直流モータ及び直流モータ本体
【課題】大掛かりなセンサを用いずに、しかも直流モータの回転には不要な抵抗を使わなくてもロータの回転角を検出できるようにすること。
【解決手段】直流モータ１は、ロータ４の回転角を検出できる直流モータである。直流モータ１は、直流モータ本体２と回転角検出回路６とを備え、直流電源３に接続される。直流モータ本体２は、ロータ４、ハウジング８、磁石９、ブラシ１６／１７を備える。ロータ４は、回転軸７、ロータコア４０、コイルａ、コイルｂ、コイルｃ、整流子片３１／３２／３３を備える。直流電源３が直流電圧をブラシ１６／１７間に印加すると、回転軸７を中心にロータ４が回転する。巻数はコイルｃ＜コイルｂ＝コイルａである。コイルの巻数が異なることによって、ブラシ１６／１７と各整流子片との接触状態に応じてブラシ１６／１７間の抵抗値が変化する。その変化をブラシ１６／１７間に流れる電流を利用して回転角検出回路６が検出する。
【解決手段】直流モータ１は、ロータ４の回転角を検出できる直流モータである。直流モータ１は、直流モータ本体２と回転角検出回路６とを備え、直流電源３に接続される。直流モータ本体２は、ロータ４、ハウジング８、磁石９、ブラシ１６／１７を備える。ロータ４は、回転軸７、ロータコア４０、コイルａ、コイルｂ、コイルｃ、整流子片３１／３２／３３を備える。直流電源３が直流電圧をブラシ１６／１７間に印加すると、回転軸７を中心にロータ４が回転する。巻数はコイルｃ＜コイルｂ＝コイルａである。コイルの巻数が異なることによって、ブラシ１６／１７と各整流子片との接触状態に応じてブラシ１６／１７間の抵抗値が変化する。その変化をブラシ１６／１７間に流れる電流を利用して回転角検出回路６が検出する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
回転角が検出できる直流モータ及び当該直流モータの本体に関する。
【背景技術】
【０００２】
ロータリーエンコーダ等の大掛かりなセンサを用いずに、ロータの回転角が検出できる直流モータが知られている（特許文献１）。この直流モータは、ロータが備える一つの電機子コイルと並列な抵抗を備える。そうすると、定電圧電流をブラシ間に通電させることでロータを回転させれば、ブラシ間を流れる電流が回転角に依存して変動する。従って、その変動を測定することで回転角が検出できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−１１１４６５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
先述した技術の課題は、直流モータにとっては本来余分な抵抗を設けなくてはならないことである。そうすれば、当然コストアップになる。本発明はこの課題に鑑み、大掛かりなセンサを用いずに、しかも直流モータの回転には不要な抵抗を使わなくても、ロータの回転角を検出できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
この目的を解決するために発明された請求項１の直流モータは、ロータを備える直流モータ本体と、ロータの回転角を検出する検出手段とを備える直流モータである。
【０００６】
そして、ロータは、三相以上の相コイルからなる電機子コイルが巻かれたロータコアと、電機子コイルに導通した整流子とが回転軸に固定されることで構成される。
【０００７】
また、直流モータ本体は、整流子と摺接しながら、当該整流子と外部電源とを導通させる一対のブラシと、ロータコアを覆い、回転軸を支えるハウジングと、ハウジングに支えられ、当該ハウジング内部に磁場を作る磁石とを備える。
【０００８】
そして、相コイルの巻数は、二種類以上ある。また、検出手段は、ブラシ間を流れる電流を測定することでロータの回転角を検出する。
【０００９】
この直流モータによれば、大掛かりなセンサを用いずに、しかもロータの回転には本来不要な抵抗を使わなくても、ロータの回転角が検出できる。なぜなら、ロータの回転に本来必要な電機子コイルによって、ブラシ間の電気抵抗がロータの回転角に依存して二段階以上に変化するからである。よって、ロータを回転させるために流れるブラシ間の電流を測定することで、回転角を検出できる。なお、磁石は、永久磁石に限られず、電磁石等でもよい。
【００１０】
請求項２の直流モータは、請求項１に記載の直流モータを前提とする。そして、相コイルの巻数は、三種類以上ある。そして、検出手段は、ブラシ間に流れる電流を測定することでロータの回転方向を検出する。
【００１１】
この直流モータによれば、少なくとも一回転すれば、ロータの回転方向が検出できるように構成できる。なぜなら、ブラシ間に流れる電流値が三段階以上に変化するからである。
【００１２】
請求項３の直流モータは、請求項２の直流モータを前提とする。そして、相コイルの巻数は、相の数と同じ数の種類がある。
【００１３】
この直流モータによれば、ブラシに接触している整流子片が切り替わりさえすれば、ロータの回転方向が検出できる。なぜなら、回転方向によって電流値の変化パターンが異なるからである。
【００１４】
請求項４の直流モータは、請求項１〜請求項３の何れかに記載の直流モータを前提とする。そして、相コイルは三相または五相である。
【００１５】
請求項５の直流モータは、請求項１〜請求項４の何れかに記載の直流モータを前提とする。そして、外部電源は、ロータの回転が制動される時に、ロータの回転に必要な電流値未満の電流を流すように構成される。また、検出手段は、ロータの回転に必要な電流値未満の電流を測定することで、ロータの制動時の回転角を検出する。この直流モータによれば、ロータの制動時の回転角を検出できる。
【００１６】
請求項６の直流モータは、請求項１〜請求項５の何れかに記載の直流モータを前提とする。そして、外部電源は、ロータの回転が停止している時に、ロータの回転に必要な電流値未満の電流を流すように構成される。また、検出手段は、ロータの回転に必要な電流値未満の電流を測定することで、ロータの停止時の回転角を検出する。この直流モータによれば、停止時のロータの回転角を検出できる。
【００１７】
請求項７の直流モータ本体は、請求項１の直流モータ本体である。つまり、ロータを備え、当該ロータを流れる電流によって、当該ロータの回転角検出ができる直流モータ本体である。そして、ロータは、三相以上の相コイルからなる電機子コイルが巻かれたロータコアと、電機子コイルに導通した整流子とが回転軸に固定されることで構成される。
【００１８】
そして、当該直流モータ本体は、整流子と摺接しながら、当該整流子と外部電源とを導通させる一対のブラシと、ロータコアを覆い、回転軸を支えるハウジングと、ハウジングに支えられ当該ハウジング内部に磁場を作る磁石とを備える。そして、相コイルの巻数は、二種類以上ある。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】実施例１の直流モータの概略構成を示す図。
【図２】実施例１の回転角検出回路の概略構成を示すブロック図。
【図３】ロータが１８０°回転する間に生じる三種類の状態（モータ回路）を示す図。
【図４】ロータの回転中に流れる電流に関連する波形の一例を示すグラフ。
【図５】実施例２の直流モータの概略構成を示す図。
【図６】実施例２の回転角検出回路の概略構成を示すブロック図。
【図７】定常運転中において、ロータの回転中に流れる電流に関連する波形の一例を示すグラフ。
【図８】電流回路の開放による制動時おいて、ロータの回転中に流れる電流に関連する波形の一例を示すグラフ。
