(57)【要約】【課題】永久磁石を用いない位置センサでロータ位置を精度よく検出する。【解決手段】位置センサ１Ｆは、シャフト５に固定されたロータ２の回転によるインダクタンスの変化に基づきロータ位置を検出する。筒状のステータ３Ｆは、内周面から回転中心Ｃに向かって突設されて互いに対向配置された一対の主磁極３１からなる磁極対３２Ａ，３２Ｂを複数組有する。ロータ２は、基準円筒面２０ａから径方向外側へ突設された少なくとも一対の凸極２１を有する。また、位置センサ１Ｆは、各磁極対３２Ａ，３２Ｂの夫々の主磁極３１に連続して巻回されたコイルからなるコイル対を有する。さらに、ステータ３Ｆは、主磁極３１の径方向内側の端面３１ｃから当該端面３１ｃと対向する基準円筒面２０ａまでの第一長さＤ１が、主磁極３１の周方向外側の縁部３１ｄから当該縁部３１ｄと周方向に隣接する部位３１ｄまでの第二長さＤ２よりも短い。【選択図】図２
2019032202.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シャフトに固定されたロータの回転によるインダクタンスの変化に基づいて、ステータに対する前記ロータの回転位置を検出する位置センサであって、
筒状に形成され、前記シャフトの回転中心と同心に配置されるとともに、内周面から前記回転中心に向かって突設されて互いに対向配置された一対のステータ磁極からなる磁極対を複数組有する前記ステータと、
前記回転中心からの距離が一定の基準円筒面から径方向外側へ突設された少なくとも一対の凸極を有する前記ロータと、
直流電源に接続されて所定の各組の前記磁極対における夫々の前記ステータ磁極に巻回されたコイルからなるコイル対と、を備え、
前記ステータは、前記ステータ磁極の径方向内側の端面から当該端面と対向する前記基準円筒面までの第一長さが、周方向に隣接する前記ステータ磁極間の第二長さよりも短い
ことを特徴とする、位置センサ。
【請求項２】
前記ステータ磁極には、前記内周面から前記回転中心に向かって延設されたティースと、前記ティースの径方向内側の端部において周方向両側へ延設された羽根とを有するとともに前記コイルが巻回される主磁極が含まれ、
前記羽根は、前記ロータに対向する端面が前記基準円筒面に沿うように湾曲形成されている
ことを特徴とする、請求項１記載の位置センサ。
【請求項３】
前記ロータの前記凸極は、前記ロータの軸方向視で、各対の各々の凸極同士が前記回転中心に関して点対称位置である
ことを特徴とする、請求項１又は２記載の位置センサ。
【請求項４】
前記ステータ磁極には、前記コイルが巻回される主磁極と、前記コイルが巻回されない補助磁極とが含まれ、
前記補助磁極は、各々の前記主磁極の周方向両側に位置し、
前記第二長さは、周方向に隣接する前記主磁極と前記補助磁極との間隔である
ことを特徴する、請求項１〜３のいずれか１項に記載の位置センサ。
【請求項５】
前記ロータは、永久磁石以外の磁性体で形成されている
ことを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の位置センサ。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の位置センサと、
前記シャフトと一体回転し、永久磁石を有さないモータロータと、
ハウジングに固定され、永久磁石を有さないモータステータと、を備えた
ことを特徴とする、モータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、モータのロータ回転位置を検出するインダクタンス式の位置センサと、この位置センサを備えたモータとに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、モータ（特にブラシレスモータ）には、その回転数や回転角度（回転位置）を検出するための検出器（センサ）が付設される。検出器としては、例えば、モータのロータに備えた永久磁石の磁束によりロータの回転位置を検出するホールセンサがある（例えば特許文献１参照）。ホールセンサを備えたブラシレスモータでは、ホールセンサからの出力信号に基づきロータの回転位置を特定し、最適なタイミングで電流を流すことでロータを回転させている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第２６３９５２１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、ホールセンサと永久磁石とを用いた位置検出手段の場合、磁石の強度（堅牢性）が鉄などの金属に比べて低いことに加え、磁石の加工精度を高めにくいことから、重量バランスの調整や回転軸への固定などに工夫が必要となる。そのため、このような位置検出手段を高速回転にも耐えうるように構成すると、製造コストが嵩むおそれがある。また、ホールセンサのような電子部品は高温環境に弱いものが多く、自動車のエンジン周辺のような高温環境下では使用できない場合がある。さらに、永久磁石を使用しないモータ（例えばスイッチトリラクタンスモータ、以下「ＳＲモータ」という）は、マグネットレスにより高い堅牢性や耐熱性といったメリットを有しているが、このＳＲモータに永久磁石を用いた位置検出手段を装備してしまうと、せっかくのメリットが失われてしまうという課題がある。
【０００５】
