JP2009128360A - アブソリュート型ディスク容量性センサーを備える角度測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】広い角度範囲の測定に適しかつ高精度、高解像度、並びに容易なデータ処理をもたらす絶対位置測定装置を提供する。
【解決手段】
広角範囲の測定に適し、かつ高精度、高解像度、及び容易なデータ処理を提供する絶対位置測定装置であり、ディスク容量性センサー１〜３、測定信号処理ユニット４〜５、データ処理ユニット６、及び表示ユニット７を備え、本ディスク容量性センサー１〜３は、概略的分割センサー１２及び詳細分割センサー１１を備え、詳細分割センサー１１のピッチ点値は、概略的分割センサー１２の解像度よりも少なくとも２倍大きく、概略的分割センサー１２及び詳細分割センサー１１は、同じゼロ位置を有し、概略的分割センサー１２及び詳細分割センサー１１の２つグリッドは、互いに独立で、電気的コヒーランスがなく、及び相互に相対的に固定され、グリッドは、単一ピッチ測定範囲内に排他的絶対的配置値をもつ。
【選択図】図１

Description

本発明は、角度測定装置であって、より具体的には、絶対角度位置測定のためのアブソリュート型ディスク容量性センサー測定装置に関する。

従来の角度位置測定用容量型測定装置は、可変領域容量性センサーを採用している。固定式極片に相対した可動式極片のキャパシタンスの変化を検出することにより、角度変化が測定される。従来の容量性測定装置には、インクリメンタル型とアブソリュート型の２つの型が含まれる。キャパシタンスにおける制約のため、従来のアブソリュート型容量性測定装置は、小角の絶対位置を測定する場合にのみ使用でき、したがってその用途が制限される。広角での測定は、インクリメンタル型容量性センサーを使用して、グリッドカップリングの周期的に交互する位相信号を連続的に読み取ることで実現できる。

しかし、インクリメンタル型容量性センサーは、次のような短所をもつ。
ａ）周期的に交互する位相信号が連続的に読み取られ、装置が常に計算を行っている。可動部材が相対的に速く移動すると、位相信号も高速で変化し、位相信号の変化周期に一致するように計算応答速度を上げなければならない。
ｂ）測定を較正するためには、可動部材を再ゼロ化しなければならない。計算誤差が伝播し、かつ増大する。
ｃ）電源が切られた場合、次の使用の前に、可動部材の参照位置をリセットしなければならない。

インクリメンタル型容量性センサーの短所を克服するために、絶対位置測定のための測定装置が、たとえば米国特許第４４２０７５４号、及び中国特許第ＣＮ８９１０６０５１、ＣＮ９３１０７９９１、及びＣＮ９３１１７７０１などにより開示されている。この測定装置は、可動部材の移動によって発生する複数の異なる周期的位相信号を検出することにより、絶対位置変位の測定を実現する。
米国特許第４４２０７５４号公報 中国特許第ＣＮ８９１０６０５１号公報 中国特許第ＣＮ９３１０７９９１号公報 中国特許第ＣＮ９３１１７７０１号公報

しかし、複数の異なる周期的位相信号は高い相関があり、かつ、すべて概略的分割信号と詳細分割信号の間の測定位相差に基づいている。さらに、絶対位置を計算するには、概略的位相信号内で詳細位相信号を計算するプロセスが必要となる。次に、位相信号は、異なる周期的位相信号に適した論理演算を適用し、複雑な作業手順と組み合わせ、各位相を周期的に測定することによって統合できる。

しかし、要求に応じた連続パルスの計算用に同期変調制御を適用することは複雑である。測定精度を上げるために、概略的パターン、中間パターン、及び詳細パターンの３つの信号パターンが使用できる。この方法では、データ処理プロセスは複雑であり、かつデータ表示周期は可動部材の高速移動ステップに常に必ずしも追従できるとは限らない。より早いデータ処理速度が求められるとすれば、データ処理装置のサイズ規模を増加させなければならない。したがって、従来手法は、マニュアルタイプの測定装置には適用できない。

中国特許第ＣＮ０３１０３８７５は、互いに相対して回転する２組のロータリーエンコーダーを備えた別の絶対位置測定装置を開示している。可動部材の絶対位置は、異なる位相信号間の位相差に応じて計算される。

