JP5188379B2 - 回転角センサ - Google Patents

Description

本発明は、回転体の回転角を検出する回転角センサに関するものである。

回転体の回転角を検出する回転角センサとしては、 可変リラクタンス型レゾルバが知られている（たとえば、特許文献１）。このレゾルバは、励磁巻線と第１及び第２の検出巻線とが巻回されたステータと、径方向外側に向かって突出した４つの円弧状の誘導子部を有するロータとから構成される。そして、ロータが回転すると、ロータの突出した円弧状の誘導子部と、ステータの巻線が巻回される磁極との間の空隙が変化する。この空隙の変化は、励磁巻線を励磁する励磁信号と、励磁巻線の発生した磁束により検出巻線に誘起される出力信号とを介して、リラクタンスの変化として検出され、さらに、その変化が回転角度として検出される。

また、従来より、金属等の導電体に磁束を印加することにより導電体に生じるうず電流によって、検出コイルにおいて、導電体の大きさや構造に応じた位相変化が生じた磁束が観測されることが知られている（たとえば、特許文献２）。
特開2002-168652号公報 特公昭49-43217号公報

前述した特許文献１記載の回転角センサによれば、磁性材がロータに近接して存在する場合などには、ロータから磁性材への漏れ磁束が発生し、前記空隙の大きさに応じた強さで出力信号が正しく励起されなくなり、回転角の検出精度が劣化する。
また、ステータが複雑な形状を有するために、当該ステータに巻き線を正確に巻き回すことが困難であるという問題もあった。
そこで、本発明は、漏れ磁束による精度劣化が生じることのない、比較的簡易な構造の回転角センサを提供することを課題とする。

前記課題達成のために、本発明は、非磁性導電体で形成したロータと、非磁性導電体で形成したステータと、磁束を発生する駆動コイルと、検出コイルと、測定回路とを備えた回転角センサを提供する。ここで、前記ロータは、当該ロータの回転に伴って回転する回転面を有すると共に、当該回転面には、当該回転面の回転方向に等角度間隔で配置された複数のスリットである回転スリット群を有し、前記ステータは、前記回転面と対面する固定面を有すると共に、当該固定面には、前記ロータの回転面の回転方向に等角度間隔で配置された複数のスリットである固定スリット群を備えている。そして、前記駆動コイルと前記検出コイルとは、前記ロータの前記回転面の回転スリット群と前記ステータの前記固定面の固定スリット群とを間に挟んだ形態で配置されており、前記測定回路は、前記検出コイルに誘起された電圧信号の位相変化量を計測するものである。

このような回転角センサによれば、ロータとステータとを通過/透過した磁束の強度ではなく、位相変化に基づいて回転角を検出するので、測定に対する漏れ磁束の影響を抑制することができる。
また、各部の形状として複雑な形状をとる必要がないので、簡単な構造で回転角センサを構成することができるようになる。
ここで、このような回転角センサは、前記駆動コイルを交流信号で駆動する駆動回路を設け、前記測定回路において、前記交流信号と、前記検出コイルに誘起された電圧信号の位相差を計測するように構成してもよい。
または、このような回転角センサは、前記回転スリット群と固定スリット群との一方を、前記ロータの回転面の回転方向に等角度間隔で配置された複数のスリットである第１スリット群と、前記ロータの回転面の回転方向に等角度間隔で配置された複数のスリットである第２スリット群とより構成すると共に、前記第１スリット群と前記第２スリット群の、前記ロータの回転面の回転方向と垂直な当該回転面に沿った方向の配置は相互に重ならないように異なせると共に、前記第１スリット群と前記第２スリット群の配置は前記ロータの前記回転面の回転方向の位相を異ならせ、前記検出コイルを、前記第１スリット群を前記駆動コイルとの間に挟む位置に配置された第１検出コイルと、前記第２スリット群を前記駆動コイルとの間に挟む位置に配置された第２検出コイルとより構成し、前記測定回路において、前記第１検出コイルに誘起された電圧信号と前記第２検出コイルに誘起された電圧信号の位相差を計測するように構成することも好ましい。

