JP2014006175A - 角度センサ - Google Patents

Abstract

【課題】センサステータのＳＩＮ相コイル及びＣＯＳ相コイルとロータリートランスコイルの２本の接続線との磁気的結合の影響を減らし、検出誤差を低減すること。
【解決手段】角度センサは、平面コイルが形成されたセンサロータと、センサロータに対し隙間を介して対向配置され、平面コイル３２が形成-されたセンサステータ６とを備える。センサステータ６の平面コイル３２は、円環状をなすＳＩＮ相コイル４１Ａ及びＣＯＳ相コイル４１Ｂと、両コイル４１Ａ，４１Ｂが設けられる領域の径方向内側に配置されたロータリートランスコイル４２とを含む。ロータリートランスコイル４２は、外部回路に接続する２本の接続線４５Ａ，４５Ｂを含み、２本の接続線４５Ａ，４５Ｂが両コイル４１Ａ，４１Ｂを乗り越えるように配置される。２本の接続線４５Ａ，４５Ｂは、両コイル４１Ａ，４１Ｂを乗り越える部分にて絶縁膜を介して上下に重ねて配置される。
【選択図】 図４

Description

この発明は、モータやエンジンの出力軸に対して設けられ、その出力軸の回転角度を検出する角度センサに関する。

従来、この種の技術として、例えば、下記の特許文献１に記載される回転トランス形レゾルバが知られている。このレゾルバは、固定側のコアと、固定側コアと隙間を介して対向配置され、シャフトと一体に回転する回転側コアとを備える。固定側コアには、一次側巻線が設けられ、回転側コアには二次側巻線が設けられる。これら一次側巻線と二次側巻線により回転トランス部が構成される。また、回転トランス部には、励磁巻線が設けられ、固定側コアには、検出巻線が設けられる。これら励磁巻線と検出巻線により信号発生部が構成される。回転側コアの表面に対向する固定側コアの表面には、一次側巻線と検出巻線とを一体に形成した固定側シートコイルが固定される。また、回転側コアの表面には、二次側巻線と励磁巻線とを一体に形成した回転側シートコイルが固定される。ここで、回転トランス部を構成する一次側巻線及び二次側巻線それぞれの２本の引き出し線は、シートコイル形成面における異なる位置に配置されている。

特開平８−１３６２１１号公報

ところが、特許文献１に記載のレゾルバでは、回転トランス部を構成する一次側巻線及び二次側巻線それぞれの２本の引き出し線が、シートコイル形成面の異なる位置に配置されている。そのため、２本の引き出し線が、励磁巻線や検出巻線を構成するＳＩＮ相コイルとＣＯＳ相コイルを乗り越える位置で、擬似的に閉回路を形成してしまう。その結果、ＳＩＮ相コイル及びＣＯＳ相コイルが、２本の引き出し線と相互作用を、すなわち磁気的結合の影響を受け、角度センサに検出誤差が生じるということが新たに分かった。例えば、回転トランス部に交流信号を流すことで、２本の引き出し線の閉回路部分で磁界変化が発生し、その磁界変化によりＳＩＮ相コイルやＣＯＳ相コイルで不要な起電力（ノイズ）が発生し、角度センサとして検出精度が低下することが分かった。

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、センサステータのＳＩＮ相コイル及びＣＯＳ相コイルとロータリートランスコイルの２本の接続線との磁気的結合の影響を減らし、検出誤差の低減を可能とした角度センサを提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、回転軸に取り付けられ、表面に平面コイルが形成されたセンサロータと、センサロータの表面に対し表面が隙間を介して対向して配置され、表面に平面コイルが形成されたセンサステータと、センサステータの平面コイルは、円環状をなすＳＩＮ相コイル及びＣＯＳ相コイルと、ＳＩＮ相コイルとＣＯＳ相コイルが設けられる領域の径方向内側に配置されたロータリートランスコイルとを含むことと、ロータリートランスコイルは、外部回路に接続するための２本の接続線を含み、２本の接続線がＳＩＮ相コイル及びＣＯＳ相コイルを乗り越えるように配置されることとを備えた角度センサであって、ロータリートランスコイルの２本の接続線は、少なくともＳＩＮ相コイル及びＣＯＳ相コイルを乗り越える部分にて、上下に重ねて配置されたことを趣旨とする。ここで、「上下に重ねて配置された」という記載の「上下」とは、ＳＩＮ相コイル、ＣＯＳ相コイルが形成される面に対して垂直な方向を意味する。

