JP2001082914A

JP2001082914A - 角度検出装置

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Publication number: JP2001082914A
Application number: JP29722399A
Authority: JP
Inventors: Tadatoshi Goto; 忠敏後藤; Kazuya Sakamoto; 和也坂元; Hiroshi Sakamoto; 宏坂本
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1999-09-11
Filing date: 1999-09-11
Publication date: 2001-03-30

Abstract

(57)【要約】【課題】１回転未満の限られた角度範囲で角度を検出
するのに適したシンプルな構造を持つ検出装置の提供。【解決手段】回転軸１に対して所定の半径で円弧を描
くように配置されてなり、かつ所定の配置で磁気応答物
質４ａを設けてなる円弧状のセンサロッド４と、回転軸
に対して所定の半径で円弧を描くように配置されてな
り、かつロッド４に近接するように配置されたコイルを
有するセンサヘッド５とを具備し、ロッド４とヘッド５
の一方を回転軸１の回動に連動して円弧状の動きをする
ように取付け、他方を所定位置に固定する。ロッド４の
ヘッド５に対する相対的位置に応じて磁気応答物質のコ
イルに対する相対的位置が定まり、これに応じた出力を
コイルより生成し、センサロッドの円弧長に対応する限
られた角度範囲での回動角度検出を行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、１回転未満の限ら
れた角度範囲で角度を検出する角度検出装置に関し、例
えばジンバル機構の各軸の回動角度を検出するような用
途に適用可能なものである。

【０００２】

【従来の技術】従来の角度検出装置にはポテンショメー
タを用いたものがある。しかし、ポテンショメータにお
いて摺動接触子があるために耐久性の点で難があった。
また、従来知られた誘導型位置検出装置には、直線位置
検出装置としては差動トランスがあり、回転位置検出装
置としてはレゾルバがある。差動トランスは、１つの１
次巻線を１相で励磁し、差動接続された２つの２次巻線
の各配置位置において検出対象位置に連動する鉄心コア
の直線位置に応じて差動的に変化するリラクタンスを生
ぜしめ、その結果として得られる１相の誘導出力交流信
号の電圧振幅レベルが鉄心コアの直線位置を示すように
したものである。レゾルバは、複数の１次巻線を１相で
励磁し、サイン相取り出し用の２次巻線からサイン相の
振幅関数特性を示す出力交流信号を取り出し、コサイン
相取り出し用の２次巻線からコサイン相の振幅関数特性
を示す出力交流信号を取り出すようにしたものである。
この２相のレゾルバ出力は公知のＲ／Ｄコンバータとい
われる変換回路を用いて処理し、検出した回転位置に対
応する位相値をディジタル的に測定することができる。
また、サイン相とコサイン相のような複数相の交流信号
によって複数の１次巻線を夫々励磁し、検出対象直線位
置又は回転位置に応じて該交流信号を電気的に位相シフ
トした出力交流信号を出力し、この出力交流信号の電気
的位相シフト量を測定することにより、検出対象直線位
置又は回転位置をディジタル的に測定する技術も知られ
ている（例えば、特開昭４９−１０７７５８号、特開昭
５３−１０６０６５号、特開昭５５−１３８９１号、実
公平１−２５２８６号など）。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、角度検出装置
として従来知られたポテンショメータは、前述の通り、
摺動接触子があるために耐久性の点で難があった。ま
た、劣悪な環境で使用するには適していないものであっ
た。また、従来知られた誘導型位置検出装置は、回転位
置または直線位置を検出するものであり、１回転未満の
限られた角度範囲で角度を検出するのに適した構造を持
っていなかった。また、２軸（２次元）又は３軸（３次
元）ジャイロスコープ構造における各軸の回動角度を検
出するような場合、レゾルバ等のフル回転の回転検出器
を使用すると、余りに構造が大型化してしまい、構造が
極めて複雑となり、コスト高にもなってしまう。本発明
は上述の点に鑑みてなされたもので、従来なかった新規
な誘導型の角度検出装置を提供しようとするものであ
る。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明に係る角度検出装
置は、回転軸に対して所定の半径で円弧を描くように配
置されてなり、かつ所定の配置で磁気応答物質を設けて
なる円弧状のセンサロッドと、前記回転軸に対して所定
の半径で円弧を描くように配置されてなり、かつ前記セ
ンサロッドに近接して配置されたコイルを有するセンサ
ヘッドとを具備し、前記センサロッドとセンサヘッドの
一方を前記回転軸の回動に連動して円弧状の動きをする
ように取付け、他方を所定位置に固定してなり、前記セ
ンサロッドの前記センサヘッドに対する相対的位置に応
じて前記磁気応答物質の前記コイルに対する相対的位置
が定まり、これに応じた出力を前記コイルより生成し、
前記センサロッドの円弧長に対応する限られた角度範囲
での回動角度検出を行うことを特徴とするものである。

