JP2015001489A - 角度検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】角度検出装置につき周期的な検出誤差を好適に低減すること。【解決手段】センサステータの表面に形成される円環状の平面コイルは、第１検出コイル51と、同コイル51に対し電気角で90度位相がずれて配置される第２検出コイル52と、同コイル51に対し電気角で180度位相がずれて配置される第３検出コイル53と、同コイル51に対し電気角で270度位相がずれて配置される第４検出コイル54とを含む。第１及び第３の検出コイル51,53は重なり合い、互いに逆向きの起電力が発生する。第２及び第４の検出コイル52,54は重なり合い、互いに逆向きの起電力が発生する。第１演算回路61は、第１及び第２の検出コイル51,52の出力に基づく第１検出角度θ１を演算し、第２演算回路62は、第３及び第４の検出コイル53,54の出力に基づく第２検出角度θ２を演算し、最終演算回路63は、両検出角度θ１，θ２の平均から最終的な検出角度θを演算する。【選択図】 図９

Description

この発明は、モータやエンジンの出力軸の回転角度を検出するために使用される角度検出装置に関する。

従来、この種の技術として、例えば、下記の特許文献１に記載の角度検出装置が知られている。この装置は、環状のステータと、このステータの内側にてステータの内周と空隙を介して対向して配置された環状のロータとを備える。ここで、ロータは、ステータの中心に対して空隙が偏芯した状態で回転自在に支持される。ステータには、複数の極片が円周上に等分に支持される。各極片には、３相のコイルが相毎に巻回される。このコイルは、１８０度の位相差を有して２系統をなす第１系統のコイルと第２系統のコイルとを含む。第１系統のコイルと第２系統のコイルは、互いに同相コイルがステータの中心を挟んで点対象となるように配置される。そして、第１系統のコイルにより検出される角度信号と、第２系統のコイルにより検出される角度信号とに基づいて誤差を相殺した角度信号を演算するようになっている。

特開２０１１−１６９６５３号公報

ところが、特許文献１に記載の角度検出装置では、ロータの形状やピッチ誤差、偏心誤差の影響を受けることなく角度信号の誤差の影響を受けることなく角度信号の検出精度を向上させることができると記載されているものの、第１系統のコイルと第２系統のコイルが異なる場所に配置されているため、励磁信号の回り込みによって、第１系統のコイルと第２系統のコイルに生じる誤差は１８０度の位相差とはならず、そのような検出誤差を低減することはできなかった。また、この種の角度検出装置では、コイルの断線等の異常時にその異常を検出して対処できる構成とはなっていなかった。

この発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、その目的は、周期的な検出誤差を好適に低減することを可能とした角度検出装置を提供することにある。また、この発明の別の目的は、上記目的に加えて、コイルの断線等の異常時にその異常を検出することを可能とした角度検出装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、回転軸に取り付けられるセンサロータと、センサロータの表面に対し表面が隙間を介して対向して配置され、表面に円環状の平面コイルが形成されたセンサステータと、センサステータの平面コイルが複数の検出コイルを含むこととを備え、センサロータが回転軸と一体に回転することにより各検出コイルで起電力が発生し、その起電力に基づいて回転軸の回転角度を検出するように構成した角度検出装置であって、複数の検出コイルは、第１の検出コイルと、第１の検出コイルに対し電気角で９０度位相のずれた位置に配置される第２の検出コイルと、第１の検出コイルに対し電気角で１８０度位相のずれた位置に配置される第３の検出コイルと、第１の検出コイルに対し電気角で２７０度位相のずれた位置に配置される第４の検出コイルとを含み、第１の検出コイルと第３の検出コイルは互いに重なり合い、かつ、互いに逆向きの起電力が発生するように配置され、第２の検出コイルと第４の検出コイルは互いに重なり合い、かつ、互いに逆向きの起電力が発生するように配置され、第１の検出コイルと第２の検出コイルの出力に基づく第１の検出角度と、第３の検出コイルと第４の検出コイルの出力に基づく第２の検出角度との平均から最終的な検出角度を演算する演算手段を備えたことを趣旨とする。

上記発明の構成によれば、第１の検出コイルと第２の検出コイルとの組み合わせコイルの配置に対し、第３の検出コイルと第４の検出コイルとの組み合わせコイルの配置の位相が１８０度ずれている。従って、第１の検出角度の位相に対し第２の検出角度の位相が１８０度ずれることになり、第１の検出角度及び第２の検出角度における検出誤差の位相も１８０度ずれることになる。このため、演算手段により、第１の検出角度と第２の検出角度を平均することにより、３６０度周期の検出誤差である１次誤差が相殺され、最終的な検出角度における検出誤差が低減する。

上記目的を達成するために、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、演算手段は、第１の検出角度と、第２の検出角度と、更に、第２の検出コイルと第３の検出コイルの出力に基づく第３の検出角度と、第４の検出コイルと第１の検出コイルの出力に基づく第４の検出角度との平均から最終的な検出角度を演算することを趣旨とする。

上記発明の構成によれば、第１の検出コイルと第２の検出コイルとの組み合わせコイルの配置に対し、第２の検出コイルと第３の検出コイルとの組み合わせコイルの配置の位相は９０度ずれている。第２の検出コイルと第３の検出コイルとの組み合わせコイルの配置に対し、第３の検出コイルと第４の検出コイルとの組み合わせコイルの配置の位相は９０度ずれている。また、第３の検出コイルと第４の検出コイルとの組み合わせコイルの配置に対し、第４の検出コイルと第１の検出コイルとの組み合わせコイルの配置の位相は９０度ずれている。従って、第１の検出角度の位相に対し第３の検出角度の位相が９０度ずれることになり、第３の検出角度の位相に対し第２の検出角度の位相も９０度ずれることなり、第２の検出角度の位相に対し第４の検出角度の位相も９０度ずれることになり、第４の検出角度の位相に対し第１の検出角度の位相も９０度ずれることになり、各検出角度における検出誤差の位相も９０度ずつずれることになる。このため、演算手段により、４つの検出角度を平均することにより、３６０度周期の検出誤差である１次誤差が相殺され、加えて１８０度周期の検出誤差である２次誤差が相殺され、最終的な検出角度における検出誤差が低減する。

