JPS6258445B2 - - Google Patents

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JPS6258445B2
JPS6258445B2 JP55147425A JP14742580A JPS6258445B2 JP S6258445 B2 JPS6258445 B2 JP S6258445B2 JP 55147425 A JP55147425 A JP 55147425A JP 14742580 A JP14742580 A JP 14742580A JP S6258445 B2 JPS6258445 B2 JP S6258445B2
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JP
Japan
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rotation angle
excitation
signal
rotor
excitation pole
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JP55147425A
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Wataru Shimizu
Hikari Yamashita
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SG KK
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Publication date
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Priority to US06/311,277 priority patent/US4612503A/en
Priority to DE19813141015 priority patent/DE3141015A1/de
Publication of JPS5770406A publication Critical patent/JPS5770406A/ja
Priority to US06/661,199 priority patent/US4604575A/en
Priority to US06/661,197 priority patent/US4754220A/en
Publication of JPS6258445B2 publication Critical patent/JPS6258445B2/ja
Granted legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/12—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means
    • G01D5/243—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the phase or frequency of ac
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D2205/00—Indexing scheme relating to details of means for transferring or converting the output of a sensing member
    • G01D2205/70—Position sensors comprising a moving target with particular shapes, e.g. of soft magnetic targets
    • G01D2205/77—Specific profiles
    • G01D2205/775—Tapered profiles

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Transmission And Conversion Of Sensor Element Output (AREA)
  • Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は電磁式の回転角度検出装置に関す
る。
回転角度検出器（ロータリエンコーダ）として
は、ポテンシヨメータ、レゾルバ、マイクロシ
ン、光学式エンコーダ等が従来より知られてい
る。ポテンシヨメータは接触式であるため耐久性
に乏しいという欠点がある。また、レゾルバもブ
ラシを必要とするため耐久性、高速応答性、ノイ
ズ等の点で問題があつた。回転トランスを設ける
ことによりブラシレスとしたレゾルバも存在する
が、回転トランスを増設しなければならないた
め、コスト高になると共に構造が複雑かつ大型化
するという問題がある。マイクロシンは、回転角
度に対応して正弦波振幅値に相当するアナログ出
力を得るものであるため、全回転範囲にわたつて
リニアな出力を得ることは不可能である。また、
