JP2019032200A - 位置センサ及びモータ - Google Patents

Abstract

【課題】永久磁石を用いない位置センサでロータ位置を高精度に検出する。
【解決手段】位置センサ１は、シャフト５に固定されたロータ２の回転によるインダクタンスの変化に基づきステータ３に対するロータ２の回転位置を検出する。筒状のステータ３はシャフト５の回転中心Ｃと同心配置され、内周面３０ａから回転中心Ｃに向かって突設されて互いに対向配置された一対の主磁極３１からなる磁極対３２Ａ，３２Ｂと、各主磁極３１の両側に位置し、内周面３０ａから内側に突設された補助磁極３３とを有する。ロータ２は、回転中心Ｃからの距離が一定の基準円筒面２０ａから外側へ突設された少なくとも一対の凸極２１を有する。位置センサ１は、各磁極対３２Ａ，３２Ｂの夫々の主磁極３１に巻回されたコイルからなるコイル対４Ａ，４Ｂを有し、コイル対４Ａ，４Ｂを構成する二つのコイルは巻回方向が互いに同一である。
【選択図】図１

Description

本発明は、モータのロータ回転位置を検出するインダクタンス式の位置センサと、この位置センサを備えたモータとに関する。

従来、モータ（特にブラシレスモータ）には、その回転数や回転角度（回転位置）を検出するための検出器（センサ）が付設される。検出器としては、例えば、モータのロータに備えた永久磁石の磁束によりロータの回転位置を検出するホールセンサがある（例えば特許文献１参照）。ホールセンサを備えたブラシレスモータでは、ホールセンサからの出力信号に基づきロータの回転位置を特定し、最適なタイミングで電流を流すことでロータを回転させている。

特許第２６３９５２１号公報

しかしながら、ホールセンサと永久磁石とを用いた位置検出手段の場合、磁石の強度（堅牢性）が鉄などの金属に比べて低いことに加え、磁石の加工精度を高めにくいことから、重量バランスの調整や回転軸への固定などに工夫が必要となる。そのため、このような位置検出手段を高速回転にも耐えうるように構成すると、製造コストが嵩むおそれがある。また、ホールセンサのような電子部品は高温環境に弱いものが多く、自動車のエンジン周辺のような高温環境下では使用できない場合がある。さらに、永久磁石を使用しないモータ（例えばスイッチトリラクタンスモータ、以下「ＳＲモータ」という）は、マグネットレスにより高い堅牢性や耐熱性といったメリットを有しているが、このＳＲモータに永久磁石を用いた位置検出手段を装備してしまうと、せっかくのメリットが失われてしまうという課題がある。

また、モータの回転位置を検出するセンサは、モータの磁気回路に近接配置されることから、この磁気回路から漏れる磁束（「漏れ磁束」や「鎖交磁束」と呼ばれる）の影響を受けやすい。特に、モータの漏れ磁束は時間的に変動するため、センサのコイルに誘起電圧を生じさせ、この誘起電圧がノイズとなってセンサ出力に重畳し、センサの誤検出を招く。なお、モータの漏れ磁束に限らず、センサの近くに大きな電流が流れる装置が存在する場合には、その装置からの磁束が外乱となってセンサの誤検出を引き起こす可能性がある。

本件は、このような課題に鑑み案出されたもので、ステータに対するロータの回転位置を、永久磁石を用いない位置センサによって高精度に検出することを目的の一つとする。また、本件のモータは、永久磁石を用いない位置センサによって回転位置を検出することで、マグネットレスのメリットを活かすことを目的の一つとする。なお、これらの目的に限らず、後述する発明を実施するための形態に示す各構成により導かれる作用効果であって、従来の技術によっては得られない作用効果を奏することも本件の他の目的である。

（１）ここで開示する位置センサは、シャフトに固定されたロータの回転によるインダクタンスの変化に基づいて、ステータに対する前記ロータの回転位置を検出する位置センサであって、筒状に形成され、前記シャフトの回転中心と同心に配置されるとともに、内周面から前記回転中心に向かって突設されて互いに対向配置された一対の主磁極からなる磁極対を複数組有する前記ステータと、前記回転中心からの距離が一定の基準円筒面から径方向外側へ突設された少なくとも一対の凸極を有する前記ロータと、直流電源に接続され、各組の前記磁極対の夫々の前記主磁極に巻回されたコイルからなるコイル対と、を備える。前記ステータは、各々の前記主磁極の周方向両側に位置し、前記内周面から径方向内側に突設された補助磁極を有する。また、前記コイル対を構成する二つの前記コイルは、前記回転中心から各々の前記主磁極を見たときの巻回方向が互いに同一である。

（２）前記補助磁極は、周方向に隣接する二つの前記主磁極の間に一つずつ配置されていることが好ましい。
（３）周方向に隣接する前記主磁極と前記補助磁極との間隔が、すべて同一であることが好ましい。
（４）前記ロータの外周面と前記主磁極との間のエアギャップ、及び、前記ロータの前記外周面と前記補助磁極との間のエアギャップは同一であることが好ましい。

（５）前記ロータは、永久磁石以外の磁性体で形成されていることが好ましい。
（６）ここで開示するモータは、上記（１）〜（５）のいずれか一つに記載の位置センサと、前記シャフトと一体回転し、永久磁石を有さないモータロータと、ハウジングに固定され、永久磁石を有さないモータステータと、を備えている。

