ＡＣサーボモータ制御システム用角度センサ
【課題】 交流サーボモータを採用して制御するシステムではなく、しかも簡単でコンパクトなリンク機構と２個の交流サーボモータを同期運転するように制御するシステムに利用できる角度センサが求められている。
【解決手段】 同心円電極を対向させ、その間を半円形のシールド用金属板の回転角度を検出するサンドイッチ構造の容量センサを製作し、一方の電極を２分割し、逆位相の信号を加えることで、一つの容量−電圧変換回路で差動構造とした容量変化形角度センサとするＡＣサーボモータ制御システム用角度センサ。
【解決手段】 同心円電極を対向させ、その間を半円形のシールド用金属板の回転角度を検出するサンドイッチ構造の容量センサを製作し、一方の電極を２分割し、逆位相の信号を加えることで、一つの容量−電圧変換回路で差動構造とした容量変化形角度センサとするＡＣサーボモータ制御システム用角度センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
近年、食品、薬品、雑貨等の各種粉粒、固形物、流動物の包装品の自動包装装置において、自動化技術の高速作動に交流サーボモータが多く用いられるようになってきた。交流サーボモータはコントローラが複雑となる欠点はあるが、制御が容易なパルスモータと比較して高速作動が可能で、同じく高速作動が可能であるブラシを有する直流サーボモータに比べ、メンテナンスが容易である。
市販の交流サーボモータのコントローラは、パルス幅変調を用いて必要なパルス数を送出することで速度制御やトルク制御を行っているが、汎用性を考慮して、数多くの機能を持っているため、非常に高価であるので、コストパフォーマンスに問題がある。
一般的に複雑な制御動作をするためには、多数のボールネジやカムなどの組み合わせによる機構と多数の交流サーボモータとが必要となるため、制御ラインへの導入にあたってはコストの問題は避けて通ることができない。
そこで、リンク等の機構と２個の交流サーボモータを同期運転させ、複雑な動作が可能で、コストパフォーマンスに優れた交流サーボモータ制御システムを開発した。
従来の２軸サーボモータ同期制御システムで使用したマイコンの同期運転時における割り込み処理時間の関係で、交流サーボモータ用制御パルスの漏れが発生し、システムに累積誤差が生じてしまい、その結果、長時間使用すると制御システムとしての機能が不能となった。この誤差を除去するためには、初期の設定した原点位置への復帰を定期的に行えば良いことになり、原点復帰を行うためには絶対位置検出用の角度センサが必要となってくる。
本発明は、リンク機構のスペースとコストパフォーマンスの問題から、電磁的な方法におけるインピーダンス変化法の中の一つである容量変化形センサを採用し、２つの固定電極板の間を接地した可動電極を配置した交流サーボモータ制御システム用角度センサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来技術としては、包装品長さに相当するピッチの光電管マークを有し且つ長手方向に供給される長尺な熱溶着性包装フィルムを成形シュートに導いて長手方向に沿って二つ折りにし両側縁部を合わせて該両側縁部を、光電管を含むピッチ制御手段によるピッチ制御を受ける変速手段を介して上記長手方向供給を行う竪方向熱溶着手段によって竪シールしてチューブ状包装フィルムを得、上記竪方向熱溶着手段の下流側に配置された横方向熱溶着手段によって順次横シールして行き、有底状態のチューブ状包装フィルム内に被包装物を充填してから封止し、包装フィルムの横方向熱溶着部を切断手段によって切断して包装品を製造して行く粉粒体等の自動包装機に使用されるもので上記竪方向熱溶着手段の長手方向供給速度を上記変速手段で制御して上記光電管マークを目標に上記横方向熱溶着手段による横シールを行う自動包装機用シール間隔自動調整装置において、上記ピッチ制御手段は、ロータリエンコーダーを備え、該ロータリエンコーダーに上記光電管から送られて来る光電管マークを捉えた信号を送って、該ロータリエンコーダーの基点に対する誤差をデジタルパルス制御量で求め、この誤差相当パルス制御量を基点から離れるに従って大きく設定して誤差を早くゼロに近付けると共に基点に近付くに従って小さく設定して微調整する制御信号を上記変速手段に送る自動包装機用シール間隔自動調整装置（例えば、特許文献１参照）が存在している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第２７６０７６４号公報（特許請求の範囲の欄、発明の詳細な説明の欄、及び図１〜図８を参照）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、前記従来技術である特許第２７６０７６４号公報で示されているものは、竪方向熱溶着手段の下流側に配置された横方向熱溶着手段によって順次横シールして行き、有底状態のチューブ状包装フィルム内に被包装物を充填してから封止し、包装フィルムの横方向熱溶着部を切断手段によって切断して包装品を製造して行く粉粒体の自動包装機に使用されるもので上記竪方向熱溶着手段の長手方向供給速度を変速手段で制御して上記光電管マークを目標に上記横方向熱溶着手段による横シールを行う自動包装機用シール間隔自動調整装置であり、交流サーボモータを採用して制御するシステムではなく、しかも簡単でコンパクトなリンク機構と２個の交流サーボモータを同期運転するように制御するシステムに利用できる角度センサが求められている。
