JP2014025757A

JP2014025757A - 角度センサ及び自動車

Info

Publication number: JP2014025757A
Application number: JP2012164942A
Authority: JP
Inventors: Yuichi Manabe; 祐一真鍋; Tetsuji Inoue; 鉄治井上
Original assignee: Aisan Industry Co Ltd
Current assignee: Aisan Industry Co Ltd
Priority date: 2012-07-25
Filing date: 2012-07-25
Publication date: 2014-02-06

Abstract

【課題】省スペース化が実現可能な角度センサの提供。
【解決手段】絶対位置検出部１３０、相対移動検出部１１０、及びロータリートランス部１４０を備える角度センサ１００において、ロータ側のコイル及びＲ／Ｔとステータ側のコイルとＲ／Ｔとが対向する位置に配置され、絶対位置検出コイルは渦巻状コイルパターンを、相対移動検出コイルはミアンダ状平面コイルパターンを有し、絶対位置検出部１３０と相対移動検出部１１０は、それぞれ高周波の励磁信号が入力され、ステータ側センサ基板４０に対するロータ側センサ基板２０の位置変化に伴うインダクタンスの変化により角度を検出し、起動時には絶対位置検出部１３０において初期位置を検出してから、相対移動検出部１１０の出力によりロータ側センサ基板２０の位置を検出し、ロータ側相対移動検出用コイル１１３は、ロータ側絶対位置検出用コイル１３３の径方向外側に配置される。
【選択図】図１

Description

この発明は、ロータの動作位置を検出する為に使用されるものであって、ステータコイルが形成されたステータ固定板と、ステータ固定板と隙間を介して対向しながら動作可能に設けられたロータと、を有する角度センサに関するものである。

ハイブリッド自動車や電気自動車などには、高出力のブラシレスモータがその駆動力として使用されており、今後も高出力化が望まれている。このようなブラシレスモータを制御するためには、モータの出力軸の回転角度を正確に把握する必要がある。ステータに設けられた各コイルへの通電切替を制御するには、ロータの回転位置を正確に把握する必要があるからである。このため、モータにはレゾルバを備えた角度センサが備えられ、正確に角度が検出されることが望ましい。このような自動車の駆動機構に用いられるブラシレスモータには、耐環境性に加えて駆動機構の回転数が高い為に高精度化も要求されている。そして、他の車載部品と同様に角度検出装置にも小型化が要求されている。

特許文献１には、位置決め装置及び工作機械装置に関する技術が開示されている。同期モータの駆動により固定部に対して可動部が移動する移動機構を備え、この可動部にインクリメンタル型エンコーダとアブソリュート型エンコーダを備えている。制御装置によって、電源投入時に読み取られたアブソリュート型エンコーダの信号データから可動部の初期座標を求め、電源投入時以後に読み取られたインクリメンタル型エンコーダの信号データを基に可動部の現在座標を求め、アブソリュート型エンコーダからの信号データとインクリメンタル型エンコーダの信号データとを用いて、可動部の現在座標を求めている。こうすることで、インクリメンタル型エンコーダの「原点合わせ」作業を不要とし、インクリメンタル型エンコーダの精度誤差の修正も可能としている。

特許文献２には、アブソリュート型リニアエンコーダとアクチュエータに関する技術が開示されている。特許文献１と似たような構成となっており、インクリメンタルリニアスケールとアブソリュートリニアスケールを有して、それぞれの検出器を備え、アブソリュートリニアスケール部は装置起動時又はリセット時のみに機能させ、検出時間をかけることにより検出器の出力を確保し、通常はインクリメンタルリニアスケールだけを使用して応答速度を高くしている。

特許文献３には、レゾルバ付モータ構造に関する技術が開示されている。また、特許文献４には、回転位置センサに関する技術が開示されている。それぞれ、ロータ及びステータに円盤状の面にコイルが形成され、レゾルバ及び位置センサとして機能している。

特開２００９−２８４６６２号公報特開２０１０−０６６１２９号公報特開２０１０−１３３９２２号公報特開２０１２−０１８０８６号公報

しかしながら、特許文献１乃至特許文献４の技術を位置検出センサに適用するには、次のような課題がある。

特許文献１及び特許文献２では、インクリメンタル型エンコーダにアブソリュート型エンコーダを組み合わせて使用している。このような発想は従来からあるが、２種類のエンコーダを用意する必要があるため、スペース効率が良くない。車載するエンコーダは小型化の要求が高いため、特許文献３及び特許文献４の様な構成で、アブソリュート型のエンコーダとインクリメンタル型のエンコーダを実装できることが望ましい。しかし、特許文献３及び特許文献４の技術をそのまま用いると、別々に円盤を用意する必要があり、スペースを必要とする。

