JP2014115251A

JP2014115251A - 静電容量型ギアトースセンサ及び静電容量型の回転体の回転速度の検出方法

Info

Publication number: JP2014115251A
Application number: JP2012271499A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Abe; 宏阿部
Original assignee: ACT LSI KK; FIT PACIFIC Inc
Current assignee: ACT LSI KK; FIT PACIFIC Inc
Priority date: 2012-12-12
Filing date: 2012-12-12
Publication date: 2014-06-26

Abstract

【課題】電極の構造が簡単であると共に回転体の回転速度を精度良く計測すること。
【解決手段】回転体（２）の突起（３）に対して所定間隙（ａ）を有して筐体（１）側に静電容量式の一対の電極（４Ａ、４Ｂ）を有する一つのセンサーヘッド（４）を設け、電極の一方は突起の山側端面に対向するように配設され、一方、電極の他方は突起の谷側に対向するように配設され、電極に対応する一対のケーブル（６Ａ、６Ｂ）の各先端部を電極にそれぞれ接続し、一方、ケーブルの各後端部をそれぞれ静電容量演算回路（５Ａ）に接続し、回転体の回転時、電極で検出された静電容量は、検出信号としてケーブルを介して静電容量演算回路に送られ、該静電容量演算回路は各検出信号をＣ_Ａ−Ｃ_Ｂの静電容量差として演算する静電容量型ギアトースセンサ。
【選択図】図１

Description

本発明は、車両の前輪、後輪の回転速度を検出する車輪速センサーや自動車用エンジンの回転角度等を検出する回転速度センサーに関するもので、特に回転体の回転速度を検出する静電容量型ギアトースセンサ及び静電容量型の回転体の回転速度の検出方法に関する。

特許文献１の課題は、特開昭５８−５５７６０号公報に記載された車輪速センサーの欠点に鑑み、コイルが不要となり、コストの低減が可能になること、突起とセンサーヘッドとの間隙に水および異物が侵入して付着してもパルス信号としての出力電圧は一定になること等である。

この課題を解決する手段として、特許文献１の車輪速センサーは、プラス電極体１２に誘電体１４を設けたセンサーヘッド２６と、車輪と一体に回転する回転体Ｂの周部に所定のピッチ間隔で形成され且つセンサーヘッド２６に近接して他方の電極体になる突起２５と、双方の電極体間の静電容量をパルス電圧に変換して出力される出力電圧Ｖの増加分を一定の電圧値にカットオフするカットオフ手段とを備えている（符号は特許文献１のもの）。

この特許文献１の公知考案は、本発明と同様にコンデンサの原理を応用した静電容量式の車輪速センサーであるが、その構造が複雑である。また車体側のセンサーヘッドは、特許文献１の図１を見ると明らかなように、「１個」である。
付言すると、特許文献１のセンサーヘッドは、回転体の回転時、その突起の端面と対向する一つの静電容量Ｃ_Ａのみを検出するものである。

したがって、ノイズを除去するために出力電圧Ｖの増加分を一定の電圧値にカットオフするカットオフ手段を必ず設ける必要がある。またこの公知考案は、センサー部Ａのケース内に絶縁体で絶縁された電極収納部１１ａと基板収容部１１ｂとを設け、前記基板収容部１１ｂに一つのセンサーヘッドに接続するフレキシブル基板１８を介して前記カットオフ手段を有する前記電子回路（ＩＣ）が配設されている。電子回路（ＩＣ）は高温の場所にセンサーヘッドと共に配設されている。

したがって、高温対策として、例えばＧ_ＡＡ_Ｓ（ガリューム砒素）のような、高価な化合物半導体を使用しなければならないという問題点がある。

そこで、従来のギアトゥースセンサの問題点を簡単に指摘する。ギアトゥースセンサは、高温での回転角度の正確な計測の手段として使われている。ギアトゥースセンサのセンサーヘッドは、回転体（歯車）の歯（突起）の先端に近接して設置され、歯の山と谷、それぞれとの距離の差を検知することによって、通過した歯数をカウントする。原理的には、例えば特許文献２や特許文献３のように、高温で使用される歯車が磁性材料（主に鉄）で作られていることから、コイルや磁石を併用したホール素子が利用されている。しかし、最も一般的で安価なＳｉ（シリコン）を使ったホール素子は高温では特性が低下し、使用することが困難なため、比較的高価な化合物半導体が使われている。それでも使用可能な温度上限は、現状では１５０℃程度である。