本発明は、上記課題を解決したものであって、同心円電極を対向させ、その間を半円形のシールド用金属板の回転角度を検出するサンドイッチ構造の容量センサを製作し、一方の電極を２分割し、逆位相の信号を加えることで、一つの容量−電圧変換回路で差動構造とした容量変化形角度センサとするＡＣサーボモータ制御システム用角度センサを提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記の目的を達成することができる本発明の第１発明は、請求項１に記載された通りのＡＣサーボモータ制御システム用角度センサであり、次のようなものである。
同心円電極を対向させ、その間を半円形のシールド用金属板の回転角度を検出するサンドイッチ構造の容量センサを製作し、一方の電極を２分割し、逆位相の信号を加えることで、一つの容量−電圧変換回路で差動構造とした容量変化形角度センサとする構成である。
【０００６】
上記の目的を達成することができる本発明の第２発明は、請求項２に記載された通りのＡＣサーボモータ制御システム用角度センサであり、次のようなものである。
請求項１に記載された発明に加えて、前記容量センサの構造は、励振側の固定電極と、受信側の固定電極との電極面積の形状が異なるように２分割し、励振側固定電極には振幅が等しく位相の異なる信号が加えられ、電極面積の形状が異なる２つの箇所との励振側と受信側におけるそれぞれの容量変化を求めて、その差を検出できることを特徴とする容量センサを有する容量変化形角度センサにした構成である。
【０００７】
上記の目的を達成することができる本発明の第３発明は、請求項３に記載された通りのＡＣサーボモータ制御システム用角度センサであり、次のようなものである。
請求項１、２の２つの容量センサの特徴を生かした差動構造を有する２分割した半円形の励振側固定電極と外形および内径とも励振側固定電極と同形の同心円からなる受信側固定電極との間を接地させた外形、内径共に励振側固定電極と同型で半円形の金属製可動電極が移動するサンドイッチ構造の容量センサで、励振側固定電極と受信側固定電極とを入れ替え、２つの励振側固定電極にそれぞれ逆位相の信号を加え、受信側固定電極と励振側固定電極間の容量変化を、Ｃ−Ｖ変換器の出力電圧を測定する容量変化形の角度センサにした構成である。
【発明の効果】
【０００８】
本発明に係るＡＣサーボモータ制御システム用角度センサは、上記説明のような構成を有するので、以下に記載する効果を奏する。
（１）本発明の角度センサは簡単な構造である差動構造としたので、機械的取り付け状態に影響されない。
（２）容量−電圧変換回路を用いたので、簡単な電子回路で構成することができる。
（３）−９０°〜９０°の範囲の角度を検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の第一実施例である容量角度センサの概要を示す概略斜視図である。
【図２】本発明の第一実施例である差動構造の容量角度センサの一例を示す概略斜視図である。
【図３】本発明の第一実施例である容量変化法による角度センサを示す概略説明図である。
【図４】本発明の第一実施例であるセンサ用電極の形状と寸法を示す概略説明図である。
【図５】本発明の容量−電圧変換回路を示す概略回路図である。
【図６】本発明における容量−電圧変換回路からなるＣ−Ｖ変換器の周波数特性を示すグラフ図である。
【図７】本発明の容量変化法による角度センサの回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
同心円電極を対向させ、その間を半円形のシールド用金属板の回転角度を検出するサンドイッチ構造の容量センサを製作し、一方の電極を２分割し、逆位相の信号を加えることで、一つの容量−電圧変換回路で差動構造とした容量変化形角度センサとするＡＣサーボモータ制御システム用角度センサである。
【実施例】
【００１１】
以下、本発明の一実施例を添付図面で詳細に説明する。
図１は、発明の第一実施例である容量角度センサの概要を示す概略斜視図、図２は本発明の第一実施例である差動構造の容量角度センサの一例を示す概略斜視図、図３は本発明の第一実施例である容量変化法による角度センサを示す概略説明図、図４は本発明の第一実施例であるセンサ用電極の形状と寸法を示す概略説明図、図５は本発明の容量−電圧変換回路を示す概略回路図、図６は本発明における容量−電圧変換回路からなるＣ−Ｖ変換器の周波数特性を示すグラフ図、図７は本発明の容量変化法による角度センサの回路図である。
【００１２】
