JP4346280B2 - 回動角センサ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回動角センサに関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
回動機構を有する装置においては、その回動角度を検出する必要が生じる。このような必要に応えるものとして、例えば電磁誘導方式の回動角度検出装置が提案されている（例えば特開２００１−０９９６８０号公報を参照）。
ところで、上記の回動角度検出装置は、第１のロータ、固定コア及び第２のロータを回動するシャフトの半径方向に配置する構造で、第１及び第２のロータには周方向に所定間隔で導体層が設けられている。このように構成部材を半径方向に配置し、導体層を設ける構造のため、従来の回動角センサは、小型化、特に厚さ方向における小型化が難しいうえ、構造が複雑なことから高価になるという問題があった。
【０００３】
本発明は上記の点に鑑みてなされたもので、小型で安価な回動角センサを提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明に係る回動角センサにおいては、
ケースと、
そのケースに回動可能に取り付けられたシャフトと、
そのシャフトに取り付けられ、回動半径方向に延びて形成されたロータと、
そのロータ上に設けられ、
励磁コイルを保持するコア部材と、
前記ケースに固定して取り付けられ、前記コア部材に所定の間隔をおいて対向配置され、幅が前記コア部材の移動方向に沿って連続的に減少又は増大するように円弧状に形成されているセンシング部材と、
前記励磁コイルに接続され、特定周波数の発振信号を発信する発振手段を有し、前記コア部材の移動に伴って変動する前記励磁コイルのインピーダンスの変動量に基づいて、前記ロータの回動角度を測定する回動角度測定装置と、
を備えた構成としたのである。
【０００５】
ここで、好ましくは、前記センシング部材を挟んで、サブコアがコア部材に対向配置されている構成とする。
【０００６】
また、好ましくは、前記センシング部材を挟んで、２つのコア部材が対向配置されている構成とする。更に、好ましくは、前記コア部材及び前記センシング部材を挟んで、電気遮蔽層が設置されている構成とする。
他の本発明の係る回動角センサにおいては、
ケースと、
そのケースに回動可能に取り付けられたシャフトと、
そのシャフトに取り付けられ、回動半径方向に延びて形成された第１のロータと、
その第１のロータ上に設けられ、
第１の励磁コイルを保持する第１のコア部材と、
前記ケースに固定して取り付けられ、前記第１のコア部材に所定の間隔をおいて対向配置され、幅が前記第１のコア部材の移動方向に沿って連続的に減少又は増大するように円弧状に形成されている第１のセンシング部材と、
前記シャフトに取り付けられ、回動半径方向に延びて形成された第２のロータと、
その第２のロータ上に設けられ、
第２の励磁コイルを保持する第２のコア部材と、
前記ケースに固定して取り付けられ、前記第２のコア部材に所定の間隔をおいて対向配置され、幅が前記第２のコア部材の移動方向に沿って連続的に減少又は増大するように円弧状に形成されている第２のセンシング部材と、
前記第１の励磁コイル及び第２の励磁コイルに接続され、特定周波数の発振信号を発信する発振手段を有し、前記第１のコア部材及び第２のコア部材の移動に伴って変動する前記第１の励磁コイル及び第２の励磁コイルのインピーダンスの変動量に基づいて、前記第１のロータ及び第２のロータの回動角度を測定する回動角度測定装置とを備え、
前記第１のロータ、前記第１のコア部材及び前記第１のセンシング部材を前記シャフトを軸にして１８０°回転させた位置に、前記第２のロータ、前記第２のコア部材及び前記第２のセンシング部材が配置されている、
ことを特徴とするものである。
前記第１のセンシング部材の幅と前記第２のセンシング部材の幅は、同一方向に連続的に減少又は増大していてもよく、逆方向に連続的に減少又は増大していてもよい。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について添付図面を参照しつつ説明する。
（第１の実施形態）
図１（ａ）、（ｂ）に示されるように、本実施形態に係る回動角センサ１は、回動するシャフトＳｈ、ロータ２、コア部材３、及びセンシング部材４を備えている。また、図２に示される回動角測定装置５を備えている。
【０００８】
ここで、シャフトＳｈは、ケース６に回動可能に取り付けられている。ロータ２は、シャフトＳｈの軸線方向所定位置にダンパ（図示せず）を介して取り付けられており、ケース６内において、シャフトＳｈの回動軸を中心に回動するものである。ロータ２は、その回動半径方向に例えば角度３２°で広がる扇形状をなしている。
【０００９】
コア部材は、ロータ２の扇形状に広がる先端部の上面側に埋設されている。このため、コア部材は、ロータ２の回動に伴って回動する。また、コア部材３は、絶縁磁性材よりなるコア本体３ａに励磁コイル３ｂが円形状に収容されている構成となっている。
センシング部材４は、ケース６内に支持部材７を介して固定され、コア部材３上方に数ｍｍ程度の僅かな間隔のエアギャップを介して対向配置されている。センシング部材４は、コア部材３の移動方向に沿った円弧状をなしており、ロータ２の回動半径方向の幅（以下、単に「センシング部材４の幅」という）が、コア部材３の移動方向に沿って連続的に減少又は増大している。
【００１０】
回動角測定装置５は、後に詳述するが、ロータ２の回動角を測定する装置であり、コア部材３の励磁コイル３ｂに電気的に接続されている。回動角測定装置５の設置位置は、ケース６の内部であってもよいし、外部であってもよい。
なお、ロータ２の回動角の測定範囲は、ケース６の大きさとセンシング部材４の円弧状の長さに基づいて任意に設定することが可能である。ここでは、一例としてロータ２の回動角の測定上限を角度３２°に設定している。
【００１１】
また、ケース６は、シャフトＳｈ近傍に位置する固定部材（図示せず）に取り付けられており、交流磁界の遮蔽性を有する。即ち、導電性材又は絶縁磁性材が材料として使用されている。また、ロータ２及びコア部材３のコア本体３ａは、絶縁磁性材が使用されている。ロータ２及びコア本体３ａに使用される絶縁磁性材は、同一の材料であってもよいし、異なる材料であってもよい。更に、センシング部材４及びその支持部材７は、互いに異なる材料で構成されており、例えばセンシング部材４は導電性材又は絶縁磁性材を材料とし、その支持部材７は絶縁材又は非磁性金属（導電性材）を材料とし、それぞれ適宜組み合わせて使用されている。
【００１２】
導電性材料としては、アルミニウム、銅、銀等の導電性を有する金属や、導電性カーボン（炭素繊維を含む）入り合成樹脂等が使用される。絶縁磁性材としては、ナイロン、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）、ＡＢＳ樹脂等の電気絶縁性を有する熱可塑性合成樹脂に、Ｎｉ−Ｚｎ系、Ｍｎ−Ｚｎ系、Ｍｇ−Ｚｎ系のフェライトからなる軟磁性材粉を１０〜７０体積％混合したものが使用される。絶縁材としては、ナイロン、ポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）、ＡＢＳ樹脂等、ガラス繊維にエポキシ樹脂を含浸させたＦＲＰ（繊維強化プラスチック）又はセラミック等が使用される。非磁性金属（導電性材料）としては、アルミニウム、銅等が使用される。
【００１３】
但し、図１（ａ）、（ｂ）に示す回動角センサ１においては、支持部材７に絶縁材を、センシング部材４に導電性材料をそれぞれ使用している。この組み合わせにすると、回動角センサ１を最も薄く、安価に提供することができる。
回動角測定装置５は、図２に示されるように、発振信号を発信する発振回路５ａ、発振信号を分周して特定周波数の発振信号を出力する分周回路５ｂ、センシング部材４に発生する渦電流の大きさに応じ、分周回路５ｂから入力された発振信号の位相をシフトする位相シフト部５ｃ、後述する位相シフト量を検出する位相シフト量検出部５ｄ、検出された位相シフト量を対応する電圧値に変換するコンバータ５ｅ、コンバータ５ｅから出力される位相シフト量に対応する電圧を増幅する増幅回路５ｆ及び増幅された電圧から回動角度を測定する測定部５ｇを有している。
【００１４】
