WO2016030948A1 - 回転検出装置 - Google Patents

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英樹 木全
智史 高塚
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株式会社エスジー
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    • H02K37/02—Motors with rotor rotating step by step and without interrupter or commutator driven by the rotor, e.g. stepping motors of variable reluctance type
    • H02K37/04—Motors with rotor rotating step by step and without interrupter or commutator driven by the rotor, e.g. stepping motors of variable reluctance type with rotors situated within the stators

Definitions

  • the present invention relates to a rotation detection device capable of detecting a relative rotation angle between a rotor and a stator.
  • a disc-shaped cam is directly connected to a rotating body to be measured, and a predetermined timing signal (switch signal) that follows the shape of the cam is obtained from a contact piece that is in contact with the cam. Therefore, mechanical cams are used in many fields. However, the mechanical cam may be worn or misaligned, which requires troublesome operations such as reworking and position adjustment.
  • Patent Document 1 in order to obtain the switch signal, a so-called electronic system using a resolver and a variable cam (variable cam switch) attached to a rotating shaft is adopted. That is, the resolver outputs a predetermined reference voltage to the varicam, and the varicam outputs a switch signal corresponding to the rotation angle (rotation position) of the rotating shaft to the control device (control panel) as the host device. Output. JP 2007-76672 A
  • the present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a rotation detection device capable of reducing the overall size and improving the reliability.
  • the rotation detection device A rotor and a stator, a rotor coil disposed in the rotor, a detection coil disposed in the stator, and a detection signal induced in the detection coil when the rotor coil is excited by an excitation signal
  • a control circuit for detecting a relative rotation angle between the rotor and the stator, and a communication means for performing data communication with an external device
  • the control circuit has a function of outputting a switch signal that is turned on / off at a preset rotation angle based on the detection signal, and the external device uses the communication unit to relate to the switch signal.
  • the rotation angle can be set and changed.
  • the rotation detection device Since the relative rotation angle between the rotor and the stator can be detected based on the detection signal of the detection coil, the problem of cam wear and displacement can be solved unlike the mechanical cam. Further, since the rotation detection device has a built-in control circuit and outputs the switch signal, the overall size can be reduced. Furthermore, the switch signal can be output independently from the external device, while the rotation angle related to the switch signal can be changed by the external device.
  • FIG. 1 The block diagram which shows one Embodiment and shows the electrical structure of a rotation detector Longitudinal sectional view showing the rotor substrate and the stator substrate in an enlarged manner
  • (b) is a conceptual diagram for demonstrating the positional relationship of the rotor coil and stator coil which concern on 1T sensor part.
  • FIG. 9 equivalent diagram showing the 16T sensor unit Explanatory diagram of constant current drive system Illustration of pulse encoder function
  • 10 is a rotation detecting device
  • 15 is a substrate
  • 17 and 23 are control circuits
  • 19 is a communication means
  • 21a and 21b are detection coils
  • 22 (221 to 224, 221h to 224h, 241 and 244) are rotors The coil is shown.
  • the rotation detection device 10 of the present disclosure is applied to a field network of FA (Factory Automation)
  • the outer case 10 b of the rotation detection device 10 and the rotating shaft 10 a are schematically shown.
  • the rotation detection device 10 includes a stator provided on the outer case 10b and a rotor provided on a shaft 10a serving as a sensor shaft.
  • the stator and the rotor include a detection coil 21a described later. , 21 b and the rotor substrate 12 having the rotor coil 22.
  • the stator substrate 11 is provided with an exciting coil 14.
  • an exciting coil 14 For example, when a one-phase AC signal is input to the excitation coil 14 as a predetermined excitation signal, the rotor coil 22 is excited.
  • a sine wave phase output signal and a cosine wave phase output signal that are amplitude-modulated according to the rotation of the shaft 10a are induced in the detection coils 21a and 21b.
  • the tan ⁇ is obtained from the sine wave sin ⁇ and the cosine wave cos ⁇ , and the arc tangent is obtained to calculate the rotation angle ⁇ of the shaft 10a.
  • the rotation detection device 10 of the present embodiment is an example of the amplitude modulation type of one-phase excitation / 2-phase output.
  • 2-phase excitation / 1-phase output that is, a phase modulation type in which the phase of the output signal changes in proportion to the rotation angle ⁇ by inputting AC signals having the same amplitude but different phases to the two phases on the excitation side. Can be applied.
  • the rotation detection device 10 accommodates the stator substrate 11 and the rotor substrate 12 as the sensor unit described above and the detection circuit substrate 15 on which the control circuit is mounted in one case 10b. Yes.
  • a controller 17 is mounted on the detection circuit board 15 disposed in the case 10b.
  • the controller 17 is a control circuit composed of, for example, a microcomputer, an FPGA (Field Programmable Gate Array), a DSP (Digital Signal Processor) or the like, and controls the entire detector 10 or performs the above-described arithmetic processing.
  • the controller 17 receives output signals from the detection coils 21a and 21b via the sensor interface (I / F) 16.
  • the controller 17 is connected to an internal power supply circuit 18, a network I / F 19, a memory unit 20, and a contact output circuit 23.
  • the internal power supply circuit 18 transforms and stabilizes the power supplied from the external power supply outside the rotation detection device 10 as necessary, and supplies it to each internal circuit.
  • the network I / F 19 is a communication means that is connected to, for example, a PLC (Programmable Logic Controller) as an upper unit (not shown) via a control system network.
  • a PLC Programmable Logic Controller
  • a signal processed by the controller 17 is transmitted from a network I / F (field bus I / F) 19. It is transmitted to the PLC via the field bus 19a.
  • various measurement / control devices such as the rotation detection device 10 are field devices, and the field bus 19a connects these field devices and a higher-level field device (for example, PLC) with one type of cable. Yes.
  • the field network can use general-purpose Ethernet (registered trademark) or the like, and not only a closed network that does not require connection to other networks but also a broad network (connection between closed networks). May be included).
  • the field device can be systemized without considering a protocol or the like by mounting a communication CPU, which is a dedicated chip supplied from a manufacturer or the like, for performing communication processing in a field network.
  • a communication CPU which is a dedicated chip supplied from a manufacturer or the like
  • the cost (parts unit price) of the dedicated chip is increased, and the mounting space of the chip on the detection circuit board 15 is largely occupied. Therefore, in the present embodiment, in order to have the controller 17 have the function of the dedicated chip, by executing the processing program stored in the memory unit 20, communication processing with the upper field device, communication processing related to application compatibility, etc. Is supposed to do.
  • the dedicated chip is omitted and its function is realized by a hardware configuration or a software configuration such as the FPGA (gate array).
  • the rotation detection apparatus 10 can achieve size reduction and cost reduction of the internal substrate 15.
  • the integration of the sensor unit and its detection circuit and field networking combine to make the occupied space including the wiring as compact as possible and to construct a highly rational system.
  • the memory unit 20 includes a nonvolatile memory such as a ROM, a volatile memory such as a RAM, and an electrically rewritable nonvolatile memory such as an EEPROM.
  • the memory unit 20 stores the processing program and the like.
  • the memory unit 20 may store a correction value for improving the linearity between the rotational position and the output value in advance.
  • the rotor coil 22 has a waveform shape (see coils 221 to 224 and 221h to 224h in FIG. 3), thereby improving linearity without using correction values. .
  • the contact output circuit 23 has a function as an electronic cam that outputs a binarized signal, for example, on / off, in which the number of contacts is appropriately set according to the mounting space and necessity, and the controller 17
  • a control circuit is configured.
  • the electronic cam is configured to turn on / off a cam switch signal (output signal) corresponding to the angle set by the user with reference to the rotation angle ⁇ as absolute data.
  • setting the on / off timing requires a troublesome work such as adjusting the position of its components in the case of a cam limit switch, which is a mechanical cam. Can be done.
  • data points (angles) relating to the on / off timing for example, a host field device or a dedicated device (which is referred to as an external device) via the field bus 19a (via a network) Set to the value you want.
  • the controller 17 causes the rotation angle ⁇ of the shaft 10a to be 0. If it is determined that the angle is greater than or equal to 90 degrees and within 90 degrees, control is performed to turn on (or turn off) the output signal for a period in the range of 0 to 90 degrees.
  • the network connection can be removed to make it simple, or the default values of the first angle and the second angle are stored in advance in the EEPROM of the memory unit 20 and the like. It can also be updated by changing the settings.
  • the electronic cam is advantageous in terms of maintenance without causing problems such as cam wear and displacement.
  • the cam switch signal does not require high-speed response depending on the application of the electronic cam, and the signal can be processed by the host field device.
  • the upper field device reads the binary data via the field bus 19a and outputs a cam switch signal.
  • a problem occurs when the signal is interrupted when the network is abnormal or the upper field device is broken. Is also envisaged.
  • a value of several tens of ⁇ s or less is required for the delay time from when the angle of the shaft 10a changes until the cam switch signal is obtained. Some are required. In this case, if the upper field device reads the data and turns it on / off, the delay time becomes long and the request cannot be satisfied. Therefore, it is meaningful to perform high-speed on / off control independently of the network or the like.
  • the rotation detection device 10 includes a sensor unit, a controller 17, a contact output circuit 23, and the like, and has various functions including an electronic cam function. Further, not only the FPGA but also a dedicated gate array can be applied as the controller 17, thereby enabling electronic cam on / off control. Further, as will be described in detail later, by setting the excitation signal to a high frequency such as 100 KHz to 5 MHz, the data update time, that is, the delay time can be set within 10 ⁇ s, for example. Can respond to requests for responses.
  • the contact output circuit 23 may have a function as a pulse encoder described later.
  • the contact output circuit 23 has a speed limit detection function that outputs a switch signal that is turned on / off according to a comparison result between the rotation angle ⁇ per predetermined time (or the number of rotations described later) and a predetermined threshold, for example.
  • the speed limit detection function is a function for turning on or off the output signal when the rotational speed of the shaft 10a becomes equal to or higher than a predetermined threshold that is a reference (standard for restriction). It can be performed.
  • the controller 17 calculates the rotation angle ⁇ per predetermined time measured using a clock signal generated by the crystal oscillator that the controller 17 has, that is, the rotation speed [rpm] of the shaft 10a. Further, as will be described in detail later, the controller 17 discriminates the rotation direction of the shaft 10a using absolute data and generates a rotation direction discrimination signal.
  • the memory unit 20 stores a default value in the clockwise direction (CW) and a default value in the counterclockwise direction (CCW) set as the predetermined threshold.
  • the predetermined threshold value can be set to a plurality of different values desired by the user for each rotation direction by an input operation on the external device, and the predetermined threshold value after the setting change is stored in the memory unit. 20 is stored.
  • the controller 17 determines that the calculated rotational speed is When it is determined that the first threshold value in the rotational direction has been exceeded, the output signal is turned on (or off), and when it is determined that the second threshold value has been exceeded, the output signal is turned off (or turned on).
