JP4175287B2 - 非接触回転角検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、プロジェクタ光源部の明るさを制御する絞りの挿入角度を非接触に検出する、非接触回転角検出装置に関するものである。

近年、非接触回転角検出装置は、ホールセンサと磁石組を用い、それらの相対位置の変化によるホールセンサ出力の変化を、マイクロコンピュータを用いて演算し、ホールセンサと磁石の相対位置を求めることが多く行われている。

以下に従来の非接触回転角検出装置について説明する。

従来、非接触回転角検出装置は、特許文献１に記載されたものが知られている。その非接触回転角検出装置を図１６に示す。図１６は従来の非接触回転角検出装置の構成を示す図である。図１６において、２０はマグネット体、２１はホール素子ＩＣ５、２２はホール素子ＩＣ４、２３はホール素子ＩＣ３、２４はホール素子ＩＣ２、２５はホール素子ＩＣ１、２６は演算手段である。

図７はホール素子に印加される、駆動電流、磁束、ホール電圧の関係を示す図である。

以上の様に構成された従来の非接触回転角検出装置について、以下その動作について説明する。

図７に示すように、ホール素子に印加される駆動電流、磁束、とホール電圧の関係はそれぞれ直交の関係にある。ホール素子は、印加された磁界の垂直成分に比例したホール電圧を出力する。

図１６において、マグネット体２０はその半分がそれぞれＮ極とＳ極に着磁された円形の磁石であり、その内部は、図１６に示すように、Ｎ極からＳ極に向けて平行な磁界が発生する。マグネット２０の内部におかれたホール素子ＩＣ５ ２１〜ホール素子ＩＣ１ ２５はマグネット体２０との相対位置により直交して通過する磁束の成分と極性が変化する。ホール素子がマグネット体２０の磁極の中心を結ぶ線の上に来たとき、ホール電圧が最大となる。また、ホール素子の裏面にＮ極が有る場合と、Ｓ極が有る場合では、その出力電圧が反転する。ホール素子に印加される磁界のホール素子に直交する成分は、ホール素子がマグネット体２０の磁極の中心を結ぶ線の上に来たときの角度を零度とすると、マグネット体２０を回転させたとき、その回転角度のコサインに比例した強さとなる。演算手段２６は、５つのホール素子から出力されるホール電圧を演算することにより、５つのホール素子と、マグネット体２０の相対位置を検出する。
特開２００３−１６６８５４号公報

しかしながら、前記の従来の構成では、円形のマグネットの内部に、ホールセンサを５個配置し、それらの出力を演算装置にて演算して角度を検出する複雑な構造であり、また５つのホールセンサの出力全てを演算する必要があり、演算が複雑になる課題があった。

またリング状の磁石を用い、その内部にホールセンサを配置する構造から、そのサイズが大きくなる課題があった。

本発明は前記従来の問題点を解決するもので、簡単な構造、簡単な演算、小さなサイズで、非接触に角度を検出することができる、非接触回転角検出装置を提供することを目的とする。

本発明の請求項１に記載の本発明は、光源の光量を調節する絞り部と、前記絞り部の回転範囲の一方を規制するストッパＡ部と、前記絞り部の回転範囲の前記ストッパＡ部と反対側の回転範囲を規制するストッパＢ部と、前記絞り部と結合された駆動軸部と、前記駆動軸部を駆動するモーター部と、前記駆動軸と結合され前記駆動軸部と共に可動し非磁性体で構成された磁石支え板部と、前記磁石支え板部に結合された磁石Ａ部と、前記磁石支え板部に結合された磁石Ｂ部と、前記磁石Ａ部と磁石Ｂ部に挟まれた位置に配置されるホールセンサ部と、前記ホールセンサ部を支えそれ自身は可動せず前記ホールセンサ部から配線を引き出すホールセンサ支え板部と、前記ホールセンサ支え板部に接続され前記ホールセンサ部の出力を入力とし増幅及び直流オフセットを加算して出力する差動アンプ部と、前記差動アンプ部の出力を入力としＡ／Ｄ変換して出力するＡ／Ｄコンバータ部と、前記ホールセンサ支え板部に接続され前記ホールセンサ部に電流を供給する電源部と、前記モーター部を駆動するモーター駆動回路部と、前記Ａ／Ｄコンバータ部出力を入力とし前記モーター駆動部を駆動するマイクロコンピュータ部とを備えたものであり、簡単な構造、簡単な演算、小さなサイズで、非接触に角度を検出することができる非接触回転角検出装置を提供するという作用を有する。

