(57)【要約】  ローターのラジアル位置を測定する非接触電磁センサー１は、１つ以上のコイルを備える変換器１００を備える。励磁回路は、変換器に接続されており、変換器に電力を供給する。処理回路は、変換器信号に基づいて少なくとも１つのローターのラジアル位置を示す位置信号を導出する。ターゲットの不完全性に起因する外乱信号のための簡略化された補償を可能にするため、コイルは、円周方向に沿って正弦波的に変動する、ターゲット部材に対する感度を有する。【選択図】図１
2021513085.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
長手軸（Ｌ）周りに回転するように構成されたローター（３００）のラジアル位置（ｘ）を測定するための非接触電磁センサー（１）であって、
１つ以上の第１のコイル（１７０、１７２）を備える第１の変換器（１００）と、
前記第１の変換器（１００）に接続されて前記第１の変換器（１００）に電力を供給する励磁回路（２１０）と、
前記第１の変換器（１００）から変換器信号を受信し、該変換器信号に基づいて少なくとも１つの前記ローター（３００）のラジアル位置（ｘ）を示す位置信号を導出するための処理回路（２２０）と
を備え、
前記第１のコイル（１７０、１７２）は、円周方向（Ｃ）に沿って正弦波的に変動する、ターゲット部材に対する感度を有することを特徴とする、
非接触電磁センサー。
【請求項２】
請求項１に記載の非接触電磁センサー（１）であって、前記第１のコイル（１７０、１７２）は、前記長手軸（Ｌ）に関するラジアル成分を含む少なくとも１つの法線ベクトル（Ｎ）を規定する湾曲コイル表面に又は該湾曲コイル表面に平行に配置されている、非接触電磁センサー。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の非接触電磁センサー（１）であって、
前記励磁回路（２１０）は、前記ローター（３００）の第１のターゲット部分（３１０）に渦電流が誘起されるように、前記第１の変換器（１００）に電力を供給するように構成されており、
前記処理回路（２２０）は、前記少なくとも１つの位置信号を導出するときに、前記変換器信号に対する前記渦電流の影響を考慮するように構成されている、
非接触電磁センサー。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の非接触電磁センサーであって、前記第１の変換器（１００）は、前記円周方向（Ｃ）に沿って正弦波的に変動する、ターゲット部材に対する感度を有する１つ以上の第２のコイル（１７１、１７３）を更に備え、前記第１の変換器（１００）の前記第１のコイル（１７０、１７２）及び前記第２のコイル（１７１、１７３）の感度は、同一の周期性を持って変動するが、前記円周方向（Ｃ）に沿って互いに対してシフトしており、前記処理回路（２２０）は、少なくとも２つの異なるラジアル方向に沿った前記ローター（３００）の少なくとも２つのラジアル位置（ｘ、ｙ）を示す複数の位置信号を、前記変換器信号から導出するように構成されている、非接触電磁センサー。
【請求項５】
請求項４に記載の非接触電磁センサーであって、前記第１の変換器（１００）の前記第２のコイル（１７１、１７３）は、前記第１の変換器（１００）の前記第１のコイル（１７０、１７２）とオーバーラップしており、及び／又は、前記処理回路は、前記第１の変換器（１００）の前記第１のコイル（１７０、１７２）及び前記第２のコイル（１７１、１７３）から生じる変換器信号を、同じ検出周波数で検出するように構成されている、非接触電磁センサー。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の非接触電磁センサーであって、前記第１の変換器（１００）と異なるアキシャル位置に配置された第２の変換器（１００’）を更に備え、前記第２の変換器（１００’）は、正弦波的に変動する、ターゲット部材に対する感度を有する１つ以上のコイルを備え、好ましくは、該感度は、前記第１の変換器（１００）の前記第１のコイル（１７０、１７２）の感度と同じ周期性を持っている、非接触電磁センサー。
【請求項７】
請求項６に記載の非接触電磁センサーであって、
前記第２の変換器（１００’）のコイルは、前記ローター（３００）の第２のターゲット部分（３２０）に結合するように配置されており、前記第２のターゲット部分（３２０）は、回転非対称であり、
前記処理回路（２２０）は、前記第１の変換器（１００）及び前記第２の変換器（１００’）から変換器信号を受信し、該変換器信号に基づいて、前記ローター（３００）の少なくとも１つのラジアル位置（ｘ）及び角度位置（φ）を示す複数の位置信号を決定するように構成されている、
非接触電磁センサー。
【請求項８】
請求項６に記載の非接触電磁センサーであって、前記ローター（３００）の位置によって影響を受けない参照ターゲット（１８０）を更に備え、前記第２の変換器のコイルは、前記参照ターゲット（１８０）に結合するように配置されている、非接触電磁センサー。
【請求項９】
請求項８に記載の非接触電磁センサーであって、前記処理回路（２２０）は、前記第１の変換器（１００）及び前記第２の変換器（１００’）から変換器信号を受信し、該変換器信号に基づいて、前記ローター（３００）の少なくとも１つのラジアル位置（ｘ）を示す位置信号及び径（Ｄ）を示す径信号を決定するように構成されている、非接触電磁センサー。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれか１項に記載の非接触電磁センサーのための変換器（１００）であって、
長手軸（Ｌ）を規定する環状コイル支持体（１１０）と、
前記環状コイル支持体（１１０）に取り付けられた１つ以上の第１のコイル（１７０、１７２）と
を備え、
前記第１のコイル（１７０、１７２）は、前記長手軸（Ｌ）に関するラジアル成分を含む少なくとも１つの法線ベクトル（Ｎ）を規定する湾曲コイル表面に又は該湾曲コイル表面に平行に配置されており、
前記第１のコイル（１７０）は、前記円周方向（Ｃ）に沿って正弦波的に変動する、ターゲット部材に対する感度を有する、
変換器。
【請求項１１】
請求項１０に記載の変換器（１００）であって、前記環状コイル支持体（１１０）に、前記湾曲コイル表面に又は該湾曲コイル表面に平行に配置された１つ以上の第２のコイル（１７１、１７３）を更に備え、該第２のコイル（１７１、１７３）は、前記円周方向（Ｃ）に沿って正弦波的に変動する、ターゲット部材に対する感度を有し、前記第１のコイル（１７０、１７２）及び前記第２のコイル（１７１、１７３）の感度は、同一の周期性を持って変動するが、前記円周方向（Ｃ）に沿って互いに対してシフトしている、変換器。
【請求項１２】
請求項１０又は１１に記載の変換器（１００）であって、前記環状コイル支持体（１１０）は、該環状コイル支持体（１１０）の内周又は外周に向かって開口する複数のスロット（１１３）を画定し、前記第１のコイル（１７０、１７２）及び第２のコイル（１７１、１７３）は、前記スロット（１１３）に収容されたワイヤで形成されている、変換器。
【請求項１３】
請求項１０〜１２のいずれか１項に記載の変換器であって、前記環状コイル支持体（１１０）は、複数のコイル支持セグメント（１１１、１１２）を備え、各コイル支持セグメント（１１１、１１２）は、１８０°以下、好ましくは９０°以下、特に４５°の角度範囲にわたって延在し、前記コイル支持セグメント（１１１、１１２）のうちの少なくとも２つは、同一である、変換器。
【請求項１４】
請求項１０又は１１に記載の変換器であって、フレキシブルプリント回路基板（４００）を備え、前記第１のコイル（１７０、１７２）は、前記フレキシブルプリント回路基板（４００）上の印刷コイルとして形成されている、変換器。