  • a centrifugal force speed switch is configured such that a movable part that moves by centrifugal force is housed in a casing that forms an outer shell, and an electrical contact is opened and closed by a change in the position of the movable part accompanying the rotation of its shaft. ing.
  • the rotational speed when the electrical contact opens and closes is physically determined, and the rotational direction of the shaft cannot be specified.
  • the centrifugal force speed switch cannot change the threshold value when the electrical contact is opened or closed or have a plurality of threshold values.
  • the speed switch housing requires a movable range of the movable portion and a space for ensuring stable operation, and is difficult to reduce in size.
  • the absolute data is generated by the controller 17, and the high-speed response related to the detection signal and the high-accuracy clock signal are combined to calculate the rotational speed. It becomes simple and highly accurate. Further, with respect to the rotation speed, a plurality of threshold values can be set for each rotation direction by an external device via the field bus 19a. When this setting value is not changed, the network connection can be disconnected. Therefore, even if a communication abnormality occurs in the network, the rotation detection device 10 constructs a highly reliable system in which the speed limit detection function (contact output) functions normally and problems of conventional wear and malfunction occur. can do.
  • the outer case 10b of the rotation detection device 10 has, for example, a cylindrical shape, and a stator substrate 11 and a rotor substrate 12 each having a disk shape, for example, are disposed in the case 10b.
  • the stator substrate 11 is attached to the outer case 10b at two locations, upper and lower, in FIG. Since the pair of stator substrates 11 use substrates having substantially the same configuration that are symmetrically arranged in the vertical direction, hereinafter, the upper substrate is denoted by “11u” and the lower substrate is denoted by “11d”. Elements will be described collectively with the same reference numerals.
  • the stator substrates 11u and 11d are constituted by, for example, general-purpose printed multilayer substrates composed of the first layer L1 to the third layer L3.
  • the stator substrates 11u and 11d have insertion holes 110 having a diameter larger than that of the shaft 10a in the respective central portions, and are arranged so as to be inserted through the shaft 10a.
  • the insulating base material of the stator substrates 11u and 11d is made of, for example, four layers of glass base material epoxy resin.
  • a coil pattern layer is provided on the first layer L1 and the second layer L2, and a connection layer is provided on the third layer L3. Each coil pattern layer and the connection layer are electrically connected.
  • the coil pattern layer of the first layer L1 is formed by a flat copper foil pattern, and includes an inner peripheral excitation coil 141 and an outer peripheral detection coil 211a, 211b, 211ah, 211bh.
  • the detection coils 211a and 211b closer to the inner circumference correspond to a 1-pitch coil described later, and detect an absolute position of 360 degrees with a mechanical angle (an angle when one rotation of the shaft 10a is 360 degrees). It is a coil for doing.
  • the detection coils 211ah and 211bh closer to the outer periphery correspond to 16 pitch coils described later, and are coils for detecting the rotation angle with high resolution.
  • the coil pattern layer of the second layer L2 also includes an inner peripheral excitation coil 142 and outer peripheral detection coils 212a, 212b, 212ah, 212bh.
  • each excitation coil 14 of the stator substrates 11u and 11d is configured by a pattern of excitation coils 141 and 142 of a plurality of layers.
  • the detection coils 21a and 21b of the stator substrates 11u and 11d are configured by a pattern of a plurality of layers of coils 211a to 212bh.
  • connection layer of the third layer L3 is composed of a fine line pattern that connects the terminal group P composed of the terminals p1, p2,... Shown in FIG.
  • the stator substrates 11u and 11d have a gap with respect to the rotor substrate 12 shown in FIG. 2 so that the first layer L1 is on the inner side and the terminal group P of the third layer L3 is on the outer side. Then face each other.
  • Each of the substrates 11u and 11d is not limited to the above configuration, and may be changed as appropriate, such as providing a layer for shielding electromagnetic waves between the second layer L2 and the third layer L3.
  • the rotor substrate 12 is composed of a general-purpose printed multilayer substrate composed of, for example, a first layer L1 to a fourth layer L4, and a glass substrate epoxy resin is used as an insulating substrate.
  • the rotor substrate 12 has a fitting hole 111 that fits into the shaft 10a at the center, and is fixed to the shaft 10a.
  • the first layer L1 to the fourth layer L4 of the rotor substrate 12 each have a planar coil pattern layer made of copper foil as the rotor coil 22.
  • transformer coils 241 corresponding to the exciting coils 141 and 142 of the stator substrates 11u and 11d are provided. 244 is provided. Excitation signals (AC signals) are supplied to the transformer coils 241 and 244 of the rotor substrate 12 from the excitation coils 141 and 142 of the stator substrates 11u and 11d in a non-contact manner.
  • These coils 141, 142, 221, and 224 constitute a rotary transformer.
  • first layer L1 to the fourth layer L4 of the rotor substrate 12 are provided with 1 pitch coils 221, 222, 223, and 224 near the inner periphery electrically connected to the transformer coils 241 and 244 and 16 pitches near the outer periphery.
  • Coils 221h, 222h, 223h, and 224h are provided. These 1 pitch coils 221 to 224 and 16 pitch coils 221h to 224h are formed at positions corresponding to the detection coils 211a to 212b and 211ah to 212bh of the stator substrates 11u and 11d.
  • the multi-layer substrates 11u, 11d, and 12 are lighter than the magnetic material, can significantly reduce the weight thereof, and can reduce the load inertia as much as possible.
  • the rotation detection device 10 is applied to a servo motor or the like, it is practically useful because it does not cause useless load inertia when viewed from the motor.
  • coil patterns having various shapes with few manufacturing variations can be easily obtained, unlike windings using magnet wires.
  • the 1-pitch coils 221 to 224 and the 16-pitch coils 221h to 224h of the present embodiment all have a sine curve shape.
  • the sine curve shapes of the coils 221 to 224 and 221h to 224h are conceptually shown as rectangular waveforms
  • FIG. 4 shows a one-pitch coil 221 and a detection coil 211a
  • FIG. 5 schematically shows the positional relationship between the 211b and the 16-pitch coil 221h and the detection coils 211ah and 211bh.
  • the one-pitch coil 221 shown in FIG. 4A is actually formed in a sine curve shape (continuous in the circumferential direction of the rotor substrate 12) (see FIG. 3) continuously in an annular shape and has a mechanical angle of 360 degrees.
  • (1 rotation) be 1 pitch.
  • the pair of detection coils 211a and 211b in FIG. 4B are in a positional relationship such that they are staggered with a 1 ⁇ 4 pitch deviation from each other. 4 (a) and 4 (b), the coils 221, 211a, and 211b arranged in an annular shape are shown expanded in a left-right direction.
  • the electromagnetic coupling between the one-pitch coil 221 and the detection coils 211a and 211b that is, the induced voltage becomes maximum at the position where the coil 221 and the coils 211a and 211b overlap.
  • the induced voltage gradually decreases as the rotor substrate 12 moves in the rotation direction (see the right arrow in FIG. 4A), and the magnetic flux cancels each other out at a position shifted by 1/4 pitch. It becomes.
  • the induced voltage takes the maximum value of reverse polarity at a position shifted by 1/2 pitch, and when it rotates further, it becomes 0 again at a position shifted by 3/4 pitch. Then, at the position moved by one pitch, the original maximum induced voltage is obtained.
  • the induced voltage draws one cycle with the same rotation cycle of the rotor substrate 12 as one pitch of the coil 221, and thereafter repeats the same cycle as the rotor substrate 12 rotates.
  • the electrical coupling degree is proportional to cos ⁇ in the detection coil 211a and proportional to sin ⁇ in the detection coil 211b when the difference in relative position (relative angle) between the rotor substrate 12 and the stator substrate 11 is ⁇ . Therefore, since the change of the induced voltage has a unique relationship determined by the relative angle with the coils 211a and 211b, the rotation angle can be obtained by detecting the voltage induced in the detection coils 211a and 211b.
  • the 16-pitch coil 221h in FIG. 5A also has a sine curve shape that is continuous in an annular shape (see FIG. 3), and a part of the coil 221h is conceptually shown in FIG.
  • the 16-pitch coil 221h has a pitch number ⁇ of 16 on the rotor substrate 12, that is, a mechanical angle of 1/16 rotation (22.5 degrees) is 1 pitch.
  • “1 pitch” corresponds to a section in which the absolute position is detected within the angular range.
  • the number of pitches as the number of divisions is not limited to “16”, and can be changed as appropriate, such as being set to “8” or “32”.
  • one coil 211bh is shifted by 1/4 pitch with respect to the 16-pitch coil 221h. Since the detection coils 211ah and 211bh are shifted by a quarter pitch, the detection coil 211ah detects an induced voltage proportional to Cos ( ⁇ ), and the detection coil 211bh has an induced voltage proportional to Sin ( ⁇ ). Detected.
  • FIG. 6 shows a conceptual diagram of signal processing in the controller 17 of the rotation detection device 10 described above.
  • ⁇ represents the rotation angle at which the rotor substrate 12 rotates together with the shaft 10a
  • an excitation signal (MHz band alternating current described later) supplied to the excitation coils 141 and 142 is indicated by I cos ⁇ t in FIG.
  • the 1 pitch coils 221 to 224 and the 16 pitch coils 221h to 224h are excited via transformer coils 241 and 244 (rotary transformers).
  • transformer coils 241 and 244 rotary transformers
  • the output signals (Kp ⁇ cos ⁇ t ⁇ cos 16 ⁇ ) of the detection coils 211ah and 212ah for the 16 pitch coil are input to the synchronous rectifier circuit 31 of FIG.
  • Output signals (Kc ⁇ cos ⁇ t ⁇ cos ⁇ ) from the detection coils 211a and 212a for the one pitch coil are input to the synchronous rectifier circuit 32.
  • the output signal (Kc ⁇ cos ⁇ t ⁇ sin ⁇ ) of the detection coils 211b and 212b for the one-pitch coil is input to the synchronous rectifier circuit 33.
  • the output signal (Kp ⁇ cos ⁇ t ⁇ sin 16 ⁇ ) of the detection coils 211bh and 212bh for the 16 pitch coil is input to the synchronous rectifier circuit 34.
  • I, Kp, and Kc are coefficients, and the following Lp and Lc are also coefficients.
  • the synchronous rectifier circuits 31 to 34 perform synchronous rectification of each output signal.
  • Low-pass filters (LPF) 35 to 38 remove high-frequency components from the output signals of the synchronous rectifier circuits 31 to 34.
  • the arithmetic circuit 39a calculates the rotation angle ⁇ based on the signal (Lp ⁇ cos 16 ⁇ ) input from the low-pass filter 35 and the signal (Lp ⁇ sin 16 ⁇ ) input from the low-pass filter 38.