本発明の請求項２に記載の本発明は、本発明の請求項１に記載の前記ホールセンサ支え板部が前記駆動軸部に結合されて前記駆動軸と共に可動し、前記磁石支え板部は可動せず、前記ホールセンサ部は、前記磁石Ａ部と磁石Ｂ部に挟まれた位置に配置されるように配置されることを特徴とし、簡単な構造、簡単な演算、小さなサイズで、非接触に角度を検出することができる非接触回転角検出装置を提供するという作用を有する。

本発明の請求項３に記載の本発明は、本発明の請求項１に記載の前記磁石支え板部の代わりにコの字型をしたコの字型ヨーク部が前記駆動軸部に結合され、前記コの字型ヨーク部のコの字の内側の片方の面に磁石部が配置され、前記コの字型ヨーク部の内側の前記磁石部と前記磁石部が配置されていない面が作る空間に前記ホールセンサ部が配置されること特徴とし、簡単な構造、簡単な演算、小さなサイズで、非接触に角度を検出することができる非接触回転角検出装置を提供するという作用を有する。

本発明の請求項４に記載の本発明は、本発明の請求項１に記載の前記ストッパＡ部の代わりにフォトインタラプタＡ部が配置され、前記ストッパＢ部の代わりにフォトインタラプタＢ部が配置され、前記フォトインタラプタＡ部の出力と前記フォトインタラプタＢ部の出力が前記マイクロコンピュータ部に入力されることを特徴とし、簡単な構造、簡単な演算、小さなサイズで、非接触に角度を検出することができる非接触回転角検出装置を提供するという作用を有する。

本発明の請求項５に記載の本発明は、本発明の請求項１に記載の前記電源部の代わりに可変電源部が配置され、前記可変電源部の出力が前記マイクロコンピュータ部によって制御されることを特徴とし、簡単な構造、簡単な演算、小さなサイズで、非接触に角度を検出することができる非接触回転角検出装置を提供するという作用を有する。

以上のように、簡単な構造、簡単な演算、小さなサイズで、非接触に角度を検出することができる、非接触回転角検出装置を提供するという優れた効果が得られる。

以下では、本発明の実施の形態について、図１から図１５を用いて説明する。

（実施の形態１）
図１は本発明の非接触回転角検出装置の構成を示す図である。

図１において、１は光源の明るさを調整する絞り、２ａは絞りの回転範囲の一方を規制するストッパＡ、２ｂは絞りの回転範囲のストッパＡと反対側の回転範囲を規制するストッパＢ、７は駆動軸、４は前記駆動軸７を駆動するモーター、５は前記駆動軸７と結合され前記駆動軸と共に可動し非磁性体で構成された磁石支え板、６ａは前記磁石支え板５に結合された磁石Ａ、６ｂは前記磁石支え板５に結合された磁石Ｂ、８は前記磁石Ａ６ａと磁石Ｂ６ｂに挟まれた位置に配置されるホールセンサ、９は前記ホールセンサ８を支えそれ自身は可動せず前記ホールセンサ８から配線を引き出すホールセンサ支え板、１０はホールセンサ支え板９に接続されホールセンサ８の出力を入力とし増幅及び直流オフセットを印加して出力する差動アンプ、１１は差動アンプ１０の出力を入力としＡ／Ｄ変換して出力するＡ／Ｄコンバータ、１２はホールセンサ支え板９に接続され前記ホールセンサ８に電流を供給する電源部、１３は前記モーター４を駆動するモーター駆動回路、１４はモーターを駆動する前記モーター駆動回路１３と、前記Ａ／Ｄコンバータ１１の出力を入力とし前記モーター駆動１３を駆動するマイクロコンピュータである。

