(57)【要約】【課題】  ヨークを独立させて成形することにより、歩留まりの低減、高価で複雑なコイル巻機を廃しタクトタイムを短縮し、閉磁路を形成することで駆動時に発生する出力の誤差を抑えることを可能にした、回転角度センサの提供をすること。【解決手段】  回転角度センサ１は、Ｎ個の突極又はＮサイクルの正弦波状ギャップパーミアンスを有し、巻線を持たず磁性体で構成されたロータ１０と、励磁コイル２３と第一出力コイル２４ａまたは第二出力コイル２４ｂのいずれか一方をヨーク２１に巻き付け、ロータ１０の周囲に複数個配置する磁極ユニット２０と、を備え、磁気ユニット２０は、独立した閉磁路を形成する構成である。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｎ個の突極又はＮサイクルの正弦波状ギャップパーミアンスを有し、磁性体で構成されるロータと、
励磁コイルとＣＯＳ出力を得る第一出力コイルおよびＳＩＮ出力を得る第二出力コイルの少なくともいずれか一方とを直接的または間接的にヨークに巻き付け、前記ロータの周囲に複数個配置される磁極ユニットと、
を備える回転角度センサであって、
前記磁極ユニットは、独立した閉磁路を形成することを特徴とする回転角度センサ。
【請求項２】
Ｎ個の突極又はＮサイクルの正弦波状ギャップパーミアンスを有し、磁性体で構成されるロータと、
励磁コイルとＣＯＳ出力を得る第一出力コイルおよびＳＩＮ出力を得る第二出力コイルの少なくともいずれか一方とを直接的または間接的にヨークに巻き付け、前記ロータの周囲に複数個配置される磁極ユニットと、
を備える回転角度センサであって、
前記磁極ユニットは、非磁性体に固定されることを特徴とする回転角度センサ。    
【請求項３】
前記ヨークは、Ｕ字型形状を呈することを特徴とする請求項１または２に記載の回転角度センサ。
【請求項４】
前記磁極ユニットは、前記ヨークのＵ字型形状の開口部が前記ロータと対向するように配置されることを特徴とする請求項３に記載の回転角度センサ。
【請求項５】
前記励磁コイルと前記第一出力コイルと前記第二出力コイルとは、前記ヨークのＵ字型形状の屈曲部に巻き付けられることを特徴とする請求項３または４に記載の回転角度センサ。
【請求項６】
前記第一出力コイルおよび前記第二出力コイルの巻き数とが同数であることを特徴とする請求項１乃至５の何れか一項に記載の回転角度センサ。
【請求項７】
前記磁極ユニットは、前記ロータの回転軸から一定の距離に配置されることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の回転角度センサ。
【請求項８】
前記ロータは、巻き線を持たない構成で、
前記磁極ユニットは、（Ｎ×Ｙ）個配置されることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の回転角度センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は回転角度センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
磁性体ロータの外周を囲むように内側向きに３種類の巻き線が重ね巻きされた複数個のコイルを有するセンサを配置し、ロータ回転によるローターコイル間ギャップの変化をＳＩＮ状の電圧出力に変換するセンサにおいて、固定子に巻くコイル巻き数をＳＩＮ分布上に配するとともに、機械巻きを可能にした技術が開示されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
また、特許文献１に対し、出力コイルの巻き数を同じにすることにより、巻線工程を単純化した技術が開示されている（例えば、特許文献２参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第３１０３４８７号公報
