JP2011232122A

JP2011232122A - 回転角度センサ

Info

Publication number: JP2011232122A
Application number: JP2010101687A
Authority: JP
Inventors: Shinsuke Ando; 慎祐安藤; Eiichiro Iwase; 栄一郎岩瀬
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd
Current assignee: Aisin Corp
Priority date: 2010-04-27
Filing date: 2010-04-27
Publication date: 2011-11-17

Abstract

【課題】
コイル巻回の簡素化とタクトタイムの短縮が可能な回転角度センサを提供すること。
【解決手段】
突極の位相を所定の角度ずらして設けられた第一ロータ１１および第二ロータ１２と、第一ロータ１１および第二ロータ１２の突極より離間させて周設されるセンサ部２０と、を備えた回転角度センサ。センサ部２０は、複数の凹部を同一方向に開口させて設けた環状のボビン２５と、ボビン２５の厚み方向の第一ロータ１１側に固設される第一サイドヨーク２６と、磁性体からなりボビン２５の厚み方向の第二ロータ１２側に固設される第二サイドヨーク２７と、を備える。ボビン２５の凹部には第一ロータ１１と第二ロータ１２との境界面の延長位置に巻回される入力コイル２１と、第一ロータ１１および第二ロータ１２に対応する位置に巻回される第一出力コイル２３および第二出力コイル２４と、が配設される。
【選択図】図２

Description

本発明は、回転角度センサに関する。

回転角度センサとして、鉄心で構成され巻線を有しない回転子と、回転子の外周を囲むように内側向きに複数の突起を有する固定子と、複数の突起に巻かれた励磁コイルと複数の出力コイルと、を備えた回転角度センサが開示されている。励磁コイルと出力コイルは、各突起間に形成されるスロットに対して１スロットピッチで巻回される。また、出力コイルによる磁束分布が正弦波状となるように巻回される（例えば、特許文献１参照）。

また、突起に励磁コイルと２相の出力コイルとを設けた固定子と、固定子との間のギャップパーミアンスが回転角θに対して正弦波状に変化する形状を有する回転子と、を備えた回転角度センサが開示されている。同極性の巻線が突起に、その巻き初めと巻き終わりが交差するようにして一方向に連続巻きされ、同極性の突起の巻回が終了したら巻回方向を反転して残りの逆極性の巻線が、その巻初めと巻き終わりが交差するようにして前記一方向とは逆方向に連続巻きされる（例えば、特許文献２参照）。

特開平８−１７８６１０号公報特開２００４−２５１７３３号公報

しかしながら、特許文献１および特許文献２では、固定子の内周に位置する複数の突起ごとに、入力コイルと複数の出力コイルとを巻回しなければならない。従って、ひとつの突起にコイルを巻回したのち、隣接する突起にコイルを巻回する、という動作を、固定子の内周を一周するまで繰り返す必要がある。しかも、固定子の内周に複数の突起があるため、コイルを巻回するときに、巻線装置を固定子の内側に挿入する必要がある。そのため、特殊な巻線機が必要になると同時に、巻線工程が複雑でタクトタイムが長くなる問題があった。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、コイルの巻回を簡素化でき、コイル巻回のためのタクトタイムを短縮可能な構造の回転角度センサを提供することを目的とする。

