JP5094390B2 - 位置センサ - Google Patents

Description

本発明は、小型化が可能でありながら出力レベルも大きく取れる精度のよい非接触式の位置センサに関し、例えば内燃機関のスロットル位置センサやその他自動車における部品の機械的動きの位置センサとして使用するのに適し、その他様々な用途に使用しる位置センサに関する。

下記特許文献１には、接点摺動式の可変抵抗器（ポテンショメータ）で構成されるスロットル位置センサが示されている。また、下記特許文献２には、磁気抵抗素子を使用した非接触式のスロットル位置センサが示されている。また、下記特許文献３には、ホール素子を使用した非接触式のスロットル位置センサが示されている。
実開昭５９−４１７０８号 特開平２−２９８８０２号 特開平５−２６６１０号

しかし、特許文献１に示されたようなポテンショメータからなるものは、接点摺動式であるため、寿命や故障の問題があり、また、抵抗素子の温度ドリフトの問題もある。特許文献２に示されたような磁気抵抗素子を使用したものは、検出精度と温度ドリフト補償の点で難がある。特許文献３に示されたようなホール素子を使用したものは、連続的位置検出に適していないという欠点がある。また、シート状のフラットコイルも従来知られているが、十分なインダクタンスを得ることができないため、位置センサとして実用的なものを構成することはできなかった。

本発明は上述の点に鑑みてなされたもので、小型化された構成であり、また、十分なインダクタンスを確保できるようにしたコイルを用いた非接触式の位置センサを提供しようとするものである。

本発明に係る位置センサは、複数層のフラットコイルを重ねて配置し、重ねられたフラットコイルを直列接続して１つのコイル極を構成し、該コイル極を交流信号で励磁するコイル部と、前記コイル極に非接触的に対向するように配置された磁気応答部材とを具備し、前記コイル部と磁気応答部材の少なくとも一方を検出対象位置に連動して回転変位させることで、前記コイル部と磁気応答部材の相対的位置を検出対象位置に応じて変化させ、この相対的位置の変化に応じて前記磁気応答部材の前記コイル極に対する対応が変化して該コイル極のインピーダンスが変化し、このインピーダンス変化に応じた出力信号を該コイル極から取り出すことに基づき位置検出信号を得るようにした位置センサであって、前記磁気応答部材の形状は、前記相対的変位の方向を横切る方向に関して限られた幅を持ち、かつ、この幅が前記相対的変位の方向に沿って漸増または漸減する形状であって、かつ、回転中心に対する該磁気応答部材の該幅の外側が偏心円状の輪郭を持つのみならず、回転中心に対する該磁気応答部材の該幅の内側が偏心円状に開けられている偏心リング形状をなしており、また、該相対的変位の方向を横切る方向に関して、該磁気応答部材の幅が最大となる部分でも、前記コイル極のフラットコイルの幅からはみ出ないように、該磁気応答部材の最大の幅の部分が該フラットコイルの幅より狭くなるように配置されていることを特徴とする。

本発明によれば、フラットコイルを複数層重ね、重ねられたフラットコイルを直列接続して１つのコイル極を構成するので、１つのフラットコイルのコイル径を小さくすることでその巻数が制限されることになっても、重複された複数のフラットコイルのインダクタンスの加算合計により、該コイル極全体のインダクタンスを大きくすることができる。従って、検出対象位置に応じたコイル部と磁気応答部材の相対的位置関係に依存するコイル極のインピーダンス変化を大きくとることができ、検出対象位置に応じたコイル出力信号のレベルを大きく取ることができ、小型／薄型でありながら精度のよい位置検出が可能となる。また、フラットコイル（プリントコイル）を使用するため、センサ全体の製造コストを安価にすることができる。

また、本発明によれば、前記磁気応答部材の形状は、前記相対的変位の方向を横切る方向に関して限られた幅を持ち、かつ、この幅が前記相対的変位の方向に沿って漸増または漸減する形状からなり、また、該相対的変位の方向を横切る方向に関して、該磁気応答部材の幅が最大となる部分でも、前記コイル極のフラットコイルの幅からはみ出ないように、該磁気応答部材の最大の幅の部分が該フラットコイルの幅より狭くなるように配置されていることを特徴としているので、ラジアル誤差のような相対的変位の方向を横切る方向に関する組み立て誤差あるいは機械的ガタつきによる検出誤差を除去できる。
本発明の別の観点によれば、同一構成の２つの前記磁気応答部材で、前記フラットコイルの軸方向に関して前記コイル部をその両側から挟んで配置してなることを特徴とする。これにより、スラスト誤差のようなコイル軸方向に関する組み立て誤差あるいは機械的ガタつきによる検出誤差を除去できる。

