JPH09121585A - ロータの回転位置を磁気的に検出する手段を備えたモータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 検出すべき磁界の強弱によって変化する共振
回路の電圧と電流との位相差に基づいて、高精度でロー
タの位置検出を可能にする。 【解決手段】 検出素子として可飽和鉄心を持つインダ
クタ１を具備し、ロータの回転と対応付けられ回転する
磁界の変化を検出する手段を備えたモータにおいて、上
記磁界の変化を検出する手段は、上記インダクタ１を備
えると共に当該インダクタ１と共振するコンデンサ２を
備えた共振回路３と、当該共振回路３の共振周波数近傍
の周波数で当該共振回路３を励振させる発振器８と、検
出すべき磁界の強弱に応じて当該共振回路３に現れる周
波数信号と上記発振器８の発振信号との位相差を検出す
る位相比較回路９とを備えて構成される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、モータ、特にブラ
シレスモータの駆動や一般モータの速度制御のための信
号を得るために取り付けられるロータリエンコード等の
回転位置を半導体の使用できない高温においても磁気的
に検出する手段を備えたモータに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】ブラシレスモータや自動制御装置などで
使用されるモータでは、そのモータの回転位置の検出が
必要である。例えばブラシレスモータのロータ位置検出
装置としては、一般的にホール素子が使用されている。
このホール素子による場合の他に、光学式のものもあ
り、この光学式のものは発光ダイオード、ホトトランジ
スタ等の光学半導体が検出素子として使用されている。

【０００３】これらは半導体を検出素子として使用して
いるため、その動作温度の上限がモータの動作温度と比
較して不足しており、高耐熱仕様のものを作る上で大き
な障害となる。

【０００４】そこで半導体を使用しないでモータ等の回
転位置を検出するものとして、フェライト等により作ら
れた可飽和鉄心を利用するものがある。例えば可飽和鉄
心の透磁率が検出すべき磁界により変化することに基づ
き、１次巻線に供給した信号の２次巻線への伝達率に差
が生じることを利用して、磁界の検出を行うもの（特開
昭４９−１２１９１２号）、検出すべき磁界に応じイン
ダクタのインピーダンス変化として検出回路を構成する
もの、インダクタンスの損失に応じて発振回路の発振と
発振停止状態を作り、これを検出すべき磁界に対応させ
るもの（実公昭４８−２８０８３号）などが知られてい
る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記の検出素子として
半導体を使用するものは、前述のように動作温度が半導
体の動作温度に制限され、特に高温度で使用されるモー
タには適用できない欠点があった。

【０００６】また可飽和鉄心を使用したものでは温度に
関しては問題はないが、上記の従来のものは次の様な欠
点があった。すなわちインピーダンスや透磁率の変化を
利用した方式のものは、可飽和鉄心に検出すべき磁界が
鎖交しており、モータの回転に伴いこの磁界は増減を繰
り返す。本来は静止磁界が大あるいは小であることによ
るインピーダンスの増減だけ得られれば目的を達成する
が、電磁誘導によりこの磁界の増減に伴った電圧がイン
ダクタの巻線に発生する。モータの回転が遅いときには
この磁界のｄΦ／ｄｔの影響は図９ののように少ない
が、モータの回転が速いときにはｄΦ／ｄｔの影響が現
れ、図９のにおけるＳ部やＴ部のようなｄΦ／ｄｔに
よる影響を受けた電圧波形が発生する。ロータの位置信
号はこの電圧波形を基にしてスレッシュホールドレベル
Ｌで検出するようにしているため、モータの回転が遅い
ときにはこの磁界の増減は少ないが、モータの回転が速
いときにはこの磁界のｄΦ／ｄｔの影響で図９のの電
圧波形となり、スレッシュホールドレベルＬとの比較に
おいて、その検出位置が図９ののような理想または磁
界変化が遅いときに比べ、図９ので示されたΔＥ１，
ΔＥ２の如くずれ、正しい位置信号が得られない欠点が
あった。