マイクロシン及びポテンシヨメータに共通する欠
点は、それらが回転角度に対応する電圧レベルを
生じるものであるため、外乱による影響を受けて
誤差を生じ易いという点である。例えば、温度変
化の影響を受けてコイルの抵抗が変動することに
より検出信号のレベルが変動する、あるいは検出
器からその検出信号を利用する回路までの信号伝
送路におけるレベルの減衰量が伝送距離によつて
まちまちであること、あるいはノイズによるレベ
ル変動がそのまま検出誤差となつて顕われてしま
うこと、など様々な問題が起り易い。上述のよう
な種々の理由から、マイクロシン等の電磁式回転
角度検出器によりアブソリユートエンコーダを構
成するのは困難であつた。他方、光学式エンコー
ダはアブソリユートエンコーダとしての機能を有
しているが、検出分解能がパターン円板の面積に
よつて制限を受けること、従つて分解能を増すた
めには必然的にパターン円板が大型化しこれに伴
ない検出器全体が大型化してしまうこと、一般的
にコスト高であること、分解能を変更する場合あ
るいはデータのコード形式を変更する場合などは
パターン円板を丸ごと取換えねばならないためコ
スト高となること、及び、パターン円板としてガ
ラス板を使用する場合は破損のおそれがあるため
使用環境が制限されること、等の問題点がある。
そこで、この発明の目的は、無接触式でありか
つ構造が簡単で小型化されておりかつ外乱による
出力レベル変動に影響されることなく正確な検出
が可能でありかつ悪環境にも強い電磁式の回転角
度検出装置を提供し、上述の諸欠点を克服するこ
とにある。この目的は、１次巻線と２次巻線が巻
回されたステータ（鉄心）と、このステータに適
宜のギヤツプをあけて対峙するロータ（鉄心）と
の組合せにより電磁式の検出装置を構成し、前記
ステータにおける励磁極の構成及びその励磁方法
を工夫すると共に、ロータの形状を工夫すること
により、２次巻線から得られる出力信号と励磁用
交流信号との間でロータの回転角度に対応する位
相ずれが生じるようにすることにより達成され
る。詳しくは、前記ステータにおいては、１次巻
線が差動的に巻回された励磁極対を円周方向に所
定の角度間隔で複数対設けると共に、各励磁極に
よる誘導電圧を取り出す２次巻線を設け、各励磁
極対を前記角度間隔に対応する位相ずれの生じた
複数の交流信号によつて夫々別々に励磁する。前
記ロータは、各ステータ励磁極を通る磁路のリラ
クタンスを回転角度に応じて夫々変化させる形状
を成すものとする。各励磁極による誘導電圧を取
り出すための２次巻線の設け方は種々考えられる
が、いずれにせよ、各励磁極によつて２次巻線に
誘起される信号の合成信号としては、励磁用交流
信号に対してロータの回転角度に対応する位相ず
れの生じた交流信号が得られる。好適な一実施例
においては、前記ステータは前記励磁極対を円周
方向に90度の角度間隔で２対設けて成るものであ
り、各励磁極対を90度位相のずれた２つの交流信
号によつて夫々励磁するようにしている。
以下この発明の実施例を添付図面を参照して詳
細に説明しよう。
第１図において、ステータ（鉄心）１は４つの
励磁極Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄを円周方向に90度の間隔で
配して成るもので、半径方向で対向する２つの励
磁極Ａ及びＣが１つの対を成し、励磁極Ｂ及びＤ
がもう１つの対を成している。励磁極対Ａ及びＣ
（またはＢ及びＤ）には、１次巻線２Ａ及び２Ｃ
（または２Ｂ及び２Ｄ）が差動的に巻回されてい
る。すなわち、各磁極Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄにおいて端
部に向う磁束の方向を正相とすると、各巻線Ａ及
びＣ（またはＢ及びＤ）によつて生じる磁束が互
いに逆相となるように巻回されている。詳しく
は、１次巻線２Ａによつて極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、それと対を成す極Ｃには１次巻線２Ｃによ
つて矢印に示すように極端部に入る方向に磁束
が生ぜしめられるように、１次巻線２Ａ及び２Ｃ
が差動的に巻回される。これにより、励磁極対Ａ
及びＣには、ステータ１の中心空間に配されたロ
ータ（鉄心）３を介して同方向の磁束の流れが形
成される。もう一方の励磁極対Ｂ及びＤに関して
も同様に１次巻線２Ｂ及び２Ｄが巻回されてい
る。このように、励磁極対Ａ及びＣ（またはＢ及
びＤ）に１次巻線を差動的に巻回する理由は、後
述のように各励磁極対Ａ及びＣあるいはＢ及びＤ
が異なる交流信号によつて励磁されるためであ
り、同一の交流信号によつて励磁される極同士
（ＡとＣあるいはＢとＤ）で磁束の流れを保証す
るためである。
各励磁極Ａ〜Ｄの端部に対して適宜のギヤツプ
を介在させて対峙するロータ３は、回転軸４と一
体に回転する。この回転軸４に、検出対象である
回転角度θが与えられる。ロータ３は、各ステー
タ励磁極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形状を成して
いる。この第１図の例では、ロータ３は回転軸４
