JP6086517B2 - 電界式タイムグレーティング角変位センサ - Google Patents

Description

本発明は精密角変位測定センサに関する。

近年、精密角変位測定センサの分野において、クロックパルスを変位測定の基準とするタイムグレーティングセンサが開発されており、これを基礎として、交番電界に基づくタイムグレーティング角変位センサも開発されている。この種のセンサとしては、２０１２年４月２５日に公開された、発明の名称「交番電界に基づくタイムグレーティング角変位センサ」とする中国特許文献ＣＮ１０２４２５９８７Ａがある。

交番電界に基づくタイムグレーティング角変位センサは、単層構造の差動静電容量を用いて信号結合路としており、２つの環状電極による２経路の定常波信号が求められ、加算回路により１経路の進行波信号に合成する。しかし円柱端面に加工される２つの環状電極の長さや幅の不一致により、対応する２経路の定常波信号の変化規則は相違し、且つ２つの環状電極信号の間での相互干渉が起こり得るため、測定誤差が増大し、精度向上の妨げとなっている。製造過程において２つの環状電極を一致させることは難しく、取付作業においても２つの環状電極の電界結合強度を一致させることが難しいため、両経路の定常波信号の振幅の不一致を引き起こし、測定誤差をもたらすことから、産業現場への適応性は低いものであった。

本発明は、上記従来技術が有する問題を解決する単円多層構造に基づく電界式タイムグレーティング角変位センサを提供することを目的とする。本発明によれば、単円多層構造の電極を用いて、２つの環状電極の間の信号が相互干渉し、かつ電極の長さや幅が一致しないという問題を解決し、製造過程及び取付作業において２つの環状電界結合強度の不一致を引き起こすという問題を回避することができる。また、電界結合原理を利用し直接進行波信号を得るため、加算回路を設ける必要がない。従って、測定誤差を減少させ、要求される取付精度を低減し、システム構造を簡素化することができる。

本発明は、単円多層構造に基づく電界式タイムグレーティング角変位センサであって、回転子と固定子の両部分を備え、回転子基板及び固定子基板は円柱体又は円筒環を用いた２種の実現方式とすることができる。

前記センサを実現するための第１の方式は、円柱体又は円筒環の上下端面に沿って電極を配置するものである。回転子基板及び固定子基板はいずれも円柱体又は円筒環を用い、回転子基板の下表面（即ち円柱端面）には２つの上下対称な正弦曲線で形成される双正弦形（円周方向に沿って広がった後の形状）の回転子電極が配置され、回転子電極の数量はｍ（ｍは１以上の整数）であり、周面に均一に配置され、回転子電極間は導線により連結されている。固定子基板上の表面（即ち円柱端面）は、４層の誘電体膜に覆われており、第１層は金属膜であり、４本の励磁信号導線を構成している。第２層は絶縁膜である。第３層は金属膜であり、固定子電極を構成し、その形状は扇環形（即ち円周方向に沿って広がった形状）であり、大きさは同一で、隣り合う２つの電極の間には、一定の絶縁間隔が保持されており、固定子電極の数量は４ｍであり、周面に均一に配置されている。第４層は絶縁保護膜である。回転子基板と固定子基板は、同軸上に取付けられ、回転子基板の下表面と固定子基板の上表面は相対して平行に置かれ、回転子電極と固定子電極は正対し、一定間隔δだけ離間して結合コンデンサを形成している。

前記センサを実現するための第２の方式は、円柱体又は円筒環の内外柱面に沿って電極を配置するものである。回転子基板は円柱体を用い、回転子基板の円柱外面には２つの上下対称な正弦曲線で形成される双正弦形（円周方向に沿って広がった後の形状）の回転子電極が配置され、回転子電極の数量はｍであり、周面に均一に配置され、回転子電極間は導線により連結されている。固定子基板は円筒環を用い、その内周面は４層の誘電体膜に覆われ、第１層は金属膜であり、４本の励磁信号導線を構成している。第２層は絶縁膜である。第３層は金属膜であり、固定子電極を構成し、その形状は曲面矩形（円周方向に沿って広がった矩形）であり、大きさは同一で、隣り合う２つの電極の間には、一定の絶縁間隔が保持されており、固定子電極の数量は４ｍであり、周面に均一に配置されている。第４層は絶縁保護膜である。回転子基板と固定子基板は、同軸上に取付けられ、回転子電極と固定子電極は正対し、一定間隔δだけ離間して結合コンデンサを形成する。

