JPWO2019123836A1 - 回転角度センサ - Google Patents

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Abstract

回転角度センサのロータ(2)は、磁性鋼板の帯状本体(31)を、帯状本体(31)の厚さ方向をラジアル方向として円筒状に形成される。帯状本体(31)の一方の円弧状の縁部に第1凹凸部(32)が略一定のピッチで設けられるとともに、他方の円弧状の縁部に、第2凹凸部(33)が略一定のピッチで設けられる。ロータ(2)の帯状本体(31)の第1凹凸部(32)に対向して、第1ステータ(3)が配設され、第2凹凸部(33)に対向して、第2ステータ(4)が配設される。

Description

本発明は、可変リラクタンス型の回転角度センサに関し、特に小型化を図ることが可能な回転角度センサに関する。
モータなどの回転角を検出する回転角度センサとして、可変リラクタンス型の回転角度センサが、多くの分野で広く使用されている。この種の回転角度センサは、円環状のステータヨークの内周側に、複数の磁極を設け、各磁極にステータ巻線として励磁巻線及び検出用巻線を巻装し、ステータの内側に、ギャップを介してコア型のロータを配設して構成される。ステータの各磁極に、90°位相の相違した検出用のSIN巻線とCOS巻線が検出用巻線として巻装される。
この回転角度センサは、励磁巻線への交番電流の供給により、ロータの回転角度に応じたSIN信号とCOS信号を、出力用のSIN巻線とCOS巻線に生じさせ、出力する。このSIN信号とCOS信号をR/D変換して、変換されたデジタルデータから、ロータの回転角度データや絶対角度データが算出される。
しかし、従来の可変リアクタンス型の回転角度センサのロータは、例えば下記特許文献1に記載されるように、通常、複数の突極を外周部に突設する形状に形成された多数の磁性鋼板を、ロータの軸方向に積層して構成されるため、その形状が大型化する。さらに、回転角度センサに冗長機能を持たせるために、軸方向に複数のロータを配設するとともに、各ロータに対応して複数のステータを配設した場合、回転角度センサが一層大型化していた。
特許第4034691号公報
また、従来の回転角度センサは、ロータの回転に応じて、ステータの出力巻線から適正な正弦波が得られるように、ロータ外周部の各突極の外形形状が適正に形成されるものの、多数の磁性鋼板を積層して構成されるため、やはり回転角度センサ全体の形状が、大型化する課題があった。
本発明は、上述の課題を解決するものであり、小型化することができるとともに、安価に製造することができる回転角度センサを提供することを目的とする。
本発明に係る回転角度センサは、
円環状に配置された複数の第1ステータ磁極に、励磁巻線と出力巻線を巻装した第1ステータと、
円環状に配置された複数の第2ステータ磁極に、励磁巻線と出力巻線を巻装した第2ステータと、
該第1ステータ及び該第2ステータの内側または外側に、ギャップを介して回転可能に配置されたロータと、
を備え、
該ロータは、磁性鋼板の帯状本体が、該帯状本体の厚さ方向をラジアル方向として円筒状に形成され、該帯状本体の一方の円弧状の縁部に第1凹凸部が略一定のピッチで設けられるとともに、他方の円弧状の縁部に、第2凹凸部が略一定のピッチで設けられ、
該第1ステータは、該帯状本体の該第1凹凸部の内周面または外周面に対向して、複数の第1ステータ磁極が、円周方向に一定の間隔をあけて並設され、
該第2ステータは、該ロータの該帯状本体の第2凹凸部の内周面または外周面に対向して、複数の第2ステータ磁極が、円周方向に一定の間隔をあけて並設されたことを特徴とする。
上記磁性鋼板は、磁界を印加した時、ロータの回転角度検出に必要な磁束または磁束密度が生じる高透磁率材料であり、無方向性電磁鋼板、方向性電磁鋼板、無方向性珪素鋼板、方向性珪素鋼板、ステンレス鋼、構造用炭素鋼、Fe−Ni合金等の軟質磁性合金、Fe―Al合金,Fe−Co合金等のパーメンジュール、アモルファス金属、及びFeO、CoO、ZnO等のフェライト等を例示することができる。また、円筒状の帯状本体は、板材の曲げ加工、型成形、鋳造、切削等により成形される。
この発明の回転角度センサによれば、ロータの帯状本体が、帯状の磁性鋼板の両側縁部に、第1凹凸部と第2凹凸部を形成し、円筒状に曲げるのみ、或いは型成形等の加工のみで形成することができるため、非常に安価に製造することができる。
また、ラジアル方向(放射方向)に突出した突極を有した従来のロータに比して、ロータの全体形状を小型にすることができ、回転角度センサを小型化することができる。さらに、第1ステータと第2ステータを備えるため、何れか一方のステータが故障などにより誤検出した場合、他方のステータからの検出信号を使用することにより、冗長機能を持たせることができる。
ここで、上記ロータの帯状本体は、1層の磁性鋼板を円筒状に成形して形成され、該帯状本体の外周面が該ロータの外側を向き、該帯状本体の内周面が該ロータの内側を向くように形成することができる。また、複数枚積層された磁性鋼板を円筒状に曲げて形成することもできる。
またここで、上記第1凹凸部と第2凹凸部は、略正弦波形状とすることが好ましい。これによれば、第1ステータ磁極と第2ステータ磁極の各出力巻線から、良好なSIN波信号またはCOS波信号を得ることができる。
また、上記第1凹凸部と第2凹凸部のピッチは相違して形成され、該第1凹凸部のピッチと該第2凹凸部のピッチは、異なる軸倍角に対応して形成することが好ましい。これによれば、ロータに軸倍角の相違した部分を簡単に形成し、第1ステータ磁極と第2ステータ磁極の各出力巻線に特別な巻線形態を施すことなく、第1ステータ磁極と第2ステータ磁極の各出力巻線から軸倍角の相違した2種類の出力信号を出力させ、それらの信号をR/D変換して、比較的簡単に絶対回転角度信号を得ることができる。