  • the arithmetic circuit 39a calculates the rotation angle ⁇ based on the signal (Lc ⁇ cos ⁇ ) input from the low-pass filter 36 and the signal (Lc ⁇ sin ⁇ ) input from the low-pass filter 37.
  • the arithmetic circuit 40 combines the calculated values of the arithmetic circuits 39a and 39b to detect the rotation angle ⁇ of the shaft 10a as absolute data described below, and obtain the angle ⁇ with higher resolution. .
  • the rotation angle ⁇ is given as a 4-bit digital position signal for the 1-pitch coils 221 to 224 and a 16-bit digital position signal for the 16-pitch coils 221h to 224h.
  • FIG. 7 shows a 1-pitch coil 221 to 224 and a detection coil 211a to 212b (hereinafter referred to as 1T sensor unit), a 16-pitch coil 221h to 224h and a detection coil 211ah to 212bh (hereinafter referred to as 16T sensor unit).
  • the 16T sensor unit can reduce the degree of error to 1/16 compared to the 1T sensor unit, which is preferable from the viewpoint of error characteristics.
  • the 16T sensor unit is more preferable in terms of resolution (the number of divisions), temperature characteristics, and noise resistance characteristics.
  • the 16T sensor portion having a relatively fine pitch is effective as a means for improving the sensor characteristics, while the range that can be detected as an absolute value, that is, the mechanical angle of one pitch is limited to 22.5 degrees. For this reason, regarding the rotational position of the mechanical angle of 360 degrees of the shaft 10a, it is impossible to identify which of the 16 blocks shown in FIG.
  • the 1T sensor unit is inferior to the 16T sensor in various characteristics, but has a mechanical angle of 360 degrees as one pitch, and can grasp the rotational position of the shaft 10a during one rotation. Therefore, the position of the block that was unknown in the 16T sensor unit is identified using the position signal of the 1T sensor unit.
  • the rotation detecting device 10 detects a change in rotation of 360 degrees / (4096 ⁇ 16) in mechanical angle as a one-rotation absolute sensor.
  • the 16T sensor unit may be set to a pitch such as 8T (1/8 division) or 32T (1/32 division).
  • the number of divisions is set according to the physical arrangement space and the number of bits that specify the rotational position by the 1T sensor unit.
  • the sensor unit is not limited to the above two types of 1T and 16T, but, for example, by using a multilayer substrate on which three or more types of sensor units such as 1T, 8T, and 64T are mounted, higher performance is achieved. May be.
  • the multilayer substrates 11u, 11d, and 12 described above the degree of freedom in design including coil formation is high, and a variety of coils (sensor units) can be easily and easily mounted, resulting in an inexpensive configuration.
  • the stator and the rotor are made of a metal material such as iron as a magnetic material in order to increase the inductance and magnetic coupling degree of the sensor coil.
  • the frequency of the excitation signal in this rotation sensor is set to about several hundred Hz to 10 KHz. The reason is as follows.
  • the rotation sensor is separate from its detection circuit (control device). Accordingly, since there is a separation distance between the rotation sensor and the control device (the length of the cable connecting the two), the frequency is set to be low so as not to be affected by the line capacitance. In addition, sensor linearity is deteriorated due to crosstalk between lines, and the degree of influence varies depending on the cable length.
  • a magnetic material is not used as in the present embodiment, and a multilayer substrate including a coil is accommodated in a case 10b having a diameter of about 60 mm, for example.
  • the diameter of the multilayer substrate is about ⁇ 50 mm, and the inductance value of the coil (sensor unit) viewed from the exciting circuit is very small, for example, several ⁇ H to 10 ⁇ H.
  • the impedance Z1 is as follows.
  • the output current of the sensor drive circuit that excites the coil is not technically difficult to be about 0.5 [A 0-P ] if the buffer circuit is made strong.
  • such a circuit can cause not only problems such as an increase in the number of parts and an increase in current consumption, but also a problem of a decrease in reliability due to heat generation.
  • the output current of the sensor drive circuit is set to about 10 to 30 [mA 0-P ].
  • the voltage V1 appearing at both ends thereof is as follows.
  • the detection voltage V2 Z1 ⁇ 30 ⁇ 18.8 [mV 0 ⁇ P ] (2)
  • the DC resistance component is ignored.
  • the detection voltage V2 induced on the secondary detection circuit, that is, the secondary side of the sensor unit is considered to be about several percent with respect to the voltage V1.
  • the degree of magnetic coupling cannot be increased, so this ratio is taken into consideration.
  • the detection voltage V2 is as follows.
  • the detection voltage becomes 0.56 [mV 0-P ].
  • the detection voltage is finally input to the A / D converter by amplification or the like, but the voltage at the time of this input usually needs to be about several volts.
  • An amplifier circuit with a very high gain may oscillate with unexpected positive feedback due to slight coupling (electrostatic coupling, magnetic coupling, common impedance) between the signal input stage and the amplification output stage. .
  • the detection voltage itself is small, and there is a problem that it is easily influenced by noise of the amplifier circuit itself and external noise.
  • the first-stage operational amplifier that amplifies the detection voltage V2 requires a sufficiently wide bandwidth with respect to the operating frequency so that the phase is not shifted by a signal of 10 [KHz].
  • the input equivalent noise voltage density of a general broadband operational amplifier is about 10 nV / (Hz) 1/2 , when the bandwidth is 1 [MHz], the input noise voltage Vn is as follows: It becomes like this.
  • noise in the circuit power line, switching noise in the DC / DC power supply, crosstalk from the logic signal, and the like also affect the signal.
  • the frequency of the excitation signal is increased.
  • Z1, V1, and V2 are as follows.
  • the cable length between the rotor substrate 12 and the detection circuit substrate 15 Can be made as short as possible.
  • the cable length can be suppressed to a certain short length (for example, 3 cm or less) as much as possible. Therefore, the line-to-line capacity of the cable is also affected only to a degree that can be substantially ignored. In other words, it can be said that increasing the frequency of the excitation signal and placing the sensor unit and its control device close to each other are compatible.
  • the rotation detection device 10 of the present embodiment also resonates in the same way from the viewpoint of inductance, and a frequency sufficiently lower than the resonance frequency so as not to be affected by the indefinite state of the current phase due to the resonance phenomenon. Should be driven by. For this reason, it is considered that the impedance value of several tens of ⁇ to several hundreds of ⁇ or less functions sufficiently as a sensor without being affected by resonance.
  • the frequency when the impedance limit is set to 300 ⁇ , for example, is calculated backward.
  • FIG. 8 shows the relationship between the frequency of the excitation signal supplied to the excitation coils 141 and 142 at this time and the voltage V2 (detected value at the maximum rotor position) detected by the detection coils 211ah to 212bh. .
  • the frequency of the excitation signal is 10 KHz, 100 KHz, 1 MHz, 5 MHz
  • the peak values [mV 0-P ] of the detection voltage V2 are about 0.06, about 0.85, about 21. .2, about 115.
  • the detection voltage V2 increases substantially in proportion to the frequency of the excitation signal and takes a sufficiently large value at 1 MHz and 5 MHz.
  • the reason why the frequency was not set to such a high frequency seems to be partly because there was no need to set the frequency high (the current situation is sufficient) and it was not improved. .
  • the frequency of the excitation signal is set to a high frequency of 100 KHz or higher, preferably 100 KHz to 5 MHz, and more preferably 1 MHz to 5 MHz.
  • the coil of a general inductosyn (trade name) has a rectangular waveform, but when applied to the above-described dimensions (the case 10b diameter is ⁇ 60 mm), it has been found that the linearity of the output change characteristic deteriorates. Yes. Therefore, by designing the coil shape according to the distance between the stator substrates 11u and 11d described later (see Gu and Gd in FIG. 2) and the coil configuration suitable for performance maintenance (1T and 16T sensor portions), the material cost is reduced. In addition, the linearity can be improved without increasing the number of assembly steps.
  • the memory unit 20 stores detection errors separately for the 1T and 16T sensor units, and calculates the rotation angle ⁇ using the detection errors as correction values.
  • a disadvantage such as an increase in cost can be considered by performing correction processing for each sensor unit. Therefore, by making the coils 221 to 224h like a sine curve as in this embodiment, the linearity can be improved with a simple configuration that does not correct the rotation angle ⁇ . Even when the coils 221 to 224h have a sine curve shape, an error correction process may be performed in order to reduce the error as much as possible.
  • the distances Gu and Gd between the opposing surfaces of the both-side stators 11u and 11d and the rotor substrate 12 in FIG. 2 are both set to 0.35 mm.
  • the axis of the rotor substrate 12 is shown.
  • the amount of deviation in the direction (the upward direction in FIG. 2 is the plus direction) is represented by the horizontal axis.
  • 9A and 10A the applied current of the primary signal (excitation signal) related to the 1T and 16T sensor units is set to 30 [mA 0-P ] close to the actual machine, and 2 at that time
  • the voltage [mV 0-P ] of the peak value of the next signal (output voltage) V2 is shown.
  • the difference in the magnitude of the output voltage V2 between the stators 11u and 11d on both sides and the stator 11d on the one side is clear, and the voltage ratio of the rotor substrate 12 is as follows. When it is at the original reference position (0 mm), it is about 3.6 times. Even in the 16T sensor section shown in FIG. 10A, there is a large difference in the output voltage V2 between the stators 11u and 11d on both sides and the stator 11d on one side, and the voltage ratio is 3.7 when the rotor substrate 12 is at the reference position. Doubled. Further, as shown in FIGS.
  • the deviation amount of the rotor substrate 12 from the reference position and the detection error of the rotation angle ⁇ due to the deviation are approximately proportional.
  • the both-side stators 11u and 11d only generate a detection error equal to or less than 1/5 of the detection error of the one-side stator 11d.
  • the both-side stators 11u and 11d are within a detection error of 1 ⁇ 4 or less of the detection error of the one-side stator 11d. Yes.
  • the phase does not change in this portion.
  • the coils 141 and 142 are voltage-driven on the excitation side, the “current phase” flowing therethrough is determined by the impedance of the coils 141 and 142.
  • This impedance is a composite value of the “resistance” component of the coils 141 and 142 and the “reactance due to inductance” component (see FIG. 11B).
  • the resistance value is not so small that the inductance value can be ignored. That is, the current flowing through the coils 141 and 142 does not have a waveform whose phase is delayed by 90 degrees with respect to the drive voltage across the coils 141 and 142, unlike an ideal inductor in which the resistance component can be ignored.
  • phase relationship between the reference signal and the detection signal is also important information for detecting the rotation angle ⁇ , and when the phase is shifted as described above, if the phase on the reference signal side is offset by a necessary amount, The problem seems to be solved.
