JPH0439554Y2 - - Google Patents

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JPH0439554Y2
JPH0439554Y2 JP7153785U JP7153785U JPH0439554Y2 JP H0439554 Y2 JPH0439554 Y2 JP H0439554Y2 JP 7153785 U JP7153785 U JP 7153785U JP 7153785 U JP7153785 U JP 7153785U JP H0439554 Y2 JPH0439554 Y2 JP H0439554Y2
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torque
pick
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pickups
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  • Transmission And Conversion Of Sensor Element Output (AREA)

Description

【考案の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この考案は、トルク検出装置に係り、特に電動
機に内蔵させたトルク検出装置に関する。
[Detailed Description of the Invention] [Industrial Application Field] This invention relates to a torque detection device, and particularly to a torque detection device built into an electric motor.

〔従来技術とその問題点〕 第5図は従来のトルク検出装置を示す。[Prior art and its problems] FIG. 5 shows a conventional torque detection device.

図において、1は電動機側に設置した駆動側ピ
ツクアツプ、2は負荷側に設置した出力側ピツク
アツプ、3は駆動側の回転体、4は出力側の回転
体、5,6は波形整形器、7は位相判別器、8は
差動増幅器、9はローパスフイルタ、10は駆動
側10Dから出力負荷側10Lへトルクを伝達し
得るトーシヨンバーなど一定長さの弾性を有する
トルク伝達手段である。
In the figure, 1 is a drive-side pickup installed on the motor side, 2 is an output-side pickup installed on the load side, 3 is a rotating body on the driving side, 4 is a rotating body on the output side, 5 and 6 are waveform shapers, and 7 8 is a phase discriminator, 8 is a differential amplifier, 9 is a low-pass filter, and 10 is a torque transmitting means having elasticity of a certain length, such as a torsion bar capable of transmitting torque from the drive side 10D to the output load side 10L.

ピツクアツプ1,2は、例えば電磁式ピツクア
ツプであり、歯車である回転体3,4の突起によ
る磁束の変化を電気信号S1,S2として出力す
る。
The pickups 1 and 2 are, for example, electromagnetic pickups, and output changes in magnetic flux due to protrusions of the rotating bodies 3 and 4, which are gears, as electrical signals S1 and S2.

回転体3,4は、前述のようにそれぞれ外周に
複数の突起を有する歯車であり、わずかの「ねじ
れ」が可能であるトーシヨンバー10の長手方向
に沿つて一定間隔でこのトーシヨンバー10に固
定されている。
As mentioned above, the rotating bodies 3 and 4 are gears each having a plurality of protrusions on the outer periphery, and are fixed to the torsion bar 10 at regular intervals along the longitudinal direction of the torsion bar 10, which can be slightly twisted. There is.

波形整形器5,6は、ピツクアツプ1,2の交
番出力信号を後の処理がし易いように整形する。
位相判別器7は、波形整形器5,6の出力信号S
1,S2の位相差に応じて、位相が進んでいると
きは進みパルスτ+を、遅れているときは遅れパル
スτ-をそれぞれ送出する。差動増幅器8はこれら
のパルス信号の差τ+−τ-=τを演算出力する。ロ
ーパスフイルタ9はこの演算出力信号τを平滑す
る。
Waveform shapers 5 and 6 shape the alternating output signals of pickups 1 and 2 to facilitate subsequent processing.
The phase discriminator 7 receives the output signal S of the waveform shapers 5 and 6.
According to the phase difference between S1 and S2, a leading pulse τ + is sent out when the phase is leading, and a delayed pulse τ - is sent out when the phase is delayed. The differential amplifier 8 calculates and outputs the difference τ + −τ =τ between these pulse signals. A low-pass filter 9 smoothes this calculation output signal τ.

次に、この従来例の動作を説明する。 Next, the operation of this conventional example will be explained.

