JP2021530707A - 回転角度測定システム - Google Patents
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Abstract
本発明は、シャフト(12)の回転を検出するための回転角度測定システム(10;10')であって、シャフト(12)を半径方向に取り囲み、少なくとも１つのセンサ磁石(26)を備え、シャフト(12)に連結されて共に回転するロータユニット(18)と、シャフト(12)から半径方向に離間して配置されるマルチターンセンサユニット(34)を備え、マルチターンセンサユニット(34)が機能的にセンサ磁石(26)と相互作用してシャフト回転を検出する少なくとも１つのウィーガンドセンサ(36)を含む、静止したステータユニット(20)と、高透磁率材料からなり、少なくとも１つのウィーガンドセンサ(36)に対する少なくとも１つの磁気遮蔽装置(22;22')と、を備え、少なくとも１つの磁気遮蔽装置(22;22')は、矢状面で少なくとも１つのウィーガンドセンサ(36)を取り囲む遮蔽要素(40,42;40',42')を含む。【選択図】図４
Description
本発明は、シャフトの回転を検出するための回転角度測定システムに関し、シャフトに接続され、シャフトを回転させ、シャフトを半径方向に取り囲み、少なくとも１つのセンサ磁石を含むロータユニットと、シャフトから半径方向に離間して配置されたマルチターンセンサユニットを含み、マルチターンセンサユニットがセンサ磁石と機能的に相互作用してシャフト回転を検出する少なくとも１つのウィーガンドセンサを含む、静止したステータユニットと、高透磁率材料からなるウィーガンドセンサのための少なくとも１つの磁気遮蔽装置と、を備える。
このような回転角度測定システムは、シャフトの回転を測定するのに役立ち、しばしば、角度測定装置、回転角度センサ、又は回転位置変換器と呼ばれる。このようなシステムは、特に、電気モータ、特にサーボモータ、機械、プラント又は車両の制御及び監視に使用される。例えば光学的又は磁気的に励起されたシステムのように、非接触回転角度測定システムは、摩耗のないセンサシステムにより長い耐用年数を有するので特に重要である。
シャフトの回転を検出する磁石式の回転角度測定システムが例えば特許文献１により公知である。磁石式の回転角度測定システムの助けを借りて、シャフトの回転は、測定システムによって純粋に磁気的又は磁気光学的に検出される。測定システムは、複数のセンサ磁石が配置された回転するロータユニットと、シャフトから半径方向に離間して配置されウィーガンドセンサを含むマルチターンセンサユニットとを有する静止したステータユニットとを備える。ロータユニットは、共に回転するシャフトに連結され、シャフトの回転中にセンサ磁石が静止したマルチターンセンサユニットを通過することで、センサ磁石の磁界がセンサユニットによって検出される。
磁界センサ、特にウィーガンドセンサは、外部から印加される磁気干渉場の影響を非常に受けやすい。電動機/発電機又は磁気ブレーキの駆動軸に磁石式の回転角度測定システムを直接配置する場合、電動機/発電機又は磁気ブレーキによって生成された磁界が、一般に金属製のシャフトによって回転角度測定システムに伝達されるため、測定誤差が頻繁に生じる。
従って、特許文献１により公知の回転角度測定システムは、ウィーガンドセンサのための高透磁率材料からなる磁気遮蔽装置を含む。当該磁気遮蔽装置は、シャフトを半径方向に囲み、ウィーガンドセンサと、磁石式のシングルターンセンサユニットの一部を形成する永久磁石のリング磁石との間に軸方向に配置される。しかしながら、開示された当該磁気遮蔽装置は、主にリング磁石によって生成される磁界に対してウィーガンドセンサを遮蔽する役割を果たすが、シャフトに沿って伝達される磁気干渉場に対していかなる信頼性のある遮蔽も可能にしない。
そこで、シャフトの回転を正確かつ干渉なく検出可能な回転角度測定システムを提供することが目的である。