前記ロータは、回転軸の外周に、合成樹脂製円環部を外嵌させ、該合成樹脂製円環部の外周部に、帯状本体を装着することができる。これによれば、ロータの帯状本体を正確な位置に、簡単に装着することができる。
この発明の回転角度センサによれば、小型化することができるとともに、安価に製造することができる。
本発明の第1実施形態を示す回転角度センサの斜視図である。 A,Bは同回転角度センサのロータの斜視図である。 同ロータの帯状本体の展開図である。 ステータとロータの関係を示す説明図である。 回転軸に装着したロータの斜視図である。 信号処理回路のブロック図である。 ロータの回転角、センサのR/D変換出力データ値、及び絶対角度データ値の関係を示すグラフである。 絶対角度θaを算出する際のフローチャートである。 第2実施形態の回転角度センサの斜視図である。 同回転角度センサの縦断面図である。 同回転角度センサの断面付き平面図である。 第3実施形態のアウタロータ型の回転角度センサの斜視図である。 機械角に対する検出角度誤差を示すグラフ図である。 Aは第4実施形態の回転角度センサの縦断面図、Bはそのロータ本体の部分斜視図である。 Aは外周面に環状凹部を形成したロータ本体の斜視図、Bは内周面に環状凹部を形成したロータ本体の斜視図、Cは外周面に環状凸部を形成したロータ本体の斜視図である。 ロータの機械角に対する出力電圧信号の波形図である。 機械角に対する検出角度誤差を示すグラフ図である。
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図1〜図5は第1実施形態の回転角度センサを示している。この回転角度センサは、円環状に配置された複数の第1ステータ磁極11に、励磁巻線と出力巻線を巻装した第1ステータ3と、円環状に配置された複数の第2ステータ磁極16に、励磁巻線と出力巻線を巻装した第2ステータ4と、第1ステータ3、第2ステータ4の内側に、ギャップを介して回転可能に配置されたロータ2とを備えて構成される。
ロータ2は、図2に示すように、磁性鋼板の帯状本体31を、帯状本体31の厚さ方向をラジアル方向(放射方向)として、円筒状に曲げて形成される。つまり、帯状本体31の一方の平面を内側に、他方の平面を外側にして、円筒状に丸く折り曲げ、その両側端部を溶接などで連結して筒状に構成される。これにより、帯状本体31の外周面31aがロータ2の外側を向き、その内周面31bがロータ2の内側を向くことになる。図3に示すように、帯状本体31の一方の円弧状の縁部に、第1凹凸部32が一定のピッチで設けられ、他方の円弧状の縁部に、第2凹凸部33が一定のピッチで設けられる。
なお、帯状本体31の磁性鋼板は、磁界の印加時、ロータ2の回転角度検出に必要な磁束または磁束密度が生じる高透磁率材料の無方向性電磁鋼板、方向性電磁鋼板、無方向性珪素鋼板、方向性珪素鋼板、及びFe―Al合金,Fe−Co合金等の鉄合金等を使用することができる。
ここでは、図3に示す如く、帯状本体31の上部に、第1凹凸部32として正弦波形状部が形成され、上部に軸倍角「5X」のロータを形成するように、5個のロータ磁極が凸状に形成される。また、帯状本体31の下部にも、第2凹凸部33として正弦波形状部が形成され、下部に軸倍角「6X」のロータを形成するように、6個のロータ磁極が凸状に形成される。軸倍角は回転角度センサの入力機械角に対する出力電気角の比であり、n×機械角θ1=電気角θ2の場合、軸倍角は「nX」で表す。nは自然数である。
なお、第1凹凸部32と第2凹凸部33の形状は、物理的に正確な正弦波(余弦波)形状のほか、略正弦波形状、矩形パルス形状、鋸歯パルス形状或いは円弧状波形とすることもできる。
また、図3に示すように、各々の凹凸を、一定のピッチP1とピッチP2で形成し、第1凹凸部32と第2凹凸部33は、各々の軸倍角に対応したピッチP1,P2で形成することができる。また、第1凹凸部32と第2凹凸部33のピッチP1,P2は、略一定のピッチであればよく、物理的厳密に一定でなくてもかまわない。また、図2Bのように、磁性鋼板を2枚或いは3枚以上、複数枚積層して帯状本体31とすることもできる。
このような帯状本体31からなるロータ2は、回転軸9に対し、図5に示すように、合成樹脂製円環部34を介して取り付けられる。円筒状のロータ2は、成形された合成樹脂製円環部34の外周面に、密着して取り付けることができ、或いは合成樹脂製円環部34を射出成形する際、ロータ2を成形型内に挿入して、インサート成形することもできる。このため、ロータ2の取付作業は、簡単に行うことができ、且つ正確に位置決めしてロータ2を回転軸9に取り付けることができる。また、外形形状が円筒状のロータ2となるため、ラジアル方向に凸形状とした従来のロータに比して、必然的にロータ2の外形を小型化することができる。
図1、図4に示すように、ステータ1は、円環状の第1ステータ3と第2ステータ4を、回転軸9の軸方向に沿って僅かな間隔で平行に配置し、図示しない固定部に固定して構成される。第1ステータ3の第1ステータ磁極11と第2ステータ4の第2ステータ磁極16は、各々、例えば14極で構成され、14極からなる第1ステータ磁極11と第2ステータ磁極16は、各々、各磁極を等間隔で内側を向いて配設される。
図4に示すように、第1ステータ磁極11は、円環状のステータヨークの内側に、各磁極のステータコア12を突設し、各磁極の凸状のステータコア12に対し、各々、ステータ巻線13を巻装して構成される。同様に、第2ステータ磁極16は、円環状のステータヨークの内側に、各磁極のステータコア17を突設し、各磁極の凸状のステータコア17に対し、各々、ステータ巻線18を巻装して構成される。
