JPH0769186B2 - 反射静電界角度レゾルバ - Google Patents

反射静電界角度レゾルバ

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JPH0769186B2
JPH0769186B2 JP2134260A JP13426090A JPH0769186B2 JP H0769186 B2 JPH0769186 B2 JP H0769186B2 JP 2134260 A JP2134260 A JP 2134260A JP 13426090 A JP13426090 A JP 13426090A JP H0769186 B2 JPH0769186 B2 JP H0769186B2
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    • G01D5/2415—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage by varying capacitance by relative movement of capacitor electrodes by varying overlap adapted for encoders

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Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、静電式位置センサに関し、特定すると反射電
界検出法を合体したブラシレス角度レゾルバに関する。
［従来技術、発明の課題］ 多数の従来形式の角度レゾルバ（分解器）が、角度位置
を指示し得る出力信号を発生するために静電技術を利用
している。ACおよびDC励起を含む種々のセンサが開発さ
れてきた。静電式角度レゾルバは、本質的に２枚の可変
的に賦型された金属板より成り、その一方の板が固定で
あり、他方の板が、両板間において露出される板表面積
を変化させるように一方の板と対向して回転され、可変
コンデンサを形成する。静電荷源が固定板に接続されて
おり、固定板から可動板により収集される静電荷が、結
合コンデンサにより固定板に反射される。固定板に反射
後、信号が電子的に分析され、固定板に関する回転板の
位置が確認される。この種の装置の例は、Weitに賦与さ
れた米国特許第4,092,579号、Fletcher等に賦与された
米国特許第4,040,041号、Imaiに賦与された米国特許第
4,435,702号、Farrandに賦与された米国特許第3,961,31
8号、Tanaka等に賦与された米国特許第4,418,348号、お
よびVercellotti等に賦与された米国特許第4,238,781号
に示されている。
普通、従来形式の角度レゾルバの出力信号は、結合コン
デンサによりロータからステータに結合される。結合コ
ンデンサは、普通対向するディスク形状電極の形式を採
る装置のステータおよびロータ部材上で整列、整合され
た平行板より形成される。
［発明の課題］ 従来技術のセンサに関する固有の問題は、ロータおよび
ステータの結合コンデンサ電極板に影響を及ぼす漂遊容
量に起因する信号強度の損失である。静電式角度レゾル
バの応用が、近くの金属物体に近接して設置を要求する
とき、漂遊容量に起因する問題が一層重要となる。加え
て、特定の応用に起因して角度レゾルバに課される大き
さやスペースの制約のため、装置に対して利用可能なス
ペースが制限される場合、別の問題が生起しよう。
ロータ対ステータの結合コンデンサを排除した角度レゾ
ルバの設計は、たいていの応用におけるレゾルバの原容
量の最高50％までのスペースの節約をもたらす。
［課題を解決するための手段］ 本発明に従う代表的実施例である改良された静電式角度
レゾルバは、少なくとも１つの電荷源と、該電荷源に接
続され、パターン化された静電界を発生するステータ
と、ステータの静電界内に配置され、ロータ電圧基準に
接続されたロータと、電荷源からステータ手段への電流
を測定し、ステータから発するパターン化静電界内にお
