(57)【要約】  ロータとステータとがアキシャルに積層されて構成される角度検出装置において、角度検出の精度を保ちつつ、回転角の基準となる基準位置を正確に特定する角度検出装置を提供する。磁性体を含む円板体の透磁率が全体として一軸の異方性を有し、当該異方性に沿って形成され前記円板体の電磁気特性と異なる電磁気特性を有する一の基準検出部８を備え、前記円板体が中心点５ａを中心として円板面内で回動するロータ５と、磁界を発生させる励磁コイル４ｂ，４ｄ、当該励磁コイル４ｂ，４ｄで励磁された磁界と鎖交してロータ５の回転角度に応じた電圧を検出する角度検出コイル４ａ，４ｃ、及び、基準検出部８における電磁気特性の変化を検出する基準検出コイル８を有するステータ３とを備え、ステータ３が、ロータ５の円板体の板面に対向して略同一外形で近接配設され、ステータ３の板面に沿って複数の扇状の励磁コイル４ｂ，４ｄ及び角度検出コイル４ａ，４ｃが交互に配設されると共に、ロータ５における基準検出部７の配設位置に対応するステータ３の対応位置に基準検出コイル８が配設されている。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁性体を含む円板体の透磁率が全体として一軸の異方性を有し、前記円板体の電磁気特性と異なる電磁気特性を有する一の基準検出部を含み、前記円板体が中心点を中心として円板面内で回動するロータと、
磁界を発生させ前記ロータを励磁する励磁コイル、当該励磁コイルで励磁されたロータを通過した磁界と鎖交して前記ロータの回転角度に応じた電圧を検出する角度検出コイル、及び、前記基準検出部における前記電磁気特性の変化を検出する基準検出コイルを有するステータとを備え、
前記ステータが、前記ロータの円板体の板面に対向し、前記ロータの中心点を通る軸と同軸に略同一外形で近接配設され、前記ステータの板面に沿って複数の扇状の前記励磁コイル及び前記角度検出コイルが交互に配設されると共に、前記ロータにおける前記基準検出部の配設位置に対応する前記ステータの対応位置に前記基準検出コイルが配設されていることを特徴とする角度検出装置。
【請求項２】
請求項１に記載の角度検出装置において、
前記基準検出部が細長形状であり、当該基準検出部の長手方向が前記磁気異方性に沿って形成されていることを特徴とする角度検出装置。
【請求項３】
請求項２に記載の角度検出装置において、
前記基準検出部が、前記ロータの中心から放射方向に沿って形成されていることを特徴とする角度検出装置。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれかに記載の角度検出装置において、
前記ステータにおける前記励磁コイル、前記角度検出コイル及び前記基準検出コイルが一の円板体内に一体的に形成されていることを特徴とする角度検出装置。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれかに記載の角度検出装置において、
前記基準検出コイルが、８の字状に巻回された８の字コイルであることを特徴とする角度検出装置。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれかに記載の角度検出装置において、
前記ステータが、前記基準検出コイルと鎖交するように前記励磁コイルと異なる周波数で励磁磁界を発生させる基準検出励磁コイルを備えることを特徴とする角度検出装置。
【請求項７】
請求項１ないし６のいずれかに記載の角度検出装置において、
前記基準検出コイルの出力結果と前記角度検出コイルの出力結果とを乗算して前記基準検出部を検出することを特徴とする角度検出装置。
【請求項８】
請求項１ないし７のいずれかに記載の角度検出装置において、
前記ステータが、前記ロータが配設される面と反対方向に対向する略同一外形のバックヨークを備えることを特徴とする角度検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、角度検出を行うための角度検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、自動車、ロボット等の駆動に用いられる駆動モータを制御する場合には、ロータの回転角を高精度に検出する必要がある。ロータの回転角を検出する装置としてレゾルバが広く用いられている。このようなレゾルバに関する技術として、例えば、特許文献１に示す技術が開示されている。【０００３】
特許文献１に示す技術は、一軸磁気異方性を有する磁性体からなる円板体で形成され、当該円板体が中心点を中心として円板面内で回動するロータと、ロータの円板体の板面に対向して略同一外形で配設され、扇状に複数に分割し、分割領域の外周に沿って励磁コイル又は検出コイルを巻回しているステータと、ステータを挟んでロータが配設される面と反対の方向に、ステータの円板体に対向して略同一外形で配設されるバックヨークとを備えるものである。【０００４】