各磁極のステータ巻線13、18は、各々、相互に位相をずらしたSIN巻線及びCOS巻線からなる検出用の出力巻線と、励磁用の励磁巻線とからなり、第1ステータ磁極11の各磁極のステータ巻線13の各端子は、図1に示す如く、ターミナル部から図1の上側に引き出され、第2ステータ磁極16の各磁極のステータ巻線18の各端子は、ターミナル部から下側に引き出される。各ステータ巻線13,18の励磁巻線は、例えば10kHz程度の交番電流を供給する励磁用電源回路に接続される。ステータ巻線13,18の出力巻線のSIN巻線及びCOS巻線は、ロータ2の回転に伴いSIN出力信号、COS出力信号を出力し、それらの出力端子は、図6に示すように、各々、R/Dコンバータ21,22の入力側に接続される。
なお、励磁電流・電圧は、通常の回転角度センサで使用される、例えば0.2Arms、7Vrms程度の電流・電圧でかまわない。また、ロータ2の帯状本体31の板厚は、例えば0.5mm程度と薄くし形成してもよく、この場合でも、角度検出に必要な磁路・磁束密度を、ロータ2に形成することができ、励磁による渦電流損などは角度検出動作に影響せず、通常の回転角度センサで使用される励磁用電源を使用することができる。
図1、図4に示すように、上記第1ステータ3の第1ステータ磁極11のステータコア12は、その内側端部がロータ2の第1凹凸部32に対向する位置に配置され、第2ステータ4の第2ステータ磁極16のステータコア17は、その内側端部がロータ2の第2凹凸部33に対向する位置に配置される。
これにより、ロータ2の回転時、その第1凹凸部32と第2凹凸部33が円周方向に移動することに伴い、第1ステータ3の第1ステータ磁極11のステータコア12と第1凹凸部32間のギャップを介した重合面積が、従来のギャップパーミアンスの変化と同様に変化する。また、同様に、第2ステータ4の第2ステータ磁極16のステータコア17と第2凹凸部33間のギャップを介した重合面積が、従来のギャップパーミアンスの変化と同様に変化する。
このような構成により、単一のロータ2のみで、ロータを共通としつつ、軸倍角「5X」と軸倍角「6X」の相互に異なる軸倍角の検出信号を出力可能な回転角度センサを構成することが可能となる。これにより、ロータ2は、帯状本体31を筒状に単純に曲げ形成されて、小型形状となるため、ロータ2の占める占有空間が非常に小さくなり、回転角度センサ全体を小型化することができる。
また、図3に示すように、ロータ2の上側の第1凹凸部32のピッチP1と下側の第2凹凸部33の凹凸のピッチP2が異なる軸倍角で形成されるので、簡単なステータ1の構成に関わらず、第1ステータ磁極11と第2ステータ磁極16から得られる2種の軸倍角の出力(検出)信号から、回転軸9の絶対角度位置を検出することができるようになっている。
信号処理回路20は、図6に示すように、予めメモリ25に記憶されたプログラムデータに基づき、角度信号の演算処理動作を実行するCPU23を主要部として構成され、信号処理回路20の入力側に、2個のR/Dコンバータ21,22が接続される。各R/Dコンバータ21,22は、ステータ巻線13,18の出力巻線から送られる、例えば正弦波状の検出信号を、同じ周期の三角波信号に変換し、その三角波信号をサンプリングしてデジタル信号に変換し、出力する。
図7に示す如く、ロータ2の第1凹凸部32に対向する第1ステータ3から出力される検出信号は、例えば軸倍角「5X」の角度信号θ2となり、第2凹凸部33に対向する第2ステータ4から出力される検出信号は、例えば軸倍角「6X」の角度信号θ1となり、これらの2種の検出信号(角度信号)から、ロータ2つまり回転軸9の絶対角度θaが算出される。
つまり、信号処理回路20のCPU23は、図8に示す如く、第2ステータ4から出力される軸倍角「6X」の角度信号θ1と、第1ステータ3から出力される軸倍角「5X」の角度信号θ2の関係から、ロータ2つまり回転軸9の絶対角度θaを算出する。信号処理回路20のCPU23は、図6に示すように、算出された絶対角度のデータ等をメモリ25に格納し、入出力回路24を通して外部に出力する。
次に、上記構成の回転角度センサの動作を、図7、図8を参照して説明する。回転軸9の回転時、第1ステータ3の第1ステータ磁極11と第2ステータ4の第2ステータ磁極16に、交番励磁電流が供給され、各第1ステータ磁極11、第2ステータ磁極16には交番磁界が発生する。
このとき、回転軸9とともに回転するロータ2の、上縁部に形成される軸倍角「5X」の第1凹凸部32の部分が、第1ステータ3の各第1ステータ磁極11を通過し、下縁部に形成される軸倍角「6X」の第2凹凸部33の部分が、第2ステータ磁極16を通過する。このとき、第1ステータ3の各第1ステータ磁極11によって発生する磁束が、そこに対向するロータ2の上部の第1凹凸部32の影響を受け、第2ステータ4の各第2ステータ磁極16によって発生する磁束が、そこに対向するロータ2の下部の第2凹凸部33の影響を受ける。
このため、第1ステータ3の第1ステータ磁極11の出力巻線から、軸倍角「5X」の検出角度θ2を示す角度信号が出力され、第2ステータ磁極16の出力巻線から、軸倍角「6X」の検出角度θ1を示す角度信号が出力される。これらの検出角度θ1、θ2を示す角度信号は、R/Dコンバータ21,22に送られ、R/Dコンバータ21,22は、それらの角度信号を三角波信号に変換し、さらにサンプリングを行ってデジタル信号に変換し、信号処理回路20に出力する。
図8に示すように、CPU23は、先ず、ステップ100で、R/Dコンバータ21,22から送られる、第1ステータ磁極11の軸倍角「5X」の検出角度θ2を示す角度データ信号を取り込み、ステップ110で、第2ステータ磁極16の軸倍角「6X」の検出角度θ1を示す角度データ信号を取り込む。
次に、CPU23は、ステップ120で、取り込んだ軸倍角「6X」の検出角度θ1が、軸倍角「5X」の検出角度θ2以上であるか否かを判定し、軸倍角「6X」の検出角度θ1が、軸倍角「5X」の検出角度θ2以上である場合、ステップ130に進み、軸倍角「6X」の検出角度θ1から軸倍角「5X」の検出角度θ2を減算し、ロータ2の絶対角度θaを算出する。
