JP2012037367A - 角度検出器、これを使用した電動機、鉄道車両用アクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】温度条件、振動条件、衝撃条件等が厳しい環境下でも、簡易な構成で固定強度及び精度保証を確保することができる角度検出器、これを使用した電動機、鉄道車両用アクチュエータ、鉄道車両用センサを提供する。
【解決手段】回転体の角度を検出する磁気回路部品を有する角度検出器５であって、前記磁気回路部品７，８及び２２，２３を剛性の高い支持部材６及び２１に固定し、該支持部材６及び２１を、前記磁気回路部品を装着する部品装着部２ａ及び４ｃに絶縁部材１２及び３１を介して固定するようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は、回転体の角度を検出する角度検出器、これを使用した電動機、鉄道車両用アクチュエータに関する。

この種の角度検出器として、例えば、筒状ケースに設けられたステータと、この筒状ケースの内側に設けられた回転する軸と、該軸に設けられたロータとを有する角度検出器において、前記軸及び筒状ケースの少なくとも一方を樹脂材料とした角度検出器が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００３−７５１９６号公報

しかしながら、前述した特許文献１に記載された従来例にあっては、角度検出器を構成する磁気回路部品を直接樹脂材料で構成された軸及び筒状ケースの少なくとも一方に固定するようにしているので、温度条件、振動条件、衝撃条件等が厳しい環境下（高温応力下、冷熱サイクル、繰り返し疲労、振動、衝撃）では樹脂材料の劣化による強度低下や寸法の変形、クリープなどが、直接角度検出器の性能低下や、ステータとロータとの間の接触やロック、部品脱落等に影響を与えることになり、これらに至らないように、個々の部品の固定に対して十分な対策を取る必要があるという未解決の課題がある。

また、圧入固定では、締め代が大きくなり、磁性材料に応力が掛かることによって磁気特性に影響を与えることになり、接着固定のみの場合には、十分な接着面積を確保するためにサイズが大型化してしまうという未解決の課題もある。
そこで、本発明は、上記従来例の未解決の課題に着目してなされたものであり、温度条件、振動条件、衝撃条件等が厳しい環境下でも、簡易な構成で固定強度及び精度保証を確保することができる角度検出器、これを使用した電動機、鉄道車両用アクチュエータを提供することを目的としている。

上記課題を解決するため、本発明の一の形態に係る角度検出器は、回転体の角度を検出する磁気回路部品を有する角度検出器であって、前記磁気回路部品を剛性の高い支持部材に固定し、該支持部材を、前記磁気回路部品を装着する部品装着部に絶縁部材を介して固定するようにしたことを特徴としている。

また、本発明の他の形態に係る角度検出器は、前記絶縁部材と前記支持部材及び前記部品装着部の少なくとも一方との接合部に機械的回転止め部が形成されていることを特徴としている。
また、本発明の他の形態に係る角度検出器は、前記支持部材を前記絶縁部材及び絶縁接着剤を介して前記部品装着部に固定するようにしたことを特徴としている。
また、本発明の他の形態に係る角度検出器は、前記支持部材、前記絶縁部材及び前記部品装着部を一体成形するようにしたことを特徴としている。

また、本発明の一の形態に係る角度検出器は、回転体の角度を検出する磁気回路部品を有する角度検出器であって、前記磁気回路部品を剛性の高い絶縁物で形成された支持部材に固定し、該支持部材を、前記磁気回路部品を装着する部品装着部に固定するようにしたことを特徴としている。
また、本発明の一の形態に係る電動機は、上述した何れか１つの構成を有する角度検出器を備えている。
また、本発明の一の形態に係る鉄道車両用アクチュエータは、上記電動機を搭載している。

本発明の角度検出器によれば、磁気回路部品を剛性の高い支持部材に固定し、この支持部材を、磁気回路部品を装着する部品装着部に、絶縁部材を介して固定するようにしたので、簡易な構成で、磁気回路部品と部品装着部との固定強度及び精度信頼性を確保することができ、角度検出器の信頼性を向上させることができる。
ここで、絶縁材料と支持部材及び部品装着部の少なくとも一方との接合部に機械的回転止め部を形成することにより、両者間の回り止め固定を確実に行うことができ、さらに絶縁接着材を使用することにより、より強固な固定を行うことができ、より信頼性の高い角度検出器を提供することができる。

