JP2021124451A - 回転位置検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】回転部材が高速回転する場合であっても、精度よく回転部材の回転位置を検出可能な回転位置検出装置を提供する。【解決手段】回転位置検出装置１は、回転部材に取り付けられており、回転部材と共に回転する導電体からなる被検出部材２と、回転部材の回転に伴って回転しない固定部材に取り付けられると共に、被検出部材２と対向して配置されており、被検出部材２との距離を検出可能な渦電流センサ３と、を備え、被検出部材２は、回転部材の回転に伴って、渦電流センサ３との距離が変化するように構成されており、渦電流センサ３の出力を基に、回転部材の回転位置を検出する検出部を備えた。【選択図】図１

Description

本発明は、回転位置検出装置に関する。

従来の回転位置検出装置として、特許文献１がある。特許文献１では、円盤状の偏心ロータを回転軸に取り付けると共に、偏心ロータと径方向に向かい合うようにギャップセンサを配置し、ギャップセンサによりギャップセンサと偏心ロータ間の距離を測定することにより、回転軸の回転位置（回転角度）を検出している。ギャップセンサとしては、ＭＲセンサやホールセンサのような磁気センサを用いる点が記載されている。

特開２０１５−１６５２１７号公報

近年、電気自動車やハイブリッド車において、駆動用のモータの出力軸の回転位置を検出し、各種制御に利用したいという要求がある。しかし、電気自動車等に用いられているモータは例えば１万ｒｐｍ以上と高速で回転するため、比較的低周波でしか検出ができない磁気センサを利用することは困難であった。

そこで、本発明は、回転部材が高速回転する場合であっても、精度よく回転部材の回転位置を検出可能な回転位置検出装置を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決することを目的として、回転部材に取り付けられており、前記回転部材と共に回転する導電体からなる被検出部材と、前記回転部材の回転に伴って回転しない固定部材に取り付けられると共に、前記被検出部材と対向して配置されており、前記被検出部材との距離を検出可能な渦電流センサと、を備え、前記被検出部材は、前記回転部材の回転に伴って、前記渦電流センサとの距離が変化するように構成されており、前記渦電流センサで検出した前記被検出部材と前記渦電流センサとの距離を基に、前記回転部材の回転位置を検出する検出部を備えた、回転位置検出装置を提供する。

本発明によれば、回転部材が高速回転する場合であっても、精度よく回転部材の回転位置を検出可能な回転位置検出装置を提供できる。

第１の実施の形態に係る回転位置検出装置の概略構成を示す斜視図である。 図１の回転位置検出装置の動作を説明する図である。 第２の実施の形態に係る回転位置検出装置の概略構成を示す斜視図である。 （ａ），（ｂ）は、図３の回転位置検出装置の動作を説明する図である。 （ａ）は一対の渦電センサの出力の和と回転位置との関係を示すグラフ図、（ｂ）は一対の渦電流センサの出力の差分と回転位置との関係を示すグラフ図である。 第３の実施の形態に係る回転位置検出装置の概略構成を示す斜視図である。 （ａ），（ｂ）は、図６の回転位置検出装置の動作を説明する図であり、（ｃ）は一対の渦電流センサの出力の差分と回転位置との関係を示すグラフ図である。 （ａ），（ｂ）は、第３の実施の形態の一変形例に係る回転位置検出装置の動作を説明する図であり、（ｃ）は両渦電流センサの出力を重ね合わせたグラフ図である。 第４の実施の形態に係る回転位置検出装置の概略構成を示す斜視図である。

［実施の形態］
（第１の実施の形態）
以下、本発明の実施の形態を添付図面にしたがって説明する。

図１は、第１の実施の形態に係る回転位置検出装置の概略構成を示す斜視図である。図１に示すように、回転位置検出装置１は、被検出部材２と、渦電流センサ３と、検出部４と、を備えている。

被検出部材２は、回転位置（回転角度）の検出対象となる回転部材に取り付けられており、回転部材と共に回転する。回転部材は、例えば、電気自動車やハイブリッド車の駆動用モータの出力軸である。本実施の形態に係る回転位置検出装置１は、磁気式では検出が困難な１万ｒｐｍ以上で高速回転する回転部材の回転位置検出に特に好適である。