発振回路５ａは、分周回路５ｂを介して特定周波数の発振信号を、抵抗Ｒ、励磁コイル３ｂ、及びコンデンサＣ等により回路構成された位相シフト部５ｃに出力する。このとき、コンデンサＣ両端における電圧信号の位相は、励磁コイル３ｂの後述するインピーダンスの変動によって変化する。コンデンサＣ両端の電圧信号は、位相シフト量検出部５ｄへ出力される。
【００１５】
位相シフト量検出部５ｄは、コンデンサＣ両端の電圧信号の位相シフト量を検出する。コンバータ５ｅは、検出された位相シフト量を対応する電圧値に変換する。増幅回路５ｆは、コンバータ５ｅから入力された信号電圧レベルを増幅し、測定部５ｇに出力する。測定部５ｇは、演算処理手段として、例えばワンチップマイクロプロセッサが使用されており、増幅回路５ｆから入力される信号（電圧値）に基づき、ロータ２の回動角度を測定する。
【００１６】
次に、回動角センサ１の動作を説明する。
コア部材３の励磁コイル３ｂに所定の大きさの交流励磁電流を流すと、その周囲に交流磁界が発生する。こうして、励磁コイル３ｂとセンシング部材４とが協働して、筒状の磁気回路が形成され、センシング部材４に渦電流が発生する。
この状態で、シャフトＳｈが回動すると、ロータ２を介してコア部材３が回動する。このとき、コア部材３上方に対向配置され励磁コイル３ｂと協働して筒状の磁気回路を形成するセンシング部材４の幅が、コア部材３の移動方向に沿って連続的に減少又は増大しているため、センシング部材４に発生する渦電流の大きさが変化する。このため、センシング部材４に発生した渦電流によって誘起される交流磁界は、コア部材３の移動に伴って励磁コイル３ｂのインピーダンスを変動させる。励磁コイル３ｂのインピーダンスの変動量は、コア部材３の移動距離、即ちロータ２の回動角度に比例する。従って、励磁コイル３ｂにおけるインピーダンスの変動量を測定することにより、ロータ２の回動角度が測定される。
【００１７】
具体的には、ロータ２の回動角度に応じて励磁コイル３ｂのインピーダンスが変動すると、回動角測定装置５の位相シフト部５ｃのコンデンサＣ両端の電圧信号の位相が変化する。位相シフト部５ｃのコンデンサＣ両端の電圧信号は、位相シフト量検出部５ｄ、コンバータ５ｅ、及び増幅回路５ｆを経て、測定部５ｇへ出力される。そして、測定部５ｇにおいて、増幅回路５ｆからの信号に基づき、ロータ２の回動角度が決定される。こうして、回動角測定装置５が、励磁コイル３ｂのインピーダンスの変動を検出して、シャフトＳｈの角度信号に変換する。
【００１８】
以上のように本実施形態に係る回動角センサ１によれば、従来の回動角センサと異なり、磁気回路を形成する励磁コイル３ｂとセンシング部材４とが対向する平面対向形としたことにより、大幅なダウンサイジングが可能となる。また、センシング部材４が円弧状をなしているため、円周状をなすセンシング部材を用いる場合に比べて、更に小型化することができる。更に、励磁コイル３ｂを有するコア部材３を回動させ、センシング部材４を固定しているため、コア部材３を固定し、センシング部材４を回動させる場合に比べて、更に１／２程度に小型化することができる。具体的には、従来の回動角センサが直径１００ｍｍの大きさであったのに対して、本実施形態に係る回動角センサ１０は、縦横が１５ｍｍ×３８ｍｍの大きさとなり、大幅に小型化することができた。
【００１９】
（第２の実施形態）
本実施形態に係る回動角センサは、上記第１の実施形態に係る回動角センサ１におけるコア部材３上方にサブコアが対向配置されているものである。なお、上記第１の実施形態に係る回動角センサ１と主要構成部分が共通するため、同一の構成要素に同一の符号を付して説明を省略する。
【００２０】
図３（ａ）、（ｂ）に示されるように、本実施形態に係る回動角センサ８においては、シャフトＳｈの軸線方向所定位置に取り付けられたロータ２の先端部が、センシング部材４を間に挟むように２つに分岐されている。ロータ２の一方の下部ロータ部２ａの上面側には、センシング部材４と所定の間隔のエアギャップを介して、コア部材３が埋設されている。他方の上部ロータ部２ｂの下面側には、センシング部材４と所定の間隔のエアギャップを介して、サブコア９が埋設されている。即ち、コア部材３とサブコア９とが、センシング部材４を間に挟んで対向配置された構造となっている。
【００２１】
次に、回動角センサ８の動作について説明する。
図１（ａ）、（ｂ）に示される回動角センサ１においては、励磁コイル３ｂ及びコア本体３ａ端面の交流磁界のシャフトＳｈ方向の分布は不均一であるため、例えばロータ２が回動軸方向に振動したりすることにより、センシング部材４とコア部材３との間のエアギャップが変動すると、センシング部材４に誘起される渦電流の量が変動する。この変動量は、ロータ２の回動と無関係に生じる一種のノイズである。
【００２２】
これに対して、図３（ａ）、（ｂ）に示されるように、サブコア９がコア部材３に対向配置されると、励磁コイル３ｂとサブコア９とが協働して筒状の磁気回路が形成される。このために、励磁コイル３ｂ及びコア本体３ａ端面の交流磁界のシャフトＳｈ方向の分布の不均一性が大幅に改善され、安定した磁気回路となる。その結果、ロータ２の振動等に起因するノイズの発生が抑制される。
【００２３】
以上のように本実施形態に係る回動角センサ８によれば、サブコア９がセンシング部材４を間に挟んでコア部材３に対向配置されていることにより、安定した磁気回路が形成され、ロータ２の振動等に起因するノイズの発生が抑制される。このため、上記第１の実施形態の場合の効果に加え、ロータ２の回動角度の測定誤差を小さくすることが可能になり、測定精度の低下を防止することができる。
【００２４】
なお、本実施形態においては、センシング部材４の素材として導電性材を用いている。導電性材の代わりに、例えば絶縁磁性材を用いる場合には、サブコア９を配置する必要はない。この場合、サブコア９がなくとも、励磁コイル３ｂ及びコア本体３ａ端面の交流磁界のシャフトＳｈ方向の分布の不均一性は改善され、上記第２の実施形態の場合と同様の効果を奏する。
【００２５】
（第３の実施形態）
本実施形態に係る回動角センサは、上記第２の実施形態に係る回動角センサ８におけるサブコア９の代わりに、別のコア部材がコア部材３上方に対向配置されているものである。なお、上記第２の実施形態に係る回動角センサ８と主要構成部分が共通するため、同一の構成要素に同一の符号を付して説明を省略する。
【００２６】
図４（ａ）、（ｂ）に示されるように、本実施形態に係る回動角センサ１０においては、ロータ２の上部ロータ部２ｂの下面側に、センシング部材４と所定の間隔のエアギャップを介して、コア部材３と同一構造のコア部材１１が埋設されている。即ち、コア部材１１は、絶縁性のコア本体１１ａに励磁コイル１１ｂが円形状に収容されている。こうして、同一構造のコア部材３とコア部材１１とが、センシング部材４を間に挟んで対向配置された構造となっている。なお、図示はしないが、コア部材１１の励磁コイル１１ｂは励磁コイル３ｂと直列に接続され、回動角測定装置に電気的に接続されている。
【００２７】
次に、回動角センサ１０の動作について説明する。
対向配置されたコア部材３、１１の励磁コイル３ｂ、１１ｂに所定の大きさの交流励磁電流を流すと、その周囲に交流磁界が発生し、励磁コイル３ｂ、１１ｂとセンシング部材４とが協働して、筒状の磁気回路が形成される。このため、上記第２の実施形態の場合と同様に、励磁コイル３ｂ、１１ｂ及びコア本体３ａ、１１ａ端面の交流磁界のシャフトＳｈ方向の分布の不均一性が大幅に改善され、ロータ２の振動等に起因するノイズの発生が抑制される。
【００２８】
また、コア部材３、１１の間隔は、ロータ２の下部ロータ部２ａと上部ロータ部２ｂとの間隔として常に一定に保持される。このため、例えばロータ２が回動軸方向に振動して、センシング部材４とコア部材３、１１との間のそれぞれのエアギャップが変動する事態が生じても、センシング部材４及びコア部材３間のエアギャップの変動とセンシング部材４及びコア部材１１間のエアギャップの変動とが補完し合って、センシング部材４に誘起される渦電流の量の変動が抑制される。このために、ロータ２の振動等に起因するノイズの発生がより有効に抑制され、ロータ２の回動角度の測定精度が大幅に向上する。
【００２９】
以上のように本実施形態に係る回動角センサ１０によれば、コア部材３、１１がセンシング部材４を間に挟んで対向配置されているため、上記第２の実施形態の場合よりも更に有効にロータ２の振動等に起因するノイズの発生を抑制すると共に、センシング部材４に発生する渦電流の大きさを大きくして、ロータ２の回動角度の測定精度を高めることができる。
