JP2003519373A - 検流計位置検出器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 モータの回転部材の角位置を検出するための容量性検知システム。位置検出システムは、モータのハウジングに取り付けられた円筒励起ピン(18)と管状信号プレート(20）とを含み、該管状信号プレートは回転部材の回転シャフトの周囲に対称的に配置された複数の検知表面を有し、円筒励起ピンを取り囲み、モータのハウジングにも取り付けられる。裂片状の誘電体(22)はモータの回転部材に取り付けられ、円筒励起ピンと管状信号プレートとの間に挿入される。管状信号プレートの検知表面に接続された電気回路は、各検知表面で検出されたエネルギーの量から回転部材の相対的な角位置を計算する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】

本発明は一般に、可動要素の角位置を決定することが可能な装置に関し、特に
検流計の角位置の精確な検出、測定、及び制御を行う為の位置検出器に関する。

【０００２】

【従来の技術】

回転範囲が制限された(limited-rotation)モーターのシャフトといった回転要
素の角位置の精確な測定及び制御が必要になることが多い。例えば、シリコンの
輪郭形成(profiling)、マーキング、切断、穿孔、及びトリミングといった作業
を行うためにレーザビームが向けられる、電子回路の製造及び修復操作に使用さ
れる検流計は、高速位置センサを必要とする。該高速位置センサは、回転子の角
位置を、高精度及び反復性、高温安定性、及び高ＳＮ比で検出しなければならな
いものである。高い動作速度を可能とするために、かかるセンサは小さなサイズ
及び小さな慣性を有するものでなければならない。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】

検流計の分野では、角位置検出に関する精度要件は、用途に応じて、千分の一
、又は百万分の一になることさえある。現在、可変差動変圧器、可変電位差計、
光検出システム、その他の光学装置、及び静電容量検知システムを含め、検流計
の回転運動及び位置を検知し検出するために使用される多くの異なる手法が存在
する。これらの検出器の多くは、特定種類の用途には許容可能なものとなるが、
欠点を伴うものでもあり、また他の種類の用途にとっては不十分なものとなる。
本発明は静電容量検知装置に関するものである。

【０００４】 先行技術は、主として二種類の容量性位置検出器を使用する。第一の設計は、
周方向に隔置された「フィンガ」を有する検流計のシャフトの金属製の円筒形状
の延長部という形の回転子を含む。該回転子は同心の管状プレート内に配置され
る。該管状プレートは、その周囲に対称的に配置され電気的に分離された多数の
固定子部分へと分割されたものである。この設計は、回転運動に対してかなり高
い感度を有し、このため単位回転当たりの信号出力が高くなるが、意図しない半
径方向の運動に対しても感応するという欠点を有する。

【０００５】 もう１つの設計は、平坦な構成を有するものであり、この場合には、裂片状の
(lobed)誘電性回転子すなわち「バタフライ」が、回転軸に対して垂直な平面上
に延び、二枚の平行な金属プレート（一方が励起電極、他方が多数の検知区域へ
と分割され単一のプレートとして働くもの）の間に挿入される。回転子が回転す
ることにより、励起電極と個々の検知区域との間の相対的な静電容量が変化する
。この設計は、第一の設計の場合に生じる半径方向の運動に対する感応性を回避
するものであるが、その代わりに軸方向の運動に感応するものとなる。

【０００６】 更に、感度が等価である場合には、該平坦な設計は、かなり大きな慣性モーメ
ントを有するものとなり、このため低い性能係数(figure of merit)を有するも
のとなる。これら先行技術による設計は両者とも、接地への望ましくない寄生電
流経路を欠点として有するものであり、これは、励起電力を浪費すると共にシス
テム内に不必要なノイズを生成するものとなる。これらの設計はまた、固定子に
対して回転子を接地させると共に該固定子を検流計の使用者が接地から絶縁させ
ることを必要とするものである。