【図９】短絡による制動時において、ロータの回転中に流れる電流に関連する波形の一例を示すグラフ。
【図１０】ロータが１８０°回転する間に生じる五種類の状態（モータ回路）のうち三種類を示す図。
【図１１】ロータが１８０°回転する間に生じる五種類の状態（モータ回路）のうち二種類を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の実施例を図面と共に説明する。
【実施例１】
【００２１】
図１に、本発明が適用された直流モータ１の概略構成を示す。直流モータ１は、ロータ４の回転角を検出できる直流モータである。図１に示すように、直流モータ１は、直流モータ本体２と回転角検出回路６とを備え、直流電源３に接続されている。直流モータ本体２は、ロータ４、ハウジング８、磁石９、ブラシ１６／１７を備える。ロータ４は、回転軸７、ロータコア４０、コイルａ、コイルｂ、コイルｃ、整流子片３１／３２／３３を備える。つまり、ロータ４は、三相である。
【００２２】
ハウジング８は、直流モータ本体２の外郭である。磁石９は、ハウジング８に固定された永久磁石である。
【００２３】
直流電源３は、直流電圧をブラシ１６／１７間に印加する。そうすると、ブラシ１６／１７と整流子片３１／３２／３３との接触状態に応じて、コイルａ／ｂ／ｃに直流電流が流れる。そうすると磁石９の磁界によってトルクが生じて、回転軸７を中心にロータ４が回転する。なお、コイルａ／ｂ／ｃの巻数は、コイルｃ＜コイルｂ＝コイルａである。
【００２４】
回転角検出回路６は、直流電源３とグラウンドとの間、つまりブラシ１６／１７間を流れる電流に基づいて、ロータ４の回転角に応じた信号（回転パルス）を生成することでロータ４の回転角を検出する。詳細は後述する。
【００２５】
図２に示すように、回転角検出回路６は、抵抗２１、フィルタ２３、アンプ（ＡＭＰ）２４、閾値制御回路２６、コンパレータ（ＣＯＭＰ）２７、パルス生成回路２８を備える。
【００２６】
抵抗２１は、直流電源３とグラウンドとの間に直列に接続されている。従って、ブラシ１６／１７間に流れた電流値に応じて、抵抗２１の前後で電圧降下が起こる。その降下分の電圧を検出信号として、フィルタ２３が入力を受ける。そうするとフィルタ２３は、ロータ４の回転に伴う変化に対応する帯域の信号を抽出して、その抽出後の信号をアンプ２４に入力する。つまり、フィルタ２３は、余分な周波数成分（起動時の突入電流や制動時の急激な電流変動など）を取り除くものである。また、フィルタ２３は、直流電源３と繋がって、印加電圧により遮断周波数を制御することも有り得る。
【００２７】
アンプ２４は、入力された検出信号を、増幅すると共にコンパレータ２７の二つの入力端子のうち一方に入力する。コンパレータ２７は、入力された検出信号と、閾値制御回路２６から他方の入力端子に入力され閾値を示す信号（閾値信号）とに基づいて、ローレベル信号かハイレベル信号かをパルス生成回路２８に入力する。
【００２８】
具体的には、コンパレータ２７は、検出信号の値が閾値信号の値以上なら、ハイレベル信号を出力する。逆に、検出信号の値が閾値信号の値未満なら、ローレベル信号を出力する。
【００２９】
パルス生成回路２８は、コンパレータ２７から入力された信号に基づいて、抵抗２１での電圧降下値の情報を示す信号を出力する。具体的には、コンパレータ２７からローレベル信号の
入力を受ければ電圧降下値が「低」であることを示す信号Ｌ、ハイレベル信号の入力を受ければ電圧降下値が「高」であることを示す信号Ｈを出力する。
【００３０】
図３は、ロータ４が１８０°回転する間における、ロータ４内部の結線状態の変化、つまり、ブラシ１６／１７間に形成されるモータ回路の変化を示す。図に示すように、ロータ４のモータ回路は、ロータ４が６０°回転する毎に、状態イ／ロ／ハの三種類に変化する。そして、各状態における等価回路は、図中の右に示されている。
【００３１】
図３（イ）は状態イの一例を示す。図示のように、Ｖｃｃ側（直流電源３の正極側）のブラシ１６に整流子片３１が接触すると共に、ＧＮＤ側（グラウンド電位側）のブラシ１７に整流子片３２が接触した状態である。なお、Ｖｃｃとは直流電源３の電源電圧を示すものである。この場合の合成抵抗Ｒ（イ）は、
Ｒ（イ）＝（Ａ＋Ｃ）Ｂ／（Ａ＋Ｂ＋Ｃ）
となる。なお、Ａとは、コイルａによる抵抗値を示す。ＢやＣも同様である。
【００３２】
図３（ロ）は、状態ロの一例として、状態イから時計回りに約６０°回転した状態を示す。状態ロでは、Ｖｃｃ側のブラシ１６に接触する整流子片が、状態イの時の整流子片３１から整流子片３３へと切り替わっている。ＧＮＤ側のブラシ１７には、整流子片３２が接触している。この場合の合成抵抗Ｒ（ロ）は、
Ｒ（ロ）＝（Ａ＋Ｂ）Ｃ／（Ａ＋Ｂ＋Ｃ）
となる。
【００３３】
図３（ハ）は、状態ハの一例として、状態ロからさらに時計回りに約６０°回転した状態を示す。状態ハでは、ＧＮＤ側のブラシ１７に接触する整流子片が、状態イ／ロの時の整流子片３２から整流子片３１へと切り替わっている。Ｖｃｃ側のブラシ１６には整流子片３３が接触している。この場合の合成抵抗Ｒ（ハ）は、
Ｒ（ハ）＝Ａ（Ｂ＋Ｃ）／（Ａ＋Ｂ＋Ｃ）
となる。先述したように、巻数は、コイルｃ＜コイルｂ＝コイルａなので、抵抗値は、Ｃ＜Ｂ＝Ａとなる。従って、Ｒ（ロ）＜Ｒ（イ）＝Ｒ（ハ）となる。
【００３４】
なお、Ｒ（イ）・Ｒ（ハ）の時に信号Ｌ、Ｒ（ロ）の時に信号Ｈをパルス生成回路２８が出力するように、回転角検出回路６（特に閾値制御回路２６）は構成されている。
【００３５】
図４（ａ）はモータ電流と時間との関係を示したグラフ、図４（ｂ）はパルス生成回路２８から出力される信号レベルと時間との関係を示したグラフである。両グラフの横軸（時間）は、目盛りが一致している。
【００３６】
定常運転時においては、図４（ａ）に示すように、電流値は時間に依存して周期的に変化する。具体的には、小→小→大を一周期として変化する。その結果、図４（ｂ）に示すように、パルス生成回路２８から出力される信号は、Ｌ→Ｌ→Ｈを一周期として繰り返す。
【００３７】
また、直流電源３は、定常運転時には一定の電圧（例えば１２Ｖ）を印加するようになっている。一方、制動時においては、直流電源３は、ロータ４にトルクが発生しない程度の低電圧（例えば１Ｖ）を一定時間印加し、その後に電圧の印加を止めるようになっている。
【００３８】
低電圧を印加する目的は、制動時における回転角の検出である。通常、制動すると、過渡状態を経た後に電流が小さくなっていく。特に停止直前では回転速度は遅く、電流がほとんど流れない。そのため、回転角の検出が困難である。しかし、一定の低電圧を印加することにより、停止まで完全に回転検出することが可能となる。
【００３９】
効果を述べる。直流モータ１によれば、大掛かりなセンサを用いずに、しかもロータ４の回転には不要な抵抗を使わなくても、ロータ４の回転角を検出できる。
【実施例２】
【００４０】
図５は、実施例２で説明する直流モータ１００を示した図である。ロータ１０４及び回転角検出回路１０６以外は、実施例１の直流モータ１と同じなので説明を省く。ロータ１０４は、コイルａ／ｂ／ｃの巻数が、コイルｃ＜コイルｂ＜コイルａとなっている。従って、実施例１で説明した抵抗値の関係は、Ｒ（ロ）＜Ｒ（イ）＜Ｒ（ハ）となる。
【００４１】
回転角検出回路１０６については、図６を用いて説明する。図６に示すように、回転角検出回路１０６は、抵抗２１、フィルタ２３、アンプ２４、閾値制御回路１２６／１３０、コンパレータ１２７／１２９、パルス生成回路１２８を備える。