【００３０】
（第４の実施形態）
本実施形態に係る回動角センサは、上記第３の実施形態に係る回動角センサ１０におけるコア部材３、１１を間に挟んで、電気遮蔽層が対向配置されているものである。なお、上記第３の実施形態に係る回動角センサ１０と主要構成部分が共通するため、同一の構成要素に同一の符号を付して説明を省略する。
【００３１】
図５に示されるように、本実施形態に係る回動角センサ１２においては、ロータ２の下部ロータ部２ａの下面側に、電気遮蔽層１３ａが形成され、上部ロータ部２ｂの上面側に、電気遮蔽層１３ｂが形成されている。即ち、一対の電気遮蔽層１３ａ、１３ｂが、コア部材３、１１及びセンシング部材４を間に挟んで対向配置された構造となっている。
【００３２】
なお、電気遮蔽層１３ａ、１３ｂの厚さは、使用する交流発振信号の周波数と関係がある。本実施形態で使用される周波数を１００ｋＨｚとすると、電気遮蔽層１３ａ、１３ｂの材料に例えば銅を用いる場合、その厚さは０．２ｍｍ程度であれば、十分な遮蔽効果が得られる。
次に、回動角センサ１２の作用について説明する。
【００３３】
上記第３の実施形態の場合と同様に、励磁コイル３ｂ、１１ｂとセンシング部材４とが協働して筒状の磁気回路が形成されるが、このとき励磁コイル３ｂ、１１ｂがその上下方向を一対の電気遮蔽層１３ａ、１３ｂによって挟まれている。このため、磁気回路が安定的に形成され、センシング部材４に安定した渦電流が発生する。
【００３４】
以上のように本実施形態に係る回動角センサ１２によれば、一対の電気遮蔽層１３ａ、１３ｂがコア部材３、１１及びセンシング部材４を間に挟んで対向配置されいることにより、上記第３の実施形態の場合の効果に加え、センシング部材４に発生する渦電流が安定したものとなる。このため、ロータ２の回動角度の測定精度を更に高めることができる。
【００３５】
なお、図５においては、下部ロータ部２ａ下面及び上部ロータ部２ｂ上面の全面に電気遮蔽層１３ａ、１３ｂが形成されている場合を示したが、電気遮蔽層の形成箇所は種々の変形例が考えられる。例えば、下部ロータ部２ａ下面及び上部ロータ部２ｂ上面のうち、コア部材３、１１に対応する領域のみに縮小して形成してもよい。また、逆に、下部ロータ部２ａ及び上部ロータ部２ｂの側面にまで拡大して形成してもよい。また、ケース６内壁の全面に形成してもよい。いずれの場合にも、程度の差こそあるものの、励磁コイル３ｂ、１１ｂ等によって形成される筒状の磁気回路を安定化させる作用が発揮される。
【００３６】
（第５の実施形態）
本実施形態に係る回動角センサは、上記第１の実施形態の図１（ａ）におけるコア部材３及びセンシング部材４をシャフトＳｈを軸にして１８０°回転させた位置に、別のコア部材及び別のセンシング部材が配置されているものである。なお、上記図１（ａ）の回動角センサ１と主要構成部分が共通するため、同一の構成要素に同一の符号を付して説明を省略する。
【００３７】
図６に示されるように、本実施形態に係る回動角センサ１４においては、ロータ２をシャフトＳｈを軸にして１８０°回転させた位置に、ロータ２と同一形状のロータ１５がダンパ（図示せず）を介して取り付けられている。ロータ２の先端部の上面側には、コア部材３と同一構造のコア部材１６が埋設されている。即ち、コア部材１６は、絶縁性のコア本体１６ａに励磁コイル１６ｂが円形状に収容されている。こうして、同一構造のコア部材３及びコア部材１６が、シャフトＳｈの回動軸を中心に中心角１８０°隔てて配置され、ロータ２、１５の回動に伴って同一方向に回動するようになっている。なお、図示はしないが、コア部材１６の励磁コイル１６ｂも励磁コイル３ｂと直列に接続され、回動角測定装置に電気的に接続されている。
【００３８】
また、センシング部材４をシャフトＳｈを軸にして１８０°回転させた位置に、センシング部材１７が配置され、支持部材（図示せず）を介してケース６内に固定されている。センシング部材１７はセンシング部材４と同一形状をなし、その幅がコア部材１６の移動方向に沿って連続的に減少又は増大している。しかも、センシング部材４の幅とセンシング部材１７の幅は同一の方向に変化している。即ち、コア部材３、１６の同一の移動方向に沿って、センシング部材４の幅が増大する場合には、センシング部材１７の幅も増大し、センシング部材４の幅が減少する場合には、センシング部材１７の幅も減少するようになっている。
【００３９】
次に、回動角センサ１４の作用について説明する。
コア部材３、１６の励磁コイル３ｂ、１６ｂに所定の大きさの交流励磁電流を流すと、励磁コイル３ｂとセンシング部材４とが協働して筒状の磁気回路が形成されると同時に、励磁コイル１６ｂとセンシング部材１７とが協働して筒状の磁気回路が形成される。このため、センシング部材４、１７には同時に略同じ大きさの渦電流が発生し、励磁コイル３ｂ、１６ｂのインピーダンスが略同じ大きさに変動する。その結果、回動角測定装置が検出するインピーダンスの変動の大きさは、上記第１の実施形態の場合の略２倍になる。
【００４０】
以上のように本実施形態に係る回動角センサ１２によれば、同一構造のコア部材３及びコア部材１６がシャフトＳｈの回動軸を中心に中心角１８０°隔てて配置され、励磁コイル３ｂ、１７ｂに対向するセンシング部材４、１７の幅がコア部材３、１６の同一の移動方向に沿って同一の方向に減少又は増大することにより、回動角測定装置が検出するインピーダンスの変動の大きさが上記第１の実施形態の場合の略２倍に増大する。このため、ロータ２の回動角度の測定が容易になり、その測定精度を高めることができる。
【００４１】
（第６の実施形態）
本実施形態に係る回動角センサは、上記第５の実施形態の図６におけるセンシング部材１７の位置に、別のセンシング部材が配置されているものである。なお、上記図６の回動角センサ１４と主要構成部分が共通するため、同一の構成要素に同一の符号を付して説明を省略する。
【００４２】
図７に示されるように、本実施形態に係る回動角センサ１４においては、上記第５の実施形態の場合と同様に、同一構造のコア部材３及びコア部材１６がシャフトＳｈの回動軸を中心に中心角１８０°隔てて配置され、ロータ２、１５の回動に伴って同一方向に回動するようになっている。
また、センシング部材４をシャフトＳｈを軸にして１８０°回転させた位置に、センシング部材１９が配置され、支持部材（図示せず）を介してケース６内に固定されている。センシング部材１９はセンシング部材４と同一形状をなし、その幅がコア部材１６の移動方向に沿って連続的に減少又は増大している。但し、上記第５の実施形態の場合と異なり、センシング部材４の幅とセンシング部材１９の幅とは逆の方向に変化している。即ち、コア部材３、１６の同一の移動方向に沿って、センシング部材４の幅が増大する場合には、センシング部材１９の幅は減少し、センシング部材４の幅が減少する場合には、センシング部材１７の幅は増大するようになっている。
【００４３】
また、コア部材３、１６の励磁コイル３ｂ、１６ｂは、図８に示される回動角測定装置２０に電気的に接続されている。なお、回動角測定装置２０は、主要構成部分が上記第１の実施形態の図２に示される回動角測定装置５と共通しているため、同一の構成要素に同一の符号を付して説明する。
回動角測定装置２０は、回動角測定装置５を変形したもので、分周回路５ｂと測定部２０ｇとの間に、位相シフト部５ｃ、位相シフト量検出部５ｄ、及びコンバータ５ｅと並列して、同様の機能を有する位相シフト部２０ｃ、位相シフト量検出部２０ｄ、及びコンバータ２０ｅが接続されている。位相シフト部２０ｃは、抵抗Ｒ、励磁コイル１６ｂ、及びコンデンサＣ等により回路構成されている。
【００４４】
コンバータ５ｅの出力信号Ｓｃ１とコンバータ２０ｅの出力信号Ｓｃ２は、差動アンプ２０ｈで差分された後、増幅されて測定部２０ｇのＡ／Ｄコンバータに電圧信号の出力Ｐｏとして出力される。同時に、出力信号Ｓｃ１、Ｓｃ２は、測定部２０ｇのＡ／Ｄコンバータに直接に出力される。なお、差動アンプ２０ｈには、増幅された電圧値の電圧レベルを調整するシフトレベル調整部２０ｊが接続されている。
【００４５】
次に、回動角センサ１８の動作を説明する。