そこで、本発明はこのような課題を解決するために、省スペース化を実現可能な角度センサ及びそれを用いた自動車を提供することを目的とする。

前記目的を達成するために、本発明による角度センサは以下のような特徴を有する。

（１）絶対位置検出部、相対移動検出部、及びロータリートランス部を備える角度センサにおいて、前記絶対位置検出部は、ロータ基板上に設けられたロータ側絶対位置検出用コイル及び前記ロータ側絶対位置検出用コイルと直列に接続されたロータ側絶対位置検出用ロータリートランスコイル及びステータ基板上に設けられたステータ側絶対位置検出用コイル及び前記ステータ側絶対位置検出用ロータリートランスコイルとを有し、前記ロータ側絶対位置検出用コイルと前記ステータ側絶対位置検出用コイル、及びロータ側絶対位置検出用ロータリートランスコイルと前記ステータ側絶対位置検出用ロータリートランスコイルとはそれぞれ対向する位置に設けられ、前記相対移動検出部は、前記ロータ基板上に設けられたロータ側相対移動検出用コイル及び前記ロータ側相対移動検出用コイルと直列に接続されたロータ側相対移動検出ロータリートランスコイルと、前記ステータ基板上に設けられたステータ側相対移動検出用コイル及びステータ側相対移動検出用ロータリートランスコイルを有し、前記ロータ側相対移動検出用コイルと前記ステータ側相対移動検出用コイル、及びロータ側相対移動検出用ロータリートランスコイルと前記ステータ側相対移動検出用コイルとはそれぞれ対向する位置に設けられ、前記ロータ側相対移動検出用コイル及び前記ステータ側相対移動検出用コイルはそれぞれミアンダ状平面コイルパターンを有し、前記ロータ側絶対位置検出用コイル及び前記ステータ側絶対位置検出用コイルはそれぞれ渦巻き状位置コイルパターンを有し、前記絶対位置検出部と前記相対移動検出部は、それぞれ高周波の励磁信号が入力され、ステータに対するロータの位置変化に伴うインダクタンスの変化により角度を検出するものであり、起動時には前記絶対位置検出部において初期位置を検出してから、前記相対移動検出部の出力によりロータの移動を検出し、ロータの位置を検出するものであり、前記ロータ側相対移動検出用コイルは、前記ロータ側絶対位置検出用コイルの径方向外側に配置されること、を特徴とする。

上述の（１）に記載の発明の態様によれば、ロータ基板上にロータ側絶対位置検出用コイル、ロータ側絶対位置検出用ロータリートランスコイル、ロータ側相対移動検出コイル、ロータ側相対移動検出用ロータリートランスコイルを備え、ステータ基板上に、ステータ側絶対位置検出用コイル、ステータ側絶対位置検出用ロータリートランスコイル、ステータ側相対移動検出コイル、ステータ側相対移動検出用ロータリートランスコイルを備えることで、相対移動検出部と絶対位置検出部を１つの角度センサに備えることが可能となり角度センサの小型化が可能である。また、絶対位置検出部の外周側に相対移動検出部を備えることで、相対移動検出部に用いるコイルの折り返し部分を増やす事が可能となり、角度センサの高分解化を図ることが可能となる。

（２）（１）に記載の角度センサにおいて、初期位置の検出時には、相対移動検出部への励磁信号の入力を停止すること、を特徴とする。

上述の（２）に記載の発明の態様によれば、前記絶対位置検出部による初期位置の検出の際に相対移動検出部への入力を停止するので、初期位置検出の際に生じるノイズの発生を抑えることが可能で、初期位置を高精度に検出することが可能である。

（３）（１）又は（２）に記載の角度センサにおいて、前記絶対位置検出部へ入力される励磁信号と、前記相対移動検出部に入力される励磁信号とは、周波数が異なること、を特徴とする。

上述の（３）に記載の発明の態様によれば、絶対位置検出部と相対位置検出部のそれぞれから発生するノイズの影響をお互いに受ける事になるが、周波数帯域が異なっていることで、他方の検出部の励磁信号に起因するノイズを、フィルタ等を用いて除去することが可能となる。この為、角度センサの精度の向上に貢献することが出来る。

（４）（２）又は（３）に記載の角度センサにおいて、前記ステータ側相対移動検出用ロータリートランスコイルは、前記ステータ側絶対位置検出用ロータリートランスコイルと前記ステータ側絶対位置検出用コイルの間に配置されること、を特徴とする。

上述の（４）に記載の発明の態様によれば、検出精度確保に必要な絶対位置検出用ロータリートランスコイルと絶対位置検出用コイルとの間に相対位置検出用ロータリートランスコイルが配置されるため、その分、相対位置検出用ロータリートランスコイルを絶対位置検出用コイルに近く配置することが可能となる。この為、角度センサの小型化が可能となる。なお、絶対位置検出部が絶対位置検出用ロータリートランスコイルに起因したノイズにより検出精度が落ちる問題に関しては、（２）又は（３）に記載の発明によってノイズの軽減が出来るので、小型化と高精度化の両立が期待出来る。

また、前記目的を達成するために、本発明による自動車は以下のような特徴を有する。

（５）（１）乃至（４）のいずれかに記載の角度センサを、エンジンのクランク角センサとして用いたこと、を特徴とする。

上述の（５）に記載の発明の態様によれば、自動車を停止した状態でのクランク角センサによる位置検出が可能であり、絶対位置検出部でのデータにより相対移動検出部でのデータを補正することができるため、自動車が移動している際に得られる角度検出も高精度に行う事が可能となる。

（６）（５）に記載の自動車において、前記相対移動検出部の故障時には、前記絶対位置検出部の出力により退避走行すること、を特徴とする。

上述の（６）に記載の発明の態様によれば、角度検出センサに相対移動検出部と絶対移動検出部を備えているため、相対移動検出部が故障した場合にも絶対位置検出部の出力によって自動車の退避走行が可能となる。

