JPH06174406A

JPH06174406A - 回転角度の検出方法とその装置

Info

Publication number: JPH06174406A
Application number: JP34362292A
Authority: JP
Inventors: Toru Tomonari; 亨友成
Original assignee: Denshi Oyo Kiki Kk
Current assignee: Denshi Oyo Kiki Kk
Priority date: 1992-12-01
Filing date: 1992-12-01
Publication date: 1994-06-24

Abstract

(57)【要約】【目的】非接触変位センサの直径や歯車の歯のピッチ
を従来のままとして、回転角度検出の分解能を高くす
る。【構成】歯車１の歯先と間隙６を設けて対峙させ、歯
車１が回転する時、歯５の山３と谷４によって変化する
歯５の表面との接近距離に応じた電気信号を出力する複
数個の非接触変位センサ７a〜７cを、山３と谷４の接近
する位相を若干異ならせて、歯車１の歯先周辺に設け、
各非接触変位センサ７a〜７cの出力信号Ａ1〜Ｃ1を、そ
れらの信号毎に、山３と谷４に応じた２値信号Ａ2〜Ｃ2
に変換し、その各非接触変位センサ７a〜７cと対応する
各２値信号Ａ2〜Ｃ2の位相差に基づいて、歯車１の歯５
の１ピッチ分を、複数に分割させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、歯車の歯の山と谷の部
分を非接触変位センサにより検出して、歯車の回転角度
を検出するようにした、回転角度の検出方法とその装置
に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の回転角度検出装置としては、図９
に示す如く、歯車(01)の歯先と若干の空隙を設けて、高
周波電磁誘導型の非接触変位センサ(02)を対峙させ、歯
車(01)が回転するときの山(03)と谷(04)との近接距離を
電気信号として検出して、歯車(01)を駆動する回転軸(0
5)の回転角度を計るようにしたものがある。

【発明が解決しようとする課題】

【０００３】上記の回転角度検出装置においては、検出
しうる回転角度の分解能に限界がある。図１０は、回転
角度の検出に際して、非接触変位センサ(02)の直径(ｄ)
と歯車(01)の歯形の最も好ましい寸法を示すものであ
る。最も好ましい寸法とは、非接触変位センサ(02)が、
歯車(01)の山(03)の部分と谷(04)の部分に、追従性良く
感応して（山部と谷部の出力差が最大の状態）、最も感
度良く山(03)と谷(04)を弁別する状態を保ったまま、歯
のピッチ(Ｐ)を最も小さくしたときのもので、その時の
歯車(01)の歯のピッチ(Ｐ)は、センサ(02)の直径(ｄ)の
２倍になる。

【０００４】非接触変位センサ(02)は、歯車(01)の歯先
と対向する検知部分に巻線を施す等の構造上の理由か
ら、製造しうる最小直径は、１mm程度となる。そのた
め、歯車(01)の歯のピッチ(Ｐ)を２mm以下にすると、感
度が低下する。

【０００５】一方、歯車(01)の歯のピッチ(Ｐ)を変えず
に、１回転当たりの歯数を増すには、歯車(01)の直径
(ピッチ円)を大きくしなければならない。しかし、歯車
(01)の直径を大きくして歯数を増やすと、歯先先端の周
速度が増して、センサ(02)と歯先の相対速度が大きくな
り、センサ(02)の検出速度(検出周波数)の上限により、
歯車(01)の最大回転数(rpm）に制限が生じる。換言する
と、歯数を増すと、被回転検出軸の回転速度の上限値が
低下する。

【０００６】本発明は、上述の課題に鑑み、非接触変位
センサの直径や歯車の歯のピッチを従来のままとして、
回転角度検出の分解能を高くすることを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明によると、以下の
ようにして、上述の課題は解決される。歯車の歯先と僅
かの間隙を設けて対峙させ、歯車が回転する時、歯の山
と谷によって変化する歯の表面との接近距離に応じた電
気信号を出力する複数個の非接触変位センサを、山と谷
の接近する位相を若干異ならせて、歯車の歯先の周辺に
設け、それら各非接触変位センサの出力信号を、各非接
触変位センサの信号毎に、山と谷に応じた２値信号に変
換し、その各非接触変位センサに対応する２値信号の位
相差に基づいて、歯車の歯の１ピッチ分を複数に分割す
る分解能の信号を生成させることにより。

