KR101219560B1

KR101219560B1 - 회전각도 검출용 센서

Info

Publication number: KR101219560B1
Application number: KR1020107010402A
Authority: KR
Inventors: 데쓰오 야마가타; 히로아키 나가사와
Original assignee: 스미다 코포레이션 가부시키가이샤
Priority date: 2007-11-20
Filing date: 2008-11-10
Publication date: 2013-01-08
Also published as: US20100308808A1; CN101868696B; WO2009066574A1; JPWO2009066574A1; EP2221588A4; EP2221588B1; JP5226694B2; CN101868696A; EP2221588A1; KR20100083168A

Abstract

본 발명은, 소형화를 가능하게 하는 구조의 회전각도 검출용 센서를 제공한다.
회전체와, 도체패턴의 폭 치수가 주기적으로 변화되어 0도로부터 360도의 위상을 구비한 상이 n주기(n은 정의 정수) 형성되어 있는 인코더 구조(3)와, 복수의 인덕턴스 소자(C1, C2, C3, C4)를 구비하고 인코더 구조(3)와 간격을 두고 대향하도록 배치된 센서 본체(4)로 구성되고, 인코더 구조(3)에 있어서 상의 주기의 수(n)가 3 이상의 정수이고, 복수의 인덕턴스 소자(C1, C2, C3, C4)가 90도씩의 위상차를 구비하고, 또한 이웃하는 2개의 인덕턴스 소자가 적어도 인코더 구조(3)의 1상의 반 정도 이상의 간격을 두고 배치되어 있는 회전각도 검출용 센서를 구성한다.

Description

회전각도 검출용 센서{ROTATION ANGLE DETECTING SENSOR}

본 발명은, 모터(motor)에 있어서 회전자(回轉子) 등의 회전체(回轉體)의 위치를 검출하기 위한 회전각도 검출용 센서(回轉角度檢出用 sensor)에 관한 것이다.

브러시리스 모터(brushless motor)에서는 고정자(固定子)에 흐르는 전류의 방향을 바꾸어서 정류제어(整流制御)를 하고 있다. 이 정류제어를 하기 위해서는, 회전자의 각도 정보를 얻을 필요가 있어 회전자의 각도를 검출하는 각도 센서를 설치하고 있다(예를 들면 특허문헌1 참조).

이러한 각도 센서로서는, 회전자에 있어서 영구자석의 자계(磁界)를 검출하는 방법이 일반적이다.

이에 대하여 더 미세한 제어를 필요로 하는 경우에는, 예를 들면 상기 특허문헌1에 개시되어 있는 바와 같은 와전류 손실(渦電流損失)을 원리로 한 방식의 회전각도 검출용 센서가 사용된다.

독일국 공개실용신안 20 2006 008 962 U1

상기 특허문헌1에서는, 회전자에 도체패턴(導體 pattern)으로 이루어지는 인코더 구조(encoder 構造)를 설치하고, 이 인코더 구조와 대향(對向)하여, 인덕턴스 소자(inductance 素子)(코일 등)로 이루어지는 회전각도 센서를 설치하고 있다.

그리고 인코더 구조의 도체패턴은, 폭이 주기적(週期的)으로 변화되는 패턴으로 되어 있어 인덕턴스 소자에 신호전류를 인가하였을 때에 인코더 구조에 와전류를 발생시킴으로써, 의도적으로 인덕턴스에 발생하는 손실을 증감시켜서 각도 정보를 검출할 수 있도록 구성되어 있다.

그런데 상기 특허문헌1에 있어서는, 동일한 형상의 복수 코일이 회전자의 회전축을 중심으로 한 원주를 따라 동일한 간격으로 배치되어 회전각도 센서가 구성되어 있었다.

이 때문에 센서의 지름을 작게 하려고 하였을 경우 또는 도체패턴의 주기 수를 증가시키려고 한 경우에는, 인접하는 코일 사이에서 결합이 조밀하게 된다.

이에 따라 코일 사이의 결합의 영향에 의하여 자계(磁界)가 변화되기 때문에, 검출결과에서 오차가 발생하여 센서의 정밀도를 열화(劣化)시키게 된다.

이러한 이유 때문에 센서의 직경을 작게 하는 것 또는 주기의 수를 증가시키는 것에는 제한이 있었다.

상기한 문제를 해결하기 위하여 본 발명에 있어서는, 소형화를 가능하게 하는 구조의 회전각도 검출용 센서를 제공하는 것이다.

본 발명의 회전각도 검출용 센서(回轉角度檢出用 sensor)는, 회전체(回轉體)와, 이 회전체와 함께 회전 가능하도록 부착된 도체패턴(導體 pattern)으로 이루어지고, 이 도체패턴의 폭 치수가 주기적으로 변화되어 0도로부터 360도의 위상(位相)을 구비한 상(相)이 n주기(n은 정(正)의 정수) 형성되어 있는 인코더 구조(encoder 構造)와, 복수의 인덕턴스 소자(inductance 素子)를 구비하고, 상기 인코더 구조와 간격을 두고 대향(對向)하도록 배치된 센서 본체(sensor本體)로 구성되고, 인코더 구조에 있어서 상기 상의 주기의 수(n)가 3 이상의 정수이고, 상기 복수의 인덕턴스 소자가 90도씩의 위상차(位相差)를 구비하고, 또한 이웃하는 2개의 상기 인덕턴스 소자가 적어도 상기 인코더 구조의 1상의 반 이상의 간격을 두고 배치되어 있는 것이다.

상기의 본 발명의 회전각도 검출용 센서에 의하면, 도체패턴의 폭 치수가 주기적으로 변화되어 0도로부터 360도의 위상을 구비한 상이 n주기 형성되어 있는 인코더 구조와, 복수의 인덕턴스 소자를 구비하고 인코더 구조와 간격을 두고 대향하도록 배치된 센서 본체로 구성되어 있게 함으로써, 인코더 구조에 있어서 도체패턴의 폭 치수의 주기적인 변화를 센서 본체의 인덕턴스 소자를 통하여 검출할 수 있다. 그리고 이 검출결과로부터 회전체의 회전각도를 검출할 수 있다.