（７）（６）に記載の自動車において、前記退避走行時には、前記初期位置の検出時には、前記相対移動検出部への励磁信号の入力を停止すること、を特徴とする。

上述の（７）に記載の発明の態様によれば、相対移動検出部への励磁信号が入力されないことで、相対移動検出用ロータリートランスコイルでの信号のやり取りが発生せず、すなわち、絶対位置検出部での角度検出にあたってノイズの発生要因を排除する事が出来る。この結果、自動車が退避走行時に角度センサにて角度検出する場合についても高精度な角度検出を維持することが可能となる。

第１実施形態の、ステータ側第１層パターンを示す平面図である。第１実施形態の、ステータ側第２層パターンを示す平面図である。第１実施形態の、ロータ側パターンを示す平面図である。第１実施形態の、モータの簡易な構造を示す断面図である。第１実施形態の、レゾルバの位置検出制御に関するブロック図である。第１実施形態の、角度センサによる位置検出の様子を示すグラフである。第１実施形態の、自動車の斜視図である。第２実施形態の、ステータ側第１層パターンを示す平面図である。第２実施形態の、ステータ側第２層パターンを示す平面図である。第２実施形態の、ロータ側パターンを示す平面図である。

次に、本発明の第１の実施形態について、自動車のクランク軸に用意される回転角を検出する為のロータリーエンコーダに用いた具体例にて図面を参照しつつ説明する。

図４には、第１実施形態のモータ１０の簡易な構造を断面図に示す。モータ１０は、ケース本体１０１と、ケース蓋体１０２と、モータステータ１０３と、モータロータ１０４と、モータ軸１０５と、を備えているブラシレスモータである。ケース本体１０１にはその内側にモータステータ１０３が固定されている。モータステータ１０３には、コイル１０６が備えられている。コイル１０６に通電されることで、モータステータ１０３に磁力が発生する。

一方、モータ軸１０５には、永久磁石を備えたモータロータ１０４が固定されている。モータステータ１０３とモータロータ１０４は所定のギャップが設けられ、モータステータ１０３に通電されると、モータロータ１０４が回転する。このモータロータ１０４の回転によってモータ軸１０５に駆動力が発生する。モータロータ１０４には、ロータ側センサ基板２０が付設され、ケース蓋体１０２にはステータ側センサ基板４０が固定されている。ロータ側センサ基板２０及びステータ側センサ基板４０はそれぞれ円筒状に形成された基板であり、ケース本体１０１とケース蓋体１０２が組み立てられた状態で、ロータ側センサ基板２０とステータ側センサ基板４０は所定のギャップが保持されて対向して配置される。

このギャップの距離が近い方が角度センサ１００の検出精度を向上させることが出来るが、ロータ側センサ基板２０とステータ側センサ基板４０とが干渉するとその機能が発揮できない虞がある。よって、寸法公差や温度による寸法変化なども考慮された上で、ロータ側センサ基板２０とステータ側センサ基板４０とのギャップが決定される。

図１に、ステータ側第１層パターン２０１を平面図に示す。図２に、ステータ側第２層パターン２０２を平面図に示す。図３に、ロータ側パターン２０３を平面図に示す。ロータ側センサ基板２０は、ロータ側パターン２０３を備えてなる。ロータ側パターン２０３は、ロータ側相対移動検出用コイル１１３と、ロータ側相対移動検出用Ｒ／Ｔコイル１２３と、ロータ側絶対位置検出用コイル１３３と、ロータ側絶対位置検出用Ｒ／Ｔコイル１４３と、を有する。ロータ側相対移動検出用コイル１１３はミアンダ状（九十九折状）に配線が形成されて、円環状に配置されている。

そして、ロータ側相対移動検出用コイル１１３の内周には、ロータ側相対移動検出用コイル１１３と直列に接続されるロータ側相対移動検出用Ｒ／Ｔコイル１２３を備えている。ロータ側相対移動検出用Ｒ／Ｔコイル１２３の内周にはロータ側絶対位置検出用コイル１３３が配置される。ロータ側絶対位置検出用コイル１３３は第１コイル１３３ａと第２コイル１３３ｂの２つからなり、それぞれ半円状かつ渦巻き状に形成されている。また、第１コイル１３３ａと第２コイル１３３ｂとはお互いに逆回りになるように巻回されている。また、第１コイル１３３ａと第２コイル１３３ｂとは直列に接続されている。ロータ側絶対位置検出用コイル１３３の内周側には、ロータ側絶対位置検出用コイル１３３と直列に接続されるロータ側絶対位置検出用Ｒ／Ｔコイル１４３が配置される。

ステータ側センサ基板４０は、ステータ側第１層パターン２０１及びステータ側第２層パターン２０２が積層形成されてなる。ステータ側第１層パターン２０１は、ステータ側相対移動検出用第１層コイル１１１と、ステータ側第１層相対移動検出用Ｒ／Ｔコイル１２１と、ステータ側絶対位置検出用第１層コイル１３１と、ステータ側第１層絶対位置検出用Ｒ／Ｔコイル１４１と、を有する。ステータ側第１層パターン２０１は第１層リード部１６１を介して、制御回路部５９に接続される。ステータ側第２層パターン２０２は、ステータ側相対移動検出用第２層コイル１１２と、ステータ側第２層相対移動検出用Ｒ／Ｔコイル１２２と、ステータ側絶対位置検出用第２層コイル１３２と、ステータ側第２層絶対位置検出用Ｒ／Ｔコイル１４２と、を有する。ステータ側第２層パターン２０２は第２層リード部１６２を介して、制御回路部５９に接続される。

