JP6849188B2

JP6849188B2 - Angle detector

Info

Publication number: JP6849188B2
Application number: JP2017091805A
Authority: JP
Inventors: 小久江　幸二; 幸二小久江
Original assignee: Tamagawa Seiki Co Ltd
Current assignee: Tamagawa Seiki Co Ltd
Priority date: 2017-05-02
Filing date: 2017-05-02
Publication date: 2021-03-24
Anticipated expiration: 2037-05-02
Also published as: JP2018189485A

Description

この発明は角度検出器に関し、とくに、複数の検出コイルに誘起されるｓｉｎ信号とｃｏｓ信号を利用して角度検出するものに関する。 The present invention relates to an angle detector, and more particularly to an angle detector using sin signals and cos signals induced in a plurality of detection coils.

励磁巻線の起電力によって検出巻線に誘起される電圧は、磁性体であるロータの形状や、各検出コイルの巻き数を適切に選ぶことにより、ロータの回転角度に依存したｓｉｎ波形およびｃｏｓ波形の信号として得られる。 The voltage induced in the detection winding by the electromotive force of the excitation winding is a sine waveform and cos that depend on the rotation angle of the rotor by appropriately selecting the shape of the rotor, which is a magnetic material, and the number of turns of each detection coil. Obtained as a waveform signal.

図５および図６に、このような角度検出器の構成の例を示す。図５はステータコアを軸方向から見た形状を示し、図６はロータコアを軸方向から見た形状を示す。このような角度検出器の例は特許文献１に開示される。 5 and 6 show an example of the configuration of such an angle detector. FIG. 5 shows the shape of the stator core seen from the axial direction, and FIG. 6 shows the shape of the rotor core seen from the axial direction. An example of such an angle detector is disclosed in Patent Document 1.

ロータには電磁鋼板等透磁率の高い材料を用いると、ロ一タとステータのギャップ長が短い位置にあるコイルに対しては、その磁路の磁気抵抗は小さくなり、ギャップ長が長い位置にあるコイルに対しては、その磁路の磁気抵抗は大きくなる。これを利用して、検出巻線に誘起される電圧がｓｉｎ波形となるように定義された巻き数をもつコイル（ｓｉｎ巻線）とｃｏｓ波形となるように定義された巻き数を持つコイル（ｃｏｓ巻線）の２つの検出巻線を用意し、この２つの巻線に誘起される電圧比から、ロ一タの角度を検出していた。 If a material with high magnetic permeability such as an electromagnetic steel plate is used for the rotor, the magnetic resistance of the magnetic path will be small for the coil at the position where the gap length between the rotor and the stator is short, and the gap length will be long. For a coil, the reluctance of the magnetic path increases. Utilizing this, a coil having a number of turns defined so that the voltage induced in the detection winding has a sin waveform (sin winding) and a coil having a number of turns defined so as to have a cos waveform (sin winding). Two detection windings (cos windings) were prepared, and the rotor angle was detected from the voltage ratio induced in these two windings.

また、図５および図６とは異なる構成を有する従来の角度検出器として、ロータに流れる渦電流を利用するものも知られている。このような角度検出器の例は特許文献２に開示される。 Further, as a conventional angle detector having a configuration different from that of FIGS. 5 and 6, there is also known one that utilizes an eddy current flowing through a rotor. An example of such an angle detector is disclosed in Patent Document 2.

特開平８−１７８６１１号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 8-178611 特開２０１１−２０２９６６号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2011-202966

しかしながら、従来の技術では、コイルの構成を簡素としながら高周波の励磁電流に対して高い検出ゲインを得ることが困難であるという問題があった。 However, in the conventional technique, there is a problem that it is difficult to obtain a high detection gain with respect to a high-frequency exciting current while simplifying the coil configuration.

たとえば特許文献１のように、角度検出の原理にロータの透磁率がギャップ部（真空の透磁率）に比して大きいことを利用している従来技術では、高周波の励磁電流に対して高いゲインを得ることが困難である。検出コイルの誘起電圧は、励磁電流の起磁力に比例し、励磁コイルに流れる電流の周波数が高ければ、大きな誘起電圧が得られる。一方、電磁鋼板等の磁性体は、周波数が高くなればその透磁率が小さくなり、一定値以上高い周波数に対しては、その透磁率は真空の透磁率とほぼ変わらなくなってしまう。従って、このような従来技術では、ある一定値以上励磁電流の周波数をあげると検出ゲインが低下してしまう。 For example, as in Patent Document 1, in the conventional technique that utilizes the fact that the magnetic permeability of the rotor is larger than that of the gap portion (vacuum magnetic permeability) in the principle of angle detection, a high gain is obtained with respect to a high-frequency exciting current. Is difficult to obtain. The induced voltage of the detection coil is proportional to the magnetomotive force of the exciting current, and if the frequency of the current flowing through the exciting coil is high, a large induced voltage can be obtained. On the other hand, the magnetic permeability of a magnetic material such as an electromagnetic steel sheet decreases as the frequency increases, and the magnetic permeability becomes almost the same as the magnetic permeability of a vacuum at a frequency higher than a certain value. Therefore, in such a conventional technique, if the frequency of the exciting current is increased above a certain value, the detection gain will decrease.

