WO2016030947A1 - 回転検出器 - Google Patents
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Abstract
Description
ロータ及びステータを夫々多層基板で構成したロータ基板及びステータ基板と、前記ロータ基板に配設されたロータコイルと、前記ステータ基板に配設された検出コイルと、前記ロータコイルが励磁信号で励磁されることにより前記検出コイルに誘起される検出信号に基づいて、前記ロータ基板と前記ステータ基板との相対的な回転角度を検出する構成にあって、
前記励磁信号の周波数について、前記ロータ及び前記ステータを夫々磁性材料で構成した場合に要求される所定周波数よりも高く設定したことを特徴とする。
さて、回転検出器10の外郭ケース10bは例えば円筒状をなし、当該ケース10b内に、例えば円板状をなすステータ基板11及びロータ基板12が配設されている。ステータ基板11は、外郭ケース10bに対して、図2で上下2箇所に取付けられる。これら一対のステータ基板11は、上下に対称的に配置される略同じ構成の基板を用いることから、以下では上側の基板に符号「11u」、下側の基板に符号「11d」、夫々の構成要素には同じ符号を付して一括して説明する。
本実施形態の1ピッチコイル221~224及び16ピッチコイル221h~224hは、何れもサインカーブ形状をなす。ここで、図3~図5では説明の便宜上、それらコイル221~224,221h~224hの各サインカーブ形状を矩形波形で概念的に示しており、図4は1ピッチコイル221と検出コイル211a,211bの位置関係を、図5は16ピッチコイル221hと検出コイル211ah,211bhの位置関係を模式的に示している。
図6は、上記した回転検出器10のコントローラ17における信号処理の概念図を示している。ここで、軸10aとともにロータ基板12が回転する回転角度をθとし、励磁コイル141,142に供給する励磁信号(後述するMHz帯の交流電流)を図6中、Icosωtで示す。また、1ピッチコイル221~224及び16ピッチコイル221h~224hは、トランスコイル241,244(ロータリトランス)を介して励磁される。このとき、検出コイル21a,21bには、軸10aの回転に応じて振幅変調された正弦波相出力信号と余弦波相出力信号とが誘起される。
前記回転角度θは、1ピッチコイル221~224に関して4ビット、16ピッチコイル221h~224hに関して16ビットのデジタル位置信号として与えられる。ここで、図7は、1ピッチコイル221~224及び検出コイル211a~212b(以下、1Tセンサ部とする)と、16ピッチコイル221h~224h及び検出コイル211ah~212bh(以下、16Tセンサ部とする)に係るデジタル位置信号の値を示している。
ところで、インダクトシン(商品名)等の回転センサでは、センサコイルのインダクタンスや磁気結合度を高めるために、ステータやロータを磁性材料として鉄等の金属材料から構成するのが一般である。この回転センサにおける励磁信号の周波数は、数100Hz~10KHz程度に設定されている。その理由は、次の通りである。
[2]本実施形態と異なり、回転センサは、その検出回路(制御装置)と別体である。従って、回転センサと制御装置との離間距離(両者を接続するケーブル長)があるため、線間容量の影響を受けないように低い周波数に設定している。また、線間のクロストークによって、センサリニアリティが悪化し、その影響度もケーブル長で変化する。
[4]磁性材料として使用される鉄やケイ素鋼板等は高周波特性がそれほど良くない。
[6]アナログシステムにおいて、高速では所期の特性が得られない。
この点、コイルを励磁するセンサ駆動回路の出力電流は、バッフア回路を強力なものにすれば、0.5[A0-P]程度も技術的には困難ではない。もっとも、このような回路は部品点数の増加や、消費電流の増加といった問題ばかりでなく、発熱による信頼性低下の問題も生じうる。また、ヒートシンクを設ければ占有スペースが増大し、本実施形態のようにセンサ部と制御装置を一体型にして小型化を図ろうとする技術的思想と矛盾する。そこで、センサ駆動回路の出力電流は、10~30[mA0-P]程度に設定するものとする。例えば30[mA0-P]の駆動電流を式(1)のZ1(≒0.63Ω)に印加した場合、その両端に現れる電圧V1は、以下のようになる。
尚、式(2)では直流抵抗成分を無視している。
