JP2018531392A6 - 回転角度センサ - Google Patents

Abstract

回転角度センサ（１０）は、少なくとも３つのコイル（２０）を有するステータエレメント（１２）と、前記ステータエレメント（１２）に対して回転可能に支持されたロータエレメント（１４）であって、回転角度に依存して異なる強さで前記少なくとも３つのコイル（２０）の各々と誘導結合されるように構成されているロータエレメント（１４）と、前記ロータエレメント（１４）と前記ステータエレメント（１２）との間の回転角度を特定するための評価ユニット（２２）とを含む。前記評価ユニット（２２）は、前記コイル（２０）のうちのそれぞれ第１の部分に交番電圧が供給されるように、かつ、当該評価ユニットによって残余の部分が非導通となるように、前記コイル（２０）に周期的に順次に交番電圧を供給するように構成されており、前記評価ユニットは、周期的に順次に１つ又は複数の非導通のコイル（２０）において、それぞれ誘導された交番電圧の位相及び／又は大きさを特定し、ここから回転角度を特定するように構成されている。

Description

発明の分野
本発明は、例えばシャフトと他の構成要素との間の回転角度を特定することができる回転角度センサに関する。

従来技術
回転角度を測定するために、例えば、対応する磁場センサによって磁石が回転させられる回転角度センサが公知である。この場合、磁場ベクトルを測定することによって回転角度を帰納的に推定することが可能となる。このようなセンサはまた、例えば、隣り合って配置された電流ケーブルの電流の流れによって引き起こされる外部磁場にも反応し、非常に敏感であり得る。

別の形式の回転角度センサは、渦電流効果を利用する。この場合、例えば、金属ターゲットがセンサコイルによって動かされ、このセンサコイルには交番電圧が供給され、このセンサコイルがターゲットにおいて渦電流を誘導する。このことにより、センサコイルのインダクタンスが減少し、周波数の変化によって回転角度を推定することが可能となる。例えばコイルは、共振回路の構成部分であり、この共振回路の共振周波数は、インダクタンスが変化するとシフトする。しかしながら、この形式の回転角度センサは、設置誤差（特にターゲットの傾き）に対して高い交差感度を有し得る。また、一般的に数１０ＭＨｚの範囲の周波数で動作されるので、生成される周波数が外部電磁場によって干渉され得る（インジェクションロッキング）。

米国特許第７１９１７５９号明細書（ＵＳ７１９１７５９Ｂ２）、米国特許第７２７６８９７号明細書（ＵＳ７２７６８９７Ｂ２）、欧州特許第０９０９９５５号明細書（ＥＰ０９０９９５５Ｂ１）、米国特許第６２３６１９９号明細書（ＵＳ６２３６１９９Ｂ１）及び欧州特許第０１８２０８５号明細書（ＥＰ０１８２０８５Ｂ１）から、複数の結合されたコイルをベースにした回転角度センサも公知である。これらの文献においては、単一の励磁コイルにおいて交番電磁場が生成され、この交番電磁場が複数の受信コイルに結合されて、そこでそれぞれ１つの電圧を誘導する。回転角度を測定するために、回転可能に支持された導電性のターゲットが使用され、このターゲットは、自身の角度位置に依存して、励磁コイルと受信コイルとの間の誘導結合に影響を与える。

米国特許第７１９１７５９号明細書 米国特許第７２７６８９７号明細書 欧州特許第０９０９９５５号明細書 米国特許第６２３６１９９号明細書 欧州特許第０１８２０８５号明細書

発明の開示
発明の利点
本発明の実施形態は、有利には、外部干渉及び／又は構成要素の誤差が測定に対してわずかにしか影響を与えなくなるように、シャフトと他の構成要素との間の回転角度を特定することを可能にする。

本発明は、特に大きい干渉電磁場を有する環境において使用することができる回転角度センサに関する。例えば、スロットルバルブの位置、ＢＬＤＣモータのロータ位置、アクセルペダルの位置、又は、カムシャフトの位置を特定するために、例えば、車両のエンジンルームの内部又は近傍において回転角度センサを使用することができる。

本発明の１つの実施形態によれば、回転角度センサは、少なくとも３つのコイルを有するステータエレメントと、前記ステータエレメントに対して回転可能に支持されたロータエレメントであって、回転角度に依存して異なる強さで前記少なくとも３つのコイルの各々と誘導結合されるように、又は、誘導エレメントによって前記３つのコイルをそれぞれ異なるように覆うように構成されているロータエレメントと、前記ロータエレメントと前記ステータエレメントとの間の回転角度を特定するための評価ユニットとを含む。評価ユニット（例えば、ＩＣ即ち集積回路、又は、ＡＳＩＣ即ち特定用途向け集積回路）も担持することができるステータエレメントは、例えば、ロータエレメントが固定されているシャフトの端部に対向するように配置することができる。ロータエレメントは、ターゲット又は誘導エレメントを担持することができ、このターゲット又は誘導エレメントは、シャフトと共に連行移動され、コイルを覆うことによってコイルのインダクタンスを変化させる。