上記発明の構成によれば、ロータリートランスコイルの２本の接続線が、少なくともＳＩＮ相コイル及びＣＯＳ相コイルを乗り越える部分にて、上下に重ねて配置される。ここで、２本の接続線を流れる電流が互いに逆向きとなり、２本の接続線の周りで発生する磁界が互いに逆向きとなる。従って、２本の接続線の間では磁界が互いに強め合うことになるが、その強め合う磁界の方向がＳＩＮ相コイル及びＣＯＳ相コイルに対して平行になるので、ＳＩＮ相コイル及びＣＯＳ相コイルに対する磁気的結合の影響が少なくなる。

上記目的を達成するために、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、２本の接続線は、絶縁膜を介して上下に重ねて配置されたことを趣旨とする。

上記発明の構成によれば、請求項１に記載の発明の作用に加え、２本の接続線の間の絶縁性が保たれる。

請求項１に記載の発明によれば、センサステータのＳＩＮ相コイル及びＣＯＳ相コイルとロータリートランスコイルの２本の接続線との磁気的結合の影響を減らすことができ、角度センサの検出誤差を低減することができる。

請求項２に記載の発明によれば、請求項１に記載の発明の効果に加え、角度センサの短絡故障を未然に防止することができる。

一実施形態に係り、角度センサとそれを取り付けたモータを示す正断面図。 同実施形態に係り、角度センサを構成するセンサロータを示す平面図。 同実施形態に係り、角度センサを構成するセンサステータを示す平面図。 同実施形態に係り、センサステータの平面コイルのみを示す平面図。 同実施形態に係り、図４に示す接続線の中間部分を垂直方向に横に切断して示す拡大断面図。 同実施形態に係り、２本の接続線と、それらの磁界と、励磁コイルパターンとの関係を示す模式図。 同実施形態の比較例に係り、センサステータの平面コイルを示す平面図。 同実施形態の比較例に係り、２本の接続線と、それらの磁界と、励磁コイルパターンとの関係を示す模式図。 本実施形態と比較例との誤差の違いを示すグラフ。 同実施形態に係り、１次誤差、２次誤差、４次誤差及び全体誤差の関係を示すグラフ。 別の実施形態に係り、センサステータの平面コイルのみを示す平面図。

以下、本発明における角度センサを具体化した一実施形態につき図面を参照して詳細に説明する。

図１に、この実施形態における角度センサ１と、それを取り付けたモータ２を正断面図により示す（以下、便宜上、図１の向きを正面図とする。）。モータ２は、略円盤形状の外観を有するモータハウジング１１と、モータハウジング１１に内包され、その内側中心にてベアリング１２，１３を介して回転可能に支持された回転軸１４と、モータハウジング１１の内側にて回転軸１４の外周上に固定されたモータロータ１５と、モータロータ１５の外周側にて、隙間５を介してモータハウジング１１の内側に固定されたモータステータ１６とを備える。モータステータ１６には、コイル１７が設けられる。

図１において、モータハウジング１１の下側には、角度センサ１を収容するための収容部１１ａが一体に形成される。この収容部１１ａは、回転軸１４及びベアリング１３を中心に略円環状の周壁から構成される。収容部１１ａの外周の一部には、外部と連通する連通孔１１ｂが形成される。