また、たとえば特許文献２の構成は渦電流を利用するものであるが、コイルの構成が複雑となる。具体的には、コイルパターンを正逆交互に配置したり、ロータの全周にわたって円環状をなすようにコイルを配置する必要がある。 Further, for example, the configuration of Patent Document 2 utilizes an eddy current, but the configuration of the coil becomes complicated. Specifically, it is necessary to arrange the coil patterns alternately in the forward and reverse directions, or to arrange the coils so as to form an annular shape over the entire circumference of the rotor.

この発明はこのような問題点を解消するためになされたものであり、コイルの構成を簡素としながら高周波の励磁電流に対して高い検出ゲインを得ることが可能な角度検出器を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve such a problem, and to provide an angle detector capable of obtaining a high detection gain with respect to a high-frequency exciting current while simplifying the coil configuration. The purpose.

この発明に係る角度検出器は、
輪状ステータと、
所定角度間隔毎に前記輪状ステータの周方向に設けられた励磁コイル部および検出コイル部と、
前記輪状ステータに対して回転自在な、導電体を含む輪状ロータと、
信号処理部と、
を有する角度検出器において、
前記輪状ロータには前記励磁コイル部が生成する磁束の変化を遮るように渦電流が流れ、前記検出コイル部には前記励磁コイル部によって誘起電圧が誘起され、
前記輪状ステータの所定の周方向位置における磁束の振幅が、前記輪状ロータの回転角度に応じて正弦波状となるよう、前記導電体が成形され、
前記信号処理部は、所定角度間隔毎に前記輪状ステータの周方向に設けられた前記検出コイル部のそれぞれにおいて、各検出コイル部に誘起される前記誘起電圧に基づいて検出される信号に対し、それぞれ異なる係数を乗算した後に総和を取ることにより、ｓｉｎ信号およびｃｏｓ信号を生成し、前記ｓｉｎ信号と前記ｃｏｓ信号との比を算出することにより前記回転角度を求める、
ことを特徴とする。
特定の実施態様によれば、
前記輪状ロータは、前記輪状ステータに対して軸方向に離間して配置され、
前記輪状ロータは、外周に形成され半径方向の長さが変化する凹凸部を備える。
特定の実施態様によれば、前記輪状ロータに含まれる前記導電体は非磁性である。
特定の実施態様によれば、前記励磁コイル部および検出コイル部は、前記輪状ステータ上の導電パターンまたはマグネットコイルである。 The angle detector according to the present invention is
With a ring-shaped stator,
Excitation coil portions and detection coil portions provided in the circumferential direction of the ring-shaped stator at predetermined angular intervals , and
A ring-shaped rotor containing a conductor that is rotatable with respect to the ring-shaped stator, and
Signal processing unit and
In the angle detector with
An eddy current flows through the ring-shaped rotor so as to block changes in the magnetic flux generated by the exciting coil portion, and an induced voltage is induced in the detection coil portion by the exciting coil portion.
The amplitude of the magnetic flux at a given circumferential position of the annular stator, such that a sinusoidal in accordance with the rotation angle of the annular rotor, the conductor is formed,
The signal processing unit receives signals detected based on the induced voltage induced in each detection coil unit in each of the detection coil units provided in the circumferential direction of the ring-shaped stator at predetermined angular intervals. A sin signal and a cos signal are generated by multiplying them by different coefficients and then summing them, and the rotation angle is obtained by calculating the ratio between the sin signal and the cos signal.
It is characterized by that.
According to certain embodiments
The ring-shaped rotor is arranged so as to be axially separated from the ring-shaped stator.
The ring-shaped rotor is provided with a concavo-convex portion formed on the outer circumference and whose length in the radial direction changes.
According to a particular embodiment, the conductor contained in the ring-shaped rotor is non-magnetic.
According to a particular embodiment, the exciting coil portion and the detection coil portion are a conductive pattern or a magnet coil on the ring-shaped stator.

この発明に係る角度検出器は、高周波の励磁電流に追従可能な渦電流を用いるので、高周波の励磁電流に対して高い検出ゲインを得ることができる。また、磁束の振幅が正弦波状となるように導電体が成形されているので、コイルの構成を簡素とすることができる。結果として、コイルの構成を簡素としながら高周波の励磁電流に対して高い検出ゲインを得ることが可能となっている。 Since the angle detector according to the present invention uses an eddy current capable of following a high-frequency exciting current, a high detection gain can be obtained with respect to the high-frequency exciting current. Further, since the conductor is formed so that the amplitude of the magnetic flux is sinusoidal, the coil configuration can be simplified. As a result, it is possible to obtain a high detection gain for a high-frequency exciting current while simplifying the coil configuration.

本発明の実施の形態１に係る角度検出器の、軸に垂直な平面による断面図である。FIG. 5 is a cross-sectional view of the angle detector according to the first embodiment of the present invention in a plane perpendicular to the axis. 図１の角度検出器の、軸と平行な平面による断面図である。FIG. 5 is a cross-sectional view of the angle detector of FIG. 1 in a plane parallel to the axis. 図１の角度検出器の一実施例においてロータに発生する渦電流のベクトル図である。FIG. 5 is a vector diagram of an eddy current generated in a rotor in an embodiment of the angle detector of FIG. 図１の角度検出器の一実施例において検出コイル部に鎖交する磁束密度のベクトル図である。It is a vector figure of the magnetic flux density interlinking with the detection coil part in one Example of the angle detector of FIG. 従来の角度検出器のステータコアを軸方向から見た形状を示す図である。It is a figure which shows the shape which saw the stator core of the conventional angle detector from the axial direction. 従来の角度検出器のロータコアを軸方向から見た形状を示す図である。It is a figure which shows the shape which the rotor core of the conventional angle detector was seen from the axial direction.

