JP6182454B2 - 回転角度検出器 - Google Patents

Description

この発明は、ロータの回転によって生じるステータとの間のギャップの変化に応じて検出対象の回転角度を検出する回転角度検出器に関するものである。

従来より、例えば、電動バルブアクチュエータの回転角度の検出には、ポテンショメータが用いられている。一般的なポテンショメータの構造は、抵抗体、シャフト、電極およびそれらを包むケース、カバーなどで構成され、構成がシンプルなため、安価であり、内部に電子回路を有さないため、ノイズに強いという特徴がある。しかし、ポテンショメータは、抵抗体と電極が常に接触、摺動しており、経年劣化でひげ状のノイズが発生するという欠点がある。

これに対して、レゾルバと呼ばれる回転角度検出器が存在する（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に示されたレゾルバでは、図１０に示すように、円環状のステータ１０の内周にティース（凸部）１１が周方向に配列されて形成されており、このステータ１０内に非真円形状のロータ２０が位置し、ロータ２０は回転中心Ｏを中心に回転する。そして、ティース１１は９０°間隔で４つ形成されており、これらのティース１１に図示されていない励磁用巻線と検出用巻線とが巻回される。

ステータ１０及びロータ２０は磁性体よりなり、ロータ２０は巻線を持たない構造となっている。そして、ステータ１０とロータ２０との間のギャップパーミアンスがロータ２０の回転に伴って正弦波状に変化するようにロータ２０の形状が構成され、これによりロータ２０の３６０°内の任意の回転角度を検出可能としている。

特開２００８−１６４４３５号公報 特開平１０−１１１１４５号公報

上述したレゾルバは、３６０゜の範囲で出力信号を正弦波状に変化させるために、ロータの形状は全周に渡って特殊な曲線により形成されており、励磁用巻線が巻回されたステータのティースとロータとの間隔を一定に保つことができない。このために、励磁アンプは特許文献２に示されるような、励磁電流や励磁電圧を一定に保つ回路が組み込まれており、高価となる。

本発明は、このような課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、励磁電流や励磁電圧を一定に保つ回路を組み込む必要のない安価な回転角度検出器を提供することにある。

このような目的を達成するために本発明は、検出対象の角度変化に応じて回転する磁性体よりなるロータと、このロータを囲むようにして設けられた磁性体よりなるステータとを備え、ロータの回転によって生じるステータとの間のギャップの変化に応じて検出対象の回転角度を検出する回転角度検出器において、ステータは、ロータを囲む環状部を有し、環状部の内周部にロータの中心に向かう３個以上の凸部が設けられ、凸部の１つに励磁用巻線が巻回されており、ロータは、励磁用巻線が巻回されているステータの凸部に対向する周縁の一部がロータの中心点を中心とする曲率の等しい円弧状に形成されていることを特徴とする。

本発明において、励磁用巻線が巻回されているステータの凸部に対向するロータの周縁の一部は曲率の等しい円弧状に形成されているので、この曲率の等しい円弧状の周縁の範囲内でロータを回転させた場合、励磁用巻線が巻回されているステータの凸部とロータの周縁との間のギャップは一定に保たれる。これにより、本発明では、励磁電流や励磁電圧を一定に保つ工夫を行うことなく、ロータの回転によって生じるギャップの変化に応じた検出対象の回転角度の検出が可能となる。

本発明によれば、励磁用巻線が巻回されているステータの凸部に対向するロータの周縁の一部を曲率の等しい円弧状に形成したので、励磁電流や励磁電圧を一定に保つ回路の組み込みを不要として、コストダウンを図ることが可能となる。

本発明に係る回転角度検出器の一実施の形態の要部を示す平面図である。 この回転角度検出器に用いるロータの平面図および断面図である。 このロータの外形（周縁）の曲率について説明する図である。 ロータの回転角度と出力電圧Ｖ１およびＶ２との関係を例示する図である。 励磁用巻線および検出用巻線を空芯コイルとしてティースに差し込むようにした例を示す斜視図である。 ステータの環状部を「コ」字状とした例を示す図である。 ステータの環状部を円環とした例を示す図である。 曲率を等しくするロータの周縁の角度を小さくした例を示す図である。 ステータの環状部を全周が繋がった四角形の環とした例を示す図である。 特許文献１に示されたレゾルバの要部を示す図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１は本発明に係る回転角度検出器の一実施の形態の要部を示す平面図である。