コア部材３、１６の励磁コイル３ｂ、１６ｂに所定の大きさの交流励磁電流を流すと、励磁コイル３ｂとセンシング部材４とが協働して筒状の磁気回路が形成されると同時に、励磁コイル１６ｂとセンシング部材１９とが協働して筒状の磁気回路が形成される。このため、センシング部材４、１９には同時に渦電流が発生する。そして、シャフトＳｈが回動すると、磁気回路を形成するセンシング部材４、１９の幅が、コア部材３、６の移動方向に沿って逆の方向に変化するため、センシング部材４に発生する渦電流の大きさも逆方向に変化する。従って、励磁コイル３ｂ、１７ｂのインピーダンスの変動の方向も逆になる。
【００４６】
他方、回動角センサ１８の振動、環境温度の変動、周囲電磁ノイズ等の外部要因による励磁コイル３ｂ、１７ｂのインピーダンスの変動の方向は同じである。それ故、差動アンプ２０ｈにおいて、コンバータ５ｅ、２０ｅの出力信号Ｓｃ１、Ｓｃ２の差分をとると、出力Ｐｏは倍になる一方、出力信号Ｓｃ１、Ｓｃ２に共通に含まれるノイズは互いに打ち消される。
【００４７】
以上のように本実施形態に係る回動角センサ１８によれば、同一構造のコア部材３及びコア部材１９がシャフトＳｈの回動軸を中心に中心角１８０°隔てて配置され、励磁コイル３ｂ、１７ｂに対向するセンシング部材４、１７の幅がコア部材３、１６の同一の移動方向に沿って逆の方向に変化することにより、励磁コイル３ｂ、１７ｂのインピーダンスの変動の方向が逆になる。このため、その変動量の差分をとると、回動角センサ１８の振動等の外部要因によるノイズが互いに打ち消され、Ｓ／Ｎ比を大幅に改善することが可能になり、ロータ２の回動角度の測定精度を高めることができる。
【００４８】
なお、上記第１〜第６の実施形態においては、コア部材３、１１、１６を回動するロータ２、１５の先端部に埋設し、センシング部材４を固定するする構成をとっているが、逆に、センシング部材を回動するロータの先端部に設置し、コア部材を固定するする構成と採用してもよい。コア部材とセンシング部材とが対向配置された状態で移動する相関関係は、何れの側を回動させても可能である。但し、前述したように、コア部材を回動させる方が回動角センサをより小型化することができる。
【００４９】
また、上記第１の実施形態においては、ロータ２の先端部に埋設されたコア部材３の平面形状が円形状であり、励磁コイル３ｂが円形状に収容されているが、コア部材は種々の形状をとることが可能である。例えば図９に示されるように、コア部材２１の平面形状が略矩形状をなし、コア本体１２ａに励磁コイル１２ｂが略矩形円形状に収容されていてもよい。この場合、コア部材２１の回転方向に沿った幅が小さくなる。その結果、コア部材２１を埋設している扇状のロータ２の中心角を小さくして、ロータ２の大きさを小さくすることが可能となるため、回動角センサ１の更なる小型化に貢献することができる。なお、このようなコア部材及び励磁コイルについての変形は、他の第２〜第６の実施形態においても、同様に適用可能である。
【００５０】
また、上記第１〜第６の実施形態においては、センシング部材４、１７、１９の幅がコア部材３、８、１６の移動方向に沿って連続的に減少又は増大しているが、センシング部材は種々の形状をとることが可能である。例えば、センシング部材の幅が階段状に減少又は増大する平面形状であってもよい。
また、本発明に係る回動角センサは、例えばロボットアームのように回動角度を測定する必要ある回動機構を有するものであれば、どのような装置にも広範に使用することができる。
【００５１】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明によれば、次のような効果を奏することができる。
即ち、請求項１に係る回動角センサによれば、磁気回路を形成する励磁コイルとセンシング部材とが対向する平面対向形をとっているため、大幅な小型化と低価格化を実現することができる。
【００５２】
また、請求項２に係る回動角センサによれば、励磁コイルを有するコア部材を回動させ、円弧状に延びるセンシング部材を固定しているため、更なる小型化を実現することができる。
また、請求項３に係る回動角センサによれば、コア部材に対してセンシング部材を挟んでサブコアが対向配置されているため、安定した磁気回路を形成して振動等に起因するノイズの発生を抑制し、シャフトの回動角度の測定精度を向上させることができる。
【００５３】
また、請求項４に係る回動角センサによれば、２つのコア部材がセンシング部材を挟んで対向配置されているため、センシング部材に発生する渦電流の大きさを大きくして、シャフトの回動角度の測定精度を高めることができる。
また、請求項５に係る回動角センサによれば、コア部材及びセンシング部材を挟んで電気遮蔽層が設置されているため、センシング部材に発生する渦電流が安定したものとなり、シャフトの回動角度の測定精度を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は本発明の第１の実施形態に係る回動角センサを示す平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ１−Ａ１線断面図である。
【図２】図１の回動角センサで使用する回動角度測定装置の一例を示す回路図である。
【図３】（ａ）は本発明の第２の実施形態に係る回動角センサを示す平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ２−Ａ２線断面図である。
【図４】（ａ）は本発明の第３の実施形態に係る回動角センサを示す平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ３−Ａ３線断面図である。
【図５】本発明の第４の実施形態に係る回動角センサを示す断面図である。
【図６】本発明の第５の実施形態に係る回動角センサを示す平面図である。
【図７】本発明の第６の実施形態に係る回動角センサを示す平面図である。
【図８】図７の回動角センサで使用する回動角度測定装置の一例を示す回路図である。
【図９】コア部材の変形例を示す平面図である。
【符号の説明】
１ 第１の実施形態に係る回動角センサ
２ ロータ
２ａ 下部ロータ部
２ｂ 上部ロータ部
３ コア部材
３ａ コア本体
３ｂ 励磁コイル
４ センシング部材
５ 回動角度測定装置
５ａ 発振回路
５ｂ 分周回路
５ｃ 位相シフト部
５ｄ 位相シフト量検出部
５ｅ コンバータ
５ｆ 増幅回路
５ｇ 測定部
６ ケース
７ 支持部材
８ 第２の実施形態に係る回動角センサ
９ サブコア
１０ 第３の実施形態に係る回動角センサ
１１ コア部材
１１ａ コア本体
１１ｂ 励磁コイル
１２ 第４の実施形態に係る回動角センサ
１３ａ、１３ｂ 電気遮蔽層
１４ 第５の実施形態に係る回動角センサ
１５ ロータ
１６ コア部材
１６ａ コア本体
１６ｂ 励磁コイル
１７ センシング部材
１８ 第６の実施形態に係る回動角センサ
１９ センシング部材
２０ 回動角度測定装置
２０ｃ 位相シフト部
２０ｄ 位相シフト量検出部
２０ｅ コンバータ
２０ｇ 測定部
２０ｈ 差動アンプ
２０ｊ シフトレベル調整部
２１ コア部材
２１ａ コア本体
２１ｂ 励磁コイル
Ｓｈ シャフト
【発明の属する技術分野】
本発明は、回動角センサに関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
回動機構を有する装置においては、その回動角度を検出する必要が生じる。このような必要に応えるものとして、例えば電磁誘導方式の回動角度検出装置が提案されている（例えば特開２００１−０９９６８０号公報を参照）。
ところで、上記の回動角度検出装置は、第１のロータ、固定コア及び第２のロータを回動するシャフトの半径方向に配置する構造で、第１及び第２のロータには周方向に所定間隔で導体層が設けられている。このように構成部材を半径方向に配置し、導体層を設ける構造のため、従来の回動角センサは、小型化、特に厚さ方向における小型化が難しいうえ、構造が複雑なことから高価になるという問題があった。
【０００３】
本発明は上記の点に鑑みてなされたもので、小型で安価な回動角センサを提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明に係る回動角センサにおいては、
ケースと、
そのケースに回動可能に取り付けられたシャフトと、
そのシャフトに取り付けられ、回動半径方向に延びて形成されたロータと、
そのロータ上に設けられ、
励磁コイルを保持するコア部材と、
前記ケースに固定して取り付けられ、前記コア部材に所定の間隔をおいて対向配置され、幅が前記コア部材の移動方向に沿って連続的に減少又は増大するように円弧状に形成されているセンシング部材と、
