(57)【要約】  干渉磁界および干渉電界に対して低感度である、回転体の回転角度検出用センサシステムを提供する。回転角度検出用センサシステムは、機械の回転体に取り付けられると共にこの回転体と共に移動可能なエンコーダ構造を含む。固定センサアセンブリは、このエンコーダ構造の対向側に位置し、角位置を決定する少なくとも１つのセンサ信号を供給する。センサアセンブリは、第１のインダクタンス素子を含み、そのインダクタンスは、エンコーダ構造の角位置に依存する。
2009540277.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
機械の可動部（２）の位置を検出するためのシステムであり、可動部（２）に取り付けられかつ可動部と共に移動可能であるエンコーダ構造（３）と、該エンコーダ構造（３）の対向側に配置され、かつ位置を決定し得る少なくとも１つのセンサ信号（９）を供給する固定センサアセンブリ（４）とを備える回転角度検出用センサシステムであって、
センサアセンブリ（４）は第１のインダクタンス素子を備え、エンコーダ構造（３）は、インダクタンス素子が、動作に依存してインダクタンスの変化を生じさせるように構成される、回転角度検出用センサシステム。
【請求項２】
エンコーダ構造は導電性材料を含む、請求項１に記載の回転角度検出用センサシステム。
【請求項３】
エンコーダ構造（３）は、角位置に対して周期的に変化する構造を備えている、請求項１または２に記載の回転角度検出用センサシステム。
【請求項４】
変化する構造の形状は、正弦波形状、三角形状、または、部分的長方形構造である、請求項３に記載の回転角度検出用センサシステム。
【請求項５】
エンコーダ構造（３）は、ロータ（２）のラディアル方向内側位置またはラディアル方向外側位置のリング（７）に設けられている、請求項１〜４のいずれか１つに記載の回転角度検出用センサシステム。
【請求項６】
エンコーダ構造（３）は、ロータ（２）に軸方向に設けられている、請求項１〜５のいずれか１つに記載の回転角度検出用センサシステム。
【請求項７】
センサアセンブリ（４）は、第１の共振回路（６ａ，６ｂ）を備え、また第１のインダクタンス素子は、第１の共振回路（６ａ，６ｂ）の一部である、請求項１〜６のいずれか１つに記載の回転角度検出用センサシステム。
【請求項８】
センサアセンブリは、第２のインダクタンス素子を含む第２の共振回路（６ａ，６ｂ）を有し、第１および第２の共振回路は、第１のセンサシステムを形成する、請求項７に記載の回転角度検出用センサシステム。
【請求項９】
第１のインダクタンス素子は、第１の発振器の一部として使用される、請求項１〜６のいずれか１つに記載の回転角度検出用センサシステム。
【請求項１０】
第２の発振器の一部として使用される第２のインダクタンス素子が設けられ、第１の発振器および第１のインダクタンス素子と、第２の発振器および第２のインダクタンス素子とが第１のセンサシステム（５）を形成する、請求項９に記載の回転角度検出用センサシステム。
【請求項１１】
センサアセンブリ（４）は、第１のセンサシステム（５ａ）に対してオフセットされた第２のセンサシステム（５）を備える、請求項８または１０に記載の回転角度検出用センサシステム。
【請求項１２】
第１および第２のセンサシステムの構造は同一である、請求項１１に記載の回転角度検出用センサシステム。
【請求項１３】
エンコーダ構造が第１および第２のセンサシステムにほぼ同じ影響を与えるように、第
１および第２のセンサシステム（５）が互いに密接してセンサアセンブリ（４）に配置されている、請求項１１または１２に記載の回転角度検出用センサシステム。
【請求項１４】
センサアセンブリ（４）の下流側に、回路出力部（１１）でセンサ信号（９）を、角度情報を含む信号に変換する回路（８）が配置されている、請求項１〜１３のいずれか１つに記載の回転角度検出用センサシステム。
【請求項１５】
回路（８）は、センサ信号の位相差および／または振幅差および／または周波数差から、角度情報を含む信号を得るように構成されている、請求項１４に記載の回転角度検出用センサシステム。
【請求項１６】
回路（８）は、センサアセンブリ（４）のセンサ信号（９）の成分を受信して処理するための対称チャンネル（１２）を備えている、請求項１４または１５に記載の回転角度検出用センサシステム。
【請求項１７】
第１および第２の共振回路（６ａ，６ｂ）の第１および第２のインダクタンス素子（Ｌ１，Ｌ２）が、互いに位相シフトを有する出力信号を出力するように配置されている、請求項８に記載の回転角度検出用センサシステム。
【請求項１８】
約５００ｋＨｚ〜約５ＭＨｚの周波数（ｆ）を有するＡＣ電圧源（Ｖ）が設けられ、前記ＡＣ電圧源は、第１のインダクタンス素子に少なくとも接続される、請求項１〜１７のいずれか１つに記載の回転角度検出用センサシステム。
【請求項１９】
第１および第２の共振回路（６ａ，６ｂ）は、ＡＣ電圧源（Ｖ）の周波数（ｆ）に同調される、請求項１８、７、８のいずれか１つに記載の回転角度検出用センサシステム。
【請求項２０】
第１および第２の共振回路は、エンコーダ構造とセンサアセンブリとの間の距離に基づいて、ＡＣ電圧源の周波数に調節される、請求項１９に記載の回転角度検出用センサシステム。
【請求項２１】
第１の共振回路は、直列共振回路である、請求項７または８に記載の回転角度検出用センサシステム。
【請求項２２】
第１の共振回路は、並列共振回路である、請求項７または８に記載の回転角度検出用センサシステム。
【請求項２３】
回路は、正弦波信号（ｓｉｎ）および余弦波信号（ｃｏｓ）を発生する第１のモジュールを含み、回路（８）は、正弦波信号（ｓｉｎ）および余弦波信号（ｃｏｓ）からの逆正接関数を計算する計算モジュール（１３）を含む、請求項１４に記載の回転角度検出用センサシステム。
【請求項２４】
機械の可動部（２）の位置を検出する方法であって、
前記可動部に取り付けられたエンコーダ構造の位置を変化させることにより、センサアセンブリのインダクタンスを変化させ、
前記センサアセンブリのインダクタンスの変化を検出し、
検出されたインダクタンスの変化に基づいて、可動部の位置を決定する、可動部の位置検出方法。
【請求項２５】
前記インダクタンスの変化を、前記センサアセンブリの２つの共振センサシステムの位相差によって検出する、請求項２４に記載の可動部の位置検出方法。
【請求項２６】
前記インダクタンスの変化を、前記センサアセンブリの２つの共振センサシステムの振幅差によって検出する、請求項２４に記載の可動部の位置検出方法。
【請求項２７】
前記インダクタンスの変化を、前記センサアセンブリの２つの共振センサシステムの周波数差によって検出する、請求項２４に記載の可動部の位置検出方法。
【請求項２８】
インダクタンス素子をＡＣ電圧で駆動する動作周波数を、前記エンコーダ構造からの前記インダクタンス素子の距離に基づいて選択する、請求項２４〜２７のいずれか１つに記載の可動部の位置検出方法。
【請求項２９】
距離が増大しているときには、距離が減少した場合と比較して、前記動作周波数を高くする、請求項２８に記載の可動部の位置検出方法。
【請求項３０】
回転体と、
前記回転体と共に回転可能に取り付けられたエンコーダ構造と、
少なくとも１つ以上のインダクタンス素子を有し、前記エンコーダ構造に間隔を有しつつ対向して配置された固定センサアセンブリと、
から構成された回転角度検出用センサシステムにおいて、
前記１つ以上のインダクタンス素子は、平面状に形成されている、回転角度検出用センサシステム。
【請求項３１】
前記固定センサアセンブリは、５００ｋＨｚから５ＭＨｚの範囲で規定される周波数で駆動する、請求項３０に記載の回転角度検出用センサシステム。
【請求項３２】
前記固定センサアセンブリは少なくとも、前記インダクタンス素子と、前記インダクタンス素子から出力される信号を演算処理して回転角度を算出する集積回路と、を有する、請求項３０または３１に記載の回転角度検出用センサシステム。
【請求項３３】
前記エンコーダ構造は、その幅寸法が周期的に変化する少なくとも１相以上の平面部からなる、請求項３０〜３２のいずれか１つに記載の回転角度検出用センサシステム。
【請求項３４】
前記エンコーダ構造は、前記回転体のラディアル方向に対して垂直に前記平面部が配置されている、請求項３３に記載の回転角度検出用センサシステム。
【請求項３５】
前記エンコーダ構造は、前記回転体の外周面上に形成されている、請求項３４に記載の回転角度検出用センサシステム。
【請求項３６】
前記エンコーダ構造は、前記回転体の内周面上に形成されている、請求項３４に記載の回転角度検出用センサシステム。
【請求項３７】
前記エンコーダ構造の前記平面部は、前記回転体の軸方向に対して垂直に配置されている、請求項３３に記載の回転角度検出用センサシステム。
【請求項３８】
機械の可動部（２）の位置を検出するためのシステムであって、
可動部（２）に取り付け可能で、かつ可動部（２９）と共に移動可能であるエンコーダ構造（３）と、
前記エンコーダ構造（３）のそれぞれの部分とギャップを形成し、位置を推定することを可能にする少なくとも１つのセンサ信号（９）を供給するように構成された固定センサアセンブリ（４）と、を含み、
前記センサ信号は、磁性体コアを欠く第１のコイルを含み、前記センサアセンブリは、さらに、前記それぞれの部分の条件に依存して前記第１のコイルのインダクタンスを調節するように構成される、システム。
【請求項３９】
機械のためのロータ位置センサシステムを製造する方法であって、
ロータと共に回転すると共に、前記ロータの角位置に応じて変化する導電性を有するエンコーダ構造を準備し、
前記エンコーダ構造に固定して位置するためのものであり、前記エンコーダ構造で引き起こされた渦電流によって生じる角度に依存する出力信号を供給するように構成されたセンサアセンブリを準備し、
前記角度に依存する出力信号を処理するように構成された電子回路を準備し、
前記電子回路を射出成形する、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
発明の技術分野
本発明は、機械、特に電動機のロータのような可動部の位置を検出するためのシステムおよび方法に関する。このシステムは、ロータに取り付けられ、かつそれと共に移動可能であるエンコーダ構造と、このエンコーダ構造と対向関係に配置された固定センサアセンブリとを備えている。そして、前記センサアセンブリは、前記位置を推定することを可能にする少なくとも１つのセンサ信号を供給する。
【背景技術】
【０００２】
関連技術の説明
上記の種類の装置および方法は、国際公開第０２／０８４８４９Ａ１号パンフレットから知られている。この文献に記載されている装置は、交互に磁化可能な個々のセグメントを有するロータに取り付けられたリングを有する。磁化可能なリング要素に対向して、固定された磁気センサ要素が設けられる。磁化可能なセンサリングの個々のセグメント内の誘導の過程において、センサ要素の交互の磁化変化が生じる。この場合、センサ要素の信号の波形は、電気角の変位により発生され、ロータの角位置を示すように、前記信号からアナログ信号を計算することができる。
【０００３】
したがって、周知のセンサは磁気測定原理に基づいているので、磁気的干渉および電気的干渉に対して高感度である。このことは、センサが厳しい環境条件にさらされ、また最高１０００アンペアのモータ電流が発生する可能性のある自動車分野にセンサを適用するときに、特に不利になる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
したがって、本発明の目的は、関連する測定手順に従って、干渉磁界および干渉電界に対して低感度とすることが可能であり、ロータのような可動部の位置を検出するためのシステムおよび方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
発明の概要
目的は、センサアセンブリが第１のインダクタンス素子を備え、またエンコーダ構造が、そのインダクタンス素子のインダクタンスの変化による動作、またはインダクタンス素子のインダクタンスの位置に依存した変化をもたらすように構成された、上記の種類のシステムによって解決される。
【０００６】
エンコーダ構造が、特定の実施形態で電気的機械のロータを表すことができる可動部（回転体）の動作によるセンサアセンブリに対して移動される場合、センサアセンブリの適切な制御に際して、出力信号の振幅および／または位相および／または周波数が、従って変化するように、エンコーダ構造の位置に依存して少なくともセンサアセンブリのインダクタンスの挙動は変化する。したがって、本発明のシステムにおいて、エンコーダ構造の渦電流損失は、エンコーダ構造が少なくとも導電性材料から部分的に構成されるなら、従来の磁気測定手順に比較して、発明のシステムが電磁気の影響に関して著しくより強固なように、従来の技術に反して、センサアセンブリのセンサ信号に影響を及ぼすことに関して利用することができる。
