JP7029584B2 - 回転位置検出器および回転位置検出器を備える電動機 - Google Patents

Description

本発明は、電動機が有するロータの回転位置を検出する回転位置検出器と、その回転位置検出器を備える電動機に関する。

従来、回転位置検出器は、産業用ロボットなどの分野で広く用いられている。産業用ロボットなどの分野では、電動機を高い精度で制御することが求められる。例えば、産業用ロボットにおいて、回転位置検出器は、位置決め装置に用いられる電動機を制御する制御回路や、高速でネジ締めを行うネジ締め装置に用いられる電動機を制御する制御回路などに含まれる。

回転位置検出器で検出された位置信号は、制御回路に含まれる、サーボアンプや専用コントローラに送られる。サーボアンプや専用コントローラでは、受け取った位置信号を回転位置情報として取扱い、電動機の制御を行うための演算に用いる。サーボアンプや専用コントローラで演算された結果は、駆動部に送られる。駆動部では、受け取った回転位置情報に基づいて、ロータが所定の回転位置へ移動するように、電動機を制御する。なお、以下の説明において、回転位置検出器は、レゾルバともいう。

サーボアンプや専用コントローラの制御構成に対応するため、回転位置検出器の方式には、１相入力２相出力方式および２相入力１相出力方式等がある。サーボアンプや専用コントローラには、レゾルバ－デジタルコンバータ（Ｒｅｓｏｌｖｅｒ－Ｄｉｇｉｔａｌ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ。以下、「ＲＤコンバータ」という。）が含まれる。

例えば、１相入力２相出力方式の場合、回転位置検出器から２相の信号が出力される。出力される２相の信号は、ｓｉｎ信号とｃｏｓ信号である。ＲＤコンバータは、回転位置検出器から出力された２相の信号を用いて、つぎのように回転位置情報を算出する。

ｓｉｎ信号の出力電圧を、Ｅ_ｓｉｎ＝Ｋ・ｓｉｎωｔ・ｓｉｎθ
ｃｏｓ信号の出力電圧を、Ｅ_ｃｏｓ＝Ｋ・ｓｉｎωｔ・ｃｏｓθ
とすると、回転位置θは、上記２式より、
θ＝ｔａｎ^－１（Ｅ_ｓｉｎ／Ｅ_ｃｏｓ）で算出される。

定数Ｋは、ｓｉｎ巻線のピーク巻線とｃｏｓ巻線のピーク巻線とにより導き出される、正弦波形状をした信号の振幅値である。よって、ｓｉｎ信号の振幅値とｃｏｓ信号の振幅値とがずれると、回転位置の検出精度は低下する。したがって、一般的には、ｓｉｎ巻線のピーク巻数とｃｏｓ巻線のピーク巻数とは、同一としている。

ところで、２相の信号である、ｓｉｎ信号とｃｏｓ信号とを生成するために、例えば、つぎの構造が知られている。すなわち、複数のティースを有するステータセンサコアは、軸心が延伸する方向において、薄板の電磁鋼板を積層して形成される。ステータセンサコアには、軸心方向の両端面に一対のインシュレータが取り付けられる。それぞれのティースには、絶縁性を確保するため、一対のインシュレータを介して巻線が巻き回される。巻線には、ｓｉｎ巻線とｃｏｓ巻線とが存在し、正弦波状の巻数および余弦波状の巻数に分布される。ｓｉｎ巻線とｃｏｓ巻線とは、それぞれのティースに対して位置関係が９０度ずれるよう、巻き回される。

巻線が巻き回されたステータセンサコアには、インシュレータが、ステータセンサコアの軸心方向の両端面に取り付けられる。インシュレータには、ｓｉｎ巻線とｃｏｓ巻線の結線を処理するための端子台が一体となって形成される。端子台は、軸心と交差する方向において、インシュレータから軸心の反対方向に向かって突き出して形成される。インシュレータは、端子台の部分が重なり合って一体となるよう、軸心方向を移動してステータセンサコアに挿入される。

例えば、この種の技術を開示する先行技術文献として、特許文献１が知られている。

特許第５８２７８４０号

しかしながら、上述した従来のインシュレータでは、端子台に対する樹脂の充填量が多くなる。上述したように、端子台は、軸心と交差する方向において、インシュレータから軸心の反対方向に向かって突き出して形成される。従来のインシュレータにおいて、インシュレータから突き出して形成される端子台を構成する分、端子台が形成される部分は、端子台がない部分と比べて樹脂の充填量が多くなる。

