JP6217596B2 - 回転角度及びストローク量検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、回転軸を中心として回転可能、且つ回転軸上を直線変位可能な検出対象の回転角度及びストローク量を検出する回転角度及びストローク量検出装置に関する。

従来、検出対象が発生する磁界の情報に基づいて検出対象の回転角度を検出する回転角度検出装置が知られている。例えば特許文献１に開示された装置は、永久磁石が取り付けられた検出対象（ヨーク）の回転に対し、ホール素子等の磁気検出素子によって磁気を検出することで、回転角度を検出している。

特開２０１３−０１９８２９号公報

検出対象が回転に加え、回転軸上を直線変位可能な場合、特許文献１の回転角度検出装置では直線変位のストローク量を検出することができない。検出対象の回転角度及びストローク量の両方を検出するためには、回転角度センサに加え、回転角度センサとは別の情報に基づいてストロークを検出するストロークセンサが別途必要となる。そのため、センサ部の構成が複雑となり、検出装置の体格が大きくなるという問題があった。

本発明は、このような点に鑑みて創作されたものであり、その目的は、回転且つ直線変位可能な検出対象の回転角度及びストローク量を簡素な構成で検出する回転角度及びストローク量検出装置を提供することにある。

本発明は、「磁界を発生し、回転軸を中心として回転可能、且つ回転軸上を直線変位可能な検出対象」の回転角度（α）及びストローク量（ΔＸ）を検出する回転角度及びストローク量検出装置に係る発明である。
この回転角度及びストローク量検出装置は、「検出対象の回転及び直線変位に伴って変化する磁界を検出する複数の磁気検出素子を有し、複数の磁気検出素子の検出値に基づく信号を出力するセンサ部」と、「センサ部が出力した信号に基づき、検出対象の回転角度を演算する回転角度演算部」と、「回転角度演算部が用いる信号と共通の信号に基づき、検出対象のストローク量を演算するストローク量演算部」とを備える。

本発明の回転角度及びストローク量検出装置は、磁気検出素子の検出値に基づきセンサ部が出力した共通の信号に基づいて、回転角度演算部が検出対象の回転角度を演算し、ストローク量演算部が検出対象のストローク量を演算する。これにより、センサ部の構成が簡素で、体格の小さな回転角度及びストローク量検出装置を実現することができる。

センサ部は、「回転軸上において互いに直交配置された２つの磁気検出素子であって、検出対象の回転角度に応じてｓｉｎ信号（Ｙｓ）を出力するｓｉｎセンサ、及び、検出対象の回転角度に応じてｃｏｓ信号（Ｙｃ）を出力するｃｏｓセンサの組」を回転軸上に複数組有している。
そして、回転角度演算部は、ｓｉｎ信号とｃｏｓ信号との比のアークタンジェントを算出することで検出対象の回転角度を演算する。

また、本発明の回転角度及びストローク量検出装置は、「ｓｉｎ信号又はｃｏｓ信号の値と、回転角度演算部が演算した検出対象の回転角度におけるｓｉｎ値又はｃｏｓ値との比に基づいて、検出対象のストローク量に対応するｓｉｎ信号及びｃｏｓ信号の最大振幅（Ａ’）を演算する最大振幅演算部」を備える。
ストローク量演算部は、最大振幅演算部が演算した最大振幅に基づき、例えばマップや関係式を用いて検出対象のストローク量を演算する。

本発明の一実施形態による回転角度及びストローク量検出装置の検出原理を説明する斜視図。 図１の（ａ）平面図、（ｂ）正面図。 本発明の一実施形態による回転角度及びストローク量検出装置の構成図。 検出対象の（ａ）基準ストローク位置（Ｘ＝０）、（ｂ）検出位置Ｘ＝Ｘ’における回転角度と検出磁束密度との関係を示す特性図。 最大振幅と回転軸方向の位置（ストローク量）との関係を示すマップ。

以下、本発明の実施形態による回転角度及びストローク量検出装置を図面に基づいて説明する。
（一実施形態）
本発明の一実施形態による回転角度及びストローク量検出装置の検出原理について、図１、図２を参照して説明する。図１、図２に模式的に示すように、回転角度及びストローク量検出装置の検出対象８は、回転軸Ｐに沿って設けられる軸部８１と、回転軸Ｐを中心として回転可能な円板部８２とを有し、回転軸Ｐを中心として回転可能、且つ、回転軸Ｐ上を直線変位可能である。詳しくは、回転に関しては３６０°回転可能であり、直線変位に関しては有限の範囲で変位可能である。

