JP4954325B2 - ブラシレスモータ位置検出装置 - Google Patents

Description

この発明は、特に、車載用機器に使用されるスロットルバルブ、ＥＧＲ（排気ガス再循環システム）バルブの駆動源、もしくはＶＧ（Variable Geometry）ターボシステムの可動ページ等の駆動源に用いて好適な、直流電流によって駆動される、ブラシレスモータ位置検出装置に関するものである。

ブラシレスモータは、例えば、９個のスロットを有するステータと、８極のロータと、極数がロータと同じ８極を有する磁極位置検出用マグネットと、この磁極位置検出用マグネットの磁気を検出することによりロータの回転位置を検出する３個のホールＩＣとを備えている。このように、ロータの極数と磁極位置検出用マグネットの極数が同じであり、かつ３個のホールＩＣを備えたブラシレスモータを、ここでは単精度のブラシレスモータと呼ぶ。

この単精度のブラシレスモータに対し、ロータの回転位置検出の分解能を上げるために、磁極位置検出用マグネットの極数を２倍にした、例えば、極数ｎのロータの場合、磁極位置検出用マグネットを２ｎ極にしたブラシレスモータが開発されている（例えば、特許文献１参照）。
このように、磁極位置検出用マグネットの極数はロータ極数の２倍であり、３個のホールＩＣを備えたブラシレスモータをここでは２倍精度のブラシレスモータと呼ぶ。この２倍精度のブラシレスモータによれば、ロータの回転位置検出の分解能を単精度のブラシレスモータ装置の２倍にすることができる。

特開２００２−２５２９５８号公報

一方、上記した２倍精度のブラシレスモータに対し、さらに回転位置検出の分解能を向上させた４倍精度のブラシレスモータが望まれる。
２倍精度のブラシレスモータの更に２倍の回転位置検出分解能を持つ４倍精度のブラシレスモータは、２倍精度のブラシレスモータが持つ３個のホールＩＣに加え、更に位置検出用の３個のホールＩＣを備えている。ここでは、２倍精度のブラシレスモータが持つ３個のホールＩＣを磁極位置検出用メインホールＩＣ、４倍精度用に追加した３個のホールＩＣを磁極位置検出用サブホールＩＣと呼ぶ。

ところで、上記した磁極位置検出用メインホールＩＣと磁極位置検出用サブホールＩＣは、所定の機械角度のオフセットを持って実装されるが、このとき、４倍精度の高分解能を達成するためには、磁極位置検出用メインホールＩＣと磁極位置検出用サブホールＩＣとの実装位置精度が要求され、検知角度誤差を最小限に抑える必要があった。

この発明は上記した課題を解決するためになされたものであり、磁極位置検出用メインホールＩＣと磁極位置検出用サブホールＩＣとの検知角度誤差を最小限に抑えて信頼性の向上をはかった、ブラシレスモータ位置検出装置を提供することを目的とする。

上記した課題を解決するためにこの発明のブラシレスモータ位置検出装置は、複数のコイルが配設されたステータと、ステータが複数の励磁パターンによって順次励磁されることにより回転する所定の極数を有するロータと、ロータの回転軸に直交する面に配置された磁極位置検出用マグネットと、磁極位置検出用マグネットに対向する面に実装され、ロータの位置を検出する１組の第１のホール素子と、第１のホール素子の実装位置における磁束密度の最大値と自身の実装位置における磁束密度の最大値との差が所定の範囲内になるようにオフセットが調整された１組の第２のホール素子と、前記磁極位置検出用マグネットは、前記第１及び第２のホール素子の対向面に凹部を設けることにより、前記ロータの回転角度に対する磁束密度の分布に変化を緩和する緩和部を有するのである。

この発明のブラシレスモータ位置検出装置によれば、磁極位置検出用メインホールＩＣ（第１のホール素子）と磁極位置検出用サブホールＩＣ（第２のホール素子）との検知角度誤差を最小限に抑えて信頼性の向上がはかれる。

