JP4336070B2

JP4336070B2 - Rotary position detector

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Publication number: JP4336070B2
Application number: JP2001313083A
Authority: JP
Inventors: 忠敏後藤; 宏坂本
Original assignee: Amiteq Co Ltd
Current assignee: Amiteq Co Ltd
Priority date: 2001-10-10
Filing date: 2001-10-10
Publication date: 2009-09-30
Anticipated expiration: 2021-10-10
Also published as: JP2003121107A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、交流励磁されるコイルとこのコイルに対して相対的に変位する磁性体又は導電体とを含んで構成される回転型位置検出装置に関し、１回転又は所定角度範囲にわたる回転位置の検出に適したものであり、特に、１相の交流で励磁される１次コイルのみを使用して複数相の振幅関数特性を示す出力交流信号を検出対象回転位置に応じて生成するものに関する。
【０００２】
【従来の技術】
誘導型の回転位置検出装置として、１相励磁入力で２相出力（サイン相とコサイン相の出力）を生じるものは「レゾルバ」として知られており、１相励磁入力で３相出力（１２０度ずれた３相）を生じるものは「シンクロ」として知られている。最も古いタイプの在来型のレゾルバは、ステータ側に９０度の機械角で直交する２極（サイン極とコサイン極）の２次巻線を配し、ロータ側に１次巻線を配したものである。このようなタイプのレゾルバはロータの１次巻線に電気的にコンタクトするためのブラシを必要としているので、これが欠点となっている。これに対して、ブラシを不要としたブラシレス・レゾルバの存在も知られている。ブラシレス・レゾルバは、ロータ側においてブラシに代わる回転トランスを設けたものである。しかし、このようなブラシレス・レゾルバはロータ側に回転トランスを具備する構成の故に、装置を小型化することが困難であり、小型化には限度があるし、また、回転トランスの分だけ装置構成部品点数が増すので製造コストの上昇にもつながってしまう。
【０００３】
一方、ステータ側の複数の凸極に１次巻線と２次巻線を配し、ロータを所定形状（偏心円形状、あるいは楕円形状、あるいは突起を持つ形状）の磁性体で構成し、ステータ凸極とロータ磁性体との間のギャップが回転位置に応じて変化することに基づき、回転位置に応じた磁気抵抗変化を生成し、これに応じた出力信号を得るようにした、無接触式・可変磁気抵抗型の回転位置検出装置が、古くは商品名「マイクロシン」として知られている。また、同様の可変磁気抵抗原理に基づく回転位置検出装置が、例えば、特開昭５５−４６８６２号、特開昭５５−７０４０６号、特開昭５９−２８６０３号などにおいて示されている。なお、この場合、出力信号に基づく位置検出方式は、位相方式（検出した位置データが出力信号の電気的位相角に対応している方式）と電圧方式（検出した位置データが出力信号の電圧レベルに対応している方式）のどちらもが知られている。例えば、位相方式を採用する場合は、２相励磁入力又は３相励磁入力等、異なる機械角で配置された各１次巻線を位相のずれた複数相で励磁し、回転位置に応じて電気的位相角がずれた１相の出力信号を生ずる。また、電圧方式を採用する場合は、１次巻線と２次巻線の関係が上記位相方式とは逆になり、上記「レゾルバ」のように１相励磁入力で複数相出力を生ずる。
【０００４】
「レゾルバ」のように１相励磁入力で複数相出力を生ずる回転位置検出装置においては、典型的には、サイン相出力とコサイン相出力の２相出力を生じるように構成されている。そのために、従来の無接触式・可変磁気抵抗型のレゾルバタイプの回転位置検出装置は、最低でもステータは４極構成とされ、各極が機械角で９０度の間隔で配置され、第１の極をサイン相とすると、それから９０度離れた第２の極はコサイン相とされ、更に９０度離れた第３の極はマイナスサイン相とされ、更に９０度離れた第４の極はマイナスコサイン相とされる。その場合、各ステータ極に対して回転に応じた磁気抵抗変化を生じさせるためにロータは、磁性体又は導電体からなり、その形状が偏心円形状や楕円形状あるいは歯車形状等の周期的な形状に形成される。そして、各ステータ極には１次コイルと２次コイルが設けられ、各ステータ極とロータ間のギャップがロータの回転位置に対応して変化することにより該ステータ極を通る磁気回路の磁気抵抗が変化し、これに基づき該ステータ極における１次コイルと２次コイルとの間の磁気結合度が回転位置に対応して変化し、こうして回転位置に対応する出力信号が２次コイルに誘導されるようにしており、各ステータ極の出力信号のピーク振幅特性は周期的関数特性を示す。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような従来の無接触式・可変磁気抵抗型のレゾルバタイプの回転位置検出装置は、１次コイルと２次コイルを設ける１次−２次誘導タイプであるために、コイル数が多くなり、故に、構造を小型化するのに限度があり、また、コストを低減するのにも限度があった。更に、従来の回転位置検出装置は、複数のステータ極が１回転の全体にわたって均等間隔で配置される構成であるため、その構造上の制限から適用可能な場所やスペースに限度があった。また、従来の回転位置検出装置においては、サインとコサインの２相出力を得る場合であっても、ステータを単純な２極構成とすることはできず、４極構成としなければならなかったので、構造を小型化するのに限度があった。
【０００６】
本発明は上述の点に鑑みてなされたもので、小型かつシンプルな構造を持つ回転型位置検出装置を提供しようとするものである。また、利用可能な位相角範囲を広くとることができ、更には、検出対象の変位が微小でも高分解能での検出が可能な、回転型位置検出装置を提供しようとするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る回転型位置検出装置は、交流信号で励磁される少なくとも１対のコイルを所定の一部の回転角度範囲にわたって配置してなるコイル部であって、前記少なくとも１対のコイルにおける各コイル対は所定の回転角に対応する間隔で離隔されて配置された２つのコイルを含み、前記コイル部に対して相対的に回転変位するよう配置された磁気応答部材であって、検出対象の回転に応じて該部材と前記コイル部との相対的回転位置が変化し、この相対的回転位置に応じて前記コイルのインピーダンスを変化させ、このインピーダンス変化に基づき前記相対的回転位置が所定の回転角範囲にわたって変化する間で前記コイルに生じる電圧が増減変化するようにし、前記各コイル対における前記２つのコイルの電圧の増減変化が差動的な特性を示すようにしたものであり、１回転において複数周期分の前記インピーダンス変化を生じさせるような形状からなるものと、前記各コイル対毎に前記２つのコイルに生じる電圧の差をそれぞれ取り出し、所定の周期的振幅関数を振幅係数として持つ交流出力信号を各コイル対毎に生成する回路であって、前記各交流出力信号の前記周期的振幅関数はその周期特性において所定位相だけ異なっているものと、前記磁気応答部材を前記コイル部に対して相対的に回転可能に取り付けるための磁性体からなる軸において該磁気応答部材を該軸に取り付ける接合箇所において設けられた反磁性体からなる磁気シールド部材とを具え、前記軸を通って前記磁気応答部材に漏洩する外部からの磁気を該磁気シールド部材で遮蔽することを特徴とする。
これにより、磁気応答部材の取り付け箇所を通って外部から漏洩しようとする磁気が該取り付け箇所において設けられた反磁性体からなる磁気シールド部材によって渦電流損により減衰されることとなり、検出用の磁気回路内に漏洩しようとする外部磁気が遮蔽される。従って、外部磁気の影響を受けない正確な位置検出が可能となり、強い磁気を発生する電気モータ等に近接してこの回転型位置検出装置を配置しなければならないような場合に、極めてコンパクトな構成で磁気遮蔽を行うことができる。
【０００８】
また、本発明の好ましい実施例として、前記コイル対は２対設けられており、前記回路は、各々のコイル対からサイン関数を振幅係数として持つ交流出力信号とコサイン関数を振幅係数として持つ交流出力信号とを生成することを特徴とする。
【０００９】
磁気応答部材は、典型的には、磁性体及び導電体の少なくとも一方を含んでなるものである。磁気応答部材が磁性体からなる場合は、該部材のコイルに対峙する面積が広くなるほど、該コイルのインダクタンスが増加して、該コイルの電気的インピーダンスが増加し、該コイルに生じる電圧（すなわち端子間電圧）が増加する。反対に、該磁気応答部材のコイルに対峙する面積が狭くなるほど、該コイルのインダクタンスが減少して、該コイルの電気的インピーダンスが減少し、該コイルの端子間電圧が減少する。こうして、検出対象の回転に伴い、コイルに対する磁気応答部材の相対的回転位置が所定の回転角範囲にわたって変化する間で該コイルの端子間電圧は、増減変化することになる。
【００１０】
ここで、コイルを流れる交流信号をｓｉｎωｔで示し、一例として、この増減変化によって生ずる振幅係数成分を、回転角θを変数とする関数Ａ（θ）で示すと、コイルの端子間電圧はＡ（θ）ｓｉｎωｔで表すことができる。この場合、振幅係数成分Ａ（θ）は回転に伴って増減変化はするが、その値は正の値しかとらない。例えば、この振幅係数成分Ａ（θ）の増減変化のカーブがサインカーブに近似する特性を示すとし、そのピーク値をＰとすると、Ａ（θ）＝Ｐ0＋Ｐｓｉｎθのような式で典型的には示されるものである。ここで、Ｐ0≧Ｐである。すなわち、Ｐｓｉｎθの値を或るオフセット値Ｐ0でプラス方向にオフセットしたような特性である。
【００１１】
本発明によれば、上述したように例えば１つのコイル対をサイン相とすると、該１つのコイル対における各コイルの端子間電圧の増減変化が差動的な特性を示すので、一方が（Ｐ0＋Ｐｓｉｎθ）ｓｉｎωｔとすると、他方が（Ｐ0−Ｐｓｉｎθ）ｓｉｎωｔとなる。その両者の差を取り出すと、
（Ｐ0＋Ｐｓｉｎθ）ｓｉｎωｔ−｛（Ｐ0−Ｐｓｉｎθ）ｓｉｎωｔ｝
＝２Ｐｓｉｎθｓｉｎωｔ
となる。もう一方のコイル対をコサイン相とすると、該コイル対における各コイルの端子間電圧の増減変化が差動的な特性を示すことにより、その両者の差を取り出すと、
（Ｐ0＋Ｐｃｏｓθ）ｓｉｎωｔ−｛（Ｐ0−Ｐｃｏｓθ）ｓｉｎωｔ｝
＝２Ｐｃｏｓθｓｉｎωｔ
となる。このような差動合成原理は、従来知られたレゾルバと共通しているが、従来のレゾルバは、１次及び２次コイルを必要としていたが、本発明によれば、１次コイルのみを設ければよく、２次コイルは不要であるため、コイル構成が簡単であり、シンプルな構造の回転型位置検出装置を提供することができることとなる。
【００１２】