図１において、１は検出対象の角度変化に応じて回転する磁性体よりなるロータ（センサディスク）、２はこのロータ１を囲むようにして設けられた磁性体よりなるステータ（ピックアップ）である。

ロータ１は、その中央部に検出対象の回転軸（図示せず）と嵌合する嵌合孔１ａが設けられており、点Ｏ１を中心として検出対象の角度変化に応じて回転する。図２（ａ）にロータ１の平面図を、図２（ｂ）に図２（ａ）におけるＩ−Ｉ線断面図を示す。

また、ロータ１の周面は、１２０゜毎に曲率が変わっている。図３にロータ１の周面の曲率について説明する図を示す。図３に示すように、ロータ１に対して点Ｏ１を原点とするｘ軸とｙ軸とを定め、ｘ軸から半時計方向への角度をθとした場合、−９０゜≦θ≦３０゜までの１２０゜の範囲Ｔ１ではロータ１の周面（以下、周縁Ｔ１と呼ぶ）が半径ｒ１＝（１１４０−２θ）／１２０の曲線１とされ、３０゜≦θ≦１５０゜までの１２０゜の範囲Ｔ２ではロータ１の周面（以下、周縁Ｔ２と呼ぶ）が半径ｒ２＝９の曲線２とされ、１５０゜≦θ≦２７０゜までの範囲Ｔ３ではロータ１の周面（以下、周縁Ｔ３と呼ぶ）が半径ｒ３＝（７８０＋２θ）／１２０の曲線３とされている。なお、半径ｒ１，ｒ２，ｒ３は何れもその単位はｍｍであり、１／ｒ１，１／ｒ２，１／ｒ３が周縁Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３の曲率となる。

一方、ステータ２は、ロータ１の周囲をその一部に欠損を設けて囲む円弧状の環状部２−０を有している。すなわち、ステータ２の環状部２−０を円環とした場合、環状部２−０の一方の周端部２ａと他方の周端部２ｂとは繋がるが、この繋がりがなく欠損とされている。本実施の形態では、環状部２−０の点Ｏ１を中心とする円弧の角度（中心角）が２４０゜とされており、周端部２ａと周端部２ｂとの間に中心角を１２０゜とする円弧状の欠損が設けられている。

また、ステータ２の環状部２−０の一方の周端部２ａと他方の周端部２ｂとの間の内周部の中央には、ロータ１の中心Ｏ１に向かう第１の凸部がティース２−１として設けられている。また、ステータ２の一方の周端部２ａおよび他方の周縁部２ｂの内周部に、ロータ１の中心Ｏ１に向かう第２の凸部および第３の凸部がティース２−２および２−３として設けられている。そして、第１のティース２−１に励磁用巻線３が巻回され、第２のティース２−２および第３のティース２−３に検出用巻線４−１および４−２が巻回されている。

この回転角度検出器１００において、ロータ１は回転角度０゜の位置において、半径ｒ２の曲線２とされている周縁Ｔ２（曲率１／ｒ２の周縁Ｔ２）がステータ２の励磁用巻線３が巻回されているティース２−１に対向し、半径ｒ１の曲線１とされている周縁Ｔ１（曲率１／ｒ１の周縁Ｔ１）が検出用巻線４−１が巻回されているティース２−２に対向し、半径ｒ３の曲線３とされている周縁Ｔ３（曲率１／ｒ３の周縁Ｔ３）が検出用巻線４−２が巻回されているティース２−３に対向している。

この回転角度検出器１００において、ロータ１が±６０゜の範囲で回転すると、ロータ１の周縁Ｔ２の曲率は１／ｒ２で全て等しくされていることから、ステータ２のティース２−１とロータ１の周縁Ｔ２との間のギャップを一定に保った状態で、ステータ２のティース２−２とロータ１の周縁Ｔ１との間のギャップおよびステータ２のティース２−３とロータ１の周縁Ｔ３との間のギャップが変化する。

