JPH0140929B2 - - Google Patents
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- JPH0140929B2 JPH0140929B2 JP56132013A JP13201381A JPH0140929B2 JP H0140929 B2 JPH0140929 B2 JP H0140929B2 JP 56132013 A JP56132013 A JP 56132013A JP 13201381 A JP13201381 A JP 13201381A JP H0140929 B2 JPH0140929 B2 JP H0140929B2
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- G—PHYSICS
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- G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
- G01D5/12—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means
- G01D5/14—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage
- G01D5/20—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage by varying inductance, e.g. by a movable armature
- G01D5/2006—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage by varying inductance, e.g. by a movable armature by influencing the self-induction of one or more coils
- G01D5/2013—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage by varying inductance, e.g. by a movable armature by influencing the self-induction of one or more coils by a movable ferromagnetic element, e.g. a core
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Description
本発明は回転角を電気信号に変換する回転角セ
ンサーに関するものである。
この種の従来のものの1つに、回転角変位する
可動体とこの可動体にスライダーが連結されたポ
テンシヨメータを備えるものがある。これにおい
ては可動体の角変位置に対応したアナログ電圧が
ポテンシヨメータより得られる。この回転角セン
サーにおいては、ポテンシヨメータの薄膜抵抗の
耐摩耗性が高くしかもスライダーポジシヨンに対
する出力電圧レベルが安定していることが望まれ
ており、更には、可動体とスライダーの連結機構
におけるガタが少なく、しかも振動や衝撃に対し
ても、スライダーと薄膜抵抗との接触が十分に安
定していることが望まれている。
しかしながら、ポテンシヨメータにおけるスラ
イダーと薄膜抵抗との接続は圧接であるため、摩
耗、振動等により、回転角に対していずれは不安
定な出力電圧を生ずるようになる。
また、従来のセンサの1つに、磁心と、この磁
心に巻回された巻線およびこの巻線を一部に用い
た発振回路を備えたセンサがある。この種のセン
サは、例えば、ロータの回転位置を検出する装置
を開示した実公昭51−3018号公報、特開昭50−
65275号公報、位置、動きの測定装置を開示した
特公昭43−9793号公報、圧力を位置の変位に変換
する装置を開示した実開昭54−56990号公報等に
開示されている。これらのセンサは、磁心に加わ
る外部磁界の変化により発振回路の発振周波数が
変化することを用い、変位を周波数に変換するも
のである。
このような周波数の変化を利用したセンサは、
検出結果が周波数で出力されるため周波数測定器
が必要となる。また、結出結果の出力に測定には
最低でも、発振の起点(HレベルからLレベル
へ、またはLレベルからHレベルへ移り変わる
点)から1/2周期必要である。したがつて、測定
の開始時には、開始点から発振の起点までの間の
遅れが生ずる。
更に、従来のセンサの1つに、位置の変化を磁
界の変化に換算し、磁界の変化をコイルにより電
圧に変換するセンサがある。この種のセンサは、
外圧を磁歪素子により磁束の変化に変換する装置
を開示した特開昭52−21875号公報、実用新案登
録第353311号明細書、バイメタルの変位を用いて
温度を検出する装置を開示した実開昭48−20481
号公報、圧力に応じて磁石を変位させた装置を開
示した特公昭46−23674号公報等に開示されてい
る。
このような磁界の変化を電圧に変換するセンサ
は、電圧値を出力とするため、電気ノイズに対し
て弱く、誤差が大きくなる。
本発明の第1の目的は、機械的変位を電気信号
に変換する機械−電気変換系に機械的な接触機構
を有しない、非接触変換手段を備える回転角セン
サーを提供することである。
本発明の第2の目的は、耐振動、耐衝撃性が高
い堅牢な回転角センサーを提供することである。
本発明の第3の目的は、回転角検出信号の電気
処理が比較的に簡単な回転角センサーを提供する
ことである。
本発明の第4の目的は、最近目覚しい進歩をと
げたマイクロコンピユータなどのLSIにて、比較
的に簡単な読取ロジツクで回転角データを読み取
り得る回転角センサーを提供することである。
本発明によれば、樹脂製ボデイの内部に回転軸
が回転可能に支持されるとともに、電気コイルが
巻回された軟磁性体と永久磁石が固定的に配設さ
れる。該回転軸上には強磁性体が固定されて軟磁
性体に作用する永久磁石の磁束を制御すべく永久
磁石と軟磁性体に接触することなく回転軸ととも
に回転変位可能である。1つの実施例によれば、
2つの軟磁性体が回転軸に関し半径方向に対向し
た位置に配設され、1つの永久磁石が2つの軟磁
性体の円周方向中間位置に配設される。他の実施
例によれば、1つの軟磁性体と1つの永久磁石が
円周方向に互いに離間した位置に配設される。軟
磁性体の横断面面積は磁気飽和を生じやすいよう
に小面積とされ、電気コイルの巻回数は比較的に
低い印加電圧すなわち比較的に低い通電電流レベ
ルで軟磁性体が磁気飽和するに十分に多い巻回数
とされ、強磁性体は、その予定移動範囲内におい
て軟磁性体に、その移動量に対応した強度の磁界
を与える程度の小形のものとされる。
軟磁性体に巻回したコイルに電圧を印加し、電
圧印加始点より、軟磁性体が磁気飽和するまでの
時間をTとすると、概略では、
T−N/E・(φm−φx) ……(1)
となる。但し、
E:電気コイル印加電圧
N:電気コイルの巻回数
φm:最大磁束(≒飽和磁束)
φx:外部磁界による磁束
である。そこで、強磁性体の移動によりφxが変
化するとTが変化する。すなわち、回転角に応じ
て強磁性体が変位し、これに対応して軟磁性体に
加わる外部磁束φxが変化し、コイルに電圧を印
加してからコイル電流が所定レベルになるまでの
時間Tが変化する。それ故本発明の回転角センサ
ーには、Tを計測しそれを電圧レベル、デジタル
コード等の電気信号で表わす電気回路又は半導体
電子装置を接続する。本発明の好ましい実施例に
おいては、軟磁性体をアモーフアス
(amorphous:非晶質)磁性体とする。アモーフ
アス磁性体は、液相金属を急冷して作らざるを得
ないため薄板であり、しかも磁気的には強磁性で
あつて透磁率及び飽和磁化が大きくそして保持力
が小さく、又機械的には破断強さがきわめて高
く、弾力性および復力性に優れる。このようなア
モーフアス磁性体の特性は、本発明の回転角セン
サーにきわめて好都合であり、これを用いると電
気的にはTの計測において信号処理が簡単かつ高
精度となるというメリツトがあり、機械的には製
造が簡単になり、耐振,耐衝撃性が向上する。
本発明の他の目的および特徴は、図面を参照し
た以下の実施例説明において明確にする。
第1図に示す実施例において回転角センサー1
は、中央開孔2を有する第1の樹脂製ボデイ3お
よび偏心開口4を有する第2の樹脂製ボデイ5を
有する。両ボデイ3,5は、金属製リング6によ
つてOリングシール7を介して互いに固定され
る。該中央開孔2内には樹脂製の回転軸8が挿通
し、該回転軸8の一端9は図示しない回転駆動手
段に連結され、その他端10は第2の樹脂ボデイ
5の底壁凹所11内にベアリング保持される。さ
らに回転軸8の中央部にはネジ部12が形成さ
れ、該ネジ部12と螺合するナツト13によつて
位置決めされた強磁性体の扇形部材14(第2図
参照)が固定される。従つて、扇形部材14は回
転軸8の回転と一体に回転する。
第2の樹脂ボデイ5の底壁上には、略扇形(第
2図)をした金属製台座15がビス16により固
着され、該台座15上には、樹脂製ホルダ17に
よつて保持された永久磁石18が回転軸8と略平
行に固定される。
第2図であきらかなように、回転軸8に関し半
径方向に対向した位置に第1の軟磁性体19と第
2の軟磁性体20が配置される。第1の軟磁性体
19は、ボビン21を貫通し、このボビン21に
電気コイル22が巻回されている。ボビン21は
第1の軟磁性体19を圧着した状態で、金属製台
座15を貫通し、ボデイ5の底壁に固着される。
コイル22の両端はそれぞれターミナルを介して
リード23および24に接続されている。第2の
軟磁性体20も同様な構成で、リード25および
26が接続されている。これらのリード23ない
し26は、ボデイ5の偏心開口4を挿通するチユ
ーブ27内に収容されて、回転角センサー1外に
延在する。該チユーブ27は、ゴム製ホルダ28
によつて位置決めされ、該ホルダ28はビス2
9,29によりボデイ5に固定された金属製カバ
ー30によつて脱け止めされる。
第4a図に示す電気処理回路180は、第1−
3図に示す回転角センサー1における扇形部材1
4の位置に対応したアナログ電圧Vxを生ずる。
回路180において、入力電圧パルス(IN)の
プラスレベルの間NPNトランジスタ103がオ
ン、アースレベルの間103がオフとなる。トラ
