WO2023243618A1 - 誘導型位置検出器 - Google Patents
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- G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
- G01D5/12—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means
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Definitions
- This invention relates to an inductive position detector.
- Inductive position detector moves a movable part holding a conductor in an alternating current magnetic field, and detects changes in the magnetic field due to current induced in the conductor.
- Inductive position detectors are less susceptible to dust, dirt, and external magnetic fields, so they have excellent environmental resistance. In addition, it has a simple configuration, can be made smaller and thinner, and is relatively inexpensive.
- Patent Document 1 and Patent Document 4 disclose a configuration in which an excitation coil and a detection coil are formed by a conductor pattern on a printed wiring board, and a conductor target is moved relative to the detection coil.
- the voltage induced in the detection coil by the alternating magnetic field generated by the excitation coil changes depending on the positional relationship between the detection coil and the conductive target. Thereby, the position of the conductor target can be detected.
- Patent Document 2 discloses a configuration in which a detection coil is formed with a conductor pattern on a printed wiring board, an AC voltage is applied to the detection coil, and a change in inductance of the detection coil is detected when a conductor target moves relative to the detection coil. is disclosed.
- Patent Document 3 discloses a configuration in which an excitation coil and a detection coil are formed with a conductor pattern on a silicon substrate.
- the detection principle is the same as in Patent Documents 1 and 4.
- the number of detection cycles per rotation is called the shaft angle multiplier.
- the shaft angle multiplier When one conductor target passes through one detection coil, one period of detection signal is obtained.
- the greater the shaft angle multiplier the better the resolution and the easier it is to improve accuracy.
- the detection coil also needs to be made smaller accordingly.
- the detection coil becomes smaller, the interlinkage magnetic flux decreases, so the detected signal voltage becomes smaller.
- the signal-to-noise ratio (S/N ratio) decreases, making accurate position detection difficult. Therefore, it is desirable to increase the number of turns of the detection coil as much as possible to ensure a sufficient signal voltage.
- the signal processing circuit can be configured on the same printed wiring board, so the additional cost is small.
- printed wiring boards have a low initial cost for manufacturing, so they are suitable for high-mix, low-volume production, and can be designed with a high degree of freedom.
- FIG. 52, and FIG. 9 of Patent Document 2 An example of creating a detection coil using a conductor pattern on a printed wiring board is shown in FIG. 52, and FIG. 9 of Patent Document 2. Each of these forms a detection coil with a spiral conductor pattern. If it is desired to increase the number of turns, a configuration can be adopted in which a multilayer printed wiring board is used and spiral conductor patterns formed on each of a plurality of wiring layers are connected via via holes. However, there are restrictions on pattern width, pattern spacing, via hole diameter, etc., so it is difficult to manufacture small coils with a large number of turns. Increasing the number of wiring layers to increase the number of turns leads to an increase in cost.
- the pattern width, pattern spacing, via hole diameter, etc. can be made finer than that of a printed wiring board, making it possible to use a very small detection coil. It can be made.
- semiconductor manufacturing processes require large initial costs and have low flexibility, making them unsuitable for high-mix, low-volume production.
- the silicon substrate has size restrictions, it is necessary to arrange the detection coils in a concentrated manner. Therefore, detection is performed on a part of the circumference around the rotation axis. If multiple elements are used, detection can be performed at positions evenly distributed on the circumference, but this is not a realistic design due to cost issues.
- FIG. 15 As for the coil shape other than the spiral shape, FIG. As shown in No. 15, a detection coil shape in which a ring is formed by intersecting patterns in a figure 8 shape, and a meandering shape with a vernier effect, as shown in FIG. 2 of Patent Document 4, have been proposed.
- the portion surrounded by the forward and return patterns forms one turn of the coil.
- the number of turns can be increased to one turn or more, but it is difficult to create a coil with a large number of turns that can be arranged at a small pitch between conductor targets.
- two detection coils cannot be arranged on the same circumference of one wiring layer. Therefore, it is necessary to form two detection coils on different wiring layers, or to make two detection coils on the same wiring layer at different radial positions (distances from the axis of rotation).
- two detection coils formed on different wiring layers have different distances from the conductor target.
- the conductor target is formed in a sector shape centered on the rotation axis, the width in the circumferential direction varies depending on the position in the radial direction. Therefore, the two detection coils located at different radial positions, that is, the inner diameter detection coil and the outer diameter detection coil, have different areas of the portions that substantially face the conductor target. Therefore, in either case, the output of the detection coil is likely to be unbalanced, so special signal processing is required.
- the rotor of the position detector is generally attached to the side of the motor shaft opposite to the output shaft.
- a radial load may be applied to the motor shaft.
- the motor shaft may bend and the axial center on the side opposite to the output shaft may shift.
- An embodiment of the present invention provides an inductive position detector that can solve at least one of the problems described above.
- one embodiment of the present invention provides an inductive position detector that has a high degree of design freedom, is small, and has high detection resolution.
- An embodiment of the present invention provides an inductive position detector having the following features.
- a stator having a wiring board; a rotor having a non-conducting component disposed opposite to the stator and rotating relative to the stator around a predetermined rotation axis; The rotor is periodically arranged along a circumference around the rotation axis, is held by the non-conductor part of the rotor, and moves through a rotational trajectory around the rotation axis as the rotor rotates.
- Multiple conductor targets of the same size The plurality of conductor targets are surface-mounted on the main surface of the wiring board of the stator by being arranged to face the rotating orbit with different spatial phases, and the magnetic field changes as the conductor targets pass.
- An inductive position detector including a plurality of chip inductors each forming a plurality of detection coils for detecting.
- a plurality of conductive targets held on non-conducting parts (typically insulating parts, e.g., insulating substrates) of the rotor move through rotating orbits about the axis of rotation.
- chip inductors each forming a plurality of detection coils are arranged so as to face the rotational orbit of the conductor target.
- a chip inductor detects changes in the magnetic field as it passes through a conductive target. That is, it outputs a signal representing a change in the magnetic field.
- the plurality of chip inductors Since the plurality of chip inductors have different spatial phases with respect to the plurality of conductor targets, they output signals with different phases as the rotor rotates. Therefore, by processing the output signals of the plurality of chip inductors, the relative rotational position of the rotor with respect to the stator can be detected.
- a chip inductor is an electrical component that is small but can have a large number of turns, and can be procured at a low price in the market. Therefore, when trying to increase the number of conductor targets to increase the number of poles and increase the detection resolution, it is possible to arrange the conductor targets to correspond to a small conductor target period (conductor target pitch), and the detection signal becomes too small. Moreover, it does not require excessive cost. In addition, the performance of industrially mass-produced chip inductors is highly uniform. Therefore, since uniform detection signals can be obtained from a plurality of chip inductors, complicated signal processing is not required.
- multiple chip inductors which are individual elements, can be placed at any position facing the rotational orbit, allowing for greater flexibility in placement. expensive. Therefore, an arrangement distributed over the entire circumference of the rotating orbit is also possible. Such a full-circumference arrangement is an arrangement that can easily accommodate misalignment of the rotating shaft coupled to the rotor. Since the chip inductor is small, even if the conductor target period is shortened to improve resolution, it can be arranged all around.
- the plurality of conductor targets have equal lengths along the rotational trajectory, and for example, the plurality of conductor targets of the same shape and size are arranged rotationally symmetrically around the rotation axis.
- the plurality of chip inductors may be mounted on one main surface of the wiring board of the stator, that is, the same main surface. Thereby, the distances from the plurality of chip inductors to the conductor target can be made uniform, so that the outputs from the plurality of chip inductors can be made uniform.
- the plurality of chip inductors are surface-mounted on the main surface of the wiring board facing the rotor. Thereby, the chip inductor can be brought closer to the conductor target, so that the change in the output of the chip inductor can be increased as the conductor target passes.
- a plurality of chip inductors may be mounted on the main surface of the wiring board opposite to the rotor. Even in this case, although the wiring board is interposed, the distances from the plurality of chip inductors to the conductor targets are approximately equal.
- a plurality of chip inductors may be surface-mounted on one main surface of the wiring board, and a plurality of chip inductors may be surface-mounted on the other main surface of the wiring board.
- the number of chip inductors can be increased, for example, twice the number of chip inductors can be mounted. As the number of chip inductors increases, the total number of turns increases, so the output can be increased. Furthermore, the greater the number of chip inductors, the more the variations between chip inductors are averaged out, so the detection accuracy can be improved.
- the outputs of the multiple chip inductors placed on each main surface can be equalized, making it possible to perform complex signal processing. It is not necessary.
- the conductor targets are arranged at a predetermined conductor target period along the rotating orbit, Item 2.
- the coil width along the rotational trajectory of the chip inductor is 25% to 75% (25% or more and 75% or less) of the conductor target period.
- the chip inductor can output a good detection signal that changes as the conductive target passes.
- the detection resolution can be increased by increasing the number of conductor targets.
- a position detector for detecting rotational position can be configured using a chip inductor with a coil width.
- the coil width of the chip inductor is preferably about 50% of the conductor target period, but good detection is possible if it is in the range of 25% to 75%. Therefore, it is easy to select an applicable chip inductor from standardized chip inductors supplied on the market. Note that it is not necessarily an ideal condition when the coil width of the chip inductor is 50% of the conductor target period. Optimal design conditions depend on factors such as the position transducer's shaft multiplier, size, and rotor/stator gap.
- the conductor targets are arranged at a predetermined conductor target period along the rotating orbit
- the plurality of chip inductors include at least one first phase chip inductor, at least one second phase chip inductor, and at least one second phase chip inductor, which are arranged with a phase difference of 1/4 period with respect to the conductor target period.
- the inductive type according to item 1 or 2 comprising a first phase group, a second phase group, a third phase group, and a fourth phase group each including a three-phase chip inductor and at least one fourth-phase chip inductor. position detector.
- the spatial phase of the first phase chip inductor, second phase chip inductor, third phase chip inductor, and fourth phase chip inductor with respect to the conductor target differs by 90 degrees, so the rotational position of the rotor can be accurately determined from them.
- a detection signal for detection can be obtained.
- the plurality of chip inductors may or may not be arranged at equal intervals along the rotational trajectory. Further, the plurality of chip inductors may be arranged around the entire circumference of the rotating orbit, or there may be regions along the rotating orbit where the chip inductors are arranged and regions where no chip inductors are arranged. You can leave it there.
- the 4N chip inductors can be classified into four groups (each group is composed of N chip inductors) whose spatial phases with respect to the conductor target differ by 90 degrees. That is, a first phase group including N first phase chip inductors, a second phase group including N second phase chip inductors, a third phase group including N third phase chip inductors, and a third phase group including N third phase chip inductors. It is classified into the 4th phase group that includes 4th phase chip inductors. Therefore, detection signals having phases different by 90 degrees can be obtained from the first phase group, second phase group, third phase group, and fourth phase group.
- a target and a second set of the plurality of chip inductors are provided sharing the stator and the rotor, Items 1 to 1, wherein the number Y 1 (Y 1 is a natural number) of the plurality of conductor targets in the first set and the number Y 2 (Y 2 is a natural number) of the plurality of conductor targets in the second set are different from each other. 4.
- the inductive position detector according to any one of 4.
- an inductive position detector with a multi-track configuration having a first rotating orbit and a second rotating orbit.
- the number Y 1 of the first set of conductor targets corresponding to the first rotation orbit is different from the number Y 2 of the second set of conductor targets corresponding to the second rotation orbit, so that the rotation position can be adjusted over a wide rotation angle range. Can be detected separately.
- Item 5 further comprising an excitation coil provided on the wiring board of the stator and shared for inducing voltage in the plurality of chip inductors of the first set and the plurality of chip inductors of the second set. Or the inductive position detector according to 6.
- the excitation coil includes a first annular excitation coil that includes the plurality of chip inductors of the first set and the plurality of chip inductors of the second set when viewed along the rotational axis; an annular second excitation coil disposed around the rotational axis so as to be enclosed by the plurality of chip inductors of the first set and the plurality of chip inductors of the second set when viewed along; 8.
- the first and second sets of chip inductors can be sufficiently excited by the two inner and outer excitation coils, so a large detection signal can be obtained.
- each conductor target includes a conductor solid pattern or annular coil conductor pattern formed on the non-conductor component, and the plurality of conductor targets are insulated from each other. Mold position detector.
- the plurality of conductor targets have the same length along the rotational trajectory, and for example, the plurality of conductor targets of the same shape and size are arranged rotationally symmetrically around the rotation axis. More typically, adjacent conductor targets are spaced apart along the rotational trajectory. The spacing may be equal to the length of the conductor target along the rotational trajectory.
- a plurality of individual conductive targets equally spaced and spaced apart circumferentially about the axis of rotation are retained on the non-conducting parts of the rotor to maintain periodicity (geometry). It forms a conductor pattern with mechanical periodicity.
- the circular coil conductor pattern extending all the way along the circumference about the axis of rotation constitutes a plurality of interconnected conductor targets with periodicity (geometric periodicity). ) forms a conductor pattern.
- a conductor target refers to a conductor for one period of a conductor pattern with periodicity (geometric periodicity) formed along the circumference around the rotation axis, and this conductor is In some embodiments, it is a separate conductor pattern, and in other embodiments it is part of a continuous conductor pattern.
- the magnetic field is provided on the wiring board of the stator, is formed in an annular shape containing the plurality of chip inductors when viewed along the rotation axis, and generates a magnetic field for inducing voltage in the plurality of chip inductors.
- the inductive position detector according to any one of Items 1 to 11, further comprising an excitation coil.
- an alternating current voltage can be induced in the chip inductor by applying an alternating voltage to the excitation coil.
- the eddy current induced in the conductor target by the magnetic field from the excitation coil cancels the magnetic field of the excitation coil.
- the chip inductor outputs a detection signal that varies depending on the passage of the conductive target.
- a detection signal representing a change in impedance of the chip inductor appears at the signal detection end of the AC bridge circuit. Since most of the impedance of a chip inductor is inductance, the detection signal of the AC bridge circuit can be regarded as representing a change in the inductance of the chip inductor. On the other hand, since the inductance of the chip inductor changes depending on its positional relationship with the conductive target, the change in inductance can be detected by the detection signal from the AC bridge circuit, and thereby the position of the conductive target can be detected. That is, it is possible to detect the rotational position of the rotor that holds the conductive target with a non-conductive component.
- FIG. 1 is an exploded perspective view for explaining the configuration of an inductive position detector according to a first embodiment of the present invention.
- FIG. 2 is a side view of the inductive position detector of FIG. 1.
- FIG. 3 is a plan view showing the relative arrangement of a rotor conductor target and a chip inductor arranged on a stator.
- FIG. 4 is an electrical circuit diagram showing an equivalent circuit of the stator.
- FIGS. 5A, 5B, and 5C are waveform diagrams showing examples of alternating current voltages generated by excitation sources and detection signals having 90 degrees different phases.
- FIG. 6 is an exploded perspective view of an inductive position detector according to a second embodiment of the invention.
- FIG. 6 is an exploded perspective view of an inductive position detector according to a second embodiment of the invention.
- FIG. 7 is a plan view showing the relative arrangement of a rotor conductor target and a chip inductor arranged on a stator.
- FIG. 8 is an electrical circuit diagram showing an equivalent circuit of the stator.
- FIG. 9 is an exploded perspective view showing the configuration of an inductive position detector according to a third embodiment of the present invention.
- FIG. 10 is an electrical circuit diagram showing an equivalent circuit of the stator of the inductive position detector shown in FIG.
- FIG. 11 is an exploded perspective view for explaining the configuration of an inductive position detector according to a fourth embodiment of the present invention.
- FIG. 12 is a plan view showing the positional relationship between the conductor target of the rotor and the chip inductor arranged on the stator.
- FIG. 13 is an electrical circuit diagram showing an equivalent circuit of the stator.
- FIG. 14A is a plan view showing a configuration example including a conductor target formed of a coiled conductor pattern.
- FIG. 14B is a plan view showing another configuration example including a conductor target formed of a coiled conductor pattern.
- 15A-15E show examples of various conductor targets.
- FIGS. 16A-16D show examples of the division of conductor targets in a circular coil conductor pattern that is continuous over the entire circumference.
- FIG. 1 is an exploded perspective view for explaining the configuration of an inductive position detector 100 according to a first embodiment of the present invention.
- FIG. 2 is a side view of the inductive position detector 100 looking in the direction of arrow 101 in FIG.
- the induction type position detector 100 includes a stator 1 and a rotor 2 that rotates relative to the stator 1 around the rotation axis 3a, and the relative rotational position of the rotor 2 around the rotation axis 3a with respect to the stator 1. It is configured to output a detection signal representing .
- the rotor 2 is coupled to a rotating shaft 3 (see FIG. 2) whose rotational position is to be detected, and rotates together with the rotating shaft 3 around a rotating axis 3a.
- the stator 1 has a printed circuit board 10 (printed wiring board) that is a wiring board.
- the rotor 2 is composed of another printed circuit board 20 arranged at a predetermined interval 4 (for example, 0.1 mm to 1 mm) with respect to the printed circuit board 10.
- the printed circuit board 10 of the stator 1 includes an insulating substrate 11 and a conductive pattern (for example, a copper foil pattern) formed on at least one of main surfaces 10a and 10b.
- the printed circuit board 10 may be a multilayer printed circuit board having a plurality of laminated wiring layers (for example, four wiring layers), and in that case, a conductor is provided in the wiring layers that are not exposed on the main surfaces 10a and 10b. It may have a pattern.
- the printed circuit board 20 of the rotor 2 includes an insulating substrate 21, which is a non-conducting component, and a conductive pattern (for example, a copper foil pattern) formed on one of the main surfaces 20a, 20b and thereby held on the insulating substrate 21. It has a plurality of conductor targets T consisting of.
- the conductor target T is formed on the main surface 20a opposite to the stator 1, but may be formed on the other main surface 20b facing the stator 1.
- the conductor target T may be formed on an internal wiring layer other than the main surfaces 20a and 20b.
