WO2007000952A1

WO2007000952A1 - 位置センサ

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Publication number: WO2007000952A1
Application number: PCT/JP2006/312636
Authority: WO
Inventors: Atsutoshi Goto
Original assignee: Amiteq Co., Ltd.
Priority date: 2005-06-26
Filing date: 2006-06-23
Publication date: 2007-01-04
Also published as: EP1898185A4; US7986139B2; JP5094390B2; EP1898185A1; JP2012168205A; JPWO2007000952A1; EP1898185B1; US20100085039A1

Abstract

　【解決手段】　複数層のフラットコイルＬ４１～Ｌ４６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Ｌ４を構成し、該コイル極を交流信号で励磁する。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をコイル極に対して相対的に変位させることで、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。

Description

明細書

位置センサ

技術分野

[0001] 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。

背景技術

[0002] 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。

特許文献 1 :実開昭 59— 41708号

特許文献 2：特開平 2— 298802号

特許文献 3：特開平 5— 26610号

[0003] しかし、特許文献 1に示されたようなポテンショメータ力もなるものは、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力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力つた。

発明の開示

[0004] 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ょうとするちのである。

[0005] 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ことを特徴とする。

[0006] 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卷数が制限されることになつても、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ィル出力信号のレベルを大きく取ることができ、小型 Z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。

[0007] 本発明の実施形態によれば、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力なり、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ィ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。これにより、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っきによる検出誤差を除去できる。

本発明の実施形態によれば、同一構成の 2つの前記磁気応答部材を、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。

[0008] 本発明の別の観点によれば、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、前記コイル部において前記コイル極に対応して固定的に配置された磁性体と、前記コイル極に非接触的に対向するように配置された永久磁石とを具備し、前記コイル部と永久磁石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、前記コイル部と永久磁石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永久磁石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力ゝ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ことを特徴とする位置センサが提供される。

図面の簡単な説明

[0009] [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、（B)は (A)における A— A'線矢視断面略図。

[図 2]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。

[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。

[図 4]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 5]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。

[図 6]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。

[図 7]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。

[図 8]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。

[図 9]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。 [図 10]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。

[図 11]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。

発明を実施するための最良の形態

[0010] 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ょう。

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、該ステ一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力なるロータ 4とで構成される。

[0011] 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 LI, 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 LI, 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 LI, L2, L3, L 4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。

[0012] 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 PI, P2, P3を含み、絶縁体からなる各プリント回路基板 PI, P2, P3の両面にそれぞれ渦巻き状にプリントされた導線カゝ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卷数に従って、 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 PI, 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。

[0013] 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つのコィル極 LI, 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つのコィル極 LI, 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

[0014] 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。

[0015] 図 3 (A)〜（F)は、図 2 (D)の矢印 C方向力も見た、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)【こ示すよう【こ、各 =3イノレ極 1〜 4の接続端子 Ti l, T12, T21, T22, T31, T3 2, 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がー方の接続端子 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力も見た)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、最内周の端部力も始まって、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。

[0016] 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カゝら始まって、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 L4 3が形成された該基板 P2の面の裏側力も見た (矢印 C力も見た)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力も始まって、図で時計回りに外周方向に向う渦卷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。

[0017] 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カゝら始まって、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 L4 1が形成された該基板 PIの面の裏側力も見た (矢印 C力も見た)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力も始まって、図で時計回りに外周方向に向う渦卷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、全てのフラットコィノレ: L46、 L45, L44, L43, L42,： L41力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力個々のフラットコィル L41〜L46の卷数は少なくても、合計卷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 Z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 PI, 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、 Τ42が基板 Ρ3の同じ面に配置される。

[0018] 他のコイル極 LI, 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 Ζ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 (インピ一ダンス）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、各コィル極 L1〜L4の各両端の接続端子 Ti l, T12, T21, T22, T31, T32, T41, T4 2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 PI, 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力もなる磁性体コア 5を設けるとよい。しかし、そのような磁'性体コア 5は必須ではなぐ設けなくてもよい。