被検出部材２としては、渦電流センサ３からの磁界により渦電流を発生させる材質、すなわち導電体からなるものを用いる。具体的には、被検出部材２としては、鉄やアルミニウム等の金属からなるものを好適に用いることができる。

被検出部材２は、回転部材の回転軸Ｏに対して垂直な板状に形成されており、また、軸方向視で略円形状となるように形成されている。被検出部材２の軸方向視における中央部には、回転部材を挿入する貫通孔２１が形成されている。

渦電流センサ３は、回転部材の回転に伴って回転しない固定部材に取り付けられる。固定部材は、例えば、駆動用のモータの周囲の車体フレームである。渦電流センサ３は、回転軸Ｏを中心とした径方向において被検出部材２と対向するように配置されており、被検出部材２の外周面２ａと対向するように配置されている。

渦電流センサ３は、内部のコイルに高周波電流を供給して磁界を発生させ、電磁誘導作用によって被検出部材２の表面（ここでは外周面２ａ）に渦電流を生じさせ、この渦電流の影響により変化するコイルのインピーダンスを測定することにより、渦電流センサ３から被検出部材２までの距離を検出する近接センサ（変位センサ）である。渦電流センサ３は、渦電流センサ３と被検出部材２の距離に対して比例した電圧（または電流）を出力するように構成されている。なお、渦電流センサ３の具体的な構造は特に限定するものではない。

回転位置検出装置１では、被検出部材２は、回転部材の回転に伴って、渦電流センサ３との距離が変化するように構成されている。第１の実施の形態では、渦電流センサ３と対向する被検出部材２の外周面２ａが、回転部材の回転軸Ｏから外周面までの距離が周方向にわたって連続して増加または減少するスロープ部２ｂにより構成されている。回転部材の回転軸Ｏから外周面までの距離が最も長い箇所と、最も短い箇所との間には、段差２ｃが形成される。スロープ部２ｂは、渦電流センサ３と被検出部材２の距離が、回転位置に対して比例関係となるように適宜設定されるとよい。その結果、渦電流センサ３の出力と回転位置との関係が比例関係となり、検出部４の構成を簡略化できる。

回転位置検出装置１では、図２に示すように、回転部材の回転、すなわち被検出部材２の回転に伴って、被検出部材２の外周面２ａが渦電流センサ３から徐々に離れることになり、被検出部材２と渦電流センサ３との距離、すなわち渦電流センサ３の出力を基に、回転部材の回転位置（回転角度）を検出することが可能になる。なお、回転部材の回転方向を図２と逆方向にした場合、回転部材の回転、すなわち被検出部材２の回転に伴って、被検出部材２の外周面２ａが渦電流センサ３に徐々に近づくことになる。この場合も、被検出部材２と渦電流センサ３との距離、すなわち渦電流センサ３の出力を基に、回転部材の回転位置（回転角度）を検出することが可能である。

検出部４は、渦電流センサ３の出力、すなわち被検出部材２と渦電流センサ３との距離を基に、回転部材の回転位置を検出する。検出部４は、渦電流センサ３の出力を基に、被検出部材２と渦電流センサ３との距離を検出し、その検出した距離を基に、回転部材の回転位置を検出するように構成してもよい。検出部４は、演算素子、メモリやハードディスク等の記憶装置、インターフェイス、ソフトウェア等と適宜組み合わせて実現される。

（実施の形態の作用及び効果）
以上説明したように、本実施の形態に係る回転位置検出装置１では、回転部材に取り付けられ回転部材と共に回転する導電体からなる被検出部材２と、固定部材に取り付けられると共に、被検出部材２と対向して配置されており、被検出部材２との距離を検出可能な渦電流センサ３と、を備え、被検出部材２は、回転部材の回転に伴って、渦電流センサ３との距離が変化するように構成されており、渦電流センサ３の出力を基に、回転部材の回転位置を検出する検出部４を備えている。

