JP5314125B2 - 誘導式回転角センサおよび誘導式回転角センサを作動させる方法 - Google Patents

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Description

本発明は、請求項1の前文に記載の相対角度位置を特定する誘導式回転角センサ、および請求項8に記載の誘導式回転角センサを作動させる方法に関するものである。
誘導式回転角センサは、互いに相対的に回転自在である二つの機械部品の角度位置を特定するために、例えばロータリエンコーダで使用される。誘導式回転角センサでは励磁部コイルと受信部コイルが例えば導電路の形態で、例えばロータリエンコーダのステータと固定接続されている共通導電基板上に設けられる。この導電基板に対向した位置に、多くは目盛ディスクとして構成されている別のプレートがあり、その上に周期的な間隔で交互に導電性と非導電性の面が、目盛部分ないし目盛構造として設けられていると共に、その目盛ディスクがロータリエンコーダのロータに固定して接続されている。時間的に変化する励磁電界が励磁部コイルにかけられると、受信部コイルにはロータとステータ間の相対的な角度位置に従った信号が発生する。
誘導式回転角センサ付きロータリエンコーダは、しばしば電気的な駆動部用の測定器として使用され、当該駆動シャフトの絶対的な角度位置を特定する。
本出願人によるDE19751853A1では、誘導式回転角センサ用の構造が記載されており、そのセンサでは目盛ディスクないし目盛要素にある二つの目盛トラックを、導電基板上の受信部コイルにより検知する。エラーが伴う信号の発生を避けるためには、当該形式の回転角センサを比較的小さい製造許容誤差で用意せねばならず、特に受信部コイルが比較的大きな外径を有する場合に当て嵌まる。
以下においては特に、測定すべきシャフトに回転角センサを取り付ける時に発生する組み付け許容誤差も製造許容誤差として解釈する。当該種類の組み付け許容誤差または組み付け精度不良は、例えば、ロータのふらつき動作又はロータおよび/またはステータの傾斜状態を引き起こすことがある。
よって本発明の課題は、コスト的に有利な誘導式回転角センサおよび、当該誘導式回転角センサを作動させる方法を得ることであり、そのセンサ/方法により高レベルの信号品質ないし極めて正確な測定結果を達成できるものである。
この課題を本発明により、請求項1ないし請求項8の特徴により解決する。
本発明によれば誘導式回転角センサには、上に励磁部導電路および第一、第二、第三受信導電路が設けられている導電基板を含んでいる。更に誘導式回転角センサには目盛要素を含んでおり、その目盛要素は、導電基板に対して相対的に回転自在であると共に、特にそれぞれ交互に配設された導電性・非導電性の目盛部分で構成された第一および第二目盛トラックを含んでいる。第一および第二目盛トラックと第一および第二受信導電路の構成は、目盛要素が導電基板に対して相対的に一回転する間に、第一受信導電路により第一周期数を有する信号、そして第二受信導電路により第二周期数を有する信号を発生できるようになっている。そのとき目盛要素が、同じく交互に配設された導電性・非導電性の目盛部分で構成されていることのある第三目盛トラックを有しており、そこで第三目盛トラックおよび第三受信導電路の構成が、目盛要素が導電基板に対して相対的に一回転する間に、第三受信導電路により第一周期数を有する信号を発生できるようになっている。このように回転角センサを配設することは特に、ふらつき動作または導電基板に対する目盛要素の相対的傾斜状態に起因する測定誤差を減らすために適している。ステータの傾斜状態の影響も、同じく小さくすることができる。
回転軸までの第一目盛トラックの距離は、回転軸までの第三目盛トラックの距離とは異なっている。特に第一目盛トラックは、第三目盛トラックの曲率半径と違った曲率半径を有している。