しかし、装置は、グリッド位置に関するあまりに高度な要求と、信号処理回路又は装置構造の複雑さにより、経済的かつ高信頼を持った製造が行えず、よって、適用性は広くない。

したがって、本発明の目的のひとつは、広い角度範囲の測定に適しかつ高精度、高解像度、並びに容易なデータ処理をもたらす絶対位置測定装置を提供することである。

上記の目的を達成するため、従来のインクリメンタル容量性センサーに基づいて確立された絶対位置測定用のアブソリュート型ディスク容量性センサー測定装置が提供され、角度測定用のマイクロプロセッサー処理技術と組み合わせたディスク容量性グリッド技術が採用されている。測定装置は、ディスク容量性センサー、測定信号処理ユニット、データ処理ユニット、及び表示ユニットを備える。ディスク容量性センサーは、概略的分割センサー及び詳細分割センサーを備え、ここで詳細分割センサーのピッチポイント値は概略的分割センサーの解像度の２倍高く、及び概略的分割センサー並びに詳細分割センサーは同じゼロ位置を持つ。概略的分割センサーと詳細分割センサーの２つのグリッドは相互に独立しており、電気的コヒーレンスがなく、互いに相対的に固定されている。グリッドは、単一ピッチ測定範囲内で排他的絶対変位値を持つ。

本発明の本実施形態のクラス又は別の実施形態において、ディスク容量性センサーは、固定グリッド片と可動グリッド片からなる２片反射構造を有する。概略的分割センサーに対応する概略的分割の放射極および受信極と、詳細分割センサーに対応する詳細分割の放射極および受信極は、同心的に同一固定グリッド片上に設置される。概略的分割反射極、詳細分割反射極、及び遮蔽極は、放射極と受信極の位置に対応する可動グリッド片上の投射位置に設置される。

本発明の本実施形態のクラス又は別の実施形態においては、ディスク容量性センサーは、随意的に、放射板、受信板、及び遮蔽板からなる３片伝送構造を有する。概略的分割センサーに対応する概略的分割放射極及び詳細分割センサーに対応する詳細分割放射極は、放射板上に設置される。概略的分割受信ループ及び詳細分割受信ループは、放射極に対応する受信板上の投射位置にある。概略的分割放射極と詳細分割放射極に対応する伝送窓は、遮蔽板上に開かれている。

本発明の本実施形態のクラス又は別の実施形態において、測定信号処理ユニットの容量性グリッド集積回路は、概略的分割信号処理回路及び詳細分割信号処理回路を含む。

本発明の本実施形態のクラス又は別の実施形態において、概略的分割受容信号及び詳細分割受容信号に選択的に接続し、測定信号処理ユニットの容量性グリッド集積回路に信号を送信できる能力を有する切替回路は、随意的に、容量性グリッド集積回路及び測定信号処理ユニットのディスク容量性センサーの間に設置される。

本発明の本実施形態のクラス又は別の実施形態において、データ処理ユニットは、入出力ポート、ＲＡＭ、ＲＯＭ、及びＣＰＵを含むマイクロプロセッサーを備える。マイクロプロセッサーは、概略的分割及び詳細分割センサーの絶対位置を統合する精度を強制的に確保するため、容量性グリッド集積回路からの概略的分割及び詳細分割センサー出力の単一ピッチの変位データのみを読み込み、及び等価な量のパルスを追加又は減じる役割を果たす。

本発明の本実施形態のクラス又は別の実施形態において、さらに、測定装置は、回転数を計数し、計数値をデータ処理ユニットに送信する装置を含む。

本発明の本実施形態のクラス又は別の実施形態において、測定装置は、角度測定のために、インクリメンタル型容量性センサーに基づいて確立されており、角度測定用のマイクロプロセッサー処理技術と組み合わせたディスク容量性グリッド技術を採用する。測定装置は、３６０度の外周全体の測定範囲内で、概略的分割センサー及び詳細分割センサーを含む。出力信号値は、容量性グリッドの原理に従って、ピッチ内の容量性グリッド位置に一対一対応する。３６０度の外周全体に対し、詳細分割センサーのピッチ量は要求に応じて設定されるが、概略的分割センサーは１ピッチに設定されるため固定値をもつ。理論的に、詳細分割センサーのピッチ量は、概略的分割ピッチの１解像度よりも大きい。ただし、製造及び組立誤差を考慮し、及びアブソリュート型ディスク容量性センサーの動作に信頼性をもたらし安定させるため、通常、詳細分割ピッチ量は概略的分割ピッチの量と比較し１０倍を超える量に設定される。

