特開 2022-99375 角度検出器

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022099375

(43)【公開日】2022-07-05

(54)【発明の名称】角度検出器

(51)【国際特許分類】

   G01D 5/20 20060101AFI20220628BHJP

【ＦＩ】

G01D5/20 A

【審査請求】未請求

【請求項の数】2

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2020213093

(22)【出願日】2020-12-23

(71)【出願人】

【識別番号】000203634

【氏名又は名称】多摩川精機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100110423

【弁理士】

【氏名又は名称】曾我 道治

(74)【代理人】

【識別番号】100111648

【弁理士】

【氏名又は名称】梶並 順

(74)【代理人】

【識別番号】100221729

【弁理士】

【氏名又は名称】中尾 圭介

(72)【発明者】

【氏名】小久江 幸二

【テーマコード（参考）】

2F077

【Ｆターム（参考）】

2F077AA43

2F077CC02

2F077FF34

2F077PP26

2F077VV02

(57)【要約】

【課題】回転トランスを用いず、ロータに磁極を発生させて高精度に測定する。
【解決手段】検出巻線１３０ａ～１３０ｎを有する輪状のステータ１１０と、外周に凹凸形状が形成され、回転軸１５０と共に回転可能な第１ロータ１６０と、外周に凹凸形状が形成され、ステータ１１０の内側で回転軸１５０と共に回転可能であり、第１ロータ１６０に対して離間して配置された第２ロータ１７０と、ステータ１１０に保持され、第１ロータ１６０と第２ロータ１７０との間であって回転軸１５０の周囲に配置された輪状の励磁巻線１４０とを備え、励磁巻線１４０を流れる励磁電流により生成される磁束は、回転軸１５０から、第１ロータ１６０、ステータ１１０、及び第２ロータ１７０の経路を通り回転軸１５０に戻る。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

所定角度間隔毎に設けられたティースに巻回された検出巻線（１３０ａ～１３０ｎ）を有する輪状のステータ（１１０）と、
外周に第１凸部（１６０ａ～１６０ｄ）が形成され、前記ステータ（１１０）の内側で回転軸（１５０）と共に回転可能な第１ロータ（１６０）と、
外周に第２凸部（１７０ａ～１７０ｄ）が形成され、前記ステータ（１１０）の内側で前記回転軸（１５０）と共に回転可能であり、前記第１ロータ（１６０）に対して回転軸方向に離間して配置された第２ロータ（１７０）と、
前記ステータ（１１０）に保持され、前記第１ロータ（１６０）と前記第２ロータ（１７０）との間であって前記回転軸（１５０）の周囲に配置された輪状の励磁巻線（１４０）と、を備え、
第１凸部（１６０ａ～１６０ｄ）と第２凸部（１７０ａ～１７０ｄ）とは、前記回転軸（１５０）を中心にして所定の角度のずれを有するように配置され、
前記励磁巻線（１４０）を流れる励磁電流により生成される磁束は、前記回転軸（１５０）から、前記第１ロータ（１６０）、前記ステータ（１１０）、及び前記第２ロータ（１７０）の経路を通り、前記回転軸（１５０）に戻るように構成されていることを特徴とする角度検出器。

【請求項2】

前記第１ロータ（１６０）には、Ｍ個の前記第１凸部（１６０ａ～１６０ｍ）が設けられ、
前記第２ロータ（１７０）には、Ｍ個の前記第２凸部（１７０ａ～１７０ｍ）が設けられ、
前記第１凸部（１６０ａ～１６０ｍ）と前記第２凸部（１７０ａ～１７０ｍ）とは、前記回転軸（１５０）を中心にして、（（３６０°／Ｍ）／２）°の角度のずれを有するように配置されていることを特徴とする請求項１に記載の角度検出器。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、角度検出器に関し、特に、回転トランスを用いることなく、ロータにＮ極とＳ極とを発生させて精度の高い測定をする角度検出器に関する。