このように、前記第１検出コイルに誘起された電圧信号と前記第２検出コイルに誘起された電圧信号とは、同様に外乱の影響を受けることが期待できるので、このようにすることにより、外乱の影響を相殺して精度良く回転角を検出することができるようになる。

以上のように、本発明によれば、漏れ磁束による精度劣化が生じることのない、比較的簡易な構造の回転角センサを提供することができる。

以下、本発明の実施形態について説明する。
まず、第１実施形態について説明する。
図１に、本実施形態に係る回転角センサの構成を示す。
ここで、図１ａは回転角センサの正面を、図１ｂは回転角センサの側面を、図１ｃは回転角センサの断面を、それぞれ模式的に表している。
図示するように、本回転角センサは、回転角の測定対象とする回転軸１０に固定され回転軸１０と共に回転するロータ２０と、固定設置されるステータ３０と、駆動コイル４０と、検出コイル５０と、測定回路６０とを有している。
ここで、ロータ２０は、非磁性導電体を用いて形成された中空円筒形状の部分と中空円筒形状の片側を回転軸１０に連結する部分とより構成された部材であり、ステータ３０は、非磁性導電体を用いて形成された中空円筒形状の部材である。そして、ロータ２０の中空円筒形状の部分とステータ３０とは、回転軸１０の回転中心軸を中心軸として同軸入れ子状に配置される。
そして、駆動コイル４０と検出コイル５０とは、回転軸１０の回転中心軸と同軸状に巻き回した形態で、駆動コイル４０はステータ３０の外周側に、検出コイル５０はロータ２０の内周側に、ステータ３０とロータ２０とを間に挟んで対面するように配置されている。

さて、ロータ２０とステータ３０の、駆動コイル４０と検出コイル５０とに挟まれた箇所には、各々周方向に等角度間隔で複数配置したスリットが設けられている。
すなわち、図２ａに示すように、ステータ３０には、複数の周方向に等角度間隔で並んだスリットであるステータ側スリット３１が設けられ、図２ｂに示すように、ロータ２０には複数の周方向に等角度間隔で並んだスリットであるロータ側スリット２１が設けられている。

そして、図２ｃに示すように、回転角センサにおいて、ステータ側スリット３１とロータ側スリット２１とは、回転中心軸方向の位置が重なり合うように配置されている。
さて、このような構成において、駆動コイル４０を発生源とする磁束のうち、ステータ３０の側壁（ステータ側スリット３１が設けられていない部分）やロータ２０の側壁（ロータ側スリット２１が設けられていない部分）を透過して検出コイル５０に達する磁束は、ステータ３０の側壁やロータ２０の側壁の透過の際に、側壁で生じるうず電流による位相変化が生じることになる。

したがって、検出コイル５０で検出される、駆動コイル４０を発生源とする磁束は、ステータ側スリット３１とロータ側スリット２１との双方を通過し位相変化が生じていない磁束成分、ステータ側スリット３１を通過しロータ２０の側壁を透過したロータ２０の側壁によって位相変化が生じた磁束成分、ステータ３０の側壁を透過しロータ側スリット２１を通過したステータ３０の側壁によって位相変化が生じた磁束成分、ステータ３０の側壁とロータ２０の側壁との双方を透過したステータ３０の側壁とロータ２０の側壁との双方による位相変化が生じた磁束成分との和となる。そして、以上の各磁束成分のベクトル和が、検出コイル５０で検出される磁束となり、当該位相は、各磁束成分のベクトル和によって表される位相を持つことになる。

