JP6808747B2 - 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の範囲の周波数において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、前記ステータ受信コイルにおいて角度依存性の交番電圧を誘導する。

例えばステータ・プリント基板上に配置されたステータ送信コイルには、例えば、数ＭＨｚ（好ましくは５ＭＨｚ）の範囲の周波数を有する交番電圧を印加することができる。これによって交番電磁場が発生し、この交番電磁場がロータ受信コイルに結合し、そこで対応する交番電圧を誘導する。ロータ受信コイルに対して直列に、ロータ送信コイルが接続されており、ロータ送信コイルは、改めて交番電磁場を生成してステータエレメントに返送し、そこでこの交番電磁場が、例えば同様にステータ・プリント基板上に配置することができる１つ又は複数のステータ受信コイルにおいて、角度依存性の交番電圧を誘導する。全体として、ステータ送信コイルと１つ又は複数のステータ受信コイルとの間の結合は、回転角度に依存して影響を受ける。結合係数の典型的な値範囲は、−０．３乃至＋０．３の間にある。１つ又は複数のステータ受信コイルにおいて誘導された信号を搬送波信号（ステータ送信コイルの信号）によって復調することにより、結合の絶対値及び位相を推定することができる。この絶対値は、回転角度と共に連続的に変化し得る。結合の位相位置は、理想的には０°又は１８０°とすることができる。

ロータ送信コイル及びステータ受信コイルが、それぞれ実質的に正弦波形の信号を生成するように形成されている場合には、これらの信号から回転角度を特に簡単に特定することが可能である。測定範囲に対して９０°の位相シフトを有する２つの受信コイルを使用する場合には、絶対値を位相の余弦によって乗算することによって、２つの測定信号を（理想的には）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。測定範囲に対して１２０°の位相シフトを有する３つの受信コイルを使用する場合には、３相の正弦波信号が発生し、この正弦波信号を、クラーク変換を使用することによって正弦／余弦システムに変換することができる。そうすると、双方のケースにおいて、正弦／余弦システムにおいて変換された信号にアークタンジェント関数を適用することによって、回転角度を推定することが可能である。

さらに、前記ステータ送信コイルは、円形の外側の部分巻線と、前記外側の部分巻線の内側に配置された円形の内側の部分巻線とを有し、前記内側の部分巻線は、電流の流れに関して前記外側の部分巻線とは逆向きに方向決めされるように前記外側の部分巻線に電気的に接続されている。前記ロータ受信コイルは、円形の外側の部分巻線と、前記外側の部分巻線の内側に配置された円形の内側の部分巻線とを有し、前記内側の部分巻線は、電流の流れに関して前記外側の部分巻線とは逆向きに方向決めされるように前記外側の部分巻線に電気的に接続されている。換言すれば、ステータ送信コイル及びロータ受信コイルは、双方ともそれぞれ２つの部分巻線を有し、これらのそれぞれ２つの部分巻線は、相互に入れ子状に配置されており、相互に逆向きに方向決めされている。電流の流れに関して、相互に逆向きに方向決めされた部分巻線は、電流が対応するコイルを流れるときに電流がこれらの部分巻線をそれぞれ左回り又は右回りに流れるように設計することができる。コイルの部分巻線は、同等の又は実質的に同等の面積を取り囲んでいる、コイルの導体区分とすることができる。ステータ送信コイル及び／又はロータ受信コイルの２つの部分巻線を、直列に接続することができる。

前記ステータ送信コイルの前記外側の部分巻線と、前記ロータ受信コイルの前記外側の部分巻線とが相互に位置合わせされており、前記ステータ送信コイルの前記内側の部分巻線と、前記ロータ受信コイルの前記内側の部分巻線とが相互に位置合わせされている。「相互に位置合わせされている」とは、それぞれの部分巻線が、回転軸線又はステータエレメントの対称軸線の方向において見たときに、実質的に重なり合っていることを意味し得る。

相互に逆向きに方向決めされた部分巻線によって、実質的に均一な交番電磁場に対する回転角度センサの脆弱性を低減することができる。これらの磁場がステータ送信コイル及び／又はロータ受信コイルを通ると、部分巻線の各々において電圧が誘導されるが、これらの電圧は、相互に打ち消し合い、又は、少なくとも低減される。