トーシヨンバー10が、電動機などの駆動側1
0Dから出力側10Lへトルクを伝達する。しか
し、この際トーシヨンバー10にはわずかに「ね
じれ」が生じ、歯車3,4が同じものであつたと
しても、ピツクアツプ1,2の出力信号S1,S
2には位相差が生ずる。波形整形器5,6及び位
相判別器7を介して、この位相差に対応する信号
が形成され、ローパスフイルタ9はこれを平滑す
ることにより、伝達トルクに比例した信号S3を
得る。
The torsion bar 10 is connected to the drive side 1 of an electric motor, etc.
Torque is transmitted from 0D to output side 10L. However, at this time, a slight "twist" occurs in the torsion bar 10, and even if the gears 3 and 4 are the same, the output signals S1 and S of the pickups 1 and 2 are
2, a phase difference occurs. A signal corresponding to this phase difference is formed via the waveform shapers 5, 6 and the phase discriminator 7, and the low-pass filter 9 smoothes this to obtain a signal S3 proportional to the transmitted torque.

以上のようなトルク検出装置を有する電動機を
工作機械の加工監視制御や、フイルム材の巻取り
のトルク(張力)制御などに適用される場合、イ
ンバータなどの可変速駆動装置で零付近から高速
域にわたる広い速度範囲で可変速運転される。
When an electric motor equipped with the above torque detection device is applied to processing monitoring control of a machine tool or torque (tension) control for winding film material, a variable speed drive device such as an inverter is used to control the speed from near zero to high speed. It operates at variable speeds over a wide speed range.

この場合、例えば正弦波PWM方式のインバー
タで駆動したとすると、インバータ出力の正弦波
PWM波形のエツジ部分に応答する電磁ノイズ
が、電磁式ピツクアツプに混入してしまう。特
に、界磁コイルなどのコイル端に近接した側の電
磁式ピツクアツプ1に電磁ノイズが重畳し易く、
またノイズレベルも大きい。
In this case, for example, if it is driven by a sine wave PWM inverter, the inverter outputs a sine wave
Electromagnetic noise that responds to the edge portion of the PWM waveform mixes into the electromagnetic pickup. In particular, electromagnetic noise tends to be superimposed on the electromagnetic pickup 1 near the coil end of the field coil, etc.
Also, the noise level is high.

従来、このように電磁ノイズの重畳したピツク
アツプ出力をローパスフイルタに通し、ノイズを
低減させていた。しかし、このような信号処理方
法によると、次のような欠点があつた。
Conventionally, the pickup output on which electromagnetic noise is superimposed is passed through a low-pass filter to reduce the noise. However, this signal processing method has the following drawbacks.

(1) 電磁ノイズを低減するためローパスフイルタ
の遮断周波数はかなり低く設定しなければなら
ない。このため、ピツクアツプの出力にそれぞ
れ接続するローパスフイルタの周波数伝達特性
(位相特性)に差ができ、回転速度に対してト
ルクの零点に変化が生じてしまつていた。
(1) The cutoff frequency of the low-pass filter must be set quite low to reduce electromagnetic noise. For this reason, there is a difference in the frequency transmission characteristics (phase characteristics) of the low-pass filters connected to the outputs of the pickups, and the zero point of the torque changes with respect to the rotational speed.

(2) ピツクアツプに混入するノイズの大きさは電
動機の回転数に関係無く一定であるのに対し
て、ピツクアツプの出力振幅は回転数に比例す
る。このため、低速度域でのS/N比が悪く、
ローパスフイルタによつても超低速回転(400
〜0rpm)付近でのトルク計測ができなかつた。
(2) The magnitude of the noise mixed into the pickup is constant regardless of the rotational speed of the motor, whereas the output amplitude of the pickup is proportional to the rotational speed. For this reason, the S/N ratio in the low speed range is poor,
The low-pass filter allows ultra-low speed rotation (400
Torque measurement around 0 rpm) was not possible.

〔考案の目的〕[Purpose of invention]

この考案は、以上の従来技術の欠点を除去しよ
うとして成されたものであり、S/N比が良好で
正確なトルクの計測が超低速域から可能なトルク
検出装置を提供することを目的とする。
This invention was made in an attempt to eliminate the above-mentioned drawbacks of the conventional technology, and the purpose is to provide a torque detection device that has a good S/N ratio and can accurately measure torque from an extremely low speed range. do.

