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JP2018124248A - 回転位置検出装置及びモータ装置 - Google Patents

回転位置検出装置及びモータ装置 Download PDF

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JP2018124248A JP2017018902A JP2017018902A JP2018124248A JP 2018124248 A JP2018124248 A JP 2018124248A JP 2017018902 A JP2017018902 A JP 2017018902A JP 2017018902 A JP2017018902 A JP 2017018902A JP 2018124248 A JP2018124248 A JP 2018124248A
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真彦 宇仁
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Abstract

【課題】回転位置の検出精度が向上した回転位置検出装置及びそれを備えたモータ装置を提供することを課題とする。
【解決手段】回転体と共に回転し、前記回転体の回転軸心周りの周方向に等角度間隔でN極及びS極が交互に着磁されたFGマグネットと、前記FGマグネットの回転により誘起電圧が発生するように前記FGマグネットに対向したFGパターンが形成された基板と、を備え、前記FGパターンは、前記基板上で互いに電気的に分離した複数のパターンを含み、複数の前記パターンは、180°の整数倍を除いた電気角だけ互いにずれている、回転位置検出装置。
【選択図】図2

Description

本発明は、回転位置検出装置及びモータ装置に関する。
回転体と共に回転するFGマグネットに対向したFGパターンでの誘導起電力に基づいて、回転体の回転位置を検出する回転位置検出装置が知られている(例えば特許文献1参照)。
特開2016−99584号公報
このような回転位置検出装置に対して、検出精度の更なる向上が望まれている。
そこで本発明は、回転位置の検出精度が向上した回転位置検出装置及びそれを備えたモータ装置を提供することを目的とする。
上記目的は、回転体と共に回転し、前記回転体の回転軸心周りの周方向に等角度間隔でN極及びS極が交互に着磁されたFGマグネットと、前記FGマグネットの回転により誘起電圧が発生するように前記FGマグネットに対向したFGパターンが形成された基板と、を備え、前記FGパターンは、前記基板上で互いに電気的に分離した複数のパターンを含み、複数の前記パターンは、180°の整数倍を除いた電気角だけ互いにずれている、回転位置検出装置によって達成できる。また、上記目的は、上記の回転位置検出装置を備えたモータ装置によっても達成できる。
本発明によれば、回転位置の検出精度が向上した回転位置検出装置及びそれを備えたモータ装置を提供できる。
図1は、本実施例に係る回転位置検出装置が搭載されたモータ装置の斜視図である。 図2Aは、FGマグネットとFGパターンとを示した斜視図であり、図2Bは、FGパターンの形状の説明図である。 図3A及び図3Bは、それぞれ、FGマグネットの回転に伴ってパターンのそれぞれで発生した誘起電圧信号を示したグラフであり、図3C及び図3Dは、コンパレータ等によりパターンのそれぞれで発生した誘起電圧信号に基づいて生成された矩形波を示したグラフである。 図4A及び図4Bは、第1変形例のFGパターンの説明図である。 図5Aは、第2変形例のFGパターンの説明図であり、図5Bは、第3変形例の説明図である。 図6Aは、第4変形例のFGパターンの説明図であり、図6Bは、第5変形例の説明図である。
