JP2013106382A - バリアブルリラクタンス型角度検出器 - Google Patents

Abstract

【課題】励磁巻線から出力電圧を好適に抽出することが可能なバリアブルリラクタンス型角度検出器を提供する。
【解決手段】各コイルＣ１〜Ｃ４の電圧から互いに位相が異なる２相の出力電圧を取得し、該出力電圧に基づいて回転子１２の回転角度を検出するものであり、周方向における回転子１２の磁極幅をθｒ、周方向におけるティース２３の磁極幅をθｔとし、磁極幅比Ｔを、Ｔ＝θｔ／（θｒ／２）として、磁極幅比Ｔが１以下に設定される。
【選択図】図１

Description

本発明は、バリアブルリラクタンス型角度検出器に関するものである。

従来、バリアブルリラクタンス型角度検出器は、例えば特許文献１に示すように、周方向に配置される複数のティースに対して励磁巻線と２相の出力巻線（正弦相出力巻線及び余弦相出力巻線）とが巻回されてなる固定子と、固定子のティースと径方向に対向するとともに該固定子とのギャップパーミアンスが自身の回転角度に応じて正弦波状に変化する形状の回転子とを備えている。各相の出力巻線は、各ティースに集中巻きされて出力コイルを構成している。各出力コイルには、回転子の回転にて生じる磁束変化により誘起電圧が発生し、各相における出力コイルの誘起電圧の総和が、各相の出力巻線の出力電圧としてそれぞれ得られる。そして、回転子の回転に応じて正弦波状に変化する各相の出力巻線からの出力電圧に基づき回転子の回転角度が検出可能となっている。

特開昭５８−２０７８５０号公報

上記のようなバリアブルリラクタンス型角度検出器では、励磁巻線と２相の出力巻線の３種類の巻線が必要となるため、構成が複雑なものとなっていた。そこで、このような問題を解決するために、出力専用の出力巻線を設けないで、入力電圧が供給される各励磁巻線の電圧から取得した出力電圧（出力信号）に基づいて回転子の回転角度を検出する構成が考えられる。この構成によれば、ティースに巻回する巻線構成を励磁巻線のみの簡素な構成としつつも回転子の回転角度を検出することが可能となる。しかしながら、このような構成では、励磁巻線は出力専用ではなく、入力電圧が印加されるものであるため、その励磁巻線から角度検出のための出力電圧の抽出は難しく、この点においてなお、改善の余地があった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、その目的は、励磁巻線から出力電圧を好適に抽出することが可能なバリアブルリラクタンス型角度検出器を提供することにある。

上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、周方向に配置される複数のティースを有するコア部材と、前記ティースの磁極が周方向に交互に異極性となるように前記各ティースに巻回され電源からの入力電圧が供給される励磁巻線とを有する固定子と、前記固定子のティースと径方向に対向するとともに該固定子とのギャップパーミアンスが自身の回転角度に応じて正弦波状に変化する形状の回転子とを備えたバリアブルリラクタンス型角度検出器であって、前記各励磁巻線の電圧から互いに位相が異なる２相以上の出力電圧を取得し、該出力電圧に基づいて前記回転子の回転角度を検出するものであり、周方向における前記回転子の磁極幅をθｒ、周方向における前記ティースの磁極幅をθｔとし、磁極幅比Ｔを、Ｔ＝θｔ／（θｒ／２）として、前記磁極幅比Ｔが１以下に設定されていることを特徴とする。

この発明では、周方向における回転子の磁極幅をθｒ、周方向におけるティースの磁極幅をθｔとし、前記磁極幅比Ｔを、Ｔ＝θｔ／（θｒ／２）として、その磁極幅比Ｔが１以下に設定される。これにより、ティースに巻回された励磁巻線から出力電圧を好適に抽出することが可能なり（図４参照）、その結果、安定した角度検出の実現に寄与できる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のバリアブルリラクタンス型角度検出器において、前記磁極幅比Ｔが０．６以下に設定されていることを特徴とする。
この発明では、磁極幅比Ｔが０．６以下に設定されるため、ティースに巻回された励磁巻線から出力電圧をより好適に抽出することが可能なり（図４参照）、その結果、安定した角度検出の実現により一層寄与できる。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載のバリアブルリラクタンス型角度検出器において、１つ又は複数の前記励磁巻線を組とした第１組励磁巻線の電圧に基づく第１相出力電圧と、１つ又は複数の前記励磁巻線を組とした第２組励磁巻線の電圧に基づく第２相出力電圧との位相差が電気角で９０度となるように構成され、前記各出力電圧に基づいて前記回転子の回転角度を検出することを特徴とする。