また、本発明の角度検出器によれば、磁気回路部品を剛性の高い絶縁物で形成された支持部材に固定し、この支持部材を、磁気回路部品を装着する部品装着部に固定するようにしたので、より簡易な構成で、磁気回路部品と部品装着部との固定強度及び精度信頼性を確保することができ、角度検出器の信頼性を向上させることができる。
また、上記効果を有する角度検出器を使用して電動機を構成することにより、信頼性の高い電動機を提供することができる。
さらに、電動機を使用して鉄道車両用アクチュエータを構成することにより、信頼性の高い鉄道車両用アクチュエータを提供することができる。

本発明に係る角度検出器を電動機に適用した場合の断面図である。 ロータ支持部材を示す図であって、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は側面図である。 モータ出力軸を示す図であって、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図である。 絶縁部材を示す図であって、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図である。 レゾルバロータと電動機の出力軸との他の接続構造を示す断面図である。 レゾルバロータと電動機の出力軸とを一体成形した接続構造を示す断面図である。 本発明の他の実施形態における角度検出器を電動機に適用した場合の断面図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明を電動機に適用した場合の第１の実施形態を示す縦断面図である。
図中、１は例えばドア開閉装置等に使用する鉄道車両用アクチュエータに搭載される電動機であって、モータケース２に転がり軸受３を介して出力軸４が回転自在に支持されている。

出力軸４は、転がり軸受３によって回転自在に支持される大径部４ａと、この大径部４ａに連接してモータケース２の外側に僅かに延出する中径部４ｂと、この中径部４ｂに連接してさらに外側に延出する小径部の後述する角度検出器としてのレゾルバロータを装着する部品装着部としてのロータ装着部４ｃと、このロータ装着部４ｃの先端部に形成された雄ねじ部４ｄとで構成されている。

そして、モータケース２の端面でなる部品装着部としてのステータ装着部２ａと出力軸４のロータ装着部４ｃとの間に角度検出器としてのレゾルバ５が装着されている。このレゾルバ５は、ステータ装着部２ａに装着されるレゾルバステータ５Ｓと、電動機１の出力軸４におけるロータ装着部４ｃに装着されるレゾルバロータ５Ｒとを備えている。
レゾルバステータ５Ｓは、鉄等の剛性が高い金属製のステータ支持部材６に固定された磁気回路部品としてのステータ鉄心７及びステータトランス８を有する。ステータ支持部材６は、円環状板部６ａと、この円環状板部６ａの内周縁より僅かに外側から外方に突出する円筒部６ｂとで構成されている。円筒部６ｂの内周面には円環状板部６ａ側の小径内面のトランス装着部６ｃとその外側の大径内面のステータ鉄心装着部６ｄとが形成されている。そして、トランス装着部６ｃにステータトランス８が固定され、ステータ鉄心装着部６ｄにステータ鉄心７が固定されている。ステータ鉄心７にはステータ巻線９が巻回されており、ステータトランス８にはステータトランス巻線１０が巻回されている。

また、ステータ支持部材６は、円環状板部６ａがステータ装着部２ａにボルト１１によって固定された円環状のテトラフルオロエチレン等の合成樹脂製の絶縁部材１２に装着されたインサートナット１３にボルト１４によって固定されている。
また、レゾルバロータ５Ｒは、ステータ支持部材６の円筒部６ｂに内方から所定間隔を保って対向する鉄などの剛性が高い金属製のロータ支持部材２１に固定された磁気回路部品としてのロータ鉄心２２及びロータトランス２３を有する。ロータ支持部材２１は、図２に示すように、円筒部２１ａと、この円筒部２１ａの軸方向中央部の外周面に突出形成された突条部２１ｂと、突条部２１ｂを挟んで形成されたトランス装着部２１ｃ及びロータ鉄心装着部２１ｄとで構成されている。

そして、ロータ支持部材２１のトランス装着部２１ｃにロータトランス２３がステータトランス８と所定間隔を保って対向して固定され、ロータ鉄心装着部２１ｄにロータ鉄心２２がステータ鉄心７と所定間隔を保って対向して固定されている。ロータ鉄心２２には、ロータ巻線２４が巻回され、ロータトランス２３にはロータトランス巻線２５が巻回されている。