【０００７】また発振回路の発振を制御する方式のもの
は、図１０の図示の如く、理想のときの図１０のに
比べ発振の立上がり、立下がり時間が図１０のに示さ
れたように誤差ΔＥ３，ΔＥ４となり、高精度の位置検
出ができない欠点があった。

【０００８】そして上記の各方式のものでは、検出した
信号の電圧値を基にスレッシュホールドレベルＬと比較
してロータの位置信号を得ているため、直線性や再現性
の良い、そして高精度の増幅回路を用いなければならな
い欠点もあった。

【０００９】本発明は、上記の欠点を解決することを目
的としており、電圧値に基づくロータの位置信号の検出
に換え、検出素子として高温度で使用可能な可飽和鉄心
を持つインダクタを用いると共に、当該インダクタとコ
ンデンサとで共振回路を構成し、検出すべき磁界の強弱
によって変化する共振回路の電圧と電流との位相差を検
出することにより、高精度でロータの位置検出が可能な
ロータの回転位置を磁気的に検出する手段を備えたモー
タを提供することを目的としている。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記の目的を解決するた
めに、本発明のロータの回転位置を磁気的に検出する手
段を備えたモータは検出素子として可飽和鉄心を持つイ
ンダクタを具備し、ロータの回転と対応付けられ回転す
る磁界の変化を検出する手段を備えたモータにおいて、
上記磁界の変化を検出する手段は、上記インダクタを備
えると共に当該インダクタと共振するコンデンサを備え
た共振回路と、当該共振回路の共振周波数近傍の周波数
で当該共振回路を励振させる発振器と、検出すべき磁界
の強弱に応じて当該共振回路に現れる周波数信号と上記
発振器の発振信号との位相差を検出する位相比較回路と
を備え、検出すべき磁界の強弱を位相差の変化として検
出するようにしたことを特徴としている。

【００１１】そして上記発振器は、インダクタとコンデ
ンサとを備えたＬＣ発振器でなると共に、発振器のイン
ダクタと可飽和鉄心を持つインダクタとが磁気的に結合
されてなり、発振器の周波数で共振回路が励振されるこ
とを特徴としている。

【００１２】また上記モータは、ロータとステータとを
備え、上記磁界の変化を検出する手段の検出信号に基づ
いて制御される。検出すべき磁界の強弱によって、可飽
和鉄心を持つインダクタとコンデンサとの共振回路の電
圧と電流との位相差が変化する。当該共振回路の電圧と
電流との位相差の変化は、検出すべき磁界の強弱の変化
に追従するので、その変化する位相差を位相比較回路で
検出することにより、ロータの回転速度に関係なく高精
度のロータの位置検出ができる。

【００１３】

【発明の実施の形態】図１は本発明に係るロータの回転
位置を磁気的に検出する手段を備えたモータのロータ位
置検出装置の一実施例構成を示している。

【００１４】同図において、１は可飽和鉄心を持つイン
ダクタであり、当該インダクタ１に共振用のコンデンサ
２が接続され、共振回路３を構成している。今コンデン
サ２の容量をＣ₁ とする。モータの回転と共に回転す
る、例えば永久磁石１０の検出すべき磁界が最小、すな
わち永久磁石１０の磁極がインダクタ１から遠ざかった
ときの当該インダクタ１のインダクタンスをＬｍ、検出
すべき磁界が最大、すなわち永久磁石１０の磁極がイン
ダクタ１に近づいたときの当該インダクタ１のインダク
タンスをＬｎとしたとき、それぞれの場合の共振周波数
ｆ_0m，ｆ_0nはｆ_0m＝１／〔２π√（Ｌｍ×Ｃ₁ ）〕，ｆ
_0n＝１／〔２π√（Ｌｎ×Ｃ₁ ）〕となる。

【００１５】共振回路３を並列共振回路としたとき、当
該共振回路３の共振点より低い周波数では回路は誘導性
となるため、共振回路３の電圧と電流との位相関係は、
電流は電圧より遅れ、遅れ位相となる。また当該共振回
路３の共振点より高い周波数では回路は容量性となるた
め、逆に電流は電圧より進み、進み位相となり、共振点
の近傍で位相が大きく変化する。