全体として、高価な磁石が必要とされないので、この簡単な測定原理に基づいて回転角度センサを低コストに実現することが可能となる。得られた測定信号は、（クラーク変換に基づく）簡単な逆変換によって評価することができる。さらに、回転角度センサは、誤差に対してロバストであり、即ち、設置時に比較的大きな機械的な誤差を許容することができ、外部干渉場に対して特に耐性を有する。

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の前記外側の部分巻線及び前記内側の部分巻線は、実質的に同等の磁束を生成するように形成されている。本発明の１つの実施形態によれば、前記ロータ受信コイルの前記外側の部分巻線及び前記内側の部分巻線は、実質的に同等の磁束を生成するように形成されている。ステータ送信コイル及び／又はロータ受信コイルを、電流がそれぞれの部分巻線を流れるときに（この電流は、同一のコイルの部分巻線においては、部分巻線同士が直列に接続されているので、同等の大きさである）それぞれの部分巻線が同等の磁束を生成するように、（例えば、それぞれの部分巻線の導体ループの数を選択することによって）形成することができる。部分巻線が相互に逆向きに方向決めされているので、１つのコイルにおいて外部磁場によって誘導される電圧同士は、実質的に完全に打ち消し合う。このことは、例えば、特にコイルの領域において均一な外部磁場の場合に当てはまる。

以上及び以下における「実質的に」又は「約」は、５％又は１％の最大偏差を意味し得る。

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及び／又は前記ロータ受信コイルの前記外側の部分巻線は、それぞれ前記ステータエレメント又は前記ロータエレメントを完全に取り囲んでいる複数の導体ループを有する。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及び／又は前記ロータ受信コイルの前記内側の部分巻線は、それぞれ前記ステータエレメント又は前記ロータエレメントを完全に取り囲んでいる複数の導体ループを有する。導体ループは、例えばステータ・プリント基板上に設けられた導体路に基づくことができる。これらの導体ループ又は導体路は、螺旋形に延在することができる。「完全に取り囲んでいる」とは、導体ループがロータエレメントの回転軸線又はステータエレメントの対称軸線の周りを約３６０°にわたって取り囲んでいることを意味し得る。接続部が取り付けられている導体ループも、接続線路同士が詰めて並んで位置している場合には、ステータエレメント又はロータエレメントを（本明細書での意味において）完全に取り囲むことができる。

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の前記外側の部分巻線の導体ループによって形成される面積の合計に相当する、前記ステータ送信コイルの前記外側の部分巻線の有効面積は、前記ステータ送信コイルの前記内側の部分巻線の有効面積に実質的に相当する。本発明の１つの実施形態によれば、前記ロータ受信コイルの前記外側の部分巻線の導体ループによって形成される面積の合計に相当する、前記ロータ受信コイルの前記外側の部分巻線の有効面積は、前記ロータ受信コイルの前記内側の部分巻線の有効面積に実質的に相当する。コイルの有効面積は、コイルを通る磁束を決定することができ、この磁束は、コイルの有効面積と電流強度との積とすることができる。それぞれの導体ループは、完全な取り囲みに基づいて各自の面積を形成することができ、この面積にはその後、次の導体ループのために、さらなる完全な取り囲みに基づいて追加的な取り囲まれた面積が追加される。

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及び／又は前記ロータ受信コイルの前記外側の部分巻線は、特に前記ステータエレメントの対称軸線又は前記回転軸線を中心にして見たときに螺旋を形成している複数の導体ループを有する。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及び／又は前記ロータ受信コイルの前記内側の部分巻線は、特に前記ステータエレメントの対称軸線又は前記回転軸線を中心にして見たときに螺旋を形成している複数の導体ループを有する。螺旋は、回転軸線又は対称軸線までの距離が連続的に増加する曲線とすることができる。

本発明の１つの実施形態によれば、前記ステータ送信コイル及び／又は前記ロータ受信コイルの前記外側の部分巻線及び前記内側の部分巻線は、前記ステータ送信コイルの対称軸線／前記対称軸線又は前記回転軸線と同心に配置されている。このようにすると、ステータエレメントの部分巻線とロータエレメントの部分巻線とが、回転角度に関係なく等しく重なり合い、又は、常に等しく相互に位置合わせされる。