また、ロータの回転によるインダクタンスの変化に基づいてロータの回転位置（以下「ロータ位置」という）を検出するセンサの場合、インダクタンスに重畳するノイズの影響によって誤検出を招くおそれがある。そのため、インダクタンスにノイズが重畳していても、正しいインダクタンスの変化を取得できるような、ノイズに強いセンサ構造の開発が望まれている。
【０００６】
本件は、このような課題に鑑み案出されたもので、ステータに対するロータの回転位置を、永久磁石を用いない位置センサによって精度よく検出することを目的の一つとする。また、本件のモータは、永久磁石を用いない位置センサによって回転位置を検出することで、マグネットレスのメリットを活かすことを目的の一つとする。なお、これらの目的に限らず、後述する発明を実施するための形態に示す各構成により導かれる作用効果であって、従来の技術によっては得られない作用効果を奏することも本件の他の目的である。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
（１）ここで開示する位置センサは、シャフトに固定されたロータの回転によるインダクタンスの変化に基づいて、ステータに対する前記ロータの回転位置を検出する位置センサであって、筒状に形成され、前記シャフトの回転中心と同心に配置されるとともに、内周面から前記回転中心に向かって突設されて互いに対向配置された一対のステータ磁極からなる磁極対を複数組有する前記ステータと、前記回転中心からの距離が一定の基準円筒面から径方向外側へ突設された少なくとも一対の凸極を有する前記ロータと、直流電源に接続されて所定の各組の前記磁極対における夫々の前記ステータ磁極に巻回されたコイルからなるコイル対と、を備え、前記ステータは、前記ステータ磁極の径方向内側の端面から当該端面と対向する前記基準円筒面までの第一長さが、周方向に隣接する前記ステータ磁極間の第二長さよりも短い。
【０００８】
（２）前記ステータ磁極には、前記内周面から前記回転中心に向かって延設されたティースと、前記ティースの径方向内側の端部において周方向両側へ延設された羽根とを有するとともに前記コイルが巻回される主磁極が含まれ、前記羽根は、前記ロータに対向する端面が前記基準円筒面に沿うように湾曲形成されていることが好ましい。
（３）前記ロータの前記凸極は、前記ロータの軸方向視で、各対の各々の凸極同士が前記回転中心に対して点対称位置であることが好ましい。
【０００９】
（４）前記ステータ磁極には、前記コイルが巻回される主磁極と、前記コイルが巻回されない補助磁極とが含まれ、前記補助磁極は、各々の前記主磁極の周方向両側に位置し、前記第二長さは、周方向に隣接する前記主磁極と前記補助磁極との間隔であることが好ましい。なお、この場合、前記コイル対を構成する二つの前記コイルは、前記回転中心から各々の前記主磁極を見たときの巻回方向が互いに同一であることが好ましい。
【００１０】
（５）前記ロータは、永久磁石以外の磁性体で形成されていることが好ましい。
（６）また、ここで開示するモータは、上記（１）〜（５）のいずれか一つに記載の位置センサと、前記シャフトと一体回転し、永久磁石を有さないモータロータと、ハウジングに固定され、永久磁石を有さないモータステータと、を備えている。
【発明の効果】
【００１１】
開示の位置センサによれば、コイルが巻回された磁極から周方向に隣接する部位へ漏れる磁束の量を低減できるため、インダクタンスをロータの回転に依存して変化させことができる。つまり、ロータの回転位置に応じてインダクタンスが変化することになるため、ノイズに強い信号を取得することができ、ロータの回転位置を精度よく検出することができる。したがって、永久磁石を有しないロータを用いて、精度よくステータに対するロータ位置を検出することができる。
また、開示のモータによれば、永久磁石を用いない位置センサによって回転位置を検出することで、マグネットレスのメリットを活かすことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】第一実施形態に係る位置センサの磁気回路部を軸方向から見た模式図である。
【図２】図１の磁気回路部の部分拡大図である。
【図３】図１に示す位置センサの電気回路部を例示する図である。
【図４】実施形態に係るモータを例示する模式的な分解斜視図である。
【図５】ロータの回転によって変化するインダクタンスと、スイッチングにより変化するシャント電圧と、処理部で行われる信号処理の内容とを併せて例示する図であり、機械角９０度の範囲を示す。
【図６】図１に示す磁気回路部に生じる磁束の流れを説明するための図である。
【図７】図１に示す位置センサの変形例の磁気回路部を軸方向から見た模式図である。
【図８】第二実施形態に係る位置センサの磁気回路部を軸方向から見た模式図である。
【図９】図８の磁気回路部の部分拡大図である。
【図１０】（ａ）は図９に示す磁気回路部に生じる磁束の流れを説明するための図であり、（ｂ）は比較例に係る磁気回路部に生じる磁束の流れを説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
