JP5275855B2 - レゾルバ - Google Patents

Description

本発明は、軸倍角が１Ｘのバリアブルリアクタンス形レゾルバに関する。

軸倍角が１Ｘのバリアブルリアクタンス形のレゾルバ（以下、ＶＲ型レゾルバ）が知られている（例えば特許文献１の図３参照）。軸倍角が１ＸのＶＲ型レゾルバは、１回転で１周期のサイン出力およびコサイン出力が得られるので、絶対角の測定が容易であるという優位性がある。

従来技術におけるＶＲ型レゾルバの基本構造を簡単に説明する。まず、軸方向から見て円形の断面を有する磁性材料により構成される回転子がある。この回転子の中心（円形の中心）は、回転軸と一致せず、回転軸は、偏芯した位置とされている。そして、軸方向から見てこの回転子を囲む円環形状の磁性材料により構成される固定子がある。この固定子には、回転子の回転中心に向かって突出した４個の磁極が配置されている。これら磁極の全てには励磁巻線が巻かれ、且つ、２個の磁極を一組として、９０°の位相差出力が得られるようにサイン出力巻線とコサイン出力巻線とが２個×２組の磁極に巻かれている。

励磁巻線に励磁電流として交番電流を流すと、サイン巻線およびコサイン巻線に位相差が９０°ずれた周期電圧（サイン出力およびコサイン出力）が電磁誘導現象により誘起される。回転子の回転軸は偏芯しているので、回転子が回転すると、回転子の回転角に応じてサイン出力およびコサイン出力が変調される。このため、サイン出力とコサイン出力に基づいて回転子の回転角を算出することができる。この算出は、Ｒ／Ｄ変換回路において行われる。Ｒ／Ｄ変換回路は、アナログ方式とデジタル方式とがある。

特開平８−１７８６１１号公報

上述した軸倍角が１ＸのＶＲ型レゾルバは、回転子を偏芯した状態で回転させる必要がある。このため、回転速度が速くなると振動の発生が問題となり、高速回転する対象の計測には適してない。このような背景において、本発明は、振動の問題を解決できる軸倍角が１ＸのＶＲ型レゾルバを提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は、磁性材料により構成され、軸方向から見て円形であり、この円形の中心を軸として回転可能な回転子と、磁性材料により構成され、軸方向から見て前記回転子の回転中心に向かって突出した複数の磁極とを備え、 前記複数の磁極のそれぞれには、前記回転子の円周面に垂直な成分を有する磁束を生成するための励磁コイルが巻かれ、回転軸を含む平面で切った断面の形状において、前記回転子は軸方向に対して斜めの方向に延在した形状を有し、前記複数の磁極のそれぞれと前記回転子の円周面とが対向する面積は、前記回転子の回転に伴い変化し、前記回転子は、円柱を軸に対して斜めに切断した上面および下面を有した形状を有し、前記上面および下面は略平行であり、前記回転子の回転軸が前記円柱の軸に略一致しており、前記複数の磁極には、軸方向から見て１８０°異なる角度位置に配置された第１の磁極および第２の磁極が含まれ、前記回転子の円周面の軸方向の長さは、前記複数の磁極の軸方向の長さよりも長く、前記回転子の円周面の第１の部分の上端が前記第１の磁極の上端よりも上方に位置している状態において、前記第１の部分の下端が前記第１の磁極の下端に位置し、且つ、前記回転軸に対して前記第１の部分の反対側の第２の部分の前記円周面の上端が前記第２の磁極の下端に一致する位置関係にあることを特徴とするレゾルバである。

