【手続補正書】
【提出日】平成15年12月12日(2003.12.12)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の名称】回転角変換器
【特許請求の範囲】
【請求項１】同軸に支持された相対的に回転するコイルを具備して一方のコイルを固定すると共に他方のコイルに回転入力し、コイルの内の何れか一方を交流励磁電圧により励磁して他方から信号出力を得る回転角変換器において、
信号出力取出用のコイルを直角に交差して相互に固定される２個のクロスコイルとし、
クロスコイルの一方の出力を微分する微分回路を具備し、
微分回路の出力およびクロスコイルの他方の出力を入力する差動増幅器を具備し、
差動増幅器の出力と交流励磁電圧とを入力して両者の位相差を検出する位相差測定回路を具備することを特徴とする回転角変換器。
【請求項２】請求項１に記載される回転角変換器において、
位相差測定回路は、差動増幅器から出力される信号電圧と、交流励磁電圧とを入力するＮＯＲ回路により構成されるＲＳ-ＦＦ により構成される位相差電圧変換回路であることを特徴とする回転角変換器。
【請求項３】請求項１に記載される回転角変換器において、
位相差測定回路は、差動増幅器から出力される信号電圧の分周出力と、交流励磁電圧の分周出力とを入力するＮＡＮＤ回路により構成される位相差電圧変換回路であることを特徴とする回転角変換器。
【請求項４】請求項１に記載される回転角変換器において、
位相差測定回路は、差動増幅器から出力される信号電圧と交流励磁電圧とをマイクロプロセッサに入力し、両入力の位相差を知るようにしたものであることを特徴とする回転角変換器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明は、工業計測等において、機械的な回転角を電気的に検出測定するための回転角変換器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種の回転角変換器の先行例を図９を参照して説明する。
図９において、１は一方のコイルである外側コイルであり、基台５に取り付け固定されている。２は他方のコイルである内側コイルであり、コイル１の内側に配置されている。３は回転軸であり、コイル１およびコイル２を共通に軸支するものである。コイル２には図示されない駆動装置が具備され、これを手動により或は被測定物により駆動することにより回転軸３を軸として回転駆動される。基台５に取り付け固定されるコイル１は導線４を介して図示されない交流電源により交流励磁され、交流磁界を発生する。コイル１に交流電圧を印加して交流磁界を発生すると、磁界と交差するコイル２には誘導起電力が発生する。コイル２に発生する誘導起電力はコイルを横切る磁束に比例する。そして、この磁束は磁界の方向とコイルの中心軸のなす角度差により変化し、誘導起電力の振幅と正逆位相もこの角度差θにより変化する。この様にして、コイル２に誘起した誘導起電力の電圧の振幅と位相を測定することにより固定コイル１に対する回転コイル２の回転角度を知ることができる。
【０００３】
外側コイル１に対して内側コイル２がそれぞれの中心軸が直角に交差する配置としている場合、誘導起電力は０となり、出力電圧の振幅は０となる。この状態を外側コイル１に対する内側コイル２の回転角度θが０゜である基準状態として一方のコイルを反時計方向に回転させる場合を正と定義し、時計方向に回転させる場合を負と定義すると、出力電圧の位相により回転角度θの方向の正負を判定することができる。この正負の判定は、外側コイル１に印加される交流電圧で内側コイル２の出力電圧を同期整流することにより、正負の符号付きの直流電圧を得ることによりなされる。
【０００４】
