JP7527603B2 - 角度検出器 - Google Patents

Description

本発明は、角度検出器に関し、特に、励磁電流により生じる磁束をロータ回転により周期的に遮蔽することにより、精度の高い測定をする角度検出器に関する。

回転軸の角度を検出するレゾルバとして、従来は以下の（１）～（３）の３種類の回転検出器が知られている。
（１）１相の励磁巻線と２相の検出巻線とが巻かれた電磁鋼板で構成されるステータ（ｓｔａｔｏｒ：固定子）と、外周に所定の軸倍角を示す凹凸形状が形成された電磁鋼板のみで構成されるロータ（ｒｏｔｏｒ：回転子）とで構成され、励磁巻線を交流電圧で励磁することにより、ステータとロータとのギャップパーミアンスの変化により誘起電圧を変化させ、ロータの回転に依存したｓｉｎθとｃｏｓθの電圧を誘起させることを検出原理に持つレゾルバ（特許文献１参照）。
（２）１相の励磁巻線が巻かれた電磁鋼板で構成されるロータと、２相の検出巻線が巻かれた電磁鋼板で構成されるステータと、回転体に配された励磁巻線に電圧を励磁するためのトランスで構成され、励磁巻線に交流電圧を励磁することにより、検出巻線にロータの回転に依存したｓｉｎθとｃｏｓθの電圧を誘起させることを検出原理に持つレゾルバ（特許文献２参照）。
（３）１相の励磁巻線と２相の検出巻線と導電体とから構成され、励磁巻線に交流電圧を励磁することにより検出巻線に鎖交する磁束を、ロータに流れる渦電流により遮蔽することにより、検出巻線にロータの回転に依存したｓｉｎθとｃｏｓθの電圧を誘起させることを検出原理に持つレゾルバ（特許文献３参照）。

特開平０８－１８９８０５号公報 特開２００４－１５７１０９号公報 特開２００９－１２８３１２号公報

上記の角度検出器（１）は、ロータに磁性体のみを配し、ステータとロータのギャップパーミアンスの変化により誘起電圧を変化させている。このため、検出巻線に鎖交する磁束は、あるオフセットをもって一定の範囲内で増減を繰り返す。このため、検出巻線に鎖交する磁束の向きは変わらず、検出される磁束の変化量が小さく、そのままの出力信号では高い精度を得ることができない問題を有していた。
この方式によるレゾルバでは、磁性体の透磁率がギャップの透磁率と比して非常に大きいため、ロータの回転に伴いギャップ長が変化することにより、誘起電圧振幅は周期的に変化することを利用している。しかし、電磁鋼板の透磁率は、その鋼板の交流応答性能に依存し、周波数が高くなると透磁率は小さくなっていき、高周波になればなる程ギャップの透磁率に近くなっていく。従って、電磁鋼板の透磁率とギャップの透磁率の差が小さい場合、ロータが回転することによる検出信号の振幅の変化量もわずかになるため、角度検出することが難しくなる。そのため、励磁電流の周波数を一定以上大きくすることができなかった。すなわち、励磁周波数により、検出可能な回転体の回転速度も制限されることになっていた。

上記の角度検出器（２）は、回転トランスを介してロータ側の励磁巻線に電流を流すことにより、ロータに磁束を発生させて角度検出する。このため、上記角度検出器（１）と比較すると、磁束の変化量が大きくなり、高精度な角度検出が可能になる。しかし、ステータ側からロータの励磁巻線側に電力を供給する回転トランスを設ける必要がある。また、大きな検出ゲインを得るために、トランス、ステータ及びロータのコアに磁性体を用いており、励磁電流の周波数を一定値以上に大きくすることはできない問題があった。そのため、角度検出器としての部品点数が増加して構造が複雑化かつ大型化し、コストが上昇し、検出可能な回転体の回転速度も制限されるという、問題があった。

上記の角度検出器（３）は、励磁電流が作る磁束を渦電流により遮蔽することにより、検出巻線に鎖交する磁束の量を周期的に変化させている。このため、角度検出器（１）と同様に、１本のティースに巻回された検出巻線に鎖交する磁束は、あるオフセットをもって一定の範囲内で増減を繰り返す。このため、検出巻線に鎖交する磁束の向きは変わらず、検出される磁束の変化量が小さく、そのままの出力信号では高い精度を得ることができない問題を有していた。
また、ロータの１周期、すなわち電気角３６０°に対して、９０°ずつ位相がずれる形で検出回路を配置し、この４つの検出信号からｓｉｎ信号とｃｏｓ信号を生成するため、検出精度に限界があった。すなわち、一つ目の検出回路の検出する信号が、きれいな正弦波であれば理論上誤差はないが、この波形が正弦波から少しも歪まない、ということはあり得ない。この検出波形を高速フーリエ変換した際に、３次や５次の歪みがあれば、それはそのまま３次や５次の検出誤差として現れてくる。また、１つ目の検出回路の検出ゲインと２つ目の検出回路の検出ゲインは、設計的には同じであることを期待しているが、これが全く同じということはなく、必ず誤差を持つ。この検出回路の検出ゲインの差が、ｓｉｎ信号とｃｏｓ信号のゲインの差にそのままなる。また、位相角も設計的には９０°であることを期待しているが、これも必ず誤差を持つ。すなわち、この検出回路の配置上の誤差が、ｓｉｎ信号とｃｏｓ信号の位相の誤差となる。検出信号のゲイン誤差、位相誤差ともに電気角１次の誤差であり、非常に大きい。そのため、高精度化に限界があった。また、構造上、励磁電流には円周と平行に流れる電流と円周に直交する方向に流れる電流が存在する。円周方向に流れる電流により生成される磁束は、４つの検出巻線に等しく鎖交するが、円周に直交する方向に流れる電流が作る磁束は、４つの検出巻線の位置により異なって鎖交する。そのため、第１～第４の各検出巻線に鎖交する磁束量が、全く同じになることはない。これもこのレゾルバの検出誤差増大の原因となる。

