(57)【要約】【課題】配置の自由度や機械的強度を確保しつつ、マイクロ波を利用して回転電機の回転検出をする。【解決手段】回転軸２の周面には、多数の反射部１１が配置されており、マイクロ波送信器１２から出力されたマイクロ波Ｍは、反射部１１にて反射されてマイクロ波受信器１３にて受信される。マイクロ波受信器１３は、各反射部１１にて反射されたマイクロ波Ｍを受信して、マイクロ波Ｍに対応した電気信号Ｓを出力する。回転検出器１４は電気信号Ｓの単位時間当たりの数や量を計測することにより、回転子１（回転軸２）の回転速度や回転位置を検出する。【選択図】図１
2010019802.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転電機の回転子に結合され同心の回転軸の周面に、周方向に沿い等間隔に配置された、マイクロ波を反射する多数の反射部と、
前記反射部に向けてマイクロ波を出力するマイクロ波送信器と、
前記反射部により反射されたマイクロ波を受信し、マイクロ波を受信する毎に受信したマイクロ波に対応した信号を出力するマイクロ波受信器と、
を有することを特徴とする回転電機の回転検出装置。
【請求項２】
回転電機の回転子に結合され同心の回転軸の周面に、周方向に沿い等間隔に配置された、マイクロ波を反射する多数の反射部と、
前記反射部に向けてマイクロ波を出力するマイクロ波送信器と、
前記反射部により反射されたマイクロ波を受信し、マイクロ波を受信する毎に受信したマイクロ波に対応した信号を出力するマイクロ波受信器と、
前記マイクロ波受信器から出力される信号を基に、前記回転子の回転速度または回転位置を検出する回転検出器と、
を有することを特徴とする回転電機の回転検出装置。
【請求項３】
請求項２において、
前記回転検出器は、単位時間当たりに当該回転検出器に入力される前記信号の数を基に前記回転子の回転速度を検出したり、単位時間当たりに当該回転検出器に入力される前記信号の総エネルギー量を基に前記回転子の回転速度を検出することを特徴とする回転電機の回転検出装置。
【請求項４】
請求項２において、
前記反射部のうちの特定の一つの反射部は、残りの反射部に対して、マイクロ波の反射量や反射波形が異なるように反射面形状が異なっており、
前記回転検出器は、反射量や反射波形が異なるマイクロ波に対応する信号を原点として、当該回転検出器に入力される信号をカウントして前記回転子の回転位置を検出することを特徴とする回転電機の回転検出装置。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４の何れか一項において、
前記反射部は、マイクロ波を反射する反射板を前記回転軸の周面に取り付けて形成されていることを特徴とする回転電機の回転検出装置。
【請求項６】
請求項１乃至請求項４の何れか一項において、
前記反射部は、前記回転軸の周面を平面または曲面に加工して形成されていることを特徴とする回転電機の回転検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は回転電機の回転検出装置に関し、マイクロ波を利用して回転電機の回転子の回転速度や回転位置（回転角度）を高精度に検出することができるようにしたものである。
【背景技術】
【０００２】
永久磁石を用いた回転電機、例えば永久磁石形同期電動機や永久磁石形ステッピングモータでは、回転子に永久磁石を取り付け、固定子に巻線を配置している。
そして、回転子に取り付けた永久磁石の「磁極位置」と、固定子に配置した巻線の「磁極位置」を検出して、両方の「磁極位置」を同期させて、目的とする回転を行うように制御がされている。
【０００３】
この場合、回転子に取り付けた永久磁石の「磁極位置」の検出や、速度制御のために、回転子の回転位置や回転速度を回転検出装置により検出している。
【０００４】
従来の回転検出装置の一つとして、光学式の回転検出装置がある。
光学式の回転検出装置（ロータリーエンコーダ）は、スリットを形成した回転板と、この回転板を間に挟んだ状態で対向配置した発光器と受光器とで構成されている。
そして、回転板を電動機の回転子の回転軸に取り付け、この回転板を間に挟んだ状態で発光器と受光器を対向させて固定子に配置している。
【０００５】
また従来の回転検出装置の別の例としては、渦電流式の回転検出装置が使われている。
渦電流式の回転検出装置では、渦電流変位センサを回転子に対面して配置している。
【０００６】
更に最近では、マイクロ波を用いた回転検出装置が考えられている（例えば特許文献１参照）。
マイクロ波を用いた回転検出装置は、回転軸芯を中心とする円周上に多数の透過孔を等間隔に設けた回転板と、この回転板を間に挟んだ状態で対向配置したマイクロ波発信器とマイクロ波受信器とで構成されている。
