KR101990221B1 - 회전 검출기 - Google Patents

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KR101990221B1 KR1020177002778A KR20177002778A KR101990221B1 KR 101990221 B1 KR101990221 B1 KR 101990221B1 KR 1020177002778 A KR1020177002778 A KR 1020177002778A KR 20177002778 A KR20177002778 A KR 20177002778A KR 101990221 B1 KR101990221 B1 KR 101990221B1
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히데키 키마타
토모시 타카츠카
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엔에스디 가부시끼가이샤
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Abstract

회전 검출기(10)는, 로터 및 스테이터를 각각 다층 기판으로 구성한 로터 기판(12) 및 스테이터 기판(11u,11d)과, 로터 기판(12)에 배치된 로터 코일(22)과, 스테이터 기판(11u,11d)에 배치된 검출 코일(21a，21b)을 포함한다. 회전 검출기(10)에서의 여자신호의 주파수는, 로터 및 스테이터를 각각 자성재료로 구성한 경우에 요구되는 소정 주파수보다도 높게 설정하였다.

Description

회전 검출기{ROTATION DETECTOR}
본 발명은, 로터와 스테이터 사이의 상대적 회전 각도를 검출하기 위한 회전 검출기에 관한 것이다.
종래부터 사용되고 있는 회전 검출기의 구성을 도 13에 도시한다. 동일 도에 도시하는 바와 같이, 회전 검출기(1)는, 고정부재인 스테이터(2)와, 스테이터(2)에 대하여 회전가능한 고정부재인 로터(3)를 포함한다. 스테이터(2)는 자성재료로 이루어지고, 로터(3)와의 대향면에, 절연시트(2a)를 개재하여 스테이터 코일(2b)이 제공되어 있다. 로터(3)도 자성재료로 이루어지고, 그의 대향면의 절연시트(3a)를 개재하여 로터 코일(3b)이 제공되어 있다. 스테이터 코일(2b) 및 로터 코일(3b)은, 모두 동박으로부터 직사각형 파형을 이루는 코일 패턴으로 형성되어 있다.
또, 회전 검출기(1)는, 로터 코일(3b)을 여자하기 위한 로터리트랜스(4)를 포함한다. 로터리트랜스(4)는, 로터 코일(3b)과 접속된 트랜스코일(4b)과, 당해 코일(4b)에 대하여 비접촉식으로 여자신호를 공급하는 스테이터(2) 내주부의 트랜스코일(4a)을 포함한다. 이에 의해, 로터리트랜스(4)를 개재하여 로터 코일(3b)에 여자신호를 공급한 경우, 로터(3)의 회전에 수반하여 스테이터 코일(2b)로부터 검출신호가 출력된다.
특허문헌 1: 일본 특개평 9-26334호 공보
상기 회전 검출기(1)에서는, 스테이터 코일(2b)과 로터 코일(3b)과의 전자결합도를 높이기 위하여, 스테이터(2) 및 로터(3)는 자성재료로서 철 등의 금속재료로부터 구성되어 있다. 그러나, 이 구성에 의하면, 스테이터(2) 및 로터(3)의 경량화가 곤란하게 된다. 또, 회전 검출기(1)에서는, 상기한 절연시트(2a,3a)와 각 코일(2b,3b)을 포함하는 각 구성부품의 가공이나 부착에 비용이 들고, 저가로 제작할 수 없는 문제가 있다.
본 발명은 상기 사정을 감안하여 실시된 것이고, 그의 목적은, 경량이고 또 검출정밀도를 향상시킬 수 있는 것과 함께, 저비용화를 도모할 수 있는 회전 검출기를 제공하는 것에 있다.
청구항 제1항 기재의 회전 검출기는,
로터 및 스테이터를 각각 다층 기판으로 구성한 로터 기판 및 스테이터 기판과, 상기 로터 기판에 배치된 로터 코일과, 상기 스테이터 기판에 배치된 검출코일과, 상기 로터 코일이 여자신호로 여자되는 것에 의해 상기 검출코일에 유도되는 검출신호를 기본으로 하여, 상기 로터 기판과 상기 스테이터 기판과의 상대적 회전 각도를 검출하는 구성에 있어서,
상기 여자신호의 주파수에 관하여, 상기 로터 및 상기 스테이터를 각각 자성재료로 구성한 경우에 요구되는 소정 주파수보다도 높게 설정된 것을 특징으로 한다.
청구항 제1항 기재의 발명에 의하면, 로터 기판 및 스테이터 기판은, 자성재료의 재질에 비하여 가벼운 다층 기판을 사용하였기 때문에, 그의 중량을 대폭적으로 저감할 수 있다. 또, 로터 코일 및 검출 코일은, 다층 기판에서 제조 불균일이 적은 코일 패턴으로서 간단하게 형성할 수 있다. 그리고, 여자신호의 주파수에 관하여, 로터 및 스테이터를 각각 자성재료로 구성한 경우에 요구되는 소정 주파수보다도 높게 설정하는 것으로, 자성재료를 사용하지 않는 것에 의한 전자결합도의 저하를 보완할 수 있다. 또한, 자성재료의 포화 특성 등의 영향을 없앨 수 있어, 검출정밀도를 향상시킬 수 있다.
도 1은 일 실시형태를 나타내는 것으로, 회전 검출기의 전기적 구성을 도시하는 블록도이다.
도 2는 로터 기판 및 스테이터 기판 부분을 확대하여 도시하는 종단면도이다.
도 3은 로터 기판 및 스테이터 기판을 각각 구성하는 다층 기판을 분해하여 도시하는 도이다.
도 4a 및 도 4b는, 1T 센서부에 관한 로터 코일 및 스테이터 코일의 위치 관계를 설명하기 위한 개념도이다.
도 5는 16T 센서부에 관하여 도시하는 도 4 상당도이다.
도 6은 연산처리에 관한 블록선도이다.
도 7은 1T 센서부 및 16T 센서부의 디지털 위치 신호를 설명하기 위한 개념도이다.
도 8은 회전 검출기에서의 여자신호의 주파수와 검출신호(출력전압)와의 관계를 도시하는 도이다.
도 9는 1T 센서부에 관하여 양측 스테이터와 편측 스테이터와의 특성의 차이를 설명하기 위한 것으로, (a)는 로터 기판의 어긋난 양과 출력전압과의 관계, (b)는 로터 기판의 어긋난 양과 검출각도의 오차와의 관계를 도시하는 도이다.
도 10은 16T 센서부에 관하여 도시하는 도 9 상당도이다.
도 11은 정전류 구동방식에 관한 설명도이다.
도 12는 펄스 엔코더 기능의 설명도이다.
도 13은 종래의 회전 검출기를 설명하기 위한 종단면도이다.
설명을 실시하기 위한 최선의 형태
이하, 본 개시내용의 회전 검출기(10)에 관하여, FA(Factory Automation)의 필드 네트워크에 적용한 일 실시형태에 관하여 도면을 참조하여 설명한다. 여기서, 도 1의 블록도에서는 설명의 편의상 회전 검출기(10)의 외곽 케이스(10b)와 회전하는 축(10a)을 모식적으로 도시하고 있다. 동일 도에 도시하는 바와 같이, 회전 검출기(10)는, 외곽 케이스(10b)에 제공된 스테이터와, 센서 샤프트인 축(10a)에 제공된 로터를 포함하고 있고, 이들 스테이터 및 로터는, 후술하는 검출 코일(21a，21b)을 갖는 스테이터 기판(11), 및 로터 코일(22)을 갖는 로터 기판(12)으로 구성되어 있다.
또, 스테이터 기판(11)에는 여자코일(14)이 제공되어 있다. 예컨대, 여자코일(14)에 소정의 여자신호로서 1상의 교류신호가 입력되면, 로터 코일(22)이 여자된다. 이 로터 코일(22)의 여자에 의해, 검출 코일(21a，21b)에, 축(10a)의 회전에 따라서 진폭변조된 사인파상 출력신호와 코사인파상 출력신호가 유도된다. 이 사인파(sinθ)와 코사인파(cosθ)에 의해 tanθ를 구하고, 아크 탄젠트를 구하는 것으로, 축(10a)의 회전 각도(θ)를 연산하는 처리를 행한다. 이와 같이, 본 실시형태의 회전 검출기(10)는, 1상 여자/2상 출력의 진폭변조형을 예로 한다. 또한, 2상 여자/1상 출력, 요컨대 여자측의 2상에 진폭이 동일하고 위상이 상이한 교류신호를 입력하는 것으로, 회전 각도(θ)에 비례하여 출력신호의 위상이 변화하는 위상변조형으로의 적용이 가능하다.
또, 도 1에 도시하는 바와 같이, 회전 검출기(10)는, 상기한 센서부로서의 스테이터 기판(11) 및 로터 기판(12)과, 그의 제어회로를 실장한 검출회로 기판(15)을 1개의 케이스(10b)에 수용하고 있다. 케이스(10b) 내에 배치된 검출회로 기판(15)에는, 콘트롤러(17)가 실장되어 있다. 콘트롤러(17)는, 예컨대 마이크로컴퓨터나 FPGA(Field Programmable Gate Array)，DSP(Digital Signal Processor) 등으로 구성된 제어회로이고, 검출기(10) 전체를 콘트롤하거나, 상기 연산처리 등을 행한다.