最も内側の目盛トラックは、回転軸に向かって小さい方の半径rにより境界が決められている範囲に設けられている。それに対して最も外側の目盛トラックは、大きい方の半径Rの内側にあり、その場合に両方の半径r,Rは、その中心が回転軸にある。特に本発明は、比較的大きな内径を有する円環状目盛ディスクとの関連で利点がある。この条件の時には、小さい方の半径rは比較的大きいことが多い。よって本発明は、小さい方の半径rに対する大きい方の半径Rの割合が3/2より小さい(R/r<3/2)の時に、特に利点を有して使用できる。R/r<4/3、特にR/r<5/4にできると利点がある。即ち、このように小さい方の半径rを比較的大きくした時に、製造ないし組み付け許容誤差により回避できないふらつき動作または目盛ディスクと導電基板間の傾斜状態が、測定結果の品質の観点で特に不都合に働く。測定結果の品質の損なわれることが、本発明により著しく削減される。
回転角センサ、特に導電基板が、第三受信導電路の信号を第一受信導電路の信号と一緒に全体信号に組み合わせできる手段を含んでいると利点があり、そこで全体信号から、導電基板と目盛要素間の相対的角度位置を、製造および組み付け許容誤差に関して誤差を削減して特定できる。その手段は例えば、電子回路として構成され、そして特にアナログの電子回路として実施されていることがある。利点のある方法では、その手段が加算または減算手段、ないし加算または減算回路である。最も簡単な構成ではその回路が、第一受信導電路と第三受信導電路との縦列または並列組み合わせ回路のみを意味することがある。
以下において周期数という用語は、目盛要素ないし目盛ディスクが導電基板に対して相対的に一回転する間に受信導電路により発生する信号周期の数であると解釈する。
本発明の好ましい構成において、第一周期数が第二周期数より小さく、特に第一周期数が1の値をとることがある。
本発明の別の構成においては、第一周期数が奇数であり、第二周期数が偶数であると利点がある。
第一受信導電路により発生できる信号は、n1が第一および第三受信導電路信号の第一周期数の値を示すときに、第三受信導電路により発生できる信号に対して、360°/(2・n1)の位相差を有していることがある。
導電基板が第一受信部トラックと第三受信部トラックを有していると利点があり、そのとき第一受信部トラックには二つの第一受信導電路、そして第三受信部トラックには二つの第三受信導電路を含んでいる。
更に本発明には回転角センサを作動させる方法を含んでおり、そこで回転角センサは、上に励磁部導電路および第一、第二、第三受信導電路が設けられている導電基板を有している。更に回転角センサは、機能時に導電基板に対して相対的に回転すると共に第一、第二、第三目盛トラックを含む目盛要素を有しており、そのとき特に目盛トラックはそれぞれ、交互に配設された導電性・非導電性の目盛部分で構成されている。第一、第二、第三目盛トラックおよび第一、第二、第三受信導電路の構成は、目盛要素が導電基板に対して相対的に一回転する間に、第一および第三受信導電路により第一周期数を有する信号、そして第二受信導電路により第二周期数を有する信号が発生するようになっている。第一周期数を有する信号が全体信号に組み合わされ、そしてその全体信号から導電基板と目盛要素間の相対的角度位置を特定する、ないしは相対的角度位置についての情報を発生する。
第一周期数を有する信号を、加算または減算操作を使って全体信号に組み合わせると利点がある。
導電基板が第一受信部トラックと第三受信部トラックを有していると利点があり、そこで二つの全体信号を発生できるように、第一受信側トラックは二つの第一受信導電路を、そして第三受信部トラックが二つの第三受信導電路を含んでいる。本発明の別の構成においては、その二つの全体信号が90°の位相差を有している。それに対する代替として二つ以上の全体信号、例えば三つを発生でき、そしてそれぞれ互いに120°または60°の位相差を有するように、回転角センサを構成していることもある。
本発明の利点ある構成は、従属請求項から分かる。
本発明による誘導式回転角センサおよび当該形式の回転角センサを作動させる方法の更なる詳細および利点は、複数の実施例について図面を使った以下の説明により得られる。
第一実施例による目盛ディスクの上部外観図。 第一実施例による導電基板の上部外観図。 第二実施例による目盛ディスクの上部外観図。 第二実施例による導電基板の上部外観図。 第三実施例による目盛ディスクの上部外観図。 第四実施例による目盛ディスクの上部外観図。 第一受信部トラックの受信導電路が発生する信号の波形。 第三受信部トラックの受信導電路が発生する信号の波形。 全体信号の波形。 ロータリエンコーダの断面図示。