ここで、図１〜図３に示すように、第一実施例として、先ず同心円電極を対向させ、その間を半円形のシールド用金属板の回転角度を検出するサンドイッチ構造の容量センサを製作し、一方の電極を２分割し、逆位相の信号を加えることで、一つの容量−電圧変換回路で差動構造とした容量変化形角度センサについて説明する。
複雑な動作を行う生産ラインを構成するには、多数のサーボモータとボールネジが必要となり、コストが増大する。
これを解消することが課題であり、２個のサーボモータとリンク機構とを組み合わせて、低廉なＡＣサーボコントローラにより予め計算したデータだけで、２個のＡＣサーボモータに２本のアームを繋ぐ形で先頭部を接続させて同期して駆動できる位置決め制御システムで先頭部の座標位置を制御するもので、測定範囲が−９０°〜９０°まで計測が可能なものである。
【００１３】
その具体的な実施例を図面に基づいて説明する。
先ず、容量センサを図３に基づいて説明する。
容量センサは、構造が簡単で比較的高感度が得られ、消費電力が少ないという利点を有している。容量センサでは浮遊容量が誤差の原因となるため、センサ自体を３端子コンデンサ構造と考えることが必要で、対地間および周囲導体の影響を取り除くために静電シールドを施す必要がある。容量変化を利用した角度センサとしては、図３に示した「Ｈａｒｄｗａｙ」形がよく知られている。このセンサは励振側の円形の固定電極１と受信側の半円扇形の固定電極２により平行平板コンデンサを形成し、その間を半円形の接地した金属電極が可動する方式である。容量変化は容量−電圧変換回路（Ｃ−Ｖ変換器）により検出し、その出力は可動電極３が受信側固定電極２を覆い隠す位置にきたとき最小となる。この方式は簡単な構造と簡単な電子回路で構成できる利点を有するが、センサが差動構造となっていないので機械的な取り付けや周囲の環境変化の影響を受け易いという欠点を有している。
この欠点を改良して、差動構造としたのが図２に示す「Ｒ．Ｄ．Ｐｅｔｅｒｓ」形で、可動電極３は図３に示す「Ｈａｒｄｗａｙ」形と同様である。このセンサは励振側の固定電極１と受信側の固定電極２との電極面積の形状が異なる（白の箇所と編目の箇所）ように２分割し、励振側固定電極１には振幅が等しく位相の異なる信号が加えられている。白の箇所と編目の箇所との励振側と受信側におけるそれぞれの容量変化を求めて、その差を検出する方法である。しかし、２箇所の容量変化を検出してその差を求める方法であるため、電子回路が複雑となる欠点を有している。
さらに、この欠点を解決した２つの容量センサの特徴を生かして構造および電子回路が簡単で差動構造となる、図１に示すような容量センサを開発した。このセンサは「Ｈａｒｄｗａｙ」形の励振側固定電極１と受信側固定電極２とを入れ替え、２つの励振側固定電極１のＡ、Ｂにそれぞれ逆位相の信号を加え、受信側固定電極２と励振側固定電極１間の容量変化を、Ｃ−Ｖ変換器の出力電圧Ｖ０を測定する差動構造の容量変化形の角度センサである。可動電極３が励振側固定電極１のＡ、Ｂの面積を等しく覆い隠したときにＶ０は最小となり、そのときの角度を０°とすると−９０°および＋９０°でＶ０は最大となるが、Ｖ０の位相は異なる。そこで、Ｖ０を位相検波回路に加えると−９０°〜＋９０°迄の角度検出が可能となる。
そして、図４は容量センサ用電極の形状および寸法を示したもので、１０ｃｍ×１０ｃｍの両面ガラスエポキシ基板に、外形８０φで内径６０φの２分割した半円形の励振側固定電極１のＡ、Ｂと、外形および内径とも励振側固定電極１と同形の同心円からなる受信側固定電極２とを片面のみホトエッチングにより作成した。センサは製作した２つの固定電極１、２との間を接地された外形・内径共に励振側固定電極１と同型で半円形の金属製可動電極３が移動するサンドイッチ構造となっている。可動電極３には厚さ１ｍｍのアルミニウム板を用いており、励振側固定電極１と受信側固定電極２間の距離はスペーサを用いて３ｍｍ一定とした。なお、励振側固定電極１および受信側固定電極２の一部に切り欠きがあるが、これは可動電極３位置検出用のフォト・インタラプタ設置用に設けたものである。励振側固定電極１のＡ、Ｂには振幅が等しく逆位相の電圧が印加される構造で、可動電極と固定電極との間の容量変化を容量−電圧変換回路（Ｃ−Ｖ変換器）で求める方法とした。可動電極３が移動して、ちょうど励振側固定電極１のＡ、Ｂの電極面積が等しくなるように覆い隠す位置に来たときにＣ−Ｖ変換器の出力電圧Ｖ０は最小となる。可動電極３の移動によってＶ０は増加するが、移動方向によってＶ０の位相が異なることになる。
【００１４】
次に、回路および特性を説明すると、図５は容量変化法による角度センサの回路を示したものであり、点線内は３端子構造として考えた容量センサで、Ｃｉ´、Ｒｉは増幅器の入力容量および入力抵抗で、Ｃｆ´、Ｒｆはそれぞれ帰還容量と帰還抵抗である。
この回路の伝達関数は、入力電圧の角周波数をω、演算増幅器の増幅度をＡ、Ｃｉ´、Ｃｆの並列容量をＣｇとし、Ｒｉ´、Ｒｆの並列抵抗をＲｇとすると、
Ｖ０ ＝ −ｊωＡＣｘＲｆＲｇ （１）
Ｖｉ ｊω｛（１＋Ａ）Ｃｆ＋Ｃｘ＋Ｃｇ｝ＲｆＲｇ＋（１＋Ａ）Ｒｇ＋Ｒｆ