【背景技術】

【0002】

回転軸の角度を検出するレゾルバとして、従来は以下の（１）と（２）の２種類の回転検出器が知られている。
（１）所定角度間隔毎に設けられたティースに巻回された検出巻線を有する輪状のステータ（stator：固定子）と、外周に所定の軸倍角を示す凹凸形状が形成され、ステータの内側で回転軸と共に回転自在なロータ（rotor：回転子）を有し、ステータとロータとのギャップパーミアンスの変化により誘起電圧を変化させ、回転角度を検出するＶＲ（Variable Reluctance）型のレゾルバ（特許文献１参照）。
（２）ロータに励磁巻線を有し、回転トランスを介して励磁巻線に励磁電流を流すことにより、ロータに磁束を発生させて、回転角度を検出するレゾルバ（特許文献２参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開平０８－１８９８０５号公報

【特許文献2】特開２００４－１５７１０９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

上記角度検出器（１）は、ロータに磁性体のみを配し、ステータとロータのギャップパーミアンスの変化により誘起電圧を変化させている。このため、検出巻線に鎖交する磁束は、あるオフセットをもって一定の範囲内で増減を繰り返す。このため、検出巻線に鎖交する磁束の向きは変わらず、検出される磁束の変化量が小さく、そのままの出力信号では高い精度を得ることができない問題を有していた。

【0005】

上記角度検出器（２）は、回転トランスを介してロータ側の励磁巻線に電流を流すことにより、ロータに磁束を発生させて角度検出する。このため、上記角度検出器（１）と比較すると、磁束の変化量が大きくなり、高精度な角度検出が可能になる。
しかし、ステータ側からロータの励磁巻線側に電力を供給する回転トランスを設ける必要がある。そのため、角度検出器としての部品点数が増加して構造が複雑化かつ大型化し、コストが上昇する問題があった。

【0006】

本発明は、回転トランスを用いることなく、ロータにＮ極とＳ極とを発生させて精度の高い測定をすることが可能な角度検出器を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

（１）本発明に係る角度検出器は、所定角度間隔毎に設けられたティースに巻回された検出巻線を有する輪状のステータと、外周に第１凸部が形成され、ステータの内側で回転軸と共に回転可能な第１ロータと、外周に第２凸部が形成され、ステータの内側で回転軸と共に回転可能であり、第１ロータに対して回転軸方向に離間して配置された第２ロータと、ステータに保持され、第１ロータと第２ロータとの間であって回転軸の周囲に配置された輪状の励磁巻線と、を備え、第１凸部と第２凸部とは、回転軸を中心にして所定の角度のずれを有するように配置され、励磁巻線を流れる励磁電流により生成される磁束は、回転軸から、第１ロータ、ステータ、及び第２ロータの経路を通り回転軸に戻るように構成されている。

【0008】

（２）本発明に係る角度検出器において、第１ロータには、Ｍ個の第１凸部が設けられ、第２ロータには、Ｍ個の第２凸部が設けられ、第１凸部と第２凸部とは、回転軸を中心にして、（（３６０°／Ｍ）／２）°の角度のずれを有するように配置されている。

【発明の効果】

【0009】

本発明の角度検出器によれば、第１ロータ及び第２ロータは、ステータの内側で回転軸と共に回転可能に、回転軸を中心にしてそれぞれの第１凸部と第２凸部とに所定の角度のずれを有するように配置され、輪状の励磁巻線は、第１ロータと第２ロータとの間で、ステータに保持されて回転軸の周囲に配置されている。これにより、励磁巻線を流れる励磁電流により生成される磁束は、回転軸から、第１ロータ、ステータ、及び第２ロータの経路を通り回転軸に戻る。このため、ステータ側に保持された励磁巻線に電流を流すことにより、回転トランスを用いることなく、第１ロータ及び第２ロータにＮ極とＳ極とを発生させることができる。Ｎ極及びＳ極を発生させた第１ロータ及び第２ロータが回転すると、ステータに設けられた検出巻線に鎖交する磁束の向きが反転する。これにより、検出巻線において出される磁束の変化量が大きくなり、精度の高い測定をすることが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】実施の形態１に係る角度検出器の構成を示す構成図である。