図1は、本実施例に係る回転位置検出装置が搭載されたモータ装置1の斜視図である。モータ装置1は、回転子軸4、回転子ヨーク5、ベースプレート6、プリント基板8、回転子ハブ13、FGマグネット16、バックヨーク17等を備える。回転子軸4は、ベースプレート6にベアリングを介して回転可能に支持されている。回転子ヨーク5は、筒状であって、回転子ハブ13に対して一体に組み付けられている。回転子ハブ13には、内部に、回転子軸4が圧入、焼嵌め、接着、溶接等により一体に組み付けられた筒部が設けられている。また、回転子ヨーク5の内周面には、複数の永久磁石が固定されている。複数の永久磁石は、周方向にN極及びS極が交互に並ぶように配置され、各永久磁石は、回転子ヨーク5内に配置された固定子の各極歯と対向している。固定子の各極歯には、コイルが巻回されており、コイルの通電状態が切り替えられることにより、各極歯と各永久磁石との間に磁気的吸引力又は磁気的反発力が作用して、回転子ヨーク5が回転する。本実施例のモータ装置1は、いわゆるアウターロータ型モータであるが、これに限定されず、インナーロータ型モータであってもよい。
プリント基板8は、ベースプレート6上に配置されている。プリント基板8は、各コイルに導通接続されて、各コイルの通電状態を切り替える。バックヨーク17は、回転子ヨーク5の下端部に設けられ、回転子ヨーク5よりも径が大きく薄い略円板状の磁性体である。FGマグネット16は、バックヨーク17の下面に固定されている。従って、回転子ヨーク5の回転に伴って、バックヨーク17及びFGマグネット16も回転する。FGマグネット16は、プリント基板8と対向する。プリント基板8には、FGマグネット16と対向する面に後述するFGパターン19が形成されている。FGマグネット16の回転に伴ってFGパターン19には誘起電圧が発生する。この電圧信号を検出することにより、FGマグネット16の回転位置、即ち、回転子ヨーク5の回転位置が検出される。従って、FGマグネット16と、FGパターン19が形成されたプリント基板8とが、回転位置検出装置に相当する。尚、本実施例では、FGマグネット16はバックヨーク17に固定されているが、バックヨーク17に限定されずに、回転子ヨーク5にFGマグネット16を接続でき、回転子ヨーク5と共にFGマグネット16が回転できる構造であればよい。
図2Aは、FGマグネット16とFGパターン19とを示した斜視図である。FGマグネット16は、周方向に等角度間隔でN極及びS極が交互に着磁された環状である。ここで、互いに隣接する一対のN極及びS極の、4の中心軸心Cに対する角度をθaとする。FGパターン19は、FGマグネット16と同心状に形成されている。FGパターン19は、周方向で互いに離間しプリント基板8上で互いに電気的に分離した第1パターン19A及び第2パターン19B(以下、単にパターンと称する)を含む。パターン19A及び19Bは、中心軸心Cを同心として同一の周周りに形成され、互いに周方向で所定の間隔を空けて形成されている。
図2Bは、FGパターン19の形状の説明図である。パターン19A及び19Bのそれぞれは、互いに直列に導通した円弧部191、放射部193、第1接続部195、及び第2接続部197を含む。円弧部191は、中心軸心Cを中心とした円弧状である。放射部193、第1接続部195、及び第2接続部197は、円弧部191よりも外側に位置している。放射部193は、中心軸心Cを中心として放射状に延びている。第1接続部195は、隣接する2つの放射部193に連続して、周方向に沿うように略直線状に形成されている。第2接続部197も、隣接する2つの放射部193に連続して、周方向に沿うように略直線状に形成されている。第1接続部195及び第2接続部197は、周方向に交互に並ぶように形成されている。第1接続部195は中心軸心Cから離れており、第2接続部197は中心軸心Cの近くであり円弧部191近傍に形成されている。上述したように円弧部191は円弧状であるが、放射部193、第1接続部195、及び第2接続部197はそれぞれ略直線状である。これら複数の放射部193、第1接続部195、及び第2接続部197は全体で矩形波状となるように連続している。
パターン19Aは、円弧部191の始端部191eから中心軸心Cを中心として円弧状に時計方向に延びて、放射部193eから反対方向に折り返して矩形波状に第2接続部197の終端部197eまで延びている。パターン19Bは、円弧部191の始端部191eから中心軸心Cを中心として円弧上に反時計方向に延びて、放射部193eから反対方向に折り返して矩形波状に第2接続部197の終端部197eまで延びている。