  • the resistance component of the coil changes due to a change in the ambient temperature of the sensor unit (see ⁇ R in FIG. 11B)
  • the phase of the excitation current is also shifted accordingly. This shifted phase occurs as it is as a voltage phase shift on the detection circuit side, and as a result, a shift occurs in the data of the rotation angle ⁇ .
  • the excitation side is driven by a constant current drive circuit 50 that keeps the drive current to the coils 141 and 142 constant. Therefore, even if the resistance components of the coils 141 and 142 change due to changes in the ambient temperature, the compensation is performed by constant current drive of the excitation coils 141 and 142 (constant current control of the controller 17), and the phase of the excitation current is known. Can be treated as Such correction relating to temperature change can also be performed by constant voltage driving. In order to detect the phase of the excitation current of the excitation coils 141 and 142, temperature correction can be performed using a counter that counts the time until the zero cross point. However, in the constant current drive, such a detection circuit is used. Detection accuracy can be increased with a simple configuration which is unnecessary.
  • the contact output circuit 23 in the rotation detection device 10 can have a function as a pulse encoder using absolute data in addition to the electronic cam function and the speed limit detection function described above.
  • the pulse encoder outputs A-phase, B-phase, and Z-phase pulse signals at the contact output circuit 23.
  • the Z phase is a pulse indicating the reference position output every rotation, and the method for generating the A phase and B phase pulses will be outlined below.
  • the controller 17 outputs the digital position signal of the 1T sensor unit or the 16T sensor unit to the difference calculation circuit 51 as sensor data shown in FIG.
  • the difference calculation circuit 51 reads the sensor data in a constant cycle, calculates the difference between the sensor data in the current cycle and the sensor data of the previous cycle, and outputs the difference to the subsequent pulse conversion circuit 52. Further, the difference calculation circuit 51 determines the rotation direction of the shaft 10 a based on the calculated difference, and outputs the rotation direction determination signal to the pulse generation circuit 53.
  • the pulse conversion circuit 52 converts the pulse into a uniform pulse that becomes uniform at regular intervals as shown in FIG. 12B based on the inputted difference.
  • the pulse generation circuit 53 generates an A-phase pulse signal based on the input equal pulse and the rotation direction determination signal, and a B-phase pulse signal delayed by 1 ⁇ 4 cycle from the A-phase. Is generated.
  • the pulse number setting of these A-phase and B-phase pulse signals that is, the pulse rate that is the ratio between the rotation amount and the number of generated pulses, is input from the external setting operation unit (not shown).
  • the configuration is set to an arbitrary value.
  • a general pulse encoder using an optical sensor uses a disk-shaped glass directly connected to a shaft, and thus may be damaged when an impact is applied. Further, the light emitting element and the light receiving element of the optical system have a relatively short life, and the deterioration proceeds due to thermal influence. Along with this, a situation may occur in which no pulse is output or the duty ratio of the pulse is not 50%. Furthermore, if the optical system part is condensed or dust or the like enters, there is a problem that the optical system malfunctions immediately and becomes unusable.
  • the rotation detection device 10 of the present embodiment can function as a pulse encoder that outputs A-phase, B-phase, and Z-phase pulse signals based on absolute data without using a conventional optical sensor. .
  • the rotation detection device 10 is configured to be able to change the setting of the pulse rate based on the setting value input from the setting operation unit. For this reason, it is not necessary to prepare various kinds for each pulse rate as a spare part of the manufacturing equipment as in the prior art, and it can be excellent in versatility.
  • the rotor coil 22 disposed in the rotor, the detection coils 21a and 21b disposed in the stator, and the rotor coil 22 are excited by the excitation signal.
  • the detection signals induced in the detection coils 21a and 21b are processed to perform data communication with a control circuit (the controller 17 and the contact output circuit 23) that detects the relative rotation angle between the rotor and the stator, and with an external device.
  • a control circuit having a function of outputting a switch signal that turns on and off at a preset rotation angle based on the detection signal, and is switched by an external device via the communication means.
  • the setting of the rotation angle related to the signal can be changed.
  • the rotation detection device 10 Since the relative rotation angle between the rotor and the stator can be detected based on the detection signals of the detection coils 21a and 21b, the problem of cam wear and misalignment can be solved unlike the mechanical cam. Further, since the rotation detection device has a built-in control circuit and outputs the switch signal, the overall size can be reduced. Furthermore, the switch signal can be output independently from the external device, while the rotation angle related to the switch signal can be changed by the external device.
  • control circuit measures a rotation angle per predetermined time based on the detection signal, and outputs a switch signal that is turned on / off according to a comparison result between the measurement value of the rotation angle and a predetermined threshold. It has a function and is configured to be able to change the setting of the predetermined threshold value related to the measured value of the rotation angle per predetermined time by the external device via the communication means.