상기 콘트롤러(17)에는, 센서 인터페이스(I/F)(16)를 개재하여, 검출 코일(21a，21b)의 출력신호가 입력된다. 또, 콘트롤러(17)에는, 내부전원회로(18), 네트워크 I/F(19), 메모리부(20), 접점출력회로(23)가 접속되어 있다. 내부전원회로(18)는, 회전 검출기(10)의 외부에 있는 외부전원으로부터 공급되는 전원을, 필요에 따라서 변압·안정화시켜서 내부의 각 회로에 공급한다.
상기 네트워크 I/F(19)는, 예컨대 도시하지 않은 상위 유닛으로서의 PLC(Programmable Logic Controller)와 제어계의 네트워크를 개재하여 접속되는 통신수단이다. 구체적으로는, 공장 내의 제조설비에서의 각종 계측·제어기기로서 회전 검출기(10)가 이용되는 경우, 콘트롤러(17)로 처리된 후의 신호는, 네트워크 I/F(필드 버스 I/F)(19)로부터 필드 버스(19a)를 개재하여 상기 PLC로 전달된다. 이와 같이 본 실시형태에서는, 회전 검출기(10)와 같은 각종 계측·제어기기를 필드 기기로 하고, 필드 버스(19a)는, 이들 필드 기기와 상위 필드 기기 (예컨대 PLC)를 1종류의 케이블로 접속하고 있다. 이 필드 네트워크에 의해, 각 신호의 디지털화나 배선을 공통화하는 등을 행하여 배선 간략화나 저비용화가 가능하게 된다. 또, 이에 의하면, 필드 기기의 규격이 명확하고 그의 접속이나 보수가 용이하게 되며, 각종의 기기를 필드 버스(19a) 위에 공존시킬 수 있다. 또한, 필드 네트워크는, 범용적 이사네트(등록상표) 등을 이용할 수 있어, 다른 네트워크와의 접속을 전제로 하지 않는 닫힌 네트워크뿐만 아니라, 광의의 네트워크(폐 네트워크 끼리의 접속을 포함)로서 구성하여도 좋다.
상기 필드 기기는, 필드 네트워크로 통신처리를 행하기 위하여, 예컨대 메이커 등으로부터 공급되는 전용 칩인 통신용 CPU를 탑재하는 것으로, 프로토콜 등을 고려하지 않고 시스템화할 수 있다. 무엇보다, 이 경우, 전용 칩의 비용(부품 단가)이 들고, 검출회로 기판(15)에서의 당해 칩의 실장 스페이스가 크게 점유되는 등의 문제가 있다. 그래서, 본 실시형태에서는 전용 칩의 기능을 콘트롤러(17)에 지니게 하기 위하여, 메모리부(20)에 기억된 처리 프로그램의 실행에 의해, 상위 필드 기기 등과의 통신처리나, 어플리케이션의 호환성에 관한 통신처리 등을 행하도록 되어 있다. 혹은, 상기 FPGA(게이트 어레이) 등의 하드웨어적 구성이나 소프트웨어적 구성에 의해, 전용 칩을 생략하고 또 그의 기능을 실현한다. 이에 의해, 회전 검출기(10)는, 내부의 기판(15)의 소형화와 저비용화를 도모할 수 있다. 또, 상기 센서부 및 그의 검출회로의 일체화와, 필드 네트워크화가 서로 어울려서, 상기 배선을 포함하는 전체로서의 점유 스페이스를 극력 콤팩트하게 하고, 합리성이 높은 시스템을 구축하고 있다.
상기 메모리부(20)는, ROM 등의 비휘발성 메모리, RAM 등의 휘발성 메모리, EEPROM 등의 전기적으로 서환(書換)가능한 비휘발성 메모리를 포함한다. 메모리부(20)에는, 상기 처리 프로그램 등이 기억되어 있다. 또한, 메모리부(20)에는, 회전위치와 출력치(出力値)와의 리니어리티(linearity)를 개선하기 위한 보정치를 미리 기억시켜도 좋다. 또, 자세하게는 후술하는 바와 같이, 본 실시형태에서는 로터 코일(22)을 파형 형상으로 하는 것으로 (도 3의 코일(221~224，221h~224h 참조), 보정치를 이용하는 일 없이 리니어리티를 개선하고 있다.
상기 접점 출력회로(23)는, 그의 실장 스페이스나 필요에 따라서 접점 수가 적절히 설정되어 있고, 예컨대 온·오프라고 하는 2치화된 신호를 출력하는 전자 캠으로서의 기능을 갖고, 상기 콘트롤러(17)와 함께 제어회로를 구성한다. 여기서, 전자 캠은, 앱솔루트 데이터로서의 회전 각도(θ)를 참조하고, 유저에 의해 설정된 각도에 대응하는 캠 스위치 신호(출력신호)를 온·오프하도록 구성되어 있다. 이 점, 온·오프의 타이밍의 설정은, 메카니컬 캠인 캠 리미트 스위치인 경우, 그의 구성 요소의 위치 조정 등의 귀찮은 작업이 필요하게 되지만, 전자 캠인 경우, 유저의 입력조작에 의해 간단하게 행할 수 있다. 구체적으로는, 온·오프의 타이밍 에 관한 데이터 포인트(각도)에 관하여, 예컨대 상위 필드 기기 혹은 전용 기기 (이들을 외부기기로 한다)에 의해 필드 버스(19a)를 개재하여(네트워크 경유로) 유저의 소망하는 값으로 설정한다. 예컨대, 외부기기에서의 입력 조작에 의해, 회전 각도(θ)에 관하여 기계각으로 0도(제1 각도)와 90도(제2 각도)가 설정된 경우, 콘트롤러(17)는, 축(10a)의 회전 각도(θ)가 0도 이상이고 또 90도 이내로 판정하면, 그 0도 내지 90도의 범위에 있는 기간, 출력신호를 온(또는 오프)하는 제어를 행한다. 이 설정치를 변경하지 않는 경우에는, 네트워크 접속을 떼어서 심플한 상태로 할 수 있고, 혹은 제1 각도 및 제2 각도의 각 디폴트치를 미리 메모리부(20)의 EEPROM 등에 기억시키고, 그의 설정 변경에 의해 갱신할 수도 있다. 또, 전자 캠에 의하면, 메카니컬 캠과는 달리, 캠의 마모나 위치 어긋남 등의 문제도 생기지 않아, 메인트넌스(maintenance)적으로 유리하다.
캠 스위치 신호는, 전자 캠의 용도에 따라서는 고속응답성을 필요로 하지 않고, 상위 필드 기기에 의해, 그의 신호의 처리를 행하는 것도 가능하다. 이 경우, 상위 필드 기기는, 필드 버스(19a)를 개재하여 바이너리 데이터를 읽어들여 캠 스위치 신호를 출력하지만, 예컨대 네트워크의 이상시나 상위 필드 기기의 고장시에, 관련 신호가 끊어져 버리면 문제가 생기는 시스템도 상정(想定)된다. 또, 전자 캠의 용도 중에는, 축(10a)의 각도가 변화되고 나서 캠 스위치 신호가 얻어지기까지의 지연 시간에 관하여, 수십 μｓ 이하의 값이 요구되는 일도 있고, 고속응답성이 요구되는 일도 있다. 이 경우, 상위 필드 기기가 데이터를 읽어들이고 나서 온·오프한 것은 지연시간이 길어져서, 관련 요구를 만족할 수 없다. 따라서, 네트워크 등으로부터 독립하여, 고속의 온·오프 제어를 행하는 것은, 충분히 의의가 있다.
이 점, 회전 검출기(10)는, 센서부, 콘트롤러(17), 접점출력회로(23) 등이 탑재되어 있고, 전자 캠의 기능을 포함하는 각종의 기능을 포함한다. 또, 콘트롤러(17)로서 FPGA뿐만 아니라, 전용 게이트 어레이를 적용할 수 있고, 이에 의해 전자 캠의 온·오프 제어를 행할 수 있다. 또한, 자세하게는 후술하는 바와 같이, 여자신호를, 100KHz~5MHz라고 하는 고주파수로 설정하는 것으로, 데이터의 갱신시간요컨대 상기 지연시간을 예컨대 10μｓ 이내의 설정으로 하는 것도 가능하며, 전자 캠의 고속응답의 요구에 따를 수 있다. 또한, 접점출력회로(23)는, 후술하는 펄스 엔코더로서의 기능을 지닌 구성으로 하여도 좋다.
또한, 접점출력회로(23)는, 예컨대 소정 시간 당의 상기 회전 각도(θ)(또는 후술하는 회전회수)와 소정 문턱치와의 비교 결과에 따라서 온·오프 하는 스위치 신호를 출력하는 제한속도 검출기능을 갖는다. 여기서, 제한속도 검출기능은, 축(10a)의 회전속도가 기준(제한의 기준)으로 되는 소정 문턱치 이상으로 되었을 때에, 출력신호를 온 또는 오프로 하는 기능이고, 상기 외부기기에 의해, 각종 설정을 행할 수 있다.
