ロータポジションセンサ

【課題】モータの外装部に設置される、感度の高い回転センサの取り付け又は取り外しを容易にすること。
【解決手段】ロータポジションセンサ付のモータ１０は、正弦波関数によって外周パターンの形状が変化するセンサロータ５と、外周パターンの形状に沿って異なる箇所で発生する渦電流を検出して、センサロータ５の回転角を求める回転センサ４と、回転センサ４がはめ込まれる貫通孔を有するサイドカバー１ｂと、を備える。この貫通孔は、原動機のシャフト９に接続されるセンサロータ５の外周パターンの形状を検出可能とする位置に形成される。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、モータのロータの回転角を計測する場合に適用して好適なロータポジションセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、モータ等の原動機が駆動するモータのロータの回転角を計測するため、モータの内部にアキシャル型のロータポジションセンサが取付けられていた。
【０００３】
図９は、従来のロータポジションセンサ付のモータ１００の構成例を示す。
図９Ａは、ロータポジションセンサ付のモータ１００を直径方向に断面視した例を示す。
ロータポジションセンサ付のモータ１００は、一組の外装部としてのサイドカバー１０１ａ，１０１ｂと、サイドカバー１０１ｂの正面に空けられた穴にはめ込まれるグロメット１０２と、グロメット１０２によって接触面が保護されるリード線１０３を備える。リード線１０３は、サイドカバー１０１ａ，１０１ｂの内部に格納される回転センサ１０４に接続される。
【０００４】
サイドカバー１０１ａ，１０１ｂに差し込まれるシャフト１０９の先端部は、ロータ１０８に接続され、サイドカバー１０１ａ，１０１ｂに設けられた軸受け部１１０に支持される。軸受け部１１０には、ボールベアリング等が用いられる。ロータ１０８の周縁部には、複数の巻線によりコイル１０７が形成されたステータ１０６が配置される。ロータポジションセンサ付のモータ１００は、シャフト１０９の回転運動に伴って回転するロータ１０８の回転角を回転センサ１０４が読み取る。
【０００５】
図９Ｂは、サイドカバー１０１ｂの図示を省略し、ロータポジションセンサ付のモータ１００を正面視した例を示す。
ロータポジションセンサ付のモータ１００は、中心部にロータ１０８に取付けられるセンサロータ１０５と、を備え、ロータ１０８の周囲に１２個のコイル１０７を備える。
【０００６】
図９Ｃは、回転センサ１０４の付近を拡大視した例を示す。
ロータポジションセンサ付のモータ１００において、回転センサ１０４は、サイドカバー１０１ｂの内部に押し込まれて取り付けられた後、ロータ１０８とシャフト１０９がサイドカバー１０１ｂに取り付けられる。
【０００７】
図１０は、センサロータ１０５の形状の例を示す。
図１０Ａは、センサロータ１０５の断面を側面視した例を示す。
図１０Ｂは、センサロータ１０５を正面視した例を示す。
センサロータ１０５は、中心を円形に中抜きされた略四角形の形状であり、基材によって固定される。センサロータ１０５の内周部と外周部には、正弦波による４つの山と谷が形成されている。
【０００８】
永久磁石式同期モータには、磁極対の間隔に対する角度を検出する角度検出器として、ロータポジションセンサ付のモータ１００が使われている。ここで、固定子側には、コイルからなるセンサ、回転子側には、回転を代表するよう形状を設定されたパターンをもつエンコーダ構造のセンサロータ１０５が設けられている。
【０００９】
図１１は、従来のエンコーダ構造としたセンサロータ１０５の設計例を示す。
図１１Ａは、センサロータ１０５の設計例を示す。
図１１Ｂは、コイル１０７の構成例を示す。
センサロータ１０５において、固定された基準位置に対するエンコーダ構造の角度をθとし、電気周期の時計回りの始点をＰ１、終点をＰ２とする。センサロータ１０５のエンコーダ構造には、幅が正弦関数で変化するパターンを形成する。回転センサ１０４に取付けられるコイル１０７は、センサロータ１０５に形成されたパターンの形状を検出する構造としてある。
【００１０】
この従来例では、パターンの形状を次のように定義している。すなわち、最大幅をＷｍａｘ、最小幅Ｗｍｉｎ、パターンの中心半径をｒ、極対数をｎ、パターンの外周と中心との距離をｘ、内周と中心との距離をｙとして、ｘ，ｙは、次式で表される。このパターンを電気的良導体で形成する。