図１、図２では、基準位置にある検出対象８を実線で示し、基準位置から移動した後の検出対象８を破線で示す。このとき、検出対象８は、基準位置から図２（ａ）の反時計回り方向に回転角度αだけ回転し、図２（ｂ）の上方向にストローク量ΔＸだけ直線変位している。ストローク量ΔＸは、例えば、基準位置における円板部底面８５の回転軸Ｐ方向の位置をＸ＝０、直線変位後の位置をＸ＝Ｘ’としたときの「０とＸ’との差分」に相当する。

検出対象８の円板部８２は、軸部８１を挟んで対称にＮ磁極８３とＳ磁極８４とを有する磁石を含み、磁界を発生する。この磁石の磁束の一部は、図中矢印Ｂ、Ｂ’で示すように、Ｎ磁極８３からセンサ部２を通ってＳ磁極８４に向かう。なお、それ以外の方向に放射状に広がる磁束の図示を省略する。

回転角度及びストローク量検出装置のセンサ部２は、回転軸Ｐ上であって検出対象８と干渉しない位置、すなわち、図１、図２（ｂ）における検出対象８の基準位置（Ｘ＝０）の下方近傍に配置されている。図１、図２（ｂ）では、回転軸Ｐ方向のセンサ部２の中心位置Ｈを二点鎖線で表す。

センサ部２は、回転軸Ｐに対し２つの磁気検出素子２１、２２が互いに直交する向きに配置されている。つまり、磁気検出素子２１、２２の感磁面同士が９０°の角度差を有するように配置されている。磁気検出素子２１、２２は、例えばホール素子や磁気抵抗素子（ＭＲ）である。
また、本実施形態では、２つの磁気検出素子２１、２２は、例えばホールＩＣのように１つのＩＣパッケージ２０として一体に形成されている。このＩＣパッケージ２０には、後述する信号処理装置その他各回路（図３参照）が一体に設けられてもよい。

上述の通り、検出対象８が基準位置にあるときには実線矢印Ｂのように、基準位置から移動した後では破線矢印Ｂ’のように、Ｎ磁極８３からＳ磁極８４に向かう磁束がセンサ部２の２つの磁気検出素子２１、２２を通過する。２つの磁気検出素子２１、２２は、その磁束密度を検出する。

このとき、同じ回転角度αにおいては、検出対象８がセンサ部２に近づくほど検出磁束密度が大きくなり、検出対象８がセンサ部２から離れるほど検出磁束密度が小さくなる。また、同じ回転軸Ｐ方向の位置においては、磁気検出素子２１、２２の感磁面２１１、２２１に対する磁束の入射角が直角に近いほど検出磁束密度が大きくなり、感磁面２１１、２２１に対する磁束の入射角が平行（０°）に近いほど検出磁束密度が小さくなる。

ここで、検出対象８の基準位置は、Ｎ磁極８３とＳ磁極８４とを結ぶ方向が磁気検出素子２１の感磁面２１１に平行であり、磁気検出素子２２の感磁面２２１に直交する方向に設定されている。したがって、基準位置での検出対象８の回転角度αを０°とすると、磁気検出素子２１の検出磁束密度はｓｉｎ関数で表され、磁気検出素子２２の検出磁束密度はｃｏｓ関数で表される。そこで、以下、磁気検出素子２１を「ｓｉｎセンサ２１」といい、磁気検出素子２２を「ｃｏｓセンサ２２」という。

つまり、本実施形態のセンサ部２は、回転軸Ｐ上において互いに直交配置されたｓｉｎセンサ２１及びｃｏｓセンサ２２の組を有している。ｓｉｎセンサ２１は検出磁束密度を「ｓｉｎ信号」として、ｃｏｓセンサ２２は検出磁束密度を「ｃｏｓ信号」として出力する。なお、信号の正負は、回転方向や出力信号の処理等の構成により適宜設定してよい。すなわち、ｓｉｎセンサ２１の出力信号は「（ｓｉｎα又は−ｓｉｎα）×定数」となり、ｃｏｓセンサ２２の出力信号は「（ｃｏｓα又は−ｃｏｓα）×定数」となる。