以下、この発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
実施の形態１．
図１および図２に、本発明の実施の形態１に係る角度検出器１０の構成の例を示す。図１は、角度検出器１０の軸に垂直な平面による角度検出器１０の断面図であり、図２は角度検出器１０の軸と平行な平面による角度検出器１０の断面図である。とくに、図１は図２のＩ−Ｉ線に沿った断面によるものであり、図２は図１のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面によるものである。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
Embodiment 1.
1 and 2 show an example of the configuration of the angle detector 10 according to the first embodiment of the present invention. FIG. 1 is a cross-sectional view of the angle detector 10 in a plane perpendicular to the axis of the angle detector 10, and FIG. 2 is a cross-sectional view of the angle detector 10 in a plane parallel to the axis of the angle detector 10. In particular, FIG. 1 is based on a cross section along the line II-I of FIG. 2, and FIG. 2 is a cross section taken along the line II-II of FIG.

角度検出器１０は、レゾルバと呼ばれるものであってもよい。角度検出器１０は、ステータ２０と、ロータ３０とを有する。ステータ２０は、ステータ本体２１と、励磁コイル部２２と、検出コイル部２３とを備える。ステータ本体２１はたとえば輪状に形成され、その場合にはステータ２０の全体が輪状となる。また、ロータ３０もたとえば輪状に形成される。ロータ３０は、ステータ２０に対して回転自在に設けられる。また、図２に示すように、ロータ３０は、ステータ２０に対して軸方向に離間して配置される。すなわち、角度検出器１０において、ステータ２０およびロータ３０はアキシャル型に配置される。 The angle detector 10 may be called a resolver. The angle detector 10 has a stator 20 and a rotor 30. The stator 20 includes a stator body 21, an exciting coil portion 22, and a detection coil portion 23. The stator body 21 is formed in a ring shape, for example, and in that case, the entire stator 20 has a ring shape. Further, the rotor 30 is also formed in a ring shape, for example. The rotor 30 is rotatably provided with respect to the stator 20. Further, as shown in FIG. 2, the rotor 30 is arranged so as to be axially separated from the stator 20. That is, in the angle detector 10, the stator 20 and the rotor 30 are arranged in an axial shape.

ロータ３０は図示しない回転軸に固定されており、回転軸とともにステータ２０に対して回転する。角度検出器１０は、ステータ２０に対するロータ３０の回転角度（角度位置）を検出することができるように構成されている。図１および図２の例では、ステータ２０の内周面および外周面と、ロータ３０の内周面とはいずれも円筒状であり、それぞれの軸は共通となっている。 The rotor 30 is fixed to a rotating shaft (not shown) and rotates with respect to the stator 20 together with the rotating shaft. The angle detector 10 is configured to be able to detect the rotation angle (angle position) of the rotor 30 with respect to the stator 20. In the examples of FIGS. 1 and 2, the inner and outer peripheral surfaces of the stator 20 and the inner peripheral surface of the rotor 30 are both cylindrical, and their respective axes are common.

励磁コイル部２２および検出コイル部２３は、ステータ２０上の導電パターンとして構成される。励磁コイル部２２は、ステータ本体２１の周方向に所定角度間隔毎に設けられる。検出コイル部２３もまた、ステータ本体２１の周方向に所定角度間隔毎に設けられる。図１および図２では、励磁コイル部２２および検出コイル部２３は、同一の周方向位置において互いに実質的に重なるよう配置されているが、これらの位置関係は図示のものに限らない。また、図１および図２では、励磁コイル部２２が構成するループのすぐ内側に検出コイル部２３が構成するループが配置されているが、これらの位置関係も図示のものに限らない。 The exciting coil portion 22 and the detection coil portion 23 are configured as a conductive pattern on the stator 20. The exciting coil portions 22 are provided at predetermined angular intervals in the circumferential direction of the stator main body 21. The detection coil portion 23 is also provided at predetermined angular intervals in the circumferential direction of the stator main body 21. In FIGS. 1 and 2, the exciting coil portion 22 and the detection coil portion 23 are arranged so as to substantially overlap each other at the same circumferential position, but their positional relationships are not limited to those shown in the drawings. Further, in FIGS. 1 and 2, the loop formed by the detection coil portion 23 is arranged immediately inside the loop formed by the exciting coil portion 22, but the positional relationship between them is not limited to that shown in the drawing.

ロータ３０は導電体を含む。本実施形態では、ロータ３０は全体が導電体から構成される。このため、ロータ３０には、励磁コイル部２２が生成する磁束の変化を遮るように渦電流が流れる。また、ロータ３０に含まれる導電体は、本実施形態では非磁性体を含む。本実施形態では、ロータ３０の導電体は全体が非磁性である。 The rotor 30 includes a conductor. In the present embodiment, the rotor 30 is entirely composed of a conductor. Therefore, an eddy current flows through the rotor 30 so as to block the change in the magnetic flux generated by the exciting coil portion 22. Further, the conductor contained in the rotor 30 includes a non-magnetic material in the present embodiment. In this embodiment, the conductor of the rotor 30 is entirely non-magnetic.

