JP2019032203A - 位置センサ及びモータ - Google Patents

Abstract

【課題】永久磁石を用いない位置センサでロータ位置を検出し、位置センサの位置合わせを容易かつ精度よく行う。【解決手段】位置センサ１Ｆは、シャフト５に固定されたロータ２の回転によるインダクタンスの変化に基づきロータ位置を検出する。筒状のステータ３Ｆは回転中心Ｃと同心配置され、内周面３ａから回転中心Ｃに向かって突設されて互いに対向配置された一対の主磁極３１からなる磁極対３２Ａ，３２Ｂを複数組有する。ロータ２は、回転中心Ｃからの距離が一定の基準円筒面２０ａから外側へ突設された一対の凸極２１を有する。また、位置センサ１Ｆは、各磁極対３２Ａ，３２Ｂの夫々の主磁極３１に巻回されたコイルからなるコイル対４Ａ，４Ｂを有する。ステータ３Ｆの外周面３ｂには、軸方向視で回転中心Ｃを中心とした仮想円３Ｃの接線方向に延在する複数の第一平面３４と、複数の第一平面３４を繋ぐ接続部３５とが含まれる。【選択図】図１

Description

本発明は、モータのロータ回転位置を検出するインダクタンス式の位置センサと、この位置センサを備えたモータとに関する。

従来、モータ（特にブラシレスモータ）には、その回転数や回転角度（回転位置）を検出するための検出器（センサ）が付設される。検出器としては、例えば、モータのロータに備えた永久磁石の磁束によりロータの回転位置を検出するホールセンサがある（例えば特許文献１参照）。ホールセンサを備えたブラシレスモータでは、ホールセンサからの出力信号に基づきロータの回転位置を特定し、最適なタイミングで電流を流すことでロータを回転させている。

特許第２６３９５２１号公報

しかしながら、ホールセンサと永久磁石とを用いた位置検出手段の場合、磁石の強度（堅牢性）が鉄などの金属に比べて低いことに加え、磁石の加工精度を高めにくいことから、重量バランスの調整や回転軸への固定などに工夫が必要となる。そのため、このような位置検出手段を高速回転にも耐えうるように構成すると、製造コストが嵩むおそれがある。また、ホールセンサのような電子部品は高温環境に弱いものが多く、自動車のエンジン周辺のような高温環境下では使用できない場合がある。さらに、永久磁石を使用しないモータ（例えばスイッチトリラクタンスモータ、以下「ＳＲモータ」という）は、マグネットレスにより高い堅牢性や耐熱性といったメリットを有しているが、このＳＲモータに永久磁石を用いた位置検出手段を装備してしまうと、せっかくのメリットが失われてしまうという課題がある。

また、ロータの回転位置を検出するセンサは、シャフト上に配置されてモータハウジングに固定されるが、このときの位置合わせは高精度に行う必要がある。さらに、ロータの回転によるインダクタンスの変化に基づいてロータの回転位置（以下「ロータ位置」という）を検出するセンサの場合、インダクタンスに重畳するノイズの影響によって誤検出を招くおそれがあるため、発生するインダクタンスを大きな値とし、ノイズの影響を受けにくくすることが望ましい。

本件の位置センサは、このような課題に鑑み案出されたもので、永久磁石を用いずにステータに対するロータの回転位置を検出するとともに、位置合わせを容易かつ精度よく行うことを目的の一つとする。また、本件のモータは、永久磁石を用いない位置センサによって回転位置を検出することで、マグネットレスのメリットを活かすことを目的の一つとする。なお、これらの目的に限らず、後述する発明を実施するための形態に示す各構成により導かれる作用効果であって、従来の技術によっては得られない作用効果を奏することも本件の他の目的である。

（１）ここで開示する位置センサは、シャフトに固定されたロータの回転によるインダクタンスの変化に基づいて、ステータに対する前記ロータの回転位置を検出する位置センサであって、筒状に形成され、前記シャフトの回転中心と同心に配置されるとともに、内周面から前記回転中心に向かって突設されて互いに対向配置された一対の主磁極からなる磁極対を複数組有する前記ステータと、前記回転中心からの距離が一定の基準円筒面から径方向外側へ突設された少なくとも一対の凸極を有する前記ロータと、直流電源に接続されて各組の前記磁極対の夫々の前記主磁極に巻回されたコイルからなるコイル対と、を備え、前記ステータの外周面には、前記シャフトの軸方向視で前記回転中心を中心とした仮想円の接線方向に延在する複数の第一平面と、前記複数の第一平面を繋ぐ接続部とが含まれる。

（２）前記接続部は、前記主磁極の個数以上設けられるとともに前記仮想円よりも径方向外側に配置され、各々の前記主磁極は、前記接続部の内側における前記内周面から突設されていることが好ましい。
（３）前記外周面には、前記ロータを挟んで逆向きに設けられ互いに平行な一対の前記第一平面が二組以上含まれ、前記接続部は、隣接する前記第一平面同士で形成される角部として設けられることが好ましい。

（４）前記外周面には、前記ロータを挟んで逆向きに設けられ互いに平行な一対の前記第一平面が二組以上含まれ、前記接続部は、隣接する前記第一平面同士を繋ぐ平面又は曲面として設けられることが好ましい。
（５）前記ステータは、前記シャフトの軸方向視で四回回転対称性を持った外形状であることが好ましい。

（６）前記ロータは、永久磁石以外の磁性体で形成されていることが好ましい。
（７）また、ここで開示するモータは、上記（１）〜（６）のいずれか一つに記載の位置センサと、前記シャフトと一体回転し、永久磁石を有さないモータロータと、ハウジングに固定され、永久磁石を有さないモータステータと、を備えている。
（８）前記モータは、前記軸方向視で中央に正方形状の中央スペースを有する二相モータであり、前記位置センサは、前記中央スペース内に配置されて前記ハウジングに固定されることが好ましい。

開示の位置センサによれば、インダクタンスの変化に基づいてロータ位置を検出することから、永久磁石を用いることなくロータ位置の検出が可能である。また、ステータの外周面に第一平面が含まれることから、位置センサの位置合わせを容易かつ精度よく行うことができる。
また、開示のモータによれば、永久磁石を用いない位置センサによって回転位置を検出することで、マグネットレスのメリットを活かすことができる。

