(57)【要約】本発明は、ロータシャフトの周りに分布して配置された交互に異極性をもつ複数の磁石部材を有する、回転速度に応じた信号を生成する装置、または速度計用発電機に関するものである。磁石部材は、交互に異極性とされた領域を有し、ロータシャフトに取り付けられた支持装置に保持された環状磁石の形で実施されるのが好ましい。速度計用発電機は、磁石部材に対して軸方向の間隔をおいて支持装置にロータシャフトと同心的に配置された少なくとも１つのコイルを備えている。磁石部材とコイルは、コイルに回転速度に応じた信号を誘導するような相互関係をもって配置され、互いに相対的に回転可能である。本発明によれば、コイルに誘導された信号に直流電圧を重ね合わせることによって電圧シフトされた信号を生成する信号シフト装置が設けられる。この直流電圧は、回転速度に応じた信号を正の電圧レベルに引き上げるために正の電圧とするのが好ましい。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロータシャフト（１６）の周りに分布して配置された交互に異極性をもつ複数の磁石部材（６４，６６）と、
前記磁石部材（６４，６６）に対して軸方向の間隔をおいて支持装置（３８）上に前記磁石部材と同心的に配置された少なくとも１つのコイル（４０）と、を備え
前記磁石部材（６４，６６）およびコイル（４０）は、前記コイル（４０）に回転速度に応じた信号を誘導させるために、互いに所定の空間的相互関係をもって配置され、かつ前記ロータシャフト（１６）の回転に伴って互いに相対的に回転可能であり、さらに
電圧シフトされた信号を生成するために、前記コイル（４０）に誘導された信号を受信してこの信号に直流電圧を重ね合わせる回路装置（７０，７２）を備えている、
回転速度に応じた信号を生成する装置。
【請求項２】
回転速度に応じた信号を正の電位に引き上げるために、正の直流電圧を供給する直流電圧電源（Ｖｃｃ）を備えていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記回路装置は、一方の接続端が前記コイル（４０）に接続されるとともに他方の接続端が前記直流電圧電源（Ｖｃｃ）に接続される分圧器（７０，７２）を備え、この分圧器（７０，７２）の中央タップに、電圧シフトされた信号が発生することを特徴とする請求項１または２に記載の装置。
【請求項４】
前記分圧器は直列に接続された２つの抵抗器（７０，７２）からなり、両抵抗器の共通接続点が前記分圧器の中央タップを形成し、前記コイル（４０）は基準電位点に接続されていることを特徴とする請求項３に記載の装置。
【請求項５】
前記中央タップと基準電位点の間に干渉抑制フィルタ（７６）が接続されていることを特徴とする請求項４に記載の装置。
【請求項６】
前記電圧シフトされた信号を評価するアナログ／デジタル変換器（７４）を備えていることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の装置。
【請求項７】
前記ロータシャフト（１６）の周りに均等に分布して配置された少なくとも２つ、特に４つまたは６つのコイル（４０）が設けられていることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の装置。
【請求項８】
偶数個のコイル（４０）が設けられており、それぞれ２つのコイル（４０）が直列に接続されて信号シフト回路（７０，７２）に接続されていることを特徴とする請求項７に記載の装置。
【請求項９】
前記コイル（４０）は巻線形コイルにあることを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１０】
前記コイル（４０）は板コイルであることを特徴とする請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
前記コイル（４０）は細い平形線材から平打巻で巻かれていることを特徴とする請求項９または１０に記載の装置。
【請求項１２】
前記コイル（４０）は、絶縁材料でコーティングされた細い線材、特に焼付エナメル線から巻かれており、前記コイル（４０）の接続のために巻線端部で前記絶縁材料が除去されていることを特徴とする請求項９から１１のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１３】
前記コイル（４０）は少なくとも１５０ターンを有していることを特徴とする請求項９から１２のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１４】
前記コイル（４０）はコイルボビンに巻かれていることを特徴とする請求項９から１３のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１５】
前記コイル（４０）に閉磁路部材（４２）が設けられていることを特徴とする請求項１から１４のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１６】
前記支持装置（３８）は剛性のある配線板および柔軟な配線板の少なくとも一方を備えていることを特徴とする請求項１から１５のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１７】
前記磁石部材（６４，６６）は、交互に異極性とされた領域を有する環状磁石（３６）の形で実施されていることを特徴とする請求項１から１６のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１８】
前記環状磁石（３６）は、４つから１２、特に６つの交互に異極性とされた領域（６４，６６）を持っていることを特徴とする請求項１７に記載の装置。
【請求項１９】
前記コイル（４０）は板コイルの形で実施され、その外周輪郭が前記環状磁石の領域（６４，６６）の形状に合されていることを特徴とする請求項１７または１８に記載の装置。
【請求項２０】
前記コイル（４０）はそれぞれ、前記シャフト（１６）に対して放射方向に延びる２つの放射方向領域と、この放射方向領域をその内側および外側の端部で接続する２つの円周領域とを備えていることを特徴とする請求項１９に記載の装置。