開示の位置センサによれば、永久磁石を有しないロータを用いて、高精度にステータに対するロータの回転位置を検出することができる。
さらに、開示のモータによれば、永久磁石を用いない位置センサによって回転位置を検出することで、マグネットレスのメリットを活かすことができる。

実施形態に係る位置センサの磁気回路部を軸方向から見た模式図である。 図１に示す位置センサの電気回路部を例示する図である。 （ａ）は図１に示す磁気回路部に生じる磁束の流れを説明するための図であり、（ｂ）は図１の磁気回路部から補助磁極を除いた場合の磁束の流れを説明するための図である。 ロータの回転によって変化するインダクタンスと、スイッチングにより変化するシャント電圧と、処理部で行われる信号処理の内容とを併せて例示する図であり、機械角９０度の範囲を示す。 実施形態に係るモータを例示する模式的な分解斜視図である。 第一変形例に係る位置センサの磁気回路部を軸方向から見た模式図である。 第二変形例に係る位置センサの磁気回路部を軸方向から見た模式図である。 図７に示す位置センサの電気回路部を例示する図である。

図面を参照して、実施形態としての位置センサ及びモータについて説明する。以下に示す実施形態はあくまでも例示に過ぎず、以下の実施形態で明示しない種々の変形や技術の適用を排除する意図はない。本実施形態の各構成は、それらの趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。また、必要に応じて取捨選択することができ、あるいは適宜組み合わせることができる。

［１．構成］
図１は、本実施形態に係る位置センサ１をシャフト５（回転軸）の軸方向から見た（軸方向視の）模式図である。本実施形態の位置センサ１は、永久磁石を有しないものであり、シャフト５に固定されたロータ２の回転によるインダクタンスＬの変化から、ステータ３に対するロータ２の回転位置（以下「ロータ位置」という）を検出する。

本実施形態では、ロータ２が一回転すると（機械角３６０度のあいだに）２パルスを出力する位置センサ１を例示する。すなわち、本実施形態の位置センサ１は、ロータ位置が、機械角３６０度を４等分した９０度ごとの範囲（例えば０〜９０度，９０〜１８０度，１８０〜２７０度，２７０〜３６０度の４つの範囲）のうち、第一及び第三の範囲（０〜９０度及び１８０〜２７０度）に属するのか、あるいは、第二及び第四の範囲（９０〜１８０度及び２７０〜３６０度）に属するのかを検出（特定）する。なお、ロータ２の一回転でのパルス数は２パルスに限られない。この変形例については後述する。

位置センサ１は、例えば図５に示すようなモータ９に組み込まれる。モータ９は、永久磁石を有していないスイッチトリラクタンスモータ（以下「ＳＲモータ９」という）であり、図示しないハウジングに固定されるモータステータ９Ａと、シャフト５と一体回転するモータロータ９Ｂとを備えている。なお、図５では、位置センサ１のロータ２とステータ３とを分解して示すとともに、ＳＲモータ９のモータステータ９Ａ及びモータロータ９Ｂも分解して示す。モータステータ９Ａには四つのモータティース部９Ｃが設けられており、各モータティース部９Ｃにはインシュレータ９Ｄを介してモータコイル９Ｅが巻回されている。

位置センサ１は、ＳＲモータ９のシャフト５上に配置され、ステータ３がハウジングに固定されるとともにロータ２がシャフト５に固定される。位置センサ１は、図１に示す磁気回路部１Ｍと図２に示す電気回路部１Ｅとから構成され、ロータ位置を検出することで、ＳＲモータ９の回転位置（モータ回転角度）を検出する。磁気回路部１Ｍは、ロータ２，ステータ３及び二組のコイル対４Ａ，４Ｂを有し、電気回路部１Ｅは、処理部６及び励磁回路１０を有する。なお、後述するように、コイル対４Ａ，４Ｂは励磁回路１０にも含まれる要素である。本実施形態のロータ２は、永久磁石以外の磁性体（例えばケイ素鉄やソフトフェライトのような強磁性かつ軟磁性の材料）で形成されている。磁性体は強磁性かつ軟磁性であるとよい。

図１に示すように、ロータ２は、シャフト５の回転中心Ｃからの距離が一定の円筒部２０と、円筒部２０の基準円筒面２０ａから径方向外側へ突設された一対の凸極２１とを有する。一対の凸極２１は同一形状をなし、周方向に互いに１８０度ずれて設けられる。本実施形態の凸極２１は、軸方向視で基準円筒面２０ａに沿う円弧状であり、凸極２１の周方向における両端には角部が設けられる。なお、凸極２１の形状は図１に示すものに限られない。本実施形態のＳＲモータ９は、図５に示すように、ロータ２とモータロータ９Ｂとが同一のシャフト５に固定されており、ロータ２の凸極２１とモータロータ９Ｂの凸極９１とが位相差を保って回転するように配置されている。すなわち、本実施形態のＳＲモータ９は一対の凸極９１を有する二相ＳＲモータである。

