JP2018189485A

JP2018189485A - 角度検出器

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Publication number: JP2018189485A
Application number: JP2017091805A
Authority: JP
Inventors: 小久江　幸二; Koji Ogue; 幸二小久江
Original assignee: Tamagawa Seiki Co Ltd
Current assignee: Tamagawa Seiki Co Ltd
Priority date: 2017-05-02
Filing date: 2017-05-02
Publication date: 2018-11-29
Anticipated expiration: 2037-05-02
Also published as: JP6849188B2

Abstract

【課題】コイルの構成を簡素としながら、高周波の励磁電流に対して高い検出ゲインを得ることが可能な、角度検出器を提供する。【解決手段】角度検出器１０は、所定角度間隔毎に設けられた励磁コイル部２２および検出コイル部２３を有するステータ２０と、ステータ２０に対して回転自在な、導電体を含むロータ３０とを有する。ロータ３０には励磁コイル部２２が生成する磁束の変化を遮るように渦電流が流れ、検出コイル部２３には励磁コイル部２２によって誘起電圧が誘起され、ステータ２０の所定の周方向位置における磁束の振幅が、ロータ３０の回転角度に応じて正弦波状となるよう、導電体が成形されている。【選択図】図２

Description

この発明は角度検出器に関し、とくに、複数の検出コイルに誘起されるｓｉｎ信号とｃｏｓ信号を利用して角度検出するものに関する。

励磁巻線の起電力によって検出巻線に誘起される電圧は、磁性体であるロータの形状や、各検出コイルの巻き数を適切に選ぶことにより、ロータの回転角度に依存したｓｉｎ波形およびｃｏｓ波形の信号として得られる。

図５および図６に、このような角度検出器の構成の例を示す。図５はステータコアを軸方向から見た形状を示し、図６はロータコアを軸方向から見た形状を示す。このような角度検出器の例は特許文献１に開示される。

ロータには電磁鋼板等透磁率の高い材料を用いると、ロ一タとステータのギャップ長が短い位置にあるコイルに対しては、その磁路の磁気抵抗は小さくなり、ギャップ長が長い位置にあるコイルに対しては、その磁路の磁気抵抗は大きくなる。これを利用して、検出巻線に誘起される電圧がｓｉｎ波形となるように定義された巻き数をもつコイル（ｓｉｎ巻線）とｃｏｓ波形となるように定義された巻き数を持つコイル（ｃｏｓ巻線）の２つの検出巻線を用意し、この２つの巻線に誘起される電圧比から、ロ一タの角度を検出していた。

また、図５および図６とは異なる構成を有する従来の角度検出器として、ロータに流れる渦電流を利用するものも知られている。このような角度検出器の例は特許文献２に開示される。

特開平８−１７８６１１号公報特開２０１１−２０２９６６号公報

しかしながら、従来の技術では、コイルの構成を簡素としながら高周波の励磁電流に対して高い検出ゲインを得ることが困難であるという問題があった。

たとえば特許文献１のように、角度検出の原理にロータの透磁率がギャップ部（真空の透磁率）に比して大きいことを利用している従来技術では、高周波の励磁電流に対して高いゲインを得ることが困難である。検出コイルの誘起電圧は、励磁電流の起磁力に比例し、励磁コイルに流れる電流の周波数が高ければ、大きな誘起電圧が得られる。一方、電磁鋼板等の磁性体は、周波数が高くなればその透磁率が小さくなり、一定値以上高い周波数に対しては、その透磁率は真空の透磁率とほぼ変わらなくなってしまう。従って、このような従来技術では、ある一定値以上励磁電流の周波数をあげると検出ゲインが低下してしまう。

また、たとえば特許文献２の構成は渦電流を利用するものであるが、コイルの構成が複雑となる。具体的には、コイルパターンを正逆交互に配置したり、ロータの全周にわたって円環状をなすようにコイルを配置する必要がある。

この発明はこのような問題点を解消するためになされたものであり、コイルの構成を簡素としながら高周波の励磁電流に対して高い検出ゲインを得ることが可能な角度検出器を提供することを目的とする。

