特開 2023-131470 角度センサ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023131470

(43)【公開日】2023-09-22

(54)【発明の名称】角度センサ

(51)【国際特許分類】

   G01D 5/245 20060101AFI20230914BHJP

【ＦＩ】

G01D5/245 M

G01D5/245 110L

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022036255

(22)【出願日】2022-03-09

(71)【出願人】

【識別番号】000006666

【氏名又は名称】アズビル株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100098394

【弁理士】

【氏名又は名称】山川 茂樹

(72)【発明者】

【氏名】小松 雅弘

【テーマコード（参考）】

2F077

【Ｆターム（参考）】

2F077AA21

2F077JJ01

2F077JJ09

2F077JJ23

(57)【要約】

【課題】センサ回路の出力の増幅に伴うノイズを抑制し、角度を精度良く測定する。
【解決手段】角度センサは、磁気抵抗効果素子を含むセンサ回路であるブリッジ回路１ａと、発生する磁界が回転軸Ａを中心として回転する磁石３，４と、ブリッジ回路１ａの出力電圧を検出する電圧検出部１１と、検出された電圧に基づいて磁界の回転角度を算出する回転角度算出部１２とを備える。磁界の回転面７が磁気抵抗効果素子の薄膜抵抗パターンが形成されたセンサ面６ａと交差するように、ブリッジ回路１ａと回転体２と磁石３，４とが配置される。ブリッジ回路１ａの出力電圧がゼロとなる基準位置は、磁界の回転面７とセンサ面６ａとの交線上になく、センサ面６ａ上での基準位置と交線との角度βが－９０°≦β＜－４５°、または４５°＜β≦９０°の範囲である。
【選択図】 図４

【特許請求の範囲】

【請求項1】

磁気抵抗効果素子を含むセンサ回路と、
発生する磁界が回転軸を中心として回転するように構成された磁界発生部と、
前記センサ回路の出力電気信号を検出するように構成された出力電気信号検出部と、
前記出力電気信号検出部によって検出された出力電気信号に基づいて前記磁界の回転角度を算出するように構成された回転角度算出部とを備え、
前記磁界の回転面が前記磁気抵抗効果素子の薄膜抵抗パターンが形成されたセンサ面と交差するように、前記センサ回路と前記磁界発生部とが配置され、
前記センサ回路の出力電圧がゼロとなる基準位置が、前記磁界の回転面と前記センサ面との交線上になく、前記センサ面上での前記基準位置と前記交線との角度βが－９０°≦β＜－４５°、または４５°＜β≦９０°の範囲であることを特徴とする角度センサ。

【請求項2】

請求項１記載の角度センサにおいて、
前記回転角度算出部は、前記出力電気信号検出部によって検出された出力電気信号に基づいて前記センサ面上での前記磁界の回転角度θを算出し、前記回転角度θと、前記センサ面に対する前記磁界の回転面の傾斜角度αと、前記センサ面上での前記基準位置と前記交線との角度βとに基づいて、φ＝ｔａｎ^-1｛ｔａｎ（θ－β）／ｃｏｓα｝＋ｔａｎ^-1（ｔａｎβ／ｃｏｓα）により前記回転面上での前記磁界の回転角度φを算出することを特徴とする角度センサ。

【請求項3】

請求項２記載の角度センサにおいて、
前記回転角度算出部は、前記センサ回路の出力電気信号と前記回転角度θとの関係を示す近似関数により、前記出力電気信号検出部によって検出された出力電気信号から前記回転角度θを算出することを特徴とする角度センサ。

【請求項4】

請求項１乃至３のいずれか１項に記載の角度センサにおいて、
前記回転角度によらず前記磁界が前記センサ回路の磁気抵抗効果素子に対して飽和している状態であることを特徴とする角度センサ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、磁気抵抗効果素子を用いた角度センサに関するものである。