けるロータの位置を指示し得るdQ/dt信号を発生するた
めの回路とを備える。
本発明の１つの目的は、改良された静電式角度レゾルバ
を提供することである。
本発明の特定の目的は、結合コンデンサでロータ信号を
ステータに帰結合する必要性を排除した角度レゾルバを
提供することである。
本発明の他の目的は、利用可能な代替装置に比較して相
当寸法が減ぜられた角度レゾルバを提供することであ
る。
本発明の他の特定の目的は、レゾルバ近傍にある金属物
体によって影響を受けない角度レゾルバを提供すること
である。
本発明のこれらおよびその他の目的および利点は、以下
の説明から明らかとなろう。
［実施例］ 本発明の原理の理解を促進する目的で、以下図面に例示
される実施例を参照して説明する。
第１図を参照すると、角度レゾルバ10の概略線図が図示
されているが、該図は、ステータ14に関するロータ12の
位置を概念的に描いている。ロータ12の表面Ｘおよびス
テータ14の表面Ｙは、導電性電極を含んでおり、そして
該電極は静電的に相互作用して、コンデンサを形成す
る。ロータ12は回転シャフト16に堅固に取り付けられて
いる。ステータ14は、シャフト18により固定位置に保持
され、そして該シャフト18は端部Ａで係止されている。
ロータおよびステータが銅被覆ファイバガラス回路板を
使用して構成される従来技術の静電式角度分解器の代表
的実施例においては、表面ＸおよびＹは互いに近接して
配置され、それらの間のエアギャップは約0.020ないし
0.050インチである。
第2Aおよび第2B図を参照すると、この図には、従来技術
の角度レゾルバのロータ12およびステータ14の正面図が
それぞれ示されている。第2A図のロータ12は、導電性箔
の表面内に腐食パターンを有する導電性箔被覆回路板22
上に構成されている。ロータの結合コンデンサ表面20お
よびロータ羽根21は、図示される金属パターンを形成す
るように導電性箔を腐食除去することによって形成され
る。同様に、第2B図には、従来技術のステータが、負の
指部材27に接続された負リング電極26、正の指部材29に
接続された正リング電極28、および結合コンデンサ表面
30を有するものとして示されており、そしてこれらは、
すべて、ステータ14の回路板24の導電性箔内に腐食形成
されたものである。従来技術の装置の動作に関する詳細
な情報は、「Improved Electrostatic Position Sensin
g Angle Resolver」と題するM.Rosswurm等の1989年４月
25日付米国特許第343,031合に見出される。
第3A図を参照すると、本発明に従う静電角度レゾルバ31
の概略線図が図示されている。ロータ羽根62を有するロ
ータ60が示されているが、このロータ羽根62は、ステー
タの正指部材68および負指部材72（交差指電極）と相互
作用する。ロータ羽根62と指部材68および72との相互作
用は、２つの可変コンデンサC1RSおよびC2RSを形成す
る。ステータ板、すなわち指部材68および72は固定DC電
圧に維持されており、＋VDCが板68に、−VDCが板72に供
給される。実際には、電荷源33および34は、普通固定電
圧源であろう。ロータ60の羽根62は、電圧源35により特
定の一定静電電位に維持される。しかしながら、電圧源
35は排除してよく、ロータ60の羽根62は、接地に直接結
合してもよく、あるいは容量的に接地に接続し、それに
よりAC信号接地を提供してもよい。
ステータ64およびロータ60は、上述の特許出願に開示さ
れるものと構造が類似である。ただし、従来技術のロー
ターステータ結合コンデンサは、第3A図に示される角度
レゾルバにおいては完全に除去されていることに留意さ
れたい。ロータが指部材68および72上の正および負電位
により発生される静電界（Ｅ）内で回転されるとき、ス
テータ指部材の電荷が消失、増大する。電荷の変動は、
ステータ64に反映されるＥ電界の変化割合に比例するdQ
/Dt電流信号を電極68および72に流入せしめる。ステー
タＥ電界の変化は、ロータ羽根の角度位置によって直接
