JP2006525518A - 電磁式シャフト位置センサ及び方法 - Google Patents

Abstract

回転位置検出システムは、回転子（１０２）、１以上の磁石（１０４）、固定子（１０６）、及び少なくとも２つも磁界センサ（１０８）を備える。固定子（１０６）は内面（１１６）を有し、回転子外面（１１０）の少なくとも一部を囲む。固定子内面（１１６）は回転子外面（１１０）から隔てられ両者間に空隙（１１２）が形成される。磁石（１０４）は回転子外面（１１０）または固定子内面（１１６）の少なくとも一部に結合し取り囲む。磁界センサ（１０８）は少なくとも一部が空隙（１１２）に設けられ、互いに所定の角度をつけて配置される。磁界センサ（１０８）は、回転子（１０２）と固定子（１０６）間の相対的な回転に伴って、磁界の変動を検出して信号を供給し、信号は処理されて固定子（１０６）に対する回転子（１０２）の回転位置が測定される。

Description

本発明は概して位置センサに関し、特に、他の構成要素に対する回転体の角度位置を検出する位置センサに関する。

各種システムや装置には１以上の回転部品がある。この種のシステムや装置では多くの場合、他の構成要素に対する１以上の回転部品の回転位置を測定することが求められる。例えば、ブラシレスＤＣモータの場合、適切な整流を行うために、固定子に対する回転子の位置を測定することが望まれる。

回転体の相対的な回転位置を測定するために様々な位置センサが用いられている。例を挙げると、ポテンショメータ、レゾルバ、エンコーダなどである。これらのセンサはいずれも概ね良好に機能し、概ね安全で信頼できるが、それぞれ一定の問題がある。例えば、ポテンショメータは低価格であるが、粉が発生しやすく、ライフサイクルが短いという問題を抱える。また、ポテンショメータの発注から取り付けのための納品までにかなりの（例えば１８週間以上までの）リードタイムがかかる場合がある。また、ある種のポテンショメータ設計ではライフサイクルが短くなる問題に悩まされる。

レゾルバやエンコーダもポテンショメータと同様な問題を抱えている。例えば、レゾルバ、エンコーダはいずれも製造、設置のコストが高く、リードタイムが長い（例えば、レゾルバで３６週間以上、エンコーダで５２週間以上）。さらに、この種のセンサは高精度の位置検出を完全に実現するためにかなり複雑な信号処理／伝送回路が必要になる。このような回路の追加により位置検出の実施に係るコストがさらに増加する。

したがって、回転体の回転位置測定システム及び方法に関するニーズとして、従来の位置検出システム、方法よりも低コストにすること、および/または従来の位置検出システム、方法よりも短い実施リードタイムで足りるようにすること、および/または従来の位置検出システム、方法よりもライフサイクルを長くすること、および/または複雑な信号処理回路を必要としないようにすることが求められている。本発明はこれらのニーズの１以上に対応するものである。

一実施形態において、かつ単なる例示として、回転位置検出システムは回転子、固定子、１以上の磁石、及び少なくとも２つの磁界センサを備える。回転子は少なくとも１つの外面を有する。固定子は少なくとも１つの内面を有し、回転子外面の少なくとも一部を囲む。固定子内面は回転子外面から隔てられ両者間に空隙が形成される。磁石は回転子外面または固定子内面の少なくとも一部に結合し取り囲み、空隙に磁界を生成する。磁界センサは空隙内に少なくとも部分的に設けられ、互いに所定の角度をつけて配置される。

別の実施形態において、回転位置検出システムは回転子、固定子、永久磁石、及び少なくとも２つの磁界センサを備える。回転子は少なくとも１つの外面を有する。固定子は少なくとも１つの内面を有し、回転子外面の少なくとも一部を囲む。固定子内面は回転子外面から隔てられ両者間に空隙が形成される。永久磁石は回転子外面または固定子内面の少なくとも一部に結合し取り囲むとともに、その直径を横断する方向に磁化されることにより空隙に磁界が発生する。磁界センサは空隙内に少なくとも部分的に設けられ、互いに所定の角度をつけて配置される。

さらに別の実施形態において、回転体の回転位置決定方法は、回転するように構成された第１の構成要素の少なくとも一部に１以上の磁石を結合し取り囲む。磁石を第２の構成要素で囲む。第２の構成要素は第１の構成要素と隔てられ両者間に空隙が形成される。第１の構成要素が第２の構成要素に対して回転する際、空隙の少なくとも２つの位置で磁束の強さの変動を検出する。

