JP5322315B2 - プラスチック要素を含む位置エンコーダ - Google Patents

Description

この発明は、概して、渦電流センサアセンブリに関するものであり、コイルアセンブリに対するエンコーダ要素の位置が、位置依存性の渦電流損に基づいて決定される。また、この発明は、特にこのようなセンサアセンブリのためのエンコーダ要素に関する。

多くの技術分野においては、移動している物体の位置は、それぞれの使用目的によって規定される精度で決定されなければならない。この目的のために、開発されてきた多くのセンサシステムにおいては、少なくとも２つの要素間の相対位置を、たとえば光学的相互作用、電気的相互作用、磁気的相互作用および他の相互作用によって十分に高い精度で測定することができる。特に、たとえば高い動作電流によってもたらされる可能性のある高い磁界とともに動作温度が高くなっているような極めて過酷な周囲条件が主流である技術分野においては、しばしばセンサアセンブリが用いられるが、この場合、構成要素の位置を決定するのに位置依存性の渦電流生成が用いられる。この目的のために、このような渦電流センサアセンブリのいくつかの例においては、渦電流によって引起される１つまたは複数のコイルの減衰が検知される。この場合、１つまたは複数のコイルは静止した構成要素として設けられており、移動型構成要素は、好適な材料からなるトラックを含んでおり、結果として、位置依存性の渦電流生成と、これにより減衰とがもたらされる。上述の位置依存性の渦電流生成に基づいて、たとえば周波数の変化、相の変化、振幅の変化または上記パラメータの組合せ、およびトラックの特定の設計に基づいて決定可能な発生した減衰の相関関係により、１つ以上の静止したコイルに対する可動トラックの位置を決定することができる。

この点についての重要な応用例としては、適切な電流および電圧の値を供給するのに適した制御信号を決定するために電気機械のロータの位置を決定することが挙げられる。たとえば、非常に変わりやすい回転速度および適度に大きな制御帯域幅が電気機械にとって必要となるような多くの用途目的の場合には、電圧値または電流値を高分解能で適時に導入することが重要となる。これにより、多くの場合、ロータの位置を比較的正確に決定することが必要となる。たとえば、ほぼ恒久的に励磁されている同期機またはブラシレス直流機を効率的に動作させるには、好適なパターンで固定子巻線に通電するように、角度のあるセグメント内における磁石の使用極数に従ってロータの位置を極めて正確に認識し、これにより、所望される動作モードを得ることが重要である。非接触センサ機構はこの目的で用いられることが多く、たとえば磁気スイッチまたはホールセンサに基づいたセンサアセンブリが用いられるが、これらは比較的複雑でノイズの影響を受けやすいものであり、一般に、多くの用途に必要な空間分解能には達しないことが多い。特に、角度位置を検出するための用途では、電気機械のロータに対するエンコーダ要素の空間的に狭い連結器がしばしば必要とされるので、高い電流または磁界さらには比較的高い温度がエンコーダ要素の付近で発生する可能性があり、このため、渦電流原理に従ったセンサは、一方では、高い外部磁界によってはさほど干渉されないように設計可能であり、他方では、センサアセンブリの起動時にもロータ位置の高い空間分解能を可能にするように設計可能であれば、特に有用となることが判明した。

このような従来のセンサアセンブリにおいては、典型的には、たとえば電気機械のロータと連結されたエンコーダホイールが用いられ、その周囲には、適切に形成されたトラックが設けられている。当該トラックは、たとえば銅またはアルミニウムからなり正弦的に変化する金属導体の形状であり、コイルアセンブリによって読取られる。このエンコーダホイールは、電気機械のロータと機械的に接触しており、高い磁界に対する所望の耐ノイズ性は別にして、たとえば優勢な温度、必要な速度範囲などに対する電気機械の他の動作条件にも適合されていなければならない。他方では、渦電流センサシステムの完全性に関しては、最終的に使用できるよう設置している間に複雑な調整作業を行うことなくセンサの一様な機能を可能にするために、大量生産時に精度を一定に高くすることも必要になる。したがって、従来のエンコーダホイールでは、概して、強度、静音稼動に対する厳密な機械的特性、および必須の電気的特性、すなわち適切に正弦的に変化するコイルによる導電性のための位置依存的な調整には、エンコーダホイールの製造、それらの最終的な組立ておよび調整の際に相応の労力が必要となる。

したがって、上述の状況を考慮して、この発明の目的は、渦電流に基づいてセンサアセンブリにエンコーダ要素を設けることである。これにより、必須の電気的挙動とともに機械的安定性および精度についての特性の向上、ならびに／または、より少ない労力での上記特性の実現が可能となる。

この発明の一局面に従うと、この目的は、センサコイルアセンブリにおいて位置依存性の渦電流損を発生させるための位置エンコーダによって達成される。位置エンコーダは、プラスチックからなる基部を含み、当該基部の表面は、動作中にセンサコイルアセンブリの方向に向けられる。さらに、位置エンコーダの基部には、プラスチックからなるその表面において、窪みおよび／または隆起によってトラックが形成されている。当該トラックは、予め定められた移動方向に沿って延在し、少なくとも予め定められた移動方向に対して垂直な方向に変化する。さらに、少なくともトラック上にはコーティングが施されており、導電性材料を含んでいる。

このように、本発明に従った位置エンコーダは、プラスチックからなる基部を含んでおり、このため、当該基部は、低い製造コストおよび高精度で、材料組成とさらには形状および寸法とに関して非常に柔軟かつ効率的に製造することができる。ここでは、位置エンコーダのある１つの表面、すなわち位置依存性の渦電流生成に関連して形成されたトラックを担持する表面は、まず、その表面にプラスチック材料の外形形状を設けることによって予め規定される。これにより、たとえば基部と同じ動作で、低い労力でも高精度でトラックを作製することができる。こうして、たとえば移動方向に沿って構成されるトラックの空間的構造、すなわち、位置エンコーダの動作中にセンサコイルアセンブリに関連付けて位置エンコーダの位置の検出が行われる方向は、たとえば、トラックの電気的特性をコーティングで調整しつつ射出成形により、構造上の基準によって高精度で規定することができる。このように、それぞれの目的に適合された所望の機械的安定性は、一方では基部のプラスチック材料により実現可能であり、他方では、製造時の労力が低くても、最終分析時に所望の空間分解能を提供するトラック経路を非常に精密に構成することが保証される。電気的特性、すなわちトラックの導電性は、適切な材料、たとえば適切な金属、合金、半導体材料、導電性プラスチックなどの選択に関して高い柔軟性を提供するコーティングによって保証される。ここでは、コーティングの適用は、それによって形成される導電性トラックについて達成される全体的な精度に対してさほど重要ではない。というのも、トラックの位置依存性の導電性は、プラスチック材料に形成された外形形状の幾何学的形態によって実質的に与えられるからである。