で与えられる。ここで、Ａ≫１、Ｃｆ≫（Ｃｘ＋Ｃｇ）／Ａ、Ｒｇ≫Ｒｆ／Ａが成立すると仮定すると（１）式は、
Ｖ０ ≒−ｊωＣｘＲｆ Ｖ０ ≒ ωＣｘＲｆ （２）
Ｖｉ ｊωＣｆＲｆ＋１ Ｖｉ √（ωＣｆＲｆ）２＋１
と簡単に表すことができる。さらに、（ωＣｆＲｆ）２≫１を満足するようにωを設定すると、（２）式は
Ｖ０ ≒Ｃｘ 平行平板コンデンサ：Ｃｘ＝εＳ／ｄ （３）
Ｖｉ Ｃｆ
となり、帰還容量とＣｆとセンサ容量Ｃｘの比として表される。ここで、Ｃｘとして平行平板コンデンサと考えると、電極間距離ｄを一定とし電極面積をＳとすると、出力電圧Ｖ０は、入力電圧ＶｉとＳに比例することになる。図６は演算増幅器を用い、Ｃｆを１０ｐＦ、Ｒｆを１０ＭΩとしたときのＣ−Ｖ変換器における周波数特性を示したもので、４ｋＨｚ〜２０ｋＨｚまで平坦な特性を有している。したがって、この範囲内に入力電圧の周波数を設定すると良いことになる。
図７は、容量変化法による角度センサの回路図を示したもので、演算増幅器を用いた。発振器としてはウィーンブリッジ形を用い、振幅安定化のためにＦＥＴのチャネル抵抗を利用した。
発振周波数としては約４．８ｋＨｚとし、４倍に増幅した後、８Ｖの電圧振幅としてセンサ励振用電極に印加した。また、逆位相の信号は利得１の反転増幅器を用いた。
Ｃ−Ｖ変換器の帰還容量Ｃｆとしては感度との関係で１５ｐＦとし、帰還抵抗Ｒｆは１０ＭΩとした。Ｃ−Ｖ変換器の出力は２倍に増幅された後、平衡変換器用ＩＣのＡＤ６３０に入力されて位相検波され、角度−９０°〜９０°に比例した直流信号として出力される。位相検波後の出力はミラー積分器回路で平滑すると同時に、振幅を０〜５Ｖ（−９０°〜９０°）とするため、オフセット電圧を印加してレベルシフトを行った後、感度調節を行った。ミラー積分器の出力は、更に低域通過フィルタに加えて高域の雑音を取り除いてから出力した。
【００１５】
以上、２軸ＡＣサーボモータ制御システム用の角度センサについて述べたが、絶対位置検出用角度センサとし、容量変化法を利用することで限られたスペース内で設置することができ、仕様も十分満足できる装置を構成することができる。ＡＣサーボモータからの雑音（スイッチングによるもの）は思いのほか多くなるが、バイパスコンデンサやＡＣラインフィルタを外付けで挿入することで電源から回り込む雑音を押さえることができるものである。
【産業上の利用可能性】
【００１６】
ロボットなど、サーボモータで動かされるアームが、制御の不調で暴走しないようにするため、本来の作動範囲の外に角度センサでオーバーランを感知して非常停止するものがある。ただし、この場合さらに安全のため、機械的停止装置（ストッパ）を設ける。角度センサによる非常停止ならば比較的容易に復帰するが、機械的停止装置にまでいってからの停止となると衝突しての停止のため、部品の一部に破損などが起こる可能性があるので、なるべく第一段目の角度センサで止めることが必要であり、角度センサの役目が重要となる。このように安全装置として角度センサを利用することもできる。
その他、傾斜角設定による落下試験機、傾斜角により、何度で滑り出すか、何度で動き出すかの各種試験器、プレス、パイプベンダー作業の曲げ角度設定、ロボット位置検出、開閉バルブの角度制御、クレーン、パワーショベル等の角度制御、品種切替に伴う案内ガイド等の角度、振分け角度制御を行う包装機械、食品機械の角度設定、角度制御等に利用することができる。
【符号の説明】
【００１７】
１・・・・励振側の固定電極
２・・・・受信側の固定電極
３・・・・可動電極
【技術分野】
【０００１】
近年、食品、薬品、雑貨等の各種粉粒、固形物、流動物の包装品の自動包装装置において、自動化技術の高速作動に交流サーボモータが多く用いられるようになってきた。交流サーボモータはコントローラが複雑となる欠点はあるが、制御が容易なパルスモータと比較して高速作動が可能で、同じく高速作動が可能であるブラシを有する直流サーボモータに比べ、メンテナンスが容易である。
市販の交流サーボモータのコントローラは、パルス幅変調を用いて必要なパルス数を送出することで速度制御やトルク制御を行っているが、汎用性を考慮して、数多くの機能を持っているため、非常に高価であるので、コストパフォーマンスに問題がある。
一般的に複雑な制御動作をするためには、多数のボールネジやカムなどの組み合わせによる機構と多数の交流サーボモータとが必要となるため、制御ラインへの導入にあたってはコストの問題は避けて通ることができない。
そこで、リンク等の機構と２個の交流サーボモータを同期運転させ、複雑な動作が可能で、コストパフォーマンスに優れた交流サーボモータ制御システムを開発した。
従来の２軸サーボモータ同期制御システムで使用したマイコンの同期運転時における割り込み処理時間の関係で、交流サーボモータ用制御パルスの漏れが発生し、システムに累積誤差が生じてしまい、その結果、長時間使用すると制御システムとしての機能が不能となった。この誤差を除去するためには、初期の設定した原点位置への復帰を定期的に行えば良いことになり、原点復帰を行うためには絶対位置検出用の角度センサが必要となってくる。
