JP6605750B2 - 回転角度センサ - Google Patents

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、外乱に対して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せられるので、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）。

欧州特許第０９０９９５５号明細書（ＥＰ０９０９９５５Ｂ１）は、励磁コイルの交番電磁場と相互作用する、ターゲット上で短絡された平坦な導体ループを有する回転角度センサを示している。

欧州特許第０９０９９５５号明細書

発明の開示
発明の利点
本発明の実施形態は、有利な方法により、特に経済的に製造可能であって、かつ、容易に評価可能な測定信号を提供するような回転角度センサを提供することを可能にする。

本発明の実施形態に至る着想は、特に、以下に説明される思想及び認識に基づいていると見なすことができる。

本発明は、特に、強力な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。以下に説明される回転角度センサは、低コストであり、わずかな構造スペースしか必要とせず、また、簡単な測定原理に基づいている。

本発明の１つの実施形態によれば、前記回転角度センサは、ステータ送信コイル及び少なくとも２つのステータ受信コイルを有するステータエレメントと、ロータ受信コイル及びロータ送信コイルを有するロータエレメントとを備えており、前記少なくとも２つのステータ受信コイルは、相互に角度オフセットされて同様に形成されており、プリント基板に形成されており、前記ロータエレメントは、前記ステータエレメントに対して回転軸線を中心にして回転可能に支持されており、前記ロータ受信コイルと、前記ロータ送信コイルとは、相互に電気的に接続されており、前記ロータ受信コイルは、前記ステータ送信コイルに誘導結合されており、これにより、前記ステータ送信コイルによって生成された電磁場が、前記ロータ受信コイルにおいて電流を誘導し、前記電流が前記ロータ送信コイルを通って流れることにより、前記ロータ送信コイルが別の電磁場を生成するようになっており、前記少なくとも２つのステータ受信コイルは、前記ロータ送信コイルに誘導結合されており、これにより、前記誘導結合は、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回転角度に依存していて、前記ロータ送信コイルによって生成された前記別の電磁場は、前記少なくとも２つのステータ受信コイルにおいて少なくとも２つの角度依存性の交番電圧を誘導する。

換言すれば、ステータ送信コイルに交番電圧を印加することができ、この交番電圧は、ステータ送信コイルとロータ受信コイルとの誘導結合によって、ロータ受信コイルにおいて別の交番電圧を誘導する。ロータ受信コイルにおいて生成された交番電圧は、ロータ送信コイルにおいて電流を生成し、この電流は、ロータ送信コイルとステータ受信コイルとの誘導結合によって、ステータ受信コイルにおいてそれぞれ１つの別の交番電圧を生成し、これらの別の交番電圧を測定することができ、これらの別の交番電圧の測定値から、ステータエレメントとロータエレメントとの間の相対的な回転角度を特定することができる。

特に、それぞれ誘導される交番電圧の絶対値又は振幅は、回転角度に依存している。それぞれ誘導される交番電圧又は交番電圧の絶対値は、それぞれのステータ受信コイルによって提供される回転角度センサの測定信号として解釈することができる。

コイルは、プリント基板の中又は上に設けられた複数の導体路によって画定することができ、これらの導体路は全て、直列に接続されており、プリント基板上の接続部を介して一緒に通電されることができる。この場合、ロータ受信コイルとロータ送信コイルとを相互に直列に短絡させることができる。

前記少なくとも２つのステータ受信コイルの各々は、複数の半径方向導体及び複数の周方向導体から形成されており、前記半径方向導体及び前記周方向導体は、プリント基板の２つの平面に形成されており、これにより、前記半径方向導体及び前記周方向導体からなるステータ受信コイルごとに、少なくとも２つの相互に逆向きの部分巻線が形成されている。半径方向導体及び／又は周方向導体は、それぞれ導体路から形成することができ、これらの導体路は、プリント基板の２つの平面に延在しており、例えばスルーホールコンタクトを介して相互に接続されている。換言すれば、半径方向導体及び／又は周方向導体は、プリント基板の１つの平面において部分的にのみに延在することができる。

ステータ受信コイルの部分巻線の各々は、２つの半径方向導体と２つの周方向導体とから形成されており、これらは、それぞれの端部において相互に接続されている。

部分巻線は、導体を含むコイルの一部とすることができ、これらの導体は全て、例えば、同等の面積を取り囲んでおり、及び／又は、相互に直列に接続されている。

１つのコイルの２つの部分巻線は、電流がコイルを流れるときに電流がこれら２つの部分巻線をそれぞれ時計回り又は反時計回りに流れる場合に、相互に逆向きに方向決めされている。

前記半径方向導体は、半径方向に内側端部から外側端部へと延在しており、相互に逆向きの電流方向を有するそれぞれ２つの半径方向導体は、少なくとも部分的に覆い合って前記プリント基板上に配置されている。例えば、半径方向導体は全て、ステータエレメントの共通の中心及び／又は対称軸線に対して半径方向に延在することができる。この対称軸線は、ステータエレメントがロータエレメントと正確に位置合わせされている場合にロータエレメントの回転軸線と一致する軸線とすることができる。半径方向導体は、（対称軸線に平行な視線方向に関して）相互に交差する（が、交点ではプリント基板のそれぞれ異なる平面に延在する）ように、又は、（対称軸線に平行な視線方向に関して）プリント基板のそれぞれ異なる平面において少なくとも部分的に上下に重なり合って延在するように、覆い合うことができる。

