(57)【要約】【課題】圧電素子を用いた高精度な回転センサ及びこれを用いた回転角度検出方法を提供する。【解決手段】回転体３と、自由端側が回転する回転体３の外周３３と連続的に接触する可撓性の片持梁部４と、を備えた回転センサ１において、回転体３は、周方向にわたって、回転中心から外周３３までの距離が連続的に変化するよう構成され、片持梁部４は、圧電素子を有し、回転体３の回転角度に応じて撓み量が変化する。【選択図】図１
2020091266.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転体と、
自由端側が回転する前記回転体の外周と連続的に接触する可撓性の片持梁部と、を備え、
前記回転体は、周方向にわたって、回転中心から前記外周までの距離が連続的に変化するよう構成され、
前記片持梁部は、圧電素子を有し、前記回転体の回転角度に応じて撓み量が変化する回転センサ。
【請求項２】
前記回転体は、円の中心が回転軸に対して偏心した円板状に形成される請求項１に記載の回転センサ。
【請求項３】
前記片持梁部は、複数設けられ、
２つの前記片持梁部が前記回転中心について１８０度の間隔で配置された前記片持梁部の組を少なくとも１組含む請求項２に記載の回転センサ。
【請求項４】
前記片持梁部の前記組を少なくとも２組含む請求項３に記載の回転センサ。
【請求項５】
請求項４に記載の回転センサを用いた回転角度検出方法であって、
前記片持梁部の前記各組における前記各圧電素子で検出された電圧の差を少なくとも２組について求め、電圧の差の比に基づいて角度を算出する回転角度検出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電素子を用いた回転センサ及びこれを用いた回転角度検出方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
圧電素子を用いた回転センサとして、周期的に凹凸が設けられた回転板と、この回転板の回転に伴って先端部が該回転板の凹凸に係合、離脱することにより弾性変形し、ひずみを生じる弾性部材と、この弾性部材のひずみを生じる部分に設けられた圧電材料とを備えたエンコーダが提案されている（特許文献１）。特許文献１に記載のエンコーダでは、圧電材料の圧電効果による起電力に基づいて物体の移動量を測定するようにしている。
【０００３】
また、回転方向に向けて凹部と凸部とが交互に設けられた凹凸部を有する回転体と、ピエゾフィルムと、を有し、ピエゾフィルムの係合部は、回転体の回転に伴って、凹凸部と係脱可能で凸部により弾かれるように構成されているエンコーダも提案されている（特許文献２）。特許文献２に記載のエンコーダでは、ピエゾフィルムの係合部が凸部により弾かれることにより起電力（電圧）が発生し、この電圧により回転を検出している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平５−２０３４６１号公報
【特許文献２】特開２００９−２２２４６１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１及び２に記載の回転センサでは、圧電素子により周期的な凸部を検出しているため、凸部の周期以下の精度で角度を検出することができない。
【０００６】
本発明は、前記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、圧電素子を用いた高精度な回転センサ及びこれを用いた回転角度検出方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記目的を達成するため、本発明では、回転体と、自由端側が回転する前記回転体の外周と連続的に接触する可撓性の片持梁部と、を備え、前記回転体は、周方向にわたって、回転中心から前記外周までの距離が連続的に変化するよう構成され、前記片持梁部は、圧電素子を有し、前記回転体の回転角度に応じて撓み量が変化する回転センサが提供される。
【０００８】
