JP5364031B2 - 回転角センサ - Google Patents

Description

この発明は、励磁コイルが設けられたステータと、検出コイルが設けられたロータとを備えた回転角センサに関する。

従来、この種の技術として、例えば、下記の特許文献１に記載のレゾルバが知られている。このレゾルバは、樹脂製の筐体上にプリント基板を取り付けて、ステータとロータが構成される。すなわち、このレゾルバは、ロータ回転板と、ステータ板と、ロータ回転板とステータ板とに各々対向して配置された、プリントパターンからなる一対のロータリートランスと、ロータ回転板とステータ板とに各々配置された、プリントパターンからなる励磁コイルと検出コイルとを有し、ロータ軸の回転角度を検出するように構成される。

特開２００８−１９７０４６号公報 特開２０００−２９２２０５号公報 特開平８−１３６２１１号公報 特開２００６−１６２５７７号公報

ところが、特許文献１に記載のレゾルバでは、ロータリートランスを用いて検出信号を伝達するように構成されることから、信号の伝達効率が低下するおそれがあった。このため、このレゾルバをモータに取り付けた場合に、モータから発生する交番磁界により、レゾルバの出力におけるＳ／Ｎ比が低下するおそれがあった。

また、特許文献１に記載のレゾルバでは、ロータ回転板とステータ板が樹脂で構成されるので、機械的強度を確保することが難しかった。

この発明は上記事情に鑑みてなされたものであって、その目的は、機械的強度を確保し、モータから発生する交番磁界等の有無にかかわらずセンサ出力におけるＳ／Ｎ比を向上させることを可能とした回転角センサを提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、固定されるステータと、ステータと隙間を介して対向しながら回転可能に設けられたロータと、ステータ及びロータの一方に設けられた励磁コイルパターンと、ステータ及びロータの他方に設けられ、励磁コイルパターンと隙間を介して対向して配置された検出コイルパターンとを備えた回転角センサであって、ロータは、ロータ基板と、ロータ基板上に形成された検出コイルパターン又は励磁コイルパターンと、ロータ基板と検出コイルパターン又は励磁コイルパターンとの間に配置された第１の磁性コアとを備え、ロータ基板が非磁性導電体で形成されたこと、ロータは、ロータ基板上に形成されたロータリートランスパターンと、ロータ基板とロータリートランスパターンとの間に配置された第２の磁性コアとを更に備え、第１の磁性コ
アと第２の磁性コアとの間に、前記第１の磁性コアと前記第２の磁性コアとを分離する
スリットが設けられたこと、スリットは、検出コイルパターン又は励磁コイルパターンが設けられる領域とロータリートランスパターンが設けられる領域との間において周方向に延びて形成されたこと、第１の磁性コア及び第２の磁性コアの全体が非磁性導電体で形成されたロータ基板上に設けられていることを趣旨とする。

上記発明の構成によれば、ロータを構成するロータ基板が非磁性導電体で形成されるので、モータから漏洩する交番磁界は、ロータ基板中で渦電流となり、熱消費される。このため、センサ信号に影響を与え難い。更に、ロータ基板と検出コイルパターン又は励磁コイルパターンとの間に第１の磁性コアが配置されるので、励磁コイルパターンで発生する磁束が、非磁性導電体よりなるロータ基板の作用により打ち消されることが防止される。加えて、ロータ基板とロータリートランスパターンとの間に第２の磁性コアが配置されるので、励磁コイルパターンで発生する磁束が非磁性導電体よりなるロータ基板の作用により打ち消されることが防止される。また、第１の磁性コアと第２の磁性コアとの間にスリットが設けられるので、検出コイルパターンとロータリートランスパターンとがスリットにより磁気回路的に分離され、相互に干渉の影響が低減する。

上記目的を達成するために、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、非磁性導電体は非磁性ステンレス鋼であることを趣旨とする。