上記２種の構造において、回転子電極はｍ個であり、その長さは固定子電極よりやや短く、幅は１つの電極の幅と１つの絶縁間隔との和であり、隣り合う２つの回転子電極の間隔は回転子電極の幅の３倍である。具体的には、前記回転子電極の形状は、［０，π］区間における正弦曲線とｘ軸で囲まれた領域及び［π，２π］区間における正弦曲線とｘ軸で囲まれた領域を合わせて構成される。従って、面積に対する正弦規則により変化する結合コンデンサを得ることができ、更に角変位変調信号を得ることができる。

前記固定子電極は４ｍ個あり、そのうち第４ｎ＋１（ｎ＝０，２，３，…，ｍ−１）電極は１組に繋がってＡ励磁相を構成し、第４ｎ＋２電極は１組に繋がってＢ励磁相を構成し、第４ｎ＋３電極は１組に繋がってＣ励磁相を構成し、第４ｎ＋４電極は１組に繋がってＤ励磁相を構成する。固定子のＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ４つの励磁相は、それぞれ順に位相差９０°の等振幅、等周波数の正弦曲線励磁電圧Ｕａ、Ｕｂ、Ｕｃ、Ｕｄに連結し、回転子電極上で１経路の進行波信号Ｕｏが生じ、該進行波信号と１経路の位相に固定した同周波数基準信号Ｕｒは、整形回路により整形された後、位相比較回路によって位相が比較される。両経路の信号の位相差は内挿された高周波クロックパルスの個数により表示され、スケール変換により回転子基板の固定子基板に対する角変位値を得る。以上、４経路の励磁電圧及び１経路の同周波数基準信号Ｕｒは、デジタル波形合成技術により与えられる。

回転子基板と固定子基板は相対的に回転し、回転子電極と固定子のＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ４つの励磁相が正対する面積は、無から小、小から大、大から小、小から無まで周期的に変化し、静電容量もこれに対応して周期的に変化する。前記固定子のＡ励磁相電極と回転子電極は結合コンデンサＣ１を形成し、Ｂ励磁相電極と回転子電極は結合コンデンサＣ２を形成し、Ｃ励磁相電極と回転子電極は結合コンデンサＣ３を形成し、Ｄ励磁相電極と回転子電極は結合コンデンサＣ４を形成する。前記結合コンデンサＣ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４は２つずつ交互に動作し、そのうち２つのコンデンサが動作している場合、他の２つの静電容量は０であり、回転子電極上で進行波信号Ｕｏを出力する。進行波信号Ｕｏと同周波数基準信号Ｕｒは、整形回路により矩形波に整形された後、位相比較され、両経路の信号の位相差は内挿された高周波クロックパルスの個数により表示され、スケール変換により回転子基板の固定子基板に対する角変位値を得る。

本発明の技術案は、単円多層構造に基づく電界結合を用い、直接電気進行波を形成するものであり、従来の多種グレーティング式変位センサの利点を融合したものである。

本発明は、多層構造の固定子を用いて構築した単円結合電界を測定し、単円双正弦形のセンサ回転子電極を利用し、直接電気進行波を誘導し、高周波クロックパルスを変位計算の基準とする。従って、本センサは、消費電力が低く、精度が高く、構造が簡単で、要求される機械の取付け精度が低く、産業現場環境への適応性が高いという有益な効果を有する。

