JP2018189485A - Angle detector - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an angle detector that can obtain a high detection gain for a high-frequency excitation current while having a coil with a simple configuration.SOLUTION: An angle detector 10 includes: a stator 20 having excitation coil parts 22 and detection coil parts 23 located at regular angular intervals; and a rotor 30 rotatable with respect to the stator 20, the rotor including a conductor. In the rotor 30, an eddy current flows to interrupt change of a magnetic flux generated by the excitation coil parts 22. In the detection coil parts 23, an inductive voltage is induced by the excitation coil parts 22. The conductor is formed so that the amplitude of the magnetic flux at a position in the predetermined circumferential direction of the stator 20 forms a sine wave according to the angle of the rotation of the rotor 30.SELECTED DRAWING: Figure 2

Description

この発明は角度検出器に関し、とくに、複数の検出コイルに誘起されるsin信号とcos信号を利用して角度検出するものに関する。   The present invention relates to an angle detector, and more particularly to an angle detector that utilizes sin and cos signals induced in a plurality of detection coils.

励磁巻線の起電力によって検出巻線に誘起される電圧は、磁性体であるロータの形状や、各検出コイルの巻き数を適切に選ぶことにより、ロータの回転角度に依存したsin波形およびcos波形の信号として得られる。   The voltage induced in the detection winding by the electromotive force of the excitation winding is determined by appropriately selecting the shape of the rotor, which is a magnetic material, and the number of turns of each detection coil, and the sin waveform and cos depending on the rotation angle of the rotor. Obtained as a waveform signal.

図5および図6に、このような角度検出器の構成の例を示す。図5はステータコアを軸方向から見た形状を示し、図6はロータコアを軸方向から見た形状を示す。このような角度検出器の例は特許文献1に開示される。   5 and 6 show examples of the configuration of such an angle detector. FIG. 5 shows the shape of the stator core viewed from the axial direction, and FIG. 6 shows the shape of the rotor core viewed from the axial direction. An example of such an angle detector is disclosed in Patent Document 1.

ロータには電磁鋼板等透磁率の高い材料を用いると、ロ一タとステータのギャップ長が短い位置にあるコイルに対しては、その磁路の磁気抵抗は小さくなり、ギャップ長が長い位置にあるコイルに対しては、その磁路の磁気抵抗は大きくなる。これを利用して、検出巻線に誘起される電圧がsin波形となるように定義された巻き数をもつコイル(sin巻線)とcos波形となるように定義された巻き数を持つコイル(cos巻線)の2つの検出巻線を用意し、この2つの巻線に誘起される電圧比から、ロ一タの角度を検出していた。   When a material with high permeability such as an electromagnetic steel plate is used for the rotor, the magnetic resistance of the magnetic path is small for a coil in which the gap length between the rotor and the stator is short, and the gap length is long. For a certain coil, the magnetic resistance of the magnetic path increases. Using this, a coil having a number of turns defined so that the voltage induced in the detection winding has a sin waveform (sin winding) and a coil having a number of turns defined to have a cos waveform ( cos windings) were prepared, and the rotor angle was detected from the voltage ratio induced in these two windings.

また、図5および図6とは異なる構成を有する従来の角度検出器として、ロータに流れる渦電流を利用するものも知られている。このような角度検出器の例は特許文献2に開示される。   Further, as a conventional angle detector having a configuration different from that shown in FIGS. 5 and 6, there is known one using an eddy current flowing in a rotor. An example of such an angle detector is disclosed in Patent Document 2.

特開平8−178611号公報JP-A-8-178611 特開2011−202966号公報JP 2011-202966 A

しかしながら、従来の技術では、コイルの構成を簡素としながら高周波の励磁電流に対して高い検出ゲインを得ることが困難であるという問題があった。   However, the conventional technique has a problem that it is difficult to obtain a high detection gain with respect to a high-frequency excitation current while simplifying the configuration of the coil.

たとえば特許文献1のように、角度検出の原理にロータの透磁率がギャップ部(真空の透磁率)に比して大きいことを利用している従来技術では、高周波の励磁電流に対して高いゲインを得ることが困難である。検出コイルの誘起電圧は、励磁電流の起磁力に比例し、励磁コイルに流れる電流の周波数が高ければ、大きな誘起電圧が得られる。一方、電磁鋼板等の磁性体は、周波数が高くなればその透磁率が小さくなり、一定値以上高い周波数に対しては、その透磁率は真空の透磁率とほぼ変わらなくなってしまう。従って、このような従来技術では、ある一定値以上励磁電流の周波数をあげると検出ゲインが低下してしまう。   For example, as in Japanese Patent Application Laid-Open No. H11-260260, the conventional technique that utilizes the fact that the rotor permeability is larger than the gap portion (vacuum permeability) for the principle of angle detection has a high gain for high-frequency excitation current. Is difficult to get. The induced voltage of the detection coil is proportional to the magnetomotive force of the exciting current, and a large induced voltage can be obtained if the frequency of the current flowing through the exciting coil is high. On the other hand, the magnetic substance such as an electromagnetic steel sheet has a low magnetic permeability when the frequency is high, and the magnetic permeability is almost the same as the vacuum magnetic permeability for a frequency higher than a certain value. Therefore, in such a conventional technique, when the frequency of the excitation current is increased above a certain value, the detection gain is lowered.