- the conductor targets T are formed on the same wiring layer (including the main surface) of the printed circuit board 20. In order to shorten the distance to chip inductors L1, L2, L3, and L4, which will be described later, it is preferable to form the conductor target T in a wiring layer as close as possible to the stator 1 (for example, on the main surface 20b).
- FIG. 3 is a plan view seen along the rotation axis 3a through the insulating substrate 21, and shows the conductor target T and the chip inductors L1, L2, L3, L4 (hereinafter collectively referred to as (When used, it is referred to as "chip inductor L.”).
- the conductor targets T are periodically arranged along the circumference around the rotation axis 3a and are held on one principal surface of the insulating substrate 21. Thereby, the plurality of conductor targets T constitute a conductor pattern having geometric periodicity along the circumferential direction around the rotation axis 3a. A conductor for one period of this conductor pattern is one conductor target T.
- the plurality of conductor targets T move along a rotational trajectory O (circumferential trajectory) around the rotational axis 3a as the rotational axis 3 rotates, and thus the rotor 2 rotates.
- each conductor target T is a solid conductor pattern formed on one main surface of the insulating substrate 21, and the plurality of conductor targets T are separated in the circumferential direction and insulated from each other. That is, each conductor target T is constituted by an individual conductor pattern (conductor solid pattern).
- the plurality of conductor targets T have equal lengths (widths) along the rotational trajectory O.
- the plurality of conductor targets T are composed of conductor patterns of the same shape and size, and are arranged rotationally symmetrically around the rotation axis 3a. More specifically, each conductor target T is configured in a fan shape (more precisely, a fan shape with the inner diameter portion cut away) centered on the rotation axis 3a.
- the interval along the rotational trajectory O between adjacent conductor targets T that is, the length of the non-conductor portion 23 along the rotational trajectory O is the length (width) of the conductor target T along the rotational trajectory O. , but this is just an example.
- the length (width) of the conductor target T along the rotational trajectory O depends on the design of the inductive position detector 100, and may be optimally about 70% of the conductor target period ⁇ , for example.
- a plurality of chip inductors L are surface-mounted on one main surface 10a of the printed circuit board 10 constituting the stator 1.
- the plurality of chip inductors L are mounted on the main surface 10a facing the rotor 2, but they may be mounted on the other main surface 10b on the opposite side to the rotor 2.
- the plurality of chip inductors L are arranged to face the rotational trajectory O of the conductor targets T with different spatial phases relative to the plurality of conductor targets T.
- the plurality of chip inductors L each constitute a plurality of detection coils that detect changes in the magnetic field as the conductor target T passes.
- the plurality of chip inductors L are surface-mounted on the same main surface 10a of the printed circuit board 10, and thus the distances from the rotor 2 (more specifically, the distances from the conductor target T) are substantially equal.
- the plurality of chip inductors L are typically industrially mass-produced and have the same specifications.
- Each chip inductor L has a coil width W along the rotational orbit O of 25% to 75% (25% or more and 75% or less) of the conductor target period ⁇ .
- This coil width W is preferably about 50% of the conductor target period ⁇ , but good detection is possible if it is in the range of 25% to 75%. Therefore, it is sufficient to select one having a coil width in the range of 25% to 75% of the conductor target period ⁇ from standardized chip inductors supplied on the market.
- a multilayer chip inductor having a pair of connection electrodes 31 and 32 (see FIG. 1) at both ends can be applied to the chip inductor L.
- An example of a multilayer chip inductor is described in, for example, Patent Document 5.
- a multilayer chip inductor By using a multilayer chip inductor, a small detection coil with a large number of turns can be constructed. Thereby, a detection signal of a required magnitude can be obtained from the chip inductor L even if the conductor target period ⁇ is shortened in order to increase the detection resolution by increasing the number of conductor targets T.
- the chip inductor L typically has a rectangular parallelepiped shape in which the direction in which the connection electrodes 31 and 32 face is the longitudinal direction.
- the coil center axis direction (the direction of the winding center axis direction) is set perpendicular to the main surface 10a of the printed circuit board 10 and is surface mounted on the printed circuit board 10, the length in the transverse direction is is substantially equal to the coil width W of the coil.
- the chip inductor L is mounted on the printed circuit board 10 with its longitudinal direction aligned with the radial direction of the rotating orbit O, but the longitudinal direction does not need to be aligned with the radial direction of the rotating orbit O. .
- the plurality of chip inductors L are arranged at equal intervals along the rotational trajectory O over the entire circumference around the rotational axis 3a.
- four chip inductors L are arranged at angular intervals of 90 degrees on the circumference around the rotation axis 3a.
- These chip inductors L are a first phase chip inductor L1 (first phase group) and a second phase chip inductor L2 (second phase group), which are arranged with a phase difference of 1/4 period with respect to the conductor target period ⁇ . ), third phase chip inductor L3 (third phase group), and fourth phase chip inductor L4 (fourth phase group).
- five conductor targets T are arranged on the circumference around the rotation axis 3a with a conductor target period ⁇ of 72 degrees, and this conductor target period ⁇ is one period of electrical angle, that is, 360 degrees. corresponds to
- the two chip inductors L having a positional relationship of 90 degrees in mechanical angle have a phase difference of 90 degrees in electrical angle, that is, a quarter of the conductor target period ⁇ .
- the second phase chip inductor L2 has a phase difference of 90 degrees with respect to the first phase chip inductor L1.
- the third phase chip inductor L3 has a phase difference of 90 degrees with respect to the second phase chip inductor L2
- the fourth phase chip inductor L4 has a phase difference of 90 degrees with respect to the third phase chip inductor L3. has. Therefore, the third phase chip inductor L3 has a phase difference of 180 degrees with respect to the first phase chip inductor L1, and these are in opposite phases to each other. Similarly, the fourth phase chip inductor L4 has a phase difference of 180 degrees with respect to the second phase chip inductor L2, and these are in opposite phases to each other.
- Each chip inductor L is surface mounted on the printed circuit board 10 with the coil center axis direction set parallel to the rotation axis 3a. Therefore, when the magnetic field in the direction of the coil center axis, that is, parallel to the rotational axis 3a, changes, the chip inductor L generates an induced voltage corresponding to the change in the magnetic field.
- An excitation coil 12 is provided on the printed circuit board 10 that constitutes the stator 1.
- the excitation coil 12 is formed into an annular shape that includes the plurality of chip inductors L in a plan view along the rotation axis 3a (see FIG. 2). That is, the coil center axis direction of the excitation coil 12 is parallel to the rotation axis 3a.
- the excitation coil 12 is formed in an annular shape with a plurality of conductor targets T inside when viewed from the same plane.
- the excitation coil 12 has a substantially annular shape when viewed from the same plane.
- the excitation coil 12 is a patterned coil formed of a spiral conductor pattern formed on the printed circuit board 10, and is formed entirely in an annular shape (in this embodiment, an annular shape).
- the printed circuit board 10 may be, for example, a laminated printed circuit board in which a plurality of wiring layers are laminated.
- the excitation coil 12 may be formed by forming patterned coils with spiral conductor patterns in each of a plurality of wiring layers (for example, four layers), and connecting these patterned coils with vias connecting the wiring layers.
- An excitation source 5 that generates an alternating current voltage is connected to the lead-out portions 12a and 12b of the excitation coil 12.
- the excitation coil 12 When an AC voltage is applied from the excitation source 5 to the excitation coil 12, the excitation coil 12 generates a high-frequency magnetic field whose direction is reversed at the frequency of the AC voltage along a direction parallel to the rotation axis 3a.
- the magnetic field of the exciting coil 12 interlinks with the chip inductor L, so that an induced electromotive force is generated in the chip inductor L.
- a conductor pattern (more specifically, a copper foil pattern) is formed on the printed circuit board 10 of the stator 1 to connect the chip inductor L to form a detection circuit.
- FIG. 4 shows an equivalent circuit of the stator 1.
- the first phase chip inductor L1 generates an A phase detection signal
- the second phase chip inductor L2 generates a B-phase detection signal having a phase difference of 90 degrees from the A-phase detection signal.
- the fourth phase chip inductor L4 generates a /B-phase detection signal having an opposite phase to the B-phase detection signal. Therefore, the B-phase detection circuit 7 is configured by connecting the same polarity ends of the second phase chip inductor L2 and the fourth phase chip inductor L4 (differential connection) and outputting their differential signal as the detection signal VB.
- the detection signal VB there is.
- V L1 , V L2 , V L3 , and V L4 induced in each chip inductor L1 , L2 , L3 , and L4 at the rotation angle ⁇ are as follows.
- K represents the amplitude of the induced alternating voltage.
- the detection signals VA and VB are as follows.
- FIG. 5A shows an example of the waveform of the AC voltage generated by the excitation source 5
- FIGS. 5B and 5C show examples of the waveforms of the detection signals VA and VB.
- the detection signals VA and VB output by the detection circuits 6 and 7 are high-frequency signals amplitude-modulated based on changes in the induced voltage caused by the rotation of the rotor 2. Since the chip inductors L1 and L3 that constitute the A-phase detection circuit 6 and the chip inductors L2 and L4 that constitute the B-phase detection circuit 7 are arranged on the stator 1 at 90-degree intervals, the detection signals VA and VB are signals having a phase difference of 90 degrees from each other. Therefore, the rotation angle ⁇ of the rotor 2 can be determined by demodulating the detection signals VA and VB with the signal processing circuit 8 and performing arctangent calculation.
- FIG. 6 is an exploded perspective view of an inductive position detector 200 according to a second embodiment of the invention.
- FIG. 7 is a plan view of the inductive position detector 200 as seen along the rotation axis 3a, and the relationship between the arrangement of the conductor target T and the chip inductor L as seen through the insulating substrate 21 of the rotor 2. shows.
- FIG. 8 is an equivalent circuit diagram showing the electrical configuration of the stator 1. In these drawings, parts corresponding to those shown in FIGS. 1 to 4 described above are designated by the same reference numerals.
- the number of conductor targets T and the number of chip inductors L are each twice as many as in the first embodiment.
- the conductor target period ⁇ (36 degrees) and the chip inductor period p (45 degrees) are each half of those in the first embodiment.
- the plurality of chip inductors L are a first phase group G1 (A phase) composed of a pair of first phase chip inductors L1(1) and L1(2) facing each other across the rotation axis 3a, A second phase group G2 (B phase) consisting of another pair of second phase chip inductors L2(1) and L2(2) facing each other across the rotational axis 3a; A third phase group G3 (/A phase) consisting of third phase chip inductors L3(1) and L3(2), and yet another pair of fourth phase chip inductors L4(1) facing each other across the rotation axis 3a. ), L4(2) can be classified into the fourth phase group G4 (/B phase).
- the chip inductors L4(1) and L4(2) are spatially out of phase around the rotation axis 3a by one quarter of the conductor target period ⁇ .
- a pair of first-phase chip inductors L1(1), L1(2) and a pair of third-phase chip inductors L3(1), L3(2) are differentially connected in series to configure the A-phase detection circuit 6.
- the B-phase detection circuit 7 is configured by differentially connecting a pair of second-phase chip inductors L2(1), L2(2) and a pair of fourth-phase chip inductors L4(1), L4(2) in series. has been done.
- the A-phase detection circuit 6 and the B-phase detection circuit 7 output amplitude-modulated detection signals VA and VB that are 90 degrees out of phase, as in the first embodiment.
- a conductive pattern (more specifically, a copper foil pattern) is formed on the printed circuit board 10 of the stator 1 to connect the chip inductor L to form the detection circuits 6 and 7. .
- V L1(1) , V L2(1) , V L3(1) , V L4(1) , V L1(2) , V L2(2) , V L3 (2) , V L4(2) is as follows.
- K represents the amplitude of the induced alternating voltage.
- Chip inductors L1(1), L1(2) and L3(1), L3(2), and chip inductors L2(1), L2(2) and L4(1), L4(2) are differential in series, respectively. Since they are connected, the detection signals VA and VB are as follows.
- the fluctuations in the detection signals VA and VB can be detected to a greater extent by increasing the number of chip inductors L, so the signal-to-noise ratio (S/N ratio) can be improved.
- chip inductors L placed at opposing positions separated by 180 degrees in mechanical angle detect signals of the same phase.
- the conductor target period ⁇ and the chip inductor period p are expressed by the following equations (18) and (19), respectively, using the circumferential length Cl of the rotating orbit O through which the conductor target T passes.
- ⁇ Cl/Y...(18)
- p Cl/4N...(19)
- the two detection circuits 6 and 7 that generate the two detection signals VA and VB having a phase difference of 90 degrees are configured by the plurality of chip inductors L. can do. Based on these detection signals VA and VB, the rotational position of the rotor 2, that is, the rotational position (rotation angle) of the rotating shaft 3 can be detected.
- the chip inductor L is an electrical component that is small in size, can have a large number of turns, and can be procured at a low price in the market. Therefore, when trying to increase the number of conductor targets T to increase the number of poles and increase the detection resolution, it is possible to arrange the conductor targets according to the small conductor target period ⁇ , and the detection signal does not become too small. It does not require any significant cost.
- the distances to the conductor targets T can be made uniform.
- the performance of the industrially mass-produced chip inductor L is highly uniform. Therefore, since uniform detection signals can be obtained from the plurality of chip inductors L, complicated signal processing is not required.
- the plurality of chip inductors L which are individual elements, can be placed at any position facing the rotational orbit O, so there is freedom in placement. High degree. Therefore, as in the first and second embodiments, an arrangement distributed over the entire circumference of the rotating orbit O is also possible.
- Such a full-circumference arrangement is an arrangement that can easily accommodate misalignment of the rotating shaft 3 coupled to the rotor 2. Specifically, when the rotating shaft 3 is the end of the motor shaft of an electric motor on the side opposite to the output shaft, even if the axis of the rotating shaft 3 shifts due to the radial load applied to the motor shaft, there is a simple problem. Signal processing can avoid offset shifts in the detection position.
- the chip inductor L can be made small and have a configuration with many windings. Therefore, even when designing to increase the resolution by reducing the conductor target period ⁇ , the chip inductor L can be arranged along the rotational orbit O all around it.
- the conductor targets T are arranged along the rotational orbit O at a predetermined conductor target period ⁇ .
- the chip inductor L has a coil width W of 25% to 75% (25% or more and 75% or less) of the conductor target period ⁇ along the rotational orbit O.
- the coil width W of the chip inductor L is about 25% of the conductor target period ⁇ . Further, in the second embodiment, the coil width W of the chip inductor L is approximately 50% of the conductor target period ⁇ .
- the ratio of the coil width W of the chip inductor L to the conductor target period ⁇ increases, and if the ratio is up to about 75%, It is possible to obtain a waveform signal that allows accurate rotational position detection.
- a small-sized rotational position detector can be constructed using a chip inductor L with a coil width W of ⁇ 75%.
- the coil width W of the chip inductor L is in the range of 25% to 75% of the conductor target period ⁇ , good detection is possible. Therefore, it is easy to select an applicable chip inductor from standardized chip inductors supplied on the market.
- the plurality of chip inductors L disposed on the stator 1 are arranged with a phase difference of 1/4 period with respect to the conductor target period ⁇ .
- a first phase group, a second phase group, and a third phase each including a phase chip inductor L1, at least one second phase chip inductor L2, at least one third phase chip inductor L3, and at least one fourth phase chip inductor L4. group and the Phase 4 group.
- phase chip inductor L1 (chip inductor of 1st phase group), 2nd phase chip inductor L2 (chip inductor of 2nd phase group), 3rd phase chip inductor L3 (chip inductor of 3rd phase group), and 4th phase chip inductor L3 (chip inductor of 3rd phase group) Since the phase chip inductor L4 (chip inductor of the fourth phase group) has a spatial phase different by 90 degrees with respect to the conductor target T, a detection signal for accurately detecting the rotational position of the rotor 2 is obtained from them. be able to.
- the detection circuit 6 is configured by differentially connecting the first phase chip inductor L1 and the third phase chip inductor L3 with a spatial phase difference of 180 degrees
- the detection circuit 7 is configured by differentially connecting a second phase chip inductor L2 and a fourth phase chip inductor L4 with a spatial phase difference of 180 degrees.
- large amplitude detection signals VA and VB having a phase difference of 90 degrees are obtained from the two detection circuits 6 and 7.
- the noise components that commonly appear in the plurality of chip inductors L due to disturbances are removed by the differential connection, so the detection signals VA and VB accurately represent the position of the conductor target T.
- the disturbance includes an external magnetic field, a variation in the distance between the stator 1 and the rotor 2 (manufacturing variations), and the like.
- a plurality of first phase chip inductors L1, a second phase chip inductor L2, a plurality of third phase chip inductors L3 and a plurality of fourth phase chip inductors L4 are provided, and the chip inductors of the same phase L are connected in series.
- 4N chip inductors L can be obtained.
- detection circuits 6 and 7 that output detection signals VA and VB having phases different by 90 degrees.
- FIG. 9 is an exploded perspective view showing the configuration of an inductive position detector 300 according to a third embodiment of the present invention. Further, FIG. 10 is an electric circuit diagram showing an equivalent circuit on the stator 1 side. In FIGS. 9 and 10, parts corresponding to those in the second embodiment described above are indicated by the same reference numerals.
- This embodiment differs from the second embodiment in that the stator 1 is not equipped with an excitation coil.
- the A-phase AC bridge circuit 60 includes first-phase chip inductors L1(1), L1(2), and third-phase chip inductors L3(1), L3(2) having a phase difference of 180 degrees with respect to these. It consists of a bridge connection.
- the first phase chip inductors L1(1) and L1(2) are arranged on opposite sides of the A-phase AC bridge circuit 60, and the third phase chip inductors L3(1) and L3(2) are arranged in the A-phase AC bridge circuit 60. 60, respectively.
- connection point between the first phase chip inductor L1(1) and the third phase chip inductor L3(2) is the first A phase AC voltage application end 61
- the connection point (2) is the second A-phase AC voltage application end 62.
- the midpoint between the first phase chip inductor L1(1) and the third phase chip inductor L3(1) is the first A phase signal detection end 63
- the midpoint between the inductors L1(2) is the second A-phase signal detection end 64.