図６は本発明の磁石Ａ６ａ、磁石Ｂ６ｂ及び磁石支え板５によって形成される磁気回路を示す図である。

図７はホール素子に印加される、駆動電流、磁束、ホール電圧の関係を示す図である。

図８は本発明の磁石Ａ６ａ、磁石Ｂ６ｂ及び磁石支え板５によって形成される磁気回路の磁束と、ホールセンサ８の関係を示す図である。

図９は本発明の非接触回転角検出装置の誤差を示す図である。

図１０は本発明の非接触回転角検出装置のＡ／Ｄコンバータ１１の出力の１例である。

図１１は本発明の非接触回転角検出装置における、Ａ／Ｄコンバータ１１の出力の補正を行う構成を示す図である。

以上のように構成された非接触回転角検出装置について、図１、図６，図７、図８、図９、図１０、図１１を用いて説明する。

図６において、磁石Ａ６ａと磁石Ｂ６ｂは、磁石支え板５に、お互いに平行な関係で空間を空けて取り付けられる。磁石Ａ６ａ及び磁石Ｂ６ｂは、その裏表がＮ極及びＳ極に着磁される。磁石Ａ６ａ及び磁石Ｂ６ｂはそれらのＮ極及びＳ極が対向するように取り付けられる。磁石支え板５は非磁性体であるので、磁石Ａ６ａ及び磁石Ｂ６ｂは自由空間に対向しておかれたのと等価になり、その磁界は図６に示した様になる。磁石Ａ６ａ及び磁石Ｂ６ｂに囲まれた区間は、磁石Ａ６ａ及び磁石Ｂ６ｂに直交した平行な磁束が存在する。

図７に示すように、ホールセンサ８に印加される駆動電流と磁束そしてホール電圧の関係はそれぞれ直交の位置にある。

図８に示すように磁石Ａ６ａ及び磁石Ｂ６ｂにより生成された磁束と、ホールセンサ８がθなる角度傾いた関係にあるとき、ホールセンサ８に作用する磁束の直交成分は、磁石Ａ６ａ及び磁石Ｂ６ｂにより生成された磁束のＳＩＮ（θ）に比例する。このため、振れ角θが零の時ホールセンサ８の出力は零になる。またＳＩＮ（θ）はθが零付近の時、θの変化に対するその値の変化はほぼ直線であるため、ホールセンサ８の出力は、振れ角にほぼ比例して変化することとなる。

図９に振れ角±２０度における誤差が零となるようにホールセンサ８の出力に一定の値を乗算した結果と、振れ角に対して比例して変化する値との誤差を演算した結果を示す。誤差は最大で±０．８％以下であり、振れ角±２０度の範囲では、十分な直線性が確保されることが確認できる。

図１において、ホールセンサ８は電源１２より一定の電流を供給され、磁石Ａ６ａ及び磁石Ｂ６ｂによって生成された磁束の直交成分に比例したホール電圧を出力する。差動アンプ１０はこのホール電圧を増幅すると共に、オフセット電圧を加算して、Ａ／Ｄコンバータ１１に供給する。Ａ／Ｄコンバータ１１はこの電圧をデジタル値に変換してマイクロコンピュータ１４に供給する。Ａ／Ｄコンバータ１１の分解能が８ビット、差動アンプ１０により加算されるオフセット電圧が、Ａ／Ｄコンバータの出力が１２８となる電圧であり、ホールセンサ８の出力が、絞り１の振れ角±２０度の時、ＭＩＮ極及びＭＡＸとなる場合の、振れ角に対するＡ／Ｄコンバータ１１出力の一例を図１０に示す。図１１は図１０に示すＡ／Ｄコンバータ１１の出力が得られるとき、外部から入力される角度の目標値の最大値及び最小値を、Ａ／Ｄコンバータ１１の出力の最大値及び最小値に合致させるための構成図を示す。外部から供給される角度の目標値ＤａｔａＭＡＸ〜ＤａｔａＭＩＮ極を、図１１に示す変換式を用いて変換することにより、Ａ／Ｄコンバータ１１の出力の最小値及び最大値に合わせることができ、減算ブロック１９の出力によって、絞り１を制御することにより、入力された角度目標値と、実際の絞り１の振れ角を一致させることが可能になる。マイクロコンピュータ１４はモーター駆動回路１３を制御し、モーター４を駆動して、絞り１をストッパＡ２ａ及びストッパＢ２ｂに押し当てて、その時のＡ／Ｄコンバータ１１の出力ＭＩＮ極及びＭＡＸを記憶することで、図１１に示す演算に使用するパラメータを得る。