また、たとえば特許文献2の構成は渦電流を利用するものであるが、コイルの構成が複雑となる。具体的には、コイルパターンを正逆交互に配置したり、ロータの全周にわたって円環状をなすようにコイルを配置する必要がある。   For example, the configuration of Patent Document 2 uses eddy current, but the configuration of the coil is complicated. Specifically, it is necessary to arrange the coil patterns so that the coil patterns are alternately alternated or to form an annular shape over the entire circumference of the rotor.

この発明はこのような問題点を解消するためになされたものであり、コイルの構成を簡素としながら高周波の励磁電流に対して高い検出ゲインを得ることが可能な角度検出器を提供することを目的とする。   The present invention has been made to solve such problems, and provides an angle detector capable of obtaining a high detection gain with respect to a high-frequency excitation current while simplifying a coil configuration. Objective.

この発明に係る角度検出器は、
所定角度間隔毎に設けられた励磁コイル部および検出コイル部を有する輪状ステータと、
前記輪状ステータに対して回転自在な、導電体を含む輪状ロータと、
を有する角度検出器において、
前記輪状ロータには前記励磁コイル部が生成する磁束の変化を遮るように渦電流が流れ、前記検出コイル部には前記励磁コイル部によって誘起電圧が誘起され、
前記輪状ステータの所定の周方向位置における磁束の振幅が、前記輪状ロータの回転角度に応じて正弦波状となるよう、前記導電体が成形されている、
ことを特徴とする。
特定の実施態様によれば、
前記輪状ロータは、前記輪状ステータに対して軸方向に離間して配置され、
前記輪状ロータは、外周に形成され半径方向の長さが変化する凹凸部を備える。
特定の実施態様によれば、前記輪状ロータに含まれる前記導電体は非磁性である。
特定の実施態様によれば、前記励磁コイル部および検出コイル部は、前記輪状ステータ上の導電パターンまたはマグネットコイルである。
The angle detector according to the present invention is:
A ring-shaped stator having excitation coil portions and detection coil portions provided at predetermined angular intervals;
A ring-shaped rotor including a conductor that is rotatable with respect to the ring-shaped stator; and
In an angle detector having
An eddy current flows through the annular rotor so as to block a change in magnetic flux generated by the excitation coil unit, and an induced voltage is induced in the detection coil unit by the excitation coil unit,
The conductor is shaped so that the amplitude of the magnetic flux at a predetermined circumferential position of the annular stator is sinusoidal according to the rotation angle of the annular rotor.
It is characterized by that.
According to a particular embodiment,
The ring-shaped rotor is arranged to be spaced apart in the axial direction with respect to the ring-shaped stator,
The ring-shaped rotor includes a concavo-convex portion that is formed on the outer periphery and whose radial length changes.
According to a particular embodiment, the conductor contained in the annular rotor is non-magnetic.
According to a particular embodiment, the excitation coil part and the detection coil part are a conductive pattern or a magnet coil on the annular stator.

この発明に係る角度検出器は、高周波の励磁電流に追従可能な渦電流を用いるので、高周波の励磁電流に対して高い検出ゲインを得ることができる。また、磁束の振幅が正弦波状となるように導電体が成形されているので、コイルの構成を簡素とすることができる。結果として、コイルの構成を簡素としながら高周波の励磁電流に対して高い検出ゲインを得ることが可能となっている。   Since the angle detector according to the present invention uses an eddy current that can follow a high-frequency excitation current, a high detection gain can be obtained with respect to the high-frequency excitation current. Further, since the conductor is formed so that the amplitude of the magnetic flux is sinusoidal, the configuration of the coil can be simplified. As a result, it is possible to obtain a high detection gain for a high-frequency excitation current while simplifying the configuration of the coil.

本発明の実施の形態1に係る角度検出器の、軸に垂直な平面による断面図である。It is sectional drawing by the plane perpendicular | vertical to an axis | shaft of the angle detector which concerns on Embodiment 1 of this invention. 図1の角度検出器の、軸と平行な平面による断面図である。It is sectional drawing by the plane parallel to an axis | shaft of the angle detector of FIG. 図1の角度検出器の一実施例においてロータに発生する渦電流のベクトル図である。FIG. 2 is a vector diagram of eddy current generated in a rotor in the embodiment of the angle detector of FIG. 1. 図1の角度検出器の一実施例において検出コイル部に鎖交する磁束密度のベクトル図である。FIG. 2 is a vector diagram of magnetic flux density interlinking with a detection coil unit in the embodiment of the angle detector of FIG. 1. 従来の角度検出器のステータコアを軸方向から見た形状を示す図である。It is a figure which shows the shape which looked at the stator core of the conventional angle detector from the axial direction. 従来の角度検出器のロータコアを軸方向から見た形状を示す図である。It is a figure which shows the shape which looked at the rotor core of the conventional angle detector from the axial direction.