影響される。しかして、該ロータ羽根は、ステータＥ電
界を通る間一定電圧にある。ステータＥ電界（無限遠に
おけるゼロ電位に基準をおく）は、ロータ電極すなわち
羽根62がステータ電極すなわち指部材68および72近傍に
おいて移動するとき変化する。可動ロータは、近傍の電
界電位の変化のため、静電界を変化させる。電荷流すな
わち電流が生じて、電極68および72を予定された電圧＋
VDCおよび−VDCに維持する。この電流が測定され、角度
位置を決定するのに使用される。
反映されるＥ電界の変化はまた、ステーターロータ容量
の変化と考えることができるローターステータ間の容量
は、ロータがステータに関して回転するとき変化する。
dC/dt（時間に関するステーターロータ間容量の変化割
合）は、dQ/dt（すなわち電流）をステータ板68および7
2に流入流出せしめる。この電流が、電流に敏感な電子
回路によって感知され得る。
本発明の実施例においては、漂遊容量に起因するロータ
の信号の損失は排除されることにも留意されたい。これ
は、ロータ電位がシステム接地に関して固定状態に留ま
るからである。全出力感知がステータへの電流を監視す
ることによって遂行されるから、ロータ情報をステータ
上またはステータ近傍に配置した非回転ピックアップに
送るための別個の手段はもはや必要とされないことに留
意されたい。結合コンデンサが除去されたから、レゾル
バの容量は50％ほど低減できる。信号情報はロータから
ステータに送給されないないから、ロータ遮蔽または保
護のため電力をロータに送給する技術は実施される要が
なく、ロータ保護技術のための電子装置は必要とされな
い。
第3B図を参照すると、本発明に従う改良された角度レゾ
ルバ31の概略線図が示されている。基準電圧＋VREFが、
増幅器U1の正入力に供給されている。増幅器U1の出力
は、信号を信号路40（以下信号40として言及される）を
経て抵抗R1に接続される。U1の出力は、コンデンサC1を
経て抵抗R4に容量結合される。抵抗R4の他のリードは、
抵抗R5および増幅器U3の正入力に接続される。抵抗R5
は、U3の正入力からのバイアス電流に対して接地へのバ
イアス路を提供し、そしてR3,R4およびR6との関連にお
いて、作動増幅器U3の利得を決定する。抵抗R1の他のリ
ードは、増幅器U1の負入力に帰還接続されており、かつ
正ステータリング電極66および指部材68にも接続されて
いる。負の基準電圧VREFが増幅器U2正入力に供給され
る。増幅器U2の出力は、信号路42（信号42）を経て抵抗
R2に接続される。抵抗R2の他のリードは、リング電極70
を介して負のステータ指部材に、また増幅器U2の負入力
に接続される。信号路42すなわち信号42は、コンデンサ
C2を経て抵抗R3に容量結合される。抵抗R3の他のリード
は、増幅器U3の負入力に接続され、また帰還抵抗R6に接
続される。U3の出力は、R6の他のリードに接続され、ま
た回路V0の出力電圧を供給する。指部材68および72に対
向するロータ羽根を持つロータ60が示されている。ロー
タ羽根62は、接地に接続されている。ロータ60の回転運
動は、指部材68および72とロータ羽根62より形成される
コンデンサをして、容量を変更せしめ、指部材68および
72に静電的影響を及ぼす。指部材68および72を一定電圧
に維持するため、増幅器U1およびU2により、それぞれ抵
抗R1およびR2を介してステータ64にさらに詳しく言うと
電極66および70に電流が供給される。抵抗R1およびR2中
の電流は、電圧降下V1およびV2を生じ、そしてこの電圧
はそれぞれ差動増幅器U3に供給される。R1およびR2の代
表的値は500kΩである。コンデンサC1およびC2は、普通
0.1μＦ、そして抵抗R3,R4,R5およびR6は、普通100KΩ
である。LM1558として指示される演算増幅器（National
Semiconductor製）が、増幅器U1,U2およびU3として使
用できる。
増幅器U1およびU2は閉鎖ループフィードバックモードで
接続されており、ステータの＋および−指部材電圧がそ
れぞれ帰還接続され、＋VREFおよび−VREF電圧に比較さ