この発明では、第１組励磁巻線の電圧から抽出される第１相出力電圧と、第２組励磁巻線の電圧から抽出される第２相出力電圧との位相差が電気角で９０度とされ、その各出力電圧に基づいて角度検出がなされるため、回転子の回転角度を好適に検出することが可能となる。

請求項４に記載の発明は、請求項３に記載のバリアブルリラクタンス型角度検出器において、前記第１組励磁巻線及び前記第２組励磁巻線はそれぞれ、電圧が逆位相となる２つの前記励磁巻線のペアを少なくとも１組含んでおり、前記第１相出力電圧及び前記第２相出力電圧はそれぞれ、前記励磁巻線のペアの電圧を一方の電圧の位相を反転させたうえで合成したものであることを特徴とする。

この発明では、第１組励磁巻線と第２組励磁巻線とがそれぞれ複数からなり、そのそれぞれの電圧の合成よりなる第１相出力電圧及び第２相出力電圧に基づいて回転子の回転角度が検出されるため、角度検出の精度を向上させることができる。

従って、上記記載の発明によれば、励磁巻線から出力電圧を好適に抽出することが可能となる。

実施形態のバリアブルリラクタンス型角度検出器の概略構成図。 実施形態の各コイルの接続構成を示す概略図。 （ａ）回転子の回転時における第１相出力電圧の電圧変化特性を示すグラフ、（ｂ）回転子の回転時における第２相出力電圧の電圧変化特性を示すグラフ。 磁極幅比と出力電圧との関係を示すグラフ。

以下、本発明を具体化した一実施形態を図面に従って説明する。
図１に示すように、本実施形態のバリアブルリラクタンス型角度検出器は、環状の固定子１１と、該固定子１１の内周側に回転可能に設けられた回転子１２とから構成されている。

回転子１２は、その中心に形成された取付孔１２ａに例えばモータの回転軸１３が圧入され、その回転軸１３と一体回転可能に構成されている。回転子１２は、その外周面において周方向に順次設けられた凹凸により、固定子１１とのギャップパーミアンスが該回転子１２の回転角度θに応じて正弦波状に変化する形状をなしている。本実施形態では、回転子１２には外周面の凸部分が３個形成されており、回転子１２を１回転させたときに３周期分の信号出力が得られる（所謂、軸倍角が３Ｘとなる）ように設定されている。尚、回転子１２の形状は、回転子１２の半径をＲθ、固定子内周半径をＲＳ、形状係数をｋ、回転子１２と固定子１１との径方向間の最小ギャップをδ１、回転子１２の軸倍角をＮとして、Ｒθ＝ＲＳ−（ｋ・δ１）／（１＋（ｋ−１）・ｃｏｓ（Ｎθ））の数式に基づいて設定されている。

固定子１１は、コア部材２１の円環状部２２から径方向内側に突出する４個のティース２３を周方向等間隔（機械角で９０度間隔）に有している。各ティース２３には、その先端部（径方向内側端部）から周方向両側にそれぞれ突出する突出部２３ａが形成されている。また、各ティース２３の先端面２３ｂ（径方向内側端面）は、軸方向視で回転子１２の中心軸Ｌを中心とする同一円に沿って形成されている。この４個のティース２３にはそれぞれ、時計回りに順に第１コイルＣ１、第２コイルＣ２、第３コイルＣ３及び第４コイルＣ４が図示しないインシュレータを介して巻回されている。

第１〜第４コイルＣ１〜Ｃ４は、１本の導線が各ティース２３に連続して集中巻きされて構成されている。つまり、第１〜第４コイルＣ１〜Ｃ４は、図２に示すように、直列で繋がっている。また、第１及び第３コイルＣ１，Ｃ３は正巻きで巻回され、第２及び第４コイルＣ２，Ｃ４は逆巻きで巻回されている。これにより、第１〜第４コイルＣ１〜Ｃ４は、周方向に隣り合うもの同士が異極性となる。尚、第１〜第４コイルＣ１〜Ｃ４の巻数は、全て等しく設定されている。

第１コイルＣ１の始端部は入力端部となっており、該端部は電源Ｐと接続されている。また、第４コイルＣ４の終端部は接地されている。電源Ｐは交流の励磁電圧を供給する。また、第１〜第４コイルＣ１〜Ｃ４の回路構成は、それぞれの電圧Ｖ１〜Ｖ４を取得可能に構成されており、その各コイルＣ１〜Ｃ４の電圧Ｖ１〜Ｖ４は図示しない制御部に出力されるようになっている。