以下、この発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
実施の形態1.
図1および図2に、本発明の実施の形態1に係る角度検出器10の構成の例を示す。図1は、角度検出器10の軸に垂直な平面による角度検出器10の断面図であり、図2は角度検出器10の軸と平行な平面による角度検出器10の断面図である。とくに、図1は図2のI−I線に沿った断面によるものであり、図2は図1のII−II線に沿った断面によるものである。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.
Embodiment 1 FIG.
1 and 2 show examples of the configuration of the angle detector 10 according to Embodiment 1 of the present invention. FIG. 1 is a cross-sectional view of the angle detector 10 by a plane perpendicular to the axis of the angle detector 10, and FIG. 2 is a cross-sectional view of the angle detector 10 by a plane parallel to the axis of the angle detector 10. In particular, FIG. 1 is a cross section taken along line II in FIG. 2, and FIG. 2 is a cross section taken along line II-II in FIG.

角度検出器10は、レゾルバと呼ばれるものであってもよい。角度検出器10は、ステータ20と、ロータ30とを有する。ステータ20は、ステータ本体21と、励磁コイル部22と、検出コイル部23とを備える。ステータ本体21はたとえば輪状に形成され、その場合にはステータ20の全体が輪状となる。また、ロータ30もたとえば輪状に形成される。ロータ30は、ステータ20に対して回転自在に設けられる。また、図2に示すように、ロータ30は、ステータ20に対して軸方向に離間して配置される。すなわち、角度検出器10において、ステータ20およびロータ30はアキシャル型に配置される。   The angle detector 10 may be a so-called resolver. The angle detector 10 includes a stator 20 and a rotor 30. The stator 20 includes a stator body 21, an excitation coil unit 22, and a detection coil unit 23. The stator body 21 is formed in a ring shape, for example, and in that case, the entire stator 20 is ring-shaped. The rotor 30 is also formed in a ring shape, for example. The rotor 30 is provided so as to be rotatable with respect to the stator 20. Further, as shown in FIG. 2, the rotor 30 is arranged to be separated from the stator 20 in the axial direction. That is, in the angle detector 10, the stator 20 and the rotor 30 are arranged in an axial type.

ロータ30は図示しない回転軸に固定されており、回転軸とともにステータ20に対して回転する。角度検出器10は、ステータ20に対するロータ30の回転角度(角度位置)を検出することができるように構成されている。図1および図2の例では、ステータ20の内周面および外周面と、ロータ30の内周面とはいずれも円筒状であり、それぞれの軸は共通となっている。   The rotor 30 is fixed to a rotating shaft (not shown) and rotates with respect to the stator 20 together with the rotating shaft. The angle detector 10 is configured to detect a rotation angle (angular position) of the rotor 30 with respect to the stator 20. In the example of FIGS. 1 and 2, the inner and outer peripheral surfaces of the stator 20 and the inner peripheral surface of the rotor 30 are both cylindrical, and the respective axes are common.

励磁コイル部22および検出コイル部23は、ステータ20上の導電パターンとして構成される。励磁コイル部22は、ステータ本体21の周方向に所定角度間隔毎に設けられる。検出コイル部23もまた、ステータ本体21の周方向に所定角度間隔毎に設けられる。図1および図2では、励磁コイル部22および検出コイル部23は、同一の周方向位置において互いに実質的に重なるよう配置されているが、これらの位置関係は図示のものに限らない。また、図1および図2では、励磁コイル部22が構成するループのすぐ内側に検出コイル部23が構成するループが配置されているが、これらの位置関係も図示のものに限らない。   The excitation coil unit 22 and the detection coil unit 23 are configured as a conductive pattern on the stator 20. The exciting coil unit 22 is provided at predetermined angular intervals in the circumferential direction of the stator body 21. The detection coil portions 23 are also provided at predetermined angular intervals in the circumferential direction of the stator body 21. In FIG. 1 and FIG. 2, the excitation coil unit 22 and the detection coil unit 23 are disposed so as to substantially overlap each other at the same circumferential position, but their positional relationship is not limited to that illustrated. In FIGS. 1 and 2, the loop formed by the detection coil unit 23 is arranged immediately inside the loop formed by the excitation coil unit 22, but the positional relationship between them is not limited to that illustrated.

ロータ30は導電体を含む。本実施形態では、ロータ30は全体が導電体から構成される。このため、ロータ30には、励磁コイル部22が生成する磁束の変化を遮るように渦電流が流れる。また、ロータ30に含まれる導電体は、本実施形態では非磁性体を含む。本実施形態では、ロータ30の導電体は全体が非磁性である。   The rotor 30 includes a conductor. In the present embodiment, the entire rotor 30 is made of a conductor. For this reason, an eddy current flows through the rotor 30 so as to block the change in magnetic flux generated by the exciting coil unit 22. In addition, the conductor included in the rotor 30 includes a nonmagnetic material in the present embodiment. In the present embodiment, the entire conductor of the rotor 30 is nonmagnetic.