そして回転板を電動機の回転子の回転軸に取り付け、この回転板を間に挟んだ状態でマイクロ波発信器とマイクロ波受信器を対向させて固定子に配置している。
【０００７】
マイクロ波を用いた回転検出装置では、マイクロ波発信器とマイクロ波受信器とが透過孔を介して対向したときには、マイクロ波発信器から出力されたマイクロ波が透過孔を透過してマイクロ波受信器により受信され、マイクロ波発信器とマイクロ波受信器との間に透過孔が位置していないときには、マイクロ波発信器から出力されたマイクロ波は回転板で反射されるため、マイクロ波受信器にはマイクロ波が受信されない。
このように、回転に応じて、マイクロ波受信器がマイクロ波を断続的に受信し、マイクロ波の受信回数や受信周期を検出することにより、回転位置ないし回転速度を検出している。
【０００８】
【特許文献１】特開平５−２６８８６
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところで、光学式の回転検出装置（ロータリーエンコーダ）では、回転板を回転子の回転軸に取り付けるための広い取り付けスペースが必要であった。
更に、光の拡散による検出精度低下や、検出信号光以外のノイズ光による検出精度低下の問題があるため、発光器と受光器とを近接して配置する必要があった。
このように回転板配置のための広いスペースが必要であるという問題と、発光器と受光器とを近接して対向配置しなければならないという配置上の問題がある。
また、受光器の応答速度について限界があり、高速回転中における位置検出が困難であった。
【００１０】
渦電流式の回転検出装置では、渦電流変位センサから出力される磁束の強さが距離に比例して弱まるため、渦電流変位偏差を回転子に近接して配置しなければならないという、配置上の問題がある。
【００１１】
従来提案されているマイクロ波を用いた回転検出装置では、回転板を使用するため、回転板を回転子の回転軸に取り付けるための広い取り付けスペースが必要であった。
またマイクロ波発信器とマイクロ波受信器を対向配置しなければならないという、配置上の問題もあった。
更に、分解能を高めようとすると、回転板に多数の透過孔を形成する必要があるが、透過孔の形成個数には限度があり、分解能を向上させることが困難であった。また、透過孔の数を多くすると、機械的強度が低下し、遠心力により回転板が損傷する恐れがあった。
【００１２】
本発明は上記従来技術に鑑み、回転子の回転軸の近傍に広い取り付けスペースを必要とせず、機器の配置の自由度が大きく、精度良く回転速度や回転位置の検出ができる、回転電機の回転検出装置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】
【００１３】
上記課題を解決する本発明の構成は、
回転電機の回転子に結合され同心の回転軸の周面に、周方向に沿い等間隔に配置された、マイクロ波を反射する多数の反射部と、
前記反射部に向けてマイクロ波を出力するマイクロ波送信器と、
前記反射部により反射されたマイクロ波を受信し、マイクロ波を受信する毎に受信したマイクロ波に対応した信号を出力するマイクロ波受信器とを有することを特徴とする。
【００１４】
また本発明の構成は、
回転電機の回転子に結合され同心の回転軸の周面に、周方向に沿い等間隔に配置された、マイクロ波を反射する多数の反射部と、
前記反射部に向けてマイクロ波を出力するマイクロ波送信器と、
前記反射部により反射されたマイクロ波を受信し、マイクロ波を受信する毎に受信したマイクロ波に対応した信号を出力するマイクロ波受信器と、
前記マイクロ波受信器から出力される信号を基に、前記回転子の回転速度または回転位置を検出する回転検出器とを有することを特徴とする。
【００１５】
また本発明の構成は、
前記回転検出器は、単位時間当たりに当該回転検出器に入力される前記信号の数を基に前記回転子の回転速度を検出したり、単位時間当たりに当該回転検出器に入力される前記信号の総エネルギー量を基に前記回転子の回転速度を検出することを特徴とする。
【００１６】
また本発明の構成は、
前記反射部のうちの特定の一つの反射部は、残りの反射部に対して、マイクロ波の反射量や反射波形が異なるように反射面形状が異なっており、
前記回転検出器は、反射量や反射波形が異なるマイクロ波に対応する信号を原点として、当該回転検出器に入力される信号をカウントして前記回転子の回転位置を検出することを特徴とする。
【００１７】
また本発明の構成は、
前記反射部は、マイクロ波を反射する反射板を前記回転軸の周面に取り付けて形成されていること、
