JP4221253B2 - 回転角センサー - Google Patents

Description

本発明は、トランス巻線を有するブラシレスレゾルバからなる回転角センサーに関し、特に、ロータトランス巻線とロータ巻線の巻線手段および接続手段を改良した回転角センサーに関する。

ブラシレスレゾルバは、トランス巻線を備えるため、励磁用又は検出用のロータやステータの他に、電源供給用のトランスを設けることになる。例えば、図４はその例である。

図４は、従来のレゾルバにおけるロータ側の構造の断面図である。ステータ側の構造は省略してある。図４では、従来のロータトランスのボビン１０３を回転軸１０１と別体に形成し、その後組み合わせる技術を改良し、ロータトランスのボビン１０３を回転軸１０１と一体に形成し、この回転軸１０１にロータ巻線（図示省略）を有するロータ１０２を設けるロータ構造が示されている。この図４のロータトランスのボビン１０３には図示されていないロータトランス巻線が設けられる。ロータ巻線とロータトランス巻線とは、それぞれ個別に形成された後、組み合わされる。（例えば、特許文献１参照）。

その際、ロータ巻線とロータトランス巻線は接続されることになるが、その接続態様は例示すると次のようになる。

図５は、従来のロータ巻線とロータトランス巻線の接続を説明する説明図である。図５（ａ）はロータ巻線を設けたロータとロータトランス巻線を設けたロータトランスとをそれぞれ回転軸に取り付けた状態を示す図、図５（ｂ）は図５（ａ）に示した各巻線の引出線を接続した状態を示す図である。

ロータトランス１１２のコイルボビン１１３を巻線機（図示省略）に装着し、コイルボビン１１３の凹部に電線を所定回数巻回し、その電線の巻始め側の引出線ＲＴＷ−Ｓ１２２ａと巻終わり側の引出線ＲＴＷ−Ｅ１２２ｂを絶縁テープ（図示省略）により仮止めして、巻線機から取り出す。

一方、ロータ１１４も同様に、積層されたロータコア１２３を巻線機（図示省略）に装着し、ロータコア１２３の各磁極に直接、又はコイルボビンを介して電線を所定回数巻回し、その電線の巻始め側の引出線ＲＷ−Ｓ１２４ａと巻終わり側の引出線ＲＷ−Ｅ１２４ｂを絶縁テープ（図示省略）により仮止めして、巻線機から取り出す。

次に、前記ロータ１１４と前記ロータトランス１１２に中空の回転軸１１１を挿入嵌合し、図５（ａ）に示すように、ロータ１１４とロータトランス１１２を回転軸１１１上で所定の位置に位置決めする。その際、ロータトランス１１２におけるコイルボビン１１３の開孔１１９がロータ１１４に近い側となるように両者を配置する。

両者の位置決めが済んだら、ロータ巻線１２１の引出線ＲＷ−Ｓ１２４ａと引出線ＲＷ−Ｅ１２４ｂをロータトランス１１２におけるコイルボビン１１３の側壁部の下端に設けた開孔１１９を通してコイルボビン１１３の凹溝内に引出し、ロータ巻線１２１とロータトランス巻線１２０の極性を考慮してロータ巻線１２１の引出線ＲＷ−Ｓ１２４ａと引出線ＲＷ−Ｅ１２４ｂをロータトランス巻線１２０の引出線ＲＴＷ−Ｓ１２２ａと引出線ＲＴＷ−Ｅ１２２ｂに直列回路を形成するように接続する。その場合、引出線１２４ａと１２４ｂを開孔１１９に通すとき、開孔１１９のエッジによって電線の絶縁被覆が削られることがないように、引出線１２４ａと１２４ｂに絶縁チューブ１２８を装着する。

この実施例の場合、図５（ｂ）に示すように、引出線ＲＷ−Ｅ１２４ｂと引出線ＲＴＷ−Ｓ１２２ａを半田１２６で接続し、同様に引出線ＲＷ−Ｓ１２４ａと引出線ＲＴＷ−Ｅ１２２ｂを半田１２７で接続する。前記半田接続部は、ロータトランス巻線１２０の表面に添着した絶縁テープ１２５上に沿わせ、樹脂で固定する。
特開平１０−１７０３０６号公報