- the B-phase AC bridge circuit 70 includes second-phase chip inductors L2(1), L2(2), and fourth-phase chip inductors L4(1), L4(2) having a phase difference of 180 degrees with respect to these. It consists of a bridge connection.
- the second phase chip inductors L2(1), L2(2) are arranged on opposite sides of the B-phase AC bridge circuit 70, and the fourth phase chip inductors L4(1), L4(2) are arranged in the B-phase AC bridge circuit. 70, respectively.
- connection point between the second phase chip inductor L2(1) and the fourth phase chip inductor L4(2) is the first B-phase AC voltage application end 71
- the connection point (2) is the second B-phase AC voltage application end 72
- the midpoint between the second phase chip inductor L2(1) and the fourth phase chip inductor L4(1) is the first B phase signal detection end 73
- the midpoint between the inductors L2(2) is the second B-phase signal detection end 74.
- the excitation source 5 includes a first excitation source 51 that generates a first AC voltage (Asin ⁇ t), and a second excitation source 52 that generates a second AC voltage (-Asin ⁇ t) whose phase is inverted with respect to the first AC voltage.
- the first A-phase AC voltage application end 61 is connected to the first excitation source 51, and a first AC voltage (Asin ⁇ t) is applied thereto.
- the second A-phase AC voltage application end 61 is connected to the second excitation source 52, and a second AC voltage (-Asin ⁇ t) is applied thereto.
- the first B-phase AC voltage application end 71 is connected to the first excitation source 51, and a first AC voltage (Asin ⁇ t) is applied thereto.
- the second B-phase AC voltage application end 72 is connected to the second excitation source 52, and a second AC voltage (-Asin ⁇ t) is applied thereto. Then, the voltage appearing between the first A-phase signal detection end 63 and the second A-phase signal detection end 64 is detected as the detection signal VA. Further, the voltage appearing between the first B-phase signal detection end 73 and the second B-phase signal detection end 74 is detected as the detection signal VB.
- an AC voltage is applied to the A-phase AC bridge circuit 60 and the B-phase AC bridge circuit 70 from the common excitation source 5, but the A-phase AC bridge circuit 60 and the B-phase AC bridge circuit 70
- a configuration in which an AC voltage is applied from a separate excitation source 5 may also be used.
- the rotation angle is detected from the change in inductance of the chip inductor L caused by the rotation of the rotor 2, without using an excitation coil.
- the output signals from the A-phase AC bridge circuit 60 and the B-phase AC bridge circuit 70 that is, the detection signals VA and VB, are as shown in Equation (29) and Equation (30), respectively.
- k is a constant representing the amplitude.
- the AC bridge circuits 60 and 70 detect changes in the impedance of the chip inductor L due to changes in the positional relationship with the conductor target T.
- the impedance of the chip inductor L includes a minute DC resistance component in addition to the inductance component, but since the inductance component is dominant, the DC resistance component can be substantially ignored. Therefore, the AC bridge circuits 60 and 70 can detect changes in the inductance of the chip inductor L due to changes in the positional relationship with the conductor target T.
- the detection signals VA and VB expressed by equations (29) and (30) are signals that change depending on the rotational position of the conductor target T and are out of phase by 90 degrees. Equations (29) and (30) As is clear from the comparison with Equations (5) and (6) above, the detection signals VA and VB have the waveforms shown in FIGS. 5B and 5C, respectively, depending on the rotational position of the conductor target T. It will have a similar waveform. Therefore, similarly to the first and second embodiments described above, the rotational position of the rotor 2 can be detected. Therefore, a position detector capable of detecting the position of the rotor 2 can be constructed even though it does not include an excitation coil.
- FIG. 11 is an exploded perspective view for explaining the configuration of an inductive position detector 400 according to a fourth embodiment of the present invention.
- FIG. 12 is a plan view of the inductive position detector 400 viewed along the rotation axis 3a, and shows the positional relationship between the conductor target T and the chip inductor L as seen through the insulating substrate 21 of the rotor 2.
- corresponding parts of the first and second embodiments are given the same reference numerals.
- This position detector 400 has a plurality of rotational orbits O 1 , O 2 (see FIG. 12) around the rotational axis 3a, and has a multi-track configuration for detecting the rotational position on each rotational orbit O 1 , O 2 . ing. Specifically, the position detector 400 of this embodiment has a two-track configuration having a first rotational orbit O 1 and a second rotational orbit O 2 that are concentric and circumferential around the rotational axis 3a. The first rotating orbit O 1 is arranged inside the second rotating orbit O 2 and forms a circumference having a smaller diameter than the second rotating orbit O 2 .
- a plurality of conductor targets T1 are arranged around the entire circumference along the first rotational orbit O1 .
- a plurality of conductor targets T 2 are arranged at equal intervals throughout the circumference, and along the second rotational orbit O 2 a plurality of conductor targets T 2 are arranged at equal intervals over the entire circumference.
- a plurality of chip inductors L1 are arranged around the entire circumference along the first rotational orbit O1 .
- a plurality of chip inductors L 2 are arranged at equal intervals along the second rotational orbit O 2 over the entire circumference.
- the plurality of chip inductors L 1 arranged along the first rotational trajectory O 1 are arranged as first phase chip inductors L 1 1(1), A first phase group (A phase) consisting of L 1 1(2), a second phase group (B phase) consisting of second phase chip inductors L 1 2(1), L 1 2(2), 3rd phase group (/A phase) consisting of 3rd phase chip inductors L 1 3(1), L 1 3(2), 4th phase chip inductors L 1 4(1), L 1 4(2) It can be classified into the fourth phase group (/B phase) consisting of: Then, the first phase chip inductor L 1 1(1), L 1 1(2), the second phase chip inductor L 1 2(1), L 1 2(2), and the third phase chip inductor L 1 3(1). ), L 1 3 (2) and the fourth phase chip inductors L 1 4 (1), L 1 4 (2) have a spatial phase around the rotation axis 3a for each quarter of the conductor target period ⁇ . It's off.
- the plurality of chip inductors L 2 arranged along the second rotational trajectory O 2 are arranged based on the spatial phase around the rotation axis 3a with respect to the conductor target T 2 . 1), L 2 1 (2), L 2 1 (3), 1st phase group (A phase), 2nd phase chip inductor L 2 2 (1), L 2 2 (2), L 2 2nd phase group (B phase) consisting of 2(3), 3rd phase group consisting of 3rd phase chip inductors L23 (1), L23 (2), L23 (3) (/A phase), and a fourth phase group (/B phase) consisting of fourth phase chip inductors L 2 4(1), L 2 4(2), and L 2 4(3).
- the spatial phase around the rotation axis 3a is shifted by one quarter of the conductor target period ⁇ .
- a plurality of conductor targets T 1 and a plurality of chip inductors L 1 arranged along the first rotational trajectory O 1 constitute a first set S 1 and are opposed to each other.
- a plurality of conductor targets T 2 and a plurality of chip inductors L 2 arranged along the second rotational orbit O 2 constitute a second set S 2 and are opposed to each other.
- the first set S1 and the second set S2 share the rotor 2 and stator 1.
- Y 1 4N 1 M 1 ⁇ N 1 (Y 1 , N 1 , M 1 are natural numbers) ...(31)
- Y 2 4N 2 M 2 ⁇ N 2 (Y 2 , N 2 , M 2 are natural numbers) ...(32)
- the plurality of chip inductors L1 constituting the first set S1 and the plurality of chip inductors L2 constituting the second set S2 are all chip inductors of the same specification, and are aligned along the rotation axis 3a. In plan view, they have the same shape and size.
- each chip inductor L is arranged so that its longitudinal direction runs along the rotation radius direction around the rotation axis 3a.
- the longitudinal direction of the chip inductor L is typically the direction in which the pair of connection electrodes 31 and 32 face each other.
- the ratio of the coil width W 1 of the chip inductor L 1 to the pitch (conductor target period ⁇ 1 ) of the plurality of conductor targets T 1 constituting the first set S 1 is about 25%.
- the ratio of the coil width W 2 of the chip inductor L 2 to the pitch (conductor target period ⁇ 2 ) of the plurality of conductor targets T 2 constituting the second set S 2 is 50%.
- the first excitation coil 121 is configured in an annular shape, for example, by forming a spiral wiring pattern along the circumference around the rotation axis 3a.
- the first excitation coil 121 is configured by connecting the spiral wiring patterns formed in the plurality of wiring layers with interlayer vias. It's okay. The same applies to the second excitation coil 122.
- FIG. 13 is an electrical circuit diagram showing an equivalent circuit of the stator 1.
- the plurality of chip inductors L 1 of the first set S 1 (inner peripheral side) arranged along the first rotational orbit O 1 are connected in the same way as in the second embodiment. That is, a pair of first phase chip inductors L 1 1 (1), L 1 1 (2) and a pair of third phase chip inductors L 1 3 (1), L 1 3 (2) are differentially connected in series. A phase detection circuit 61 is configured. Then, a pair of second phase chip inductors L12 (1), L12 (2) and a pair of fourth phase chip inductors L14 (1), L14 (2) are differentially connected in series. A B-phase detection circuit 71 is configured. The A-phase detection circuit 6 1 and the B-phase detection circuit 7 1 output amplitude-modulated detection signals VA 1 and VB 1 that are 90 degrees out of phase.
- rotational position information of the rotor 2 can be obtained.
- the detection signals VA 1 since the number Y 1 of the plurality of conductive targets T 1 in the first set S 1 and the number Y 2 of the plurality of conductive targets T 2 in the second set S 2 are different from each other, the detection signals VA 1 , It becomes possible to distinguish and detect rotational positions in a wider rotation angle range than by using only VB 1 or only detection signals VA 2 and VB 2 .
- the detection signals VA 1 , VB 1 By using VA 2 and VB 2 , it is possible to perform one-rotation absolute detection that distinguishes and detects rotational positions within a range of one rotation (360 degrees).
- FIGS. 14A and 14B are diagrams for explaining still other embodiments.
- each conductor target T is composed of a conductor solid pattern (more specifically, a copper foil solid pattern) formed on the insulating substrate 21, but as shown in FIGS. 14A and 14B, each The conductor target T may be composed of coil conductor patterns 80 and 90.
- FIGS. 14A and 14B parts corresponding to those shown in FIG. 3 are given the same reference numerals.
- a plurality of individual annular coil conductor patterns 80 constituting each of a plurality of conductor targets T are separated at intervals in the circumferential direction around the rotation axis 3a, and are thereby insulated from each other.
- the plurality of conductor targets T constitute a conductor pattern having geometric periodicity along the circumferential direction around the rotation axis 3a.
- the annular coil conductor pattern 80 of each conductor target T is composed of a linear conductor pattern that follows the outer periphery (outline) of a fan shape (more precisely, a fan shape with the inner diameter cut away) centered on the rotation axis 3a. has been done.
- the annular coil conductor pattern 80 can also be configured with a curved (eg, circumferential or elliptical) conductor pattern.
- a curved annular coil conductor pattern 80 By configuring the conductor target T with such a curved annular coil conductor pattern 80, the output signal waveform can be approximated to a sine wave.
- the insulating substrate is a multilayer wiring board, a plurality of conductor patterns formed on a plurality of conductor layers are connected to form a multi-turn coil, and each of the multi-turn coils is used as each conductor target T. Good too.
- annular coil conductor pattern 90 that covers the entire circumference.
- This annular coil conductor pattern 90 has geometric periodicity along the circumferential direction around the rotation axis 3a. More specifically, the annular coil conductor pattern 90 has a shape that repeats a predetermined number of periods (5 periods in the example of FIG. 14B) around the rotation axis 3a, and the conductor for one period is one conductor. It constitutes target T.
- One conductor target T is an angle obtained by equally dividing the entire angular range (360 degrees) around the rotation axis 3a of the annular coil conductor pattern 90 by the number of periods (in the example of FIG. 14B, 5 equal parts). It is a part within the area. The dividing angular position when equally dividing by the number of periods can be set arbitrarily.
- One radial linear conductor pattern 92 connects to the outer radial side end of another radial linear conductor pattern 92 adjacent to one side in the circumferential direction around the rotation axis 3a via the outer radial linear conductor pattern 91 on the outer radial side. and is coupled to the inner diameter side end of yet another radial linear conductor pattern 92 adjacent on the other side in the circumferential direction via the inner diameter linear conductor pattern 93 on the inner diameter side.
- the outer diameter linear conductor pattern 91 and the inner diameter linear conductor pattern 93 are linearly formed along an arc centered on the rotation axis 3a.
- the annular coil conductor pattern 90 has an endless U-shaped coil portion that opens toward the rotation axis 3a and a U-shaped coil portion that opens toward the opposite side of the rotation axis 3a that are continuous in the circumferential direction. It is structured like this. In other words, the annular coil conductor pattern 90 is formed in a zigzag wave shape that straddles the rotational orbit O and goes back and forth between the inner diameter side and the outer diameter side.
- FIGS. 14A and 14B The operating principle in the configuration shown in FIGS. 14A and 14B is the same as in the previous embodiment. However, in the embodiment described above, the eddy current flowing in the conductor solid pattern constituting the conductor target T is utilized, whereas in the configurations of FIGS. 14A and 14B, the coil conductor patterns 80, 90 constituting the conductor target T are A current flows through. Specifically, when an alternating current excitation current is passed through the excitation coil 12, when the excitation current increases in the direction of arrow 85, the current in the direction of arrow 86 flows in the coil conductor patterns 80, 90 to prevent changes in the magnetic field. flows.
- the voltage induced in the detection coil configured by the chip inductor L is influenced by the magnetic field of the excitation coil 12 on the stator 1 side and the magnetic field of the coil conductor patterns 80 and 90 (conductor target T) on the rotor 2 side. .
- the rotational position of the rotor 2 can be detected using changes in the magnetic field due to the current flowing through the coil conductor patterns 80 and 90.
- the current flowing through the coil conductor patterns 80 and 90 better detection can be achieved than when using the eddy current flowing through the conductor solid pattern.
- FIGS. 14A and 14B are applicable not only to the first embodiment but also to the second, third, and fourth embodiments.
- FIGS. 15A to 15E show examples of various conductor targets T, and show the arrangement of a plurality of conductor targets T by developing a rotational trajectory O along the circumference into a straight line.
- FIG. 15A shows a configuration in which conductor targets T made up of a plurality of separated conductor solid patterns are arranged at regular intervals, and is similar to FIGS. This applies to the configuration.
- FIG. 15B shows a configuration in which conductor targets T made up of a plurality of separated annular coil conductor patterns are arranged at equal intervals, and the configuration in FIG. 14A corresponds to this.
- FIG. 15D shows an example in which a curved annular coil conductor pattern constitutes a plurality of conductor patterns T, and this corresponds to the configuration shown by the virtual line in FIG. 14B.
- the conductor target T is a portion corresponding to one period.
- alternating annular coil conductor patterns may be formed on both sides of the insulating substrate.
- An example of the conductor target T in this case is shown in FIG. 15F.
- the conductor target T refers to a conductor for one period of a conductor pattern with periodicity (geometric periodicity) formed along the circumference (rotation orbit O) around the rotational axis 3a.
- the conductor is a separate conductor pattern in the examples of FIGS. 15A and 15B, and is part of a continuous conductor pattern in the examples of FIGS. 15C-15E.
- the plurality of chip inductors L are arranged over the entire circumference around the rotation axis 3a, but the plurality of chip inductors L are arranged in a part of the angular range around the rotation axis 3a. It may be arranged in a limited area.
- the chip inductors L1(2), L2(2), L3(2), and L4(2) may be omitted.
- the chip inductor L is surface mounted on one main surface 10a of the printed circuit board 10 of the stator 1, but a plurality of chip inductors L are mounted on one main surface 10a of the printed circuit board 10.
- L may be surface mounted, and a plurality of chip inductors L may be surface mounted on the other main surface 10b of the printed circuit board 10.
- the number of chip inductors L can be increased, for example, twice the number of chip inductors L can be mounted on the printed circuit board 10. As the number of chip inductors L increases, the total number of turns increases, so the output can be increased.
- a two-track configuration is shown in which two sets of conductor targets and chip inductors are provided along two rotational orbits, but conductor targets and chip inductor sets are provided along three or more rotational orbits.
- a configuration may be adopted in which three or more sets of targets and chip inductors are provided.
- the excitation coil was configured in a circular ring shape, but the excitation coil may be configured in other ring shapes such as a polygonal ring shape.
- a multilayer chip inductor can be configured more compactly, in order to perform high-resolution position detection by reducing the conductor target period (in other words, by increasing the number of conductor targets), a multilayer chip inductor is required. It is more advantageous to use More specifically, even if the width of the conductor target on the rotating orbit is about 2 mm, the position can be determined by using a multilayer chip inductor with a width of about 1 mm (preferably arranged over the entire circumference of the rotating orbit). Detector can be configured.
