JP6283860B2 - 角度検出装置および角度検出システム - Google Patents

Description

本発明は、レゾルバを用いた角度検出装置および角度検出システムに関する。

複雑な加工を必要とせず、非常に簡単な組立工程で、高感度に角度を検出することができる角度検出装置として、一軸磁気異方性を有する磁性体からなる円板体で形成され、円板体が中心点を中心として円板面内で回動するロータと、ロータの円板体の板面に対向して略同一外形で配設され、扇状に複数に分割し、分割領域の外周に沿って励磁コイルまたは検出コイルを巻回しているステータと、ステータを挟んでロータが配設される面と反対の方向に、ステータの円板体に対向して略同一外形で配設されるバックヨークとを備えた角度検出装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。

図１は特許文献１に記載の角度検出装置で、一軸磁気異方性を有する円板体で形成され、枢軸６が接合する中心点５ａを中心として円板面内で回動するロータ５と、ロータ５の円板面に対向して非接触状態で略同一外形のステータ３と、方向性を持たない（等方性の）磁性薄板をステータ３と略同一外形で形成し、ステータ３に接触又は非接触状態でロータ５が配設される面と反対方向の面に対向して配設されるバックヨーク２とを有する。ステータ３は、半円状に分割（３ａ，３ｂ）されており、その各領域３ａ，３ｂの側面部分には検出用コイル４ａ（Ｓ１とする）と励磁用コイル４ｂ（Ｐ１とする）とが巻回されている。ロータ５は、円板体で形成され、その面方向に一軸磁気異方性（図１（Ｃ）の線方向）を有する磁性体板又は磁性コンポジット板が、枢軸６に中心点５ａで接合されている。

一軸磁気異方性を持つ磁性体では、磁性体が容易に磁化される容易軸方向と、それに直交する方向で磁化するのが困難な困難軸方向が存在する。図１の場合は、図の上下の方向が容易軸方向で、図の左右の方向が困難軸方向となる。ここで、容易軸方向の透磁率は大きく、それに垂直な方向にある困難軸方向では透磁率は容易軸方向の透磁率の数分の1から十分の1程度、あるいは更に小さい場合は真空と同程度となる。

この構成では、ロータ５が回動すると、それに伴って磁気異方性の容易軸方向が変化する。この磁気異方性の容易軸方向の変化を利用して回転角度を検出することができる。以下、この回転角度の検出の原理を説明する。

まず、励磁コイル４ｂは、交流電源４０に接続しており、交流電流が供給される。励磁コイル４ｂに交流電流が供給されることで、ステータ３の領域３ｂ全体を平均的に見れば磁界は面方向に垂直な方向に発生するが，この磁界はコイルの銅線近傍では，特にその直下では面に平行で、コイル銅線に直角な方向に生じ、しかもその強度は他の場所の磁界（例えば領域3bの中程の磁界）に比べれば遙かに強い。つまり、検出コイル４ａと励磁コイル４ｂが隣接している領域３０においては、強い磁界が発生している。検出コイル４ａは、励磁コイル４ｂにより励磁された磁界により、その磁界に応じた電圧が生じ、その電圧を検出コイル４ｂに接続された同期検波回路４１で検出する。

ここで、ロータ５が回転すると、上述した容易軸方向が変化する。検出コイル４ａには、励磁コイル４ｂが生成する磁力による誘導電圧が生じるが、ロータ５の容易軸方向の影響を励磁コイル４ｂが生成する磁場が受けるので、検出コイル４ａに誘起される電圧は、ロータ５の容易軸方向の影響を受ける。すなわち、ロータ５の角度位置により検出コイル４ａに生じる電圧値が変化する。この原理により、検出コイル４ａに生じる電圧からロータ５の角度位置（基準角度位置からの回転角度）を知ることができる。

従来の構造では、図２に示すように、外部磁界を遮蔽するためのシールド７を備えている。シールド７は、少なくとも径方向からの外部磁界を遮蔽すると共に、径方向に垂直な方向（軸方向）からの外部磁界を遮蔽するために、周縁部が曲折されて、ロータ５、ステータ３及びバックヨーク２全体を包含するように配設されている。

ＷＯ２０１２/００２１２６ Ａ１公報

方向性を持たない磁性薄板をステータ３と略同一外形で形成し、ステータ３に接触又は非接触状態でロータ５が配設される面と反対方向の面に対向して配設されるバックヨーク２は必ずしも配設する必要はないが、磁束の結合を強めるために配設されることが望ましい。

ところで、バックヨーク２は等方性の磁性薄板からなるが、歪みや薄板中の結晶方位などによって等方性を損なう磁気異方性の発生や透磁率のバラツキが生じ、それらによって検出コイルに励磁される出力が影響を受け、角度の検出精度が低下するという問題がある。このため、バックヨーク２を設けない構成とする場合がある。