以上のように、従来の角度検出器は、検出される磁束の変化量が小さいため高い精度を得ることができないか、あるいは、十分な磁束の変化を得るためにトランスを用いた複雑かつ大型化した構造が必要になるという問題を有していた。

本発明は、回転トランスを用いることなく、反転する向きの磁束を検出巻線に鎖交させて精度の高い測定をす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。

本発明に係る角度検出器は、環状の巻線が同心円状に複数配置された励磁巻線と、励磁巻線に重ねて所定角度間隔毎に配置された複数の巻線により構成された検出巻線と、環状の導電体で構成されたロータと、を備え、励磁巻線は、半径方向の位置に応じて異なる向きの磁束を生成し、検出巻線は、励磁巻線の領域内に、励磁巻線の半径方向を長手方向とした形状の複数の巻線により構成され、ロータは、励磁巻線で囲まれる領域内において、半径方向の位置が周期的に変化するように構成され、異なる向きの磁束のうちでロータにより遮られない磁束により、検出巻線に検出信号が生成される、ことを特徴とする。

本発明に係る角度検出器において、励磁巻線は、環状の第１励磁巻線と、第１励磁巻線の内側に設けられた環状の第２励磁巻線と、第２励磁巻線の内側に設けられた環状の第３励磁巻線と、により構成され、第１励磁巻線と第２励磁巻線と第３励磁巻線とは、交互に異なる方向の励磁電流が供給され、異なる向きの磁束を生成し、検出巻線は、第１励磁巻線と第２励磁巻線と第３励磁巻線との半径方向の領域内に、励磁巻線の半径方向を長手方向とした形状で構成され、ロータは、第１励磁巻線と第３励磁巻線とで囲まれる領域内において、半径方向の位置が周期的に変化するように構成される、ことを特徴とする。
ここで、第１励磁巻線と第２励磁巻線とを流れる励磁電流により第１磁束が形成され、第２励磁巻線と第３励磁巻線とを流れる励磁電流により第２磁束が形成され、ロータは、回転することにより第１磁束と第２磁束とを周期的に遮り、検出巻線は、第１磁束と第２磁束とのうち、ロータにより遮られない磁束により検出信号を生成する、ことを特徴とする。

本発明の角度検出器では、環状の巻線が同心円状に複数配置された励磁巻線と、励磁巻線に重ねて所定角度間隔毎に配置された複数の巻線により構成された検出巻線と、環状の導電体で構成されたロータとを備え、励磁巻線は、半径方向の位置に応じて異なる向きの磁束を生成し、検出巻線は、励磁巻線の領域内に、励磁巻線の半径方向を長手方向とした形状の複数の巻線により構成され、ロータは、励磁巻線で囲まれる領域内において、半径方向の位置が周期的に変化するように構成され、異なる向きの磁束のうちでロータにより遮られない磁束により、検出巻線に検出信号が生成される。このため、回転トランスを用いることなく、周期的に反転する向きの磁束を検出巻線に鎖交させて精度の高い測定をすることができる。