図１に示すように、モータ２の回転軸１４は、略円筒形状をなし、大径部１４ａ及び小径部１４ｂと、大径部１４ａと小径部１４ｂとの境目の段部１４ｃとを含む。大径部１４ａは、一方のベアリング１２に支持され、その外周にモータロータ１５が固定される。小径部１４ｂは、他方のベアリング１３に支持され、その先端部が収容部１１ａの底壁に形成された軸孔１１ｃから外部へ突出する。

図１に示すように、角度センサ１は、センサステータ６及びセンサロータ７を備える。センサロータ７は、モータハウジング１１の内側にて、回転軸１４の小径部１４ｂの外周に圧入され、リング状のストッパ８により固定される。また、センサステータ６は、モータハウジング１１の収容部１１ａの内側にて、回転軸１４を中心にしてセンサロータ７と対向するように配置され、モータハウジング１１の外側から複数のボルト９により固定される。収容部１１ａの底壁には、複数のボルト９を挿通させる複数の長孔１１ｄが形成される。この実施形態では、複数のボルト９と収容部１１ａとの間に、複数のボルト９を一体的に連結する略円環状をなす連結部材１０が介在する。

図２に、この実施形態の角度センサ１を構成するセンサロータ７を平面図により示す。図１及び図２に示すように、センサロータ７は、円環平板状をなす樹脂製のロータ基板２１と、そのロータ基板２１の表面２１ａに配置された平面コイル２２と、ロータ基板２１の内周側に一体的に設けられ、センサロータ７を回転軸１４の外周に取り付けて固定するために回転軸１４と接触する略円環状をなす環状金属部材２３とを含む。

ロータ基板２１は、ＰＰＳ樹脂等により形成される。環状金属部材２３は、ＳＵＳ等により形成される。平面コイル２２は、インクジェット等を使用した印刷によりロータ基板２１の表面２１ａ上に形成され、その上に絶縁膜が形成される。図２に示すように、環状金属部材２３は、その内周に一体に形成された１つの突起２３ａと、その外周に一体に形成された半径方へ突出する複数の凸部２３ｂとを含む。複数の凸部２３ｂは、等角度間隔に放射状に形成される。環状金属部材２３は、これら凸部２３ｂを含む外周部分にて、ロータ基板２１に対しインサート成形される。

そして、図１に示すように、センサロータ７は、そのロータ基板２１の表面２１ａ側がセンサステータ６の表面側と対向するように配置され、回転軸１４の小径部１４ｂの外周に取り付けられる。ここで、センサロータ７は、環状金属部材２３の内周が、回転軸１４の小径部１４ｂの外周に圧入されて段部１４ｃにて位置決めされた状態で、リング状のストッパ８により抜け止めされる。また、環状金属部材２３の突起２３ａは、小径部１４ｂに形成されたキー溝（図示略）に係合し、センサロータ７が回転軸１４に対して回り止めされる。このようにしてセンサロータ７が回転軸１４と一体回転可能に固定される。

図３に、この実施形態の角度センサ１を構成するセンサステータ６を平面図により示す。図１及び図３に示すように、センサステータ６は、樹脂により略円環平板状に形成され、表面３１ａに平面コイル３２が配置されたステータ基板３１と、ステータ基板３１の裏面に設けられた複数の固定用凸部３３と、ステータ基板３１の裏面側にて外周縁に沿って形成され、軸方向へ延びる外周リブ３４と、ステータ基板３１の中央部分に形成され、回転軸１４が貫通する貫通孔３１ｂと、ステータ基板３１の裏面側にて貫通孔３１ｂの内周縁に沿って形成され、軸方向へ延びる内周リブ３５と、ステータ基板３１から横方向（水平方向）を向いた一つのコネクタ部３６とを備える。外周リブ３４と複数の固定用凸部３３とは、連続して一体に形成される。図３に示すように、ステータ基板３１の表面３１ａに配置された平面コイル３２は、インクジェット等を使用した印刷により形成され、その上に絶縁膜が形成される。