또한 본 발명의 회전각도 검출용 센서에 의하면, 센서 본체의 복수의 인덕턴스 소자가 90도씩의 위상차를 구비하고, 또한 이웃하는 2개의 인덕턴스 소자가 적어도 인코더 구조의 1상의 반 정도 이상의 간격을 두고 배치되어 있다. 이에 따라 인코더 구조의 1상에 모아서 인덕턴스 소자를 배치하고, 1상의 1/4 간격으로 인덕턴스 소자가 배치된 구성과 비교하여, 이웃하는 2개의 인덕턴스 소자 사이의 거리를 크게 할 수 있다.

상기한 본 발명에 의하면, 이웃하는 2개의 인덕턴스 소자 사이의 거리를 크게 할 수 있기 때문에, 이웃하는 2개의 인덕턴스 소자 사이의 상호작용을 감소시켜서 검출결과에서 발생하는 오차를 억제할 수 있다.

따라서 본 발명에 의하면, 센서의 정밀도를 높게 할 수 있다.

또한 본 발명에 의하면, 인코더 구조에 있어서 패턴부의 지름을 작게 하였을 경우 또는 인코더 구조에 있어서 주기(상)의 수를 증가시킨 경우에도, 이웃하는 인덕턴스 소자 사이의 거리를 확보하여 높은 정밀도를 확보할 수 있다.

이에 따라 패턴부의 지름을 작게 하여 센서 전체의 소형화를 실현할 수 있다.

도1(A) 및 도1(B)는 본 발명에 있어서 하나의 실시예인 센서를 구비한 모터의 개략적인 구성도이다.
도1(A)는 본 발명에 있어서 하나의 실시예인 회전각도 검출용 센서의 개략적인 구성도(평면도)이다. 도1(B)는 도1(A)의 화살표(A) 방향에서 본 측면도이다.
도2는 도1의 회전자에 대한 평면도이다.
도3은 도1 및 도2의 인코더 구조에 대한 평면도이다.
도4(A) 및 도4(B)는 도1의 센서에 있어서 센서 본체를 포함하는 요부의 개략적인 구성도이다.
도5는 센서 시스템에 있어서 회로의 구성에 대한 하나의 예를 나타내는 회로도이다.
도6은 도4(A)의 구성으로부터 패턴부의 지름을 작게 하였을 경우의 전체 배치를 나타내는 도면이다.
도7은 도4(A)의 구성으로부터 주기의 수를 증가시켰을 경우의 전체 배치를 나타내는 도면이다.
도8(A) 및 도8(B)는 본 발명의 다른 실시예인 회전각도 검출용 센서의 개략적인 구성도이다.
도9는 비교예에 있어서 센서 본체의 개략적인 구성도(요부의 확대평면도)이다.
도10은 도9의 코일과 도체패턴을 대향하도록 배치한 상태를 나타내는 도면이다.
도11(A)는 도10의 코일과 도체패턴의 배치상태에 있어서 전체를 나타내는 도면이다. 도11(B)는 도11(A)의 센서 본체에 대한 평면도이다.
도12는 비교예의 구성에 있어서 패턴부의 지름을 작게 하였을 경우의 전체 배치를 나타내는 도면이다.
도13은 비교예의 구성에 있어서 주기의 수를 증가시켰을 경우의 전체 배치를 나타내는 도면이다.

본 발명에 있어서 하나의 실시예로서, 회전각도 검출용 센서의 개략적인 구성도를 도1(A) 및 도1(B)에 나타내었다. 도1(A)는 평면도를 나타내고, 도1(B)는 도1(A)의 화살표(A) 방향에서 본 측면도를 나타내고 있다.

도1(A) 및 도1(B)에 나타나 있는 바와 같이 막대 모양의 회전축(回轉軸)(1)에 원판(圓板) 모양의 회전자(回轉子)(2)가 부착되어 있다.

이 회전자(2)는, 도1(B)의 화살표(R)로 나타나 있는 바와 같이 회전축(1)을 중심으로 하여 회전한다.

또한 도체패턴(導體 pattern)에 의한 인코더 구조(encoder 構造)(3)가 회전자(2)의 표면에 형성되어 있다.

그리고 회전자(2)에 있어서 인코더 구조(3)가 형성된 측과 대향(對向)하여, 회전각도 검출용 센서(回轉角度檢出用 sensor)의 센서 본체(sensor 本體)(4)가 설치되어 있다.

이 센서 본체(4)는 회전축(1)을 중심으로 한 원호를 따르는 C자 형상을 구비하고 있다. 그리고 센서 본체(4)는 도면에 나타나 있지 않은 부재에 의하여 고정되어 있고, 회전자(2)의 인코더 구조(3)는 이 센서 본체(4)와의 상대적 위치가 변화하도록 구성되어 있다.

그리고 인코더 구조(3)와 센서 본체(4)에 의하여 회전자(2)의 회전각도를 검출하는 센서를 구성하고 있다.

도1의 회전자(2)에 대한 평면도를 도2에 나타내었다. 또한 인코더 구조(3)의 도체패턴에 대한 상세한 구조를 도3의 평면도로 나타내었다.

도2에 나타나 있는 바와 같이 인코더 구조(3)의 도체패턴은, 회전자(2)의 회전각도에 따라 폭이 삼각함수 모양으로 변화되는 형상을 구비하고 있다. 그리고 회전자(2)가 회전하면, 특정한 위치에 있어서 인코더 구조(3)의 도체패턴 폭이 주기적으로 증감하게 된다.

이 도2에 있어서는, 도체패턴에 있어서 폭의 주기적인 변화에 의한 1상(one phase)(1주기)의 범위도 나타나 있다. 일주(一周)가 360도로 3상으로 형성되어 있기 때문에, 1상이 120도로 되어 있다.