【００１６】励振用の発振器８を構成するインダクタ５
とコンデンサ６及びＬ−Ｃ発振回路７は、ｆ₀ ≒ｆ_0m＋
（ｆ_0n−ｆ_0m）／２なる周波数で発振する。そして当該
インダクタ５と上記可飽和鉄心を持つインダクタ１とは
磁気的に結合されており、この周波数ｆ₀ で上記共振回
路３が励振されるようになっている。

【００１７】回転する永久磁石１０の磁束がインダクタ
１の可飽和鉄心と鎖交するように配置されているので、
当該永久磁石１０の回転に応じ検出すべき磁界が変化す
る。つまり回転する永久磁石１０の磁界の変化に応じて
可飽和鉄心を持つインダクタ１のインダクタンスが変化
し、このインダクタンスの変化によって共振回路３の電
圧と電流との位相差が変化する。

【００１８】例えば永久磁石１０の磁極がインダクタ１
から遠ざかった位置にあるとき、インダクタ１のインダ
クタンスは最も大きいＬｍとなっているから、図２で示
されている様に共振回路３の共振周波数はｆ_0mとなり、
当該共振回路３は誘導性を持ち、その電流は電圧より約
９０°遅れている。また永久磁石１０の磁極がインダク
タ１に近づいた位置にあるとき、インダクタ１のインダ
クタンスは最も小さいＬｎとなっているから、共振回路
３の共振周波数はｆ_0nとなり、当該共振回路３は容量性
を持ち、その電流は電圧より約９０°進んでいる。

【００１９】従って例えば永久磁石１０の磁極がインダ
クタ１に近づくにつれ、その電流と電圧との位相の遅れ
が小さくなり、やがてその電流と電圧との位相の遅れが
なくなる。つまり電流と電圧との位相差が零で両者は同
相となる。この時点が図３のの点Ｘであり、そのとき
の共振周波数はｆ₀ である。

【００２０】また永久磁石１０の磁極がインダクタ１に
更に近づく位置に回転してゆくとき、共振回路３は容量
性へ変化して行く。永久磁石１０の磁極がインダクタ１
から離れてゆく場合は、上記の逆の経過をたどることと
なる。

【００２１】つまり永久磁石１０の回転位置に応じて上
記説明の共振回路３の共振周波数がｆ_0mからｆ_0nまで変
化し、当該共振回路３の電圧と電流との位相は、約−９
０°から＋９０°まで変化する。或いは共振回路３の共
振周波数がｆ_0nからｆ_0mまで変化し、当該共振回路３の
電圧と電流との位相は、約＋９０°から−９０°まで変
化する。この電圧と電流との位相差の変化はインダクタ
１のインダクタンスの変化に追従するものであるので、
この両者の変化の間には時間的な遅れが生じることはな
い。

【００２２】回転する永久磁石１０の磁界の強弱を検出
するため、共振回路３内に現れる電圧と電流との位相差
の変化を、その電圧についてはＬ−Ｃ発振回路７の出力
電圧を用い、その電流については共振回路３の両端の電
圧、すなわちコンデンサ２の両端の電圧を用いて検出す
る。つまり回転する永久磁石１０の磁界の変化に応じて
可飽和鉄心を持つインダクタ１のインダクタンスが変化
し、このインダクタンスの変化によって共振回路３の電
圧と電流との位相差が変化するので、この両者の位相差
を検出することによって磁界の強弱、すなわち永久磁石
１０の回転位置を検出することができる。

【００２３】永久磁石１０が高速回転し、その磁界のｄ
Φ／ｄｔの影響で図３の，に示された様に発生電圧
が変化しても、図３のの点Ｘ又は点Ｙは、常に共振周
波数ｆ₀ のとき生じ、上記共振回路３の電圧と電流との
位相差の変化を検出することにより、発生電圧に関係な
く高精度で永久磁石１０の回転位置、すなわちモータの
回転位置を検出することができるのである。