図１に示すように、各固定用凸部３３（図１には１つのみ図示した。）は、円柱形状をなし、この実施形態では、ステータ基板３１の裏面にてその外周に沿って等角度間隔に配置される。各固定用凸部３３には、ネジ穴３７ａを有する金属ブッシュ３７が設けられる。この金属ブッシュ３７は、固定用凸部３３に対してインサート成形される。金属ブッシュ３７には、センサステータ６をモータハウジング１１に固定するためにボルト９が締め付けられるようになっている。

図１に示すように、コネクタ部３６には、複数の金属製ターミナル３９がインサート成形される。各ターミナル３９は、直角に折れ曲がって形成され、第１の端部３９ａがコネクタ部３６の中に配置され、第２の端部３９ｂがステータ基板３１に配置される。ステータ基板３１に配置された各第２の端部３９ｂには、平面コイル３２を構成するコイル線が接続される。

次に、センサロータ７及びセンサステータ６の平面コイル２２，３２について詳しく説明する。図２に示すように、センサロータ７の平面コイル２２は、励磁コイルパターン２６とロータリートランスコイルパターン２７とを含む。励磁コイルパターン２６とロータリートランスコイルパターン２７は同一の層として形成される。励磁コイルパターン２６は、円環状をなすように周方向に配置された４つのコイル部２６ａ，２６ｂ，２６ｃ，２６ｄにより構成される。ロータリートランスコイルパターン２７は、円環状をなす励磁コイルパターン２６が設けられる領域の径方向内側に配置される。励磁コイルパターン２６とロータリートランスコイルパターン２７の層の上には、略円環状をなす絶縁膜（図示略）が形成される。

図４に、センサステータ６の平面コイル３２のみを平面図により示す。図３及び図４に示すように、センサステータ６の平面コイル３２は、検出コイルパターン４１とロータリートランスコイルパターン４２とを含む。検出コイルパターン４１とロータリトランスコイルパターン４２は同一の層として形成される。検出コイルパターン４１は、ＳＩＮ相コイルパターン４１ＡとＣＯＳ相コイルパターン４１Ｂとを含む。それらコイルパターン４１Ａ，４１Ｂは、それぞれ円環状をなすように円周方向に位相が電気角で９０°ずらされた状態で配置される。ロータリートランスコイルパターン４２は、検出コイルパターン４１が設けられる領域の径方向内側に配置される。検出コイルパターン４１とロータリートランスコイルパターン４２の上には、略円環状をなす絶縁膜（図示略）が形成される。ＳＩＮ相コイルパターン４１Ａは、その外周に接続線４３を含む。この接続線４３の端部には、一対をなすターミナル４３ａ，４３ｂが設けられる。同様に、ＣＯＳ相コイルパターン４１Ｂは、その外周に接続線４４を含む。この接続線４４の端部には、一対をなすターミナル４４ａ，４４ｂが設けられる。また、ロータリートランスコイルパターン４２も接続線４５を含み、その端に一対のターミナル４５ａ，４５ｂが設けられる。各接続線４３〜４５のターミナル４３ａ，４３ｂ，４４ａ，４４ｂ，４５ａ，４５ｂは、それぞれコネクタ部３６に設けられたターミナル３９に接続され、外部回路に接続されるようになっている。

図４に鎖線楕円Ｓ１で囲んで示すように、ロータリートランスコイルパターン４２の接続線４５は、２本の接続線４５Ａ，４５Ｂにより構成される。これら２本の接続線４５Ａ，４５Ｂは、検出コイルパターン４１（ＳＩＮ相コイルパターン４１Ａ及びＣＯＳ相コイルパターン４１Ｂ）を乗り越えるように配置される。図５に、図４に示す接続線４５の中間部分を垂直方向に横に切断した拡大断面図により示す。図５に示すように、２本の接続線４５Ａ，４５Ｂは、検出コイルパターン４１を乗り越える部分において上下に重ねて配置される。２本の接続線４５Ａ，４５Ｂは、絶縁膜４６を間に介在させて上下に重ねて配置される。接続線４５と検出コイルパターン４１との間にも絶縁膜４７が設けられる。ここで、「上下に重ねて配置される」という記載の「上下」とは、ＳＩＮ相コイルパターン４１Ａ及びＣＯＳ相コイルパターン４１Ｂが形成される面に対して垂直な方向を意味する。