上記課題を解決する第１の課題解決手段は、磁性体からなり複数の突極を有する第一ロータと、磁性体からなり前記第一ロータの突極の位置より所定の角度位相をずらして設けられ前記第一ロータと一体回転可能な第二ロータと、前記第一ロータおよび前記第二ロータの共通の回転中心から前記第一ロータの突極の外周までの距離および前記第二ロータの突極の外周までの距離より径方向に離間させて周設されるセンサ部と、を備えた回転角度センサであって、前記センサ部は、前記第一ロータと前記第二ロータとの境界面を径方向に延長した位置に巻回される入力コイルと、前記第一ロータの径方向外側に巻回される第一出力コイルと、前記第一出力コイルと同径および同巻数になるように前記第二ロータの径方向外側に巻回される第二出力コイルと、前記入力コイルと前記第一出力コイルと前記第二出力コイルとを区画して巻回するための複数の凹部を同一方向に開口させて設けた環状のボビンと、磁性体からなり前記ボビンの厚み方向の前記第一ロータ側に、前記第一ロータが有する突極の数と同数かつ前記ボビンの周方向に等間隔に固設される第一サイドヨークと、磁性体からなり前記ボビンの厚み方向の前記第二ロータ側に、前記第二ロータが有する突極の数と同数かつ前記第一サイドヨークと同位相に固設される第二サイドヨークと、を備えることである。

第２の課題解決手段は、前記センサ部は、前記入力コイルの径方向外周に参照コイルを備える、ことである。

第３の課題解決手段は、前記第一出力コイルと前記第二出力コイルとの間に磁性体からなるインナーヨークを備える、ことである。

第１の課題解決手段によれば、ボビンに入力コイル、第一出力コイルおよび第二出力コイルを巻回しうる複数の凹部が同一方向に開口させて設けられるため、ボビンを回転させながら入力コイル、第一出力コイルおよび第二出力コイルを巻回でき、従来技術のように特殊なコイル巻線機を用いなくてよい。換言すると、本発明はボビン外周にコイルを巻回させるだけであり、製造工程におけるタクトタイムを低減させることができる。また、ボビンを回転させながら入力コイル、第一出力コイルおよび第二出力コイルを同時に巻回することもでき、この場合には製造工程におけるタクトタイムをさらに低減できる。また、ボビンの凹部への入力コイルと第一出力コイルと第二出力コイルとの巻回を均一にできるため、コイル占積率が高い値で安定する。コイル占積率が高ければコイルインダクタンスも高くなるため、入力コイルから発生される磁束を強めることができ、第一出力コイルおよび第二出力コイルにおいて発生する誘導起電力を強化でき、出力が向上する。また、コイル占積率が安定することで各コイルの個体差を低減でき、性能の安定化が期待できる。

入力コイルに励磁電圧を印加した場合には、入力コイルの周辺に磁束が発生する。この磁束との電磁的相互作用により、第一出力コイルおよび第二出力コイルに誘導起電力が発生する。第二ロータは、第一ロータに対し、突極の位相を所定の角度（例えば１８０°／突極の数）ずらして配設される。上記のような構造から、第一ロータおよび第二ロータの回転により、第一ロータの突極と第一サイドヨークとの間の距離、および第二ロータの突極と第二サイドヨークとの間の距離が変化する。第一ロータの突極と第一サイドヨークとの間の距離が近づくと、第一出力コイルの内側の領域の磁気抵抗が低下し、第一出力コイルの内側を通過する磁束が増加する。磁束の増加により、第一出力コイルに生じる誘導起電力が増加する。一方、第二サイドヨークと第二ロータの突極との間の距離は遠ざかるため、第二出力コイルの内側の領域の磁気抵抗が上昇し、第二出力コイルの内側を通過する磁束は減少し、第二出力コイルに生じる誘導起電力が減少する。第一出力コイルおよび第二出力コイルにより検出される誘導起電力の増減から、第一ロータおよび第二ロータの回転角度を求めることができる。

第２の課題解決手段によれば、入力コイルの径方向外周に参照コイルを備えることにより、参照コイルからの出力と、第一出力コイルおよび第二出力コイルからの出力と、の差分演算により、回転角度を直接演算可能な出力が得られる。

第３の課題解決手段によれば、第一出力コイルと第二出力コイルとの間に磁性体からなるインナーヨークを備えることにより、第一出力コイルと第二出力コイルの周辺の磁気抵抗が上昇する。さらにインナーヨークを備えることにより、第一ロータの突極が第一サイドヨークに近づいた際または第二ロータの突極が第二サイドヨークに近づいた際に、第一出力コイルまたは第二出力コイルに発生する誘導起電力が大きくなる。そのため、インナーヨークを備えない場合より第一ロータおよび第二ロータの回転角度の検出精度が向上する。