ステータ側相対移動検出用第１層コイル１１１は、ロータ側相対移動検出用コイル１１３と同様にミアンダ状に配線が形成されている。ステータ側相対移動検出用第１層コイル１１１の内周側にステータ側第１層相対移動検出用Ｒ／Ｔコイル１２１が配置される。ステータ側第１層相対移動検出用Ｒ／Ｔコイル１２１の内周に配置されるステータ側絶対位置検出用第１層コイル１３１は、第１コイル１３１ａ及び第２コイル１３１ｂよりなる。第１コイル１３１ａと第２コイル１３１ｂはそれぞれ半円状かつ渦巻き状に形成されている。また、第１コイル１３１ａと第２コイル１３１ｂとはお互いに逆回りに巻回されている。また、第１コイル１３１ａと第２コイル１３１ｂとは直列に接続されている。ステータ側絶対位置検出用第１層コイル１３１の内側には、ステータ側第１層絶対位置検出用Ｒ／Ｔコイル１４１が形成されている。

同様に、ステータ側相対移動検出用第２層コイル１１２は、ロータ側相対移動検出用コイル１１３と同様にミアンダ状に配線が形成されている。ステータ側相対移動検出用第２層コイル１１２の内周側にはステータ側第２層相対移動検出用Ｒ／Ｔコイル１２２が配置される。ステータ側第２層相対移動検出用Ｒ／Ｔコイル１２２の内周に配置されるステータ側絶対位置検出用第２層コイル１３２は、第１コイル１３２ａ及び第２コイル１３２ｂよりなる。第１コイル１３２ａと第２コイル１３２ｂはそれぞれ半円状かつ渦巻き状に形成されている。また、第１コイル１３２ａと第２コイル１３２ｂとはお互いに逆回りに巻回されている。また、第１コイル１３２ａと第２コイル１３２ｂとは直列に接続されている。ステータ側絶対位置検出用第２層コイル１３２の内側には、ステータ側第２層絶対位置検出用Ｒ／Ｔコイル１４２が形成されている。

これらステータ側第１層パターン２０１、ステータ側第２層パターン２０２及びロータ側パターン２０３は、図４に示される様にロータ側センサ基板２０とステータ側センサ基板４０に備えられるので、重ねられたステータ側第１層相対移動検出用Ｒ／Ｔコイル１２１とステータ側第２層相対移動検出用Ｒ／Ｔコイル１２２とが、ロータ側相対移動検出用Ｒ／Ｔコイル１２３と対向する位置に配置される。また、重ねられたステータ側第１層絶対位置検出用Ｒ／Ｔコイル１４１とステータ側第２層絶対位置検出用Ｒ／Ｔコイル１４２とが、ロータ側絶対位置検出用Ｒ／Ｔコイル１４３と対向する位置に配置される。また、重ねられたステータ側相対移動検出用第１層コイル１１１とステータ側相対移動検出用第２層コイル１１２とが、ロータ側相対移動検出用コイル１１３に対向する位置に配置される。また、重ねられたステータ側絶対位置検出用第１層コイル１３１とステータ側絶対位置検出用第２層コイル１３２とが、ロータ側絶対位置検出用コイル１３３と対向する位置に配置される。

図５に、レゾルバの位置検出制御に関するブロック図を示す。ステータ側相対移動検出用第１層コイル１１１、ステータ側相対移動検出用第２層コイル１１２及びロータ側相対移動検出用コイル１１３は、相対移動検出部１１０として機能する。ステータ側絶対位置検出用第１層コイル１３１、ステータ側絶対位置検出用第２層コイル１３２及びロータ側絶対位置検出用コイル１３３は、絶対位置検出部１３０として機能する。ステータ側第１層相対移動検出用Ｒ／Ｔコイル１２１、ステータ側第２層相対移動検出用Ｒ／Ｔコイル１２２、ロータ側相対移動検出用Ｒ／Ｔコイル１２３、ステータ側第１層絶対位置検出用Ｒ／Ｔコイル１４１、ステータ側第２層絶対位置検出用Ｒ／Ｔコイル１４２及びロータ側絶対位置検出用Ｒ／Ｔコイル１４３は、ロータリートランス部１４０として機能する。

ロータ側センサ基板２０に設けられたロータ側相対移動検出用コイル１１３とロータ側絶対位置検出用Ｒ／Ｔコイル１４３とは直列に接続されている。同じくロータ側センサ基板２０に設けられたロータ側絶対位置検出用コイル１３３とロータ側相対移動検出用Ｒ／Ｔコイル１２３とは直列に接続されている。

