旋轉檢測器的制作方法

本發明涉及一種用于檢測轉子和定子之間的相對的旋轉角度的旋轉檢測器。

背景技術：

圖13示出以往使用的旋轉檢測器的結構。如該圖所示，旋轉檢測器1具有作為固定構件的定子2和相對于定子2可旋轉的作為旋轉構件的轉子3。定子2由磁性材料構成，在與轉子3相對的相對面上隔著絕緣片2a設置有定子線圈2b。轉子3也由磁性材料構成，隔著定子的相對面的絕緣片3a設置有轉子線圈3b。定子線圈2b和轉子線圈3b均形成為由銅箔構成的矩形波形的線圈圖案。

此外，旋轉檢測器1具有用于對轉子線圈3b進行勵磁的旋轉變壓器4。旋轉變壓器4包括與轉子線圈3b相連接的變壓器線圈4b和以非接觸方式向該線圈4b供給勵磁信號的定子2內周部的變壓器線圈4a。由此，在經由旋轉變壓器4向轉子線圈3b供給勵磁信號的情況下，伴隨著轉子3的旋轉，從定子線圈2b輸出檢測信號。

專利文獻1：日本特開平9-26334號公報

技術實現要素：

發明要解決的課題

在上述旋轉檢測器1中，為了提高定子線圈2b和轉子線圈3b的電磁耦合度，定子2和轉子3由作為磁性材料的鐵等的金屬材料構成。但是，根據該結構，定子2和轉子3難以進行輕量化。此外，旋轉檢測器1存在包括上述絕緣片2a、3a、各線圈2b、3b的各構成部件的加工、組裝耗費成本、不能低價地制造的問題。

本發明是鑒于上述情況而完成的，其目的在于提供一種輕量且能夠提高檢測精度、同時能夠實現低成本化的旋轉檢測器。

用于解決課題的方案

權利要求1所述的旋轉檢測器，其特征在于，

具有：轉子基板和定子基板，其分別使用多層基板構成轉子和定子；轉子線圈，其設置在上述轉子基板；和檢測線圈，其設置在上述定子基板，在基于通過上述轉子線圈被勵磁信號勵磁而在上述檢測線圈感應的檢測信號，對上述轉子基板和上述定子基板的相對的旋轉角度進行檢測的結構的情況下，

所述勵磁信號的頻率設定得比在分別使用磁性材料構成所述轉子和所述定子的情況下所要求的規定頻率高。

發明效果

根據權利要求1所述的發明，轉子基板和定子基板使用了比磁性材料的材質輕的多層基板，所以能夠大幅度降低其重量。此外，轉子線圈和檢測線圈能夠在多層基板中容易地形成為制造偏差少的線圈圖案。并且，通過勵磁信號的頻率設定得比在分別使用磁性材料構成轉子和定子的情況下所要求的規定頻率高，從而能夠補充由于不使用磁性材料導致的電磁耦合度的降低。進而，能夠消除磁性材料的飽和特性等的影響，能夠使檢測精度提高。

附圖說明

圖1是示出一個實施方式的圖，是表示旋轉檢測器的電氣結構的框圖。

圖2是放大地示出轉子基板和定子基板部分的縱向剖視圖。

圖3是將分別構成轉子基板和定子基板的多層基板分解而示出的圖。

圖4(a)、(b)是用于說明1T傳感器部涉及的轉子線圈和定子線圈的位置關系的概念圖。

圖5是關于16T傳感器部示出的與圖4相當的圖。

圖6是運算處理涉及的框圖。

圖7是用于說明1T傳感器部和16T傳感器部的數字位置信號的概念圖。

圖8是示出旋轉檢測器的勵磁信號的頻率和檢測信號(輸出電壓)的關系的圖。

圖9是關于1T傳感器部對兩側定子和一側定子的特性的差異進行說明的圖，(a)是示出轉子基板的偏移量和輸出電壓的關系的圖，(b)是示出轉子基板的偏移量和檢測角度的誤差的關系的圖。

圖10是關于16T傳感器部示出的與圖9相當的圖。

圖11是關于恒流驅動方式的說明圖。

圖12是脈沖編碼器功能的說明圖。

圖13是用于說明以往的旋轉檢測器的縱向剖視圖。

附圖標記說明

10表示旋轉檢測器，10b表示外殼，11(11u、11d)表示定子基板，12表示轉子基板，19表示通信單元，21a，21b(211a～212bh)表示檢測線圈，22(221～224，221h～224h，241，244)表示轉子線圈。

具體實施方式

以下，關于本發明的旋轉檢測器10，參照附圖對應用于FA(FactoryAutomation：工廠自動化)的現場網絡的一個實施例進行說明。在此，為了便于說明，在圖1的框圖中，示意地示出旋轉檢測器10的外殼10b和旋轉的軸10a。如該圖所示，旋轉檢測器10具有設置在外殼10b上的定子和設置在作為傳感器軸的軸10a上的轉子，這些定子和轉子由后述的具有檢測線圈21a、21b的定子基板11、和具有轉子線圈22的轉子基板12構成。

此外，在定子基板11上設置有勵磁線圈14。例如，如果向勵磁線圈14輸入作為規定的勵磁信號的1相的交流信號，則轉子線圈22被勵磁。通過該轉子線圈22的勵磁，在檢測線圈21a、21b上感應根據軸10a的旋轉進行了振幅調制的正弦波相位輸出信號和余弦波相位輸出信號。通過根據該正弦波sinθ和余弦波cosθ求出tanθ，并求出反正切，由此進行計算軸10a的旋轉角度θ的處理。這樣，本實施方式的旋轉檢測器10以1相勵磁/2相輸出的振幅調制型為例。另外，通過2相勵磁/1相輸出、即向勵磁側的2相輸入振幅相同、相位不同的交流信號，從而可以應用到輸出信號的相位與旋轉角度θ成比例地變化的相位調制型。

此外，如圖1所示，旋轉檢測器10將作為上述傳感器部的定子基板11及轉子基板12、和安裝有其控制電路的檢測電路基板15容納于一個外殼10b中。在設置于外殼10b內的檢測電路基板15上安裝有控制器17。控制器17是例如由微型計算機、FPGA(Field Programmable Gate Array：現場可編程門陣列)、DSP(Digital Signal Processor：數字信號處理器)等構成的控制電路，對檢測器10整體進行控制，或進行上述的運算處理等。

