JP6507347B2 - 静電容量式角度検出装置 - Google Patents
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Description
さらに、角度計やロータリーエンコーダを利用する技術分野では、絶対角度を高精度に測定でき、且つ、小型で安価な製品に対する要求がある。高精度に角度を測定するためには、測定精度の高いインクリメント型センサと、測定精度は低いが絶対角度を検出することができるアブソリュート型センサとの2種類のセンサを備えた角度検出装置が必要になる。
また、特許文献2に開示された容量性移動量エンコーダは、センサ間で生じる干渉を抑えるために入力信号の周波数をセンサ毎に変えて測定精度を高める、というものである。
ここで、本発明者らは子細に検討した結果、アブソリュート型センサとインクリメント型センサ間の干渉が主としてロータ電極間で発生する事を見出し、同時にそれらの要因発現を解明した。これらの知見に基づき、ロータ電極の電位が回転によらず一定となるような形状に各電極を形成することを見出した。以下、アブソリュート型センサとインクリメント型センサ間の干渉を抑制することができる静電容量式角度検出装置について説明する。
また、回転角度を表す情報は、電圧の振幅として各センサから出力される。そのため、本発明者らは、矩形波を入力信号とし、この入力信号をトリガとして出力信号のサンプリングを行うことにより、センサが有する制御回路を大幅に簡素化(小型化)するに至った。この点についても詳細に説明する。
図1は、本実施形態に係る静電容量式角度検出装置10(以下、角度センサ10と称す)の主たる構成を説明するための斜視図である。
角度センサ10は、円板状に形成された固定子(固定基板)であるステータ100、円板状に形成された回転自在な回転子(回転基板)であるロータ101、導電体(導電層)102、ロータ101の絶対的な回転変位量を算出する回路基板103、回転軸104を含んで構成される。また、ロータ101は、図1に示すように、回転軸104の周りを回転自在に構成される。なお、ロータ101の回転角度を回転角θ[deg]として説明を進める。
図2(a)に示すステータ100は、大別して、その中心部においてリング状に形成されるステータ電極11(第1の駆動電極)、外周縁に形成されるステータ電極12(第2の駆動電極)、これらの間においてリング状に形成されたステータ電極13(第3の駆動電極)の3つの電極を有する。ステータ電極11、12、13それぞれには、駆動用信号が入力される。なお、ステータ電極11、12には同相の駆動信号が、ステータ電極13にはこれとは逆相の駆動信号が入力される。
また、図2(b)に示すように、ステータ電極12とステータ電極13との間には、受信電極121、122、123、124などを含む放射状に形成された複数の受信電極が配備されている。なお、一例として、受信電極121〜124などの4つの受信電極が一つのグループ(セグメント)となる受信電極を構成しているものとして説明を進める。
本実施形態においては、グループ数m=45の場合を例に挙げて説明を進める。この場合、図2(b)に示すように、1グループのピッチ角度は8[deg](8度)となり、個々の電極のピッチ角度は2[deg](2度)となる。なお、グループ数は、例えばひとつの電極を形成する際の加工精度に応じて任意に設定することができる。
図3(a)に示すロータ101では、大別して3つのロータ電極21、22、23が形成される。ロータ電極21は、ステータ電極11に入力された駆動信号を受信電極111〜114に伝達する送信電極(第1の送信電極)として機能する。また、ロータ電極22は、ステータ電極13に入力された駆動信号を受信電極111〜114ならびに受信電極121〜124に伝達する送信電極(第3の送信電極)として機能する。ロータ電極23は、ステータ電極12に入力された駆動信号を受信電極121〜124に伝達する送信電極(第2の送信電極)として機能する。
なお、本実施形態で示す各式においてCp−qと示す場合、電極p、q間の静電容量を表すものとする。また、Ca0、Ca1は、定数a、bによって決定される定数である。