【００２４】なお位相変化特性は、共振回路３の損失の
調整、例えばダンピング抵抗値を変えることにより急峻
なものとし、位相比較回路９から２値的な出力を得るこ
とも、またなだらかなものとし、位相比較回路９から連
続的な値を得ることもできる。なお永久磁石１０の磁極
がインダクタ１に近づき次いで離れてゆく間での共振回
路３の共振周波数の変化が図２に示すｆ_0mからｆ₀ まで
のものであってもよい。

【００２５】図４は本発明の具体的な一実施例回路図を
示している。同図において、１ないし６，８，９は図１
のものに対応し１１は増幅回路、１２はモノステーブル
バイブレータ、１３はＪＫフリップフロップ、１４はイ
ンバータ、１５はコンデンサ、１６は抵抗をそれぞれ示
している。

【００２６】同図の位相比較回路９は、論理「１」，
「０」の２値出力を得る回路である。増幅回路４，１１
は、共振回路３，発振器８の各出力を所定のレベルにま
で増幅させるものであり、共振回路３と発振器８との出
力が異なる位相変化を生じないように同じものが用いら
れる。

【００２７】増幅回路１１からの出力Ａは、発振器８の
出力の飽和増幅された波形であって発振信号の各半波毎
に対応する矩形波を出力しているものとなり、図５に示
す如く、モノステーブルバイブレータ１２に入力する毎
に、コンデンサ１５と抵抗１６とで定められる所定幅の
パルスＴを生成する。このパルスＴはＪＫフリップフロ
ップ１３に入力され、このパルスＴの立下がりで増幅回
路４からの出力Ｂの電位によりその出力信号が決定され
るようになっている。

【００２８】すなわち永久磁石１０の磁極がインダクタ
１から遠ざかった位置にあり、検出すべき磁界が弱い場
合、インダクタ１のインダクタンスは大きいため、共振
回路３の共振周波数は小となり、当該共振回路３の電
流、すなわち出力Ｂは同じく飽和増幅されたものであっ
て出力Ａより遅れており、そしてＪＫフリップフロップ
１３のＫにその位相を反転して入力されるので、パルス
Ｔの立下がりの時点ではＪＫフリップフロップ１３のＫ
に入力される出力Ｂバー、すなわちインバータ１４の出
力は論理「１」であり、図５（２）の様にＪＫフリップ
フロップ１３の出力Ｑは論理「１」を出力する。

【００２９】永久磁石１０の磁極がインダクタ１に近づ
き検出すべき磁界が強くなった場合、インダクタ１のイ
ンダクタンスは小さくなるため、共振回路３の共振周波
数は大となり、当該共振回路３の電流、すなわち出力Ｂ
は出力Ａより遅れが小となり、そしてＪＫフリップフロ
ップ１３のＫにその位相を反転して入力されるので、パ
ルスＴの立下がりでの時点ではＪＫフリップフロップ１
３のＫに入力される出力Ｂバー、すなわちインバータ１
４の出力は論理「１」となっている。従って図５（１）
の様に変化し、ＪＫフリップフロップ１３の出力Ｑは論
理「０」を出力する。すなわち電圧レベルの判定を用い
ることなく検出すべき磁界の強弱を論理値に変換するこ
とができ、ロータの回転位置を磁気的に検出することが
できる。

【００３０】図６は位相比較回路の他の実施例回路図を
示している。同図の位相比較回路は検出すべき磁界の強
弱に応じた電圧出力を得る回路であり、排他的オア回路
１７と、コンデンサ１９と抵抗２０との積分回路１８と
からなっている。

【００３１】排他的オア回路１７で増幅回路１１からの
上記飽和増幅された出力Ａと増幅回路４からの飽和増幅
された出力Ｂとの排他的オアをとることにより、出力Ａ
と出力Ｂとの位相差はその出力するパルスのデューティ
比の相違として得られる。このデューティ比のパルスを
積分回路１８で積分すれば、位相変化に比例した電圧出
力が得られる。

