(57)【要約】【課題】出力電圧を比較的大きくでき、かつ、検出位置誤差を小さくできるとともに、軸倍角が大きくなっても固定子のティースの数を少なく構成できる、高精度で量産性に優れた回転角度検出装置を得る。【解決手段】ティース３を有する鉄心で構成され１相の励磁巻線と２相の出力巻線とを設けた固定子２と、突極を有する回転子１とを備えた回転角度検出装置であって、前記励磁巻線の極対数をＮとし、前記回転子１の突極の数をＭとしたとき、２Ｎが固定子２のティース３の数と異なり、さらに前記２相の出力巻線の巻数が、空間｜Ｎ＋Ｍ｜次の正弦波と空間｜Ｎ−Ｍ｜次の正弦波の和あるいは差で表される関数によって得られるように構成した。【選択図】        図１
2004151040.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ティースを有する鉄心で構成され１相の励磁巻線と２相の出力巻線を設けた固定子と、突極を有する回転子とを備えた回転角度検出装置であって、前記励磁巻線の極対数をＮとし、前記回転子の突極の数をＭとしたとき、２Ｎが固定子のティースの数と異なり、さらに前記２相の出力巻線の巻数が、空間｜Ｎ＋Ｍ｜次の正弦波と空間｜Ｎ−Ｍ｜次の正弦波の和あるいは差で表される関数によって得られることを特徴とする回転角度検出装置。
【請求項２】
ティースを有する鉄心を備え１相の励磁巻線と２相の出力巻線とを設けた固定子と、突極を有する回転子とから構成された回転角度検出装置であって、前記励磁巻線の極対数をＮとし、前記回転子の突極の数をＭ、固定子のティースの数をＮｓとしたときｉ番目のティースのα相巻線とβ相巻線（前記２相の出力巻線）の巻数Ｎαｉ，Ｎβｉが
【数１】
2004151040.tif 000010
で表されることを特徴とする請求項１記載の回転角度検出装置。
【請求項３】
請求項２に記載の回転角度検出装置において、ξを空隙に発生する空間｜Ｎ＋Ｍ｜次の磁束成分と空間｜Ｎ−Ｍ｜次の磁束成分の位相差に等しくしたことを特徴とする回転角度検出装置。
【請求項４】
請求項１に記載の回転角度検出装置において、２相の出力巻線の巻数の合計がほぼ等しくなるようにしたことを特徴とする回転角度検出装置。
【請求項５】
請求項１に記載の回転角度検出装置において、巻数がゼロとなるティースを設けたことを特徴とする回転角度検出装置。
【請求項６】
請求項２に記載の回転角度検出装置において、Ｎ１，Ｎ２が
０．６≦Ｎ１／Ｎ２≦４．０
を満たすようにしたことを特徴とする請求項２に記載の回転角度検出装置。
【請求項７】
請求項２に記載の回転角度検出装置において、Ｎ１，Ｎ２を、Ｎ１／Ｎ２＝１としたことを特徴とする回転角度検出装置。
【請求項８】
請求項１に記載の回転角度検出装置において、ティースの数が９であることを特徴とする回転角度検出装置。
【請求項９】
請求項１に記載の回転角度検出装置において、ティースの数が１２であることを特徴とする回転角度検出装置。
【請求項１０】
請求項１ないし請求項９のいずれかに記載の回転角度検出装置を備えたことを特徴とする回転電機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、回転角度検出装置、特に、ティース（ｔｅｅｔｈ；歯部）を有する鉄心で構成される固定子と回転子との間におけるギャップのパーミアンスの変化を利用した回転角度検出装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
使用温度環境が制限され、また構造が複雑で高価な光学式のエンコーダに対して、構造が簡単で安価であり、かつ高温度環境にも耐え得るものとして、従来から回転子と固定子間のギャップのパーミアンスの変化を利用した回転角度検出装置が提案されている。
２相の励磁巻線と１相の出力巻線を有する回転角度検出装置（例えば、特許文献１参照）や、１相の励磁巻線と２相の出力巻線を有するもの（例えば、特許文献２参照）がその例である。
いずれの例も、回転子の形状は突極を有するものになっているため、回転子の角度によって、出力巻線に現れる電圧の位相あるいは振幅が変化し、その変化を読み取ることによって回転子の位置を知ることができるというものである。
また、励磁巻線が３相の回転角度検出装置が開示されている（例えば、特許文献３参照）。
さらに、固定子のティースに集中的に巻線を巻き、正弦波状に巻数を変化させたものが開示されている（例えば、特許文献４，５参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特公昭６２−５８４４５号公報（第２−３頁、第１図）
【特許文献２】
特開昭４９−１２４５０８号公報（第２頁、第１図）
【特許文献３】
特許第２６２４７４７号明細書（第３頁、第１図）
【特許文献４】
特許第３１０３４８７号明細書
【特許文献５】
特許第３１８２４９３号明細書
【０００４】
しかしながら、以上の従来例には以下のような課題がある。
特許文献１，２のような巻線構造をしていると、軸倍角が大きくなった場合に固定子のティースの数も比例して大きくなり、巻線性、工作性が低下するという課題である。
特許文献１，２ではいずれも、軸倍角が１の場合であり、固定子のティースの数は４である。例えば軸倍角を２にした場合にはティースの数は８となり、軸倍角が４の場合はティースの数は１６、軸倍角８の場合はティースの数は３２にも達する。多極のモータなどでは軸倍角の大きな回転角度検出装置が必要となる場合があるが、このような従来例においては軸倍角の大きなものになると量産性の面で非現実的な構造となる。
【０００５】
また、特許文献３のような構造では、巻線は出力が１相、励磁が３相と相数が多く、巻線に時間がかかるという生産性の問題や励磁巻線の電源が高価になるという課題である。
【０００６】
そして、特許文献４，５の例では、固定子のティースに集中的に巻線を巻いているため機械による自動巻きが可能な構成である。