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及び／又は前記ロータ受信コイルは、ステータ・プリント基板上又はロータ・プリント基板上に設けられた導体路の形態の平面コイルとして形成されている。部分巻線の導体路及び／又はコイルの導体路を、それぞれのプリント基板の複数の平面に配置することが可能である。部分巻線を、単一（の導体路）として、対応するプリント基板の１つの平面のみに実現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１つ又は複数のステータ受信コイルは、半径方向外側が前記ステータ送信コイルの前記外側の部分巻線によって画定されていて、かつ、半径方向内側が前記ステータ送信コイルの前記内側の部分巻線によって画定されている、前記ステータエレメントの送信環状領域内に配置されている。従って、１つ又は複数のステータ受信コイルを、ステータ送信コイル及び／又はロータ送信コイルの２つの部分巻線によって同時に生成された磁束のみが通ることとなる。また、前記ステータ受信コイル又は前記ステータ受信コイルの各々は、電流の流れに関して相互に逆向きに方向決めされた複数の部分巻線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、前記ロータ送信コイルは、半径方向外側が前記外側の部分巻線によって画定されていて、かつ、半径方向内側が前記内側の部分巻線によって画定されている、前記ロータエレメントの環状領域内に配置されている。また、前記ロータ送信コイルは、電流の流れに関して相互に逆向きに方向決めされた複数の部分巻線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、前記ステータ受信コイルは、（送信環状領域の内側にある）受信環状領域を完全に覆っており、前記ロータ送信コイルは、前記受信環状領域に対向する複数の三日月形の部分巻線を有する。これによって、ステータ受信コイルによって生成された測定信号（即ち、誘導された交番電圧の振幅）が、回転角度に実質的に正弦波的に依存することを達成することができ、これにより、１つ又は複数の測定信号を特に簡単に評価することが可能となる。

本発明のさらなる態様は、前述及び後述のような回転角度センサのためのステータエレメント及び／又はロータエレメントに関する。

本発明の１つの実施形態によれば、前記ステータエレメントは、ステータ送信コイルと、ステータ受信コイルとを含み、前記ステータ送信コイルは、円形の外側の部分巻線と、前記外側の部分巻線の内側に配置された円形の内側の部分巻線とを有し、前記内側の部分巻線は、電流の流れに関して前記外側の部分巻線とは逆向きに方向決めされるように前記外側の部分巻線に電気的に接続されており、前記外側の部分巻線及び前記内側の部分巻線は、特に実質的に同等の磁束を生成する。

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、ロータ送信コイルと、ロータ受信コイルとを含み、前記ロータ受信コイルは、円形の外側の部分巻線と、前記外側の部分巻線の内側に配置された円形の内側の部分巻線とを有し、前記内側の部分巻線は、電流の流れに関して前記外側の部分巻線とは逆向きに方向決めされるように前記外側の部分巻線に電気的に接続されており、前記外側の部分巻線及び前記内側の部分巻線は、特に実質的に同等の磁束を生成する。

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ステータエレメントのためのステータ送信コイルの概略平面図である。 本発明の１つの実施形態によるステータエレメントのステータ受信コイルの幾何学的形状の概略図である。 本発明の１つの実施形態によるステータエレメント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ステータ受信コイルの幾何学的形状の概略図である。 本発明の１つの実施形態によるステータエレメント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ロータエレメント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ロータエレメントのためのコイルレイアウトを示す図である。

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が回転軸線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１つ又は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、外側の部分巻線３４ａと内側の部分巻線３４ｂとを含むステータ送信コイル２０を示し、外側の部分巻線３４ａと内側の部分巻線３４ｂとは、半径方向に延在する導体路３５を介して直列に接続されている。ステータ送信コイル２０の外側の部分巻線３４ａを、（図示されていない接続部を介して）制御部２４に接続することができることを理解すべきである。外側の部分巻線３４ａと内側の部分巻線３４ｂとは、電流の流れに関して相互に反対方向に方向決めされており、即ち、矢印で示すように、内側の部分巻線３４ｂを電流が左回りに流れる場合には、外側の部分巻線３４ａを電流が右回りに流れる。

外側の部分巻線３４ａ及び内側の部分巻線３４ｂは、双方とも環状であり、対称軸線Ｔを完全に取り囲んでいる複数のほぼ円形の導体ループ３６から形成されている。導体ループ３６は、それぞれ対称軸線Ｔを中心とした螺旋を形成している。

外側の部分巻線３４ａ及び内側の部分巻線３４ｂは、同等の磁束を生成するように、又は、部分巻線３４ａ，３４ｂにおいて均一な磁場によって誘導される電圧同士が、部分巻線３４ａ，３４ｂの直列回路によって相互に打ち消し合うように、形成されている。

