角度センサーとは
角度センサーとは、物体の位置などから、角度の情報を検出するためのセンサーです。
最近では、精密加工や半導体製造、自動車、ロボットなどにより高精度で位置を検出するニーズが高まり、位置検出のため精密な角度を計測するニーズも増えています。
角度センサーの角度検出の方式は、一般に磁気式や光学式、誘導式、ポテンションメータ式などがあります。使用の用途に応じて最適な方式を選択することが大切です。
また、最近では自動運転のサポートのために角度以外に角速度や、加速度といった慣性力を検出するジャイロセンサーが注目されています。従来の角度センサーのみならず、ジャイロセンサーへの技術の流れが生じている状況です。
角度センサーの使用用途
角度センサーの使用用途は、精密加工、半導体製造、自動車、ロボットなどです。
1. 自動車
クランク角やカム角を角度センサーで検知することにより、燃料噴射の最適なタイミングと噴射時間を算出しています。そのほか、電動パワーステリングや電子制御サスペンションなどに使われています。
2. ロボット
ロボットのアームの位置を検出して制御する目的で使用されています。
角度センサーの原理
角度センサーの原理は、一般に磁気式と光学式、誘導式、およびポテンションメータ式の4つの方式があります。
1. 磁気式
ホール素子に電流が流れているとき、そこに垂直に磁場をかけると発生する電圧を測定することにより、角度を検知する方式です。この現象は、ホール効果と呼ばれています。
2. 光学式
スリット状の格子をもつ円盤に光を通過させ、検出された光パルスの数から角度を検知する方式です。この方式は透過型と呼ばれ、別の方式として反射型があります。
反射型は発光素子から円盤で跳ね返り、受光素子で受けた光パルスで角度を測定する方式です。
3. 誘導式
誘導式は、1次コイルと2次コイルとその間で回転するカム形状のコアで構成されています。1次コイルに電圧をかけると2次コイルはコアの位置により電圧を出力するため、この電圧の大きさから角度を検知することが可能です。
4. ポテンショメータ式
ポテンションメータは端子をもっており、抵抗体の上をブラシが回転します。その際に端子間の抵抗値を図ることにより、ブラシの回転角度を計測可能です。
角度センサーのその他情報
1. 磁気式の角度センサーにおけるメリット
磁気式の角度センサーは、ホール効果により、磁界の変化を電圧値へ変換しアナログ出力として信号出力しています。磁気式角度センサーはポテンショメーター式とは異なり、出力が2系統存在する場合があります。2つの出力値は中立位置を除いて、異なった数値となることが一般的です。
出力系統が2つあることで、検出値および角度センサーの信頼性が向上します。ポテンショメーター式角度センターでは、構造上必ず角度センサーに死角となる範囲が生じるため、360°の角度検出を行うためには2つの角度センサーが必要です。
しかし、磁気式の角度センサーであれば、1つの角度センサーで360°の検出が可能となるため、構成する部品点数を少なくできるメリットがあります。磁気式角度センサーは非接触なので、ポテンショメーター式角度センサーなどの接触式と比較して故障要因が少なく長寿命です。
ただし、万が一故障が発生した場合は、検出体との距離に注意する必要があります。再取り付け時に距離調整を考えていないと、接触した場合は角度センサーの早期故障が生じ、検出体との距離が遠い場合は正しく角度を検出できなくなります。
2. 角度センサーのアナログ出力
角度センサーのアナログ出力である電圧値は、電気抵抗の変化により出力されています。出力方法は電圧の場合が多いですが、電流の場合もあり、角度センサーによってアナログ出力の出力範囲は異なります。電圧であれば0～5Vの範囲だけでなく、0～10Vの場合もあるので、メーカーの仕様書をよく確認することが大切です。
角度センサーは、アナログ出力を行うために電源回路とアース (GND) が必要です。そのため角度センサーには3つの端子があり、それぞれ電源端子、アース端子 (GND) 、アナログ出力端子となります。アナログ出力が異常である場合、角度センサー本体の故障の他に、配線や結線の異常も原因として考えられます。
参考文献
https://product.tdk.com/info/ja/products/sensor/angle/tmr_angle/technote/tpo/index.html
https://go.alps.jp/l/506151/2018-11-09/29t52b
http://www.turck.co.jp/product/p07.html