ｘ＝ｒ＋１／４×（Ｗｍａｘ＋Ｗｍｉｎ）＋１／４×（Ｗｍａｘ−Ｗｍｉｎ）×ｓｉｎ（ｎθ）・・・式（１）
ｙ＝ｒ−１／４×（Ｗｍａｘ＋Ｗｍｉｎ）−１／４×（Ｗｍａｘ−Ｗｍｉｎ）×ｓｉｎ（ｎθ）・・・式（２）
【００１１】
このパターンに対向させて、長手方向の巻き寸法ｂがＷｍａｘより大きな寸法としたコイル１０７を設け、コイル１０７に高周波電流を印加すると、パターン上に渦電流が生じる。これによって、コイル１０７には、コイル１０７の投影面積にパターンが重なった面積に比例したインダクタンス変化が生じ、コイルの幅ａが小さい時、インダクタンス変化△ｈはパターンの幅に比例することが、次式で示される。
△ｈ∝ｘ−ｙ＝１／２×（Ｗｍａｘ＋Ｗｍｉｎ）＋１／２×（Ｗｍａｘ−Ｗｍｉｎ）×ｓｉｎ（ｎθ）・・・式（３）
回転センサ４は、式（３）より、センサロータ１０５の角度の正弦値に比例したインダクタンスの変化値を得られる。
【００１２】
なお、センサロータ１０５は、銅、アルミ、銀などの電気的良導体を用いてパターンが形成される。ただし、パターンを設ける基材はプラスチックなどの不導体であったり、鉄などの導電率が異なるものであったりしても良い。また、ロータ１０８にセンサロータ１０５と同じ材料を基材に用いる場合は、センサロータ１０５の厚みを一定としても良い。
【００１３】
図１１Ｃは、中心を円形に中抜きされた略六角形の形状としたセンサロータ１０５の例を示す。
センサロータ１０５の内周部と外周部には、正弦波による６つの山と谷が形成されている。このようなパターンを持つエンコーダ構造としたセンサロータ１０５についても、上述したセンサロータ１０５における場合と同様に式（１）〜（３）を適用することにより形成することができる。
【００１４】
特許文献１には、エンコーダ構造を用いてロータのような可動部（回転体）の位置を検出する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１５】
【特許文献１】特開２００７−３２７９４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
ところで、ロータポジションセンサ付のモータ１００では、回転センサ１０４に直接、リード線１０３が取付けられている。このため、モータ外部にリード線１０３を引き出すためにサイドカバー１０１ｂに貫通孔を空けた構造としており、この貫通孔にグロメット１０２を取り付けたり、貫通用のコネクタ等を形成したりすることが必要だった。さらに、回転センサ１０４は、ロータポジションセンサ付のモータ１００の内部に格納されるため、回転センサ１０４の取付けはモータの組立工程の中で行う必要がある。このため、回転センサ１０４が故障した際は、サイドカバー１０１ｂを開ける作業が必要であり、手間がかかるばかりでなく、回転センサ１０４を交換した後、サイドカバー１０１ｂを取り付ける際には再調整が必要であった。
【００１７】
また、シャフト１０９からサイドカバー１ｂを取り外すと、軸受け部１１０についても再度調整が必要である。また、頻繁に軸受け部１１０の調整が行われると、軸受け部１１０の寿命が低下する要因ともなっていた。
【００１８】
本発明はこのような状況に鑑みて成されたものであり、ロータポジションセンサの外装部に設置される、感度の高い回転センサの取り付け又は取り外しを容易にすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明は、正弦波関数によって外周パターンの形状が変化するセンサロータと、外周パターンの形状に沿って異なる箇所で発生する渦電流を検出して、センサロータの回転角を求める回転センサと、回転センサがはめ込まれる貫通孔を有する外装部と、を備える。そして、貫通孔は、原動機のシャフトに接続されるセンサロータの外周パターンの形状を検出可能とする位置に形成されるものである。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、外装部に形成された貫通孔に回転センサを着脱できるようにしたため、回転センサの交換時には、ロータポジションセンサを分解する必要がない。このため、回転センサの取り付け、又は取り外しが容易となる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の一実施の形態におけるロータポジションセンサの例を示す構成図である。