【特許文献２】特開２００４−２５１７３３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来技術の特許文献１と特許文献２では、１枚の電磁鋼板からプレスにより成形した固定子を複数枚重ねることにより、磁極ユニットを含む固定子を成形するため、ロータを配置する内周部の電磁鋼板は使用されず、歩留まりが低い問題があった。また、固定子の内周に位置する複数の突起に対し、それぞれコイルを巻かなければならないため、特殊な巻線機が必要になると同時に、複雑な巻線工程が必要なため、タクトタイムが長くなる問題があった。また、ロータの外側にある固定子が磁気的に結合するため、隣り合うコイル同士による磁場干渉が発生し、出力に誤差が生じる問題があった。
【０００６】
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり電磁鋼板の歩留まりが高く、タクトタイムの短縮が可能で、磁場干渉を低減した回転角度センサ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】
上述の課題を解決するために講じた第一の課題解決手段は、Ｎ個の突極又はＮサイクルの正弦波状ギャップパーミアンスを有し、磁性体で構成されるロータと、励磁コイルとＣＯＳ出力を得る第一出力コイルおよびＳＩＮ出力を得る第二出力コイルの少なくともいずれか一方とを直接的または間接的にヨークに巻き付け、前記ロータの周囲に複数個配置される磁極ユニットと、を備える回転角度センサであって、前記磁極ユニットは、独立した閉磁路を形成していることである。
【０００８】
第二の課題解決手段は、Ｎ個の突極又はＮサイクルの正弦波状ギャップパーミアンスを有し、磁性体で構成されるロータと、励磁コイルとＣＯＳ出力を得る第一出力コイルおよびＳＩＮ出力を得る第二出力コイルの少なくともいずれか一方とを直接的または間接的にヨークに巻き付け、前記ロータの周囲に複数個配置される磁極ユニットと、を備える回転角度センサであって、前記磁極ユニットは、非磁性体に固定されることである。
【０００９】
また、第三の課題解決手段は、前記ヨークは、Ｕ字型形状を呈することである。
【００１０】
また、第四の課題解決手段は、前記磁極ユニットは、前記ヨークのＵ字型形状の開口部が前記ロータと対向するように配置されることである。
【００１１】
また、第五の課題解決手段は、前記励磁コイルと前記第一出力コイルと前記第二出力コイルとは、前記ヨークのＵ字型形状の屈曲部に巻き付けられることである。
【００１２】
また、第六の課題解決手段は、前記第一出力コイルおよび前記第二出力コイルの巻き数とが同数であることである。
【００１３】
また、第七の課題解決手段は、前記磁極ユニットは、前記ロータの回転軸から一定の距離に配置されることである。
【００１４】
また、第八の課題解決手段は、前記ロータは、巻き線を持たない構成であり、前記磁極ユニットは、（Ｎ×Ｙ）個配置されることである。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、本発明の回転角度センサは複数の個別の磁極ユニットから構成されているため、この磁極ユニットを構成するヨークが構成される電磁鋼板の歩留まりを高めることができる。また、磁極ユニットが独立することで、各磁極ユニットが独立した閉磁路を形成し、隣り合う磁極ユニットへの磁場干渉が低減して、回転角度の検出精度が向上する。
【００１６】
また、複数の磁極ユニットを独立して設けることで、ヨークを構成する電磁鋼板の歩留まりを高めることができる。そして、磁極ユニットは、非磁性体に固定されるため、各磁極ユニットが独立した閉磁路を形成し、隣り合う磁極ユニットへの磁場干渉が低減して、回転角度の検出精度が向上する。
【００１７】
また、ヨークはＵ字型形状を呈するため、特殊な巻き線機を用いず、ヨークを回転して、励磁コイルと出力コイルを巻き取ることができる。また、巻線時のコイル線の供給テンションと軸方向の送りピッチを正確にでき、コイル占積率が安定する整列巻きが可能になる。そのため、コイル占積率のばらつきに起因する出力変動が低減し、回転角度の検出精度が向上する。
【００１８】