[0019] 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、力もなつている。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ィル極 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。

[0020] 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（1Z4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（1Z2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)変ィ匕することになる。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 sin Θ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— sin Θ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。

[0021] 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 L 1の特性に対して 90度（1Z4サイクル）ずれているので、コサイン関数 cos Θ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（1Z2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ィル極 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— cos Θ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。

[0022] 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 sin Θ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）。

[0023] 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ィ匕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 sin co t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 sin Θ 、 cos Θ 、一 sin Θ 、一 cos Θに応じた大きさを示す。

[0024] 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、「sin Θ sin co t」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、「cos Θ sin co tjと表すことができる。

[0025] 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 (sin Θと cos Θ )によってそれぞれ振幅変調された 2つの交流出力信号「sin Θ si n co t」と「cos Θ sin co tj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 sin Θ sin co t及びコサイン相出力信号 cos Θ sin co t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。 [0026] 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（sin Θ )とコサイン関数特性の振幅係数つまり振幅レべル (cos 0 )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、アナ口グ演算器 31, 32から出力される交流出力信号「sin Θ sin ω t」と「cos Θ sin ω tj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。

[0027] 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 3 1, 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 sin Θと cos Θを示す直流電圧を出力するようにしている。この場合、 Θ力^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力 ^度から 90度の範囲では、サイン相 sin Θの検出出力信号の特性とコサイン相 cos Θ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（_Si_n Θ又は cos Θ )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力 ^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べル特性を示す曲線である必要はなぐ直線状であってもよぐ要するに、極小値から極大値に（又はその逆に極大値力も極小値に)変化する特性であってよい。

[0028] なお、図 5に示したような直流電圧出力方式では、 Θ力 O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、検出対象力 1回転フルの変化を示さず、 90度未満の変化し力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、 sin 0 及び cos Θの電気角 Θ力 ^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。

[0029] 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 Ll〜 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 sin 0 sin co t及び cos Θ sin co t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。

[0030] 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 (プリントコィル)カゝらなるコイル部 2を構成してもよヽ。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。

[0031] 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ぐ機械角で略 90度弱の範囲で、円周に沿って湾曲した楕円状に卷かれている。これによつて、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。

[0032] 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（プリントコィル）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 (プリントコィル）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。

[0033] 次に、ロノく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、コィル極 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。

[0034] 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ィル極 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。

[0035] 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。この磁気応答部材カもなるロータ 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、磁気応答部材カもなるロータ 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力なり、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。これによつて、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!ヽてもコイル部 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ぐ従ってラジアル誤差によってその対向面積が変ィ匕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、る。

[0036] 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を両側力挟んで、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

[0037] 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。し力し、 1個の極し力設けない場合は、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。

[0038] 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力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力も得ることができる。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。

[0039] 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 L 1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、各コィ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）大である力ロータ 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。

[0040] 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ァ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

請求の範囲

[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ことを特徴とする位置センサ。

[2] 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つて複数の前記コイル極を配置してなる請求項 1に記載の位置センサ。

[3] 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 2に記載の位置センサ。

[4] 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 3に記載の位置センサ。

[5] 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!/、る請求項 1に記載の位置センサ。

[6] 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され、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に記載の位置センサ。

[7] 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 6のいずれかに記載の位置センサ。

[8] 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 7に記載の位置センサ。

[9] 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、ることを特徴とする請求項 1に記載の位置センサ。

[10] 同一構成の 2つの前記磁気応答部材を、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。

[11] 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、

前記コイル部において前記コイル極に対応して固定的に配置された磁性体と、前記コイル極に非接触的に対向するように配置された永久磁石と

を具備し、前記コイル部と永久磁石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、前記コイル部と永久磁石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永久磁石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力取り出すことに基づき位置検出信号を得るようにしたことを特徴とする位置センサ。