また、ロータ支持部材２１は、テトラフルオロエチレン等の合成樹脂材製の絶縁部材３１を介して出力軸４のロータ装着部４ｃに固定されている。絶縁部材３１は、図４（ａ）及び（ｂ）に示すように、ロータ装着部４ｃに外嵌された雄ねじ部４ｄまで延長する円筒部３１ａと、この円筒部３１ａの出力軸の中径部４ｂ側の端部に外方に突出するフランジ部３１ｂとを有し、円筒部３１ａの外周面にロータ支持部材２１が外嵌されて固定されている。
ここで、ロータ支持部材２１の内周面には、図２（ａ）及び（ｂ）に示すように、機械的回り止め部としてのローレット加工部２１ｅが形成されており、絶縁部材３１の円筒部３１ａに嵌合させることにより、ローレット加工部２１ｅが絶縁部材３１に食い込むことにより、機械的に回り止めされる。

また、出力軸４のロータ装着部４ｃには、図３（ａ）及び（ｂ）に示すように、外周面に機械的回り止め部としての二面幅３３が形成されており、絶縁部材３１の内周面にも、図４（ｂ）に示すように、機械的回り止め部としての二面幅３３に係合する二面幅３４が形成されており、両者の二面幅３３，３４同士が係合することにより、ロータ装着部４ｃに対して絶縁部材３１が機械的に回り止めされる。

また、ロータ支持部材２１は、絶縁部材３１のフランジ部３１ｂとは反対側の軸方向端面に同様に合成樹脂材で形成された円筒状の押圧絶縁部材３５が当接され、この押圧絶縁部材３５のロータ支持部材２１とは反対側が平ワッシャ３６、皿バネ３７及び平ワッシャ３８を介して雄ねじ部４ｄに螺合されたナット３９によって支持されている。
ここで、平ワッシャ３８は絶縁部材３１の円筒部３１ａのフランジ部３１ｂとは反対側の端面に接触されており、ナット３９を締め付けることによって、絶縁部材３１をロータ装着部４ｃに固定支持すると共に、皿バネ３７によって押圧絶縁部材３５を介してロータ支持部材２１を適度な押圧力で固定支持している。

次に、上記実施形態のレゾルバ５の組み立て方法を説明する。
先ず、電動機１のモータケース２に転がり軸受３を介して出力軸４を回転自在に支持する。この状態で、出力軸４に形成したロータ装着部４ｃに絶縁部材３１を二面幅３３及び３４同士を係合させて外嵌する。
次に、又はその前に絶縁部材３１の円筒部３１ａの外周面に、ロータ鉄心２２及びロータトランス２３を外周面のロータ鉄心装着部２１ｄ及び２１ｃに接着、溶接等の固着手段で固定したロータ支持部材２１を外嵌させ、ロータ支持部材２１の内周面に形成したローレット加工部２１ｅを絶縁部材３１の外周面に食い込ませて回転止めを行う。

その後、ロータ支持部材２１のロータ鉄心装着部２１ｄ側の端面に押圧絶縁部材３５を当接させ、その軸方向外側から平ワッシャ３６、皿バネ３７及び平ワッシャ３８を順次装着し、最後に雄ねじ部４ｄにナット３９を螺合させて、平ワッシャ３８を介して絶縁部材３１の円筒部３１ａを押圧してフランジ部３１ｂを出力軸４の中径部４ｂの端面に当接させると共に、皿バネ３７の弾性力によって押圧絶縁部材３５を介してロータ支持部材２１を絶縁部材３１のフランジ部３１ｂに当接させて位置決めする。
この状態で、又はその前に、モータケース２のステータ装着部２ａに絶縁部材１２をボルト１１によって固定しておく。また、ステータ支持部材６のトランス装着部６ｃにステータトランス８を固定し、ステータ鉄心装着部６ｄにステータ鉄心７を接着材、溶接等の固着手段で固定しておく。

そして、ステータ鉄心７及びステータトランス８を支持したステータ支持部材６を、その円環状板部６ａを絶縁部材１２に埋込まれたインサートナット１３にボルト１４を螺合させ、ステータ鉄心７とロータ鉄心２２との間のギャップ調整を行った状態で、ボルト１４を締め付けることにより、ステータ支持部材６をステータ装着部２ａに絶縁部材１２を介して装着する。