この発明に係る角度検出器は、
所定角度間隔毎に設けられた励磁コイル部および検出コイル部を有する輪状ステータと、
前記輪状ステータに対して回転自在な、導電体を含む輪状ロータと、
を有する角度検出器において、
前記輪状ロータには前記励磁コイル部が生成する磁束の変化を遮るように渦電流が流れ、前記検出コイル部には前記励磁コイル部によって誘起電圧が誘起され、
前記輪状ステータの所定の周方向位置における磁束の振幅が、前記輪状ロータの回転角度に応じて正弦波状となるよう、前記導電体が成形されている、
ことを特徴とする。
特定の実施態様によれば、
前記輪状ロータは、前記輪状ステータに対して軸方向に離間して配置され、
前記輪状ロータは、外周に形成され半径方向の長さが変化する凹凸部を備える。
特定の実施態様によれば、前記輪状ロータに含まれる前記導電体は非磁性である。
特定の実施態様によれば、前記励磁コイル部および検出コイル部は、前記輪状ステータ上の導電パターンまたはマグネットコイルである。

この発明に係る角度検出器は、高周波の励磁電流に追従可能な渦電流を用いるので、高周波の励磁電流に対して高い検出ゲインを得ることができる。また、磁束の振幅が正弦波状となるように導電体が成形されているので、コイルの構成を簡素とすることができる。結果として、コイルの構成を簡素としながら高周波の励磁電流に対して高い検出ゲインを得ることが可能となっている。

本発明の実施の形態１に係る角度検出器の、軸に垂直な平面による断面図である。図１の角度検出器の、軸と平行な平面による断面図である。図１の角度検出器の一実施例においてロータに発生する渦電流のベクトル図である。図１の角度検出器の一実施例において検出コイル部に鎖交する磁束密度のベクトル図である。従来の角度検出器のステータコアを軸方向から見た形状を示す図である。従来の角度検出器のロータコアを軸方向から見た形状を示す図である。

以下、この発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
実施の形態１．
図１および図２に、本発明の実施の形態１に係る角度検出器１０の構成の例を示す。図１は、角度検出器１０の軸に垂直な平面による角度検出器１０の断面図であり、図２は角度検出器１０の軸と平行な平面による角度検出器１０の断面図である。とくに、図１は図２のＩ−Ｉ線に沿った断面によるものであり、図２は図１のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面によるものである。

角度検出器１０は、レゾルバと呼ばれるものであってもよい。角度検出器１０は、ステータ２０と、ロータ３０とを有する。ステータ２０は、ステータ本体２１と、励磁コイル部２２と、検出コイル部２３とを備える。ステータ本体２１はたとえば輪状に形成され、その場合にはステータ２０の全体が輪状となる。また、ロータ３０もたとえば輪状に形成される。ロータ３０は、ステータ２０に対して回転自在に設けられる。また、図２に示すように、ロータ３０は、ステータ２０に対して軸方向に離間して配置される。すなわち、角度検出器１０において、ステータ２０およびロータ３０はアキシャル型に配置される。

ロータ３０は図示しない回転軸に固定されており、回転軸とともにステータ２０に対して回転する。角度検出器１０は、ステータ２０に対するロータ３０の回転角度（角度位置）を検出することができるように構成されている。図１および図２の例では、ステータ２０の内周面および外周面と、ロータ３０の内周面とはいずれも円筒状であり、それぞれの軸は共通となっている。

励磁コイル部２２および検出コイル部２３は、ステータ２０上の導電パターンとして構成される。励磁コイル部２２は、ステータ本体２１の周方向に所定角度間隔毎に設けられる。検出コイル部２３もまた、ステータ本体２１の周方向に所定角度間隔毎に設けられる。図１および図２では、励磁コイル部２２および検出コイル部２３は、同一の周方向位置において互いに実質的に重なるよう配置されているが、これらの位置関係は図示のものに限らない。また、図１および図２では、励磁コイル部２２が構成するループのすぐ内側に検出コイル部２３が構成するループが配置されているが、これらの位置関係も図示のものに限らない。

ロータ３０は導電体を含む。本実施形態では、ロータ３０は全体が導電体から構成される。このため、ロータ３０には、励磁コイル部２２が生成する磁束の変化を遮るように渦電流が流れる。また、ロータ３０に含まれる導電体は、本実施形態では非磁性体を含む。本実施形態では、ロータ３０の導電体は全体が非磁性である。

ステータ２０において、励磁コイル部２２には交流電流が流れるよう構成されており、励磁コイル部２２は、交流電流が流れることに応じて変化する磁束を生成する。このように変化する磁束に応じ、検出コイル部２３には誘起電圧が誘起される。すなわち、励磁コイル部２２によって検出コイル部２３に誘起電圧が誘起される。

励磁コイル部２２に電流を供給するための構成（電源等）および検出コイル部２３における誘起電圧を検出するための構成（電圧計または制御装置等）については説明を省略するが、当業者であれば適宜公知の構成等に基づいて設計可能である。

