JP2019184352A - 回転変位センサ - Google Patents

Abstract

【課題】出力する信号の安定性が高く、変位を良好に検出できる回転変位センサを提供する。【解決手段】コサイン相の振幅関数特性を示す出力交流信号との２種類の異なる出力交流信号を得ることで位置変位を検出し、環状ロータと環状ステータは同軸に設けられ、環状ロータは環状ボディを備え、環状ボディは、環状ボディの延伸方向において高さが変化し、高さは環状ボディの円周方向に沿って最大の高さから徐々に減少するように斜面が形成されており、環状ロータは前記斜面に配置されている。【選択図】図３

Description

本発明は、回転変位センサに関し、特に、寸法の管理が簡単であり、出力する信号の安定性が高く、変位を良好に検出できる回転変位センサに関する。

下記の特許文献１には周知の回転変位センサが記載されている。この回転変位センサは、モーターのロータの角度位置を測定するために用いられる。周知の回転変位センサは第１のレゾルバ（resolver）と第２のレゾルバに加え、２個の三相信号を二相信号に変換する三相二相変換器を備える。

しかし、特許文献１の構造では、三相信号を含むので、三相二相変換器が必須の構成となり、その結果、角度解析の計算方法が複雑となり、そのため電気回路が占める面積も大きくならざるを得ず、製造コストが高くなるという問題があった。

ところが、近年は、下記の特許文献２に示す様に、位置変位を交流振幅の正弦／余弦変位として検出する回転変位センサが開発され、このセンサは円周方向に配列された回転角度検出方式を用いており、特に誘導型においては、トランスの２次コイルによってこれらの配列が形成される（例えば、［特許文献２］の図２を参照）。この特許文献２に記載された回転変位センサによれば、三相二相変換器が必須ではなく、計算方法も複雑にならない。

ここで、本願は特許文献２に記載された三相二相変換器が不要なタイプの回転変位センサの一種に属する発明であるため、このような回転変位センサの動作原理について先ずは説明することにより、正弦／余弦変位を用いた回転変位センサの基礎を理解するものとする。

以下、図１と図２を参照して従来の回転変位センサを説明する。ここで、図１は従来の誘導方式による回転変位センサの第１のレゾルバを示した平面図である。また、図２は従来の誘導方式による回転変位センサの構造原理を模式的に示す斜視図である。

図１の第１のレゾルバ１は、互いの位相を補完し合うように、正弦波電圧と余弦波電圧を誘起するために用いられる。なお、正弦波電圧と余弦波電圧は互いにモーターのロータの絶対位置と関連性がある。

図１に示す様に、第１のレゾルバ１は環状ロータ１１と、環状ステータ１２と、複数の励磁コイル１３と、４個のコイル１４、１５、１６、１７を備える。ここで、図１のコイル１４は、１５、１６、１７は、それぞれ図２のコイルＬ４、コイルＬ３、コイルＬ２、コイルＬ１に相当する。また、コイル１４とコイル１６で一対となり、コイル１５とコイル１７で他の一対となり、合計２対のコイルが設けられることとなる。

また、図１、図２に示す様に、コイル１４（Ｌ４）とコイル１６（Ｌ２）は対向している。また、コイル１５（Ｌ３）とコイル１７（Ｌ１）は対向している。また、これらコイル１４〜１７は等間隔に環状ステータ１２の円周上に設けられ、上述した組み合わせの各々が互いの位相を補完し合うように交互に配列されている。

図１に示す様に、環状ロータ１１と環状ステータ１２は同軸に設けられ円心がいずれも同一となるように設けられる。また、環状ロータ１１は、環状ステータ１２の円周に沿って回転し、且つ、回転すると環状ステータ１２との位置関係が相対的に変化する。

また、環状ステータ１２には環状ロータ１１に隣接する外環面１２０が形成される。環状ステータ１２は径方向の距離が等しい環状に形成され、外環面１２０には複数のポールステータ１２１が中心から遠ざかる方向に延伸するよう設けられる。また、上述した複数の励磁コイル１３は各ポールステータ１２１に巻きつけられ、コイル１４〜１７は複数のポールステータ１２１のうちの等間隔に設けられた４本のポールステータ１２１に巻きつけられる。

なお、本実施例において、環状ロータ１１は環状ステータ１２を取り囲むように設けられるが、環状ロータ１１と環状ステータ１２は相対的に変位すれば足りるので、これには限られない。

回転方式の動作原理は図２に示すとおりである。図２において２次コイルを構成する各コイルＬ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４（２’）は、大直径の１次コイル１’に接するような平行な軸を有し、且つ環状且つ等間隔に配列されたものであり、いずれも同一の軸横断面内に位置した極端面を有する極鉄心５を有している。