前記周方向導体は、前記対称軸線に対して周方向に延在しており、１つの周方向導体は、複数の半径方向導体のそれぞれ２つの内側端部又はそれぞれ２つの外側端部を接続し、前記周方向導体の各々は、スルーホールコンタクトを有し、前記スルーホールコンタクトにおいて前記周方向導体は、前記プリント基板の平面を切り替える。周方向導体は、第１の端部において、プリント基板の第１の平面における第１の半径方向導体に接続されており、次いで、第１の平面において周方向に延在し、次に、中央において（スルーホールコンタクトを介して）プリント基板の第２の平面に切り替わり、その後、周方向に（特に、同じ方向に）プリント基板の第２の平面において引き続き延在し、周方向導体の第２の端部によって、プリント基板の第２の平面における第２の半径方向導体に接続されることができる。

このようにして、ステータ受信コイルが全て、プリント基板の２つの平面においてコンパクトな空間に実現され得ることを達成することができる。ステータ受信コイルの特別な幾何形状によって、ステータ送信コイルの内側において利用可能な面積を、ステータ受信コイルによって特に広範囲に覆うことを達成することができる。

本発明の１つの実施形態によれば、前記周方向導体は、１つのスルーホールコンタクトと１つの端部との間で、及び／又は、前記周方向導体の端部同士の間で弧形に湾曲させられている。周方向導体を、全体として、周方向導体の中心が周方向導体の端部よりもさらに半径方向外側又は半径方向内側に位置するように湾曲させることができる。このようにして、ステータ受信コイルの周方向導体のためのスルーホールコンタクトを中央に設けることができ、このスルーホールコンタクトは、他のステータ受信コイルの周方向導体と接触しない。１つの端部と、周方向導体のスルーホールコンタクトとの間で、周方向導体を円弧形に湾曲させることができる。

本発明の１つの実施形態によれば、前記ステータ送信コイルと前記ステータ受信コイルとは、前記プリント基板の２つの平面に一緒に形成されている。ステータ受信コイルだけでなく、ステータ受信コイルを取り囲むことができるステータ送信コイルも、同じ２つの平面に設けられる導体路、又は、２つの平面のうちの少なくとも１つの平面に設けられる導体路から形成することができる。コイルを最大で２つの平面に配置することができることによって、特に低コストかつ簡単に製造することが可能となる。即ち、最も簡単なケースでは、送信コイル／受信コイルをロータ・プリント基板上及びステータ・プリント基板上に設けるために２層のプリント基板だけで十分である。プリント基板がさらに別の平面を有することもでき（即ち、多層プリント基板とすることができ）、この別の平面に、回転角度センサの他の導体路（例えば、測定信号を評価するための評価ユニットの導体路）を形成することができることを理解すべきである。

本発明の１つの実施形態によれば、それぞれの前記半径方向導体の２つの前記外側端部又は前記内側端部の間の中央に、１つの周方向導体の前記スルーホールコンタクトが配置されている。中心は、周方向導体の両方の端部から等距離にあることによって定義することができる。周方向導体の中心にあるスルーホールコンタクトは、対称軸線から、周方向導体の端部とは異なる半径方向距離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、前記半径方向導体の前記内側端部同士を接続する前記周方向導体の前記スルーホールコンタクトは、それぞれの前記内側端部よりもさらに半径方向内側に配置されており、及び／又は、前記半径方向導体の前記外側端部同士を接続する前記周方向導体の前記スルーホールコンタクトは、それぞれの前記外側端部よりもさらに半径方向外側に配置されている。このようにして、それぞれのステータ受信コイルによって可能な限り大きな面積が覆われる。

本発明の１つの実施形態によれば、前記半径方向導体の前記内側端部同士を接続する前記周方向導体の前記スルーホールコンタクトは、それぞれの前記周方向導体のうち、対称軸線まで最小の距離を有する位置に配置されており、及び／又は、前記半径方向導体の前記外側端部同士を接続する前記周方向導体の前記スルーホールコンタクトは、それぞれの前記周方向導体のうち、対称軸線まで最大の距離を有する位置に配置されている。このようにして、それぞれのステータ受信コイルによって覆われる面積を最大化することができ、他の導体路からのスルーホールコンタクトの距離も最大化することができる。

本発明の１つの実施形態によれば、前記半径方向導体の前記内側端部は全て、対称軸線から同等の距離を有し、及び／又は、前記半径方向導体の前記外側端部は全て、対称軸線から同等の距離を有する。換言すれば、ステータ受信コイルの部分巻線、及び／又はステータ受信コイルを、対称軸線に対して回転対称に形成することができる。