一方、CPU23は、ステップ120で、軸倍角「6X」の検出角度θ1が、軸倍角「5X」の検出角度θ2より小さいと判定した場合、ステップ140に進み、軸倍角「6X」の検出角度θ1から軸倍角「5X」の検出角度θ2を減算した値に、360度を加算して、ロータ2の絶対角度θaを算出する。
このように、第1ステータ3の第1ステータ磁極11と第2ステータ4の第2ステータ磁極16の各出力巻線から軸倍角の相違した2種類の出力信号を出力させ、それらの信号をR/D変換して、比較的簡単にロータ2の絶対角度を得ることができる。
図13は、上記構成の回転角度センサを試作し性能試験を行った際の、ロータ2の回転角(機械角)に対する検出角度の誤差を示している。この図13に示すように、検出角度誤差は、各機械角に対し第1凹凸部32と第2凹凸部33に応じて周期的に変化するものの、誤差範囲は実際の使用に際し問題のない範囲である。
なお、上記実施形態では、ロータ2の一方の縁部に、軸倍角「5X」に対応した第1凹凸部32を形成し、他方の縁部に、ピッチの異なる軸倍角「6X」に対応した第2凹凸部33を形成し、軸倍角「5X」の検出角度θ2と軸倍角「6X」の検出角度θ1からロータ2の絶対角度θaを検出するように構成したが、ロータの両方の縁部に、同じ軸倍角の凹凸部つまり同じピッチの凹凸部を形成することもできる。
ロータの両方の縁部に、同じ軸倍角の凹凸部つまり同じピッチの凹凸部を形成した場合、第1ステータの第1ステータ磁極と第2ステータの第2ステータ磁極から同じ角度検出信号が出力される。したがって、ロータの両方の縁部に、同じ軸倍角の凹凸部つまり同じピッチの凹凸部を形成し、一方のステータが故障したような場合、他方のステータのステータ磁極から出力される角度検出信号を使用することにより、回転角度センサに冗長機能を持たせて使用することができる。
図9〜図11は、第2実施形態の回転角度センサを示している。この回転角度センサは、図9に示すように、上記実施形態と同様のロータ2及び第2ステータ4を有し、ロータ2の外側に、ギャップを介して第2ステータ4が配置される。一方、第1ステータ40はロータ2の内側に配置される。上記実施形態と同じ部分について、上記と同じ符号を図9〜図11に付してその説明は省略する。
この実施形態の回転角度センサは、第1ステータ40の外側にロータ2が配設されるアウタロータ型であり、且つ第2ステータ4の内側にロータ2が配設されるインナロータ型でもある。図10に示すように、固定部材であるケーシング38の内側に、軸受37を介して回転軸9が回転自在に支持され、ロータ2の帯状本体31の上縁部に第1凹凸部32が設けられ、その下縁部に第2凹凸部33が設けられる。円筒状のロータ2は、回転軸9の大径部の角部近傍に、合成樹脂製円環部35を介して取り付けられ、回転する。
図10に示す如く、ステータの第2ステータ4は、ロータ2の外側でギャップを介して、ケーシング38の内側に固定され、第2ステータ4の第2ステータ磁極16は、ロータ2の下縁部に設けた第2凹凸部33に対向して、配置される。一方、第1ステータ40は、ロータ2の内側に配設され、ケーシング38から内側に延設された固定部材に、固定される。第1ステータ40の第1ステータ磁極41は、ロータ2の上縁部の第1凹凸部32の内側にギャップを介して対向し、配置される。また、ロータ2の上縁部の外側に、合成樹脂製円環部36が取り付けられ、ロータ2は回転軸9上で安定して保持される。
第1ステータ40の第1ステータ磁極41は、例えば12極で構成され、12極からなる第1ステータ磁極41は、各々、各磁極を等間隔で外側のロータ2側を向いて配設される。第1ステータ磁極41は、円環状のステータヨークの外側に、各磁極のステータコアを突設し、各磁極の凸状のステータコアに対し、各々、ステータ巻線を巻装して構成される。
回転角度センサの動作は、上記実施形態と同様であり、回転軸9の回転時、第1ステータ40の第1ステータ磁極41と第2ステータ42の第2ステータ磁極16に、交番励磁電流が供給され、各第1ステータ磁極41、第2ステータ磁極16には交番磁界が発生する。
このとき、回転軸9とともに回転するロータ2の、上縁部に形成される軸倍角「5X」の第1凹凸部32の部分が、第1ステータ40の各第1ステータ磁極41を通過し、下縁部に形成される軸倍角「6X」の第2凹凸部33の部分が、第2ステータ磁極16を通過する。このとき、第1ステータ40の各第1ステータ磁極41によって発生する磁束が、そこに対向するロータ2の上部の第1凹凸部32の影響を受け、第2ステータ4の各第2ステータ磁極16によって発生する磁束が、そこに対向するロータ2の下部の第2凹凸部33の影響を受ける。
このため、第1ステータ40の第1ステータ磁極41の出力巻線から、軸倍角「5X」の検出角度θ2を示す角度信号が出力され、第2ステータ磁極16の出力巻線から、軸倍角「6X」の検出角度θ1を示す角度信号が出力される。
図12は、第3実施形態のアウタロータ型の回転角度センサを示している。この回転角度センサは、ステータの外側にロータ2を有し、ロータ2の内側に、第1ステータ40が配置され、第1ステータ40の下側に、第2ステータ42が配置される。図示は省略されているが、第1ステータ40及び第2ステータ42は固定部材に固定され、ロータ2は、第1ステータ40及び第2ステータ42の外側を覆うようにカップ状の回転部材を回転可能に配置し、その回転部材の内側にロータ2を保持させて構成される。
