで、基準値と補正した値との間の差に応じて、磁石１１１の傾きを算出することが可能であるものと考えられる。角度算出手段１１３は、例えば、このような考え方により、磁石１１１の傾きを算出することになる。また、上記算出をより正確に実現するため、磁石１１１の回転軸と磁気センサ１１３の回転検出軸とのずれに起因する値のずれを軸ずれ補正値１４１により補正した上で、基準値と補正した値との間の差に応じて、磁石１１１の傾きを算出する。これにより、より正確に磁石１１１の傾きを算出することが出来る。

図１０は、磁石１１１を４５度ずつ回転させて、各点で磁石１１１を上方向、下方向に傾けた際のsin , cosの値をプロットしたものである。図１０の例では、磁石１１１は磁気センサ１１３に対して平行ではなく、１５度下向に傾けた状態で正規化（補正）を行った。そのため、基準となる円よりも外側にプロットされている箇所が存在する。磁石１１１を平行な状態で補正を行った場合、基準となる円よりも内側に全てのプロットがされることになる。

図１０の場合、例えば、時計の文字盤としたときに６時の位置に位置するプロットが水平方向の回転角度が０°の時のプロットである。ここで、６時の位置のプロットのうち、最も下側のプロットが傾きなし（磁界の強さ最大）のときのプロットである。また、６時の位置のプロットでは、傾きの角度を上に向けていくことで、磁界の強さが減って、円の内側に向かって傾き角度に応じたプロットがされている様子がしめされている（円の最も内側は７０°上向きに傾けたときのプロットである）。同様に、７時と８時の間にあるプロットが水平４５°の時の偏向角を変えたときのプロットであり、９時の位置にあるプロットが水平９０°、１０時と１１時の間が１３５°、１２時が１８０°、１時と２時の間が２２５°、３時が２７０°、４時と５時の間が３１５°の場合を示している。なお、図１０の場合、各水平方向の回転角度の状態において、同じ角度だけ傾けているため、各地点におけるプロットの線の長さは一定となる。

このように、図１０を参照すると、磁石１１１を傾けたことにより磁界強度（に応じた電圧値）が変化していることが明確に読み取れる。また、図１０からは、水平方向の回転角度を算出する際に、磁石１１１が必ずしも磁気センサ１１３と平行である必要はないことが分かる。なお、図１０において、磁石の傾きによっては、水平方向の値が多少変化している。これは、正確に磁石を上方向、下方向に傾けられていないことによるもので、正確に磁石を傾けることができれば、水平方向の変化はないものと考えられる。

以上説明したように、水平方向の回転角度は、sin , cosの相対的な値に基づいて計算されることから、測定時の温度や磁石１１１の傾きの影響を受けずに算出可能であることが分かる。また、測定時の温度や軸のずれに起因するずれを補正すると、基準値と実際に出力され補正されたsin , cosとの間のずれは、磁石１１１の傾きに応じて現れていることになる。そのため、基準値と実際に出力され補正されたsin , cosとの間のずれを示す差に基づいて、磁石１１１の傾きを算出することが可能であることが分かる。

［効果］
このように、本実施形態における角度センサ１は、磁界検出手段１１と、温度センサ１２と、角度算出手段１３と、情報格納部１４と、を有している。このような構成により、角度算出手段１３は、磁界検出手段１１から受信した出力値に基づいて、水平方向の回転角度を算出することが出来る。また、角度算出手段１３は、温度センサ１２からの測定結果や情報格納部１４に格納されている情報などを加味して、傾きを算出することが出来る。つまり、本実施形態における角度センサ１によると、１つの磁界検出手段１１により水平方向の回転角度を算出するとともに、傾きを算出することが出来る。その結果、簡易な構造で、水平方向の回転角を算出するとともに偏向角度（傾き）を算出することが難しい、という問題を解決することが出来る。つまり、簡易な構造で、水平方向の回転角を算出するとともに偏向角度（傾き）を算出することが出来る。

なお、基準値情報１４３は、例えば、予め測定された複数のプロットを通過する円を示す情報により表しても構わない。このような円を示す情報を用いることで、sin、cosの値と水平回転角度θとの関係をより詳細に表すことが出来る。つまり、切れ目なく水平回転角度θに応じたsin、cosの値を算出することが可能となる。