しかしながら、巻数を正弦波状に変化させるために僅かしか巻数を施さないティースが存在する。ほんの僅かしか巻線をほどこさないティースに自動巻きの巻線機のノズルが移動しなければならず、ノズルの位置決めに時間を要するため巻線作業の効率が良くないという課題がある。
また、巻数を正弦波状に変化させているが故に、回転角度検出装置の空隙部分に発生する様々な空間次数の磁束のうち１つの成分しか拾うことができず、出力電圧が小さくなってしまうという課題もあった。
さらに、巻数を正弦波状に変化させた場合の副作用として、各ティースの巻数の合計が２相の出力巻線において一致しないことがあり、そのため巻線抵抗も異なるため、温度による抵抗値の変化も２相の巻線において異なり検出回路側で問題となっていた。
【０００７】
この発明は、出力電圧を比較的大きくでき、かつ、検出位置誤差を小さくできるとともに、軸倍角が大きくなっても固定子のティースの数を少なく構成できる、高精度で量産性に優れた回転角度検出装置を得ようとするものである。
【０００８】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
《ティースの数１２，軸倍角８の例》
この発明による実施の形態１を図１ないし図１７について説明する。
図１は実施の形態１における回転角度検出装置（ティースの数１２、軸倍角８の例）の構成を示す横断面図である。図２は従来の巻線例を表にしたもの（正弦波状の巻線の例）を示す数値図である。図３は従来の巻線例をグラフにしたもの（正弦波状の巻線の例）を示す曲線図である。図４は実施の形態１における巻線例を表にしたもの（この発明の一例）を示す数値図である。図５は実施の形態１における巻線例（この発明の一例）を示すグラフである。図６は実施の形態１における出力電圧波形の比較（この発明と従来例の比較）を示す曲線図である。図７は実施の形態１における空間５次の巻線と空間１１次の巻線の位相差を変化した場合を示す曲線図である。図８は実施の形態１における空隙磁束密度波形を示す曲線図である。図９は実施の形態１における空隙磁束密度波形の周波数分析結果を示すグラフである。図１０は実施の形態１における空間５次成分と空間１１次成分の位相差を示す数値図である。図１１は実施の形態１における出力電圧値の比較（この発明と従来例の比較）を示すグラフである。図１２は実施の形態１における検出位置誤差の比較（この発明と従来例の比較）を示すグラフである。図１３は実施の形態１における２相の出力巻線にて巻数の合計が一致する例を示す数値図である。図１４は実施の形態１における偏心が生じたときの検出位置誤差の変化を示すグラフである。図１５は実施の形態１における空間０次の起磁力の説明図である。図１６は実施の形態１における空間０次の起磁力が出力電圧に及ぼす影響を示す曲線図である。図１７は実施の形態１におけるＮ１／Ｎ２による回転角度検出装置の特性の変化を示す曲線図である。
【０００９】
ここでは、実施の形態１として軸倍角８の回転角度検出装置の例を示すが、その前に従来例について述べておく。
図３１に、従来例として特許文献２に開示されているものと同様の軸倍角１で固定子のティースの数が４の例を示す。この方式では、軸倍角が増えるに従いティースの数も比例して増える。例えば、軸倍角が４になった場合、図３２のような構成となり、ティースの数は１６にも達し、巻線作業性が低下するため量産には向かない構成であるといえる。さらに軸倍角が増えて軸倍角が８となったときにはティースの数が３２になり、量産には向かないことはいうまでもない
【００１０】
しかしながら、この発明によれば、軸倍角が大きくなっても従来例よりティースの数を小さくして回転角度検出装置を構成できる。以下にその構成について説明する。
【００１１】
図１に軸倍角８、固定子のティースの数が１２の回転角度検出装置を示す。
回転子１に対応する固定子２は、１２本のティース（ｔｅｅｔｈ；歯部）３を有する鉄心と１相励磁巻線と２相の出力巻線からなる巻線４によって構成される。
また、回転子１は軸倍角８の回転角度検出装置として機能するように８個の突極を有する鉄心で構成され、回転自在となっている。
【００１２】
次に、巻線４における１相の励磁巻線と２相の出力巻線をどのように構成するかについて述べる。
励磁巻線はティース番号［１］〜［１２］のティース３それぞれに集中的に巻き回されている。また、その極性は６極の磁極が構成できるような巻線がされている。ただし、励磁巻線の極数は固定子のティースの数と異なるものとする。
このときに、出力巻線をどのように巻けばよいかについて考察する。回転角度検出装置として機能するためには、空隙に発生する磁束のうち
｜（励磁の極対数）±（軸倍角）｜
に等しい空間次数の磁束を拾う必要がある（ただし、｜｜は絶対値を表す記号である）。
ここでは励磁の極対数が３、軸倍角が８であるから
｜３±８｜＝５，１１
となり、空間５次か１１次の磁束を拾う必要がある（ただし、空間１次とは機械角３６０度を１周期とする成分のことを表す）。
例えば、特許文献４によれば、出力巻線の巻数を正弦波状に変化させる例がある。
ここで、特許文献４に従い、空間１１次の正弦波状に巻数を各ティースに分布させた場合の巻線仕様を図２に示す。また、グラフ化すると図３のようになり正弦波状の分布となっている。ただし、図２において小数点以下は四捨五入して示している。また、２相の出力巻線をα相巻線、β相巻線とした。
【００１３】
一方、この発明においては空間５次および空間１１次両方の磁束を拾うような出力巻線を考えることとする。そうすれば、両方の次数の磁束を拾うため、１つの次数成分しか拾わない従来例に比べて、出力電圧を大きくできるという効果が期待できる。
【００１４】
そこで、空間５次および空間１１次の正弦波の和で表される関数で各ティースに施す巻数を決定することにする。
２相の出力巻線α相巻線，β相巻線のティース番号ｉにおける巻数をＮαｉ，Ｎβｉとし、符号の正負で巻き方向が逆転することを表現する。
式（１）（２）のようにＮαｉおよびＮβｉを決定すれば、空間５次および空間１１次両方の磁束を拾うような出力巻線を構成することが可能である。
【００１５】
【数２】
2004151040.tif 000003
