JP4504064B2

JP4504064B2 - 電磁誘導式回転センサ及びこの電磁誘導式回転センサを備えたシャフトエンコーダ

Info

Publication number: JP4504064B2
Application number: JP2004102517A
Authority: JP
Inventors: マルク・オリバー・ティーマン
Original assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Current assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Priority date: 2003-05-09
Filing date: 2004-03-31
Publication date: 2010-07-14
Anticipated expiration: 2024-03-31
Also published as: DE10320990A1; CN1311220C; US20040222787A1; EP1475604B1; EP1475604A2; JP2004333478A; DE502004002496D1; CN1550750A; EP1475604A3; ATE350645T1; US7190158B2

Description

本発明は、請求項１の上位概念に記載の相対角度位置を算定する電磁誘導式回転センサ及び請求項７に記載のこの電磁誘導式回転センサを備えたシャフトエンコーダに関する。

電磁誘導式回転センサは、例えば互いに相対的に回転可能な２つの機械部材の角度位置を測定するシャフトエンコーダで使用される。電磁誘導式回転センサの場合、複数の励磁トラックと複数の受信トラックが、例えばランドパターンの形態で１つの共通のプリント基板上に形成される。このプリント基板は、例えばシャフトエンコーダの固定子に動かないように接合されている。もう１つの板が、このプリント基板と向かい合わせに存在する。この板は、目盛版として形成されていることがほとんどない。周期的に交互に間隔をあけている複数の導電性面と非導電性面が、目盛領域又は目盛構造として形成されている。そしてこの板は、シャフトエンコーダの回転子に回転しないように接合されている。時間的に入れ替わる１つの電気励起領域が励起トラックで励起される時に、角度位置に依存する信号が、回転子と固定子との間の相対回転の間に受信トラック中で生成される。次いで、これらの信号は、評価電子機器内で再処理される。一般に、このような評価電子機器の構成要素が、その他のプリント基板上に搭載されている。

多くの場合、電磁誘導式回転センサを有するシャフトエンコーダは、電気駆動部用の測定機器として対応する駆動軸の絶対角度位置を測定するために使用される。このような回転センサ又はシャフトエンコーダの多くの使用分野では、これらの機器を小型化することが常に望まれている。

本出願人のドイツ連邦共和国特許出願公開第197 51 853号明細書中には、電磁誘導式回転センサの構造が記されている。この構造の場合、励起トラックと受信トラックが、多層プリント基板構造で配置されている。このような回転センサの構造の大きさを低減した場合、特に走査プリント基板の直径を小さくした場合、特に受信ランドパターンが許容できないオフセットエラーを生成することが分かっている。これらの受信ランドパターンは、回転による信号周期で信号を生成する。

本発明の課題は、高品質の信号が最小構造でも実現可能である電磁誘導式回転センサを提供することにある。同様に小さい外形寸法を有する可能なシャフトエンコーダも、本発明によって提供される。

この課題は、本発明により、請求項１又は請求項７の特徴によって解決される。

本発明によれば、プリント基板上の少なくとも１つの受信ランドパターンが、目盛要素に対する１回転内に奇数の信号周期を供給する。この場合、この受信ランドパターンは、第１部分と第２部分を有する。これらの部分は、それぞれ異なる平面内に延在する。この場合、第１部分は、第２部分よりも大きい長さを有する。こうして、対応する信号のオフセットエラーを著しく低減することが可能である。

この場合、これらの部分自体が、多数の部分セグメントにさらに目盛され得る。すなわち、場合によっては１つの平面内に延在する受信ランドパターンの遮断領域を受信ランドパターンの部分とみなすことができる。

本発明の好適な構成では、受信ランドパターンの第１部分が、第２部分の長さの少なくとも1.5 倍、特に少なくとも３倍である。

このような多数の受信ランドパターンが、プリント基板上に有益に形成されている。この場合、本発明の好適な構成では、それぞれより長い部分が、１つの平面ないし同一の平面内に存在する。より長い部分がそれぞれ、同じ間隔の目盛要素から離れているので、個々の受信トラックの振幅エラー又は振幅の違いが、この構造によって最小限に低減される。