상세하게는, 콘트롤러(17)는, 자신이 갖는 수정발진기에서 생성되는 클록 신호를 사용하여 측정되는 소정 시간 당의 회전 각도(θ), 요컨대 축(10a)의 회전속도[ｒpｍ]을 연산한다. 또, 자세하게는 후술하는 바와 같이, 콘트롤러(17)는, 앱솔루트 데이터를 이용하여 축(10a)의 회전방향을 판별하고, 그의 회전방향 판별신호를 생성하도록 되어 있다. 그리고, 메모리부(20)에는, 소정 문턱치로서 설정된 시계 회전 방향(CW)의 디폴트값과, 반시계 회전 방향(CCW)의 디폴트값이 기억되어 있다. 소정 문턱치는, 상기 외부기기에서의 입력조작에 의해, 회전방향에 관계없이 또는 각각의 회전방향에 관하여 유저의 소망하는 복수의 상이한 값으로 설정할 수 있어, 그 설정 변경 후의 소정 문턱치는, 메모리부(20)에 기억된다. 따라서 예컨대, 시계 회전 방향(CW)의 회전속도에 관하여 설정된 복수의 소정 문턱치 중의 낮은 값을 제1 문턱치, 높은 값을 제2 문턱치로 한 경우, 콘트롤러(17)는, 연산한 회전속도가 당해 회전방향에서의 제1 문턱치를 초과하였다고 판정하면 출력신호를 온(또는 오프)하고, 또한 제2 문턱치를 초과하였다고 판단하면 출력신호를 오프(또는 온)하는 제어를 행한다.
본 실시형태와 다르게, 기계적으로 스위치를 개폐하는 속도개폐기가 있다. 예컨대, 원심력 속도개폐기는, 외곽을 이루는 본체 케이스 내에, 원심력으로 이동하는 가동부가 수용되고, 그의 축의 회전에 수반하는 당해 가동부의 위치변화에 의해 전기적 접점을 개폐하도록 구성되어 있다. 이런 것으로는, 전기적 접점이 개폐할 때의 회전속도는 물리적으로 정해져서, 축의 회전방향을 특정할 수 없다. 또, 원심력 속도개폐기로는, 전기적 접점의 개폐 시의 문턱치를 변경하거나, 복수의 문턱치를 지닐 수 없다. 기계적 가동부는, 마모나 녹, 분진의 영향 등에 의해, 회전속도의 검출이 불안정하게 되거나, 동작 불량의 원인으로 된다. 또한, 속도개폐기의 본체 케이스는, 가동부의 가동범위 및 안정한 동작을 확보하기 위한 스페이스가 필요하게 되어, 소형화가 곤란하다.
이 점에서, 본 실시형태에서는, 전술한 바와 같이 앱솔루트 데이터가 콘트롤러(17)에서 생성되고, 또, 검출신호에 관한 고속 응답성과 고정밀도의 클록 신호가 서로 어울려서, 회전속도의 산출은, 극히 간단하고 또 고정밀도의 것으로 된다. 또한, 회전속도에 관하여, 외부기기에 의해 필드 버스(19a)를 개재하여, 회전방향 마다 복수의 문턱치의 설정이 가능하고, 이 설정치를 변경하지 않는 경우에는, 네트워크 접속을 제거할 수 있다. 따라서, 네트워크에서의 통신이상이 생겨도, 회전 검출기(10)에서는, 제한속도 검출기능(접점출력)이 정상으로 기능하고 또 종래의 마모나 동작불량의 문제도 생기지 않아, 신뢰성이 높은 시스템을 구축할 수 있다.
<다층 기판>
그런데, 회전 검출기(10)의 외곽 케이스(10b)는 예컨대 원통상을 이루고, 당해 케이스(10b) 내에, 예컨대 원판상을 이루는 스테이터 기판(11) 및 로터 기판(12)이 배치되어 있다. 스테이터 기판(11)은, 외곽 케이스(10b)에 대하여, 도 2에서 상하 2개소에 부착된다. 이들 한 쌍의 스테이터 기판(11)은, 상하에 대칭적으로 배치되는 거의 동일한 구성의 기판을 이용하는 점에서, 이하에서는 상측의 기판에 부호「11u」, 하측의 기판에 부호「11d」, 각각의 구성 요소에는 동일 부호를 붙여서 일괄하여 설명한다.
스테이터 기판(11u,11d)은, 예컨대 제1층(L1)~제3 층(L3)으로 이루어지는 범용 프린트 다층 기판으로 구성되어 있다. 스테이터 기판(11u,11d)은, 각각의 중심부에 축(10a)에 비하여 직경이 큰 삽통 구멍(110)을 갖고, 축(10a)에 삽통되도록 배치된다. 스테이터 기판(11u,11d)의 절연기재는, 예컨대 4층의 글래스 기재 에폭시 수지로 이루어진다. 도 3에 도시하는 스테이터 기판(11u,11d)의 분해도에서, 제1 층(L1) 및 제2 층(L2)에 코일 패턴층이, 제3 층(L3)에 결선층이 각각 제공되어 있고, 소위 쓰루홀 구멍 가공에 의해, 각 코일 패턴층과 결선층 사이를 전기적으로 접속하고 있다.
구체적으로는, 스테이터 기판(11u,11d)에서, 제1 층(L1)의 코일 패턴층은 평면적인 동박 패턴에 의해 형성되어 있고, 내주측의 여자코일(141)과, 외주측의 검출 코일(211a，211b，211ah，211bh)로 이루어진다. 이 중 내주 근처의 검출 코일(211a，211b)은, 후술하는 1피치 코일에 대응하고 있고, 기계각(축(10a)의 1회전을 360도로 한 경우의 각도)에서 360도분의 절대 위치를 검출하기 위한 코일이다. 외주 근처의 검출 코일(211ah，211bh)은, 후술하는 16피치 코일과 대응하고 있고, 고분해능으로 회전 각도를 검출하기 위한 코일이다.
동일하게, 제2 층(L2)의 코일 패턴층도, 내주측의 여자코일(142)과, 외주측의 검출 코일(212a，212b，212ah，212bh)로 이루어진다. 이렇게 하여, 스테이터 기판(11u,11d)의 각 여자코일(14)은, 복수층의 여자코일(141，142)의 패턴으로 구성된다. 또, 스테이터 기판(11u,11d)의 각 검출 코일(21a，21b)은, 복수층의 코일(211a~212bh)의 패턴으로 구성된다.
제3 층(L3)의 결선층은, 도 3에 도시하는 단자(p1，p2，…)로 이루어지는 단자군(P)을 배선을 위해 연결하는 미세한 선의 패턴으로 구성되어 있다. 이렇게 하여, 스테이터 기판(11u,11d)은, 도 2에 도시하는 로터 기판(12)에 대하여, 제1 층(L1)이 내측, 제3 층(L3)의 단자군(P)이 외측으로 되는 방향으로, 당해 로터 기판(12)과 갭을 가지고 대향한다. 또한, 각 기판(11u,11d)은, 상기 구성에 한정되는 것이 아니고, 제2 층(L2)과 제3 층(L3) 사이에 전자파를 실드(shiled)하는 층을 제공하는 등, 적절히 변경하여도 좋다.
상기 로터 기판(12)은, 예컨대 제1 층(L1)~제4 층(L4)으로 이루어지는 범용 프린트 다층 기판으로 구성되며, 절연 기재로서 글래스 기재 에폭시 수지가 사용되고 있다. 로터 기판(12)은, 중심부에 축(10a)에 감합하는 감합 구멍(111)을 갖고, 축(10a)에 부착 고정되어 있다. 로터 기판(12)의 제1 층(L1)~제4 층(L4)는, 로터 코일(22)로서 각각 동박(銅箔)으로 이루어지는 평면적인 코일 패턴층을 갖는다.
구체적으로는, 도 3에 도시하는 바와 같이, 로터 기판(12)의 제1 층(L1) 및 제4 층(L4)의 내주측에는, 스테이터 기판(11u,11d)의 여자코일(141，142)에 대응하는 트랜스코일(241，244)이 제공되어 있다. 이 로터 기판(12)의 트랜스코일(241，244)에 대하여, 스테이터 기판(11u,11d)의 여자코일(141，142)로부터 비접촉으로 여자신호(교류신호)가 공급되도록 되어 있다. 이들 코일(141，142，221，224)은, 로터리트랜스를 구성한다.
또, 로터 기판(12)의 제1 층(L1)~제4 층(L4)에는, 트랜스코일(241，244)과 전기적으로 접속된 내주 근처의 1피치 코일(221，222，223，224)과 외주 근처의 16피치 코일(221h，222h，223h，224h)이 제공되어 있다. 이들 1피치 코일(221~224) 및 16피치 코일(221h~224h)은, 스테이터 기판(11u,11d)의 검출 코일(211a~212b) 및 (211ah~212bh)과 대응하는 위치에 형성되어 있다.
상기와 같이, 스테이터 및 로터를 다층 기판(11u,11d, 12)으로 하는 것으로, 종래의 자성 재료에 대한 구성 부품의 부착 작업이 불필요하게 되어, 공정 수를 저감하여 저(低)비용화를 도모할 수 있다. 또 자성재료의 포화에 의한 자기 특성의 급변이 없고, 외부자계의 바이어스나 시간적 변화의 영향을 적게 할 수 있다. 다층 기판(11u, 11d, 12)은 자성 재료의 재질에 비하여 가볍고, 그 중량을 대폭적으로 저감할 수 있으며, 부하 이너셔(inertia)를 극력 작게 할 수 있다. 특히, 회전 검출기(10)가 서보모터 등에 적용되는 경우, 당해 모터의 입장에서 볼 때 쓸데없는 부하 이너셔로 되지 않기 때문에, 실용상, 유용하다. 또, 다층기판(11, 11u, 11d)에서는, 마그넷 와이어를 사용한 권선과 달리, 제조 불균일이 적은 각종의 형상의 코일 패턴을 간단하게 얻을 수 있다.