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Abstract
誘導型位置検出器(100)は、配線基板(10)を有する固定子(1)と、固定子(1)に対向して配置された非導体部品(21)を有し、回転軸線(3a)まわりに固定子(1)に対して相対回転する回転子(2)と、非導体部品(21)に保持され、回転軸線(3a)まわりの周方向に沿って幾何学的な周期性を有し、回転子(2)の回転に伴って、回転軸線(3a)まわりの回転軌道を通って移動する導体パターン(T)と、導体パターン(T)に対する空間的な位相を異ならせて回転軌道に対向するように配置して固定子(1)の配線基板(10)の主面に表面実装され、導体パターン(T)の通過に伴う磁界の変化を検出する複数の検出コイルをそれぞれ構成する複数のチップインダクタ(L)と、を含む。
Description
この出願は、2022年6月14日提出の日本国特許出願2022-95845号に基づく優先権を主張しており、この出願の全内容はここに引用により組み込まれるものとする。
この発明は、誘導型位置検出器に関する。
回転位置を検出する位置検出器としては、光学型、磁気型、静電容量型、レゾルバ型、誘導型等の様々な検出方式のものが用いられている。誘導型位置検出器は、導体を保持した可動部を交流磁界中で移動させ、導体中に誘導される電流による磁界の変化を検出する。誘導型位置検出器は、ゴミ、汚れおよび外部磁界の影響を受けにくいので、耐環境性に優れている。加えて、構成が簡単であり、小型化および薄型化が可能であり、比較的コストも安い。
誘導型位置検出器は、たとえば、特許文献1~4に開示されている。
特許文献1および特許文献4は、プリント配線基板上の導体パターンで励磁コイルと検出コイルとを形成し、検出コイルに対して導体ターゲットを相対移動させる構成を開示している。励磁コイルが発生する交流磁界によって検出コイルに誘導される電圧は、検出コイルと導体ターゲットとの位置関係に応じて変化する。それにより、導体ターゲットの位置を検出できる。
特許文献2は、プリント配線基板上の導体パターンで検出コイルを形成し、検出コイルに交流電圧を印加し、導体ターゲットが検出コイルに対して相対移動するときの検出コイルのインダクタンス変化を検出する構成を開示している。
特許文献3は、シリコン基板上の導体パターンで励磁コイルおよび検出コイルを形成した構成を開示している。検出原理は、特許文献1,4と同様である。
回転位置を検出する位置検出器においては、サイズ、分解能および精度は、非常に重要な性能である。1回転当たりの検出周期数は、軸倍角と呼ばれる。一つの検出コイルを一つの導体ターゲットが通過することにより、1周期の検出信号が得られる。軸倍角が多いほど分解能が向上し、精度も良くしやすい。軸倍角を増やすためには、回転軸線まわりの円周上に配置される導体ターゲットの数を増やす必要がある。したがって、小さなサイズで分解能および精度が高い位置検出器を実現するためには、導体ターゲットのピッチを細かくする必要がある。
導体ターゲットのピッチを細かくすると、それに応じて、検出コイルも小さくする必要がある。検出コイルが小さくなると、鎖交磁束が減るので、検出される信号電圧が小さくなる。すると、信号とノイズの比率(S/N比)が下がり、正確な位置検出が難しくなる。したがって、検出コイルの巻数をできるだけ多くして、充分な信号電圧を確保することが望ましい。
プリント配線基板上の導体パターンで検出コイルを形成する場合、同じプリント基板上で信号処理回路を構成できるので、追加コストが少ない。また、プリント配線基板は、作製するためのイニシャルコストが少ないため、多品種少量生産に向いており、自由度の高い設計が可能である。
プリント配線基板上の導体パターンで検出コイルを作る例は、特許文献1のFIG.52、および特許文献2の図9に示されている。これらは、いずれも渦巻状の導体パターンで検出コイルを形成している。巻数を増やしたい場合には、多層プリント配線板を使い、複数の配線層にそれぞれ形成された渦巻き状の導体パターンをビアホールを介して接続する構成を採用できる。しかし、パターン幅、パターン間隔、ビアホール径などの制約があるので、巻き数の多い小さなコイルを作製するのは難しい。巻数を増やすために配線層数を増やすことはコストアップにつながる。
特許文献3のように半導体製造プロセスを利用してシリコン基板上に導体パターンを形成すれば、パターン幅、パターン間隔、ビアホール径などは、プリント配線基板より微細にできるので、非常に小さな検出コイルを作製できる。しかし、半導体製造プロセスは多額のイニシャルコストがかかるうえ、自由度が低く、多品種少量生産に向かない。また、シリコン基板にはサイズの制約があるので、検出コイルを集約して配置する必要がある。そのため、回転軸線まわりの円周上の一部での検出となる。複数の素子を用いれば、円周上に均等に分布した位置での検出が可能であるが、コスト上の問題から、現実的な設計ではない。
渦巻状以外のコイル形状としては、特許文献1のFIG.15のように、8の字状にパターンを交差させて輪をつくった検出コイルの形状や、特許文献4の図2に示されるように、バーニア効果を持ったつづら折り形状が提案されている。どちらのコイル形状も、行きと戻りのパターンに囲まれた部分が1ターンのコイルを形成している。行きと戻りのパターンを多重化することで1ターン以上の巻数にすることができるが、導体ターゲット間の小さなピッチに配置できる大きさで巻数の多いコイルを作ることは難しい。また、回転位置を検出するためには、位相の異なる信号を出力する2つ以上の検出コイルを設けることが好ましい。ところが、8の字状またはつづら折形状のパターンでは、1つの配線層の同じ円周上に2つの検出コイルを配置できない。そのため、異なる配線層に2つの検出コイルを形成するか、同じ配線層上で半径方向位置(回転軸線からの距離)を異ならせて2つの検出コイルを作る必要がある。しかし、異なる配線層に形成された2つの検出コイルは、導体ターゲットとの間の距離が異なる。また、導体ターゲットは、回転軸線を中心とする扇形に形成されるので、半径方向位置に応じて円周方向の幅が異なる。そのため、半径方向位置の異ならせた2つの検出コイル、すなわち、内径側検出コイルと外径側検出コイルとでは、導体ターゲットに実質的に対向する部分の面積が異なる。よって、いずれの場合も、検出コイルの出力にアンバランスが生じやすいので、特別な信号処理を要する。
加えて、特許文献4の図2の構成の場合、同相内でもプラスとマイナスが円周の外側と内側の検出となりオフセットバランスをとる設計が必要である。そのため、必要な精度を得るためパターン形状の設計が難しい。
一方、位置検出器を電動モータの制御に使用する場合、位置検出器の回転子をモータシャフトの反出力軸側に取り付けるのが一般的である。電動モータをその駆動力を利用する装置に組み込んだ状態で、モータシャフトにラジアル荷重がかかる場合がある。それにより、モータシャフトがたわんで反出力軸側の軸心がずれることがある。特許文献2および特許文献3のように、回転軸線まわりの円周上の一部分のみでの検出を行う場合、軸心のずれは検出位置のオフセットずれとなり、モータ制御に悪影響を及ぼす。
この発明の一実施形態は、前述のような課題の少なくとも一つを解決できる誘導型位置検出器を提供する。
より具体的には、この発明の一実施形態は、設計自由度が高く、小型で検出分解能の高い誘導型位置検出器を提供する。
この発明の一実施形態は、次のような特徴を有する誘導型位置検出器を提供する。
1.配線基板を有する固定子と、
前記固定子に対向して配置された非導体部品を有し、所定の回転軸線まわりに前記固定子に対して相対回転する回転子と、
前記回転軸線まわりの円周に沿って周期的に配置されて前記回転子の前記非導体部品に保持され、前記回転子の回転に伴って、前記回転軸線まわりの回転軌道を通って移動する同形同大の複数の導体ターゲットと、
前記複数の導体ターゲットに対する空間的な位相を異ならせて前記回転軌道に対向するように配置して前記固定子の前記配線基板の主面に表面実装され、前記導体ターゲットの通過に伴う磁界の変化を検出する複数の検出コイルをそれぞれ構成する複数のチップインダクタと、を含む、誘導型位置検出器。
前記固定子に対向して配置された非導体部品を有し、所定の回転軸線まわりに前記固定子に対して相対回転する回転子と、
前記回転軸線まわりの円周に沿って周期的に配置されて前記回転子の前記非導体部品に保持され、前記回転子の回転に伴って、前記回転軸線まわりの回転軌道を通って移動する同形同大の複数の導体ターゲットと、
前記複数の導体ターゲットに対する空間的な位相を異ならせて前記回転軌道に対向するように配置して前記固定子の前記配線基板の主面に表面実装され、前記導体ターゲットの通過に伴う磁界の変化を検出する複数の検出コイルをそれぞれ構成する複数のチップインダクタと、を含む、誘導型位置検出器。
回転軸線まわりに回転子が回転すると、回転子の非導体部品(典型的には絶縁体部品。たとえば、絶縁基板)に保持された複数の導体ターゲットが回転軸線まわりの回転軌道を通って移動する。固定子の配線基板の主面(実装面)には、導体ターゲットの回転軌道に対向するように、複数の検出コイルをそれぞれ構成するチップインダクタが配置されている。チップインダクタは、導体ターゲットの通過に伴う磁界の変化を検出する。すなわち、磁界の変化を表す信号を出力する。複数のチップインダクタは、複数の導体ターゲットに対する空間的な位相が異なっているので、回転子の回転に伴って、異なる位相の信号を出力する。したがって、複数のチップインダクタの出力信号を処理することにより、固定子に対する回転子の相対回転位置を検出できる。
チップインダクタは、小型でありながら巻数を大きくすることができ、かつ市場において低価格で調達することができる電気部品である。したがって、導体ターゲットの数を多くして極数を増やし、検出分解能を上げようとするときに、小さな導体ターゲット周期(導体ターゲットのピッチ)に対応した配置が可能であり、検出信号が小さくなりすぎず、しかも過大なコストを要することもない。加えて、工業的に量産されるチップインダクタの性能は均一性が高い。そのため、複数のチップインダクタから均一な検出信号を得ることができるので、複雑な信号処理を要しない。
また、シリコン基板上に半導体製造プロセスで複数の検出コイルを形成する構成とは異なり、個別素子である複数のチップインダクタは、回転軌道に対向する任意の位置に配置できるので、配置の自由度が高い。したがって、回転軌道の全周に分布する配置も可能である。このような全周配置は、回転子に結合される回転軸の軸心ずれへの対応が容易な配置である。チップインダクタが小型であるので、導体ターゲット周期を短くして分解能を高める設計であっても、全周配置を実現できる。
このようにして、設計自由度が高く、小型で検出分解能の高い誘導型位置検出器を提供できる。
典型的には、前記複数の導体ターゲットは、前記回転軌道に沿う長さが互いに等しく、たとえば、同形同大の複数の導体ターゲットが回転軸線まわりに回転対称に配置される。
前記複数のチップインダクタは、固定子の配線基板の一主面、すなわち、同じ主面に実装されてもよい。それにより、複数のチップインダクタから、導体ターゲットまでの距離を均一にできるので、複数のチップインダクタからの出力を均一にできる。典型的には、前記複数のチップインダクタは、前記配線基板において前記回転子に対向する主面に表面実装される。それにより、チップインダクタを導体ターゲットに近づけることができるので、導体ターゲットの通過に伴って、チップインダクタの出力変化を大きくできる。ただし、複数のチップインダクタを配線基板において前記回転子とは反対側の主面に実装してもよい。この場合においても、配線基板が介在されるものの、複数のチップインダクタから導体ターゲットまでの距離はほぼ等しくなる。
また、配線基板の一方の主面に複数のチップインダクタを表面実装し、かつ配線基板の他方の主面に複数のチップインダクタを表面実装してもよい。配線基板の両面にチップインダクタを実装することにより、チップインダクタの数を増やすことができ、たとえば2倍の数のチップインダクタを実装することができる。チップインダクタの数が多いほど全体の巻数が多くなるので、出力を大きくすることができる。また、チップインダクタの数が多いほど、チップインダクタ間のばらつきが平均化されるので、検出精度を高めることができる。配線基板の一方主面および他方主面のそれぞれにおいて、複数のチップインダクタから導体ターゲットまでの距離が等しいので、各主面に配置される複数のチップインダクタの出力を均一化でき、複雑な信号処理を要することはない。
2.前記導体ターゲットが、前記回転軌道に沿って所定の導体ターゲット周期で配置され、
前記チップインダクタは、前記回転軌道に沿って、前記導体ターゲット周期の25%~75%のコイル幅を有している、項1に記載の誘導型位置検出器。
前記チップインダクタは、前記回転軌道に沿って、前記導体ターゲット周期の25%~75%のコイル幅を有している、項1に記載の誘導型位置検出器。
この構成では、チップインダクタの回転軌道に沿うコイル幅は、導体ターゲット周期の25%~75%(25%以上75%以下)である。これにより、チップインダクタは、導体ターゲットの通過に伴って変化する良好な検出信号を出力できる。工業的に生産される小型のチップインダクタを用いることにより、導体ターゲットの数を多くして検出分解能を高め、それに応じて導体ターゲット周期が短くなっても、導体ターゲット周期の25%~75%のコイル幅のチップインダクタを用いて回転位置を検出するための位置検出器を構成することができる。チップインダクタのコイル幅は、導体ターゲット周期の概ね50%程度が好ましいが、25%~75%の範囲であれば、良好な検出が可能である。したがって、市場に供給されている規格化されたチップインダクタから適用可能なチップインダクタを選択しやすい。なお、チップインダクタのコイル幅が導体ターゲット周期の50%であるときに必ずしも理想的な条件になるとは限らない。最適な設計条件は、位置検出器の軸倍角、サイズ、回転子/固定子間ギャップなどの要因に依存する。
3.前記導体ターゲットが、前記回転軌道に沿って所定の導体ターゲット周期で配置され、
前記複数のチップインダクタは、前記導体ターゲット周期に対して4分の1周期ずつの位相差を以て配置された、少なくとも一つの第1相チップインダクタ、少なくとも一つの第2相チップインダクタ、少なくとも一つの第3相チップインダクタおよび少なくとも一つの第4相チップインダクタをそれぞれ含む第1相グループ、第2相グループ、第3相グループおよび第4相グループを構成している、項1または2に記載の誘導型位置検出器。
前記複数のチップインダクタは、前記導体ターゲット周期に対して4分の1周期ずつの位相差を以て配置された、少なくとも一つの第1相チップインダクタ、少なくとも一つの第2相チップインダクタ、少なくとも一つの第3相チップインダクタおよび少なくとも一つの第4相チップインダクタをそれぞれ含む第1相グループ、第2相グループ、第3相グループおよび第4相グループを構成している、項1または2に記載の誘導型位置検出器。
第1相チップインダクタ、第2相チップインダクタ、第3相チップインダクタおよび第4相チップインダクタは、導体ターゲットに対する空間的な位相が90度ずつ異なるので、それらから、回転子の回転位置を正確に検出するための検出信号を得ることができる。
複数のチップインダクタは、回転軌道に沿って等間隔に配置されてもよいし、等間隔に配置されなくてもよい。また、複数のチップインダクタは、回転軌道の全周に渡って配置されてもよいし、回転軌道に沿って、チップインダクタが配置された領域と、チップインダクタが配置されていない領域とが存在していてもよい。
4.4N個(Nは自然数)の前記チップインダクタが前記回転軌道の全周に渡って当該回転軌道に沿って等間隔で配置されており、
前記導体ターゲットの数Y(Yは自然数)が、Y=4NM±N(Mは自然数)で表される、項1~3のいずれか一項に記載の誘導型位置検出器。
前記導体ターゲットの数Y(Yは自然数)が、Y=4NM±N(Mは自然数)で表される、項1~3のいずれか一項に記載の誘導型位置検出器。
この構成によれば、円周軌道の全周に渡って4N個のチップインダクタが等間隔で配置されている一方で、円周軌道に沿って等間隔で配置される導体ターゲットの数Yが、Y=4NM±Nを満たしている。すると、4N個のチップインダクタは、導体ターゲットに対する空間的位相が90度ずつ異なる4つのグループ(各グループはN個のチップインダクタで構成される。)に分類できる。すなわち、N個の第1相チップインダクタを含む第1相グループ、N個の第2相チップインダクタを含む第2相グループ、N個の第3相チップインダクタを含む第3相グループ、N個の第4相チップインダクタを含む第4相グループに分類される。したがって、第1相グループ、第2相グループ、第3相グループおよび第4相グループから、90度ずつ位相の異なる検出信号を得ることができる。
5.第1回転軌道を前記回転軌道とする前記複数の導体ターゲットおよび前記複数のチップインダクタの第1組と、前記第1回転軌道とは別の第2回転軌道を前記回転軌道とする前記複数の導体ターゲットおよび前記複数のチップインダクタの第2組とが、前記固定子および前記回転子を共有して備えられており、
前記第1組の前記複数の導体ターゲットの数Y1(Y1は自然数)と、前記第2組の前記複数の導体ターゲットの数Y2(Y2は自然数)とが互いに異なる、項1~4のいずれか一項に記載の誘導型位置検出器。
前記第1組の前記複数の導体ターゲットの数Y1(Y1は自然数)と、前記第2組の前記複数の導体ターゲットの数Y2(Y2は自然数)とが互いに異なる、項1~4のいずれか一項に記載の誘導型位置検出器。
この構成により、第1回転軌道および第2回転軌道を有するマルチトラック構成の誘導型位置検出器を構成できる。第1回転軌道に対応した第1組の導体ターゲットの数Y1と、第2回転軌道に対応した第2組の導体ターゲットの数Y2とが異なることにより、広い回転角範囲の回転位置を区別して検出できる。
6.前記第1組の前記複数の導体ターゲットの数Y1と、前記第2組の前記複数の導体ターゲットの数Y2とが互いに素である、項5に記載の誘導型位置検出器。
この構成により、一層広い回転角範囲において、回転位置を区別して検出できる。より具体的には、1回転(360度)の範囲の回転位置を区別して検出するアブソリュート検出が可能になる。
7.前記固定子の前記配線基板に設けられ、前記第1組の前記複数のチップインダクタおよび前記第2組の前記複数のチップインダクタに電圧を誘導するために共用される励磁コイルをさらに含む、項5または6に記載の誘導型位置検出器。
この構成により、第1組および第2組のチップインダクタの励磁のために共通の励磁コイルを用いることができるので、構成を簡単にできる。
8.前記励磁コイルが、前記回転軸線に沿って見たときに前記第1組の前記複数のチップインダクタおよび前記第2組の前記複数のチップインダクタを内包する環状の第1励磁コイルと、前記回転軸線に沿って見たときに前記第1組の前記複数のチップインダクタおよび前記第2組の前記複数のチップインダクタによって内包されるように前記回転軸線のまわりに配置された環状の第2励磁コイルと、を含む、項7に記載の誘導型位置検出器。