【００１６】
ここで、ｉはティース番号を示し、この実施の形態では１〜１２の整数値をとる。Ｎ１，Ｎ２は任意の定数で互いに等しくとも、異なっていてもよい。また、θ，ξも任意の定数で、空間５次の磁束を拾う巻線の初期位相と空間１１次の磁束を拾う巻線との位相差をそれぞれ示す。これらのパラメータを適切に選定すれば、より出力電圧の大きな回転角度検出装置が構成できると考えられる。
【００１７】
図４にＮ１＝Ｎ２＝５８、θ＝π／１２［ｒａｄ］、ξ＝３π／２［ｒａｄ］とした巻数を表で示す。ただし、巻数は小数点以下を四捨五入している。図５は図４をグラフ化したものである。これら２例の巻線仕様で、回転子の位置に対する出力電圧の変化を求めた。結果を図６に示す。この回転角度検出装置の軸倍角は８であるので、機械角４５度が電気角３６０度である（電気角＝軸倍角×機械角）。つまり機械角４５度で出力電圧は正弦波状に変化する。なお、この図において電圧が負であるということは位相が反転することを示している。また、α相巻線とβ相巻線の出力電圧の変化は互いに電気角９０度位相がずれている。以上のことから、従来例，この発明いずれも回転角度検出装置として動作していることを確認できる。図４では巻数の小数点以下を四捨五入した例を示したが、巻数が小数である場合も回転角度検出装置として動作することはいうまでもない。巻数が小数である場合には、巻線をティースに１回巻き回すのではなく、巻線の途中で、となりのティースに移るなどして構成できる。また、巻数が式（１）（２）から例えば１０％程度ずれた値になったとしても、検出位置誤差は大きくなるが出力巻線の電圧の変化は正弦波状となることから回転角度検出装置として動作することはいうまでもない。
【００１８】
ここで従来例とこの発明の回転角度検出装置は出力巻線仕様が異なるのみで、固定子鉄心，回転子鉄心の形状，軸長は共通である。したがって、この出力電圧の差が出力巻線の仕様の優劣を示しているといえる。
図６から分かることは、出力電圧がこの発明の巻線仕様では従来例の２倍以上得られていることである。
出力巻線の合計は、従来例は図２から４４８回であるのに対し、この発明では５６８回ないし６５６回である。巻数は約１．３〜１．５倍程度であるのに出力電圧は２倍以上となるのでこの発明の巻線仕様は従来例より効率がよいといえる。これは、式（１）（２）で表現されているように回転角度検出装置の空隙部分に発生する空間５次と空間１１次の磁束成分を効率よく拾うことができたからと考えられる。
【００１９】
ここでは、ξ＝３π／２［ｒａｄ］としたが、ξを変化させて様々な巻線仕様における、出力電圧値と検出位置誤差を調べた。その結果を図７に示す。空間５次の項と空間１１次の項の位相差ξを変化させると、出力電圧と検出位置誤差が大きく変化するのが分かる。ξ＝２７０度＝３π／２［ｒａｄ］付近において出力電圧が最大になり、検出位置誤差が最小となった。ξ＝９０度＝π／２［ｒａｄ］付近において、出力電圧が最小になり、検出位置誤差が最大となった。
【００２０】
この原因について考察してみる、図８に励磁巻線に電流を通電したときの空隙磁束密度波形を示す。励磁が６極であるので６極の成分（空間３次の成分）が大きく見られるが周波数分析すると図９のようになり、拾うべき空間５次と空間１１次の磁束成分が確認できる。これらの位相差を図１０に示す。空間１１次成分の位相から空間５次成分の位相差を引いた値が−８６．７度（≒２７０度）となり、出力電圧が最大となったξ＝２７０度＝３π／２［ｒａｄ］とほぼ一致する。これは式（１）（２）において５次用と１１次用の巻線の位相差ξを空隙磁束密度波形に実際に含まれる５次成分と１１次成分の位相差と一致させれば出力電圧を大きくすることができることを示している。
このように、５次用と１１次用の巻線の位相差を適切に選定すれば、出力電圧を大きくすることができ、また検出位置誤差も小さくできる。
【００２１】
図１１，図１２に従来例として空間１１次のみを拾う巻線仕様のほか空間５次のみを拾う巻線仕様を挙げて、この発明と比較している。
この発明により、従来例より出力電圧を大きくできるという効果が得られるとともに、検出位置誤差を小さくでき、高精度な回転角度検出装置を得ることができる。
【００２２】
また、図１３にはα相巻線の巻数の合計とβ相のそれとが一致する場合を示す。このときも回転角度検出装置として動作することは図７にて確認されているためいうまでもない。さらに、α相巻線の巻数の合計とβ相のそれとが一致する場合には２相の出力巻線の抵抗を一致させることができるため、温度変化などによる抵抗値の変化も２相で同じとなり、検出回路側で不都合が生じにくいという効果もある。
【００２３】
一般には、励磁の極対数をＮ、回転子の突極の数をＭ、固定子のティースの数をＮｓとしたときｉ番目のティースのα相巻線とβ相巻線の巻数を
【００２４】
【数３】
2004151040.tif 000004
【００２５】
となるように選定すれば、従来例より出力電圧を大きくできるという効果が得られるとともに、検出位置誤差を小さくでき、高精度な回転角度検出装置を得ることができる。さらに、θ、ξを適切に選定することにより、空隙磁束を有効に活用し、出力電圧を最大にすることができるという効果もある。
また、２相の出力巻線の巻数の合計を同じにして、抵抗値の変化も２相で同じにすることができて、検出回路側で不都合が生じにくいという効果もある。
さらに、図４のα相巻線の例のようにθとξを適切に選定すれば、巻数がゼロのティースを複数設けることができる。このようにすれば、正弦波状に巻数を変化させる従来例では僅かに巻線を施さなければならないティースがある場合に比べて巻線作業効率が向上するという効果もある。従来例では、ほんの僅かしか巻線が施さないティースに自動巻きのノズルが移動し位置決めをするのに時間を要するからである。
【００２６】
また、図３１，図３２のような従来例と比較して、軸倍角が増加しても固定子のティースの数は少なくても構成できるので、量産性に優れた回転角度検出装置を提供できるという効果もある。
【００２７】