ここで、上記した角度センサ１の動作を簡単に説明する。モータ２の作動時に、所定の励磁信号発生回路で励磁信号が発生することにより、センサステータ６の接続線４５Ａ，４５Ｂ及びロータリートランスコイルパターン４２、センサロータ７のロータリートランスコイルパターン２７を介して、センサロータ７の励磁コイル２６に励磁信号が供給される。この励磁信号の電流により励磁コイル２６で磁束が発生し、その磁束によりセンサステータ６のＳＩＮ相コイルパターン４１Ａ及びＣＯＳ相コイルパターン４１Ｂに起電力（ＳＩＮ 信号及びＣＯＳ信号）が発生する。そして、これらＳＩＮ相コイルパターン４１Ａで発生した起電力（ＳＩＮ信号）の振幅変動と、ＣＯＳ相コイルパターン４１Ｂで発生した起電力（ＣＯＳ信号）の振幅変動とを所定の検波回路でそれぞれ検波し、それら検波後の信号を所定の演算回路で解析することにより、センサロータ７の回転位置を算出することができる。このように角度センサ１により、回転軸１４の回転角度を検出することができる。

以上説明したこの実施形態の角度センサ１によれば、センサステータ６につき、ロータリートランスコイルパターン４２の２本の接続線４５Ａ，４５Ｂが、検出コイルパターン４１（ＳＩＮ相コイルパターン４１Ａ及びＣＯＳ相コイルパターン４１Ｂ）を乗り越える部分において、上下に重ねて配置される。ここで、図６に示すように、２本の接続線４５Ａ，４５Ｂを流れる電流が互いに逆向きとなり、２本の接続線４５Ａ，４５Ｂの周りで発生する磁界ｍ１，ｍ２が互いに逆向きとなる。従って、２本の接続線４５Ａ，４５Ｂの間では磁界ｍ１，ｍ２が互いに強め合うことになるが、図６に示すように、その強め合う磁界ｍ１，ｍ２の方向が検出コイルパターン４１（ＳＩＮ相コイルパターン４１Ａ及びＣＯＳ相コイルパターン４１Ｂ）に対して平行になるので、検出コイルパターン４１に対する磁気的結合の影響が少なくなる。この結果、角度センサ１の検出誤差を低減することができる。図６には、２本の接続線４５Ａ，４５Ｂと、それらの磁界ｍ１，ｍ２と、検出コイルパターン４１との関係を模式図により示す。

また、この実施形態では、２本の接続線４５Ａ，４５Ｂが、絶縁膜４６を間に介在させて上下に重ねて配置されるので、２本の接続線４５Ａ，４５Ｂの間の絶縁性が保たれる。このため、角度センサ１の短絡故障を未然に防止することができる。

図７に、本実施形態の比較例に係り、センサステータ６の平面コイル３２を平面図により示す。図７に鎖線楕円Ｓ２で囲んで示すように、ロータリートランスコイルパターン４２の接続線５５は、検出コイルパターン４１（ＳＩＮ相コイルパターン４１Ａ及びＣＯＳ相コイルパターン４１Ｂ）を乗り越えるように配置された２本の接続線５５Ａ，５５Ｂを含み、それら２本の接続線５５Ａ，５５Ｂが左右に並列に配置される。この比較例の構成によれば、図８に示すように、２本の接続線５５Ａ，５５Ｂを流れる電流が互いに逆向きとなり、２本の接続線５５Ａ，５５Ｂの周りで発生する磁界ｍ１，ｍ２が互いに逆向きとなる。従って、２本の接続線５５Ａ，５５Ｂの間では磁界ｍ１，ｍ２が互いに強め合い、その強め合う磁界ｍ１，ｍ２の方向が検出コイルパターン４１に対して垂直になるので、検出コイルパターン４１に対する磁気的結合の影響が多くなる。この結果、角度センサの検出誤差が増大する懸念がある。これに対し、本実施形態では、検出コイルパターン４１と２本の接続線４５Ａ，４５Ｂとの間で磁気的結合の影響が少なくなり、角度センサ１の検出誤差を低減することができるのである。図８には、２本の接続線５５Ａ，５５Ｂと、それらの磁界ｍ１，ｍ２と、検出コイルパターン４１との関係を模式図により示す。