【図２】本発明の一実施の形態におけるセンサが取り付けられる位置を示す正面図である。
【図３】本発明の一実施の形態におけるエンコーダ構造（極対数＝４）の設計例を示すセンサロータの正面図である。
【図４】本発明の一実施の形態におけるエンコーダ構造（極対数＝４）の他の設計例を示すセンサロータの正面図である。
【図５】本発明の一実施の形態におけるエンコーダ構造（極対数＝６）の設計例を示すセンサロータの正面図である。
【図６】従来のセンサロータの例を示す構成図である。
【図７】本発明の一実施の形態における六角形のエンコーダ構造としたパターンのセンサロータを基材に取り付ける例の正面図である。
【図８】本発明の一実施の形態におけるサイドカバーにセンサを取付ける他の構造の例の断面図である。
【図９】従来のロータポジションセンサ付のモータの例を示す構成図である。
【図１０】従来のロータの形状の例を示す構成図である。
【図１１】従来のエンコーダ構造の設計例を示す構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明の一実施の形態について、図１〜図８を参照して説明する。本実施の形態では、モータ等の原動機のロータの回転角を検出するロータポジションセンサ付のモータ１０に適用した例（以下、「本例」という。）について説明する。
【００２３】
図１は、本例のロータポジションセンサ付のモータ１０の構成例を示す。
図１Ａは、ロータポジションセンサ付のモータ１０を直径方向に断面視した例を示す。
ロータポジションセンサ付のモータ１０は、一組の外装部としてのサイドカバー１ａ，１ｂと、サイドカバー１ａ，１ｂに格納されるロータ８と、ロータ８の周縁部に巻線が巻回されて形成されるコイル７と、コイル７及びロータ８が設置されるステータ６と、ロータ８に取付けられ、ロータ８と共に回転するセンサロータ５と、を備える。回転センサ４は、センサロータ５に対向して設置され、センサロータ５の外周パターンの形状に沿って異なる箇所で発生する渦電流を検出して、センサロータ５の回転角を求める。
【００２４】
サイドカバー１ａに差し込まれるシャフト９の先端部は、ロータ８に接続され、サイドカバー１ａ，１ｂに設けられた軸受け部２に支持される。軸受け部２には、ボールベアリング等が用いられる。ロータ８の周縁部には、複数のコイル７によりコイルが形成されたステータ６が配置される。ロータポジションセンサ付のモータ１０は、シャフト９の回転運動に伴って回転するロータ８の回転角を回転センサ４が読み取る。
【００２５】
図１Ｂは、サイドカバー１ｂの図示を省略し、ロータポジションセンサ付のモータ１０を正面視した例を示す。
ロータポジションセンサ付のモータ１０は、中心部にセンサロータ５と不図示のロータ８を備え、ロータ８の周囲に１２個のコイル７を備える。センサロータ５は、正弦波関数によって外周パターンの形状が変化するようにしてある。
【００２６】
図１Ｃは、回転センサ４の付近を拡大視した例を示す。
サイドカバー１ｂは、回転センサ４がはめ込まれる貫通孔を有する。貫通孔は、モータのシャフト９に接続されるセンサロータ５の外周パターンの形状を検出可能とする位置に形成される。ロータポジションセンサ付のモータ１０において、ステータ６，ロータ８、シャフト９がサイドカバー１ｂに取り付けられた後、回転センサ４は、はめ込まれる貫通孔を通してサイドカバー１ｂの外部から内部へ押し込まれて取り付けられる。
【００２７】
図２は、回転センサ４が取り付けられる位置の例を示す
図２Ａは、サイドカバー１ｂの正面図を示す。
サイドカバー１ｂには、扇形に形成されるコイル７の形状に沿って、扇形の貫通孔２が空けられる。
【００２８】
図２Ｂは、サイドカバー１ｂに回転センサ４を取り付けた場合の構成例を示す。
サイドカバー１ｂ内のロータの位置に合わせて回転センサ４が取り付けられることが示される。
【００２９】
図３は、センサロータ５に形成されるエンコーダ構造（極対数＝４）の設計例を示す。
上述したように従来のエンコーダ構造の設計例では、内側と外側共に正弦関数で変化するパターンを持っていた。一方、本例のエンコーダ構造の設計例では、外側のみに正弦関数で変化するパターンを持つ。ここで、センサロータ５の外周パターンの形状は、センサロータ５の中心から外周までの距離をｒとし、中心から外周までの最も遠い距離をｒｍａｘとし、中心から外周までの最も近い距離をｒｍｉｎとし、センサロータ５の極対数をｎとしたとき、回転角度θに対する中心からパターン外縁までの距離ｒは、次式（４）で表される。