たとえば、３６０度の外周全体の中で、概略的分割センサーは１ピッチに設定され、及び詳細分割センサーは１８ピッチに設定される。これは、概略的分割センサーのピッチ値は３６０度なのに対して、詳細分割センサーのピッチ値は２０度ということである。１ピッチのパルス相当量は、１０進数の５１２を用いて設定される。すなわち、概略的分割データのパルス相当量は、（３６０／１）／５１２≒０．７度に等しく、詳細分割データのパルス相当量は、（３６０／１８）／５１２≒０．０４度と等しい。したがって、詳細分割センサーに対して異なるピッチ量を選択することにより、異なる解像度が得られる。実用的な見解からすると、解像度０．０１度を経済的に得ることができる。

測定時、３６０度の外周全体の絶対位置データは、個々の概略的分割センサーのピッチ及び詳細分割センサーのピッチをそれぞれ計測し、マイクロプロセッサーを通じて概略的分割データと詳細分割データを統合し、その後誤差を除去することによって得ることができる。たとえば、１０の位よりも大きな桁（a digit higher than tens）は、概略的分割センサーデータに応じて丸められ、一方、１０の位より小さな桁（a digit lower than tens）は、詳細分割センサーデータに応じて選択される。

下位からの桁上げ（ｃａｒｒｙ−ｉｎ）ポイントでの数に対しては、センサー誤差の影響を除去するために、詳細分割センサーデータが最初に読み込まれ、次に、検出された概略的分割センサーデータが、下位からの桁上げ前であるか又は桁上げ後であるかという状況に応じて、特定のパルス相当量数を加算または減算して処理を行う。これは、下位からの桁上げデータの正確性を強制的に確保し、データ統合化時の概略的分割と詳細分割のセンサー誤差の影響を除去することを目的とする。１周（３６０度）より大きい範囲の計測に対しては、回転数を計測するための装置が追加される。次に、統合化のために計測された回転数をマイクロプロセッサーに送ることにより、絶対位置測定を実現できる。

本発明の本実施形態のクラス又は別の実施形態において、広角範囲の絶対位置測定は、マイクロプロセッサーを適用し、誤差が除去された後、複数（２より大きい）のインクリメンタル型ディスク容量性センサーで検出された単一ピッチデータを統合することによって実現される。高精度かつ高解像度というインクリメンタル型ディスク容量性センサーの特性が継承および推進されている。さらに、容量性センサーの単一ピッチ内のデータがその位置にのみ関連するという機能に基づいて、任意時点の読み込まれた単一ピッチデータは、その位置だけに限定されるため、検出速度、連続的検出の要件などの、従来のインクリメント型センサーの短所が回避されている。

本発明の本実施形態のクラス又は別の実施形態において、２つのインクリメント型容量性センサーのグリッドは相互に独立しており、電気的コヒーランスがなく、個別に動作することができる。特殊な回路や技術を必要とすることなく、すでに成熟している既存の測定回路及び処理技術を本発明の測定装置に適用し、グリッド位置に関する過度な要件と及び信号処理集積回路の複雑性を回避できる。

本発明の本実施形態のクラス又は別の実施形態において、２つのインクリメンタル型容量性センサーのグリッドは、切替回路タイムシェアリング処理技術を適用することにより、同じ駆動信号、同じ測定回路、及び同じ処理回路を共有することができる。したがって、絶対位置測定は、マイクロプロセッサーを組み合わせた既存の一般的なインクリメンタル型容量信号処理集積回路を使用することによって実現される。マイクロプロセッサーの信号同時性を維持すること、及び統合誤差を避けること、及び既存の発達した増分容量性センサーの技術的優位性を開発すること、及びそれによって開発コストと開発サイクルを減少させることは有益である。

