JP4523147B2 - Rotation angle detector - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は、ステータに対して相対的に回転するロータの回転角を検出する回転角検出器に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
〔従来例1〕
従来より、回転角検出器として、円環状抵抗体と回転接触子を用いたポテンショメータがある。図18はこのポテンショメータの要部を示す図であり、101は円環状抵抗、102は接触子である。接触子102はその先端を円環状抵抗101に接して回転する。このポテンショメータでは、端子P1とP2との間の抵抗値を測定することにより、接触子102の回転角を検出することができる。
【0003】
〔従来例2〕
図19は特開平8−327311号公報(文献1)に示された回転角検出器の要部を示す斜視図である。この回転角検出器は、基台103に固定されたソレノイド状コイル(外側コイル)104と、この外側コイル104の内部に配置されたソレノイド状コイル(内側コイル)105とを有している。106は基台103から延出された回転軸であり、外側コイル104の中空部104aを縦方向(コイル104の軸方向と直交する方向)に貫通し、その先端が外側コイル104の上部面104bより突き出ている。内側コイル105はその中空部105aを縦方向(コイル105の軸方向と直交する方向)に貫通する回転軸106に固定されている。
【0004】
この文献1に示された回転角検出器において、外側コイル104は、導線107を介して交流励磁され、交流磁界を発生する。この交流磁界により内側コイル105には誘導起電力が発生する。内側コイル105に発生する誘導起電力は中空部105aを横切る磁束に比例する。この磁束は磁界の方向と内側コイル105の中心軸のなす角度差により変化し、誘導起電力もこの角度差により変化する。したがって、内側コイル105に誘起した誘導起電力を測定することにより、内側コイル105の外側コイル104に対する回転角、すなわち回転軸106の回転角を検出することができる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来例1では、円環状抵抗101に接触子102の先端を接触回転させるため、円環状抵抗101や接触子102が摩耗するという問題があった。
これに対し、従来例2では、電磁誘導式(無接触式)であり機械的摺動部がなく、摩耗の問題は生じない。しかし、外側コイル(1次コイル)104と回転する内側コイル(2次コイル)105の他に出力信号取り出し用のフレキシブルな導線108が存在し、その構成が複雑となるという問題があった。また、内側コイル105に誘導起電力を生じさせるために相応の電力を必要とし、消費電力が大きいという問題があった。
【0006】
本発明はこのような課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、無接触式で簡易構成、かつ消費電力の少ない耐久性に優れた回転角検出器を提供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達成するために本発明は、第1〜第N(N≧2)の突極を有する強磁性体からなるステータと、回転中心に対し非対称の外形を有し、ステータの中央部に位置すると共に該ステータの第1〜第Nの突極にその外周面を対向させて相対的に回転する強磁性体からなるロータと、ステータの第1〜第Nの突極のそれぞれに巻かれその全てが直列に接続された第1〜第Nのコイルと、この第1〜第Nのコイルの直列接続回路の両端に接続され、この直列接続回路中の各コイルを交流励磁する励磁手段とを設け、ステータの第1〜第Nの突極とロータとの相対位置によって変化する第1〜第Nのコイルのインダクタンスに基づいてロータの回転角を検出するようにしたものである。
この発明によれば、ステータに対してロータが相対的に回転すると、ロータが回転中心に対し非対称の外形を有しているため、ステータの第1〜第Nの突極とロータとの間の磁路のリラクタンスがロータの回転角に応じて変化し、このリラクタンスの変化に応じて第1〜第Nの突極のそれぞれに巻かれた第1〜第Nのコイルのインダクタンスが変化し、この第1〜第Nのコイルのインダクタンスの変化からロータの回転角を無接触で検出することができる。なお、第1〜第Nのコイルのインダクタンスの変化は、コイルの両端の電圧から検出することができる。
【0008】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を実施の形態に基づき詳細に説明する。
〔実施の形態1〕
図1はこの発明の一実施の形態を示す回転角検出器の要部を示す平面図である。同図において、1は強磁性体からなるステータ、2は同じく強磁性体からなるロータである。ロータ2はステータ1の中央部に配置されている。
【0009】
ステータ1の平面図を図2(a)に、図2(a)におけるII−II線断面図を図2(b)に示す。ステータ1は、厚さt1のリング状平板とされ、その内周面に120゜間隔で中心O1に向かう突極1−1,1−2,1−3が形成されている。突極1−1,1−2,1−3は同一形状でその先端は半径R0の曲面とされている。
【0010】
