JP4079421B2 - 回転検出装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回転検出装置に関し、特に、エンジンに結合されたモータの制御およびエンジンの点火・燃料噴射制御に使用することができる検出信号を出力する回転検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
エンジンを始動させるため、エンジンのクランク軸にスタータモータが結合される。スタータモータは三相ステータ巻線を有していて、クランク軸の角度に応じてステータ巻線の各相に順番にドライバ回路を通じて電流が供給されて駆動される。この通電タイミングを判断するために、磁極角度センサによってスタータモータが結合されるクランク軸の回転位置情報（クランク角情報）が検出される。一方、燃料噴射時期や点火時期の制御のために、点火パルサによってクランク軸の基準位置情報が検出される。
【０００３】
前記点火パルサはモータのロータの外周に設けられた基準点をロータの１回転中に１回検出できるようにロータの外周に配置される。また、磁極角度センサはロータのハブの外周に設けられた環状センサマグネットに対向して配置され、該センサマグネットの複数の着磁領域の境界で検出信号を出力する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上述のように、従来は２種類のセンサがそれぞれ別個に設けられていたため、組み立てや調整が煩雑となり、組立工数の増大を招いていた。また、点火パルサがロータの外周に配置されるので、モータの外周から外側へ点火パルサがはみ出してしまう。そのために、周辺部材と干渉し、レイアウト上の制限が発生することがあった。
【０００５】
本発明の目的は、組立工数や部品点数を低減でき、モータ周辺部材との干渉も防止できる回転検出装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記した目的を達成するために、本発明は、複数組のＮ・Ｓ磁極が周方向に配列され、ロータと共に回転する環状のセンサマグネットと該センサマグネットに対向して配置された三つの第１磁気センサおよび一つの第２磁気センサとを有して前記ロータの回転を検出する三相交流モータの回転検出装置において、前記センサマグネットは、各磁極の組の長さが同一であり、かつ、１組を除いて各組の磁極同士の長さが同一に着磁されており、該１組はセンサマグネットの回転方向で先行する磁極が後行の磁極より長く設定されており、前記第１磁気センサは等間隔で配置され、前記第２磁気センサは前記第１磁気センサのうち前記センサマグネットの回転方向最後部に位置するものから後方に前記同一長さの磁極長さ分ずらして配置されるとともに、前記最後部の第１磁気センサの検出信号のエッジをトリガにして前記第２磁気センサの検出信号のレベルを判断し、該レベルが予定値のときに該第２磁気センサの検出信号を前記モータの１回転の基準位置と決定する手段を備えた点に第１の特徴がある。
【０００７】
また、本発明は、前記三相交流モータが、前記ロータと同心に配置されたステータと、前記ステータを保持するステータベースと、前記第１磁気センサおよび第２磁気センサを収容するセンサケースとを備え、前記ステータベースには、前記センサケースが固着された前記ステータを前記ステータベースに保持させたときに前記センサケースが嵌挿される凹部が形成されている点に第２の特徴がある。
【０００８】
第１および第２の特徴によれば、ロータの１回転中に第１磁気センサの出力は複数の立ち上がりエッジまたは立ち下がりエッジを形成する。この第１磁気センサの出力の各エッジにおいて、第２磁気センサの各出力レベルは１カ所のみで他と異なる。したがって、この第２磁気センサのレベルの違いを判別してモータの１回転の基準位置が決定される。また、着磁帯は１本でよいので、センサマグネットの構成が簡単である。
【０００９】