図１に示すように、ステータ３は環状（筒状）に形成されており、シャフト５の回転中心Ｃと同心に配置される。本実施形態のステータ３は、軸方向視で円環状の筒部３０と、筒部３０の内周面３０ａから回転中心Ｃに向かって（すなわち径方向内側へ）突設された複数の主磁極３１と、各主磁極３１の周方向両側に配置された補助磁極３３とを有する。互いに対向配置された一対の主磁極３１は、一つの磁極対３２を構成する。本実施形態では、周方向に互いに９０度ずれて配置された二組の磁極対３２を有するステータ３を例示する。以下、二組の磁極対３２のうちの一方を第一磁極対３２Ａと呼び、他方を第二磁極対３２Ｂと呼ぶ。なお、四つの主磁極３１は、全て同一形状に形成されている。

本実施形態では、二組の磁極対３２Ａ，３２Ｂが位相を９０度ずらして配置される。つまり、ステータ３には、同一形状の四つの主磁極３１が周方向に互いに９０度ずれて（すなわち等間隔に）配置される。各主磁極３１は、ステータ３の内周面３０ａから径方向に延びるティース３１ａと、ティース３１ａの径方向内側の端部に設けられた羽根状に広がった壁部（以下「羽根３１ｂ」という）とを有し、軸方向視で略Ｔ字状をなす。ティース表面とコイル対４Ａ，４Ｂとはインシュレータ（図示略）により電気的に絶縁される。

各補助磁極３３は、筒部３０の内周面３０ａから回転中心Ｃに向かって突設される。本実施形態の補助磁極３３は、周方向に隣接する二つの主磁極３１間に一つずつ配置されている。すなわち、ステータ３は、四つの主磁極３１と四つの補助磁極３３とを有し、これらが周方向に交互に配置されている。周方向に隣接する主磁極３１と補助磁極３３との間隔はすべて同一である。また、ロータ２の外周面と主磁極３１との間のエアギャップ、及び、ロータ２の外周面と補助磁極３３との間のエアギャップは同一である。言い換えると、四つの主磁極３１と四つの補助磁極３３とは、内周面３０ａからの突出長さがすべて同一となっている。本実施形態の補助磁極３３は、主磁極３１のように羽根３１ｂを有さず、径方向において一様な断面を持つ。また、補助磁極３３の径方向内側の端面は、ロータ２の凸極２１との間に均一な間隔を形成するように湾曲形成されている。なお、補助磁極３３の形状はこれに限られず、例えば羽根状に広がった形状であってもよい。

二組のコイル対４Ａ，４Ｂは、電流が印加される入力コイルであり、各磁極対３２Ａ，３２Ｂのそれぞれの主磁極３１に巻回されたコイルからなる。具体的には、第一のコイル対４Ａ（以下「第一コイル対４Ａ」ともいう）は、第一磁極対３２Ａの一方の主磁極３１に対して巻回されたコイル４１ａと、他方の主磁極３１に対して巻回されたコイル４２ａとから構成される。同様に、第二のコイル対４Ｂ（以下「第二コイル対４Ｂ」ともいう）は、第二磁極対３２Ｂの一方の主磁極３１に対して巻回されたコイル４１ｂと、他方の主磁極３１に対して巻回されたコイル４２ｂとから構成される。

第一コイル対４Ａを構成する二つのコイル４１ａ，４２ａは、通電時に互いに反対磁極となるように巻回される。図１のように直列接続で連続して巻回される場合、コイル４１ａ，４２ａは回転中心Ｃから各主磁極３１を見たときの巻回方向が互いに同一である。同様に、第二コイル対４Ｂを構成する二つのコイル４１ｂ，４２ｂは、回転中心Ｃから各主磁極３１を見たときの巻回方向が互いに同一である。なお、隣り合うコイル４１ａ及び４１ｂの巻回方向は同一でもあってもよいし、反対であってもよい。また、四つのコイル４１ａ，４２ａ，４１ｂ，４２ｂの巻数はすべて同一である。

本実施形態の位置センサ１は、ロータ２の回転時に、二組のコイル対４Ａ，４ＢのインダクタンスＬの大小関係に基づいてロータ位置を検出する。そのため、位置センサ１の近傍に大きな電流が流れる装置が存在すると、その装置からの磁束が外乱となって位置センサ１の誤検出を引き起こす可能性がある。本実施形態のように、位置センサ１がＳＲモータ９に組み込まれる場合、位置センサ１はＳＲモータ９の磁気回路（図示略）に近接配置されることから、磁気回路からの漏れ磁束の影響を受けやすい。

二相ＳＲモータ９の場合、磁気回路からの漏れ磁束は、図３（ｂ）中に一点鎖線で示すように、互いに直交する二系統の矢印で表現される。なお、図３（ｂ）に示す位置センサ１′（磁気回路部１Ｍ′）は、上記の位置センサ１に対して、ステータ３′が補助磁極３３を有していない点のみが異なる。仮に、一方のコイル対を構成する二つのコイルが互いに同一方向に巻回され、かつ、他方のコイル対を構成する二つのコイルが互いに同一方向に巻回されていたとすると、時間的に変動する漏れ磁束によって各コイルには誘起電圧が生じ、各コイルに流れる電流値にノイズが重畳してしまう。