ステータ２０において、励磁コイル部２２には交流電流が流れるよう構成されており、励磁コイル部２２は、交流電流が流れることに応じて変化する磁束を生成する。このように変化する磁束に応じ、検出コイル部２３には誘起電圧が誘起される。すなわち、励磁コイル部２２によって検出コイル部２３に誘起電圧が誘起される。 In the stator 20, the exciting coil portion 22 is configured to allow an alternating current to flow, and the exciting coil portion 22 generates a magnetic flux that changes according to the flow of the alternating current. An induced voltage is induced in the detection coil unit 23 in response to the magnetic flux changing in this way. That is, the exciting coil unit 22 induces an induced voltage in the detection coil unit 23.

励磁コイル部２２に電流を供給するための構成（電源等）および検出コイル部２３における誘起電圧を検出するための構成（電圧計または制御装置等）については説明を省略するが、当業者であれば適宜公知の構成等に基づいて設計可能である。 Although the description of the configuration for supplying a current to the exciting coil unit 22 (power supply, etc.) and the configuration for detecting the induced voltage in the detection coil unit 23 (voltmeter, control device, etc.) will be omitted, those skilled in the art can be used. For example, it can be designed based on a known configuration or the like.

ロータ３０は、ステータ２０の所定の周方向位置における磁束の振幅が、ロータ３０の回転角度に応じて正弦波状となるように、成形されている。このようなロータ３０の具体的構成および形状は、たとえば図１および図２に示すようにロータ３０の径を周方向位置に応じて変化させることにより実現することができる。図示の実施形態では、ロータ３０は凹凸部３１を備える。凹凸部３１は、ロータ３０の外周に形成され、半径方向の長さが変化する部分である。たとえば凹凸部３１は、大径部３１ａおよび小径部３１ｂを備える。なお、図１および図２の例は、本発明の原理を説明するための概略図であり、各部分の寸法（とくにロータ３０の半径方向の長さ）は厳密なものではない。 The rotor 30 is formed so that the amplitude of the magnetic flux at a predetermined circumferential position of the stator 20 becomes a sinusoidal shape according to the rotation angle of the rotor 30. Such a specific configuration and shape of the rotor 30 can be realized by changing the diameter of the rotor 30 according to the position in the circumferential direction, for example, as shown in FIGS. 1 and 2. In the illustrated embodiment, the rotor 30 includes an uneven portion 31. The uneven portion 31 is a portion formed on the outer circumference of the rotor 30 and whose length in the radial direction changes. For example, the uneven portion 31 includes a large diameter portion 31a and a small diameter portion 31b. The examples of FIGS. 1 and 2 are schematic views for explaining the principle of the present invention, and the dimensions of each part (particularly, the length in the radial direction of the rotor 30) are not exact.

このような形状によるロータ３０の作用は、次のようになる。たとえば、ステータ２０の特定の周方向位置（ある特定の励磁コイル部２２および検出コイル部２３に対応する周方向位置）に、凹凸部３１の大径部３１ａが位置している場合には、その周方向位置においてロータ３０に流れる渦電流が大きくなり、励磁コイル部２２が生成する磁束の変化を遮る作用が強くなる。この結果、その周方向位置における磁束の振幅は小さくなる。 The action of the rotor 30 with such a shape is as follows. For example, if the large-diameter portion 31a of the uneven portion 31 is located at a specific circumferential position of the stator 20 (a circumferential position corresponding to a specific exciting coil portion 22 and a detection coil portion 23), the large-diameter portion 31a thereof is located. The eddy current flowing through the rotor 30 increases at the circumferential position, and the action of blocking the change in the magnetic flux generated by the exciting coil portion 22 becomes stronger. As a result, the amplitude of the magnetic flux at the circumferential position becomes small.

一方で、その周方向位置に、凹凸部３１の小径部３１ｂが位置している場合には、その周方向位置においてロータ３０に流れる渦電流が小さくなり、励磁コイル部２２が生成する磁束の変化を遮る作用が弱くなる。この結果、その周方向位置における磁束の振幅は大きくなる。 On the other hand, when the small diameter portion 31b of the uneven portion 31 is located at the circumferential position, the eddy current flowing through the rotor 30 at the circumferential position becomes small, and the magnetic flux generated by the exciting coil portion 22 changes. The action of blocking is weakened. As a result, the amplitude of the magnetic flux at the circumferential position becomes large.

また、その周方向位置に、凹凸部３１の大径部３１ａと小径部３１ｂとの間の部分が位置している場合には、その部分の半径方向の長さに応じて、その周方向位置においてロータ３０に流れる渦電流の大きさが変化し、励磁コイル部２２が生成する磁束の変化を遮る作用の強さが変化する。この結果、ロータ３０の半径方向の長さに応じて、その周方向位置における磁束の振幅が変化する。 If a portion of the uneven portion 31 between the large-diameter portion 31a and the small-diameter portion 31b is located at the circumferential position, the circumferential position is determined according to the radial length of the portion. The magnitude of the eddy current flowing through the rotor 30 changes, and the strength of the action of blocking the change in the magnetic flux generated by the exciting coil portion 22 changes. As a result, the amplitude of the magnetic flux at the circumferential position of the rotor 30 changes according to the length of the rotor 30 in the radial direction.