【請求項１５】
ローターのラジアル位置を測定する方法であって、
長手軸（Ｌ）周りに回転するローター（３００）を設けることであって、該ローター（３００）はターゲット部分（３１０）を備える、ローター（３００）を設けることと、
１つ以上のコイル（１７０、１７２）を備える変換器（１００）を設けることであって、前記コイル（１７０、１７２）は前記ターゲット部分（３１０）に結合するように配置されている、変換器（１００）を設けることと、
前記ターゲット部分（３１０）に動的電磁界を生成するように前記変換器（１００）に電力を供給することと、
前記変換器（１００）から変換器信号を受信することと、
前記変換器信号に基づいて少なくとも１つの前記ローター（３００）のラジアル位置（ｘ）を示す位置信号を導出することと、
を含み、
前記コイル（１７０、１７２）は、円周方向（Ｃ）に沿って正弦波的に変動する、ターゲット部材に対する感度を有することを特徴とする、
方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ローターのラジアル位置を測定するための非接触電磁センサー、そのような非接触電磁センサーにおいて使用されるのに適した変換器、及び、ローターのラジアル位置を測定するための対応する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
非接触電磁センサー、特に、渦電流センサー及び誘導センサー（磁気抵抗センサーとも呼ばれる）は、しばしば、磁気軸受デバイス内に支持されるローターのアキシャル、ラジアル、又は角度（すなわち、回転）位置をモニターするために使用される。
【０００３】
渦電流センサーは、通常、励磁・処理回路に接続された変換器を備え、変換器は、少なくとも１つの検出コイルを備える。励磁回路は、変換器に高周波ＡＣ電流が流れるようにする。高周波電流は、交流電磁界を生じさせ、交流電磁界は、近傍のローター上の導電性ターゲットに渦電流を誘起する。渦電流は、電磁界を減衰させ、変換器内に逆起電力（ＥＭＦ：electromotive force）を誘起する。これらの効果は、変換器のインピーダンス特性を変化させる。そのようなインピーダンス変化は、処理回路によって検出されて、変換器とターゲットとの間の距離の指標を示す。励磁及び検出のために単一コイルを使用する渦電流センサーシステムの一例が特許文献１に開示されている。この文書は、単一コイル変換器に関連する幾つかの一般的な問題も論じている。
【０００４】
ローターのラジアル変位を測定するのに特に適する渦電流センサーシステムが、特許文献２に開示されている。この文書において、励磁コイルが、ローターの円柱ターゲットに巻き付けられて高周波電磁界を生じさせ、複数の検出コイルが、励磁コイルの近くに設置されて、ターゲットに誘起される渦電流によって生じる電磁界の変化を検出する。
【０００５】
誘導センサーは、高透磁率を有するターゲット、例えば、強磁性又はフェリ磁性ターゲットを使用する。誘導センサーの動作周波数は、概して、渦電流センサーの場合よりも低く、しばしば、数ｋＨｚの領域である。
【０００６】
以下では、渦電流センサー及び誘導センサーを、ひとまとめにして非接触電磁センサーと称する。
【０００７】
非接触電磁センサーの検出コイルをその励磁・処理回路に接続するための多くの可能性が当技術分野において知られている。一例が特許文献３に示されている。この文書は、励磁と検出とを分離するために、入力又は出力変圧器の２つの巻線とともにブリッジ回路内に配置された２つの検出コイルを備える非接触電磁センサーデバイスを開示している。
【０００８】
ローターの角度位置を測定するために非接触電磁センサーを使用することも当技術分野で提案されてきた。例えば、特許文献４は、ローターに結合されたディスク状ターゲットを備える非接触電磁センサー構成を開示しており、ターゲットは、渦電流効果によってオーバーラップの程度の関数として平坦検出コイルのインダクタンスに影響を及ぼす少なくとも２つの金属表面を含む。センサー構成は、正弦波評価信号を発生する評価ユニットを備える。このセンサー構成は、ローターの角度位置を測定するためにのみ使用することができ、ラジアル位置を測定するには適さない。
【０００９】
特許文献５は、ローターの角度位置を測定するための別の非接触電磁センサーを開示している。コイルは、ローターの角度位置に応じて正弦波的に変動する信号が発生するように回転軸に対して配置されている。このセンサーも、ローターのラジアル位置を測定するのに適さない。
【００１０】
ローターのラジアル位置をモニターすることは、ローターが能動型磁気軸受によって支持される場合に特に重要である。なぜならば、磁気軸受を制御するためにラジアル位置情報が必要とされるからである。非接触電磁センサーが、ローターのラジアル位置を測定するために使用されるとき、ターゲットが、高精度で回転軸周りに回転対称であることが重要である。変形、ノッチ、傷、又は窪み等の完全な回転対称からのいずれの偏差も、センサー出力において更なる外乱信号をもたらすことになり、更なる外乱信号は、磁気軸受について望ましくない制御信号をもたらし、ローターのガタガタ揺れる動きにつながる可能性がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】米国特許第６，６６４，７８２号明細書
【特許文献２】米国特許第７，３５５，５０１号明細書
【特許文献３】国際公開第２０１５／０５２０１６号
【特許文献４】米国特許出願公開第２０１７／０２９２８５７号明細書
【特許文献５】米国特許第９，４７０，５０５号明細書
【発明の概要】
【００１２】
第１の態様において、ローターのラジアル位置をモニターする非接触電磁センサーを提供することが本発明の目的である。センサーは、ターゲットの不完全性に対して特定の応答挙動を示し、それにより、そのようなターゲットの不完全性に起因する外乱信号についての改善された補償を可能にする。
【００１３】
この目的は、請求項１に規定される非接触電磁センサーによって達成される。本発明の更なる実施形態は、従属請求項に記載される。
【００１４】
長手軸周りに回転するように構成されたローターのラジアル位置を測定する非接触電磁センサーが提供される。このセンサーは、
１つ以上の第１のコイルを備える第１の変換器と、
第１の変換器に接続されて第１の変換器に電力を供給する（特に、動的励磁電流によって第１のコイルを直接的に又は間接的に機能させる）励磁回路と、
第１の変換器から（特に、第１のコイルから直接的に又は間接的に）変換器信号を受信し、変換器信号に基づいて少なくとも１つのローターのラジアル位置を示す位置信号を導出するための処理回路と
を備え、
第１の変換器の第１のコイルは、長手軸周りに円周方向に沿って正弦波的に変動する、ターゲット部材に対する感度を有する。
【００１５】
センサーのタイプに応じて、コイルがそれに対して正弦波的感度を示すターゲット部材は、（渦電流センサーの場合）導電性、又は、（誘導センサーの場合）強磁性／フェリ磁性であり得る。
【００１６】
ターゲット部材の存在に対する、円周方向に沿う感度の正弦波的依存性を有するコイルを備える変換器を設けることによって、完全な回転対称からのターゲットのいずれの偏差も、回転対称からの偏差のサイズ及び形状によらず、ローター同期性正弦波的外乱信号をもたらすことになる。これは、ターゲット表面上の単一角度位置における単一の狭いノッチ様欠陥を考慮することによって容易に理解することができる。正弦波的感度分布によって、そのような欠陥は、その振幅が欠陥のサイズによって決定されかつその位相が欠陥の角度位置によって決定される、回転同期性正弦波的外乱信号をもたらすことになる。完全な回転対称からのターゲット表面のいずれの偏差も、そのような狭い個々の欠陥の重ね合わせとして近似することができ、結果として得られる外乱信号は、個々の欠陥の正弦波的外乱信号の重ね合わせであることになる。数学的に言えば、結果として得られる外乱信号は、欠陥の角度分布とコイルの角度感度分布との畳み込みである。結果として得られる外乱信号は、正弦波的でありかつローター同期性があり、アンバランス信号と同じ形態を有する。したがって、外乱信号は、アンバランス信号と非常によく似た方法で容易に補償することができる。特に、能動磁気軸受デバイスの分野で、そのような補償は、磁気軸受の制御に対する悪い影響なしで、実施することができる。