ロータ2の平面図を図3(a)に示す。図3(b)は図3(a)をA方向から見た図、図3(c)は図3(a)をB方向から見た図である。ロータ2は厚さt2,半径R1の円板とされ、図3(a)における左半分には、厚さt2の中央部をt3の幅で深さd1だけ抉った形の半径R2(R2<R1)の外周面が形成されている。図3(a)における右半分の半径R1の外周面2−1を第1の外周面、左半分の半径R2の外周面2−2を第2の外周面とする。ロータ2の中心部には貫通孔2−3が形成されている。
【0011】
図1に示した平面図において、ロータ2は、後述する回転角の検出動作の説明を分かり易くするために、図3(b)におけるIII −III 線断面の外形のみを示している。また、図1には示していないが、図4に示すように、ステータ1の上下にはヨーク4,4が設けられている。また、ロータ2には、その貫通孔2−3に回転軸3が挿通固定されている。ステータ1の中心O1とロータ2の中心O2とは一致しており(O=O1=O2)、ステータ1の突極1−1,1−2,1−3の先端の曲面の半径R0はロータ2の第1の外周面2−1の半径R1よりも僅かに大きい。図4は図1におけるC−O−D断面を示している。図5(a)にヨーク4の平面図を、図5(b)に図5(a)におけるV−V線断面図を示す。
【0012】
ヨーク4はその平面形状がステータ1の平面形状と同一とされている。すなわち、ヨーク4にはステータ1の突極1−1,1−2,1−3に対応する突部4−1,4−2,4−3が形成されており、この突部4−1,4−2,4−3がステータ1の突極1−1,1−2,1−3にh1の空隙を隔てて重なるように、ステータ1の上下面にヨーク4,4が固定されている。
【0013】
ステータ1の突極1−1,1−2,1−3には、コイル5−1,5−2,5−3が巻かれている。コイル5−1,5−2,5−3は1本の導線を突極1−1,1−2,1−3に順次巻回して行くことによって形成されている。すなわち、コイル5−1,5−2,5−3は直列に接続されており、この直列接続回路の両端には図6に示すように固定周波数の定電圧交流電源13が接続されている。また、コイル5−1の両端の電圧V1を検出器6−1によって検出し、コイル5−2の両端の電圧V2を検出器6−2によって検出し、コイル5−3の両端の電圧V3を検出器6−3によって検出し、データ処理部7へ与えるようにしている。
【0014】
この回転角検出器では、ロータ2が回転中心Oに対し非対称の外形を有しているため、ロータ2が回転すると、ステータ1の突極1−1,1−2,1−3とロータ2との間の磁路、すなわちステータ1の突極1−1,1−2,1−3とロータ2およびヨーク4,4の突部4−1,4−2,4−3で構成される磁路のリラクタンスがロータ2の回転角に応じて変化し、このリラクタンスの変化に応じて突極1−1,1−2,1−3に巻かれたコイル5−1,5−2,5−3のインダクタンスが変化し、コイル5−1,5−2,5−3の両端の電圧V1,V2,V3は、その合計値は一定だが、各々の値が相対的に変化する。
【0015】
図7(a)〜(f)にロータ2の反時計方向への回転状況を示す。図7(a)ではロータ2の第1の外周面2−1がステータ1の突極1−1および1−2に対向しており、ロータ2の第2の外周面2−2がステータ1の突極1−3に対向している。この状態において、コイル5−1,5−2の両端の電圧V1,V2は高く、コイル5−3の両端の電圧V3は低い。この時のロータ2の回転角を0゜とする。図8にロータ2の回転角とコイル5−1,5−2,5−3の両端の電圧V1,V2,V3の関係を示す。ロータ2の回転角0゜でのコイル5−1,5−2の両端の電圧V1,V2はVMとなり、コイル5−3の両端の電圧V3はVLとなる(VH>VL)。
【0016】
図7(a)の状態からロータ2が反時計方向へ回転すると、突極1−2に対してロータ2の第2の外周面2−2が対向し始める。これにより、突極1−2とロータ2およびヨーク4,4の突部4−2で構成される磁路のリラクタンスが変化し、このリラクタンスの変化に応じて突極1−2に巻かれたコイル5−2のインダクタンスが変化し、コイル5−2の両端の電圧V2が低下し始める。
【0017】
図7(a)の状態からロータ2が反時計方向へ60゜回転した状態を図7(b)に示す。この状態、すなわち回転角60゜では、ロータ2の第1の外周面2−1が突極1−1に対向し、ロータ2の第2の外周面2−2が突極1−2,1−3に対向する。このため、コイル5−1の両端の電圧V1がVH、コイル5−2,5−3の両端の電圧V2,V3がVLとなる(図8に示すt1点)。
【0018】
図7(b)の状態からロータ2が反時計方向へ回転すると、突極1−3に対してロータ2の第1の外周面2−1が対向し始める。これにより、突極1−3とロータ2およびヨーク4,4の突部4−3で構成される磁路のリラクタンスが変化し、このリラクタンスの変化に応じて突極1−3に巻かれたコイル5−3のインダクタンスが変化し、コイル5−3の両端の電圧V3が上昇し始める。
【0019】
図7(b)の状態からロータ2が反時計方向へ60゜回転した状態を図7(c)に示す。この状態、すなわち回転角120゜では、ロータ2の第1の外周面2−1が突極1−1,1−3に対向し、ロータ2の第2の外周面2−2が突極1−2に対向する。このため、コイル5−1,5−3の両端の電圧V1,V3がVM、コイル5−2の両端の電圧V2がVLとなる(図8に示すt2点)。
【0020】
図7(c)の状態からロータ2が反時計方向へ回転すると、突極1−1に対してロータ2の第2の外周面2−2に対向し始める。これにより、突極1−1とロータ2およびヨーク4,4の突部4−1で構成される磁路のリラクタンスが変化し、このリラクタンスの変化に応じて突極1−1に巻かれたコイル5−1のインダクタンスが変化し、コイル5−1の両端の電圧V1が低下し始める。