始端部191eは、円弧部191の端部であり、パターン19Aの端部でもある。終端部197eは、第2接続部197の端部でもありパターン19Aの端部でもある。パターン19Aの始端部191e及び終端部197eは互いに近傍に位置している。パターン19Bの始端部191e及び終端部197eも同様である。即ち、パターン19Aの一端に始端部191e及び終端部197eが位置し、パターン19Bの一端に始端部191e及び終端部197eが位置している。また、パターン19A及び19Bの一端同士が対向している。
放射部193eは、複数の放射部193のうち円弧部191に直接連続している部分であり、パターン19Aの他端に相当する。パターン19A及び19Bのそれぞれの放射部193eが対向している。即ち、パターン19A及び19Bの他端同士が対向している。
ここで、上述したFGマグネット16の互いに隣接する一対のN極及びS極の角度θa[deg]は、電気角で360°に対応した機械角である。また、隣接する第1接続部195及び第2接続部197の各中心間の角度をθb[deg]とする。隣接する2つの第1接続部195の各中心間の角度をθc[deg]とする。第1接続部195を介して隣接した2つの放射部193同士の間の角度をθd[deg]とする。第2接続部197を介して連続した2つの放射部193同士の間の角度をθe[deg]とする。上述したようにパターン19A及び19Bのうち、パターン19Aの第1接続部195eとパターン19Bの第1接続部195eとが最も接近して隣接しており、この第1接続部195e同士の中心間の間隔をθf[deg]とする。FGマグネット16の総極数をN1とする。FGマグネット16の総極数とは、周方向に交互に着磁されたS極とN極との総数である。FGパターンの総数をN2とする。このように定義すると、以下の関係式が成立する。
θb=θd=θe=θa/2…(1)
θc=θa…(2)
θa=360/(N1/2)…(3)
θf={θa/(2×N2)}×i…(4)
i≠2n…(5)
ここで、i及びnはそれぞれ整数である。これにより、電気角で180°の整数倍に相当する場合のθfは除外されることになる。
本実施例では、θf=(θa/4)×iが成立する。また、N1=60であり、θa=12°が成立する。尚、iが1、5、9…の場合には、パターン19A及び19Bのそれぞれで誘起される電圧信号は電気角で互いに90°ずれ、iが3、7、11…の場合には、電気角で互いに270°ずれることになる。
図3A及び図3Bは、それぞれ、FGマグネット16の回転に伴ってパターン19A及び19Bのそれぞれで発生した誘起電圧信号を示したグラフである。図3C及び図3Dは、コンパレータ等によりパターン19A及び19Bのそれぞれで発生した誘起電圧信号に基づいて生成された矩形波を示したグラフである。図3A〜3Dは、パターン19A及び19Bのそれぞれで誘起される電圧信号は電気角で互いに90°ずれている場合のグラフである。図3C及び図3Dに示すように、各矩形波の立ち上がったタイミング、又は立ち下ったタイミングを検出することにより、FGマグネット16の回転位置が検出される。このため、例えば従来のように単一のFGパターンのみが形成されている場合と比較して、本実施例ではFGマグネット16の回転位置の分解能が2倍に増大しており、回転位置の検出精度が向上している。
また、上述したように、θfが電気角で180°の整数倍に相当する場合は除外される。即ち、パターン19A及び19Bのそれぞれで誘起される電圧信号が電気角で互いに180°ずれている場合は除外される。例えば、電気角で180°ずれている場合には、パターン19A及び19Bの一方での矩形波形の立ち上がったタイミングと、他方での矩形波形の立ち上がったタイミング又は立ち下がったタイミングとが同じとなる。このため、回転位置の分解能は、従来の単一のFGパターンのみが形成されている場合と同じとなり、回転位置の検出精度は向上しない。これに対して本実施例では上述したように、電気角で互いに180°ずれている場合は除外されるため、回転位置の検出精度が向上している。
また、図2A及び図2Bに示したように、2つのパターン19A及び19Bが同一の周周りに並ぶようにプリント基板8上に形成されている。例えば、2つのパターンを、中心軸心Cを同心として、径方向に並ぶように形成することも考えられる。しかしながら、2つのパターンのそれぞれが上述したように矩形波状に形成されている部分を有している場合、2つのパターンが径方向に並ぶように形成されていることにより、プリント基板8上での2つのパターンの専有面積が増大して、プリント基板8上での他の電子部品の実装面積を確保するためにプリント基板8を大型化する必要性が生じる可能性もある。これに対して本実施例では、上述したように2つのパターン19A及び19Bは同一の周周りに並ぶように形成されているため、プリント基板8上でのパターン19A及び19Bの専有面積の増大を抑制しつつ、回転位置の検出精度の向上が図られている。