（Ａ）はこの発明の一実施の形態に係る回転型位置センサの構造を略示する正面略図、（Ｂ）は（Ａ）におけるＡ−Ａ'線矢視断面略図。 Ａ）は、コイル部を一方側のプリント回路基板Ｐ３から見た平面図、（Ｂ）は（Ａ）におけるＢ−Ｂ'線矢視断面略図、（Ｃ）は中間のプリント回路基板Ｐ２の平面図、（Ｄ）は（Ｂ）におけるフラットコイル部分の一部を拡大して示す図。 （Ａ）〜（Ｆ）は、図２（Ｄ）の矢印Ｃ方向から見た、コイル極Ｌ４についての各フラットコイルＬ４１〜Ｌ４６の平面図。 各コイル極の各フラットコイル同士の電気的接続を示す回路図。 図１に示された位置センサに適用される測定用の回路構成例を示す図。 コイル部における各コイル極の配置の別の例を示す平面図。 コイル部における各コイル極の配置の更に別の例を示す平面図。 スラスト誤差及びラジアル誤差の両方に関するロバスト対策を施した実施例を示すもので、（Ａ）はラジアル方向の断面略図、（Ｂ）はロータにおける磁気応答部材のパターン構成例を略示する正面略図。 本発明の一実施例に係るリニア位置センサを示し、（Ａ）は正面略図、（Ｂ）は側面略図。 磁気飽和原理に基づく検出方式を採用した本発明に係る回転位置センサの実施例を示し、（Ａ）は正面略図、（Ｂ）は径方向断面略図。 磁気飽和原理に基づく検出方式を採用した本発明に係るリニア転位置センサの実施例を示し、（Ａ）は正面略図、（Ｂ）は側面略図。

以下、添付図面を参照して本発明の実施の形態につき詳細に説明しよう。
図１（Ａ）はこの発明の一実施の形態に係る回転型位置センサの構造を略示する正面略図、同図（Ｂ）は（Ａ）におけるＡ−Ａ'線矢視断面略図、である。この回転型位置センサはステータ部とロータ部とで構成され、該ステータ部はセンサケース１にコイル部２を取り付けてなり、該ロータ部は該センサケース１に対して回転可能に取り付けられたロータ軸３とこれと一体的に回転変位するように該ロータ軸３に取り付けられた磁気応答部材からなるロータ４とで構成される。

コイル部２は、円周方向に沿って所定間隔で複数のコイル極Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４を配置してなる。この実施例では、９０度の間隔で４つのコイル極Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４を設けており、１回転全周にわたる回転位置が検出可能となっている。しかし、コイル極の数及び配置間隔は、これに限らない。コイル部２において、各コイル極Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４は、シート状のフラットコイルを複数枚重ね、多層状に重複したフラットコイルを直列接続して、それぞれ１つのコイル極を構成している。勿論、多層状に重複した各フラットコイルの面は絶縁されており、所定の接続端でのみ隣接するフラットコイルが接続される。

図２は、コイル部２の具体的構成例を示す。この実施例においては、コイル部２は３枚の薄いシート状のプリント回路基板Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３を含み、絶縁体からなる各プリント回路基板Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３の両面にそれぞれ渦巻き状にプリントされた導線からなるフラットコイル（換言すれば、プリントコイル）が形成されている。つまり、フラットコイル（プリントコイル）とは、コイルの巻き方向が軸方向（磁束方向）ではなくラジアル方向（磁束に直交する平面方向）であるものである。１つの平面上で巻くことのできるコイルの巻数に従って、１つのコイル極は、３枚の薄いシート状のプリント回路基板Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３の両面に形成された合計６個のフラットコイルを直列接続したものからなる。図２（Ａ）は、コイル部２を一方側のプリント回路基板Ｐ３から見た平面図、（Ｂ）は（Ａ）におけるＢ−Ｂ'線矢視断面略図、（Ｃ）は中間のプリント回路基板Ｐ２の平面図、（Ｄ）は（Ｂ）におけるフラットコイル部分の一部を拡大して示す図である。

図２（Ａ）あるいは（Ｃ）に示すように、１枚のプリント回路基板の一面には、４つのコイル極Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４のそれぞれの構成要素であるフラットコイルＬ１６，Ｌ２６，Ｌ３６，Ｌ４６あるいはＬ１４，Ｌ２４，Ｌ３４，Ｌ４４が形成されており、反対面にも同様に４つのコイル極Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４のそれぞれの構成要素であるフラットコイルが形成されている。

図２（Ｄ）は、コイル部２における１つのコイル極Ｌ４の部分の断面を示しており、そこに示すように、第１のプリント回路基板Ｐ１の一面に第１層のフラットコイルＬ４１が形成され、該基板Ｐ１の反対面に第２層のフラットコイルＬ４２が形成され、第２のプリント回路基板Ｐ２の一面に第３層のフラットコイルＬ４３が形成され、該基板Ｐ２の反対面に第４層のフラットコイルＬ４４が形成され、第３のプリント回路基板Ｐ３の一面に第５層のフラットコイルＬ４５が形成され、該基板Ｐ３の反対面に第６層のフラットコイルＬ４６が形成されている。同一のコイル極Ｌ４についてのこれらのフラットコイルＬ４１〜Ｌ４６は、図示のように同軸的に重なるように配置され、各プリント回路基板Ｐ１〜Ｐ３におけるそれぞれのフラットコイルの中央は開口していて、磁性体コア５（図１）を該コイル中央開口に配置させることができるようになっている。