ロータ2は、図10で示した例と同様に、回転軸の一部に大径部を設け、大径部の上縁部に合成樹脂製のカップ状部を固着し、カップ状部に帯状本体31を固定して構成される。円筒状のロータ2の帯状本体31の上縁部に、第1凹凸部32が設けられ、その下縁部に第2凹凸部33が設けられる。ロータ2の回転軸はケーシングの内側に軸受を介して回転可能に支持され、ケーシングの内側に設けた固定部材に、第1ステータ40及び第2ステータ42が固定される。図12に示すように、第1ステータ40の第1ステータ磁極41が帯状本体31の第1凹凸部32と対向し、第2ステータ42の第2ステータ磁極43が第2凹凸部33と対向して配置される。
つまり、第1ステータ磁極41は、ロータ2の上縁部の第1凹凸部32の内側にギャップを介して対向し、配置され、第2ステータ42は、第1ステータ40の下側でロータ2の内側にギャップを介して配置され、第2ステータ42の第2ステータ磁極43は、ロータ2の下縁部に設けた第2凹凸部33に対向して、配置される。
第1ステータ40の第1ステータ磁極41は、例えば12極で構成され、12極からなる第1ステータ磁極41は、各々、各磁極を等間隔で外側のロータ2側を向いて配設される。第1ステータ磁極41は、円環状のステータヨークの外側に、各磁極のステータコアを突設し、各磁極の凸状のステータコアに対し、各々、ステータ巻線を巻装して構成される。
同様に、第2ステータ42の第2ステータ磁極43も、例えば12極で構成され、12極からなる第2ステータ磁極43は、各々、各磁極を等間隔で外側のロータ2側を向いて配設される。第2ステータ磁極43は、円環状のステータヨークの外側に、各磁極のステータコアを突設し、各磁極の凸状のステータコアに対し、各々、ステータ巻線を巻装して構成される。
回転角度センサの動作は、上記実施形態と同様であり、ロータ2の回転時、第1ステータ40の第1ステータ磁極41と第2ステータ42の第2ステータ磁極43に、交番励磁電流が供給され、各第1ステータ磁極41、第2ステータ磁極43には交番磁界が発生する。
このとき、回転するロータ2の、上縁部に形成される軸倍角「5X」の第1凹凸部32の部分が、第1ステータ40の各第1ステータ磁極41を通過し、下縁部に形成される軸倍角「6X」の第2凹凸部33の部分が、第2ステータ磁極43を通過する。このとき、第1ステータ40の各第1ステータ磁極41によって発生する磁束が、そこに対向するロータ2の上部の第1凹凸部32の影響を受け、第2ステータ42の各第2ステータ磁極43によって発生する磁束が、そこに対向するロータ2の下部の第2凹凸部33の影響を受ける。
このため、第1ステータ40の第1ステータ磁極41の出力巻線から、軸倍角「5X」の検出角度θ2を示す角度信号が出力され、第2ステータ磁極43の出力巻線から、軸倍角「6X」の検出角度θ1を示す角度信号が出力される。
図14〜図17は第4実施形態の回転角度センサを示している。この回転角度センサは、図14に示す如く、円環状に配置された複数の第1ステータ磁極61に、励磁巻線と出力巻線を巻装した第1ステータ53と、円環状に配置された複数の第2ステータ磁極66に、励磁巻線と出力巻線を巻装した第2ステータ54と、円環状に配置された複数の第3ステータ磁極71に、励磁巻線と出力巻線を巻装した第3ステータ55と、円環状に配置された複数の第4ステータ磁極76に、励磁巻線と出力巻線を巻装した第4ステータ56と、第1ステータ53及び第2ステータ54の内側で、第3ステータ55及び第4ステータ56の外側に、ギャップを介して回転可能に配置されたロータ52と、を備えて構成される。
図14Aに示す如く、ロータ52の外周側に第1ステータ53と第2ステータ54が配置され、ロータ52の内周側に同様の第3ステータ55と第4ステータ56が配置される。ロータ本体57の外周面と内周面には、第1環状凹部101と第2環状凹部111が設けられる。第1環状凹部101の一方の縁部に第1凹凸部102が設けられ、他方の縁部に第2凹凸部103が設けられる。
さらに、第2環状凹部111の一方の縁部に第1凹凸部112が設けられ、他方の縁部に第2凹凸部113が設けられる。第1環状凹部101の第1凹凸部102は、第2環状凹部111の第1凹凸部112と同じピッチ、第1環状凹部101の第2凹凸部103は、第2環状凹部111の第2凹凸部113と同じピッチで形成される。
このような構成の回転角度センサでは、第1ステータ53の第1ステータ磁極61と第3ステータ55の第3ステータ磁極71から同じ角度検出信号を出力することができ、第2ステータ54の第2ステータ磁極66と第4ステータ56の第4ステータ磁極76から同じ角度検出信号を出力することができる。
このため、実際の回転角度センサの使用に際し、第1ステータ53と第2ステータ54或いは第3ステータ55と第4ステータ56の何れか一方のみを使用する。これにより、一方のステータが故障したような場合、他方のステータのステータ磁極から出力される角度検出信号を使用することにより、回転角度センサに冗長機能を持たせることができる。
ロータ52は、図14Bに示すように、磁性鋼材を円筒型に成形して形成されたロータ本体57の外周面に、周方向に連続して均一な深さの第1環状凹部101が形成される。またその内周面に、周方向に連続して均一な深さの第2環状凹部111が形成される。第1環状凹部101及び第2環状凹部111の深さは、例えば約0.5mm程度である。
図14Bに示すように、ロータ本体57の外周面に設けた第1環状凹部101の一方の円弧状の縁部に、第1凹凸部102が一定のピッチで設けられ、他方の円弧状の縁部に、第2凹凸部103が一定のピッチで設けられる。同様に、ロータ本体57の内周面に設けた第2環状凹部111の一方の円弧状の縁部に、第1凹凸部112が一定のピッチで設けられ、他方の円弧状の縁部に、第2凹凸部113が一定のピッチで設けられる。第1環状凹部101の第1凹凸部102のピッチと第2環状凹部111の第1凹凸部112のピッチは同一、第1環状凹部101の第2凹凸部103のピッチと第2環状凹部111の第2凹凸部113のピッチは同一である。