この目的は、請求項１の特徴を有するシャフトの回転を検出する回転角度測定システムで達成される。
本発明によれば、少なくとも１つの磁気遮蔽装置は、矢状面内で少なくとも１つのウィーガンドセンサを取り囲む遮蔽要素、すなわち遮蔽要素は、半径方向外側及び半径方向内側、並びに軸方向上側及び軸方向下側でウィーガンドセンサを取り囲む遮蔽要素を含む。好ましくは、遮蔽アセンブリの遮蔽要素は、遮蔽要素が矢状面内のウィーガンドセンサの周囲に完全に閉じた円を形成するように互いに連結される。ただし、回転角度測定システムの設置を簡素化するために、遮蔽アセンブリは、互いに連結されていない別個の遮蔽要素を備えることもでき、それによって矢状面内の遮蔽要素間に小さな空隙が生じ、これは、しかしながら磁気遮蔽装置の機能性に悪影響を及ぼさない。従って、「取り囲む」という用語は、矢状面内の遮蔽アセンブリの完全に閉じたプロファイルを必要としない。遮蔽要素は、矢状面内でウィーガンドセンサを取り囲むので、外部磁気干渉場、特にシャフトに沿って回転角度測定システムに印加される磁気干渉場は、磁気遮蔽装置を介してウィーガンドセンサの周囲に導かれる。従って、磁気干渉場がウィーガンドセンサに到達せず、その結果、ウィーガンドセンサは測定誤差を生じない。従って、本発明による回転角度測定システムは、シャフトを介して強い磁気干渉場が測定システムに印加された場合でさえも、シャフトの回転の正確で干渉のない検出を可能にする。
２つ以上の設置されたウィーガンドセンサの場合、アセンブリに応じて１つ、２つ、又はそれ以上の遮蔽アセンブリを設けることができる。遮蔽アセンブリの数は、ウィーガンドセンサの数に対応する必要はない。
好ましくは、磁気遮蔽装置は、第１の軸方向側においてウィーガンドセンサを取り囲む第１の遮蔽要素を備え、磁気遮蔽装置は、ウィーガンドセンサを第１の軸方向側とは反対側の第２の軸方向側において取り囲む第２の遮蔽要素を備える。２つの部分からなる磁気遮蔽装置は、磁気遮蔽装置の機能性に悪影響を及ぼすことなく、本発明により回転角度測定システムの簡単な設置を可能にする。
本発明の特に好ましい実施形態によれば、第１の遮蔽要素が静止して配置され、第２の遮蔽要素が共に回転するようにシャフトに連結される。例えば、第１の遮蔽要素は、静止したモータハウジング又はステータハウジングに簡単な方法で締結することができ、第１の遮蔽要素は、簡単な方法でシャフトに直接締結することができる。これにより、本発明による回転角度測定システムを簡単に設置することができる。
本発明の代替の実施形態によれば、第１の遮蔽要素及び第２の遮蔽要素からなる両方の遮蔽要素は、静止して配置され、互いに直接連結される。従って、全体的な遮蔽アセンブリは、静止した構成である。このように回転角度測定システムは、測定されるシャフトが回転角度測定システムによって僅かな程度までしか負荷されないように、小さな回転質量のみを備える。
本発明の有利な実施形態によれば、回転角度測定システムは、ステータユニットと静止した第１の遮蔽要素とが配置された非磁化性材料からなるステータハウジングを備える。好ましくは、ステータハウジングは、プラスチック材料又はアルミニウムからなり、それにより結果的に安価な方法で製造することができる軽量の回転角度測定システムを可能にする。静止した第１の遮蔽要素をステータハウジングに直接締結することにより、第１の遮蔽要素の正確な位置合わせと同様に、安定した締結が可能となり、追加の締結具なしで簡単な方法で実現することができる。
有利には、磁気遮蔽装置は、ウィーガンドセンサが配置されたステータユニット部分のみを磁気遮蔽装置が取り囲むように、少なくともウィーガンドセンサの軸方向側に円周方向に配置されたリング部分の形成で提供される。このように磁気遮蔽装置は、ウィーガンドセンサの周囲にのみ局所的に設けられる。このように磁気遮蔽装置は、重くて高価な磁性材料を少量しか必要としない。このように磁気遮蔽装置のコンパクトな構成は、軽量で安価な回転角度測定システムの製造を可能にする。