〔考案の概要〕[Summary of the idea]

この目的を達成するため、この考案によれば、
少なくとも2つのある回転体の双方又は前記電動
機に近接する側の一方に、更にピツクアツプを設
け、駆動側の電動機の極数pに応じて、1つの回
転体における2つのピツクアツプの間隔を調整す
るようにする。すなわち、2つのピツクアツプの
間隔は、360k/p度(ただし、kは奇数)であ
るようにし、またこの2つのピツクアツプは電気
的に互いに直列に接続するようにする。
To achieve this purpose, according to this invention,
Pickups are further provided on both sides of at least two certain rotating bodies or on one side near the electric motor, and the interval between the two pickups on one rotating body is adjusted according to the number of poles p of the electric motor on the drive side. Make it. That is, the interval between the two pickups is set to 360 k/p degrees (k is an odd number), and the two pickups are electrically connected to each other in series.

〔考案の実施例〕[Example of idea]

以下、添付図面に従つてこの考案の実施例を説
明する。なお、各図において同一の符号は同様の
対象を示す。
Embodiments of this invention will be described below with reference to the accompanying drawings. Note that the same reference numerals in each figure indicate similar objects.

第1図はこの考案の実施例に係るトルク検出装
置を内蔵した電動機の一切切欠断面図である。
FIG. 1 is a completely cutaway sectional view of an electric motor incorporating a torque detection device according to an embodiment of this invention.

図において、符号1〜4及び10の構成要素は
第5図で説明した通りであり、101は固定子、
102は固定子101を固定し電動機の主要部分
を覆うフレーム、103は回転子、104及び1
05はそれぞれ反負荷側及び負荷側のブラケツ
ト、106〜109は回転子軸110及びこれと
同軸の出力軸111を回動可能に支持するベアリ
ング、114はトルク検出バネ10の保護手段、
115は冷却フアン、116はフアンカバー、及
び117は界磁コイルのコイル端部である。
In the figure, the components 1 to 4 and 10 are as explained in FIG. 5, and 101 is a stator;
102 is a frame that fixes the stator 101 and covers the main parts of the electric motor; 103 is a rotor; 104 and 1;
05 is a bracket on the anti-load side and a load side, respectively; 106 to 109 are bearings that rotatably support the rotor shaft 110 and the output shaft 111 coaxial therewith; 114 is a protection means for the torque detection spring 10;
115 is a cooling fan, 116 is a fan cover, and 117 is a coil end of a field coil.

ここで、電動機を構成する各種の要素及び第5
図で説明した各種の要素は、更に詳しい説明を要
しないと思われる。従つて、以下この考案の中心
的要素であるピツクアツプ1,2とその周辺につ
いて説明する。
Here, various elements constituting the electric motor and the fifth
The various elements illustrated in the figures do not appear to require further explanation. Therefore, the pickups 1 and 2, which are the central elements of this invention, and their surroundings will be explained below.

第2図は、第1図のピツクアツプ1及び第1図
では図示してない第2のピツクアツプ20と、こ
れらに対応する回転体3とを示すものである。こ
こでは、コイル端に近い側の電磁式ピツクアツプ
にノイズの影響が大きいため、ピツクアツプ1に
ついて説明するが、ピツクアツプ2について同様
の構成を重ねて採ることは更に望ましいため、対
応するこれらの符号を括弧内に示した。
FIG. 2 shows the pickup 1 of FIG. 1, a second pickup 20 not shown in FIG. 1, and a rotating body 3 corresponding thereto. Here, pick-up 1 will be explained because noise has a large effect on the electromagnetic pick-up closer to the coil end, but it is even more desirable to adopt a similar configuration for pick-up 2, so the corresponding symbols are shown in parentheses. Shown inside.