  • the rotation detection device 10 can omit the movable part in the conventional centrifugal force speed switch described above, for example, and can solve the problem of malfunction. Further, by incorporating the control circuit, it is possible to achieve a configuration suitable for overall miniaturization as a whole.
  • the switch signal can be output independently from the external device, while the external device can change the setting of the predetermined threshold related to the measured value of the rotation angle per predetermined time.
  • the rotor and the stator may be configured by using plate members made of a magnetic material instead of the multilayer substrates 12, 11u, and 11d. Further, the frequency of the excitation signal is not limited to the high frequency, and may be appropriately changed according to the material of the plate member.
  • the rotor, the stator, and the control circuit board can be accommodated in one outer case, whereby a simpler and less expensive configuration can be achieved.
  • the present invention is not limited to the embodiments described above or shown in the drawings, and various modifications or expansions are possible.
  • a multi-rotation detection type configuration that simultaneously detects the number of rotations and the rotation angle of the shaft 10a may be employed.
  • a reduction gear is provided on the shaft 10a, and the number of rotations is counted by counting up each rotation.
  • This multi-rotation detection type rotation detection device 10 also has the electronic cam function and the speed limit detection function described above, and the rotation angle ⁇ related to the cam switch signal or per predetermined time via the field bus 19a by the external device. It is good also as a structure in which the setting change of the predetermined threshold value concerning the measured value of the rotation frequency is possible.
  • the controller 17 measures the number of rotations per predetermined time based on the detection signal, and provides a switch signal that is turned on / off according to the comparison result between the measured value of the number of rotations and a predetermined threshold. Output. For this reason, the calculation of the rotational speed is extremely simple and highly accurate.
  • high-speed on / off control can be performed independently of the network or the like, and a highly reliable system can be constructed.
  • the absolute position within one rotation as the rotation angle, or a multi-rotation detection type configuration that detects the absolute position together with the number of rotations can improve the operating efficiency of the applied equipment compared to the type that detects the relative position. It becomes possible to improve.
  • the present invention is useful for a rotation detection device.

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Abstract

　回転検出装置（１０）は、ロータに配設されたロータコイル（２２）と、ステータに配設された検出コイル（２１ａ，２１ｂ）と、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を処理し、前記ロータと前記ステータとの相対的な回転角度を検出する制御回路（１７，２３）と、外部機器とデータ通信を行うための通信手段（１９）と、を備える。回転検出装置（１０）において、制御回路（１７，２３）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・オフするスイッチ信号を出力する機能を有し、前記外部機器により、前記通信手段（１９）を介して前記スイッチ信号に係る前記回転角度の設定変更が可能に構成されている。

Description

回転検出装置
　本発明は、ロータとステータとの間の相対的な回転角度の検出が可能な回転検出装置に関する。
　従来より、製造設備では、測定対象となる回転体に円板状のカムを直結し、そのカムに当接させた接触片から当該カムの形状にならう所定のタイミング信号（スイッチ信号）を得るためのメカニカルカムが多くの分野で用いられている。もっとも、メカニカルカムは、そのカムの摩耗や位置ずれが生じることがあり、再生加工や位置調整等の面倒な作業が必要となる。
　一方、例えば特許文献１では、前記のスイッチ信号を得るために、回転軸に付設されたレゾルバとバリカム（バリアブル・カム・スイッチ）とを用いた、いわば電子化した方式が採用されている。即ち、レゾルバは、バリカムに対して所定の基準電圧を出力し、バリカムは、上位機器としての制御装置（制御盤）に対して、前記回転軸の回転角度（回転位置）に応じたスイッチ信号を出力する。
特開２００７－７６６７２号公報
　しかしながら、レゾルバとバリカムを用いた方式にあっても、それらの設置スペースが必要となり、部品点数ひいては設置費用が増大する。この点、バリカム等を用いることなく、上位機器において、スイッチ信号を生成する処理を行うことも考えられるが、その回転検出器との通信手段（ネットワーク等）の異常時や、上位機器の故障時に、係る信号が途絶えてしまうと問題が生じるシステムも想定される。
　本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、全体の小型化を図ることができるとともに信頼性を高め得る回転検出装置を提供することにある。
　請求項１記載の回転検出装置は、
　ロータ及びステータと、前記ロータに配設されたロータコイルと、前記ステータ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を処理し、前記ロータと前記ステータとの相対的な回転角度を検出する制御回路と、外部機器とデータ通信を行うための通信手段とを備え、
　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・オフするスイッチ信号を出力する機能を有し、前記外部機器により、前記通信手段を介して前記スイッチ信号に係る前記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１記載の発明によれば、回転検出装置において。検出コイルの検出信号に基づきロータとステータとの相対的な回転角度を検出することができるため、メカニカルカムと異なり、カムの摩耗や位置ずれの問題を解消することができる。また、回転検出装置は制御回路を内蔵し、前記スイッチ信号を出力するため、全体の小型化を図ることができる。更に、外部機器から独立してスイッチ信号を出力することができる一方、外部機器によりスイッチ信号に係る回転角度の設定変更をすることが可能となる。
一実施形態を示すものであり、回転検出器の電気的構成を示すブロック図 ロータ基板及びステータ基板部分を拡大して示す縦断面図 ロータ基板及びステータ基板を夫々構成する多層基板を分解して示す図 （ａ）及び（ｂ）は、１Ｔセンサ部に係るロータコイル及びステータコイルの位置関係を説明するための概念図 １６Ｔセンサ部について示す図４相当図 演算処理に係るブロック線図 １Ｔセンサ部及び１６Ｔセンサ部のデジタル位置信号を説明するための概念図 回転検出器における励磁信号の周波数と検出信号（出力電圧）との関係を示す図 １Ｔセンサ部について両側ステータと片側ステータとの特性の違いを説明するもので、（ａ）はロータ基板のずれ量と出力電圧との関係、（ｂ）はロータ基板のずれ量と検出角度の誤差との関係を示す図 １６Ｔセンサ部について示す図９相当図 定電流駆動方式についての説明図 パルスエンコーダ機能の説明図
　１０は回転検出装置、１５は基板、１７，２３は制御回路、１９は通信手段、２１ａ，２１ｂ（２１１ａ～２１２ｂｈ）は検出コイル、２２（２２１～２２４，２２１ｈ～２２４ｈ，２４１，２４４）はロータコイルを示す。
　以下、本開示の回転検出装置１０について、ＦＡ（Factory Automation）のフィールドネットワークに適用した一実施形態について図面を参照して説明する。ここで、図１のブロック図では説明の便宜上、回転検出装置１０の外郭ケース１０ｂと回転する軸１０ａを模式的に示している。同図に示すように、回転検出装置１０は、外郭ケース１０ｂに設けられたステータと、センサシャフトたる軸１０ａに設けられたロータとを備えており、これらステータ及びロータは、後述する検出コイル２１ａ，２１ｂを有するステータ基板１１、及びロータコイル２２を有するロータ基板１２で構成されている。
　また、ステータ基板１１には励磁コイル１４が設けられている。例えば、励磁コイル１４に所定の励磁信号として１相の交流信号が入力されると、ロータコイル２２が励磁される。このロータコイル２２の励磁によって、検出コイル２１ａ，２１ｂに、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。この正弦波ｓｉｎθと余弦波ｃｏｓθとによりｔａｎθを求め、アークタンジェントを求めることで、軸１０ａの回転角度θを演算する処理を行う。このように、本実施形態の回転検出装置１０は、１相励磁／２相出力の振幅変調型を例とする。尚、２相励磁／１相出力、つまり励磁側の２相に振幅が同じで位相が異なる交流信号を入力することで、回転角度θに比例して出力信号の位相が変化する位相変調型への適用が可能である。
　また、図１に示すように、回転検出装置１０は、上記したセンサ部としてのステータ基板１１及びロータ基板１２と、その制御回路を実装した検出回路基板１５とを１つのケース１０ｂに収容している。ケース１０ｂ内に配設された検出回路基板１５には、コントローラ１７が実装されている。コントローラ１７は、例えばマイクロコンピュータやＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array），ＤＳＰ（Digital Signal Processor）などで構成された制御回路であり、検出器１０全体をコントロールしたり、前記の演算処理等を行う。
　前記コントローラ１７には、センサインターフェイス（Ｉ／Ｆ）１６を介して、検出コイル２１ａ，２１ｂの出力信号が入力される。また、コントローラ１７には、内部電源回路１８、ネットワークＩ／Ｆ１９、メモリ部２０、接点出力回路２３が接続されている。内部電源回路１８は、回転検出装置１０の外部にある外部電源より供給される電源を、必要に応じて変圧・安定化させて内部の各回路に供給する。
