(57)【要約】  2N極磁石を有する磁石回転子(Nは自然数である。)と、前記磁石回転子からの磁束の向きを検知するセンサデバイスとを用いて回転角度を検出する回転角度検出装置であって、  前記センサデバイスで得られる半径方向及び回転方向の2つの出力電圧値の少なくとも一方に修正係数を乗算し、修正した2つの出力電圧値から回転角度を算出することにより、回転角度の検出精度を高めていることを特徴とする回転角度検出装置。
2009099054.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
2N極磁石を有する磁石回転子(Nは自然数である。)と、前記磁石回転子からの磁束の向きを検知するセンサデバイスとを用いて回転角度を検出する回転角度検出装置であって、
前記センサデバイスで得られる半径方向及び回転方向の2つの出力電圧値の少なくとも一方に修正係数を乗算し、修正した2つの出力電圧値から回転角度を算出することにより、回転角度の検出精度を高めていることを特徴とする回転角度検出装置。
【請求項２】
2N極磁石を有する磁石回転子(Nは自然数である。)と、前記磁石回転子からの磁束の向きを検知するセンサデバイスとを備える回転角度検出装置であって、
前記センサデバイスは、複数のスピンバルブ型巨大磁気抵抗効果素子(固定層と自由層を有し、固定層磁化方向が固定されており、自由層磁化方向が磁束の向きに応じて回転する磁気抵抗素子)で構成された感磁面を有し、互いに固定層磁化方向が直交するセンサブリッジA01とセンサブリッジB01とを内蔵し、
前記センサブリッジA01及びB01は、それぞれ前記スピンバルブ型巨大磁気抵抗効果素子のブリッジ回路であり、
前記ブリッジ回路は、それぞれ電気的に隣り合う辺のスピンバルブ型巨大磁気抵抗効果素子の固定層磁化方向が反平行であり、
前記センサブリッジA01及びB01のそれぞれに電圧を印加することにより、前記固定層磁化方向と前記自由層磁化方向とのなす角度に応じた出力電圧を得て、
前記出力電圧の少なくとも一方に修正係数を乗算して得られた2つの出力を基にして角度信号を得ることを特徴とする回転角度検出装置。
【請求項３】
請求項1又は2に記載の回転角度検出装置において、
前記センサデバイスが複数のスピンバルブ型巨大磁気抵抗効果素子(固定層と自由層を有し、固定層磁化方向が直交する2方向で固定されており、自由層磁化方向が磁束の向きに応じて回転する磁気抵抗素子)で構成された感磁面を有し、
前記修正係数が、前記センサデバイスを設けた位置における半径方向の磁束密度の最大値と回転方向の磁束密度の最大値との比を反映した値であることを特徴とする回転角度検出装置。
【請求項４】
請求項1〜3のいずれかに記載の回転角度検出装置において、
前記センサデバイスを設けた位置での、半径方向の磁束密度の振幅B⊥と回転方向の磁束密度の振幅B//との比B⊥/B//= K'とした場合、前記修正後の半径方向の出力電圧値のピーク値と回転方向の出力電圧値のピーク値との比Kが、K = K'±0.3Nの範囲であることを特徴とする回転角度検出装置。
【請求項５】
2N極磁石を有する磁石回転子(Nは自然数である。)と、前記磁石回転子からの磁束の向きを検知するセンサデバイスとを用いて回転角度を検出する回転角度検出装置であって、
前記センサデバイスで得られる半径方向及び回転方向の2つの出力電圧値の出力波形の少なくとも一方の振幅値に修正係数を乗算し、修正した2つの出力波形から回転角度を算出することにより、回転角度の検出精度を高めていることを特徴とする回転角度検出装置。
【請求項６】
請求項5に記載の回転角度検出装置において、
前記センサデバイスが複数のスピンバルブ型巨大磁気抵抗効果素子(固定層と自由層を有し、固定層磁化方向が直交する2方向で固定されており、自由層磁化方向が磁束の向きに応じて回転する磁気抵抗素子)で構成された感磁面を有し、
前記修正係数が、前記センサデバイスを設けた位置で半径方向及び回転方向の2方向の磁束密度の波形を取ったときの、それぞれの最大振幅の比を反映した値であることを特徴とする回転角度検出装置。
【請求項７】
請求項5又6に記載の回転角度検出装置において、
前記センサデバイスを設けた位置での、半径方向の磁束密度の振幅B⊥と回転方向の磁束密度の振幅B//との比B⊥/B//= K'とした場合、前記修正後の半径方向の出力波形のピーク値と回転方向の出力波形のピーク値との比Kが、K = K'±0.3Nの範囲の値であることを特徴とする回転角度検出装置。
【請求項８】
2N極磁石を有する磁石回転子(Nは自然数である。)と、前記磁石回転子からの磁束の向きを検知するセンサデバイスとを備える回転角度検出装置であって、
前記センサデバイスは、複数のスピンバルブ型巨大磁気抵抗効果素子(固定層と自由層を有し、固定層磁化方向が固定されており、自由層磁化方向が磁束の向きに応じて回転する磁気抵抗素子)で構成された感磁面を有し、互いに固定層磁化方向が直交するセンサブリッジA01とセンサブリッジB01とを内蔵し、
前記センサブリッジA01及びB01は、それぞれ前記スピンバルブ型巨大磁気抵抗効果素子のブリッジ回路であり、
前記ブリッジ回路は、それぞれ電気的に隣り合う辺のスピンバルブ型巨大磁気抵抗効果素子の固定層磁化方向が反平行であり、
前記センサブリッジA01及びB01のそれぞれに電圧を印加することにより、前記固定層磁化方向と前記自由層磁化方向とのなす角度に応じた出力電圧(Vx、Vy)を得て、
前記出力電圧の少なくとも一方に修正係数を乗算して角度信号を得ることを特徴とする回転角度検出装置。
［ただし、Vxは前記磁石回転子の半径方向に固定層磁化方向を向けたセンサブリッジA01の出力電圧、
Vyは前記磁石回転子の回転方向に固定層磁化方向を向けたセンサブリッジB01の出力電圧であり、
修正係数は、Vx及びVyのそれぞれについて、電気角1周期をフーリエ展開した下記の式(1-1)及び式(1-2)におけるa1、a3、b1及びb3の数値を元に算出した値である。
Vx = a1cosθmag + a3cos3θmag+ a5cos5θmag + …      式(1-1)
Vy = b1sinθmag + b3sin3θmag+ b5sin5θmag + …      式(1-2)］
【請求項９】
請求項8に記載の回転角度検出装置において、
前記修正係数としてkを用いることを特徴とする回転角度検出装置。
［ただし、修正係数kは、k = k'±0.3N｛Nは磁石回転子の極対数であり、k'は前記式(1-1)及び式(1-2)におけるa1、a3、b1及びb3の数値により、式(2)：k' = (a1 - a3)/(b1 + b3)で表される値である。｝の範囲の値である。］
【請求項１０】
請求項1〜9に記載の回転角度検出装置において、
前記センサデバイスが、半径方向の磁束密度の最大値と回転方向の磁束密度の最大値とが異なる値を示す位置に設けられていることを特徴とする回転角度検出装置。
【請求項１１】
請求項1〜10に記載の回転角度検出装置において、
前記センサデバイスの感磁面の中心が、前記磁石回転子の軸方向厚み中心点を通りかつ回転軸に垂直な平面上に位置することを特徴とする回転角度検出装置。
【請求項１２】
請求項1〜11のいずれかに記載の回転角度検出装置を搭載することを特徴とする回転機。
【請求項１３】
2N極磁石を有する磁石回転子(Nは自然数である)の回転角度を検出する回転角度検出方法であって、
センサデバイスによって前記磁石回転子の半径方向及び回転方向の磁束の周期変動を出力電圧(Vx、Vy)として測定し、
前記出力電圧の少なくとも一方に修正係数を乗算して、前記磁石回転子の回転角度θmeasを求めることを特徴とする回転角度検出方法。
【請求項１４】
請求項13に記載の回転角度検出方法において、
前記センサデバイスを設けた位置での、半径方向の磁束密度の振幅B⊥と回転方向の磁束密度の振幅B//との比B⊥/B//= K'とした場合、前記修正後の半径方向の出力電圧値のピーク値と回転方向の出力電圧値のピーク値との比Kが、K = K'±0.3Nの範囲であることを特徴とする回転角度検出方法。