【0021】
図7(c)の状態からロータ1が反時計方向へ60゜回転した状態を図7(d)に示す。この状態、すなわち回転角180゜では、ロータ2の第1の外周面2−1が突極1−3に対向し、ロータ2の第2の外周面2−2が突極1−1,1−2に対向する。このため、コイル5−1,5−2の両端の電圧V1,V2がVL、コイル5−3の両端の電圧V3がVHとなる(図8に示すt3点)。
【0022】
以下、同様にして、回転角240゜では(図7(e))、コイル5−1の両端の電圧V1がVL、コイル5−2,5−3の両端の電圧V2,V3がVMとなり(図8に示すt4点)、回転角300゜では(図7(f))、コイル5−1,5−3の両端の電圧V1,V3がVL、コイル5−2の両端の電圧V2がVHとなり(図8に示すt5点)、回転角360゜では(図7(a))、コイル5−1,5−2の両端の電圧V1,V2がVM、コイル5−3の両端の電圧V3がVLとなる(図8に示すt6点)。
【0023】
図8から分かるように、コイル5−1,5−2,5−3の両端に発生する電圧V1,V2,V3は、ロータ2の回転角により異なる組み合わせの値となる。したがって、コイル5−1,5−2,5−3の両端に発生する電圧V1,V2,V3を測定し、これをデータ処理すれば、ロータ2の回転角を知ることができる。
データ処理部7は、検出器6−1,6−2,6−3からの電圧V1,V2,V3を入力とし、この電圧V1,V2,V3の値から図8に示した特性に従ってロータ2の回転角を求める。
【0024】
データ処理部7における回転角の計算は、ハード回路により行わせるようにしてもよいが、マイクロプロセッサなどによるソフト演算で行えば、回路構成が簡単となる。図9にマイクロプロセッサを用いた場合のデータ処理部7の概略構成を示す。同図において、7−1はCPU、7−2はROM、7−3はRAM、7−4,7−5はインターフェイスであり、CPU7−1はインターフェイス7−4を介する電圧V1,V2,V3を入力とし、ROM7−2に格納されたプログラムに従ってRAM7−3にアクセスしながら回転角の算出を行う。この場合、RAM7−3には、図8に示した電圧V1,V2,V3と回転角との関係を予め格納しておく。
【0025】
なお、この実施の形態では、ステータ1の上下にヨーク4を設けるようにしたが、上側あるいは下側にのみヨーク4を設けるようにしてもよい。また、ヨーク4は突部4−1,4−2,4−3を設けたリング状としなくてもよく、すなわちステータ1の突極1−1,1−2,1−3に対して1つの繋がったヨークとしなくてもよく、突極1−1,1−2,1−3毎に独立したヨークを設けるようにしてもよい。また、ステータ1とヨーク4とは別体とせず、一体としてもよい。
【0026】
また、ロータ2の外形は、必ずしも図に示したような形としなくてもよい。すなわち、回転中心に対し非対称の外形を有すればよく、例えばロータ2の外形を真円とし、この真円を偏心させて回転させるようにしてもよい。また、ロータ2を回転させるようにしたが、ステータ1を回転させるようにしてもよい。但し、この場合、コイル5−1,5−2,5−3には、例えばスリップリングを介して電源を供給する等の必要があるため、構造が少し複雑になる。
【0027】
〔実施の形態2〕
実施の形態1では、突極の数を3つとしたが、測定対象角度が180゜以下であれば、突極の数を2つとすることも可能である。図10に突極の数を2つとした回転角検出器の要部を示す。この例では、ステータ8の内周面に180゜間隔で突極8−1,8−2が形成されている。この突極8−1,8−2にコイル10−1,10−2が巻かれている。ロータ9はその外周面の1/4が小径とされている。すなわち、ロータ9は、その外周面の3/4が半径R1の第1の外周面9−1とされ、残る1/4が半径R2の第2の外周面9−2とされている。この場合、第2の外周面9−2の外形が回転中心Oに対し非対称の外形となっている。ステータ8の上下には図示してはいないが同一平面形状のヨークが設けられている。
【0028】
コイル10−1,10−2は直列に接続されており、この直列接続回路の両端には図11に示すように固定周波数の定電圧交流電源13が接続されている。また、コイル10−1の両端の電圧V1を検出器11−1によって検出し、コイル10−2の両端の電圧V2を検出器10−2によって検出し、データ処理部12へ与えるようにしている。
【0029】
この回転角検出器では、ロータ9が回転中心Oに対し非対称の外形を有しているため、ロータ9が回転すると、ステータ8の突極8−1,8−2とロータ9との間の磁路のリラクタンスがロータ9の回転角に応じて変化し、このリラクタンスの変化に応じて突極8−1,8−2に巻かれたコイル10−1,10−2のインダクタンスが変化し、コイル10−1,10−2の両端の電圧V1,V2は、その合計値は一定だが、各々の値が相対的に変化する。
【0030】
図12(a)〜(d)にロータ9の反時計方向への回転状況を示す。図12(a)ではロータ9の第1の外周面9−1がステータ8の突極8−1に対向しており、ロータ9の第2の外周面9−2がステータ8の突極8−2に対向している。この状態において、コイル10−1の両端の電圧V1は高く、コイル10−2の両端の電圧V2は低い。この時のロータ9の回転角を0゜とする。図13にロータ9の回転角とコイル10−1,10−2の両端の電圧V1,V2の関係を示す。ロータ9の回転角0゜でのコイル10−1の両端の電圧V1はVHとなり、コイル10−2の両端の電圧V2はVLとなる(VH>VL)。
【0031】