ンジスタ103のコレクタ電圧は、2個の反転増
幅器IN3およびIN4を通して増幅および波形整
形されてNPNトランジスタ121のベースに印
加される。それ故入力電圧パルス(IN)のプラ
スレベルの間トランジスタ103がオン、121
がオフでPNPトランジスタ104がオフ、アー
スレベルの間トランジスタ103がオフ、121
がオンでトランジスタ104がオンとなる。つま
りコイル22には、パルス状に電圧が印加され、
抵抗105に、扇形部材14の軟磁性体19又は
20からの距離x1に対応した、入力電圧パルス
(IN)の立下りからtd1遅れて立上る電圧パルス
が現われる。もう一方の電気コイルにはPNPト
ランジスタ181を介して定電圧が印加される。
このトランジスタ181は、入力電圧パルス
(IN)がプラスレベルの間、トランジスタ103
がオンで反転増幅器IN5の出力がプラスレベル
でNPNトランジスタ182がオンであるため、
オンであり、トランジスタ181は入力電圧パル
ス(IN)がアースレベルの間オフである。これ
により、第2の電気コイルには、第1の電気コイ
ル22に電圧が印加されていない間に一定電圧が
印加され、コイル22に電圧が印加されている間
には電圧は印加されない。つまり入力電圧パルス
(IN)に応じて、第1および第2のコイル22,
31には交互に一定電圧が印加される。第2の電
気コイル31には抵抗183が接続されており、
この抵抗に、扇形部材14の軟磁性体19又は2
0よりの距離X2に対応した、入力電圧パルス
(IN)の立上りからtd2遅れて立上る電圧パルス
が現われる。抵抗105の電圧Vx1はキヤパシタ
184の一方の電極に、また抵抗183の電圧
Vx2はキヤパシタ184の他方の電極に印加され
る。扇形部材14と第1および第2の軟磁性体1
9および20との距離がそれぞれX1およびX2で
あり、X1+X2=K(定数)であるので、また、
Vx1∝X1およびVx2∝X2であるので、キヤパシ
タ184の両端間の電位差はX1−X2に対応する。
キヤパシタ184と抵抗185で積分回路が構成
されているので、キヤパシタ184の電圧はX1
−X2に対応する。ここでX2=K−X1であるか
ら、X1−X2=2X1+Kで、キヤパシタ184の
電圧は2X1に対応する。つまり、第1の軟磁性体
19を基点にとつた扇形部材14の移動量X1の
2倍に対応するアナログ電圧が得られる。キヤパ
シタ184の両端は、差動増幅設定とした演算増
幅器186に印加される。増幅器186のアナロ
グ出力Vxは、したがつて2X1に対応する。第1
0b図に示す電気処理回路200は、2つの回路
120のそれぞれで入力パルスの立上りよりtd1
およびtd2遅れたパルスが得られ、これらは2個
の計数回路140のそれぞれに印加され、td1お
よびtd2を示すコードS18およびS29に変換
され、引算器201に印加される。引算器201
はS18とS29を用いてtd1−td2の減算をし
て、td1−td2つまり2X1を表わすデジタルコード
Sx=S18−S29を出力する。第10c図に
示す論理処理電子装置220では、1チツプマイ
クロコンピユータ221が、まず、電気コイル2
2に接続された回路120に1パルスを与えて、
その立上りから時間カウントを開始してtd1カウ
ントデータS18を作成して保持し、次に電気コ
イル31に接続された回路120に1パルスを与
えてその立上りから時間カウントを開始してtd2
カウントデータS29を作成して、td1−td2を演
算してそれを示すコードSx=S18−S29を出力し、
測定指令信号が与えられている間、これを継続す
る。
本発明者は、第5a,5b図に示す如く、軟磁
性体19および20を互いに平行にして固定しそ
れらの中間に永久磁石18を配置して、磁石18
を軟磁性体19および20に平行にし、かつ、扇
形の軟鉄板14を軟磁性体19,20および永久
磁石14の上方を回動するようにして、軟鉄板1
4の中心が永久磁石14の真上にあるとき、すな
わち、軟鉄板14の中心が2つの軟磁性体19,
20の中間にあるとき、回転角αを0として、軟
鉄板14の回転量αに対する出力電圧Vを測定し
た。形状および配置位置を示す寸法、および軟磁
性体の材質等の測定データの対応関係を次のテー
ブル1に示す。
The present invention relates to a rotation angle sensor that converts a rotation angle into an electrical signal. One of the conventional devices of this type includes a movable body that changes a rotational angle and a potentiometer that has a slider connected to the movable body. In this case, an analog voltage corresponding to the angular position of the movable body is obtained from a potentiometer. In this rotation angle sensor, it is desired that the thin film resistor of the potentiometer has high wear resistance and that the output voltage level with respect to the slider position is stable. It is desired that the contact between the slider and the thin film resistor be sufficiently stable with little play and even against vibrations and shocks. However, since the slider and thin film resistor in the potentiometer are connected by pressure contact, wear, vibration, etc. will eventually produce an unstable output voltage with respect to the rotation angle. Further, one of the conventional sensors includes a sensor including a magnetic core, a winding wound around the magnetic core, and an oscillation circuit using the winding as a part. This type of sensor is known, for example, from Japanese Utility Model Publication No. 51-3018, which discloses a device for detecting the rotational position of a rotor;
They are disclosed in Japanese Patent Publication No. 65275, Japanese Patent Publication No. 43-9793 which discloses a position and movement measuring device, and Japanese Utility Model Publication No. 54-56990 which discloses a device that converts pressure into positional displacement. These sensors convert displacement into frequency by using the fact that the oscillation frequency of an oscillation circuit changes due to changes in the external magnetic field applied to the magnetic core. Sensors that utilize such frequency changes are
Since the detection result is output as a frequency, a frequency measuring device is required. Furthermore, at least 1/2 period from the starting point of oscillation (the point of transition from H level to L level, or from L level to H level) is required to output the coupling result. Therefore, at the start of measurement, there is a delay between the starting point and the starting point of oscillation. Furthermore, one of the conventional sensors is a sensor that converts a change in position into a change in magnetic field, and converts the change in magnetic field into a voltage using a coil. This kind of sensor is
Japanese Unexamined Patent Publication No. 52-21875 discloses a device that converts external pressure into a change in magnetic flux using a magnetostrictive element, Utility Model Registration No. 353311 discloses a device that detects temperature using displacement of a bimetal. 48−20481