　前記ネットワークＩ／Ｆ１９は、例えば図示しない上位ユニットとしてのＰＬＣ（Programmable Logic Controller）と制御系のネットワークを介して接続される通信手段である。具体的には、工場内の製造設備における各種計測・制御機器として回転検出装置１０が用いられる場合、コントローラ１７で処理された後の信号は、ネットワークＩ／Ｆ（フィールドバスＩ／Ｆ）１９からフィールドバス１９ａを介して前記ＰＬＣに伝達される。このように本実施形態では、回転検出装置１０の如き各種計測・制御機器をフィールド機器とし、フィールドバス１９ａは、これらフィールド機器と上位フィールド機器（例えばＰＬＣ）とを１種類のケーブルで接続している。このフィールドネットワークによって、各信号のデジタル化や配線を共通化する等して省配線化や低コスト化が可能となる。また、これによれば、フィールド機器の規格が明確でその接続や保守が容易となり、種々の機器をフィールドバス１９ａ上で共存させることができる。尚、フィールドネットワークは、汎用的なイーサネット（登録商標）等を利用することができ、他のネットワークとの接続を前提としない閉じたネットワークのみならず、広義のネットワーク（閉じたネットワーク同士の接続を含む）として構成してもよい。
　前記フィールド機器は、フィールドネットワークで通信処理を行うために、例えばメーカ等から供給される専用チップである通信用ＣＰＵを搭載することで、プロトコル等を考慮せずにシステム化することができる。もっとも、この場合、専用チップのコスト（部品単価）がかかり、検出回路基板１５における当該チップの実装スペースが大きく占有される等の問題がある。そこで、本実施形態では専用チップの機能をコントローラ１７に持たせるべく、メモリ部２０に記憶された処理プログラムの実行により、上位フィールド機器等との通信処理や、アプリケーションの互換性に係る通信処理等を行うようになっている。或は、前記ＦＰＧＡ（ゲートアレイ）等のハードウェア的構成やソフトウェア的構成により、専用チップを省略し且つその機能を実現する。これにより、回転検出装置１０は、内部の基板１５の小型化と低コスト化を図ることができる。また、前記センサ部及びその検出回路の一体化と、フィールドネットワーク化とが相俟って、前記配線を含む全体としての占有スペースを極力コンパクトにし、合理性の高いシステムを構築している。
　前記メモリ部２０は、ＲＯＭ等の不揮発性メモリ、ＲＡＭ等の揮発性メモリ、ＥＥＰＲＯＭ等の電気的に書換可能な不揮発性メモリを含む。メモリ部２０には、前記処理プログラム等が記憶されている。尚、メモリ部２０には、回転位置と出力値とのリニアリティを改善するための補正値を予め記憶させてもよい。また、詳しくは後述するように、本実施形態ではロータコイル２２を波形形状とすることで（図３のコイル２２１～２２４，２２１ｈ～２２４ｈ参照）、補正値を用いることなくリニアリティを改善している。
　前記接点出力回路２３は、その実装スペースや必要に応じて接点数が適宜設定されており、例えばオン・オフといった２値化された信号を出力する電子カムとしての機能を有し、前記コントローラ１７とともに制御回路を構成する。ここで、電子カムは、アブソリュートデータとしての回転角度θを参照し、ユーザにより設定された角度に対応するカムスイッチ信号（出力信号）をオン・オフするように構成されている。この点、オン・オフのタイミングの設定は、メカニカルカムであるカムリミットスイッチの場合、その構成要素の位置調整等の面倒な作業が必要となるが、電子カムの場合、ユーザの入力操作により簡単に行うことができる。具体的には、オン・オフのタイミングに係るデータポイント（角度）について、例えば上位フィールド機器或は専用機器（これらを外部機器とする）によりフィールドバス１９ａを介して（ネットワーク経由で）ユーザの所望する値に設定する。例えば、外部機器での入力操作により、回転角度θについて機械角で０度（第１角度）と９０度（第２角度）が設定された場合、コントローラ１７は、軸１０ａの回転角度θが０度以上且つ９０度以内と判定すると、その０度から９０度の範囲にある期間、出力信号をオン（或いはオフ）する制御を行う。この設定値を変えない場合には、ネットワーク接続を外してシンプルな状態とすることができ、或は第１角度及び第２角度の各デフォルト値を予めメモリ部２０のＥＥＰＲＯＭ等に記憶させ、その設定変更により更新することもできる。また、電子カムによれば、メカニカルカムと異なり、カムの摩耗や位置ずれ等の問題も生じず、メンテナンス的に有利である。
　カムスイッチ信号は、電子カムの用途によっては高速応答性を必要とせず、上位フィールド機器によって、その信号の処理を行うことも可能である。この場合、上位フィールド機器は、フィールドバス１９ａを介してバイナリデータを読込みカムスイッチ信号を出力するが、例えばネットワークの異常時や上位フィールド機器の故障時に、係る信号が途絶えてしまうと問題が生じるシステムも想定される。また、電子カムの用途の中には、軸１０ａの角度が変化してからカムスイッチ信号が得られるまでの遅延時間について、数十μｓ以下の値が要求されることもあり、高速応答性が求められるものもある。この場合、上位フィールド機器がデータを読込んでからオン・オフしたのでは遅延時間が長くなり、係る要求を満たすことができない。従って、ネットワーク等から独立して、高速のオン・オフ制御を行うことは、十分に意義がある。
　この点、回転検出装置１０は、センサ部、コントローラ１７、接点出力回路２３等が搭載されており、電子カムの機能を含む種々の機能を備える。また、コントローラ１７としてＦＰＧＡだけでなく、専用ゲートアレイを適用することができ、これにより電子カムのオン・オフ制御を行うことができる。更に、詳しくは後述するように、励磁信号を、１００ＫＨｚ～５ＭＨｚといった高周波数に設定することで、データの更新時間つまり前記遅延時間を例えば１０μｓ以内の設定にすることも可能となり、電子カムの高速応答の要求に応えることができる。尚、接点出力回路２３は、後述するパルスエンコーダとしての機能を持つ構成としてもよい。
　更に、接点出力回路２３は、例えば所定時間当たりの前記回転角度θ（或いは後述の回転回数）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有する。ここで、制限速度検出機能は、軸１０ａの回転速度が基準（制限の目安）となる所定閾値以上となった時に、出力信号をオン又はオフにする機能であり、前記外部機器によって、各種設定を行うことができる。
　詳細には、コントローラ１７は、自身の有する水晶発振器で生成されるクロック信号を用いて測定される所定時間当たりの回転角度θ、つまり軸１０ａの回転速度［ｒｐｍ］を演算する。また、詳しくは後述するように、コントローラ１７は、アブソリュートデータを利用して軸１０ａの回転方向を判別し、その回転方向判別信号を生成するようになっている。そして、メモリ部２０には、所定閾値として設定された時計回り方向（ＣＷ）のデフォルト値と、反時計回り方向（ＣＣＷ）のデフォルト値とが記憶されている。所定閾値は、前記外部機器での入力操作により、回転方向に係わりなく或いは夫々の回転方向についてユーザの所望する複数の異なる値に設定することができ、その設定変更後の所定閾値は、メモリ部２０に記憶される。従って例えば、時計回り方向（ＣＷ）の回転速度について設定された複数の所定閾値のうちの低い値を第１閾値、高い値を第２閾値とした場合、コントローラ１７は、演算した回転速度が当該回転方向での第１閾値を超えたと判定すると出力信号をオン（或いはオフ）し、更に第２閾値を超えたと判定すると出力信号をオフ（或いはオン）する制御を行う。
　本実施形態と異なり、機械的にスイッチを開閉する速度開閉器がある。例えば、遠心力速度開閉器は、外郭をなす筺体内に、遠心力で移動する可動部が収容され、その軸の回転に伴う当該可動部の位置変化により電気的接点を開閉するように構成されている。このものでは、電気的接点が開閉する時の回転速度は物理的に定まり、軸の回転方向を特定することができない。また、遠心力速度開閉器では、電気的接点の開閉時の閾値を変更したり、複数の閾値を持つことができない。機械的な可動部は、摩耗や錆、粉塵の影響等により、回転速度の検出が不安定になったり、動作不良の要因となる。更に、速度開閉器の筺体は、可動部の可動範囲並びに安定した動作を確保するためのスペースが必要となり、小型化が困難である。
　この点、本実施形態では、前述したようにアブソリュートデータがコントローラ１７で生成され、又、検出信号に係る高速応答性と高精度のクロック信号とが相俟って、回転速度の算出は、極めて簡単且つ高精度なものとなる。更に、回転速度について、外部機器によりフィールドバス１９ａを介して、回転方向毎に複数の閾値の設定が可能であり、この設定値を変えない場合には、ネットワーク接続を外すことができる。従って、ネットワークにおける通信異常が生じても、回転検出装置１０では、制限速度検出機能（接点出力）が正常に機能し且つ従来の摩耗や動作不良の問題も生じす、信頼性の高いシステムを構築することができる。
　　＜多層基板＞
　さて、回転検出装置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。
　ステータ基板１１ｕ，１１ｄは、例えば第１層Ｌ１～第３層Ｌ３からなる汎用のプリント多層基板で構成されている。ステータ基板１１ｕ，１１ｄは、夫々の中心部に軸１０ａに比して径大な挿通穴１１０を有し、軸１０ａに挿通されるように配置される。ステータ基板１１ｕ，１１ｄの絶縁基材は、例えば４層のガラス基材エポキシ樹脂からなる。図３に示すステータ基板１１ｕ，１１ｄの分解図において、第１層Ｌ１及び第２層Ｌ２にコイルパターン層が、第３層Ｌ３に結線層が夫々設けられており、所謂スルーホール穴加工により、各コイルパターン層と結線層との間を電気的に接続している。
　具体的には、ステータ基板１１ｕ，１１ｄにおいて、第１層Ｌ１のコイルパターン層は平面的な銅箔のパターンにより形成されており、内周側の励磁コイル１４１と、外周側の検出コイル２１１ａ，２１１ｂ，２１１ａｈ，２１１ｂｈとからなる。このうち内周寄りの検出コイル２１１ａ，２１１ｂは、後述する１ピッチコイルに対応しており、機械角（軸１０ａの１回転を３６０度とした場合の角度）で３６０度分の絶対位置を検出するためのコイルである。外周寄りの検出コイル２１１ａｈ，２１１ｂｈは、後述する１６ピッチコイルと対応しており、高分解能で回転角度を検出するためのコイルである。
　同様に、第２層Ｌ２のコイルパターン層も、内周側の励磁コイル１４２と、外周側の検出コイル２１２ａ，２１２ｂ，２１２ａｈ，２１２ｂｈとからなる。こうして、ステータ基板１１ｕ，１１ｄの各励磁コイル１４は、複数層の励磁コイル１４１，１４２のパターンで構成される。また、ステータ基板１１ｕ，１１ｄの各検出コイル２１ａ，２１ｂは、複数層のコイル２１１ａ～２１２ｂｈのパターンで構成される。
　第３層Ｌ３の結線層は、図３に示す端子ｐ１，ｐ２，…からなる端子群Ｐを配線のために連結する微細な線のパターンで構成されている。こうして、ステータ基板１１ｕ，１１ｄは、図２に示すロータ基板１２に対して、第１層Ｌ１が内側、第３層Ｌ３の端子群Ｐが外側となる向きで、当該ロータ基板１２とギャップを有して対向する。尚、各基板１１ｕ，１１ｄは、上記構成に限定するものではなく、第２層Ｌ２と第３層Ｌ３の間に電磁波をシールドする層を設ける等、適宜変更してもよい。
　前記ロータ基板１２は、例えば第１層Ｌ１～第４層Ｌ４からなる汎用のプリント多層基板で構成され、絶縁基材としてガラス基材エポキシ樹脂が用いられている。ロータ基板１２は、中心部に軸１０ａに嵌合する嵌合穴１１１を有し、軸１０ａに取付け固定されている。ロータ基板１２の第１層Ｌ１～第４層Ｌ４は、ロータコイル２２として夫々銅箔からなる平面的なコイルパターン層を有する。
　具体的には、図３に示すように、ロータ基板１２の第１層Ｌ１及び第４層Ｌ４の内周側には、ステータ基板１１ｕ，１１ｄの励磁コイル１４１，１４２に対応するトランスコイル２４１，２４４が設けられている。このロータ基板１２のトランスコイル２４１，２４４に対して、ステータ基板１１ｕ，１１ｄの励磁コイル１４１，１４２から非接触で励磁信号（交流信号）が供給されるようになっている。これらのコイル１４１，１４２，２２１，２２４は、ロータリトランスを構成する。
　また、ロータ基板１２の第１層Ｌ１～第４層Ｌ４には、トランスコイル２４１，２４４と電気的に接続された内周寄りの１ピッチコイル２２１，２２２，２２３，２２４と外周寄りの１６ピッチコイル２２１ｈ，２２２ｈ，２２３ｈ，２２４ｈとが設けられている。これら１ピッチコイル２２１～２２４及び１６ピッチコイル２２１ｈ～２２４ｈは、ステータ基板１１ｕ，１１ｄの検出コイル２１１ａ～２１２ｂ及び２１１ａｈ～２１２ｂｈと対応する位置に形成されている。
　上記のように、ステータ及びロータを多層基板１１ｕ，１１ｄ，１２とすることで、従来の磁性材料に対する構成部品の組付け作業が不要となり、工数を低減してローコスト化を図ることができる。また、磁性材料の飽和による磁気特性の急変が無く、外部磁界のバイアスや時間的変化の影響を少なくすることができる。多層基板１１ｕ，１１ｄ，１２は磁性材料の材質に比して軽く、その重量を大幅に低減でき、負荷イナーシャを極力小さくできる。特に、回転検出装置１０がサーボモータ等に適用される場合、当該モータから見て無駄な負荷イナーシャにならないため、実用上、有用である。また、多層基板１１，１１ｕ，１１ｄでは、マグネットワイヤを用いた巻線と異なり、製造ばらつきが少ない種々の形状のコイルパターンを簡単に得ることができる。
　　＜コイルのピッチと形状＞
　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。