經由傳感器接口(I/F)16向上述控制器17輸入檢測線圈21a、21b的輸出信號。此外，在控制器17上連接有內部電源電路18、網絡I/F19、存儲器部20、觸點輸出電路23。內部電源電路18使從位于旋轉檢測器10的外部的外部電源所供給的電源根據需要進行變壓、穩定化，并供給到內部的各電路。

上述網絡I/F19是經由控制系統的網絡與例如未圖示的作為上級單元的PLC(Programmable Logic Controller：可編程邏輯控制器)進行連接的通信單元。具體而言，在旋轉檢測器10作為工廠內的制造設備中的各種測量、控制設備來使用的情況下，由控制器17處理后的信號從網絡I/F(現場總線I/F)19經由現場總線19a被傳輸到上述PLC。這樣在本實施方式中，將如旋轉檢測器10那樣的各種測量、控制設備作為現場設備，現場總線19a使用一種電纜連接了這些現場設備和上級現場設備(例如PLC)。通過該現場網絡進行各信號的數字化或將布線共用化等，可以節省布線、降低成本。此外，由此能夠明確現場設備的規格，容易進行其連接、保養，使各種設備在現場總線19a上共存。另外，現場網絡可以利用通用的以太網(注冊商標)等，不僅可以構成為不以與其它網絡的連接為前提的封閉的網絡，也可以構成為廣義的網絡(包括封閉的網絡之間的連接)。

上述現場設備為了用現場網絡進行通信處理，通過裝載例如由制造商等提供的專用芯片即通信用CPU，能夠不考慮協議等進行系統化。但是，在該情況下，存在耗費專用芯片的成本(部件單價)、檢測電路基板15中的該芯片的安裝空間占用得大等的問題。因此，在本實施方式中，為了使控制器17具有專用芯片的功能，通過執行儲存在存儲器部20中的處理程序，進行與上級現場設備等的通信處理、應用程序的互換性涉及的通信處理等。或者，利用上述FPGA(門陣列)等的硬件結構、軟件結構，省略專用芯片，并且實現其功能。由此，旋轉檢測器10能夠實現內部的基板15的小型化和低成本化。此外，上述傳感器部及其檢測電路的一體化和現場網絡化互相結合而使作為包含上述布線的整體的占有空間盡可能緊湊，構建了合理性高的系統。

上述存儲器部20包含ROM等非易失性存儲器、RAM等易失性存儲器、EEPROM等電可擦寫的非易失性存儲器。在存儲器部20中儲存有上述處理程序等。另外，在存儲器部20中，也可以預先儲存用于改善旋轉位置和輸出值之間的線性的校正值。此外，如后面詳細敘述的那樣，在本實施方式中，通過將轉子線圈22設為波形形狀(參照圖3的線圈221～224、221h～224h)，從而不使用校正值就改善了線性。

關于上述觸點輸出電路23，根據需要、其安裝空間，酌情地設定觸點數，具有例如輸出接通、斷開這樣的進行了2值化的信號的作為電子凸輪的功能，與上述控制器17一起構成控制電路。在此，電子凸輪構成為參照作為絕對數據的旋轉角度θ使與由用戶設定的角度對應的凸輪開關信號(輸出信號)接通、斷開。關于這一點，接通、斷開的定時的設定在作為機械凸輪的凸輪限位開關的情況下，需要進行其構成元件的位置調整等的麻煩的操作，而在電子凸輪的情況下，能夠通過用戶的輸入操作簡單地進行。具體而言，關于接通、斷開的定時涉及的數據點(角度)，例如利用上級現場設備或專用設備(將它們作為外部設備)經由現場總線19a(經由網絡)設定為用戶所希望的值。例如，在通過使用外部設備的輸入操作，對于旋轉角度θ以機械角設定了0度(第1角度)和90度(第2角度)的情況下，如果判定為軸10a的旋轉角度θ為0度以上且90度以內，則控制器17在處于該0度至90度的范圍的期間進行使輸出信號接通(或斷開)的控制。在不改變該設定值的情況下，能夠解除網絡連接而變成簡單的狀態，或者也能夠使第1角度和第2角度的各默認值預先存儲在存儲器部20的EEPROM等中，根據其設定變更進行更新。此外，根據電子凸輪，與機械凸輪不同，不會產生凸輪的磨損、位置偏移等的問題，有利于維護。

關于凸輪開關信號，根據電子凸輪的用途不需要高速響應性，也能夠利用上級現場設備進行該信號的處理。在該情況下，也設想如下系統：上級現場設備經由現場總線19a讀入二進制數據，并輸出凸輪開關信號，但如果例如在網絡異常時、上級現場設備故障時導致相關的信號中斷，就會產生問題。此外，在電子凸輪的用途中，關于從軸10a的角度發生變化起到可得到凸輪開關信號為止的延遲時間，也有要求幾十微秒以下的值的情況，也需要高速響應性。在該情況下，上級現場設備讀入數據后進行通斷的話，延遲時間變長，無法滿足相關的要求。因此，與網絡等獨立地進行高速的通斷控制是非常有意義的。

關于這一點，旋轉檢測器10裝載有傳感器部、控制器17、觸點輸出電路23等，具有包含電子凸輪功能的各種功能。此外，作為控制器17，不僅是FPGA，也能夠應用專用門陣列，由此能夠進行電子凸輪的通斷控制。進而，如后面詳細敘述的那樣，通過將勵磁信號設定為100kHz～5MHz這樣的高頻率，從而也能夠將數據的更新時間即上述延遲時間設定在例如10μs以內，能夠應對電子凸輪的高速響應的要求。另外，觸點輸出電路23也可以采用后述的具有作為脈沖編碼器的功能的結構。

進而，觸點輸出電路23具有對根據例如每規定時間的上述旋轉角度θ(或后述的旋轉次數)與規定閾值的比較結果來進行通斷的開關信號進行輸出的限速檢測功能。在此，限速檢測功能是在軸10a的旋轉速度變為成為基準(限制的目標)的規定閾值以上時使輸出信號成為接通或斷開的功能，能夠利用上述外部設備進行各種設定。