그리고 인코더 구조(3)의 도체패턴은, 도3에 나타나 있는 바와 같이 일점쇄선으로 나타나 있는 지름(D)의 원을 중심으로 하여 내측 및 외측이 삼각함수 모양으로 변화된다. 이에 따라 도체패턴의 폭(W)도 삼각함수 모양으로 변화된다. 인코더 구조(3)에 있어서 도체패턴의 폭(W)이 변화함으로써, 인덕턴스 소자(inductance 素子)에 신호전류를 인가하였을 때에 발생하는 자속(磁束)에 의하여 발생하는 와전류(渦電流)도 또한 증감된다. 이 와전류 손실에 의하여 변화되는 인덕턴스를 연산처리함으로써 회전자(2)의 회전각도를 검출할 수 있다.

인코더 구조(3)에 있어서 도체패턴의 재료로서는, 예를 들면 알루미늄(aluminium), 강(鋼), 구리(copper), 배선판(配線板), 도전박(導電箔) 또는 금속을 함유하는 플라스틱 재료 등의 도전성 재료(導電性材料)를 사용할 수 있다. 도체패턴에는 자성재료(磁性材料)를 사용할 필요는 없다.

인코더 구조(3)에 있어서 패턴부(pattern 部)의 지름(D)과 인코더 구조(3)에 있어서 주기수(周期數)(반복수(反復數))(n)는, 인코더 구조(3)를 설치하는 회전자(2)의 구성이나 지름 치수 등의 조건에 각각 맞추는 것이 바람직하다.

계속하여 본 실시예에 있어서 센서 본체(4)의 구성을 설명하기 전에, 본 실시예에 대한 비교예에 있어서 센서 본체(4)의 구성을 설명한다.

이 비교예에 있어서 센서 본체의 개략적인 구성도(요부의 확대평면도)를 도9에 나타내었다.

도9에 나타나 있는 바와 같이 인쇄회로기판(印刷回路基板) 등의 기판(基板)(11) 상에, 사각형의 소용돌이 형상(spiral form)을 구비하는 도체에 의하여 4개의 패턴코일(pattern coil)(C1, C2, C3, C4)이 형성되어 있다.

각 패턴코일(C1, C2, C3, C4)에 의하여 각각 공심(空芯)의 코일이 구성된다.

센서 본체(4)에 있어서 4개의 패턴코일(C1, C2, C3, C4)은 제1코일(C1), 제2코일(C2), 제3코일(C3), 제4코일(C4)을 각각 구성한다.

다음에 이 비교예에 있어서 코일(C1, C2, C3, C4)과 인코더 구조(3)의 도체패턴을 대향하도록 배치한 상태를 도10에 나타내었다.

각각의 코일(C1, C2, C3, C4)은, 인코더 구조(3)에 있어서 도체패턴 폭의 주기적인 변화의 1/4주기(위상차(位相差) 90도) 간격으로 배치되어 있다. 즉 제1코일(C1), 제2코일(C2), 제3코일(C3), 제4코일(C4)은, 이 순서로 각각 90도의 위상차를 구비하도록 배치되어 있다.

이에 따라 제1코일(C1) 및 제3코일(C3)에 제2코일(C2) 및 제4코일(C4)이 90도의 위상차를 두고 배치되어 있다.

그리고 제1코일(C1) 및 제3코일(C3)이 180도의 위상각도 오프셋(位相角度 offset)을 형성하고 있고, 제2코일(C2) 및 제4코일(C4)이 180도의 위상각도 오프셋을 형성하고 있다.

이에 따라 차이신호(differential signal) 등의 신호를 발생시킬 수 있고, 이 신호를 이용하여 회전자(2)의 절대위치(absolute position)를 검출할 수 있다. 또한 인코더 구조(3)에 있어서 도체패턴의 이동방향 즉 회전자(2)의 회전방향(시계방향 또는 반시계방향)을 검출하는 것도 가능하다.

각 코일(C1, C2, C3, C4)에 있어서 공심부(空芯部)의 길이 치수(L)는, 인코더 구조(3)에 있어서 도체패턴의 최대폭 치수(Wmax)보다 크게 형성되어 있다. 이러한 치수관계로 함으로써 코일(C1, C2, C3, C4)로부터 자속(磁束)을 발생시켰을 때에 인코더 구조(3)에 발생하는 와전류의 발생 정도를 높일 수 있기 때문에, 검출 정밀도의 향상을 도모할 수 있다.

이 비교예에 있어서의 코일(C1, C2, C3, C4)과 도체패턴의 배치상태 전체를 도11(A)에 나타내었다. 도11(A)에 있어서 센서 본체(4)의 외측 가장자리는 파선으로 나타나 있다.

이 도11(A)에서는, 제1코일(C1)이 인코더 구조(3)에 있어서 도체패턴의 폭 치수가 최소인 위치와 대향한 상태로 되어 있고, 도10의 배치상태로부터 주기의 1/4 회전이동한 상태로 되어 있다. 또한 도11(A)의 센서 본체(4)를 추출하여 도11(B)에 나타내었다.

이하, 인코더 구조(3)의 도체패턴에 있어서 폭 치수가 최소인 위치를 위상 0도로 하고, 폭 치수가 최대인 위치를 위상 180도로 하고, 1상이 위상 0도~위상 360도인 것으로 정의하여 설명한다.

도11(A)에 있어서 인코더 구조(도체패턴)(3)의 1상 각도(Xp)는, 도2에 있어서 설명한 바와 같이 120도이다.

센서 본체(4)는, 인코더 구조(3)의 1상에 대응하는 부분 내에 들어가도록 4개의 코일(C1, C2, C3, C4)이 배치되어 있다.

그리고 도11(A)에 나타나 있는 바와 같이 제1코일(C1)이 인코더 구조(3)에 있어서 위상 0도의 위치에 있을 때에는, 제2코일(C2)이 인코더 구조(3)에 있어서 위상 90도의 위치에 있고, 제3코일(C3)이 인코더 구조(3)에 있어서 위상 180도의 위치에 있고, 제4코일(C4)이 인코더 구조(3)에 있어서 위상 270도의 위치에 있다.

일반적으로 주기수가 n일 때에 인코더 구조(3)에 있어서 패턴의 1상 각도(Xp)는 Xp = 2π/n이다.