【請求項２１】
前記コイル（４０）は、前記支持装置（３８）の、前記磁石部材に対向する側の表面に設けられていることを特徴とする請求項１から２０のいずれか１項に記載の装置。
【請求項２２】
前記支持装置（３８）の、前記コイル（４０）とは反対側にそれぞれ、前記コイル（４０）に付属する閉磁路部材（４２）が設けられていることを特徴とする請求項２１に記載の装置。
【請求項２３】
回転速度に応じた信号を評価するための評価・制御装置（７８）を備えていることを特徴とする請求項７および前記請求項のいずれか１項に記載の装置。
【請求項２４】
前記ロータシャフト（１６）の回転位置を検出する回転位置センサが設けられ、検出された回転位置に応じて前記評価・制御装置（７８）が、どのコイル（４０）の回転速度に応じた信号のどの半波が回転速度判定のために評価されるかを決定することを特徴とする請求項２４に記載の装置。
【請求項２５】
前記回転位置センサは光学式、誘導式、または磁気式のセンサであることを特徴とする請求項２４に記載の装置。
【請求項２６】
ロータシャフト（１６）の周りに分布して配置された交互に異極性をもつ複数の磁石部材（６４，６６）と、これらの磁石部材（６４，６６）に対して軸方向の間隔をおいて支持装置（３８）上に前記ロータシャフト（１６）と同心的に配置された少なくとも１つのコイル（４０）とを備え、前記磁石部材（６４，６６）およびコイル（４０）は互いに所定の空間的相互関係をもって配置され、かつ前記シャフト（１６）の回転に伴って互いに相対的に回転可能である、電気モータ（１０）の回転速度に応じた信号を生成する方法であって、
前記ロータシャフト（１６）の回転によってその回転速度に応じた信号が前記コイル（４０）に誘導され、
電圧シフトされた信号を生成するために、前記回転速度に応じた信号に直流電圧（１／２Ｖｃｃ）が重ね合わされる、
回転速度に応じた信号を生成する方法。
【請求項２７】
前記回転速度に応じた信号は規則的な交流電圧であることを特徴とする請求項２６に記載の方法。
【請求項２８】
前記直流電圧は正であることを特徴とする請求項２６または２７に記載の方法。
【請求項２９】
前記ロータシャフト（１６）の回転速度を判定するために、前記電圧シフトされた信号の振幅が評価されることを特徴とする請求項２６から２８のいずれか１項に記載の方法。
【請求項３０】
前記ロータシャフトの回転位置が検出され、検出された回転位置に応じて、回転速度に応じた信号の振幅が評価されることを特徴とする請求項２９に記載の方法。
【請求項３１】
請求項１から２５のいずれか１項に記載の装置を備えた、電子的に整流される直流モータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気モータ用の、特に電子的に整流される直流モータ用の、回転速度に応じた信号を生成する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気モータは、モータの速度制御のための信号を生成するための、以下において速度計用発電機とも呼ぶ、回転速度に応じた信号を生成する装置を備えている。
【０００３】
本発明は、一般的には、たとえば自動車の分野でステアリングシステムやその他の用途に用いられるブラシレス直流モータまたは電子的に整流される直流モータ、およびこれに付属する速度制御システムに関するものである。ステアリングシステムで用いられる直流モータに対しては、トルク脈動およびコギングトルクの少ない大きな電流を生成することが要求される。直流モータは自動車の内燃機関の近くで用いられるので、外部の温度、湿度、汚れ、その他の環境要因に対して耐性を備えていなければならない。さらに自動車メーカーからは、低い抵抗と狭い抵抗誤差、ならびに装置全体の少ないインダクタンスが求められるのが通例である。
【０００４】
電子的に整流される直流モータは、一般に、ロータシャフトに装着されて周方向に交互に異極性とされた複数の磁極を有する永久磁石と、ロータの磁極と相互作用する複数の駆動巻線を有するステータとを含んでいる。
【０００５】
米国特許第４５７８６０６号明細書は、速度計用発電機と組み合わされた電気モータについて記載している。ここでは、速度計用発電機コイルがロータ磁石の磁界内に配置されているので、モータが回転すると、磁極によって速度計用発電機コイルに電圧が誘導される。同文献に記載されている電気モータでは、ロータシャフトに取り付けられた永久磁石は同心的な２つの領域に分割されており、永久磁石の外側の領域は、モータ（ステータ）コイルと協働する８つの磁極を持っており、永久磁石の小さいほうの内側の領域もしくは内側環状領域は、回転速度に応じた信号を生成するためにモータの周方向に巻き付けられた速度計用発電機コイルと協働する２６〜５０個の磁極を持っている。速度計用発電機コイルに発生する信号の周波数は、ロータシャフトの回転速度に対応している。米国特許第４５７８６０６号明細書に記載されている電気モータは、特に、コンピュータのフロッピーディスクドライブで用いられる。速度計用発電機で生成される信号の強度や、環境要因に対する耐性などに関する特別な要求事項については、同文献では検証されていない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の課題は、高い信号強度の速度計用発電機信号を生成することができ、高温や高湿などの環境要因に対して耐性がある、電気モータ用の回転速度に応じた信号を生成する装置、およびこれに関連する方法を提供することにある。
【０００７】