前記従来のものは、以下のような問題点がある。
（１）従来、検査単位で半完成品を製造することが行われていたため、ロータ巻線を巻回し引出線をテープで仮止めしたロータの半完成品と、ロータトランス巻線を巻回し引出線をテープで仮止めしたロータトランスの半完成品とをそれぞれ形成し、これらに回転軸を挿通嵌合し位置決めする工程をとるので、位置決めのとき、巻き上がった巻線を誤って手で加圧し変形させてしまったり、仮止めしてあった絶縁テープがとれ巻線の均等巻等の所定の形状が崩れてしまったり、位置決めが困難となる問題等があった。また、
（２）ロータ巻線の引出線とロータトランス巻線の引出線とを接続するとき、ロータ巻線の引出線に絶縁チューブを被せ、ロータトランスにおけるコイルボビンの側壁部下端に設けた開孔に通し、ロータトランス巻線の引出線と２カ所で接続し、これら２カ所の接続部をロータトランス巻線上に絶縁テープを介して沿わせ樹脂で固定するので、狭い場所での困難な作業が伴うこととなり、そのため長い引出線を使うこととなる。この長い引出線は、所定の巻線部分とは異なり、所定の巻回数に基づく基本磁界に影響を与えることにもなる変則的な磁界の発生や、回転時の振動の原因も予想される重量の偏在を生じたり、ロータトランスとロータの間の間隔を狭くすることができなくなるという制約を生じたりする。

本発明の目的は、上記問題点に鑑み、簡単な引出線の接続構成を備えた回転角センサーを提供することにある。

本発明は、上記目的を達成するために、下記の解決手段を採用する。

本発明は、主に、ロータ巻線とロータトランス巻線との引出線の接続箇所を、従来の２カ所から１カ所に減らすために、両巻線を１本の電線による連続巻構成にすると共に、連続巻のための渡りを可能とするために、ロータトランスのコイルボビンに切り欠き部を設けたことを特徴とする。具体的には、以下のようになる。
（１） 励磁用又は検出用のロータやステータと、電源供給用のトランスとを備える回転角センサーにおいて、側壁部に切り欠き部を有するロータトランスのコイルボビンとロータの積層コアとを回転軸に並設し、前記ロータトランスと前記ロータとの間にシールドプレートを設けると共に当該シールドプレートに切り欠き部を設け、前記ロータトランスのコイルボビンと前記ロータの積層コアに、１本の電線を前記両切り欠き部を介して連続巻きしたロータトランス巻線及びロータ巻線を設け、前記電線の巻き始め端と巻き終わり端を、前記両切り欠き部を介して接続して前記ロータトランス巻線上に樹脂で固定しており、
前記シールドプレートの切り欠き部は、軸方向正面から見て、前記コイルボビンの側壁部の切り欠き部の位置に重ならないように設けられており、前記ロータトランスのコイルボビンは、回転軸の軸方向と直角方向に環状の凹溝を有するものであると共に磁路強制形成および電磁遮蔽の機能を有する磁性体で形成されており、前記凹溝に前記電線を連続巻きして前記ロータトランス巻線を設けたものである。
（２） 上記（１）に記載の回転角センサーにおいて、前記ロータの積層コアは、突極磁極を有し、前記磁極に前記電線を連続巻きした前記ロータ巻線を設ける。
（３） 上記（１）又は（２）に記載の回転角センサーにおいて、前記切り欠き部の表面は、丸みが付けられ、又はテフロン（登録商標）が被覆されている。
（４） 上記（１）乃至（３）のいずれか一項に記載の回転角センサーにおいて、前記ロータの積層コアの磁極におけるステータ磁極と対向する面にテフロン（登録商標）を被覆する。