本発明は、リンク機構のスペースとコストパフォーマンスの問題から、電磁的な方法におけるインピーダンス変化法の中の一つである容量変化形センサを採用し、２つの固定電極板の間を接地した可動電極を配置した交流サーボモータ制御システム用角度センサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来技術としては、包装品長さに相当するピッチの光電管マークを有し且つ長手方向に供給される長尺な熱溶着性包装フィルムを成形シュートに導いて長手方向に沿って二つ折りにし両側縁部を合わせて該両側縁部を、光電管を含むピッチ制御手段によるピッチ制御を受ける変速手段を介して上記長手方向供給を行う竪方向熱溶着手段によって竪シールしてチューブ状包装フィルムを得、上記竪方向熱溶着手段の下流側に配置された横方向熱溶着手段によって順次横シールして行き、有底状態のチューブ状包装フィルム内に被包装物を充填してから封止し、包装フィルムの横方向熱溶着部を切断手段によって切断して包装品を製造して行く粉粒体等の自動包装機に使用されるもので上記竪方向熱溶着手段の長手方向供給速度を上記変速手段で制御して上記光電管マークを目標に上記横方向熱溶着手段による横シールを行う自動包装機用シール間隔自動調整装置において、上記ピッチ制御手段は、ロータリエンコーダーを備え、該ロータリエンコーダーに上記光電管から送られて来る光電管マークを捉えた信号を送って、該ロータリエンコーダーの基点に対する誤差をデジタルパルス制御量で求め、この誤差相当パルス制御量を基点から離れるに従って大きく設定して誤差を早くゼロに近付けると共に基点に近付くに従って小さく設定して微調整する制御信号を上記変速手段に送る自動包装機用シール間隔自動調整装置（例えば、特許文献１参照）が存在している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第２７６０７６４号公報（特許請求の範囲の欄、発明の詳細な説明の欄、及び図１〜図８を参照）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、前記従来技術である特許第２７６０７６４号公報で示されているものは、竪方向熱溶着手段の下流側に配置された横方向熱溶着手段によって順次横シールして行き、有底状態のチューブ状包装フィルム内に被包装物を充填してから封止し、包装フィルムの横方向熱溶着部を切断手段によって切断して包装品を製造して行く粉粒体の自動包装機に使用されるもので上記竪方向熱溶着手段の長手方向供給速度を変速手段で制御して上記光電管マークを目標に上記横方向熱溶着手段による横シールを行う自動包装機用シール間隔自動調整装置であり、交流サーボモータを採用して制御するシステムではなく、しかも簡単でコンパクトなリンク機構と２個の交流サーボモータを同期運転するように制御するシステムに利用できる角度センサが求められている。
本発明は、上記課題を解決したものであって、同心円電極を対向させ、その間を半円形のシールド用金属板の回転角度を検出するサンドイッチ構造の容量センサを製作し、一方の電極を２分割し、逆位相の信号を加えることで、一つの容量−電圧変換回路で差動構造とした容量変化形角度センサとするＡＣサーボモータ制御システム用角度センサを提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記の目的を達成することができる本発明の第１発明は、請求項１に記載された通りのＡＣサーボモータ制御システム用角度センサであり、次のようなものである。
同心円電極を対向させ、その間を半円形のシールド用金属板の回転角度を検出するサンドイッチ構造の容量センサを製作し、一方の電極を２分割し、逆位相の信号を加えることで、一つの容量−電圧変換回路で差動構造とした容量変化形角度センサとする構成である。
【０００６】
上記の目的を達成することができる本発明の第２発明は、請求項２に記載された通りのＡＣサーボモータ制御システム用角度センサであり、次のようなものである。
請求項１に記載された発明に加えて、前記容量センサの構造は、励振側の固定電極と、受信側の固定電極との電極面積の形状が異なるように２分割し、励振側固定電極には振幅が等しく位相の異なる信号が加えられ、電極面積の形状が異なる２つの箇所との励振側と受信側におけるそれぞれの容量変化を求めて、その差を検出できることを特徴とする容量センサを有する容量変化形角度センサにした構成である。
【０００７】
上記の目的を達成することができる本発明の第３発明は、請求項３に記載された通りのＡＣサーボモータ制御システム用角度センサであり、次のようなものである。
請求項１、２の２つの容量センサの特徴を生かした差動構造を有する２分割した半円形の励振側固定電極と外形および内径とも励振側固定電極と同形の同心円からなる受信側固定電極との間を接地させた外形、内径共に励振側固定電極と同型で半円形の金属製可動電極が移動するサンドイッチ構造の容量センサで、励振側固定電極と受信側固定電極とを入れ替え、２つの励振側固定電極にそれぞれ逆位相の信号を加え、受信側固定電極と励振側固定電極間の容量変化を、Ｃ−Ｖ変換器の出力電圧を測定する容量変化形の角度センサにした構成である。