本発明の本実施形態のクラス又は別の実施形態において、容量性センサーのグリッドは伝達型構造を有する。すなわち、２つの概略的分割及び詳細分割容量性グリッドの極片は同心でかつ同じ板上で不変であるように相互に固定されている。装置のサイズを軽減できるため、これにより、装置は、小さな領域内での用途に適する。さらに、組み立て誤差の影響を回避でき、処理精度に関する要件を減少できる。

本発明の本実施形態のクラス又は別の実施形態において、マイクロプロセッサーを適用し、誤差が除去された後、２つよりも多いインクリメンタル型ディスク容量性センサーの単一ピッチデータを統合し、データプログラム処理中におけるマイクロプロセッサーの柔軟性を存分に発揮できる。データ統合化における２つのインクリメンタル型センサーの誤差の影響の除去には、単純なプログラマブル処理が必要となるのみである。ハードウェア処理を適用する既存技術の高複雑性及び不確実性が回避され、製品開発サイクルが迅速化する。

本発明を実施形態に従って以下に詳しく説明する。
図３〜図４に示したように、本発明の測定装置は、放射板１を備えるセンサーユニット、遮蔽板２、及び受信板３と、切替回路４及び容量性グリッド集積回路５を備える信号処理ユニットと、データ処理ユニット６、ディスプレイユニット７、及び回転シャフト８を備える。

詳細分割放射極１１と概略的分割放射極１２の２つの放射グリッド極は、放射板上に同心的に設計されている。詳細分割放射極１１は、円周上の１８ピッチに従って均一に１８セットに分離されており、各セットには、８個の駆動極片を含み、放射極の各セットのセグメント角は２０度である。プリント基板（ＰＣＢ）ワイヤリングを容易にするため、全１８セット中の１４セットは左右対称に選択される。概略的分割放射極１２は、円周上の１ピッチに従って１セットずつ分割されており、そのセットには、８個の駆動極片を含む。すなわち、概略的分割放射極１２及び詳細分割放射極１１の８個の駆動極片が、１つのセットとして均一に分割される。セットの角度は３６０度である。

概略的分割放射極１２並びに詳細分割放射極１１の各セットは、それぞれ、容量性信号処理集積回路５の８フィード変調パルス駆動回路５３からの８フィード駆動信号出力に電気的に接続される。概略的分割放射極１２の少なくとも１つの極片と詳細分割放射極１１の極片は、円周上で同じ開始点を共有し、駆動信号が同期される。詳細分割受信ループ３１並びに概略的分割受信ループ３２は、放射板に対応する受信板３上の投射位置に設置され、放射板上に、グリッド容量を形成するために詳細分割放射極１１並びに概略的分割放射極１２とそれぞれ容量性カップリングを形成する。キャパシタから突き出たピンは、受け取った変調信号を切替回路４の２信号入力ポートに送る働きをする。

伝送窓２１及び伝送窓２２は、遮蔽板２上で開いている。伝送窓２１は１８ピッチに従って開くため、詳細分割放射極１１に対応し、一方、伝送窓２２は、１ピッチにしたがって開くため、概略的分割放射極１２に対応している。さらに、遮蔽極２３は、遮蔽板２上に配置され、接地される。放射極の電気信号は、伝送窓を介して受信極にのみ結合できる。遮蔽板２は回転シャフト８に固定的に接続され、回転シャフト８によって駆動されるその中央点の周囲を回転できる。

伝送窓を通した放射極の投影領域は、遮蔽板２の回転と共に変化する可能性があり、受信板３への電気信号は同期的に変化する。すなわち、回転シャフトの回転角度に関連する詳細変調信号は、放射板１の詳細分割放射極１１及び遮蔽板２の伝送窓２１を通過する８フィード変調パルス駆動信号によって受信板３の受容極３１上に得られる。回転シャフトの回転角度に関連する概略的変調信号は、放射板１の詳細分割放射極１２及び遮蔽板２の伝達窓２２を通過する８フィードの変調パルス駆動信号によって受信板３の受信極３２上に得られる。

切替回路４は、発振回路４１、周波数分割回路４２、８フィールド変調パルス駆動回路４３、復調および増幅回路４４、位相識別及び計算回路４５、レジスターユニット４６などを備える。この切替回路４は、マイクロプロセッサーによって制御されており、概略的分割センサー又は詳細分割センサーの受信極信号に選択的に接続し、測定信号処理ユニットの容量性グリッド集積回路５の入力極に信号を送り、選択された信号データが、確実にマイクロプロセッサーの各読み込み期間内に正しく処理されるようにする。