つまり、本構成では、軸心が延伸する方向において、両端面に挿入されるそれぞれのインシュレータを形成する樹脂の充填量に応じて、反りが生じる。言い換えれば、インシュレータでは、樹脂の充填量が多い部分と樹脂の充填量の少ない部分との間で、異なる角度の反りが発生するため、インシュレータの形状に予期せぬアンバランスが生じるという課題を有していた。

例えば、この反りにより、インシュレータは、インシュレータの中心から見て、０度、１８０度の方向に位置する部分がステータセンサコアから浮くとともに、９０度、２７０度の方向に位置する部分がステータセンサコアから浮かない状態となることがある。この場合、インシュレータの中心から見て、０度、１８０度の方向に位置する部分では、巻き回されるｃｏｓ巻線がステータセンサコアから離れた位置で巻き回される。これに対し、９０度、２７０度の方向に位置する部分では、巻き回されるｓｉｎ巻線がステータセンサコアから離れることなく巻き回されることになる。よって、ｃｏｓ巻線のピーク巻数とｓｉｎ巻線のピーク巻数とが同一になるように設定しても、ｃｏｓ巻線から出力される電圧振幅値が、ｓｉｎ巻線から出力される電圧振幅値よりも小さくなる。つまり、従来のインシュレータでは、ｃｏｓ出力電圧の振幅値とｓｉｎ出力電圧の振幅値との間でアンバランスが発生するため、回転位置の検出精度が悪化するという課題があった。

特に、このインシュレータをモータに使用する場合、インシュレータの厚みを厚くすれば、反りを抑制することができる。しかし、このインシュレータを回転位置検出器に使用する場合、回転位置検出器には、より一層の小型化、薄型化が求められるため、インシュレータの厚みを増すという対策は困難である。

具体的には、ある電動機に用いられるインシュレータとして、外径φ１００ｍｍで、巻線箇所の厚みが１ｍｍというものがある。このインシュレータに要求される反りの許容範囲は、１．０ｍｍ程度である。これに対して、インシュレータが回転位置検出器に用いられる場合、インシュレータは、外径φ３５ｍｍで厚みが０．３ｍｍである。このようなインシュレータの反りを０．２ｍｍ以下に抑えることは困難である。しかし、この回転位置検出器において、０．２ｍｍの反りに起因するｓｉｎ出力電圧の振幅値とｃｏｓ出力電圧の振幅値との間に生じるアンバランスは、基本性能に係わる重要事項でなる。

そこで、本発明では、回転位置検出器に用いられるステータセンサコアについて、軸心方向の両端面に取り付けられるインシュレータの反りを打ち消すように構成することで、ｃｏｓ出力電圧の振幅値とｓｉｎ出力電圧の振幅値との間に生じるアンバランス量を低減し、回転位置の検出精度を向上することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明の回転位置検出器は、コアと、一対のインシュレータと、巻線と、結線基板と、導電材と、を含む。

コアは、軸心が延伸する方向に電磁鋼板を積層して形成される。コアは、その軸心に向かって突き出た４ｎ（ｎは自然数）本のティースを有する。

一対のインシュレータは、軸心が延伸する方向において、コアの両端面に取り付けられる。

巻線は、一対のインシュレータを介してコアに巻き回される。

結線基板は、電気信号を伝達する電路が形成される。

導電材は、巻線と電路とを電気的に接続する。

さらに、回転位置検出器において、一対のインシュレータは、互いに同一の形状で形成されるとともに、軸心を回転中心として互いに９０度または１８０度ずれてコアに取り付けられる。

本発明によれば、一対のインシュレータ、すなわち、ステータセンサコアの上側に取り付けられるインシュレータと下側に取り付けられるインシュレータとが、互いの反り方向を９０度または１８０度ずらして、ステータセンサコアに取り付けられる。よって、本発明によれば、ｃｏｓ出力電圧の振幅値における低減量と、ｓｉｎ出力電圧の振幅値における低減量とを同一にすることができるため、回転位置を検出する際の誤差を低減できる。したがって、回転位置検出器の回転位置を検出する精度を向上することができる。

本発明の実施の形態１における回転位置検出器の要部を示す斜視組立図 本発明の実施の形態１における回転位置検出器の概要を示す斜視組立図 本発明の実施の形態１における回転位置検出器の要部の取付位置を説明する斜視組立図 本発明の実施の形態１における回転位置検出器の要部の他の取付位置を説明する斜視組立図 本発明の実施例１における回転位置検出器の要部の取付位置を説明する斜視組立図 本発明の実施の形態２における電動機の概要を示す断面図

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下の実施の形態は、本発明を具現化した一例であって、本発明の技術的範囲を制限するものではない。