前記評価ユニットは、前記コイルのうちのそれぞれ第１の部分に交番電圧が供給されるように、かつ、当該評価ユニットによって残余の部分が非導通となるように、前記コイルに周期的に順次に交番電圧を供給するように構成されている。この文脈における「非導通」とは、該当するコイルに直接的に評価ユニットによって交番電圧が供給されないことを意味する。回転角度センサの全てのコイルは、回転角度に依存して異なる強さでロータと誘導結合されるので、コイル同士の間の結合も回転角度に依存する。１つ又は複数のコイルが導通される（交番電圧が供給される）と、このことにより、誘導結合を介して上記残余の非導通のコイル内において誘導された交番電圧を生成し、従って、この誘導された交番電圧も、回転角度に依存している。導通されたコイルのうちの１つ、２つ、又は、３つ以上において交番電磁場が生成され、この交番電磁場が、ロータエレメントの位置に応じて残余の複数のコイル又は残余の１つのコイルにおいて電圧を誘導し、この電圧によって回転角度を帰納的に推定することが可能となる。

さらに、前記評価ユニットは、周期的に順次に１つ又は複数の非導通のコイルにおいて、それぞれ誘導された交番電圧の位相及び／又は大きさを特定し、ここから回転角度を特定するように構成されている。例えば、評価ユニットは、交番電圧が供給されないコイルにおいて、誘導された電圧を測定することができる。交番電圧は、例えば１ＭＨｚ未満の周波数とすることができ、これによって、インジェクションロッキングを回避することができる。

交番電圧が供給されるコイルを、送信コイルとして理解することができ、非導通のコイルを、受信コイルとして理解することができる。回転角度センサの場合には、必ずしも常に同一のコイルに交番電圧が供給されるわけではなく、また、誘導された交番電圧が必ずしも常に同一のコイルにおいて特定されるわけではなく、複数のコイルが周期的に順次に送信コイル又は受信コイルとして機能する。これにより、（１ミリ秒の桁数を有する）１回のサイクルにおいて複数の別個の測定を実施することが可能となる。コイルの個数がＮであり、導通されたコイルの個数Ｍ＜Ｎである場合には、１回のサイクルにつきＮ＊（Ｎ−Ｍ）の、大きさ及び／又は位相に関するそれぞれ異なる測定を実施することができる。
Ｎ＝３の場合には、導通されたコイルが１つ（Ｍ＝１）であれば６つの測定であり、導通されたコイルが２つ（Ｍ＝２）であれば３つの測定である。これにより、常に同一のコイルのみが導通される場合よりも、回転角度の特定を格段により正確にすることが可能となる。

本発明の１つの実施形態によれば、前記評価ユニットは、前記コイルのうちの前記第１の部分からの少なくとも２つのコイルに、それぞれ異なる交番電圧が同時に供給されるように構成されている。例えば、前記コイルのうちの前記第１の部分からの前記コイルに供給される交番電圧は、それぞれ異なる周波数、それぞれ異なる位相、及び／又は、それぞれ異なる大きさを有することができる。

交番電圧は、例えば、それぞれ異なる周波数を有することができる。その場合、非導通のコイルにおいて、回転角度に依存した強さを有する両方の周波数の成分を有する１つの交番電圧が誘導される。誘導された交番電圧のフーリエ解析によってこれらの成分を特定して、回転角度を特定することができる。

周波数が同等である場合には、交番電圧の大きさ及び／又は位相をそれぞれ異ならせることができる。それぞれ位相が異なっている複数の交番電圧が、１つの非導通のコイルにおいて１つの交番電圧を誘導し、この交番電圧の大きさと、生成された複数の交番電圧に対する位相シフトとは、回転角度に依存している。

しかしながら、２つ又は３つ以上のコイルに同等の交番電圧を供給することも可能である。

本発明の１つの実施形態によれば、単一のコイルにのみ交番電圧が供給され、残余のコイルにおいて、それぞれ誘導された交番電圧の大きさ及び／又は位相が特定される。従って、センサが合計で３つのコイルを有する場合には、周期的に１つのコイルに導通し、他の２つのコイルにおいて電圧を特定すること、又は測定することができる。

本発明の１つの実施形態によれば、単一のコイルにおいて、誘導された交番電圧が特定され、残余の複数のコイルには交番電圧が供給される。センサが合計３つのコイルを有する場合には、周期的に２つのコイルに同時に導通し、第３のコイルにおいて電圧を測定することができる。

本発明の１つの実施形態によれば、前記評価ユニットは、特定された交番電流の大きさ及び／又は位相から、又は、前記誘導された交番電圧の前記大きさ及び／又は前記位相から、前記ステータエレメントと前記ロータエレメントとの間の軸線方向の距離を特定するように構成されている。現在の回転角度に加えて、角度特定における系統誤差を低減するために（例えば、時間で平均することによって）２つの構成要素の距離を特定することもできる。

本発明の１つの実施形態によれば、前記コイルは、平面コイルである。この場合、平面コイルとは、巻線又は巻回部が全て実質的に１つの平面内に位置するコイルであると理解すべきである。平面コイルは、例えば、自身の直径の１％だけの高さを有することができる。