【０００７】
すなわち、システムの動作挙動は、このインダクタンス素子のインダクタンスの変化に
よって引き起こされる。
【０００８】
そのためには、例えば、エンコーダ構造が、その位置に応じて、幅や面積、または一般的に、導電性が変化するように構成すればよい。インダクタンス素子に対向するエンコーダ構造の幅や面積が変化すると、エンコーダ構造に生じる渦電流損失の量が変化するので、インダクタンス素子のインダクタンスが変化する。
【０００９】
本発明の有利な一実施形態によれば、エンコーダ構造は、ある角度に対して周期的に変化する（例えば、幅や面積が変化する）構造を備える。このようにして、センサアセンブリは、角位置を検出することが可能な周期的に変化する信号を出力することが可能である。
【００１０】
変化する構造が正弦波形状を有すると有利であろう。この構造によれば、センサアセンブリは、エンコーダ構造の正弦軌道により減衰され、これによって、エンコーダ構造の位置の極めて効率的な評価・計算が可能になる。他の実施形態では、三角形構造や、少なくとも段階的に幅が変化する長方形構造等のような、エンコーダ構造によって、他の「減衰パターン」を示すことができる。概して、インダクタンスの変化によって生じる信号の変化と、ロータの位置との間の明確な関係を可能にする他の構成を用いてもよい。
【００１１】
ロータのラディアル方向内側位置またはラディアル方向外側位置のリングに、エンコーダ構造を設けると、好ましいであろう。この構成では、ロータを有する機械を考えた場合、ロータの機械的回転中に、角度検出の期間を連続的に繰り返すことが可能である。エンコーダ構造がロータの内側に取り付けられている場合、その内側において、エンコーダ構造に対向してセンサアセンブリを配置することが有利であろう。他方、エンコーダ構造がロータの外側に取り付けられている場合、センサアセンブリは、典型的にロータの外側に設けられる。
【００１２】
他の実施形態では、エンコーダ構造をロータにアキシャル方向に設けることも可能である。したがって、次に、適切な構成のそれぞれのセンサアセンブリをロータに対してアキシャル方向に配置することが可能である。
【００１３】
本発明の有利な実施形態によれば、センサアセンブリは、ＡＣ電圧源によって電圧が供給される２つの共振回路を有し、かつインダクタンス素子を有する、少なくとも１つのセンサシステムを備える。このインダクタンス素子は、減衰状態において、またはエンコーダ構造が及ぼしたインダクタンスへの影響の間に、位置情報を含む出力信号を発生させる。共振回路から、エンコーダ構造の位置に従って変化する位相シフトおよび／または振幅差を得ることが可能である。この場合、センサシステムの精度は、ＡＣ電圧源の構成要素と共振回路の構成要素との公差によって決定され、これによって、それぞれの構成要素の適切な品質に基づいてシステムの効率的な作動が行われる。共振回路は直列共振回路としてまたは並列共振回路として設けることが可能である。
【００１４】
他の実施形態では、センサアセンブリのインダクタンス素子は、それらに関連付けられた発振器の構成要素として使用され、またインダクタンスの変化によって生じる発振器の周波数差を、所望の位置情報を取得するように評価・計算することが可能である。
【００１５】
本発明の特に有利な実施形態では、センサアセンブリは、互いに機械的に移動される上記の種類の少なくとも２つの同一のセンサシステムを備える。機械的に移動されるセンサシステムによって、エンコーダ構造の異なる位置に対応する同一形状の時間シフト信号を発生させることが可能であり、この時間シフト信号を用いて、エンコーダ構造の絶対位置を正確に決定することが可能である。
【００１６】
本発明の有利な実施形態によれば、センサアセンブリのセンサシステムは互いに密接して配置される。このようにして、センサ出力信号をほぼ同一に変化させることにより、ロータおよびそれに取り付けられたエンコーダ構造のラディアル方向のランアウトまたはアンバランスを除去することが可能である。
【００１７】
センサアセンブリの下流側には、少なくとも１つのセンサ信号を、位置情報を含む信号に変換する回路を設けることが有利である。この回路を使用することによって、センサアセンブリにより測定された位相差および／または振幅差および／または周波数差を、検出すべき角位置を直接表すことが可能な信号に変換することが可能である。
【００１８】
いくつかの実施形態では、回路が、センサアセンブリのセンサ信号をタップして処理するための対称チャンネルを備えると有利である。センサアセンブリによって出力された信号がセンサアセンブリの信号形態と同一である場合、回路チャンネルの対称の構成によって、センサ信号の同一の処理を保証することが可能である。このようにして、処理されるセンサ信号が、高精度の出力信号を得るように処理されることになる。
【００１９】
いくつかの実施形態では、センサシステムが移動するように配置され、特に、９０°移動させることが可能である。このようにして、例えば、エンコーダアセンブリが、対応する構成を有する場合、正弦波信号および余弦波信号を発生させることが可能になる。
【００２０】
センサアセンブリを発振させるために用いられるＡＣ電圧源の周波数は、５００ｋＨｚ〜約５ＭＨｚの範囲にあることが好ましい。この範囲では、エンコーダ構造の渦電流損失によって、センサアセンブリに極めて効率的に影響を与えることが可能である。
【００２１】
いくつかの実施形態では、共振回路はＡＣ電流源の周波数に合わせられる。このようにして、共振回路を製造公差に対して安定させて、高い評価感度の取得を実現することが可能になり、この場合、減衰されたセンサアセンブリの共振周波数の近くの適切な値の動作周波数を選択することが可能である。
【００２２】
位置情報を含む信号が正弦波信号と余弦波信号とを含み、また正弦波信号と余弦波信号とから逆正接関数を計算することが可能な計算モジュールが下流側に設けられると、特に有利である。このようにして、角位置を直接表すことが可能である。
【００２３】
本発明のさらなる態様では、回転角度検出用センサシステムを設け、システムは、回転体と、前記回転体と共に回転可能に取り付けられたエンコーダ構造と、を含む。更に、システムは、１つまたは複数のインダクタンス素子を有するとともに、前記エンコーダ構造に間隔をあけて対向配置された固定センサアセンブリを含む。回転角度検出用センサシステムは、前記１つまたは複数のインダクタンス素子が平面形状に形成されることを特徴とする。
【００２４】
本発明の目的は、また、機械のロータなどの可動部の位置を検出する方法によって解決される。方法は、可動部に結合されたエンコーダ構造の位置を変化し、センサアセンブリのインダクタンスの変化を検出することによって、センサアセンブリのインダクタンスを変化することを含む。さらに、可動部の位置は、インダクタンスの検出された変化に基づいて決定される。
【００２５】
この渦電流の原理に基づいた技術は、干渉磁界および干渉電界に対して可動部の位置検出の実質的非感受性を提供する。
【００２６】
インダクタンスの変化は、センサアセンブリの２つの振動センサシステムの位相差によって検出することができる。
【００２７】
このように、効率的な評価は、例えば、センサアセンブリの共振回路に基づいてなされることができ、ここで、エンコーダアセンブリにおいて、位置依存性の渦電流損失を正確に評価することができる。このために、対応する位相差を有するアナログ信号に基づいて評価をなすことができる。
【００２８】
一好ましい実施形態では、インダクタンスの変化は、センサアセンブリの２つの振動センサシステムの振幅の相違に基づいて検出される。
【００２９】
さらなる好ましい実施形態では、インダクタンスの変化は、センサアセンブリの２つの振動センサシステムの周波数の相違によって検出される。
【００３０】
これらの場合では、高度の設計柔軟性が得られるように、マイクロコントローラまたはマイクロプロセッサなどの十分に認められた信号処理装置を使用することができる。
【００３１】
本発明のさらなる態様によれば、導入部で説明されたシステムによって目的を解決し、ここで、センサアセンブリは、第１のインダクタンス素子、すなわち、磁気コアがないコイルを含み、エンコーダ構造は、インダクタンス素子のインダクタンスの位置依存性の値をもたらすように構成されている。
【００３２】
外部磁界は、コイル内に磁性体コア材料がないことにより、上記説明した有利な効果に加えて、得られた出力信号が強い磁界に適度に非感受性なように、センサアセンブリの磁化または飽和率に寄与しなくてもよく、それは、特に電気機械に発生することができる。
【００３３】
このために、エンコーダ構造の位置依存性の構造化のための高度の柔軟性が得られるように、エンコーダの導電性は、角度に依存して変化する。
【００３４】
一実施形態では、導電性材料は、可動部を移動させる場合、コイルが通る少なくとも１つの形跡または軌道の形態で設けられている。少なくとも１つの軌道は、様々な方法によって、様々な適切な位置に、例えば、強い干渉磁界の外側などに設けることができる。軌道は、ロータの一部に組み込まれてもよく、また、軌道は、適切な支持構造によってロータに取り付けられていてもよい。
【００３５】
一実施形態では、軌道は、導電性の効率的な位置依存性の調節がなされるように、移動方向に沿って変化する幅を含む。
【００３６】
さらなる実施形態では、少なくとも１つの軌道は、少なくとも、部分内で一定の幅を含み、その結果、部分内の導電性の調節は、シート抵抗などの制御した調節などの他の手段によって得ることができる。各々が位置依存性の導電性を含む異なる部分の幅を変化することによって、対応するオフセットを調節することができ、それによって、さらに、少なくとも１つの軌道に情報をエンコードする可能性もたらす。
【００３７】
一例示的な実施形態では、導電性材料の領域比は、動作の方向に沿って部分内で変化し、それによって、効率的な調節を得る。このために、特に適用する材料を選択的に取り除くことができ、または、ロータの基材を、位置依存性の領域比を得るために、適切にパターン化することができる。
【００３８】
この場合、平均された導電性は、動作の方向に、少なくとも部分に基づいて変化し、そ
れによって、一つの軌道内において、より粗いおよびより微細な位置分解能を得る可能性をもたらす。例えば、所望の角度分解能は、ポールペアの数に依存することができ、一方、粗い分解能は、様々なポールペアの位置、したがって、全体の分解能のための位置を参照することができる。
【００３９】
さらなる実施形態では、第１の軌道および第２の軌道は、エンコーダ構造に設けられ、センサアセンブリは、磁気コアのない第２のコイルを含み、ここで、第１のコイルは、第１の軌道に沿って案内され、第２のコイルは、第２の軌道に沿って案内される。このように、動作の方向に対するセンサアセンブリの大きさは、複数のコイルを使用することによって小さくすることができ、および／または異なる空間分解能を有する軌道を使用することができる。
【００４０】
さらなる実施形態では、可動部は、基材からなり、エンコーダ構造は、基材の部分の導電性を変更することによって実現される。このように、エンコーダ構造によって要求される体積、および場合により製造のための試みを低減するように、エンコーダ構造は、可動部の既存の部品に基づいて形成することができる。
【００４１】
さらなる実施形態では、可動部は、導電性基材からなり、エンコーダ構造は、導電性が低減され、または導電性が増加された材料を基材に取り付けるおよび／または組み込むことによって形成される。例えば、高い導電性の材料の層は、低い導電性の材料からなるなら、可動部に直接堆積することができる。例えば、基材は、鋼を含み、エンコーダ構造を形成するための材料は、銅、銅合金、銀、それらの合金等を含む。
【００４２】
エンコーダ構造を形成するために使用される材料は、実質的に平面が得られるように基材に組み込むことができる。
【００４３】
さらなる実施形態では、材料の層厚は、４０μｍ未満であり、２μｍ〜３５μｍの範囲であることが好ましい。
【００４４】
さらなる実施形態では、エンコーダ構造は、導電性パンチングまたはスタンプ部を含む。このように、導電性の調節は、コストが効率的な製造プロセスによって達成することができ、それは、大きな部分の数に基づいて、製造公差を小さくして行うことができる。