本発明の実施形態における回転角度センサを正面から見た説明図である。図１のＡ−Ａ断面図である。本発明の実施形態における第一出力コイルおよび第二出力コイルによる出力の一例である。本発明の実施形態における参照コイルによる出力の一例である。本発明の実施形態における差分演算による出力の一例である。別実施形態における回転角度センサを正面から見た説明図である。図６のＢ−Ｂ断面図である。別実施形態における回転角度センサを正面から見た説明図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。

図１は回転角度センサ１の正面図であり、図２は図１のＡ−Ａ断面図である。図示したように、回転角度センサ１は、円盤状のロータ１０と、ロータ１０の外周に離間配置された中空円盤状のセンサ２０とからなる。

ロータ１０は、第一ロータ１１および第二ロータ１２を貼り合わせた構成である。また、第一ロータ１１および第二ロータ１２は、それぞれ突極１１ａおよび突極１２ａを有しており、第二ロータ１２の突極１２ａは、第一ロータ１１の突極１１ａに対して位相を『９０°／突極の数』ずらして配置される。本実施形態では、第一ロータ１１の突極１１ａの数、第二ロータ１２の突極１２ａの数は、それぞれ２個である。そのため、突極１１ａに対して突極１２ａは、位相を４５°ずらして固設される。また、突極１１ａおよび突極１２ａの形状は扇形状であり、第一ロータ１１の突極１１ａおよび第二ロータの突極１２ａの径方向外側に延在する外周縁部の両端から回転中心へと延在する一対の側縁部がなす中心角度は９０°である。尚、突極１１ａおよび突極１２ａの数は、それぞれ２個以上であればよく、突極の数をより多く設けたほうがロータ１０の回転角度の検出精度が向上する。

センサ２０は、ロータ１０の回転中心Ｃから突極１１ａの外周端部までの距離およびロータ１０の回転中心Ｃから突極１２ａの外周端部までの距離より径方向に離間させて周設される。センサ２０は、コイルを巻回するための環状のボビン２５を備える。ボビン２５は、同一方向に開口させた複数の凹部２５ａを備える。本実施形態では、ボビン２５が有する凹部２５ａは３箇所であり、中央の凹部２５ａには入力コイル２１と参照コイル２２とが巻回され、両側の凹部２５ａには第一出力コイル２３と第二出力コイル２４とがそれぞれ巻回される。尚、ボビン２５は非磁性体である樹脂材などからなり、第一出力コイル２３と第二出力コイル２４とは同じ巻数となるように巻回される。また、第一ロータ１１と第二ロータ１２の境界面が、入力コイル２１および参照コイル２２の厚み方向中央に位置するように配設される。

また、ボビン２５の厚み方向の両端部には一対のサイドヨーク２６，２７が備えられる。ロータ１０の厚み方向における第一ロータ１１側には第一サイドヨーク２６が固設される。第一サイドヨーク２６は、ボビン２５の周方向に突極１１ａと同数備えられると共に、ボビン２５の周方向に等間隔に固設される。ロータ１０の厚み方向における第二ロータ１２側には第二サイドヨーク２７が固設される。そして、第一サイドヨーク２６と第二サイドヨーク２７とはボビン２５を挟むように厚さ方向両端に配設されると共に、ボビン２５の周方向における第一サイドヨーク２６および第二サイドヨーク２７の位置が同位置となるように配置される。第一サイドヨーク２６および第二サイドヨーク２７は、扇形状であり、突極の径方向外側に延在する外周縁部の両端から回転中心へと延在する一対の側縁部がなす中心角度は『１８０°／突極の数』である。本実施形態では、突極１１ａおよび突極１２ａは、それぞれ２個であるから、中心角度は９０°となる。また、第一サイドヨーク２６と第二サイドヨーク２７との間には、磁性体からなるインナーヨーク２８が備えられる。インナーヨーク２８を備えることで、第一出力コイル２３と第二出力コイル２４との周辺の電気抵抗が低下し、第一出力コイル２３と第二出力コイル２４との出力が大きくなり、回転角度を検出する精度が向上する。尚、第一サイドヨーク２６、第二サイドヨーク２７およびインナーヨーク２８は、ロータ１０の回転中心Ｃに対して回転対称となる位置に、接着剤によってボビン２５に固設される。また、第一サイドヨーク２６、第二サイドヨーク２７、およびインナーヨーク２８は、一体成型によってボビン２５に固設されてもよい。