また、本発明は、前記センサケースが、前記第１磁気センサおよび第２磁気センサの検知面側の底部と、前記検知面と直交する面を有する側面部とからなり、前記側面部が、前記ステータベースの凹部に当接するように前記ステータとステータベースとが結合されている点に第３の特徴がある。
【００１０】
また、本発明は、前記第１磁気センサの検出信号が前記ステータの巻線に給電するドライバ手段に供給されるように構成された点に第４の特徴がある。
【００１１】
第４の特徴によれば、３つ設けられている第１磁気センサが着磁部の長さと着磁部の極性に応じて交番する信号を出力し、各出力によって、ステータ巻線の各相に対する給電タイミングを決定することができる。
【００１２】
さらに本発明は、前記モータがエンジンに結合されるスタータモータであり、前記第１磁気センサおよび第２磁気センサの検出信号が前記エンジンの点火制御部および燃料噴射制御部に供給されるように構成された点に第５の特徴がある。
【００１３】
第２磁気センサで検出されるモータの１回転の基準位置と第１の磁気センサで検出される回転角度により、モータが結合されているエンジンのクランク角が検出されるので、点火時期および燃料噴射時期を制御する信号として利用できる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明を詳細に説明する。図１は、本発明の回転検出装置を有するエンジンのスタータモータ（以下、単に「モータ」という）の断面図である。同図において、モータ１はロータ２とステータ３とを有する。ロータ２はカップ状のヨーク４と、ヨーク４をエンジンのクランク軸（図示しない）に結合するスリーブ（つまりハブ）５と、ヨーク４の内周に沿って配置された複数のマグネット６とを含む。スリーブ５の端部外周には回転検出のためのセンサマグネット７が嵌挿されている。センサマグネット７はモータ制御と、基準位置検出とに用いられる１列の着磁帯を有する。具体的な着磁構造は後述する。
【００１５】
ステータ３はステータコア８とステータコア８に絶縁材９を介して巻回されたステータ巻線１０とを含む。ステータ巻線１０は三相巻線である。ステータ３のステータコア８はボルトでエンジンのセンサケースに設けられるステータベース（後述）に固定される。ステータ３には前記センサマグネット７の着磁帯に対向して配置された二組四つの磁気センサ（例えば、ホール素子）１１，１２を含むセンサパッケージ１３を備える。磁気センサ１１はモータ制御用（以下、「モータ用センサ」という）であり、モータ１のＵ，Ｖ，Ｗ相に対応して３個設けられる。一方、磁気センサ１２は１回転の基準位置検出用（以下、「基準位置センサ」という）である。モータ用センサ１１、および基準位置センサ１２はセンサマグネット７の着磁帯の磁気作用を受けてハイ（高レベル）またはロー（低レベル）の間で変化する信号を出力する。センサパッケージ１３はモータ用センサ１１、および基準位置センサ１２を支持する基板１４とセンサ１１，１２を制御部（図示せず）に接続するリード線１５を含み、ボルト１６でステータ３に固定される。
【００１６】
図２は、ステータの正面図であり図１と同符号は同一部分を示す。同図において、ヨーク８には、絶縁材で形成されたセンサケース１３ａが前記ボルト１６で固定される。センサケース１３ａの底部つまりステータ３の中心側に三つのモータ用センサ１１（１１Ｕ，１１Ｖ，１１Ｗ）と一つの基準位置センサ１２とが設けられる。センサケース１３ａの形状はさらに後述する。ステータ巻線１０のリード部１０ａはバンド２２で束ねられてステータ３に固定される。ステータ３の中心には前記ロータのスリーブ５が貫通できる孔２３が設けられ、かつ、この中心孔２３の近傍には該ステータ３をステータベース（後述）に固定するためのボルトを通す孔２４が三つ設けられる。
【００１７】
図３は、ステータベースの正面図であり、ステータ３との結合位置が理解できるようにセンサパッケージ１３を併せて示している。ステータベース２５はエンジンのクランクケースに結合される。ステータベース２５には、エンジン側から延長されるクランク軸が貫通する軸受け部２６が設けられ、軸受け部２６には、ステータ３を固定するためのボルトを受け入れるボルト孔２７を備えたボス２８が形成される。ボルト孔２７はこのボス２８に対して中心角１２０°間隔で配置される。ボス２８には、センサパッケージ１３のセンサケース１３ａが嵌るように、二つのボルト孔２７間に切り欠き２９が設けられる。