【００３２】すなわち永久磁石１０の磁極がインダクタ
１に近づいた位置にあり、検出すべき磁界が強い場合、
図７（１）のようにデューティ比の小さいパルスが排他
的オア回路１７から出力され、これを積分した値は小さ
くグランド電位に接近した電圧出力となる。永久磁石１
０の磁極がインダクタ１から遠ざかって検出すべき磁界
が弱くなった場合、図７（２）のようにデューティ比の
大きなパルスが排他的オア回路１７から出力され、これ
を積分した値は大となり電位の高い電圧出力に変化され
る。すなわち電圧レベルの判定を用いることなく検出す
べき磁界の強弱に応じた電圧出力に変換することがで
き、ロータの回転位置を磁気的に検出することができ
る。

【００３３】以上は電圧で位相比較を行う例を示した
が、電流で位相比較を行っても同様の結果が得られる。
そして位相比較回路９は、図４，図６図示のものに限定
されるものではなく、他のどの様な回路構成のものであ
ってもよい。位相比較回路９から得られた出力信号、す
なわち検出信号を基に、モータの回転制御が行われる。
このモータの回転制御方法は従来からの技術を用いて行
うので、その説明は省略する。

【００３４】図８は本発明の一実施例断面図を示してい
る。同図において、有底開口端を備えた円筒状モータケ
ース３１の内周面には複数個の界磁マグネット３２が固
着されており、ロータ積層鉄心３３にロータ巻線３４が
巻回された回転子３５が２個の軸受３６，３７で回転自
在に軸支され、界磁マグネット３２の内部を回転するよ
うになっている。軸受３７は、有底開口端を備えた円筒
状ケース３８に取付けられており、当該円筒状ケース３
８の有底側がモータケース３１の開口端と係合し、当該
円筒状ケース３８の開口端は蓋体３９で蓋されている。
円筒状ケース３８の有底側にブラシ支持材４０が設けら
れ、ブラシ４１が取り付けられるようになっている。

【００３５】ロータ積層鉄心３３が固着されているモー
タシャフト４２の軸受３７側にはコミテータ４３が固定
されており、上記ブラシ４１が当該コミテータ４３を摺
動し、コミテータ４３を介してロータ巻線３４に電流を
供給するようになっている。またモータシャフト４２は
軸受３７から突出しており、そのモータシャフト４２の
突出端に強磁性材の位置検出マグネット支持部材４４が
固着され、回転子３５と一体的に回転するようになって
いる。位置検出マグネット支持部材４４の円筒状内周面
には複数個の位置検出用マグネット４５が取り付けられ
ている。位置検出用マグネット４５はモータシャフト４
２の軸に対し垂直方向に磁化されている。

【００３６】円筒状ケース３８の開放端側を覆う蓋体３
９には強磁性材の検出励磁用コイル支持部材４６が取付
けられている。当該検出励磁用コイル支持部材４６に
は、例えばフェライトの検出用可飽和鉄心４７が固定さ
れており、当該検出用可飽和鉄心４７にコイル４８が巻
回され、図１の可飽和鉄心を持つインダクタ１を構成し
ている。従って位置検出マグネット支持部材４４が回転
し、位置検出用マグネット４５が検出用可飽和鉄心４７
に接近すると、位置検出用マグネット４５からの磁束
が、当該位置検出用マグネット４５，当該位置検出用マ
グネット４５と検出用可飽和鉄心４７との空隙，検出用
可飽和鉄心４７，検出用可飽和鉄心４７と位置検出マグ
ネット支持部材４４との空隙，位置検出マグネット支持
部材４４及び当該位置検出用マグネット４５の磁気回路
を通って流れる。

【００３７】また当該検出励磁用コイル支持部材４６に
は、同材質のフェライトの励磁用鉄心４９が検出用可飽
和鉄心４７の近傍に固定されており、当該励磁用鉄心４
９にコイル５０が巻回され、図１のインダクタ５を構成
している。従って図１の可飽和鉄心を持つインダクタ１
を構成する検出用可飽和鉄心４７に巻回されたコイル４
８は、同じ検出励磁用コイル支持部材４６に取り付けら
れた励磁用鉄心４９のコイル５０の漏れ磁束と磁気的に
結合して励磁される。

