JP5360720B2 - 位置エンコーダおよび機械の可動部の位置を検出する方法 - Google Patents
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Description
本発明は、機械、特に電動機のロータのような可動部の位置を検出するためのシステムおよび方法に関する。このシステムは、ロータに取り付けられ、かつそれと共に移動可能であるエンコーダ構造と、このエンコーダ構造と対向関係に配置された固定センサアセンブリとを備えている。そして、前記センサアセンブリは、前記位置を推定することを可能にする少なくとも1つのセンサ信号を供給する。
上記の種類の装置および方法は、国際公開第02/084849A1号パンフレットから知られている。この文献に記載されている装置は、交互に磁化可能な個々のセグメントを有するロータに取り付けられたリングを有する。磁化可能なリング要素に対向して、固定された磁気センサ要素が設けられる。磁化可能なセンサリングの個々のセグメント内の誘導の過程において、センサ要素の交互の磁化変化が生じる。この場合、センサ要素の信号の波形は、電気角の変位により発生され、ロータの角位置を示すように、前記信号からアナログ信号を計算することができる。
目的は、センサアセンブリが第1のインダクタンス素子を備え、またエンコーダ構造が、そのインダクタンス素子のインダクタンスの変化による動作、またはインダクタンス素子のインダクタンスの位置に依存した変化をもたらすように構成された、上記の種類のシステムによって解決される。
よって引き起こされる。
れによって、一つの軌道内において、より粗いおよびより微細な位置分解能を得る可能性をもたらす。例えば、所望の角度分解能は、ポールペアの数に依存することができ、一方、粗い分解能は、様々なポールペアの位置、したがって、全体の分解能のための位置を参照することができる。
面コイルを含む。この形状によって、低減された体積は、複数の製造技術およびキャリア材料を使用することにより達成することができる。例えば、平面コイルは、キャリア材料上に導電性ラインとして設けられる。この場合、プリント基板の分野、およびさらに半導体製造の分野で用いたような、よく確立された製造工程を使用することができる。従って、FR4、セラミックス等の適切な材料を使用することができる。しかし、絶縁体などの他の基板、半導体等は、適切な製造技術と組み合わせて使用することができる。
さらなる実施形態では、第1のコイルは、キャリア材料上に巻回コイルを含む。このように、高い巻線数、したがって高性能を得ることができ、ここで、コイルは、エアギャップコイルの特性を有しており、それによって、上記説明したように、干渉に対する低感度をもたらす。
、筐体は、空気封入なしで実質的に射出成形される。
図1A〜図1Eは、本発明の実施形態に使用されるセンサシステム5の基本構造を示している。
図3は、エンコーダ構造3をロータ2のラディアル方向であって内周面側に設けるとともに、固定センサアセンブリ4をエンコーダ構造3に対向配置させた回転角センサの形態を示す。
このエンコーダ構造3に対向して、内側に固定センサアセンブリ4が配置されている。
図6は、図4で用いた固定センサアセンブリ4の構成例を示すものであり、図6Aは、固定センサアセンブリ4において、エンコーダ構造3と対向する側を正面視した状態を示し、図6Bは、固定センサアセンブリ4を背面視した状態を示している。
センサはモジュール化されているため、小型化が図れるとともに、一般的な電子回路技術/実装技術等によって安定的に製造することが可能であることから、コストの低減を図れるという利点も有している。
(条件1)
インダクタンス素子の空芯部長手寸法>インダクタンス素子の空芯部短手寸法
インダクタンス素子の空芯部長手寸法>エンコーダ構造の最大幅寸法
例えば、Wの値は、ビアの直径に基づいて決定することができ、それは、PCBの別の層にリード線を送るために使用することができる。
W=0〜2mmとすることができる。しかし、必要に応じて、他の値を使用することができる。
9Aのコイルパターン52Cが形成されたPCBの下層に配置される他方のコイルパターン52Dを示している。さらに、図9Cは、図9Aおよび図9Bにおける一方および他方のコイルパターン52C,52Dを積層した構造を概略視した状態を示している。図9Cにおいて、下層の他方のコイルパターン52Dは、外周を破線で示している。
れるような菱形や図11Bに示されるような三角形、もしくはこれらに準じた形状としてもよい。また、図示したような連続的に幅が変化する構成のほか、図示しないが、段階的に幅が変化する構成としてもよい。
形成されている場合は、エンコーダ構造3と回転体との間で、所望の寸法を有する段差3aを設けることが望ましい。
コイルL1,L2とL3,L4を含むセンサシステム5の次に、差分信号の評価・計算を実行する回路8が設けられる。図示した実施形態では、回路8は、最初に出力信号10を発生させる。
