JP2008197046A - レゾルバ - Google Patents

Abstract

【課題】 ハイブリッド自動車の駆動モータに使用されるモータ軸の回転ぶれによる誤差の発生しにくいレゾルバを提供すること。
【解決手段】 ロータ回転板１５とステータ板２４とが、モータ軸１１と直交して対向し、その対向する面に、励磁コイルパターン２０と検出コイルパターン１９が対向して配置されており、かつ、励磁コイルパターン２０と検出コイルパターン１９とが配置された同一面上であって、励磁コイルパターン２０と検出コイルパターン１９よりモータ軸１１近くに、一対のロータリィトランスパターン２１，２２が配置されている。
【選択図】 図１

Description

この発明は、自動車用モータの出力軸の回転角度を検出するために使用されるレゾルバに関するものである。

従来、ハイブリッド自動車や電気自動車において、高出力のブラシレスモータが使用されている。ハイブリッド自動車のブラシレスモータを制御するためには、モータの出力軸の回転角度を正確に把握する必要がある。ステータの各コイルへの通電切替えを制御するには、ロータの回転位置を正確に把握している必要があるからである。特に、自動車においては、コギングがドライバビリティを悪くするため、コギングを減少させることが要望されているため、通電切替を正確に行いたいという要望が強い。
自動車のモータ軸の検出には、耐高温性、耐ノイズ性、耐振動性、耐高湿性等の機能を満足するために、レゾルバが使用されている。レゾルバは、モータの内部に組み込まれて、モータのロータ軸に直接取り付けられている。
この種のレゾルバとしては、可変リラクタンス型レゾルバ（ＶＲ型レゾルバ）が使用されている。ＶＲ型レゾルバとは、磁路中に設けたギャップの変動によりトランスの効率が変化することを利用したレゾルバである。ギャップが回転角に対して周期的に変化するようにロータの形状を設定することにより、回転子側の巻線無しで角度出力を検出することができる。

ＶＲ型レゾルバは、励磁コイルと検出コイルと配置されたステータと、両コイルに外周面が近接して配置されたロータとを有する。検出コイルは、９０度位相をずらした２つのコイルから構成されている。励磁コイルに数ＫＨｚの正弦波交流を印加する。ロータの外周面を介して、検出コイルの２つのコイルから誘起電圧が出力される。２つの誘起電圧の出力振幅から角度を検出することができる。
励磁コイルに印加する正弦波の周波数を高くすれば、巻線数を少なくできるのであるが、周波数を高くすると、回転角を読取処理する電気回路が複雑となり、検出精度の安定性が低下する問題がある。
一方、レゾルバを小型化する方法としては、特許文献１に示す技術が提案されている。すなわち、励磁コイルに印加する高周波信号を振幅変調して、かつ、高周波信号の極性を励磁信号の極性反転位置で反転させた変調信号を入力させることが開示されている。これによれば、励磁コイルと検出コイルとして、プリントパターンを利用できるため、コストダウンできることが開示されている。

特開2000-292205号公報

しかしながら、従来のハイブリッド自動車で使用されるレゾルバには、次のような問題があった。
（１）ＶＲ型レゾルバは、ロータを構成する円板の外周面と、励磁コイル及び検出コイルのギャップに基づいて回転角度を検出しているため、ステータに取り付けられた励磁コイル及び検出コイルと、ロータの位置関係精度が直接回転角度に影響を与えるため、ロータの製作に高い精度が要求され、コストアップの要因となっていた。また、モータ軸には、経年変化により、どうしても回転ぶれが発生する。モータ軸に取り付けられたロータが回転ぶれを受けると、励磁コイル及び検出コイルと、ロータとの間のギャップが変化するため、回転角度の検出精度が劣化する問題があった。