この発明の実施の形態１に係るブラシレスモータ位置検出装置を組み込んだアクチュエータを軸方向に切断して示した断面図である。 この発明の実施の形態１に係るブラシレスモータ位置検出装置における部品配置の一例示す平面図である。 この発明の実施の形態１に係るブラシレスモータ位置検出装置の磁石断面と径方向の磁束密度の大きさを模擬的に示した図である。 この発明の実施の形態１に係るブラシレスモータ位置検出装置の磁束密度分布を示す図である。 この発明の実施の形態２に係るブラシレスモータ位置検出装置の磁石断面と径方向磁束密度の変化を模擬的に示した図である。 この発明の実施の形態３に係るブラシレスモータ位置検出装置の磁石断面を示す図である。

以下、この発明をより詳細に説明するために、この発明を実施するための形態について、添付の図面にしたがって説明する。
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係るブラシレスモータ位置検出装置を組み込んだアクチュエータ装置１を軸方向に切断して示した断面図である。
図１に示されるように、アクチュエータ装置１は、モータシャフト１１に嵌合された円筒状のロータ１２がケース１３に固着されたステータ１４の中空部に挿入され、ベアリング１５により回転自在に支持されることにより構成される。またロータ１２には、その軸に垂直な面となるように磁極位置検出用マグネット１６が固着されている。なお、磁極位置検出用マグネット１６の着磁方向は軸方向である。

また、プリント基板１７には、３相駆動用に１組の磁極位置検出用メインホールＩＣ１８と、同じく１組の磁極位置検出用サブホールＩＣ１９が搭載されている。プリント基板１７は、磁極位置検出用メインホールＩＣ１８、磁極位置検出用サブホールＩＣ１９が磁極位置検出用マグネット１６に対向するように、ケース１３に取り付けられている。

図２は、磁極位置検出用マグネット１６、磁極位置検出用メインホールＩＣ１８、磁極位置検出用サブホールＩＣ１９のそれぞれを、ホールＩＣ側から見た平面図であり、図２（ａ）はオフセット角度なし、図２（ｂ）はオフセット角度（γ）ありの例がそれぞれ示されている。

図２（ａ）（ｂ）に示されるように、磁極位置検出用マグネット１６は、ロータ１２の極数の２倍の極数に着磁されている。例えば、ロータ１２が１２極の場合、磁極位置検出用マグネット１６は周方向に２倍の２４極が着磁されている。また、この磁極位置検出用マグネット１６は、中心に、外周と同心円の穴が開けられたリング磁石により形成される。

磁極位置検出用メインホールＩＣ１８と、磁極位置検出用サブホールＩＣ１９とは、３相駆動用にそれぞれ３つのホールＩＣ（１８ａ、１８ｂ、１８ｃ）、（１９ａ、１９ｂ、１９ｃ）から構成される。このとき、磁極位置検出用メインホールＩＣ１８ａと、磁極位置検出用サブホールＩＣ１９ａ、磁極位置検出用メインホールＩＣ１８ｂと磁極位置検出用サブホールＩＣ１９ｂ、磁極位置検出用メインホールＩＣ１８ｃと磁極位置検出用サブホールＩＣ１９ｃは、それぞれ対応しており、図２（ａ）に示す様に、磁極位置検出用メインホールＩＣ１８ａと、磁極位置検出用サブホールＩＣ１９ａは放射線上に設置されている。なお、磁極位置検出用メインホールＩＣ１８ｂと磁極位置検出用サブホールＩＣ１９ｂ、磁極位置検出用メインホールＩＣ１８ｃと磁極位置検出用サブホールＩＣ１９ｃも同様である。

このことにより、磁極位置検出用メインホールＩＣ１８が破損しても、磁極位置検出用サブホールＩＣ１９の存在のために、性能に影響を及ぼすことなくブラシレスモータを駆動し、制御することが可能になり、このため、信頼性が向上する。