【００１８】
ステータ３をステータベース２５に組み付ける際には、まず、切り欠き２９に嵌るようにしてセンサケース１３ａをステータベース２５に係合させる。これで、センサパッケージ１３とステータベース２５との回転方向の位置が容易に確定する。次いで、ボルトを孔２４に挿入し、ボルト孔２７にボルトを螺挿してステータ３をステータベース２５に固定させる。
【００１９】
この切り欠き２９のような位置合わせの基準を設けない場合、まず、ステータ３をステータベース２５に仮止めした後、回転方向の位置を合わせてボルトを締めるという手順になるので、手間がかかるうえ、精度を保証しにくい構造であった。しかし、この実施形態によれば、簡単に、しかも高精度にセンサパッケージ１３を取り付けられる。
【００２０】
センサケース１３ａの形状は次のように形成するのがよい。図４は、センサパッケージ１３の要部拡大図である。モータ用センサ１１および基準位置センサ１２は略直方体のホールＩＣであり、ケース１３ａの底部に配置されるこれらセンサは、正面つまり検知面Ｓｆがセンサマグネット７に指向するように配置される。
【００２１】
そして、これらセンサのうち配列方向端部に設けられるセンサ、つまり図では基準位置センサ１２の側面１２Ｓに沿うようにセンサケース１３ａの側面１３Ｓの成形角度を決定する。つまりセンサ１２の側面１２Ｓとセンサケース１３Ｓの側面１３Ｓとをほぼ平行にする。図４では、センサケース１３ａの一端のみ示したが、他端においても、センサケース１３ａの側面がモータ用センサ１１Ｕの側面と平行になるようにする。例えば、同図中点線１３ｄで示すようにセンサケース１３ａの側面１３Ｓを形成した場合と比較すると、この実施形態のセンサケース１３ａは幅が狭く、センサパッケージ１３の小型化が図られる。
【００２２】
図５は、モータおよびエンジン制御装置の要部を示すブロック図である。ＥＣＵ１７は、例えばＭＯＳ−ＦＥＴからなる整流回路１８と整流回路１８の各ＦＥＴにゲート信号を供給するドライバ回路１９とを有する。モータ１の各相の検出信号はモータ用センサ１１で検出されてドライバ回路１９に供給される。
【００２３】
さらに、ＥＣＵ１７は燃料噴射制御部２０と点火制御部２１とを有する。燃料噴射制御部２０および点火制御部２１は、モータ用センサ１１の検出信号と、基準位置センサ１２によるモータ１の１回転の基準位置検出信号とに基づいてエンジンの回転角つまりエンジンのクランク軸に結合されているモータ１の回転角を判断し、燃料噴射時期および点火時期を決定する。そして、この燃料噴射時期および点火時期に図示しない燃料噴射弁および点火装置に駆動信号が供給される。つまり、燃料噴射弁が所定のデューティで開弁され、点火装置では高圧が発生される。
【００２４】
なお、モータ１は、一旦エンジンが始動された後は発電機として作用させることができる。モータ１のステータ巻線１０はエンジンで回転されて三相交流を出力する。この交流は所定電圧の直流に変換してバッテリに蓄積することができる。交流を直流に変換するＡＣ／ＤＣコンバータや電圧を調整するレギュレータが設けられるが、本発明の要部ではないので図示は省略する。
【００２５】
動作時には、モータ用センサ１１で検出される回転角度に従い、ドライバ回路１９によってステータ巻線１０に順次電流を供給することにより、マグネット６を備えたロータ２が駆動される。エンジンのクランク軸はモータ１のロータ２にスリーブ５を介して結合されているので、ロータ２の回転によってクランキングされ、着火回転数に達したならばエンジンは点火され自立運転を開始する。自立運転開始後は制御系統が発電機側に切り換えられ、モータ１はエンジン発電機として作用させることができる。
【００２６】