本発明の効果を以下詳述する。
（１）回転角センサーは、側壁部に切り欠き部を有するロータトランスのコイルボビンとロータの積層コアを回転軸に並設し、ロータトランスのコイルボビンとロータの積層コアに１本の電線を前記切り欠き部を介して連続巻きしたロータトランス巻線とロータ巻線を設け、前記電線の引出線となる巻き始め端と巻き終わり端を前記切り欠き部を通してロータトランス巻線上で接続して前記ロータトランス巻線上に樹脂で固定した構成としたことにより、1本の電線による連続巻のロータトランス巻線とロータ巻線とすることができ、それにより途中に接続部のない電気的特性および構造にできる。また、引出線の接続を1カ所で行うので、変則的な引出線の長さを1カ所分だけに短くでき、これに従って、接続部の巻線に対する電気的影響および磁気的影響を従来のものと比べ少なくすることができる。また、ロータトランスのコイルボビンは、回転軸の軸方向と直角方向に環状の凹溝を有するので、前記凹溝に1本の電線を連続巻きしたロータトランス巻線を設けることができる。また、シールドプレートの切り欠き部及びコイルボビン側壁部の切り欠き部である両切り欠き部を通過してロータ巻線に鎖交する磁束はなくなる。そして、シールドプレートを設ける場合でも、巻線電線は１本で、巻線後の引出線の処理は１カ所になるので、構造簡単、製造容易、電気的特性が良好になる。
（２）ロータの積層コアは、突極磁極を有するので、基本的には、突出する磁極の周りに巻回するだけとなり、それにより機械巻きができる。また、ロータ巻線は、全ての磁極を巻回すると巻き終わりが巻き始めに戻ってくるので、電線1本での連続巻きができるようになる。
（３）コイルボビンの切り欠き部の表面に、丸みを付け又はテフロン（登録商標）を被覆したので、1本の電線で連続巻きする際、電線の断線を抑制できる。
（４）ロータコアの磁極におけるステータ磁極と対向する面にテフロン（登録商標）被覆したので、各磁極の周りに1本の電線で連続巻きする際、前記面に引っかかることが無くなり、電線の断線を防止できる。

本発明の回転角センサーについて、その実施の形態を図に基づいて以下詳細に説明する。まず、（１）回転角センサーにおけるロータ側の構造、次に、（２）（１）のロータ側構造の製造方法および製造装置、さらに（３）ロータに電磁シールドとなるシールドプレートを設ける構成を説明する。

（１）回転角センサーにおけるロータ側の構造：
図１は本発明の回転角センサーにおけるロータおよびロータトランスの巻線処理を説明する説明図である。図１（ａ）は巻線を始める前のロータの積層コアとロータトランスのコイルボビンを示す図、図１（ｂ）は巻線途中のロータの積層コアとロータトランスのコイルボビンを示す図、図１（ｃ）は巻線終了時のロータの積層コアとロータトランスのコイルボビンを示す図である。回転角センサーは、励磁および検出用のステータとロータの組と、電源供給用のステータトランスとロータトランスの組から構成される。

まず、図１（ａ）に示すように、アルミ合金等の金属からなる中空状の回転軸１１に、ロータトランス１２のコイルボビン１３とロータ１４の積層コア１５を嵌合状態に装着し、位置決め固着する。コイルボビン１３は、磁性体やアルミ合金等で形成する。なお、ロータトランス１２のコイルボビン１３を中空状の回転軸１１に予め形成してもよい。

ロータトランス１２のコイルボビン１３は、回転軸１１の周囲に環状に設けられ、断面コ字状を呈する。

前記コ字状は、図１（ａ）に○枠で示すように、水平方向の基底部１６とその両側端からそれぞれ垂直に立ち上がる側壁部１７、１８からなる。断面コ字状の１側壁部１８には、電線（マグネットワイヤ）を渡すための切り欠き部１９が形成されている。切り欠き部１９の表面には、好ましくは、電線の絶縁コーティング層を剥がさないように、丸みが付けられていたり、滑りを良くするための接触抵抗の小さい樹脂、例えばテフロン（登録商標）等がコーティングされる。切り欠き部１９の形状は、ロータトランス巻線２０に電流が流れることにより発生する磁束がロータ巻線２１に実用上影響を与えない程度の切り欠き形状とする。このコイルボビン１３を磁性体で形成すると、磁路強制形成および電磁遮蔽の機能を有する。