第一実施形態に係る位置センサの磁気回路部を軸方向から見た模式図である。 図１に示す位置センサの電気回路部を例示する図である。 ロータの回転によって変化するインダクタンスと、スイッチングにより変化するシャント電圧と、処理部で行われる信号処理の内容とを併せて例示する図であり、機械角９０度の範囲を示す。 すべての実施形態に共通のモータを例示する模式的な斜視図である。 図１に示す位置センサの第一変形例の磁気回路部を軸方向から見た模式図である。 図１に示す位置センサの第二変形例の磁気回路部を軸方向から見た模式図である。 第二実施形態に係る位置センサの磁気回路部を軸方向から見た模式図である。 図７に示す磁気回路部に生じる磁束の流れを説明するための図である。 図７に示す位置センサの第一変形例の磁気回路部を軸方向から見た模式図である。 図９の位置センサによる効果を説明するための模式図である。

図面を参照して、実施形態としての位置センサ及びモータについて説明する。以下に示す実施形態はあくまでも例示に過ぎず、以下の実施形態で明示しない種々の変形や技術の適用を排除する意図はない。本実施形態の各構成は、それらの趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。また、必要に応じて取捨選択することができ、あるいは適宜組み合わせることができる。

〈１．第一実施形態〉
［１−１．構成］
図１は、第一実施形態に係る位置センサ１Ｆをシャフト５（回転軸）の軸方向から見た（軸方向視の）模式図である。本実施形態の位置センサ１Ｆは、永久磁石を有しないものであり、シャフト５に固定されたロータ２の回転によるインダクタンスＬの変化に基づいて、ステータ３Ｆに対するロータ２の回転位置（以下「ロータ位置」という）を検出する。

本実施形態では、ロータ２が一回転すると（機械角３６０度のあいだに）２パルスを出力する位置センサ１Ｆを例示する。すなわち、本実施形態の位置センサ１Ｆは、ロータ位置が、機械角３６０度を４等分した９０度ごとの範囲（例えば０〜９０度，９０〜１８０度，１８０〜２７０度，２７０〜３６０度の４つの範囲）のうち、第一及び第三の範囲（０〜９０度及び１８０〜２７０度）に属するのか、あるいは、第二及び第四の範囲（９０〜１８０度及び２７０〜３６０度）に属するのかを検出（特定）する。なお、ロータ２の一回転でのパルス数は２パルスに限られない。この変形例については後述する。

位置センサ１Ｆは、例えば図４に示すようなモータ９に組み込まれる。モータ９は、永久磁石を有していないスイッチトリラクタンスモータ（以下「ＳＲモータ９」という）であり、図示しないハウジングに固定されるモータステータ９Ａと、シャフト５と一体回転するモータロータ９Ｂとを備えている。本実施形態のＳＲモータ９は二相ＳＲモータであり、モータステータ９Ａには四つのモータティース部９Ｃが設けられる。四つのモータティース部９Ｃは、互いに９０度ずつずれて設けられる。各モータティース部９Ｃにはインシュレータ９Ｄが取り付けられ、インシュレータ９Ｄの周囲にモータコイル９Ｅが巻回されている。

本実施形態のＳＲモータ９は、軸方向視で中央に正方形状の中央スペース９Ｓを有する。中央スペース９Ｓは、四つのモータティース部９Ｃの内側端面および四つのインシュレータ９Ｄの内側端面で囲まれた空間であり、モータロータ９Ｂの配置スペースである。すなわち、中央スペース９Ｓは、モータロータ９Ｂが収まる大きさを有する。本実施形態の位置センサ１Ｆ、および、後述する変形例や第二実施形態に係る位置センサ１Ｆ′，１Ｓ等（図１では、符号１を付す）は、この中央スペース９Ｓ内に配置されて図示しないハウジングに固定される。

位置センサ１Ｆは、ＳＲモータ９のシャフト５上に配置され、ステータ３Ｆがハウジングに固定されるとともにロータ２がシャフト５に固定される。位置センサ１Ｆは、図１に示す磁気回路部１Ｆｍと図２に示す電気回路部１ｅとから構成され、ロータ位置を検出することで、ＳＲモータ９の回転位置（モータ回転角度）を検出する。磁気回路部１Ｆｍは、ロータ２，ステータ３Ｆ及び二組のコイル対４Ａ，４Ｂを有し、電気回路部１ｅは、処理部６及び励磁回路１０を有する。なお、後述するように、コイル対４Ａ，４Ｂは励磁回路１０にも含まれる要素である。本実施形態のロータ２は、永久磁石以外の磁性体（例えばケイ素鉄やソフトフェライトのような強磁性かつ軟磁性の材料）で形成されている。磁性体は強磁性かつ軟磁性であるとよい。

図１に示すように、ロータ２は、シャフト５の回転中心Ｃからの距離が一定の円筒部２０と、円筒部２０の基準円筒面２０ａから径方向外側へ突設された一対の凸極２１とを有する。一対の凸極２１は同一形状をなし、周方向に互いに１８０度ずれて設けられる。本実施形態の凸極２１は、軸方向視で基準円筒面２０ａに沿う円弧状であり、凸極２１の周方向における両端には角部２１ａが設けられる。なお、凸極２１の形状は図１に示すものに限られない。本実施形態のＳＲモータ９は、ロータ２とモータロータ９Ｂとが同一のシャフト５に固定されており、ロータ２の凸極２１とモータロータ９Ｂの凸極（図示略）とが位相差を保って回転するように配置されている。

図１に示すように、ステータ３Ｆは環状（筒状）に形成され、シャフト５の回転中心Ｃと同心に配置されるとともに、内周面３ａから回転中心Ｃに向かって突設されて互いに対向配置された一対の磁極３１（主磁極）からなる磁極対３２を複数組有する。本実施形態のステータ３Ｆは、その外形状が軸方向視で略正方形である。ステータ３Ｆの外周面３ｂには、軸方向視で回転中心Ｃを中心とした仮想的な円（図中の二点鎖線、以下「仮想円３Ｃ」という）の接線方向に延びる複数（ここでは四つ）の第一平面３４と、第一平面３４を繋ぐ接続部としての角部３５とが含まれる。