또한 인접하는 코일 사이의 각도(Xmn)는 Xmn = Xp/4 = 2π/(4n) = π/(2n)이다.

또한 인접하는 코일 사이의 거리(코일 중심 사이의 거리)(Smn)는 Smn = D·sin(Xmn/2) = D·sin(π/(4n))이다.

이 도11(A)에 나타나 있는 경우에 주기수(n) = 3인 것에 의하여 Xp = 2π/3이고, Xmn = π/6이고, Smn = D·sin(π/12)이다.

따라서 제1코일(C1) 및 제2코일(C2) 사이의 각도(X1), 제2코일(C2) 및 제3코일(C3) 사이의 각도(X2), 제3코일(C3) 및 제4코일(C4) 사이의 각도(X3)에 있어서 X1 = X2 = X3 = Xmn = π/6이다. 또한 제1코일(C1) 및 제2코일(C2) 사이의 거리(S1)에 있어서 S1 = Smn = D·sin(π/12)이다.

그러나 상기한 비교예의 구성에 있어서, 도12에 나타나 있는 바와 같이 주기수(n)를 변경시키지 않고 인코더 구조(3)의 패턴부 지름(D)을 작게 하면, 이웃하는 코일 사이의 거리도 작아지게 된다.

이 도12에 나타나 있는 경우에 있어서는, 인코더 구조(3)의 패턴부 지름(D1)을, 도11(A)의 패턴부 지름(D)에 대하여 D1 = D/2로 하고 있다.

이 경우에 제1코일(C1) 및 제2코일(C2) 사이의 거리는 즉 S1 = D1·sin(π/12) = (D/2)·sin(π/12)가 되어, 도11(A)의 경우에 있어서 코일 사이의 거리의 1/2이 된다.

이 경우에 있어서도 도11의 경우와 마찬가지로 이웃하는 2개의 코일(C1과 C2, C2와 C3, C3과 C4)은, 1상의 1/4(위상차 90도) 간격으로 배치되어 있다.

또 일반적으로는, 작게 한 패턴부의 지름(D1)은, D1 = k X D(단 0 < k ≤ 1) 로 나타낼 수 있다. 이 때의 코일 사이의 거리(S1mn)는, S1mn = D1·sin(π/4n) = k X Smn 이 된다.

이와 같이 주기수(n)를 변경하지 않고 인코더 구조(3)에 있어서 패턴부의 지름(D)을 작게 하면 이웃하는 코일 사이의 거리도 작아지기 때문에, 상기한 바와 같이 이웃하는 코일 사이의 상호작용에 의하여 검출결과에 오차를 발생시켜서 센서의 정밀도가 낮아지는 경우가 있다.

한편 상기한 비교예의 구성에 있어서, 도13에 나타나 있는 바와 같이 인코더 구조(3)의 패턴부 지름(D)을 변경하지 않고 주기수(n)를 증가시키면, 이웃하는 코일 사이의 거리가 작아지게 된다.

이 도13에 나타나 있는 경우에 주기수(n2)를, 도11(A)의 주기수(n) = 3에 있어서 n2 = 6으로 2배 증가시키고 있다.

이 경우에 패턴의 주기(Xp) = 2π/6 = π/3이고, 제1코일(C1) 및 제2코일(C2) 사이의 각도(X1) = π/(2·n2) = π/12가 되어, 모두 도11(A)의 경우에 있어서의 1/2의 각도가 된다.

이에 따라 제1코일(C1) 및 제2코일 사이의 거리(S1)도 작아지게 되어 S1 = D·sin(X1/2) = D·sin(π/24)가 된다.

또 일반적으로는, 증가시킨 주기수(n2)에 있어서 코일 사이의 거리(S2mn)는, S2mn = D·sin(π/(4·n2)) 이 된다. 주기수(n2)가 증가하게 되면, 코일 사이의 거리(S2mn)는 작아지게 된다.

이와 같이 인코더 구조(3)에 있어서 패턴부의 지름(D)을 변경하지 않고 주기수(n)를 증가시키면 이웃하는 코일 사이의 거리도 작아지기 때문에, 상기한 바와 같이 이웃하는 코일 사이의 상호작용에 의하여 검출결과에 오차를 발생시켜서 센서의 정밀도가 낮아지는 경우가 있다.

또 패턴부의 지름(D)을 작게 하고 또한 주기수(n)를 증가시킨 경우에는, 이웃하는 코일 사이의 거리가 더 짧아지기 때문에 센서의 정밀도 저하라는 문제가 현저하게 된다.

상기한 바와 같이 비교예의 구성에 있어서는, 패턴부의 지름(D)을 작게 하거나 주기수(n)를 증가시키거나 하면, 인접하는 코일 사이의 거리가 작아지게 되어 인접하는 코일 사이에서의 결합이 증대되고, 그 결과 센서의 정밀도를 열화(劣化)시키게 된다.

이 때문에 패턴부의 작은 직경화 또는 주기수가 많은 것에 대응한 센서를 실현시키는 것에 제한이 있었다.

본 실시예는 이러한 제한을 완화시키는 것을 목적으로 하는 것으로서, 센서 본체(4) 내에 있어서 4개의 코일(C1, C2, C3, C4)을 배치한 것에 특징이 있다.

본 실시예에 있어서 센서 본체(4)를 포함하는 요부의 개략적인 구성도를 도4(A) 및 도4(B)에 나타내었다. 도4(A)는 도11(A)와 마찬가지로 배치상태의 전체를 나타내고 있다. 도4(A)에 있어서 센서 본체(4)의 외측 가장자리는 파선으로 나타나 있다. 도4(B)는 도4(A)의 센서 본체(4)를 추출한 평면도이다.

도4(A)에서는, 제1코일(C1)이 인코더 구조(3)에 있어서 도체패턴의 폭 치수가 최소인 위치와 대향한 상태로 되어 있다.

또한 도면에는 나타내지 않았지만, 인코더 구조(3)에 있어서 도체패턴의 패턴부 지름은 도11(A)와 동일한 지름(D)으로 되어 있다.