この構成により、内方および外方の2つの励磁コイルによって、第1組および第2組のチップインダクタを充分に励磁できるので、大きな検出信号を得ることができる。
9.各導体ターゲットが、前記非導体部品に形成された導体ベタパターンまたは環状コイル導体パターンを含み、前記複数の導体ターゲットが互いに絶縁されている、請求項1~8のいずれか一項に記載の誘導型位置検出器。
典型的には、前記複数の導体ターゲットは、前記回転軌道に沿う長さが互いに等しく、たとえば、同形同大の複数の導体ターゲットが回転軸線まわりに回転対称に配置される。さらに典型的には、前記隣接する導体ターゲットの間には、前記回転軌道に沿って間隔が空けられている。その間隔は、前記導体ターゲットの前記回転軌道に沿う長さに等しくてもよい。
10.前記複数の導体ターゲットが互いに連結され、全周にわたる環状コイル導体パターンをなす、請求項1~8のいずれか一項に記載の誘導型位置検出器。
このように、或る実施形態においては、回転軸線まわりの円周に沿って等しい間隔で分離して配置された複数の個別の導体ターゲットが回転子の非導体部品に保持され、周期性(幾何学的な周期性)のある導体パターンを形成している。そして、別の実施形態においては、回転軸線まわりの円周に沿って全周にわたる環状コイル導体パターンが、互いに連結された複数の導体ターゲットを構成するように、周期性(幾何学的な周期性)のある導体パターンを形成している。
したがって、導体ターゲットとは、回転軸線まわりの円周に沿って形成された周期性(幾何学的な周期性)のある導体パターンの1周期分の導体をいい、この導体は、或る実施形態では個別の導体パターンであり、他の実施形態では連続する導体パターンの一部である。
11.前記チップインダクタは、両端に一対の接続電極を有する積層チップインダクタである、項1~10のいずれか一項に記載の誘導型位置検出器。
積層チップインダクタを用いることにより、小型で巻き数の多い検出コイルを構成できる。それにより、導体ターゲットの数を多くして検出分解能を高めるために、導体ターゲット周期が短くなり、それに応じてチップインダクタの大きさが制限されても、必要な大きさの検出信号をチップインダクタから得ることができる。加えて、回転軌道の全周にわたって複数のチップインダクタを配置する全周配置の設計も実現しやすい。
12.前記固定子の前記配線基板に設けられ、前記回転軸線に沿って見たときに前記複数のチップインダクタを内包する環状に形成され、前記複数のチップインダクタに電圧を誘導するための磁界を発生する励磁コイルをさらに含む、項1~11のいずれか一項に記載の誘導型位置検出器。
この構成により、励磁コイルに交流電圧を印加することにより、チップインダクタに交流電圧を誘導できる。その状態で、導体ターゲットがチップインダクタの近傍を通ると、励磁コイルからの磁界によって導体ターゲットに誘導される渦電流が励磁コイルの磁界をキャンセルする。それにより、チップインダクタに誘導される電圧が変動する。こうして、チップインダクタは、導体ターゲットの通過に応じて変動する検出信号を出力する。
13.前記複数のチップインダクタが、一対の交流電圧印加端および一対の信号検出端を有する交流ブリッジ回路を構成するように接続されている、項1~12のいずれか一項に記載の誘導型位置検出器。
この構成では、チップインダクタをブリッジ接続した交流ブリッジ回路の交流電圧印加端に交流電圧を印加すると、交流ブリッジ回路の信号検出端には、チップインダクタのインピーダンス変化を表す検出信号が現れる。チップインダクタのインピーダンスのほとんどはインダクタンスであるので、交流ブリッジ回路の検出信号は、チップインダクタのインダクタンスの変化を表すものとみなして差し支えない。一方、導体ターゲットとの位置関係に応じて、チップインダクタのインダクタンスが変化するので、交流ブリッジ回路からの検出信号によって、インダクタンスの変化を検出でき、それによって、導体ターゲットの位置を検出できる。すなわち、導体ターゲットを非導体部品で保持している回転子の回転位置を検出できる。
本発明における上述の、またはさらに他の目的、特徴および効果は、添付図面を参照して次に述べる実施形態の説明により明らかにされる。
以下では、この発明の実施の形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。
図1は、この発明の第1の実施形態に係る誘導型位置検出器100の構成を説明するための分解斜視図である。図2は、図1の矢印101の方向に見た誘導型位置検出器100の側面図である。
誘導型位置検出器100は、固定子1と、固定子1に対して回転軸線3aまわりに相対回転する回転子2とを含み、固定子1に対する回転子2の回転軸線3aまわりの相対回転位置を表す検出信号を出力するように構成されている。回転子2は、回転位置検出対象の回転軸3(図2参照)に結合され、回転軸3とともに回転軸線3aまわりに回転する。固定子1は、配線基板であるプリント基板10(プリント配線基板)を有している。回転子2は、プリント基板10に対して所定の間隔4(たとえば0.1mm~1mm)を空けて配置された別のプリント基板20で構成されている。
固定子1のプリント基板10は、絶縁基板11と、主面10a,10bの少なくとも一方に形成された導体パターン(たとえば銅箔パターン)とを含む。プリント基板10は、積層された複数の配線層(たとえば4層の配線層)を有する多層プリント基板であってもよく、その場合には、主面10a,10bに露出していない配線層に導体パターンを有する場合がある。
同様に、回転子2のプリント基板20は、非導体部品である絶縁基板21と、主面20a,20bの一方に形成され、それによって絶縁基板21に保持された導体パターン(たとえば銅箔パターン)からなる複数の導体ターゲットTとを有している。この実施形態では、導体ターゲットTは、固定子1とは反対側の主面20aに形成されているが、固定子1に対向する他の主面20bに形成されてもよい。また、プリント基板20を多層プリント基板で構成するときには、主面20a,20b以外の内部の配線層に導体ターゲットTを形成してもよい。導体ターゲットTは、プリント基板20の同じ配線層(主面を含む)に形成されることが好ましい。後述するチップインダクタL1,L2,L3,L4との距離を短くするためには、導体ターゲットTは、固定子1に可及的に近い配線層(たとえば主面20b)に形成することが好ましい。
なお、図1および図2においては、明示のために、導体ターゲットTに斜線を付してある。後述する他の図面においても同様である。
図3は、絶縁基板21を透視して、回転軸線3aに沿って見た平面図であり、導体ターゲットTと、固定子1に配置されたチップインダクタL1,L2,L3,L4(以下、総称するときには「チップインダクタL」という。)との相対配置を示す。
導体ターゲットTは、回転軸線3aまわりの円周に沿って周期的に配置されて絶縁基板21の一主面に保持されている。これにより、複数の導体ターゲットTは、回転軸線3aまわりの周方向に沿って幾何学的な周期性を有する導体パターンを構成している。この導体パターンの1周期分の導体が、一つの導体ターゲットTである。複数の導体ターゲットTは、回転軸3の回転、したがって回転子2の回転に伴って、回転軸線3aまわりの回転軌道O(円周状の軌道)を通って移動する。
この実施形態では、複数の導体ターゲットTは、回転軸線3aまわりの全周に渡って、所定の周期(ピッチ)λ(以下「導体ターゲット周期λ」という。)で等間隔に配置されている。この実施形態では、各導体ターゲットTは、絶縁基板21の一主面に形成された導体ベタパターンであり、複数の導体ターゲットTは周方向に分離されて互いに絶縁されている。すなわち、個別の導体パターン(導体ベタパターン)により各導体ターゲットTが構成されている。複数の導体ターゲットTは、回転軌道Oに沿う長さ(幅)が互いに等しい。より具体的には、この実施形態では、複数の導体ターゲットTは、同形同大の導体パターンで構成されており、回転軸線3aまわりに回転対称に配置されている。さらに具体的には、各導体ターゲットTは、回転軸線3aを中心とする扇形(より正確には内径部分が切り取られた扇形)に構成されている。この図示の例では、隣接する導体ターゲットTの間の回転軌道Oに沿う間隔、すなわち非導体部23の回転軌道Oに沿う長さは、導体ターゲットTの回転軌道Oに沿う長さ(幅)に等しいが、これは一例である。導体ターゲットTの回転軌道Oに沿う長さ(幅)は、誘導型位置検出器100の設計に依存し、たとえば導体ターゲット周期λの70%程度が最適である場合もあり得る。
固定子1を構成するプリント基板10の一主面10aには、複数のチップインダクタLが表面実装されている。この実施形態では、複数のチップインダクタLは、回転子2に対向する主面10aに実装されているが、回転子2とは反対側の他の主面10bに実装されてもよい。複数のチップインダクタLは、複数の導体ターゲットTに対する空間的な位相を異ならせて、導体ターゲットTの回転軌道Oに対向するように配置されている。それにより、複数のチップインダクタLは、導体ターゲットTの通過に伴う磁界の変化を検出する複数の検出コイルをそれぞれ構成している。複数のチップインダクタLは、プリント基板10の同じ主面10aに表面実装されており、したがって、回転子2との間隔(より具体的には導体ターゲットTとの間隔)は、実質的に等しい。
複数のチップインダクタLは、典型的には、工業的に量産された同一仕様のものである。各チップインダクタLは、回転軌道Oに沿って、導体ターゲット周期λの25%~75%(25%以上75%以下)のコイル幅Wを有している。このコイル幅Wは、導体ターゲット周期λの概ね50%程度が好ましいが、25%~75%の範囲であれば、良好な検出が可能である。したがって、市場に供給されている規格化されたチップインダクタから導体ターゲット周期λの25%~75%の範囲のコイル幅を有するものを選択すればよい。
チップインダクタLには、両端に一対の接続電極31,32(図1参照)を有する積層チップインダクタを適用できる。積層チップインダクタの例は、たとえば、特許文献5に記載されている。積層チップインダクタを用いることにより、小型で巻き数の多い検出コイルを構成できる。それにより、導体ターゲットTを多くして検出分解能を高めるために、導体ターゲット周期λが短くなっても、必要な大きさの検出信号をチップインダクタLから得ることができる。
チップインダクタLは、典型的には、接続電極31,32が対向する方向が長手方向となる直方体形状を有している。そして、コイル中心軸方向(巻線の中心軸の方向)をプリント基板10の主面10aに垂直な方向に定めてプリント基板10に表面実装したときに、その短手方向の長さは、内蔵されたコイルのコイル幅Wに実質的に等しい。この実施形態では、チップインダクタLは、回転軌道Oの半径方向に長手方向を揃えてプリント基板10に実装されているが、その長手方向が回転軌道Oの半径方向と整合している必要はない。
複数のチップインダクタLは、この実施形態では、回転軌道Oに沿って、回転軸線3aまわりの全周に渡って等間隔で配置されている。この実施形態では、4つのチップインダクタLが、回転軸線3aまわりの円周上に90度の角度間隔で配置されている。これらのチップインダクタLは、導体ターゲット周期λに対して4分の1周期ずつ位相差を以て配置された第1相チップインダクタL1(第1相グループ)、第2相チップインダクタL2(第2相グループ)、第3相チップインダクタL3(第3相グループ)および第4相チップインダクタL4(第4相グループ)である。
この実施形態では、5個の導体ターゲットTが回転軸線3aまわりの円周上に、72度の導体ターゲット周期λで配置されており、この導体ターゲット周期λが電気角の1周期、すなわち360度に相当する。4つのチップインダクタLは、90度の周期p(ピッチ)(以下「チップインダクタ周期p」という。)で配置されているので、導体ターゲット周期λとチップインダクタ周期pとの差は、18(=90-72)度である。18(=72/4)度は、導体ターゲット周期λ(72度)の4分の1に相当する。
したがって、機械角で90度の位置関係にある2つのチップインダクタLは、電気角で90度、すなわち、導体ターゲット周期λの4分の1の位相差を有することになる。具体的には、第2相チップインダクタL2は第1相チップインダクタL1に対して90度の位相差を有する。同様に、第3相チップインダクタL3は第2相チップインダクタL2に対して90度の位相差を有し、第4相チップインダクタL4は、第3相チップインダクタL3に対して90度の位相差を有する。したがって、第3相チップインダクタL3は、第1相チップインダクタL1に対して180度の位相差を有し、これらは互いに逆相となる。同様に、第4相チップインダクタL4は、第2相チップインダクタL2に対して180度の位相差を有し、これらは互いに逆相となる。
各チップインダクタLは、コイル中心軸方向を回転軸線3aに平行に設定して、プリント基板10に表面実装されている。したがって、チップインダクタLは、コイル中心軸方向、すなわち、回転軸線3aに平行な方向の磁界が変化すると、その磁界の変化に応じた誘導電圧を発生する。
固定子1を構成するプリント基板10には、励磁コイル12が設けられている。励磁コイル12は、回転軸線3aに沿って見た平面視(図2参照)において、複数のチップインダクタLを内方する環状に形成されている。すなわち、励磁コイル12のコイル中心軸方向は、回転軸線3aに平行である。この実施形態では、励磁コイル12は、同平面視において、複数の導体ターゲットTを内方する環状に形成されている。この実施形態では、同平面視において、励磁コイル12は、ほぼ円環状をなしている。励磁コイル12は、具体的には、プリント基板10に形成された渦巻き状の導体パターンで構成されたパターンコイルであり、全体が環状(この実施形態では円環状)に形成されている。プリント基板10は、たとえば、複数の配線層を積層した積層プリント基板であってもよい。この場合、複数の配線層(たとえば4層)にそれぞれ渦巻き状の導体パターンでパターンコイルを形成し、配線層間を接続するビアによってそれらのパターンコイルを接続して励磁コイル12としてもよい。
励磁コイル12の引き出し部12a,12bには、交流電圧を発生する励磁源5が接続される。励磁源5から励磁コイル12に交流電圧を印加すると、励磁コイル12は、回転軸線3aに平行な方向に沿って、当該交流電圧の周波数で方向が反転する高周波磁界を発生する。この高周波磁界は、励磁コイル12の磁界がチップインダクタLと鎖交するので、チップインダクタLには誘導起電力が生じる。
図示は省略するが、固定子1のプリント基板10には、チップインダクタLを接続して検出回路を構成するための導体パターン(より具体的には銅箔パターン)が形成されている。
図4は、固定子1の等価回路を示す。第1相チップインダクタL1は、A相検出信号を生成し、第3相チップインダクタL3は、その逆位相の/A相検出信号を生成する。そこで、第1相チップインダクタL1および第3相チップインダクタL3の同極性端を接続(差動接続)して、それらの差動信号を検出信号VAとして出力するA相検出回路6を構成している。第2相チップインダクタL2は、A相検出信号に対して90度位相の異なるB相検出信号を生成する。そして、第4相チップインダクタL4は、B相検出信号の逆位相の/B相検出信号を生成する。そこで、第2相チップインダクタL2および第4相チップインダクタL4の同極性端を接続(差動接続)して、それらの差動信号を検出信号VBとして出力するB相検出回路7を構成している。
前述のとおり、励磁源5から励磁コイル12に交流電圧(Asinωt。ただし、Aは振幅を表す定数、ωは角振動数、tは時間をそれぞれ表す。)が印加されると、励磁コイル12が発生する高周波磁界とチップインダクタLとの鎖交磁束の変化に応じて、A相検出回路6およびB相検出回路7からそれぞれ検出信号VA,VBが発生する。励磁コイル12が発生する高周波磁界は、導体ターゲットTに渦電流を誘導する。この渦電流は、励磁コイル12が発生する磁界と逆方向の磁界を発生させる。そのため、導体ターゲットTがチップインダクタLに対向すると、チップインダクタLに誘導される電圧が減少する。この現象を利用して、検出信号VA,VBを信号処理回路8によって適切に処理することにより、回転位置情報を得ることができる。
チップインダクタLに誘導される電圧について、固定分をC、変化分をVとする。位相は、導体ターゲットTが時計回り方向CWに移動する場合を正とし、図3のチップインダクタL1を基準とする。すると、回転角θにおいて各チップインダクタL1,L2,L3,L4に誘導される電圧VL1,VL2,VL3,VL4は、次のとおりである。ただし、Kは、誘導される交流電圧の振幅を表す。
VL1=Ksinωt・{C+V・sin(θ+0)}=Ksinωt・(C+V・sinθ) …(1)
VL2=Ksinωt・{C+V・sin(θ+90)}=Ksinωt・(C+V・cosθ) …(2)
VL3=Ksinωt・{C+V・sin(θ+180)}=Ksinωt・(C-V・sinθ) …(3)
VL4=Ksinωt・{C+V・sin(θ+270)}=Ksinωt・(C-V・cosθ) …(4)
VL1=Ksinωt・{C+V・sin(θ+0)}=Ksinωt・(C+V・sinθ) …(1)
VL2=Ksinωt・{C+V・sin(θ+90)}=Ksinωt・(C+V・cosθ) …(2)
VL3=Ksinωt・{C+V・sin(θ+180)}=Ksinωt・(C-V・sinθ) …(3)
VL4=Ksinωt・{C+V・sin(θ+270)}=Ksinωt・(C-V・cosθ) …(4)
チップインダクタL1およびL3、ならびにチップインダクタL2,L4はそれぞれ差動接続されているため、検出信号VA,VBは、次のとおりである。
VA=VL1-VL3
=Ksinωt・(C+V・sinθ)-Ksinωt・(C-V・sinθ)
=2V・Ksinωt・sinθ …(5)
VB=VL2-VL4
=Ksinωt(C+V・cosθ)-Ksinωt(C-V・cosθ)
=2V・Ksinωt・cosθ …(6)
VA=VL1-VL3
=Ksinωt・(C+V・sinθ)-Ksinωt・(C-V・sinθ)
=2V・Ksinωt・sinθ …(5)
VB=VL2-VL4
=Ksinωt(C+V・cosθ)-Ksinωt(C-V・cosθ)
=2V・Ksinωt・cosθ …(6)
図5Aに励磁源5が発生する交流電圧の波形の例を示し、図5Bおよび図5Cに検出信号VA,VBの波形の例を示す。このように、検出回路6,7が出力する検出信号VA,VBは、回転子2の回転により生じる誘導電圧の変化に基づいて高周波信号が振幅変調された信号となる。A相検出回路6を構成するチップインダクタL1,L3とB相検出回路7を構成するチップインダクタL2,L4とは90度間隔で固定子1上に配置されていることから、検出信号VA、VBは互いに90度の位相差を持つ信号となる。そこで、検出信号VA,VBを信号処理回路8で復調し、アークタンジェント計算を行うことで、回転子2の回転角θを求めることができる。
図6は、この発明の第2の実施形態に係る誘導型位置検出器200の分解斜視図である。また、図7は、回転軸線3aに沿って見た誘導型位置検出器200の平面図であり、回転子2の絶縁基板21を透視して、導体ターゲットTとチップインダクタLとの配置の関係を示す。さらに、図8は、固定子1の電気的構成を示す等価回路図である。これらの図面において、前述の図1~図4に示した各部の対応部分は同一参照符号で示す。