図３（Ａ）〜（Ｆ）は、図２（Ｄ）の矢印Ｃ方向から見た、コイル極Ｌ４についての各フラットコイルＬ４１〜Ｌ４６の平面図を示す。（Ａ）は、第３のプリント回路基板Ｐ３の一面に形成される第６層のフラットコイルＬ４６の平面図である。この基板Ｐ３の一面には、図２（Ａ）に示すように、各コイル極Ｌ１〜Ｌ４の接続端子Ｔ１１，Ｔ１２，Ｔ２１，Ｔ２２，Ｔ３１，Ｔ３２，Ｔ４１，Ｔ４２も形成されている。この基板Ｐ３の一面において、フラットコイルＬ４６の最外周の端部ａが一方の接続端子Ｔ４２に接続される配線につながるように形成される。そして、該フラットコイルＬ４６は、最外周の端部ａから始まって、図で時計回りに中心方向に向う渦巻きをなすように形成される。そして、その最内周の端部は隣接するフラットコイルとの接続部ＴＨ６につながっている。この接続部ＴＨ６は、第３のプリント回路基板Ｐ３の板厚を貫いて該基板Ｐ３の反対面に導通している。該基板Ｐ３の反対面には、図３（Ｂ）に示すように、第５層のフラットコイルＬ４５が形成されている。ただし、図３（Ｂ）は、第５層のフラットコイルＬ４５が形成された該基板Ｐ３の面の裏側から見た（矢印Ｃから見た）該フラットコイルＬ４５の平面図である。第５層のフラットコイルＬ４５の最内周の端部は接続部ＴＨ６に接続され、該フラットコイルＬ４５は、最内周の端部から始まって、図で時計回りに外周方向に向う渦巻きをなすように形成される。従って、フラットコイルＬ４６に対してＬ４５は同相直列接続される。そして、その最外周の端部は接続部ＴＨ５に接続される。この接続部ＴＨ５は、プリント回路基板Ｐ３に隣接するプリント回路基板Ｐ２の最外周の端部に接続される。

図３（Ｃ）は、第２のプリント回路基板Ｐ２の一面（Ｐ３に向き合う面）に形成される第４層のフラットコイルＬ４４の平面図である。フラットコイルＬ４４の渦巻き方向は図（Ａ）のＬ４６と同じであり、接続部ＴＨ５に接続された最外周の端部から始まって、図で時計回りに中心方向に向う渦巻きをなし、その最内周の端部は接続部ＴＨ４に接続される。この接続部ＴＨ４は、第２のプリント回路基板Ｐ２の板厚を貫いて該基板Ｐ２の反対面に導通している。該基板Ｐ２の反対面には、図３（Ｄ）に示すように、第３層のフラットコイルＬ４３が形成されている。図３（Ｄ）も図３（Ｂ）と同様に、第３層のフラットコイルＬ４３が形成された該基板Ｐ２の面の裏側から見た（矢印Ｃから見た）該フラットコイルＬ４３の平面図である。フラットコイルＬ４３の渦巻き方向は図（Ｂ）のＬ４５と同じであり、接続部ＴＨ４に接続された最内周の端部から始まって、図で時計回りに外周方向に向う渦巻きをなすように形成される。従って、フラットコイルＬ４６、Ｌ４５、Ｌ４４、Ｌ４３は同相直列接続される。その最外周の端部は接続部ＴＨ３に接続され、この接続部ＴＨ３は、プリント回路基板Ｐ２に隣接するプリント回路基板Ｐ１の最外周の端部に接続される。

図３（Ｅ）は、第１のプリント回路基板Ｐ１の一面（Ｐ２に向き合う面）に形成される第２層のフラットコイルＬ４２の平面図である。フラットコイルＬ４２の渦巻き方向は図（Ａ）のＬ４６と同じであり、接続部ＴＨ３に接続された最外周の端部から始まって、図で時計回りに中心方向に向う渦巻きをなし、その最内周の端部は接続部ＴＨ２に接続される。この接続部ＴＨ２は、第１のプリント回路基板Ｐ１の板厚を貫いて該基板Ｐ１の反対面に導通している。該基板Ｐ１の反対面には、図３（Ｆ）に示すように、第１層のフラットコイルＬ４１が形成されている。図３（Ｆ）も図３（Ｂ）と同様に、第１層のフラットコイルＬ４１が形成された該基板Ｐ１の面の裏側から見た（矢印Ｃから見た）該フラットコイルＬ４１の平面図である。フラットコイルＬ４１の渦巻き方向は図（Ｂ）のＬ４５と同じであり、接続部ＴＨ２に接続された最内周の端部から始まって、図で時計回りに外周方向に向う渦巻きをなすように形成され、その最外周の端部は接続部ＴＨ１に接続される。従って、全てのフラットコイルＬ４６、Ｌ４５、Ｌ４４、Ｌ４３、Ｌ４２、Ｌ４１が同相直列接続される。こうして、６層で重なるフラットコイルＬ４１〜Ｌ４６を同相直列接続して１つのコイル極Ｌ４を構成することで、小型化のためにコイル径を小さくする要請上から個々のフラットコイルＬ４１〜Ｌ４６の巻数は少なくても、合計巻数は必要十分に確保することができることとなり、超薄型／小型のコイル構成でありながら、当該コイル極Ｌ４のインダクタンス（インピーダンス）を高める（必要十分なものにする）ことができる。なお、接続部ＴＨ１は、各プリント回路基板Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３を貫いて、基板Ｐ３の一面に出現し、図２（Ａ）に示すように該基板Ｐ３の一面に配置された接続端子Ｔ４１に接続される配線につながる。こうして、当該コイル極Ｌ４の両端の接続端子Ｔ４１、Ｔ４２が基板Ｐ３の同じ面に配置される。