【００４５】
さらなる実施形態では、エンコーダ構造は、エンボス導体構造を含み、それによっても前述の利点が得られる。
【００４６】
さらなる実施形態では、エンコーダ構造は、印刷された導体構造を含む。このように、ほぼいかなる形状も軌道用に実現することができ、その結果、センサ信号の評価を鑑みて、適切な設計は、高い再現性、および正確に非常に規定された側面の寸法で選択することができる。
【００４７】
さらなる実施形態では、エンコーダ構造は、成型された一体装置（ＭＩＤ）を含む。この技術によれば、それぞれの三次元導体構造を形成することができ、したがって、それは、ロータまたは他のキャリア材料の形状に適応可能である。
【００４８】
上述の態様で検討したエンコーダ構造の形状に加えて、導電性は、段階的に異なり、それによって、正弦波形態などの所望の形状の近似を表すことができる階段関数を実現し、導電構造の製造を促進する。
【００４９】
今まで検討したコイルの態様に加えて、いくつかの実施形態では、第１のコイルは、平
面コイルを含む。この形状によって、低減された体積は、複数の製造技術およびキャリア材料を使用することにより達成することができる。例えば、平面コイルは、キャリア材料上に導電性ラインとして設けられる。この場合、プリント基板の分野、およびさらに半導体製造の分野で用いたような、よく確立された製造工程を使用することができる。従って、ＦＲ４、セラミックス等の適切な材料を使用することができる。しかし、絶縁体などの他の基板、半導体等は、適切な製造技術と組み合わせて使用することができる。
【００５０】
一実施形態では、平面コイルの部分は、キャリア材料の異なる層上に形成されており、その結果、個々の各層は、それぞれ平面製造技術で形成することができるが、一方、高い巻線数をもたらすことができる。例えば、キャリア材料は、多層板を含む。
【００５１】
さらなる実施形態では、キャリア材料は、コイルが、効率を向上する、または機械への組み込みを向上するために所望の形状にもたらされるように箔材料である。
【００５２】
更に、キャリア材料は、成型された一体装置（ＭＩＤ）とすることができる。
さらなる実施形態では、第１のコイルは、キャリア材料上に巻回コイルを含む。このように、高い巻線数、したがって高性能を得ることができ、ここで、コイルは、エアギャップコイルの特性を有しており、それによって、上記説明したように、干渉に対する低感度をもたらす。
【００５３】
さらなる実施形態では、センサアセンブリは、第１のコイルと実質的に同じ構成を有するコイルを有する第２の発振回路を含む。
【００５４】
さらなる実施形態では、第１および第２のコイルは、第１および第２のコイルの個々の出力信号に対して１８０°の位相差に相当する間隔で、ロータの動作の方向に沿って位置する。したがって、それぞれの信号の相違を得ることによって、干渉部品は効率的に抑制することができる。
【００５５】
センサアセンブリの出力信号を得るために設けられた回路に言及する実施形態に加えて、１つの有利な実施形態では、センサアセンブリおよび回路は、互いに空間的に離れており、ケーブルなどの有線接続によって接続されている。このように、センサアセンブリは、回路に対して機械内に独立して位置することができ、その結果、位置は、環境条件を鑑みて、例えば、適切な回路用に選択することができる。
【００５６】
さらなる実施形態では、センサアセンブリは、活性電子部品なしで設けられ、それによって、製造コストが増加する可能性がある回路のための必要条件が増加することを必要とすることなく、センサアセンブリが、増加した温度の領域に位置するまたは、一体化することが可能である。
【００５７】
さらなる態様では、本発明は、機械用のロータ位置センサシステムを形成する方法に関する。方法は、ロータと共に回転し、ロータの角位置に依存する導電性を有するエンコーダ構造を提供することを含む。方法は、さらに、エンコーダ構造に対して静止して位置し、エンコーダ構造で引き起こされる渦電流によって角度に依存する出力信号をもたらすことができるセンサアセンブリをもたらすことを含む。更に、電子回路は、角度に依存する出力信号を処理するために設けられ、ここで、少なくとも電子回路を射出成形する。このように、回路の信頼性が向上され、自動車の分野で遭遇するように、特に高度な条件で達成される。
【００５８】
一実施形態では、電子回路は、直接射出成形されたキャリア上に形成され、それによって、コストが効率的な製造工程を達成する。他の場合では、電子回路は、筐体に設けられ
、筐体は、空気封入なしで実質的に射出成形される。
【００５９】
さらなる実施形態では、センサアセンブリおよび電子回路は、共通のプロセスで射出成形され、それによって、コンパクトな構造をもたらす。
【００６０】
さらなる実施形態では、エンコーダ構造をもたらすことは、機械のロータの部分の導電性を改良することを含む。このように、ロータの製造に必要な部品は、エンコーダ構造を形成するために使用することができ、それによって、サイズ、製造コスト等の点から利点が得られる。
【００６１】
導電性の改良は、ロータの基材への導電性材料上への堆積および／または組み込みを含むことができる。
【００６２】
一実施形態では、エンコーダ構造を提供することは、パンチング、スタンピング、エンボス、印刷または３次元成形（ＭＩＤ）により導電構造を形成することを含む。
【００６３】
一実施形態では、電子回路が、増加した環境上の影響で被害を受ける領域外に位置することができるように、ケーブル接続は、センサアセンブリと電子回路との間に設けられる。
【００６４】
別の有利な実施形態は、添付された特許請求の範囲で規定される。さらに、図面を参照して、本発明の別の実施形態について以下に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１Ａ】直列共振回路と、並列共振回路と、それらの共振回路に接続されたインダクタンスを有する発振器とが、エンコーダ構造によって生じるインダクタンスの変化を検出するように設けられた本発明の実施形態によるセンサシステムの実施例である。
【図１Ｂ】直列共振回路と、並列共振回路と、それらの共振回路に接続されたインダクタンスを有する発振器とが、エンコーダ構造によって生じるインダクタンスの変化を検出するように設けられた本発明の実施形態によるセンサシステムの実施例である。
【図１Ｃ】直列共振回路と、並列共振回路と、それらの共振回路に接続されたインダクタンスを有する発振器とが、エンコーダ構造によって生じるインダクタンスの変化を検出するように設けられた本発明の実施形態によるセンサシステムの実施例である。
【図１Ｄ】直列共振回路と、並列共振回路と、それらの共振回路に接続されたインダクタンスを有する発振器とが、エンコーダ構造によって生じるインダクタンスの変化を検出するように設けられた本発明の実施形態によるセンサシステムの実施例である。
【図１Ｅ】直列共振回路と、並列共振回路と、それらの共振回路に接続されたインダクタンスを有する発振器とが、エンコーダ構造によって生じるインダクタンスの変化を検出するように設けられた本発明の実施形態によるセンサシステムの実施例である。
【図２】エンコーダ構造と、それから得られたそれぞれのセンサ信号とに関する本発明の実施形態によるセンサコイルの構成を概略的に示す。
【図３Ａ】本発明に係る回転角センサの形態を示すである。
【図３Ｂ】本発明に係る回転角センサの形態を示す図である。
【図４Ａ】本発明に係る回転角センサの形態を示す図である。
【図４Ｂ】本発明に係る回転角センサの形態を示す図である。
【図４Ｃ】本発明に係る回転角センサの形態を示す図である。
【図５Ａ】本発明に係る回転角センサの形態を示す図である。
【図５Ｂ】本発明に係る回転角センサの形態を示す図である。
【図６Ａ】図４で用いた固定センサアセンブリの構成例を示す図である。
【図６Ｂ】図４で用いた固定センサアセンブリの構成例を示す図である。
【図７Ａ】複数のインダクタンス素子の構成例を示す図である。
【図７Ｂ】複数のインダクタンス素子の構成例を示す図である。
【図７Ｃ】複数のインダクタンス素子の構成例を示す図である。
【図８】複数のインダクタンス素子とエンコーダ構造とが対向配置されている状態を示す図である。
【図９Ａ】複数のインダクタンス素子の他の構成例を示す図である。
【図９Ｂ】複数のインダクタンス素子の他の構成例を示す図である。
【図９Ｃ】複数のインダクタンス素子の他の構成例を示す図である。
【図１０Ａ】本発明の実施形態のエンコーダ構造の構成例を示す図である。
【図１０Ｂ】本発明の実施形態のエンコーダ構造の構成例を示す図である。
【図１１Ａ】エンコーダ構造の他の構成例を示す図である。
【図１１Ｂ】エンコーダ構造の他の構成例を示す図である。
【図１２】回転体自体にエンコーダ構造を形成した場合の構成例を示す図である。
【図１３Ａ】位相差と振幅差と周波数差とをそれぞれ評価するように本発明の実施形態に使用される回路の動作挙動を概略的に示す図である。
【図１３Ｂ】位相差と振幅差と周波数差とをそれぞれ評価するように本発明の実施形態に使用される回路の動作挙動を概略的に示す図である。
【図１３Ｃ】図１３Ｃは、位相差と振幅差と周波数差とをそれぞれ評価するように本発明の実施形態に使用される回路の動作挙動を概略的に示す図である。
【図１４】図１３Ａに示されている回路の実施形態のブロック図である。
【図１５】本発明に従って、振幅の最適な変化をどのようにして達成することが可能かを概略的に示す図である。
【図１６Ａ】センサシステムの軸方向の位置決めを概略的に示す図である。
【図１６Ｂ】センサシステムの軸方向の位置決めを概略的に示す図である。
【図１６Ｃ】センサシステムの放射状配置を表す図である。
【図１６Ｄ】例示的な実施形態に従って、導電性を調節するための様々な軌道を概略的に示す図である。
【図１６Ｅ】例示的な実施形態に従って、導電性を調節するための様々な軌道を概略的に示す図である。
【図１６Ｆ】例示的な実施形態に従って、導電性を調節するための様々な軌道を概略的に示す図である。
【図１６Ｇ】例示的な実施形態に従って、導電性を調節するための様々な軌道を概略的に示す図である。
【図１６Ｈ】キャリア材料上の軌道の付着または堆積を示す図である。
【図１６Ｉ】本発明のセンサシステムで用いた様々なエアギャップコイルを表す図である。
【図１６Ｊ】本発明のセンサシステムで用いた様々なエアギャップコイルを表す図である。
【図１６Ｋ】本発明のセンサシステムで用いた様々なエアギャップコイルを表す図である。
【図１６Ｌ】本発明のセンサシステムで用いた様々なエアギャップコイルを表す図である。
【図１６Ｍ】別の実施形態のいくつかのエンコーダ軌道およびそれぞれのコイルを示す図である。
【図１６Ｎ】別の実施形態のいくつかのエンコーダ軌道およびそれぞれのコイルを示す図である。
【図１６Ｏ】空間的に分離された回路およびコイルアセンブリを有するセンサシステムを概略的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００６６】
詳細な説明
図１Ａ〜図１Ｅは、本発明の実施形態に使用されるセンサシステム５の基本構造を示している。
【００６７】
センサシステム５は誘導位置センサである。この誘導位置センサは、図１Ａの実施形態によれば、並列構成で設けられる２つの共振回路６ａ，６ｂから、実質的に構成される。共振回路６ａは、直列に接続されるコイルまたはインダクタンスＬ１、抵抗器Ｒ−ａ、およびコンデンサＣ−ａを含み、共振回路６ｂは、直列に接続されるコイルまたはインダクタンスＬ２、抵抗器Ｒ−ｂ、およびコンデンサＣ−ｂを含む。
【００６８】
インダクタンスＬ１，Ｌ２は、プレーナ型（平面状）の構成で設けられることが好ましい。コンデンサＣ−ａ，Ｃ−ｂは、例示した実施形態において別個の装置として設けられる。
【００６９】
両方の共振回路に並列に接続されるＡＣ電圧源Ｖによって、２つの共振回路６ａ，６ｂに電圧が供給される。ＡＣ電圧源Ｖの周波数ｆは、典型的に、約５００ｋＨｚ〜約５ＭＨｚの範囲にある。
【００７０】
直列共振回路６ａ，６ｂは、ＡＣ電圧源Ｖの周波数ｆに同調され、また非動作状態、すなわち減衰がなく共振周波数に近い状態に調節される。このようにして、直列共振回路６ａ，６ｂの高い感度を得ることが可能であり、この場合、図１５を参照して後に説明するように、動作周波数を適切に選択することによって、エンコーダ構造とインダクタンス素子Ｌ１，Ｌ２との間の間隔に関するある程度の公差を、安定させることが可能である。この調節の精度は、ＡＣ電圧源Ｖの構成要素の公差によって、また直列共振回路６ａ，６ｂの装置Ｌ，Ｒ，Ｃによって決定される。これらの公差が小さくなると、センサシステム５の動作の性能がそれだけ向上する。