第１励磁信号生成回路４９からは、５００ｋＨｚ程度の周波数の励磁信号が入力される。この励磁信号が、ステータ側第１層絶対位置検出用Ｒ／Ｔコイル１４１及びステータ側第２層絶対位置検出用Ｒ／Ｔコイル１４２よりロータ側絶対位置検出用Ｒ／Ｔコイル１４３に伝えられ、ロータ側絶対位置検出用コイル１３３に入力される。ロータ側絶対位置検出用コイル１３３に対向するステータ側絶対位置検出用第１層コイル１３１及びステータ側絶対位置検出用第２層コイル１３２によって、ステータ側センサ基板４０に対するロータ側センサ基板２０の初期位置を検出することが出来る。

一方、第２励磁信号生成回路５０からは、２ＭＨｚ程度の高周波の励磁信号が入力される。この励磁信号がステータ側第１層相対移動検出用Ｒ／Ｔコイル１２１及びステータ側第２層相対移動検出用Ｒ／Ｔコイル１２２からロータ側相対移動検出用Ｒ／Ｔコイル１２３に伝えられ、ロータ側相対移動検出用コイル１１３に入力される。ロータ側相対移動検出用コイル１１３に対向するステータ側相対移動検出用第１層コイル１１１及びステータ側相対移動検出用第２層コイル１１２により、ステータ側センサ基板４０に対するロータ側センサ基板２０の位置変化に伴うインダクタンスの変化を検出する。これによって角度を検出することが出来る構成となっている。

ステータ側絶対位置検出用第１層コイル１３１とは第１検波回路５１と接続され、ステータ側絶対位置検出用第２層コイル１３２とは第２検波回路５２と接続される。ステータ側相対移動検出用第１層コイル１１１とは第３検波回路５３と接続され、ステータ側相対移動検出用第２層コイル１１２とは第４検波回路５４と接続される。第１検波回路５１及び第２検波回路５２は、同期検出を行う回路である。第３検波回路５３及び第４検波回路５４は、包絡線検波を行う回路である。第１検波回路５１及び第２検波回路５２は絶対角度検出回路５７に接続され、第３検波回路５３は第１コンパレータ５５を介し、第４検波回路５４は第２コンパレータ５６を介して絶対角度検出回路５７に接続される。

図７に、自動車の斜視図を示す。自動車７０は、エンジン８０を搭載しており、エンジン８０の側面にはモータ１０が接続されている。角度センサ１００はモータ１０に備えられているので、エンジン８０のクランク角センサとして機能する。この様なセンサ部５８と制御回路部５９よりなる角度センサ１００は、モータ１０を搭載した自動車７０が動き出す際に、ロータ側センサ基板２０とステータ側センサ基板４０にそれぞれ備えられる絶対位置検出部１３０にて、ステータ側センサ基板４０に対するロータ側センサ基板２０の初期位置を検出する。そして、モータ１０を搭載した自動車７０が動き出してからは、相対移動検出部１１０にて回転角度検出を行う。この際に、相対移動検出部１１０から得られたデータを絶対位置検出部１３０から得られたデータで補正する事で、正確な角度を把握することが可能となる。

第１実施形態の角度センサ１００は上記構成であるので、以下に説明するような作用及び効果を奏する。

第１実施形態の位置センサは、その効果として省スペース化が可能である点が挙げられる。第１実施形態の角度センサ１００は、絶対位置検出部１３０、相対移動検出部１１０、及びロータリートランス部１４０を備える角度センサ１００である。絶対位置検出部１３０は、ステータ側センサ基板４０の上に設けられたロータ側絶対位置検出用コイル１３３及びロータ側絶対位置検出用コイル１３３と直列に接続されたロータ側絶対位置検出用Ｒ／Ｔコイル１４３及びロータ側センサ基板２０の上に設けられたステータ側絶対位置検出用第１層コイル１３１とステータ側絶対位置検出用第２層コイル１３２及びステータ側第１層絶対位置検出用Ｒ／Ｔコイル１４１とステータ側第２層絶対位置検出用Ｒ／Ｔコイル１４２とを有している。

ロータ側絶対位置検出用コイル１３３と、ステータ側絶対位置検出用第１層コイル１３１とステータ側絶対位置検出用第２層コイル１３２とは、対向する位置に設けられる。又、ロータ側絶対位置検出用Ｒ／Ｔコイル１４３と、ステータ側第１層絶対位置検出用Ｒ／Ｔコイル１４１及びステータ側第２層絶対位置検出用Ｒ／Ｔコイル１４２とは対向する位置に設けられる。相対移動検出部１１０は、ステータ側センサ基板４０の上に設けられたロータ側相対移動検出用コイル１１３及びロータ側相対移動検出用コイル１１３と直列に接続されたロータ側相対移動検出用Ｒ／Ｔコイル１２３と、ロータ側センサ基板２０の上に設けられたステータ側第１層相対移動検出用Ｒ／Ｔコイル１２１及びステータ側第２層相対移動検出用Ｒ／Ｔコイル１２２とを有している。

ロータ側相対移動検出用コイル１１３とステータ側相対移動検出用第１層コイル１１１及びステータ側相対移動検出用第２層コイル１１２は対向する位置に設けられる。また、ロータ側相対移動検出用Ｒ／Ｔコイル１２３とステータ側第１層相対移動検出用Ｒ／Ｔコイル１２１及びステータ側第２層相対移動検出用Ｒ／Ｔコイル１２２とはそれぞれ対向する位置に設けられる。ロータ側相対移動検出用コイル１１３及びステータ側相対移動検出用第１層コイル１１１及びステータ側相対移動検出用第２層コイル１１２はそれぞれミアンダ状平面コイルパターンを有している。ロータ側絶対位置検出用コイル１３３及びステータ側絶対位置検出用第１層コイル１３１及びステータ側絶対位置検出用第２層コイル１３２はそれぞれ渦巻き状コイルパターンを有している。