ロータ３０は、ステータ２０の所定の周方向位置における磁束の振幅が、ロータ３０の回転角度に応じて正弦波状となるように、成形されている。このようなロータ３０の具体的構成および形状は、たとえば図１および図２に示すようにロータ３０の径を周方向位置に応じて変化させることにより実現することができる。図示の実施形態では、ロータ３０は凹凸部３１を備える。凹凸部３１は、ロータ３０の外周に形成され、半径方向の長さが変化する部分である。たとえば凹凸部３１は、大径部３１ａおよび小径部３１ｂを備える。なお、図１および図２の例は、本発明の原理を説明するための概略図であり、各部分の寸法（とくにロータ３０の半径方向の長さ）は厳密なものではない。

このような形状によるロータ３０の作用は、次のようになる。たとえば、ステータ２０の特定の周方向位置（ある特定の励磁コイル部２２および検出コイル部２３に対応する周方向位置）に、凹凸部３１の大径部３１ａが位置している場合には、その周方向位置においてロータ３０に流れる渦電流が大きくなり、励磁コイル部２２が生成する磁束の変化を遮る作用が強くなる。この結果、その周方向位置における磁束の振幅は小さくなる。

一方で、その周方向位置に、凹凸部３１の小径部３１ｂが位置している場合には、その周方向位置においてロータ３０に流れる渦電流が小さくなり、励磁コイル部２２が生成する磁束の変化を遮る作用が弱くなる。この結果、その周方向位置における磁束の振幅は大きくなる。

また、その周方向位置に、凹凸部３１の大径部３１ａと小径部３１ｂとの間の部分が位置している場合には、その部分の半径方向の長さに応じて、その周方向位置においてロータ３０に流れる渦電流の大きさが変化し、励磁コイル部２２が生成する磁束の変化を遮る作用の強さが変化する。この結果、ロータ３０の半径方向の長さに応じて、その周方向位置における磁束の振幅が変化する。

このようにして、ステータ２０の各周方向位置における磁束の振幅が、ロータ３０の回転角度に応じて変化する。各周方向位置における磁束の振幅は、その周方向位置における検出コイル部２３に誘起される誘起電圧の振幅に基づいて検出または算出可能である。

たとえば図１に示すようなロータ３０の形状は、次のようにして決定可能である。まず、ある周方向位置０［ｒａｄ］を起点として、２π／Ｘ［ｒａｄ］ごとに小径部３１ｂを配置する。ただしＸはロータ３０の軸倍角数を表す１以上の整数であり、図１の例ではＸ＝４である。Ｘは小径部３１ｂの数に対応する。また、周方向位置π／Ｘ［ｒａｄ］を起点として、２π／Ｘ［ｒａｄ］ごとに大径部３１ａを配置する。すなわち大径部３１ａの数と小径部３１ｂの数とは等しく、これらは周方向に交互に配置される。

ステータ２０の特定の周方向位置に配置された検出コイル部２３について、ロータ３０の回転角度がθｒ＝０［ｒａｄ］であるときにその検出コイル部２３に小径部３１ｂが位置するとする。このとき、その検出コイル部２３に作用する磁束の振幅は最大値となる。この最大値をΦｍａｘ［Ｗｂ］とする。この場合には、ロータ３０の回転角度がθｒ＝π／Ｘ［ｒａｄ］であるときに、その検出コイル部２３に大径部３１ａが位置し、磁束の振幅が最小値をとることになる。この最小値をΦｍｉｎ［Ｗｂ］とする。

ロータ３０の形状（とくに、各周方向位置における半径方向の長さ）は、その検出コイル部２３における磁束の振幅が、ロータ３０の回転角度θｒに応じて正弦波状となるように、設計することができる。たとえば、ロータ３０の回転角度θｒ［ｒａｄ］（ただし０≦θｒ≦２π／Ｘ）に対して、その検出コイル部２３における磁束の振幅が次の式を満たすようにすればよい。

角度検出器１０は、図示しない信号処理部を有する。各検出コイル部２３において検出された信号は、信号処理部に入力される。この入力は、それぞれの検出コイル部２３について並列に構成することができる。信号処理部では、各検出コイル部２３から入力された信号に対し、それぞれ異なる係数を乗算した後に総和を取ることにより、ｓｉｎ信号およびｃｏｓ信号を生成する。