図３には、バックヨークを設けない構成の一例が示されている。図３には、ロータ５は一軸異方性を持つ方向性珪素鋼板の円板から構成され、ステータ３は、２つのステータ３５，３６からなり、ステータ３５は１相分の励磁、検出コイルからなり、ステータ３６はステータ３５と同形のコイルで、所定の角度で回転させて重ねている。そして、ロータ５を回動させる枢軸６を有するモータ１０が、ステータ３側に配設されている。

この構成では、モータ１０からの漏れ磁束に起因する外部磁界の影響をステータ３が受け、角度検出の精度に悪影響を与える場合がある。また、更に本質的な問題はこの構成ではロータの下面が角度計測に用いられるが、ロータの下面にはモータからの漏洩磁界も作用し磁化状態を乱す恐れがある。外部磁界を遮蔽するには、磁気シールドを配置する構造が効果的であるが、図２に示すようなステータおよびロータを包含するようなシールドを配設した構成は、角度検出装置が大型化し、薄型化が図れないという問題、更に部品点数が増え、コスト増となる問題がある。

このような背景において、本発明は、簡易な構成で薄型化を損なうことなく、外部磁界の影響を低減できるレゾルバを用いた角度検出装置および角度検出システムを提供することを目的とする。

本明細書で開示する発明は、軸方向の一方に外部磁界がある場所に配置されるレゾルバを用いた角度検出装置であって、透磁率が全体として一軸異方性を有する磁性材料で構成され、シャフトに固定されて該シャフトと共に回転が可能な円盤状のロータと、前記ロータに対向して配置され、励磁コイルと前記励磁コイルが生成する磁束を検出する検出コイルとを備えた円盤状のステータとを備え、前記ロータが、前記軸方向において、前記ステータと前記外部磁界との間に配置されており、前記軸方向から見て、前記ロータの外径が前記ステータの外径よりも大きいことを特徴とする角度検出装置である。

上記の構成は、前記軸方向における前記ステータの前記ロータと反対側にバックヨークが配置されていない構造の場合に有用である。

上記の構成において、前記ロータの外縁が前記ステータの方向に屈曲または湾曲した延在部を有する構造は有用である。

上記の構成において、軸に垂直な方向から見て、前記延在部が前記ステータの一部または全部と重なる位置にまで延在している構造は有用である。

上記の構成において、前記外部磁界は、前記ロータを回転させるモータである。

本明細書で開示する他の発明は、上記本発明の角度検出装置と、前記励磁コイルに接続された交流電源と、前記検出コイルに接続された同期検波回路とを有することを特徴とする角度検出システムである。

本発明によれば、簡易な構成で薄型化を損なうことなく、外部磁界の影響を低減できるレゾルバを用いた角度検出装置および角度検出システムが得られる。

従来技術を示す図である。 従来技術において、外部磁界を遮蔽するためのシールドを備えた構成を示す図である。 従来技術において、バックヨークを設けない構成を示す図である。 本願発明の第１の実施形態を示す図である。 ステータを構成する第１のステータと第２のステータを軸方向から見た状態を示す図である。 本願発明の第２の実施形態を示す図である。 本願発明の第３の実施形態を示す図である。 本願発明の第４の実施形態を示す図である。 本願発明の第５の実施形態を示す図である。

（構成）
図４に本願発明の第１の実施形態のレゾルバ１００が示されている。レゾルバ１００は、アキシャル型レゾルバであり、モータ２００のシャフト（回転軸）６０の角度の情報を検出する。レゾルバ１００は、ステータ３０とロータ５０を有する。ステータ３０はレゾルバ１００の図示しない筐体に固定されている。軸方向（シャフト６０の延在方向）から見て、ステータ３０は略円形の円盤形状を有している。ステータ３０の中心には、シャフト６０が回転可能な状態で貫通する開口が設けられている。

図５には、ステータ３０を構成する第１のステータ３１と第２のステータ３２を軸方向から見た状態が示されている。第１のステータ３１と第２のステータ３２は同じもので、４５°ずれた角度位置となる状態で積層されている。第１のステータ３１と第２のステータ３２は同じものであるので、ここでは第１のステータ３１について説明する。第１のステータ３１は、円形のＰＣＢ基板を基材とし、その外縁部にプリント配線により構成された同じ形の４つのコイルを有している。各コイルは、９０°に開いた略扇型を有している。詳細にいうと、各コイルは、軸中心側の内側１／４円周部、軸中心から遠い側の外側１／４円周部、内側１／４円周部と外側１／４円周部の端部をつなぐ径方向に延在する２本の直線部により構成されている。４つのコイルは、励磁コイルＰ１１とＰ１２、検出コイルＳ１１とＳ１２である。