（実施の形態１）
本発明の実施の形態１における回転位置検出器について、図１から図５を用いて説明する。

図１は、本発明の実施の形態１における回転位置検出器の要部を示す斜視組立図である。図２は、本発明の実施の形態１における回転位置検出器の概要を示す斜視組立図である。図３および図４は、本発明の実施の形態１における回転位置検出器の要部の取付位置を説明する斜視組立図である。図５は、本発明の実施例１における回転位置検出器の要部の取付位置を説明する斜視組立図である。

図１から図３に示すように、本発明の実施の形態１における回転位置検出器１００は、コア１０と、第１のインシュレータ２０ａと第２のインシュレータ２０ｂから成る一対のインシュレータ２０と、巻線３０と、結線基板４０と、導電材であるピン４２と、を含む。

コア１０は、軸心Ｊが延伸する方向に電磁鋼板１２を積層して形成される。コア１０は、その軸心Ｊに向かって突き出た４ｎ（ｎは自然数）本のティース１４を有する。

一対のインシュレータ２０を成す、第１のインシュレータ２０ａと第２のインシュレータ２０ｂとは、軸心Ｊが延伸する方向において、それぞれコア１０の両端面に取り付けられる。

巻線３０は、一対のインシュレータ２０を介してコア１０に巻き回される。

結線基板４０は、電気信号を伝達する電路４４が形成される。

導電材であるピン４２は、巻線３０と電路４４とを電気的に接続する。

さらに、回転位置検出器１００において、一対のインシュレータ２０を成す、第１のインシュレータ２０ａと第２のインシュレータ２０ｂとは、互いに同一の形状で形成される。図３に示すように、一対のインシュレータ２０を成す、第１のインシュレータ２０ａと第２のインシュレータ２０ｂとは、軸心Ｊを回転中心として互いに９０度または１８０度ずれてコア１０に取り付けられる。

特に、顕著な作用効果を奏する構成は、以下のとおりである。

すなわち、回転位置検出器１００において、一対のインシュレータ２０は、導電材であるピン４２を保持する保持部である突起４６を有する。

また、図４に示すように、導電材であるピン４２は、軸心Ｊを回転中心として９０度以内の範囲θにのみ位置する。

以下、図面を用いて、更に詳細に説明する。

図１から図３は、本発明の実施の形態１における回転位置検出器１００をそれぞれ展開した図面である。以下の説明において、Ｆａｃｔｏｒｙ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ用サーボモータ（以下、「ＦＡ用サーボモータ」と記す。）である電動機に搭載される回転位置検出器１００を例示して説明する。

図１に示すように、回転位置検出器（１００）の要部を成すコア１０は、軸心Ｊが延伸する方向に向かって、薄板の電磁鋼板を積み重ねて形成される。

軸心Ｊ方向において、コア１０の両方の端面には、一対のインシュレータ２０が取り付けられる。本実施の形態において、図中、コア１０の上側には、第１のインシュレータ２０ａが位置する。同様に、図中、コア１０の下側には、第２のインシュレータ２０ｂが位置する。第１のインシュレータ２０ａには、コア１０に形成されたスロット１６と後述する巻線３０とを絶縁する、挿入部２２ａが形成されている。同様に、第２のインシュレータ２０ｂには、コア１０に形成されたスロット１６と後述する巻線３０とを絶縁する、挿入部２２ｂが形成されている。それぞれのインシュレータ２０ａ、２０ｂは、コア１０に形成されたスロット１６に対して、それぞれが有する挿入部２２ａ、２２ｂを挿入して、コア１０に取り付けられる。

本実施の形態において、コア１０は、ｎ＝３として導き出される１２本のティース１４を有する。よって、本実施の形態において、隣り合う一対のティース１４間に形成されるスロット１６は、１２箇所に存在する。

ティース１４には、巻線３０が巻き回される。巻線３０は、位相を９０度ずらして、正弦波と余弦派の位相関係の出力信号が生成されるように、ｓｉｎ巻線３０ａとｃｏｓ巻線３０ｂとが巻き回される。

ｓｉｎ巻線３０ａを成す電線の両端は、それぞれ、図２に示す突起４６に保持されたピン４２に接続される。図２に示すように、ピン４２は、ピン挿入孔４８に挿入される。ピン挿入孔４８に挿入されたピン４２は、半田で挿入孔用ランド４８ａと電気的に接続される。ｓｉｎ巻線３０ａを成す電線の端部が接続された挿入孔用ランド４８ａは、結線基板４０の外周に沿って引き回された電路４４を介して、反対側に位置する出力信号用ランド５０とも電気的に接続される。さらに、外部と接続されたリード線が、出力信号用ランド５０に電気的に接続される。この結果、ｓｉｎ巻線３０ａが検出したｓｉｎ出力信号は、回転位置検出器１００の外部に出力される。