図1〜6は、本発明による回転角センサの全部で4つの実施例を示している。
図1では、第一実施例による円環状目盛ディスク2の形状をした目盛要素を図示している。その目盛ディスク2は、実施例においてはエポキシ樹脂で製造された基板2.4で出来ており、その基板上に三つの目盛(区画)トラック2.1,2.2,2.3が配設されている。その目盛トラック2.1,2.2,2.3は円形状に構成されていると共に、回転軸Aに関して同心で異なった直径を有して、又は半径方向で互いにずれて基板2.4上に配設されている。目盛トラック2.1,2.2,2.3はそれぞれ、交互に配設された導電性目盛部分2.11,2.21,2.31と非導電性目盛部分2.12,2.22,2.32による規則的な配列で出来ている。導電性目盛部分2.11,2.21,2.31の材料としては、示している例の全てにおいて銅を基板2.4上に装着した。それに対して非導電性目盛部分2.12,2.22,2.32では、基板に被膜を設けなかった。
第一実施例(図1)によれば、二つの内側目盛トラック2.1と2.3ないし図示の実施例で第一および第三目盛トラック2.1と2.3が、それぞれ導電性材料、ここでは銅を有する第一半円形状目盛部分2.11,2.31、およびそれぞれ導電性材料が配設されていない第二半円形状目盛部分2.12,2.32で出来ている。最も内側の目盛トラック2.1は、回転軸Aに向かって半径rにより境界が決められている範囲に設けられている。
基板2.4上において半径方向外側で第三目盛トラック2.3に隣接して、第二目盛トラック2.2があり、そこで第二目盛トラック2.2も、多数の導電性目盛部分2.21およびその間に配設された非導電性目盛部分2.22で出来ている。別である目盛部分2.21,2.22も材料的には、第一および第三目盛トラック2.1,2.3の目盛部分2.11,2.12と同様に構成されている。図示の実施例で第二目盛トラック2.2は全体として、周期的に配設された32の導電性目盛部分2.21およびその間に配設され対応する32の非導電性目盛部分2.22を含んでいる。位置的に第二目盛トラック2.2は半径Rの内側にあり、その半径Rは、その中心が回転軸Aにある。
円環状目盛ディスク2ないし基板2.4は、測定するべきシャフト4(図8)を収容するために比較的大きな内径を有している。対応してその割合R/rが比較的小さく、ここでは約1.34である。
図1による目盛ディスク2を検知するために設けられている、図2で示す導電基板1には受信部コイルとして、最も内側の受信部トラック1.1に二つの受信導電路1.11,1.12、真ん中の受信部トラック1.3に別の二つの受信導電路1.31,1.32、そして最も外側の受信部トラック1.2に受信導電路の追加ペア1.21,1.22を含んでいる。ここで受信部トラック1.1,1.2,1.3それぞれの受信導電路1.11,1.12;1.21,1.22;1.31,1.32で対になるペアは、互いで相対的にずれて配設されている。
更に励磁部コイルとして導電基板1には、内側、中央、外側の励磁部トラックに装着された励磁部導電路1.4が設けられている。導電基板1自体は、センター穴1.5を有していると共に多層導電基板として実施されている。
回転角センサを組み立てた状態では、目盛ディスク2と導電(プリント)基板1が対向した位置にあるので、回転軸Aが両要素の中心点を延伸し、目盛ディスク2と導電基板1が相対回転する時には導電基板1に、その時の回転位置に従った角度情報を電磁誘導効果により発生させることができる。その場合に目盛ディスク2が回転動作中に、製造ないし組み付け許容誤差に起因した導電基板1に対する相対的なふらつき動作が起きることも回避できない。
当該角度情報を形成するための前提条件は、励磁部導電路1.4が時間的に変化する励起電磁界を受信部トラック1.1,1.2,1.3の範囲に、ないしそれにより検知される目盛トラック2.1,2.2,2.3の範囲に発生させることである。図示している実施例では励磁部導電路1.4が、電流の流れる複数の扁平・平行な個別導電路として構成されている。導電路ユニットの励磁部導電路1.4を電流が全体として同じ方向で流れると、当該導電路ユニットの周りにホースまたは円筒状に方向付けられた電磁界が構成される。結果としての電磁界の磁力線は、その導電路ユニットを中心とする同心円の形態で延伸し、そのとき磁界線の方向は公知の形式と方法に従い導電路ユニット内の電流方向により決まる。