有利な実施例においては、トラックは表面において隆起として構成される。これは、この実施例において、動作中にセンサコイルアセンブリに面する表面が、所望の空間的変化を示す移動方向に沿って適切に設計された隆起を呈することを意味している。表面に形成されたトラックが隆起した構成を有しているために、動作中にセンサコイルアセンブリに対する非隆起部分からの隆起部分の距離が自動的に異なるものとなり、このため、この構造により、トラックの表面と比べて低くなっている基部の表面との明確な差異が渦電流挙動において達成される。これにより、その表面は、コーティング工程を簡略化するために導電性材料で部分的または完全にコーティングされていても、渦電流生成にさほど影響を及ぼさない。

さらなる有利な実施例においては、予め定められた移動方向に沿ったトラックの高さは一定であり、トラックの幅はあらかじめ規定された移動方向に沿って変化し得る。これは、実質的に一定の値に従ってトラックを表面から持上げつつ、水平方向の変化によって、すなわちトラックの幅の変化によって位置依存性の渦電流生成能力がもたらされることを意味している。

さらなる有利な構成においては、トラックの高さは予め定められた移動方向に沿って変化する。このため、この実施例においては、位置依存性の渦電流生成は、静止しているセンサコイルアセンブリに対するトラックのさまざまな高さにより、さらにはトラック表面のさまざまな距離、および信号領域として機能するコーティングのさまざまな距離により、実現可能である。トラックの形態的構造の対応する設計は、適切な製造方法、たとえば射出成形方法などを用いる点で効率的にプラスチックの基部において実現可能である。こうして、再現可能かつ効率的な方法で適切な高さの外形形状を作り出すことができる。

さらなる有利な設計では、トラックの高さと組合せて、トラックの幅も、予め定められた移動方向に沿って変化する。センサコイルアセンブリによってもたらされる変化する磁界に対するトラックの応答挙動は非常に効率的に変調することができる。というのも、これにより、２自由度が利用可能となり、ともに、移動方向に沿った単位長さ当たりの大きな変化が可能になるからである。さらに、渦電流挙動の二重変調により故障許容（fault tolerance）をより低くすることができるかもしれない。というのも、一次元での対応する製造精度が低くてもさほど顕著な影響を及ぼさない可能性があるからである。

有利な実施例においては、予め定められた移動方向は回転移動である。これは、位置エンコーダが、回転移動に対応する湾曲した経路に沿って位置を検出するよう構成されていることを意味する。この場合、有利な実施例においては、少なくとも所望の角度範囲にわたって、対応する機械のロータの角度位置を検出することができる。この場合、本発明に従った位置エンコーダは、たとえば恒久的に励磁されている同期機またはブラシレスＤＣモータにおいて重要となる少なくとも当該角度のあるセグメント内のロータの位置を決定して、固定子コイルを最適に制御するのに用いることができる。

さらなる有利な変形例においては、基部は、ロータに、またはそれに連結された回転機械の要素に締結されるよう適合される。これにより、本発明に従った位置エンコーダは、上で実証したとおり、効率的かつ精密に作製することができる。この場合、その後、上記エンコーダを適切な方法で回転機械に連結する可能性が生じる。これにより、位置エンコーダを別個に、そしてこれにより安価かつ高精度に製造することが実現可能となる。この場合、たとえば射出成形などを適切に選択することにより、対応する回転機械への適合時に高い自由度が可能となる。こうして、一方では、回転機械および位置エンコーダの製造に対して高度の独立性が与えられ、他方では、基部の構成において回転機械の特別な特徴を考慮に入れることができる。

有利な実施例においては、表面は、ロータの回転軸に対して垂直な方向に向けられる。これは、このアセンブリにおいて、表面と、これによって規定される信号領域とに組込まれたトラックもロータの回転軸に対して垂直な方向に向けられており、結果として、センサコイルアセンブリが表面およびこれによりトラックから軸方向に間隔を配置されている「軸」構成が得られることを意味する。これにより、径方向に非常にコンパクトな構造が得られる。なぜなら、軸方向に十分な構造体積が設けられていれば、ロータによって予め定められた直径内にセンサコイルアセンブリを位置決めすることができるからである。

さらなる有利な設計では、表面はロータの回転軸に対して平行に向けられる。これは、表面およびこれによりトラックが、エンコーダホイールの周方向に構成可能であり、このため、センサコイルアセンブリによって径方向に読取り可能であることを意味している。必要であれば、これにより、軸方向にコンパクトな構造が実現され、回転機械が、モータと対応するトランスミッションとの間の駆動シャフト上に配置される場合、自動車産業におけるいくつかの応用例に特に有利となり得る。

一実施例においては、コーティングは、少なくとも表面の一部に施される。上述したように、渦電流挙動は、コーティングが必ずしも正確な位置になくても、トラックの形態的構造によって効率的に変調することができる。これは、必要に応じてコーティングをトラックまたは表面に部分的または全体的に付与することができ、これにより、コーティングの選択的な付与が不要になるので、使用される製造方法に応じて製造工程を簡略化することができることを意味している。他の場合には、コーティングの材料組成は、一方では所望の導電性をもたらし、他方では、基部または少なくとも表面についての所望の保護作用または表面安定化（passivation）を可能にするように設計されてもよく、このため、電気的挙動および表面特性をともに効率的に調整することが可能となる。