以下、図面を参照して本発明を説明する。図面中、同様の構成要素には同様な番号が付されている。
以下に示す発明の詳細な説明は性質上、単なる例示であって、本発明とその応用または使用を限定するものではない。また、発明の背景または以下の説明で提示される如何なる理論によっても制限されない。

回転位置検出システムの一実施形態に係る概略図を図１に示す。回転位置検出システム１００は回転要素（または回転子）１０２、磁石１０４、固定要素（または固定子）１０６、及び２以上のセンサ１０８を備える。回転子１０２は回転位置が検出される構成要素である。具体的には、固定子１０６に対する回転子１０２の相対位置が検出対象である。したがって、回転子１０２は固定子１０６に対し（図１の視点から見て）時計回り（ＣＷ）または反時計回り（ＣＣＷ）に回転するように構成される。回転子１０２は透磁性の材料で構成され、図に示したものは実質的に中空であるが、これは好適な実施例に過ぎず、回転子１０２は中実であっても構わない。回転子１０２の材質としては、例えば、５０％のＮｉＦｅ合金、４１６ステンレス鋼、炭素鋼合金などが挙げられる。

磁石１０４は回転子１０２に結合し、図２に明示するように、回転子１０２の部分を取り囲む。磁石１０４は１対以上の磁極を有し、単一の磁石構造、または複数の磁石構造で実現される。特に、図３Ａに示すように、磁石１０４は直径を横断する方向に磁化された、１対の磁極からなる単一の構造で実現される。あるいは、図３Ｂに示すように、磁石１０４は４つに分離された構造１０４−１、１０４−２、１０４−３、１０４−４で実現され、各構造は１対の磁極からなり、それぞれ半径方向に磁化されている。したがって、センサ１０８にとって磁石１０４−１、１０４−２は有効に２対の磁極になる。図３Ｂの磁石１０４は単一の構造により実現され、あるいは、回転子１０２の周囲における各９０度の円弧部をそれぞれ囲む、例えば４つの個別の磁石で実現されてよい。図３Ｂの磁石を備えた回転位置検出システム１００の例を図４に示す。なお、磁石１０４は、図３Ａ、図３Ｂに示した構造には限定されない。実際、磁石１０４は、それぞれが回転子１０２周囲の等間隔の各円弧部を囲む、適切に磁化された任意の個数の磁石（例えば１０４−１、１０４−２、１０４−３、・・・１０４−Ｎ）で構成可能である。適切に磁化された磁石の個数がＮ個の場合、各磁石１０４−１、１０４−２、１０４−３、・・・１０４−Ｎはそれぞれ好ましくは１対の磁極からなり、センサにとって磁石１０４は全体としてＮ個の磁極、すなわちＮ／２対の極に見える。また、各磁石１０４は、回転子１０２の外面１１０に結合した形態、回転子１０２内部に全体または一部が埋め込まれた形態、あるいは回転子１０２と一体の構成要素で構成されてよい。さらに、図に示す磁石１０４は回転子１０２に結合しているが、固定子１０６に結合してもよい。

図１に戻り、固定子１０６は少なくとも磁石１０４を取り囲むとともに、磁石１０４から隔てられ、磁石１０４の外面１１４と固定子１０６の内面１１６間に空隙１１２が形成される。固定子１０６は回転子１０２の回転中に回転子１０２に対し一定の位置に静止したままであることが好ましい。しかしながら、回転子１０２と固定子１０６間に相対的な回転があり、少なくとも固定子１０６の回転速度が分かっているのであれば、固定子１０６は回転する構造であっても構わない。回転子１０２と同様に、固定子１０６は、例えば少なくとも上述したような非制限の例示の材料を含めて、透磁性の材料で構成される。また、好適な実施形態において、固定子１０６は複数の透磁性ラミネーションで構成される。固定子１０６を複数のラミネーションで構成した場合、固定子１０６に発生する渦電流が減少する。渦電流は回転子１０２と固定子１０６間に抗力を発生させる原因になる。

センサ１０８は少なくとも一部が回転子１０２と固定子１０６間の空隙１１２に設けられる。図示の実施形態の場合、第１のセンサ１０８ａと第２のセンサ１０８ｂからなる１対のセンサが使用され、各センサは空間的直交関係（例えば電気的に９０度の角度）をつけて互いに配置される。なお、２対以上のセンサ１０８を使用して電気的冗長性を持たせてもよい。各センサ１０８は任意の各種方法により空隙１１２に設けられる。例えば、センサ１０８は図１に示すように固定子内面１１６に結合する。あるいは、センサ１０８は、固定子１０６に形成したセンサ収納部（図１に点線で示す）に設けられ、または他の適当な構造に結合するセンサ取付部または筐体により空隙１１２の所定位置に配置される。センサ１０８は磁界の変動を検出可能な各種素子の任意のものでよく、例えば線形アナログホール効果素子が使用可能である。