図１（ａ）及び図１（ｂ）は、本センサの第１の構造形式の略図であり、電極は固定子基板及び回転子基板の円柱体端面上に配置されている。 図２（ａ）及び図２（ｂ）は、本センサの第２の構造形式の略図であり、電極は固定子基板及び回転子基板の円柱体柱面上に配置されている。 図３は、固定子基板上の電極と回転子基板上の電極の位置関係図である。 図４は、固定子電極の信号連結関係図である。 図５は、回転子電極と固定子電極が形成する結合コンデンサの略図である。 図６は、本発明の電気回路モデル原理図である。 図７は、本発明の信号処理原理ブロック図である。

以下、図を用いて本発明を更に説明する。

図１（ａ）、図１（ｂ）、図２（ａ）、図２（ｂ）、図３に示すように、本発明に記載のセンサは、回転子基板１及び固定子基板２の両部分を備える。基板材料としてセラミック材料を用い、セラミック表面に一層の鉄ニッケル合金をめっきすることにより、電極とし、２種の実施形態がある。

図１（ａ）及び図１（ｂ）は第１の構造を示している。回転子基板１の円柱体下端面は、大きさ及び形状が同一な計３６個の回転子電極１−１が円周方向に沿って等間隔に配置され、回転子電極は円周方向に沿って広がった後の形状が二つの正弦曲線が上下対称に形成された双正弦形であり、幅１．８ｍｍの導線が各回転子電極を相互に連結し、双正弦形電極の二つの頂点と頂点は、それぞれ半径３７．２ｍｍと４９ｍｍの二つの円周上に位置し、各電極の最大幅位置は、対応する中心角が２．５°である。固定子基板の円柱体上端面は、４層の誘電体膜に覆われ、第１層は金属膜であり、第２層は絶縁膜であり、第３層は金属膜であり、第４層は絶縁保護膜である。第１層の金属膜は４本のフラットな環状の導線である励磁信号導線２−２を構成し、それぞれＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄの各励磁相の対応電極を１組に繋げ、第３層の金属膜は径方向の高さが同一で中心角の大きさが等しい扇環形電極となる合計１４４個の固定子電極２−１を構成し、各電極の内環半径は３６．２ｍｍ、外環半径は５０ｍｍ、中心角は２．４°であり、隣り合う電極間の絶縁間隔は０．１°である。回転子基板と固定子基板は同軸上に取付けられ、回転子基板１の下端面と固定子基板２の上端面は平行に相対しており、回転子電極１−１と固定子電極２−１は正対し、間隔δ＝０．５ｍｍだけ離間している。円周方向に沿って広がった後の形状は矩形である。

図２（ａ）及び図２（ｂ）は第２の構造を示している。回転子基板１の円柱体の円柱外面は、大きさ及び形状が同一な計３６個の回転子電極１−１が円周方向に沿って等間隔に配置され、回転子基板の外円半径は４４．５ｍｍであり、電極は円柱軸において上方向の高さが１１．８ｍｍであり、各電極は円柱の径方向における中心角が２．５°であり、回転電極は円周方向に沿って広がった後の形状が二つの正弦曲線が上下対称に形成された双正弦形であり、幅１．８ｍｍの導線が各回転子電極を相互に連結している。固定子基板の円柱環内面は、４層の誘電体膜に覆われ、第１層は金属膜であり、第２層は絶縁膜であり、第３層は金属膜であり、第４層は絶縁保護膜である。第１層の金属膜は４本の環状の導線である励磁信号導線２−２を構成し、それぞれＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄの各励磁相の対応電極を１組に繋げており、第３層の金属膜は高さが同一で幅が等しい曲面矩形電極である合計１４４個の固定子電極２−１を構成し、固定子基板の内円半径は４５ｍｍ、電極の円柱軸における上下方向の高さは１３．８ｍｍ、各電極の円柱の径方向における中心角は２．４°であり、隣り合う電極間の絶縁間隔は０．１°である。回転子基板と固定子基板は同軸上に取付けられ、回転子電極１−１と固定子電極２−１は正対し、間隔δ＝０．５ｍｍだけ離間している。