【０００７】 したがって、励起損失を制限すると共に比較的低い慣性モーメントを有する位
置検出器が必要とされている。

【０００８】

【課題を解決するための手段】

本発明による新規の設計は、前記平坦な設計の可動誘電体と前記可動金属によ
る設計の同心の幾何学的形状とを組み合わせたものである。検流計の固定部分に
取り付けられた中央の円筒状ピンは、励起「プレート」として働く。スキャナの
固定部分に取り付けられた同心の区分化された管状信号プレートは、検知「プレ
ート」として働く。裂片状の円筒状誘電体が、回転子に取り付けられ、及び励起
ピンと区分化された管状信号プレートとの間の環状空間内へと延びる。この幾何
学的形状は、面積及び間隔を有し、このため平坦な幾何学的形状に匹敵する感度
を有するが、誘電体が平坦な形状ではなく管状の形状に構成されるため、その半
径が、該管状の形状の誘電体と等価なバタフライ形状の誘電体の平均半径よりも
遙かに小さくなり、それに対応して慣性モーメントが小さくなる。その結果、性
能係数が大幅に改善されることになる。

【０００９】 このセンサの幾何学的形状は、誘起効率に関して大きな利点を与えるものでも
ある。円筒状の幾何学的形状のおかげで、発振器は、センサによりほぼ完全に取
り囲まれた体積を励起させ、このため励起エネルギーはほとんど失われず、放射
されるRFエネルギーも大幅に低減する。

【００１０】

【発明の実施の形態】

ここで図１を参照すると、本発明の可変容量性トランスデューサ位置検出器12
（位置検出器）を含む可動磁石検流計10といった回転装置(rotational device)
が示されている。より詳細には、該検流計10は、固定子16内に取り付けられた回
転可能なシャフトすなわちシャフトアセンブリ14を含む。

【００１１】 位置検出器12の様々な構成要素が図２ないし図４により詳細に示されている。
検流計10の固定部分に取り付けられた円筒ピン18は、励起プレートとして働く。
同心の区分化された管状プレート20もまた検流計10の固定部分に取り付けられ、
信号プレートとして働く。シャフトアセンブリ14には裂片状の誘電性シリンダ22
が取り付けられ、該誘電シリンダ22は、励起ピン18と区分化された管状信号プレ
ート20との間に形成された環状空間内へと延びる。

【００１２】 本出願と同日に出願された“Variable Reactance Position Detector”と題す
る同時係属中の特許出願に記載されているように、位置検出器12に電気回路が取
り付けられ、該電気回路が、区分化された管状プレート20の各検知表面で検知さ
れたエネルギーの量に基づいてシャフトの相対的な角位置を計算するようになっ
ている。更に、該電気回路は、円筒ピン18に加えられるエネルギーの量を調整す
る水晶発振器等の電気エネルギー源に接続される。

【００１３】 既述のように、本発明の幾何学的形状は面積及び間隔を有し、ひいては先行技
術による平坦な幾何学的形状の位置検出器に匹敵する感度を有するものとなるが
、誘電性媒体が平坦な形状ではなく管状の形状で構成されるため、その半径は、
等価な平坦な種類の誘電体の平均半径よりも大幅に小さくなり、したがって、そ
の慣性モーメントは平坦な回転子の慣性モーメントよりも小さくなる。

【００１４】 誘電体の密度を低下させると慣性モーメントは更に小さくなる。したがって、
先行技術の酸化アルミニウム(aluminum-oxide)セラミックよりも低密度だが等価
な誘電率を有するKynar(R)プラスチック、あるいはMacor(R)ガラスといった市販
の様々な誘電材料を使用することができる。

【００１５】 性能係数の改善に加えて、位置検出器12の幾何学的形状は、電力効率の増大も
提供するものとなる。ピン18は、その円筒状の幾何学的形状により、同心の信号
プレート20によりほぼ完全に取り囲まれた体積を励起させ、このため励起エネル
ギーはほとんど失われない。図５に示すように、先行技術の平坦な位置検出器は
、励起プレート30、信号プレート32、及び誘電性固定子34を備えている。図５に
示すように、この種の位置検出器では、矢印36で示すように、励起エネルギーの
損失が生じることになる。

【００１６】 図６において、本発明の位置検出器12の励起エネルギーは、矢印40で示されて
いる。該励起エネルギーは、円筒ピン18から外方に向かい、裂片状の円筒誘電体
22を介して、同心の区分化された管状プレート20へと向けられる。このため、ほ
ぼ全ての励起エネルギーが位置検出器12内に収容される。これにより、先行技術
に優る励起効率の大幅な改善が提供される。