【図2】図１に示す角度検出器における第１ロータ、励磁巻線及び第２ロータの配置を示す分解斜視図である。

【図3】図１に示す角度検出器におけるステータの内側の構成を示す斜視図である。

【図4】実施の形態１に係る角度検出器に形成される磁極を示す説明図である。

【図5】従来の角度検出器の検出信号の特性を示す特性図である。

【図6】実施の形態１に係る角度検出器の検出信号の特性を示す特性図である。

【図7】従来の角度検出器の検出誤差の特性を示す特性図である。

【図8】実施の形態１に係る角度検出器の検出誤差の特性を示す特性図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下、本発明の角度検出器の実施の形態につき、図面を用いて説明する。なお、各図において、同一部分には同一符号を付している。

【0012】

実施の形態１．
はじめに、実施の形態１における角度検出器１００について、図１～図３を参照して説明する。

【0013】

図１は、実施の形態１に係る角度検出器１００の構成を示す構成図である。図２は、図１に示す角度検出器１００における第１ロータ１６０、励磁巻線１４０及び第２ロータ１７０の配置を示す分解斜視図である。図３は、図１に示す角度検出器１００におけるステータ１１０の内側の構成を示す斜視図である。

【0014】

［角度検出器１００の構成］
角度検出器１００は、従来から存在するレゾルバを改良したものであり、主に、ステータ１１０、検出巻線１３０、励磁巻線１４０、回転軸１５０、第１ロータ１６０、及び第２ロータ１７０を備えている。

【0015】

ステータ１１０は、輪状に形成されており、その内周には所定角度間隔毎にティース１１０ａ～１１０ｎが設けられている。ティース１１０ａ～１１０ｎには、それぞれ検出巻線１３０ａ～１３０ｎが巻回されている。すなわち、ステータ１１０には、所定角度間隔毎に検出巻線１３０ａ～１３０ｎが設けられている。なお、検出巻線１３０ａ～１３０ｎのそれぞれには、ｓｉｎ信号を検出するｓｉｎ巻線と、ｃｏｓ信号を検出するｃｏｓ巻線とが設けられている。

【0016】

輪状の励磁巻線１４０は、図３に示されるように、励磁巻線ホルダ１４５を介してステータ１１０のティース１１０ａ～１１０ｎによって、第１ロータ１６０と第２ロータ１７０との間の空間に収まるように保持されている。ここで、励磁巻線１４０は、回転軸１５０、第１ロータ１６０、及び第２ロータ１７０に接触しないように、励磁巻線ホルダ１４５を介して保持されている。
なお、励磁巻線１４０は、第１ロータ１６０と第２ロータ１７０との間において、任意の形状の励磁巻線ホルダ１４５を介して、ステータ１１０のいずれかの位置に保持されていればよい。

【0017】

第１ロータ１６０は、磁性体により構成されており、ステータ１１０の内側において回転軸１５０と共に回転可能であって、励磁巻線１４０に接触しないように配置されている。第１ロータ１６０には、外周に第１凸部１６０ａ～１６０ｄを有する凹凸形状が形成されている。

【0018】

第２ロータ１７０は、磁性体により構成されており、ステータ１１０の内側において回転軸１５０と共に回転可能であって、第１ロータ１６０に対して回転軸方向に離間すると共に、励磁巻線１４０に接触しないように配置されている。第２ロータ１７０には、第１ロータ１６０と同様に、外周に第２凸部１７０ａ～１７０ｄを有する凹凸形状が形成されている。

【0019】

ここで、第１ロータ１６０及び第２ロータ１７０は、図２に示すように、それぞれ４個の第１凸部１６０ａ～１６０ｄと第２凸部１７０ａ～１７０ｄにおいて、４５°の角度のずれを有するように配置されている。
なお、第１ロータ１６０にＭ個の第１凸部１６０ａ～１６０ｍが設けられ、第２ロータ１７０にＭ個の第２凸部１７０ａ～１７０ｍが設けられている場合、第１凸部１６０ａ～１６０ｍ及び第２凸部１７０ａ～１７０ｍは、（（３６０°／Ｍ）／２）°の角度のずれを有するように配置される。
すなわち、第１凸部１６０ａ～１６０ｍ及び第２凸部１７０ａ～１７０ｍを回転軸１５０の軸方向に沿って平面で見た場合、凹凸が円周方向に沿って互い違いに配列されている。