図６は、センサマグネットの着磁およびセンサの配置を示す展開図および出力レベルのタイミングチャートである。環状のセンサマグネット７はＮ極とＳ極とを交互に配置している。各磁極の周方向の長さは中心角３０°に対応する。但し、１対のＮ極およびＳ極だけは、長さを中心角３０°とは違えてある。同図において、Ｎ極２６は中心角３５°に相当する長さであり、隣接するＳ極２７は中心角２５°に相当する長さに設定してある。なお、Ｎ極２６とＳ極２７との角度は、上記の角度に限らない。要は、Ｎ極２６がＳ極２７より長く設定されていればよい。
【００２７】
センサマグネット７に対向して配置されるモータ用センサ１１Ｕ，１１Ｖ，１１Ｗは互いに２０°間隔で配置され、基準位置センサ１２はセンサ１１Ｗに対して３２°（３０°＋２°）間隔で配置される。基準位置センサ１２とモータ用センサ１１Ｗとの間隔３２°は、センサマグネット７の各磁極の長さ（３０°）にマージンとしての２°を加算したものである。マージンはデジタル化（矩形波形化）された各センサの検出信号に基づいて後述の基準位置判断をするためである。すなわち、センサ１１Ｗのエッジとセンサ１２のエッジとが重なって判断結果が不安定となるのを防止するために設けられる。したがって、マージンは、０°以上５°以下、好ましくは１°〜２°に設定するのがよい。
【００２８】
上記センサマグネットとセンサの配置関係において、各センサの出力の様子を見る。なお、センサマグネット７は図中左方向に移動するものとし、各センサは、センサマグネット７のＳ極に対してはハイ（高レベル）信号を出力し、Ｎ極に対してはロー（低レベル）信号を出力するものとする。モータ用センサ１１Ｗの立ち上がりエッジにおいて、基準位置センサ１２の出力レベルに着目すると、モータ用センサ１１Ｗの６回の立ち上がりエッジＥ１〜Ｅ６において、基準位置センサ１２の出力レベルはエッジＥ２で１回だけハイであり、他ではローであるのがわかる。
【００２９】
したがって、磁極の長さ（周方向の着磁長さ）に応じて規則的に所定のパルス幅で出力されるモータ用センサ１１Ｕ，１１Ｖ，１１Ｗの検出信号によってステータ巻線１０の各相に対する給電タイミングが得られる。また、モータ用センサ１１Ｗの立ち上がりエッジにおける基準位置センサ１２の出力信号がハイであるかどうかの判断でモータ１の１回転の基準位置かどうかを検出することができる。
【００３０】
モータ用センサ１１Ｗの立ち下がりエッジで基準位置センサ１２の出力がハイかどうかを判断して、該出力がハイのときを基準位置としてもよい。
【００３１】
なお、磁極の長さを他と違えた部分（特異部分）に対応するモータ用センサ１１の出力に基づいてモータ１への通電タイミングを決定すると、理想的な通電タイミングからわずかにずれる。したがって、この部分ではモータ１のトルクが低下するので、エンジンの上死点近傍とこの特異部分とが重複するのは避けるのが好ましい。
【００３２】
図７は、本実施形態による基準位置検出のための要部機能ブロック図である。同図において、エッジ検出部３０はモータ用センサ１１の検出信号の立ち上がりまたは立ち下がりエッジを検出する。エッジ検出部３０で検出信号の立ち上がりを検出するか立ち下がりを検出するかは、着磁帯Ｍ１，Ｍ２の極性およびモータ用センサ１１（１１Ｕ，１１Ｖ，１１Ｗ）と基準位置センサ１２との位置関係によって予め決定しておく。また、モータ用センサ１１Ｕ〜１１Ｗのいずれを対象にしてエッジ検出するかも同様に予め決定しておく。
【００３３】
基準位置センサ１２の検出信号はゲート３１を介して出力されるものとする。ゲート３１はエッジ検出部３０からエッジ検出信号が供給されたときに開いて基準位置センサ１２の検出信号が有効に出力される。
【００３４】
【発明の効果】
請求項１〜請求項５の発明によれば、１列の着磁部からなるセンサマグネットを使用して、異なる２種類の目的のためにセンシングを行うことができる。したがって、各目的毎の磁気センサを１列に配置できるので、検出装置を小型化することができる。
【００３５】
請求項２の発明によれば、ステータに固着されたセンサケースをステータベースの切り欠きに合わせてステータをステータベースに取り付けることにより、各センサのロータに対する回転方向の位置が決定されるので、容易に高精度の位置決めができる。
【００３６】