さらなる有利な実施例においては、コーティングは、基部のうち少なくとも１つのさらなる表面上に施される。上で説明したように、コーティングは、場合によっては表面安定化材料として使用され得るので、有利には、基部の他の部分もコーティングで覆うことができる。さらに、基部の少なくとも１つのさらなる表面にはコーティングが施されているので、非常に多くのさまざまなコーティング方法の中から選択することが可能であり、これにより、多大な労力を全くまたは僅かしか要することなく選択的な堆積が可能となり、結果として、コーティングの材料組成および製造コストに関して高い自由度が与えられる。

さらなる実施例においては、コーティングは金属を含有している。このため、極めて効率的に導電性を確立することができる。というのも、一方では所望の高い導電性を示し、他方では化学的安定性などに対する適切な挙動を示す多くの金属または合金が利用可能となるからである。他の場合には、必要な導電性と、さらには機械的および化学的基準とを満たすように所望の方法で適切な金属がコーティングに含有され得る。

具体的な実施例においては、コーティングは金属層として設けられる。これにより、非常に効率的な導電率変調が実現され得る。この場合、たとえば金属層の厚さを適切なやり方で調整することができるので、適用される金属の量を比較的少ないままに維持することができる。トラックの表面、すなわち、主として渦電流の生成に役立つトラックの信号領域、または基部もしくは基部全体の他の部分に金属層を設けることも可能であり、この場合、結果として、特に効率的な製造可能性がもたらされ得る。これは、この場合には、プラスチック製のトラックが内部に形成されている基部を高精度で作製できる一方で、コーティングの部分を対象を絞って付与するかまたは選択的に除去するためのさらなる対策を必要とすることなく金属層を施すことができることを意味している。

有利な実施例においては、コーティングは、少なくとも１つの第１の部分層と、上記第１の部分層上に形成された１つの第２の部分層とを含む。第１および／または第２の部分層は導電層として設けられる。これは、コーティング用に層状化された構造を設けることにより、たとえば腐食、機械的強度などに対して、たとえば導電性、過酷な周囲条件に対する耐性に関して、所望の特性を設定する際に高い自由度が得られることを意味する。たとえば、まず、第１の部分層が直接的にトラックまたは基部に施され、この第１の層が、次にその上に堆積すべき材料のために必要な高い粘着性を確実にする点で、層状化された構造が適用可能となる。この材料は、たとえば所望の導電性に関して選択され得る。必要であれば、１つ以上のさらなる層がそれぞれの用途に応じて続き得る。具体的な実施例においては、コーティングの最外部分層が導電層であるため、センサコイルアセンブリと位置エンコーダとの間の所与の平均距離では、導電層が最外層として位置決めされているため、渦電流生成に対して比較的高い感度が得られる。別の実施例においては、コーティングの最外部分層は、その下に位置決めされる１つ以上の部分層のための保護層として設けられており、そのうちの少なくとも１つは導電層として構成されている。これにより、所望の導電性材料、たとえば金属、金属合金などは、それらの電気的挙動に関連して選択することができるのに対して、最外層は表面安定化の役割を果たすことができ、このため、たとえばコーティングの耐腐食性、表面硬度などを全体的に適切に調整することができる。

ここでは、最外部分層を適度に薄い層として設けることができるので、センサコイルアセンブリとトラックとの間の効率的な「エアギャップ」が不必要に大きくされない。トラックもしくは導電性材料またはより大きな領域に付与され得るか、または基部への領域全体にわたって付与され得る保護層を設けることにより、製造時の信頼性や、所望の用途での実装前または実装中の位置エンコーダの取扱いについての信頼性が高められ、さらに、過酷な周囲条件下でも位置エンコーダの動作中の機能がより確実なものにされる。いくつかの実施例においては、導電性材料として機能する部分層、および保護材料として機能する部分層は、領域全体を覆うのに同じ様には構成されておらず、すなわち、導電性の部分層を実質的にトラックの領域に制限することができる。これに対し、保護層は、保護層によってもたらされる表面特性を基部全体または少なくともその部分に与えるように基部の広い表面領域にわたって設けることができる。

さらなる有利な実施例においては、コーティングは、トラックと協働して所望の位置依存性の渦電流挙動を確実にする導電性半導体材料である。たとえば、アモルファスシリコンなどの一般的な半導体材料は、比較的低い温度でＣＶＤ（化学気相成長法（chemical vapor deposition））などの既定の方法によって非常に効率的にキャリア材料、すなわち基部本体またはその部分に加えることができ、結果として、全体として、製造コストが低くなるとともに製造方法の精度が高くなり得る。所望の導電性の度合いも、半導体材料を相応にドープすることにより広い範囲内で調整することができる。場合によっては、導電性の半導体材料も、プラスチック材料からなる効率的な表面安定化としての役割を果たし得るので、場合によってはさらなる保護層が不要になるが、それでも、基部の表面について高い化学的かつ機械的な抵抗性が得られる。

有利な実施例においては、トラックは、連続的なトラックとして予め定められた移動方向に形成される。これは、移動方向に沿って、すなわちトラックの長手方向に沿って、上記トラックが連続的であるため、センサコイルアセンブリの構成とは無関係に、渦電流が移動方向に沿って連続的に生成され得ることを意味する。これにより、渦電流挙動の連続的な変化によって位置エンコーダの所与のサイズで、すなわち予め定められた移動方向の所与の長さで高度の空間分解能を得ることができる。特に、最終的に得られる位置依存性の渦電流挙動が、たとえば基部の表面にトラックを形成することによって構造上の対策として実現されるので、トラックの比較的複雑な形状、たとえば正弦波の形状または他の湾曲した形状でさえも、連続的な部分として作り出すことができ、その形状は、さらなる組立ての間、または動作中にも、本質的に維持することができる。

さらなる有利な実施例においては、予め定められた移動方向のトラックは空間的に周期的なセグメントを含んでおり、このため、個々の周期的なセグメント内において、所望の高い空間分解能を達成することができる。回転式位置エンコーダにおいては、使用される極対に従って特定の角度のあるセグメント内においてロータの角度依存的な位置表示が必要となり、この場合、対応する数の周期的なセグメントを設けることによってトラックの「電気的な」回転角度を効率的に模倣することができる。このため、電気的に関連する角度の付いた各部分内において、回転機械の固定子コイルを所望の精度で制御することができる。