以上のような原理に基づき、回転角度及びストローク量検出装置は、検出対象８の回転角度α及びストローク量ΔＸを検出する。
次に図３〜図５を参照し、回転角度及びストローク量検出装置の構成を説明する。

回転角度及びストローク量検出装置１は、一組のｓｉｎセンサ２１及びｃｏｓセンサ２２を含むセンサ部２、ｓｉｎセンサ２１が出力するｓｉｎ信号、及びｃｏｓセンサ２２が出力するｃｏｓ信号をそれぞれ増幅するアンプ回路３１、３２、増幅されたアナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換回路４１、４２、Ａ／Ｄ変換されたデジタル信号を処理する信号処理装置５、信号処理装置５が出力したデジタル値をアナログ値に変換するＤ／Ａ変換回路６１、６４等を有している。これらの各回路は、ＩＣパッケージ２０内にセンサ部２と一体に設けられてもよく、信号線を介して別に設けられてもよい。

信号処理装置５は、例えばＤＳＰ（デジタルシグナルプロセッサ）により構成され、回転角度演算部５１、最大振幅演算部５３及びストローク量演算部５４を含む。回転角度演算部５１及び最大振幅演算部５３には、Ａ／Ｄ変換回路４１、４２にてデジタル変換されたｓｉｎ信号Ｙｓ及びｃｏｓ信号Ｙｃが共通に入力される。

ここで、図４を参照する。図４（ａ）は、検出対象８の回転軸方向の位置が基準ストローク位置（Ｘ＝０）における、回転角度α対ｓｉｎ信号Ｙｓ及びｃｏｓ信号Ｙｃ（検出磁束密度）の特性を示している。回転角度演算部５１は、この特性に基づき、回転角度αを演算する。また、図４（ａ）でのｓｉｎ信号Ｙｓ及びｃｏｓ信号Ｙｃの最大振幅を「基準振幅Ａ」とする。

一方、図４（ｂ）は、検出対象８が回転軸Ｐ上をストローク量ΔＸだけ直線変位したときの位置（Ｘ＝Ｘ’）における、回転角度α対ｓｉｎ信号Ｙｓ及びｃｏｓ信号Ｙｃの特性を示している。このときのｓｉｎ信号Ｙｓ及びｃｏｓ信号Ｙｃの最大振幅Ａ’は、基準振幅Ａよりも小さくなる。最大振幅演算部５３は最大振幅Ａ’を演算し、ストローク量演算部５４は、最大振幅Ａ’に基づいてストローク量ΔＸを演算する。

続いて、各演算部５１、５３、５４による具体的な演算内容について説明する。
回転角度演算部５１は、ｓｉｎ信号Ｙｓとｃｏｓ信号Ｙｃとの比、すなわちｓｉｎ信号Ｙｓをｃｏｓ信号Ｙｃで除して得られた値Ｒのアークタンジェント値から、検出対象８の回転角度αを演算する。詳しくは、ＡＴＡＮ２関数を「α＝ＡＴＡＮ２（Ｙｃ，Ｙｓ）」と定義し、０°≦α＜３６０°の範囲で、ｃｏｓ信号Ｙｃ及びｓｉｎ信号Ｙｓの正負又は０の場合分けにより、表１のようにＡＴＡＮ２関数を演算する。

最大振幅演算部５３は、ｓｉｎ信号Ｙｓ及びｃｏｓ信号Ｙｃ、並びに、回転角度演算部５１が演算した回転角度αが入力される。そして、図４（ｂ）を参照するように、最大振幅演算部５３は、下式（１）又は（２）を用い、ｓｉｎ信号Ｙｓ又はｃｏｓ信号Ｙｃの値と、回転角度αにおけるｓｉｎ値（ｓｉｎα）又はｃｏｓ値（ｃｏｓα）との比に基づいて、検出対象８のストローク量ΔＸに対応するｓｉｎ信号Ｙｓ及びｃｏｓ信号Ｙｃの最大振幅Ａ’を演算する。
Ａ’＝Ｙｓ／ｓｉｎα ・・・（１）
Ａ’＝Ｙｃ／ｃｏｓα ・・・（２）