請求項１に記載の発明によれば、複数の磁極のそれぞれと、回転子の円周面との対向する面積が、回転子の回転に伴い変化する。この対向する面積の変化に従って、各磁極が生成する磁束が受ける磁気抵抗が変化する。一方、この磁束により磁極に巻かれた検出コイルに誘導電圧が誘起される。上記の磁束が受ける磁気抵抗の変化は、回転子の１回転に同期した変化であるので、上記検出コイルに誘起される誘導電圧には、回転子の回転角に依存した情報が含まれる。したがって、磁極に巻かれた検出コイルに誘導される誘導電圧に基づいて、回転子の角度情報を得ることができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、軸方向から見て前記回転子の円周面と前記複数の磁極との間の間隔は、略同一であることを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の発明において、前記回転子の回転軸を含む平面で切った断面の形状において、前記第１の部分の前記円周面が前記複数の磁極の一つに対して対向する面積が最大である時に、前記第２の部分の前記円周面は、前記複数の磁極の他の一つに対向していないことを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、振動の問題を解決した軸倍角が１ＸのＶＲ型レゾルバが得られる。この構成によれば、回転子が軸方向から見て円形であり、この円形の中心を軸として回転する。このため、回転子の回転時において、回転軸の偏芯に起因する振動が発生しない。また、請求項１に記載の発明によれば、磁極の軸方向の長さよりも回転子の円周面の軸方向の長さの方が大きいので、磁束を有効に利用することができる。

請求項２に記載の発明によれば、複数の磁極のそれぞれと回転子の円周面との間の距離の変化がないので、得られる出力の周期性が素直であり、検出精度が高くなる。

請求項３に記載の発明によれば、磁極からの磁束が受ける磁気抵抗の変化幅を大きく確保できるので、Ｓ／Ｎ比を高くでき、計測精度が高くなる。

実施形態のＶＲ型レゾルバの軸方向で切った断面図（Ａ）と上面図（Ｂ）である。 実施形態の回転子の構造を示す概念図である。 実施形態における電気的な構成の一例を示す概念図である。 実施形態のＶＲ型レゾルバからの出力波形の概要を示す概念図である。 他の実施形態のＶＲ型レゾルバの軸方向で切った断面図である。

（１）第１の実施形態
（構造）
図１は、第１の実施形態のＶＲ型レゾルバの回転軸を含む平面で切った断面構造（Ａ）と上面図（Ｂ）である。図１には、軸倍角が１ＸのＶＲ型レゾルバ１００が示されている。なお、図１には、ＶＲ型レゾルバ１００のケーシングの構造（ハウジングの構造）は図示省略されている。ＶＲ型レゾルバ１００は、磁性材料により構成される固定子コア１０１を備えている。固定子コア１０１は、内側に向かって突出した４極の磁極（突極）１０３ａ〜１０３ｄを備えている。

磁極１０３ａ〜１０３ｄは、固定子コア１０１から回転中心に向かって延在した延在部と、その先の巻線の巻き止めとなる傘状に開いた磁極歯を備えている。各磁極には、コイル１０４ａ〜１０４ｄが巻かれている。この例では、コイル１０４ａは、励磁コイルとサイン出力コイルの２つから構成されている。コイル１０４ｂは、励磁コイルとコサイン出力コイルの２つから構成されている。コイル１０４ｃは、励磁コイルとサイン出力コイルの２つから構成されている。コイル１０４ｄは、励磁コイルとコサイン出力コイルの２つから構成されている。

４つの磁極の内側には、磁性材料により構成される回転子１０２が配置されている。回転子１０２は回転軸１０５に固定され、回転子１０２の外周と各磁極との距離は均等な値とされている。回転子１０２は、軸方向から見て円形を有し、その中心（円形の中心）と回転軸１０５の軸とが一致した構造とされている。回転軸１０５は、計測対象となる回転体の回転を受けて回転する。

以下、回転子１０２について説明する。図２は、回転子１０２の形状を説明するための概念図である。図２（Ａ）には、斜視図が示され、図２（Ｂ）には、側面図が示され、図２（Ｃ）には、切り出された円板２０３が示されている。図２には、円柱２０１の軸２０２に対して斜めの方向に２箇所で切断することで得られる円板２０３が示されている。ここで、切断面２０４と２０５は、平行とされている。円板２０３は、軸２０２の方向から見れば円形に見える。

図２（Ｃ）には、円柱２０１から切り出された円板２０３が、図２（Ａ）および（Ｂ）の状態から向きを変えない状態で示されている。従って、円板２０３を軸２０２の方向から見ると、円形に見える。