本発明の１つの実施形態によれば、前記コイルは、プリント基板の上及び／又は内部に配置されている。例えば、全ての巻線又は巻回部を１つのプリント基板の両側に被着させることができる。複数の平面を有するプリント基板の場合には、巻線又は巻回部をプリント基板の内部にも延在させることができる。プリント基板は、評価ユニットのための構成要素及び／又はＩＣを担持することもできる。

本発明の１つの実施形態によれば、前記コイル同士は、軸線方向において互いに少なくとも部分的に重なり合っている。複数のコイルを、ステータエレメントにおいて実質的に１つの平面内に（例えばプリント基板の上又は内部に）配置することができ、この場合、これらのコイルは、周方向において互いにずらされている。コイルの各々を、実質的に軸線方向に対して直交する１つの平面内に配置することができる。２つのコイルが軸線方向において少なくとも部分的に重なり合っているとは、これらの２つのコイルが、軸線方向に見たときに少なくとも部分的に重なり合っていることであると理解することができる。このことは、２つのコイルが、軸線方向に対して直交する平面に対して軸線方向に突出している場合に、少なくとも部分的に重なり合っていることであるとも理解することができる。

本発明の１つの実施形態によれば、前記コイルの各々は、周方向において順次連続した少なくとも２つの巻線又は区分を有する。これらのコイルは、例えば軸線方向に見て（即ち、ロータエレメントの回転軸線の方向に見て）周方向に順次連続して配置された複数のループを有することができる。この場合、１つの巻線又は１つの区分は、コイルの１つ又は複数の導体ループを含むことができ、この１つ又は複数の導体ループが、コイルによって取り囲まれた面積を完全に取り囲んでいる。これらの巻線は、ロータエレメントの回転軸線に対して実質的に直交する１つの平面内に延在することができる。

本発明の１つの実施形態によれば、前記コイルの各々は、少なくとも１つの第１の巻線及び少なくとも１つの第２の巻線を有し、前記少なくとも１つの第１の巻線と前記少なくとも１つの第２の巻線とは、それぞれ逆向きに方向付けられている。コイルに交番電圧が供給されると、このコイルが１つの交番電磁場を生成し、この交番電磁場は、第１の巻線においては（実質的に）第１の方向に方向付けられており、第２の巻線においては（実質的に）逆向きの第２の方向に方向付けられている。第１の方向及び第２の方向は、ロータエレメントの回転軸線に対して実質的に平行に延在することができる。

コイルによって生成された交番磁場は、ロータエレメントにおいて（ロータエレメントの姿勢に依存して）電流を誘導し、今度はこの電流が交番磁場を生成し、この交番磁場は、コイル又はコイルの巻線と相互作用して、インダクタンスを変化させる。

コイルに対して作用し、それぞれ逆向きに方向付けられた２つの巻線を通って実質的に均一に延在している外部電磁場は、（これらの巻線のインダクタンスが同等の大きさである場合に）実質的に打ち消し合う複数の電流をコイルにおいて生成する。このようにして外部干渉場を補償することができる。

本発明の１つの実施形態によれば、１つのコイルの第１の巻線と第２の巻線とは、前記ステータエレメントの周方向において交互に配置されている。このようにして、１つのコイルにつき、順次連続的にそれぞれ逆向きに方向付けられた複数の巻線からなる１つのチェーンが生成される。

本発明の１つの実施形態によれば、前記第１の巻線によって取り囲まれた面積は、前記第２の巻線によって取り囲まれた面積と同等である。それぞれの巻線が同等の個数の導体ループを有する場合には、このことにより、実質的に均一な干渉場が既にコイルによって抑制されることとなる。この場合、１つ又は複数のコイルがそれぞれ異なる大きさの巻線を有することが可能である。

本発明の１つの実施形態によれば、１つのコイルの複数の巻線は、それぞれ異なる面積を取り囲んでいる。１つのコイルにつき複数の巻線が設けられている場合には、コイルがそれぞれ異なる大きさの巻線を有することも可能であり、従って、コイル同士は重なり合っているが、巻線同士は互いにずらされて配置されている。

本発明の１つの実施形態によれば、複数のコイルの複数の巻線は、互いにずらされて配置されている。これによって、ロータエレメント又はロータエレメントの上に設けられた誘導エレメントは、それぞれ異なるコイルの、少なくとも部分的に重なり合っている複数の巻線をそれぞれ異なる程度で覆うので、複数の該当するコイルのインダクタンスがそれぞれ異なるようになる。

本発明の１つの実施形態によれば、前記コイルは、前記ステータエレメントの単一の角度範囲に配置されている。例えば、ロータエレメントの回転軸線の中心点を中心にして複数のコイルを互いにα／Ｎ（Ｎはコイルの個数、α＝センサの検知範囲、≦３６０°）だけずらして配置することができる。コイル同士が完全に重なり合うように、かつ、これらのコイルの巻線だけが互いにずらされて配置されているようにすることも可能である。