上記目的を達成するために、請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の発明において、第１の検出角度に係るＳｉｎ相出力とＣｏｓ相出力の自乗和を第１の自乗和として、第２の検出角度に係るＳｉｎ相出力とＣｏｓ相出力の自乗和を第２の自乗和として、第３の検出角度に係るＳｉｎ相出力とＣｏｓ相出力の自乗和を第３の自乗和として、第４の検出角度に係るＳｉｎ相出力とＣｏｓ相出力の自乗和を第４の自乗和としてそれぞれ算出し、これら４つの自乗和を比較することにより、第１の検出コイル、第２の検出コイル、第３の検出コイル又は第４の検出コイルの何れに異常があるかを特定するための異常検出手段を更に備えたことを趣旨とする。

上記発明の構成によれば、請求項２に記載の作用に加え、第１の検出コイル、第２の検出コイル、第３の検出コイル及び第４の検出コイルのそれぞれに異常がなければ、第１の自乗和、第２の自乗和、第３の自乗和及び第４の自乗和がそれぞれ「１」となる。一方、各検出コイルの何れかに異常がある場合は、各自乗和の何れかが「１」にならなくなる。従って、各検出コイルの何れかに異常がある場合は、異常検出手段が各自乗和を比較することで異常がある検出コイルを特定することが可能となる。ここで、異常のない残りの検出コイルを使用することにより、角度検出を行うことが可能となる。

請求項１に記載の発明によれば、３６０度周期の検出誤差である一次誤差を低減することができる。

請求項２に記載の発明によれば、請求項１に記載の発明の効果に対し、１８０度周期の検出誤差である二次誤差を更に低減することができる。

請求項３に記載の発明によれば、請求項２に記載の発明の効果に加え、コイルの断線等の異常時にその異常を検出することができ、異常のある検出コイルを特定することができ、異常のない検出コイルを使用することでフェイルセーフとして最終的な検出角度を得ることができる。

第１実施形態に係り、角度検出装置を構成する角度センサと、それを取り付けたモータを示す正断面図。 第１実施形態に係り、センサロータを示す平面図。 第１実施形態に係り、センサステータを示す平面図。 第１実施形態に係り、検出コイルパターンを分解して示す概略的な斜視図。 第１実施形態に係り、第１の検出コイルの概略配線パターンを示す平面図。 第１実施形態に係り、第２の検出コイルの概略配線パターンを示す平面図。 第１実施形態に係り、第３の検出コイルの概略配線パターンを示す平面図。 第１実施形態に係り、第４の検出コイルの概略配線パターンを示す平面図。 第１実施形態に係り、第１〜第４の検出コイルと、それらの検出信号を演算するための演算回路とを示すブロック図。 第１実施形態に係り、角度検出装置につき、一次誤差に関するキャンセルイメージを示すグラフ。 第２実施形態に係り、第１〜第４の検出コイルと、それらの検出信号を演算するための演算回路とを示すブロック図。 第２実施形態に係り、角度検出装置につき、一次誤差及び二次誤差に関するキャンセルイメージを示すグラフ。 第３実施形態に係り、第１〜第４の検出コイルと、それらの異常を検出するための自乗和演算回路及び異常検出回路とを示すブロック図。 第４実施形態に係り、第１〜第４の検出コイルと、それらの検出信号を演算するための演算回路とを示すブロック図。 第５実施形態に係り、センサステータにおける平面コイルの構成を概略的に示す平面図。 第５実施形態に係り、センサロータを概略的に示す平面図。 別の実施形態に係り、励磁コイルパターンを概略的に示す平面図。

＜第１実施形態＞
以下、本発明における角度検出装置を具体化した第１実施形態につき図面を参照して詳細に説明する。

図１に、この実施形態の角度検出装置を構成する角度センサ１と、それを取り付けたモータ２を正断面図により示す（以下、便宜上、図１の向きを正面図とする。）。モータ２は、略円盤形状の外観を有するモータハウジング１１と、モータハウジング１１に内包され、その内側中心にてベアリング１２，１３を介して回転可能に支持された回転軸１４と、モータハウジング１１の内側にて回転軸１４の外周上に固定されたモータロータ１５と、モータロータ１５の外周側にて、隙間を介してモータハウジング１１の内側に固定されたモータステータ１６とを備える。モータステータ１６には、コイル１７が設けられる。

図１において、モータハウジング１１の下側には、角度センサ１を収容するための収容部１１ａが一体に形成される。この収容部１１ａは、回転軸１４及びベアリング１３を中心に略円環状の周壁から構成される。収容部１１ａの外周の一部には、外部と連通する連通孔１１ｂが形成される。

図１に示すように、モータ２の回転軸１４は、略円筒形状をなし、大径部１４ａ及び小径部１４ｂと、大径部１４ａと小径部１４ｂとの境目の段部１４ｃとを含む。大径部１４ａは、一方のベアリング１２に支持され、その外周にモータロータ１５が固定される。小径部１４ｂは、他方のベアリング１３に支持され、その先端部が収容部１１ａの底壁に形成された軸孔１１ｃから外部へ突出する。