の中心に対して偏心して取付けられた円筒形状を
成している。この偏心した円筒形状によつて、ロ
ータ３の円筒側面と各極Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄの端部と
の間に介在するギヤツプの距離が回転角度θに応
じて変化する。このギヤツプの変化によつて、ロ
ータ３の１回転につき１周期分の三角関数に相当
するリラクタンス変化が各極Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄにも
たらされる。
Ａ及びＣから成る励磁極対とＢ及びＤから成る
励磁極対は、90度位相のずれた交流信号によつて
別々に励磁される。図では、極ＡとＣの１次巻線
２Ａ及び２Ｃが直列接続され、発振器５から正弦
波信号ｉa＝Isinωｔが印加される。また、極Ｂ
とＤの１次巻線２Ｂ及び２Ｄが直列接続され、発
振器６から余弦波信号ｉb＝Icosωｔが印加され
る。１次巻線２Ａ及び２Ｃ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
が巻回された磁極Ａ及びＣの向きすなわち両者に
よつ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（すなわち差
動的に巻回されている）。１次巻線２Ｂ及び２Ｄ
に関しても同様である。
上記の構成において、各励磁極Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ
によつて夫々誘起される電圧を取り出すために２
次巻線７がステータ１に巻回される。第１図の例
では、励磁極Ａ及びＣに２次巻線７Ａ及び７Ｃが
夫々同相で巻回され、励磁極Ｂ及びＤに２次巻線
７Ｂ及び７Ｄが夫々同相で巻回されており、７Ａ
及び７Ｃと７Ｂ及び７Ｄは互いに逆相である。こ
れらの２次巻線７Ａ〜７Ｄが直列接続されて、各
励磁極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なつてい
る。この出力信号Ｅは、励磁用交流信号ｉa＝
Isinωｔまたはｉb＝Icosωｔに対してロータ３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。これは、試作機によつて容易に確認する
ことができるが、その理由を解析すると次の通り
である。
第１図に示す回転角度検出装置において形成さ
れる磁気回路の等価回路は第２図のように示すこ
とができる。Ｎは各１次巻線２Ａ，２Ｂ，２Ｃ，
２Ｄの巻数を示す。ｉa及びｉbは励磁用交流信号
Isinωｔ及びIcosωｔの瞬時電流値を示す。従つ
て、Nia，Nib，−Nia，−Nibは各励磁極Ａ，Ｂ，
Ｃ，Ｄの１次巻線２Ａ〜２Ｄによつて生ぜしめら
れる起磁力を示す。ＰA，ＰB，ＰC，ＰDは各磁極
Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄとロータ３との間のギヤツプによ
つて生じるパーミアンスを夫々示す。前述のよう
に、１回転につき１周期分の三角関数に相当する
リラクタンス変化がもたらされるようにロータ３
が構成されているので、各パーミアンスＰA〜ＰD
は次式のように示すことができる。
P0及びP1はステータ１及びロータ３のサイズ及
び透磁率等に応じて定まる定数である。上記第(1)
式では、第１図ｂに示すように、磁極Ｄとロータ
３との間のギヤツプ距離が最小のときの回転角度
θを０度としている。φA，φB，φC，φDは各磁
極Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄとロータ３との間のギヤツプを
通る磁束を夫々示す。等価回路から明らかなよう
に、 φA＋φB＋φC＋φD＝０ ……(2) なる関係にある。Ｕは等価回路全体の磁位を示
し、 Ｕ＝Nia＋φＡ／ＰＡ＝Nib＋φＢ／ＰＢ＝−Nia＋φ
Ｃ／ＰＣ ＝−Nib＋φＤ／ＰＤ ……(3) なる関係にある。従つて、各磁束φA〜φDは次の
ように示すことができる。
ここで、各２次巻線７Ａ，７Ｂ，７Ｃ，７Ｄの
巻数を夫々N2とすると、各磁極Ａ〜Ｄのギヤツ
プに応じて各２次巻線７Ａ〜７Ｄに誘起される電
圧ｅA、ｅB、ｅC、ｅDは次式のように示される。
２次巻線７，７Ａ〜７Ｄの合成出力信号Ｅは、
前記第(5)式、第(4)式、第(3)式、第(1)式及びｉa＝
Isinωｔ、ｉb＝Icosωｔより、次のように示すこ
とができる。
Ｅ＝ｅA＋ｅB＋ｅC＋ｅD ＝N2ｄ／ｄｔ（φA−φB＋φC−φD） ＝N2ｄ／ｄｔ｛（Ｕ−Nia）ＰA−（Ｕ−Nib）ＰB ＋（Ｕ＋Nia）ＰC−（Ｕ＋Nib）ＰD｝ ＝N2ｄ／ｄｔ｛Ｕ（ＰA−ＰB＋ＰC−ＰD） −Nia（ＰA−ＰC）＋Nib（ＰB−ＰD）｝ ＝N2ｄ／ｄｔ（2NiaP1sinθ−2NibP1cosθ） ＝2N2NP1ｄ／ｄｔ（Isinωtsinθ−Icosωtcosθ） ＝2N2NP1I（−cosωtsinθ＋sinωtcosθ） ＝2N2NP1Isin（ωｔ−θ） ……(6) 但し、前記第(1)式より、ＰA−ＰB＋ＰC−ＰD＝
０である。上記第(6)式において、係数
（2N2NP1I）は定数であるので、これをＫで置換