本発明の１つの実施形態によれば、前記コイルの各々は、前記ステータエレメントを完全に取り囲んでいる。全てのコイルは、ステータエレメントを中心として１つの円弧部分（＜３６０°）又は完全円弧（＝３６０°）に沿って配置することができる。この場合、コイルによって取り囲まれる面積は、ステータエレメントの軸線又は中心を覆っている必要がないことを理解すべきである。即ち、コイルをステータエレメントの縁部領域のみに配置することができる。例えば、コイルを（約１２０°の）円弧部分に沿って配置することができ、この場合、相補的な円弧部分（例えば、残余の２４０°）上には、コイルは配置されない。

本発明の１つの実施形態によれば、前記ロータエレメントは、当該ロータエレメントの角度範囲に配置されている少なくとも１つの誘導エレメント又はターゲットを有する。換言すれば、誘導エレメントは、ロータエレメントの一部のみを取り囲んでいる。コイルと同様にして、誘導エレメントをロータエレメントの縁部領域のみに設けることができる。誘導エレメントは、金属ターゲットとすることができ、この金属ターゲットは、軸線方向においてステータエレメントに対向してロータエレメントの上に回転可能に配置されている。誘導エレメントは、プリント基板上に固体材料又は導体から製造することができる。誘導エレメントを、フライス加工部のような固体材料の切り欠きによって用意することも、又は、打ち抜き部材として用意することもできる。

本発明の１つの実施形態によれば、前記誘導エレメントは、軸線方向において実質的にコイルの単一の巻線を覆っている。誘導エレメントとコイルの巻線とを、実質的に軸線方向に対して直交する１つの平面内に配置することができる。誘導エレメントとコイルの巻線とが少なくとも部分的に重なり合っているとは、誘導エレメントとコイルの巻線とが軸線方向に見たときに少なくとも部分的に重なり合っていることであると理解することができる。このことは、誘導エレメントとコイルの巻線とが、軸線方向に直交する平面に対して軸線方向に突出している場合に、少なくとも部分的に重なり合っていることであるとも理解することができる。

このようにして、誘導エレメントは、最大で１つの巻線のインダクタンスだけを変化させ、回転センサは最大の分解能を獲得する。ロータエレメントが複数の誘導エレメントを含み、これらの誘導エレメントが、例えば回転軸線を中心として周方向において同等の距離をおいて配置されているようにすることも可能である。

図面の簡単な説明
以下、添付の図面を参照しながら本発明の実施形態について説明するが、図面も説明も本発明を限定するものとして解釈されるべきではない。

本発明の１つの実施形態による回転角度センサの概略図である。 本発明の別の実施形態による回転角度センサの概略図である。 図２の回転角度センサに関するコイルレイアウトの概略図である。 図２の回転角度センサに関するコイルレイアウトの概略図である。 図２の回転角度センサに関するコイルレイアウトの概略図である。 図２の回転角度センサのための誘導エレメントを示す図である。 本発明の別の実施形態による回転角度センサの概略図である。 図５の回転角度センサに関するコイルレイアウトの概略図である。 図５の回転角度センサに関するコイルレイアウトの概略図である。 図５の回転角度センサに関するコイルレイアウトの概略図である。 図５の回転角度センサのための誘導エレメントを示す図である。 本発明の１つの実施形態による回転角度センサに関する導通スキーマを示す図である。 本発明の別の実施形態による回転角度センサに関する導通スキーマを示す図である。

図面は、概略的なものに過ぎず、縮尺通りではない。同一の参照符号は、図面において、同一の、又は、同等の作用を有する特徴を表している。

発明を実施するための形態
図１は、ステータエレメント１２及びロータエレメント１４からなる回転角度センサ１０を示す。ロータエレメント１４は、例えば、スロットルバルブ、モータ、カムシャフト、アクセルペダル等のような構成要素のシャフト１６に固定することができ、又は、このシャフト１６によって提供することができる。シャフト１６は、軸線Ａを中心にして回転可能であり、ステータエレメント１２は、対応する軸線方向においてロータエレメント１４に対向している。例えば、ステータエレメント１２は、構成要素のハウジングに固定されている。

ステータエレメント１２は、プリント基板１８を含み、プリント基板１８上には、複数のコイル２０がプリント基板１８の平面内に配置されている。プリント基板１８は、多層プリント基板１８とすることができ、コイル２０の導体は、プリント基板１８の両側と、プリント基板１８の個々の層の間とに配置することができる。プリント基板１８上には、評価ユニット２２のための別の構成要素を配置することができる。評価ユニット２２は、コイル２０の各々に交番電圧を供給することができ、コイル２０の各々において、誘導された交番電圧を特定することもできる。これらの測定値に基づいて評価ユニット２２は、ステータエレメント１２とロータエレメント１４との間の相対的な回転角度を特定することができる。

ロータエレメント１４は、軸線方向においてコイル２０に対向する１つ又は複数の誘導エレメント２４を含む。誘導エレメント２４は、図１に示されているように、シャフト１６に固定された別のプリント基板の上に配置することができる。シャフト１６の端部を加工することによって１つ又は複数の誘導エレメント２４を形成することも可能である。