本実施形態の外周面３ｂには、ロータ２を挟んで逆向きに設けられ互いに平行な一対の第一平面３４が二組含まれる。角部３５は、隣接する第一平面３４同士で形成され、仮想円３Ｃよりも径方向外側に配置される。本実施形態では、磁極３１の個数と同数（すなわち四つ）の角部３５が設けられる。なお、角部３５は尖っていてもよいし、僅かなＲ加工が施されていてもよい。本実施形態のステータ３Ｆは、軸方向視で正方形の環状をなす筒部３０と、回転方向に互いに９０度ずれて配置された二組の磁極対３２とを有する。以下、二組の磁極対３２のうちの一方を第一磁極対３２Ａと呼び、他方を第二磁極対３２Ｂと呼ぶ。

四つの磁極３１は、すべて同一形状をなし、接続部３５の内側における内周面３ａから突設されている。本実施形態の磁極３１は、筒部３０の四隅のそれぞれから回転中心Ｃに向かって延設されたティース３１ａと、ティース３１ａの先端部に設けられた羽根状に広がった壁部（以下「羽根３１ｂ」という）とを有し、軸方向視で略Ｔ字状をなす。ステータ３Ｆの内周面３ａ及び外周面３ｂのそれぞれは、正方形の環状をなす筒部３０の内面及び外面に相当する。本実施形態の筒部３０は、回転方向において厚みが一定に設けられる。ティース表面とコイル対４Ａ，４Ｂとはインシュレータ（図示略）により電気的に絶縁される。

二組のコイル対４Ａ，４Ｂは、電流が印加される入力コイルであり、各磁極対３２Ａ，３２Ｂのそれぞれの対向する磁極３１に互いに反対方向に巻回されたコイルからなる。具体的には、第一のコイル対４Ａ（以下「第一コイル対４Ａ」ともいう）は、第一磁極対３２Ａの一方の磁極３１に対して巻回されたコイル４１ａと、このコイル４１ａと他方の磁極３１に対して巻回されたコイル４２ａとから構成される。同様に、第二のコイル対４Ｂ（以下「第二コイル対４Ｂ」ともいう）は、第二磁極対３２Ｂの一方の磁極３１に対して巻回されたコイル４１ｂと、このコイル４１ｂと他方の磁極３１に対して巻回されたコイル４２ｂとから構成される。

コイル４１ａ，４２ａは、通電時に互いに反対磁極となるように巻回される。図１のように直列接続で連続して巻回される場合、コイル４１ａ，４２ａは回転中心Ｃから各磁極３１を見たときの巻回方向が互いに反対であり、コイル４１ｂ，４２ｂも同様に巻回方向が互いに反対である。なお、隣り合うコイル４１ａ及び４１ｂの巻回方向は同一でもあってもよいし、反対であってもよい。また、これら全てのコイル４１ａ，４２ａ，４１ｂ，４２の巻数は同一である。なお、図１では、コイル４１ａ等の巻回方向がわかるように一本線で示しているが、実際には、図１中に模様で示す範囲４０にコイル４１ａ等を巻回することができる。以下、範囲４０を「コイル巻回可能範囲４０」と呼ぶ。

本実施形態では、ロータ２の回転により変化するインダクタンスＬを、図２に示す電気回路部１ｅにより検出する。図２に示すように、本実施形態の電気回路部１ｅの励磁回路１０には、直流電源１１と、スイッチ１２と、上記した二組のコイル対４Ａ，４Ｂと、二つの抵抗１３Ａ，１３Ｂと、ダイオード１４と、二つの出力端子１５Ａ，１５Ｂとが設けられる。スイッチ１２は各コイル対４Ａ，４Ｂへの電流のオンオフを切り替えるものであり、直流電源１１に対して直列に接続される。二組のコイル対４Ａ，４Ｂは互いに並列接続されるとともに、いずれも直流電源１１に対して直列に接続される。また、二つの抵抗１３Ａ，１３Ｂのそれぞれは、各コイル対４Ａ，４Ｂに対して直列に接続される。ダイオード１４は直流電源１１に対して直列に接続される。また、二つの出力端子１５Ａ，１５Ｂは、各コイル対４Ａ，４Ｂと各抵抗１３Ａ，１３Ｂとの間にそれぞれ設けられる。以下、二つの出力端子１５Ａ，１５Ｂを区別する場合には、第一コイル対４Ａ側の一方を第一出力端子１５Ａと呼び、第二コイル対４Ｂ側の他方を第二出力端子１５Ｂと呼ぶ。

より具体的には、第一コイル対４Ａの一端４Ａ₁はスイッチ１２を介して直流電源１１のプラス端子に接続され、第一コイル対４Ａの他端４Ａ₂は抵抗１３Ａを介して直流電源１１のマイナス端子に接続される。また、第二コイル対４Ｂの一端４Ｂ₁はスイッチ１２を介して直流電源１１のプラス端子に接続され、第二コイル対４Ｂの他端４Ｂ₂は抵抗１３Ｂを介して直流電源１１のマイナス端子に接続される。スイッチ１２がオンになると、両方のコイル対４Ａ，４Ｂに電流が流れ、出力端子１５Ａ，１５Ｂのそれぞれから抵抗１３Ａ，１３Ｂにかかる電圧値Ｖ_A，Ｖ_Bを検出可能となる。以下、二つの電圧値Ｖ_A，Ｖ_Bを区別する場合には、第一出力端子１５Ａ側を第一電圧値Ｖ_Aともいい、第二出力端子１５Ｂ側を第二電圧値Ｖ_Bともいう。