上記発明の構成によれば、請求項１に記載の発明の作用に加え、非磁性導電体が非磁性ステンレス鋼で構成されるので、ロータ基板の剛性が増す。

上記目的を達成するために、請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の発明において、非磁性ステンレス鋼は、ＳＵＳ３０５（ＪＩＳ規格）であることを趣旨とする。

上記発明の構成によれば、請求項２に記載の発明の作用に加え、非磁性ステンレス鋼としてＳＵＳ３０５（ＪＩＳ規格）が使用されるので、加工してもマルテンサイト化（磁性化）し難い。

請求項１に記載の発明によれば、機械的強度を確保することができ、モータから発生する交番磁界等の有無にかかわらず回転角センサの出力におけるＳ／Ｎ比を向上させることができる。

請求項２に記載の発明によれば、請求項１に記載の発明の効果に加え、ロータの機械的強度を確保することができ、回転角センサの信頼性を高めることができる。

請求項３に記載の発明によれば、請求項２に記載の発明の効果に対し、ロータ基板を永く非磁性に保つことができ、加工性を向上させることができる。

一実施形態に係り、レゾルバ付きモータを示す断面図。 同実施形態に係り、レゾルバステータを示す分解斜視図。 同実施形態に係り、レゾルバロータを示す分解斜視図。 同実施形態に係り、レゾルバロータの構造を概略的に示す断面図。 同実施形態に係り、レゾルバの電気的構成を示すブロック回路図。 同実施形態に係り、ロータ基板の材料の違いによるレゾルバ出力の違いを示すグラフ。 同実施形態に係り、ロータ基板の材料の違いによるセンサ出力のＳ／Ｎ比の違いを示すグラフ。

以下、本発明の回転角センサを２相励磁１相出力型のレゾルバに具体化した一実施形態につき図面を参照して詳細に説明する。

図１に、レゾルバ付きモータ（以下、単に「モータ」と言う。）１を断面図により示す。図１に示すように、モータ１は、ベース板２、中空状のモータケース３、モータケース３の中空部に設けられたモータステータ４及びモータロータ５と、モータロータ５の中心に一体に設けられたモータシャフト６とを含む。モータシャフト６の一端部は、モータケース３の外部へ突出している。

モータステータ４は、モータケース３の内面に固定される。モータステータ４は、図示しないステータコアとコイルを含む。モータロータ５は、モータステータ４の内側に配置され、図示しない永久磁石を保持する。モータシャフト６は、モータケース３の端部に設けられたベアリング７と、ベース板２に設けられたベアリング８とにより回転可能に支持される。そして、モータ１は、モータステータ４のコイルが励磁されることにより、モータロータ５の永久磁石が磁力を受けてモータロータ５がモータシャフト６と一体に回転するようになっている。

図１に示すように、モータケース３の内側において、モータロータ５とベース板２との間には、本発明の回転角センサとしてのレゾルバ１１が配置される。このレゾルバ１１は、レゾルバステータ１２と、そのレゾルバステータ１２と回転軸方向に所定のギャップを介して対向した位置にあって回転するレゾルバロータ１３とを含む。

図１に示すように、レゾルバステータ１２は、ベース板１２の上に固定される。レゾルバロータ１３は、中央に形成されたボス部１２ａにてモータシャフト６の外周上に固定され、モータシャフト６と一体に回転可能となっている。

次に、レゾルバステータ１２の構成について詳しく説明する。図２に、レゾルバステータ１２を分解斜視図により示す。図２に示すように、レゾルバステータ１２は、互いに積層されるステータ基板２１、バックコア２２、絶縁層２３、励磁コイルパターン２４とロータリートランスパターン２５とを含む層、及び最上層に位置する絶縁層２６を備える。