본 실시예에서는, 특히 도4(A) 및 도4(B)에 나타나 있는 바와 같이 도11(A) 및 도11(B)에 있어서는 이웃하고 있던, 위상차가 90도인 2개의 코일(C1과 C2, C2와 C3, C3과 C4)을 분리하여 배치하고 있다.

도11(A) 및 도11(B)에서는, 제1코일(C1)로부터 시계방향으로 제2코일(C2), 제3코일(C3), 제4코일(C4)의 순서로 배치되어 있었다.

이에 비하여 본 실시예에서는, 제1코일(C1)로부터 시계방향으로 제3코일(C3), 제2코일(C2), 제4코일(C4)의 순서로 배치되어 있다.

도11과 비교하면, 제2코일(C2)과 제4코일(C4)은 다음의 상(相)과 동일한 위상의 위치로 이동되어 있고, 제1코일(C1)과 제3코일(C3)은 원래의 위치인 상태로 되어 있다.

그리고 제1코일(C1)과 제3코일(C3)은 1상(120도)의 1/2(60도) 간격이고, 제3코일(C3)과 제2코일(C2)은 1상의 3/4(90도) 간격이고, 제2코일(C2)과 제4코일(C4)은 1상의 1/2(60도) 간격이고, 제4코일(C4)과 제1코일(C1)은 1상의 5/4(150도) 간격이다.

즉 이웃하게 배치된 2개의 코일(C1과 C3, C3과 C2, C2와 C4, C4와 C1)이, 모두 1상의 1/2(60도) 이상의 간격으로 되어 있고, 도11에 나타나 있는 경우의 2배 이상의 간격으로 되어 있다.

센서 본체(4) 및 4개의 코일(C1, C2, C3, C4)은, 도9에 나타나 있는 비교예와 동일하게 인쇄회로기판 등의 기판(11) 상에, 사각형의 소용돌이 형상을 구비하는 도체에 의하여 형성된 패턴코일에 의하여 4개의 코일(C1, C2, C3, C4)을 형성한 구성으로 할 수 있다. 코일의 도체로서는 예를 들면 동박(銅箔)을 사용한다.

또 코일의 형상은 사각형의 소용돌이 형상에 한정되는 것이 아니라, 모서리를 둥글게 한 사각형 모양이나 타원 형상 등도 가능하다.

기판(11) 및 코일(C1, C2, C3, C4)은, 센서 본체(4)의 내부에 수납되어 있는 구성, 센서 본체(4)에 있어서 회전자(2)측의 표면에 배치된 구성, 센서 본체(4)에 있어서 회전자(2)와는 반대측의 표면에 배치된 구성 중에서 어느 쪽의 구성도 가능하다. 특히 코일(C1, C2, C3, C4)이 회전자(2)측의 표면에 배치된 구성으로 하면 효율이 좋다.

센서 본체(4)에는, 바람직하게는 코일(C1, C2, C3, C4)이 배치되어 있지 않은 부분 즉 도면에 있어서 여백 부분 등에 연산처리용의 회로나 주변회로 등의 회로, 각종 부품, 배선 등을 설치한다.

이 때문에 도4의 예와 같이 코일 사이의 스페이스(space)가 커진 부위에는 부가회로를 추가할 수 있고, 그 결과 센서 기능이나 성능의 향상을 도모하는 것이 가능하게 된다.

본 실시예에 있어서는, 센서 본체(4)에 있어서 4개의 코일(C1, C2, C3, C4)에 의하여 제1코일(C1) 및 제2코일(C2)을 구비하는 제1센서 시스템(first sensor system)(SS1)(도5 참조)과, 제3코일(C3) 및 제4코일(C4)을 구비하는 제2센서 시스템(second sensor system)(SS2)(도5 참조)을 구성한다.

그리고 예를 들면 제1센서 시스템(SS1)에 있어서 2개의 코일(C1, C2)을 병렬로 접속하고, 제2센서 시스템(SS2)에 있어서 2개의 코일(C3, C4)을 병렬로 접속하고, 이들 각각의 센서 시스템(SS1, SS2)으로부터 검출신호를 얻도록 회로를 구성한다.

검출회로(檢出回路)를 얻기 위한 센서 시스템에 있어서 회로 구성에 대한 하나의 예를 도5에 나타내었다.

도5에 나타나 있는 회로에 있어서 제1센서 시스템(SS1)은, 제1코일(C1)(제2코일(C2)도 동일함)과 콘덴서(Ca)가 직렬로 접속된 공진회로(共振回路)로 이루어진다. 제2센서 시스템(SS2)은, 제3코일(C3)(제4코일(C4)도 동일함)과 콘덴서(Cb)가 직렬로 접속된 공진회로로 이루어진다.

각각의 센서 시스템(SS1, SS2)에 AC 전압원(AC 電壓源)(V)이 병렬로 접속되어 있다. 이 AC 전압원에 의하여 각 센서 시스템(SS1, SS2)의 공진회로에 전압이 공급된다.

그리고 각 센서 시스템(SS1, SS2)에 있어서 공진회로의 노드(node)에 논리회로(論理回路)의 일종인 위상비교기(位相比較器)(31)가 접속되고, 이 위상비교기(31)에 의하여 인코더 구조(3)의 위상차를 검출한다.

위상비교기(31)의 출력으로서 센서 신호(sensor 信號)(32)를 얻을 수 있다. 또 도면에는 나타내지 않았지만, 코일이나 콘덴서 이외에 저항기를 접속하여 센서 시스템의 공진회로를 구성하여도 상관없다.

본 실시예의 회전각도 검출용 센서에 있어서 회전각도의 검출원리는 개략적으로 다음과 같다.

회전축(1)을 중심으로 하여 회전자(2)가 회전하면 코일(C1, C2, C3, C4)과 대향하는 인코더 구조(3)에 있어서 도체패턴의 폭 치수가 변화되기 때문에, 코일(C1, C2, C3, C4)로부터 자속을 발생시켰을 때에 도체패턴에 발생하는 와전류의 양도 변화된다.

