JP5263822B2

JP5263822B2 - 回転式静電型エンコーダ

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Publication number: JP5263822B2
Application number: JP2008211337A
Authority: JP
Inventors: 雅彦権藤
Original assignee: Seidensha Corp
Current assignee: Seidensha Corp
Priority date: 2008-08-20
Filing date: 2008-08-20
Publication date: 2013-08-14
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Also published as: JP2010048592A; US20100045489A1; US7864075B2

Description

本発明は回転式静電型エンコーダに関し、特に、簡素な構造を有しかつ絶対角度を得ることができるアブソリュート式の回転式静電型エンコーダに関する。

従来の静電型エンコーダの一例は特許文献１に開示される。特許文献１に開示される静電型エンコーダでは、固定子に対して移動するように移動子を設けるように構成し、当該移動子の位置の測定を可能にする。この静電型エンコーダによれば、固定子は誘導電極と電位検出電極を有するプレート体として形成され、移動子は電極を有するプレート体として形成される。プレート状固定子に対して、プレート状移動子はその上に配置され、移動するように設けられ、これにより静電型エンコーダのセンサ部が形成される。特許文献１の静電型エンコーダのセンサ部は薄型および小型化に作ることができる。

また関連する従来技術として、特許文献２では容量性変位エンコーダが開示される。この容量性変位エンコーダでは、円板状静止体に対する円板状移動体の回転位置を感知するための機構であり、静止体に結合された少なくとも１つの静止素子と、静止素子の近傍において移動体に結合された移動素子とから構成される。電界送信装置は静電界を発生させ、この静電界は、両素子の相対的な回転移動に伴って両素子間に現れるキャパシタンス変化によって変調される。処理回路が、変調された静電界を感知し、これに呼応して移動体の位置測定量を求める。

特許文献２で、図２に示された構成は、ステータ側に設けた９０度ごとに分離されて設けられた４つの電極に４相の信号を供給して駆動し、その信号をロータにおける偏心した電極で受信し、その受信信号の位相を検出することによりロータの角度を検出する構成である。また図７に示された構成は、２枚のステータを設け、２枚のステータの間に１枚のロータを設けることにより、３枚構造を有する。一方のステータの対向面には同心円で内側リング電極と外側リング電極が形成され、かつ外側リング電極は９０度ごとに分離され４つの電極が形成されている。他方のステータの対向面には同心円で内側リング電極と外側リング電極が形成されている。ステータでは４つの電極に対して４相駆動を行う。２枚のステータの中間に位置するロータは一種の静電遮蔽材となっており、当該静電遮蔽材は偏心した電極構造を有する。受信信号は上記の他方のステータから取り出される。受信信号の位相は、ロータの静電遮蔽部材が偏心しているため、回転に応じて０〜３６０度の範囲で変化する。

さらに関連する従来技術として静電容量式のエンコーダが特許文献３に開示される。この静電容量式エンコーダは、センサ部として円板状のステータとからなる２枚構造を有する。ステータは、中心に位置する送信電極と、３相の受信信号を得るように送信電極の周囲に空間的に配置された１２個の受信電極とを有する。またロータは空間的に４方向に飛び出した歯車状の電極を有する。
特開２００５−２２１４７２号公報特表２００２−５４２４７６号公報特開平０８−２３３６０５号公報

特許文献２に開示された容量性変位エンコーダは次の問題を有する。回転式のセンサ部は２枚のステータと１枚のロータからなる３枚構造（サンドウィッチ構造）であるため、部品点数が多く、構造が複雑である。また２枚のステータの間に生じる静電容量をロータの静電遮蔽機能で変化させるという構成を有している。この構成のため、仮想接地のためのリング形状の電極を、ロータの両側に位置する２つのステータのそれぞれに設ける必要がある。さらに２つのステータの内側リング電極に対しては電位操作（仮想接地）を行うためのバッファアンプ（特許文献２の図７の符号１８２）が設けられている。従って電極構造が複雑であり、受信電極の電位を安定させる回路が必要になる。

また特許文献３に開示される静電容量式エンコーダによれば、送信電極と接地の間に交流電源を接続し、送信信号を送信電極に与えるようになっている。しかしながら、当該接地がロータとステータの各電極に一切接続されていないので、実際に動作し得るか否かが不明である。

本発明の目的は、上記の課題に鑑み、センサ部は回転式構造を有しかつ静電気作用で角度情報を検出する静電型エンコーダであって、回転式構造のセンサ部は簡素な構造を有し、絶対角度を得ることができ、安定した回路部を有して正確な角度情報を得ることができ、実用性が高くかつ高い分解能を有し、超薄型であり、ケーブル数を少なくできる回転式静電型エンコーダを提供することにある。