【００７１】
移動可能な導電構造、すなわちエンコーダ構造がインダクタＬ１，Ｌ２の磁界に入った場合、発生した渦電流は、２つの共振回路６ａ，６ｂの間に位相差を発生させる。この位相差は、実質的には以下により詳細に説明するように、エンコーダ構造と、共振回路６ａ，６ｂの品質とに依存する。最大で、±９０°の位相差、すなわち、１８０°のｄＰｈｉが発生する場合がある。
【００７２】
図１Ｂは、共振回路６ａ，６ｂが並列共振回路を意味し、またそれぞれの抵抗器Ｒ−ａ，Ｒ−ｂと、それらに関連付けられた並列共振回路との間のそれぞれのノードから、信号が得られる実施形態を示している。また、この場合、エンコーダ構造によって生じるインダクタンスの変化に依存する位相差を得ることが可能である。
【００７３】
図１Ｃは、共振回路６ａ，６ｂが直列共振回路として設けられた別の実施形態を示す。この場合、両方の回路の最大電圧の差ｄＵｓｓ、すなわち振幅差が、位置情報を表すインダクタンスの変化に対する基準として得られる。
【００７４】
図１Ｄは、共振回路６ａ，６ｂが、振幅差ｄＵｓｓを決定するための並列共振回路として設けられた実施形態を示す。
【００７５】
図１Ｅは、インダクタンス素子Ｌ１とＬ２が、それぞれの発振器Ｏｓ１とＯｓ２に接続され、したがって、これらのインダクタンス素子がインダクタンスの変化に対する発振挙動を検出するための対応する発振器の一部をなし、これによって周波数差ｄｆが決定される実施形態を示す。
【００７６】
図２は、センサアセンブリ４に関するエンコーダ構造３の構成を概略的に示す。この実施形態において、センサアセンブリ４は、図１に示したようなセンサシステム５のインダクタンス素子Ｌ１，Ｌ２を有する第１のセンサシステム５ａと、インダクタンス素子Ｌ３，Ｌ４を有する第２のセンサシステム５ｂとを含み、さらに、信号処理回路８と、本発明の一実施形態に従って時間ｔに対し信号処理回路８から得られた電圧信号Ｕとを含む。
【００７７】
以下に説明する実施形態では、エンコーダ構造３は、可動部、この実施形態では電動機１のロータ２、に接続されたシリンダリング７の表面に取り付けられており、したがってエンコーダ構造３は可動部と共に移動可能である。一実施形態では、電動機は、電気整流のために角度信号が用いられる永久磁気励起を行う機械を意味する。しかし、本発明の他の実施形態では、エンコーダ構造３をロータ２のラディアル方向の内側部分に設けてもよい。本発明の別の有利な実施形態によれば、エンコーダ構造３をロータ２にアキシャル方向に設けることも可能である。
【００７８】
図示した実施形態では、エンコーダ構造３は、ロータ２のラディアル方向の外側部分のリング７に正弦波状に設けられる。用いられている正弦波形状は有利である。何故なら、エンコーダ構造３が正弦軌道形状の減衰領域を設けることが可能になり、次に、この減衰領域によって、センサシステム５で検出されたセンサ信号９が、正弦波状に処理され、したがって容易に評価・計算を行うことが可能になるからである。
【００７９】
原則的に、角度に依存して変化する他の構造をエンコーダ構造３として使用してもよい。例えば、エンコーダ構造として、繰り返し三角形構造を備えてもよい。さらに、位置依存性のインダクタンスの変化を与える他の形状、例えば段階的に幅が変化する長方形構造等を用いることも可能である。
【００８０】
エンコーダ構造３は、例えば、アルミニウム、鋼、銅、配線板、導電箔、または金属を含むプラスチック材料、から構成することができる。必要なことは、構造が、導電性であるかまたは導電性構成要素を含むことだけである。構造は磁石である必要がない。
【００８１】
エンコーダ構造３に対向して、例えば、第１のセンサシステム５ａの共振回路６ａ，６ｂの形態のセンサコイルＬ１，Ｌ２が配置され、また９０°の角度変位をもってセンサシステム５ｂのセンサコイルＬ３，Ｌ４が配置される。センサのインダクタンスＬ１，Ｌ２とＬ３，Ｌ４は、それらの各対が１８０°の角度オフセットを形成し、この結果、センサシステム５ａ，５ｂの各対に差分信号を発生させることができるように、エンコーダ構造３の前方に配置されている。これらの差分信号の各々は、可動部またはロータ２の位置を含む。２つのセンサシステム５ａ，５ｂを設けることにより、エンコーダ構造３の構成に応じて９０°だけ位相シフトを有する２つの差分信号、例えば正弦波信号と余弦波信号とを得ることが可能である。この２つの差分信号から、絶対位置を得ることも可能であり、すなわち、エンコーダ構造３の移動方向を決定することも可能である。
【００８２】
本発明に係る回転角度検出用センサ（以下、「回転角センサ」と称する）は、ロータ等の回転体のような可動部に取り付けられたエンコーダ構造（渦電流を発生する部材）と、このエンコーダ構造と対向して配置されるインダクタンス素子（またはインダクタンス素子を内蔵した固定センサアセンブリ）とを必須の構成としている。
【００８３】
換言すれば、上記エンコーダ構造と、インダクタンス素子（固定センサアセンブリ）とを対向配置させるという構造条件を満足することだけで、回転角センサは多岐の構造バリエーションを展開することが可能であり、様々な用途に柔軟に対応できるとともに設計の自由度を向上させることができるといった利点を有している。
【００８４】
本発明に係る回転角センサの形態を、図３〜図５に示す。図３〜図５の各図において、図Ａは回転角センサの概略構成図（要部の斜視図）を示しており、図Ｂは図Ａの回転角センサをモータに適用した際の設置例（一部を断面とする図）を示している。
【００８５】
以下に、各形態をさらに詳細に説明する。
図３は、エンコーダ構造３をロータ２のラディアル方向であって内周面側に設けるとともに、固定センサアセンブリ４をエンコーダ構造３に対向配置させた回転角センサの形態を示す。
【００８６】
図４は、エンコーダ構造３をロータ２のアキシャル方向（ロータ側面）に設けるとともに、固定センサアセンブリ４をエンコーダ構造３に対向配置させた回転角センサの形態を示す。
【００８７】
図５は、エンコーダ構造３をロータ２のラディアル方向であって外周面側に設けるとともに、固定センサアセンブリ４をエンコーダ構造３に対向配置させた回転角センサの形態を示す。
【００８８】
まず、図３Ａに示される回転角センサ３１では、ロータ２のラディアル方向であって内周面側、具体的にはロータ軸２ａに取り付けられたロータ２の筒状の部分２ｂの内周面上に、エンコーダ構造３が形成されている。さらに、このエンコーダ構造３に対向して、内側に固定センサアセンブリ４が配置されている。
【００８９】
なお、図３Ａの左側では、固定センサアセンブリ４を、ロータ２およびエンコーダ構造３から離して分解して示していることは留意するべきである。以下、図４Ａおよび図５Ａにおいても同様である。
【００９０】
この回転角センサ３１は、例えば、磁石がロータ２の表面部分に配置され、ロータ２の中心部分にスペースを有するような構造を有する、いわゆる、インナーロータ型の永久磁石式同期モータ、あるいは永久磁石式ブラシレスモータ等のモータに対するラディアル型のセンサ設置例として望ましい構造である。回転角センサ３１が図３Ａの構成を有することにより、回転角センサ３１をロータ２の内部に配置することが可能となるため、センサ配置のためにモータ等の軸長を大きくする必要がないといった利点がある。
【００９１】
図３Ｂは、図３Ａの回転角センサ３１を、インナーロータ型のモータに適用した場合の設置例を示す。図３Ｂに示すモータは、インナーロータ型のモータ、すなわちインナーロータモータ１１０である。このインナーロータモータ１１０では、ロータ２の表面部分（外周面）に磁石４１が設けられ、この磁石４１に対向して、コイル４２を備えたステータ４３が配置された構成である。そして、ロータ２の内周面にエンコーダ構造３が設けられ、このエンコーダ構造３に対向して、固定センサアセンブリ４が配置されて、図３Ａの回転角センサ３１が構成される。固定センサアセンブリ４は、ステータ４３から回転軸に平行な方向に延びた部材４３ａに設けられている。ステータ４３では、電磁鋼板の積層板から成るステータコアが構成されている。
【００９２】
上述したように、ロータ２の中心部分にスペースを有しており、回転角センサ３１をロータ２の内部に配置することが可能であるため、回転角センサ３１を設置するために、モータ１１０の軸長を大きくする必要がない。
【００９３】
図４Ａに示される回転角センサ３２は、ロータ２のアキシャル方向（ラディアル方向に対して垂直な方向）に、すなわちロータ２の側面、具体的にはロータ軸２ａに取り付けられたロータ２の板状の部分２ｃの側面に、エンコーダ構造３が形成されている。さらに、
このエンコーダ構造３に対向して、内側に固定センサアセンブリ４が配置されている。
【００９４】
この回転角センサ３２は、例えば、外側のステータと内側のロータ２との間で力が作用するような構造のモータに対するアキシャル型のセンサ設置例として好適な構造である。つまり、上述の構造のモータでは、ロータ２のすぐ外側にはステータが配置され、かつロータ２の側面にはスペースを有している。従って、図４Ａの回転角センサ３２を構成することにより、このスペースにエンコーダ構造３および固定センサアセンブリ４からなる回転角センサ３２を配置することが可能であることから、センサの設置に係る容易性に優れるといった利点を有している。
【００９５】
図４Ｂは、図４Ａの回転角センサ３２を、インナーロータ型のモータ（インナーロータモータ）に適用した場合の設置例を示す。図４Ｂに示すインナーロータモータ１２０では、ロータ２の表面部分（外周面）に磁石４１が設けられ、この磁石４１に対向して、コイル４２を備えたステータ４３が配置された構成である。そして、ロータ２の側面にエンコーダ構造３が設けられ、このエンコーダ構造３に対向して、固定センサアセンブリ４が配置されて、図４Ａの回転角センサ３２が構成される。固定センサアセンブリ４は、ステータ４３に設けられている。エンコーダ構造３および固定センサアセンブリ４から成る回転角センサ３２付近以外の構成は、図３Ｂのインナーロータモータ１１０とほぼ同様となっている。
【００９６】
上述したように、インナーロータモータ１２０のステータ４３とロータ２との間で力が作用する場合に好適であり、ロータ２のすぐ外側に固定部４３に付属したコイル４２が配置され、ロータ２の側面にスペースを有しており、このスペースに回転角センサ３２を配置することが可能であることから、センサの設置に係る容易性に優れている。
【００９７】
さらに、図４Ｃは、変形例として、図４Ａの回転角センサ３２を、図４Ｂのインナーロータモータ１２０とは異なる構造のモータに適用した場合の設置例を示す。図４Ｂのインナーロータモータでは、ロータ２が固定部４３より内側に配置されていたが、図４Ｃに示すモータは、ロータ２が固定部４３よりも外側に配置された、アウターロータモータ１３０となっている。このアウターロータモータ１３０では、ロータ２の内側に磁石４１が設けられ、この磁石４１に対向して、コイル４２を備えたステータ４３が配置された構成である。ステータ４３では、電磁鋼板の積層板から成るステータコアが構成されている。そして、ロータ２の側面にエンコーダ構造３が設けられ、このエンコーダ構造３に対向して、固定センサアセンブリ４が配置されて、図４Ａの回転角センサ３２が構成される。固定センサアセンブリ４は、ステータ４３と図示しない部分で接続された、回転軸に垂直な方向に延びた部材４３ｂに設けられている。
【００９８】
図５Ａに示される回転角センサ３３では、ロータ２のラディアル方向であって外周面側、具体的にはロータ軸２ａに取り付けられたロータ２のリング状の部分２ｄの外周面上に、エンコーダ構造３が形成されている。さらに、このエンコーダ構造３に対向して、外側に固定センサアセンブリ４が配置されている。
【００９９】
この回転角センサ３３は、例えば、アウターロータモータ型の永久磁石式同期モータ、あるいは永久磁石式ブラシレスモータ等、ロータ２の外側にスペースを有しているような場合のセンサ設置に好適な構造であり、図３Ａの回転角センサ３１と同様に、ラディアル型のセンサに分類される。図５Ａの回転角センサ３３を構成することにより、ロータ２の外周面に直接エンコーダ構造３を形成し、そのエンコーダ構造３に対向する配置にて固定センサアセンブリ４を設置すればよいことから、センサ設置が極めて容易であるといった利点を有している。
【０１００】