【０００８】歯車の歯先と僅かの間隙を設けて対峙し、
歯車が回転する時、歯の山と谷によって変化する接近距
離に応じた電気信号を出力し、かつ山もしくは谷の接近
する時期を互いに若干異ならせて、歯車の歯先周辺に設
けられた複数個の非接触変位センサと、各非接触変位セ
ンサから得られる出力信号を、各非接触変位センサの信
号毎に、山と谷の接近に応じた２値信号に変換する波形
整形回路と、各波形整形回路の出力する複数の２値信号
から、歯車の歯の１ピッチに対して複数に分割する分解
能の高い信号を生成する高分解能信号生成回路とを備え
てなることにより。

【０００９】

【作用】非接触変位センサの直径や歯車の歯のピッチを
小さくすることなく、回転角度の分解能を高くすること
ができる。高分解能で検出される信号の部分は、アブソ
リュート信号であるから、極低速度の回転体の回転角度
検出にも適用でき、かつ並列信号にすることにより、デ
ィジタルのコード信号として利用することができる。

【００１０】

【実施例】図１は、本発明の一実施例を示すブロック図
である。(１)は、計測をするべき回転軸(２)に固着され
た、回転計測用の歯車である。歯車(１)は、軸線方向に
やや厚く、かつ山(３)と谷(４)が周方向に繰り返し連続
する歯(５)が形成され、歯(５)は、軸線に対して僅かに
傾斜している。即ち、歯車(１)は、歯すじがねじれ角
(θ₁)を有する、はすば歯車となっている。

【００１１】歯車(１)の周面の遠心方向の外側方には、
歯(５)の歯先と僅かの間隙(６)を介して先端を対峙させ
た複数の非接触変位センサ(7a)(7b)(7c)が設けられてい
る。これらの非接触変位センサ(7a)(7b)(7c)は、歯車
(１)の軸線と平行をなす直線上に、互いに接近させて１
列に並べられている。

【００１２】互いに接近している複数の非接触変位セン
サ(7a)(7b)(7c)は、無干渉式の制御を要するため、各非
接触変位センサ(7a)(7b)(7c)には、１つの周波数発振器
(８)から、互いに共通する周波数の高周波信号(f0)が与
えられている。

【００１３】各非接触変位センサ(7a)(7b)(7c)の出力信
号(Ａ1)(Ｂ1)(Ｃ1)は、それぞれ波形整形回路(9a)(9b)
(9c)へ入力している。波形整形回路(9a)(9b)(9c)は、歯
車(１)の歯(５)が非接触変位センサ(7a)(7b)(7c)の先端
に近接して移動する時、山(３)と谷(４)との表面距離に
対応した非接触変位センサ(7a)(7b)(7c)の出力信号(Ａ
1)(Ｂ1)(Ｃ1)を、山(３)と谷(４)の部分を確実に区分し
て弁別した２値信号(Ａ2)(Ｂ2)(Ｃ2)を出力する。

【００１４】図２は、波形整形回路(9a)の１例を示すも
ので、各部の信号の波形図は、図５に示してある。な
お、他の波形整形回路(9b)(9c)及び波形図は、波形整形
回路(9a)と対応するので、図示は省略する。なお、これ
らの波形整形回路(9a)(9b)(9c)についての詳細は、本発
明の出願人による特開平2ー265315号公報を参照された
い。

【００１５】波形整形回路(9a)は、交流分に対して増幅
率１の反転増幅を行うとともに、直流分に対しては、増
幅率１の非反転増幅を行う増幅器(10)と、帰還量が少な
くて高い増幅率を示す比較増幅器(11)とにより、センサ
の出力信号(Ａ1)から、山(３)と谷(４)に対応する部分
を確実に２値信号に弁別するコンパレータを形成してい
る。

【００１６】即ち、比較増幅器(11)は、センサの出力信
号(Ａ1)の非反転信号(Ａ1)と、その反転信号(Ａ1')を、
直流レベル(Ｄ)の変動を加味して比較し、山と谷に応じ
た２値信号(Ａ2)を作り出している。波形整形回路(9b)
(9c)の出力する２値信号(Ｂ2)(Ｃ2)も、同様に作られ
る。