本発明に係る回転式静電型エンコーダは、上記の目的を達成するため、次のように構成される。

第１の回転式静電型エンコーダ（請求項１に対応）は、外周部に配置された第１送信電極、中心部に配置された第２送信電極、第１送信電極と第２送信電極の間に配置されかつ円周方向に９０度の角度間隔で配置された４つの受信電極を有する円板状の固定子と、固定子に対して平行でかつ回転自在に設けられると共に、第１送信電極に対面して重なるように配置されかつ一部がはみ出した偏心打ち抜き外周部である第１誘導電極、この第１誘導電極の内側に位置しかつ第２送信電極に対面して重なるように配置されかつ一部がはみ出した偏心円形部である第２誘導電極を有する円板状の回転子と、固定子の第１送信電極と第２送信電極に送信信号を印加する送信手段と、固定子の４つの受信電極から出力される２つの信号成分に基づいて回転子の絶対的回転変位に係る出力信号を生成する信号処理手段と、を備えるように構成される。

上記の回転式静電型エンコーダによれば、固定子に対する回転子の回転角度を絶対角度として取り出すことができる。固定子側の送信電極と受信電極の電極配置パターンと、回転子側の誘導電極の電極配置パターンとの間で電荷誘導作用を生じさせ、かつ回転子側の誘導電極の形状に偏心形状を持たせることにより、回転子の回転動作時に電極対向状態や対向部分の形状が回転角度に応じて一義的に決まるようにすることにより、相対的な回転角度状態を検出し、これを絶対角度情報として取り出すようにしている。

第２の回転式静電型エンコーダ（請求項２に対応）は、上記の構成において、第１送信電極と第２送信電極の間に印加された送信信号に基づき第１誘導電極と第２誘導電極に電荷を誘起させ、電荷に基づく電位を４つの受信電極で検出することを特徴とする。

第３の回転式静電型エンコーダ（請求項３に対応）は、上記の構成において、信号処理手段は、２つの信号成分を角度信号に変換するレゾルバ／デジタル変換器を含むことを特徴とする。

第４の回転式静電型エンコーダ（請求項４に対応）は、上記の構成において、信号処理手段は、送信手段から出力される送信信号の周波数で２つの信号成分を同期検波して搬送波成分を取り除く回路と、搬送波成分の取り除いた２つの信号成分に基づいてベクトル回転角を検出する位相分割回路とを含むことを特徴とする。

第５の回転式静電型エンコーダ（請求項５に対応）は、上記の構成において、固定子における第１送信電極の面積と第２送信電極の面積を略同一としたことを特徴とする。

第６の回転式静電型エンコーダ（請求項６に対応）は、上記の構成において、４つの受信電極のうち第１および第３の受信電極からの受信信号を入力とする第１の差動増幅器と、第２および第４の受信電極からの受信信号を入力とする第２の差動増幅器と、第１および第２の差動増幅器の電源電圧を送信信号から生成する変換器とを、固定子の近傍に配置することを特徴とする。

第７の回転式静電型エンコーダ（請求項７に対応）は、上記の構成において、回転子にモータ出力軸取付け機構を設け、固定子と回転子と送信手段と信号処理手段を１つのケース内に組み込むことを特徴とする。

第８の回転式静電型エンコーダ（請求項８に対応）は、外周部に配置された第１受信電極、中心部に配置された第２受信電極、第１受信電極と第２受信電極の間に配置されかつ円周方向に９０度の角度間隔で配置された４つの送信電極とを有する円板状の固定子と、固定子に対して平行でかつ回転自在に設けられると共に、第１受信電極に対面して重なるように配置されかつ一部がはみ出した偏心打ち抜き外周部である第１誘導電極、この第１受信電極の内側に位置しかつ第２受信電極に対面して重なるように配置されかつ一部がはみ出した偏心円形部である第２誘導電極とを有する円板状の回転子と、固定子の４つの送信電極に４相の送信信号を印加する送信手段と、固定子の第１および第２の受信電極から１つの受信信号を検出し、この受信信号を直交検波してそのベクトル成分により回転子の回転角度を検出することを信号処理手段と、を備えるように構成される。この構成では、固定子における前述した送信電極と受信電極の役割を全く逆にした構成である。

第９の回転式静電型エンコーダ（請求項９に対応）は、外周部に配置された第１送信電極と、中心部に配置された第２送信電極と、第１送信電極と第２送信電極の間に配置された複数の受信電極とを有する第１の電極プレートと、第１送信電極に対面して重なるように配置されかつ一部がはみ出した偏心打ち抜き外周部である第１誘導電極と、この第１誘導電極の内側に位置しかつ第２送信電極に対面して重なるように配置されかつ一部がはみ出した偏心円形部である第２誘導電極とを有する第２の電極プレートと、から成り、第１電極プレートと第２電極プレートは共通軸で相対的に回転する配置関係にあり、印加される送信信号によって第１および第２の送信電極に生成される電荷分布状態およびこれに感応する第１および第２の誘導電極の電荷分布状態に基づいて、かつ第１および第２の電極プレートの相対的な回転位置に対応して、４つの受信電極に所定の電荷誘導状態が生成され、さらに４つの受信電極から出力される２つの信号成分に基づいて第１および第２の電極プレートの間の絶対的回転変位に係る信号を生成するように構成される。この構成では、固定子と回転子と決めず、第１および第２の電極プレートのいずれも相対的な関係に基づき固定子または回転子になり得る。ただし、送信信号が印加される第１の電極プレートを回転子とするときには、回転部分に送信信号を供給するための電気的接続部を設けることが必要である。