ステータ20において、励磁コイル部22には交流電流が流れるよう構成されており、励磁コイル部22は、交流電流が流れることに応じて変化する磁束を生成する。このように変化する磁束に応じ、検出コイル部23には誘起電圧が誘起される。すなわち、励磁コイル部22によって検出コイル部23に誘起電圧が誘起される。   In the stator 20, an alternating current flows through the exciting coil unit 22, and the exciting coil unit 22 generates a magnetic flux that changes in accordance with the flowing of the alternating current. In response to the magnetic flux changing in this way, an induced voltage is induced in the detection coil unit 23. That is, an induced voltage is induced in the detection coil unit 23 by the excitation coil unit 22.

励磁コイル部22に電流を供給するための構成(電源等)および検出コイル部23における誘起電圧を検出するための構成(電圧計または制御装置等)については説明を省略するが、当業者であれば適宜公知の構成等に基づいて設計可能である。   A description of a configuration for supplying current to the exciting coil unit 22 (power source or the like) and a configuration for detecting an induced voltage in the detection coil unit 23 (such as a voltmeter or a control device) will be omitted. For example, it is possible to design based on a known configuration.

ロータ30は、ステータ20の所定の周方向位置における磁束の振幅が、ロータ30の回転角度に応じて正弦波状となるように、成形されている。このようなロータ30の具体的構成および形状は、たとえば図1および図2に示すようにロータ30の径を周方向位置に応じて変化させることにより実現することができる。図示の実施形態では、ロータ30は凹凸部31を備える。凹凸部31は、ロータ30の外周に形成され、半径方向の長さが変化する部分である。たとえば凹凸部31は、大径部31aおよび小径部31bを備える。なお、図1および図2の例は、本発明の原理を説明するための概略図であり、各部分の寸法(とくにロータ30の半径方向の長さ)は厳密なものではない。   The rotor 30 is shaped so that the amplitude of the magnetic flux at a predetermined circumferential position of the stator 20 is sinusoidal according to the rotation angle of the rotor 30. Such a specific configuration and shape of the rotor 30 can be realized, for example, by changing the diameter of the rotor 30 according to the circumferential position as shown in FIGS. 1 and 2. In the illustrated embodiment, the rotor 30 includes an uneven portion 31. The concavo-convex portion 31 is a portion that is formed on the outer periphery of the rotor 30 and whose radial length changes. For example, the uneven part 31 includes a large diameter part 31a and a small diameter part 31b. 1 and 2 are schematic diagrams for explaining the principle of the present invention, and the dimensions of each part (particularly the length in the radial direction of the rotor 30) are not strict.

このような形状によるロータ30の作用は、次のようになる。たとえば、ステータ20の特定の周方向位置(ある特定の励磁コイル部22および検出コイル部23に対応する周方向位置)に、凹凸部31の大径部31aが位置している場合には、その周方向位置においてロータ30に流れる渦電流が大きくなり、励磁コイル部22が生成する磁束の変化を遮る作用が強くなる。この結果、その周方向位置における磁束の振幅は小さくなる。   The operation of the rotor 30 having such a shape is as follows. For example, when the large-diameter portion 31a of the concavo-convex portion 31 is located at a specific circumferential position of the stator 20 (a circumferential position corresponding to a specific excitation coil portion 22 and detection coil portion 23), The eddy current flowing through the rotor 30 at the circumferential position increases, and the action of blocking the change in magnetic flux generated by the exciting coil unit 22 becomes stronger. As a result, the magnetic flux amplitude at the circumferential position is reduced.

一方で、その周方向位置に、凹凸部31の小径部31bが位置している場合には、その周方向位置においてロータ30に流れる渦電流が小さくなり、励磁コイル部22が生成する磁束の変化を遮る作用が弱くなる。この結果、その周方向位置における磁束の振幅は大きくなる。   On the other hand, when the small-diameter portion 31b of the concavo-convex portion 31 is located at the circumferential position, the eddy current flowing through the rotor 30 at the circumferential position is reduced, and the change in magnetic flux generated by the exciting coil portion 22 is reduced. The action of blocking is weakened. As a result, the magnetic flux amplitude at the circumferential position increases.

また、その周方向位置に、凹凸部31の大径部31aと小径部31bとの間の部分が位置している場合には、その部分の半径方向の長さに応じて、その周方向位置においてロータ30に流れる渦電流の大きさが変化し、励磁コイル部22が生成する磁束の変化を遮る作用の強さが変化する。この結果、ロータ30の半径方向の長さに応じて、その周方向位置における磁束の振幅が変化する。   Further, when a portion between the large diameter portion 31a and the small diameter portion 31b of the uneven portion 31 is located at the circumferential position, the circumferential position according to the radial length of the portion. At this time, the magnitude of the eddy current flowing through the rotor 30 changes, and the strength of the action that blocks the change in magnetic flux generated by the exciting coil section 22 changes. As a result, the amplitude of the magnetic flux at the circumferential position changes according to the length of the rotor 30 in the radial direction.

このようにして、ステータ20の各周方向位置における磁束の振幅が、ロータ30の回転角度に応じて変化する。各周方向位置における磁束の振幅は、その周方向位置における検出コイル部23に誘起される誘起電圧の振幅に基づいて検出または算出可能である。   In this way, the amplitude of the magnetic flux at each circumferential position of the stator 20 changes according to the rotation angle of the rotor 30. The magnetic flux amplitude at each circumferential position can be detected or calculated based on the amplitude of the induced voltage induced in the detection coil section 23 at the circumferential position.

