JPS63134915A - 回転変位検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 未発ＩＪＩは、圧力、流；、）、直線変位等の物理１−
を回転変位に変換したものを検出してデジタルｆｔ＋に
より出力する回転変位検出装置に関し、特にアナログ出
力を　Ａ／Ｄ変換したものよりも品精度、高安定度な検
出が行なえる回転変位検出装置に関する。

［従来の技術］ 工業計測の分野では、計１１１　Ｗを軸の回りの回転変
位に変換して計測を行なう場合が多い。

たとえば流体の圧力を計測するブルドン管圧力計、液位
を計測するテープ巻取り方式の「１動平・衡型液面計、
流賃を計測するマグネットカップリング方式の面積流：
誹計や傾斜板流量計、直！ｌ変位を計Ａ１１ｌする０、
０１ｍａｌｌ盛ダイヤルゲージ、温度を１口１謂する工
業用バイメタル式温度計などか例としてあげられる。

ここで、検出軸の回転変位を検出する特に丁業用の回転
変位検出器には、一般にっぎのよつな性能が要求されて
いる。

（１）、＋１膓される圧力、ｔＩｔ：Ｊ等に外乱をＵ、
えないように検出器の袖は小さなトルクで回転すること
。

（２）広い温度範囲および湿度範囲で高安定、高精度な
検出が行なえること。

（３）高い分解ス七を右すること。

（４）接触、非接触による検出を問わず長期安定性をイ
ｉすること。

（５）コンパクトであり、安価であること。

ところで、従来の回転変位検出器とシフ７″は、デジタ
ル信号を出力として直接取り１１１セるロータリエンコ
ーダが広く知られている。

このロータリエンコーダには、光を用いて実接触に検出
を行なうものや、コード板とブラシを用いて接触式に検
出を行なうものがある。

また出力信号の形！！；で〆別すると、角変位ＪのＭ！
、’ｔＪ　（ｌ’ｆを出力するアブソリュートタイプと
。

相対角変位ｊｌ」および角変位の方向を出力するインク
リメンタルタイプのものがある。

またアナログ信号が出力として取り出される回転度（を
検出器には、ボデンショメータや磁気式角変位変換器な
どがある。

［発明が解決しようとする問題点］ Ｌ述のロータリエンコーダで接触式のものは、コード板
を用いているため、回転変位検出器に要求される前述の
３項を満たそうとすると、コード板の物理的寸法を大き
くしなければならず、装ｄが大型化してしまうという問
題が牛しる。したかつで、＋ｉ？＋述の５ダ１を満たさ
なくなる。

またロータリエンコーダでは、非接触式　接触式のいず
れも埃をＩうため、検出軸にシールが施されており、検
出軸のトルクを充分に小さくできないという問題がある
。したかって、ロータリエンコーダでは、前述の１川を
満たすものは少ない。

また出力をアナログ（；号として取り出す回転・変佼検
出憲は、出力をデジタル信号により増り出すものに比へ
て−・般に温度や湿度の１．ｌ’ｆｆを受けやすく、広
い温湿度範囲で良好な検出を行なえないという問題があ
る。したがって、出力をアナログ信号として取り出すも
のは、前述の２項を満たさない。

またボデフシ」メータは、接触式であることから、検出
軸のトルクを小さくできないと−１う問題があるほか、
接触部の摩耗や経イト変化により長期に１１１では安定
性を維持できないという問題があり、前述のｌイＩ、４
項を満たすことは困難である。

そこで本発明は、このよ）な従来の問８点を解決するた
めに提案されたものであり、Ｉｎ２述したｌ　１７１か
ら５項までの性能をすべて満たすことができ、検出軸の
回転変位を検出するにあたり、高い精度で、また高い安
定性、高い信頼性で検出を行なえる回転変位検出装置を
提（１４することを目的とする。

［問題点を解決するためのｒ段］ この目的を達成するために未考案の回転変位検出装置は
、ステータ電極と物理礒を回転変位に変換するロータ軸
に国定されるロータ電極とからなり、ステータ゛―に極
またはロータ電極が２分割され、：ｊＳｉおよび第２の
静電容ｔ−が形成されるセンサを設け、スイッチにより
」−記センサの第１および第２の静電容量を交！Ｌに切
り換えて、第１および第２の静′屯容槍を一定の電流で
交尾に充゛屯するとともに交！Ｉ：に放電を行なう充放
電回路を設け、」二記第１および第２の静′１１（容Ｉ
Ｊの充電電圧が一定の基準電圧に達するよＣのそれぞれ
の充電時間の和が一定となるようにＬ記充放′屯回路に
フィードバックをかけるフィードバック回路を設け、］
二記第１の静′Ｉｋ容璧の九゛准時間中に充分小さな周
期のクロック信号を加算計数し、Ｌ記第２の静電容量の
充電時間中にクロック信−）を減算計数するカウンタを
設け。

