JP5237210B2 - Position detection device - Google Patents
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Description
本発明は、レゾルバあるいはシンクロのような回転位置検出器、あるいはそれと同様の位置検出原理に従う直線位置検出器など、回転位置及び直線位置のどちらについても適用できる位置検出装置に関し、特に電気的位相差に基づきアブソリュート位置検出を行なう位置検出装置に関する。 The present invention relates to a position detection apparatus that can be applied to both a rotational position and a linear position, such as a rotational position detector such as a resolver or a synchro, or a linear position detector according to a similar position detection principle, and more particularly to an electrical phase difference. The present invention relates to a position detection device that performs absolute position detection based on the above.
誘導型の回転位置検出器として、1相励磁入力で2相出力(サイン相とコサイン相の出力)を生じるものは「レゾルバ」として知られており、1相励磁入力で3相出力(120度ずれた3相)を生じるものは「シンクロ」として知られている。最も古いタイプの在来型のレゾルバは、ステータ側に90度の機械角で直交する2極(サイン極とコサイン極)の2次巻線を配し、ロータ側に1次巻線を配したものである(1次と2次の関係は逆も可)。このようなタイプのレゾルバはロータの1次巻線に電気的にコンタクトするためのブラシを必要としているので、これが欠点となっている。これに対して、ブラシを不要としたブラシレス・レゾルバの存在も知られている。ブラシレス・レゾルバは、ロータ側においてブラシに代わる回転トランスを設けたものである。一方、レゾルバの励磁方式を、2相励磁入力で1相出力を生じるように変更して、回転角度に応じた電気的位相ずれ角を含む出力信号を得ることにより、検出角度のディジタルデータを得る方式も、知られている。 An inductive rotational position detector that produces two-phase output (sine phase and cosine phase output) with one-phase excitation input is known as a “resolver”, and three-phase output (120 degrees with one-phase excitation input) What produces the three shifted phases) is known as “synchro”. The oldest conventional resolver has a secondary winding (sine pole and cosine pole) orthogonal to each other at a mechanical angle of 90 degrees on the stator side, and a primary winding on the rotor side. (The relationship between primary and secondary can be reversed). This type of resolver is disadvantageous because it requires a brush to make electrical contact with the rotor primary winding. On the other hand, the existence of a brushless resolver that does not require a brush is also known. The brushless resolver is provided with a rotary transformer in place of the brush on the rotor side. On the other hand, by changing the excitation method of the resolver so that a one-phase output is generated by a two-phase excitation input, an output signal including an electrical phase shift angle corresponding to the rotation angle is obtained, thereby obtaining digital data of the detected angle. The scheme is also known.
また、これらの電気的位相検出原理を利用した位置検出装置における位相差検出方式として、本願の発明者らによって提案された下記特許文献1及びこれに対応する米国特許である特許文献2に示された技術も公知である。
Further, as a phase difference detection method in a position detection device using these electrical phase detection principles, it is shown in the following
上記特許文献1及び2に示された技術においては、基準交流信号(例えばsinωt)によって励磁され、検出対象位置に対応する第1の関数値(例えばサイン関数値)を振幅係数として振幅変調された第1の交流出力信号(例えばsinθsinωt)及び前記検出対象位置に対応する第2の関数値(例えばコサイン関数値)を振幅係数として振幅変調された第2の交流出力信号(例えばcosθsinωt)を出力する位置センサ(例えばレゾルバタイプのセンサ)から出力される該第1及び第2の交流出力信号に基づき、検出対象位置に対応するシフト量(θ)だけ該基準交流信号に対して正及び負の一方向にシフトされた電気的位相角を持つ第1の電気的交流信号(例えばsin(ωt+θ))と、同じ前記検出対象位置に対応するシフト量だけ前記基準交流信号に対して正及び負の他方向にシフトされた電気的位相角を持つ第2の電気的交流信号(例えばsin(ωt−θ))とを生成し、これらの第1及び第2の電気的交流信号に含まれる正負逆方向の位相シフト検出値(+θと−θ)を加算的に合成することにより、温度特性誤差成分を相殺的に除去した高精度な検出データを得るようにしている。
In the techniques disclosed in
下記特許文献3には、上記特許文献1及び2に示されたような位相差検出方式を採用した位置検出装置が示されている。そこに示された位置検出装置のシステム構成は、位置センサ部と演算装置(コンピュータ等)とで構成され、位置センサ部では、上記第1及び第2の電気的交流信号(sin(ωt+θ)とsin(ωt−θ))のゼロクロス位相に同期するゼロクロス検出信号(ラッチタイミング信号)をそれぞれ出力し、これを演算装置(コンピュータ等)に入力して、これに基づき演算装置(コンピュータ等)にてカウント等を含む位相シフト値の演算を行うようになっている。しかし、この構成では、2つのゼロクロス検出信号(ラッチタイミング信号)に対応する2つの出力配線が必要であった。
下記特許文献4には、検出位置の電気的位相差に対応するパルス幅を持つ1本のPWM信号を出力するように構成することで、出力配線数を減少するとともに構成の簡略化を図るようにした位置検出装置が示されている。すなわち、上記第1及び第2の電気的交流信号(sin(ωt+θ)とsin(ωt−θ))のゼロクロス位相に同期するゼロクロス検出信号(ラッチタイミング信号)LpとLmの時間差Δtに相当するPWM信号を出力するようにしている。ところで、この場合、検出位置の電気的位相差が180度以内の位相差に対応していれば問題のないPWM信号を得ることができるが、180度以上の場合は、単純に第1の電気的交流信号(sin(ωt+θ))のゼロクロス検出信号(ラッチタイミング信号)Lpから第2の電気的交流信号(sin(ωt−θ))のゼロクロス検出信号(ラッチタイミング信号)Lmまでの時間差Δtに応答させたPWM信号は180度未満の位相差しか示さないものとなり、正確な位置検出をすることができない。そのために、特許文献4では、検出した電気的位相差が180度以内か否かを判定するようにしているが、具体的な構成は示されていない。また、検出した電気的位相差が180度以内か否かを判定するという構成は、そもそも実質的には180度以内の検出しか行えない構成の検出装置にあっては、そもそもそのような判定をどうすべきか、適切な解決策が提示されない限り、実現困難であった。 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-228842 is configured to output one PWM signal having a pulse width corresponding to the electrical phase difference at the detection position, thereby reducing the number of output wires and simplifying the configuration. A position detecting device is shown. That is, the PWM corresponding to the time difference Δt between the zero cross detection signal (latch timing signal) Lp and Lm synchronized with the zero cross phase of the first and second electrical AC signals (sin (ωt + θ) and sin (ωt−θ)). A signal is output. Incidentally, in this case, a PWM signal having no problem can be obtained if the electrical phase difference at the detection position corresponds to a phase difference of 180 degrees or less. The time difference Δt from the zero cross detection signal (latch timing signal) Lp of the static AC signal (sin (ωt + θ)) to the zero cross detection signal (latch timing signal) Lm of the second electrical AC signal (sin (ωt−θ)). The responded PWM signal indicates only a phase difference of less than 180 degrees, and accurate position detection cannot be performed. Therefore, in Patent Document 4, it is determined whether or not the detected electrical phase difference is within 180 degrees, but a specific configuration is not shown. In addition, the configuration of determining whether or not the detected electrical phase difference is within 180 degrees is essentially such a determination for a detection apparatus configured to be able to detect only within 180 degrees in the first place. Unless an appropriate solution was proposed, what to do was difficult to achieve.