次に、上記実施形態の作用について説明する。
このようなバリアブルリラクタンス型角度検出器では、回転軸１３及び回転子１２が回転すると、回転に伴うギャップパーミアンスの変化によって各ティース２３（各コイルＣ１〜Ｃ４）に磁束変化が生じ、それに応じて第１〜第４コイルＣ１〜Ｃ４の電圧Ｖ１〜Ｖ４が変化する。

第１コイルＣ１の電圧Ｖ１に対する第２〜第４コイルＣ２〜Ｃ４の電圧Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４の位相差はそれぞれ、９０度、１８０度、２７０度である。この各コイルＣ１〜Ｃ４のうち、電圧Ｖ１〜Ｖ４の位相差が１８０度のペアである第１コイルＣ１と第３コイルＣ３、及び第２コイルＣ２と第４コイルＣ４に着目し、前者のペアを第１組励磁巻線とし、後者のペアを第２組励磁巻線とする。そして、第１及び第３コイルＣ１，Ｃ３の電圧Ｖ１，Ｖ３の合成を第１相出力電圧Ｅ１（図３（ａ）参照）として得るとともに、第２及び第４コイルＣ２，Ｃ４の電圧Ｖ２，Ｖ４の合成を第２相出力電圧Ｅ２（図３（ｂ）参照）として得る。ここで、第３コイルＣ３の電圧Ｖ３は第１コイルＣ１の電圧Ｖ１に対して逆位相であるため、電圧Ｖ３の位相を反転させたうえで電圧Ｖ１と合成したものが第１相出力電圧Ｅ１となっている。即ち、第１相出力電圧Ｅ１は、Ｅ１＝Ｖ１−Ｖ３となっている。同様に、第２相出力電圧Ｅ２は、Ｅ２＝Ｖ２−Ｖ４となっている。図３（ａ）（ｂ）に示すように、各出力電圧Ｅ１，Ｅ２は、正弦波状に変調する振幅変調信号であり、互いに電気角で９０度の位相差を有している。そして、前記制御部は、第１相出力電圧Ｅ１及び第２相出力電圧Ｅ２を同期して整流（検波）することで得られる２相の検波信号（ｓｉｎ信号及びｃｏｓ信号）に基づいて回転子１２の回転角度θを検出するようになっている。

次に、回転子１２の磁極幅θｒ及び固定子１１の各ティース２３の磁極幅θｔと出力電圧Ｅ１，Ｅ２との関係について説明する。回転子１２の磁極幅θｒは、回転子１２の外周面の凹みの頂点部分（径方向内側に最も窪んだ部分）間の角度である。各ティース２３の磁極幅θｔは、ティース２３の先端面２３ｂの角度幅（一方の突出部２３ａ先端から他方の突出部２３ａ先端までの周方向寸法）である。

ここで、電源Ｐからの入力電圧は一定とし、磁極幅比Ｔ（Ｔ＝θｔ／（θｒ／２））を変化させたときの出力電圧Ｅ１，Ｅ２の振幅（以下には、説明の便宜上、単に出力電圧Ｅ１，Ｅ２とする）を図４に示す。尚、図４では、本実施形態のように、ティース２３及びコイルＣ１〜Ｃ４の個数が４個で、回転子１２の軸倍角（極対数）が３である構成（４ｓ３Ｘの構成）におけるグラフを実線で示す。この実線で示すように、磁極幅比Ｔが０．３〜０．５の付近で出力電圧Ｅ１，Ｅ２が最大となり、そこから磁極幅比Ｔが大きくなるにつれて出力電圧Ｅ１，Ｅ２が減少する。即ち、磁極幅比Ｔを０．３〜０．５付近の値に設定すれば、各コイルＣ１〜Ｃ４の電圧Ｖ１〜Ｖ４から出力電圧Ｅ１，Ｅ２を特に効率的に抽出することが可能となる。

また、図４に示すように、出力電圧Ｅ１，Ｅ２の減少量（減少の傾き）は、磁極幅比Ｔが約０．４から大きくなるにつれて徐々に大きくなっていく。詳しくは、磁極幅比ＴがＴ≦０．６の範囲では出力電圧Ｅ１，Ｅ２の減少量は小さく、０．６＜Ｔ≦１．０の範囲では、出力電圧Ｅ１，Ｅ２の減少量は磁極幅比Ｔが大きくなるにつれて次第に大きくなっていき、磁極幅比Ｔが１．０を越えたあたりから減少量の増加が特に顕著となる。