このカウンタからのデジタル出力信号に基づいてＩ―記
ロータ軸の回転角度変位が検出されることを特徴とする
構成のものとしである。

［作用］ ト記第１の静電容量ＣＡと上記第２の静’ｉｅ　Ｗ　Ｉ
Ｃ１１は、一方が２分割されているステータとロータと
の対向面積Ｓ＾とＳＯで表わされ、これら対向面ＭＳ＾
とＳＯはロータ軸の回転変位０を含んだ式％式％ 一方ト記第１の静電界１ｃ＾の充電時間Ｔ＾は、静電容
量Ｃ＾と一定電流工および上記基準電圧ＶＩＨの式で表
され、第２の静′＋ｔｔ　６　：Ｊｔ　Ｃａの充電時間
〒８も（：８，１．ＶＩＨの式で表わされる。

したがってＬ記カウンタにおいて、充電時間Ｔ＾中での
クロック信号φの計数値↑＾・φと充電時間〒Ｂ中での
クロック信号φの計数値ＴＢ・φとの差を求めれば、デ
ジタル出力のこのカウンタ出力から上記回転変位０が得
られる。

また充電時間Ｔ＾とＴ８の充電時間和Ｔ＾＋７８が一定
となるようにフィードバックをかければ、Ｌ記カウンタ
出力には、静電容量Ｃ＾、ＣＢの誘電率（、ステータと
ロータのギャップδ、アナログ回路の定ＩＴｈ　ＩＩＶ
Ｉｔ＋が含まれなくなり、高安定で高精度にＯの検出が
行なえるように石る。

［実施例］ 以Ｆ、本発明の実施例を添付１４面に示す一几体例にノ
＾づいて詳細に説明する。

第１図は１未発ｌＪ＋の一実施例を示す回転変位検出！
Ａ７１のブロック回路図である。

同図で、静１Ｔｌ容ψＣ＾、ＣＢからなるセンサ１によ
りロータ軸の回転変位の検出が行なわれる。

第２図には、このセンサｌを構成する電極であるロータ
２とステータ３が示されている。上記ロータ２は、円板
を２分：ＩＩ　した２つの゛ｈ内円形ロータＡとロータ
Ｂからなっており、これらロータＡおよびロータＢの電
極は！１１いに絶縁されている。またｌ−記ステータ３
もｔ円形に形成され、ロータ２の片側と回−形状とな１
７−いる。

一ヒ記センサｌを構成するこれら一対のロータ２とステ
ータ３は、それぞれの中心を常に一致させながら一定の
ギャップδを保って対向して配置され、ステータ３が検
出装置のハウジング側に固定されて静止され、ａ−夕２
側がロータ軸！５に絶縁物１６を介して固定され回転す
る。

第３図には、第３図ａに示す位置から第３図すに示す位
置にロータ３が回転した様子が示されている。ここで、
ロータＡとステータ３゜ロータＢとステータ３の対向す
る面精、をそれぞれＳ＾＋３８　とし、対向電橋間の媒
質の誘′Ｒ１，率ケεとすると、各ロータＡ、Ｂとステ
ータ３間に形成される静電容量Ｃ＾、ＧＯは、 ｑ＾ となる、ここで、ＣＡはロータＡ側の静電容量であり、
ＣＲはロータＢ側の静電容量である。

またロータ２の回転角度変位を０とし、Ｋ。

ＳＯを適当な定数とすれば、」−述の対向面積Ｓ＾。

ＳＯは。

となる。

なお１回転変位０は１反時計方向の回転をプラス、時計
方向の回転をマイナスとし、０の変位の範囲は第３図ａ
に示す位置から±３０°以内とする。

したがっての式の静電界Ｉ−Ｃ＾＋　ａＳは（り式より
、 となる。

静電界ｊＪ　ＣＡ、ＣＢを作るロータ２とステータ３か
らなる上記センサ１は、回路’ＪＪとして第４図のよう
に表わすことができる。

つぎに、第１図に示されるブロック回路図の構成を説明
すると、静電容量Ｃ＾、ＣＢの一方の電極（ステータ３
側）は接地され、他方の２つの電極（ロータＡとロータ
Ｂ側）は、ＣＡ、ＣＢのいずれか−・方をそれぞれ選択
するスイッチＳｌ　、　Ｓ２の両方に細いケーブルによ
り接続されている。