実施の形態１に係る角度検出器の構成を示す構成図である。 実施の形態１に係る角度検出器の励磁巻線と検出巻線の配置を示す構成図である。 実施の形態１に係る角度検出器の励磁電流により生じる磁束を示す説明図である。 実施の形態１に係る角度検出器の励磁電流により生じる磁束を、ロータにより遮断する様子を示す説明図である。 実施の形態１に係る角度検出器の検出巻線に誘起される電圧特性を示す特性図である。 従来の角度検出器の検出信号の検出巻線に誘起される電圧特性を示す特性図である。 実施の形態１に係る角度検出器により得られる信号波形を示す特性図である。 実施の形態１に係る角度検出器の検出誤差の特性を示す特性図である。 実施の形態１に係る角度検出器で検出される基本波形を示す波形図である。 従来の角度検出器で検出される基本波形を示す波形図である。 実施の形態１に係る角度検出器で検出される基本波形から生成されるｓｉｎ信号とｃｏｓ信号の波形を示す波形図である。 従来の角度検出器で検出される基本波形から生成されるｓｉｎ信号とｃｏｓ信号の波形を示す波形図である。 実施の形態１に係る角度検出器で検出される基本波形から生成されるｓｉｎ信号とｃｏｓ信号の歪みを示す波形図である。 従来の角度検出器で検出される基本波形から生成されるｓｉｎ信号とｃｏｓ信号の歪みを示す波形図である。 実施の形態１に係る角度検出器で検出される基本波形を示す波形図である。 従来の角度検出器で検出される基本波形を示す波形図である。 実施の形態１に係る角度検出器で検出される基本波形から生成されるｓｉｎ信号とｃｏｓ信号の波形を示す波形図である。 従来の角度検出器で検出される基本波形から生成されるｓｉｎ信号とｃｏｓ信号の波形を示す波形図である。 実施の形態１に係る角度検出器で検出される基本波形から生成されるｓｉｎ信号とｃｏｓ信号の歪みを示す波形図である。 従来の角度検出器で検出される基本波形から生成されるｓｉｎ信号とｃｏｓ信号の歪みを示す波形図である。

以下、本発明の角度検出器の実施の形態につき、図面を用いて説明する。なお、各図において、同一部分には同一符号を付している。

実施の形態１．
はじめに、実施の形態１における角度検出器１００について、図１～図４を参照して説明する。
図１は、実施の形態１に係る角度検出器１００の構成を示す構成図である。ここで、図１の（ａ）は角度検出器１００の平面図であり、図１の（ｂ）は角度検出器１００の側面図である。図２は、実施の形態１に係る角度検出器１００の励磁巻線１１０と検出巻線１２０の配置を示す構成図である。図３は、実施の形態１に係る角度検出器１００の励磁電流により生じる磁束を示す説明図である。図４は、実施の形態１に係る角度検出器１００の励磁電流により生じる磁束を、ロータ１３０により遮断する様子を示す説明図である。

［角度検出器１００の構成］
角度検出器１００は、主に、励磁巻線１１０、検出巻線１２０、ロータ１３０、を備えている。

励磁巻線１１０は、環状の巻線が同一平面内で同心円状に複数配置されており、環状の第１励磁巻線１１０ａと、第１励磁巻線１１０ａの内側に設けられた環状の第２励磁巻線１１０ｂと、第２励磁巻線１１０ｂの内側に設けられた環状の第３励磁巻線１１０ｃと、により構成されている。第１励磁巻線１１０ａと第２励磁巻線１１０ｂと第３励磁巻線１１０ｃとには、交互に異なる方向の励磁電流が供給される。

検出巻線１２０は、第１励磁巻線１１０ａと第２励磁巻線１１０ｂと第３励磁巻線１１０ｃとの半径方向の領域内に重ねられるように、励磁巻線１１０の半径方向を長手方向とした形状で、所定角度間隔毎に巻回されて設けられている。図１～図３において、検出巻線１２０は１４の巻線で構成されている。なお、検出巻線１２０のそれぞれには、ｓｉｎ信号を検出するｓｉｎ巻線と、ｃｏｓ信号を検出するｃｏｓ巻線とが設けられている。

励磁巻線１１０と検出巻線１２０とは、ステータ側に図２のように重ねられた配置されている。ここで、励磁巻線及び検出巻線は、銅線をコイル状に複数ターン巻いたものでもよいし、基板上にレイアウトされた導電体パターンで構成してもよい。便宜上、以降基板上のパターンも巻線として扱う。

ロータ１３０は、環状の導電体で構成されており、図１の（ａ）に示すように、第１励磁巻線１１０ａと第３励磁巻線１１０ｃとで囲まれる領域内において、半径方向の位置が周期的に変化する形状に構成されている。半径方向の位置が周期的に変化する形状とは、例えば、円周にサインカーブの山谷が合成された形状が該当する。ここでは、軸倍角数を４として、円周に山と谷が４回繰り返すものを具体例として示している。
ロータ１３０は、図１の（ｂ）に示すように、励磁巻線１１０及び検出巻線１２０に対して一定の間隔をもって平行な状態に配置されており、図示されない回転軸と共に回転する。

［励磁巻線により生じて検出巻線に鎖交する磁束］
次に、実施の形態１の角度検出器１００において励磁巻線１１０により生じて検出巻線１２０に鎖交する磁束について、以下に説明する。

ここで、交互に異なる方向の励磁電流として、図３に示すように、第１励磁巻線１１０ａにＣＷ（Ｃｌｏｃｋ Ｗｉｓｅ：時計回り）方向の励磁電流を流し、第２励磁巻線１１０ｂにＣＣＷ（Ｃｏｕｎｔｅｒ Ｃｌｏｃｋ Ｗｉｓｅ：反時計回り）方向の励磁電流を流し、第３励磁巻線１１０ｃにＣＷ方向の励磁電流を流す場合を想定する。