詳細而言，控制器17對使用由自身具有的晶體振蕩器生成的時鐘信號來測量的每規定時間的旋轉角度θ即軸10a的旋轉速度[rpm]進行運算。此外，如后面詳細敘述的那樣，控制器17利用絕對數據來辨別軸10a的旋轉方向，生成該旋轉方向辨別信號。并且，在存儲器部20中儲存有作為規定閾值而設定的順時針方向(CW)的默認值和逆時針方向(CCW)的默認值。規定閾值能夠通過使用上述外部設備的輸入操作與旋轉方向無關地或者針對每個旋轉方向設定為用戶所希望的多個不同的值，該設定變更后的規定閾值被儲存在存儲器部20中。因此，例如，在將針對順時針方向(CW)的旋轉速度而設定的多個規定閾值中的較低的值設為第1閾值，將較高的值設為第2閾值的情況下，控制器17進行如下控制：如果判定為計算出的旋轉速度超過該旋轉方向上的第1閾值，則使輸出信號接通(或斷開)，如果進一步判定為超過第2閾值，則使輸出信號斷開(或接通)。

與本實施方式不同，存在機械地使開關進行開閉的速度開關。例如，離心速度開關構成為在形成外框的殼體內容納利用離心力移動的活動部，根據伴隨著其軸的旋轉的該活動部的位置變化使電觸點開閉。在該裝置，電觸點開閉時的旋轉速度物理地決定，不能確定軸的旋轉方向。此外，在離心速度開關，不能變更電觸點開閉時的閾值，不能具有多個閾值。機械性的活動部由于磨損、銹、粉塵的影響等，旋轉速度的檢測變得不穩定，成為工作不良的主要原因。進而，速度開關的殼體需要用于確保活動部的活動范圍及穩定的工作的空間，難以實現小型化。

關于這一點，在本實施方式中，如上所述由控制器17生成絕對數據，此外，檢測信號涉及的高速響應性與高精度的時鐘信號相結合，旋轉速度的計算變得極其簡單且高精度。進而，關于旋轉速度，可通過外部設備經由現場總線19a按旋轉方向設定多個閾值，在不改變該設定值的情況下，能夠解除網絡連接。因此，能夠構建如下系統：即使產生網絡中的通信異常，旋轉檢測器10也正常地發揮限速檢測功能(觸點輸出)，并且不產生以往的磨損、工作不良的問題，可靠性高。

[多層基板]

旋轉檢測器10的外殼10b例如形成圓筒狀，在該外殼10b內設置有例如形成圓板狀的定子基板11及轉子基板12。定子基板11相對于外殼10b安裝在圖2中上下2處。這一對定子基板11由于使用上下對稱地配置的大致相同結構的基板，因此以下對上側的基板標注符號“11u”，對下側的基板標注符號“11d”，對各自的構成要素均標注相同符號來匯總地說明。

定子基板11u、11d由例如包括第1層L1～第3層L3的通用的多層印刷電路板構成。定子基板11u、11d配置成在各自的中心部具有直徑比軸10a大的穿插孔110，被穿插在軸10a上。定子基板11u、11d的絕緣基材例如由4層的玻璃基材環氧樹脂構成。在圖3所示的定子基板11u、11d的分解圖中，在第1層L1和第2層L2分別設置有線圈圖案層，在第三層L3設置有接線層，通過所謂的通孔加工將各線圈圖案層與接線層之間電連接。

具體而言，在定子基板11u、11d中，第1層L1的線圈圖案層由平面的銅箔的圖案形成，包括內周側的勵磁線圈141和外周側的檢測線圈211a、211b、211ah、211bh。其中接近內周的檢測線圈211a、211b對應于后述的1節距線圈，是用于以機械角(在將軸10a的1周設為360度的情況下的角度)對360度的量的絕對位置進行檢測的線圈。接近外周的檢測線圈211ah、211bh對應于后述的16節距線圈，是用于以高分辨率對旋轉角度進行檢測的線圈。

同樣地，第2層L2的線圈圖案層也包括內周側的勵磁線圈142、和外周側的檢測線圈212a、212b、212ah、212bh。這樣，定子基板11u、11d的各勵磁線圈14由多層的勵磁線圈141、142的圖案構成。此外，定子基板11u、11d的各檢測線圈21a、21b由多層的線圈211a～212bh的圖案構成。

第3層L3的接線層由為了布線將圖3所示的包括端子p1、p2、…的端子組P進行連結的細微的線的圖案構成。這樣，定子基板11u、11d以相對于圖2所示的轉子基板12使第1層L1成為內側、第3層L3的端子組P成為外側的朝向與該轉子基板12具有間隙地相對。另外，各基板11u、11d不限于上述結構，也可以進行在第2層L2和第3層L3之間設置用于屏蔽電磁波的層等的適當的變更。

上述轉子基板12由例如包括第1層L1～第4層L4的通用的多層印刷電路板構成，作為絕緣基材，使用了玻璃基材環氧樹脂。轉子基板12在中心部具有與軸10a嵌合的嵌合孔111，被安裝固定在軸10a上。轉子基板12的第1層L1～第4層L4分別具有由銅箔構成的平面的線圈圖案層來作為轉子線圈22。

具體而言，如圖3所示，在轉子基板12的第1層L1和第4層L4的內周側設置有與定子基板11u、11d的勵磁線圈141、142相對應的變壓器線圈241、244。以非接觸方式從定子基板11u、11d的勵磁線圈141、142向該轉子基板12的變壓器線圈241、244供給勵磁信號(交流信號)。這些線圈141、142、221、224構成旋轉變壓器。

此外，在轉子基板12的第1層L1～第4層L4中設置有與變壓器線圈241、244電連接的接近內周的1節距線圈221、222、223、224和接近外周的16節距線圈221h、222h、223h、224h。這些1節距線圈221～224及16節距線圈221h～224h形成在與定子基板11u、11d的檢測線圈211a～212b及211ah～212bh對應的位置。