本発明は、前記コイル部が１回転内の限られた所定の角度範囲に設けられており、該限られた所定の角度範囲における回転位置の検出を行うのに適するようになっている。この場合は、追って詳しく説明するように、所定の限られた機械的回転角範囲の回転変位に関して、３６０度フルの位相検出スケールではなく、所定の限られた範囲内の位相検出スケールで（例えば６０度の範囲）位置検出データを得ることができる。すなわち、所定の限られた範囲内の検出スケールではあるが、レゾルバと同様の２つの交流出力信号、つまりサイン相出力信号（ｓｉｎθｓｉｎωｔ）とコサイン相出力信号（ｃｏｓθｓｉｎωｔ）、を得ることができる。このような偏ったコイル部の配置は、既存の機械内に本発明に係る回転型位置検出装置を後から設置するような場合に有効である。例えば、検出対象回転軸における所定の角度範囲においては既に障害物が存在していて、１回転フルにわたるステータコイルの設置が不可能なような場合、障害物が存在していない角度範囲の場所に偏った配置のコイル部を設置することができるので有利である。
【００１３】
なお、磁気応答部材として、銅のような非磁性良導電体すなわち反磁性体を使用した場合は、渦電流損によってコイルのインダクタンスが減少し、磁気応答部材の近接に応じてコイルの端子間電圧が減少することになる。この場合も、上記と同様に検出することが可能である。磁気応答部材として、磁性体と非磁性良導電体（反磁性体）を組合わせたハイブリッドタイプのものを用いてもよい。
【００１４】
更に、本発明に係る回転型位置検出装置は、交流信号で励磁される少なくとも１対のコイルを所定の一部の回転角度範囲にわたって配置してなるコイル部であって、前記少なくとも１対のコイルにおける各コイル対は所定の回転角に対応する間隔で離隔されて配置された２つのコイルを含み、前記コイル部に対して相対的に回転変位するよう配置された磁気応答部材であって、検出対象の回転に応じて該部材と前記コイル部との相対的回転位置が変化し、この相対的回転位置に応じて前記コイルのインピーダンスを変化させ、このインピーダンス変化に基づき前記相対的回転位置が所定の回転角範囲にわたって変化する間で前記コイルに生じる電圧が増減変化するようにし、前記各コイル対における前記２つのコイルの電圧の増減変化が差動的な特性を示すようにしたものであり、１回転において複数周期分の前記インピーダンス変化を生じさせるような形状からなるものと、前記各コイル対毎に前記２つのコイルに生じる電圧の差をそれぞれ取り出し、所定の周期的振幅関数を振幅係数として持つ交流出力信号を各コイル対毎に生成する回路であって、前記各交流出力信号の前記周期的振幅関数はその周期特性において所定位相だけ異なっているものと、前記コイル部の周囲に設けられた、該コイル部に対する外部からの磁気を遮蔽するための第１の磁気シールド部材と、前記磁気応答部材を前記コイル部に対して相対的に回転可能に取り付けるための磁性体からなる軸において該磁気応答部材を該軸に取り付ける接合箇所において設けられた反磁性体からなる第２の磁気シールド部材とを具え、前記第１の磁気シールド部材は、磁性体と反磁性体とを重複配置して構成したものであり、前記軸を通って前記磁気応答部材に漏洩する外部からの磁気を前記第２の磁気シールド部材で遮蔽することを特徴とする。
これによれば、磁気シールド部材における磁性体の層により、外部からの磁気の磁気回路が該磁性体を通って形成され、内部のコイル部には外部磁気が侵入しないように遮蔽することができ、また、磁気シールド部材における反磁性体の層により、外部からの磁気が反磁性体（導電体）の個所で渦電流損により減衰されることで、内部のコイル部に対する外部磁気が遮蔽される。従って、外部磁気の影響を受けない正確な位置検出が可能となり、強い磁気を発生する電気モータ等に近接してこの回転型位置検出装置を配置しなければならないような場合に、極めてコンパクトな構成で磁気遮蔽を行うことができる。
【００１５】
別の観点によると本発明は、磁性体からなる検出対象回転軸に取り付けられる磁気応答部材からなる所定形状のロータ部と、交流信号によって励磁されるコイル部を備えたステータとを具備し、前記回転軸の回転に応じて前記磁気応答部材と前記コイル部との相対的回転位置が変化し、この相対的回転位置の変化に応じて前記コイル部のインピーダンスを変化させ、このインピーダンス変化に応じた出力信号を生成するようにした回転位置検出装置において、前記ロータ部を前記回転軸に固定する接合部において反磁性体からなる磁気シールド部材を設け、該回転軸を通って前記ロータ部に漏洩する外部からの磁気を該磁気シールド部材で遮蔽することを特徴とする。
【００１６】
更に別の観点によると、磁性体からなる検出対象回転軸に取り付けられる磁気応答部材からなる所定形状のロータ部と、交流信号によって励磁されるコイル部を備えたステータとを具備し、前記回転軸の回転に応じて前記磁気応答部材と前記コイル部との相対的回転位置が変化し、この相対的回転位置の変化に応じて前記コイル部のインピーダンスを変化させ、このインピーダンス変化に応じた出力信号を生成するようにした回転位置検出装置において、前記コイル部の周囲に、該コイル部に対する外部からの磁気を遮蔽するための第１の磁気シールド部材を設け、該第１の磁気シールド部材は、磁性体と反磁性体とを重複配置して構成したものであり、前記ロータ部を前記回転軸に固定する接合部において反磁性体からなる第２の磁気シールド部材を設け、該回転軸を通って前記ロータ部に漏洩する外部からの磁気を該第２の磁気シールド部材で遮蔽することを特徴とする。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照してこの発明の実施の形態を詳細に説明する。図１（Ａ）はこの発明の一実施の形態に係る回転型位置検出装置の構造を示す正面略図、同図（Ｂ）はその側面断面略図、同図（Ｃ）は該回転型位置検出装置における検知部の拡大斜視図である。また、図２は同装置におけるセンサ用コイルに関連する電気回路図である。
この実施例に示す回転型位置検出装置は、モータの回転角を検出するために検出対象とする回転体（例えば、ロータ）の適宜の位置に配置することのできる分離型のセンサヘッドを具えた回転型位置検出装置である。該回転型位置検出装置はモータＭ等の駆動に伴って回転動作するように回転軸ＭＪに取りつけられた回転体たる本体プレートＰの回転角を検出するものであり、センサ用コイルＬ１〜Ｌ４を各々含む複数個の検知部Ｓ１〜Ｓ４を具えたコイル部たる分離型のセンサヘッドＳＨと、シールドリングＳＲと共に取付ねじＴ等で前記本体プレートＰに一体的に取りつけられる所定形状の磁気応答部材（例えば、センサロータプレートＲＰを鉄のような磁性体からなる磁気応答部材で構成する）とを含んで構成されている。すなわち、この回転型位置検出装置では、本体プレートＰと共に回転軸ＭＪを中心にして回転動作するセンサロータプレートＲＰの回転をセンサヘッドＳＨの複数個の検知部Ｓ１〜Ｓ４で同時に検知することによって、モータＭの回転軸ＭＪの回転角を検出できるようになっている。
【００１８】
センサヘッドＳＨは、センサロータプレートＲＰの回転を検出するための検出用コイルとして複数個（この実施例では４個）の検知部Ｓ１〜Ｓ４を具える。各検知部Ｓ１〜Ｓ４は本体プレートＰの曲率にあわせて回転軸ＭＪの回転中心位置を指向するように、また、センサヘッドＳＨ上において各検知部Ｓ１〜Ｓ４が円周方向に所定間隔で離隔するように配置されており、この間隔は例えば回転軸ＭＪの回転中心位置に関して各々１５度をなすような間隔である。各検知部Ｓ１（Ｓ２〜Ｓ４）はそれぞれ異なる磁性体コアＣ１（Ｃ２〜Ｃ４）に互いに対向する向きに巻き回された２個のセンサ用コイルＬ１（Ｌ１〜Ｌ４）を含んでおり、この２個のセンサ用コイルＬ１（Ｌ２〜Ｌ４）内を通る磁束Φは回転軸ＭＪの軸方向を指向する。こうしたセンサ用コイルＬ１（Ｌ２〜Ｌ４）を配置する磁性体コアＣ１（Ｃ２〜Ｃ４）は、例えば図１（Ｃ）に示すような「Ｃ」の字に形成されたケイ素鋼板を複数個積み重ねた形状の積層ケイ素鋼板からなる。磁性体コアＣ１（Ｃ２〜Ｃ４）を積層ケイ素鋼板で構成すると、センサ用コイルＬ１（Ｌ２〜Ｌ４）で各々発生する磁束が変化した際に生じる渦電流をできるだけ小さくすることができ、これにより渦電流損を減少することができるので非常に好ましい。また、「Ｃ」の字に形成した磁性体コアＣ１〜Ｃ４にセンサ用コイルＬ１〜Ｌ４を巻き回すことによって、センサ用コイルＬ１〜Ｌ４で発生する磁束を通す磁路（つまり、磁束回路）を積極的に生成することから、外部で生じた他の磁束の影響を減少することができ好ましいことになる。
【００１９】
各センサ用コイルＬ１〜Ｌ４とセンサロータプレートＲＰの表面との間には空隙が形成されるようにそれぞれを構成・配置することによって、センサロータプレートＲＰはセンサヘッドＳＨの検知部Ｓ１〜Ｓ４に対して非接触の状態で回転する。この空隙の距離は、一定に保たれるように、センサロータプレートＲＰとセンサヘッドＳＨの相対的配置が図示しない機構を介して定められる。センサロータプレートＲＰが磁性体からなる場合には、本体プレートＰの回転位置に応じて所定の形状、例えば花弁形状に形成されたセンサロータプレートＲＰが回転することでセンサ用コイルＬ１〜Ｌ４に対する磁気結合の度合いが変化する。すなわち、センサ用コイルＬ１〜Ｌ４とセンサロータプレートＲＰの表面との間における対向空隙面積が変化することによって、磁性体コアＣ１〜Ｃ４を通ってセンサ用コイルＬ１〜Ｌ４を貫く各々の磁束量が変化し、これによりセンサ用コイルＬ１〜Ｌ４毎の磁気結合の度合いは変化する。このセンサ用コイルＬ１〜Ｌ４に対する磁気結合の度合いが増せば増すほど、該センサ用コイルＬ１〜Ｌ４のインダクタンスが増加していくので、該センサ用コイルＬ１〜Ｌ４の電気的インピーダンスが増加し、該センサ用コイルＬ１〜Ｌ４に生じる電圧すなわち端子間電圧が増加する。反対に、センサ用コイルＬ１〜Ｌ４に対する磁気結合の度合いが減少すれば減少するほど、該センサ用コイルＬ１〜Ｌ４のインダクタンスが減少していくので、該センサ用コイルＬ１〜Ｌ４の電気的インピーダンスが減少し、該センサ用コイルＬ１〜Ｌ４に生じる電圧すなわち端子間電圧が減少する。こうして、検出対象の回転に伴い、検知部Ｓ１〜Ｓ４に対するセンサロータプレートＲＰの相対的回転位置が所定の回転角度範囲にわたって変化する間で該センサ用コイルＬ１〜Ｌ４の端子間電圧は、漸増（又は漸減）変化することとなる。
【００２０】
センサロータプレートＲＰは磁気応答部材であって、その形状は理想的なサイン関数のカーブが得られるように適切な形状に設計される。センサ用コイルＬ１〜Ｌ４等の設計・配置条件に応じて、例えば、回転軸ＭＪの１／６回転につき１周期のサイン関数のカーブが得られるようにするにはセンサロータプレートＲＰの形状は６歯若しくは６花弁の形状、回転軸ＭＪの１／４回転につき１周期のサイン関数のカーブが得られるようにするにはセンサロータプレートＲＰの形状は４歯若しくは４花弁の形状となりうる。このセンサロータプレートＲＰの形状をいかに設計するかは本発明の目的ではなく、かつ、公知／未公知のこの種の可変磁気抵抗型回転検出器で採用されているロータの形状を該センサロータプレートＲＰの形状として採用してよいことから、ここでは図１（Ａ）に示した形状（つまり、６歯若しくは６花弁の形状）のセンサロータプレートＲＰについて簡単に説明する。
【００２１】
図１（Ａ）の実施例に示したセンサロータプレートＲＰは回転軸ＭＪと共に回転する多歯若しくは多花弁（この実施例では６歯若しくは６花弁）のような、１回転当り複数（Ｎ）周期の磁気抵抗変化をもたらすような形状をしており、各検知部Ｓ１〜Ｓ４は該センサロータプレートＲＰの１／Ｎ回転（つまり３６０度／Ｎ）分の狭い範囲内に配置される構造からなっている。図１（Ａ）の実施例では、３６０度／Ｎ＝３６０／６＝６０度の機械角範囲内に４つの検知部Ｓ１〜Ｓ４が「６０度／４＝１５度」の間隔でセンサヘッドＳＨに配置されている。センサヘッドＳＨに配置された各検知部Ｓ１〜Ｓ４のセンサ用コイルＬ１〜Ｌ４は回転軸ＭＪの軸方向に互いに対向するように向いており、該センサ用コイルＬ１〜Ｌ４は１回転当り６周期の凹凸変化を持つセンサロータプレートＲＰの表面に対向する。これにより得られるサイン関数ｓｉｎθとコサイン関数ｃｏｓθは、回転軸ＭＪの実際の機械角のＮ＝６倍の精度を持つものである。例えば、回転軸ＭＪの実際の機械角をψとすると、ｓｉｎθ＝ｓｉｎＮψ，ｃｏｓθ＝ｃｏｓＮψである。本実施例においては、センサヘッドＳＨの各検知部Ｓ１〜Ｓ４が１／Ｎ回転（つまり３６０度／Ｎ）分の狭い範囲内に配置される構造からなっているので、センサヘッドＳＨの取付けスペースが狭い範囲に限定されるような応用に際して非常に適している。