前記構成により、空隙１１２には磁界が発生し、空隙（及びセンサ１０８の検出部分）の法線方向の磁束密度は、空隙の周囲に沿って正弦的に大きさが変動する。この変動する正弦波の周波数は磁極数の半分に対応している。この点をさらに明らかにするため、図３Ａの磁石１０４（例えば、直径を横切る方向に磁化された単一の環状２極永久磁石１０４）を備えた回転位置検出システム１００の場合に、システム１００の各部を通る磁界を図５に示すとともに、このシステム構成において空隙１１２の法線方向に関する磁束密度の大きさ６０２が空隙の周囲の位置に応じて変動する様子を図６に示す。さらに図６において、空隙１１２法線方向の磁束密度の大きさ６０４が空隙の周囲の位置に応じて変動する態様は、図４のシステム４００構成についても示される。図に示されるように、図４のシステム構成の場合、磁束密度６０４の正弦波周波数は図１のシステム構成に係る磁束密度６０２の場合の２倍になる。

前記のように、センサ１０８は磁束密度の変動を検出可能である。すなわち、各センサ１０８から発生する信号の大きさはその位置における磁束の強さに比例し、磁束の強さは角度位置（θ_ｒ）に比例する。なお、各センサ１０８から発生する信号は、回転子１０２と固定子間に相対運動があればＡＣ信号になり、相対運動がなければＤＣ信号になる。また上述したように、各センサ対について、第１のセンサ１０８ａと第２のセンサ１０８ｂは互いに空間的直交関係で配置されることが好ましい。したがって、各センサ対について第１センサ１０８ａ及び第２のセンサ１０８ｂから発生する信号は、それぞれ、回転子角度位置のサイン（sinθ_ｒ）、コサイン（cosθ_ｒ）に比例する。図１のシステムにおけるセンサ１０８から発生するＡＣ信号対の例を図７に示す。図示のように第１のセンサ１０８ａから発生するＡＣ信号は第２のセンサ１０８ｂから発生するＡＣ信号と９０度位相が異なる。

各センサ対に関して、第１のセンサ１０８ａと第２のセンサ１０８ｂからそれぞれ発生するＡＣ信号７０２、７０４は９０度位相が異なることから、次の三角関数の関係により回転子回転位置（θ_ｒ）が求められる。

tan x = sin x / cos x
具体的には、第１のＡＣ信号の電圧の大きさ（Ｖ_１）はsinθ_ｒに比例し、第２のＡＣ信号の電圧の大きさ（Ｖ_２）はcosθ_ｒに比例することから、回転子角度は次式により求められる。

θ_ｒ＝arctan(V_１/V₂)
再び図１において、図示のように、第１のセンサ１０８ａと第２のセンサ１０８ｂから発生した信号を受け取るように結合したプロセッサ回路１１８が設けられる。プロセッサ回路１１８にはオンボードＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）１２０およびオンボードＲＯＭ（リードオンリーメモリ）１２２を含む。プロセッサ回路１１８はプログラム命令に応じて動作する従来の任意の各種汎用マイクロコンピュータまたは特定用途向けプロセッサであってよい。プログラム命令はＲＡＭ１２０とＲＯＭ１２２の片方または両方に記憶される。例えば、オペレーティングシステムソフトウェアはＲＯＭ１２２に記憶され、各種動作モードソフトウェアルーチンや各種動作パラメータはＲＡＭ１２０に記憶される。勿論、これはオペレーティングシステムソフトウェアやソフトウェアルーチンを記憶する方式の一例に過ぎず、各種記憶方式が実現可能である。また、プロセッサ回路１１８は単にプログラム可能なプロセッサ／マイクロプロセッサのみならず、他の各種回路を用いて実現してもよい。例えば、デジタル論理回路またはアナログ信号処理回路なども使用可能である。

