JPS6352067A

JPS6352067A - 回転計

Info

Publication number: JPS6352067A
Application number: JP19632486A
Authority: JP
Inventors: Michio Kudo; 工藤　道夫; Rinpei Hayashibe; 林部　林平; Hironari Komata; 小俣　宏成
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1986-08-21
Filing date: 1986-08-21
Publication date: 1988-03-05

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〕本発明はチャージアンプを利用した静電容量検出方式に
よる回転計に関する。

〔従来の技術〕

従来、各種機器における回転機能部の回転数を検出する
方式として、回転数をパルス化して処理するパルス変換
方式が広く用いられている。

この方式は回転軸に対し回転数に一致または比例した繰
り返し信号（パルス信号）を出力する回転数センサを利
用するもので、回転数センナとしては一般に回転軸とセ
ンサが機械的に接触している接触方式と、回転軸とセン
サが全（接触していない非接触方式に分かれ、後者の場
合には電磁形、光電形、静電形等が知られている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかし、従来のパルス変換方式は単に回転数に一致また
は比例したパルス信号を得、このパルス数を計数するこ
とによって回転数を末位しているため、回転方向や位相
（回転角度）等の他の要素については検出できない難点
がある。

また、回転数センサの原理に着目すると、電磁形や光電
形はセンサ自身が大きくなり、小型化を要求される機器
には付設できない問題がある。一方、静電形は比較的狭
いスペース等であっても原理的には付設可能である。し
かし、センサを小型化すると、それに伴って検出静電容
量も小さくなるため、検出精度が低下し誤動作し易い等
の信頼性低下を沼く問題がある。

さらにまた、いずれのセンサも高速応答性の面からは不
十分であり、特に回転数が大きくなった場合には検出不
能になる問題があった。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は上述した従来技術に存在する諸問題を解決した
小型、高精度且つ高応答、しかも回転方向等の回転数以
外の情報も容易に検出できる回転計の提供を目的とする
もので、以下に示す回転計によって達成される。

即ち、本発明に係る回転計（１）の特徴は、一対の電極
板（２ａ）、（２ｂ）、または各電極板（２ａ）、（２
ｂ）に挟まれる誘電体板（２ｃ）の一方を被測定用回転
軸（３）に設けるとともに、当該回転軸（３）の回転に
より電極板間静電容量が一周期の中心に対し時間軸方向
へ非対称変化するように電極板（２ａ）、（２ｂ）、ま
たは誘電体板（２ｃ）の形状を設定したセンサ部（２）
と、当該静電容量の変化を計測するチャージアンプ（４
）を用いた静電容量検出部（５）と、当該静電容量検出
部（５）からの静電容量変化に対応した検出信号を処理
して当該回転軸（３）の回転数、回転方向等の回転情報
を得る信号処理部（６）とを備えた点にある。

〔作　　用〕

次に、本発明の作用について説明する。

本発明に係る回転計（１）はセンサ部（２）を一対の電
極板（２ａ）、（２ｂ）、及び誘電体板（２ｃ）によっ
て可変コンデンサとして構成するため、被測定用回転軸
（３）の回転に伴って電極板間の静電容量が変化し、こ
の変化は第３図のような一周期の中心に対し時間軸方向
へ非対称となる。一方、静電容量検出部（５）は微小静
電容量も正確に計測できるチャージアンプ（４）を用い
て静電容量変化に対応した検出信号を得る。そして、信
号処理部（６）は静電容量の非対称変化の繰り返し回数
によって回転軸（４）の回転数を末鎖するとともに、非
対称変化の形によって回転方向を判別する。

〔実　施　例〕

以下には本発明に係る好適な実施例を図面に基づき詳細
に説明する。

第１図は本発明に係る回転計のブロック回路図、第２図
は同回転計におけるセンサ部の外観斜視図、第３図は同
センサ部における回転角度対静電容量変化を示す特性図
、第４図は同回転計における静電容量検出部の回路図、
第５図は同回転計における信号変換回路のブロック回路
図、第６図は同変換回路における信号のタイムチャート
図、第７図は同回転計における回転数検出回路及び回転
数表示部のブロック回路図、第８図は同検出回路におけ
る信号のタイムチャート図、第９図は回転方向検出回路
及び回転方向表示部の電気回路図である。