本発明の１つの実施形態によれば、１つの周方向導体の端部に、１つの半径方向導体の１つの端部を前記プリント基板の他方の平面において当該周方向導体に接続するスルーホールコンタクトが配置されている。このようなスルーホールコンタクトは、複数のステータ受信コイルが配置されている場合にプリント基板の２つの平面において重なり合いが生じないようにするために必要であり得る。

上述したように部分巻線において追加的なスルーホールコンタクトを含むことができるステータ受信コイルに対して対称性を高めるために、ステータ受信コイルに１つ又は複数のブラインドスルーホールコンタクトを設けることができる。

本発明の１つの実施形態によれば、１つの周方向導体の端部に、半径方向導体の１つの端部を同一平面上において当該周方向導体に接続するブラインドスルーホールコンタクトが設けられている。ブラインドスルーホールコンタクトは、プリント基板の２つの平面を電気的に接続するスルーホールコンタクトであるが、このスルーホールコンタクトにおいては、１つの平面の導体路同士が接続されているに過ぎない。この場合、ブラインドスルーホールコンタクトは、１つの半径方向導体と１つの周方向導体とを接続する。前記ブラインドスルーホールコンタクトは、１つの周方向導体の端部に設けられた別のスルーホールコンタクトに対して対称に、例えば対称軸線に対して点対称に配置することができる。

本発明の１つの実施形態によれば、前記ロータ送信コイルは、少なくとも２つの部分巻線に分割されており、前記少なくとも２つの部分巻線は、相互に逆向きに方向決めされている。このようにして、ステータ送信コイルによって、直接的にロータ送信コイルにおいて電流が誘導されなくなるか、又は、少なくともわずかな電流しか誘導されなくなる。換言すれば、ロータ送信コイルに流れる電流は、ロータ受信コイルにおいて誘導される電流の流れに起因する。

本発明の１つの実施形態によれば、前記ロータ送信コイルの前記部分巻線は、三日月形に形成されている。三日月形の部分巻線は、双方とも同じ方向に湾曲させられた、それぞれ異なる曲率を有する弧形の導体区分によって画定することができる。特に、弧形の導体区分は、円弧形とすることができ、及び／又は、それぞれ異なる半径を有することができる。このようにして、ロータ送信コイルの交番磁場によってステータ受信コイルにおいて誘導される交番電圧の絶対値が、正弦関数を介して回転角度に依存している。回転角度に依存している正弦波形の信号は、簡単に評価することが可能であり、簡単に回転角度に変換することが可能である。

例えば、２つのステータ受信コイル（２相システム）の場合には、２つの信号の商から回転角度をアークタンジェントによって特定することができる。３つのステータ受信コイル（３相システム）の場合には、３つの信号のクラーク変換によって回転角度を特定することができる。

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横断面図である。 本発明の１つの実施形態による回転角度センサのためのステータエレメントの概略平面図である。 本発明の１つの実施形態による回転角度センサのステータ受信コイルの幾何形状の概略図である。 本発明の１つの実施形態による回転角度センサのステータ受信コイルのためのコイルレイアウトを示す図である。 本発明の１つの実施形態による回転角度センサのためのロータエレメントの概略平面図である。 本発明の１つの実施形態による回転角度センサのためのステータエレメントの概略平面図である。 本発明の１つの実施形態による回転角度センサのステータ受信コイルの幾何形状の概略平面図である。 本発明の１つの実施形態による回転角度センサのステータ受信コイルのためのコイルレイアウトを示す図である。 本発明の１つの実施形態による回転角度センサのためのロータエレメントの概略平面図である。 本発明の１つの実施形態による回転角度センサのためのロータエレメントの概略平面図である。 本発明の１つの実施形態による回転角度センサによって生成される測定信号を有する線図である。

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を示している。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、回転軸線Ｒ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がシャフト１６に対して正確に位置合わせされている場合には、ステータエレメント１２の対称軸線Ｔは、回転軸線Ｒと一致する。

ステータエレメント１２は、ステータ・プリント基板１８を含み、ステータ・プリント基板１８上には、１つのステータ送信コイル２０と複数のステータ受信コイル２２とが配置されている。コイル２０，２２の導体は、ステータ・プリント基板１８の２つの平面のみに、例えばステータ・プリント基板１８の両側のみに配置することができる。ステータ・プリント基板１８上には、制御ユニット２４のための別の構成要素が配置されてもよい。制御ユニット２４は、ステータ送信コイル２０に交番電圧（例えば１ＭＨｚ乃至２０ＭＨｚの間、例えば５ＭＨｚの周波数、及び／又は０．５Ｖ乃至１０Ｖの範囲、例えば１．５Ｖの電圧振幅を有する交番電圧）を供給することができ、それぞれのステータ受信コイル２２において、誘導された交番電圧を特定することができる。これらの測定値に基づいて制御ユニット２４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、ロータ・プリント基板２６を含む。ロータ・プリント基板２６上には、１つのロータ受信コイル２８と１つのロータ送信コイル３０とが配置されている。コイル２８，３０の導体は、ロータ・プリント基板２６の２つの平面のみに、例えばロータ・プリント基板２６の両側のみに配置することができる。