角度の検出誤差の発生を抑制するためには、一般的には各センサそれぞれを形成する間隔を大きく設けるか、あるいは回路的に互いの信号を分離することなどが必要になる。しかしながら、本実施形態に係る角度センサ10のように構成すれば、そのような角度の検出誤差の発生が抑制され、センサ自体の小型化のみならず、センサの回路を簡素化することもできる。以下、この点について詳細に説明する。
例えば、本実施形態に係る回路基板103では、前述した4個の扇形電極(受信電極111、112、113、114)に対応し、0〜360[deg]の範囲で角度を検出する主目盛角度演算部と、8[deg]周期で角度を検出する副目盛角度演算部とを含んで構成される。また、副目盛角度演算部は、前述した2[deg]のピッチ角度で形成された4個の信号電極(受信電極121、122、123、124など)が1つのセグメントを構成しており、セグメントは円周上に計45個配備されているものに対応する。
そのため、回路基板103では、主目盛角度演算部による演算角度から現在位置のセグメント番号を割り出し、副目盛角度演算部による位相角を合成することにより高精度に絶対角度を算出することができる。なお、演算結果(角度検出結果)は、例えばRS232Cなどのインタフェースを介して接続されたPC(パーソナルコンピュータ)あるいはデジタル表示計(不図示)などに表示して確認することができる。
そこで、本実施形態の角度センサ10では、回路基板103とステータ100との間に導電体102を挿入してグラウンド層を形成し、信号線と受信電極の静電結合を防ぐ構成にしている。これにより、角度検出の精度低下を防ぐとともに、回路配置の自由度を高めることができる。
第1実施形態では、絶対角度を検出するための検出部(第1の検出部)を回転子の中心付近に形成し、相対角度を検出するための検出部(第2の検出部)を回転子の外周に形成した形態を例に挙げて説明した。
例えば、回転子の中心部に形成された検出部は、当該回転子の傾斜、あるいは偏心などに対する感度が高く、その影響を受けやすい。そのため、中心部に形成された検出部において回転子の傾斜、偏心等を要因とする検出誤差が生じた場合、外周部に形成された検出部の出力にも影響を与え、その結果、角度検出の精度が低下してしまうことがある。
また、図7に示すように、本実施形態に係る静電容量式角度検出装置のロータは、受信電極150に対応するように、第1実施形態におけるロータ電極21、22に替えて、例えばその幅を2[deg]とし、8 [deg]のピッチ角度で電極が形成されたロータ電極160、161を有する。
そのため、第1実施形態においては0〜360[deg]の範囲で回転角度を得る電極構成であったものが、本実施形態においては、受信電極150により0〜360/n[deg]の範囲で回転角度を得ることができる電極構成に置き換えられたことになる。
このようにステータ、ロータそれぞれを形成した場合であっても、中心部、外周部の各検出部においては回転角θ[deg]によらずロータ電位が一定となる。そのため、絶対角度を検出するための各電極構成と、相対角度を検出するための各電極構成とが相互に干渉してしまうことを防ぐことができる。
=(360/44)(2q+r)+mod(θ2 、360/44)
=(360/44)(2q+r)+θ3(qは整数、r=0又は1)・・・式(33)
Claims (7)
- 中心部に形成された第1の駆動電極と、外周縁に形成された第2の駆動電極と、当該第1の駆動電極と第2の駆動電極との間に形成された第3の駆動電極と、当該第1の駆動電極と第3の駆動電極との間に形成され、第1のピッチ角度で放射状に延びる複数の第1の受信電極と、当該第2の駆動電極と第3の駆動電極との間に形成され、当該第1のピッチ角度よりも狭い第2のピッチ角度で放射状に延びる複数の第2の受信電極とを有する円板状の固定基板と、
前記固定基板に対して平行で且つ回転自在に設けられるとともに、当該固定基板と対向する面上に形成された、前記第1の駆動電極に入力された駆動信号を前記第1の受信電極へ伝達する第1の送信電極と、前記第2の駆動電極に入力された駆動信号を前記第2の受信電極へ伝達する第2の送信電極と、前記第3の駆動電極に入力された駆動信号を前記第1及び第2の受信電極へ伝達する第3の送信電極とを有する円板状の回転基板と、
