DE102012200195A1

DE102012200195A1 - Positionssensor

Info

Publication number: DE102012200195A1
Application number: DE102012200195A
Authority: DE
Inventors: Yuichi Manabe; Tetsuji Inoue
Original assignee: Aisan Industry Co Ltd
Current assignee: Aisan Industry Co Ltd
Priority date: 2011-01-10
Filing date: 2012-01-09
Publication date: 2012-07-19
Also published as: US20120176123A1; CN102589583A; JP2012159495A

Abstract

Ein Positionssensor ist so konfiguriert, dass ein Rotormuster (13), das an einem Rotor (10) in einerewandt zu sein, nicht-magnetische, leitfähige Teile (12) enthält, die zyklisch gebildet sind, wobei eine Statorspule eine Erregerspule (17, 18) und eine Erfassungsspule (16) enthält, welche in derselben Richtung gespult sind, und wobei die Breite einer jeden Spule gleich einem Zyklus des Rotormusters (13) ist.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Positionssensor, der verwendet wird, zum Ermitteln einer Betriebsstellung einer Bewegungsvorrichtung oder eines Rotors, wobei der Positionssensor einen Stator enthält, der mit einer Statorspule gebildet ist, und wobei die Bewegungsvorrichtung beweglich vorgesehen ist, während sie dem Stator, durch einen Spalt beabstandet von ihm, zugewandt ist.
Stand der Technik
Als eine konventionelle Technik des oben genannten Typs gibt es zum Beispiel Drehwinkelsensoren, welche in verschiedenen Gebieten weit verbreitet sind. In einem Fahrzeugmotor wird ein Kurbelwinkelsensor angewandt, welcher ein Beispiel eines Drehwinkelsensors darstellt, um eine Rotationsgeschwindigkeit und eine Rotationsphase zu ermitteln.
Als ein Beispiel dieses Techniktyps ist ein Drehsensor in dem unten aufgelisteten Patentdokument 1 offenbart. Dieser Sensor ist vorgesehen mit einem Rotor und einem Stator, die einander zugewandt angeordnet sind. An dem Rotor sind rotorseitige Spulenmuster (Sucherspule) vorgesehen, und an dem Stator sind statorseitige Spulenmuster (Erregerspule) vorgesehen, die der Sucherspule zugewandt platziert sind. Ferner enthält der Rotor einen rotorseitigen Drehtransformator, und der Stator enthält einen statorseitigen Drehtransformator, der dem rotorseitigen Drehtransformator zugewandt ist. Der Rotor ist angebracht an eine Drehwelle eines Motors oder ähnlichem, so dass der Rotor ganzheitlich drehbar mit dem Schaft ist. Der Stator ist am Gehäuse des Motors oder ähnlichem befestigt.
Hier sind die Erregerspule und die Suchspule jeweils in einer Zickzackform und einer vollständig ringförmigen Gestalt gebildet. In diesem Drehmaßstab wird, wenn Wechselstrom in die Erregerspule gespeist wird, ein Erregersignal erzeugt, und dadurch eine induzierte Spannung erzeugt, die in Bezug zu einem Drehwinkel des Rotors (Sucherspule) in der Sucherspule zyklisch (ein Zyklus = ein Musterabstand der Sucherspule) veränderbar ist (d. h. gemäß den Änderungen des elektromagnetischen Kopplungsgrads entsprechend den Änderungen in einem relativen Positionsverhältnis zwischen der Erregerspule und der Sucherspule).
Diese induzierte Spannung wird vom rotorseitigen Drehtransformator zum statorseitigen Drehtransformator übertragen. Von einem Änderungsbetrag in dieser induzierten Spannung wird ein Drehwinkel des Rotors ermittelt (d. h., eine Drehwelle eines Motors oder ähnlichem, an welcher der Rotor angebracht ist).
Ein herkömmlicher Kurbelwinkelsensor muss nur eine Auflösung von etwa 10 Grad wiedergeben. Aufgrund der neuesten Emissionssteuerung in Bezug auf die Umweltthematik jedoch, wird eine genauere Steuerung eines Motors gefordert. Dementsprechend muss die Auflösung eines Kurbelwinkelsensors ungefähr 1 Grad betragen. Wenn zum Beispiel ein Puls immer bei 1 Grad ausgegeben werden soll, während der Motor mit einer Drehung von 6.000 U/min angetrieben wird, ist ein Signal von 36 kHz erforderlich.
Als ein Beispiel eines genauen Positionssensors, offenbart Patentdokument 2 einen Positionssensor, der so konfiguriert ist, dass ein Rotormuster, das Vorsprünge und Vertiefungen enthält, die zyklisch angeordnet sind, so an einer Oberfläche eines Rotors gebildet sind, dass ein Erregerspulenpaar und eine Erfassungsspule parallel ohne Abstand zwischeneinander angeordnet sind, wobei jede Spule eine beinahe geschlossene spiralförmige Kontur aufweist. Hier ist die Breite einer jeden Erregerspule und der Erfassungsspule gleich der Breite eines jeden Vorsprungs der Rotormuster. Das heißt, jede Spule ist mit einer Breite gebildet, die einem halben Zyklus des Rotormusters entspricht.
STAND DER TECHNIK DOKUMENTE PATENT DOKUMENTE