全てのコイル２０，２２，２８，３０は、平面コイルとして形成されており、即ち、プリント基板１８，２６のうちの１つの上及び／又は中に設けられた導体路によって形成されたコイルとして形成されている。

図２は、ステータエレメント１２のコイルレイアウトの平面図を示している。図２及び以降の図において、プリント基板１８，２６の第１の平面における導体路は実線で図示され、第２の平面における導体路は破線で図示される。

ステータ送信コイル２０は、ステータ・プリント基板１８の第１の平面に配置されており、１つ又は複数の取り囲んでいるほぼ円形の導体ループを有することができ、これらの導体ループは全て、対称軸線Ｔを中心にして延在しており、この対称軸線Ｔは、（ステータエレメント１２とロータエレメント１４とがずれることなく正確に位置合わせされている場合には）回転角度センサの回転軸線Ｒと一致する。ステータ送信コイル２０の外径は、１０ｍｍ乃至４０ｍｍの間、例えば２５ｍｍとすることができる。十分に大きな磁場を生成可能にするために、ステータ送信コイル２０の導体ループを多層のステータ・プリント基板１８の複数の平面において実現することも可能である。ステータ送信コイル２０は、（ステータ送信コイル２０の接続部３４の一部を除いて）ステータ・プリント基板１８の第１の平面のみに配置されている。

ステータ送信コイル２０の内側には３つのステータ受信コイル２２ａ，２２ｂ，２２ｃが配置されており、これらのステータ受信コイル２２ａ，２２ｂ，２２ｃは、（それぞれの接続部３６を除いて）同様に形成されており、相互に１２０°だけ回転させられている。ステータ受信コイル２２ａ，２２ｂ，２２ｃは、ステータ・プリント基板１８の第１の平面及び第２の平面のみに配置されている。ステータ受信コイル２２ａ，２２ｂ，２２ｃは、第２の平面における接続部３６を介してコンタクトされ、次いで、第２の平面と第１の平面とにおいて交互に延在しており、この場合、平面の切り替えがスルーホールコンタクト３７を介して実現される。

図３は、ただ１つのステータ受信コイル２２ａ，２２ｂ，２２ｃの幾何形状を概略的に示しており、その一方で、図４は、ただ１つのステータ受信コイル２２ａ，２２ｂ，２２ｃのコイルレイアウトを示している。見やすくするために、図３及び図４においては、接続部３６が省略されている。さらに、図３は、ステータ受信コイル２２ａ，２２ｂ，２２ｃの導体路の形状のみを示しているが、詳細な延在態様は示しておらず、その一方で、図４においては、導体路の一部が重なり合っていることを述べておく。

図３及び図４から見て取れるように、ステータ受信コイル２２ａ，２２ｂ，２２ｃの各々は、２つの相互に逆向きの、又は、電流の流れに関して相互に反対方向に方向決めされた部分巻線３８ａ，３８ｂを有する。

概して、それぞれのステータ受信コイル２２ａ，２２ｂ，２２ｃは、偶数個２ｍの部分巻線３８ａ，３８ｂを有することができ、また、例えば３６０°の整数の約数とすることができる回転角度センサ１０の測定範囲Ｐｅｒは、それぞれのステータ受信コイル２２ａ，２２ｂ，２２ｃの部分巻線３８ａ，３８ｂの数２ｍに依存しており、ｍ＝３６０°／Ｐｅｒが当てはまる。

例えば、ｍ＝１の場合には、図２及び図３のステータ受信コイル２２ａ，２２ｂ，２２ｃは、２つの部分巻線３８ａ，３８ｂを有し、このことによって３６０°の周期性がもたらされる。

一方の方向に方向決めされた部分巻線３８ａと、他方の方向に方向決めされた部分巻線３８ｂとが同数であることにより、ステータ送信コイル２０によって誘導される複数の部分電圧が（ロータエレメント１４がない場合）全体として補償され、全てのステータ受信コイル２２ａ，２２ｂ，２２ｃにおいて出力信号０Ｖとして出力されることとなる。このことを、自己診断のために使用することも可能であり、ロータエレメント１４が欠落していること、又は、少なくとも１つの電気的な中断部を有することを認識することができる。さらに、電磁障害の影響に起因した干渉は、それぞれの部分巻線３８ａ，３８ｂにおいてそれぞれ異なる符号の電圧を誘導し、これらの電圧は、部分巻線３８ａ，３８ｂの直列回路によって再び補償される（これらの部分巻線の領域における干渉が均一であると仮定した場合）。

ステータエレメント１２においては、３つのステータ受信コイル２２ａ，２２ｂ，２２ｃが相互に角度ξだけ回転させられており、この角度ξは、ξ＝Ｐｅｒ／３に従って計算することができる（ここでは例えば１２０°）。上記の回転の場合には、１２０°の電気的な位相シフトを有する３相の電気システムが得られる。