図３に示すように、第１励磁巻線１１０ａにおけるＣＷ方向の励磁電流と、第２励磁巻線１１０ｂにおけるＣＣＷ方向の励磁電流とにより、第１励磁巻線１１０ａと第２励磁巻線１１０ｂとの間には、紙面垂直方向奥向きの磁束が形成される。そして、第２励磁巻線１１０ｂにおけるＣＣＷ方向の励磁電流と、第３励磁巻線１１０ｃにおけるＣＷ方向の励磁電流とにより、第２励磁巻線１１０ｂと第３励磁巻線１１０ｃとの間には、紙面垂直方向手前向きの磁束が形成される。すなわち、第１励磁巻線１１０ａと第２励磁巻線１１０ｂと第３励磁巻線１１０ｃとは、交互に異なる方向の励磁電流が供給されることにより、半径方向の位置に応じて異なる向きの磁束を生成する。

この結果、ロータ１３０の存在を無視した場合は図３に示すように、検出巻線１２０それぞれには、紙面垂直方向奥向きの磁束と、紙面垂直方向手前向きの磁束とが等しく鎖交している。方向が逆で大きさが等しい磁束が鎖交しているため、励磁巻線に交流を励磁した場合、検出巻線に誘起される電圧は０［Ｖ］である。
となる。

［検出巻線に鎖交する磁束］
ここで、図４の（ａ）に示すように、ある特定の検出巻線１２０について、励磁電流により作られるどちらか一方の磁束だけを遮るようにロータ１３０を配置する。このロータ１３０に流れる渦電流により、検出巻線１２０にどちらか一方の鎖交磁束だけが遮られ、もう一方の磁束だけが鎖交することになる。そのため、検出巻線１２０に電圧が誘起されるようになる。このとき誘起される電圧の振幅をＶｐとする。

ロータ１３０の回転に伴い、軸倍角数４のロータ１３０が電気角で１８０［ｄｅｇ］回転したときに、図４の（ｂ）に示すように、先ほどとは逆の向きの磁束を遮るため、検出巻線１２０には振幅－Ｖｐの電圧が誘起される。

［検出巻線に誘起される電圧］
従って、検出巻線１２０は、はロータ１３０の回転に伴い、その振幅が±Ｖｐで変化する誘起電圧を検出することが可能となる。この振幅±Ｖｐの変化はロータ１３０の形状に依存し、構造上連続であるため、振幅の変化がロータ１３０の回転に対して正弦波として変化するように、ロータ１３０の形状を選ぶことが可能である。

Ｎ個の検出巻線１２０を円周上に等間隔で配置すると、振幅が±Ｖｐで位相が３６０／Ｎ［ｄｅｇ］ステップでずれているＮ個の正弦波信号を得ることができる。そして、全周に配置された検出巻線１２０の全ての検出信号より、等分割平均法を用いてｓｉｎ信号とｃｏｓ信号を生成する。
従って、検出巻線１２０のｊ番目で誘起される電圧Ｖｊ（θ）は、ロータ１３０の角度θにより、以下のように表すことができる。

Ｖｊ（θ）＝Ｖｐ＊ｓｉｎ（ｘ＊θ－ｊ＊３６０／Ｎ））＊ｓｉｎ（２＊π＊ｆ）
ここで、
Ｖｊ（θ）：検出巻線１２０のｊ番目に誘起される電圧、
Ｖｐ：最大電圧振幅、
θ：ロータ１３０の角度、
ｘ：ロータ１３０の軸倍角数（図示具体例は４）、
ｊ：検出巻線１２０の位置ｊ＝０，１，２，・・・，Ｎ－１、
ｆ：励磁電流の周波数［Ｈｚ］、
Ｎ：検出巻線１２０の数（図示具体例は１４）、である。

検出巻線１２０で検出されたＮ個の信号に対して、信号処理回路にて特定の係数を乗算し、加算して得られる信号がロータ１３０の角度に対してｓｉｎ波となるような係数の組み合わせが存在する。また、その振幅がロータの角度に対してｃｏｓ波となるように係数を選ぶことも可能である。
以下にｓｉｎ信号の係数ｋｓ、ｃｏｓ信号の係数ｋｃの具体例を示す。

ｋｓｊ＝ｋ０＊ｓｉｎ（（ｊ－１）＊ｘ＊３６０／Ｎ＋β）
ｋｃｊ＝ｋ０＊ｃｏｓ（（ｊ－１）＊ｘ＊３６０／Ｎ＋β）
ここで、
ｋｓｊ：検出巻線１２０のｊ番目からの信号に対するｓｉｎ信号用の係数、
ｋｃｊ：検出巻線１２０のｊ番目からの信号に対するｃｏｓ信号用の係数、
ｋ０：最大値を決める任意の定数、
β：位相角を決める任意の定数、である。

