(57)【要約】【課題】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、ロータのような回転体の位置を検出するための回転角度検出用センサシステムを提供する。【解決手段】機械の回転体２の位置を検出するために、回転体２に取り付けられかつこの回転体２と共に移動可能であるエンコーダ構造３と、このエンコーダ構造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、センサアセンブリ４が第１のインダクタンス素子を備え、またインダクタンス素子が、前記エンコーダ構造３の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、回転角度検出用センサシステムを構成する。【選択図】図２
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【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って、前記可動部（２）に取り付けられかつ前記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、かつ前記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において、
前記センサアセンブリ（４）が第１のインダクタンス素子を備え、また前記インダクタンス素子が、前記エンコーダ構造（３）の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】
前記エンコーダ構造が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】
前記エンコーダ構造（３）が、前記可動部の回転角度に対して周期的に変化する構造を備える請求項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】
前記変化する構造の形状が、正弦波形状、三角形状、または、段階的に幅が変化する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】
前記エンコーダ構造（３）が、可動部（２）の半径方向内側位置または半径方向外側位置のリング（７）に設けられる請求項１〜４のいずれか１項に記載の回転角度検出用センサシステム。
【請求項６】
前記エンコーダ構造（３）が、前記可動部（２）に軸方向に設けられる請求項１〜５のいずれか１項に記載の回転角度検出用センサシステム。
【請求項７】
前記センサアセンブリ（４）が第１の共振回路（６ａ，６ｂ）を備え、また前記第１のインダクタンス素子が前記第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項に記載の回転角度検出用センサシステム。
【請求項８】
前記センサアセンブリが、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、また前記第１および第２の共振回路が第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】
前記第１のインダクタンス素子が第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項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前記第２のインダクタンス素子が設けられ、また前記第１の発振器および前記第１のインダクタンス素子と、前記第２の発振器および前記第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】
前記センサアセンブリ（４）が、前記第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（５ｂ）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】
前記第１および第２のセンサシステムの構造が同一である請求項１１に記載の回転角度検出用センサシステム。
【請求項１３】
前記エンコーダ構造が前記第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、前記第１および第２のセンサシステム（５ａ，５ｂ）が互いに密接して配置される請求項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】
前記センサアセンブリ（４）の下流側に、回路出力部（１１）で前記センサ信号（９）を、角度情報を含む信号に変換する回路（８）が配置される請求項１〜１３のいずれか１項に記載の回転角度検出用センサシステム。
【請求項１５】
前記回路（８）が、前記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、前記角度情報を含む前記信号を得るように構成される請求項１４に記載の回転角度検出用センサシステム。
【請求項１６】
前記回路（８）が、前記センサアセンブリ（４）の前記センサ信号（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】
前記第１および第２の共振回路（６ａ，６ｂ）の前記第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、該ＡＣ電圧源が前記第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項に記載の回転角度検出用センサシステム。
【請求項１９】
前記第１および第２の共振回路（６ａ，６ｂ）が、前記ＡＣ電圧源（Ｖ）の前記周波数（ｆ）に同調される請求項１８と７と８のいずれか１項に記載の回転角度検出用センサシステム。
【請求項２０】
前記第１および第２の共振回路が、前記エンコーダ構造と前記センサアセンブリとの間の距離に基づいて、動作周波数が調整される請求項１９に記載の回転角度検出用センサシステム。
【請求項２１】
前記第１の共振回路が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】
前記第１の共振回路が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】
前記回路が、正弦波信号（ｓｉｎ）と余弦波信号（ｃｏｓ）とを逆正接関数に組み合わせるように構成される計算モジュール（１３）を備える請求項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
ことを特徴と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ことを特徴とする請求項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ことを特徴とする請求項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ことを特徴とする請求項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ことを特徴とする請求項２４〜２７のいずれか１項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ことを特徴とする請求項２８に記載の可動部の位置検出方法。
【請求項３０】
回転体と、
上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、上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、
上記インダクタンス素子は、平面状に形成されてなる
ことを特徴とす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ことを特徴とする請求項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、上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、を具備することを特徴とする請求項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ことを特徴とする請求項３０〜３２のいずれか１項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、前記回転体の半径方向に対して垂直に前記平面部が配置されることを特徴とする請求項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ことを特徴とする請求項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ことを特徴とする請求項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は、前記回転体の軸方向に対して垂直に前記平面部が配置される
ことを特徴とする請求項３３に記載の回転角度検出用センサシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、機械、特に電動機のロータのような可動部（回転体）の位置を検出するための回転角度検出用センサシステムおよび可動部（回転体）の位置検出方法に関する。この回転角度検出用センサシステムは、ロータ等の可動部（回転体）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が、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】
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。
【特許文献１】国際公開第０２／０８４８４９Ａ１号パンフレット
【発明の開示】
【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（回転体）の位置を検出するための回転角度検出用センサシステムおよび可動部（回転体）の位置検出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】
この目的は、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。
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。
【０００６】
可動部は、具体的な実施形態において、電動機のロータを意味することもある。この可動部の動作によって、エンコーダ構造がセンサアセンブリに対して移動した場合、少なくともセンサアセンブリのインダクタンスの挙動がエンコーダ構造の位置に応じて変化する。この結果、センサアセンブリが適切に制御され、それに応じて、出力信号の振幅および／または位相および／または周波数が変化する。このようにして、本発明のシステムでは、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部分的に導電性材料からなる場合でも同様であるが、従来技術とは逆に、渦電流損失を利用してセンサアセンブリのセンサ信号に影響を与えることができる。この結果、従来の磁気測定手順と比較して、本発明のシステムは、電磁的影響に対して著しく強固なシステムとすることが可能になる。
【０００７】
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。
【０００８】
エンコーダ構造がｓｉｎ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ｓｉｎ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。
【０００９】
ロータのラディアル方向（半径方向）内側位置またはラディアル方向ラディアル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。
【００１０】
エンコーダ構造をロータにアキシャル方向（軸方向）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。
【００１１】
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によって生じるインダクタンスの変化の間に、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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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ろう。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った場合、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。