図12(a)の状態からロータ9が反時計方向へ回転すると、突極8−2に対してロータ9の第1の外周面9−1が対向し始める。これにより、突極8−2とロータ9との間の磁路のリラクタンスが変化し、このリラクタンスの変化に応じて突極8−2に巻かれたコイル10−2のインダクタンスが変化し、コイル10−2の両端の電圧V2が上昇し始める。
【0032】
図12(a)の状態からロータ2が反時計方向へ90゜回転した状態を図12(b)に示す。この状態、すなわち回転角90゜では、ロータ9の第1の外周面9−1が突極8−1,8−2に共に対向する。このため、コイル10−1,10−2の両端の電圧V1,V2が共にVMとなる(図13に示すt1点)。
【0033】
図12(b)の状態からロータ9が反時計方向へ回転すると、突極8−1に対してロータ9の第2の外周面9−2が対向し始める。これにより、突極8−1とロータ9との間の磁路のリラクタンスが変化し、このリラクタンスの変化に応じて突極8−1に巻かれたコイル10−1のインダクタンスが変化し、コイル10−1の両端の電圧V1が低下し始める。
【0034】
図12(b)の状態からロータ2が反時計方向へ90゜回転した状態を図12(c)に示す。この状態、すなわち回転角180゜では、ロータ9の第1の外周面9−1が突極8−2に対向し、第2の外周面9−2が突極8−1に対向する。
このため、コイル10−1の両端の電圧V1がVL、コイル10−2の両端の電圧V2がVHとなる(図13に示すt2点)。
【0035】
以下、同様にして、回転角270゜では(図12(d))、コイル10−1,10−2の両端の電圧V1,V2が共にVMとなり(図13に示すt3点)、回転角360゜では(図12(a))、コイル10−1の両端の電圧V1がVH、コイル10−2の両端の電圧V2がVLとなる(図13に示すt4点)。
【0036】
図13から分かるように、コイル10−1,10−2の両端に発生する電圧V1,V2は、180゜を超えると同じ組み合わせの値が生じるが、0〜180゜の範囲では全て異なる組み合わせの値となる。したがって、コイル5−1,5−2の両端に発生する電圧V1,V2を測定し、これをデータ処理すれば、ロータ2の回転角を0〜180゜の範囲で知ることができる。データ処理部12は、検出器11−1,11−2からの電圧V1,V2を入力とし、この電圧V1,V2の値から図13に示した特性(0〜180゜の範囲の特性)に従ってロータ9の回転角を求める。
【0037】
この実施の形態2においても、ステータ9の上側あるいは下側にのみヨークを設けるようにしてもよく、ステータ9の突極9−1,9−2毎に独立したヨークを設けたり、ステータ9とヨークとを一体としたり、ロータ9の外形を真円としこの真円を偏心させて回転させるようにしたり、ステータ9側を回転させるようにしてもよいことは言うまでもない。
【0038】
〔参考例〕
実施の形態1では突極の数を3つとし、実施の形態2では突極の数を2つとしたが、さらに突極の数を増やしてもよい。図14に参考例として突極の数を1つとした回転検出器の要部を示す。この例では、円環状のステータ14の内周面に1つの突極14−1を形成し、この突極14−1にコイル16を巻回している。
【0039】
ロータ15はその外周面の半径がP1位置から反時計方向へ徐々に大径とされている。これにより、ロータ15の外形が全領域において、回転中心Oに対して非対称の形となっている。ステータ14の上下には図示してはいないが同一平面形状のヨークが設けられている。
【0040】
図15に示すように、コイル16には固定周波数の定電圧交流電源13が接続されており、コイル16に流れる電流I1を検出器20によって検出し、データ処理部21へ与えるようにしている。
【0041】
この回転角検出器では、ロータ15が回転中心Oに対し非対称の外形を有しているため、ロータ15が回転すると、ステータ14の突極14−1とロータ15との間の磁路のリラクタンスがロータ15の回転角に応じて変化し、このリラクタンスの変化に応じて突極14−1に巻かれたコイル16のインダクタンスが変化し、コイル16を流れる電流I1が変化する。
【0042】
この場合、ロータ5の外周面の半径がP1位置より反時計方向へ徐々に大径とされているので、ロータ15が時計方向へ回転するにつれて突極14−1とロータ15の外周面との対向間隙が狭まり、コイル16を流れる電流I1は直線的に徐々に大きくなる(図16参照)。データ処理部21は、検出器20からの電流I1を入力とし、この電流I1の値から図16に示した特性に従ってロータ15の回転角を求める。
【0043】
この参考例においても、ステータ14の上側あるいは下側にのみヨークを設けるようにしてもよく、ステータ14の突極14−1に対して独立したヨークを設けたり、ステータ14とヨークとを一体としたり、ロータ15の外形を真円としこの真円を偏心させて回転させるようにしたり、ステータ14側を回転させるようにしてもよいことは言うまでもない。また、ステータ14は、必ずしも円環状としなくてもよい。
【0044】
また、上述した実施の形態1,2および参考例では、電源として定電圧交流電源13を使用したが、定電流交流電源を使用するようにしてもよい。
例えば、図17(a)に示すように、参考例のコイル16に対して固定周波数の定電流交流電源13’を接続し、この定電流交流電源13’からコイル16へ定電流iを供給するようにしてもよい。この場合、コイル16のインダクタンスの変化によってコイル16の両端の電圧V1が変化するので、この電圧V1の値からロータ15の回転角を検出することができる。
【0045】