【背景技術】

【0002】

タンク中の液体の液面の位置などを測定する液面計の一種にトルクチューブ式液面計が存在する。そのトルクチューブ式液面計は、トルクチューブの一端を固定し、トルクチューブの他端にアームを取り付けてフロートを吊るし、フロートが液面から受ける浮力に応じてトルクチューブが捩じれるのを角度センサにより検出することで、液位を測定する。

【0003】

図１０は角度センサ１００の構成を示す図である。角度センサ１００は、回転体２に取り付けられた磁石３，４による磁界の回転角度を測定する。角度測定には、磁気抵抗効果素子やホール素子などを用いたセンサ回路１が使用される（特許文献１参照）。図１０の５は磁石３，４による磁界の向きを示し、６はセンサ回路１の測定面を示している。一般的には、図１０に示すようにセンサ回路１の測定面と磁界の回転面とが平行となるように設置される。

【0004】

上記のトルクチューブ式液面計に使用されている角度センサでは、検出素子として異方性磁気抵抗効果（ＡＭＲ：Anisotropic Magneto Resistive effect）素子を使用し、ＡＭＲ素子で構成されたブリッジ回路を磁界の回転面に対して平行に設置し、磁界の回転角度によってブリッジ回路の中点電位差が変化することを利用して角度を測定している。

【0005】

この角度センサの出力は、磁界が１回転する間に２周期となり、磁界の回転角度と角度センサの出力とが一意に対応するのは最大でもその半周期である。このため、角度センサは、９０°以上の角度範囲を測定することができない。また、液面計の仕様にもよるが、測定対象であるトルクチューブのねじれ角はたかだか数度であるため、角度センサの出力変化が小さい。このため、電気的に信号を増幅する必要があるが、ゲインを大きくするとノイズ混入のおそれがあるという課題があった。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開２０１３－１０４４５４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、センサ回路の出力の増幅に伴うノイズを抑制することができ、角度を精度良く測定することが可能な角度センサを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明の角度センサは、磁気抵抗効果素子を含むセンサ回路と、発生する磁界が回転軸を中心として回転するように構成された磁界発生部と、前記センサ回路の出力電気信号を検出するように構成された出力電気信号検出部と、前記出力電気信号検出部によって検出された出力電気信号に基づいて前記磁界の回転角度を算出するように構成された回転角度算出部とを備え、前記磁界の回転面が前記磁気抵抗効果素子の薄膜抵抗パターンが形成されたセンサ面と交差するように、前記センサ回路と前記磁界発生部とが配置され、前記センサ回路の出力電圧がゼロとなる基準位置が、前記磁界の回転面と前記センサ面との交線上になく、前記センサ面上での前記基準位置と前記交線との角度βが－９０°≦β＜－４５°、または４５°＜β≦９０°の範囲であることを特徴とするものである。

【0009】

また、本発明の角度センサの１構成例において、前記回転角度算出部は、前記出力電気信号検出部によって検出された出力電気信号に基づいて前記センサ面上での前記磁界の回転角度θを算出し、前記回転角度θと、前記センサ面に対する前記磁界の回転面の傾斜角度αと、前記センサ面上での前記基準位置と前記交線との角度βとに基づいて、φ＝ｔａｎ^-1｛ｔａｎ（θ－β）／ｃｏｓα｝＋ｔａｎ^-1（ｔａｎβ／ｃｏｓα）により前記回転面上での前記磁界の回転角度φを算出することを特徴とするものである。
また、本発明の角度センサの１構成例において、前記回転角度算出部は、前記センサ回路の出力電気信号と前記回転角度θとの関係を示す近似関数により、前記出力電気信号検出部によって検出された出力電気信号から前記回転角度θを算出することを特徴とするものである。
また、本発明の角度センサの１構成例は、前記回転角度によらず前記磁界が前記センサ回路の磁気抵抗効果素子に対して飽和している状態であることを特徴とするものである。