評価ユニット２２が１つ又は複数のコイル２０に交番電圧を供給すると、これらのコイル２０が磁場を生成し、今度はこの磁場が、導電性材料から製造された誘導エレメント２４において渦電流を誘導する。今度はこの渦電流が磁場を生成し、この磁場は、コイル２０と相互作用してコイル２０のインダクタンスを変化させる。このインダクタンスの変化に基づいて、評価ユニット２２は、回転角度を特定することができる。

図２は、回転角度センサを示し、この回転角度センサのコイル（第１のコイル２０ａ、第２のコイル２０ｂ、第３のコイル２０ｃ）は、軸線Ａを中心として３６０°より小さい角度範囲（ここでは約１２０°）のみを覆っている。より明瞭にいえば、コイルの各々は、完全な角度範囲を覆ってはいない。

３つのコイル２０ａ，２０ｂ，２０ｃは、第１の端子２６及び第２の端子２８において評価ユニット２２に接続されており、そこで評価ユニット２２によって周期的に交番電圧が供給される。例えば、３つのステップからなる１回のサイクルにおいて、まず始めに第１のコイル２０ａに交番電圧が供給され、次いで第２のコイル２０ｂに交番電圧が供給され、次いで第３のコイル２０ｃに交番電圧が供給される。この場合、残余の２つのコイルは非導通のままである。誘導エレメント２４（ここでは図示せず）の姿勢が回転角度に依存していることにより、３つのコイル２０ａ，２０ｂ，２０ｃは、回転角度に依存してそれぞれ異なる強さで誘導エレメント２４に結合され、ひいては相互にも結合される。従って、回転角度に応じて非導通のコイルにおいて交番電圧が誘導され、この交番電圧の大きさ及び／又は位相を特定することができる。例えば、これらのコイルにおいて、交番電流、又は、交番電流の大きさ及び／又は位相を測定することができ、ここから、電圧、又は、電圧の大きさ及び／又は位相を導出することができる。

従って、１回のサイクルにおいて、１つの導通されたコイル２０と２つの非導通のコイル２０からなる３つの異なる構成に関して、それぞれ２つの異なる大きさ及び／又は位相が特定され、その後、評価ユニット２２は、この大きさ及び／又は位相から現在の回転角度を計算することができる。

これに代えて、評価ユニット２２は、３つのステップからなる１回のサイクルにおいて、まず始めに第１のコイル２０ａ及び第２のコイル２０ｂに２つの交番電圧を供給し、次いで第２のコイル２０ｂ及び第３のコイル２０ｃに２つの交番電圧を供給し、次いで第３のコイル２０ｂ及び第１のコイル２０ａに２つの交番電圧を供給するようにしてもよい。その場合、残余の１つのコイルにおいて交番電圧が誘導され、その後、この交番電圧の大きさ及び／又は位相から回転角度を特定することができる。

回転角度に加えて、誘導された交番電圧の特定された位相及び／又は大きさから、軸線方向における誘導エレメント２４又はロータエレメント１４とセンサエレメント１２と間の距離も、例えば、複数回のサイクルにわたって平均値を算出することによって特定することができる。

図２はさらに、３つのコイル２０ａ，２０ｂ，２０ｃが、１つの平面内に位置する複数の巻線３４を有する平面コイルとして形成されていることを示す。これらのコイル２０ａ，２０ｂ，２０ｃは、ステータエレメント１２上で周方向において互いにずらされて配置されている。これらのコイル２０ａ，２０ｂ，２０ｃは、軸線方向に沿って見たときに、又は平面図において周方向に沿って、少なくとも部分的に重なり合っている。

図３Ａ、図３Ｂ及び図３Ｃは、３つのコイル２０ａ，２０ｂ，２０ｃに関する、起こり得るコイルレイアウトを概略的に示す。図３Ａのコイル２０ａは、第１の巻線３４ａ及び第２の巻線３４ｂをそれぞれ１つ含む。両方の巻線３４ａ，３４ｂは、同等の大きさであり、又は、同等の面積を取り囲んでいる。両方の巻線は、周方向に沿って互いにずらされている。

図３Ｂのコイル２０ｂ及び図３Ｃのコイル２０ｃは、それぞれ２つの第１の巻線３４ａと、それぞれ１つの第２の巻線３４ｂとを含む。第２の巻線３４ｂは、周方向において第１の巻線３４ａ同士の間に配置されている。第１の巻線３４ａは、第２の巻線３４ｂとは異なる大きさであり、及び／又は、それぞれ第２の巻線３４ｂよりも小さい。第１の巻線３４ａによって取り囲まれた面積の合計は、第２の巻線３４ｂによって取り囲まれた面積に一致する。

図３Ａ，図３Ｂ，図３Ｃに示されたコイル２０ａ，２０ｂ，２０ｃは、回転角度センサにおいて互いに完全に重なり合うように取り付けることができる。この場合、コイル２０ａ，２０ｂ，２０ｃの各々には、図２に示されているように、個別の交番電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３が供給される。このようにして、それぞれ異なる大きさの面積を取り囲んでいるコイル２０ｂ，２０ｃの巻線３４ａ，３４ｂは、コイル２０ａの巻線３４ａ，３４ｂに対してずらされており、従って、コイル２０ａ，２０ｂ，２０ｃの巻線３４ａ，３４ｂは、それぞれ常に部分的にのみ他のコイルの巻線３４ａ，３４ｂによって覆われている。このようにして、３つのコイル２０ａ，２０ｂ，２０ｃによって覆われる角度範囲に関して最大の角度分解能を達成することができる。