【請求項１５】
請求項13又は14に記載の回転角度検出方法において、
前記修正係数としてk値を用い、前記磁石回転子の回転角度θmeasを式(3)又は式(4)から求めることを特徴とする回転角度検出方法。
θmeas = tan-1(Vx/(Vy・k))      式(3)   (回転方向の交流電力が小さい場合)
θmeas = tan-1((Vx・k)/Vy))       式(4)  (半径方向の交流電力が小さい場合)
【請求項１６】
請求項15に記載の回転角度検出方法において、
前記修正係数k値は、センサデバイスを設けた位置で、半径方向の磁束密度の振幅B⊥と回転方向の磁束密度の振幅B//とを測定し、その振幅比B⊥/B//= K'を基に算出することを特徴とする回転角度検出方法。
【請求項１７】
請求項16に記載の回転角度検出方法において、
前記修正係数k値は、前記出力電圧(Vx、Vy)のそれぞれについて、電気角1周期をフーリエ展開した式(5-1)及び式(5-2)におけるa1、a3、b1及びb3の数値を元に算出した値とすることを特徴とする回転角度検出方法。
Vx = a1cosθmag + a3cos3θmag+ a5cos5θmag + …      式(5-1)
Vy = b1sinθmag + b3sin3θmag+ b5sin5θmag + …      式(5-2)
【請求項１８】
請求項17に記載の回転角度検出方法において、
前記修正係数kは、前記a1、a3、b1及びb3の数値を用いて下記式(6)から求めたk'を基に算出することを特徴とする回転角度検出方法。
k' = (a1 - a3)/(b1 + b3)      式(6)
【請求項１９】
請求項18に記載の回転角度検出方法において、
前記修正係数kとして、k = k'±0.3N｛Nは磁石回転子の極対数であり、k'は前記式(6)で求められる値である。｝の範囲の値を用いることを特徴とする回転角度検出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転軸等の回転角度を検出する回転角度検出装置、それを用いた回転機、及びその回転角度検出方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
周面を多極に着磁した円筒磁石を円筒の軸を中心にして回転させたとき、前記周面から所定の距離(r1)離れた位置における円筒磁石の半径方向の磁束密度及び周方向の磁束密度は、それぞれ回転角度に対してほぼ正弦波状に変化する。このとき半径方向の磁束密度の振幅は、回転方向の磁束密度の振幅に比べて1〜2倍程度大きくなる。【０００３】
前記距離(r1)離れた位置にセンサデバイス(複数のスピンバルブ型巨大磁気抵抗効果素子を用いた磁気センサ)を配置し、半径方向の磁束密度及び回転方向の磁束密度を測定することで回転角度検出装置を構成することができる。【０００４】
センサデバイスは磁場の強度ではなく磁束の方向を検知するため、半径方向の磁束密度の振幅と回転方向の磁束密度の振幅とが異なると、半径方向に感磁軸有するセンサデバイスからは台形状の波形をした第1の出力電圧(Vx)が得られ、回転方向に感磁軸を有するセンサデバイスからは三角波状の波形をした第2の出力電圧(Vy)が得られる。ここで直交する2つの感磁軸を1つの基板に集約したセンサデバイスを用いることで、前記第1及び第2の出力電圧を同時に得ることができる。【０００５】
さらに磁束密度がある一定範囲内であると、半径方向及び回転方向の磁束密度の最大値によらず、その出力電圧の振幅はほぼ一定になる。すなわち、前記第1及び第2の出力電圧は、後述するように磁石の回転角θmagに対してそれぞれVx = cosθmag及びVy= sinθmagとなり、それらの振幅はほぼ等しくなる（ただし実際に得られる波形は高調波を含むので、波形はそれぞれ台形状及び三角形状となる。）。このように第1及び第2の出力電圧は波形が異なり、磁束密度の振幅の違いにもかかわらずほぼ等しい振幅の出力電圧が得られるため、回転角度の測定誤差(角度誤差)が生じてしまう。【０００６】
特開2006-023179号（特許文献1）は、磁気部材と、前記磁気部材の磁極配列面に対向する複数対のベクトル検知型磁気抵抗効果素子とを有し、前記複数対のベクトル検知型磁気抵抗効果素子を、前記磁気部材による外部磁界に対して感磁面がほぼ平行で、かつ対をなす前記ベクトル検知型磁気抵抗効果素子同士のピン層磁化方向が互いにほぼ90°ずれるように配置するとともに、前記磁気部材の磁極配列方向に対しては同一位置に全ての前記ベクトル検知型磁気抵抗効果素子を配置した磁気式位置検出装置を開示しており、特許文献1の図1(A)に示された磁気部材及びベクトル検知型磁気抵抗効果素子を相対的に移動させることにより、位相が90°ずれた2相の正弦波形出力が得られると記載している。【０００７】
しかしながら、特開2006-023179号（特許文献1）に記載されたように、位相が90°ずれた2相の正弦波形出力が得られるのは、移動方向と磁気部材に垂直方向の磁束密度振幅比がほぼ1となる場合（磁気部材の着磁ピッチに対して磁極の横方向寸法が極端に長い場合）であり、実際は前記磁束密度振幅比が異なるため、磁場検出器からの出力電圧は高次の高調波が重畳した台形状波形及び三角波状波形となる。その結果、位置検出に誤差が生じて精度の良い測定ができなくなる。【０００８】
特開2006-194861号（特許文献2）は、磁気抵抗効果素子を用いて回転角度を検出する場合に、磁気抵抗効果素子からの出力に含まれている信号間の位相誤差、歪み誤差等を、様々な波形整形により低減する方法を開示している。しかしながら、平行磁場が回転することにより生じる磁場に原理的に含まれる不均一性（外部磁場の振幅比の違い等）による誤差を低減する方法は記載していない。【０００９】
特開2006-023179号（特許文献1）及び特開2006-194861号（特許文献2）は、半径方向の磁束密度の振幅が回転方向の磁束密度の振幅に比べて大きいため、半径方向及び回転方向の出力電圧の波形が異なり、その結果生じる角度誤差について記載も示唆もしていない。これらの文献に記載の技術において、移動方向の磁束密度振幅と磁気部材から垂直方向の磁束密度振幅とを同一にするためには、磁極の横方向寸法を、例えば磁極ピッチに対して100倍程度にする必要がある。しかし、回転角度又は移動距離を検出するためにそのような大きな磁気部材を設けることは現実的ではない。【００１０】
以上のように、磁束の向きを検出することが可能なセンサデバイスを用いた場合、得られる2つの出力電圧をそのまま逆正接演算し磁石回転子の電気角や回転角を求めると、角度誤差が大きい回転角度検出装置しかできないという問題がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
従って本発明の目的は、高い精度で回転角度を検出することのできる回転角度検出装置、及びそれを備えた回転機を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的に鑑み鋭意検討の結果、本発明者等は、磁束の向きを検知するセンサデバイスを用いた回転角度検出装置において、センサデバイスから得られた半径方向及び回転方向の2つの出力電圧（又は出力電圧波形）の少なくとも一方に修正係数を乗算（又は除算）して、それらの修正した2つの出力電圧（又は出力電圧波形）の最大値の比が、センサデバイスを配置した位置における半径方向及び回転方向の磁束密度の最大値の比K'と同等となるようにした後、逆正接演算することで角度誤差が格段に小さくなることを見出し、本発明に想到した。【００１３】