このように、上記実施形態によると、角度検出器としてのレゾルバ５のレゾルバステータ５Ｓ及びレゾルバロータ５Ｒとモータケース２のステータ装着部２ａ及び出力軸４のロータ装着部４ｃとの間をそれぞれ絶縁部材１２及び３１で絶縁し、さらにレゾルバステータ５Ｓを構成するステータ鉄心７及びステータトランス８を剛性の高い金属製のステータ支持部材６で支持すると共に、レゾルバロータ５Ｒを構成するロータ鉄心２２及びロータトランス２３を剛性の高い金属製のロータ支持部材２１で支持するだけの簡易な構成で、良好な絶縁性を確保しながら、寸法精度を確保することができ、レゾルバ５の全体構成の信頼性を向上させることができる。

このため、温度条件、振動条件、衝撃条件等が厳しい環境下（高温応力した、冷熱サイクル句、繰り返し疲労、振動、衝撃等）でも、剛性の高い支持部材６及び２１でレゾルバステータ５Ｓ及びレゾルバロータ５Ｒを支持しているので、強度低下や寸法の変形、クリープの影響等を受けることがなく、ステータとロータ間の接触やロック、部品脱落等が生じることを確実に防止することができる。

しかも、回転する出力軸４のロータ装着部４ｃと絶縁部材３１との間の接合部を機械的回転止め部となる二面幅３３及び３４によって機械的に回転止めすると共に、絶縁部材３１とロータ支持部材２１との間の接合部を、ローレット加工部２１ｅを絶縁部材３１の外周面に食い込ませて、機械的に回転止めすることにより、絶縁部材３１とロータ装着部４ｃ及びロータ支持部材２１との間を、接着材等を使用することなく、強固に固定することができる。また、個々の部品に対して厳しい使用環境を考慮した設計を行う必要がない。
さらに、レゾルバステータ５Ｓ及びレゾルバロータ５Ｒの磁気回路部品であるステータ鉄心７，ステータトランス８及びロータ鉄心２２，ロータトランス２３に大きな応力が掛かることがなく、磁気特性に影響を与えることを回避することができる。

また、絶縁部材３１がナット３９によって固定されているので、絶縁部材３１が劣化した場合には、ナット３９を雄ねじ部４ｄから取り外すことにより、絶縁部材３１を容易に交換することができる。
なお、上記実施形態においては、ロータ支持部材２１を絶縁部材３１に固定支持する際に、皿バネ３７の弾性を使用して押圧する場合について説明したが、これに限定されるものではなく、コイルバネ、竹の子バネ等の他のバネ部材を適用することかできると共に、バネ部材に限らずゴム等の他の弾性体を適用することができる。

また、上記実施形態においては、ロータ支持部材２１の内周面にローレット加工を施した場合について説明したが、これに限定されるものではなく、セレーション溝やスプライン溝等の任意の機械的回り止め部を形成するようにしてもよい。
また、上記実施形態においては、インナーロータ型の電動機１に本発明を適用した場合について説明したが、これに限定されるものではなく、アウターロータ型の電動機にも本発明を適用することができる。

また、上記実施形態においては、出力軸４の雄ねじ部４ｄに螺合するナット３９とロータ支持部材２１との間を、皿バネ３７を介挿し、これによる押圧力を付与して連結する場合について説明したが、これに限定されるものではなく、図５に示すように、絶縁部材３１を、ロータ支持部材２１を外周面で支持したときに、軸方向の中央部に、空間部４１を形成するように２分割した分割半体３１Ａ及び３１Ｂで構成し、両分割半体３１Ａ及び３１Ｂ間の空間部４１に接着剤４２を充填し、この接着剤４２で、ロータ装着部４ｃと絶縁部材３１の分割半体３１Ａ及び３１Ｂとロータ支持部材２１とを一体に接着するようにしてもよい。この場合には、接着剤４２の接着面積を広くとなることができるので、ロータ支持部材２１及び分割半体３１Ａ，３１Ｂをロータ装着部４ｃにより強固に固定することができる。このとき、ロータ装着部４ｃと分割半体３１Ａ及び３１Ｂとの間に前述したように二面幅３３及び３４を形成することにより、ロータ装着部４ｃと分割半体３１Ａ，３１Ｂとをより強固に固定することができる。同様に、ロータ支持部材２１の内周面にローレット加工等の機械的回り止め部を形成することにより、ロータ支持部材２１と分割半体３１Ａ，３１Ｂとをより強固に固定することができる。