このことは、部分巻線３４ａの有効面積と部分巻線３４ｂの有効面積とが同等の大きさであることによって達成することができる。部分巻線３４ａ，３４ｂの有効面積は、導体ループ３６によって形成される面積の合計である。

導体ループの各々がほぼ円形であると仮定すると、それぞれの導体ループ３６に１つの円形面積を対応付けることができる。その場合、内側の部分巻線３４ｂの全てのこれらの円形面積の合計は、外側の部分巻線３４ａの全ての円形面積の合計に等しくなければならない。

ここで、ｒ_ａ，ｊ及びｒ_{ａ，ｊ＋１}が、外側の部分巻線３４ａの導体ループ３６の（平均）半径であり、ｒ_ａ，ｋ及びｒ_{ａ，ｋ＋１}が、内側の部分巻線３４ｂの導体ループ３６の（平均）半径であるとすると、

が当てはまる。この場合、合計でｎ個の内側の導体ループ３６と、ｍ個の外側の導体ループ３６とが設けられている。

外側の部分巻線３４ａが所与であると仮定すると、内側の部分巻線３４ｂの幾何学的形状は、以下のように決定することができる。内側の部分巻線３４ｂの内側には、コイル巻線が設けられていない面積が存在する。この面積は、内径ｄ_{ｉｎ，ｍｉｎ}によって定義される。この空いている面積を、例えば軸線を通過する孔部のために、又は、他の回路部品（構成要素、ビア等）のために設けることができる。１つ又は複数のステータ受信コイル２２は、内側の部分巻線３４ａと外側の部分巻線３４ｂとの間の環状領域３９内に収容されるので、内側の部分巻線３４ｂの最大外径ｄ_{ｉｎ，ｍａｘ}も定義される。この場合、ｄ_{ｉｎ，ｍｉｎ}＝２ｒ_{ｉｎ，ｍｉｎ}及びｄ_{ｉｎ，ｍａｘ}＝２ｒ_{ｉｎ，ｍａｘ}が当てはまる。

図示されている外側の部分巻線３４ａは、２つの導体ループ３６を有する。従って、補償されるべき有効面積は、

となる。１つ、３つ若しくはそれ以上の導体ループ３６の場合、又は、他の幾何学的形状の場合においても、補償されるべき相応の有効面積を選択することができることを理解すべきである。

ｄ_{ｉｎ，ｍｉｎ}及びｄ_{ｉｎ，ｍａｘ}によって定められる領域には、最大で、
ｎ_ｍａｘ＝（ｄ_{ｉｎ，ｍａｘ}−ｄ_{ｉｎ，ｍｉｎ}）／（２・（ｗ＋ｇ）） （３）
個の巻線を配置することができる。なお、ｗは、導体路の幅を表し、ｇは、導体ループ３６を形成する２つの導体路間の距離を表す。

ここで、全体として形成されている面積が足し合わされる：

ただし、ｄ_ｉ，ｉ＝ｄ_{ｉｎ，ｍｉｎ}＋ｗ＋２・（ｉ−１）・（ｗ＋ｇ） （５）
である。

Ａ_ｉｎ≧Ａ_ｏｕｔである場合に、必要な条件を満たすことができる。導体ループ３６の所要の数ｎは、

のように、選択される。

次いで、条件Ａ_ｉｎ＝Ａ_ｏｕｔが正確に満たされることを保証するために、条件が満たされるまでの間、最大内径ｄ_{ｉｎ，ｍａｘ}が段階的に縮小される。

内側の部分巻線３４ｂ及び外側の部分巻線３４ａを、双方とも多層の平面コイルとして形成することができる。この場合、内側の部分巻線３４ｂのために使用されるプリント基板の層の数を比較的多くすることが十分に可能である。このことにより、内側の部分巻線３４ｂの所要面積が縮小され、可能な限り最大の面積を有するステータ受信コイル２２を組み込むことが可能となる。これによって、大きな振幅を有する信号が生成され、このような大きな振幅を有する信号は、容易に特定することが可能である。

外側の部分巻線３４ａの最大外径ｄ_{ａ，ｍａｘ}は、好ましくは１０ｍｍ乃至４０ｍｍの間、好ましくは２５ｍｍである。

ステータ送信コイル２０には、数ＭＨｚ（好ましくは５ＭＨｚ）の範囲の周波数の場合に０．５Ｖ乃至１０Ｖ（好ましくは１．５Ｖ）の範囲の振幅を有する交番電圧を印加することができる。