【００４２】
抵抗２１とフィルタ２３とアンプ２４とについては、回転角検出回路６が備えるものと同じなので説明を省く。
【００４３】
コンパレータ１２７／１２９は、アンプ２４と、閾値制御回路１２６／１３０とから信号を受ける。そして、アンプ２４から入力された検出信号と、閾値制御回路１２６／１３０から入力される閾値信号とに基づいて、ローレベル信号かハイレベル信号かをパルス生成回路１２８に入力する。
【００４４】
具体的には、コンパレータ１２７／１２９は、検出信号の値が閾値信号の値以上なら、ハイレベル信号を出力する。逆に、検出信号の値が閾値信号の値未満なら、ローレベル信号を出力する。また、閾値制御回路１２６が出力する閾値信号（低閾値信号）の値は、閾値制御回路１３０が出力する閾値信号（高閾値信号）の値よりも低い。
【００４５】
従って、検出信号＜低閾値信号の場合、コンパレータ１２７／１２９は両方とも、ローレベル信号を出力する。低閾値信号≦検出信号＜高閾値信号の場合、コンパレータ１２７はハイレベル信号、コンパレータ１２９はローレベル信号を出力する。高閾値信号≦検出信号の場合、コンパレータ１２７／１２９は両方とも、ハイレベル信号を出力する。
【００４６】
パルス生成回路１２８は、コンパレータ１２７／１２９から入力された信号に基づいて、抵抗２１での電圧降下値の情報を示す信号を出力する。具体的には、コンパレータ１２７／１２９両方からローレベル信号の入力を受ければ電圧降下値が「低」であることを示す信号Ｌ、コンパレータ１２７からハイレベル信号、コンパレータ１２９からローレベル信号の入力を受ければ電圧降下値が「中」であることを示す信号Ｍ、コンパレータ１２７／１２９両方からハイレベル信号の入力を受ければ電圧降下値が「高」であることを示す信号Ｈを出力する。
【００４７】
なお、Ｒ（ハ）の時に信号Ｌ、Ｒ（イ）の時に信号Ｍ、Ｒ（ロ）の時に信号Ｈをパルス生成回路１２８が出力するように、回転角検出回路１０６（特に閾値制御回路１２６／１３０）は構成されている。
【００４８】
図７は、定常運転時についてのグラフである。図７（ａ）はモータ電流と時間との関係を示したグラフ、図７（ｂ）はパルス生成回路１２８から出力される信号レベルと時間との関係を示したグラフである。両グラフの横軸（時間）は、目盛りが一致している。
【００４９】
図７（ａ）に示すように、電流値は時間に依存して周期的に変化する。具体的には、小→中→大を一周期として変化する。その結果、図７（ｂ）に示すように、パルス生成回路１２８から出力される信号は、Ｌ→Ｍ→Ｈを一周期として繰り返す。
【００５０】
ところで実施例１で述べたように、制動時において直流電源３は、ロータ１０４にトルクが発生しない程度の低電圧（例えば１Ｖ）を一定時間印加し、その後に電圧の印加を止めるようになっている。
【００５１】
実施例１の直流モータ１では、低電圧を印加する目的は、単に制動時の回転角の検出であった。それに対して、実施例２の直流モータ１００では、逆転の検出も目的としている。通常、制動すると、正転で減速→一旦停止→逆転→完全停止となる。この過程における回転角の検出をする。以下、詳述する。
【００５２】
図８は、電流回路の開放による制動時についてのグラフである。図８（ａ）はモータ電流と時間との関係を示したグラフ、図８（ｂ）はフィルタ２３から出力される信号と時間との関係を示したグラフ、図８（ｃ）はコンパレータ１２７から出力される信号と時間との関係を示したグラフ、図８（ｄ）はコンパレータ１２９から出力される信号と時間との関係を示したグラフ、図８（ｅ）はパルス生成回路１２８から出力される信号レベルと時間との関係を示したグラフである。各グラフの横軸（時間）は、目盛りが一致している。
【００５３】
図８（ａ）に示すように、モータ電流は、定常運転を止めて制動に入ると、ロータ１０４の抵抗値変化と過渡現象との影響を受けて変化していく。
【００５４】
図８（ｂ）に示すように、フィルタ２３が出力する情報は、過渡現象の影響が取り除かれ、ロータ１０４の抵抗値変化による電流値変化に対応している。そして、波形は、大→中→小→中となっている。これは、図に示された「ロータ逆転」の時刻において、一旦停止および逆転開始が起こった結果に対応している。
【００５５】
この結果、図８（ｃ）（ｄ）（ｅ）に示すように、フィルタ２３からの信号に応じて、コンパレータ１２７／１２９は信号を出力し、この出力に応じてパルス生成回路１２８は、Ｈ→Ｍ→Ｌ→Ｍの順に信号を出力する。よって、制動時における逆転を検出できる。
【００５６】
なお、図示しなかったが、直流電源３と閾値制御回路１２６／１３０とは接続されている。そして、閾値制御回路１２６／１３０は、直流電源３によって印加される電圧が、定常運転時のものなのか、制動時のものなのかを知ることができるようになっている。そして、閾値制御回路１２６／１３０は、印加電圧の減少に応じて、出力する閾値信号値を小さくするようになっている。そうすることで制動時においても、パルス生成回路１２８は、ロータ１０４の回転角に対応した信号値を出力できる。
【００５７】
そして、直流電源３は、印加する電圧を一定時間経過後に零にして、制動を終える。
【００５８】
図９は、短絡制動による制動時についてのグラフである。図９（ａ）はモータ電流と時間との関係を示したグラフ、図９（ｂ）はフィルタ２３から出力される信号と時間との関係を示したグラフ、図９（ｃ）はコンパレータ１２７から出力される信号と時間との関係を示したグラフ、図９（ｄ）はコンパレータ１２９から出力される信号と時間との関係を示したグラフ、図９（ｅ）はパルス生成回路１２８から出力される信号レベルと時間との関係を示したグラフである。各グラフの横軸（時間）は、目盛りが一致している。
【００５９】
図９（ａ）に示すように、制動を開始すると、ブラシ１６／１７間の抵抗値変化の影響を受けつつ、過渡現象によってモータ電流は負になる。その後、徐々に大きくなっていく。図９（ｂ）〜図９（ｅ）は、図８（ｂ）〜図８（ｅ）と同じなので説明を省く。
【００６０】
ここから効果を述べる。直流モータ１００によれば、大掛かりなセンサを用いずに、しかもロータ１０４の回転には不要な抵抗を使わなくても、ロータ１０４の回転角を検出できる。さらに、逆転を検出できる。
【００６１】
逆転を検出できる理由は、ブラシ１６／１７と整流子片３１／３２／３３との接触状態に応じて変化するブラシ１６／１７間の抵抗値の種類が、相の数だけあるからである。そうすれば正転、逆転を必ず検出できる。
【００６２】
しかも、ブラシと整流子片との接触状態が切り替わりさえすれば、逆転を検出できる。なぜなら、接触状態が切り替わる場合、正転したとき及び逆転したときを比べると、ブラシ１６／１７間の抵抗値が同じでないからである。なお、このような逆転を「接触状態単位の逆転」と呼ぶ。
【００６３】
さらに、制動時に微弱な電圧を印加する構成によって、制動時の逆転も検出できる。また、停止時にも微弱な電圧を印加することで、停止時の回転角を検出できる。つまり、制動〜停止時には回転しない程度の一定電圧を印加することで、停止した時の電流値から、どの範囲で停止したかが検出可能となる。また、この「どの範囲で停止したかの検出」を利用することによっても、逆転を検出することができる。
【００６４】
このような構成を回転に不要な抵抗で実現しようとすると、さらにもう一つ抵抗を追加する必要があり、さらにコストアップになってしまう。本発明によれば、そのようなコストアップを防ぐことができる。
【実施例３】
【００６５】