本発明の好適な構成は、従属請求項に記載されている。

以下に、本発明の電磁誘導式回転センサ及びこの電磁誘導式回転センサを備えたシャフトエンコーダの実施の形態を図面に基づいて説明する。

本発明の回転センサの基本構造が、図１〜３から分かる。図１中には、円形の目盛板２の形態をした目盛要素が示されている。この目盛板２は、基板２．３から構成される。この基板２．３は、この示された実施の形態ではエポキシ樹脂から製造されていて、２つの目盛トラック２．１，２．２上に配置されている。これらの目盛トラック２．１，２．２は、円状に形成されていて、回転軸線Ｒに対して同心状に異なる直径で基板２．３上に配置されている。これらの両目盛トラック２．１，２．２はそれぞれ、周期的な順序で交互に配置された導電性の目盛領域領域２．１１，２．２１と非導電性の目盛領域２．１１，２．２１とから構成される。この示された例では、銅が、導電性の目盛領域２．１１，２．２１用の材料として基板２．３上に被覆される。これに対して非導電性の目盛領域２．１２，２．２２内では、基板２．３が被覆されない。

内側の目盛トラック２．１は、この実施形では導電性の材料、ここでは銅を有する半円状の第１目盛領域２．１１及び非導電性の材料が配置されている半円状の目盛領域２．１２から構成される。

第２目盛トラック２．２が、基板２．３上に第１目盛トラック２．１に隣接して放射状に存在する。この場合、この目盛トラック２．２も、導電性の多数の目盛領域２．２１及びこれらの目盛領域２．２１間に配置された非導電性の目盛領域２．２２から構成される。この場合、異なる目盛領域２．２１，２．２２は、第１目盛トラック２．１の目盛領域２．１１，２．１２と材料的に同じに構成されている。全体では、第２目盛トラック２．２は、この実施の形態では周期的に配置された16個の導電性の目盛領域２．２１及びこれに応じてこれらの目盛領域２．２１間に配置された16個の非導電性の目盛領域２．２２を有する。

図２中に示された目盛板２を走査するために設けられている走査プリント基板１が、受信トラックとして内側の受信トラック内に受信ランドパターン１．１，１．２を有し、外側の受信トラック内にその他の受信ランドパターン１．７，１．８を有する。この場合、それぞれの受信トラックの受信ランドパターン１．１，１．２；１．７，１．８の全体を構成する対が互いに相対的にずれている。

さらに、励起ランドパターン１．６が、励起トラックとして走査プリント基板１面に設けられている。これらの励起ランドパターン１．６は、内側の励起トラック上と中央の励起トラック上と外側の励起トラック上に形成されている。走査プリント基板１自体が、中心孔１．９を有し、かつ多数の層を有するプリント基板として構成されている。