この回転角度検出器１００では、励磁用巻線３に励磁電流が供給され、検出用巻線４−１および４−２から出力電圧Ｖ１およびＶ２が得られる。図４にロータ１の回転角度と検出用巻線４−１および４−２から得られる出力電圧Ｖ１およびＶ２との関係を例示する。

図１に示した状態は、ロータ１の回転角度が０゜である場合であり、検出用巻線４−１および４−２から得られる出力電圧Ｖ１およびＶ２は等しい。ロータ１を時計方向に回転すると、すなわちロータ１を＋６０゜の方向へ回転すると、検出用巻線４−１から得られる出力電圧Ｖ１が上昇し、検出用巻線４−２から得られる出力電圧Ｖ２が下降する。反対に、ロータ１を反時計方向に回転すると、すなわちロータ１を−６０゜の方向へ回転すると、検出用巻線４−１から得られる出力電圧Ｖ１が下降し、検出用巻線４−２から得られる出力電圧Ｖ２が上昇する。

このように、検出用巻線４−１および４−２から得られる出力電圧Ｖ１およびＶ２はロータ１の回転中心（０゜）に対して対称となるので、この出力電圧Ｖ１とＶ２との差分をΔＶ＝Ｖ１−Ｖ２として得ることにより、±６０゜の回転角度範囲において検出対象の回転角度に応じたリニアな差電圧ΔＶが得られるものとなる。この場合、±６０゜の回転角度範囲において、ステータ２のティース２−１とロータ１の周縁Ｔ２との間のギャップは一定に保たれることから、励磁電流や励磁電圧を一定に保つ工夫を行う必要はない。

ボール弁の弁体を回転操作してボール弁を通過する流体の流量を制御する電動バルブアクチュエータにおいて、ボール弁の実開度を検出する実開度センサとして必要な角度検出範囲は０゜から９０゜を越える程度（例えば１０５°、１２０°）である。

本実施の形態の回転角度検出器１００は、このような電動バルブアクチュエータの必要な角度検出範囲に特化することで、ステータ２の環状部２−０の一方の周端部２ａと他方の周端部２ｂとの間に欠損を設け、すなわちステータ２の外周の一部は磁気回路として不要であるために環状部２−０を円環ではなく一部に欠損を有する円弧状とすることにより、ステータ２の外形を小さくし、小型化を図るとともに、構造の簡素化を図っている。また、ロータ１の周縁Ｔ２の曲率を等しくして、励磁電流や励磁電圧を一定に保つ回路を不要とし、回転角度検出器１００のコストダウンを図っている。また、この回転角度検出器１００の小型化により、この回転角度検出器１００を実開度センサとして搭載する電動バルブアクチュエータ自体の小型化も図られる。

なお、本実施の形態において、励磁用巻線３および検出用巻線４−１，４−２は独立しており、ステータ２のティース２−１および２−２，２−３に直線的に配置されるので、ティース２−１および２−２，２−３に直接巻き付けずに、予め外部で作った空芯コイルを差し込むようにしてもよい。

励磁用巻線３および検出用巻線４−１，４−２を空芯コイルとしてティース２−１および２−２，２−３に差し込むようにした例を図５に示す。空芯コイルとして差し込む場合でも、励磁用巻線３および検出用巻線４−１，４−２がティース２−１および２−２，２−３に巻回されていることに変わりはない。

また、上述した実施の形態では、ステータ２の環状部２−０を円弧状としたが、図６に示すように「コ」字状としてもよい。「コ」字状とした環状部２−０でも、その一方の周端部２ａと他方の周端部２ｂとの間に欠損が設けられ、この欠損の分だけスタータ２の外形が小さくなり、小型化が図られる。また、ロータ１の周縁Ｔ２の曲率を等しくすることにより、±６０゜の回転角度範囲において、ステータ２のティース２−１とロータ１の周縁Ｔ２との間のギャップが一定に保たれる。