最下層に位置するステータ基板２１は、樹脂より形成され、略円環板状をなし、外周に突出した複数の取付部２１ａを有する。ステータ基板２１の上には、略円環状をなすバックコア２２が形成される。バックコア２２は、ニッケル亜鉛系フェライトにより成形され、中心孔２２ａの周りにスリット２２ｂが断続的に形成される。バックコア２２の上には、略円環状をなす絶縁層２３が形成される。絶縁層２３の上には、励磁コイルパターン２４とロータリトランスパターン２５が同一の層として形成される。励磁コイルパターン２４は、巻き方向が順方向のＳＩＮ信号励磁コイルパターン２４Ａと逆方向のＣＯＳ信号励磁コイルパターン２４Ｂとを含み、それら励磁コイルパターン２４Ａ，２４Ｂが円環状をなすように円周方向に順に配置される。ロータリートランスパターン２５は、励磁コイルパターン２４の内側に配置される。励磁コイルパターン２４とロータリトランスパターン２５の上には、略円環状をなす絶縁層２６が形成される。

次に、レゾルバロータ１３の構造について説明する。図３に、レゾルバロータ１３を分解斜視図により示す。図３に示すように、レゾルバロータ１３は、互いに積層されるロータ基板３１、バックコア３２、絶縁層３３、検出コイルパターン３４とロータリートランスパターン３５とを含む層、及び絶縁層３６を備える。

最下層に位置するロータ基板３１は、非磁性導電体より形成され、略円環板状をなす。非磁性導電体として、非磁性ステンレス鋼、例えば「ＳＵＳ３０５」が使用される。ロータ基板３１の上には、略円環状をなすバックコア３２が形成される。バックコア３２は、ニッケル亜鉛系フェライトにより成形され、中心孔３２ａの周りにスリット３２ｂが形成される。このスリット３２ｂにより、バックコア３２が、外側の第１の磁性コア３２ｃと、内側の第２の磁性コア３２ｄとに分離して構成される。つまり、第１の磁性コア３２ｃと第２の磁性コア３２ｄとの間にスリット３２ｂが設けられる。バックコア３２の上には、略円環状をなす絶縁層３３が形成される。絶縁層３３の上には、検出コイルパターン３４とロータリトランスパターン３５が同一の層として形成される。検出コイルパターン３４は、円環状をなすように周方向に配置された４つのコイル部３４ａ，３４ｂ，３４ｃ，３４ｄにより構成される。ロータリートランスパターン３５は、円環状をなす検出コイルパターン３４の内側に配置される。検出コイルパターン３４とロータリトランスパターン３５の層の上には、略円環状をなす絶縁層３６が形成される。

図４に、レゾルバロータ１３の構造を概略的に断面図により示す。図４に示すように、レゾルバロータ１３は、下から順に、ロータ基板３１、バックコア３２、絶縁層３３、検出コイルパターン３４とロータリートランスパターン３５とを含む層、及び絶縁層３６が積層されて構成される。バックコア３２の、外側の第１の磁性コア３２ｃは、検出コイルパターン３４と上下に整合する位置に配置される。バックコア３２の、内側の第２の磁性コア３２ｄは、ロータリートランスコイルパターン３５と上下に整合する位置に配置される。

すなわち、レゾルバロータ１３は、ロータ基板３１と、ロータ基板３１上に絶縁層３３を介して形成された検出コイルパターン３４と、ロータ基板３１と絶縁層３３を介して検出コイルパターン３４との間に配置された第１の磁性コア３２ｃとを備える。また、レゾルバロータ１３は、ロータ基板３１上に絶縁層３３を介して形成されたロータリートランスパターン３５と、ロータ基板３１と絶縁層３３を介してロータリートランスパターン３５との間に配置された第２の磁性コア３２ｄとを更に備える。第１の磁性コア３２ｃと、第２の磁性コア３２ｄは、一部を除いてスリット３２ｂを介して分離して配置される。つまり、第１の磁性コア３２ｃと第２の磁性コア３２ｄとの間には、一部を除いてスリット３２ｂが設けられる。