処理部６は、ロータ２の回転時にスイッチ１２を高周波でスイッチングし、二組のコイル対４Ａ，４ＢのインダクタンスＬの大小関係に基づいて、ステータ３Ｆに対するロータ位置を検出する処理を行う。処理部６は、例えば信号処理回路で構成される。スイッチングの周波数はモータの回転数と機械角と電気角との比によるが、少なくともロータ２の回転数よりも十分に高く、例えば５０ｋＨｚとされる。本実施形態の処理部６は、各コイル対４Ａ，４ＢのインダクタンスＬの代わりに、各抵抗１３Ａ，１３Ｂにかかる電圧値Ｖ_A，Ｖ_Bを各出力端子１５Ａ，１５Ｂから取得し、各電圧値Ｖ_A，Ｖ_Bを処理して出力信号（パルス信号）に変換する。

図３は、ロータ２の回転によって変化するインダクタンスＬと、スイッチングにより変化する電圧値Ｖ_A，Ｖ_B（シャント電圧）と、処理部６で行われる信号処理の内容とを併せて例示する図であり、機械角９０度の範囲を示す。図３の横軸はロータ２の機械角である。図３には、機械角９０度の範囲で変化するインダクタンスＬと、スイッチ１２に入力されるクロック（オンオフ信号）と、電圧値Ｖ_A，Ｖ_B（シャント電圧）と、二つの電圧値Ｖ_A，Ｖ_Bの大小関係の比較結果と、サンプリングタイミングと、出力信号とを示す。インダクタンスＬ及び電圧値Ｖ_A，Ｖ_Bの変化を示す波形（電圧波形）は、実線が第一コイル対４Ａのものに対応し、破線が第二コイル対４Ｂのものに対応する。なお、図３では、一点鎖線で示すように電圧波形の一部を拡大して例示する。

ロータ２が回転すると、各磁極対３２Ａ，３２Ｂとロータ２の外周面との距離が変化する。例えば、ロータ位置が図１に示す状態である場合、第一磁極対３２Ａとロータ２の外周面との距離は、凸極２１の突出量の分だけ、第二磁極対３２Ｂとロータ２の外周面との距離よりも短くなる。このため、第一コイル対４Ａの磁気抵抗が第二コイル対４Ｂの磁気抵抗よりも小さくなり、励磁により生じる第一コイル対４Ａの磁束の量が、励磁により生じる第二コイル対４Ｂの磁束の量よりも多くなる。すなわち、図１に示すロータ位置の場合、第一コイル対４Ａの方が第二コイル対４ＢよりもインダクタンスＬが大きくなる。この状態でスイッチ１２がオンになると、インダクタンスＬの大きな第一コイル対４Ａの方が第二コイル対４Ｂよりも電流の立ち上がりが遅くなる。

また、ロータ２が図１の状態から４５度を越えて回転すると、凸極２１は第一磁極対３２Ａから離れて第二磁極対３２Ｂに接近することから、励磁による発生磁束量は、第一コイル対４Ａの方が第二コイル対４Ｂよりも少なくなり、第一コイル対４Ａの方が第二コイル対４ＢよりもインダクタンスＬが小さくなる。そのため、この状態でスイッチ１２がオンになると、インダクタンスＬの小さな第一コイル対４Ａの方が第二コイル対４Ｂよりも電流の立ち上がりが早くなる。

つまり、二組のコイル対４Ａ，４Ｂのうち、電流値が小さい一方が巻回された磁極対３２Ａ，３２Ｂにロータ２の外周面がより近接していることになる。そのため、スイッチ１２のオンオフを高速で繰り返し、スイッチ１２がオンのときの任意のタイミングにおける、二組のコイル対４Ａ，４ＢのインダクタンスＬの大小関係を比較することで、ロータ２の凸極２１の位置（すなわちロータ位置）を判断可能となる。本実施形態の励磁回路１０は、図３中に実線及び破線で示すように、インダクタンスＬの代わりに抵抗１３Ａ，１３Ｂにかかる電圧値Ｖ_A，Ｖ_Bを出力端子１５Ａ，１５Ｂのそれぞれから出力するため、処理部６は電圧値Ｖ_A，Ｖ_Bの大小関係を比較する。

また、インダクタンスＬは、図３中に実線及び破線で示すように、一方が大きいと他方が小さく、かつ、一方が減少し始めると他方が増加し始め、ある角度で大小関係が逆転する特性を持っている。二つのインダクタンスＬの大小関係が逆転する（インダクタンスＬが交わる）位置は、図１のロータ位置から４５度だけ回転した位置、すなわち、回転方向に隣接する二つの磁極３１の中央に凸極２１が位置する機械角である。処理部６は、このインダクタンスＬの変化（特性）を直接的に検出する代わりに、上述した処理を行うことで電圧波形を出力信号に変換し、ロータ位置を検出（特定）する。

処理部６は、図３に示すように、所定の周期（例えば ５０ｋＨｚ）でオンオフを繰り返すクロック信号をスイッチ１２に入力する。すなわち、クロックがオンのときにスイッチ１２がオンになるため、コイル対４Ａ，４Ｂに電流が流れ、各出力端子１５Ａ，１５Ｂから電圧が出力される。このときの電圧（電流）の立ち上がりは、コイル対４Ａ，４Ｂの各インダクタンスＬに応じて決まる。例えば、第一コイル対４ＡのインダクタンスＬが大きい場合、図中に拡大して示すように、クロック（スイッチ１２）がオンであるときの電圧の立ち上がりは、第二電圧値Ｖ_Bの方が第一電圧値Ｖ_Aよりも早い（すなわち、第二電圧値Ｖ_Bの方が大きな傾きとなる）。

処理部６は、二つの電圧値Ｖ_A，Ｖ_Bをコンパレータ（図示略）に入力することで、図中の比較波形（比較のオンオフ信号）を取得する。本実施形態のコンパレータは、「第一電圧値Ｖ_A≧第二電圧値Ｖ_B」であるときにオン信号を出力し、「第一電圧値Ｖ_A＜第二電圧値Ｖ_B」であるときにオフ信号を出力する。なお、「第一電圧値Ｖ_A≧第二電圧値Ｖ_B」であるときにオフ信号を出力し、「第一電圧値Ｖ_A＜第二電圧値Ｖ_B」であるときにオン信号を出力するようにしてもよい。サンプリングタイミングは、比較のオンオフ信号を抽出するタイミングを決める信号であり、クロックに同期している。サンプリングタイミングは、例えばクロックがオフからオンまたはオンからオフに切り替わった瞬間と同時であってもよいし、切り替えの瞬間から数μ秒後といった任意のタイミングであってもよい。