このようにして、ステータ２０の各周方向位置における磁束の振幅が、ロータ３０の回転角度に応じて変化する。各周方向位置における磁束の振幅は、その周方向位置における検出コイル部２３に誘起される誘起電圧の振幅に基づいて検出または算出可能である。 In this way, the amplitude of the magnetic flux at each circumferential position of the stator 20 changes according to the rotation angle of the rotor 30. The amplitude of the magnetic flux at each circumferential position can be detected or calculated based on the amplitude of the induced voltage induced in the detection coil unit 23 at that circumferential position.

たとえば図１に示すようなロータ３０の形状は、次のようにして決定可能である。まず、ある周方向位置０［ｒａｄ］を起点として、２π／Ｘ［ｒａｄ］ごとに小径部３１ｂを配置する。ただしＸはロータ３０の軸倍角数を表す１以上の整数であり、図１の例ではＸ＝４である。Ｘは小径部３１ｂの数に対応する。また、周方向位置π／Ｘ［ｒａｄ］を起点として、２π／Ｘ［ｒａｄ］ごとに大径部３１ａを配置する。すなわち大径部３１ａの数と小径部３１ｂの数とは等しく、これらは周方向に交互に配置される。 For example, the shape of the rotor 30 as shown in FIG. 1 can be determined as follows. First, the small diameter portion 31b is arranged every 2π / X [rad] starting from a certain circumferential position 0 [rad]. However, X is an integer of 1 or more representing the number of axial double angles of the rotor 30, and in the example of FIG. 1, X = 4. X corresponds to the number of small diameter portions 31b. Further, the large diameter portion 31a is arranged every 2π / X [rad] starting from the circumferential position π / X [rad]. That is, the number of the large diameter portions 31a and the number of the small diameter portions 31b are equal to each other, and these are arranged alternately in the circumferential direction.

ステータ２０の特定の周方向位置に配置された検出コイル部２３について、ロータ３０の回転角度がθｒ＝０［ｒａｄ］であるときにその検出コイル部２３に小径部３１ｂが位置するとする。このとき、その検出コイル部２３に作用する磁束の振幅は最大値となる。この最大値をΦｍａｘ［Ｗｂ］とする。この場合には、ロータ３０の回転角度がθｒ＝π／Ｘ［ｒａｄ］であるときに、その検出コイル部２３に大径部３１ａが位置し、磁束の振幅が最小値をとることになる。この最小値をΦｍｉｎ［Ｗｂ］とする。 Regarding the detection coil portion 23 arranged at a specific circumferential position of the stator 20, it is assumed that the small diameter portion 31b is located on the detection coil portion 23 when the rotation angle of the rotor 30 is θr = 0 [rad]. At this time, the amplitude of the magnetic flux acting on the detection coil unit 23 becomes the maximum value. Let this maximum value be Φmax [Wb]. In this case, when the rotation angle of the rotor 30 is θr = π / X [rad], the large diameter portion 31a is located in the detection coil portion 23, and the amplitude of the magnetic flux takes the minimum value. This minimum value is Φmin [Wb].

ロータ３０の形状（とくに、各周方向位置における半径方向の長さ）は、その検出コイル部２３における磁束の振幅が、ロータ３０の回転角度θｒに応じて正弦波状となるように、設計することができる。たとえば、ロータ３０の回転角度θｒ［ｒａｄ］（ただし０≦θｒ≦２π／Ｘ）に対して、その検出コイル部２３における磁束の振幅が次の式を満たすようにすればよい。 The shape of the rotor 30 (particularly, the length in the radial direction at each circumferential position) shall be designed so that the amplitude of the magnetic flux in the detection coil portion 23 becomes a sinusoidal shape according to the rotation angle θr of the rotor 30. Can be done. For example, with respect to the rotation angle θr [rad] of the rotor 30 (however, 0 ≦ θr ≦ 2π / X), the amplitude of the magnetic flux in the detection coil unit 23 may satisfy the following equation.

角度検出器１０は、図示しない信号処理部を有する。各検出コイル部２３において検出された信号は、信号処理部に入力される。この入力は、それぞれの検出コイル部２３について並列に構成することができる。信号処理部では、各検出コイル部２３から入力された信号に対し、それぞれ異なる係数を乗算した後に総和を取ることにより、ｓｉｎ信号およびｃｏｓ信号を生成する。 The angle detector 10 has a signal processing unit (not shown). The signal detected by each detection coil unit 23 is input to the signal processing unit. This input can be configured in parallel for each detection coil unit 23. The signal processing unit generates a sin signal and a cos signal by multiplying the signals input from each detection coil unit 23 by different coefficients and then summing them.