また、磁極ユニットは、ヨークのＵ字型形状の開口部がロータと対向するように配置されるため、Ｕ字型形状のヨークの両端部とロータとの間のギャップが変化して、第一出力コイルと第二出力コイルに発生するＣＯＳ波形とＳＩＮ波形の２出力を比較することで、ロータの角度の検出が可能になる。
【００１９】
また、励磁コイルと第一出力コイルと第二出力コイルとは、ヨークのＵ字型形状の屈曲部に巻き付けられるため、特殊な巻き線機を用いず、ヨークを回転して、励磁コイルと第一出力コイルと第二出力コイルとを巻き取ることができる。また、巻線時のコイル線の供給テンションと軸方向の送りピッチを正確にでき、コイル占積率が安定する整列巻きが可能になる。そのため、回転角度センサの駆動時にコイルから発生するインピーダンスが低減して、出力が向上する。
【００２０】
また、第一出力コイルおよび第二出力コイルの巻き数とが同数であるため、第一出力コイルが巻かれるヨークと第二出力コイルが巻かれるヨークとに対し同時に出力コイルを巻くことが可能で、タクトタイムが低減する。
【００２１】
また、ロータの回転軸から一定の距離に独立した磁極ユニットを複数個配置するため、電磁鋼板の歩留まりを高めることができる。また、磁極ユニットが独立することで、各磁極ユニットが独立した閉磁路を形成し、隣り合う磁極ユニットへの磁場干渉が低減して、回転角度の検出精度が向上する。
【００２２】
また、前記ロータは、巻き線を持たない構成であり、前記磁極ユニットは、（Ｎ×Ｙ）個配置されることで、電磁鋼板の歩留まりを高めることができる。また、磁極ユニットが独立することで、各磁極ユニットが独立した閉磁路を形成し、隣り合う磁極ユニットへの磁場干渉が低減して、回転角度の検出精度が向上する。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明における回転角度センサの構成図である。
【図２】本発明における磁極ユニットの構成図である。
【図３】本発明における磁極ユニットのＡ−Ａ断面図である。
【図４】本発明における各コイルの配線図である。
【図５】本発明における回転角度センサの出力結果の一例である。
【図６】従来構造における回転角度センサの構成図である。
【図７】従来構造における回転角度センサに対し、磁場解析を行った結果のグラフである。
【図８】本発明における回転角度センサに対し、磁場解析を行った結果のグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本実施の形態について図面を参照しつつ詳細に説明する。
【００２５】
図１は、本発明における回転角度センサ１の構成図である。本実施例にかかる回転角度センサ１は、Ｎ個の突極又は、Ｎサイクルの正弦波状ギャップパーミアンスを有し、磁性体で構成される楕円形状のロータ１０と、励磁コイル２３とＣＯＳ出力を得る第一出力コイル２４ａまたはＳＩＮ出力を得る第二出力コイル２４ｂの少なくともいずれか一方のコイル２２とをヨーク２１に巻き付け、ロータ１０の回転軸から一定の距離に（Ｎ×Ｙ）個（Ｙは４以上の整数）配置される磁極ユニット２０とを備えている。すなわち、磁極ユニット２０はロータ１０の周囲（ロータ１０の外周外側）に配置されている。
【００２６】
本実施例では、Ｎ＝２、Ｙ＝４としたため、配置する磁極ユニット２０の数は８個となるが、ＮとＹの数を変えることで、ロータ１０の形状と磁極ユニット２０の数を変えて設計することが可能である。また、Ｙの値が増加すれば磁極ユニットの数が増加するため、出力精度も向上する。また、ヨーク２１に対し、巻き線を直接的に巻く場合でも、ヨーク２１を樹脂材によるボビンで被ってボビンの外周に間接的に巻き線を巻く場合でも同様の効果が得られる。また、ヨーク２１と励磁コイル２３に対し、第一出力コイル２４ａと第二出力コイル２４ｂとを両方巻回した場合、第一出力コイル２４ａのみを巻回した場合、第二出力コイル２４ｂのみを巻回した場合でも同様の効果を得ることが可能である。なお、複数の磁極ユニット２０は、ロータ１０の円周外側であって、ロータ１０の回転軸から一定の距離に着脱可能に配置されてもよいし、それぞれが固定した状態で配置されてもよい。また、止め具２５の固定方法としては、穴部を用いてネジやナットを用いて固定する方法、固定する部材に止め具２５をはめ込み固定する方法などが、用いられる。