【００３８】この様に励磁用鉄心４９と検出用可飽和鉄
心４７とは同種の部材が用いられ、かつ接近して配置さ
れることにより、この両者のインダクタの熱的条件が同
じとなり、鉄心の透磁率の温度変化による誤差の発生を
避けることができる。なお検出用可飽和鉄心４７とコイ
ル４８、及び励磁用鉄心４９とコイル５０以外の他の電
子部品は、モータケース３１や円筒状ケース３８等から
離れた位置に配設することにより、モータの発熱による
影響を受けることがなくなる。

【００３９】

【発明の効果】以上説明した如く、本発明によれば、鉄
心とコイルとを位置検出素子として使用しているため、
モータと同様の耐熱性を持たせることができ、しかも検
出すべき磁界の強弱をその共振回路の電圧と電流との位
相差の変化として検出するようにしたので、検出すべき
磁界の急速な変化による影響を受けることなく、すなわ
ち高速回転のモータであってもロータの回転位置を高精
度で検出することができる。

【００４０】電圧レベルを測定の対象にしていないの
で、高精度の増幅回路を必要とせず、また単にディジタ
ル信号レベルにまで増幅すればよいので、増幅率に余裕
を持たせれば増幅率の温度変化やその直線性等について
特別の考慮を増幅回路に払う必要もなく、回路設計が簡
単となる。

【００４１】位相比較回路も信号の時間的変化を測定す
るだけで目的を達成できるので、増幅回路と同様に温度
に対する特性の変化についても特別の考慮を位相比較回
路に払う必要はなく、この点でも回路設計が簡単化され
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るロータの回転位置を磁気的に検出
する手段を備えたモータのロータ位置検出装置の一実施
例構成である。

【図２】位相変化特性図である。

【図３】本発明の磁気検出部分の一実施例波形説明図で
ある。

【図４】本発明の具体的な一実施例回路図である。

【図５】図４に示された位相比較回路の動作説明図であ
る。

【図６】位相比較回路の他の実施例回路図である。

【図７】図６に示された位相比較回路の動作説明図であ
る。

【図８】本発明の一実施例断面図である。

【図９】従来の磁気検出部分の波形説明図である。

【図１０】従来の磁気検出部分の波形説明図である。

【符号の説明】

１ インダクタ ２ コンデンサ ３ 共振回路 ８ 発振器 ９ 位相比較回路 １０ 永久磁石

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 検出素子として可飽和鉄心を持つインダ
   クタを具備し、ロータの回転と対応付けられ回転する磁
   界の変化を検出する手段を備えたモータにおいて、 上記磁界の変化を検出する手段は、 上記インダクタを備えると共に当該インダクタと共振す
   るコンデンサを備えた共振回路と、 当該共振回路の共振周波数近傍の周波数で当該共振回路
   を励振させる発振器と、 検出すべき磁界の強弱に応じて当該共振回路に現れる周
   波数信号と上記発振器の発振信号との位相差を検出する
   位相比較回路とを備え、 検出すべき磁界の強弱を位相差の変化として検出するよ
   うにしたことを特徴とするロータの回転位置を磁気的に
   検出する手段を備えたモータ。
2. 【請求項２】 上記発振器は、インダクタとコンデンサ
   とを備えたＬＣ発振器でなると共に、発振器のインダク
   タと可飽和鉄心を持つインダクタとが磁気的に結合され
   てなり、発振器の周波数で共振回路が励振されることを
   特徴とする請求項１記載のロータの回転位置を磁気的に
   検出する手段を備えたモータ。
3. 【請求項３】 上記モータは、ロータとステータとを備
   え、上記磁界の変化を検出する手段の検出信号に基づい
   て制御されることを特徴とする請求項１記載のロータの
   回転位置を磁気的に検出する手段を備えたモータ。