JP2012247439A - 回転角度検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 安価で耐久性のあるレゾルバを使用しながら、絶対的な回転角度位置を認識することが可能な回転角度検出装置を提供する。
【解決手段】 回転角度検出装置は、レゾルバ１４におけるロータ３２の外周部に９０度の角度毎に配設された４個のホールＩＣ４１、４２、４３、４４と、ロータ３２に付設された磁石３７とを備える。磁石３７は、ロータ３２の外周部の約１００度の角度範囲に至る領域に配設されている。この磁石３７は、ロータ３２と同期して回転し、その回転角度位置に対応して、４個のホールＩＣ４１、４２、４３、４４のうちの１個のホールＩＣ、または、隣接する２個のホールＩＣが磁気を検出する。
【選択図】 図６

Description

この発明は、回転角度検出装置に関する。

このような回転角度検出装置としては、ロータリエンコーダや、レゾルバが使用されている。ロータリエンコーダは、ロータに形成された周期構造を光学的あるいは磁気的に検出するものである。これに対して、レゾルバは、ステータにコイルを備え、ステータ側に交流を流したときに、ステータとロータの相対角度に応じて現れる交流電流の位相を検出することにより回転角度を検出するものである。

一般に、ロータリエンコーダは、高精度に角度位置を検出でき、また、アブソリュート型のロータリエンコーダは絶対角度位置をも検出することができるが、装置が高価であり、また、耐久性に欠けるという問題がある。これに対して、レゾルバは、装置も安価であり、耐久性に優れることから、回転角度の検出に、広く使用されている（特許文献１参照）。

特開２００９−８５３６号公報

このようなレゾルバとしては、一般的に、軸倍角タイプのものが使用される。このような軸倍角のレゾルバは、ロータが一回転する間に、複数回、同じ角度データを繰り返し出力する。例えば、軸倍角がｎであるレゾルバの場合においては、ロータが一回転する間に、同じ角度データがｎ回繰り返し出力される。すなわち、ロータが１／ｎ回転すると、信号の位相が３６０度変化する。従って、ロータが一回転する間の絶対位置を得ることはできない。

このため、ロータが回転を始める初期位置が常に同じであれば、初期位置からの信号数を積算することにより絶対位置を認識することも不可能ではないが、一般的に、初期位置は一定ではない。

この発明は上記課題を解決するためになされたものであり、安価で耐久性のあるレゾルバを使用しながら、絶対的な回転角度位置を認識することが可能な回転角度検出装置を提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は、軸を中心に回転するロータと、前記ロータの外周部に配設された励磁コイルと、前記ロータの外周部に配設された検出コイルとを備えた軸倍角のレゾルバと、前記レゾルバにおけるロータの外周部に所定の角度毎に配設された複数の磁気センサと、前記レゾルバにおけるロータに付設されて当該ロータと同期して回転し、その回転角度位置に対応して、前記複数の磁気センサのうちの１個の磁気センサ、または、隣接する２個の磁気センサが磁気を検出するように構成された磁石とを備えたことを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記磁気センサは、ホール
素子を利用したＩＣ素子であるホールＩＣから構成される。

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の発明において、前記レゾルバは、ｎを３以上の整数としたときに、軸倍角がｎであり、前記ホールＩＣは、前記ロータの外周部にｎ個配設されている。

請求項４に記載の発明は、請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の発明において、弁を開放位置と閉止位置の間で移動させるためのモータと、このモータの動作をバルブの移動動作に変換するための動作変換機構とを備えた電動バルブアクチュエータに対して、前記モータの回転角度を検出する。

請求項１に記載の発明によれば、ロータの外周部に所定の角度毎に配設された複数の磁気センサの作用により、安価で耐久性のあるレゾルバを使用しながら、絶対的な回転角度位置を認識することが可能となる。

請求項２に記載の発明によれば、ホールＩＣを使用してロータの回転に伴う磁力の変化をデジタル的に認識することができる。このため、絶対的な回転角度位置をより確実に認識することが可能となる。