図１に示すように、角度センサ１は、センサステータ６及びセンサロータ７を備える。センサロータ７は、モータハウジング１１の内側にて、回転軸１４の小径部１４ｂの外周に圧入され、リング状のストッパ８により固定される。また、センサステータ６は、モータハウジング１１の収容部１１ａの内側にて、回転軸１４を中心にしてセンサロータ７と対向するように配置され、モータハウジング１１の外側から複数のボルト９により固定される。収容部１１ａの底壁には、複数のボルト９を挿通させる複数の長孔１１ｄが形成される。この実施形態では、複数のボルト９と収容部１１ａとの間に、複数のボルト９を一体的に連結する略円環状をなす連結部材１０が介在する。

図２に、センサロータ７を平面図により示す。図１及び図２に示すように、センサロータ７は、円環平板状をなす樹脂製のロータ基板２１と、そのロータ基板２１の表面２１ａに配置された平面コイル２２と、ロータ基板２１の内周側に一体的に設けられ、センサロータ７を回転軸１４の外周に取り付けて固定するために回転軸１４と接触する略円環状をなす環状金属部材２３とを含む。

ロータ基板２１は、ＰＰＳ樹脂等により形成される。環状金属部材２３は、ＳＵＳ等により形成される。平面コイル２２は、インクジェット等を使用した印刷によりロータ基板２１の表面２１ａ上に形成され、その上に絶縁膜が形成される。図２に示すように、環状金属部材２３は、その内周に一体に形成された１つの突起２３ａと、その外周に一体に形成された半径方へ突出する複数の凸部２３ｂとを含む。複数の凸部２３ｂは、等角度間隔に放射状に形成される。金属部材２３は、これら凸部２３ｂを含む外周部分にて、ロータ基板２１に対しインサート成形される。

そして、図１に示すように、センサロータ７は、そのロータ基板２１の表面２１ａ側がセンサステータ６の表面側と対向するように配置され、回転軸１４の小径部１４ｂの外周に取り付けられる。ここで、センサロータ７は、環状金属部材２３の内周が、回転軸１４の小径部１４ｂの外周に圧入されて段部１４ｃにて位置決めされた状態で、リング状のストッパ８により抜け止めされる。また、環状金属部材２３の突起２３ａが、小径部１４ｂに形成されたキー溝（図示略）に係合することにより、センサロータ７が回転軸１４に対して回り止めされる。このようにしてセンサロータ７が回転軸１４と一体回転可能に固定される。

図３に、センサステータ６を平面図により示す。図１及び図３に示すように、センサステータ６は、樹脂により略円環平板状に形成され、表面３１ａに円環状の平面コイル３２が配置されたステータ基板３１と、ステータ基板３１の裏面に設けられた複数の固定用凸部３３と、ステータ基板３１の裏面側にて外周縁に沿って形成され、軸方向へ延びる外周リブ３４と、ステータ基板３１の中央部分に形成され、回転軸１４が貫通する貫通孔３１ｂと、ステータ基板３１の裏面側にて貫通孔３１ｂの内周縁に沿って形成され、軸方向へ延びる内周リブ３５と、ステータ基板３１から横方向（水平方向）を向いた一つのコネクタ部３６とを備える。外周リブ３４と複数の固定用凸部３３とは、連続して一体に形成される。図３に示すように、ステータ基板３１の表面３１ａに配置された平面コイル３２は、インクジェット等を使用した印刷により形成され、その上に絶縁膜が形成される。

図１に示すように、各固定用凸部３３（図１には１つのみ図示した。）は、円柱形状をなし、この実施形態では、ステータ基板３１の裏面にてその外周に沿って等角度間隔に配置される。各固定用凸部３３には、ネジ穴３７ａを有する金属ブッシュ３７が設けられる。この金属ブッシュ３７は、固定用凸部３３に対してインサート成形される。金属ブッシュ３７には、センサステータ６をモータハウジング１１に固定するためにボルト９が締め付けられるようになっている。

図１に示すように、コネクタ部３６には、複数の金属製ターミナル３９がインサート成形される。各ターミナル３９は、直角に折れ曲がって形成され、第１の端部３９ａがコネクタ部３６の中に配置され、第２の端部３９ｂがステータ基板３１に配置される。ステータ基板３１に配置された各第２の端部３９ｂには、平面コイル３２を構成するコイル線が接続される。

次に、センサステータ６及びセンサロータ７の平面コイル３２，２２について詳しく説明する。図３に示すように、センサステータ６の平面コイル３２は、それぞれ略円環状をなす検出コイルパターン４１とロータリートランスコイルパターン４２とを含む。ロータリートランスコイルパターン４２は、検出コイルパターン４１の径方向内側に配置される。検出コイルパターン４１とロータリートランスコイルパターン４２の上には、略円環状をなす絶縁膜（図示略）が形成される。検出コイルパターン４１の径方向外側には、接続線４３が配置される。この接続線４３の端部には、一対をなすターミナル４３ａ，４３ｂａが設けられる。同様に、検出コイルパターン４１の径方向外側には、接続線４４が配置される。この接続線４４の端部には、一対をなすターミナル４４ａ，４４ｂが設けられる。また、ロータリートランスコイルパターン４２も接続線４５を含み、その端に一対のターミナル４５ａ，４５ｂが設けられる。各接続線４３〜４５のターミナル４３ａ，４３ｂ，４４ａ，４４ｂ，４５ａ，４５ｂは、それぞれコネクタ部３６に設けられたターミナル３９に接続され、外部回路に接続されるようになっている。

図２に示すように、センサロータ７の平面コイル２２は、それぞれ円環状をなす励磁コイルパターン２６とロータリートランスコイルパターン２７とを含む。励磁コイルパターン２６は、円環状をなすように円周方向に配置された４つのコイル部２６ａ，２６ｂ，２６ｃ，２６ｄに分けることができる。ロータリートランスコイルパターン２７は、励磁コイルパターン２６が設けられる領域の径方向内側に配置される。励磁コイルパターン２６とロータリートランスコイルパターン２７の層の上には、略円環状をなす絶縁膜（図示略）が形成される。