積層コア１５は、実施例１の場合、珪素鋼板を突極型に型抜きしたコアを必要数積層し固着したもので、必要に応じて、コイルボビンを兼ねるインシュレータを装着する。積層コア１５を構成する各コアの磁極（突極）は、スキュー角をとるために、相互にずらして形成する。

次に、ロータトランス１２のコイルボビン１３とロータ１４の積層コア１５の位置決めが終わった回転軸１１を、巻線機のワーク（図示省略）に固定し、多関節ロボット（図示省略）等の作業により、巻き始めの引出線２２をロータトランス１２のコイルボビン１３内に絶縁テープ２６で仮止めし、多関節ロボット（図示省略）等の作業により、ロータトランス１２を前記引出線２２に続く１本の電線で連続巻し、所定回数巻回した後、コイルボビン１３の切り欠き部１９を通してロータトランス１２の次にロータ１４の積層コア１５の各磁極２３に順次１方向に必要回数巻回する。

全ての磁極２３に巻回し終わったら、ロータ巻線２１の引出線２４をコイルボビン１３の切り欠き部１９を通してコイルボビン１３内に配置する。ロータトランス巻線２０上に、前記巻線２０がほぐれないように、また、次の工程のハンダが電線に直接落ちて電線が破損しないように、絶縁テープ２５を貼着する。

両引出線２２と２４の端部をハンダ付けし、絶縁テープ２５上に沿わせて配置し、このハンダ付け部分を樹脂で封止する。この樹脂封止部は、絶縁テープ２５上に沿わせて配置し、更に樹脂で固着する。

（２） （１）のロータ側構造の製造方法および製造装置：
ロータ側構造（ロータトランスおよびロータ）に、電線を簡単に、且つ、電線を損傷させることなく連続的に巻回する製造方法およびそのための製造装置を説明する。

ロータトランス巻線の巻回方向とロータ巻線の巻回方向が略直交するように大幅に異なるので、巻線機として、例えば、垂直多関節ロボットを用いる。この垂直多関節ロボットは、例えば６軸を回転軸とする多関節ロボットが使用されている。この多関節ロボット自体は、各社から市販されており、本発明においては、それらの中から目的に応じて適宜選択して使用することができる。

多関節ロボットを用いる巻線機を説明する。

図２は本発明の多関節ロボットを用いる巻線機の概略図である。図２では、巻線機３０は、基台上に設けた多関節ロボット３１とワーク３９から構成される。多関節ロボット３１とワーク３９は基台上においてその位置を変えることもできる。

多関節ロボット３１は、図２では３軸で略記してあるが、ワーク３９の動作態様および可動部先端３６の動作態様との兼ね合いで必要な軸数が求まる。通常は６軸を採用することが多い。電線３２は、多関節ロボット３１に取付けられた電線ガイド３３、３４、３５を通して、多関節ロボット３１の可動部先端３６に設けたノズル３７に導かれるようになっている。ノズル３７は可動部先端３６に対して固定でも可動でも可能であり、可動の場合、整列巻きを行うために可動部先端３６に対するノズル３７の取り付け角度を変えたり、組み込まれたモータ（図示省略）によって所定の巻回動作を行うように構成する。

ワーク３９はチャック３８を回転させたり、直進させたりするモータ等の駆動源と、制御回路を有する。

多関節ロボット３１とワーク３９は、ケーブル４０で接続され、制御装置４１により必要な制御が行われる。制御装置４１は所定のプログラムを組み込んだマイクロコンピュータに基づいて構成される。前記プログラムは、巻線処理プログラムを含む。この巻線処理プログラムは可動部先端３６のならい学習を含む学習プログラムを有し、特にロータの積層コアの磁極に対する巻回手順のならい学習プログラム等を有する。

次に、巻線機３０の巻線動作を説明する。

図１（ａ）に示す巻線前のロータトランス１２のコイルボビン１３とロータの積層コア１５を備えた回転軸１１を、図２に示すように、ワーク３９のチャック３８に把持させる。

多関節ロボット３１の後方には、電線リール（図示省略）が設けられており、この電線リールから繰り出される電線３２は、多関節ロボット３１に取付けられた電線ガイド３３、３４、３５を通して、多関節ロボット３１の可動部先端３６に設けたノズル３７に導かれるようになっている。電線３２は張力設定機構（図示省略）を介して一定の張力でノズル３７から供給される。