従って、等間隔に配置したＮ個の検出巻線１２０より、以下のような信号を検出することが可能となる。
ここで、信号処理部で生成されたｓｉｎ信号をＥｓｉｎ（θ）とすると、
Ｅｓｉｎ（θ）＝Σｋｓｊ＊Ｖｐ＊ｓｉｎ（ｘ＊θ－ｊ＊３６０／Ｎ））＊ｓｉｎ（２＊π＊ｆ）
＝Ｅｍａｘ＊ｓｉｎ（ｘ＊θ＋β）
となる。
同様に、信号処理部で生成されたｃｏｓ信号をＥｓｉｎ（θ）とすると、
Ｅｃｏｓ（θ）＝Σｋｃｊ＊Ｖｐ＊ｓｉｎ（ｘ＊θ－ｊ＊３６０／Ｎ））＊ｓｉｎ（２＊π＊ｆ）
＝Ｅｍａｘ＊ｃｏｓ（ｘ＊θ＋β）
となる。
従って、Ｅｓｉｎ（θ）とＥｃｏｓ（θ）の２つの信号の比を取ることにより、ロータ１３０の角度θを決定することができる。

この信号処理部は、デジタル回路で構成することも、アナログ回路で構成することも可能である。また、高速演算が可能なプロセッサを用いた場合には、ソフトウエアにより処理することも可能である。
また、信号処理部を用いずに、検出巻線１２０の個々のコイルの位置により決定されるターン数を巻いたコイル、またはパターンを直列で接続し、ｓｉｎ信号及びｃｏｓ信号を直接生成することも可能である。

［検出巻線に誘起される電圧の比較］
以下、有限要素法解析で求めた検出巻線１２０の１ターンあたりの誘起電圧振幅波形について、実施の形態１を図５に、従来例を図６に示す。図５は、実施の形態１に係る角度検出器１００の検出巻線１２０に誘起される電圧特性を示す特性図である。図６は、従来の角度検出器の検出信号の検出巻線に誘起される電圧特性を示す特性図である。

図５は、実施の形態１に係る角度検出器１００の検出巻線１２０に誘起される電圧特性を示している。図５において、横軸はロータ１３０の回転における機械角［ｄｅｇ］であり、縦軸は検出巻線１２０に誘起される電圧［Ｖ］である。
実施の形態１の角度検出器１００は、図４の（ａ）と（ｂ）に示したように、ロータ１３０の回転に伴って、検出巻線１２０のそれぞれで鎖交する磁束の向きが反転する。これにより、検出信号は、＋Ｖｐから－Ｖｐの間で変化すると共に、振幅も従来よりも大きな電圧が得られる。

図６は、ロータに磁性体のみを配し、ステータとロータのギャップパーミアンスの変化により誘起電圧を変化させる従来の角度検出器におけるの検出巻線に誘起される電圧特性を示している。図６において、横軸は従来のロータの回転における機械角［ｄｅｇ］であり、縦軸は検出巻線に誘起される電圧［Ｖ］である。
この従来の角度検出器は、ステータとロータのギャップパーミアンスの変化により誘起電圧を変化させており、検出巻線に鎖交する磁束は、同じ向きのまま、所定のオフセットを中心に一定の増減を繰り返している。これにより、検出信号も、同じ極性のまま、所定のオフセットを中心に一定の増減を繰り返しており、かつ変化量が比較的小さい。

［ｓｉｎ信号とｃｏｓ信号の波形と角度誤差］
以下に、実施の形態１において得られるｓｉｎ信号とｃｏｓ信号の波形を図７に示し、このｓｉｎ信号とｃｏｓ信号の比をとることにより求めた角度誤差を図８に示す。図７は、実施の形態１に係る角度検出器１００により得られる信号波形を示す特性図である。図８は、実施の形態１に係る角度検出器１００の検出誤差の特性を示す特性図である。

図７のｓｉｎ信号とｃｏｓ信号の波形は、有限要素法解析で求めた検出巻線１２０の１ターンあたりの誘起電圧振幅波形に対して、上述した係数ｋｓｊとｋｃｊとを乗算して加算することにより得られるＥｓｉｎ（θ）とＥｃｏｓ（θ）の波形である。図７において、横軸はロータ１３０の回転における機械角［ｄｅｇ］であり、縦軸はｓｉｎ信号とｃｏｓ信号の波形の検出巻線鎖交磁束量［Ｗｂ］である。
図８の角度誤差は、図７に示したｓｉｎ信号とｃｏｓ信号の比をとることにより求められるロータ角度θの誤差である。図８において、横軸はｓｉｎ信号とｃｏｓ信号における機械角［ｄｅｇ］であり、縦軸は角度誤差［′］である。

図７に示したｓｉｎ信号とｃｏｓ信号の比をとることにより求められるロータ角度θは、従来例（３）として示したロータに流れる渦電流により遮蔽するレゾルバにおいて、位相が９０°ずれた検出巻線から計算されたロータ角度θより高精度になっている。