よって、回転軸１０の回転に伴ってロータ２０が回転すると、ステータ側スリット３１とロータ側スリット２１との周方向の位置関係が、各スリットを配置した角度間隔と等しい回転角度毎に周期的に変化し、これに伴って、上記各磁束成分の各々の強度も周期的に変化するので、結果、検出コイル５０で検出される磁束の位相も各スリットを配置した角度間隔と等しい回転角度毎に周期的に変化することになる。

よって、検出コイル５０で検出される磁束の発生磁界に対する位相の変化より、回転軸１０の回転角を測定することができる。
ここで、このような測定を行うのが測定回路６０である。
図３ａに示すように、測定回路６０は、発振回路６１と、差分増幅器６２と、位相差検出回路６３とを有している。そして、発振回路６１は、駆動コイル４０を交流の駆動信号で駆動して磁束を発生し、位相差検出回路は、検出コイル５０に誘起起電力によって生じる電圧信号を差分増幅器６２で増幅した信号の位相と、発振回路６１の駆動信号との位相差を検出して、当該位相差を電圧値で表す検出信号を出力する。

ここで、図４ａは、ステータ側スリット３１とロータ側スリット２１とを、各々３６度の角度間隔で１０個ずつ設けた場合に、測定回路６０から出力される検出信号の実測波形を表したものであり、図示するように、この検出信号は回転軸１０の回転角度３６度に一周期が対応する信号となっている。なお、図４ａは、ロータ２０とステータ３０の材質はアルミニウム合金（A5056）、ロータ２０とステータ３０の厚みは２mm、ロータ２０とステータ３０の間隔は０.５mm、駆動コイル４０の駆動信号は８kHzの交流信号として測定を行った。
よって、図４ｂに示すように、検出信号は、ステータ側スリット３１とロータ側スリット２１との配置角度間隔に一致する回転軸１０の回転角毎に１周期を持つ信号となるので、この検出信号より、回転軸１０の回転角度を算出することができるようになる。

以上、本発明の第１実施形態について説明した。
ところで、以上の第１実施形態では、ロータ２０とステータ３０とを、回転軸１０に対して同軸入れ子状に配置した中空円筒形状の部材としたが、図５ａに回転角センサの正面を、図５ｂに回転角センサの左側面を、図５ｃに回転角センサの右側面を、図５ｄに回転角センサの断面を、それぞれ模式的に表すように、ロータ２０を回転軸１０に固定した円盤状の部材とすると共に、ステータ３０をロータ２０と近接して正対するように固定設置した円盤状の部材としてもよい。

そして、この場合には、駆動コイル４０は、ステータ３０の、ロータ２０と対面する側と反対側に、検出コイル５０は、ロータ２０の、ステータ３０と対面する側の反対側に、ステータ３０とロータ２０とを間に挟んで対面するように、回転軸１０と同軸状に巻き回した形態で配置する。

そして、図６ａに示すように、ステータ３０の、駆動コイル４０と検出コイル５０との間に挟まれる箇所には、周方向に等角度間隔で配置したステータ側スリット３１を設け、図６ｂに示すように、ロータ２０の、駆動コイル４０と検出コイル５０との間に挟まれる箇所には、周方向に等角度間隔で配置したロータ側スリット２１を設ける。ここで、図６ｃに示すように、回転角センサにおいて、ステータ側スリット３１とロータ側スリット２１とは、回転軸１０の径方向の範囲が重なり合うように配置する。

