JP5904811B2

JP5904811B2 - 位置センサ

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Publication number: JP5904811B2
Application number: JP2012025560A
Authority: JP
Inventors: 祐一真鍋; 鉄治井上
Original assignee: Aisan Industry Co Ltd
Current assignee: Aisan Industry Co Ltd
Priority date: 2012-02-08
Filing date: 2012-02-08
Publication date: 2016-04-20
Anticipated expiration: 2032-02-08
Also published as: JP2013160733A

Description

この発明は、可動子の動作位置を検出する為に使用されるものであって、固定子コイルが形成された固定子固定板と、固定子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可動子と、を有する位置センサに関するものである。

従来、この種の技術として、例えば、各分野で広く用いられている回転角センサを挙げることが出来る。自動車に搭載されるエンジンには、その回転速度や回転位相を検出する為に、回転角センサの１つであるクランク角センサが採用されている。

特許文献１には、リニアパルスモータの位置検出センサに関する技術が開示されている。可動子に励磁コイルと検出コイルが重ねて配置され、櫛歯状の磁性体で形成された固定子との位置変動を検出する。検出コイルからの出力変動で、可動子の位置を検出する位置センサである。

特許文献２には、レゾルバに関する技術が開示されている。位相差方式のレゾルバであり、励磁信号が入力する励磁コイル及び検出信号が検出する検出コイルを有し、励磁コイル又は検出コイルを設けた受動体の変位量に応じて変位する検出信号に基づいて変位量を検出するレゾルバにおいて、励磁コイルに励磁信号により高周波信号を変調した変調信号を復調して検出信号を得る方式を採用している。

特許文献３には、回転角度検出用センサに関する技術が開示されている。回転体と、回転体と共に回転可能に取り付けられた導体パターンとを有し、この導体パターンの幅寸法が周期的に変化するエンコーダ構造と、複数のインダクタンス素子とを有し、エンコーダ構造と間隔を有して対向配置されたセンサ本体とから回転角度検出用センサを構成している。エンコーダ構造を簡略化した導体パターンによって構成することで、特許文献１の手法よりもエンコーダ構造の製造コストを下げることが期待出来る。

特開昭６１−２２６６１３号公報特開２０００−２９２２０５号公報特開２００９−１２８３１２号公報

しかしながら、特許文献１乃至特許文献３の技術を位置センサに用いるには、次のような課題がある。

位置センサ、殊にクランク角センサ等の車載される位置センサは小型化、高精度化が要求される。しかし、特許文献１乃至特許文献３の技術を用いた位置センサでは、シート型コイルにはプリント基板を用いて形成されていると思われ、これらの方式では小型化に限界がある。これを解決するために、出願人はインクジェット方式で絶縁基板上にコイルを描画して形成する方法を提案している。しかし、磁性体とコイルとが対向していない時でも検出出力がある程度大きくなるため振幅比が小さくなってしまう点は共通しており、位置センサの高精度化の要求を満たすことが難しい。

そこで、本発明はこのような課題を解決するために、振幅比を大きくすることが可能な位置センサ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、本発明による位置センサは以下のような特徴を有する。
（１）平面状に形成された励磁コイル及び検出コイルを有する固定子と、前記固定子に対向して配置され、磁気特性の異なる領域が移動方向に周期的に配置された可動子と、を有する位置センサにおいて、前記励磁コイルの第１励磁コイルパターンと隣接して形成される第２励磁コイルパターンとで、前記可動子の移動方向に挟まれるように前記検出コイルの検出コイルパターンが配置され、前記第１励磁コイルパターンに対して、前記第２励磁コイルパターンは逆方向に励磁用電流が流れるように巻回されること、を特徴とする。

（２）（１）に記載の位置センサにおいて、前記第１励磁コイルパターンと前記第２励磁コイルパターンのそれぞれが有する、互いに向かい合う側の配線が、前記検出コイルパターンの有する配線の一部と、絶縁層を介して重なる位置に配置されていること、を特徴とする。

（３）（１）又は（２）に記載の位置センサにおいて、前記検出コイルにより検出される検出信号に、前記励磁コイルに与えられる励磁信号成分を加算させるための結合部分と、前記検出コイルに接続される包絡線検波回路と、を有し、前記検出コイルからの検出信号が前記包絡線検波回路を通して得られた包絡信号を用いて、角度を検出すること、を特徴とする。

（４）（３）に記載の位置センサにおいて、前記包絡線検波回路の後に、前記励磁信号成分の加算による信号のオフセット分を調整する調整回路を備えること、を特徴とする。

（５）（１）乃至（４）のいずれか１つに記載の位置センサにおいて、前記励磁コイルと前記検出コイルはフレキシブルプリント基板上に形成され、前記励磁コイル及び前記検出コイルの裏面に磁性材層が形成され、前記磁性材層は、樹脂フィルムに覆われていること、を特徴とする。

このような特徴を有する本発明による位置センサにより、以下のような作用、効果が得られる。

まず、（１）に記載の発明は、平面状に形成された励磁コイル及び検出コイルを有する固定子と、固定子に対向して配置され、磁気特性の異なる領域が移動方向に周期的に配置された可動子と、を有する位置センサにおいて、励磁コイルの第１励磁コイルパターンと隣接して形成される第２励磁コイルパターンとで、可動子の移動方向に挟まれるように検出コイルの検出コイルパターンが配置され、第１励磁コイルパターンに対して、第２励磁コイルパターンは逆方向に励磁用電流が流れるように巻回されるものである。

その結果、位置センサの検出精度を向上させることが可能となる。これは、第１励磁コイルパターンと第２励磁コイルパターンに対して、検出コイルパターンが可動子の移動方向に挟まれ設けられ、第１励磁コイルパターンと第２励磁コイルパターンとではコイルの巻回方向が逆とされ、逆方向に励磁用電流が流れるため、可動子の動きによって磁性の強い領域を通過する磁束密度の変化を大きくできるからである。