図４から見て取れるように、部分巻線３８ａ，３８ｂの各々は、半径方向外側に位置する周方向導体４０と、半径方向内側に位置する周方向導体４２とによって画定されており、これらの周方向導体４０，４２は、それぞれ２つの半径方向導体４４によって相互に接続される。図４においては、４つの半径方向導体４４のうちの２つのみが見て取れる。なぜなら、それぞれ２つの半径方向導体４４が、ステータ・プリント基板１８の２つの平面において上下に重なり合って延在しているからである。

第１の部分巻線３８ａの外側の周方向導体４０は、点Ａ（図３にも図示されている）のスルーホールコンタクト３７を起点として、次いで、第１の平面において点Ｂの中心まで延在し、そこで、別のスルーホールコンタクトにおいて平面を切り替える。続いて、外側の周方向導体４０は、第２の平面において点Ｃまで延在し、そこで、スルーホールコンタクト３７’において終端する。スルーホールコンタクト３７’は、ステータ・プリント基板１８の同一平面上の２つの導体路を接続する、いわゆるブラインドスルーホールコンタクトである。

点Ｃにおいては、このとき、第２の平面に延在している外側の周方向導体４０が、半径方向導体４４に接続されており、この半径方向導体４４は、第２の平面において点Ｄまで延在し、そこで、第１の部分巻線３８ａの内側の周方向導体４２に移行する。

第１の部分巻線３８ａの内側の周方向導体４２は、第２の平面において点Ｄから点Ｅまで延在し、点Ｅにおいてスルーホールコンタクトを介して第１の平面に切り替わり、次いで、第１の平面において点Ｆまで延在し、そこで、別の半径方向導体４４に移行する。

次いで、第１の部分巻線３８ａの別の半径方向導体４４は、点Ａ’まで延在し、この点Ａ’において、第２の部分巻線３８ｂが始まる。第２の部分巻線３８ｂは、点Ａ’乃至Ｆ’に沿って部分巻線３８ａと同様に形成されており、ステータ・プリント基板１８の２つの平面が反転されているだけである。

以下においてより詳細に説明するように、外側の周方向導体４０は、円に沿って延在しており、これらの円の中心は、スルーホールコンタクト３７が設けられている点Ｂが最大の半径方向距離を有するように、対称軸線Ｔからずらされている。内側の周方向導体４２は、それぞれのスルーホールコンタクトの右側及び左側において同様に円に沿って延在しており、これらの円の中心は、対称軸線Ｔからずらされているが、この場合には、それぞれのスルーホールコンタクトが最小の半径方向距離を有するようにずらされている。

図５は、図１の回転角度センサ１０のためのロータエレメント１４の平面図を示しており、ロータエレメント１４は、ロータ受信コイル２８及びロータ送信コイル３０を含み、図２乃至図４のステータエレメント１２と共に使用することができる。

ロータ受信コイル２８は、実質的に円形であり、回転軸線Ｒは、ロータ受信コイル２８の中心であり、ロータ送信コイル３０を完全に取り囲んでいる。ロータ受信コイル２８とロータ送信コイル３０とは、それぞれの端部を介して相互に電気的に接続されているか、又は、直列に接続されている。ロータ受信コイル２８は、ステータ送信コイル２０と同等の面積を取り囲んでおり、及び／又は、回転軸線Ｒに関してステータ送信コイル２０と一列に並ぶことができる。ステータ送信コイル２０と同様にロータ受信コイル２８も、複数の導体ループから形成することができる。

ロータ送信コイル３０は、２つの相互に逆向きの部分巻線４６ａ，４６ｂを有し、これらの部分巻線４６ａ，４６ｂは、それぞれ三日月形である（より見やすくするために、これらの部分巻線のうちの１つが太字で図示されている）。第１の部分巻線４６ａは、（電流の流れに関して）第２の部分巻線４６ｂとは逆向きに方向決めされている。部分巻線４６ａ，４６ｂの幾何形状は、同一とすることができる。部分巻線４６ａ，４６ｂは、ロータ受信コイル２８の内側領域に配置されている。２つの三日月形の部分巻線４６ａ，４６ｂは、実質的に円弧形の導体区分から形成されている。

図６は、図２と同様にステータエレメント１２のコイルレイアウトの平面図を示している。図６のステータエレメント１２においては、ステータ送信コイル２０は、ステータ・プリント基板１８の２つの平面において実現されている。図６のステータエレメントは、３つのステータ受信コイル２２ａ，２２ｂ，２２ｃを有し、これら３つのステータ受信コイル２２ａ，２２ｂ，２２ｃも、ステータ・プリント基板１８の２つの平面において実現されている。

ステータ受信コイル２２ａ，２２ｂ，２２ｃの接続部３６は、ステータ送信コイル２０によって画定されている内側領域から退出しており、ステータ受信コイル２２ａ，２２ｂ，２２ｃは、この内側領域に配置されており、ステータ送信コイル２０の導体ループが中断されている部分を通って第２の平面に案内されており、スルーホールコンタクト３７を介して第１の平面へと迂回されている。これによって、全てのコイル２０，２２ａ，２２ｂ，２２ｃをステータ・プリント基板１８の２つの平面のみに形成することが可能となる。