えると、 Ｅ＝Ksin（ωｔ−θ） ……(7) と表わすことができる。この第(7)式から明らかな
ように、出力信号Ｅは、励磁用交流信号Isinωｔ
に対して回転角度θに対応する位相角だけ位相が
ずれた交流信号となる。
第３図は、ステータ１の構造は第１図と同一で
あり、ロータ８の形状を第１図のロータ３とは異
らせた実施例を示す。このロータ８は円筒を斜め
に切断した形状を成しており、この円筒の中心と
回転軸４の中心が一致する。各磁極Ａ〜Ｄの端部
とロータ８の円筒側面とが対向するが、そのギヤ
ツプ距離は変化せず、対向面積がロータ８の回転
角度θに応じて変化する。従つて、第３図のロー
タ８によつても第１図のロータ３による場合と同
様に、各磁極Ａ〜Ｄのギヤツプのリラクタンスを
回転角度θに応じて変化させることができる。す
なわち、前記第(1)式と同様のパーミアンス変化が
得られるようにすることができる。
第４図及び第５図の実施例は、ステータ９及び
９′の構造を第１図及び第３図のステータ１とは
若干異らせたものである。第４図において、ステ
ータ９は、円周方向に90度の間隔で配された励磁
極９Ａ，９Ｂ，９Ｃ，９Ｄと、回転軸４の延長線
上に位置する出力用磁極９Ｅとを具える。第１図
と同様に、一方の励磁極対９Ａ及び９Ｃには１次
巻線２Ａ及び２Ｃが差動的に巻回され、正弦波信
号ｉa＝Isinωｔによつて励磁される。また、他
の励磁極対９Ｂ及び９Ｄには１次巻線２Ｂ及び２
Ｄが差動的に巻回され、余弦波信号ｉb＝Icosω
ｔによつて励磁される。出力用磁極９Ｅには２次
巻線７が巻回されている。この場合は、１個の２
次巻線７によつてすべての励磁極９Ａ〜９Ｄによ
る誘起電圧の合成信号Ｅを取り出すことができ
る。第１図及び第３図では各磁極Ａ〜Ｄの端部は
半径方向を向いているが、第４図及び第５図では
各磁極９Ａ〜９Ｅの端部は軸方向を向いている。
第４図において、ロータ１０は軸４に偏心して取
付けられた円板形状を成しており、各励磁極９Ａ
〜９Ｄの端部とのギヤツプの距離は変化しない
が、その対向面積が回転角度θに応じて変化する
ようになつている。従つて、第４図の構成におい
ても、前記第(1)式と同様のパーミアンス変化が得
られるようにすることができる。
第５図のステータ９′は第４図のステータ９と
ほとんど同一構成であるが、出力用磁極９E′が
他の磁極９Ａ〜９Ｄよりもやや長い点だけが異な
る。ロータ１１は斜板であり、各励磁極９Ａ〜９
Ｄとの間のギヤツプの距離が回転角度θに応じて
変化するようになつている。従つて、第５図の構
成においても前記第(1)式と同様のパーミアンス変
化が得られるようにすることができる。
尚、各励磁極対Ａ及びＣ，９Ａ及び９Ｃ並びに
Ｂ及びＤ，９Ｂ及び９Ｄを励磁する交流信号は正
弦波と余弦波に限らず、正弦波と余弦波の反転信
号（−cosωｔ）あるいは余弦波と正弦波の反転
信号（−sinωｔ）であつてもよく、要するに位
相が90度ずれているものであればよい。
次に、第１図あるいは第３図乃至第５図に示す
ようなこの発明に係る回転角度検出装置を利用し
て具体的な回転角度データを得るための実施例に
ついて第６図を参照して説明する。
第６図において、回転角／電気位相角トランス
ジユーサ１２は、第１図あるいは第３図乃至第５
図に示したステータ１，９，９′及びロータ３，
８，１０，１１を具えるこの発明に係る回転角度
検出装置である。第６図では１次巻線２Ａ，２Ｃ
及び２Ｂ，２Ｄと２次巻線７のみを模式的に図示
し、他は図示を省略した。第６図は、大別して、
励磁用交流信号を形成するための回路（第１の回
路）１３と、位相ずれにもとづいて回転角度デー
タを求めるための回路（第２の回路）１４とから
成る。
発振器１５は高速のクロツクパルスCPを発振
する。分周回路１６はこのクロツクパルスCPを
１／Ｍ分周してデユーテイ50％のパルスPbと、この パルスPbの反転信号Ｐaを出力する（但し、Ｍは
任意の整数）。詳しくは、２／Ｍ分周器１７と1/2分周 用のフリツプフロツプ１８とを含み、クロツクパ
ルスCPを２／Ｍ分周したパルスＰcを分周器１７から 得て、このパルスＰcをフリツプフロツプ１８で
1/2分周する。その結果、フリツプフロツプ１８
の出力（Ｑ）からはクロツクパルスCPの１／Ｍの周 波数をもつデユーテイ50％の方形波パルスＰbが
出力され、その反転出力（）からは該パルスＰ
bを反転した方形波パルスＰaが出力される。180
度位相のずれたパルスＰb及びＰaは1/2分周用の
フリツプフロツプ１９及び２０に夫々入力され、
これらのパルスＰb及びＰaを夫々1/2分周したパ
ルス1/2Ｐb及び1/2Ｐaが得られる。従つて、各パ
ルスCP，Ｐc，Ｐb，Ｐc，1/2Ｐb，1/2Ｐaの関係
は第７図に示すようになる。すなわち、各フリツ
プフロツプ１９及び２０から出力されるパルス1/
2Ｐb及び1/2Ｐaは、クロツクパルスCPの１／２Ｍの周 波数をもち、かつ位相が90度ずれている。
各パルス1/2Ｐb及び1/2Ｐaはローパスフイルタ
２１及び２２に夫々入力され、その基本波成分が
取り出される。従つて、ローパスフイルタ２１か
ら出力される信号が余弦波信号cosωｔであると