具体的には、例えば第１励磁コイルパターンだけが磁性領域に重なっている状態では、右ネジの法則により第１励磁コイルパターンの巻回方向と同じ方向に検出コイルパターン内で電流が発生する。逆に第２励磁コイルパターンだけが磁性の強い領域に重なっている状態では、第１励磁コイルパターンと第２励磁コイルパターンとが逆方向に励磁用電流が流れるので、検出コイルパターン内では第１励磁コイルパターンと磁性の強い領域が重なっている時とは逆方向に電流が発生する。このため、検出コイル内に発生する電流の振幅比を大きくすることが出来る。この結果、位置コイルの検出精度を向上させることが可能となる。

次に、（２）に記載の態様では、（１）に記載の位置センサにおいて、第１励磁コイルパターンと第２励磁コイルパターンのそれぞれが有する、互いに向かい合う側の配線が、検出コイルパターンの有する配線の一部と、絶縁層を介して重なる位置に配置されている。このため、検出コイルと励磁コイルの距離を最短とすることができ、結果的に検出コイルで検出する電流の出力が大きくなる。この結果、位置コイルのＳ／Ｎ比を向上させることができ、位置センサの精度向上に寄与することができる。

次に、（３）に記載の態様では、（１）又は（２）に記載の位置センサにおいて、検出コイルにより検出される検出信号に、励磁コイルに与えられる励磁信号成分を加算させるための結合部分と、検出コイルに接続される包絡線検波回路と、を有し、検出コイルからの検出信号が包絡線検波回路を通して得られた包絡信号を用いて、角度を検出するので、検出コイルで検出する電流波形をオフセットさせることができる。第１励磁コイルパターンと第２励磁コイルパターンとは電気的に渡り線で結ばれているので当然渡り線にも電流が流れ、磁界を発生させる。この磁界が磁性の強い領域で磁束密度を高められて、検出コイル内での起電力を生じる。この起電力の発生によって検出コイル内に発生する電流波形にオフセット効果が生じるので、第１励磁コイルパターンと第２励磁コイルパターンの何れから発生する磁束の効果が、第１励磁コイルパターンと第２励磁コイルパターンのどちらの影響が支配的になっても、検出コイル内に発生する電流波形が反転することが無く、信号処理が容易になる。この結果、回路構成が単純化され、コストダウンに貢献することができる。

次に、（４）に記載の態様は、（３）に記載の位置センサにおいて、包絡線検波回路の後に、励磁信号成分の加算による信号のオフセット分を調整する調整回路を備えるものである。位置センサに複数の検出コイルを備える場合、検出コイルパターンの製作精度にも限界があるため、オフセット分の微調整が困難な場合がある。こうしたケースに調整回路を備えることで対応し易くなり、結果的に位置センサの検出精度の向上に寄与することが出来る。

次に、（５）に記載の態様は、（１）乃至（４）のいずれか１に記載の位置センサにおいて、励磁コイルと検出コイルはフレキシブルプリント基板上に形成され、励磁コイル及び検出コイルの裏面に磁性材層が形成され、磁性材層は、樹脂フィルムに覆われているものである。磁性材層がバックヨークとして働くので、励磁コイルで発生させる磁束の密度を高めることができ、結果的に位置センサの検出精度を向上させることができる。

第１実施形態の、ロータリーエンコーダの構成についての模式的な斜視図である。第１実施形態の、ステータの構成を示す斜視図である。第１実施形態の、検出コイルと励磁コイルとロータパターンの対応関係についての模式図である。第１実施形態の、フレキシブルプリント基板とバックヨークの構成についての模式断面図である。第１実施形態の、バックヨークの構成について示した模式斜視図である。第１実施形態の、ロータリーエンコーダの検出ブロック図である。第１実施形態の、出力波形をグラフにまとめたものである。（ａ）第１実施形態の、ロータとステータの位置関係についての模式図である。（ｂ）第１実施形態の、（ａ）における出力波形を示すグラフである。（ａ）第１実施形態の、ロータとステータの位置関係についての模式図である。（ｂ）第１実施形態の、（ａ）における出力波形を示すグラフである。（ａ）第１実施形態の、ロータとステータの位置関係についての模式図である。（ｂ）第１実施形態の、（ａ）における出力波形を示すグラフである。（ａ）第１実施形態の、ロータとステータの位置関係についての模式図である。（ｂ）第１実施形態の、（ａ）における出力波形を示すグラフである。第１実施形態の、励磁コイルと検出コイルに関する等価回路図である。第２実施形態の、ロータリーエンコーダの検出ブロック図である。第２実施形態の、調整回路の概念図である。第３実施形態の、ロータリーエンコーダの検出ブロック図である。

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１に、第１実施形態のロータリーエンコーダ８の構成について模式的な斜視図で示す。位置センサの一種であるロータリーエンコーダ８は、図示しない回転軸に取り付けられた可動子となるロータ１０と、ロータ１０の外周の一部に対向して固設された固定子となるステータ９より成る。ロータ１０は非磁性導電体金属を用いることが好ましいので、本実施形態では非磁性のステンレスを用いた外径８０ｍｍ、幅１０ｍｍの円筒形状体を用いている。材質は非磁性で導電性を有する金属であれば良いので、例えばアルミニウム等を用いることもできる。

図２に、ステータ９の構成を斜視図に示す。図３に、検出コイル１６と励磁コイル１７とロータパターン１３の対応関係について模式図で示す。図５に、フレキシブルプリント基板２３とバックヨーク１５の構成について模式斜視図に示す。なお、ロータパターン１３はロータ１０の外周面に形成される。また、検出コイル１６及び励磁コイル１７についても、対応関係が分かるように平面に描かれている。ロータ１０の構成は、非磁性導電領域となる非磁性体部１２を形成する非磁性金属と、フェライト等を用いた磁性材によりなる磁性体部１１とが交互に配列される。