【００１７】
アンバランス信号を補償するための方法は、当技術分野でよく知られている。そのようなスキームの概観は、例えば、G. Schweitzerら編、「Magnetic Bearings-Theory, Design and Application to Rotating Machinery」(2009),ISBN 978-3-642-00497-1, chapter 8.3に示されている。特に、この文書は、アンバランス制御方策の３つの群を開示している。これらの群のうちの１つは、ローター同期性外乱信号の打消し又は除去を含む。一例は、上記で述べた文書のchapter 8.3.3で論じられる「アンバランス力除去制御」（ＵＦＲＣ：Unbalance Force Rejection Control）である。ＵＦＲＣが適用されると、ローターは、本質的にローター同期性外乱信号による影響を受けることなく、磁気軸受デバイス内で回転することになる。
【００１８】
要約すると、完全な回転対称からのターゲットの偏差に関して正弦波的応答挙動を有する変換器を備えるラジアル位置センサーを設けることによって、そのような偏差に起因する外乱信号をより容易に補償することが可能になる。
【００１９】
本発明の文脈で、感度分布Ｓ（φ）（ターゲット部材の局所的存在に対する感度Ｓの依存性を角度位置φの関数として記述する）は、最低次余弦近似Ｓ（φ）≒Ｓ０＋Ｓ１・ｃｏｓ（φ−φ１）でよく近似できる場合、正弦波的であると考えられる。ここで、Ｓ０は、オフセット（好ましくはゼロ）であり、最低次余弦近似の、Ｓ１は振幅であり、φ１は位相である。最低次余弦近似の周期性は３６０°であることに留意されたい。より正確に言えば、感度分布は、フーリエ級数
【数１】
2021513085.tif 000003
（ここで、Ｓｎは実数値のｎ番目のフーリエ係数であり、φｎは対応する位相である）に展開することができ、かつ、ｎ＞１の全ての係数Ｓｎが、第１の係数Ｓ１の絶対値の２０％未満、好ましくは１０％未満である絶対値を有する場合、正弦波的であると考えられる。
【００２０】
正弦波的感度分布を発生するため、各第１のコイルは、複数の異なるサイズのオーバーラップする導体ループを備えることができ、導体ループは、上記コイルの正弦波的感度分布をもたらすように配置することができる。導体ループの適した配置は、図１０〜図１３を参照して以下でより詳細に論じるように、導体ループを通るＡＣ電流によって発生する磁界の数値シミュレーション及び結果として得られる誘起電圧の数値シミュレーションから容易に導出することができる。
【００２１】
有利な実施形態において、第１のコイルは、ローターの全周にわたって正弦波的である感度分布をともに規定する、すなわち、感度分布は、０°〜３６０°の全角度範囲にわたって最低次余弦近似によってよく近似することができる。これは、第１のコイルの巻線を、本質的に全周にわたって分布させることによって達成することができる。
【００２２】
好ましくは、変換器は、１８０°の角度距離に配置された正確に２つの第１のコイルを備え、結果として得られる感度分布は、ローターの全周にわたって正弦波的であり、各コイルは、本質的に、１８０°をカバーする。正弦波的感度分布を生成するため、各第１のコイルは、回転軸の周りに、少なくとも１５０°、より好ましくは少なくとも１６５°、しかし、１８０°以下の角度範囲にわたって延在する、少なくとも１つの導体ループを備えることが好ましい。
【００２３】
原理上、変換器の第１のコイルは、空間内で任意の向きを有することができる。しかしながら、その面垂線がラジアル成分を有する能動コイル表面を第１のコイルが規定する場合、有利である。より正確に言えば、長手軸に関するラジアル成分を含む少なくとも１つの法線ベクトルを規定する湾曲コイル表面に又は湾曲コイル表面に平行に、各第１のコイルの導体ループが配置される場合、有利である可能性がある。有利な実施形態において、湾曲コイル表面は、円柱形状であり、長手軸周りに円周方向に延在し、したがって、全てラジアルである法線ベクトルのセットを規定する。こうして、第１の変換器は、円柱ターゲット表面を規定するローターの第１のターゲット部分と相互作用するように構成することができる。ターゲット表面は、外部ローターの場合、ローターの内周に、又は、内部ローターの場合、外周に配置することができる。こうして、コイルと第１のターゲット部分との間の結合は、本質的にラジアルであることになる。そのような実施形態において、第１のコイルは、円周方向に沿って観察した場合に第１のコイルを長くかつ細く作ることによって、非常に制限されたアキシャル空間のみを必要とするように設計することができる。特に、各第１のコイルは、長手軸周りにその曲率半径のせいぜい２０％である、長手軸に沿う寸法とすることができる。
【００２４】
有利な実施形態において、非接触電磁センサーは、渦電流センサーである。そのため、ローターの第１のターゲット部分は、導電性、特に、金属製であるべきである。励磁回路は、ローターの第１のターゲット部分に渦電流が誘起されるように、第１の変換器に電力を供給するように構成することができ、処理回路は、少なくとも１つの位置信号を導出するときに、変換器信号に対する渦電流の影響を考慮するように構成することができる。特に、励磁回路は、少なくとも１００ｋＨｚの励磁周波数を有するＡＣ電流を第１の変換器に供給するように構成することができる。
【００２５】
他の実施形態において、センサーは、誘導センサーとすることができる。その場合、第１のターゲット部分は、高透磁率（例えば、１０を超える、好ましくは１００を超える比透磁率）を有することになる、すなわち、第１のターゲット部分は、強磁性又はフェリ磁性であることになり、センサーの励磁周波数は、概して、１００ｋＨｚより十分に低いことになる。当技術分野でよく知られているように、変換器のインピーダンスに対する高透磁率ターゲットの影響は、概して、導電性ターゲット内の渦電流の影響と異なることになり、したがって、ラジアル位置信号を導出するときに処理回路によって実施される信号処理は、概して、渦電流センサーと誘導センサーとの間で異なることになる。例えば、処理回路が第１のコイルのインピーダンスを決定する場合、インピーダンスの実数部及び虚数部の異なる線形結合を、位置信号を導出するときに渦電流センサーのためにまた誘導センサーのために計算することになる。
【００２６】
第１の変換器は、１つ以上の（特に２つの）第２のコイルを更に備えることができる。第２のコイルも、円周方向に沿って、ターゲット部材に対する正弦波的感度を有し、第２のコイルの感度分布は、第１のコイルの感度分布と同一の周期性を有するが、円周方向に沿って第１のコイルの感度分布に対してシフトしている、すなわち、第２のコイルの感度分布は、第１のコイルの感度分布と異なる位相を有する。特に、第２のコイルの感度分布は、第１のコイルの感度分布に対して、０°又は１８０°以外の角度だけ、特に３０°〜１５０°の間の角度だけ、更に特に６０°〜１２０°の間の角度だけ、また、有利には９０°又は１２０°だけ、シフトされ得る。こうして、短いアキシャル長のみを必要とする単一変換器によって、少なくとも２つの異なるラジアル方向に沿うラジアル位置を、特に、２つの互いに直交するラジアル方向（例えば、「ｘ」及び「ｙ」）に沿うラジアル位置を、測定することが可能になる。したがって、処理回路は、第１のコイル及び第２のコイルからの変換器信号に基づいて、少なくとも２つの異なるラジアル方向に沿ってローターの少なくとも２つのラジアル位置を示す位置信号を導出するように構成することができる。