【発明の効果】

【0010】

本発明によれば、磁界の回転面が磁気抵抗効果素子の薄膜抵抗パターンが形成されたセンサ面と交差するように、センサ回路と磁界発生部とを配置し、センサ回路の出力電気信号がゼロとなる基準位置と、磁界の回転面とセンサ面の交線との角度βを－９０°≦β＜－４５°、または４５°＜β≦９０°の範囲に設定することにより、磁界の回転面上の９０度より狭い角度範囲をセンサ面上の９０度の範囲に拡大することができるので、センサ回路の出力の増幅に伴うノイズを抑制することができ、角度を精度良く測定することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】図１は、従来の液面計の構成を示す図である。

【図2】図２は、ＡＭＲ素子で構成されたブリッジ回路の回路図である。

【図3】図３は、本発明の実施例に係る液面計の構成を示す図である。

【図4】図４は、本発明の実施例に係る角度センサの構成を示す図である。

【図5】図５は、角度センサにおける回転体の回転に伴う磁石の軌道の例を示す図である。

【図6】図６は、本発明の実施例に係る角度センサにおける回転体の回転に伴う磁石の軌道を示す図である。

【図7】図７は、センサ面に対する磁界の回転面の傾斜角度と、磁界の回転面とセンサ面との交線に対する、センサ面上での基準位置の角度と、測定可能な回転角度の範囲との関係を示す図である。

【図8】図８は、センサ面に対する磁界の回転面の傾斜角度と、磁界の回転面とセンサ面との交線に対する、センサ面上での基準位置の角度と、測定可能な回転角度の範囲との関係を示す図である。

【図9】図９は、本発明の実施例に係る角度センサを実現するコンピュータの構成例を示すブロック図である。

【図10】図１０は、従来の角度センサの構成を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

［従来例］
まず、本発明の実施例について説明する前に、従来の液面計と角度センサについて詳細に説明する。従来の液面計の構成を図１に示す。液面計は、角度センサ１００と、トルクチューブ１０１と、測定対象の液体１０６の液面に浮かぶフロート１０２と、トルクアーム１０３と、トルクロッド１０４とから構成される。

【0013】

トルクチューブ１０１は、図示しないトルクチューブハウジングによって角度センサ１００側の端が固定されている。トルクチューブ１０１の他端には、ナイフエッジ支点１０５で支持されたトルクアーム１０３が取り付けられている。トルクアーム１０３の先端にはフロート１０２が吊り下げられている。設置時にはフロート１０２の自重によってトルクチューブ１０１がねじられた状態で使用される。

【0014】

液体１０６の液位に比例して発生する浮力は、フロート１０２が吊り下げられているトルクアーム１０３を介して伝わり、ねじり応力を発生する。トルクロッド１０４は、トルクアーム１０３と連結され、浮力による曲げモーメントがトルクチューブ１０１の剛性によるばね力と釣り合うまで回転する。トルクロッド１０４の先端には角度センサ１００の回転体２が固定されており、回転体２に取り付けられた磁石３，４による磁界の回転角度を角度センサ１００で測定することで、液位を測定することができる。

【0015】

磁界によって電気抵抗が変化するＡＭＲ素子で構成されたセンサ回路であるブリッジ回路１ａを図２に示す。ブリッジ回路１ａは、第１のＡＭＲ素子１０－１と第２のＡＭＲ素子１０－２とを直列に接続した第１の直列回路１０－５と、第３のＡＭＲ素子１０－３と第４のＡＭＲ素子１０－４とを直列に接続した第２の直列回路１０－６とを並列に接続したものである。

【0016】

図２の両向き矢印で示すように、向かい合うＡＭＲ素子１０－１と１０－４の感磁方向（抵抗値が最小になる磁界の方向）が同一であり、向かい合うＡＭＲ素子１０－２と１０－３の感磁方向が同一である。また、隣り合うＡＭＲ素子の感磁方向は直交する。

【0017】

角度センサの磁石による磁界の回転面と、４つのＡＭＲ素子１０－１～１０－４の薄膜抵抗パターンが形成されたセンサ面（ＡＭＲ素子１０－１～１０－４の感磁方向と平行な面であり、図２の紙面と平行な面）とが平行な場合、図示しない電源からブリッジ回路１ａに一定の電流Ｉを流すと、出力電気信号である中点電位差（第１の直列回路１０－５の中点と第２の直列回路１０－６の中点との電位差）Ｖ（θ）は、磁界の回転角度θによって式（１）のようになる。