この実施形態では、第1の実施形態と比較すると、導体ターゲットTの数およびチップインダクタLの数がそれぞれ2倍となっている。換言すれば、導体ターゲット周期λ(36度)およびチップインダクタ周期p(45度)が、それぞれ、第1の実施形態の場合の2分の1になっている。導体ターゲットTに対する空間的な位相を調べると、回転軸線3aまわりに180度離れたチップインダクタLの位相が同等であることが分かる。すなわち、複数のチップインダクタLは、回転軸線3aを挟んで対向する一対の第1相チップインダクタL1(1),L1(2)で構成される第1相グループG1(A相)、回転軸線3aを挟んで対向する別の一対の第2相チップインダクタL2(1),L2(2)で構成される第2相グループG2(B相)、回転軸線3aを挟んで対向するさらに別の一対の第3相チップインダクタL3(1),L3(2)で構成される第3相グループG3(/A相)、回転軸線3aを挟んで対向するさらに別の一対の第4相チップインダクタL4(1),L4(2)で構成される第4相グループG4(/B相)に分類できる。そして、第1相チップインダクタL1(1),L1(2)、第2相チップインダクタL2(1),L2(2)、第3相チップインダクタL3(1),L3(2)および第4相チップインダクタL4(1),L4(2)は、導体ターゲット周期λの4分の1ずつ、回転軸線3aまわりの空間的な位相がずれている。
そこで、一対の第1相チップインダクタL1(1),L1(2)および一対の第3相チップインダクタL3(1),L3(2)を直列に差動接続してA相検出回路6を構成し、一対の第2相チップインダクタL2(1),L2(2)および一対の第4相チップインダクタL4(1),L4(2)を直列に差動接続してB相検出回路7が構成されている。A相検出回路6およびB相検出回路7は、第1の実施形態の場合と同様に、90度位相のずれた振幅変調された検出信号VA,VBを出力する。ただし、電気角で360度に相当する導体ターゲット周期λは、機械角では36(=360/10)度に相当するので、第1の実施形態と比較すると、2倍の分解能で回転位置を検出することができる。
図示は省略するが、固定子1のプリント基板10には、チップインダクタLを接続して検出回路6,7を構成するための導体パターン(より具体的には銅箔パターン)が形成されている。
チップインダクタLに誘導される電圧について、固定分をC、変化分をVとする。位相は、導体ターゲットTが時計回り方向CWに移動する場合を正とし、チップインダクタL1(1)を基準とする。すると、回転角θにおいて各チップインダクタL1(1),L2(1),L3(1),L4(1),L1(2),L2(2),L3(2),L4(2)に誘導される電圧VL1(1),VL2(1),VL3(1),VL4(1),VL1(2),VL2(2),VL3(2),VL4(2)は、次のとおりである。ただし、Kは、誘導される交流電圧の振幅を表す。
VL1(1)=Ksinωt・{C+V・sin(θ+0)}=Ksinωt・(C+V・sinθ) …(7)
VL2(1)=Ksinωt・{C+V・sin(θ+90)}=Ksinωt・(C+V・cosθ) …(8)
VL3(1)=Ksinωt・{C+V・sin(θ+180)}=Ksinωt・(C-V・sinθ) …(9)
VL4(1)=Ksinωt・{C+V・sin(θ+270)}=Ksinωt・(C-V・cosθ)…(10)
VL1(2)=Ksinωt・{C+V・sin(θ+0)}=Ksinωt・(C+V・sinθ) …(11)
VL2(2)=Ksinωt・{C+V・sin(θ+90)}=Ksinωt・(C+V・cosθ) …(12)
VL3(2)=Ksinωt・{C+V・sin(θ+180)}=Ksinωt・(C-V・sinθ)…(13)
VL4(2)=Ksinωt・{C+V・sin(θ+270)}=Ksinωt・(C-V・cosθ)…(14)
VL1(1)=Ksinωt・{C+V・sin(θ+0)}=Ksinωt・(C+V・sinθ) …(7)
VL2(1)=Ksinωt・{C+V・sin(θ+90)}=Ksinωt・(C+V・cosθ) …(8)
VL3(1)=Ksinωt・{C+V・sin(θ+180)}=Ksinωt・(C-V・sinθ) …(9)
VL4(1)=Ksinωt・{C+V・sin(θ+270)}=Ksinωt・(C-V・cosθ)…(10)
VL1(2)=Ksinωt・{C+V・sin(θ+0)}=Ksinωt・(C+V・sinθ) …(11)
VL2(2)=Ksinωt・{C+V・sin(θ+90)}=Ksinωt・(C+V・cosθ) …(12)
VL3(2)=Ksinωt・{C+V・sin(θ+180)}=Ksinωt・(C-V・sinθ)…(13)
VL4(2)=Ksinωt・{C+V・sin(θ+270)}=Ksinωt・(C-V・cosθ)…(14)
チップインダクタL1(1),L1(2)およびL3(1),L3(2)、ならびにチップインダクタL2(1),L2(2)およびL4(1),L4(2)はそれぞれ直列に差動接続されているため、検出信号VA,VBは、次のとおりである。
VA=VL1(1)+VL1(2)-VL3(1)-VL3(2)
=2Ksinωt・(C+V・sinθ)-2Ksinωt・(C-V・sinθ)
=4V・Ksinωt・sinθ …(15)
VB=VL2(1)+VL2(2)-VL4(1)-VL4(2)
=2Ksinωt(C+V・cosθ)-2Ksinωt(C-V・cosθ)
=4V・Ksinωt・cosθ …(16)
VA=VL1(1)+VL1(2)-VL3(1)-VL3(2)
=2Ksinωt・(C+V・sinθ)-2Ksinωt・(C-V・sinθ)
=4V・Ksinωt・sinθ …(15)
VB=VL2(1)+VL2(2)-VL4(1)-VL4(2)
=2Ksinωt(C+V・cosθ)-2Ksinωt(C-V・cosθ)
=4V・Ksinωt・cosθ …(16)
このように、第2の実施形態では、チップインダクタLの数を増やした分、検出信号VA,VBの変動を大きく検出できるので、信号対ノイズ比(S/N比)を向上できる。また、機械角で180度離れて対向する位置に配置したチップインダクタLが同相の信号を検出する。それにより、回転軸3に対する固定子1の偏心や、固定子平面に対する回転子2の傾きといった誤差による検出信号への影響を低減し、検出精度を向上させることができる。
回転子2にY個(Yは自然数)の導体ターゲットTを配置し、固定子1に4N個(Nは自然数)のチップインダクタLを等間隔で配置する場合に、電気角で90度の位相差を持つ検出信号VA,VBを生成する2つの検出回路6,7を構成するためのチップインダクタLの配置条件を考える。
導体ターゲット周期λとチップインダクタ周期pとが、λ/4(導体ターゲット周期λの4分の1)の位相差を持つときの関係式は、次式(17)となる。ただし、Mは自然数である。
p=λ(M±1/4) …(17)
p=λ(M±1/4) …(17)
導体ターゲット周期λおよびチップインダクタ周期pは、導体ターゲットTが通る回転軌道Oの円周長Clを用いて、それぞれ次の式(18)および式(19)で表される。
λ=Cl/Y …(18)
p=Cl/4N …(19)
λ=Cl/Y …(18)
p=Cl/4N …(19)
式(7)に式(18)および式(19)を代入して変形すると、次式(20)となる。したがって、式(20)の関係を満たす自然数Y,N,Mの組み合わせがあれば、検出回路6,7から電気角で90度の位相差を有する検出信号を検出することができる。
Y=4NM±N …(20)
Y=4NM±N …(20)
第1の実施形態は、N=1,M=1,Y=5の場合に相当する。また、第2の実施形態は、N=2,M=1,Y=10の場合に相当する。
このように、第1の実施形態および第2の実施形態によれば、複数のチップインダクタLによって、90度位相の異なる2つの検出信号VA,VBを生成する2つの検出回路6,7を構成することができる。そして、これらの検出信号VA,VBに基づいて、回転子2の回転位置、すなわち、回転軸3の回転位置(回転角)を検出できる。
チップインダクタLは、小型でありながら巻数を大きくすることができ、かつ市場において低価格で調達することができる電気部品である。したがって、導体ターゲットTの数を多くして極数を増やし、検出分解能を上げようとするときに、小さな導体ターゲット周期λに対応した配置が可能であり、検出信号が小さくなりすぎず、しかも過大なコストを要することもない。加えて、複数のチップインダクタLを固定子1のプリント基板10の一主面10a、すなわち、同じ主面に実装することで、導体ターゲットTまでの距離を均一にできる。さらに、工業的に量産されるチップインダクタLの性能は均一性が高い。そのため、複数のチップインダクタLから均一な検出信号を得ることができるので、複雑な信号処理を要しない。
第1および第2の実施形態では、プリント基板10の回転子2に対向する主面10aに複数のチップインダクタLが表面実装されているので、複数のチップインダクタLと導体ターゲットTとの間に固定子1側のプリント基板10の絶縁基板11が介在しない。それにより、複数のチップインダクタLと導体ターゲットTとの距離が短い配置となっているので、各チップインダクタLから、導体ターゲットTの通過に伴って大きく振幅の変動が生じる信号を取り出せる。
また、シリコン基板上に半導体製造プロセスで複数の検出コイルを形成する構成とは異なり、個別素子である複数のチップインダクタLは、回転軌道Oに対向する任意の位置に配置できるので、配置の自由度が高い。したがって、第1および第2の実施形態のように、回転軌道Oの全周に分布する配置も可能である。このような全周配置は、回転子2に結合される回転軸3の軸心ずれへの対応が容易な配置である。具体的には、回転軸3が、電動モータのモータシャフトの反出力軸側端部である場合に、モータシャフトにかかるラジアル荷重に起因して回転軸3の軸心がずれても、簡単な信号処理で、検出位置のオフセットずれを回避できる。
とりわけ、積層チップインダクタをチップインダクタLとして用いることにより、チップインダクタLを小型で巻線の多い構成とすることができる。そのため、導体ターゲット周期λを小さくして分解能を高める設計とする場合でも、チップインダクタLを回転軌道Oに沿って、その全周に配置することができる。
また、第1および第2の実施形態においては、導体ターゲットTが、回転軌道Oに沿って所定の導体ターゲット周期λで配置されている。そして、チップインダクタLは、回転軌道Oに沿って、導体ターゲット周期λの25%~75%(25%以上75%以下)のコイル幅Wを有している。
より具体的には、第1の実施形態においては、チップインダクタLのコイル幅Wは、導体ターゲット周期λの25%程度である。また、第2の実施形態においては、チップインダクタLのコイル幅Wは、導体ターゲット周期λの50%程度である。回転子2上の導体ターゲットTの数を第2の実施形態よりも多くすると、導体ターゲット周期λに対するチップインダクタLのコイル幅Wの比率は大きくなり、その比率が75%程度までであれば、回転位置の検出を正確に行える波形の信号を得ることができる。工業的に生産される小型のチップインダクタLを用いることにより、導体ターゲットTの数を多くして検出分解能を高め、それに応じて導体ターゲット周期λが短くなっても、導体ターゲット周期λの25%~75%のコイル幅WのチップインダクタLを用いて小型の回転位置検出器を構成することができる。
また、チップインダクタLのコイル幅Wが、導体ターゲット周期λの25%~75%の範囲であれば、良好な検出が可能である。したがって、市場に供給されている規格化されたチップインダクタから適用可能なチップインダクタを選択しやすい。
第1および第2の実施形態においては、固定子1に配置される複数のチップインダクタLは、導体ターゲット周期λに対して4分の1周期ずつの位相差を以て配置された少なくとも一つの第1相チップインダクタL1、少なくとも一つの第2相チップインダクタL2、少なくとも一つの第3相チップインダクタL3および少なくとも一つの第4相チップインダクタL4をそれぞれ含む第1相グループ、第2相グループ、第3相グループおよび第4相グループを構成している。第1相チップインダクタL1(第1相グループのチップインダクタ)、第2相チップインダクタL2(第2相グループのチップインダクタ)、第3相チップインダクタL3(第3相グループのチップインダクタ)および第4相チップインダクタL4(第4相グループのチップインダクタ)は、導体ターゲットTに対する空間的な位相が90度ずつ異なるので、それらから、回転子2の回転位置を正確に検出するための検出信号を得ることができる。
とくに、第1および第2の実施形態においては、空間的位相差が180度の第1相チップインダクタL1および第3相チップインダクタL3を差動接続して検出回路6を構成し、同様に、空間的位相差が180度の第2相チップインダクタL2および第4相チップインダクタL4を差動接続して検出回路7を構成している。それにより、2つの検出回路6,7から90度位相が異なる大きな振幅の検出信号VA,VBが得られる。しかも、外乱によって複数のチップインダクタLに共通に現れるノイズ成分は、差動接続によって除去されるので、検出信号VA,VBは、導体ターゲットTの位置を正確に表す。外乱とは、外部磁界、固定子1および回転子2間の距離の変動(製造ばらつき)などである。
第2の実施形態においては、第1相チップインダクタL1、第2相チップインダクタL2、第3相チップインダクタL3および第4相チップインダクタL4が、それぞれ、複数個備えられており、同相のチップインダクタLが直列に接続されている。それにより、振幅の大きな検出信号VA,VBを得ることができ、S/N比を向上できる。
前述のとおり、式(20)を充足するY個の導体ターゲットTおよび4N個のチップインダクタLを回転軸線3aまわりの全周に渡ってそれぞれ等間隔で配置することにより、4N個のチップインダクタLは、導体ターゲットTに対する空間的位相が90度ずつ異なる4つの相グループ(各相グループはN個のチップインダクタLで構成される。)に分類できる。すなわち、N個の第1相チップインダクタL1を含む第1相グループG1、N個の第2相チップインダクタL2を含む第2相グループG2、N個の第3相チップインダクタL3を含む第3相グループG3、N個の第4相チップインダクタL4を含む第4相グループG4に分類される。そして、第1相グループG1および第3相グループG3のチップインダクタL1,L3を差動接続し、第2相グループG2および第4相グループG4のチップインダクタL2,L4を差動接続することにより、90度ずつ位相の異なる検出信号VA,VBを出力する検出回路6、7を構成することができる。
図9は、この発明の第3の実施形態に係る誘導型位置検出器300の構成を示す分解斜視図である。また、図10は、その固定子1側の等価回路を示す電気回路図である。図9および図10において、前述の第2実施形態の各部の対応部分を同一参照符号で示す。
この実施形態は、第2の実施形態と比較すると、固定子1に励磁コイルが備えられていない点が異なる。
複数のチップインダクタLは、ブリッジ接続されて、交流ブリッジ回路を形成している。より具体的には、A相交流ブリッジ回路60およびB相交流ブリッジ回路70が構成されている。すなわち、図示は省略するが、固定子1のプリント基板10には、チップインダクタLを接続してA相交流ブリッジ回路60およびB相交流ブリッジ回路70を構成するための導体パターン(より具体的には銅箔パターン)が形成されている。
A相交流ブリッジ回路60は、第1相チップインダクタL1(1),L1(2)と、これらに対して180度の位相差を有する第3相チップインダクタL3(1),L3(2)とをブリッジ接続して構成されている。第1相チップインダクタL1(1),L1(2)が、A相交流ブリッジ回路60の対辺にそれぞれ配置され、第3相チップインダクタL3(1),L3(2)が、A相交流ブリッジ回路60の別の対辺にそれぞれ配置されている。第1相チップインダクタL1(1)および第3相チップインダクタL3(2)の接続点が第1A相交流電圧印加端61とされ、第3相チップインダクタL3(1)および第1相チップインダクタL1(2)の接続点が第2A相交流電圧印加端62とされている。第1相チップインダクタL1(1)および第3相チップインダクタL3(1)の間の中点は、第1A相信号検出端63とされ、第3相チップインダクタL3(2)および第1相チップインダクタL1(2)の間の中点は、第2A相信号検出端64とされている。
B相交流ブリッジ回路70は、第2相チップインダクタL2(1),L2(2)と、これらに対して180度の位相差を有する第4相チップインダクタL4(1),L4(2)とをブリッジ接続して構成されている。第2相チップインダクタL2(1),L2(2)が、B相交流ブリッジ回路70の対辺にそれぞれ配置され、第4相チップインダクタL4(1),L4(2)が、B相交流ブリッジ回路70の別の対辺にそれぞれ配置されている。第2相チップインダクタL2(1)および第4相チップインダクタL4(2)の接続点が第1B相交流電圧印加端71とされ、第4相チップインダクタL4(1)および第2相チップインダクタL2(2)の接続点が第2B相交流電圧印加端72とされている。第2相チップインダクタL2(1)および第4相チップインダクタL4(1)の間の中点は、第1B相信号検出端73とされ、第4相チップインダクタL4(2)および第2相チップインダクタL2(2)の間の中点は、第2B相信号検出端74とされている。
A相交流ブリッジ回路60およびB相交流ブリッジ回路70に対して、励磁源5から交流電圧が印加される。励磁源5は、第1交流電圧(Asinωt)を発生する第1励磁源51と、第1交流電圧とは位相を反転した第2交流電圧(-Asinωt)を発生する第2励磁源52とを含む。第1A相交流電圧印加端61は、第1励磁源51に接続され、第1交流電圧(Asinωt)が印加される。第2A相交流電圧印加端61は第2励磁源52に接続され、第2交流電圧(-Asinωt)が印加される。第1B相交流電圧印加端71は、第1励磁源51に接続され、第1交流電圧(Asinωt)が印加される。第2B相交流電圧印加端72は、第2励磁源52に接続され、第2交流電圧(-Asinωt)が印加される。そして、第1A相信号検出端63と第2A相信号検出端64との間に現れる電圧が、検出信号VAとして検出される。また、第1B相信号検出端73と第2B相信号検出端74との間に現れる電圧が、検出信号VBとして検出される。
この実施形態では、A相交流ブリッジ回路60およびB相交流ブリッジ回路70に対して、共通の励磁源5から交流電圧が印加されているが、A相交流ブリッジ回路60およびB相交流ブリッジ回路70に対して、個別の励磁源5から交流電圧を印加する構成としても差し支えない。
チップインダクタLに導体ターゲットTが対向すると、チップインダクタLの磁束が導体ターゲットTにより遮られ、チップインダクタLのインダクタンスが減少する。これを利用して、この実施形態では、励磁コイルは使用せず、回転子2の回転により生じるチップインダクタLのインダクタンス変化から回転角を検出する。