実開平５−５９３１３号特開昭５８−５５７６０号公報特開２００９−２２２５２４号公報

本願発明の所期の目的は、特許文献１の問題点に鑑み、電極の構造が簡単であると共に、回転体の回転速度を精度良く計測することである。第２の目的は、電子回路（静電容量演算回路）に比較的高価な化合物半導体ではなく、比較的安価なシリコンＩＣを用いることができることである。なお、特許文献２に対しては、特許文献１と同様にコイルが不要であることから同様の目的がある。

本発明の静電容量型ギアトースセンサは、回転体（２）の突起（３）に対して所定間隙（ａ）を有して筐体（１）側に静電容量式の一対の電極（４Ａ、４Ｂ）を有する一つのセンサーヘッド（４）を設け、前記電極の一方は前記突起の山側端面に対向するように配設され、一方、前記電極の他方は前記突起の谷側に対向するように配設され、前記電極に対応する一対のケーブル（６Ａ、６Ｂ）の各先端部を前記電極にそれぞれ接続し、一方、前記ケーブルの各後端部をそれぞれ静電容量演算回路（５Ａ）に接続し、前記回転体の回転時、前記電極で検出された静電容量は、検出信号として前記ケーブルを介して前記静電容量演算回路に送られ、該静電容量演算回路は各検出信号をＣ_Ａ−Ｃ_Ｂの静電容量差として演算することを特徴とする。

また、本発明の静電容量型の回転体の回転速度の検出方法は、回転体（２）の突起（３）に対して所定間隙（ａ）を有して筐体（１）側に一対の電極（４Ａ、４Ｂ）を有する一つのセンサーヘッド（４）を設け、前記回転体の回転時、前記一方の電極が前記突起の山側に対向した場合には、前記他方の電極は前記突起の谷側に対向するようにして、前記電極を有するセンサーヘッド（４）が同時に検出した検出信号を前記電極にそれぞれ別個に接続する一対のケーブル（６Ａ、６Ｂ）を介して静電容量演算回路（５Ａ）が取得し、該静電容量演算回路は各検出信号をＣ_Ａ−Ｃ_Ｂの静電容量差として演算することを特徴とする。

ここで、「静電容量演算回路」とは、一対の静電容量−電圧変換回路（以下、「Ｃ−Ｖ変換回路」と呼ぶ）とそれらの出力電圧の差分を演算する演算増幅器より構成される回路、及びこの回路に類するものをいう。

したがって、本発明の静電容量型ギアトースセンサは、例えば回転体２の突起３に対して所定間隙ａを有して筐体１側に静電容量式の一対の電極４Ａ、４Ｂを有するセンサーヘッド４を設け、これらの電極の一方４Ａは前記突起３の山側端面に対向するように配設され、一方、電極の他方４Ｂは前記突起３の谷側に対向するように配設され、これら一対の電極４Ａ、４Ｂに対応する一対のケーブル６Ａ、６Ｂの各先端部をそれぞれ前記一対の電極４Ａ、４Ｂにそれぞれ接続し、一方、前記一対のケーブルの各後端部をそれぞれ静電容量−電圧変換回路（以下、Ｃ−Ｖ変換回路と称す）４に接続し、前記回転体２の回転時、前記一対の電極４Ａ、４Ｂで検出された静電容量は、検出信号として前記一対のケーブル６Ａ、６Ｂを介して前記Ｃ−Ｖ変換回路４に送られ、該Ｃ−Ｖ変換回路４は各検出信号をＣ_Ａ−Ｃ_Ｂの静電容量差として演算することを特徴とする。

また、本発明の静電容量型の回転体の回転速度の検出方法も、上記物の発明と同じである。なお、本発明は請求項１の構成をそのまま含み、センサーヘッド側の温度が高温に晒される使用環境においては、静電容量演算回路を構成するＣ−Ｖ変換回路は、前記電極に対して、外部よりシールドされた前記ケーブルを介して、センサーヘッドよりも低温の離れた場所に配設されており、前記Ｃ−Ｖ変換回路の半導体素子は、シリコンＩＣであることを特徴とする。