測定信号処理ユニットの容量性グリッド集積回路５は、従来型の集積回路の信号測定技術を適用しており、発振回路５１、周波数分割回路５２、８フィード変調パルス駆動回路５３、復調及び増幅回路５４、位相識別及び計算回路５５、レジスターユニット５６などを備える。各ピッチ期間は５１２パルス相当である。

データ処理ユニット６のマイクロプロセッサーは、入出力ポート61、ＲＯＭ６２、ＣＰＵ６３、ＣＰＵ６４を備えている。このマイクロプロセッサーは、割り込み信号を受け取ってそれを中央処理装置（ＣＰＵ）６３に送り、及びＬＣＤディスプレイを駆動する表示回路７にＣＰＵによって処理された信号データを転送する入出力ポートを備える。マイクロプロセッサーは、プログラムの要求に応じてＥＡ要求信号を発生するために３ワイヤ非同期サンプリングフォーム内の容量性グリッド集積回路５からの出力データを読み取る。同時に、ＥＡ要求信号は、要求に従って測定信号処理ユニットの集積回路５が、選択された概略的又は詳細分割センサー信号データを処理できるように、切替回路４の制御ポートに接続される。

ＣＰＵ６３は、詳細分割及び概略的分割バイナリデータの読み込みに応じて、１ピッチを超えない小さいデータをとる。通常、１ピッチにおけるパルス相当量は十進数の５１２を超えない。すなわち、概略的分割データの各パルス相当量は、３６０／５１２≒０．７度と等しく、詳細分割データでは、３６０／１８／５１２≒０．０４度と等しい。

概略的分割データ及び詳細分割データの統合を容易にするために、概略的分割データでは、１０度の整数倍が１０の位でのデータソース（data source of tens）として選択される（統合角度は、パルス相当量が０〜１４の範囲にある時には、ゼロパルス相当と定義される。これは、概略的分割データの１０の位（the tens of）が１であることと同じである。統合角度は、パルス相当量が１５〜２８の範囲にある時には、１５パルス相当と定義される。これは、それは概略的分割データの１０の位（the tens of）が１であることと等しい、といった具合である）。詳細分割データは、ユニットのデータソースとして、１０度を超えないパルス相当量またはそれ以下を選択する。

回転シャフトの回転角度測定は、全周内で絶対位置パルス相当量を得るために概略的分割データ及び詳細分割データを１つに統合し、統合されたデータを参照ゼロ点（データはゼロクリア中に読み込まれかつＲＡＭ６４に保存される）で設定された絶対パルス相当量によって除算し、パルス相当量を度数と十進数に変換し、処理されたデータをＬＣＤに送り、表示するステップを介して実現される。

下位からの桁上げ（ｃａｒｒｙ−ｉｎ）ポイントでデータを読み込む時に、概略的分割センサーと詳細分割センサーの製造誤差に起因して、測定における大きな誤差が発生する場合がある。センサー誤差を除去するために、詳細分割センサーが先に読み込まれ、次に、データの下位からの桁上げが正確であることを確実にし、かつデータ統合上の概略的分割センサー並びに詳細分割センサーの影響を除去するため、データが繰り越し前であるか又は繰り越し後である状況に応じてパルス相当量の一定数を加算または除算することにより、概略的分割センサーから検出されるデータが処理される。

本発明は、本明細書において開示された特定の実施形態に限定されるものではなく、各種用途向けの修正並びにその他の実施形態が添付の請求項の中に含まれることを意図している。本発明がここでの特定の例に関連して説明されているが、他の修正は図、明細書、及び請求項の学習によって当分野の技術者には明らかであるため、本発明の真の範囲は限定されるものではない。

本明細書中で言及されているすべての出版物並びに特許出願は、本発明が関連する当分野の技術者の技術のレベルを示す。本明細書中で言及されているすべての出版物並びに特許出願は、本明細書中のそれぞれ個々の出版物又は特許出願が具体的にかつ独立して参照により組み込まれるごとく、参照することにより本明細書に組み込まれる。