すると、ローパスフイルタ２２から出力される信
号は正弦波信号sinωｔとなる。ローパスフイル
タ２１の出力cosωｔは増幅器２３で増幅され、
その出力Icosωｔが一方の励磁極対Ｂ及びＤ（ま
たは９Ｂ及び９Ｄ）の１次巻線２Ｂ及び２Ｄに印
加される。ローパスフイルタ２２の出力sinωｔ
は増幅器２４で増幅され、その出力Isinωｔが他
方の励磁極対Ａ及びＣ（または９Ａ及び９Ｃ）の
１次巻線２Ａ及び２Ｃに印加される。
前述のように、出力巻線７からは回転角度θに
対応する位相ずれの生じた交流信号Ｅ＝Ksin
（ωｔ−θ）が得られる。この出力信号Ｅは増幅
器２５を介して極性判別回路２６に入力される。
もう１つの極性判別回路２７には一方の励磁用交
流信号Isinωｔが増幅器２４から与えられる。極
性判別回路２６及び２７は入力信号（Ksin（ω
ｔ−θ）、Isinωｔ）の振幅が正極性のとき
“１”を出力し、負極性のとき“０”を出力す
る。各極性判別回路２６及び２７の出力は立上り
検出回路２８及び２９に夫々入力される。立上り
検出回路２８及び２９は単安定マルチバイブレー
タであり、入力信号が“１”に立上つたとき１発
の短パルスを出力する。従つて、第８図に示すよ
うに回転角度検出信号Ｅ＝Ksin（ωｔ−θ）の
位相角（ωｔ−θ）が０度のとき立上り検出回路
２８から立上り検出パルスＴSが出力され、励磁
用交流信号Isinωｔの位相角ωｔが０度のとき立
上り検出回路２９から立上り検出パルスT0が出
力される。回転角度検出信号Ｅ＝Ksin（ωｔ−
θ）は励磁用交流信号Isinωｔよりも回転角度θ
に相当する位相角だけ遅れている。従つて、立上
り検出パルスT0の発生時から位相ずれθに相当
する時間遅れの後立上り検出パルスＴSが発生さ
れる。
カウンタ３０を利用して、立上り検出パルス
T0とＴSとの時間差をカウントすることにより位
相ずれ（すなわち回転角度）θに対応するデータ
を求めることができる。カウンタ３０のカウント
入力には発振器１５から発振されたクロツクパル
スCPが与えられる。励磁用の交流信号Isinω
ｔ、Icotωｔは、このクロツクパルスCPの１／２Ｍの 周波数をもつものである。従つて、このクロツク
パルスCPの１周期は、２π／２Ｍ＝π／Ｍ（ラジアン）
とい う絶対位相値に対応する。故に、カウンタ３０に
おける１カウント値もπ／Ｍ（ラジアン）の絶対位相 値に対応する。カウンタ３０は、少くともモジユ
ロ2Mであることが望ましい。何故ならば最大位
相ずれ（最大回転角度）360度（２π）に対応す
るカウント値（２π÷π／Ｍ＝2M）を確保し得るよ うにするためである。カウンタ３０のリセツト入
力には励磁用交流信号Isinωｔの０位相を示すパ
ルスT0が与えられる。従つて、カウンタ３０は
励磁用交流信号Isinωｔの０位相毎にリセツトさ
れる。
カウンタ３０の出力はバツフアレジスタ３１に
入力される。バツフアレジスタ３１のサンプリン
グクロツク入力には回転角度検出信号Ksin（ω
ｔ−θ）の０位相（ωｔ−θ＝０）を示すパルス
ＴSが与えられる。このパルスＴSの発生時にカウ
ンタ３０のカウント内容がバツフアレジスタ３１
に取り込まれる。従つて、バツフアレジスタ３１
には、位相ずれすなわち回転角度θに対応するカ
ウント値が取り込まれる。このバツフアレジスタ
３１に取り込まれたカウント値は、回転角度θを
示す絶対値データＤ〓である。何故ならば、前述
の通り、１カウント値がπ／Ｍ（ラジアン）なる絶対 位相値に対応するので、回転角度θ（ラジアン）
に対応するカウントデータＤ〓はθ／πＭなる絶対値 データである。
以上のように、励磁用交流信号の周波数を設定
するクロツクパルスCPと同じものを位相ずれθ
の計算に用いることにより、アブソリユート・ロ
ータリー・エンコーダを構成することができる。
しかも、Ｍの値を任意に設定することによりその
エンコーダの分解能を任意自在に設定することが
できる。尚、第１の回路１３及び第２の回路１４
における具体的な回路構成は、第６図に示すもの
に限らず、任意に設計変更することが可能であ
る。また、カウンタ３０はバイナリカウンタに限
らず、２進化10進数（BCD）カウンタあるいは
その他適宜のコード形式のカウンタを用いること
ができる。このカウンタ３０の形式を任意に選定
することにより、望みのデータ形式（バイナリあ
るいはBCD等）でアブソリユートな回転角度デ
ータＤ〓を得ることができる。
尚、各励磁極対を同一円周上ではなく中心軸を
同じくする異なる円周上に夫々配することもこの
発明の実施態様に含まれる。その一例を第９図に
示す。第９図において、ステータ部分は、軸方向
に配設された２つのステータ１Ａ及び１Ｂとから
成る。ステータ１Ａは半径方向で対向する２つの
励磁極Ａ及びＣを有し、各々に巻回された１次巻
線２Ａ及び２Ｃが逆方向に磁束を生じるように直
列接続されており、正弦波信号（Isinωｔ）によ
つて励磁される。ステータ１Ｂも同様に半径方向
で対向する２つの励磁極Ｂ及びＤを有し、各々に
巻回された１次巻線２Ｂ及び２Ｄが逆方向に磁束
を生じるように直列接続されており、余弦波信号
（Icosωｔ）によつて励磁される。そして、夫々
の励磁極対Ａ及びＣとＢ及びＤの位置が90度ずれ