ここで、上記した角度センサ１の動作を簡単に説明する。モータ２の作動時に、所定の励磁信号発生回路で励磁信号が発生することにより、センサステータ６の接続線４５及びロータリートランスコイルパターン４２、センサロータ７のロータリートランスコイルパターン２７を介して、センサロータ７の励磁コイルパターン２６に励磁信号が供給される。この励磁信号の電流により励磁コイルパターン２６に磁束が発生し、その磁束によりセンサスタータ６の検出コイルパターン４１に起電力が発生する。そして、この起電力に係る信号を所定の演算回路で解析することにより、センサロータ７の回転位置、すなわち回転軸１４の回転角度を検出することができる。

次に、センサステータ６の検出コイルパターン４１とそれに関連する回路構成について説明する。図４に、検出コイルパターン４１を分解して概略的な斜視図により示す。検出コイルパターン４１は、上下に積層された４つの検出コイル５１，５２，５３，５４を含む。４つの検出コイル５１〜５４は、第１の検出コイル５１と、第１の検出コイル５１に対し電気角で９０度位相のずれた位置に配置される第２の検出コイル５２と、第１の検出コイル５１に対し電気角で１８０度位相のずれた位置に配置される第３の検出コイル５３と、第１の検出コイル５１に対し電気角で２７０度位相のずれた位置に配置される第４の検出コイル５４とを含む。第１の検出コイル５１と第２の検出コイル５２との間、第２の検出コイル５２と第３の検出コイル５３との間、第３の検出コイル５３と第４の検出コイル５４との間には、それぞれ絶縁膜（図示略）が設けられ、隣接する検出コイル５１〜５４同士が絶縁される。各検出コイル５１〜５４は、互いに同じ大きさの略円環形状をなす。

図４に示すように、第１の検出コイル５１は、概形的に２分されて巻き方向が異なる半円弧状をなす−コイル５１Ａと＋コイル５１Ｂにより構成される。第２の検出コイル５２も、概形的に２分されて巻き方向が異なる半円弧状をなす−コイル５２Ａと＋コイル５２Ｂにより構成される。同様に、第３の検出コイル５３も、−コイル５３Ａと＋コイル５３Ｂにより構成され、第４の検出コイル５４も、−コイル５４Ａと＋コイル５４Ｂにより構成される。

図４に示すように、第１の検出コイル５１と第３の検出コイル５３は互いに重なり合い、かつ、互いに逆向きの起電力が発生するように配置される。すなわち、第１の検出コイル５１と第３の検出コイル５３は、互いに電気角度で１８０度位相がずれていることから、第１の検出コイル５１の−コイル５１Ａと第３の検出コイル５３の＋コイル５３Ｂとが、また第１の検出コイル５１の＋コイル５１Ｂと第３の検出コイル５３の−コイル５３Ａとが、それぞれ外形が上下に整合するように重なり合う位置に配置される。また、第２の検出コイル５２と第４の検出コイル５４は互いに重なり合い、かつ、互いに逆向きの起電力が発生するように配置される。すなわち、第２の検出コイル５２と第４の検出コイル５４は、互いに電気角度で１８０度位相がずれていることから、第２の検出コイル５２の＋コイル５２Ｂと第４の検出コイル５４の−コイル５４Ａとが、また第２の検出コイル５２の−コイル５２Ａと第４の検出コイル５４の＋コイル５４Ｂとが、それぞれ外形が上下に整合するように重なり合う位置に配置される。

図５〜図８に、第１〜第４の検出コイル５１〜５４の概略配線パターンを平面図により示す。図５に示すように、第１の検出コイル５１は、右巻きの−コイル５１Ａと、左巻きの＋コイル５１Ｂとから構成される。＋コイル５１Ｂの＋端子５１ａから入った電流は＋コイル５１Ｂを左巻きに流れた後、−コイル５１Ａを右巻に流れて−コイル５１Ａの−端子５１ｂから出る。図６に示すように、第２の検出コイル５２は、右巻きの−コイル５２Ａと、左巻きの＋コイル５２Ｂとから構成される。−コイル５２Ａの＋端子５２ａから入った電流は−コイル５２Ａを右巻きに流れた後、＋コイル５２Ｂを左巻きに流れて＋コイル５２Ｂの−端子５２ｂから出る。図７に示すように、第３の検出コイル５３は、右巻きの−コイル５３Ａと、左巻きの＋コイル５３Ｂとから構成される。−コイル５３Ａの＋端子５３ａから入った電流は−コイル５３Ａを右巻きに流れた後、＋コイル５３Ｂを左巻に流れて＋コイル５３Ｂの−端子５３ｂから出る。図８に示すように、第４の検出コイル５４は、右巻きの−コイル５４Ａと、左巻きの＋コイル５４Ｂとから構成される。＋コイル５４Ｂの＋端子５４ａから入った電流は＋コイル５４Ｂを左巻きに流れた後、−コイル５４Ａを右巻に流れて−コイル５４Ａの−端子５４ｂから出る。