如上所述，通過將定子和轉子設為多層基板11u、11d、12，從而不需要以往的對磁性材料組裝構成部件的操作，能夠減少工時來實現低成本化。此外，沒有由于磁性材料的飽和導致的磁性的突變，能夠減少外部磁場的偏壓、時間變化的影響。多層基板11u、11d、12比磁性材料的材質輕，能夠大幅度降低其重量，能夠盡量減小負載慣量。特別是在旋轉檢測器10被應用于伺服電機等的情況下，從該電機來看沒有形成無用的負載慣量，所以在實用上是有用的。此外，多層基板11、11u、11d與使用了電磁線的繞組不同，能夠易于得到制造偏差少的各種形狀的線圈圖案。

[線圈的節距和形狀]

本實施方式的1節距線圈221～224和16節距線圈221h～224h均形成正弦曲線形狀。此處，為了便于說明，在圖3～圖5中，用矩形波形概念地示出這些線圈221～224、221h～224h的各正弦曲線形狀，圖4示意性地示出了1節距線圈221和檢測線圈211a、211b的位置關系，圖5示意性地示出了16節距線圈221h和檢測線圈211ah、211bh的位置關系。

即，圖4(a)的1節距線圈221形成實際上呈圓環狀相連(在轉子基板12的周向相連)的正弦曲線狀(參照圖3)，以機械角將360度的量(一周)設為1節距。圖4(b)的一對檢測線圈211a、211b存在以互相偏移1/4節距而變為交錯的方式來設置的位置關系。另外，在圖4(a)、(b)中，以使圓環狀配置的該線圈221、211a、211b在左右方向延伸的方式展開的形狀示出。

這些1節距線圈221和檢測線圈211a、211b的電磁耦合即感應電壓在該線圈221與線圈211a、211b中的任一個互相重疊的位置變為最大。該感應電壓隨著向轉子基板12的旋轉方向(參照圖4(a)的右方箭頭)移動而逐漸減少，在偏移了1/4節距的位置，磁通量彼此抵消而變為0。此外，感應電壓在偏移了1/2節距的位置取得反極性的最大值，如果進一步旋轉，則在偏移了3/4節距的位置再次變為0。然后，在移動了1個節距量的位置能夠得到原來的最大值的感應電壓。這樣，感應電壓以與線圈221的1節距相同的轉子基板12的旋轉周期來描繪1個循環，然后隨著轉子基板12的旋轉而重復相同的循環。

此外，圖4(b)的檢測線圈211a、211b相互偏移了1/4節距，因此隨著轉子基板12的旋轉，能夠得到電磁耦合以cos、sin曲線變化的2個感應電壓。關于這樣的電磁耦合程度，在將轉子基板12和定子基板11之間的相對位置(相對角度)的差設為θ的情況下，在檢測線圈211a，與cosθ成比例，而在檢測線圈211b，與sinθ成比例。因此，感應電壓的變化與兩個線圈211a、211b存在由相對角度確定的唯一關系，所以通過對該檢測線圈211a、211b所感應的電壓進行檢測，能夠求出旋轉角度。

圖5(a)的16節距線圈221h也形成實際上圓環狀相連的正弦曲線形狀(參照圖3)，在該圖中，概念地示出了該線圈221h的一部分。16節距線圈221h是將轉子基板12的節距數α設為16，即以機械角將旋轉1/16量的角度(22.5度)設為1節距。在此，“1節距”相當于在該角度范圍內進行絕對的位置檢測的區間。作為其分割數的節距數不限定于“16”，能夠進行設定為“8”、“32”等的適當變更。

圖5(b)的檢測線圈211ah、211bh中的一個線圈211bh相對于16節距線圈221h偏移了1/4節距。此外，檢測線圈211ah、211bh相互之間偏移了1/4節距，因此在檢測線圈211ah，檢測出與Cos(αθ)成比例的感應電壓，在檢測線圈211bh，檢測出與Sin(αθ)成比例的感應電壓。

[信號處理的概念圖]

圖6示出了上述的旋轉檢測器10的控制器17中的信號處理的概念圖。在此，將轉子基板12與軸10a一起旋轉的旋轉角度設為θ，在圖6中用Icosωt表示向勵磁線圈141、142供給的勵磁信號(后述的MHz頻帶的交流電)。此外，1節距線圈221～224和16節距線圈221h～224h經由變壓器線圈241、244(旋轉變壓器)被勵磁。此時，在檢測線圈21a、21b上感應根據軸10a的旋轉進行了振幅調制的正弦波相位輸出信號和余弦波相位輸出信號。

在此，向圖6的同步整流電路31中輸入16節距線圈用的檢測線圈211ah、212ah的輸出信號(Kp·cosωt·cos16θ)。向同步整流電路32中輸入1節距線圈用的檢測線圈211a、212a的輸出信號(Kc·cosωt·cosθ)。向同步整流電路33中輸入1節距線圈用的檢測線圈211b、212b的輸出信號(Kc·cosωt·sinθ)。向同步整流電路34中輸入16節距線圈用的檢測線圈211bh、212bh的輸出信號(Kp·cosωt·sin16θ)。另外，I、Kp、Kc是系數，以下的Lp、Lc也設為系數。

同步整流電路31～34進行各輸出信號的同步整流。此外，低通濾波器(LPF)35～38去除同步整流電路31～34的各輸出信號的高頻成分。由此，運算電路39a基于從低通濾波器35輸入的信號(Lp·cos16θ)和從低通濾波器38輸入的信號(Lp·sin16θ)對旋轉角度θ進行運算。此外，運算電路39a基于從低通濾波器36輸入的信號(Lc·cosθ)和從低通濾波器37輸入的信號(Lc·sinθ)對旋轉角度θ進行運算。由此，運算電路40通過合成由運算電路39a、39b算出的計算值，從而檢測軸10a的旋轉角度θ來作為以下說明的絕對數據，并且以更高分辨率得到該角度θ。

[1T傳感器部和16T傳感器部]

對于上述旋轉角度θ，關于1節距線圈221～224，被賦予為4比特的數字位置信號，關于16節距線圈221h～224h，被賦予為16比特的數字位置信號。在此，圖7示出了1節距線圈221～224及檢測線圈211a～212b(以下設為1T傳感器部)、和16節距線圈221h～224h及檢測線圈211ah～212bh(以下設為16T傳感器部)涉及的數字位置信號的值。