共通する受信部トラック1.1,1.2,1.3に直接隣接する導電路ユニットの電流方向、或いはこの導電路ユニットの該当結線は逆に選び、それにより受信部トラック1.1,1.2,1.3の領域における磁力線はそれぞれ同一の方向を向いている。励磁部導電路1.4への時間的に変化する供給電圧の供給は、電圧供給タップを介して行う。
電磁誘導効果により、受信導電路1.11,1.12;1.21,1.22;1.31,1.32に電圧が発生する。図7aと7bには、受信導電路1.11,1.12;1.31,1.32により発生する信号S1.11,S1.12;S1.31,S1.32の波形を示しているが、ここでは理解し易くするために、受信電圧の一つだけの包括線を図示している。図7a,7b,7cにはそれぞれ、横軸で角度位置φを0°〜360°の範囲で、そして縦軸で信号レベルUを記載している。図7aによれば、回転角センサの作動時に第一受信部トラック1.1の受信導電路1.11,1.12が、一回転する間に第一目盛トラック2.1の検知時にそれぞれ周期数n1=1を発生する。受信導電路1.11,1.12がずれて配設されていることにより回転角センサ作動時に、理想的には互いで90°の位相差を有する二つの誘導出力信号が発生する。許容誤差に起因するふらつき動作と傾斜状態の結果として実際には、信号S1.11,S1.12の波形それぞれは理想的な位相差および理想的な正弦波形状とは異なる。更に信号S1.11,S1.12は、お互いでオフセットを有している。
同様にして、第三受信部トラック1.3の信号S1.31,S1.32を発生し、ここでも回転角センサ作動時にそれぞれ、一回転する間に第三目盛トラック2.3の検知時に周期数n1=1を示す。図7bによれば信号S1.31,S1.32でも同じく、理想的な正弦波形状との偏差および理想的でない位相差とオフセット誤差のあることが分かる。
対となる受信導電路1.11,1.31;1.12,1.32間の位相差は、式360°/(2・n1)に相当する、即ち受信導電路1.11は受信導電路1.31に対して180°だけ位相がずれて配設されており、それは又、受信導電路1.32に対する受信導電路1.12も同じである。勿論同様に、目盛トラック2.1,2.3にも同じ考え方が当て嵌まる。
そして、信号S1.11,S1.12,S1.31,S1.32を互いに組み合わせ又は繋ぎ合わせて、図7cによる全体信号S1,S2を得る。提示の例では、信号S1.11,S1.12,S1.31,S1.32をアナログ減算する。即ち、導電基板1に配置されているアナログ回路で、全体信号S1=S1.11−S1.31とS2=S1.12−S1.32を形成する。それにより、90°の位相差がある全体信号S1とS2に対して殆ど理想的な正弦波形状が得られる。
その後に、後続過程にある演算コンピュータを使い全体信号S1,S2を解読する。即ち、目盛トラック2.1,2.3の検知結果から、目盛ディスク2が回転軸Aを中心として一回転する間に比較的粗い絶対位置情報が得られる。全体信号S1,S2が、ふらつき動作および/または目盛ディスク2や導電基板1の傾斜状態とは関係なく、シャフト4(図5を参照)が一回転する間の明白な絶対位置信号を提供する。加えて90°の位相差がある全体信号S1,S2を公知の方法で評価することにより、回転動作時の方向識別が保証されている。
第二受信部トラック1.2の受信導電路1.21,1.22は、それぞれ32、即ち2の巻き数を有しているので、受信導電路1.21,1.22により偶数の周期数n2=32を有する信号S1.21,S1.22が発生し、それにより目盛ディスク2が導電基板1に対して相対動作する時に、比較的高分解能のインクリメント信号を得ることができる。高分解能で絶対的回転角特定を可能にするためには、適切なアルゴリズムにより第二受信部トラック1.2の精度で絶対的な角度位置を形成する。これは、第一および第三目盛トラック2.1,2.3を介した粗い絶対角度位置特定と関連付けて得られる。