また、図17(b)に示すように、実施の形態1の直列接続されたコイル5−1,5−2,5−3に固定周波数の定電流交流電源13’を接続し、この定電流交流電源13’からコイル5−1,5−2,5−3へ定電流iを供給するようにしてもよい。この場合、コイル5−1,5−2,5−3のインダクタンスの変化によってコイル5−1,5−2,5−3の両端の電圧V1,V2,V3が変化するので、この電圧V1,V2,V3の値からロータ2の回転角を検出することができる。
【0047】
なお、上述において、定電圧交流電源13の「定電圧値」や定電流交流電源13’の「定電流値」は、必ずしも「一定不変の値」である必要はない。すなわち、「印加した電圧の値」又は「同・電流の値」が分かりさえすれば、それに対する各コイル電圧の比を測定することにより、この比から回転角を知ることも可能である。
【0048】
【発明の効果】
以上説明したことから明らかなように本発明によれば、ステータに対してロータが相対的に回転すると、ロータが回転中心に対し非対称の外形を有しているため、ステータの突極とロータとの間の磁路のリラクタンスがロータの回転角に応じて変化し、このリラクタンスの変化に応じて突極に巻かれたコイルのインダクタンスが変化し、このインダクタンスの変化からロータの回転角が無接触で検出されるものとなる。このため、摩擦の問題が生じず、耐久性に優れたものとなる。また、従来例2のような2次コイルを必要とせず、フレキシブル導線の必要がなく、消費電力も少なくなる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明に係る回転角検出器の一実施の形態(実施の形態1)の要部を示す平面図である。
【図2】 この回転角検出器に用いるステータの平面図および側断面図である。
【図3】 この回転角検出器に用いるロータの平面図および側面図である。
【図4】 この回転角検出器の組立状態を示す断面図(図1におけるC−O−D断面図)である。
【図5】 この回転角検出器に用いるヨークの平面図および側断面図である。
【図6】 この回転角検出器の電気回路を示す図である。
【図7】 この回転角検出器のロータの反時計方向への回転状況を示す図である。
【図8】 この回転角検出器のロータの回転角と各コイルの両端の電圧V1,V2,V3との関係を示す図である。
【図9】 マイクロプロセッサを用いた場合のデータ処理部の概略構成を示す図である。
【図10】 本発明に係る回転角検出器の他の実施の形態(実施の形態2)の要部を示す平面図である。
【図11】 この回転角検出器の電気回路を示す図である。
【図12】 この回転角検出器のロータの反時計方向への回転状況を示す図である。
【図13】 この回転角検出器のロータの回転角と各コイルの両端の電圧V1,V2との関係を示す図である。
【図14】 本発明に係る回転角検出器の他の実施の形態(実施の形態3)の要部を示す平面図である。
【図15】 実施の形態3においてコイルに流れる電流から回転角を検出するようにした場合の電気回路を示す図である。
【図16】 この回転角検出器のロータの回転角とコイルに流れる電流I1との関係を示す図である。
【図17】 実施の形態3や実施の形態1において定電流交流電源を使用した場合の電気回路の要部を示す図である。
【図18】 従来の回転角検出器(ポテンショメータ)の要部を示す図である。
【図19】 特開平8−327311号公報(文献1)に示された回転角検出器の要部を示す斜視図である。
【符号の説明】
1…ステータ、1−1,1−2,1−3…突極、2…ロータ、2−1…第1の外周面、2−2…第2の外周面、3…回転軸、4…ヨーク、5−1,5−2,5−3…コイル、6−1,6−2,6−3…検出器、7…データ処理部、8…ステータ、8−1,8−2…突極、9…ロータ、9−1…第1の外周面、9−2…第2の外周面、10−1,10−2…コイル、11−1,11−2…検出器、12…データ処理部、13…定電圧交流電源、13’…定電流交流電源、14…ステータ、14−1…突極、15…ロータ、16…コイル、17…直列抵抗、18…検出器、19…データ処理部、20…検出器、21…データ処理部。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a rotation angle detector that detects a rotation angle of a rotor that rotates relative to a stator.
[0002]
[Prior art]
[Conventional example 1]
Conventionally, as a rotation angle detector, there is a potentiometer using an annular resistor and a rotating contact. FIG. 18 is a view showing the main part of the potentiometer, 101 is an annular resistor, and 102 is a contact. The
[0003]
[Conventional example 2]
FIG. 19 is a perspective view showing a main part of the rotation angle detector disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 8-327311 (Document 1). The rotation angle detector includes a solenoid coil (outer coil) 104 fixed to the