このようにしても、図１、２に示した回転角センサと同様に、測定回路６０において、ステータ側スリット３１とロータ側スリット２１との配置角度間隔に一致する回転軸１０の回転角毎に１周期を持つ検出信号を生成することができる。
以下、本発明の第２実施形態について説明する。
図７ａに第２実施形態に係る回転角センサの正面を、図７ｂに第２実施形態に係る回転角センサの断面を、それぞれ模式的に示す。
図示するように、本第２実施形態に係る回転角センサは、図１に示した回転角センサにおける検出コイル５０を、回転軸１０方向に並べた第１検出コイル５１と第２検出コイル５２とに置き換えたものである。
また、ロータ２０とステータ３０の、駆動コイル４０と検出コイル５０とに挟まれた箇所に、各々周方向に等角度間隔で複数配置したスリットとして、ステータ３０には、図７ｃに示すように、複数の周方向に等角度間隔で並んだスリットであるステータ側スリット３１を設けると共に、ロータ２０には、図７ｄに示すように、駆動コイル４０と第１検出コイル５１とに挟まれる箇所に、周方向に等角度間隔で並べて配置した複数のスリットである第１ロータ側スリット２１１と、駆動コイル４０と第２検出コイル５２とに挟まれる箇所に、周方向に等角度間隔で並べて配置した複数のスリットである第２ロータ側スリット２１２とを、回転軸１０方向の位置を異ならせて設けたものである。

ここで、図７ｅに、二つのステータ側スリット３１と二つの第１ロータ側スリット２１１と二つの第２ロータ側スリット２１２の配置関係を抜き出して示したように、回転角センサにおいて、ステータ側スリット３１と第１ロータ側スリット２１１、ステータ側スリット３１と第２ロータ側スリット２１２とは、それぞれ異なる回転中心軸方向範囲において、回転中心軸方向の範囲が重なり合うように配置されている。また、第１ロータ側スリット２１１の周方向中心と第２ロータ側スリット２１２の周方向中心とが、異なる回転位相で、ステータ側スリット３１の周方向中心と重なるように、第１ロータ側スリット２１１と第２ロータ側スリット２１２とは、周方向の位置をずらして配置されている。

このような本第２実施形態によれば、第１検出コイル５１と第２検出コイル５２とで検出される磁束には、それぞれ、前記第１実施形態と同様に回転軸１０の回転角に応じた位相変化が表れるが、第１ロータ側スリット２１１と第２ロータ側スリット２１２との周方向の位置がずれているため、第１検出コイル５１で検出される磁束の位相と、第２検出コイル５２で検出される磁束の変化との間には、回転軸１０の回転角に応じた位相差が表れる。

よって、第１検出コイル５１で検出される磁束と第２検出で検出される磁束の位相差より、回転軸１０の回転角を測定することができる。
そこで、本第２実施形態では、測定回路６０を図３ｂのように構成し、この位相差を検出する。
図３ｂに示すように、本第２実施形態に係る測定回路６０は、発振回路６１と、第１差分増幅器６４と、第２差分増幅器６５と、位相差検出回路６３とを有している。そして、発振回路６１は、駆動コイル４０を交流の駆動信号で駆動して磁束を発生し、位相差検出回路は、第１検出コイル５１に誘起起電力によって生じる電圧信号を第１差分増幅器６４で増幅した信号と、第２検出コイル５２に誘起起電力によって生じる電圧信号を第２差分増幅器６５で増幅した信号との位相差を検出して、当該位相差を電圧値で表す検出信号を出力する。

ここで、図４ｃは、ステータ側スリット３１と第１ロータ側スリット２１１と第２ロータ側スリット２１２とを、各々３６度の角度間隔で１０個ずつ設けた場合に、測定回路６０から出力される検出信号の実測波形を表したものであり、図示するように、この検出信号は回転軸１０の回転角度３６度に一周期が対応する信号となっている。なお、図４ａは、ロータ２０とステータ３０の材質はアルミニウム合金（A5056）、ロータ２０とステータ３０の厚みは２mm、ロータ２０とステータ３０の間隔は０.５mm、駆動コイル４０の駆動信号は１０kHzの交流信号として測定を行った。
よって、図４ｂに示すように、検出信号は、ステータ側スリット３１とロータ側スリット２１との配置角度間隔に一致する回転軸１０の回転角毎に１周期を持つ信号となるので、この検出信号より、回転軸１０の回転角度を算出することができるようになる。