また、この発明の回転角度検出装置は回転子の偏心が生じた場合にも検出位置誤差はあまり増大しないという効果もある。図１４に偏心が生じたときの検出位置誤差の変化を示す。ただし、固定子の内径が２０ｍｍの回転角度検出装置を設計し比較した。
従来例では偏心が全くない理想的な状態では検出位置誤差は小さいが、僅か０．１０ｍｍの偏心が生じただけで誤差が機械角３度を越える。
しかしながらこの発明では偏心が０．１０ｍｍ生じてもほとんど検出位置誤差は増大しない。回転角度検出装置を取り付ける際に、実際はある程度取りつけ位置誤差が生じるので偏心に対して誤差が増大しない回転角度検出装置が求められる。この発明ではそれが達成できるのである。
また、この発明の回転角度検出装置が偏心に対しても誤差が増大しない理由は、出力巻線の巻数を決定するのに空隙磁束の特定の次数成分しか拾わないように構成しているからである。例えば、本実施の形態では空間５次と１１次のみである。偏心が生じると、偏心がない理想的な状態には発生しない次数の磁束が発生し、これを出力巻線が拾ってしまうと検出位置誤差の増大を招く。ところが、この発明では特定の次数成分しか拾わないように構成したため偏心による検出位置誤差の増大はほとんど生じない。
【００２８】
また、特定の次数成分の磁束しか拾わないようにしたため次のような効果もある。図１５に回転角度検出装置に空間０次の起磁力が生じる場合を示している。図１５のように回転子の軸の周りに矢印のように流れる電流があれば、起磁力が軸に平行な向きに発生し、結果として回転角度検出装置の空隙に空間０次の起磁力が発生することになる。
一方、回転子は軸倍角と同じ次数（ここでは４次）のパーミアンスの変化を有している構造であるから、空隙には空間４次の磁束が発生する。この磁束が回転子が回転するなどして時間的に変化すれば、出力巻線の電圧に影響することがある。
【００２９】
図１６に従来例とこの発明の出力電圧波形の違いを示す。従来例では、空間０次の起磁力によって発生する磁束を拾うため本来包絡線が正弦波状になるはずの波形が大きく乱れているのが分かる。
この波形の乱れは検出位置誤差となり、もっと影響が大きくなると回転角度の検出が不可能となってしまう場合もあった。
しかしながら、この発明では出力巻線が特定の次数成分の磁束しか拾わないように構成されているため、空間０次の起磁力の影響は小さく包絡線が正弦波状となり検出位置誤差への影響も小さいという効果がある。この効果は後述するように発電機やモータに実装したときに、検出位置誤差向上に大きく貢献する。
【００３０】
さらに、式（３）（４）におけるＮ１とＮ２について考察する。Ｎ１，Ｎ２は空間｜Ｎ＋Ｍ｜次の正弦波と空間｜Ｎ−Ｍ｜次の正弦波の振幅を表す任意の定数であるが、ここでＮ１＋Ｎ２を一定とした上でＮ１／Ｎ２を変化させて、回転角度検出装置の出力電圧と検出位置誤差を見ることにする。ここで、回転角度検出装置の性能をあらわすパラメータとして
出力電圧［Ｖ］／検出位置誤差［度］
なるものを定義する。出力電圧が大きいほど他のノイズの影響を受けにくくなるため、回転角度検出装置としては好ましい。無論、検出位置誤差は小さいほど高精度となる。したがって、前記パラメータが大きいほど回転角度検出装置として好ましいといえる。
図１７にＮ１／Ｎ２に対する前記パラメータ（出力電圧［Ｖ］／検出位置誤差［度］）の変化を示す。横軸がＮ１／Ｎ２で、縦軸が出力電圧［Ｖ］／検出位置誤差［度］である。破線で示した曲線は偏心がない場合であり、実線が０．１ｍｍ偏心が生じた場合を示している。図１７から、Ｎ１／Ｎ２によって回転角度検出装置の特性が大きく変化することがわかる。回転角度検出装置においては概ね
出力電圧［Ｖ］／検出位置誤差［度］≧１．０
であれば好ましい。例えば、回転角度検出装置の出力電圧が１Ｖ程度に設計されていれば、検出位置誤差は１度以下となり高精度となる。さらに、出力電圧が０．１Ｖであれば、検出位置誤差は僅か０．１度以下となる。ここで、
０．６≦Ｎ１／Ｎ２≦４．０
としておけば、取り付け位置誤差が生じて回転子と固定子の間に偏心が生じた場合においても
出力電圧［Ｖ］／検出位置誤差［度］≧１．０
を満すことができ、出力電圧が大きくかつ検出位置誤差の小さい高精度な回転角度検出装置が得られるという効果がある。
また、図１７の偏心が生じた場合の特性から、Ｎ１／Ｎ２＝１のときに前記パラメータが最大値をとる。すなわちＮ１／Ｎ２＝１のときに、偏心に対しても特性劣化が少なく、最も高性能な回転角度検出装置が得られるという効果があるといえる。
【００３１】
この発明による実施の形態１においては、次の〔１〕〜〔８〕項のそれぞれに示す構成を具備し、〔１〕〜〔８〕項の各項に示す構成によれば、各項に記載した効果をそれぞれ奏するものである。
【００３２】
〔１〕  ティース３からなる固定子歯部を有する鉄心で構成され１相の励磁巻線と２相の出力巻線とを設けた固定子２と、突極を有する回転子１とを備えた回転角度検出装置であって、前記励磁巻線の極対数をＮとし、前記回転子の突極の数をＭとしたとき、２Ｎが固定子２のティース３の数と異なり、さらに前記２相の出力巻線の巻数が、空間｜Ｎ＋Ｍ｜次の正弦波と空間｜Ｎ−Ｍ｜次の正弦波との合成値としての和あるいは差で表される関数によって得られることを特徴とする回転角度検出装置。
（効果）
従来例より出力電圧を大きくできるという効果が得られるとともに、検出位置誤差を小さくでき、高精度な回転角度検出装置を得ることができる。
また、図１，図２のような従来例と比較して、軸倍角が増加しても固定子のティースの数は少なくても構成できるので、量産性に優れた回転角度検出装置を提供できるという効果もある。また、偏心や空間０次の起磁力によって検出位置誤差が大きくならないという効果もある。
【００３３】
〔２〕  ティース３からなる固定子歯部を有する鉄心で構成され１相の励磁巻線と２相の出力巻線とを設けた固定子２と、突極を有する回転子１とから構成された回転角度検出装置であって、前記励磁巻線の極対数をＮとし、前記回転子１の突極の数をＭ、固定子２のティース３の数をＮｓとしたときｉ番目のティースのα相巻線とβ相巻線（前記２相の出力巻線）の巻数Ｎαｉ，Ｎβｉが