ト記ス・イッチＳ１のコモン端一１’は、電圧Ｖｓが印
加されて定電流Ｉを供給する定′屯流源４に接続されて
いるとともに、コンパレータ５の一カの入力端Ｙ−に接
続されている。またＬ足スイツチＳ２のコモン端ｒは、
抵抗Ｉ（を介して接地されている。

これらスイッチＳｌ　、　Ｓ２．定電流源４、抵抗Ｒは
、セ／すｌが接続される充放電回路６を構成している。

ここで、上記スイッチＳｌ　、　Ｓ２が分周回路６の出
力により交ｒＬに！／Ｊ換えられると、定′屯流■は交
ＩＩ−に静゛屯容：ｄＣ＾、ＣＢに供給され、たとえば
ＣＡが充電されている間、ＣＢ中の電荷は抵抗Ｒ８涌し
て放電される。

またＬ記コンパレータ５の他方の入力端子には、積分回
路７の出力である比較用の）、（準゛屯圧Ｖ　Ｉ　１１
が供給されている。−上記スイッチＳｌ、Ｓ２は、静゛
Ｉｖ容’ＩＣ＾＋ＣＩ＋がこのＶ　ｔ　＋＋　に達した
瞬間に回１１！ＦにすＪ換えられるようになっており、
コンパレータ５の出力は第５図すに示す波形の１りとな
る。なお、第５図ａＩ７）波形は、Ｏｎ、ＣＢの充電′
電圧をツバしている。第５図すでてＡ、Ｔ１１は、定′
屯流■によりＣ＾＋Ｃ＋＋が充゛屯されて、それぞれの
電圧がＶ　Ｉ　１１に達するまでの時間を表わしており
、これらＴＡ　、丁【りは。

と表わされる。

１、記コンパレータ５の出力は、分周回路６に供給され
て２分周され、第５図Ｃに示す波形となる。この分周回
路６の出力は、ＴＡ期間がＨでＴｌ＋期間がＬの信号と
なっており、この４１１力によりｔ二記スイッチＳｌ　
、　Ｓ２の切換えが行なわれている。

また［、配分周回路６の出力は、つぎ０４１周回路８で
さらに２分周されて、第５図ｄに小す周期が２Ｔで、デ
ユーティ比が５０％の波形４（’ｊとなる。ここで、Ｔ
はＴ＾＋↑Ｂに相当している。

」−配分周回路８の出力は、Ｔに比べてＩ・分小ざな周
期を持つクロック信号φ（なお周肢数もΦとする）が一
方の入力端に供給されている７７トケー１”（ＡＮＤゲ
ート）９の他方の入力端に［Ｉ給されている。このＡＮ
Ｄゲート９からは、分周回路８の出力がＨのときのみ、
すなわち期間Ｔだけクロ７り信号φが出力される。

−上記ＡＮＤゲート９の出力は、数Ｎのブリセラトイ１
があらかじめ入力されているプリセットカウンタ１０に
クロンクロりとして人力される。このプリセットカウン
タ１０では、ＡＮＤゲート９の出力（期間Ｔのクロー７
り信号φ）を二１数して、期間Ｔでの計数イめがプリセ
ット値Ｎより大きいか、小さいかによりカウントアツプ
出力の状１．！ｉを変える。プリセットカウンタ１００
カウント７−、ブ出力は、データテフチ１り１路Ｈに供
給されて保持される。

またクロック信号小とコンパレータ５の出力が入力され
て各回路のタイミング制御信号が作り出されるタイミン
グコントロールｌｉ＋Ｊ　路１２η１らは、リセ−／１
・信号がＬ記プリセットカウンタ１０に供給される。プ
リセットカウンタ！０では、このリセット信号・を受け
て新たな計数を始めるために、１数（？をリセットする
とともに、プリセラトイ（ＩＮを読み込む。

