JP5995885B2 - 回転角度検出装置 - Google Patents

Description

この発明は、回転角度検出装置の小型化に際し、生産性および角度検出精度を向上できる技術に関するものである。

回転角度検出装置は、ステータコアに対するロータコアの回転角度によって、ステータコアとロータコアの間のギャップパーミアンスが変化することを利用して、ステータコアとロータコアの回転角度に応じた出力信号をステータコアに巻き回されたコイルから得る構成となっている（例えば、特許文献１）。

特開２００２−１０７１１１号公報（段落［０００６］〜［０００８］、図１）

特許文献１で開示された回転角度検出装置では、ノズルを用いてコイルを巻き回す際に、ステータコアのティースの間にノズルが通る空隙が必要であった。このため装置を小型化するには、コイルをより細くするか、巻線に用いるノズルをより細くする必要があつた。細いコイルは巻線の際に断線する恐れがあり、細いノズルは巻線の際に折れたり、しなったりするためコイルの整列性が悪くなり、角度検出精度が悪くなるという問題があった。

この発明は、装置を小型化する際、ステータコアのティースの間の空隙を確保することで、生産性および角度検出精度を高めることができる回転角度検出装置を提供することを目的とする。

この発明に係る回転角度検出装置は、円環状のコアバックから径方向に突出したティースに励磁巻線とＣＯＳ出力巻線とＳＩＮ出力巻線が巻き回されたステータコアと突極を有するロータコアを備え、ステータコアは、奇数番目のティースのみを有しＣＯＳ出力巻線と奇数番目の励磁巻線のみが巻き回された第１ステータコアと、偶数番目のティースのみを有しＳＩＮ出力巻線と偶数番目の励磁巻線のみが巻き回された第２ステータコアが一体に接合されているものである。

この発明に係る回転角度検出装置は、上記のように構成されているため、装置を小型化する際、ステータコアのティースの間の空隙を確保することができ、生産性および角度検出精度を向上することができる。

この発明の実施の形態１の回転角度検出装置の斜視図である。 この発明の実施の形態１の回転角度検出装置の概念図である。 この発明の実施の形態１の回転角度検出装置に係る第１ステータコアの組立て要領図である。 この発明の実施の形態２の回転角度検出装置の斜視図である。 この発明の実施の形態２の回転角度検出装置に係る第２ステータコアの組立て要領図である。 この発明の実施の形態３の回転角度検出装置に係る出力巻線の説明図である。

実施の形態１．
実施の形態１は、奇数番目のティースのみを有しＣＯＳ出力巻線と奇数番目の励磁巻線のみが巻き回された第１ステータコアと偶数番目のティースのみを有しＳＩＮ出力巻線と偶数番目の励磁巻線のみが巻き回された第２ステータコアが一体に接合されたステータコアと突極を有するロータコアとから構成される回転角度検出装置に関するものである。

以下、本願発明の実施の形態１に係る回転角度検出装置１の構成、動作について、回転角度検出装置の斜視図である図１、概念図である図２、および第１ステータコアの組立て要領図である図３に基づいて説明する。

図１は、本発明の実施の形態１の回転角度検出装置１の斜視図である。図１において、本発明の回転角度検出装置１は、ステータコア２とロータコア３から構成される。ステータコア２は、第１ステータコア４と第２ステータコア５から構成され、第１ステータコア４および第２ステータコア５は接着剤等で一体に接合されている。
第１ステータコア４と第２ステータコア５はそれぞれ円環状のコアバックとこのコアバックから径方向に突出したティースを有する。

まず、ロータコア３について説明する。ロータコア３は、第１ステータコア４および第２ステータコア５に対して自由に回転できるようになっており、ロータコア３の外周は、ロータコア３の回転時にロータコア３と、第１ステータコア４および第２ステータコア５との間のパーミアンスが正弦波状に変化するような形状となっている。具体的には、ロータコア３の外周の形状は（１）式で表される。

ここで、ｇ_π／２：θ＝π／２のときのエアギャップ、ｇ_０：θ＝０のときのエアギャップ、ｒ_０：ステータの内径、Ｎ：軸倍角である。
軸倍角Ｎはロータコアの突起の数と一致する。図１のロータコアの突起の数は２であるため、軸倍角Ｎは２である。