実施例３は、ロータが五相の場合である。まずモータ回路の変化を、図１０、図１１を用いて説明する。図に示すように実施例３においては、ブラシ１１６／１１７、整流子片１３１／１３２／１３３／１３４／１３５、コイルｄ／ｅ／ｆ／ｇ／ｊがロータの構成要素の一部となる。コイルの巻数は、ｄ＝ｅ＝ｆ＜ｇ＜ｊである。従って、巻数は三種類である。
【００６６】
ロータが１８０°回転する間における、ブラシ１１６／１１７間に形成されるモータ回路の変化を説明する。図に示すように、実施例３のモータ回路は、ロータが時計回りに３６°回転する毎に、状態ニ／ホ／ヘ／ト／チの順に変化する。そして、各状態における等価回路は、図中の右に示されている。
【００６７】
図１０（ニ）は、状態ニを示す。図示のように、Ｖｃｃ側のブラシ１１６に整流子片１３５が接触すると共に、ＧＮＤ側のブラシ１１７に整流子片１３２が接触した状態である。この場合の合成抵抗Ｒ（ニ）は、
Ｒ（ニ）＝（Ｄ＋Ｅ）（Ｆ＋Ｇ＋Ｊ）／（Ｄ＋Ｅ＋Ｆ＋Ｇ＋Ｊ）
となる。なお、Ｄとは、コイルｄによる抵抗値を示す。Ｅ、Ｆ、Ｇ、Ｊも同様である。
【００６８】
図１０（ホ）は、状態ホを示す。図示のように、Ｖｃｃ側のブラシ１１６に整流子片１３４が接触すると共に、ＧＮＤ側のブラシ１１７に整流子片１３２が接触した状態である。この場合の合成抵抗Ｒ（ホ）は、
Ｒ（ホ）＝（Ｄ＋Ｅ＋Ｊ）（Ｆ＋Ｇ）／（Ｄ＋Ｅ＋Ｆ＋Ｇ＋Ｊ）
となる。
【００６９】
図１０（ヘ）は、状態ヘを示す。図示のように、Ｖｃｃ側のブラシ１１６に整流子片１３４が接触すると共に、ＧＮＤ側のブラシ１１７に整流子片１３１が接触した状態である。なお、この場合の合成抵抗Ｒ（ヘ）は、
Ｒ（ヘ）＝（Ｄ＋Ｊ）（Ｅ＋Ｆ＋Ｇ）／（Ｄ＋Ｅ＋Ｆ＋Ｇ＋Ｊ）
となる。
【００７０】
図１１（ト）は、状態トを示す。図示のように、Ｖｃｃ側のブラシ１１６に整流子片１３３が接触すると共に、ＧＮＤ側のブラシ１１７に整流子片１３１が接触した状態である。この場合の合成抵抗Ｒ（ト）は、
Ｒ（ト）＝（Ｄ＋Ｇ＋Ｊ）（Ｅ＋Ｆ）／（Ｄ＋Ｅ＋Ｆ＋Ｇ＋Ｊ）
となる。
【００７１】
図１１（チ）は、状態チを示す。図示のように、Ｖｃｃ側のブラシ１１６に整流子片１３３が接触すると共に、ＧＮＤ側のブラシ１１７に整流子片１３５が接触した状態である。この場合の合成抵抗Ｒ（チ）は、
Ｒ（チ）＝（Ｇ＋Ｊ）（Ｄ＋Ｅ＋Ｆ）／（Ｄ＋Ｅ＋Ｆ＋Ｇ＋Ｊ）
となる。そして、Ｄ＝Ｅ＝Ｆ＜Ｇ＜Ｊより、Ｒ（ニ）＝Ｒ（ト）＝Ｒ（チ）＜Ｒ（ホ）＜Ｒ（ヘ）となる。
【００７２】
なお、実施例３における、直流モータの概略構成、回転角検出回路の構成、モータ電流と時間との関係を示したグラフ、及び、パルス生成回路から出力される信号レベルと時間との関係を示したグラフについては、図示は省いて簡単に説明する。
【００７３】
実施例３の直流モータは、これまでの説明から明らかなように、実施例２のロータ１０４を五相にしたものである。また、回転角検出回路は、実施例２の回転角検出回路１０６と同じである。また、パルス生成回路１２８から出力される信号レベルは、Ｈ→Ｍ→Ｌ→Ｈ→Ｈを一周期として繰り返す。
【００７４】
効果は、実施例２の直流モータ１００とほぼ同じである。ただし、接触状態単位の逆転を検出できない場合がある。状態チを起点とすると、正転しても逆転しても、Ｈ→Ｈとなるからである。ただし、一回転単位の逆転は必ず検出できる。Ｈ→Ｌ→Ｍ→Ｈの三通りの変化のどれかを検出すれば、逆転していることが分かるからである。
【００７５】
一方、実施例２よりも有利な点としては、整流子片が多いことによって、より細かい角度で回転角を検出できることである。
【００７６】
変形例を述べる。ロータの相の数は三相以上であれば、いくつでも構わない。また、巻数が二種類あれば、回転角（回転数）検出が可能なので、本発明の当初の目的を達成できる。また、一回転単位の逆転検出および接触状態単位の逆転検出のための条件は、コイル同士の配置関係が関係するので、相の数ごとに異なる。詳細については、相の数ごとに調べれば分かることなので、ここでは示さない。なお、コイルの巻数の種類に応じて、回転角検出回路の構成を対応させる必要がある。
【００７７】
また、フィルタの出力をデジタル処理することで、回転検出しても良い。例えば、波形をサンプリングし、移動平均をとり、段階的な変化を検出する方法が挙げられる。また、印加電圧と測定した電流とを用いて、ブラシ１６／１７間の合成抵抗を算出し、この合成抵抗値を用いて回転検出をしても良い。
【００７８】
なお、実施例の回転角検出回路６／１０６は、特許請求の範囲の検出手段に相当する。つまり、回転角検出回路６／１０６は、回転角に応じた信号を出力するという形で回転角検出を行っている。
【符号の説明】
【００７９】
１／１００…直流モータ、２…直流モータ本体、３…直流電源、４／１０４…ロータ、６／１０６…回転角検出回路、７…回転軸、８…ハウジング、９…磁石、１６／１７／１１６／１１７…ブラシ、２１…抵抗、２３…フィルタ、２４…アンプ、２６／１２６／１３０…閾値制御回路、２７／１２７／１２９…コンパレータ、２８／１２８…パルス生成回路、３１／３２／３３／１３１／１３２／１３３／１３４／１３５…整流子片、４０…ロータコア、ａ／ｂ／ｃ／ｄ／ｅ／ｆ／ｇ／ｊ…コイル
【技術分野】
【０００１】
回転角が検出できる直流モータ及び当該直流モータの本体に関する。
【背景技術】
【０００２】
ロータリーエンコーダ等の大掛かりなセンサを用いずに、ロータの回転角が検出できる直流モータが知られている（特許文献１）。この直流モータは、ロータが備える一つの電機子コイルと並列な抵抗を備える。そうすると、定電圧電流をブラシ間に通電させることでロータを回転させれば、ブラシ間を流れる電流が回転角に依存して変動する。従って、その変動を測定することで回転角が検出できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−１１１４６５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
先述した技術の課題は、直流モータにとっては本来余分な抵抗を設けなくてはならないことである。そうすれば、当然コストアップになる。本発明はこの課題に鑑み、大掛かりなセンサを用いずに、しかも直流モータの回転には不要な抵抗を使わなくても、ロータの回転角を検出できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
この目的を解決するために発明された請求項１の直流モータは、ロータを備える直流モータ本体と、ロータの回転角を検出する検出手段とを備える直流モータである。
【０００６】
そして、ロータは、三相以上の相コイルからなる電機子コイルが巻かれたロータコアと、電機子コイルに導通した整流子とが回転軸に固定されることで構成される。
【０００７】
また、直流モータ本体は、整流子と摺接しながら、当該整流子と外部電源とを導通させる一対のブラシと、ロータコアを覆い、回転軸を支えるハウジングと、ハウジングに支えられ、当該ハウジング内部に磁場を作る磁石とを備える。
【０００８】
そして、相コイルの巻数は、二種類以上ある。また、検出手段は、ブラシ間を流れる電流を測定することでロータの回転角を検出する。
【０００９】
この直流モータによれば、大掛かりなセンサを用いずに、しかもロータの回転には本来不要な抵抗を使わなくても、ロータの回転角が検出できる。なぜなら、ロータの回転に本来必要な電機子コイルによって、ブラシ間の電気抵抗がロータの回転角に依存して二段階以上に変化するからである。よって、ロータを回転させるために流れるブラシ間の電流を測定することで、回転角を検出できる。なお、磁石は、永久磁石に限られず、電磁石等でもよい。