本発明の回転角度検出装置は、図27に示すように、得られた出力電圧波形の少なくとも一方の振幅を拡大させて、2つの出力電圧波形の最大値の比を対応する2方向の磁束密度の最大値の比と同等となるように調節してから回転角や機械角を求めるものである。この調節手段としては、一方のみを拡大させる方法、一方のみを縮小させる方法、又は両方に所定係数を掛ける方法のいずれの手段でもよく、結果的に2つの出力電圧波形の最大値の比が、上記の比K'と同等となるように修正すればよい。以下、一方に修正係数を乗算することを中心に説明するが、本発明はこれに限定されるものではなく、他方を除算して修正してもよいし、両方に異なる所定係数を掛けて修正しても良い。【００１４】
すなわち本発明の回転角度検出装置は、
2N極磁石を有する磁石回転子(Nは自然数である。)と、前記磁石回転子からの磁束の向きを検知するセンサデバイスとを用いて回転角度を検出する回転角度検出装置であって、
前記センサデバイスで得られる半径方向及び回転方向の2つの出力電圧値の少なくとも一方に修正係数を乗算し、修正した2つの出力電圧値から回転角度を算出することにより、回転角度の検出精度を高めていることを特徴とする。【００１５】
本発明の他の回転角度検出装置は、
2N極磁石を有する磁石回転子(Nは自然数である。)と、前記磁石回転子からの磁束の向きを検知するセンサデバイスとを備える回転角度検出装置であって、
前記センサデバイスは、複数のスピンバルブ型巨大磁気抵抗効果素子(固定層と自由層を有し、固定層磁化方向が固定されており、自由層磁化方向が磁束の向きに応じて回転する磁気抵抗素子)で構成された感磁面を有し、互いに固定層磁化方向が直交するセンサブリッジA01とセンサブリッジB01とを内蔵し、
前記センサブリッジA01及びB01は、それぞれ前記スピンバルブ型巨大磁気抵抗効果素子のブリッジ回路であり、
前記ブリッジ回路は、それぞれ電気的に隣り合う辺のスピンバルブ型巨大磁気抵抗効果素子の固定層磁化方向が反平行であり、
前記センサブリッジA01及びB01のそれぞれに電圧を印加することにより、前記固定層磁化方向と前記自由層磁化方向とのなす角度に応じた出力電圧を得て、
前記出力電圧の少なくとも一方に修正係数を乗算して得られた2つの出力を基にして角度信号を得ることを特徴とする。【００１６】
前記センサデバイスは、複数のスピンバルブ型巨大磁気抵抗効果素子(固定層と自由層を有し、固定層磁化方向が直交する2方向で固定されており、自由層磁化方向が磁束の向きに応じて回転する磁気抵抗素子)で構成された感磁面を有し、
前記修正係数は、前記センサデバイスを設けた位置における半径方向の磁束密度の最大値と回転方向の磁束密度の最大値との比を反映した値であるのが好ましい。【００１７】
前記センサデバイスを設けた位置での、半径方向の磁束密度の振幅B⊥と回転方向の磁束密度の振幅B//との比B⊥/B//= K'とした場合、前記修正後の半径方向の出力電圧値のピーク値と回転方向の出力電圧値のピーク値との比Kは、K = K'±0.3Nの範囲であるのが好ましい。【００１８】
本発明のさらに他の回転角度検出装置は、
2N極磁石を有する磁石回転子(Nは自然数である。)と、前記磁石回転子からの磁束の向きを検知するセンサデバイスとを用いて回転角度を検出する回転角度検出装置であって、
前記センサデバイスで得られる半径方向及び回転方向の2つの出力電圧値の出力波形の少なくとも一方の振幅値に修正係数を乗算し、修正した2つの出力波形から回転角度を算出することにより、回転角度の検出精度を高めていることを特徴とする。【００１９】
前記センサデバイスは、複数のスピンバルブ型巨大磁気抵抗効果素子(固定層と自由層を有し、固定層磁化方向が直交する2方向で固定されており、自由層磁化方向が磁束の向きに応じて回転する磁気抵抗素子)で構成された感磁面を有し、
前記修正係数は、前記センサデバイスを設けた位置で半径方向及び回転方向の2方向の磁束密度の波形を取ったときの、それぞれの最大振幅の比を反映した値であるのが好ましい。【００２０】
前記センサデバイスを設けた位置での、半径方向の磁束密度の振幅B⊥と回転方向の磁束密度の振幅B//との比B⊥/B//= K'とした場合、前記修正後の半径方向の出力波形のピーク値と回転方向の出力波形のピーク値との比Kは、K = K'±0.3Nの範囲の値であるのが好ましい。【００２１】
本発明のさらに他の回転角度検出装置は、
2N極磁石を有する磁石回転子(Nは自然数である。)と、前記磁石回転子からの磁束の向きを検知するセンサデバイスとを備える回転角度検出装置であって、
前記センサデバイスは、複数のスピンバルブ型巨大磁気抵抗効果素子(固定層と自由層を有し、固定層磁化方向が固定されており、自由層磁化方向が磁束の向きに応じて回転する磁気抵抗素子)で構成された感磁面を有し、互いに固定層磁化方向が直交するセンサブリッジA01とセンサブリッジB01とを内蔵し、
前記センサブリッジA01及びB01は、それぞれ前記スピンバルブ型巨大磁気抵抗効果素子のブリッジ回路であり、
前記ブリッジ回路は、それぞれ電気的に隣り合う辺のスピンバルブ型巨大磁気抵抗効果素子の固定層磁化方向が反平行であり、
前記センサブリッジA01及びB01のそれぞれに電圧を印加することにより、前記固定層磁化方向と前記自由層磁化方向とのなす角度に応じた出力電圧(Vx、Vy)を得て、
前記出力電圧の少なくとも一方に修正係数を乗算して角度信号を得ることを特徴とする。
［ただし、Vxは前記磁石回転子の半径方向に固定層磁化方向を向けたセンサブリッジA01の出力電圧、
Vyは前記磁石回転子の回転方向に固定層磁化方向を向けたセンサブリッジB01の出力電圧であり、
前記修正係数は、Vx及びVyのそれぞれについて、電気角1周期をフーリエ展開した下記の式(1-1)及び式(1-2)におけるa1、a3、b1及びb3の数値を元に算出した値である。
Vx = a1cosθmag+ a3cos3θmag + a5cos5θmag + …      式(1-1)
Vy = b1sinθmag+ b3sin3θmag + b5sin5θmag + …      式(1-2)］【００２２】
前記修正係数としてkを用いるのが好ましい。
［ただし、修正係数kは、k = k'±0.3N｛Nは磁石回転子の極対数であり、k'は前記式(1-1)及び式(1-2)におけるa1、a3、b1及びb3の数値により、式(2)：k' = (a1 - a3)/(b1 + b3)で表される値である。｝の範囲の値である。］【００２３】
前記センサデバイスは、半径方向の磁束密度の最大値と回転方向の磁束密度の最大値とが異なる値を示す位置に設けられているのが好ましい。【００２４】
前記センサデバイスの感磁面の中心が、前記磁石回転子の軸方向厚み中心点を通りかつ回転軸に垂直な平面上に位置するのが好ましい。【００２５】
本発明の回転機は、前記いずれかの回転角度検出装置を搭載することを特徴とする。【００２６】
本発明の回転角度検出方法は、
2N極磁石を有する磁石回転子(Nは自然数である)の回転角度を検出する回転角度検出方法であって、
センサデバイスによって前記磁石回転子の半径方向及び回転方向の磁束の周期変動を出力電圧(Vx、Vy)として測定し、
前記出力電圧の少なくとも一方に修正係数を乗算して、前記磁石回転子の回転角度θmeasを求めることを特徴とする。【００２７】
前記センサデバイスを設けた位置での、半径方向の磁束密度の振幅B⊥と回転方向の磁束密度の振幅B//との比B⊥/B//= K'とした場合、前記修正後の半径方向の出力電圧値のピーク値と回転方向の出力電圧値のピーク値との比Kは、K = K'±0.3Nの範囲であるのが好ましい。【００２８】
前記修正係数としてk値を用い、前記磁石回転子の回転角度θmeasを式(3)又は式(4)から求めるのが好ましい。
θmeas = tan-1(Vx/(Vy・k))      式(3)   (回転方向の交流電力が小さい場合)
θmeas = tan-1((Vx・k)/Vy))       式(4)  (半径方向の交流電力が小さい場合)【００２９】
前記修正係数k値は、センサデバイスを設けた位置で、半径方向の磁束密度の振幅B⊥と回転方向の磁束密度の振幅B//とを測定し、その振幅比B⊥/B//= K'を基に算出するのが好ましい。【００３０】