【０００５】本発明によれば、センサロッドの円弧に沿
う該ロッドのセンサヘッドに対する相対的な直線位置に
対応する出力信号がコイルから得られ、これが、限られ
た角度範囲での回動角度を示している。このように、本
発明によれば、１回転未満の限られた角度範囲で角度を
検出するのに適したシンプルな構造を持つ角度検出装置
を提供することができる。

【０００６】

【発明の実施の形態】以下、添付図面を参照してこの発
明の実施の形態を詳細に説明しよう。図１（ａ）におい
て、検出対象たる回転軸１は適宜のフレーム２に軸受け
されており、この回転軸１に扇形のロッド固定金具３が
固定され、このロッド固定金具３に円弧状のセンサロッ
ド４が取り付けられている。ロッド固定金具３は、図１
（ｂ）に断面図にて示すように、押さえ板３ａ，３ｂの
間にセンサロッド４の両端部分を挟み込み、回転軸１に
螺合するねじ３ｃによって押さえ板３ａ，３ｂを締め付
けることにより、センサロッド４を回転軸１に固定す
る。こうして、センサロッド４は、回転軸１に対して所
定の半径で円弧を描くように配置され、かつ回転軸１の
回動に伴って回動する。センサロッド４においては、そ
の詳細は後述するように、所定の配置で所定の磁気応答
物質４ａが設けられている。センサヘッド５は、回転軸
１に対して所定の半径で円弧を描くように配置されて、
固定具６によってフレーム２に固定されている。センサ
ヘッド５はコイルを有しており、図示の例では、センサ
ヘッド５のコイル空間内にセンサロッド４が挿入され、
該コイル空間を通ってセンサロッド４が動く。

【０００７】図２は、センサロッド４における磁気応答
物質４ａの配置パターン例と、センサヘッド５のコイル
の構成例とを示す。図において、センサヘッド５のコイ
ルは、１相の交流信号によって励磁される１次コイルＰ
Ｗ_１〜ＰＷ_５と、変位方向Ｘに関して異なる位置に配置
された複数の２次コイルＳＷ_１〜ＳＷ_４とを含む。これ
らの１次及び２次コイル構成を明示するために、図では
コイルは断面で示している。１相の交流信号によって共
通に励磁されるが故に、１次コイルＰＷ_１〜ＰＷ_５の数
は、１又は適宜の複数であってよく、その配置も適宜で
あってよい。

【０００８】センサロッド４において、磁気応答物質４
ａは、変位方向に沿って所定のピッチｐで複数繰り返し
て設けられている。既に知られているように、磁気応答
物質４ａの材質を鉄またはニッケルなどのような磁性
体、あるいは銅またはアルミニウムなどのような非磁性
の導電体とすることにより、透磁率あるいは磁気抵抗あ
るいは渦電流損失などの所定の磁気応答特性を持たせる
ことができるので、そのように適宜の材質を磁気応答物
質４ａとして用いてよい。ロッド４の基部の材質も、磁
性体又は非磁性体又は導電体など適宜の材質を用いてよ
く、どのような材質を用いるかは、磁気応答物質４ａの
材質及び／又は形状等との兼ね合いによって定まる。要
するに、磁気応答物質４ａが存在する箇所とそうでない
箇所との間では、コイルに及ぼす磁気的応答特性が異な
るようになっていればよいものである。また、ロッド４
に対する磁気応答物質４ａの形成法も、貼り付け、接
着、かしめ止め、切削、めっき、蒸着、焼き付け、など
適宜の手法を用いてよい。ロッド４は、必ずしも剛体に
限らず、ワイヤ線のような可塑性の素材からなっていて
よい。一例として、ロッド４の基部を非磁性金属線を用
いて構成し、その周囲にリング状の僅かな凹みを所定の
ピッチｐで繰り返し形成し、その凹みに鉄等の磁性体を
めっき等によって埋め込むことで、磁気応答物質４ａを
配置する。ロッド４の基部を適切な硬さの金属線を用い
ることにより、適宜曲げ加工することで適切な円弧カー
ブに整形することができる。センサロッド４を細い金属
線を用いて構成した場合、センサヘッド５のコイルもか
なり小径のものであってよく、検出装置全体をかなり小
型化することができる。