例えば電気自動車等で各種制御にモータの回転位置を用いる場合、１０５００ｒｐｍの回転数でプラスマイナス０．５度の検出精度が求められる。測定回転数を１２０００ｒｐｍとし、サンプリングを０．５度（１回転を７２０分割）とした場合、１２０００／６０＊７２０＝１４４ｋＨｚでの検出周波数（サンプリング周波数）が必要となる。従来の磁気式のセンサでは、検出周波数が最大で２５ｋＨｚ程度であり、一万ｒｐｍ以上といった高速回転において回転位置を検出することは困難であった。これに対して、渦電流センサ３は、５００ｋＨｚ以上の検出周波数を有するものも知られており、渦電流センサ３を用いることで、回転部材が例えば１万ｒｐｍ以上と高速回転する場合であっても、精度よく回転部材の回転位置を検出することが可能になる。

また、従来の磁気式センサでは、被検出部材２に着磁する必要があるが、回転位置検出装置１では被検出部材２を着磁する必要がなく、製造コストを低減できる。

なお、ここでは、回転位置検出装置１により回転位置のみを検出する場合について説明したが、回転位置検出装置１によれば、回転部材の回転数（回転速度）も検出可能である。

（第２の実施の形態）
図３は、第２の実施の形態に係る回転位置検出装置１ａの概略構成を示す斜視図である。回転位置検出装置１ａでは、第１の実施の形態と同様の形状の一対の被検出部材２０ａ，２０ｂを組み合わせた被検出部材ユニット２０と、それぞれの被検出部材２０ａ，２０ｂに対応する一対の渦電流センサ３ａ，３ｂと、を備えている。

被検出部材ユニット２０は、軸方向視で一方の被検出部材２０ａを他方の被検出部材２０ｂに対して左右反転させ、貫通孔２１の位置と段差２ｃの周方向位置が揃うように両被検出部材２０ａ，２０ｂを軸方向に並べて配置して構成される。一対の渦電流センサ３は、対応する被検出部材２０ａ，２０ｂと径方向に対向し、被検出部材２０ａ，２０ｂの外周面２ａと対向するように配置されている。また、両渦電流センサ３は、回転軸Ｏを中心とする周方向において同じ位置に配置されている。

なお、ここでは一対の被検出部材２０ａ，２０ｂを別体に構成したが、これらを一体に構成し１つの被検出部材２として扱ってもよい。つまり、１つの被検出部材２の外周面に、軸方向に並んで傾き方向が反対方向となる２つのスロープ部２ｂを設けるようにしてもよい。また、両被検出部材２０ａ，２０ｂを一体に扱う必要はなく、回転部材の軸方向における異なる位置に離間させて両被検出部材２０ａ，２０ｂを配置してもよい。

図４（ａ），（ｂ）に示すように、第２の実施の形態では、回転部材の回転に伴って、一方の渦電流センサ３ａと被検出部材２０ａとの距離が徐々に離れ、他方の渦電流センサ３ｂと被検出部材２０ｂとの距離が徐々に近づくように構成されている。よって、一方の渦電流センサ３ａの出力は回転位置が大きいほど大きくなり、他方の渦電流センサ３ｂの出力は回転位置が大きいほど小さくなる。両渦電流センサ３ａ，３ｂの出力の増減の割合は同じとなる。

よって、図５（ａ）に示すように、両渦電流センサ３ａ，３ｂの出力の和は、回転位置によらず一定となる。よって、両渦電流センサ３ａ，３ｂの出力の和が所定の値となっているかによって、渦電流センサ３ａ，３ｂの故障の有無を診断したり、あるいは外乱ノイズの大きさを評価したりすることが可能になる。

また、図５（ｂ）に示すように、両渦電流センサ３ａ，３ｂの出力の差分をとると、出力の振幅が２倍になり、さらに外乱ノイズが相殺されるために、回転位置の検出精度を向上することが可能になる。このため、第２の実施の形態では、検出部４は、両渦電流センサ３ａ，３ｂの出力の差分を基に、回転部材の回転位置を検出するように構成される。