これに対し、二相ＳＲモータ９に図３（ｂ）の位置センサ１′を組み込んだ場合、対向する二つのコイル４１ａ，４２ａの回転中心Ｃから各主磁極３１を見たときの巻回方向は互いに同一であるが、図中横方向の漏れ磁束により、一方のコイル４１ａには漏れ磁束が回転中心Ｃに向かう方向に鎖交するためプラスの電圧が生じ、他方のコイル４２ａには漏れ磁束が回転中心Ｃから離れる方向に鎖交するため同レベルのマイナスの電圧が生じて互いにキャンセルし合う。このため、横方向の漏れ磁束によるノイズがキャンセルされる。同様に、位置センサ１′では、対向する二つのコイル４１ｂ，４２ｂの巻回方向が互いに同一であるが、漏れ磁束が鎖抗する方向が異なるため、図中縦方向の漏れ磁束によるノイズもキャンセルされる。

しかしながら、図３（ｂ）に示す位置センサ１′では、図３（ｂ）中に太矢印及び破線矢印で示すように、励磁により発生する磁束Φ_EA，Φ_EBもキャンセルしてしまい、センサとして成り立たない。すなわち、図３（ｂ）中に太矢印で示すように、一方のコイル４１ａで生じる磁束Φ_EAの方向と他方のコイル４２ａで生じる磁束Φ_EAの向きとが逆向きになることから、互いの磁束Φ_EAが打ち消されてしまう。同様に、図３（ｂ）中に破線矢印で示すように、一方のコイル４１ｂで生じる磁束Φ_EBと他方のコイル４２ｂで生じる磁束Φ_EBとが互いに打ち消されてしまう。このため、二組のコイル対４Ａ，４Ｂの磁束差が得られず、コイル対４Ａ，４ＢのインダクタンスＬの差が生じない。

これを解決するために、本実施形態の位置センサ１には複数の補助磁極３３が設けられている。補助磁極３３は、コイル４１ａ等で生じる磁束Φ_EA，Φ_EBが打ち消されるのを防止する機能を持つ。すなわち、図３（ａ）中に太矢印及び破線矢印で示すように、補助磁極３３は、コイル４１ａ等でそれぞれ生じる磁束Φ_EA，Φ_EBにそれぞれの磁路を与えるためのものである。なお、本実施形態の主磁極３１は、図３（ａ）に示すように、位置センサ１が取り付けられるＳＲモータ９からの漏れ磁束の方向に沿う方向に突設されているが、主磁極３１の突設方向はこれに限られない。

第一コイル対４Ａのコイル４１ａ，４２ａのそれぞれで生じる磁束Φ_EAは、主磁極３１の羽根３１ｂからロータ２を経由し、両側の補助磁極３３に向かって二手に分かれて湾曲して、補助磁極３３及び筒部３０を通って主磁極３１に戻るため、それぞれ別の磁路を通る。同様に、第二コイル対４Ｂのコイル４１ｂ，４２ｂのそれぞれで生じる磁束Φ_EBは、主磁極３１の羽根３１ｂからロータ２を経由し、両側の補助磁極３３に向かって二手に分かれて湾曲して、補助磁極３３及び筒部３０を通って主磁極３１に戻るため、それぞれ別の磁路を通る。このとき、二つの磁極対３２Ａ，３２Ｂのそれぞれとロータ２の凸極２１との距離が相違すれば、二つの磁束Φ_EA，Φ_EBに差が生じるため、コイル対４Ａ，４Ｂの電流変化を介して、コイル対４Ａ，４ＢのインダクタンスＬの大小関係が把握される。

図２に示すように、本実施形態の励磁回路１０には、直流電源１１と、スイッチ１２と、上記した二組のコイル対４Ａ，４Ｂと、二つの抵抗１３Ａ，１３Ｂと、ダイオード１４と、二つの出力端子１５Ａ，１５Ｂとが設けられる。スイッチ１２は各コイル対４Ａ，４Ｂへの電流のオンオフを切り替えるものであり、直流電源１１に対して直列に接続される。二組のコイル対４Ａ，４Ｂは互いに並列接続されるとともに、いずれも直流電源１１に対して直列に接続される。また、二つの抵抗１３Ａ，１３Ｂのそれぞれは、各コイル対４Ａ，４Ｂに対して直列に接続される。ダイオード１４は直流電源１１に対して直列に接続される。また、二つの出力端子１５Ａ，１５Ｂは、各コイル対４Ａ，４Ｂと各抵抗１３Ａ，１３Ｂとの間にそれぞれ設けられる。以下、二つの出力端子１５Ａ，１５Ｂを区別する場合には、第一コイル対４Ａ側の一方を第一出力端子１５Ａと呼び、第二コイル対４Ｂ側の他方を第二出力端子１５Ｂと呼ぶ。

より具体的には、第一コイル対４Ａの一端４Ａ₁はスイッチ１２を介して直流電源１１のプラス端子に接続され、第一コイル対４Ａの他端４Ａ₂は抵抗１３Ａを介して直流電源１１のマイナス端子に接続される。また、第二コイル対４Ｂの一端４Ｂ₁はスイッチ１２を介して直流電源１１のプラス端子に接続され、第二コイル対４Ｂの他端４Ｂ₂は抵抗１３Ｂを介して直流電源１１のマイナス端子に接続される。スイッチ１２がオンになると、両方のコイル対４Ａ，４Ｂに電流が流れ、出力端子１５Ａ，１５Ｂのそれぞれから抵抗１３Ａ，１３Ｂにかかる電圧値Ｖ_A，Ｖ_Bを検出可能となる。以下、二つの電圧値Ｖ_A，Ｖ_Bを区別する場合には、第一出力端子１５Ａ側を第一電圧値Ｖ_Aともいい、第二出力端子１５Ｂ側を第二電圧値Ｖ_Bともいう。