絶対位置検出部１３０と相対移動検出部１１０は、それぞれ高周波の励磁信号が入力され、ステータ側センサ基板４０に対するロータ側センサ基板２０の位置変化に伴うインダクタンスの変化により角度を検出するものであり、角度センサ１００の起動時には絶対位置検出部１３０において初期位置を検出してから、相対移動検出部１１０の出力によりロータ側センサ基板２０の移動を検出し、ロータ側センサ基板２０の位置を検出するものである。ロータ側相対移動検出用コイル１１３は、ロータ側絶対位置検出用コイル１３３の径方向外側に配置されるものである。

すなわち、角度センサ１００に設けられたロータ側センサ基板２０及びステータ側センサ基板４０に、相対移動検出部１１０と絶対位置検出部１３０が設けられている。このため、特許文献１や特許文献２に示される技術のように、例えば特許文献３に示す絶対位置センサと特許文献４に示す位置センサをクランク角センサとして別々に設ける必要が無く、角度センサ１００の小型化が可能となる。また、ステータ側絶対位置検出用第１層コイル１３１の外周側にステータ側相対移動検出用第１層コイル１１１を、ステータ側絶対位置検出用第２層コイル１３２の外周側にステータ側相対移動検出用第２層コイル１１２を、ロータ側絶対位置検出用コイル１３３の外周側にロータ側相対移動検出用コイル１１３を設けることで、角度センサ１００の高分解化が可能である。これは、ステータ側相対移動検出用第１層コイル１１１乃至ロータ側相対移動検出用コイル１１３が外周側に設けられることで径を大きくすることができ、折り返し部を増やす事が可能となるためである。この結果、高分解化が可能となる。

また、第１実施形態の角度センサ１００を用いることで、起動信号ＩＧＯＮが入力された後、直ぐに絶対角度を得ることが可能である。図６に、角度センサ１００による位置検出の様子をグラフに示す。本発明の角度センサ１００では、絶対位置検出部１３０を備えている。このため、絶対位置検出部１３０での検出信号である正弦波Ｓ３及び余弦波Ｓ４を検出する。起動信号ＩＧＯＮが検出された際には、角度θの際の正弦波Ｓ３及び余弦波Ｓ４が検出される。正弦波Ｓ３がａｓｉｎθで、余弦波Ｓ４がａｃｏｓθであれば、角度θはθ＝ａｒｃｔａｎ（ａｓｉｎθ／ａｃｏｓθ）として求められる。従って、パルス信号Ｓ１は角度θで補正可能となり、起動信号ＩＧＯＮから絶対角度を検出することが出来る。

また、角度センサ１００で初期位置を検出する際には、第２励磁信号生成回路５０から相対移動検出部１１０への励磁信号を入力せず（停止し）、第１励磁信号生成回路４９からの励磁信号を絶対位置検出部１３０に入力している。このため、絶対位置検出部１３０で角度センサ１００の絶対位置を検出する際に、相対移動検出部１１０からのノイズを絶対位置検出部１３０で拾うことを防ぐことが可能となる。相対移動検出部１１０と絶対位置検出部１３０とは同じロータ側センサ基板２０及びステータ側センサ基板４０に配置されていることから、ノイズの影響が大きくなりがちだが、励磁信号の発生のタイミングを異ならせることでノイズの影響を低減させることが可能である。

また、第２励磁信号生成回路５０と第１励磁信号生成回路４９では用いる周波数が異ならせることで、ノイズの影響を低減することが可能である。周波数帯が異なっていることで、ノイズの周波数成分は特定される。この為、図示しないノイズフィルターを設け、ノイズを除去することが容易となる。ノイズフィルターを設ける位置に関しては、例えば、第１検波回路５１乃至第４検波回路５４に設けることが考えられる。

このような角度センサ１００を備える自動車７０は、角度センサ１００の小型化及び高精度化によって、従来用いられていたようなクランク角センサよりも取り付けスペース必要としない。このため、特にハイブリッド車などモータやそれに関連する補器を必要とし、エンジンルーム内のスペースを要する場合に有効である。また、角度センサ１００の高精度化によって、モータ１０の制御やエンジン制御を精密にすることが出来るので、燃費の向上に貢献することが可能である。

また、角度センサ１００には、相対移動検出部１１０と絶対位置検出部１３０を両方備えているため、万が一、相対移動検出部１１０が故障したような場合にも退避走行が可能となる。通常、車両に搭載するクランク角センサが故障するとアイドリングの不調の発生やエンジンがかからなくなるなどの不具合が発生する。しかし、自動車７０に角度センサ１００を搭載していれば、相対移動検出部１１０が故障した場合にも絶対位置検出部１３０を用いて退避走行が可能であるので、自走することが可能となる。

次に、本発明の第２の実施形態について、図面を用いて説明する。第２実施形態は第１実施形態の角度センサ１００と比べ、ステータ側第１層相対移動検出用Ｒ／Ｔコイル１２１の位置が異なる。以下に異なる点を説明する。

