特許 7615214 回転角度計測装置および回転角度計測方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2025-01-07

(45)【発行日】2025-01-16

(54)【発明の名称】回転角度計測装置および回転角度計測方法

(51)【国際特許分類】

   G01D 5/20 20060101AFI20250108BHJP

   G01B 7/30 20060101ALI20250108BHJP

【ＦＩ】

G01D5/20 110H

G01B7/30 M

【請求項の数】 7

(21)【出願番号】P 2023079057

(22)【出願日】2023-05-12

(65)【公開番号】P2024163452

(43)【公開日】2024-11-22

【審査請求日】2024-01-11

(73)【特許権者】

【識別番号】324003048

【氏名又は名称】三菱電機モビリティ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002941

【氏名又は名称】弁理士法人ぱるも特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】吉桑 義雄

(72)【発明者】

【氏名】田中 靖久

【審査官】細見 斉子

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１３－１０６３８２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００２－１８８９３８（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０２０／２４０６１６（ＷＯ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０１８／１１６６４０（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｄ ５／１２－５／２５２

Ｇ０１Ｂ ７／３０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

軸心からの距離が周期的に変化する外周形状を有する筒状の回転子、
前記回転子の外周に対向するように配置されたヨークと、前記ヨークに各別に巻かれるとともに互いに直列接続された巻線と、で構成されるとともに、セグメント形状を有し、前記回転子の外周に円弧状に対向するように配置された固定子、
直列接続された前記巻線の両端に交流電圧を印加する電源、
直列接続された前記巻線の両端に交流電圧が印加された場合に前記巻線の複数の端子間の電圧を検出する検出器、
を備え、
前記検出器で検出した前記巻線の複数の端子間の電圧により、回転子の回転角度を計測することを特徴とする回転角度計測装置。

【請求項2】

前記固定子のヨークは、周期的に変化する前記外周形状の一周期分の範囲において、前記回転子の外周に対向するように配置されている、
ことを特徴とする請求項１に記載の回転角度計測装置。

【請求項3】

前記ヨークは複数個に分割された分割ヨーク片で構成され、前記分割ヨーク片ごとに巻線が巻かれている、
ことを特徴とする請求項１または２に記載の回転角度計測装置。

【請求項4】

前記ヨークは、周方向に凹部と凸部とが形成されており、前記凹部と前記凸部の両方に前記巻線が各別に巻かれている、
ことを特徴とする請求項１に記載の回転角度計測装置。

【請求項5】

前記分割ヨーク片間の間隔は、前記回転子の外周形状の一周期分の長さの１／４から１の間のサイズに設定されている、
ことを特徴とする請求項３に記載の回転角度計測装置。

【請求項6】

軸心からの距離が周期的に変化する外周形状を持つ金属でできた円筒状の回転子と、
前記回転子の外周に対向するように配置されたヨークと、前記ヨークに各別に巻かれるとともに互いに直列接続された巻線と、で構成された固定子と、
を組み合わせ、前記軸心を共通の中心位置として配置し、
複数の前記巻線を直列接続した直列接続巻線の両端部に交流電圧を印加し、前記巻線ごとの端子電圧を検出して比較することにより、前記回転子の回転角度を求める、
ことを特徴とする回転角度計測方法。

【請求項7】

複数の前記巻線とは別の巻線を有するとともに、前記回転子の軸心を基準として凹部と凸部とが形成され、かつ、前記凹部と前記凸部の両方に前記巻線が各別に巻かれるように前記ヨークを構成して、
前記凹部に巻かれた複数の前記巻線を直列接続して各巻線の端子電圧を計測するとともに、前記凸部に巻かれた前記巻線および前記別の巻線を直列接続して、この凸部で直列接続された巻線の両端部に交流電圧を印加して前記凸部に巻かれた各巻線の端子電圧を計測する、
ことにより、前記回転子の回転角度を求めることを特徴とする請求項６に記載の回転角度計測方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本願は、回転角度計測装置および回転角度計測方法に関するものである。

【背景技術】

【0002】

回転軸を中心として回転する回転子と、回転子と対向して設けられた固定子とを備え、回転子と固定子の間の磁気的な変化を検出することで回転角度を計測する回転角度計測装置が知られている。特許文献１には、少なくとも4個のティースと、各ティースに巻かれた励磁巻線と出力巻線からなるセグメント型レゾルバが開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特許第5994063号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