ｓｉｎ信号を生成するための乗算に用いる係数は、たとえば次のように定義される。ｍ番目の検出コイル部２３について、その検出コイル部２３の信号に乗算される係数Ｎ１（ｍ）を、
Ｎ１（ｍ）＝ｐ・Ｎ_Ｍ・Ｋ（ｍ）・ｓｉｎ｛θｍ＋α（ｍ）｝
とする。ただし、
ｐは、ｍが奇数のときｐ＝１、ｍが偶数のときｐ＝−１であり、
Ｎ_Ｍは、係数の最大値を決定するための定数係数であり、
Ｋ（ｍ）は、ｍ番目の検出コイル部２３におけるコイルの巻き数に応じて決定される値であり、たとえば巻き数をそのまま用いてもよく、すべての検出コイル部２３の巻き数が同一であれば省略してもよく、
θｍは、隣接する２つの検出コイル部２３がなす角度（すなわち周方向位置の差）を表す定数であり、
α（ｍ）は、ｍ番目の検出コイル部２３の周方向位置を表すオフセット値である。

また、ｃｏｓ信号を生成するための乗算に用いる係数は、たとえば次のように定義される。ｍ番目の検出コイル部２３について、その検出コイル部２３の信号に乗算される係数Ｎ２（ｍ）を、
Ｎ２（ｍ）＝ｐ・Ｎ_Ｍ・Ｋ（ｍ）・ｃｏｓ｛θｍ＋α（ｍ）｝
とする。

ロータ３０の回転角度θｒについて信号処理部で生成されたｓｉｎ信号の振幅Ｅｓｉｎ（θｒ）は、次の式を満足する。
Ｅｓｉｎ（θｒ）＝Ｅｍａｘ・ｓｉｎ（Ｘ・θｒ＋β）
ただしβはロータ３０の回転角度θｒの基準となるオフセット値である。

また、ロータ３０の回転角度θｒについて信号処理部で生成されたｃｏｓ信号の振幅Ｅｃｏｓ（θｒ）は、次の式を満足する。
Ｅｃｏｓ（θｒ）＝Ｅｍａｘ・ｃｏｓ（Ｘ・θｒ＋β）

このようにして、Ｅｓｉｎ（θｒ）とＥｃｏｓ（θｒ）との比を算出することにより、ロータ３０の回転角度θｒを求めることができる。たとえば次のようになる
θｒ＝ａｒｃｔａｎ｛Ｅｓｉｎ（θｒ）／Ｅｃｏｓ（θｒ）｝

図３および図４に、角度検出器１０の一実施例に対する有限要素法による解析結果を示す。図３はロータ３０に発生する渦電流のベクトル図であり、図４は検出コイル部２３に鎖交する磁束密度のベクトル図である。

以上説明するように、本発明の実施の形態１に係る角度検出器１０によれば、渦電流に基づいて磁束の変化を検出するので、ロータの透磁率に依存する磁束の変化を検出する構成と比較して、より周波数の高い励磁電流に対して検出ゲインを維持することができる。また、角度検出器１０によれば、磁束の振幅が正弦波状となるようにロータ３０が成形されているので、検出コイル部２３の構成を簡素とすることができる。結果として、検出コイル部２３の構成を簡素としながら高周波の励磁電流に対して高い検出ゲインを得ることが可能となっている。

また、一般的に、誘起電圧を大きくするためには、励磁コイル部２２および検出コイル部２３の面積を大きくする必要があるが、本発明の実施の形態１に係る角度検出器１０によれば、ステータ２０およびロータ３０がアキシャル型に配置されるので、ラジアル型の配置に比較して、より薄い構成で大きなコイル面積を得ることができる。

すなわち、従来の構成では、ロータに流れる渦電流により磁束が減少してしまうことを避けるために、ステータおよびロータには積層された鋼板を用いる必要があった。そのため、積層されたステータの厚みおよびロータの厚みに加え、ステータに巻かれるコイルのコイルエンド部分の厚みが少なくとも必要となり、それ全体の構成を薄くすることが困難であった。これに対し、本発明の実施の形態１に係る角度検出器１０によれば、渦電流を抑制する必要がないため積層された鋼板を用いる必要がなく、ステータ２０およびロータ３０を従来より薄く構成することができる。また、励磁コイル部２２および検出コイル部２３を軸に垂直な面内に巻くことができるので、コイルについても従来より薄く構成することができる。このようにして、角度検出器１０の薄型化が可能となる。

また、従来技術では、ロータに磁束を通すためにはロータをある程度厚くすることが必要であるが、本発明の実施の形態１に係る角度検出器１０では渦電流を用いており、渦電流を流すためには厚みは実質的に必要とされない。したがって、ロータ３０の厚みは構造上の強度が必要とする最低の厚みまで薄くすることが可能であり、角度検出器１０の薄型化が可能となる。