この課題は、請求項１の構成要件を備えた装置、ならびに請求項２６の方法ステップを備える方法によって解決される。本発明は、このような種類の装置を含む電気モータをも意図している。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、ロータシャフトの周りに分布して配置された、交互に異極性とされた１つまたは複数の永久磁石を備える、回転速度に応じた信号を生成する装置、または速度計用発電機を意図している。この磁石部材は、米国特許第４５７８６０６号明細書の場合と同じく、交互に異極性に磁化されたロータ磁石のセグメントであってもよい。磁石部材は、交互に異極性とされた領域を有し、ロータシャフトに取り付けられた支持装置に保持され、ロータシャフトとともに回転する環状磁石の形で実施されるのが好ましい。本発明による速度計用発電機は、付属の磁石部材に対して軸方向に間隔をおきながら、ハウジングに対して固定された別の第２の支持装置に配置された、ロータシャフトに同心的に配置された少なくとも１つの「測定」コイルを備える。ロータシャフトの周りに均等に分布して同心的に配置された複数の「測定」コイルを設けるのが好ましく、本発明の好ましい実施形態では、コイルはそれぞれロータシャフトの近くに磁石部材と同心的に配置される。磁石とコイルは空間的に相互関係をもって配置され、ロータに存在していてこれとともに回転する磁極は、ハウジングに対して固定されたコイルに関して相対運動を行う。
【０００９】
ロータシャフトの回転により、コイルには回転速度に応じた信号が規則的な交流電圧の形で誘導され、本発明によれば、「測定」コイルに誘導される信号電圧の振幅最大値または振幅差が回転速度を表す測定量として検出され評価される。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、近似的に台形状の信号電圧に、（好ましくは安定化された）直流電圧を重ね合わせることによって、コイルに誘導される信号電圧の基準電位をシフトさせる回路装置が設けられる。重ね合わされる電圧は正の直流電圧であるのが好ましく、それにより、回転速度に応じた信号として、脈動する正の直流電圧が得られる。
【００１１】
十分な巻回数を有するコイルと組み合わされた請求項１に記載の本発明による速度計装置は、演算増幅器等を介在させることなく「通常の」アナログ／デジタル変換器に直接送出することの可能な、十分な信号強度の回転速度に応じた信号を得ることを可能にする。この場合、アナログ／デジタル変換器はたとえば０から５Ｖまたは０から３Ｖの通常の正の電圧領域で動作すれば足りる。
【００１２】
本発明によれば、信号シフトまたは信号引上げのための回路装置は、一端が信号を出力するコイルに接続されるとともに他端がたとえば５Ｖの電源電圧端子に接続される単純な分圧器によって実施することができる。分圧器の中央タップには、コイルに誘導された信号を直流電圧成分だけシフトした信号電圧が生じる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
好ましい実施形態では、分圧器は、直列に接続された２つの抵抗器を有しており、これらの抵抗器の共通接続点が分圧器の中央タップを形成する。分圧器と、たとえばアース等の基準電位点との間に接続された測定コイルが、−４Ｖから＋４Ｖの間の出力信号を生成すると想定し、さらに、電源電圧は５Ｖであり、分圧器は２つの同じオーム抵抗値の抵抗器を有しているものと想定すると、分圧器の中心タップには、測定コイルに誘導された信号が数値的に半分にされ、かつ２．５Ｖだけ引上げられた状態で発生する。すなわち、０．５から４．５Ｖの間を変化する信号が発生する。このように電圧シフトされた信号は、動作電圧領域が０から５Ｖのアナログ／デジタル変換器で直接容易に処理することができる。
【００１４】
回路装置には、たとえば中央タップと基準電位点との間に配置されるコンデンサによって実施することができる干渉抑制フィルタを付属させるのが好ましい。
【００１５】
本発明の好ましい実施形態では、シャフトの周りに均等に分布して配置された、少なくとも２つ、特に４つまたは６つのコイルが設けられる。いっそう大きな信号を生成するために、それぞれ２つないし３つのコイルが直列に接続されて、信号シフトまたは信号引上げのための回路装置に設けられるのが好ましい。信号シフトのための回路装置はすべてのコイルについて設けることができ、その場合には、コイルはマルチプレクサを介して信号シフトのための回路装置と交互に接続される。あるいは、各コイルまたはコイル直列回路を、分離された固有の信号シフトのための回路装置に設けてもよい。
【００１６】
本発明の好ましい実施形態では、できるだけ大きい出力信号を生成するために、コイルは巻線形コイルである。この場合、所望の高い信号強度と信号形態との間で適切な妥協点を見出すのが望ましい。自動車工学で利用することが想定される場合は、コイルを具体化するにあたって、コイルの機械的強度や、適用されるはんだ付け技術といった要因も考慮に入れなければならない。
【００１７】
コイルは、特に細い平形線材から平打巻で巻くことができ、好ましくは、絶縁材料でコーティングされた円形または平形の細い線材、特にいわゆる焼付エナメル線から巻くことができる。焼付エナメル線は、すでに絶縁材料でコーティングされているという利点があり、巻いた後にコイルを加熱して、一つの堅固な物体となるように塊状化させる。絶縁材料は、完成したコイルを接続するために、巻線端部で簡単に取り除くことができる。
【００１８】
本発明によるコイルは空心コイルにあってもよく、あるいはコイルボビンに巻かれたコイルであってもよく、少なくとも１５０ターンを有しているのが好ましい。さらに各コイルには、閉磁路部材を付属させるのが好ましい。
【００１９】
本発明の好ましい実施形態では、コイルの支持装置は、磁石部材に対向するように配置された剛性のある配線板または柔軟な配線板である。磁石部材は、交互に異極性とされた領域を有する、特に４つから１２の、好ましくは６つから８つの交互に異極性とされた領域を有する環状磁石の形で実施される。
【００２０】
特に好ましい実施形態では、コイルは、外周輪郭が環状磁石領域の形状に合わせて作られた板コイルの形で実施される。その意味で、コイルは米国特許第４５７８６０６号明細書に示されている駆動コイル（３０）と類似する構造を持っているが、この米国特許明細書における駆動コイルは回転速度を検出するためではなく、モータの駆動のために用いられるものであることに注意しなければならない。
【００２１】
ただし発明者が見出したところでは、ハードディスクドライブやフロッピーディスクドライブ用のスピンドルモータに用いられる平坦な駆動コイルは、速度計用発電機の測定コイルとして、自動車分野のための電気モータで意図される用途に特に良く適している。なぜなら、こうしたコイルは特に平坦かつ小型であり、高い機械的精度と機械的強度を持っているからである。