請求項３に記載の発明によれば、全ての角度位置において、その絶対的な角度位置を確実に認識することが可能となる。

請求項４に記載の発明によれば、電動バルブアクチュエータにおける開度情報を、安価な装置を使用して認識することができ、また、その耐久性を向上させることが可能となる。

この発明に係る回転角度検出装置を適用する電動バルブアクチュエータの概要図である。 電動バルブアクチュエータの操作部１８の正面図である。 レゾルバ１４の基本的構成を示す概要図である。 レゾルバ１４における一対の検出コイル３３、３５の出力信号を示すグラフである。 レゾルバ１４を変換器３６とともに示す概要図である。 回転角度検出装置の基本的構成を示す概要図である。 レゾルバ１４から変換器３６を介して出力されるデジタル信号Ｓと、各ホールＩＣ４１、４２、４３、４４による磁石３７の磁気の検出信号との関係を示す説明図である。

以下、この発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。まず、この発明を適用する電動バルブアクチュエータの構成について説明する。図１は、この発明に係る回転角度検出装置を適用する電動バルブアクチュエータの概要図である。

この電動バルブアクチュエータは、弁１１を全開位置と閉止位置の間で移動させるためのものであり、モータ１２と、このモータ１２の動作を入力するための操作部１８と、モータ１２を駆動制御するドライバー２４と、操作部１８からの操作信号に基づいてドライバー２４に制御信号を送信するコンピュータからなる制御部２５とを備える。制御部２５は、端子ブロック１９を介して、遠隔操作を実行するための操作盤２６と接続されている。また、ドライバー２４は、端子ブロック１９を介して、電源２７と接続されている。

モータ１２により回転駆動される回転軸１３の一端は、この発明に係る回転角度検出装置を構成するレゾルバ１４を介して、ネジを利用した動作変換機構であるドライブスリーブ１５と接続されている。このため、回転軸１３の回転駆動力は、弁１１を全開位置と閉止位置の間で往復移動させるための駆動力に変換される。また、そのときの回転軸１３の回転角度位置は、レゾルバ１４を含む回転角度検出装置により検出される。さらに、回転軸１３の他端は、スプリングレスクラッチ１７を介して、ハンドルホイール１６に接続されている。このハンドルホイール１６は、弁１１をマニュアルで開閉する場合に使用される。

図２は、上述した操作部１８の正面図である。

この操作部１８は、第１操作切替スイッチ２１と、第２操作切替スイッチ２２と、表示部２３とを備える。第１操作切替スイッチ２１は、バルブをこの操作部１８を利用して直接操作する直接操作モードと、バルブを操作盤２６を利用して遠隔操作する遠隔操作モードとのモード選択動作を実行可能なものである。また、第２操作切替スイッチ２２は、弁１１を開く開動作モードと、弁１１を閉じる閉止モードと、弁１１の開閉動作を停止する停止モードとのモード選択動作を実行可能なものである。そして、表示部２３は、弁１１の開度、第１操作切替スイッチ２１または第２操作切替スイッチ２２によるモード選択状態、操作状態、設定値等を表示するためのものである。

この電動バルブアクチュエータにおいて、バルブを遠隔操作する場合においては、第１操作切替スイッチ２１を回転させて「ＲＥＭＯＴＥ」側に切り換える。これにより、バルブは、図１に示す操作盤２６を操作することにより、電動バルブアクチュエータを介して、その開閉動作が実行される。

一方、この電動バルブアクチュエータにおいて、バルブを操作部１８を利用して直接操作する場合には、第１操作切替スイッチ２１を回転させて「ＬＯＣＡＬ」側に切り換える。そして、第２操作切替スイッチ２２を回転させて「開」側に切り換えれば、バルブにおける弁１１が開放位置方向に移動し、「閉」側に切り換えればバルブにおける弁１１が閉止位置方向に移動する。また、第２操作切替スイッチ２２を回転させて「停止」側に切り換えれば、バルブにおける弁１１がその位置で停止する。