【００１７】図５に示す如く、各非接触変位センサ(7a)
(7b)(7c)と対応する２値信号(Ａ2)(Ｂ2)(Ｃ2)は、歯
(５)のピッチ(Ｐ)の１／３の位相差をもって順に現われ
る。

【００１８】図６に示す如く、歯車(１)の歯(５)は、軸
線方向に対して歯すじが傾斜したはす歯歯車であり、か
つ非接触変位センサ(7a)(7b)(7c)は、軸線方向を向く１
直線上に、一定のピッチ(ａ)で並んでいる。

【００１９】歯車(１)の厚さは、接触変位センサ(7a)(7
b)(7c)の配列ピッチ(ａ)の３倍であり、かつ厚さ方向の
両端面の歯形(5a)(5b)は、回転方向に１ピッチ(Ｐ)だけ
ずれて重なっている。従って、歯車(１)のねじれ角
(θ₁)は、tanθ₁＝Ｐ／(３ａ)となっている。

【００２０】中央の非接触変位センサ(7b)は、歯車(１)
の厚さ方向の中央を通り、左右の非接触変位センサ(7a)
(7c)は、それぞれピッチ(ａ)ずつ左右に離れた所を通
り、各センサ(7a)(7b)(7c)の中心部の歯形は、図５で仮
想線で示すように、１／３ピッチ(Ｐ)ずつ、順次ずれる
ようになつている。

【００２１】しかして、図５に示す如く、各接触変位セ
ンサ(7a)(7b)(7c)の出力信号(Ａ1)(Ｂ1)(Ｃ1)は、各セ
ンサ(7a)(7b)(7c)の中央に位置する歯形に応じて、１／
３ずつ位相が異なる２値信号(Ａ2)(Ｂ2)(Ｃ2)に変換さ
れる。

【００２２】この１／３ずつ位相の異なる２値信号(Ａ
2)(Ｂ2)(Ｃ2)は、次に示す３通りの高分解能信号生成回
路のいずれかを利用して、高分解能信号に変換される。

【００２３】高分解能信号生成回路の１つは、図１に示
す如く、各２値信号(Ａ2)(Ｂ2)(Ｃ2)毎に、ワンショッ
トマルチバイブレータ(12a)(12b)(12c)を設け、各２値
信号(Ａ2)(Ｂ2)(Ｃ2)の立ち上がり（もしくは立ち下が
り）を、十分に幅の狭いパルス信号(Ａ3)(Ｂ3)(Ｃ3)に
変換し、それらのパルス信号(Ａ3)(Ｂ3)(Ｃ3)はＯＲ回
路(13)を介して、１つの高分解能パルス信号(Ｅ)に合成
される。この高分解能パルス信号(Ｅ)は、適宜の計数手
段により計数される。

【００２４】高分解能パルス信号(Ｅ)は、歯車(１)の歯
数が６０枚の場合、１回転１８０個のパルスを出力する
から、回転角度では２度の分解能を有する。また、計数
手段がアップダウン計数回路等であるときは、各２値信
号(Ａ2)(Ｂ2)(Ｃ2)の出現順(相順)を適宜検出して、回
転方向を検知し、その回転方向に応じて、高分解能パル
ス信号(Ｅ)を加減計数することにより、回転軸(２)の回
転を多回転に計数することができる。

【００２５】次に、別の高分解能信号生成回路において
は、各２値信号(Ａ2)(Ｂ2)(Ｃ2)を、図４の入力加算型
のコンパレータ(14)に入力し、図５に示す、ほぼデュー
テイサイクル５０％の高分解能矩形信号(Ｆ)を得ること
ができる。この高分解能矩形信号(Ｆ)は、前記ＯＲ回路
(13)の高分解能パルス信号(Ｅ)と同様に、ピッチ(Ｐ)当
たり３個の矩形波を持っているので、この高分解能矩形
信号(Ｆ)を計数しても、前記高分解能パルス信号(Ｅ)の
場合と同様の結果が得られる。ただし、高分解能矩形信
号(Ｆ)の方は、パルス幅が自動的に歯車(１)の回転速度
に追従して狭くなるが、ワンショットマルチバイブレー
タ(12a)(12b)(12c)による高分解能パルス信号(Ｅ)の場
合は、歯車(１)が最大回転速度のときの位相差Ｐ／３に
相当するパルス幅より、パルス幅を大きくすることがで
きない。