以上のことから、センサロータプレートＲＰの形状について重要なことは、センサロータプレートＲＰ、つまり、磁気応答部材の所定の形状が如何なる形状であるかということではなく、要するに、センサロータプレートＲＰの回転位置の変化に応じた各センサ用コイルＬ１〜Ｌ４のインダクタンス変化つまりインピーダンス変化が、理想的なサイン関数のカーブと同じようになるようにできるだけ適切な形状に設計されていればよい。
【００２２】
なお、上述した実施例においては、センサヘッドＳＨに検知部Ｓ１〜Ｓ４を４個配置した４極構成のものを示したが、これに限らず検知部Ｓ１〜Ｓ４を複数個構成したものであればよい。すなわち、センサロータプレートＲＰの回転に伴って理想的なサイン関数及びコサイン関数が得られるものであればどのような構成であってもよい。
また、センサロータプレートＲＰを挟み込むようにしてセンサヘッドＳＨの各極毎に２個ずつセンサ用コイルＬ１〜Ｌ４を対向配置した例を示したが、センサ用コイルＬ１〜Ｌ４をセンサヘッドＳＨの同一側面側に各極毎に１個ずつ配置するようにしてもよい。しかし、上記のようにセンサロータプレートＲＰを挟み込むようにしてセンサヘッドＳＨの各極毎に２個ずつセンサ用コイルＬ１〜Ｌ４を対向配置した方が、キャリブレーションの発生によるセンサロータプレートＰのぶれの影響に伴う磁束の変動を相殺することができることから好ましい。
なお、本体プレートＰは鉄のような磁性体で構成するとよい。こうすると、本体プレートＰがモータＭ側で発生する磁束を遮蔽することになり、センサヘッドＳＨ側にモータＭ側で発生した磁束が漏れることがない。すなわち、センサヘッドＳＨのセンサ用コイルＬ１〜Ｌ４はモータＭ側で発生する磁束の影響を受けることがないことから、回転位置の検出を正確に行うことができるようになり好ましい。
また、シールドリングＳＲは金や銅あるいは銀のような反磁性の性質を具える反磁性体材料で構成するのが好ましい。こうすると、各センサ用コイルＬ１〜Ｌ４から発生した磁束がモータ側Ｍに漏れることがなくなるので、正確な回転角の検出を行うことができるようになる。
【００２３】
図３（Ａ）は、回転角度θの変化に対する一方のセンサ用コイルＬ１のインピーダンス変化の理想的なサイン関数のカーブをＡ（θ）で示している。回転角度θの変化に対する他方のセンサ用コイルＬ２のインピーダンス変化の理想的なサイン関数のカーブをＢ（θ）で示す。他方のセンサ用コイルＬ２のインピーダンス変化カーブＢ（θ）は、センサ用コイルＬ１に対して９０度ずれた位相のコサイン関数に相当している。かくして、各カーブＡ（θ），Ｂ（θ）の増減変化の中点をＰ0とし、振れの振幅をＰとすると、
Ａ（θ）＝Ｐ0＋Ｐｓｉｎθ
Ｂ（θ）＝Ｐ0＋Ｐｃｏｓθ
と表せる。
【００２４】
また、上述の実施例は差動変化するコイル対を２つ設けた実施例を示すものである。この構成では、１個おきに配置されたセンサ用コイルを各々組合せて１組のコイル対とし（つまり、センサ用コイルＬ１とＬ３、センサ用コイルＬ２とＬ４とを組合せて１組のコイル対となる）、該１組のコイル対における各センサ用コイルＬ１〜Ｌ４のインピーダンスが差動的に変化し、よって各センサ用コイルＬ１〜Ｌ４の端子間電圧の増減変化が差動的な特性を示すものとなる。すなわち、サイン相のセンサ用コイルＬ１とＬ３の対では、センサ用コイルＬ１のインピーダンス変化が回転軸ＭＪの回転角度θに対して上述のように「Ｐ0＋Ｐｓｉｎθ」という関数特性を示すとすると、他のセンサ用コイルＬ３のインピーダンス変化は回転軸ＭＪの回転角度θに対して「Ｐ0−Ｐｓｉｎθ」という関数特性を示す。同様に、コサイン相のセンサ用コイルＬ２とＬ４の対では、センサ用コイルＬ２のインピーダンス変化が回転軸ＭＪの回転角度θに対して上述のように「Ｐ0＋Ｐｃｏｓθ」という関数特性を示すとすると、他のセンサ用コイルＬ４のインピーダンス変化は回転軸ＭＪの回転角度θに対して「Ｐ0−Ｐｃｏｓθ」という関数特性を示す。すなわち、
Ａ´（θ）＝Ｐ0−Ｐｓｉｎθ
Ｂ´（θ）＝Ｐ0−Ｐｃｏｓθ
と表せる。
なお、Ｐは１とみなして省略しても説明上不都合はないので、以下の説明ではこれを省略することにする。
【００２５】
図２に示すように、各センサ用コイルＬ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４は交流発生源３０から発生されるの所定の１相の高周波交流信号（仮にｓｉｎωｔで示す）によって定電圧又は定電流で励磁される。各センサ用コイルＬ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４の端子間電圧をそれぞれＶｓ，Ｖｃ，Ｖｓａ，Ｖｃａで示すと、検出対象たる回転角θを変数として、これらは下記のように表せる。
Ｖｓ＝Ａ（θ）ｓｉｎωｔ＝（Ｐ0＋ｓｉｎθ）ｓｉｎωｔ
Ｖｓａ＝Ａ´（θ）ｓｉｎωｔ＝（Ｐ0−ｓｉｎθ）ｓｉｎωｔ
Ｖｃ＝Ｂ（θ）ｓｉｎωｔ＝（Ｐ0＋ｃｏｓθ）ｓｉｎωｔ
Ｖｃａ＝Ｂ´（θ）ｓｉｎωｔ＝（Ｐ0−ｃｏｓθ）ｓｉｎωｔ
演算回路３１では、下記のように、各コイル対毎に各センサ用コイルＬ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４の端子間電圧の差をそれぞれ取り出し、所定の周期的振幅関数を振幅係数として持つ交流出力信号を各コイル対毎に生成する。すなわち、各センサ用コイルＬ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４の出力電圧Ｖｓ，Ｖｃ，Ｖｓａ，Ｖｃａは演算回路３１に入力され、下記演算式に従って演算されることで、該演算回路３１から検出対象位置θに応じたサイン及びコサイン関数特性を示す振幅をそれぞれ持つ２つの交流出力信号（つまり互に９０度位相のずれた振幅関数特性を持つ２つの交流出力信号）が生成される。

【００２６】
こうすると、検出対象回転軸ＭＪの回転角度θに対応する２つの周期的振幅関数（ｓｉｎθ及びｃｏｓθ）を振幅係数として持つ、レゾルバと同様の、２つの交流出力信号（ｓｉｎθｓｉｎωｔ及びｃｏｓθｓｉｎωｔ）を生成することができる。すなわち、増減変化の中点を零点として正負に振れる２つの周期的振幅関数（ｓｉｎθ及びｃｏｓθ）を振幅係数として持つ２つの交流出力信号（ｓｉｎθｓｉｎωｔ及びｃｏｓθｓｉｎωｔ）を生成することができる。図３（Ｂ）は、この状態をθ成分についてのみ模式的に示すものである（ここでは、時間ｔの成分は示していない）。このように、従来のレゾルバに比べて、本発明では、１次コイルのみを設ければよく、誘導出力用の２次コイルは不要であるため、コイル構成が簡単であり、シンプルな構造の回転型位置検出装置を提供することができる。なお、各コイル対毎に各コイルの端子間電圧の差をそれぞれ取り出すために、格別の演算回路３１を使用せずに、センサ用コイルＬ１とＬ３を差動接続し、また、センサ用コイルＬ２とＬ４を差動接続することで、それぞれの差「Ｖｓ−Ｖｓａ」及び「Ｖｃ−Ｖｃａ」に相当する出力交流信号を得るように、単純に回路を構成してもよい。
【００２７】
演算回路３１から出力されたサイン及びコサイン関数特性の交流出力信号ｓｉｎθｓｉｎωｔ及びｃｏｓθｓｉｎωｔにおける振幅関数ｓｉｎθ及びｃｏｓθの位相成分θを、位相検出回路（若しくは振幅位相変換手段）３２で計測することで、検出対象回転位置θをアブソリュートで検出することができる。この位相検出回路３２としては、例えば本出願人の出願に係る特開平９−１２６８０９号公報に示された技術を用いて構成するとよい。例えば、第１の交流出力信号ｓｉｎθｓｉｎωｔを電気的に９０度シフトすることで、交流信号ｓｉｎθｃｏｓωｔを生成し、これと第２の交流出力信号ｃｏｓθｓｉｎωｔを加減算合成することで、ｓｉｎ（ωｔ＋θ）およびｓｉｎ（ωｔ−θ）なる、θに応じて進相および遅相方向に位相シフトされた２つの交流信号（位相成分θを交流位相ずれに変換した信号）を生成し、その位相θを測定することで、回転位置検出データを得ることができる。あるいは、公知のレゾルバ出力信号を処理するために使用されるＲ−Ｄコンバータを、この位相検出回路３２として使用するようにしてもよい。位相検出回路３２における位相成分θの検出処理は、ディジタル処理に限らず、積分回路等を使用したアナログ処理で行ってもよい。また、ディジタル位相検出処理によって回転位置θを示すディジタル検出データを生成した後、これをアナログ変換して回転位置θを示すアナログ検出データを得るようにしてもよい。勿論、位相検出回路３２を設けずに、演算回路３１の出力信号ｓｉｎθｓｉｎωｔ及びｃｏｓθｓｉｎωｔをそのまま出力するようにしてもよい。例えば、シンクロと同様の３相信号を演算回路３１から出力したような場合は、そのような応用形態も有り得る。
【００２８】
上述した実施例において、センサ用コイルＬ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４の配置は、１回転内の限られた所定の角度範囲（６０度の範囲）に設けられているだけである。従って、センサヘッドＳＨのサイズは、図１に示したようなものである必要はなく、より狭い範囲に対応する大きさとすることができる。そうすれば、センサロータプレートＲＰの所定の範囲に障害物があったとしても、これを避けて検出装置を設置することができる。また、回転体に上記のようなセンサロータプレートＲＰを付設し、これにあわせてセンサヘッドＳＨを配置するだけで回転位置検出を行うことができるようになるので、既存の回転体であっても簡単に回転型位置検出装置を具えつけることができるようになる。このように、本発明に係る回転型位置検出装置は、既存の機械内に回転型位置検出装置を後から設置するような場合や、機械類が所定範囲に密集する自動車用エンジンモータなどに設置する場合に特に有効である。すなわち、回転軸ＭＪの所定の回転角度範囲においては既に障害物が存在していて、１回転フルに対応する大きさの従来の回転型位置検出装置の設置が不可能なような場合、障害物が存在していない角度範囲の場所に対して、本発明に係る回転型位置検出装置を設置することで対応することができるので有利である。勿論、いずれの実施例においても、検出対象回転軸ＭＪそれ自体は、フル１回転以上の連続的回転が可能であってもよいし、あるいは、１回転未満の限られた角度範囲でのみ回転（つまり往復揺動）するものであってもよい。
【００２９】
本発明に係る検出装置においてはセンサヘッドＳＨにおいて磁気作用で位置検出を行うようにしているため、外部から不所望の磁気が及ぼされた場合、位置検出精度に悪影響を与える恐れがある。この点に対処するために、一実施例によれば、センサヘッドＳＨの周囲に、外部からの磁気をシールドする磁気シールド部材を設けるようにしている。特に、本発明に係る位置検出装置を前述のように電気自動車用エンジンモータに適用した場合、該自動車用エンジンモータは大出力のため外部への漏洩磁気も多いため、位置検出装置においては適切な磁気シールド対策を講じる必要がある。図４、図５はそのような磁気シールド対策を講じた実施例を示す。