まず、第１図を参照して本回転計（１）の全体的構成に
ついて説明する。

（２）はセンサ部であり、それ自体は被測定用回転軸（
３）の回転に伴って静電容量が変化する可変コンデンサ
を構成する。また、センサ部（２）はチャージアンプ（
４）を利用した静電容量検出部（５）に接続する。この
検出部（５）は当該静電容量の大きさを検出し、この大
きさに比例した検出信号（Ｓｏ）を出力する。そして、
この検出信号（ＳＯ）は信号処理部（６）に供給される
。この処理部（６）は当該信号（Ｓｏ）をパルス化する
信号変換回路（１０）と、このパルス化されたパルス信
号（Ｓｌ）のパルスを計数して回転数を求める回転数検
出回路（１１）と、この回路（１１）で得た回転数を表
示する回転数表示部（１２）と、信号（Ｓｌ）における
パルスの形によって回転方向を判別する回転方向検出回
路（１３）と、この回路（１３）で得た回転方向を表示
する回転方向表示部（１４）からなる。

次に、各部の構成について具体的に説明する。

まず、第２図及び第３図を参照してセンサ部（２）の構
成及び機能について説明する。

センサ部（２）は機器等の被測定用回転軸（３）に直角
に取り付けた誘電体板（２ｃ）と、この誘電体板（２ｃ
）の両端面を挟む一対の電極板（２ａ）、（２ｂ）から
なる。

誘電体板（２ｃ）は回転軸（３）の回転角度位置が進む
に従ってラジアル方向の長さが順次大きくなる形状（渦
状曲線の一種）に形成する。これによって、電極板（２
ａ）と（２ｂ）間の静電容量（Ｃｘ）は−周期の中心に
対し時間軸方向へ非対称変化、つまり茅３図（ａ）のよ
うに回転軸（３）の回転角度（左へ等速回転）に対し鋸
刃状（非対称三角形）になる。なお、回転軸（３）が反
対方向（右方向）へ回転した場合には第３図（ｂ）のよ
うに静電容量変化も反対になる。

次に、第４図を参照して静電容量検出部（５）について
説明する。

この検出１ｉ！ＩＫ（５）はチャージアンプ（４）によ
って構成し、このようなチャージアンプ（４）を用いた
微小静電容量検出回路は既に本発明者によって提案され
ている（特願昭６０−２０３７９８号）。同アンプ（４
）において、（２０）はオペアンプで、このオペアンプ
（２０）の反転入力端子（２０ａ）に前記センサ部（２
）の一方の電極板（２ａ）を接続するとともに、他方の
電極板（２ｂ）に交流電源（２１）を直列接続する。こ
の場合、交流電源（２１）の電圧は（Ｅｉ）、周波数は
（ｆ）であり、後述する条件によって設定される。なお
、オペアンプ（２０）の非反転入力端子（２０ｂ）は接
地する。また、（２２）、（２３）は前記電極板（２ａ
）、（２ｂ）の接続端子を示す。

一方、反転入力端子（２０ａ）とオペアンプ（２０）の
出力端子（２０ｃ）間には標準静電容ｆｆｉ　（Ｃｆ）
を有するコンデンサと抵抗値（Ｒｒ）を有する負帰還抵
抗の並列回路を接続し、この（Ｃｒ）、（Ｒｆ）の大き
さも後述する条件によって設定する。なお、（Ｃ１）は
電源（２１）及びアンプ（２０）からセンナ部（２）へ
接続する接続導線間に直接結合した場合に存在する浮遊
容量、（Ｃ２）、（Ｃ３）はセンサ部（２）の静電容ｆ
ｆｉ　（Ｃｘ）の両端子における各端子と接地間に生じ
る浮遊容量をそれぞれ示すが、実用レベルでは無視でき
る。また、（２５）、（２６）は検出部（５）の出力端
子である。