で示したように、平均共振周波数ω0により近づくように動作点Pを適切に選択することによって、感度を向上させることが可能であり、これによって、十分な精度でロータ2の角位置を検出することができるように、出力信号が増大される。このようにして、エンコーダ構造3とセンサアセンブリ4との間の距離の変化は、例えば約2mmであることが可能であり、それにもかかわらず、十分に大きい振幅を得ることが可能である。ロータ2の軸受の位置、したがって、ロータ2に取り付けられたエンコーダ構造3がラディアル方向に変化するようなときには、アキシャル方向にも変化が生じることがある。このようにして、エンコーダ構造3がセンサアセンブリ4から移動して離れるので、対応する対向関係が非理想的であることが可能である。状況に応じて、数ミリメートルのアキシャル方向の公差を得ることが可能である。この場合、例えば5mmの公差を安定させるために、インダクタンスL1,L2のコイルの構造を適切に改造することが可能である。
電気駆動系に有利に適用することが可能であるが、この理由は、永久励磁同期電動機またはブラシレスDCモータの電子整流、あるいは非同期機の制御を行うことが可能であるからである。
図16Fは、エンコーダ構造3の実施形態を説明し、ここで、軌道300の幅は、少なくとも各部分3b内で実質的に一定であり、導電性の調節は、導電性材料に対して導電性材料の領域比を変化することにより得られる。例えば、変化する密度および/またはサイズの凹部または穴は、例えば、エッチング、穴あけ等によって細長い導電性材料内に形成することができる。このように、動作の方向に沿った渦電流の発生に寄与する導電性材料の量は、効率的に調節することができ、このパタニングは、非常に正確な製造技術を使用することによってなすことができる。さらに、このパターン化技術は、また、さらなるキャリア材料を設けることなく、ロータ2の材料に効率的に直接適用することができる。
変調」と見なすことができ、エンコーダ構造3の他の実施形態と組み合わせて使用することができる。特に、図16Gに示す実施形態は、適切にそれぞれの凹部または穴の密度および/またはサイズを適応させることにより、個々の部分内で平均された導電性の変化を得ることができる。
図16Iでは、コイル4aは、平面構造を有し、ここで、導電性材料または導電線の形態でコイル4aの個々の巻線が、単一平面内に横方向に設けられている。右部分または図では、部分を説明し、ここで、プリント基板などのキャリア材料が個々の巻線が形成された、単一面に設けられている。他の実施例において、いくつかの巻線は、多層プリント基板などのキャリア材料の異なる層上に設けることができる。
方向に対して同じ位置に位置することができる。それは、コイルL3、L4にもあてはまり、第2のセンサアセンブリ5bを規定する。さらに、コイルL1、L3は、90°だけ互いに空間的に相殺されており、上に説明されるように、出力信号が得られるように、コイルL2、L4も90°だけ空間的に相殺されている。この方法で、センサシステム5a、5bの横方向サイズを低減することができる。
域、110,120・・・インナーロータモータ、130,140・・・アウターロータモータ、C−a,C−b・・・コンデンサ、cos・・・余弦波信号、L1,L2,L3,L4・・・インダクタンス素子、P・・・動作点、A・・・振幅、R−a,R−b・・・抵抗器、sin・・・正弦波信号、V・・・AC電圧源、ω0・・・共振周波数、ωB・・・動作周波数、ωU・・・強い減衰を有する共振周波数、Os1,Os2・・・発振器、300,3B,3C,3D・・・軌道、200・・・アクスル、8A・・・ケーブル接続、4D・・・ベース材、4E・・・コイルの厚み、D・・・伝導体の厚み、4A・・・コイル、巻回、4B・・・キャリア材料
Claims (8)
- 回転体と、
前記回転体と共に回転可能に取り付けられたエンコーダ構造と、
4つのインダクタンス素子を有し、前記エンコーダ構造に間隔を有しつつ対向して配置された固定センサアセンブリとを備え、
各前記インダクタンス素子は、平面状コイルとして形成され、
各前記平面状コイルはコイルのない空芯の周りに卷回され、各前記コイルの空芯は、前記エンコーダ構造に対して半径方向に延在する長さと前記長さに対して垂直な幅とを有し、
前記幅は、前記長さ未満であり、
前記空芯の長さは、前記空芯の前記長さ方向の前記エンコーダ構造の幅の最大値より大きく、
各前記平面状コイルは前記空芯の前記長さ方向における前記エンコーダ構造の幅の周期的な変化の90度の位相差に対応するように配置される、回転角度検出用センサシステム。 - 前記固定センサアセンブリは、500kHzから5MHzの範囲で規定される周波数で駆動される、請求項1に記載の回転角度検出用センサシステム。
- 前記固定センサアセンブリは少なくとも、前記インダクタンス素子と、前記インダクタンス素子から出力される信号を演算処理して回転角度を算出する集積回路と、を有する、請求項1または2に記載の回転角度検出用センサシステム。
- 前記エンコーダ構造は、その幅が前記空芯の長さ方向において周期的に変化する少なくとも1相以上の平面部を有する、請求項1から3のいずれか1つに記載の回転角度検出用センサシステム。
- 前記エンコーダ構造の前記平面部は、前記回転体の半径方向に対して垂直に配置されている、請求項4に記載の回転角度検出用センサシステム。
- 前記エンコーダ構造は、前記回転体の外周面上に形成されている、請求項5に記載の回転角度検出用センサシステム。
- 前記エンコーダ構造は、前記回転体の内周面上に形成されている、請求項5に記載の回転角度検出用センサシステム。
- 前記エンコーダ構造の前記平面部は、前記回転体の軸方向に対して垂直に配置されている、請求項4に記載の回転角度検出用センサシステム。
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