　即ち、図４（ａ）の１ピッチコイル２２１は、実際には円環状に連なる（ロータ基板１２の周方向に連なる）サインカーブ状をなしており（図３参照）、機械角で３６０度分（１回転）を１ピッチとする。図４（ｂ）の一対の検出コイル２１１ａ，２１１ｂは、互いに１／４ピッチずれて互い違いとなるように設けられた位置関係にある。尚、図４（ａ）（ｂ）では、円環状に配置される当該コイル２２１，２１１ａ，２１１ｂを左右方向に延びるように展開した形で示している。
　これら１ピッチコイル２２１と検出コイル２１１ａ，２１１ｂとの電磁的な結合つまり誘起電圧は、当該コイル２２１とコイル２１１ａ，２１１ｂの何れかと重なり合った位置で最大となる。その誘起電圧は、ロータ基板１２の回転方向（図４（ａ）の右方向矢印参照）への移動に伴い徐々に減少し、１／４ピッチずれた位置では、磁束が互いに打消しあって０となる。また、誘起電圧は、１／２ピッチずれた位置で逆極性の最大値をとり、更に回転すると、３／４ピッチずれた位置で再び０となる。そして、１ピッチ分移動した位置では元の最大値の誘起電圧が得られる。このように誘起電圧は、コイル２２１の１ピッチと同じロータ基板１２の回転周期で１サイクルを描き、その後もロータ基板１２の回転に伴い同じサイクルを繰り返す。
　また、図４（ｂ）の検出コイル２１１ａ，２１１ｂは、相互に１／４ピッチずれているため、ロータ基板１２の回転に伴い電磁結合がｃｏｓ，ｓｉｎカーブで変化する２つの誘起電圧が得られる。係る電気的な結合度合は、ロータ基板１２とステータ基板１１間の相対位置（相対角度）の差をθとした場合、検出コイル２１１ａではｃｏｓθに比例する一方、検出コイル２１１ｂではｓｉｎθに比例する。従って、誘起電圧の変化は、両コイル２１１ａ，２１１ｂと相対角度により定まる一義的な関係にあるので、この検出コイル２１１ａ，２１１ｂに誘起される電圧を検出することで回転角度を求めることができる。
　図５（ａ）の１６ピッチコイル２２１ｈも、実際には円環状に連なるサインカーブ状をなしており（図３参照）、同図では当該コイル２２１ｈの一部を概念的に示している。１６ピッチコイル２２１ｈは、ロータ基板１２におけるピッチ数αを１６、つまり機械角で１／１６回転分の角度（２２．５度）を１ピッチとする。ここで、「１ピッチ」とは、その角度範囲でアブソリュートの位置検出をする区間に相当する。この分割数たるピッチ数は「１６」に限らず、「８」や「３２」に設定する等、適宜変更することができる。
　図５（ｂ）の検出コイル２１１ａｈ，２１１ｂｈのうち一方のコイル２１１ｂｈは、１６ピッチコイル２２１ｈに対して１／４ピッチずれている。また、検出コイル２１１ａｈ，２１１ｂｈ相互間では１／４ピッチずれているため、検出コイル２１１ａｈではＣｏｓ（αθ）に比例する誘起電圧が検知され、検出コイル２１１ｂｈではＳｉｎ（αθ）に比例する誘起電圧が検知される。
　　＜信号処理の概念図＞
　図６は、上記した回転検出装置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。
　ここで、図６の同期整流回路３１には、１６ピッチコイル用の検出コイル２１１ａｈ，２１２ａｈの出力信号（Ｋｐ・ｃｏｓωｔ・ｃｏｓ１６θ）が入力される。同期整流回路３２には、１ピッチコイル用の検出コイル２１１ａ，２１２ａの出力信号（Ｋｃ・ｃｏｓωｔ・ｃｏｓθ）が入力される。同期整流回路３３には、１ピッチコイル用の検出コイル２１１ｂ，２１２ｂの出力信号（Ｋｃ・ｃｏｓωｔ・ｓｉｎθ）が入力される。同期整流回路３４には、１６ピッチコイル用の検出コイル２１１ｂｈ，２１２ｂｈの出力信号（Ｋｐ・ｃｏｓωｔ・ｓｉｎ１６θ）が入力される。尚、Ｉ，Ｋｐ，Ｋｃは係数であり、以下のＬｐ，Ｌｃも係数とする。
　同期整流回路３１～３４は、各出力信号の同期整流を行う。また、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）３５～３８は、同期整流回路３１～３４の各出力信号の高周波成分を除去する。これにより、演算回路３９ａは、ローパスフィルタ３５から入力される信号（Ｌｐ・ｃｏｓ１６θ）とローパスフィルタ３８から入力される信号（Ｌｐ・ｓｉｎ１６θ）とに基づき回転角度θを演算する。また、演算回路３９ａは、ローパスフィルタ３６から入力される信号（Ｌｃ・ｃｏｓθ）とローパスフィルタ３７から入力される信号（Ｌｃ・ｓｉｎθ）とに基づき回転角度θを演算する。これにより、演算回路４０は、演算回路３９ａ，３９ｂでの算出値を合成することにより、以下に説明するアブソリュートデータとして軸１０ａの回転角度θを検出すると共に、より高分解能で当該角度θを得る。
　　＜１Ｔセンサ部及び１６Ｔセンサ部＞
　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。
　同図に示すように、軸１０ａが機械角で３６０度回転する場合、１Ｔセンサ部で「０」～「１５」のデジタル値となり、１６Ｔセンサ部で「０」から「４０９５」までのカウントアップを１６回繰り返すデジタル値となる。１Ｔセンサ部及び１６Ｔセンサ部は、何れも１ピッチにおける出力信号の非線形性つまり回転角度に係る直線性誤差の割合は略等しくなる。従って、軸１０ａの機械角から見ると、１６Ｔセンサ部は１Ｔセンサ部に比して誤差の度合いを１／１６に低減でき、誤差特性の観点から好適である。これと同様に、分解能（前記分割数）や、温度特性、耐ノイズ特性についても、１６Ｔセンサ部がより好ましいものとなる。
　このように、比較的ピッチが細かい１６Ｔセンサ部は、センサ特性を向上させる手段として有効である一方、アブソリュート値として検出できる範囲、つまり１ピッチの機械角は２２．５度に限定される。このため、軸１０ａの機械角３６０度の回転位置について、図７に示す１６のブロックのうち、どのブロックの位置か識別できない。一方、１Ｔセンサ部は、諸特性において１６Ｔセンサに劣るものの、機械角３６０度を１ピッチとしており、軸１０ａの１回転中の回転位置を把握することが可能となる。従って、１Ｔセンサ部の位置信号を用いて、１６Ｔセンサ部で不明であったブロックの位置を識別する。こうして、図７のデータ構成の場合、１回転アブソリュートセンサとして、機械角で３６０度／（４０９６×１６）の回転の変化を検出する回転検出装置１０となる。
　これにより、１Ｔセンサ部と１６Ｔセンサ部とで同時に検出して、高精度・高分割数で且つ軸１０ａの１回転をアブソリュート検知することが可能になる。尚、１６Ｔセンサ部は、８Ｔ（１／８分割）や３２Ｔ（１／３２分割）といったピッチに設定してもよい。この分割数は、物理的な配置スペースや、１Ｔセンサ部によって回転位置を特定するビット数に応じて設定する。また、センサ部は、上記の１Ｔと１６Ｔとの２種に限らず、例えば１Ｔ，８Ｔ，６４Ｔといった３種或はそれ以上の種類のセンサ部を搭載した多層基板を用いて、より高性能にしてもよい。尚、上記した多層基板１１ｕ，１１ｄ，１２では、コイル形成を含む設計の自由度が高く、種々の複数のコイル（センサ部）を簡単且つ容易に実装でき、安価な構成とすることができる。
　　＜励磁信号の周波数＞
　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。
　［１］インダクタンスが十分に高いので、比較的低い励磁信号の周波数でも十分な検出信号が得られる。
　［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。
　［３］［１］の如くインダクタンスが高いため、高い励磁信号の周波数だと、共振の影響が出てきて、誤差が増大する。
　［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。
　［５］サーボシステムで使用される場合でも２０ＫＨｚ程度の励磁信号の周波数で実用に足りる。
　［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。
　一方、本実施形態のように磁性材料を使わず、例えば直径がφ６０ｍｍ程度のケース１０ｂに、コイルを備えた多層基板を収容するものとする。この場合、多層基板の直径はφ５０ｍｍ程度となり、励磁回路から見たコイル（センサ部）のインダクタンスの値は、例えば数μＨ～１０μＨと非常に小さくなる。ここで、例えばインダクタンスが１０μＨ、周波数が１０ＫＨｚのとき、インピーダンスＺ１は、以下のようになる。
　　　Ｚ１＝２πｆＬ＝２π×１０×１０３×１０×１０－６≒０．６３［Ω］　…（１）
　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。
　　　Ｖ１＝Ｚ１×３０≒１８．８［ｍＶ０－Ｐ］　　　　…（２）
　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。
　　　Ｖ２＝Ｖ１×０．０３＝１８．８×０．０３≒０．５６［ｍＶ０－Ｐ］　…（３）
　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。
　それ故、係る条件では、検出電圧につき３０００倍以上増幅する必要があり、ゲインを高くとらなければならないので、部品点数の増加を招く。また、ゲインが非常に高い増幅回路は、信号の入力段と増幅出力段との僅かな結合（静電結合、磁気結合、共通インピーダンス）により、想定外の正帰還がかかって発振することがある。そして、なにより、検出電圧自体が小さく、増幅回路自身のノイズの影響や、外来ノイズに影響を受けやすい問題がある。
　ここで、増幅器のノイズについて簡単な考察を加える。検出電圧Ｖ２を増幅する初段のオペアンプは、１０［ＫＨｚ］の信号で位相がずれたりしないように、動作周波数に対して十分広い帯域幅を必要とする。この点、一般的な広帯域のオペアンプの入力換算雑音電圧密度は１０ｎＶ／（Ｈｚ）１／２程度であるので、前記帯域幅を１［ＭＨｚ］とした場合、入力部雑音電圧Ｖｎは、以下のようになる。
　　　Ｖｎ＝１０×１０－９×（１×１０６）１／２＝０．０１［ｍＶ０－Ｐ］　…（４）
　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。
　このような問題の対策として、励磁信号の電流を大きくすることも考えられるが、前述した理由から好ましくない。そこで、本実施形態では、励磁信号の周波数を高めることとする。例えば、励磁信号の周波数を、元の１０ＫＨｚから、１０倍の１００ＫＨｚに上げると、前記のＺ１、Ｖ１、Ｖ２は、以下のようになる。
　　　Ｚ１＝２πｆＬ＝２π×１００×１０３×１０×１０－６≒６．３［Ω］　…（５）
　　　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。
　［２］の問題
　本実施形態の回転検出装置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。
　［３］、［４］の問題
　回転検出装置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。
　本実施形態の回転検出装置１０もインダクタンスという見地からみた場合、同じように共振をするものであり、共振現象による電流位相の不定状態の影響を受けないようにするため、共振周波数より十分低い周波数で駆動すべきである。このことからインピーダンス値が数１０Ω～数１００Ω程度以下までは、共振の影響を受けずにセンサとして十分に機能すると考えられる。ここで、前記のＺ１について、インピーダンスの限界を例えば３００Ωとしたときの周波数を逆算してみる。
　　　ｆ＝Ｚ１／２πＬ≒４．８［ＭＨｚ］　　　　　　…（８）
　つまり、回転検出装置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。
　［５］の問題
　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。
　［６］の問題
　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装置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。
　図８は、このとき励磁コイル１４１，１４２に供給する励磁信号の周波数と、検出コイル２１１ａｈ～２１２ｂｈで検出される電圧Ｖ２（最大値となるロータ位置での検出値）との関係を示している。同図に示すように、励磁信号について周波数が１０ＫＨｚ、１００ＫＨｚ、１ＭＨｚ、５ＭＨｚのとき、検出電圧Ｖ２の夫々のピーク値［ｍＶ０－Ｐ］は、約０．０６、約０．８５、約２１．２、約１１５となる。このように、検出電圧Ｖ２は、励磁信号の周波数に略比例して増加し、１ＭＨｚや５ＭＨｚでは十分に大きな値をとることを検証できた。尚、従来において、このような高周波数に設定されていなかったのは、そもそも周波数を高く設定する必要性がなく（現状で事足りており）改善されてこなかったことも一因としてあると思われる。
　以上のように、本実施形態では、励磁信号の周波数を１００ＫＨｚ以上の高周波数に設定し、好ましくは１００ＫＨｚ～５ＭＨｚで、より好ましくは１ＭＨｚ～５ＭＨｚに設定するとよい。これにより、磁性材料を用いない回転検出装置１０でもそのセンサとしての特性を相乗的に高め、応答周波数を向上させることができる等、従来にない効果を得ることができる。
　　＜ロータコイルの形状＞
　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。
　この点、一般的なインダクトシン（商品名）のコイルは矩形波形であるが、上記した寸法形状（ケース１０ｂ直径でφ６０ｍｍ）に適用した場合、出力変化特性のリニアリティが悪化することがわかっている。そこで、後述するステータ基板１１ｕ，１１ｄ間の距離（図２のＧｕ，Ｇｄ参照）や、性能維持に好適なコイル構成（１Ｔ及び１６Ｔセンサ部）に合わせたコイル形状に設計する事で、材料費や組立て工数の増加を招くことなく、リニアリティの改善を図ることができる。
　前記メモリ部２０に、１Ｔ及び１６Ｔセンサ部の別に検出誤差を記憶させておき、検出誤差を補正値として回転角度θの演算を行う構成も採用することができる。もっとも、この構成では、センサ部別に補正処理を行うことでコスト増加等のデメリットも考えられる。従って、本実施形態のようにコイル２２１～２２４ｈをサインカーブ状にすることにより、回転角度θの補正をしない簡単な構成でリニアリティを向上させることができる。尚、コイル２２１～２２４ｈをサインカーブ状にした場合でも、誤差を可及的に少なくするべく、誤差の補正処理を行うようにしてもよい。