【０００９】回転軸１の回動に応じて、センサロッド４
がその円弧に沿う方向に変位し、磁気応答物質４ａのセ
ンサヘッド５のコイルに対する対応位置が変化すること
により、１次コイルＰＷ_１〜ＰＷ_５と各２次コイルＳＷ
_１〜ＳＷ_４間の磁気結合が該対応位置に応じたものとな
り、これにより、センサロッド４のセンサヘッド５に対
する相対的位置に応じて振幅変調された誘導出力交流信
号が、各２次コイルＳＷ_１〜ＳＷ_４の配置のずれに応じ
て異なる振幅関数特性で、各２次コイルＳＷ_１〜ＳＷ_４
に誘起される。各２次コイルＳＷ_１〜ＳＷ_４に誘起され
る各誘導出力交流信号は、１次コイルＰＷ_１〜ＰＷ_５が
１相の交流信号によって共通に励磁されるが故に、その
電気的位相が同相であり、その振幅関数が磁気応答物質
４ａの繰り返しピッチの１ピッチｐに相当する変位量を
１サイクルとして周期的にそれぞれ変化する。

【００１０】４つの２次コイルＳＷ_１〜ＳＷ_４は、磁気
応答物質４ａの繰り返しピッチの１ピッチｐの範囲内に
おいて所定の間隔で配置され、各２次コイルＳＷ_１〜Ｓ
Ｗ_４に生じる誘導出力交流信号の振幅関数が、所望の特
性を示すように設定される。例えば、レゾルバタイプの
位置検出装置として構成する場合は、各２次コイルＳＷ
_１〜ＳＷ_４に生じる誘導出力交流信号の振幅関数が、サ
イン関数、コサイン関数、マイナス・サイン関数、マイ
ナス・コサイン関数、にそれぞれ相当するように設定す
る。例えば図２に示されるように、１ピッチｐの範囲を
４分割し、ｐ／４づつずれた各分割位置に配列する。こ
れにより、各２次コイルＳＷ_１〜ＳＷ_４に生じる誘導出
力交流信号の振幅関数が、サイン関数、コサイン関数、
マイナス・サイン関数、マイナス・コサイン関数、にそ
れぞれ相当するように設定することができる。勿論、種
々の条件によって、各コイルの配置は微妙に変わり得る
ので、希望の関数特性が得られるように各コイル配置を
適宜調整したり、あるいは２次出力レベルを電気的増幅
によって調整して、希望の振幅関数特性が最終的に得ら
れるようにする。

【００１１】例えば、２次コイルＳＷ_１の出力がサイン
関数（図でｓを付記する）に対応するとすると、これに
対してｐ／２だけずれて配置された２次コイルＳＷ_３の
出力はマイナス・サイン関数（図で／ｓ（ｓバー）を付
記する）に対応し、この両者の出力を差動的に合成する
ことによりサイン関数の振幅関数を持つ第１の出力交流
信号が得られる。また、サイン関数出力に対応する２次
コイルＳＷ_１からｐ／４ずれて配置された２次コイルＳ
Ｗ_２の出力はコサイン関数（図でｃを付記する）に対応
し、これに対してｐ／２だけずれて配置された２次コイ
ルＳＷ_４の出力はマイナス・コサイン関数（図で／ｃ
（ｃバー）を付記する）に対応し、この両者の出力を差
動的に合成することによりコサイン関数の振幅関数を持
つ第２の出力交流信号が得られる。なお、明細書中で
は、表記の都合上、反転を示すバー記号は「／（スラッ
シュ）」で記載するが、これは、図中のバー記号に対応
している。