処理部６は、ロータ２の回転時にスイッチ１２を高周波でスイッチングし、二組のコイル対４Ａ，４ＢのインダクタンスＬの大小関係に基づいて、ステータ３に対するロータ位置を検出する処理を行う。処理部６は、例えば信号処理回路で構成される。スイッチングの周波数は少なくともロータ２の回転数よりも十分に高く、例えば５０ｋＨｚとされる。本実施形態の処理部６は、各コイル対４Ａ，４ＢのインダクタンスＬの代わりに、各抵抗１３Ａ，１３Ｂにかかる電圧値Ｖ_A，Ｖ_Bを各出力端子１５Ａ，１５Ｂから取得し、各電圧値Ｖ_A，Ｖ_Bを処理して出力信号（パルス信号）に変換する。

図４は、ロータ２の回転によって変化するインダクタンスＬと、スイッチングにより変化する電圧値Ｖ_A，Ｖ_B（シャント電圧）と、処理部６で行われる信号処理の内容とを併せて例示する図であり、機械角９０度の範囲を示す。図４の横軸はロータ２の機械角である。図４には、機械角９０度の範囲で変化するインダクタンスＬと、スイッチ１２に入力されるクロック（オンオフ信号）と、電圧値Ｖ_A，Ｖ_B（シャント電圧）と、二つの電圧値Ｖ_A，Ｖ_Bの大小関係の比較結果と、サンプリングタイミングと、出力信号とを示す。インダクタンスＬ及び電圧値Ｖ_A，Ｖ_Bの変化を示す波形（電圧波形）は、実線が第一コイル対４Ａのものに対応し、破線が第二コイル対４Ｂのものに対応する。なお、図４では、一点鎖線で示すように電圧波形の一部を拡大して例示する。

ロータ２が回転すると、各磁極対３２Ａ，３２Ｂとロータ２の外周面との距離が変化する。例えば、ロータ位置が図１に示す状態である場合、第一磁極対３２Ａとロータ２の外周面との距離は、凸極２１の突出分だけ、第二磁極対３２Ｂとロータ２の外周面との距離よりも短くなる。このため、第一コイル対４Ａの磁気抵抗が第二コイル対４Ｂの磁気抵抗よりも小さくなり、図３（ａ）に示すように、励磁による発生磁束量は第一コイル対４Ａの方が第二コイル対４Ｂよりも多くなる。すなわち、図１及び図３（ａ）に示すロータ位置の場合、第一コイル対４Ａの方が第二コイル対４ＢよりもインダクタンスＬが大きくなる。この状態でスイッチ１２がオンになると、インダクタンスＬの大きな第一コイル対４Ａの方が第二コイル対４Ｂよりも電流の立ち上がりが遅くなる。

また、ロータ２が図１及び図３（ａ）の状態から４５度を越えて回転すると、凸極２１は第一磁極対３２Ａから離れて第二磁極対３２Ｂに接近することから、励磁による発生磁束量は、第一コイル対４Ａの方が第二コイル対４Ｂよりも少なくなり、第一コイル対４Ａの方が第二コイル対４ＢよりもインダクタンスＬが小さくなる。そのため、この状態でスイッチ１２がオンになると、インダクタンスＬの小さな第一コイル対４Ａの方が第二コイル対４Ｂよりも電流の立ち上がりが早くなる。

つまり、二組のコイル対４Ａ，４Ｂのうち、スイッチ１２がオン状態のときの電流値が小さい一方が巻回された磁極対３２Ａ，３２Ｂにロータ２の外周面がより近接していることになる。そのため、スイッチ１２のオンオフを高速で繰り返し、スイッチ１２がオンのときの任意のタイミングにおける、二組のコイル対４Ａ，４Ｂの電流値の大小関係を比較することで、ロータ２の凸極２１の位置（すなわちロータ位置）を判断可能となる。本実施形態の励磁回路１０は、図４中に実線及び破線で示すように、電流値の代わりに抵抗１３Ａ，１３Ｂにかかる電圧値Ｖ_A，Ｖ_Bを出力端子１５Ａ，１５Ｂのそれぞれから出力するため、処理部６は電圧値Ｖ_A，Ｖ_Bの大小関係を比較する。

また、インダクタンスＬは、図４中に実線及び破線で示すように、一方が大きいと他方が小さく、かつ、一方が減少し始めると他方が増加し始め、ある角度で大小関係が逆転する特性を持っている。インダクタンスＬの大小関係が逆転する位置（機械角）は、図１及び図３（ａ）のロータ位置から４５度だけ回転した位置、すなわち、周方向に隣接する二つの磁極３１の中央にある補助磁極３３に凸極２１が対向したときの機械角である。処理部６は、このインダクタンスＬの変化（特性）を直接的に検出する代わりに、上述した処理を行うことで電圧波形を出力信号に変換し、ロータ位置を検出（特定）する。