【００２２】
できるだけ広い内側開口部を備える環状磁石領域の形状に合わせて、板コイルの外周輪郭を形成することは、所望の理想的な台形状の推移にできるだけ良く近似した、回転速度に応じた信号をコイルに誘導させるのに適している。
【００２３】
上に述べたように、複数のコイルをロータシャフトの周りに分布して配置するのが好ましく、特に、たとえば９０°（電気角）だけ位相がずれた信号を生成する２つまたは３つのコイルないしコイル直列回路が設けられる。コイル信号を評価するために、本発明では、ロータシャフトの回転位置を検出し、それに応じて、どのコイルの回転速度に応じた信号のどの半波が評価されるのかを判定する、回転位置センサを有する評価装置および制御装置を設けるのが好ましい。それによって、ほとんど常にある１つのコイル信号の平坦な領域が評価対象にされるようにすることができる。
【００２４】
次に、図面に示す好ましい実施形態を参照して本発明を詳細に説明する。
【００２５】
図１は、特に自動車の分野でたとえばステアリングシステム用として用いることができる、本発明による電子的に整流される直流モータの断面図を示すものである。全体的に符号１０を付している直流モータは、ステータ積層鉄心１２とステータ巻線１４を有するステータを備えている。ステータの内側には、ロータシャフト１６と、ロータシャフト１６に取り付けられた閉磁路リング１８と、セグメント化された、またはリングとして構成された永久磁石２０とを有するロータが配置されている。
【００２６】
ステータおよびロータは、両方の端面にそれぞれフランジ２４ないし２６を有するハウジング２２によって取り囲まれている。フランジ２４の側にはロータシャフト１６が導出されており、フランジ２６の側にはモータの信号線と巻線リード線が導出されている。
【００２７】
ロータシャフト１６は、軸受２８および３０、たとえば転がり軸受や滑り軸受、特に玉軸受を介して、フランジ２４および２６に回転自在に支承され保持されている。
【００２８】
図示した実施形態では、ロータモジュール１６，１８，２０が、フランジ２４および２６とともにロータモジュールを包囲してロータモジュールに異物が侵入するのを防ぐスリーブ３２によって付加的に取り囲まれている。
【００２９】
ドイツ国特許出願第１００３４３０２．３号明細書および第１００５１４０３．０号明細書には、図１の直流モータに類似する構造を有する直流モータがさらに詳細に記載されているので、これらの文献を援用する。本発明による速度計用発電機は、これ以外のあらゆる公知の種類の直流モータや、今後開発されるあらゆる種類の直流モータとの組み合わせでも利用できることを強調しておく。図１に示す実施形態は、あくまでも一例としての役割を果たすにすぎないものである。
【００３０】
図１に示す直流モータのロータシャフト１６には、後でさらに詳細に説明する環状磁石３６が取り付けられた保持装置３４が組み込まれている。保持装置３４および環状磁石３６に対向し、かつこれらと平行に、配線板３８の形の支持装置が配置されており、この配線板３８の、環状磁石３６に対向する側には、同じく後でさらに詳細に説明するコイル４０が配置されている。環状磁石３６とは反対側の、配線板３８の裏側には、閉磁路部材４２が設けられている。
【００３１】
図１から明らかなように、保持装置３４およびその上に配置された環状磁石３６はロータシャフト１６とともに回転するのに対して、配線板３８およびその上に配置されたコイル４０は固定配置されているので、ロータシャフト１６が回転すると、環状磁石３６とコイル４０の間に相対運動が生じる。
【００３２】
図１にはさらにリレーホルダ４４が、その内部に組み込まれたリレーとともに示されている。このリレーは、モータ電流導線を切り換えるため、ないし遮断するために、ステータ巻線１４の巻線端４６に接続されている。
【００３３】
図１に示す直流モータは、接続装置５４を介して信号線５２ないし巻線端４６に接続された集約化されたプラグ／ジャック式のコネクタ５０を有するハウジング蓋４８によって閉鎖されている。
【００３４】
配線板３８、リレーホルダ４４、およびハウジング蓋４８は、中央ネジ５６、適当なスナップ接続機構、および接着の少なくとも１つによってそれぞれの位置に保持される。
【００３５】
前述したように、本発明の速度計用発電機はこれ以外の形式の直流モータでも使用することができ、その場合、特にハウジングやフランジの構造、ならびに種々の電気部品の配置や取り扱いについては、当業者に周知のどのようなやり方にしてもよい。
【００３６】
図２は、本発明による速度計用発電機のさらに詳細を断面図で示したものである。
【００３７】
図２には、軸受３０およびそれを貫通するロータシャフト１６を備えたフランジ２６が示されている。ロータシャフト１６には速度計用発電機の保持装置３４が固定されている。この保持装置は、ロータシャフト１６に固定されて該ロータシャフトと一緒に回転する環状磁石３６を保持している。環状磁石３６に対向するように、支持装置（センサ配線板）３８が一定の軸方向間隔をおいて環状磁石３６に対して平行に、リレーホルダ４４の領域内に保持されている。当業者であれば、これ以外の種類のセンサ配線板４８の保持部を、直流モータ１０のハウジングに対して固定配置し、かつ環状磁石３６に対して正しく位置決めされるように設計することができる。
【００３８】
センサ配線板３８には、モータのロータシャフト１６に対して同心的に、ロータシャフト１６の周りに均等に分布して、ロータシャフト１６の回転速度を検出するための測定コイルとして機能する複数のコイル４０が配置されている。各コイルの内部には、ロータシャフト１６の回転位置を検出するためのホールセンサ６２が配置されている。当業者であれば理解できるように、単数または複数のホールセンサを選択したり、たとえば誘導式、光学式、容量式のセンサを用いた他の形式の回転位置検出方式を選択したりすることもできる。
【００３９】
センサ配線板３８の、環状磁石３６とは反対側に、閉じた磁気回路を形成するための閉磁路部材４２が配置されている。別の実施形態では、閉磁路部材が同時にセンサ電子装置用の支持体としての役目を果たし、それにより特別な配線板を設けなくてもすむようにすることができる。
【００４０】