更に、センサ部の2次検出回路つまり2次側に誘起される検出電圧V2は、上記V1の電圧に対して、数%程度になると考えられる。このように、本実施形態では、磁性材料を用いる通常の構成と異なり、磁気結合度を高くできないため、この比率を考慮する。例えば、当該比率が3%とすると、検出電圧V2は以下のようになる。
この結果は、励磁信号について10[KHz]、30[mA0-P]でセンサ部を励磁した場合、検出電圧は0.56[mV0-P]になることを示す。この点、検出電圧は、増幅する等して最終的にはA/Dコンバータに入力されるが、この入力時の電圧は、通常数V程度にする必要がある。
このVnは、式(3)のV2=0.56[mV0-P]の2%近くになっており、一見して大きな問題はないように見える。もっとも、より高い検出精度を実現しようとする構成において、初段オペアンプの入力ノイズが影響するような、超微小入力で使用するというのは現実的には問題が多い。また、前述の外来ノイズの他、回路の電源ラインのノイズ、DC/DC電源のスイッチングノイズ、ロジック信号からのクロストーク等も信号に影響を与える。
V1=Z1×30≒188[mV0-P] …(6)
V2=188×0.03≒5.6[mV0-P] …(7)
このように、検出電圧V2は、励磁信号の周波数に比例して増加し、ノイズ耐性も高まる。従って、励磁信号の周波数を、更に10倍高めて1MHzに設定した場合、検出電圧V2もまた10倍になり、より好ましいことになる。また、励磁信号の周波数を高く設定した場合における前述した[2]~[6]の問題については、次の通り解決することができる。
本実施形態の回転検出器10の如く、センサ部とコントローラ17を含む検出回路とを同一ケース10b内に収容したので、ロータ基板12と検出回路基板15との間のケーブル長を極力短くすることができる。この場合のケーブル長は、極力短い一定の長さ(例えば3cm以下)に抑えることができる。従って、ケーブルの線間容量も実質上無視できる程度の影響しか受けない。換言すれば、励磁信号の周波数を上げることと、センサ部とその制御装置を相互に近接配置することは相性が良いといえる。
回転検出器10は、磁性材料を使わないためインダクタンスが低く、それ故に、励磁信号の周波数を比較的高い値に設定している。これは、磁性材料を用いたステータやロータの高周波特性が悪化する問題と表裏一体の関係にある。因みに、市販されているチョークコイル等のように、良好な周波数特性を有する一般的なインダクタンス部品において、共振状態(自己共振)を呈するのは、そのインピーダンスが1KΩ~数10KΩ程度であることが知られている。この場合、何れのインダクタンス値であっても、インピーダンスが1KΩ~数10KΩ程度になるような周波数で共振に至ることから、コイルと、コイル自身による線間容量からくる物理的限界と考えられる。
つまり、回転検出器10において、共振の影響を受けずに十分に機能する周波数は、原理的に約5MHz程度ということになる。尚、センサ部のコイル設計は、多少の融通が利くので、この値が絶対的な限界というわけではない。また、インピーダンスが高くなりすぎた場合、30[mA0-P]といった電流で駆動すると、コイル両端の電圧が上昇しすぎて、ドライブしきれない問題もある。この点からみても、コイルのインピーダンスは、数100Ω以下になるような励磁信号の周波数範囲に設定するのが理にかなっている。
上記のように、本実施形態では従来よりも高い励磁信号の周波数範囲に設定したので、回転位置検出に係る応答周波数を向上させることができ、より好ましい構成といえる。
近年の半導体デバイスの進歩により、本実施形態の検出回路で重要となるOPアンプについて帯域が1GHzを超え、小型で且つ低価格のものが容易に入手できる。更に、検出回路で重要となるA/Dコンバータも、サンプルレートが100MHzを超え、小型で且つ低価格のものが容易に入手できる。こうして、発明者は、これらの部品を活用した回転検出器10について、5MHzの励磁信号の周波数で動作する検出回路を構築した。
ロータ基板12側のコイル221~224hをサインカーブ状とすると、検出コイル211a~211bhを含む各コイルについて、夫々のピッチや各基板11,11u,11d間の距離を任意に設定した場合でも、所期の誘起電圧を得ることができる。即ち、多層基板11,11u,11dでは、前述のようにマグネットワイヤを用いた巻線では実現しえない、精度のよい特殊なコイルパターンを、パターン成形により形成できる。
発明者は、回転検出器10において、ロータ基板12を挟む両側のステータ基板11u,11dの効果を検証すべく、片側のステータ基板11u(図2中、上側の基板11u)を省いた構成と比較する実験を行った。以下では、前者を両側ステータ11u,11d、後者を片側ステータ11dと略し、図9では、機械角360度を1ピッチとする1Tセンサ部、図10では、機械角22.5度を1ピッチとする16Tセンサ部についての実験結果を示している。