ｓｉｎ信号を生成するための乗算に用いる係数は、たとえば次のように定義される。ｍ番目の検出コイル部２３について、その検出コイル部２３の信号に乗算される係数Ｎ１（ｍ）を、
Ｎ１（ｍ）＝ｐ・Ｎ_Ｍ・Ｋ（ｍ）・ｓｉｎ｛θｍ＋α（ｍ）｝
とする。ただし、
ｐは、ｍが奇数のときｐ＝１、ｍが偶数のときｐ＝−１であり、
Ｎ_Ｍは、係数の最大値を決定するための定数係数であり、
Ｋ（ｍ）は、ｍ番目の検出コイル部２３におけるコイルの巻き数に応じて決定される値であり、たとえば巻き数をそのまま用いてもよく、すべての検出コイル部２３の巻き数が同一であれば省略してもよく、
θｍは、隣接する２つの検出コイル部２３がなす角度（すなわち周方向位置の差）を表す定数であり、
α（ｍ）は、ｍ番目の検出コイル部２３の周方向位置を表すオフセット値である。 The coefficients used for multiplication to generate the sin signal are defined, for example, as follows. For the m-th detection coil unit 23, the coefficient N1 (m) to be multiplied by the signal of the detection coil unit 23 is
_{N1 (m) = p · N} M · K (m) · sin {θm + α (m)}
And. However,
p is p = 1 when m is an odd number and p = -1 when m is an even number.
N _M is a constant factor for determining the maximum value of the coefficient,
K (m) is a value determined according to the number of turns of the coil in the m-th detection coil unit 23. For example, the number of turns may be used as it is, and the number of turns of all the detection coil units 23 is the same. If there is, you can omit it
θm is a constant representing the angle (that is, the difference in the circumferential position) formed by the two adjacent detection coil units 23.
α (m) is an offset value representing the circumferential position of the m-th detection coil unit 23.

また、ｃｏｓ信号を生成するための乗算に用いる係数は、たとえば次のように定義される。ｍ番目の検出コイル部２３について、その検出コイル部２３の信号に乗算される係数Ｎ２（ｍ）を、
Ｎ２（ｍ）＝ｐ・Ｎ_Ｍ・Ｋ（ｍ）・ｃｏｓ｛θｍ＋α（ｍ）｝
とする。 Further, the coefficient used for multiplication for generating the cos signal is defined as follows, for example. For the m-th detection coil unit 23, the coefficient N2 (m) to be multiplied by the signal of the detection coil unit 23 is
_{N2 (m) = p · N} M · K (m) · cos {θm + α (m)}
And.

ロータ３０の回転角度θｒについて信号処理部で生成されたｓｉｎ信号の振幅Ｅｓｉｎ（θｒ）は、次の式を満足する。
Ｅｓｉｎ（θｒ）＝Ｅｍａｘ・ｓｉｎ（Ｘ・θｒ＋β）
ただしβはロータ３０の回転角度θｒの基準となるオフセット値である。 The amplitude Esin (θr) of the sin signal generated by the signal processing unit with respect to the rotation angle θr of the rotor 30 satisfies the following equation.
Esin (θr) = Emax · sin (X · θr + β)
However, β is an offset value that serves as a reference for the rotation angle θr of the rotor 30.

また、ロータ３０の回転角度θｒについて信号処理部で生成されたｃｏｓ信号の振幅Ｅｃｏｓ（θｒ）は、次の式を満足する。
Ｅｃｏｓ（θｒ）＝Ｅｍａｘ・ｃｏｓ（Ｘ・θｒ＋β） Further, the amplitude Ecos (θr) of the cos signal generated by the signal processing unit with respect to the rotation angle θr of the rotor 30 satisfies the following equation.
Ecos (θr) = Emax · cos (X · θr + β)

このようにして、Ｅｓｉｎ（θｒ）とＥｃｏｓ（θｒ）との比を算出することにより、ロータ３０の回転角度θｒを求めることができる。たとえば次のようになる
θｒ＝ａｒｃｔａｎ｛Ｅｓｉｎ（θｒ）／Ｅｃｏｓ（θｒ）｝ In this way, the rotation angle θr of the rotor 30 can be obtained by calculating the ratio of Esin (θr) and Ecos (θr). For example, θr = arctan {Esin (θr) / Ecos (θr)}

図３および図４に、角度検出器１０の一実施例に対する有限要素法による解析結果を示す。図３はロータ３０に発生する渦電流のベクトル図であり、図４は検出コイル部２３に鎖交する磁束密度のベクトル図である。 3 and 4 show the analysis results by the finite element method for one embodiment of the angle detector 10. FIG. 3 is a vector diagram of the eddy current generated in the rotor 30, and FIG. 4 is a vector diagram of the magnetic flux density interlinking with the detection coil unit 23.

以上説明するように、本発明の実施の形態１に係る角度検出器１０によれば、渦電流に基づいて磁束の変化を検出するので、ロータの透磁率に依存する磁束の変化を検出する構成と比較して、より周波数の高い励磁電流に対して検出ゲインを維持することができる。また、角度検出器１０によれば、磁束の振幅が正弦波状となるようにロータ３０が成形されているので、検出コイル部２３の構成を簡素とすることができる。結果として、検出コイル部２３の構成を簡素としながら高周波の励磁電流に対して高い検出ゲインを得ることが可能となっている。 As described above, according to the angle detector 10 according to the first embodiment of the present invention, the change in the magnetic flux is detected based on the eddy current, so that the change in the magnetic flux depending on the magnetic permeability of the rotor is detected. The detection gain can be maintained for higher frequency exciting currents. Further, according to the angle detector 10, since the rotor 30 is formed so that the amplitude of the magnetic flux is sinusoidal, the configuration of the detection coil portion 23 can be simplified. As a result, it is possible to obtain a high detection gain with respect to a high-frequency exciting current while simplifying the configuration of the detection coil unit 23.