他のコイル極Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３も、図３を参照して説明したコイル極Ｌ４と同様に、それぞれの６層のフラットコイルが同相直列接続されてそれぞれ１つのコイル極を構成することで、超薄型／小型のコイル構成でありながら、当該コイル極のインダクタンス（インピーダンス）を高めることができるものとなっている。そして、図２（Ａ）に示すように、各コイル極Ｌ１〜Ｌ４の各両端の接続端子Ｔ１１，Ｔ１２，Ｔ２１，Ｔ２２，Ｔ３１，Ｔ３２，Ｔ４１，Ｔ４２が基板Ｐ３の同じ面に配置される。図４は、各コイル極Ｌ１〜Ｌ４の各フラットコイルの電気的接続を示す回路図であり、各コイル極Ｌ１〜Ｌ４において、それぞれのフラットコイルが同相直列接続されることを示している。なお、図１に示すように、各プリント回路基板Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３において、各コイル極Ｌ１〜Ｌ４のフラットコイルの内側を開口させて、そこにアモルファス金属等からなる磁性体コア５を設けるとよい。しかし、そのような磁性体コア５は必須ではなく、設けなくてもよい。

ロータ軸３に取り付けられたロータ４は磁気応答部材（鉄のような磁性体又は銅のような良導電体）からなるもので、ロータ軸３の回転位置に応じてコイル部２の各コイル極に対して及ぼす磁気応答特性が変化するような形状、図１に示す例では偏心円板形状、からなっている。コイル部２とロータ４との間には一定距離の空隙が形成されるようにそれぞれ配置することによって、ロータ４はコイル部２に対して非接触で回転する。この空隙の距離は、一定に保たれるように、適切に位置決め配置する。この種のセンサにおいて公知のように、コイル部２の偏心円形状によって、ロータ軸３の回転変位に応じてコイル部２の各コイル極Ｌ１〜Ｌ４に対向するロータ４の磁気応答部材の部分の面積が変化（漸増又は漸減）し、この対向面積に応じた可変の磁気抵抗が各コイル極Ｌ１〜Ｌ４に生じ、各コイル極Ｌ１〜Ｌ４のインダクタンス（インピーダンス）が変化する。

図１に示す例では、ロータ軸３の１回転につきロータ４の形状は１サイクルの変化を示し、また、コイル部２における各コイル極Ｌ１〜Ｌ４は回転円周方向に沿って機械角で９０度（１／４サイクル）の間隔で配置されている。このような配置によって、１８０度反対方向で対向する（１／２サイクル間隔で配置された）コイル極Ｌ１とＬ３は、ロータ４の回転位置に対するそれらの磁気抵抗変化特性が逆特性で（つまりプッシュプルで）変化することになる。よって、コイル極Ｌ１について、ロータ４の回転位置θに対するその磁気抵抗変化特性をサイン関数sinθで表すとすると、コイル極Ｌ3については、ロータ４の回転位置θに対するその磁気抵抗変化特性をマイナスサイン関数−sinθで表せる。コイル極Ｌ１とＬ3は、検出対象たる回転位置θに関してプッシュプル特性で変化するインピーダンス特性を提供する１つの対（サイン関数特性の対）をなす。

また、コイル極Ｌ２のロータ４の回転位置に対する磁気抵抗変化特性は、コイル極Ｌ１の特性に対して９０度（１／４サイクル）ずれているので、コサイン関数cosθで表せる。そして、コイル極Ｌ２に対して１８０度反対方向で対向する（１／２サイクル間隔で配置された）コイル極Ｌ４は、ロータ４の回転位置に対するその磁気抵抗変化特性がコイル極Ｌ２に対して逆特性で（つまりプッシュプルで）変化することになり、その磁気抵抗変化特性をマイナスコサイン関数−cosθで表せる。コイル極Ｌ２とＬ４は、検出対象たる回転位置θに関してプッシュプル特性で変化するインピーダンス特性を提供する別の１つの対（コサイン関数特性の対）をなす。

なお、ロータ４の形状を適切に設定することにより、コイル極Ｌ１についてロータ４の回転位置θに応じて生じる磁気抵抗変化特性が正確なサイン関数sinθとなるようにすることができるが、必ずしもそのようにする必要はなく略サイン関数に近いもの、要するに周期的関数であればよい（他の極Ｌ２〜Ｌ４も同様である）。

図５は、図１に示された位置センサに適用される測定用の回路３０の回路構成例を示す。この測定用の回路３０は、センサケース１内の適宜箇所、例えばコイル部２の基板上に配置され、該位置センサと機械的に一体化されるようにするのがよい。図５において、各コイル極Ｌ１〜Ｌ４はそれぞれ可変インダクタンス要素として等価的に示されている。各コイル極Ｌ１〜Ｌ４は、基準交流信号源４０から与えられる所定の高周波交流信号（便宜上、これをｓｉｎωｔで示す）によって１相で励磁される。各コイル極Ｌ１〜Ｌ４に生じる電圧Ｖａ，Ｖｂ，Ｖｃ，Ｖｄは、等価的に、検出対象たる回転位置に対応する角度変数θに応じたコイル極Ｌ１〜Ｌ４毎のインピーダンス値すなわち上記磁気抵抗変化特性sinθ、cosθ、−sinθ、−cosθに応じた大きさを示す。