上記２つの実施形態において、回転子電極の長さは固定子電極の長さよりやや短く、その幅は１つの固定子電極の幅と１つの絶縁間隔との和であり、隣り合う２つの回転子電極の間隔は３つの固定子電極の幅の和である。固定子電極の第１，５，９，……，１４１電極は１本の励磁信号導線２−２により１組に繋がってＡ励磁相を構成し、Ａ励磁相にＵａ＝Ｕｍｓｉｎωｔの励磁信号を加える。固定子電極の第２，６，１０，……，１４２電極は１本の励磁信号導線２−２により１組に繋がってＢ励磁相を構成し、Ｂ励磁相にＵｂ＝Ｕｍｃｏｓωｔの励磁信号を加える。固定子電極の第３，７，１１，……，１４３電極は１本の励磁信号導線２−２により１組に繋がってＣ励磁相を構成し、Ｃ励磁相にＵｃ＝−Ｕｍｓｉｎωｔの励磁信号を加える。固定子電極の第４，８，１２，……，１４４電極は１本の励磁信号導線２−２により１組に繋がってＤ励磁相を構成し、Ｄ励磁相にＵｄ＝−Ｕｍｃｏｓωｔの励磁信号を加える。励磁信号のピーク値はＵｍ＝５Ｖ、周波数はｆ＝４０ＫＨｚ、角周波数はω＝２πｆ＝８×１０^４πである。

図５及び図６に示すように、回転子電極１−１と固定子基板のＡ励磁相の電極は結合コンデンサＣ１を形成する。回転子電極と固定子基板のＢ励磁相の電極は結合コンデンサＣ２を形成する。回転子電極と固定子基板のＣ励磁相の電極は結合コンデンサＣ３を形成する。回転子電極と固定子基板のＤ励磁相の電極は結合コンデンサＣ４を形成する。回転子基板１が時計回りに回転する場合、Ｃ１コンデンサの相対的な面積は大から小に変化し、Ｃ２コンデンサの相対的な面積は小から大に変化する。一つの回転子電極に対応する角度だけ回転した後、Ｃ１コンデンサの相対的な面積は零となり、Ｃ２コンデンサの相対的な面積は大から小に変わり始め、Ｃ３コンデンサの相対的な面積は小から大に変わり始める。更に一つの回転子電極に対応する角度だけ回転した後、Ｃ２コンデンサの相対的な被覆面積は零となり、Ｃ３コンデンサの相対的な面積は大から小に変わり始め、Ｃ４コンデンサの相対的な被積は小から大に変化する。再び一つの回転子電極に対応する角度だけ回転した後、Ｃ３コンデンサの相対的な面積は零となり、Ｃ４コンデンサの相対的な面積は大から小に変わり始め、Ｃ１コンデンサの相対的な面積は小から大に変化する。このように一つの機械周期分の回転が完了すると、Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４の静電容量もこれに対応して周期的変化を呈する。回転子電極は進行波Ｕｏを出力し、基本波の式は、以下で表される。
Ｕｏ＝ＫｅＵｍｓｉｎ（ω＋πｘ／Ｗ） （１）
ここで、Ｋｅは電界結合係数、ｘは回転子と固定子の間の相対角変位、Ｗは回転子電極に対応する角度の４倍である。

図７に示すように、誘導された正弦進行波信号Ｕｏと１経路の位相に固定された同周波数参考正弦信号Ｕｒは、整形回路に入り処理され、同周波数の２つの矩形波信号に変換された後、位相比較回路に送られ処理される。高周波クロック内挿技術を利用し２経路の信号の位相差を得て、計算処理した後、センサの回転子基板と固定子基板との間の角変位値を得られる。

Claims (7)