本発明は複数の電極を有する一つのセンサーヘッドでもって、回転体の突起が接近して通過したことを正確に検知できる。また、検知電極としてのセンサーヘッドと静電容量−電圧変換回路および演算回路としての電子回路との間を所望の範囲まで離して設置できるから、筺体或いは車体側の温度に関して、比較的低温度を維持可能な場所に電子回路を設置すれば、半導体素子として、一般的でもあり、かつ安価な材料でもあるＳｉ（シリコン）を利用することができる。さらに、検知電極を高温に耐える材料（例えばセラミック）を基材として利用すれば、数１００〜１０００℃以上の温度でも計測可能である。であるから、各請求項に記載の発明は次のとおりの効果がある。
（ａ）請求項１及び請求項３に記載の発明は、二つの電極を持つセンサーヘッドが一つあるだけなので、構造が極めて簡単である。またＣ−Ｖ変換回路は、各検出信号をＣ_Ａ−Ｃ_Ｂの静電容量差として出力するので、いわゆるノイズが少ない。
（ｂ）請求項２に記載の発明は、高温の場所に設置せざるを得ないセンサーヘッドから離して、車体の温度の低い箇所に電子回路（Ｃ−Ｖ変換回路）を配設することができるから、比較的高価な化合物半導体ではなく、比較的安価なシリコンＩＣを用いることができる。したがって、コストの低減化を図ることができる。

本発明の構成を示す概略説明図。本発明の要部を示す概略説明図（回転体の一部は展開）。一つのセンサーヘッドの二つの電極が突起の谷（ａ）と山（ｂ）に対峙した時の出力電圧の説明図。特許文献１（実開平５−５９３１３号）の技術的思想を示す概念図（回転体の一部は展開）。

図１乃至図３は本発明の一実施形態を示す各説明図、これに対して、図４は特許文献１（実開平５−５９３１３号）の技術的思想を示す概念図である（回転体の一部は展開）。
まず、特許文献１の技術的思想と本発明のそれとの相違点を把握するために、図４の公知考案を簡単に説明する。図４に於いて、Ｘは車体１側に固定的に配設された車輪速センサー、２は回転体（歯車）、３は回転体の突起（歯）である。車輪速センサーＸのセンサー部Ａは図示しないセンサーボディを備えており、このセンサーボディには先端部側の電極収容部と後端部側の基板収容部とが形成されている。先端部側の電極収容部内には、回転体の回転時、前記突起（歯）３の山（端面）３ａと所定間隔ａを有して対峙可能な「一つ」のセンサーヘッド４が設けられている。

また基板収容部には電子回路５が設けられ、該電子回路５は図示しないコネクタ、第１基板、フレキシブルな第２基板等の接続手段６を介して前記センサーヘッド４に電気的に接続している。そして、前記センサーヘッド４、接続手段６及び電子回路５はエポキシ樹脂系の絶縁体７によりセンサーボディから隔絶されている。

ところで、センサーヘッド３の先端部には、チタン酸バリウム・セラミックスを材料とした誘電体８が接着してあり、この誘電体８の周部も前記絶縁体７により被覆されていている。また回転体２は車輪（図示せず）と一体回転するローターであり、このローター２の周部には歯車状に複数の突起３が所定のピッチ間隔で形成してある。

上記構成に於いて、作用については、特許文献の、段落００１６等に記載の通りである。すなわち、ローター２の回転により、突起（マイナス電極体）３の端面３ａの右側が前記誘電体８に重なりあう初期では出力電圧Ｖが立ち上がり、また、前記突起（マイナス電極体）３の端面３ａが前記誘電体８に１：１で重なると出力電圧Ｖは一定になり、また前記突起（マイナス電極体）３の端面３ａの左側が前記誘電体８に重なりあう後期では出力電圧Ｖが立ち下がる。このために、ローター２の一つの突起３がセンサー部Ａのセンサーヘッド４に対して移動すると、１パルスが出力電圧Ｖとして発生し、突起（マイナス電極体）３が誘電体８に重なった数だけパルス信号が出力電圧Ｖとして発振する。

次に、図１乃至図３を参照にして本発明の静電容量型ギアトースセンサＸ１及び静電容量型の回転体の回転速度の検出方法Ｘ２を説明する。なお、本発明の構成・作用を説明するにあたって、特許文献１と同一の構成には、便宜上、同一或いは同様の符号を付して重複する説明を省略する。