図３は、本発明による速度計用発電機の４つのセンサコイル４０を組み込んだ支持装置３８の平面図を示すものである。この支持装置３８は、特に印刷回路板として実施されており、印刷回路板の一面側には、信号線５２や電源線をコイル４０や回路板３８上のその他の電子部品に接続するための接続端子６０が設けられている。この支持装置は、柔軟な回路板材料（フレキシブル回路）や、コイルを取り付けることができる上記以外のあらゆる適当な基板で製作することができる。
【００４１】
しかしながら、本発明の好ましい実施形態では単層の配線板３８が用いられ、この配線板の、環状磁石３６に対向する側にコイル４０が配置され、環状磁石３６とは反対側すなわち裏側には、閉磁路部材４２（図３には図示せず）が配置される。
【００４２】
本発明の好ましい実施形態では、ロータシャフト１６の周りに均等に配置された、ロータシャフトと同心配置の４つの巻線形コイル４０が設けられ、コイル４０のそれぞれ２つが直列に接続されており、それにより、後でさらに詳しく説明するように、回転速度に応じた２種類の信号が生成される。
【００４３】
これらのコイルは、平打巻で巻かれた非常に細い平形線材で製作することができ、たとえばハードディスクドライブ用のスピンドルモータにおける駆動コイルとして用いられるものと同様に構成することができる。好ましい実施形態では、コイルは、絶縁材料でコーティングされた細い円形線材または平形線材、いわゆる焼付エナメル線から巻かれる。このような線材の使用は、コイルの少ない高さ寸法と少ない所要空間で最大巻回数の実現を可能にする。各コイルは、できるだけ高い出力信号を生成するために、少なくとも１５０ターンを有するのが好ましい。焼付エナメル線の使用は、さらに、巻き付けが完成したコイルを単純に加熱することによって、コイルボビンを使わなくても容易に取扱いや組込みができる小型で安定した環状コイルが出来あがる程度にまで、線材を取り囲む絶縁材料を溶融させることができるという利点がある。巻線端部の絶縁材料は、コイル４０の接続のために容易に除去することができる。
【００４４】
平坦なコイル４０の外周輪郭は、図３と図４を比べてみると分かるように、ほぼ対向する環状磁石３６の交互に異極性とされた領域の形状に合わされている。磁石セグメントの構成に合わせてコイル形状を適合させることや、できるだけ広いコイル開口を形成することは、図６との関連で後に詳しく説明するように、平坦な領域とできるだけ急峻なエッジとを有する台形状のコイル出力信号を生成するのに役立つ。
【００４５】
配線板３８には、ロータ回転位置信号を生成するためのホールセンサ６２や、図４との関連で、後に詳しく説明する本発明の回路装置を実施するための抵抗器、コンデンサ（図示せず）といった他の回路部品を配置することもできる。
【００４６】
コイル４０を載置した配線板３８は、図１および図２に示すように、環状磁石３６用の保持装置３４に対向するように配置されている。図４は、ロータシャフト１６に押し嵌められた環状ディスクの形に構成できる保持装置３４の平面図を示している。保持装置３４は、交互に異極性とされ均等に分布して配置されたセグメントすなわち磁石部材６４，６６を有する、少なくとも１つの環状磁石３６を支持している。図示した実施形態では、環状磁石３６は交互に異極性とされた６つの磁石部材６４，６６からなっているが、別の実施形態としてこれ以外の数の磁極、特にたとえば８つの磁極を備えることもできる。
【００４７】
本発明の速度計用発電機が２つ以上のコイル４０、ないし直列に接続されたコイル対を備える場合、本発明の１つの重要な側面は、コイル４０と、環状磁石３６の交互に異極性とされた領域との間の正しい配置関係に依拠することである。特に、コイル４０は環状磁石３６に対して相対的に、所与の相対位置にある１つ１つのコイル４０が環状磁石３６の１つのセグメント６４または６６を完全に覆い、それに対して隣接するコイル４０は、交互に異極性とされたセグメント６４，６６の間の移行部の上に位置するように配置されなければならない。それにより、複数のコイル、または直列接続のコイル対が、それぞれ位相シフトされた信号を生成することができる。その場合、本発明の好ましい実施形態では９０°（電気角）の位相シフトが選択されるが、それ以外の位相シフトも実施可能である。
【００４８】
図５は、本発明による速度計用発電機のための回路装置の簡略化された回路図を示したものである。図５には、２つの測定コイル４０からの信号が評価される場合が示されている。
【００４９】
図５は、測定コイル４０から送出される信号の信号レベル引上げのための本発明の回路装置を示している。
【００５０】
図５の左側には、直流モータのために設けられるセンサ、すなわち、それぞれ直列に接続された２つのコイル４０から構成される２つのコイルＡおよびＢと、図３に示すようにセンサ配線板３８上に配置される４つのホールセンサ６２のうちの１つとが示されている。その他の３つのホールセンサは、図５には便宜上示されていないが、対応する回路装置を介して評価・制御装置７８に接続される。
【００５１】
符号４０を付した測定コイルＡおよびＢは、直流モータの回転速度を検出するために、回転速度に応じたほぼ台形状の交流信号を出力し、その振幅ないし振幅差が評価される。
【００５２】
ホールセンサ６２は、好ましい実施形態では、ホールプレート６２と、たとえばＭＯＳＦＥＴ増幅器等の出力増幅器８０とを備えるホールＩＣによって実施される。このホールセンサはデジタル出力信号を生成し、その出力信号が跳躍関数の形で、回転する環状磁石３６のＮ極／Ｓ極の推移を表現する。ホールセンサ６２の出力信号は接続端子６０およびフィルタ回路８２を介して評価・制御装置７８へと送出される。
【００５３】
後で図６との関連でさらに詳しく説明するように、ホールセンサの出力信号からロータシャフト１６の回転位置を導出することができる。所望の分解能で回転位置を検出するために、複数のホールセンサが９０度または１２０度（電気角）だけ位相シフトされた状態で配置される。
【００５４】
符号４０を付した各コイルＡおよびＢに、２つの抵抗器７０，７２からなる分圧器と１つのフィルタコンデンサ７６が付属している。分圧器の出力信号は、評価・制御装置７８と組み合わされるアナログ／デジタル変換器７４に入力される。アナログ／デジタル変換器７４と評価・制御装置７８はマイクロプロセッサ８４の一部であってもよい。