【００１７】 最後に、本発明の幾何学的形状は、回転子を十分に接地させるという要件を解
消させるものである。図５に示すような先行技術による位置検出器の幾何学的形
状は、導電性を有する回転子を検知プレートに近接して位置決めするものである
。このため、該回転子が接地されない限り、大きなノイズ結合が生じる。本発明
の幾何学的形状は、導電性回転子と検知プレートとの間の大きな距離を可能とし
、これは実質的にノイズ結合を制限するものとなる。したがって、ピッグテール
接地又はスリップリングが不要となり、コストが削減され、機械的及び電気的な
ノイズ源が除去され、及び寄生的な慣性モーメントが低減される。これはまた、
位置検出器をシャシの接地(chassis ground)から切り離すことを可能とし、これ
により、システムを取り付ける際の一層高い自由度がユーザに許容されることに
なる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の容量性トランスデューサ位置検出器を含む可動磁石検出器等の回転装
置を示している。

【図２】 本発明の容量性トランスデューサ位置検出器の分解図を示している。

【図３】 図２の実施形態の側面図を示している。

【図４】 図２及び図３の実施形態の組立後の断面図を示している。

【図５】 先行技術による平坦な設計の位置検出器の側面図を示している。

【図６】 図２ないし図４の位置検出器のA−A断面図である。

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 モータの回転部材の角位置を検出するための容量性検知システムであって、 (a）1. 電機子と、 2. 該電機子から延びるシャフトと を含む回転子を有するモータと、 (b）ハウジングを有する固定子と、 (c）該ハウジングに固定されると共に発振電気エネルギー源に接続された円筒ピ
   ンと、 (d）区分化された管状プレートであって、その内面に複数の検知表面を有し、前
   記ハウジングに固定され、及び前記円筒ピンを取り囲むよう配置されて、該円筒
   ピンとの間に環状空間を形成する、区分化された管状プレートと、 (e）前記電機子から離間して前記シャフトの一端に固定された裂片状の誘電体で
   あって、前記円筒ピンと前記環状プレートとの間の環状空間に配置される、裂片
   状の誘電体と を備えている、容量性検知システム。
2. 【請求項２】 前記裂片状の誘電体が、管状の形状を有すると共に第一及び第二の端部を有し
   ており、該第一の端部が前記シャフトに接続するよう構成され、該第二の端部が
   複数の裂片からなり、該裂片が、前記円筒ピンから前記区分化された管状プレー
   トの検知表面へと発せられた電荷を調整する、請求項１に記載の容量性検知シス
   テム。
3. 【請求項３】 前記区分化された管状プレートの検知表面に電気回路が取り付けられ、該電気
   回路が、複数の前記検知表面の各々で同時に受容したエネルギーの量に基づいて
   前記シャフトの相対的な角位置を計算する、請求項２に記載の容量性検知システ
   ム。
4. 【請求項４】 前記電気回路が、発振電気エネルギー源に接続され、前記円筒ピンに加えられ
   るエネルギーの量を制御する、請求項３に記載の容量性検知システム。
5. 【請求項５】 前記電気回路が、前記区分化された管状プレートの検知表面で検知されたエネ
   ルギーの総量を計算する、請求項４に記載の容量性検知システム。
6. 【請求項６】 前記電気回路が、前記区分化された管状プレートの検知表面で検知されたエネ
   ルギーの総量を利用して、前記発振電気エネルギー源により前記円筒ピンに供給
   されるエネルギーの量を制御する、請求項５に記載の容量性検知システム。
7. 【請求項７】 前記発振電気エネルギー源が水晶発振器からなる、請求項１に記載の容量性検
   知システム。
8. 【請求項８】 前記裂片状の誘電体がプラスチックから作製される、請求項１に記載の容量性
   検知システム。
9. 【請求項９】 前記裂片状の誘電体がKynar(R)プラスチックから作製される、請求項２に記載
   の容量性検知システム。
10. 【請求項１０】 前記裂片状の誘電体がセラミック材料から作製される、請求項１に記載の容量
    性検知システム。
11. 【請求項１１】 前記裂片状の誘電体が酸化アルミニウムセラミックから作製される、請求項２
    に記載の容量性検知システム。