アナログ演算器３１は、サイン相に相当するコイル極Ｌ１の出力電圧Ｖａと、それに対して差動変化する（プッシュプルの）マイナスサイン相に相当するコイル極Ｌ３の出力電圧Ｖｃとの差「Ｖａ−Ｖｃ」を求め（差動合成）、角度変数θのサイン関数特性の振幅係数を持つ交流出力信号を生成する。この差「Ｖａ−Ｖｃ」は、等価的に、「ｓｉｎθｓｉｎωｔ」と表すことができる。
アナログ演算器３２は、コサイン相に相当するコイルＬ極２の出力電圧Ｖｂと、それに対して差動変化する（プッシュプルの）マイナスコサイン相に相当するコイル極Ｌ４の出力電圧Ｖｄとの差「Ｖｂ−Ｖｄ」を求め（差動合成）、角度変数θのコサイン関数特性の振幅係数を持つ交流出力信号を生成する。この差「Ｖｂ−Ｖｄ」は、等価的に、「ｃｏｓθｓｉｎωｔ」と表すことができる。

こうして、検出対象たる回転位置に相関する角度変数θを含む２つの周期的振幅関数（ｓｉｎθとｃｏｓθ）によってそれぞれ振幅変調された２つの交流出力信号「ｓｉｎθｓｉｎωｔ」と「ｃｏｓθｓｉｎωｔ」が得られる。これは、従来からレゾルバとして知られた検出器のサイン相出力信号ｓｉｎθｓｉｎωｔ及びコサイン相出力信号ｃｏｓθｓｉｎωｔと同等のものである。なお、サイン相及びコサイン相という呼び名、及び２つの交流出力信号の振幅関数のサイン、コサインの表わし方は便宜的なものであり、一方がサインで他方がコサインでありさえすれば、どちらをサインと言ってもよい。

アナログ演算器３１，３２で得られる各交流出力信号は、それぞれ、サイン関数特性の振幅係数つまり振幅レベル（ｓｉｎθ）とコサイン関数特性の振幅係数つまり振幅レベル（ｃｏｓθ）とを持っているが故に、これに対して適用可能な公知のどのような位置データ変換方式を適用して、位置データを得るようにすることもできる。適用可能な公知の位置データ変換方式としては、例えば電圧整流（直流電圧出力）方式、位相検出方式、ＰＷＭ変換方式等がある。センサ側に付属する測定用回路３０からは、アナログ演算器３１，３２から出力される交流出力信号「ｓｉｎθｓｉｎωｔ」と「ｃｏｓθｓｉｎωｔ」を、該センサの出力信号として出力するようにし、外部の利用装置（例えばマイコン）でこれを受け取って、該利用装置（例えばマイコン）が具備する任意の位置データ変換方式に従って、位置データを得るようにしてよい。あるいは、アナログ演算器３１，３２の出力を所望の位置データ変換方式に見合った信号に処理するための適当な回路を、更に、このセンサ側の測定用回路３０に具備していてもよい。例えば、位相検出方式は特開平９−１２６８０９号公報に示されたような技術を用いればよい。また、ＰＷＭ変換方式は特開２００５−５５２３５号公報に示されたような構成を用いればよい。

図５では、電圧整流方式を適用した例を示している。すなわち、各アナログ演算器３１，３２から出力される交流出力信号を整流回路３３、３４で整流し、それぞれの交流成分を除去してその振幅レベルｓｉｎθとｃｏｓθを示す直流電圧を出力するようにしている。この場合、θが０度から９０度の範囲の振幅レベルを示す直流電圧が検出信号として利用可能である。図中に付記して示すように、θが０度から９０度の範囲では、サイン相ｓｉｎθの検出出力信号の特性とコサイン相ｃｏｓθの検出出力信号の特性とが逆特性を示す。この場合、利用装置（例えばマイコン）の側では、出力されたサイン相とコサイン相のどちらか一方の直流電圧出力（ｓｉｎθ又はｃｏｓθ）のみを位置検出データとして使用すればよい。しかし、このように、2種類の互いに逆特性の位置検出データを出力できることは、冗長性をもたせることができるので、故障対策上、好ましいことが知られている。なお、利用装置の側では、受け取ったアナログ直流電圧信号をそのまま制御等に利用してもよいし、あるいは、これをディジタルデータに変換してから制御等に利用するようにしてもよいのは勿論である。なお、この出力レベル特性は、必ずしもθが０度から９０度の範囲のサイン関数又はコサイン関数の正確な振幅レベル特性を示す曲線である必要はなく、直線状であってもよく、要するに、極小値から極大値に（又はその逆に極大値から極小値に）変化する特性であってよい。

なお、図５に示したような直流電圧出力方式では、θが０度から９０度の範囲でしか、位置検出を行うことができないが、検出対象が1回転フルの変化を示さず、９０度未満の変化しか示さないような場合に適用しうる。また、検出対象が９０度乃至1回転フル（３６０度）の変化を示すものにあっても、必要な検出対象角度範囲に関して、ｓｉｎθ及びｃｏｓθの電気角θが０度から９０度の範囲の変化特性を示すように、各コイル極Ｌ１〜Ｌ４の配置及びロータ４の形状を、図１とは異なる態様に、設定すればよい。