図３は、第一出力コイル２３および第二出力コイル２４による出力結果の一例である。図３（ａ）は、第一出力コイル２３の出力結果の一例であり、図３（ｂ）は、第二出力コイル２４の一例である。横軸は、ロータ１０の回転角度θを表し、縦軸は、第一出力コイル２３または第二出力コイル２４から得られる電圧値Ｖを表す。入力コイル２１に励磁する励磁電圧Ｖ_ＩＮは、

に基づいて変化する。ここで、Ｅは電圧値、ωは角周波数、ｔは時間である。第一ロータ１１と第二ロータ１２との一体回転によって、第一出力コイル２３の出力電圧Ｖ_ＯＵＴ１と第二出力コイル２４の出力電圧Ｖ_ＯＵＴ２は、

に基づいて変化する。ここで、ＫはＶ_ＯＵＴ１、Ｖ_ＯＵＴ２の振幅の中央値を示す変圧比、ａはロータ回転に伴うＶ_ＯＵＴ１、Ｖ_ＯＵＴ２のＫからの変化量、θは出力信号の電気角である。第一出力コイル２３と第二出力コイル２４から得られる出力の包絡線は、ＳＩＮ形状、またはＣＯＳ形状の波形になる。

図４は、参照コイル２２の出力結果の一例である。横軸はロータ１０の回転角度θを表し、縦軸は、参照コイル２２から得られる電圧値Ｖを表す。入力コイル２１および参照コイル２２はインナーヨーク２８の外周側に配置されているためロータ１０の影響を受けにくく、入力コイル２１と参照コイル２２との間の相互インダクタンスは常に一定となる。よって、電磁誘導により発生する参照コイル２２の出力電圧Ｖ_ＲＥＦは、

に基づいて変化する。参照コイル２２から得られる出力の包絡線は、電圧変化が一定な波形になる。

図５は、差分演算による出力結果の一例である。図５（ａ）は、第一出力コイル２３の出力値から参照コイル２２の出力値を引いた結果であり、図５（ｂ）は第二出力コイル２４の出力値から参照コイル２２の出力値を引いた結果である。この差分演算は、第一出力コイル２３と第二出力コイル２４とのマイナス側の端子（図示略）に参照コイル２２のプラス側の端子（図示略）を接続し、第一出力コイル２３と第二出力コイル２４とのプラス側の端子（図示略）に参照コイル２２のマイナス側の端子（図示略）を接続すること、または、処理回路（図示略）により、実行可能である。第一出力コイル２３の出力電圧Ｖ_ＯＵＴ１と参照コイル２２の出力電圧Ｖ_ＲＥＦとの差分演算結果Ｖ１、第二出力コイル２４の出力電圧Ｖ_ＯＵＴ２と参照コイル２２の出力電圧Ｖ_ＲＥＦとの差分演算結果Ｖ２は、

に基づいて変化する。従って、差分演算した結果の包絡線は、ＳＩＮ波形、またはＣＯＳ波形になる。

次に本実施形態にかかる回転角度センサ１の動作について説明する。上記構成において、ロータ１０に動力源（図示略）を接続し、動力源からの動力によってロータ１０を回転させた場合の回転角度が求められる。