ストローク量演算部５４は、最大振幅演算部５３が演算した最大振幅Ａ’に基づいて、検出対象８のストローク量ΔＸを演算する。
本実施形態では、図５に例示するような最大振幅Ａ’とストローク量ΔＸとの関係を規定したマップが記憶部５５に記憶されており、ストローク量演算部５４は、このマップを参照して、最大振幅Ａ’に対応するストローク量ΔＸを演算する。記憶部５５は、例えばＥＥＰＲＯＭによって構成される。

図５のマップに示すように、検出磁束密度の最大振幅は、基本的に磁極と磁気検出素子との距離の二乗に反比例すると考えられることから、特性曲線は、凡そ、二乗反比例型の曲線に類似する。正確には、実験やシミュレーションに基づいてマップを作成することが好ましい。或いは、実験値をプロットすることによって関係式の近似式を求め、ストローク量演算部５４は、その関係式を用いてストローク量ΔＸを演算してもよい。

以上のように信号処理装置５は、ｓｉｎセンサ２１が検出したｓｉｎ信号Ｙｓ、及び、ｃｏｓセンサ２２が検出したｃｏｓ信号Ｙｃに基づき、回転角度演算部５１が回転角度αを演算し、ストローク量演算部５４がストローク量ΔＸを演算する。演算された回転角度α及びストローク量ΔＸは、それぞれＤ／Ａ変換回路６１、６４にてアナログ値に変換されて出力される。

（効果）
本実施形態の回転角度及びストローク量検出装置１の効果について説明する。
（１）本実施形態の回転角度及びストローク量検出装置１は、センサ部２と、回転角度演算部５１と、ストローク量演算部５４とを備える。センサ部２は、検出対象８の回転及び直線変位に伴って変化する磁界を検出する「複数の磁気検出素子」としてのｓｉｎセンサ２１及びｃｏｓセンサ２２を有し、ｓｉｎセンサ２１及びｃｏｓセンサ２２の検出値に基づくｓｉｎ信号Ｙｓ及びｃｏｓ信号Ｙｃを出力する。回転角度演算部５１は、センサ部２が出力したｓｉｎ信号Ｙｓ及びｃｏｓ信号Ｙｃに基づき、検出対象８の回転角度αを演算する。ストローク量演算部５４は、回転角度演算部５１が用いる信号と共通のｓｉｎ信号Ｙｓ及びｃｏｓ信号Ｙｃに基づき、検出対象８のストローク量ΔＸを演算する。

従来技術では、回転軸Ｐを中心として回転し、且つ回転軸Ｐ上を直線変位する検出対象８に対し、回転角度αを検出するセンサとストローク量ΔＸを検出するセンサとを独立に設ける必要があったため、センサ部の構成が複雑となり、装置の体格が大きくなるという問題があった。

それに対し、本実施形態の回転角度及びストローク量検出装置１は、センサ部２が出力した共通のｓｉｎ信号Ｙｓ及びｃｏｓ信号Ｙｃに基づいて、回転角度演算部５１が検出対象８の回転角度αを演算し、ストローク量演算部５４が検出対象８のストローク量ΔＸを演算する。したがって、センサ部２の構成を簡素とし、体格を小さくすることができる。

（２）本実施形態のセンサ部２は、「回転軸Ｐ上において互いに直交配置された２つの磁気検出素子」であるｓｉｎセンサ２１及びｃｏｓセンサ２２の組によって構成される。すなわち、２つの磁気検出素子が回転軸Ｐ上において互いに直交配置されることで、検出対象８の回転角度αに応じてｓｉｎ信号Ｙｓを出力するｓｉｎセンサ２１、及び、ｃｏｓ信号Ｙｓを出力するｃｏｓセンサ２２として機能する。

これにより、ｓｉｎ信号Ｙｓ及びｃｏｓ信号Ｙｃに基づいて、３６０°回転での回転角度αの演算が可能となる。また、ｓｉｎ信号Ｙｓ及びｃｏｓ信号Ｙｃと回転角度αとに基づいて最大振幅Ａ’を演算し、さらに最大振幅Ａ’に基づいてストローク量ΔＸの演算が可能となる。したがって、簡素な構成の「回転角度及びストローク量検出装置」を具体的に実現することができる。