ここで、温度ドリフト特性の補償について説明すると、温度に応じて各コイル極Ｌ１〜Ｌ４のインピーダンスが変化し、その出力電圧Ｖａ〜Ｖｄも変動する。しかし、これらをプッシュプル変化するもの同士で差動演算合成して、サイン及びコサイン関数特性の交流出力信号ｓｉｎθｓｉｎωｔ及びｃｏｓθｓｉｎωｔを得ているので、コイルの温度ドリフト誤差が補償されることとなり、温度ドリフトによるコイルインピーダンス変化の影響を受けないものとなる。

なお、図１の例では、コイル部２の各フラットコイルは、各プリント回路基板Ｐ１〜Ｐ３の両面にそれぞれ１層ずつ形成されるように説明した。しかし、これに限らず、公知の多層プリント基板によって、１つの基板の一面に複数層のフラットコイルを形成するようにしてもよい。また、一極を構成するために重複されるフラットコイルの数は６層に限らないのは勿論である。例えば、1枚のプリント基板の両面に２層づつのプリント回路を形成できる多層プリント基板を1枚だけ使用して合計４層のフラットコイル（プリントコイル）からなるコイル部２を構成してもよい。このように多層プリント基板製造技術を利用して、複数層のフラットコイル（プリントコイル）のパターンを基板上に多層形成するようにすれば、複数のフラットコイルを所定の配置で積層して組み立てる工程が手作業によらずに自動化されるので、極めて簡単にコイル部２を製造・提供することができる。

次に、コイル部２における各コイル極Ｌ１〜Ｌ４の出力レベルを高めるための工夫について説明する。
図６は、コイル部２における各コイル極Ｌ１〜Ｌ４の配置の別の例を示す平面図である。この例では、各極毎の各層のフラットコイル（プリントコイル）ＦＬは、真円形に巻かれているのではなく、機械角で略９０度弱の範囲で、円周に沿って湾曲した楕円状に巻かれている。これによって、各コイル極Ｌ１〜Ｌ４に生じる磁束が増すので、その出力レベルを高めることができる。

図７は、コイル部２における各コイル極Ｌ１〜Ｌ４の配置の更に別の例を示す平面図である。この例では、各極Ｌ１〜Ｌ４毎に、１層につき複数のフラットコイル（プリントコイル）が設けられる。例えば、極Ｌ１について説明すると、１層につき、円周に沿って機械角で略９０度弱の範囲で４つのフラットコイル（プリントコイル）Ｌ１−１、Ｌ１−２、Ｌ１−３、Ｌ１−４が配置されている。この場合、重複する各層のフラットコイル（プリントコイル）が直列接続され、更に、同一極の各フラットコイル（プリントコイル）の直列接続出力が直列接続又は加算されて、当該１つのコイル極についての１つの出力を得る。これによって、各コイル極Ｌ１〜Ｌ４の出力レベルを高めることができる。

次に、ロバスト対策について説明する。
コイル部２とロータ４の相対的位置関係は、検出対象位置の変化にのみに依存して変化することが、検出精度を維持するために要求される。しかし、組み立て誤差や回転時の機械的ガタつきなどにより、コイル部２とロータ４の相対的位置関係がロータ軸３のスラスト方向又はラジアル方向に幾分ずれることが起こりうる。そのような場合、コイル極Ｌ１〜Ｌ４とロータ４の磁気応答部材との間のギャップが変動したり（スラスト誤差）、コイル極Ｌ１〜Ｌ４とロータ４の磁気応答部材との対向面積が（検出対象位置に依存せずに）変動する（ラジアル誤差）。このようなスラスト誤差及びラジアル誤差は、位置検出誤差をもたらす。本発明では、このような誤差を容易に吸収しうる画期的な構成を提案する。

図８は、そのようなスラスト誤差及びラジアル誤差の両方に関するロバスト対策を施した実施例を示すもので、（Ａ）はラジアル方向の断面略図、（Ｂ）はロータにおける磁気応答部材のパターン構成例を略示する正面略図、である。図８において、コイル部２は上述と同様に複数層のフラットコイル（プリントコイル）を積層形成してなる各コイル極Ｌ１〜Ｌ４を具備しており、その両側に、つまり軸方向に関してコイル部２を両側から挟んで、同一構成の２枚のロータ４ａ，４ｂが配置されている。各ロータ４ａ，４ｂはロータ軸３に結合して一体的に回転可能である。