処理部６は、クロックに同期したサンプリングタイミングで比較のオンオフ信号を抽出し、比較のオン信号及びオフ信号と同じオンオフ状態の出力信号を出力する。すなわち、処理部６は、比較がオン信号である場合には出力信号をオンとし、比較がオフ信号である場合には出力信号をオフとする。図３に示す例では、二つの電圧波形が略重なる機械角θ₁のときに、出力信号がオフからオンへと切り替わっている。この切り替えタイミング（すなわち機械角θ₁）は、インダクタンスＬの大小関係が逆転する角度であり、本実施形態では図１に示すロータ位置から４５度回転した位置となる。なお、図３には機械角９０度の範囲のみを図示しているが、９０〜１８０度，１８０〜２７０度，２７０〜３６０度の各範囲においても、図３と同様の出力信号が出力される。このように、インダクタンスＬを直接的に検出できなくても、電圧波形の大小関係からインダクタンスＬの大小関係を求めることができ、ロータ位置の検出（特定）が可能である。

なお、位置センサ１のロータ２とＳＲモータ９のモータロータ９Ｂとはいずれもシャフト５に回転不能に固定されている。このため、処理部６から出力される出力信号（オン又はオフ）に基づきロータ位置が検出（特定）され、さらにこの出力信号（あるいはロータ位置情報）に基づいてモータロータ９Ｂを回転させるための電流制御が実施可能である。

［１−２．作用，効果］
（１）上述した位置センサ１Ｆでは、ロータ２を挟んで対向する磁極対３２Ａ，３２Ｂのそれぞれにおいて、一方の磁極３１からロータ２を通って他方の磁極３１へと磁束が流れる。ロータ２には凸極２１が設けられているため、回転位置に応じて各磁極対３２Ａ，３２Ｂとロータ２の外周面との距離が変化し、この距離に応じて磁気抵抗が変化することから、磁束の量が変化し、インダクタンスＬが変化する。

上述した位置センサ１Ｆは、このインダクタンスＬの変化（インダクタンスＬの変化に応じて変化する電流の立ち上がり速度や電圧波形）に基づいてロータ位置を検出することから、永久磁石を用いることなくロータ位置の検出が可能である。また、上述した位置センサ１Ｆは、ステータ３の外周面３ｂに第一平面３４が含まれることから、位置センサ１Ｆの位置合わせを容易かつ精度よく行うことができる。すなわち、複数の第一平面３４をハウジングの位置合わせ面（図示略）にそれぞれ当接させるだけで、位置センサ１Ｆを正確にＳＲモータ９に組み込むことができる。また、上述した位置センサ１Ｆによれば、相対比較によってロータ位置を検出できるため、例えば直流電源１１の電圧が変動した場合であっても、検出精度を保つことができる。さらに、上述した位置センサ１Ｆによれば、磁気回路部１Ｆｍ及び電気回路部１ｅの構成をいずれもシンプルにすることができる。

（２）上述した位置センサ１では、仮想円３Ｃよりも径方向外側に位置する接続部（本実施形態では角部３５）の内側における内周面３ａから磁極３１が突設されている。このため、第一平面３４に磁極が突設された場合と比較して、磁極３１の突出長さを長くすることができる。これにより、コイル巻回可能範囲４０が大きくなり、コイル４１ａ等の巻線量を増やすことができる。したがって、インダクタンスＬが大きくなることから、信号強度を強くすることができ、ノイズの影響を受けにくくすることができる。

（３）特に、上述した位置センサ１Ｆでは、隣接する第一平面３４同士で形成された角部３５が接続部として設けられ、この角部３５（すなわち、筒部３０の隅）に磁極３１が形成されていることから、ステータ３Ｆの形状において磁極３１の突出長さを最も長くすることができる。これにより、コイル４１ａ等の巻線量を最大にすることができ、信号強度を強くすることができる。

（４）上述した位置センサ１Ｆのように、ステータ３Ｆが軸方向視で四回回転対称性を持った外形状（ここでは正方形）である場合には、所定サイズのロータ２に対するステータ３Ｆのサイズを最もコンパクトにすることができる。すなわち、スペース効率の高い位置センサ１Ｆを形成することができる。
（５）また、上述した位置センサ１Ｆは、ロータ２が永久磁石以外の磁性体で形成されていればよいため、ケイ素鉄のような安価で比較的加工しやすい材料を使用してロータ２のコストを低減することができる。

（６）位置センサ１Ｆが永久磁石を用いていないため、この位置センサ１Ｆによって回転位置を検出することで、上述したＳＲモータ９が持つ高い堅牢性や耐熱性といったメリットを活かすことができる。さらに、上述したＳＲモータ９によれば、位置センサ１Ｆが上述したように直流電源１１の電圧変動によらず検出精度を保つことができるため、モータロータ９Ｂを回転させるための電流制御を安定して実施することができる。

（７）また、上述したＳＲモータ９は、軸方向視で中央に正方形状の中央スペース９Ｓを有し、この中央スペース９Ｓに四回回転対称性を持った外形状のステータ３Ｆ（位置センサ１Ｆ）が配置されるため、ＳＲモータ９内のスペース効率を高めることができ、大きなコイル巻回可能範囲４０を確保することができる。特に、本実施形態のように、ステータ３Ｆの外形状が略正方形状の場合、中央スペース９Ｓと相似形状となるため、スペースを無駄なく活用することができる。

［１−３．第一変形例］
上述した実施形態では、一回転で２パルスを出力する位置センサ１Ｆを例示したが、位置センサ１Ｆの構成はこれに限られない。例えば、図５に示すように、一対の凸極２１を三組有するロータ２′を備えた位置センサ１Ｆ′（磁気回路部１Ｆｍ′）であってもよい。なお、図５の位置センサ１Ｆ′は、上記実施形態の位置センサ１Ｆに対し、ロータ２′の形状及びステータ３Ｆ′の羽根３１ｂの回転方向長さが異なり、その他の構成（励磁回路１０の構成，処理部６での処理内容等）は同一である。