（３）本実施形態のセンサ部２は、ｓｉｎセンサ２１及びｃｏｓセンサ２２を含むＩＣパッケージ２０を一組のみ有している。これにより、最小限の簡素な構成とすることで、装置の体格を小さくすることができる。また、部品点数の低減によりコストを低減することができる。

（その他の実施形態）
（ア）上記実施形態のセンサ部２は、一組のｓｉｎセンサ２１及びｃｏｓセンサ２２を含むＩＣパッケージ２０が回転軸Ｐ上に一つ設けられている。これに対し他の実施形態のセンサ部は、回転軸Ｐ上に複数のＩＣパッケージ２０が並べられ、ｓｉｎセンサ２１及びｃｏｓセンサ２２の組を複数組有する構成としてもよい。例えば、複数のＩＣパッケージ２０を冗長的に設けることで、いずれかのＩＣパッケージ２０が故障した場合でも、正常なＩＣパッケージ２０により検出対象８の回転角度及びストローク量を検出することができるため、信頼性が向上する。

（イ）本発明のセンサ部２は、上記実施形態のようにＩＣパッケージ２０として一体に形成される構成に限らず、例えば、ｓｉｎセンサ２１のみを含むパッケージと、ｃｏｓセンサ２２のみを含むパッケージとを直交配置して構成してもよい。
また、回転軸Ｐに対して２つの磁気検出素子２１、２２を直交させる配置は、図１、図２に例示した向きに限らず、どのような向きに配置してもよい。

（ウ）（削除）
以上、本発明は、上記実施形態になんら限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の形態で実施可能である。

１ ・・・回転角度及びストローク量検出装置、
２ ・・・センサ部、
２１・・・ｓｉｎセンサ（磁気検出素子）、
２２・・・ｃｏｓセンサ（磁気検出素子）、
５１・・・回転角度演算部、
５３・・・最大振幅演算部、
５４・・・ストローク量演算部、
８ ・・・検出対象。

Claims (2)

1. 磁界を発生し、回転軸を中心として回転可能、且つ前記回転軸上を直線変位可能な検出対象（８）の回転角度（α）及びストローク量（ΔＸ）を検出する装置であって、
   前記検出対象の回転及び直線変位に伴って変化する磁界を検出する複数の磁気検出素子（２１、２２）を有し、前記複数の磁気検出素子の検出値に基づく信号を出力するセンサ部（２）と、
   前記センサ部が出力した信号に基づき、前記検出対象の回転角度を演算する回転角度演算部（５１）と、
   前記回転角度演算部が用いる信号と共通の信号に基づき、前記検出対象のストローク量を演算するストローク量演算部（５４）と、
   を備え、
   前記センサ部は、
   回転軸上において互いに直交配置された２つの前記磁気検出素子であって、前記検出対象の回転角度に応じてｓｉｎ信号（Ｙｓ）を出力するｓｉｎセンサ（２１）、及び、前記検出対象の回転角度に応じてｃｏｓ信号（Ｙｃ）を出力するｃｏｓセンサ（２２）の組を回転軸上に複数組有しており、
   前記回転角度演算部は、前記ｓｉｎ信号と前記ｃｏｓ信号との比のアークタンジェントを算出することで前記検出対象の回転角度を演算し、
   前記ｓｉｎ信号又は前記ｃｏｓ信号の値と、前記回転角度演算部が演算した前記検出対象の回転角度におけるｓｉｎ値又はｃｏｓ値との比に基づいて、前記検出対象のストローク量に対応する前記ｓｉｎ信号及び前記ｃｏｓ信号の最大振幅（Ａ’）を演算する最大振幅演算部（５３）をさらに備え、
   前記ストローク量演算部は、前記最大振幅演算部が演算した前記最大振幅に基づいて、前記検出対象のストローク量を演算することを特徴とする回転角度及びストローク量検出装置（１）。
2. 前記ストローク量演算部は、
   前記最大振幅と前記検出対象のストローク量との関係を規定したマップを参照し、又は関係式を用いることで、前記検出対象のストローク量を演算することを特徴とする請求項１に記載の回転角度及びストローク量検出装置。

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