JPH0467883B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、静電容量変化を利用した角度の検出
器に係り、例えばロボツトアームの関節部分の回
動角度の検出、工作機テーブルの回動角度検出な
ど種々の角度検出にい供される。

従来の技術 この種のものには、特開昭49−5061号「回転角
トランスデユーサ」として開示されたものがあ
る。これは、第８図に示すように、円板状の導体
を４分割し、それらを放射方向にわずかにずらし
て相互間に間隙ｇをもたせた状態で固定した４個
の固定導体A₁〜A₄と、その固定導体の一つと同
様形状の扇形に形成され、前記固定導体A₁〜A₄
と対向しつつそれらと同心の円上の回動するよう
に支承された可動導体Ｂと、前記固定導体A₁〜
A₄に相互に90度ずつ位相のずれた大きさe₁〜e₄の
三角波を供給する発振器からなる。

以上のものにおいては、可動導体Ｂの回動に伴
なつてそれと対向する隣合つた位置の固定導体の
対向面積が増減することになる。いま、図示のよ
うに可動導体Ｂが左上の固定導体A₁と完全に重
合した状態を基準位置、すなわち角度θ＝０と
し、可動導体Ｂが固定導体A₂側に左回りする場
合においては、回動角度θの増加とともに導体
A₁の対向面積が減少し、導体A₂の対向面積が増
加し、θ＝90゜の状態では導体A₂のみとの重合状
態となる。続いて、θが90゜を越えて増加すると、
導体A₂の対向面積が減少し、導体A₃の対向面積
が増加する。以下、同様にして隣合う導体の一方
の対向面積が減少して他方が増加することによ
り、結局、隣合う固定導体A₁とA₂、A₂とA₃、A₃
とA₄、A₄とA₁の各導体対ごとに、各導体と可動
導体間の静電容量が回動角度の増加とともに減、
増する。

この結果、可動導体Ｂに発生する出力Ｖは、回
動角度範囲０≦θ≦π／２において次のようにな
る。

Ｖ＝（２／π）θ（e₂−e₁）＋e₁ (1) 同様にして、π／２≦θ≦πの範囲では、可動
導体Ｂが固定導体A₂，A₃と対向するので、可動
導体Ｂの出力Ｖは、前記(1)式のe₁をe₂e₂をe₃に置
き換えた式により表わされ、以下の角度範囲での
出力も同様に表わされる。第９図は、０≦θ≦
π／２間におけるその出力Ｖの波形であり、回動
角度θと直接対応してその位相φが変化する。同
様にπ／２≦θ≦πの範囲では、それに対応して
位相の変化範囲はπ／２≦φ≦πとなり、以下同
様となる。したがつて、この出力Ｖの位相φから
角度θが求められることになる。

また、上記は角度θを位相φに変換した場合で
あるが、前記固定導体A₁，A₂に供給する交流信
号を180度位相差とすると、前記(1)式のe₁を−ｅ、
e₂をｅとしたことになり、その出力V′は次のよう
に振幅に対応することになる。

Ｖ＝（4θ／π−１）ｅ (2) 但し、この場合、隣合う固定導体対に対して
は、相互に180度位相差の交流波が供給されるの
で出力Ｖは出力V′のように単調に変化とはなら
ず可動導体Ｂが90度回動するごとに増減を繰返
す。このため、360度間にわたつて単調増加する
出力とするには、可動導体がどの固定導体と対向
しているかを判別し、それに応じて出力を補正す
ることが必要となる。

発明が解決しようとする問題点 ところで、上記角度検出器において、(1)式また
は(2)式が成立する前提は固定導体A₁〜A₄の各間
の間隙ｇが０の場合である。しかし、実際には固
定導体間にはある程度の間隙が必要である。そう
すると、可動導体の回動角θが固定導体のそれと
対向面積の関係は非直線的となり、結局、このま
までは低い検出精度しか実現されない。これを改
善するには、出力の非直線特性をリニアライザを
介して補償させればよいが、それによる精度向上
にも限界あり、装置も複雑化する。

また、角度を振幅変化に変換する場合は、前記
のように角度が90度ずつ変化するごとに出力Ｖが
増減することにより、どの象現における角度かの
判別が必要となる。

問題点を解決するための手段 上記問題点を検討するのに、非直線関係となる
主原因は可動導体と対向する間隙ｇの面積が回動
角度に応じて変化してしまうことである。そこ
で、いま、観点を変えて一定幅の帯状体を考え、
その幅の間に長手方向に仕切を入れ、その帯状体
に対してそれと同じ幅の矩形体を対向させてみる
と、その矩形体と対向する仕切の面積は、帯状体
のどの位置でも同じとなる。そして、この仕切を
帯状体の長手方向と平行ではなく、ある傾きをも
たせると、前記の矩形体と対向する仕切の上側と
下側の幅は長手方向に対して変化することにな
る。とすると、この帯状体により円筒を形成し、
その内部で矩形体を有するロータを回動させるよ
うにすれば、ロータの回動角に応じて矩形体と対
向する仕切の上、下の幅の割合が連続的に変化さ
せられることになる。しかも、その変化の割合
は、仕切をどのような関数に選ぶかにより任意に
認定可能なものであり、いま、仕切の関数を回動
角に対して直線的に変化する関数に選べば、その
仕切の上下の幅の変化はロータの回動角に対応す
ることになる。