磁性体部１１は、フェライト等の磁性体粉末に樹脂バインダを混合したものを、スクリーン印刷によりロータ１０の外周表面に塗布して形成される。一方、非磁性導電領域である非磁性体部１２は、磁性体部１１が塗布されないロータ１０の地金部分となる。つまり、磁性体部１１が所定の間隔で所定の幅に形成されることで、ロータ１０の外周表面にストライプのパターンとしてロータパターン１３が形成される。すなわち、磁性体部１１及び非磁性体部１２により、磁気特性の異なる領域をロータ１０の外周表面に形成することになる。

ステータ９の構成は、図２に示すように、ステータ本体２６には、フランジ状の取付部材２４が固設されている。又、ステータ本体２６の上面には、回路部２５が付設されている。なお、回路部２５は製品としてはモールド材に覆われて外部より見えない構造と成っているが、説明のために図２ではモールド材を省いて描かれている。ステータ本体２６の先端面には、フレキシブルプリント基板２３が設けられている。フレキシブルプリント基板２３の表面には検出コイル１６と励磁コイル１７が設けられている。また、図５に示すバックヨーク１５が磁性体部１１同様に磁性体粉末に樹脂バインダを混合したものを塗布し、検出コイル１６の下にＰＩフィルム（polyimide film）３０を介して備えられる。バックヨーク１５は励磁コイル１７をカバーするだけの幅で設けられている。図２には、励磁コイル１７のコイルパターンが現れている。

ステータ９のフレキシブルプリント基板２３には、検出コイル１６と励磁コイル１７とが片面ずつに形成されている。図４に、フレキシブルプリント基板２３とバックヨーク１５の模式側面図を示す。フレキシブルプリント基板２３には検出コイル１６及び励磁コイル１７がそれぞれ積層して設けられている。図４では、励磁コイル１７はフレキシブルプリント基板２３の上面に形成され、その上にＰＩフィルム３０でラミネートされている。検出コイル１６はフレキシブルプリント基板２３の下面に形成され、ＰＩフィルム３０でラミネートされている。バックヨーク１５はＰＩフィルム３０によってラミネートされている。したがって、バックヨーク１５と検出コイル１６とステータ本体２６とはそれぞれＰＩフィルム３０によって隔てられた状態となっている。なお、図４では、説明のためにＰＩフィルム３０とステータ本体２６の間に隙間が設けられているが、実際は密着した状態である。

検出コイル１６は、図３に示すように第１検出コイルパターン１６ａと第２検出コイルパターン１６ｂと第３検出コイルパターン１６ｃとを有している。第１検出コイルパターン１６ａと第２検出コイルパターン１６ｂと第３検出コイルパターン１６ｃとは等間隔に配置され、同じ方向で図３に示すように時計回りに巻回されたプリントコイルより成る。検出コイル１６の配置間隔は、ロータパターン１３の磁性体部１１の幅に対して２．５倍の間隔が、検出コイル１６のコイルパターン同士の中心間距離として設定されている。

励磁コイル１７は、第１励磁コイルパターン１７ａと第２励磁コイルパターン１７ｂと第３励磁コイルパターン１７ｃと第４励磁コイルパターン１７ｄとを有している。第１励磁コイルパターン１７ａと第３励磁コイルパターン１７ｃは反時計回りに、第２励磁コイルパターン１７ｂと第４励磁コイルパターン１７ｄは時計回りに巻回されて形成されたコイルパターンより成る。したがって、励磁コイル１７は交互にコイルのターン方向が異なるコイルパターンより構成される。

また、第１励磁コイルパターン１７ａの巻き終わりと第２励磁コイルパターン１７ｂの巻き始めは、接続部１７ａｂで接続される。第２励磁コイルパターン１７ｂの巻き終わりと第３励磁コイルパターン１７ｃの巻き始めは、接続部１７ｂｃで接続される。第３励磁コイルパターン１７ｃの巻き終わりと第４励磁コイルパターン１７ｄの巻き始めは、接続部１７ｃｄで接続される。第１励磁コイルパターン１７ａ乃至第４励磁コイルパターン１７ｄは等間隔に配置される。配置間隔は検出コイル１６に準ずる。

次に、検出コイル１６と励磁コイル１７との位置関係について説明する。第１検出コイルパターン１６ａは、第１励磁コイルパターン１７ａと第２励磁コイルパターン１７ｂとの間に形成され、第１励磁コイルパターン１７ａの一辺と、第２励磁コイルパターン１７ｂの一辺とに、第１検出コイルパターン１６ａのコイルパターンの配線がそれぞれ重なるように構成されている。

第２検出コイルパターン１６ｂは、第２励磁コイルパターン１７ｂと第３励磁コイルパターン１７ｃとの間に形成され、第２励磁コイルパターン１７ｂの一辺と、第３励磁コイルパターン１７ｃの一辺とに、第２検出コイルパターン１６ｂのコイルパターンの配線がそれぞれ重なるように構成されている。

第３検出コイルパターン１６ｃは、第３励磁コイルパターン１７ｃと第４励磁コイルパターン１７ｄとの間に形成され、第３励磁コイルパターン１７ｃの一辺と、第４励磁コイルパターン１７ｄの一辺とに、第３検出コイルパターン１６ｃのコイルパターンの配線がそれぞれ重なるように構成されている。