如該圖所示，在軸10a以機械角旋轉360度的情況下，用1T傳感器部變為“0”～“15”的數字值，用16T傳感器部變為將從“0”到“4095”的遞增計數重復進行16次的數字值。關于1T傳感器部和16T傳感器部，1節距的輸出信號的非線性即與旋轉角度相關的直線性誤差的比例均大致相等。因此，如果從軸10a的機械角來看，則16T傳感器部相比于1T傳感器部能夠使誤差的程度降低為1/16，從誤差特性的觀點來看是適合的。與此相同，關于分辨率(上述分割數)、溫度特性、耐噪聲特性，16T傳感器部也成為更優選的部件。

這樣，節距比較小的16T傳感器部作為使傳感器特性提高的方法是有效的，另一方面，作為絕對值能夠檢測的范圍、即1節距的機械角被限定為22.5度。因此，關于軸10a的機械角360度的旋轉位置，無法識別是圖7所示的16區塊中的哪個區塊的位置。另一方面，1T傳感器部雖然在各特性方面比16T傳感器部差，但是將機械角360度設為1節距，可掌握軸10a的1周中的旋轉位置。因此，使用1T傳感器部的位置信號，識別使用16T傳感器部不清楚的區塊的位置。這樣，在圖7的數據結構的情況下，作為1周絕對傳感器，成為以機械角對360度/(4096×16)的旋轉的變化進行檢測的旋轉檢測器10。

由此，用1T傳感器部和16T傳感器部同時檢測，能夠以高精度、高分割數對軸10a的1周進行絕對檢測。另外，16T的傳感器部也可以設定為8T(1/8分割)、32T(1/32分割)這樣的節距。該分割數根據物理的配置空間、由1T傳感器部確定旋轉位置的位數來設定。此外，傳感器部不限于上述的1T和16T這兩種，例如也可以使用裝載有1T、8T、64T這樣的3種或3種以上的種類的傳感器部的多層基板而達到更高性能。另外，關于上述多層基板11u、11d、12，包含線圈形成的設計的自由度很高，能夠簡單且容易地安裝各種多個線圈(傳感器部)，能夠形成低成本的結構。

[勵磁信號的頻率]

但是，在感應同步器(商品名)等的旋轉傳感器中，為了提高傳感器線圈的電感、磁耦合度，通常是由作為磁性材料的鐵等的金屬材料構成定子、轉子。該旋轉傳感器的勵磁信號的頻率設定為幾百Hz～10KHz左右。其原因如下。

[1]由于電感足夠高，因此即使是較低的勵磁信號的頻率也能得到足夠的檢測信號。

[2]與本實施方式不同，旋轉傳感器與其檢測電路(控制裝置)為不同體。因此，旋轉傳感器和控制裝置之間存在間隔距離(連接兩者的電纜長度)，所以以使不受線路容量的影響的方式設定為低頻率。此外，由于線間的串擾，傳感器線性惡化，其影響程度也根據電纜長度而變化。

[3]如[1]所述，由于電感高，所以如果是較高的勵磁信號的頻率，則出現諧振的影響，誤差增大。

[4]作為磁性材料來使用的鐵、硅鋼板等的高頻特性不太好。

[5]即使在伺服系統中使用的情況下，采用20KHz左右的勵磁信號的頻率也足以實用。

[6]在模擬系統中，在高速下無法得到所希望的特性。

另一方面，如本實施方式那樣，不使用磁性材料，采用例如在直徑為左右的外殼10b中容納具有線圈的多層基板的部件。在該情況下，多層基板的直徑變為左右，從勵磁電路觀察到的線圈(傳感器部)的電感的值變得非常小，例如為幾μH～10μH。在此，例如在電感為10μH，頻率為10KHz時，阻抗Z1如下。

Z1＝2πfL＝2π×10×10³×10×10^-6≈0.63[Ω]…(1)

關于這一點，如果使緩沖電路成為強力的電路，則對線圈進行勵磁的傳感器驅動電路的輸出電流達到0.5[A_0-P]左右在技術上也不難。但是，這樣的電路不僅存在部件數量增加、消耗電流增大這樣的問題，也會產生由于發熱導致的可靠性降低的問題。此外，如果設置散熱器，則占用空間增大，與如本實施方式那樣要使傳感器部和控制裝置成為一體來實現小型化的技術思想相矛盾。因此，傳感器驅動電路的輸出電流設定為10～30[mA_0-P]左右。在例如將30[mA_0-P]的驅動電流施加到式(1)的Z1(≈0.63Ω)的情況下，其兩端呈現的電壓V1如下。

V1＝Z1×30≈18.8[mV_0-P]…(2)

另外，在式(2)中忽略了直流電阻成分。

進而，可認為在傳感器部的2次檢測電路即2次側感應的檢測電壓V2相對于上述V1的電壓變為百分之幾左右。這樣，在本實施方式中，與使用磁性材料的通常結構不同，無法使磁耦合度變高，因此考慮其比率。例如，如果將該比率設為3％，則檢測電壓V2如下。

V2＝V1×0.03＝18.8×0.03≈0.56[mV_0-P]…(3)

該結果表示在關于勵磁信號為10[KHz]、30[mA_0-P]，對傳感器部進行勵磁的情況下，檢測電壓變為0.56[mV_0-P]。關于這一點，檢測電壓進行放大等并最終被輸入到A/D轉換器，但其輸入時的電壓通常需要成為幾V左右。

因此，在相關的條件下，關于檢測電壓，需要放大3000倍以上，由于必須提高增益，所以導致部件數的增加。此外，增益非常高的放大電路由于信號的輸入級和放大輸出級的輕微的耦合(靜電耦合、磁耦合和公共阻抗)，有時設想以外的正反饋增加而產生振蕩。并且，重要的是，檢測電壓本身較小，存在容易受到放大電路自身的噪聲的影響、外來噪聲的影響的問題。

在此，對放大器的噪聲加以簡單的考察。關于放大檢測電壓V2的初級運算放大器，為了采用10[KHz]的信號相位不發生偏移，相對于工作頻率需要足夠寬的帶寬。關于這一點，由于一般的寬帶的運算放大器的等效輸入噪聲電壓密度為10nV/(Hz)^1/2左右，所以在將上述帶寬設為1[MHz]的情況下，輸入部噪聲電壓Vn如下。

Vn＝10×10^-9×(1×10⁶)^1/2＝0.01[mV_0-P]…(4)

