JP2007333600A - 回転角度センサーとこれを適用する電動湾曲内視鏡 - Google Patents

Abstract

【課題】高精度の回転角度検出能力を維持し単純な構成で小型化及び低コスト化を実現し得る回転角度センサーを提供する。
【解決手段】回転中心に対して偏心した位置に配置される真円形状もしくは長円形状の板状の磁性材からなる回転体１５と、回転体の外接円から法線方向に一定の空隙を有し回転体の外周縁部近傍に配置される第１の磁気センサ１２と、第１の磁気センサと同様に回転体の外接円から法線方向に一定の空隙を有し回転体の外周縁部近傍であって第１の磁気センサとは電気的な位相が所定量だけ変位した位置に配置される第２の磁気センサ１４と、第１の磁気センサ及び第２の磁気センサの外側縁部に配置され回転体及び二つの磁気センサとによって磁気回路を構成する磁性部材１１，１３とを具備し、回転体が回転させられると二つの磁気センサと回転体との空隙が変位することで所定量だけ位相のずれた出力信号が発生するように構成されている。
【選択図】図１

Description

この発明は、回転角度センサーとこれを適用する電動湾曲内視鏡、詳しくは電動湾曲内視鏡において湾曲部を駆動するための駆動モータの回転角度を検出する回転角度センサーとこれを適用する電動湾曲内視鏡に関するものである。

従来より、体腔内に細長の挿入部を挿入して体腔内の臓器を観察したり、必要に応じて処置具チャンネルから挿入した処置具を用いて各種治療処置をおこなうことのできる内視鏡が一般に実用化されている。

このような内視鏡においては、例えば挿入部の先端側に上下及び左右に湾曲し得るように構成される湾曲部が設けられている。この湾曲部を湾曲させるための構造としては、例えば挿入部内部に湾曲ワイヤーを挿通させ、この湾曲ワイヤーを介して湾曲部と操作部に設けられる操作部材とを接続するようにしている。そして、操作部の所定の操作部材を操作することによって湾曲ワイヤーの牽引操作または弛緩操作をおこない、これにより湾曲部を所望の方向に湾曲させることができるようにしている。

従来の内視鏡においては、上述の湾曲ワイヤーの操作は、手動による操作がなされるのが一般である。その一方で、近年においては、例えば電動モータ等の電気的な駆動手段を用いて牽引操作をおこなうように構成される電動湾曲内視鏡装置についての提案が種々なされている。

このような電動湾曲内視鏡装置においては、湾曲部の湾曲状態を確実に把握するために、湾曲角度の絶対位置を検出する必要がある。そこで、従来の電動湾曲内視鏡装置においては、湾曲位置の検出のために、例えばポテンショメータやレゾルバなどの回転角度センサー等が用いられている。

ポテンショメータは、抵抗を介して出力電圧を変化させるものである。その構造は、中心軸を回すことで抵抗値が変化し出力される電圧が変化するようになっており、このときの電圧変位を検出することによって回転角度を測定する。

しかし、ポテンショメータでは、検出角度に制限があったり、接触方式による構造のために接点の摺動部材には寿命がある。

また、従来型のレゾルバは、磁性材とコイルによって構成される簡単な構造であるが、高価なものであり、また交流（ＡＣ）電圧が必要であるために電源回路が複雑なものである。

例えば、特開２００３−１４９０００号公報によって開示されている回転角度センサーは、永久磁石とホール素子を用いて構成されており、二極以上の永久磁石によりＮ極及びＳ極の両磁極を用いて信号検出するようになっている。
特開２００３−１４９０００号公報

ところが、上記特開２００３−１４９０００号公報によって開示されている回転角度センサーにおいては、磁極の切り換わり付近で磁束の変化が不安定となる傾向がある。したがって、常に安定した信号を得ることが困難であるという問題点がある。また、両磁極を使って信号を検出する場合にはは、正弦波着磁など、着磁工程の工夫が必要となるために、常に安定した性能を得ることが困難であるという問題点もある。

さらに、上記公報による回転角度センサーでは、磁極の切り換わりが生じる構成となっていることから、回転方向によってはヒステリシスが発生してしまう。したがって、これにより高精度の角度検出が困難であるという問題点もある。また、ホール素子には不平衡電圧が存在することから、出力ゼロボルト（０Ｖ）付近では、ばらつきが発生しやすいという問題点もある。