または、前記反射部は、前記回転軸の周面を平面または曲面に加工して形成されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明では、伝送エネルギーが大きく指向性の高いマイクロ波を利用して回転検出をするため、マイクロ波送信器とマイクロ波受信器を、回転軸から離れた位置に配置することができる。
したがって、回転軸の近傍に広い取り付けスペースは必要なく、回転軸から離れた位置にマイクロ波送信器及びマイクロ波受信器を配置することができ、配置上の問題がなくなり、機械的強度を確保しつつ配置の自由度が高くなる。
また、反射部の数を多くすることにより、容易に分解能や応答性を高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下に本発明を実施するための最良の形態を実施例に基づき詳細に説明する。
【実施例１】
【００２０】
図１は本発明の実施例１に係る、回転電機の回転検出装置１０を示し、図２は反射部１１の部分を抽出して示す。
【００２１】
両図に示すように、電動機の回転子１の両端部には、それぞれ回転軸２が一体形成されている。つまり、回転軸２は回転子１に結合され回転子１と同心になっている。
一方の回転軸２の周面には、マイクロ波を反射する多数の反射部１１が配置されている。各反射部１１は、マイクロ波を反射する反射板を回転軸に取り付けて形成したものであり、反射部１１は、周方向に沿い等間隔に配置されている。
【００２２】
マイクロ波送信器１２は、マイクロ波Ｍを出力するものであり、マイクロ波Ｍとしては、例えば、２．４ＧＨｚや５ＧＨｚ帯のミリ波を出力する。
マイクロ波送信器１２は、マイクロ波Ｍを反射部１１に向けて出力するように、電動機の固定子（図示省略）や、電動機から離れた位置に固定設置されている。
つまり、反射部１１が配置されている軸芯２の周面のうち、周方向に沿う予め決めた一定領域（一定の角度範囲の領域）に向けて、マイクロ波Ｍを照射するように、マイクロ波送信器１２が設置されている。
これにより、多数の反射部１１のうち、前述した一定領域（一定の角度範囲の領域）に位置した反射部１１が、マイクロ波Ｍを反射し、反射したマイクロ波Ｍの進行方向は一定となる。
【００２３】
マイクロ波受信器１２は、反射部１１により反射してきたマイクロ波Ｍを受信できるように、電動機の固定子（図示省略）や、電動機から離れた位置に固定設置されている。
このマイクロ波受信器１２は、受信したマイクロ波Ｍに対応した電気信号Ｓを出力する。つまり、電気信号Ｓの波形と強度は、受信したマイクロ波Ｍの波形と強度に対応している。
【００２４】
図３はマイクロ波受信器１２から出力される電気信号Ｓの一例を示すものである。
回転子１が回転することにより、マイクロ波Ｍを反射する反射部１１が次々と変更されて、各反射部１１にてマイクロ波Ｍが反射される。このため、次々と反射されたマイクロ波Ｍを受信したマイクロ波受信器１２は、例えば図２に示すような波形と強度になっている電気信号Ｓを出力する。この電気信号Ｓの波形と強度は、受信したマイクロ波Ｍの波形と強度に対応している。
【００２５】
マイクロ波受信器１３から出力された電気信号Ｓは回転検出器１４に送られる。回転検出器１４は、受信した電気信号Ｓを基に、回転子１の回転速度を検出する。
回転速度Ｖは例えば、次式により求めることができる。なお、Ｔは測定時間、Ｎは電気信号Ｓの受信数、Ａは反射部の個数である。
回転速度Ｖ＝（受信数Ｎ／測定時間Ｔ）／反射部の個数Ａ
つまり、単位時間当たりの電気信号Ｓの受信数を計測すれば、回転速度Ｖを検出することができる。
【００２６】
簡単な例を用いて説明すると、反射部１１の個数Ａが仮に１０個である場合には、１秒当たりの電気信号Ｓの受信数が１０であれば、回転子１が１秒間に１回転したことを検出することができる。
また、同様に、１秒当たりの電気信号Ｓの受信数が２０であれば、回転子１が１秒間に２回転したことを検出することができる。
【００２７】
マイクロ波Ｍは、伝送できるエネルギーが大きく指向性が高く、しかも、伝送空間に浮遊している浮遊物（粉塵や水滴）などの影響を受けにくい。このため、マイクロ波送信器１２とマイクロ波受信器１３との間の距離を大きくしても検出精度が低下しない。
よって、マイクロ波送信器１２とマイクロ波受信器１３を、回転軸２から離れた位置に配置することができる。したがって、回転軸２の近傍に広いスペースがなくても、回転軸２から離れた位置にマイクロ波送信器１２及びマイクロ波受信器１３を配置することができ、配置上の問題はない。
またマイクロ波送信器１２及びマイクロ波受信器１３を対向配置する必要はなく、配置位置を任意に設定することができ、配置の自由度が高い。
【００２８】