Patentdokument 1: JP 2008-216154 A
Patentdokument 2: JP 2002-39793 A

OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
DIE MIT DIESER ERFINDUNG ZU ERFÜLLENDE AUFGABE
In der Technik aus Patentdokument 2 jedoch ist ein Erfassungssignal schwach und der Positionssensor muss daher in einer größeren Gesamtgröße gestaltet sein, um ein ausreichendes Erfassungssignal zu erzeugen. Dies ist gegenläufig zu der Forderung einer Größenreduzierung.
Der Grund, warum das Erfassungssignal schwach ist, wurde, wie unten beschrieben, von dem gegenwärtigen Anmelder analysiert.
10 ist eine schematische Ansicht der Technik aus Patentdokument 2. Zum Beispiel haben ein Vorsprung 101 und eine Vertiefung 102, die beide ein Rotormuster 103 bilden, dieselbe Breite, welche 4 Grad in Bezug auf den Winkel ist. Daher ist ein Zyklus des Rotormusters 103 8 Grad. Ein Sucherspulenpaar 104 und 105 ist in einem inneren Umfang einer Erregerspule 107 platziert, die auf einem Stator gebildet ist. Die Breite einer jeden Sucherspule 104 und 105 entspricht einem halben Zyklus (4 Grad) des Rotormusters 103.
Wie in 10 gezeigt ist, ist der Vorsprung 101 der Sucherspule 105 zugewandt und die Vertiefung 102 ist der Sucherspule 104 zugewandt. Eine elektromotorische Kraft (ermittelte Spannung), die in der Sucherspule 105 erzeugt wird, ist daher maximal, während eine elektromotorische Kraft, die in der Sucherspule 104 erzeugt wird, minimal ist. Eine Sucherspule 106 ergibt sich aus der Gesamtheit der Sucherspulen 104 und 105.
11 zeigt einen Zustand, in dem das Rotormuster 103 in der Figur um einen halben Zyklus von der Position, die in 10 gezeigt ist, nach links versetzt wurde. Der Vorsprung 101 ist in einer Position entsprechend eines Mittelpunkts zwischen den Sucherspulen 104 und 105 angeordnet. Ein magnetischer Fluss, der durch die Erregerspule 107 erzeugt werden soll, wird um die Spulendrähte herum erzeugt. Der magnetische Fluss liefert eine hohe magnetische Flussdichte nahe der Spulendrähte, aber einen niedrigeren magnetischen Fluss, je weiter er von den Spulendrähten entfernt ist. 11 zeigt, dass es denkbar ist, dass der Vorsprung 101 weit von den Spulendrahtabschnitten der Erregerspule 107, die auf beiden Seiten angeordnet ist, entfernt ist, um einer hohen magnetischen Flussdichte zu ermöglichen, hindurchzupassieren, wodurch ein erzeugter magnetischer Fluss klein ist und nur eine kleine elektromotorische Kraft in der Erfassungsspule erzeugt wird.
In 10 ist gezeigt, dass die Spulendrahtabschnitte der Erregerspule 107 auf beiden Seiten nahe dem Vorsprung 101 angeordnet sind, so dass eine gewisse Höhe an elektromotorischer Kraft (ermittelte Spannung) erhalten werden kann. Wie in 11 gezeigt ist, sind demgegenüber die Drahtabschnitte der Erregerspule 107 auf beiden Seiten weit von dem Vorsprung entfernt, so dass nur eine kleine elektromotorische Kraft (ermittelte Spannung) erhalten werden kann. Infolge dessen ist insgesamt ein ermittelter Spannungswert eines Signals gering, was in einem verringerten S/N-Verhältnis resultiert.
Die vorliegende Erfindung wurde in Hinblick auf die Umstände gemacht und hat den Zweck, einen Positionssensor mit einem hohen S/N-Verhältnis zur Verfügung zu stellen.
MITTEL ZUM ERFÜLLEN DER AUFGABE

(1) Um den oben genannten Zweck zu erfüllen, sieht ein erster Aspekt der Erfindung einen Positionssensor vor, der enthält: einen Stator, der mit einer Statorspule gebildet ist; und eine Bewegungsvorrichtung, die beweglich vorgesehen ist, wobei sie dem Stator zugewandt, durch einen Spalt von ihm beabstandet ist, wobei ein Bewegungsvorrichtungsmuster, das an der Bewegungsvorrichtung in einer Position, die dem Stator zugewandt ist, gebildet ist, nicht-magnetische, leitfähige Teile enthält, die zyklisch gebildet sind, wobei die Statorspule eine Erregerspule und eine Erfassungsspule enthält, und die Erregerspule und die Erfassungsspule in derselben Richtung gespult sind, und wobei die Erregerspule und die Erfassungsspule jeweils eine Breite haben, die einem Zyklus des Bewegungsvorrichtungsmusters entspricht.

Mit der o. g. Konfiguration (1) haben die Erregerspule und die Erfassungsspule dieselbe Breite, welche einem Zyklus des Bewegungsvorrichtungsmusters entspricht. Dementsprechend, wenn der Spulendraht der Erregerspule, Positionen, ausgenommen den nicht-magnetischen, leitfähigen Teilen (d. h., Positionen der magnetischen Teile) zugewandt ist, wird ein magnetischer Fluss mit einer hohen magnetischen Flussdichte um den Spulendraht der Erregerspule herum erzeugt, und kann eine große elektromotorische Kraft (ermittelte Spannung) und ein hohes S/N-Verhältnis hervorrufen.

(2) In dem Positionssensor, der in (1) beschrieben ist, enthält die Erregerspule vorzugsweise eine erste Erregerspule und eine zweite Erregerspule, und ein Wickelschritt (pitch) der ersten Erregerspule und ein Wickelschritt (pitch) der zweiten Erregerspule sind voneinander um einen halben Zyklus des Bewegungsvorrichtungsmusters verschoben, und die Erfassungsspule enthält eine erste Erfassungsspule und eine zweite Erfassungsspule, und ein Wickelschritt (pitch) der ersten Erfassungsspule und ein Wickelschritt (pitch) der zweiten Erfassungsspule sind voneinander um einen halben Zyklus des Bewegungsvorrichtungsmusters versetzt.

Mit der o. g. Konfiguration (2) ist das Spulendrahtabschnittspaar der ersten Erfassungsspule, das beidseitig angeordnet ist, den magnetischen Teilen zugewandt, während das Spulendrahtabschnittspaar der zweiten Erfassungsspule, das beidseitig angeordnet ist, den nicht-magnetischen, leitfähigen Teilen zugewandt ist. Daher verändert sich eine Differenz in einer erzeugten elektromotorischen Kraft zwischen der ersten Erfassungsspule und der zweiten Erfassungsspule größtenteils. Wenn ein Signalwert durch eine Differentialverstärkung zwischen der ersten Erfassungsspule und der zweiten Erfassungsspule erhalten wird, kann ein großer Signalwert (S) erhalten werden. Das S/N-Verhältnis kann weiter gesteigert werden.