ステータ受信コイル２２ａ，２２ｂ，２２ｃは、（図３及び図４と同様の）図７及び図８を用いてより詳細に説明され、ここでは、それぞれただ１つのステータ受信コイル２２ａ，２２ｂ，２２ｃが示されている。図７から見て取れるように、ステータ受信コイル２２ａ，２２ｂ，２２ｃの各々は、４つの部分巻線３８ａ，３８ｂを有し、これら４つの部分巻線３８ａ，３８ｂは、円形面積を実質的に覆っており、この円形面積を４つの同等の大きさの面積に分割する。対称軸線Ｔに関して相互に対向している２つの部分巻線３８ａは、第１の方向に方向決めされており、残余の２つ部分巻線３８ｂは、反対方向に、即ち、逆向きに方向決めされている。

図７は、ステータ受信コイル２２ａ，２２ｂ，２２ｃの各々の導体路の配線を概略的に示しており、その一方で、図８は、ステータ受信コイル２２ａ，２２ｂ，２２ｃのレイアウトを示している。部分巻線３８ａ，３８ｂの各々は、図４の導体ループと同様に、ステータ・プリント基板１８の第１の平面及び第２の平面において、点ＡからＡ’に沿って案内されている。点Ａ’において平面の切り替えが実施されており、従って、後続する部分巻線３８ａ，３８ｂにおいては、導体路が延在する平面が反転されている。

以下でより詳細に説明するように、外側の周方向導体４０は、円に沿って延在しており、これらの円の中心は、スルーホールコンタクト３７が設けられている点Ｂが最大の半径方向距離を有するように、対称軸線Ｔからずらされている。内側の周方向導体４２は、それぞれのスルーホールコンタクトの右側及び左側において、同様に円に沿って延在しており、これらの円の中心は、対称軸線Ｔからずらされているが、この場合には、それぞれのスルーホールコンタクトが最小の半径方向距離を有するようにずらされている。

図６乃至図８のステータ受信コイル２２ａ，２２ｂ，２２ｃは、（ステータ送信コイル２０の内側の面積のそれぞれ９０°を覆っている）それぞれ４つの部分巻線３８ａ，３８ｂから形成されているので、ステータ受信コイル２２ａ，２２ｂ，２２ｃは、相互に６０°だけずらされており（図６参照）、これによって、回転角度センサ１０の１８０°の測定範囲がもたらされる。

図９及び図１０には、図６乃至図８のステータエレメント１２と共に使用することができるロータエレメント１４のレイアウトが示されている。図９及び図１０の両方において、ロータ送信コイル３０は、４つの三日月形の部分巻線４６ａ，４６ｂから形成されており、これらの部分巻線４６ａ，４６ｂは、回転軸線Ｒを周方向に取り囲んでおり、それぞれ９０°を覆っている。

図９のロータエレメント１４の場合、ロータ受信コイル２８がロータ送信コイル３０の内側に配置されている。

ロータ送信コイル３０の三日月形の部分巻線４６ａ，４６ｂによって、ロータ送信コイル３０の内側にある内側領域４８を、この内側領域４８にロータ受信コイル２８を組み込むために使用することが可能となる。このことは、一方では、ロータエレメント１４をより小型かつ低コストに製造することが可能となり、他方では、ロータ受信コイル２８において誘導される交番電圧の振幅が、ロータエレメント１４とステータエレメント１２との間の横方向の変位には依存しなくなるという利点を有することができる。

図１０においては、ロータ受信コイル２８がロータ送信コイル２８の外側に配置されている。これによって、ロータ受信コイル２８においてより強力な電流の流れを生成することが可能となる。

以下においては、図４のステータエレメント１２（３６０°の測定範囲）及び図８のステータエレメント１２（１８０°の測定範囲）のためのコイルレイアウトを形成することができる方法について説明するが、これら２つの測定範囲に限定されているわけではない。この理由から、一般的に適用される式が記載される。

一般的には円形であるセンサ底面、即ち、ステータ送信コイル２０によって取り囲まれた面積は、複数の作図円を巧みに位置決めすることによって最適に利用し尽くすことが可能であり、続いて、これらの作図円から、ステータ受信コイル２２ａ，２２ｂ，２２ｃの部分巻線３８ａ，３８ｂが組み立てられる。半径方向に相互に対向する１対の部分巻線３８ａ，３８ｂ（図４では１対、図８では２対）につき２つの作図円によって外側の周方向導体４０が画定され、これら２つの作図円は、２つの部分巻線３８ａ，３８ｂの鏡面対称軸線Ｓに沿って相互にずらされており、これら２つの作図円の中心Ｍは、この鏡面対称軸線Ｓ上に位置している。

部分巻線３８ａ，３８ｂの対が複数ある場合（ｍ個）には、鏡面対称軸線Ｓは、鏡面対称軸線Ｓ同士がそれぞれ相互に１８０°／ｍだけずらされるように、即ち、例えば、図８の２つの鏡面対称軸線Ｓ同士が相互に直交（９０°）するように配置されている。