コイル２０ａ，２０ｂ，２０ｃの各々は、それぞれの逆向きの複数の巻線を含み、これらの巻線は、第１の方向性を有する第１の巻線３４ａと、第２の逆向きの方向性を有する第２の巻線３４ｂとに区分することができる。それぞれのコイルの巻線３４ａ，３４ｂは、軸線Ａを中心として周方向に順次連続して配置されており、従って、交互の方向性を有する複数の巻線からなる１つのチェーンが生成される。

第１の巻線３４ａ及び第２の巻線３４ｂは、それぞれ同等の面積を取り囲んでおり、従って、コイル２０ａ，２０ｂ，２０ｃの各々による均一な（干渉）磁場が、それぞれの巻線３４ａ，３４ｂにおいて電流を生成しはするが、個々の電流は、コイル２０ａ，２０ｂ，２０ｃにおいて互いに打ち消し合っている。

図４は、誘導エレメント２４と、明瞭化の理由から単一のコイル即ち第１のコイル２０ａとを示す。ただし、以下の説明は、第２のコイル２０ｂ及び第３のコイル２０ｃについても該当し得る。図４が示すように誘導エレメント２４は、１つの巻線とほぼ同等の大きさであり、即ち、軸線方向から見て又は軸線方向に沿った投影図において、周に沿ってほぼ同等の面積を覆っている。巻線３４ａ，３４ｂの各々が磁場を生成し、今度はこの磁場が誘導エレメント２４において渦電流を生成し、今度はこの渦電流が磁場を生成し、そして、この磁場がそれぞれの巻線において電流を生成し、このようにして、それぞれの巻線３４ａ，３４ｂのインダクタンス、ひいてはコイル２０ａ，２０ｂ，２０ｃの総インダクタンスが変化する。従って、誘導エレメントを有するロータエレメント１４の角度位置に依存して、コイル２０ａ，２０ｂ，２０ｃのインダクタンスが変化する。それぞれ異なるコイル２０ａ，２０ｂ，２０ｃの第１の巻線３４ａと第２の巻線３４ｂとが互いにずらされて配置されているので、誘導エレメント２４は、それぞれのコイル２０ａ，２０ｂ，２０ｃのインダクタンスを追加的にそれぞれ異なるように変化させ、これによって、回転角度センサ１０の良好な角度分解能が得られる。

図５乃至図７は、図２乃至図４に類似した図を示す。特に断りのない限り、図２乃至図４に関する説明が相応に適用される。

図５乃至図７には、回転角度センサ１０が示されており、この回転角度センサ１０の第１のコイル２０ａ、第２のコイル２０ｂ及び第３のコイル２０ｃは、センサエレメント１２を完全に取り囲んでいる。コイル２０ａ，２０ｂ，２０ｃは、同等に構成されている。図２と同様に、コイル２０ａ，２０ｂ，２０ｃは、ステータエレメント１２上で互いにずらされて配置されている。コイル２０ａ，２０ｂ，２０ｃのそれぞれ６つの巻線３４ａ，３４ｂは全て、外部干渉場を補償するためにそれぞれ同等の面積を取り囲んでいる。巻線の個数は、６つに限定されているわけではないが、干渉場を補償するために偶数にすべきである。巻線の個数及び開口角度から、センサの周期性が得られる。
図５乃至図７には、回転角度センサ１０が示されており、この回転角度センサ１０の第１のコイル２０ａ、第２のコイル２０ｂ及び第３のコイル２０ｃは、センサエレメント１２を完全に取り囲んでいる。コイル２０ａ，２０ｂ，２０ｃは、同等に構成されている。図２と同様に、コイル２０ａ，２０ｂ，２０ｃは、ステータエレメント１２上で互いにずらされて配置されている。コイル２０ａ，２０ｂ，２０ｃのそれぞれ６つの巻線３４ａ，３４ｂは全て、外部干渉場を補償するためにそれぞれ同等の面積を取り囲んでいる。巻線の個数は、６つに限定されているわけではないが、干渉場を補償するために偶数にすべきである。巻線の個数及び開口角度から、センサの周期性が得られる。

図７は、ロータエレメント１４上に３つの誘導エレメント２４を配置することも可能であることを示す。それぞれほぼ１つの巻線３４ａ，３４ｂを覆っている３つの互いに１２０°だけずらされた誘導エレメント２４によって、１２０°の一意性範囲において誤差をより良好に補償することができる。この場合、図面をより明瞭にするため、かつ、誘導エレメント２４とコイル２０ａ，２０ｂ，２０ｃとの相互作用を図示するために、第１のコイル２０及び誘導エレメント２４のみが一例として図面に図示されている。第２のコイル２０ｂ及び第３のコイル２０ｃは、第１のコイル２０ａに対して回転させられて配置されている。