前記励磁コイルに接続され、特定周波数の発振信号を発信する発振手段を有し、前記コア部材の移動に伴って変動する前記励磁コイルのインピーダンスの変動量に基づいて、前記ロータの回動角度を測定する回動角度測定装置と、
を備えた構成としたのである。
【０００５】
ここで、好ましくは、前記センシング部材を挟んで、サブコアがコア部材に対向配置されている構成とする。
【０００６】
また、好ましくは、前記センシング部材を挟んで、２つのコア部材が対向配置されている構成とする。更に、好ましくは、前記コア部材及び前記センシング部材を挟んで、電気遮蔽層が設置されている構成とする。
他の本発明の係る回動角センサにおいては、
ケースと、
そのケースに回動可能に取り付けられたシャフトと、
そのシャフトに取り付けられ、回動半径方向に延びて形成された第１のロータと、
その第１のロータ上に設けられ、
第１の励磁コイルを保持する第１のコア部材と、
前記ケースに固定して取り付けられ、前記第１のコア部材に所定の間隔をおいて対向配置され、幅が前記第１のコア部材の移動方向に沿って連続的に減少又は増大するように円弧状に形成されている第１のセンシング部材と、
前記シャフトに取り付けられ、回動半径方向に延びて形成された第２のロータと、
その第２のロータ上に設けられ、
第２の励磁コイルを保持する第２のコア部材と、
前記ケースに固定して取り付けられ、前記第２のコア部材に所定の間隔をおいて対向配置され、幅が前記第２のコア部材の移動方向に沿って連続的に減少又は増大するように円弧状に形成されている第２のセンシング部材と、
前記第１の励磁コイル及び第２の励磁コイルに接続され、特定周波数の発振信号を発信する発振手段を有し、前記第１のコア部材及び第２のコア部材の移動に伴って変動する前記第１の励磁コイル及び第２の励磁コイルのインピーダンスの変動量に基づいて、前記第１のロータ及び第２のロータの回動角度を測定する回動角度測定装置とを備え、
前記第１のロータ、前記第１のコア部材及び前記第１のセンシング部材を前記シャフトを軸にして１８０°回転させた位置に、前記第２のロータ、前記第２のコア部材及び前記第２のセンシング部材が配置されている、
ことを特徴とするものである。
前記第１のセンシング部材の幅と前記第２のセンシング部材の幅は、同一方向に連続的に減少又は増大していてもよく、逆方向に連続的に減少又は増大していてもよい。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について添付図面を参照しつつ説明する。
（第１の実施形態）
図１（ａ）、（ｂ）に示されるように、本実施形態に係る回動角センサ１は、回動するシャフトＳｈ、ロータ２、コア部材３、及びセンシング部材４を備えている。また、図２に示される回動角測定装置５を備えている。
【０００８】
ここで、シャフトＳｈは、ケース６に回動可能に取り付けられている。ロータ２は、シャフトＳｈの軸線方向所定位置にダンパ（図示せず）を介して取り付けられており、ケース６内において、シャフトＳｈの回動軸を中心に回動するものである。ロータ２は、その回動半径方向に例えば角度３２°で広がる扇形状をなしている。
【０００９】
コア部材は、ロータ２の扇形状に広がる先端部の上面側に埋設されている。このため、コア部材は、ロータ２の回動に伴って回動する。また、コア部材３は、絶縁磁性材よりなるコア本体３ａに励磁コイル３ｂが円形状に収容されている構成となっている。
センシング部材４は、ケース６内に支持部材７を介して固定され、コア部材３上方に数ｍｍ程度の僅かな間隔のエアギャップを介して対向配置されている。センシング部材４は、コア部材３の移動方向に沿った円弧状をなしており、ロータ２の回動半径方向の幅（以下、単に「センシング部材４の幅」という）が、コア部材３の移動方向に沿って連続的に減少又は増大している。
【００１０】
回動角測定装置５は、後に詳述するが、ロータ２の回動角を測定する装置であり、コア部材３の励磁コイル３ｂに電気的に接続されている。回動角測定装置５の設置位置は、ケース６の内部であってもよいし、外部であってもよい。
なお、ロータ２の回動角の測定範囲は、ケース６の大きさとセンシング部材４の円弧状の長さに基づいて任意に設定することが可能である。ここでは、一例としてロータ２の回動角の測定上限を角度３２°に設定している。
【００１１】
また、ケース６は、シャフトＳｈ近傍に位置する固定部材（図示せず）に取り付けられており、交流磁界の遮蔽性を有する。即ち、導電性材又は絶縁磁性材が材料として使用されている。また、ロータ２及びコア部材３のコア本体３ａは、絶縁磁性材が使用されている。ロータ２及びコア本体３ａに使用される絶縁磁性材は、同一の材料であってもよいし、異なる材料であってもよい。更に、センシング部材４及びその支持部材７は、互いに異なる材料で構成されており、例えばセンシング部材４は導電性材又は絶縁磁性材を材料とし、その支持部材７は絶縁材又は非磁性金属（導電性材）を材料とし、それぞれ適宜組み合わせて使用されている。
【００１２】
導電性材料としては、アルミニウム、銅、銀等の導電性を有する金属や、導電性カーボン（炭素繊維を含む）入り合成樹脂等が使用される。絶縁磁性材としては、ナイロン、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）、ＡＢＳ樹脂等の電気絶縁性を有する熱可塑性合成樹脂に、Ｎｉ−Ｚｎ系、Ｍｎ−Ｚｎ系、Ｍｇ−Ｚｎ系のフェライトからなる軟磁性材粉を１０〜７０体積％混合したものが使用される。絶縁材としては、ナイロン、ポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）、ＡＢＳ樹脂等、ガラス繊維にエポキシ樹脂を含浸させたＦＲＰ（繊維強化プラスチック）又はセラミック等が使用される。非磁性金属（導電性材料）としては、アルミニウム、銅等が使用される。
【００１３】
但し、図１（ａ）、（ｂ）に示す回動角センサ１においては、支持部材７に絶縁材を、センシング部材４に導電性材料をそれぞれ使用している。この組み合わせにすると、回動角センサ１を最も薄く、安価に提供することができる。
回動角測定装置５は、図２に示されるように、発振信号を発信する発振回路５ａ、発振信号を分周して特定周波数の発振信号を出力する分周回路５ｂ、センシング部材４に発生する渦電流の大きさに応じ、分周回路５ｂから入力された発振信号の位相をシフトする位相シフト部５ｃ、後述する位相シフト量を検出する位相シフト量検出部５ｄ、検出された位相シフト量を対応する電圧値に変換するコンバータ５ｅ、コンバータ５ｅから出力される位相シフト量に対応する電圧を増幅する増幅回路５ｆ及び増幅された電圧から回動角度を測定する測定部５ｇを有している。
【００１４】
発振回路５ａは、分周回路５ｂを介して特定周波数の発振信号を、抵抗Ｒ、励磁コイル３ｂ、及びコンデンサＣ等により回路構成された位相シフト部５ｃに出力する。このとき、コンデンサＣ両端における電圧信号の位相は、励磁コイル３ｂの後述するインピーダンスの変動によって変化する。コンデンサＣ両端の電圧信号は、位相シフト量検出部５ｄへ出力される。
【００１５】
位相シフト量検出部５ｄは、コンデンサＣ両端の電圧信号の位相シフト量を検出する。コンバータ５ｅは、検出された位相シフト量を対応する電圧値に変換する。増幅回路５ｆは、コンバータ５ｅから入力された信号電圧レベルを増幅し、測定部５ｇに出力する。測定部５ｇは、演算処理手段として、例えばワンチップマイクロプロセッサが使用されており、増幅回路５ｆから入力される信号（電圧値）に基づき、ロータ２の回動角度を測定する。
【００１６】
次に、回動角センサ１の動作を説明する。
コア部材３の励磁コイル３ｂに所定の大きさの交流励磁電流を流すと、その周囲に交流磁界が発生する。こうして、励磁コイル３ｂとセンシング部材４とが協働して、筒状の磁気回路が形成され、センシング部材４に渦電流が発生する。
この状態で、シャフトＳｈが回動すると、ロータ２を介してコア部材３が回動する。このとき、コア部材３上方に対向配置され励磁コイル３ｂと協働して筒状の磁気回路を形成するセンシング部材４の幅が、コア部材３の移動方向に沿って連続的に減少又は増大しているため、センシング部材４に発生する渦電流の大きさが変化する。このため、センシング部材４に発生した渦電流によって誘起される交流磁界は、コア部材３の移動に伴って励磁コイル３ｂのインピーダンスを変動させる。励磁コイル３ｂのインピーダンスの変動量は、コア部材３の移動距離、即ちロータ２の回動角度に比例する。従って、励磁コイル３ｂにおけるインピーダンスの変動量を測定することにより、ロータ２の回動角度が測定される。