実施の形態１により求められるロータ角θが従来よりも高精度である理由を、以下の（ａ）～（ｂ）に説明する。

（ａ）実施の形態１の場合、ロータ１３０の回転に伴う誘起電圧の振幅の変化量が従来よりも大きくなっている。
従来例（３）として示したレゾルバの誘起電圧の振幅の最大値をＶ’ｍａｘ、最小値をＶ’ｍｉｎとしたとき、ロータの回転に伴う誘起電圧の振幅の変化量は、Ｖ’ｍａｘ－Ｖ’ｍｉｎである。
一方、実施の形態１の角度検出器１００において、誘起電圧の最大値Ｖｍａｘ、最小値－Ｖｍａｘであり、ロータ１３０の回転に伴う誘起電圧の振幅の変化量は、２＊Ｖｍａｘになる。すなわち、ロータ１３０の回転に対して、明らかに大きな変化量が誘起電圧に生じる。
実施の形態１と従来例の双方の検出信号に同程度の一定量の誤差が含まれるとしたとき、回転に伴う振幅の変化量に対する誤差の割合は明らかに実施の形態１の方が小さくなり、その結果、実施の形態１はロータ１３０の角度θを高精度に検出することが可能になる。

（ｂ）任意のフーリエ級数を３６０／Ｎ［ｄｅｇ］ずつ位相をずらしたＮ個の関数の総和は、もとのフーリエ級数のＮの整数倍次成分の総和となる。従って、本発明におけるＮ個の検出巻線１２０の検出信号から生成された信号には、元に信号にある誤差の内、特定次数の誤差しか含まれない。
従って、ロータ１３０の回転に伴う検出信号の振幅変化は、ロータ１３０の形状に依存するが、実施の形態１においてはロータ１３０の形状に依存する誤差が検出信号による誤差となりにくい。

［振幅に誤差を有する波形での具体例］
角度検出器１００を４極１４スロットで構成した場合、実施の形態１と従来例とにおける違いの例を以下に示す。ここで、４極はロータ１３０の円周に山と谷が４回繰り返すことを意味する。１４スロットは、１４の検出巻線１２０が存在することを意味する。

以下、実施の形態１と従来例とで、電気角２～１０次に最大振幅の１％の誤差を持つ基本波形を検出した場合の、基本波形の最大振幅を１と正規化した状態を、図９と図１０とに示す。
図９は、実施の形態１に係る角度検出器１００で検出される基本波形を示す波形図である。図１０は、従来の角度検出器で検出される基本波形を示す波形図である。図９及び図１０において、横軸は機械角［ｄｅｇ］であり、縦軸は正規化された振幅である。
図９に示す実施の形態１の基本波形は－１．０～１．０の振幅を有するのに対し、図１０に示す従来例の基本波形は０．２～１．０の振幅であり振れ幅が小さい。
ここでは、電気角２～１０次に最大振幅の１％の誤差が存在すると仮定したが、波形中に全く誤差が存在しなければ、本発明も従来例も論理的な検出誤差は０となる。一方、誤差が存在する場合、図９と図１０とを比較すると、従来例に比較して実施の形態１の波形は歪みが小さいことが明らかである。

実施の形態１と従来例とについて、最大振幅の１％の誤差を有する状態で検出される基本波形から生成されるｓｉｎ信号とｃｏｓ信号の波形を、図１１と図１２とに示す。図１１は、実施の形態１に係る角度検出器１００で検出される基本波形から生成されるｓｉｎ信号とｃｏｓ信号の波形を示す波形図である。
図１２は、従来の角度検出器で検出される基本波形から生成されるｓｉｎ信号とｃｏｓ信号の波形を示す波形図である。図１１及び図１２において、横軸は機械角［ｄｅｇ］であり、縦軸は信号の振幅である。
このｓｉｎ信号とｃｏｓ信号の波形について図１０と図１１とを比較すると、基本波形の場合と同様に、従来例に比較して実施の形態１のｓｉｎ信号とｃｏｓ信号は、振幅が大きく、歪みが小さいことが明らかである。

実施の形態１と従来例とについて、最大振幅の１％の誤差を有する状態で検出される基本波形から生成されるｓｉｎ信号とｃｏｓ信号に含まれる検出誤差を計算により求めたものを図１３と図１４とに示す。
図１３は、実施の形態１に係る角度検出器１００で検出される基本波形から生成されるｓｉｎ信号とｃｏｓ信号の歪みを示す波形図である。図１４は、従来の角度検出器で検出される基本波形から生成されるｓｉｎ信号とｃｏｓ信号の歪みを示す波形図である。