位置センサ１Ｆ′は、同一形状の六つの凸極２１がロータ２′の周方向に６０度ずつずれて配置されている。また、ステータ３Ｆ′の磁極３１の羽根３１ｂの回転方向の長さがロータ２′の凸極２１の回転方向の長さと同程度となっている。羽根３１ｂの回転方向長さが長くなるとインダクタンスＬの変化が小さくなるため、羽根３１ｂと凸極２１との長さ関係は、羽根３１ｂの中央位置と凸極２１の中央位置とを合わせたときに、羽根３１ｂの回転方向両端部が凸極２１ｂ間の凹部の１／４以内であることが望ましい。

本変形例の位置センサ１Ｆ′では、二組のコイル対４Ａ，４ＢのインダクタンスＬが上述した実施形態よりも短い周期（機械角）でその大小関係が逆転する。この位置センサ１Ｆ′であれば、一回転で６パルス出力するため、機械角３６０度を１２等分した３０度ごとにロータ位置を特定可能である。したがって、本変形例の位置センサ１Ｆ′であっても、上述した実施形態と同様の構成からは同様の効果を得ることができる。さらに、ロータ２′の凸極数を増やした本位置センサ１Ｆ′であれば、より細かい角度ごとにロータ位置を特定する必要があるモータの制御を行うことができる。

［１−４．第二変形例］
また、例えば図６に示すように、一対の磁極３１からなる磁極対３２が四組設けられたステータ３Ｆ″を備えた位置センサ１Ｆ″（磁気回路部１Ｆｍ″）であってもよい。すなわち、ステータ３Ｆ″は、周方向に４５度ずつずれて配置された四組の磁極対３２Ａ，３２Ｂ，３２Ｃ，３２Ｄ（八つの磁極３１）を有する。なお、磁極３１はすべて同一形状である。

また、本変形例のステータ３Ｆ″の外周面３ｂには、上述した実施形態と同様に、仮想円３Ｃの接線方向に延在する複数の第一平面３４と、第一平面３４を繋ぐ接続部としての角部３５とが含まれる。具体的には、外周面３ｂは、磁極３１の個数と同じ八つの第一平面３４と八つの角部３５とを有し、軸方向視で正八角形状をなす。角部３５は、上述した実施形態と同様、仮想円３Ｃよりも径方向外側に位置し、磁極３１は角部３５の内側における内周面３ａから回転中心Ｃに向かって突設される。

また、この位置センサ１Ｆ″には、四組のコイル対４Ａ，４Ｂ，４Ｃ，４Ｄが設けられる。上述した実施形態と同様に、各コイル対４Ａ〜４Ｄは、各磁極対３２Ａ〜３２Ｄのそれぞれの磁極３１に巻回されたコイル４１ａ及び４２ａ，コイル４１ｂ及び４２ｂ，コイル４１ｃ及び４２ｃ，コイル４１ｄ及び４２ｄから構成される。コイル４１ａ等は、図中に模様で示したコイル巻回可能範囲４０に巻回される。なお、図６の位置センサ１Ｆ″は、上述した実施形態と同一のロータ２を備える。

図６の位置センサ１Ｆ″では、四組のコイル対４Ａ〜４Ｄのうち、互いに９０度ずれて配置された二組ずつのコイル対の電流（あるいは電圧）の大小関係をそれぞれ比較する。そして、その大小関係に応じた出力信号を出力し、二つの出力信号の組み合わせに基づいてロータ位置及びロータ２の回転方向を検出（特定）する。すなわち、位置センサ１Ｆ″の処理部６は、二組のコイル対４Ａ，４Ｂの電流（又は電圧値）の大小関係を比較するとともに、二組のコイル対４Ｃ，４Ｄの電流（又は電圧値）の大小関係を比較し、各大小関係に応じた出力信号を二つ出力する。例えば、「コイル対４Ａの電流≧コイル対４Ｂの電流」であるときに「第一出力信号＝オン」とし、「コイル対４Ａの電流＜コイル対４Ｂの電流」であるときに「第一出力信号＝オフ」として出力する。また、例えば「コイル対４Ｃの電流≧コイル対４Ｄの電流」であるときに「第二出力信号＝オン」とし、「コイル対４Ｃの電流＜コイル対４Ｄの電流」であるときに「第二出力信号＝オフ」として出力する。

本変形例の処理部６は、第一出力信号及び第二出力信号のオンオフ状態に基づき、ロータ位置を検出する。また、本変形例に係る位置センサ１Ｆ″であれば、第一出力信号と第二出力信号との位相が異なることから、ロータ２の回転方向も検出することができる。また、本変形例に係るステータ３Ｆ″を備えた位置センサ１Ｆ″においても、上述した実施形態と同様の構成からは同様の効果を得ることができる。

〈２．第二実施形態〉
［２−１．構成及び効果］
図７に示すように、第二実施形態の位置センサ１Ｓは、ステータ３Ｓの形状及びコイル４１ａ等の巻回方向が第一実施形態の位置センサ１Ｆと異なり、他の構成（ロータ２の形状，励磁回路１０の構成，処理部６での処理内容等）は同一である。本実施形態の位置センサ１Ｓは、第一実施形態の位置センサ１Ｆと同様、シャフト５に固定されたロータ２の回転によるインダクタンスＬの変化に基づいてロータ位置を検出する。ただし、本位置センサ１Ｓは、ＳＲモータ９からの漏れ磁束による影響を相殺したうえでロータ位置を検出する。以下、第一実施形態と同様の構成については第一実施形態と同じ符号を付し、重複する説明は省略する。

位置センサ１Ｓ（磁気回路部１Ｓｍ）のステータ３Ｓは、上述した筒部３０及び複数の磁極３１に加え、各磁極３１の周方向両側に配置された補助磁極３３を有する。各補助磁極３３は、筒部３０の内周面３ａから回転中心Ｃに向かって突設される。本実施形態の補助磁極３３は、周方向に隣接する二つの磁極３１間に一つずつ配置される。すなわち、ステータ３Ｓは、四つの磁極３１と四つの補助磁極３３とを有し、これらが周方向に交互に配置されている。