本発明の有利な実施形態によれば、磁気遮蔽装置は、横断面内でウィーガンドセンサを取り囲む遮蔽要素を備える。このように磁気遮蔽装置は、半径方向内側及び半径方向外側のみならず、円周方向で互いに反対側の２つの側面でウィーガンドセンサを取り囲む。このように、ウィーガンドセンサは、磁気遮蔽装置によって３つの空間方向全てに取り囲まれている。これにより、外部の磁気干渉場に対してウィーガンドセンサを特に確実に遮蔽することができ、従ってシャフトの回転を干渉のない状態で検出することができる。
有利には、マルチターンセンサユニットは、ホールセンサを備え、磁気遮蔽装置は、ホールセンサを矢状面で取り囲む遮蔽要素を備える。ホールセンサにより、シャフトの回転方向を簡単に判定することができる。磁気遮蔽装置は、ホールセンサを矢状面内で取り囲む、すなわち、ホールセンサをその半径方向内側及びその半径方向外側、並びにその軸方向上側及びその軸方向下側で取り囲むため、外部磁気干渉場は、磁気遮蔽装置を介してホールセンサの周囲に導かれる。これにより、シャフトの回転を干渉なく検出することができる。
好ましくは、ロータユニットは、円周方向に沿って均一に分布された４つのセンサ磁石を備える。これにより、ウィーガンドセンサは、シャフトの半回転を検出することさえでき、シャフトの回転の確実な検出を可能にする。
本発明の好ましい実施形態によれば、シャフトは中空シャフトである。本発明による回転角度測定システムは、特別な設備なしにはシャフトの軸方向端部におけるセンサシステムの従来の配置が不可能な中空シャフトの回転を検出するのにも特に好適である。
有利には、シャフトの部分回転を検出するための容量性のシングルターンセンサユニットが設けられ、第１のシングルターンセンサ素子がロータユニットに配置され、第２のシングルターン素子がステータユニットに配置される。容量性のシングルターンセンサユニットは、簡単な方法で回転角度測定システムに統合することができ、シャフト回転の特に厳密な検出を可能にする。
以下、添付の図面を参照して、本発明による回転角度測定システムの２つの例示的な実施形態を説明する。
図１は、シャフト１２の回転を検出するための回転角度測定システム１０を示す。本実施形態では、シャフト１２は、本質的に軸方向に延び、固定したモータハウジング１６を有する駆動モータ１４によって駆動される中空シャフトである。回転角度測定システム１０は、ロータユニット１８、ステータユニット２０、及び磁気遮蔽装置２２を備える。
ロータユニット１８は、シャフト１２を半径方向に囲みシャフト１２に直接締結されるロータ円周板２４を備える。これによりロータユニット１８は、共に回転するシャフト１２に連結される。ロータ円周板２４上には４個のセンサ磁石２６がその円周方向に沿って均一に配置されている。
ステータユニット２０は、シャフト１２を半径方向に囲むステータ円周板３２を備えている。ステータ円周板３２上には、マルチターンセンサユニット３４がシャフト１２から半径方向に離間して配置されており、マルチターンセンサユニットが、ウィーガンドセンサ３６と、評価ユニット３８及びホールセンサ３７を有する集積回路３５とを備えている。集積回路３５は、詳細には図示されていない制御ロジックと、ウィーガンドセンサ３６からの電力を使用してマルチターンセンサユニット３４の電力自給運転を可能にする詳細に図示されていない電力管理ユニットとを更に備える。評価ユニット３８は更に、詳細には図示されていないが、信号を介して不揮発性データメモリに接続されており、このデータメモリには、回転カウンタ値が記憶されており、評価ユニット３８によって読み出される。マルチターンセンサユニット３４の基本的な機能は、この接続について明示的に参照される独国特許公報第１０２５９２２３号に基本的に記載されている。