このように、第２の実施の形態によれば、回転位置の検出精度をより向上できると共に、渦電流センサ３の故障診断や外乱ノイズの評価が可能になる。また、第２の実施の形態では、一対の渦電流センサ３を用いているために、例えば一方の渦電流センサ３が故障した場合であっても、他方の渦電流センサ３で回転位置の検出を続けることができ、信頼性や安全性を高めることができる。

（第３の実施の形態）
図６は、第３の実施の形態に係る回転位置検出装置１ｂの概略構成を示す斜視図である。回転位置検出装置１ｂは、複数のスロープ部２ｂを形成した一対の両被検出部材２０ａ，２０ｂを軸方向に並べて被検出部材ユニット２０を構成したものである。両被検出部材２０ａ，２０ｂのスロープ部２ｂの傾き方向（回転部材の回転に伴い渦電流センサ３と被検出部材２０ａ，２０ｂとの距離が減少するか増加するか）は同じとされる。また、両被検出部材２０ａ，２０ｂのスロープ部２ｂの数は、異なる数とされる。

図１のように被検出部材２にスロープ部２ｂを１つ形成する場合、スロープ部２ｂの高低差（段差２ｃの高さ）を十分に大きくしないと、回転位置の検出精度が低下してしまうおそれが生じる。しかし、例えば、被検出部材２の外径が小さい場合など、スロープ部２ｂの高低差を十分に大きくできない場合も考えられる。

このような場合、被検出部材２に周方向に複数のスロープ部２ｂを形成して検出精度の向上を図ることが望まれる。しかし、この場合、１つの被検出部材２のみでは回転位置を特定できなくなる。そこで、第３の実施の形態では、スロープ部２ｂの数が異なる一対の被検出部材２０ａ，２０ｂを用い、それぞれの被検出部材２０ａ，２０ｂのスロープ部２ｂと対向するように一対の渦電流センサ３ａ，３ｂを配置するようにした。

ここでは、一方の被検出部材２０ａのスロープ部２ｂの数を５とし、他方の被検出部材２０ｂのスロープ部２ｂの数を６とした。この場合、両渦電流センサ３ａ，３ｂの出力の変化は、図７（ａ），（ｂ）のようになる。これら両渦電流センサ３ａ，３ｂの出力の差分をとると、図７（ｃ）のようになり、センサ出力の差分と回転位置とは一対一で対応する。したがって、一対の渦電流センサ３ａ，３ｂの出力の差分を基に、回転部材の回転位置を検出するように検出部４を構成するとよい。

被検出部材２０ａ，２０ｂのスロープ部２ｂの数はこれに限定されず、適宜設定することが出来る。ただし、スロープ部２ｂの数は、３６０を割り切れる数とする必要がある。また、スロープ部２ｂの数は、両被検出部材２０ａ，２０ｂの段差２ｃが３６０度で１箇所（基準位置）でのみ重なる数とする必要がある。

また、例えば、図８（ａ），（ｂ）に示すように、一方の被検出部材２０ａのスロープ部２ｂの数を１とし、他方の被検出部材２０ｂの数を複数（ここでは３６）としてもよい。この場合、検出部４は、１つのスロープ部２ｂを有する一方の被検出部材２０ａと対向する渦電流センサ３ａの出力から、現在の回転位置が他方の被検出部材２０ｂのどのスロープ部２ｂに対応する回転位置範囲か（この例では、３６０度を３６分割した１０度毎の回転位置範囲のうちどの範囲に相当するか）を判定する。すなわち、現在の回転位置が図８（ｃ）に示す１〜３６のどの回転位置範囲に属するかを判定する。検出部４は、さらに、他方の渦電流センサ３ｂの出力を基に、上記回転位置範囲内のどの回転位置かを詳細に検出する。例えば、一方の渦電流センサ３ａの出力より、現在の回転位置が２００度〜２１０度の範囲内にあると判定され、さらに他方の渦電流センサ３ｂの出力より、上記回転位置範囲の内の５．７度であることが検出された場合、２０５．７度が現在の回転位置となる。これにより、回転位置をより精度よく検出可能になる。

（第４の実施の形態）
図９は、第４の実施の形態に係る回転位置検出装置１ｃの概略構成を示す斜視図である。上述の第１乃至第３の実施の形態では、スロープ部２ｂを被検出部材２の外周面２ａに形成したが、図９に示すように、第４の実施の形態では、被検出部材２の軸方向端面にスロープ部２ｂを形成している。