図１０を参照して他の先行例について説明すると、外側コイル１の長さを内側コイル２の回転軸３と直交する幅方向の寸法と比較して充分長く構成している。外側コイル１の長さを内側コイル２の回転軸３と直交する幅方向の寸法より充分長くすることにより、外側コイル１の内部の内側コイル２近傍の磁界は均一となる。従って、外側コイル１の内部において回転する内側コイル２と交差する磁束は、内側コイル２の外側コイル１に対する回転角度θの正弦sin θに比例し、内側コイル２に誘起される出力電圧の振幅も回転角度θの正弦sin θに比例することとなる。
【０００５】
更に他の先行例を図１１を参照して説明する。この先行例は、図１０の先行例の内側コイル２に角度９０゜で交差するコイル２ｂを相互に固定して具備せしめる。この様に角度９０゜で交差して相互に固定せしめられた内側コイル２と内側コイル２ｂは外側コイル１と相対的に回転する。
ここで、内側コイル２の中心軸が外側コイル１の中心軸と直角に交差した場合を回転角度０゜とする。内側コイル２ｂが内側コイル２に対して９０゜で交差して固定されていると、内側コイル２ｂの出力電圧は内側コイル２の出力電圧より９０゜位相の進んだ波形を示す。
【０００６】
内側コイル２が単独である図１０の先行例の場合は、測定することができる回転角度範囲は−９０゜〜＋９０゜、即ちスパン１８０゜の範囲内であった。これに対して、図１１に示される２個の内側コイルの場合は、内側コイル２および内側コイル２ｂ双方の出力電圧および位相に着目して演算処理することにより、−１８０゜〜＋１８０゜、即ちスパン３６０゜の回転角度範囲の測定をすることができる。
【０００７】
以上の回転角変換器は、極く簡単に無接触式の回転角変換器を構成することができ、出力電圧の振幅および位相から入力回転角を容易に知ることができる。そして、角度９０゜で交差して相互に固定される２個のコイルにより出力信号取出用のコイルを構成することにより、広範な回転角度の測定をする回転角変換器を構成することができる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
この発明は、上述した先行例を改良するものであり、先行例における励磁交流電圧および出力信号電圧の処理方法を改善することにより、更に簡単正確な回転角変換器を提供するものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
同軸に支持された相対的に回転するコイルを具備して一方のコイルを固定すると共に他方のコイルに回転入力し、コイルの内の何れか一方を交流励磁電圧により励磁して他方から信号出力を得る回転角変換器において、図２および図３に示すように信号取出用のコイルを直角に交差して相互に固定される２個のクロスコイルとし、クロスコイルの一方Ｘの出力を微分する微分回路５１を具備し、微分回路５１の出力およびクロスコイルの他方Ｙの出力を入力する差動増幅器５３を具備し、差動増幅器５３の出力と交流励磁電圧とを入力して両者の位相差を検出する位相差測定回路５６を具備する回転角変換器を構成した。
【００１０】
そして、位相差測定回路５６は、図４に示すように差動増幅器５３から出力され波形整形回路５５により矩形波に変換された信号の立ち上がり端を検出する微分回路５８Ｒ、交流励磁電圧が波形整形回路５７により矩形波に変換された波形の立ち上がり端を検出する微分回路５８Ｓ、およびこれらを入力するＮＯＲ回路で構成されるＲＳ-ＦＦ ５９Ｆにより構成される位相差電圧変換回路である回転角変換器を構成した。
【００１１】
また、位相差測定回路５６は、図６に示すように差動増幅器５３から出力され波形整形回路５５により矩形波に変換された矩形波パルス列を分周する分周器５８Ａ、交流励磁電圧の波形整形回路５７により矩形波に変換された矩形波パルス列を分周する分周器５８Ｂ、および両分周器の出力を入力するＮＡＮＤ回路５９Ｎにより構成される位相差電圧変換回路である回転角変換器を構成した。
【００１２】