（２）ＶＲ型レゾルバは、数ＫＨｚの周波数の励磁信号を使用しているため、巻線数が多くなり、また、ロータも堅牢なものとなるため、レゾルバを小型化することが難しいという問題があった。
（３） また、特許文献１に記載されたレゾルバは、ロータリィトランスを巻線で構成し、かつロータリィトランスを軸心と並行方向に配置しているため、モータの軸心方向に長くなり、主として自動車用に用いるレゾルバを小型化することが難しい問題があった。

この発明は上記事情に鑑みてなされたものであって、その目的は、駆動モータに使用されるモータ軸の回転ぶれによる誤差の発生しにくいレゾルバを提供することにある。

上記問題を解決するために、本発明のレゾルバは、次のような構成を有している。
（１）ロータ軸と共に回転するロータ回転板と、ステータに固定されたステータ板と、該ロータ回転板と該ステータ板とに各々対向して配置された一対のロータリィトランスと、該ロータ回転板と該ステータ板とに各々配置された励磁コイルと検出コイルとを有し、該ロータ軸の回転角度を検出するレゾルバであって、（ａ）ロータ回転板とステータ板とが、ロータ軸と直交して対向し、その対向する面に、励磁コイルと検出コイルが対向して配置されていること、（ｂ）励磁コイルと検出コイルとが配置された同一面上であって、励磁コイルと検出コイルよりロータ軸近くに、一対のロータリィトランスが配置されている。
（２）（１）に記載するレゾルバにおいて、前記励磁コイルと前記検出コイルとが、プリントパターンにより形成されていること、一対の前記ロータリィトランスがプリントパターンにより形成されていることを特徴とする。

（３）（２）に記載するレゾルバにおいて、前記励磁コイルと前記検出コイルとのプリントパターンの幅が、前記ロータリィトランスのプリントパターンの幅より大きいことを特徴とする。
（４）（２）に記載するレゾルバにおいて、前記励磁コイルと前記検出コイルとが、２組形成されていることを特徴とする。
（５）（１）に記載するレゾルバにおいて、前記ロータ回転体が、平らな円板形状であって、一対のリングにより両側から挟まれて位置決めされることにより、前記ロータ軸に対する垂直度を確保することを特徴とする。ここで、一方のリングを、モータ軸を段付とすることで代用しても良い。

（６）ロータ軸と共に回転するロータ回転板と、ステータに固定されたステータ板と、該ロータ回転板と該ステータ板とに各々対向して配置された一対のロータリィトランスと、該ロータ回転板と該ステータ板とに各々配置された励磁コイルと検出コイルとを有し、（ａ）該ロータ軸の回転角度を検出するレゾルバであって、励磁コイルと検出コイルとが、プリントパターンにより形成されていること、（ｂ）一対の前記ロータリィトランスがプリントパターンにより形成されている。
（７）（６）に記載するレゾルバにおいて、一対の前記ロータリィトランスが、前記ロータ回転板の外周面と、前記ロータ回転板外周面と対向する前記ステータ板の内周面に配置されていることを特徴とする。

上記（１）記載の発明によれば、ロータ軸に固設されたロータ回転板と、ステータに固設されたステータ板とが、ロータ軸と直交して対向し、その対向する面に、励磁コイルと検出コイルが対向して配置されているおり、かつ、励磁コイルと検出コイルとが配置された同一面上であって、励磁コイルと検出コイルよりロータ軸近くに、一対のロータリィトランスが配置されているので、ロータ軸心方向において、レゾルバの長さを短くすることができ、レゾルバの小型化を実現できる。
また、上記（２）記載の発明によれば、検出コイルと励磁コイルとをプリントパターンで構成しているので、ロータ軸に経年変化により回転ぶれが発生しても、ロータ軸の回転角度計測精度が劣化することが少ない。
さらに、ロータリィトランスもプリントパターンで構成しているので、ロータ回転板及びステータ板を、ロータリィトランスを巻線で構成した場合と比較してより薄くできるため、ロータ軸の軸心方向のレゾルバ長さをより短くすることができる。