第１のステータ３１と同様に第２のステータ３２は、励磁コイルＰ２１とＰ２２、検出コイルＳ２１とＳ２２を有している。なお、４つのコイルにおける中央の円形の部分では、ＰＣＢ基板に孔が設けられ、そこをシャフト６０が回転可能な状態で貫通している。

この例において、Ｐ１（Ｐ１１、Ｐ１２）の系統には、例えばｓｉｎωｔの励磁用の電流が入力され、Ｐ２（Ｐ２１、Ｐ２２）の系統には、例えばｓｉｎ２ωｔの励磁用の電流が入力される。このとき、Ｐ１系統のｓｉｎωｔとＰ２系統のｓｉｎ２ωｔとが混信しないように同期検波を行う。なお、Ｐ２系統の周波数ｆ２は、Ｐ１系統の周波数ｆ１に対して２倍となっている。Ｓ１１，Ｓ１２，Ｓ２１，Ｓ２２の検出信号からロータ３０の角度情報が得られる。この技術の詳細は、ＷＯ２０１２/００２１２６ Ａ１公報に記載されている。

ロータ５０は、ステータ３０と同様な円盤形状を有し、ステータ３０と同軸であり、ステータ３０に隙間を有した状態で配置されている。ロータ５０は、その中心にモータ２００の駆動軸であるシャフト６０が貫通した状態で固定され、シャフト６０と共に回転する。ロータ５０は、透磁率が全体として一軸異方性を持つ方向性珪素鋼板の円板から構成されている。

モータ２００は、外部磁界の一例である。モータ２００としては、例えば直流モータが挙げられるが、その形式は特に限定されず、誘導モータやステッピングモータ等を用途に応じて選択することができる。外部磁界としては、モータ以外に永久磁石または電磁石を用いた装置（例えば同軸配置された別のレゾルバや電磁クラッチ等）が挙げられる。

（機能）
モータ２００が回転すると、シャフト６０に固定されたロータ５０が回転する。ロータ５０が回転すると、第１のステータ３１，第２のステータ３２の励磁コイルが生成する磁場が、面内異方性を有するロータ５の回転角度に応じて変調され、その影響が第１のステータ３１，第２のステータ３２の検出コイルに誘起される電圧に現れる。すなわち、第１のステータ３１，第２のステータ３２の検出コイルに誘起される電圧は、ロータ５０の角度位置による変調を受ける。具体的には、Ｓ１１，Ｓ１２，Ｓ２１，Ｓ２２は、ロータ５０の角度情報を含んだ周期信号であり、Ｓ１１，Ｓ１２，Ｓ２１，Ｓ２２の検出信号を処理することでロータ５０の回転角度が得られる。

（優位性）
レゾルバ１００は、ステータ３０のバックヨークを備えておらず、ステータ３０のロータ５０と反対側（図４の上側）は、磁気的に露出している。言い換えると、ステータ３０のロータ５０と反対側（図４の上側）は、磁気的に見て遮蔽されていない。バックヨークを配置すると、励磁コイルが生成する磁場の磁束密度が高まり、検出コイルが検出する検出信号のレベル（電圧値）を高めることができる。しかしながら、より高い精度で角度検出を行う場合、バックヨーク自体が有する微妙な磁気特性の偏在（部分的な透磁率の違いや異方性）が検出精度に悪影響を与える。ここで、検出信号のレベルが低い問題は、低ノイズアンプでの増幅やＲＤコンバータの入力部の低雑音化といった工夫で対応できるので、角度検出精度を優先する場合、レゾルバ１００のようなバックヨークを採用しない構成が有用となる。

ところで、バックヨークの影響を排除した場合、モータ２００からの漏れ磁束が角度検出精度に大きな影響を与える要因となる。レゾルバ１００は、ロータ５０をステータ３０とモータ２００の間に配設し、方向性珪素鋼板により構成されるロータ５０を磁気シールドとして作用させている。実際、方向性珪素鋼板の板厚が３００ミクロンメートル程度であっても、励磁磁界の周波数を数キロヘルツないし数百キロヘルツとすれば、励磁磁束が方向性珪素鋼板内に侵入できる深さである表皮深さ（√(2/(2πfσμ))ここにf：励磁周波数、σ：珪素鋼板の導電率2,000,000 S/m程度、μ：珪素鋼板の透磁率0.006 H/m程度）は１０〜７０ミクロンメートルと小さく、残余の２３０ミクロンメートル程度で外部磁界のシールドができればモータなどによる磁界の影響を排除することができる。この構造によれば、別途シールド板を配置しなくてもモータ２００に起因する外部磁界を遮蔽することができ、モータ２００からの漏れ磁束によるステータ３０の検出コイルへの影響を抑制でき、良好な２相正弦波出力波形を得ることができる。すなわち、レゾルバ１００は、部品点数を増やすことなく、また薄型化することができ、かつ高精度に角度を検出することができる。