図面を参照して、実施形態としての位置センサ及びモータについて説明する。以下に示す実施形態はあくまでも例示に過ぎず、以下の実施形態で明示しない種々の変形や技術の適用を排除する意図はない。本実施形態の各構成は、それらの趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。また、必要に応じて取捨選択することができ、あるいは適宜組み合わせることができる。
【００１４】
〈１．第一実施形態〉
［１−１．構成］
図１は、第一実施形態に係る位置センサ１Ｆをシャフト５（回転軸）の軸方向から見た（軸方向視の）模式図である。本実施形態の位置センサ１Ｆは、永久磁石を有しないものであり、シャフト５に固定されたロータ２の回転によるインダクタンスＬの変化に基づいて、ステータ３Ｆに対するロータ２の回転位置（以下「ロータ位置」という）を検出する。
【００１５】
本実施形態では、ロータ２が一回転すると（機械角３６０度のあいだに）２パルスを出力する位置センサ１Ｆを例示する。すなわち、本実施形態の位置センサ１Ｆは、ロータ位置が、機械角３６０度を４等分した９０度ごとの範囲（例えば０〜９０度，９０〜１８０度，１８０〜２７０度，２７０〜３６０度の４つの範囲）のうち、第一及び第三の範囲（０〜９０度及び１８０〜２７０度）に属するのか、あるいは、第二及び第四の範囲（９０〜１８０度及び２７０〜３６０度）に属するのかを検出（特定）する。なお、ロータ２の一回転でのパルス数は２パルスに限られない。この変形例については後述する。
【００１６】
位置センサ１Ｆは、例えば図４に示すようなモータ９に組み込まれる。モータ９は、永久磁石を有していないスイッチトリラクタンスモータ（以下「ＳＲモータ９」という）であり、図示しないハウジングに固定されるモータステータ９Ａと、シャフト５と一体回転するモータロータ９Ｂとを備えている。なお、図４では、位置センサ１Ｆのロータ２とステータ３Ｆとを分解して示すとともに、ＳＲモータ９のモータステータ９Ａ及びモータロータ９Ｂも分解して示す。モータステータ９Ａには四つのモータティース部９Ｃが設けられており、各モータティース部９Ｃにはインシュレータ９Ｄを介してモータコイル９Ｅが巻回されている。
【００１７】
位置センサ１Ｆは、ＳＲモータ９のシャフト５上に配置され、ステータ３Ｆがハウジングに固定されるとともにロータ２がシャフト５に固定される。位置センサ１Ｆは、図１に示す磁気回路部１Ｆｍと図３に示す電気回路部１ｅとから構成され、ロータ位置を検出することで、ＳＲモータ９の回転位置（モータ回転角度）を検出する。磁気回路部１Ｆｍは、ロータ２，ステータ３Ｆ及び二組のコイル対４Ａ，４Ｂを有し、電気回路部１ｅは、処理部６及び励磁回路１０を有する。なお、後述するように、コイル対４Ａ，４Ｂは励磁回路１０にも含まれる要素である。本実施形態のロータ２は、永久磁石以外の磁性体（例えばケイ素鉄やソフトフェライトのような強磁性かつ軟磁性の材料）で形成されている。磁性体は強磁性かつ軟磁性であるとよい。
【００１８】
図１に示すように、ロータ２は、シャフト５の回転中心Ｃからの距離が一定の円筒部２０と、円筒部２０の基準円筒面２０ａから径方向外側へ突設された一対の凸極２１とを有する。一対の凸極２１は同一形状をなし、周方向に互いに１８０度ずれて設けられる。すなわち、各々の凸極２１同士は、軸方向視で、回転中心Ｃに関して点対称位置である。本実施形態の凸極２１は、軸方向視で基準円筒面２０ａに沿う円弧状であり、凸極２１の周方向における両端には角部が設けられる。なお、凸極２１の形状は図１に示すものに限られない。本実施形態のＳＲモータ９は、図４に示すように、ロータ２とモータロータ９Ｂとが同一のシャフト５に固定されており、ロータ２の凸極２１とモータロータ９Ｂの凸極９１とが位相差を保って回転するように配置されている。すなわち、本実施形態のＳＲモータ９は一対の凸極９１を有する二相ＳＲモータである。
【００１９】
図１に示すように、ステータ３Ｆは環状（筒状）に形成されており、シャフト５の回転中心Ｃと同心に配置される。本実施形態のステータ３Ｆは、軸方向視で円環状の筒部３０と、筒部３０の内周面３０ａから回転中心Ｃに向かって（すなわち径方向内側へ）突設されて互いに対向配置された一対の磁極３１（主磁極，ステータ磁極）からなる磁極対３２を複数組有する。本実施形態では、周方向に互いに９０度ずれて配置された二組の磁極対３２を有するステータ３Ｆを例示する。以下、二組の磁極対３２のうちの一方を第一磁極対３２Ａと呼び、他方を第二磁極対３２Ｂと呼ぶ。なお、四つの磁極３１は、全て同一形状に形成されている。
【００２０】
本実施形態では、二組の磁極対３２Ａ，３２Ｂが位相を９０度ずらして配置される。つまり、ステータ３Ｆには、同一形状の四つの磁極３１が周方向に互いに９０度ずれて（すなわち等間隔に）配置される。各磁極３１は、ステータ３Ｆの内周面３０ａから回転中心Ｃに向かって延設されたティース３１ａと、ティース３１ａの径方向内側の端部において周方向両側へ延設された羽根３１ｂとを有し、軸方向視で略Ｔ字状をなす。羽根３１ｂは、ティース３１ａの径方向内側の端部から羽根状に広がった壁部であり、ロータ２に対向する端面がロータ２の基準円筒面２０ａに沿うように湾曲形成されている。ティース表面とコイル対４Ａ，４Ｂとはインシュレータ（図示略）により電気的に絶縁される。
【００２１】
図２に示すように、本実施形態のステータ３Ｆは、以下の関係〔１〕及び〔２〕をともに満たす形状に形成されている。
〔１〕第一長さＤ１＜第二長さＤ２
〔２〕ティース幅Ｗ１＜羽根幅Ｗ２
【００２２】