更に、位相差測定回路５６は、図８に示すように差動増幅器５３から出力され波形整形回路５５により矩形波に変換された矩形波パルス列と交流励磁電圧が波形整形回路５７により矩形波に変換された矩形波パルス列とをＣＰＵを有するマイクロプロセッサに入力し、マイクロプロセッサに接続したタイマにより両入力の位相差に対応する時間差を直接に演算処理するものである回転角変換器を構成した。
【００１３】
【発明の実施の形態】
この発明の実施の形態を図１および図２を参照して説明する。図１はこの発明の回転角変換器の検出部の一例を説明する図であり、（ａ）は上から視たところを示す図、（ｂ）は（ａ）の一部断面側面図である。図２は内側コイルおよび外側コイルの配置および接続を説明する図である。
【００１４】
１は絶縁材料の角柱より成る回転角変換器本体であり、この本体１の中心部には軸方向に円孔１１が貫通穿設されている。この本体１のＸ−Ｘ’方向の側面には外側コイル１０を構成するクロスコイルＸ1 のボビン２１およびクロスコイルＸ2 のボビン２２が取り付けられると共にＹ−Ｙ’方向の側面にはクロスコイルＹ1 のボビン３１およびクロスコイルＹ2 のボビン３２が取り付けられている。２０は内側コイルを示し、ボビン４とこれに巻回された励磁コイルＺより成る。この励磁コイルＺは、コイル中心軸をシャフトＳと直交した状態にしてシャフトＳに固定され、本体１の中心部に貫通穿設される円孔１１内に配置されている。この場合、シャフトＳはクロスコイルＸ1 Ｘ2 の中心軸およびクロスコイルＹ1 Ｙ2 の中心軸に対しても直交している。
【００１５】
以上の通り、外側コイル１０はコイル中心軸を一定の角度９０゜で交差して相互に固定されるクロスコイルＸ1 Ｘ2 およびクロスコイルＹ1 Ｙ2 により構成され、励磁コイルＺは内側コイル２０として外側のクロスコイルＸＹ内に収容されている。
図１（ｂ）を参照するに、これは励磁電圧の非接触供給方式を示すもので、４１は回転トランス４０を構成する一方のコアであり、４２は回転トランス４０を構成する他方のコアである。ボビン４とこれに巻回された励磁コイルＺより成る内側コイル２０とコア４２はシャフトＳに固定されており、コア４２と励磁コイルＺとは相対的に回転することができずにシャフトＳと一体に回転する。励磁コイルＺはコア４２に巻回される２次コイルに接続している。他方のコア４１は図示されない基台に取り付け固定されている。即ちこの回転トランス４０は、一方のコア４１と他方のコア４２とが磁気結合状態で互いに接近して相対的に回転する位置関係を有し、コア４１に巻回される１次コイルとコア４２に巻回される２次コイルとが電磁的に結合しており、コア４１に巻回される１次コイルを励磁することによりコア４２に巻回される２次コイルに２次電流を誘起せしめるものである。コア４２の２次コイルに誘起した２次電流がこれに接続される励磁コイルＺに流通し、励磁コイルＺは磁束を発生する。
【００１６】
ここで、内側コイル２０の中心軸とクロスコイルＸ1 Ｘ2 の中心軸とが直交した状態にある時の内側コイル２０の回転角度を０゜とすると、この時のクロスコイルＸ1 Ｘ2 には励磁コイルＺの発生する磁束は交差せず、従ってクロスコイルＸ1 Ｘ2 の出力電圧は０である。そして、クロスコイルＹ1 Ｙ2 はクロスコイルＸ1 Ｘ2 に対して９０゜ずれて固定されているので、この時のクロスコイルＹ1 Ｙ2 の出力電圧は最大である。
【００１７】
次に、図３を参照してこの発明の回転角変換器の回転角度を求める仕方について説明する。
図３において、微分回路５１はクロスコイルＸ1 Ｘ2 により検出される出力電圧を入力してこれを微分する回路である。この微分回路５１の出力は増幅回路５２により増幅され、差動増幅器５３の反転入力に入力される。これに対して、クロスコイルＹ1 Ｙ2 により検出される出力電圧は増幅回路５４により増幅された後、差動増幅器５３の非反転入力に入力される。差動増幅器５３において減算処理された増幅回路５２の出力と増幅回路５４の出力の間の減算結果は位相差測定回路５６に入力される。一方、内側コイル２０の励磁コイルＺを励磁する励磁電圧も位相差測定回路５６に入力される。
【００１８】