【００５５】
分圧器を形成する抵抗器７０，７２は、たとえば５Ｖの電源電圧Ｖｃｃ端子と測定コイル４０の一端との間に接続され、コイルの他端は、たとえばアース等の基準電位点に接続される。コイル４０には、コイル４０と環状磁石３６との間の相対回転によって、＋ＶＬ＿ｍａｘと−ＶＬ＿ｍａｘの間で変化する交流電圧が誘導される。コイル４０に誘導された電圧の周波数および振幅はいずれもロータシャフト１６の回転速度に比例しており、本発明の速度計用発電機では、振幅＋ＶＬ＿ｍａｘと−ＶＬ＿ｍａｘないしその振幅差が評価される。
【００５６】
巻回数が十分に多い巻線形コイルを使用すれば、コイル４０に十分に大きい電圧偏差および電流の信号が生成され、演算増幅器のような追加の増幅部材を介在させなくてもアナログ／デジタル変換器７４で処理することができる。演算増幅器のように敏感な回路部品を使用しないことは、特に、意図されている自動車の分野での本発明の直流モータの利用にとって好ましいことである。
【００５７】
コイル４０に誘導される電圧を評価する際には、コイル４０に誘導される電圧信号が、通常のアナログ／デジタル変換器では評価することができない、たとえば＋／−４Ｖの電圧振幅をもつ交流電圧であるという難点がある。
【００５８】
そこで本発明は、コイル４０に誘導された信号を半分にして、電源電圧Ｖｃｃの半分に相当する直流電圧をこれに重ね合わせる、分圧器７０，７２の形の回路装置を提案するものである。抵抗器７０，７２の間の共通接続点には、コイル４０に誘導された電圧の半分を１／２Ｖｃｃだけ引き上げた電圧に相当する電圧が生じる。
【００５９】
１つの好ましい実施形態では、電源電圧Ｖｃｃはたとえば＋５Ｖであり、その結果、コイル４０に誘導される電圧に＋２．５Ｖの直流電圧が重ね合わされる。それによってアナログ／デジタル変換器７４の入力端には、＋０．５Ｖから＋４．５Ｖの範囲内で変動する、回転速度に比例する信号が印加される。
【００６０】
図５に示す回路装置は、上記に加えて、コイル４０に誘導され、電圧が引き上げられた信号の干渉抑制をするためのコンデンサ７６を設けている。当業者であれば、コンデンサ７６に代えて、他の適当な干渉抑制フィルタを設けることができる。
【００６１】
図６は、コイルＡないしコイルＢと呼ぶ、直列に接続された２組のコイル４０の回転速度に応じた出力信号と、速度計Ａ，Ｂと呼ぶ、両コイル対のシフト電圧との重ね合わせがなされた出力信号を示している。図６では、コイル信号が、１，２，３，４で表す４つの領域に分割されており、各領域は、曲線の推移が平坦なので振幅の評価にとって理想的な、コイルＡまたはコイルＢからの出力信号曲線の部分に対応している。信号の推移は瞬時の回転角に応じて決まるので、本発明は、信号曲線のどの領域が振幅の評価に利用されるべきかを決めるために、ロータシャフト１６の回転位置を検出することを意図している。
【００６２】
回転位置を検出するために、図３に示す符号６２のホールセンサＨＡ，ＨＢ，ＨＣおよびＨＤが設けられている。ホールセンサＨＣとＨＤは９０度（電気角）だけ位相がずれている。これらのホールセンサＨＣ，ＨＤの出力信号に応じて、どの信号推移が振幅の評価にとって有効な信号推移であるのかが判定される。評価・制御装置７８は、コイルＡまたはコイルＢの出力信号、ないしコイル対の出力信号をさらに処理するために、ホールセンサ６２の出力信号に応じてアナログ／デジタル変換器７４を制御する。コイル信号の振幅の評価にとって有効な信号領域は、次式のようにして求められる。
【００６３】
領域１（コイルＡ）＝ＨＤ∩ＨＣ
領域２（コイルＢ）＝ＨＤ∩ＨＣ
領域３（コイル１）＝ＨＣ∩ＨＤ
領域４（コイルＢ）＝ＨＣ∩ＨＤ
実際問題としては、ホールセンサは巻線相の最終段トランジスタを制御するために、ロータシャフト１６の回転位置を検出するのにも用いられる。そのためにホールセンサＨＡ，ＨＢおよびＨＣは相互に１２０度（電気角）ずつ位相がずれた状態で配置される。その場合、直流モータの相Ｕ，Ｖ，Ｗの制御について次の条件が成り立つ。
【００６４】
相Ｕ＝ＨＡ∩ＨＢ
相Ｖ＝ＨＢ∩ＨＣ
相Ｗ＝ＨＣ∩ＨＡ
当業者であれば理解できるように、信号振幅およびこれに伴うロータシャフト１６の回転速度の評価にとって適当なコイル信号の領域を判定するために、これ以外のどのような種類の回転位置センサでもロータシャフト１６の回転角を測定するのに用いることができる。
【００６５】
本発明の好ましい実施形態では、コイル４０は環状磁石３６の磁石部材６４，６６に対して相対的に、コイル対に誘導される信号ＡおよびＢの間に９０°（電気角）の信号シフトが生じるようにずらされた状態で配置されるのが好ましい。それにより、重ね合わされた信号：速度計Ａ，Ｂに示されているように、信号推移の重なり合う平坦な領域が生じ、ロータシャフト１６の回転位置に応じて、振幅が常にコイル信号の平坦な領域で検出されるように、これらの領域が評価される。回転位置は、上に述べたように、光学式、磁気式、誘導式、またはその他の適当なセンサで検出することができる。
【００６６】
本発明の速度計用発電機により、出力振幅の大きい回転速度に応じた信号を生成するための設計的に簡単な解決法が見出された。この解決法は障害に非常に強く、自動車の分野における過酷な利用条件の下でも高い信頼度で動作する。直流モータの近くには、コイルと、回路装置の分圧器７０，７２と、火花放電によるノイズ干渉を抑制する抑制フィルタ７６しか設けなくてよく、これらを全体としてノイズに強い受動部品で構成することができる。ノイズに弱い電子部品は必要なく、直流モータの外部に設けることができる。信号引上げにより、デジタル／アナログ変換器に単純な標準部品を用いることが可能であり、十分な巻回数をもつ巻線形コイルの利用は十分に大きな信号振幅を保証する。
【００６７】
以上の説明、図面、および特許請求の範囲に開示されている構成要件は、単独でも、また任意に組み合わせた形でも、さまざまな実施形態で本発明を実施するのに有意義であり得る。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】本発明による速度計用発電機を備えた電気モータを示す縦断面図である。