また、本実施形態で説明した方法によると、sin, cosの絶対値の減少割合（差）を計算して偏向角度（傾き）を算出している。そのため、本実施形態で説明した方法によると、磁石１１１が上方向（仰角）、下方向（伏角）のどちらに傾いているかを検出することは出来ない。これに対処するため、磁石１１１を予め所定角度分傾けて設置しておくことが考えられる。例えば、磁石１１１を仮に４５度上向きに設置しておくことで、検出軸が下向き４５度になった時点で（磁石は水平になる）磁力は最大となることになる。換言すると、磁石１１１を予め４５度上向きに設置しておくことで、磁力は検出軸が下向き４５度から上に向くにつれて減少することになる。従って、下向き４５度の状態からの減少割合を計算すれば、上下４５度の範囲で、現在軸がどれだけどちら方向に傾いているかを検出、判別することが可能となる。なお、磁石１１１を予めどの程度傾けて設置しておくかは、検出したい角度の範囲で任意に定めて構わない。例えば、下向き３０度から上向き６０度の範囲を検出したい場合、磁石１１１は３０度上向きに設置すればよいことになる。

以上のような角度センサ１は、角度を算出することが必要となる様々な場面で活用することが出来る。例えば、角度センサ１は、部品の組み立て時における軸の傾きを検出する際や風向計により風向きを検出する際に用いることが考えられる。

図１１、図１２は、角度センサ１が組み込まれる風向計の一例である風向計２の構成の一例を示している。図１１を参照すると、風向計２は、例えば、一対の羽根部２１と本体部２２と支持部２３と基台２４（設置面）とを有している。

図１１を参照すると、基台２４は、例えば略直方体状の形状を有している。基台２４は、一方の面において支持部２３を介して本体部２２と連結されており、他方の面において風向計２を設置する設置対象と接した状態で当該設置対象に固定される。

本体部２２は一対の羽根部２１を有しており（つまり、本体部２２と羽根部２１とは一体的に形成されている）、支持部２３を介して基台２４と連結されている。具体的には、例えば、支持部２３は、本体部２２の側面を両側から挟持するとともに、本体部２２の挟持する部分を挿通し基台２４に対して平行な軸を有するＵ字状部材を含んでおり、当該Ｕ字状部材を介して本体部２２と連結されている。また、Ｕ字状部材の中央部には、基台２４に対する垂直方向の軸が挿通しており、Ｕ字状部材及びＵ字状部材と連結される本体部２２は、当該垂直方向の軸を中心に水平方向に回転可能なよう構成されている。このような構成により、本体部２２は、例えば、羽根部２１が風を受けることで、垂直方向の軸を中心として水平方向に回転するとともに、平行方向の軸を中心として前後に揺動することになる。このように、本体部２２は、基台２４に対する垂直方向の軸を中心として回転可能なよう支持部２３と連結されるとともに、基台２４に対して平行な軸を中心として前後方向に揺動可能なよう支持部２３と連結されている。なお、図１２では、基台２４に対して平行な軸を延長した軸である軸Ｚ２と、基台２４に対する垂直方向の軸を延長した軸である軸Ｚ１と、を示している。図１２を参照すると、羽根部２１を有する本体部２２は、軸Ｚ１を中心として水平方向に回転するとともに、軸Ｚ２を中心として前後方向に揺動することが分かる。

角度センサ１は、例えば、本体部２２や支持部２３に組み込まれている。具体的には、例えば、角度センサ１を構成する磁気センサ１１３は、基台４に対して平行となるよう支持部２３に配置されている。また、例えば、角度センサ１を構成する磁石１１１は、Ｓ極とＮ極とが磁気センサ１１３の磁界検出面と対面するよう本体部２２に配置されている。換言すると、本体部２２の内部には磁石１１１が配置されており、支持部２３には磁気センサ１１３が配置されている。このような構成により、本体部２２が回転・傾くことに応じて、磁石１１１が回転・傾くことになる。また、磁石１１１の回転・傾きに応じて、磁気センサ１１３が電圧値を出力することになる。