本発明に係る回転式静電型エンコーダによれば、次の効果を奏する。
第１に、センサ部を固定子と回転子の２枚のプレート部材で作ることができるため、簡単な回転式構造のセンサ部を実現することができる。さらに固定子側の対向面に形成した送信電極および受信電極と、回転子側の対向面に形成した誘導電極との間の静電気誘導作用に基づき回転子の回転角度情報を絶対角度として得ることができる。
第２に、固定子の４つの受信電極から２つの信号成分を得て、かつこれから例えばレゾルバ／デジタル変換器等で処理することにより回転子の回転角を絶対値として取り出すようにしたため、安定した信号処理回路部で正確な角度情報を得ることができる。
第３に、センサ部や電子回路部を小型にかつコンパクト製作することができ、さらには１回転１０２４〜４０９６分割等と高い分解能を得ることができ、実用性が高い。
第４に、２枚の電極プレート構造であるために超薄型の回転式静電型エンコーダを実現することができる。
第５に、ケーブル本数を少なくすることができ、センサ部の超薄型に共に、例えば内視鏡等に利用することができ、モータ出力軸側にも直接に取り付けることができ、細かい箇所、狭い箇所にも組み込むことができる。

以下に、本発明の好適な実施形態（実施例）を添付図面に基づいて説明する。

図１〜図３を参照して本発明に係る回転式静電型エンコーダの機械的構造を説明する。図１は、本発明に係る回転式静電型エンコーダの全体的な装置構成を示している。図２はセンサ部を平面形状を拡大して示し、図３はセンサ部の側面形状を示している。なお図１〜図３で図示した構成は一例であり、これに限定されるものではない。

図１において、１０は回転式静電型エンコーダの装置本体であり、１１は計測内容を表示する表示装置であり、１２は装置本体１０と表示装置１１を駆動可能にするための電力を供給するバッテリである。装置本体１０と表示装置１１はケーブル１３で接続されている。バッテリ１２からの電力線１４は、装置本体１０および表示装置１１に接続されている。装置本体１０への電力線はケーブル１３内に設けられている。

装置本体１０の一構成例としては、基台２１を有し、当該基台２１の上にセンサ部２２と、センサ部２２に所要の送信信号（電圧信号）を与えると共にセンサ部２２から出力される検出受信信号を処理する電子回路部２３とが設けられている。

センサ部２２は、図１と図３において、下側に位置しかつ基台２１に支持軸部３０で固定された円板状の固定プレート３１と、上側に位置しかつ軸３２ａの周りに回転自在に設けられた円板状の回転プレート３２とから構成されている。固定プレート３１と回転プレート３２は、略同じ直径を有する円板形状を有しており、それらの中心を一致させた状態で所要の隙間をあけて対向させ、かつ略平行になるように配置されている。固定プレート３１と回転プレート３２は共に絶縁材料で作られており、さらに固定プレート３１と回転プレート３２の対向面には後述するような所定のパターン形状で複数の電極が形成されている。基台２１に固定して設けられた固定プレート３１に対して、回転プレート３２は任意の回転角度で回転させることができる。また、回転プレート３２の上面には、回転プレート３２を回転させるときに、回転力を与える指を接触させるための突部３３が設けられている。

電子回路部２３には、固定プレート３１に形成された送信電極に送信信号を供給する送信回路と、固定プレート３１に形成された受信電極から得られる受信信号を処理する信号処理回路が設けられている。電子回路部２３と固定プレート３１の各電極との間にはフラットケーブル３４が配線されている。

表示装置１１は、装置本体１０のセンサ部２２で検出された回転角度（絶対角度）に関する情報をディジタル表示する表示部３５を備えている。

次に、図４を参照してセンサ部２２の固定プレート３１と回転プレート３２の各々の対向面に形成される電極について説明する。図４の（Ａ）で回転プレート３２の電極パターンを示し、（Ｂ）で固定プレート３１の電極パターンを示す。これらの電極パターンは、絶縁材料で形成された固定プレート３１と回転プレート３２の各々の対向面に導電膜として形成される。

まず図４の（Ｂ）に示した固定プレート３１の電極パターンでは、円形である固定プレート３１の外周部の全周縁に沿って配置されたリング形状の電極４１が設けられ、固定プレート３１の中心部に配置された円形形状の電極４２が設けられる。外周部の電極４１は第１の送信電極であり、中心部の電極４２は第２の送信電極である。２つの送信電極４１，４２には送信信号が供給される。２つの送信電極４１，４２の間には４つの円形の電極４３Ａ，４３Ｂ，４３Ｃ，４３Ｄが配置される。４つの電極４３Ａ〜４３Ｄは、固定プレート３１の中心３１ａの周りに円周方向に９０度ずつ位置をずらせて等間隔で配置されている。これらの４つの電極４３Ａ〜４３Ｄは受信電極である。固定プレート３１の対向面で、上記の送信電極４１，４２と受信電極４３Ａ〜４３Ｄが形成されていない領域は絶縁体表面となっている。

