JPH0616809U - 回転角度検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 比較的簡易な構成で回転角度検出装置の検出
位相誤差を最小とし、信頼性を向上させる。 【構成】 各励磁突極Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄの配置円周におけ
る内径２ＬＲと、ロータの外径２ＳＲとの比である２Ｓ
Ｒ／２ＬＲを、０．８６以上０．９４以下に設定すると
ともに、励磁突極の先端部の幅ＳＷを、ロータ２の回転
中心Ｏからの角度で２０°以上４０°以下に設けてなる
もの。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】

本考案は、磁路のリラクタンスを回転角度に応じて変化させることによって、 回転角度の検出を行うようにした可変リラクタンス形の回転角度検出装置に関す る。

【０００２】

【従来の技術】

特公昭６２−５８４４５号公報等に記載されている従来の可変リラクタンス形 の回転角度検出装置では、励磁コイル（１次巻線）及び検出コイル（２次巻線） が巻回されたステータ（鉄心）と、このステータに対して適宜のギヤップをあけ て対峙するロータ（鉄心）とが組合わされて、電磁式の検出装置が構成されてい る。そして印加される励磁用交流信号と、上記検出コイルを通して得られる出力 信号との間で、ロータの回転角度に対応する位相ずれ検出信号を得ている。

【０００３】 例えば、図３に示されているように円筒形の偏心ロータを用いるものにおいて は、中空円筒状をなすステータ１の内部で回転駆動される円筒形のロータ２が、 当該ロータ２自身の形状中心から所定量ずらした位置を回転中心とするように偏 心配置されている。そしてこの円筒形ロータ２の円周側面と、上記ステータ１に 設けられた４つの各励磁突極Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄの先端面との間の空隙距離すなわち 磁気抵抗が、前記ロータ２の回転に伴って変化されるように構成されている。こ の場合における磁気抵抗の変化は、ロータ２の回転角の関数となり、それを回転 位置情報として電気信号に変換するものである。

【０００４】 このとき上記ステータ１の各励磁突極Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄには、２系統の励磁コイ ル（１次巻線）３，３がそれぞれ差動的に巻回されているとともに、検出コイル （２次巻線）４が、直列接続されるようにして巻回されている。そして全体の検 出電圧Ｖ_out は、各極の誘起電圧ｅ_A 〜ｅ_D の和で与えられる。すなわち図４の 等価回路によっても明らかなように、励磁コイル５及び検出コイル７の各巻数を 各々Ｎ₁ ，Ｎ₂ とするとき、上記検出電圧Ｖ_out は、次式で表される。

【数１】 ここでキルヒホッフの法則（φ _A＋φ _B＋φ _C＋φ _D＝０）より、 φ _B＋φ _D＝−( φ _A＋φ _C） であるから、

【数２】 ここで、再びキルヒホッフの法則を用いて、

【数３】 したがって

【数４】 数式４を数式２に代入して、整理すると、

【数５】 ここで、

【数６】 であり、上記数式５が、偏心ロータを用いた可変リラクタンス形の回転角度検出 装置の入出力特性基本式となる。ここで各励磁突極のパーミアンスの回転角依存 性の組み合わせから求まる (P_A−P_C)(P_B＋P_D) 及び (P_A＋P_C)(P_B−P_D) の関数形 が各々、

【数７】 となる時が理想状態であり、その場合のみ

【数８】

【０００５】

【考案が解決しようとする課題】

ところが現実には、真円形断面積を有するロータで厳密に上記の様な理想状態 となることは有り得ず、偏心ロータを用いた可変リラクタンス形の回転角度検出 装置の動作原理から派生する本質的な検出誤差すなわち機構部の構造に起因する 位相誤差が本質的に生じるという問題がある。この位相誤差ε（θ）は、上記数 式５及び数式８の位相差を求めることで導出されるものであり、機構部寸法条件 によって決定されるパーミアンスＰ_A （θ）〜Ｐ_D （θ）の関数として、次式の ように表記される。

【数９】

【０００６】 そこで本考案は、比較的簡易な構成で、検出位相誤差を最小とすることができ るようにした回転角度検出装置を提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】