さらなる有利な実施例においては、基部はさらなるトラックを含んでおり、当該さらなるトラックは、プラスチックからなる窪みおよび／または隆起によって表面に形成されており、予め定められた移動方向に沿って延在し、少なくとも予め定められた移動方向に対して垂直な方向に変化する。このさらなるトラックが設けられているために、必要に応じて、たとえばより長い測定経路を優先して空間分解能を低減させる点で適切に測定範囲を調整することができる。これは、たとえば、当該トラックにより、周期的に繰り返す小さなセグメント内で必須の正確な分解能が確実にされるのに対して、さらなるトラックにより、検知されたセグメントの識別が可能になるという点で、変調の異なるトラックおよびさらなるトラックで、協働して測定範囲を拡張することができることを意味する。

この発明のさらなる局面においては、上述の目的は、センサコイルアセンブリにおいて位置依存性の渦電流損を発生させるための位置エンコーダによって達成される。ここで、位置エンコーダは、非導電性キャリア材料および導電性材料で構成された基部を含む。導電性材料によって規定されるトラックがさらに設けられており、当該トラックは、非導電性材料に埋込まれており、予め定められた移動方向に沿って延在し、位置依存性の渦電流生成のために少なくとも予め定められた移動方向に対して垂直な方向に変化する。

さらなる実施例においては、位置エンコーダの動作中にセンサコイルアセンブリの方に向けられなければならない表面が、実質的に外形形状なしで設けられている。

位置エンコーダのこの設計構成のために、導電性材料は、トラックがその内部に形成されるように基部本体に配置され、これにより、基部にトラックが埋込まれるために、かつ、さらなる実施例においてはトラックが表面を覆っているために、非常に過酷な動作条件下でも高度な機械的および化学的な完全性が実現される。さらに、この構成では、位置依存性の渦電流生成に用いられるトラックを正確かつ再現可能に設けることができる。この場合、位置エンコーダの所望の高い機械的安定性が実現されるか、または、導電性材料が基部の非導電性キャリア材料の安定性の向上に寄与し得る。

具体的な実施例においては、導電性材料は、外形形状付き要素の形状で設けられている。これは、外形形状付き要素の形状、たとえば適切に設計された金属片の形状をもつ導電性材料を、たとえば射出成形などで位置決めすることによって、基部の製造中に非導電性キャリア材料に効率的に投入することができ、このため、高い再現性で非常に効率的な製造工程を実現できることを意味する。一実施例においては、外形形状付き要素は、表面からの第１の距離を有する第１の部分と、表面からの第２のより長い距離を有する第２の部分とを含む。このようにして、外形形状付き要素を安定したコヒーレントな（coherent）要素、たとえば金属片、として設けることができ、非導電性キャリア材料に適切に位置決めすることができる。このため、表面からの第１のより短い距離を有する部分は位置依存性の渦電流生成のための効率的なトラックとしての役割を果たし得るのに対して、より長い距離を有する第２の部分は、渦電流生成に明確な影響を与えることなく、非導電性キャリア材料の機械的な安定化および／または外形形状付き要素のより適切な位置決めの助けとなり得る。これは、特に外形形状付き要素が本質的に安定した要素として設けられると、非導電性キャリア材料における当該要素の効率的な位置決めに加えて、位置エンコーダの固有の安定性の向上も実現可能になることを意味している。

有利には、基部は、回転移動についての位置検出用に構成されており、このため、当該基部は、電気機械、たとえば、恒久的に励磁されている同期機、ブラシレス直流機、非同期機など、位置エンコーダと組合せて有利に使用することができる。これは、所望の特性、たとえば化学的安定性、機械的安定性、形状などに関して適合させて、前述の局面の下で既に詳細に例示したとおりである。この場合、再現可能であり安価かつ正確な製造方法を用いることができる。さらに、位置エンコーダのこの変形例、すなわち、好適なトラックの形状をした導電性材料が一体化されている非導電性キャリア材料においては、センサアセンブリの位置またはタイプに関しても高度な構造上の柔軟性が得られるように、軸方向および径方向の変形例が設けられてもよい。

さらなる有利な実施例が、添付の特許請求の範囲において規定されており、添付の図面に関連付けられたさらなる具体的な実施例の以下の詳細な説明から明らかとなる。

一実施例に従った、個々のトラックが隆起している回転機械のための位置エンコーダの斜視図を概略的に示す図である。 具体的な実施例に従った、直線移動用の位置エンコーダの上面図を概略的に示す図である。 さまざまな実施例に従った、図１ａの位置エンコーダの断面図を概略的に示す図である。 さまざまな実施例に従った、図１ａの位置エンコーダの断面図を概略的に示す図である。 具体的な実施例に従った、回転機械のための位置エンコーダを径方向の構成で示す断面図である。 具体的な実施例に従った、回転機械のための位置エンコーダを径方向の構成で示す部分上面図である。 具体的な実施例に従って、適切に設計された「凹部」または窪みの形状でトラックがプラスチック材料に設けられている実施例の断面図を概略的に示す図である。 所望の導電性を発生させるためのコーティングが複数の部分層の形状で設けられている断面図を概略的に示す図である。 局所的に依存性の渦電流生成挙動がトラックの高さを変えることによって実現されているのを示す上面図である。 局所的に依存性の渦電流生成挙動がトラックの高さを変えることによって実現されているのを示す断面図である。 具体的な実施例に従った、センサコイルアセンブリと協働する位置エンコーダの断面図を概略的に示す図である。 具体的な実施例に従った、センサコイルアセンブリと協働する位置エンコーダの断面図を概略的に示す図である。 具体的な実施例に従った、センサコイルアセンブリと協働する位置エンコーダの上面図を概略的に示す図である。 具体的な実施例に従った、複数のエンコーダトラックを備えた位置エンコーダの上面図を概略的に示す図である。 さらなる具体的な実施例に従った、位置依存性のトラックを形成する、導電性材料が非導電性キャリア材料に組込まれている位置エンコーダの断面図を概略的に示す図である。 さらなる具体的な実施例に従った、位置依存性のトラックを形成する、導電性材料が非導電性キャリア材料に組込まれている位置エンコーダの断面図を概略的に示す図である。 さらなる具体的な実施例に従った、位置依存性のトラックを形成する、導電性材料が非導電性キャリア材料に組込まれている位置エンコーダの断面図を概略的に示す図である。 実質的に二次元構造の導電性材料が示されている、位置エンコーダの上面図を概略的に示す図である。