前記修正係数k値は、前記出力電圧(Vx、Vy)のそれぞれについて、電気角1周期をフーリエ展開した式(5-1)及び式(5-2)におけるa1、a3、b1及びb3の数値を元に算出した値とするのが好ましい。
Vx = a1cosθmag+ a3cos3θmag + a5cos5θmag + …      式(5-1)
Vy = b1sinθmag+ b3sin3θmag + b5sin5θmag + …      式(5-2)【００３１】
前記修正係数kは、前記a1、a3、b1及びb3の数値を用いて下記式(6)から求めたk'を基に算出するのが好ましい。
k' = (a1- a3)/(b1 + b3)      式(6)【００３２】
前記修正係数kとして、k = k'±0.3N｛Nは磁石回転子の極対数であり、k'は前記式(6)で求められる値である。｝の範囲の値を用いるのが好ましい。【００３３】
前記半径方向の磁束密度の最大値と回転方向の磁束密度の最大値は、磁束の向きを測定する位置（センサデバイスを設けた位置）にホール素子を置いて、センサデバイスで測定する2方向（半径方向及び回転方向）についてそれぞれ測定することで求めることができる。【００３４】
N極対に着磁された磁石回転子と、スピンバルブ型巨大磁気抵抗効果素子を有するセンサデバイスを用いた回転角度検出装置で、磁石回転子を回転させ、磁石回転子の回転角度に対応する出力電圧を測定すると、感磁軸が半径方向であるセンサブリッジでは台形波に近い出力電圧（第1の出力電圧）が得られ、感磁軸が回転方向であるセンサブリッジでは三角波に近い出力電圧（第2の出力電圧）が得られる。このとき、前記第2の出力電圧を、磁束密度振幅比K'にほぼ等しい修正係数kで増幅することで高精度に回転角度を検出できる。【００３５】
出力電圧のうち、交流電力の小さい方の出力電圧に修正係数kを乗算するのが好ましい。一般に、前記第1の出力電圧に比べて第2の出力電圧の交流電力が小さいので、第2の出力電圧にkを乗算するのが好ましい。つまり、図7(a)に示すように、機械角とセンサ出力との関係を計測したときに、機械角の横軸とセンサ出力の波形で囲まれる面積が小さい方の出力電圧に修正係数kを乗算して、図7(b)に示す調整したセンサ出力を用いて回転角を算出する。又は、機械角の横軸とセンサ出力の波形で囲まれる面積が大きい方の出力電圧に修正係数kを除算して回転角を算出してもよい。また、乗算することで修正係数kとなる2つの数値を算出し、その各々を両方の波形に乗算してもよい。なお、前記式(2)で算出したk'を修正係数kとして使用する場合は、修正係数kは感磁軸が回転方向に向いているセンサブリッジでの出力電圧（第2の出力電圧）に乗算する。【００３６】
前記磁石回転子は、2極対以上の多極着磁をされた磁石回転子であるのが好ましい。1極対は1つのN極及びそれと隣接する2つのS極に相当する。例えば、12極に着磁されていれば6極対の磁石回転子である。センサデバイス中にはセンサブリッジが2つあり、センサブリッジ同士はエレメントの固定層磁化方向が直交する。【００３７】
センサデバイスは、磁石回転子が回転したときに、エレメントであるスピンバルブ型巨大磁気抵抗効果素子の自由層が回転するように、磁石回転子の近傍に設置する。1つのセンサデバイス内のセンサブリッジはエレメント同士が90 deg.傾けて配置されているため、センサデバイス同士を90 deg.位相差を有するように配置しなくても、回転角度を正確に測定できる。【００３８】
前記磁石の軸方向厚み(t)は、回転軸方向における磁石の寸法に相当する。前記センサデバイスの中心とは、スピンバルブ型巨大磁気抵抗効果素子の中心、又はスピンバルブ型巨大磁気抵抗効果素子が複数個ある場合にはそれらからほぼ等距離にある中心点とする。スピンバルブ型巨大磁気抵抗効果素子の厚さは磁石回転子よりも十分薄いので、前記中心点はスピンバルブ型巨大磁気抵抗効果素子を形成する基板上にあるとして差し支えない。すなわち、前記センサデバイスの中心は感磁面上にあるといえる。2つの感磁軸は直交関係にあり、前記感磁面内に在るか又は前記感磁面に平行である。【００３９】
本願明細書において、センサブリッジは4つのエレメント(スピンバルブ型巨大磁気抵抗効果素子)を電気回路的なブリッジに組んだものを指す(4つのエレメントを含む面が感磁面となる。)。さらに2つのセンサブリッジを搭載したものをセンサデバイスと称する。磁石回転子とセンサデバイスとを対向させる構成を回転角度検出装置と称する。回転角度検出装置に取り付けることができるように複数のセンサデバイスを組み合わせた単位をモジュールと称する。
【発明の効果】
【００４０】
本発明の回転角度検出装置により、角度誤差を低減することができる。
本発明の回転角度検出方法により、センサデバイスの位置にかかわらず角度誤差を低減することができるので、磁束密度の最も大きい位置にセンサデバイスを設置でき、磁石の体積を小さくすることができる。その結果、回転角度検出装置の占有体積を小さくすることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１（ａ）】本発明の回転角度検出装置の一例を示す模式正面図である。
【図１（ｂ）】本発明の回転角度検出装置の一例を示す模式側面図であり、一点鎖線より下側は磁石回転子を断面で示した部分断面図である。
【図２（ａ）】本発明の回転角度検出装置に用いるセンサデバイスの一例を示す模式図である。
【図２（ｂ）】図2(a)のセンサデバイスにおける磁石回転子の半径方向を固定層磁化方向とするエレメントと端子との接続を示すブリッジ回路図である。
【図２（ｃ）】図2(a)のセンサデバイスにおける磁石回転子の回転方向を固定層磁化方向とするエレメントと端子との接続を示すブリッジ回路図である。
【図３】修正係数kの算出方法の一例を示す概念図である。
【図４】回転角度検出装置の一例を示す概念図である。
【図５】回転角度検出装置の他の一例を示す概念図である。
【図６】回転角度検出装置のさらに他の一例を示す概念図である。
【図７（ａ）】実施例1の回転角度検出装置の電圧調整前のセンサ出力を示すグラフである。
【図７（ｂ）】実施例1の回転角度検出装置の電圧調整後のセンサ出力を示すグラフである。
【図７（ｃ）】実施例1の回転角度検出装置の電圧調整前及び調整後の角度誤差を示すグラフである。
【図８（ａ）】実施例2の回転角度検出装置の電圧調整前のセンサ出力を示すグラフである。
【図８（ｂ）】実施例2の回転角度検出装置の電圧調整後のセンサ出力を示すグラフである。
【図８（ｃ）】実施例2の回転角度検出装置の電圧調整前及び調整後の角度誤差を示すグラフである。
【図９（ａ）】実施例3の回転角度検出装置の電圧調整前のセンサ出力を示すグラフである。
【図９（ｂ）】実施例3の回転角度検出装置の電圧調整後のセンサ出力を示すグラフである。
【図９（ｃ）】実施例3の回転角度検出装置の電圧調整前及び調整後の角度誤差を示すグラフである。
【図１０】修正係数kが変化したときの機械角誤差を示すグラフである。
【図１１】修正係数kが変化したときの電気角誤差を示すグラフである。
【図１２】x軸方向（回転軸と垂直な方向）にセンサを移動したときの磁石半径方向の磁束密度B⊥、磁石回転方向の磁束密度B//、及び磁束密度振幅比K'を示すグラフである。
【図１３】z軸方向(回転軸方向)にセンサを移動したときの磁石半径方向の磁束密度B⊥、磁石回転方向の磁束密度B//、及び磁束密度振幅比K'を示すグラフである。
【図１４（ａ）】1極対磁石の磁束とセンサデバイスとの位置関係を示す模式図である。
【図１４（ｂ）】図14(a)のA-A断面図である。
【図１４（ｃ）】1極対磁石の磁束とセンサデバイスとの様々な位置関係を示す模式図である。
【図１５（ａ）】4極磁石の磁束とセンサデバイスとの位置関係を示す模式図である。
【図１５（ｂ）】図15(a)のA-A断面図である。
【図１５（ｃ）】4極磁石の磁束とセンサデバイスとの位置関係を示す模式図である。
【図１５（ｄ）】4極磁石の磁束とセンサデバイスとの様々な位置関係を示す模式図である。