第一長さＤ１は、磁極３１の径方向内側の端面３１ｃから、この端面３１ｃと対向する基準円筒面２０ａまでの距離（径方向長さ）である。また、第二長さＤ２は、磁極３１の周方向外側の縁部３１ｄから、この縁部３１ｄと周方向に隣接する部位（本実施形態では、隣接する磁極３１の縁部３１ｄ）までの距離である。本実施形態のステータ３Ｆは、四つの磁極３１が周方向に等間隔に配置されていることから、周方向に隣接する磁極３１間（縁部３１ｄ間）の周方向長さが第二長さＤ２となる。
【００２３】
また、ティース幅Ｗ１はティース３１ａの突設方向に直交する方向の長さ（幅）であり、羽根幅Ｗ２は羽根３１ｂにおけるティース幅Ｗ１と平行な方向の長さ（幅）である。なお、本実施形態では、ステータ３Ｆ及びロータ２との関係が、第一長さＤ１が円筒部２０の径方向長さＤ３と略同等か径方向長さＤ３よりもやや短くなるように設定されている。径方向長さＤ３は、ロータ２に必要な強度を確保できる値に設定される。なお、第一長さＤ１と径方向長さＤ３との関係はこれに限られない。
【００２４】
二組のコイル対４Ａ，４Ｂは、電流が印加される入力コイルであり、各磁極対３２Ａ，３２Ｂのそれぞれの対向する磁極３１に互いに反対方向に巻回されたコイルからなる。具体的には、第一のコイル対４Ａ（以下「第一コイル対４Ａ」ともいう）は、第一磁極対３２Ａの一方の磁極３１に対して巻回されたコイル４１ａと、他方の磁極３１に対して巻回されたコイル４２ａとから構成される。同様に、第二のコイル対４Ｂ（以下「第二コイル対４Ｂ」ともいう）は、第二磁極対３２Ｂの一方の磁極３１に対して巻回されたコイル４１ｂと、他方の磁極３１に対して巻回されたコイル４２ｂとから構成される。コイル４１ａ，４２ａは、通電時に互いに反対磁極となるように巻回される。図１のように直列接続で連続して巻回される場合、コイル４１ａ，４２ａは回転中心Ｃから各磁極３１を見たときの巻回方向が互いに反対であり、コイル４１ｂ，４２ｂも同様に巻回方向が互いに反対である。なお、隣り合うコイル４１ａ及び４１ｂの巻回方向は同一でもあってもよいし、反対であってもよい。また、これら全てのコイル４１ａ，４２ａ，４１ｂ，４２の巻数は同一である。
【００２５】
本実施形態では、ロータ２の回転により変化するインダクタンスＬを、図３に示す電気回路部１ｅにより検出する。図３に示すように、本実施形態の電気回路部１ｅの励磁回路１０には、直流電源１１と、スイッチ１２と、上記した二組のコイル対４Ａ，４Ｂと、二つの抵抗１３Ａ，１３Ｂと、ダイオード１４と、二つの出力端子１５Ａ，１５Ｂとが設けられる。スイッチ１２は各コイル対４Ａ，４Ｂへの電流のオンオフを切り替えるものであり、直流電源１１に対して直列に接続される。二組のコイル対４Ａ，４Ｂは互いに並列接続されるとともに、いずれも直流電源１１に対して直列に接続される。また、二つの抵抗１３Ａ，１３Ｂのそれぞれは、各コイル対４Ａ，４Ｂに対して直列に接続される。ダイオード１４は直流電源１１に対して直列に接続される。また、二つの出力端子１５Ａ，１５Ｂは、各コイル対４Ａ，４Ｂと各抵抗１３Ａ，１３Ｂとの間にそれぞれ設けられる。以下、二つの出力端子１５Ａ，１５Ｂを区別する場合には、第一コイル対４Ａ側の一方を第一出力端子１５Ａと呼び、第二コイル対４Ｂ側の他方を第二出力端子１５Ｂと呼ぶ。
【００２６】
より具体的には、第一コイル対４Ａの一端４Ａ1はスイッチ１２を介して直流電源１１のプラス端子に接続され、第一コイル対４Ａの他端４Ａ2は抵抗１３Ａを介して直流電源１１のマイナス端子に接続される。また、第二コイル対４Ｂの一端４Ｂ1はスイッチ１２を介して直流電源１１のプラス端子に接続され、第二コイル対４Ｂの他端４Ｂ2は抵抗１３Ｂを介して直流電源１１のマイナス端子に接続される。スイッチ１２がオンになると、両方のコイル対４Ａ，４Ｂに電流が流れ、出力端子１５Ａ，１５Ｂのそれぞれから抵抗１３Ａ，１３Ｂにかかる電圧値ＶA，ＶBを検出可能となる。以下、二つの電圧値ＶA，ＶBを区別する場合には、第一出力端子１５Ａ側を第一電圧値ＶAともいい、第二出力端子１５Ｂ側を第二電圧値ＶBともいう。
【００２７】
処理部６は、ロータ２の回転時にスイッチ１２を高周波でスイッチングし、二組のコイル対４Ａ，４ＢのインダクタンスＬの大小関係に基づいて、ステータ３Ｆに対するロータ位置を検出する処理を行う。処理部６は、例えば信号処理回路で構成される。スイッチングの周波数は少なくともロータ２の回転数よりも十分に高く、例えば５０ｋＨｚとされる。本実施形態の処理部６は、各コイル対４Ａ，４ＢのインダクタンスＬの代わりに、各抵抗１３Ａ，１３Ｂにかかる電圧値ＶA，ＶBを各出力端子１５Ａ，１５Ｂから取得し、各電圧値ＶA，ＶBを処理して出力信号（パルス信号）に変換する。
【００２８】
図５は、ロータ２の回転によって変化するインダクタンスＬと、スイッチングにより変化する電圧値ＶA，ＶB（シャント電圧）と、処理部６で行われる信号処理の内容とを併せて例示する図であり、機械角９０度の範囲を示す。図５の横軸はロータ２の機械角である。図５には、機械角９０度の範囲で変化するインダクタンスＬと、スイッチ１２に入力されるクロック（オンオフ信号）と、電圧値ＶA，ＶB（シャント電圧）と、二つの電圧値ＶA，ＶBの大小関係の比較結果と、サンプリングタイミングと、出力信号とを示す。インダクタンスＬ及び電圧値ＶA，ＶBの変化を示す波形（電圧波形）は、実線が第一コイル対４Ａのものに対応し、破線が第二コイル対４Ｂのものに対応する。なお、図５では、一点鎖線で示すように電圧波形の一部を拡大して例示する。