次に、ステータコア２の構成について説明する。第１ステータコア４は接合された際に奇数番目となるティースのみを有し、第２ステータコア５は接合された際に偶数番目となるティースのみを有する。
第１ステータコア４のティースには奇数励磁巻線（図示なし）とＣＯＳ出力巻線６が巻き回されており、第２ステータコア５のティースには偶数励磁巻線（図示なし）とＳＩＮ出力巻線７が巻き回されている。
第１ステータコア４と奇数励磁巻線およびＣＯＳ出力巻線６は、絶縁材（図示なし）によって電気的に絶縁されている。第２ステータコア５と偶数励磁巻線およびＳＩＮ出力巻線７に関しても、同様に絶縁材によって電気的に絶縁されている。なお、図１では、本願発明の内容を分かりやすくするため、奇数励磁巻線、偶数励磁巻線、および絶縁材を省略している。
なお、ＣＯＳ出力巻線とＳＩＮ出力巻線をまとめていう場合は、適宜出力巻線と記載する。

図１は軸倍角Ｎ２、スロット数８の回転角度検出装置であるが、本発明はこの軸倍角とスロット数の組合せに限ったものではない。また図１はロータコアがステータコアの内側にあるインナーロータ型の回転角度検出装置であるが、本発明はロータコアがステータコアの外側にあるアウターロータ型の回転角度検出装置についても同様に適用できる。

特許文献１の回転角度検出装置では、ノズルを用いてコイルを巻き回す際に、ステータコアのティースの間にノズルが通る空隙を確保する必要であった。このため、巻線仕様を変えずに回転角度検出装置を小型化する際には、コイルをより細くするか、巻線に用いるノズルをより細くする必要があった。細いコイルは巻線の際に断線する恐れがあり、装置の耐久性も低下させる。また、細いノズルは巻線の際に折れたり、しなったりしてコイルの整列性が悪くなったりするという問題があった。またノズルが通る空隙が狭ければ巻線の際に一定の張力でコイルを巻き回すことが困難であり、コイルの整列性が悪くなり角度検出精度が低下する問題があった。

しかし、本発明では、第１ステータコア４は奇数番目となるティースのみを有し、第２ステータコア５は偶数番目となるティースのみを有する。したがって、本発明によれば、回転角度検出装置１を小型化する際に、ステータコア２のティースの間の空隙を確保できるため、太いコイルまたは太いノズルを用いることができ、生産性および角度検出精度を高めることができる。

次に、第１ステータコア４のティースに巻き回すＣＯＳ出力巻線６、および第２ステータコア５のティースに巻き回すＳＩＮ出力巻線７について説明する。
軸倍角をＮ、スロット数を２Ｍ、ロータの回転角をθとすると、ｍ番目のティースに生じる磁束は式（２）で表される。

ｍ番目のティースにＣＯＳ出力巻線６を式（３）で表される巻数だけ巻き回し、ＳＩＮ出力巻線７を式（４）で表される巻数だけ巻き回す。

この結果、ＣＯＳ出力巻線６の巻き始めと巻き終わりの間の電位差、すなわちＣＯＳ出力巻線６の出力電圧信号は式（５）となる。

また、ＳＩＮ出力巻線７の巻き始めと巻き終わりの間の電位差、すなわちＳＩＮ出力巻線７の出力電圧信号は式（６）となる。

したがって、ＣＯＳ出力巻線６の出力電圧信号（式（５））とＳＩＮ出力巻線７の出力電圧信号（式（６））から、例えば、アークタンジェントを計算することでロータコア３の回転角を得ることができる。
なお、「ＣＯＳ出力巻線６の出力電圧信号」を「ＣＯＳ出力信号」と、「ＳＩＮ出力巻線７の出力電圧信号」を「ＳＩＮ出力信号」と適宜記載する。

本発明においては、ＣＯＳ出力巻線６は第１ステータコア４に巻き回されるため奇数番目のティースのみに巻き回され、ＳＩＮ出力巻線７は第２ステータコア５に巻き回されるため偶数番目のティースのみに巻き回される。
すなわち、ｍ番目のティースにＣＯＳ出力巻線を式（７）で表される巻数だけ巻き回し、ＳＩＮ出力巻線を式（８）で表される巻数だけ巻き回す。