【００１０】
請求項２の直流モータは、請求項１に記載の直流モータを前提とする。そして、相コイルの巻数は、三種類以上ある。そして、検出手段は、ブラシ間に流れる電流を測定することでロータの回転方向を検出する。
【００１１】
この直流モータによれば、少なくとも一回転すれば、ロータの回転方向が検出できるように構成できる。なぜなら、ブラシ間に流れる電流値が三段階以上に変化するからである。
【００１２】
請求項３の直流モータは、請求項２の直流モータを前提とする。そして、相コイルの巻数は、相の数と同じ数の種類がある。
【００１３】
この直流モータによれば、ブラシに接触している整流子片が切り替わりさえすれば、ロータの回転方向が検出できる。なぜなら、回転方向によって電流値の変化パターンが異なるからである。
【００１４】
請求項４の直流モータは、請求項１〜請求項３の何れかに記載の直流モータを前提とする。そして、相コイルは三相または五相である。
【００１５】
請求項５の直流モータは、請求項１〜請求項４の何れかに記載の直流モータを前提とする。そして、外部電源は、ロータの回転が制動される時に、ロータの回転に必要な電流値未満の電流を流すように構成される。また、検出手段は、ロータの回転に必要な電流値未満の電流を測定することで、ロータの制動時の回転角を検出する。この直流モータによれば、ロータの制動時の回転角を検出できる。
【００１６】
請求項６の直流モータは、請求項１〜請求項５の何れかに記載の直流モータを前提とする。そして、外部電源は、ロータの回転が停止している時に、ロータの回転に必要な電流値未満の電流を流すように構成される。また、検出手段は、ロータの回転に必要な電流値未満の電流を測定することで、ロータの停止時の回転角を検出する。この直流モータによれば、停止時のロータの回転角を検出できる。
【００１７】
請求項７の直流モータ本体は、請求項１の直流モータ本体である。つまり、ロータを備え、当該ロータを流れる電流によって、当該ロータの回転角検出ができる直流モータ本体である。そして、ロータは、三相以上の相コイルからなる電機子コイルが巻かれたロータコアと、電機子コイルに導通した整流子とが回転軸に固定されることで構成される。
【００１８】
そして、当該直流モータ本体は、整流子と摺接しながら、当該整流子と外部電源とを導通させる一対のブラシと、ロータコアを覆い、回転軸を支えるハウジングと、ハウジングに支えられ当該ハウジング内部に磁場を作る磁石とを備える。そして、相コイルの巻数は、二種類以上ある。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】実施例１の直流モータの概略構成を示す図。
【図２】実施例１の回転角検出回路の概略構成を示すブロック図。
【図３】ロータが１８０°回転する間に生じる三種類の状態（モータ回路）を示す図。
【図４】ロータの回転中に流れる電流に関連する波形の一例を示すグラフ。
【図５】実施例２の直流モータの概略構成を示す図。
【図６】実施例２の回転角検出回路の概略構成を示すブロック図。
【図７】定常運転中において、ロータの回転中に流れる電流に関連する波形の一例を示すグラフ。
【図８】電流回路の開放による制動時おいて、ロータの回転中に流れる電流に関連する波形の一例を示すグラフ。
【図９】短絡による制動時において、ロータの回転中に流れる電流に関連する波形の一例を示すグラフ。
【図１０】ロータが１８０°回転する間に生じる五種類の状態（モータ回路）のうち三種類を示す図。
【図１１】ロータが１８０°回転する間に生じる五種類の状態（モータ回路）のうち二種類を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の実施例を図面と共に説明する。
【実施例１】
【００２１】
図１に、本発明が適用された直流モータ１の概略構成を示す。直流モータ１は、ロータ４の回転角を検出できる直流モータである。図１に示すように、直流モータ１は、直流モータ本体２と回転角検出回路６とを備え、直流電源３に接続されている。直流モータ本体２は、ロータ４、ハウジング８、磁石９、ブラシ１６／１７を備える。ロータ４は、回転軸７、ロータコア４０、コイルａ、コイルｂ、コイルｃ、整流子片３１／３２／３３を備える。つまり、ロータ４は、三相である。
【００２２】
ハウジング８は、直流モータ本体２の外郭である。磁石９は、ハウジング８に固定された永久磁石である。
【００２３】
直流電源３は、直流電圧をブラシ１６／１７間に印加する。そうすると、ブラシ１６／１７と整流子片３１／３２／３３との接触状態に応じて、コイルａ／ｂ／ｃに直流電流が流れる。そうすると磁石９の磁界によってトルクが生じて、回転軸７を中心にロータ４が回転する。なお、コイルａ／ｂ／ｃの巻数は、コイルｃ＜コイルｂ＝コイルａである。
【００２４】
回転角検出回路６は、直流電源３とグラウンドとの間、つまりブラシ１６／１７間を流れる電流に基づいて、ロータ４の回転角に応じた信号（回転パルス）を生成することでロータ４の回転角を検出する。詳細は後述する。
【００２５】
図２に示すように、回転角検出回路６は、抵抗２１、フィルタ２３、アンプ（ＡＭＰ）２４、閾値制御回路２６、コンパレータ（ＣＯＭＰ）２７、パルス生成回路２８を備える。
【００２６】
抵抗２１は、直流電源３とグラウンドとの間に直列に接続されている。従って、ブラシ１６／１７間に流れた電流値に応じて、抵抗２１の前後で電圧降下が起こる。その降下分の電圧を検出信号として、フィルタ２３が入力を受ける。そうするとフィルタ２３は、ロータ４の回転に伴う変化に対応する帯域の信号を抽出して、その抽出後の信号をアンプ２４に入力する。つまり、フィルタ２３は、余分な周波数成分（起動時の突入電流や制動時の急激な電流変動など）を取り除くものである。また、フィルタ２３は、直流電源３と繋がって、印加電圧により遮断周波数を制御することも有り得る。
【００２７】
アンプ２４は、入力された検出信号を、増幅すると共にコンパレータ２７の二つの入力端子のうち一方に入力する。コンパレータ２７は、入力された検出信号と、閾値制御回路２６から他方の入力端子に入力され閾値を示す信号（閾値信号）とに基づいて、ローレベル信号かハイレベル信号かをパルス生成回路２８に入力する。
【００２８】
具体的には、コンパレータ２７は、検出信号の値が閾値信号の値以上なら、ハイレベル信号を出力する。逆に、検出信号の値が閾値信号の値未満なら、ローレベル信号を出力する。
【００２９】
パルス生成回路２８は、コンパレータ２７から入力された信号に基づいて、抵抗２１での電圧降下値の情報を示す信号を出力する。具体的には、コンパレータ２７からローレベル信号の
入力を受ければ電圧降下値が「低」であることを示す信号Ｌ、ハイレベル信号の入力を受ければ電圧降下値が「高」であることを示す信号Ｈを出力する。
【００３０】
図３は、ロータ４が１８０°回転する間における、ロータ４内部の結線状態の変化、つまり、ブラシ１６／１７間に形成されるモータ回路の変化を示す。図に示すように、ロータ４のモータ回路は、ロータ４が６０°回転する毎に、状態イ／ロ／ハの三種類に変化する。そして、各状態における等価回路は、図中の右に示されている。
【００３１】
図３（イ）は状態イの一例を示す。図示のように、Ｖｃｃ側（直流電源３の正極側）のブラシ１６に整流子片３１が接触すると共に、ＧＮＤ側（グラウンド電位側）のブラシ１７に整流子片３２が接触した状態である。なお、Ｖｃｃとは直流電源３の電源電圧を示すものである。この場合の合成抵抗Ｒ（イ）は、