また、図２（ｂ）は、磁極位置検出用サブホールＩＣ１９（１９ａ、１９ｂ、１９ｃ）のそれぞれを、磁極位置検出用メインホールＩＣ１８（１８ａ、１８ｂ、１８ｃ）のそれぞれに対し径方向に計算された機械オフセット角度（γ）をもって実装している。このオフセット角度（γ）は、磁極位置検出用マグネット１６の極数と、ロータ１２の位置検出精度（２倍精度や４倍精度）によって値がそれぞれ計算されるものである。
ここでは、磁極位置検出用メインホールＩＣ１８、磁極位置検出用サブホールＩＣ１９の半径は、それぞれ、ｒａ、ｒｂである。この構造によれば、磁極位置検出用マグネット１６の磁束密度の変化を磁極位置検出用メインホールＩＣ１８、磁極位置検出用サブホールＩＣ１９で検出するため、ロータ１２の極数の４倍の精度の位置検出が論理的に可能になる。

このとき、実際に４倍精度の位置検出を可能にするためには、磁極位置検出用メインホールＩＣ１８、磁極位置検出用サブホールＩＣ１９の径方向のオフセット角度の誤差が小さいことが重要であり、許容される最大誤差はγ°である。
ここでγの値は、例えば、ステータ１４が９スロット、ロータ１２の極数が１２極の場合、４倍精度のブラシレスモータでは、２．５°である。

図３は、磁極位置検出用マグネット１６に対して、磁極位置検出用メインホールＩＣ１８、磁極位置検出用サブホールＩＣ１９の径方向の位置と、検知する磁束密度の大きさを模擬的に示した図である。
図３に示されるように、磁極位置検出用メインホールＩＣ１８の径位置ｒａにおける磁束密度α［Ｇ］と、磁極位置検出用サブホールＩＣ１９の径位置ｒｂにおける磁束密度β［Ｇ］がほぼ等しい値となるように磁極位置検出用マグネット１６を設置している。

図４は、周方向での磁極位置検出用メインホールＩＣ１８、磁極位置検出用サブホールＩＣ１９の実装位置における磁束密度の周方向角度に対する変化、すなわち、α、βそれぞれの磁束密度分布を示したものである。ここでは、更に使用するホールＩＣ１８、１９の感度レベルもあわせて示してある。

図４に示されるように、磁極位置検出用メインホールＩＣ１８と磁極位置検出用サブホールＩＣ１９が同一レベルの磁束密度を検知する周方向角度の誤差は、δ_Ａ存在することになる。このとき、磁極位置検出用メインホールＩＣ１８、磁極位置検出用サブホールＩＣ１９が検出する磁束密度が、ほぼ同じ磁束密度になるように磁極位置検出用マグネット１６を配置してあるため、同一感度レベルに対しての角度誤差δ_Ａは最小となる。この結果、角度誤差δ_Ａは、磁極位置検出用メインホールＩＣ１８と磁極位置検出用サブホールＩＣ１９の周方向のオフセット角度γより十分小さくすることができ、高精度な位置検出が出来る利点がある。
例えば、ステータ１４が９スロット、ロータ１２の極数が１２極の場合、４倍精度のブラシレスモータでは、２．５°より十分小さくなるように磁極位置検出用マグネット１６の配置を決めればよい。このように、５°以内になる範囲を第１のホール素子と第２のホール素子の配置位置におけるロータの検出誤差の所定範囲として設定することで、検知誤差を実用上必要な範囲内に抑えることができる。

上記したように、実施の形態１に係るブラシレスモータ位置検出装置によれば、磁極位置検出用マグネット１６に対向する面に実装されロータ１２の位置を検出する１組の第１のホール素子（磁極位置検出用メインホールＩＣ１８）の実装位置における磁束密度の最大値と、第２のホール素子（磁極位置検出用サブホールＩＣ１９）の実装位置における磁束密度の最大値との差が所定の範囲内になるようにオフセット調整してそれぞれ実装配置（周方向に所定の機械角度のオフセットを有するように実装配置）することにより、複数組のホール素子の検出精度を一致させることができ、このため、検知誤差を抑えることができる。