処理部６は、図４に示すように、所定の周期（例えば５０ｋＨｚ）でオンオフを繰り返すクロック信号をスイッチ１２に入力する。すなわち、クロックがオンのときにスイッチ１２がオンになるため、コイル対４Ａ，４Ｂに電流が流れ、各出力端子１５Ａ，１５Ｂから電圧が出力される。このときの電圧（電流）の立ち上がりは、コイル対４Ａ，４Ｂの各インダクタンスＬに応じて決まる。例えば、第一コイル対４ＡのインダクタンスＬが大きい場合、図中に拡大して示すように、クロック（スイッチ１２）がオンであるときの電圧の立ち上がりは、第二電圧値Ｖ_Bの方が第一電圧値Ｖ_Aよりも早い（すなわち、第二電圧値Ｖ_Bの方が大きな傾きとなる）。

処理部６は、二つの電圧値Ｖ_A，Ｖ_Bをコンパレータ（図示略）に入力することで、図中の比較波形（比較のオンオフ信号）を取得する。本実施形態のコンパレータは、「第一電圧値Ｖ_A≧第二電圧値Ｖ_B」であるときにオン信号を出力し、「第一電圧値Ｖ_A＜第二電圧値Ｖ_B」であるときにオフ信号を出力する。なお、「第一電圧値Ｖ_A≧第二電圧値Ｖ_B」であるときにオフ信号を出力し、「第一電圧値Ｖ_A＜第二電圧値Ｖ_B」であるときにオン信号を出力するようにしてもよい。サンプリングタイミングは、比較のオンオフ信号を抽出するタイミングを決める信号であり、クロックに同期している。サンプリングタイミングは、例えばクロックがオフからオンまたはオンからオフに切り替わった瞬間と同時であってもよいし、切り替えの瞬間から数μ秒後といった任意のタイミングであってもよい。

処理部６は、クロックに同期したサンプリングタイミングで比較のオンオフ信号を抽出し、比較のオン信号及びオフ信号と同じオンオフ状態の出力信号を出力する。すなわち、処理部６は、比較がオン信号である場合には出力信号をオンとし、比較がオフ信号である場合には出力信号をオフとする。図４に示す例では、二つの電圧波形が略重なる機械角θ₁のときに、出力信号がオフからオンへと切り替わっている。この切り替えタイミング（すなわち機械角θ₁）は、インダクタンスＬの大小関係が逆転する角度であり、本実施形態では図１及び図３（ａ）に示すロータ位置から４５度回転した位置となる。なお、図４には機械角９０度の範囲のみを図示しているが、９０〜１８０度，１８０〜２７０度，２７０〜３６０度の各範囲においても、図４と同様の出力信号が出力される。このように、インダクタンスＬを直接的に検出できなくても、電圧波形からインダクタンスＬの大小関係を求めることができ、ロータ位置の検出（特定）が可能である。

なお、位置センサ１のロータ２とＳＲモータ９のモータロータ９Ｂとはいずれもシャフト５に回転不能に固定されている。このため、処理部６から出力される出力信号（オン又はオフ）に基づきロータ位置が検出（特定）され、さらにこの出力信号（あるいはロータ位置情報）に基づいてモータロータ９Ｂを回転させるための電流制御が実施可能である。

［２．効果］
（１）上述した位置センサ１では、第一コイル対４Ａが互いに同一方向に巻回されたコイル４１ａ，４２ａから構成され、第二コイル対４Ｂが互いに同一方向に巻回されたコイル４１ｂ，４２ｂから構成されるため、外乱の影響をキャンセルすることができる。例えば、ＳＲモータ９からの漏れ磁束により、一方のコイル（例えばコイル４１ａと４１ｂ）にプラスの電圧が発生しても、他方のコイル（例えばコイル４２ａと４２ｂ）には同レベルのマイナスの電圧が発生するため、相殺することができる。

さらに、上述した位置センサ１には補助磁極３３が設けられるため、コイル４１ａ，４２ａで生じる磁束Φ_EA及びコイル４１ｂ，４２ｂで生じる磁束Φ_EBが打ち消し合うことなく、それぞれ別の磁路を通る。このため、二組のコイル対４Ａ，４Ｂの磁束差（すなわちコイル対４Ａ，４ＢのインダクタンスＬの差）に起因した電流変化を介して、インダクタンスＬの大小関係に基づいてロータ位置を検出することができる。したがって、上述した位置センサ１によれば、永久磁石を有しないロータ２を用いて、高精度にステータ３に対するロータ位置を検出することができる。

また、上述した位置センサ１によれば、相対比較によってロータ位置を検出できるため、例えば直流電源１１の電圧が変動した場合であっても、検出精度を保つことができる。さらに、上述した位置センサ１によれば、磁気回路部１Ｍ及び電気回路部１Ｅの構成をいずれもシンプルにすることができる。

（２）上述した位置センサ１では、補助磁極３３が、周方向に隣接する二つの主磁極３１の間に一つずつ配置されている。これにより、周方向に隣接する二つの主磁極３１により、間に位置する一つの補助磁極３３が共用されるため、ステータ３（位置センサ１）の構成を簡素化することができる。
（３）さらに、上述した位置センサ１によれば、周方向に隣接する主磁極３１と補助磁極３３との間隔がすべて同一であるため、漏れ磁束の打消し効果を得やすい。さらに、設計が容易になるとともに、コイル４１ａ等が巻きやすくなり、生産性を向上させることができる。