도체패턴에 발생하는 와전류에 의하여 코일(C1, C2, C3, C4)을 지나가는 자속이 감쇠된다.

따라서 도체패턴에 발생하는 와전류 양의 변화에 대응하여 자속의 감쇠량도 변화되고, 이에 따라 코일(C1, C2, C3, C4)의 인덕턴스 크기도 변화된다.

이 코일(C1, C2, C3, C4)에 있어서 인덕턴스 크기의 변화에 의하여 코일(C1, C2, C3, C4)로 이루어지는 센서 시스템(SS1, SS2)으로부터 얻어지는 출력신호의 진폭이나 위상이나 주파수 등이 변화되기 때문에, 이 진폭이나 위상이나 주파수 등의 변화를 검출함으로써 회전자(2)의 회전각도를 검출할 수 있다.

다음에 도4(A)에 나타나 있는 구성에 있어서 주기수(n)를 변경하지 않고 인코더 구조(3)의 패턴부 지름(D)을 작게 하였을 경우에 대한 전체 배치를 도6에 나타내었다.

이 도6에 나타나 있는 경우에 있어서는, 도12에 나타나 있는 경우와 동일하게 인코더 구조(3)의 패턴부 지름(D1)을 D1 = D/2로 하고 있다.

이 도6에 나타나 있는 경우에 있어서 인접하는 코일 사이의 각도는 다음과 같이 된다. 제1코일(C1) 및 제3코일(C3) 사이의 각도 : X13 = 2·(π/6) = π/3 제3코일(C3) 및 제2코일(C2) 사이의 각도 : X32 = 3·(π/6) = π/2 제2코일(C2) 및 제4코일(C4) 사이의 각도 : X24 = 2·(π/6) = π/3

또한 인접하는 코일 사이의 거리는 다음과 같이 된다. 제1코일(C1) 및 제3코일(C3) 사이의 거리 : S13 = D1·sin(X13/2) = (D/2)sin(π/6) 제3코일(C3) 및 제2코일(C2) 사이의 거리 : S32 = D1·sin(X32/2) = (D/2)sin(π/4) 제2코일(C2) 및 제4코일(C4) 사이의 거리 : S24 = D1·sin(X24/2) = (D/2)sin(π/6)

따라서 인접하는 2개의 코일 사이의 거리가 (D/2)sin(π/12)이었던 도12의 경우와 비교하여 인접하는 2개의 코일 사이의 거리를 넓힐 수 있다.

이에 따라 도12의 경우와 비교하여 이웃하는 코일 사이의 거리를 크게 할 수 있기 때문에, 이웃하는 코일 사이의 상호작용을 감소시켜서 검출결과에서 발생하는 오차를 억제할 수 있다. 즉 센서의 정밀도를 높게 할 수 있다.

한편 도4(A)에 나타나 있는 구성에 있어서 인코더 구조(3)의 패턴부 지름(D)을 변경하지 않고 주기수(n)를 증가시켰을 경우에 대한 전체 배치를 도7에 나타내었다.

이 도7에 나타나 있는 경우에 있어서는, 도13에 나타나 있는 경우와 동일하게 인코더 구조(3)에 있어서 패턴부의 주기수(n2)를 n2 = 6으로 증가시키고 있다.

이 도7에 나타나 있는 경우에 있어서 인접하는 코일 사이의 각도는 다음과 같이 된다. 제1코일(C1) 및 제3코일(C3) 사이의 각도 : X13 = 2·(π/12) = π/6 제3코일(C3) 및 제2코일(C2) 사이의 각도 : X32 = 3·(π/12) = π/4 제2코일(C2) 및 제4코일(C4) 사이의 각도 : X24 = 2·(π/12) = π/6

또한 인접하는 코일 사이의 거리는 다음과 같이 된다. 제1코일(C1) 및 제3코일(C3) 사이의 거리 : S13 = D·sin(X13/2) = D·sin(π/12) 제3코일(C3) 및 제2코일(C2) 사이의 거리 : S32 = D·sin(X32/2) = D·sin(π/8) 제2코일(C2) 및 제4코일(C4) 사이의 거리 : S24 = D·sin(X24/2) = D·sin(π/12)

따라서 인접하는 2개의 코일 사이의 거리가 D·sin(π/24)이었던 도13의 경우와 비교하여 인접하는 2개의 코일 사이의 거리를 넓힐 수 있다.

이에 따라 도13의 경우와 비교하여 이웃하는 코일 사이의 거리를 크게 할 수 있기 때문에, 이웃하는 코일 사이의 상호작용을 감소시켜서 검출결과에서 발생하는 오차를 억제할 수 있다. 즉 센서의 정밀도를 높게 할 수 있다.

상기한 실시예에 있어서 회전각도 검출용 센서의 구성 등 본 발명의 회전각도 검출용 센서는, 각종 회전체에 적용하여 회전각도를 검출할 수 있다.

예를 들면 영구자석식 동기모터(永久磁石式同期 motor)에 적용하여 모터에 있어서 회전자의 회전각도를 검출할 수 있다.

이 경우에 모터에 있어서 회전자의 표면에, 폭이 주기적으로 변화되는 도체패턴으로 이루어지는 인코더 구조를 형성하고, 인코더 구조와 대향하여, 코일 등의 인덕턴스 소자를 설치한 센서 본체를 배치한다.

바람직하게는, 모터에 있어서 회전자의 자석쌍의 수와 인코더 구조에 있어서 도체패턴의 주기의 수를 동일하게 한다. 이렇게 구성함으로써 모터의 회전동작 제어에 있어서 필요한 각도 정보를 상세하게 얻을 수 있고, 그 결과 모터의 회전제어를 미세하게 할 수 있게 된다는 이점이 있다.

또 도4(A) 및 도4(B)에서는 센서 본체(4)를 C자 형상으로 하고 있지만, 회전축(2)의 둘레를 일주(一周)하도록 형성한 O자 형상으로 하여도 상관없다.