（実施の形態２）
図２は本発明の非接触回転角検出装置の構成を示す図である。

図２における、各構成要素は、図１に示す本発明の非接触回転角検出装置とおなじである。ホールセンサ支え板９が、駆動軸７に結合され、駆動軸７と共に可動し、磁石支え板５は可動せず、ホールセンサ８が、磁石Ａ６ａと磁石Ｂ６ｂに挟まれた位置に配置される点が異なる。

このような構成により、図１に示す本発明の非接触回転角検出装置と、同様な動作を行うことができる
（実施の形態３）
図３は本発明の非接触回転角検出装置の構成を示す図である。

図１に示す本発明の非接触回転角検出装置の、磁石支え板５の代わりにコの字型をしたコの字型ヨーク部１５が駆動軸部７に結合され、コの字型ヨーク１５のコの字の内側の片方の面に磁石６が配置され、コの字型ヨーク１５の内側の磁石６と磁石６が配置されていない面が作る空間にホールセンサ８が配置される構成となっている。

図１２は、コの字型ヨーク１５と磁石６が生成する磁界を示す図である、磁石６は、その裏表がＮ極及びＳ極に着磁されている。コの字型ヨーク１５は磁性体であるため、磁石６のコの字型ヨーク１５に密着した面から出る磁束は、コの字型ヨーク１５の中を通り、磁石６とコの字型ヨーク１５が対向する空間に出る。コの字型ヨーク１５と磁石６が作る磁界は、図１に示す本発明の非接触回転角検出装置の磁石Ａ６ａ、磁石Ｂ６ｂ及び磁石支え板５によって形成される磁気回路の磁束と同等であり、図３に示す本発明の非接触回転角検出装置は、図１に示す本発明の非接触回転角検出装置と同様の動作をする。

（実施の形態４）
図４は本発明の非接触回転角検出装置の構成を示す図である。

図１に示す本発明の非接触回転角検出装置の、前記ストッパＡ２ａの代わりにフォトインタラプタＡ１６ａが配置され、前記ストッパＢ２ｂの代わりにフォトインタラプタＢ１６ｂが配置され、フォトインタラプタＡ１６ａの出力とフォトインタラプタＢ１６ｂの出力がマイクロコンピュータ１４に入力される。

図１３にフォトインタラプタの構造を示す。フォトインタラプタは赤外線発光ダイオードとフォトトランジスタが空間を隔てて対向して配置してあり、その空間に障害物が入り、赤外線が遮られたことを検知して出力する。

図４において、マイクロコンピュータ１４はモーター駆動回路１３を制御しモーター４を駆動して絞り１をフォトインタラプタＡ１６ａ及びフォトインタラプタＢ１６ｂが感知する位置まで移動させ、各フォトインタラプタが絞り１を感知した時点のＡ／Ｄコンバータ１１の出力をそれぞれＭＩＮ及びＭＡＸとして記憶することで、図１に示す本発明の非接触回転角検出装置と同様の動作をさせることができる。

フォトインタラプタは非接触の検出手段であるため、絞り１が各フォトインタラプタに検知される毎にＭＩＮ及びＭＡＸを更新することにより、磁石Ａ６ａ、磁石Ｂ６ｂ、ホールセンサ８などの温度特性による変動を、常に補正することが可能となる。