マルチターンセンサユニット３４は、シャフト１２の回転中に、シャフト１２と共回転することでウィーガンドセンサ３６を通過するセンサ磁石２６の磁界をウィーガンドセンサ３６が検出するように、半径方向に配置される。ステータ円周板３２は、複数のステータ留め具３９を介して安定する形で静止したモータハウジング１６に締結される。
また、磁気遮蔽装置２２は、例えば鉄などの高透磁率材料からなる。本実施形態では、磁気遮蔽装置２２は、２つの部分から構成される。第１の遮蔽要素４０は、本質的にトラフ状の構成であり、底壁部４４、２つの半径方向に対向した前壁部４６、４８、及び円周方向で互いに反対の２つの側壁部５０、５２を備える。
底壁部４４は、基本的に横断面内に延在し、ここではウィーガンドセンサ３６の軸方向下側であるロータユニット１８とは反対を向く第１の軸方向側Ａ１に配置される。前壁部４６、４８はそれぞれ基本的に前頭面内に延在する。第１の前壁部４６は、ウィーガンドセンサ３６の半径方向外側に配置され、第２の前壁部４８は、ウィーガンドセンサ３６の半径方向内側に配置される。第２の前壁部４８は、底壁部４４から軸方向にロータ円周板２４の軸方向下側に延在するが、ロータ円周板２４には接触しない。第１の前壁部４６は、底壁部４４から始まって軸方向に延在し、ロータ円周板２４及びセンサ磁石２６の軸方向上側を越えて軸方向に突出する。側壁部５０、５２は、それぞれ基本的に矢状面内に延在する。側壁部５０、５２はそれぞれ、底壁部４４から軸方向にステータ板３２の軸方向下側に延在する。第１の側壁部５０は、ウィーガンドセンサ３６の第１の側面側に配置され、第２の側壁部５２は、ウィーガンドセンサ３６の円周方向に反対側の第２の側面側に配置される。これにより第１の遮蔽要素４０は、円周方向にリング部分の形態で構成され、ウィーガンドセンサ３６が配置されたステータユニット２０の一部分のみを取り囲んでいる。
第１の遮蔽要素４０は、半径方向２側面及び横方向２側面の両方でウィーガンドセンサ３６を取り囲み、これによりウィーガンドセンサ３６を横断面内で本質的に完全に取り囲む。また、第１の遮蔽要素４０は、その第１の軸方向側Ａ１においてもウィーガンドセンサ３６を取り囲んでいる。底壁部４４とは反対を向く第１の前壁部４６の軸方向端部には第２の遮蔽要素４２が締結される。第２の遮蔽要素４２は、基本的に横断面内に延在する第１の遮蔽要素壁部４３と、第１の遮蔽要素壁部４３の半径方向内側に隣接し、かつ垂直下方を向く第２の遮蔽要素壁部４５とを備える。第１の遮蔽要素壁部４３は、第１の前壁部４６からシャフト１２へ半径方向に延びるが、シャフト１２には接触しない。第２の遮蔽要素壁部４５は、第１の遮蔽要素壁部４３からロータ円周板２４に垂直方向に延在するが、ロータ円周板２４には接触しない。従って、第２の遮蔽要素４２は、その第２の軸方向側Ａ２でウィーガンドセンサ３６を取り囲む。２つの遮蔽要素４０、４２を有する磁気遮蔽装置２２は、軸方向両側Ａ１、Ａ２と同様にウィーガンドセンサ３６の半径方向両側を取り囲み、これにより矢状面においてウィーガンドセンサ３６を取り囲む。
角度分解能を改善するために、回転角度測定システム１０は、ロータユニット１８の軸方向下側に配置された第１のシングルターンセンサ素子と、ステータユニット２０の軸方向上側に配置された第２のセンサ素子と、を有する詳細には図示していない容量性のシングルターンセンサユニットを備える。回転角度測定システム１０は、シャフトの絶対回転数と現在のシャフトの相対回転角度の両方を決定するための信号を介して、マルチターンセンサユニット３４とシングルターンセンサユニットとに接続される詳細には図示していない中央論理ユニットを更に含む。中央論理ユニットは、マイクロコントローラによって、又はいわゆる「フィールドプログラマブルゲートアレイ」(ＦＰＧＡ)によって実装することができる。
図４は、本発明による代替の回転角度測定システム１０´を示す。回転角度測定システム１０´では、静止したステータユニット２０は、本実施形態ではモータハウジング１６に締結されプラスチック材料からなるリング状のステータハウジング５４内に配置される。ステータハウジング５４は、シャフト１２を半径方向に取り囲み、本質的にＵ字状の外形を有する。