特許文献１の回転角度計測装置では、各ティースに励磁巻線と出力巻線の両方を巻く必要があるため、多くの巻線を巻くことが困難であり、出力が小さくなるという課題があった。また、セグメント型のため回転子の回転軸に対する固定子の位置関係の影響により出力の大きさが異なり、角度計測精度が低下するという課題があった。

【0005】

本願は、上述の課題を解決するための技術を開示するものであり、ティースに巻く巻線を多くし、また回転子の回転軸と固定子の位置関係の影響を小さくして、角度計測精度を向上させることを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本願に開示される回転角度計測装置は、
軸心からの距離が周期的に変化する外周形状を有する筒状の回転子、
前記回転子の外周に対向するように配置されたヨークと、前記ヨークに各別に巻かれるとともに互いに直列接続された巻線と、で構成されるとともに、セグメント形状を有し、前記回転子の外周に円弧状に対向するように配置された固定子、
直列接続された前記巻線の両端に交流電圧を印加する電源、
直列接続された前記巻線の両端に交流電圧が印加された場合に前記巻線の複数の端子間の電圧を検出する検出器、
を備え、
前記検出器で検出した前記巻線の複数の端子間の電圧により、回転子の回転角度を計測することを特徴とするものである。

【発明の効果】

【0007】

本願に開示される回転角度計測装置によれば、簡単な構造で回転角度を計測でき、また回転子の回転軸と固定子の位置関係の影響が小さい、小型の回転角度計測装置を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】実施の形態１に係る回転角度計測装置の全体の構成を示す図である。

【図2】図１において回転子が回転した時の各巻線端子電圧の変化を示す図である。

【図3】実施の形態２に係る回転角度計測装置の構成の一部を拡大して示した図である。

【図4】実施の形態２に係る回転角度計測装置の別の構成の一部を拡大して示した図である。

【図5】実施の形態３に係る回転角度計測装置の構成の一部を拡大して示した図である。

【図6】図５において回転子が回転した時の各巻線端子電圧の変化を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

本願の回転角度計測装置および回転角度計測方法は、例えば電気自動車あるいは産業機械などに使用される回転電機に用いられるものである。以下、本実施の形態１の回転角度計測装置および回転角度計測方法について、図を用いて説明する。

【0010】

実施の形態１．
図１は、本願の実施の形態１に係る回転角度計測装置を示す全体図である。
回転子１は、回転軸２を中心として回転する物体であり、回転軸２に対して径方向外側に設けられた凹凸部３を持つ。凹凸部３は、磁性材料で構成され、回転軸２の中心から凹凸部３の外周表面までの（径方向の）距離が周期的に変化する形状を持つ。

【0011】

固定子４は、回転子１の凹凸部３と対向して設置され、凹凸部３の一周期の長さを周方向の基本寸法としたセグメント形状としている。ヨーク５は磁性材料からなり、特に凹凸部３に向かって突出している部分をティース６とよぶ。またヨーク５には複数の巻線７が巻かれており、巻線７ａ、巻線７ｂ、巻線７ｃは直列接続される。

【0012】

また、各巻線の端子間電圧（以下、簡略化して端子電圧とも呼ぶ）を計測できるように検出器１２が備えられている。具体的には、端子８ａと端子８ｂの間の電圧を検出器１２で検出することにより巻線７ａの端子間電圧が計測され、端子８ｂと端子８ｃの間の電圧を検出器１２で検出することにより巻線７ｂの端子間電圧が計測され、端子８ｃと端子８ｄの間の電圧を検出器１２で検出することにより巻線７ｃの端子間電圧が計測される。この場合において、直列接続した巻線７ａ、巻線７ｂ、巻線７ｃの両端には電源９から交流電圧が印加される。

【0013】

次に回転角度の計測原理について説明する。巻線７ａの両端部にはティース６ａ、６ｂがあり、巻線７ｂの両端部にはティース６ｂ、６ｃがあり、巻線７ｃの両端部にはティース６ｃ、６ｄがある。回転子１が回転すると、各ティースの先端部と回転子１の間の空隙長が変化し、その結果、各巻線のインピーダンスが変化する。