次に、複数の変形例について説明する。図4A及び図4Bは、第1変形例のFGパターン20の説明図である。尚、上記実施例と類似の構成については類似の符号を付することにより重複する説明を省略する。尚、図4A及び図4Bは、それぞれ図2A及び図2Bに対応している。
FGパターン20は、2つのパターン20A及び20Bを含む。パターン20Aは、2重に形成されており、具体的には並列パターン20A1及び20A2を含む。並列パターン20A1は、上記実施例のパターン19Aの外側にずれており、並列パターン20A2は、上記実施例のパターン19Aの内側に略同じ距離だけずれている。具体的には、並列パターン20A1は、円弧部201、放射部203、第1接続部205、及び第2接続部207を含む。並列パターン20A2は、円弧部202、放射部204、第1接続部206、及び第2接続部208を含む。円弧部202は、円弧部201よりも径方向の外側に位置している。第1接続部206は、第1接続部205よりも径方向の内側に位置している。第1接続部206を介して隣接した2つの放射部204同士は対向し、第1接続部205を介して隣接した2つの放射部203同士は、2つの放射部204を挟むように位置している。また、第2接続部207を介して隣接した2つの放射部203同士は対向し、第2接続部208を介して隣接した2つの放射部204同士は、2つの放射部203を挟むように位置している。
パターン20Bについても同様に、2重に形成されており、具体的には並列パターン20B1及び20B2を含み、並列パターン20B1は、上記実施例のパターン19Bの外側にずれており、並列パターン20B2は、上記実施例のパターン19Bの内側に略同じ距離だけずれている。また、並列パターン20B1も、円弧部201、放射部203、第1接続部205、及び第2接続部207を含み、並列パターン20B2も、円弧部202、放射部204、第1接続部206、及び第2接続部208を含む。
パターン20Aにおいて、終端部207eが始端部202eに導通接続され、誘起される電圧信号に基づいてFGマグネット16の回転位置が検出される。ここで、上述したように、パターン20Aは並列パターン20A1及び20A2を含むため、パターン20Aに発生する電圧信号の振幅は、上述した実施例のパターン19Aと比較して増大する。この点については、パターン20Bも同様である。
第1変形例においては、隣接する第1接続部205及び第2接続部207の各中心間の角度をθbとする。隣接する2つの第1接続部205の各中心間の角度をθcとする。第1接続部205を介して隣接した2つの放射部203同士の角度をθdとする。第2接続部207を介して連続した2つの放射部203同士の角度をθeとする。パターン20A及び20Bの第1接続部205のうち最も近傍で隣接した第1接続部205e同士の中心間の角度をθfとする。そのほか、FGマグネット16の極数をN1とする。FGパターンの総数をN2とすると、上記の式(1)〜(4)が成立している。これにより、第1変形例においても上記実施例と同様に、回転位置の検出精度が向上している。
尚、第1変形例では、2つのパターン20A及び20Bの何れも2重に形成されているが、2つのパターンのうち一方のみが2重に形成されていてもよい。
次に第2変形例に対説明する。図5Aは、第2変形例のFGパターン21の説明図である。第2変形例のFGパターン21は、図5Aでは省略してあるプリント基板8に形成されたパターン21A及び21Bを含むが、プリント基板8は多層基板である。またパターン21Aは、プリント基板8の最外層の表面に形成された重畳パターン21A1と、プリント基板8の内層に形成された重畳パターン21A2とを含む。同様に、パターン21Bは、プリント基板8の最外層の表面に形成された重畳パターン21B1と、プリント基板8の内層に形成された重畳パターン21B2とを含む。重畳パターン21A1及び21A2は、プリント基板8の面に垂直な方向から見て略重なるように形成され、重畳パターン21B1及び21B2についても同様である。重畳パターン21A1及び21B1は、プリント基板8の同じ最外層の表面に形成され、重畳パターン21A2及び21B2は、プリント基板8の同じ内層に形成されている。重畳パターン21A1の両端部及び重畳パターン21A2の両端部は、重畳パターン21A1及び21A2のそれぞれで発生する誘起電圧の位相が一致するように接続される。このため、21Aでの電圧信号の振幅が増幅されている。重畳パターン21B1及び21B2についても同様である。