本発明は、上述の点に鑑みてなされたもので、検出対象位置に応じた位相シフト量θだけ進相シフトされた電気的交流信号sin(ωt+θ)と遅相シフトされた電気的交流信号sin(ωt−θ)との位相時間差Δtを検出するタイプの位置検出装置において、180度以上の位相時間差Δtを正確に測定できるようにした位置検出装置を提供しようとするものである。 The present invention has been made in view of the above-described points. The electrical AC signal sin (ωt + θ) phase-shifted by the phase shift amount θ corresponding to the detection target position and the electrical AC signal sin delayed-shifted. An object of the present invention is to provide a position detection device capable of accurately measuring a phase time difference Δt of 180 degrees or more in a position detection device of a type that detects a phase time difference Δt with respect to (ωt−θ).
本発明に係る位置検出装置は、基準交流信号によって励磁され、検出対象位置に対応する第1の関数値を振幅係数として振幅変調された第1の交流出力信号及び前記検出対象位置に対応する第2の関数値を振幅係数として振幅変調された第2の交流出力信号を出力する位置センサと、前記第1及び第2の交流出力信号に基づき、前記検出対象位置に対応するシフト量だけ前記基準交流信号に対して正及び負の一方向にシフトされた電気的位相角を持つ第1の電気的交流信号と、同じ前記検出対象位置に対応するシフト量だけ前記基準交流信号に対して正及び負の他方向にシフトされた電気的位相角を持つ第2の電気的交流信号とを生成する回路と、前記第1の電気的交流信号の基準位相のタイミングを始点とし、前記基準交流信号の基準位相のタイミングを経過した後の前記第2の電気的交流信号の基準位相のタイミングを終点として、該始点から終点までの時間間隔で前記第1の電気的交流信号と前記第2の電気的交流信号の電気的位相差を示す位相出力信号を生成する位相出力回路とを具備することを特徴とすることを特徴とする。 The position detection device according to the present invention is excited by a reference AC signal, and is modulated by using a first function value corresponding to the detection target position as an amplitude coefficient, and the first AC output signal corresponding to the detection target position. A position sensor that outputs a second AC output signal that is amplitude-modulated with the function value of 2 as an amplitude coefficient, and based on the first and second AC output signals, the reference is shifted by a shift amount corresponding to the detection target position. A first electrical AC signal having an electrical phase angle shifted in one direction positive and negative with respect to the AC signal, and positive and negative with respect to the reference AC signal by a shift amount corresponding to the same detection target position. A circuit for generating a second electrical AC signal having an electrical phase angle shifted in the negative negative direction, and a timing of a reference phase of the first electrical AC signal as a starting point, Reference phase The timing of the reference phase of the second electrical AC signal after the elapse of timing is used as an end point, and the first electrical AC signal and the second electrical AC signal are transmitted at a time interval from the start point to the end point. And a phase output circuit that generates a phase output signal indicating an electrical phase difference.
第1の電気的交流信号(sin(ωt+θ))の基準位相のタイミングを始点とし、基準交流信号(sinωt)の基準位相のタイミングを経過した後の第2の電気的交流信号(sin(ωt−θ))の基準位相のタイミングを終点として、該始点から終点までの時間間隔Δtで前記第1の電気的交流信号と前記第2の電気的交流信号の電気的位相差を示す位相出力信号を生成するようにしたので、180度以上の位相時間差Δtを正確に検出できるようになる。 The second electrical AC signal (sin (ωt−) after the timing of the reference phase of the reference AC signal (sin ωt) has elapsed, starting from the reference phase timing of the first electrical AC signal (sin (ωt + θ)). A phase output signal indicating an electrical phase difference between the first electrical AC signal and the second electrical AC signal at a time interval Δt from the start point to the end point with the reference phase timing of θ)) as an end point. Since it is generated, a phase time difference Δt of 180 degrees or more can be accurately detected.