図４（Ａ）は、図１に示すような複数の検知部Ｓ１〜Ｓ４（図４では単にＳで示す）を含むセンサヘッドＳＨ全体を磁性体からなるハウジングＫでカバーした実施例を示す断面略図である。この場合、外部からの磁気の磁気回路がハウジングＫの磁性体を通って形成され、内部の検知部Ｓには外部磁気が侵入しないように遮蔽することができる。この場合更に、各検知部Ｓの磁性体コアＣ全体を反磁性体（銅、アルミニウム、真鍮等の非磁性良導電体）Ａでカバーするように構成するとよい。外部からの磁気が反磁性体（非磁性良導電体）の個所で渦電流損により減衰されることで、検知部Ｓ内部に漏洩する外部磁気が減衰される。したがって、正確な回転位置の検出を行うことができるようになる。図４（Ｂ）は、磁性体コイルＣの変形例を示す断面略図であり、センサ用コイルＬに独立した磁性体コアＣを配置した例を示す。図４（Ｂ）に示すように、磁性体コアＣとして、「Ｃ」の字型（図１（Ｃ）参照）に形成した磁性体コアＣを用いることなく、単に円筒形あるいは直方体形などの形状に形成した磁性体コアＣを用いるようにしてもよく、こうすると、センサヘッドＳＨをより小型に、かつ、シンプルに構成することができることから、狭い場所への設置により有利な回転型位置検出装置とすることができる、という利点がある。
【００３０】
前述したセンサヘッドＳＨにおける検知部Ｓの磁性体コアＣの端部は、センサロータプレートＲＰのスラスト方向を指向しているが、本発明の実施にあたってはこれに限らず、ラジアル方向を指向するように配置してもよい。図４（Ｃ）は、センサ用コイルＬの磁性体コアＣがセンサロータプレートＲＰのラジアル方向を指向するように配置構成した例を示す断面略図である。図４（Ｃ）で図４（Ａ），図４（Ｂ）と同一符号は同一機能の要素を示すので、上記説明を援用し、同じ説明の繰り返しを省略する。図４（Ｃ）では、センサ用コイルＬの磁性体コアＣの端部がセンサロータプレートＲＰのラジアル方向を内向きに指向し、空隙を介してセンサロータプレートＲＰの外周側面に向き合う構造である。この場合、センサロータプレートＲＰの所定の形状（例えば、図１（Ａ）に示すような６歯あるいは６花弁形状など適切に設計した形状）の故に、磁性体コアＣの端部とセンサロータプレートＲＰの外周側面との間でラジアル方向に関して形成される空隙の距離が、回転位置に応じて変化する。この対向空隙距離の変化によって、磁性体コアＣを通ってセンサ用コイルＬを貫く磁束量が変化し、もって、センサ用コイルＬの自己インダクタンスが変化し、センサ用コイルＬのインピーダンスが変化する。よって、図１に示した実施例と同様にして、回転位置の検出を行うことができる。図４（Ｃ）の場合、センサロータプレートＲＰの外周側面の軸方向の長さを幾分長くしておく。これによって、センサロータプレートＲＰがスラスト方向に機械的ぶれを多少起こしたとしても、磁性体コアＣの端部とセンサロータプレートＲＰの外周側面との間でラジアル方向に関して形成される空隙の距離は変化せず、検出精度が低下しない。したがって、この場合においても、センサロータプレートＲＰがスラスト方向に機械ぶれを起こしやすいような環境又は機械において、該スラスト方向への機械的ぶれの影響を受けない回転位置検出を可能にする、という利点がある。
【００３１】
上述の例では、各検知部Ｓを反磁性体（非磁性良導電体）Ａでそれぞれ個別にカバーする例を示したが、磁気シールド部材の別の構成例として、磁性体からなるハウジングＫの表面全体を銅等の反磁性体でカバーするように構成してもよい。この場合は、磁性体からなるハウジングＫの表面に例えば銅メッキを施すことで、ハウジングＫ表面に反磁性体からなる薄い層を形成するとよい。そのような磁気シールド対策を講じた例を図５に示す。複数の検知部Ｓ１〜Ｓ４を含むセンサヘッドＳＨ全体を磁性体Ｋ１からなるハウジングＫでカバーし、ハウジングＫの表面に銅等の反磁性体Ｋ２の薄い層をメッキ等によって施す。図５の例ではハウジングＫの基部Ｋ３をプラスチック等の非磁性非導電性物質で形成し、強度を増すことで磁性体Ｋ１を軽量薄型のものとすることができる。検知部Ｓ１〜Ｓ４の磁性体コアは、図４（Ｂ）に示したものと同様な、円筒形、直方形等の形状に形成したタイプ、あるいは「Ｃ」の字型（図４（Ａ）参照）に形成するタイプのいずれであってもよい。なお、ハウジングＫの裏面、すなわちハウジングＫとケーシング部Ｋ３の間に非磁性良導電体の層を形成するようにしてもよい。図４（Ａ）及び（Ｂ）に示した例においても、ハウジングＫを非磁性良導電性の材質で被覆（銅メッキを施す等）する構成にしてもよい。
【００３２】
非磁性良導電性を具える材質からなる磁気シールド部材を設置し、磁気応答部材の個所の渦電流損により外部からの磁気を遮蔽するという技術思想は、上述のようなセンサヘッドＳＨのハウジングＫに磁気シールドを施す例に限らず、図６に示すようにロータ部２１側に磁気シールドを施すことで実現することもできる。図６において、回転位置検出装置は、コイル部を含むステータ部２３と、検出対象回転運動が与えられる磁性体からなる回転軸２０と、回転軸２０に取り付けられた所定の磁気応答部材からなる所定形状のロータ部２１とを含んで構成されるもので、回転軸２０の回転に応じてロータ部２１と前記コイル部との空隙の距離が回転位置に応じて変化し、この変化に応じて前記コイル部のインピーダンスを変化させ、このインピーダンス変化に応じた出力信号を生成する。この回転位置検出装置の具体的な構成は公知のいかなる構成を用いてもよい。この実施例出特徴とする点は、ロータ部２１を回転軸２０に固定する接合部分を反磁性体（例えば銅）の磁気シールド部材２２で構成する。これにより、回転軸２０を通ってロータ部２１に漏洩する外部からの磁気Φが磁気シールド部材２２の個所で渦電流損により減衰され、ロータ部２１及びステータ部２３の検出用の磁気回路に漏洩する外部磁気が遮蔽される。従って、外部磁気の影響を受けない正確な位置検出が可能となる。なお、図６に示すような装置においてもステータ部２３のコイル部の周囲に該コイル部に対する外部からの磁気を遮蔽するための磁気シールド部材を更に設けるようにしてもよい。
【００３３】
なお、磁気応答部材として、銅のような良導電体を使用した場合は、渦電流損によってコイルのインダクタンスが減少し、磁気応答部材の近接に応じてコイルの端子間電圧が減少することになる。この場合も、上記と同様に位置検出動作することが可能である。また、磁気応答部材として、磁性体と導電体を組合わせたハイブリッドタイプのものを用いてもよい。
なお、１回転未満の回転範囲で揺動する動きの回転位置を検出するタイプのものにおいては、上記各実施例において、磁気応答部材（上述の実施例においては、センサロータプレートＲＰ）の方を固定し、センサ用コイルＬ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４を配置したセンサヘッドＳＨの方を検出対象の変位に応じて移動させるようにしてもよい。
また、上記実施例では、出力交流信号の数（相数）はサインとコサインの２相（つまりレゾルバタイプ）であるが、これに限らないのは勿論である。例えば、３相（各相の振幅関数が例えばｓｉｎθ，ｓｉｎ（θ＋１２０），ｓｉｎ（θ＋２４０）のようなもの）であってもよい。
【００３４】
なお、センサ用コイルの交流励磁の仕方としては、少なくとも２つのセンサ用コイルの各々をｓｉｎωｔとｃｏｓωｔで別々に励磁する公知の２相励磁法を用いることも可能である。しかし、上記実施例で説明したような１相励磁の方が、構成の簡単化及び温度ドリフト補償特性等、種々の面で、優れている。
なお、この発明において、コイルに生じる電圧若しくはコイルの端子間電圧とは、必ずしも電圧検出タイプの回路構成に限定されるものではなく、広義に解釈されるべきであり、電流検出タイプの回路構成を採用するものも範囲に含まれる。要するにコイルのインピーダンス変化に応じたアナログ電圧または電流を生じ、これを検出することのできる回路構成であればよい。
【００３５】
【発明の効果】
以上のとおり、この発明によれば、１次コイルのみを設ければよく、２次コイルは不要であるため、小型かつシンプルな構造の回転型位置検出装置を提供することができる。また、コイルの出力信号を演算することで、振幅係数成分が正負に振れる真のサイン関数又はコサイン関数の振幅係数特性を示す出力信号を得ることができるので、コイル構成が簡単であり、一層、小型かつシンプルな構造の回転型位置検出装置を提供することができる。また、外部からの磁気の影響を受けない正確な位置検出が可能な回転型位置検出装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る回転型位置検出装置の一実施例を示すもので、（Ａ）は該回転型位置検出装置の構造を示す正面略図、（Ｂ）はその側面断面略図、（Ｃ）は該回転型位置検出装置における検知部の拡大斜視図。
【図２】図１に示した回転型位置検出装置におけるセンサ用コイルに関連する電気回路図。
【図３】図１の実施例の検出動作説明図であって、（Ａ）は回転角度θの変化に対する各検出用コイルのインピーダンス変化の理想的なカーブを示し、（Ｂ）は、各検出用コイルの出力電圧を演算することにより得られる出力信号の回転角度θに対する振幅変化特性を示す図。
【図４】センサヘッドの他の実施例として磁気シールド機能を果たすハウジングを有する例を示すもので、（Ａ）はセンサヘッド全体を磁性体のハウジングでカバーした実施例を示す断面略図、（Ｂ）はセンサ用コイルの磁性体コアの変更例を示す断面略図、（Ｃ）はセンサ用コイルの磁性体コアがセンサロータプレートのラジアル方向を指向するように配置構成した例を示す断面略図。
【図５】センサヘッドの更に他の実施例を示す概略斜視図。
【図６】ロータ部において磁気シールド機能を備えた回転位置検出装置の実施例を示す概略斜視図。
【符号の説明】
ＳＨセンサヘッド
Ｓ，Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４検知部
Ｌ，Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４センサ用コイル
Ｃ，Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４磁性体コア
Ｐ本体プレート
ＲＰセンサロータプレート（磁気応答部材）
Ｔ取付ねじ
Ｍモータ
ＭＪ回転軸
Ｋハウジング
ＳＲシールドリング
２０回転軸
２１ロータ
２２磁気シールド部材
２３ステータ
３０交流発生源
３１演算回路
３２位相検出回路[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a rotary position detection apparatus including a coil that is AC-excited and a magnetic body or a conductor that is displaced relative to the coil, and detects a rotational position for one rotation or a predetermined angular range. In particular, the present invention relates to a method of generating an output AC signal indicating amplitude function characteristics of a plurality of phases according to a detection target rotation position using only a primary coil excited by one-phase AC.