【発明の効果】
【０００８】
本発明に係るＡＣサーボモータ制御システム用角度センサは、上記説明のような構成を有するので、以下に記載する効果を奏する。
（１）本発明の角度センサは簡単な構造である差動構造としたので、機械的取り付け状態に影響されない。
（２）容量−電圧変換回路を用いたので、簡単な電子回路で構成することができる。
（３）−９０°〜９０°の範囲の角度を検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の第一実施例である容量角度センサの概要を示す概略斜視図である。
【図２】本発明の第一実施例である差動構造の容量角度センサの一例を示す概略斜視図である。
【図３】本発明の第一実施例である容量変化法による角度センサを示す概略説明図である。
【図４】本発明の第一実施例であるセンサ用電極の形状と寸法を示す概略説明図である。
【図５】本発明の容量−電圧変換回路を示す概略回路図である。
【図６】本発明における容量−電圧変換回路からなるＣ−Ｖ変換器の周波数特性を示すグラフ図である。
【図７】本発明の容量変化法による角度センサの回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
同心円電極を対向させ、その間を半円形のシールド用金属板の回転角度を検出するサンドイッチ構造の容量センサを製作し、一方の電極を２分割し、逆位相の信号を加えることで、一つの容量−電圧変換回路で差動構造とした容量変化形角度センサとするＡＣサーボモータ制御システム用角度センサである。
【実施例】
【００１１】
以下、本発明の一実施例を添付図面で詳細に説明する。
図１は、発明の第一実施例である容量角度センサの概要を示す概略斜視図、図２は本発明の第一実施例である差動構造の容量角度センサの一例を示す概略斜視図、図３は本発明の第一実施例である容量変化法による角度センサを示す概略説明図、図４は本発明の第一実施例であるセンサ用電極の形状と寸法を示す概略説明図、図５は本発明の容量−電圧変換回路を示す概略回路図、図６は本発明における容量−電圧変換回路からなるＣ−Ｖ変換器の周波数特性を示すグラフ図、図７は本発明の容量変化法による角度センサの回路図である。
【００１２】
ここで、図１〜図３に示すように、第一実施例として、先ず同心円電極を対向させ、その間を半円形のシールド用金属板の回転角度を検出するサンドイッチ構造の容量センサを製作し、一方の電極を２分割し、逆位相の信号を加えることで、一つの容量−電圧変換回路で差動構造とした容量変化形角度センサについて説明する。
複雑な動作を行う生産ラインを構成するには、多数のサーボモータとボールネジが必要となり、コストが増大する。
これを解消することが課題であり、２個のサーボモータとリンク機構とを組み合わせて、低廉なＡＣサーボコントローラにより予め計算したデータだけで、２個のＡＣサーボモータに２本のアームを繋ぐ形で先頭部を接続させて同期して駆動できる位置決め制御システムで先頭部の座標位置を制御するもので、測定範囲が−９０°〜９０°まで計測が可能なものである。
【００１３】
その具体的な実施例を図面に基づいて説明する。
先ず、容量センサを図３に基づいて説明する。
容量センサは、構造が簡単で比較的高感度が得られ、消費電力が少ないという利点を有している。容量センサでは浮遊容量が誤差の原因となるため、センサ自体を３端子コンデンサ構造と考えることが必要で、対地間および周囲導体の影響を取り除くために静電シールドを施す必要がある。容量変化を利用した角度センサとしては、図３に示した「Ｈａｒｄｗａｙ」形がよく知られている。このセンサは励振側の円形の固定電極１と受信側の半円扇形の固定電極２により平行平板コンデンサを形成し、その間を半円形の接地した金属電極が可動する方式である。容量変化は容量−電圧変換回路（Ｃ−Ｖ変換器）により検出し、その出力は可動電極３が受信側固定電極２を覆い隠す位置にきたとき最小となる。この方式は簡単な構造と簡単な電子回路で構成できる利点を有するが、センサが差動構造となっていないので機械的な取り付けや周囲の環境変化の影響を受け易いという欠点を有している。
この欠点を改良して、差動構造としたのが図２に示す「Ｒ．Ｄ．Ｐｅｔｅｒｓ」形で、可動電極３は図３に示す「Ｈａｒｄｗａｙ」形と同様である。このセンサは励振側の固定電極１と受信側の固定電極２との電極面積の形状が異なる（白の箇所と編目の箇所）ように２分割し、励振側固定電極１には振幅が等しく位相の異なる信号が加えられている。白の箇所と編目の箇所との励振側と受信側におけるそれぞれの容量変化を求めて、その差を検出する方法である。しかし、２箇所の容量変化を検出してその差を求める方法であるため、電子回路が複雑となる欠点を有している。