図1は、漏洩磁束検出型の回転位置検出装置として構成された本発明の一実施例に係る位置検出装置において適用される位置センサ10の構成例を示す図であり、(a)は正面略図、(b)は側面略図である。検出対象たる回転軸1に取り付けられたローター(回転子)2は、所定の磁気応答部材を含んで構成されており、該磁気応答部材の一例として、永久磁石MGのN極とS極を180度の間隔で配置した構成からなるものを用いている。その場合、回転軸1のローター2の一回転につき、ローター2の永久磁石MGによる磁界が2サイクル回転する。位置センサ10は、ローター2の永久磁石MGの漏洩磁束を検出し、ローター2の永久磁石MGによる磁界の現在角度を割り出すことで、回転軸1の回転位置を検出する。
FIG. 1 is a diagram showing a configuration example of a
図1(a)において、位置センサ10は、ステータ3として、リング状の回路基板15において所定の角度間隔で配置された4極のフラットコイル11,12,13,14を含む。例えば、各極のフラットコイル11,12,13,14は、渦巻き状のプリント配線からなるもので、渦巻きプリント配線コイルを複数層重ねてインダクタンスを高めている。図1(b)に示すように、ローター2の周囲にステータ3のリング状回路基板15が嵌め込まれる。図1(b)に示すように、各フラットコイル11,12,13,14の配置に対応して基板15の両面において高透磁率磁性体16が配置される。各高透磁率磁性体16は例えばアモルファスのような高透磁率材質からなり、薄い板若しくは薄膜を成している。このような高透磁率材質は、フラックスゲートとして機能する。すなわち、高透磁率材質に永久磁石MGの磁極が近接すると、該高透磁率材質は大きな磁束の影響により磁気飽和を起こし、その透磁率を大きく低下させる性質を有している。従って、各フラットコイル11,12,13,14における各高透磁率磁性体16は、ローター2の永久磁石MGの磁極S,Nの近接に応じて透磁率を変化させ、対応するコイル11,12,13,14にそれに応じたインピーダンス変化を生じさせる。このフラックスゲート原理により、ローター2の永久磁石から生じる漏洩磁束を各コイル11,12,13,14で検知することができる。なお、高透磁率磁性体16は、各フラットコイル11,12,13,14の配置に対応して基板15の片面に配置するだけでもよい。
In FIG. 1A, the
例えば、図示例のように、ローター2の一回転につき、ローター2の永久磁石の磁極S,Nによる磁界が2サイクル回転する場合は、ローター2の回転角度をφとすると、該ローター2の回転角度φに応じた永久磁石の漏洩磁束に応じて各フラットコイル11,12,13,14における各高透磁率磁性体16にはφに対して2倍の周期性を持つ(つまり、該回転角度φに相関する)磁気飽和が生ぜしめられ、各コイル11,12,13,14においては、前記磁気飽和の周期的変化に応じてインピーダンスが変化せしめられる。
For example, as shown in the figure, when the magnetic field due to the magnetic poles S and N of the permanent magnet of the
ここで、高透磁率磁性体16の形状を適切に設定することにより、ローター2の回転角度φに応じて第1のコイル11(サイン極S)に生じるインピーダンス変化の特性が正弦関数sinθと同等若しくはそれに近いものとなるようにすることができる。なお、θ=2φである。また、第1のコイル11から時計方向に機械角で約90度ずれて配置された第2のコイル12(マイナスサイン極−S)では、ローター2の回転角度φに応じたインピーダンス変化の特性がマイナス正弦関数−sinθと同等若しくはそれに近いものとなるようにすることができる。同様に、第1のコイル11から時計方向に機械角で約225度ずれて配置された第3のコイル13(コサイン極C)では、ローター2の回転角度φに応じたインピーダンス変化の特性が余弦関数cosθと同等若しくはそれに近いものとなるようにすることができる。また、第1のコイル11から時計方向に機械角で約315度ずれて配置された第4のコイル14(マイナスコサイン極−C)では、ローター2の回転角度φに応じたインピーダンス変化の特性がマイナス余弦関数−cosθと同等若しくはそれに近いものとなるようにすることができる。なお、各コイル11〜14の機械的配置は、上記例に限らず、適宜設計変更可能である。要は、各コイル11〜14におけるローター2の回転角度φに応じたインピーダンス変化の特性がそれぞれsinθ,−sinθ,cosθ,−cosθとなるようにすればよい。
Here, by appropriately setting the shape of the high-permeability
なお、高透磁率磁性体16の形状は、図1(a)では、各フラットコイル11,12,13,14の円形状に合わせて略円形状としている。このような略円形状であっても、ローター2の変位方向に関して漸次変化する形状であるから、近接したローター2の変位に伴って磁気飽和の変化特性が正弦関数的特性を示すようにすることができるかもしれない。しかし、より好ましくは、図2に示すように、高透磁率磁性体16の形状は、眼の輪郭のような先細り形状を有するものとするのがよいかもしれない。いずれにせよ、上述のように、各コイル11〜14におけるローター2の回転角度φに応じたインピーダンス変化の特性がそれぞれsinθ,−sinθ,cosθ,−cosθとなるように、若しくはできるだけそれに近いものとなるように、高透磁率磁性体16の形状を、ローター2の変位方向に関して漸次変化する形状とする。
In addition, the shape of the high magnetic permeability
このように、第1及び第2のコイル11,12は、ローター2から生じる漏洩磁束の変化に対して互いに逆相となるように配置され、かつ、第3及び第4のコイル13,14も、ローター2から生じる漏洩磁束の変化に対して互いに逆相となるように配置されている。そして、第1及び第2のコイル11,12の組と前記第3及び第4のコイル13,14の組とがローター2から生じる漏洩磁束の変化に対して互いに所定位相(π/2)だけずれるように配置されている。
As described above, the first and
図3は、位置センサ10に適用される検出用電気回路例を示す。図3において、各コイル11〜14は可変インダクタンス要素として等価的に示されている。各コイル11〜14は、基準交流信号源40から与えられる所定の高周波交流信号(便宜上、これをEsinωtで示す)によって1相で励磁される。各コイル11〜14に生じる電圧Va,Vc,Vb,Vdは、等価的に、下記のように、検出対象たるローター2の回転位置φに対応する角度変数θ(=2φ)に応じた上記コイル11〜14毎のインピーダンス値に応じた大きさを示す。なお、P0は磁気回路の定数要素である。
Va=(P0+sinθ)sinωt
Vb=(P0+cosθ)sinωt
Vc=(P0−sinθ)sinωt
Vd=(P0−cosθ)sinωt
FIG. 3 shows an example of an electric circuit for detection applied to the
Va = (P 0 + sin θ) sin ωt
Vb = (P 0 + cos θ) sinωt
Vc = (P 0 -sin θ) sin ωt
Vd = (P 0 −cos θ) sinωt
アナログ演算器31は、下記のように、サイン相に相当するコイル11の出力電圧Vaと、それに対して差動変化するマイナスサイン相に相当するコイル12の出力電圧Vcとの差を求め、角度変数θのサイン関数特性の振幅係数を持つ交流出力信号を生成する。
Va−Vc=(P0+sinθ)sinωt−(P0−sinθ)sinωt
=2sinθsinωt
アナログ演算器32は、下記のように、コサイン相に相当するコイル13の出力電圧Vbと、それに対して差動変化するマイナスコサイン相に相当するコイル14の出力電圧Vdとの差を求め、角度変数θのコサイン関数特性の振幅係数を持つ交流出力信号を生成する。
Vb−Vd=(P0+cosθ)sinωt−(P0−cosθ)sinωt
=2cosθsinωt
The
Va−Vc = (P 0 + sin θ) sin ωt− (P 0 −sin θ) sin ωt