よって、出力端子（２５）、（２６）には前記センサ部
（２）の静電容量（Ｃｘ）に正比例した出力電圧（Ｅｏ
）を得ることができる。

ここで、チャージアンプ（４）の回路定数は次の条件に
従って設定するすることが望ましい。

（ａ）　　　　ｒ　　≧　１０　ｋＨｚに設定する。

また、標準容量となる（ｃｒ）の値はＧｍａｘ　　　　　　　Ｇｍ１ｎの範囲に設定する。なお、Ｃｘｍｉｎ＝Ｃｘｍａｘは検
出する静電容量範囲、ＧｆｆＩｉｎ≧（読み取り可能な
出力電圧Ｅｏ／Ｅｉ）、Ｇ１１ａｘ≧（Ｃｘ／Ｃｒ）で
ある。

一方、（Ｒｆ）の値はに設定する。なお、Ａｏ：オペアンプ（−次特性）の直
流オーブン利得、Ｔｏ：オペアンプの実効時定数、ｅＯ
：目標とする測定相対誤差〔ｔ〕である。

さらに、（Ｃｆ）と（Ｒｆ）はＡ。

（ｄ）　　　　Ｃｒ−Ｒｆ＝　　− Ｔｏ（２πｒ）２を満足し、かつ上記（Ｃ）、（ｄ）双方の範囲内の（Ｃ
ｆ）、（Ｒｆ）の組み合わせを選択する。なお、この場
合、出力電圧が大きくなるように（ｃｒ）を最小値に設
定することが望ましい。

よって、以上の条件により入力端子（Ｅｉ）の周波数（
ｒ）をハム雑音周波数の４０ｄＢ以上、即ち１ＱｋＨｚ
以上に設定してハム雑音の除去を容易にしているととも
に、オペアンプ（２０）に接続する周辺回路の回路素子
、特に（ｃｒ）、（Ｒｆ）の値を有限な（Ａｏ）、（Ｔ
ｏ）の値を用いて最適に設定したため、被検出静電容量
である（ＣＸ）が時間とともに急峻に変動する場合であ
っても、極めて応答性がよく、高精度に検出でき、前記
センサ部（２）のような検出対象に用いて最適となる。

次に、第５図及び第６図を参照して信号変換回路（１０
）について説明する。

同回路（１０）は萌段からバイパスフィルタ（３０）、
アンプ（３１）、ディテクタ（３２）、コンデンサ（Ｃ
ｄ）、ローパスフィルタ（３３）、コンパレータ（３４
）を接続して構成する。なお、（３５）は前記静電容量
検出部（５）の出力電圧（Ｅｏ）が供給される入力端子
、（３６）は同回路（１０）の出力端子である。同回路
（１０）の動作は次のようになる。まず、前記出力電圧
（Ｅｏ）は、（Ｃｘ）の変動分を変調信号、また前記入
力信号（Ｅｉ）を搬送波とする第６図（Ｓｌ）に示す振
幅変調波となる。

よって、入力端子（３５）に供給される振幅変調波（Ｓ
ｌ）（出力電圧（Ｅｏ））はバイパスフィルタ（３０）
によりチャージアンプ（５）等の入力端で混入するハム
が除去され、さらにアンプ（３１）により必要な大きさ
に増幅される。そして、ディテクタ（３２）によって直
線検波され搬送波が除去されるとともに、コンデンサ（
Ｃｄ）によって直流分が除去され、さらにローパスフィ
ルタ（３３）を通して同図（Ｓｌ）に示す低周波信号、
つまり、前記静電容量（Ｃｘ）の大きさに比例した信号
となる。また、コンパレータ（３４）は定電圧上Ｖｒを
しきい値とするヒステリシス特性を有し、雑音に対しｚ
ｘｌｖｒｌの余裕度をもつ。よって、コンパレータ（３
４）の出力信号は同図（Ｓ３）のようにしきい値±Ｖｒ
によってオン−オフされるパルス信号となる。この場合
、出力信号（Ｓ３）は無パルス期間（ＴＩ）とパルス期
間（Ｔ２）の関係が（ＴＩ）　＞　（Ｔ２）となるため
時間軸上での負電圧の占める面積が正電圧のそれよりも
大きい。なお、逆回転の場合には（Ｔ２）　＞　（Ｔｌ
）となり、これにより、後述する回転方向が判別される
。