れる。電流がU1からステータの正の板68に流れるとき、
電圧V1は、ステータの正の板を基準電圧に維持するに必
要な程度に変化する。U1は、正のステータ指部材68に対
して電流を増減する。抵抗R1は、増電流または減電流を
電圧V1において容易に処理される変化に変換する。信号
40に現われる正の出力電圧信号は、V40＝R1（dQ1/dt）
＋VREFの如く計算される。ここで、Q1は、ステータの正
指部材68上の電荷である。
同様に、増幅器U2は、ステータの負指部材72を負の基準
電圧−VREFに維持するに必要とされる電荷を増減する。
電荷の変化率が増幅器U1またはU2の電圧および周波数限
界内にある限り、ステータ指部材68および72は、一定基
準DC電圧に維持される。かくして、この装置に対して選
択される演算増幅器の利得帯域幅は、角度レゾルバの電
圧および周波数要件に鑑みて選択されるべきである。
ロータ60のステータ64に関する角度位置の変化または偏
差は、信号40および信号42の電圧間の差を測定すること
によって感知される。U3は作動増幅器として作用し、そ
の利得は、R6対R3の比およびR6対R4の比により決定され
る。もしもR3およびR4の値が等しく、R5およびR6の値が
等しいと、最終出力電圧V0は下式で与えられる。すなわ
ち、 回転部材の角変位が測定されねばならない代表的応用に
おいては、技術的に周知の回路が出力信号V0に結合され
る。この種の回路においては、普通、V0に発生される正
弦波に似た信号を方形波に変換する。続いて、方形波は
論理回路の入力に供給され、そして低レベルから高レベ
ルへの方形波信号の転換を計数することによって、回転
角が決定される。しかして、上記の転換は、ロータのス
テータに関する一定角度変位に対応する。
本実施例の２つの重要な特徴は、当技術に精通したもの
には明らかなはずである。第１は、ステータ指部材は一
定DC電圧に維持されるから、電圧の変化に起因するステ
ータからの電荷の損失／増大は排除される。開示された
実施例は、ロータ角度位置変化が漂遊容量の影響を受け
ない結果として電荷流の正確な測定を保証する。第２
は、ステータおよびロータの寸法が、従来技術に必要な
結合コンデンサの除去によって減ぜられることである。
必要とされる寸法の低減は、角度レゾルバ装置に対する
全スペースの節約をもたらす。
この実施例は、３つの増幅器を必要とするバイポーラ形
式の実施例を詳細に示しているが、この概念は１つの増
幅器しか必要としないユニポーラの１組のステータ指部
材で実施できることは、当技術に精通したものに容易に
明らかであろう。この簡単化の不利な点は、出力信号の
6dBの減少をもたらし、信号対雑音比すなわちS/Nの減少
をもたらすことであろう。
次に第４図を参照すると、ロータ60の正面立面図が示さ
れている。代表的構成技術の１例として、羽根62は回路
板61の導電性箔中に腐食形成される。第2A図の従来形式
のロータ12に比較して、ロータ60は明らかにスペースの
節約を示している。これは、本発明の角度レゾルバの場
合、第2A図のロータ結合面20がもはや必要とされないと
いう事実に起因して各羽根62の長さが増大されるからで
ある。かくして、等しい長さの電極の場合、回路板61の
直径は、第2A図に示されるロータを構成するに必要とさ
れる回路板ほど大きくする必要がない。63で指示される
領域は、回路板61の裸の露出されたファイバガラスであ
る。
次に第５図を参照すると、ステータ64が、第3A図に示さ
れる本発明に従う角度レゾルバと使用するように構成さ
れるものとして示されている。本発明に従うステータ64
に匹敵する第2B図の従来技術のステータ14を参照する
と、ロータ60で実現され上述したところの同じスペース
の節約が、やはり認められる。
代表的構成技術として、ステータ64は、第３図のコンデ
ンサC1RSの一方の板を構成する、リング電極66および該
リング電極に接続される正の指部材を創成するように、
回路板製造技術に周知の酸腐食形成法を使用することに
よって、回路板65により製造される。同様に、リング電
極70は、第４図のロータ60の羽根62とともに第3A図のコ