該Vn接近式(3)的V2＝0.56[mV_0-P]的2％，看似沒有大的問題。但是，在要實現更高的檢測精度的結構中，如初級運算放大器的輸入噪聲產生影響那樣的由超微小輸入使用的情況在現實中問題較多。此外，除了上述的外來噪聲之外，電路的電源線的噪聲、DC/DC電源的開關噪聲、來自邏輯信號的串擾等也對信號造成影響。

作為這種問題的對策，也可考慮增大勵磁信號的電流，但由于上述的理由，所以不優選。因此，在本實施方式中，要提高勵磁信號的頻率。例如，如果將勵磁信號的頻率從原來的10KHz提高至10倍的100KHz，則上述的Z1、V1、V2如下。

Z1＝2πfL＝2π×100×10³×10×10^-6≈6.3[Ω]…(5)

V1＝Z1×30≈188[mV_0-P]…(6)

V2＝188×0.03≈5.6[mV_0-P]…(7)

這樣，檢測電壓V2與勵磁信號的頻率成比例地增加，抗噪性也提高。因此，在將勵磁信號的頻率進一步提高10倍而設定為1MHz的情況下，檢測電壓V2也變為10倍，因而更優選。此外，關于在將勵磁信號的頻率設定得高的情況下的上述[2]～[6]的問題，能夠如下這樣解決。

[2]的問題

如同本實施方式的旋轉檢測器10，由于將傳感器部和包含控制器17的檢測電路容納在同一外殼10b內，所以能夠盡可能縮短轉子基板12與檢測電路基板15之間的電纜長度。該情況下的電纜長度能夠控制到盡可能短的一定長度(例如3cm以下)。因此，電纜的線路容量也只受到實質上可忽略的程度的影響。換而言之，可以說提高勵磁信號的頻率和相互靠近地配置傳感器部及其控制裝置具有良好的相容性。

[3]、[4]的問題

旋轉檢測器10由于不使用磁性材料，所以電感低，因此將勵磁信號的頻率設定為較高的值。這與使用磁性材料的定子和轉子的高頻特性惡化的問題存在密切相關的關系。順帶一提，如市售的扼流圈等那樣，在具有良好的頻率特性的一般的電感部件中，已知呈現諧振狀態(自諧振)是其阻抗為1KΩ～幾十KΩ左右。在該情況下，無論是哪個電感值，都以如阻抗成為1KΩ～幾十KΩ左右那樣的頻率達到諧振，因此可以認為是由線圈和線圈自身所產生的線路容量而引起的物理界限。

本實施方式的旋轉檢測器10在從電感的觀點來看的情況下也同樣是進行諧振的裝置，為了使得不受由諧振現象造成的電流相位的不穩定狀態的影響，應該以足夠低于諧振頻率的頻率進行驅動。由此，在阻抗值為幾十Ω～幾百Ω左右以下的情況下，可以認為不受諧振的影響而作為傳感器來充分地發揮作用。在此，關于上述的Z1，嘗試對將阻抗的界限例如設為300Ω時的頻率進行逆運算。

f＝Z1/2πL≈4.8[MHz]…(8)

即，在旋轉檢測器10中，不受諧振的影響而充分地發揮作用的頻率原理上約為5MHz左右。另外，關于傳感器部的線圈設計，由于稍微變通是有效的，所以該值并不是絕對的界限。此外，在阻抗過高的情況下，如果以30[mA_0-P]這樣的電流進行驅動，則也存在線圈兩端的電壓上升過多而無法完全驅動的問題。即使從這點來看，線圈的阻抗設定在如成為幾百Ω以下那樣的勵磁信號的頻率范圍也是合理的。

[5]的問題

如上所述，在本實施方式中，由于設定在比現有技術高的勵磁信號的頻率范圍，所以能夠使與旋轉位置檢測相關的響應頻率提高，可以說是更優選的構成。

[6]的問題

由于近年來半導體設備的進步，關于在本實施方式的檢測電路中尤為重要的OP放大器，能夠容易地獲得頻帶超過1GHz、小型且低價的部件。進而，關于在檢測電路中尤其重要的A/D轉換器，也能夠容易地獲得采樣率超過100MHz、小型且低價的部件。這樣，發明人針對有效利用了這些部件的旋轉檢測器10，構建了以5MHz的勵磁信號的頻率進行工作的檢測電路。

圖8示出了此時供給到勵磁線圈141、142的勵磁信號的頻率和用檢測線圈211ah～212bh檢測到的電壓V2(在變為最大值的轉子位置處的檢測值)的關系。如該圖所示，在勵磁信號的頻率為10KHz、100KHz、1MHz、5MHz時，檢測電壓V2的各個峰值[mV_0-P]變為約0.06、約0.85、約21.2、約115。這樣，檢測電壓V2與勵磁信號的頻率大致成比例地增加，能夠驗證出在1MHz、5MHz的條件下取得足夠大的值。另外，在現有技術中，沒有設定成這樣的高頻，可以認為根本不需要將頻率設定得很高(在現狀下就夠用)從而不被改善也成為一個原因。

如上所述，在本實施方式中，將勵磁信號的頻率設定為100KHz以上的高頻，優選設定為100KHz～5MHz，更優選設定為1MHz～5MHz即可。由此，能夠得到現有技術沒有的效果：即使是不使用磁性材料的旋轉檢測器10也能夠協同地提高作為其傳感器的特性，使響應頻率提高等。

[轉子線圈的形狀]

如果將轉子基板12側的線圈221～224h設為正弦曲線狀，則即使在對于包含檢測線圈211a～211bh的各線圈任意地設定了各自的節距、各基板11、11u、11d間的距離的情況下，也能夠得到所希望的感應電壓。即，關于多層基板11、11u、11d，能夠通過圖案成型來形成如上所述那樣使用電磁線的繞組不能實現的精度高的特殊的線圈圖案。

關于這一點，一般的感應同步器(商品名)的線圈為矩形波形，但是在應用于上述的尺寸形狀(外殼10b直徑，)的情況下，可知輸出變化特性的線性惡化。因此，通過設計成與后述的定子基板11u、11d間的距離(參照圖2的Gu、Gd)、適宜維持性能的線圈結構(1T和16T傳感器部)相符合的線圈形狀，從而不會導致材料費用、組裝工時的增加，能夠實現線性的改善。