【数４】
2004151040.tif 000005
で表されることを特徴とする前記〔１〕項に記載の回転角度検出装置。
（効果）
従来例より出力電圧を大きくできるという効果が得られるとともに、検出位置誤差を小さくでき、高精度な回転角度検出装置を得ることができる。さらに、θ、ξを適切に選定することにより、空隙磁束を有効に活用し、出力電圧を最大にすることができるという効果もある。また、２相の出力巻線の巻数の合計を同じにして、抵抗値の変化も２相で同じにすることができて、検出回路側で不都合が生じにくいという効果もある。さらに、図４のα相巻線の例のようにθとξを適切に選定すれば、巻数がゼロのティースを複数設けることができる。このようにすれば、正弦波状に巻数を変化させる従来例では僅かに巻線を施さなければならないティースがある場合に比べて巻線作業効率が向上するという効果もある。従来例では、ほんの僅かしか巻線が施さないティースに自動巻きのノズルが移動し位置決めをするのに時間を要するからである。
また、図３１，図３２のような従来例と比較して、軸倍角が増加しても固定子のティースの数は少なくても構成できるので、量産性に優れた回転角度検出装置を提供できるという効果もある。また、偏心や空間０次の起磁力によって検出位置誤差が大きくならないという効果もある。また、Ｎ１とＮ２の比を適切に選定することで、出力電圧が大きく検出位置誤差が小さい高精度な回転角度検出装置を得ることができるという効果もある。
【００３４】
〔３〕  前記〔２〕項に記載の回転角度検出装置において、ξを空隙に発生する空間｜Ｎ＋Ｍ｜次の磁束成分と空間｜Ｎ−Ｍ｜次の磁束成分の位相差に等しくしたことを特徴とする回転角度検出装置。
（効果）
従来例より出力電圧を大きくでき、高精度な回転角度検出装置を得ることができるという効果がある。
【００３５】
〔４〕  前記〔１〕に記載の回転角度検出装置において、２相の出力巻線の巻数の合計がほぼ等しくなるようにしたことを特徴とする回転角度検出装置。
（効果）
２相の出力巻線の抵抗を一致させることができるので、温度変化による抵抗値の変化を２相の出力巻線の間で等しくさせることができるという効果がある。
【００３６】
〔５〕  前記〔１〕項に記載の回転角度検出装置において、巻数がゼロとなるティース３を設けたことを特徴とする回転角度検出装置。
（効果）
このようにすれば、正弦波状に巻数を変化させる従来例では僅かに巻線を施さなければならないティースがある場合に比べて巻線作業効率が向上するという効果もある。従来例では、ほんの僅かしか巻線が施さないティースに自動巻きのノズルが移動し位置決めをするのに時間を要していたからである。
【００３７】
〔６〕  前記〔２〕項に記載の回転角度検出装置において、Ｎ１，Ｎ２が
０．６≦Ｎ１／Ｎ２≦４．０
を満たし、より好ましくはＮ１／Ｎ２＝１としたことを特徴とする前記〔２〕項に記載の回転角度検出装置。
（効果）
このようにすれば、出力電圧が大きくかつ検出位置誤差の小さい高精度な回転角度検出装置が得られるという効果がある。
【００３８】
〔７〕  前記〔１〕項に記載の回転角度検出装置において、ティース３の数が９であることを特徴とする回転角度検出装置。
（効果）
軸倍角が多くてもティースの数が少なくても成立するので、量産性のよい回転角度検出装置を提供できるという効果がある。
【００３９】
〔８〕  前記〔１〕に記載の回転角度検出装置において、ティース３の数が１２であることを特徴とする回転角度検出装置。
（効果）
軸倍角が４でも８でもティースの数が少なくても成立するので、量産性のよい回転角度検出装置を提供できるという効果がある。また、軸倍角が少ないものでも構成が可能であるから、様々な軸倍角の回転角度検出装置を同じ固定子を用いて構成できるので、共通部品が増えることになり量産性が向上できるという効果がある。固定子鉄心が共通となるので軸倍角が変わっただけで金型を新たに用意する必要はなく、製造コストを大幅に低減できるという効果もある。
【００４０】
実施の形態２．
《ティースの数１２，軸倍角４の例》
この発明による実施の形態２を図１８ないし図２０について説明する。図１８は実施の形態２における回転角度検出装置（ティースの数１２，軸倍角４の例）を示す横断面図である。図１９は実施の形態２におけるティースの数１２，軸倍角４の巻線仕様の一例を示す数値図である。図２０は実施の形態２におけるティースの数１２、軸倍角４の出力電圧を示す曲線図である。
この実施の形態２においては、ここで説明する特有の構成以外の構成については、先に説明した実施の形態１における構成と同一の構成内容を具備し、同様の作用を奏するものである。図中、同一符号は同一または相当部分を示す。
【００４１】
ここでは、軸倍角が異なる例を挙げることにする。従来例では図３２に示すように軸倍角が４のときにはティースの数が１６と多く量産には向かない構造であった。
しかし、この発明では図１８に示すように、ティースの数１２で軸倍角４の回転角度検出装置が構成できる。
【００４２】
先にも述べたように回転角度検出装置として機能するためには、空隙に出来る磁束のうち
｜（励磁の極対数）±（軸倍角）｜
に等しい空間次数の磁束を拾う必要がある（ただし、｜｜は絶対値を表す記号である）。
【００４３】
ここでは励磁の極対数が３として、軸倍角が４であるから
｜３±４｜＝１，７
となり、空間１次か７次の磁束を拾う必要がある。したがって、式（３）（４）においてＭ＝４，Ｎ＝３とすればよいので次式を得る。
【００４４】
【数５】
2004151040.tif 000006
【００４５】
式（５）（６）において、Ｎ１＝Ｎ２＝５８とし、θ＝π／１２［ｒａｄ］，ξ＝３π／２［ｒａｄ］としたときの巻数を図１９に示す。また、ティースの数は１２であるのでＮｓ  ＝１２とした。ただし、小数点以下は四捨五入している。
【００４６】
このように巻数を決定したときに出力電圧の変化を図２０に示す。２相の出力巻線の電圧の変化は正弦波状でありその周期は機械角９０度であるので、軸倍角４の回転角度検出装置として動作することがわかる。