【0014】

図１の状態では、巻線７ｂの両端のティース６ｂ、６ｃの先端部と回転子１の間の空隙長の方が、ティース６ａ、６ｂの先端部と回転子１の間の空隙長より短いため、巻線７ｂのインピーダンスは巻線７ａ、７ｃのインピーダンスより大きくなる。

【0015】

この状態において、巻線７ａと巻線７ｂと巻線７ｃを直列接続し、それらの両端部、すなわち端子８ａと端子８ｄの間に交流電圧を印加すると、各巻線のインピーダンスの違いにより各巻線の端子間電圧が異なる。したがって、巻線７ａの端子間電圧を端子８ａと端子８ｂを用いて計測し、巻線７ｂの端子間電圧を端子８ｂと端子８ｃを用いて計測し、巻線７ｃの端子間電圧を端子８ｃと端子８ｄを用いて計測して、巻線７ａ、巻線７ｂ、巻線７ｃの端子間電圧（端子電圧）を比較することにより、固定子４に対する回転子１の角度がわかる。

【0016】

図２は、図１において回転子１が反時計回り（図１中に円弧状の矢印で示した方向）に回転した時の巻線７ａ、巻線７ｂ、巻線７ｃの端子電圧の変化を示している。巻線７ａ、巻線７ｂ、巻線７ｃを直列接続して（以降、この直列接続した巻線を直列接続巻線とも呼ぶ）、その両端に電源９から交流電圧を印加することにより、各巻線のインピーダンスの大きさの比が変わるため、各巻線の端子電圧の値を用いて回転子１の回転角度が容易に計算できる。

【0017】

例えば、巻線７ｃの端子電圧が一定値以下の場合は、角度は０～１２０度であり、その範囲では、巻線７ａの端子電圧値、あるいは巻線７ｂの端子電圧値、あるいは巻線７ａの端子電圧値と巻線７ｂの端子電圧値から演算される値を用いることにより、回転角度が計測できる。

【0018】

また、製造誤差等の影響により、各巻線の端子電圧の値が図２と異なる場合もあるが、校正用の回転角度センサを別途手配し、各巻線の端子電圧の値と対応させ、その値を補正値として把握しておけば、精度の高い角度計測が実現できる。

【0019】

回転子１は回転軸２に対して３６０度の範囲で存在するが、固定子４は基本的に凹凸部３の一周期の範囲のみに存在しているため、セグメント形状といわれる。このような形状の場合、回転子１と固定子４の位置関係により、回転角度計測精度が悪化する懸念がある。

【0020】

例えば回転子１に対して固定子４の位置が半径方向にずれている場合、すなわち図１において紙面上下方にずれて設置された場合は、全体的な出力の大きさが変わり、角度誤差が悪化する懸念が生じる。また、回転子１に対して固定子４の位置が接線方向にずれている場合、すなわち図１において紙面左右方向にずれて設置された場合は、各巻線の出力の大きさが変わり、角度誤差が悪化する懸念が生じる。

【0021】

本願では、各巻線を直列接続した直列接続巻線の各巻線の端子電圧を計測して、それらの大小関係から回転角度を計測するため、回転子１と固定子４の位置関係の影響を小さくできる。例えば回転子１に対して固定子４の位置が半径方向にずれている場合は、各巻線のインピーダンスの大小関係は変わらないため、各巻線の端子電圧から計測する回転角度の値が悪化することはない。また、回転子１に対して固定子４の位置が接線方向にずれている場合でも、各巻線それぞれに対する位置ずれの影響は小さく、角度誤差の悪化は抑制できる。

【0022】

なお、図１では回転子１の凹凸形状は直線で描いているが、曲線でも構わない。また、凹凸部３および固定子４の位置は回転軸２に対して径方向外側としているが、距離が周期的に変化する構造とするのであれば、軸方向に設置してもよい。

【0023】

また、固定子４の周方向の長さは凹凸部３の一周期の長さを基本寸法としているが、一周期より小さい寸法としても、端子電圧と回転角度の関係を把握して校正すれば角度計測は可能なため、問題はない。また、一周期より長くても角度計測は可能であるため、問題はない。