添付の図面に関連付けて、本発明のさらなる具体的な実施例を説明する。
図１ａは、位置エンコーダ１００の斜視図を概略的に示しており、図示された実施例においては、位置エンコーダ１００は、たとえば恒久的に励磁されている同期機などの回転機械、たとえば電気機械、のロータの角度位置を決定するために設けられている。位置エンコーダ１００は基部１０１を含んでおり、図示された実施例においては、基部１０１はプラスチックから作られており、プラスチック材料については如何なる所望の適切な材料混合物をも用いることができる。対応する回転機械の速度範囲で必要な機械的安定性を示す適切な材料を特定的に用いることができる。基部１０１は、回転機械の回転シャフトまたはロータに固定するための対応するボア１０５を備えたディスクの形状で構成されており、当該基部１０１の厚さもまた、必要な安定性を実現しつつも、わずかな構造上の高さが確実にされるように、適切に選択することができる。基部１０１の厚さは、たとえば数ミリメートルから最大で数センチメートルまでであり得る。位置エンコーダ１００はさらに表面１０６を含み、当該表面１０６は、後に詳細に説明するように、位置エンコーダ１００の動作中にセンサコイルアセンブリに面しており、表面１０６の一部は、それぞれのセンサコイルアセンブリの構成に応じてコイルの「検知領域」に位置決めされている。図示された実施例においては、トラック１０２は、表面１０６の上方で隆起の形状で設けられており、この隆起の幅は移動方向１０４に沿って異なっている。このため、異なる幅１０２ａ、１０２ｂが得られ、コイル１０２の幅１０２ａおよび１０２ｂと移動方向１０４に沿った経路との間の配置、すなわちこの場合には回転角度、が少なくとも個々のセグメントにわたって確実に得られる。トラック１０２がとり得るさまざまな幅１０２ａ、１０２ｂについての値は、センサコイルアセンブリの横方向の検出領域に依存しており、この場合、典型的には、最小幅については１ｍｍ以下、最大幅については数ｍｍ以上、たとえば数センチメートルを用いることができる。さらに、少なくとも特定のセグメント内において、渦電流挙動の形状または変調と、移動方向または長手方向１０４の位置との間で確実な配置がなされるのであれば、トラック１０２の形状は特定の設計に制限されない。連続的またはコヒーレントな正弦波の形状が示されているが、他の形状、たとえば三角形の設計なども可能である。さらに、位置エンコーダ１００は、少なくとも表面１０６と平行でありトラック１０２の導電性を与えるトラック１０２の信号領域においてコーティング１０３を含んでおり、このため、センサコイルアセンブリによる検知中において渦電流生成に利用可能な導電性材料の有効な量または表面もまた、幅１０２ａ、１０２ｂに従って移動方向１０４に沿って変化する。コーティング１０３は、ここでは、いずれかの所望の導電性材料、たとえば金属、金属合金、導電性半導体、導電性プラスチックなど、の形状である。

図１ｂは、さらなる実施例に従った位置エンコーダ１００の上面図を概略的に示す。ここでは、位置エンコーダは、真直ぐな移動方向１０４に沿って位置を検知するよう構成される。この場合、基部本体１０１は、たとえば長方形の材料片として設けられており、これにより表面１０６を規定し、その上にトラック１０２が形成される。基部１０１およびトラック１０２のためのプラスチック材料の選択に関して、およびコーティング１０３に関して、図１のロータ位置エンコーダ１００に対して上述したのと同じ基準が適用可能である。

図１ｃは、図１ａのロータ位置エンコーダ１００の、切断線Ｉｃに沿った断面図を概略的に示す。図示のとおり、位置エンコーダ１００は基部１０１を含んでおり、その上に表面１０６およびトラック１０２が形成されている。さらに、コーティング１０３は、図示された実施例においては、表面１０６に対して平行なトラック１０２のちょうど表面上に形成される。他の実施例においては、以下に詳細に説明するとおり、コーティング１０３は、表面１０６および基部１０１に対して如何なる所望の程度の適用範囲をも示し得る。

位置エンコーダ１００は、基部１０１が、まず、たとえば好適な温度を基に射出成形方法に基づいて実現可能なトラック１０２とともに作製されるという点で、効率的に製造され得る。他の場合には、トラック１０２は、基部１０１をミリング加工することによっても作製可能である。他の実施例においては、トラック１０２は、連続的なトラックとして設けられている場合、たとえば好適なプラスチック材料が特別な方法で鋳造されるかまたは他の方法で作製されるという点で、別個の製造工程で作製することができる。その結果、トラック１０２を、熱処理または他の方法によって基部１０１上に設けることができる。これにより、トラック１０２を含み、信頼性の高い再現可能な形状をもつ基部１０１を実現することができる。このため、機能的挙動、すなわち位置依存性の渦電流生成は、構造的な対策によって実質的に固定される。この場合、基部１０１およびトラック１０２のための材料の選択や多くの用途における形状の選択の自由度を直接考慮に入れることができる。他の実施例においては、トラックは互いから分離された個々のセグメントから作られてもよく、基部１０１とともに作製されるか、または、後に基部１０１に締結される別個の部分として作製される。

いくつかの実施例においては、たとえばスパッタリング、電気めっき、化学気相成長法、物理的気相成長法などによってコーティング方法を用いて適切な材料を加えることで、コーティング１０３を作製することができる。これは局所的に行うことができるので、図１ｃに図示のとおり、コーティング１０３が信号領域上、すなわち表面１０６と平行なトラック１０２の表面上に施されるのに対して、他のコーティング方法では、より広い領域にわたってコーティング１０３が施されるか、または、コーティングの一部がその後選択的に再び取除かれる。いくつかの実施例においては、コーティング１０３は、銅、アルミニウムまたは対応する合金などの金属を含んでおり、このため、コーティング１０３において所望の高い表面導電性を得ることができる。他の場合には、導電性材料は、ドープされた半導体材料、導電性プラスチック材料などの形状でコーティング１０３に加えられてもよい。