本発明は、上述した点に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、非接触方式の回転角度センサーであって、高精度の回転角度検出能力を維持しつつ、構成を単純化しかつ小型化及び低コスト化を実現することのできる回転角度センサーとこれを適用する電動湾曲内視鏡を提供することである。

上記目的を達成するために、本発明による回転角度センサーは、回転中心に対して偏心した位置に配置される真円形状もしくは長円形状の板状の磁性材からなる回転体と、前記回転体の外接円から法線方向に一定の空隙を有し前記回転体の外周縁部近傍に配置される第１の磁気センサーと、前記第１の磁気センサーと同様に前記回転体の外接円から法線方向に一定の空隙を有し前記回転体の外周縁部近傍であって、前記第１の磁気センサーとは電気的な位相が所定量だけ変位した位置に配置される第２の磁気センサーと、前記第１の磁気センサー及び前記第２の磁気センサーの外側縁部に配置され、前記回転体及び前記二つの磁気センサーとによって磁気回路を構成する磁性部材とを具備し、前記回転体が回転させられると、前記二つの磁気センサーと前記回転体との空隙が変位することによって、所定量だけ位相のずれた出力信号が発生するように構成されていることを特徴とする。

本発明によれば、非接触方式の回転角度センサーであって、高精度の回転角度検出能力を維持しつつ、構成を単純化しかつ小型化及び低コスト化を実現することのできる回転角度センサーとこれを適用する電動湾曲内視鏡を提供することができる。

以下、図示の実施の形態によって本発明を説明する。

図１は、本発明の第１の実施形態の回転角度センサーの概略構成を示す平面図である。図２は、図１の回転角度センサーの側面図である。図３は、図１の回転角度センサーを電動湾曲内視鏡に適用した場合の概略構成図である。図４は、図１の回転角度センサーにおいて、ホール素子の出力信号を回転角度に換算する場合の変換テーブルの具体例を示す図表である。図５は、図１の回転角度センサーにおけるホール素子の出力信号を示す線図である。

本実施形態の回転角度センサー１は、駆動モータ２１（図３参照）の出力駆動軸１６に嵌合することで固設される真円形状で板状の磁性材（例えば電磁軟鉄材等）からなる回転体１５と、この回転体１５の外周縁部近傍に設けられる第１の磁気センサーである第１のホール素子１２及び第２の磁気センサーである第２のホール素子１４と、第１のホール素子１２及び第２のホール素子１４のそれぞれのさらに外側に設けられる磁性部材である永久磁石としての第１のマグネット１１及び第２のマグネット１３とによって主に構成されている。

回転体１５の中心位置は、図１に示すように当該回転角度センサー１の回転中心Ａに沿う方向に配設される出力駆動軸１６に対して所定量Ｄだけ偏心した位置Ｂに配置されている。そして、回転体１５の中程の部位には、回転方向の重量バランスの均衡を保持するための孔１５ｂが穿設されている。これによって、回転体１５は、その円滑な回転動作を確保することができるようになっている。

回転体１５の外周縁部近傍には、固定基板３０ａ（図１及び図２では図示を省略。図３参照）が配設されている。この固定基板３０ａは、例えば当該回転角度センサー１及び駆動モータ２１等を内部に具備する機器（図３ではモーターユニット２０に相当する）のケース壁面や内部構成部材に固設される電気回路基板であり、両ホール素子１２，１４及び二つのマグネット１１，１３の支持部材となっている。

つまり、第１のホール素子１２及び第２のホール素子１４は、固定基板３０ａの回転体１５に対向する側の実装面に実装されることで固設されている。

また、第１のマグネット１１及び第２のマグネット１３は、第１のホール素子１２及び第２のホール素子１４の配設される固定基板３０ａの実装面とは反対側の面に、固定基板３０ａを挟むようにして配置されている。

これにより、両ホール素子１２，１４に対する電力供給や、同ホール素子１２，１４からの信号出力は基板上の信号線等（図示せず）を介しておこなわれるようになっている。

また、第１のマグネット１１及び第２のマグネット１３は、回転体１５と第１のホール素子１２及び第２のホール素子１４とによって磁気回路を構成する磁性部材であって、永久磁石で形成されている。