また、上記（３）に記載の発明によれば、励磁コイルと検出コイルとのプリントパターンの幅を、ロータリィトランスのプリントパターンの幅より大きくしているので、ロータ軸に回転ぶれ、回転むらが発生して、励磁コイルのプリントパターンと検出コイルのプリントパターンの間でずれが発生しても、プリントパターンの全体幅に対するずれ量の比率を低下させることができるため、角度検出精度を高くすることができる。
また、上記（４）に記載の発明によれば、励磁コイルのプリントパターンと検出コイルのプリントパターンとを２組配置するので、一方が破損した場合等に、他方でモータの制御を行うことができるため、自動車の安全性を高めることができる。
また、上記（５）に記載の発明によれば、ロータ回転体が平らな円板形状であって、一対のリングにより両側から挟まれて位置決めされるので、ロータ回転板の垂直度を高めることができ、ステータに位置決めされたステータ板とのギャップを精度よく組立することができる。

上記（６）に記載の発明によれば、励磁コイルと検出コイルとが、プリントパターンにより形成されていること、かつ、一対の前記ロータリィトランスがプリントパターンにより形成されているので、巻線する必要がないため、コストダウンすることができる。
また、上記（７）に記載の発明によれば、一対のロータリィトランスが、ロータ回転板の外周面と、ロータ回転板外周面と対向するステータ板の内周面に配置されているので、励磁コイルのプリントパターンの幅と検出コイルのプリントパターンの幅を、ロータ回転板及びステータ板の対向する面の全面に配置できるため、ロータ軸の回転ずれに対して、回転角度計測精度を高く維持することができる。

始めに、本発明のレゾルバが使用されるハイブリッド自動車のモータと発電機の全体構成を説明する。モータと発電機の中央断面図を図７に示す。
エンジン５０のエンジン軸５３が、変速機５４を介して、モータ軸１１に接続されている。エンジン軸５３は、ハウジング６２のベアリング６３、ハウジング６６のベアリング５９により回転可能に保持されている。モータ軸１１は、ハウジング１３のベアリング１４、ハウジング５５のベアリング５８により回転可能に保持されている。モータ軸１１は、モータ本体５６の中心を貫通している。エンジン軸５３は、発電機本体５１の中心を貫通している。
モータ軸１１には、モータ軸１１の回転角度を検出するためのレゾルバ６４，６５が取り付けられている。また、エンジン軸５３には、エンジン軸５３の回転角度を検出するためのレゾルバ６０，６１が取り付けられている。
ハウジング１３とモータ本体５６とで囲まれた空間は、密閉空間であり、オイルが充填されている。

本発明のレゾルバ６４、６５について以下詳細に説明する。レゾルバ６０，６１は、レゾルバ６４、６５と同じ構造なので説明を省略する。
本発明の第１実施例であるレゾルバの構造を、図１に中央断面図で示す。ハイブリッド自動車の駆動用モータのロータ軸であるモータ軸１１の一端は、ベアリング１４により、ハウジング１３に回転可能に保持されている。ハウジング１３には、ステータプリント基板２３が、位置決めブラケットであるステータ板２４を介して取り付けられている。ステータ板２４は、ステータプリント基板２３をハウジング１３に対して位置決めするためのものである。ステータプリント基板２３の表面には、モータ軸１１に近い面にロータリィトランスの一方２２が環状に形成されている。また、モータ軸１１から遠いほうの面に、励磁コイルパターン２０が形成されている。

モータ軸１１は、モータ本体１２から突出している。モータ軸１１の、ベアリング１４とモータ本体５６との間には、一対のリング１６，１７により、ロータ回転板１５がモータ軸１１に対して、垂直に保持されている。すなわち、ロータ回転板１５とモータ軸１１とは、図示しないキー及びキー溝により回転方向に位置決めされている。ロータ回転板１５とモータ軸１１とのキー結合は、円周方向には少しガタをもたせている。それにより、ロータ回転板１５は、一対のリング１６，１７と接触することにより垂直度が保持される。
ロータ回転板１５の、ステータプリント基板２３に対向する面、対向する位置に、ロータプリント基板１８が配置されている。ロータプリント基板１８は、ロータ回転板１５に対して、位置決めされて取り付けられている。ロータプリント基板１８の表面には、モータ軸１１に近い面にロータリィトランスの一方２２と対向する位置に、ロータリィトランスの他方のパターン２１が環状に形成されている。また、モータ軸１１から遠いほうの面上で、励磁コイル２０と対向する位置に、検出コイルパターン１９が形成されている。