さらに、この欠点を解決した２つの容量センサの特徴を生かして構造および電子回路が簡単で差動構造となる、図１に示すような容量センサを開発した。このセンサは「Ｈａｒｄｗａｙ」形の励振側固定電極１と受信側固定電極２とを入れ替え、２つの励振側固定電極１のＡ、Ｂにそれぞれ逆位相の信号を加え、受信側固定電極２と励振側固定電極１間の容量変化を、Ｃ−Ｖ変換器の出力電圧Ｖ０を測定する差動構造の容量変化形の角度センサである。可動電極３が励振側固定電極１のＡ、Ｂの面積を等しく覆い隠したときにＶ０は最小となり、そのときの角度を０°とすると−９０°および＋９０°でＶ０は最大となるが、Ｖ０の位相は異なる。そこで、Ｖ０を位相検波回路に加えると−９０°〜＋９０°迄の角度検出が可能となる。
そして、図４は容量センサ用電極の形状および寸法を示したもので、１０ｃｍ×１０ｃｍの両面ガラスエポキシ基板に、外形８０φで内径６０φの２分割した半円形の励振側固定電極１のＡ、Ｂと、外形および内径とも励振側固定電極１と同形の同心円からなる受信側固定電極２とを片面のみホトエッチングにより作成した。センサは製作した２つの固定電極１、２との間を接地された外形・内径共に励振側固定電極１と同型で半円形の金属製可動電極３が移動するサンドイッチ構造となっている。可動電極３には厚さ１ｍｍのアルミニウム板を用いており、励振側固定電極１と受信側固定電極２間の距離はスペーサを用いて３ｍｍ一定とした。なお、励振側固定電極１および受信側固定電極２の一部に切り欠きがあるが、これは可動電極３位置検出用のフォト・インタラプタ設置用に設けたものである。励振側固定電極１のＡ、Ｂには振幅が等しく逆位相の電圧が印加される構造で、可動電極と固定電極との間の容量変化を容量−電圧変換回路（Ｃ−Ｖ変換器）で求める方法とした。可動電極３が移動して、ちょうど励振側固定電極１のＡ、Ｂの電極面積が等しくなるように覆い隠す位置に来たときにＣ−Ｖ変換器の出力電圧Ｖ０は最小となる。可動電極３の移動によってＶ０は増加するが、移動方向によってＶ０の位相が異なることになる。
【００１４】
次に、回路および特性を説明すると、図５は容量変化法による角度センサの回路を示したものであり、点線内は３端子構造として考えた容量センサで、Ｃｉ´、Ｒｉは増幅器の入力容量および入力抵抗で、Ｃｆ´、Ｒｆはそれぞれ帰還容量と帰還抵抗である。
この回路の伝達関数は、入力電圧の角周波数をω、演算増幅器の増幅度をＡ、Ｃｉ´、Ｃｆの並列容量をＣｇとし、Ｒｉ´、Ｒｆの並列抵抗をＲｇとすると、
Ｖ０ ＝ −ｊωＡＣｘＲｆＲｇ （１）
Ｖｉ ｊω｛（１＋Ａ）Ｃｆ＋Ｃｘ＋Ｃｇ｝ＲｆＲｇ＋（１＋Ａ）Ｒｇ＋Ｒｆ
で与えられる。ここで、Ａ≫１、Ｃｆ≫（Ｃｘ＋Ｃｇ）／Ａ、Ｒｇ≫Ｒｆ／Ａが成立すると仮定すると（１）式は、
Ｖ０ ≒−ｊωＣｘＲｆ Ｖ０ ≒ ωＣｘＲｆ （２）
Ｖｉ ｊωＣｆＲｆ＋１ Ｖｉ √（ωＣｆＲｆ）２＋１
と簡単に表すことができる。さらに、（ωＣｆＲｆ）２≫１を満足するようにωを設定すると、（２）式は
Ｖ０ ≒Ｃｘ 平行平板コンデンサ：Ｃｘ＝εＳ／ｄ （３）
Ｖｉ Ｃｆ
となり、帰還容量とＣｆとセンサ容量Ｃｘの比として表される。ここで、Ｃｘとして平行平板コンデンサと考えると、電極間距離ｄを一定とし電極面積をＳとすると、出力電圧Ｖ０は、入力電圧ＶｉとＳに比例することになる。図６は演算増幅器を用い、Ｃｆを１０ｐＦ、Ｒｆを１０ＭΩとしたときのＣ−Ｖ変換器における周波数特性を示したもので、４ｋＨｚ〜２０ｋＨｚまで平坦な特性を有している。したがって、この範囲内に入力電圧の周波数を設定すると良いことになる。
図７は、容量変化法による角度センサの回路図を示したもので、演算増幅器を用いた。発振器としてはウィーンブリッジ形を用い、振幅安定化のためにＦＥＴのチャネル抵抗を利用した。
発振周波数としては約４．８ｋＨｚとし、４倍に増幅した後、８Ｖの電圧振幅としてセンサ励振用電極に印加した。また、逆位相の信号は利得１の反転増幅器を用いた。
Ｃ−Ｖ変換器の帰還容量Ｃｆとしては感度との関係で１５ｐＦとし、帰還抵抗Ｒｆは１０ＭΩとした。Ｃ−Ｖ変換器の出力は２倍に増幅された後、平衡変換器用ＩＣのＡＤ６３０に入力されて位相検波され、角度−９０°〜９０°に比例した直流信号として出力される。位相検波後の出力はミラー積分器回路で平滑すると同時に、振幅を０〜５Ｖ（−９０°〜９０°）とするため、オフセット電圧を印加してレベルシフトを行った後、感度調節を行った。ミラー積分器の出力は、更に低域通過フィルタに加えて高域の雑音を取り除いてから出力した。
【００１５】
以上、２軸ＡＣサーボモータ制御システム用の角度センサについて述べたが、絶対位置検出用角度センサとし、容量変化法を利用することで限られたスペース内で設置することができ、仕様も十分満足できる装置を構成することができる。ＡＣサーボモータからの雑音（スイッチングによるもの）は思いのほか多くなるが、バイパスコンデンサやＡＣラインフィルタを外付けで挿入することで電源から回り込む雑音を押さえることができるものである。
【産業上の利用可能性】
【００１６】