【0018】

【数1】

【0019】

式（１）から中点電位差Ｖ（θ）は、振幅がＶ₀で、磁界が１回転する間に２周期となる周期関数となる。磁界の回転角度θは、中点電位差Ｖ（θ）から式（２）のように求まる。

【0020】

【数2】

【0021】

半周期を超えると、中点電位差Ｖ（θ）に対し回転角度θが一意に決まらなくなるため、従来の角度センサの角度測定範囲は９０度以内となる。

【0022】

［実施例］
図３は本発明の実施例に係る液面計の構成を示す図、図４は本発明の実施例に係る角度センサの構成を示す図であり、図１、図１０と同一の構成には同一の符号を付してある。本実施例では、図３、図４に示すように０度より大、９０度より小の傾斜角度範囲で、磁界の回転面７がＡＭＲ素子１０－１～１０－４の薄膜抵抗パターンが形成されたセンサ面６ａと交差するように、角度センサ１００ａのブリッジ回路１ａ（センサ回路）と回転体２と磁石３，４（磁界発生部）とを配置する。磁石３，４は、トルクロッド１０４の先端に固定された回転体２に取り付けられ、回転体２の回転に伴って回転軸Ａを中心として回転する。回転軸Ａの延長線は、図２に示す菱形（正方形）のブリッジ回路１ａの中心を通る。

【0023】

ＡＭＲ素子１０－１～１０－４の出力は、磁気飽和状態では磁石３，４との距離によらず不変で、磁界の角度のみに依存する。したがって、図４のようにセンサ面６ａに対して磁界の回転面７が傾く場合、測定範囲中で磁石３，４が最もＡＭＲ素子１０－１～１０－４から離れる位置でもＡＭＲ素子１０－１～１０－４が磁気飽和状態となるだけの磁界強度を保っていれば、磁石３，４の回転軌道による距離の変化を考慮しなくて良い。

【0024】

回転体２の回転に伴って磁石３，４は、磁界の回転面７の面内において真円の軌道を描く。ここで、磁界の回転角度をφ、磁界の回転面７とセンサ面６ａとのなす角をα（０＜α＜９０度）、センサ面６ａ上での磁界の回転角度をθとすると、上述のとおり磁石３，４との距離を考慮する必要が無いため、磁石３，４の回転を真円ではなく楕円軌道として考えることができる。具体的には、磁石３，４の軌道は、磁石３，４の回転半径をＲとすると、短径Ｒ、長径Ｒ／ｃｏｓαとなる図５の楕円８の軌道として考えることができる。

【0025】

図５より、式（３）～式（６）が得られる。
ｃｏｓφ＝ｃｏｓθ ・・・（３）
ｓｉｎφ＝ｓｉｎθ／ｃｏｓα ・・・（４）
ｔａｎφ＝ｓｉｎφ／ｃｏｓφ＝（ｓｉｎθ／ｃｏｓα）／ｃｏｓθ
＝ｔａｎθ／ｃｏｓα ・・・（５）
φ＝ｔａｎ^-1（ｔａｎθ／ｃｏｓα） ・・・（６）

【0026】

ここで、式（７）より、式（８）が得られる。

【0027】

【数3】

【0028】

【数4】

【0029】

また、ｓｉｎ２θ＝Ｖ（θ）／Ｖ₀なので、Ｖ（θ）／Ｖ₀＝ｘとおくと、式（９）が得られる。

【0030】

【数5】

【0031】

したがって、ブリッジ回路１ａの出力電気信号から磁界の回転角度φを求めることができる。ここで、－４５°≦θ≦４５°の９０°の範囲に対応する磁界の回転角度φの範囲が、センサ面６ａに対する磁界の回転面７の傾斜角度αによってどのように変化するかを考える。このθの範囲で－１≦ｓｉｎ２θ≦１となり、磁界の回転角度φはθが４５°のとき最大値φ_maxをとり、θが－４５°のとき最小値φ_minをとる。