【００２９】
ロータ２が回転すると、各磁極対３２Ａ，３２Ｂとロータ２の外周面との距離が変化する。例えば、ロータ位置が図１に示す状態である場合、第一磁極対３２Ａとロータ２の外周面との距離は、凸極２１の突出量ｈ（図２参照）の分だけ、第二磁極対３２Ｂとロータ２の外周面との距離よりも短くなる。このため、第一コイル対４Ａの磁気抵抗が第二コイル対４Ｂの磁気抵抗よりも小さくなり、図６に示すように、励磁により生じる第一コイル対４Ａの磁束ΦA（図中実線矢印）の量が、励磁により生じる第二コイル対４Ｂの磁束ΦB（図中破線矢印）の量よりも多くなる。すなわち、図１に示すロータ位置の場合、第一コイル対４Ａの方が第二コイル対４ＢよりもインダクタンスＬが大きくなる。この状態でスイッチ１２がオンになると、インダクタンスＬの大きな第一コイル対４Ａの方が第二コイル対４Ｂよりも電流の立ち上がりが遅くなる。
【００３０】
また、ロータ２が図１の状態から４５度を越えて回転すると、凸極２１は第一磁極対３２Ａから離れて第二磁極対３２Ｂに接近することから、励磁による発生磁束量は、第一コイル対４Ａの方が第二コイル対４Ｂよりも少なくなり、第一コイル対４Ａの方が第二コイル対４ＢよりもインダクタンスＬが小さくなる。そのため、この状態でスイッチ１２がオンになると、インダクタンスＬの小さな第一コイル対４Ａの方が第二コイル対４Ｂよりも電流の立ち上がりが早くなる。
【００３１】
つまり、二組のコイル対４Ａ，４Ｂのうち、電流値が小さい一方が巻回された磁極対３２Ａ，３２Ｂにロータ２の外周面がより近接していることになる。そのため、スイッチ１２のオンオフを高速で繰り返し、スイッチ１２がオンのときの任意のタイミングにおける、二組のコイル対４Ａ，４Ｂの電流値の大小関係を比較することで、ロータ２の凸極２１の位置（すなわちロータ位置）を判断可能となる。本実施形態の励磁回路１０は、図５中に実線及び破線で示すように、電流値の代わりに抵抗１３Ａ，１３Ｂにかかる電圧値ＶA，ＶBを出力端子１５Ａ，１５Ｂのそれぞれから出力するため、処理部６は電圧値ＶA，ＶBの大小関係を比較する。
【００３２】
また、インダクタンスＬは、図５中に実線及び破線で示すように、一方が大きいと他方が小さく、かつ、一方が減少し始めると他方が増加し始め、ある角度で大小関係が逆転する特性を持っている。二つのインダクタンスＬの大小関係が逆転する（インダクタンスＬが交わる）位置は、図１のロータ位置から４５度だけ回転した位置、すなわち、周方向に隣接する二つの磁極３１の中央に凸極２１が位置する機械角である。処理部６は、このインダクタンスＬの変化（特性）を直接的に検出する代わりに、上述した処理を行うことで電圧波形を出力信号に変換し、ロータ位置を検出（特定）する。
【００３３】
処理部６は、図５に示すように、所定の周期（例えば１００ｋＨｚ）でオンオフを繰り返すクロック信号をスイッチ１２に入力する。すなわち、クロックがオンのときにスイッチ１２がオンになるため、コイル対４Ａ，４Ｂに電流が流れ、各出力端子１５Ａ，１５Ｂから電圧が出力される。このときの電圧（電流）の立ち上がりは、コイル対４Ａ，４Ｂの各インダクタンスＬに応じて決まる。例えば、第一コイル対４ＡのインダクタンスＬが大きい場合、図中に拡大して示すように、クロック（スイッチ１２）がオンであるときの電圧の立ち上がりは、第二電圧値ＶBの方が第一電圧値ＶAよりも早い（すなわち、第二電圧値ＶBの方が大きな傾きとなる）。
【００３４】
処理部６は、二つの電圧値ＶA，ＶBをコンパレータ（図示略）に入力することで、図中の比較波形（比較のオンオフ信号）を取得する。本実施形態のコンパレータは、「第一電圧値ＶA≧第二電圧値ＶB」であるときにオン信号を出力し、「第一電圧値ＶA＜第二電圧値ＶB」であるときにオフ信号を出力する。なお、「第一電圧値ＶA≧第二電圧値ＶB」であるときにオフ信号を出力し、「第一電圧値ＶA＜第二電圧値ＶB」であるときにオン信号を出力するようにしてもよい。サンプリングタイミングは、比較のオンオフ信号を抽出するタイミングを決める信号であり、クロックに同期している。サンプリングタイミングは、例えばクロックがオフからオンまたはオンからオフに切り替わった瞬間と同時であってもよいし、切り替えの瞬間から数μ秒後といった任意のタイミングであってもよい。
【００３５】
処理部６は、クロックに同期したサンプリングタイミングで比較のオンオフ信号を抽出し、比較のオン信号及びオフ信号と同じオンオフ状態の出力信号を出力する。すなわち、処理部６は、比較がオン信号である場合には出力信号をオンとし、比較がオフ信号である場合には出力信号をオフとする。図５に示す例では、二つの電圧波形が略重なる機械角θ1のときに、出力信号がオフからオンへと切り替わっている。この切り替えタイミング（すなわち機械角θ1）は、インダクタンスＬの大小関係が逆転する角度であり、本実施形態では図１に示すロータ位置から４５度回転した位置となる。なお、図５には機械角９０度の範囲のみを図示しているが、９０〜１８０度，１８０〜２７０度，２７０〜３６０度の各範囲においても、図５と同様の出力信号が出力される。このように、インダクタンスＬを直接的に検出できなくても、電圧波形からインダクタンスＬの大小関係を求めることができ、ロータ位置の検出（特定）が可能である。