以上のように、磁極幅比ＴがＴ≦１．０の範囲では、Ｔ＞１．０の範囲と比べて出力電圧Ｅ１，Ｅ２が大きい。このため、Ｔ≦１．０の範囲は、各コイルＣ１〜Ｃ４の電圧Ｖ１〜Ｖ４から出力電圧Ｅ１，Ｅ２を効率的に抽出できる良好な範囲であると言える。また、Ｔ≦１．０の範囲では、１．０＜Ｔの範囲と比べて出力電圧Ｅ１，Ｅ２の減少の傾きが小さいため、磁極幅比Ｔの値をＴ≦１．０の範囲内に設定すれば、磁極幅比Ｔの寸法誤差（回転子１２の磁極幅θｒ及びティース２３の磁極幅θｔの寸法誤差）による出力電圧Ｅ１，Ｅ２の誤差を小さくすることが可能となり、その結果、所望の振幅値を持った出力電圧Ｅ１，Ｅ２の抽出が容易となる。

更に、磁極幅比ＴがＴ≦０．６の範囲では、０．６＜Ｔ≦１．０の範囲と比べて出力電圧Ｅ１，Ｅ２が大きい。このため、Ｔ≦０．６の範囲は、各コイルＣ１〜Ｃ４の電圧Ｖ１〜Ｖ４から出力電圧Ｅ１，Ｅ２を効率的に抽出できるより良好な範囲であると言える。また、Ｔ≦０．６の範囲では、０．６＜Ｔ≦１．０の範囲と比べて出力電圧Ｅ１，Ｅ２の減少の傾きが小さいため、磁極幅比Ｔの値をＴ≦０．６の範囲内に設定すれば、磁極幅比Ｔの寸法誤差による出力電圧Ｅ１，Ｅ２の誤差を更に小さくすることが可能となり、その結果、所望の振幅値を持った出力電圧Ｅ１，Ｅ２の抽出がより容易となる。

次に、本実施形態の特徴的な効果を記載する。
（１）各コイルＣ１〜Ｃ４の電圧Ｖ１〜Ｖ４から互いに位相が異なる２相の出力電圧Ｅ１，Ｅ２を取得し、該出力電圧Ｅ１，Ｅ２に基づいて回転子１２の回転角度θを検出するものであり、周方向における回転子１２の磁極幅をθｒ、周方向におけるティース２３の磁極幅をθｔとし、磁極幅比Ｔを、Ｔ＝θｔ／（θｒ／２）として、磁極幅比Ｔが１以下に設定される。これにより、ティース２３に巻回された各コイルＣ１〜Ｃ４から出力電圧Ｅ１，Ｅ２を好適に抽出することが可能なり（図４参照）、その結果、安定した角度検出の実現に寄与できる。

（２）磁極幅比Ｔが０．６以下に設定されるため、ティース２３に巻回された各コイルＣ１〜Ｃ４から出力電圧Ｅ１，Ｅ２をより好適に抽出することが可能なり（図４参照）、その結果、安定した角度検出の実現により一層寄与できる。

（３）第１及び第３コイルＣ１，Ｃ３を組とした第１組励磁巻線の電圧Ｖ１，Ｖ３に基づく第１相出力電圧Ｅ１と、第２及び第４コイルＣ２，Ｃ４を組とした第２組励磁巻線の電圧Ｖ２，Ｖ４に基づく第２相出力電圧Ｅ２との位相差が電気角で９０度となるように構成され、その各出力電圧Ｅ１，Ｅ２から回転角度θが検出される。これにより、回転子１２の回転角度θを好適に検出することが可能となる。

（４）第１組励磁巻線及び第２組励磁巻線はそれぞれ、電圧が逆位相となる励磁巻線のペア（第１及び第３コイルＣ１，Ｃ３と、第２及び第４コイルＣ２，Ｃ４）を含み、第１相出力電圧Ｅ１及び第２相出力電圧Ｅ２はそれぞれ、そのコイルのペアの電圧を一方の電圧の位相を反転させたうえで合成したもの（Ｅ１＝Ｖ１−Ｖ３、Ｅ２＝Ｖ２−Ｖ４）である。つまり、第１組励磁巻線と第２組励磁巻線とがそれぞれ複数からなり、そのそれぞれの電圧の合成よりなる第１相出力電圧Ｅ１及び第２相出力電圧Ｅ２に基づいて回転子１２の回転角度θが検出されるため、角度検出の精度を向上させることができる。