したがって、ＣＯＳ出力巻線６の巻き始めと巻き終わりの間の電位差すなわちＣＯＳ出力巻線６の出力電圧信号は式（９）となり、ＳＩＮ出力巻線７の巻き始めと巻き終わりの間の電位差すなわちＳＩＮ出力巻線７の出力電圧信号は式（１０）となる。

本発明においては、ＮとＭが｜Ｎ−Ｍ｜×２＝Ｍ×奇数の関係を満たすときを除いて、ＣＯＳ出力信号とＳＩＮ出力信号は、式（３）および式（４）によりＣＯＳ出力巻線およびＳＩＮ出力巻線を巻き回したときに得られる出力電圧信号のそれぞれ１／２になる。
しかし、ＣＯＳ出力信号とＳＩＮ出力信号はロータの回転角θに応じた出力となるため、ロータコアの回転角θを得ることができる。

図２に、以上説明した本発明の内容を分かりやすく表した概念図を示す。図２においても、図１と同様に第１ステータコアの奇数励磁巻線、第２ステータコアの偶数励磁巻線を省略している。
第１ステータコア４は奇数番目となるティースのみを有し、第２ステータコア５は偶数番目となるティースのみを有する。ＣＯＳ出力巻線６は、第１ステータコア４に巻き回されるため奇数番目のティースのみに巻き回されている。ＳＩＮ出力巻線７は、第２ステータコア５に巻き回されるため偶数番目のティースのみに巻き回されている。
奇数励磁巻線およびＣＯＳ出力巻線６が巻き回された第１ステータコア４と偶数励磁巻線およびＳＩＮ出力巻線７が巻き回された第２ステータコア５とが接合されて、ステータコア２を形成している。

次に、第１ステータコア４および第２ステータコア５の組立て要領を、第１ステータコア４を例として説明する。
図３は本発明の実施の形態１による回転角度検出装置１の第１ステータコアの組立て要領を説明する図である。第１ステータコア４にＣＯＳ出力巻線６を巻き回す要領を示している。
図３では、図１におけるＣＯＳ出力巻線６をさらに詳細に記載しており、ＣＯＳ出力巻線６はＣＯＳ出力巻き始め線６１、ＣＯＳ出力巻き終り線６２、ＣＯＳ出力渡り線６３から構成されている。

第１ステータコア４にＣＯＳ出力巻線６を巻き回す工程では、まず第１ステータコア４に絶縁材を取り付けた後に、第１ステータコア４のティースに奇数励磁巻線（図示なし）を巻き回し、その後ＣＯＳ出力巻線６を巻き回す。
ＣＯＳ出力巻線６の巻き始めであるＣＯＳ出力巻き始め線６１およびＣＯＳ出力巻線６の巻き終りであるＣＯＳ出力巻き終り線６２は、第１ステータコア４と第２ステータコア５を接合する際の接合面とは反対の面に配置する。この構造にすることで、第１ステータコア４と第２ステータコア５の接合のとき、ＣＯＳ出力巻き始め線６１およびＣＯＳ出力巻き終り線６２は妨げとはならない。
図示していない奇数励磁巻線の巻き始めおよび巻き終りについても同様に接合面とは反対側の面に配置する。

ＣＯＳ出力巻線６の各ティース間渡り線であるＣＯＳ出力渡り線６３も第１ステータコア４と第２ステータコア５を接合する際の接合面とは反対側の面に配置する。この構造にすることで、第１ステータコア４と第２ステータコア５の接合のとき、ＣＯＳ出力渡り線６３は妨げとはならない。
図示していない奇数励磁巻線の各ティース間渡り線についても同様に接合面とは反対側の面に配置する。

第２ステータコア５にＳＩＮ出力巻線７と偶数励磁巻線を巻き回す要領も、巻き回す巻数と巻線方向以外は、第１ステータコア４にＣＯＳ出力巻線６を巻き回す要領と同様である。
ＳＩＮ出力巻線７の巻き始めと巻き終りと各ティース間渡り線、および偶数励磁巻線の巻き始めと巻き終りと各ティース間渡り線も接合面とは反対側の面に配置する。