次に、レゾルバの制御方法を示す制御ブロック図を図３に示す。また、制御ブロックの位置的な構成を図４に示す。レゾルバの制御方法は、基本的には、特許文献１で開示された制御方法と同じなので、詳細な説明は省略し、概観的な説明を行う。
励磁コイルパターン２０は、９０度位相をずらせた一対のコイルパターン４６、４７から構成されている。
コイルパターン４６に供給される励磁電圧について説明する。７．２ＫＨｚの正弦波（図中Ａで示す）が変調器４５に供給される。同時に、７２０ＫＨｚの高周波正弦波（図中Ｂで示す）が変調器４５に供給される。変調器４５において、７２０ＫＨｚの高周波正弦波が、７．２ＫＨｚの正弦波により、振幅変調される。このとき、７．２ＫＨｚ正弦波の極性反転位置で、７２０ＫＨｚ高周波の極性を反転させる。これにより、被変調波に極性を与えられ、復調したときに元の７．２ＫＨｚ正弦波と同様な極性をもった復調波が得られる（図中Ｄで示す）。
次に、コイルパターン４７に供給される励磁電圧について説明する。７．２ＫＨｚの余弦波（図中Ｃで示す）が変調器４０に供給される。同時に、７２０ＫＨｚの高周波正弦波（図中Ｂで示す）が変調器４０に供給される。変調器４０において、７２０ＫＨｚの高周波正弦波が、７．２ＫＨｚの余弦波により、振幅変調される。このとき、上述の７．２ＫＨｚ正弦波による変調と同様に極性反転を行うことにより、元の７．２ＫＨｚ余弦波と同様な極性をもった復調波が得られる（図中Ｅで示す）。

検出コイルパターン１９には、励磁電圧により誘起された誘起電圧が発生する。検出コイルパターン１９で発生した誘起電圧は、一対のロータリィトランスパターン２１，２２を介して、ステータ側の制御基板上の復調器４８で復調され、位相差検出器４４に入力される。励磁コイルパターン２０に印加された励磁電圧により検出コイルパターン１９に誘起された誘起電圧の位相差を検出することにより、ロータ回転板１５のステータ板２４に対する回転角度を計測することができる。位相差検出は、回路構成が簡単ですむ利点がある。

図５及び図６にモータ軸１１に回転ぶれが発生したときの計測角度の精度の変化を示す。図６は、従来のＶＲ型レゾルバのデータを示し、図５は、本発明のレゾルバのデータを示す。いずれも、モータ軸が０．１〜０．２ｍｍ程度ずれた場合のデータを示している。縦軸が、変動値、すなわち誤差を示し、横軸が回転角度を示している。
図６に示すように、従来のＶＲ型レゾルバでは、レンジで約３度の幅で誤差が発生している。本発明のレゾルバでは、レンジで約１度以下の幅で誤差が発生している。従来のＶＲ型レゾルバの誤差のレンジが約３度であるのと比較して、本発明のレゾルバの誤差のレンジが１度以下であり、誤差が１／３以下となっている。
誤差が減少した理由は、プリントパターンで構成される励磁コイルパターン２０と、プリントパターンで構成される検出コイルパターン１９とが、対向する平面上に、対向する位置に、ある幅で配置されているので、モータ軸１１に半径方向の少しのずれが発生しても、ずれ量とパターン幅との比率が大きく変化することがないためである。