【００２６】高分解能信号生成回路の他の例では、各２
値信号(Ａ2)(Ｂ2)(Ｃ2)は、非接触変位センサ(7a)(7b)
(7c)が、静的変位(距離)を検出しうるセンサであること
と、各２値信号(Ａ2)(Ｂ2)(Ｃ2)が独立していることに
より、歯車(１)の歯(５)のピッチ(Ｐ)間においては、ア
ブソリュートの高分解能ディジタル信号(Ｇ)を得ること
ができる。なお、高分解能ディジタル(Ｇ)は、各２値信
号(Ａ2)(Ｂ2)(Ｃ2)の正レベルを［１］、負レベルを
［０］とし、２値信号(Ａ2)、(Ｂ2)、(Ｃ2)の順とし
て、コード化して示してある。

【００２７】この高分解能ディジタル信号(Ｇ)は、各２
値信号(Ａ2)(Ｂ2)(Ｃ2)のいずれか１つ、例えば、２値
信号(Ａ2)を計数するカウンタ(15)の計数値(Ｈ)（この
値又はコードは、従来の出力値に相当する。）の最下位
ビット(Ｈ0)の下位に、各２値信号(Ａ2)(Ｂ2)(Ｃ2)を１
ビットとして、並列に連結される。

【００２８】上記の実施例においては、はす歯歯車(１)
を、１個用いているが、各非接触変位センサ(7a)(7b)(7
c)毎に、図５の仮想線で示す歯型の平歯車を対応させ
て、その３個の平歯車を一体的に連結し、回転軸(２)に
固着するようにしてもよい。

【００２９】図７は、歯車の歯すじを、軸線と平行にし
た平歯車(１A)による実施例を示す。この場合、３個の
非接触変位センサ(7a)(7b)(7c)が、軸線方向に対して、
傾斜して設けられている。この傾斜角度(θ₂)は、平歯
車(１A)の厚さや、各センサの軸線方向に対する中心位
置、および各センサ間のピッチ(ａ)を、図６と同様とし
た場合、tanθ₂＝Ｐ／(３ａ)とり、はすば歯車(１)のね
じれ角と同じになっている。

【００３０】図７のように、平歯車(１A)の歯に対し
て、各非接触変位センサ(7a)(7b)(7c)を斜に配列した場
合においても、各非接触変位センサ(7a)(7b)(7c)から
は、図５と同じ信号が得られる。

【００３１】図８では、４個の非接触変位センサ(17a)
(17b)(17c)(17d)を、歯車(21)の回転方向に対して９０
度順次ずらして配置し、かつ歯車(21)の歯の数を奇数と
してある。このようにすると、歯車(21)の歯(25)の山
(３)谷(４)の位相は、１８０度のところでは、０度のと
ころよりも１／２ピッチだけずれ、また９０度のところ
では１／４ピッチ、２７０度のところでは、３／４ピッ
チずつずれる。

【００３２】しかして、図５のように、各非接触変位セ
ンサ(17a)(17b)(17c)(17d)の出力を２値信号に変換する
と、１／４ピッチずつ位相がずれた４個の２値信号が得
られるから、歯車の歯数よりも４倍高い分解能をもっ
て、角度を検出できる。

【００３３】上記実施例における４個の非接触変位セン
サ(17a)(17b)(17c)(17d)は、歯車(１)の回転方向に対し
て、９０度毎の角度で順次配置されているが、歯車(１)
の歯数が予め決められている場合、もしくは既設の歯車
を使用する場合には、次のようにすることもできる。

【００３４】各非接触変位センサ(17a)(17b)(17c)(17d)
を、歯のピッチの１／４ピッチずつ相対的に位相が異な
るようにして、歯車(１)の歯先の周縁の外方に固定す
る。この際、各非接触変位センサ(17a)(17b)(17c)(17d)
間の角度や、それらの間に存在する歯数、さらに歯車
(１)の歯数や歯の形状は、重要な要素とはならない。た
だし、各非接触変位センサ(17a)(17b)(17c)(17d)と波形
整形回路は、歯車(１)の歯形を精度良く検出して、山
(３)と谷(４)の変り目の部分(ゼロクロスの部分)を安定
良く２値信号に変換すること、並びに、歯車(１)の各歯
形が不揃いなく均一であることは、精度を高める上でも
必要な事項である。