尚、第2変形例では、2つのパターン21A及び21Bの何れも、それぞれ、重畳パターン21A1及び21A2、重畳パターン21B1及び21B2を含むが、2つのパターンのうち一方のみが2以上の重畳パターンを含むように構成されていてもよい。また、2つのパターンのうち少なくとも一方が、3以上の重畳パターンを含むように構成されていてもよい。この場合、3以上の重畳パターンは、プリント基板の互いに異なる層にそれぞれ設けられる。
次に第3変形例について説明する。図5Bは、第3変形例の説明図である。第3変形例では、プリント基板8上に、磁気センサであるホールセンサBが配置され、FGマグネット16の内周に環状のセンサマグネット16aが固定されている。従って、回転子ヨーク5及びFGマグネット16と共にセンサマグネット16aが回転する。センサマグネット16aは、周方向に異なる2極に着磁されている。センサマグネット16aとホールセンサBとが対向しており、センサマグネット16aの回転に伴ってFGパターン19には誘起電圧が発生しない程度にセンサマグネット16aとFGパターン19とは離間している。ホールセンサBは、センサマグネット16aのS極と対向した際に所定の信号を出力し、センサマグネット16aのN極と対向した際には上記の信号を出力しない。即ち、ホールセンサBは、センサマグネット16aの回転位置により出力信号が変化する。
第3変形例では、例えば、FGパターン19及びFGマグネット16により検出される回転位置に加えて、ホールセンサBの出力信号が出力されるタイミングでの回転子ヨーク5の位置を原点として検出することにより、絶対的な位置の検出が可能になる。
尚、上述した第1及び第2変形例において、ホールセンサB及びセンサマグネット16aを採用してもよい。
次に第4変形例について説明する。図6Aは、第4変形例のFGパターン22の説明図である。FGパターン22は、周方向に4つに分割されたパターン22A〜22Dを含む。パターン22A及び22B、パターン22B及び22C、パターン22C及び22Dは、それぞれ、上述した式(1)〜(5)の関係を満たす。本実施例では、FGパターン22の総数は、N2=4である。よって、本変形例ではθf={θa/8}×iが成立する。この場合の不図示のFGマグネットの極数は、N1=120であり、θa=6°が成立する。このため、第4変形例では、パターン22A及び22B間、パターン22B及び22C間、パターン22C及び22D間で、それぞれ、互いに電気角で45°ずれている。このため、パターン22Aに対して、パターン22B〜22Dのそれぞれは、電気角で45°、90°、135°ずれている。このように、より多くのパターンを設けることにより、分解能がより向上する。
尚、第4変形例でも、第1変形例のように、パターン22A〜22Dの少なくとも一つが2重に形成されていてもよいし、第2変形例のように、パターン22A〜22Dの少なくとも一つが重畳パターンを含んでもよい。また、第4変形例でも、第3変形例のように、ホールセンサB及びセンサマグネット16aを採用してもよい。
次に第5変形例について説明する。図6Bは、第5変形例のFGパターン23の説明図である。FGパターン23は、周方向に8つに分割されたパターン23A〜23Hを含む。パターン23A及び23B、パターン23B及び23C、パターン23C及び23D、パターン23D及び23E、パターン23E及び23F、パターン23F及び23G、パターン23G及び23Hは、それぞれ、上述した式(1)〜(5)の関係を満たす。本実施例では、FGパターン23の総数は、N2=8である。よって、本変形例ではθf={θa/16}×iが成立する。この場合の不図示のFGマグネットの極数は、N1=240であり、θa=3°が成立する。このため、第5変形例では、パターン23A及び23B間、パターン23B及び23C間、パターン23C及び23D間、パターン23D及び23E間、パターン23E及び23F間、パターン23F及び23G間、パターン23G及び23H間で、それぞれ、電気角で22.5°ずれている。このため、パターン23Aに対して、パターン23B〜23Hのそれぞれは、電気角で22.5°、45°、67.5°、90°、112.5°、135°、157.5°ずれている。このように、更に多くのパターンを設けることにより、分解能がより向上する。