また、回転角度や特定位置を検出する技術として、例えば、特許文献２ないし６に示す技術が開示されている。特許文献２には、回転部材の形状変化が他と異なる箇所を１箇所設けることで、クランク角の基準位置を判別することが記載されている。特許文献３には、シャフトの回転により対向する面積が変化する一対の導電性部材を具備し、対向面積の変化によるコイルのインダクタンス変化から変位を検出することが記載されている。特許文献４には、スリットリングに等間隔で穴をあけ、そのうち１つだけ大きい穴に形成することで、原点を特定することが記載されている。特許文献５には、パルサリングに複数の小窓と一つの大窓を設け、この大窓により波形振幅を変化させることで回転体の１回転の周期を検出することが記載されている。特許文献６には、軸の一部分の被検出部において磁気的性質を異ならせることで、被検出部を検出したか否かを判定することが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】国際公開第２０１２／００２１２６号
【特許文献２】特開平１０−１１１１４４号公報
【特許文献３】特開２００６−３１３１２１号公報
【特許文献４】特公平６−２２３８７号公報
【特許文献５】特許第４１４４６５７号
【特許文献６】特開平７−３３２９１１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１に示す技術は、従来にない新規の構成であり、非常に簡単で低コストに角度検出装置を製造することが可能であるものの、ロータが機械角で１回転するごとに電気角で２回転の波形が検出されるため、０度と１８０度を区別することが困難であるという問題がある。すなわち、特許文献１の技術において、検出精度を保ったままで０度と１８０度を明確に区別するためには、角度の検出に加えて電気角２回転分を区別するような基準となる位置を特定する必要がある。【０００７】
特許文献２に示す技術は、形状変化部の間隔を異ならせることで基準位置を判別することができるが、検出コイルが１つの共通したものであるため、検出精度の点では十分ではないという課題を有する。また、特許文献３ないし６の技術についても、特許文献１の技術において、検出精度を保ちつつ基準となる位置を正確に特定できるものではない。【０００８】
本発明は、ロータとステータとがアキシャルに積層されて構成される角度検出装置において、角度検出の精度を保ちつつ、回転角の基準となる基準位置を正確に特定する角度検出装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る角度検出装置は、磁性体を含む円板体の透磁率が全体として一軸の異方性を有し、前記円板体の電磁気特性と異なる電磁気特性を有する一の基準検出部を含み、前記円板体が中心点を中心として円板面内で回動するロータと、磁界を発生させる励磁コイル、当該励磁コイルで励磁された磁界と鎖交して前記ロータの回転角度に応じた電圧を検出する角度検出コイル、及び、前記基準検出部における前記電磁気特性の変化を検出する基準検出コイルを有するステータとを備え、前記ステータが、前記ロータの円板体の板面に対向し、前記ロータの中心点を通る軸と同軸に略同一外形で近接配設され、前記ステータの板面に沿って複数の扇状の前記励磁コイル及び前記角度検出コイルが交互に配設されると共に、前記ロータにおける前記基準検出部の配設位置に対応する前記ステータの対応位置に前記基準検出コイルが配設されているものである。【００１０】
このように、本発明に係る角度検出装置においては、電磁気特性の変化が生じるような一の基準検出部がロータに形成されており、この電磁気特性の変化を検出する基準検出コイルがステータに配設されているため、ロータの機械角１回転を基準検出コイルで確実に検出することができ、０度と１８０度の区別を明確に行うことができるという効果を奏する。【００１１】
また、角度検出コイルと基準検出コイルとがそれぞれ個別に設けられており、ステータとして一体的に固定されているため、角度の検出と基準位置の検出を各コイルで正確に行いつつ、それぞれの検出結果を対応付けて角度の基準位置を明確に求めることができるという効果を奏する。【００１２】
本発明に係る角度検出装置は、前記基準検出部が細長形状であり、当該基準検出部の長手方向が前記磁気異方性に沿って形成されているものである。【００１３】
このように、本発明に係る角度検出装置においては、基準検出部が当該基準検出部の長手方向が前記磁気異方性に沿って形成されているため、角度検出の精度を維持しつつ、電磁気特性の変化を基準位置として確実に検出することができるという効果を奏する。【００１４】
本発明に係る角度検出装置は、前記基準検出部が、前記ロータの中心から放射方向に沿って形成されているものである。【００１５】
このように、本発明に係る角度検出装置においては、基準検出部が前記ロータにおける磁気異方性の方向を長手方向とし、当該磁気異方性に沿って形成され、且つ、ロータの中心から放射方向に沿って形成されているため、角度検出の精度を維持しつつ、電磁気特性の変化を基準位置として確実に検出することができるという効果を奏する。【００１６】
本発明に係る角度検出装置は、前記ステータにおける前記励磁コイル、前記角度検出コイル及び前記基準検出コイルが一の円板体内に一体的に形成されているものである。【００１７】