スロープ部２ｂは、被検出部材２の軸方向端面２ｄに、当該軸方向端面２ｄから軸方向外方に突出し、軸方向端面２ｄからの突出長が周方向にわたって連続して増加または減少するように形成されている。スロープ部２ｂは、全体として、軸方向視で回転軸Ｏを中心とした円環状に形成されている。

渦電流センサ３は、被検出部材２と軸方向に対向し、かつスロープ部２ｂと対向するように配置されている。これにより、被検出部材２が回転すると、被検出部材２（スロープ部２ｂ）と渦電流センサ３との距離が変化し、渦電流センサ３の出力より回転位置を検出することが可能になる。

図９の例では、径方向に隣り合うように一対のスロープ部２ｂを形成しており、両スロープ部２ｂと対向するように一対の渦電流センサ３ａ，３ｂが配置されている。両スロープ部２ｂは、その傾き方向が逆方向になるように設定されており、回転位置に対する軸方向端面２ｄからの突出長の傾きの絶対値が等しくなるように設定されている。

そのため、第４の実施の形態では、回転部材の回転に伴って、一方の渦電流センサ３ａと被検出部材２との距離が徐々に離れ、他方の渦電流センサ３ｂと被検出部材２との距離が徐々に近づくように構成されている。つまり、図３乃至５で説明した第２の実施の形態と同様の出力が両渦電流センサ３ａ，３ｂから得られる。よって、両渦電流センサ３ａ，３ｂの出力の和が所定の値となっているかによって、渦電流センサ３ａ，３ｂの故障の有無を診断したり、あるいは外乱ノイズの大きさを評価したりすることが可能になる。また、両渦電流センサ３ａ，３ｂの出力の差分をとることで、出力の振幅が２倍になり、回転位置の検出精度を向上することが可能になる。

なお、図９では、一例としてスロープ部２ｂを径方向に２つ並べる場合について説明したが、スロープ部２ｂを１つとすれば、第１の実施の形態と同様の出力が得られる。また、径方向に２列のスロープ部２ｂを形成すると共に、両列のスロープ部２ｂの数を異ならせることで、第３の実施の形態と同様の出力が得られる。

回転部材及び被検出部材２が例えば１万ｒｐｍ以上と高速回転すると、偏心や振動の影響が大きくなることが考えられる。第４の実施の形態のように、スロープ部２ｂを被検出部材２の軸方向端面２ｄに形成することで、このような偏心や振動の影響を抑制することが可能になり、高速回転時においても安定した回転位置の検出が可能になる。

（実施の形態のまとめ）
次に、以上説明した実施の形態から把握される技術思想について、実施の形態における符号等を援用して記載する。ただし、以下の記載における各符号等は、特許請求の範囲における構成要素を実施の形態に具体的に示した部材等に限定するものではない。

［１］回転部材に取り付けられており、前記回転部材と共に回転する導電体からなる被検出部材（２）と、前記回転部材の回転に伴って回転しない固定部材に取り付けられると共に、前記被検出部材（２）と対向して配置されており、前記被検出部材（２）との距離を検出可能な渦電流センサ（３）と、を備え、前記被検出部材（２）は、前記回転部材の回転に伴って、前記渦電流センサ（３）との距離が変化するように構成されており、前記渦電流センサ（３）の出力を基に、前記回転部材の回転位置を検出する検出部（４）を備えた、回転位置検出装置（１，１ａ，１ｂ，１ｃ）。

［２］前記渦電流センサ（３）は、前記被検出部材（２）の外周面（２ａ）と対向するように配置されており、前記被検出部材（２）の外周面（２ａ）が、前記回転部材の回転軸から外周面までの距離が周方向にわたって連続して増加または減少するスロープ部（２ｂ）を、少なくとも１つ以上形成して構成されている、［１］に記載の回転位置検出装置（１，１ａ，１ｂ）。