請求項３の発明によれば、センサを収容するセンサケースの小型化により、検出装置を小型化できる。
【００３７】
請求項４の発明によれば、各センサの検出信号に基づいてモータのステータ巻線に通電できる。請求項５の発明によれば、スタータモータで始動されたエンジンの点火・燃料噴射制御のためのトリガを容易に発生することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施形態に係る回転検出装置を含むモータの断面図である。
【図２】 図１のモータに含まれるステータの正面図である。
【図３】 図１のステータを固定するステータベースの正面図である。
【図４】 センサケースの要部拡大図である。
【図５】 回転検出装置を含むモータおよびエンジンの制御装置を示す要部ブロック図である。
【図６】 センサマグネットに対応するセンサの出力タイミングチャートである。
【図７】 基準位置センサの出力制御部の機能ブロック図である。
【符号の説明】
１…モータ、 ２…ロータ、 ３…ステータ、 ４…ヨーク、 ５…スリーブ（ハブ）、 ６…ロータマグネット、 ７…センサマグネット、 １０…ステータ巻線、 １１…モータ用センサ、 １２…基準位置センサ、 １３…センサパッケージ、 １３ａ…センサケース、 １４…基板、 １７…ＥＣＵ、 ２５…エッジ検出部、 ２９…切り欠き

Claims (5)

1. 複数組のＮ・Ｓ磁極が周方向に配列され、ロータと共に回転する環状の１本のセンサマグネットと該センサマグネットに対向して配置された三つの第１磁気センサおよび一つの第２磁気センサとを有して前記ロータの回転を検出する三相交流モータの回転検出装置において、
   前記センサマグネットは、各磁極の組の長さが同一であり、かつ、１組を除いて各組の磁極同士の長さが同一に着磁されており、該１組はセンサマグネットの回転方向で先行する磁極が後行の磁極より長く設定されており、
   前記第１磁気センサは前記三相交流モータの各相の通電タイミング決定用であって等間隔で配置され、
   前記第２磁気センサは前記三相交流モータの１回転の基準位置決定用であって前記第１磁気センサのうち前記センサマグネットの回転方向最後部に位置するものから後方に前記同一長さの磁極長さ分ずらして配置されるとともに、
   前記最後部の第１磁気センサの検出信号のエッジをトリガにして前記第２磁気センサの検出信号のレベルを判断し、該レベルが予定値のときに該第２磁気センサの検出信号を前記モータの１回転の基準位置と決定する手段を備えたことを特徴とする回転検出装置。
2. 前記三相交流モータが、
   前記ロータと同心に配置されたステータと、
   前記ステータを保持するステータベースと、
   前記第１磁気センサおよび第２磁気センサを収容するセンサケースとを備え、
   前記ステータベースには、前記センサケースが固着された前記ステータを前記ステータベースに保持させたときに前記センサケースが嵌挿される凹部が形成されていることを特徴とする請求項１記載の回転検出装置。
3. 前記センサケースが、前記第１磁気センサおよび第２磁気センサの検知面側の底部と、前記検知面と直交する面を有する側面部とからなり、
   前記側面部が、前記ステータベースの凹部に当接するように前記ステータとステータベースとが結合されていることを特徴とする請求項２記載の回転検出装置。
4. 前記第１磁気センサの検出信号が前記ステータの巻線に給電するドライバ手段に供給されるように構成されたことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の回転検出装置。
5. 前記モータがエンジンに結合されるスタータモータであり、
   前記第１磁気センサおよび第２磁気センサの検出信号が前記エンジンの点火制御部および燃料噴射制御部に供給されるように構成されたことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の回転検出装置。

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