この回転センサによれば、片持梁部の自由端側が常に回転体の外周と接触し、片持梁部の撓み量に応じた電荷が圧電素子に生じる。回転体の回転中心から外周までの距離は、周方向にわたって連続的に変化するので、圧電素子に生じた電荷に基づいて、回転体の角度を正確に検出することができる。
【０００９】
上記回転センサにおいて、前記回転体は、円の中心が回転軸に対して偏心した円板状に形成されてもよい。
【００１０】
上記回転センサにおいて、前記片持梁部は、複数設けられ、２つの前記片持梁部が前記回転中心について１８０度の間隔で配置された前記片持梁部の組を少なくとも１組含んでもよい。
【００１１】
上記回転センサにおいて、前記片持梁部の前記組を少なくとも２組含んでもよい。
【００１２】
また、本発明では、上記回転センサを用いた回転角度検出方法であって、前記片持梁部の前記各組における前記各圧電素子で検出された電圧の差を少なくとも２組について求め、電圧の差の比に基づいて角度を算出する回転角度検出方法が提供される。
【００１３】
この回転角度検出方法によれば、回転中心について１８０度の間隔で配置された片持梁部の組における各圧電素子で検出された電圧の差は、回転体の角度の三角関数によりあらわされる。そして、各組の電圧の差の比をとることにより、回転体の角度は電圧の振幅を含まない状態であらわされる。すなわち、回転角度の検出にあたり、空間的に一様な環境であれば、周辺環境の時間変化による影響を受けることはない。例えば、温度が変化して圧電定数が変化したり、片持梁部に環境に依存した撓み量の変化が発生したとしても、算出される回転角度に影響はない。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、圧電素子を用いて、回転体の回転角度を高精度に測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の一実施形態を示す回転センサの概略斜視説明図である。
【図２】回転センサの平面模式図である。
【図３】増幅回路の説明図である。
【図４】片持梁部のモデルを示す図である。
【図５】片持梁部の変形状態を示す図であって、（ａ）はθ＝０の状態を示し、（ｂ）はθ＞０の状態を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
図１から５は本発明の一実施形態を示すものであり、図１は回転センサの概略説明図、回転センサの平面模式図、増幅回路の説明図、片持梁部のモデルを示す図、図５は片持梁部の変形状態を示す図である。
【００１７】
図１に示すように、回転センサ１は、回転軸２と、回転軸２に固定された回転体３と、自由端側が回転体３の外周と連続的に接触する可撓性の片持梁部４と、を備えている。片持梁部４は圧電素子４４を有しており、この回転センサ１は、片持梁部４の撓み量に応じて発生する圧電素子４４の電荷に基づいて回転体３の回転量を検出する。
【００１８】
本実施形態においては、回転体３は、円板状に形成される。図２に示すように、回転体３の回転中心３１は、回転体３の円の中心３２から距離λだけ偏心している。これにより、回転体３は、周方向にわたって、回転中心３１から外周３３までの距離が連続的に変化する。
【００１９】
片持梁部４は、固定端側が図示しない固定部に固定され、自由端側が回転体３の外周３３と接触する。図１に示すように、本実施形態においては、片持梁部４は、固定端から自由端まで延びる板状部４１と、板状部４１の自由端側に設けられる接触部４２と、を有する。板状部４１は、長手方向にわたって、弾性体からなる本体４３と、圧電素子４４と、の２層に形成される（図４参照）。接触部４２は、板状部４１の回転体３側の面に半球状に形成される。片持梁部４は、回転体３がどのような回転角度であっても、常に板状部４１が撓み、接触部４２が回転体３に押し付けられた状態となっている、本実施形態においては、片持梁部４は、９０度間隔で４つ設けられる。
【００２０】