【００４７】
このように、この発明による巻数の決定法によって同じ軸倍角で構成した場合、従来例よりもティースの数が少なくなるため巻線作業効率が向上し、量産性のよい回転角度検出装置が得られるという効果がある。
また、図１９のように複数のティースの巻数が０になっており、僅かしか巻線を施さないティースに巻線用ノズルが移動する時間を短縮することが可能であるため、巻線作業効率を向上することができるという効果もある。
【００４８】
実施の形態３．
《ティースの数１２、軸倍角５の例》
この発明による実施の形態３を図２１ないし図２３について説明する。図２１は実施の形態３における回転角度検出装置（ティースの数１２、軸倍角５の例）を示す横断面図である。図２２は実施の形態３におけるティースの数１２、軸倍角５の巻線仕様の一例を示す数値図である。図２２は実施の形態３におけるティースの数１２、軸倍角５の出力電圧を示す曲線図である。
この実施の形態３においては、ここで説明する特有の構成以外の構成については、先に説明した実施の形態１における構成と同一の構成内容を具備し、同様の作用を奏するものである。図中、同一符号は同一または相当部分を示す。
【００４９】
これまで、軸倍角が偶数の例について述べたが、奇数の場合の例について示す。図２１に軸倍角５の例を示す。これまでと同様に、
｜（励磁の極対数）±（軸倍角）｜
に等しい空間次数の磁束を拾う必要がある（ただし、｜｜は絶対値を表す記号である）。
【００５０】
ここでは励磁の極対数が３として、軸倍角が５であるから
｜３±５｜＝２，８
となり、空間２次か８次の磁束を拾う必要がある。したがって、式（３）（４）においてＭ＝５，Ｎ＝３とすればよいので次式を得る。
【００５１】
【数６】
2004151040.tif 000007
【００５２】
式（７）（８）において、Ｎ１＝Ｎ２＝５８とし、θ＝π／１２［ｒａｄ］，ξ＝３π／２［ｒａｄ］としたときの巻数を図２２に示す。また、ティースの数は１２であるのでＮｓ  ＝１２とした。ただし、小数点以下は四捨五入している。このように巻数を決定したときに出力電圧の変化を図２３に示す。
２相の出力巻線の電圧の変化は正弦波状でありその周期は機械角７２度であるので、軸倍角５の回転角度検出装置として動作することがわかる。また、従来例では軸倍角５であればティースの数が２０にも達していたがティースの数が１２で構成できることも分かる。
【００５３】
このように、この発明による巻数の決定法によって同じ軸倍角で構成した場合、従来例よりもティースの数が少なくなるため巻線作業効率が向上し、量産性のよい回転角度検出装置が得られるという効果がある。
また、図２２のように複数のティースの巻数が０になっており、僅かしか巻線を施さないティースに巻線用ノズルが移動する時間を短縮することが可能であるため、巻線作業効率を向上することができるという効果もある。
【００５４】
実施の形態４．
《ティースの数１２，軸倍角１の例》
この発明による実施の形態４を図２４ないし図２６について説明する。図２４は実施の形態４における回転角度検出装置（ティースの数１２，軸倍角１の例）を示す横断面図である。図２５は実施の形態４におけるティースの数１２，軸倍角１の巻線仕様の一例を示す数値図である。図２６は実施の形態４におけるティースの数１２，軸倍角１の出力電圧を示す曲線図である。
この実施の形態４においては、ここで説明する特有の構成以外の構成については、先に説明した実施の形態１における構成と同一の構成内容を具備し、同様の作用を奏するものである。図中、同一符号は同一または相当部分を示す。
【００５５】
これまでは、軸倍角が大きくてもティースの数が従来例より少なくても構成できる例について述べてきた。量産性を考えると、様々な軸倍角について同じ固定子鉄心で構成できれば共通部品が増えるので、都合がよい。ここでは、軸倍角が１の場合の例を示しておく。
図２４は軸倍角１でかつこれまでの実施の形態と同じく固定子のティースの数は１２としたものである。このとき、同様に
｜（励磁の極対数）±（軸倍角）｜
に等しい空間次数の磁束を拾う必要がある（ただし、｜｜は絶対値を表す記号である）。
【００５６】
ここでは励磁の極対数が３として、軸倍角が１であるから
｜３±１｜＝２，４
となり、空間２次か４次の磁束を拾う必要がある。したがって、式（３）（４）においてＭ＝１，Ｎ＝３とすればよいので次式を得る。
【００５７】
【数７】
2004151040.tif 000008
【００５８】
式（９）（１０）において、Ｎ１＝Ｎ２＝５８とし、θ＝π／１２［ｒａｄ］，ξ＝３π／２［ｒａｄ］としたときの巻数を図２５に示す。また、ティースの数は１２であるのでＮｓ  ＝１２とした。ただし、小数点以下は四捨五入している。
このように巻数を決定したときに出力電圧の変化を図２６に示す。２相の出力巻線の電圧の変化は正弦波状でありその周期は機械角３６０度であるので、軸倍角１の回転角度検出装置として動作することがわかる。
【００５９】
このように、この発明を用いれば、様々な軸倍角の回転角度検出装置を同じ固定子を用いて構成できるので、共通部品が増えることになり量産性が向上できるという効果がある。
固定子鉄心が共通となるので軸倍角が変わっただけで金型を新たに用意する必要はなく、製造コストを大幅に低減できるという効果もある。
【００６０】
実施の形態５．
《ティースの数９，軸倍角８の例》
この発明による実施の形態５を図２７ないし図２９について説明する。図２７は実施の形態５における回転角度検出装置（ティースの数９，軸倍角８の例）を示す横断面図である。図２８は実施の形態５におけるティースの数９，軸倍角８の巻線仕様の一例を示す数値図である。図２９は実施の形態５におけるティースの数９，軸倍角８の出力電圧を示す曲線図である。
この実施の形態５においては、ここで説明する特有の構成以外の構成については、先に説明した実施の形態１における構成と同一の構成内容を具備し、同様の作用を奏するものである。図中、同一符号は同一または相当部分を示す。
【００６１】