ｒ＝（ｒｍａｘ−ｒｍｉｎ）／２ｓｉｎ（ｎθ）＋（ｒｍａｘ＋ｒｍｉｎ）／２・・・式（４）
ここで、
ｒｍａｘ；ｒの最大値
ｒｍｉｎ；ｒの最小値
かつ、
ｒｍａｘ−ｒｍｉｎはコイル７の長手方向の巻き寸法ｂを越さない値とし、センサロータ５の外周パターンに対向させて、コイル７を配置する。また、ｒｍａｘ＋ｒｍｉｎが一定である場合、ｒｍａｘ−ｒｍｉｎが大きいほど、インダクタンス変化△ｈが共に大きくなる。即ち、センサロータ５のパターンの外周形状変動が大きいほど、センサ４の検出精度が高くなると意味する。
【００３０】
このパターンが形成されたセンサロータ５をコイル７に対して回転させたとき、コイル７のインダクタンス変化△ｈはパターンの幅に比例する。このため、△ｈはコイル７の下端からパターン中心までの距離として、次式で表される。
△ｈ∝（ｒｍａｘ−ｒｍｉｎ）／２ｓｉｎ（ｎθ）・・・式（５）
式（５）より、回転センサ４によって中心角度の正弦値に比例したインダクタンス変化を得られる。
【００３１】
図４は、エンコーダ構造（極対数＝４）の他の設計例を示す。
図４Ａは、センサロータ５′を正面視した例を示す。
図４Ｂは、センサロータ５′をＡ−Ａ線に沿って断面視した例を示す。
センサロータ５′は、エンコーダ構造のパターン形状を内径側に設けている。センサロータ５′の外周は円形としてあるため、ロータ８への取り付けはセンサロータ５′の外周部分にネジ、リベット等の取付け部材を用いて固定すればよい。このため、センサロータ５のように外周部分にパターン形状を形成した場合と比べて、モータ１０のロータ８及びロータ８を形成している部品をシャフト９の軸方向に固定することが可能である。
【００３２】
図５は、センサロータ５′′に形成されるエンコーダ構造（極対数＝６）の設計例を示す。
本例においても、上述した式（４），（５）を用いることにより、適切な位置にコイル７を配置し、回転センサ４によって中心角度の正弦値に比例したインダクタンス変化を得られる。
【００３３】
なお、従来の渦電流を用いてロータ１０８の回転する角度を検出するロータポジションセンサ付のモータ１００に用いられるセンサロータ１０５（図１０参照）には、角度を識別する目的で、センサロータ１０５の表面に、回転角度に対してパターンの幅が変化する導体を設ける構造をとっている。しかし、センサロータ１０５に対して、パターンの幅を変えるように構成することを廉価に実現できなかった。
【００３４】
従来のセンサロータ１０５は、センサロータ１０５をロータ１０８に取り付けるための強度と、モータ内の高温環境における耐熱性が求められるため、電気的導体、例えば、アルミニウム、銀又は銅などの金属により形成されたパターンを強固に基材に固定しなければならない。そのため、選択できる加工方法は、ブロック材からパターンと基材を一体的に切削加工したり、鋳造したり、又は銅板などで形成されたパターンをロウ付けによって基材と結合したりする等の方法に限定されていた。
【００３５】
図６は、従来のセンサロータ１０５′の構成例を示す。
図６Ａは、従来のセンサロータ１０５′を上面視した例を示す。
センサロータ１０５には、外周部（外刃）に加え、内周部（内刃）ついても正弦波によるパターンが形成される。
【００３６】
図６Ｂは、従来のセンサロータ１０５のパターンと基材を一体に切削、鋳造または鍛造で成型した例を示す。
図６Ｃは、銅でパターンが形成されたセンサロータ１０５′のパターンを鉄の基材（ベースプレート）にロウ付けした例を示す。
【００３７】
図６に示すように、センサロータ１０５′を形成するには、以下の製法が考えられる。
第１の製法は、アルミニウムまたは、銅から削り出すものである。
第２の製法は、鋳造、または鍛造で成型するものである。
第３の製法は、銅でパターンを作り鉄の基材にロウ付けするものである。
しかし、いずれの製法を用いても、センサロータ１０５′を製造するための設備や工程に手間とコストがかかるため、量産に向かなかった。
【００３８】
図７は、六角形のエンコーダ構造としたセンサロータ５を基材に取り付ける例を示す。
このとき、コイル７の下端からパターン中心までの距離Ｄより内側に、孔を空け、センサロータ５の側面に設けられた基材１１にリベットで固定する。リベットはコイルの検出面積の外にあるので、検出すべきインダクタンスに影響を与えない。
【００３９】