図８Ａは、図２又は図５の回転角度センサのコイル２０ａ，２０ｂ，２０ｃに関する導通サイクル３６が記載された線図を示す。サイクル３６は、３つの同等の長さのステップ３８（１ミリ秒の桁数）からなる。一般的に、ステップ３８の数は、コイルの個数に等しい。

第１のステップ３８ａの間、第１のコイル２０ａに交番電圧が供給され、即ち、第１のコイル２０ａが送信コイル又は励磁コイルとして使用される。残余の２つのコイル（第２のコイル２０ｂ及び第３のコイル２０ｃ）は導通されず、これらのコイルにおいて生成された交番電圧が特定される。即ち、残余の２つのコイル２０ｂ，２０ｃは、受信コイルとして使用される。

以下のステップにおいては、各コイルの役割が周期的に交代される。第２のステップ３８ｂにおいては、第２のコイル２０ｂが送信コイルとして使用され、第１のコイル２０ａ及び第３のコイル２０ｃが受信コイルとして使用される。第３のステップ３８ｃにおいては、第３のコイル２０ｃが送信コイルとして使用され、第１のコイル２０ａ及び第２のコイル２０ｂが受信コイルとして使用される。その後、次のサイクルが第１のステップ３８，３８ａによって再び開始される。

コイル２０ａ，２０ｂ，２０ｃを、それぞれ逆向きの巻線３４を有する平面コイルとして形成することによって、例えば、第１のコイル２０ａに交番電圧を印加したときに（誘導エレメント２４なしで）巻線３４においてそれぞれ異なる符号の交番電磁場が生成される。右回りの巻線３４によって取り囲まれた面積と、左回りの巻線３４によって取り囲まれた面積とがそれぞれ同等の大きさであるので、場が外部に向かって打ち消され、残余のコイル（即ち、ここでは第２のコイル２０ｂ及び第３のコイル２０ｃ）において電圧が誘導されることはない。さてここで、誘導エレメント２４によって送信コイル表面の一部が遮蔽されると、部分場はもはや互いに打ち消し合わなくなり、他の２つのコイル（第２のコイル２０ｂ、第３のコイル２０ｃ）において電圧が誘導される。送信コイルと受信コイルとが周期的に交代されることにより、回転角度を逆算することが可能となり、例えば、機械的な誤差に起因するステータエレメント１２とロータエレメント１４との間の軸線方向における距離の変化を補償することが可能となる。

図８Ｂは、図２又は図５の回転角度センサのコイル２０ａ，２０ｂ，２０ｃに関する別の導通サイクル３６が記載された線図を示し、ここでは、１つのステップ３８につきそれぞれ２つのコイルが導通される。

第１のステップ３８ａにおいては、第１のコイル２０ａ及び第２のコイル２０ｂが送信コイルとして使用され、第３のコイル２０ｃが受信コイルとして使用される。第２ステップ３８ｂにおいては、第１のコイル２０ａ及び第３のコイル２０ｃが送信コイルとして使用され、第２のコイル２０ｂが受信コイルとして使用される。第３のステップ３８ｃにおいては、第２のコイル２０ｂ及び第３のコイル２０ｃが送信コイルとして使用され、第１のコイル２０ａが受信コイルとして使用される。

それぞれ導通される送信コイルには、それぞれ異なる周波数を有する２つの異なる交番電圧を供給することができ、これらの交番電圧は、受信コイルにおいて、回転角度に依存して、両方の周波数を有する２つの成分を有する１つの交番電圧を誘導する。これらの成分は、例えばフーリエ解析によって互いに分離することができ、ここから成分電圧の大きさ及び／又は位相を特定することができる。

最後に、「有する」、「含む」等のような用語が他の要素又はステップを排除しないこと、また、「１つ」のような用語が複数形を排除しないことに留意すべきである。特許請求の範囲における参照符号は、限定するものとして見なすべきではない。

これに代えて、評価ユニット２２は、３つのステップからなる１回のサイクルにおいて、まず始めに第１のコイル２０ａ及び第２のコイル２０ｂに２つの交番電圧を供給し、次いで第２のコイル２０ｂ及び第３のコイル２０ｃに２つの交番電圧を供給し、次いで第３のコイル２０ｃ及び第１のコイル２０ａに２つの交番電圧を供給するようにしてもよい。その場合、残余の１つのコイルにおいて交番電圧が誘導され、その後、この交番電圧の大きさ及び／又は位相から回転角度を特定することができる。

回転角度に加えて、誘導された交番電圧の特定された位相及び／又は大きさから、軸線方向における誘導エレメント２４又はロータエレメント１４とステータエレメント１２と間の距離も、例えば、複数回のサイクルにわたって平均値を算出することによって特定することができる。