This is disclosed in Japanese Patent Publication No. 46-23674, which discloses a device in which a magnet is displaced in accordance with pressure. A sensor that converts such a change in a magnetic field into a voltage outputs a voltage value, so it is vulnerable to electrical noise and has a large error. A first object of the present invention is to provide a rotation angle sensor equipped with a non-contact conversion means that does not have a mechanical contact mechanism in a mechanical-electrical conversion system that converts mechanical displacement into an electrical signal. A second object of the present invention is to provide a robust rotation angle sensor with high vibration and shock resistance. A third object of the present invention is to provide a rotation angle sensor in which electrical processing of a rotation angle detection signal is relatively simple. A fourth object of the present invention is to provide a rotation angle sensor that can read rotation angle data using relatively simple reading logic in an LSI such as a microcomputer, which has recently made remarkable progress. According to the present invention, a rotating shaft is rotatably supported inside a resin body, and a soft magnetic material around which an electric coil is wound and a permanent magnet are fixedly disposed. A ferromagnetic material is fixed on the rotating shaft and can be rotated and displaced together with the rotating shaft without contacting the permanent magnet and the soft magnetic material in order to control the magnetic flux of the permanent magnet acting on the soft magnetic material. According to one embodiment:
Two soft magnetic bodies are disposed at positions facing each other in the radial direction with respect to the rotating shaft, and one permanent magnet is disposed at a circumferentially intermediate position between the two soft magnetic bodies. According to another embodiment, one soft magnetic body and one permanent magnet are disposed at positions spaced apart from each other in the circumferential direction. The cross-sectional area of the soft magnetic material is small enough to easily cause magnetic saturation, and the number of turns of the electric coil is sufficient to cause the soft magnetic material to magnetically saturate at a relatively low applied voltage, i.e., at a relatively low current level. The ferromagnetic material is small enough to apply a magnetic field of strength corresponding to the amount of movement to the soft magnetic material within its expected movement range. If a voltage is applied to a coil wound around a soft magnetic material, and T is the time from the starting point of voltage application until the soft magnetic material becomes magnetically saturated, approximately, T-N/E・(φm-φx)... (1) becomes. However, E: Voltage applied to the electric coil N: Number of turns of the electric coil φm: Maximum magnetic flux (≒ saturation magnetic flux) φx: Magnetic flux due to external magnetic field. Therefore, when φx changes due to movement of the ferromagnetic material, T changes. In other words, the ferromagnetic material is displaced according to the rotation angle, and the external magnetic flux φx applied to the soft magnetic material changes accordingly, and the time T from when voltage is applied to the coil until the coil current reaches a predetermined level. changes. Therefore, the rotation angle sensor of the present invention is connected to an electric circuit or a semiconductor electronic device that measures T and represents it as an electric signal such as a voltage level or a digital code. In a preferred embodiment of the invention, the soft magnetic material is an amorphous magnetic material. Amorphous magnetic materials have to be made by rapidly cooling liquid-phase metals, so they are thin plates.Moreover, they are magnetically ferromagnetic, have high permeability and saturation magnetization, and have low coercive force. Extremely high breaking strength, excellent elasticity and resilience. These characteristics of the amorphous magnetic material are extremely advantageous for the rotation angle sensor of the present invention, and its use has the advantage of simplifying and highly accurate signal processing when measuring T electrically, while mechanically This simplifies manufacturing and improves vibration and impact resistance. Other objects and features of the present invention will become clearer in the following description of embodiments with reference to the drawings. In the embodiment shown in FIG.