図５に、この実施形態のレゾルバ１１の電気的構成をブロック回路図により示す。レゾルバ１１は、回路部４１とセンサ部４２とを備える。センサ部４２は、ＳＩＮ信号励磁コイルパターン２４ＡとＣＯＳ信号励磁コイルパターン２４Ｂとを含む励磁コイルパターン２４、検出コイルパターン３４、ロータ基板３１に設けられたロータリートランスパターン３５及びステータ基板２１に設けられたロータリートランスパターン２５を含む。ＳＩＮ信号励磁コイルパターン２４Ａ、ＣＯＳ信号励磁コイルパターン２４Ｂ及びロータリートランスパターン２５は、図１に示すレゾルバステータ１２に設けられる。検出コイルパターン３４及びロータリートランスパターン３５は、図１に示すレゾルバロータ１３に設けられる。回路部４１は、ＳＩＮ信号発生回路５１、搬送波発生回路５２、ＣＯＳ信号発生回路５３、第１変調回路５４、第２変調回路５５、復調回路５６及び位相差検出回路５７を含む。

センサ部４２において、検出コイルパターン３４は、ロータ側のロータリートランスパターン３５に接続される。センサ部４２と回路部４１との間では、第１変調回路５４は、ＳＩＮ信号励磁コイルパターン２４Ａに接続され、第２変調回路５５は、ＣＯＳ信号励磁コイルパターン２４Ｂに接続される。ステータ側のロータリートランスパターン２５は、復調回路５６に接続される。

回路部４１において、「７．２ｋＨｚ」のＳＩＮ信号波を発生させるＳＩＮ信号発生回路５１は、第１変調回路５４に接続される。「７．２ｋＨｚ」のＣＯＳ信号波を発生させるＣＯＳ信号発生回路５３は、第２変調回路５５に接続される。「３６０ｋＨｚ」の高周波であるＳＩＮ搬送波を発生させる搬送波発生回路５２は、第１変調回路５４及び第２変調回路５５にそれぞれ接続される。ＳＩＮ信号発生回路５１は、位相差検出回路５７に接続される。復調回路５６は、位相差検出回路５７に接続される。第１変調回路５４は、搬送波発生回路５２から出力される搬送波をＳＩＮ信号発生回路５１から出力されるＳＩＮ信号波により振幅変調してＳＩＮ信号励磁コイルパターン２４Ａへ出力するようになっている。第２変調回路５５は、搬送波発生回路５２から出力される高周波である搬送波をＣＯＳ信号発生回路５３から出力されるＣＯＳ信号波により振幅変調してＣＯＳ信号励磁コイルパターン２４Ｂへ出力するようになっている。復調回路５６は、センサ部４２から出力される振幅変調波を復調して位相差検出回路５７へ出力するようになっている。位相差検出回路５７は、それぞれ復調されたＳＩＮ信号波とＣＯＳ信号波との位相差から、モータロータ５、延いてはモータシャフト６の回転角を算出するようになっている。復調回路５６の出力が入力される位相差検出回路５７は、復調回路５６から出力される復調された信号波の、復調回路５６に入力される振幅変調波に対する位相遅れを補正するようになっている。

以上説明したこの実施形態のレゾルバ１１によれば、レゾルバロータ１３を構成するロータ基板３１が非磁性導電体で形成されるので、モータ１から漏洩する交番磁界は、ロータ基板３１の中で渦電流となり、熱消費される。このため、モータ１からの交番磁界等がロータ基板３１によりシールドされることとなり、交番磁界の影響を排除することができる。また、ロータ基板３１が非磁性導電体で形成されるので、ロータ基板３１に剛性が得られる。このため、レゾルバロータ１３の機械的強度を確保することができる。特に、レゾルバロータ１３はモータシャフト６と一体に高速で回転することから、レゾルバロータ１３の機械的強度を確保できることで、レゾルバ１１の信頼性を高めることができる。更に、ロータ基板３１と検出コイルパターン３４との間に第１の磁性コア３２ｃが配置されるので、レゾルバステータ１２の励磁コイルパターン２４から発生する磁束が非磁性導電体よりなるロータ基板３１の作用により打ち消されることが防止される。このため、検出信号が大きくなり、モータ１から発生する交番磁界等の有無にかかわらずレゾルバ１１の出力におけるＳ／Ｎ比を向上させることができる。