(3) In dem Positionssensor, der in (1) oder (2) beschrieben wird, ist das Bewegungsvorrichtungsmuster vorzugsweise aus einem magnetischen Material gebildet, das auf einer Oberfläche der Bewegungsvorrichtung, die aus einem nicht-magnetischen, leitfähigen Material hergestellt ist, aufgebracht und getrocknet wurde.

Mit der o. g. Konfiguration (3) ist es unnötig, eine äußere Umfangsfläche der Bewegungsvorrichtung einer mechanischen Bearbeitung, wie einem Schneiden, wie es in Patentdokument 2 offenbart ist, zu unterwerfen, um abwechselnd nicht-magnetische, leitfähige Teile und magnetische Teile zu bilden. Dadurch kann eine Kostensenkung erreicht werden.

(4) In dem Positionssensor, der in einem von (1) bis (3) beschrieben wird, sind die Erregerspule und die Erfassungsspule vorzugsweise in derselben Schicht angeordnet.

Speziell in der Spulenstruktur, die eine Vielschichtenkonfiguration aufweist, sind die Spulen in derselben Schicht angeordnet.
Mit der o. g. Konfiguration (4), sind die Erregerspule und die Erfassungsspule in derselben Schicht doppelt gespult. Dadurch kann ein feines Spulendrahtmuster durch Aufbringen und Trocknen einer Spule mittels eines Tintenstrahldruckers gebildet werden. Die Erfassungsgenauigkeit des Positionssensors kann entsprechend gesteigert werden.

(5) Im Positionssensor, der in einem von (1) bis (3) beschrieben wird, sind die Erregerspule und die Erfassungsspule vorzugsweise in einem sich überlappenden Verhältnis angeordnet.

Speziell in der Spulenstruktur, die eine Vielschichtenkonfiguration aufweist, sind die Spulen in verschiedenen Schichten gebildet, wobei zwischen ihnen eine Isolierschicht zwischengeschaltet wird, und wobei die Erregerspule und die Erfassungsspule in einem vollständig sich überlappendem Verhältnis angeordnet werden.
Mit der o. g. Konfiguration (5) können die Positionen der Erregerspule und der Erfassungsspule in verschiedenen Schichten in der radialen Richtung vollständig zusammenfallend miteinander hergestellt werden. Dementsprechend kann der Positionssensor eine hohe Erfassungsgenauigkeit bereitstellen.

(6) In dem Positionssensor, der in einem von (1) bis (5) beschrieben wird, muss der Erregerspule vorzugsweise ein Erregersignal gegeben werden, welches eine Hochfrequenzwelle von 1 MHz oder mehr ist, wobei ein Hochfrequenzerfassungssignal, das durch die Erfassungsspule hindurchpassiert, einer Signalverarbeitung mittels eines Hüllkurvendetektors unterworfen wird.

Es ist allgemein bekannt, dass der Gebrauch von Hochfrequenzwellen die Anzahl der Verdrahtungsmuster der Erfassungsspule verringern kann. Mit der o. g. Konfiguration (6) kann die Erfassungsspule die reduzierte Anzahl von Verdrahtungsmustern haben, wenn die Hochfrequenzwelle von 1 MHz oder mehr verwendet wird. Wenn ein Hochfrequenzerregersignal verwendet wird, wird auch ein Erfassungssignal bei einer hohen Frequenz ausgegeben. In der Erfindung wird die ausgegebene Hochfrequenz einer Signalverarbeitung mittels eines Hüllkurvendetektors unterworfen, um ein Signal hervorzurufen. Somit kann ein geeignetes Signal durch so ein einfaches Verfahren erhalten werden.

(7) In dem Positionssensor, der in einem von den (1) bis (6) beschrieben wird, ist die Bewegungsvorrichtung vorzugsweise eine bewegliche Rotorplatte, welche rotiert wird, und die Erregerspule und die Erfassungsspule sind auf einer flexiblen Leiterplatte gebildet, und die flexible Leiterplatte ist einstückig mit Harz an dem Stator geformt.

Mit der o. g. Konfiguration (7) kann der Stator, der einem Teil der beweglichen Rotorplatte, welche der bewegliche Körper ist, zugewandt ist, in der Größe reduziert werden. Dementsprechend kann der Positionssensor in einer vollständig kompakten Größe vorgesehen werden.

(8) In dem Positionssensor, der in (3) beschrieben wird, enthält das Muster der Bewegungsvorrichtung vorzugsweise einen Teil, der aus magnetischem Material hergestellt ist, mit einer abweichenden Stärke, als der Stärke anderer Teile, um ein Z-Signal auszugeben, das als Referenzpositionssignal dient.