２次コイル配列の中心軸と同軸に配置されたシャフトスリーブには、２次コイルの極鉄心５を回転位置に覆うための強磁性偏心板６が支持されている。

図２のインピーダンス素子であるコイルＬ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４は、１次コイル１’との相互誘導により、１次側に印加された正弦波電圧ＡＳｉｎωｔに基づく正弦波電圧が誘起されるが、前述した強磁性偏心板６の被り具合（つまり強磁性偏心板６と各コイルとの位置関係）に応じたインピーダンス（この例ではインダクタンス）の変化によって、２次回路構成時、異なるコイルの端子間の電圧を具現する。

これらのコイルの端子間の電圧は、配置関係が１８０度（逆位相）であるＬ１−Ｌ３の組（つまり、＋Ａと−Ａ），及びＬ２−Ｌ４（＋Ｂと−Ｂ）の組において差動的に取出せば、倍化して検出できることが明らかである。

図２における強磁性偏心板６の角度位置（コイルＬ２の鉄心が偏心板６に完全に覆われ、コイルＬ４の鉄心が完全に露出し、コイルＬ１−Ｌ３の組が等しく半露出状態となっている位置）をθ＝０とし、且つ図の時計回りの回転を正方向とすれば、２次コイルＬ１−Ｌ３差動出力は、誘起される正弦波Ｓｉｎωｔに、係数である振幅の変位ａＳｉｎθを掛けた値、すなわち
・ ａＳｉｎθＳｉｎωｔ
となり、Ｌ２−Ｌ４差動出力は、誘起される正弦波Ｓｉｎωｔに、係数である振幅の変位ａＣｏｓθを掛けた値、つまり、
・ ａＣｏｓθＳｉｎωｔ
となる。これらのことから、強磁性偏心板６が１回転することを利用することにより、三相二相変換器を用いずともθの３６０度変位に対応できることが分かる。

ここで、図２のコイルＬ１〜Ｌ４の各端子の電圧を、角度変位を一括した正弦係数の式をα、余弦係数の式をβとすれば次の様に表すことができる。
・ α＝ａＳｉｎ（θ）・Ｓｉｎωｔ・・・・・・（１）
・ β＝ａＣｏｓ（θ）・Ｓｉｎωｔ・・・・・・（２）
なお、位相差変換を行なうために、（１）式におけるＳｉｎωｔを図示しない電気回路等を利用してＣｏｓωｔに変換することによって、ａＳｉｎ（θ）・Ｃｏｓωｔを得ても良い。

更に、ここでは（１）、（２）式で表わされる信号α、βに位相シフト及び加算等の処理を施こし、図１のコイル１４〜１７間の電圧の差動出力を求めることによりサイン相の振幅関数特性を示す出力交流信号と、コサイン相の振幅関数特性を示す出力交流信号との２種類の異なる出力交流信号を得ることができれば、上記した位相差変換方式より位置変位を交流振幅の正弦／余弦変位として検出することが可能である。

特開平０４−１６９８１６号公報 特開２００４−２３３３１１号公報

このように、従来の三相二相変換器を用いた回転変位センサは、強磁性偏心板６が所定経路の円周に沿って１回転する際の変位を利用して、コイルＬ１〜Ｌ４の露出、半露出又はこれらのコイルＬ１〜Ｌ４の一部を覆うこと（すなわち、ロータとステータ間の空隙中のリラクタンスが、ロータの位置が変わることにより変化すること）により、３６０度の変位に対応している。

しかし、従来の回転変位センサのように、空隙の大きさを利用した場合、寸法の管理が比較的困難であるという問題がある。

また、空隙の大きさを利用した場合は、２次コイルＬ１−Ｌ３の差動出力及びＬ２−Ｌ４の差動出力の信号の安定性が比較的低いという問題がある。すなわち、従来の空隙の大きさを利用した回転変位センサでは、出力する信号の安定性が低く、良好に変位を検出できない場合がある。