この状態から、主にノズル３７が設けられた可動部先端３６の動作を対象として、多関節ロボット３１を、予め設定した所定のプログラムによって作動させながら、ノズル３７の先端をコイルボビン１３に位置合わせし、ワーク３９のチャック３８を電線３２の張力が一定になるように回転制御しながらコイルボビン１３に電線３２を巻回する。多関節ロボット３１は、コイルボビン１３への巻回数が所定数に達したら、引き続き同じ１本の電線３２をコイルボビン１３の切り欠き部（図１（ｃ）の切り欠き部１９）を通して所定のロータ１４の磁極に巻回し始める。その際、所定のロータ１４は、電線３２が切り欠き部を通ったとき、絶縁被覆（絶縁コーティング）が損傷を受けないような角度範囲にある最寄りのロータを意味する。

次に、ノズル３７をロータ１４における積層コア１５の突極部に対して周回させることにより、突極部に巻線を施す。

このとき、ノズル３７から繰り出される電線３２が、突極部の基部側（ヨーク側）から突出側に、あるいは突出側から基部側に向けて一列に並びながら巻付けられ、多層に巻回されるようにする。

ノズル３７は、突極部同士の間のスロット内を通るとき、突極部に対して外側に倒れるように傾斜した状態（ノズル３７が突極の突出側に接触せずに巻回できる状態）で移動する。

多関節ロボット３１を用いて突極部の回りを周回するようにノズル３７を移動させることにより、周回位置に応じてノズル３７の角度や移動速度を自由に調整することができ、それによって電線３２の絶縁被膜が損傷することを防ぎつつ、電線３２を整列させながら多層巻きすることが可能となる。ロータ１４の積層コアに対する巻線が終了したら、引出線をコイルボビン１３の切り欠き部（図１（ｃ）の切り欠き部１９）を通してコイルボビン１３内に配置し、多関節ロボット３１による巻線処理を終了する。

巻線が終わったならば、ロータトランス１２におけるコイルボビン１３内で１本の電線３２の両端の引出線をハンダ付けし樹脂で固定する。

なお、多関節ロボットによる巻線は巻線方向の異なるロータ巻線とロータトランス巻線を１本の電線で連続巻きする場合を説明したが、さらに、３個以上の巻線を異なる巻線方向に行うことも可能で、同様に行う。

また、多関節ロボットの代わりにフライヤーを用いる場合には、ワークの機能を強化し、少なくとも巻回方向をフライヤーの動作方向に揃える。

（３）ロータに電磁シールドとなるシールドプレートを設ける構成：
図３は本発明のシールドプレートを設けたロータの構成図である。

図３（ａ）は本発明のシールドプレートを設けたロータの構成図、図３（ｂ）は図３（ａ）のシールドプレート５２の軸方向正面図、図３（ｃ）は図３（ａ）の側壁部１８の軸方向正面図、図３（ｄ）は図３（ａ）のシールドプレート５１の軸方向正面図である。

図３（ａ）は、図２で説明したもので、１本の電線によってロータトランス巻線とロータ巻線を形成し、引出線をハンダ付けし樹脂固定した例を示す。この例では、回転軸にロータトランス１２とロータ１４の間にシールドプレート５１を設け、ロータ１４に対しシールドプレート５１と反対側にシールドプレート５２を設ける。

シールドプレート５１とシールドプレート５２によりロータ１４へのロータトランス１２からの磁界や外部磁界および外部ノイズの影響を実用上問題のない程度に抑制することができる。但し、ロータトランス巻線とロータ巻線の間の渡り線を通過させるための切り欠き部の位置を前記磁界やノイズの影響が増大しないように選択しなければならない。