すなわち、磁極位置検出用メインホールＩＣ１８、あるいは磁極位置検出用サブホールＩＣ１９は、磁極位置検出用マグネット１６の回転によって検知される磁束密度がある値（閾値）以上、もしくはある値以下になったときにオンもしくはオフ動作を行う。したがって、磁極位置検出用サブホールＩＣ１９により検知された磁束密度が、磁極位置検出用メインホールＩＣ１８で検知された磁束密度と同じであれば同時にオン（もしくはオフ）動作を行うことになり、このため、磁極位置検出用メインホールＩＣ１８が感知する磁束密度の分布と、磁極位置検出用サブホールＩＣ１９が感知する磁束密度の分布がほぼ等しくなるように磁極位置検出用マグネット１６の位置を設定してある。

磁極位置検出用メインホールＩＣ１８が検知する磁束密度の分布と、磁極位置検出用サブホールＩＣ１９が検知する磁束密度の分布が等しければ、磁極位置検出用メインホールＩＣ１８が検知する磁束密度と磁極位置検出用サブホールＩＣ１９が検知する磁束密度が同じ磁束密度になるタイミングを角度換算することで所定の機械角度オフセットに等しくなる。その結果、磁極位置検出用メインホールＩＣ１８と磁極位置検出用サブホールＩＣ１９との検知角度誤差が最小となり、したがって、４倍精度のロータ１２の位置検出が可能になる。

上記したこの発明の実施の形態１に係るブラシレスモータ位置検出装置によれば、磁極位置検出用メインホールＩＣ１８と磁極位置検出用サブホールＩＣ１９が検知する磁束密度分布をほぼ同じにすることで、２組のホールＩＣ（磁極位置検出用メインホールＩＣ１８と磁極位置検出用サブホールＩＣ１９）の動作間隔の誤差は最小となり、このため、高い信頼性をもって単精度のブラシレスモータの４倍の分解能が得られる。

実施の形態２．
ところで、着磁の仕方、あるいは磁石の形状によっては、２組のホールＩＣ（磁極位置検出用メインホールＩＣ１８と磁極位置検出用サブホールＩＣ１９）が検知する磁束密度を平坦なものとし、磁極位置の磁束密度の径方向の変化率を小さくすることが可能になる。このことにより、２組のホールＩＣの実装位置に多少のずれが生じても磁束密度の大きな変化はない。
すなわち、上記した実施の形態１では、磁極位置検出用マグネット１６の厚さは、径方向に一様な厚さとしていたが、図５に、磁極位置検出用メインホールＩＣ１８と磁極位置検出用サブホールＩＣ１９の径方向の位置と、これらが検知する磁束密度の大きさを模擬的に示したように、例えば、磁極位置検出用マグネット１６を途中でその厚さを薄く形成してもよい。磁極位置検出用マグネット１６の厚さが一様である場合に比較して、途中で厚さを変更することで、磁極位置の磁束密度の径方向の変化率を小さくすることが可能になる。このことより、磁極位置検出用メインホールＩＣ１８および磁極位置検出用サブホールＩＣ１９の径方向位置に対する磁束密度の変化が小さくなるという利点がある。

但し、図５に示されるように、径方向の磁束密度分布は磁極位置検出用メインホールＩＣ１８と磁極位置検出用サブホールＩＣ１９との中間で最大値を取る分布ではなく、中間に落ち込みが出来る場合がある。しかし、ここで重要なことは、磁極位置検出用メインホールＩＣ１８と磁極位置検出用サブホールＩＣ１９の実装位置で磁束密度が等しいことであるため、磁極位置検出用メインホールＩＣ１８と磁極位置検出用サブホールＩＣ１９との中間で落ち込みがあってもよい。

上記した実施の形態２によれば、位置検出用マグネット１６は、ロータ１２の回転角度に対する磁束密度の変化を緩和するための緩和部を有することにより、磁極位置検出用メインホールＩＣ１８と磁極位置検出用サブホールＩＣ１９の実装位置における磁束密度の変化率が小さくなるため、磁極位置検出用マグネット１６の配置が容易になる。