るように両ステータ１Ａ及び１Ｂが配されてい
る。各励磁極Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄに巻回された２次巻
線７Ａ〜７Ｄの出力は第１図と同様にして合成し
て取り出すものとする。ロータ３２は第１図のロ
ータ３と同様に、軸４に対して偏心して取付けら
れた円筒状の鉄心から成るものである。
更に、この発明の変形として、第１０図に示す
ようにＥ字形のステータ３３を用いることもでき
る。ステータ３３の両端に位置する励磁極３３Ａ
及び３３Ｂには１次巻線３４Ａ及び３４Ｂが夫々
巻回される。３４Ａは正弦波信号（Isinωｔ）に
よつて励磁し、３４Ｂは余弦波信号（Icosωｔ）
によつて励磁する。ステータ３３の中央に位置す
る励磁３３Ｅには２次巻線７が巻回される。ロー
タ３５は円筒鉄心の両端を斜めに切断した形状を
成しており、この円筒の中心と軸４の中心が一致
する。ロータ３５の両端は同方向に（平行に）切
断されているのではなく、一端の斜面に対して他
端の斜面は90度ねじれている。各磁極３３Ａ及び
３３Ｂの端部とロータ３５の円筒側面とが対向
し、その対向面積がロータ３５の回転角度θに応
じて変化することにより回転角度θに応じたリラ
クタンス変化を得ることができる。ここで、ロー
タ３５の両端斜面の90度のねじれにより、極３３
Ａにおけるリラクタンス変化と極３３Ｂにおける
リラクタンス変化には90度のずれが生じる。これ
により、正弦波によつて励磁される極３３Ａと余
弦波によつて励磁される極３３Ｂとを90度ずらし
て配設したのと同じ効果が得られることになり、
第１図あるいは第３図乃至第５図の実施例と同様
にロータ３５の回転角度θに応じた位相ずれの生
じた交流信号を極３３Ｅの２次巻線７から得るこ
とができる。尚、一点鎖線で示すようにステータ
３３の反対側に同様のＥ字形ステータ３３′を設
け、励磁極３３Ａと３３Ｃに正弦波信号によつて
励磁される１次巻線を差動的に巻回すると共に、
励磁極３３Ｂと３３Ｄに余弦波信号によつて励磁
される１次巻線を差動的に巻回するようにしても
よい。その場合、両ステータ３３及び３３′の中
央の磁極３３Ｅ，３３E′に夫々設けた２次巻線
の出力を合成したものが、回転角度θに応じた位
相ずれの生じた交流信号（Ksin（ωｔ−θ）で
ある。
ところで、前記第(7)式において位相ずれθは時
間的には変化しないものとされている。これは、
回転軸４が一定の回転角度θで静止していること
を示す。回転軸４が適宜の角速度または角加速度
で回転する場合は、前記第(7)式の位相ずれ（すな
わち回転角度）θは次式のように時間の関数θ
（ｔ）で与えられる。
Ｅ＝Ksin｛ωｔ±θ（ｔ）｝ ……(8) 位相ずれ関数θ（ｔ）の符号（±）は位相ずれ
の方向（進相または遅相）を示しており、これは
軸４の回転方向に対応する。説明の便宜上、以下
では進相方向に位相ずれが生じるものとし、＋θ
（ｔ）として説明する。この位相ずれ関数θ
（ｔ）には回転軸４の角速度または角加速度の成
分が含まれている。
軸４が一定の角速度ωMで回転している場合
は、 ｄ／ｄｔθ（ｔ）＝ωM ……(9) であり、この角速度ωMを積分したものが位相ず
れ量θ（ｔ）に相当するので、上記(8)式は次のよ
うに書換えることができる。但し、θ０は初期位
相である。
Ｅ＝Ksin｛（ωｔ＋ωM）ｔ＋θ０｝ ……(10) また、軸４が一定の角加速度αMで回転してい
る場合は、 ｄ／ｄｔθ（ｔ）＝αMｔ ……（11） であり、従つて、 θ（ｔ）＝∫αMtdt＝αＭ／２t2＋θ０ ……（12） となり、上記(8)式は次のように書換えることがで
きる。
Ｅ＝Ksin｛ω＋αＭ／２ｔ＋θ０｝……（13） 上記(10)式あるいは（13）式のように、この発明
の回転角度検出装置から得られる回転角度検出信
号Ｅの位相ずれ分には、回転角速度ωMあるいは
角加速度αMの成分が含まれるので、位相ずれ量
θ（一般的にはθ（ｔ））を解析することにより
回転速度あるいは加速度を求めることができる。
従つて、この発明の回転角度検出装置を利用して
回転速度検出器あるいは回転加速度検出器を構成
することも可能である。第６図のバツフアレジス
タ３１には、回転角度検出信号Ｅの１サイクル毎
に回転角度データＤ〓がサンプリングされる。回
転軸４が一定の回転角度θで静止している場合
は、この回転角度データＤ〓は回転角度θに対応
する一定の値を保持する。回転軸４が一定の速度
ωMまたは加速度αMで回転している場合は、この
回転角度データＤ〓は各サンプリングタイミング
毎に時々刻々と変化する。従つて、この回転角度
データＤ〓の変化分にもとづいて角速度ωMまた
は角加速度αMを求めることができる。
次に、角速度ωM及び角加速度αMのより具体的
な求め方について説明する。
回転軸４が角速度ωMで回転するときに得られ
る回転角度検出信号Ｅ（これをＥSで示す）の一
例を第１１図に一点鎖線にて示す。実線で示す波
形は励磁用交流信号Isinωｔを示し、破線の波形
は一定の回転角度θ０で静止しているときの回転
角度検出信号Ｅ（これをE0で示す）を示す。回
転時の信号ＥSはθ０を初期位相として回転した