図３は、ステータ受信コイル２２の幾何学的形状を概略的に示し、その一方で、図４は、ステータ受信コイル２２を有するステータエレメント１２のコイルレイアウトを示している。図３は、ステータ受信コイル２２の導体路の形状のみを示しているが詳細な延び具合は示しておらず、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。見やすくするために、図４においては、ステータ送信コイル２０の半径方向の導体路３５が省略されている。

さらに、図４には、ただ１つのステータ受信コイル２２のみが示されている。図４に示されたステータエレメント１２は、相互に９０°だけずらされた２つのステータ受信コイル２２を含むこと、又は、周方向に相互に１２０°だけずらされた若しくは回転させられた３つのステータ受信コイル２２を含むことが可能である。これらのステータ受信コイル２２は、図示されたステータ受信コイル２２と同様のレイアウトを有することができる。基本的に、ここでは、対応する機械的な回転を有する他のコイル数も可能である。

図示されたステータ受信コイル２２の場合、実線の領域内においては、２つの導体路が２つの平面において上下に重なり合っている。そうでない場合には、それぞれの線の種類が、ステータ・プリント基板１８の平面／層を表している。塗りつぶされた円は、両方の平面を相互に接続するビアである。

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２２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、ステータ受信コイル２２の各々は、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２２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２２は２つの部分巻線３８ａ，３８ｂを有し、このことによって、３６０°の周期性又は測定範囲がもたらされる。

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）合計で補償され、全てのステータ受信コイル２２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、（ステータ送信コイル２０の部分巻線３４ａ，３４ｂと同様に）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、（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）部分巻線３８ａ，３８ｂの直列回路によって再び補償される。

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２２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Ｐｅｒ＝３６０°であるので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から始まり、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まで延在する。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３７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’乃至点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Ｍ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３７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（見やすくするために図示せず）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３７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及び図６は、見やすくするために、図３及び図４と同様に、それぞれ正確に１つのステータ受信コイル２２又はステータエレメント１２の１つのレイアウトのみを示している。実際のコイルレイアウトは、例えば３つのステータ受信コイル２２を有することができ、これら３つのステータ受信コイル２２を、相互に角度ξ（３つのステータ受信コイルの場合にはξ＝Ｐｅｒ／３）だけ回転させることができ、この角度ξを、上述したように計算することができる。２つのステータ受信コイルの場合には、式はξ＝Ｐｅｒ／４である。この場合、周期又は測定範囲は１８０°である。

ここでは、ステータ受信コイル２２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。

部分巻線３８ａ，３８ｂの各々は、図３及び図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から点Ａ’に沿って案内されている。

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Ｍ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（見やすくするために図示せず）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。

回転角度センサ１０の実際のレイアウトを作成するために、さらに別のステータ受信コイル２２を、周方向に沿って相互に回転させて配置することができる。図５及び図６に図示された唯一のステータ受信コイル２２は、（ステータ送信コイル２０の周方向に沿った環状領域３９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は、１８０°の測定範囲に基づいてそれぞれ相互に６０°だけずらされている（図６参照）。

以下においては、図３及び図４のステータエレメント１２（３６０°の測定範囲）並びに図５及び図６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。

環状領域３９、即ち、外側の部分巻線３４ａと内側の部分巻線３４ｂとの間に位置する面積は、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２２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においては１対、図６においては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同士が周方向に沿ってそれぞれ相互に１８０°／ｍだけずらされるように又は回転させられるように、即ち、例えば、図６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２２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４４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。

図７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、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３及び図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。

１つのロータ受信コイル２８は、外側の部分巻線３４ａと内側の部分巻線３４ｂとを含み、これらは、図２のステータ送信コイルと同様に形成することができる。ロータ受信コイル２８の部分巻線３４ａ，３４ｂは、ステータ送信コイル２０のそれぞれの部分巻線３４ａ，３４ｂと同等の大きさを有し、これらの部分巻線３４ａ，３４ｂを覆っている。ロータ受信コイル２８の場合にも、電磁両立性（ＥＭＣ）入力結合を抑制するために、左回りの導体ループ３６によって閉成される有効面積と、右回りの導体ループ３６によって閉成される有効面積とを同一にすることができる。基本的に、他の寸法及び巻線個数比も可能である。従って、例えば、ロータエレメント１４上における１つの部分巻線３４ａ，３４ｂ当たりの導体ループ３６の数を、ステータエレメント１２上における対応する部分巻線３４ａ，３４ｂの導体ループ３６の数とは異ならせることもできる。