同様に、ｃｏｓ巻線３０ｂを成す電線の両端は、ピン４２、挿入孔用ランド４８ａ、電路４４等を介して、出力信号用ランド５０に電気的に接続される。この結果、ｃｏｓ巻線３０ｂが検出したｃｏｓ出力信号は、回転位置検出器１００の外部に出力される。

なお、ｓｉｎ巻線３０ａとｃｏｓ巻線３０ｂとをティース１４に巻き回す際、いずれか一方の巻線を巻き切った後で他方の巻線を巻いた場合、それぞれの巻線の平均長さが不均一になる。よって、このような回転位置検出器から検出されたｓｉｎ出力の電圧振幅と、ｃｏｓ出力の電圧振幅には大きな差異が生じる。

よって、ｓｉｎ巻線３０ａとｃｏｓ巻線３０ｂとは、それぞれの巻線長さが等しくなるよう、所定巻数ごとに交互に巻き回す必要がある。言い換えれば、ｓｉｎ巻線３０ａとコア１０との平均距離と、ｃｏｓ巻線３０ｂとコア１０との平均距離と、を同じにすれば、ｓｉｎ出力の電圧振幅とｃｏｓ出力の電圧振幅との差異を抑制することができる。

ところで、第１のインシュレータ２０ａと第２のインシュレータ２０ｂとは、同一の金型を用いて成型される。

そこで、一対のインシュレータ２０は、それぞれのインシュレータ２０ａ、２０ｂのうち、樹脂を充填する量が多くなる突起４６が形成される部分を９０度ずらして、コア１０に取り付けられる。言い換えれば、一対のインシュレータ２０は、それぞれのインシュレータ２０ａ、２０ｂの反り量が大きくなる部分を９０度ずらしてコア１０に取り付けることが可能となる。

なお、一対のインシュレータは、それぞれのインシュレータのうち、樹脂を充填する量が多くなる突起が形成される部分を１８０度ずらして、コアに取り付ける構成としてもよい。

すなわち、コアが有するティースが４ｎ（ｎは自然数）であれば、一対のインシュレータを表裏対向して使用する際、樹脂を充填する際に発生する反りが相殺されるように、一対のインシュレータを組み合わせて利用できる。

よって、それぞれのインシュレータ２０ａ、２０ｂが、樹脂を充填する際に生じた反りを有していたとしても、ｓｉｎ巻線３０ａとｃｏｓ巻線３０ｂとはこの反りを含んで同等の長さで巻き回される。したがって、本実施の形態１における回転位置検出器を用いれば、ｓｉｎ出力の電圧振幅とｃｏｓ出力の電圧振幅との差異を抑制することができる。
（実施例１）
つぎに、本発明の一具体例について説明する。

図５に示すように、本発明の実施例１における回転位置検出器は、樹脂の充填量が多く、反りが生じ易い部分を、予め所定の場所に取り付けることができる。

具体的には、第１のインシュレータ２０ａは、ピン４２が挿入される突起４６ａ部分に多くの樹脂が充填される。この部分を、第１のインシュレータ２０ａの中心から見て３００度の位置から３０度の位置という、９０度の範囲内へ取り付ける。ピン４２が挿入された、６つの突起４６ａは、９０度の範囲内に取り付けられる。よって、０度のティース位置から巻き始めて３３０度のティース位置で巻き終わるｃｏｓ巻線と、０度のティース位置には巻き回すことなく、３０度のティース位置から巻き始めて３３０度のティース位置で巻き終わるｓｉｎ巻線の渡り線の長さを最小にすることができる。

したがって、ｃｏｓ巻線の渡り線とｓｉｎ巻線の渡り線との間において、線がクロスする範囲を最小とすることができる。

この結果、線がクロスする部分において、線がクロスする部分に生じる、線クロス部分の磁束の乱れによる回転位置の検出精度の低下を抑制できる。

また、本発明の実施の形態における回転位置検出器が有するインシュレータは、特に、その外径寸法がφ１３ｍｍからφ４５ｍｍの範囲で有効である。

さらに、本発明の実施の形態における回転位置検出器が有するインシュレータは、特に、巻線が巻き回される部分の厚みが０．３ｍｍ程度のものに有効である。つまり、回転位置検出器に用いられるインシュレータには、反りの許容範囲が０．２ｍｍ以下であることが求められる。言い換えれば、インシュレータにおいて巻線が巻き回される部分の厚みとインシュレータに許容される反りとは、３：２以下の比率であることが求められる。