<코일의 피치와 형상>
본 실시형태의 1피치 코일(221~224) 및 16피치 코일(221h~224h)은, 모두 사인 곡선 형상을 이룬다. 여기서, 도 3~도 5에서는 설명의 편의상, 그들 코일 (221~224，221h~224h)의 각 사인 곡선 형상을 직사각형 파형으로 개념적으로 도시하고 있고, 도 4는 1피치 코일(221)과 검출 코일(211a，211b)의 위치 관계를, 도 5는 16피치 코일(221h)과 검출 코일(211ah，211bh)의 위치 관계를 모식적으로 도시하고 있다.
즉, 도 4a의 1피치 코일(221)은, 실제로는 원환상으로 연결되는 (로터 기판(12)의 주(周)방향으로 연결된다) 사인 곡선상을 이루고 있고(도 3 참조), 기계각으로 360도분(1회전)을 1피치로 한다. 도 4b의 한 쌍의 검출 코일(211a，211b)은, 서로 1/4피치 어긋나서 서로 다르게 되도록 제공된 위치 관계에 있다. 또한, 도 4a, b에서는, 원환상으로 배치되는 당해 코일(221，211a，211b)을 좌우 방향으로 연장하도록 전개된 형으로 도시하고 있다.
이들 1피치 코일(221)과 검출 코일(211a，211b)과의 전자적 결합 요컨대 유도전압은, 당해 코일(221)과 코일(211a，211b)의 어느 것과 중첩된 위치에서 최대로 된다. 그 유도전압은, 로터 기판(12)의 회전방향(도 4a의 우방향 화살표 참조)으로의 이동에 수반하여 서서히 감소되고, 1/4피치 어긋난 위치에서는, 자속이 서로 지워져서 0으로 된다. 또, 유도전압은, 1/2피치 어긋난 위치에서 역극성이 최대치를 취하고, 또한 회전하면, 3/4피치 어긋난 위치에서 다시 0으로 된다. 그리고, 1피치분 이동한 위치에서는 원래의 최대치의 유도전압을 얻을 수 있다. 이와 같이유도전압은, 코일(221)의 1피치와 동일한 로터 기판(12)의 회전주기에서 1사이클을 그리고, 그 후에도 로터 기판(12)의 회전에 수반하여 동일 사이클을 반복한다.
또, 도 4b의 검출 코일(211a，211b)은, 상호 1/4피치 어긋나 있기 때문에, 로터 기판(12)의 회전에 수반하여 전자결합이 cos，sin 곡선으로 변화하는 2개의 유도전압을 얻을 수 있다. 이러한 전기적 결합 정도는, 로터 기판(12)과 스테이터 기판(11) 간의 상대 위치(상대 각도)의 차를 θ로 한 경우, 검출 코일(211a)에서는 cosθ에 비례하는 한편, 검출 코일(211b)에서는 sinθ에 비례한다. 따라서, 유도전압의 변화는, 양 코일(211a，211b)과 상대 각도에 의해 정해지는 일의적인 관계에 있기 때문에, 이 검출 코일(211a，211b)에 유도되는 전압을 검출하는 것으로 회전 각도를 구할 수 있다.
도 5a의 16피치 코일(221h)도, 실제로는 원환상으로 연결되는 사인 곡선 상을 이루고 있고(도 3 참조), 동일 도에서는 당해 코일(221h)의 일부를 개념적으로 도시하고 있다. 16피치 코일(221h)은, 로터 기판(12)에서의 피치수 α를 16, 요컨대 기계각으로 1/16 회전분의 각도(22.5도)를 1피치로 한다. 여기서, 「1피치」라는 것은, 그의 각도 범위에서 앱솔루트의 위치 검출을 하는 구간에 상당한다. 이 분할수인 피치수는「16」에 한정되지 않고, 「8」이나「32」로 설정하는 등, 적절히 변경할 수 있다.
도 5b의 검출 코일(211ah，211bh) 중 한쪽의 코일(211bh)은, 16피치 코일(221h)에 대하여 1/4피치 어긋나 있다. 또, 검출 코일(211ah，211bh) 상호간에서는 1/4피치 어긋나 있기 때문에, 검출 코일(211ah)에서는 Cos(αθ)에 비례하는 유도전압이 검지되고, 검출 코일(211bh)에서는 Sin(αθ)에 비례하는 유도전압이 검지된다.
<신호처리의 개념도>
도 6은, 상기한 회전 검출기(10)의 콘트롤러(17)에서의 신호처리의 개념도를 도시하고 있다. 여기서, 축(10a)과 함께 로터 기판(12)이 회전하는 회전 각도를 θ로 하고, 여자코일(141，142)에 공급하는 여자신호(후술하는 MHz 대의 교류전류)를 도 6 중, lcosωt로 나타낸다. 또, 1피치 코일(221~224) 및 16피치 코일(221h~224h)은, 트랜스코일(241，244)(로터리트랜스)를 개재하여 여자된다. 이때, 검출 코일(21a，21b)에는, 축(10a)의 회전에 따라서 진폭변조된 사인파상 출력신호와 코사인파상 출력신호가 유도된다.
여기서, 도 6의 동기 정류회로(31)에는, 16피치 코일용의 검출 코일(211ah，212ah)의 출력신호(Kp·cosωｔ·cos16θ)가 입력된다. 동기 정류회로(32)에는, 1피치 코일용의 검출 코일(211a，212a)의 출력신호(Kc·cosωｔ·cosθ)가 입력된다. 동기 정류회로(33)에는, 1피치 코일용의 검출 코일(211b，212b))의 출력신호(Kc·cosωｔ·sinθ)가 입력된다. 동기 정류회로(34)에는, 16피치 코일용의 검출 코일(211bh，212bh)의 출력신호(Kp·cosωｔ·sin16θ)가 입력된다. 또한, l，Kp，Kc는 계수이고, 이하의 Lp，Lc도 계수로 한다.
동기 정류회로(31~34)는 각 출력신호의 동기 정류를 행한다. 또, 로패스 필터(LPF)(35~38)는, 동기 정류회로(31~34)의 각 출력신호의 고주파 성분을 제거한다. 이에 의해, 연산회로(39a)는, 로패스 필터(35)로부터 입력되는 신호(Lp·cos16θ)와 로패스 필터(38)로부터 입력되는 신호(Lp·sin16θ)에 기초하여 회전 각도(θ)를 연산한다. 또, 연산회로(39a)는, 로패스 필터(36)로부터 입력되는 신호(Lc·cosθ)와 로패스 필터(37)로부터 입력되는 신호(Lc·sinθ)에 기초하여 회전 각도(θ)를 연산한다. 이에 의해, 연산회로(40)는, 연산회로(39a，39b)에서의 산출치를 합성하는 것에 의해, 이하에 설명하는 앱솔루트 데이터로서 축(10a)의 회전 각도(θ)를 검출하는 것과 함께, 보다 고분해능으로 당해 각도 θ를 얻는다.
<1T 센서부 및 16T 센서부>
상기 회전 각도(θ)는, 1피치 코일(221~224)에 관하여 4비트, 16피치 코일(221h~224h)에 관하여 16비트의 디지털 위치 신호로서 줄 수 있다. 여기서, 도 7은, 1피치 코일(221~224) 및 검출 코일(211a~212b)(이하, 1T 센서부라 함)과, 16피치 코일(221h~224h) 및 검출 코일(211ah~212bh)(이하, 16T 센서부라 함)에 관한 디지털 위치 신호의 값을 나타내고 있다.
동일 도에 도시하는 바와 같이, 축(10a)이 기계각으로 360도 회전하는 경우, 1T 센서부에서「0」~「15」의 디지털 값으로 되고, 16T 센서부에서「0」내지「4095」까지의 카운트업(count up)을 16회 반복하는 디지털 값으로 된다. 1T 센서부 및 16T 센서부는, 모두 1피치에서의 출력신호의 비선형성, 요컨대 회전 각도에 관한 직선성 오차의 비율은 대략 동등하게 된다. 따라서, 축(10a)의 기계각으로부터 보면, 16T 센서부는 1T 센서부에 비하여 오차의 정도를 1/16로 저감시킬 수 있어, 오차특성의 관점에서 아주 적합하다. 이와 동일하게, 분해능(상기 분할수)나, 온도특성, 내노이즈 특성에 관하여도, 16T 센서부가 보다 바람직한 것으로 된다.