図８に、第２実施形態の、ステータ側第１層パターンを平面図に示す。図９に、ステータ側第２層パターンを平面図に示す。図１０に、ロータ側パターンを平面図に示す。ステータ側第１層パターン３０１は、その外周側からステータ側相対移動検出用第１層コイル１１１、ステータ側絶対位置検出用第１層コイル１３１、ステータ側第１層相対移動検出用Ｒ／Ｔコイル１２１、及びステータ側第１層絶対位置検出用Ｒ／Ｔコイル１４１を備えている。ステータ側第２層パターン３０２は、その外周側からステータ側相対移動検出用第２層コイル１１２、ステータ側絶対位置検出用第２層コイル１３２、ステータ側絶対位置検出用第２層コイル１３２、及びステータ側第２層絶対位置検出用Ｒ／Ｔコイル１４２を備えている。

ロータ側パターン３０３は、その外周からロータ側相対移動検出用コイル１１３、ロータ側絶対位置検出用コイル１３３、ロータ側相対移動検出用Ｒ／Ｔコイル１２３、及びロータ側絶対位置検出用Ｒ／Ｔコイル１４３を備えている。即ち、第１実施形態のステータ側第１層パターン２０１乃至ロータ側パターン２０３と、ステータ側第１層パターン３０１乃至ロータ側パターン３０３とは、相対位置検出用Ｒ／Ｔコイルの位置が異なるのである。

第２実施形態の角度センサ１００は、上記構成によって以下に説明するような作用及び効果を奏する。

まず、角度センサ１００の小型化を図ることができる点が挙げられる。第２実施形態の角度センサ１００は、ステータ側第１層相対移動検出用Ｒ／Ｔコイル１２１及びステータ側第１層相対移動検出用Ｒ／Ｔコイル１２１は、ステータ側第１層絶対位置検出用Ｒ／Ｔコイル１４１及びステータ側第２層絶対位置検出用Ｒ／Ｔコイル１４２とステータ側絶対位置検出用第１層コイル１３１とステータ側絶対位置検出用第２層コイル１３２の間にそれぞれ配置されている。ステータ側第１層絶対位置検出用Ｒ／Ｔコイル１４１及びステータ側第２層絶対位置検出用Ｒ／Ｔコイル１４２と、ステータ側絶対位置検出用第１層コイル１３１及びステータ側絶対位置検出用第２層コイル１３２は、両コイル間の距離が近いとステータ側第１層絶対位置検出用Ｒ／Ｔコイル１４１及びステータ側第２層絶対位置検出用Ｒ／Ｔコイル１４２に励磁信号を流すことで発生する交番磁界の影響をステータ側絶対位置検出用第１層コイル１３１及びステータ側絶対位置検出用第２層コイル１３２が直接受けてしまい、検出精度が低下する問題がある。このため、角度センサ１００の検出精度を高めるためには、両コイル間はある程度離す必要がある。

そこで、ステータ側第１層相対移動検出用Ｒ／Ｔコイル１２１及びステータ側第２層相対移動検出用Ｒ／Ｔコイル１２２を、ステータ側第１層絶対位置検出用Ｒ／Ｔコイル１４１及びステータ側第２層絶対位置検出用Ｒ／Ｔコイル１４２と、ステータ側絶対位置検出用第１層コイル１３１及びステータ側絶対位置検出用第２層コイル１３２との間に配置することで、第１実施形態の場合に比べてスペースの有効活用が可能となる。これは、ステータ側第１層相対移動検出用Ｒ／Ｔコイル１２１及びステータ側第２層相対移動検出用Ｒ／Ｔコイル１２２が上記スペースに移動する分、ステータ側相対移動検出用第１層コイル１１１及びステータ側相対移動検出用第２層コイル１１２とステータ側絶対位置検出用第１層コイル１３１及びステータ側絶対位置検出用第２層コイル１３２との間のスペースを小さくすることができるからである。このため、全体として角度センサ１００の小型化が可能となる。

ただし、この場合、ステータ側第１層相対移動検出用Ｒ／Ｔコイル１２１及びステータ側第２層相対移動検出用Ｒ／Ｔコイル１２２とステータ側相対移動検出用第１層コイル１１１及びステータ側相対移動検出用第２層コイル１１２と、ステータ側絶対位置検出用第１層コイル１３１及びステータ側絶対位置検出用第２層コイル１３２の距離が近くなるため、ステータ側絶対位置検出用第１層コイル１３１及びステータ側絶対位置検出用第２層コイル１３２で絶対位置を検出する際に、ステータ側第１層相対移動検出用Ｒ／Ｔコイル１２１及びステータ側第２層相対移動検出用Ｒ／Ｔコイル１２２とロータ側相対移動検出用コイル１１３からのノイズの影響を気にする必要がある。

しかしながら、第１励磁信号生成回路４９及び第２励磁信号生成回路５０からの励磁信号のタイミングを切り替え、絶対位置検出部１３０で絶対位置を検出する際には第１励磁信号生成回路４９から励磁信号を出力し、相対移動検出部１１０で相対位置を検出する際には第２励磁信号生成回路５０から励磁信号を出力することとしている。このため、ロータ側絶対位置検出用コイル１３３で絶対位置を検出する際には、ステータ側第１層相対移動検出用Ｒ／Ｔコイル１２１及びステータ側第２層相対移動検出用Ｒ／Ｔコイル１２２へ励磁信号を入力せず、結果的にノイズの影響を心配する必要が無くなる。したがって、角度センサ１００の検出精度を犠牲にすることなく角度センサ１００の小型化が可能となる。一方、角度センサ１００を小型化せずに各コイル間のスペースを確保した上で、図８乃至図１０の様に配置すれば、より角度センサ１００の検出精度を高くすることが可能となる。