has a first resin body 3 having a central opening 2 and a second resin body 5 having an eccentric opening 4. Both bodies 3, 5 are fixed to each other by a metal ring 6 via an O-ring seal 7. A rotating shaft 8 made of resin is inserted into the central opening 2, one end 9 of the rotating shaft 8 is connected to a rotation drive means (not shown), and the other end 10 is connected to a recess in the bottom wall of the second resin body 5. The bearing is held within 11. Further, a threaded portion 12 is formed in the center of the rotating shaft 8, and a ferromagnetic fan-shaped member 14 (see FIG. 2) positioned by a nut 13 screwed into the threaded portion 12 is fixed. Therefore, the fan-shaped member 14 rotates together with the rotation of the rotating shaft 8. On the bottom wall of the second resin body 5, a substantially sector-shaped (FIG. 2) metal pedestal 15 is fixed with screws 16, and on the pedestal 15 is held by a resin holder 17. A permanent magnet 18 is fixed substantially parallel to the rotating shaft 8. As is clear from FIG. 2, the first soft magnetic body 19 and the second soft magnetic body 20 are arranged at positions facing each other in the radial direction with respect to the rotating shaft 8. The first soft magnetic body 19 passes through a bobbin 21, and an electric coil 22 is wound around the bobbin 21. The bobbin 21 passes through the metal pedestal 15 and is fixed to the bottom wall of the body 5 with the first soft magnetic material 19 crimped thereon.
Both ends of the coil 22 are connected to leads 23 and 24 via terminals, respectively. The second soft magnetic body 20 also has a similar configuration, and leads 25 and 26 are connected. These leads 23 to 26 are housed in a tube 27 that passes through the eccentric opening 4 of the body 5 and extends outside the rotation angle sensor 1. The tube 27 is attached to a rubber holder 28
The holder 28 is positioned by the screw 2
It is prevented from coming off by a metal cover 30 fixed to the body 5 by 9 and 29. The electrical processing circuit 180 shown in FIG.
Sector-shaped member 1 in the rotation angle sensor 1 shown in Fig. 3
Generates analog voltage Vx corresponding to position 4.
In the circuit 180, the NPN transistor 103 is on while the input voltage pulse (IN) is at a positive level, and is off while the input voltage pulse (IN) is at a ground level. The collector voltage of transistor 103 is amplified and waveform-shaped through two inverting amplifiers IN3 and IN4, and then applied to the base of NPN transistor 121. Therefore, during the positive level of the input voltage pulse (IN) transistor 103 is on, 121
is off, PNP transistor 104 is off, transistor 103 is off while at ground level, 121
is turned on, and the transistor 104 is turned on. In other words, a pulsed voltage is applied to the coil 22,
A voltage pulse appears at the resistor 105, which rises with a delay of td 1 from the fall of the input voltage pulse (IN), corresponding to the distance x 1 of the sector-shaped member 14 from the soft magnetic body 19 or 20. A constant voltage is applied to the other electric coil via a PNP transistor 181.
This transistor 181 is connected to the transistor 103 while the input voltage pulse (IN) is at a positive level.
is on, the output of the inverting amplifier IN5 is at a positive level, and the NPN transistor 182 is on, so
on, and transistor 181 is off while the input voltage pulse (IN) is at ground level. As a result, a constant voltage is applied to the second electric coil while no voltage is applied to the first electric coil 22, and no voltage is applied while the voltage is applied to the coil 22. That is, depending on the input voltage pulse (IN), the first and second coils 22,
A constant voltage is alternately applied to 31. A resistor 183 is connected to the second electric coil 31,
In response to this resistance, the soft magnetic material 19 or 2 of the fan-shaped member 14
A voltage pulse appears that corresponds to a distance X 2 from 0 and rises with a delay of td 2 from the rise of the input voltage pulse (IN). The voltage Vx 1 of the resistor 105 is applied to one electrode of the capacitor 184, and the voltage of the resistor 183 is applied to one electrode of the capacitor 184.
Vx 2 is applied to the other electrode of capacitor 184. Sector-shaped member 14 and first and second soft magnetic bodies 1
Since the distances from 9 and 20 are X 1 and X 2 , respectively, and X 1 + X 2 = K (constant),
Since Vx 1 ∝X 1 and Vx 2 ∝X 2 , the potential difference across capacitor 184 corresponds to X 1 −X 2 .