【0024】

また、図１では巻線を３個、ティースを４個としているが、巻線を２個、ティースを３個としても各巻線の端子電圧値を比較することにより角度情報はえられるため、問題はない。また、図１では各巻線の端子電圧を計測できるように４個の端子を描いているが、実際は端子８aと８dは電源９の両端部と共用できるため不要であり、また各巻線の端子電圧の値を計測できるようにしていれば、端子を別途設置する必要はない。

【0025】

実施の形態２．
実施の形態２に係る回転角度計測装置について、以下、図３、図４を用いて説明する。なお、以下では、実施の形態1と異なる構成について主に説明し、同様の構成については省略、あるいは簡略化する。

【0026】

図３および図４は、実施の形態２に係る回転角度計測装置の回転子１の一部、ヨーク５ａ、５ｂ、５ｃ、および巻線７ａ、７ｂ、７ｃを示している。図３のヨーク５ａ、５ｂ、５ｃはコの字型をしており、各ヨークに巻線がそれぞれ巻かれており、各巻線は直列接続されている。また、図４のヨーク５ａ、５ｂ、５ｃはティース部分のみであり、各ヨークに巻線がそれぞれ巻かれており、各巻線は直列接続されている。

【0027】

図３および図４ともに、各ヨーク５ａ、５ｂ、５ｃの間の間隔は、回転子１の凹凸部３の一周期の長さの４分の１から１（１／４周期分～１周期分のサイズ）を基本寸法としているが、これより小さいサイズでも、また大きいサイズでも特に問題はない。なお、各ヨーク５ａ、５ｂ、５ｃは分割されたヨーク片であるので、これらを以降、分割ヨーク片とも呼ぶ。

【0028】

図３あるいは図４の特徴は、ヨークがそれぞれ独立して設置していることである。これにより、各巻線のインピーダンスの差が顕著になり、各巻線端子電圧の値の大小関係がより大きくなるため、高精度な角度計測が実現できる。

【0029】

図３および図４いずれの場合も、各ヨーク５ａ、５ｂ、５ｃは磁性材料からなる。各ヨークは個別に設置してもよいし、位置決め精度を高くするために樹脂などの金属以外の材料（図示せず）で一体化した後で設置してもよい。
なお、図３ではコの字型のヨーク形状、図４ではティース部分のみのヨーク形状としたが、各ヨークが独立して配置されていれば、その他の形状でも問題ない。

【0030】

実施の形態３．
実施の形態３に係る回転角度計測装置について、以下、図５、図６を用いて説明する。なお、以下では、実施の形態1、２とは異なる構成について主に説明し、同様の構成については省略、あるいは簡略化する。

【0031】

図５は、実施の形態３に係る回転角度計測装置の回転子１の一部、ヨーク５、ヨークのティース１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、および巻線１１ａ、１１ｂ、１１ｃを示している。巻線１１ａ、１１ｂはヨークの凹の部分に巻かれており、これらの巻線は直列接続されている。

【0032】

また、巻線１１ｃはヨークの凸の部分、すなわちティース１０ｂに巻かれている。ヨーク５の各ティース１０ａ、１０ｂ、１０ｃの間の間隔は、凹凸部３の一周期の長さの４分の１を基本寸法としているが、これより小さいサイズでも、また大きいサイズでも問題はない。

【0033】

図６は、図５において回転子１が反時計回り（図５中に円弧状の矢印で示した方向）に回転した時の巻線１１ａ、巻線１１ｂの端子電圧の変化を示している。巻線１１ａ、巻線１１ｂを直列接続して、その両端に電源９から交流電圧を印加して巻線１１ａと１１ｂの出力を比較することにより、回転子１の角度が分かるが、ティースの間隔が図５の場合には、角度の解は一意ではなく、２種類存在する。

【0034】

そこで、ティース１０ｂに巻いた巻線１１ｃの電圧を利用する。例えば、巻線１１ｃと別の巻線（図示せず）を直列接続して、その両端部に交流電圧を印加すると、回転子１の凹凸部との距離により巻線１１ｃのインピーダンスは変化するが、別の巻線のインピーダンスは一定のため、巻線１１ｃの端子電圧は図６のように変化する。したがって、これらの巻線１１ａ、１１ｂ、１１ｃの端子電圧により、回転子１の回転角度が計測できる。