すなわち、検出コイル１６は励磁コイル１７のコイルパターンに配線の一部が重なるように構成されている。そして図３に示す通り、電流の流れる方向は第１励磁コイルパターン１７ａと第３励磁コイルパターン１７ｃは検出コイル１６と配線が重なる部分で電流が同じ方向に流れるよう設計されている。又、第２励磁コイルパターン１７ｂと第４励磁コイルパターン１７ｄは検出コイル１６と配線が重なる部分で電流が逆に流れるように設計されている。

図６に、ロータリーエンコーダ８の検出ブロック図を示す。励磁コイル１７には、２ＭＨｚの高周波正弦波を入力している。これにより励磁コイル１７の巻き線数を少なくすることが可能となる。第１検出コイルパターン１６ａの端子は差動アンプ３１に接続されて信号Ｓ１を差動アンプ３１に入力する。差動アンプ３１では信号Ｓ１を差動増幅して信号Ｓ５を得る。第２検出コイルパターン１６ｂの端子は差動アンプ３２に接続されて信号Ｓ２を差動アンプ３２に入力する。第３検出コイルパターン１６ｃの端子は差動アンプ３３に接続されて信号Ｓ３を差動アンプ３３に入力する。それぞれで差動増幅され、差動アンプ３２からは信号Ｓ６が、差動アンプ３３からは信号Ｓ７が得られる。

次に、差動アンプ３１から得られた高周波信号Ｓ５の外側包絡線を、包絡線検波器４１で包絡線検波して信号Ｓ８を得る。同様に差動アンプ３２から得られた高周波信号Ｓ６及び差動アンプ３３から得られた高周波信号Ｓ７は、それぞれ包絡線検波器４２、包絡線検波器４３に入力されて、信号Ｓ９及び信号Ｓ１０を得る。包絡線検波器４２の高周波信号Ｓ９は、包絡線検波器４１の高周波信号Ｓ８に対して９０度位相がずれている。包絡線検波器４３の高周波信号Ｓ１０は、包絡線検波器４１の高周波信号Ｓ８に対して１８０度位相がずれている。これは、図３に示すように第１検出コイルパターン１６ａに対して第２検出コイルパターン１６ｂが半周期ずらされて配置され、第３検出コイルパターン１６ｃは更に半周期ずらされて配置されているためである。

包絡線検波器４１の出力波形Ｓ８と、包絡線検波器４２の出力波形Ｓ９とを差動アンプ３４に入力して両者を差動増幅して、信号Ｓ１１を得る。信号Ｓ１１をコンパレータ５１に入力してパルス信号Ｓ１３を得る。包絡線検波器４２の出力波形Ｓ９と、包絡線検波器４３の出力波形Ｓ１０とを差動アンプ３５に入力して両者を差動増幅して、信号Ｓ１２を得る。信号Ｓ１２をコンパレータ５２に入力してパルス信号Ｓ１４を得る。パルス信号Ｓ１３とパルス信号Ｓ１４を用いてステータ９に対するロータ１０の回転角度を算出することが出来る。

図７に、波形を１つのグラフにまとめたものを示す。信号Ｓ８はＳｉｎθの波形を示し、信号Ｓ９はＳｉｎ（θ＋９０）の波形を示し、信号Ｓ１０はＳｉｎ（θ＋１８０）の波形を示す。差動アンプ３４により信号Ｓ９と信号Ｓ８との差分を採ることで得られる信号Ｓ１１は、Ｓｉｎ（θ＋９０）−Ｓｉｎθとなり２２５度位相ズレの波形を得ることが出来る。一方、差動アンプ３５により信号Ｓ１０と信号Ｓ９との差分を採ることで得られる信号Ｓ１２は、Ｓｉｎ（θ＋１８０）−Ｓｉｎ（θ＋９０）となり１３５度位相ズレの波形を得ることができる。

図８（ａ）に、ロータ１０とステータ９の位置関係を示す。図８（ｂ）に（ａ）における出力波形Ｓを示す。図９（ａ）に、ロータ１０とステータ９の位置関係を示す。図９（ｂ）に（ａ）における出力波形Ｓを示す。図１０（ａ）に、ロータ１０とステータ９の位置関係を示す。図１０（ｂ）に（ａ）における出力波形Ｓを示す。図１１（ａ）に、ロータ１０とステータ９の位置関係を示す。図１１（ｂ）に（ａ）における出力波形Ｓを示す。図１２に、励磁コイルと検出コイルに関する等価回路を示す。図８から図１１にかけて、ロータ１０が進角してロータパターン１３が移動している。これに伴い、検出コイル１６で得られる出力波形Ｓの状態が変化ずる。説明のためロータパターン１３の磁性体部１１及び非磁性体部１２には、位置を示す符号をａ〜ｈまで付してある。検出コイル１６及び励磁コイル１７との対応関係を図１２と対応させて説明していく。

等価回路１００は、図１２に示すように第１検出コイルパターン１６ａが第１励磁コイルパターン１７ａ、及び第２励磁コイルパターン１７ｂに重なったときに生じる電流を示す為に構成された回路である。第１結合部Ｃ１は、第１励磁コイル右辺１７ａｒと第１検出コイル左辺１６ａｌとが対向して形成される。第２結合部Ｃ２は、第２励磁コイル左辺１７ｂｌと第１検出コイル右辺１６ａｒとが対向して形成される。第３結合部Ｃ３は、回路短辺１６ａ１と接続部１７ａｂとが対向して形成される。したがって、励磁コイル１７に交流信号を入力した際、第１検出コイルパターン１６ａにおいて、第１結合部Ｃ１と第２結合部Ｃ２とは逆向きの起電力が発生するように接続され、第１結合部Ｃ１と第３結合部Ｃ３とは同じ向きの起電力が発生するように接続されている。つまり、第１結合部Ｃ１での起電力を起電力Ｖ１、第２結合部Ｃ２での起電力を起電力Ｖ２、第３結合部Ｃ３での起電力を起電力Ｖ３とすると、第１検出コイルパターン１６ａの出力Ｖ４は、（起電力Ｖ１）―（起電力Ｖ２）＋（起電力Ｖ３）となる。