【００３６】
なお、位置センサ１のロータ２とＳＲモータ９のモータロータ９Ｂとはいずれもシャフト５に回転不能に固定されている。このため、処理部６から出力される出力信号（オン又はオフ）に基づきロータ位置が検出（特定）され、さらにこの出力信号（あるいはロータ位置情報）に基づいてモータロータ９Ｂを回転させるための電流制御が実施可能である。
【００３７】
［１−２．作用，効果］
上述した位置センサ１Ｆでは、図６に示すように、ロータ２を挟んで対向する磁極対３２Ａ，３２Ｂのそれぞれにおいて、一方の磁極３１から他方の磁極３１へと磁束ΦA，ΦBが流れる。ロータ２には凸極２１が設けられているため、回転位置に応じて各磁極対３２Ａ，３２Ｂとロータ２の外周面との距離が変化し、この距離に応じて磁気抵抗が変化することから、磁束ΦA，ΦBの量が変化し、インダクタンスＬが変化する。
【００３８】
上述した位置センサ１Ｆは、インダクタンスＬの変化（インダクタンスＬの変化に応じて変化する電流の立ち上がり速度や電圧波形）に基づいてロータ位置を検出するため、凸極２１が近接したときにより多くの磁束が流れることが好ましい。このためには、羽根幅Ｗ２は構造上成立する限り長くする（例えば、隣接する羽根３１ｂ同士が接触しない程度に長くする）ことが考えられる。しかしながら、隣接する羽根３１ｂ同士の隙間が小さすぎると、例えば磁極対３２Ａの磁束ΦAが、磁極対３２Ｂの磁極３１に漏れてしまい、インダクタンスＬ（磁束）の変化がロータ２の回転に依存しない（ロータ２の回転にかかわらずインダクタンスＬが変化する、あるいは、ロータ２が回転してもインダクタンスＬが変化しない）ことになる。
【００３９】
（１）これらの課題に対し、上述した位置センサ１Ｆは、磁極３１の径方向内側の端面３１ｃからこの端面３１ｃと対向する基準円筒面２０ａまでの第一長さＤ１が、磁極３１の周方向外側の縁部３１ｄからこの縁部３１ｄと周方向に隣接する部位（本実施形態では隣接する磁極３１の縁部３１ｄ）までの第二長さＤ２よりも短いステータ３Ｆを有する。これにより、磁極３１から周方向に隣接する部位へ漏れる磁束の量を低減できるため、インダクタンスＬをロータ２の回転に依存して変化させることができる。つまり、ロータ位置に応じてインダクタンスＬが変化することになるため、ノイズに強い信号を取得することができ、ロータ位置を精度よく検出することができる。したがって、永久磁石を有しないロータ２を用いて、精度よくロータ位置を検出することができる。
【００４０】
また、上述した位置センサ１Ｆによれば、相対比較によってロータ位置を検出できるため、例えば直流電源１１の電圧が変動した場合であっても、検出精度を保つことができる。さらに、上述した位置センサ１Ｆによれば、磁気回路部１Ｆｍ及び電気回路部１ｅの構成をいずれもシンプルにすることができる。
【００４１】
（２）上述した位置センサ１では、羽根３１ｂにおけるロータ２に対向する端面３１ｃが、ロータ２の基準円筒面２０ａに沿うように湾曲形成されているため、インダクタンスＬをロータ２の回転に依存してより変化させることができ、信号強度を強めることができる。
（３）また、ロータ２は、各対の各々の凸極２１同士が回転中心Ｃに関して点対称位置であることから、角度検出精度を高めることができる。すなわち、対称性が崩れるとインダクタンス変化が変わり、大小関係の切り替わり位置がずれてしまうが、上述したロータ２であれば、インダクタンスＬの大小関係の切り替わり位置がずれることがないため、高い角度検出精度を得ることができる。なお、本実施形態のステータ３Ｆは、羽根幅Ｗ２がティース幅Ｗ１よりも大きいことから、磁極３１に巻回されたコイル４１ａ等の抜けを防止することができる。
【００４２】
（４）上述した位置センサ１Ｆのように、ロータ２が永久磁石以外の磁性体で形成されていれば、ケイ素鉄のような安価で比較的加工しやすい材料を使用できるため、ロータ２のコストを低減することができる。
（５）また、位置センサ１Ｆが永久磁石を用いていないため、この位置センサ１Ｆによって回転位置を検出することで、上述したＳＲモータ９が持つ高い堅牢性や耐熱性といったメリットを活かすことができる。さらに、上述したＳＲモータ９によれば、位置センサ１Ｆが上述したように直流電源１１の電圧変動によらず検出精度を保つことができるため、モータロータ９Ｂを回転させるための電流制御を安定して実施することができる。
【００４３】
［１−３．変形例］
上述した実施形態では、一回転で２パルスを出力する位置センサ１Ｆを例示したが、位置センサ１Ｆの構成はこれに限られない。例えば、図７に示すように、一対の凸極２１を三組有するロータ２′を備えた位置センサ１Ｆ′（磁気回路部１Ｆｍ′）であってもよい。なお、図７の位置センサ１Ｆ′は、上記実施形態の位置センサ１Ｆに対し、ロータ２′の形状及びステータ３Ｆ′の羽根３１ｂの回転方向長さが異なり、その他の構成（励磁回路１０の構成，処理部６での処理内容等）は同一である。
【００４４】
位置センサ１Ｆ′は、同一形状の六つの凸極２１がロータ２′の周方向に６０度ずつずれて配置されている。すなわち、各対の各々の凸極２１同士は、軸方向視で、回転中心Ｃに関して点対称位置である。また、ステータ３Ｆ′の磁極３１の羽根３１ｂの回転方向の長さがロータ２′の凸極２１の回転方向の長さと同程度となっている。羽根３１ｂの回転方向長さが長くなるとインダクタンスＬの変化が小さくなるため、羽根３１ｂと凸極２１との長さ関係は、羽根３１ｂの中央位置と凸極２１の中央位置とを合わせたときに、羽根３１ｂの回転方向両端部が凸極２１ｂ間の凹部の１／４以内であることが望ましい。