【0035】

なお、図５では巻線１１ａ、１１ｂを直列接続し、巻線１１ｃは別の巻線と直列接続したが、巻線１１ｃには直接交流電圧を印加して、インピーダンス変化による電流変化の情報を用いて回転角度を計測してもよい。また、巻線１１ａ、１１ｂ、１１ｃの３つの巻線すべてを直列接続してもよい。また、ヨークは一体で図示しているが、分割して各ティースが独立するようにしてもよい。

【0036】

本願は、様々な例示的な実施の形態及び実施例が記載されているが、１つ、または複数の実施の形態に記載された様々な特徴、態様、及び機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。
従って、例示されていない無数の変形例が、本願明細書に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも１つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。

【0037】

以下、本願の諸態様を付記としてまとめて記載する。
（付記１）
軸心からの距離が周期的に変化する外周形状を有する筒状の回転子、
前記回転子の外周に対向するように配置されたヨークと、前記ヨークに各別に巻かれるとともに互いに直列接続された巻線と、で構成された固定子、
直列接続された前記巻線の両端に交流電圧を印加する電源、
直列接続された前記巻線の両端に交流電圧が印加された場合に前記巻線の複数の端子間の電圧を検出する検出器、
を備え、
前記検出器で検出した前記巻線の複数の端子間の電圧により、回転子の回転角度を計測することを特徴とする回転角度計測装置。
（付記２）
前記固定子は、セグメント形状を有し、前記回転子の外周に円弧状に対向するように配置されている、
ことを特徴とする付記１に記載の回転角度計測装置。
（付記３）
前記固定子のヨークは、周期的に変化する前記外周形状の一周期分の範囲において、前記回転子の外周に対向するように配置されている、
ことを特徴とする付記１に記載の回転角度計測装置。
（付記４）
前記ヨークは複数個に分割された分割ヨーク片で構成され、前記分割ヨーク片ごとに巻線が巻かれている、
ことを特徴とする付記１から３のいずれか１に記載の回転角度計測装置。
（付記５）
前記ヨークは、周方向に凹部と凸部とが形成されており、前記凹部と前記凸部の両方に前記巻線が各別に巻かれている、
ことを特徴とする付記１から４のいずれか１に記載の回転角度計測装置。
（付記６）
前記分割ヨーク片間の間隔は、前記回転子の外周形状の一周期分の長さの１／４から１の間のサイズに設定されている、
ことを特徴とする付記４に記載の回転角度計測装置。
（付記７）
軸心からの距離が周期的に変化する外周形状を持つ金属でできた円筒状の回転子と、
前記回転子の外周に対向するように配置されたヨークと、前記ヨークに各別に巻かれるとともに互いに直列接続された巻線と、で構成された固定子と、
を組み合わせ、前記軸心を共通の中心位置として配置し、
複数の前記巻線を直列接続した直列接続巻線の両端部に交流電圧を印加し、前記巻線ごとの端子電圧を検出して比較することにより、前記回転子の回転角度を求める、
ことを特徴とする回転角度計測方法。
（付記８）
複数の前記巻線とは別の巻線を有するとともに、前記回転子の軸心を基準として凹部と凸部とが形成され、かつ、前記凹部と前記凸部の両方に前記巻線が各別に巻かれるように前記ヨークを構成して、
前記凹部に巻かれた複数の前記巻線を直列接続して各巻線の端子電圧を計測するとともに、前記凸部に巻かれた前記巻線および前記別の巻線を直列接続して、この凸部で直列接続された巻線の両端部に交流電圧を印加して前記凸部に巻かれた各巻線の端子電圧を計測する、
ことにより、前記回転子の回転角度を求めることを特徴とする付記７に記載の回転角度計測方法。

【符号の説明】

【0038】

１ 回転子、２ 回転軸、３ 凹凸部、４ 固定子、５ ヨーク、６ ティース、７、７ａ、７ｂ、７ｃ 巻線、８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄ 端子、９ 電源、１０ａ、１０ｂ、１０ｃ ティース、１１ａ、１１ｂ、１１ｃ 巻線、１２ 検出器

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】