たとえば図1に示すようなロータ30の形状は、次のようにして決定可能である。まず、ある周方向位置0[rad]を起点として、2π/X[rad]ごとに小径部31bを配置する。ただしXはロータ30の軸倍角数を表す1以上の整数であり、図1の例ではX=4である。Xは小径部31bの数に対応する。また、周方向位置π/X[rad]を起点として、2π/X[rad]ごとに大径部31aを配置する。すなわち大径部31aの数と小径部31bの数とは等しく、これらは周方向に交互に配置される。   For example, the shape of the rotor 30 as shown in FIG. 1 can be determined as follows. First, the small diameter portion 31b is arranged every 2π / X [rad] starting from a certain circumferential position 0 [rad]. However, X is an integer greater than or equal to 1 representing the shaft angle multiplier of the rotor 30, and X = 4 in the example of FIG. X corresponds to the number of small diameter portions 31b. In addition, the large-diameter portion 31a is arranged every 2π / X [rad] starting from the circumferential position π / X [rad]. That is, the number of the large diameter portions 31a and the number of the small diameter portions 31b are equal, and these are alternately arranged in the circumferential direction.

ステータ20の特定の周方向位置に配置された検出コイル部23について、ロータ30の回転角度がθr=0[rad]であるときにその検出コイル部23に小径部31bが位置するとする。このとき、その検出コイル部23に作用する磁束の振幅は最大値となる。この最大値をΦmax[Wb]とする。この場合には、ロータ30の回転角度がθr=π/X[rad]であるときに、その検出コイル部23に大径部31aが位置し、磁束の振幅が最小値をとることになる。この最小値をΦmin[Wb]とする。   With respect to the detection coil portion 23 arranged at a specific circumferential position of the stator 20, it is assumed that the small diameter portion 31b is positioned in the detection coil portion 23 when the rotation angle of the rotor 30 is θr = 0 [rad]. At this time, the amplitude of the magnetic flux acting on the detection coil unit 23 becomes the maximum value. This maximum value is assumed to be Φmax [Wb]. In this case, when the rotation angle of the rotor 30 is θr = π / X [rad], the large diameter portion 31a is located in the detection coil portion 23, and the amplitude of the magnetic flux takes the minimum value. Let this minimum value be Φmin [Wb].

ロータ30の形状(とくに、各周方向位置における半径方向の長さ)は、その検出コイル部23における磁束の振幅が、ロータ30の回転角度θrに応じて正弦波状となるように、設計することができる。たとえば、ロータ30の回転角度θr[rad](ただし0≦θr≦2π/X)に対して、その検出コイル部23における磁束の振幅が次の式を満たすようにすればよい。   The shape of the rotor 30 (particularly, the length in the radial direction at each circumferential position) is designed so that the amplitude of the magnetic flux in the detection coil portion 23 becomes a sine wave shape according to the rotation angle θr of the rotor 30. Can do. For example, with respect to the rotation angle θr [rad] of the rotor 30 (where 0 ≦ θr ≦ 2π / X), the magnetic flux amplitude in the detection coil unit 23 may satisfy the following expression.

Figure 2018189485
Figure 2018189485

角度検出器10は、図示しない信号処理部を有する。各検出コイル部23において検出された信号は、信号処理部に入力される。この入力は、それぞれの検出コイル部23について並列に構成することができる。信号処理部では、各検出コイル部23から入力された信号に対し、それぞれ異なる係数を乗算した後に総和を取ることにより、sin信号およびcos信号を生成する。   The angle detector 10 has a signal processing unit (not shown). A signal detected by each detection coil unit 23 is input to the signal processing unit. This input can be configured in parallel for each detection coil section 23. The signal processing unit generates a sin signal and a cos signal by multiplying the signals input from the detection coil units 23 by different coefficients and then taking the sum.

sin信号を生成するための乗算に用いる係数は、たとえば次のように定義される。m番目の検出コイル部23について、その検出コイル部23の信号に乗算される係数N1(m)を、
N1(m)=p・N・K(m)・sin{θm+α(m)}
とする。ただし、
pは、mが奇数のときp=1、mが偶数のときp=−1であり、
は、係数の最大値を決定するための定数係数であり、
K(m)は、m番目の検出コイル部23におけるコイルの巻き数に応じて決定される値であり、たとえば巻き数をそのまま用いてもよく、すべての検出コイル部23の巻き数が同一であれば省略してもよく、
θmは、隣接する2つの検出コイル部23がなす角度(すなわち周方向位置の差)を表す定数であり、
α(m)は、m番目の検出コイル部23の周方向位置を表すオフセット値である。
The coefficient used for the multiplication for generating the sin signal is defined as follows, for example. For the mth detection coil unit 23, the coefficient N1 (m) multiplied by the signal of the detection coil unit 23 is
N1 (m) = p · N M · K (m) · sin {θm + α (m)}
And However,
p is p = 1 when m is odd, and p = −1 when m is even;
N M is a constant coefficient for determining the maximum value of the coefficient,
K (m) is a value determined according to the number of turns of the coil in the m-th detection coil unit 23. For example, the number of turns may be used as it is, and the number of turns of all the detection coil units 23 is the same. If you want, you can omit it.
θm is a constant representing an angle formed by two adjacent detection coil units 23 (that is, a difference in circumferential position),
α (m) is an offset value representing the circumferential position of the m-th detection coil unit 23.