また、この実施形態では、ロータ基板３１とロータリートランスパターン３５との間に第２の磁性コア３２ｄが配置されるので、レゾルバステータ１２の励磁コイルパターン２４で発生する磁束が非磁性導電体よりなるロータ基板３１の作用で打ち消されることが防止される。また、第１の磁性コア３２ｃと第２の磁性コア３２ｄとの間にスリット３２ｂが設けられるので、検出コイルパターン３４とロータリートランスパターン３５とがスリット３２ｂにより磁気回路的に分離され、相互に干渉の影響が減ることとなる。この意味で、モータ１から発生する交番磁界等の有無にかかわらずレゾルバ１１の出力におけるＳ／Ｎ比を更に向上させることができる。

この実施形態では、ロータ基板３１を形成する非磁性導電体が非磁性ステンレス鋼で構成されるので、ロータ基板３１の剛性が増す。この意味で、レゾルバロータ１３の機械的強度を高めることができ、レゾルバ１１の信頼性を向上させることができる。また、その非磁性ステンレス鋼として、ＳＵＳ３０５が使用されるので、加工してもマルテンサイト化し難い、すなわち磁性が帯び難い。このため、ロータ基板３１を永く非磁性に保つことができ、加工性を向上させることができる。

ここで、図６に、ロータ基板の材料の違いによるレゾルバの出力の違いを比較してグラフにより示す。この測定は、駆動周波数を「２ＭＨｚ」及び「５００ｋＨｚ」とし、励磁コイルパターンに対する励磁電圧を「６Ｖ」とし、バックコア３２の厚みを「３０μｍ」とし、バックコア３２のスリット３２ｂの幅を「１．２ｍｍ」として行った。

また、図７に、ロータ基板の材料の違いによるセンサ出力のＳ／Ｎ比の違いを比較してグラフにより示す。この測定は、駆動周波数を「５００ｋＨｚ」とし、励磁コイルパターンに対する励磁電圧を「６Ｖ」とし、バックコア３２の厚みを「３０μｍ」とし、バックコア３２のスリット３２ｂの幅を「１．２ｍｍ」として行った。

図６に示すように、ロータ基板の材料を「樹脂」とし、ステータ基板の材料を「樹脂」とし、レゾルバロータにバックコアを設けた（Ａ）の試験条件では、「２ＭＨｚ」の駆動周波数で「約１１００ｍＶ」のセンサ出力が得られ、「５００ｋＨｚ」の駆動周波数で「約９００ｍＶ」のセンサ出力が得られた。しかし、図７に示すように、モータ１からの交番磁界の影響によりＳ／Ｎ比が悪くなった。

これに対し、図６に示すように、ロータ基板の材料を「ＳＵＳ」とし、ステータ基板の材料を「樹脂」とし、レゾルバロータにバックコアを設けない（Ｂ）の試験条件では、「２ＭＨｚ」の駆動周波数で「約１９０ｍＶ」のセンサ出力が得られ、「５００ｋＨｚ」の駆動周波数で「約２００ｍＶ」のセンサ出力が得られた。このように、ロータ基板に「ＳＵＳ」を使用した場合は、センサ出力が（Ａ）の場合の約五分の一となった。これは、ロータ基板の材料を「ＳＵＳ」とすることで、レゾルバステータの励磁コイルパターンで発生する磁束が、非磁性導電体である「ＳＵＳ」よりなるロータ基板の作用により打ち消されることによる。