ロボットなど、サーボモータで動かされるアームが、制御の不調で暴走しないようにするため、本来の作動範囲の外に角度センサでオーバーランを感知して非常停止するものがある。ただし、この場合さらに安全のため、機械的停止装置（ストッパ）を設ける。角度センサによる非常停止ならば比較的容易に復帰するが、機械的停止装置にまでいってからの停止となると衝突しての停止のため、部品の一部に破損などが起こる可能性があるので、なるべく第一段目の角度センサで止めることが必要であり、角度センサの役目が重要となる。このように安全装置として角度センサを利用することもできる。
その他、傾斜角設定による落下試験機、傾斜角により、何度で滑り出すか、何度で動き出すかの各種試験器、プレス、パイプベンダー作業の曲げ角度設定、ロボット位置検出、開閉バルブの角度制御、クレーン、パワーショベル等の角度制御、品種切替に伴う案内ガイド等の角度、振分け角度制御を行う包装機械、食品機械の角度設定、角度制御等に利用することができる。
【符号の説明】
【００１７】
１・・・・励振側の固定電極
２・・・・受信側の固定電極
３・・・・可動電極
【特許請求の範囲】
【請求項１】
同心円電極を対向させ、その間を半円形のシールド用金属板の回転角度を検出するサンドイッチ構造の容量センサを製作し、一方の電極を２分割し、逆位相の信号を加えることで、一つの容量−電圧変換回路で差動構造とした容量変化形角度センサとすることを特徴とするＡＣサーボモータ制御システム用角度センサ。
【請求項２】
前記容量センサの構造は、励振側の固定電極と、受信側の固定電極との電極面積の形状が異なるように２分割し、励振側固定電極には振幅が等しく位相の異なる信号が加えられ、電極面積の形状が異なる２つの箇所との励振側と受信側におけるそれぞれの容量変化を求めて、その差を検出できることを特徴とする容量センサを有する容量変化形角度センサにしたことを特徴とする請求項１記載のＡＣサーボモータ制御システム用角度センサ。
【請求項３】
請求項１、２の２つの容量センサの特徴を生かした差動構造を有する２分割した半円形の励振側固定電極と外形および内径とも励振側固定電極と同形の同心円からなる受信側固定電極との間を接地させた外形、内径共に励振側固定電極と同型で半円形の金属製可動電極が移動するサンドイッチ構造の容量センサで励振側固定電極と受信側固定電極とを入れ替え、２つの励振側固定電極にそれぞれ逆位相の信号を加え、受信側固定電極と励振側固定電極間の容量変化を、Ｃ−Ｖ変換器の出力電圧を測定することを特徴とする容量変化形の角度センサにしたことを特徴とするＡＣサーボモータ制御システム用角度センサ。
【請求項１】
同心円電極を対向させ、その間を半円形のシールド用金属板の回転角度を検出するサンドイッチ構造の容量センサを製作し、一方の電極を２分割し、逆位相の信号を加えることで、一つの容量−電圧変換回路で差動構造とした容量変化形角度センサとすることを特徴とするＡＣサーボモータ制御システム用角度センサ。
【請求項２】
前記容量センサの構造は、励振側の固定電極と、受信側の固定電極との電極面積の形状が異なるように２分割し、励振側固定電極には振幅が等しく位相の異なる信号が加えられ、電極面積の形状が異なる２つの箇所との励振側と受信側におけるそれぞれの容量変化を求めて、その差を検出できることを特徴とする容量センサを有する容量変化形角度センサにしたことを特徴とする請求項１記載のＡＣサーボモータ制御システム用角度センサ。
【請求項３】
請求項１、２の２つの容量センサの特徴を生かした差動構造を有する２分割した半円形の励振側固定電極と外形および内径とも励振側固定電極と同形の同心円からなる受信側固定電極との間を接地させた外形、内径共に励振側固定電極と同型で半円形の金属製可動電極が移動するサンドイッチ構造の容量センサで励振側固定電極と受信側固定電極とを入れ替え、２つの励振側固定電極にそれぞれ逆位相の信号を加え、受信側固定電極と励振側固定電極間の容量変化を、Ｃ−Ｖ変換器の出力電圧を測定することを特徴とする容量変化形の角度センサにしたことを特徴とするＡＣサーボモータ制御システム用角度センサ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１２−５８１０６（Ｐ２０１２−５８１０６Ａ）
【公開日】平成２４年３月２２日（２０１２．３．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２０２２７３（Ｐ２０１０−２０２２７３）
【出願日】平成２２年９月９日（２０１０．９．９）
【出願人】（５９９１３７１０５）社団法人 日本包装機械工業会 (1)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年３月２２日（２０１２．３．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年９月９日（２０１０．９．９）
【出願人】（５９９１３７１０５）社団法人 日本包装機械工業会 (1)
【Ｆターム（参考）】
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