ここで、先に説明した通り、内側コイル２０の中心軸がクロスコイルＸ1 Ｘ2 の中心軸と直交した状態にある時、即ち内側コイル２０の回転角度を０゜とした時のクロスコイルＸ1 Ｘ2 には励磁コイルＺの発生する磁束は交差せず、従ってクロスコイルＸ1 Ｘ2 の出力電圧は０であり、クロスコイルＹ1 Ｙ2 はクロスコイルＸ1 Ｘ2 に対して９０゜ずれて固定されているのでこの時のクロスコイルＹ1 Ｙ2 の出力電圧は最大である。ここで、この内側コイル２０の励磁コイルＺは回転トランス４０を介して
Ａｓｉｎωｔ・・・・・・・・・・・・・・・・・・（１）
という交流電圧により励磁され、角速度ωの正弦波磁界を発生するものとする。
【００１９】
この場合、内側コイル２０がθ゜の回転角度を維持しているものとすると、クロスコイルＸ1 Ｘ2 により検出される出力電圧は、
Ｂｓｉｎωｔ・ｓｉｎθ
である。この出力電圧は微分回路５１において微分され、
Ｂωｃｏｓωｔ・ｓｉｎθ・・・・・・・・・・・・（２）
となる。
【００２０】
クロスコイルＹ1 Ｙ2 により検出される出力電圧は、
Ｃｓｉｎωｔ・ｃｏｓθ・・・・・・・・・・・・・（３）
である。ただし、Ａ、Ｂ、Ｃは定数である。
ここで、増幅回路５２の増幅率および増幅回路５４の増幅率を式（２）の振幅Ｂωと式（３）の振幅Ｃとを等しくＢω＝Ｃに設定すると、式（２）および式（３）を差動増幅器５３に入力して得られる出力は、
Ｃ（ｓｉｎωｔ・ｃｏｓθ−ｃｏｓωｔ・ｓｉｎθ）
＝Ｃｓｉｎ（ωｔ−θ）・・・・・・・・・・・・・・・・・（４）
となる。この出力は内側コイル２０の励磁コイルＺに印加した交流電圧（１）と比較してθだけ位相が進んだ交流信号であり、式（４）と式（１）の出力を位相差測定回路５６に入力して内側コイル２０の回転角度θに比例した電圧出力を得ることができる。
【００２１】
以下、位相差測定回路５６の具体例について説明する。
図４を参照するに、この位相差測定回路５６は、差動増幅器５３の出力信号電圧を波形整形回路５５を介して波形整形して得られる矩形波信号パルス列の立ち上がり端を検出する微分回路５８Ｒ、励磁コイルＺに印加される交流電圧を波形整形回路５７を介して波形整形して得られる矩形波信号パルス列の立ち上がり端を検出する微分回路５８Ｓ、およびＮＯＲ回路５９Ｒで構成されるＲＳ-ＦＦ ５９Ｆにより構成した位相差電圧変換回路である。
【００２２】
この位相差電圧変換回路５６の入力ＲINおよびＳINおよび出力ＯＵＴのタイミングチャートは図５（ａ）に示される通りである。出力ＯＵＴは、図５（ｂ）に示される通り、３６０゜を周期として比例的に増大する。
図６を参照するに、位相差測定回路５６は、差動増幅器５３の出力信号電圧を波形整形回路５５を介して波形整形して得られる矩形波信号パルス列を分周する分周器５８Ａ、励磁コイルＺに印加される交流電圧を波形整形回路５７を介して波形整形して得られる矩形波信号パルス列を分周する１／２分周器５８Ｂ、およびＮＡＮＤ回路５９Ｎにより構成した位相差電圧変換回路である。ＮＡＮＤ回路５９Ｎには入力を１／２に分周して供給し、１回転３６０゜周期として出力が得られる構成としている。
【００２３】
この位相差測定回路５６の入力ＡINおよびＢINおよび出力ＯＵＴのタイミングチャートは図７（ａ）に示される通りである。出力ＯＵＴは、図７（ｂ）に示される通り、３６０゜に到るまで５０％から１００％まで比例して増大し、３６０゜を超えると比例的に減少する。
図８を参照するに、位相差測定回路５６は差動増幅器５３の出力信号電圧を波形整形回路５５を介して波形整形して得られる信号の矩形波パルス列と励磁コイルＺに印加される交流電圧を波形整形回路を５７を介して波形整形して得られる交流電圧の矩形波パルス列とをマイクロプロセッサ５９Ｃに入力し、マイクロプロセッサ５９Ｃに接続したタイマ５８Ｔにより両入力の位相差θを演算処理することにより知るものである。
【００２４】