Ｒ（イ）＝（Ａ＋Ｃ）Ｂ／（Ａ＋Ｂ＋Ｃ）
となる。なお、Ａとは、コイルａによる抵抗値を示す。ＢやＣも同様である。
【００３２】
図３（ロ）は、状態ロの一例として、状態イから時計回りに約６０°回転した状態を示す。状態ロでは、Ｖｃｃ側のブラシ１６に接触する整流子片が、状態イの時の整流子片３１から整流子片３３へと切り替わっている。ＧＮＤ側のブラシ１７には、整流子片３２が接触している。この場合の合成抵抗Ｒ（ロ）は、
Ｒ（ロ）＝（Ａ＋Ｂ）Ｃ／（Ａ＋Ｂ＋Ｃ）
となる。
【００３３】
図３（ハ）は、状態ハの一例として、状態ロからさらに時計回りに約６０°回転した状態を示す。状態ハでは、ＧＮＤ側のブラシ１７に接触する整流子片が、状態イ／ロの時の整流子片３２から整流子片３１へと切り替わっている。Ｖｃｃ側のブラシ１６には整流子片３３が接触している。この場合の合成抵抗Ｒ（ハ）は、
Ｒ（ハ）＝Ａ（Ｂ＋Ｃ）／（Ａ＋Ｂ＋Ｃ）
となる。先述したように、巻数は、コイルｃ＜コイルｂ＝コイルａなので、抵抗値は、Ｃ＜Ｂ＝Ａとなる。従って、Ｒ（ロ）＜Ｒ（イ）＝Ｒ（ハ）となる。
【００３４】
なお、Ｒ（イ）・Ｒ（ハ）の時に信号Ｌ、Ｒ（ロ）の時に信号Ｈをパルス生成回路２８が出力するように、回転角検出回路６（特に閾値制御回路２６）は構成されている。
【００３５】
図４（ａ）はモータ電流と時間との関係を示したグラフ、図４（ｂ）はパルス生成回路２８から出力される信号レベルと時間との関係を示したグラフである。両グラフの横軸（時間）は、目盛りが一致している。
【００３６】
定常運転時においては、図４（ａ）に示すように、電流値は時間に依存して周期的に変化する。具体的には、小→小→大を一周期として変化する。その結果、図４（ｂ）に示すように、パルス生成回路２８から出力される信号は、Ｌ→Ｌ→Ｈを一周期として繰り返す。
【００３７】
また、直流電源３は、定常運転時には一定の電圧（例えば１２Ｖ）を印加するようになっている。一方、制動時においては、直流電源３は、ロータ４にトルクが発生しない程度の低電圧（例えば１Ｖ）を一定時間印加し、その後に電圧の印加を止めるようになっている。
【００３８】
低電圧を印加する目的は、制動時における回転角の検出である。通常、制動すると、過渡状態を経た後に電流が小さくなっていく。特に停止直前では回転速度は遅く、電流がほとんど流れない。そのため、回転角の検出が困難である。しかし、一定の低電圧を印加することにより、停止まで完全に回転検出することが可能となる。
【００３９】
効果を述べる。直流モータ１によれば、大掛かりなセンサを用いずに、しかもロータ４の回転には不要な抵抗を使わなくても、ロータ４の回転角を検出できる。
【実施例２】
【００４０】
図５は、実施例２で説明する直流モータ１００を示した図である。ロータ１０４及び回転角検出回路１０６以外は、実施例１の直流モータ１と同じなので説明を省く。ロータ１０４は、コイルａ／ｂ／ｃの巻数が、コイルｃ＜コイルｂ＜コイルａとなっている。従って、実施例１で説明した抵抗値の関係は、Ｒ（ロ）＜Ｒ（イ）＜Ｒ（ハ）となる。
【００４１】
回転角検出回路１０６については、図６を用いて説明する。図６に示すように、回転角検出回路１０６は、抵抗２１、フィルタ２３、アンプ２４、閾値制御回路１２６／１３０、コンパレータ１２７／１２９、パルス生成回路１２８を備える。
【００４２】
抵抗２１とフィルタ２３とアンプ２４とについては、回転角検出回路６が備えるものと同じなので説明を省く。
【００４３】
コンパレータ１２７／１２９は、アンプ２４と、閾値制御回路１２６／１３０とから信号を受ける。そして、アンプ２４から入力された検出信号と、閾値制御回路１２６／１３０から入力される閾値信号とに基づいて、ローレベル信号かハイレベル信号かをパルス生成回路１２８に入力する。
【００４４】
具体的には、コンパレータ１２７／１２９は、検出信号の値が閾値信号の値以上なら、ハイレベル信号を出力する。逆に、検出信号の値が閾値信号の値未満なら、ローレベル信号を出力する。また、閾値制御回路１２６が出力する閾値信号（低閾値信号）の値は、閾値制御回路１３０が出力する閾値信号（高閾値信号）の値よりも低い。
【００４５】
従って、検出信号＜低閾値信号の場合、コンパレータ１２７／１２９は両方とも、ローレベル信号を出力する。低閾値信号≦検出信号＜高閾値信号の場合、コンパレータ１２７はハイレベル信号、コンパレータ１２９はローレベル信号を出力する。高閾値信号≦検出信号の場合、コンパレータ１２７／１２９は両方とも、ハイレベル信号を出力する。
【００４６】
パルス生成回路１２８は、コンパレータ１２７／１２９から入力された信号に基づいて、抵抗２１での電圧降下値の情報を示す信号を出力する。具体的には、コンパレータ１２７／１２９両方からローレベル信号の入力を受ければ電圧降下値が「低」であることを示す信号Ｌ、コンパレータ１２７からハイレベル信号、コンパレータ１２９からローレベル信号の入力を受ければ電圧降下値が「中」であることを示す信号Ｍ、コンパレータ１２７／１２９両方からハイレベル信号の入力を受ければ電圧降下値が「高」であることを示す信号Ｈを出力する。
【００４７】
なお、Ｒ（ハ）の時に信号Ｌ、Ｒ（イ）の時に信号Ｍ、Ｒ（ロ）の時に信号Ｈをパルス生成回路１２８が出力するように、回転角検出回路１０６（特に閾値制御回路１２６／１３０）は構成されている。
【００４８】
図７は、定常運転時についてのグラフである。図７（ａ）はモータ電流と時間との関係を示したグラフ、図７（ｂ）はパルス生成回路１２８から出力される信号レベルと時間との関係を示したグラフである。両グラフの横軸（時間）は、目盛りが一致している。
【００４９】
図７（ａ）に示すように、電流値は時間に依存して周期的に変化する。具体的には、小→中→大を一周期として変化する。その結果、図７（ｂ）に示すように、パルス生成回路１２８から出力される信号は、Ｌ→Ｍ→Ｈを一周期として繰り返す。
【００５０】
ところで実施例１で述べたように、制動時において直流電源３は、ロータ１０４にトルクが発生しない程度の低電圧（例えば１Ｖ）を一定時間印加し、その後に電圧の印加を止めるようになっている。
【００５１】
実施例１の直流モータ１では、低電圧を印加する目的は、単に制動時の回転角の検出であった。それに対して、実施例２の直流モータ１００では、逆転の検出も目的としている。通常、制動すると、正転で減速→一旦停止→逆転→完全停止となる。この過程における回転角の検出をする。以下、詳述する。
【００５２】
図８は、電流回路の開放による制動時についてのグラフである。図８（ａ）はモータ電流と時間との関係を示したグラフ、図８（ｂ）はフィルタ２３から出力される信号と時間との関係を示したグラフ、図８（ｃ）はコンパレータ１２７から出力される信号と時間との関係を示したグラフ、図８（ｄ）はコンパレータ１２９から出力される信号と時間との関係を示したグラフ、図８（ｅ）はパルス生成回路１２８から出力される信号レベルと時間との関係を示したグラフである。各グラフの横軸（時間）は、目盛りが一致している。
【００５３】
図８（ａ）に示すように、モータ電流は、定常運転を止めて制動に入ると、ロータ１０４の抵抗値変化と過渡現象との影響を受けて変化していく。
【００５４】
図８（ｂ）に示すように、フィルタ２３が出力する情報は、過渡現象の影響が取り除かれ、ロータ１０４の抵抗値変化による電流値変化に対応している。そして、波形は、大→中→小→中となっている。これは、図に示された「ロータ逆転」の時刻において、一旦停止および逆転開始が起こった結果に対応している。
【００５５】