作図円の直径は、ステータ送信コイル２０の直径の約１／３とすることができる。それぞれ２つの作図円の相互のずれは、これらの作図円の直径の３０％乃至５０％の間、例えば４０％とすることができる。このようにして、一方では、面積を最大限に利用し尽くすことを保証することができ、他方では、３つの回転させられたステータ受信コイル２２ａ，２２ｂ，２２ｃを２つの平面において実現することを可能にすることができる。

外側の周方向導体４０を内側の周方向導体４２に接続する半径方向導体４４は、対称軸線Ｔに対して半径方向に延在している。半径方向導体の外側端部は、中心Ｍを中心とした複数の作図円の交点に位置する。

内側の周方向導体４２も、作図円によって画定することができ、この場合、１つの部分巻線３８ａ，３８ｂにつき２つの作図円が使用され、これらの作図円の中心は、部分巻線３８ａ，３８ｂの鏡面対称軸線Ｓに直交する軸線に沿ってずらされている。これにより、内側の周方向導体４２のための合計で４ｍ個の作図円が得られる。内側の周方向導体４２のための作図円の直径は、外側の周方向導体４０のための作図円の直径の１０％乃至２０％であり、例えば１５％である。

対称軸線Ｔのより近傍に位置する、内側の周方向導体４２のための２つの作図円の交点が、スルーホールコンタクト３７の位置を画定する。

ロータ送信コイル３０（図５，図９及び図１０を参照）も、複数の作図円に基づいて画定することができる。

図５（測定範囲３６０°）の場合、部分巻線４６ａ，４６ｂは、同等の直径を有する２つの作図円によって画定することができ、これらの作図円の中心は、部分巻線４６ａ，４６ｂの鏡面対称軸線Ｓに沿って相互にずらされている。

図９及び図１０の場合、４つの部分巻線４６ａ，４６ｂは、対称軸線Ｔを中心とした比較的大きな１つの作図円と、４つの比較的小さな作図円とによって画定され、これら４つの比較的小さな作図円の中心は、鏡面対称軸線Ｓに沿ってずらされている。これらの作図円の直径の比が約

である場合に、最良の測定信号が得られることが判明している。

図１１は、３つの正弦波形の測定信号５０を有する線図を示しており、これら３つの正弦波形の測定信号５０を、図２乃至図５に基づく回転角度センサ１０のステータ受信コイル２２ａ，２２ｂ，２２ｃから出力することができる。図６乃至図１０に基づく回転角度センサ１０の場合には、測定範囲は３６０°ではなく１８０°にわたって延在し、測定信号５０は、この範囲にわたって周期的となるであろう。

測定信号５０は、ｙ軸上に、ステータ受信コイル２２ａ，２２ｂ，２２ｃにおいて誘導される交番電圧の振幅を表しており、この振幅は、ステータエレメント１２に対するロータエレメント１４の角度（ｘ軸）に依存している。

それぞれ長さが異なる給電線、プリント基板１８のそれぞれ異なる平面における導体路の配置、及び機械的な誤差に起因して、測定信号５０は、一般的にオフセットを有する可能性がある（即ち、３つの測定信号５０は、ｘ軸に関して対称には延在しない）。

このオフセットは、可能な限り正弦波形の測定信号５０から、例えばクラーク変換によって特に簡単に算出することができる。例えば、３つのステータ受信コイル２２ａ，２２ｂ，２２ｃにおいて、測定範囲βに対して１２０°である電気的な位相シフトを有する３つの正弦波形の測定信号５０が発生し、これらの正弦波形の測定信号５０を、クラーク変換を使用することによってオフセットのない正弦／余弦システムに変換することができる。そうすると、アークタンジェント関数を用いてここから回転角度を推定することが可能である。

例えばｓｉｎ^２＋ｃｏｓ^２＝１のような三角法を使用することができ、少なくとも信号の妥当性検査のため、又は修正のためにも使用することができるという理由からも、可能な限り正弦波形の測定信号が有利であろう。

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。

Claims (10)