也可以采用在上述存儲器部20中與1T和16T傳感器部不同地預先儲存檢測誤差、并將檢測誤差作為校正值來進行旋轉角度θ的運算的結構。但是，在該結構中，通過與傳感器部分開進行校正處理，也考慮成本增加等缺點。因此，通過如本實施方式那樣使線圈221～224h形成為正弦曲線狀，能夠用不進行旋轉角度θ的校正的簡單的結構使線性提高。另外，即使在使線圈221～224h形成為正弦曲線狀的情況下，為了盡可能地減少誤差，也可以進行誤差的校正處理。

[基板的配置和“偏移”]

發明人為了驗證在旋轉檢測器10中夾著轉子基板12的兩側的定子基板11u、11d的效果，進行了與省略了一側的定子基板11u(圖2中，上側的基板11u)的結構相比較的實驗。以下，將前者簡稱為兩側定子11u、11d，將后者簡稱為一側定子11d，在圖9中示出了將機械角360度設為1節距的1T傳感器部的實驗結果，在圖10中示出了將機械角22.5度設為1節距的16T傳感器部的實驗結果。

此外，將圖2的兩側定子11u、11d和轉子基板12的各相對面間的距離Gu、Gd均設定為0.35mm，在圖9、圖10中，用橫軸表示該轉子基板12的軸向(在圖2中將上方設為正方向)的偏移量。此外，在圖9(a)和圖10(a)中，將1T和16T傳感器部的1次信號(勵磁信號)的施加電流設定為接近于實機的30[mA_0-P]，示出了此時的2次信號(輸出電壓)V2的峰值的電壓[mV_0-P]。

在圖9(a)所示的1T傳感器部的情況下，使用兩側定子11u、11d和一側定子11d，輸出電壓V2的大小的差異變得明顯，在轉子基板12處于本來的基準位置(0mm)的情況下，其電壓比變為3.6倍左右。在圖10(a)所示的16T傳感器部的情況下，使用兩側定子11u、11d和一側定子11d，輸出電壓V2也存在較大的差異，在轉子基板12處于基準位置的情況下，其電壓比變為3.7倍左右。此外，如圖9(a)和圖10(a)所示，可知無論是1T和16T傳感器部的哪一個，在兩側定子11u、11d，轉子基板12在自基準位置±0.3mm的范圍內偏移，對輸出信號V2帶來的影響都少。相對于此，在一側定子11d，輸出電壓V2隨著轉子基板12遠離而變小。因此，表示兩側定子11u、11d和一側定子11d的輸出電壓V2之比的2次輸出電壓比產生了較大的差異，在1T傳感器部的情況下為6.3倍(參照圖9(a))，在16T傳感器部的情況下為7.6倍(參照圖10(a))。從該結果可知，在兩側定子11u、11d的情況下，與一側定子11d相比，能夠使輸出電壓V2大幅度增加，即使產生了對電路板11u、11d、12組裝時的偏移或由于長時間使用導致的偏移，也能夠抑制電壓下降，維持其性能。

此外，如圖9(b)所示，在1T傳感器部中，轉子基板12的從基準位置的偏移量與伴隨著該偏移產生的旋轉角度θ的檢測誤差大致成比例。在該情況下，在兩側定子11u、11d，只是產生一側定子11d的檢測誤差的1/5以下的檢測誤差。在圖10(b)的16T傳感器部中，在轉子基板12產生了從基準位置的偏移的情況下，在兩側定子11u、11d，也收斂于一側定子11d的檢測誤差的1/4以下的檢測誤差。根據該結果，在兩側定子11u、11d的情況下，即使產生了對基板11u、11d、12組裝時的偏移或由于長時間使用導致的偏移，也能夠盡量抑制檢測誤差來維持檢測精度，可以說擅長應對軸向的偏移。

[勵磁電流的相位]

在旋轉檢測器10中，考慮對通過勵磁線圈141、142的驅動經由旋轉變壓器對轉子線圈22進行勵磁從而使檢測線圈21a、21b感應的輸出信號進行檢測的過程。在該情況下，檢測線圈21a、21b的輸出信號即電壓的相位與在勵磁線圈141、142流動的電流的相位一致。

即，首先，關于檢測電路側的輸入阻抗相比于檢測線圈21a、21b的阻抗設計得足夠高，所以在該部分相位不變化。另一方面，在關于勵磁側對線圈141、142進行電壓驅動的情況下，在該處流動的“電流的相位”根據線圈141、142的阻抗來確定。該阻抗是線圈141、142的“電阻”成分和“由電感產生的電抗”成分的合成值(參照圖11(b))。在多層基板11u、11d中的線圈141、142的情況下，相對于電感值，電阻值沒有小到能夠忽略的程度。即，關于在線圈141、142流動的電流，與電阻成分能夠忽略的理想的電感器不同，不會變成相對于線圈141、142兩端的驅動電壓延遲了90度相位的波形。

與本實施方式不同，在使用了一般的旋轉檢測器的系統中，采取將勵磁信號作為基準信號、對檢測信號進行同步整流的方法。在該同步整流處理中，基準信號和檢測信號的相位關系也成為用于檢測旋轉角度θ的重要信息，在如上述那樣相位發生偏移的情況下，如果使基準信號側的相位進行必要量的偏移，似乎可以解決相關的問題。但是，在該情況下，當線圈的電阻成分根據傳感器元件的周圍溫度的變化而變化時(參照圖11的(b)的ΔR)，勵磁電流的相位也會隨之發生偏移。該偏移的相位的量直接成為檢測電路側的電壓相位的偏移而發生，其結果是，旋轉角度θ的數據產生偏移。

因此，如圖11(a)所示，在本實施方式的旋轉檢測器10中，關于勵磁側，使用將對線圈141、142的驅動電流設為恒定的恒定電流驅動電路50進行驅動。因此，即使線圈141、142的電阻成分根據周圍溫度的變化而變化，也能夠通過勵磁線圈141、142的恒流驅動(控制器17的恒流控制)進行其補償，將勵磁電流的相位作為已知的部分來處理。這樣的與溫度變化相關的補正也能夠通過恒壓驅動來進行。另外，為了對勵磁線圈141、142的勵磁電流的相位進行檢測，也能夠使用對到零交叉點為止的時間進行計數的計數器來進行溫度校正，但在上述恒流驅動的情況下，能夠使用不需要這樣的檢測電路的簡單結構來提高檢測精度。