【0032】

【数6】

【0033】

【数7】

【0034】

最大値φ_maxと最小値φ_minとの差、すなわち測定可能な磁界の回転角度φの範囲Δφは式（１２）のようになる。

【0035】

【数8】

【0036】

傾斜角度α＝０°のとき、φ＝θのため、測定可能な磁界の回転角度φの範囲Δφ＝９０°である。傾斜角度α＝±９０°のとき、磁界の回転角度φは、θの値によらないため測定不可である。

【0037】

図５の例では、ブリッジ回路１ａの出力電気信号である中点電位差Ｖ（θ）がゼロとなる方向（基準位置）が、磁界の回転面７（図５の軌道８の面）とセンサ面６ａとの交線（図５のＬ）と一致するようにブリッジ回路１ａと回転体２と磁石３，４とを配置していた。図２、図５では基準位置をθ₀で示している。図２の例では、基準位置θ₀は、ＡＭＲ素子１０－２，１０－３の感磁方向と平行で、ＡＭＲ素子１０－１，１０－４の感磁方向と直交する方向である。

【0038】

これに対して、本実施例では、磁界の回転面７がセンサ面６ａと平行でなく、かつブリッジ回路１ａの基準位置θ₀が磁界の回転面７とセンサ面６ａとの交線Ｌ上にない場合について説明する。上記と同様に回転軸Ａの延長線はブリッジ回路１ａの中心を通るが、ここでは図６に示すように、ブリッジ回路１ａの基準位置θ₀が、センサ面６ａ上で交線Ｌに対して角度βだけずれ、磁界の回転面上で交線Ｌに対して角度ψだけずれる場合を考える。

【0039】

式（６）でφ→φ－ψ、θ→θ－βと置き替えると、式（１３）が得られる。

【0040】

【数9】

【0041】

また、角度ψとβの間にも、式（１４）のような関係が成り立つ。

【0042】

【数10】

【0043】

式（１３）に式（１４）を代入すると、磁界の回転角度φは式（１５）のようになる。

【0044】

【数11】

【0045】

式（１５）の右辺を整理してｘを使って表すと、式（１６）のようになる。

【0046】

【数12】

【0047】

－４５°≦θ≦４５°の範囲で測定可能な磁界の回転角度φの範囲Δφは、センサ面６ａに対する磁界の回転面７の傾斜角度αと、磁界の回転面とセンサ面６ａとの交線Ｌに対する、センサ面６ａ上での基準位置θ₀の角度βとによって変化する。角度α、βがそれぞれ－９０°≦α≦９０°、－９０°≦β≦９０°の範囲内の値で、回転角度θが－４５°から４５°まで９０度変化するときの回転角度φの最大値をφ_max、最小値をφ_minとし、測定可能な回転角度φの範囲Δφをφ_max－φ_minとする。図７は、角度α、βと、測定可能な回転角度φの範囲Δφとの関係を示す図である。ただし、図７では、α＜０、β＜４５の範囲は省略している。また、図７の７００は測定不可の条件範囲を示している。

【0048】

図７によれば、センサ面６ａに対する磁界の回転面７の傾斜角度α＝０°のときは、角度βによらず、測定可能な回転角度φの範囲Δφ＝９０°となる。β＜－４５°、β＞４５°の範囲では、Δφ＜９０°となり、回転角度θよりも狭くなる。例えばβ＝９０°、α＝８６°の場合、測定可能な回転角度φの範囲Δφ＝７．９８である。この回転角度φの範囲Δφは、センサ面６ａ上では－４５°≦θ≦４５°の範囲に対応するので、角度範囲を約１１．３倍に拡大していると言える。

【0049】

すなわち、磁界の回転角度φの変化が小さい場合でも、センサ面６ａ上では回転角度θの変化が大きくなるので、回転角度φの変化に対するブリッジ回路１ａの中点電位差Ｖ（θ）の変化を大きくすることができる。その結果、本実施例では、ブリッジ回路１ａの中点電位差Ｖ（θ）を大きく増幅する必要がなくなるので、中点電位差Ｖ（θ）の増幅に伴うノイズを抑制することができ、磁界の回転角度φを精度よく測定することが可能になる。

