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 - Google Patents
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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CA−CB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
【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CA−CB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CAのみを検出するものである。
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CA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GAAS(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。
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CA−CB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CA−CB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CA−CB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CA−CB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。
(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CA−CB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。
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CA、CB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CA−CB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CA、CB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CA−CBの静電容量差として演算する。
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CA、CB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CA−CB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CA−CB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(CA、CB)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。
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 (3)
- 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CA−CB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CA−CB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。
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