【００３５】

【発明の効果】本発明は、以下のような効果を奏するこ
とができる。 (a) 歯車の歯数や非接触変位センサの外径を変えること
なしに、回転角度を検出する分解能を高めることができ
る。 (b) 構造が簡単で信頼性が高い。 (c) 分解能を高めた信号部分を、アブソリュートに検出
できる。 (d) 高分解能信号をアブソリュートに検出できるので、
極低速度の回転体の回転角度検出にも適用できる。 (e) 高分解能信号は、並列信号で得られるので、ディジ
タルのコード信号として利用することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示すブロック図である。

【図２】図１における波形整形回路の一例を示す電気回
路図である。

【図３】本発明によって回転角度の精度を高めた高分解
能信号デイジタル信号を得るための高分解能信号生成回
路の一例を示す電気回路図である。

【図４】本発明によって回転角度の検出精度を高めた高
分解能矩形信号を得るようにした、高分解能信号生成回
路の一例を示す電気回路図である。

【図５】図１のブロック図の要部電気信号と、図３及び
図４の主要電気信号を同時に示すタイムチャートであ
る。

【図６】図１に示す歯車と、複数の非接触変位センサの
関係を示す歯形の展開図である。

【図７】図６とは別の実施例をにおける、歯車と複数の
非接触変位センサの関係を示す歯形の展開図である。

【図８】さらに他の実施例における、歯車と各非接触変
位センサの関係を示す正面図である。

【図９】従来の歯車と非接触変位センサによる回転角度
検出装置を示す正面図である。

【図１０】従来の非接触変位センサによる回転角度検出
装置の測定限界を示すもので、図９の要部拡大図であ
る。

【符号の説明】

(１)(21)歯車 (２)回転軸 (３)山 (４)谷 (５)(25)歯 (６)間隙 (7a)〜(7c)(17a)〜(17d)非接触変位センサ (８)周波数発振器 (9a)〜(9c)波形
整形回路 (10)(11)増幅器 (12a)〜(12c)ワンショットマルチバイブレータ (13)ＯＲ回路 (14)コンパレー
タ (15)カウンタ (１A)平歯車 (θ₁)ねじれ角 (θ₂)傾斜角度 (f0)高周波信号 (Ｈ0)最下位ビ
ット (Ａ1)(Ｂ1)(Ｃ1)出力信号 (Ａ1')反転信号 (Ａ2)(Ｂ2)(Ｃ2)２値信号 (Ｄ)直流レベル (Ｅ)高分解能パルス信号 (Ｆ)高分解能矩
形信号 (Ｇ)高分解能ディジタル信号 (Ｐ)(ａ)ピッチ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】歯車の歯先と僅かの間隙を設けて対峙さ
せ、歯車が回転する時、歯の山と谷によって変化する歯
の表面との接近距離に応じた電気信号を出力する複数個
の非接触変位センサを、山と谷の接近する位相を若干異
ならせて、歯車の歯先の周辺に設け、それら各非接触変
位センサの出力信号を、各非接触変位センサの信号毎
に、山と谷に応じた２値信号に変換し、その各非接触変
位センサに対応する２値信号の位相差に基づいて、歯車
の歯の１ピッチ分を複数に分割する分解能の信号を生成
させることを特徴とする回転角度の検出方法。
【請求項２】歯車の歯先と僅かの間隙を設けて対峙
し、歯車が回転する時、歯の山と谷によって変化する接
近距離に応じた電気信号を出力し、かつ山もしくは谷の
接近する時期を互いに若干異ならせて、歯車の歯先周辺
に設けられた複数個の非接触変位センサと、各非接触変位センサから得られる出力信号を、各非接触
変位センサの信号毎に、山と谷の接近に応じた２値信号
に変換する波形整形回路と、各波形整形回路の出力する複数の２値信号から、歯車の
歯の１ピッチに対して複数に分割する分解能の高い信号
を生成する高分解能信号生成回路とを備えてなることを
特徴とする回転角度の検出装置。