次に、第７図及び第８図を参照して回転数検出回路（１
１）及び回転数表示部（１２）について説明する。

検出回路（１１）の構成は、まず基準クロック発生回路
（４０）を備え、この回路（４０）の出力パルス信号は
デバイダ（４１）によって周期１秒のクロック信号（３
４Ｘ第８図）及び周期２秒のクロック信号（Ｓ５）　（
第８図）に分周される。そして、信号（Ｓ４）は直接に
、また信号（Ｓ５）は反転してＮＡＮＤＡＮＤ回路）に
供給され、その出力には第８図（Ｓ６）のラッチ信号を
得る。また、信号（Ｓ４）、（Ｓ５）はともに反転して
ＡＮＤ回路（４３）に供給され、その出力には同図（Ｓ
７）のリセット信号を得る。一方、（４４）はカウンタ
であり、前記ラッチ信号（Ｓ６）及びリセット信号（Ｓ
７）が入力する。他方、（４６）は前記信号変換回路（
ｌＯ）の出力信号（Ｓ３）が供給される入力端子であり
、ＡＮＤ回路（４５）の入力端に接続する。また、回路
（４５）の他の入力端にはパルス信号（Ｓ４）が供給さ
れるとともに、回路（４５）の出力端子はカウンタ（４
４）に接続する。よって、パルス信号（Ｓ５）は１秒間
のインターバルをもつため、この間で前記出力信号（Ｓ
３）のパルス数が計数され、回転数が求められる。この
回転数はカウンタ（４４）に接続した回転数表示部（１
２）に例えばディジタル表示される。なお、ラッチ信号
（Ｓ６）の立下がりでカウンタ（４４）の内容をラッチ
してＬＥＤ等に表示するとともに、ラッチ後のカウンタ
内容はリセット信号（Ｓ７）の立上がりで毎回クリアさ
れ、次の周期に備える。

次に、第９図を参照して回転方向識別回路（１３）及び
その表示部（１４）について説明する。

まず、回転方向識別回路（１３）は主に時定数τ０＝ｃ
ｏ−ＲＯを有するＯＲ回路（５０）、Ｆ　Ｅ　Ｔ　（５
１）、インバータ（５２）〜（５６）、Ｄ形フリップフ
ロップ（５７）、（５８）からなる。同回路（１３）に
おいて、入力端子（５９）には前記コンパレータ（３４
）の出力信号（Ｓ３）が供給され、ＯＲ回路（５０）の
時定数τ０に従って（Ｃｏ）が充電される。よって、Ｆ
　Ｅ　Ｔ　（５１）のゲートには回転方向に応じて正（
右回転）または負（左回転）となる電圧が付与され、Ｆ
　Ｅ　Ｔ　（５１）は回転方向に応じてオンまたはオフ
させられる。したがって、例えば左回転の場合にはフリ
ップフロップ（５７）、（５ｇ）のデータ入力端子（Ｄ
Ｉ）、（Ｄ２）がそれぞれ“１”、“０”となる。

また、フリップフロップ（５７）、（５８）のクロック
入力端子（ＣＬＩ）、（Ｃｌ３）には前記出力信号（Ｓ
３）の立上がり時に同期したパルス信号（Ｐｃ）が人力
する。この結集、パルス信号（Ｐｃ）に同期してフリッ
プフロップ（５７）、（５８）の出力（Ｑｌ）、（Ｑ２
）はそれぞれ“１°ご０”となり、回転方向表示部（１
４）を構成する発光ダイオード（６０）を点灯、発光ダ
イオード（６１）を消灯する。また、周期１秒のリセッ
ト用パルス信号（Ｐｒ）によってフリップフロップ（５
７）、（５８）を初期化する。なお、右回転の場合には
フリップフロップ（５７）、（５ｇ）の出力（Ｑｌ）、
（Ｑ２）がそれぞれ“０”、“ｌｏとなり、ダイオード
（６０）が消灯、ダイオード（６１）が点灯する。つま
り、回転方向を識別して表示することができる。なお、
回転していない場合にはフリップフロップ（５７）、（
５８）の入力端子（Ｄｌ）、（Ｄ２）のレベルは不定と
なるが、パルス信号（Ｐｃ）は入力せず、またパルス信
号（Ｐｒ）によりリセット動作のみ行われるので、フリ
ップフロップの出力端子（Ｑｌ）、（Ｑ２）は双方とも
“０”レベルとなり、発光ダイオード（６０）、（６１
）も双方とも消灯する。