第二受信部トラック1.2の受信導電路1.21,1.22が対称的に配設されていることにより、この受信導電路1.21,1.22の信号S1.21,S1.22の発生時にふらつき動作または傾斜状態が殆ど問題にならないので、第二受信部トラック1.2の受信導電路1.21,1.22の信号S1.21,S1.22の補正に関して対策が設けられていない。対応して解読全体信号S1,S2を、第二受信部トラック1.2の解読信号S1.21,S1.22と誤差がなく関係付けることができる。
しかしながら本発明は、一回転する間に受信導電路1.11,1.12;1.31,1.32が周期数n1=1のみを送り出す回転角センサに限定されるものではない。寧ろ本発明により、一回転する間に信号S1.11,S1.12,S1.31,S1.32が例えばn1=3またはn1=5またはn1=7のような、より大きな特に奇数の周期数を発生するように、受信導電路を構成していることもある。更に代替として受信導電路1.21,1.22により、周期数n2=16またはn2=64またはn2=128を有する信号S1.21,S1.22を発生することもある。本発明は特に、小さい周期数n1を有する信号S1.11,S1.12,S1.31,S1.32を、大きな周期数n2を有する信号S1.21,S1.22と組み合わせる時に大きな利点がある。
以下においては別の実施例を説明するが、これら別の実施例が第一実施例と異なっているのは基本的に、目盛ディスク2と導電基板1の構成のみである。
図3の第二実施例によれば、第一目盛トラック2.1が第二目盛トラック2.2の半径方向外側に配設されていることもある。そして対応して図4により、第一受信部トラック1.1も第二受信部トラック1.2の半径方向外側にあるのに対して、第三目盛トラック2.3と第三受信部トラック1.3は、半径方向で完全に内側に位置している。
図5と6による第三および第四実施例では、目盛トラック2.1’,2.2,2.3’の半径方向配設が実施例1と2の場合に似ている。尤もここでは目盛トラック2.1’と2.3’の構成は、導電性目盛部分2.11’,2.31’が全面で基板2.4上に設けられているのではなく、導電性の帯が周囲を取り巻くのみの形態となっている。この構成が有する利点は特に、目盛部分2.11’,2.31’で発生する渦電流が確実に方向を定めて流れることである。該当信号を発生させるためには、半径方向成分を有する電流が決定的な影響を有する。導電性目盛部分2.11’,2.31’の厳密に半径方向を向いた帯の部分により、この方向で強制的に電流が流れる。第三および第四実施例に付属する導電基板は、原理的にこれらが第一および第二実施例の導電基板1とは異ならないので、図では示していない。第三および第四実施例は、目盛トラック2.1’,2.3’ないし回転角センサの構成が非常に効率的であることが特徴である。
第二および第四実施例の形状的な構成が有する利点は、第一および第三受信部トラック1.1,1.3が比較的大きな半径方向の隔たりを有していることである。このことは、測定結果に対する製造ないし組み付け許容誤差によるマイナス影響の削減を、特に有効に達成できるという効果がある。
図8は、本発明による誘導式回転角センサを装備しているロータリエンコーダを示している。そのロータリエンコーダは、固定状態にあるケーシング3および、ケーシングに対して相対的に回転自在であるシャフト4を有している。シャフト4は、回転自在の機械部品、例えば角度位置φを特定する必要のあるモーターシャフトを収容する役割をする。シャフト4には目盛ディスク2が回転固定して固定されている。それに対向してケーシング3には導電基板1が固定されている。円環状の目盛ディスク2がシャフト4を収容できることにより目盛ディスク2は、測定するべきシャフト4を収容するための比較的大きな内径を有している。対応して、ふらつき動作および/または傾斜状態が、(受信導電路1.11,1.12;1.21,1.22;1.31,1.32に関して)局所的な検知間隔ないし目盛ディスク2と導電基板1間のアキシャル方向空隙に対して、比較的大きな影響を有している。本発明を使うことにより、製造および組み付け許容誤差による測定結果に対する不都合な影響が顕著に削減される。
1 導電基板
1.1,1.2,1.3 受信部トラック
1.11,1.12 受信導電路