具体的には、まず、図８（ａ）の状態では、第１励磁コイル右辺１７ａｒは、磁性体部１１ｃに重なっている。この状態で励磁コイル１７に高周波正弦波信号が入力されると、磁束が発生する。第１励磁コイル右辺１７ａｒで発生する磁束は磁性体部１１ｃを通過する。通過する磁束の変化により第１検出コイル左辺１６ａｌに大きな起電力が発生する。第２励磁コイル左辺１７ｂｌは、非磁性体部１２ｃに重なっている。よって、第２励磁コイル左辺１７ｂｌで発生する磁束は、非磁性体部１２ｃを通過する。非磁性体部１２ｃでは、この磁束の変化を打ち消す方向の渦電流が発生する為、検出コイル１６の第１検出コイル右辺１６ａｒに発生する起電力は小さくなる。図１２に示す等価回路１００で考えると、第１励磁コイル右辺１７ａｒと第１検出コイル左辺１６ａｌからなる第１結合部Ｃ１で発生する起電力Ｖ１は、磁性体部１１ｃを通過するので大きくなり、第２励磁コイル左辺１７ｂｌと第１検出コイル右辺１６ａｒからなる第２結合部Ｃ２で発生する起電力Ｖ２は、非磁性体部１２ｃを通過するので小さくなる。よって、等価回路１００には起電力Ｖ１と起電力Ｖ２の差で示される起電力が発生し振幅Ａｍ１は最大となる。そこに第３結合部Ｃ３の起電力Ｖ３が加えられて、図８（ｂ）に示すようなオフセット幅Ｏｆだけ基準電圧よりオフセットされた波形Ｓａを得る。なお、回路短辺１６ａ１と接続部１７ａｂとは直接重ならないように配置されている。

次に、図９（ａ）の状態では、ロータパターン１３が回転することで移動し、第１励磁コイル右辺１７ａｒは、磁性体部１１ｃと非磁性体部１２ｂの境界部に位置する。第２励磁コイル左辺１７ｂｌは、磁性体部１１ｃと非磁性体部１２ｃの境界部に位置する。図１２に示す等価回路１００で考えると、第１結合部Ｃ１で発生する起電力Ｖ１と第２結合部Ｃ２で発生する起電力Ｖ２が、非磁性体部１２ｂ、磁性体部１１ｃ、及び非磁性体部１２ｃと重なる部分の関係で等しくなる。よって、等価回路１００には起電力Ｖ１と起電力Ｖ２の差で示される起電力は０となるが起電力Ｖ３が加えられるので、図９（ｂ）に示すような基準電圧よりオフセット幅Ｏｆだけオフセットされた振幅Ａｍ２の波形Ｓｂを得る。振幅Ａｍ２は振幅Ａｍ１より小さくなる。

次に、図１０（ａ）の状態では、さらにロータパターン１３が回転することで移動し、第１励磁コイル右辺１７ａｒは、非磁性体部１２ｂと重なる。一方、第２励磁コイル左辺１７ｂｌは、磁性体部１１ｃと重なる。図１２に示す等価回路１００で考えると、第１結合部Ｃ１で発生する起電力Ｖ１は、非磁性体部１２ｂと重なって小さくなり、第２結合部Ｃ２で発生する起電力Ｖ２は、磁性体部１１ｃと重なって大きくなる。よって、等価回路１００には起電力Ｖ１と起電力Ｖ２の差で示される起電力はマイナスとなるが、起電力Ｖ３が加えられるので、図１０（ｂ）に示すような基準電圧よりオフセット幅Ｏｆだけオフセットされた振幅Ａｍ３の波形Ｓｃを得る。振幅Ａｍ３は最小となる。この際に出力Ｖ４がマイナスにならないように第３結合部Ｃ３の結合の大きさが調整される。具体的には回路短辺１６ａ１と接続部１７ａｂとの距離や、それぞれの長さによって調整される。

次に、図１１（ａ）の状態では、更にロータパターン１３が回転することで移動し、第１励磁コイル右辺１７ａｒは、磁性体部１１ｂと非磁性体部１２ｂの境界部に位置する。一方、第２励磁コイル左辺１７ｂｌは、磁性体部１１ｃと非磁性体部１２ｂの境界部に位置する。図１２に示す等価回路１００で考えると、第１結合部Ｃ１で発生する起電力Ｖ１と第２結合部Ｃ２で発生する起電力Ｖ２が、非磁性体部１２ｂ、磁性体部１１ｃ、及び非磁性体部１２ｃと重なる部分の関係で等しくなる。よって、等価回路１００には起電力Ｖ１と起電力Ｖ２の差で示される起電力は０となるが起電力Ｖ３が加えられるので、図１１（ｂ）に示すような基準電圧よりオフセット幅Ｏｆだけオフセットされた振幅Ａｍ２の波形Ｓｂを得る。

なお、第１検出コイルパターン１６ａについて説明したが、第２検出コイルパターン１６ｂ及び第３検出コイルパターン１６ｃについても同様に、対応する第２励磁コイルパターン１７ｂ、第３励磁コイルパターン１７ｃ及び第４励磁コイルパターン１７ｄと、磁性体部１１及び非磁性体部１２との関係で、出力波形が得られる。ただし、第１検出コイルパターン１６ａとは、図７に示した出力波形Ｓ８と、出力波形Ｓ９及び出力波形Ｓ１０との関係に示される様になる。これは、第１検出コイルパターン１６ａとの距離が磁性体部１１のピッチに比べて２．５倍のピッチで配置されていることによる。なお、第２検出コイルパターン１６ｂの回路短辺１６ｂ１と接続部１７ｂｃ、第３検出コイルパターン１６ｃの回路短辺１６ｃ１と接続部１７ｃｄが作用して、第２検出コイルパターン１６ｂにも第３検出コイルパターン１６ｃにも第１検出コイルパターン１６ａと同様にオフセットの効果が得られる。