中空円筒状をなすステータの内部に、中実円筒状をなすロータが回転可能に配 置されてなり、上記ステータの内壁部に所定の角度間隔で複数対突設された励磁 突極の先端部が、所定の円周上に並設配置されているともに、上記ロータの形状 中心が、前記励磁突極の配置円周の中心位置から所定量偏心した位置に配置され 、かつ当該ロータの回転中心が、前記励磁突極の配置円周の中心位置に設定され 、上記各励磁突極のそれぞれには、当該励磁突極を励磁するための励磁コイル及 び励磁による誘導電圧を取り出す検出コイルが巻回されてなるものであって、ス テータの各励磁突極を通る磁路のリラクタンスを、ロータの回転角度に応じて変 化させることにより所定の位相ずれ検出信号を得るように構成された回転角度検 出装置において、上記各励磁突極の配置円周における内径２ＬＲと、前記ロータ の外径２ＳＲとの比である２ＳＲ／２ＬＲが、０．８６以上０．９４以下に設定 されているとともに、上記励磁突極の先端部の幅ＳＷが、ロータの回転中心から の角度で２０°以上４０°以下に設けられた構成になされている。

【０００８】

【作用】 このような手段における機構部の寸法条件によれば、検出位相誤差が最小にな される。

【０００９】

【実施例】

以下、本考案の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。 本考案における回転角度検出装置の基本構造は、従来品と同様である。すなわ ち図３に示されているように、中空円筒状をなすステータ（鉄心）１の内壁部に は、当該ステータ１の円筒中心Ｏに向かって四方から４つの励磁突極Ａ，Ｂ，Ｃ ，Ｄが突出するように形成されている。これらの各励磁突極Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄは、 円周方向に９０度の間隔でそれぞれ配置されており、半径方向に対向する２つの 励磁突極Ａ及びＣが１つの対をなし、励磁突極Ｂ及びＤがもう１つの対をなして いる。また図１に示されているように、上記各励磁突極Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄの先端部 は、前記ステータ中心Ｏの同心円として形成された破線円周上に配置されている 。

【００１０】 これら各励磁突極Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄの配置円である破線円の内部側領域には、中 実円筒形のロータ（鉄心）２が、図示を省略した駆動機構によって回転されるよ うに配置されている。このロータ２の回転中心は、上記破線円周の中心すなわち ステータ中心Ｏに設定されているが、当該ロータ２の円筒形状の中心Ｏ’は、上 記回転中心Ｏから距離ｄだけずらされた位置に設定されている。すなわち、その 距離ｄだけ偏心した配置関係になされている。

【００１１】 図３に戻って、上記ステータ１における励磁突極対Ａ及びＣ（または２Ｂ及び ３Ｄ）には、励磁コイル（１次巻線）３Ａ及び３Ｃ（または２Ｂ及び３Ｄ）がそ れぞれ差動的に巻回されているとともに、検出コイル（２次巻線）７Ａ及び７Ｃ （または７Ｂ及び７Ｄ）が直列接続されるようにして巻回されている。

【００１２】 この場合、上記各励磁突極Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄにおいて内端側に向う磁束の方向を 正相とするとき、励磁コイル３Ａ及び３Ｃ（または３Ｂ及び３Ｄ）は、当該励磁 コイルによって生じる磁束が互いに逆相となるように巻回されている。より詳し くは、励磁コイル３Ａによって励磁突極Ａに矢印ｘに示すように極端部から出る 方向に磁束が生ぜしめられるとき、それと対を成す励磁突極Ｃには、励磁コイル ３Ｃによって矢印ｘ’に示すように極端部に入る方向に磁束が形成されるように 、上記励磁コイル３Ａ及び３Ｃが差動的に巻回されている。したがって励磁突極 対Ａ及びＣには、ステータ１の中心空間に配されたロータ２を介して同方向の磁 束の流れが形成される。もう一方の励磁突極対Ｂ及びＤに関しても、同様に励磁 コイル３Ｂ及び３Ｄが差動的に巻回されている。このように励磁突極対Ａ及びＣ （またはＢ及びＤ）に励磁コイルを差動的に巻回する理由は、後述のように各励 磁突極対Ａ及びＣあるいはＢ及びＤが異なる交流信号によって励磁されるためで あり、同一の交流信号によって励磁される極どうし（ＡとＣあるいはＢとＣ）で 磁束の流れを保証するためである。

【００１３】 各励磁突極Ａ〜Ｄの端部に対して適宜のギャップを介在させて対峙するロータ ２は、回転軸５と一体に回転される。この回転軸５は、上記回転中心Ｏと同軸に 設けられるものであって、検出対象である回転角度θが与えられる。また上述し たようにロータ２は、回転軸５の回転中心Ｏに対して偏心して取り付けられた円 筒形状をなしており、ステータ１の各励磁突極Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄを通る磁路のリラ クタンスを回転角度θに応じて変化させるように構成されている。そしてこの偏 心配置された円筒形状のロータ２の回転駆動によって、当該ロータ２の円筒側面 と各励磁突極Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄの先端部との間に介在するギャップの距離が、回転 角度θに応じて変化される。そしてこのギャップの変化によって、ロータ２の１ 回転につき１周期分のリラクタンス変化が各励磁突極Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄにもたらさ れる。