이와 같이, 비교적 피치가 작은 16T 센서부는, 센서 특성을 향상시키는 수단으로서 유효한 한편, 앱솔루트 값으로서 검출될 수 있는 범위, 요컨대 1피치의 기계각은 22.5도에 한정된다. 이 때문에, 축(10a)의 기계각 360도의 회전위치에 관하여, 도 7에 도시하는 16의 블록 중, 어느 블록의 위치인지 식별될 수 없다. 한편, 1T 센서부는, 제특성에서 16T 센서보다 열등하지만, 기계각 360도를 1피치로 하고 있어서, 축(10a)의 1회전 중의 회전위치를 파악하는 것이 가능하게 된다. 따라서, 1T 센서부의 위치 신호를 사용하여, 16T 센서부에서 불명이었던 블록의 위치를 식별한다. 이렇게 하여, 도 7의 데이터 구성의 경우, 1회전 앱솔루트 센서로서, 기계각으로 360도/(4096×16)의 회전의 변화를 검출하는 회전 검출기(10)로 된다.
이에 의해, 1T 센서부와 16T 센서부에서 동시에 검출하여, 고정밀도·고분할수이고 또 축(10a)의 1회전을 앱솔루트 검지하는 것이 가능하게 된다. 또한, 16T 센서부는, 8T(1/8분할)이나 32T(1/32분할)이라고 하는 피치로 설정하여도 좋다. 이 분할수는, 물리적인 배치 스페이스나, 1T 센서부에 의해 회전위치를 특정하는 비트수에 따라서 설정한다. 또, 센서부는 상기의 1T와 16T의 2종에 한정되지 않고, 예컨대 1T，8T，64T라고 하는 3종 혹은 그 이상의 종류의 센서부를 탑재한 다층 기판을 사용하여, 보다 고성능으로 하여도 좋다. 또한, 상기한 다층 기판(11u,11d, 12)에서는 코일 형성을 포함하는 설계의 자유도가 높고, 각종의 복수의 코일(센서부)을 간단하고 또 용이하게 실장할 수 있어, 저가의 구성으로 할 수 있다.
<여자신호의 주파수>
그런데, 인덕트신(상품명) 등의 회전 센서에서는, 센서 코일의 인덕턴스나 자기결합도를 높이기 위하여, 스테이터나 로터를 자성재료로서 철 등의 금속재료로 구성하는 것이 일반적이다. 이 회전 센서에서의 여자신호의 주파수는, 수 100Hｚ~10KHz 정도로 설정되어 있다. 그의 이유는, 다음과 같다.
[1] 인덕턴스가 충분히 높기 때문에, 비교적 낮은 여자신호의 주파수에서도 충분한 검출신호를 얻을 수 있다.
[2] 본 실시형태와 다르게, 회전 센서는, 그의 검출회로(제어장치)와 별체이다. 따라서, 회전 센서와 제어 장치와의 이간거리(양자를 접속하는 케이블 길이)가 있기 때문에, 선간 용량의 영향을 받지 않도록 낮은 주파수로 설정하고 있다. 또, 선간의 크로스 토크에 의해, 센서 리니어리티가 악화하여, 그의 영향도도 케이블 길이에 의해 변화한다.
[3] [1]와 같이 인덕턴스가 높기 때문에, 높은 여자신호의 주파수이면, 공진의 영향이 나와서, 오차가 증대한다.
[4] 자성재료로서 사용되는 철이나 규소 강판 등은 고주파 특성이 그 정도 좋지 않다.
[5] 서보시스템에서 사용되는 경우에서도 20KHz 정도의 여자신호의 주파수에서 실용적으로 충족된다.
[6] 아날로그 시스템에서, 고속에서는 소기(所期)의 특성을 얻을 수 없다.
한편, 본 실시형태와 같이 자성재료를 사용하지 않고, 예컨대 직경이 φ60ｍｍ 정도의 케이스(10b)에, 코일을 포함한 다층 기판을 수용하는 것으로 한다. 이 경우, 다층 기판의 직경은 φ50ｍｍ 정도로 되고, 여자회로로부터 본 코일(센서부)의 인덕턴스의 값은, 예컨대 수 μH~10μH로 매우 작게 된다. 여기서, 예컨대 인덕턴스가 10μH, 주파수가 10KHz일 때, 임피던스(Z1)는, 이하와 같이 된다.
Z1＝2πfL＝2π×10×103×10×10-6≒0.63[Ω] …(1)
이 점, 코일을 여자하는 센서 구동 회로의 출력전류는, 버퍼 회로를 강력한 것으로 하면, 0.5[AO -P] 정도도 기술적으로는 곤란하지 않다. 무엇보다, 이와 같은회로는 부품 개수의 증가나, 소비 전류의 증가라고 하는 문제뿐만 아니라, 발열에 의한 신뢰성 저하의 문제도 생기게 할 수 있다. 또, 히트 싱크를 제공하면 점유 스페이스가 증대하고, 본 실시형태와 같이 센서부와 제어 장치를 일체형으로 하여 소형화를 도모하도록 하는 기술적 사상과 모순된다. 그래서, 센서 구동 회로의 출력전류는, 10~30[ｍAO -P] 정도로 설정하는 것으로 한다. 예컨대 30[ｍAO -P]의 구동 전류를 식(1)의 Z1(≒0.63Ω)에 인가한 경우, 그의 양단에 나타나는 전압(V1)은, 이하와 같이 된다.
V1＝Z1×30≒18.8[ｍVO -P] …(2)
또한, 식(2)에서는 직류저항 성분을 무시하고 있다.
또한, 센서부의 2차 검출회로 요컨대 2차측에 유도되는 검출전압(V2)은, 상기 V1 전압에 대하여, 수 % 정도로 되는 것으로 생각된다. 이와 같이, 본 실시형태에서는, 자성재료를 사용한 통상의 구성과 달리, 자기결합도를 높게 할 수 없기 때문에, 이 비율을 고려한다. 예컨대, 당해 비율이 3%로 되면, 검출전압(V2)은 이하와 같이 된다.
V2＝V1×0.03＝18.8×0.03≒0.56[ｍVO -P]　…(3)
이 결과는, 여자신호에 관하여 10[KHz], 30[ｍAO -P]에서 센서부를 여자한 경우, 검출전압은 0.56[ｍVO -P]으로 되는 것을 나타낸다. 이 점, 검출전압은, 증폭하는 하는 등 최종적으로는 A/D 컨버터에 입력되지만, 이 입력시의 전압은, 통상 수 V 정도로 할 필요가 있다.
때문에, 관련 조건에서는, 검출전압에 관하여 3000배 이상 증폭할 필요가 있고, 게인을 높게 잡아야 하기 때문에, 부품 개수의 증가를 초래한다. 또, 게인이 매우 높은 증폭회로는, 신호의 입력단과 증폭 출력단과의 근소한 결합(정전결합, 자기결합, 공통 임피던스)에 의해, 상정 외의 정귀환(正歸還)이 걸려 발진하는 수가 있다. 그래서, 무엇보다 검출전압 자체가 작고, 증폭회로 자신의 노이즈의 영향이나 외래 노이즈에 영향을 받기 쉬운 문제가 있다.
여기서, 증폭기의 노이즈에 관하여 간단한 고찰을 가한다. 검출전압(V2)을 증폭하는 초단의 연산증폭기는, 10[KHz]의 신호에서 위상이 어긋나지 않도록, 동작 주파수에 대하여 충분히 넓은 대역폭을 필요로 한다. 이점, 일반적인 광대역의 연산증폭기의 입력환산 잡음 전압 밀도는 10nV/(Hｚ)1/2 정도이기 때문에, 상기 대역폭을 1[MHz]로한 경우, 입력부 잡음 전압(Vn)은, 이하와 같이 된다.
Vn＝10×10-9×(1×106)1 /2＝0.01[ｍVO -P]　…(4)
이 Vn은, 식(3)의 V2＝0.56[ｍVO -P]의 2% 근처로 되어 있고, 일견하여 큰 문제는 아닌 것으로 보인다. 무엇보다, 보다 높은 검출 정밀도를 실현하려고 하는 구성에서, 초단 연산증폭기의 입력 노이즈가 영향을 주도록, 초미소 입력으로 사용한다는 것은 현실적으로는 문제가 많다. 또, 전술한 외래 노이즈 외, 회로의 전원 라인의 노이즈, DC/DC 전원의 스위칭 노이즈, 로직 신호로부터의 크로스 토크 등도 신호에 영향을 준다.
이와 같은 문제의 대책으로서, 여자신호의 전류를 크게 하는 것도 고려할 수 있지만, 전술한 이유에서 바람직하지 않다. 그래서, 본 실시형태에서는, 여자신호의 주파수를 높이는 것으로 한다. 예컨대, 여자신호의 주파수를, 원래의 10KHz로부터, 10배인 100KHz로 높이면, 상기 Z1, V1, V2는, 이하와 같이 된다.
Z1＝2πfL＝2π×100×103×10×10-6≒6.3[Ω]　…(5)
V1＝Z1×30≒188[ｍVO-P]　　　　　…(6)
V2＝188×0.03≒5.6[ｍVO-P]　　　…(7)
이와 같이, 검출전압(V2)은, 여자신호의 주파수에 비례하여 증가하고, 노이즈 내성도 높아진다. 따라서, 여자신호의 주파수를, 또한 10배 높여서 1MHz로 설정한 경우, 검출전압(V2)도 또 10배로 되어, 보다 바람직한 것으로 된다. 또, 여자신호의 주파수를 높게 설정한 경우에서의 전술한 [2]~[6]의 문제에 관하여는, 다음과 같이 해결할 수 있다.