上述した様に、ロータパターン１３の移動によって、検出コイル１６で検出される起電力の波形が出力波形Ｓ８、出力波形Ｓ９及び出力波形Ｓ１０の様に得られ、図６のブロック図で説明するようにＡ信号としてパルス信号Ｓ１３が得られ、Ｂ信号としてパルス信号Ｓ１４が得られる。これらの信号は前述した通り、２２５度位相ズレの信号と１３５度位相ズレの信号となっている。これらの信号を用いてロータ１０の位置をステータ９によって検出することが可能となる。

第１実施形態の位置センサは、上記に説明した構成であるので、以下に説明する作用及び効果を奏する。

まず、振幅比を大きくすることが可能な位置センサであるロータリーエンコーダ８を提供が可能である点が効果として挙げられる。本実施形態のロータリーエンコーダ８の構成は、平面状に形成された励磁コイル１７及び検出コイル１６を有するステータ９と、ステータ９に対向して配置され、磁性体部１１と非磁性体部１２が移動方向に周期的に交互に配置されたロータ１０を有するロータリーエンコーダ８において、励磁コイル１７の第１励磁コイルパターン１７ａと隣接して形成される第２励磁コイルパターン１７ｂとで、ロータ１０の移動方向に挟まれるように検出コイル１６の第１検出コイルパターン１６ａが配置される。そして、第１励磁コイルパターン１７ａに対して第２励磁コイルパターン１７ｂは逆方向に励磁用電流が流れるように巻回されるものである。

その結果、ロータリーエンコーダ８の検出精度を向上させることが可能となる。これは、次に示すような理由による。つまり、第１励磁コイルパターン１７ａと第２励磁コイルパターン１７ｂに対して、第１検出コイルパターン１６ａがロータ１０の回転方向に挟まれて設けられている。また同様に、第２励磁コイルパターン１７ｂと第３励磁コイルパターン１７ｃとに、第２検出コイルパターン１６ｂが挟まれ、第３励磁コイルパターン１７ｃと第４励磁コイルパターン１７ｄとに、第３検出コイルパターン１６ｃが挟まれて設けられている。

そして、第１励磁コイルパターン１７ａと第２励磁コイルパターン１７ｂ、第２励磁コイルパターン１７ｂと第３励磁コイルパターン１７ｃ、第３励磁コイルパターン１７ｃと第４励磁コイルパターン１７ｄは、それぞれ図３に示すように隣り合うコイルパターンが逆方向に巻回されている。このため、励磁コイル１７に励磁されると、ロータ１０の動きによって磁性体部１１を通過する磁束密度は連続的に変化し、例えば第１検出コイルパターン１６ａでは、第１励磁コイルパターン１７ａが発生する磁束と、第２励磁コイルパターン１７ｂ発生する磁束とでは磁束の方向が逆方向となる。

このため、磁性体部１１を通過する磁束が第１励磁コイルパターン１７ａの影響が支配的である場合と、第２励磁コイルパターン１７ｂの影響が支配的である場合とでは、第１検出コイルパターン１６ａの回路内に生じる起電力の差が大きくなり、図８の波形Ｓａに示すように振幅比を大きく採ることが可能となる。

また、ロータリーエンコーダ８のＳ／Ｎ比を向上させることが可能となる点が効果として挙げられる。これは、第１励磁コイルパターン１７ａと第２励磁コイルパターン１７ｂのそれぞれが有する、互いに向かい合う側の配線が、第１検出コイルパターン１６ａの有する配線の一部と、絶縁層を介して重なる位置に配置されている。このため、検出コイル１６と励磁コイル１７の距離を最短とすることができる。電界の強度は配線を中心に距離に反比例して弱くなるので、励磁コイル１７と検出コイル１６の距離が離れると条件が悪化してしまうが、検出コイル１６と励磁コイル１７の距離を近くすることで、検出コイル１６で検出する電流の出力が大きくなり、その結果、位置コイルのＳ／Ｎ比を向上させることができる。

また、オフセット効果によって回路構成を単純化することが可能となる点が効果として挙げられる。検出コイル１６により検出される検出信号に、励磁コイル１７に与えられる励磁信号成分を加算させるための結合部分となる第１結合部Ｃ１乃至第３結合部Ｃ３と、検出コイル１６に接続される包絡線検波器４１乃至包絡線検波器４３と、を有し、検出コイル１６からの検出信号が包絡線検波回路を通して得られた包絡信号を用いて、角度を検出する。第１励磁コイルパターン１７ａと第２励磁コイルパターン１７ｂとは、接続部１７ａｂで接続され、第２励磁コイルパターン１７ｂと第３励磁コイルパターン１７ｃとは接続部１７ｂｃで、第３励磁コイルパターン１７ｃと第４励磁コイルパターン１７ｄとは接続部１７ｃｄで接続されている。それに対応する第１検出コイルパターン１６ａ乃至第３検出コイルパターン１６ｃは、それぞれのコイルパターンの有する短辺が接続部１７ａｂ乃至接続部１７ｃｄとそれぞれ重なる。

このため、励磁コイル１７に電力を供給することで、接続部１７ａｂ乃至接続部１７ｃｄを通過する電力によっても磁束が発生し、磁性体部１１で磁束密度が高められて検出コイル１６で起電力を得て、出力波形Ｓをオフセットさせることに繋がる。図１２の等価回路１００で説明する起電力Ｖ３により、起電力Ｖ１と起電力Ｖ２の差の電力とに起電力Ｖ３を足すことでオフセットさせ、出力Ｖ４を得る。この結果、図８（ｂ）乃至図１１（ｂ）で示すような波形Ｓａ乃至波形Ｓｃの様な波形が得られる。波形Ｓｃは検出コイル１６で検出される出力波形Ｓの振幅が最も低い状態である。この波形Ｓｃは波形Ｓａと同じ周期の波形を示しているが、オフセットの効果が無いと波形が反転してしまう。