Since the capacitor 184 and the resistor 185 constitute an integrating circuit, the voltage of the capacitor 184 is X 1
−X corresponds to 2 . Here, since X 2 =K−X 1 , X 1 −X 2 =2X 1 +K, and the voltage of the capacitor 184 corresponds to 2X 1 . In other words, an analog voltage corresponding to twice the amount of movement X 1 of the fan-shaped member 14 from the first soft magnetic body 19 is obtained. Both ends of capacitor 184 are applied to operational amplifier 186 in a differential amplification setting. The analog output Vx of amplifier 186 therefore corresponds to 2X1 . 1st
The electrical processing circuit 200 shown in FIG .
and td 2 delayed pulses are obtained, which are applied to each of the two counting circuits 140, converted into codes S18 and S29 indicating td 1 and td 2 , and applied to the subtracter 201. Subtractor 201
subtracts td 1 - td 2 using S18 and S29, and produces a digital code that represents td 1 - td 2 , that is, 2X 1.
Output Sx=S18-S29. In the logic processing electronic device 220 shown in FIG. 10c, a one-chip microcomputer 221 first
Applying one pulse to the circuit 120 connected to 2,
Time counting is started from the rising edge of the rising edge, and TD 1 count data S18 is created and held.Next, one pulse is given to the circuit 120 connected to the electric coil 31, and time counting is started from the rising edge of TD 2.
Create count data S29, calculate td 1 - td 2 and output code Sx = S18 - S29 indicating it,
This continues while the measurement command signal is being given. As shown in FIGS. 5a and 5b, the present inventor fixed the soft magnetic bodies 19 and 20 parallel to each other, placed the permanent magnet 18 between them, and
is parallel to the soft magnetic bodies 19 and 20, and the fan-shaped soft iron plate 14 is rotated above the soft magnetic bodies 19, 20 and the permanent magnet 14.
4 is directly above the permanent magnet 14, that is, when the center of the soft iron plate 14 is directly above the two soft magnetic bodies 19,
20, the rotation angle α was set to 0, and the output voltage V with respect to the rotation amount α of the soft iron plate 14 was measured. Table 1 below shows the correspondence between dimensions indicating the shape and placement position, and measurement data such as the material of the soft magnetic body.
【表】【table】
【表】
軟鉄板14の回転角αが−15゜≦α≦+15゜の範
囲にあるときは、第6a図であきらかなように、
直線性が高いα対V特性が得られる。また、第6
b図であきらかなように、−15゜≦α≦15゜の範囲
で、直線性が高いα対td(時間差)特性が得られ
る。これは軟鉄板14の中心が図示位置から±
15゜の範囲内で回転角変位すれば直線性が良くな
ることを表し、軟鉄板14が上記範囲内にあれば
軟磁性体に作用する磁石の磁束が増加し、範囲外
にまで回転角変位すれば磁束が減少することを意
味する。それ故、軟磁性体19と20の距離角β
のみならず、永久磁石18の形状およびその発生
磁界の強さによつてもα−V特性が変わるので、
α−V特性は比較的に容易に所望のものに選定し
うる。
第7〜9図は本発明の他の実施例を示し、前記
実施例と大きく異るところは、軟磁性体が1個配
設されている点である。すなわち、この実施例に
よる回転角センサー50は、第1の樹脂製ボデイ
51と該ボデイ51に超音波溶着された第2の樹
脂製ボデイ52を有する。ボデイ51の中央開孔
53には回転軸54が挿通され、回転軸54の端
部に強磁性体の扇形部材55が固着される。
第2樹脂ボデイ52は、円周方向に離間した位
置に第1突起部56と第2突起部57が形成さ
れ、第1突起部56内部には、その周囲が電気コ
イル58によつて巻回された軟磁性体59が固着
される。コイル58の各端は夫々リード60,6
1となつて回転角センサー50のボデイ外部に延
在する。第2突起部57内部には永久磁石62が
固定的に配設される。
扇形部材55の回転角変位によつて、永久磁石
62の軟磁性体50に作用する磁束が変化し、こ
の変化は電気処理回路もしくは論理処理電子装置
で検出される。
第10a図は1つの電気処理回路100を示
す。回路100の定電圧電源端子101には一定
レベルの直流電圧(たとえば+5V)が印加され
る。入力端子102には、たとえば5〜25KHzの
電圧パルスが印加され、該電圧パルスのプラス電
圧区間にNPNトランジスタ103が導通し、ア
ースレベルの間NPNトランジスタ103は非導
通となる。PNPトランジスタ104はトランジ
スタ103がオンの間オンとなり、オフの間オフ
となる。したがつて電気コイル58には、入力端
子102に印加される電圧パルスのプラスレベル
区間に定電圧(Vcc)が印加され、アースレベル
区間には電圧は加わらない。コイル58に流れる
電流に比例した電圧が抵抗105に現われ、この
電圧が抵抗106とキヤパシタ107でなる積分
回路で積分され、積分電圧が出力端108に現わ
れる。第10b図は第10a図に示す回路の入、
出力電圧波形を示す。入力電圧(IN)がプラス
レベルに立上つてから、抵抗105の電圧がある
レベル以上に立上るまでの時間tdおよび抵抗10
5の電圧(a)の積分電圧Vxは扇形部材55の位置
に対応する。
第11a図は他の1つの電気処理回路120を
示す。入力電圧(IN)がプラスレベルの間NPN