図９に、第１〜第４の検出コイル５１〜５４と、それらの検出信号を演算するための演算回路６１，６２，６３とをブロック図により示す。第１の演算回路６１には、第１の検出コイル５１と第２の検出コイル５２が接続される。第１の演算回路６１は、第１の検出コイル５１によるＳＩＮ相出力と第２の検出コイル５２によるＣＯＳ相出力とに基づいて第１の検出角度θ１を演算するようになっている。第２の演算回路６２には、第３の検出コイル５３と第４の検出コイル５４が接続される。第２の演算回路６２は、第３の検出コイル５３によるＳＩＮ相出力と第４の検出コイル５４によるＣＯＳ相出力とに基づいて第２の検出角度θ２を演算するようになっている。最終演算回路６３には、第１の演算回路６１と第２の演算回路６２が接続される。最終演算回路６３は、第１の検出角度θ１と第２の検出角度θ２との平均から最終的な検出角度θを演算するようになっている。この実施形態で、第１の演算回路６１、第２の演算回路６２及び最終演算回路６３により、本発明の演算手段が構成される。最終演算回路６３は、下記の式（１）により最終的な検出角度θを演算するようになっている。
θ＝（θ１＋θ２−１８０°）／２ ・・・式（１）

以上説明したこの実施形態の角度検出装置によれば、センサステータ６の検出コイルパターン４１につき、第１の検出コイル５１と第２の検出コイル５２との組み合わせコイルの配置に対し、第３の検出コイル５３と第４の検出コイル５４との組み合わせコイルの配置の位相が１８０度ずれている。従って、第１の検出角度θ１の位相に対し第２の検出角度θ２の位相が１８０度ずれることになり、第１の検出角度θ１及び第２の検出角度θ２における検出誤差の位相も１８０度ずれることになる。よって、各検出信号θ１，θ２に外部の電磁ノイズに起因する検出誤差が乗ったとしても、その検出誤差の位相も１８０度ずれることになる。このため、各演算回路６１〜６３により、第１の検出角度θ１と第２の検出角度θ２を平均することにより、３６０度周期の検出誤差である一次誤差が相殺され、最終的な検出角度θにおける検出誤差が低減する。この結果、角度検出装置につき、周期的な検出誤差（３６０度周期の検出誤差である一次誤差）を低減することができる。

図１０に、この実施形態の角度検出装置につき、一次誤差に関するキャンセルイメージをグラフにより示す。図１０に示すように、第１の検出角度θ１と第２の検出角度θ２は位相が１８０度ずれているため、それら２つの検出角度θ１，θ２を平均することにより、各検出角度θ１，θ２に含まれる３６０度周期の検出誤差である一次誤差を除去することができ、検出誤差のない最終的な検出角度θが得られることがわかる。

＜第２実施形態＞
次に、本発明における角度検出装置を具体化した第２実施形態につき図面を参照して詳細に説明する。

なお、以下に説明する各実施形態において、前記第１実施形態と同等の構成要素については、同一の符号を付して説明を省略し、異なった点を中心に説明する。

この実施形態では、本発明の演算手段の構成の点で第１実施形態と異なる。図１１に、第１〜第４の検出コイル５１〜５４と、それらの検出信号を演算するための演算回路６１，６２，６３，６４，６５とをブロック図により示す。この実施形態では、第１の演算回路６１、第２の演算回路６２及び最終演算回路６３に加えて、第３の演算回路６４及び第４の演算回路６５を備える。第３の演算回路６４には、第２の検出コイル５２と第３の検出コイル５３が接続される。第３の演算回路６４は、第２の検出コイル５２によるＳＩＮ相出力と第３の検出コイル５３によるＣＯＳ相出力とに基づいて第３の検出角度θ３を演算するようになっている。第４の演算回路６５には、第４の検出コイル５４と第１の検出コイル５１が接続される。第４の演算回路６５は、第４の検出コイル５４によるＳＩＮ相出力と第１の検出コイル５１によるＣＯＳ相出力とに基づいて第４の検出角度θ４を演算するようになっている。最終演算回路６３には、第１の演算回路６１と第２の演算回路６２に加えて、第３の演算回路６４と第４の演算回路６５が接続される。そして、最終演算回路６３は、第１の検出角度θ１と第２の検出角度θ２と第３の検出角度θ３と第４の検出角度θ４との平均から最終的な検出角度θを演算するようになっている。この実施形態で、第１の演算回路６１、第２の演算回路６２、第３の演算回路６４、第４の演算回路６５及び最終演算回路６３により、本発明の演算手段が構成される。最終演算回路６３は、下記の式（２）により最終的な検出角度θを演算するようになっている。
θ＝（θ１＋θ２+θ３＋θ４−５４０°）／４ ・・・式（２）

以上説明したこの実施形態の角度検出装置によれば、サンサステータ６の検出コイルパターン４１につき、第１の検出コイル５１と第２の検出コイル５２との組み合わせコイルの配置に対し、第２の検出コイル５２と第３の検出コイル５３との組み合わせコイルの配置の位相は９０度ずれている。第２の検出コイル５２と第３の検出コイル５３との組み合わせコイルの配置に対し、第３の検出コイル５３と第４の検出コイル５４との組み合わせコイルの配置の位相は９０度ずれている。また、第３の検出コイル５３と第４の検出コイル５４との組み合わせコイルの配置に対し、第４の検出コイル５４と第１の検出コイル５１との組み合わせコイルの配置の位相は９０度ずれている。従って、第１の検出角度θ１の位相に対し第３の検出角度θ３の位相が９０度ずれることになり、第３の検出角度θ３の位相に対し第２の検出角度θ２の位相も９０度ずれることになり、第２の検出角度θ２の位相に対し第４の検出角度θ４の位相も９０度ずれることになり、第４の検出角度θ４の位相に対し第１の検出角度θ１の位相も９０度ずれることになり、各検出角度θ１，θ３，θ２，θ４、における検出誤差の位相も９０度ずつずれることになる。このため、各演算回路６１〜６５により、４つの検出角度θ１，θ３，θ２，θ４を平均することにより、３６０度周期の検出誤差である一次誤差が相殺され、加えて１８０度周期の検出誤差である二次誤差が相殺され、最終的な検出角度θにおける検出誤差が低減する。この結果、角度検出装置につき、周期的な検出誤差（１８０度周期の検出誤差である二次誤差）を、第１実施形態に比べ更に低減することができる。