次に図４の（Ａ）に示した回転プレート３２の電極パターンでは、第１送信電極４１に対面して重なるように配置されかつ一部がはみ出した偏心打ち抜き外周部である第１誘導電極５１と、第１誘導電極５１の内側に位置しかつ第２送信電極４２に対面して重なるように配置されかつ一部がはみ出した偏心円形部である第２誘電電極５２が設けられている。第１誘導電極５１は、図４の（Ａ）で示すように、その周縁部分が全周に渡って常に第１送信電極４１と重なって対面している状態にある。また第２誘導電極５２は、円形形状であるが、回転プレート３２の中心３２ａに対して偏心した位置に配置されている。そのため、第２誘電電極５２は、図４の（Ａ）で示すように、その偏心中心の部分が常に第２送信電極４２に重なって対面している状態にある。これらの関係は、固定プレート３１に対して、回転プレート３２が例えば矢印５３の方向（反時計方向）に回転したときにも常に成り立っている。ただし、固定プレート３１の４つの受信電極４３Ａ〜４３Ｄと、回転プレート３２の第１誘電電極５１および第２誘電電極５２との対面関係では、回転プレート３２の回転状態に応じて変化が生じる。なお、第１誘電電極５１と第２誘電電極５２との間には絶縁体で形成された円形境界部５４が形成されている。

固定プレート３１に形成された第１送信電極４１、第２送信電極４２、および４つの受信電極４３Ａ〜４３Ｄの各々と、回転プレート３２に形成された第１誘導電極５１および第２誘導電極５２の各々とが対向している状態において、それらの対向部分ではコンデンサが形成されている。

次に図５を参照して、固定プレート３１に設けられた送信電極４１，４２および受信電極４３Ａ〜４３Ｄと、前述の電子回路部２３との関係を説明する。

電子回路部２３は、第１および第２の送信電極４１，４２に送信信号を供給する送信回路と、４つの受信電極４３Ａ〜４３Ｄから得られる受信信号を処理する信号処理回路とを含むレゾルバ／デジタル変換器６１が設けられている。レゾルバ／デジタル変換器６１にはレゾルバ／デジタル変換ＩＣが用いられる。レゾルバ／デジタル変換器６１の内部には送信回路として交流発信器が内蔵されている。当該交流発信回路の交流発信出力は送信信号ＴＸとして、差動増幅器６２を経由して適当な大きさに増幅して出力された後、固定プレート３１の第１送信電極４１と第２送信電極４２の間に搬送波の差動出力として印加される。

固定プレート３１の受信電極４３Ａと受信電極４３Ｃに得られる受信信号（「ＳＩＮ」）を差動増幅器６３の２入力端子間ので受信し、また受信電極４３Ｂと受信電極４３Ｄとに得られる受信信号（「ＣＯＳ」）を差動増幅器６４の２入力端子間で受信する。差動増幅器６３，６４の出力信号は、それぞれ、受信信号「ＳＩＮ」と「ＣＯＳ」としてレゾルバ／デジタル変換器６１に入力される。レゾルバ／デジタル変換器６１は復調補間回路として機能する。２つの受信信号「ＳＩＮ」と「ＣＯＳ」に対しては、レゾルバ／デジタル変換器６１の内部で、以下の処理が行われる。

「ＳＩＮ」と「ＣＯＳ」の各信号は、内部のフィードバック信号と共に演算器で差分演算された後に、同期検波回路で搬送波を取除き整流される。この整流された受信信号に基づいて、デジタルカウンタでカウントして、このカウント値を演算器へのパラメータとして入力させ、同期検波回路の整流の大きさがゼロになるように自動フィードバックをかける。このときのデジタルカウントの値が「ＳＩＮ」と「ＣＯＳ」の２つの信号の位相関係を示すことになる。このデジタルカウントの値より回転角に係る信号を生成し、当該信号は表示装置１１に供給される。表示装置１１の表示部３５に表示されるデジタル数値によって、回転プレート３２の絶対角度（絶対的な回転変位量）が表示される。

上記において、送信信号ＴｘはＥ_ＰＱ＝Ｅsinｗｔ（ｗ：送信角周波数）で表され、２つの受信信号は、回転プレート３２の回転角をθとするときに、Ｅ_ＡＣ＝ｋＥsinθ・sinｗｔとＥ_ＢＤ＝ｋＥcosθ・sinｗｔで表される。このように４つの受信電極４３Ａ〜４３Ｄから得られる２つの受信信号が回転プレート３２の回転角θに対応した信号となるので、これを復調補間回路であるレゾルバ／デジタル変換器６１で処理すると、回転プレート３２の回転角θを絶対値として取り出すことができる。

図６は上記の復調補間回路の他の実施回路例を示す。この復調補間回路７１では、内部に交流発信器（送信回路）７２を備える。交流発信器７２から出力される送信信号Ｔｘは、前述のように差動増幅器６２に供給されると共に、乗算器７３ａ，７３ｂに供給される。差動増幅器６３の出力信号ＳＩＮは乗算器７３ａに入力され、差動増幅器６４の出力信号ＣＯＳは乗算器７３ｂに入力される。その後、乗算器７３ａ，７３ｂと後段のローパスフィルタ（ＬＰＦ）７４ａ，７４ｂとからなる同期検波回路によって搬送波の成分を取り除き、２つのベースバンド信号からなる複素数成分「ＲＥＡＬ」と「ＩＭＡＧ」を抽出する。これらの２つの差動増幅器６２，６３と乗算器７３ａ，７３ｂおよびローパスフィルタ７４ａ，７４ｂは全体でベクトル生成回路を構成する。その後、位相分割回路７５で逓倍処理を行い、回転角度に対応した信号を出力する。なお、同期検波回路を構成する乗算器７３ａ，７３ｂは、搬送波の周波数を高くすればサンプリング回路で代用することもできる。