　　＜基板の配置と「ずれ」＞
　発明者は、回転検出装置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。
　また、図２の両側ステータ１１ｕ，１１ｄとロータ基板１２との各対向面間の距離Ｇｕ，Ｇｄを何れも０．３５ｍｍに設定するものとし、図９、図１０では、当該ロータ基板１２の軸方向（図２で上方向をプラス方向とする）のずれ量を、横軸で表わすものとする。また、図９（ａ）及び図１０（ａ）では、１Ｔ及び１６Ｔセンサ部に係る１次信号（励磁信号）の印加電流を実機に近い３０［ｍＡ０－Ｐ］に設定し、その時の２次信号（出力電圧）Ｖ２のピーク値の電圧［ｍＶ０－Ｐ］を示している。
　図９（ａ）に示す１Ｔセンサ部にあっては、両側ステータ１１ｕ，１１ｄと片側ステータ１１ｄとで出力電圧Ｖ２の大きさの違いが明白になっており、その電圧比は、ロータ基板１２が本来の基準位置（０ｍｍ）にある場合、３．６倍程度になる。図１０（ａ）に示す１６Ｔセンサ部でも、両側ステータ１１ｕ，１１ｄと片側ステータ１１ｄとで出力電圧Ｖ２に大きな差があり、その電圧比は、ロータ基板１２が基準位置にある場合、３．７倍程度になる。また、図９（ａ）及び図１０（ａ）に示すように、１Ｔ及び１６Ｔセンサ部の何れについても、両側ステータ１１ｕ，１１ｄは、ロータ基板１２が基準位置から±０．３ｍｍにわたってずれても、出力信号Ｖ２に与える影響が少ないことが分かる。これに対して、片側ステータ１１ｄでは、ロータ基板１２が遠ざかるにつれ出力電圧Ｖ２が小さくなっている。それ故、両側ステータ１１ｕ，１１ｄと片側ステータ１１ｄとの出力電圧Ｖ２の比を表す２次出力電圧比は、１Ｔセンサ部では６．３倍（図９（ａ）参照）、１６Ｔセンサ部では７．６倍（図１０（ａ）参照）と大きな差が生じている。この結果から、両側ステータ１１ｕ，１１ｄでは、片側ステータ１１ｄよりも出力電圧Ｖ２を大幅に増加させることができ、基板１１ｕ，１１ｄ，１２に組付け時のずれ或は経年の使用によるずれが生じたとしても電圧低下を抑制し、その性能を維持できることがわかる。
　また、図９（ｂ）に示すように、１Ｔセンサ部において、ロータ基板１２の基準位置からのずれ量と、そのずれに伴う回転角度θの検出誤差は略比例にある。この場合、両側ステータ１１ｕ，１１ｄでは、片側ステータ１１ｄの検出誤差の１／５以下の検出誤差が生じるにすぎない。図１０（ｂ）の１６Ｔセンサ部においても、ロータ基板１２の基準位置からのずれが生じた場合、両側ステータ１１ｕ，１１ｄでは、片側ステータ１１ｄの検出誤差の１／４以下の検出誤差に収まっている。この結果から、両側ステータ１１ｕ，１１ｄでは、基板１１ｕ，１１ｄ，１２に組付け時のずれ或は経年の使用によるずれが生じたとしても、検出誤差を極力抑制して検出精度を維持することができ、軸方向のずれに強いといえる。
　　＜励磁電流の位相＞
　回転検出装置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。
　即ち先ず、検出回路側についての入力インピーダンスは、検出コイル２１ａ，２１ｂのインピーダンスより十分高く設計するため、この部分で位相が変化することはない。一方、励磁側についてコイル１４１，１４２を電圧駆動した場合、そこに流れる「電流の位相」は、コイル１４１，１４２のインピーダンスによって定まる。このインピーダンスは、コイル１４１，１４２の「抵抗」成分と、「インダクタンスによるリアクタンス」成分の合成値である（図１１（ｂ）参照）。多層基板１１ｕ，１１ｄにおけるコイル１４１，１４２の場合、インダクタンス値に対して抵抗値が無視できるほど小さくはない。つまり、コイル１４１，１４２に流れる電流は、抵抗成分が無視できる理想的なインダクタと異なり、コイル１４１，１４２両端の駆動電圧に対して９０度位相が遅れた波形にならない。
　本実施形態と異なり、一般的な回転検出器を用いたシステムでは、励磁信号を基準信号として、検出信号を同期整流する手段がとられる。この同期整流処理では、基準信号と検出信号の位相関係も、回転角度θを検出するための重要な情報となり、上記のように位相がずれる場合、基準信号側の位相を必要量オフセットすれば、係る問題が解決するように思われる。もっとも、この場合、センサ部の周囲温度の変化によって、コイルの抵抗成分が変化すると（図１１（ｂ）のΔＲ参照）、これに伴い励磁電流の位相もずれる。このずれた位相の分は、そのまま検出回路側の電圧位相のずれとなって発生し、その結果、回転角度θのデータにずれが発生する。
　そこで、本実施形態の回転検出装置１０では、図１１（ａ）に示すように、励磁側についてコイル１４１，１４２への駆動電流を一定とする定電流駆動回路５０で駆動する。従って、周囲温度の変化によって、コイル１４１，１４２の抵抗成分が変化しても、その補償を励磁コイル１４１，１４２の定電流駆動（コントローラ１７の定電流制御）により行い、励磁電流の位相を既知なものとして扱うことができる。こうした温度変化に係る補正は、定電圧駆動により行うことも可能である。尚、励磁コイル１４１，１４２の励磁電流の位相を検知するために、零クロス点までの時間をカウントするカウンタを用いて温度補正を行うこともできるが、前記定電流駆動では、こうした検出回路を不要とした簡単な構成で検出精度を高めることができる。
　　＜パルスエンコーダ機能＞
　回転検出装置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。
　前記コントローラ１７は、１Ｔセンサ部或は１６Ｔセンサ部のデジタル位置信号を、図１２（ａ）に示すセンサデータとして差分演算回路５１に出力する。差分演算回路５１は、係るセンサデータを一定周期で読み込んで、現在の周期におけるセンサデータと１周期前のセンサデータとの差分を演算して、後段のパルス変換回路５２に出力する。また、差分演算回路５１は、演算した差分に基づいて、軸１０ａの回転方向を判別し、その回転方向判別信号をパルス生成回路５３に出力する。
　パルス変換回路５２は、入力された差分に基づいて、図１２（ｂ）に示すように一定周期毎に均等になるような均等パルスに変換する。そして、パルス生成回路５３は、入力された均等パルスと回転方向判別信号とに基づいて、Ａ相のパルス信号を生成するとともに、当該Ａ相に対して１／４周期遅れたＢ相のパルス信号を生成する。これらＡ相、Ｂ相のパルス信号のパルス数設定、つまり回転量と発生するパルス数との比であるパルスレートは、前記フィールドバス１９ａを介して入力される外部の設定操作部（図示略）で任意の値に設定する構成とする。
　上記構成と異なり、光学系のセンサを用いる一般的なパルスエンコーダでは、シャフトに直結される円盤状のガラスを用いるため、衝撃を加えると破損する虞がある。また、光学系の発光素子及び受光素子は寿命が比較的短く、熱的影響により劣化が進行する。これに伴い、パルスが出力されなかったり、パルスのデューティレシオが５０％でなくなる事態も生じうる。更に、光学系の部分が結露したり、粉塵等が侵入すると、即座に誤動作し、使用不能になる等の問題がある。
　この点、本実施形態の回転検出装置１０は、従来の光学系のセンサを用いずに、アブソリュートデータに基づきＡ相、Ｂ相、Ｚ相のパルス信号を出力するパルスエンコーダとして機能させることができる。これにより、耐久性に優れたものとし、寿命を延ばすことができ、上記の問題を解決することができる。また、回転検出装置１０は、前記設定操作部から入力される設定値に基づいて、パルスレートの設定変更が可能に構成されている。このため、製造設備の予備品として従来のようにパルスレート毎に多種のものを用意する必要がなく、汎用性に優れたものとすることができる。
　以上説明したように、本実施形態の回転検出装置１０は、ロータに配設されたロータコイル２２と、ステータに配設された検出コイル２１ａ，２１ｂと、ロータコイル２２が励磁信号で励磁されることにより検出コイル２１ａ，２１ｂに誘起される検出信号を処理し、ロータとステータとの相対的な回転角度を検出する制御回路（コントローラ１７及び接点出力回路２３）と、外部機器とデータ通信を行うための通信手段と、を備え、制御回路は、検出信号に基づいて、予め設定された回転角度でオン・オフするスイッチ信号を出力する機能を有し、外部機器により、通信手段を介して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。
　これによれば、回転検出装置１０において。検出コイル２１ａ，２１ｂの検出信号に基づきロータとステータとの相対的な回転角度を検出することができるため、メカニカルカムと異なり、カムの摩耗や位置ずれの問題を解消することができる。また、回転検出装置は制御回路を内蔵し、前記スイッチ信号を出力するため、全体の小型化を図ることができる。更に、外部機器から独立してスイッチ信号を出力することができる一方、外部機器によりスイッチ信号に係る回転角度の設定変更をすることが可能となる。
　また、前記制御回路は、検出信号に基づいて所定時間当たりの回転角度を測定し、当該回転角度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有し、外部機器により、通信手段を介して所定時間当たりの回転角度の測定値に係る所定閾値の設定変更が可能に構成されている。
　これによれば、回転検出装置１０は、例えば前述した従来の遠心力速度開閉器における、可動部等を省略することができ、動作不良の問題を解消することができる。また、制御回路を内蔵することで、総じて全体の小型化に適した構成とすることができる。更に、外部機器から独立してスイッチ信号を出力することができる一方、外部機器により所定時間当たりの回転角度の測定値に係る所定閾値の設定変更をすることが可能となる。
　ロータ及びステータは、上記した多層基板１２，１１ｕ，１１ｄに代えて、磁性材料からなる板部材を用いて構成してもよい。また、励磁信号の周波数も前記高周波数に限らず、板部材の材料に応じて適宜変更してもよい。
　何れにしても、ロータ、ステータ、及び制御回路の基板を、１つの外郭ケースに収容することで、より簡単且つ安価な構成とすることができる。
　本発明は上記した、又は図面に記載した実施形態にのみ限定されるものではなく、種々の変形又は拡張が可能である。
　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装置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。
　これによれば、電子カム機能について高速応答性が得られ、メカニカルカムと異なりオン・オフのタイミングの設定を簡単に行うことができる等、上記した実施形態と同様の効果を奏する。また、制限速度検出機能について、コントローラ１７は、前記検出信号に基づき所定時間当たりの回転回数を測定し、当該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。このため、回転速度の算出は、極めて簡単且つ高精度なものとなる。また、ネットワーク等から独立して高速のオン・オフ制御を行うことができ、信頼性の高いシステムを構築することができる等、上記した実施形態と同様の効果を奏する。
　また、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とすることで、相対位置を検出するタイプに比して、適用する設備の運転効率を向上させることが可能となる。
　以上のように、本発明は、回転検出装置に有用である。

Claims (4)

  1. 　ロータ及びステータと、
    　前記ロータに配設されたロータコイル（２２）と、
    　前記ステータ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を処理し、前記ロータと前記ステータとの相対的な回転角度を検出する制御回路（１７，２３）と、
    　外部機器とデータ通信を行うための通信手段（１９）と、を備え、
    　前記制御回路（１７，２３）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・オフするスイッチ信号を出力する機能を有し、
    　前記外部機器により、前記通信手段（１９）を介して前記スイッチ信号に係る前記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回転検出装置（１０）。
  2. 　ロータ及びステータと、
    　前記ロータに配設されたロータコイル（２２）と、
    　前記ステータ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を処理し、前記ロータと前記ステータとの相対的な回転角度を検出する制御回路（１７，２３）と、
    　外部機器とデータ通信を行うための通信手段（１９）と、を備え、
    　前記制御回路（１７，２３）は、前記検出信号に基づいて所定時間当たりの回転角度を測定し、当該回転角度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有し、
    　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回転検出装置（１０）。
  3. 　前記ロータ、前記ステータ、及び前記制御回路（１７，２３）の基板（１５）を収容する外郭ケースを備えることを特徴とする請求項１または２記載の回転検出装置（１０）。
  4. 　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とした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装置（１０）。
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