= 2sinθsinωt
The
Vb−Vd = (P 0 + cos θ) sin ωt− (P 0 −cos θ) sin ωt
= 2 cos θ sin ωt
こうして、検出対象たる回転位置φに相関する角度変数θを含む2つの周期的振幅関数(sinθとcosθ)によってそれぞれ振幅変調された2つの交流出力信号「2sinθsinωt」と「2cosθsinωt」が得られる(以下、係数の「2」は省略する。)。これは、従来からレゾルバとして知られた検出器のサイン相出力信号sinθsinωt及びコサイン相出力信号cosθsinωtと同等のものである。なお、サイン相及びコサイン相という呼び名、及び2つの交流出力信号の振幅関数のサイン、コサインの表わし方は便宜的なものであり、一方がサインで他方がコサインでありさえすれば、どちらをサインと言ってもよい。すなわち、Va−Vc=cosθsinωtで、Vb−Vd=sinθsinωtである、と表現してもよい。 In this way, two AC output signals “2 sin θ sin ωt” and “2 cos θ sin ωt” that are respectively amplitude-modulated by two periodic amplitude functions (sin θ and cos θ) including the angular variable θ correlated with the rotation position φ to be detected are obtained (hereinafter referred to as “2 cos θ sin ωt”) The coefficient “2” is omitted.) This is equivalent to the sine phase output signal sin θ sin ωt and the cosine phase output signal cos θ sin ωt of a detector conventionally known as a resolver. The names sine phase and cosine phase, and the sine and cosine representations of the amplitude functions of the two AC output signals are for convenience. If either one is a sine and the other is a cosine, it will You can say. That is, Va−Vc = cos θ sin ωt, and Vb−Vd = sin θ sin ωt may be expressed.
基準交流信号源40及びアナログ演算器31,32の部分が、各コイル11〜14を所定の基準交流信号で励磁し、該各コイル11〜14のインピーダンスに応じた出力信号を各コイル11〜14から生成すると共に、第1及び第2のコイル11,12の出力信号を差動合成して第1の合成出力交流信号sinθsinωtを生成し、かつ、第3及び第4のコイル13,14の出力信号を差動合成して第2の合成出力交流信号cosθsinωtを生成するセンサ回路に相当する。
The reference
ここで、温度ドリフト特性の補償について説明すると、温度に応じて各コイル11〜14のインピーダンスが変化し、その出力電圧Va〜Vdも変動する。しかし、これらを演算合成したサイン及びコサイン関数特性の交流出力信号sinθsinωt及びcosθsinωtにおいては、「Va−Vc」及び「Vb−Vd」の演算によって、コイルの温度ドリフト誤差が補償されるので、温度ドリフトによるコイルインピーダンス変化の影響を受けないものとなる。従って、精度のよい検出が可能である。また、その他の回路部分例えば基準交流信号源40等での温度ドリフト特性も、後述するように自動的に補償される。
Here, the compensation of the temperature drift characteristic will be described. The impedances of the
本実施例においては、演算器31、32から出力される2つの交流出力信号sinθsinωt及びcosθsinωtに基づき、位相検出方式で回転位置検出を行う。この場合の位相検出方式としては、例えば特開平9−126809号公報に示された技術を適宜用いるとよい。例えば、一方の交流出力信号sinθsinωtをシフト回路33で電気的に90度シフトすることで、交流信号sinθcosωtを生成し、これと他方の交流出力信号cosθsinωtをアナログ加算器34で加算合成することで、sin(ωt+θ)なる、θに応じてプラス方向(進相)に位相シフトされた交流信号(位相成分θを交流位相ずれに変換した信号)を生成する。
In this embodiment, the rotational position is detected by the phase detection method based on the two AC output signals sin θ sin ωt and cos θ sin ωt output from the
一方、シフト回路33から出力される交流出力信号sinθcosωtと他方の交流出力信号cosθsinωtとをアナログ引算器36で引算合成することで、sin(ωt−θ)なる、θに応じてマイナス方向(遅相)に位相シフトされた交流信号(位相成分θを交流位相ずれに変換した信号)を生成する。
On the other hand, by subtracting and synthesizing the AC output signal sin θ cos ωt output from the
これらのシフト回路33、アナログ加算器34、アナログ引算器36の部分が、第1及び第2の合成出力交流信号sinθcosωt及びcosθsinωtに基づき、ローター2の回転位置φに対応するシフト量θだけ基準交流信号sinωtに対して正及び負の一方向にシフトされた電気的位相角を持つ第1の電気的交流信号sin(ωt+θ)と、同じ検出対象回転位置φに対応するシフト量θだけ基準交流信号sinωtに対して正及び負の他方向にシフトされた電気的位相角を持つ第2の電気的交流信号sin(ωt−θ)を生成する信号生成回路に相当する。
The
そして、進相シフトされた交流検出信号sin(ωt+θ)のゼロクロスをコンパレータ35で検出し、ゼロクロス検出パルスLpを生成する。また、遅相シフトされた交流検出信号sin(ωt−θ)のゼロクロスをコンパレータ37で検出し、ゼロクロス検出パルスLmを生成する。ゼロクロス検出パルスLpは、上記第1の電気的交流信号sin(ωt+θ)の基準位相(位相角0)のタイミングを示している。ゼロクロス検出パルスLmは、上記第2の電気的交流信号sin(ωt−θ)の基準位相(位相角0)のタイミングを示している。
Then, the zero cross of the AC detection signal sin (ωt + θ) shifted in phase is detected by the
コンパレータ35から出力される進相シフトのゼロクロス検出パルスLpは、進相シフトされた交流検出信号sin(ωt+θ)における位相シフト量θを、基準交流信号sinωtのゼロ位相時点に対する進み時間位置で示すタイミング信号に相当する。
The phase shift zero-cross detection pulse Lp output from the
また、コンパレータ37から出力される遅相シフトのゼロクロス検出パルスLmは、遅相シフトされた交流検出信号sin(ωt−θ)における位相シフト量θを、基準交流信号sinωtのゼロ位相時点からの遅れ時間位置で示すタイミング信号に相当する。
Further, the late-shift zero-cross detection pulse Lm output from the
このように、進相シフトのゼロクロス検出パルスLpと遅相シフトのゼロクロス検出パルスLmのどちらもが、ローター2の回転位置φに対応する位相シフト量θを、時間位置で示す検出データである。従って、原理的には、進相シフトのゼロクロス検出パルスLpと遅相シフトのゼロクロス検出パルスLmのどちらか一方を、ローター2の回転位置φの検出信号として出力するようにすればよい。しかし、後述するように温度ドリフト補償した検出データを得るためには、両方を用いるのがよい。