そこで、本発明は、寸法の管理が簡単であり、出力する信号の安定性が高く、変位を良好に検出可能で品質の高い回転変位センサを提供することを目的とする。

本発明はこのような問題に鑑みて以下の構成を有する。径方向の距離が等しい環状となるように設けられた環状ステータと、前記環状ステータの円周上に等間隔に設けられた二対のポールステータと、前記二対のポールステータのうち対向する一対の第１のコイルと、前記一対の第１のコイルと隣接する他の一対の第２のコイルの各々が互いの位相を補完し合うように交互に配列されたインピーダンス素子と、前記環状ステータと同軸且つ前記環状ステータの円周に沿って回転し、且つ、回転すると前記環状ステータとの位置関係が相対的に変化するよう設けられた環状ロータとを備え、前記環状ロータが前記円周に沿って回転する間に、前記一対の第１のコイルと前記他の一対の第２のコイルのインピーダンスが、前記ステータとの位置関係に応じて変化することを利用して、前記一対の第１のコイルと前記他の一対の第２のコイル間の電圧の差動出力を求めることにより、サイン相の振幅関数特性を示す出力交流信号と、コサイン相の振幅関数特性を示す出力交流信号と、の２種類の異なる出力交流信号を得ることで位置変位を検出し、前記環状ロータは前記環状ステータと同軸に回転する環状ボディを備え、前記環状ボディは、前記環状ボディにおける所定の第１の端縁部から、前記環状ボディの中心を経た反対側にある第２の端縁部までの直径方向において、厚さが最大から最小まで徐々に減少する。

本願は、環状ボディの延伸方向において高さが変化し、この高さは環状ボディの円周方向に沿って最大の高さから徐々に減少するので、寸法の管理が従来より簡単であり、出力する信号の安定性が高く、変位を良好に検出可能な品質の高い回転変位センサを提供できる。

従来の誘導方式による回転変位センサの第１のレゾルバを示した平面図である。 従来の誘導方式による回転変位センサの構造原理を模式的に示す斜視図である。 本願の環状ロータの形状を示した図である。

以下、図面を参照して本発明の回転変位センサの実施例を説明する。ただし、回転変位センサの変位の求め方は、従来技術と同じ、即ち、図１と図２で説明したとおりなので省略する。

図３は本願の環状ロータの形状を示した図である。図３に示す様に、環状ロータ１１は環状ボディ１１１を備え、環状ボディ１１１は環状ボディ１１１の延伸方向ｙにおける高さが変化する（図３）。即ち、高さは環状ボディ１１１の円周方向に沿って最大の高さから徐々に低くなる。なお、第１のレゾルバ１はモーターと軸が同じになるように、環状ロータ１１をモーターのロータと同期して回転する。また、本実施例において、高さの最大値は１０．２ｍｍであり、高さは１０．２ｍｍから徐々に低くなり最低の高さは３．２３ｍｍである。

換言すると、環状ロータ１１は環状ステータ１２と同軸に回転する環状ボディ１１１を備え、環状ボディ１１１は、環状ボディ１１１における所定の第１の端縁部から、環状ボディ１１１の中心を経た反対側にある第２の端縁部までの直径方向において、厚さが最大から最小まで徐々に減少する。

以上の説明は、本発明の実施例に過ぎず、これを以って特許請求の範囲を限定するものではない。また、本発明の特許請求の範囲及び明細書の内容に簡単な付加や変化を加えたに過ぎないものについても、特許請求の範囲に記載された発明の技術的範囲に属するものとする。

１ 第１のレゾルバ
１１ 環状ロータ
１１１ 環状ボディ
１２ 環状ステータ
１２１ ポールステータ
１３ 励磁コイル
１４〜１７ コイル
Ｌ１〜Ｌ４ コイル

Claims (2)

1. 径方向の距離が等しい環状となるように設けられた環状ステータと、
   前記環状ステータの円周上に等間隔に設けられた二対のポールステータと、
   前記二対のポールステータのうち対向する一対の第１のコイルと、前記一対の第１のコイルと隣接する他の一対の第２のコイルの各々が互いの位相を補完し合うように交互に配列されたインピーダンス素子と、
   前記環状ステータと同軸且つ前記環状ステータの円周に沿って回転し、且つ、回転すると前記環状ステータとの位置関係が相対的に変化するよう設けられた環状ロータとを備え、
   前記環状ロータが前記円周に沿って回転する間に、前記一対の第１のコイルと前記他の一対の第２のコイルのインピーダンスが、前記ステータとの位置関係に応じて変化することを利用して、前記一対の第１のコイルと前記他の一対の第２のコイル間の電圧の差動出力を求めることにより、サイン相の振幅関数特性を示す出力交流信号と、コサイン相の振幅関数特性を示す出力交流信号と、の２種類の異なる出力交流信号を得ることで位置変位を検出し、
   前記環状ロータは前記環状ステータと同軸に回転する環状ボディを備え、前記環状ボディは、前記環状ボディにおける所定の第１の端縁部から、前記環状ボディの中心を経た反対側にある第２の端縁部までの直径方向において、厚さが最大から最小まで徐々に減少する
   ことを特徴とする回転変位センサ。
2. 前記環状ボディの厚さの最大値は１０．２ｍｍであり、厚さは１０．２ｍｍから徐々に低くなり最低の厚さは３．２３ｍｍである
   ことを特徴とする請求項１に記載の回転変位センサ。