基本的には、ロータトランス１２におけるコイルボビンの側壁部１８に設ける切り欠き部１９の位置（図３（ｃ）に示す軸方向正面図における中心角位置）と長さ（図３（ｃ）に示す軸方向正面図における中心角範囲Ｌ）と、シールドプレート５１に設ける切り欠き部５３の位置（図３（ｄ）に示す軸方向正面図における中心角位置）と長さ（図３（ｄ）に示す軸方向正面図における中心角範囲）は軸方向正面から見て重ならないように設ける。

これにより、両切り欠き部１９、５３を通過してロータ巻線に鎖交する磁束はなくなる。シールドプレート５１をロータトランス巻線およびロータ巻線から離間する距離は、基本的には、ロータ巻線のＳＮ比等の電気的特性に応じて決められるが、更には、巻線機の引き回し精度等により決められる。シールドプレートは、図３では、２枚設けられているが、必要に応じて増減することができる。その際、増減するシールドプレートの切り欠き部の位置も上で述べたように隣接する部材同士で設定する。

シールドプレートを設ける場合でも、巻線電線は１本で、巻線後の引出線の処理は１カ所になるので、構造簡単、製造容易、電気的特性が良好になる。

本発明の産業上の利用可能性を以下詳述する。

本発明は、コイルボビンの側壁部に切り欠き部を設け、電線を前記切り欠き部を通して連設されるコイルボビン等に順次連続巻きすることを特徴とする。この特徴によれば、複数のコイル又は巻線を必要とする回転機および静止機全般に渡って適用可能となる。

本発明の回転角センサーにおけるロータおよびロータトランスの巻線処理を説明する説明図である。 本発明の多関節ロボットを用いる巻線機の概略図である。 本発明のシールドプレートを設けたロータの構成図である。 従来のレゾルバにおけるロータ側の構造の断面図である。 従来のロータ巻線とロータトランス巻線の接続を説明する説明図である。

符号の説明

１１ 回転軸
１２ ロータトランス
１３ コイルボビン
１４ ロータ
１５ 積層コア
１６ 基底部
１７、１８ 側壁部
１９、５３ 切り欠き部
２０ ロータトランス巻線
２１ ロータ巻線
２２、２４ 引出線
２３ 磁極
２５、２６ 絶縁テープ
３０ 巻線機
３１ 多関節ロボット
３２ 電線
３３、３４、３５ 電線ガイド
３６ 可動部先端
３７ ノズル
３８ チャック
３９ ワーク
４０ ケーブル
４１ 制御装置
５１、５２ シールドプレート

Claims (4)

1. 励磁用又は検出用のロータやステータと、電源供給用のトランスとを備える回転角センサーにおいて、
   側壁部に切り欠き部を有するロータトランスのコイルボビンとロータの積層コアとを回転軸に並設し、
   前記ロータトランスと前記ロータとの間にシールドプレートを設けると共に当該シールドプレートに切り欠き部を設け、
   前記ロータトランスのコイルボビンと前記ロータの積層コアに、１本の電線を前記両切り欠き部を介して連続巻きしたロータトランス巻線及びロータ巻線を設け、
   前記電線の巻き始め端と巻き終わり端を、前記両切り欠き部を介して接続して前記ロータトランス巻線上に樹脂で固定しており、
   前記シールドプレートの切り欠き部は、軸方向正面から見て、前記コイルボビンの側壁部の切り欠き部の位置に重ならないように設けられており、
   前記ロータトランスのコイルボビンは、回転軸の軸方向と直角方向に環状の凹溝を有するものであると共に磁路強制形成および電磁遮蔽の機能を有する磁性体で形成されており、前記凹溝に前記電線を連続巻きして前記ロータトランス巻線を設けたことを特徴とする回転角センサー。
2. 前記ロータの積層コアは、突極磁極を有し、前記磁極に前記電線を連続巻きした前記ロータ巻線を設けることを特徴とする請求項１に記載の回転角センサー。
3. 前記切り欠き部の表面は、丸みが付けられ、又はテフロン（登録商標）が被覆されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の回転角センサー。
4. 前記ロータの積層コアの磁極におけるステータ磁極と対向する面にテフロン（登録商標）を被覆したことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の回転角センサー。

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