【図１６】本発明の回転角度検出装置を適用した回転機の一例を示す模式断面図である。
【図１７（ａ）】比較例1の回転角度検出装置を示す模式正面図である。
【図１７（ｂ）】比較例1の回転角度検出装置を示す模式側面図である。
【図１７（ｃ）】比較例1の回転角度検出装置のセンサ出力を示すグラフである。
【図１７（ｄ）】比較例1の回転角度検出装置の検出角度及び誤差を示すグラフである。
【図１８（ａ）】参考例1の回転角度検出装置を示す模式正面図である。
【図１８（ｂ）】参考例1の回転角度検出装置を示す模式側面図である。
【図１８（ｃ）】参考例1の回転角度検出装置のセンサ出力を示すグラフである。
【図１８（ｄ）】参考例1の回転角度検出装置の検出角度及び誤差を示すグラフである。
【図１９（ａ）】参考例2の回転角度検出装置を示す模式正面図である。
【図１９（ｂ）】参考例2の回転角度検出装置を示す模式側面図である。
【図１９（ｃ）】参考例2の回転角度検出装置のセンサ出力を示すグラフである。
【図１９（ｄ）】参考例2の回転角度検出装置の検出角度及び誤差を示すグラフである。
【図２０（ａ）】比較例2の回転角度検出装置を示す模式正面図である。
【図２０（ｂ）】図20(a)のA-A断面図である。
【図２０（ｃ）】比較例2の回転角度検出装置のセンサ出力を示すグラフである。
【図２０（ｄ）】比較例2の回転角度検出装置の検出角度及び誤差を示すグラフである。
【図２０（ｅ）】比較例2の回転角度検出装置の検出角度及び誤差を拡大して示すグラフである。
【図２１（ａ）】参考例3の回転角度検出装置を示す模式正面図である。
【図２１（ｂ）】図21(a)のA-A断面図である。
【図２１（ｃ）】参考例3の回転角度検出装置のセンサ出力を示すグラフである。
【図２１（ｄ）】参考例3の回転角度検出装置の検出角度及び誤差を示すグラフである。
【図２１（ｅ）】参考例3の回転角度検出装置の検出角度及び誤差を拡大して示すグラフである。
【図２２（ａ）】参考例4の回転角度検出装置を示す模式正面図である。
【図２２（ｂ）】図22(a)のA-A断面図である。
【図２３】比較例1、参考例1、参考例2及び実施例6のそれぞれのセンサデバイスを重ねて示す概念図である。
【図２４】比較例2、参考例3、参考例4、実施例7及び実施例8のそれぞれのセンサデバイスを重ねて示す概念図である。
【図２５】磁石回転子の半径方向と回転方向の磁束密度振幅を測定する様子を示す模式図である。
【図２６】振幅調整係数K'の算出方法を説明するグラフである。
【図２７】修正係数kを変化させたときのセンサ出力の電圧波形を示すグラフである。
【図２８】修正係数kと機械角誤差との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４２】
以下本発明について、図面を用いて具体的な実施形態を説明する。ただし、これら実施形態により本発明が限定されるものではない。【００４３】
[1] 回転角度検出装置の実施形態
図1(a)及び図1(b)に、外周面に6極対に着磁された磁石回転子1と、センサデバイス2aを支持する磁気センサ部21を固定したハウジング3とを有する回転角度検出装置を示す。磁石回転子1の回転軸は点Oを通り紙面に垂直な軸である。センサデバイス2a(固定層磁化方向が直交する2つのスピンバルブ型巨大磁気抵抗効果素子のブリッジ回路を搭載)によって磁石回転子1におけるリング状永久磁石1aの回転角度を検出することができる。【００４４】
磁石回転子1は、リング状永久磁石1aと、前記リング状永久磁石の内周側に一体に形成された軟磁性リング1bと、前記軟磁性リングを支持する非磁性リング状のアダプタ1cを備える。磁気センサ部21は、周縁の1つの側面が磁石回転子1に対向する板状の回路用基板2cと、前記回路用基板2cの平面に固定したセンサデバイス2aと、前記センサデバイス2a及び回路用基板2cと制御用回路とを電気的に接続するケーブル2d1及びコネクタ2eと、前記センサデバイスを覆う非磁性カバー2fとを有する。リング状永久磁石1aは6極対に着磁されており、その着磁の向きが磁石回転子の回転軸線と直交するように配置されている。ハウジング3には、センサデバイス2aが所定の間隔で磁石回転子1と対向するよう、前記回路用基板2cを固定するためのコ字型アングル3a及びボルト3cが設けられている。センサデバイスを固定した回路用基板2cの平面は、磁石回転子の回転軸線に対して直交している。なお、センサデバイス等の詳細については後述する。【００４５】
図1(a)及び図1(b)の回転角度検出装置は、磁気センサ部21を設置したハウジング3を、ボルト止め用孔3bを用いて工作機械本体に固定し、工作機械のシャフト(回転軸)に磁石回転子1を(ボルト止め用孔1dを用いて)同軸となるように固定する(図1(a)及び図1(b)では工作機械の図示を省略した)。図1(a)に示すように、磁石回転子1と磁気センサ部21とを対向させた状態で工作機械のシャフトを回転させることにより、高い精度で回転角度を検出することができる。【００４６】
磁石回転子1は、NdFeB系ボンド磁石からなるリング状永久磁石1aと、軟鉄粉とバインダーとを成形してなる軟磁性リング1bと、前記軟磁性リングをシャフト(回転軸)に取り付けるためのS45C製のアダプタ1cで構成する。センサデバイス2aは、図2(a)〜図2(c)に示すように、スピンバルブ型巨大磁気抵抗効果素子（エレメント）8個でフルブリッジ回路を構成してなり、VccとGNDとの間に直流電圧を印加した状態で、磁石回転子の磁場内にセンサデバイス2aを置くと、Vx1-Vx2間と、Vy1-Vy2間にそれぞれ差動出力を与える。センサデバイス2aは回路用基板2cをハウジング3に固定し、コネクタ2eにつながるケーブル2d1を介して、後述する図4の回路(A-D変換補正部及び角度演算部からなる回路)を接続し、A-D変換後に一方の信号に修正係数kを乗算し(例えば、k = 1.6)、角度演算を行う。センサデバイスは、非磁性リードフレームを利用して10個の端子23を形成し、樹脂系材料でモールドして用いる。ハウジング3及びコ字型アングル3aは非磁性SUSU316で構成するのが好ましく、コ字型アングルはプレス成形等により作製できる。回転角度検出装置は、例えば磁石回転子1の半径r0を25 mm、磁石回転子1の外周面からセンサデバイスの中心までの距離r1を3.5 mm、磁石回転子1の磁石の軸方向厚さtを4 mm、ハウジング3の厚さTを2 mm(例えば、2 mm厚の板材を打ち抜き、絞りで形成する。)とした形状を有する。距離r1を6 mmまで大きくした場合でも問題なく使用することができる。【００４７】
図示は省略したが、図2(a)に示すそれぞれの1対のスピンバルブ型巨大磁気抵抗効果素子22a〜22dは、非磁性基板12a上に、下地層(Cr)/固定層(Co/Ru/Co)/Cu層/自由層(Co/NiFe)/キャップ層(Ta)という順に積層してパターニングし、通電用の電極膜を設け、絶縁被覆を施したものである。【００４８】
[2] 回転角度検出装置の作用
(1)原理
有限軸長の磁石回転子から発生する磁束密度の振幅は、半径方向と回転方向とで異なる。半径方向の磁束密度成分をBr、回転方向の磁束密度成分をBθ、半径方向の磁束密度の振幅をB⊥、回転方向の磁束密度の振幅をB//とし、B⊥/B//= K'とする。ここで、高調波成分は省略して考える。磁石回転子直横における、磁石回転子の電気角θeに対する磁束密度Br及びBθの方向成分は、それぞれの式(7)及び式(8)の通りになる。
Bγ = B⊥cosθe = K'・B//cosθe      式(7)
Bθ = B//sinθe      式(8)【００４９】
従って、磁石回転子の回転に伴う磁束の方向θmagは下記の式(9)で表される。
θmag = tan-1{B//sinθe/(K'・B//cosθe)} = tan-1{sinθe/(K'・cosθe)}    式(9)【００５０】