Mit der oben beschriebenen Konfiguration (8) muss das magnetische Material eines Teils des Musters der Bewegungsvorrichtung nur zum Beispiel so stark ausgebildet sein, um das Z-Signal zu erzeugen. Eine zusätzliche Vorrichtung ist nicht erforderlich. Das Z-Signal kann daher mit geringen Kosten hervorgerufen werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
1 ist ein Diagramm, das ein erstes Positionsverhältnis zwischen einer ersten Erfassungsspule, einer zweiten Erfassungsspule, einer Erregerspule und eines Rotormusters in Beispiel 1 der Erfindung zeigt;
2 ist ein Diagramm, das Konfigurationen der ersten Erfassungsspule, der zweiten Erfassungsspule und der Erregerspule in Beispiel 1 zeigt;
3 ist eine schematische Ansicht, die eine ganze Struktur eines Drehgebers zeigt;
4 ist eine perspektivische Ansicht eines Stators;
5 ist ein Diagramm, das ein zweites Positionsverhältnis zwischen der ersten Erfassungsspule, der zweiten Erfassungsspule, der Erregerspule und des Rotormusters zeigt;
6 ist ein erstes Betriebserläuterungsdiagramm der ersten Erfassungsspule (der zweiten Erfassungsspule, der Erregerspule) und des Rotormusters;
7 ist ein zweites Betriebserläuterungsdiagramm der ersten Erfassungsspule (der zweiten Erfassungsspule, der Erregerspule) und des Rotormusters;
8 ist ein Diagramm, das Konfigurationen einer ersten Erfassungsspule zeigt, einer zweiten Erfassungsspule, einer ersten Erregerspule und einer zweiten Erregerspule in Beispiel 2;
9 ist ein Blockdiagramm einer Erfassung eines Drehgebers;
10 ist ein schematisches Diagramm, das eine Konfiguration von einem herkömmlichen Positionssensor zeigt; und
11 ist ein Diagramm, das einen Zustand zeigt, in dem das Rotormuster in der Figur um einen halben Zyklus von einem Zustand, der in 10 gezeigt wird, nach links versetzt wurde.
DURCHFÜHRUNGSWEISE FÜR DIE ERFINDUNG
Eine detaillierte Beschreibung von Beispiel 1, die eine Ausführungsform eines Positionssensors der vorliegenden Erfindung als einen ”Drehgeber, welcher ein Drehwinkelsensor für eine Kurbelwelle” darstellt, wird nun mit Bezug auf die dazugehörigen Zeichnungen gegeben.
3 ist eine schematische Ansicht, die eine gesamte Struktur eines Drehgebers 8 zeigt. Der Drehgeber 8 enthält einen Rotor (Bewegungsvorrichtung) 10, der an eine Drehwelle und einen Stator 9 angebracht ist, der unbeweglich vorgesehen ist, um einem Teil eines Außenumfangs des Rotors 10 zugewandt zu sein. 1 und 2 zeigen ein Rotormuster 13, das am Außenumfang des Rotors 10 gebildet ist, eine Erfassungsspule 16 und Erregerspulen 17 und 18, die den Stator 9 bilden. Das Rotormuster 13, das am Außenumfang gebildet ist, ist eigentlich entlang eines Umfangs angeordnet, aber in einer ebenen Ansicht dargestellt, um die Ansicht zu erleichtern.
Der Rotor 10 dieses Beispiels ist hergestellt aus nicht-magnetischem, leitfähigem Metall und in einer zylindrischen Form gebildet, die einen äußeren Durchmesser von 80 mm und eine Breite von 10 mm hat (die Dicke in einer vertikalen Richtung in 1). Das Rotormuster 13 ist über die ganze äußere Peripherie gebildet. Der Rotor 10 in diesem Beispiel ist hergestellt aus SUS (rostfreier Stahl), welcher das nicht-magnetische Metall darstellt, aber kann auch aus Aluminium oder anderem hergestellt sein.
Wie in 1 gezeigt, ist das Rotormuster 13 an der äußeren Umfangsfläche des rostfreien Stahl-Rotors 10 gebildet, so dass magnetische Teile 11 in einem Zyklus geformt werden. Der Winkel (Breite) eines jeden magnetischen Teils 11 (in einer seitlichen Richtung in 1) ist auf 4 Grad festgelegt. Die magnetischen Teile 11 sind durch Siebdruck gebildet, in welchem ein magnetisches Pulver (magnetisches Material), mit einem Harzbindemittel gemischt, streifenförmig aufgebracht und anschließend getrocknet wird. Das magnetische Pulver, das in diesem Beispiel verwendet wird, ist ferritisch, aber nicht darauf beschränkt.
Bereiche, die nicht mit den magnetischen Teilen 11 gebildet werden, sehen nicht-magnetische, leitfähige Teile 12 vor. Der Winkel (Breite) eines jeden nicht-magnetischen leitfähigen Teils 12 ist auf 2 Grad, gleich jedem magnetischem Teil 11 festgelegt. Die magnetischen Teile 11 und die nicht-magnetischen, leitfähigen Teile 12 bilden das Rotormuster 13. Der Winkel (Breite) des Rotormusters 13 ist 4 Grad. Das Rotormuster 13 wird mit 90 Zyklen auf einem gesamten Umfang gebildet.
Hierbei haben nur zwei fortlaufende, magnetische Teile 11 von 90 Stellen im Rotormuster 13 die Stärke, die der doppelten Stärke der anderen magnetischen Teile entspricht, so dass diese zwei magnetischen Teile als Referenzposition des Rotors 10 verwendet werden.
4 zeigt eine Konfiguration des Stators 9. Eine Befestigungsplatte 24 ist unbeweglich an einem Statorkörper 26 vorgesehen. Ein Schaltkreisteil 25 ist an einer oberen Fläche des Statorkörpers 26 vorgesehen. In einem fertigen Produkt wird der Schaltkreisteil 25 mit Harzguss überdeckt und ist daher von außen unsichtbar. In 4 allerdings ist ein Teil des Harzes weggelassen, um den Schaltkreisteil 25 zu zeigen. Eine vordere Stirnseite des Statorkörpers 26 ist in einer Bogenform mit einer Krümmung gebildet, die der Krümmung des Rotors 10 entspricht. Die vordere Stirnseite des Statorkörpers 26 ist mit einer flexiblen Leiterplatte 23, die einstückig gebildet ist, versehen.
Die Oberfläche der flexiblen Leiterplatte 23 ist mit zwei Sätzen von Erfassungsspulen 16 (14A, 15A; 14B, 15B) und zwei Sätzen von Erregerspulen 17 und 18 gebildet. Die Erfassungsspulen 16 und die Erregerspulen 17 und 18 sind auf der flexiblen Leiterplatte 23 vorgesehen.
Die Erfassungsspulen 16 und die Erregerspulen 17 und 18 aus Beispiel 1 sind in 2 im Detail gezeigt. Jede Erfassungsspule 16 enthält ein Paar aus einer ersten Erfassungsspule 14 und einer zweiten Erfassungsspule 15. Die erste Erfassungsspule 14 ist zusammen mit der ersten Erregerspule 17 doppelt gespult. Im Speziellen ist die erste Erregerspule 17 zwischen Abschnitten der ersten Erfassungsspule 14 angeordnet. Ähnlich dazu ist die zweite Erfassungsspule 15 zusammen mit der zweiten Erregerspule 18 doppelt gespult. Im Speziellen ist die zweite Erregerspule 18 zwischen Abschnitten der zweiten Erfassungsspule 15 angeordnet. Die erste Erfassungsspule 14 und die zweite Erfassungsspule 15 sind entsprechend um ungefähr zwei Windungen gespult. Die erste Erregerspule 17 und die zweite Erregerspule 18 sind ebenso entsprechend um ungefähr zwei Windungen gespult.