［３］前記被検出部材（２）の軸方向端面（２ｄ）には、当該軸方向端面（２ｄ）から軸方向外方に突出し、前記軸方向端面（２ｄ）からの突出長が周方向にわたって連続して増加または減少するスロープ部（２ｂ）が、少なくとも１つ以上形成されており、前記渦電流センサ（３）は、前記被検出部材（２）と軸方向に対向し、かつ前記スロープ部（２ｂ）と対向するように配置されている、［１］に記載の回転位置検出装置（１ｃ）。

［４］前記スロープ部（２ｂ）の数が異なる一対の前記被検出部材（２）と、それぞれの前記被検出部材（２）の前記スロープ部（２ｂ）と対向するように配置された一対の前記渦電流センサ（３）と、を備え、前記検出部（４）は、一対の前記渦電流センサ（３）の出力を基に、前記回転部材の回転位置を検出する、［２］または［３］に記載の回転位置検出装置（１ｂ）。

［５］一対の前記渦電流センサ（３）と、前記回転部材の回転に伴って、一方の前記渦電流センサ（３）と前記被検出部材（２）との距離が徐々に近づき、他方の前記渦電流センサ（３）と前記被検出部材（２）との距離が徐々に離れるように構成された前記被検出部材（２）と、を備え、前記検出部（４）は、前記両渦電流センサ（３）の出力の差分を基に、前記回転部材の回転位置を検出する、［１］乃至［４］の何れか１項に記載の回転位置検出装置（１ａ，１ｃ）。

以上、本発明の実施の形態を説明したが、上記に記載した実施の形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施の形態の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない点に留意すべきである。

また、本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変形して実施することが可能である。例えば、上記実施の形態では、電気自動車やハイブリッド車における駆動用のモータの出力軸に回転位置検出装置１を適用する場合について説明したが、回転位置検出装置１の用途はこれに限定されるものではない。

１…回転位置検出装置
２…被検出部材
２ａ…外周面
２ｂ…スロープ部
２ｃ…段差
２ｄ…軸方向端面
３…渦電流センサ
４…検出部
Ｏ…回転軸

Claims (5)

1. 回転部材に取り付けられており、前記回転部材と共に回転する導電体からなる被検出部材と、
   前記回転部材の回転に伴って回転しない固定部材に取り付けられると共に、前記被検出部材と対向して配置されており、前記被検出部材との距離を検出可能な渦電流センサと、を備え、
   前記被検出部材は、前記回転部材の回転に伴って、前記渦電流センサとの距離が変化するように構成されており、
   前記渦電流センサの出力を基に、前記回転部材の回転位置を検出する検出部を備えた、
   回転位置検出装置。
2. 前記渦電流センサは、前記被検出部材の外周面と対向するように配置されており、
   前記被検出部材の外周面が、前記回転部材の回転軸から外周面までの距離が周方向にわたって連続して増加または減少するスロープ部を、少なくとも１つ以上形成して構成されている、
   請求項１に記載の回転位置検出装置。
3. 前記被検出部材の軸方向端面には、当該軸方向端面から軸方向外方に突出し、前記軸方向端面からの突出長が周方向にわたって連続して増加または減少するスロープ部が、少なくとも１つ以上形成されており、
   前記渦電流センサは、前記被検出部材と軸方向に対向し、かつ前記スロープ部と対向するように配置されている、
   請求項１に記載の回転位置検出装置。
4. 前記スロープ部の数が異なる一対の前記被検出部材と、それぞれの前記被検出部材の前記スロープ部と対向するように配置された一対の前記渦電流センサと、を備え、
   前記検出部は、一対の前記渦電流センサの出力を基に、前記回転部材の回転位置を検出する、
   請求項２または３に記載の回転位置検出装置。
5. 一対の前記渦電流センサと、
   前記回転部材の回転に伴って、一方の前記渦電流センサと前記被検出部材との距離が徐々に近づき、他方の前記渦電流センサと前記被検出部材との距離が徐々に離れるように構成された前記被検出部材と、を備え、
   前記検出部は、前記両渦電流センサの出力の差分を基に、前記回転部材の回転位置を検出する、
   請求項１乃至４の何れか１項に記載の回転位置検出装置。

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