よって、本発明の実施の形態における回転位置検出器が有するインシュレータは、その外径寸法がφ１３ｍｍからφ４５ｍｍの範囲であり、かつ、巻線が巻き回される部分の厚みが０．３ｍｍ程度のもので顕著な作用効果が期待できる。

（実施の形態２）
本発明の実施の形態２における電動機について、図６を用いて説明する。

なお、上述した説明と同様の構成要素については、同じ符号を付与し、その説明を援用する。

図６は、本発明の実施の形態２における電動機の概要を示す断面図である。

図６に示すように、本発明の実施の形態２における電動機２００は、ロータ２１０と、ステータ２２０と、実施の形態１で説明した回転位置検出器１００と、を備える。

ロータ２１０は、軸心Ｊを含む回転軸２３０を有する。ステータ２２０は、ロータ２１０と対向して位置する。

本構成の電動機２００を用いれば、回転位置検出器１００は、ロータ２１０の回転位置を高い精度で検出できる。よって、本回転位置検出器１００を電動機２００に用いれば、電動機２００を効率よく制御できる。

本発明の回転位置検出器は、電動機の回転位置を検出する精度を向上できる。よって、本発明の回転位置検出器を用いれば、ロータの回転位置を精度よく検出できるため、電動機を効率よく制御できる。

１０ コア
１２ 電磁鋼板
１４ ティース
１６ スロット
２０ 一対のインシュレータ
２０ａ 第１のインシュレータ
２０ｂ 第２のインシュレータ
２２ａ、２２ｂ 挿入部
３０ 巻線
３０ａ ｓｉｎ巻線
３０ｂ ｃｏｓ巻線
４０ 結線基板
４２ ピン（導電材）
４４ 電路
４６、４６ａ、４６ｂ 突起（保持部）
４８ ピン挿入孔
４８ａ 挿入孔用ランド
５０ 出力信号用ランド
１００ 回転位置検出器
２００ 電動機
２１０ ロータ
２２０ ステータ
２３０ 回転軸

Claims (7)

1. 軸心が延伸する方向に電磁鋼板を積層して形成するとともに、その軸心に向かって突き出た４ｎ（ｎは自然数）本のティースを有するコアと、
   前記軸心が延伸する方向において、前記コアの両端面に取り付けられる一対のインシュレータと、
   前記一対のインシュレータを介して前記コアに巻き回される巻線と、
   電気信号を伝達する電路が形成された結線基板と、
   前記巻線と前記電路とを電気的に接続する複数の導電材と、
   を備えた回転位置検出器において、
   前記一対のインシュレータは、前記複数の導電材を保持する保持部を有し、
   前記巻線は、
   互いに位相を９０度ずらし、正弦波と余弦派の位相関係の出力信号が生成されるように前記コアに巻き回されたｓｉｎ巻線とｃｏｓ巻線とを含み、
   前記ｓｉｎ巻線の両端部のそれぞれとｃｏｓ巻線の両端部のそれぞれは、前記複数の導電材にそれぞれ接続され、
   前記一対のインシュレータは、
   互いに同一の形状で形成されるとともに、前記軸心を回転中心として互いに９０度または１８０度ずれて前記コアに取り付けられ、
   前記保持部は、
   互いに離れて配置された複数の肉厚の突起によって形成された、
   回転位置検出器。
2. 前記複数の導電材は、
   前記軸心を回転中心として９０度以内の範囲にのみ位置する、
   請求項１に記載の回転位置検出器。
3. 前記ｃｏｓ巻線と前記ｓｉｎ巻線のそれぞれは渡り線を含み、
   前記ｃｏｓ巻線と前記ｓｉｎ巻線の渡り線は互いにクロスする、
   請求項２に記載の回転検出器。
4. 前記一対のインシュレータのそれぞれは、その外径寸法がφ１３ｍｍからφ４５ｍｍの範囲である、
   請求項１から３のいずれか一項に記載の回転位置検出器。
5. 前記一対のインシュレータのそれぞれは、前記巻線が巻き回される部分の厚みが０．３ｍｍである、
   請求項１から３のいずれか一項に記載の回転位置検出器。
6. 前記一対のインシュレータのそれぞれは、その外径寸法がφ１３ｍｍからφ４５ｍｍの範囲であり、かつ、前記巻線が巻き回される部分の厚みが０．３ｍｍである、
   請求項１から３のいずれか一項に記載の回転位置検出器。
7. 前記軸心を含む回転軸を有するロータと、
   前記ロータと対向して位置するステータと、
   請求項１から６のいずれか一項に記載の回転位置検出器と、を備える、
   電動機。

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