また、上述した実施の形態では、ステータ２の環状部２−０を円弧状としたが、図７に環状部２−０’として示すように円環とするようにしてもよい。この場合、ステータ２の外形は大きくなるが、ロータ１の周縁Ｔ２の曲率が等しくされているので、±６０゜の回転角度範囲において、ステータ２のティース２−１とロータ１の周縁Ｔ２との間のギャップが一定に保たれる。したがって、励磁電流や励磁電圧を一定に保つ回路を不要とし、回転角度検出器１００のコストダウンを図るという本来の目的は達成される。

また、図７に示した例において、ステータ２のティースは３本に限られるものではなく、曲率を等しくするロータ１の周縁Ｔ２の角度も１２０゜に限られるものではない。例えば、計測範囲が小さい場合、図８に示すように、ロータ１の周縁Ｔ２の角度を小さくするようにし、ティース２−１に対してティース２−２，２−３の位置を近づけるようにしてもよい。また、図９に環状部２−０”として示すように、円環ではなく、全周が繋がった四角形の環としてもよい。

また、本発明に係る静電容量型角度センサは、電動バルブアクチュエータに限らず、適用温度範囲が比較的広く、スペースに余裕がないような装置において広く活用することが可能である。また、角度の検出部の構造はシンプルでギャップは一般的な型物の精度で保障されるため、個体差を少なくすることが可能である。

〔実施の形態の拡張〕
以上、実施の形態を参照して本発明を説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではない。本発明の構成や詳細には、本発明の技術思想の範囲内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。

１…ロータ（センサディスク）、１ａ…嵌合孔、２…ステータ（ピックアップ）、２−０，２−０’，２−０”…環状部、２ａ…一方の周端部、２ｂ…他方の周端部、２−１，２−２，２−３…ティース（凸部）、３…励磁用巻線、４−１，４−２…検出用巻線。

Claims (5)

1. 検出対象の角度変化に応じて回転する磁性体よりなるロータと、このロータを囲むようにして設けられた磁性体よりなるステータとを備え、前記ロータの回転によって生じる前記ステータとの間のギャップの変化に応じて前記検出対象の回転角度を検出する回転角度検出器において、
   前記ステータは、
   前記ロータを囲む環状部を有し、
   前記環状部の内周部に前記ロータの中心に向かう３個以上の凸部が設けられ、
   前記凸部の１つに励磁用巻線が巻回されており、
   前記ロータは、
   前記励磁用巻線が巻回されている前記ステータの凸部に対向する周縁の一部が前記ロータの中心点を中心とする曲率の等しい円弧状に形成されている
   ことを特徴とする回転角度検出器。
2. 請求項１に記載された回転角度検出器において、
   前記曲率の等しい円弧状の円弧は、
   その中心角の大きさが前記回転角度検出器の最大測定角度である
   ことを特徴とする回転角度検出器。
3. 請求項２に記載された回転角度検出器において、
   前記回転角度検出器の最大測定角度は１２０゜以下である
   ことを特徴とする回転角度検出器。
4. 請求項１〜３の何れか１項に記載された回転角度検出器において、
   前記ステータは、
   前記ロータの全周を囲む環状部を有し、
   前記環状部の内周部に前記ロータの中心に向かう第１の凸部が設けられ、
   前記環状部の内周部の前記第１の凸部を挟む一方および他方に前記ロータの中心に向かう第２および第３の凸部が設けられ、
   前記第１の凸部に励磁用巻線が巻回され、
   前記第２および第３の凸部にそれぞれ検出用巻線が巻回されている
   ことを特徴とする回転角度検出器。
5. 請求項１〜３の何れか１項に記載された回転角度検出器において、
   前記ステータは、
   前記ロータの周囲をその一部に欠損を設けて囲む環状部を有し、
   前記環状部の一方の周端部と他方の周端部との間の内周部に前記ロータの中心に向かう第１の凸部が設けられ、
   前記環状部の一方の周端部および他方の周端部の内周部に前記ロータの中心に向かう第２および第３の凸部が設けられ、
   前記第１の凸部に励磁用巻線が巻回され、
   前記第２および第３の凸部にそれぞれ検出用巻線が巻回されている
   ことを特徴とする回転角度検出器。

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