센서 본체(4)를 C자 형상으로 하면, 센서 본체(4)를 소형화할 수 있어 회전각도 검출용 센서에 있어서 전체의 소형화도 도모할 수 있다.

한편 센서 본체(4)를 O자 형상으로 하면, 회로, 각종 부품, 배선 등을 배치하는 장소를 증가시켜서 설계의 자유도를 향상시킬 수 있다.

상기의 본 실시예에 의하면, 이웃하는 2개의 코일(C1과 C3, C3와 C2, C2와 C4, C4와 C1)이, 모두 1상의 1/2(60도) 이상의 간격으로 되어 있으므로 이웃하는 2개의 코일 사이의 거리를 크게 할 수 있기 때문에, 이웃하는 2개의 코일 사이의 상호작용을 감소시켜서 검출결과에서 발생하는 오차를 억제할 수 있다.

따라서 센서의 정밀도를 높게 할 수 있다.

그리고 인코더 구조(3)의 패턴부 지름(D)을 작게 하거나 인코더 구조(3)의 주기수(n)를 증가시키거나 한 경우에도 코일 사이의 거리를 확보하여 높은 정밀도를 확보할 수 있다.

상기의 실시예에서는, 도4, 도6, 도7의 각 경우에 있어서 4개의 코일(C1, C2, C3, C4)이 인코더 구조(3)의 2상에 들어가도록 배치되어 있다.

본 발명에서는, 인접하는 코일 사이의 각도가 1상의 1/2 이상 확보되는 것이라면, 인코더 구조(3)의 3상 이상에 걸치도록 코일이 배치되어 있어도 상관없다.

예를 들면 도7에 나타나 있는 인코더 구조(3)가 6상인 경우에 있어서, 도7에서는 코일을 배치하지 않고 있는 즉 제1코일(C1)로부터 보아서 3번째 상~6번째 상의 위치에 다른 코일을 배치할 수도 있다.

이와 같이 코일의 배치는 여러 가지 배치가 가능하기 때문에, 센서의 외형 형상이나 부품의 배치 등의 자유도를 얻을 수도 있다.

본 발명의 조건을 충족시킨 4개의 인덕턴스 소자(위상이 0도, 90도, 180도, 270도 ; 위상차가 90도씩)의 배치는 다음과 같은 특징을 구비한다.

제1인덕턴스 소자가 인코더 구조에 있어서 첫 번째 상의 위상 0도의 위치에 있을 때에, 제2인덕턴스 소자는 인코더 구조의 두 번째 상 내지 n번째 상 범위의 임의의 상에 있어서 위상 90도의 위치에 있고, 제3인덕턴스 소자는 인코더 구조의 첫 번째 상 내지 n번째 상 범위의 임의의 상에 있어서 위상 180도의 위치에 있고, 제4인덕턴스 소자는 인코더 구조에 있어서 첫 번째 상 내지 (n-1)번째 상 범위의 임의의 상에 있어서 위상 270도의 위치에 있다. 다만 이 때에 제3인덕턴스 소자는 제2인덕턴스 소자가 위치하는 상 이외의 상에 있고, 제4인덕턴스 소자는 제3인덕턴스 소자가 위치하는 상 이외의 상에 있다. 제2인덕턴스 소자가 첫 번째 상에 있으면, 본 발명의 조건을 충족시키지 않는다. 마찬가지로 제4인덕턴스 소자가 n번째 상에 있으면, 제1인덕턴스 소자와 근접한 상태에서 이웃하여 버리기 때문에 본 발명의 조건을 충족시키지 않는다.

또한 4개의 인덕턴스 소자에 있어서 배치에 대한 하나의 예로서, 위상 순서로 제1인덕턴스 소자가 인코더 구조에 있어서 첫 번째 상의 위상 0도의 위치에 있을 때에, 위상 순서로 제3인덕턴스 소자가 인코더 구조의 첫 번째 상에 있고, 위상 순서로 제2 및 제4인덕턴스 소자가 함께 인코더 구조에 있어서 두 번째 상 내지 (n-1)번째 상의 범위에 있어서 어느 하나의 상에 있도록 각 인덕턴스 소자가 배치되어 있는 구성으로 한다. 또 도4에 나타나 있는 배치는, 이러한 예 중에서 제2 및 제4인덕턴스 소자가 두 번째 상에 있는 배치이다.

다음에 본 발명의 조건을 충족시킨 다른 배치를 나타낸다.

본 발명의 다른 실시예로서, 회전각도 검출용 센서의 개략적인 구성도(전체의 배치상태를 나타내는 평면도)를 도8(A)에 나타내었다. 또한 도8(A)의 센서 본체(4)에 대한 평면도를 도8(B)에 나타내었다.

도8(A) 및 도8(B)에 나타나 있는 바와 같이 본 실시예에서는, 4개의 코일(C1, C2, C3, C4)이 제1코일(C1), 제4코일(C4), 제3코일(C3), 제2코일(C2)의 순서로 동일한 간격으로 배치되어 있다.

또한 센서 본체(4)는, 이들 4개의 코일(C1, C2, C3, C4)의 배치를 따라 회전축(2)의 둘레를 일주하도록 형성되어 O자 형상으로 되어 있다.

본 실시예에서는, 이웃하는 2개의 코일 간격이 모두 인코더 구조(3)에 있어서 1상(120도)의 3/4(90도)이다.

즉 이웃하는 2개의 코일 간격이 1상의 1/2 이상이라는 본 발명의 조건을 충족시키고 있다.

이 이외의 구성은, 도4(A) 및 도4(B)에 나타나 있는 이전의 실시예와 동일하기 때문에 중복된 설명을 생략한다.

상기의 본 실시예에 의하면, 이웃하는 2개의 코일 간격이 모두 인코더 구조(3)에 있어서 1상(120도)의 3/4(90도)이고, 이웃하는 2개의 코일 간격이 1상의 1/2 이상이라는 본 발명의 조건을 충족시키고 있으므로 이전의 실시예와 동일하게 이웃하는 2개의 코일 사이의 거리를 크게 할 수 있기 때문에, 이웃하는 2개의 코일 사이의 상호작용을 감소시켜서 검출결과에서 발생하는 오차를 억제할 수 있다.