実施の形態３．
図６に磁極位置検出用マグネット１６の断面構造が示されるように、磁極位置検出用マグネット１６の角に切り欠き部１６ａ〜１６ｄを設けても良い。
磁極位置検出用マグネット１６は高速回転を行うため、保持力が弱いと外周側へ移動することになり、この場合、磁極位置検出用メインホールＩＣ１８と、磁極位置検出用サブホールＩＣ１９とが検出する磁束密度分布がずれることになり、その結果として、これらホールＩＣ１８、１９がオン（もしくはオフ）するタイミングがずれることになる。したがって、想定しているロータ１２の位置検出精度を達成できない可能性がでてくる。

これに対して、図６に示されるように、磁極位置検出用マグネット１６の角に切り欠き１６ａ〜１６ｄを設けることで、磁石をモールドするときにモールド材２０が切り欠きに回り込み、モールド材２０が磁極位置検出用マグネット１６を４角で保持する構造になり、結果として磁石の位置ずれを防止するという利点がある。

上記した実施の形態３によれば、位置検出用マグネット１６の任意の角に切り欠き１６ａ〜１６ｄを設けることにより、磁石をモールドした際にモールド材２０がその切り欠き１６ａ〜１６ｄに廻り込み、ズレを抑制できるため、４倍の高精度ブラシレスモータであるために必須のズレ抑制手段であるといえる。
なお、上記した実施の形態１〜実施の形態３に係るブラシレスモータ位置検出装置は、あらゆる用途に用いることが可能であるが、特に、小型化、耐久性が要求される車載用機器に用いて顕著な効果が得られ、また、その内の、スロットルバルブやＥＧＲバルブを開閉させるための駆動源として用い、あるいはＶＧターボの稼動ベージの駆動源として用いてもよい。

この発明に係るブラシレスモータ位置検出装置は、直流電流により動作するブラシレスモータに適用が可能であり、特に、ロータ１２の回転位置検出の分解能を上げるために、磁極位置検出用マグネット１６と、磁極位置検出用メインホールＩＣ１８と、磁極位置検出用サブホールＩＣ１９とを用いてロータ１２の回転位置検出の分解能を向上させる意味で有効である。

Claims (5)

1. 複数のコイルが配設されたステータと、
   前記ステータが複数の励磁パターンによって順次励磁されることにより回転する所定の極数を有するロータと、
   前記ロータの回転軸に直交する面に配置された磁極位置検出用マグネットと、
   前記磁極位置検出用マグネットに対向する面に実装され、前記ロータの位置を検出する１組の第１のホール素子と、前記第１のホール素子の実装位置における磁束密度の最大値と自身の実装位置における磁束密度の最大値との差が所定の範囲内になるようにオフセットが調整された１組の第２のホール素子と、
   前記磁極位置検出用マグネットは、前記第１及び第２のホール素子の対向面に凹部を設けることにより、前記ロータの回転角度に対する磁束密度の分布に変化を緩和する緩和部を有することを特徴とするブラシレスモータ位置検出装置。
2. 前記第１のホール素子と第２のホール素子の実装位置におけるロータの回転角度の検出誤差を５度以内とするオフセット調整により前記所定の範囲とすることを特徴とする請求項１記載のブラシレスモータ位置検出装置。
3. 前記磁極位置検出用マグネットは、
   リング磁石で形成されることを特徴とする請求項１記載のブラシレスモータ位置検出装置。
4. 前記１組の第２のホール素子は、
   前記ロータの２倍の極数を有する位置検出用マグネットに対向する面に実装された前記１組の第１のホール素子に対して周方向に所定のオフセットを有することを特徴とする請求項１記載のブラシレスモータ位置検出装置。
5. 前記磁極位置検出用マグネットは、
   角に切り欠き部を有することを特徴とする請求項４記載のブラシレスモータ位置検出装置。

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