ンデンサC2RSを構成する一方の板である負の指部材72に
接続される。リング電極66および70から突出する突部
は、対向する指部材により形成される角度を実質的に２
分するように配置される。かくして、部材66,68,70およ
び72は、各リング電極に異なる電位を印加することによ
ってパターン化静電界を形成する有用な挟み合い部分を
有する同心電極を形成するように結合される。また、第
４図のロータ60の羽根の数は、指部材68の数または指部
材72の数に同一であり、羽根間の角度は指部材間の角度
に対応していることが認められよう。回路板65上に露出
される表面領域67は、腐食工程中に露出された裸の回路
板であり、ステータ64の電極70および66間に絶縁体を構
成する。
第５図のステータ64および第４図のロータ60に対する代
りの製造技術は、ロータおよびステータ基盤物質として
使用される鋼上磁器基板材料上に金属粒子ペーストをシ
ルクスクリーニング印刷することである。この技術は、
第４図の電極62および第５図の電極72、68、70および66
を形成するのに使用される。銅や銀や金のような種々の
金属粒子を、金属液体ペースト中に使用できる。ペース
トは、所望の電極形状で鋼上磁器材料のロータまたはス
テータ基盤表面上にシルクスクリーニング印刷される。
基盤、ついで金属をリフローして金属粒子を鋼上磁器表
面上に接合するため消勢され、それにより電極が形成さ
れる。
第６図を参照すると、本発明に従う改良された角度レゾ
ルバの概略線図が図示されている、電圧入力信号＋VREF
および−VREFの正入力が、増幅器U1およびU2の正入力に
それぞれ供給される。増幅器U1の出力は、信号40を抵抗
R1およびコンデンサC1に供給する。増幅器U2の出力は、
信号路42を経て信号を抵抗R2およびコンデンサC2に供給
する。抵抗R1の他のリードは、増幅器U1の負入力に、ま
たステータの負電極66および指部材に接続される。抵抗
R2の他ののリードは、電極70および指部材72と、増幅器
U2の負入力とに接続される。コンデンサC2は抵抗R3に接
続される。抵抗R3の他のリードは、増幅器U3の負入力と
抵抗R6に接続される。抵抗R6の他のリードは、増幅器U3
の出力に接続され、そして出力から出力信号V0が増幅器
U3により供給される。コンデンサC1は抵抗R4に接続さ
れ、そして該抵抗は増幅器U3の正入力と抵抗R5とに接続
される。しかして、該抵抗R5は、増幅器U3の正入力を接
地するバイアス路を設定する。第3B図に図示される角度
レゾルバと第６図に図示される角度レゾルバ間の差は、
ロータ60のロータ羽根62に対して接地への容量結合を提
供するコンデンサ80である。ロータ60の近傍において近
接接地される金属物体は、コンデンサ80に置き換わる漂
遊容量を提供する。それゆえ、ロータを接地へ結合する
漂遊容量がロータ羽根62に対してAC接地基準を提供する
から、ロータ羽根62に対して電気的接続をなす必要性は
ないであろう。
以上本発明を好ましい実施例について説明したが、当技
術に精通したものであれば、本発明の技術思想から逸脱
することなく種々の変化変更をなし得ることは明らかで
あろう。
【図面の簡単な説明】
第１図は代表的静電角度レゾルバの概略線図、第2A図は
従来技術のロータの電極の構成を例示する第１のロータ
表面の正面図、第2B図は従来形式のステータの金属電極
を示す第１図のステータ表面の正面図、第3A図は本発明
の代表的実施例の概略線図、第3B図は詳細回路構成を示
す本発明の代表的実施例の概略線図、第４図は第3A図に
示される実施例のロータの金属板部材を示すロータ表面
Ｘの正面図、第５図は第3Aおよび3B図に示される実施例
のステータの金属板部材の配置を示すステータ表面の正
面図、第６図はステータ、接地に容量結合されるロータ
および付随する回路を示す本発明の他の実施例を示す概
略線図である。 10:レゾルバ 12:ロータ 14:ステータ 16:回転シャフト 18:固定シャフト 31:レゾルバ 33,34:電荷源 60:ロータ 62:ロータ羽根 63,67:表面（又は露出）領域 64:ステータ 68:正指部材、電極又は板 72:負指部材、電極又は板