さらには、図６に示すように、出力軸４を大径部４ａ及びロータ装着部４ｃのみで構成し、ロータ装着部４ｃに、絶縁部材３１に対応する絶縁部材５１と、ロータ鉄心２２及びロータトランス２３を外周面に固定したロータ支持部材２１に対応するロータ支持部材５２とをインサート成形によって一体成形することもできる。この場合でも、ロータ装着部４ｃと絶縁部材５１との間及び絶縁部材５１と支持部材５２との間にそれぞれ機械的回り止め部５３及び５４を形成する。このように構成すると、出力軸４のロータ装着部４ｃに絶縁部材５１及びロータ支持部材５２が一体成形されるので、出力軸４のロータ装着部４ｃ、絶縁部材５１及びロータ支持部材５２をより強固に固定することができると共に、組み立て工数を削減することができる。

また、図７に示すように、支持部材６１をセラミックス等の剛性の高い絶縁物で図６における絶縁部材５１及びロータ支持部材５２を一体化させた形状に形成し、その内周面にスプライン穴部６２を形成する。一方、出力軸４のロータ装着部４ｃの外周面にはスプライン穴部６２に係合するスプライン軸部６３を形成し、このスプライン軸部６３とスプライン穴部６２とで機械的回り止め部を構成する。そして、ロータ装着部４ｃ及び支持部材６１をスプライン嵌合させた状態で、出力軸４の雄ねじ部４ｄにナット３９を螺合させて固定するようにしてもよい。この場合には、支持部材６１自体を剛性の高い絶縁物で形成するので、別途絶縁部材を設ける必要がなく、この分部品点数を減少させることができるとともに、より簡易な構成とすることができ、組み立て工数も削減することができる。なお、機械的回り止め部としはてスプラインに限らず、セレーションやキー等の任意の回り止め部を適用することができる。

また、上記実施形態においては、角度検出器としてレゾルバを適用した場合について説明したが、これに限定されるものではなく、回転軸側に円周方向に凹溝を形成し、これに対向する固定側に凹溝による磁気変化を検出する磁気検出センサを配置する構成等の任意の構成の角度検出器を適用することができる。
さらに、上記構成を有する電動機１は鉄道車両用アクチュエータに限らず、産業機械等の任意のアクチュエータに適用することができる。

１…電動機、２…モータフレーム、３…転がり軸受、４…出力軸、４ｃ…ロータ装着部、５…レゾルバ、５Ｓ…レゾルバステータ、５Ｒ…レゾルバロータ、６…ステータ支持部材、６ａ…円環状板部、６ｂ…円筒部、６ｃ…トランス装着部、６ｄ…ステータ鉄心装着部、７…ステータ鉄心、８…ステータトランス、９…ステータ巻線、１０…ステータトランス巻線、１１…ボルト、１２…絶縁部材、１３…インサートナット、１４…ボルト、２１…ロータ支持部材、２１ｃ…ロータトランス装着部、２１ｄ…ロータ鉄心装着部、２２…ロータ鉄心、２３…ロータトランス、２４…ロータ巻線、２５…ロータトランス巻線、３１…絶縁部材、３５…押圧絶縁部材、３６，３８…平ワッシャ、３７…皿バネ、３９…ナット、３１Ａ，３１Ｂ…分割半体、４１…空間部、４２…接着剤、５１…絶縁部材、５２…ロータ支持部材、５３，５４…機械的回り止め部、６１…支持部材、６２…スプライン穴部、６３…スプライン軸部

Claims (7)

1. 回転体の角度を検出する磁気回路部品を有する角度検出器であって、
   前記磁気回路部品を剛性の高い支持部材に固定し、該支持部材を、前記磁気回路部品を装着する部品装着部に、絶縁部材を介して固定するようにしたことを特徴とする角度検出器。
2. 前記絶縁部材と前記支持部材及び前記部品装着部の少なくとも一方との接合部に機械的回転止め部が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の角度検出器。
3. 前記支持部材を前記絶縁部材及び絶縁接着剤を介して前記部品装着部に固定するようにしたことを特徴とする請求項１又は２に記載の角度検出器。
4. 前記支持部材、前記絶縁部材及び前記部品装着部を一体成形するようにしたことを特徴とする請求項１又は２に記載の角度検出器。
5. 回転体の角度を検出する磁気回路部品を有する角度検出器であって、
   前記磁気回路部品を剛性の高い絶縁物で形成された支持部材に固定し、該支持部材を、前記磁気回路部品を装着する部品装着部に固定するようにしたことを特徴とする角度検出器。
6. 請求項１乃至５の何れか１項に記載の角度検出器を備えた電動機。
7. 前記請求項６に記載の電動機を搭載した鉄道車両用アクチュエータ。

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