このように、本発明に係る角度検出装置においては、励磁コイル、角度検出コイル及び基準検出コイルが一の円板体内に一体的に形成されているため、組み立て工数が少なくて済み、且つ、小型化が可能になるという効果を奏する。また、励磁コイル、角度検出コイル及び基準検出コイルが一体的に形成されることで、検出された角度と基準位置とを明確に対応付けることができるという効果を奏する。【００１８】
本発明に係る角度検出装置は、前記基準検出コイルが、８の字状に巻回された８の字コイルであるものである。【００１９】
このように、本発明に係る角度検出装置においては、基準検出コイルが８の字コイルであるため、基準検出部における電磁気特性の変化を明確に出力することができるという効果を奏する。【００２０】
本発明に係る角度検出装置は、前記ステータが、前記基準検出コイルと鎖交するように前記励磁コイルと異なる周波数で励磁磁界を発生させる基準検出励磁コイルを備えるものである。【００２１】
このように、本発明に係る角度検出装置においては、基準検出コイルが、基準検出励磁コイルで発生した励磁磁界と鎖交して基準検出部を検知するため、基準検出部における電磁気特性の変化を高出力で検知することができるという効果を奏する。また、基準検出励磁コイルが励磁コイルと異なる周波数で励磁されているため、励磁コイルの励磁電流に影響を与えることなく、基準検出部を高精度に検知することができるという効果を奏する。【００２２】
本発明に係る角度検出装置は、前記基準検出コイルの出力結果と前記角度検出コイルの出力結果とを乗算して前記基準検出部を検出するものである。【００２３】
このように、本発明に係る角度検出装置においては、基準検出コイルの出力結果と角度検出コイルの出力結果とを乗算して基準検出部を検出するため、基準検出コイルの出力結果におけるピークが顕著となり、基準検出部を検出し易くなるという効果を奏する。【００２４】
本発明に係る角度検出装置は、前記ステータが、前記ロータが配設される面と反対方向に対向する略同一外形のバックヨークを備えるものである。【００２５】
このように、本発明に係る角度検出装置においては、ロータが配設される面と反対方向に対向する略同一外形のバックヨークを備えるため、磁界を強くして検出感度を上げることができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】第１の実施形態に係る角度検出装置の主要な構成要素の分解斜視図である。
【図２】図１における矢印Ｉから見た角度検出装置の断面図である。
【図３】第１の実施形態に係る角度検出装置において励磁コイルと角度検出コイルとをそれぞれ２つずつ備えた場合の構造を示す図である。
【図４】第１の実施形態に係る角度検出装置における基準検出部及び基準検出コイルを示す図である。
【図５】図３における角度検出装置を実際に動作させた場合の出力結果を示す図である。
【図６】第２の実施形態に係る角度検出装置の構成を示す第１の図である。
【図７】第２の実施形態に係る角度検出装置の構成を示す第２の図である。
【図８】第３の実施形態に係る角度検出装置の構成を示す図である。
【図９】図８における角度検出装置を実際に動作させた場合の出力結果を示す図である。
【図１０】第３の実施形態に係る角度検出装置の他の構成を示す図である。
【図１１】本発明に係る角度検出装置の基準検出部の態様を示す図である。
【図１２】試作した角度検出装置におけるコイル及びロータの構造を示す図である。
【図１３】本発明に係る角度検出装置の実験結果を示す第１の図である。
【図１４】本発明に係る角度検出装置の実験結果を示す第２の図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下、本発明の実施の形態を説明する。また、本実施形態の全体を通して同じ要素には同じ符号を付けている。【００２８】
（本発明の第１の実施形態）
本実施形態に係る角度検出装置について、図１ないし図５を用いて説明する。本実施形態に係る角度検出装置は、ロータとステータとからなる。当該ロータは、磁性体を含む円板体の透磁率が全体として一軸の異方性を有し、当該異方性に沿って形成され前記円板体の電磁気特性（例えば、透磁率、導電率、透磁率及び導電率等）と異なる電磁気特性を有する一の基準検出部を備え、前記円板体が中心点を中心として円板面内で回動する。前記ステータは、磁界を発生させる励磁コイル、当該励磁コイルで励磁された磁界と鎖交して前記ロータの回転角度に応じた電圧を検出する角度検出コイル、及び、前記基準検出部における前記電磁気特性の変化を検出する基準検出コイルを有している。そして、前記ステータは、前記ロータの円板体の板面に対向し、ロータの中心点を通る軸と同軸となるように略同一外形で近接配設され、前記ステータの板面に沿って複数の扇状の前記励磁コイル及び前記角度検出コイルが交互に配設されると共に、前記ロータにおける前記基準検出部の配設位置に対応する前記ステータの対応位置に前記基準検出コイルが配設されている。【００２９】