図３中には、走査プリント基板１の部分断面Ａ−Ａが示されている。この場合、本発明を説明するために重要な層だけが示されている。受信ランドパターン１．１，１．２の第１部分１．１１，１．２１が、コア層１．３の一方の側面上に、すなわち第１平面内に形成されている。この場合、この部分断面Ａ−Ａ内では、第１受信ランドパターン１．１の第１部分１．１１だけが目視可能である。受信ランドパターン１．１，１．２のそれぞれの第２部分１．１２，１．２２が、コア層１．３の他方の側面上に、すなわち第２平面内に形成されている。この部分断面Ａ−Ａ内では、確かに受信ランドパターン１．１の第２部分１．１２だけが目視可能である。さらに、ヴィアス(Vias)１．１５が、非導電性の層として構成されたコア層１．３内に設けられている。このヴィアス１．１５は、走査プリント基板１の層構造内で原理的に埋められたヴィアスとして形成されている。これに応じてコア層１．３の両表面では、パッド１．１３，１．１４がヴィアス１．１５の領域内に配置されている。こうして、ランドパターンの接触が可能である。これらのランドパターンは、コア層１．３の異なる側面上に存在する。部分断面Ａ−Ａは、このような付随するパッド１．１３，１．１４を有するヴィアス１．１５を通じて延在する。この場合、第１ランドパターン１．１の第２部分１．１２が、１つのパッド１．１４に接触している。この場合、製造技術的な理由から、パッド１．１３，１．１４の接触面の直径（ここでは500 μｍ）は、受信ランドパターン１．１，１．２の幅（ここでは125 μｍ）よりも大きい。受信ランドパターン１．１，１．２を有するコア層１．３は、両側面に対してそれぞれ１つのプレプレグ１．４，１．５によって包囲されている。さらに走査プリント基板１は、その他の層を有する。これらの層は、図中には示されていない。

図２中では、受信ランドパターン１．１，１．２の第１部分１．１１，１．２１が実線で示されていて、受信ランドパターン１．１，１．２の第２部分１．１２，１．２２が破線で示されている。受信ランドパターン１．１，１．２の第１部分１．１１，１．２１が一緒にコア層１．３の同一面上に形成されている一方で、受信ランドパターン１．１，１．２のより短い第２部分１．１２，１．２２が一緒にコア層１．３の他方の面上に形成されているように、走査プリント基板１が構成されている。すなわちこれらの部分１．１２，１．２２は、受信ランドパターン１．１，１．２の交差又は短絡を回避するブリッジとして使用される。この場合、両受信ランドパターン１．１，１．２は、多数のランドセグメントから構成される、すなわち実線で示された第１部分１．１１，１．２１及び破線で示された第２部分１．１２，１．２２から構成される。受信ランドパターン１．１，１．２の第１部分１．１１，１．２１は、受信ランドパターン１．１，１．２の第２部分１．１２，１．２２よりも遥かに大きい長さを有する。この示された例では、第２部分１．１２，１．２２の長さに対する（全体を形づくっている部分セグメントの和に相当する）第１部分１．１１，１．２１の長さの比が約4.5 である。したがって、受信ランドパターン１．１；１．２のそれぞれの第１部分１．１１；１．２１は、それぞれの第２部分１．１２；１．２２の長さの4.5 倍である。

目盛板２と走査プリント基板１は、組み合わされた状態では向かい合わせに存在する。その結果、軸線Ｒが、両要素の中心点を通じて延在し、目盛板２と走査プリント基板１との間の相対回転時に、それぞれの角度位置に依存する信号が、走査プリント基板１内で電磁誘導効果によって生成可能である。

対応する信号を生成するための前提条件は、励起ランドパターン１．６が時間的に入れ替わる電磁励起領域を走査トラックの領域内で又は走査される目盛トラック２．１，２．２の領域内で生成することである。この実施の形態では、励起ランドパターン１．６が、平面並行に貫流する多数の個別ランドパターンとして形成されている。１つのランドパターンユニットの励起ランドパターン１．６が一緒に同一方向に通電される場合、ホース状に又はシリンダ状に指向された電磁場がそれぞれのランドパターンユニットの周りに発生する。発生した電磁場の磁場線が、ランドパターンユニットの周りに同心円状に延在する。この場合、この磁場線の方向は、公知であるようにこれらのランドパターンユニット中の通電方向に依存する。

この場合、共通の走査トラックに直接隣接するランドパターンユニット又はこれらのランドパターンユニットに対応する回路の通電方向は、逆に選択する必要がある。その結果、磁場線がそれぞれ、走査トラックの領域内で同一に指向されている。交流供給電圧が、図２中に示された供給電圧タップＵＥを通じて励起ランドパターン１．６に給電される。