[0002]
[Prior art]
An inductive rotational position detection device that produces two-phase output (sine phase and cosine phase output) with one-phase excitation input is known as a “resolver”, and three-phase output (120 degrees with one-phase excitation input) What produces the three shifted phases) is known as “synchro”. The oldest conventional resolver has a secondary winding (sine pole and cosine pole) orthogonal to each other at a mechanical angle of 90 degrees on the stator side, and a primary winding on the rotor side. Is. This type of resolver is disadvantageous because it requires a brush to make electrical contact with the rotor primary winding. On the other hand, the existence of a brushless resolver that does not require a brush is also known. The brushless resolver is provided with a rotary transformer in place of the brush on the rotor side. However, since such a brushless resolver has a configuration having a rotary transformer on the rotor side, it is difficult to reduce the size of the device, and there is a limit to downsizing, and the device configuration is equivalent to that of the rotary transformer. Since the number of parts increases, the manufacturing cost will increase.
[0003]
On the other hand, primary windings and secondary windings are arranged on a plurality of convex poles on the stator side, and the rotor is made of a magnetic material having a predetermined shape (eccentric circular shape, elliptical shape, or shape having protrusions). Based on the fact that the gap between the convex pole and the rotor magnetic body changes according to the rotational position, it generates a magnetoresistive change according to the rotational position and obtains an output signal according to this change. A variable magnetoresistive rotational position detection device has long been known as the trade name “Micro Thin”. Also, rotational position detectors based on the same variable magnetoresistive principle are disclosed in, for example, Japanese Patent Laid-Open Nos. 55-46862, 55-70406, 59-28603, and the like. In this case, the position detection method based on the output signal includes a phase method (a method in which the detected position data corresponds to the electrical phase angle of the output signal) and a voltage method (the detected position data is the voltage level of the output signal). Both of these methods are known. For example, when the phase method is adopted, the primary windings arranged at different mechanical angles, such as two-phase excitation input or three-phase excitation input, are excited with a plurality of phases shifted in phase, and electric is generated according to the rotational position. A one-phase output signal is generated with the target phase angle shifted. When the voltage method is adopted, the relationship between the primary winding and the secondary winding is opposite to that of the phase method, and a multi-phase output is generated by one-phase excitation input as in the “resolver”.
[0004]
A rotational position detection device that generates a plurality of phase outputs with one-phase excitation input, such as a “resolver”, is typically configured to generate a two-phase output of a sine phase output and a cosine phase output. Therefore, in the conventional contactless / variable magnetoresistive resolver type rotational position detecting device, the stator has at least a four-pole configuration, and each pole is arranged at an interval of 90 degrees in mechanical angle. If the pole is the sine phase, the second pole 90 degrees away from it is the cosine phase, the third pole 90 degrees further away is the minus sign phase, and the fourth pole 90 degrees further away is the minus cosine. It is considered a phase. In that case, the rotor is made of a magnetic material or a conductor in order to cause a change in magnetoresistance according to the rotation of each stator pole, and its shape is a periodic shape such as an eccentric circular shape, an elliptical shape, or a gear shape. Formed. Each stator pole is provided with a primary coil and a secondary coil. When the gap between each stator pole and the rotor changes corresponding to the rotational position of the rotor, the magnetic resistance of the magnetic circuit passing through the stator pole is reduced. Based on this, the degree of magnetic coupling between the primary coil and the secondary coil in the stator pole changes corresponding to the rotational position, and thus an output signal corresponding to the rotational position is induced in the secondary coil. Thus, the peak amplitude characteristic of the output signal of each stator pole shows a periodic function characteristic.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
The conventional contactless / variable magnetoresistive type resolver type rotational position detection device as described above is a primary-secondary induction type in which a primary coil and a secondary coil are provided, and thus the number of coils increases. Therefore, there is a limit to downsizing the structure, and there is a limit to reducing the cost. Furthermore, since the conventional rotational position detecting device has a configuration in which a plurality of stator poles are arranged at equal intervals throughout the entire rotation, there is a limit to the applicable place and space due to the structural limitations. In addition, in the conventional rotational position detecting device, even when a two-phase output of sine and cosine is obtained, the stator cannot be a simple two-pole configuration, but has to be a four-pole configuration. There was a limit to downsizing the structure.
[0006]
The present invention has been made in view of the above points, and an object of the present invention is to provide a rotary position detecting device having a small and simple structure. It is another object of the present invention to provide a rotary position detecting device that can widen the phase angle range that can be used and can detect with high resolution even if the displacement of the detection target is minute.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
A rotary type position detection device according to the present invention is a coil unit in which at least a pair of coils excited by an AC signal is arranged over a predetermined part of a rotation angle range, Said at least Each coil in a pair of coils versus Are arranged at intervals corresponding to a predetermined rotation angle. Including two coils A magnetic response member arranged so as to be rotationally displaced relative to the coil part, and the relative rotational position of the member and the coil part changes according to the rotation of the detection target, and this relative The impedance of the coil is changed according to the rotational position, and the voltage generated in the coil is increased or decreased while the relative rotational position changes over a predetermined rotational angle range based on the impedance change. Each coil versus In The two An increase / decrease change in the voltage of the coil exhibits differential characteristics, and a shape that causes the impedance change for a plurality of cycles in one rotation, each coil Each of the two Each voltage difference generated in the coil is taken out and an AC output signal having a predetermined periodic amplitude function as an amplitude coefficient is obtained for each coil. versus A circuit that generates each of the AC output signals, wherein the periodic amplitude function of each of the AC output signals differs in a periodic characteristic by a predetermined phase; For the coil part Mount relatively rotatable For attaching the magnetic response member to the shaft on the shaft made of a magnetic material Provided in place The A magnetic shield member made of diamagnetic material The magnetic shield member shields external magnetism leaking to the magnetic response member through the shaft. .
As a result, the magnetism that leaks from the outside through the attachment location of the magnetic response member is attenuated by the eddy current loss by the magnetic shield member made of a diamagnetic material provided at the attachment location, and the detection magnetic External magnetism that leaks into the circuit is shielded. Therefore, accurate position detection without being affected by external magnetism is possible, and this rotational type position detection device must be placed close to an electric motor that generates strong magnetism. Magnetic shielding can be performed with.
[0008]
As a preferred embodiment of the present invention, two pairs of coils are provided, and the circuit outputs an AC output signal having a sine function as an amplitude coefficient and an AC output having a cosine function as an amplitude coefficient from each coil pair. And generating a signal.
[0009]
The magnetic response member typically includes at least one of a magnetic body and a conductor. When the magnetic response member is made of a magnetic material, the larger the area facing the coil of the member, the greater the inductance of the coil and the electrical impedance of the coil. Voltage) increases. Conversely, as the area of the magnetic response member facing the coil becomes smaller, the inductance of the coil decreases, the electrical impedance of the coil decreases, and the voltage across the terminals of the coil decreases. Thus, as the detection target rotates, the voltage between the terminals of the coil increases and decreases while the relative rotation position of the magnetic response member with respect to the coil changes over a predetermined rotation angle range.
[0010]
Here, an AC signal flowing through the coil is indicated by sin ωt. As an example, when the amplitude coefficient component generated by the increase / decrease change is indicated by a function A (θ) having the rotation angle θ as a variable, the voltage between the terminals of the coil is A ( θ) can be expressed as sin ωt. In this case, the amplitude coefficient component A (θ) increases / decreases with rotation, but the value takes only a positive value. For example, assuming that the curve of the increase / decrease change of the amplitude coefficient component A (θ) exhibits a characteristic that approximates a sine curve, and its peak value is P, it is typically represented by an expression such as A (θ) = P0 + Psinθ. It is what Here, P0 ≧ P. That is, the characteristic is such that the value of Psinθ is offset in the plus direction by a certain offset value P0.
[0011]
According to the present invention, as described above, for example, when one coil pair has a sine phase, the increase / decrease change of the voltage between terminals of each coil in the one coil pair shows a differential characteristic, so one of them is (P0 + Psinθ). ) Sinωt, the other is (P0−Psinθ) sinωt. Taking the difference between the two,
(P0 + Psinθ) sinωt − {(P0−Psinθ) sinωt}
= 2Psinθsinωt
It becomes. Assuming that the other coil pair is a cosine phase, an increase / decrease change in the voltage between terminals of each coil in the coil pair shows a differential characteristic.
(P0 + Pcosθ) sinωt − {(P0−Pcosθ) sinωt}
= 2Pcosθsinωt
It becomes. Although such a differential synthesis principle is common to a conventionally known resolver, the conventional resolver required a primary and a secondary coil, but according to the present invention, only a primary coil is provided. Since the secondary coil is not necessary, the coil configuration is simple, and a rotary position detecting device having a simple structure can be provided.
[0012]
In the present invention, the coil section is provided in a limited predetermined angular range within one rotation, and is suitable for detecting a rotational position in the limited predetermined angular range. In this case, as will be described in detail later, with respect to rotational displacement in a predetermined limited mechanical rotation angle range, a phase detection scale within a predetermined limited range is used instead of a full 360 degree phase detection scale (for example, 60 degree range) position detection data can be obtained. That is, although the detection scale is within a predetermined limited range, two AC output signals similar to those of the resolver, that is, a sine phase output signal (sin θ sin ωt) and a cosine phase output signal (cos θ sin ωt) can be obtained. Such an arrangement of the biased coil portion is effective when the rotary position detecting device according to the present invention is installed later in an existing machine. For example, in the case where an obstacle already exists in a predetermined angle range on the rotation axis to be detected and it is impossible to install a stator coil over a full rotation, it is located at a position in the angle range where no obstacle exists. This is advantageous because it is possible to install an unevenly arranged coil portion.
[0013]
When a non-magnetic good conductor such as copper, that is, a diamagnetic material is used as the magnetic response member, the coil inductance decreases due to eddy current loss, and the voltage across the coil terminal varies depending on the proximity of the magnetic response member. Will decrease. In this case, detection can be performed in the same manner as described above. As the magnetic response member, a hybrid type member in which a magnetic material and a nonmagnetic good conductor (diamagnetic material) are combined may be used.