図２（Ｃ）に示す円板２０３の形状が、図１に示す回転子１０２の形状となる。この例では、図２（Ｃ）に示す円板２０３の軸２０２を図１の回転軸１０５の軸に一致させた状態で、円板２０３と同じ形状の回転子１０２が、固定子コア１０１の内側に配置されている。

この構成によれば、図１（Ｂ）に示すように、軸方向から回転子１０２を見た場合、回転子１０２は円形に見える。また、図１（Ａ）に示すように、回転子１０２の回転位置によっては、軸に垂直な方向から見た場合の回転子１０２の断面構造が回転軸１０５に対して斜めに傾いた方向に延在する形状となる。これは、図２（Ｃ）に示す円板２０３を、軸２０２を含むＺ−Ｘ平面で切断した場合の断面形状と同じである。

この例では、図１（Ａ）に示されるように、回転子１０２の断面形状が回転軸１０５に対して傾いていることを利用し、回転子１０２の円周面（外周面）の第１の部分１１１が、固定子コア１０１の磁極１０３ｃに対向し、この第１の部分１１１と回転軸１０５を挟んだ反対側の第２の部分１１２が、磁極１０３ａの下方に位置し、磁極１０３ａと対向しない構造としている。

この構造によれば、図１（Ａ）に示す状態から回転子が１８０°回転すると、第１の部分１１１が、磁極１０３ａに対向し、第２の部分１１２が、磁極１０３ｃに対向しない状態となる。

すなわち、一つの磁極に着目した場合、回転子１０２が１回転すると、その回転に伴い、当該磁極と回転子１０２の円周面とが対向する面積（対向面積）の値が、最大→０→最大を１周期とする変化を示す。なお、当該１周期のどの位置が、初期値となるかは、磁極の位置によって異なる。

また、回転子１１１の円周面の軸方向の寸法（幅）は、対向する磁極の寸法（図１（Ａ）の軸方向の寸法）よりも大きな値とされ、さらに図１（Ａ）に示す状態において、第１の部分１１１の下端が磁極１０３ｃの下端に一致し、第１の部分１１１の上端が、磁極１０３ｃの上端よりも上方に位置する位置関係とされている。また、第２の部分１１２の上端が磁極１０３ａの下端に一致する位置関係とされている。

（電気的な構成）
図３は、図１に示すＶＲ型レゾルバ１００に関連する電気的な構成の一例を示す概念図である。図３には、回転子１０２が示され、その周囲にサイン出力コイル３０１、コサイン出力コイル３０２および励磁コイル３０３が配置された状態が示されている。

この例では、サイン出力コイル３０１は、図１の磁極１０３ａと１０３ｃに直列に接続された状態で巻かれ、巻線の両端は、サイン入力信号として、Ｒ／Ｄ変換回路３０４に接続されている。コサイン出力コイル３０２は、図１の磁極１０３ｂと１０３ｄに直列に接続された状態で巻かれ、巻線の両端は、コサイン入力信号として、Ｒ／Ｄ変換回路３０４に接続されている。

また、Ｒ／Ｄ変換回路３０４からは、励磁信号が出力され、励磁コイル３０３に供給される。励磁コイルは、図１の磁極１０３ａ、１０３ｂ、１０３ｃおよび１０３ｄに順次直接に接続されて巻かれている。

（動作の一例）
回転子１０２が１回転すると、固定子コア１０１の各磁極と回転子の円周面とが対向する面積（対向面積）が回転に伴ってそれぞれ、最大→０→最大を１周期とする周期で変化する（当該１周期のどの位置が、初期値となるかは、磁極の位置によって異なる）。すなわち、磁極の一つに着目すると、回転子１０２の回転に伴い、回転子１０２の円周面との間の対向面積が、回転子１０２の１回転の周期に一致した周期で変化する。