図５Ｂは、図５Ａの回転角センサを、アウターロータモータ型のモータ、すなわちアウターロータモータに適用した場合を示す。図５Ｂに示すアウターロータモータ１４０では、ロータ２の内側に磁石４１が設けられ、この磁石４１に対向して、コイル４２を備えたステータ４３が配置された構成である。ステータ４３では、電磁鋼板の積層板から成るステータコアが構成されている。そして、ロータ２の外周面にエンコーダ構造３が設けられ、このエンコーダ構造３に対向して、固定センサアセンブリ４が配置されて、図５Ａの回転角センサ３３が構成される。固定センサアセンブリ４は、ステータ４３と接続された、回転軸に並行な方向に延びた部材４３ｃに設けられている。エンコーダ構造３および固定センサアセンブリ４から成る回転角センサ３３付近以外の構成は、図４Ｃのアウターロータモータ１３０とほぼ同様となっている。
【０１０１】
上述したように、モータは、ロータ２の外側にスペースを有しており、ロータ２の外周面に直接エンコーダ構造３を形成し、そのエンコーダ構造３に対向する配置で固定センサアセンブリ４を設置すればよいことから、回転角センサ３３の設置が極めて容易である。
【０１０２】
以上で説明した回転角センサの実施例は、いずれも、回転軸が固定センサアセンブリを跨ぐ必要がないという構造的な特徴を有している。つまり、ロータや回転軸等を有した従来の構造にそのまま設けることが可能であると共に、多種多様の回転機構を有する製品に対してセンサ設置ができることから、万能に優れるといった効果を有している。
【０１０３】
なお、本発明による回転角センサは、以上で説明した構造例、および適用例に限定されることはなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲にて種々変更が可能である。
【０１０４】
次いで、上述した回転角センサの各構成について、図面を参照して詳細に説明する。
図６は、図４で用いた固定センサアセンブリ４の構成例を示すものであり、図６Ａは、固定センサアセンブリ４において、エンコーダ構造３と対向する側を正面視した状態を示し、図６Ｂは、固定センサアセンブリ４を背面視した状態を示している。
【０１０５】
図６より、本実施形態例における固定センサアセンブリ４は、プリント回路基板（ＰＣＢ）５１の正面に、４つのインダクタンス素子５２が形成され、プリント回路基板（ＰＣＢ）５１の背面に、演算処理用のＡＳＩＣ（特定用途向けＩＣ）５４、および周辺回路が形成される周辺回路形成領域５５が設けられ、これら各部品の全体を、外装ケース５３で覆って構成される。以下、各部品（インダクタンス素子、ＡＳＩＣ、ＰＣＢ）をまとめて、内部センサと呼ぶこととする。
【０１０６】
外装ケース５３の部材には、非磁性・非導電性材料を用いる。これは、インダクタンス素子５２に電流を印加することよって励起される磁束を、できるだけ多くエンコーダ構造３に通過（影響）させて、より効率的に渦電流を発生させるためである。詳述すれば、自動車用途等、使用環境が厳しい条件下で回転角センサを用いる場合も想定して、外装ケース５３には高強度かつ優れた耐熱性を有した樹脂成型体を採用することが望ましい。
【０１０７】
ここで、各インダクタンス素子５２をエンコーダ構造３に対向配置させる際には、インダクタンス素子５２を露出状態で形成してもよいし、充填材や蓋体で閉塞してもよい。さらには、オーバーモールド製法等を適用することにより、内部センサを外装ケース５３内に封止成型してもよく、当該回転角センサの使用環境や用途によって種々の変更が可能である。
【０１０８】
また、実質的なセンサ機能部の役割を担う複数のインダクタンス素子、ＡＳＩＣおよびその他周辺回路は、ポリイミド基板やガラス、布、エポキシ樹脂を基材とした積層基板等に代表されるような一般的な電子回路基板に形成・実装されることとなる。つまり、内部
センサはモジュール化されているため、小型化が図れるとともに、一般的な電子回路技術／実装技術等によって安定的に製造することが可能であることから、コストの低減を図れるという利点も有している。
【０１０９】
一般的に、複数のインダクタンス素子を有した回転角センサが、優れたセンシング精度を実現しようとすれば、各インダクタンス素子同士の相対的な配置精度、およびインダクタンス素子とエンコーダ構造との配置精度を高い水準で達成する必要があるが、本発明に係る回転角センサによれば、複数のインダクタンス素子は、後述するようにコイルパターンが形成されたプリント回路基板（ＰＣＢ）の多層構成によって一体に形成されているために、エンコーダ構造と内部センサ（あるいは固定センサアセンブリ）との位置精度のみを考慮すれば、容易に高精度の配置条件を満足することができる。
【０１１０】
次いで、各インダクタンス素子の構成について、図７を参照して詳細な説明を行う。図７は、複数のインダクタンス素子の構成例を示しているが、説明の便宜上、図６Ａに示した４つのインダクタンス素子５２のうちの一つを例示している。このとき、図７Ａは、エンコーダ構造３と対向するＰＣＢの表面に形成された一方のコイルパターン５２Ａを示しており、図７Ｂは、図７Ａのコイルパターン５２Ａが形成されたＰＣＢの下層に配置される他方のコイルパターン５２Ｂを示している。さらに、図７Ｃは、図７Ａおよび図７Ｂにおける一方および他方のコイルパターン５２Ａ，５２Ｂを積層した構造を概略視した状態を示している。図７Ｃにおいて、下層の他方のコイルパターン５２Ｂは、外周を破線で示している。
【０１１１】
図７Ａ〜図７Ｃより、複数のインダクタンス素子のそれぞれが、複数のＰＣＢにコイルパターンを形成して積層した多層構造であることが示される。
【０１１２】
本実施形態においては、２層構造のインダクタンス素子５２（５２Ａ，５２Ｂ）を用いているが、所望の磁束を励起するために必要なコイルの巻数は、コイルパターンの積層数を調節することによって設定すればよい。
【０１１３】
このとき、図７に示される一方および他方のコイルパターン５２Ａ，５２Ｂは互いに反転関係であることから、ＰＣＢへのコイルパターン５２Ａ，５２Ｂの形成が容易であるという利点を有している。
【０１１４】
また、インダクタンス素子５２はプレーナ構造（平板状）に形成されており、後述するエンコーダ構造３の平面に対向するように配置される。これによって、エンコーダ構造３に対して、インダクタンス素子５２が励起した磁束の影響度が大となり、結果、渦電流が効率的に発生するようになることから、センシング精度の向上が見込める。
【０１１５】
さらに、本実施形態例に係るインダクタンス素子５２は、一般的なインダクタンス素子（コイル部品）が有するような磁性体コアを採用せず、矩形状の空芯部を有したインダクタンス素子５２として構成されている。これは、本発明に係る回転角センサの駆動周波数が、およそ約５００ｋＨｚから約５ＭＨｚという比較的高周波での駆動であるために、必要とされるインダクタンスを低く設定できるためである。つまり、重量のある磁性体コアを必要としないことは、回転角センサを軽量化させる目的において極めて大きな効果を奏する。
【０１１６】
なお、本実施形態例ではＰＣＢを用いた多層構造のインダクタンス素子を例にとって説明を行ったが、例えば、巻線型のコイルであっても、平板状に空芯巻回されたものであって、それら複数の巻線型コイルをＰＣＢ上に精度よく配置することが可能であれば、本実施形態例と同様の効果が得られることはいうまでもない。
【０１１７】
図８は、固定センサアセンブリ４の複数のインダクタンス素子５２と、エンコーダ構造３とが、対向配置されている状態を示すものである。
【０１１８】
それぞれのインダクタンス素子５２は、エンコーダ構造３の幅の周期的な変化の位相差９０°に対応するように、配置されている。そして、４つのインダクタンス素子５２全体の位相差が、９０°×３＝２７０°となっている。
【０１１９】
このとき、複数のインダクタンス素子５２は、その空芯部の長手寸法Ｌが、エンコーダ構造３の最大幅寸法Ｗｍａｘよりも大きく形成されている。このような寸法条件とすることによって、インダクタンス素子５２が磁束を発生した際に、エンコーダ構造３に生じる渦電流の発生度合いを高めることができ、結果、センシング精度の向上が見込める。
【０１２０】
ここで、空芯部の寸法条件を上述のように設定したその他の理由について説明する。インダクタンス素子５２の空芯部を正方形や円のように長手寸法と短手寸法とが等しい条件とすると、個々のインダクタンス素子５２に対向しているエンコーダ構造３の渦電流発生領域を必要以上に拡大させてしまい、隣設されるインダクタンス素子５２同士が渦電流発生領域を重複してしまう虞が生じる。これによって、センシング精度が劣化したり、測定／検出誤差が拡大してしまったりする虞がある。
【０１２１】
このことから、インダクタンス素子５２の空芯部とエンコーダ構造３との形成条件として、下記の（条件１）を満足することが望ましく、換言すれば、下記条件を満足すればインダクタンス素子の空芯部形状は矩形状のみならず、楕円形状等を採用することも可能である。
（条件１）
インダクタンス素子の空芯部長手寸法＞インダクタンス素子の空芯部短手寸法
インダクタンス素子の空芯部長手寸法＞エンコーダ構造の最大幅寸法
例えば、Ｗの値は、ビアの直径に基づいて決定することができ、それは、ＰＣＢの別の層にリード線を送るために使用することができる。
【０１２２】
したがって、現在のＰＣＢ技術について、典型的な値は、Ｗ＝１．２８ｍｍ、ｗｉｄｅ
Ｗ＝０〜２ｍｍとすることができる。しかし、必要に応じて、他の値を使用することができる。
【０１２３】
「インダクタンス素子の空芯部の縦寸法＞エンコーダ構造の最大幅寸法」についての条件に関して、センサ性能はおよびエンコーダ構造の耐性および振れに対するその堅牢性を調節することができ、またはこの条件によって決定することができる。
【０１２４】
例えば、典型的な値は、Ｗｍａｘ＝１１．０ｍｍ、ｗｉｄｅ  Ｌ＝５．２〜２５ｍｍ（またはより大きい）と組み合わせて、Ｗｍａｘ＝５．０〜２０ｍｍ（またはより大きい）と組み合わせて、Ｌ＝１１．３〜１４．５ｍｍとすることができる。
【０１２５】
実施形態によっては、コイルのための台形形状を、軸センサ構造において使用することができる。
【０１２６】
次いで、本発明に係る回転角センサに好適なインダクタンス素子のその他の実施例について説明する。図９は、インダクタンス素子のその他の実施例を示している。
【０１２７】
図９Ａは、インダクタンス素子５２のその他の実施例として、エンコーダ構造３と対向するＰＣＢの表面に形成された一方のコイルパターン５２Ｃを示しており、図９Ｂは、図
９Ａのコイルパターン５２Ｃが形成されたＰＣＢの下層に配置される他方のコイルパターン５２Ｄを示している。さらに、図９Ｃは、図９Ａおよび図９Ｂにおける一方および他方のコイルパターン５２Ｃ，５２Ｄを積層した構造を概略視した状態を示している。図９Ｃにおいて、下層の他方のコイルパターン５２Ｄは、外周を破線で示している。
【０１２８】
図９Ａ〜図９Ｂからわかるように、インダクタンス素子５２を形成するための一方および他方のコイルパターン５２Ｃ，５２Ｄは、一部を除いて互いに重ならない配置にて形成されている点で、図７に示したコイルパターン５２Ａ，５２Ｂと相違している。
【０１２９】
ここで、図７に示したコイルパターン５２Ａ，５２Ｂは、上層および下層のコイルパターン間において浮遊容量を生じやすい構成であり、これを電気的な等価回路として考察すると、インダクタンス：Ｌと、浮遊容量：Ｃとが並列共振回路を構成することとなる。このとき、浮遊容量：Ｃが増大すれば、インダクタンス素子５２の共振周波数が低周波側へシフトする。しかしながら、Ｌ−Ｃ並列共振回路の場合は、共振周波数におけるインピーダンス：Ｚが最大となるため、インダクタンス素子５２を駆動させるために約５００ｋＨｚから約５ＭＨｚの周波数にて電圧を印加した時の抵抗成分が高くなる。この結果、渦電流の発生に必要な磁界強度を十分に得ることができずに、センシング精度が劣化する可能性を生じる。
【０１３０】
これに対して、図９に示すコイルパターン５２Ｃ，５２Ｄの構成によれば、インダクタンス素子５２に電流を印加した際に、ＰＣＢ上層および下層のコイルパターン５２Ｃ，５２Ｄ間で発生する浮遊容量Ｃを低減できることから、共振周波数を高い周波数で維持することが可能となる。このため、インダクタンス素子５２が励起した磁束によって生じる磁界強度を高めることができるという効果を奏する。
【０１３１】
次いで、本実施形態に係るエンコーダ構造について、図１０を参照して詳細な説明を行う。図１０Ａは、図５Ａの回転角センサ３１に用いられるラディアル型のエンコーダ構造３を正面視した状態を示し、図１０Ｂは、図４Ａの回転角センサ３２に用いられるアキシャル型のエンコーダ構造３を正面視した状態を示している。
【０１３２】