図１ｄは、さらなる実施例に従った位置エンコーダ１００を概略的に示しており、コーティング１０３が、少なくとも表面１０６と、必要に応じて基部１０１のさらなる表面とを覆っている。必要であれば、コーティング１０３はさらに基部１０１のほぼ全体を覆うことができる。この場合、トラック１０３を越えて延在する基部１０１の適用範囲は信号の挙動にほとんど影響を及ぼさない。というのも、トラック１０２が隆起した構成であるために、適切には信号領域１０３ａと他の低くなった表面部分１０３ｂとの間の距離が十分に広くなり、これにより、渦電流挙動の明確な変調が、信号領域１０３ａの変化する幅によって達成されるからである。これは、位置エンコーダ１００の右側部分に示されるトラック１０２の場所と比べて、図１ｄの左側部分においては、信号領域１０３ａが、センサコイルアセンブリから同一の距離を空けてより広く横方向に延在しているために、より強い渦電流生成をもたらすことを意味している。というのも、その場所では、低くなった部分１０３ｂは領域拡張の点で非常に広くなっており、センサコイルアセンブリにさほど影響を及ぼさず、このため、全体として、右側におけるより小さな信号領域１０３ａも、相応に、より小さな渦電流をもたらす。

図１ｅは、径方向の実施例、すなわち、表面１０６が位置エンコーダ１００の回転軸１０７と実質的に平行に配置されている実施例における位置エンコーダ１００の断面図を概略的に示す。これに対して、図１ａ、図１ｃおよび図１ｄに示される「軸方向の」実施例においては、回転軸１０７に対して実質的に垂直な方向に向けられている。図示のとおり、基部１０１の表面１０６は、主として円筒形の表面として構成されており、その上に、トラック１０２は、移動方向に異なる所望の幅を備えている。基部１０６、トラック１０２およびコーティング１０３についての製造および材料選択に関する上述の利点も、この実施例に対して得られる。

図１ｆは、トラック１０２が内部に形成されておりコーティング１０３を含む表面１０６の一部の上面図を概略的に示す。

図１ｇは、さらなる実施例に従った位置エンコーダ１００を概略的に示しており、ここでは、トラック１０２が窪みの形状で表面１０６に形成されており、結果として、図１ｄと比べて実質的に逆の挙動を呈する。これは、図１ｇに示される実施例において、左側では、両方の位置においてセンサコイルアセンブリの影響を受けると比較的大きな渦電流が予想され得るのに対して、右側では、トラックまたは窪み１０２の横方向の寸法がより大きいために、非常に小さな渦電流部分が生成される。というのも、導電性表面１０３ａ、１０３ｂには、たとえば数ミリメートルの十分に広い距離が与えられるからである。基部１０１およびトラック１０２の製造については、上に示したのと同じ基準が適用可能である。これは、如何なる適切な方法、たとえば射出成形方法、ミリング加工などによっても、横方向に異なる窪みの形状をしたトラック１０２を形成することができることを意味している。

図１ｈは、さらなる実施例に従った位置エンコーダ１００を概略的に示しており、ここでは、コーティング１０３は少なくとも第１の部分層１１３および第２の部分層１２３を備え、必要であれば、さらなる層を設けることもできる。一実施例においては、部分層１１３は、たとえば図示された実施例において、少なくとも表面１０６の面積全体にわたって加えられる導電性材料として設けられる。部分層１２３は、図示される実施例においてはコーティング１０３の最外層であり、ここでは、導電層１１３の表面安定化に適した保護層としての役割を果たし得る。たとえば、層１２３をいずれかの所望の適切な誘電材料として設けることもでき、これにより、たとえば化学的抵抗性などに関して、層１１３の導電性材料に何らかの所望の特性を与えることができる。たとえば、層１２３は、プラスチック材料の形状で、たとえば高分子材料として与えることができるか、または、無機質のコーティングとして、たとえば所望の表面品質などに応じて、シリカ、酸化アルミニウム、ガラス材料、プラスチック、高分子材料の形状で設けることができる。この場合、一方では所望の保護作用を展開させるように、他方では、センサコイルアセンブリと電気的に作用する表面１０３ａとの間の有効距離を不必要に増大させないように、コーティング１２３には適切な厚さが与えられている。たとえば、適切なコーティング材料は、数マイクロメータから数１０または数１００マイクロメータであればほとんどどのような所望の層厚さであってもよく、または必要に応じて、より厚くてもよい。導電性材料を含有する部分層１１３が有する層厚さも、比較的薄くてもよい。というのも、たとえば、その機械的な完全性が、その上に配置された層１２３で保護され得るからである。これにより、導電性材料についての費用がわずかであっても所望の電気的挙動を達成することができ、なおかつ、位置エンコーダ１００の所望の表面品質が保証されている。必要であれば、層１１３および１２３は、機能的挙動を向上させるために、または必要に応じて材料費を節約するために、基部１０１に対するさまざまなの適用範囲を示し得る。たとえば、層１１３の導電性材料は、特定の部分、たとえば信号領域１０３ａまたは任意には表面１０６上に与えられ得るのに対して、層１２３は、必要に応じて、所望の保護作用を得るために基部１０１のほぼ全体にわたって与えられ得る。

他の実施例においては、層１２３は導電性材料であるのに対して、層１１３は、基部１０１の材料と、さらにはその上に配置された層とに対する良好な接着性を示す接着層としての役割を果たす。層１１３はここでは導電性材料または絶縁材料でもあり得る。

図１ｉは、さらなる実施例に従った位置エンコーダ１００の上面図を概略的に示しており、トラック１０２の表面１０６には、ほぼ一定の幅が設けられている。位置エンコーダ１００の機能に必要とされる渦電流挙動の変調は、この実施例においては、移動方向に沿ったトラック１０２の「高さの変調」によって達成される。