次に図７を参照して固定プレート３１と回転プレート３２によって構成されるセンサ部２２の等価回路について説明する。

図７において、回路部８１は、送信側の等価回路であり、固定プレート３１の第１送信電極４１および第２送信電極４２と、回転プレート３２の第１誘導電極５１および第２誘導電極５２とが対向することによって静電容量８２ａ，８２ｂ，８２ｃの等価回路が形成される。静電容量８２ｃは、回転プレート３２の回転角θに応じて電極部が回転するが、容量そのものはほとんど変化しない。これは、回転プレート３２が回転角θで回転しても、第１送信電極４１および第２送信電極４２の各々と、第１誘導電極５１および第２誘導電極５２の各々の対向面積が変化しないためである。差動増幅器６２から出力される送信信号は第１送信電極４１と第２送信電極４２に印加されている。回路部８３は、受信側の等価回路であり、固定プレート３１の４つの受信電極４３Ａ〜４３Ｄが示され、第１および第３の受信電極４３Ａ，４３Ｃから得られる信号は差動増幅器６３に入力され、第２および第４の受信電極４３Ｂ，４３Ｄから得られる信号は差動増幅器６４に入力されている。

図７に示した等価回路によれば、４つの受信電極４３Ａ〜４３Ｄは、差動増幅器６３，６４の入力端に接続されているが、差動増幅器６３，６４の入力インピーダンスが高いために電流はほとんど流れず、受信側は、送信側と電気的に分離された構造になっている。従って、固定プレート３１の４つの受信電極４３Ａ〜４３Ｄはほぼ受信アンテナとしての作用を有している。静電容量８２ｃが回転するが、これを構成する第１誘導電極５１と第２誘導電極５２に電荷が誘起されているので、これを４つの受信電極４３Ａ〜４３Ｄで検出し、電圧として取り出す。

また第１誘導電極５１と第２誘導電極５２との間の隙間は狭く、かつ第１送信電極４１および第２送信電極４２と第１誘導電極５１および第２誘導電極５２とは狭い隙間で平面的に重なっているため、第１および第２の誘導電極５１，５２の表面にも十分に電荷を溜めることができる。

図８にセンサ部２２の断面構造を示す。センサ部２２は、対向するように配置された固定プレート３１と回転プレート３２とから構成される。図８では回転軸等の図示は省略されている。固定プレート３１の対向面には第１送信電極４１と第２送信電極４２と４つの受信電極４３Ａ〜４３Ｄが設けられている。第１送信電極４１と第２送信電極４２には差動増幅器６２から送信信号Ｔｘが印加される。また例えば受信電極４３Ａ，４３Ｃから取り出された受信信号は差動増幅器６３に入力される。また回転プレート３２の対向面には、第１誘導電極５１と第２誘導電極５２とが接続されている。図８中、上下の第１誘導電極５１は一体物であり、電気的には同じ条件であって同電位であるので、その意味で導線８４で接続されている。

次に、図９Ａと図９Ｂを参照してセンサ部２２による感知作用の動作原理を説明する。図９Ａにおいて、（Ａ）は偏心した第２誘導電極５２が最下位位置にある回転プレート３２の第１の回転状態を示し、（Ｂ）は偏心した第２誘導電極５２が最上位位置にある回転プレート３２の第２の回転状態を示している。図９Ｂの（Ａ）は図９Ａの（Ａ）のＡ−Ａ線断面図であり、図９Ｂの（Ｂ）は図９Ａの（Ｂ）のＢ−Ｂ線断面図である。

図９Ｂの（Ａ）と（Ｂ）に示されるように第１送信電極４１に正電圧を印加しかつ第２送信電極４２に負電圧を印加すると、回転プレート３２の第１誘導電極５１に負の電荷が誘導され、かつ第２誘導電極５２に正の電荷が誘導される。回転プレート３２における第１および第２の誘導電極５１，５２における当該電荷分布状態は、第１および第２の送信電極４１，４２における電圧の印加状態が変わらない限り、変わることはない。そして、この電界分布状態で回転プレート３２が回転すると、固定プレート３１における４つの受信電極４３Ａ〜４３Ｄの各々で誘導される電荷は、それが対面する回転プレート３２側の誘導電極の電荷に応じて決まることになる。例えば、図９Ｂの（Ａ）の状態では受信電極４３Ａは正電荷が帯電しかつ受信電極４３Ｃは負電荷が帯電する。図９Ｂの（Ｂ）の状態では受信電極４３Ａは負電荷が帯電し、受信電荷４３Ｃは正電荷が帯電する。こうして、差動増幅器６３には回転プレート３２の回転位置に応じてＳＩＮ出力が（＋）または（−）になる。換言すれば、回転プレート３２が１８０度回転すると、ＳＩＮ出力がプラスからマイナスに変化する。この動作特性を利用すれば、４つの受信電極４３Ａ〜４３Ｄから得られる受信信号のうち第１および第３の受信電極４３Ａ，４３Ｃの受信信号の組合せと、第２および第４の受信電極４３Ｂ，４３Ｄの受信信号の組合せとに基づいて、回転プレート３２の回転位置（回転角度）を検知することができる。

