JP2003324930A - 非接触型回転角度検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 モータ内部にロータ位置検出用センサを設置
できない場合にも、高精度な角度検出を可能とした非接
触型回転角度検出装置を提供する。 【解決手段】 ２はコンプレッサ部、４はロータ、６は
ステータ、８はシャフト、１０は冷媒の吸気口、１２は
排気口、５０はコンプレッサ外装部、５２はシャフトの
端部に固着されたセンサ用磁石、５４は回転角度センサ
である。コンプレッサ外装部５０のうち、センサ用磁石
５２に近接する部分は、非磁性材料で構成された磁束透
過部を含んでいる。この構成によれば、気密容器（コン
プレッサ外装部５０）の外部からロータ４の位置を検出
することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、回転軸の回転角度
を検出する非接触型回転角度検出装置に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】図１は、従来から知られているコンプレ
ッサユニットを示す断面構成図である。本図において、
２はコンプレッサ部、４はロータ、６はステータ、８は
シャフト、１０は冷媒の吸気口、１２は排気口、２０は
コンプレッサ外装部である。このように、エアコンや冷
蔵庫に用いられるコンプレッサユニットは、モータと圧
縮機を一体とし、気密容器に納められた構造をしてい
る。

【０００３】一方、近年における省電力化の要請から、
効率の良いＤＣブラシレスモータが用いられるようにな
ってきた。図２は、従来から知られている一般的なＤＣ
ブラシレスモータを示す。この種のＤＣブラシレスモー
タでは、モータ内部に設置したホールセンサＨＳにより
ロータ４の位置を検出し、ステータ６の駆動電流の切り
替えを行っている。

【０００４】しかしながら、コンプレッサの内部温度は
７０〜１００℃の高温となり、かつ化学物質である冷媒
が流れ、潤滑油にもさらされる条件であるために、通常
のＤＣブラシレスモータに用いられるロータ位置検出用
のホールセンサを用いることはできない。また、気密容
器中にコンプレッサおよびモータが納められているため
に、エンコーダなどの機械的な方式によるロータ位置検
出も行うこともできない。このために、図３に示すよう
に、コンプレッサ用ＤＣブラシレスモータにはロータ位
置検出センサを用いないセンサレスＤＣブラスレスモー
タが一般的となっている。そして、センサレス駆動する
ための様々な方法が提案され、実用化されるに至ってい
る（特開２００１−１１９９７８号公報参照）。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところが近年に至り、
コンプレッサを用いた家電機器のさらなる省電力化のた
めに、よりきめ細やかな駆動制御を行い最大効率制御を
達成することが求められている。このような観点から、
従来のセンサレスロータ位置検出方式では、負荷変動に
よる最大効率制御が困難であるという問題がある。ま
た、ロータの検出を推定する方式では、モータの運転状
況によっては、推定したロータ位置と実際のロータ位置
がずれやすいと言う不都合が生じる。

【０００６】さらに、省電力制御を達成するためには、
よりきめ細やかな駆動制御を行うための信号処理容量が
増加することから、信号処理回路の負担が大きくなり技
術的複雑さ、困難さが増してきている。

【０００７】このため、ホール素子などの磁気センサを
用いた非接触回転角度センサを、ＤＣブラシレスモータ
のロータ位置検出へ適用することについて検討がなされ
てきたが、従来の非接触回転角度センサは図４に示すよ
うな構造が一般的であるので、気密容器中のロータ位置
を気密容器の外部から検出することはできなかった。す
なわち、図４に示すように、円筒型磁石４０の側面にホ
ール素子４２を近接させ、角度変化に対応した出力の直
線部分のみを用いて、概ね９０度の角度範囲でアナログ
信号を出力する角度センサが知られているのみであるの
で、気密容器中のロータ位置を気密容器の外部から検出
することは不可能である。換言すると、コンプレッサ用
モータなどにおいては、気密容器の外部からロータの位
置を検出することは不可能であった。