[0004]
In the rotation angle detector shown in this
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
In the conventional example 1 described above, since the tip of the
On the other hand, the conventional example 2 is an electromagnetic induction type (non-contact type), has no mechanical sliding portion, and does not have a problem of wear. However, in addition to the outer coil (primary coil) 104 and the rotating inner coil (secondary coil) 105, there is a flexible
[0006]
The present invention has been made to solve such a problem, and an object of the present invention is to provide a rotation angle detector that is contactless, has a simple configuration, and has low power consumption and excellent durability. is there.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve such an object, the present invention provides a stator made of a ferromagnetic material having first to Nth (N ≧ 2) salient poles, an outer shape asymmetric with respect to the center of rotation, A rotor made of a ferromagnetic material that is positioned at a portion and rotates relatively with its outer peripheral surface facing the first to Nth salient poles of the stator, and the first to Nth salient poles of the statorEach ofAre connected to both ends of a series connection circuit of the first to Nth coils, and all the coils in the series connection circuit are AC-excited. Excitation means is provided, and the rotation angle of the rotor is detected based on the inductances of the first to Nth coils that change depending on the relative positions of the first to Nth salient poles of the stator and the rotor. .
According to the present invention, when the rotor rotates relative to the stator, the rotor has an asymmetric outer shape with respect to the rotation center, so that the first to Nth salient poles of the stator and the rotor The reluctance of the magnetic path changes according to the rotation angle of the rotor, and the first to Nth salient poles according to the change of the reluctanceEach ofThe inductance of the first to Nth coils wound around the coil changes, and the rotation angle of the rotor can be detected without contact from the change in the inductance of the first to Nth coils. Note that the change in inductance of the first to Nth coils can be detected from the voltage across the coils..