図１０を参照して第１および第２の送信電極４１，４２の大きさ（面積）について説明する。固定プレート３１に形成される第１および第２の送信電極５１，５２は、使用できる面積は制限を受けるので、次のように形成される。図１０において、静電容量値Ｃ_１は第１送信電極４１と第１誘導電極５１で作られる前述の静電容量８２ａの値であり、静電容量値Ｃ_２は第２送信電極４２と第２誘導電極５２で作られる前述の静電容量８２ｂの値である。また符号８２ｃで示す静電容量は第１および第２の誘導電極５１，５２の静電容量である。受信電極４３Ａ〜４３Ｄに基づく検出電圧を大きくするにはＣ_１とＣ_２からなる直列容量Ｃ（＝Ｃ_１・Ｃ_２／（Ｃ_１＋Ｃ_２））を大きくすればよい。最大の静電容量Ｃになる条件はＣ_１＝Ｃ_２のときである。そこで、第１送信電極４１の面積と第２送信電極４２の面積とを同じとする。

上記のように第１送信電極４１の面積と第２送信電極４２の面積とを同じにすると、図１０の符号９１，９２に示されるように第１送信電極４１にプラスの印加電圧Ｖ_Ｐを、第２送信電極４２にマイナスの印加電圧Ｖ_Ｑをそれぞれ印加すると、Ｃ_１＝Ｃ_２であるので、誘電電極５１，５２の平均電位がゼロとなり、電気的に安定するという効果が発揮される。

次に、前述した回転式静電型エンコーダの具体的な応用例を説明する。前述した実施形態で説明した要素と同一の要素には同一の符号を付すものとする。

図１１と図１２は、本願発明に係る回転式静電型エンコーダを内視鏡に応用した例を示す。図１１は全体の構成を示し、図１２は固定プレート３１の背面を示す。固定プレート３１と回転プレート３２からなるセンサ部２２は内視鏡の先端部に設けられる。内視鏡に設けられるので、全体は長形の形状を有している。固定プレート３１の背面側の近傍には差動増幅器６３，６４が設けられ、さらに交流／直流変換器９３が設けられている。差動増幅器６３，６４と交流／直流変換器９３は、図１２に示すように、固定プレート３１の背面の基板に設けられた半導体チップ９４内に実装されている。

内視鏡に組み込まれるセンサ部２２であるので、固定プレート３１と回転プレート３２は小型の形状を有し、例えば直径１０ｍｍ、厚さ３ｍｍの大きさである。

固定プレート３１の背面から引き出される配線は、固定プレート３１の第１および第２の送信電極４１，４２に送信信号を与えるツイストペア線９５、差動増幅器６３の出力信号を引き出す出力線９６、作動増幅器６４の出力信号を引き出す出力線９７の３本の信号線である。送信信号を増幅する差動増幅器６２はツイストペア線９５の外側端部に位置する外側に配置される。また出力線９６，９７の外側端部側には受信信号を増幅する増幅器９８，９９が接続される。内視鏡用の回転式静電型エンコーダであるので、ツイストペア線９５および出力線９６，９７は十分な長さを有している。また固定プレート３１の背面に配置された交流／直流変換器９３は、ツイストペア線９５で送られてくる送信信号を利用して差動増幅器６３，６４の電源電圧Ｖ_Ｐ，Ｖ_Ｎが生成される。

図１３は本発明に係る回転式静電型エンコーダの他の実施形態を説明する。図１３は、前述した図５に対応する図である。本実施形態に係る回転式静電型エンコーダでは、固定プレート３１に設けられた電極４１，４２，４３Ａ〜４３Ｄについて送信機能と受信機能を逆にした点に特徴がある。固定プレート３１の電極パターンは前述した実施形態の電極パターンと同じである。本実施形態では、４つの電極４３Ａ〜４３Ｄは送信電極となり、電極４１は第１受信電極となり、電極４２は第２受信電極となる。固定プレート３１における電極の機能が逆になるために、図１３に示すように、送信信号供給回路および受信信号検出回路の構成も変更される。回転プレート３２等の構成や動作原理等は、前述した実施形態と同じである。