ステータは、ロータの円板体と略同一外形の固定部材に励磁コイル及び角度検出コイルを形成しており、この励磁コイル及び角度検出コイルは、円板体の中心から放射状に扇状となるように巻回されている。なお、固定部材は磁性体で形成するようにしてもよい。【００３０】
図１は、本実施形態に係る角度検出装置１を形成する主要な構成要素の分解斜視図であり、図２は、図１における矢印Ｉから見た角度検出装置１の断面図である。図１（Ａ）はバックヨーク２、図１（Ｂ）はステータ３、図１（Ｃ）はロータ５であり、これらは枢軸６を同軸として積層されて構成される。角度検出装置１は、一軸磁気異方性を有する円板体で形成され枢軸６が接合する中心点５ａを中心として円板面内で回動するロータ５と、ロータ５の円板面に対向して非接触状態で略同一外形のステータ３と、方向性を持たない（等方性の）磁性薄板をステータ３と略同一外形で形成し、ステータ３に接触又は非接触状態でロータ５が配設される面と反対方向の面に対向して配設されるバックヨーク２とを有する。なお、バックヨーク２は必ずしも配設する必要はないが、磁束の結合を強めるために配設されることが望ましい。【００３１】
ステータ３の励磁コイル４ｂ及び角度検出コイル４ａは、半円状に配線（枢軸６の配設部分については当該枢軸６を回避するように配線）され、ステータ３の板面に沿って交互に配設されている。バックヨーク２は、励磁コイル４ｂが作る磁束を角度検出コイル４ａと効率よく鎖交させることができ、それにより感度を上げることができる。バックヨーク２は、例えば厚さ０．３ｍｍ程度の無方向性電磁鋼板を円板状に整形したものを利用することができる。また、例えば０．１ｍｍ〜２ｍｍ程度の厚さをもつパーマロイの薄板を成形したものを使用してもよいし、広幅アモルファス磁性薄帯を１枚又は数枚重ねて整形して用いてもよい。【００３２】
ロータ５は、円板体で形成され、その面方向に一軸磁気異方性を有する磁性体板又は平板基板に、一軸磁気異方性を生じるように磁性体を配置して構成される複合板等が、枢軸６に中心点５ａで接合されている。一軸磁気異方性を持つ磁性体では、磁性体が容易に磁化される容易軸方向と、それに直交する方向で磁化するのが困難な困難軸方向が存在する。つまり、枢軸６の回動に合わせてロータ５が回動し、それに伴って磁気異方性の容易軸方向が変化する。この磁気異方性の容易軸方向の変化を利用して回転角度を検出することができる。容易軸方向の透磁率は大きく、それに垂直な方向にある困難軸方向では透磁率が小さい。【００３３】
励磁コイル４ｂは、交流電源部４０に接続しており、この交流電源部４０から交流電流が供給される。励磁コイル４ｂに交流電流が供給されることで、ステータ３の領域３ｂには面方向に垂直な方向に磁界が発生する。この磁界はコイルの銅線近傍で最も強く、領域３ｂの中心方向にいくにしたがって弱くなっている。つまり、検出コイル４ａと励磁コイル４ｂが隣接している領域３０においては、強い磁界が発生している。【００３４】
検出コイル４ａは、励磁コイル４ｂにより励磁された磁界により、その磁界に応じた電圧が生じ、その電圧を検出コイル４ｂに接続された同期検波回路４１で検出する。このとき、ロータ５の角度により検出される電圧値が変化する。この電圧値の変化を解析して得られた演算結果を角度の値として出力する。【００３５】
図３は、本実施形態に係る角度検出装置において励磁コイルと角度検出コイルとをそれぞれ２つずつ備えた場合の構造を示す図である。バックヨーク２及びロータ５の構成は、図１の場合と同じである。ステータ３は、励磁コイル４ｂ，４ｄ及び角度検出コイル４ａ，４ｃが、１／４円の扇状に配線（枢軸６の配設部分については当該枢軸６を回避するように配線）され、ステータの板面に沿って交互に配設されている。【００３６】
励磁コイル４ｂと４ｄは、ステータ３の面方向に対して垂直方向の磁束の向きが、相互に逆になる（一方がＮ極の場合、他方がＳ極となる）ように巻回されて接続されており、角度検出コイル４ａと４ｃは、相互に巻き方向が逆となるように結線される。こうすることで、ロータ５の回転角度が０度の場合は、角度検出コイル４ａと励磁コイル４ｂ、及び角度検出コイル４ｃと励磁コイル４ｄが、ロータ５の磁気異方性の容易軸方向に位置するため、強く結合する。逆に、角度検出コイル４ａと励磁コイル４ｄ、及び角度検出コイル４ｃと励磁コイル４ｂは、ロータ５の磁気異方性の困難軸方向に位置するため結合が非常に小さくなる。【００３７】
なお、図１ないし図３において、角度検出装置１は枢軸６を備える構成となっているが、枢軸６を備えることなく、例えば、外側面からの回転力（ローラやギアによる回転力）によりロータ５を回転させる構成としてもよい。【００３８】
本実施形態に係る角度検出装置における角度検出の原理については、特許文献１に示す技術と同じであるために詳細な説明は省略する。【００３９】
このように、本実施形態に係る角度検出装置は、ロータ５が一軸磁気異方性を有する円板体で構成された、極めてシンプルな構造であるため、複雑な加工を必要とせず、非常に容易に製造することができる。また、ステータ３がロータ５の円板体の外側面に対向して配設されるのではなく、ロータ５の円板体の板面に対向して配設される面構造になっているため、機能を低下させることなく、簡単な製造工程で薄型化することができる。さらに、ステータ３を挟んでロータ５が配設される面と反対方向の板面に、ステータ３の円板体に対向して略同一外形で配設されるバックヨーク２を備えるため、磁界を強くし検出感度を上げることができる。【００４０】