【０００８】よって本発明の目的は、上述の点に鑑み、
モータ内部にロータ位置検出用センサを設置できない場
合にも、高精度な角度検出を可能とした非接触型回転角
度検出装置を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明に係る非接触型回転角度検出装置は、回転
軸の回転角度を検出する非接触型回転角度検出装置であ
って、前記回転軸の軸端面に設けられ、該回転軸の回転
に伴なってＮ極およびＳ極が該回転軸の軸中心線に直交
する平面上で回転するセンサ用磁石と、前記回転軸の軸
中心線を延長した軸線と直交する平面上であって、前記
センサ用磁石の回転面に対向する位置に配置された回転
角度センサと、前記センサ用磁石に近接して配置されて
おり、前記センサ用磁石と前記回転角度センサとを分離
する非磁性隔壁部材とを備え、前記回転角度センサを前
記非磁性隔壁部材上に載置したものである。

【００１０】ここで、前記回転角度センサとして、円板
状に形成され該円板の円周方向に回転する磁石と、磁界
の強さを検知して前記磁石の回転角度に応じた値を出力
する複数個の磁気センサとを備えた回転角度センサであ
って、前記複数個の磁気センサが、前記磁石の回転中心
線と略直角な面上で前記磁石の円周付近に配置されてい
る回転角度センサを用いることが可能である。あるい
は、前記回転角度センサとして、前記センサ用磁石の回
転面に対向する位置に配置された磁気収束板を備え、該
磁気収束板の端部領域に複数のホール素子を近接配置し
た回転角度センサを用いることが可能である。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照しながら、本発
明の実施の形態を詳細に説明していく。

【００１２】実施の形態１ 図５は、本発明を適用したコンプレッサユニットを示す
断面構成図である。本図において、２はコンプレッサ
部、４はロータ、６はステータ、８はシャフト、１０は
冷媒の吸気口、１２は排気口、５０はコンプレッサ外装
部、５２はシャフトの端部に固着されたセンサ用磁石、
５４は回転角度センサである。

【００１３】図６は、図５に示したセンサ用磁石５２お
よび回転角度センサ５４の拡大図である。本図に示すよ
うに、コンプレッサ外装部５０のうち、センサ用磁石５
２に近接する部分は、非磁性材料で構成された磁束透過
部５０Ａを含んでいる。なお、機械的強度が満たされる
場合には、コンプレッサ外装部５０の全体を非磁性材料
で構成することも可能である。また、図６の下部には、
センサ用磁石５２および回転角度センサ５４を実現する
ための具体的な実施例を記載してある。すなわち、ネオ
ジム磁石として１０ｍｍφ３ｍｍｔ、外装部材質として
アルミニウム金属３ｍｍｔ、センサ部での磁場強度とし
て約３００Ｇａｕｓｓ、センサの構成としてＳｉホール
素子と信号増幅回路を一体に形成したモノリシック型回
転角度センサを用い、ロータ位置と検出角度の誤差を±
１度とした実施例を記載してある。

【００１４】これら図５および図６に示した構成によれ
ば、センサ用磁石５２が生成する磁界を気密容器（コン
プレッサ外装部５０）の外部に設置した回転角度センサ
５４にて検出することができる。しかも、気密容器内に
設けたセンサ用磁石５２の回転による磁束変化が気密容
器外部で検出できれば良いので、気密容器の全部あるい
は一部がアルミ，アルミ合金や銅、あるいは、プラスチ
ックなどの非磁性材料で構成することが可能である。

【００１５】図７は、回転角度センサ５４の具体的構成
例を示した図である。本図の（ａ）は底面図、（ｂ）は
上記（ａ）の矢印Ｗ方向から示した側面図である。本図
において、円板状に形成された磁石７０は回転軸７３に
支持されており、この回転軸７３を中心として円周方
向、即ち白抜き矢印で示す方向に回転可能に構成されて
いる。

【００１６】磁石７０の円周付近に配置された磁気セン
サＡおよびＢは、磁界の強さを検知して、磁石７０の回
転角度に応じた値を出力するホール素子であり、共に等
しい温度特性を有する。また、磁気センサＡおよびＢ
は、磁石７０の回転中心線Ｚと略直角な面上で、磁石７
０の円周の直下に配置されており、円板の中心Ｏと磁気
センサＡの略中心とを通る直線７２、および中心Ｏと磁
気センサＢの略中心とを通る直線７１とがなす角度が概
ね９０度になるように配置されている。