図１２に、この実施形態の角度検出装置につき、一次誤差及び二次誤差に関するキャンセルイメージをグラフにより示す。図１２に示すように、第１の検出角度θ１、第３の検出角度θ３、第２の検出角度θ２、第４の検出角度θ４は位相が９０度ずれているため、それら４つの検出角度θ１，θ３，θ２，θ４を平均することにより、各検出角度θ１，θ３，θ２，θ４に含まれる３６０度周期の検出誤差である一次誤差と、１８０度周期の検出誤差である二次誤差とを除去することができ、検出誤差のない最終的な検出角度θが得られることがわかる。

＜第３実施形態＞
次に、本発明における角度検出装置を具体化した第３実施形態につき図面を参照して詳細に説明する。

この実施形態では、本発明の異常検出手段を更に備えた点で第２実施形態と構成が異なる。図１３に、第１〜第４の検出コイル５１〜５４と、それらの異常を検出するための自乗和演算回路７１，７２，７３，７４及び異常検出回路７５とをブロック図により示す。この実施形態では、第１の演算回路６１、第２の演算回路６２、第３の演算回路６４、第４の演算回路６５及び最終演算回路６３から構成される演算手段とは別に、第１の自乗和演算回路７１、第２の自乗和演算回路７２、第３の自乗和演算回路７３、第４の自乗和演算回路７４及び異常検出回路７５から構成される異常検出手段が設けられる。第１の自乗和演算回路７１には、第１の検出コイル５１と第２の検出コイル５２が接続される。第１の自乗和演算回路７１は、第１の検出コイル５１によるＳＩＮ相出力の自乗（ＳＩＮ²θ１）と第２の検出コイル５２によるＣＯＳ相出力の自乗（ＣＯＳ²θ１）との和を第１の自乗和α１（＝ＳＩＮ²θ１＋ＣＯＳ²θ１）として演算するようになっている。第２の自乗和演算回路７２には、第３の検出コイル５３と第４の検出コイル５４が接続される。第２の自乗和演算回路７２は、第３の検出コイル５３によるＳＩＮ相出力の自乗（ＳＩＮ²θ２）と第４の検出コイル５２によるＣＯＳ相出力の自乗（ＣＯＳ²θ２）との和を第２の自乗和α２（＝ＳＩＮ²θ２＋ＣＯＳ²θ２）として演算するようになっている。第３の自乗和演算回路７３には、第２の検出コイル５２と第３の検出コイル５３が接続される。第３の自乗和演算回路７３は、第２の検出コイル５２によるＳＩＮ相出力の自乗（ＳＩＮ²θ３）と第３の検出コイル５３によるＣＯＳ相出力の自乗（ＣＯＳ²θ３）との和を第３の自乗和α３（＝ＳＩＮ²θ３＋ＣＯＳ²θ３）として演算するようになっている。第４の自乗和演算回路７４には、第４の検出コイル５４と第１の検出コイル５１が接続される。第４の自乗和演算回路７４は、第３の検出コイル５４によるＳＩＮ相出力の自乗（ＳＩＮ²θ４）と第１の検出コイル５１によるＣＯＳ相出力の自乗（ＣＯＳ²θ４）との和を第４の自乗和α４（＝ＳＩＮ²θ４＋ＣＯＳ²θ４）として演算するようになっている。異常検出回路７５には、第１〜第４の自乗和演算回路７１〜７４が接続される。そして、異常検出回路７５は、第１の自乗和α１、第２の自乗和α２、第３の自乗和α３及び第４の自乗和α４を比較することにより、第１の検出コイル５１、第２の検出コイル５２、第３の検出コイル５３又は第４の検出コイル５４の何れに異常があるかを特定するようになっている。

以上説明したこの実施形態の角度検出装置によれば、第２実施形態の作用効果に加え、次の作用効果を有する。すなわち、サンサステータ６の検出コイルパターン４１につき、第１の検出コイル５１、第２の検出コイル５２、第３の検出コイル５３及び第４の検出コイル５４のそれぞれに異常がなければ、第１の自乗和α１（＝ＳＩＮ²θ１＋ＣＯＳ²θ１）、第２の自乗和α２（＝ＳＩＮ²θ２＋ＣＯＳ²θ２）、第３の自乗和α３（＝ＳＩＮ²θ３＋ＣＯＳ²θ３）及び第４の自乗和α４（＝ＳＩＮ²θ４＋ＣＯＳ²θ４）は、それぞれ「１」になる。一方、各検出コイル５１〜５４の何れかに異常がある場合は、各自乗和α１〜α４の何れかが「１」にならなくなる。従って、各検出コイル５１〜５４の何れかに異常がある場合は、異常検出回路７５が各自乗和α１〜α４を比較することで、第１〜第４の検出コイル５１〜５４のうち何れの検出コイルに異常があるかを特定することが可能となる。このため、第１〜第４の検出コイル５１〜５４のうち何れかに断線等の異常がある場合は、その異常を検出することができ、異常のある検出コイル５１〜５４を特定することができる。

ここで、異常のない残りの検出コイルを使用することにより角度検出を行うことが可能となる。例えば、図１３において、第２の自乗和α２と第３の自乗和α３が「１」にならない場合、第３の検出コイル５３に異常があることを特定することができる。従って、図１１において、最終演算回路６３は、残りの第１の検出コイル５１と第２の検出コイル５２を、又は、第１の検出コイル５１と第４の検出コイル５４を使用することで、最終的な検出角度θを得ることができる。つまり、各検出コイル５１〜５４の何れかに断線等の異常がある場合に、その異常を検出することができ、異常のある検出コイルを特定することができ、異常のない検出コイルを使用することで、フェイルセーフとして最終的な検出角度θを得ることができる。