第2図aは電動機の磁極数pが2極である場合
を示す。第1の電磁式ピツクアツプ1に対して第
2のピツクアツプ20は、駆動側の回転体3の一
直径方向Aに関して丁度機械的に180度隔たつた
位置に配置してある。両ピツクアツプ1,20の
出力位相は同相であるようにする。負荷側の回転
体4にもこのような構成を持たせる場合も、2つ
のピツクアツプ2,21を同様に180度隔てて配
置する。以下の各場合でも同様である。
FIG. 2a shows a case where the number of magnetic poles p of the motor is two. The second pick-up 20 is located at a position mechanically separated from the first electromagnetic pick-up 1 by exactly 180 degrees with respect to the radial direction A of the rotating body 3 on the driving side. The output phases of both pickups 1 and 20 are made to be in phase. When the rotating body 4 on the load side also has such a configuration, the two pickups 2 and 21 are similarly arranged 180 degrees apart. The same applies to each case below.

同図bは電動機の磁極数pが4極である場合を
示す。第1の電磁式ピツクアツプ1に対して第2
のピツクアツプ20は、駆動側の回転体3の一直
径方向Aに関して時計方向に丁度機械的に90度隔
たつた直径方向Bの位置に配置してある。
Figure b shows a case where the number of magnetic poles p of the motor is four. The second electromagnetic pickup 1
The pickups 20 are arranged at positions in the diametrical direction B that are mechanically separated by exactly 90 degrees clockwise with respect to the radial direction A of the rotating body 3 on the driving side.

同図cは電動機の磁極数pが6極である場合を
示す。第1の電磁式ピツクアツプ1に対して第2
のピツクアツプ20は、駆動側の回転体3の一直
径方向Aに関して時計方向に丁度機械的に60度隔
たつた直径方向Bの位置に配置してある。
Figure c shows a case where the number of magnetic poles p of the motor is six. The second electromagnetic pickup 1
The pickups 20 are arranged at positions in the diametrical direction B that are mechanically separated by exactly 60 degrees clockwise with respect to the radial direction A of the rotating body 3 on the driving side.

以上から分かるように、この考案によれば、第
1のピツクアツプ1と第2のピツクアツプ20と
は、 360k/p度(ただし、kは奇数) だけ回転方向に隔てて配置する。
As can be seen from the above, according to this invention, the first pick-up 1 and the second pick-up 20 are placed apart from each other by 360 k/p degrees (k is an odd number) in the rotational direction.

ただし、回転体の歯数で1ピツチ程度のずれで
あれば、正確に上式に合致していなくともよい。
However, as long as the number of teeth on the rotating body is off by about 1 pitch, it is not necessary to exactly match the above equation.

ここで、負荷側のピツクアツプ2は電磁ノイズ
発生源のコイル端部から遠くにあり、また駆動側
の回転体3が磁気シールドの役目を果たすため、
駆動側のピツクアツプ1に比べて混入するノイズ
レベルは低い。このため、以上では駆動側の回転
体3のみに第2のピツクアツプを設けた場合につ
いて説明したが、双方の回転体で同様の構成とす
ることにより装置全体に対する電磁ノイズの影響
を更に低減させることができる。
Here, the pickup 2 on the load side is far from the end of the coil, which is the source of electromagnetic noise, and the rotating body 3 on the drive side serves as a magnetic shield.
The level of noise mixed in is lower than that of pickup 1 on the drive side. Therefore, although the case where the second pickup is provided only on the rotating body 3 on the drive side has been described above, it is possible to further reduce the influence of electromagnetic noise on the entire device by having the same configuration on both rotating bodies. I can do it.

また、この考案によれば、第3図に示すよう
に、第1の電磁式ピツクアツプ1と第2の電磁式
ピツクアツプ20(従つて、双方の回転体に設け
る場合は、ピツクアツプ2と21も)互いに直列
に接続する。
Further, according to this invention, as shown in FIG. 3, the first electromagnetic pick-up 1 and the second electromagnetic pick-up 20 (accordingly, when provided on both rotating bodies, the pick-ups 2 and 21 are also included). Connect each other in series.

次に、以上の実施例の作用を説明する。 Next, the operation of the above embodiment will be explained.