（４）上述した位置センサ１によれば、主磁極３１のエアギャップと補助磁極３３のエアギャップとが同一であることから、設計が容易になるとともに、生産性を向上させることができる。
（５）上述した位置センサ１のように、ロータ２が永久磁石以外の磁性体で形成されていれば、ケイ素鉄のような安価で比較的加工しやすい材料を使用できるため、ロータ２のコストを低減することができる。

（６）また、位置センサ１が永久磁石を用いていないため、この位置センサ１によって回転位置を検出することで、上述したＳＲモータ９が持つ高い堅牢性や耐熱性といったメリットを活かすことができる。さらに、上述したＳＲモータ９によれば、位置センサ１が上述したように直流電源１１の電圧変動によらず検出精度を保つことができるため、モータロータ９Ｂを回転させるための電流制御を安定して実施することができる。

［３．その他］
上述した実施形態では、一回転で２パルスを出力する位置センサ１を例示したが、位置センサ１の構成はこれに限られない。例えば、図６に示すように、一対の凸極２１を三組有するロータ２ｘを備えた位置センサ１ｘであってもよい。なお、図６の位置センサ１ｘ（磁気回路部１Ｍｘ）は、上記実施形態の位置センサ１に対し、ロータ２ｘの形状及びステータ３ｘの羽根３１ｂの回転方向長さが異なり、その他の構成（励磁回路１０の構成，処理部６での処理内容等）は同一である。

位置センサ１ｘは、同一形状の六つの凸極２１がロータ２ｘの周方向に６０度ずつずれて配置されている。また、ステータ３ｘの磁極３１の羽根３１ｂの回転方向の長さがロータ２ｘの凸極２１の回転方向の長さと同程度となっている。羽根３１ｂの回転方向長さが長くなるとインダクタンスＬの変化が小さくなるため、羽根３１ｂと凸極２１との長さ関係は、羽根３１ｂの中央位置と凸極２１の中央位置とを合わせたときに、羽根３１ｂの回転方向両端部が凸極２１ｂ間の凹部の１／４以内であることが望ましい。

この位置センサ１ｘでは、二組のコイル対４Ａ，４ＢのインダクタンスＬが上述した実施形態よりも短い周期（機械角）でその大小関係が逆転する。この位置センサ１ｘであれば、一回転で６パルス出力するため、機械角３６０度を１２等分した３０度ごとにロータ位置を特定可能である。したがって、本変形例の位置センサ１ｘであっても、上述した実施形態と同様の構成からは同様の効果を得ることができる。さらに、ロータ２ｘの凸極数を増やした本位置センサ１ｘであれば、より細かい角度ごとにロータ位置を特定する必要があるモータの制御を行うことができる。

また、例えば図７に示すように、上記の補助磁極３３に相当する位置に、コイルが巻回された主磁極３１を設け、電気回路部１Ｅｙを工夫することで上述した位置センサ１と同様の機能を持つ位置センサ１ｙを構成してもよい。図７に示す位置センサ１ｙ（磁気回路部１Ｍｙ）は、一対の主磁極３１からなる磁極対３２が四組設けられたステータ３ｙを備えている。すなわち、ステータ３ｙは、周方向に４５度ずつずれて配置された四組の磁極対３２Ａ，３２Ｂ，３２Ｃ，３２Ｄと、四組のコイル対４Ａ，４Ｂ，４Ｃ，４Ｄとを有する。各コイル対４Ａ〜４Ｄは、各磁極対３２Ａ〜３２Ｄのそれぞれの主磁極３１に巻回されたコイル４１ａ及び４２ａ，コイル４１ｂ及び４２ｂ，コイル４１ｃ及び４２ｃ，コイル４１ｄ及び４２ｄから構成される。なお、図７の位置センサ１ｙは、上述した実施形態と同一のロータ２を備える。

図７の位置センサ１ｙが備える電気回路部１Ｅｙの一例を図８に示す。なお、図８では信号線は省略している。図８に示す電気回路部１Ｅｙの励磁回路１０ｙは、互いに９０度ずれて配置された二組のコイル対４Ａ，４Ｂと二組のコイル対４Ｃ，４Ｄとのそれぞれに、一つずつスイッチ１２ｆ，１２ｇ及びダイオード１４ｆ，１４ｇが設けられている。具体的には、コイル対４Ａ及び４Ｂに流れる電流のオンオフを切り替えるスイッチ１２ｆと、コイル対４Ｃ及び４Ｄに流れる電流のオンオフを切り替えるスイッチ１２ｇとが互いに並列に接続され、各スイッチ１２ｆ，１２ｇにダイオード１４ｆ，１４ｇがそれぞれ直列に接続されている。この励磁回路１０Ｅｙでは、二つのスイッチ１２ｆ，１２ｇの一方のみがオンになると、二組のコイル対４Ａ，４Ｂと二組のコイル対４Ｃ，４Ｄとのうち、一方の組にだけ電流が流れる。

この励磁回路１０ｙを備えた位置センサ１ｙでは、二組のコイル対４Ａ，４Ｂと二組のコイル対４Ｃ，４Ｄとのいずれか一方のみに電流を流して励磁することで、電流が流れていない他方が上述した補助磁極３３として機能する。したがって、図７及び図８に示す位置センサ１ｙであっても、上述した実施形態と同様の構成からは同様の効果を得ることができる。