【００４５】
本変形例の位置センサ１Ｆ′では、二組のコイル対４Ａ，４ＢのインダクタンスＬが上述した実施形態よりも短い周期（機械角）でその大小関係が逆転する。この位置センサ１Ｆ′であれば、一回転で６パルス出力するため、機械角３６０度を１２等分した３０度ごとにロータ位置を特定可能である。したがって、本変形例の位置センサ１Ｆ′であっても、上述した実施形態と同様の構成からは同様の効果を得ることができる。さらに、ロータ２′の凸極数を増やした本位置センサ１Ｆ′であれば、より細かい角度ごとにロータ位置を特定する必要があるモータの制御を行うことができる。
【００４６】
〈２．第二実施形態〉
図８に示すように、第二実施形態の位置センサ１Ｓは、ステータ３Ｓの形状及びコイル４１ａ等の巻回方向が第一実施形態の位置センサ１Ｆと異なり、他の構成（ロータ２の形状，励磁回路１０の構成，処理部６での処理内容等）は同一である。本実施形態の位置センサ１Ｓは、第一実施形態の位置センサ１Ｆと同様、シャフト５に固定されたロータ２の回転によるインダクタンスＬの変化に基づいてロータ位置を検出する。ただし、本位置センサ１Ｓは、ＳＲモータ９からの漏れ磁束による影響を相殺したうえでロータ位置を検出する。以下、第一実施形態と同様の構成については第一実施形態と同じ符号を付し、重複する説明は省略する。
【００４７】
位置センサ１Ｓ（磁気回路部１Ｓｍ）のステータ３Ｓは、上述した筒部３０及び複数の磁極３１に加え、各磁極３１の周方向両側に配置された補助磁極３３（ステータ磁極）を有する。各補助磁極３３は、筒部３０の内周面３０ａから回転中心Ｃに向かって突設される。本実施形態の補助磁極３３は、周方向に隣接する二つの磁極３１間に一つずつ配置される。すなわち、ステータ３Ｓは、四つの磁極３１と四つの補助磁極３３とを有し、これらが周方向に交互に配置されている。なお、これらの磁極３１，３３は、いずれもステータ３Ｓに設けられた磁極（ステータ磁極）であり、前者（磁極３１）はコイル４１ａ等が巻回されるステータ磁極であり、後者（補助磁極３３）はコイル４１ａ等が巻回されないステータ磁極である。
【００４８】
図８には、周方向に隣接する磁極３１と補助磁極３３との間隔がすべて同一であり、四つの磁極３１と四つの補助磁極３３とがすべて同一の径方向長さを有する位置センサ１Ｓを例示する。すなわち、位置センサ１Ｓは、ロータ２の外周面及び主磁極３１間のエアギャップと、ロータ２の外周面及び補助磁極３３間のエアギャップとが同一となっている。本実施形態の補助磁極３３は、磁極３１のように羽根３１ｂを有さず、径方向において一様な断面を持つ。また、補助磁極３３の径方向内側の端面は、ロータ２の凸極２１との間に均一な間隔を形成するように湾曲形成されている。なお、補助磁極３３の形状は図８に示すものに限られず、例えば羽根状に広がった形状であってもよい。
【００４９】
図９に示すように、本実施形態のステータ３Ｓも、上記の関係〔１〕及び〔２〕を共に満たす形状となっている。ただし、第二長さＤ２は、磁極３１の周方向外側の縁部３１ｄから、この縁部３１ｄと周方向に隣接する部位までの長さ（周方向長さ）である。本実施形態のステータ３Ｓは、磁極３１の周方向両側に補助磁極３３が配置されていることから、周方向に隣接する磁極３１と補助磁極３３との間隔、具体的には、周方向に隣接する磁極３１の縁部３１ｄと補助磁極３３の縁部３３ｄとの距離（周方向長さ）が第二長さＤ２となる。
【００５０】
また、図８に示すように、本実施形態の第一コイル対４Ａを構成する二つのコイル４１ａ，４２ａは、回転中心Ｃから磁極３１を見たときの巻回方向が互いに同一であるが、ＳＲモータ９の漏れ磁束が位置センサ１Ｓに到達しても、漏れ磁束がコイル４１ａ，４２ａと鎖交する方向が回転中心Ｃから見ると互いに反対向きであることから、一方のコイル４１ａにはプラスの電圧が生じ、他方のコイル４２ａには同レベルのマイナスの電圧が生じて互いにキャンセルし合う。このため、漏れ磁束によるノイズがキャンセルされる。同様に、第二コイル対４Ｂを構成する二つのコイル４１ｂ，４２ｂも、回転中心Ｃから各磁極３１を見たときの巻回方向が同一であるが、漏れ磁束が鎖交する方向が反対であることから、漏れ磁束によるノイズがキャンセルされる。
【００５１】
図１０（ａ）は、本実施形態の位置センサ１Ｓにおける磁束の流れを示す模式図である。第一コイル対４Ａのコイル４１ａ，４２ａのそれぞれで生じる磁束ΦEA、及び、第二コイル対４Ｂのコイル４１ｂ，４２ｂのそれぞれで生じる磁束ΦEBは、各磁極３１の羽根３１ｂからロータ２を経由し、両側の補助磁極３３に向かって二手に分かれて湾曲して、補助磁極３３及び筒部３０を通って磁極３１に戻る。このとき、二つの磁極対３２Ａ，３２Ｂのそれぞれとロータ２の外周面との距離が相違すれば、二つの磁束ΦEA，ΦEBに差が生じるため、コイル対４Ａ，４Ｂの電流変化を介して、コイル対４Ａ，４ＢのインダクタンスＬの大小関係が把握される。
【００５２】