本発明の１つの実施形態に従った回路ブロック図である。 本発明の別の実施形態に従った回路ブロック図である。 本発明の別の実施形態に従った切替回路を備える回路ブロック図である。 本発明の１つの実施形態に従ったアブソリュート型３片伝送ディスク容量性センサーである。 本発明の１つの実施形態に従ったアブソリュート型２片反射ディスク容量性センサーである。

符号の説明

放射板…１ 遮蔽板…２ 受信板…３ 切替回路…４
容量性グリッド集積回路…５ データ処理ユニット…６ ディスプレイユニット…７
回転シャフト…８ 詳細分割放射極…１１ 概略的分割放射極…１２
伝送窓…２１ 伝送窓…２２ 遮蔽極…２３
詳細分割受信ループ…３１ 概略的分割受信ループ…３２
発振回路…５１ 周波数分割回路…５２ ８フィード変調パルス駆動回路…５３
復調及び増幅回路…５４ 位相識別及び計算回路…５５ レジスターユニット…５６

Claims (8)

1. 絶対位置測定のための装置であって、
   ディスク容量性センサー、
   信号処理ユニット、
   データ処理ユニット、及び、
   表示ユニット、を備え、
   そこで、
   当該ディスク容量性センサーは、それぞれがピッチ値を有する概略的分割センサー及び詳細分割センサーを備え、
   当該概略的分割センサーのピッチ値は、当該詳細分割センサーのピッチ値の少なくとも２倍大きく、
   当該概略的分割センサー及び当該詳細分割センサーは、同じゼロ位置を有し、
   当該概略的分割センサー及び当該詳細分割センサーのグリッドは、相互に独立し、電気的コヒーランスがなく、相互に相対的に固定されており、及び、
   グリッドは、単一ピッチ測定範囲内に排他的絶対的変位値を持つ。
2. 請求項１において、
   当該ディスク容量性センサーは、固定グリッド片及び可動グリッド片を備える２片反射構造を有し、
   当該概略的分割センサーに対応する概略的分割放射極及び受信極、及び当該詳細分割センサーに対応する詳細分割放射極及び受信極は、同心的に同一固定グリッド片に設置され、及び、
   概略的分割反射極、詳細分割反射極、及び遮蔽極は、当該放射極及び受信極の位置に対応する当該可動グリッド片の投影位置に設置される。
3. 請求項１の装置において、
   当該ディスク容量性センサーは、放射板、受容板、及び遮蔽板を備える３片伝送構造を有し、
   当該概略的分割センサーに対応する概略的分割放射極、及び詳細分割センサーに対応する詳細分割放射極は、当該放射板に設置され、
   概略的分割受信ループ及び詳細分割受信ループは、当該放射極に対応する当該受信板上の投影位置に配置され、及び、
   当該概略的分割放射極及び当該詳細分割放射極に対応する伝送窓は、当該遮蔽板上に開かれている。
4. 請求項１の装置であって、当該信号処理ユニットの容量性グリッド集積回路は、概略的分割信号処理回路及び詳細分割信号処理回路を備える。
5. 請求項１の装置であって、選択的に概略的分割受容信号及び詳細分割受容信号に接続し、かつ信号を当該測定信号ユニットの当該容量性グリッド集積回路に送ることが可能な切替回路は、当該測定信号処理回路の当該容量性グリッド集積回路と当該ディスク容量性センサーの間に設置される。
6. 請求項１の装置において、
   当該データ処理ユニットは、入出力ポート、ＲＡＭ、ＲＯＭ、及びＣＰＵを有するマイクロプロセッサーを備え、及び、
   当該マイクロプロセッサーは、当該容量性グリッド集積回路からの当該概略的分割センサー及び当該詳細分割センサーの出力の単一ピッチ内の配置データのみを読み取り、概略的分割センサー及び当該詳細分割センサーの当該絶対位置データの統合の正確性を確保するため、パルス相当量を追加又は減じる働きをする。
7. 請求項１の装置において、当該測定装置はさらに、回転数を計数し、計数データを当該データ処理ユニットに送信する装置を備える。
8. 請求項１の装置において、当該ディスク容量性センサーは、さらに、回転軸（Ａ）を備え、当該概略的分割センサーは当該詳細分割センサーよりも当該回転軸の近くに位置している。

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