これに対し、図６に示すように、ロータ基板の材料を「ＳＵＳ」とし、ステータ基板の材料を「樹脂」とし、レゾルバロータにバックコアを設けた（Ｃ）の試験条件では、「２ＭＨｚ」の駆動周波数で「１０００ｍＶ」のセンサ出力が得られ、「５００ｋＨｚ」の駆動周波数で「８００ｍＶ」のセンサ出力が得られた。このセンサ出力の結果は、（Ａ）の場合とほぼ同じであることが分かる。このように、ロータ基板に「ＳＵＳ」を使用した場合でも、センサ出力が（Ａ）の場合とほぼ同じになったのは、ロータ基板３１と検出コイルパターン３４との間に第１の磁性コア３２ｃが配置されることによるものである。この第１の磁性コア３２ｃがあることで、ロータ基板３１の材料を「ＳＵＳ」としても、レゾルバステータ１２の励磁コイルパターン２４で発生する磁束が、ロータ基板３１の作用により打ち消されることを防止できるからである。また、図７に示すように、モータ１からの交番磁界による影響が小さくなり、Ｓ／Ｎ比が（Ａ）の試験条件と比較して５倍以上向上した。

なお、この発明は前記実施形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱することのない範囲で構成の一部を適宜変更して実施することもできる。

例えば、前記実施形態では、ロータ基板３１とロータリートランスパターン３５との間に第２の磁性コア３２ｄを配置したが、これを省略することもできる。

また、前記実施形態では、本発明を１相励磁２相出力型のレゾルバ１１に具体化したが、本発明を２相励磁１相出力型のレゾルバに具体化することもできる。この場合、ロータ側に励磁コイルパターンを配置し、ステータ側に検出コイルパターンを配置することが好ましく、ロータ及びステータの構造は、前記実施形態のそれと同じにすることができる。つまり、非磁性導電体で形成されたロータ基板上に磁性コアを介して励磁コイルパターンが配置され、ステータ基板上に検出コイルパターンが配置される構造とすることができる。

この発明は、例えば、モータに取り付けてモータシャフトの回転角の検出に利用することができる。

１１ レゾルバ（回転角センサ）
１２ レゾルバステータ
１３ レゾルバロータ
２４ 励磁コイルパターン
３１ ロータ基板
３２ バックコア
３２ｂ スリット
３２ｃ 第１の磁性コア
３２ｄ 第２の磁性コア
３４ 検出コイルパターン
３５ ロータリートランスパターン

Claims (3)

1. 固定されるステータと、
   前記ステータと隙間を介して対向しながら回転可能に設けられたロータと、
   前記ステータ及び前記ロータの一方に設けられた励磁コイルパターンと、
   前記ステータ及び前記ロータの他方に設けられ、前記励磁コイルパターンと隙間を介して対向して配置された検出コイルパターンと
   を備えた回転角センサであって、
   前記ロータは、ロータ基板と、前記ロータ基板上に形成された前記検出コイルパターン又は前記励磁コイルパターンと、前記ロータ基板と前記検出コイルパターン又は前記励磁コイルパターンとの間に配置された第１の磁性コアとを備え、前記ロータ基板が非磁性導電体で形成されたこと、
   前記ロータは、前記ロータ基板上に形成されたロータリートランスパターンと、前記ロータ基板と前記ロータリートランスパターンとの間に配置された第２の磁性コアとを更に備え、前記第１の磁性コアと前記第２の磁性コアとの間に、前記第１の磁性コアと前記第２の磁性コアとを分離するスリットが設けられたこと、
   前記スリットは、前記検出コイルパターン又は前記励磁コイルパターンが設けられる領域と前記ロータリートランスパターンが設けられる領域との間において周方向に延びて形成されたこと、
   前記第１の磁性コア及び前記第２の磁性コアの全体が非磁性導電体で形成された前記ロータ基板上に設けられていること
   を特徴とする回転角センサ。
2. 前記非磁性導電体は非磁性ステンレス鋼であることを特徴とする請求項１に記載の回転角センサ。
3. 前記非磁性ステンレス鋼は、ＳＵＳ３０５（ＪＩＳ規格）であることを特徴とする請求項２に記載の回転角センサ。

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