ロータ本体57を含むロータ52の磁性鋼材は、磁界の印加時、ロータ52の回転角度検出に必要な磁束または磁束密度が生じる高透磁率材料の無方向性電磁鋼板、方向性電磁鋼板、無方向性珪素鋼板、方向性珪素鋼板、及びFe―Al合金,Fe−Co合金等の鉄合金等が使用される。
図14Bに示す如く、第1環状凹部101の上部に、第1凹凸部102として、例えば、正弦波形状部が形成され、上部に軸倍角「5X」のロータを形成するように、5個のロータ磁極が凸状に形成される。また、第1環状凹部101の下部に、第2凹凸部103として正弦波形状部が形成され、下部に軸倍角「6X」のロータを形成するように、6個のロータ磁極が凸状に形成される。
同様に、第2環状凹部111の上部に、第1凹凸部112として、例えば、正弦波形状部が形成され、上部に軸倍角「5X」のロータを形成するように、5個のロータ磁極が凸状に形成される。また、第2環状凹部111の下部に、第2凹凸部113として正弦波形状部が形成され、下部に軸倍角「6X」のロータを形成するように、6個のロータ磁極が凸状に形成される。
第1凹凸部102、112と第2凹凸部103、113の形状は、物理的に正確な正弦波(余弦波)形状のほか、略正弦波形状、矩形パルス形状、鋸歯パルス形状或いは円弧状波形とすることもできる。
このような、第1環状凹部101、第2環状凹部111をロータ本体57に設けたロータ52は、回転軸69の一部に形成され、或いは回転軸69の外周部に固定される。第1環状凹部101及び第2環状凹部111は、切削加工、エッチング、鍛造、或いは鋳造などにより、ロータ本体57の外周面或いは内周面に形成することができる。
なお、冗長機能を設けない回転角度センサの場合、ロータ本体57に代えて、図15Aに示す如く、ロータ本体58の外周面にのみ、環状凹部81を形成したロータ本体58を使用することができる。この場合、上記と同様に、環状凹部81の一方の円弧状の縁部に、第1凹凸部82が一定のピッチで設けられ、他方の円弧状の縁部に、第2凹凸部83が一定のピッチで設けられる。また、同様に、図15Bに示す如く、ロータ本体59の内周面にのみ、環状凹部84を形成したロータ本体59を使用することができる。この場合、上記と同様に、一方の円弧状の縁部に、第1凹凸部85が一定のピッチで設けられ、他方の円弧状の縁部に、第2凹凸部86が一定のピッチで設けられる。
さらに、図15Cに示すように、ロータ本体57に代えて、ロータ本体60の外周面に、環状凸部87を形成したロータ本体60を使用することができる。この場合、環状凸部87は、例えば、厚さ約0.5mm程度の凸部として、ロータ本体60の外周方向に、一定の厚さを有して連続して形成される。この環状凸部87には、上記と同様に、一方の円弧状の縁部に、第1凹凸部88が一定のピッチで設けられ、他方の円弧状の縁部に、第2凹凸部89が一定のピッチで設けられる。また、このような環状凸部は、図15Bと同様に、ロータ本体の内周面に形成することもできる。
図14Aに示すように、ステータ51は、円環状の第1ステータ53と第2ステータ54を、ロータ52の外周側に配置し、第3ステータ55と第4ステータ56を、ロータ52の内周側に配置して構成される。第1ステータ53と第2ステータ54及び第3ステータ55と第4ステータ56は、各々、回転軸69の軸方向に沿って僅かな間隔で平行に配置し、固定部51aに固定される。
第1ステータ53の第1ステータ磁極61と第2ステータ54の第2ステータ磁極66は、各々、例えば14極で構成され、14極からなる第1ステータ磁極61と第2ステータ磁極66は、各々、各磁極を円周方向に等間隔で内側を向いて配置し、ロータ本体57の第1環状凹部101に対し僅かな隙間を介して対向し配設される。第3ステータ55の第3ステータ磁極71と第4ステータ56の第4ステータ磁極76の構成も、上記と同様である。
図14Aに示すように、第1ステータ磁極61は、円環状のステータヨークの内側に、各磁極のステータコア62を突設し、各磁極の凸状のステータコア62に対し、各々、ステータ巻線63を巻装して構成される。同様に、第2ステータ磁極66は、円環状のステータヨークの内側に、各磁極のステータコア67を突設し、各磁極の凸状のステータコア67に対し、各々、ステータ巻線68を巻装して構成される。
各磁極のステータ巻線63、68は、各々、相互に位相をずらしたSIN巻線及びCOS巻線からなる検出用の出力巻線と、励磁用の励磁巻線とからなり、第1ステータ磁極61の各磁極のステータ巻線63の各端子は、各々、ターミナル部から引き出される。各ステータ巻線63,68の励磁巻線は、例えば10kHz程度の交番電流を供給する励磁用電源回路に接続される。ステータ巻線63,68の出力巻線のSIN巻線及びCOS巻線は、ロータ52の回転に伴いSIN出力信号、COS出力信号を出力し、それらの出力端子は、各々、R/Dコンバータの入力側に接続される。
同様に、第3ステータ55の第3ステータ磁極71と第4ステータ56の第4ステータ磁極76は、各々、例えば14極で構成され、14極からなる第3ステータ磁極71と第4ステータ磁極76は、各々、各磁極を等間隔で外側を向いて配設される。ロータ本体57の内側に配置される第3ステータ55の第3ステータ磁極71と第4ステータ56の第4ステータ磁極76は、例えば、故障時の予備として使用される。
図14Aに示すように、第3ステータ磁極71は、円環状のステータヨークの内側に、各磁極のステータコア72を突設し、各磁極の凸状のステータコア72に対し、各々、ステータ巻線73を巻装して構成される。同様に、第4ステータ磁極76は、円環状のステータヨークの内側に、各磁極のステータコア77を突設し、各磁極の凸状のステータコア77に対し、各々、ステータ巻線78を巻装して構成される。