[0014]
Further, the rotary position detection device according to the present invention is a coil portion in which at least one pair of coils excited by an AC signal is arranged over a predetermined partial rotation angle range, Said at least Each coil in a pair of coils versus Are arranged at intervals corresponding to a predetermined rotation angle. Including two coils A magnetic response member arranged so as to be rotationally displaced relative to the coil part, and the relative rotational position of the member and the coil part changes according to the rotation of the detection target, and this relative The impedance of the coil is changed according to the rotational position, and the voltage generated in the coil is increased or decreased while the relative rotational position changes over a predetermined rotational angle range based on the impedance change. Each coil versus In The two An increase / decrease change in the voltage of the coil exhibits differential characteristics, and a shape that causes the impedance change for a plurality of cycles in one rotation, each coil Each of the two Each voltage difference generated in the coil is taken out and an AC output signal having a predetermined periodic amplitude function as an amplitude coefficient is obtained for each coil. versus A circuit generated for each of the AC output signals, wherein the periodic amplitude function of each AC output signal differs from the periodic characteristic by a predetermined phase, and from the outside of the coil unit provided around the coil unit. For shielding the magnetism of First Magnetic shield member A second shaft made of a diamagnetic material provided at a joint where the magnetic response member is attached to the shaft on a shaft made of a magnetic material for attaching the magnetic response member to the coil portion so as to be rotatable relative to the coil portion. Magnetic shield member Comprising the above First The magnetic shield member is configured by overlappingly arranging a magnetic body and a diamagnetic body. The second magnetic shield member shields external magnetism that leaks to the magnetic response member through the shaft. It is characterized by that.
According to this, the magnetic layer in the magnetic shield member forms a magnetic circuit from the outside through the magnetic body, and can shield the external coil from entering the internal coil portion. In addition, the magnetic field from the outside is attenuated by the eddy current loss at the location of the diamagnetic material (conductor) by the diamagnetic material layer in the magnetic shield member, thereby shielding the external magnetism to the internal coil portion. . Therefore, accurate position detection without being affected by external magnetism is possible, and this rotational type position detection device must be placed close to an electric motor that generates strong magnetism. Magnetic shielding can be performed with.
[0015]
According to another aspect, the present invention includes a rotor portion having a predetermined shape made of a magnetic response member attached to a detection target rotating shaft made of a magnetic material, and a stator having a coil portion excited by an AC signal, The relative rotational position of the magnetic response member and the coil portion changes according to the rotation of the rotating shaft, the impedance of the coil portion is changed according to the change of the relative rotational position, and the impedance changes according to the impedance change. In the rotational position detection device configured to generate an output signal, in a joint portion that fixes the rotor portion to the rotation shaft Made of diamagnetic material A magnetic shield member is provided, and external magnetism that leaks to the rotor portion through the rotating shaft is shielded by the magnetic shield member.
[0016]
From another point of view, Made of magnetic material A rotor portion having a predetermined shape made of a magnetic response member attached to a rotation shaft to be detected; and a stator having a coil portion excited by an AC signal, and the magnetic response member and the rotor according to the rotation of the rotation shaft In the rotational position detection device in which the relative rotational position of the coil portion changes, the impedance of the coil portion is changed according to the change of the relative rotational position, and an output signal is generated according to the impedance change. In order to shield the magnetism from the outside to the coil part around the coil part First A magnetic shield member is provided; First The magnetic shield member is configured by overlappingly arranging a magnetic body and a diamagnetic body. A second magnetic shield member made of a diamagnetic material is provided at a joint portion for fixing the rotor portion to the rotation shaft, and external magnetism leaking to the rotor portion through the rotation shaft is provided in the second portion. Shield with magnetic shield member It is characterized by that.
[0017]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the accompanying drawings. FIG. 1A is a schematic front view showing the structure of a rotary position detecting device according to an embodiment of the present invention, FIG. 1B is a schematic side sectional view thereof, and FIG. 1C is the rotary position detecting device. It is an expansion perspective view of the detection part in. FIG. 2 is an electric circuit diagram related to a sensor coil in the apparatus.
The rotary position detection apparatus shown in this embodiment includes a separation type sensor head that can be disposed at an appropriate position of a rotating body (for example, a rotor) to be detected in order to detect the rotation angle of the motor. This is a rotary position detection device. The rotary position detecting device detects the rotation angle of the main body plate P, which is a rotating body attached to the rotary shaft MJ so as to rotate with the driving of the motor M or the like. A separate type sensor head SH, which is a coil portion including a plurality of detection portions S1 to S4, and a magnetic response member having a predetermined shape that is integrally attached to the main body plate P by a mounting screw T together with a shield ring SR. For example, the sensor rotor plate RP is composed of a magnetic response member made of a magnetic material such as iron). That is, in this rotary type position detecting device, the rotation of the sensor rotor plate RP that rotates around the rotation axis MJ together with the main body plate P is simultaneously detected by the plurality of detection units S1 to S4 of the sensor head SH. The rotation angle of the rotation axis MJ of the motor M can be detected.
[0018]
The sensor head SH includes a plurality (four in this embodiment) of detection units S1 to S4 as detection coils for detecting the rotation of the sensor rotor plate RP. Each of the detection units S1 to S4 is directed to the rotation center position of the rotation axis MJ in accordance with the curvature of the main body plate P, and the detection units S1 to S4 are spaced apart at predetermined intervals in the circumferential direction on the sensor head SH. For example, this interval is 15 ° with respect to the rotation center position of the rotation axis MJ. Each detector S1 (S2 to S4) includes two sensor coils L1 (L1 to L4) wound around different magnetic cores C1 (C2 to C4) so as to face each other. The magnetic flux Φ passing through the sensor coils L1 (L2 to L4) is directed in the axial direction of the rotation axis MJ. The magnetic core C1 (C2 to C4) in which the sensor coils L1 (L2 to L4) are arranged is formed by stacking a plurality of silicon steel plates formed in a “C” shape as shown in FIG. It consists of a laminated silicon steel sheet with a shape. When the magnetic core C1 (C2 to C4) is composed of laminated silicon steel plates, the eddy current generated when the magnetic flux generated in each of the sensor coils L1 (L2 to L4) changes can be reduced as much as possible. This is very preferable because current loss can be reduced. Further, by winding the sensor coils L1 to L4 around the magnetic cores C1 to C4 formed in the shape of “C”, a magnetic path (that is, a magnetic flux circuit) for passing the magnetic flux generated in the sensor coils L1 to L4 is formed. Since it is positively generated, the influence of other magnetic flux generated outside can be reduced, which is preferable.
[0019]
By configuring and arranging each of the sensor coils L1 to L4 and the surface of the sensor rotor plate RP so that a gap is formed, the sensor rotor plate RP is placed on the detection units S1 to S4 of the sensor head SH. Rotate in a non-contact state. The relative distance between the sensor rotor plate RP and the sensor head SH is determined via a mechanism (not shown) so that the distance of the gap is kept constant. In the case where the sensor rotor plate RP is made of a magnetic material, the sensor rotor plate RP formed in a predetermined shape, for example, a petal shape, according to the rotation position of the main body plate P rotates, thereby magnetizing the sensor coils L1 to L4. The degree of coupling changes. That is, the amount of each magnetic flux penetrating the sensor coils L1 to L4 through the magnetic cores C1 to C4 is changed by changing the facing gap area between the sensor coils L1 to L4 and the surface of the sensor rotor plate RP. As a result, the degree of magnetic coupling for each of the sensor coils L1 to L4 changes. As the degree of magnetic coupling to the sensor coils L1 to L4 increases, the inductance of the sensor coils L1 to L4 increases, so that the electrical impedance of the sensor coils L1 to L4 increases, The voltage generated in the sensor coils L1 to L4, that is, the voltage between terminals increases. On the contrary, as the degree of magnetic coupling to the sensor coils L1 to L4 decreases, the inductance of the sensor coils L1 to L4 decreases, so that the electrical impedance of the sensor coils L1 to L4 is reduced. The voltage generated in the sensor coils L1 to L4, that is, the voltage between terminals decreases. Thus, as the detection target rotates, the voltage between the terminals of the sensor coils L1 to L4 gradually increases while the relative rotation position of the sensor rotor plate RP with respect to the detection units S1 to S4 changes over a predetermined rotation angle range ( (Or gradually decrease).
[0020]
The sensor rotor plate RP is a magnetic response member, and its shape is designed to an appropriate shape so as to obtain an ideal sine function curve. Depending on the design and arrangement conditions of the sensor coils L1 to L4, etc., for example, in order to obtain a curve of a sine function of one cycle per 1/6 rotation of the rotation axis MJ, the shape of the sensor rotor plate RP is 6 In order to obtain a curve of a sine function of one cycle per quarter rotation of the rotation axis MJ, the shape of the sensor rotor plate RP can be a shape of four teeth or four petals. It is not the object of the present invention how to design the shape of the sensor rotor plate RP, and the shape of the rotor employed in this kind of known / unknown variable magnetoresistive rotation detector is the sensor rotor plate. Since it may be adopted as the shape of RP, here, the sensor rotor plate RP having the shape shown in FIG. 1A (that is, the shape of 6 teeth or 6 petals) will be briefly described.
[0021]
The sensor rotor plate RP shown in the embodiment of FIG. 1A has a plurality of (N) cycles per rotation, such as a multi-tooth or multi-petal (in this embodiment, 6-tooth or 6-petal) that rotates with the rotation axis MJ. Each of the detecting portions S1 to S4 has a structure that is arranged within a narrow range corresponding to 1 / N rotation (that is, 360 degrees / N) of the sensor rotor plate RP. ing. In the embodiment of FIG. 1A, the four detection units S1 to S4 are within the mechanical angle range of 360 degrees / N = 360/6 = 60 degrees and the sensor head SH is spaced at intervals of “60 degrees / 4 = 15 degrees”. Is arranged. The sensor coils L1 to L4 of the detectors S1 to S4 arranged in the sensor head SH are oriented so as to face each other in the axial direction of the rotation axis MJ, and the sensor coils L1 to L4 have six cycles per rotation. It faces the surface of the sensor rotor plate RP having the unevenness variation. The sine function sin θ and the cosine function cos θ obtained thereby have an accuracy of N = 6 times the actual mechanical angle of the rotation axis MJ. For example, if the actual mechanical angle of the rotation axis MJ is ψ, sin θ = sin Nψ and cos θ = cos Nψ. In the present embodiment, since each of the detection parts S1 to S4 of the sensor head SH is arranged in a narrow range corresponding to 1 / N rotation (that is, 360 degrees / N), the mounting space for the sensor head SH Is very suitable for applications in which is limited to a narrow range.
From the above, what is important about the shape of the sensor rotor plate RP is not what the sensor rotor plate RP, that is, the predetermined shape of the magnetic response member is, but in short, the rotation of the sensor rotor plate RP. It is only necessary to design the sensor coils L1 to L4 according to the change in position in the most appropriate shape so that the inductance change, that is, the impedance change, becomes the same as the ideal sine function curve.
[0022]
In the above-described embodiment, a four-pole configuration in which four detection units S1 to S4 are arranged in the sensor head SH is shown. However, the configuration is not limited to this, and a plurality of detection units S1 to S4 may be configured. That's fine. That is, any configuration may be used as long as an ideal sine function and cosine function can be obtained as the sensor rotor plate RP rotates.
In addition, an example in which two sensor coils L1 to L4 are arranged to face each other of each pole of the sensor head SH so as to sandwich the sensor rotor plate RP is shown. However, the sensor coils L1 to L4 are the same as those of the sensor head SH. One piece may be arranged for each pole on the side surface side. However, if the sensor coils L1 to L4 are arranged opposite to each other for each pole of the sensor head SH so as to sandwich the sensor rotor plate RP as described above, the sensor rotor plate P may be shaken due to the occurrence of calibration. It is preferable because the fluctuation of the magnetic flux accompanying the influence of the above can be canceled.