[0008]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described in detail based on embodiments.
[Embodiment 1]
FIG. 1 is a plan view showing a main part of a rotation angle detector showing an embodiment of the present invention. In the figure, 1 is a stator made of a ferromagnetic material, and 2 is a rotor made of a ferromagnetic material. The
[0009]
A plan view of the
[0010]
A plan view of the
[0011]
In the plan view shown in FIG. 1, the
[0012]
The
[0013]
Coils 5-1, 5-2 and 5-3 are wound around the salient poles 1-1, 1-2 and 1-3 of the
[0014]
In this rotation angle detector, since the
[0015]
FIGS. 7A to 7F show the state of rotation of the
[0016]
When the
[0017]
FIG. 7B shows a state in which the
[0018]
When the
[0019]
FIG. 7C shows a state in which the
[0020]
When the
[0021]
FIG. 7D shows a state in which the
[0022]
Similarly, at a rotation angle of 240 ° (FIG. 7E), the voltage V1 across the coil 5-1 is VL, and the voltages V2 and V3 across the coils 5-2 and 5-3 are VM ( At point t4 shown in FIG. 8), at a rotation angle of 300 ° (FIG. 7 (f)), voltages V1 and V3 at both ends of coils 5-1 and 5-3 are VL, and voltage V2 at both ends of coil 5-2 is VH. (Point t5 shown in FIG. 8), at a rotation angle of 360 ° (FIG. 7A), voltages V1 and V2 at both ends of coils 5-1 and 5-2 are VM, and voltage V3 at both ends of coil 5-3. Becomes VL (point t6 shown in FIG. 8).
[0023]
As can be seen from FIG. 8, the voltages V <b> 1, V <b> 2 and V <b> 3 generated at both ends of the coils 5-1, 5-2 and 5-3 have different combinations of values depending on the rotation angle of the
The
[0024]
The calculation of the rotation angle in the
[0025]
In this embodiment, the
[0026]
Further, the outer shape of the
[0027]
[Embodiment 2]
In the first embodiment, the number of salient poles is three. However, the number of salient poles may be two if the measurement target angle is 180 ° or less. FIG. 10 shows a main part of a rotation angle detector having two salient poles. In this example, salient poles 8-1 and 8-2 are formed on the inner peripheral surface of the
[0028]
The coils 10-1 and 10-2 are connected in series, and a fixed frequency constant voltage
[0029]
In this rotation angle detector, since the
[0030]
FIGS. 12A to 12D show the state of rotation of the
[0031]
When the
[0032]
FIG. 12B shows a state in which the
[0033]
When the
[0034]
FIG. 12C shows a state where the
Therefore, the voltage V1 at both ends of the coil 10-1 is VL, and the voltage V2 at both ends of the coil 10-2 is VH (point t2 shown in FIG. 13).
[0035]
Similarly, at a rotation angle of 270 ° (FIG. 12 (d)), the voltages V1 and V2 across the coils 10-1 and 10-2 are both VM (point t3 shown in FIG. 13), and the rotation angle is 360. In FIG. 12A (FIG. 12A), the voltage V1 across the coil 10-1 is VH, and the voltage V2 across the coil 10-2 is VL (point t4 shown in FIG. 13).
[0036]
As can be seen from FIG. 13, the voltages V1 and V2 generated at both ends of the coils 10-1 and 10-2 have the same combination value when exceeding 180 °. Value. Therefore, if the voltages V1 and V2 generated at both ends of the coils 5-1 and 5-2 are measured and processed, the rotation angle of the
[0037]
Also in the second embodiment, a yoke may be provided only on the upper side or the lower side of the
[0038]
[Reference example]
In the first embodiment, the number of salient poles is three, and in the second embodiment, the number of salient poles is two. However, the number of salient poles may be further increased.. As a reference example in FIG.The main part of the rotation detector with one salient pole is shown. In this example, one salient pole 14-1 is formed on the inner peripheral surface of the
[0039]
The radius of the outer peripheral surface of the
[0040]
As shown in FIG. 15, a constant voltage
[0041]
In this rotation angle detector, since the
[0042]
In this case, the radius of the outer peripheral surface of the rotor 5 is gradually increased counterclockwise from the P1 position, so that the salient pole 14-1 and the outer peripheral surface of the
[0043]
thisReference exampleHowever, the yoke may be provided only on the upper side or the lower side of the
[0044]
In addition, the above-described embodiment1, 2 and reference examplesThen, although the constant voltage alternating
For example, as shown in FIG.Reference exampleA constant current
[0045]
As shown in FIG. 17 (b), a constant frequency constant current AC power supply 13 'is connected to the series-connected coils 5-1, 5-2 and 5-3 of the first embodiment, and this constant current is connected. A constant current i may be supplied from the AC power supply 13 'to the coils 5-1, 5-2, and 5-3. In this case, the voltages V1, V2, and V3 at both ends of the coils 5-1, 5-2, and 5-3 change due to changes in the inductance of the coils 5-1, 5-2, and 5-3. The rotation angle of the
[0047]
In the above description, the “constant voltage value” of the constant voltage
[0048]
【The invention's effect】
As is apparent from the above description, according to the present invention, when the rotor rotates relative to the stator, the rotor has an asymmetric outer shape with respect to the rotation center. The reluctance of the magnetic path between them changes according to the rotation angle of the rotor, the inductance of the coil wound around the salient pole changes according to the change of the reluctance, and the rotation angle of the rotor does not contact from this change in inductance Will be detected. For this reason, the problem of friction does not occur and the durability is excellent. Further, the secondary coil as in Conventional Example 2 is not required, there is no need for a flexible conductor, and power consumption is reduced.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a plan view showing a main part of an embodiment (Embodiment 1) of a rotation angle detector according to the present invention.