[2]의 문제
본 실시형태의 회전 검출기(10)와 같이, 센서부와 콘트롤러(17)를 포함하는 검출회로를 동일 케이스(10b) 내에 수용하였기 때문에, 로터 기판(12)과 검출회로 기판(15) 사이의 케이블 길이를 극력 짧게 할 수 있다. 이 경우의 케이블 길이는, 극력 짧은 일정 길이(예컨대 3cｍ 이하)로 억제할 수 있다. 따라서, 케이블의 선간 용량도 실질상 무시할 수 있는 정도의 영향 밖에 받지 않는다. 환언하면, 여자신호의 주파수를 높이는 것과, 센서부와 그의 제어 장치를 상호 근접 배치하는 것은 상성이 좋다고 말할 수 있다.
[3], [4]의 문제
회전 검출기(10)는, 자성재료를 사용하지 않기 때문에 인덕턴스가 낮고, 그 때문에, 여자신호의 주파수를 비교적 높은 값으로 설정하고 있다. 이것은, 자성재료를 사용한 스테이터와 로터의 고주파 특성이 악화하는 문제와 표리 일체의 관계에 있다. 이와 관련하여, 시판되고 있는 초크 코일 등과 같이, 양호한 주파수 특성을 갖는 일반적인 인덕턴스 부품에서, 공진상태(자기공진)를 나타내는 것은, 그의 임피던스가 1KΩ~수 10KΩ 정도인 것이 알려져 있다. 이 경우, 어떤 인덕턴스 값이어도, 임피던스가 1KΩ~수 10KΩ 정도로 되도록 주파수에서 공진에 이르는 점에서, 코일과 코일 자신에 의한 선간용량에서 오는 물리적 한계로 생각된다.
본 실시형태의 회전 검출기(10)도 인덕턴스라고 하는 견지에서 본 경우, 동일하게 공진하는 것이고, 공진현상에 의한 전류 위상의 부정상태의 영향을 받지 않도록 하기 위하여, 공진주파수보다 충분히 낮은 주파수에서 구동해야 한다. 이 점에서 임피던스 값이 수 10Ω~수 100Ω 정도 이하까지는, 공진의 영향을 받지 않는 센서로서 충분히 기능하는 것으로 생각된다. 여기서, 상기 Z1에 관하여, 임피던스의 한계를 300Ω으로 하였을 때의 주파수를 역산하여 본다.
f＝Z1/2πL≒4.8[MHz]　　　　　　…(8)
요컨대, 회전 검출기(10)에서, 공진의 영향을 받지 않고 충분히 기능하는 주파수는, 원리적으로 약 5MHz 정도라고 말하는 것으로 된다. 또한, 센서부의 코일 설계는, 다소의 융통성이 있기 때문에, 이 값이 절대적 한계라는 것은 아니다. 또, 임피던스가 너무 높아진 경우, 30[ｍAO -P]라고 하는 전류로 구동하면, 코일 양단의 전압이 너무 상승하여, 드라이브할 수 없는 문제도 있다. 이 점에서 보아도, 코일의 임피던스는 수 100Ω 이하로 되도록 여자신호의 주파수 범위로 설정하는 것이 이치에 맞게 되어 있다.
[5]의 문제
상기와 같이, 본 실시형태에서는 종래보다도 높은 여자신호의 주파수 범위로 설정하였기 때문에, 회전위치 검출에 관한 응답주파수를 향상시킬 수 있어, 보다 바람직한 구성이라고 말할 수 있다.
[6]의 문제
근년의 반도체 디바이스의 진보에 의해, 본 실시형태의 검출회로에서 중요하게 되는 ＯP 앰프에 관하여 대역이 1ＧHｚ를 초과하고, 소형이며 또 저가격의 것을 용이하게 입수할 수 있다. 또한, 검출회로에서 중요하게 되는 A/D 컨버터도, 샘플 레이트(sample rate)가 100MHz를 초과하고, 소형이며 또 저가격의 것을 용이하게 입수할 수 있다. 이렇게 하여, 발명자는, 이들 부품을 활용한 회전 검출기(10)에 관하여, 5MHz의 여자신호의 주파수에서 동작하는 검출회로를 구축하였다.
도 8은, 이 때 여자코일(141，142)에 공급하는 여자신호의 주파수와, 검출 코일(211ah~212bh)에서 검출되는 전압(V2)(최대치로 되는 로터 위치에서의 검출치)과의 관계를 도시하고 있다. 동일 도에 도시하는 바와 같이, 여자신호에 관하여 주파수가 10KHz, 100KHz, 1MHz, 5MHz일 때, 검출전압(V2)의 각각의 피크치[ｍVO-P]는, 약 0.06, 약 0.85, 약 21.2, 약 115로 된다. 이와 같이, 검출전압(V2)은, 여자신호의 주파수에 거의 비례하여 증가하고, 1MHz나 5MHz에서는 충분히 큰 값을 취하는 것을 검증할 수 있었다. 또한, 종래에서, 이와 같은 고주파수로 설정되어 있지 않았던 것은, 원래 주파수를 높게 설정할 필요가 없고(현재 상태에서 충분함) 개선되지 않았던 것도 하나의 원인이라고 생각된다.
이상과 같이, 본 실시형태에서는, 여자신호의 주파수를 100KHz 이상의 고주파수로 설정하고, 바람직하게는 100KHz~5MHz이고, 보다 바람직하게는 1MHz~5MHz로 설정하면 좋다. 이에 의해, 자성재료를 사용하지 않는 회전 검출기(10)이어도 그의 센서로서의 특성을 상승적으로 높여, 응답주파수를 향상시킬 수 있는 등 종래에 없는 효과를 얻을 수 있다.
<로터 코일의 형상>
로터 기판(12) 측의 코일(221~224h)을 사인 곡선 상으로 하면, 검출 코일(211a~211bh)을 포함하는 각 코일에 관하여, 각각의 피치나 각 기판(11, 11u,11d) 사이의 거리를 임의로 설정한 경우에서도, 소기의 유도전압을 얻을 수 있다. 즉, 다층 기판(11，11u,11d)에서는, 전술한 바와 같이 마그넷 와이어를 사용한 권선으로는 실현할 수 없다. 정밀도 좋은 특수한 코일 패턴을, 패턴 성형에 의해 형성할 수 있다.
이 점, 일반적인 인덕트신(상품명)의 코일은 직사각형 파형이지만, 상기한 치수 형상(케이스(10b) 직경에서 φ60ｍｍ)에 적용한 경우, 출력변화 특성의 리니어리티가 악화하는 것이 알려져 있다. 그래서, 후술하는 스테이터 기판(11u,11d) 간의 거리(도 2의 Ｇu，Ｇd 참조)나, 성능 유지에 적합한 코일 구성(1T 및 16T 센서부)에 맞춘 코일 형상으로 설계하는 것으로, 재료비나 조립 공정 수의 증가를 초래하지 않고, 리니어리티의 개선을 도모할 수 있다.
상기 메모리부(20)에, 1T 및 16T 센서부 별로 검출오차를 기억시켜 놓고, 검출오차를 보정치로하여 회전 각도(θ)의 연산을 행하는 구성도 채용할 수 있다. 무엇보다, 이 구성에서는, 센서부 별로 보정 처리를 행하는 것으로 비용 증가 등의 결점도 고려할 수 있다. 따라서, 본 실시형태와 같이 코일(221~224h)을 사인 곡선 상으로 하는 것에 의해, 회전 각도(θ)의 보정을 하지 않는 간단한 구성으로 리니어리티를 향상시킬 수 있다. 또한, 코일(221~224h)을 사인 곡선 상으로 한 경우에도, 오차를 가급적으로 적게 하기 위하여, 오차의 보정 처리를 행하도록 하여도 좋다.
<기판의 배치와「어긋남」>
발명자는, 회전 검출기(10)에서, 로터 기판(12)을 협지하는 양측의 스테이터 기판(11u,11d)의 효과를 검증하기 위하여, 편측의 스테이터 기판(11u)(도 2 중, 상측의 기판(11u))을 생략한 구성과 비교하는 실험을 행하였다. 이하에서는, 전자를 양측 스테이터(11u,11d), 후자를 편측 스테이터(11d)라 약칭하고, 도 9에서는, 기계각 360도를 1피치로 하는 1T 센서부, 도 10에서는, 기계각 22.5도를 1피치로 하는 16T 센서부에 관한 실험 결과를 도시하고 있다.
또, 도 2의 양측 스테이터(11u,11d)와 로터 기판(12)과의 각 대향면 간의 거리 Ｇu，Ｇd를 모두 0.35ｍｍ로 설정하는 것으로 하고, 도 9, 도 10에서는, 당해 로터 기판(12)의 축방향(도 2에서 상방향을 플러스 방향이라 함)의 어긋난 양을 횡축에서 나타내는 것으로 한다. 또, 도 9a 및 도 10a에서는, 1T 및 16T 센서부에 관한 1차 신호(여자신호)의 인가전류를 실기에 가까운 30[ｍAO-P]로 설정하고, 그 때의 2차 신호(출력전압)(V2)의 피크값의 전압[ｍVO -P]을 나타내고 있다.