センサデバイスの出力は、この角度θmagによって決まる。半径方向を感磁軸とするセンサデバイスからの出力VX、及び回転方向を感磁軸とするセンサデバイスからの出力Vyに修正係数kを乗算した出力Vy・kは、それぞれ式(10)及び式(11)のようになる。
Vx = cosθmag      式(10)
Vy・k=ksinθmag      式(11)【００５１】
この場合、Vx,及びVy・kから計算される磁石回転子の回転角度θmeasは、式(12)のように表される。
tanθmeas = Vy・k/Vx = ksinθmag/cosθmag= ktanθmag = ktan[tan-1{sinθe/(K'・cosθe)}]      式(12)【００５２】
式(12)のtanとtan-1とを省略すると式(13)のようになる。
tanθmeas = ksinθe/(K'・cosθe) = (k/K')tanθe      式(13)【００５３】
式(13)から、θmeasは式(14)のように表すことができる。
θmeas = tan-1{(k/K')tanθe}      式(14)【００５４】
式(14)で、k/K'が1に近いほどθmeanとθeとは近い値になって両者の誤差がなくなる。kとK'が等しければk/K' = 1となり、tanとtan-1とを省略しθmeas = θeとなる。つまりk = K'とすればθmeanとθeの誤差を最も小さくすることができる。すなわち、磁石回転子からの半径方向と回転方向との磁束密度振幅が異なる場合、センサデバイスの出力に適切な電圧振幅補正を行うことで検出角度誤差を低減させることが可能である。検出位置は上記説明においては磁石回転子直横としたが、磁石に対するセンサデバイスの相対位置は、センサデバイスが動作する磁束密度の範囲内において任意である。すなわち、磁石からセンサを半径方向に遠ざけた場合においても、センサを磁石の回転軸方向に移動した場合においても、センサデバイスの感磁面内で直交する2つの感磁軸方向の磁束密度振幅比が変化するのみであり、上記磁束密度振幅比K'の値は一義的に決定される。【００５５】
(2)修正係数k
修正係数kは3つの方法により求めることができる。
(i)磁石の形状及び実測より決定したK'値を用いる方法
磁石の回転に伴い磁石回転子の周辺で検出される磁束密度は、磁石の種類及び形状によって一義的に決定される。そのため、設計段階で磁石の種類及び形状、センサの位置及び設置角度を決定すれば、センサブリッジの感磁面内で直交する2つの磁束密度成分の振幅比K'は決定する。従って、シミュレーションや実測によりK'求め、この値を修正係数kとして用いる。【００５６】
(ii)センサの出力より求めたk'値を用いる方法
所定の位置にセンサを設置し、磁石回転子を一定速度で回転させた場合、センサデバイスの出力波形は周期関数となる。磁石回転子から発生する磁束密度が正弦波状であっても、感磁面内で直交する磁束密度の振幅比が異なるため、センサ出力は高調波を含んだ波形となる。センサブリッジからの出力をフーリエ展開すると、下記の式(1-1)及び式(1-2)で表される。
Vx = a1cosθmag+ a3cos3θmag + a5cos5θmag + …      式(1-1)
Vy = b1sinθmag+ b3sin3θmag + b5sin5θmag + …      式(1-2)【００５７】
式(1-1)及び式(1-2)において、Vxは磁石回転子の半径方向を感磁軸とするセンサブリッジの出力電圧、Vyは磁石回転子の回転方向を感磁軸とするセンサブリッジの出力電圧である。各出力電圧の5次以降の高調波の影響は軽微であるため、3次高調波までを考えた場合、振幅調整比率k'の値は下記の式(2)で表される。
k' = (a1 - a3)/(b1 + b3)      式(2)
この振幅調整比率k'を修正係数kとして用いる。【００５８】
式(1-1)及び式(1-2)と式(2)との関係について詳細に説明する。
振幅調整比率k'は、式(1-1)及び式(1-2)のセンサブリッジの出力電圧の出力振幅を正規化したVx及びVyの基本波成分と3次高調波成分とから求めた値であり、Vx出力の基本波フーリエ係数をa1、3次高調波フーリエ係数をa3、Vy出力の基本波フーリエ係数をb1、3次高調波フーリエ係数をb3として式(2)で求めることができる。この振幅調整比率k'は磁束密度の振幅比K'に等しい値である。以下のその証明を行う。【００５９】
今、回転方向の磁束密度振幅によって正規化されたy方向の磁束密度瞬時値をy0とする。x方向の磁束密度振幅がy方向のそれと同じ場合の瞬時値をx0とすると、x方向の磁束密度振幅がK'倍の場合は、図26に示すように、x方向の磁束密度瞬時値はK'x0でとなる。すなわち、(x0, y0)の点はx = cosθ, y = sinθで表される円上にあり、(K'x0, y0)の点はx = K'・cosθ', y = sinθ'で表される楕円上にある。ここで、x0, y0, K', θ及びθ'の関係は、下記の式(15-1)及び式(15-2)のようになる。
tanθ' = y0/(K'x0)      式(15-1)
tanθ = y0/x0      式(15-2)【００６０】
これらの式からtanθ = K'・tanθ'が導き出される。また、図26から明らかなように下記の式(16-1)〜式(16-4)が導き出される。
cosθ' = K'x0/(K'2x02+y02)1/2      式(16-1)
cosθ = x0/(x02+y02)1/2      式(16-2)
sinθ' = y0/(K'2x02+y02)1/2      式(16-3)
sinθ = y0/(x02+y02)1/2      式(16-4)【００６１】
さらに式(16-1)〜式(16-4)から、式(17)が導き出される。
cosθ' = K'x0/(K'2x02+y02)1/2
= {K'x0/(K'2x02+y02)1/2}・{(x02+y02)1/2/(x02+y02)1/2}
= {K'(x02+y02)1/2/(K'2x02+y02)1/2}・{x0/(x02+y02)1/2}
= {K'(x02+y02)1/2/(K'2x02+y02)1/2}・cosθ          式(17)【００６２】
同様に、sinθ'を計算すると、式(18)が導き出される。
sinθ' = {(x02+y02)1/2/(K'2x02+y02)1/2}・sinθ      式(18)【００６３】
ここで、式(19)のようにCを定義すると、
(x02+y02)1/2/(K'2x02+y02)1/2= C      式(19)【００６４】
cosθ'及びsinθ'はそれぞれ、cosθ' = K'・C・cosθ及びsinθ' = C・sinθと変形できる。これらが、出力電圧を正規化したセンサブリッジ出力に相当し、Vx=  cosθ'及びVy =  sinθ'である。【００６５】
一方、VxとVyとのそれぞれについて、交流分のみを考慮してフーリエ展開し、有意の項のみを残すと下記の式(20)及び式(21)が得られる。
Vx = a1cosθmag+ a3cos3θmag + a5cos5θmag + …      式(20)
Vy = b1sinθmag+ b3sin3θmag + b5sin5θmag + …      式(21)【００６６】
上式におけるa1, a3, b1及びb3は、それぞれフーリエ係数であり、下記の式(22-1)〜式(22-4)で表される。
2009099054.tif 000003
2009099054.tif 000004
2009099054.tif 000005
2009099054.tif 000006
【００６７】
従って、(a1 - a3)/(b1 + b3)の値は、式(23)のようになる。
2009099054.tif 000007
【００６８】
ここで、分母の積分内は下記式(24)となる。
Csinθ(sinθ + sin3θ) = Csinθ(sinθ + 3sinθ - 4sin3θ)
= Csinθ・4(sinθ - sin3θ)