そして、第１のホール素子１２及び第２のホール素子１４と回転体１５の外周面との間には、当該回転体１５の外接円Ｐから法線方向に一定の空隙が形成されている。

この場合において、第２のホール素子１４は、第１のホール素子１２とは電気的な位相が所定量だけ変位する位置に配置されている。つまり、回転体１５が偏心した位置に配置されていることから、図１に示すように回転体１５の外周面上の点ｐ１と第１のホール素子１２との間の空隙Ｇ１が最も狭くなる状態にあるとき、回転体１５の外周面上の点ｐ２と第２のホール素子１４との間の空隙Ｇ２とは、Ｇ１＜Ｇ２の関係が維持されるようになっている。

そして、回転体１５が例えば図１の矢印Ｒに沿う方向へと回転すると、回転体１５の外周面上の点ｐ１と第１のホール素子１２との空隙Ｇ１は徐々に拡がることになる。その一方で、回転体１５の外周面上の点ｐ２と第２のホール素子１４との空隙Ｇ２が徐々に狭くなる。そして最終的には、空隙Ｇ２が最も狭くなる状態になったとき、空隙Ｇ１に等しい値となる。

なお、第１のホール素子１２に対する第２のホール素子１４の位置関係は、例えば電気的に９０度（°）の位相差の信号が生じるように設定される。

また、回転体１５の着磁方向は、図１の矢印Ｘ１，Ｘ２に示す方向とし、この着磁方向（Ｘ１，Ｘ２）と、第１のマグネット１１及び第２のマグネット１３の磁極方向とは、同一となるように設定されている。

このように構成される本実施形態の回転角度センサー１を電動湾曲内視鏡に適用した場合の構成について、以下に説明する。

図３は、本実施形態の回転角度センサー１を電動湾曲内視鏡３０におけるモーターユニット２０のギアーヘッド２２の出力駆動軸１６に取り付けた状態を示している。

この電動湾曲内視鏡３０の概略構成は、細長形状からなり先端に湾曲部を備えた挿入部（特に図示せず）と、この挿入部の基端側に連設されるモーターユニット２０と、当該電動湾曲内視鏡３０の総括的な制御をおこなうコントロールユニット３１と、このコントロールユニット３１とモーターユニット２０との間を接続するユニバーサルケーブル３３と、コントロールユニット３１に対して接続される操作部３２等によって主に構成される。

モーターユニット２０の内部には、駆動モータ２１と、この駆動モータ２１の出力駆動軸１６を介して出力される回転駆動力の伝達及び方向変換等をおこなうための複数のギアー列等を内部に備えたギアーヘッド２２と、出力駆動軸１６の回転駆動力の挿入部側への伝達及びその切り離しをおこなうクラッチ機構やギアー列等を内部に具備する動力伝達機構等によって主に構成されている。

このように構成される上記第１の実施形態における作用について、以下に説明する。

図１に示す状態にあるとき、駆動モータ２１を駆動させることで出力駆動軸１６を矢印Ｒ方向に回転させる。これにより、軸１６に一体に嵌合している回転体１５も同矢印Ｒ方向に回転する。

すると、上述したように回転体１５の外周面上の点ｐ１と第１のホール素子１２との空隙Ｇ１は徐々に拡がり、回転体１５の外周面上の点ｐ２と第２のホール素子１４との空隙Ｇ２は徐々に狭くなる。

一般に、磁気回路における磁束密度は、回転体１５とマグネット１１，１３との空隙に比例して変化する。このことから、ホール素子を通過する磁束も比例して変化することになる。また、ホール素子は磁束密度に応じて内部抵抗値が変化する特性を有することが知られている。

そこで、入力電圧を一定としておけば、空隙（Ｇ１，Ｇ２）の変化は、磁束密度の変化に応じた出力電圧が得られることになる。このとき、ホール素子を通る磁極は、常にＮ極あるいはＳ極のいずれか一方であるので、バイアスが加わった（一定電圧の）出力信号が得られることになる。

したがって、図１の状態から回転体１５が回転し続けた場合、第１のホール素子１２からは余弦波が得られるのと同時に、第２のホール素子１４からは正弦波が得られることになる。