また、cos信号を生成するための乗算に用いる係数は、たとえば次のように定義される。m番目の検出コイル部23について、その検出コイル部23の信号に乗算される係数N2(m)を、
N2(m)=p・N・K(m)・cos{θm+α(m)}
とする。
Moreover, the coefficient used for the multiplication for producing | generating a cos signal is defined as follows, for example. For the mth detection coil unit 23, the coefficient N2 (m) multiplied by the signal of the detection coil unit 23 is
N2 (m) = p · N M · K (m) · cos {θm + α (m)}
And

ロータ30の回転角度θrについて信号処理部で生成されたsin信号の振幅Esin(θr)は、次の式を満足する。
Esin(θr)=Emax・sin(X・θr+β)
ただしβはロータ30の回転角度θrの基準となるオフセット値である。
The amplitude Esin (θr) of the sin signal generated by the signal processing unit for the rotation angle θr of the rotor 30 satisfies the following expression.
Esin (θr) = Emax · sin (X · θr + β)
Here, β is an offset value that serves as a reference for the rotation angle θr of the rotor 30.

また、ロータ30の回転角度θrについて信号処理部で生成されたcos信号の振幅Ecos(θr)は、次の式を満足する。
Ecos(θr)=Emax・cos(X・θr+β)
Further, the amplitude Ecos (θr) of the cos signal generated by the signal processing unit for the rotation angle θr of the rotor 30 satisfies the following expression.
Ecos (θr) = Emax · cos (X · θr + β)

このようにして、Esin(θr)とEcos(θr)との比を算出することにより、ロータ30の回転角度θrを求めることができる。たとえば次のようになる
θr=arctan{Esin(θr)/Ecos(θr)}
Thus, the rotation angle θr of the rotor 30 can be obtained by calculating the ratio of Esin (θr) and Ecos (θr). For example, θr = arctan {Esin (θr) / Ecos (θr)}

図3および図4に、角度検出器10の一実施例に対する有限要素法による解析結果を示す。図3はロータ30に発生する渦電流のベクトル図であり、図4は検出コイル部23に鎖交する磁束密度のベクトル図である。   FIG. 3 and FIG. 4 show the analysis results by the finite element method for one embodiment of the angle detector 10. FIG. 3 is a vector diagram of eddy current generated in the rotor 30, and FIG. 4 is a vector diagram of magnetic flux density interlinking with the detection coil unit 23.

以上説明するように、本発明の実施の形態1に係る角度検出器10によれば、渦電流に基づいて磁束の変化を検出するので、ロータの透磁率に依存する磁束の変化を検出する構成と比較して、より周波数の高い励磁電流に対して検出ゲインを維持することができる。また、角度検出器10によれば、磁束の振幅が正弦波状となるようにロータ30が成形されているので、検出コイル部23の構成を簡素とすることができる。結果として、検出コイル部23の構成を簡素としながら高周波の励磁電流に対して高い検出ゲインを得ることが可能となっている。   As described above, according to the angle detector 10 according to the first embodiment of the present invention, since the change in magnetic flux is detected based on the eddy current, the change in magnetic flux that depends on the magnetic permeability of the rotor is detected. As compared with, the detection gain can be maintained with respect to the excitation current having a higher frequency. Moreover, according to the angle detector 10, since the rotor 30 is shape | molded so that the amplitude of magnetic flux may become a sine wave shape, the structure of the detection coil part 23 can be simplified. As a result, it is possible to obtain a high detection gain with respect to a high-frequency excitation current while simplifying the configuration of the detection coil unit 23.

また、一般的に、誘起電圧を大きくするためには、励磁コイル部22および検出コイル部23の面積を大きくする必要があるが、本発明の実施の形態1に係る角度検出器10によれば、ステータ20およびロータ30がアキシャル型に配置されるので、ラジアル型の配置に比較して、より薄い構成で大きなコイル面積を得ることができる。   In general, in order to increase the induced voltage, it is necessary to increase the areas of the excitation coil unit 22 and the detection coil unit 23, but according to the angle detector 10 according to the first embodiment of the present invention. Since the stator 20 and the rotor 30 are arranged in the axial type, it is possible to obtain a large coil area with a thinner configuration as compared with the radial type arrangement.