以上詳細に説明したように、本実施例のレゾルバによれば、ロータ回転板１５とステータ板２４とが、モータ軸１１と直交して対向し、その対向する面に、励磁コイルパターン２０と検出コイルパターン１９が対向して配置されており、かつ、励磁コイルパターン２０と検出コイルパターン１９とが配置された同一面上であって、励磁コイルパターン２０と検出コイルパターン１９よりモータ軸１１近くに、一対のロータリィトランスパターン２１，２２が配置されているので、モータ軸１１の軸心方向において、レゾルバの長さを短くすることができ、レゾルバの小型化を実現できる。
また、検出コイルパターン１９と励磁コイルパターン２０とをプリントパターンで構成しているので、モータ軸１１に経年変化により回転ぶれが発生しても、モータ軸１１の回転角度計測精度が劣化することが少ない。
さらに、ロータリィトランスパターン２１，２２もプリントパターンで構成しているので、ロータ回転板１５及びステータ板２４を、ロータリィトランスパターン２１，２２を巻線で構成した場合と比較してより薄くできるため、モータ軸１１の軸心方向のレゾルバ長さをより短くすることができる。

また、励磁コイル２０パターンと検出コイル１９パターンとのプリントパターンの幅を、ロータリィトランスパターン２１，２２のプリントパターンの幅より大きくしているので、モータ軸１１に回転ぶれ、回転むらが発生して、励磁コイルパターン２０と検出コイルパターン１９の間でずれが発生しても、プリントパターンの全体幅に対するずれ量の比率を低下させることができるため、角度検出精度を高くすることができる。
また、励磁コイルパターン２０と検出コイルパターン１９とを２組配置すれば、一方が破損した場合等に、他方でモータの制御を行うことができるため、自動車の安全性を高めることができる。
また、ロータ回転体１５が平らな円板形状であって、一対のリング１６，１７により両側から挟まれて位置決めされるので、ロータ回転板１５の垂直度を高めることができ、ハウジング１３に位置決めされたステータ板２４とのギャップを精度よく組立することができる。

次に、本発明のレゾルバの第２の実施例について説明する。図２に第２の実施例のレゾルバの中央断面図を示す。全体の構成のほとんどの部分は、第１実施例のレゾルバと同じなので、同じ部分は同一の符号を付けて説明を省略し、相違する部分についてのみ説明する。
ロータリィトランスの構造が相違している。ステータ側のロータリィトランスパターン２６は、プリントパターンであり、ステータ基板２８上に形成されている。ステータ基板２８は、位置決めブラケットであるステータ板２９により、ハウジング１３に位置決めされている。
ロータ側のロータリィトランスパターン２５は、プリントパターンであり、ロータ基板２７上に形成されている。ロータ基板２７は、ロータ回転板１５に隣り合って配置されているロータトランス板３２に位置決めされている。ステータ側のロータリィトランスパターン２６と、ロータ側のロータリィトランスパターン２５とは、ロータトランス板３２の外周面と、ロータトランス板３２外周面と対向するステータ板２９の内周面に各々配置されている。

第１実施例のロータリィトランスパターン２１，２２は、励磁コイルパターン２０と検出コイルパターン１９と同じ方向で対向していたが、第２実施例のロータリィトランスパターン２５，２６は、対向する面がモータ軸１１と並行である点で相違している。
励磁コイルパターン２０は、ステータプリント基板３１上に形成されている。ステータプリント基板３１は、ステータ板２９に位置決めされている。また、検出コイルパターン１９は、ロータプリント基板３０上に形成されている。ロータプリント基板３０は、ロータ回転板１５に位置決めされている。

第２実施例のレゾルバによれば、励磁コイルパターン２０と検出コイルパターン１９とが、プリントパターンにより形成されていること、かつ、一対のロータリィトランスパターン２５，２６がプリントパターンにより形成されているので、巻線する必要がないため、コストダウンすることができる。
また、一対のロータリィトランスパターン２５，２６が、ロータトランス板３２の外周面と、ロータトランス板３２の外周面と対向するステータ板２９の内周面に配置されているので、励磁コイルパターン２０の幅と検出コイルパターン１９の幅を、ロータ回転板１５及びステータ板２９の対向する面の全面に配置できるため、モータ軸１１の回転ずれに対して、回転角度計測精度を高く維持することができる。