また、反射部１１の数を多くすることにより、分解能を高めることができる。
反射部１１の数を多くしても、機械的な強度が低下することはないので、反射部１１の数を分解能に応じて多くすることは容易である。
このようにすれば、反射したマイクロ波Ｍひいては電気信号Ｓの周波数を高くすることができ、応答性も向上する。
ちなみにマイクロ波を用いた従来の回転検出器では、分解能を高くしようとすると、多数の透過孔を形成しなければならないため、機械的強度が低下していた。
【００２９】
マイクロ波送信器１２及びマイクロ波受信器１３を電動機から離れた位置（電動機の外部）に設置した場合には、マイクロ波送信器１２及びマイクロ波受信器１３の保守点検を容易に行うことができる。
【００３０】
なお、２．４ＧＨｚのマイクロ波は、携帯電話などに使用されており、この帯域のマイクロ波の送信器及び受信器は普及しており、また使用に際して免許等は必要でない。したがって、この帯域のマイクロ波を送受するマイクロ波送信器１２及びマイクロ波受信器１３を用いることにより、本実施例の回転検出装置１０を容易に製造することができる。
【実施例２】
【００３１】
実施例１では、回転検出器１４は、単位時間当たりの電気信号Ｓの受信数を基に回転速度Ｖを求めていたが、実施例２では他の手法により、回転速度Ｖを求める。
【００３２】
実施例２では、回転検出器１４は、単位時間ｔにおいて受信した電気信号Ｓの総エネルギー量（電圧量または電流量）を測定し、この総エネルギー量を基に回転速度Ｖを求める。
例えば図４に示すように、回転速度がｎ１であるときには総エネルギー量はＷ１となり、回転速度が２ｎになると総エネルギー量はＷ２となり減少する。つまり、総エネルギー量と速度とが対応しているため、総エネルギー量を基に、回転速度Ｖを求めることができる。
【００３３】
また、別の例では、回転速度Ｖと電気信号Ｓの周波数が対応関係にあるため、電気信号Ｓの周波数を基に、回転速度Ｖを求めることもできる。
電気信号Ｓの周波数の検出は、共振回路などを用いて検出することができる。
【実施例３】
【００３４】
実施例３を、図１及び図５を参照して説明する。
実施例３では、回転軸２の周面に配置した多数の反射部１１のうち、特定の１つの反射部１１の反射面の形状を、残りの反射部１１の反射面の形状と異なる形状にしている。
【００３５】
このように、特定の１つの反射部１１の反射面の形状を、他のものと異なる形状とした場合には、この特定の反射部１１で反射したマイクロ波Ｍの反射量や反射波形は、他の反射部１１で反射したマイクロ波Ｍの反射量や反射波形と異なってくる。
【００３６】
したがって、マイクロ波受信器１３から出力される電気信号Ｓは、例えば図５に示すようになる。
図５において、受信数Ｎが２番目の電気信号（図５において左から２番目の電気信号）は、反射面形状が異なる反射部１１により反射したマイクロ波Ｍを受信したときに、マイクロ波受信器１３から出力される電気信号である。
この２番目の信号は、他の信号に対して、信号波形や信号エネルギーが異なる。
【００３７】
したがって、回転検出器１４は、信号波形や信号エネルギーを判定することにより、２番目の電気信号を検出することができ、この電気信号を検出した時点を原点位置として、次々と入力されてくる他の電気信号をカウントしていくことにより、回転子１の回転位置（回転角度）を検出することができる。
【００３８】
また前述した実施例１，２で用いていた手法を利用して、回転速度Ｖも検出することができる。
【００３９】
＜変形例＞
上記の各実施例では、各反射部１１は、反射板を回転軸２に取り付けて構成していたが、回転軸２の周面を、平面または曲面に加工して、各反射部１１を形成するようにしてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００４０】
なお本発明は、電動機に限らず、発電機等の回転電機に適用することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の実施例に係る回転検出装置を示す構成図。
【図２】実施例の回転検出装置のうち反射部を抽出して示す構成図。
【図３】実施例１における信号波形を示す波形図。
【図４】実施例２における信号波形を示す波形図。
【図５】実施例３における信号波形を示す波形図。
【符号の説明】
【００４２】
１  回転子
２  回転軸
１０  回転検出器
１１  反射部
１２  マイクロ波送信器
１３  マイクロ波受信器
１４  回転検出器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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