先ず、この考案で問題とする可変速装置のノイ
ズについて考察する。
First, let us consider the noise of the variable speed device, which is a problem in this invention.

可変速装置が正弦波PWM方式インバータであ
り、4極の三相誘導電動機を駆動するとすると、
その出力波形は第4図aに示すようである。この
とき、電磁式ピツクアツプ1に現われるノイズは
第4図bに示すようであり、出力パルス(第4図
a)のエツジ部分に対応している。
Assuming that the variable speed device is a sine wave PWM inverter and drives a 4-pole, 3-phase induction motor,
The output waveform is as shown in FIG. 4a. At this time, the noise appearing in the electromagnetic pickup 1 is as shown in FIG. 4b, and corresponds to the edge portion of the output pulse (FIG. 4a).

ところで、このピツクアツプ1から回転方向に
90度だけ隔たつた位置のノイズ波形を調べると、
第4図cに示すようである。すなわち、ピツクア
ツプ1の位置のノイズ(第4図b)に比べて電磁
ノイズの極性が反転していることが分かる。同様
にして、2極電動機の場合は180度、6極電動機
の場合は60度の位置で電磁ノイズの極性が反転す
ることが分かる。これらは、電動機の極数に起因
して生ずる。
By the way, from this pick-up 1 in the rotation direction
Examining the noise waveforms at positions 90 degrees apart,
As shown in FIG. 4c. That is, it can be seen that the polarity of the electromagnetic noise is reversed compared to the noise at the pickup 1 position (FIG. 4b). Similarly, it can be seen that the polarity of electromagnetic noise is reversed at 180 degrees for a two-pole motor and 60 degrees for a six-pole motor. These occur due to the number of poles of the motor.

従つて、電動機の極数に応じた前述の式の位置
だけ互いに隔てて第1及び第2の電磁式ピツクア
ツプを配置し、これらを電気的に直列に接続すれ
ば、可変速装置の出力に起因する電磁ノイズを相
殺することができる。
Therefore, if the first and second electromagnetic pickups are placed apart from each other by the position of the above formula corresponding to the number of poles of the motor and are electrically connected in series, the output of the variable speed device can cancel out electromagnetic noise.

この考案の実施例の動作を説明する。 The operation of the embodiment of this invention will be explained.

電動機の始動によりトルク伝達軸10が回転す
ると、この回転に伴いピツクアツプ1,2には正
弦波状の交番電圧が発生する。このとき、ピツク
アツプ20,21にも同様の交番信号が発生して
いるが、電磁ノイズの極性は前述のように反転し
ている。
When the torque transmission shaft 10 rotates by starting the electric motor, a sinusoidal alternating voltage is generated in the pickups 1 and 2 as a result of this rotation. At this time, similar alternating signals are generated in the pickups 20 and 21, but the polarity of the electromagnetic noise is reversed as described above.

このため、出力信号S1,S2の出力レベルは
2倍になるがノイズは相殺される。
Therefore, the output levels of the output signals S1 and S2 are doubled, but the noise is canceled out.

このように電磁ノイズの相殺された交番信号S
1,S2を波形整形器5,6で整形して位相判別
器7に入力し、位相の進み及び遅れをそれぞれ独
立の出力端から幅Δtのパルス信号として得る。
差動増幅器8は、τ+−τ-=τの演算を行ない、出
力τ-を負電圧のパルスに変換して、フイルタ9で
平滑し、トルク伝達軸10のねじれ角すなわちト
ルクに比例した出力信号S3を得る。
In this way, the alternating signal S with electromagnetic noise cancelled.
1 and S2 are shaped by waveform shapers 5 and 6 and input to a phase discriminator 7, and phase leads and lags are obtained as pulse signals of width Δt from independent output terminals.
The differential amplifier 8 calculates τ +- = τ, converts the output τ - into a negative voltage pulse, smoothes it with a filter 9, and produces an output proportional to the torsion angle of the torque transmission shaft 10, that is, the torque. Obtain signal S3.