【００１７】
具体的には、ロータ２の回動角度に応じて励磁コイル３ｂのインピーダンスが変動すると、回動角測定装置５の位相シフト部５ｃのコンデンサＣ両端の電圧信号の位相が変化する。位相シフト部５ｃのコンデンサＣ両端の電圧信号は、位相シフト量検出部５ｄ、コンバータ５ｅ、及び増幅回路５ｆを経て、測定部５ｇへ出力される。そして、測定部５ｇにおいて、増幅回路５ｆからの信号に基づき、ロータ２の回動角度が決定される。こうして、回動角測定装置５が、励磁コイル３ｂのインピーダンスの変動を検出して、シャフトＳｈの角度信号に変換する。
【００１８】
以上のように本実施形態に係る回動角センサ１によれば、従来の回動角センサと異なり、磁気回路を形成する励磁コイル３ｂとセンシング部材４とが対向する平面対向形としたことにより、大幅なダウンサイジングが可能となる。また、センシング部材４が円弧状をなしているため、円周状をなすセンシング部材を用いる場合に比べて、更に小型化することができる。更に、励磁コイル３ｂを有するコア部材３を回動させ、センシング部材４を固定しているため、コア部材３を固定し、センシング部材４を回動させる場合に比べて、更に１／２程度に小型化することができる。具体的には、従来の回動角センサが直径１００ｍｍの大きさであったのに対して、本実施形態に係る回動角センサ１０は、縦横が１５ｍｍ×３８ｍｍの大きさとなり、大幅に小型化することができた。
【００１９】
（第２の実施形態）
本実施形態に係る回動角センサは、上記第１の実施形態に係る回動角センサ１におけるコア部材３上方にサブコアが対向配置されているものである。なお、上記第１の実施形態に係る回動角センサ１と主要構成部分が共通するため、同一の構成要素に同一の符号を付して説明を省略する。
【００２０】
図３（ａ）、（ｂ）に示されるように、本実施形態に係る回動角センサ８においては、シャフトＳｈの軸線方向所定位置に取り付けられたロータ２の先端部が、センシング部材４を間に挟むように２つに分岐されている。ロータ２の一方の下部ロータ部２ａの上面側には、センシング部材４と所定の間隔のエアギャップを介して、コア部材３が埋設されている。他方の上部ロータ部２ｂの下面側には、センシング部材４と所定の間隔のエアギャップを介して、サブコア９が埋設されている。即ち、コア部材３とサブコア９とが、センシング部材４を間に挟んで対向配置された構造となっている。
【００２１】
次に、回動角センサ８の動作について説明する。
図１（ａ）、（ｂ）に示される回動角センサ１においては、励磁コイル３ｂ及びコア本体３ａ端面の交流磁界のシャフトＳｈ方向の分布は不均一であるため、例えばロータ２が回動軸方向に振動したりすることにより、センシング部材４とコア部材３との間のエアギャップが変動すると、センシング部材４に誘起される渦電流の量が変動する。この変動量は、ロータ２の回動と無関係に生じる一種のノイズである。
【００２２】
これに対して、図３（ａ）、（ｂ）に示されるように、サブコア９がコア部材３に対向配置されると、励磁コイル３ｂとサブコア９とが協働して筒状の磁気回路が形成される。このために、励磁コイル３ｂ及びコア本体３ａ端面の交流磁界のシャフトＳｈ方向の分布の不均一性が大幅に改善され、安定した磁気回路となる。その結果、ロータ２の振動等に起因するノイズの発生が抑制される。
【００２３】
以上のように本実施形態に係る回動角センサ８によれば、サブコア９がセンシング部材４を間に挟んでコア部材３に対向配置されていることにより、安定した磁気回路が形成され、ロータ２の振動等に起因するノイズの発生が抑制される。このため、上記第１の実施形態の場合の効果に加え、ロータ２の回動角度の測定誤差を小さくすることが可能になり、測定精度の低下を防止することができる。
【００２４】
なお、本実施形態においては、センシング部材４の素材として導電性材を用いている。導電性材の代わりに、例えば絶縁磁性材を用いる場合には、サブコア９を配置する必要はない。この場合、サブコア９がなくとも、励磁コイル３ｂ及びコア本体３ａ端面の交流磁界のシャフトＳｈ方向の分布の不均一性は改善され、上記第２の実施形態の場合と同様の効果を奏する。
【００２５】
（第３の実施形態）
本実施形態に係る回動角センサは、上記第２の実施形態に係る回動角センサ８におけるサブコア９の代わりに、別のコア部材がコア部材３上方に対向配置されているものである。なお、上記第２の実施形態に係る回動角センサ８と主要構成部分が共通するため、同一の構成要素に同一の符号を付して説明を省略する。
【００２６】
図４（ａ）、（ｂ）に示されるように、本実施形態に係る回動角センサ１０においては、ロータ２の上部ロータ部２ｂの下面側に、センシング部材４と所定の間隔のエアギャップを介して、コア部材３と同一構造のコア部材１１が埋設されている。即ち、コア部材１１は、絶縁性のコア本体１１ａに励磁コイル１１ｂが円形状に収容されている。こうして、同一構造のコア部材３とコア部材１１とが、センシング部材４を間に挟んで対向配置された構造となっている。なお、図示はしないが、コア部材１１の励磁コイル１１ｂは励磁コイル３ｂと直列に接続され、回動角測定装置に電気的に接続されている。
【００２７】
次に、回動角センサ１０の動作について説明する。
対向配置されたコア部材３、１１の励磁コイル３ｂ、１１ｂに所定の大きさの交流励磁電流を流すと、その周囲に交流磁界が発生し、励磁コイル３ｂ、１１ｂとセンシング部材４とが協働して、筒状の磁気回路が形成される。このため、上記第２の実施形態の場合と同様に、励磁コイル３ｂ、１１ｂ及びコア本体３ａ、１１ａ端面の交流磁界のシャフトＳｈ方向の分布の不均一性が大幅に改善され、ロータ２の振動等に起因するノイズの発生が抑制される。
【００２８】
また、コア部材３、１１の間隔は、ロータ２の下部ロータ部２ａと上部ロータ部２ｂとの間隔として常に一定に保持される。このため、例えばロータ２が回動軸方向に振動して、センシング部材４とコア部材３、１１との間のそれぞれのエアギャップが変動する事態が生じても、センシング部材４及びコア部材３間のエアギャップの変動とセンシング部材４及びコア部材１１間のエアギャップの変動とが補完し合って、センシング部材４に誘起される渦電流の量の変動が抑制される。このために、ロータ２の振動等に起因するノイズの発生がより有効に抑制され、ロータ２の回動角度の測定精度が大幅に向上する。
【００２９】
以上のように本実施形態に係る回動角センサ１０によれば、コア部材３、１１がセンシング部材４を間に挟んで対向配置されているため、上記第２の実施形態の場合よりも更に有効にロータ２の振動等に起因するノイズの発生を抑制すると共に、センシング部材４に発生する渦電流の大きさを大きくして、ロータ２の回動角度の測定精度を高めることができる。
【００３０】
（第４の実施形態）
本実施形態に係る回動角センサは、上記第３の実施形態に係る回動角センサ１０におけるコア部材３、１１を間に挟んで、電気遮蔽層が対向配置されているものである。なお、上記第３の実施形態に係る回動角センサ１０と主要構成部分が共通するため、同一の構成要素に同一の符号を付して説明を省略する。
【００３１】
図５に示されるように、本実施形態に係る回動角センサ１２においては、ロータ２の下部ロータ部２ａの下面側に、電気遮蔽層１３ａが形成され、上部ロータ部２ｂの上面側に、電気遮蔽層１３ｂが形成されている。即ち、一対の電気遮蔽層１３ａ、１３ｂが、コア部材３、１１及びセンシング部材４を間に挟んで対向配置された構造となっている。
【００３２】
なお、電気遮蔽層１３ａ、１３ｂの厚さは、使用する交流発振信号の周波数と関係がある。本実施形態で使用される周波数を１００ｋＨｚとすると、電気遮蔽層１３ａ、１３ｂの材料に例えば銅を用いる場合、その厚さは０．２ｍｍ程度であれば、十分な遮蔽効果が得られる。
次に、回動角センサ１２の作用について説明する。
【００３３】
上記第３の実施形態の場合と同様に、励磁コイル３ｂ、１１ｂとセンシング部材４とが協働して筒状の磁気回路が形成されるが、このとき励磁コイル３ｂ、１１ｂがその上下方向を一対の電気遮蔽層１３ａ、１３ｂによって挟まれている。このため、磁気回路が安定的に形成され、センシング部材４に安定した渦電流が発生する。
【００３４】