＜第４実施形態＞
次に、本発明における角度検出装置を具体化した第４実施形態につき図面を参照して詳細に説明する。

この実施形態では、本発明の演算手段の構成の点で第２実施形態と異なる。図１４に、第１〜第４の検出コイル５１〜５４と、それらの検出信号を演算するための演算回路６１，６２，６３，６４，６５とをブロック図により示す。この実施形態では、第１〜第４の検出コイル５１〜５４の形状と配置が第２実施形態のそれと異なる。すなわち、この実施形態では、第１の検出コイル５１と第２の検出コイル５２が、同一平面上にて略円環上をなすように配置され、第３の検出コイル５３と第４の検出コイル５４が、同一平面上にて略円環状をなすように配置される。第１及び第２の検出コイル５１，５２の組コイルと、第３及び第４の検出コイル５３，５４の組コイルとの間は、絶縁膜（図示略）により絶縁されている。

第１の検出コイル５１の−コイル５１Ａと＋コイル５１Ｂ、第２の検出コイル５２の−コイル５２Ａと＋コイル５２Ｂは、それぞれ円環を四分割してなる円弧形状をなしている。そして、これら−コイル５１Ａと＋コイル５１Ｂ、−コイル５２Ａと＋コイル５２Ｂが、同一円周上に配置されると共に、−コイル５１Ａと＋コイル５１Ｂが互いに１８０°位相の異なる位置に配置され、−コイル５２Ａと＋コイル５２Ｂが互いに１８０°位相の異なる位置に配置される。第３及び第４の検出コイル５３，５４の形状や配置は、第１及び第２の検出コイル５１，５２のそれに準ずる。

従って、この実施形態では、第２実施形態の作用効果に加え、次のような作用効果を有する。すなわち、第１及び第２の検出コイル５１，５２の組コイルと、第３及び第４の検出コイル５３，５４の組コイルをそれぞれ一層に形成できるので、検出コイルパターン４１が全体で２層構造となる。このため、全体で４層構造となる第２実施形態の検出コイルパターン４１に比べ、各検出コイル５１〜５４の積層数を減らすことができ、検出コイルパターン４１の厚みを減らすことができる。

＜第５実施形態＞
次に、本発明における角度検出装置を具体化した第５実施形態につき図面を参照して詳細に説明する。

この実施形態では、センサステータ６とセンサロータ７の構成の点で前記各実施形態と異なる。図１５に、センサステータ６における平面コイル３２の構成を概略的に平面図により示す。図１６に、センサロータ７を概略的に平面図により示す。図１５に示すように、センサステータ６の平面コイル３２は、第１及び第２の実施形態と同様の構成を有する検出コイルパターン４１と、その検出コイルパターン４１の周囲に配置されて円環状をなす励磁コイルパターン２６とを含む。また、図１６に示すように、この実施形態では、センサロータ７は、半円弧状をなす非磁性導電体プレートから構成され、その表面上には励磁コイルパターンは設けられていない。

上記構成において、励磁コイルパターン２６に励磁信号を入力すると、その電流値に応じて励磁コイルパターン２６に第１の磁束が発生する。この第１の磁束により、検出コイルパターン４１に誘起電圧が発生する。ここで、非磁性導電体プレートよりなるセンサロータ７の回転に伴い、そのセンサロータ７がセンサステータ６の検出コイルパターン４１と対向すると、センサロータ７に第１の磁束が入り、センサロータ７の表面に渦電流が発生する。この渦電流により、センサロータ７において、第１の磁束と逆向きの第２の磁束が発生し、両磁束が互いに打ち消し合い、全体として磁束がなくなる。従って、励磁コイルパターン２６で発生した第１の磁束は、センサロータ７がセンサステータ６の検出コイルパターン４１と対向しない領域だけに発生することになる。従って、センサロータ７が回転することにより、センサステータ６の検出コイルパターン４１で発生する誘起電圧が周期的に変動する。すなわち、検出コイルパターン４１を構成する第１〜第４の検出コイル５１〜５４の出力が周期的に変動する。これら出力により第２実施形態と同様に最終的な検出角度θを演算することができる。

以上説明したこの実施形態の角度検出装置によれば、前記各実施形態の作用効果に加え、次のような作用効果を有する。すなわち、非磁性導電体プレートからなるセンサロータ７が半円弧状をなすので、励磁コイルパターン２６により第１の磁束が発生するときに、センサロータ７と重ならない（対向しない）領域でのみ、第１の磁束が検出コイルパターン４１を通過し、検出コイルパターン４１に起電力（誘起電圧）が発生する。一方、励磁コイルパターン２６により第１の磁束が発生するときに、センサロータ７と重なる（対向する）領域では、第１の磁束がセンサロータ７に当たり、センサロータ７の表面に渦電流が発生する。この渦電流により、第１の磁束と逆方向きの第２の磁束が発生し、それら両磁束が互いに打ち消し合うことで、検出コイルパターン４１に誘導電流が発生しない。このような作用の連続により、検出コイルパターン４１の全体から適切な検出信号を得ることができ、角度検出装置としての角度検出を行うことができる。ここで、センサロータ７は、非磁性導電体プレートより半円弧状に形成されるだけなので、センサロータ７の製造コストを抑えることができ、延いては、角度検出装置の製造コストを抑えることができる。

この実施形態では、センサステータ６に励磁コイルパターン２６と検出コイルパターン４１の両方が設けられる。従って、励磁コイルパターン２６と検出コイルパターン４１がセンサステータ１３とセンサロータ７に分けて設けられる場合と異なり、検出コイルパターン４１による検出信号をセンサロータ７とセンサステータ６との間でやりとりする必要がなくなり、信号やりとりのためのロータリートランスコイルを省略することができる。この結果、角度検出装置の構成を簡略化することができ、この意味で角度検出装置をコンパクトにすることができる。