内側の受信ランドパターン１．１，１．２がそれぞれ、回転センサの作動中に電磁誘導効果に起因して目盛トラック２．１の走査ごとに１つの信号周期を提供する。受信ランドパターン１．１，１．２がコア層１．３上でずれて配置されているために、電磁誘導された２つの出力信号Ｓ１．１′，Ｓ１．２′が回転センサの作動中に生成される。これらの出力信号Ｓ１．１′，Ｓ１．２′の位相が互いに90°ずれている。これらの出力信号Ｓ１．１′，Ｓ１．２′は、振幅変調され、評価電子機器を使用して順番に復調される。その結果、図４中に示されているような正弦信号Ｓ１．１，Ｓ１．２が生成される。この場合、１つの信号周期が、２π、すなわち360 °の回転角度で生成される。

比較的粗い絶対位置情報が、回転軸線Ｒ周りの目盛板２の１回転内に目盛トラック２．１の走査から得られる。これらの信号は、軸４（図５参照）の１回転内の１つの一義的な絶対位置信号を供給する。さらに、回転移動時の方向の確認が、90°だけ位相のずれた信号Ｓ１．１，Ｓ１．２の公知の評価によって保証されている。

受信ランドパターン１．１，１．２は、独立した２つの動作ステップで又は別々に実施される２つの構造化工程で最初にコア層１．３の一方の側面上に形成され、その後にコア層１．３の他方の対向する側面上に形成される。このことは、部分１．１１が部分１．１２に対して（又は部分１．２１が部分１．２２に対して）製造技術的な許容誤差によって必然的に比較的大きく互いにずれてコア層１．３のそれぞれの側面上に形成されていることを伴う。受信ランドパターン１．１，１．２の幅に比べて大きいパッド１．１３，１．１４の接触面の直径によって、確実な接触が、起こりうるずれの許容誤差の範囲内で保証される。

受信ランドパターン１．１，１．２の第１部分１．１１，１．２１が受信ランドパターン１．１，１．２の第２部分１．１２，１．２２よりも遥かに大きい長さを有する配置の場合、従来のシステムに比べて著しい利点が、信号特性に関してこの理由から奏される。すなわち、誘導電圧が、包囲されているトラック面に依存する、すなわちこの示された例では受信ランドパターン１．１，１．２の包囲されている面に依存する。同一部分に対するランドパターンの部分が１つの平面の２つの異なる面上に形成されている従来のシステムの場合、製造で生じる避けられないずれが、それぞれのトラック面を著しく異ならせる。

対向する両部分面から生じる信号が異なる符号を有し、値によって異なる電圧が両トラック内で電磁誘導されるので、信号中のオフセットが、望まない実際のずれによって従来のシステムのトラックで発生する。

本発明の利点は、オフセットエラーがコア層１．３の異なる側面上に形成されている受信ランドパターン１．１，１．２の相互のずれによって生じない点にある。何故ならこれによって、トラック面が事実上変化しないからである。すなわち、トラックの大部分、すなわちそれぞれの第１部分１．１１，１．２１が、コア層１．３の１つの面と同一の面上に形成されていて、同時に高精度に固定されている。したがって、部分１．１１がコア層１．３の他方の側面上で部分１．１２に対して（又は部分１．２１が部分１．２２に対して）ずれている場合、測定誤差が無視できる。他方では、本発明により、精確に作動する角度センサが、製造精度に関して比較的僅かな経費で製造され得る。

外側の第２走査トラック上のその他の受信ランドパターン１．７，１．８が、コア層１．３の両側面に対して同様に形成されていて、第２目盛トラック２．２を走査するために使用される。同様に、相対的なずれが、両受信ランドパターン１．７，１．８間に設けられている。その結果、２つの信号が、第２目盛トラック２．２の走査時に出力側で生成される。これらの信号間では、位相が90°ずれている。