【００１２】図３はセンサヘッド５のコイルの回路図で
あり、１次コイルＰＷ_１〜ＰＷ_５には共通の励磁交流信
号（説明の便宜上、ｓｉｎωｔで示す）が印加される。
この１次コイルＰＷ_１〜ＰＷ_５の励磁に応じて、検出対
象位置に応じた振幅値を持つ交流信号が各２次コイルＳ
Ｗ_１〜ＳＷ_４に誘導される。夫々の誘導電圧レベルは検
出対象位置ｘに対応して２相の関数特性ｓｉｎθ，ｃｏ
ｓθ及びその逆相の関数特性−ｓｉｎθ，−ｃｏｓθを
示す。すなわち、各２次コイルＳＷ_１〜ＳＷ_４誘導出力
信号は、検出対象直線位置ｘに対応して２相の関数特性
ｓｉｎθ，ｃｏｓθ及びその逆相の関数特性−ｓｉｎ
θ，−ｃｏｓθで振幅変調された状態で夫々出力され
る。なお、θはｘに比例しており、例えば、θ＝２π
（ｘ／ｐ）のような関係である。説明の便宜上、コイル
の巻数等、その他の条件に従う係数は省略し、２次コイ
ルＳＷ_１をサイン相として、その出力信号を「ｓｉｎθ
・ｓｉｎωｔ」で示し、２次コイルＳＷ_２をコサイン相
として、その出力信号を「ｃｏｓθ・ｓｉｎωｔ」で示
す。また、２次コイルＳＷ_３をマイナス・サイン相とし
て、その出力信号を「−ｓｉｎθ・ｓｉｎωｔ」で示
し、２次コイルＳＷ_４をマイナス・コサイン相として、
その出力信号を「−ｃｏｓθ・ｓｉｎωｔ」で示す。サ
イン相とマイナス・サイン相の誘導出力を差動的に合成
することによりサイン関数の振幅関数を持つ第１の出力
交流信号（２ｓｉｎθ・ｓｉｎωｔ）が得られる。ま
た、コサイン相とマイナス・コサイン相の誘導出力を差
動的に合成することによりコサイン関数の振幅関数を持
つ第２の出力交流信号（２ｃｏｓθ・ｓｉｎωｔ）が得
られる。なお、表現の簡略化のために、係数「２」を省
略して、以下では、第１の出力交流信号を「ｓｉｎθ・
ｓｉｎωｔ」で表わし、第２の出力交流信号を「ｃｏｓ
θ・ｓｉｎωｔ」で表わす。

【００１３】こうして、検出対象位置ｘに対応する第１
の関数値ｓｉｎθを振幅値として持つ第１の出力交流信
号Ａ＝ｓｉｎθ・ｓｉｎωｔと、同じ検出対象直線位置
ｘに対応する第２の関数値ｃｏｓθを振幅値として持つ
第２の出力交流信号Ｂ＝ｃｏｓθ・ｓｉｎωｔとが出力
される。このようなコイル構成によれば、回転型位置検
出装置である従来知られたレゾルバにおいて得られるの
と同様の、同相交流であって２相の振幅関数を持つ２つ
の出力交流信号（サイン出力とコサイン出力）を直線位
置検出装置において得ることができることが理解でき
る。従って、本発明の直線位置検出装置において得られ
る２相の出力交流信号（Ａ＝ｓｉｎθ・ｓｉｎωｔとＢ
＝ｃｏｓθ・ｓｉｎωｔ）は、従来知られたレゾルバの
出力と同様の使い方をすることができる。