【００１４】 一方励磁突極対Ａ及びＣと、励磁突極対Ｂ及びＤとは、９０度位相のずれた交 流信号によって別々に励磁される。本実施例では、励磁突極対Ａ及びＣに対応す る励磁コイル３Ａ及び３Ｃが直列接続されており、その途中に配置された発振器 ５から余弦波信号ｉ_a ＝Ｉcos ωｔが印加される。また励磁突極対Ｂ及びＤの励 磁コイル３Ｂ及び３Ｄが直列接続されており、その途中に配置された発振器６か ら正弦波信号ｉｂ＝Ｉsin ωｔが印加される。励磁コイル３Ａ及び３Ｃだけを抜 き出してみると、両者は同相直列接続のように見えるが、両者が巻回された励磁 突極対Ａ及びＣの向き、すなわち両者によって発生される磁束の向きを考慮する と、両者は実質的に逆相直列接続されている。換言すれば、両者が差動的に巻回 されている。励磁コイル３Ｂ及び３Ｄに関しても同様である。

【００１５】 さらに前記検出コイル（２次巻線）４は、各励磁突極Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄによって 夫々誘起される電圧を取り出すために巻回されている。本実施例では、励磁突極 Ａ及びＣに対して検出コイル４Ａ及び４Ｃが夫々同相で巻回されているとともに 、励磁突極Ｂ及びＤに対して検出コイル４Ｂ及び４Ｄが夫々同相で巻回されてお り、上記検出コイル４Ａ及び４Ｃと検出コイル４Ｂ及び４Ｄとは互いに逆相であ る。これら検出コイル４Ａ〜４Ｄは直列接続されており、各励磁突極Ａ，Ｂ，Ｃ ，Ｄにおいて夫々誘起された電圧の合成信号Ｅが取り出されるように構成されて いる。この出力信号Ｅは、励磁用交流信号ｉ_a ＝Ｉcos ωｔまたはｉ_b ＝Ｉsin ωｔに対してロータ２の回転角度θに対応する位相ずれが生じた交流信号となる 。この点について以下説明する。

【００１６】 ここで本実施例における機構部の寸法条件が、次のように規定されている。ま ず図１に示されているように、ステータ１の内半径をＬＲ、ロータ２の外半径を ＳＲ、ロータ２の偏心量をｄ、ステータ１の励磁突極幅を、ロータ２の回転中心 Ｏからの角度でＳＷとする。そして、励磁突極Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄの配置円である破 線円周の内径２ＬＲと、ロータ２の外径２ＳＲとの比である２ＳＲ／２ＬＲが、 ０．８６以上０．９４以下に設定されている。また上記励磁突極Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ の先端部の幅ＳＷは、ロータ２の回転中心からの角度で２０°以上４０°以下に 設定されている。

【００１７】 前述した従来技術で説明したように、偏心ロータを用いた可変リラクタンス形 の回転角度検出装置故の本質的な誤差は、パーミアンスの角度依存性Ｐ_A (θ） 〜Ｐ_B （θ）によって決定される。このパーミアンスが、機構部の寸法条件によ ってどの様に律則されるかを次に考察してみる。考察の前提として、空隙磁路内 の磁束の拡がりや、励磁突極間でのもれ磁束等に関する厳密な議論は省略するこ ととし、ロータ側面に対向する励磁突極間のギャップ長のみが各パーミアンスを 決定するものと仮定する。

【００１８】 まず図１に示されているように、パーミアンスの振る舞いを決定する機構部寸 法パラメータとして、上述した機構部の寸法条件であるＬＲ（ステータ半径）、 ＳＲ（ロータ半径）、ｄ（偏心量）、ＳＷ（ステータ励磁突極の幅）及びθ（回 転角度）を考える。４つの励磁突極Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄは、機械角で９０度毎に対称 に設けられているため、１つの励磁突極に対応するパーミアンスの角度依存性を 求めれば、残りの励磁突極に対応するパーミアンスの角度依存性は、求めた１つ の結果に、各々９０度の位相差を付加してやれば良いこととなる。

【００１９】 ここでは図２のように励磁突極Ａとロータ２との間のギャップ長が最短になる 状態を機械角θの原点とし、励磁突極Ａに対するパーミアンスの角度依存性Ｐ_A （θ）を求めてみる。まず最初に、ロータ２の回転中心Ｏから任意の回転角θに おける励磁突極Ａとロータ２間のギャップ長を求めるべく、ロータ２に相当する 幾何学系の円と、偏心位置（d,0 ）を通る直線の交点（ｘ₀ ，ｙ₀ ）を求める。 これは、