以上のように本実施形態に係る回動角センサ１２によれば、一対の電気遮蔽層１３ａ、１３ｂがコア部材３、１１及びセンシング部材４を間に挟んで対向配置されいることにより、上記第３の実施形態の場合の効果に加え、センシング部材４に発生する渦電流が安定したものとなる。このため、ロータ２の回動角度の測定精度を更に高めることができる。
【００３５】
なお、図５においては、下部ロータ部２ａ下面及び上部ロータ部２ｂ上面の全面に電気遮蔽層１３ａ、１３ｂが形成されている場合を示したが、電気遮蔽層の形成箇所は種々の変形例が考えられる。例えば、下部ロータ部２ａ下面及び上部ロータ部２ｂ上面のうち、コア部材３、１１に対応する領域のみに縮小して形成してもよい。また、逆に、下部ロータ部２ａ及び上部ロータ部２ｂの側面にまで拡大して形成してもよい。また、ケース６内壁の全面に形成してもよい。いずれの場合にも、程度の差こそあるものの、励磁コイル３ｂ、１１ｂ等によって形成される筒状の磁気回路を安定化させる作用が発揮される。
【００３６】
（第５の実施形態）
本実施形態に係る回動角センサは、上記第１の実施形態の図１（ａ）におけるコア部材３及びセンシング部材４をシャフトＳｈを軸にして１８０°回転させた位置に、別のコア部材及び別のセンシング部材が配置されているものである。なお、上記図１（ａ）の回動角センサ１と主要構成部分が共通するため、同一の構成要素に同一の符号を付して説明を省略する。
【００３７】
図６に示されるように、本実施形態に係る回動角センサ１４においては、ロータ２をシャフトＳｈを軸にして１８０°回転させた位置に、ロータ２と同一形状のロータ１５がダンパ（図示せず）を介して取り付けられている。ロータ２の先端部の上面側には、コア部材３と同一構造のコア部材１６が埋設されている。即ち、コア部材１６は、絶縁性のコア本体１６ａに励磁コイル１６ｂが円形状に収容されている。こうして、同一構造のコア部材３及びコア部材１６が、シャフトＳｈの回動軸を中心に中心角１８０°隔てて配置され、ロータ２、１５の回動に伴って同一方向に回動するようになっている。なお、図示はしないが、コア部材１６の励磁コイル１６ｂも励磁コイル３ｂと直列に接続され、回動角測定装置に電気的に接続されている。
【００３８】
また、センシング部材４をシャフトＳｈを軸にして１８０°回転させた位置に、センシング部材１７が配置され、支持部材（図示せず）を介してケース６内に固定されている。センシング部材１７はセンシング部材４と同一形状をなし、その幅がコア部材１６の移動方向に沿って連続的に減少又は増大している。しかも、センシング部材４の幅とセンシング部材１７の幅は同一の方向に変化している。即ち、コア部材３、１６の同一の移動方向に沿って、センシング部材４の幅が増大する場合には、センシング部材１７の幅も増大し、センシング部材４の幅が減少する場合には、センシング部材１７の幅も減少するようになっている。
【００３９】
次に、回動角センサ１４の作用について説明する。
コア部材３、１６の励磁コイル３ｂ、１６ｂに所定の大きさの交流励磁電流を流すと、励磁コイル３ｂとセンシング部材４とが協働して筒状の磁気回路が形成されると同時に、励磁コイル１６ｂとセンシング部材１７とが協働して筒状の磁気回路が形成される。このため、センシング部材４、１７には同時に略同じ大きさの渦電流が発生し、励磁コイル３ｂ、１６ｂのインピーダンスが略同じ大きさに変動する。その結果、回動角測定装置が検出するインピーダンスの変動の大きさは、上記第１の実施形態の場合の略２倍になる。
【００４０】
以上のように本実施形態に係る回動角センサ１２によれば、同一構造のコア部材３及びコア部材１６がシャフトＳｈの回動軸を中心に中心角１８０°隔てて配置され、励磁コイル３ｂ、１７ｂに対向するセンシング部材４、１７の幅がコア部材３、１６の同一の移動方向に沿って同一の方向に減少又は増大することにより、回動角測定装置が検出するインピーダンスの変動の大きさが上記第１の実施形態の場合の略２倍に増大する。このため、ロータ２の回動角度の測定が容易になり、その測定精度を高めることができる。
【００４１】
（第６の実施形態）
本実施形態に係る回動角センサは、上記第５の実施形態の図６におけるセンシング部材１７の位置に、別のセンシング部材が配置されているものである。なお、上記図６の回動角センサ１４と主要構成部分が共通するため、同一の構成要素に同一の符号を付して説明を省略する。
【００４２】
図７に示されるように、本実施形態に係る回動角センサ１４においては、上記第５の実施形態の場合と同様に、同一構造のコア部材３及びコア部材１６がシャフトＳｈの回動軸を中心に中心角１８０°隔てて配置され、ロータ２、１５の回動に伴って同一方向に回動するようになっている。
また、センシング部材４をシャフトＳｈを軸にして１８０°回転させた位置に、センシング部材１９が配置され、支持部材（図示せず）を介してケース６内に固定されている。センシング部材１９はセンシング部材４と同一形状をなし、その幅がコア部材１６の移動方向に沿って連続的に減少又は増大している。但し、上記第５の実施形態の場合と異なり、センシング部材４の幅とセンシング部材１９の幅とは逆の方向に変化している。即ち、コア部材３、１６の同一の移動方向に沿って、センシング部材４の幅が増大する場合には、センシング部材１９の幅は減少し、センシング部材４の幅が減少する場合には、センシング部材１７の幅は増大するようになっている。
【００４３】
また、コア部材３、１６の励磁コイル３ｂ、１６ｂは、図８に示される回動角測定装置２０に電気的に接続されている。なお、回動角測定装置２０は、主要構成部分が上記第１の実施形態の図２に示される回動角測定装置５と共通しているため、同一の構成要素に同一の符号を付して説明する。
回動角測定装置２０は、回動角測定装置５を変形したもので、分周回路５ｂと測定部２０ｇとの間に、位相シフト部５ｃ、位相シフト量検出部５ｄ、及びコンバータ５ｅと並列して、同様の機能を有する位相シフト部２０ｃ、位相シフト量検出部２０ｄ、及びコンバータ２０ｅが接続されている。位相シフト部２０ｃは、抵抗Ｒ、励磁コイル１６ｂ、及びコンデンサＣ等により回路構成されている。
【００４４】
コンバータ５ｅの出力信号Ｓｃ１とコンバータ２０ｅの出力信号Ｓｃ２は、差動アンプ２０ｈで差分された後、増幅されて測定部２０ｇのＡ／Ｄコンバータに電圧信号の出力Ｐｏとして出力される。同時に、出力信号Ｓｃ１、Ｓｃ２は、測定部２０ｇのＡ／Ｄコンバータに直接に出力される。なお、差動アンプ２０ｈには、増幅された電圧値の電圧レベルを調整するシフトレベル調整部２０ｊが接続されている。
【００４５】
次に、回動角センサ１８の動作を説明する。
コア部材３、１６の励磁コイル３ｂ、１６ｂに所定の大きさの交流励磁電流を流すと、励磁コイル３ｂとセンシング部材４とが協働して筒状の磁気回路が形成されると同時に、励磁コイル１６ｂとセンシング部材１９とが協働して筒状の磁気回路が形成される。このため、センシング部材４、１９には同時に渦電流が発生する。そして、シャフトＳｈが回動すると、磁気回路を形成するセンシング部材４、１９の幅が、コア部材３、６の移動方向に沿って逆の方向に変化するため、センシング部材４に発生する渦電流の大きさも逆方向に変化する。従って、励磁コイル３ｂ、１７ｂのインピーダンスの変動の方向も逆になる。
【００４６】
他方、回動角センサ１８の振動、環境温度の変動、周囲電磁ノイズ等の外部要因による励磁コイル３ｂ、１７ｂのインピーダンスの変動の方向は同じである。それ故、差動アンプ２０ｈにおいて、コンバータ５ｅ、２０ｅの出力信号Ｓｃ１、Ｓｃ２の差分をとると、出力Ｐｏは倍になる一方、出力信号Ｓｃ１、Ｓｃ２に共通に含まれるノイズは互いに打ち消される。
【００４７】
以上のように本実施形態に係る回動角センサ１８によれば、同一構造のコア部材３及びコア部材１９がシャフトＳｈの回動軸を中心に中心角１８０°隔てて配置され、励磁コイル３ｂ、１７ｂに対向するセンシング部材４、１７の幅がコア部材３、１６の同一の移動方向に沿って逆の方向に変化することにより、励磁コイル３ｂ、１７ｂのインピーダンスの変動の方向が逆になる。このため、その変動量の差分をとると、回動角センサ１８の振動等の外部要因によるノイズが互いに打ち消され、Ｓ／Ｎ比を大幅に改善することが可能になり、ロータ２の回動角度の測定精度を高めることができる。
【００４８】
なお、上記第１〜第６の実施形態においては、コア部材３、１１、１６を回動するロータ２、１５の先端部に埋設し、センシング部材４を固定するする構成をとっているが、逆に、センシング部材を回動するロータの先端部に設置し、コア部材を固定するする構成と採用してもよい。コア部材とセンシング部材とが対向配置された状態で移動する相関関係は、何れの側を回動させても可能である。但し、前述したように、コア部材を回動させる方が回動角センサをより小型化することができる。