各磁極のステータ巻線73、78は、各々、相互に位相をずらしたSIN巻線及びCOS巻線からなる検出用の出力巻線と、励磁用の励磁巻線とからなり、第3ステータ磁極71の各磁極のステータ巻線73の各端子は、各々、ターミナル部から引き出される。各ステータ巻線73,78の励磁巻線は、例えば10kHz程度の交番電流を供給する励磁用電源回路に接続される。ステータ巻線73,78の出力巻線のSIN巻線及びCOS巻線は、ロータ52の回転に伴いSIN出力信号、COS出力信号を出力し、それらの出力端子は、各々、R/Dコンバータの入力側に接続される。
図14A、図14Bに示すように、第1ステータ53の第1ステータ磁極61のステータコア62は、その内側端部がロータ52の第1凹凸部102に対向する位置に配置され、第2ステータ54の第2ステータ磁極66のステータコア77は、その内側端部がロータ52の第2凹凸部103に対向する位置に配置される。
これにより、ロータ52の回転時、その第1凹凸部102と第2凹凸部103が円周方向に移動することに伴い、第1ステータ53の第1ステータ磁極61のステータコア62と第1凹凸部102間のギャップを介した重合面積が、従来のギャップパーミアンスの変化と同様に変化する。また、同様に、第2ステータ54の第2ステータ磁極66のステータコア67と第2凹凸部103間のギャップを介した重合面積が、従来のギャップパーミアンスの変化と同様に変化する。
このような構成により、単一のロータ52のみで、ロータを共通としつつ、軸倍角「5X」と軸倍角「6X」の相互に異なる軸倍角の検出信号を出力可能な回転角度センサを構成することが可能となる。
第3ステータ55と第4ステータ56は、上記のように、第1ステータ53、第2ステータ54と同様に構成され、第3ステータ55の第3ステータ磁極71のステータコア72は、その外側端部がロータ52の第2環状凹部111の第1凹凸部112に対向する位置に配置される。第4ステータ56の第4ステータ磁極76のステータコア77は、その外側端部がロータ52の第2凹凸部113に対向する位置に配置され、第3ステータ55と第4ステータ56は、故障時などの予備として設置される。これにより、ロータ52は、冗長機能を回転角度センサに設けた場合でも、従来に比して、ロータ52の占める占有空間が非常に小さくなり、回転角度センサ全体を小型化することができる。
次に、上記構成の回転角度センサの動作を説明すると、回転軸69及びロータ52の回転時、第1ステータ53の第1ステータ磁極61と第2ステータ54の第2ステータ磁極66に、交番励磁電流が供給され、各第1ステータ磁極61、第2ステータ磁極66には交番磁界が発生する。
このとき、ロータ本体57の第1環状凹部101の上縁部に形成される、軸倍角「5X」の第1凹凸部102の部分が、第1ステータ53の各第1ステータ磁極61を通過し、下縁部に形成される軸倍角「6X」の第2凹凸部103の部分が、第2ステータ磁極66を通過する。このとき、第1ステータ53の各第1ステータ磁極61によって発生する磁束が、そこに対向するロータ本体57の第1環状凹部101の、上部の第1凹凸部102の影響を受け、第2ステータ54の各第2ステータ磁極66によって発生する磁束が、そこに対向する第1環状凹部101の下部の第2凹凸部103の影響を受ける。
このため、ロータ52の回転に伴い、第1ステータ53の第1ステータ磁極61の出力巻線、つまりそのSIN巻線及びCOS巻線から、軸倍角「5X」の検出角度θ2を示す角度信号が出力され、第2ステータ磁極66のSIN巻線及びCOS巻線から、軸倍角「6X」の検出角度θ1を示す出力電圧信号が出力される。このとき出力される出力電圧信号は、図16に示す如く、ロータ52の機械角に対応した、SIN出力電圧信号及びCOS出力電圧信号が、有効な検出信号として出力される。
これらの検出角度θ1、θ2を示す角度信号は、R/Dコンバータに送られ、R/Dコンバータは、上記第1実施形態と同様に、それらの角度信号を三角波信号に変換し、さらにサンプリングを行ってデジタル信号に変換し、信号処理回路に当該信号を出力する。そして、信号処理回路は、上記実施形態1と同様に、検出角度θ1、θ2に応じて、ロータ52の絶対角度を算出する。
図17は、上記第4実施形態の回転角度センサを試作し性能試験を行った際の、ロータ52の回転角(機械角)に対する検出角度の誤差を示している。この図17に示すように、検出角度誤差はロータの機械角に対応して周期的に変化するものの、誤差範囲は実際の使用に際し問題のない範囲である。
1 ステータ
2 ロータ
3 第1ステータ
4 第2ステータ
9 回転軸
11 第1ステータ磁極
12 ステータコア
13 ステータ巻線
16 第2ステータ磁極
17 ステータコア
18 ステータ巻線
20 信号処理回路
21 R/Dコンバータ
23 CPU
24 入出力回路
25 メモリ
31 帯状本体
31a 外周面
31b 内周面
32 第1凹凸部
33 第2凹凸部
34 合成樹脂製円環部
35 合成樹脂製円環部
36 合成樹脂製円環部
37 軸受
38 ケーシング
40 第1ステータ
41 第1ステータ磁極
42 第2ステータ
43 第2ステータ磁極

Claims (12)

  1. 円環状に配置された複数の第1ステータ磁極に、励磁巻線と出力巻線を巻装した第1ステータと、
    円環状に配置された複数の第2ステータ磁極に、励磁巻線と出力巻線を巻装した第2ステータと、
    該第1ステータ及び該第2ステータの内側または外側に、ギャップを介して回転可能に配置されたロータと、
    を備え、
    該ロータは、磁性鋼板の帯状本体が、該帯状本体の厚さ方向をラジアル方向として円筒状に形成され、該帯状本体の一方の円弧状の縁部に第1凹凸部が略一定のピッチで設けられるとともに、他方の円弧状の縁部に、第2凹凸部が略一定のピッチで設けられ、
    該第1ステータは、該帯状本体の該第1凹凸部の内周面または外周面に対向して、複数の第1ステータ磁極が、円周方向に一定の間隔をあけて並設され、