この状態において、励磁コイルに交番電流を加えると、この交番電流に起因して、サイン出力コイル３０１とコサイン出力コイル３０２とに電磁誘導現象により誘導電圧が誘起される。一方、上述したように、固定子コア１０１の磁極１０３ａ〜１０３ｄと回転子１０２の円周面との対向面積は、回転子１０２の回転周期に同期した変化を示す。ここで、回転子１０２は磁性材料であり、各磁極に巻かれた励磁コイルが生成する磁束は、対向する回転子１０２の円周面に垂直な成分を有する。したがって、上述した対向面積の周期的な変化により、回転子１０２の円周面を貫く磁束の数が周期的に変化し、各励磁コイルが生成する磁束が受ける磁気抵抗が周期的に変化する。この磁束が受ける磁気抵抗の周期的な変化は、サイン出力コイル３０１とコサイン出力コイル３０２に誘導される誘導電圧に影響（変調）を与える。この影響は、回転子１０２の１回転を１周期とする周期性を示す誘導電圧の変化として現れる。よって、サイン出力コイル３０１とコサイン出力コイル３０２に生じる誘導電圧に基づいて回転子１０２の回転角の情報を得ることができる。

以下、この現象を具体的に説明する。まず、励磁コイル３０３にＶext＝ｓｉｎωｔの励磁信号を供給しているとする。この際、回転子１０２が回転すると、基準位置からの回転子１０２の回転角θに応じて、サイン出力コイル３０１にＶsin＝ｋ・ｓｉｎθ・ｓｉｎωｔの誘導電圧が誘起される。また、コサイン出力コイル３０２にＶcos＝ｋ・ｃｏｓθ・ｓｉｎωｔの誘導電圧が誘起される。ここで、ｋは比例定数であり、ωｔは励磁周波数を表す。誘導電圧Ｖsin，Ｖcosから回転角θが算出される。

図４は、サイン出力波形とコサイン出力波形を示す概念図である。図示されるようにサイン出力波形とコサイン出力波形とは、９０°の位相差を有している。ここで周期Ｔは、回転子１０２の回転角３６０°に相当する。

（優位性）
図１（Ｂ）に示されるように、回転子１０２は、軸方向から見て円形であり、また、図２（Ｃ）に示すように厚み分布も軸に対して対称である。したがって、回転子１０２の回転に伴う振動の発生を抑えることができる。

図１に示す構成によれば、回転子１０２の形状がシンプルであるので、低コストで製造することができ、また部品精度の追究の上でも有利となる。また、軸方向から見て、回転子１０２の円周面と磁極１０３ａ〜１０３ｄとの間の距離が一定であるので、回転子１０２の回転角の情報がサイン出力とコサイン出力に明確に現れ、回転子１０２の角度情報を高い精度で得ることができる。

図１（Ａ）に示すように、回転子１０２の円周面の第１の部分１１１と磁極（この場合は、磁極１０３ｃ）との対向面積とが最大となるタイミングで、角度位置が１８０°異なる反対側の円周面の第２の部分１１２と磁極（この場合は、磁極１０３ａ）との対向面積がゼロ（対向していない）となるので、サイン出力とコサイン出力の差を大きくできる。このため、回転子１０２の角度情報を高い精度で得ることができる。

図１（Ａ）に示す状態において、回転子１０２の円周面の第１の部分１１１の上端が、磁極１０３ｃの上方の位置にあるので、磁極１０３ｃから出る磁束の無駄になる成分（回転子１０２に補足されない成分）を少なくできる。このため、生成される磁束を有効に利用できる。

（２）第２の実施形態
図５は、本発明を利用した他の一例を示す第２の実施形態のＶＲ型レゾルバの断面構造を示す概念図である。図５には、本発明を利用したＶＲ型レゾルバ５００が示されている。ＶＲ型レゾルバ５００は、図１に示すＶＲ型レゾルバ１００と同様の構造の固定子コア５０１を備えている。磁極の構造等は、図１に示すＶＲ型レゾルバ１００の場合と同じであるので説明は省略する。また、電気的な構成も第１の実施形態の場合と同じである。