また、一般的に、誘起電圧を大きくするためには、励磁コイル部２２および検出コイル部２３の面積を大きくする必要があるが、本発明の実施の形態１に係る角度検出器１０によれば、ステータ２０およびロータ３０がアキシャル型に配置されるので、ラジアル型の配置に比較して、より薄い構成で大きなコイル面積を得ることができる。 Further, in general, in order to increase the induced voltage, it is necessary to increase the areas of the exciting coil portion 22 and the detection coil portion 23, but according to the angle detector 10 according to the first embodiment of the present invention. Since the stator 20 and the rotor 30 are arranged in the axial type, a larger coil area can be obtained with a thinner configuration as compared with the radial type arrangement.

すなわち、従来の構成では、ロータに流れる渦電流により磁束が減少してしまうことを避けるために、ステータおよびロータには積層された鋼板を用いる必要があった。そのため、積層されたステータの厚みおよびロータの厚みに加え、ステータに巻かれるコイルのコイルエンド部分の厚みが少なくとも必要となり、それ全体の構成を薄くすることが困難であった。これに対し、本発明の実施の形態１に係る角度検出器１０によれば、渦電流を抑制する必要がないため積層された鋼板を用いる必要がなく、ステータ２０およびロータ３０を従来より薄く構成することができる。また、励磁コイル部２２および検出コイル部２３を軸に垂直な面内に巻くことができるので、コイルについても従来より薄く構成することができる。このようにして、角度検出器１０の薄型化が可能となる。 That is, in the conventional configuration, it is necessary to use laminated steel plates for the stator and the rotor in order to avoid a decrease in magnetic flux due to the eddy current flowing through the rotor. Therefore, in addition to the thickness of the laminated stator and the thickness of the rotor, at least the thickness of the coil end portion of the coil wound around the stator is required, and it is difficult to reduce the overall configuration. On the other hand, according to the angle detector 10 according to the first embodiment of the present invention, it is not necessary to use laminated steel plates because it is not necessary to suppress the eddy current, and the stator 20 and the rotor 30 are made thinner than before. can do. Further, since the exciting coil portion 22 and the detection coil portion 23 can be wound in a plane perpendicular to the axis, the coil can be made thinner than before. In this way, the angle detector 10 can be made thinner.

また、従来技術では、ロータに磁束を通すためにはロータをある程度厚くすることが必要であるが、本発明の実施の形態１に係る角度検出器１０では渦電流を用いており、渦電流を流すためには厚みは実質的に必要とされない。したがって、ロータ３０の厚みは構造上の強度が必要とする最低の厚みまで薄くすることが可能であり、角度検出器１０の薄型化が可能となる。 Further, in the prior art, it is necessary to make the rotor thick to some extent in order to pass the magnetic flux through the rotor, but the angle detector 10 according to the first embodiment of the present invention uses an eddy current to generate an eddy current. Substantially no thickness is required to flow. Therefore, the thickness of the rotor 30 can be reduced to the minimum thickness required for structural strength, and the angle detector 10 can be reduced in thickness.

また、従来技術では、励磁コイルおよび検出コイルに巻線（マグネットコイル）を用いているため、巻線にかかるコストを低減することが困難であり、また、巻線と回路をつなぐコネクタ部のコストを低減させることも困難であった。これに対し、本発明の実施の形態１に係る角度検出器１０では、励磁コイル部２２および検出コイル部２３を基板上のパターンで実現することが可能であり、これによりさらなる薄型化とコスト低減が可能である。 Further, in the prior art, since a winding (magnet coil) is used for the exciting coil and the detection coil, it is difficult to reduce the cost required for the winding, and the cost of the connector portion connecting the winding and the circuit. It was also difficult to reduce. On the other hand, in the angle detector 10 according to the first embodiment of the present invention, the exciting coil portion 22 and the detection coil portion 23 can be realized by a pattern on the substrate, thereby further reducing the thickness and cost. Is possible.

また、従来技術では、ｓｉｎ巻線およびｃｏｓ巻線という２つの独立した巻線を用いていた。このため、巻線順序によりｓｉｎ巻線とｃｏｓ巻線との間のアンバランスが発生しており、また、ｓｉｎ巻線とｃｏｓ巻線との間の相互干渉も大きかった。これに対し、本発明の実施の形態１に係る角度検出器１０では、１つの検出コイル部２３からの信号をｓｉｎ信号の生成およびｃｏｓ信号の生成に共通して用いるので、各巻線間のアンバランスは発生せず、また、各巻線間の相互干渉も抑制できる。 Further, in the prior art, two independent windings, a sin winding and a cos winding, have been used. Therefore, an imbalance between the sin winding and the cos winding occurs depending on the winding order, and mutual interference between the sin winding and the cos winding is also large. On the other hand, in the angle detector 10 according to the first embodiment of the present invention, since the signal from one detection coil unit 23 is commonly used for the generation of the sin signal and the generation of the cos signal, the interference between each winding is used. No balance is generated, and mutual interference between the windings can be suppressed.