これらの場合、図５および図７（ｂ）から容易に分かるとおり、入力回転角θが０゜以下或いは３６０゜以上になると出力電圧と入力回転角が１：１に対応せず問題が生ずる場合があるので、この恐れがあるときは機械的なストッパを設けておく。
【００２５】
【発明の効果】
以上の通りであって、この発明の回転角変換器は、同軸に支持された相対的に回転するコイルを具備して一方のコイルを固定すると共に他方のコイルに回転入力し、コイルの内の何れか一方を交流励磁電圧により励磁して他方から信号出力を得る回転角変換器において、信号出力取出用のコイルを角度９０゜で交差して相互に固定される２個のクロスコイルＸＹより成るコイル１０とし、クロスコイルの一方の出力を微分したものと他方の出力をそのまま差動増幅器に入力してその出力と励磁電圧の位相差に着目してスパン３６０゜に亘って回転角度に比例する出力を容易に得ることができる。
【００２６】
ここで、回転角変換器の位相差測定回路５６としては種々の構成のものが考えられるが、図４に示すように差動増幅器５３から出力される信号を矩形波変換し、その波形の立ち上がり端を検出する微分回路５８Ｒ、交流励磁電圧波形を矩形波変換し、その立ち上がり端を検出する微分回路５８Ｓ、およびＮＯＲ回路５９Ｒにより構成されるＲＳ-ＦＦ ５９Ｆにより構成される位相差電圧変換回路とし、或いは、図６に示すように差動増幅器５３から出力される信号の矩形波変換パルス列を分周する分周器５８Ａ、交流励磁電圧の矩形波変換パルス列を分周する分周器５８Ｂ、および両分周器の出力を入力するＮＡＮＤ回路５９Ｎにより構成される位相差電圧変換回路とし、或いは、図８に示すように差動増幅器５３から出力される信号の矩形波変換パルス列と交流励磁電圧の矩形波変換パルス列とをマイクロプロセッサ５９Ｃに入力し、マイクロプロセッサに接続したタイマ５８Ｔにより両入力の位相差に対応する時間差を直接に演算処理する等、種々の構成とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の構成要素の一部であるコイル部を説明する図。
【図２】この発明の構成要素の一部であるコイル配置および接続を説明する図。
【図３】この発明の全体構成を説明する図。
【図４】位相差測定回路の具体例を説明する図。
【図５】図４の回路のタイミングチャート。
【図６】位相差測定回路の他の実施例を説明する図。
【図７】図６の回路のタイミングチャート。
【図８】位相差測定回路の更なる他の具体例を説明する図。
【図９】先行例を説明する図。
【図１０】他の先行例を説明する図。
【図１１】更なる他の先行例を説明する図。
【符号の説明】
１  回転角変換器本体
４  ボビン
１１  円孔
１０  外側コイル
２０  内側コイル
２１  ボビン
２２  ボビン
３１  ボビン
３２  ボビン
４０  回転トランス
４１  コア
４２  コア
５０  交流励磁回路
５１  微分回路
５２  増幅回路
５３  差動増幅器
５４  増幅回路
５５  波形整形回路
５６  位相差測定回路
５７  波形整形回路
５８Ｒ  微分回路
５８Ｓ  微分回路
５８Ｔ  タイマ
５８Ａ  １／２分周器
５８Ｂ  １／２分周器
５９Ｃ  マイクロプロセッサ
５９Ｆ  ＲＳ-ＦＦ
５９Ｒ  ＮＯＲ回路
５９Ｎ  ＮＡＮＤ回路
Ｓ  シャフト
Ｘ1 クロスコイル
Ｘ2 クロスコイル
Ｙ1 クロスコイル
Ｙ2 クロスコイル
Ｚ  励磁コイル


【手続補正２】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図４】
1998185509.tif 000001
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図６】
1998185509.tif 000002
【手続補正４】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図８】
1998185509.tif 000003