尚、第5変形例でも、第1変形例のように、パターン23A〜23Hの少なくとも一つが2重に形成されていてもよいし、第2変形例のように、パターン23A〜23Hの少なくとも一つが重畳パターンを含んでもよい。また、第5変形例でも、第3変形例のように、ホールセンサB及びセンサマグネット16aを採用してもよい。
上記実施例及び変形例においては、回転位置検出装置はモータ装置に組み込まれているが、このような構成に限定されない。例えば、モータ装置とは別体に構成された回転位置検出装置であってもよい。
以上本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、変形・変更が可能である。
1 モータ装置
16 FGマグネット
16a センサマグネット
19 FGパターン
19A、19B パターン
191 円弧部
193 放射部
195 第1接続部
197 第2接続部
B ホールセンサ
C 中心軸心

Claims (7)

  1. 回転体と共に回転し、前記回転体の回転軸心周りの周方向に等角度間隔でN極及びS極が交互に着磁されたFGマグネットと、
    前記FGマグネットの回転により誘起電圧が発生するように前記FGマグネットに対向したFGパターンが形成された基板と、を備え、
    前記FGパターンは、前記基板上で互いに電気的に分離した複数のパターンを含み、
    複数の前記パターンは、180°の整数倍を除いた電気角だけ互いにずれている、回転位置検出装置。
  2. 複数の前記パターンは、互いに前記回転軸心を同心とした同一の周周りに形成され、隣接する前記パターン同士は、前記周方向に間隔を空けて対向している、請求項1の回転位置検出装置。
  3. 隣接する前記パターンは、それぞれ、前記回転軸心周りの周方向に円弧状に形成された円弧部、前記回転軸心周りに放射状に延びた放射部、隣接する前記放射部同士を前記回転軸心から離れた側で接続する第1接続部、隣接する前記放射部同士を前記回転軸心に近い側で接続し前記第1接続部と前記周方向で交互に並ぶ第2接続部、を有し、
    以下の関係式を満たす、請求項1又は2の回転位置検出装置。
    θb=θd=θe=θa/2…(1)
    θc=θa…(2)
    θa=360/(N1/2)…(3)
    θf={θa/(2×N2)}×i…(4)
    i≠2n…(5)
    但し、θa[deg]は、前記FGマグネットの互いに隣接する一対の前記N極及びS極の角度であり、
    θb[deg]は、隣接する前記第1及び第2接続部の各中心間の角度であり、
    θc[deg]は、隣接する前記第1接続部同士の中心間の角度であり、
    θd[deg]は、前記第1接続部を介して互いに隣接した2つの前記放射部同士の間の角度であり、
    θe[deg]は、前記第2接続部を介して互いに隣接した2つの前記放射部同士の間の角度であり、
    θf[deg]は、前記第1及び第2パターンの前記第1接続部のうち、最も近くで隣接した前記第1パターンの前記第1接続部と前記第2パターンの前記第1接続部との各中心間の角度であり、
    N1は、前記FGマグネットの総極数であり、
    N2は、複数の前記パターンの総数であり、
    i及びnはそれぞれ整数である。
  4. 複数の前記パターンの少なくとも一つは、2重に形成されている、請求項1乃至3の何れかの回転位置検出装置。
  5. 前記基板は、複数の層を有した多層基板であり、
    複数の前記パターンの少なくとも一つは、互いに異なる層に設けられた複数のパターンを含む、請求項1乃至4の何れかの回転位置検出装置。
  6. 前記回転体と共に回転するセンサマグネットと、
    前記センサマグネットの回転位置により出力信号が変化するホールセンサと、を備えた請求項1乃至5の何れかの回転位置検出装置。
  7. 請求項1乃至6の何れかの前記回転位置検出装置を備えたモータ装置。
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