【００２７】
変換器は、１つ以上の（特に２つの）第３のコイルを更に備えることができ、第３のコイルも、円周方向に沿って、ターゲット部材に対する正弦波的感度を有し、第３のコイルの感度分布は、第１のコイル及び第２のコイルの感度分布と同一の周期性を持って変動するが、円周方向に沿って第１のコイル及び第２のコイルの感度分布に対してシフトしており、すなわち、第３のコイルの感度分布は、第１のコイル及び第２のコイルの感度分布と異なる位相（方向）を有している。特に、第２のコイル及び第３のコイルの感度分布を、第１のコイルに対して、それぞれ１２０°及び２４０°だけシフトさせることが有利である。こうして、円周方向に沿って等間隔に離間する３つの異なるラジアル方向に沿って測定することが可能になる。そのような測定から、２つの互いに直交する方向（例えば、「ｘ」及び「ｙ」）に沿ったラジアル位置を導出することは簡単である。そのような測定の固有の冗長性は、妥当性チェックを実施するために、及び／又は、誤測定又は他の欠陥を高い信頼度で判定するために使用することができる。
【００２８】
もちろん、このスキームは、更に多数のコイルを含む配置構成に一般化することができる。
【００２９】
第１のコイルは、第２のコイル、及び、場合によっては第３のコイルに、オーバーラップする可能性がある。そのため、第１のコイル、第２のコイル、及び、場合によっては第３のコイルは、強く結合される可能性がある。また、これらの結合が、概して、第１のコイル、第２のコイル、及び、場合によっては第３のコイルの感度分布に影響を及ぼすことになること、すなわち、第１のコイル、第２のコイル、及び、場合によっては第３のコイルのコイルレイアウトを、概して、互いに独立に最適化することができないことに留意されたい。しかしながら、図１０〜図１３を参照して以下でより詳細に説明するように、全てのコイルが同じ周波数で動作する場合、これらのコイル間の結合をレイアウト最適化にあたって考慮することは簡単である。したがって、処理回路が、第１のコイル、第２のコイル、及び、場合によっては第３のコイルから生じる変換器信号を同じ検出周波数で検出することが有利である。
【００３０】
非接触電磁センサーは、第１の変換器と異なるアキシャル位置に配置された第２の変換器を更に備えることができる。第２の変換器は、例えば、ローターの角度位置のような別の量の測定を実施するために、又は、差動測定のために使用することができる。第２の変換器が、第１の変換器の（第１の、及び、場合によっては第２の）コイルと類似した方法で寸法決定され配置される１つ以上の（第１の、及び、場合によっては第２の）コイルを備えることが、有利である。特に、第２の変換器は、円周方向に沿って正弦波的に変動する、ターゲット部材に対する感度を有する１つ以上の（特に２つの）第１のコイルを備えることができる。好ましくは、第１の変換器及び第２の変換器の第１のコイルの感度分布は、本質的に同一であるか又は少なくとも類似しており、特に、これらの分布は、円周方向に沿って同じ周期性を有し、また、好ましくは、感度分布は、長手軸周りに同じ位相を同様に有する、すなわち、感度分布は、円周方向に沿って互いに対してシフトしていない。第２の変換器は、円周方向に沿って正弦波的に変動する、ターゲット部材の存在に対する感度を同様に有する１つ以上の（特に２つの）第２のコイルを更に備えることができ、第２のコイルの感度分布は、第２の変換器の第１のコイルの感度分布と同じ周期性を有するが、上記第１のコイルの感度分布に対して、円周方向に沿って、好ましくは第１の変換器と同じ量だけシフトしている。
【００３１】
第２の変換器は、アキシャル方向に第１の変換器に隣接して配置することができ、第１の変換器及び第２の変換器は、導電性シールド部材によってアキシャル方向に分離することができ、シールド部材は、好ましくはリング状である。
【００３２】
幾つかの実施形態において、第２の変換器は、長手軸周りのローターの角度（回転）位置を測定するように構成することができる。そのため、第２の変換器のコイルは、ローターの第２のターゲット部分に結合するように構成することができ、第２のターゲット部分は、回転非対称（偏心性）であり、処理回路は、第１の変換器及び第２の変換器から変換器信号を受信し、変換器信号に基づいて、特に、第１の変換器の変換器信号及び第２の変換器の変換器信号を相関させることによって、ローターの少なくとも１つのラジアル位置及び角度位置を示す位置信号を決定するように構成することができる。
【００３３】
他の実施形態において、第２の変換器は、差動測定のための参照として働くことができる。そのため、非接触電磁センサーは、ローターの位置によって影響を受けない参照ターゲットを更に備えることができ、第２の変換器のコイルは、上記参照ターゲットに結合するように配置することができる。処理回路は、第１の変換器及び第２の変換器から信号を受信し、第２の変換器の信号に基づいて第１の変換器のセンサー信号の補償を実施するように構成することができる。特に、処理回路は、第１の変換器及び第２の変換器から変換器信号を受信し、変換器信号に基づいて、ローターの少なくとも１つのラジアル位置を示す位置信号、及び、ターゲットの径を示す径信号を決定するように構成することができ、位置信号は、ターゲットの径の変動について補償され得る。
【００３４】
幾つかの実施形態において、参照ターゲットは、第２の変換器のコイルに対して固定した空間的関係で配置されたリングである。ローターが内部ローターか外部ローターかに応じて、参照ターゲットを、第２の変換器の内周又は外周に配置することができる。
【００３５】
第２の態様において、本発明は、上述した非接触電磁ラジアル位置センサーにおいて使用されるように特に適合される変換器を提供する。
この変換器は、
長手軸を規定する環状コイル支持体と、
環状コイル支持体に取り付けられた１つ以上の（特に２つの）第１のコイルと
を備える。
【００３６】
第１のコイルは、長手軸に関するラジアル成分を含む少なくとも１つの法線ベクトルを規定する湾曲コイル表面に又は湾曲コイル表面に平行に配置され、したがって、変換器を、ラジアル位置を測定するように特に適合させる。第１のコイルは、上記で論じたように、円周方向に沿って正弦波的に変動する、ターゲット部材に対する感度を更に有し、それにより、ターゲットの不完全性に起因する場合があるいずれの外乱信号の補償をも容易にする。
【００３７】
変換器は、ラジアル位置を測定するために有利に使用されるが、その使用はこの目的に限定されない。特に、変換器は、代わりに、上記で説明したように、偏心ターゲットの角度位置を測定するために使用することができる。この場合、第１のコイルの正弦波的感度変動は、改善された角度分解能をもたらすことができる。
【００３８】
上記で既に論じたように、変換器は、環状コイル支持体に取り付けられた１つ以上の第２の（及び、場合によっては更なる）コイルを更に備えることができ、第２のコイルも、湾曲コイル表面に又は湾曲コイル表面に平行に配置され、円周方向に沿って正弦波的に変動する、ターゲット部材に対する感度を有する。その場合、第１のコイル及び第２のコイルの感度分布は、好ましくは、同一の周期性を有するが、互いに対して、円周方向に沿って、０°又は１８０°以外の角度だけ、特に３０°〜１５０°の角度だけ、更に特に６０°〜１２０°の角度だけ、また、有利には９０°又は１２０°だけ、シフトしている。
【００３９】