まず、ラジアル誤差対策について説明すると、図８（Ｂ）に示すように、ロータ４ａは、非磁気応答性（つまり非磁性及び非導電性）のロータベース４ｃ上に配置された所定の形状パターンの磁気応答部材（磁性体又は良導電体）からなる。この磁気応答部材からなるロータ４ａの形状パターンは、基本的には、図１に示されたロータ４と同様に、ロータ軸３の回転位置に応じてコイル部２の各コイル極に対して及ぼす磁気応答特性が変化するような形状（つまり検出対象変位の方向に沿って漸増または漸減する形状）を成すものであるが、外側が偏心円状の輪郭を持つのみならず、内側が偏心円状に開けられている偏心リング形状を有している。そして、この磁気応答部材からなるロータ４ａの偏心リング形状は、最も幅の広い部分Ｗであっても、それに対向しているコイル極（例えば図中のＬ４）のフラットコイルのラジアル方向の径の長さＸからはみ出ることがないように配置されている。この構成を換言すると、すなわち、磁気応答部材からなるロータ４ａの形状は、検出対象変位の方向を横切る方向（ラジアル方向）に関して限られた幅を持ち、かつ、この幅が検出対象変位の方向（円周方向）に沿って漸増または漸減する形状からなり、また、該検出対象変位の方向を横切る方向（ラジアル方向）に関して、該磁気応答部材４ａの幅が最大となる部分Ｗでも、前記コイル極のフラットコイルの幅Ｘからはみ出ないように、該磁気応答部材４ａの最大の幅の部分Ｗが該フラットコイルの幅Ｘより狭くなるように配置されていることを特徴とする。これによって、組み立て誤差や回転時の機械的ガタつきなどにより、コイル部２とロータ４ａの相対的位置関係がロータ軸３のラジアル方向に幾分ずれることが起こったとしても、ロータ４ａのどの部分においてもコイル部２の対向するフラットコイルのラジアル方向の幅からはみ出ることがなく、従ってラジアル誤差によってその対向面積が変化することが起こらなくなる。こうして、ラジアル誤差つまり検出対象変位方向を横切る方向に関する誤差を吸収し解消することができる。なお、もう一方のロータ４ｂもロータ４ａと同様に構成されてラジアル誤差を除去している。

次に、スラスト誤差対策について説明すると、図８（Ａ）に示すように、軸方向に関してコイル部２を両側から挟んで、同一構成の２枚のロータ４ａ，４ｂが配置されている。これにより、組み立て誤差や回転時の機械的ガタつきなどにより、コイル部２とロータ４ａ，４ｂの相対的位置関係がロータ軸３の軸方向に幾分ずれることが起こったとしても、コイル部２とロータ４ａ間のエアギャップとコイル部２とロータ４ｂ間のエアギャップは、プッシュプルで変化するので、合計のエアギャップに変化は生じず、コイル部２に対して磁気特性（磁気抵抗）の誤差・変化を及ぼすことがない。こうして、スラスト誤差つまりコイル部とロータ間のエアギャップ変動による誤差を吸収し解消することができる。

上記各実施例において、コイル部２におけるコイル極は１対（例えばＬ１とＬ３）のみ設けるようにしてもよい。その場合は、回転位置検出可能範囲は例えば略９０度等の限られた範囲であり、この略９０度等の限られた範囲にわたる検出対象位置に応じて漸減（又は漸増）する出力レベル特性を持つ出力信号を、該対のプッシュプル差動合成出力信号として得ることができる。また、コイル部２におけるコイル極は１個（例えばＬ１）のみ設けるようにしてもよい。その場合も、回転位置検出可能範囲は略９０度等の限られた範囲であり、この略９０度等の限られた範囲にわたる検出対象位置に応じて漸減（又は漸増）する出力レベル特性を持つ出力信号を得ることができる。しかし、１個の極しか設けない場合は、プッシュプルによる温度補償効果が得られないのは勿論である。

上記各実施例においては回転位置センサについて説明したが、リニア位置センサに対しても本発明を適用することができる。図９は、その一例を示し、（Ａ）は正面略図、（Ｂ）は側面略図である。検出対象たる直線変位に応じてコイル部２０と磁気応答部材２１とが矢印方向に相対的に直線変位するように配置され、コイル部２０は、前述と同様に、複数層のフラットコイルを重ねて配置して該積層されたフラットコイルを直列接続して１つのコイル極を構成し、そのようなコイル極Ｌａ，Ｌｂ，Ｌｃ，Ｌｄ，．．．を直線変位方向に沿って１又は複数設けてなる。磁気応答部材２１は、直線変位方向に関して所定の長さｄを持ち、この長さｄは例えば隣接するコイル極の配置間隔に略対応する。この場合、磁気応答部材２１が１つのコイル極（Ｌａ，Ｌｂ，Ｌｃ，Ｌｄ，．．．）を横切る距離ｄの範囲で、検出対象位置に応じて漸減又は漸増する出力レベル特性を持つ出力信号を該コイル極から得ることができる。また、図９（Ｂ）に示すように、磁気応答部材２１は２つの磁気応答部材部分２１ａ，２１ｂを、コイル部２０のフラットコイルの軸方向に関して該コイル部２０をその両側から挟むような配置で具備しており、これにより、スラスト誤差を解消している。

更に、本発明は、特開平9−318304号に示すようなコイルの磁性体コアに対して相対的に変位する永久磁石による磁気飽和原理に基づく検出方式においても適用することができる。図１０は、そのような磁気飽和原理に基づく検出方式を採用した本発明に係る回転位置センサの実施例を示し、（Ａ）は正面略図、（Ｂ）は径方向断面略図である。検出対象たる回転軸に連結されたロータ４１は、Ｎ極とＳ極の磁極をもつ永久磁石Ｍを具備している。コイル部２は、前述と同様に、複数層のフラットコイルを重ねて配置して該積層されたフラットコイルを直列接続して１つのコイル極Ｌ１を構成し、そのようなコイル極Ｌ１を回転円周方向に複数有する。コイル部２の両面において、各コイル極に対応して磁性体２２ａ，２２ｂが設けられている。各コイル極Ｌ１は磁性体２２ａ，２２ｂの存在によって、永久磁石Ｍが近接しなければインダクタンス（インピーダンス）大であるが、ロータ４１の回転位置に応じて永久磁石Ｍが近接すると、その箇所で磁気飽和が生じ（過飽和となり）、インダクタンス（インピーダンス）が低下する。従って、各コイル極Ｌ１に、ロータ４１の回転位置に応じたレベルの出力信号が生じる。