またＩ−記データラー・子回路１１にも、タイミングコ
ントロール回路１２からラッチ制御１信号が供給されて
、いる。

ここで１期間工での計数値が、数Ｎより大きいときは、
に連した期間ＴＡ、期間ＴＢが大きすぎるためであり、
基準電圧ｖ１！１が久きすぎることによるものである。

逆に期間Ｔでの計数（／ｉが数Ｎより小さい場合は、］
＾準電圧Ｖｌ１１が小さすぎることによる。

Ｌ記データラッチ回路１１が接続されるとともに、Ｖ！
　／２の電圧が印加される上記植分回路７では、ラッチ
出力である↓−述のカウントアツプ出力により基準電圧
ｖＩ１１　を増減させる。これにより、常に期間Ｔでの
計数値が数Ｎに等しくなるようにフィードバー、りがか
けられる。

フィードバックがかけられて期間Ｔでの；１数値が数Ｎ
に７しい場合、上述のに）式よりっぎの関係式が数台、
する。

Ｎ＝Ｔ−φ ＝φ（Ｔ＾＋Ｔｎ） また、この式に（２）式を代入すれば、となる。

−・力、上記クロック信号φがクロックとして入力され
ているアップダウンカウンタ１３には。

上記分周回路６の出力がアップダウンの切換え信号とし
て供給されている。このアップダウンカウンタ１３では
１分周回路６の出力がＨのときすなわちＴＡ期間にφの
加算計数が行なわれ、出力がＬであるτ８期間にφの減
算計数が行なわれる。

Ｌ記アシプダウンカウンタ１３の出力は、データラッチ
回路！４によって保存されたあと、タイミングコントロ
ール回路１２から供給されるリセット信号によりリセッ
トされる。またデータラッチ回路１４には、ラッチ制御
信号がタイミングコントロール回路１２より供給されて
いる。

上記アップダウンカウンター３での加算計数の計数イダ
１をＮ＾、減算計数の計数値をＮｕとすると、カウンタ
出力はＮ＾−ＮＢであり、このＨａ−ＮＯがデータラッ
チ回路１４よりのデータ出力となっている。ここで、Ｎ
＾、　ＮＲは、 ＨＡ　＝　ＴＡ＊φ、　　１１８＝ＴＢｅφである。

上記データ出力に＾−ＮＢは＠式および（３）式よりつ
ぎのように整理される。

に＾−Ｎｏ　＝　Ｔａ　＊φ−Ｔ８・φ＝φ（Ｔａ−τ
６） φ　・Ｖｌｌ ＝□（Ｃ＾−Ｇｏ） ■ ここで、（０式よりに＾−Ｎ８は、 Ｎ＾−ＭＢ＝　　−Ｋ　　Ｏ Ｏ となる。

したがって、ロータ２の回転変位すなわちロータ軸１５
の回転変位０は。

Ｓ。

Ｏ＝　−−（Ｎ＾−Ｎｏ）　　・・・（６）　Ｋ として求めることができ、デジタル信号として出力され
るＨＡ−Ｎ、より０を計測することができる。

ここで、（６）式の比例定数はＳｏ／ＮＫであり、この
比例定数には管理が困難な定数である？Ａ誘電率やキャ
・Ｉプδなどを含まず、さらに定ＴＬＨｔ１やしきい値
電圧である基準電圧ＶＩＨなどのアナログ回路の特性値
も含んでいない。

上記比例定数に含まれるＳｏ、にはロータの物理的形状
のみによって決められる定数であり、Ｎは常に一定イメ
で変動しない。

このようにＬ記回転変位検出装置では、センサ１の充電
時間の和（↑＾＋Ｔｏ）が常に一定となるようにフィー
ドバックをかけており、このような検出回路上での工夫
により、出力信号は誘電率εの変化や、検出回路内のア
ナログ量の変化などの影響を受けないようになっている
。

したがって、上記回転変位検出装置では、デジタル信号
として出力されるに＾−にＩ＋より極めて高い確度でロ
ータ軸１５の回転変位θが計測されるようになる。また
上述の理由から、従来のようにアナログ出力をＡ／Ｄ変
換したものよりも高精度で高安定に回転変位０の計測が
行なえる。

また上記回転変位検出装置では、クロック信号φの周波
数を高くすること、およびデータ更新の周期を期間Ｔの
数倍と長くすることにより理論的にはいくらでも分解能
を上げることができる。

このようなｔ記回転変位検出装置を用いることにより、
ロータ軸１５周りの回転変位に変換される圧力、液位、
流量、直線変位、温度などの物理駿をデジタル出力によ
り、高い精度で信頼性よく計測することができる。