도 9a에 도시하는 1T 센서부에 있어서도, 양측 스테이터(11u,11d)와 편측 스테이터(11d)에서 출력전압(V2)의 크기의 다름이 명백하게 되어 있고, 그의 전압비는, 로터 기판(12)이 본래의 기준위치 (0ｍｍ)에 있는 경우, 3.6배 정도로 된다. 도 10a에 도시하는 16T 센서부에서도, 양측 스테이터(11u,11d)와 편측 스테이터(11d)에서 출력전압(V2)에 큰 차가 있고, 그의 전압비는, 로터 기판(12)이 기준위치에 있는 경우, 3.7배 정도로 된다. 또, 도 9a 및 도 10a에 도시하는 바와 같이, 1T 및 16T 센서부의 어느 것에 관하여도, 양측 스테이터(11u,11d)는, 로터 기판(12)이 기준위치로부터 ±0.3ｍｍ에 걸쳐 어긋나도, 출력신호(V2)에 주는 영향이 적은 것을 알 수 있다. 이에 대하여, 편측 스테이터(11d)에서는, 로터 기판(12)이 멀어짐에 따라 출력전압(V2)이 작아지고 있다. 그런 이유로, 양측 스테이터(11u,11d)와 편측 스테이터(11d)의 출력전압(V2)의 비를 나타내는 2차 출력 전압비는, 1T 센서부에서는 6.3배(도 9a 참조), 16T 센서부에서는 7.6배(도 10a 참조)로 큰 차가 생기고 있다. 이 결과로부터, 양측 스테이터(11u,11d)에서는, 편측 스테이터(11d) 보다도 출력전압(V2)을 대폭적으로 증가시킬 수 있고, 기판(11u,11d,12)에 부착시 어긋남 혹은 경년(經年) 사용에 의한 어긋남이 생겼다 하더라도 전압 저하를 억제하고, 그 성능을 유지할 수 있는 것을 안다.
또, 도 9b에 도시하는 바와 같이, 1T 센서부에서, 로터 기판(12)의 기준위치 로부터의 어긋난 양과, 그의 어긋남에 수반하는 회전 각도(θ)의 검출오차는 대략 비례한다. 이 경우, 양측 스테이터(11u,11d)에서는, 편측 스테이터(11d)의 검출오차의 1/5 이하의 검출오차가 생기는 것에 지나지 않는다. 도 10b의 16T 센서부에서도, 로터 기판(12)의 기준위치로부터의 어긋남이 생긴 경우, 양측 스테이터(11u,11d)에서는, 편측 스테이터(11d)의 검출오차의 1/4 이하의 검출오차에 그치고 있다. 이 결과로부터, 양측 스테이터(11u,11d)에서는, 기판(11u,11d, 12)에 부착시의 어긋남 혹은 경년 사용에 의한 어긋남이 발생하였다 하더라도, 검출오차를 극력 억제하여 검출정밀도를 유지할 수 있어, 축방향의 어긋남에 강하다고 말할 수 있다.
<여자전류의 위상>
회전 검출기(10)에서, 여자코일(141，142)의 구동에 의해, 로터리트랜스를 개재하여 로터 코일(22)을 여자하는 것으로, 검출 코일(21a，21b)에 유도되는 출력신호를 검출하는 과정을 고려한다. 이 경우, 검출 코일(21a，21b)의 출력신호인 전압의 위상은, 여자코일(141，142)로 흐르는 전류의 위상과 합치한다.
먼저, 검출회로 측에 관한 입력 임피던스는, 검출 코일(21a，21b)의 임피던스보다 충분히 높게 설계하기 때문에, 이 부분에서 위상이 변화하는 것은 아니다. 한편, 여자측에 관하여 코일(141，142)을 전압구동한 경우, 그에 흐르는 「전류의 위상」은, 코일(141，142)의 임피던스에 의해 정해진다. 이 임피던스는, 「코일(141,142)의 「저항」성분과,「인덕턴스에 의한 리액턴스」성분의 합성치이다 (도 11b 참조). 다층 기판(11u,11d)에서의 코일(141，142)의 경우, 인덕턴스 값에 대하여 저항값이 무시될 수 있을 정도로 작지는 않다. 요컨대, 코일(141,142)에 흐르는 전류는, 저항성분이 무시될 수 있는 이상적인 인덕터와 달리, 코일(141，142) 양단의 구동전압에 대하여 90도 위상이 지연된 파형으로 되지 않는다.
본 실시형태와 달리, 일반적인 회전 검출기를 사용한 시스템에서는, 여자신호를 기준신호로 하여, 검출신호를 동기 정류하는 수단이 취해진다. 이 동기 정류처리에서는, 기준신호와 검출신호의 위상 관계도, 회전 각도(θ)를 검출하기 위한 중요한 정보로 되고, 상기와 같이 위상이 어긋난 경우, 기준 신호측의 위상을 필요량 옵셋하면, 관련 문제가 해결되는 것으로 생각된다. 무엇보다, 이 경우, 센서부의 주위 온도의 변화에 의해, 코일의 저항성분이 변화하면(도 11b의 ΔＲ 참조), 이에 수반하는 여자전류의 위상도 어긋난다. 이 어긋난 위상 정도는, 그대로 검출회로 측의 전압위상의 어긋남으로 되어 발생하고, 그 결과, 회전 각도(θ)의 데이터에 어긋남이 발생한다.
그래서, 본 실시형태의 회전 검출기(10)에서는, 도 11a에 도시하는 바와 같이, 여자측에 관하여 코일(141，142)으로의 구동전류를 일정하게 하는 정전류 구동회로(50)에서 구동한다. 따라서, 주위온도의 변화에 의해, 코일(141，142)의 저항성분이 변화하여도, 그의 보상을 여자코일(141，142)의 정전류 구동(콘트롤러(17)의 정전류 제어)에 의해 행하고, 여자전류의 위상을 기지의 것으로 취급할 수 있다. 이와 같은 온도 변화에 관한 보정은, 정전압 구동에 의해 행하는 것도 가능하다. 또한, 여자코일(141，142)의 여자전류의 위상을 검지하기 위하여, 영 크로스점까지의 시간을 카운트하는 카운터를 사용하여 온도 보정을 행할 수 있지만, 상기 정전류 구동에서는, 이 같은 검출회로를 필요로 하지 않는 간단한 구성으로 검출 정밀도를 높일 수 있다.
<펄스 엔코더 기능>
회전 검출기(10)에서의 접점 출력회로(23)는, 전술한 전자 캠 기능이나 제한속도 검출기능 외, 앱솔루트 데이터를 이용하여 펄스 엔코더로서의 기능을 부여할 수 있다. 펄스 엔코더는, 접점출력회로(23)에서 A상, Ｂ상, Z상의 펄스 신호를 출력하는 것이다. 이들의 출력 중, Z상은 1회전 마다 출력되는 기준 위치를 나타내는 펄스이고, 이하에서는 A상 및 Ｂ상의 펄스의 생성 방법을 설명한다.
상기 콘트롤러(17)는, 1T 센서부 혹은 16T 센서부의 디지털 위치 신호를, 도 12a에 도시하는 센서 데이터로서 차분 연산 회로(51)에 출력한다. 차분 연산 회로(51)는 관련 센서 데이터를 일정 주기로 읽어들여, 현재의 주기에서의 센서 데이터와 1주기 전의 센서 데이터와의 차분을 연산하고, 후단의 펄스 변환 회로(52)에 출력한다. 또한, 차분 연산 회로(51)는 연산한 차분을 기초로 하여, 축(10a)의 회전 방향을 판별하고, 그 회전 방향 판별 신호를 펄스 생성 회로(53)에 출력한다.
펄스 변환 회로(52)는, 입력된 차분을 기본으로 하여, 도 12b에 도시하는 바와 같이 일정 주기마다 균등하게 되도록 균등 펄스로 변환한다. 그리고, 펄스 생성회로(53)는, 입력된 균등 펄스와 회전방향 판별신호를 기본으로 하여, A상의 펄스 신호를 생성하는 것과 함께, 당해 A상에 대하여 1/4주기 지연된 Ｂ상의 펄스 신호를 생성한다. 이들 A상, Ｂ상의 펄스 신호의 펄스수 설정, 요컨대 회전량과 발생하는 펄스 수와의 비인 펄스 레이트는, 상기 필드 버스(19a)를 개재하여 입력되는 외부의 설정조작부(도시 생략)에서 임의의 값으로 설정하는 구성으로 한다.
상기 구성과 달리, 광학계의 센서를 이용하는 일반적인 펄스 엔코더에서는, 샤프트에 직결되는 원반상의 글래스를 이용하기 때문에, 충격을 가하면 파손될 우려가 있다. 또, 광학계의 발광소자 및 수광소자는 수명이 비교적 짧아서, 열적 영향에 의한 열화가 진행한다. 이에 수반하여, 펄스가 출력되지 않았다하거나, 펄스의 듀티비(duty ratio)가 50%가 아니게 되는 사태가 생길 수 있다. 또한, 광학계의 부분이 결로되기도 하고, 분진 등이 침입하면, 곧바로 오작동하여, 사용불능으로 되는 등의 문제가 있다.