【００１７】図７に示した回転角度センサでは、磁気セ
ンサＡおよびＢを磁石７０の円周直下に配置したので、
磁石の厚みｈ_２は回転角度の測定精度と無関係になり、
より薄い磁石（厚みｈ_２としては、３ｍｍ程度）を用い
ることができる。また、磁石７０の直径も磁気センサの
大きさ程度にすることができ、直径１０ｍｍ，厚み１ｍ
ｍ程度にまで小さくすることが可能となる。従って、よ
り小さい回転角度センサを設計することができる。

【００１８】更に、２個の磁気センサの出力値から角度
を計算するので、温度特性による影響を補償した良好な
測定結果を得ることができる。

【００１９】図８は、図７に示した磁気センサの１つが
実装されたパッケージ（容器）の側面透視図である。磁
気センサＡは、パッケージ８０に封止されて、磁石の回
転中心線Ｚに垂直な取り付け面８３上に面実装されてい
る。従って、感磁面（磁気センサにおいて磁気を検出す
ることができる面）８２の法線８４は取り付け面８３に
対して垂直となる。磁気センサＡは、リードフレーム８
１を通じて外部の回路と接続される。

【００２０】このように、取り付け面上に面実装可能な
パッケージに磁気センサを封止することにより、回転角
度センサの設計に際して高い組立再現性および機械的安
定性が得られる。

【００２１】なお、円板の中心と磁気センサのうちの１
つとを通る直線、および円板の中心と前記磁気センサの
うちの他の少なくとも１つとを通る直線がなす角度が概
ね９０度である例について説明したが、この角度が３０
度以上１５０度以下の範囲内であれば、実用に供するこ
とが可能である。

【００２２】このように、図７および図８に示した回転
角度センサの構成であれば、気密容器の外部からロータ
の位置を検出することができる。

【００２３】なお、この回転角度センサは、磁石と磁気
センサの距離が離れると磁気センサの感ずる磁束密度が
小さくなり、角度精度が低下することになる。しかし、
磁気センサの持つ不平衡電圧ノイズ（オフセット）を除
去する公知の回路を挿入することにより（図示せず）、
オフセット成分を低減した後に磁気センサ出力を増幅
し、ロータ位置を検出する回路を設けることで、磁石と
磁気センサの距離が離れることによる磁束密度低下によ
る角度精度低下を防止することが可能である。

【００２４】図９は、回転角度センサ５４として用いる
ことが可能な他の具体的構成例を示す（特開２００２−
７１３８１号）。本図に示すセンサは、磁場の方向を検
出するに際して、平板形状を有する１個の磁気収束板９
０と複数のホール素子９１〜９６とを備え、各ホール素
子を磁気収束板９０の端部領域に配置したものである。

【００２５】図１０は、回転角度センサ５４として用い
得る、さらに他の具体的構成例を示す。本図に示すセン
サは、平板形状を有する複数個の磁気収束板１００Ａ〜
１００Ｄと、複数個のホール素子１０１〜１０４を備
え、各ホール素子を各磁気収束板の端部に設置したもの
である。

【００２６】これら図９あるいは図１０に示した構造の
センサでは、磁気収束板により僅かな磁束でも検知する
ことが可能となる。その結果として、磁石と磁気センサ
の距離が離れたとしても、そのことに起因した磁束密度
低下による検出角度精度の低下を防止することができ
る。

【００２７】実施の形態２ 図１１は、本発明を適用したＤＣブラシレスモータユニ
ットを示す。本図において、４はロータ、６はステー
タ、８はシャフト、１４は軸受け、５２はシャフトの端
部に固着されたセンサ用磁石、５４は回転角度センサ、
６０はモータ外装部である。この実施の形態２は、一般
的なセンサレス型ＤＣブラシレスモータ（図３参照）に
本発明を適用したものであって、従来のホールセンサを
用いたＤＣブラシレスモータよりも過酷な環境下でのモ
ータの使用が可能になる。

【００２８】他の実施の形態 回転角度センサとしては、上述したホール素子を用いる
センサ以外に、フラックスゲートセンサや、ＭＩ（磁気
インピーダンス）効果を利用した高感度な磁気センサを
用いることが可能である。これら高感度なセンサを用い
た場合は、モータ自身のロータや周辺外部からの磁場の
影響を受けやすいので、これら影響を除去するための演
算回路等をロータ位置検出回路内に含ませる必要があ
る。