〔考案の効果〕[Effect of idea]

この考案によれば、以上のように第1のピツク
アツプに対して電磁ノイズを相殺するような特定
の位置に第2のピツクアツプを配置することによ
り、電磁ノイズを相殺できると共に、検出信号自
体のレベルを2倍にすることができるため、S/
N比が極めて良好なトルク検出装置を得ることが
できる。
According to this invention, as described above, by arranging the second pickup at a specific position that cancels out electromagnetic noise with respect to the first pickup, it is possible to cancel out the electromagnetic noise, and also to reduce the level of the detection signal itself. can be doubled, so S/
A torque detection device with an extremely good N ratio can be obtained.

また、これにより、次のような効果を奏するト
ルク検出装置を得ることができる。
Moreover, thereby, it is possible to obtain a torque detection device that exhibits the following effects.

(1) 400rpm以下の超低速域でもトルク計測が可
能となる。
(1) Torque measurement is possible even at extremely low speeds below 400 rpm.

(2) ノイズ低減用のローパスフイルタの遮断周波
数を従来よりも高く設定できるため、周波数伝
達特性の差により生じていた速度に対するトル
クの零点変化を小さくすることができ、トルク
計測の精度が向上する。
(2) Since the cut-off frequency of the low-pass filter for noise reduction can be set higher than before, it is possible to reduce the change in the zero point of torque with respect to speed, which was caused by differences in frequency transfer characteristics, and improve the accuracy of torque measurement. .

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第1図はこの考案の実施例の一部切欠側面図、
第2図はこの考案の機械的要部説明図、第3図は
この考案の電気的要部説明図、第4図はこの考案
の作用を説明する波形図、第5図は従来装置の系
統図である。 1,2……第1のピツクアツプ、3,4……回
転体、10……トルク伝達軸、20,21……第
2のピツクアツプ。
Figure 1 is a partially cutaway side view of an embodiment of this invention.
Fig. 2 is an explanatory diagram of the mechanical main parts of this invention, Fig. 3 is an explanatory diagram of the electrical main parts of this invention, Fig. 4 is a waveform diagram explaining the action of this invention, and Fig. 5 is the system of the conventional device. It is a diagram. 1, 2...first pick-up, 3, 4...rotating body, 10...torque transmission shaft, 20, 21...second pick-up.

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】 駆動側の電動機から出力側へトルクを伝達し得
る一定長さのトルク伝達手段と、このトルク伝達
手段の長手方向に沿つて一定間隔で固定しそれぞ
れ外周に所定数の突起を形成した少なくとも2つ
の回転体と、この各回転体の前記突起の凹凸に応
答するそれぞれ第1のピツクアツプとを備え、前
記各回転体に対応する前記ピツクアツプの出力の
位相差からトルクを検出するようにしたトルク検
出装置において、 前記電動機の極数pに応じて前記少なくとも2
つの回転体の双方、又は前記電動機に近接する側
の一方に更に1つの第2のピツクアツプを追加
し、前記各回転体についての前記第1及び第2の
ピツクアツプは、互いに約 360k/p度(ただし、kは奇数) の間隔で配置し、また前記各回転体についての前
記第1及び第2のピツクアツプは互いに電気的に
直列に接続するようにしたことを特徴とするトル
ク検出装置。
[Claims for Utility Model Registration] A torque transmitting means of a certain length capable of transmitting torque from an electric motor on the drive side to the output side, and a predetermined number of torque transmitting means fixed at regular intervals along the longitudinal direction of the torque transmitting means, each on the outer circumference. at least two rotating bodies each having a protrusion formed thereon, and a first pick-up that responds to the unevenness of the protrusion of each of the rotating bodies, and torque is generated from a phase difference in the output of the pick-up corresponding to each of the rotating bodies. In the torque detection device configured to detect the torque, the at least two
one further second pick-up is added to both of the two rotating bodies, or one of the sides proximate to the electric motor, and the first and second pick-ups for each of the rotating bodies are approximately 360 k/p degrees (360 k/p) relative to each other. (k is an odd number), and the first and second pickups for each rotating body are electrically connected in series.
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