따라서 센서의 정밀도를 높게 할 수 있다.

그리고 인코더 구조(3)의 패턴부 지름을 작게 하거나 인코더 구조(3)의 주기수(n)를 증가시키거나 한 경우에도 코일 사이의 거리를 확보하여 높은 정밀도를 확보할 수 있다.

도8(A) 및 도8(B)에서는 센서 본체(4)를 일주하도록 형성하고 있지만, 이웃하는 2개의 코일 사이 예를 들면 코일(C1)과 코일(C4)의 사이에서 센서 본체(4)의 양단이 도중에 끊긴 C자 형상으로 하여도 상관없다.

또 센서 본체(4)를 복수로 분할하여 각각 4개의 코일 일부씩을 배치하는 것도 생각되지만, 이 경우에 분할된 각각의 센서 본체에 대한 부착 정밀도를 높게 하지 않으면 센서의 검출 정밀도에 영향을 준다.

따라서 센서 본체(4)는, O자 형상이나 C자 형상과 같이 일체화(一體化)된 구성으로 하는 것이 바람직하다.

인코더 구조(3)의 주기수(n) = 3일 때에는, 4개의 코일(C1, C2, C3, C4)의 배치는 도4에 나타나 있는 배치와 도8에 나타나 있는 배치 2가지가 있다.

도면에는 나타내지 않았지만, 인코더 구조(3)의 주기수(n) = 4일 때에는, 4개의 코일(C1, C2, C3, C4)의 배치는 5가지가 있다.

인코더 구조(3)의 주기수(n)를 증가시키면, 가능한 배치의 수도 늘어난다.

또 주기수(n) = 2에서는, 4개의 코일(C1, C2, C3, C4)을 본 발명의 조건을 충족시키도록 배치할 수 없기 때문에 주기수(n)는 3 이상으로 한다.

또 상기의 각 실시예에서는 코일(C1, C2, C3, C4)을 사용하여 센서의 인덕턴스 소자를 구성하였지만, 본 발명에서는 코일 이외의 인덕턴스 소자를 사용하여 센서를 구성하여도 상관없다.

또한 상기의 각 실시예에서는 코일로 이루어지는 인덕턴스 소자를 4개 배치하고 있지만, 본 발명에 있어서 센서에 설치하는 인덕턴스 소자의 수는 4개로 한정되는 것이 아니라 2개 이상이라면 임의의 수로 하여도 상관없다.

본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것이 아니라, 본 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위에서 기타 여러 가지 구성으로 할 수 있다.

1 : 회전축
2 : 회전자
3 : 인코더 구조
4 : 센서 본체
C1, C2, C3, C4 : 코일

Claims

회전체(回轉體)와,
상기 회전체와 함께 회전 가능하도록 부착된 도체패턴(導體 pattern)으로 이루어지고, 상기 도체패턴의 폭 치수가 주기적으로 변화되어 0도로부터 360도의 위상(位相)을 구비한 상(相)이 n주기(n은 정(正)의 정수) 형성되어 있는 인코더 구조(encoder 構造)와,
복수의 인덕턴스 소자(inductance 素子)를 구비하고, 상기 인코더 구조와 간격을 두고 대향(對向)하도록 배치된 하나의 센서 본체(sensor本體)로
구성된 회전각도 검출용 센서(回轉角度檢出用 sensor)로서,
상기 인코더 구조에 있어서 상기 상의 주기의 수(n)가 3 이상의 정수이고,
상기 복수의 인덕턴스 소자가 90도씩의 위상차(位相差)를 구비하고,
또한 이웃하는 2개의 상기 인덕턴스 소자가 적어도 상기 인코더 구조의 1상의 반 이상의 간격을 두고 배치되어 있는
것을 특징으로 하는 와전류식 회전각도 검출용 센서.
제1항에 있어서,
상기 복수의 인덕턴스 소자는, 제1 내지 제4의 4개의 인덕턴스 소자이고,
제1인덕턴스 소자가, 상기 인코더 구조의 첫 번째 상의 위상 0도의 위치에 있을 때에,
제2인덕턴스 소자는, 상기 인코더 구조의 두 번째 상 내지 n번째 상 범위의 임의의 상에 있어서 위상 90도의 위치에 있고,
제3인덕턴스 소자는, 상기 인코더 구조의 첫 번째 상 내지 n번째 상의 범위로서, 상기 제2인덕턴스 소자가 위치하는 상 이외이고, 임의의 상에 있어서의 위상 180도의 위치에 있고,
제4인덕턴스 소자는, 상기 인코더 구조의 첫 번째 상 내지 (n-1)번째 상의 범위로서, 상기 제3인덕턴스 소자가 위치하는 상 이외이고, 임의의 상에 있어서의 위상 270도의 위치에 있도록 상기 제1 내지 제4인덕턴스 소자가 배치되어 있는
것을 특징으로 하는 와전류식 회전각도 검출용 센서.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 복수의 인덕턴스 소자가, 제1 내지 제4의 4개의 인덕턴스 소자이고,
상기 4개의 인덕턴스 소자 중에서 위상 순서로 제1인덕턴스 소자가, 상기 인코더 구조에 있어서 첫 번째 상의 위상 0도의 위치에 있을 때에,
위상 순서로 제3인덕턴스 소자가, 상기 인코더 구조의 첫 번째 상에 있고,
위상 순서로 제2 및 제4인덕턴스 소자가, 상기 인코더 구조의 두 번째 상 내지 (n-1)번째 상 범위에 있어서 어느 하나의 상에 함께 있도록 각 상기 인덕턴스 소자가 배치되어 있는
것을 특징으로 하는 와전류식 회전각도 검출용 센서.
제1항에 있어서,
상기 각각의 인덕턴스 소자의 공심부(空芯部)의 길이 치수(L)는, 상기 인코더 구조의 도체패턴의 최대폭 치수(Wmax)보다 크게 형성되어 있는
것을 특징으로 하는 와전류식 회전각도 검출용 센서.