ここで、例えば図１０（ｂ）に示す位置センサ１００Ｓ（磁気回路部１００Ｓｍ）のように、ステータ３００Ｓが上記の関係〔１〕を満たさない形状である場合を想定する。すなわち、羽根３１０ｂの周方向長さを長くし、凸極２１が近接したときにより多くの磁束が流れるようにステータ３００Ｓを形成したとする。この場合、第一長さＤ１よりも第二長さＤ２が短くなるため、図中破線の矢印で示すように、磁極対３２０Ａ，３２０Ｂのうち凸極２１から遠い側の磁極対〔この図では磁極対３２０Ｂ〕に流れる磁束は、羽根３１０ｂから補助磁極３３へと漏れてしまう。これにより、ロータ２の回転によるインダクタンスＬ（磁束）の変化が鈍くなり、ロータ２の回転に依存してインダクタンスＬが変化しにくくなる。
【００５３】
本実施形態の位置センサ１Ｓは、図８〜図１０（ａ）に示すように、周方向に隣接する磁極３１と補助磁極３３との間隔（すなわち第二長さＤ２）が第一長さＤ１よりも短いことから、磁極３１から補助磁極３３への磁束の漏れを抑制でき、インダクタンスＬをロータ２の回転に依存して変化させことができる。これにより、ノイズに強い信号を取得でき、ロータ位置を精度よく検出することができる。
【００５４】
また、本実施形態に係る位置センサ１Ｓによれば、第一コイル対４Ａが互いに逆方向に巻回されたコイル４１ａ，４２ａから構成され、第二コイル対４Ｂが互いに逆方向に巻回されたコイル４１ｂ，４２ｂから構成されるため、外乱の影響をキャンセルすることができる。例えば、ＳＲモータ９からの漏れ磁束により、一方のコイル（例えばコイル４１ａと４１ｂ）にプラスの電圧が発生しても、他方のコイル（例えばコイル４２ａと４２ｂ）には同レベルのマイナスの電圧が発生するため、相殺することができる。さらに、補助磁極３３によって磁束ΦEA，ΦEBがいずれも磁極３１からロータ２を経由して補助磁極３３に向かって流れるため、磁束差（すなわちインダクタンスＬの差）による電流変化を介してインダクタンスＬの大小関係を把握することができる。したがって、本実施形態に係る位置センサ１Ｓによっても、インダクタンスＬの大小関係に基づいてロータ位置を検出できるため、永久磁石を有しないロータ２を用いたロータ位置の検出において、誤検出を防止することができる。なお、第一実施形態と同様の構成からは、同様の効果を得ることができる。
【００５５】
〈３．その他〉
上述したステータ３Ｆ，３Ｓの形状は一例であって、上述したものに限られない。例えば、ステータの軸方向視での外形状が円環状でなくてもよく角部を有する形状（例えば矩形や八角形等）であってもよいし、ティース幅Ｗ１と羽根幅Ｗ２とが同一であってもよい。また、補助磁極３３の断面が一様でなくてもよいし、磁極３１の径方向長さと補助磁極３３の径方向長さとが互いに異なっていてもよい。また、周方向に隣接する磁極３１と補助磁極３３との間隔がすべて同一でなくてもよい。少なくとも、第一長さＤ１が第二長さＤ２よりも短い（Ｄ１＜Ｄ２の）ステータであれば、上述した実施形態と同様、磁束の漏れを防ぎ、ノイズに強い信号を取得することができる。
【００５６】
また、上述したロータ２の形状も一例であって、上述したものに限られない。ロータは、回転中心Ｃからの距離が一定の基準円筒面から径方向外側へ突設された少なくとも一対の凸極を有するものであればよく、例えば楕円形状であってもよい。
また、上述した実施形態では、処理部６がスイッチ１２のスイッチングと、出力された電圧値に基づく信号処理との両方を実施する場合を例示したが、処理部６の機能（スイッチング及び信号処理）を二つの要素に分けて設けてもよい。また、スイッチ１２のスイッチング周波数は５０ｋＨｚに限られない。また、上述した励磁回路１０の構成は一例であって、上述したものに限られない。例えば、抵抗１３Ａ等を省略して電流値を検出してもよいし、スイッチ１２の個数を増やしてもよい。また、図１及び図３においてコイル４１ａとコイル４２ａ、コイル４１ｂとコイル４２ｂとはそれぞれ直列に接続されているが、これらは並列接続でもよい。なお、上述した位置センサ１Ｆ，１Ｆ′，１Ｓは上記のＳＲモータ９に専用のものではなく、例えば、ＳＲモータ９以外のブラシレスモータやジェネレータ等に設けてもよい。
【符号の説明】
【００５７】
１Ｆ，１Ｆ′，１Ｓ  位置センサ
２，２′  ロータ
３Ｆ，３Ｆ′，３Ｓ  ステータ
４Ａ  第一コイル対（コイル対）
４Ｂ  第二コイル対（コイル対）
５  シャフト（回転軸）
９  ＳＲモータ（モータ）
９Ａ  モータステータ
９Ｂ  モータロータ
２０ａ  基準円筒面
２１  凸極
３０ａ  内周面
３１  磁極（主磁極，ステータ磁極）
３１ａ  ティース
３１ｂ  羽根
３１ｃ  端面
３１ｄ  縁部
３２  磁極対
３２Ａ  第一磁極対（磁極対）
３２Ｂ  第二磁極対（磁極対）
３３  補助磁極（ステータ磁極）
Ｃ  回転中心
Ｄ１  第一長さ
Ｄ２  第二長さ
Ｄ３  第三長さ
Ｗ１  ティース幅
Ｗ２  羽根幅
【図１】
2019032202.tif 000003
【図２】
2019032202.tif 000004
【図３】
2019032202.tif 000005
【図４】
2019032202.tif 000006
【図５】
2019032202.tif 000007
【図６】
2019032202.tif 000008
【図７】
2019032202.tif 000009
【図８】
2019032202.tif 000010
【図９】
2019032202.tif 000011
【図１０】
2019032202.tif 000012