トランジスタ103がオン、PNPトランジスタ
104がオンしてコイル58には電圧が印加され
る。入力電圧(IN)がアースレベルの間トラン
ジスタ103がオフ、PNPトランジスタ104
がオフしてコイル58には電圧が印加されない。
コイル電流は定電流接続をした接合形Nチヤンネ
ルFET1およびFET2に流れ、FET1および
FET2で一定レベル電流値に制御される。FET
2を流れる電流のレベルは可変抵抗122で設定
される。FET1およびFET2に接続されたコイ
ル端子の電圧は、反転増幅器IN1およびIN2で
増幅および波形成形される。第11b図は第11
a図に示す回路の入、出力電圧波形を示す。回路
120の出力(OUT)は、入力パルス(IN)よ
りもtdだけ遅れて立上る電圧パルスであり、この
tdが磁石14の位置に対応する。tdは第4図に示
す計数回路140でデジタルコードで表わされ
る。回路140において、入力電圧(IN)の立
上りでフリツプフロツプF1がセツトされてその
Q出力が高レベル「1」となり、アンドゲートA
1がゲート開(オン)となつてクロツクパルス発
振器141の発生パルスがカウンタ142のカウ
ントパルス入力端CKに印加される。出力パルス
(OUT)とF1のQ出力がアンドゲートA2に印
加され、出力パルス(OUT)が立上るとアンド
ゲートA2が高レベル「1」に立上り、その立上
り点でフリツプフロツプF1がリセツトされその
Q出力が低レベル「0」となる。これによりアン
ドゲートA1がゲート閉(オフ)となり、カウン
タ142へのクロツクパルスは遮断される。アン
ドゲートA2の出力が「1」になつたとき、ラツ
チ143にカウンタ142のカウントコードが取
り込まれる。フリツプフロツプF1がリセツトさ
れ、ラツチ143にカウントコードが取り込まれ
た後に、アンドゲートA3がクロツクパルスを出
力し、カウンタ142をクリアする。ラツチ14
3の出力コードはtdの間のクロツクパルス発生個
数を示し、このコードがtdを示すことになる。
第13図に示す電子処理ユニツト160は、1
チツプマイクロコンピユータ(大規模集積半導体
装置)161、増幅器162、定電流制御用の接
合形NチヤンネルFET1、抵抗163、キヤパ
シタ164、増幅器165およびクロツクパルス
発振器166で構成する。抵抗163とキヤパシ
タ164は、入、出力パルス周波数よりも高い周
波数の電圧振動を吸収するフイルタを構成してい
る。マイクロコンピユータ161はクロツクパル
スを基本に5KHz〜30KHzの範囲内の一定周波数
のパルスを形成しこれを増幅器162に与える。
一方、マイクロコンピユータ161はNチヤンネ
ルFET1とコイル58の一端との接続点の電圧
(増幅器165の出力電圧)を監視し、それ自身
が出力したパルスの立上り点から増幅器165の
出力電圧の立上り点まで(td)の間クロツクパル
スをカウントし、tdを示すコードを出力する
(DATA OUT)。
以上のように、第7図に示す回転角センサー5
0には、各種の電気処理回路および論理処理電子
装置を接続して、回転角センサー50の扇形部材
55の位置に対応した電気信号を得ることができ
る。
以上の実施例および実験データを参照した説明
から理解されるように、本発明の回転角センサー
は摺動接点を有せず、回転角に対応した可動体の
変位を電気コイルの入力パルスと電気コイルの通
電電流パルスの時間差tdに変換し、tdをアナログ
電圧もしくは時間カウントコードで得る電気的処
理で回転角検出信号が得られるので、耐振動性が
高く、しかも機械的な摩耗等の劣化が少ない。可
動体とトランスデユーサとの間に連結機構が無い
ので、ガタなどを生ぜず、安定して圧力検出をお
こなう。特筆すべきは、センサーに接続される電
気処理回路の構成が簡単であり、特に、1チツプ
マイクロコンピユータなどの大規模半導体装置
で、回転角検出用パルスを作成し、そのパルスと
電気コイルの通電電流検出パルスの時間差をデジ
タルコードで簡単に得ることができるということ
である。[Table] When the rotation angle α of the soft iron plate 14 is in the range of -15°≦α≦+15°, as is clear from Fig. 6a,
α vs. V characteristics with high linearity can be obtained. Also, the 6th
As is clear from Figure b, highly linear α vs. td (time difference) characteristics can be obtained in the range of −15°≦α≦15°. This means that the center of the soft iron plate 14 is ± from the illustrated position.
A rotational angular displacement within the range of 15° indicates that linearity will be improved, and if the soft iron plate 14 is within the above range, the magnetic flux of the magnet acting on the soft magnetic material will increase, and the rotational angular displacement will exceed the range. This means that the magnetic flux decreases. Therefore, the distance angle β between the soft magnetic bodies 19 and 20
In addition, the α-V characteristics vary depending on the shape of the permanent magnet 18 and the strength of the magnetic field generated by it.
The desired α-V characteristic can be selected relatively easily. 7 to 9 show another embodiment of the present invention, which differs greatly from the previous embodiment in that one soft magnetic body is provided. That is, the rotation angle sensor 50 according to this embodiment has a first resin body 51 and a second resin body 52 ultrasonically welded to the body 51. A rotating shaft 54 is inserted through the central opening 53 of the body 51, and a fan-shaped member 55 made of ferromagnetic material is fixed to the end of the rotating shaft 54. The second resin body 52 has a first protrusion 56 and a second protrusion 57 formed at positions spaced apart in the circumferential direction, and an electric coil 58 is wound around the inside of the first protrusion 56. The soft magnetic material 59 is fixed. Each end of the coil 58 is connected to a lead 60, 6, respectively.