【００２７】
図２は、本発明における磁極ユニット２０の構成図である。本発明で用いる磁極ユニット２０は、Ｕ字型形状をしたヨーク２１と、ヨーク２１の屈曲部２７に巻回されるコイル２２（励磁コイル２３と第一出力コイル２４ａ（または第二出力コイル２４ｂ））と、ヨーク２１の端部に止め具２５とを備えている。磁極ユニット２０は、上述した止め具２５の固定方法により、図４に示されるように、開口部２６がロータ１０と対向するように配置される。本実施例のヨーク２１はプレスした電磁鋼板を１２枚重ね、溶接などにより一体化した構成である。なお、本実施例ではヨーク２１の形状をＵ字型形状と表現しているが、Ｕ字型形状にはＣ字型、コ字型、馬蹄形型などの形状を含む。
【００２８】
図３は、本発明における磁極ユニット２０のＡ−Ａ断面図である。まず、ヨーク２１の屈曲部２７に励磁コイル２３を巻き、その上に第一出力コイル２４ａ（または第二出力コイル２４ｂ）が巻回される構造になっている。また、各ヨーク２１に巻かれた励磁コイル２３および第一出力コイル２４ａ（または第二出力コイル２４ｂ）の巻き数、巻き方の例を表１に示す。
【００２９】
表１において、ヨーク名の（Ａ）〜（Ｈ）については後述する図４における（Ａ）〜（Ｈ）と対応する。表１におけるマイナス表記は、マイナス表記をしていない巻き数におけるコイルの巻き方向に対して逆巻きを意味している。表１における「出力コイル巻き数」の「ＣＯＳ」、「ＳＩＮ」は、それぞれいわゆる「ＣＯＳ巻線」、「ＳＩＮ巻線」を意味し、本実施形態においてはそれぞれ、ＣＯＳ出力を得る第一出力コイル２４ａ、ＳＩＮ出力を得る第二出力コイル２４ｂに対応する。
【００３０】
なお、コイルの巻き数を、誘導起電圧分布が各々正弦波分布となるような分布巻き（そのコイルの巻き数も正弦波分布状となる）としてもよく、このような分布巻きにおいても、本実施例と同様の効果が得られる。
【表１】
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【００３１】
図４は、本発明における励磁コイル２３と第一出力コイル２４ａと第二出力コイル２４ｂの配線図である。励磁コイル２３は電気的に直列に接続されている。また、図４における複数の磁極ユニット２０及びヨーク２１のそれぞれに対して、図４に示すように（Ａ）〜（Ｈ）の符号を付して説明する。ヨーク２１（Ｃ）とヨーク２１（Ｅ）とヨーク２１（Ｇ）とヨーク２１（Ａ）のそれぞれに巻かれる第一出力コイル２４ａは、図４に示すように電気的に直列に接続される。同様に、ヨーク２１（Ｂ）とヨーク２１（Ｄ）とヨーク２１（Ｆ）とヨーク２１（Ｈ）のそれぞれに巻かれる第二出力コイル２４ｂも図４に示すように電気的に直列に接続される。
【００３２】
図５は本発明における回転角度センサの出力結果の一例である。図５（Ｉ）は第一出力コイル２４ａによる出力結果の一例、図５（ＩＩ）は第二出力コイル２４ｂによる出力結果の一例である。横軸は、ロータ１０の回転角度θを表し、縦軸は第一出力コイル２４ａと第二出力コイル２４ｂから得られる電圧値Ｖを示す。
【００３３】
次に本発明の動作について説明を行う。
【００３４】
上記の構成において、励磁コイル２３には、例えば１０ｋＨｚ、１０Ｖの正弦波電圧が励磁される。ロータ１０が回転することで、ロータ１０と、ロータ１０の回転軸から一定の距離に配置されている磁極ユニット２０のヨーク２１と、の間のギャップが変化する。そうすると、ヨーク２１の磁気抵抗が変化し、第一出力コイル２４ａと第二出力コイル２４ｂに発生する出力電圧が正弦波状に変化する。第一出力コイル２４ａと第二出力コイル２４ｂは、機械角で４５°変化させて配置しているため、軸倍角２Ｘである本構造は、図５のように位相が９０°変化して出力する。それにより、得られるＣＯＳ波形とＳＩＮ波形の２出力を比較することで、ロータ１０の角度を検出が可能となる。
【００３５】
ここで、従来構造と本発明の磁場解析結果について説明する。
【００３６】