図１ｊは、図１ｉの切断線に沿った断面図を概略的に示しており、大きな渦電流を生成するための位置（左側）と、わずかな渦電流を生成するための位置（右側）とを示す。これは、トラック１０２が移動方向に沿って異なる高さ１０２ｈを有しており、このため、センサコイルアセンブリからのコーティング１０３の距離も異なり、これにより渦電流挙動がその位置に応じて変調されることを意味している。この実施例においては、導電性材料を含むコーティング１０３が上述の方法のいずれかによって効率的に付与されるのに対して、他の実施例においては、効率的なコーティングもフォイル（foil）材料によって付与され得る。というのも、特に、トラック１０２の比較的一定の幅が、ローラなどによる付与を可能にするからである。

さらなる具体的な実施例においては、図１ｉおよび図１ｊに示されるトラック１０２の高さの変調も、前述の実施例に記載されるように、対応する幅の変化と有効に組合せることができる。このため、移動方向１０４に沿った渦電流挙動の非常に効率的で強い位置依存性の変調が行われる。というのも、コーティング１０３の導電性材料の高さ、このため距離、および横方向の寸法が変化しているからである。これにより、移動方向への位置の変化に伴って渦電流反応の変化率が大きくなり、このため、付近の場所では明確に異なる信号が出力される。

図１ｋは、たとえば図１ａに示されるように、軸方向の実施例に従った位置エンコーダ１００の配置を概略的に示しており、位置エンコーダ１００は回転機械１７０、たとえば電気機械、上に搭載されている。これは、位置エンコーダ１００が機械１７０のロータ１８０と機械的に連結されており、このため、回転軸１０７を中心に回転することを意味する。さらに、センサコイルアセンブリ１５０はコイル１０２から軸方向に間隔を空けて固定して取付けられており、このため、すなわち付与されたコーティング１０３によるトラック１０２とアセンブリ１５０における１つまたは複数のコイルとの間に相互作用がもたらされる。この場合、アセンブリ１５０における１つまたは複数のコイルについて局所的に依存した減衰があるために、対応する信号が評価装置１６０に利用可能となる。

図１ｌは、たとえば図１ｅに示されるように、径方向の実施例に従った位置エンコーダ１００を概略的に示す。ここでは、回転軸１０７に対して垂直なトラック１０２がセンサコイルアセンブリ１５０によって読取られる。

図１ｍは、対応するセンサコイルアセンブリ１５０を備えた位置エンコーダ１００の上面図を軸方向の配置で概略的に示しており、すなわち、回転軸１０７は表面１０６に対して実質的に垂直に向けられる。

図１ｎは、さらなる実施例に従った位置エンコーダ１００を概略的に示しており、少なくとも１つのさらなるトラック１０２ｎが設けられており、移動方向に沿って位置に応じて異なる渦電流挙動を示す。これにより、たとえばトラック１０２、１０２ｎが異なる長手方向の測定範囲を表しているためにさらなる位置情報を得ることができる。図示された実施例においては、トラック１０２は、たとえば、複数の周期的に繰り返すセグメント１１２ａ、…１１２ｂを含んでおり、これらの周期的に繰り返すセグメント１１２ａ、…１１２ｂは、センサコイルアセンブリからは同一の部分であるように見られるが、各セグメント１１２ａ、１１２ｂ内に大きな空間変調があるために所望の高い空間分解能を可能にする。他方では、トラック１０２ｎが示す空間分解能はより低いものとなり、すなわち、移動方向１０４に沿った渦電流挙動の変化はさほど目立たないものとなるが、より大きな測定経路が得られる。すなわち、図示された例においては、任意には３６０度の円周全体を覆うことのできるより大きな角度範囲が得られる。トラック１０２ｎは、トラック１０２と同じように作製することができ、結果として、この場合にも同様に高い再現性および精度が得られる。より具体的には、トラック１０２、１０２ｎが構造的に固定されている場合、トラック間の空間距離をより短くすることができ、結果として、所与のサイズの表面１０６および基部本体１０１で高い「情報密度」が得られる。

なお、複数のトラック１０２、１０２ｎを備えた対応する構成がまた径方向の実施例に提供され得るかまたは複合的な実施例が提供されてもよく、この場合、１つまたは複数のトラックが、図１ｎに示されるように軸方向のトラックとして設けられているのに対して、個々のトラックについてたとえば図１ｉにおいて図示および説明されるように、１つまたは複数のトラックが径方向のトラックとして設けられ得ることに留意されたい。

図２ａ〜図２ｄに関して、さらなる具体的な実施例を説明する。ここでは、位置エンコーダの基部において渦電流挙動が効率的に構造化され、基部は、具体的な実施例においては、実質的に導電性材料を囲む非伝導性のキャリア材料から構成されている。

図２ａは、軸方向のロータ位置エンコーダとして図示された型で設けられる位置エンコーダ２００の断面を概略的に示す。位置エンコーダ２００は基部２０１を含み、当該基部２０１は、図示される実施例においては主として非導電性材料、たとえばプラスチック、から構成されており、そこに導電性材料２０３が局所的に導入され、これにより、所望の位置依存性の渦電流挙動をもたらすトラック２０２が規定されるようにする。このことは、上で説明したとおりである。さらに、図示された実施例においては、少なくともトラック２０２にわたって導電層２０３を覆う表面２０６が形成される。図示された実施例においては、導電性材料２０３がたとえば外形形状付き材料片の形状で設けられており、これは、たとえば、いくつかの具体的な実施例において適度に高い固有の安定性を示す金属含有材料片であり、このため、導電性材料２０３を設けることで、上記基部２０１の有する厚さが適度に薄いものであったとしても、基部２０１の機械的安定性を向上させることもできる。たとえば、導電性材料２０３は、たとえば打抜きによって適切に外形形状が設けられた金属板の形状で提供されてもよく、基部２０１の材料に適切に投入され得る。このために、本質的に安定した形状である導電性材料２０３は、たとえば、必要に応じてプラスチック材料によって完全に囲まれている導電性材料２０３で射出成形することができる。これは、この場合に、場合によっては位置エンコーダ２００の取扱いおよび取付けを簡略化し、かつ導電性材料２０３を相応に保護する外形形状なしの表面２０６が得られることを意味する。他方では、渦電流挙動の所望の変調は、材料２０３に外形形状を設けることによって効率的かつ再現可能に実現することができる。導電性材料２０３上の表面２０６についての材料厚さは、所望の保護作用を達成しつつもエンコーダコイルアセンブリに対する対応する「エアギャップ」が小さい値で維持されるほど薄くなるように、適切に設定することができる。具体的な実施例においては、表面２０２の形状を有する基部本体２０１の非導電性材料が、導電性材料２０３全体を必ずしも覆う必要はないが、実質的に平坦な表面を実現する役割も果たし、導電性材料２０３の隆起した部分が表面２０２の一部を形成していることに留意されたい。さらに、トラック２０２は基部内の「隆起した」部分によっても規定できることに留意されたい。