図１３において、符号１０１は交流発信器（送信回路）である。交流発信器１０１から出力される送信信号は、１つのルートとして差動増幅器１０２に供給され（電圧Ｅ_ＡＣ）、他のルートとしてπ／２移相器１０４を経由して差動増幅器１０３に供給される（電圧Ｅ_ＢＤ）。差動増幅器１０２から出力される送信信号（増幅された電圧Ｅ_ＡＣ）は第１および第３の送信電極４３Ａ，４３Ｃに印加される。差動増幅器１０３から出力される送信信号（増幅された電圧Ｅ_ＢＤ）は第２および第４の送信電極４３Ｂ，４３Ｄに印加される。また第１および第２の受信電極４１，４２の差電圧は差動増幅器１０５に入力される。差動増幅器１０５の出力電圧（Ｅ_ＰＱ）は乗算器１０６ａ，１０６ｂに入力される。また、乗算器１０６ａには上記の電圧Ｅ_ＡＣが入力されており、乗算器１０６ｂには上記の電圧Ｅ_ＢＤが入力されている。その後、乗算器１０６ａ，１０６ｂと後段のローパスフィルタ（ＬＰＦ）１０７ａ，１０７ｂとからなる直交検波回路によって搬送波の成分を取り除き、２つのベースバンド信号からなる複素数成分「ＲＥＡＬ」と「ＩＭＡＧ」を抽出する。差動増幅器１０５と乗算器１０６ａ，１０６ｂおよびローパスフィルタ１０７ａ，１０７ｂは全体でベクトル生成回路を構成する。その後、位相分割回路１０８で逓倍処理を行い、回転角度に対応した出力信号を出力する。

上記において、２種類の送信信号はＥ_ＡＣ＝ＥsinｗｔとＥ_ＢＤ＝Ｅcosｗｔであり、受信信号はＥ_ＰＱ＝ｋ_１Ｅsin（ｗｔ＋θ）である。また実数成分はＲＥＡＬ＝ｋ_２Ｅcosθであり、虚数成分はＩＭＡＧ＝ｋ_３Ｅsinθである。受信信号から直交検波回路によって搬送波成分を取り除いている。移相分割回路１０８ではθ＝tan^−１（IMAG／REAL）として回転プレート３２の回転角θを絶対値として取り出す。

図１４〜図１６を参照して本発明に係る回転式静電型エンコーダをモータに付設する応用例について説明する。図１４において、１１１は小型のモータ、１１２はモータ１１１の出力軸、１１３はモータケーブルである。１１４はエンコーダ本体である。従来のエンコーダの厚みは２０ｍｍ程度であったので、モータ１１１の出力軸１１２へエンコーダ本体を直接に付設することができなかった。本発明に係る回転式静電型エンコーダはセンサ部を薄くすることができため、エンコーダ本体１１４の厚みを１０ｍｍ以内の薄型に作ることができる。そこで、エンコーダ本体１１４をモータ１１１の出力軸１１２側に取り付けることができる。エンコーダ本体１１４の中心部に形成された孔１１５に、モータ１１１の出力軸１１２を挿入し、エンコーダ本体１１４を出力軸１１２に固定する。エンコーダ本体１１４にはエンコーダケーブル１１６が設けられている。

図１５に示されるようにエンコーダ本体１１４の内部には、本体ケース１１７に固定された固定プレート１１８と、回転軸取付け機構１１９を備えた回転プレート１２０を備える。また電子回路チップを備えた実装回路基板１２１をエンコーダ本体１１４の内部に備えている。回転軸取付け機構１１９にモータ１１１の出力軸１１２を挿通してネジ孔１１９ａにネジを取り付け、締め付けることにより、出力軸１１２に回転プレート１２０を取り付けられる。エンコーダ本体１１４の本体ケース１１７は、モータ１１１の正面部に固定される。

また図１６に示す構造は、実装回路基板１２１における電子回路チップ１２２の配置位置を示している。斜線領域１２３は、回転プレート１２０を出力軸１１２に取り付けるときに取付け工具を貫通させるための領域であり、電子回路チップ１２２等を実装することを禁止する領域である。これによって、取付けを行うための工具をエンコーダ本体１１４の内部に入れることができる。

以上の実施形態で説明された構成、形状、大きさおよび配置関係については本発明が理解・実施できる程度に概略的に示したものにすぎず、また数値および各構成の組成（材質）等については例示にすぎない。従って本発明は、説明された実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に示される技術的思想の範囲を逸脱しない限り様々な形態に変更することができる。

本発明に係る回転式静電型エンコーダは、センサ部の構造が簡素であるため、細かい箇所や狭い箇所に組み込むことができる。

本発明に係る回転式静電型エンコーダの実施形態の全体構成を示す斜視図である。本実施形態に係る回転式静電型エンコーダのセンサ部の平面図である。本実施形態に係る回転式静電型エンコーダのセンサ部の側面図である。固定プレートと回転プレートの電極の配置パターンを示す図である。固定プレートの各電極に対する電子回路部の構成を示す回路図である。本実施形態における他の電子回路部の構成を示す回路図である。センサ部の等価回路図である。センサ部の側面図である。センサ部の動作原理を説明する図である。センサ部の動作原理を説明する図である。固定プレートでの第１送信電極と第２送信電極の関係を説明する図である。本発明に係る回転式静電型エンコーダを内視鏡に応用した例を示す構成図である。センサ部の固定プレートの背面を示す斜視図である。本発明に係る回転式静電型エンコーダの他の実施形態であって、固定プレートの各電極の役割を逆にした構成を示す図である。本発明に係る回転式静電型エンコーダをモータの出力軸に付設する構成を説明するための斜視図である。エンコーダ本体の縦断面図である。実装回路基板の電子回路部品の配置例を説明する正面図である。