なお、−上記ロータ２をステータとして用い二つの分゛
Ｍされた半円形の電極片をスイッチＳｔ。

Ｓ２の両刃にそれぞれ接続するとともに、上記ステータ
３を接地しロータとして用いるようにしてもよい。

また上記ロータ２として半円形の２分割された′−し極
を用いるのではなく、４分割された電極を用い、±４５
°の範囲を変位する回転変位０を検出することもＩ′Ｉ
Ｔ　（’ｌである。

［発明の効果］ 以１−説ｆ！１シたように未発Ｔ１１では、ロー々袖の
回転変位を検出するセンサであるロータとステータとは
、わずかなギャップを隔てて対向しており、非接触式の
ため小さなトルクで軸が回転するようになっている。し
たがって、計測されるたとえば圧力や流すなどに外乱を
与えるようなことはない。

また回転変位θを求めるにあたっては、＆１度や湿度の
影響を受けるセンサの、′Ａ電電率検出回路内のアナロ
グＳμ、などの定数が関係していないため、広い温湿度
範囲でｌ’Ｊ１安定、高精度に０の計測が行なえる。

また１；述のクロック０壮φの周波数を高くすることな
どにより、高い分解能により回転度１台０を計測できる
。

また回転変位０を求めるためのデジタル出力信号−は２
各静電容礒（Ｃ＾、Ｇｏ）の電極面積差のみに依存する
ため極めて高い長期安定性を４１している。

またセンサを構成するロータとステータ間（°、ニ極間
）のギャップを小さくすることにより、電極面積を縮小
することがＣぎるとともに、筒Ｉ′ｌｉな回路構成によ
り実現できるため、装置の小型化およびコストダウンが
１１　ｆｅである。

このように本発明によれば１丁χ用の回転変位検出装置
に要求される曲述の１項から５項までの性能をすべて満
たすことができる。

また本発明では、回転変位θの計測値として直接デジタ
ル出力が取り出せるため、　ｃｐｕによるリニアライズ
やその他の演算処理が容＞５であり、また７すａグ出力
をＡ１０　ｆ換して得られるデジタル出力よりも高精度
、高安定な出力（計測イ１）が得られる。

さらに、回転変位０をデジタル出力として取り出す６壮
変換回路を構成するためのユニシトは、　ＣＭＯＳＩＣ
を使用することができ、装置の低重力化が容易でありバ
ッテリ駆動が可能であるとともに、伝送路から電源の供
給を受けながら伝送を行なう２線伝送器への応用がＩＪ
丁能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す回転変位検出装置のブ
ロック回路図、第２図は七記回転変位検出装ａのセンサ
を構成するロータとステータの斜視図、第３図は上記ロ
ータが回転したときの様子を示すロータとステータの関
係を示す平面図、第４図は］−記センサの回路図、第５
図は上記回転変位検出？Ｃ置の動作を説明する１こめの
波形図である。 図　　中 １ｌＩＩＩセンサ　　　　２１１１１０−タ３・・ステ
ータ　　　４１定電流源 ５・−コンパレータ ６．８−−分周回路　７・・積分回路 ９Φ・アンドゲート １０・・プリセットカウンタ １１．１４　・・デークラッチ回路 １２・・タイミングコントロール回路 １３１アツプダウンカウンタ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. ステータ電極と物理量を回転変位に変換するロータ軸に
   固定されるロータ電極とからなり、ステータ電極または
   ロータ電極が２分割され、第１および第２の静電容量が
   形成されるセンサを設け、スイッチにより上記センサの
   第１および第２の静電容量を交互に切り換えて、第１お
   よび第２の静電容量を一定の電流で交尾に充電するとと
   もに交互に放電を行なう充放電回路を設け、上記第１お
   よび第２の静電容量の充電電圧が一定の基準電圧に達す
   るまでのそれぞれの充電時間の和が一定となるように上
   記充放電回路にフィードバックをかけるフィードバック
   回路を設け、上記第１の静電容量の充電時間中に充分小
   さな周期のクロック信号を加算計数し、上記第２の静電
   容量の充電時間中にクロック信号を減算計数するカウン
   タを設け、このカウンタからのデジタル出力信号に基づ
   いて上記ロータ軸の回転角度変位が検出されることを特
   徴とする回転変位検出装置。