また、従来技術では、コイルの巻かれる位置に応じて巻数を変化させることにより、ｓｉｎ信号およびｃｏｓ信号という２つの信号を生成していた。このため、巻線のためのスペースに余裕があっても、検出コイルを規定以上の巻き数で巻くことができず、検出ゲインの向上に限界があった。また、巻線の有理化誤差も発生していた。これに対し、本発明の実施の形態１に係る角度検出器１０では、各検出コイル部２３から出力される信号に基づく演算によりｓｉｎ波形およびｃｏｓ波形を生成するので、励磁コイル部２２および検出コイル部２３の巻き数およびパターンを、スペースの許す限り定義することが可能であり、検出ゲインをより大きくすることができ、有理化誤差も原理的には解消できる。 Further, in the prior art, two signals, a sin signal and a cos signal, have been generated by changing the number of turns according to the winding position of the coil. Therefore, even if there is a margin for winding, the detection coil cannot be wound with a number of turns exceeding a specified number, and there is a limit to the improvement of the detection gain. In addition, a rationalization error of the winding also occurred. On the other hand, in the angle detector 10 according to the first embodiment of the present invention, since the sine waveform and the cos waveform are generated by the calculation based on the signal output from each detection coil unit 23, the exciting coil unit 22 and the detection coil The number of turns and the pattern of the part 23 can be defined as much as the space allows, the detection gain can be made larger, and the rationalization error can be eliminated in principle.

実施の形態１において、以下のような変形を施すことができる。
信号処理部は、デジタル回路を用いて構成することもでき、アナログ回路を用いて構成することもできる。また、信号処理部を省略してもよい。その場合には、検出コイル部２３の位置によって巻き数を異ならせ、各検出コイル部２３を直列に接続しておけば、その出力に基づいて直接的にｓｉｎ信号およびｃｏｓ信号を生成することができる。 In the first embodiment, the following modifications can be made.
The signal processing unit can be configured by using a digital circuit or can be configured by using an analog circuit. Further, the signal processing unit may be omitted. In that case, if the number of turns is different depending on the position of the detection coil unit 23 and each detection coil unit 23 is connected in series, a sin signal and a cos signal can be directly generated based on the output. it can.

実施の形態１では、励磁コイル部２２および検出コイル部２３は導電パターンであるが、変形例として、これらはマグネットコイルであってもよい。 In the first embodiment, the exciting coil portion 22 and the detection coil portion 23 have a conductive pattern, but as a modification, they may be magnet coils.

実施の形態１では、ステータ２０およびロータ３０はアキシャル型に配置されるが、これらはラジアル型に配置されてもよい。たとえば、ステータの径方向内側にロータを配置してもよい。その場合には、ロータの形状は実施の形態１と同様に構成してもよいし、他の形状としてもよい。たとえば、ロータの半径方向の長さを一定とし、周方向位置に応じて厚みを変化させることによっても、渦電流の大きさを変化させることができる。 In the first embodiment, the stator 20 and the rotor 30 are arranged in an axial shape, but they may be arranged in a radial shape. For example, the rotor may be arranged radially inside the stator. In that case, the shape of the rotor may be the same as that of the first embodiment, or may be another shape. For example, the magnitude of the eddy current can be changed by keeping the length of the rotor in the radial direction constant and changing the thickness according to the position in the circumferential direction.

実施の形態１では、ロータ３０は全体が導電体で構成されるが、ロータの一部に絶縁体を含んでもよい。また、実施の形態１ではロータ３０に含まれる導電体は全体が非磁性のものであるが、導電体の一部は磁性体であってもよい。ロータの少なくとも一部に非磁性の導電体を含んでいれば、磁束の振幅がロータの回転角度に応じて正弦波状となるように構成することにより、本発明の原理による角度検出器を実現することは可能である。 In the first embodiment, the rotor 30 is entirely composed of a conductor, but a part of the rotor may include an insulator. Further, in the first embodiment, the conductor contained in the rotor 30 is entirely non-magnetic, but a part of the conductor may be a magnetic material. If at least a part of the rotor contains a non-magnetic conductor, the angle detector according to the principle of the present invention is realized by configuring the magnetic flux amplitude to be sinusoidal according to the rotation angle of the rotor. It is possible.

１０角度検出器、２０ステータ（輪状ステータ）、２２励磁コイル部、２３検出コイル部、３０ロータ（輪状ロータ）、３１凹凸部。 10 angle detector, 20 stator (ring-shaped stator), 22 exciting coil part, 23 detection coil part, 30 rotor (ring-shaped rotor), 31 uneven part.

Claims

With a ring-shaped stator,
Excitation coil portions and detection coil portions provided in the circumferential direction of the ring-shaped stator at predetermined angular intervals , and
A ring-shaped rotor containing a conductor that is rotatable with respect to the ring-shaped stator, and
Signal processing unit and
In the angle detector with
An eddy current flows through the ring-shaped rotor so as to block changes in the magnetic flux generated by the exciting coil portion, and an induced voltage is induced in the detection coil portion by the exciting coil portion.
The amplitude of the magnetic flux at a given circumferential position of the annular stator, such that a sinusoidal in accordance with the rotation angle of the annular rotor, the conductor is formed,
The signal processing unit receives signals detected based on the induced voltage induced in each detection coil unit in each of the detection coil units provided in the circumferential direction of the ring-shaped stator at predetermined angular intervals. A sin signal and a cos signal are generated by multiplying them by different coefficients and then summing them, and the rotation angle is obtained by calculating the ratio between the sin signal and the cos signal.
An angle detector characterized by that.

The ring-shaped rotor is arranged so as to be axially separated from the ring-shaped stator.
The ring-shaped rotor includes a concavo-convex portion formed on the outer circumference and whose length changes in the radial direction.
The angle detector according to claim 1.

The angle detector according to claim 1 or 2, wherein the conductor contained in the ring-shaped rotor is non-magnetic.

The exciting coil portion and the detecting coil portion is a conductive pattern or the magnet coil on the annular stator, the angle detector according to any one of claims 1 to 3.