【００１４】例えば、サイン及びコサイン関数特性の振
幅を持つ各出力交流信号ｓｉｎθｓｉｎωｔ及びｃｏｓ
θｓｉｎωｔにおける振幅関数ｓｉｎθ及びｃｏｓθの
位相成分θを、位相検出回路（若しくは振幅位相変換手
段）で計測することで、検出対象位置をアブソリュート
で検出することができる。この位相検出回路（若しくは
振幅位相変換手段）としては、例えば特開平９−１２６
８０９号公報に示された技術を用いて構成するとよい。
例えば、第１の出力交流信号ｓｉｎθｓｉｎωｔを電気
的に９０度シフトすることで、交流信号ｓｉｎθｃｏｓ
ωｔを生成し、これと第２の出力交流信号ｃｏｓθｓｉ
ｎωｔを加減算合成することで、ｓｉｎ（ωｔ＋θ）お
よびｓｉｎ（ωｔ−θ）なる、θに応じて進相および遅
相方向に位相シフトされた２つの交流信号（位相成分θ
を交流位相ずれに変換した信号）を生成し、その位相θ
を測定することで、１ピッチｐに対応する変位量を０度
〜３６０度の範囲に相当する位相量に換算して、センサ
ロッド４の位置をアブソリュートで検出することができ
る。あるいは、公知のレゾルバ出力を処理するために使
用されるＲ−Ｄコンバータを、この位相検出回路として
使用するようにしてもよい。なお、センサロッド４の位
置をアブソリュートで検出することができるのは１ピッ
チｐに対応する範囲内での変位量に限られるが、１ピッ
チｐに対応する範囲を越えてセンサロッド４が変位する
場合は、例えば桁上げカウントを行うことで１ピッチｐ
を越える変量の検出データも得ることができる。こうし
て、回転軸１の回動角度が、センサロッド４の１ピッチ
ｐ分の変位量を０度〜３６０度の範囲に相当する位相量
に換算して、検出されることになり、高分解能での角度
位置検出が行える。

【００１５】図４は、図１の例とは逆に、センサロッド
４をフレーム２に固定し、回転軸１に取り付けられたヘ
ッド固定具６’を介してセンサヘッド５を回転軸１に従
って回動するように構成した実施例を示す。すなわち、
フレーム２に軸受けされた回転軸１が回動すると、ヘッ
ド固定具６’がこれに伴って回動し、該ヘッド固定具
６’の先端に配置固定されたセンサヘッド５が、回転軸
１を中心にする所定の半径で、円弧を描くように回動す
る。図４の例においても、図２と同様に、センサロッド
４において磁気応答物質４ａの繰返しパターンが設けら
れており、センサヘッド５には１次コイルＰＷ_１〜ＰＷ
_５と２次コイルＳＷ_１〜ＳＷ_４が設けられ、図３と同様
な回路構成を採用してよく、その角度検出動作は図１〜
図３の実施例で説明したものと同様である。

【００１６】モータの回動角度を検出するために本発明
に係る角度検出装置を使用する場合は、回転軸１は検出
対象たるモータの回転軸に相当するか若しくは該モータ
回転軸に適宜結合される。例えば、２軸（２次元）又は
ジンバル機構において、各軸を所定角度範囲内でモータ
駆動する場合に、該各軸のモータ回動角度検出のために
本発明に係る角度検出装置を使用することができる。そ
の場合、Ｘ軸の角度検出については図１に示すようなセ
ンサロッド４の方が回転軸に連動する検出装置を使用し
て行い、Ｙ軸の角度検出については図４に示すようなセ
ンサヘッド５の方が回転軸に連動する検出装置を使用す
る、というように検出対象軸の機構的配置を考慮して、
それに適した構造の検出装置を採用するとよい。

【００１７】勿論、本発明は、モータ回転軸のような能
動的な駆動軸の回動角度検出に限らず、その他の回動軸
の角度検出に使用することができる。例えば、傾斜検出
に本発明装置を適用する場合は、回転軸１に適宜の振り
子又は錘を取り付けて、該振り子又は錘を重力指向さ
せ、回転軸１はそれに伴い自由回転させるようにすれば
よい。