図３に示すように、各片持梁部４の圧電素子４４は、増幅回路５に接続されている。本実施形態においては、電荷増幅回路５は、圧電素子４４の各電極に反転入力端子及び非反転入力端子が接続されるオペアンプ５１と、オペアンプ５１の反転入力端子及び出力端子とそれぞれ並列に接続されるコンデンサ５２及び抵抗５３と、を有し、オペアンプ５１の非反転入力端子が接地されている。尚、増幅回路５は図示しない制御部に接続され、制御部は増幅回路５にて検出された出力電圧に基づいて回転体３の回転角度を算出する。本実施形態においては、制御部は、回転中心３１について１８０度の間隔で配置されている片持梁部４における各圧電素子４４の電圧差をそれぞれ求め、電圧差の比に基づいて角度を算出する。
【００２１】
以上のように構成された回転センサ１によれば、片持梁部４の接触部４２が常に回転体３の外周３３と接触し、片持梁部４の撓み量に応じた電荷が圧電素子４４に生じる。回転体３の回転中心から外周までの距離は、周方向にわたって連続的に変化するので、圧電素子４４に生じた電荷に基づいて、回転体３の角度を正確に検出することができる。従って、圧電材料を含む弾性部材を回転板の凹凸に係合、離脱させる従来のエンコーダのように、回転角度の検出精度が凸部の周期に制限されるようなことはなく、回転体３の回転角度を高精度に測定することができる。ここで、本実施形態における片持梁部４の自由端の変位と圧電素子４４の発生電荷の関係について説明する。
【００２２】
本実施形態の片持梁部４のように、圧電素子４４が弾性体の本体４３に取り付けられた構造は一般にユニモルフと呼ばれる。ユニモルフにおいて、１方向に応力が生じたとき、応力Ｔ１に比例する電荷Ｑは、
2020091266.tif 000003
で与えられる。ここで、ｄ３１は圧電定数である。
尚、本実施形態においては、圧電素子４４自体に電圧は印加されず、圧電素子４４のヒステリシスを考慮する必要はない。
【００２３】
一般に図４に示すようなユニモルフの自由端変位νｌと電荷Ｑの関係は、Ａを定数として、
2020091266.tif 000004
となる。
式（２）は、圧電素子４４で生じる電荷Ｑと片持梁部４の自由端の変位νｌが線形の関係であることを示している。
【００２４】
次に、増幅回路５の出力電圧Ｖｏｕｔと、圧電素子４４で発生する電圧Ｖとの関係について説明する。増幅回路５の出力電圧Ｖｏｕｔと、圧電素子４４の電荷Ｑとの関係は、
2020091266.tif 000005
である。ここで、Ｒは抵抗５３の抵抗値、Ｃはコンデンサ５２の静電容量、ｓはラプラス演算子である。すなわち、増幅回路５の出力電圧Ｖｏｕｔと、圧電素子４４に発生する電荷Ｑとの関係は、
2020091266.tif 000006
となる。従って、圧電素子４４の電圧Ｖを、検出された出力電圧Ｖｏｕｔに対して補償演算を行うことにより静的感度を維持したまま求めることができる。そうすると、補償後の電圧Ｖは、
2020091266.tif 000007
であることから、式（２）を用いると、
2020091266.tif 000008
となる。従って、補償後の電圧Ｖと片持梁部４の自由端の変位νｌは線形の関係となる。
【００２５】
次に、回転体３の回転角度θと片持梁部４の自由端の変位νｌの関係について説明する。
図５（ａ）に示すように、回転体３の回転中心３１から接触部４２との接触点までの距離が最も小さいときの回転角度をθ＝０とする。このときの、片持梁部４の自由端の変位νｌは、片持梁部４の予圧変形量ηと等しくなる。片持梁部４の自由端の変位νｌは、回転体３の半径をρ、回転体３の中心から回転中心３２までの偏心量をλとすると、
2020091266.tif 000009
となる。尚、式（７）では、接触部４２の半径が偏心量λに対して十分に小さく、図５（ｂ）に示すように、回転体３と接触部４２の接触点のｘ座標が、回転体３の回転角度θによらず、常に回転体３の回転中心３１と等しいとしている。
【００２６】
各片持梁部４は、９０度の位相差で取り付けられ、全ての片持梁部４で回転体３の回転中心３１から接触部４２との接触点までの距離が最も小さいときの予圧変形量がηとなっている。そうすると、４つの片持梁部４の電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４は、
2020091266.tif 000010
となる。式（８）から、回転中心３１について１８０度の間隔で配置された対角の片持梁部４の組における各圧電素子４４で検出された電圧差Ｖ１３，Ｖ２４は、