The main body plate P may be made of a magnetic material such as iron. If it carries out like this, the main body plate P will shield the magnetic flux which generate | occur | produces on the motor M side, and the magnetic flux which generate | occur | produced on the motor M side will not leak to the sensor head SH side. That is, since the sensor coils L1 to L4 of the sensor head SH are not affected by the magnetic flux generated on the motor M side, the rotational position can be accurately detected, which is preferable.
The shield ring SR is preferably made of a diamagnetic material having diamagnetic properties such as gold, copper or silver. In this way, the magnetic flux generated from each of the sensor coils L1 to L4 does not leak to the motor side M, so that an accurate rotation angle can be detected.
[0023]
FIG. 3A shows an ideal sine function curve of the impedance change of one sensor coil L1 with respect to the change of the rotation angle θ, as A (θ). An ideal sine function curve of the impedance change of the other sensor coil L2 with respect to the change of the rotation angle θ is indicated by B (θ). The impedance change curve B (θ) of the other sensor coil L2 corresponds to a cosine function having a phase shifted by 90 degrees with respect to the sensor coil L1. Thus, if the midpoint of the increase / decrease change of each curve A (θ), B (θ) is P0 and the amplitude of shake is P,
A (θ) = P0 + Psinθ
B (θ) = P0 + Pcosθ
It can be expressed.
[0024]
Further, the above-described embodiment shows an embodiment in which two differentially changing coil pairs are provided. In this configuration, every other sensor coil is combined to form one set of coil pairs (that is, the sensor coils L1 and L3 and the sensor coils L2 and L4 are combined to form one set of coil pairs). Thus, the impedance of each of the sensor coils L1 to L4 in the one coil pair changes differentially, and therefore the change in the voltage between the terminals of each of the sensor coils L1 to L4 exhibits a differential characteristic. It will be a thing. That is, in the pair of sine phase sensor coils L1 and L3, if the impedance change of the sensor coil L1 exhibits the function characteristic of “P0 + Psinθ” as described above with respect to the rotation angle θ of the rotation axis MJ, The change in impedance of the sensor coil L3 exhibits a function characteristic of “P0−Psinθ” with respect to the rotation angle θ of the rotation axis MJ. Similarly, in the pair of cosine phase sensor coils L2 and L4, assuming that the impedance change of the sensor coil L2 exhibits the function characteristic of “P0 + Pcos θ” as described above with respect to the rotation angle θ of the rotation axis MJ, The change in impedance of the sensor coil L4 shows a function characteristic of “P0−Pcos θ” with respect to the rotation angle θ of the rotation axis MJ. That is,
A ′ (θ) = P0−Psinθ
B ′ (θ) = P 0 −P cos θ
It can be expressed.
It should be noted that even if P is regarded as 1 and omitted, there is no inconvenience in the description, so this will be omitted in the following description.
[0025]
As shown in FIG. 2, each sensor coil L1, L2, L3, L4 is excited with a constant voltage or a constant current by a predetermined one-phase high-frequency AC signal (indicated by sin ωt) generated from the AC generation source 30. Is done. When the inter-terminal voltages of the respective sensor coils L1, L2, L3, and L4 are denoted by Vs, Vc, Vsa, and Vca, respectively, they can be expressed as follows using the rotation angle θ as a detection target as a variable.
Vs = A (θ) sinωt = (P0 + sinθ) sinωt
Vsa = A ′ (θ) sinωt = (P0−sinθ) sinωt
Vc = B (θ) sinωt = (P0 + cosθ) sinωt
Vca = B ′ (θ) sin ωt = (P0−cos θ) sin ωt
In the arithmetic circuit 31, as described below, an AC output signal having a predetermined periodic amplitude function as an amplitude coefficient is obtained by taking out the difference in voltage between the terminals of each sensor coil L 1, L 2, L 3, L 4 for each coil pair. Is generated for each coil pair. That is, the output voltages Vs, Vc, Vsa, and Vca of the sensor coils L1, L2, L3, and L4 are input to the arithmetic circuit 31, and are calculated from the arithmetic circuit 31 according to the following arithmetic expression. Two AC output signals each having an amplitude indicating sine and cosine function characteristics corresponding to (that is, two AC output signals having amplitude function characteristics that are 90 degrees out of phase with each other) are generated.

[0026]
Thus, two AC output signals (sin θ sin ωt and cos θ sin ωt) similar to the resolver having two periodic amplitude functions (sin θ and cos θ) corresponding to the rotation angle θ of the detection target rotation axis MJ are generated. be able to. That is, it is possible to generate two AC output signals (sin θ sin ωt and cos θ sin ωt) having two periodic amplitude functions (sin θ and cos θ) that swing positively and negatively with the middle point of the increase / decrease change as a zero point. FIG. 3B schematically shows this state only for the θ component (here, the component at time t is not shown). Thus, compared with a conventional resolver, in the present invention, only a primary coil needs to be provided, and a secondary coil for induction output is unnecessary, so the coil configuration is simple and the rotation of a simple structure is achieved. A mold position detecting device can be provided. In addition, in order to take out the voltage difference between the terminals of each coil for each coil pair, the sensor coils L1 and L3 are differentially connected without using the special arithmetic circuit 31, and the sensor coil L2 is used. And L4 may be differentially connected to each other so that output AC signals corresponding to the respective differences “Vs−Vsa” and “Vc−Vca” are obtained.
[0027]
A phase detection circuit (or amplitude phase conversion means) 32 measures the phase component θ of the amplitude functions sin θ and cos θ in the AC output signals sin θ sin ωt and cos θ sin ωt output from the arithmetic circuit 31 and detected by the phase detection circuit (or amplitude phase conversion means) 32. The rotational position θ can be detected by absolute. The phase detection circuit 32 may be configured using, for example, the technique disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-126809 related to the applicant's application. For example, the first AC output signal sin θ sin ωt is electrically shifted by 90 degrees to generate the AC signal sin θ cos ωt, and by adding and subtracting the second AC output signal cos θ sin ωt, sin (ωt + θ) and sin (ω ωt−θ), and two AC signals (signals obtained by converting phase component θ into AC phase shifts) that are phase-shifted in the leading and lagging directions according to θ are generated, and the phase θ is measured. Rotational position detection data can be obtained. Alternatively, a known RD converter used for processing the resolver output signal may be used as the phase detection circuit 32. The detection processing of the phase component θ in the phase detection circuit 32 is not limited to digital processing, and may be performed by analog processing using an integration circuit or the like. Further, after digital detection data indicating the rotational position θ is generated by the digital phase detection process, this may be converted to analog to obtain analog detection data indicating the rotational position θ. Of course, the output signals sin θ sin ωt and cos θ sin ωt of the arithmetic circuit 31 may be output as they are without providing the phase detection circuit 32. For example, when a three-phase signal similar to synchro is output from the arithmetic circuit 31, such an application form is possible.
[0028]
In the embodiment described above, the arrangement of the sensor coils L1, L2, L3, and L4 is only provided within a limited predetermined angular range (60 degree range) within one rotation. Therefore, the size of the sensor head SH does not have to be as shown in FIG. 1, and can be a size corresponding to a narrower range. Then, even if there is an obstacle in a predetermined range of the sensor rotor plate RP, the detection device can be installed avoiding this. Moreover, since the rotational position can be detected simply by attaching the sensor rotor plate RP as described above to the rotating body and arranging the sensor head SH in accordance with the sensor rotor plate RP, even with an existing rotating body, It becomes possible to easily provide a rotary position detecting device. As described above, the rotary type position detecting device according to the present invention is installed in a case where the rotary type position detecting device is installed later in an existing machine, or in an automobile engine motor or the like in which machinery is densely packed within a predetermined range. This is particularly effective when That is, when an obstacle already exists in a predetermined rotation angle range of the rotation axis MJ and it is impossible to install a conventional rotary position detecting device having a size corresponding to one full rotation, the obstacle It is advantageous because it can be dealt with by installing the rotary type position detecting device according to the present invention to a place in an angular range where no exists. Of course, in any of the embodiments, the detection target rotation axis MJ itself may be capable of continuous rotation of one full rotation or more, or only in a limited angular range of less than one rotation ( That is, it may be one that reciprocates.
[0029]
In the detection apparatus according to the present invention, the position detection is performed by the magnetic action in the sensor head SH. Therefore, when undesired magnetism is exerted from the outside, the position detection accuracy may be adversely affected. In order to cope with this point, according to one embodiment, a magnetic shield member that shields magnetism from the outside is provided around the sensor head SH. In particular, when the position detection device according to the present invention is applied to an engine motor for an electric vehicle as described above, the vehicle engine motor has a large output and has a large amount of magnetic leakage to the outside. Magnetic shield measures need to be taken. 4 and 5 show an embodiment in which such a magnetic shield measure is taken.
FIG. 4A is a cross-sectional view showing an embodiment in which the entire sensor head SH including a plurality of detection units S1 to S4 (shown simply as S in FIG. 4) as shown in FIG. 1 is covered with a housing K made of a magnetic material. It is a schematic diagram. In this case, an external magnetic circuit is formed through the magnetic body of the housing K, and can be shielded so that the external magnetism does not enter the internal detection unit S. In this case, the entire magnetic core C of each detection unit S may be covered with a diamagnetic material (nonmagnetic good conductor such as copper, aluminum, or brass) A. The external magnetism that leaks into the detection unit S is attenuated by the external magnetism being attenuated by eddy current loss at the location of the diamagnetic material (non-magnetic good conductor). Therefore, it becomes possible to detect the accurate rotational position. FIG. 4B is a schematic cross-sectional view showing a modification of the magnetic coil C, and shows an example in which a magnetic core C independent of the sensor coil L is arranged. As shown in FIG. 4B, without using the magnetic core C formed in the shape of the letter “C” (see FIG. 1C) as the magnetic core C, it simply has a cylindrical shape or a rectangular parallelepiped shape. A magnetic core C formed in a shape may be used, and in this way, the sensor head SH can be made smaller and simpler, so that it is advantageous to detect the rotational position by installing in a narrow place. There is an advantage that it can be a device.
[0030]
The end of the magnetic core C of the detection unit S in the sensor head SH described above is directed in the thrust direction of the sensor rotor plate RP. However, the present invention is not limited thereto, and is directed in the radial direction. You may arrange in. FIG. 4C is a schematic cross-sectional view showing an example in which the magnetic core C of the sensor coil L is arranged and oriented so as to be oriented in the radial direction of the sensor rotor plate RP. In FIG. 4C, the same reference numerals as those in FIGS. 4A and 4B denote elements having the same function, and thus the above description is used and the same description is not repeated. 4C, the end of the magnetic core C of the sensor coil L is directed inward in the radial direction of the sensor rotor plate RP and faces the outer peripheral side surface of the sensor rotor plate RP through a gap. . In this case, because of the predetermined shape of the sensor rotor plate RP (for example, an appropriately designed shape such as 6 teeth or 6 petals as shown in FIG. 1A), the end of the magnetic core C and the sensor rotor plate The distance of the air gap formed in the radial direction with the outer peripheral side surface of the RP changes according to the rotational position. Due to the change in the opposing gap distance, the amount of magnetic flux penetrating the sensor coil L through the magnetic core C changes, so that the self-inductance of the sensor coil L changes and the impedance of the sensor coil L changes. Therefore, the rotation position can be detected in the same manner as in the embodiment shown in FIG. In the case of FIG. 4C, the axial length of the outer peripheral side surface of the sensor rotor plate RP is made somewhat longer. As a result, even if the sensor rotor plate RP is somewhat mechanically shaken in the thrust direction, the distance of the gap formed in the radial direction between the end of the magnetic core C and the outer peripheral side surface of the sensor rotor plate RP is as follows. It does not change and detection accuracy does not decrease. Therefore, even in this case, in an environment or machine in which the sensor rotor plate RP is likely to cause mechanical shake in the thrust direction, it is possible to detect the rotational position without being affected by mechanical shake in the thrust direction. There is.