図１３及び図１４において、横軸は機械角［ｄｅｇ］であり、縦軸は検出誤差［′］である。図１３に示す実施の形態１の検出誤差は最大で±１８［′］である。一方、図１４に示す従来の検出誤差は最大で±８０［′］である。以上より、ロータの形状に依存する歪みに対して、従来例よりも実施の形態１がより精度よく検出可能であることが明らかである。
従って、ロータ１３０の回転に伴う検出信号の振幅変化は、ロータ１３０の形状に依存するが、実施の形態１においてはロータ１３０の形状に依存する誤差が、従来例と比較して、検出信号による誤差となりにくいことがわかる。すなわち、実施の形態１の角度検出器１００によれば、従来の角度検出器と比較して、精度の高い測定をすることが可能になる。

［検出ゲイン１％誤差を有する場合の具体例］
以下、実施の形態１と従来例とで、各検出巻線により検出される基本波形に誤差は含まれないが、第１検出巻線φ１に比較して第２検出巻線φ２の検出ゲインに１％の誤差を持つ場合の、基本波形の最大振幅を１と正規化した状態を、図１５と図１６とに示す。
図１５は、実施の形態１に係る角度検出器１００で検出される基本波形を示す波形図である。図１６は、従来の角度検出器で検出される基本波形を示す波形図である。図１５及び図１６において、横軸は機械角［ｄｅｇ］であり、縦軸は正規化された振幅である。
図１５に示す実施の形態１の基本波形は－１．０～１．０の振幅を有するのに対し、図１６に示す従来例の基本波形は０．２～１．０の振幅であり振れ幅が小さい。

実施の形態１と従来例とについて、各検出巻線により検出される基本波形に誤差は含まれないが、第１検出巻線φ１に比較して第２検出巻線φ２の検出ゲインに１％の誤差を持つ場合の、基本波形から生成されるｓｉｎ信号とｃｏｓ信号の波形を、図１７と図１８とに示す。
図１７は、実施の形態１に係る角度検出器１００で検出される基本波形から生成されるｓｉｎ信号とｃｏｓ信号の波形を示す波形図である。
図１８は、従来の角度検出器で検出される基本波形から生成されるｓｉｎ信号とｃｏｓ信号の波形を示す波形図である。図１７及び図１８において、横軸は機械角［ｄｅｇ］であり、縦軸は信号の振幅である。
このｓｉｎ信号とｃｏｓ信号の波形について図１７と図１８とを比較すると、基本波形の場合と同様に、従来例に比較して実施の形態１のｓｉｎ信号とｃｏｓ信号の振幅は大きくなっている。

実施の形態１と従来例とについて、各検出巻線により検出される基本波形に誤差は含まれないが、第１検出巻線φ１に比較して第２検出巻線φ２の検出ゲインに１％の誤差を持つ場合の、検出される基本波形から生成されるｓｉｎ信号とｃｏｓ信号に含まれる検出誤差を計算により求めたものを図１９と図２０とに示す。
図１９は、実施の形態１に係る角度検出器１００で検出される基本波形から生成されるｓｉｎ信号とｃｏｓ信号の歪みを示す波形図である。図２０は、従来の角度検出器で検出される基本波形から生成されるｓｉｎ信号とｃｏｓ信号の歪みを示す波形図である。

図１９及び図２０において、横軸は機械角［ｄｅｇ］であり、縦軸は検出誤差［′］である。図１９に示す実施の形態１の検出誤差は－０．３～０．９［′］である。一方、図２０に示す従来の検出誤差は最大で±７［′］である。
以上より、検出巻線１２０の検出ゲイン誤差についても、実施の形態１の方が従来例よりも精度よく検出可能であることが明らかである。

［実施の形態１の角度検出器１００の特徴］
従来例と比較して、実施の形態１の角度検出器１００の特徴は、以下の通りである。
・角度検出器１００においてロータ１３０の回転に伴って誘起される電圧の変化は、従来例よりも大きい。これにより、高精度な角度検出を期待できる。
・全周３６０°に均等に配置された全ての検出巻線１２０の検出信号より、等分割平均法を用いてｓｉｎ信号とｃｏｓ信号を生成している。このため、検出巻線１２０を構成する各巻線の検出信号誤差による精度への影響が小さくなり、高精度な角度検出を期待できる。
・ｓｉｎ信号とｃｏｓ信号ともに、生成元となる検出信号は同一信号である。このため、検出巻線１２０を構成する各巻線の検出信号誤差による精度への影響が小さくなり、高精度な角度検出を期待できる。
・コアを使用せずに製造可能であるため、小型・軽量化、低価格化が可能である。また、コアへの巻線の巻回作業が不要であるため、製造工程を簡略化できる。
・トランス構造を持たないため、小型・軽量化、低価格化が可能である。
・コアを使用していないため、コアの交流応答性能による励磁周波数の制限がなく、励磁電圧の高周波が可能である。従って、コアを使用する場合よりも高回転の角度検出が可能である。

［その他の実施の形態］
実施の形態１において、周囲に４組の山谷を有するロータ１３０と、１４の検出巻線１２０を備える、４極１４スロットの角度検出器１００の具体例を示したが、ロータ１３０の極数と検出巻線１２０の数とを任意に定めることが可能である。