Der Winkel (Breite) einer jeden der ersten Erfassungsspule 14 und der ersten Erregerspule 17 ist auf 4 Grad entsprechend einem Zyklus des Rotormusters festgelegt. Ähnlich dazu sind der Winkel (Breite) einer jeden der zweiten Erfassungsspule 15 und der zweiten Erregerspule 18 auf 4 Grad festgelegt, was einem Zyklus des Rotormusters entspricht.
Die erste Erfassungsspule 14 und die erste Erregerspule 17 sind um 2 Grad in einer Phase (einen halben Zyklus des Rotormusters 13) versetzt von der zweiten Erfassungsspule 15 und der zweiten Erregerspule 18 angeordnet, wie in 1 gezeigt. Im Speziellen sollten die erste Erfassungsspule 14 und die erste Erregerspule 17 um 4 Grad in einem Winkel von der zweiten Erfassungsspule und der zweiten Erregerspule 18 versetzt werden, falls deren Zyklen aufeinander abgestimmt werden. In diesem Beispiel allerdings ist eine Verschiebung in einem Winkel von 6 Grad, anstatt von 4 Grad, festgelegt, so dass deren Phasen um 2 Grad voneinander versetzt sind.
Ein äußeres umlaufendes Ende der ersten Erfassungsspule 14 bildet eine Anschlussklemme 14a. Ein inneres umlaufendes Ende 14b der ersten Erfassungsspule 14 ist mit einem Verbindungsabschnitt 19a eine Anschlussklemme 19 in der anderen Schicht verbunden. Ein äußeres umlaufendes Endes 17a der ersten Erregerspule 17 ist mit einem Verbindungsabschnitt 21a einer Anschlussklemme 21 in der anderen Schicht verbunden.
Ein äußeres umlaufendes Ende der zweiten Erfassungsspule 15 bildet eine Anschlussklemme 15a. Ein inneres umlaufendes Ende 15b der zweiten Erfassungsspule 15 ist mit einem Verbindungsabschnitt 20a einer Anschlussklemme 20 in der anderen Schicht verbunden. Ein äußeres umlaufendes Ende 18a der zweiten Erregerspule 18 ist mit einem inneren umlaufenden Ende 17b der ersten Erregerspule 17 in der anderen Schicht verbunden. Ein inneres umlaufendes Ende 18b der zweiten Erregerspule 18 ist mit einem Verbindungsabschnitt 22a einer Anschlussklemme 22 in der anderen Schicht verbunden.
9 ist ein Blockdiagramm, das die Erfassung des Drehgebers 8 zeigt. In diesem Beispiel werden Hochfrequenzsinuswellen von 2 MHz in die Erregerspulen 17 und 18 eingegeben. Unter Verwendung eines Hochfrequenzerregersignals kann die Anzahl der Windungen einer jeden Erfassungsspule 16 reduziert werden. In diesem Beispiel wird eine Hochfrequenz von 2 MHz verwendet. Wenn die Anzahl der Windungen der Erfassungsspule 16 auf eine Anzahl entsprechend zwei Zyklen wie in diesem Beispiel festgelegt wird, kann eine Hochfrequenz von 1 MHz verwendet werden.
Ein Ausgabesignal S1 der Anschlussklemme 14a der ersten Erfassungsspule 14 und ein Ausgabesignal 62 der Anschlussklemme 19 werden in einen Differentialverstärker 31 eingegeben und darin einer Differentialverstärkung unterworfen, wodurch ein Signal S5 hervorgerufen wird. Gleichzeitig werden ein Ausgabesignal S3 der Anschlussklemme 15a der zweiten Erfassungsspule und ein Ausgabesignal S4 der Anschlussklemme 20 in einen Differentialverstärker 32 eingegeben und darin einer Differentialverstärkung unterworfen, wodurch ein Signal S6 erzeugt wird.
Als nächstes wird eine äußere Hüllkurve des Hochfrequenzsignals S5, die durch die Differentialverstärkung im Differentialverstärker 31 erhalten wird, von einem Hüllkurvendetektor 33 erfasst, wobei das Signal S7 erzeugt wird. Ferner wird eine äußere Hüllkurve des Hochfrequenzsignals S8, das durch die Differentialverstärkung des Differentialverstärkers 32 erhalten wird, durch einen Hüllkurvendetektor 34 erfasst, wobei ein Signal S8 erzeugt wird.
Die ausgegebene Welle 67 des Hüllkurvendetektors 33 und die ausgegebene Welle S8 des Hüllkurvendetektors 34 sind voneinander um einen halben Phasenzyklus versetzt. Das hat den Grund, da die erste Erfassungsspule 14 und die zweite Erfassungsspule 15 mit einer Verschiebung eines halben Phasenzyklus voneinander im Bezug zu dem Rotormuster 13 angeordnet sind.
Die ausgegebene Welle S7 des Hüllkurvendetektors 33 und die ausgegebene Welle S8 des Hüllkurvendetektors 34 werden einem Differentialverstärker 35 eingegeben, so dass beide Wellen einer Differentialverstärkung unterworfen werden, wobei ein Signal S9 erzeugt wird.
Nacheinander wird das ausgegebene Signal S9 des Differentialverstärkers 35 einem Vergleicher 36 eingegeben, um ein Pulssignal S10 zu erhalten. Durch Zählen des Pulssignals S10 kann ein Rotationswinkel des Rotors 10 im Bezug zum Stator 9 berechnet werden.
Das ausgegebene Signal S9 des Differentialverstärkers 35 wird ebenso in einem Vergleicher 37 eingegeben. Ein Referenzwert des Vergleichers 37 wird größer eingestellt als der des Vergleichers 36. Nur ein ausgegebenes Signal, das größer als erzeugte Signale ist, wird selektiv erfasst, wenn die magnetischen Teile 11A, die in einer gewissen Stärke aus einem magnetischen Material gebildet sind, zu der Position der Erfassungsspule 16 kommen.
Der Betrieb des Drehgebers 8, der die o. g. Konfiguration hat, wird unten erläutert. 6 zeigt einen Zustand, in dem der nicht-magnetische, leitfähige Teil 12 innerhalb der Position der Erfassungsspule 16 und der Erregerspule 17 (18) angeordnet ist. 7 zeigt einen Zustand, in dem der magnetische Teil 11 innerhalb der Position der Erfassungsspule 16 und der Erregerspule 17 (18) angeordnet ist.
In 6 geht der magnetische Fluss, der nahe der Spulendrahtabschnitte der Erregerspule 17 (18) erzeugt wird, durch die Innenseite des magnetischen Teils 11 hindurch, und erzeugt dadurch einen magnetischen Fluss von hoher magnetischer Flussdichte. Wenn der magnetische Fluss von einer hohen magnetischen Flussdichte erzeugt wird, wird eine größere elektromotorische Kraft in der Erfassungsspule 16 erzeugt.