これまではティースの数が１２の例しか述べなかったが、さらに少ないティースの数でも構成が可能であることを示す。図２７に軸倍角８，ティースの数９の例を示す。
これまでと同様に、
｜（励磁の極対数）±（軸倍角）｜
に等しい空間次数の磁束を拾う必要がある（ただし、｜｜は絶対値を表す記号である）。
【００６２】
ここでは励磁の極対数が３として、軸倍角が８であるから
｜３±８｜＝５，１１
となり、空間５次か１１次の磁束を拾う必要がある。したがって、式（３）（４）においてＭ＝８，Ｎ＝３とすればよいので次式を得る。
【００６３】
【数８】
2004151040.tif 000009
【００６４】
式（１１）（１２）において、Ｎ１＝Ｎ２＝５８とし、θ＝π／１２［ｒａｄ］，ξ＝５π／３［ｒａｄ］としたときの巻数を図２８に示す。
また、ティースの数は９であるのでＮｓ＝９とした。ただし、小数点以下は四捨五入している。
【００６５】
このように巻数を決定したときに出力電圧の変化を図２９に示す。２相の出力巻線の電圧の変化は正弦波状でありその周期は機械角４５度であるので、軸倍角８の回転角度検出装置として動作することがわかる。
また、従来例では軸倍角８であればティースの数が３２にも達していたが、ティースの数が９で構成できることも分かる。
【００６６】
このように、この発明による巻数の決定法によって同じ軸倍角で構成した場合、従来例よりもティースの数が少なくなるため巻線作業効率が向上し、量産性のよい回転角度検出装置が得られるという効果がある。
また、図２８のように複数のティースの巻数が０になっており、従来例では僅かしか巻線を施さないティースに巻線用ノズルが移動する時間が必要であったがこれを短縮することが可能であるため、巻線作業効率を向上することができるという効果もある。
【００６７】
また、実施の形態１ないし実施の形態５ではティースの数が９か１２の例を述べたが、その他の数においても、この発明を用いれば回転角度検出装置を構成することは可能である。
【００６８】
実施の形態６．
《ベルト駆動式ＩＳＧの例》
この発明による実施の形態６を図３０について説明する。図３０は、実施の形態６において、この発明の回転角度検出装置を爪形界磁鉄心を持つ発電機に適用した例を示す縦断面図である。
図３０に示す回転角度検出装置Ａは、実施の形態１ないし実施の形態５で説明した構成を具備するものである。
【００６９】
実施の形態１ないし実施の形態５では特定の次数成分に着目して出力巻線を構成することにより、軸倍角が増えても従来例より固定子のティースの数が少なくてすみ、量産性に優れた回転角度検出装置を得ることができると述べた。また、様々な軸倍角の回転角度検出装置を同じ固定子鉄心を用いて構成が可能であることも述べた。
このような回転角度検出装置は光学式エンコーダに比べて安価で耐環境性に優れているので、モータや発電機などの回転角度センサとして用いれば、安価で耐環境性にすぐれたシステムを構築することができるという効果がある。例えば車両用ベルト駆動式ＩＳＧ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ＿Ｓｔａｒｔｅｒ＿Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ）にこの発明の回転角度検出装置を組み込むことが考えられる。
【００７０】
図３０に爪形状の界磁鉄心を有する発電機に、この発明による回転角度検出装置を組み込んだ構成を示す。
回転角度検出装置Ａは、発電機の固定子１１に対応する回転子を構成し、界磁巻線１２を備えた発電機の爪形界磁鉄心１３を装着した軸１４の端部に設けられる。
回転角度検出装置Ａの回転子１は、発電機の軸１４に固着され、励磁巻線，出力巻線４を配設した回転角度検出装置Ａの固定子２が固定子２に対向して設けられている。
【００７１】
ベルト駆動式ＩＳＧのシステムでは発電機（モータとしても動作する）はエンジンルームに配置されるため、高温になり光学式エンコーダは適していない。またシステムとして高価になってしまう。そこで、鉄心と巻線で構成される、この発明による回転角度検出装置を用いれば、耐環境性に優れ、安価なシステムを構築することができる。
【００７２】
さらに、爪形状の界磁鉄心を有するモータあるいは発電機は、界磁電流が図１５に示したように流れ、回転角度検出装置の空隙に空間０次の起磁力を発生させてしまう。従って、空隙に軸倍角と同じ空間次数の磁束が発生し、従来の技術では出力巻線がこの成分を拾ってしまい、検出位置誤差の増大につながった。
しかしながら、この発明による実施の形態１で述べたように、この発明においては特定の次数成分しか拾わないように巻線が構成されているので検出位置誤差の増大を防ぐことができるという効果が得られる。
【００７３】
また、ここでは爪形状の界磁鉄心を具備したモータあるいは発電機についてのみ述べたが、一般のモータや発電機においても空間０次の起磁力が発生してしまうことがあるので、この発明の回転角度検出装置を用いることで検出位置誤差の増大を防ぐことができるということはいうまでもない。
【００７４】
なお、実施の形態１ないし実施の形態６においては、励磁巻線の極対数をＮとし、前記回転子の突極の数をＭとしたとき、２相の出力巻線の巻数が、空間｜Ｎ＋Ｍ｜次の正弦波と空間｜Ｎ−Ｍ｜次の正弦波の和あるいは差で表される関数によって得られることを特徴としている。
この巻数の構成法については、さらに具体的な数式を用いて説明したが、巻数はいかなる別の数式や方法で得られるものでもよいものとし、その場合も同様の効果を得ることができる。
また、巻数がこの発明で得られるものから１０％程度異なった巻数であったとしても、回転角度検出装置として動作することはいうまでもなく、またその場合も同様の効果が得ることができる。
【００７５】
【発明の効果】
この発明によれば、出力電圧を比較的大きくでき、かつ、検出位置誤差を小さくできるとともに、軸倍角が大きくなっても固定子のティースの数を少なく構成できる、高精度で量産性に優れた回転角度検出装置を得ることができる。
【００７６】