上述した実施形態では、処理部６がスイッチ１２，１２ｆ，１２ｇのスイッチングと、出力された電圧値に基づく信号処理との両方を実施する場合を例示したが、処理部６の機能（スイッチング及び信号処理）を二つの要素に分けて設けてもよい。また、スイッチ１２のスイッチング周波数は５０ｋＨｚに限られない。スイッチング周波数は、モータの使用回転数の上限値（上限回転数）とモータの機械角３６０°あたりの電気角とに基づき、「スイッチング周波数≧（上限回転数／６０）×（電気角／３６０）×５」に設定されることが好ましい。

また、上述した励磁回路１０，１０ｙの構成は一例であって、上述したものに限られない。例えば、抵抗１３Ａ等を省略して電流値を検出してもよいし、スイッチ１２の個数を増やしてもよい。また、図１及び図２においてコイル４１ａとコイル４２ａ、コイル４１ｂとコイル４２ｂとはそれぞれ直列に接続されているが、これらは並列接続でもよい。並列とすることでこれらのコイル対４Ａ，４ＢのインダクタンスＬの絶対値が変わるため、相に流れる電流が増えることになる。しかし、コイル対４Ａと４Ｂの間のインダクタンスＬの大小関係は変わらないので、直列接続の場合と同じ出力が得られる。この関係は図６及び図７の場合においても同様である。

また、上述した実施形態及び各変形例で示したロータ２，２ｘ及びステータ３，３ｙの形状は一例であって、上述したものに限られない。ロータは、回転中心からの距離が一定の基準円筒面から径方向外側へ突設された少なくとも一対の凸極を有するものであればよく、例えば楕円形状であってもよい。また、ステータの軸方向視での外形状が円環状ではなく角部を有する形状（例えば矩形や八角形等）であってもよい。また、例えば、主磁極３１の突設方向が、ＳＲモータ９の漏れ磁束の方向と無関係に設定されていてもよい。また、例えば、主磁極３１の径方向長さと補助磁極３３の径方向長さとが互いに異なっていてもよいし、周方向に隣接する主磁極３１と補助磁極３３との間隔がすべて同一でなくてもよい。また、補助磁極３３は主磁極３１の周方向両側に設けられていればよく、周方向に隣接する主磁極３１間に二つ以上配置されていてもよい。また、上述した位置センサ１，１ｘ，１ｙは上記のＳＲモータ９に専用のものではなく、例えば、ＳＲモータ９以外のブラシレスモータやジェネレータ等に設けてもよい。

１，１ｘ，１ｙ 位置センサ
２，２ｘ ロータ
３，３ｙ ステータ
４Ａ 第一コイル対（コイル対）
４Ｂ 第二コイル対（コイル対）
４Ｃ，４Ｄ コイル対
５ シャフト（回転軸）
９ ＳＲモータ（モータ）
９Ａ モータステータ
９Ｂ モータロータ
２０ａ 基準円筒面
２１ 凸極
３０ａ 内周面
３１ 主磁極
３２ 磁極対
３２Ａ 第一磁極対（磁極対）
３２Ｂ 第二磁極対（磁極対）
３２Ｃ，３２Ｄ 磁極対
３３ 補助磁極
４１ａ，４１ｂ，４１ｃ，４１ｄ，４２ａ，４２ｂ，４２ｃ，４２ｄ コイル
Ｃ 回転中心

Claims (6)

1. シャフトに固定されたロータの回転によるインダクタンスの変化に基づいて、ステータに対する前記ロータの回転位置を検出する位置センサであって、
   筒状に形成され、前記シャフトの回転中心と同心に配置されるとともに、内周面から前記回転中心に向かって突設されて互いに対向配置された一対の主磁極からなる磁極対を複数組有する前記ステータと、
   前記回転中心からの距離が一定の基準円筒面から径方向外側へ突設された少なくとも一対の凸極を有する前記ロータと、
   直流電源に接続され、各組の前記磁極対の夫々の前記主磁極に巻回されたコイルからなるコイル対と、を備え、
   前記ステータは、各々の前記主磁極の周方向両側に位置し、前記内周面から径方向内側に突設された補助磁極を有し、
   前記コイル対を構成する二つの前記コイルは、前記回転中心から各々の前記主磁極を見たときの巻回方向が互いに同一である
   ことを特徴とする、位置センサ。
2. 前記補助磁極は、周方向に隣接する二つの前記主磁極の間に一つずつ配置されている
   ことを特徴とする、請求項１記載の位置センサ。
3. 周方向に隣接する前記主磁極と前記補助磁極との間隔が、すべて同一である
   ことを特徴とする、請求項２記載の位置センサ。
4. 前記ロータの外周面と前記主磁極との間のエアギャップ、及び、前記ロータの前記外周面と前記補助磁極との間のエアギャップは同一である
   ことを特徴する、請求項１〜３のいずれか１項に記載の位置センサ。
5. 前記ロータは、永久磁石以外の磁性体で形成されている
   ことを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の位置センサ。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の位置センサと、
   前記シャフトと一体回転し、永久磁石を有さないモータロータと、
   ハウジングに固定され、永久磁石を有さないモータステータと、を備えた
   ことを特徴とする、モータ。

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