図２ｂは、さらなる実施例における位置エンコーダ２００を概略的に示しており、この場合、対応するボア２０３ｂは、導電性材料２０３の低くなった部分に設けられており、このため、たとえば導電性材料２０３が射出成形されると、渦電流挙動に実質的な影響を及ぼすことなく、導電性材料２０３でプラスチック材料に効率的に「歯を付ける（toothing）」ことができる。というのも、この低くなった部分は、渦電流挙動の一因になることがほとんどないからである。結果として、ボア２０３ｂによって基部２０１の高い安定性を達成しつつ、トラック２０２の空間的な定義（spatial definition）を外形形状付きの材料によって効率的に維持することができる。

図２ｃは、さらなる具体的な実施例に従った位置エンコーダ２００の断面図を概略的に示しており、基部２０１上の導電性材料２０３が実質的に「二次元の」または平坦な構成で設けられ、この場合、渦電流挙動の対応する構造化または変調は、対応する窪みまたはボア２０３ｂに基づいて実現される。たとえば、一実施例においては、導電性材料２０３は導電性材料片の形状で設けられており、有利には本質的に安定しており、ボア２０３ｂは、有効に作用する導電性材料の量がその位置に応じて効率的に変化するように移動方向に沿って設けられている。たとえば、図２ｃの左側においては、ボア２０３ｂの数が少なく、これに対応して渦電流生成が大きくなるために、導電性材料２０３の充填度合いが高くなる。これに対して、図２ｃの右側においては、導電性材料２０３の充填度合いが大幅に低くなり、結果として渦電流形成が大幅に小さくなる。

図２ｃの位置エンコーダ２００は、たとえば導電性材料２０３の射出成形によって、所望の如何なる適切な方法に基づいても作製することができる。この場合、ボア２０３ｂにより、主要な部分を形成する基部２０１の非導電性材料には導電性材料２０３で効率的に歯が付けられる。これにより、超高速にも適した非常に安定した位置エンコーダを作製することができる。

図２ｄは、たとえば図２ｃの実施例において使用され得る導電性材料２０３の上面図を概略的に示す。ここでは、ボア２０３ｂは、移動方向に沿った位置依存性の渦電流反応を確実にする。

さらなる実施例においては、導電性材料２０３が基部２０１の面に設けられている径方向の構成が提供される。この場合、しかしながら、表面２０６と同様の顕著な位相（topology）のない表面が作り出される。導電性材料２０３はまた、基部の安定性を高める役割を果たす場合、図２ａ〜図２ｃに示されるものと同様に、基部のより大きな部分にわたって延在するように適切な方法で径方向の実施例に設けることができる。しかしながら、この場合、径方向の実施例においてセンサコイルによって検知されるリム上のものを除いては、トラックを生成するための変調は必要とされない。さらなる実施例においては、２つ以上のトラックが必要である場合、径方向のタイプと軸方向のタイプとの組合せを用いることもできる。他の実施例においては、軸方向または径方向の設計のどちらか一方にのみ、いくつかのトラックを設けてもよい。

したがって、この発明は、基部が実質的に非導電性材料および特にプラスチック材料から構成されている位置エンコーダを提供する。ここでは、いくつかの局面において、隆起および／または窪みによって基部の表面上に適切なトラックが形成されている点で、位置依存性の渦電流生成を非常に効率的かつ再現可能に実現することができる。この場合、適切なコーティングを付与することができるか、または、他の具体的な実施例においては、実質的にプラスチックからなる基部内において導電性材料に適切に外形形状が設けられる。基部および関連するトラックの設計により、対応する用途に適合したものであればほとんどどのような所望の好適なサイズの位置エンコーダをも設計することが可能となる。すなわち、長さまたは直径を、可動部のサイズまたはその形状に効率的に適合させることができ、この場合、同時に低コストかつ低い製造許容差での製造を実現することができる。

Claims (7)

1. センサコイルアセンブリにおいて位置依存性の渦電流損を発生させるための位置エンコーダであって、
   非導電性キャリア材料および導電性材料で構成される基部と、
   前記導電性材料によって規定されるトラックとを含み、前記トラックは、前記非導電性材料に埋込まれており、予め定められた移動方向に沿って延在し、位置依存性の渦電流生成のために、少なくとも前記予め定められた移動方向に対して垂直な方向に変化し、
   前記位置エンコーダの動作中には前記センサコイルアセンブリの方に向けられるべきであって実質的に外形形状なしの表面が与えられており、
   前記導電性材料は外形形状付きの要素の形状で提供されており、
   前記外形形状付きの要素は、前記表面に対して第１の距離を有する第１の部分と、前記表面に対して第２のより長い距離を有する第２の部分とを含み、
   少なくとも前記第２の部分はキャリア材料が含有される貫通穴を含む、位置エンコーダ。
2. 前記基部は、回転移動についての位置検出に適した形状に形成される、請求項１に記載の位置エンコーダ。
3. 前記導電性材料は金属である、請求項１または２に記載の位置エンコーダ。
4. 前記外形形状付きの要素は本質的に安定した要素として構成される、請求項１または３に記載の位置エンコーダ。
5. 前記キャリア材料はプラスチック材料である、請求項１から４のいずれかに記載の位置エンコーダ。
6. 前記表面は、回転移動の回転軸に対して垂直に配置される、請求項１から５のいずれかに記載の位置エンコーダ。
7. 動作中に前記センサコイルアセンブリの方向に向けられる表面は、実質的に外形形状が付けられていない、請求項１から６のいずれかに記載の位置エンコーダ。

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