Thus, both the phase shift zero cross detection pulse Lp and the phase shift zero cross detection pulse Lm are detection data indicating the phase shift amount θ corresponding to the rotational position φ of the
図3に示された各回路31〜37、40は1つの回路基板15上にユニット化して収容されて回路ユニットとしてまとめられる。そして、該回路ユニットと位置センサ10とが、ケーシング内に収納されて、検出対象たる回転軸1に取り付けられる。図4は、位置センサ10と回路ユニットとを含む位置検出ユニット100を、その検出出力を利用するためのマイクロコンピュータ20に接続してなるシステム構成例を示す。マイクロコンピュータ20と図3実施例回路との間は、少なくとも直流電源供給ラインと2本の出力ライン21a,21bで接続されるだけでよい。この2本の出力ライン21a,21bには、上述の進相シフトのゼロクロス検出パルスLpと遅相シフトのゼロクロス検出パルスLmがそれぞれ出力される。マイクロコンピュータ20は、タイミング信号キャプチャ用の入力ポートを複数有しており、この入力ポートに上記出力ライン21a,21bをそれぞれ接続する。マイクロコンピュータ20は該入力ポートに接続されたライン21a,21bから与えられる2つのタイミング信号(パルスLpとLm)の時間差Δtをカウントすることで、ローター2の回転位置φに対応する位相角データθをデジタル的に測定する。なお、この例の場合、位相角データθは、ローター2の180度の回転範囲を1サイクルとしてその1サイクル範囲内のアブソリュート値で回転位置を示す。180度を越える回転範囲に関しては、サイクル数をインクリメントすることで検出可能である。
Each of the
コンパレータ35、37及びマイクロコンピュータ20でΔtをカウントする部分が、基準交流信号sinωtの基準位相と第1の電気的交流信号sin(ωt+θ)の基準位相と第2の電気的交流信号sin(ωt−θ)の基準位相とに基づき、第1の電気的交流信号sin(ωt+θ)と第2の電気的交流信号sin(ωt−θ)の電気的位相差を示す位相出力信号を生成する位相出力回路に相当する。勿論、マイクロコンピュータ20に代えて、パルスLpとLmの時間差Δtをカウントするデジタル回路を使用してもよい。
The
なお、マイクロコンピュータ20では、ライン21a,21bから与えられる2つのタイミング信号(パルスLpとLm)の時間差Δtをカウントするだけでよく、センサ10内に設けられた基準交流信号源40から発生される基準交流信号sinωtのゼロ位相時点を知る必要がない。よって、コンピュータ20の側での時間測定のための処理・構成が簡素化される。一方、ケーシング内に収納されたセンサ10内の回路では、基準交流信号源40としてアナログ発振回路により又はサイン波関数発生器などを使用して、外部から供給される直流電源に基づき、内部で基準交流信号sinωtを発生するだけでよく、これを同期化のための参照信号としてマイクロコンピュータ20に与える必要がないので、外部端子の構成を簡素化でき、コスト削減につながる。
In the
ここで、再び温度ドリフト特性の補償について説明する。温度ドリフト特性によって、例えば基準交流信号源40で発生する交流信号の周波数や振幅レベルに変動が起きたり、その他の回路要素や信号線路でのインピーダンスが変動した場合、検出される前記進相シフトのゼロクロス検出パルスLpと遅相シフトのゼロクロス検出パルスLmにおけるそれぞれの位相シフト値θには温度ドリフト特性による誤差εが含まれることになる。しかし、この誤差εは両検出パルスLp,Lmにおいて同値同一方向(同値同一符号)で現われるので、2つの検出パルスLp,Lm(タイミング信号)の時間差Δtにおいては、自動的に誤差εが相殺されることになる。従って、温度ドリフトによる回路等のインピーダンス変化の影響を受けず、高精度な検出が可能となる。
Here, compensation for temperature drift characteristics will be described again. Due to the temperature drift characteristic, for example, when the frequency or amplitude level of the AC signal generated by the reference
図5は、この温度補償の様子を模式的に示すタイミング図である。(a)は温度ドリフトによる誤差εがない場合の検出パルスLp,Lm(タイミング信号)の発生タイミング例を示し、時間差Δtは、理論的には2θであり、正確な回転位置を示す。(b)は温度ドリフトによる誤差εがある場合の検出パルスLp,Lm(タイミング信号)の発生タイミング例を示す。この場合、進相の検出パルスLpは、基準交流信号のゼロ位相時点に対して、誤差εを含む「+θ−ε」に相当する進み時間だけ先行して発生し、遅相の検出パルスLmは、基準交流信号のゼロ位相時点に対して、誤差εを含む「−θ−ε」に相当する遅れ時間だけ遅れて発生する。しかし、2つの検出パルスLp,Lm(タイミング信号)のそれぞれがこのように誤差εを含んでいても、両者の時間差Δtにおいては、自動的に誤差εが相殺され、正確な回転位置を示す理論値2θに対応している。このように、温度ドリフト補償が達成されている。 FIG. 5 is a timing chart schematically showing the temperature compensation. (A) shows an example of the generation timing of detection pulses Lp, Lm (timing signal) when there is no error ε due to temperature drift, and the time difference Δt is theoretically 2θ, indicating an accurate rotational position. (B) shows an example of generation timing of detection pulses Lp and Lm (timing signal) when there is an error ε due to temperature drift. In this case, the phase detection pulse Lp is generated ahead of the zero phase time point of the reference AC signal by an advance time corresponding to “+ θ−ε” including the error ε, and the phase detection pulse Lm is The delay time is delayed by a delay time corresponding to “−θ−ε” including the error ε with respect to the zero phase time point of the reference AC signal. However, even if each of the two detection pulses Lp and Lm (timing signal) includes the error ε in this way, the error ε is automatically canceled at the time difference Δt between the two, and the theory indicates an accurate rotational position. This corresponds to the value 2θ. Thus, temperature drift compensation has been achieved.