図７には、周方向に隣接する磁極３１と補助磁極３３との間隔がすべて同一である位置センサ１Ｓを例示する。すなわち、補助磁極３３は、第一平面３４の内側における内周面３ａから突設されており、回転中心Ｃから第一平面３４へ下ろした垂線上に位置する。本実施形態の補助磁極３３は、磁極３１のように羽根３１ｂを有さず、突出方向において一様な断面を持つ。また、補助磁極３３の内側の端面は、ロータ２の凸極２１との間に均一な間隔を形成するように湾曲形成されている。なお、補助磁極３３の形状は図７に示すものに限られない。また、ステータ３Ｓの外周面３ｂ及び磁極３１は、上述した第一実施形態と同様の構成を有する。

図７に示すように、本実施形態の第一コイル対４Ａを構成する二つのコイル４１ａ，４２ａは、回転中心Ｃから磁極３１を見たときの巻回方向が互いに同一であるが、ＳＲモータ９の漏れ磁束が位置センサ１Ｓに到達しても、漏れ磁束がコイル４１ａ，４２ａと鎖交する方向が回転中心Ｃから見ると互いに反対向きであることから、一方のコイル４１ａにはプラスの電圧が生じ、他方のコイル４２ａには同レベルのマイナスの電圧が生じて互いにキャンセルし合う。このため、漏れ磁束によるノイズがキャンセルされる。同様に、第二コイル対４Ｂを構成する二つのコイル４１ｂ，４２ｂも、回転中心Ｃから各磁極３１を見たときの巻回方向が互いに同一であるが、ことから、漏れ磁束が鎖交する方向が反対である漏れ磁束によるノイズがキャンセルされる。

図８は、本実施形態の位置センサ１Ｓにおける磁束の流れを示す模式図である。第一コイル対４Ａのコイル４１ａ，４２ａのそれぞれで生じる磁束（図中実線矢印）、及び、第二コイル対４Ｂのコイル４１ｂ，４２ｂのそれぞれで生じる磁束（図中破線矢印）は、各磁極３１の羽根３１ｂからロータ２を経由し、両側の補助磁極３３に向かって二手に分かれて湾曲して、補助磁極３３及び筒部３０を通って磁極３１に戻る。このとき、二つの磁極対３２Ａ，３２Ｂのそれぞれとロータ２の外周面との距離が相違すれば、二つの磁束に差が生じるため、コイル対４Ａ，４Ｂの電流変化を介して、コイル対４Ａ，４ＢのインダクタンスＬの大小関係が把握される。

このように、本実施形態に係る位置センサ１Ｓによれば、第一コイル対４Ａが互いに逆方向に巻回されたコイル４１ａ，４２ａから構成され、第二コイル対４Ｂが互いに逆方向に巻回されたコイル４１ｂ，４２ｂから構成されるため、外乱の影響をキャンセルすることができる。例えば、ＳＲモータ９からの漏れ磁束により、一方のコイル（例えばコイル４１ａと４１ｂ）にプラスの電圧が発生しても、他方のコイル（例えばコイル４２ａと４２ｂ）には同レベルのマイナスの電圧が発生するため、相殺することができる。さらに、補助磁極３３によって磁束がいずれも磁極３１からロータ２を経由して補助磁極３３に向かって流れるため、磁束差（すなわちインダクタンスＬの大小関係）を把握することができる。したがって、本実施形態に係る位置センサ１Ｓによっても、インダクタンスＬの大小関係に基づいてロータ位置を検出できるため、永久磁石を有しないロータ２を用いて高精度にロータ位置を検出することができる。なお、第一実施形態と同様の構成からは、同様の効果を得ることができる。

［２−２．変形例］
図９に示す位置センサ１Ｓ′（磁気回路部１Ｓｍ′）は、第二実施形態の位置センサ１Ｓに対し、ステータ３Ｓ′の筒部３０′の形状が八角形である点が異なる。具体的には、本変形例のステータ３Ｓ′の外周面３ｂには、一対の第一平面３４が二組含まれるとともに、隣接する第一平面３４同士を繋ぐ第二平面３６（接続部）が含まれる。また、ステータ３Ｓ′には、第二実施形態と同様、二組の磁極対３２Ａ，３２Ｂ（すなわち四つの磁極３１）と四つの補助磁極３３とが設けられる。

磁極３１は、接続部としての第二平面３６の内側における内周面３ａから回転中心Ｃに向かって突設される。一方、補助磁極３３は、第一平面３４の内側における内周面３ａから回転中心Ｃに向かって突設される。第二平面３６は、仮想円３Ｃよりも径方向外側に位置することから、補助磁極３３よりも磁極３１の方が突出長さが長い。コイル４１ａ等は、図中模様で示すコイル巻回可能範囲４０に巻回される。なお、各磁極３１に対する巻線方向は第二実施形態と同様である。

したがって、本変形例に係る位置センサ１Ｓ′であっても、上述した第一，第二実施形態と同様の構成からは同様の効果を得ることができる。さらに、本変形例のステータ３Ｓ′は、隣接する第一平面３４同士を繋ぐ第二平面３６（接続部）が設けられ、この第二平面３６の内側に磁極３１が設けられるため、磁極３１の周辺空間（すなわちコイル巻回可能範囲４０）が磁極３１の突出方向に一様となる。このため、コイル４１ａ等を均等に巻くことができる。さらに、図１０に示すように、本変形例に係る位置センサ１Ｓ′であれば（すなわち、センサ形状が八角形であれば）、軸方向視で正方形状の中央スペース９Ｓの角Ｒが大きい場合であっても、中央スペース９Ｓに収めることができる。つまり、センサ形状が正方形の場合と比較して、八角形にすることでよりスペース効率のよい位置センサ１Ｓ′を形成することができる。