In 7 geht demgegenüber der magnetische Fluss, der nahe des Spulendrahts der Erregerspule 17 (18) erzeugt wird, durch den nicht-magnetischen, leitfähigen Teil 12 hindurch. Da der nicht-magnetische, leitfähige Teil 12 aus nicht-magnetischem, leichtfähigem Metall hergestellt ist, treten Wirbelströme an der Oberfläche des nicht-magnetischen, leitfähigen Teils 12 auf, und somit wird ein magnetischer Fluss in einer entgegengesetzten Richtung zu dem magnetischen Fluss, der in der Erregerspule 17 (18) erzeugt wird, erzeugt (eine Richtung, die einen magnetischen Fluss, der in der Erregerspule 17 (18) erzeugt wird, ausgleicht). Daher wird der magnetische Fluss, der in der Erregerspule 17 (18) erzeugt wird, ausgeglichen und abgeschwächt, so dass die elektromotorische Kraft nur ein wenig erzeugt wird.
Wenn die erste Erfassungsspule 14 und die zweite Erfassungsspule 15 in einem Verhältnis in Bezug zu dem Rotormuster 13, wie in 1 gezeigt ist, positioniert werden, ist die erste Erfassungsspule 14 in dem Zustand, der in 7 gezeigt ist, und die zweite Erfassungsspule 15 ist in dem Zustand, der in 6 gezeigt ist. Dementsprechend wird eine große elektromotorische Kraft in der zweiten Erfassungsspule 15 erzeugt, aber die elektromotorische Kraft wird kaum in der ersten Erfassungsspule 15 erzeugt.
Andererseits, wenn die erste Erfassungsspule 14 und die zweite Erfassungsspule 15 in so einem Positionsverhältnis in Bezug zu dem Rotormuster 13, wie in 5 gezeigt, sind, ist die erste Erfassungsspule 14 in dem Zustand, gezeigt in 6, und die zweite Erfassungsspule 15 ist in dem Zustand, wie in 7. Dementsprechend wird eine große elektromotorische Kraft in der ersten Erfassungsspule 14 erzeugt, aber die elektromotorische Kraft in der zweiten Erfassungsspule 15 wird kaum erzeugt.
Eine Wellenform der ersten Erfassungsspule 14 wird in eine positive Anschlussklemme des Differentialverstärkers 35 eingegeben und eine Wellenform der zweiten Erfassungsspule 15 wird in eine negative Anschlussklemme des Differentialverstärkers 35 eingegeben. Daher wird der ausgegebene Wellenverlauf S9 des Differentialverstärkers 35 zu einer Wellenform S91 auf der positiven Seite, in dem Fall des Positionsverhältnisses in 5, und eine Wellenform S92 auf der negativen Seite, in dem Fall des Positionsverhältnisses in 1.
Zum Beispiel ist die Breite einer jeden der ersten Erfassungsspule 14 und der zweiten Erfassungsspule 15 gleich der Breite (Winkel) eines Zyklus des Rotormusters 13. Dementsprechend, wie in 1 gezeigt, kommt der nicht-magnetische, leitfähige Teil 12 vollständig zu einer Position, die der Innenseite des Spulendrahts der zweiten Erfassungsspule 15 entspricht, und die magnetischen Teile 11 sind in der Position entsprechend zu dem Spulendraht der zweiten Erfassungsspule 15. Die zweite Erfassungsspule 15 kann daher eine große elektromotorische Kraft erzeugen. Gleichzeitig kommt der magnetische Teil 11 vollständig zu einer Position, die der Innenseite des Spulendrahts der ersten Erfassungsspule 14 entspricht und die nicht-magnetischen, leitfähigen Teile 12 sind in den Positionen, entsprechend dem Spulendraht der ersten Erfassungsspule 14. Die elektromotorische Kraft wird kaum in der ersten Erfassungsspule 14 erzeugt.
Zur Beachtung: Die Spulenbreite in dieser Beschreibung stellt eine effektive Spulenbreite dar, das heißt, einen Wert, der durch Abziehen der Breite der Spulendrahtabschnitte von einer Distanz eines äußersten Umfangs einer Spule. Dies unterscheidet sich von der Breite eines Raums, den die Spule belegt, wie zum Beispiel dem Abstand des äußersten Umfangs einer Spule.
Wenn die Position des magnetischen Teils 11A zu der Position der Erfassungsspule 16 kommt, wird die Amplitude des Ausgabesignals S9 des Differentialverstärkers 35 größer. Der Vergleicher 37 erfasst selektiv nur solche großen Ausgabesignale und daher kann die Referenzposition des Rotors 10 als ein Z-Signal, basierend auf dem Ausgabesignal des Vergleichers 37 erhalten werden.
Wie oben im Detail beschrieben, gemäß des Drehgebers 8 aus Beispiel 1 der Erfindung, enthält das Rotormuster 13, das in der Position dem Stator 9 des Rotors 10 zugewandt, die nicht-magnetischen, leitfähigen Teile 12, die in einem Zyklus gebildet sind. Die Statorspule enthält die Erregerspulen 17 und 18 und die Erfassungsspule 16 (14, 15). Die Erregerspulen 17 und 18 und die Erfassungsspule 16 sind alle in derselben Richtung gespult. Die Breiten der Erregerspulen 17 und 18 und der Erfassungsspule 16 sind gleich einem Zyklus des Rotormusters 13. Die Erregerspulen 17 und 18 und die Erfassungsspule 16 haben dieselbe Breite, entsprechend eines Zyklus des Rotormusters 13. Dementsprechend, wenn der Spulendraht einer jeden Erregerspule 17 und 18 den Positionen, außer denen der magnetischen, leitfähigen Teile 12, zugewandt ist (die Positionen, die den magnetischen Teilen 11 entsprechen), wird ein magnetischer Fluss von hoher magnetischer Flussdichte um die Spulendrähte der Erregerspulen 17 und 18 herum erzeugt und kann eine große elektromotorische Kraft (erfasste Spannung) bereitgestellt werden, wobei ein höheres S/N-Verhältnis erreicht wird.
Ferner enthält die Erregerspule die erste Erregerspule 17 und die zweite Erregerspule 18, und die Wickelschritte (pitches) der ersten Erregerspule 17 und der zweiten Erregerspule 18 sind um einen halben Zyklus des Rotormusters 13 verschoben. Die Erfassungsspule 16 enthält die erste Erfassungsspule 14 und die zweite Erfassungsspule 15, und die Wickelschritte (pitches) der ersten Erfassungsspule 14 und der zweiten Erfassungsspule 15 sind um einen halben Zyklus des Rotormusters 13 verschoben. Wenn ein Spulendrahtabschnittspaar der ersten Erfassungsspule 14 den magnetischen Teilen 11 zugewandt ist, ist ein Spulendrahtabschnittspaar der ersten Erfassungsspule 15 den nicht-magnetischen, leitfähigen Teilen 12 zugewandt. Somit schwankt eine erzeugte elektromotorische Kraft zwischen der ersten Erfassungsspule 14 und der zweiten Erfassungsspule 15 stark. Wenn ein Signalwert durch deren Differentialverstärkung erhalten wird, wobei ein großer Signalwert (S) erzeugt wird, kann das S/N-Verhältnis weiter gesteigert werden.