FIG. 2 is a plan view and a side sectional view of a stator used in this rotation angle detector.
FIG. 3 is a plan view and a side view of a rotor used in the rotation angle detector.
FIG. 4 is a cross-sectional view (C-O-D cross-sectional view in FIG. 1) showing an assembled state of the rotation angle detector.
FIG. 5 is a plan view and a side sectional view of a yoke used in the rotation angle detector.
FIG. 6 is a diagram showing an electric circuit of the rotation angle detector.
FIG. 7 is a diagram showing a state of rotation of the rotor of the rotation angle detector in the counterclockwise direction.
FIG. 8 is a diagram showing the relationship between the rotation angle of the rotor of this rotation angle detector and the voltages V1, V2, and V3 at both ends of each coil.
FIG. 9 is a diagram showing a schematic configuration of a data processing unit when a microprocessor is used.
FIG. 10 is a plan view showing a main part of another embodiment (Embodiment 2) of the rotation angle detector according to the present invention.
FIG. 11 is a diagram showing an electric circuit of the rotation angle detector.
FIG. 12 is a diagram showing a state of rotation of the rotor of the rotation angle detector in the counterclockwise direction.
FIG. 13 is a diagram showing the relationship between the rotation angle of the rotor of this rotation angle detector and the voltages V1 and V2 at both ends of each coil.
FIG. 14 is a plan view showing a main part of another embodiment (Embodiment 3) of a rotation angle detector according to the present invention.
FIG. 15 is a diagram showing an electric circuit when a rotation angle is detected from a current flowing through a coil in the third embodiment.
FIG. 16 is a diagram showing the relationship between the rotation angle of the rotor of this rotation angle detector and the current I1 flowing through the coil.
17 is a diagram showing a main part of an electric circuit when a constant current AC power supply is used in the third embodiment or the first embodiment. FIG.
FIG. 18 is a view showing a main part of a conventional rotation angle detector (potentiometer).
FIG. 19 is a perspective view showing a main part of a rotation angle detector disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 8-327311 (Document 1).
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
Claims (1)
回転中心に対し非対称の外形を有し、前記ステータの中央部に位置すると共に該ステータの第1〜第Nの突極にその外周面を対向させて相対的に回転する強磁性体からなるロータと、
前記ステータの第1〜第Nの突極のそれぞれに巻かれその全てが直列に接続された第1〜第Nのコイルと、
この第1〜第Nのコイルの直列接続回路の両端に接続され、この直列接続回路中の前記コイルを交流励磁する励磁手段と、
前記ステータの第1〜第Nの突極と前記ロータとの相対位置によって変化する前記第1〜第Nのコイルのインダクタンスに基づいて前記ロータの回転角を検出する手段と
を備えたことを特徴とする回転角検出器。A stator made of a ferromagnetic material having first to Nth (N ≧ 2) salient poles;
A rotor having a non-symmetrical outer shape with respect to the center of rotation, which is located at the center portion of the stator and which rotates relatively with its outer peripheral surface facing the first to Nth salient poles of the stator. When,
First to Nth coils wound around each of the first to Nth salient poles of the stator and all connected in series;
Excitation means connected to both ends of the series connection circuit of the first to Nth coils, and AC exciting the coil in the series connection circuit;
And means for detecting a rotation angle of the rotor based on inductances of the first to Nth coils, which vary depending on a relative position between the first to Nth salient poles of the stator and the rotor. Rotation angle detector.
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