本実施形態に係る角度検出装置１は、上記構成に加えて、さらに回転角度における基準となる位置、すなわちＺ相を検出するために、ロータ５に基準検出部、ステータ３に基準検出コイルを備える。図４は、本実施形態に係る角度検出装置における基準検出部及び基準検出コイルを示す図である。図４（Ａ）は、ロータ５の上面概略図であり、図４（Ｂ）は、ステータ３における各コイルの上面概略図である。図４（Ａ）において、ロータ５の容易軸方向に沿って、円板体の電磁気特性と異なる電磁気特性を有する一の基準検出部７が形成されている。この基準検出部７は、容易軸方向に沿って長尺体として形成されることで、角度検出の精度を下げるような阻害要因になることを防止している。【００４１】
基準検出部７は、ロータ５の円板体の他の部分と異なる電磁気特性を有するものであればよく、例えば、切欠部やスリットとして形成されてもよいし、異なる電磁気特性のテープやシール等を貼設するようにしてもよい。また、表面改質により基準検出部７を形成してもよい。例えば、機械的に傷をつけるのではなく、電子ビームやレーザ等で局所的に電磁気特性を変化させたり、表面を削ったりしてもよい。【００４２】
なお、基準検出コイルはステータ３の円板体に一体的に形成されてもよいし、当該円板体とは別体で形成されてもよいが、角度の検出結果と基準位置の検出結果との対応付けや集積度の観点から、一体的に形成されたほうが望ましい。【００４３】
図４（Ｂ）において、ステータ３に配設されているコイルは、図３に示すように、励磁コイル４ｂ，４ｄ及び角度検出コイル４ａ，４ｃが、１／４円の扇状に配線されてなされると共に、励磁コイル４ｂ，４ｄの何れかの扇状領域内に基準検出部７を検出するための基準検出コイル８からなる。図４においては、基準検出コイル８として励磁コイル４ｂの扇状領域内に８の字状の８の字コイルを備えている。８の字コイルは、第１領域８ａと第２領域８ｂとを有しており、それぞれの領域を形成するコイルに流れる電流の向きが相互に逆方向となっている。そして、基準検出部７が基準検出コイル８上を、第１領域８ａから第２領域８ｂ、又は、第２領域８ｂから第１領域８ａにかけて順次移動するような位置に対応付けて配設される。【００４４】
すなわち、基準検出コイル８を８の字コイルとすることで、基準検出部７の影響がない場合は、第１領域８ａに発生する磁界と第２領域８ｂに発生する磁界とが打ち消し合って出力が小さくなるのに対して、基準検出部７が、第１領域８ａから第２領域８ｂ、又は、第２領域８ｂから第１領域８ａにかけて順次移動する場合は、基準検出部７における電磁気特性の違いにより、各領域における磁界のバランスが崩れて出力に変化が現れる。この変化を検出することで、ロータ５の１周期の基準位置、すなわちＺ相を検出することができる。【００４５】
なお、基準検出コイル８は８の字コイルである必要はなく、基準検出部７における電磁気特性の変化を検出できるものであればよい。すなわち、例えば、リングコイル型の検出コイルを用いてもよい。また、基準検出コイルを配設する際の態様は、図４の場合に限らず他の態様であってもよい（図６及び図７を用いて詳細を後述する）。【００４６】
図４のロータ５及びステータ３の各コイルを用いた場合の出力結果について、図５を用いて説明する。図５は、図３における角度検出装置１を実際に動作させた場合の出力結果を示す図である。図５の場合において、ステータ３は図５（Ａ）の状態で枢軸６に固定されているとする。すなわち、１対の励磁コイル４ｂ，４ｄと１対の角度検出コイル４ａ，４ｃとを備え、励磁コイル４ｂの中央の領域に基準検出コイル８（８の字コイル）が配設されている。ロータ５は、ステータ３に対向して積層されて配設されており、枢軸６を中心として面に沿って回動する。ロータ５が回動する際の容易軸方向と基準検出部７の位置関係を図５（Ｂ）のグラフの下方に示す。ここでは、ロータ５が左方向に回転した場合の出力結果を示しており、基準検出部７としてスリットが形成されている。図５（Ｂ）のグラフにおいて、実線は角度検出コイル４ａ，４ｃの出力波形（ここでは、ｓｉｎ成分のみ）を示し、破線は基準検出コイル８の出力波形を示している。【００４７】
励磁コイル４ｂ，４ｄ及び角度検出コイル４ａ，４ｃの位置関係に応じて、図５の実線で示す正弦波が正確に検出されていることがわかる。そして、ロータ５に基準検出部７が形成されているにも関わらず、角度検出には何ら影響を及ぼしていないことが明らかである。【００４８】
また、上述したように、従来の特許文献１に示す角度検出装置１では、ロータ５が機械角で１回転する間に電気角が２回転分検出されることで、０度と１８０度との区別が困難になってしまう。ところが、本実施形態においては、図５（Ｂ）の破線で示すように、基準検出部７の位置がロータ５が１回転する間に１つのピークとして現れるので、０度と１８０度との区別を明確にして角度検出を正確に行うことが可能となっている。【００４９】