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明による実施の形態１における回転角度検出装置（ティースの数１２，軸倍角８の例）の構成を示す横断面図である。
【図２】従来の巻線例を表にしたもの（正弦波状の巻線の例）を示す数値図である。
【図３】従来の巻線例をグラフにしたもの（正弦波状の巻線の例）を示す曲線図である。
【図４】この発明による実施の形態１における巻線例を表にしたもの（この発明の一例）を示す数値図である。
【図５】この発明による実施の形態１における巻線例をグラフにしたもの（この発明の一例）を示すグラフである。
【図６】この発明による実施の形態１における出力電圧波形の比較（この発明と従来例の比較）を示す曲線図である。
【図７】この発明による実施の形態１における空間５次の巻線と空間１１次の巻線の位相差を変化した場合を示す曲線図である。
【図８】この発明による実施の形態１における空隙磁束密度波形を示す曲線図である。
【図９】この発明による実施の形態１における空隙磁束密度波形の周波数分析結果を示すグラフである。
【図１０】この発明による実施の形態１における空間５次成分と空間１１次成分の位相差を示す数値図である。
【図１１】この発明による実施の形態１における出力電圧値の比較（この発明と従来例の比較）を示すグラフである。
【図１２】この発明による実施の形態１における検出位置誤差の比較（この発明と従来例の比較）を示すグラフである。
【図１３】この発明による実施の形態１における２相の出力巻線にて巻数の合計が一致する例を示す数値図である。
【図１４】この発明による実施の形態１における偏心が生じたときの検出位置誤差の変化を示すグラフである。
【図１５】この発明による実施の形態１における空間０次の起磁力の説明図である。
【図１６】この発明による実施の形態１における空間０次の起磁力が出力電圧に及ぼす影響を示す曲線図である。
【図１７】この発明による実施の形態１におけるＮ１／Ｎ２による回転角度検出装置の特性の変化を示す曲線図である。
【図１８】この発明による実施の形態２における回転角度検出装置（ティースの数１２，軸倍角４の例）を示す横断面図である。
【図１９】この発明による実施の形態２におけるティースの数１２，軸倍角４の巻線仕様の一例を示す数値図である。
【図２０】この発明による実施の形態２におけるティースの数１２，軸倍角４の出力電圧を示す曲線図である。
【図２１】この発明による実施の形態３における回転角度検出装置（ティースの数１２，軸倍角５の例）を示す横断面図である。
【図２２】この発明による実施の形態３におけるティースの数１２，軸倍角５の巻線仕様の一例を示す数値図である。
【図２３】この発明による実施の形態３におけるティースの数１２，軸倍角５の出力電圧を示す曲線図である。
【図２４】この発明による実施の形態４における回転角度検出装置（ティースの数１２，軸倍角１の例）を示す横断面図である。
【図２５】この発明による実施の形態４におけるティースの数１２，軸倍角１の巻線仕様の一例を示す数値図である。
【図２６】この発明による実施の形態４におけるティースの数１２，軸倍角１の出力電圧を示す曲線図である。
【図２７】この発明による実施の形態５における回転角度検出装置（ティースの数９、軸倍角８の例）を示す横断面図である。
【図２８】この発明による実施の形態５におけるティースの数９，軸倍角８の巻線仕様の一例を示す数値図である。
【図２９】この発明による実施の形態５におけるティースの数９，軸倍角８の出力電圧を示す曲線図である。
【図３０】この発明による実施の形態６において、この発明の回転角度検出装置を爪形界磁鉄心を持つ発電機に適用した例を示す縦断面図である。
【図３１】従来例（軸倍角１，ティースの数４の例）を示す横断面図である。
【図３２】従来例（軸倍角４，ティースの数１６の例、すなわち軸倍角が増えるとティースの数が増える例）を示す横断面図である。
【符号の説明】
１  回転子、２  固定子、３  ティース、４  巻線。
【図１】
2004151040.tif 000011
【図２】
2004151040.tif 000012
【図３】
2004151040.tif 000013
【図４】
2004151040.tif 000014
【図５】
2004151040.tif 000015
【図６】
2004151040.tif 000016
【図７】
2004151040.tif 000017
【図８】
2004151040.tif 000018
【図９】
2004151040.tif 000019
【図１０】
2004151040.tif 000020
【図１１】
2004151040.tif 000021
【図１２】
2004151040.tif 000022
【図１３】
2004151040.tif 000023
【図１４】
2004151040.tif 000024
【図１５】
2004151040.tif 000025
【図１６】
2004151040.tif 000026
【図１７】
2004151040.tif 000027
【図１８】
2004151040.tif 000028
【図１９】
2004151040.tif 000029
【図２０】
2004151040.tif 000030
【図２１】
2004151040.tif 000031
【図２２】
2004151040.tif 000032
【図２３】
2004151040.tif 000033
【図２４】
2004151040.tif 000034
【図２５】
2004151040.tif 000035
【図２６】
2004151040.tif 000036
【図２７】
2004151040.tif 000037
【図２８】
2004151040.tif 000038
【図２９】
2004151040.tif 000039
【図３０】
2004151040.tif 000040
【図３１】
2004151040.tif 000041
【図３２】
2004151040.tif 000042