【００１７】
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、エンコーダ構造が、対応する構成を有する場合、ｓｉｎ波信号およびｃｏｓ波信号を発生させることが可能になる。
【００１８】
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。
【００１９】
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・計算の感度の取得を実現することが可能になる。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。
【００２０】
位置情報を含む信号がｓｉｎ波信号とｃｏｓ波信号とを含み、またｓｉｎ波信号とｃｏｓ波信号とから逆ｔａｎ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。
【発明の効果】
【００２１】
このようにして機械の可動部の位置を効率的に検出することができる。このために、センサアセンブリのインダクタンスは、可動部に接続されたエンコーダ構造の位置の変化によって変化され、またセンサアセンブリのインダクタンスの変化が検出される。さらに、インダクタンスの検出された変化に基づいて、可動部の位置を決定することが可能である。
【００２２】
渦電流の原理に基づくこの方法により、可動部の位置検出を、干渉磁界および干渉電界に対して、かなり強くすることが可能になる。
【００２３】
センサアセンブリの２つの発振センサシステムの位相差によって、インダクタンスの変化を検出することが可能である。
【００２４】
このようにして、例えばセンサアセンブリの共振回路に基づいて効率的な評価・計算を実現することが可能であり、この場合、エンコーダ構造の位置依存の渦電流損失を正確に評価・計算を行うことが可能である。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・計算を実現することができる。
【００２５】
センサアセンブリの２つの発振センサシステムの振幅差に基づいて、インダクタンスの変化を検出することができる。
【００２６】
他の例では、センサアセンブリの２つの発振センサシステムの周波数差によって、インダクタンスの変化を検出することが可能である。
【００２７】
これらの例では、マイクロコントローラまたはマイクロプロセッサのような汎用的な信号処理装置を使用することが可能であるので、高度な設計の柔軟性が得られる。
【００２８】
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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
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。
【００３０】
このセンサシステム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を備え、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を備える。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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整される。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。この調整の精度は、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。
【００３４】
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が発生することがある。
【００３５】
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。
【００３６】
図１Ｃには、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が示されている。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。
【００３７】
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している。
【００３８】
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している。
【００３９】
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している。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とを構成し、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とから構成される。
【００４０】
説明しようとしている実施形態では、エンコーダ構造３が、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が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。
【００４１】
図示した実施形態では、エンコーダ構造３は、ロータ２のラディアル方向外側部分のリング７にｓｉｎ波状に設けられる。用いられているｓｉｎ波形状は有利であるが、この理由は、この形状によって、エンコーダ構造３がｓｉｎ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、ｓｉｎ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。
【００４２】
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、エンコーダ構造は、繰り返し三角形構造を備えてもよい。さらに、位置に依存する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。
【００４３】
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、または金属を含有するプラスチック材料、から構成することができる。ただ必要なのは、構造が、導電性であるかまたは導電性構成要素を備えていることである。構造は磁石である必要がない。
【００４４】
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ｓｉｎ波信号とｃｏｓ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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
以下に、各形態をさらに詳述する。
【００４８】
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している。
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している。
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している。
【００４９】
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。
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。以下、図４Ａおよび図５Ａにおいても同様である。
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、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。図３Ａの回転角センサ３１を構成することにより、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を有している。
【００５０】
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、図３Ｂに示す。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を備えた固定部（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、固定部（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。固定部（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。
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。
【００５１】
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。
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。
【００５２】
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、図４Ｂに示す。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を備えた固定部（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、固定部（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。
上述したように、インナーロータモータ１２０の固定部（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。
【００５３】
さらに、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、図４Ｃに示す。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を備えた固定部（ステータ）４３が配置された構成である。固定部（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、固定部（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。
【００５４】
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。
この回転角センサ３３は、例えば、アウタ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、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。
【００５５】
図５Ａの回転角センサを、アウターロータ型のモータ、すなわちアウターロータモータに適用した場合を、図５Ｂに示す。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を備えた固定部（ステータ）４３が配置された構成である。固定部（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、固定部（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。
上述したように、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。
【００５６】
以上で説明した回転角センサの形態例は、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、汎用性に優れるといった効果を有している。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
図６より、本実施の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。
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。
【００６１】
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し、内部センサを外装ケース５３によって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。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
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。
【００６５】
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。