Das Rotormuster 13 ist auf so eine Weise gebildet, dass ein magnetisches Material auf einer Oberfläche eines nicht-magnetischen, leitfähigen Rotors aufgebracht und dann getrocknet wird. Für eine sich abwechselnde Bildung des nicht-magnetischen, leitfähigen Teils 12 und des magnetischen Teils 11 muss der äußere Rotorumfang keiner mechanischen Bearbeitung, wie einem Schneiden, wie es in Patentdokument 2 offenbart ist, unterworfen werden. Dadurch kann eine Kostensenkung erreicht werden.
Ferner werden die Erregerspulen 17 und 18 und die Erfassungsspule 16 in derselben Schicht angeordnet. Da die Erregerspulen 17 und 18 und die Erfassungsspule 16 doppelt in derselben Schicht gespult sind, kann durch Aufbringen einer Spule durch einen Tintenstrahldrucker und einem Trocknen, ein feines Spulendrahtmuster gebildet werden. Es ist möglich, die Erfassungsgenauigkeit eines Drehgebers 8 zu erhöhen.
Ferner ist ein Erregersignal eine Hochfrequenzwelle von einem 1 MHz oder mehr. Ein Hochfrequenzerfassungssignal, das durch die Erfassungsspule 16 fließt, wird einer Signalverarbeitung durch den Hüllkurvendetektor unterworfen. Dementsprechend kann die Anzahl der Verdrahtungsmuster der Erfassungsspule verringert werden. Bei Verwendung eines Hochfrequenzerregersignals wird ebenso ein Erfassungssignal bei einer hohen Frequenz ausgegeben. In diesem Beispiel wird das ausgegebene Hochfrequenzsignal der Signalverarbeitung durch den Hüllkurvendetektor unterworfen, um ein Signal zu erzeugen. Ein genaues Signal kann durch so eine einfache Methode erhalten werden.
Der Rotor 10 ist ein drehbarer Rotor. Die Erregerspulen 17 und 18 und die Erfassungsspule 16 sind auf der flexiblen Leiterplatte 23 gebildet. Diese Platte 23 ist einstückig mit Harz an der vorderen Stirnseite des Statorkörpers 26 gebildet. Dementsprechend kann der Stator 9, der einem Teil des Rotors 10 zugewandt ist, eine geringe Größe haben, so dass ein gänzlich kompakter Positionssensor verwirklicht wird.
Um das Z-Signal auszugeben, welches das Referenzpositionssignal ist, wird ein Teil des Rotormusters 13 mit einem magnetischen Material in einer anderen Stärke als der Stärke der anderen Teile aufgebracht. Wenn zum Beispiel nur das magnetische Material eines Teils des Rotormusters 13 in einer gewissen Stärke ausgebildet wird, kann das Z-Signal erhalten werden. Jede zusätzliche Vorrichtung ist nicht erforderlich. Daher kann das Z-Signal bei niedrigen Kosten erzeugt werden.
Beispiel 2 der Erfindung wird unten beschrieben. Beispiel 2 hat im Wesentlichen dieselbe Konfiguration wie Beispiel 1 und daher sind die einzigen Unterschiede von Beispiel 1 im Detail beschrieben. 8 zeigt eine erste Erfassungsspule 41, eine zweite Erfassungsspule 42, eine erste Erregerspule 45 und eine zweite Erregerspule 46 aus Beispiel 2.
Die erste Erfassungsspule 41 und die zweite Erfassungsspule 42 sind in derselben ersten Schicht gebildet. Die erste Erregerspule 45 und die zweite Erregerspule 45 sind in einer zweiten Schicht gebildet, der auf der ersten Schicht angeordnet ist, wobei eine Isolierschicht zwischengeschaltet ist. In diesem Beispiel sind die erste Erfassungsspule 41 und die erste Erregerspule 45 in verschiedenen Schichten, aber in vollständig sich überlappenden Positionen angeordnet. Die zweite Erfassungsspule 42 und die zweite Erregerspule 46 sind in unterschiedlichen Schichten, aber in vollständig sich überlappenden Positionen angeordnet.
Ein Ende der ersten Erfassungsspule 41 bildet eine Anschlussklemme 41a und das andere Ende 41b ist mit einer Anschlussklemme 43 verbunden. Ein Ende der zweiten Erfassungsspule 42 bildet eine Anschlussklemme 42a und das andere Ende 42b ist mit einer Anschlussklemme 44 verbunden.
Ein Ende der ersten Erregerspule 45 bildet eine Anschlussklemme 45a und das andere Ende 45b ist mit einer Anschlussklemme 47 verbunden. Ein Ende der zweiten Erregerspule 46 bildet eine Anschlussklemme 46a und das andere Ende 46b ist mit einer Anschlussklemme 48 verbunden.
Gemäß des Drehgebers 8 aus Beispiel 2 sind die erste Erregerspule 45 und die erste Erfassungsspule 41 in einem sich überlappenden Verhältnis angeordnet, und die zweite Erregerspule 46 und die zweite Erfassungsspule 42 sind in einem sich überlappenden Verhältnis angeordnet. Demzufolge können die Positionen der Erregerspule und der Erfassungsspule in der radialen Richtung in den unterschiedlichen Schichten vollständig miteinander zusammenfallend hergestellt werden. Daher kann der Drehgeber 8 eine hohe Ermittlungsgenauigkeit vorsehen.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die oben genannten Beispiele begrenzt und kann in anderen spezifischen Formen ausgeführt werden, ohne von ihren wesentlichen Merkmalen abzuweichen.
In den oben genannten Beispielen ist der Drehgeber 8 für eine Winkelermittlung gestaltet. Als eine Alternative kann ein Linearbewegungspositionssensor vorgesehen sein, in welchem ein Verdrahtungsmuster einer Erfassungsspule und ein Rotor 10 linear gestaltet sind.
In den oben genannten Beispielen wird mit einer Mischung aus einem magnetischen Pulver und einem Harzbindemittel beschichtet und getrocknet, um die magnetischen Teile 11 des Rotormusters 13 zu bilden. Als eine Alternative kann das Rotormuster 13 auch durch Behaften mit einer magnetischen Folie, wie einer gesinterten ferritischen Folie, gebildet werden.
In den oben genannten Beispielen wird ein Muster an dem äußeren Umfang des Rotors 10 gebildet und die Erregerspulen und die Erfassungsspulen sind an der radialen Außenseite, dem Muster zugewandt, angeordnet. Es kann so angeordnet sein, so dass ein Muster auf einer Oberfläche des Rotors 10 in einer Rotationsachsenrichtung gebildet wird, und eine Erregerspule und eine Erfassungsspule in axialen Positionen, dem Muster zugewandt, angeordnet sind.
Bezugszeichenliste