【0020】

［励磁巻線による生じる磁束］
次に、実施の形態１の角度検出器１００において励磁巻線１４０により生じる磁束について、以下に説明する。

【0021】

励磁巻線１４０が作る磁束は、回転軸１５０を通り、第１ロータ１６０または第２ロータ１７０のいずれか一方へ流れ、ステータ１１０との間のギャップが最も狭く磁気抵抗が最小のところを通り、ステータ１１０側へ流れる。
ステータ１１０へ流れた磁束は、同様に、ステータ１１０と、第１ロータ１６０または第２ロータ１７０のいずれか他方との間のギャップが最も狭いところを通り、回転軸１５０へ戻ってくる、という磁路を形成する。これにより、回転トランスを介さずに、第１ロータ１６０と第２ロータ１７０とにＮ極とＳ極とを生成することが可能になる。

【0022】

ここで、実施の形態１の角度検出器１００において励磁巻線１４０により生じる磁束について、図４を参照して以下に説明する。図４は、実施の形態１に係る角度検出器１００に形成される磁極の一例を示す説明図である。

【0023】

ここで、図示されない励磁電源からの電源供給により、輪状の励磁巻線１４０に反時計方向の励磁電流が流れた場合を想定する。

【0024】

この励磁巻線１４０が作る磁束は、回転軸１５０において、図４の紙面垂直方向奥側をＳ極として、紙面垂直方向手前側をＮ極とするように発生する。そして、この磁束により、図４の紙面垂直方向奥側に存在する第２ロータ１７０の第２凸部１７０ａ～１７０ｄにＳ極が形成され、図４の紙面垂直方向手前側に存在する第１ロータ１６０の第１凸部１６０ａ～１６０ｄにＮ極が形成される。

【0025】

従って、この磁束は、回転軸１５０を通り、第１ロータ１６０の第１凸部１６０ａ～１６０ｄとティース１１０ａ～１１０ｎとの間のギャップが狭い箇所を通り、ステータ１１０側へ流れる。ステータ１１０へ流れた磁束は、同様に、ティース１１０ａ～１１０ｎと第２凸部１７０ａ～１７０ｄとの間のギャップが狭い箇所を通り、ステータ１１０からＳ極である第２凸部１７０ａ～１７０ｄへ流れ、回転軸１５０へ戻ってくる。なお、励磁巻線１４０に流れる電流を時計方向とすることで、上記のＮ極とＳ極とは反転する。

【0026】

そして、回転軸１５０の回転に伴って、第１ロータ１６０と第２ロータ１７０とが回転するため、ティース１１０ａ～１１０ｎに巻回された検出巻線１３０ａ～１３０ｎを通る磁束の密度が正弦波状に変化すると共に、磁束の向きが変化する。これにより、検出巻線１３０ａ～１３０ｎにおいて出される磁束の変化量が従来よりも大きくなり、精度の高い測定をすることが可能になる。なお、ティース１１０ａ～１１０ｎに巻回された検出巻線１３０ａ～１３０ｎに鎖交する磁束密度の変化が正弦波に近くなるように、第１凸部１６０ａ～１６０ｄ及び第２凸部１７０ａ～１７０ｄの形状を選ぶことができる。

【0027】

［検出特性］
次に、従来の角度検出器において得られる検出信号の特性と、実施の形態１の角度検出器１００において得られる検出信号の特性とを、図５及び図６を用いて説明する。図５は、従来の角度検出器の検出信号の特性を示す特性図である。図６は、実施の形態１に係る角度検出器１００の検出信号の特性を示す特性図である。

【0028】

図５は、ロータに磁性体のみを配し、ステータとロータのギャップパーミアンスの変化により誘起電圧を変化させる従来の角度検出器における検出信号の特性を示している。
この従来の角度検出器は、ステータとロータのギャップパーミアンスの変化により誘起電圧を変化させており、検出巻線に鎖交する磁束は、同じ向きのまま、所定のオフセットを中心に一定の増減を繰り返している。これにより、検出信号も、同じ極性のまま、所定のオフセットを中心に一定の増減を繰り返しており、変化量が比較的小さい。

【0029】

図６は、実施の形態１に係る角度検出器１００の検出信号の特性を示している。実施の形態１の角度検出器１００は、ステータ１１０側に保持された励磁巻線１４０を回転軸１５０の周囲に配置することで、第１ロータ１６０と第２ロータ１７０とにＮ極とＳ極とを生じさせている。回転軸１５０の回転に伴って第１ロータ１６０と第２ロータ１７０のＮ極とＳ極とが回転するため、検出巻線に鎖交する磁束の極性が正負に変化する。これにより、検出信号は、極性が正負に変化すると共に、振幅も従来よりも大きな電圧が得られる。