= 4Csin2θ(1 - sin2θ)
= 4Csin2θcos2θ      式(24)【００６９】
一方、分子の積分内は下記式(25)となる。
Ccosθ(cosθ + cos3θ) = Ccosθ{cosθ - (4cos3θ - 3cosθ)}
= Ccosθ・4(cosθ - cos3θ)
= 4Ccos2θ(1 - cos2θ)
= 4Ccos2θsin2θ      式(25)【００７０】
積分内の分子と分母が等しいため、式(23)は式(26)であることが証明される。
(a1- a3)/(b1 + b3) = K' = k'      式(26)【００７１】
このようにして直交する感磁軸を有するスピンバルブ型巨大磁気抵抗効果素子（SVGMR素子）ブリッジの出力波形の基本波及び3次高調波のフーリエ係数によって求めた振幅調整比率k'を修正係数kとして用いる。【００７２】
なお、Vyの波形の位相がVxの波形よりも約90°進んでいる場合は、修正係数kを式(27)の式で表すことも可能である。
k  = (|a1| - |a3|)/(|b1| + |b3|)      式(27)【００７３】
VxとVyとは、フーリエ展開する際にsinとcosを入れ替えて下記のように表記することも可能である。つまりVx及びVyのそれぞれについて、交流分のみを考慮してフーリエ展開し、有意の項のみを残すと式(28)及び式(29)が得られる。
Vx = c1sinθmag+ c3sin3θmag + c5sin5θmag + …      式(28)
Vy = d1cosθmag+ d3cos3θmag + d5cos5θmag + …      式(29)【００７４】
この場合、証明は省略するがkは式(30)で表される。
k  = (c1 + c3)/(d1- d3)      式(30)【００７５】
なお、Vx及びVyの位相関係は、センサの配置方法や回転子の回転方向により変化するため、Vx及びVyの1次のフーリエ係数がどちらか、又は両方マイナスになることもありえる。その場合でも同じ数式内での1次の係数と3次の係数との符号は一緒に変わるので式全体の絶対値を取ることでkは正の数になる。【００７６】
(iii)kに対する機械角誤差の変化率から求める方法
修正係数kとして任意の値を2点以上（好ましくは3点以上）設定し、それぞれの値を実際に出力電圧値に乗算して機械角を算出し、実際の磁石回転子の機械角と比較して機械角誤差を求め、その各点の結果から最適な修正係数kを得る。このとき仮に設定した2点以上のk値とそれに対する機械角誤差との関係は適当な近似式（例えば、直線近似）を用いて最小自乗法で求めるのが好ましい。例えば、図28に示すように仮に設定した5点の修正係数（k1= 1.5、k2 = 1.6、k3 = 1.7、k4 = 1.8及びk5= 1.9）を用いて機械角誤差を求め、横軸に修正係数kの値、縦軸に機械角誤差の値を取ってグラフ化し、各々の測定値に近接する直線を引くことで機械角誤差が0 deg.となる修正係数kを求めることができる。図28に示す場合は、k = 1.7のとき機械角誤差が0 deg.となる。【００７７】
(3) 実施形態
(i) 修正係数kの算出
修正係数kは、例えば図3の概念図に示す方法により算出することができる。磁石回転子近傍の所望の位置に設置したセンサデバイス32によって磁石回転子31aの回転に伴う磁束の向きを検知し、センサブリッジからの出力電圧（Vx, Vy）をオシロスコープ27bで測定する。得られた測定値をパーソナルコンピューター28bに取り込み、電気角1周期のフーリエ演算により、前記式(1-1)、式(1-2)及び式(2)を用いてk'を算出する。この方法は、センサデバイス32取り付け後に補正が可能であるため、取り付け位置のずれによる機械角誤差の増加を抑制することができ、実用上便利な手法である。通常、修正係数kはこのk'そのものの値を用いればよい。【００７８】
(ii)振幅補正方法1
回転角度検出装置の一実施形態を図4に概念的に示す。6極対磁石近傍の所望の位置に設置したセンサデバイス32によって磁石回転子31aの回転に伴う磁束の向きを検知し、センサブリッジからの出力電圧（Vx, Vy）をそれぞれA-D変換(アナログ-デジタル変換)し、変換後Vyにあらかじめ算出しておいた修正係数kを乗算し、この出力電圧（Vx、k・Vy）を角度演算部28にて逆正接演算することで角度を検出する。この方法は、電圧調整をデジタルで行えるため、前段の電子回路を単純に構成することができるうえ、A-D変換の測定レンジを最大に取ることができるものである。【００７９】
(iii)振幅補正方法2
回転角度検出装置の他の一実施形態を図5に概念的に示す。6極対磁石近傍の所望の位置に設置したセンサデバイス32によって磁石回転子31aの回転に伴う磁束の向きを検知し、A-D変換補正部27に入力する前にセンサブリッジの出力電圧Vxのみあらかじめ算出しておいた修正係数kで除算(すなわち、可変抵抗器を用いて分圧)して、A-D変換補正部27に入力する。これらの出力電圧（Vx/k、Vy）を角度演算部28にて逆正接演算することで角度を検出する。この方法は、検出角度と実際の回転角度を評価しながら、修正係数kを決定することができるものである。【００８０】
(iv)振幅補正方法3
回転角度検出装置のさらに他の一実施形態を図6に概念的に示す。6極対磁石近傍の所望の位置に設置したセンサデバイス32によって磁石回転子31aの回転に伴う磁束の向きを検知し、センサブリッジの出力電圧（Vx, Vy）の変化をそれぞれオペアンプ26a, 26bの増幅回路に入力する。その際、Vxの増幅率をAとし、Vyの増幅率をA・kとして電圧を調整する。その後、A-D変換補正部27に入力し、出力電圧（A・Vx、k・A・Vy）を角度演算部28にて逆正接演算することで角度を検出する。この方法は、センサブリッジ出力を増幅できるので、増幅部を差動にすることで、耐ノイズ性を向上できる等の利点がある。【００８１】
本発明を以下の実施例によりさらに詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。【００８２】
実施例1
1極対磁石回転子を用いた回転角度検出装置を作製した。磁石回転子として直径26 mm及び軸方向厚さ5 mmのNdFeB系ボンド磁石を使用し、センサデバイスは磁石外周の表面から5 mm離れた箇所に配置した。1極対磁石を用いたため、図7(a)に示すように、磁石回転子1回転(機械角360 deg.)に対して1周期のセンサブリッジ出力が得られた（電圧調整前）。この出力をフーリエ展開して前述の式(1-1)、式(1-2)及び式(2)によりk'を求めたところ、k' = 1.70であった。このk'を修正係数kとしてVyに乗算して、図7(b)に示すような出力k・Vyを得た。図7(a)及び図7(b)の出力波形をそれぞれ逆正接演算して角度誤差を評価した結果、図7(c)に示すように、電圧調整前は±15 deg.程度発生していた機械角誤差を、電圧調整を行うことで±0.5 deg.程度に低減することができた。【００８３】
実施例2
4極対磁石回転子を用いた回転角度検出装置を作製した。磁石回転子として、外直径40 mm、内直径34 mm及び軸方向厚さ4 mmのNdFeB系ボンド磁石を使用し、センサデバイスは磁石外周の表面から5 mm離れた箇所に配置した。4極対磁石を用いたため、図8(a)に示すように、磁石回転子1回転(機械角360 deg.)に対して4周期のセンサブリッジ出力が得られた（電圧調整前）。この出力の電気角1周期(機械角で90 deg.)をフーリエ展開して実施例1と同様にしてk'を求めたところ、k' = 1.67であった。このk'を修正係数kとしてVyに乗算して図8(b)に示すような出力k・Vyを得た。図8(a)及び図8(b)の出力波形をそれぞれ逆正接演算して角度誤差を評価した結果、図8(c)に示すように、電圧調整前は±3.5 deg.程度発生していた機械角誤差を、電圧調整を行うことで±0.4 deg.程度に低減することができた。【００８４】