1 and extends outside the body of the rotation angle sensor 50. A permanent magnet 62 is fixedly disposed inside the second protrusion 57 . The rotational angular displacement of the sector 55 causes a change in the magnetic flux acting on the soft magnetic body 50 of the permanent magnet 62, and this change is detected by an electrical processing circuit or logic processing electronics. FIG. 10a shows one electrical processing circuit 100. FIG. A constant level DC voltage (for example, +5V) is applied to a constant voltage power supply terminal 101 of the circuit 100. A voltage pulse of, for example, 5 to 25 KHz is applied to the input terminal 102, and the NPN transistor 103 is conductive during the positive voltage section of the voltage pulse, and is non-conductive during the ground level. The PNP transistor 104 is on while the transistor 103 is on, and is off while the transistor 103 is off. Therefore, a constant voltage (Vcc) is applied to the electric coil 58 during the positive level section of the voltage pulse applied to the input terminal 102, and no voltage is applied to the ground level section. A voltage proportional to the current flowing through the coil 58 appears at a resistor 105, this voltage is integrated by an integrating circuit made up of a resistor 106 and a capacitor 107, and an integrated voltage appears at an output terminal 108. Figure 10b shows the input of the circuit shown in Figure 10a.
Shows the output voltage waveform. The time td from when the input voltage (IN) rises to a positive level until the voltage at resistor 105 rises above a certain level and resistor 10
The integrated voltage Vx of the voltage (a) of 5 corresponds to the position of the fan-shaped member 55. FIG. 11a shows another electrical processing circuit 120. FIG. NPN while input voltage (IN) is at positive level
The transistor 103 is turned on, the PNP transistor 104 is turned on, and a voltage is applied to the coil 58. Transistor 103 is off while the input voltage (IN) is at ground level, PNP transistor 104
is turned off and no voltage is applied to the coil 58.
The coil current flows through junction type N-channel FET1 and FET2 which are connected with constant current, and FET1 and
The current value is controlled to a constant level by FET2. FET
The level of current flowing through 2 is set by variable resistor 122. The voltages at the coil terminals connected to FET1 and FET2 are amplified and waveform-shaped by inverting amplifiers IN1 and IN2. Figure 11b is the 11th
The input and output voltage waveforms of the circuit shown in Figure a are shown. The output (OUT) of the circuit 120 is a voltage pulse that rises with a delay of td from the input pulse (IN), and this
td corresponds to the position of the magnet 14. td is represented by a digital code in a counting circuit 140 shown in FIG. In the circuit 140, when the input voltage (IN) rises, the flip-flop F1 is set and its Q output becomes high level "1", and the AND gate A is set.
1 opens the gate (on), and the pulse generated by the clock pulse oscillator 141 is applied to the count pulse input terminal CK of the counter 142. The output pulse (OUT) and the Q output of F1 are applied to AND gate A2, and when the output pulse (OUT) rises, AND gate A2 rises to a high level "1", and at the rising point, flip-flop F1 is reset and its Q The output becomes a low level "0". As a result, the AND gate A1 is closed (off), and the clock pulse to the counter 142 is cut off. When the output of AND gate A2 becomes "1", the count code of counter 142 is loaded into latch 143. After flip-flop F1 is reset and the count code is loaded into latch 143, AND gate A3 outputs a clock pulse to clear counter 142. Latch 14
The output code 3 indicates the number of clock pulses generated during td, and this code indicates td. The electronic processing unit 160 shown in FIG.
It consists of a chip microcomputer (large scale integrated semiconductor device) 161, an amplifier 162, a junction type N-channel FET 1 for constant current control, a resistor 163, a capacitor 164, an amplifier 165 and a clock pulse oscillator 166. The resistor 163 and the capacitor 164 constitute a filter that absorbs voltage vibrations at frequencies higher than the input and output pulse frequencies. The microcomputer 161 forms a pulse with a constant frequency within the range of 5 KHz to 30 KHz based on the clock pulse and supplies it to the amplifier 162.
On the other hand, the microcomputer 161 monitors the voltage at the connection point between the N-channel FET 1 and one end of the coil 58 (output voltage of the amplifier 165), and monitors the voltage from the rising point of the pulse outputted by itself to the rising point of the output voltage of the amplifier 165. Counts clock pulses during (td) and outputs a code indicating td (DATA OUT). As described above, the rotation angle sensor 5 shown in FIG.
0 can be connected to various electrical processing circuits and logic processing electronics to obtain electrical signals corresponding to the position of the sector 55 of the rotation angle sensor 50. As can be understood from the explanation with reference to the above embodiments and experimental data, the rotation angle sensor of the present invention does not have a sliding contact, and the displacement of the movable body corresponding to the rotation angle is detected by the input pulse of the electric coil and the electric current. Since the rotation angle detection signal is obtained by electrical processing of converting the time difference TD of the current pulse of the coil and obtaining TD using an analog voltage or time count code, it has high vibration resistance and is resistant to deterioration such as mechanical wear. few. Since there is no coupling mechanism between the movable body and the transducer, pressure is detected stably without any backlash. What is noteworthy is that the configuration of the electrical processing circuit connected to the sensor is simple.In particular, a large-scale semiconductor device such as a one-chip microcomputer is used to create a rotation angle detection pulse and use that pulse to energize the electric coil. This means that the time difference between the current detection pulses can be easily obtained using a digital code.