入力コイル２１に高周波の正弦波電圧（７Ｖｒｍｓ、１０ｋＨｚ）を印加すると、参照コイル２２と、第一出力コイル２３と、第二出力コイル２４と、の内側領域であるロータ１０配設部分を磁束が通過する。それに伴い、参照コイル２２と第一出力コイル２３と第二出力コイル２４とには、入力コイル２１に印加された励磁電圧の振幅および強度に応じた誘導起電力が発生する。

位相を４５°ずらして突極１１ａ，１２ａを設けたロータ１０が回転し、第一ロータ１１の突極１１ａが第一サイドヨーク２６に近づくと、第一出力コイル２３の内側の磁気抵抗が低下し、第一出力コイル２３の内側を通過する磁束が増加する。磁束が増加するため、第一出力コイル２３に発生する誘導起電力は大きくなる。ロータ１０の回転により、第一ロータ１１の突極１１ａと第一サイドヨーク２６とが遠ざかると、第一出力コイル２３の内側の磁気抵抗が上昇し、第一出力コイル２３の内側を通過する磁束が減少する。磁束の減少により、第一出力コイル２３に発生する誘導起電力は小さくなる。

第一ロータ１１の突極１１ａおよび第二ロータ１２の突極１２ａの位相は４５°ずれているため、第二出力コイル２４の内側を通過する磁束の増減は、第一出力コイル２３を通過する磁束の増減より４５°ずれる。そのため、第二出力コイル１２に発生する誘導起電力の増減は、第一出力コイル１１に発生する誘導起電力の増減より電気角にして９０°のずれとなり、第一出力コイル１１から得られる出力の包絡線が図３（ａ）のようにＳＩＮ形状になる場合、第二出力コイル１２から得られる出力の包絡線は図３（ｂ）のようにＣＯＳ形状になる。

参照コイル２２は第一ロータ１１と第二ロータ１２との境界面（第一ロータ１１と第二ロータ１２との回転軸方向における境界面）を径方向に延長した位置であって入力コイル２１の径方向外側に配設されるため、ロータ１０が回転しても参照コイル２２の内側の磁気抵抗は変化せず、参照コイル２２の内側を通過する磁束は増減がない。そのため、参照コイル２２から得られる出力の包絡線は、図４のように電圧変化が一定な波形になる。

第一出力コイル２３と参照コイル２２との出力結果を差分演算すると、出力結果は図５（ａ）のようなＳＩＮ波形になり、第二出力コイル２４と参照コイル２２との出力結果を差分演算すると、図５（ｂ）のようなＣＯＳ波形になる。そして、これらの出力結果に基づいて回転角度が算出される。

本実施形態によれば、ボビン２５に入力コイル２１、参照コイル２２、第一出力コイル２３、および第二出力コイル２４を巻回しうる複数の凹部２５ａを同一方向に開口させて設けたため、従来技術のように特殊なコイル巻線機を必要とせずにコイルを巻回できる。また、入力コイル２１と第一出力コイル２３と第二出力コイル２４との巻回を同時にすることで、タクトタイムが低減可能となる。また、巻回時のコイル線の供給速度と軸方向に往復させる速度とを制御することにより、コイル線を規則正しくボビンに巻回でき、コイル占積率が高い値で安定する。コイル占積率が高ければコイルインダクタンスも高くなるため、入力コイル２１から発生される磁束を強めることができ、第一出力コイル２３および第二出力コイル２４において発生する誘導起電力を強化でき、出力が向上する。また、コイル占積率が安定することで各コイルの個体差を低減でき、性能の安定化が期待できる。

さらに、入力コイル２１に電圧を印加すると、入力コイル２１の内側領域である第一ロータ１１および第二ロータ１２を含む領域に磁束が発生する。入力コイル２１を挟む位置に第一出力コイル２３と第二出力コイル２４とが配設されているため、第一出力コイル２３および第二出力コイル２４に誘導起電力が発生する。