前記第1及び第2の受信電極それぞれから出力される信号に基づいて前記回転基板の絶対的な回転変位量を算出する処理手段と、を有し、
前記第1の送信電極は、前記第1の受信電極と対向する面の面積が当該回転基板の回転に応じて変化し、前記第2の送信電極は、前記第2の受信電極と対向する面の面積が当該回転基板の回転に応じて変化し、前記第3の送信電極は、前記第1及び第2の受信電極と対向する面の面積がそれぞれ当該回転基板の回転に応じて変化する形状にそれぞれが形成されることを特徴とする、
静電容量式角度検出装置。 - 前記第2の受信電極は、前記第2のピッチ角度より狭いピッチ角度で放射状に延びる複数の電極から構成されており、それぞれの電極は所定の間隔で他の第2の受信電極を構成する電極と電気的に接続されることを特徴とする、
請求項1に記載の静電容量式角度検出装置。 - 前記第1の送信電極は、前記第1の駆動電極と対向する面の面積が前記回転基板の回転に依らず一定となる形状に形成され、
前記第2の送信電極は、前記第2の駆動電極と対向する面の面積が前記回転基板の回転に依らず一定となる形状に形成され、
前記第3の送信電極は、前記第3の駆動電極と対向する面の面積が前記回転基板の回転に依らず一定となる形状に形成されることを特徴とする、
請求項1又は2に記載の静電容量式角度検出装置。 - 前記第1の送信電極は、偏心円形状に形成された電極であり、
前記第3の送信電極は、前記第1の送信電極の外周を囲む部位と、当該部位から前記回転基板の外周縁に向けて所定のピッチ角度で延出した複数の部位とを含んで形成された電極であり、
前記第2の送信電極は、前記第3の送信電極の外周を囲む部位と、当該部位から前記回転基板の中心に向けて所定のピッチ角度で延出した複数の部位とを含んで形成された電極であることを特徴とする、
請求項1、2又は3に記載の静電容量式角度検出装置。 - 前記処理手段は、前記第1及び第2の受信電極それぞれから出力された信号を同じタイミングで抽出し、抽出結果に基づき前記回転基板の絶対的な回転変位量を算出することを特徴とする、
請求項1乃至4いずれか一項に記載の静電容量式角度検出装置。 - 前記処理手段が構成された回路を有する回路基板をさらに有し、
前記固定基板と前記回路基板の間に導電層を形成することを特徴とする、
請求項1乃至5いずれか一項に記載の静電容量式角度検出装置。 - 中心部に形成された第1の駆動電極と、外周縁に形成された第2の駆動電極と、当該第1の駆動電極と第2の駆動電極との間に形成された第3の駆動電極と、当該第1の駆動電極と第3の駆動電極との間に形成され、第1のピッチ角度で放射状に延びる複数の第1の受信電極と、当該第2の駆動電極と第3の駆動電極との間に形成され、第2のピッチ角度で放射状に延びる複数の第2の受信電極とを有する円板状の固定基板と、
前記固定基板に対して平行で且つ回転自在に設けられるとともに、当該固定基板と対向する面上に形成された、前記第1の駆動電極に入力された駆動信号を前記第1の受信電極へ伝達する第1の送信電極と、前記第2の駆動電極に入力された駆動信号を前記第2の受信電極へ伝達する第2の送信電極と、前記第3の駆動電極に入力された駆動信号を前記第1及び第2の受信電極へ伝達する第3の送信電極とを有する円板状の回転基板と、
前記第1及び第2の受信電極それぞれから出力される信号に基づいて前記回転基板の絶対的な回転変位量を算出する処理手段と、を有し、
前記第1の送信電極は、円形状に形成された部位と、当該部位から前記回転基板の外周縁に向けて所定のピッチ角度で延出した複数の部位とを含んで形成され、
前記第2の送信電極は、前記回転基板の外周縁に形成された部位と、当該部位から当該回転基板の中心に向けてそれぞれ所定のピッチ角度で延出した複数の部位とを含んで形成され、
前記第3の送信電極は、前記第1の送信電極の外周を囲む部位と、当該部位から前記回転基板の外周縁及び中心に向けてそれぞれ所定のピッチ角度で延出した複数の部位とを含んで形成されることを特徴とする、
静電容量式角度検出装置。
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