[0031]
In the above-described example, each detection unit S is individually covered with the diamagnetic material (nonmagnetic good conductor) A. However, as another configuration example of the magnetic shield member, the housing K made of a magnetic material is used. The entire surface may be covered with a diamagnetic material such as copper. In this case, a thin layer made of a diamagnetic material may be formed on the surface of the housing K, for example, by plating the surface of the housing K made of a magnetic material with copper. An example in which such a magnetic shield measure is taken is shown in FIG. The entire sensor head SH including the plurality of detection units S1 to S4 is covered with a housing K made of a magnetic material K1, and a thin layer of a diamagnetic material K2 such as copper is applied to the surface of the housing K by plating or the like. In the example of FIG. 5, the base K3 of the housing K is formed of a nonmagnetic nonconductive material such as plastic, and the magnetic body K1 can be made light and thin by increasing the strength. The magnetic cores of the detectors S1 to S4 are of the same type as that shown in FIG. 4B, such as a cylindrical shape or a rectangular shape, or a “C” shape (FIG. 4A). Any of the types formed in the reference) may be used. Note that a nonmagnetic good conductor layer may be formed on the rear surface of the housing K, that is, between the housing K and the casing portion K3. In the example shown in FIGS. 4A and 4B, the housing K may be covered with a nonmagnetic and highly conductive material (eg, copper-plated).
[0032]
The technical idea of installing a magnetic shield member made of a material having non-magnetic good conductivity and shielding external magnetism by eddy current loss at the location of the magnetic response member is the housing K of the sensor head SH as described above. However, the present invention is not limited to the example in which the magnetic shield is provided, and can be realized by applying the magnetic shield to the rotor portion 21 as shown in FIG. In FIG. 6, the rotational position detection device includes a stator portion 23 including a coil portion, a rotary shaft 20 made of a magnetic material to which a rotational motion to be detected is given, and a predetermined magnetic response member attached to the rotary shaft 20. A rotor portion 21 having a shape, and the distance of the gap between the rotor portion 21 and the coil portion changes according to the rotation position according to the rotation of the rotary shaft 20, and according to the change, the distance The impedance of the coil section is changed, and an output signal corresponding to the impedance change is generated. As the specific configuration of the rotational position detection device, any known configuration may be used. The characteristic feature of this embodiment is that a joining portion for fixing the rotor portion 21 to the rotating shaft 20 is constituted by a magnetic shield member 22 made of a diamagnetic material (for example, copper). Thus, the external magnetic Φ leaking to the rotor portion 21 through the rotating shaft 20 is attenuated by eddy current loss at the magnetic shield member 22 and leaks to the magnetic circuit for detection of the rotor portion 21 and the stator portion 23. The external magnetism is shielded. Therefore, accurate position detection without being affected by external magnetism is possible. Also in the apparatus as shown in FIG. 6, a magnetic shield member for shielding magnetism from the outside to the coil portion may be further provided around the coil portion of the stator portion 23.
[0033]
When a good conductor such as copper is used as the magnetic response member, the inductance of the coil decreases due to eddy current loss, and the voltage between the terminals of the coil decreases according to the proximity of the magnetic response member. . In this case, the position detection operation can be performed in the same manner as described above. Moreover, you may use the hybrid type thing which combined the magnetic body and the conductor as a magnetic response member.
In the type that detects the rotational position of the movement that swings within a rotation range of less than one rotation, the magnetic response member (the sensor rotor plate RP in the above-described embodiments) is used in each of the above embodiments. The sensor head SH that is fixed and on which the sensor coils L1, L2, L3, and L4 are arranged may be moved according to the displacement of the detection target.
In the above embodiment, the number of output AC signals (number of phases) is two phases of sine and cosine (that is, resolver type), but it is of course not limited to this. For example, there may be three phases (the amplitude function of each phase is, for example, sin θ, sin (θ + 120), sin (θ + 240)).
[0034]
As a method of AC excitation of the sensor coil, a known two-phase excitation method in which at least two sensor coils are separately excited with sin ωt and cos ωt can be used. However, the one-phase excitation as described in the above embodiment is superior in various aspects such as simplification of the configuration and temperature drift compensation characteristics.
In the present invention, the voltage generated in the coil or the voltage between the terminals of the coil is not necessarily limited to the voltage detection type circuit configuration, and should be interpreted broadly. The range to be adopted is also included in the scope. In short, any circuit configuration that can generate and detect an analog voltage or current corresponding to a change in the impedance of the coil may be used.
[0035]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, it is sufficient to provide only the primary coil, and the secondary coil is not necessary. Therefore, it is possible to provide a rotary position detecting device having a small and simple structure. Also, by calculating the output signal of the coil, it is possible to obtain an output signal indicating the amplitude coefficient characteristic of the true sine function or cosine function in which the amplitude coefficient component swings positively or negatively, so that the coil configuration is simple, It is possible to provide a rotary position detecting device having a small and simple structure. In addition, it is possible to provide a rotary position detecting device capable of accurate position detection without being affected by external magnetism.
[Brief description of the drawings]
1A and 1B show an embodiment of a rotary type position detecting device according to the present invention, in which FIG. 1A is a schematic front view showing the structure of the rotary type position detecting device, FIG. ) Is an enlarged perspective view of a detector in the rotary position detector.
FIG. 2 is an electric circuit diagram related to a sensor coil in the rotary position detection apparatus shown in FIG. 1;
FIGS. 3A and 3B are diagrams for explaining the detection operation of the embodiment of FIG. 1, in which FIG. 3A shows an ideal curve of impedance change of each detection coil with respect to change of the rotation angle θ, and FIG. FIG. 6 is a diagram showing an amplitude change characteristic with respect to a rotation angle θ of an output signal obtained by calculating an output voltage of the coil for use.
FIG. 4 shows an example having a housing that performs a magnetic shield function as another embodiment of the sensor head, (A) is a schematic cross-sectional view showing an embodiment in which the entire sensor head is covered with a magnetic housing; ) Is a schematic cross-sectional view showing a modified example of the magnetic core of the sensor coil, and (C) is a schematic cross-sectional view showing an example in which the magnetic core of the sensor coil is arranged and oriented in the radial direction of the sensor rotor plate.
FIG. 5 is a schematic perspective view showing still another embodiment of the sensor head.
FIG. 6 is a schematic perspective view showing an embodiment of a rotational position detection device having a magnetic shield function in a rotor portion.
[Explanation of symbols]
SH sensor head
S, S1, S2, S3, S4 detector
L, L1, L2, L3, L4 Sensor coil
C, C1, C2, C3, C4 magnetic core
P Body plate
RP sensor rotor plate (magnetic response member)
T Mounting screw
M motor
MJ rotation axis
K housing
SR Shield Ring
20 Rotating shaft
21 Rotor
22 Magnetic shield member
23 Stator
30 AC source
31 Arithmetic circuit
32 Phase detection circuit

Claims

A coil portion in which at least one pair of coils excited by an AC signal is arranged over a predetermined part of a rotation angle range, and each coil pair in the at least one pair of coils has an interval corresponding to a predetermined rotation angle. Including two coils spaced apart by
A magnetic response member arranged so as to be rotationally displaced relative to the coil part, wherein the relative rotational position of the member and the coil part changes according to the rotation of the detection target, and this relative rotation position by changing the impedance of said coil in response to the relative rotational position as voltage is increased or decreased change generated in the coil between which varies over a predetermined rotation angle range based on change in impedance, in each coil pair An increase / decrease change in the voltage of the two coils shows a differential characteristic, and a shape that causes the impedance change for a plurality of cycles in one rotation,
The removed difference between voltages generated in the two coils in each coil pairs respectively, a circuit for generating for each coil pair AC output signal having a predetermined periodic amplitude function as an amplitude coefficient, wherein each of the AC output The periodic amplitude function of the signal differs in its periodic characteristics by a predetermined phase;
A magnetic shield member made of a diamagnetic material provided at a joint where the magnetic response member is attached to the shaft in a shaft made of a magnetic material for attaching the magnetic response member to the coil portion so as to be rotatable relative to the coil portion ; And a magnetic shield member that shields external magnetism that leaks to the magnetic response member through the shaft .

Two pairs of the coil pairs are provided,
The circuit according to claim 1, the sine function from one coil pair generates an AC output signal having a amplitude coefficient, a cosine function from the other coil pair and generating an AC output signal having a amplitude coefficient The rotational type position detecting device according to 1.

A coil portion in which at least one pair of coils excited by an AC signal is arranged over a predetermined part of a rotation angle range, and each coil pair in the at least one pair of coils has an interval corresponding to a predetermined rotation angle. Including two coils spaced apart by
A magnetic response member arranged so as to be rotationally displaced relative to the coil part, wherein the relative rotational position of the member and the coil part changes according to the rotation of the detection target, and this relative rotation position by changing the impedance of said coil in response to the relative rotational position as voltage is increased or decreased change generated in the coil between which varies over a predetermined rotation angle range based on change in impedance, in each coil pair An increase / decrease change in the voltage of the two coils shows a differential characteristic, and a shape that causes the impedance change for a plurality of cycles in one rotation,
The removed difference between voltages generated in the two coils in each coil pairs respectively, a circuit for generating for each coil pair AC output signal having a predetermined periodic amplitude function as an amplitude coefficient, wherein each of the AC output The periodic amplitude function of the signal differs in its periodic characteristics by a predetermined phase;
A first magnetic shield member provided around the coil portion for shielding magnetism from outside the coil portion ;
A second magnet made of a diamagnetic material provided at a joint where the magnetic response member is attached to the shaft in a shaft made of a magnetic material for attaching the magnetic response member to the coil portion so as to be rotatable relative to the coil portion. comprising a shield member <br/>, said first magnetic shield member state, and are not constructed by overlapping arranging the magnetic body and diamagnetic, leaks to the magnetic response member through said shaft A rotational position detecting device , wherein external magnetism is shielded by the second magnetic shield member .

A rotor part having a predetermined shape made of a magnetic response member attached to a detection target rotating shaft made of a magnetic material, and a stator having a coil part excited by an AC signal, and the magnetism corresponding to the rotation of the rotating shaft Rotation in which the relative rotational position of the response member and the coil portion changes, the impedance of the coil portion is changed in accordance with the change in the relative rotational position, and an output signal is generated in accordance with the impedance change. In the position detection device,
A magnetic shield member made of a diamagnetic material is provided at a joint portion that fixes the rotor portion to the rotating shaft, and external magnetism that leaks to the rotor portion through the rotating shaft is shielded by the magnetic shield member. A rotational position detection device characterized.

A rotor part having a predetermined shape made of a magnetic response member attached to a detection target rotating shaft made of a magnetic material, and a stator having a coil part excited by an AC signal, and the magnetism corresponding to the rotation of the rotating shaft Rotation in which the relative rotational position of the response member and the coil portion changes, the impedance of the coil portion is changed in accordance with the change in the relative rotational position, and an output signal is generated in accordance with the impedance change. In the position detection device,
Around the coil portion, a first magnetic shield member for shielding the magnetism from the outside to the coil section is provided, the first magnetic shielding member is a magnetic body and diamagnetic overlapping arrangement all SANYO configured,
A second magnetic shield member made of a diamagnetic material is provided at a joint portion that fixes the rotor portion to the rotation shaft, and external magnetism that leaks to the rotor portion through the rotation shaft is provided in the second magnetic shield. rotational position detecting device which is characterized that you shielded by member.