プロセッサ回路１１８には、第１のセンサ１０８ａ、第２のセンサ１０８ｂから供給された信号をデジタルセンサデータに変換するオンボードのアナログデジタル（Ａ／Ｄ）変換器１２４も含む。ただし、Ａ／Ｄ変換器１２４はオンボード回路である必要はなく、プロセッサ回路１１８とは別体である１以上の個別回路で実現しても構わない。プロセッサ回路１１８はＡ／Ｄ変換器１２４からデジタルセンサデータを受け取り、それに基づいて回転子角度位置（θ_ｒ）を決定する。プロセッサ回路１１８は任意の各種方法によりこれを行うことができる。例えば、プロセッサ回路１１８はメモリ、プロセッサ回路１１８の一部であるＲＡＭ１２０、ＲＯＭ１２２など、あるいは物理的に別のメモリにサイン及びコサイン関数値のルックアップテーブルを記憶する。この構成の場合、プロセッサ回路１１８はデジタルセンサデータに基づいてルックアップテーブルから対応するサイン値、コサイン値を検索し、検索した値を式（２）に代入して回転子角度位置（θ_ｒ）を決定する。代替形態では、デジタルセンサデータを回転子角度位置（θ_ｒ）に明確に対応づけるためのルックアップテーブルは作成され、記憶される。

前記回転位置検出システム１００は回転体の相対回転位置を決定するため、様々な各種システムで使用可能である。例えば、回転位置検出システム１００はブラシレスＤＣモータにおける回転子の位置検出に使用可能である。また、磁石１０４は回転子１０２に結合するものとして図に示し説明したが、回転子１０２にセンサ１０８が結合する一方で、磁石１０４は固定子１０６に結合するようにしてもよい。

以上の発明の詳細な説明において少なくとも１つの実施形態が提示されたが、種々の変更が可能である。また、具体例として示した実施形態は単なる例示であり、決して本発明の範囲、応用、構造を限定するものではない。むしろ、前記の説明は本発明の実施形態を実施する際に便利なロードマップとして当業者に提示されたものである。したがって、特許請求の範囲に記載されるような本発明の趣範囲から逸脱すること無しに、前記実施形態において説明した各種要素の機能、構成について種々の変更が可能である。

本発明の一実施形態に基づいた位置検出システムの端面図である。 図１に示す位置検出システムの部分斜視図である。 図１に示す位置検出システムで使用される各種磁石構造の例を示す。 図１に示す位置検出システムで使用される各種磁石構造の例を示す。 図３Ｂに示す磁石を備えた代替的位置検出システムである。 図１の位置検出システムの各種構成要素を通る磁界を示す。 図１と図４に示す位置検出システムに関する回転位置対磁束密度を示すグラフである。 図１のシステムで使用される磁界センサの出力信号変動を示すグラフである。

Claims (10)

1. 少なくとも１つの外面（１１０）を有する回転子（１０２）と、
   少なくとも１つの内面（１１６）を有し、前記回転子外面（１１０）の少なくとも一部を囲み、前記内面（１１６）は前記回転子外面（１１０）から隔てられて前記内面と外面間に空隙（１１２）が形成された固定子（１０６）と、
   前記回転子外面（１１０）と前記固定子内面（１１６）のいずれかの少なくとも一部に結合し取り囲む１以上の磁石（１０４）と、
   前記空隙（１１２）内に少なくとも部分的に設けられ、互いに所定の角度をつけて配置された少なくとも２つの磁界センサ（１０８）と、
   を備える、回転位置検出システム。
2. 各磁界センサ（１０８）はその位置における磁束の強さに比例した大きさの電圧信号を供給可能である、請求項１に記載のシステム。
3. さらに、
   前記電圧信号をそれぞれ受け取るように結合し、前記電圧信号に応じて動作して前記固定子（１０６）に対する回転子（１０２）の回転位置を決定するプロセッサ（１１８）を備える、請求項２に記載のシステム。
4. 前記磁界センサ（１０８）は１対以上の磁界センサ（１０８）で構成され、
   各対における第１の磁界センサはその位置における磁束の強さに比例した大きさの第１の信号を供給可能であり、
   各対における第２の磁界センサは、その位置における磁束の強さに比例した大きさの第２の信号を供給可能であり、かつ前記第２の信号の位相が前記第１の信号と９０度異なるように配置される、請求項３に記載のシステム。
5. 前記プロセッサ（１１８）は各磁界センサ対から供給された前記第１の信号の大きさと前記第２の信号の大きさとの比に基づいて前記固定子（１０６）に対する前記回転子（１０２）の回転位置を決定する。請求項４に記載のシステム。
6. 各磁石（１０４）は永久磁石（１０４）である、請求項１に記載のシステム。
7. 前記１以上の磁石（１０４）はその直径を横断する方向に磁化された単一の永久磁石（１０４）を含む、請求項１に記載のシステム。
8. １対の前記磁界センサ（１０８）は、それぞれが互いに９０度位相が異なる信号を発生するように角度をつけて互いに配置される、請求項１に記載のシステム。
9. 各磁石（１０４）は半径方向に磁化されている、請求項１に記載のシステム。
10. 各磁界センサ（１０８）はホール効果センサを含む、請求項１に記載のシステム。
    
    

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