ときの状態を示している。t0は静止時の回転角度
検出信号E0の一周期であり、これは位相検出の
基準とすべき励磁用交流信号Isinωｔの周期と同
じである。ｔSは回転時の回転角度検出信号ＥSの
一周期である。回転時は、回転角度検出信号Ｅ
（すなわちＥS）の周波数が基準の周波数（ω）よ
り偏移することが第１１図からわかる。これは、
前記第(10)式からも明らかであり、周波数偏移量は
角速度ωMに対応する。回転時の回転角度検出信
号ＥSの角周波数をωSとすると、Ｅsは第(10)式か
ら次のように表わせる。
ＥS＝K′sin（ωSｔ＋θ０） ＝K′sin｛（ω＋ωM）ｔ＋θ０｝ ……（14） 第１１図において、△θは、ある時点における
基準の信号Isinωｔと回転角度検出信号Ｅ（すな
わちＥS）との位相ずれθ０と、そのｔS秒後の位
相ずれθSとの差である。静止している場合はθ
０＝θSであり△θは０であるが、回転している
場合はこの△θは回転軸４の角速度ωMに対応す
る値をとる。すなわち、第１１図から明らかなよ
うに、基準の信号Isinωｔの１周期t0を２π（ラ
ジアン）とすると、時間ｔSに相当する位相値は ∫ｔｓ Ｏωdtであり、△θは △θ＝２π−∫ｔＳ ０ωdt ……（15） と表わせる。ここで、前記（14）式から ωS＝ω＋ωM ω＝ωS−ωM ……（16） であり、これを（15）式に代入すると、 △θ＝２π−∫ｔＳ ０ωdt＋∫ｔＳ ０ωMdt ＝∫ｔＳ ０ωMdt ……（17） となる。尚、ωS＝２π１／ｔＳであるので、∫ｔＳ ０
ωSdt ＝２πである。上記（17）式から明らかなよう
に、△θは角速度ωMの関数となる。これを解く
と、 △θ＝ωM・ｔS ωM＝△θ／ｔＳ ……（18） となる。従つて、△θとｔSにもとづいて角速度
ωMを求めることができる。
具体的には、ｔSは回転角度検出信号Ｅ（すな
わちＥS）の１周期をクロツクパルスCPによつて
カウントすることにより求めることができる。ｔ
Sに対応するカウント値をｎSとし、クロツクパル
スCPの１周期をφ（秒）とすると、 ｔS＝ｎS・φ ……（19） である。△θも、このカウント値ｎSにもとづい
て求めることができる。位相を計測するための基
準となる励磁用の信号Isinωｔの１周期t0に対応
するクロツクパルスCPのカウント数をn0とする
と、その角周波数ωは ω＝２π１／ｔ０＝２π１／ｎ０・φ ……（20） と表わせる。この（20）式を前記（15）に代入し
て積分項を解くと、 △θ＝２π−２π・ｎＳ／ｎ０＝２π・ｎ０／ｎ０−２
π・ｎＳ／ｎ０ ＝２π／ｎ０（n0−ｎS） ……（21） となる。（21）式と（19）式を（18）式に代入す
ると、 ωM＝２π／ｎ０・φ（ｎ０−ｎＳ／ｎＳ）……（22
） となる。ここで、n0は第１の回路１３（第６図）
における分周比１／２Ｍに対応する定数であり、n0＝ 2Mである。また、クロツクパルスCPの周期φも
予じめわかつている定数である。従つて、（22）
式から明らかなように、回転角度検出信号Ｅの１
周期をカウントし、そのカウント値ｎSにもとづ
いてこの（22）式を演算するだけで角速度ωMを
求めることができる。
尚、前記（16）式を入れかえて、 ωM＝ωS−ω ＝２π１／ｔＳ−２π１／ｔ０ ＝２π（１／ｎＳ・φ−１／ｎ０・φ） とし、これを解くことによつても、上記（22）式
と同じ解を得ることができる。
角加速度αMと角速度ωMには次のような関係が
成り立つ。
αM＝ｄ／ｄｔωM△ωＭ／△ｔ ……（23） ここで△ωMは時間変化△ｔの間における角速
度ωMの変化分である。時点t1において求められ
た角速度をωM1とし、それからｔS（秒）後の時
点t2において求められた角速度をωM2とすると、 △ｔ＝ｔS、△ωM＝ωM2−ωM1 であり、前記（19）式からｔS＝ｎS・φであるの
で、上記（23）式は αM＝ωＭ２−ωＭ１／ｔＳ ＝ωＭ２−ωＭ１／ｎＳ・φ ……（24） と書換えることができる。
従つて、回転角度検出信号Ｅ（すなわちＥS）
の１周期ｔS毎に角速度ωMの検出を行ない、今回
検出した角速度ωM2と前回検出した角速度ωM1と
の差を求め、その差をカウント値ｎSとクロツク
パルス周期φの積によつて除算することにより、
角加速度αMを求めることができる。
以上説明したようにこの発明の回転角度検出装
置は、無接触式であるため耐久性があり、かつ回
転トランスのような余分の要素がないため構造が
簡単であり、かつ光学式エンコーダのように嵩張
ることもなく、かつ位相差によつて角度を検出す
るので外乱等による出力レベル変動に無関係に正
確な検出を行なうことができ、かつ、ガラスパタ
ーン板のような弱い部分も存在しないため悪環境
にも強く、かつ検出装置の側から回転軸に加わる
負荷はゼロであるため軸荷重制限が大きい、等の
種々の利点を有する。また、励磁用交流信号の周
波数を確立するクロツクパルスと同じものを位相
差検出に使用することにより、如何なる温度条件
あるいは環境の下でも、回転角度の絶対値データ
を得ることができるという優れた効果もある。
【図面の簡単な説明】
第１図ａはこの発明に係る回転角度検出装置の
一実施例側断面を略示する図、同図ｂはａの正面