これらの図に於いて、Ａはセンサー部、１は車体、２は回転体（歯車）、３は回転体の突起（歯）、３ａは突起の山、３ｂは突起の谷、ａは一つのセンサーヘッド４の一方の電極４Ａの先端面と前記突起の山３ａとの間の間隙、ｂは前記センサーヘッド４の他方の電極４Ｂの先端面と前記突起の谷３ｂとの間の間隙、５Ａは、少なくともＣ−Ｖ変換回路を有する静電容量演算回路、６Ａは一方の電極４Ａに対応する第１ケーブル、６Ｂは他方の電極４Ｂに対応する第２ケーブル、７は絶縁体である。

したがって、本発明の静電容量型ギアトースセンサＸ１は、回転体２の突起３に対して所定間隙ａ、ｂを有して筐体１或いは車体側に静電容量式の一つのセンサーヘッドに同一形態の二つの電極４Ａ、４Ｂを設け、このセンサーヘッド４の一方の電極４Ａは前記突起３の山側端面３ａに対向するように配設され、一方、前記センサーヘッド４の他方の電極４Ｂは前記突起３の谷側３ｂに対向するように配設され、これら一対の電極４Ａ、４Ｂに対応する一対のケーブル６Ａ、６Ｂの各先端部をそれぞれ前記一対の電極４Ａ、４Ｂにそれぞれ接続し、一方、前記一対のケーブル６Ａ、６Ｂの各後端部をそれぞれＣ−Ｖ変換回路を有する静電容量演算回路５Ａに接続し、前記回転体２の回転時、前記電極４Ａ、４Ｂで検出された静電容量Ｃ_Ａ、Ｃ_Ｂは、検出信号として前記一対のケーブル６Ａ、６Ｂを介して前記静電容量演算回路５Ａに送られ、該静電容量演算回路５Ａは各検出信号をＣ_Ａ−Ｃ_Ｂの静電容量差として演算する（特徴事項１）。

であるから、図１と図４を対比すると明らかなように、特許文献１と本発明の相違は、まず、特許文献１のセンサー部Ａのセンサーヘッド３の電極は「一つ」であるのに対して、本発明のセンサーヘッド４の電極４Ａ、４Ｂは「二つ」である点（相違点１）である。

すなわち、実施形態では、回転体２の突起３に対して所定間隙ａを有して筺体或いは車体１側に静電容量式の一対の電極４Ａ、４Ｂを設けている。各電極４Ａ、４Ｂは、同じサイズ、かつ同じ形状であり、例えば図２で示すように、同一平面上、回転体２の矢印方向に移行して来る各突起（歯）３の山３ａ及びその谷３ｂに対して、所定間隔ａ、ｂを有して同時に対峙する。

また実施形態では、各電極４Ａ、４Ｂに対応する一対のケーブル６Ａ、６Ｂに接続する静電容量演算回路５Ａは、高温の場所に設置せざるを得ない前記一つのセンサーヘッド４Ａ、４Ｂから離して、車体の温度の低い箇所に配設されている（特徴事項２）。
そして、回転体２の回転時、前記一つのセンサーヘッド４Ａ、４Ｂで検出された静電容量Ｃ_Ａ、Ｃ_Ｂは、検出信号として前記一対のケーブル６Ａ、６Ｂを介して静電容量演算回路５Ａに送られ、該静電容量演算回路５Ａは各検出信号をＣ_Ａ−Ｃ_Ｂの静電容量差として演算する。

図３は、二つの電極４Ａ、４Ｂが突起３の谷（ａ）と山（ｂ）に対峙した時の出力電圧の説明図であり、該図３が静電容量型の回転体の回転速度の検出方法Ｘ２を示している。

したがって、物の発明を方法の発明に置換すると、次のように成る。本発明の静電容量型の回転体の回転速度の検出方法Ｘ２は、回転体２の突起３に対して所定間隙ａを有して筐体１側に一対の電極（４Ａ、４Ｂ）を有する一つのセンサーヘッド４を設け、前記回転体の回転時、前記一方の電極が前記突起の山側に対向した場合には、前記他方の電極は前記突起の谷側に対向するようにして、前記電極を有するセンサーヘッド４が同時に検出した検出信号を前記電極にそれぞれ別個に接続する一対のケーブル（６Ａ、６Ｂ）を介して静電容量演算回路５Ａが取得し、該静電容量演算回路は各検出信号をＣ_Ａ−Ｃ_Ｂの静電容量差として演算するものである。

なお、図３は二つの電極４Ａ、４Ｂが突起３の谷３（ａ）と山（ｂ）に対峙した時の出力電圧の説明図であり、出力電圧が下がったり、立ち上がったり、一定になる等の作用は、従来の実施形態と同様である。