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】第１および第２の電荷源と、 該第１電荷源に接続された第１の演算増幅回路、およ
    び、第１のリードが前記第１演算増幅回路の出力に接続
    され、第２のリードが前記第１演算増幅回路のフィード
    バックループに接続される第１の抵抗と、 前記第２電荷源に接続された第２の演算増幅回路およ
    び、第１のリードが前記第２演算増幅回路の出力に接続
    され、第２のリードが前記第２演算増幅回路のフィード
    バックループに接続される第２の抵抗と、 パターン化された静電界を発生するためのステータであ
    って、前記第１抵抗の前記第２リードに接続された第１
    の電源と、前記第２抵抗の前記第２リードに接続された
    第２の電極とを有するステータと、 ステータの電界内にあって基準電位に接続されるロータ
    と、 前記第１抵抗および前記第２抵抗間に現れる電圧に比例
    し、前記ステータから発するパターン化静電界内におけ
    るロータの動きを指示するdQ/dt信号を発生するための
    回路と を備えることを特徴とする静電角度レゾルバ。
  2. 【請求項２】前記ステータの前記第１および第２電極
    が、同心的交差指電極である特許請求の範囲第１項記載
    の静電角度レゾルバ。
  3. 【請求項３】前記ステータおよび前記ロータが、金属被
    服印刷回路板材料上に構成される特許請求の範囲第１項
    記載の静電角度レゾルバ。
  4. 【請求項４】前記第１の同心的交差指電極が前記ロータ
    の回転軸線と整列された第１のリング電極を具備し、該
    第１リング電極が、予定された固定の角度増分で該第１
    リング電極から半径方向において外方に延びる予定長の
    電極を具備し、前記第２の同心交差指電極が前記第１リ
    ング電極と同心で該第１リング電極から延びる電極の半
    径よりも大きい半径の第２のリング電極を具備し、該第
    ２リング電極が、前記第１リング電極の金属電極により
    形成されるスペース中に該第２リング電極から半径方向
    において内方に延びる電極を有している特許請求の範囲
    第２項記載の静電角度レゾルバ。
  5. 【請求項５】前記第１および第２抵抗間に現われる電圧
    が反対極性より成る特許請求の範囲第１項記載の静電角
    度レゾルバ。
  6. 【請求項６】前記同心リング電極が、各々、予定された
    角度間隔に位置しかつ相対する同心リング電極に向って
    半径方向に延びる半径方向突部を有する特許請求の範囲
    第２項記載の静電角度レゾルバ。
  7. 【請求項７】前記の外部同心リング電極から半径方向内
    方に延びる前記突部が、前記内部同心リング電極から半
    径方向において外方に延びる前記電極突部により形成さ
    れる角度を実質的に２分するように、前記半径方向突部
    が位置付けられている特許請求の範囲第６項記載の静電
    角度レゾルバ。
  8. 【請求項８】前記ロータが、該ロータの回転軸線から半
    径方向に延びる相互接続されたロータ電極を具備し、該
    ロータ電極が前記ロータの回転軸線に垂直な平面におい
    て回転するように配置されている特許請求の範囲第７項
    記載の静電角度レゾルバ。
  9. 【請求項９】前記ロータ電極が、前記の外部同心リング
    電極の電極突部と相対し、ついでロータが回転部材の回
    転に応じて回転するとき前記の内部同心リング電極の電
    極突部と相対するような角度で配置されている特許請求
    の範囲第８項記載の静電角度レゾルバ。
  10. 【請求項１０】前記ステータおよび前記ロータが鋼上磁
    器基板上に構成され、電極が基板の上部上に形成されて
    いる特許請求の範囲第１項記載の静電角度レゾルバ。
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