図6は、位置検出ユニット100内に搭載する回路構成の別の例を示す。図6の例では、位置検出ユニット100内の回路構成は、図3の回路構成に加えて、進相の検出パルスLpと遅相の検出パルスLmとのを時間差Δtに対応するパルス幅を持つ可変パルス幅信号PWMを形成するPWM変換回路38を更に備える。このPWM変換回路38で形成された該時間差Δtに対応するパルス幅を持つ可変パルス幅信号PWMは、1本の出力ライン21cを介して出力され、マイクロコンピュータ20に入力される。マイクロコンピュータ20は、PWM信号キャプチャ用の入力ポートを有しており、この入力ポートに上記出力ライン21cを接続する。マイクロコンピュータ20は該入力ポートに接続されたライン21cからのPWM信号のパルス時間幅Δtをカウントすることで、ローター2の回転位置φに対応する位相角データθをデジタル的に測定する。この回路構成例においては、出力ライン21cが1本で済むので、より一層、構成を簡素化できる。
FIG. 6 shows another example of a circuit configuration mounted in the
ところで、上述のように、パルスLpとLmの時間差Δtをカウントする場合、図7(a)に示すように、基準交流信号sinωtの基準位相(0度)に対して、第1の電気的交流信号sin(ωt+θ)の電気的位相角シフト+θ(つまりLpのタイミング)及び第2の電気的交流信号sin(ωt−θ)の電気的位相角シフト−θ(つまりLmのタイミング)が180度以内であれば、単純にパルスLpとLmの時間差Δtをカウントすることで正確な位相角シフトデータθ(つまり2θ)を得ることができる。 By the way, as described above, when counting the time difference Δt between the pulses Lp and Lm, as shown in FIG. 7A, the first electrical alternating current with respect to the reference phase (0 degree) of the reference alternating current signal sinωt. The electrical phase angle shift + θ (that is, the timing of Lp) of the signal sin (ωt + θ) and the electrical phase angle shift −θ (that is, the timing of Lm) of the second electrical AC signal sin (ωt−θ) are within 180 degrees. Then, accurate phase angle shift data θ (that is, 2θ) can be obtained by simply counting the time difference Δt between the pulses Lp and Lm.
一方、図7(b)に示すように、基準交流信号sinωtの基準位相(0度)に対して、第1の電気的交流信号sin(ωt+θ)の電気的位相角シフト+θ(つまりLp1のタイミング)及び第2の電気的交流信号sin(ωt−θ)の電気的位相角シフト−θ(つまりLm1のタイミング)が180度以上の場合は、単純に、パルスLpとLmの時間差Δtをカウントしたのでは、今回サイクルのパルスLp1のタイミングと前回サイクルのパルスLm0の時間差をカウントしてしまうことになり、正確な位相角シフトデータθ(つまり2θ)を得ることができない。そこで、そのような場合でも、正確な位相角シフトデータθ(つまり2θ)を得ることができるようにすることが新たな課題となる。 On the other hand, as shown in FIG. 7B, the electrical phase angle shift + θ (that is, Lp 1 of the first electrical AC signal sin (ωt + θ) with respect to the reference phase (0 degree) of the reference AC signal sin ωt. Timing) and the electrical phase angle shift −θ (that is, the timing of Lm 1 ) of the second electrical AC signal sin (ωt−θ) is 180 degrees or more, simply calculate the time difference Δt between the pulses Lp and Lm. If counted, the time difference between the timing of the pulse Lp 1 of the current cycle and the pulse Lm 0 of the previous cycle is counted, and accurate phase angle shift data θ (that is, 2θ) cannot be obtained. Therefore, even in such a case, it is a new problem to obtain accurate phase angle shift data θ (that is, 2θ).
そのような課題を解決するために、図4の実施例において、位置検出ユニット100側で基準交流信号sinωtの基準位相(0度)を示す基準ゼロクロスパルスR0を生成して、これをマイクロコンピュータ20に供給し、マイクロコンピュータ20の側において、例えば、図8に示すような手順で時間差Δtのカウントを行うとよい。図8においては、要するに、第1の電気的交流信号sin(ωt+θ)の基準位相のタイミング(つまりLpのタイミング)を始点とし、基準交流信号sinωtの基準位相のタイミング(R0)を経過した後の第2の電気的交流信号sin(ωt−θ)の基準位相のタイミング(つまりLmのタイミング)を終点として、該始点から終点までの時間間隔Δtで第1の電気的交流信号と前記第2の電気的交流信号の電気的位相差(2θ)を示す位相出力信号を生じるようにしている。
In order to solve such a problem, in the embodiment of FIG. 4, a reference zero cross pulse R 0 indicating the reference phase (0 degree) of the reference AC signal sin ωt is generated on the
図8の処理は、基準ゼロクロスパルスR0の発生タイミングでスタートする。ステップS1では、Δtのカウント動作中であるか(カウントフラグが立っているか)を判定する。YESであれば、ステップS2に行き、Lmの発生タイミングが到来したかを判定する。Lmの発生タイミングになると、ステップS3でΔtのカウント動作を終了する。この場合、Δtのカウントデータを回転位置検出データとして保存し、カウントフラグをリセットする。その後、ステップS4でLpの発生タイミングが到来したかを判定する。Lpの発生タイミングが到来したならば、ステップS5でΔtのカウント動作を開始し、カウントフラグを立てる。ステップS3のYESを経てステップS4,S5の処理に進むのは、図7(a)の例のように、基準交流信号sinωtの基準位相(0度)に対して、第1の電気的交流信号sin(ωt+θ)の電気的位相角シフト+θ(つまりLpのタイミング)及び第2の電気的交流信号sin(ωt−θ)の電気的位相角シフト−θ(つまりLmのタイミング)が180度以内である場合である。 The process of FIG. 8 starts at the generation timing of the reference zero cross pulse R0 . In step S1, it is determined whether Δt is being counted (a count flag is set). If YES, go to step S2 to determine whether the generation timing of Lm has arrived. When the generation timing of Lm is reached, the counting operation of Δt is finished in step S3. In this case, the count data of Δt is stored as rotation position detection data, and the count flag is reset. Thereafter, in step S4, it is determined whether the generation timing of Lp has arrived. If the generation timing of Lp has arrived, the count operation of Δt is started in step S5, and the count flag is set. The process proceeds to steps S4 and S5 through YES in step S3, as in the example of FIG. 7A, the first electrical AC signal with respect to the reference phase (0 degree) of the reference AC signal sin ωt. The electrical phase angle shift + θ (that is, the timing of Lp) of sin (ωt + θ) and the electrical phase angle shift −θ (that is, the timing of Lm) of the second electrical AC signal sin (ωt−θ) are within 180 degrees. This is the case.