ロータ送信コイル３０は、２つの部分巻線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。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の幾何学的形状は、同一とすることができる。部分巻線４６ａ，４６ｂは、部分巻線３４ａと３４ｂの間に配置された、ロータ送信コイル３０の環状領域３９内に配置されている。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。

ロータ受信コイル２８とロータ送信コイル３０とは、相互に電気的に接続されており、又は、直列に接続されている。このために、部分巻線４６ａと、ロータ送信コイル３０の半径方向に延在する導体路３５のうちの１つとが、これらが重なり合う領域においてそれぞれ切断されており、交差して相互に接続されている。

図８には、図５及び図６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８においては、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、周方向に回転軸線Ｒを取り囲んでおり、それぞれ９０°を覆っている。回転軸線Ｒに関して相互に対向している部分巻線４６ａ同士及び部分巻線４６ｂ同士は、電流の流れに関して同様の方向性を有し、その一方で、周方向に隣り合う部分巻線４６ａと部分巻線４６ｂとは、相互に逆向きの方向性を有する。

ロータ送信コイル３０又はロータ送信コイル３０の部分巻線４６ａ，４６ｂも、複数の作図円に基づいて画定することができる。

図７（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Ｍ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８の場合、４つの部分巻線４６ａ，４６ｂは、回転軸線Ｒに関して第１の経路に沿ってずらされた中心Ｍを有する４つの比較的大きな作図円と、回転軸線Ｒに関して第２の経路に沿ってずらされた中心Ｍ’を有する４つの比較的小さな作図円とによって画定される。全ての中心Ｍ，Ｍ’は、鏡面対称軸線Ｓ上に位置する。比較的大きな作図円の直径と、比較的小さな作図円の直径との比が約

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。隣り合う部分巻線４６ａ，４６ｂの交点において、比較的大きな円の端部セグメントが、隣り合う比較的小さな円の端部セグメントへとほぼ屈曲することなく移行すると有利である。

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。

Claims (11)