図６は、従来構造の回転角度センサ３０である。ロータ４０と固定子５０と固定子５０の内周に突起した１４個の磁極ユニット５１を備えている。それぞれの位置には（ａ）〜（ｎ）の符号を付して説明する。また、磁極ユニット５１は、励磁コイル５３と第一出力コイル５４ａおよび第二出力コイル５４ｂの少なくともいずれか一方とであるコイル５２を備えている。
【００３７】
図７は、図６の従来構造における回転角度センサ３０に対し、磁場解析を行った結果のグラフである。解析は磁極ユニット５１（ｇ）にのみコイル５２を巻いて実施した。横軸は磁極ユニット、縦軸は鎖交磁場を示す。磁極ユニット５１は固定子５０と磁気的に繋がっているため、磁極ユニット５１（ｇ）と隣り合う磁極ユニット５１（ｆ）と磁極ユニット５１（ｈ）に対し、それぞれ８％程度の磁束漏れがあった。また、磁極ユニット５１（ａ）〜（ｎ）全体では５２．４％程度の磁束漏れがあった。
【００３８】
図８は、本発明における回転角度センサ１に対し、磁場解析を行った結果のグラフである。解析は図４における磁極ユニット２０（Ｄ）にのみコイル２２を巻いて実施した。横軸は磁極ユニット、縦軸は鎖交磁場を示す。磁極ユニット２０は磁気的に独立しているため、磁極ユニット２０（Ｄ）と隣り合う磁極ユニット２０（Ｃ）と磁極ユニット２０（Ｅ）に対し、それぞれ０．３％程度に磁束漏れを抑えることができた。また、磁極ユニット２０（Ａ）〜（Ｈ）全体では０．６５％程度に磁束漏れを抑えることができた。
【００３９】
本実施例のように磁極ユニット２０を独立させて成形することで、電磁鋼板の歩留まりが高まり、コスト低減が可能になる。また、ヨーク２１はＵ字型形状を呈しているため、ヨーク２１を回転させることでコイル２２を巻くことができる。また、巻線時のコイル線の供給テンションと軸方向の送りピッチを正確にでき、コイル占積率が安定する整列巻きが可能になる。そのため、コイル占積率のばらつきに起因する出力変動が低減し、回転角度の検出精度が向上する。また、コイル２２の巻き方は順方向と逆方向の２種類、巻き数が等しいことから、励磁コイル２３と第一出力コイル２４ａまたは第二出力コイル２４ｂの少なくともいずれか一方を複数のヨーク２１に対して、同種の巻き方のコイルを同時に巻くことができるため、タクトタイムを短縮することが可能になる。
【００４０】
また、複数ある磁極ユニット２０を固定する部材として、アルミなどの非磁性体金属、または樹脂などの非磁性体の部材を用いることが可能である。上記のような非磁性体の部材に固定することにより、磁束の漏れを抑えることができ、磁極ユニット２０はそれぞれが磁気的に独立するため、回転角度センサ１駆動時に発生する磁束漏れによる誤差を防止することが可能になる。
【００４１】
また、磁極ユニット２０は、ヨーク２１のＵ字型形状の開口部２６がロータ１０と対向するように配置されており、Ｕ字型形状のヨーク２１の両端部とロータ１０との間のギャップが変化して、第一出力コイル２４ａと第二出力コイル２４ｂとにそれぞれＣＯＳ波形とＳＩＮ波形との２出力が発生する。このＣＯＳ波形の信号とＳＩＮ波形の信号とを比較・処理等することで、ロータ１０の回転角度の検出が可能になる。
【００４２】
また、励磁コイル２３、第一出力コイル２４ａ、第二出力コイル２４ｂは、上述したようにヨーク２１のＵ字型形状の屈曲部２７に巻き付けられるため、特殊な巻き線機を用いず、ヨーク２１を回転させて励磁コイル２３と第一出力コイル２４ａと第二出力コイル２４ｂとを巻き取ることで、励磁コイル２３、第一出力コイル２４ａ、第二出力コイル２４ｂをヨーク２１へ巻回させることができる。
【符号の説明】
【００４３】
１・・・回転角度センサ
１０・・・ロータ
２０・・・磁極ユニット
２１・・・ヨーク
２３・・・励磁コイル
２４ａ・・・第一出力コイル
２４ｂ・・・第二出力コイル
２６・・・開口部
２７・・・屈曲部
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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