本実施の形態においては、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整することによって設定すればよい。
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。
【００６６】
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。
【００６７】
さらに、本実施の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。
【００６８】
なお、本実施の形態例では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、本実施の形態例と同様の効果が得られることはいうまでもない。
【００６９】
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。
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。
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。
【００７０】
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ためである。
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。
【００７１】
（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
【００７２】
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形態例を示している。
図９Ａは、インダクタンス素子５２のその他の形態例として、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。
【００７３】
図９Ａ〜図９Ｃ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。
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。
【００７４】
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。
【００７５】
次いで、本実施の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３Ａ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。
【００７６】
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運動するよう設置されている。
【００７７】
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。
【００７８】
また、エンコーダ構造３は、図１０Ａに示されるようにｓｉｎ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等の回転体が回転運動を行うと、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。
これに対して、図１０Ｂに示されるエンコーダ構造３は、ｓｉｎ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ｓｉｎ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。
【００７９】
なお、エンコーダ構造３は、ｓｉｎ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。
【００８０】
図１０Ｂに示す本実施の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。
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。
【００８１】
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。
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。
【００８２】
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。
【００８３】
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。
【００８４】
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、汎用性に優れる利点を有している。
【００８５】
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。
【００８６】
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。
【００８７】
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。
【００８８】
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。
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。
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。
【００８９】
次に、本発明に係るセンサシステムの回路構成の実施形態について説明する。
【００９０】
図２に示したように、コイルＬ１，Ｌ２とＬ３，Ｌ４を含むセンサシステム５ａ，５ｂ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。
【００９１】
本発明に係るセンサシステムの一実施形態に使用される回路８の動作挙動を、図１３Ａに概略的に示す。
この実施形態では、回路８は、図１４により詳細に示されているＡＳＩＣ（特定用途向けＩＣ）の形態で設けられる。回路８は、図１Ａまたは図１Ｂに示したように、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、ｓｉｎ波信号ｓｉｎとｃｏｓ波信号ｃｏｓとを含む。
【００９２】
図１３Ｂには、他の実施形態として、図１Ｃまたは図１Ｄに示したように、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・計算段階８ｂに供給される。この第２の評価・計算段階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（μＣ）等の形態で設けることができる。
【００９３】
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・計算回路８、例えばマイクロコントローラ（μＣ）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ＩＣ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。
【００９４】
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。
【００９５】
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、それに対応する信号１０の位相との位相関係は、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。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、さらに処理されず、ＺＡＰ（ゼロ振幅位相）部材１７によって別々に取り扱われる。
【００９６】
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ｓｉｎ波信号ｓｉｎとｃｏｓ波信号ｃｏｓとを出力する。
【００９７】
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ｓｉｎ波信号およびｃｏｓ波信号１０を出力するためのバッファ段２０とを備える。
【００９８】
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。
【００９９】
回路８の下流側には、出力電圧１０のｓｉｎ波信号ｓｉｎおよびｃｏｓ波信号ｃｏｓを逆ｔａｎ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。
【０１００】
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・計算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。
【０１０１】
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。
【０１０２】
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。
【０１０３】
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。
【０１０４】
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ｓｉｎ波電圧およびｃｏｓ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。
【０１０５】
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。
【０１０６】
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。
【０１０７】
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ｓｉｎ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。
【０１０８】
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。
【図面の簡単な説明】
【０１０９】
【図１】Ａ〜Ｅ  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る本発明の実施形態によるセンサシステムの実施例図である。
【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である。
【図３】Ａ、Ｂ  本発明に係る回転角センサの形態を示す図である。
【図４】Ａ〜Ｃ  本発明に係る回転角センサの形態を示す図である。
【図５】Ａ、Ｂ  本発明に係る回転角センサの形態を示す図である。
【図６】Ａ、Ｂ  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７】Ａ〜Ｃ  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９】Ａ〜Ｃ  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１０】Ａ、Ｂ  本発明の実施の形態のエンコーダ構造の構成例を示す図である。
【図１１】Ａ、Ｂ  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１３】Ａ〜Ｃ  位相差と振幅差と周波数差とをそれぞれ評価・計算するように本発明に係るセンサシステムの一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、最適な振幅依存性をどのようにして得ることが可能かを概略的に示す図である。
【符号の説明】
【０１１０】
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・・・ＺＡＰ（ゼロ振幅位相）、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・・・固定部（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・・・ｃｏｓ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・・・ｓｉｎ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
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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