この実施形態では、センサステータ６において、検出コイルパターン４１の外周側が、励磁コイルパターン２６により取り囲まれるので、検出コイルパターン４１の外周側全体に励磁コイルパターン２６から連続した均一な磁界がかけられる。特に、この実施形態では、励磁コイルパターン２６が円環状をなすので、同コイルパターン２６の全周にわたって均一な磁界を発生させることができる。このため、検出コイルパターン４１の周方向に連続して均一に励磁信号を供給することができ、この意味で、角度検出装置による角度検出精度を向上させることができる。

この実施形態では、センサロータ７が、非磁性導電体プレートにより構成されるので、センサロータ７の表面に発生する渦電流が増加し、第２の磁束が確実に発生することから、励磁コイルパターン２６で発生する第１の磁束を打ち消す効率がよくなる。このため、Ｓ／Ｎ比が大きく（ノイズが小さく）なり、角度検出装置による角度検出精度を向上させることができる。

なお、この発明は前記実施形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱することのない範囲で以下のように実施することができる。

前記各実施形態では、センサロータ７を構成する励磁コイルパターン２６を、円周方向に配置された４つのコイル部２６ａ，２６ｂ，２６ｃ，２６ｄにより構成した。すなわち、円弧状をなす４つのコイル部２６ａ〜２６ｄにより円環状をなす励磁コイルパターン２６を構成した。これに対し、図１７に示すように、半円弧状をなす−コイル２８Ａと＋コイル２８Ｂとにより円環状をなす励磁コイルパターン２６を構成することもできる。図１７は、励磁コイルパターン２６を概略的に平面図により示す。

この発明は、モータやエンジンの出力軸につき、その回転角度の検出に利用することができる。

１ 角度センサ
６ センサステータ
７ センサロータ
１４ 回転軸
２１ ロータ基板
２１ａ 表面
３１ ステータ基板
３１ａ 表面
３２ 平面コイル
４１ 検出コイルパターン
４２ ロータリートランスコイルパターン
５１ 第１の検出コイル
５２ 第２の検出コイル
５３ 第３の検出コイル
５４ 第４の検出コイル
６１ 第１の演算回路（演算手段）
６２ 第２の演算回路（演算手段）
６３ 最終演算回路（演算手段）
６４ 第３の演算回路（演算手段）
６５ 第４の演算回路（演算手段）
７１ 第１の自乗和演算回路（異常検出手段）
７２ 第２の自乗和演算回路（異常検出手段）
７３ 第３の自乗和演算回路（異常検出手段）
７４ 第４の自乗和演算回路（異常検出手段）
７５ 異常検出回路（異常検出手段）
θ１ 第１の検出角度
θ２ 第１の検出角度
θ 最終的な検出角度
θ３ 第３の検出角度
θ４ 第４の検出角度
α１ 第１の自乗和
α２ 第２の自乗和
α３ 第３の自乗和
α４ 第４の自乗和

Claims (3)

1. 回転軸に取り付けられるセンサロータと、
   前記センサロータの表面に対し表面が隙間を介して対向して配置され、前記表面に円環状の平面コイルが形成されたセンサステータと、
   前記センサステータの平面コイルが複数の検出コイルを含むことと
   を備え、前記センサロータが前記回転軸と一体に回転することにより前記各検出コイルで起電力が発生し、その起電力に基づいて前記回転軸の回転角度を検出するように構成した角度検出装置であって、
   前記複数の検出コイルは、第１の検出コイルと、前記第１の検出コイルに対し電気角で９０度位相のずれた位置に配置される第２の検出コイルと、前記第１の検出コイルに対し電気角で１８０度位相のずれた位置に配置される第３の検出コイルと、前記第１の検出コイルに対し電気角で２７０度位相のずれた位置に配置される第４の検出コイルとを含み、
   前記第１の検出コイルと前記第３の検出コイルは互いに重なり合い、かつ、互いに逆向きの起電力が発生するように配置され、
   前記第２の検出コイルと前記第４の検出コイルは互いに重なり合い、かつ、互いに逆向きの起電力が発生するように配置され、
   前記第１の検出コイルと前記第２の検出コイルの出力に基づく第１の検出角度と、前記第３の検出コイルと前記第４の検出コイルの出力に基づく第２の検出角度との平均から最終的な検出角度を演算する演算手段を備えた
   ことを特徴とする角度検出装置。
2. 前記演算手段は、前記第１の検出角度と、前記第２の検出角度と、更に、前記第２の検出コイルと前記第３の検出コイルの出力に基づく第３の検出角度と、前記第４の検出コイルと前記第１の検出コイルの出力に基づく第４の検出角度との平均から最終的な検出角度を演算することを特徴とする請求項１に記載の角度検出装置。
3. 前記第１の検出角度に係るＳｉｎ相出力とＣｏｓ相出力の自乗和を第１の自乗和として、前記第２の検出角度に係るＳｉｎ相出力とＣｏｓ相出力の自乗和を第２の自乗和として、前記第３の検出角度に係るＳｉｎ相出力とＣｏｓ相出力の自乗和を第３の自乗和として、前記第４の検出角度に係るＳｉｎ相出力とＣｏｓ相出力の自乗和を第４の自乗和としてそれぞれ算出し、これら４つの自乗和を比較することにより、前記第１の検出コイル、前記第２の検出コイル、前記第３の検出コイル又は前記第４の検出コイルの何れに異常があるかを特定するための異常検出手段を更に備えたことを特徴とする請求項２に記載の角度検出装置。

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