〈３．その他〉
上述したステータ３Ｆ，３Ｓ等の形状は一例であって、上述したものに限られない。例えば、角部３５及び第二平面３６の代わりに、図４に示す位置センサ１のように、第一平面３４を繋ぐ曲面３７が接続部として設けられていてもよい。また、ステータが、軸方向視で四回回転対称性を持った外形状でなくてもよく、例えば六角形や長円形状であってもよいし、接続部の個数と磁極３１の個数とが同数でなくてもよい。例えば、図６に示すステータ３Ｆ″の八つの磁極３１の半分を補助磁極として設けてもよい。この場合、接続部としての角部３５の個数は磁極３１の個数よりも多くなる。このように、接続部が磁極の個数以上設けられていれば、接続部の内側における内周面から磁極を突設させることができる。

また、補助磁極３３の断面が一様でなくてもよいし、周方向に隣接する磁極３１と補助磁極３３との間隔がすべて同一でなくてもよい。また、ステータは、少なくとも仮想円３Ｃの接線方向に延在する複数の第一平面と、第一平面を繋ぐ接続部があればよく、接続部の位置が仮想円３Ｃ上や仮想円３Ｃの径方向内側に位置していてもよいし、磁極の位置が接続部の内側における内周面でなくてもよい。

また、上述したロータ２の形状も一例であって、上述したものに限られない。ロータは、回転中心Ｃからの距離が一定の基準円筒面から径方向外側へ突設された少なくとも一対の凸極を有するものであればよく、例えば楕円形状であってもよい。
また、上述した実施形態では、処理部６がスイッチ１２のスイッチングと、出力された電圧値に基づく信号処理との両方を実施する場合を例示したが、処理部６の機能（スイッチング及び信号処理）を二つの要素に分けて設けてもよい。

また、上述した励磁回路１０の構成は一例であって、上述したものに限られない。例えば、抵抗１３Ａ等を省略して電流値を検出してもよいし、スイッチ１２の個数を増やしてもよい。また、図１及び図２においてコイル４１ａとコイル４２ａ、コイル４１ｂとコイル４２ｂとはそれぞれ直列に接続されているが、これらは並列接続でもよい。並列とすることでこれらのコイル対４Ａ，４ＢのインダクタンスＬの絶対値が変わるため、相に流れる電流が増えることになる。しかし、コイル対４Ａと４Ｂの間のインダクタンスＬの大小関係は変わらないので、直列接続の場合と同じ出力が
得られる。この関係は図６の場合においても同様である。
なお、上述した位置センサ１Ｆや１Ｓ等は上記のＳＲモータ９に専用のものではなく、例えば、ＳＲモータ９以外のブラシレスモータやジェネレータ等に設けてもよい。

１，１Ｆ，１Ｆ′，１Ｆ″，１Ｓ，１Ｓ′，１Ｓ″ 位置センサ
２，２′ ロータ
３Ｆ，３Ｆ′，３Ｆ″，３Ｓ，３Ｓ′，３Ｓ″ ステータ
３ａ 内周面
３ｂ 外周面
３Ｃ 仮想円
４Ａ 第一コイル対（コイル対）
４Ｂ 第二コイル対（コイル対）
５ シャフト（回転軸）
９ ＳＲモータ（モータ）
９Ａ モータステータ
９Ｂ モータロータ
９Ｓ 中央スペース
２０ａ 基準円筒面
２１ 凸極
３１ 磁極（主磁極）
３２ 磁極対
３２Ａ 第一磁極対（磁極対）
３２Ｂ 第二磁極対（磁極対）
３３ 補助磁極
３４ 第一平面
３５ 角部（接続部）
３６ 第二平面（接続部）
３７ 曲面（接続部）
４１ａ，４１ｂ，４２ａ，４２ｂ コイル
Ｃ 回転中心

Claims (8)

1. シャフトに固定されたロータの回転によるインダクタンスの変化に基づいて、ステータに対する前記ロータの回転位置を検出する位置センサであって、
   筒状に形成され、前記シャフトの回転中心と同心に配置されるとともに、内周面から前記回転中心に向かって突設されて互いに対向配置された一対の主磁極からなる磁極対を複数組有する前記ステータと、
   前記回転中心からの距離が一定の基準円筒面から径方向外側へ突設された少なくとも一対の凸極を有する前記ロータと、
   直流電源に接続されて各組の前記磁極対の夫々の前記主磁極に巻回されたコイルからなるコイル対と、を備え、
   前記ステータの外周面には、前記シャフトの軸方向視で前記回転中心を中心とした仮想円の接線方向に延在する複数の第一平面と、前記複数の第一平面を繋ぐ接続部とが含まれる
   ことを特徴とする、位置センサ。
2. 前記接続部は、前記主磁極の個数以上設けられるとともに前記仮想円よりも径方向外側に配置され、
   各々の前記主磁極は、前記接続部の内側における前記内周面から突設されている
   ことを特徴とする、請求項１記載の位置センサ。
3. 前記外周面には、前記ロータを挟んで逆向きに設けられ互いに平行な一対の前記第一平面が二組以上含まれ、
   前記接続部は、隣接する前記第一平面同士で形成される角部として設けられる
   ことを特徴とする、請求項２記載の位置センサ。
4. 前記外周面には、前記ロータを挟んで逆向きに設けられ互いに平行な一対の前記第一平面が二組以上含まれ、
   前記接続部は、隣接する前記第一平面同士を繋ぐ平面又は曲面として設けられる
   ことを特徴とする、請求項２記載の位置センサ。
5. 前記ステータは、前記シャフトの軸方向視で四回回転対称性を持った外形状である
   ことを特徴する、請求項１〜４のいずれか１項に記載の位置センサ。
6. 前記ロータは、永久磁石以外の磁性体で形成されている
   ことを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の位置センサ。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の位置センサと、
   前記シャフトと一体回転し、永久磁石を有さないモータロータと、
   ハウジングに固定され、永久磁石を有さないモータステータと、を備えた
   ことを特徴とする、モータ。
8. 前記モータは、前記軸方向視で中央に正方形状の中央スペースを有する二相モータであり、
   前記位置センサは、前記中央スペース内に配置されて前記ハウジングに固定される
   ことを特徴とする、請求項５を引用する請求項７記載のモータ。

Images