【００１８】上記各実施例において、磁気応答物質４ａ
の構成は、鉄のような磁性体に限らず、銅のような良導
電体を用いてもよいことは前述した通りである。また、
磁性体又は導電体の一方に限らず、両方を逆特性でハイ
ブリッドに組み合わせたものであってもよい。また、磁
気応答物質４ａとして永久磁石を含むものを使用し、セ
ンサヘッド５の各コイルには鉄心コアを含むようにして
もよい。その場合は、センサロッド４の相対的変位に応
じて磁気応答物質４ａたる永久磁石が、いずれかのコイ
ルに接近するとその近接箇所に対応する鉄心コアが部分
的に磁気飽和ないし過飽和状態となり、２次コイルへの
誘導電圧が低下し、上述と同様又は類似の角度検出動作
を行わせることができる。また、センサヘッド５に設け
るコイルの数は、上記実施例に示したものに限らず、適
宜に変更してよい。例えば、出力交流信号における振幅
関数の位相θの変化範囲として、３６０度フルにとらず
に、９０度程度あるいは１８０度程度の範囲でよい場合
は、２又は３個のコイルでも済ますことができる。更
に、変形例として、公知の位相シフト型位置検出原理に
従う検出装置のように、２相交流信号（例えばｓｉｎω
ｔとｃｏｓωｔ）を用いて複数相でコイルを励磁し、検
出対象位置に対応する位相角θだけ位相シフトした出力
交流信号（例えばｓｉｎ（ωｔ＋θ））を得るようにす
ることも可能である。更に、センサヘッド５のコイル
は、１次コイルと２次コイルからなるものに限らず、１
次コイルのみとしてもよい。その場合は、所定交流信号
で励磁したコイルへの磁気応答物質４ａの近接若しくは
侵入に応じて、該コイルの自己インダクタンスが変化
し、これに応じて該コイルの両端間電圧が漸増または漸
減変化し、これに基づき位置（角度）検出信号を生成す
ることができる。

【００１９】

【発明の効果】以上のとおり、この発明によれば、回転
軸の回動に応じて、センサロッドの円弧に沿う該ロッド
のセンサヘッドに対する相対的な直線位置に対応する出
力信号がコイルから得られ、これが、該回転軸の限られ
た角度範囲での回動角度を示すこととなり、１回転未満
の限られた角度範囲での角度を高分解能で検出すること
ができると共に、シンプルな構造である、という優れた
効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）は本発明に係る角度検出装置の一実施
例を示す斜視図、（ｂ）はセンサロッドの取付け部分を
示す断面略図。

【図２】図１のセンサロッドにおける磁気応答物質の
配置パターン例と、センサヘッドにおけるコイルの構成
例とを示す側面断面略図。

【図３】図１のセンサヘッドにおけるコイルの回路
図。

【図４】本発明に係る角度検出装置の他の実施例を示
す斜視図。

【符号の説明】

１回転軸２フレーム３ロッド固定金具４センサロッド５センサヘッド６ヘッド固定具ＰＷ_１〜ＰＷ_５１次コイルＳＷ_１〜ＳＷ_４２次コイル

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 2F063 AA35 CA29 CA34 GA04 GA15 GA22 GA33 LA01 LA03 LA30 2F077 AA42 AA49 FF04 FF13 FF16 FF25 FF26 FF28 FF34 NN06 TT04 TT38 TT52 TT82

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】回転軸に対して所定の半径で円弧を描く
ように配置されてなり、かつ所定の配置で磁気応答物質
を設けてなる円弧状のセンサロッドと、前記回転軸に対して所定の半径で円弧を描くように配置
されてなり、かつ前記センサロッドに近接して配置され
たコイルを有するセンサヘッドとを具備し、前記センサ
ロッドとセンサヘッドの一方を前記回転軸の回動に連動
して円弧状の動きをするように取付け、他方を所定位置
に固定してなり、前記センサロッドの前記センサヘッド
に対する相対的位置に応じて前記磁気応答物質の前記コ
イルに対する相対的位置が定まり、これに応じた出力を
前記コイルより生成し、前記センサロッドの円弧長に対
応する限られた角度範囲での回動角度検出を行うことを
特徴とする角度検出装置。