図１０Ａまたは図１０Ｂに示されるエンコーダ構造３は、いずれも導電性を有し、上述のインダクタンス素子５２が励起する磁束を受けて渦電流を発生するように構成されているとともに、ロータ２等の回転体とともに回転動作するよう設置されている。
【０１３３】
エンコーダ構造３に好適に使用可能な材質としては、アルミニウム、鋼、銅、銀等の導電性金属材料が挙げられる。ここで、例えば、高湿や塩害が懸念されるような状況での使用を想定すれば、防錆効果に優れたアルミニウムを用いる等、回転角センサの使用条件に合わせて、適宜材料選定を行えばよい。
【０１３４】
また、エンコーダ構造３は、図１０Ａに示されるように正弦波曲線を対称に配置したような形状であり、換言すれば、ロータ２等の回転体が回転動作を行うと、特定の位置においてエンコーダ構造３の幅寸法が周期的に増減するように形成されている。
【０１３５】
これに対して、図１０Ｂに示されるエンコーダ構造３は、正弦波曲線を対称配置するように構成されていないものの、その幅寸法が周期的に増減するように形成されていることから、本発明では、図１０Ａまたは図１０Ｂに示されるようなエンコーダ構造３を正弦波曲線型として定義する。なお、図１０Ａおよび図１０Ｂにおいては、エンコーダ構造３の周期的な変化の１相分の範囲を、それぞれ図示している。
【０１３６】
なお、エンコーダ構造３は、正弦波曲線型に限定されるものではなく、図１１Ａに示さ
れるような菱形や図１１Ｂに示されるような三角形、もしくはこれらに準じた形状としてもよい。また、図示したような連続的に幅が変化する構成のほか、図示しないが、段階的に幅が変化する構成としてもよい。
【０１３７】
図１０Ｂに示す本実施形態例におけるエンコーダ構造３は、その幅寸法が増減している領域を８つ有している。この８つの領域については、今後の説明の便宜上、８相構成であると称する。
【０１３８】
本発明において、このような相構成は、実質的なセンシング精度に影響を与えるものではなく、単に回転体の径と製造条件とを勘案し、適宜増減させることが可能である。
【０１３９】
具体的には、例えば、回転体が発電所の発電機のロータ等のように大口径である場合、これに対して１相のエンコーダ構造を形成することは極めて困難になる。従って、製造容易な形状・寸法からなる１相分のエンコーダ構造を複数用意して、それらをロータに組み付ければ良い。
【０１４０】
これに対して、小型の回転機器の場合は、回転体に多相構成からなるエンコーダ構造を形成することが困難となる。従って、少なくとも１相以上のエンコーダ構造を形成すればよいこととなる。
【０１４１】
以上のように構成されたエンコーダ構造は、導電性材料を採用するとともに、形状が簡素であることから、以下のように、様々な製造手段が適用できる。
【０１４２】
代表的な例としては、エンコーダ構造の形状に合わせたマスキングを回転体に施すことによって、メッキ法、金属蒸着法、スパッタリング法、スクリーン印刷法を適用することが挙げられる。上述のプロセスは大量生産に好適であるため、一定品質のエンコーダ構造を得ることが可能となる。このとき、上記スクリーン印刷法については、導電性材料粉体と樹脂、溶剤等の混練物からなるペーストを印刷・乾燥した状態のものを採用してもよいし、印刷・乾燥後に焼成を行ったものを採用してもよい。
【０１４３】
また、所望の形状に打ち抜き加工／切り出し加工された板状部材、薄体部材をエンコーダ構造としてもよい。この場合、回転体に位置決め冶工具を当接しつつ接着固定等の手段を施すことによって、容易にエンコーダ構造を設置することが可能であることから、従来の回転体の構成にそのままエンコーダ構造を設けることが可能となり、万能に優れる利点を有している。
【０１４４】
さらに、回転体が導電性を有している場合には、図１２に示されるように、回転体自体のラディアル方向またはアキシャル方向にエンコーダ構造を形成してもよく、この場合、鋳造、切削加工等が好適である。
【０１４５】
上述の手段にて、エンコーダ構造を回転体に設置する際には、以下の条件を考慮する必要がある。
【０１４６】
例えば、回転体が導電性を有している場合は、回転体およびエンコーダ構造の導電率を相対的に比較し、エンコーダ構造の導電率が回転体のそれよりも十分に大きければ、上述のメッキ法、金属蒸着法、スパッタリング法、スクリーン印刷法等によって、回転体上にエンコーダ構造を直接形成することが可能である。回転体が導電性を有さない場合もまた、回転体上にエンコーダ構造を直接形成することが可能であることはいうまでもない。
【０１４７】
また、図１２に示されるように、エンコーダ構造３とロータ２等の回転体とが一体的に
形成されている場合は、エンコーダ構造３と回転体との間で、所望の寸法を有する段差３ａを設けることが望ましい。
【０１４８】
この段差３ａの寸法を設定するための方法としては、事前に、インダクタンス素子が励起した磁束が回転体内部を通過する深度を、回転体の導電率やインダクタンス素子の構造条件や、印加する電流／電圧条件等を基にした磁場解析シミュレーションによって、把握することが、実用的な例として挙げられる。
【０１４９】
このため、このような構成におけるエンコーダ構造の段差の最小値は特に限定されるものではなく、かつ、段差の最大値もまた回転角センサを搭載する機器の寸法制約によって決定すれば特に規定する必要はない。
【０１５０】
次に、センサアセンブリの回路構成の実施形態について説明する。
コイルＬ１，Ｌ２とＬ３，Ｌ４を含むセンサシステム５の次に、差分信号の評価・計算を実行する回路８が設けられる。図示した実施形態では、回路８は、最初に出力信号１０を発生させる。
【０１５１】
図１３Ａは、本発明で使用される回路８の一実施形態の動作挙動を概略的に示す。この実施形態では、回路８は、例示的な実施形態に従って、図１４により詳細に示されているＡＳＩＣ（特定用途向け集積回路）の形態で設けられる。回路８は、第１および第２のセンサシステム５ａ，５ｂの共振回路６ａ，６ｂの位相差９がｄＰｈｉとして示されており、回路出力部１１においてアナログ電圧Ｖ（ｄＰｈｉ）１０を発生させるように動作する。図２および図１３Ａに示したように、回路出力部１１の電圧１０は、正弦波信号ｓｉｎと余弦波信号ｃｏｓとを含む。
【０１５２】
図１３Ｂには、センサシステム５ａ，５ｂの差分信号９がｄＵｓｓとして示されており、これらの差分信号は、第１の段階８ａにおいて、対応する振幅差信号に変換される。その後、これらの差分信号は第２の評価段階８ｂに供給される。この第２の評価段階８ｂは、差分信号から所望の位置情報を決定するために、マイクロコントローラ等の形態で設けることができる。
【０１５３】
図１３Ｃは、図１Ｅに示したように、差分信号９が、例えばセンサシステム５ａ，５ｂの配置に基づき周波数差ｄｆとして得られる別の実施形態を示している。再び、差分信号９を評価回路８、例えばマイクロコントローラ等に供給することができる。マイクロプロセッサ等を使用した場合、信号９の処理を可能にするために、ＡＤＣ等のような内部リソースを使用してもよい。さらに、用途に応じて１つ以上の集積回路に組み込むことが可能な他の専用の構成要素を使用してもよい。
【０１５４】
図１４は、図１３Ａの信号処理に対応する本発明の一実施形態による回路８のブロック図を示している。図１４に示されている網点領域は、外部構成要素を意味しており、回路８の一部ではないことを理解されたい。
【０１５５】
上記のように、ロータ２に取り付けられたエンコーダ構造３と、対応する位相のサインとの位相関係は、センサシステム５ａ，５ｂに基づいて決定される。図１４において左側の網点部分に示されているセンサシステム５は、図示した実施形態において、回路入力部１４の回路８によって受信される位相差ｄＰｈｉに対応するように、センサ信号９を出力する。モジュール１５を使用することによって、受信されたセンサ信号９が増幅されてフィルタリングされる。その後、コンパレータ１６は、入力電圧と基準電圧Ｖｒｅｆとを比較することによって、増幅してフィルタリングした後のアナログ信号をデジタル信号に変換し、この場合、高いレベルおよび低いレベルのそれぞれのみが発生される。
【０１５６】
この処理において、振幅値がゼロであった場合、この信号は、さらに処理されることはない。制御回路１７は、フィルタ１９などの回路８の内部素子の制御を可能にすることができる。
【０１５７】
発生されたデジタル信号は、排他的ＯＲゲート１８によってさらに処理され、この排他的ＯＲゲート１８は、高率の高調波を有する矩形信号を発生させる。次に、排他的ＯＲゲート１８の出力信号はローパスフィルタ１９に供給される。ローパスフィルタ１９の出力信号はバッファ段２０に出力され、さらに、このバッファ段２０は、電圧レギュレータ２１から５Ｖ±１０％の電圧信号Ｖｃｃを受信する。バッファ段２０は、回路出力部１１のアナログ電圧１０として正弦波信号ｓｉｎと余弦波信号ｃｏｓとを出力する。
【０１５８】
図１４に示したように、センサシステム５によって出力された信号ｄＰｈｉは２つの対称チャンネル１２で処理される。チャンネル１２の各々は、共振回路６ａ，６ｂの各々のための増幅器およびフィルタ１５と、増幅器およびフィルタ１５の出力信号用の２つのコンパレータ１６と、コンパレータ１６の信号を組み合わせるための排他的ＯＲゲート１８と、排他的ＯＲゲート１８の出力信号用のローパスフィルタ１９と、アナログ電圧信号、すなわち正弦波信号および余弦波信号１０を出力するためのバッファ段２０とを備える。
【０１５９】
複雑な環境状態に対して正確な測定システムを設けるために、回路８の温度安定性は高く、また回路８のＥＭＩ感度は低いレベルに維持される。さらに、可能なオフセットずれを考慮した極めて正確な信号として、位相位置に対応する出力電圧１０を供給することが有利であろう。
【０１６０】
回路８の下流側には、出力電圧１０の正弦波信号ｓｉｎおよび余弦波信号ｃｏｓを逆正接信号に組み合わせるように構成される計算モジュール１３が設けられる。このようにして、線形出力信号を得ることが可能であり、この線形出力信号から、エンコーダ構造３の、したがってロータ２の位置を直接推定することが可能である。
【０１６１】
図１５は、本発明に基づいて、最適な振幅依存性をどのようにして得ることが可能であるかを概略的に示している。図１５は、共振回路６ａ，６ｂの動作周波数ωに対する感度を例えば振幅形状で示している。図１５から明らかなように、共振回路６ａ，６ｂの感度は、対応する共振周波数において最大である。曲線Ｂは、それぞれのセンサコイルに対するエンコーダ構造３の距離が短い場合の振幅の経過を概略的に示している。この場合、エンコーダ構造３の減衰効果は高く、減衰システムの共振周波数ωｕを発生させ、この場合、共振周波数ωｕは、減衰されないかまたは低減衰の共振周波数ω０からずれる（曲線Ａ）。エンコーダ構造３を通過すると、それぞれの振幅差が発生し、このそれぞれの振幅差は、エンコーダ構造３からの距離が略短いので、コイルによって効率的に評価することが可能である。例えば製造公差等によって、距離が長くなると、エンコーダ構造を通過したときの平均減衰効果は著しく低くなり、このようにして、固定動作周波数では、エンコーダ構造の形状により減衰効果が変化したときに感度も低減される。この場合、より高い動作周波数ωＢを適切に選択することによって、差分信号の感度の損失をある程度補償することが可能であり、すなわち、動作点Ｐは、平均してより低い程度の減衰を有する減衰システムの「平均」共振周波数により近づいて位置し、それにもかかわらず、結果として、十分に大きい差分信号を得ることが可能である。すなわち、エンコーダ構造を通過したときに全減衰を低減するようにする長くなった平均距離についても、動作周波数ωＢに対応して動作点Ｐを上昇させることによって、比較的強い差分信号を得ることが可能である。
【０１６２】
例えばエンコーダリング７のランアウトまたはアンバランスによって、エンコーダ構造３の距離が長くなって、センサアセンブリ４の減衰が低減された場合には、図１５の矢印
で示したように、平均共振周波数ω０により近づくように動作点Ｐを適切に選択することによって、感度を向上させることが可能であり、これによって、十分な精度でロータ２の角位置を検出することができるように、出力信号が増大される。このようにして、エンコーダ構造３とセンサアセンブリ４との間の距離の変化は、例えば約２ｍｍであることが可能であり、それにもかかわらず、十分に大きい振幅を得ることが可能である。ロータ２の軸受の位置、したがって、ロータ２に取り付けられたエンコーダ構造３がラディアル方向に変化するようなときには、アキシャル方向にも変化が生じることがある。このようにして、エンコーダ構造３がセンサアセンブリ４から移動して離れるので、対応する対向関係が非理想的であることが可能である。状況に応じて、数ミリメートルのアキシャル方向の公差を得ることが可能である。この場合、例えば５ｍｍの公差を安定させるために、インダクタンスＬ１，Ｌ２のコイルの構造を適切に改造することが可能である。