以上、本発明の第２実施形態について説明した。なお、本第２実施形態は、前記第１実施形態に比べ、外乱の影響を同様に受ける第１検出コイル５１で検出した信号と第２検出コイル５２で検出した信号との二つの信号の位相差を求めるため、外乱の影響を相殺できるという効果がある。
なお、本第２実施形態に係る回転角センサも、前記第１実施形態と同様にロータ２０とステータ３０として、図８ａに回転角センサの正面を、図８ｂに回転角センサの断面を、それぞれ模式的に表すように、ロータ２０として回転軸１０に固定した円盤状の部材を用いると共に、ステータ３０としてロータ２０と近接して正対するように固定設置した円盤状の部材を用いることもできる。

すなわち、この場合には、図５に示した検出コイル５０を、図８ａ、ｂに示すように、径方向に並べて配置した第１検出コイル５１と第２検出コイル５２とに置き換える。
また、スリットとして、ステータ３０には、図８ｃに示すように、複数の周方向に等角度間隔で並んだスリットであるステータ側スリット３１を設けると共に、ロータ２０には、図８ｄに示すように、駆動コイル４０と第１検出コイル５１とに挟まれる箇所に複数の周方向に等角度間隔で並べて配置したスリットである第１ロータ側スリット２１１と、駆動コイル４０と第２検出コイル５２とに挟まれる複数の周方向に等角度間隔で並べて配置したスリットである第２ロータ側スリット２１２とを、径方向の位置を異ならせて設ける。

ここで、図８ｅに示すように、回転角センサにおいて、ステータ側スリット３１と第１ロータ側スリット２１１、ステータ側スリット３１と第１ロータ側スリット２１１とは、それぞれ異なる径方向範囲において、径方向の範囲が重なり合うように配置されている。また、第１ロータ側スリット２１１の周方向中心と第２ロータ側スリット２１２の周方向中心とが、異なる回転位相で、ステータ側スリット３１の周方向中心と重なるように、第１ロータ側スリット２１１と第２ロータ側スリット２１２は、周方向の位置をずらして配置されている。

このようにしても、図７に示した回転角センサと同様に、測定回路６０において、ステータ側スリット３１とロータ側スリット２１との配置角度間隔に一致する回転軸１０の回転角毎に１周期を持つ検出信号を生成することができる。
なお、図７、８に示した回転角センサにおいて、ステータ側スリット３１も、ロータ側スリット２１と同様に第１ロータ側スリット２１１に対応する部分と第２ロータ側スリット２１２に対応する部分とに二つに分割して設けるようにしてもよい。また、さらに、分割した二つのステータ側スリット３１をロータ側スリット２１と同様に周方向にずらして配置するようにしてもよい。ただし、第１ロータ側スリット２１１の周方向中心が、ステータ側スリット３１を二つに分割した部分のうちの当該第１ロータ側スリット２１１に対応する部分との周方向中心と重なる回転位相と、第２ロータ側スリット２１２の周方向中心が、ステータ側スリット３１を二つに分割した部分のうちの当該第２ロータ側スリット２１２に対応する部分との周方向中心と重なる回転位相とは異なるようにする。

以上、本発明の実施形態について説明した。
ところで、以上の各実施形態において、駆動コイル４０、検出コイル５０（または、第１検出コイル５１及び第２検出コイル５２）は、回転角センサの全体すなわち静止系に対して固定的に設けてもよいし、回転軸１０共に回転するように設けるようにもよい。また、駆動コイル４０と検出コイル５０（または、第１検出コイル５１及び第２検出コイル５２）の配置は、これを交換してもよい。また、ステータ側スリット３１と、ロータ側スリット２１（または、第１ロータ側スリット２１１及び第２ロータ側スリット２１２）の形状配置は、これを交換してもよい。また、ロータ２０とステータ３０の配置も、これを交換するようにしてもよい。
また、回転角度センサにおいて、回転軸１０の回転位相の基準となる基準位相を検出できるように、基準位相検出用のスリットをロータ２０やステータ２０に一つずつ設けると共に、基準位相検出用の検出コイルを設けるようにしてもよい。または、スリット側スリット３１のうちの一つのスリットとロータ側スリット３２（または、第１ロータ側スリット２１１及び第２ロータ側スリット２１２）の一つを異形化して、検出信号に１回転あたり一度、異形の波形が生じるようにしてもよい。