第１のコイル、及び、場合によっては第２のコイル、及び更なるコイルを取り付けるため、環状コイル支持体は、環状コイル支持体の内周又は外周に向かって開口する複数のスロットを画定することができ、第１のコイル及び第２のコイルは、スロットに収容されるワイヤで形成される。幾つかの実施形態において、コイル支持体は、３Ｄ印刷によって生産される。３Ｄ印刷は、有利であり、なぜならば、３Ｄ印刷は、工具費用を最小にし、また同時に、コイルのワイヤを収容するために必要とされるスロット等の複雑な構造の作成を可能にするからである。代替的に、コイル支持体を、射出成形のようなより伝統的な方法によって生産することができる。
【００４０】
コイル支持体の製造を簡略化するため、環状コイル支持体は、複数のコイル支持セグメントを備えることができ、各コイル支持セグメントは、１８０°以下、好ましくは９０°以下、特に４５°の、角度範囲にわたって延在する。コイル支持セグメントのうちの少なくとも２つは、同一とすることができる。
【００４１】
変換器は、環状コイル支持体の両側に配設された２つの導電性環状端プレートを更に備えることができ、これらの端プレートは、電磁シールド部材として働く。
【００４２】
幾つかの実施形態において、変換器は、フレキシブルプリント回路基板を備え、変換器のコイルのうちの少なくとも幾つかは、上記フレキシブルプリント回路基板上の印刷コイルとして形成される。
【００４３】
第３の態様において、本発明は、ローターの位置、特に、ラジアル位置を測定する方法を提供する。この方法は、
長手軸周りに回転するローターを設けることであって、ローターはターゲット部分を備える、ローターを設けることと、
円周方向に沿って正弦波的に変動する感度を有する１つ以上のコイルを備える変換器を設けることであって、コイルはローターのターゲット部分に結合するように配置されている、変換機を設けることと、
変換器に動的電流を供給することであって、それにより、ローターのターゲット部分に動的電磁界を発生させる、電流を供給することと、
変換器から変換器信号を受信することと、
変換器信号に基づいて少なくとも１つのローターの位置を示す位置信号を導出することと
を含む。
【００４４】
特に、この方法は、本発明の第１の態様のセンサーによって実施することができる。変換器は、本発明の第２の態様の変換器とすることができ、第１の態様及び第２の態様に関連して論じた全ての検討は、第３の態様の方法にも適用される。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明の第１の実施形態による渦電流位置センサーのための変換器組立品を斜視図で示す図である。
【図２】図１の変換器組立品を平面図で示す図である。
【図３】図１の変換器組立品を側面図で示す図である。
【図４】図１の変換器組立品を図２のＡ−Ａ面の断面図で示す図である。
【図５】図１の変換器組立品を図２のＢ−Ｂ面の断面図で示す図である。
【図６】図１の変換器組立品の４つの異なるコイル支持セグメントのうちの１つのコイル支持セグメントを示す図である。
【図７】図１の変換器組立品の４つの異なるコイル支持セグメントのうちの１つのコイル支持セグメントを示す図である。
【図８】図１の変換器組立品の４つの異なるコイル支持セグメントのうちの１つのコイル支持セグメントを示す図である。
【図９】図１の変換器組立品の４つの異なるコイル支持セグメントのうちの１つのコイル支持セグメントを示す図である。
【図１０】約１８０°の範囲にわたる正弦波的感度分布を示すコイルの概略図である。
【図１１】コイル支持体における第１のコイル及び第２のコイルの配置を示す非常に概略的な図である。
【図１２】同一のＤＣ電流を両方のコイルに供給したときの、２つのオーバーラップするコイルによって発生する磁束密度を、角度位置の関数として示す図であり、円及び十字は、各コイルのターンの位置を示し、実線及び破線は、各コイルによって発生する磁束密度を示す。
【図１３】同一のＡＣ電流を両方のコイルに供給したときの、各角度位置において発生する時間依存性局所磁束の結果として、オーバーラップするコイルのそれぞれに誘起される電圧寄与を示す図である。
【図１４】０°〜３６０°の全角度範囲にわたる、結果として得られる感度分布を示す図である。
【図１５】ｘ軸に沿うラジアル位置と角度位置との両方を測定することができるセンサーを示す概略図である。
【図１６】本発明の第２の実施形態による変換器組立品を斜視図で示す図である。
【図１７】ターゲットのｘ軸に沿うラジアル位置と径との両方を測定することができるセンサーを示す概略図である。
【図１８】本発明の第３の実施形態による変換器組立品のコイル支持体を斜視図で示す図である。
【図１９】本発明の第４の実施形態による変換器組立品のために２つのコイルを有するフレキシブルプリント回路基板を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００４６】
本発明の好ましい実施形態を、図面を参照して説明する。これは、本発明の現在の好ましい実施形態を示すためのものであるが、それを制限するためのものではない。
【００４７】
［第１の実施形態］
本発明の第１の実施形態による変換器組立品１を図１〜図５に示す。変換器組立品１は、変換器組立品１をラジアル方向に囲む中空外部ローター（図１〜図５に示さず）のラジアル位置を測定するように構成されている。したがって、変換器組立品１は、中空ローターの内周のターゲット表面と相互作用するように構成されている。
【００４８】
変換器組立品１は、第１の変換器１００及び第２の変換器１００’を備える。各変換器１００、１００’は、環状コイル支持体１１０、１１０’を備える。環状コイル支持体１１０、１１０’は、共通の長手軸Ｌ（図３）を規定する。一方のアキシャル端において、変換器組立品１は、導電性環状下部プレート１２０を備える。変換器１００、１００’は、導電性シールドリング１３０によって分離されている。変換器組立品の他方のアキシャル端において、変換器組立品は、導電性環状上部プレート１４０を備える。第２の変換器１００’のコイル支持体１１０’と上部プレート１４０との間に、硬質プリント回路基板（ＰＣＢ：printed circuit board）の形態のコネクタ基板１６０が配設され、コネクタ基板は、変換器組立品１を励磁・処理回路に接続するために標準的なコネクタ１６１を有している。変換器組立品１の種々の部分は、長手軸Ｌと平行に延在する複数のねじ１５０によって一体として保持されている。
【００４９】
各コイル支持体１１０、１１０’は、２つの第１のコイル及び２つの第２のコイル（図１〜図５に示さず）を有する。それらのコイルについては、図１０及び図１１を用いてより詳細に説明する。各コイルは、絶縁導線（例えば、コーティングされた銅ワイヤ）の複数のループからなる。
【００５０】
各コイル支持体１１０、１１０’は、１６個のコイル支持セグメントから構成される。図６及び図７は、２つのタイプのコイル支持セグメント１１１、１１２を示す。これらの２つのタイプのコイル支持セグメントのみが、第１のコイル支持体１１０を組み立てるために必要とされている。各コイル支持セグメント１１１、１１２は、４５°の角度範囲にわたって延在し、コイルのワイヤを収納するためのスロット１１３の構成、並びに、ワイヤを偏向させてループにし、そのループを所定の場所に保持するための片側フック要素１１４及び両側フック要素１１５を有する。接続用スロット１１６は、コイルをコネクタ１６１に接続するのに役立つ。各セグメント１１１、１１２は、セグメントをアキシャル方向に隣接するセグメント、シールドリング１３０、並びに、下部プレート１２０及び上部プレート１４０に取り付けるために、２２．５°の角度距離に配設された、２つの保持ラグ１１７を備える。第１のタイプの各セグメント１１１は、第２のタイプのセグメント１１２と対を形成し、これらのセグメントは、ラジアル平面に関して鏡面対称であり、長手軸Ｌに沿って並んで配置される。アキシャル平面に関して鏡面対称に配置された２つの対は、コイル支持体の９０°セクターを形成する。コイル支持体は、４つのそのような同一のセクターから構成されている。