【０１６３】
センサシステム５は、適切な任意の構成で設計することが可能であり、エンコーダ構造３の位置に応じて、ロータ２に対してラディアル方向またはアキシャル方向の関係にあることが可能である。エンコーダ構造３およびそれに関連付けられたセンサアセンブリ４の配置に応じて、ラディアル方向内側とラディアル方向外側とで、さらにはアキシャル方向で、エンコーダ構造３のサンプリングを行うことが可能である。
【０１６４】
本発明の本実施形態では、センサシステム５は、差分信号、例えば正弦波電圧および余弦波電圧の、ほぼ同一の振幅変化によってエンコーダリング７のアンバランスを除去するために、例えば数ミリメートルの距離に互いに密接して配置される。
【０１６５】
図示した実施形態では、センサシステム５は回転電動機のロータに設けられている。他の実施形態では、可動部の移動位置および／または移動方向を決定するために、概して可動部およびステータとして本明細書に示されている互いに相対的に移動する任意の物体に、エンコーダ構造３ならびにセンサシステム５ａおよび／または５ｂを設けてもよい。例えば、線形駆動システムの位置および方向を検出することが可能である。さらに、移動方向を決定する必要がないかあるいは他の手段によって移動方向を決定することが可能である場合には、可動部に１つのセンサシステム５ａまたは５ｂを設けてもよい。したがって、角度測定および／または距離測定用の効率的な手段が設けられ、この効率的な手段では、純粋な磁石システムと比較して、干渉に対する高度な堅牢性を、特にエンコーダ構造の渦電流損失によるインダクタンスの変化に基づいて実現することが可能である。
【０１６６】
いくつかの実施形態で説明したように、ロータエンコーダに基づいて、互いに相対的に回転する部分の角位置、特に電動機のロータの角位置を非接触的かつ極めて確実に決定することが可能であり、このことにより、強力かつ費用効率的なセンサシステムを極めて効率的に使用することによって、電動機、例えば、永久励磁機、非同期機等の制御を行うことが可能である。
【０１６７】
例えば、エンコーダシステムの信号に基づいて得ることが可能である０〜３６０°の角位置は、ステータの極対の数に対応する同期機の正弦波電流整流期間にほぼ対応させることができる。例えば、同期機が７つの極対を備えている場合、角度検出の期間を５１．４３°の角度に対応させれば、１回の機械的回転の間に、角度検出の期間を０〜３６０°まで７回繰り返すことが可能である。
【０１６８】
可動部の位置、特にロータの角位置を検出するための本発明のシステムならびにそれに関連する方法は、回路８が厳しい環境条件にさらされ、また誘導位置センサが、最高１０００アンペアの高いモータ電流に対して不感でなければならない自動車分野におけるスタータ／発電機の用途に適用されると、特に有利である。さらに、本発明によるセンサシステムを、車両に設けられた電気駆動システムに、例えばハイブリッド駆動系または純粋な
電気駆動系に有利に適用することが可能であるが、この理由は、永久励磁同期電動機またはブラシレスＤＣモータの電子整流、あるいは非同期機の制御を行うことが可能であるからである。
【０１６９】
図１６Ａ〜１６Ｏを参照して、さらに前述の図を参照して、例示的な実施形態を以下に説明する。
【０１７０】
図１６Ａは、センサアセンブリ４およびエンコーダ構造３の軸方向の配置を概略的に説明し、これは、適切なキャリア材料７ａ上に形成され、またはアクセル２００に位置するロータ２の基材中に直接形成することができる。ロータ２の基材は、ロータ２を使用可能にするために設けられた基材として理解される。例えば、基材は、磁石等の部品を支持するための材料とすることができる。
【０１７１】
図１６Ｂは、図１６ＡのＩＩｃ−ＩＩｃ線断面図を説明し、この実施形態のエンコーダ構造３は、ロータの全体の機械的な回転にわたって周期的に延在する一つの軌道３００を含む。
【０１７２】
図１６Ｃは、放射状配置を概略的に説明し、一実施形態では、エンコーダ構造３は、アクセル２００とセンサアセンブリ４ａとの間でラディアル方向に位置し、それによって、放射状「外部」構成を形成する。エンコーダ構造３が、固定センサアセンブリ４ｂによって、「内部」から「読み出される」なら、それぞれの内部位置構成が設けられている。このために、エンコーダ構造３は、リングの内面またはロータ２の他の部品上に設けられていてもよい。
【０１７３】
図１６Ｄは、エンコーダ構造３のさらなる実施形態を概略的に説明し、便宜上、軌道３００は、直線的に説明される。エンコーダ構造３の位置依存性の導電性は、動作の方向に、つまり、図１６Ｄの左右方向に、動作の方向に垂直で変化する外側延長部を有する導電性材料のブロックによって生成される。個々のブロックは、階段関数が得られるように接続することができ、ここで、階段関数は、所望の機能、例えば、正弦波形状関数の近似を表すことができる。この場合、個々の部分３ｂは、単一期間を表し、ロータ２の位置の正確な情報が機械１を制御するために必要である。個々の部分３ｂ内で軌道３００の形状を「デジタル化する」ことによって、対応する製造工程は単純化することができ、個人ブロックの横方向サイズ、つまり、動作の方向の寸法は、個々の部分３ｂ内で所望の分解能に適応することができる。
【０１７４】
図１６Ｅは、１例として三角形に近似するステップ形状の関数の近似を説明する。
図１６Ｆは、エンコーダ構造３の実施形態を説明し、ここで、軌道３００の幅は、少なくとも各部分３ｂ内で実質的に一定であり、導電性の調節は、導電性材料に対して導電性材料の領域比を変化することにより得られる。例えば、変化する密度および／またはサイズの凹部または穴は、例えば、エッチング、穴あけ等によって細長い導電性材料内に形成することができる。このように、動作の方向に沿った渦電流の発生に寄与する導電性材料の量は、効率的に調節することができ、このパタニングは、非常に正確な製造技術を使用することによってなすことができる。さらに、このパターン化技術は、また、さらなるキャリア材料を設けることなく、ロータ２の材料に効率的に直接適用することができる。
【０１７５】
図１６Ｇは、エンコーダ構造３の実施形態を概略的に説明し、単一部分３ｂ内で位置情報に加えて、さらなる情報が一つの軌道３００で得られる。さらなる情報が、部分３ｂの少なくともいくつかの識別を可能にする。示された実施形態では、意図したオフセットは、導電性材料の最大延長部または最高量が、少なくともいくつかの部分で変化することができるように設けられている。この種のさらなるコード化は、さらに、出力信号の「振幅
変調」と見なすことができ、エンコーダ構造３の他の実施形態と組み合わせて使用することができる。特に、図１６Ｇに示す実施形態は、適切にそれぞれの凹部または穴の密度および／またはサイズを適応させることにより、個々の部分内で平均された導電性の変化を得ることができる。
【０１７６】
図１６Ｈは、実施形態を概略的に説明し、キャリア材料７ａ内またはその上にエンコーダ構造３は設けられている。この場合、キャリア材料７ａは、導電性材料、例えば、ｄとすることができ、または絶縁材料を表すことができる。ロータ２の基材とすることができる導電性キャリア材料を使用する場合さえ、エンコーダ構造中の導電性の適切な改良を達成することができる。例えば、軌道３００は、導電性が向上した材料からかることができ、導電性が低下した周囲材料と比較して、増加した導電性のこの材料では、より高い渦電流が引き起こされるように、軌道３００は、銅等からなることができる。同様に、低減された導電性の材料または絶縁材料は、導電性の所望の調節を得るように使用することができる。示すように、軌道３００の材料は、軌道３００の材料の特性に依存して、およそ２μｍ〜５０μｍの厚みを有することができる。軌道３００の高導電性材料の場合には、数μｍの厚みＤは、十分とすることができ、一方、導電性が低下した導体または絶縁体は、有利に、センサアセンブリ４に対して軌道３００の下に設けられる材料の距離が増加するように、増加した厚さＤを有することができる。
【０１７７】
図１６Ｉ〜１６Ｌでは、コイル４ａの構造に対するさらなる実施形態を示す。
図１６Ｉでは、コイル４ａは、平面構造を有し、ここで、導電性材料または導電線の形態でコイル４ａの個々の巻線が、単一平面内に横方向に設けられている。右部分または図では、部分を説明し、ここで、プリント基板などのキャリア材料が個々の巻線が形成された、単一面に設けられている。他の実施例において、いくつかの巻線は、多層プリント基板などのキャリア材料の異なる層上に設けることができる。
【０１７８】
更に、図１６Ａ、１６Ｂに示すように、放射状配置には有利とすることができるように、平面コイルが湾曲して製造することができるように、キャリア材料は、可撓性材料４ｃの形態で設けることができる。
【０１７９】
図１６Ｊは、平面構造を説明し、ここで、巻線は、キャリア材料なしで導電性材料から実質的になる。このために、銅板材料、アルミニウム板材料等などの材料は、所望の形状に穴を開けることができる。
【０１８０】
図１６Ｋは、実施形態を説明し、コイル４ａは、材料４ｄに一体化されており、それは、高度な環境条件でさえコイルの完全性を向上させる。このために、キャリア材料４ｂを含む、またはキャリア材料がないコイル４ａは、所望の安定性を達成するように、適切な材料で射出成形することができる。射出成形のプロセスの間に、材料４ｄ内にコイルを完全に埋め込む必要はないが、導体の表面は、覆いがないままとすることができ、または、材料４ｄの厚さ４ｅと組み合わせて、エンコーダ構造３に対して所望のギャップが得られるように、コイルの被覆率は小さくすることができる。
【０１８１】
図１６Ｌは、巻回コイルの形態でコイル４ａを説明し、巻線は、キャリア材料４ｆ上に形成されている。これら巻回コイル４ａは、さらに上に説明するように、必要に応じて、所望された方法で材料４ｄ上に、または内に配置することができる。
【０１８２】
図１６Ｍは、図２を参照して説明するように、同様の機能を有する４つのセンサコイルＬ１、…Ｌ４を有するセンサアセンブリ４の実施形態を説明する。この場合、２つの軌道３００、３ｂが設けられ、それは、検討中に個々の領域に対して１８０°の空間位相シフトを有する。したがって、センサアセンブリ５ａを規定するコイルＬ１、Ｌ２は、動作の
方向に対して同じ位置に位置することができる。それは、コイルＬ３、Ｌ４にもあてはまり、第２のセンサアセンブリ５ｂを規定する。さらに、コイルＬ１、Ｌ３は、９０°だけ互いに空間的に相殺されており、上に説明されるように、出力信号が得られるように、コイルＬ２、Ｌ４も９０°だけ空間的に相殺されている。この方法で、センサシステム５ａ、５ｂの横方向サイズを低減することができる。
【０１８３】
図１６Ｎは、さらなる変形例を説明し、４つの軌道３００、３ｂ…３ｄは、個々のコイルＬ１、…Ｌ４によって読み取られ、ここで、所望の空間位相シフトは、軌道３００、…３ｄの設計によって実現される。すなわち、コイルＬ１、Ｌ２、つまり、センサシステム５ａが軌道３００、…３ｂを読み取る場合、これらの軌道は、１８０°の位相シフトを有する。これは、軌道３ｃ、３ｄにも当てはまる。更に、軌道３ｂ、３ｃは、９０°の位相シフトを有する。
【０１８４】
いくつかの軌道３００、…３ｄが設けられ、示された実施形態は、少なくとも１つの軌道が、異なる空間周期性を有する実施例を表す、または他の軌道と比較して、周期的な構造を全く有さなくてもよい。従って、軌道３００、…３ｄの１つまたは複数は、より粗い空間分解能に基づいて評価に使用することができる。このために、個々の軌道３００に関して上に検討するように、この軌道は、適切なセンサアセンブリによってサンプリングすることができる。このように、例えば、ロータ２の全体の機械的回転にわたる位置を得ることができ、ここで、微細な分解能は、例えば、３６０°の正弦波形状の変化内でエンコーダ構造の期間内の変化によって決定される。
【０１８５】