ステップS4がNOの場合は、ステップS6で基準ゼロクロスパルスR0の発生タイミングが到来したかを判定し、到来していなければ、ステップS4に戻る。つまり、ステップS4とステップS6を巡回することにより、LpとR0のいずれか早い方の発生に応じて処理を行う。R0が発生する前にLpが発生した場合は、上述のようにステップS5に進む。 If NO in step S4, it is determined in step S6 whether the generation timing of the reference zero cross pulse R0 has arrived. If not, the process returns to step S4. That is, the processing is performed according to the earlier occurrence of Lp or R 0 by circulating between step S4 and step S6. If Lp occurs before R 0 occurs, the process proceeds to step S5 as described above.
一方、Lpが発生する前にR0が発生した場合は、ステップS6でYESと判定し、図8のルーチンのスタートにジャンプする。この場合、Δtのカウント動作中ではない(カウントフラグがリセットされている)ので、ステップS1はNOであり、ステップS4に進む。ステップS4では、Lpの発生タイミングが到来したかを判定する。Lpの発生タイミングが到来したならば、ステップS5でΔtのカウント動作を開始し、カウントフラグを立てる。そして、このルーチンを終了し、次にR0が発生するまで待機する。ステップS1のNOからステップS4、S5の処理を行うのは、図7(b)の例のように、基準交流信号sinωtの基準位相(0度)に対して、第1の電気的交流信号sin(ωt+θ)の電気的位相角シフト+θ(つまりLpのタイミング)及び第2の電気的交流信号sin(ωt−θ)の電気的位相角シフト−θ(つまりLmのタイミング)が180度以上の場合である。 On the other hand, if R0 occurs before Lp occurs, YES is determined in step S6, and the routine jumps to the start of the routine of FIG. In this case, since Δt is not being counted (the count flag is reset), step S1 is NO and the process proceeds to step S4. In step S4, it is determined whether the generation timing of Lp has arrived. If the generation timing of Lp has arrived, the count operation of Δt is started in step S5, and the count flag is set. Then, this routine is ended, and the process waits until R 0 occurs next time. The processing of steps S4 and S5 from NO in step S1 is performed for the first electrical AC signal sin with respect to the reference phase (0 degrees) of the reference AC signal sin ωt, as in the example of FIG. 7B. When (ωt + θ) electrical phase angle shift + θ (that is, Lp timing) and second electrical AC signal sin (ωt−θ) electrical phase angle shift −θ (that is, Lm timing) are 180 degrees or more. It is.
一方、上記のような課題を解決するために、図6の実施例においては、位置検出ユニット100側に設けられたPWM変換回路38において、上記図8の処理のコンセプトと同様に、第1の電気的交流信号sin(ωt+θ)の基準位相のタイミング(つまりLpのタイミング)を始点とし、基準交流信号sinωtの基準位相のタイミング(R0)を経過した後の第2の電気的交流信号sin(ωt−θ)の基準位相のタイミング(つまりLmのタイミング)を終点とするように、PWM信号を生成するようにロジック回路を構成すればよい。そのためには、PWM変換回路38を例えば図9に示すように構成するとよい。図9においては、第1の電気的交流信号sin(ωt+θ)のゼロクロス検出パルスLpをフリップフロップ381のセット入力Sに入力し、このフリップフロップ381のセット出力QをANDゲート382に入力し、基準交流信号sinωtの基準位相(0度)のタイミングで発生するパルスR0をANDゲート382の他方入力に入力し、ANDゲート382の出力をフリップフロップ383のセット入力Sに入力する。フリップフロップ383のセット出力QはANDゲート384に入力され、ANDゲート384の他の入力には第2の電気的交流信号sin(ωt−θ)のゼロクロス検出パルスLmが入力され、ANDゲート384の出力はフリップフロップ381のリセット入力Rに入力される。フリップフロップ381のセット出力Qが回転位置に応じた時間差Δtを示すPWM信号として出力ライン21cに出力される。そして、フリップフロップ381のセット出力Qをインバータ385で反転した信号がフリップフロップ383のリセット入力Rに入力される。この構成によれば、第1の電気的交流信号sin(ωt+θ)のゼロクロス検出パルスLpの発生タイミングでフリップフロップ381がセットされ、フリップフロップ381がセットされた状態で基準位相(0度)のタイミングパルスR0が発生されると、ANDゲート382のAND条件が成立してフリップフロップ383がセットされ、フリップフロップ383がセットされた状態で第2の電気的交流信号sin(ωt−θ)のゼロクロス検出パルスLmが発生されると、ANDゲート384のAND条件が成立してフリップフロップ381がリセットされる。これにより、第1の電気的交流信号sin(ωt+θ)の基準位相のタイミング(つまりLpのタイミング)を始点とし、基準交流信号sinωtの基準位相のタイミング(R0)を経過した後の第2の電気的交流信号sin(ωt−θ)の基準位相のタイミング(つまりLmのタイミング)を終点とするように、PWM信号を生成することができる。そして、PWM信号が0に立ち下がったとき、インバータ385の出力1によりフリップフロップ383がリセットされる。
On the other hand, in order to solve the above-described problems, in the embodiment of FIG. 6, the
なお、位置センサ10における検出用コイル11〜14の構成は、上記実施例のようなプリント回路基板に形成されたフラットコイル型のものに限らず、どのようなタイプでもよい。例えば、図10は、高透磁率磁性体のコア26の周りにコイル11〜14を巻回したタイプからなっている。あるいは、図11に示すように、単体のコイル11に隣接して所定形状の高透磁率磁性体16を配置する構成でもよい。フラックスゲートタイプのセンサにおいては、漏洩磁束に敏感に応答して検出を行うことができるので、漏洩磁束の発生源であるローター2から発生される漏洩磁束の向きとコイルの軸線の向きとの関係には自由度があり、コイルの配置の許容度が高い。
The configuration of the detection coils 11 to 14 in the
本発明は、上述のようなフラックスゲートタイプの位置センサに限らず、どのようなタイプの位置センサにおいても適用することができる。例えば、位置センサの磁気応答部材として、上記のような永久磁石ではなく、公知のように、磁性体(鉄のような高磁性材質)又は反磁性体(銅のような良導電かつ非磁性の材質)、あるいは磁性体と反磁性体を組み合わせたものなどを用いてもよい。 The present invention is not limited to the above-described fluxgate type position sensor, and can be applied to any type of position sensor. For example, as a magnetic response member of a position sensor, not a permanent magnet as described above, but a known magnetic material (high magnetic material such as iron) or diamagnetic material (a highly conductive and non-magnetic material such as copper). Material) or a combination of a magnetic material and a diamagnetic material may be used.