パターンがこのような形状を持つことによって、パターンはプレス打ち抜きなどの簡易な手段で製造が可能であり、その取り付けも、リベットのような廉価な手段で実現が可能になる。
【００４０】
また、基材１１にセンサロータ５を固定する構造を、コイル７の検出範囲外に設けることが可能である。このため、基材１１へのパターンが形成されたセンサロータ５を固定する際には、リベットのほかに、抵抗溶接、ファスナによる締結、加締めなどの固定方法を採用してもよい。
【００４１】
図８は、サイドカバー１ｂに回転センサ４を取付ける他の構造の例を示す。
本例では、サイドカバー１ｂに回転センサ４を取付けた後、ネジ１３によって回転センサ４を固定している。これにより、ロータポジションセンサ付のモータ１０に微少振動が加わっても回転センサ４がサイドカバー１ｂから抜け落ちない。
【００４２】
以上説明した本実施の形態に係るエンコーダ構造を形成したロータポジションセンサ付のモータ１０によれば、センサロータ５のパターンの形状変化を片側（本例では、外側）のみとすることによって、他の側をネジ等の取付けに供することが出来る。これによって、パターンの製法、取付けの方法の制約が大きく除かれ、廉価なパターンの製造、及び取付けを実現することができる。また、エンコーダ構造を単純化したことによって、ロータポジションセンサ付のモータ１０は、強度、耐熱性に優れ、かつ廉価に製造することができる。
【００４３】
また、ロータポジションセンサ付のモータ１０は、センサリード線をモータ外部に引き出す構造としていない。このため、サイドカバー１ｂにグロメットを取付けたり、回転センサ４を取付けるための貫通用のコネクタ等を設けたりする必要がない。また、モータの組立工程内でシャフト９にサイドカバー１ｂを取付けた後に、回転センサ４をサイドカバー１ｂに取り付けることが可能であるため、回転センサ４の取付け時における調整が容易である。また、ロータポジションセンサ付のモータ１０の点検時には、モータのサイドカバー１ｂを取り外さなくても、回転センサ４だけを取り外して交換できるため、保守性を高めることができる。
【００４４】
また、シャフト９からセンサ４を取り外しても、軸受け部２には何ら影響を与えない。このため、一旦サイドカバー１ａ，１ｂに入れた軸受け部２はそのまま動かさずに用いることができ、軸受け部２の製品寿命を長くすることができる。
【００４５】
また、センサ４は、シャフト９の軸を跨がないようにしてサイドカバー１ｂに取付けられる。このため、シャフト９の回転に影響を与えることなく、ロータ８の回転角を計測することができる。なお、上述した実施の形態では、サイドカバー１ｂに空ける貫通光を扇形としたが、半円形等の他の形状としてもよい。
【００４６】
また、本発明は上述した実施の形態に限られるものではなく、特許請求の範囲に記載した本発明の要旨を逸脱しない限りその他種々の応用例、変形例を取り得ることは勿論である。
【符号の説明】
【００４７】
１ａ，１ｂ…サイドカバー、２…貫通孔、３…コイル、４…回転センサ、５，５′，５′′…センサロータ、６…ステータ、７…コイル、８…ロータ、９…シャフト、１０…ロータポジションセンサ付のモータ、１１…基材

【特許請求の範囲】
【請求項１】
正弦波関数によって外周パターンの形状が変化するセンサロータと、
前記外周パターンの形状に沿って異なる箇所で発生する渦電流を検出して、前記センサロータの回転角を求める回転センサにおいて、
前記回転センサがモータの外装部に設けられた貫通孔を通して、前記外装部の外部から内部へはめ込まれ、
前記貫通孔は、原動機のシャフトに接続される前記センサロータの外周パターンの形状を検出可能とする位置に形成されることを特徴とする
ロータポジションセンサ。
【請求項２】
前記センサロータの外周パターンの形状は、前記センサロータの中心から外周までの距離をｒとし、中心から外周までの最も遠い距離をｒｍａｘとし、中心から外周までの最も近い距離をｒｍｉｎとし、前記センサロータの極対数をｎとする場合に、
ｒ＝（ｒｍａｘ−ｒｍｉｎ）／２ｓｉｎ（ｎθ）＋（ｒｍａｘ＋ｒｍｉｎ）／２
によって、ｒｍａｘ−ｒｍｉｎを前記回転センサに取付けられるコイルの長手方向の巻寸法を越えない値とした上で、前記コイルを前記センサロータの外周パターンに対向して配置して、前記回転センサによって中心角度の正弦値に比例したインダクタンス変化を得ることを特徴とする
請求項１記載のロータポジションセンサ。

【図１】