［実施の形態により得られる効果］
以上説明したように、本発明の実施の形態１の角度検出器１００によると、以下のような効果を得ることができる。
実施の形態１の角度検出器１００では、励磁巻線１１０は、環状の第１励磁巻線１１０ａと、第１励磁巻線１１０ａの内側に設けられた環状の第２励磁巻線１１０ｂと、第２励磁巻線１１０ｂの内側に設けられた環状の第３励磁巻線１１０ｃと、により構成され、第１励磁巻線１１０ａと第２励磁巻線１１０ｂと第３励磁巻線１１０ｃとには、交互に異なる方向の励磁電流が供給され、第１励磁巻線１１０ａと第２励磁巻線１１０ｂと第３励磁巻線１１０ｃとの半径方向の領域内に、励磁巻線１１０の半径方向を長手方向とした複数の巻線が所定間隔毎に配置されて検出巻線１２０が構成され、第１励磁巻線１１０ａと第３励磁巻線１１０ｃとで囲まれる領域内において、半径方向の位置が周期的に変化するようにロータ１３０が構成されている。
そして、第１励磁巻線１１０ａと第２励磁巻線１１０ｂとを流れる励磁電流により生じる第１磁束と、第２励磁巻線１１０ｂと第３励磁巻線１１０ｃとを流れる励磁電流により生じる第２磁束との一部は、ロータ１３０により遮られ、第１磁束と第２磁束とのうちでロータ１３０により遮られない磁束により、検出巻線１２０に検出信号が生成される。このため、回転トランスを用いることなく、周期的に反転する向きの磁束を検出巻線１２０に鎖交させて精度の高い測定をすることが可能になる。

本発明の角度検出器１００は、回転トランスを用いることなく精度の高い測定をするものであり、小型、軽量、高信頼性を要求される各種の用途に適している。

１００ 角度検出器、１１０ 励磁巻線、１１０ａ 第１励磁巻線、１１０ｂ 第２励磁巻線、１１０ｃ 第３励磁巻線、１２０ 検出巻線、１３０ ロータ、ＣＷ 時計回り、ＣＣＷ 反時計回り。

Claims (3)

1. 環状の巻線が同心円状に複数配置された励磁巻線（１１０）と、
   前記励磁巻線（１１０）に重ねて所定角度間隔毎に配置された複数の巻線により構成された検出巻線（１２０）と、
   環状の導電体で構成されたロータ（１３０）と、
   を備え、
   前記励磁巻線（１１０）は、半径方向の位置に応じて異なる向きの磁束を生成し、
   前記検出巻線（１２０）は、前記励磁巻線（１１０）の領域内に、前記励磁巻線（１１０）の半径方向を長手方向とした形状の前記複数の巻線により構成され、
   前記ロータは、前記励磁巻線（１１０）で囲まれる領域内において、前記半径方向の位置が周期的に変化するように構成され、
   前記異なる向きの磁束のうちで前記ロータ（１３０）により遮られない磁束により、前記検出巻線（１２０）に検出信号が生成される、
   ことを特徴とする角度検出器。
2. 前記励磁巻線（１１０）は、環状の第１励磁巻線（１１０ａ）と、前記第１励磁巻線（１１０ａ）の内側に設けられた環状の第２励磁巻線（１１０ｂ）と、前記第２励磁巻線（１１０ｂ）の内側に設けられた環状の第３励磁巻線（１１０ｃ）と、により構成され、
   前記第１励磁巻線（１１０ａ）と前記第２励磁巻線（１１０ｂ）と前記第３励磁巻線（１１０ｃ）とは、交互に異なる方向の励磁電流が供給され、前記異なる向きの磁束を生成し、
   前記検出巻線（１２０）は、前記第１励磁巻線（１１０ａ）と前記第２励磁巻線（１１０ｂ）と前記第３励磁巻線（１１０ｃ）との半径方向の領域内に、前記励磁巻線（１１０）の半径方向を長手方向とした形状で構成され、
   前記ロータは、前記第１励磁巻線（１１０ａ）と前記第３励磁巻線（１１０ｃ）とで囲まれる領域内において、前記半径方向の位置が周期的に変化するように構成される、
   ことを特徴とする請求項１に記載の角度検出器。
3. 前記第１励磁巻線（１１０ａ）と前記第２励磁巻線（１１０ｂ）とを流れる励磁電流により第１磁束が形成され、
   前記第２励磁巻線（１１０ｂ）と前記第３励磁巻線（１１０ｃ）とを流れる励磁電流により第２磁束が形成され、
   前記ロータ（１３０）は、回転することにより前記第１磁束と前記第２磁束とを周期的に遮り、
   前記検出巻線（１２０）は、前記第１磁束と前記第２磁束とのうち、前記ロータ（１３０）により遮られない磁束により検出信号を生成する、
   ことを特徴とする請求項２に記載の角度検出器。