【図２】本発明による速度計用発電機を示す縦断面図である。
【図３】本発明による速度計用発電機のための、４つのコイルが配置された支持装置を示す平面図である。
【図４ａ】本発明による速度計用発電機の６つの磁石部材を備えた環状磁石を示す縦断面図である。
【図４ｂ】本発明による速度計用発電機の６つの磁石部材を備えた環状磁石を示す平面図である。
【図５】本発明による速度計用発電機の回路装置を簡略化して示す回路図である。
【図６】本発明の速度計用発電機における図２のコイル装置によって得られた測定結果を示すグラフである。
【図５】
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【図６】
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【国際公開パンフレット】
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【手続補正書】
【提出日】平成15年4月29日(2003.4.29)
【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】
ロータシャフト（１６）の周りに分布して配置された交互に異極性をもつ複数の磁石部材（６４，６６）と、
前記磁石部材（６４，６６）に対して軸方向の間隔をおいて支持装置（３８）上に前記磁石部材と同心的に配置された少なくとも１つのコイル（４０）と、を備え、
前記磁石部材（６４，６６）およびコイル（４０）は、前記コイル（４０）に回転速度に応じた信号を誘導させるために、互いに所定の空間的相互関係をもって配置され、かつ前記ロータシャフト（１６）の回転に伴って互いに相対的に回転可能であり、さらに
電圧シフトされた信号を生成するために、前記コイル（４０）に誘導された信号を受信してこの信号に直流電圧を重ね合わせる回路装置（７０，７２）と、
電圧シフトされた、回転速度に応じた信号の振幅を評価するための評価・制御装置（７８）と、
前記ロータシャフト（１６）の回転位置を検出する回転位置センサ（６２）と、を備え、前記評価・制御装置（７８）は、前記回転位置センサの出力信号に応じてどのコイル（４０）の回転速度に応じた信号のどの半波が回転速度判定のために評価されるかを決定し、
前記回転位置センサは４つのホールセンサ（ＨＡ，ＨＢ，ＨＣ，ＨＤ）を含み、これらのホールセンサのうちの２つ（ＨＤ，ＨＣ）は、評価される半波に関する決定信号を生成するために９０°だけ電気的に位相がずれた状態で配置され、前記ホールセンサのうちの３つ（ＨＡ，ＨＢ，ＨＣ）は、前記ロータシャフト（１６）の回転位置を判定するために互いに１２０°ずつ電気的に位相がずれた状態で配置されている、
三相電気モータ用の、回転速度に応じた信号を生成する装置。
【請求項２】
前記コイル（４０）は台形状の板コイルとして構成されるとともに、前記支持装置（３８）の表面に並置され、前記ホールセンサ（６２）はそれぞれ台形状の板コイルの内部に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３】
回転速度に応じた信号を正の電位に引き上げるために、正の直流電圧を供給する直流電圧電源（Ｖｃｃ）を備えていることを特徴とする請求項１または２に記載の装置。
【請求項４】
前記回路装置は、一方の接続端が前記コイル（４０）に接続されるとともに他方の接続端が前記直流電圧電源（Ｖｃｃ）に接続される分圧器（７０，７２）を備え、この分圧器（７０，７２）の中央タップに、電圧シフトされた信号が発生することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の装置。
【請求項５】
前記分圧器は直列に接続された２つの抵抗器（７０，７２）からなり、両抵抗器の共通接続点が前記分圧器の中央タップを形成し、前記コイル（４０）は基準電位点に接続されていることを特徴とする請求項４に記載の装置。
【請求項６】
前記中央タップと基準電位点の間に干渉抑制フィルタ（７６）が接続されていることを特徴とする請求項５に記載の装置。
【請求項７】
前記電圧シフトされた信号を評価するアナログ／デジタル変換器（７４）を備えていることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の装置。
【請求項８】
前記ロータシャフト（１６）の周りに均等に分布して配置された少なくとも２つ、特に４つまたは６つのコイル（４０）が設けられていることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の装置。
【請求項９】
偶数個のコイル（４０）が設けられており、それぞれ２つのコイル（４０）が直列に接続されて信号シフト回路（７０，７２）に接続されていることを特徴とする請求項８に記載の装置。
【請求項１０】
前記コイル（４０）は巻線形コイルであることを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１１】
前記コイル（４０）は板コイルであることを特徴とする請求項１０に記載の装置。
（４０）が板コイルにあることを特徴とする請求項１０に記載の装置。
【請求項１２】
前記コイル（４０）は細い平形線材から平打巻で巻かれていることを特徴とする請求項１０または１１に記載の装置。
【請求項１３】
前記コイル（４０）は、絶縁材料でコーティングされた細い線材、特に焼付エナメル線から巻かれており、前記コイル（４０）の接続のために巻線端部で前記絶縁材料が除去されていることを特徴とする請求項１０から１２のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１４】
前記コイル（４０）は少なくとも１５０ターンを有していることを特徴とする請求項１０から１３のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１５】
前記コイル（４０）はコイルボビンに巻かれていることを特徴とする請求項１０から１４のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１６】