【００５１】
図６及び図７のコイル支持セグメント１１１、１１２のわずかな変形である２つの更なるコイル支持セグメント１１１’、１１２’を、図８及び図９に示す。スロット１１３及びフック要素１１４、１１５のレイアウトは、コイル支持セグメント１１１、１１２の場合と同じであり、したがって、コイル支持セグメント１１１’は、コイル支持セグメント１１１と同じタイプであると考えることができ、コイル支持セグメント１１２’は、コイル支持セグメント１１２と同じタイプであると考えることができる。しかしながら、コイル支持セグメント１１１’、１１２’は、コイル支持セグメント１１１、１１２の保持ラグ１１７より、アキシャル方向に薄い保持ラグ１１７’を有する。図５から明らかであるように、これらの更なるコイル支持セグメント１１１’、１１２’は、第２の変換器１００’の一方のアキシャル端で使用されて、保持ラグ１１７’と上部プレート１４０との間にコネクタ基板１６０を収容する。
【００５２】
各コイル支持セグメント１１１、１１１’、１１２、１１２’は、電気絶縁性材料で作られる。各コイル支持セグメントは、３Ｄ印刷又は射出成形によって容易に製造することができる。
【００５３】
下部プレート１２０、シールドリング１３０、及び上部プレート１４０は、電磁シールド部材として働いて、変換器１００、１００’を、互いから、また、変換器組立品に対してアキシャル方向に隣接して配設される更なるコンポーネントから、シールドする。下部プレート、シールドリング、及び上部プレートは、好ましくは、金属、特にアルミニウムで作られる。
【００５４】
コイル支持体１１０、１１０’によって保持される第１のコイル及び第２のコイルのそれぞれは、複数のループを備え、ループは、円周方向に沿って、増加する長さを有する。ループは、ラジアル方向外方に向く法線ベクトルＮのセットを規定する共通湾曲コイル表面を規定する、コイル支持体１１０、１１０’の円柱外側表面に全て平行である。ループの構成を、図１０に、１つのコイル１７０について概略的に示す。コイル１７０の中心を、角度位置０°であるとする。本例において、９つのループが存在する。最も内側の第１のループは、−１１．５°〜＋１１．５°の角度範囲にわたって延在し、第２のループは、−２３°〜＋２３°の角度範囲にわたって延在し、第３のループは、−３５．７５°〜＋３５．７５°の角度範囲にわたって延在し、以降も同様である。本例において、各ループの巻回位置（屈曲位置）は、以下のプラス及びマイナスの角度位置、すなわち、１１．５°、２３°、３５．７５°、４７．２５°、５４．２５°、６７°、７２．７５°、８２．５°、及び８５．５°に位置する。異なる数のループを有するコイルについて、巻回位置は、概して、異なる角度位置にあることになる。各巻回位置において、コイル支持体は、コイルのワイヤを１８０°ターンさせるためのフック要素を有する。
【００５５】
図１０において、ループは、アキシャル方向に沿って異なる幅を有するものとして示されている。しかしながら、実際には、全てのループは、本質的に同じ幅を有しており、ループのワイヤは、円周方向に沿って延在するループ部分において、重なり合って、又は、互いに隣接して配置されている。
【００５６】
コイル支持体１１０上のコイルの配置を、非常に概略的な方法で図１１に示す。各変換器１００、１００’は、１８０°の角度距離に配置された２つの第１のコイル１７０、１７２を備える。これらの２つのコイルの中心は、位置０°及び１８０°にある。さらに、各変換器１００、１００’は、第１のコイルに対して９０°シフトしており、その中心を９０°及び２７０°に有し、第１のコイルにオーバーラップする、２つの同一の第２のコイル１７１、１７３を備える。全てのコイル１７０〜１７３のループは、コイル支持体１１０の円柱外周表面に、又はその表面に対して平行に、配置され、ラジアル方向外方を向く。
【００５７】
同一のＤＣ電流が、変換器内の全てのコイルに供給されると、特定の磁束密度の分布が得られることになる。結果として得られる磁束密度を図１２に示す。この図は、その中心を０°に有する第１のコイルのうちの１つ（コイルＡとする）及びその中心を９０°に有する第２のコイルのうちの１つ（コイルＢとする）について、磁束密度の依存性を角度位置の関数として示す。同様に、これらの２つのコイルのループの巻回位置が示されている。磁束密度は、９０°セクターについてのみ示されている。残りの３つのセクター内の磁束密度分布は、円周方向に沿ってシフトした及び／又は鏡面反転した分布に対応する。
【００５８】
コイルＡによって発生する磁束密度は、最も外側の導体ループの外で、すなわち、８５．５°を超えた角度において、ゼロである。磁束密度は、より小さい角度に向かって、段階的に増加して、コイルの９つ全てのループがオーバーラップする０°の周りのコイル中心において最大値に達する。コイルＢの磁束密度の角度依存性は、４５°位置を対称平面として、コイルＢの分布に対して鏡面対称である。
【００５９】
ＡＣ電流の場合、磁束密度は、角度に対する同じ関数依存性を有することになるが、時間依存性があり、両方のコイル内にＥＭＦを誘起させることになる。磁束密度及び誘起されるＥＭＦは、ともに、標準的なＦＥ法で容易にモデル化することができる。よりよい近似のために、以下の単純化された検討を行うことができる。
【００６０】
コイルＡ及びＢともに、同じＡＣ電流が供給されると、コイルの時間依存性磁束密度は、単純に加算される。各コイルの各導体ループでは、ＥＭＦが誘起され、そのＥＭＦの大きさは、このループによって囲まれる総磁束の大きさに比例する。各コイル内で誘起される電圧は、コイルの全てのループ内で誘起されるＥＭＦの和であり、特定の角度位置におけるこの電圧に対する個々のループ内で誘起されるＥＭＦの寄与は、局所磁束密度の大きさに、この角度位置においてオーバーラップするループの数を乗じたものに比例する。そのため、この電圧寄与は、各角度位置について容易に計算することができる。角度位置の関数としてのこれらの電圧寄与の分布を、図１３に、コイルＡ及びＢについての９０°セクターに関して示す。図１４は、対向して配置された２つの第１のコイル１７０、１７２の対について、これらのコイルが差動的に読み出されると仮定して、０°〜３６０°の全角度範囲にわたる結果として得られる電圧寄与の分布を示す。
【００６１】
導電性本体が、１つの特定の角度位置においてセンサーに近づく場合、渦電流が本体内に誘起される。渦電流は、電磁界を減衰させ、近傍の導体内に逆ＥＭＦをもたらす。それにより、渦電流は、その特定の角度位置における電圧寄与を低減することになる。そのため、各コイル内の全誘起電圧に対する渦電流の効果（すなわち、導電性本体の存在に対する誘起電圧の感度）は、そのコイルに対する導電性本体の角度位置に依存することになる。結果として得られる感度分布は、図１４に示す電圧寄与の分布にまさに対応する。
【００６２】
図１４から容易に明らかになるように、感度分布は、０°〜３６０°の円全体にわたって正弦波的である。すなわち、感度分布を、円全体にわたって余弦関数によって十分に近似することができ、余弦関数からの偏差は小さい。図１４に示す電圧／感度分布の円全体にわたる積分がゼロである、すなわち、感度分布がオフセットを示さないことに留意されたい。
【００６３】
同様の検討は、高い磁気透過性がある本体がセンサーに近づく場合にも適用され、この場合にも、本体の存在に対する誘起電圧の感度の正弦波的依存性が本体の角度位置の関数として生じる。
【００６４】