すなわち、従来の構成では、ロータに流れる渦電流により磁束が減少してしまうことを避けるために、ステータおよびロータには積層された鋼板を用いる必要があった。そのため、積層されたステータの厚みおよびロータの厚みに加え、ステータに巻かれるコイルのコイルエンド部分の厚みが少なくとも必要となり、それ全体の構成を薄くすることが困難であった。これに対し、本発明の実施の形態1に係る角度検出器10によれば、渦電流を抑制する必要がないため積層された鋼板を用いる必要がなく、ステータ20およびロータ30を従来より薄く構成することができる。また、励磁コイル部22および検出コイル部23を軸に垂直な面内に巻くことができるので、コイルについても従来より薄く構成することができる。このようにして、角度検出器10の薄型化が可能となる。   That is, in the conventional configuration, it is necessary to use laminated steel plates for the stator and the rotor in order to prevent the magnetic flux from decreasing due to the eddy current flowing through the rotor. Therefore, in addition to the thickness of the laminated stator and the thickness of the rotor, at least the thickness of the coil end portion of the coil wound around the stator is required, and it is difficult to reduce the overall configuration. On the other hand, according to the angle detector 10 according to the first embodiment of the present invention, it is not necessary to suppress eddy currents, so there is no need to use laminated steel plates, and the stator 20 and the rotor 30 are configured thinner than before. can do. Moreover, since the exciting coil part 22 and the detection coil part 23 can be wound in a plane perpendicular to the axis, the coil can also be made thinner than before. In this way, the angle detector 10 can be thinned.

また、従来技術では、ロータに磁束を通すためにはロータをある程度厚くすることが必要であるが、本発明の実施の形態1に係る角度検出器10では渦電流を用いており、渦電流を流すためには厚みは実質的に必要とされない。したがって、ロータ30の厚みは構造上の強度が必要とする最低の厚みまで薄くすることが可能であり、角度検出器10の薄型化が可能となる。   In the prior art, in order to pass the magnetic flux through the rotor, it is necessary to thicken the rotor to some extent. However, the angle detector 10 according to Embodiment 1 of the present invention uses eddy current, No substantial thickness is required for flow. Therefore, the thickness of the rotor 30 can be reduced to the minimum thickness required for structural strength, and the angle detector 10 can be thinned.

また、従来技術では、励磁コイルおよび検出コイルに巻線(マグネットコイル)を用いているため、巻線にかかるコストを低減することが困難であり、また、巻線と回路をつなぐコネクタ部のコストを低減させることも困難であった。これに対し、本発明の実施の形態1に係る角度検出器10では、励磁コイル部22および検出コイル部23を基板上のパターンで実現することが可能であり、これによりさらなる薄型化とコスト低減が可能である。   Further, in the prior art, since the winding (magnet coil) is used for the excitation coil and the detection coil, it is difficult to reduce the cost of the winding, and the cost of the connector part connecting the winding and the circuit. It was also difficult to reduce this. On the other hand, in the angle detector 10 according to the first embodiment of the present invention, the excitation coil unit 22 and the detection coil unit 23 can be realized by a pattern on the substrate, thereby further reducing the thickness and reducing the cost. Is possible.

また、従来技術では、sin巻線およびcos巻線という2つの独立した巻線を用いていた。このため、巻線順序によりsin巻線とcos巻線との間のアンバランスが発生しており、また、sin巻線とcos巻線との間の相互干渉も大きかった。これに対し、本発明の実施の形態1に係る角度検出器10では、1つの検出コイル部23からの信号をsin信号の生成およびcos信号の生成に共通して用いるので、各巻線間のアンバランスは発生せず、また、各巻線間の相互干渉も抑制できる。   In the prior art, two independent windings, a sin winding and a cos winding, are used. For this reason, the imbalance between the sin winding and the cos winding occurs due to the winding order, and the mutual interference between the sin winding and the cos winding is large. On the other hand, in the angle detector 10 according to the first embodiment of the present invention, the signal from one detection coil unit 23 is commonly used for the generation of the sin signal and the generation of the cos signal. There is no balance, and mutual interference between the windings can be suppressed.

また、従来技術では、コイルの巻かれる位置に応じて巻数を変化させることにより、sin信号およびcos信号という2つの信号を生成していた。このため、巻線のためのスペースに余裕があっても、検出コイルを規定以上の巻き数で巻くことができず、検出ゲインの向上に限界があった。また、巻線の有理化誤差も発生していた。これに対し、本発明の実施の形態1に係る角度検出器10では、各検出コイル部23から出力される信号に基づく演算によりsin波形およびcos波形を生成するので、励磁コイル部22および検出コイル部23の巻き数およびパターンを、スペースの許す限り定義することが可能であり、検出ゲインをより大きくすることができ、有理化誤差も原理的には解消できる。   In the prior art, two signals of a sin signal and a cos signal are generated by changing the number of turns according to the position where the coil is wound. For this reason, even if there is a sufficient space for the winding, the detection coil cannot be wound with a number of turns greater than the specified number, and there is a limit to the improvement in detection gain. In addition, rationalization errors of the windings were also generated. On the other hand, in the angle detector 10 according to the first embodiment of the present invention, the sin waveform and the cosine waveform are generated by the calculation based on the signal output from each detection coil unit 23. Therefore, the excitation coil unit 22 and the detection coil The number of turns and the pattern of the portion 23 can be defined as long as space permits, the detection gain can be increased, and rationalization errors can be eliminated in principle.