なお、この発明は前記各実施形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱することのない範囲で以下のように実施することもできる。
例えば、本実施例では、ステータ側に励磁コイルパターンを配置し、ロータ側に検出コイルパターンを配置したが、ステータ側に検出コイルパターンを配置し、ロータ側に励磁コイルパターンを配置してもよい。
また、本実施例では、ロータリィトランスをプリントパターンで構成しているが、ロータリィトランスを巻線で構成して、平板表面に形成した溝に押し込んでも良い。

本発明の第１実施例のレゾルバの構成を示す中央断面図である。 本発明の第２実施例のレゾルバの構成を示す中央断面図である。 レゾルバの制御構成を制御ブロック図である。 レゾルバの制御ブロックの位置関係を示す図である。 本発明のレゾルバの実験データ図である。 従来のＶＲ型レゾルバの実験データ図である。 本発明のレゾルバが取り付けられたハイブリッド自動車用モータの構成を示す中央横断面図である。

符号の説明

１１ モータ軸
１３ ハウジング
１５ ロータ回転板
１６，１７ リング
１９ 検出コイルパターン
２０ 励磁コイルパターン
２１、２２ ロータリィトランスパターン
２４ ステータ板
２５，２６ ロータリィトランスパターン
５６ モータ本体

Claims (7)

1. ロータ軸と共に回転するロータ回転板と、ステータに固定されたステータ板と、該ロータ回転板と該ステータ板とに各々対向して配置された一対のロータリィトランスと、該ロータ回転板と該ステータ板とに各々配置された励磁コイルと検出コイルとを有し、該ロータ軸の回転角度を検出するレゾルバにおいて、
   前記ロータ回転板と前記ステータ板とが、前記ロータ軸と直交して対向し、その対向する面に、前記励磁コイルと前記検出コイルが対向して配置されていること、
   前記励磁コイルと前記検出コイルとが配置された同一面上であって、前記励磁コイルと前記検出コイルより前記ロータ軸近くに、一対の前記ロータリィトランスが配置されていることを特徴とするレゾルバ。
2. 請求項１に記載するレゾルバにおいて、
   前記励磁コイルと前記検出コイルとが、プリントパターンにより形成されていること、
   一対の前記ロータリィトランスがプリントパターンにより形成されていることを特徴とするレゾルバ。
3. 請求項２に記載するレゾルバにおいて、
   前記励磁コイルと前記検出コイルとのプリントパターンの幅が、前記ロータリィトランスのプリントパターンの幅より大きいことを特徴とするレゾルバ。
4. 請求項２に記載するレゾルバにおいて、
   前記励磁コイルと前記検出コイルとが、２組形成されていることを特徴とするレゾルバ。
5. 請求項１に記載するレゾルバにおいて、
   前記ロータ回転体が、平らな円板形状であって、一対のリングにより両側から挟まれて位置決めされることにより、前記ロータ軸に対する垂直度を確保することを特徴とするレゾルバ。
6. ロータ軸と共に回転するロータ回転板と、ステータに固定されたステータ板と、該ロータ回転板と該ステータ板とに各々対向して配置された一対のロータリィトランスと、該ロータ回転板と該ステータ板とに各々配置された励磁コイルと検出コイルとを有し、該ロータ軸の回転角度を検出するレゾルバにおいて、
   前記励磁コイルと前記検出コイルとが、プリントパターンにより形成されていること、
   一対の前記ロータリィトランスがプリントパターンにより形成されていることを特徴とするレゾルバ。
7. 請求項６に記載するレゾルバにおいて、
   一対の前記ロータリィトランスが、前記ロータ回転板の外周面と、前記ロータ回転板外周面と対向する前記ステータ板の内周面に配置されていることを特徴とするレゾルバ。

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