第１ステータコア４と第２ステータコア５を接着剤等で接合した後は、奇数励磁巻線と偶数励磁巻線を結線する。このとき、奇数励磁巻線と偶数励磁巻線を直列に結線することで、奇数励磁巻線と偶数励磁巻線に流れる電流の大きさが等しくなる。この結果、奇数励磁巻線および偶数励磁巻線によって各ティースに生じる磁束が等しくなり、角度検出精度が向上する。

以上説明したように、実施の形態１の回転角度検出装置は、奇数番目のティースのみを有しＣＯＳ出力巻線と奇数番目の励磁巻線のみが巻き回された第１ステータコアと偶数番目のティースのみを有しＳＩＮ出力巻線と偶数番目の励磁巻線のみが巻き回された第２ステータコアが一体に接合されたステータコアと突極を有するロータコアを備える。このため、実施の形態１の回転角度検出装置は、装置の小型化に際し、ステータコアのティースの間の空隙を確保することができるため、生産性および角度検出精度を高めることができる。また、小型化しても太いコイルを使用できるため、耐久性の向上を図ることができる。

実施の形態２．
実施の形態２の回転角度検出装置は、第１ステータコアと第２ステータコアはコアバック部とティース部が分離した構造とし、コアバック溝にティース根元突起を嵌め込んで一体化する構造としたものである。

以下、実施の形態２の回転角度検出装置の構成、動作について、回転角度検出装置の斜視図である図４、および第２ステータコアの組立て要領図である図５に基づいて、実施の形態１との差異を中心に説明する。

図４は、本発明の実施の形態２の回転角度検出装置１０１の斜視図である。図４において、本発明の回転角度検出装置１０１は、ステータコア１０２とロータコア１０３から構成される。ステータコア１０２は、第１ステータコア１０４と第２ステータコア１０５から構成され、第１ステータコア１０４および第２ステータコア１０５は一体化されている。
第１ステータコア１０４と第２ステータコア１０５はそれぞれ円環状のコアバックとこのコアバックから径方向に突出したティースを有する。

実施の形態１では、第１ステータコア４および第２ステータコア５は、コアバックとティースは一体で構成されている構造を想定していた。
しかし、本実施の形態２ではコアバックとティースは分離した構造を想定している。コアバック部にはコアバック溝Ａが設けられており、ティース部にはティース根元突起Ｂが設けられている。
なお、図４ではコアバック溝Ａおよびティース根元突起Ｂを記載していないため、図５の組立て要領図を参照して説明する。また、図４では、コアバック溝とティース根元突起の境界線は省略している。

本実施の形態２の第１ステータコア１０４および第２ステータコア１０５の構造および組立て要領について説明する。
第１ステータコア１０４と第２ステータコア１０５のコアバック部にはそれぞれコアバック溝Ａが設けられている。第１ステータコア１０４と第２ステータコア１０５のティース部の厚みはコアバック部の２倍あり、コアバック溝Ａに嵌るようにティース根元突起Ｂが設けられている。第１ステータコア１０４と第２ステータコア１０５を接合する際にはコアバック溝Ａにティース根元突起が嵌るように圧入する。
図５では第２ステータコア１０５はコアバック部１２１とティース部１２２から構成される。コアバック部１２１はコアバック溝１２１Ａを有し、ティース部１２２はティース根元突起１２２Ｂを有する。そして、コアバック部１２１のコアバック溝１２１Ａにティース部１２２のティース根元突起１２２Ｂが圧入されている。

この構造にすることで、例えばコアバック溝１２１Ａへティース根元突起１２２Ｂを圧入することによって、第１ステータコア１０４と第２ステータコア１０５が接合されるため、接合の際に接着剤等を必要としない。また第１ステータコア１０４と第２ステータコア１０５を接合するときの位相ずれを最小にすることができるため、角度検出精度を高めることができる。また接合後に第１ステータコア１０４と第２ステータコア１０５のティースの高さが回転軸方向に対して等しくなるため、漏れ磁束が小さくなり変圧比が高くなる。

さらに、第１ステータコア１０４および第２ステータコア１０５は、磁性粉体を成形して製作することができる。磁性粉体を成形して製作することで、電磁鋼板を積層するよりも少ない工程で第１ステータコア１０４および第２ステータコア１０５を製作することができる。