符号の説明

１０装置本体
１１表示装置
１２バッテリ
１３ケーブル
１４電力線
２１基台
２２センサ部
２３電子回路部
３１固定プレート
３２回転プレート
４１第１送信電極（または第１受信電極）
４２第２送信電極（または第２受信電極）
４３Ａ〜４３Ｄ受信電極（または送信電極）
５１第１誘導電極
５２第２誘導電極
６１レゾルバ／デジタル変換器
７１復調補間回路
１１１モータ
１１２出力軸
１１４エンコーダ本体

Claims

外周部に配置された第１送信電極と、中心部に配置された第２送信電極と、前記第１送信電極と前記第２送信電極の間に配置されかつ円周方向に９０度の角度間隔で配置された４つの受信電極とを有する円板状の固定子と、
前記固定子に対して平行でかつ回転自在に設けられると共に、前記第１送信電極に対面して重なるように配置されかつ一部がはみ出した偏心打ち抜き外周部である第１誘導電極と、この第１誘導電極の内側に位置しかつ前記第２送信電極に対面して重なるように配置されかつ一部がはみ出した偏心円形部である第２誘導電極とを有する円板状の回転子と、
前記固定子の前記第１送信電極と前記第２送信電極に送信信号を印加する送信手段と、
前記固定子の前記４つの受信電極から出力される２つの信号成分に基づいて前記回転子の絶対的回転変位に係る出力信号を生成する信号処理手段と、
を備えることを特徴とする回転式静電型エンコーダ。
前記第１送信電極と前記第２送信電極の間に印加された前記送信信号に基づき前記第１誘導電極と前記第２誘導電極に電荷を誘起させ、前記電荷に基づく電位を前記４つの受信電極で検出することを特徴とする請求項１記載の回転式静電型エンコーダ。
前記信号処理手段は、前記２つの信号成分を角度信号に変換するレゾルバ／デジタル変換器を含むことを特徴とする請求項１記載の回転式静電型エンコーダ。
前記信号処理手段は、前記送信手段から出力される前記送信信号の周波数で前記２つの信号成分を同期検波して搬送波成分を取り除く回路と、前記搬送波成分の取り除いた前記２つの信号成分に基づいてベクトル回転角を検出する位相分割回路とを含むことを特徴とする請求項１記載の回転式静電型エンコーダ。
前記固定子における前記第１送信電極の面積と前記第２送信電極の面積を略同一としたことを特徴とする請求項１記載の回転式静電型エンコーダ。
前記４つの受信電極のうち第１および第３の受信電極からの受信信号を入力とする第１の差動増幅器と、第２および第４の受信電極からの受信信号を入力とする第２の差動増幅器と、前記第１および第２の差動増幅器の電源電圧を前記送信信号から生成する変換器とを、前記固定子の近傍に配置することを特徴とする請求項１記載の回転式静電型エンコーダ。
前記回転子にモータ出力軸取付け機構を設け、前記固定子と前記回転子と前記送信手段と前記信号処理手段を１つのケース内に組み込むことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の回転式静電型エンコーダ。
外周部に配置された第１受信電極と、中心部に配置された第２受信電極と、前記第１受信電極と前記第２受信電極の間に配置されかつ円周方向に９０度の角度間隔で配置された４つの送信電極とを有する円板状の固定子と、
前記固定子に対して略平行でかつ回転自在に設けられると共に、前記第１受信電極に対面して重なるように配置されかつ一部がはみ出した偏心打ち抜き外周部である第１誘導電極と、この第１受信電極の内側に位置しかつ前記第２受信電極に対面して重なるように配置されかつ一部がはみ出した偏心円形部である第２誘導電極とを有する円板状の回転子と、
前記固定子の前記４つの送信電極に４相の送信信号を印加する送信手段と、
前記固定子の前記第１および第２の受信電極から１つの受信信号を検出し、この受信信号を直交検波してそのベクトル成分により前記回転子の回転角度を検出することを信号処理手段と、
を備えることを特徴とする回転式静電型エンコーダ。
外周部に配置された第１送信電極と、中心部に配置された第２送信電極と、前記第１送信電極と前記第２送信電極の間に配置された複数の受信電極とを有する第１の電極プレートと、
前記第１送信電極に対面して重なるように配置されかつ一部がはみ出した偏心打ち抜き外周部である第１誘導電極と、この第１誘導電極の内側に位置しかつ前記第２送信電極に対面して重なるように配置されかつ一部がはみ出した偏心円形部である第２誘導電極とを有する第２の電極プレートと、から成り、
前記第１電極プレートと前記第２電極プレートは共通軸で相対的に回転する配置関係にあり、
印加される送信信号によって前記第１および第２の送信電極に生成される電荷分布状態およびこれに感応する前記第１および第２の誘導電極の電荷分布状態に基づいて、かつ前記第１および第２の電極プレートの相対的な回転位置に対応して、前記４つの受信電極に所定の電荷誘導状態が生成され、さらに前記４つの受信電極から出力される２つの信号成分に基づいて前記第１および第２の電極プレートの間の絶対的回転変位に係る信号を生成することを特徴とする回転式静電型エンコーダ。