1. ステータ送信コイル（２０）及び少なくとも２つのステータ受信コイル（２２ａ，２２ｂ，２２ｃ）を有するステータエレメント（１２）と、
   ロータ受信コイル（２８）及びロータ送信コイル（３０）を有するロータエレメント（１４）と、
   を備えている回転角度センサ（１０）であって、
   前記少なくとも２つのステータ受信コイル（２２ａ，２２ｂ，２２ｃ）は、相互に角度オフセットされて同様に形成されており、プリント基板（１８）に形成されており、
   前記ロータエレメント（１４）は、前記ステータエレメント（１２）に対して回転軸線（Ｒ）を中心にして回転可能に支持されており、前記ロータ受信コイル（２８）と前記ロータ送信コイル（３０）とは、相互に電気的に接続されており、
   前記ロータ受信コイル（２８）は、前記ステータ送信コイル（２０）に誘導結合されており、これにより、前記ステータ送信コイル（２０）によって生成された電磁場が、前記ロータ受信コイル（２８）において電流を誘導し、前記電流が前記ロータ送信コイル（３０）を通って流れることにより、前記ロータ送信コイル（３０）が別の電磁場を生成するようになっており、
   前記少なくとも２つのステータ受信コイル（２２ａ，２２ｂ，２２ｃ）は、前記ロータ送信コイル（３０）に誘導結合されており、これにより、前記誘導結合は、前記ステータエレメント（１２）と前記ロータエレメント（１４）との間の回転角度に依存していて、前記ロータ送信コイル（３０）によって生成された前記別の電磁場は、前記少なくとも２つのステータ受信コイル（２２ａ，２２ｂ，２２ｃ）において少なくとも２つの角度依存性の交番電圧を誘導する、
   回転角度センサ（１０）において、
   前記少なくとも２つのステータ受信コイル（２２）の各々は、複数の半径方向導体（４４）及び複数の周方向導体（４０，４２）から形成されており、前記半径方向導体（４４）及び前記周方向導体（４０，４２）は、プリント基板（１８）の２つの平面に形成されており、これにより、前記半径方向導体（４４）及び前記周方向導体（４０，４２）からなるステータ受信コイル（２２ａ，２２ｂ，２２ｃ）ごとに、少なくとも２つの相互に逆向きの部分巻線（３８ａ，３８ｂ）が形成されており、
   前記半径方向導体（４４）は、半径方向に内側端部から外側端部へと延在しており、相互に逆向きの電流方向を有するそれぞれ２つの半径方向導体（４４）は、少なくとも部分的に覆い合って前記プリント基板（１８）上に配置されており、
   前記周方向導体（４０，４２）は、周方向に延在しており、１つの周方向導体（４０，４２）は、複数の半径方向導体（４４）のそれぞれ２つの内側端部又はそれぞれ２つの外側端部を接続し、前記周方向導体（４０，４２）の各々は、スルーホールコンタクト（３７）を有し、前記スルーホールコンタクト（３７）において前記周方向導体（４０，４２）は、当該周方向導体（４０，４２）が延在している前記プリント基板（１８）の平面を切り替える、
   ことを特徴とする回転角度センサ（１０）。
2. 前記周方向導体（４０，４２）は、１つのスルーホールコンタクト（３７）と１つの端部との間で、及び／又は、前記周方向導体（４０，４２）の端部同士の間で弧形に湾曲させられている、
   請求項１に記載の回転角度センサ（１０）。
3. 前記ステータ送信コイル（２０）と前記ステータ受信コイル（２２ａ，２２ｂ，２２ｃ）とは、前記プリント基板（１８）の２つの平面に一緒に形成されている、
   請求項１又は２に記載の回転角度センサ（１０）。
4. それぞれの前記半径方向導体（４４）の２つの前記外側端部又は前記内側端部の間の中央に、１つの周方向導体（４０，４２）の前記スルーホールコンタクト（３７）が配置されている、
   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. 前記半径方向導体（４４）の前記内側端部同士を接続する前記周方向導体（４２）の前記スルーホールコンタクト（３７）は、それぞれの前記内側端部よりもさらに半径方向内側に配置されており、
   及び／又は、
   前記半径方向導体（４４）の前記外側端部同士を接続する前記周方向導体（４２）の前記スルーホールコンタクト（３７）は、それぞれの前記外側端部よりもさらに半径方向外側に配置されており、
   及び／又は、
   前記半径方向導体（４４）の前記内側端部同士を接続する前記周方向導体（４２）の前記スルーホールコンタクト（３７）は、それぞれの前記周方向導体（４２）のうち、対称軸線（Ｔ）まで最小の距離を有する位置に配置されており、
   及び／又は、
   前記半径方向導体（４４）の前記外側端部同士を接続する前記周方向導体（４０）の前記スルーホールコンタクト（３７）は、それぞれの前記周方向導体（４０）のうち、対称軸線（Ｔ）まで最大の距離を有する位置に配置されている、
   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. 前記半径方向導体（４４）の前記内側端部は全て、対称軸線（Ｔ）から同等の距離を有し、
   及び／又は、
   前記半径方向導体（４４）の前記外側端部は全て、対称軸線（Ｔ）から同等の距離を有する、
   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. １つの周方向導体（４０）の端部に、１つの半径方向導体（４４）の１つの端部を前記プリント基板（１８）の他方の平面において当該周方向導体（４０）に接続するスルーホールコンタクト（３７）が配置されている、
   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. １つの周方向導体（４０）の端部に、１つの半径方向導体（４４）の１つの端部を同一平面上において当該周方向導体（４０）に接続するブラインドスルーホールコンタクト（３７’）が設けられており、
   前記ブラインドスルーホールコンタクト（３７’）は、１つの周方向導体（４０）の端部に設けられた別のスルーホールコンタクト（３７’）に対して対称に配置されている、
   請求項７に記載の回転角度センサ（１０）。
9. 前記ロータ送信コイル（３０）は、少なくとも２つの部分巻線（４６ａ，４６ｂ）に分割されており、前記少なくとも２つの部分巻線（４６ａ，４６ｂ）は、相互に逆向きに方向決めされている、
   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. 前記ロータ送信コイル（３０）の部分巻線（４６ａ，４６ｂ）は、三日月形に形成されている、
    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）。

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