また、従来技術では、励磁コイルおよび検出コイルに巻線（マグネットコイル）を用いているため、巻線にかかるコストを低減することが困難であり、また、巻線と回路をつなぐコネクタ部のコストを低減させることも困難であった。これに対し、本発明の実施の形態１に係る角度検出器１０では、励磁コイル部２２および検出コイル部２３を基板上のパターンで実現することが可能であり、これによりさらなる薄型化とコスト低減が可能である。

また、従来技術では、ｓｉｎ巻線およびｃｏｓ巻線という２つの独立した巻線を用いていた。このため、巻線順序によりｓｉｎ巻線とｃｏｓ巻線との間のアンバランスが発生しており、また、ｓｉｎ巻線とｃｏｓ巻線との間の相互干渉も大きかった。これに対し、本発明の実施の形態１に係る角度検出器１０では、１つの検出コイル部２３からの信号をｓｉｎ信号の生成およびｃｏｓ信号の生成に共通して用いるので、各巻線間のアンバランスは発生せず、また、各巻線間の相互干渉も抑制できる。

また、従来技術では、コイルの巻かれる位置に応じて巻数を変化させることにより、ｓｉｎ信号およびｃｏｓ信号という２つの信号を生成していた。このため、巻線のためのスペースに余裕があっても、検出コイルを規定以上の巻き数で巻くことができず、検出ゲインの向上に限界があった。また、巻線の有理化誤差も発生していた。これに対し、本発明の実施の形態１に係る角度検出器１０では、各検出コイル部２３から出力される信号に基づく演算によりｓｉｎ波形およびｃｏｓ波形を生成するので、励磁コイル部２２および検出コイル部２３の巻き数およびパターンを、スペースの許す限り定義することが可能であり、検出ゲインをより大きくすることができ、有理化誤差も原理的には解消できる。

実施の形態１において、以下のような変形を施すことができる。
信号処理部は、デジタル回路を用いて構成することもでき、アナログ回路を用いて構成することもできる。また、信号処理部を省略してもよい。その場合には、検出コイル部２３の位置によって巻き数を異ならせ、各検出コイル部２３を直列に接続しておけば、その出力に基づいて直接的にｓｉｎ信号およびｃｏｓ信号を生成することができる。

実施の形態１では、励磁コイル部２２および検出コイル部２３は導電パターンであるが、変形例として、これらはマグネットコイルであってもよい。

実施の形態１では、ステータ２０およびロータ３０はアキシャル型に配置されるが、これらはラジアル型に配置されてもよい。たとえば、ステータの径方向内側にロータを配置してもよい。その場合には、ロータの形状は実施の形態１と同様に構成してもよいし、他の形状としてもよい。たとえば、ロータの半径方向の長さを一定とし、周方向位置に応じて厚みを変化させることによっても、渦電流の大きさを変化させることができる。

実施の形態１では、ロータ３０は全体が導電体で構成されるが、ロータの一部に絶縁体を含んでもよい。また、実施の形態１ではロータ３０に含まれる導電体は全体が非磁性のものであるが、導電体の一部は磁性体であってもよい。ロータの少なくとも一部に非磁性の導電体を含んでいれば、磁束の振幅がロータの回転角度に応じて正弦波状となるように構成することにより、本発明の原理による角度検出器を実現することは可能である。

１０角度検出器、２０ステータ（輪状ステータ）、２２励磁コイル部、２３検出コイル部、３０ロータ（輪状ロータ）、３１凹凸部。

Claims

所定角度間隔毎に設けられた励磁コイル部および検出コイル部を有する輪状ステータと、
前記輪状ステータに対して回転自在な、導電体を含む輪状ロータと、
を有する角度検出器において、
前記輪状ロータには前記励磁コイル部が生成する磁束の変化を遮るように渦電流が流れ、前記検出コイル部には前記励磁コイル部によって誘起電圧が誘起され、
前記輪状ステータの所定の周方向位置における磁束の振幅が、前記輪状ロータの回転角度に応じて正弦波状となるよう、前記導電体が成形されている、
ことを特徴とする角度検出器。
前記輪状ロータは、前記輪状ステータに対して軸方向に離間して配置され、
前記輪状ロータは、外周に形成され半径方向の長さが変化する凹凸部を備える、
請求項１に記載の角度検出器。
前記輪状ロータに含まれる前記導電体は非磁性である、請求項１または２に記載の角度検出器。
前記励磁コイル部および検出コイル部は、前記輪状ステータ上の導電パターンまたはマグネットコイルである、請求項１〜３のいずれか一項に記載の角度検出器。