ここで、一定距離をおいて同軸に２つの第１のコイルの周りに回転する完全な円柱対称を有するターゲットを考える。ターゲットに対する第１のコイルの対称な配置により、かつ、それらの差動読み出しにより、結果として得られる変換器信号は、ゼロになる。ターゲットが第１のコイルのうちの一方から離れて他方の第１のコイルに向かってラジアル方向にシフトする場合、ターゲット内の渦電流は、ターゲットに近いコイル内で他方のコイル内よりも大きい逆ＥＭＦが生じることになる。したがって、２つのコイル内で異なる電圧が誘起されることになり、コイルが差動的に接続されているため、正味の変換器信号が生じることになる。高い磁気透過性があるターゲットの場合にも、正味の変換器信号が得られる。
【００６５】
一方、ターゲットが完全にコイルの中心にあるままであるが、その表面上に欠陥（例えば、狭いノッチ）を備える場合、ターゲット内の渦電流は、欠陥によって変化させられることになる。これは、瞬間的に欠陥に向くコイル内の誘起電圧を、そのコイルの感度分布に従って変化させることになる。欠陥が一定角速度で円周に沿って移動する場合、欠陥は、角度の関数としての図１４の感度曲線の変動と同じように時間の関数として変動する変換器信号を生成することになる。したがって、結果として得られる変換器信号は、時間の関数として正弦波的であることになり、正弦波的変動は、ローターの回転と同期する。やはり、磁気透過性があるターゲットの場合にも、正弦波的変動が得られる。
【００６６】
任意の数のループについて、上述した近似を使用することによって又はＦＥシミュレーションによって、正弦波的感度分布を考慮して各ループについて巻回位置を最適化することが容易に可能である。制限された数の離散的ループによって、感度分布は、完全で単純な余弦依存性から或る程度逸脱する場合がある。特に、感度分布は、離散的なループの存在によって、図１３及び図１４から明らかなように、階段状特徴を示す場合がある。これらの階段状特徴は、個々のループの幾何形状を修正することによって、例えば、幅及び／又は長手軸からのラジアル距離が円周方向に沿って変動するループを構成することによって、更に低減することができる。こうして、改善された単純な余弦依存性の近似を得ることができる。
【００６７】
感度分布が角度位置φの周期関数であるため、感度分布は、実数値係数Ｓ０、Ｓｎ及び位相φｎによって、以下の通りにフーリエ展開として表すことができる。
【数２】
2021513085.tif 000004
ここで、Ｓ０は、感度分布のオフセット（好ましくは、ゼロ）であり、Ｓ１及びφ１は、それぞれ余弦近似の振幅及び位相であり、ｎ＞１についてのより高次の係数Ｓｎ、φｎは、より高い周期数の振幅及び位相を示す。
【００６８】
最適化されたコイル幾何形状によっても、概して、ｎ＞１のより高次の係数Ｓｎの全てがゼロになるとは限らない。結果として、変換器信号は、回転周波数においてだけでなく、回転周波数の倍数においても非ゼロ振幅を有することになる。
【００６９】
概して、これらの高調波は、望ましくなく、ローパスフィルター若しくはバンドパスフィルターを使用することによって、又は、数値棄却法によって除去することができる。選択された高調波を、巻回位置について最適化を実施するときに更に考慮することができる。例えば、公称回転周波数１００Ｈｚを有するローターが４００Ｈｚの近くに共振を有することが分かっている場合、感度分布は、係数Ｓ４ができる限り小さくなるように最適化することができる。別の例として、ローターが１６個のローターセグメントからなる場合、回転周波数の１６倍における外乱信号を予想することができる。その場合、係数Ｓ１６ができる限り小さくなるように感度分布を最適化することが可能である。
【００７０】
上記で概説したように、変換器の第１のコイルは、１つのラジアル方向、例えば、ｘ軸に沿うローター位置（より正確に言えば、長手軸からのローター変位）の測定を可能にする。全く同じ方法で、円周方向に沿って９０°だけシフトしている第２のコイルは、第１のラジアル方向に直交する第２のラジアル方向、すなわち、ｙ軸に沿うローター位置を測定するために使用することができる。大きくオーバーラップする第１のコイル及び第２のコイルによってこれが達成される、すなわち、第１のコイル及び第２のコイルが強く結合するにもかかわらず、２つの異なる方向に沿う位置信号を得ることができることに留意されたい。
【００７１】
これまでのところ、変換器ユニット１の２つの変換器１００、１００’の一方のみについて考えてきた。図１５は、両方の変換器を使用する考えられる適用形態を示す。この非常に簡略化された図において、第１の変換器１００の第１のコイルは、参照符号１７０及び１７２で示されている。一方、第２の変換器１００’の第１のコイルは、参照符号１７０’及び１７２’で示されている。両方の変換器の第２のコイルは、今のところ無視される。変換器１００、１００’は、ローター３００のラジアル位置及び角度位置を測定するために使用される。単純にするため、ローター３００は、内部ローターとして示されている。一方、外部ローターであってもよい。実際には、図１〜図５の実施形態において、ローターは、外部ローターである。
【００７２】
励磁回路２１０は、それ自体従来技術から知られているような結合ネットワーク２１１を通して、コイル１７０、１７２、１７０’、１７２’の全てに同一のＡＣ電流を流させる。検出回路２２０は、コイルのそれぞれの対１７０、１７２及び１７０’、１７２’から差動信号をそれぞれ検出する。図１５において、差動検出は、差動増幅器２２１、２２２によってシンボル化されている。しかしながら、差動検出は、他の方法、例えば、各変換器のコイル１７０、１７２及び１７０’、１７２’をそれぞれ、互いに逆直列に、又は、特許文献３の場合のように、入力又は出力変圧器の巻き線とブリッジ回路で接続することによっても達成され得ることが理解される。
【００７３】
第１の変換器１００のコイル１７０、１７２は、ローター３００の第１のターゲット部分３１０に対向する。第１のターゲット部分３１０は、回転対称である。差動的に読み出されることによって、これらのコイルは、上記でより詳細に述べたように、第１の方向（ｘと示される）に沿うローターのラジアル位置を検出する。完全な回転対称からの偏差をもたらす第１のターゲット部分３１０のいずれの欠陥も、正弦波的ローター同期性外乱信号として現れ、その外乱信号は、ローター位置の後続の評価において容易に考慮することができる。
【００７４】
第２の変換器１００’のコイル１７０’、１７２’は、ローター３００の第２のターゲット部分３２０に対向する。このターゲット部分は、例えば、その表面に著しいノッチを有することによって著しく偏心している。したがって、ローター３００が、変換器ユニット１００の長手軸に一致する指定された回転軸の周りにスピンする限り、第２の変換器１００’は、従来のレゾルバーとほぼ同じ方法で、ローター３００の角度位置を示す正弦波的信号ｂｃｏｓφを出力する。ローター３００がｘ方向に沿って変位する場合、この信号は、第１の変換器１００によって出力されるラジアル位置信号と非常によく似たラジアル位置信号に重ね合わされることになる。減算器２２３によってシンボル化されているように、第２の変換器から導出される全信号から、第１の変換器から導出されるｘ信号を減算することによって、正弦波的角度信号ｂｃｏｓφのみが残る。
【００７５】
第１の変換器１００及び第２の変換器１００’の第２のコイルを使用することによって、直交するｙ方向に沿う第２のラジアル位置信号及び第２の正弦波的角度信号ｂｓｉｎφを同じ方法で得ることができる。正弦波的角度信号ｂｃｏｓφ及びｂｓｉｎφから、回転角度φを決定することができる。全体で、２つの互いに直交する方向ｘ及びｙに沿う２つのラジアル位置信号並びに回転角度φが得られる。
【００７６】