チップインダクタL1(1),L2(1),L3(1),L4(1),L1(2),L2(2),L3(2),L4(2)のインダクタンスの変化は、固定分をLC、変化分をLVとすると、次のように表すことができる。
L1(1):LC + LV・sin(θ+0)= LC + LV・sinθ …(21)
L2(1):LC + LV・sin(θ+90)= LC + LV・cosθ …(22)
L3(1):LC + LV・sin(θ+180)= LC - LV・sinθ …(23)
L4(1):LC + LV・sin(θ+270)= LC - LV・cosθ …(24)
L1(2):LC + LV・sin(θ+0)= LC + LV・sinθ …(25)
L2(2):LC + LV・sin(θ+90)= LC + LV・cosθ …(26)
L3(2):LC + LV・sin(θ+180)= LC - LV・sinθ …(27)
L4(2):LC + LV・sin(θ+270)= LC - LV・cosθ …(28)
L1(1):LC + LV・sin(θ+0)= LC + LV・sinθ …(21)
L2(1):LC + LV・sin(θ+90)= LC + LV・cosθ …(22)
L3(1):LC + LV・sin(θ+180)= LC - LV・sinθ …(23)
L4(1):LC + LV・sin(θ+270)= LC - LV・cosθ …(24)
L1(2):LC + LV・sin(θ+0)= LC + LV・sinθ …(25)
L2(2):LC + LV・sin(θ+90)= LC + LV・cosθ …(26)
L3(2):LC + LV・sin(θ+180)= LC - LV・sinθ …(27)
L4(2):LC + LV・sin(θ+270)= LC - LV・cosθ …(28)
したがって、A相交流ブリッジ回路60およびB相交流ブリッジ回路70からの出力信号、すなわち検出信号VA,VBは、それぞれ、式(29)および式(30)のとおりとなる。ただし、kは振幅を表す定数である。
VA={L1(2)/(L1(2)+L3(2)) - L3(1)/(L1(1)+L3(1))}・(2ksinωt-ksinωt)
=LV/LC・ksinωt・sinθ …(29)
VB={L2(2)/(L2(2)+L4(2)) - L4(1)/(L2(1)+L4(1))}・(2ksinωt-ksinωt)
=LV/LC・ksinωt・cosθ …(30)
交流ブリッジ回路60,70は、導体ターゲットTとの位置関係の変化によるチップインダクタLのインピーダンスの変化を検出するものである。チップインダクタLのインピーダンスには、インダクタンス成分のほかに、微小な直流抵抗成分が含まれるが、インダクタンス成分が支配的であるので、直流抵抗成分は実質的に無視して差し支えない。したがって、交流ブリッジ回路60,70によって、導体ターゲットTとの位置関係の変化によるチップインダクタLのインダクタンスの変化を検出できる。
VA={L1(2)/(L1(2)+L3(2)) - L3(1)/(L1(1)+L3(1))}・(2ksinωt-ksinωt)
=LV/LC・ksinωt・sinθ …(29)
VB={L2(2)/(L2(2)+L4(2)) - L4(1)/(L2(1)+L4(1))}・(2ksinωt-ksinωt)
=LV/LC・ksinωt・cosθ …(30)
交流ブリッジ回路60,70は、導体ターゲットTとの位置関係の変化によるチップインダクタLのインピーダンスの変化を検出するものである。チップインダクタLのインピーダンスには、インダクタンス成分のほかに、微小な直流抵抗成分が含まれるが、インダクタンス成分が支配的であるので、直流抵抗成分は実質的に無視して差し支えない。したがって、交流ブリッジ回路60,70によって、導体ターゲットTとの位置関係の変化によるチップインダクタLのインダクタンスの変化を検出できる。
式(29)および式(30)で表される検出信号VA,VBは、導体ターゲットTの回転位置に応じて変化し、かつ位相が90度ずれた信号である。式(29)(30)前述の式(5)(6)との対比から明らかなとおり、検出信号VA,VBは、導体ターゲットTの回転位置に応じて、図5Bおよび図5Cにそれぞれ示す波形と類似の波形を有することになる。したがって、前述の第1および第2の実施形態と同様に、回転子2の回転位置を検出することができる。よって、励磁コイルを備えない構成でありながら、回転子2の位置検出が可能な位置検出器を構成できる。
図11は、この発明の第4の実施形態に係る誘導型位置検出器400の構成を説明するための分解斜視図である。図12は、回転軸線3aに沿って見た誘導型位置検出器400の平面図であり、導体ターゲットTとチップインダクタLとの位置関係を回転子2の絶縁基板21を透視して示す。これらの図面において、第1および第2の実施形態の対応部分には同一参照符号を付す。
この位置検出器400は、回転軸線3aまわりに複数の回転軌道O1,O2(図12参照)を有し、各回転軌道O1,O2において回転位置を検出するマルチトラック構成を有している。具体的には、この実施形態の位置検出器400は、回転軸線3aまわりに、同心円周状の第1回転軌道O1および第2回転軌道O2を有するツートラック構成を有している。第1回転軌道O1は、第2回転軌道O2の内側に配置されており、第2回転軌道O2よりも小さな径を有する円周を形成している。回転子2のプリント基板20の一主面20a(この実施形態では固定子1とは反対側の主面)には、第1回転軌道O1に沿って複数の導体ターゲットT1が全周に渡って等間隔で配置されており、かつ第2回転軌道O2に沿って複数の導体ターゲットT2が全周に渡って等間隔で配置されている。固定子1のプリント基板10の一主面10a(この実施形態では、回転子2に対向する主面)には、第1回転軌道O1に沿って複数のチップインダクタL1が全周に渡って等間隔で配置されており、かつ第2回転軌道O2に沿って複数のチップインダクタL2が全周に渡って等間隔で配置されている。
第1回転軌道O1に沿って配置された複数のチップインダクタL1は、導体ターゲットT1に対する回転軸線3aまわりの空間的な位相に基づいて、第1相チップインダクタL11(1),L11(2)で構成される第1相グループ(A相)、第2相チップインダクタL12(1),L12(2)で構成される第2相グループ(B相)、第3相チップインダクタL13(1),L13(2)で構成される第3相グループ(/A相)、第4相チップインダクタL14(1),L14(2)で構成される第4相グループ(/B相)に分類できる。そして、第1相チップインダクタL11(1),L11(2)、第2相チップインダクタL12(1),L12(2)、第3相チップインダクタL13(1),L13(2)および第4相チップインダクタL14 (1),L14(2)は、導体ターゲット周期λの4分の1ずつ、回転軸線3aまわりの空間的な位相がずれている。
同様に、第2回転軌道O2に沿って配置された複数のチップインダクタL2は、導体ターゲットT2に対する回転軸線3aまわりの空間的な位相に基づいて、第1相チップインダクタL21(1),L21(2),L21(3)で構成される第1相グループ(A相)、第2相チップインダクタL22(1),L22(2),L22(3)で構成される第2相グループ(B相)、第3相チップインダクタL23(1),L23(2),L23(3)で構成される第3相グループ(/A相)、第4相チップインダクタL24(1),L24(2),L24(3)で構成される第4相グループ(/B相)に分類できる。そして、第1相チップインダクタL21(1),L21(2),L21(3)、第2相チップインダクタL22(1),L22(2),L22(3)、第3相チップインダクタL23(1),L23(2),L23(3)および第4相チップインダクタL24 (1),L24(2),L24(3)は、導体ターゲット周期λの4分の1ずつ、回転軸線3aまわりの空間的な位相がずれている。
第1回転軌道O1に沿って配置された複数の導体ターゲットT1および複数のチップインダクタL1が第1組S1を構成しており、それらは互いに対向している。同様に、第2回転軌道O2に沿って配置された複数の導体ターゲットT2および複数のチップインダクタL2が第2組S2を構成しており、それらは互いに対向している。第1組S1と第2組S2とは、回転子2および固定子1を共有している。
第1組S1の複数の導体ターゲットT1の数Y1と、第2組S2の導体ターゲットT2の数Y2とは互いに異なっている。第1組S1の導体ターゲットT1の数Y1およびチップインダクタL1の数4N1は、前述の式(20)を満たし、したがって、次式(31)を満たす。同様に、第2組S2の導体ターゲットT2の数Y2およびチップインダクタL2の数4N2は、前述の式(20)を満たし、したがって、次式(32)を満たす。
Y1=4N1M1±N1 (Y1,N1,M1は、自然数) …(31)
Y2=4N2M2±N2 (Y2,N2,M2は、自然数) …(32)
Y1=4N1M1±N1 (Y1,N1,M1は、自然数) …(31)
Y2=4N2M2±N2 (Y2,N2,M2は、自然数) …(32)
図11および図12に示す例は、Y1=14、N1=2、M1=2、Y2=15、N2=3、M2=1の場合に相当する。
第1組S1の複数の導体ターゲットT1の数Y1と、第2組S2の導体ターゲットT2の数Y2とが互いに異なっていることにより、広い回転角度範囲の回転位置を区別して検出することが可能になる。とくに、第1組S1の複数の導体ターゲットT1の数Y1と、第2組S2の導体ターゲットT2の数Y2とが互いに素であれば、1回転(360度)の範囲の回転位置を区別して検出する1回転アブソリュート検出が可能になる。
この例では、第1組S1を構成する複数のチップインダクタL1および第2組S2を構成する複数のチップインダクタL2は、全て、同一仕様のチップインダクタであり、回転軸線3aに沿う平面視において、同形同大である。
図示の例では、各チップインダクタLは、回転軸線3aまわりの回転半径方向に長手方向が沿うように配置されている。チップインダクタLの長手方向は、典型的には、一対の接続電極31,32が対向する方向である。図示の例では、第1組S1を構成する複数の導体ターゲットT1のピッチ(導体ターゲット周期λ1)に対するチップインダクタL1のコイル幅W1の比は、25%程度である。一方、第2組S2を構成する複数の導体ターゲットT2のピッチ(導体ターゲット周期λ2)に対するチップインダクタL2のコイル幅W2の比は、50%である。むろん、これらは一例であり、第1組S1および第2組S2のそれぞれにおいて、導体ターゲット周期λ1,λ2に対するコイル幅W1,W2の比が25%~75%となるように、導体ターゲットT1,T2を設計し、かつチップインダクタL1,L2を選定して、それらの配置を決定すればよい。
第1組S1および第2組S2に同一仕様のチップインダクタを用いる必要はなく、第1組S1の複数のチップインダクタL1を同一仕様とし、第2組S2の複数のチップインダクタL2を別の同一仕様としてもよい。
固定子1のプリント基板10には、第1組S1の複数のチップインダクタL1および第2組S2の複数のチップインダクタL2に電圧を誘導するために共用される励磁コイル12が設けられている。この実施形態では、励磁コイル12は、第1励磁コイル121および第2励磁コイル122を含む。これらは、プリント基板10に形成される導体パターンで構成されている。第1励磁コイル121は、回転軸線3aに沿って見た平面視において、第1組S1の複数のチップインダクタL1および第2組S2の複数のチップインダクタL2を内包する環状(図示の例では円環状)に構成されている。一方、第2励磁コイル122は、回転軸線3aに沿って見た平面視において、第1組S1の複数の導体ターゲットT1および第2組S2の複数の導体ターゲットT2に内包されるように回転軸線3aのまわりに環状(図示の例では円環状)に構成されている。すなわち、第1励磁コイル121は、第1組S1および第2組S2の複数のチップインダクタL1,L2の外周側に配置されており、第2励磁コイル122は、それらの内周側に配置されている。
第1励磁コイル121は、たとえば、渦巻き状の配線パターンを回転軸線3aまわりの円周に沿って形成して円環状に構成されている。プリント基板10が複数層の配線層を積層した積層型プリント基板である場合には、複数の配線層に形成された渦巻き状配線パターンを層間ビアで接続して第1励磁コイル121が構成されていてもよい。第2励磁コイル122についても同様である。
第1励磁コイル121および第2励磁コイル122は、回転軸線3aに沿って見た平面視において、回転軸線3aまわりに互いに反対の周方向に電流が流れるように、プリント基板10内の配線パターン(図示省略)によって接続されている。したがって、第1励磁コイル121および第2励磁コイル122に通電すると、第1励磁コイル121と第2励磁コイル122は、それらの間の領域、すなわち、第1組S1および第2組S2の複数のチップインダクタL1,L2が配置された領域に、同一方向の磁界を形成する。すなわち、第1励磁コイル121および第2励磁コイル122は、それらの間の領域で互いに磁界を強め合うように構成されている。
図13は、固定子1の等価回路を示す電気回路図である。
第1回転軌道O1に沿って配置された第1組S1(内周側)の複数のチップインダクタL1は、第2の実施形態の場合と同様に接続されている。すなわち、一対の第1相チップインダクタL11(1),L11(2)および一対の第3相チップインダクタL13(1),L13(2)を直列に差動接続してA相検出回路61を構成している。そして、一対の第2相チップインダクタL12(1),L12(2)および一対の第4相チップインダクタL14(1),L14(2)を直列に差動接続してB相検出回路71が構成されている。A相検出回路61およびB相検出回路71は、90度位相のずれた振幅変調された検出信号VA1,VB1を出力する。
第2回転軌道O2に沿って配置された第2組S2(外周側)の複数のチップインダクタL2も、同様に接続されている。すなわち、3つの第1相チップインダクタL21(1),L21(2),L21(3)および3つの第3相チップインダクタL23(1),L23(2),L23(3)を直列に差動接続してA相検出回路62を構成している。そして、3つの第2相チップインダクタL22(1),L22(2),L22(3)および3つの第4相チップインダクタL24(1),L24(2),L24(3)を直列に差動接続してB相検出回路72が構成されている。A相検出回路62およびB相検出回路72は、90度位相のずれた振幅変調された検出信号VA2,VB2を出力する。
検出信号VA1,VB1,VA2,VB2を信号処理回路8で適切に処理することにより、回転子2の回転位置情報を得ることができる。前述のとおり、第1組S1の複数の導体ターゲットT1の数Y1と、第2組S2の導体ターゲットT2の数Y2とが互いに異なっていることにより、検出信号VA1,VB1のみ、または検出信号VA2,VB2のみを用いるよりも、広い回転角度範囲の回転位置を区別して検出することが可能になる。とくに、第1組S1の複数の導体ターゲットT1の数Y1と、第2組S2の導体ターゲットT2の数Y2とが互いに素であれば、検出信号VA1,VB1,VA2,VB2を用いることによって、1回転(360度)の範囲の回転位置を区別して検出する1回転アブソリュート検出が可能になる。
なお、図示は省略するが、固定子1のプリント基板10には、チップインダクタLを接続してA相検出回路61,62およびB相検出回路71,72を構成するための導体パターン(より具体的には銅箔パターン)が形成されている。
図14Aおよび図14Bは、さらに他の実施形態を説明するための図である。前述の実施形態では、各導体ターゲットTが絶縁基板21に形成された導体ベタパターン(より具体的には銅箔ベタパターン)で構成されているが、図14Aおよび図14Bに示すように、各導体ターゲットTをコイル導体パターン80,90で構成してもよい。図14Aおよび図14Bにおいて、図3に示した各部の対応部分には同一参照符号を付してある。
図14Aの例では、複数の導体ターゲットTをそれぞれ構成する複数の個別の環状コイル導体パターン80が、回転軸線3aまわりの周方向に間隔を空けて分離され、それによって、互いに絶縁されている。複数の導体ターゲットTは、回転軸線3aまわりの周方向に沿って幾何学的な周期性を有する導体パターンを構成している。図14Aでは、各導体ターゲットTの環状コイル導体パターン80は、回転軸線3aを中心とする扇形(より正確には内径部分が切り取られた扇形)の外周(輪郭)に沿う線状導体パターンで構成されている。ただし、仮想線で示すように、曲線状(たとえば円周状または楕円周状)の導体パターンで環状コイル導体パターン80を構成することもできる。このような曲線的な環状コイル導体パターン80で導体ターゲットTを構成することにより、出力信号波形を正弦波に近づけることができる。また、絶縁基板が多層配線基板である場合には、複数の導体層にそれぞれ形成された複数の導体パターンを接続して複数巻のコイルを構成し、この複数巻のコイルを各導体ターゲットTとしてもよい。
図14Bの例では、複数の導体ターゲットTが互いに連結されて、全周にわたる環状コイル導体パターン90が形成されている。この環状コイル導体パターン90は、回転軸線3aまわりの周方向に沿って幾何学的な周期性を有している。より具体的には、環状コイル導体パターン90は、回転軸線3aまわりに所定の周期数(図14Bの例では5周期)の繰り返し形状を有しており、その1周期分の導体が一つの導体ターゲットTを構成している。一つの導体ターゲットTは、環状コイル導体パターン90のうち、回転軸線3aまわりの全周の角度範囲(360度)を周期数で等分(図14Bの例では5等分)して得られる角度領域内の部分である。周期数で等分するときの分割角度位置は、任意に設定し得る。
図示の例では、環状コイル導体パターン90は、回転軸線3aを中心とする扇形(より正確には内径部分が切り取られた扇形)の外周(輪郭)において、外径部分および一対の半径部分(すなわち内径部分以外の部分)にそれぞれ沿う外径線状導体パターン91および半径線状導体パターン92を含み、さらに、隣り合う半径線状導体パターン92を内径側で結合する内径線状導体パターン93を含む。外径線状導体パターン91は、隣り合う一対の半径線状導体パターン92を外径側で結合している。一つの半径線状導体パターン92は、外径側において外径線状導体パターン91を介して回転軸線3aまわりの周方向の一方側に隣接する他の半径線状導体パターン92の外径側端に結合され、かつ内径側において内径線状導体パターン93を介して周方向の他方側に隣接するさらに他の半径線状導体パターン92の内径側端に結合されている。外径線状導体パターン91および内径線状導体パターン93は、この例では、回転軸線3aを中心とする円弧に沿って線状に形成されている。こうして、環状コイル導体パターン90は、回転軸線3aに向かって開いたU字状コイル部分と、回転軸線3aとは反対側に向かって開いたU字状コイル部分とを周方向に連続させた無端状に構成されている。換言すれば、環状コイル導体パターン90は、回転軌道Oを跨いで内径側と外径側とで行き来するジグザグの波状に形成されている。