이 점, 본 실시형태의 회전 검출기(10)는, 종래의 광학계의 센서를 사용하지 않고, 앱솔루트 데이터에 기본으로 하여 A상, Ｂ상, Z상의 펄스 신호를 출력하는 펄스 엔코더로서 기능시킬 수 있다. 이에 의해, 내구성이 우수한 것으로 하고, 수명을 연장할 수 있어, 상기 문제를 해결할 수 있다. 또, 회전 검출기(10)는, 상기 설정조작부로부터 입력된 설정치를 기본으로 하여, 펄스 레이트의 설정 변경이 가능하게 구성되어 있다. 이 때문에, 제조설비의 예비품으로서 종래와 같이 펄스 레이트 마다 다양한 종류의 것을 준비할 필요가 없어, 범용성이 우수한 것으로 할 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 실시형태의 회전 검출기(10)는, 로터 코일(22)이 여자신호로 여자되는 것에 의해 검출 코일(21a，21b)에 유도되는 검출신호를 기본으로 하여, 로터 기판(12)과 스테이터 기판(11u,11d)과의 상대적 회전 각도를 검출하는 구성이며, 여자신호의 주파수에 관하여, 로터 및 스테이터를 각각 자성재료로 구성한 경우에 요구되는 소정 주파수보다도 높게 설정하였다.
이에 의하면, 로터 기판(12) 및 스테이터 기판(11u,11d)은, 자성재료의 재질에 비하여 가벼운 다층 기판을 사용하였기 때문에, 그의 중량을 대폭적으로 저감할 수 있다. 또, 로터 코일(22) 및 검출 코일(21a，21b)은, 다층 기판에서 제조 불균일이 적은 코일 패턴으로서 간단하게 형성될 수 있다. 그리고, 여자신호의 주파수에 관하여, 로터 및 스테이터를 각각 자성재료로 구성한 경우에 요구되는 소정 주파수보다도 높게 설정하는 것으로, 자성재료를 사용하지 않는 것에 의한 전자결합도의 저하를 보완할 수 있다. 또한, 자성재료의 포화 특성 등의 영향을 없앨 수 있어, 검출정밀도를 향상시킬 수 있다.
상기 여자신호를, 100KHz 이상의 고주파수로 설정하였다. 이에 의하면, 검출 코일(21a，21b)에 유도되는 검출신호를 큰 것으로 하여, 노이즈 내성도 높일 수 있다.
상기 한 쌍의 스테이터 기판(11u,11d)을 사용하여 로터 기판(12)을 협지하고또 한 쌍의 스테이터 기판(11u,11d)을 로터 기판(12)에 대하여 각각 대향하도록 배치하였다. 이에 의하면, 1개의 스테이터 기판(11d)을 사용한 경우보다도 검출신호 를 대폭적으로 증가시킬 수 있다. 또, 로터 기판(12)이나 스테이터 기판(11u,11d)에 부착시의 어긋남 혹은 경년 사용에 의한 어긋남이 생겨도, 검출신호의 저하나 검출오차를 억제할 수 있다.
상기 로터 코일(22) (1피치 코일(221~224) 및 16피치 코일(221h~224h))은, 로터 기판(12)에 대하여 사인 곡선 상을 이루는 패턴으로 형성되어 있다. 이에 의하면, 로터 코일(22)을 직사각형 파형상으로 한 경우보다도, 로터 기판(12)의 회전위치와 출력치와의 리니어리티를 향상시킬 수 있다.
본 발명은 상기한, 또는 도면에 기재한 실시형태에만 한정되는 것이 아니고, 각종의 변형 또는 확장이 가능하다.
축(10a)의 회전 회전과 회전각을 동시에 검출하는 다회전 검출형의 구성으로하여도 좋다. 이 경우 예컨대, 축(10a)에 감속 기어를 제공하고, 그의 1회전 마다에 카운트 업 하는 것으로, 회전 회수를 계수한다. 이 다회전 검출형의 회전 검출기(10)에서도, 전술한 전자 캠 기능이나 제한속도 검출 기능을 구비하고, 상기 외부기기에 의해 필드 버스(19a)를 개재하여, 캠 스위치 신호에 관한 회전 각도(θ)나 소정 시간 당의 회전 회전의 측정치에 관한 소정 문턱치의 설정 변경이 가능한 구성으로 하여도 좋다.
이에 의하면, 전자 캠 기능에 관하여 고속 응답성을 얻을 수 있고, 메카니컬 캠과 달리 온·오프의 타이밍의 설정을 간단하게 행할 수 있는 등, 상기한 실시형태와 동일한 효과를 발휘한다. 또, 제한속도 검출기능에 관하여, 콘트롤러(17)는, 상기 검출신호에 기본으로 하여 소정 시간 당의 회전 회수를 측정하고, 당해 회전 회수의 측정치와 소정 문턱치와의 비교 결과에 따라서 온·오프 하는 스위치 신호를 출력한다. 이 때문에, 회전속도의 산출은, 극히 간단하고 또 고정밀도의 것으로 된다. 또, 네트워크 등으로부터 독립하여 고속의 온·오프 제어를 행할 수 있어, 신호성이 높은 시스템을 구축할 수 있는 등, 상기한 실시형태와 동일한 효과를 발휘한다.
이 외, 각 기판(11u,11d, 12)의 형상이나 치수는 상기한 것에 한정되는 것이 아니고, 예컨대 층(L1~L4)의 수를 증감하는 등, 적절히 변경하여 실시할 수 있다.
산업상의 이용가능성
이상과 같이, 본 발명은, 회전 검출기에 유용하다.
10은 회전 검출기, 10b는 외곽 케이스, 11, 11u, 11d는 스테이터 기판, 12는로터 기판, 19는 통신수단, 21a，21b, 211a~212bh는 검출 코일, 22, 221~224, 221h~224h，241，244는 로터 코일을 나타낸다.

Claims (9)

  1. 로터 및 스테이터를 각각 자성 재료를 사용하지 않고 다층 기판으로 구성한 로터 기판(12) 및 스테이터 기판(11u,11d)과,
    상기 로터 기판(12)에 배치된 로터 코일(22)과,
    상기 스테이터 기판(11u,11d)에 배치된 검출 코일(21a，21b)을 포함하며,
    상기 로터 코일(22)이 여자신호로 여자되는 것에 의해 상기 검출 코일(21a，21b)에 유도되는 검출신호에 기초하여, 상기 로터 기판(12)과 상기 스테이터 기판(11u,11d)과의 상대적 회전 각도를 검출하는 구성으로서,
    상기 여자신호의 주파수는, 상기 여자신호 전류의 크기 증가없이, 상기 로터 및 상기 스테이터를 각각 자성재료로 구성한 경우에 요구되는 소정 주파수보다도 높게 설정되는 것을 특징으로 하는 회전 검출기(10).
  2. 제1항에 있어서, 상기 여자신호를, 100KHz 이상의 고주파수로 설정한 것을 특징으로 하는 회전 검출기(10).
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 한 쌍의 상기 스테이터 기판(11u,11d)을 사용하여 상기 로터 기판(12)을 협지하고, 또 상기 한 쌍의 스테이터 기판(11u,11d)를 상기 로터 기판(12)에 대하여 각각 대향하도록 배치한 것을 특징으로 하는 회전 검출기(10).
  4. 제1항에 있어서, 상기 로터 코일(22)은, 상기 로터 기판(12)에 대하여 사인 곡선상을 이루는 패턴으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 회전 검출기(10).
  5. 제1항에 있어서, 상기 로터 기판(12) 및 상기 스테이터 기판(11u,11d)을 수용하는 외곽 케이스(10b)를 포함하는 것과 함께, 상기 검출신호를 처리하는 제어회로를 실장한 것을 특징으로 하는 회전 검출기(10).
  6. 제5항에 있어서, 상기 회전 각도로서 1회전 내의 앱솔루트 위치, 또는 회전 회전과 함께 앱솔루트 위치를 검출하는 다회전 검출형의 구성이며,
    상기 제어회로는, 상기 검출신호를 기본으로 하여, 미리 설정된 회전 각도에서 온·오프 하는 캠 스위치 신호를 출력하는 전자 캠 기능을 구비하는 것을 특징으로 하는 회전 검출기(10).
  7. 제6항에 있어서, 외부기기와 네트워크 경유로 통신을 행하기 위한 통신수단(19)을 포함하고,
    상기 외부기기에 의해, 상기 통신수단(19)를 개재하여 상기 캠 스위치 신호에 관한 회전 각도의 설정 변경이 가능하게 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 회전 검출기(10).
  8. 제5항에 있어서, 상기 회전 각도로서 1회전 내의 앱솔루트 위치, 또는 회전 회전과 함께 앱솔루트 위치를 검출하는 다회전 검출형의 구성이며,
    상기 제어회로는, 상기 검출신호를 기본으로 하여 소정 시간 당의 회전 각도또는 회전 회전을 측정하고, 당해 회전 각도 또는 회전 회전의 측정치와 소정 문턱치와의 비교 결과에 따라서 온·오프하는 스위치 신호를 출력하는 제한속도 검출기능을 포함하는 것을 특징으로 하는 회전 검출기(10).
  9. 제8항에 있어서, 외부기기와 네트워크 경유로 통신을 행하기 위한 통신수단(19)을 포함하고,
    상기 외부기기에 의해, 상기 통신수단(19)를 개재하여 상기 소정 시간 당의 회전 각도 또는 회전 회수의 측정치에 관한 상기 소정 문턱치의 설정 변경이 가능하게 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 회전 검출기(10).
KR1020177002778A 2014-08-25 2014-08-25 회전 검출기 KR101990221B1 (ko)

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