この結果、図８（ｃ）（ｄ）（ｅ）に示すように、フィルタ２３からの信号に応じて、コンパレータ１２７／１２９は信号を出力し、この出力に応じてパルス生成回路１２８は、Ｈ→Ｍ→Ｌ→Ｍの順に信号を出力する。よって、制動時における逆転を検出できる。
【００５６】
なお、図示しなかったが、直流電源３と閾値制御回路１２６／１３０とは接続されている。そして、閾値制御回路１２６／１３０は、直流電源３によって印加される電圧が、定常運転時のものなのか、制動時のものなのかを知ることができるようになっている。そして、閾値制御回路１２６／１３０は、印加電圧の減少に応じて、出力する閾値信号値を小さくするようになっている。そうすることで制動時においても、パルス生成回路１２８は、ロータ１０４の回転角に対応した信号値を出力できる。
【００５７】
そして、直流電源３は、印加する電圧を一定時間経過後に零にして、制動を終える。
【００５８】
図９は、短絡制動による制動時についてのグラフである。図９（ａ）はモータ電流と時間との関係を示したグラフ、図９（ｂ）はフィルタ２３から出力される信号と時間との関係を示したグラフ、図９（ｃ）はコンパレータ１２７から出力される信号と時間との関係を示したグラフ、図９（ｄ）はコンパレータ１２９から出力される信号と時間との関係を示したグラフ、図９（ｅ）はパルス生成回路１２８から出力される信号レベルと時間との関係を示したグラフである。各グラフの横軸（時間）は、目盛りが一致している。
【００５９】
図９（ａ）に示すように、制動を開始すると、ブラシ１６／１７間の抵抗値変化の影響を受けつつ、過渡現象によってモータ電流は負になる。その後、徐々に大きくなっていく。図９（ｂ）〜図９（ｅ）は、図８（ｂ）〜図８（ｅ）と同じなので説明を省く。
【００６０】
ここから効果を述べる。直流モータ１００によれば、大掛かりなセンサを用いずに、しかもロータ１０４の回転には不要な抵抗を使わなくても、ロータ１０４の回転角を検出できる。さらに、逆転を検出できる。
【００６１】
逆転を検出できる理由は、ブラシ１６／１７と整流子片３１／３２／３３との接触状態に応じて変化するブラシ１６／１７間の抵抗値の種類が、相の数だけあるからである。そうすれば正転、逆転を必ず検出できる。
【００６２】
しかも、ブラシと整流子片との接触状態が切り替わりさえすれば、逆転を検出できる。なぜなら、接触状態が切り替わる場合、正転したとき及び逆転したときを比べると、ブラシ１６／１７間の抵抗値が同じでないからである。なお、このような逆転を「接触状態単位の逆転」と呼ぶ。
【００６３】
さらに、制動時に微弱な電圧を印加する構成によって、制動時の逆転も検出できる。また、停止時にも微弱な電圧を印加することで、停止時の回転角を検出できる。つまり、制動〜停止時には回転しない程度の一定電圧を印加することで、停止した時の電流値から、どの範囲で停止したかが検出可能となる。また、この「どの範囲で停止したかの検出」を利用することによっても、逆転を検出することができる。
【００６４】
このような構成を回転に不要な抵抗で実現しようとすると、さらにもう一つ抵抗を追加する必要があり、さらにコストアップになってしまう。本発明によれば、そのようなコストアップを防ぐことができる。
【実施例３】
【００６５】
実施例３は、ロータが五相の場合である。まずモータ回路の変化を、図１０、図１１を用いて説明する。図に示すように実施例３においては、ブラシ１１６／１１７、整流子片１３１／１３２／１３３／１３４／１３５、コイルｄ／ｅ／ｆ／ｇ／ｊがロータの構成要素の一部となる。コイルの巻数は、ｄ＝ｅ＝ｆ＜ｇ＜ｊである。従って、巻数は三種類である。
【００６６】
ロータが１８０°回転する間における、ブラシ１１６／１１７間に形成されるモータ回路の変化を説明する。図に示すように、実施例３のモータ回路は、ロータが時計回りに３６°回転する毎に、状態ニ／ホ／ヘ／ト／チの順に変化する。そして、各状態における等価回路は、図中の右に示されている。
【００６７】
図１０（ニ）は、状態ニを示す。図示のように、Ｖｃｃ側のブラシ１１６に整流子片１３５が接触すると共に、ＧＮＤ側のブラシ１１７に整流子片１３２が接触した状態である。この場合の合成抵抗Ｒ（ニ）は、
Ｒ（ニ）＝（Ｄ＋Ｅ）（Ｆ＋Ｇ＋Ｊ）／（Ｄ＋Ｅ＋Ｆ＋Ｇ＋Ｊ）
となる。なお、Ｄとは、コイルｄによる抵抗値を示す。Ｅ、Ｆ、Ｇ、Ｊも同様である。
【００６８】
図１０（ホ）は、状態ホを示す。図示のように、Ｖｃｃ側のブラシ１１６に整流子片１３４が接触すると共に、ＧＮＤ側のブラシ１１７に整流子片１３２が接触した状態である。この場合の合成抵抗Ｒ（ホ）は、
Ｒ（ホ）＝（Ｄ＋Ｅ＋Ｊ）（Ｆ＋Ｇ）／（Ｄ＋Ｅ＋Ｆ＋Ｇ＋Ｊ）
となる。
【００６９】
図１０（ヘ）は、状態ヘを示す。図示のように、Ｖｃｃ側のブラシ１１６に整流子片１３４が接触すると共に、ＧＮＤ側のブラシ１１７に整流子片１３１が接触した状態である。なお、この場合の合成抵抗Ｒ（ヘ）は、
Ｒ（ヘ）＝（Ｄ＋Ｊ）（Ｅ＋Ｆ＋Ｇ）／（Ｄ＋Ｅ＋Ｆ＋Ｇ＋Ｊ）
となる。
【００７０】
図１１（ト）は、状態トを示す。図示のように、Ｖｃｃ側のブラシ１１６に整流子片１３３が接触すると共に、ＧＮＤ側のブラシ１１７に整流子片１３１が接触した状態である。この場合の合成抵抗Ｒ（ト）は、
Ｒ（ト）＝（Ｄ＋Ｇ＋Ｊ）（Ｅ＋Ｆ）／（Ｄ＋Ｅ＋Ｆ＋Ｇ＋Ｊ）
となる。
【００７１】
図１１（チ）は、状態チを示す。図示のように、Ｖｃｃ側のブラシ１１６に整流子片１３３が接触すると共に、ＧＮＤ側のブラシ１１７に整流子片１３５が接触した状態である。この場合の合成抵抗Ｒ（チ）は、
Ｒ（チ）＝（Ｇ＋Ｊ）（Ｄ＋Ｅ＋Ｆ）／（Ｄ＋Ｅ＋Ｆ＋Ｇ＋Ｊ）
となる。そして、Ｄ＝Ｅ＝Ｆ＜Ｇ＜Ｊより、Ｒ（ニ）＝Ｒ（ト）＝Ｒ（チ）＜Ｒ（ホ）＜Ｒ（ヘ）となる。
【００７２】
なお、実施例３における、直流モータの概略構成、回転角検出回路の構成、モータ電流と時間との関係を示したグラフ、及び、パルス生成回路から出力される信号レベルと時間との関係を示したグラフについては、図示は省いて簡単に説明する。
【００７３】
実施例３の直流モータは、これまでの説明から明らかなように、実施例２のロータ１０４を五相にしたものである。また、回転角検出回路は、実施例２の回転角検出回路１０６と同じである。また、パルス生成回路１２８から出力される信号レベルは、Ｈ→Ｍ→Ｌ→Ｈ→Ｈを一周期として繰り返す。
【００７４】
効果は、実施例２の直流モータ１００とほぼ同じである。ただし、接触状態単位の逆転を検出できない場合がある。状態チを起点とすると、正転しても逆転しても、Ｈ→Ｈとなるからである。ただし、一回転単位の逆転は必ず検出できる。Ｈ→Ｌ→Ｍ→Ｈの三通りの変化のどれかを検出すれば、逆転していることが分かるからである。
【００７５】
一方、実施例２よりも有利な点としては、整流子片が多いことによって、より細かい角度で回転角を検出できることである。
【００７６】
変形例を述べる。ロータの相の数は三相以上であれば、いくつでも構わない。また、巻数が二種類あれば、回転角（回転数）検出が可能なので、本発明の当初の目的を達成できる。また、一回転単位の逆転検出および接触状態単位の逆転検出のための条件は、コイル同士の配置関係が関係するので、相の数ごとに異なる。詳細については、相の数ごとに調べれば分かることなので、ここでは示さない。なお、コイルの巻数の種類に応じて、回転角検出回路の構成を対応させる必要がある。
【００７７】
また、フィルタの出力をデジタル処理することで、回転検出しても良い。例えば、波形をサンプリングし、移動平均をとり、段階的な変化を検出する方法が挙げられる。また、印加電圧と測定した電流とを用いて、ブラシ１６／１７間の合成抵抗を算出し、この合成抵抗値を用いて回転検出をしても良い。