（その他の構造）
図６には、本願発明の第２の実施形態のレゾルバ３００が示されている。レゾルバ３００は、図４のレゾルバ１００において、円盤形状のロータ５１の外径を円盤形状のステータ３０の外径よりも大きくした場合の例である。この構造によれば、モータ２００から漏洩し、ステータ３０に到達する磁束をより効果的に遮断できる。

図７には、本願発明の第３の実施形態のレゾルバ４００が示されている。レゾルバ４００は、円盤形状のロータ５２の外縁をステータ３０の側に折り曲げた形状とした延在部５２ａを設けた場合の例である。延在部５２ａは、ステータ３０の方向に向かって延在した成分を有している。また、軸に垂直な方向から見て、延在部５２ａがステータ３０と一部で重なっている。この重なりを大きくし、軸に垂直な方向から見て、ステータ３０が延在部５２ａで隠れる構造としてもよい。図７の構造では、延在部５２ａの内側に凹部が形成され、そこにステータ３０の一部が収容され、ステータ３０の側方からの磁束の侵入が抑えられる。

図８には、本願発明の第４の実施形態のレゾルバ５００が示されている。レゾルバ５００は、円盤形状のロータ５３の外縁部分にステータ３０の方向に湾曲した構造の延在部５３ａを設けた場合の例である。この場合、延在部５３ａの内側に凹部が形成され、そこにステータ３０の一部が収容され、ステータ３０の側方からの磁束の侵入が抑えられる。

図９には、本願発明の第５の実施形態のレゾルバ６００が示されている。レゾルバ６００は、円盤形状のロータ５４の外縁部をステータ３０の方向に垂直に折り曲げた延在部５４ａを設けている。この場合、延在部５４ａの内側に凹部が形成され、そこにステータ３０が収容され、ステータ３０の側方からの磁束の侵入が抑えられる。

延在部５２ａ，５３ａは、軸方向から見てステータ３０と重ならない位置に設けてあるが、延在部５２ａ，５３ａの一部が軸方向から見てステータ３０の縁の部分と重なる構造も可能である。軸に垂直な方向から見て、延在部５２ａ，５３ａ，５４ａがステータ３０と一部が重なる構造であってよいし、延在部５２ａ，５３ａ，５４ａがステータ３０と完全に重なり、軸に垂直な方向から見て、ステータ３０が延在部５２ａ，５３ａ，５４ａによって完全に隠れる構造であってよい。

上述のレゾルバ１００、３００、４００、５００、６００は、図１のように、励磁コイルは交流電源に接続して交流電流が供給される。励磁コイルに交流電流が供給されることで、励磁コイルにより励磁された磁界により、その磁界に応じた電圧が検出コイルに生じ、その電圧を検出コイルに接続された同期検波回路で検出するシステムが構成される。

１００…レゾルバ、３０…ステータ、３１…第１のステータ、３２…第２のステータ、５０、５１、５２、５３、５４…ロータ、５２ａ、５３ａ、５４ａ…延在部、６０…シャフト、２００…外部磁界（モータ）。

Claims (5)

1. 軸方向の一方に外部磁界がある場所に配置されるレゾルバを用いた角度検出装置であって、
   透磁率が全体として一軸異方性を有する磁性材料で構成され、シャフトに固定されて該シャフトと共に回転が可能な円盤状のロータと、
   前記ロータに対向して配置され、励磁コイルと前記励磁コイルが生成する磁束を検出する検出コイルとを備えた円盤状のステータと
   を備え、
   前記ロータが、前記軸方向において、前記ステータと前記外部磁界との間に配置されており、
   前記軸方向から見て、前記ロータの外径が前記ステータの外径よりも大きいことを特徴とする角度検出装置。
2. 前記ロータの外縁が前記ステータの方向に屈曲または湾曲した延在部を有することを特徴とする請求項１に記載の角度検出装置。
3. 軸に垂直な方向から見て、前記延在部が前記ステータの一部または全部と重なる位置にまで延在していることを特徴とする請求項２に記載の角度検出装置。
4. 前記外部磁界は、前記ロータを回転させるモータであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の角度検出装置。
5. 請求項１乃至４のいずれか一項に記載の角度検出装置と、
   前記励磁コイルに接続された交流電源と、
   前記検出コイルに接続された同期検波回路と
   を有することを特徴とする角度検出システム。

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