次に、この発明に使用するレゾルバ１４の構成について説明する。図３は、レゾルバ１４の基本的構成を示す概要図である。

このレゾルバ１４は、軸３１を中心に回転するロータ３２と、このロータ３２の外周部に配設された励磁コイル３４と、ロータ３２の外周部における励磁コイル３４とは異なる位置に配設された一対の検出コイル３３、３５とを備える。これらの励磁コイル３４および一対の検出コイル３３、３５は、図示を省略したステータに巻回されている。

ロータ３２と、励磁コイル３４および一対の検出コイル３３、３５を巻回したステータとのギャップは、ロータ３２の角度位置に応じて変化しており、一対の検出コイル３３、３５は、このロータ３２とステータのギャップの変化に基づいて、ｓｉｎカーブおよびｃｏｓカーブをなす２相出力信号を出力する。

このレゾルバ１４は、軸倍角が４のタイプのものであり、ロータ３２は、略十字形の形状を有する。このレゾルバ１４においては、ロータ３２が１回転する間に４回同じ出力信号が繰り返し出力される。すなわち、このレゾルバ１４においては、ロータ３２が１／４
回転すると、その出力信号の位相が３６０度変化する。なお、軸倍角が３のタイプのものは、そのロータが略三角形の形状を有し、ロータが１回転する間に３回同じ出力信号が繰り返し出力される。

図４は、レゾルバ１４における一対の検出コイル３３、３５の出力信号を示すグラフである。また、図５は、レゾルバ１４を、その検出コイル３３、３５の出力信号をデジタル信号に変換する変換器３６とともに示す概要図である。

検出コイル３３の端子Ｓ１、Ｓ３間には、図４に符号Ａで示すその電圧の変化がｃｏｓカーブをなす出力信号が発生する。一方、検出コイル３５の端子Ｓ２、Ｓ４間には、図４に符号Ｂで示すその電圧の変化がｓｉｎカーブをなす出力信号が発生する。これらの出力信号は、変換器３６において、後述するデジタル信号Ｓに変換される。

次に、この発明に係る回転角度検出装置の構成について説明する。図５はレゾルバ１４を変換器３６とともに示す概要図である。図６は、回転角度検出装置の基本的構成を示す概要図である。なお、図５における０、９０、１８０、２７０の数字は、ロータ３２における角度位置を表している。

この回転角度検出装置は、上述したレゾルバ１４におけるロータ３２の外周部に９０度の角度毎に配設された４個のホールＩＣ４１、４２、４３、４４と、ロータ３２に付設された磁石３７とを備える。磁石３７は、ロータ３２の外側部分がＮ極、内側部分がＳ極を示すものであり、ロータ３２の外周部の約１００度の角度範囲に至る領域に配設されている。この磁石３７は、ロータ３２と同期して回転し、その回転角度位置に対応して、４個のホールＩＣ４１、４２、４３、４４のうちの１個のホールＩＣ、または、隣接する２個のホールＩＣが磁気を検出するように構成されている。

図７は、レゾルバ１４から変換器３６を介して出力されるデジタル信号Ｓと、各ホールＩＣ４１、４２、４３、４４による磁石３７の磁気の検出信号との関係を示す説明図である。なお、図６における０、９０、１８０、２７０、３６０の数字は、ロータ３２の角度位置を表している。

上述したように、レゾルバ１４からはロータ３２が１回転する間に４回同じ出力信号が繰り返し出力され、その出力信号は、変換器３６によりデジタル信号Ｓに変換される。このデジタル信号Ｓは、ロータ３２の一回転に対して９０度毎に出力される直線状の信号となる。一方、４個のホールＩＣ４１、４２、４３、４４による磁石３７の磁気の検出信号は、図７において下方に矩形状に示す信号となる。この図においては、４個のホールＩＣ４１、４２、４３、４４による磁石３７の磁気の検出信号の各々に、括弧を付けた同符号を付している。