このような回路構成によって本回転計（１）は直線性、
確度、データのバラツキの点で極めて良好な結果を得、
測定可能上限回転数は約５Ｘ　１０３ｒｐｓまで安定し
て計測できる。また、システムにＭＯ３ＦＥＴ素子を利
用し、回転軸（３）にローラを直結し、また電源として
電池を内蔵させれば小型のポータプルセンサとして構成
できる。

以上、実施例について説明したが、本発明はこのような
実施例に限定されるものではない。例えばセンサ部（２
）の構成は静電容量が非対称変化すればよく、電極板、
誘電体板の形状は任意である。また、信号処理部（６）
の回路も同機能を有する他の回路で置換できるとともに
、他に位相検出できる回路等を付加してもよい。さらに
また、本発明は名称を回転計としたが、任意物体の振動
数を測定できる振動計としても使用することができる。

この場合、センサ部（２）の形状を変更するのみでよい
。

その他、細部の構成、形状、配列、素材等において本発
明の要旨を逸脱しない範囲で任意に変更実施できる。

〔発明の効果〕

このように、本発明に係る回転計は静電容量検出方式の
センサ部を設けるとともに、その静電容量検出をチャー
ジアンプを用いた検出部で行うようにしたため、次のよ
うな著効を得る。

■応答性がきわめて高いため、時間的に変動する静電容
量も正確に計測でき、回転計にとっては回転数の検出可
能範囲を大幅に拡大することができるとともに、検出精
度も向上できる。

■複雑な静電容量変化も正確に検出できるため、回転数
のみならず、回転方向、位相等の他の情報も信号処理に
よって容易に検出でき、機能性に優れる。

■高精度のためセンサ部の小型化が容易に図れるため機
器への付設形の回転計とした場合にはせンサ部を小型機
器にも容易に付設でき、機器の小型化を図れるとともに
、一方、単独のポータプル形とした場合には回転計のコ
ンパクト化を図れ、小型軽量、低コスト化に資する。

【図面の簡単な説明】

第１図二本発明に係る回転計のブロック回路図、第２図
：同回転計におけるセンサ部の外観斜視図、第３図：同センサ部における回転角度対Ｐ％電電量量変
化示す特性図、第４図二同回転計における静電容量検出部の回路図、第５図：同回転計における信号変換回路のブロック回路
図、第６図：同変換回路における信号のタイムチャート図、第７図：同回転計における回転数検出回路及び回転数表
示部のブロック回路図、第８図：同検出回路における信号のタイムチャート図、第９図：回転方向検出回路及び回路方向表示部の電気回
路図、尚図面中、（１）二回転計　　　　　　（２）：センサ部（２ａ）
　、　（２ｂ）　：電極板　　　（３）：被測定用回転
軸（４）：チャージアンプ　　（５）：静電容量検出部
（６）：信号処理部

Claims

【特許請求の範囲】

一対の電極板または各電極板に挟まれる誘電体板の一方
を被測定用回転軸に設けるとともに、前記回転軸の回転
により電極板間静電容量が一周期の中心に対し時間軸方
向へ非対称変化するように前記電極板または誘電体板の
形状を設定したセンサ部と、前記静電容量の変化を計測
するチャージアンプを用いた静電容量検出部と、前記静
電容量検出部からの静電容量変化に対応した検出信号を
処理して前記回転軸の回転数、回転方向等の回転情報を
得る信号処理部とを備えたことを特徴とする回転計。