さらに、角度検出コイル４ａ，４ｃとは別個に基準検出コイル８を設けており、角度検出とＺ相の検出とを明確に区別して処理することで、より正確に角度検出及びＺ相の検出を行うことが可能となる。【００５０】
すなわち、本実施形態に係る角度検出装置１は、角度検出の精度を保ちつつ、回転角の基準となる基準位置を正確に特定することができる。【００５１】
（本発明の第２の実施形態）
本実施形態に係る角度検出装置について、図６及び図７を用いて説明する。図６及び図７は、基準検出部７及び基準検出コイル８を備える場合の他の態様を示す図である。図６において、基準検出コイル８が８の字コイルである点は図４の場合と同じであるが、８の字コイルの配設方向が異なる。すなわち、図４の場合は、基準検出部７が、第１領域８ａから第２領域８ｂ、又は、第２領域８ｂから第１領域８ａにかけて順次移動するように基準検出部７と８の字コイルとを対応付けて配設したが、図６の場合は、基準検出部７が、第１領域８ａ又は第２領域８ｂのいずれか一方のみのコイル上を移動するように、基準検出部７と８の字コイルとを対応付けて配設している。【００５２】
すなわち、基準検出部７が第１領域８ａ又は第２領域８ｂのいずれか一方のみのコイル上を移動することで、その電磁気特性の変化により第１領域８ａと第２領域８ｂとの磁界のバランスが崩れ、その変化を検出することで基準位置を特定することができる。【００５３】
図７は、さらに別の態様を示す図であり、図７（Ａ）において、基準検出コイル８が８の字コイルであり、基準検出部７が、第１領域８ａから第２領域８ｂ、又は、第２領域８ｂから第１領域８ａにかけて順次移動するように基準検出部７と８の字コイルとが配設されている点は同じであるが、８の字コイルが励磁コイル４ｂと角度検出コイル４ａとの間の領域と、励磁コイル４ｂと角度検出コイル４ｃとの間の領域との２箇所に配設されている点が異なる。【００５４】
つまり、図７（Ｂ）、（Ｃ）に示すように、図７（Ａ）における基準検出コイル８１と基準検出コイル８２との検出結果は位相が９０度ずれており、それぞれの検出結果を差し引くことで、図７（Ｄ）に示すようなプラスとマイナスのピークの組合せをロータ５の１回転につき１回検出することができる。すなわち、基準位置を正確に特定することができる。【００５５】
（本発明の第３の実施形態）
本実施形態に係る角度検出装置について、図８ないし図１０を用いて説明する。本実施形態に係る角度検出装置においては、基準検出コイルと鎖交するような磁界を発生させるための基準検出励磁コイルを備える。図８は、本実施形態に係る角度検出装置における基準検出部及び基準検出コイルを示す図である。図８（Ａ）は、ロータ５の上面概略図であり、図８（Ｂ）は、ステータ３における各コイルの上面概略図である。図８（Ａ）のロータ５は、図４の場合と同じ構成である。図８（Ｂ）のステータ３におけるコイルについては、基準検出コイル８と鎖交するような磁界を発生させるための楕円状の基準検出励磁コイル１０を新たに備える構成となっている。【００５６】
基準検出励磁コイル１０は、励磁コイル４ｂ，４ｄに影響がないように、励磁コイル４ｂ，４ｄとは異なる周波数で励磁電流が通電される。このとき、同期検波によりそれぞれの励磁電流を分離するようにしてもよい。基準検出コイル８は、基準検出励磁コイル１０による励磁磁界と鎖交することで、高出力でピークを検知することが可能となり、基準位置を特定することができる。【００５７】
基準検出励磁コイル１０を用いた場合の実際の出力結果について、図９を用いて説明する。図９（Ａ）の基準検出コイル８の出力結果において、実線はｓｉｎ成分の出力波形を示し、点線はｃｏｓ成分の出力波形を示し、破線は基準検出コイル８の出力波形を示す。図９（Ａ）に示すように、機械角１回転中にシャープなピークが３つ検出されている。この状態では基準位置を明確に特定することができない場合があるため、ここでは、基準検出コイル８の検出結果と、角度検出コイル４ａ又は４ｃの出力波形のうちの一つとを掛け算する。その結果を図９（Ｂ）に示す。基準検出コイル８の検出結果と角度検出コイル４ａ又は４ｃの出力波形とを掛け算することで、正のピークが１個になりＺ相として扱うことができる。【００５８】
なお、この場合、基準検出励磁コイル１０の有無に関わらず、基準検出コイル８の検出結果と角度検出コイル４ａ又は４ｃの出力波形とを掛け算することで、基準検出コイル８の出力結果を明確にすることができるが、特に、基準検出コイル８が配設されている励磁コイルが生成する相の出力波形と基準検出コイル８の検出結果とを掛け算することで、１つの明確な正のピークを検出することができる。【００５９】
基準検出コイル８と基準検出部７であるスリットの位置を図１０（Ａ）のように配置した場合の出力結果を図１０（Ｂ）に示す。図１０（Ａ）において、基準検出部７であるスリットが、基準検出コイル８の全体の領域ではなく半分の領域のみを含んで通過するように、基準検出部７及び基準検出コイル８が配置されている。このように配置した場合は、シャープな正のピークが角度検出コイル４ａ，４ｃの出力結果である正弦波２周期に１個出ているため，ロータ５の機械角１回転に１個信号を検出することができ、Ｚ相が生成されていることが分かる。【００６０】