第２の遮蔽要素４２´は、リング状の構成であり、基本的に横断面内に延在するカバー壁部５７、半径方向の内壁部５９、及び半径方向の外壁部６１を有する本質的にＵ字状の外形を有する。第２の遮蔽要素４２´は、シャフト１２に直接締結され、従って共に回転するシャフト１２に接続される。第２の遮蔽要素４２´においては、ロータユニット１８は、第２の遮蔽要素４２´に配置され締結される。第２の遮蔽要素４２´は、ウィーガンドセンサ３６の第２の軸方向側Ａ２に配置され、第２の側Ａ２でウィーガンドセンサ３６を取り囲む。
第１の遮蔽要素４０´は、リング部分として構成され、基本的に横断面内に延在する底壁部５６、半径方向の内壁部５８、及び半径方向の外壁部６０を有する本質的にＵ字状の外形を有する。第１の遮蔽要素４０´は、ウィーガンドセンサ３６及びホールセンサ３７を有する集積回路３５が配置されたステータユニット２０の一部分のみを取り囲むように、ステータハウジング５４内に構成され配置される。第１の遮蔽要素４０´の内壁部５８は、ウィーガンドセンサ３６の半径方向内側を取り囲み、第２の遮蔽要素４２´の内壁部５９と軸方向に重なる。第１の遮蔽要素４０´の外壁部６０は、ウィーガンドセンサ３６の半径方向外側を囲み、第２の遮蔽素子４２´の外壁部６１と軸方向に重なる。第１の遮蔽要素４０´の底壁部５６は、ウィーガンドセンサ３６の第１の軸方向側Ａ１を取り囲んでいる。
従って、磁気遮蔽装置２２´は、軸方向両側Ａ１、Ａ２と同様に半径方向両側でウィーガンドセンサ３６を取り囲み、従ってウィーガンドセンサ３６を矢状面で完全に取り囲む。更に、磁気遮蔽装置２２´は、その軸方向上側及びその軸方向下側と同様に、その半径方向内側及びその半径方向外側、従って完全に矢状面内でホールセンサ３７を取り囲む。
１０；１０´ 回転角度測定システム
１２ シャフト
１４ 駆動モータ
１６ モータハウジング
１８ ロータユニット
２０ ステータユニット
２２；２２´ 磁気遮蔽装置
２４ ロータ円周板
２６ センサ磁石
３２ ステータ円周板
３４ マルチターンセンサユニット
３５ 集積回路
３６ ウィーガンドセンサ
３７ ホールセンサ
３８ 評価ユニット
３９ ステータ留め具
４０；４０´ 第１の遮蔽要素
４２；４２´ 第２の遮蔽要素
４３ 第１の遮蔽要素壁部
４４ 底壁部
４５ 第２の遮蔽要素壁部
４６ 第１の前壁部
４８ 第２の前壁部
５０ 第１の側壁部
５２ 第２の側壁部
５４ ステータハウジング
５６ 底壁部
５７ カバー壁部
５８ 内壁部
５９ 内壁部
６０ 外壁部
６１ 外壁部
Ａ１ 第１の軸方向側
Ａ２ 第２の軸方向側
１２ シャフト
１４ 駆動モータ
１６ モータハウジング
１８ ロータユニット
２０ ステータユニット
２２；２２´ 磁気遮蔽装置
２４ ロータ円周板
２６ センサ磁石
３２ ステータ円周板
３４ マルチターンセンサユニット
３５ 集積回路
３６ ウィーガンドセンサ
３７ ホールセンサ
３８ 評価ユニット
３９ ステータ留め具
４０；４０´ 第１の遮蔽要素
４２；４２´ 第２の遮蔽要素
４３ 第１の遮蔽要素壁部
４４ 底壁部
４５ 第２の遮蔽要素壁部
４６ 第１の前壁部
４８ 第２の前壁部
５０ 第１の側壁部
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５４ ステータハウジング
５６ 底壁部
５７ カバー壁部
５８ 内壁部
５９ 内壁部
６０ 外壁部
６１ 外壁部
Ａ１ 第１の軸方向側
Ａ２ 第２の軸方向側
Claims (11)
- シャフト（１２）の回転を検出するための回転角度測定システム（１０；１０´）であって、
実質的に軸方向に延びる前記シャフト（１２）と、
前記シャフト（１２）を半径方向に取り囲み、少なくとも１つのセンサ磁石（２６）を備え、前記シャフト（１２）に連結されて共に回転するロータユニット（１８）と、