しかし、オフセット効果によって波形Ｓａと波形Ｓｃとは同じ周期の波形となっているので、補正回路を必要とせずに波形を比較してパルス信号Ｓ１３やパルス信号Ｓ１４の信号を取得することができる。よって、ロータリーエンコーダ８のコストダウンが可能となる。

また、効果としてバックヨーク１５を設けることで位置センサの検出精度を向上させることができる点が挙げられる。励磁コイル１７と検出コイル１６とバックヨーク１５とはＰＩフィルム３０に隔てられて、図４に示すように積層されて形成されている。ＰＩフィルム３０は、磁性材料で形成されたバックヨーク１５をフレキシブルプリント基板２３上に保持する機能も兼ねる。励磁コイル１７で発生した磁束は磁性体部１１等の磁性材料を通過することで磁束密度を高める効果が得られる。この結果、ロータリーエンコーダ８の検出精度を向上させることが可能である。

また、バックヨーク１５はＰＩフィルム３０で抑えられていることで剥落を防ぐことができるので、バックヨーク１５に用いる磁性材料に混入するバインダの量を減らすことが可能となる。バインダは磁性材料をフレキシブルプリント基板２３の上に剥落せずに保持する機能を有するが、同時に磁性材料の密度を低下させる原因ともなる。したがって、ＰＩフィルム３０を用いてバックヨーク１５を保持する事で、バックヨーク１５に用いるバインダの量を減らすことが可能となる。図４及び図５に示される様に、バックヨーク１５は２枚のＰＩフィルム３０によって挟まれた状態となっている。このため、ＰＩフィルム３０を用いてバックヨーク１５を保持することを可能とし、必要に応じてバックヨーク１５の厚みを厚くすることも可能である。この結果、バックヨーク１５が励磁コイル１７の発生する磁束密度を高める効果をより高めることが可能となり、ロータリーエンコーダ８の検出精度の向上に繋がる。

次に、本発明の第２の実施形態について説明する。第２実施形態は第１実施形態とほぼ構成は同じだが、位置センサの回路構成が若干異なる。以降、異なる点について説明して行く。

図１３に、第２実施形態のロータリーエンコーダ８の検出ブロック図を示す。図１４に、調整回路の概念図を示す。調整回路６１は出力波形Ｓ８にＤＣ成分を注入する目的で設けられており、出力波形Ｓ８にＤＣ成分を注入することで、出力波形Ｓ８の位置がオフセットする。調整回路６１は、図１３に示すように包絡線検波器４１の後に設けられ、図１４に示すように１２ＶのＤＣ成分を回路に接続している。こうすることで、出力波形Ｓ８よりオフセット波形Ｓ２１が得られる。同様に、調整回路６２は、包絡線検波器４２の後に追加され、出力波形Ｓ９をオフセットさせてオフセット波形Ｓ２２を得る。また、調整回路６３は、包絡線検波器４３の後に追加され、出力波形Ｓ１０をオフセットさせてオフセット波形Ｓ２３を得る。

第２実施形態の位置センサは、上記に説明した構成であるので、以下に説明する作用及び効果を奏する。

ロータリーエンコーダ８の回路に設けられた包絡線検波器４１乃至包絡線検波器４３の後に、励磁信号成分の加算による信号のオフセット分を調整する調整回路を備えるものである。ロータリーエンコーダ８に複数の検出コイル１６を備える場合、検出コイルパターンの製作精度にも限界があるため、オフセット分の微調整が困難な場合がある。こうしたケースに調整回路６１、６２、６３を備えることで対応し易くなり、結果的に位置センサの検出精度の向上に寄与することが出来る。

オフセット波形Ｓ２１とオフセット波形Ｓ２２とは、差動アンプ３４によって加算され、コンパレータ５１を通して最終的にパルス信号Ｓ１３を得る。オフセット波形Ｓ２２とオフセット波形Ｓ２３とは、差動アンプ３５によって加算され、コンパレータ５２を通して最終的にパルス信号Ｓ１４を得る。このようにして得たパルス信号Ｓ１３とパルス信号Ｓ１４は、出力波形Ｓ８、出力波形Ｓ９、出力波形Ｓ１０でそれぞれの調整回路６１、６２、６３によってオフセットレベルが調整される。

オフセットレベルを出力波形Ｓ８乃至出力波形Ｓ１０の個別に調整することで、第３結合部Ｃ３での調整とは別の調整が可能となり、ロータリーエンコーダ８の検出精度を向上させることに貢献出来る。出力波形Ｓ８乃至出力波形Ｓ１０のオフセット位置を合わせるためには、検出コイル１６及び励磁コイル１７の描画精度を高める必要があるが、製造可能な精度の限界を超える部分での位置合わせを必要とするケースがある。この描画精度の問題を補完するために調整回路６１、６２、６３を用いることで、微調整が可能となる。この微調整により更なるロータリーエンコーダ８の検出精度を向上させることに貢献出来る。なお、第２実施形態では調整回路６１を包絡線検波器４１の後に、調整回路６２を包絡線検波器４２の後に、調整回路６３を包絡線検波器４３の後に設けているが、包絡線検波器４１乃至包絡線検波器４３のいずれか１つを基準として、調整回路６１乃至調整回路６３の何れか１つを省く構成であっても同等の効果が得られる。