図１１は、そのような磁気飽和原理に基づく検出方式を採用した本発明に係るリニア位置センサの実施例を示し、（Ａ）は正面略図、（Ｂ）は側面略図である。コイル部２０は、前述と同様に、複数層のフラットコイルを重ねて配置して該積層されたフラットコイルを直列接続して１つのコイル極を構成し、そのようなコイル極を直線変位方向に沿って１又は複数設けてなる。コイル部２０の一面において、各コイル極に対応して磁性体２２ｃが設けられている。検出対象たる直線変位に応じてコイル部２０と永久磁石Ｍとが矢印方向に相対的に直線変位するように配置される。この場合も、各コイル極は磁性体２２ｃの存在によって、永久磁石Ｍが近接しなければインダクタンス（インピーダンス）大であるが、永久磁石Ｍが近接すると、その箇所で磁気飽和が生じ（過飽和となり）、インダクタンス（インピーダンス）が低下する。従って、各コイル極において検出対象直線位置に応じたレベルの出力信号が生じる。

Claims (10)

1. 複数層のフラットコイルを重ねて配置し、重ねられたフラットコイルを直列接続して１つのコイル極を構成し、該コイル極を交流信号で励磁するコイル部と、
   前記コイル極に非接触的に対向するように配置された磁気応答部材と
   を具備し、前記コイル部と磁気応答部材の少なくとも一方を検出対象位置に連動して回転変位させることで、前記コイル部と磁気応答部材の相対的位置を検出対象位置に応じて変化させ、この相対的位置の変化に応じて前記磁気応答部材の前記コイル極に対する対応が変化して該コイル極のインピーダンスが変化し、このインピーダンス変化に応じた出力信号を該コイル極から取り出すことに基づき位置検出信号を得るようにした位置センサであって、
   前記磁気応答部材の形状は、前記相対的変位の方向を横切る方向に関して限られた幅を持ち、かつ、この幅が前記相対的変位の方向に沿って漸増または漸減する形状であって、かつ、回転中心に対する該磁気応答部材の該幅の外側が偏心円状の輪郭を持つのみならず、回転中心に対する該磁気応答部材の該幅の内側が偏心円状に開けられている偏心リング形状をなしており、また、
   該相対的変位の方向を横切る方向に関して、該磁気応答部材の幅が最大となる部分でも、前記コイル極のフラットコイルの幅からはみ出ないように、該磁気応答部材の最大の幅の部分が該フラットコイルの幅より狭くなるように配置されていることを特徴とする位置センサ。
2. 同一構成の２つの前記磁気応答部材で、前記フラットコイルの軸方向に関して前記コイル部をその両側から挟んで配置してなることを特徴とする請求項１に記載の位置センサ。
3. 複数層のフラットコイルを重ねて配置し、重ねられたフラットコイルを直列接続して１つのコイル極を構成し、該コイル極を交流信号で励磁するコイル部と、
   前記コイル極に非接触的に対向するように配置された磁気応答部材と
   を具備し、前記コイル部と磁気応答部材の少なくとも一方を検出対象位置に連動して変位させることで、前記コイル部と磁気応答部材の相対的位置を検出対象位置に応じて変化させ、この相対的位置の変化に応じて前記磁気応答部材の前記コイル極に対する対応が変化して該コイル極のインピーダンスが変化し、このインピーダンス変化に応じた出力信号を該コイル極から取り出すことに基づき位置検出信号を得るようにした位置センサであって、
   同一構成の２つの前記磁気応答部材で、前記フラットコイルの軸方向に関して前記コイル部をその両側から挟んで配置してなることを特徴とする位置センサ。
4. 前記コイル部は、前記フラットコイルをプリント基板上にプリント形成してなる請求項１乃至３のいずれかに記載の位置センサ。
5. 前記コイル部は、２以上の前記フラットコイルをプリント基板上に多層形成してなる請求項４に記載の位置センサ。
6. 前記コイル部は、前記検出対象位置に応じた前記相対的位置の変化の方向に沿って複数の前記コイル極を配置してなる請求項１乃至５のいずれかに記載の位置センサ。
7. 前記複数のコイル極には、前記相対的位置の変化に応じてプッシュプル特性で変化するインピーダンス特性を提供するよう配置された２つのコイル極を含み、このプッシュプル特性の２つのコイル極の出力を差動合成することで、前記検出対象位置に応じた出力信号を得る請求項６に記載の位置センサ。
8. 前記プッシュプル特性の２つのコイル極でなる対を少なくとも２対具備し、各対の前記差動合成出力として、前記検出対象位置に応じて互いに異なる出力特性を示す出力信号を得る請求項７に記載の位置センサ。
9. 前記１つのコイル極における前記フラットコイルの径が前記相対的位置の変化の方向に延びた形状を成している請求項１乃至８のいずれかに記載の位置センサ。
10. 前記１つのコイル極に対応して、横並びに複数の前記積層されたフラットコイルのグループを配置し、これらのグループの出力を加算して当該１つのコイル極の出力信号とする請求項１乃至９のいずれかに記載の位置センサ。

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