また、第１励磁信号生成回路４９と第２励磁信号生成回路５０とで異なる周波数帯の励磁信号を用いることで、相対移動検出部１１０と絶対位置検出部１３０とを同時に、或いはタイムラグ無く用いるようなケースであっても、絶対角度検出回路５７にて異なる周波数帯の成分をノイズとして除去可能であるため、角度センサ１００の検出精度の低下を抑えることが可能となる。

以上において、実施形態に即して説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で、適宜変更して適用できることは言うまでもない。例えば、実施例で示されたコイルパターンについて、極数を増やすなど、発明の範囲内で変更することを妨げない。また、第１励磁信号生成回路４９と第２励磁信号生成回路５０とに用いる励磁信号について、別の周波数の励磁信号を用いることを妨げないし、第１励磁信号生成回路４９と第２励磁信号生成回路５０とで同じ励磁信号を用いる、或いは、第１励磁信号生成回路４９が２ＭＨｚ程度の周波数の励磁信号を生成し、第２励磁信号生成回路５０が５００ＫＨｚ程度の周波数の励磁信号を生成するように、第１励磁信号生成回路４９が第２励磁信号生成回路５０よりも高い周波数の励磁信号を生成するようにしても良い。

１０モータ
２０ロータ側センサ基板
４０ステータ側センサ基板
１００角度センサ
１１０相対移動検出部
１３０絶対位置検出部
１４０ロータリートランス部
２０１ステータ側第１層パターン
２０２ステータ側第２層パターン
２０３ロータ側パターン

Claims

絶対位置検出部、相対移動検出部、及びロータリートランス部を備える角度センサにおいて、
前記絶対位置検出部は、ロータ基板上に設けられたロータ側絶対位置検出用コイル及び前記ロータ側絶対位置検出用コイルと直列に接続されたロータ側絶対位置検出用ロータリートランスコイル及びステータ基板上に設けられたステータ側絶対位置検出用コイル及びステータ側絶対位置検出用ロータリートランスコイルとを有し、
前記ロータ側絶対位置検出用コイルと前記ステータ側絶対位置検出用コイル、及び前記ロータ側絶対位置検出用ロータリートランスコイルと前記ステータ側絶対位置検出用ロータリートランスコイルとはそれぞれ対向する位置に設けられ、
前記相対移動検出部は、前記ロータ基板上に設けられたロータ側相対移動検出用コイル及び前記ロータ側相対移動検出用コイルと直列に接続されたロータ側相対移動検出ロータリートランスコイルと、前記ステータ基板上に設けられたステータ側相対移動検出用コイル及びステータ側相対移動検出用ロータリートランスコイルとを有し、
前記ロータ側相対移動検出用コイルと前記ステータ側相対移動検出用コイル、及びロータ側相対移動検出用ロータリートランスコイルと前記ステータ側相対移動検出用コイルとはそれぞれ対向する位置に設けられ、
前記ロータ側相対移動検出用コイル及び前記ステータ側相対移動検出用コイルはそれぞれミアンダ状平面コイルパターンを有し、
前記ロータ側絶対位置検出用コイル及び前記ステータ側絶対位置検出用コイルはそれぞれ渦巻き状位置コイルパターンを有し、
前記絶対位置検出部と前記相対移動検出部は、それぞれ高周波の励磁信号が入力され、ステータに対するロータの位置変化に伴うインダクタンスの変化により角度を検出するものであり、
起動時には前記絶対位置検出部において初期位置を検出してから、前記相対移動検出部の出力により前記ロータの移動を検出し、前記ロータの位置を検出するものであり、
前記ロータ側相対移動検出用コイルは、前記ロータ側絶対位置検出用コイルの径方向外側に配置されること、
を特徴とする角度センサ。
請求項１に記載の角度センサにおいて、
前記初期位置の検出時には、前記相対移動検出部への励磁信号の入力を停止すること、を特徴とする角度センサ。
請求項１又は請求項２に記載の角度センサにおいて、
前記絶対位置検出部へ入力される励磁信号と、前記相対移動検出部に入力される励磁信号とは、周波数が異なること、を特徴とする角度センサ。
請求項２又は請求項３に記載の角度センサにおいて、
前記ステータ側相対移動検出用ロータリートランスコイルは、前記ステータ側絶対位置検出用ロータリートランスコイルと前記ステータ側絶対位置検出用コイルの間に配置されること、を特徴とする角度センサ。
請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の角度センサを、エンジンのクランク角センサとして用いたこと、を特徴とする自動車。
請求項５に記載の自動車において、前記相対移動検出部の故障時には、前記絶対位置検出部の出力により退避走行すること、を特徴とする自動車。
請求項６に記載の自動車において、前記退避走行時には、前記初期位置の検出時には、前記相対移動検出部への励磁信号の入力を停止すること、を特徴とする自動車。