図12は、本発明に適用可能な位置センサの一実施例を示す概略図であって、ステータに配置された4極(S,−S,C,−C)のコイル11〜14と、ローター200の表面上に形成・配置された磁気応答部材300(磁性体又は反磁性体あるいは磁性体と反磁性体を組み合わせたもの)との物理的配置関係の一例を正面略図によって示したものである。ローター200の表面上には所定形状(例えば偏心形状)の磁気応答部材300が形成されており、該磁気応答部材300はローター2の回転に合わせて回転する。ステータは検出用コイルとして4つのコイル11〜14を含んでおり、この例の場合、各コイル11〜14内を通る磁束が回転軸1の軸線方向を指向する。ステータとローター200とは、ステータの各コイル11〜14のコイルコア(例えば鉄心などの磁性体コア)の端面とローター200表面上に形成された磁気応答部材300とが所定の間隔を空けた状態で、すなわち各コイル11〜14のコイルコアの端面とローター200の磁気応答部材300の表面との間に空隙が形成されるようにして互いに対向する位置に配置されており、ローター200はステータに対して非接触で回転する。磁気応答部材300と向き合う各コイル11〜14のコイルコアの端面の面積がローター200の回転位置に応じて変化することによって、回転軸1の回転角度を検出することができるように構成されている。なお、図12では、ステータにおいて、サイン極Sのコイル11とマイナスサイン極−Sのコイル12が機械角で180度の間隔で配置され、また、コサイン極Cのコイル13とマイナスコサイン極−Cのコイル14も機械角で180度の間隔で配置され、サイン極Sのコイル11とコサイン極Cのコイル13は機械角で90度の間隔を成すように配置されている。これにより、回転軸1の360度にわたる回転角φが、360度にわたる電気的位相角θにて、アブソリュートで検出される。すなわち、θ=φの関係である。
FIG. 12 is a schematic view showing an embodiment of a position sensor applicable to the present invention, and includes four-pole (S, -S, C, -C) coils 11 to 14 arranged on a stator, and a rotor. An example of a physical arrangement relationship with a magnetic response member 300 (magnetic body or diamagnetic body or a combination of a magnetic body and a diamagnetic body) formed and arranged on the surface of 200 is shown by a schematic front view. . A
また、本発明は、回転位置検出に限らず、直線位置検出、あるいは傾き角検出、ねじれ角検出など、種々のタイプの位置検出装置において適用可能である。また、上記実施例では、検出コイルの構成として、交流励磁したコイルのインピーダンスを検出する構成を採用しているが、これに限らず、各極毎に交流励磁される1次コイルと誘導出力を生じる2次コイルとを含む構成を採用してもよい。 The present invention is not limited to rotational position detection, and can be applied to various types of position detection devices such as linear position detection, inclination angle detection, and twist angle detection. In the above embodiment, the detection coil is configured to detect the impedance of an AC-excited coil. However, the configuration is not limited to this, and the primary coil and the induction output that are AC-excited for each pole are used. You may employ | adopt the structure containing the secondary coil to produce.
2 ローター(回転子)
3 ステータ
10 センサ(位置検出装置)
11,12,13,14 コイル
15 回路基板
16 高透磁率磁性体
MG 永久磁石
300 磁気応答部材
2 Rotor
3
11, 12, 13, 14
Claims (2)
前記第1及び第2の交流出力信号に基づき、前記検出対象位置に対応するシフト量だけ前記基準交流信号に対して正及び負の一方向にシフトされた電気的位相角を持つ第1の電気的交流信号と、同じ前記検出対象位置に対応するシフト量だけ前記基準交流信号に対して正及び負の他方向にシフトされた電気的位相角を持つ第2の電気的交流信号とを生成する回路と、
前記第1の電気的交流信号の基準位相のタイミングを始点とし、前記基準交流信号の基準位相のタイミングを経過した後の前記第2の電気的交流信号の基準位相のタイミングを終点として、該始点から終点までの時間間隔で前記第1の電気的交流信号と前記第2の電気的交流信号の電気的位相差を示す位相出力信号を生成する位相出力回路と
を具備することを特徴とする位置検出装置。 A first AC output signal excited by a reference AC signal and amplitude-modulated with a first function value corresponding to the detection target position as an amplitude coefficient and an amplitude with the second function value corresponding to the detection target position as an amplitude coefficient A position sensor for outputting a modulated second AC output signal;
Based on the first and second AC output signals, a first electric having an electrical phase angle shifted in one of positive and negative directions with respect to the reference AC signal by a shift amount corresponding to the detection target position. And a second electrical AC signal having an electrical phase angle shifted in other positive and negative directions with respect to the reference AC signal by a shift amount corresponding to the same detection target position. Circuit,
The starting point is the timing of the reference phase of the first electrical AC signal, and the starting point is the timing of the reference phase of the second electrical AC signal after the timing of the reference phase of the reference AC signal has elapsed. And a phase output circuit that generates a phase output signal indicating an electrical phase difference between the first electrical AC signal and the second electrical AC signal at a time interval from the first to the end point. Detection device.
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