前記コイル（４０）に閉磁路部材（４２）が設けられていることを特徴とする請求項１から１５のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１７】
前記支持装置（３８）は剛性のある配線板および柔軟な配線板の少なくとも一方を備えていることを特徴とする請求項１から１６のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１８】
前記磁石部材（６４，６６）は、交互に異極性とされた領域を有する環状磁石（３６）の形で実施されていることを特徴とする請求項１から１７のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１９】
前記環状磁石（３６）は、４つから１２、特に６つの交互に異極性とされた領域（６４，６６）を持っていることを特徴とする請求項１８に記載の装置。
【請求項２０】
前記コイル（４０）は板コイルの形で実施され、その外周輪郭は前記環状磁石の領域（６４，６６）の形状に合されていることを特徴とする請求項１８または１９に記載の装置。
【請求項２１】
前記コイル（４０）はそれぞれ、前記ロータシャフト（１６）に対して放射方向に延びる２つの放射方向領域と、この放射方向領域をその内側および外側の端部で接続する２つの円周領域とを備えていることを特徴とする請求項２０に記載の装置。
【請求項２２】
前記コイル（４０）は、前記支持装置（３８）の、前記磁石部材に対向する側の表面に設けられていることを特徴とする請求項１から２１のいずれか１項に記載の装置。
【請求項２３】
前記支持装置（３８）の、前記コイル（４０）とは反対側にそれぞれ、前記コイル（４０）に付属する閉磁路部材（４２）が設けられていることを特徴とする請求項２２に記載の装置。
【請求項２４】
前記回転位置センサは光学式、誘導式、または磁気式のセンサであることを特徴とする請求項１から２３のいずれか１項に記載の装置。
【請求項２５】
ロータシャフト（１６）の周りに分布して配置された交互に異極性をもつ複数の磁石部材（６４，６６）と、これらの磁石部材（６４，６６）に対して軸方向の間隔をおいて支持装置（３８）上に前記ロータシャフト（１６）と同心的に配置された少なくとも１つのコイル（４０）とを備え、前記磁石部材（６４，６６）および前記コイル（４０）は互いに所定の空間的相互関係をもって配置され、かつ前記ロータシャフト（１６）の回転に伴って互いに相対的に回転可能である、三相電気モータ（１０）の回転速度に応じた信号を生成する方法であって、
前記ロータシャフト（１６）の回転によってその回転速度に応じた信号が前記コイル（４０）に誘導され、
電圧シフトされた信号を生成するために、前記回転速度に応じた信号に直流電圧（１／２Ｖｃｃ）が重ね合わされ、
前記ロータシャフト（１６）の回転位置が回転位置センサによって検出され、
電圧シフトされた、回転速度に応じた信号の振幅が評価され、前記回転位置センサの出力信号に応じて、どのコイル（４０）の電圧シフトされた回転速度に応じた信号のどの半波が回転速度判定のために評価されるかが決定され、
前記回転位置センサは４つのホールセンサ（ＨＡ，ＨＢ，ＨＣ，ＨＤ）を含み、評価される半波に関する決定信号を生成するために前記ホールセンサのうちの２つ（ＨＤ，ＨＣ）が９０°だけ電気的に位相がずれた状態で配置され、前記シャフト（１６）の回転位置を判定するために前記ホールセンサのうちの３つ（ＨＡ，ＨＢ，ＨＣ）が互いに１２０°ずつ電気的に位相がずれた状態で配置されている、
三相電気モータの回転速度に応じた信号を生成する方法。
【請求項２６】
前記回転速度に応じた信号は規則的な交流電圧であることを特徴とする請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】
前記直流電圧は正であることを特徴とする請求項２５または２６に記載の方法。
【請求項２８】
請求項１から２４のいずれか１項に記載の装置を備えた、電子的に整流される直流モータ。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００６２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００６２】
回転位置を検出するために、図３に示す符号６２のホールセンサＨＡ、ＨＢ、ＨＣおよびＨＤが設けられている。ホールセンサＨＣおよびＨＤは９０度（電気角）だけ位相がずれている。これらのホールセンサＨＣ、ＨＤの出力信号に応じて、どの信号推移が振幅の評価にとって有効な信号推移であるのかが判定される。ホールセンサ６２の出力信号に応じて、評価・制御装置７８はアナログ／デジタル変換器７４を制御して、コイルＡまたはコイルＢの出力信号、ないしコイルの組の出力信号をさらに処理する。コイル信号の振幅の評価にとって有効な信号領域は、次式のようにして求められる：


【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００６３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００６３】
【数１】
2004537048.tif 000032
実際問題としては、ホールセンサは巻線相の最終段トランジスタを制御するためにロータシャフト１６の回転位置を検出するのにも用いられる。そのためにホールセンサＨＡ、ＨＢおよびＨＣは１２０度（電気角）だけ位相がずれた状態で配置されており、この場合、直流モータの位相Ｕ、Ｖ、Ｗの制御について次の条件が成り立つ：


【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００６４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００６４】
【数２】
2004537048.tif 000033
【国際調査報告】
2004537048.tif 000034
2004537048.tif 000035
2004537048.tif 000036
2004537048.tif 000037
2004537048.tif 000038
2004537048.tif 000039