【００４９】
また、上記第１の実施形態においては、ロータ２の先端部に埋設されたコア部材３の平面形状が円形状であり、励磁コイル３ｂが円形状に収容されているが、コア部材は種々の形状をとることが可能である。例えば図９に示されるように、コア部材２１の平面形状が略矩形状をなし、コア本体１２ａに励磁コイル１２ｂが略矩形円形状に収容されていてもよい。この場合、コア部材２１の回転方向に沿った幅が小さくなる。その結果、コア部材２１を埋設している扇状のロータ２の中心角を小さくして、ロータ２の大きさを小さくすることが可能となるため、回動角センサ１の更なる小型化に貢献することができる。なお、このようなコア部材及び励磁コイルについての変形は、他の第２〜第６の実施形態においても、同様に適用可能である。
【００５０】
また、上記第１〜第６の実施形態においては、センシング部材４、１７、１９の幅がコア部材３、８、１６の移動方向に沿って連続的に減少又は増大しているが、センシング部材は種々の形状をとることが可能である。例えば、センシング部材の幅が階段状に減少又は増大する平面形状であってもよい。
また、本発明に係る回動角センサは、例えばロボットアームのように回動角度を測定する必要ある回動機構を有するものであれば、どのような装置にも広範に使用することができる。
【００５１】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明によれば、次のような効果を奏することができる。
即ち、請求項１に係る回動角センサによれば、磁気回路を形成する励磁コイルとセンシング部材とが対向する平面対向形をとっているため、大幅な小型化と低価格化を実現することができる。
【００５２】
また、請求項２に係る回動角センサによれば、励磁コイルを有するコア部材を回動させ、円弧状に延びるセンシング部材を固定しているため、更なる小型化を実現することができる。
また、請求項３に係る回動角センサによれば、コア部材に対してセンシング部材を挟んでサブコアが対向配置されているため、安定した磁気回路を形成して振動等に起因するノイズの発生を抑制し、シャフトの回動角度の測定精度を向上させることができる。
【００５３】
また、請求項４に係る回動角センサによれば、２つのコア部材がセンシング部材を挟んで対向配置されているため、センシング部材に発生する渦電流の大きさを大きくして、シャフトの回動角度の測定精度を高めることができる。
また、請求項５に係る回動角センサによれば、コア部材及びセンシング部材を挟んで電気遮蔽層が設置されているため、センシング部材に発生する渦電流が安定したものとなり、シャフトの回動角度の測定精度を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は本発明の第１の実施形態に係る回動角センサを示す平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ１−Ａ１線断面図である。
【図２】図１の回動角センサで使用する回動角度測定装置の一例を示す回路図である。
【図３】（ａ）は本発明の第２の実施形態に係る回動角センサを示す平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ２−Ａ２線断面図である。
【図４】（ａ）は本発明の第３の実施形態に係る回動角センサを示す平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ３−Ａ３線断面図である。
【図５】本発明の第４の実施形態に係る回動角センサを示す断面図である。
【図６】本発明の第５の実施形態に係る回動角センサを示す平面図である。
【図７】本発明の第６の実施形態に係る回動角センサを示す平面図である。
【図８】図７の回動角センサで使用する回動角度測定装置の一例を示す回路図である。
【図９】コア部材の変形例を示す平面図である。
【符号の説明】
１ 第１の実施形態に係る回動角センサ
２ ロータ
２ａ 下部ロータ部
２ｂ 上部ロータ部
３ コア部材
３ａ コア本体
３ｂ 励磁コイル
４ センシング部材
５ 回動角度測定装置
５ａ 発振回路
５ｂ 分周回路
５ｃ 位相シフト部
５ｄ 位相シフト量検出部
５ｅ コンバータ
５ｆ 増幅回路
５ｇ 測定部
６ ケース
７ 支持部材
８ 第２の実施形態に係る回動角センサ
９ サブコア
１０ 第３の実施形態に係る回動角センサ
１１ コア部材
１１ａ コア本体
１１ｂ 励磁コイル
１２ 第４の実施形態に係る回動角センサ
１３ａ、１３ｂ 電気遮蔽層
１４ 第５の実施形態に係る回動角センサ
１５ ロータ
１６ コア部材
１６ａ コア本体
１６ｂ 励磁コイル
１７ センシング部材
１８ 第６の実施形態に係る回動角センサ
１９ センシング部材
２０ 回動角度測定装置
２０ｃ 位相シフト部
２０ｄ 位相シフト量検出部
２０ｅ コンバータ
２０ｇ 測定部
２０ｈ 差動アンプ
２０ｊ シフトレベル調整部
２１ コア部材
２１ａ コア本体
２１ｂ 励磁コイル
Ｓｈ シャフト
Claims (7)
- ケースと、
そのケースに回動可能に取り付けられたシャフトと、
そのシャフトに取り付けられ、回動半径方向に延びて形成されたロータと、
そのロータ上に設けられ、
励磁コイルを保持するコア部材と、
前記ケースに固定して取り付けられ、前記コア部材に所定の間隔をおいて対向配置され、幅が前記コア部材の移動方向に沿って連続的に減少又は増大するように円弧状に形成されているセンシング部材と、
前記励磁コイルに接続され、特定周波数の発振信号を発信する発振手段を有し、前記コア部材の移動に伴って変動する前記励磁コイルのインピーダンスの変動量に基づいて、前記ロータの回動角度を測定する回動角度測定装置と、
を備えたことを特徴とする回動角センサ。 - 前記センシング部材を間に挟んで、サブコアが前記コア部材に対向配置されていることを特徴とする請求項１に記載の回動角センサ。
- 前記センシング部材を間に挟んで、２つの前記コア部材が対向配置されていることを特徴とする請求項１に記載の回動角センサ。
- 前記コア部材及び前記センシング部材を挟んで、電気遮蔽層が設置されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１つの項に記載の回動角センサ。
- ケースと、
そのケースに回動可能に取り付けられたシャフトと、
そのシャフトに取り付けられ、回動半径方向に延びて形成された第１のロータと、
その第１のロータ上に設けられ、
第１の励磁コイルを保持する第１のコア部材と、
前記ケースに固定して取り付けられ、前記第１のコア部材に所定の間隔をおいて対向配置され、幅が前記第１のコア部材の移動方向に沿って連続的に減少又は増大するように円弧状に形成されている第１のセンシング部材と、
前記シャフトに取り付けられ、回動半径方向に延びて形成された第２のロータと、
その第２のロータ上に設けられ、
第２の励磁コイルを保持する第２のコア部材と、
前記ケースに固定して取り付けられ、前記第２のコア部材に所定の間隔をおいて対向配置され、幅が前記第２のコア部材の移動方向に沿って連続的に減少又は増大するように円弧状に形成されている第２のセンシング部材と、
前記第１の励磁コイル及び第２の励磁コイルに接続され、特定周波数の発振信号を発信する発振手段を有し、前記第１のコア部材及び第２のコア部材の移動に伴って変動する前記第１の励磁コイル及び第２の励磁コイルのインピーダンスの変動量に基づいて、前記第１のロータ及び第２のロータの回動角度を測定する回動角度測定装置とを備え、
前記第１のロータ、前記第１のコア部材及び前記第１のセンシング部材を前記シャフトを軸にして１８０°回転させた位置に、前記第２のロータ、前記第２のコア部材及び前記第２のセンシング部材が配置されている、
ことを特徴とする回動角センサ。 - 前記第１のセンシング部材の幅と前記第２のセンシング部材の幅は、同一方向に連続的に減少又は増大していることを特徴とする請求項５に記載の回動角センサ。
- 前記第１のセンシング部材の幅と前記第２のセンシング部材の幅は、逆方向に連続的に減少又は増大していることを特徴とする請求項５に記載の回動角センサ。
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