尚、本発明の実施形態は、以下のように変更してもよい。
・上記実施形態では、４ｓ３Ｘの構成（ティース２３の個数が４個で、回転子１２の軸倍角が３の構成）としたが、これに特に限定されるものではなく、ティース２３の個数及び回転子１２の軸倍角は適宜変更してもよい。尚、図４において、４ｓ５Ｘの構成及び４ｓ７Ｘの構成における磁極幅比Ｔと出力電圧Ｅ１，Ｅ２との関係をそれぞれ１点鎖線と２点鎖線で示している。この図４に示すように、４ｓ５Ｘの構成及び４ｓ７Ｘの構成における磁極幅比Ｔと出力電圧Ｅ１，Ｅ２との関係は、上記実施形態（４ｓ３Ｘの構成）と略同様であり、上記実施形態と同様の効果を奏する。

・上記実施形態では、第１相及び第２相出力電圧Ｅ１，Ｅ２の位相差が９０度となるように構成したが、これ以外に例えば、位相差が１２０度となるように構成してもよい。これによっても、上記実施形態と同様の効果を得ることができる。

・上記実施形態では、励磁巻線（コイルＣ１〜Ｃ４）の電圧から２相の出力電圧Ｅ１，Ｅ２を抽出する構成としたが、これに特に限定されるものではなく、励磁巻線の電圧から３相以上の出力電圧を抽出し、その出力電圧に基づき角度検出を行ってもよい。

・上記実施形態では、第１〜第４コイルＣ１〜Ｃ４を直列で接続しているが、これ以外に例えば、並列で接続してもよい。
・上記実施形態では、設けられた全てのコイルＣ１〜Ｃ４の電圧Ｖ１〜Ｖ４から第１相及び第２相出力電圧Ｅ１，Ｅ２を取得したが、これに特に限定されるものではなく、一部のコイルの電圧から第１相及び第２相出力電圧を得るように構成してもよい。

１１…固定子、１２…回転子、２１…コア部材、２３…ティース、Ｃ１〜Ｃ４…コイル（励磁巻線）、θ…回転角度、θｒ…回転子の磁極幅、θｔ…ティースの磁極幅、Ｐ…電源，Ｖ１〜Ｖ４…電圧、Ｅ１…第１相出力電圧、Ｅ２…第２相出力電圧。

Claims (4)

1. 周方向に配置される複数のティースを有するコア部材と、前記ティースの磁極が周方向に交互に異極性となるように前記各ティースに巻回され電源からの入力電圧が供給される励磁巻線とを有する固定子と、
   前記固定子のティースと径方向に対向するとともに該固定子とのギャップパーミアンスが自身の回転角度に応じて正弦波状に変化する形状の回転子と
   を備えたバリアブルリラクタンス型角度検出器であって、
   前記各励磁巻線の電圧から互いに位相が異なる２相以上の出力電圧を取得し、該出力電圧に基づいて前記回転子の回転角度を検出するものであり、
   周方向における前記回転子の磁極幅をθｒ、周方向における前記ティースの磁極幅をθｔとし、磁極幅比Ｔを、Ｔ＝θｔ／（θｒ／２）として、
   前記磁極幅比Ｔが１以下に設定されていることを特徴とするバリアブルリラクタンス型角度検出器。
2. 請求項１に記載のバリアブルリラクタンス型角度検出器において、
   前記磁極幅比Ｔが０．６以下に設定されていることを特徴とするバリアブルリラクタンス型角度検出器。
3. 請求項１又は２に記載のバリアブルリラクタンス型角度検出器において、
   １つ又は複数の前記励磁巻線を組とした第１組励磁巻線の電圧に基づく第１相出力電圧と、１つ又は複数の前記励磁巻線を組とした第２組励磁巻線の電圧に基づく第２相出力電圧との位相差が電気角で９０度となるように構成され、前記各出力電圧に基づいて前記回転子の回転角度を検出することを特徴とするバリアブルリラクタンス型角度検出器。
4. 請求項３に記載のバリアブルリラクタンス型角度検出器において、
   前記第１組励磁巻線及び前記第２組励磁巻線はそれぞれ、電圧が逆位相となる２つの前記励磁巻線のペアを少なくとも１組含んでおり、
   前記第１相出力電圧及び前記第２相出力電圧はそれぞれ、前記励磁巻線のペアの電圧を一方の電圧の位相を反転させたうえで合成したものであることを特徴とするバリアブルリラクタンス型角度検出器。