8: Drehgeber
9: Stator
10: Rotor
11: magnetischer Teil
12: nicht-magnetischer, leitfähiger Teil
14, 41: erste Erfassungsspule
15, 42: zweite Erfassungsspule
16: Erfassungsspule (erste Erfassungsspule + zweite Erfassungsspule)
17, 18, 45, 46: Erregerspule

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2008-216154 A [0008]
JP 2002-39793 A [0008]

Claims

Ein Positionssensor, welcher enthält: einen Stator (9), gebildet mit einer Statorspule (16, 17, 18); und eine Bewegungsvorrichtung (10), beweglich vorgesehen, wobei sie dem Stator (9), durch einen Spalt beabstandet von ihm, zugewandt ist, wobei ein Bewegungsvorrichtungsmuster (13), das auf der Bewegungsvorrichtung in einer dem Stator (9) zugewandten Position gebildet ist, nicht-magnetische, leitfähige Teile (12) enthält, die zyklisch gebildet sind, wobei die Statorspule eine Erregerspule (17, 18) und eine Erfassungsspule (16) enthält, und wobei die Erregerspule und die Erfassungsspule in derselben Richtung gespult sind, und die Erregerspule und die Erfassungsspule jeweils eine Breite haben, die einem Zyklus des Bewegungsvorrichtungsmusters entspricht.
Der Positionssensor nach Anspruch 1, wobei die Erregerspule eine erste Erregerspule (17) und eine zweite Erregerspule (18) enthält, und ein Wickelschritt der ersten Erregerspule und ein Wickelschritt der zweiten Erregerspule voneinander um einen halben Zyklus des Bewegungsvorrichtungsmusters versetzt sind, und die Erfassungsspule eine erste Erfassungsspule (14) und eine zweite Erfassungsspule (15) enthält, und ein Wickelschritt der ersten Erfassungsspule und ein Wickelschritt der zweiten Erfassungsspule voneinander um einen halben Zyklus des Bewegungsvorrichtungsmusters versetzt sind.
Der Positionssensor nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Bewegungsvorrichtungsmuster aus einem magnetischen Material gebildet ist, das auf einer Oberfläche der Bewegungsvorrichtung, die aus einem nicht-magnetischen, leitfähigen Material hergestellt ist, aufgebracht und getrocknet wird.
Der Positionssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Erregerspule und die Erfassungsspule in derselben Schicht angeordnet sind.
Der Positionssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Erregerspule und die Erfassungsspule in einem sich überlappendem Verhältnis angeordnet sind.
Der Positionssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Erregerspule ein Erregersignal gegeben werden soll, welches eine Hochfrequenzwelle von 1 MHz oder mehr ist, wobei ein Hochfrequenzerfassungssignal, das durch die Erfassungsspule hindurchgeht, einer Signalbearbeitung durch einen Hüllkurvendetektor unterwarfen wird.
Der Positionssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Bewegungsvorrichtung eine drehbare Rotorplatte ist, welche gedreht wird, und die Erregerspule und die Erfassungsspule auf einer flexiblen Leiterplatte gebildet sind und die flexible Leiterplatte einstückig mit Harz an dem Stator gebildet ist.
Der Positionssensor nach Anspruch 3, wobei das Bewegungsvorrichtungsmuster einen Teil aus magnetischem Material mit einer anderen Stärke als der Stärke der anderen Teile enthält, um ein Z-Signal auszugeben, das als ein Referenzpositionssignal dient.