（実施の形態５）
図５は本発明の非接触回転角検出装置の構成を示す図である。

図１に示す本発明の非接触回転角検出装置の、電源部１２の代わりに可変電源部１７が配置され、可変電源部１７の出力がマイクロコンピュータ部１４によって制御される構成となる。

可変電源部１７の出力は、図１４に示したようなフローにて制御される。図１５は、図１４に示すフローにて調整された結果の、図５の絞り１の振れ角に対するＡ／Ｄコンバータ１１の出力を示す図である。

図５に示す本発明の非接触回転角検出装置の起動時の動作を、図１４を用いて説明する。まず、マイクロコンピュータ１４は、モーター駆動回路１３を制御し、モーター４を駆動して絞り１の位置をストッパＢ２ｂの位置に移動させる。この位置で、可変電源１７の出力を制御してＡ／Ｄコンバータ１１の出力が零となるように調整する。

可変電源１７の出力を調整することにより、ホールセンサ８に流れる駆動電流を調整することができ、図１５において、振れ角に対するＡ／Ｄコンバータ出力の変化の傾きを調整することができる。

振れ角零におけるＡ／Ｄコンバータ１１の出力は、Ａ／Ｄコンバータが８ビットの場合１２８となるように、差動アンプ１０により加算されるオフセット電圧を設計中心として設定した場合でも、オフセット電圧のバラツキ、磁石支え板５、磁石Ａ６ａ、磁石Ｂ６ｂ、の取り付け角度の誤差、ホールセンサ８のＤＣオフセットなどにより、１２８からずれる。図１５は、このずれが±２０の時の例を示している。

マイクロコンピュータ１４は、絞り１の位置がストッパＢ２ｂの位置でＡ／Ｄコンバータ１１の出力が零となるように調整した後、絞り１をストッパＡ２ａの位置まで移動させ、その時のＡ／Ｄコンバータ１１の出力を測定する。このとき、図１５に示すように、オフセット成分が、−２０の場合、Ａ／Ｄコンバータ１１の出力はオーバーフローしないが、オフセット成分が、＋２０の場合出力はオーバーフローする。Ａ／Ｄコンバータ１１の出力がオーバーフローした場合、マイクロコンピュータ１４は再度可変電源１７の出力を調整し、Ａ／Ｄコンバータ１１の出力を２５５となるようにする。その後、このとき測定したＡ／Ｄコンバータ１１の出力をＭＡＸ値として記憶する。その後再度絞り１をストッパＢ２ｂの位置に移動させその時のＡ／Ｄコンバータ１１コンバータ１１の出力をＭＩＮ極値として記憶する。

このようにして、Ａ／Ｄコンバータ１１の出力が、オーバーフローしない範囲で、振れ角に対するＡ／Ｄコンバータ１１の出力変化を最大に調整することができ、精度の良い、角度検出が可能となる。

本発明にかかる非接触回転角検出装置は、簡単な構造、簡単な演算、小さなサイズで、非接触に角度を検出することができる、非接触回転角検出装置を提供するという作用を有し、プロジェクタ光源部の明るさを制御する絞り部の、挿入角度を非接触に検出する用途に適用出来る。

本発明の実施の形態１の非接触回転角検出装置の構成を示す図 本発明の実施の形態２の非接触回転角検出装置の構成を示す図 本発明の実施の形態３の非接触回転角検出装置の構成を示す図 本発明の実施の形態４の非接触回転角検出装置の構成を示す図 本発明の実施の形態５の非接触回転角検出装置の構成を示す図 本発明の実施の形態１の非接触回転角検出装置の磁石Ａ及び磁石Ｂが生成する磁界を示す図 ホールセンサの駆動電流、磁束、ホール電圧の関係を示す図 本発明の実施の形態１の非接触回転角検出装置の、磁石Ａ及び磁石Ｂが生成する磁界が、ホールセンサ直交する成分とホールセンサの傾きの関係を示す図 本発明の実施の形態１の非接触回転角検出装置の角度検出の結果が、理想的な値からずれる割合を示す図 本発明の実施の形態１の非接触回転角検出装置の角度検出の結果の一例を示す図 本発明の実施の形態１の非接触回転角検出装置の、外部から入力された角度目標値を変換してＡ／Ｄコンバータの出力値と対応させる構成を示す図 本発明の実施の形態３の非接触回転角検出装置の、コの字型ヨークと磁石が生成する磁界を示す図 本発明の実施の形態４の非接触回転角検出装置の、フォトインタラプタの構成を示す図 本発明の実施の形態５の非接触回転角検出装置の、起動時の可変電源を調整するフローを示す図 本発明の実施の形態５の非接触回転角検出装置の、起動時の可変電源を調整した結果の振れ角とＡ／Ｄコンバータ出力の関係の一例を示す図 従来の非接触回転角検出装置の構成を示す図