図５乃至図７には、回転角度センサ１０が示されており、この回転角度センサ１０の第１のコイル２０ａ、第２のコイル２０ｂ及び第３のコイル２０ｃは、ステータエレメント１２を完全に取り囲んでいる。コイル２０ａ，２０ｂ，２０ｃは、同等に構成されている。図２と同様に、コイル２０ａ，２０ｂ，２０ｃは、ステータエレメント１２上で互いにずらされて配置されている。コイル２０ａ，２０ｂ，２０ｃのそれぞれ６つの巻線３４ａ，３４ｂは全て、外部干渉場を補償するためにそれぞれ同等の面積を取り囲んでいる。巻線の個数は、６つに限定されているわけではないが、干渉場を補償するために偶数にすべきである。巻線の個数及び開口角度から、センサの周期性が得られる。

Claims (11)

1. 回転角度センサ（１０）であって、
   少なくとも３つのコイル（２０）を有するステータエレメント（１２）と、
   前記ステータエレメント（１２）に対して回転可能に支持されたロータエレメント（１４）であって、回転角度に依存して異なる強さで前記少なくとも３つのコイル（２０）の各々と誘導結合されるように構成されているロータエレメント（１４）と、
   前記ロータエレメント（１４）と前記ステータエレメント（１２）との間の回転角度を特定するための評価ユニット（２２）と、
   を含む、回転角度センサ（１０）において、
   前記評価ユニット（２２）は、前記コイル（２０）のうちのそれぞれ第１の部分に交番電圧が供給されるように、かつ、当該評価ユニットによって残余の部分が非導通となるように、前記コイル（２０）に周期的に順次に交番電圧を供給するように構成されており、
   前記評価ユニットは、周期的に順次に１つ又は複数の非導通のコイル（２０）において、それぞれ誘導された交番電圧の位相及び／又は大きさを特定し、ここから回転角度を特定するように構成されている、
   ことを特徴とする回転角度センサ（１０）。
2. 前記コイルのうちの前記第１の部分からの少なくとも２つのコイル（２０）に、それぞれ異なる交番電圧を同時に供給する、
   請求項１に記載の回転角度センサ（１０）。
3. 前記コイルのうちの前記第１の部分からの前記コイル（２０）に供給される交番電圧は、それぞれ異なる周波数、それぞれ異なる位相、及び／又は、それぞれ異なる大きさを有する、
   請求項１又は２に記載の回転角度センサ（１０）。
4. 単一のコイルのみに交番電圧を供給し、残余のコイル（２０）において、それぞれ誘導された交番電圧の大きさ及び／又は位相を特定する、又は、
   単一のコイル（２０）において、誘導された交番電圧を特定し、残余のコイルには交番電圧を供給する、
   請求項１乃至３のいずれか一項に記載の回転角度センサ（１０）。
5. 前記評価ユニット（２２）は、前記誘導された交番電圧の前記大きさ及び／又は前記位相から、前記ステータエレメント（１２）と前記ロータエレメント（１４）との間の軸線方向の距離を特定するように構成されている、
   請求項１乃至４のいずれか一項に記載の回転角度センサ（１０）。
6. 前記コイル（２０）は、平面コイルであり、及び／又は、
   前記コイル（２０）は、プリント基板（１８）の上及び／又は内部に配置されている、
   請求項１乃至５のいずれか一項に記載の回転角度センサ（１０）。
7. 前記コイル（２０）同士は、軸線方向において互いに少なくとも部分的に重なり合っている、及び／又は、
   前記コイル（２０）の各々は、周方向において順次連続した少なくとも２つの巻線（３４）を有する、
   請求項１乃至６のいずれか一項に記載の回転角度センサ（１０）。
8. 前記コイル（２０）の各々は、少なくとも１つの第１の巻線（３４ａ）及び少なくとも１つの第２の巻線（３４ｂ）を有し、
   前記少なくとも１つの第１の巻線（３４ａ）と前記少なくとも１つの第２の巻線（３４ｂ）とは、それぞれ逆向きに方向付けられており、及び／又は、
   １つのコイル（２０）の第１の巻線（３４ａ）と第２の巻線（３４ｂ）とは、前記ステータエレメント（１２）の周方向において交互に配置されており、及び／又は、
   前記第１の巻線（３４ａ）によって取り囲まれた面積は、前記第２の巻線（３４ｂ）によって取り囲まれた面積と同等である、
   請求項１乃至７のいずれか一項に記載の回転角度センサ（１０）。
9. １つのコイル（２０）の複数の巻線（３４ａ，３４ｂ）は、それぞれ異なる面積を取り囲んでおり、及び／又は、
   複数のコイル（２０）の複数の巻線（３４ａ，３４ｂ）は、互いにずらされて配置されている、
   請求項１乃至８のいずれか一項に記載の回転角度センサ（１０）。
10. 前記コイル（２０）は、前記ステータエレメント（１２）の単一の角度範囲に配置されている、又は、
    前記コイル（２０）の各々は、前記ステータエレメント（１４）を完全に取り囲んでいる、
    請求項１乃至９のいずれか一項に記載の回転角度センサ（１０）。
11. 前記ロータエレメント（１４）は、当該ロータエレメントの角度範囲に配置されている少なくとも１つの誘導エレメント（２４）を有し、及び／又は、
    前記誘導エレメント（２４）は、軸線方向において１つのコイル（２０）の単一の巻線（３４ａ，３４ｂ）を覆っている、
    請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の回転角度センサ（１０）。

Images