突極の位相を『９０°／突極の数』ずらして配設される第一ロータ１１と第二ロータ１２とが一体回転すると、第一ロータ１１の突極と第一サイドヨーク２６の間の距離および第二ロータ１２の突極と第二サイドヨーク２７の間の距離が変化する。第一ロータ１１の突極と第一サイドヨーク２６との距離が近づくと、第一出力コイル２３の内側領域の磁気抵抗が低下し、第一出力コイル２３の内側領域を通過する磁束が増加する。磁束の増加により、第一出力コイルに生じる誘導起電力が増加する。一方、第二サイドヨーク２７と第二ロータ１２の突極との距離は遠ざかるため、第二出力コイル２７の内側の磁気抵抗が上昇し、第二出力コイル２７の内側を通過する磁束は減少する。磁束の減少により、第二出力コイル２７に生じる誘導起電力が減少する。この誘導起電力の増減から、ロータ１０の回転角度を求めることができる。

尚、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的が達成される限りにおける種々の変形、改良等の態様も含む。

図６および図７のように、第一ロータ１１１と第二ロータ１１２とが楕円形状、インナーヨーク１２８が扇形形状であり、参照コイル２２が無い回転角度センサ１００でも上記と同様の効果を奏する。

図８のように、第一ロータ１１および第二ロータ１２の突極１１ａ，１２ａの数を３つにしてもよく、突極の数をより多く設けたほうがロータ１０の回転角度の検出精度が向上する。突極１１ａ，１２ａの数を３つにした場合、第一ロータ１１と第二ロータ１２との位相のずれ角は３０°となる。

また、本実施形態では第一ロータ１１および第二ロータ１２を貼り合わせてロータ１０を形成しているが、一体成型により第一ロータ１１および第二ロータ１２を設けたロータ１０としても上記と同様の効果を奏する。

１回転角度センサ
１０ロータ部
１１第一ロータ
１１ａ突極
１２第二ロータ
１２ａ突極
２０センサ部
２１入力コイル
２３第一出力コイル
２４第二出力コイル
２５ボビン
２５ａ凹部
２６第一サイドヨーク
２７第二サイドヨーク
Ｃ回転中心

Claims

磁性体からなり複数の突極を有する第一ロータと、
磁性体からなり前記第一ロータの突極の位置より所定の角度位相をずらして設けられ前記第一ロータと一体回転可能な第二ロータと、
前記第一ロータおよび前記第二ロータの共通の回転中心から前記第一ロータの突極の外周までの距離および前記第二ロータの突極の外周までの距離より径方向に離間させて周設されるセンサ部と、を備え、
前記センサ部は、
前記第一ロータと前記第二ロータとの境界面を径方向に延長した位置に巻回される入力コイルと、
前記第一ロータの径方向外側に巻回される第一出力コイルと、
前記第一出力コイルと同径および同巻数になるように前記第二ロータの径方向外側に巻回される第二出力コイルと、
前記入力コイルと前記第一出力コイルと前記第二出力コイルとを区画して巻回するための複数の凹部を同一方向に開口させて設けた環状のボビンと、
磁性体からなり前記ボビンの厚み方向の前記第一ロータ側に、前記第一ロータが有する突極の数と同数かつ前記ボビンの周方向に等間隔に固設される第一サイドヨークと、
磁性体からなり前記ボビンの厚み方向の前記第二ロータ側に、前記第二ロータが有する突極の数と同数かつ前記第一サイドヨークと同位相に固設される第二サイドヨークと、を備える回転角度センサ。
前記センサ部は、前記入力コイルの径方向外周に参照コイルを備える、ことを特徴とする請求項１に記載の回転角度センサ。
前記第一出力コイルと前記第二出力コイルとの間に磁性体からなるインナーヨークを備える、ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の回転角度センサ。