前記シャフト（１２）から半径方向に離間して配置されるマルチターンセンサユニット（３４）を備え、前記マルチターンセンサユニット（３４）が機能的に前記センサ磁石（２６）と相互作用してシャフト回転を検出する少なくとも１つのウィーガンドセンサ（３６）を含む、静止したステータユニット（２０）と、
高透磁率材料からなる、前記少なくとも１つのウィーガンドセンサ（３６）に対する少なくとも１つの磁気遮蔽装置（２２；２２´）と、を備え、
前記少なくとも１つの磁気遮蔽装置（２２；２２´）は、前記少なくとも１つの前記ウィーガンドセンサ（３６）を、その半径方向内側、半径方向外側、第１の軸方向側（Ａ１）、及び第２の軸方向側（Ａ２）で取り囲む遮蔽要素（４０、４２；４０´、４２´）を含む、ことを特徴とする回転角度測定システム（１０；１０´）。 - 前記磁気遮蔽装置（２２；２２´）は、前記第１の軸方向側（Ａ１）で前記ウィーガンドセンサ（３６）を取り囲む第１の遮蔽要素（４０；４０´）と、前記第１の軸方向側（Ａ１）の反対側の第２の軸方向側（Ａ２）で前記ウィーガンドセンサ（３６）を取り囲む第２の遮蔽要素（４２；４２´）とを備える、請求項１に記載の回転角度測定システム（１０；１０´）。
- 前記第１の遮蔽要素（４０´）が静止して配置され、前記第２の遮蔽要素（４２´）が前記シャフト（１２）に連結されて共に回転する、請求項２に記載の回転角度測定システム（１０´）。
- 両方の前記遮蔽要素（４０、４２）が静止して配置され、互いに直接連結されている、請求項２に記載の回転角度測定システム（１０）。
- 前記ステータユニット（２０）及び静止した前記第１の遮蔽要素（４０´）が内部に配置され、非磁化材料からなるステータハウジング（５４）が設けられる、請求項２又は３に記載の回転角度測定システム（１０´）。
- 前記磁気遮蔽装置（２２；２２´）は、前記ウィーガンドセンサ（３６）が配置されたステータユニット部分のみを前記磁気遮蔽装置（２２；２２´）が取り囲むように、前記ウィーガンドセンサ（３６）の少なくとも軸方向側(Ａ１)において円周方向に延びるリング部分として構成される、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の回転角度測定システム（１０；１０´）。
- 前記磁気遮蔽装置（２２）は、半径方向内側、半径方向外側及び互いに対向して円周方向に延びる両側面において前記ウィーガンドセンサ（３６）を取り囲む遮蔽要素（４０、４２）を備える、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の回転角度測定システム（１０）。
- 前記マルチターンセンサユニット（３４）は、ホールセンサ（３７）を備え、前記磁気遮蔽装置（２２´）は、半径方向内側、半径方向外側、前記第１の軸方向側（Ａ１）、及び前記第２の軸方向側（Ａ２）で前記ホールセンサ（３７）を取り囲む遮蔽要素（４０´、４２´）を備える、請求項１乃至７のいずれか１項に記載の回転角度測定システム（１０´）。
- 前記ロータユニット（１８）は、円周方向に沿って均一に分布された４つのセンサ磁石を備える、請求項１乃至８のいずれか１項に記載の回転角度測定システム（１０；１０´）。
- 前記シャフト（１２）が中空シャフトである、請求項１乃至９のいずれか１項に記載の回転角度測定システム（１０；１０´）。
- 前記シャフトの部分回転を検出するための容量性のシングルターンユニットを備え、第１のシングルターンセンサ素子が前記ロータユニット（１８）に配置され、第２のシングルターンセンサ素子が前記ステータユニット（２０）に配置される、請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の回転角度測定システム（１０；１０´）。
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