なお、実施の形態１の図１で説明した第１ステータコアのティースに巻き回す奇数励磁巻線とＣＯＳ出力巻線、および第２ステータコアのティースに巻き回す偶数励磁巻線とＳＩＮ出力巻線については、本実施の形態２でも同様であるため説明は省略する。
また、第２ステータコア１０５の組立て要領も、コアバック溝Ａへティース根元突起Ｂを圧入する以外は実施の形態１と同じであるため、ＳＩＮ出力巻線の巻き始めと巻き終りと各ティース間渡り線の処理要領の説明は省略する。

実施の形態２では、第１ステータコアおよび第２ステータコアのコアバック部に溝を設け、ティース部に突起を有するステータコアについて説明した。逆に、第１ステータコアおよび第２ステータコアのコアバック部に突起を設け、ティース部に溝を設ける構造としても、同様の効果を得ることができる。

以上説明したように、実施の形態２の回転角度検出装置は、第１ステータコアと第２ステータコアはコアバック部とティース部が分離した構造とし、コアバック溝にティース根元突起を嵌め込んで一体化する構造としたものである。このため、実施の形態１と同様の効果を奏するとともに、接合の際に接着剤等を必要とせず、組み立てを簡素化できる。さらに、接合するときの位相ずれを最小にすることができるため角度検出精度を高めることができる。また、接合後に第１ステータコアと第２ステータコアのティースの高さが回転軸方向に対して等しくなるため、漏れ磁束が小さくなり変圧比を高くできる。

実施の形態３．
実施の形態３の回転角度検出装置は、Ｎ（軸倍角）とＭ（スロット数２Ｍ）が｜Ｎ−Ｍ｜×２＝Ｍ×奇数の関係を満たし、各ティースにおけるＣＯＳ出力巻線の巻数およびＳＩＮ出力巻線の巻数をすべて同一としたものである。

以下、実施の形態３の回転角度検出装置の構成、動作について、回転角度検出装置の出力巻線の説明図である図６に基づいて、実施の形態１の図１も参照して説明する。

図６は本発明の実施の形態３による回転角度検出装置における各ティースでの巻数を示した表である。
式（３）および式（４）によれば、Ｎ（軸極数）とＭ（スロット数２Ｍ）が｜Ｎ−Ｍ｜×２＝Ｍ×奇数の関係を満たすとき、ＣＯＳ出力巻線６の各ティースにおける巻数は偶数番目のティースで０、ＳＩＮ出力巻線７の各ティースにおける巻数は奇数番目のティースで０となる。

本実施の形態３においては、ＣＯＳ出力巻線６を奇数番目のティースのみ、ＳＩＮ出力巻線７を偶数番目のティースのみに巻き回している。したがって、式（７）および式（８）によってＣＯＳおよびＳＩＮ出力巻線を巻き回した場合、｜Ｎ−Ｍ｜×２≠Ｍ×奇数の条件では、式（３）および式（４）によってＣＯＳおよびＳＩＮ出力巻線を巻き回したときの１／２の出力しか得られない。しかし、ＮとＭが｜Ｎ−Ｍ｜×２＝Ｍ×奇数の関係を満たすときは、出力が１／２にならず、変圧比は２倍になる。

ＮとＭが｜Ｎ−Ｍ｜×２＝Ｍ×奇数の関係を満たすときは、ＣＯＳ出力巻線６の各ティースにおける巻数およびＳＩＮ出力巻線７の各ティースにおける巻数がすべて等しくなる。図６では、このターン数をＷｍａｘで表している。このため、第１ステータコア４に巻き回すＣＯＳ出力巻線６と、第２ステータコア５に巻き回すＳＩＮ出力巻線７の巻線仕様が同一となる。
したがって、第１ステータコア４に奇数励磁巻線とＣＯＳ出力巻線６を巻き回す工程と、第２ステータコア５に偶数励磁巻線とＳＩＮ出力巻線７を巻き回す工程が全く同一になる。すなわち、少ない種類の部品を使用して回転角度検出装置１を製作することができる。