【0050】

図７を－９０°≦β≦９０°に拡大した図を図８に示す。ただし、図８では、－９０°≦β＜－４５°、４５°＜β≦９０°の範囲の詳細な記載を省略している。式（１６）から、図８は傾斜角度α＝０に関して対称となる。一方、式（１６）中にｓｉｎ２βがあるので、φ_max、φ_minは角度βの正負で異なるが、Δφ＝φ_max－φ_minを示す図８は、β＝０に関して対称となる。

【0051】

なお、－４５°≦β≦４５°の範囲で、傾斜角度αが概ね６５°以上（または－６５°以下）になると、角度βの値によっては回転角度φが不連続となる。不連続とは、回転角度φが途中で１８０°ずれることを言う。図８では、８００が不連続点を含む範囲を示している。
本実施例では、－９０°≦β＜－４５°、または４５°＜β≦９０°の範囲で使用するため、不連続点が問題になることはない。

【0052】

図４に示す本実施例の電源１３は、ブリッジ回路１ａに一定の電流Ｉを供給する。電圧検出部１１は、ブリッジ回路１ａの中点電位差Ｖ（θ）を検出する。電圧検出部（出力電気信号検出部）１１は、検出した中点電位差Ｖ（θ）を増幅する増幅器（不図示）を備えている。本実施例では回転角度φの変化に対する中点電位差Ｖ（θ）の変化を大きくすることができるので、従来の液面計に使用される角度センサと比較して増幅器のゲインを小さくすることができる。

【0053】

本実施例の回転角度算出部１２は、電圧検出部１１によって検出された中点電位差Ｖ（θ）に基づいて、センサ面６ａ上での磁界の回転角度θを算出し、回転角度θと既知の角度α，βとに基づいて、式（１５）により磁界の回転角度φ（回転体２およびトルクロッド１０４の回転角度）を算出する。この際、回転角度算出部１２は、予め登録されている、中点電位差Ｖ（θ）と磁界の回転角度θとの関係を示す近似関数を用いて、中点電位差Ｖ（θ）から磁界の回転角度θを算出すればよい。

【0054】

なお、上記実施例ではブリッジ回路１ａの中点電位差Ｖ（θ）に基づいて、センサ面６ａ上での磁界の回転角度θを算出するようにしたが、これに代えて、ブリッジ回路１ａに定電圧を与え、ブリッジ回路１ａを流れる電流値Ａ（θ）に基づいて、センサ面６ａ上での磁界の回転角度θを算出するように構成することも可能である。
また、図３では液面計を例に挙げて説明しているが、本実施例の角度センサ１００ａは液面計以外にも適用可能であることは言うまでもない。

【0055】

本実施例で説明した回転角度算出部１２は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、記憶装置および外部とのインタフェースを備えたコンピュータと、これらのハードウェア資源を制御するプログラムによって実現することができる。このコンピュータの構成例を図９に示す。コンピュータは、ＣＰＵ２００と、記憶装置２０１と、インタフェース装置（Ｉ／Ｆ）２０２とを備えている。Ｉ／Ｆ２０２には、電圧検出部１１のハードウェア等が接続される。ＣＰＵ２００は、記憶装置２０１に格納されたプログラムに従って本実施例で説明した処理を実行する。

【産業上の利用可能性】

【0056】

本発明は、回転角度を測定する技術に適用することができる。

【符号の説明】

【0057】

１ａ…ブリッジ回路、２…回転体、３，４…磁石、１０－１～１０－４…ＡＭＲ素子、１１…電圧検出部（出力電気信号検出部）、１２…回転角度算出部、１３…電源、１００ａ…角度センサ、１０１…トルクチューブ、１０２…フロート、１０３…トルクアーム、１０４…トルクロッド、１０５…ナイフエッジ支点。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】