こうして得られる２つの出力信号と、回転角度をビット分割したデータとを対比することで絶対位置に変換することができる。このホール素子の出力信号を回転角度に換算する場合の変換テープルの具体例を図４に示す。

本実施形態の構成においては、回転体１５が一回転するのに際して一周期の出力信号が得られるような構成としている。つまり、第１のホール素子１２及び第２のホール素子１４の位相は、機械的に回転角度９０度（°）となるように配置することで、電気的に９０度（°）の位相差の信号が発生するようになっている。

本実施形態のように、回転体１５が一回転するのに際して一周期の出力信号が得られる構成とした場合には、図５に示すように、正弦波と余弦波とが同時に得られることになる。なお、図５においては、第２のホール素子１４から得られる正弦波を点線で、第１のホール素子１２からは得られる余弦波を実線で示している。

例えば、図４に示すように、回転体１５の一回転を４ｂｉｔ（１６）分割した場合には、デジタルバイナリの組み合わせと、２つのホール素子（１２，１４）の出力電圧の組み合わせが重複することはない。したがって、回転角度を電気信号として絶対位置の検出をすることが可能となる。なお、この場合において、分割数を増加すれば、より精度の高い回転角度検出を可能とすることができる。

以上説明したように上記第１の実施形態によれば、信号検出をおこなうための磁極をＮ極またはＳ極いずれか一方の単極で構成することで、磁極の切り換わり動作を排除したことから、ヒステリシスのない安定した出力信号を常に得ることができる。

また、出力信号にはバイアス電圧が加わるために、不平衡電圧がキャンセルされるので、出力信号はより一層安定することになる。そして、着磁工程については、特別な工夫をおこなうことなく一定の出力を得ることができる。

さらに、少ない部品点数によって単純化した構成とし、かつ小型化及び低コスト化を実現した回転角度センサーとすることができる。

また、不思議遊星ギアーに内蔵することによってアクチュエータ駆動装置及び駆動機構の小型化にも寄与することができる。

なお、この回転角度センサー１は、上述したように電動湾曲内視鏡の駆動装置に対しても容易に適用することができる。この場合においては、内視鏡挿入部の湾曲部を湾曲させるための駆動モーターに当該回転角度センサー１を適用する。これにより、湾曲部の回転角度を検出し、湾曲角度の絶対位置を正確に検出することができる。したがって、これにより、湾曲部の湾曲状態を確実に把握することができるようになる。

ところで、上述の第１の実施形態においては、磁気回路構成要素として、回転体１５を例えば電磁軟鉄材等の磁性材で形成し、この回転体１５の外周側の所定位置に磁性部材である永久磁石としての第１のマグネット１１及び第２のマグネット１３を配置して構成している。しかし、本発明の回転角度センサーにおける磁気回路構成要素としては、この構成に限ることはなく、例えば回転体１５を磁性部材である永久磁石で形成し、この回転体１５の外周側の所定位置に電磁軟鉄材等の磁性材を配置して構成してもよい。この場合には、例えば上述の第１の実施形態における第１のマグネット１１及び第２のマグネット１３に代えて同位置に、第１の磁性材及び第２の磁性材を配置して構成する。このような構成としても、上述の第１の実施形態と全く同様の効果を得ることができる。

また、上述の第１の実施形態においては、回転体１５の形状を真円形状とし、これを板状の磁性材によって形成し、この回転体１５は出力駆動軸１６に対して所定量（Ｄ；図１）だけ偏心した位置（Ｂ；図１）に配置して構成ている。しかし、このような形態に限ることはなく、例えば図６に示すような形態とすることもできる。

図６は、本発明の第２の実施形態の回転角度センサーの概略構成を示す平面図である。

本実施形態の基本的な構成は、上述の第１の実施形態と略同様の構成であって、回転体の形状が異なり、これに伴って第２のマグネット１３及び第２のホール素子１４の配置が若干異なる。

即ち、本実施形態の回転角度センサー１Ａにおける回転体１５Ａは、図６に示すように長円形状の板状の磁性部材によって形成されている。この回転体１５Ａの回転中心Ａは、出力駆動軸１６の中心位置Ａと一致するように配置されている。