次に、本発明の第３の実施形態について説明する。第３実施形態は第１実施形態とほぼ構成は同じだが、位置センサの回路構成が若干異なる。以降、異なる点について説明して行く。

図１５に、第３実施形態のロータリーエンコーダ８の検出ブロック図を示す。第３実施形態では、第２実施形態に用いた調整回路６１乃至調整回路６３の代わりに調整回路７１及び調整回路７２を用いて波形をオフセットさせている。調整回路７１として、コンパレータ５１に基準電圧Ｖ_REFを入力し、調整回路７２として、コンパレータ５２に基準電圧Ｖ_REFを入力している。

第３実施形態の位置センサは、上記に説明した構成であるので、以下に説明する作用及び効果を奏する。

信号Ｓ１１の信号は、出力波形Ｓ８と出力波形Ｓ９とがそれぞれ基準位置がずれている状態で差動アンプ３４に入力され、得られたものである。従って、出力波形Ｓ８はＳｉｎθ＋オフセット量Ｖａで表され、出力波形Ｓ９はＳｉｎ（θ＋９０）＋オフセット量Ｖｂで表される。なお、ここで言うオフセット量Ｖａ及びオフセット量Ｖｂは、検出コイル１６及び励磁コイル１７を製造時に発生する精度誤差に起因するものである。そして、差動アンプ３４に入力されることで、Ｓｉｎ（θ＋９０）−Ｓｉｎθ＋Ｖｂ−Ｖａという出力結果の信号Ｓ１１を得る。本来はＳｉｎ（θ＋９０）−Ｓｉｎθという信号を得たいので、基準電圧Ｖ_REFにＶｂ−Ｖａと同値の電圧を基準電圧としてコンパレータ５１に入力することで、理論的にはオフセットのズレを補正する事が可能となる。コンパレータ５２でも同様の処理を行うことで、結果的に、パルス信号Ｓ１３及びパルス信号Ｓ１４は誤差の少ない状況で得られ、ロータリーエンコーダ８の検出精度を向上させ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、本発明では検出コイル１６を３つ、励磁コイル１７を４つといった構成でステータ９を構成しているが、これに限定されるものではない。また、検出コイル１６や励磁コイル１７の製造方法はプリント基板で形成する場合の他に、インクジェットで描画して形成する方法など、他の製造方法で形成することを妨げない。また、例示した材料はその機能を果たす別の材料に置き換えることを妨げない。

また、バックヨーク１５に関してはステータ本体２６に埋め込んだ状態で形成されていても良い。また、検出コイル１６と励磁コイル１７がフレキシブルプリント基板２３の上に２層に形成された形態であっても良い。

８ロータリーエンコーダ
９ステータ
１０ロータ
１１磁性体部
１２非磁性体部
１３ロータパターン
１５バックヨーク
１６検出コイル
１６ａ第１検出コイルパターン
１６ｂ第２検出コイルパターン
１６ｃ第３検出コイルパターン
１７励磁コイル
１７ａ第１励磁コイルパターン
１７ｂ第２励磁コイルパターン
１７ｃ第３励磁コイルパターン
１７ｄ第４励磁コイルパターン
２３フレキシブルプリント基板
２４取付部材
２５回路部
２６ステータ本体
３１、３２、３３、３４、３５差動アンプ
４１、４２、４３包絡線検波器
５１、５２コンパレータ

Claims

平面状に形成された励磁コイル及び検出コイルを有する固定子と、前記固定子に対向して配置され、磁気特性の異なる領域が移動方向に周期的に配置された可動子と、を有する位置センサにおいて、
前記可動子には、前記磁気特性の異なる領域として非磁性導電体部と磁性体部が、前記移動方向に交互に配置され、
前記励磁コイルの第１励磁コイルパターンと隣接して形成される第２励磁コイルパターンとで、前記可動子の移動方向に挟まれるように前記検出コイルの検出コイルパターンが配置され、
前記第１励磁コイルパターンに対して、前記第２励磁コイルパターンは逆方向に励磁用電流が流れるように巻回されること、
を特徴とする位置センサ。
請求項１に記載の位置センサにおいて、
前記第１励磁コイルパターンと前記第２励磁コイルパターンのそれぞれが有する、互いに向かい合う側の配線が、前記検出コイルパターンの有する配線の一部と、絶縁層を介して重なる位置に配置されていること、
を特徴とする位置センサ。
平面状に形成された励磁コイル及び検出コイルを有する固定子と、前記固定子に対向して配置され、磁気特性の異なる領域が移動方向に周期的に配置された可動子と、を有する位置センサにおいて、
前記励磁コイルの第１励磁コイルパターンと隣接して形成される第２励磁コイルパターンとで、前記可動子の移動方向に挟まれるように前記検出コイルの検出コイルパターンが配置され、
前記第１励磁コイルパターンに対して、前記第２励磁コイルパターンは逆方向に励磁用電流が流れるように巻回され、
前記検出コイルにより検出される検出信号に、前記励磁コイルに与えられる励磁信号成分を加算させるための結合部分と、
前記検出コイルに接続される包絡線検波回路と、を有し、
前記検出コイルからの検出信号が前記包絡線検波回路を通して得られた包絡信号を用いて、角度を検出すること、
を特徴とする位置センサ。
請求項３に記載の位置センサにおいて、
前記包絡線検波回路の後に、前記励磁信号成分の加算による信号のオフセット分を調整する調整回路を備えること、
を特徴とする位置センサ。
請求項１乃至請求項４のいずれか１つに記載の位置センサにおいて、
前記励磁コイルと前記検出コイルはフレキシブルプリント基板上に形成され、
前記可動子と対向する側を表面側とした場合の前記フレキシブルプリント基板の裏面側に、磁性材層が形成され、
前記磁性材層は、樹脂フィルムに覆われていること、
を特徴とする位置センサ。