1. ステータ送信コイル（２０）及びステータ受信コイル（２２）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、
   前記ステータ受信コイル（２２）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、前記ステータ受信コイル（２２）において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、
   前記ステータ送信コイル（２０）は、円形の外側の部分巻線（３４ａ）と、前記外側の部分巻線（３４ａ）の内側に配置された円形の内側の部分巻線（３４ｂ）とを有し、前記内側の部分巻線（３４ｂ）は、電流の流れに関して前記外側の部分巻線（３４ａ）とは逆向きに方向決めされるように前記外側の部分巻線（３４ａ）に電気的に接続されており、
   前記ロータ受信コイル（２８）は、円形の外側の部分巻線（３４ａ）と、前記外側の部分巻線（３４ａ）の内側に配置された円形の内側の部分巻線（３４ｂ）とを有し、前記内側の部分巻線（３４ｂ）は、電流の流れに関して前記外側の部分巻線（３４ａ）とは逆向きに方向決めされるように前記外側の部分巻線（３４ａ）に電気的に接続されており、
   前記ステータ送信コイル（２０）の前記外側の部分巻線（３４ａ）と、前記ロータ受信コイル（２８）の前記外側の部分巻線（３４ａ）とが相互に位置合わせされており、
   前記ステータ送信コイル（２０）の前記内側の部分巻線（３４ｂ）と、前記ロータ受信コイル（２８）の前記内側の部分巻線（３４ｂ）とが相互に位置合わせされている、
   ことを特徴とする回転角度センサ（１０）。
2. 前記ステータ送信コイル（２０）の前記外側の部分巻線（３４ａ）及び前記内側の部分巻線（３４ｂ）は、同等の磁束を生成するように形成されており、
   及び／又は、
   前記ロータ受信コイル（２８）の前記外側の部分巻線（３４ａ）及び前記内側の部分巻線（３４ｂ）は、同等の磁束を生成するように形成されている、
   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）及び／又は前記ロータ受信コイル（２８）の前記外側の部分巻線（３４ａ）は、それぞれ前記ステータエレメント（１２）又は前記ロータエレメント（１４）を完全に取り囲んでいる複数の導体ループ（３６）を有し、
   及び／又は、
   前記ステータ送信コイル（２０）及び／又は前記ロータ受信コイル（２８）の前記内側の部分巻線（３４ｂ）は、それぞれ前記ステータエレメント（１２）又は前記ロータエレメント（１４）を完全に取り囲んでいる複数の導体ループ（３６）を有する、
   請求項１又は２に記載の回転角度センサ（１０）。
4. 前記ステータ送信コイル（２０）の前記外側の部分巻線（３４ａ）の導体ループ（３６）によって形成される面積の合計に相当する、前記ステータ送信コイル（２０）の前記外側の部分巻線（３４ａ）の有効面積は、前記ステータ送信コイル（２０）の前記内側の部分巻線（３４ｂ）の有効面積に相当し、
   及び／又は、
   前記ロータ受信コイル（２８）の前記外側の部分巻線（３４ａ）の導体ループによって形成される面積の合計に相当する、前記ロータ受信コイル（２８）の前記外側の部分巻線（３４ａ）の有効面積は、前記ロータ受信コイル（２８）の前記内側の部分巻線（３４ｂ）の有効面積に相当する、
   請求項３に記載の回転角度センサ（１０）。
5. 前記ステータ送信コイル（２０）及び／又は前記ロータ受信コイル（２８）の前記外側の部分巻線（３４ａ）は、前記ステータエレメント（１２）の対称軸線（Ｔ）又は前記回転軸線（Ｒ）を中心にして見たときに螺旋を形成している複数の導体ループ（３６）を有し、
   及び／又は、
   前記ステータ送信コイル（２０）及び／又は前記ロータ受信コイル（２８）の前記内側の部分巻線（３４ｂ）は、前記ステータエレメント（１２）の前記対称軸線（Ｔ）又は前記回転軸線（Ｒ）を中心にして見たときに螺旋を形成している複数の導体ループ（３６）を有する、
   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. 前記ステータ送信コイル（２０）及び／又は前記ロータ受信コイル（２８）の前記外側の部分巻線（３４ａ）及び前記内側の部分巻線（３４ｂ）は、前記ステータ送信コイル（２０）の対称軸線（Ｔ）又は前記回転軸線（Ｒ）と同心に配置されている、
   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. 前記ステータ送信コイル（２０）及び／又は前記ロータ受信コイル（２８）は、プリント基板（１８，２６）上に設けられた導体路の形態の平面コイルとして形成されている、
   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. 前記ステータ受信コイル（２２）は、半径方向外側が前記ステータ送信コイル（２０）の前記外側の部分巻線（３４ａ）によって画定されていて、かつ、半径方向内側が前記ステータ送信コイル（２０）の前記内側の部分巻線（３４ｂ）によって画定されている、前記ステータエレメント（１２）の環状領域（３９）内に配置されており、
   及び／又は、
   前記ステータ受信コイルは、電流の流れに関して相互に逆向きに方向決めされた複数の部分巻線を有する、
   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. 前記ロータ送信コイル（３０）は、半径方向外側が前記外側の部分巻線（３４ａ）によって画定されていて、かつ、半径方向内側が前記内側の部分巻線（３４ｂ）によって画定されている、前記ロータエレメント（１４）の環状領域（３９）内に配置されており、
   前記ロータ送信コイル（３０）は、電流の流れに関して相互に逆向きに方向決めされた複数の部分巻線（４６ａ，４６ｂ）を有する、
   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. 前記ステータ受信コイル（２２）は、受信環状領域（３９）を完全に覆っており、
    前記ロータ送信コイル（３０）は、前記受信環状領域（３９）に対向する複数の三日月形の部分巻線（４６ａ，４６ｂ）を有する、
    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. ロータ送信コイル（３０）と、ロータ受信コイル（２８）とを備えている、回転角度センサ（１０）のためのロータエレメント（１４）において、
    前記ロータ受信コイル（２８）は、円形の外側の部分巻線（３４ａ）と、前記外側の部分巻線（３４ａ）の内側に配置された円形の内側の部分巻線（３４ｂ）とを有し、前記内側の部分巻線（３４ｂ）は、電流の流れに関して前記外側の部分巻線（３４ａ）とは逆向きに方向決めされるように前記外側の部分巻線（３４ａ）に電気的に接続されており、
    前記外側の部分巻線（３４ａ）及び前記内側の部分巻線（３４ｂ）は、同等の磁束を生成する、
    ことを特徴とするロータエレメント（１４）。

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