【００２９】また、磁気センサ部にＭＲ（磁気抵抗）素
子を用いる場合は、ＭＲ素子の感度を所望の値にするた
めに、バイアスマグネットの磁場強度を適当に調整する
ことが必要である。この場合、バイアスマグネットとシ
ャフトに取り付けられたセンサ用磁石の相互作用により
磁束密度分布が複雑になるので、ロータ位置検出回路で
の信号処理に留意が必要である。また、ＭＲ素子のオフ
セット（中点電位のばらつき）を小さくするためには、
例えば、基板上にＩｎＳｂなどのＭＲ効果を持つ半導体
膜を堆積した薄膜系ＭＲ素子などを用いることが好まし
い。

【００３０】

【発明の効果】以上説明した通り、本発明によれば、モ
ータ内部にロータ位置検出用センサを設置できない場合
にも、高精度な角度検出を可能とした非接触型回転角度
検出装置を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来から知られているコンプレッサユニットを
示す断面構成図である。

【図２】従来から知られているＤＣブラシレスモータユ
ニットを示す断面構成図である。

【図３】従来から知られているセンサレス型ＤＣブラシ
レスモータユニットを示す断面構成図である。

【図４】従来から知られている非接触回転角度センサを
示す図である。

【図５】本発明を適用したコンプレッサユニットを示す
断面構成図である。

【図６】図５に示したセンサ用磁石５２および回転角度
センサ５４の拡大図である。

【図７】回転角度センサ５４の具体的構成例を示した図
である。

【図８】図７に示した磁気センサの１つが実装されたパ
ッケージの側面透視図である。

【図９】回転角度センサ５４として用いることが可能な
他の具体的構成例を示す図である。

【図１０】回転角度センサ５４として用いることが可能
な他の具体的構成例を示す図である。

【図１１】本発明を適用したＤＣブラシレスモータユニ
ットを示す断面構成図である。

【符号の説明】

２ コンプレッサ部 ４ ロータ ６ ステータ ８ シャフト １０ 吸気口 １２ 排気口 １４ 軸受け １６ モータ外装部 ２０ コンプレッサ外装部 ５０ コンプレッサ外装部 ５０Ａ 非磁性材料で構成された磁束透過部 ５２ センサ用磁石 ５４ 回転角度センサ ６０ モータ外装部

フロントページの続き Ｆターム(参考） 2F077 AA41 CC02 JJ01 JJ08 JJ23 VV02 VV08 VV09 VV11 5H019 BB01 BB05 BB12 BB19 BB22 CC03

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 回転軸の回転角度を検出する非接触型回
   転角度検出装置であって、 前記回転軸の軸端面に設けられ、該回転軸の回転に伴な
   ってＮ極およびＳ極が該回転軸の軸中心線に直交する平
   面上で回転するセンサ用磁石と、 前記回転軸の軸中心線を延長した軸線と直交する平面上
   であって、前記センサ用磁石の回転面に対向する位置に
   配置された回転角度センサと、 前記センサ用磁石に近接して配置されており、前記セン
   サ用磁石と前記回転角度センサとを分離する非磁性隔壁
   部材とを備え、 前記回転角度センサを前記非磁性隔壁部材上に載置した
   ことを特徴とする非接触型回転角度検出装置。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の非接触型回転角度検出
   装置において、 前記回転角度センサとして、 円板状に形成され該円板の円周方向に回転する磁石と、
   磁界の強さを検知して前記磁石の回転角度に応じた値を
   出力する複数個の磁気センサとを備えた回転角度センサ
   であって、前記複数個の磁気センサが、前記磁石の回転
   中心線と略直角な面上で前記磁石の円周付近に配置され
   ている回転角度センサ、を用いることを特徴とする非接
   触型回転角度検出装置。
3. 【請求項３】 請求項１に記載の非接触型回転角度検出
   装置において、 前記回転角度センサとして、 前記センサ用磁石の回転面に対向する位置に配置された
   磁気収束板を備え、該磁気収束板の端部領域に複数のホ
   ール素子を近接配置した回転角度センサ、を用いること
   を特徴とする非接触型回転角度検出装置。