図９に、本実施形態と比較例との誤差の違いをグラフに示す。図９から明らかなように、２次誤差及び４次誤差については、本実施形態と比較例との間でほとんど差異がないが、１次誤差については、本実施形態の誤差を比較例のそれの約６割に減ったことが分かる。ここで、図１０に、１次誤差、２次誤差、４次誤差及び全体誤差の関係をグラフにより示す。１次誤差とは、電気角で３６０度周期の周期誤差を、２誤差とは、電気角で１８０度周期の周期誤差を、４次誤差とは、電気角で９０度周期の周期誤差をそれぞれ意味する。

なお、この発明は前記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構成の一部を適宜変更して実施することもできる。

例えば、前記実施形態では、図４に示すように、ロータリートランスコイルパターン４２の２本の接続線４５Ａ，４５Ｂを、検出コイルパターン４１の接続線４３，４４の端部の間に配置したが、図１１に示すように、ロータリートランスコイルパターン４２の２本の接続線４５Ａ，４５Ｂを、検出コイルパターン４１の接続線４３，４４の端部の片脇に配置することもできる。

前記実施形態では、ロータリートランスコイルパターン４２の２本の接続線４５Ａ，４５Ｂを、その全長さの部分で上下に重ねて配置したが、これら２本の接続線を、その全長さの部分ではなく、ＳＩＮ相コイル及びＣＯＳ相コイルを乗り越える部分だけ上下に重ねて配置することもできる。

この発明は、モータやエンジンの回転角度の検出に利用することができる。

１ 角度センサ
５ 隙間
６ センサステータ
７ センサロータ
２１ ロータ基板
２１ａ 表面
２２ 平面コイル
２６ 励磁コイルパターン
２７ ロータリートランスコイルパターン
３１ ステータ基板
３１ａ 表面
３２ 平面コイル
４１ 検出コイルパターン
４１Ａ ＳＩＮ相コイルパターン
４１Ｂ ＣＯＳ相コイルパターン
４２ ロータリートランスコイルパターン
４５ 接続線
４５Ａ 接続線
４５Ｂ 接続線
４６ 絶縁膜

Claims (2)

1. 回転軸に取り付けられ、表面に平面コイルが形成されたセンサロータと、
   前記センサロータの前記表面に対し表面が隙間を介して対向して配置され、前記表面に平面コイルが形成されたセンサステータと、
   前記センサステータの平面コイルは、円環状をなすＳＩＮ相コイル及びＣＯＳ相コイルと、前記ＳＩＮ相コイルと前記ＣＯＳ相コイルが設けられる領域の径方向内側に配置されたロータリートランスコイルとを含むことと、
   前記ロータリートランスコイルは、外部回路に接続するための２本の接続線を含み、前記２本の接続線が前記ＳＩＮ相コイル及び前記ＣＯＳ相コイルを乗り越えるように配置されることと
   を備えた角度センサであって、
   前記ロータリートランスコイルの前記２本の接続線は、少なくとも前記ＳＩＮ相コイル及び前記ＣＯＳ相コイルを乗り越える部分にて、上下に重ねて配置されたことを特徴とする角度センサ。
2. 前記２本の接続線は、絶縁膜を介して上下に重ねて配置されたことを特徴とする請求項１に記載の角度センサ。

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