回転検出器10において、励磁コイル141,142の駆動により、ロータリトランスを介してロータコイル22を励磁することで、検出コイル21a,21bに誘起される出力信号を検出する過程を考える。この場合、検出コイル21a,21bの出力信号たる電圧の位相は、励磁コイル141,142に流れる電流の位相と合致する。
回転検出器10における接点出力回路23は、前述した電子カム機能や制限速度検出機能の他、アブソリュートデータを利用してパルスエンコーダとしての機能を持たせることができる。パルスエンコーダは、接点出力回路23にてA相、B相、Z相のパルス信号を出力するものである。これらの出力のうち、Z相は1回転毎に出力される基準位置を示すパルスであり、以下ではA相及びB相のパルスの生成方法を概説する。
軸10aの回転回数と回転角とを同時に検出する多回転検出型の構成としてもよい。この場合例えば、軸10aに減速ギヤを設け、その1回転毎にカウントアップすることで、回転回数を計数する。この多回転検出型の回転検出器10においても、前述した電子カム機能や制限速度検出機能を備え、前記外部機器によりフィールドバス19aを介して、カムスイッチ信号に係る回転角度θや所定時間当たりの回転回数の測定値に係る所定閾値の設定変更が可能な構成としてもよい。
Claims (9)
- ロータ及びステータを夫々多層基板で構成したロータ基板(12)及びステータ基板(11u,11d)と、
前記ロータ基板(12)に配設されたロータコイル(22)と、
前記ステータ基板(11u,11d)に配設された検出コイル(21a,21b)と、
前記ロータコイル(22)が励磁信号で励磁されることにより前記検出コイル(21a,21b)に誘起される検出信号に基づいて、前記ロータ基板(12)と前記ステータ基板(11u,11d)との相対的な回転角度を検出する構成にあって、
前記励磁信号の周波数について、前記ロータ及び前記ステータを夫々磁性材料で構成した場合に要求される所定周波数よりも高く設定したことを特徴とする回転検出器(10)。 - 前記励磁信号を、100KHz以上の高周波数に設定したことを特徴とする請求項1記載の回転検出器(10)。
- 一対の前記ステータ基板(11u,11d)を用いて前記ロータ基板(12)を挟み、且つ前記一対のステータ基板(11u,11d)を前記ロータ基板(12)に対して夫々対向するように配置したことを特徴とする請求項1又は2記載の回転検出器(10)。
- 前記ロータコイル(22)は、前記ロータ基板(12)に対してサインカーブ状をなすパターンで形成されていることを特徴とする請求項1から3の何れか一項記載の回転検出器(10)。
- 前記ロータ基板(12)及び前記ステータ基板(11u,11d)を収容する外郭ケース(10b)を備えるとともに、前記検出信号を処理する制御回路を内蔵したことを特徴とする請求項1から4の何れか一項記載の回転検出器(10)。
- 前記回転角度として1回転内のアブソリュート位置、又は回転回数とともにアブソリュート位置を検出する多回転検出型の構成にあって、
前記制御回路は、前記検出信号に基づいて、予め設定された回転角度でオン・オフするカムスイッチ信号を出力する電子カム機能を備えることを特徴とする請求項5記載の回転検出器(10)。 - 外部機器とネットワーク経由で通信を行うための通信手段(19)を備え、
前記外部機器により、前記通信手段(19)を介して前記カムスイッチ信号に係る回転角度の設定変更が可能に構成されていることを特徴とする請求項6記載の回転検出器(10)。 - 前記回転角度として1回転内のアブソリュート位置、又は回転回数とともにアブソリュート位置を検出する多回転検出型の構成にあって、
前記制御回路は、前記検出信号に基づき所定時間当たりの回転角度又は回転回数を測定し、当該回転角度又は回転回数の測定値と所定閾値との比較結果に応じてオン・オフするスイッチ信号を出力する制限速度検出機能を備えることを特徴とする請求項5記載の回転検出器(10)。 - 外部機器とネットワーク経由で通信を行うための通信手段(19)を備え、
前記外部機器により、前記通信手段(19)を介して前記所定時間当たりの回転角度又は回転回数の測定値に係る前記所定閾値の設定変更が可能に構成されていることを特徴とする請求項8記載の回転検出器(10)。
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