上述したように、磁石３７は、ロータ３２の外周部の約１００度の角度範囲に至る領域に配設されており、ロータ３２の回転角度位置に対応して、４個のホールＩＣ４１、４２、４３、４４のうちの１個のホールＩＣ、または、隣接する２個のホールＩＣが磁気を検出するように構成されている。このため、４個のホールＩＣ４１、４２、４３、４４による磁石３７の磁気の検出信号は、互いにその一部が重なっている。

この４個のホールＩＣ４１、４２、４３、４４による磁石３７の磁気の検出信号により、ロータ３２の原点が、４個のホールＩＣ４１、４２、４３、４４により形成される４個の象限のいずれの角度位置にあるかを認識することができる。すなわち、ロータ３２の一回転中に４回出力されるデジタル信号Ｓを峻別することが可能となる。そして、ロータ３２の絶対角度位置は、このデジタル信号Ｓに基づいて認識することが可能となる。このため、この回転角度検出装置によれば、レゾルバ１４を使用しながら、絶対的な回転角度位置を認識することが可能となる。

なお、上述したように、４個のホールＩＣ４１、４２、４３、４４による磁石３７の磁気の検出信号は、互いにその一部が重なっており、４個のホールＩＣ４１、４２、４３、４４のうち、常に１個のホールＩＣ、または、隣接する２個のホールＩＣが磁気を検出するように構成されている。このため、４個のホールＩＣ４１、４２、４３、４４のいずれが磁気を検出しているかを認識することにより、ロータ３２の回転角度位置を常に認識することが可能となる。なお、２個のホールＩＣが磁気を検出している状態においては、そのときのデジタル信号Ｓを参照してその位置を認識すればよい。

上述した実施形態においては、レゾルバ１４として、その軸倍角が４のタイプのものを使用しているが、３のタイプや５のタイプなど、ｎを３以上の整数としたときにｎのタイプとなるものを使用することができる。なお、軸倍角が２のタイプのものを使用した場合には、２個のホールＩＣが磁気を検出している状態において位置の認識が困難となることから、他の検出手段を併用しないと、絶対角度位置を好適に判断することが困難となる。

また、上述した実施形態においては、磁気センサとして、ホール素子を利用したＩＣ素子であるホールＩＣを使用していることから、ロータ３２の回転に伴う磁力の変化をデジタル的に認識することができるが、この発明はこれに限定されることなく、その他の磁気センサを使用することも可能である。

１４ レゾルバ
３１ 軸
３２ ロータ
３３ 検出コイル
３４ 励磁コイル
３５ 検出コイル
３６ 変換器
３７ 磁石
４１ ホールＩＣ
４２ ホールＩＣ
４３ ホールＩＣ
４４ ホールＩＣ
Ｓ デジタル信号

Claims (4)

1. 軸を中心に回転するロータと、前記ロータの外周部に配設された励磁コイルと、前記ロータの外周部に配設された検出コイルとを備えた軸倍角のレゾルバと、
   前記レゾルバにおけるロータの外周部に所定の角度毎に配設された複数の磁気センサと、
   前記レゾルバにおけるロータに付設されて当該ロータと同期して回転し、その回転角度位置に対応して、前記複数の磁気センサのうちの１個の磁気センサ、または、隣接する２個の磁気センサが磁気を検出するように構成された磁石と、
   を備えたことを特徴とする回転角度検出装置。
2. 請求項１に記載の回転角度検出装置において、
   前記磁気センサは、ホール素子を利用したＩＣ素子であるホールＩＣから構成される回転角度検出装置。
3. 請求項２に記載の回転角度検出装置において、
   前記レゾルバは、ｎを３以上の整数としたときに、軸倍角がｎであり、
   前記ホールＩＣは、前記ロータの外周部にｎ個配設されている回転角度検出装置。
4. 請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の回転角度検出装置において、
   弁を開放位置と閉止位置の間で移動させるためのモータと、このモータの動作をバルブの移動動作に変換するための動作変換機構とを備えた電動バルブアクチュエータに対して、前記モータの回転角度を検出する回転角度検出装置。

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