真の余弦及び正弦関数をできる限りうまく近似する角度位置信号を得るため、偏心性ターゲット幾何形状及びコイル幾何形状はともに、偏心性ターゲットの形状と感度分布との畳み込みが真の余弦／正弦関数にできる限りうまく一致するように最適化することができる。この最適化は、畳み込みが周波数領域における単純な乗算であるため、容易に実装され得る。ターゲット幾何形状と感度分布との両方のフーリエ展開は、概して、ｎ＞１において非ゼロ係数を有することになる。そして、ｎ＝１において両方の関数の畳み込みのフーリエ係数を最大にし、ｎ＞１において畳み込みの全てのフーリエ係数を最小にすることが最適化目標である。この目標は、それぞれのｎ＞１について、ターゲット幾何形状のフーリエ係数又は感度分布のフーリエ係数がゼロであるか又は少なくともゼロに近いことを保証することによって達成することができる。
【００７７】
［第２の実施形態］
図１６は、本発明の第２の実施形態による変換器ユニット１’を示す。第２の実施形態の変換器ユニット１’は、第１の実施形態の変換器ユニット１に非常によく似ている。しかしながら、第２の変換器１００’の外周は、第２の変換器１００’の第１のコイル及び第２のコイルから固定ラジアル距離に配設された環状金属参照ターゲット１８０によってカバーされている。参照ターゲット１８０を設置するため、第２の変換器のコイル支持体は、第１の変換器のコイル支持体と比較して、わずかに小さい外径を有する。
【００７８】
第２の実施形態の変換器ユニット１’を使用する考えられる適用形態を、非常に簡略化された方法で図１７に示す。同様のコンポーネントは、図１５と同じ参照符号で示す。やはり、ローター３００は、単純にするため、内部ローターとして示されているが、外部ローターとすることもできる。この実施形態において、第１の変換器のコイル１７０及び第２の変換器のコイル１７０’は、差動的に読み出される。同様に、コイル１７２及び１７２’は、差動的に読み出される。そのような各対は、ターゲットと第１の変換器のそれぞれのコイルとの間の絶対距離を示す差動信号を検出する。これらの信号の差（減算器２２３でシンボル化されている）を形成することによって、ｘ方向に沿うローターの変位を示すラジアル位置信号が得られる。和（加算器２２４でシンボル化されている）を形成することによって、ターゲットの径Ｄを示す出力信号が得られる。ラジアル位置信号は、未補正ラジアル位置信号に可変ゲインｇを乗ずることによって、ローター径の変動が更に補正されて、補正されたラジアル変位信号ｘが得られる。特に、スケーラー２２５は、径値Ｄを受信し、Ｄに依存するゲインｇ（Ｄ）を出力することができる。単純な実施形態において、線形関数ｇ（Ｄ）、すなわち、ｇ（Ｄ）＝１＋ｋ・（Ｄ−Ｄ０）が選択される。ここで、Ｄ０は、Ｄの公称値であり、ｋは、経験的に決定された定数係数である。未補正ラジアル位置信号には、乗算器２２６において、このゲインｇ（Ｄ）が乗じられて、補正された位置信号が得られる。
【００７９】
同じ検出及び処理スキームは、第１の変換器１００及び第２の変換器１００’の第２のコイルから得られる信号に適用され、（補正された）ラジアル変位信号ｙ及び第２の径信号を導出することができる。第２の径信号は、第１のコイル及び第２のコイルからの時間平均化径信号の差を最小にすることによって処理回路を較正するために使用することができる。第１のコイル及び第２のコイルによって測定される平均径値は、スケーラー２２５において使用することができる。
【００８０】
全体で、２つの互いに直交する方向ｘ及びｙに沿うラジアル位置信号が、高精度で得られる。
【００８１】
［第３の実施形態］
第３の実施形態による変換器について、図１８を参照して説明する。第１の実施形態及び第２の実施形態は、外部ローターと相互作用するように設計されているが、第３の実施形態は、内部ローターのために設計されている。
【００８２】
一般的に言えば、外部ローターのために本発明を実装することがより容易である。この場合、コイルは、ターゲットとラジアル方向に外方に相互作用する。コイルは、外側からスロット内に配置することができ、更なる対策なしで、コイル支持体のフックによって保持されることになる。これは、変換器が内部ローターと相互作用するように設計されるときには当てはまらない。この場合、コイルが内側に落ち、内部ローターに接触することを回避する特定の対策がとられる必要がある。そこで以下が提案される。第１の実施形態及び第２の実施形態と同様に、コイルを外側からコイル支持体に同様に取り付ける。コイルには、その後、樹脂が充填され、コイル支持体は、コイルとコイル支持体の内周との間に薄い膜のみが残るまで、内側から丸く削られる。この種のコイルの取り付けに適するコイル支持体１１０を、内部ローター３００の部分とともに、図１８に概略的に示す。
【００８３】
［第４の実施形態］
絶縁銅ワイヤによって巻かれた離散的コイルを使用する代わりに、１つ以上のフレキシブルプリント回路基板（いわゆるフレックスプリント）上にコイルを実装することが可能である。単一変換器の２つの第１のコイル１７０、１７２を実装するフレックスプリント４００を、図１９に概略的に示す。当技術分野でよく知られているように、他の導体部分に交差する導体部分がフレックスプリントの異なる層内に配置されることを理解されたい。フレックスプリントは、電気絶縁性環状キャリア上に取り付けられる。その長さは、内部ローターがモニターされるか、外部ローターがモニターされるかに応じて、キャリアの内周又は外周に対応する。第２の、わずかに短い又は長いが、その他の点で同一のフレックスプリントが、第２のコイルを実装するために、円周方向に沿って９０°だけシフトしてこの上に配設され得る。
【００８４】
フレックスプリントの実施形態においては、各コイルの個々のループは、概して、アキシャル方向に沿って異なる幅を有することに留意されたい。これは、コイル幾何形状を最適化するときに容易に考慮することができる。
【００８５】
［更なる検討］
ローターの円周の広い範囲にわたって延在する検出コイルを使用することによって、誘起電圧とラジアル位置との関係は、ほぼ線形であり、概して、更なる線形化は、必要でない。しかしながら、線形性を改善することが所望される場合、経験的に決定されたルックアップテーブルを使用する補間、経験的に決定された係数を有する多項式、又は他の非線形関数を、更なる線形化の実現のために使用することができる。
【００８６】
本発明について本発明の特定の実施形態を参照して説明したが、本発明がこれらの実施形態に限定されないこと、及び、本発明の範囲から逸脱することなく多くの修正が可能であることを理解されたい。
【符号の説明】
【００８７】
１００、１００’  変換器
１１０、１１０’  コイル支持体
１１１、１１１’  コイル支持セグメント
１１２、１１２’  コイル支持セグメント
１１３  スロット
１１４、１１５  フック要素
１１６  接続用スロット
１１７  ラグ
１２０  下部プレート
１３０  シールドリング
１４０  上部プレート
１５０  ねじ
１６０  コネクタ基板
１６１  コネクタ
１７０、１７２  第１のコイル
１７１、１７３  第２のコイル
１８０  ダミーターゲット
２１０  励磁回路
２１１  結合ネットワーク
２２０  処理回路
２２１  第１の増幅器
２２２  第２の増幅器
２２３  減算器
２２４  加算器
２２５  スケーラー
２２６  乗算器
３００  ローター
３１０  第１のターゲット部分
３２０  第２のターゲット部分
４００  フレックスプリント
Ａ−Ａ  断面
Ｂ−Ｂ  断面
Ｃ  円周方向
Ｌ  長手軸
Ｎ  法線ベクトル
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【国際調査報告】
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