なお、本実施形態に係る角度検出装置においては、双対原理の観点から基準検出励磁コイル１０をＺ相の検出用コイルとして機能させると共に、基準検出コイル８を励磁用コイルとして機能させても、上記と同様に明確なＺ相の検出が可能である。【００６１】
また、第１の実施形態の場合と同様に、基準検出コイル８は８の字コイルである必要はなく、基準検出部７における電磁気特性の変化を検出できるものであればよい。また、基準検出コイルを配設する際の態様は、図１０の場合に限らず、例えば第２の実施形態に示すような他の態様であってもよい。【００６２】
以上、上記各実施の形態で示したように、本発明に係る角度検出装置は、角度検出の精度を保ちつつ、回転角の基準となる基準位置、すなわちＺ相を正確に検出することができる。【００６３】
なお、本発明に係る角度検出装置は、低速で回転する場合や、例えば車のハンドルの角度を検出するような高々半回転〜数回転を時計方向、反時計方向に角度変化するようなものにも適用することができる。その場合、例えば、ロータ５の縁に１の突起構造を形成し、それを近接センサのような強磁性体が通過すると反応するセンサを複合化しておき（例えば、ハウジングの一部に多数巻きのリングコイルを設置し）、突起構造に近接するように配置し、突起構造が通過すればインダクタンスが増えて信号検出できるようにしてもよい。その際、角度検出装置１との共存性は、角度検出のコイルの外径よりロータ５の外径をやや大きくしておけば、ロータ５の突起が半径方向に対して影響を与えることはない。【００６４】
また、上記各実施形態においては、基準検出部７の長手方向が容易軸方向に沿って形成され、且つ、ロータ５の中心から放射方向に延びた矩形の長尺体として示されているが、例えば、図１１（Ａ）（Ｂ）に示すように、矩形以外の形状であってもよいし、図１１（Ｃ）（Ｄ）に示すように、ロータ５の中心から放射方向に延びた長尺体である必要はない。すなわち、角度検出の精度を下げるような要因になることなく、ロータ５における他の箇所と異なる電磁気特性を有する構造であればよい。つまり、ロータ５の一部にこのような基準検出部７が形成されたとしても、回転対称の状態となっている限りは、角度検出における全体の出力を下げるだけで、検出精度に何ら影響することはなく、形状や位置は任意に設計することが可能である。【００６５】
さらに、基準検出コイル８は、ステータ３の円板体に一体的に形成されるのが望ましいが、その際に、角度検出コイル４ａ，４ｃや励磁コイル４ｂ，４ｄと同時にプリント基板に形成されることで、２層基板でステータ３を作成することが可能となり、集積度を上げると共に、製造工程を簡素化することができる。
【実施例】
【００６６】
本発明に係る角度検出装置を用いた実験を行った。本実験においては、上記第３の実施形態に係る図８に示す角度検出装置をベースとする試作品を作成した。つまり、８の字の基準検出コイルの周囲に励磁のための方形状の基準検出励磁コイルを備えるものとした。図１２は、コイル及びロータの構造を示す図である。【００６７】
（１）実験条件
本実験で試作した角度検出装置は、高い粒子配向性を有する厚さ０．３ｍｍの電磁鋼板（あるいは珪素鋼板）からなる円板にスリットを形成したロータ、厚さ０．３ｍｍの無方向性電磁鋼板の円板からなるバックヨーク、及び、２つのセットコイル（励磁コイル及び検出コイルのセット）を有する。【００６８】
ロータは直径７６ｍｍのものを４つ作成し、スリット幅をそれぞれ１ｍｍ、２ｍｍ、３ｍｍ、及び、スリット無しとした。スリットの長さは１５．５ｍｍとし、ロータの中央から１７ｍｍ離れるものとした。２つのセットコイル、基準位置を検出するための８の字コイル、及び、８の字コイルと鎖交するような磁界を発生させるための励磁コイルである方形コイルは、２つの０．４ｍｍのプリント配線基板（ＰＣＢ）で作成した。【００６９】
第１及び第２のサイン出力、コサイン出力のそれぞれのコイルの巻き数は１０とし、方形コイルは５、８の字コイルは１０とした。セットコイルの外径は７５ｍｍとし、ロータとバックヨークの外径は７６ｍｍとした。８の字コイルのサイズは２１×１３ｍｍ、方形コイルのサイズは２７×１５ｍｍとした。ロータとコイルとが接触するのを避けるために、それらのギャップは２ｍｍとした。ロータの回転速度は、３０００回転／分（ｒｐｍ）とした。【００７０】
位相検波及び正弦波の電源としてロックインアンプを使用した。供給された正弦波電圧は、それぞれ、Ｐ１にｆ１＝１６ｋＨｚ、８０２ｍＶ、７９ｍＡとし、Ｐ２にｆ２＝７ｋＨｚ、７２５ｍＶ、７９ｍＡとし、Ｐ３にｆ３＝１０２ｋＨｚ、２９０ｍＶ、５６ｍＡとした。このような条件下で、最大のＺパルス出力と２つの正弦波出力が生成された。【００７１】
ロックインアンプの時定数はτ＝０．１ｍｓとし、ｆｃ＝１／２πτ＝１．６ｋＨｚのカットオフ周波数となる。Ｚパルス出力を得るために、ロックインアンプの位相器は一次コイルからの影響が最小となるように調整した。【００７２】
（２）実験結果