図１６Ｏは、さらなる実施形態を説明し、ここで、センサアセンブリ５は、センサアセンブリ５のそれぞれの出力信号を回路８に供給する場合、干渉に対して低感度が得られるように構成されたケーブル接続によって回路８に接続されている。例えば、少なくとも出力信号を導くための接続線は、遮へいを備えることができ、またはツイストペアとして設けることができる。ケーブル接続により、センサアセンブリ５は、機械１内に広がる環境条件を許容するために回路８の強固な構造を必要とすることなく、機械１内のいかなる所望の位置に位置することができる。例えば、適度に高温、例えば１５０℃以上の高温がセンサアセンブリ５の近くに生じることができ、それは、回路８のための特別の対策を必要とし、それによって、コストの増加に寄与する。例えば、高温用に設計された集積回路は、著しくより高価である。ケーブル接続８ａを設けることによって、効率的な熱的な減結合をなすことができ、または、回路８は、それぞれの干渉磁界の外側に配置することができる。このために、センサアセンブリは、回路部品から構成することができ、それは、小さな温度依存性のみを有することができ、すなわち、センサアセンブリは、半導体部品を欠くことができ、その結果、位置検出は、外部影響によって実質的に影響されることはない。一実施形態では、センサアセンブリは、図２を参照して説明するように構成され、その結果、温度などの、同様にすべての部品に作用する外部影響は、それぞれの出力信号の相違をとることにより効率的に低減または補償することができる。
【符号の説明】
【０１８６】
１・・・電動機、２・・・ロータ（可動部）、２ａ・・・ロータ軸、３・・・エンコーダ構造、４・・・センサアセンブリ、５，５ａ，５ｂ・・・センサシステム、６ａ，６ｂ・・・共振回路、７・・・エンコーダリング、８・・・回路、９・・・センサ信号、１０・・・アナログ電圧、１１・・・回路出力部、１３・・・計算モジュール、１４・・・回路入力部、１５・・・増幅器およびフィルタ、１６・・・コンパレータ、１７・・・制御ユニット、１８・・・排他的ＯＲゲート、１９・・・ローパスフィルタ、２０・・・バッファ段、２１・・・電圧レギュレータ、３１，３２，３３・・・回転角センサ、４１・・・磁石、４３・・・ステータ、５１・・・プリント回路基板（ＰＣＢ）、５２・・・インダクタンス素子、５３・・・外装ケース、５４・・・ＡＳＩＣ、５５・・・周辺回路形成領
域、１１０，１２０・・・インナーロータモータ、１３０，１４０・・・アウターロータモータ、Ｃ−ａ，Ｃ−ｂ・・・コンデンサ、ｃｏｓ・・・余弦波信号、Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４・・・インダクタンス素子、Ｐ・・・動作点、Ａ・・・振幅、Ｒ−ａ，Ｒ−ｂ・・・抵抗器、ｓｉｎ・・・正弦波信号、Ｖ・・・ＡＣ電圧源、ω０・・・共振周波数、ωＢ・・・動作周波数、ωＵ・・・強い減衰を有する共振周波数、Ｏｓ１，Ｏｓ２・・・発振器、３００，３Ｂ，３Ｃ，３Ｄ・・・軌道、２００・・・アクスル、８Ａ・・・ケーブル接続、４Ｄ・・・ベース材、４Ｅ・・・コイルの厚み、Ｄ・・・伝導体の厚み、４Ａ・・・コイル、巻回、４Ｂ・・・キャリア材料
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図１Ｄ】
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【図１Ｅ】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図８】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図９Ｃ】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１２】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１３Ｃ】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６Ａ】
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【図１６Ｂ】
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【図１６Ｃ】
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【図１６Ｄ】
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【図１６Ｅ】
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【図１６Ｆ】
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【図１６Ｇ】
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【図１６Ｈ】
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【図１６Ｉ】
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【図１６Ｊ】
2009540277.tif 000044
【図１６Ｋ】
2009540277.tif 000045
【図１６Ｌ】
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【図１６Ｍ】
2009540277.tif 000047
【図１６Ｎ】
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【図１６Ｏ】
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【手続補正書】
【提出日】平成20年9月11日(2008.9.11)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
機械のロータ（２）の位置を検出するためのシステムであり、ロータ（２）に取り付けられかつロータと共に移動可能であるエンコーダ構造（３）と、エンコーダ構造（３）の対向側に配置され、かつ位置を決定し得る少なくとも１つのセンサ信号（９）を供給する固定センサアセンブリ（４）とを備えるシステムであって、
センサアセンブリ（４）は第１のインダクタンス素子を備え、エンコーダ構造（３）は、インダクタンス素子が、動作に依存してインダクタンスの変化を生じさせるように構成され、
エンコーダ構造（３）は、ロータ（２）においてラディアル方向内側位置のリング（７）上に設けられている、システム。
【請求項２】
エンコーダ構造は導電性材料を含む、請求項１に記載の回転角度検出用センサシステム。
【請求項３】
エンコーダ構造（３）は、角位置に対して周期的に変化する構造を備えている、請求項１または２に記載の回転角度検出用センサシステム。
【請求項４】
変化する構造の形状は、正弦波形状、三角形状、または、部分的長方形構造である、請求項３に記載の回転角度検出用センサシステム。
【請求項５】
センサアセンブリ（４）は、第１の共振回路（６ａ，６ｂ）を備え、また第１のインダクタンス素子は、第１の共振回路（６ａ，６ｂ）の一部である、請求項１〜６のいずれか１つに記載の回転角度検出用センサシステム。
【請求項６】
センサアセンブリは、第２のインダクタンス素子を含む第２の共振回路（６ａ，６ｂ）を有し、第１および第２の共振回路は、第１のセンサシステムを形成する、請求項５に記載の回転角度検出用センサシステム。
【請求項７】
第１のインダクタンス素子は、第１の発振器の一部として使用される、請求項１〜４のいずれか１つに記載の回転角度検出用センサシステム。
【請求項８】
第２の発振器の一部として使用される第２のインダクタンス素子が設けられ、第１の発振器および第１のインダクタンス素子と、第２の発振器および第２のインダクタンス素子とが第１のセンサシステム（５）を形成する、請求項７に記載の回転角度検出用センサシステム。
【請求項９】
センサアセンブリ（４）は、第１のセンサシステム（５ａ）に対してオフセットされた第２のセンサシステム（５）を備える、請求項６または８に記載の回転角度検出用センサシステム。
【請求項１０】
第１および第２のセンサシステムの構造は同一である、請求項９に記載の回転角度検出用センサシステム。
【請求項１１】
エンコーダ構造が第１および第２のセンサシステムにほぼ同じ影響を与えるように、第１および第２のセンサシステム（５）が互いに密接してセンサアセンブリ（４）に配置されている、請求項９または１０に記載の回転角度検出用センサシステム。
【請求項１２】
センサアセンブリ（４）の下流側に、回路出力部（１１）でセンサ信号（９）を、角度情報を含む信号に変換する回路（８）が配置されている、請求項１〜１３のいずれか１つに記載の回転角度検出用センサシステム。
【請求項１３】
回路（８）は、センサ信号の位相差および／または振幅差および／または周波数差から、角度情報を含む信号を得るように構成されている、請求項１２に記載の回転角度検出用センサシステム。
【請求項１４】
回路（８）は、センサアセンブリ（４）のセンサ信号（９）の成分を受信して処理するための対称チャンネル（１２）を備えている、請求項１２または１３に記載の回転角度検出用センサシステム。
【請求項１５】
第１および第２の共振回路（６ａ，６ｂ）の第１および第２のインダクタンス素子（Ｌ１，Ｌ２）が、互いに位相シフトを有する出力信号を出力するように配置されている、請求項６に記載の回転角度検出用センサシステム。
【請求項１６】
約５００ｋＨｚ〜約５ＭＨｚの周波数（ｆ）を有するＡＣ電圧源（Ｖ）が設けられ、前記ＡＣ電圧源は、第１のインダクタンス素子に少なくとも接続される、請求項１〜１５のいずれか１つに記載の回転角度検出用センサシステム。
【請求項１７】
第１および第２の共振回路（６ａ，６ｂ）は、ＡＣ電圧源（Ｖ）の周波数（ｆ）に同調される、請求項１６、５、６のいずれか１つに記載の回転角度検出用センサシステム。
【請求項１８】
第１および第２の共振回路は、エンコーダ構造とセンサアセンブリとの間の距離に基づいて、ＡＣ電圧源の周波数に調節される、請求項１７に記載の回転角度検出用センサシステム。
【請求項１９】
第１の共振回路は、直列共振回路である、請求項５または６に記載の回転角度検出用センサシステム。
【請求項２０】
第１の共振回路は、並列共振回路である、請求項５または６に記載の回転角度検出用セ
ンサシステム。
【請求項２１】
回路は、正弦波信号（ｓｉｎ）および余弦波信号（ｃｏｓ）を発生する第１のモジュールを含み、回路（８）は、正弦波信号（ｓｉｎ）および余弦波信号（ｃｏｓ）からの逆正接関数を計算する計算モジュール（１３）を含む、請求項１２に記載の回転角度検出用センサシステム。
【請求項２２】
回転体と、
前記回転体と共に回転可能に取り付けられたエンコーダ構造と、
少なくとも１つ以上のインダクタンス素子を有し、前記エンコーダ構造に間隔を有しつつ対向して配置された固定センサアセンブリと、
から構成された回転角度検出用センサシステムにおいて、
前記１つ以上のインダクタンス素子は、平面状に形成され、
前記インダクタンス素子のコアのない部分は、前記エンコーダ構造の動作方向に沿って延在する幅と、前記幅に対して垂直に延在する長さと、を有し、
前記幅は、前記長さ未満であり、
前記長さは、前記エンコーダ構造上に形成されたエンコーダトレースの最大長さより大きい、回転角度検出用センサシステム。
【請求項２３】
前記固定センサアセンブリは、５００ｋＨｚから５ＭＨｚの範囲で規定される周波数で駆動する、請求項２２に記載の回転角度検出用センサシステム。
【請求項２４】
前記固定センサアセンブリは少なくとも、前記インダクタンス素子と、前記インダクタンス素子から出力される信号を演算処理して回転角度を算出する集積回路と、を有する、請求項２２または２３に記載の回転角度検出用センサシステム。
【請求項２５】
前記エンコーダ構造は、その幅寸法が周期的に変化する少なくとも１相以上の平面部からなる、請求項２２〜２４のいずれか１つに記載の回転角度検出用センサシステム。
【請求項２６】
前記エンコーダ構造は、前記回転体のラディアル方向に対して垂直に前記平面部が配置されている、請求項２５に記載の回転角度検出用センサシステム。
【請求項２７】
前記エンコーダ構造は、前記回転体の外周面上に形成されている、請求項２６に記載の回転角度検出用センサシステム。
【請求項２８】
前記エンコーダ構造は、前記回転体の内周面上に形成されている、請求項２６に記載の回転角度検出用センサシステム。
【請求項２９】
前記エンコーダ構造の前記平面部は、前記回転体の軸方向に対して垂直に配置されている、請求項２５に記載の回転角度検出用センサシステム。
【国際調査報告】
2009540277.tif 000050
2009540277.tif 000051
2009540277.tif 000052
2009540277.tif 000053
2009540277.tif 000054
2009540277.tif 000055