図５に示すＶＲ型レゾルバ５００は、回転軸５０５を軸として回転可能な回転子５０２を備えている。回転子５０２の基本的な構造は、図１に示す回転子１０２と同じである。回転子５０２が回転子１０２と異なるのは、その軸方向における厚み寸法である。この例では、回転子５０２の軸方向における厚み寸法が、図１の場合における厚み寸法よりも小さく、その値は、固定子コア５０１の磁極の軸方向における厚み寸法と同じとされている。

そして、回転子５０２の円周面の第１の部分５０６において、回転子５０２の円周面と固定子コア５０１の磁極との対向面積が最大となり、回転子５０２の円周面の第２の部分５０７において、回転子５０２の円周面と固定子コア５０１の磁極との対向面積が最小（ゼロ：対向せず）となるようにしている。

この構成によれば、固定子コア５０１の磁極が生成する磁束の有効利用されない成分の発生を抑えつつ、回転子５０２を薄くすることによる回転子５０２の軽量化を計ることができる。このため、高速回転の計測に適し、また測定対象への負荷が軽いＶＲ型レゾルバを得ることができる。また、第１の部分５０６で対向面積が最大で、第２の部分５０７で対向面積が０となる構成とすることで、サイン出力とコサイン出力の差を大きくでき、回転子５０２の角度情報を高い精度で得ることができる。

本発明は、軸倍角１ＸのＶＲ型レゾルバに利用することができる。

１００…ＶＲ型レゾルバ、１０１…固定子コア、１０２…回転子、１０３ａ，１０３ｂ,１０３ｃ,１０３ｄ…磁極、１０４ａ,１０４ｂ,１０４ｃ,１０４ｄ…コイル、１０５…回転軸、１１１…回転子１０２の円周面の第１の部分、１１２…回転子１０２の円周面の第２の部分、２０１…円柱、２０２…円柱２０１の軸、２０３…円板、２０４，２０５…切断面、３０１…サイン出力コイル、３０２…コサイン出力コイル、３０３…励磁コイル、３０４…Ｒ／Ｄ変換回路、５００…ＶＲ型レゾルバ、５０１…固定子コア、５０２…回転子、５０５…回転軸、５０６…回転子５０２の円周面の第１の部分、５０７…回転子５０２の円周面の第２の部分。

Claims (3)

1. 磁性材料により構成され、軸方向から見て円形であり、この円形の中心を軸として回転可能な回転子と、
   磁性材料により構成され、軸方向から見て前記回転子の回転中心に向かって突出した複数の磁極と
   を備え、
   前記複数の磁極のそれぞれには、前記回転子の円周面に垂直な成分を有する磁束を生成するための励磁コイルが巻かれ、
   回転軸を含む平面で切った断面の形状において、前記回転子は軸方向に対して斜めの方向に延在した形状を有し、
   前記複数の磁極のそれぞれと前記回転子の円周面とが対向する面積は、前記回転子の回転に伴い変化し、
   前記回転子は、円柱を軸に対して斜めに切断した上面および下面を有した形状を有し、
   前記上面および下面は略平行であり、
   前記回転子の回転軸が前記円柱の軸に略一致しており、
   前記複数の磁極には、軸方向から見て１８０°異なる角度位置に配置された第１の磁極および第２の磁極が含まれ、
   前記回転子の円周面の軸方向の長さは、前記複数の磁極の軸方向の長さよりも長く、
   前記回転子の円周面の第１の部分の上端が前記第１の磁極の上端よりも上方に位置している状態において、前記第１の部分の下端が前記第１の磁極の下端に位置し、且つ、前記回転軸に対して前記第１の部分の反対側の第２の部分の前記円周面の上端が前記第２の磁極の下端に一致する位置関係にあることを特徴とするレゾルバ。
2. 軸方向から見て前記回転子の円周面と前記複数の磁極との間の間隔は、略同一であることを特徴とする請求項１に記載のレゾルバ。
3. 前記回転子の回転軸を含む平面で切った断面の形状において、前記第１の部分の前記円周面が前記複数の磁極の一つに対して対向する面積が最大である時に、前記第２の部分の前記円周面は、前記複数の磁極の他の一つに対向していないことを特徴とする請求項１または２に記載のレゾルバ。

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