受信ランドパターン１．７，１．８はそれぞれ、16、すなわち２⁴のターンを有する。その結果、比較的高分解能のインクリメンタル信号が、走査プリント基板１に対する目盛板２の相対移動時に受信ランドパターン１．７，１．８によって生成され得る。第１目盛トラック２．１による粗い絶対位置測定に関連して、高分解能の絶対角度の測定が、このような配置によって可能である。その他の受信ランドパターン１．７，１．８が、その長さに関して内側の受信ランドパターン１．１，１．２に対してほぼ同じにコア層１．３の両側面上に分割されているように、これらの受信ランドパターン１．７，１．８は構成されている。偶数のターンの場合（つまり偶数の信号周期を１回転内で供給するその他の受信ランドパターン１．７，１．８の場合）、コア層１．３の両側面上のその他の受信ランドパターン１．７，１．８の長さの不均一な分布が必要でない。何故なら、ここでは、オフセットエラーが相互の補償によって相殺されるからである。その結果、エラー（誤差）が、トータルで無視できる。

しかしこの補償効果は、奇数の信号周期を１回転内で供給する受信ランドパターン１．１，１．２では存在しない。本発明は、受信ランドパターン１．１，１．２が１回転内で１つの信号周期だけを供給する回転センサに限定されない。むしろ３つ、５つ又はそれ以上の奇数の信号周期が１回転数内で生成可能であるように、受信ランドパターン１．１，１．２が本発明にしたがって構成され得る。

図５は、本発明の電磁誘導式回転センサを有するシャフトエンコーダを示す。このシャフトエンコーダは、固定のハウジング３及びこのハウジングに対して回転可能な軸４を有する。図５中に示さなかった目盛トラック２．１，２．２を有する目盛板２が、軸４に対して回転しないように固定されている。これに対して、走査プリント基板１が、ハウジング３に対して固定されている。さらに、シャフトエンコーダは、減速ギアボックス５を有する。この減速ギアボックス５は、シャフトエンコーダの多回転機能に対して必要になる。シャフトエンコーダは、電磁誘導角度センサ、特に走査プリント基板１のコンパクトな構造によって非常に小さく構成され得る。

受信ランドパターン１．１，１．２の信号の振幅を大きくするため、コア層１．３の他方の側面上に形成されている受信ランドパターン１．１，１．２の短い第２部分１．１２，１．２２よりも長い受信ランドパターン１．１，１．２の第１部分１．１１，１．２１が、コア層１．３の目盛板２に面するか又は目盛板２の近くに配置された側面上に一緒に形成されている。したがって、これらの短い部分１．１２，１．２２は、シャフトエンコーダ内で目盛板２と反対側にあるコア層１．３の側面上に形成されている。これらの短い部分１．１２，１．２２は、同時に受信ランドパターン１．１，１．２の交差又は短絡を回避するために使用される。信号振幅が、目盛板２に対する受信ランドパターン１．１，１．２の長い部分１．１１，１．２１の距離を短くすることによって大きくなる。

目盛版の正面図である。走査プリント基板の正面図である。走査プリント基板の概略的な部分断面図である。内側の受信ランドパターンによって供給される信号の変化を示す。説明するために開けられたハウジングを有するシャフトエンコーダの投影図である。

符号の説明

１走査プリント基板
２目盛版
２．１目盛トラック
２．２目盛トラック
１．１受信ランドパターン
１．２受信ランドパターン
１．６励起ランドパターン
１．１１第１部分
１．２１第１部分
１．１２第２部分
１．２２第２部分
２．１１導電性目盛領域
２．２１導電性目盛領域
２．１２非導電性目盛領域
２．２２非導電性目盛領域