【数１０】 なる連立方程式を解いて、次のように求まる。

【数１１】 ここに０°＜θ＜１８０°のときｙ₀ ＞０であり、 １８０°＜θ＜３６０° のときｙ₀ ＜０となる。

【００２０】 この求められた点（ｘ₀ ，ｙ₀ ）と原点Ｏとの距離は、回転角θにおける回転 中心Ｏからロータ２の外周までの距離に相当するため、このときのギャップ長 Ｇ（θ）は次式で求められる。

【数１２】

【００２１】 一方磁気抵抗Ｒ_m （θ）はギャップ長に比例し、かつ磁路断面積に反比例する ことから、求めるパーミアンスＰ_A （θ）は、

【数１３】 で与えられる。

【００２２】 上式中では、パーミアンスすなわち位相誤差の値を左右する回転角度検出装置 の機構部の寸法パラメータとして、ステータ内半径；ＬＲ、ロータ外半径； ＳＲ、偏心量；ｄ、ステータ励磁突極の幅；ＳＷ、の４つを考慮したが、単 純な幾何学的空隙長の回転角依存性の算出からパーミアンスの関数形を求めてい るため、相似形な機構部に対しては同結果が得られることとなる。したがってこ こでは、ロータ外半径及び偏心量をステータ内半径で規格化し、ＳＲ／ＬＲ、 ｄ／ＬＲ、ＳＷの３パラメータに対する検討を行うことにする。

【００２３】 現実問題としての誤差を議論する場合、ロータ２が１回転する間の誤差の最大 値ε_max （位相遅れ；正の値）と、最小値ε_min （位相進み；負の値）との差、 すなわち誤差幅｜ε_max −ε_min ｜の大小が誤差幅判断の基準となる。この誤差 幅におけるステータ突極幅ＳＷに対する依存性を、ロータ半径ＳＲ、偏心量ｄを パラメータとして計算した結果を図５に示す。本図から、本実施例における機構 部の寸法条件、すなわち励磁突極Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄの配置円（図１破線円）の内径 ２ＬＲと、ロータ２の外径２ＳＲとの比である２ＳＲ／２ＬＲが、０．８６以上 ０．９４以下、かつ励磁突極先端部の幅ＳＷが、ロータ２の回転中心Ｏからの角 度で２０°以上４０°以下なる設定条件によれば、上記誤差幅｜ε_max −ε_min ｜が最小になされていることが判明する。

【００２４】 なお本実施例では、励磁突極が４体設けられているが、励磁突極の数はこれに 限定されるものではない。

【００２５】

【考案の効果】

以上述べたように本考案の回転角度検出装置における機構部寸法条件によれば 、比較的簡易な構成で検出位相誤差を最小とすることができ、回転角度検出装置 の信頼性を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本考案の一実施例における回転角度検出装置の
要部を表した部分拡大横断面説明図である。

【図２】ギャップ長を導出するための模式図である。

【図３】回転角度検出装置の全体構成を表した横断面説
明図である。

【図４】磁気回路の等価回路を表した図である。

【図５】誤差のステータ突極依存性を表した線図であ
る。

【符号の説明】

１ ステータ ２ ロータ Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ 励磁突極 ３ 励磁コイル ４ 検出コイル

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】 中空円筒状をなすステータの内部に、中
   実円筒状をなすロータが回転可能に配置されてなり、 上記ステータの内壁部に所定の角度間隔で複数対突設さ
   れた励磁突極の先端部が、所定の円周上に並設配置され
   ているともに、 上記ロータの形状中心が、前記励磁突極の配置円周の中
   心位置から所定量偏心した位置に配置され、かつ当該ロ
   ータの回転中心が、前記励磁突極の配置円周の中心位置
   に設定され、 上記各励磁突極のそれぞれには、当該励磁突極を励磁す
   るための励磁コイル及び励磁による誘導電圧を取り出す
   検出コイルが巻回されてなるものであって、 ステータの各励磁突極を通る磁路のリラクタンスを、ロ
   ータの回転角度に応じて変化させることにより所定の位
   相ずれ検出信号を得るように構成された回転角度検出装
   置において、 上記各励磁突極の配置円周における内径２ＬＲと、前記
   ロータの外径２ＳＲとの比である２ＳＲ／２ＬＲが、
   ０．８６以上０．９４以下に設定されているとともに、
   上記励磁突極の先端部の幅ＳＷが、ロータの回転中心か
   らの角度で２０°以上４０°以下に設けられていること
   を特徴とする回転角度検出装置。