本発明は、上記検討結果に基づいて創案された
ものであり、誘電体円筒内に同心、かつ回動自在
に支承されたロータの回動角度検出器であり、前
記誘電体円筒の周面には角度θに対して幅を所定
関数ｆ（θ）、ａ−ｆ（θ）［但し、ａは一定値］に
より変化させた第１、第２の導体、または前記第
１、第２の導体に併せて角度θに対して一定幅の
第３の導体を形成し、その第１、第２の導体は90
度位相差の三角波発振部、または180度位相差の
交流発振部と結線し、ロータの周面には前記第
１、第２の導体、または第１〜第３の導体の全て
と幅方向が対向すると共に、角度方向長さが適宜
の一定長にされた矩形体の第４の導体を形成し、
前記第３または第４の導体の出力を検出するよう
にしたものである。

しかして、上記第３の導体を形成したものにお
いては、ロータに形成した第４の導体、あるいは
上記第３の導体のいずれにも出力が生じるように
したものである。

作 用 以上のものにおいて、誘導体円筒に形成された
第１、第２の導体の幅の和をａ、ロータに形成さ
れた第４の導体の円周方向長さに対応した角度を
αとおくと、第１、第２の各導体と第４の導体間
の回動角θにおける静電容量C₁，C₂は、それぞ
れの対向面積に比例し、次のように一方が増加
し、他方が減少する。

C₂∝∫〓〓_-〓ｆ（θ）dθ C₁∝∫〓〓_-〓｛ａ−ｆ（θ）｝dθ (3) ところで、第４の導体に生じる出力V′は、周
知の如く V′＝e₂c₂＋e₁c₁／c₁＋c₂ (4) である。そうすると、前記の第１、第２の導体の
幅を円周方向に対して直線的に増減、すなわち、
前記のｆ（θ）が比例係数をｋとおいて、 ｆ（θ）＝kθ (5) により形成した場合には、第４の導体の出力
V′は次のようになる。

V′＝ｈ／ａ（θ−α／２）（e₂−e₁）＋ｅ(6) したがつて、第１、第２の導体に90度位相差の
三角波を供給すると、前記(6)式の出力V′の位相
はロータの回動角θに対応して変わるものとな
る。

以上は、第４の導体の出力を取出す場合である
が、前記のように全周にわたり一定幅の第３の導
体を第１、第２の導体に併せて形成した場合は、
第３、第４の導体の対向面積が第４の導体の回動
角によらず常に一定となり、結局、第３、第４の
導体間の静電容量は常に一定となるので第３の導
体に第４の導体出力に対応した出力を生じさせら
れることになり、静止の第３の導体からの出力取
出しが行なえる。

また、以上は、第１、第２の導体に90度位相差
の三角波を供給する場合であるが、180度位相差
の交流波を供給した場合には、その出力Ｖは、 Ｖ＝｛１−（ｈ／ａ）（2θ−ｄ）｝ｅ (7) となり、θに対応して振幅が変化することにな
る。しかして、上記いずれのものも、回動角に対
して取出された出力の情報は単調に変化すること
になり、全周にわたり連続的な角度の検出を行な
えることになる。

尚、以上の説明においては、出力の位相、ある
いは振幅と角度との関係を直線的関係とした場合
であるが、第１、第２の導体の幅変化の関数ｆ
（θ）を適当に選ぶことにより出力の位相、ある
いは振幅と角度の関係を所定の曲線関係とするこ
とができ、それを例えば、秤のレバー支点軸の回
動角と重量の関係のような非直線特性に合わせて
重量に正比例した出力を得るようにしてもよい。