【００７８】
なお、実施例の回転角検出回路６／１０６は、特許請求の範囲の検出手段に相当する。つまり、回転角検出回路６／１０６は、回転角に応じた信号を出力するという形で回転角検出を行っている。
【符号の説明】
【００７９】
１／１００…直流モータ、２…直流モータ本体、３…直流電源、４／１０４…ロータ、６／１０６…回転角検出回路、７…回転軸、８…ハウジング、９…磁石、１６／１７／１１６／１１７…ブラシ、２１…抵抗、２３…フィルタ、２４…アンプ、２６／１２６／１３０…閾値制御回路、２７／１２７／１２９…コンパレータ、２８／１２８…パルス生成回路、３１／３２／３３／１３１／１３２／１３３／１３４／１３５…整流子片、４０…ロータコア、ａ／ｂ／ｃ／ｄ／ｅ／ｆ／ｇ／ｊ…コイル
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロータを備える直流モータ本体と、前記ロータの回転角を検出する検出手段とを備える直流モータであって、
前記ロータは、三相以上の相コイルからなる電機子コイルが巻かれたロータコアと、前記電機子コイルに導通した整流子とが回転軸に固定されることで構成され、
前記直流モータ本体は、
前記整流子と摺接しながら、当該整流子と外部電源とを導通させる一対のブラシと、
前記ロータコアを覆い、前記回転軸を支えるハウジングと、
前記ハウジングに支えられ、当該ハウジング内部に磁場を作る磁石とを備え、
前記相コイルの巻数は、二種類以上あり、
前記検出手段は、前記ブラシ間を流れる電流を測定することで前記ロータの回転角を検出する
ことを特徴とする直流モータ。
【請求項２】
前記相コイルの巻数は、三種類以上あり、
前記検出手段は、前記ブラシ間を流れる電流を測定することで前記ロータの回転方向を検出する
ことを特徴とする請求項１に記載の直流モータ。
【請求項３】
前記相コイルの巻数は、相の数と同じ数の種類がある
ことを特徴とする請求項２に記載の直流モータ。
【請求項４】
前記相コイルは三相または五相であることを特徴とする請求項１〜請求項３の何れかに記載の直流モータ。
【請求項５】
前記外部電源は、前記ロータの回転が制動される時に、前記ロータの回転に必要な電流値未満の電流を流すように構成され、
前記検出手段は、前記ロータの回転に必要な電流値未満の電流を測定することで、前記ロータの制動時の回転角を検出する
ことを特徴とする請求項１〜請求項４の何れかに記載の直流モータ。
【請求項６】
前記外部電源は、前記ロータの回転が停止している時に、前記ロータの回転に必要な電流値未満の電流を流すように構成され、
前記検出手段は、前記ロータの回転に必要な電流値未満の電流を測定することで、前記ロータの停止時の回転角を検出する
ことを特徴とする請求項１〜請求項５の何れかに記載の直流モータ。
【請求項７】
ロータを備え、当該ロータを流れる電流によって、当該ロータの回転角検出ができる直流モータ本体であって、
前記ロータは、三相以上の相コイルからなる電機子コイルが巻かれたロータコアと、前記電機子コイルに導通した整流子とが回転軸に固定されることで構成され、
前記整流子と摺接しながら、当該整流子と外部電源とを導通させる一対のブラシと、
前記ロータコアを覆い、前記回転軸を支えるハウジングと、
前記ハウジングに支えられ、当該ハウジング内部に磁場を作る磁石とを備え、
前記相コイルの巻数は、二種類以上ある
ことを特徴とする直流モータ本体。
【請求項１】
ロータを備える直流モータ本体と、前記ロータの回転角を検出する検出手段とを備える直流モータであって、
前記ロータは、三相以上の相コイルからなる電機子コイルが巻かれたロータコアと、前記電機子コイルに導通した整流子とが回転軸に固定されることで構成され、
前記直流モータ本体は、
前記整流子と摺接しながら、当該整流子と外部電源とを導通させる一対のブラシと、
前記ロータコアを覆い、前記回転軸を支えるハウジングと、
前記ハウジングに支えられ、当該ハウジング内部に磁場を作る磁石とを備え、
前記相コイルの巻数は、二種類以上あり、
前記検出手段は、前記ブラシ間を流れる電流を測定することで前記ロータの回転角を検出する
ことを特徴とする直流モータ。
【請求項２】
前記相コイルの巻数は、三種類以上あり、
前記検出手段は、前記ブラシ間を流れる電流を測定することで前記ロータの回転方向を検出する
ことを特徴とする請求項１に記載の直流モータ。
【請求項３】
前記相コイルの巻数は、相の数と同じ数の種類がある
ことを特徴とする請求項２に記載の直流モータ。
【請求項４】
前記相コイルは三相または五相であることを特徴とする請求項１〜請求項３の何れかに記載の直流モータ。
【請求項５】
前記外部電源は、前記ロータの回転が制動される時に、前記ロータの回転に必要な電流値未満の電流を流すように構成され、
前記検出手段は、前記ロータの回転に必要な電流値未満の電流を測定することで、前記ロータの制動時の回転角を検出する
ことを特徴とする請求項１〜請求項４の何れかに記載の直流モータ。
【請求項６】
前記外部電源は、前記ロータの回転が停止している時に、前記ロータの回転に必要な電流値未満の電流を流すように構成され、
前記検出手段は、前記ロータの回転に必要な電流値未満の電流を測定することで、前記ロータの停止時の回転角を検出する
ことを特徴とする請求項１〜請求項５の何れかに記載の直流モータ。
【請求項７】
ロータを備え、当該ロータを流れる電流によって、当該ロータの回転角検出ができる直流モータ本体であって、
前記ロータは、三相以上の相コイルからなる電機子コイルが巻かれたロータコアと、前記電機子コイルに導通した整流子とが回転軸に固定されることで構成され、
前記整流子と摺接しながら、当該整流子と外部電源とを導通させる一対のブラシと、
前記ロータコアを覆い、前記回転軸を支えるハウジングと、
前記ハウジングに支えられ、当該ハウジング内部に磁場を作る磁石とを備え、
前記相コイルの巻数は、二種類以上ある
ことを特徴とする直流モータ本体。
【図２】
【図３】
【図４】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１】
【図５】
【図３】
【図４】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１】
【図５】
【公開番号】特開２０１０−１８３７９３（Ｐ２０１０−１８３７９３Ａ）
【公開日】平成２２年８月１９日（２０１０．８．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２７１８５（Ｐ２００９−２７１８５）
【出願日】平成２１年２月９日（２００９．２．９）
【出願人】（０００００４６９５）株式会社日本自動車部品総合研究所 (1,981)
【出願人】（０００００４２６０）株式会社デンソー (27,639)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年８月１９日（２０１０．８．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年２月９日（２００９．２．９）
【出願人】（０００００４６９５）株式会社日本自動車部品総合研究所 (1,981)
【出願人】（０００００４２６０）株式会社デンソー (27,639)
【Ｆターム（参考）】
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