Claims

プリント基板（１）及び目盛要素（２）から構成された電磁誘導式回転センサにあって、・プリント基板（１）を備え、１つの励起ランドパターン（１．６）及び少なくとも１つの受信ランドパターン（１．１，１．２）がこのプリント基板（１）上に形成されていて、かつ、この少なくとも１つの受信ランドパターン（１．１；１．２）は第１平面内に延在する第１部分（１．１１；１．２１）及び第２平面内に延在する第２部分（１．１２；１．２２）を有し、
・目盛要素（２）を備え、この目盛要素はプリント基板（１）に対して回転可能であり、かつ目盛トラック（２．１）を有し、この目盛トラック（２．１）は、交互に配置された導電性の目盛領域及び非導電性の目盛領域（２．１１，２．１２）から構成され、かつ、
少なくとも１つの受信ランドパターン（１．１；１．２）は、目盛要素（２）に対する１回転内に奇数の信号周期を供給する電磁誘導式回転センサにおいて、
少なくとも１つの受信ランドパターン（１．１；１．２）の第１部分（１．１１；１．２１）は、第２部分（１．１２；１．２２）よりも大きい長さを有することを特徴とする電磁誘導式回転センサ。
受信ランドパターン（１．１；１．２）の第１部分（１．１１；１．２１）は、第２部分（１．１２；１．２２）の長さの少なくとも１．５倍、又は、少なくとも３倍であることを特徴とする請求項１に記載の電磁誘導式回転センサ。
第１平面内に延在する第１部分（１．１１；１．２１）及び第２平面内に延在する第２部分（１．１２；１．２２）をそれぞれ有する多数の受信ランドパターン（１．１；１．２）が、プリント基板（１）上に形成されていて、かつ、より長い部分（１．１１；１．２１）がそれぞれ、１つの平面及び同一の平面内に延在することを特徴とする請求項１又は２に記載の電磁誘導式回転センサ。
少なくとも１つの受信ランドパターン（１．１；１．２）は、目盛要素（２）に対する１回転内で１つの信号周期を提供することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の電磁誘導式回転センサ。
プリント基板（１）は、多層構造を有し、少なくとも１つの受信ランドパターン（１．１；１．２）の第１部分及び第２部分（１．１１；１．２１；１．１２；１．２２）が、非導電性の層（１．３）の異なる側面上に形成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の電磁誘導式回転センサ。
受信ランドパターン（１．１；１．２）のより長い部分（１．１１，１．２１）は、受信ランドパターン（１．１；１．２）のより短い第２部分（１．１２；１．２２）が延在する平面よりも近い目盛要素（２）に配置されている平面内に延在することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の電磁誘導式回転センサ。
プリント基板（１）及び目盛要素（２）から構成された電磁誘導式回転センサを有するシャフトエンコーダにあって、
・プリント基板（１）を備え、１つの励起ランドパターン（１．６）及び少なくとも１つの受信ランドパターン（１．１，１．２）がこのプリント基板（１）上に形成されていて、かつ、この少なくとも１つの受信ランドパターン（１．１；１．２）は第１平面内に延在する第１部分（１．１１；１．２１）及び第２平面内に延在する第２部分（１．１２；１．２２）を有し、
・目盛要素（２）を備え、この目盛要素はプリント基板（１）に対して回転可能であり、かつ目盛トラック（２．１）を有し、この目盛トラック（２．１）は、交互に配置された導電性の目盛領域及び非導電性の目盛領域（２．１１，２．１２）から構成され、かつ、少なくとも１つの受信ランドパターン（１．１；１．２）は、目盛要素（２）に対する１回転内に奇数の信号周期を供給する電磁誘導式回転センサを有するシャフトエンコーダにおいて、
少なくとも１つの受信ランドパターン（１．１；１．２）の第１部分（１．１１；１．２１）は、第２部分（１．１２；１．２２）よりも大きい長さを有することを特徴とするシャフトエンコーダ。
受信ランドパターン（１．１；１．２）のより長い部分（１．１１，１．２１）が、受信ランドパターン（１．１；１．２）のより短い第２部分（１．１２；１．２２）が延在する平面よりも近い目盛要素（２）に配置されている平面内に延在することを特徴とする請求項７に記載の電磁誘導式回転センサを有するシャフトエンコーダ。