1. 回転子と固定子の両部分を備える電界式タイムグレーティング角変位センサであって、
   前記回転子は数量ｍの回転子電極（１−１）を有し、回転子基板（１）の環状表面全体に等間隔で配置され、
   前記固定子は数量４ｍの固定子電極（２−１）を有し、固定子基板（２）の環状表面全体に均一に配置され、ｍは１以上の整数であり、
   前記固定子電極の第４ｎ＋１電極は１組に繋がってＡ励磁相を構成し、前記固定子電極の第４ｎ＋２電極は１組に繋がってＢ励磁相を構成し、前記固定子電極の第４ｎ＋３電極は１組に繋がってＣ励磁相を構成し、前記固定子電極の第４ｎ＋４電極は１組に繋がってＤ励磁相を構成し、ｎ＝０，１，２，３，…，ｍ−１であり、
   前記固定子のＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ４つの励磁相は、それぞれ順に位相差９０°の等振幅、等周波数の正弦曲線励磁電圧Ｕａ、Ｕｂ、Ｕｃ、Ｕｄに連結し、
   前記回転子基板と前記固定子基板は、同軸上に取付けられ、前記回転子電極（１−１）と前記固定子電極（２−１）は正対し、一定間隔δだけ離間して結合コンデンサを形成し、
   前記回転子基板と前記固定子基板は相対的に回転し、前記回転子電極上で１経路の進行波信号Ｕｏが生じ、前記進行波信号及び１経路の同周波数の基準信号Ｕｒは整形回路により整形された後、位相比較回路により位相が比較され、
   両経路の信号の位相差は内挿された高周波クロックパルスの個数により表示され、スケール変換により前記回転子基板の前記固定子基板に対する角変位値を得る、
   ことを特徴とする電界式タイムグレーティング角変位センサ。
2. 前記固定子電極（２−１）は、扇環形又は曲面矩形であり、大きさは同一であり、隣り合う２つの電極の間は一定の絶縁間隔が保持されている、
   ことを特徴とする請求項１に記載の電界式タイムグレーティング角変位センサ。
3. 前記回転子電極（１−１）は、円周方向に沿って配置展開された後の形状が二つの正弦曲線が上下に相対して形成された双正弦形であり、隣り合う前記回転子電極（１−１）の間は導線により連結され、前記回転子電極の長さは前記固定子電極の長さよりやや短く、その幅は１つの前記固定子電極の幅と１つの絶縁間隔との和であり、隣り合う２つの前記回転子電極の間隔は前記回転子電極の幅の３倍である、
   ことを特徴とする請求項１に記載の電界式タイムグレーティング角変位センサ。
4. 前記回転子電極（１−１）の形状は、［０，π］区間における正弦曲線とｘ軸で囲まれた領域及び［π，２π］区間における正弦曲線とｘ軸で囲まれた領域を合わせて構成される、
   ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の電界式タイムグレーティング角変位センサ。
5. 前記固定子基板の表面は、４層の誘電体膜に覆われ、第１層は金属膜であり、４本の励磁信号導線（２−２）を構成し、それぞれＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄの各励磁相に対応する固定子電極を１組に繋げ、
   第２層は絶縁膜であり、
   第３層は金属膜であって前記固定子電極（２−１）を構成し、
   第４層は絶縁保護膜である、
   ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の電界式タイムグレーティング角変位センサ。
6. 前記回転子基板（１）及び前記固定子基板（２）は円柱体又は円筒環であり、その円柱上下端面又は円筒環の内外柱面に沿って電極を配置する、
   ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の電界式タイムグレーティング角変位センサ。
7. 前記固定子電極（２−１）の前記Ａ励磁相と前記回転子電極（１−１）は結合コンデンサＣ１を形成し、前記Ｂ励磁相と前記回転子電極は結合コンデンサＣ２を形成し、前記Ｃ励磁相と前記回転子電極は結合コンデンサＣ３を形成し、前記Ｄ励磁相と前記回転子電極は結合コンデンサＣ４を形成し、
   循環して交替で変化する前記コンデンサＣ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４は２つずつ交互に動作して交番電界の結合路を構成し、回転子電極は進行波信号Ｕｏを出力する、
   ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の電界式タイムグレーティング角変位センサ。
   

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