第1図は本発明の一実施例回転角センサーの縦
断面図、第2図は第1図のA−A線断面図、第3
図は第2図のB−B線断面図、第4a図は第1図
に示す回転角センサーに接続され、検出圧に対応
したレベルのアナログ電圧を生ずる電気処理回路
180を示す回路図、第4b図は第1図に示す回
転角センサーに接続され、検出圧に対応したデジ
タルコードを生ずる電気処理回路200の構成を
示すブロツク図、第4c図は、第1図に示す回転
角センサーに接続され、検出圧に対応したデジタ
ルコードを生ずる論理処理電子装置220の構成
を示すブロツク図、第5a図は軟磁性体に対する
永久磁石の、強磁性体の回転角変位に対応した各
電気コイルの遅れ時間の差を実験で求めたとき
の、軟磁性体、永久磁石、および強磁性体の相対
位置関係を示す平面ブロツク図、第5b図は第5
a図の正面図、第6a図は第5a図、第5b図に
示す配置関係で強磁性体を回転角変位させ、軟磁
性体と永久磁石間の出力電圧を測定したグラフ、
第6b図は第5a図、第5b図に示す配置関係で
強磁性体を回転角変位させ、第4b図の電気処理
回路200を接続し、その入、出力パルス波形を
シンクロスコープで観測し両者の時間差tdを測定
して得られたデータを示すグラフ、第7図は本発
明の別実施例回転角センサーの縦断面図、第8図
は第7図のA−A線断面図、第9図は第8図のB
−B線断面図、第10a図は第7図に示す回転角
センサーに接続され、回転角に対応したレベルの
アナログ電圧を生ずる電気処理回路100を示す
回路図、第10b図は第10a図に示す電気処理
回路100の入、出力信号を示す波形図、第11
a図は第7図に示す回転角センサーに接続され、
回転角に対応した時間差のパルスを生ずる電気回
路120を示す回路図、第11b図は第11a図
に示す電気処理回路120の入、出力信号を示す
波形図、第12図は第11a図に示す電気処理回
路120の入、出力パルス時間差tdをデジタルコ
ードに変換する計数回路140を示すブロツク
図、第13図は第7図に示す回転角センサーに接
続され、1チツプマイクロコンピユータで回転角
センサーの電気コイルに印加するパルス電圧に対
する電気コイルに流れる電流の立上りの遅れ時間
を計数する電子処理ユニツト160を示すブロツ
ク図である。
3……ボデイ、8……回転軸、18……永久磁
石、19,20……軟磁性体、22……電気コイ
ル、14……扇形部材(強磁性体)。
FIG. 1 is a longitudinal cross-sectional view of a rotation angle sensor according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line A-A in FIG. 1, and FIG.
The figure is a cross-sectional view taken along the line B-B in FIG. 2, and FIG. Figure 4b is a block diagram showing the configuration of an electrical processing circuit 200 that is connected to the rotation angle sensor shown in Figure 1 and generates a digital code corresponding to the detected pressure, and Figure 4c is a block diagram showing the configuration of the electrical processing circuit 200 that is connected to the rotation angle sensor shown in Figure 1. FIG. 5a is a block diagram showing the configuration of a logic processing electronic device 220 that generates a digital code corresponding to the detected pressure. Figure 5b is a planar block diagram showing the relative positional relationship of a soft magnetic material, a permanent magnet, and a ferromagnetic material when the time difference is experimentally determined.
Fig. 6a is a front view of Fig. 6a, and Fig. 6a is a graph in which the output voltage between the soft magnetic material and the permanent magnet is measured by displacing the ferromagnetic material in the rotational angle in the arrangement relationship shown in Fig. 5a and Fig. 5b.
In Fig. 6b, the ferromagnetic material is rotated angularly displaced in the arrangement shown in Figs. 5a and 5b, the electric processing circuit 200 shown in Fig. 4b is connected, and its input and output pulse waveforms are observed with a synchroscope. FIG. 7 is a vertical sectional view of a rotation angle sensor according to another embodiment of the present invention, FIG. 8 is a sectional view taken along the line A-A in FIG. 7, and FIG. The figure is B in Figure 8.
10a is a circuit diagram showing an electric processing circuit 100 that is connected to the rotation angle sensor shown in FIG. 7 and generates an analog voltage at a level corresponding to the rotation angle, and FIG. 10b is a sectional view taken along the line B. Waveform diagram showing input and output signals of the electrical processing circuit 100 shown in FIG.
Figure a is connected to the rotation angle sensor shown in Figure 7,
A circuit diagram showing an electric circuit 120 that generates pulses with a time difference corresponding to the rotation angle, FIG. 11b is a waveform diagram showing input and output signals of the electric processing circuit 120 shown in FIG. 11a, and FIG. 12 is shown in FIG. 11a. FIG. 13 is a block diagram showing a counting circuit 140 that converts the input and output pulse time difference td of the electrical processing circuit 120 into a digital code, and is connected to the rotation angle sensor shown in FIG. FIG. 2 is a block diagram showing an electronic processing unit 160 that counts the delay time of the rise of the current flowing through the electric coil with respect to the pulse voltage applied to the electric coil. 3... Body, 8... Rotating shaft, 18... Permanent magnet, 19, 20... Soft magnetic material, 22... Electric coil, 14... Fan-shaped member (ferromagnetic material).
Claims (1)
て配置された軟磁性体コア手段、 該軟磁性体コア手段に巻回された電気コイル手
段、 前記回転軸上に固定され前記永久磁石と軟磁性
体コア手段から隔離して回転変位可能な強磁性
体、 電圧発生手段、 指示に応じて電圧発生手段の発生電圧を前記電
気コイル手段に印加する電圧切換手段、および 前記電気コイル手段に流れる電流を検出する電
流検出手段、 を備え、指示から該電流検出手段の測定電流の飽
和までの時間を出力値とする回転角センサー。[Scope of Claims] 1. A rotating shaft rotatably supported by a body, a permanent magnet fixed inside the body, and a soft magnetic core means arranged near the permanent magnet along the lines of magnetic force of the permanent magnet. , an electric coil means wound around the soft magnetic core means, a ferromagnetic body fixed on the rotating shaft and rotatably displaceable apart from the permanent magnet and the soft magnetic core means, a voltage generating means; voltage switching means for applying the voltage generated by the voltage generating means to the electric coil means in response to the voltage, and current detecting means for detecting the current flowing through the electric coil means, from the instruction to the saturation of the measured current of the current detecting means. A rotation angle sensor whose output value is the time of .
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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US18266380A | 1980-08-29 | 1980-08-29 |
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- 1981-08-21 JP JP13201381A patent/JPS5772009A/en active Granted
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