符号の説明

１ 絞り
２ａ ストッパＡ
２ｂ ストッパＢ
４ モーター
５ 磁石支え板
６ａ 磁石Ａ
６ｂ 磁石Ｂ
７ 駆動軸
８ ホールセンサ
９ ホールセンサ支え板
１０ 差動アンプ
１１ Ａ／Ｄコンバータ
１２ 電源
１３ モーター駆動回路
１４ マイクロコンピュータ
１５ コの字型ヨーク
１６ａ フォトインタラプタＡ
１６ｂ フォトインタラプタＢ
１７ 可変電源

Claims (5)

1. 光源の光量を調節する絞り部と、
   前記絞り部の回転範囲の一方を規制するストッパＡ部と、
   前記絞り部の前記ストッパＡ部が規制するのと反対側の回転範囲を規制するストッパＢ部と、
   前記絞り部と結合された駆動軸部と、
   前記駆動軸部を駆動するモーター部と、
   前記駆動軸部と結合され前記駆動軸部と共に可動し非磁性体で構成された磁石支え板部と、
   前記磁石支え板部に結合された磁石Ａ部と、
   前記磁石支え板部に結合された磁石Ｂ部と、
   前記磁石Ａ部と磁石Ｂ部に挟まれた空間に配置されるホールセンサ部と、
   前記ホールセンサ部を支えそれ自身は可動せず前記ホールセンサ部から配線を引き出すホールセンサ支え板部と、
   前記ホールセンサ支え板部に接続され前記ホールセンサ部の出力を入力とし増幅及び直流オフセットを加算して出力する差動アンプ部と、
   前記差動アンプ部の出力を入力としＡ／Ｄ変換して出力するＡ／Ｄコンバータ部と、
   前記ホールセンサ支え板部に接続され前記ホールセンサ部に電流を供給する電源部と、
   前記モーター部を駆動するモーター駆動回路部と、
   前記Ａ／Ｄコンバータ部の出力を入力とし前記モーター駆動部を駆動するマイクロコンピュータ部と、
   を備えたことを特徴とする非接触回転角検出装置。
2. 前記ホールセンサ支え板部が前記駆動軸部に結合されて前記駆動軸部と共に可動し、前記磁石支え板部は可動せず、前記ホールセンサ部は、前記磁石Ａ部と磁石Ｂ部に挟まれた空間に配置されることを特徴とする請求項１記載の非接触回転角検出装置。
3. 前記磁石支え板部の代わりにコの字型をしたコの字型ヨーク部が前記駆動軸部に結合され、前記コの字型ヨーク部のコの字の内側の片方の面に磁石部が配置され、前記コの字型ヨーク部の内側の前記磁石部と前記磁石部が配置されていない面が作る空間に前記ホールセンサ部が配置されることを特徴とする請求項１記載の非接触回転角検出装置。
4. 前記ストッパＡ部の代わりにフォトインタラプタＡ部が配置され、前記ストッパＢ部の代わりにフォトインタラプタＢ部が配置され、前記フォトインタラプタＡ部の出力と前記フォトインタラプタＢ部の出力が前記マイクロコンピュータ部に入力されることを特徴とする請求項１記載の非接触回転角検出装置。
5. 前記電源部の代わりに可変電源部が配置され、前記可変電源部の出力が前記マイクロコンピュータ部によって制御されることを特徴とする請求項１記載の非接触回転角検出装置。

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