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
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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 |
|---|---|---|---|
| US18266380A | 1980-08-29 | 1980-08-29 |
Publications (2)
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|---|---|
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Family
ID=22669490
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP13201381A Granted JPS5772009A (en) | 1980-08-29 | 1981-08-21 | Sensor for rotating angle |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS5772009A (en) |
| DE (1) | DE3133061C2 (en) |
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1981
- 1981-08-21 DE DE19813133061 patent/DE3133061C2/en not_active Expired
- 1981-08-21 JP JP13201381A patent/JPS5772009A/en active Granted
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|---|---|
| JPS5772009A (en) | 1982-05-06 |
| DE3133061C2 (en) | 1984-03-01 |
| DE3133061A1 (en) | 1982-04-08 |
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