また、本実施形態においては、第２のマグネット１３及び第２のホール素子１４の配置は、第２のマグネット１３及び第２のホール素子１４の配置されている位置より、符号Ｒ方向に角度４５度（°）だけズレた位置となるように設定されている。したがって、第１のホール素子１２に対する第２のホール素子１４の位置関係は、機械的に４５度（°）となるように設定されている。つまり、二つのホール素子１２，１４からの出力信号が電気的に９０度（°）位相となるように調整されている。これにより、回転体１５Ａが一回転するのに際して二周期の出力信号が得られるようになっている。その他の構成は上述の第１の実施形態と全く同様である。

以上のように構成された上記第２の実施形態の回転角度センサー１Ａにおいては、上述の第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。

上述の各実施形態においては、第１の磁気センサー及び第２の磁気センサーとして、ホール素子を用いた例を示しているが、これに限ることはなく、第１の磁気センサー及び第２の磁気センサーとしては、例えばホールＩＣや磁気抵抗素子等を適用することも可能である。

なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、発明の主旨を逸脱しない範囲内において種々の変形や応用が可能であることは勿論である。

本発明の第１の実施形態の回転角度センサーの概略構成を示す平面図。 図１の回転角度センサーの側面図。 図１の回転角度センサーを電動湾曲内視鏡に適用した場合の概略構成図。 図１の回転角度センサーにおいて、ホール素子の出力信号を回転角度に換算する場合の変換テーブルの具体例を示す図表。 図１の回転角度センサーにおけるホール素子の出力信号を示す線図。 本発明の第２の実施形態の回転角度センサーの概略構成を示す平面図。

符号の説明

１，１Ａ……回転角度センサー
１１……第１のマグネット
１３……第２のマグネット
１２……第１のホール素子
１４……第２のホール素子
１５，１５Ａ……回転体
１６……出力駆動軸
２０……モーターユニット
２１……駆動モータ
２２……ギアーヘッド
３０……電動湾曲内視鏡
３０ａ……固定基板
３１……コントロールユニット
３２……操作部
３３……ユニバーサルケーブル

Claims (8)

1. 回転中心に対して偏心した位置に配置される真円形状もしくは長円形状の板状の磁性材からなる回転体と、
   前記回転体の外接円から法線方向に一定の空隙を有し前記回転体の外周縁部近傍に配置される第１の磁気センサーと、
   前記第１の磁気センサーと同様に前記回転体の外接円から法線方向に一定の空隙を有し前記回転体の外周縁部近傍であって、前記第１の磁気センサーとは電気的な位相が所定量だけ変位した位置に配置される第２の磁気センサーと、
   前記第１の磁気センサー及び前記第２の磁気センサーの外側縁部に配置され、前記回転体及び前記二つの磁気センサーとによって磁気回路を構成する磁性部材と、
   を具備し、
   前記回転体が回転させられると、前記二つの磁気センサーと前記回転体との空隙が変位することによって、所定量だけ位相のずれた出力信号が発生するように構成されていることを特徴とする回転角度センサー。
2. 前記第１の磁気センサーと前記第２の磁気センサーとは、互いに電気的に角度９０度位相が変位した位置に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の回転角度センサー。
3. 前記第１の磁気センサーと前記第２の磁気センサーとは、いずれもホール素子であることを特徴とする請求項１または請求項２のいずれかに記載の回転角度センサー。
4. 前記回転体は電磁軟鉄からなり、前記磁気回路を構成する前記磁性部材は永久磁石であることを特徴とする請求項１に記載の回転角度センサー。
5. 前記回転体は永久磁石からなり、前記磁気回路を構成する前記磁性材は電磁軟鉄からなることを特徴とする請求項１に記載の回転角度センサー。
6. 前記永久磁石の磁極はＮ極またはＳ極のいずれか一方のみが使われることを特徴とする請求項４または請求項５のいずれかに記載の回転角度センサー。
7. 前記回転角度センサーは、モーターあるいはギアーヘッドに一体に内蔵される形態で取り付けられることを特徴とする請求項１に記載の回転角度センサー。
8. 請求項１〜請求項７のいずれか一つに記載の回転角度センサーを具備する電動湾曲内視鏡。

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