<脈沖編碼器功能>

旋轉檢測器10中的觸點輸出電路23除了具有上述的電子凸輪功能、限速檢測功能之外，還能夠利用絕對數據而具有作為脈沖編碼器的功能。脈沖編碼器是由觸點輸出電路23輸出A相、B相、Z相的脈沖信號的裝置。這些輸出中，Z相是表示每旋轉1周輸出的基準位置的脈沖，以下對A相和B相的脈沖的生成方法進行概述。

上述控制器17將1T傳感器部或16T傳感器部的數字位置信號作為圖12(a)所示的傳感器數據而輸出到差分運算電路51。差分運算電路51以一定周期讀入相關的傳感器數據，對當前周期的傳感器數據和1周期前的傳感器數據的差分進行運算，并輸出到后級的脈沖轉換電路52。此外，差分運算電路51基于計算出的差分對軸10a的旋轉方向進行辨別，將該旋轉方向辨別信號輸出到脈沖產生電路53。

脈沖轉換電路52基于所輸入的差分轉換成如圖12(b)那樣按一定周期變得均等的均衡脈沖。然后，脈沖產生電路53基于所輸入的均衡脈沖和旋轉方形辨別信號來生成A相的脈沖信號，并且生成相對于該A相延遲了1/4周期的B相的脈沖信號。采用如下結構：這些A相、B相的脈沖信號的脈沖數設定、即旋轉量與產生的脈沖數之比即脈沖重復頻率使用外部的設定操作部(省略圖示)設定為經由上述現場總線19a輸入的任意的值。

與上述結構不同，在使用光學類的傳感器的一般的脈沖編碼器的情況下，由于使用直接連接于軸的圓盤狀的玻璃，因此如果施予沖擊則可能有破損的風險。此外，光學類的發光元件和受光元件的壽命比較短，由于熱的影響而進行劣化。伴隨于此，也會產生未輸出脈沖、脈沖的占空比變得不是50％的情況。進而，如果光學類的部分結露，或侵入粉塵等，則存在立即進行錯誤工作、變得無法使用等問題。

關于這一點，本實施方式的旋轉檢測器10能夠不使用現有技術的光學類的傳感器，而作為基于絕對數據將A相、B相、Z相的脈沖信號進行輸出的脈沖編碼器來發揮作用。由此，構成為耐久性優異的裝置，能夠延長壽命，并能夠解決上述的問題。此外，旋轉檢測器10構成為能夠基于從上述設定操作部輸入的設定值進行脈沖重復頻率的設定變更。因此，作為制造設備的備用配件，不需要如以往那樣按脈沖重復頻率準備多種配件，能夠采用通用性優良的裝置。

如以上說明的那樣，本實施方式的旋轉檢測器10在基于通過轉子線圈22被勵磁信號勵磁而在檢測線圈21a、21b感應的檢測信號，對轉子基板12和定子基板11u、11d的相對的旋轉角度進行檢測的結構的情況下，勵磁信號的頻率設定得比在分別使用磁性材料構成了轉子和定子的情況下所要求的規定頻率高。

由此，轉子基板12和定子基板11u、11d使用了比磁性材料的材質輕的多層基板，因此能夠大幅度降低其重量。此外，轉子線圈22和檢測線圈21a、21b能夠在多層基板中容易地形成為制造偏差少的線圈圖案。并且，通過勵磁信號的頻率設定得比在分別使用磁性材料構成了轉子和定子的情況下所要求的規定頻率高，從而能夠補充由于不使用磁性材料導致的電磁耦合度的降低。進而，能夠消除磁性材料的飽和特性等的影響，能夠使檢測精度提高。

將上述勵磁信號設定成100KHz以上的高頻。由此，能夠使在檢測線圈21a、21b感應的檢測信號成為增強的信號，也能夠提高抗噪性。

以使用上述一對定子基板11u、11d夾著轉子基板12，并且使一對定子基板11u、11d與轉子基板12分別相對的方式配置。由此，與使用一個定子基板11d的情況相比，能夠使檢測信號大幅度增加。此外，即使產生對轉子基板12、定子基板11u、11d組裝時的偏移或由于長時間使用導致的偏移，也能夠抑制檢測信號的降低、檢測誤差。

上述轉子線圈22(1節距線圈221～224和16節距線圈221h～224h)用相對于轉子基板12形成正弦曲線狀的圖案來形成。由此，相比于將轉子線圈22形成為矩形波形形狀的情況，能夠使轉子基板12的旋轉位置和輸出值的線性提高。

本發明不只限于上述的或者附圖所記載的實施方式，能夠進行各種變形或擴展。

也可以采用對軸10a的旋轉次數和旋轉角度同時進行檢測的多次旋轉檢測型的結構。在該情況下，例如通過在軸10a設置減速齒輪，其每旋轉1周遞增計數，從而對旋轉次數進行計數。在該多次旋轉檢測型的旋轉檢測器10中，也可以采用如下結構：具有上述的電子凸輪功能、限速檢測功能，能夠通過上述外部設備經由現場總線19a進行對與凸輪開關信號相關的旋轉角度θ、與每規定時間的旋轉次數的測量值相關的規定閾值的設定變更。

由此，獲得如下與上述實施方式相同的效果，即：關于電子凸輪功能，能得到高速響應性，與機械凸輪不同，能夠簡單地進行接通、斷開的定時的設定等。此外，關于限速檢測功能，控制器17基于上述檢測信號對每規定時間的旋轉次數進行測量，輸出根據該旋轉次數的測量值與規定閾值的比較結果進行通斷的開關信號。因此，旋轉速度的計算變得極其簡單且高精度。此外，獲得能夠與網絡等獨立地進行高速的通斷控制、能夠構建可靠性高的系統等的與上述實施方式相同的效果。

此外，各基板11u、11d、12的形狀、尺寸不限定于上述方式，例如能夠進行使層L1～L4的數量增減等的適當變更來實施。

產業上的可利用性

如上所述，本發明對旋轉檢測器是有用的。