【0030】

次に、従来の角度検出器の検出誤差特性と、実施の形態１の角度検出器１００の検出誤差特性とを、図７及び図８を用いて説明する。図７は、従来の角度検出器の検出誤差の特性を示す特性図である。図８は、実施の形態１に係る角度検出器の検出誤差の特性を示す特性図である。

【0031】

図７は、図５に示した従来の角度検出器の検出信号に含まれる誤差の特性を示している。従来の角度検出器の検出信号は、同じ極性のままで所定のオフセットを中心に一定の増減を繰り返しており、変化量が比較的小さいため、誤差を小さく抑えることが難しくなっていることがわかる。

【0032】

図８は、図６に示した実施の形態１の角度検出器１００の検出信号に含まれる誤差の特性を示している。実施の形態１の角度検出器１００の検出信号は極性が正負に変化すると共に、従来よりも大きな電圧であるため、従来よりも誤差を小さく抑えることが可能になる。すなわち、精度の高い測定をすることが可能になる。

【0033】

［その他の実施の形態］
実施の形態１において、第１ロータ１６０と第２ロータ１７０において４極の凸部を備え、ステータ１１０において１４スロットのティース１１０ａ～１１０ｎを備える、４極１４スロットの角度検出器１００の具体例を示したが、凸部の極数とスロット数とを任意の数に設定することが可能である。

【0034】

［実施の形態により得られる効果］
以上説明したように、本発明の実施の形態１の角度検出器１００によると、以下のような効果を得ることができる。

【0035】

実施の形態１の角度検出器１００は、検出巻線１３０ａ～１３０ｎを有する輪状のステータ１１０と、外周に第１凸部１６０ａ～１６０ｄが形成され、ステータ１１０の内側で回転軸１５０と共に回転可能な第１ロータ１６０と、外周に第２凸部１７０ａ～１７０ｄが形成され、ステータ１１０の内側で回転軸１５０と共に回転可能であり、第１ロータ１６０に対して回転軸方向に離間して配置された第２ロータ１７０と、ステータ１１０に保持され、第１ロータ１６０と第２ロータ１７０との間であって回転軸１５０の周囲に配置された輪状の励磁巻線１４０と、を備えている。
ここで、第１凸部１６０ａ～１６０ｄと第２凸部１７０ａ～１７０ｄとは、回転軸１５０を中心にして所定の角度のずれを有するように配置され、励磁巻線１４０を流れる励磁電流により生成される磁束は、回転軸１５０から、第１ロータ１６０、ステータ１１０、及び第２ロータ１７０の経路を通り、回転軸１５０に戻るように構成されている。このような構成により、回転トランスを用いることなく、ロータにＮ極とＳ極とを発生させて、精度の高い測定をすることが可能になる。

【0036】

実施の形態１の角度検出器１００において、第１ロータ１６０にはＭ個の第１凸部１６０ａ～１６０ｍが設けられ、第２ロータ１７０にはＭ個の第２凸部１７０ａ～１７０ｍが設けられ、第１凸部１６０ａ～１６０ｍと第２凸部１７０ａ～１７０ｍとは、回転軸１５０を中心にして、（（３６０°／Ｍ）／２）°の角度のずれを有するように配置されているため、ロータにＮ極とＳ極とを規則的に発生させて、精度の高い測定をすることが可能になる。

【産業上の利用可能性】

【0037】

本発明の角度検出器１００は、回転トランスを用いることなく精度の高い測定をするものであり、小型、軽量、高信頼性を要求される用途に適している。

【符号の説明】

【0038】

１００ 角度検出器、１１０ ステータ、１１０ａ～１１０ｎ ティース、１３０ａ～１３０ｎ 検出巻線、１４０ 励磁巻線、１４５ 励磁巻線ホルダ、１５０ 回転軸、１６０ 第１ロータ、１６０ａ～１６０ｄ 第１凸部、１７０ 第２ロータ、１７０ａ～１７０ｄ 第２凸部。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】