略図、第２図は第１図における磁気回路の等価回
路を示す図、第３図ａはこの発明の別の実施例の
側断面を略示する図、同図ｂはａの正面略図、第
４図ａはこの発明の更に別の実施例の側断面を略
示する図、同図ｂはａの正面略図、第５図ａはこ
の発明の他の実施例の側断面を略示する図、同図
ｂはａの正面略図、第６図はこの発明に係る回転
角度検出装置の電気回路部分の一実施例を示すブ
ロツク図、第７図は第６図の第１の回路における
動作を示すタイミングチヤート、第８図は第６図
の第２の回路における動作を示すタイミングチヤ
ート、第９図ａはこの発明の他の実施例の側断面
を略示する図、同図ｂはａの正面略図、第１０図
ａはこの発明の更に他の実施例の側面を略示する
図、同図ｂはａの正面略図、第１１図は上記各実
施例の２次巻線から得られる回転角度検出信号の
周波数が回転軸の角速度あるいは角加速度に応じ
て偏移することを例示する波形図、である。 １，９，９′……ステータ、２Ａ〜２Ｄ……１
次巻線、３，８，１０，１１……ロータ、４……
回転軸、Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，９Ａ〜９Ｄ……励磁
極、５，６……発振器、７，７Ａ〜７Ｄ……２次
巻線、１３……第１の回路、１４……第２の回
路、１５……クロツク発振器、１６……分周回
路、１８，１９，２０……1/2分周用のフリツプ
フロツプ、２１，２２……ローパスフイルタ、２
３，２４，２５……増幅器、３０……カウンタ。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １ １次巻線が差動的に巻回された励磁極対を円
    周方向に所定の角度間隔で複数対設けると共に、
    各励磁極による誘導電圧を取り出す２次巻線を設
    けて成るステータと、各ステータ励磁極を通る磁
    路のリラクタンスを回転角度に応じて変化させる
    形状を成したロータとを具え、前記各励磁極対を
    前記角度間隔に対応する位相ずれの生じた複数の
    交流信号によつて夫々各別に励磁し、これにより
    前記ロータの回転角度に対応する位相ずれの生じ
    た交流信号が前記２次巻線から出力されることを
    特徴とする回転角度検出装置。 ２ 前記各励磁極対は、半径方向で対向し、かつ
    各々に巻回された１次巻線が逆方向に磁束を生じ
    るように直列接続されて成る２つの磁極から成る
    ものであり、 前記ロータは、１回転につき一周期分の三角関
    数に相当するリラクタンス変化を生ぜしめる形状
    を成したものである特許請求の範囲第１項記載の
    回転角度検出装置。 ３ 前記ステータは、前記励磁極対を円周方向に
    90度の間隔で２対設けて成るものであり、この２
    つの励磁極対を90度位相のずれた交流信号によつ
    て夫々各別に励磁するようにしたものである特許
    請求の範囲第１項または第２項記載の回転角度検
    出装置。 ４ １次巻線が差動的に巻回された励磁極対を円
    周方向に所定の角度間隔で複数対設けると共に、
    各励磁極による誘導電圧を取り出す２次巻線を設
    けて成るステータと、各ステータ励磁極を通る磁
    路のリラクタンスを回転角度に応じて変化させる
    形状を成したロータとを具える回転角度検出装置
    において、 所定のクロツクパルスを分周して前記角度間隔
    に対応する位相ずれの生じた複数の交流信号を形
    成し、これらの交流信号によつて前記励磁極対を
    別々に励磁する第１の回路と、励磁用交流信号の
    １つと前記２次巻線の出力信号との位相差を前記
    クロツクパルスに従つて計数し、該位相差すなわ
    ち前記ロータの回転角度に対応するデータを得る
    第２の回路とを更に具えることを特徴とする回転
    角度検出装置。 ５ 前記ステータは、前記励磁極対を円周方向に
    90度の間隔で２対設けて成るものであり、前記第
    １の回路は、クロツクパルス発振器と、このクロ
    ツクパルスを１／Ｍ分周してデユーテイ50％のパルス 出力を生じる分周回路と、この分周回路の出力信
    号を1/2分周する第１のフリツプフロツプと、こ
    の分周回路の出力の反転信号を1/2分周する第２
    のフリツプフロツプと、第１及び第２のフリツプ
    フロツプの出力を夫々入力して90度位相のずれた
    交流信号を夫々出力する２つのフイルタと、これ
    らのフイルタの出力を夫々増幅して前記各励磁極
    対の１次巻線に夫々印加する増幅器とを含むもの
    であり、 前記第２の回路は、励磁用の前記交流信号の一
    方の所定位相角と前記２次巻線に誘起される信号
    の合成信号の所定位相角との時間差を前記クロツ
    クパルスに従つてカウントするカウンタ回路を含
    み、１カウント値がπ／Ｍラジアンに相当する絶対値 データとして回転角度データを得るようにした特
    許請求の範囲第４項記載の回転角度検出装置。
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