実施例 第１図は、角度を出力の振幅変化に変換するよ
うにしたものの実施例である。１０は円筒状電極
体であり、第２図に示すように誘電体よりなる円
筒ケース１４の外周面に第４図に展開して示すよ
うな第１、第２の導体１１，１２すなわち円周方
向に対してその幅が直線的に同量だけ減、増する
導体１１，１２を、幅方向に一定微小間隙を隔て
て形成してなる。その円筒ケース１４の内部挿入
されたのが第３図に示すロータ状の第２の電極体
２０であり、そのロータ部２１の外周面と円筒ケ
ース１４の内周面とが接触させられ、ロータ部２
１の右端に突設された検出軸２２が円筒ケース１
４の外方に突出している。ロータ部２１の外周面
の一部には、矩形状の微小な凹部が形成され、そ
の凹部に第４の導体２４が形成され、導体２４の
左端はロータ部２１の左端面に形成された導体膜
２５と結合され、導体膜２５の中心（ロータ部２
１の左端面の中心）には、出力取出線２３が結線
されている。そして、ロータ部２１を円筒ケース
１４内に挿入した状態で、円筒ケース１４の両端
にはそれぞれ中央に検出軸２２、出力取出線２３
の挿通孔を有する蓋１５，１６が固定され、ロー
タ部２１の抜出を防止している。４０は180度位
相差の交流波を発振する交流発振部であり、その
正弦波発振器４１と変成器４２を介して形成され
る180度位相差ｅ、−ｅの交流波の出力端は前記第
１、第２の導体１１，１２とそれぞれ結線されて
いる。

第６図は、前記第１図のものの等価回路図であ
り、第１、第２の導体１１，１２と第４の導体に
よりそれぞれ形成されたコンデンサ５１，５２の
一端と正弦波発振器４１の180度位相差の大きさ
ｅ、−ｅの交流波の出力端とが結線され、両コン
デンサ５１，５２の結合端を出力端５３とした回
路構成となる。

以上のものにおいては、ロータ状の第２の電極
体２０の回動に応じてコンデンサ５１，５２の静
電容量C₁，C₂が同量ずつ増減し、それに応じて
出力端５３から取出される出力Ｖは、前記(7)式に
示すように回動角θに比例して振幅が変化するも
のとなる。

以上は、第１、第２の導体１１，１２に180度
位相差の交流波を供給した場合であるが、90度位
相差の三角波e₁，e₂を供給した場合には、その出
力V′は前記(6)式に示すように回動角θに比例し
て位相が変化することになる。

また、上記実施例は、円筒ケース１４の外周面
に第１、第２の導体１１，１２を形成した場合で
あるが、第５図に展開して示すように、第１、第
２の導体に併せて円周方向に対してその幅が一定
の第３の導体を形成し、出力の取出しを前記ロー
タ部２１と結線された出力取出線２３の代わり
に、静止状態にある第３の導体１３から行なうよ
うにしてもよい。すなわち、第７図は、その場合
の等価回路を示したものであり、前記第６図のも
のに対しさらに第３、第４の導体１３，２４によ
り形成される一定静電容量C₀のコンデンサ５４
を介して出力の取出しを行なうものとなり、結
局、前記第６図と同様の出力が取出されることに
なる。

発明の効果 以上のとおりであり、本発明は、円筒の周面に
回動角度に対して幅が所定の関数ｆ（θ）、ａ−ｆ
（θ）、［但し、ａは一定値］により変化させた第
１、第２の導体を形成し、それとロータに形成し
た矩形状の導体とを対向させるようにしたもので
あり、前記関数ｆ（θ）をkθ（但し、ｋは一定）
とおくことにより略全周にわたつて連続的に角度
に対して正比例する出力が得られ、検出出力の処
理が容易となる。また、前記第１、第２の導体の
幅を変化させる関数ｆ（θ）を所定の非直線関数
に選ぶことにより被検出現象と角度の間に非直線
関係があるものにおいても、その関係を簡単に補
償することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例を示す一部に回路記号
を含む正面図、第２，３図は第１図のものの電極
体１０，２０のそれぞれ斜視図、第４，５図は本
発明の第１および第２の実施例の第１、第２の導
体の展開図、第６，７図は本発明の第１、第２実
施例の等価回路図、第８図は従来技術の側面図、
第９図は第８図のものの出力波形図である。 １０，２０：電極体、１１，１２，１３，１
４：導体、１４：円筒ケース、２１：ロータ部、
４０：交流発振部。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 誘電体円筒内に同心、かつ回動自在に支承さ
   れたロータの回動角度検出器であり、前記誘電体
   円筒の周面には角度θに対して幅を所定関数ｆ
   （θ），ａ−ｆ（θ）［但し、ａは一定値］により変
   化させた第１、第２の導体、または前記第１、第
   ２の導体に併せて角度θに対して一定幅の第３の
   導体を形成し、その第１、第２の導体は90度位相
   差の三角波発振部、または180度位相差の交流発
   振部と結線し、ロータの周面には前記第１、第２
   の導体、または第１〜第３の導体の全てと幅方向
   で対向すると共に、円周方向長さが適宜の一定長
   にされた矩形状の第４の導体を形成し、前記第３
   または第４の導体の出力を検出するところの静電
   容量式角度検出器。