スリット幅が３ｍｍのロータを３０００ｒｐｍの速度で回転させたときの３種類の出力電圧（規格化後）を図１３（Ａ）に示す。実際の出力電圧は、検出コイルＳ１において２０．２ｍＶ、検出コイルＳ２において１５．６ｍＶ、Ｓ３の８の字コイルにおいて１．５ｍＶであった。図１３（Ａ）の時間幅は、ロータが１回転半した場合を示している。上記実施形態において説明したように、スリットが８の字コイルの上を通ったときにＺパルスが得られ、１回転ごとに急激な負方向の電圧が生じた直後に急激な正方向への電圧が得られた。８の字コイルは、コサイン波形を生成する検出コイルの中央に配設されており、この部分をスリットが通過する際には、回転対称となる位置におけるサイン波形を生成する検出コイルとその励磁コイルとの磁気結合が最大になり、このような位置関係によって、サイン波形の出力が最大になるときにＺパルスが出力される。すなわち、Ｚパルスは、常にサインフェーズ出力のピークと一緒に現れるため、図１３（Ｂ）に示すように、Ｚパルス出力とサインフェーズ出力を乗算することで容易に検出することが可能となる。つまり、Ｚパルス出力がサインフェーズ出力のピークで急峻に変化する。【００７３】
一方、スリット幅が２ｍｍの場合は、そのピーク電圧は他の出力電圧と同じぐらい小さかった。また、スリット幅が１ｍｍの場合は、そのピーク電圧は他の出力電圧よりも小さかった。それらは、サインフェーズ出力と乗算しても検出することができなかった。【００７４】
配向性を有する珪素鋼板は、市販品であり、その性質にはバラツキがあるが、複数のロータを用いて行った複数の実験結果は概ね同じとなった。また、配向性を有する珪素鋼板は、一軸性の磁気異方性を有する単結晶粒の集合体である。結晶粒のいくつかは、大部分の結晶粒の容易軸方向とはやや異なる容易軸方向を持つ場合があり、それらの通過は８の字コイルにより検出された。この誤った電圧は、スリット幅が１ｍｍ又は２ｍｍの場合は、スリットに対するＺパルス検出電圧に比べ大きくなる場合が認められた。しかし、スリット幅が３ｍｍの場合は、そのスリットにより生じたＺパルス出力の急激な電圧の変化を、誤動作を引き起こす誤った電圧と区別することができた。【００７５】
さらに、図１３（Ａ）に示すサイン波形の位相差は、ほぼπ／２となっている。図１３（Ａ）の２種類の出力電圧から、機械角２π区間の電気角を計算した結果を図１４（Ａ）に示す。−π／２からπ／２における電気角の値は、ロータが１回転する間に４回現れており、各直線におけるデータ数は同じである。このように、試作した角度検出装置は、機械角を正確に４つに分割した。【００７６】
傾斜部分の４つの直線の差は、±０．２％以内であり、π／２区間の機械角についてのデータの非直線性の誤差は平均して０．２２％−０．２７％の範囲であった。２つのサイン出力電圧に基づくπ／２区間の機械角に対応する±π／２区間の電気角を図１４（Ｂ）に示す。また、この機械角の区間において、図１４（Ｂ）のデータから算出した非直線性の誤差を図１４（Ｃ）に示す。この誤差算出の際には、フルスケールをπとした（これは±π／２の範囲となる）。３ｍｍ幅のスリットを有するロータを用いた角度検出装置に関して、算出データの直線性は良好である。【００７７】
スリット幅が１ｍｍ、２ｍｍ、３ｍｍ及びスリット無しの４種類のロータをそれぞれ４個ずつ用いて実験を行った。それらは、夫々異なる珪素鋼板のシートから作成されたものである。平均のデータを表１に示す。【００７８】
【表１】
2014038551.tif 000003
【００７９】
スリット幅が１ｍｍの場合と、スリットが無い場合はＺパルスが検出されなかった。表１によると、スリットを有するロータと有しないロータとの非直線性の誤差及び第３高調波歪はほとんど同じである。すなわち、２種類のサイン波形の出力を損なうことなくＺパルスを得ることが明らかとなった。
【符号の説明】
【００８０】
１  角度検出装置
２  バックヨーク
３  ステータ
４ａ，４ｃ  角度検出コイル
４ｂ，４ｄ  励磁コイル
５  ロータ
６  枢軸
７  基準検出部
８  基準検出コイル
１０  基準検出励磁コイル
【図１】
2014038551.tif 000004
【図２】
2014038551.tif 000005
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2014038551.tif 000009
【図７】
2014038551.tif 000010
【図８】
2014038551.tif 000011
【図９】
2014038551.tif 000012
【図１０】
2014038551.tif 000013
【図１１】
2014038551.tif 000014
【図１２】
2014038551.tif 000015
【図１３】
2014038551.tif 000016
【図１４】
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【国際調査報告】
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