2020091266.tif 000011
となる。式（９）に示すように、回転中心３１について１８０度の間隔で配置された片持梁部４の組における各圧電素子４４の電圧差Ｖ１３，Ｖ２４は、角度θの三角関数によりあらわされる。各電圧差Ｖ１３，Ｖ２４の比をとると、
2020091266.tif 000012
となり、回転角度θが算出される。式（１０）は、回転体３の角度θが電圧の振幅を含まない状態であらわされ、電圧の振幅が角度θに影響を与えないことを意味している。すなわち、空間的に一様な環境であれば、周辺環境の時間変化による影響を受けることはない。例えば、温度が変化して圧電定数ｄが変化したり、片持梁部４に環境に依存した撓み量の変化が発生したとしても、算出される回転角度θに影響はない。
【００２７】
このように、本実施形態においては、圧電素子４４を利用して回転体３の回転角度を検出しているので、耐環境性に優れた回転センサ１を実現することができる。圧電素子４４は、高真空や強磁場の環境下で使用可能なことはもちろん、例えば、１０１９ｎ／ｃｍ２以下の中性子線量下での使用に耐えることができ、５ＭＧｙ／ｈ以上のγ線量率下で１年半の間動作した実績があり、圧電素子４４の高いキュリー点により３００度以上の高温環境でも使用することができる。従って、本実施形態の回転センサ１を、磁場閉じ込め方式の核融合炉に好適に用いることができる。核融合炉内の環境は、例えば、５×１０−４Ｐａの高真空、８Ｔｅｓｌａの強磁場、２ｋＧｙ／ｈのγ線量率、２．３×１０１7ｎ／ｃｍ２の中性子線量、２００度の高温となることが想定される。
【００２８】
また、本実施形態においては、増幅回路５が線間容量の影響を受けないため、増幅回路５を圧電素子４４から十分に離れた位置に設定可能である。すなわち、回転センサ１が核融合炉に用いられる場合、半導体を含む増幅回路５を炉から十分に離して配置することが可能であり、圧電素子４４の電圧の検出に支障をきたすことはない。
【００２９】
また、本実施形態では、圧電素子４４に電圧を印加する必要がないので、ヒステリシスを考慮する必要がない。さらに、回転体３と片持梁部４の接触に導電性が要求されないため、接触部分の材質、潤滑剤等の選定を自由に行うことができ、実用に際して有利である。
【００３０】
また、制御部は、各片持梁部４の圧電素子４４で得られる電圧に含まれる誤差の影響を減じるために、必要に応じて、出力電圧に対して誤差低減用のアルゴリズムを適用してもよい。誤差低減用のアルゴリズムとしては、例えば、カルマンフィルタのアルゴリズムを好適に適用することができる。
【００３１】
尚、前記実施形態においては、片持梁部４を４個設けたものを示したが、片持梁部４の個数は任意に変更可能である。ただし、回転中心３１について１８０度の間隔で配置された片持梁部４の組を少なくとも１組含むようにすると、この組の各圧電素子４４の電圧差を回転体３の角度θの三角関数の式であらわすことができる。また、このような片持梁部４の組を少なくとも２組含むようにすると、電圧差の比をとることにより、回転体３の角度θを電圧の振幅を含まない状態であらわすことができ好ましい。
【００３２】
また、前記実施形態においては、円板状の回転体３としたものを示したが、周方向にわたって回転中心から外周までの距離が連続的に変化するよう構成されていれば、回転体３の形状は任意である。例えば、回転体３を円筒状としてもよいし、回転体３を楕円板状としてもよい。
【００３３】
以上、本発明の実施の形態を説明したが、上記に記載した実施の形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施の形態の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない点に留意すべきである。
【符号の説明】
【００３４】
１  回転センサ
２  回転軸
３  回転体
４  片持梁部
３１  回転中心
３３  外周
４４  圧電素子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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