1.21,1.22 受信導電路
1.31,1.32 受信導電路
1.4 励磁部導電路
1.5 センター穴
2 目盛ディスク
2.1,2.2,2.3 目盛トラック
2.11,2.21,2.31 導電性目盛部分
2.12,2.22,2.32 非導電性目盛部分
2.4 基板
4 シャフト

Claims (5)

  1. 誘導式回転角センサであって、
    上に、励磁部導電路(1.4)と、第一受信導電路(1.11,1.12)、第二受信導電路(1.21,1.22)および第三受信導電路(1.31,1.32)が設けられている導電基板(1)と、
    導電基板(1)に対して相対的に回転自在であると共に、第一目盛トラック(2.1)および第二目盛トラック(2.2)を含んでいる目盛要素(2)と、を含んでおり、
    第一および第二目盛トラック(2.1,2.2)と第一および第二受信導電路(1.11,1.12;1.21,1.22)の構成が、目盛要素(2)が導電基板(1)に対して相対的に一回転する間に、第一受信導電路(1.11,1.12)により第一周期数(n1)を有する信号(S1.11,S1.12)を、そして第二受信導電路(1.21,1.22)により第二周期数(n2)を有する信号(S1.21,S1.22)を発生できるようになっている、誘導式回転角センサにおいて、
    目盛要素(2)が第三目盛トラック(2.3)を有しており、そして第三目盛トラック(2.3,2.3’)と第三受信導電路(1.31,1.32)の構成が、目盛要素(2)が導電基板(1)に対して相対的に一回転する間に、第三受信導電路(1.31,1.32)により第一周期数(n1)を有する信号(S1.31,S1.32)を発生できるようになっており、
    回転角センサが、第三受信導電路(1.31,1.32)の信号(S1.31,S1.32)を第一受信導電路(1.11,1.12)の信号(S1.11,S1.12)と一緒に全体信号(S1,S2)に組み合わせできる手段を含んでおり、その全体信号から、導電基板(1)と目盛要素(2)間の相対的角度位置(φ)を特定する、ことを特徴とする誘導式回転角センサ。
  2. 請求項に記載の誘導式回転角センサにおいて、
    第一周期数(n1)が第二周期数(n2)より小さい、ことを特徴とする誘導式回転角センサ。
  3. 回転角センサを作動させる方法であって、その回転角センサが、
    上に、励磁部導体路(1.4)と第一受信部導体路(1.11,1.12)、第二受信部導体路(1.21,1.22)および第三受信部導体路(1.31,1.32)が設けられている導電基板(1)を含んでおり、そして更に、
    導電基板(1)に対して相対的に回転すると共に、第一目盛トラック(2.1)、第二目盛トラック(2.2)、第三目盛トラック(2.3,2.3’)を含む目盛要素(2)を含んでおり、
    第一、第二、第三目盛トラック(2.1,2.2,2.3,2.3’)と第一、第二、第三受信導電路(1.11,1.12;1.21,1.22;1.31,1.32)の構成が、目盛要素(2)が導電基板(1)に対して相対的に一回転する間に、第一および第三受信導電路(1.11,1.12,1.31,1.32)により第一周期数(n1)を有する信号(S1.11,S1.12;S1.31,S1.32)を、そして第二受信導電路(1.21,1.22)により第二周期数(n2)を有する信号(S1.21,S1.22)を発生するようになっており、
    第一周期数(n1)を有する信号(S1.11,S1.12,S1.31,S1.32)を全体信号(S1,S2)に組み合わせ、そしてその全体信号(S1,S2)から導電基板(1)と目盛要素(2)間の相対的角度位置(φ)を特定する、ことを特徴とする方法。
  4. 請求項に記載の方法において、
    第一周期数(n1)を有する信号(S1.11,S1.12,S1.31,S1.32)を、加算または減算操作を使って全体信号(S1,S2)に組み合わせる、ことを特徴とする方法。
  5. 請求項3または4に記載の方法において、
    第一周期数(n1)が第二周期数(n2)より小さい、ことを特徴とする方法。
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