    該第2ステータは、該ロータの該帯状本体の第2凹凸部の内周面または外周面に対向して、複数の第2ステータ磁極が、円周方向に一定の間隔をあけて並設されたことを特徴とする回転角度センサ。
  2. 前記ロータの帯状本体は、1層の磁性鋼板を円筒状に曲げて形成され、該帯状本体の外周面が該ロータの外側を向き、該帯状本体の内周面が該ロータの内側を向くように形成されたことを特徴とする請求項1記載の回転角度センサ。
  3. 前記ロータの帯状本体は、複数枚積層された磁性鋼板を円筒状に曲げて形成されたことを特徴とする請求項1記載の回転角度センサ。
  4. 前記第1凹凸部と第2凹凸部は、略正弦波形状に形成されたことを特徴とする請求項1記載の回転角度センサ。
  5. 前記第1凹凸部と第2凹凸部のピッチは、各々、相違するとともに、異なる軸倍角に対応して形成されたことを特徴とする請求項1記載の回転角度センサ。
  6. 前記ロータは、回転軸の外周に、合成樹脂製円環部を外嵌させ、該合成樹脂製円環部の外周部に、前記帯状本体を装着して構成されたことを特徴とする請求項1記載の回転角度センサ。
  7. 前記第1ステータ及び第2ステータが前記ロータの外側にギャップを介して配置されたことを特徴とする請求項6記載の回転角度センサ。
  8. 前記第1ステータが前記ロータの内側にギャップを介して配置され、前記第2ステータが該ロータの外側にギャップを介して配置されたことを特徴とする請求項6記載の回転角度センサ。
  9. 円筒状の前記ロータは、前記第1ステータ及び第2ステータの外側に回転可能に配置され、該第1ステータ及び第2ステータが該ロータの内側にギャップを介して配置されたことを特徴とする請求項1記載の回転角度センサ。
  10. 円環状に配置された複数の第1ステータ磁極に、励磁巻線と出力巻線を巻装した第1ステータと、
    円環状に配置された複数の第2ステータ磁極に、励磁巻線と出力巻線を巻装した第2ステータと、
    該第1ステータ及び該第2ステータの内側または外側に、ギャップを介して回転可能に配置されたロータと、
    を備え、
    該ロータは、ロータ本体が磁性鋼材により円筒型に形成され、該ロータ本体の外周面または内周面に、周方向に連続して均一な深さの環状凹部が形成され、該環状凹部の一方の円弧状の縁部に第1凹凸部が略一定のピッチで設けられるとともに、他方の円弧状の縁部に、第2凹凸部が略一定のピッチで設けられ、
    該第1ステータは、該環状凹部の該第1凹凸部の内周面または外周面に対向して、複数の第1ステータ磁極が、円周方向に一定の間隔をあけて並設され、
    該第2ステータは、該環状凹部の第2凹凸部の内周面または外周面に対向して、複数の第2ステータ磁極が、円周方向に一定の間隔をあけて並設されたことを特徴とする回転角度センサ。
  11. 円環状に配置された複数の第1ステータ磁極に、励磁巻線と出力巻線を巻装した第1ステータと、
    円環状に配置された複数の第2ステータ磁極に、励磁巻線と出力巻線を巻装した第2ステータと、
    該第1ステータ及び該第2ステータの内側または外側に、ギャップを介して回転可能に配置されたロータと、
    を備え、
    該ロータは、ロータ本体が磁性鋼材により円筒型に形成され、該ロータ本体の外周面または内周面に、周方向に連続して均一な厚さの環状凸部が形成され、該環状凸部の一方の円弧状の縁部に第1凹凸部が略一定のピッチで設けられるとともに、他方の円弧状の縁部に、第2凹凸部が略一定のピッチで設けられ、
    該第1ステータは、該環状凸部の該第1凹凸部の内周面または外周面に対向して、複数の第1ステータ磁極が、円周方向に一定の間隔をあけて並設され、
    該第2ステータは、該環状凸部の第2凹凸部の内周面または外周面に対向して、複数の第2ステータ磁極が、円周方向に一定の間隔をあけて並設されたことを特徴とする回転角度センサ。
  12. 円環状に配置された複数の第1ステータ磁極に、励磁巻線と出力巻線を巻装した第1ステータと、
    円環状に配置された複数の第2ステータ磁極に、励磁巻線と出力巻線を巻装した第2ステータと、
    円環状に配置された複数の第3ステータ磁極に、励磁巻線と出力巻線を巻装した第3ステータと、
    円環状に配置された複数の第4ステータ磁極に、励磁巻線と出力巻線を巻装した第4ステータと、
    該第1ステータ及び該第2ステータの内側で、且つ該第3ステータ及び該第4ステータの外側に、ギャップを介して回転可能に配置されたロータと、
    を備え、
    該ロータは、ロータ本体が磁性鋼材により円筒型に形成され、該ロータ本体の外周面に、周方向に連続して均一な深さの第1環状凹部が形成され、該ロータ本体の内周面に、周方向に連続して均一な深さの第2環状凹部が形成され、該第1環状凹部の一方の円弧状の縁部に、第1凹凸部が略一定のピッチで設けられるとともに、他方の円弧状の縁部に、第2凹凸部が略一定のピッチで設けられ、該第2環状凹部の一方の円弧状の縁部に、第1凹凸部が略一定のピッチで設けられるとともに、他方の円弧状の縁部に、第2凹凸部が略一定のピッチで設けられ、
    該第1ステータは、該第1環状凹部の該第1凹凸部の外周面に対向して、複数の第1ステータ磁極が、円周方向に一定の間隔をあけて並設され、
    該第2ステータは、該第1環状凹部の第2凹凸部の外周面に対向して、複数の第2ステータ磁極が、円周方向に一定の間隔をあけて並設され、
    該第3ステータは、該第2環状凹部の該第1凹凸部の外周面に対向して、複数の第3ステータ磁極が、円周方向に一定の間隔をあけて並設され、
    該第4ステータは、該第2環状凹部の第2凹凸部の外周面に対向して、複数の第4ステータ磁極が、円周方向に一定の間隔をあけて並設されたことを特徴とする回転角度センサ。
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