以上のように本実施形態に係る回転角センサによれば、ロータ２０とステータ３０とを通過/透過した磁束の強度ではなく、位相変化に基づいて回転角を検出するので、測定に対する漏れ磁束の影響を抑制することができる。また、各部の形状として複雑な形状をとる必要がないので、簡単な構造で回転角センサを構成することができるようになる。

本発明の第１実施形態に係る回転角センサの構成を示す図である。 本発明の第１実施形態に係る回転角センサの構成を示す図である。 本発明の第１実施形態に係る回転角センサの測定回路の構成を示す図である。 本発明の実施形態に係る回転角センサの測定例を示す図である。 本発明の第１実施形態に係る回転角センサの他の構成例を示す図である。 本発明の第１実施形態に係る回転角センサの他の構成例を示す図である。 本発明の第２実施形態に係る回転角センサの構成を示す図である。 本発明の第２実施形態に係る回転角センサの他の構成例を示す図である。

符号の説明

１０…回転軸、２０…ロータ、２１…ロータ側スリット、３０…ステータ、３１…ステータ側スリット、４０…駆動コイル、５０…検出コイル、５１…第１検出コイル、５２…第２検出コイル、６０…測定回路、６１…発振回路、６２…差分増幅器、６４…第１差分増幅器、６５…第２差分増幅器、２１１…第１ロータ側スリット、２１２…第２ロータ側スリット。

Claims (3)

1. 非磁性導電体で形成したロータと、
   非磁性導電体で形成したステータと、
   磁束を発生する駆動コイルと、
   検出コイルと、
   測定回路とを有し、
   前記ロータは、当該ロータの回転に伴って回転する回転面を有すると共に、当該回転面には、当該回転面の回転方向に等角度間隔で配置された複数のスリットである回転スリット群を有し、
   前記ステータは、前記回転面と対面する固定面を有すると共に、当該固定面には、前記ロータの回転面の回転方向に等角度間隔で配置された複数のスリットである固定スリット群を有し、
   前記駆動コイルと前記検出コイルとは、前記ロータの前記回転面の回転スリット群と前記ステータの前記固定面の固定スリット群とを間に挟んだ形態で配置されており、
   前記測定回路は、前記検出コイルに誘起された電圧信号の位相変化量を計測することを特徴とする回転角センサ。
   
2. 請求項１記載の回転角センサであって、
   前記駆動コイルを交流信号で駆動する駆動回路を有し、
   前記測定回路は、前記交流信号と、前記検出コイルに誘起された電圧信号の位相差を計測することを特徴とする回転角センサ。
   
3. 請求項１記載の回転角センサであって、
   前記回転スリット群と固定スリット群との一方は、前記ロータの回転面の回転方向に等角度間隔で配置された複数のスリットである第１スリット群と、前記ロータの回転面の回転方向に等角度間隔で配置された複数のスリットである第２スリット群と有すると共に、前記第１スリット群と前記第２スリット群の、前記ロータの回転面の回転方向と垂直な当該回転面に沿った方向の配置は相互に重ならないように異なっていると共に、前記第１スリット群と前記第２スリット群の配置は前記ロータの前記回転面の回転方向の位相が異なっており、
   前記検出コイルは、前記第１スリット群を前記駆動コイルとの間に挟む位置に配置された第１検出コイルと、前記第２スリット群を前記駆動コイルとの間に挟む位置に配置された第２検出コイルとより構成され、
   前記測定回路は、前記第１検出コイルに誘起された電圧信号と前記第２検出コイルに誘起された電圧信号の位相差を計測することを特徴とする回転角センサ。