図14Bに仮想線で示すように、環状コイル導体パターン90は、曲線状のパターンとすることもできる。このような曲線的な環状コイル導体パターン90で複数の導体ターゲットTを構成することにより、出力信号波形を正弦波に近づけることができる。
図14Aおよび図14Bに示す構成の場合の動作原理は、前述の実施形態の場合と同様である。ただし、前述の実施形態では、導体ターゲットTを構成する導体ベタパターンに流れる渦電流を利用するのに対して、図14Aおよび図14Bの構成では、導体ターゲットTを構成するコイル導体パターン80,90に電流が流れる。具体的には、励磁コイル12に交流の励磁電流を流す場合に、矢印85の方向に励磁電流が増加すると、コイル導体パターン80,90には、磁界変化を妨げるように矢印86の方向の電流が流れる。チップインダクタLによって構成される検出コイルに誘導される電圧は、固定子1側の励磁コイル12の磁界と回転子2側のコイル導体パターン80,90(導体ターゲットT)の磁界との影響を受ける。
具体的には、図14Aの構成において、検出コイル(チップインダクタL)がコイル導体パターン80に囲まれた領域と対向するときは、励磁コイル12の磁界が弱められ、検出コイルの出力電圧は小さくなる。回転子2の回転によって対向領域が変化するので、それに応じて、検出コイルの出力電圧が変化する。図14Bの構成においては、検出コイル(チップインダクタL)が回転軸線3aに向かって開いたU字状コイル部分に対向するときには、励磁コイル12の磁界が弱められ、一方、検出コイル(チップインダクタL)が回転軸線3aとは反対側に向かって開いたU字状コイル部分に対向するときには、励磁コイル12の磁界が強められる。そして、対向領域の変化に応じて検出コイルの出力電圧が変化する。
このようにして、コイル導体パターン80,90に流れる電流による磁界変化を用いて、回転子2の回転位置を検出できる。コイル導体パターン80,90に流れる電流を利用することで、導体ベタパターンに流れる渦電流を利用する場合よりも良好な検出を実現できる。
図14Aおよび図14Bを用いて説明した前述の構成は、第1の実施形態だけでなく、第2、第3および第4の実施形態にも適用可能である。
図15A~図15Eは、様々な導体ターゲットTの例を示しており、円周に沿う回転軌道Oを直線に展開して複数の導体ターゲットTの配置を示している。図15Aは、複数の分離された導体ベタパターンで構成した導体ターゲットTを等間隔に配置した構成を示し、図1、図3、図6、図7、図9、図11、図12等の構成がこれに該当する。図15Bは、複数の分離された環状コイル導体パターンで構成した導体ターゲットTを等間隔に配置した構成を示し、図14Aの構成がこれに該当する。
図15Cは、全周にわたる環状コイル導体パターンが複数の導体パターンTを構成する例を示し、図14Bの構成がこれに該当する。この場合、前述のとおり、回転軸線3aまわりの全周にわたる区間の周期数で等分して得られる各部分が導体ターゲットTである。分割位置は任意であるので、たとえば、個々の導体ターゲットTは、図16A、図16B、図16Cおよび図16Dに例示するように、1周期分の様々な形状であり得る。
図15Dは、曲線状の環状コイル導体パターンが複数の導体パターンTを構成する例を示し、図14Bに仮想線で示した構成が該当する。導体ターゲットTは、その1周期分の部分である。たとえば、図14Bの構成において、絶縁基板の両面に互い違いの環状コイル導体パターンを形成することもできる。この場合の導体ターゲットTの一例を図15Fに示す。
導体ターゲットTは、回転軸線3aまわりの円周(回転軌道O)に沿って形成された周期性(幾何学的な周期性)のある導体パターンの1周期分の導体をいう。この導体は、図15Aおよび図15Bの例では個別の導体パターンであり、図15C~図15Eの例では連続する導体パターンの一部である。
以上、この発明の実施形態について説明してきたが、この発明は、さらに他の形態で実施することもできる。
たとえば、前述の実施形態では、回転軸線3aまわりの全周に渡って複数のチップインダクタLを配置する例を説明したが、複数のチップインダクタLは、回転軸線3aまわりの一部の角度範囲の領域に限定して配置されてもよい。たとえば、図6、図7および図8に示した第2の実施形態において、チップインダクタL1(2),L2(2),L3(2),L4(2)を省いてもよい。
また、前述の実施形態では、回転軸線3aまわりの全周に渡って複数のチップインダクタLを等間隔で配置する例を示したが、複数のチップインダクタLは必ずしも等間隔に配置する必要はない。たとえば、図6、図7および図8に示した第2の実施形態において、第1相チップインダクタL1(1),L1(2)のうちの一つを省き、第2相チップインダクタL2(1),L2(2)のうちの一つを省き、第3相チップインダクタL3(1),L3(2)のうちの一つを省き、第4相チップインダクタL4(1),L4(2)のうちの一つを省いて、複数のチップインダクタが不等間隔で配置された構成としても、90度位相の異なる検出信号VA,VBを得ることができる。
また、前述の実施形態では、固定子1のプリント基板10の一方の主面10aにチップインダクタLが表面実装される例を示したが、プリント基板10の一方の主面10aに複数のチップインダクタLを表面実装し、かつプリント基板10の他方の主面10bに複数のチップインダクタLを表面実装してもよい。プリント基板10の両面にチップインダクタLを実装することにより、チップインダクタLの数を増やすことができ、たとえば2倍の数のチップインダクタLをプリント基板10に実装することができる。チップインダクタLの数が多いほど全体の巻数が多くなるので、出力を大きくすることができる。また、チップインダクタLの数が多いほど、チップインダクタL間のばらつきが平均化されるので、検出精度を高めることができる。プリント基板10の一方主面10aおよび他方主面10bのそれぞれにおいて、複数のチップインダクタLから導体ターゲットTまでの距離が等しいので、各主面10a,10bに配置される複数のチップインダクタLの出力を均一化できる。したがって、複雑な信号処理を要することはない。
前述の第4の実施形態では、2つの回転軌道にそれぞれ沿って導体ターゲットおよびチップインダクタの組が2つ設けられるツートラックの構成を示しているが、3つ以上の回転軌道にそれぞれ沿って導体ターゲットおよびチップインダクタの組を3つ以上設ける構成としてもよい。
前述の第1、第2および第4の実施形態では、励磁コイルが円環状に構成される例を示したが、多角形環状等の他の環形状に励磁コイルを構成してもよい。
前述の実施形態では、積層型のチップインダクタを用いる例を説明したが、巻線型のチップインダクタを用いてもよい。ただし、積層型のチップインダクタの方が小型に構成できるので、導体ターゲット周期を小さくして(すなわち、導体ターゲット数を多くして)分解能の高い位置検出を行うためには、積層型のチップインダクタを用いる方が有利である。より具体的には、導体ターゲットの回転軌道上の幅が2mm程度であっても、1mm幅程度の積層チップインダクタを用いて(好ましくは回転軌道上の全周に渡って配置して)、位置検出器を構成できる。
本発明の実施形態について詳細に説明してきたが、これらは本発明の技術的内容を明らかにするために用いられた具体例に過ぎず、本発明はこれらの具体例に限定して解釈されるべきではなく、本発明の範囲は添付の請求の範囲によってのみ限定される。
1 固定子
10 プリント基板
12 励磁コイル
2 回転子
20 プリント基板
21 絶縁基板
23 非導体部
3 回転軸
3a 回転軸線
31,32 接続電極
5 励磁源
51 第1励磁源
52 第2励磁源
6 A相検出回路
7 B相検出回路
61 A相検出回路
71 B相検出回路
62 A相検出回路
72 B相検出回路
8 信号処理回路
12 励磁コイル
121 第1励磁コイル
122 第2励磁コイル
60 A相交流ブリッジ回路
61 第1A相交流電圧印加端
62 第2A相交流電圧印加端
63 第1A相信号検出端
64 第2A相信号検出端
70 B相交流ブリッジ回路
71 第1B相交流電圧印加端
72 第2B相交流電圧印加端
73 第1B相信号検出端
74 第2B相信号検出端
80 環状コイル導体パターン
90 環状コイル導体パターン
100 誘導型位置検出器
200 誘導型位置検出器
300 誘導型位置検出器
400 誘導型位置検出器
T 導体ターゲット
O 回転軌道
λ 導体ターゲット周期
p チップインダクタ周期
L1 第1相チップインダクタ
L2 第2相チップインダクタ
L3 第3相チップインダクタ
L4 第4相チップインダクタ
L1(1),L1(2) 第1相チップインダクタ
L2(1),L2(2) 第2相チップインダクタ
L3(1),L3(2) 第3相チップインダクタ
L4(1),L4(2) 第4相チップインダクタ
G1 第1相グループ
G2 第2相グループ
G3 第3相グループ
G4 第4相グループ
O1 第1回転軌道
O2 第2回転軌道
T1 導体ターゲット
T2 導体ターゲット
L11(1),L11(2) 第1相チップインダクタ
L12(1),L12(2) 第2相チップインダクタ
L13(1),L13(2) 第3相チップインダクタ
L14(1),L14(2) 第4相チップインダクタ
L21(1),L21(2),L21(3) 第1相チップインダクタ
L22(1),L22(2),L22(3) 第2相チップインダクタ
L23(1),L23(2),L23(3) 第3相チップインダクタ
L24(1),L24(2),L24(3) 第4相チップインダクタ
S1 第1組
S2 第2組
10 プリント基板
12 励磁コイル
2 回転子
20 プリント基板
21 絶縁基板
23 非導体部
3 回転軸
3a 回転軸線
31,32 接続電極
5 励磁源
51 第1励磁源
52 第2励磁源
6 A相検出回路
7 B相検出回路
61 A相検出回路
71 B相検出回路
62 A相検出回路
72 B相検出回路
8 信号処理回路
12 励磁コイル
121 第1励磁コイル
122 第2励磁コイル
60 A相交流ブリッジ回路
61 第1A相交流電圧印加端
62 第2A相交流電圧印加端
63 第1A相信号検出端
64 第2A相信号検出端
70 B相交流ブリッジ回路
71 第1B相交流電圧印加端
72 第2B相交流電圧印加端
73 第1B相信号検出端
74 第2B相信号検出端
80 環状コイル導体パターン
90 環状コイル導体パターン
100 誘導型位置検出器
200 誘導型位置検出器
300 誘導型位置検出器
400 誘導型位置検出器
T 導体ターゲット
O 回転軌道
λ 導体ターゲット周期
p チップインダクタ周期
L1 第1相チップインダクタ
L2 第2相チップインダクタ
L3 第3相チップインダクタ
L4 第4相チップインダクタ
L1(1),L1(2) 第1相チップインダクタ
L2(1),L2(2) 第2相チップインダクタ
L3(1),L3(2) 第3相チップインダクタ
L4(1),L4(2) 第4相チップインダクタ
G1 第1相グループ
G2 第2相グループ
G3 第3相グループ
G4 第4相グループ
O1 第1回転軌道
O2 第2回転軌道
T1 導体ターゲット
T2 導体ターゲット
L11(1),L11(2) 第1相チップインダクタ
L12(1),L12(2) 第2相チップインダクタ
L13(1),L13(2) 第3相チップインダクタ
L14(1),L14(2) 第4相チップインダクタ
L21(1),L21(2),L21(3) 第1相チップインダクタ
L22(1),L22(2),L22(3) 第2相チップインダクタ
L23(1),L23(2),L23(3) 第3相チップインダクタ
L24(1),L24(2),L24(3) 第4相チップインダクタ
S1 第1組
S2 第2組
Claims (13)
- 配線基板を有する固定子と、
前記固定子に対向して配置された非導体部品を有し、所定の回転軸線まわりに前記固定子に対して相対回転する回転子と、
前記回転軸線まわりの円周に沿って周期的に配置されて前記回転子の前記非導体部品に保持され、前記回転子の回転に伴って、前記回転軸線まわりの回転軌道を通って移動する同形同大の複数の導体ターゲットと、
前記複数の導体ターゲットに対する空間的な位相を異ならせて前記回転軌道に対向するように配置して前記固定子の前記配線基板の主面に表面実装され、前記導体ターゲットの通過に伴う磁界の変化を検出する複数の検出コイルをそれぞれ構成する複数のチップインダクタと、を含む、誘導型位置検出器。 - 前記導体ターゲットが、前記回転軌道に沿って所定の導体ターゲット周期で配置され、
前記チップインダクタは、前記回転軌道に沿って、前記導体ターゲット周期の25%~75%のコイル幅を有している、請求項1に記載の誘導型位置検出器。 - 前記導体ターゲットが、前記回転軌道に沿って所定の導体ターゲット周期で配置され、
前記複数のチップインダクタは、前記導体ターゲット周期に対して4分の1周期ずつの位相差を以て配置された、少なくとも一つの第1相チップインダクタ、少なくとも一つの第2相チップインダクタ、少なくとも一つの第3相チップインダクタおよび少なくとも一つの第4相チップインダクタを含む、請求項1または2に記載の誘導型位置検出器。 - 4N個(Nは自然数)の前記チップインダクタが前記回転軌道の全周に渡って当該回転軌道に沿って等間隔で配置されており、
前記導体ターゲットの数Y(Yは自然数)が、Y=4NM±N(Mは自然数)で表される、請求項1~3のいずれか一項に記載の誘導型位置検出器。 - 第1回転軌道を前記回転軌道とする前記複数の導体ターゲットおよび前記複数のチップインダクタの第1組と、前記第1回転軌道とは別の第2回転軌道を前記回転軌道とする前記複数の導体ターゲットおよび前記複数のチップインダクタの第2組とが、前記固定子および前記回転子を共有して備えられており、
前記第1組の前記複数の導体ターゲットの数Y1(Y1は自然数)と、前記第2組の前記複数の導体ターゲットの数Y2(Y2は自然数)とが互いに異なる、請求項1~4のいずれか一項に記載の誘導型位置検出器。 - 前記第1組の前記複数の導体ターゲットの数Y1と、前記第2組の前記複数の導体ターゲットの数Y2とが互いに素である、請求項5に記載の誘導型位置検出器。
- 前記固定子の前記配線基板に設けられ、前記第1組の前記複数のチップインダクタおよび前記第2組の前記複数のチップインダクタに電圧を誘導するために共用される励磁コイルをさらに含む、請求項5または6に記載の誘導型位置検出器。
- 前記励磁コイルが、前記回転軸線に沿って見たときに前記第1組の前記複数のチップインダクタおよび前記第2組の前記複数のチップインダクタを内包する環状の第1励磁コイルと、前記回転軸線に沿って見たときに前記第1組の前記複数のチップインダクタおよび前記第2組の前記複数のチップインダクタによって内包されるように前記回転軸線のまわりに配置された環状の第2励磁コイルと、を含む、請求項7に記載の誘導型位置検出器。
- 各導体ターゲットが、前記非導体部品に形成された導体ベタパターンまたは環状コイル導体パターンを含み、前記複数の導体ターゲットが互いに絶縁されている、請求項1~8のいずれか一項に記載の誘導型位置検出器。
- 前記複数の導体ターゲットが互いに連結され、全周にわたる環状コイル導体パターンをなす、請求項1~8のいずれか一項に記載の誘導型位置検出器。
- 前記チップインダクタは、両端に一対の接続電極を有する積層チップインダクタである、請求項1~10のいずれか一項に記載の誘導型位置検出器。
- 前記固定子の前記配線基板に設けられ、前記回転軸線に沿って見たときに前記複数のチップインダクタを内包する環状に形成され、前記複数のチップインダクタに電圧を誘導するための磁界を発生する励磁コイルをさらに含む、請求項1~11のいずれか一項に記載の誘導型位置検出器。
- 前記複数のチップインダクタが、一対の交流電圧印加端および一対の信号検出端を有する交流ブリッジ回路を構成するように接続されている、請求項1~12のいずれか一項に記載の誘導型位置検出器。
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---|---|---|---|
JP2022095845 | 2022-06-14 | ||
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WO2023243618A1 true WO2023243618A1 (ja) | 2023-12-21 |
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Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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PCT/JP2023/021804 WO2023243618A1 (ja) | 2022-06-14 | 2023-06-12 | 誘導型位置検出器 |
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TW (1) | TW202409519A (ja) |
WO (1) | WO2023243618A1 (ja) |
Citations (5)
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JPH04278416A (ja) * | 1991-03-06 | 1992-10-05 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 電磁誘導式ロータリーエンコーダ |
JP2014167440A (ja) * | 2013-02-28 | 2014-09-11 | Aisin Seiki Co Ltd | 変位センサ |
JP2015227826A (ja) * | 2014-06-02 | 2015-12-17 | 株式会社東海理化電機製作所 | 位置検出装置 |
JP2017531187A (ja) * | 2014-10-09 | 2017-10-19 | ローベルト ボツシユ ゲゼルシヤフト ミツト ベシユレンクテル ハフツングRobert Bosch Gmbh | 回転する構成部材の回転角度を非接触式に検出するためのセンサ装置 |
JP2022068860A (ja) * | 2020-10-22 | 2022-05-10 | ルネサス エレクトロニクス アメリカ インコーポレイテッド | 位置センサシステム |
-
2023
- 2023-06-12 WO PCT/JP2023/021804 patent/WO2023243618A1/ja unknown
- 2023-06-13 TW TW112122021A patent/TW202409519A/zh unknown
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Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
TW202409519A (zh) | 2024-03-01 |
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