以上が、風向計２の構成の一例である。このような構成により、本体部２２は、一対の羽根部２１により風を受けると、当該風の風向きに応じて、基板２４に対する垂直方向の軸を中心として回転する（水平方向に回転する）とともに、基板２４に対して平行な軸を中心として前後方向に揺動することになる。また、風向計２の内部に設置されている角度センサ１により、本体部２２の回転・傾きの角度を算出することになる。

以上、上記各実施形態を参照して本願発明を説明したが、本願発明は、上述した実施形態に限定されるものではない。本願発明の構成や詳細には、本願発明の範囲内で当業者が理解しうる様々な変更をすることが出来る。

１ 角度センサ
１１ 磁界検出手段
１１１ 磁石
１１２ 支持部
１１３ 磁気センサ
１１４ ブリッジ回路
１１４１ 素子
１２ 温度センサ
１３ 角度算出手段
１４ 情報格納部
１４１ 軸ずれ補正値
１４２ 基準温度情報
１４３ 基準値情報
１４４ 傾き情報１４４
２ 風向計
２１ 羽根部
２２ 本体部
２３ 支持部
２４ 基台

Claims (10)

1. 入力される磁界の向きに応じて電圧値を出力するブリッジ回路を含む磁気センサと、
   Ｓ極とＮ極とが前記磁気センサの磁界検出面と対面するよう配置された磁石と、
   前記磁気センサが出力した電圧値に基づいて、前記磁気センサの磁界検出面に対する垂直方向の軸を中心とした前記磁石の回転角度を算出するとともに、予め定められた基準値と前記磁気センサが出力した電圧値とに基づいて、前記磁界検出面に対する前記磁石の傾きの角度を算出する角度算出手段と、
   を有する
   検出手段。
2. 請求項１に記載の検出手段であって、
   前記角度算出手段は、前記基準値と前記磁気センサが出力した電圧値とに基づいて、前記磁気センサの磁界検出面に対する垂直方向の軸であって前記磁石の中心を通る回転軸の傾きである前記磁石の傾きの角度を算出する
   検出手段。
3. 請求項１又は２に記載の検出手段であって、
   前記回転角度ごとの前記基準値を記憶する記憶部を有し、
   前記角度算出手段は、前記回転角度を算出するとともに、算出した前記回転角度における前記基準値と前記磁気センサが出力した電圧値とに基づいて前記磁石の傾きの角度を算出する
   検出手段。
4. 請求項３に記載の検出手段であって、
   前記角度算出手段は、算出した前記回転角度における前記基準値と前記磁気センサが出力した電圧値から算出される値との間の差に応じて前記磁石の傾きの角度を算出する
   検出手段。
5. 請求項１乃至４の何れかに記載の検出手段であって、
   前記角度算出部は、前記基準値と、前記磁気センサが出力した電圧値から算出される値を前記磁石の設置位置に基づいて生じるずれを補正するための補正値により補正した値と、に基づいて前記磁石の傾きの角度を算出する
   検出手段。
6. 請求項１乃至５のいずれかに記載の検出手段であって、
   前記角度算出部は、前記基準値と、前記磁気センサが出力した電圧値から算出される値を当該電圧値出力時の温度に応じて補正した値と、に基づいて前記磁石の傾きの角度を算出する
   検出手段。
7. 請求項１乃至６のいずれかに記載の検出手段であって、
   前記磁石は、前記磁気センサに対して予め定められた角度分傾けられた状態で設置されている
   検出手段。
8. 請求項１乃至７のいずれかに記載の検出手段であって、
   前記磁気センサは、２つのブリッジ回路を含んでいる
   検出手段。
9. 請求項１乃至８のいずれかに記載の検出手段を有する角度センサ。
10. 入力される磁界の向きに応じて電圧値を出力するブリッジ回路を含む磁気センサが出力した電圧値に基づいて、前記磁気センサの磁界検出面に対する垂直方向の軸を中心とした、Ｓ極とＮ極とが前記磁気センサの磁界検出面と対面するよう配置された磁石の回転角度を算出し、予め定められた基準値と前記磁気センサが出力した電圧値とに基づいて、前記磁界検出面に対する前記磁石の傾きの角度を算出する
    角度算出方法。
    
    
    

Images