実施の形態1において、以下のような変形を施すことができる。
信号処理部は、デジタル回路を用いて構成することもでき、アナログ回路を用いて構成することもできる。また、信号処理部を省略してもよい。その場合には、検出コイル部23の位置によって巻き数を異ならせ、各検出コイル部23を直列に接続しておけば、その出力に基づいて直接的にsin信号およびcos信号を生成することができる。
In the first embodiment, the following modifications can be made.
The signal processing unit can be configured using a digital circuit, or can be configured using an analog circuit. Further, the signal processing unit may be omitted. In that case, if the number of turns is varied depending on the position of the detection coil unit 23 and the detection coil units 23 are connected in series, the sin signal and the cos signal can be directly generated based on the output. it can.

実施の形態1では、励磁コイル部22および検出コイル部23は導電パターンであるが、変形例として、これらはマグネットコイルであってもよい。   In the first embodiment, the excitation coil unit 22 and the detection coil unit 23 are conductive patterns, but as a modification, they may be magnet coils.

実施の形態1では、ステータ20およびロータ30はアキシャル型に配置されるが、これらはラジアル型に配置されてもよい。たとえば、ステータの径方向内側にロータを配置してもよい。その場合には、ロータの形状は実施の形態1と同様に構成してもよいし、他の形状としてもよい。たとえば、ロータの半径方向の長さを一定とし、周方向位置に応じて厚みを変化させることによっても、渦電流の大きさを変化させることができる。   In the first embodiment, the stator 20 and the rotor 30 are arranged in an axial type, but they may be arranged in a radial type. For example, the rotor may be arranged on the radially inner side of the stator. In that case, the shape of the rotor may be the same as that of the first embodiment, or may be another shape. For example, the magnitude of the eddy current can also be changed by making the length of the rotor in the radial direction constant and changing the thickness in accordance with the circumferential position.

実施の形態1では、ロータ30は全体が導電体で構成されるが、ロータの一部に絶縁体を含んでもよい。また、実施の形態1ではロータ30に含まれる導電体は全体が非磁性のものであるが、導電体の一部は磁性体であってもよい。ロータの少なくとも一部に非磁性の導電体を含んでいれば、磁束の振幅がロータの回転角度に応じて正弦波状となるように構成することにより、本発明の原理による角度検出器を実現することは可能である。   In the first embodiment, the rotor 30 is entirely made of a conductor, but an insulator may be included in a part of the rotor. In the first embodiment, the conductor included in the rotor 30 is entirely non-magnetic, but a part of the conductor may be magnetic. If at least a part of the rotor contains a nonmagnetic conductor, the angle detector according to the principle of the present invention is realized by configuring the magnetic flux amplitude to be sinusoidal according to the rotation angle of the rotor. It is possible.

10 角度検出器、20 ステータ(輪状ステータ)、22 励磁コイル部、23 検出コイル部、30 ロータ(輪状ロータ)、31 凹凸部。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Angle detector, 20 Stator (annular stator), 22 Excitation coil part, 23 Detection coil part, 30 Rotor (annular rotor), 31 Uneven part.

Claims (4)

所定角度間隔毎に設けられた励磁コイル部および検出コイル部を有する輪状ステータと、
前記輪状ステータに対して回転自在な、導電体を含む輪状ロータと、
を有する角度検出器において、
前記輪状ロータには前記励磁コイル部が生成する磁束の変化を遮るように渦電流が流れ、前記検出コイル部には前記励磁コイル部によって誘起電圧が誘起され、
前記輪状ステータの所定の周方向位置における磁束の振幅が、前記輪状ロータの回転角度に応じて正弦波状となるよう、前記導電体が成形されている、
ことを特徴とする角度検出器。
A ring-shaped stator having excitation coil portions and detection coil portions provided at predetermined angular intervals;
A ring-shaped rotor including a conductor that is rotatable with respect to the ring-shaped stator; and
In an angle detector having
An eddy current flows through the annular rotor so as to block a change in magnetic flux generated by the excitation coil unit, and an induced voltage is induced in the detection coil unit by the excitation coil unit,
The conductor is shaped so that the amplitude of the magnetic flux at a predetermined circumferential position of the annular stator is sinusoidal according to the rotation angle of the annular rotor.
An angle detector characterized by that.
前記輪状ロータは、前記輪状ステータに対して軸方向に離間して配置され、
前記輪状ロータは、外周に形成され半径方向の長さが変化する凹凸部を備える、
請求項1に記載の角度検出器。
The ring-shaped rotor is arranged to be axially spaced from the ring-shaped stator,
The ring-shaped rotor includes a concavo-convex portion that is formed on the outer periphery and changes in length in the radial direction.
The angle detector according to claim 1.
前記輪状ロータに含まれる前記導電体は非磁性である、請求項1または2に記載の角度検出器。   The angle detector according to claim 1, wherein the conductor included in the annular rotor is nonmagnetic. 前記励磁コイル部および検出コイル部は、前記輪状ステータ上の導電パターンまたはマグネットコイルである、請求項1〜3のいずれか一項に記載の角度検出器。   The angle detector according to any one of claims 1 to 3, wherein the excitation coil unit and the detection coil unit are a conductive pattern or a magnet coil on the annular stator.
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