以上説明したように、実施の形態３の回転角度検出装置は、Ｎ（軸倍角）とＭ（スロット数２Ｍ）が｜Ｎ−Ｍ｜×２＝Ｍ×奇数の関係を満たし、各ティースにおけるＣＯＳ出力巻線の巻数およびＳＩＮ出力巻線の巻数がすべて同一になる構造としたものである。このため、実施の形態１と同様の効果を奏するとともに、第１ステータコアにＣＯＳ出力巻線と奇数励磁巻線を巻き回す工程と第２ステータコアにＳＩＮ出力巻線と偶数励磁巻線を巻き回す工程が同一にすることができ、部品点数の削減および製作、組立工程の簡素化を図ることができる。

なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、実施の形態を適宜、変形、省略したりすることが可能である。

１，１０１ 回転角度検出装置、２，１０２ ステータコア、
３，１０３ ロータコア、４，１０４ 第１ステータコア、
５，１０５ 第２ステータコア、６，１０６ ＣＯＳ出力巻線、
７，１０７ ＳＩＮ出力巻線、６１ ＣＯＳ出力巻線巻き始め線、
６２ ＣＯＳ出力巻線巻き終わり線、６３ ＣＯＳ出力巻線ティース間渡り線、
１２１ コアバック部、１２２ ティース部、１２１Ａ コアバック部溝、
１２２Ｂ ティース根元突起。

Claims (10)

1. 円環状のコアバックから径方向に突出したティースに励磁巻線とＣＯＳ出力巻線とＳＩＮ出力巻線が巻き回されたステータコアと突極を有するロータコアを備え、
   前記ステータコアは、奇数番目の前記ティースのみを有し前記ＣＯＳ出力巻線と奇数番目の前記励磁巻線のみが巻き回された第１ステータコアと、偶数番目の前記ティースのみを有し前記ＳＩＮ出力巻線と偶数番目の前記励磁巻線のみが巻き回された第２ステータコアとが一体に接合されている回転角度検出装置。
2. 軸倍角をＮ、スロット数を２Ｍとしたとき、｜Ｎ−Ｍ｜×２＝Ｍ×奇数の関係を満たし、前記ＣＯＳ出力巻線の巻数と前記ＳＩＮ出力巻線の巻数を同じとした請求項１に記載の回転角度検出装置。
3. 前記第１ステータコアと前記第２ステータコアに巻き回されている前記励磁巻線、前記ＣＯＳ出力巻線、および前記ＳＩＮ出力巻線のティース間渡り線は、前記第１ステータコアと前記第２ステータコアとの接合面とは反対方向に配置された請求項１または請求項２に記載の回転角度検出装置。
4. 前記第１ステータコアと前記第２ステータコアに巻き回されている前記励磁巻線、前記ＣＯＳ出力巻線、および前記ＳＩＮ出力巻線の巻始めおよび巻き終わりの引き出し線は、前記第１ステータコアと前記第２ステータコアとの接合面とは反対方向に配置された請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の回転角度検出装置。
5. 前記第１ステータコアに巻き回された奇数励磁巻線と前記第２ステータコアに巻き回された偶数励磁巻線が直列に結線される請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の回転角度検出装置。
6. 前記第１ステータコアと前記第２ステータコアは、コアバック部とティース部から構成され、
   前記第１ステータコアと前記第２ステータコアの回転軸方向の前記ティース部の厚みは前記コアバック部の２倍になっている請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の回転角度検出装置。
7. 前記第１ステータコアと前記第２ステータコアの前記コアバック部には溝が設けられており、前記第１ステータコアと前記第２ステータコアの前記ティース部には前記溝に圧入する突起が設けられている請求項６に記載の回転角度検出装置。
8. 前記第１ステータコアと前記第２ステータコアの前記ティース部には溝が設けられており、前記第１ステータコアと前記第２ステータコアの前記コアバック部には前記溝に圧入する突起が設けられている請求項６に記載の回転角度検出装置。
9. 前記第１ステータコアおよび前記第２ステータコアは磁性粉体を成形して製作される請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の回転角度検出装置。
10. 電気的に絶縁した前記ティースに巻き回された前記励磁巻線と、この前記励磁巻線の上にさらに巻き回された前記ＣＯＳ出力巻線あるいは前記ＳＩＮ出力巻線を備える請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の回転角度検出装置。

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