二つの電極４Ａ、４Ｂは、共にチタン酸バリウムやセラミックスを材料として出来ている。また静電容量演算回路５Ａを構成するＣ−Ｖ変換回路は比較的高価な化合物半導体ではなく、比較的安価なシリコンＩＣで出来ている。さらに、Ｃ−Ｖ変換回路はセンサー部Ａの中ではなく、一対のケーブル６Ａ、６Ｂを介してセンサー部Ａよりも低温の筺体或いは車体１の適宜箇所に配設されている。望ましくはケーブル６Ａ、６Ｂの長さは「１メートル以上」である。

実施形態では、二つの同じ形状で同じサイズの電極４Ａ、４Ｂを、同一平面上に少し間隔を置いて配置している。二つの同一形態の電極４Ａ、４Ｂは歯車２の回転方向と並行して配置されている。この場合、歯車のピッチに比べて二つの電極４Ａ、４Ｂを並べた幅が小さいとすると、歯車の回転に従って、二つの電極４Ａ、４Ｂと歯３の一つが対向する面積が変わる。歯３との対向面積か大きいほうが形成される静電容量が大きくなるため、図中の二つの静電容量（Ｃ_Ａ、Ｃ_Ｂ）間の静電容量差は、歯車２の回転に従い周期的に変化する。これを電気信号に置き換えるとギアトーセンサとなる。

車両の前輪、後車輪の回転速度を検出する車輪速センサーとして用いられる。

Ｘ…車輪速センサー、
Ｘ１…静電容量型ギアトースセンサ、
Ｘ２…静電容量型の回転体の回転速度の検出方法、
Ａ…センサー部、
１…車体又は筺体、２…回転体（歯車）、
３…回転体の突起（歯）、３ａ…突起の山、３ｂ…突起の谷、
４…センサーヘッド、
４Ａ…一方の電極、
４Ｂ…他方の電極、
ａ…一方の電極４Ａの先端面と突起の山３ａとの間の間隙、
ｂ…他方の電極４Ｂの先端面と突起の谷３ｂとの間の間隙、
５Ａ…静電容量演算回路（少なくともＣ−Ｖ変換回路を含む）、
６Ａ…一方の電極４Ａに対応する第１ケーブル、
６Ｂ…他方の電極４Ｂに対応する第２ケーブル、
７…は絶縁体。

Claims

回転体（２）の突起（３）に対して所定間隙（ａ）を有して筐体（１）側に静電容量式の一対の電極（４Ａ、４Ｂ）を有する一つのセンサーヘッド（４）を設け、前記電極の一方は前記突起の山側端面に対向するように配設され、一方、前記電極の他方は前記突起の谷側に対向するように配設され、前記電極に対応する一対のケーブル（６Ａ、６Ｂ）の各先端部を前記電極にそれぞれ接続し、一方、前記ケーブルの各後端部をそれぞれ静電容量演算回路（５Ａ）に接続し、前記回転体の回転時、前記電極で検出された静電容量は、検出信号として前記ケーブルを介して前記静電容量演算回路に送られ、該静電容量演算回路は各検出信号をＣ_Ａ−Ｃ_Ｂの静電容量差として演算する静電容量型ギアトースセンサ。
請求項１に於いて、該センサーヘッド側の温度が高温に晒される使用環境においては、静電容量演算回路を構成するＣ−Ｖ変換回路は、前記電極に対して、外部よりシールドされた前記ケーブルを介して、センサーヘッドよりも低温の離れた場所に配設されており、前記Ｃ−Ｖ変換回路の半導体素子は、シリコンＩＣであることを特徴とする静電容量型ギアトースセンサ。
回転体（２）の突起（３）に対して所定間隙（ａ）を有して筐体（１）側に一対の電極（４Ａ、４Ｂ）を有する一つのセンサーヘッド（４）を設け、前記回転体の回転時、前記一方の電極が前記突起の山側に対向した場合には、前記他方の電極は前記突起の谷側に対向するようにして、前記電極を有するセンサーヘッド（４）が同時に検出した検出信号を前記電極にそれぞれ別個に接続する一対のケーブル（６Ａ、６Ｂ）を介して静電容量演算回路（５Ａ）が取得し、該静電容量演算回路は各検出信号をＣ_Ａ−Ｃ_Ｂの静電容量差として演算する静電容量型の回転体の回転速度の検出方法。