実施例3
8極対磁石回転子を用いた回転角度検出装置を作製した。磁石回転子として、外直径120 mm、内直径112 mm及び軸方向厚さ6 mmのNdFeB系ボンド磁石を使用し、センサデバイスは磁石外周の表面から6 mm離れた箇所に配置した。8極対磁石を用いたため、図9(a)に示すように、磁石回転子1回転(機械角360 deg.)に対して8周期のセンサブリッジ出力が得られた（電圧調整前）。この出力の電気角1周期(機械角で45 deg.)をフーリエ展開して実施例1と同様にしてk'を求めたところ、k' = 1.67であった。このk'を修正係数kとしてVyに乗算して図9(b)に示すような出力k・Vyを得た。図9(a)及び図9(b)の出力波形をそれぞれ逆正接演算して角度誤差を評価した結果、図9(c)に示すように、電圧調整前は±1.8 deg.程度発生していた機械角誤差を、電圧調整を行うことで±0.2 deg.程度に低減することができた。【００８５】
(電圧調整値変化によって発生する誤差)
極対数Nが1, 4及び8の磁石回転子を備えた本発明の回転角度検出装置において、修正係数kを変化させたときの機械角誤差の計算結果を図10に示す。ここで、センサブリッジ感磁面の位置における直交する磁束密度の振幅比K'を1.70とした。いずれの極対数の磁石回転子においても、修正係数kを磁束密度振幅比K'と等しくすることで機械角誤差は最小となった。極対数Nを増加すると、機械角誤差が1/Nになるため、修正係数kのずれによる誤差の増加は抑制される。例えば、機械角誤差の絶対値を5 deg.以下にする必要がある場合、許容される修正係数kのずれは±0.3N(Nは磁石回転子の極対数)程度であるので、k = K'±0.3Nの範囲にすることが好ましい。kの値は、k = K'±0.2Nの範囲であるのがさらに好ましく、k = K'±0.1Nの範囲であるのが最も好まし。さらに、機械角誤差の絶対値を1 deg.以下にする必要がある場合、許容される修正係数kのずれは±0.06N(Nは磁石回転子の極対数)程度となる。この許容量が大きいほど、工業的に利用しやすいと言える。さらに、機械角誤差の絶対値を0.5 deg.以下にするには、許容される修正係数kのずれは±0.03Nとなる。また、磁束密度振幅比K'を1.4及び1.7のそれぞれの場合の、修正係数kに対する電気角誤差の計算結果を図11に示す。角度誤差は磁束密度振幅比K'を1.7としたときも1.4としたときもほぼ同様の範囲となった。【００８６】
実施例4
6極対磁石回転子（外直径50 mm、内直径45 mm及び軸方向厚み4 mmのNdFeB系ボンド磁石）における磁石半径方向の磁束密度振幅B⊥、回転方向の磁束密度振幅B//、及び両者から求めた磁束密度振幅比K'の測定位置依存性を評価した。磁石回転子外周表面の磁石厚み方向中央部を基準位置とし、x軸方向（回転軸と垂直な方向）にr1ずらした位置におけるB⊥、B//及びK'の測定結果を図12に示す。磁石回転子から発生する磁束密度振幅はB⊥が大きく、磁束密度振幅比K'は測定範囲内において1.4〜1.9であった。【００８７】
さらに、r1= 3.5 mmの位置からz軸方向(回転軸方向)にh'ずらした位置におけるB⊥、B//及びK'の測定結果を図13に示す。h'の値が大きくなるに従ってB⊥が急激に減少するためK'も大きく減少し、z = 4 mm以上でB//の方が大きくなった。【００８８】
この磁石回転子とセンサデバイスとを用いて回転角度検出装置を構成し、任意の測定位置r1において得られたK'を修正係数kとして用いて振幅補正方法1〜3に適用したところ、角度誤差を抑えた回転角度検出装置が得られた。このように、磁石回転子の形状、極対数、センサデバイスの設置位置を決定すれば、磁束密度振幅比K'を容易に求めることができ、その値を修正係数kとして用いることで角度誤差を抑えた回転角度検出装置を作製できることがわかった。【００８９】
磁石回転子として1極対磁石を用いたときの磁束とセンサデバイス32aとの位置関係を図14(a)及び図14(b)に示す。曲線状の片矢印は、2極の円板状磁石11の磁極表面から発生する磁力線を表す。Z軸は、円板状磁石11の中心O（磁石の厚み中心点）を原点として磁石の回転平面と直交する軸で、磁石回転子の回転軸に相当する。X軸及びY軸は、前記中心Oを原点としてそれぞれZ軸に垂直な軸であり、図14(a)で示す位置関係にあるときの磁石の磁化方向をX軸とし、磁化方向と直行する方向をY軸とした。センサデバイス32aの感磁面の中心は磁石表面からr1離れたX軸上にあり（z = 0、φ = 0°）、その感磁面はZ軸と直交する（χ = 0°）ように配置した。このとき、センサデバイス32aは半径方向の磁束密度成分Brのみを受けている。θmは磁石回転子の回転角度に相当する。例えば、図14(a)の状態の円板状磁石11を円周方向に機械角θmで90 deg.だけ回転させると、センサデバイス32aは回転方向の磁束密度成分Bθのみを受けるようになる。【００９０】
センサデバイスは、例えば図14(c)に示すように様々な位置に配置することができる。図14(c)は、３種類の回転角度検出装置におけるセンサデバイス32b, 32b', 32b''の位置関係をわかりやすくするために便宜的に重ね描いたものである。センサデバイス32bは、X-Y平面上（Z = 0）にセンサデバイスの感磁面の中心を配置し、その感磁面をX-Y平面に対してχ傾けた。センサデバイス32b'は、X-Y平面からZ軸方向にh'離れた位置（センサ配置角φ'の位置）にセンサデバイスの感磁面の中心を配置し、その感磁面をX-Y平面に対してχ'傾けた。センサデバイス32b'の位置において、磁束の方向はX軸からε'傾いている。この場合においても、回転方向は紙面垂直方向であり、半径方向は上方向である。センサデバイス32b''は、その感磁面の中心が磁石回転子の円板状磁石の回転軸線上にあり(φ'' = 90 deg.)、感磁面がX-Y平面に平行(χ'' = 180 deg.)である。この位置における磁束の方向ε'' = 180 deg.である。なお、円板状磁石11を、Z軸方向の厚みtを大きくした円柱状磁石、中心に貫通孔を形成したリング状磁石、又は矩形板状磁石に置き換えても、1極対磁石であれば上述の角度等の定義は同様に成り立つ。【００９１】
磁石回転子として4極対磁石を用いたときの磁束とセンサデバイスとの位置関係を図15(a)及び図15(b)に示す。直線状の太矢印は磁石回転子のリング状永久磁石31bの各磁極内の磁化の向きを表し、曲線状の太矢印は磁極表面から発生する磁束を表す。λは表面磁束密度分布を測定したときの信号の1波長(電気角θeで360 deg.)に相当し、リング状永久磁石31bでは1対の磁極表面の周方向長さに相当する。Z軸は、リング状永久磁石31bの孔の中心Oを通り磁石の回転平面と直交する軸で、磁石回転子の回転軸に相当する。X軸及びY軸は、前記中心Oを原点としてそれぞれZ軸に垂直な軸であり、図15(a)で示す位置関係にあるときの磁石の磁化方向をX軸とし、磁化方向と直行する方向をY軸とした。センサデバイス32cの感磁面の中心はリング状永久磁石31bの表面からr1離れたX軸上にあり（z = 0、φ' = 0°）、その感磁面はZ軸と直交する（χ = 0°）ように配置した。このとき、センサデバイス32cはX軸の向きの磁束を受けている。リング状永久磁石31bを周方向に電気角θeで90 deg.だけ回転させたとき、センサデバイス32cはリング状永久磁石31bの磁極間に位置し、センサデバイス32cはY軸の向きの磁束を受けるようになる。【００９２】
図15(c)に示すセンサデバイス32dは、磁束の測定方向を磁石回転子の半径方向（又は回転方向）からξだけ傾けたものである。このような場合でも、ξが10°以内であれば修正係数kは前記と同じように算出した値を採用することができる。つまり、センサブリッジの検出方向が磁石回転子の半径方向（又は回転方向）から多少ずれていたとしても、修正係数kは磁石回転子の半径方向及び回転方向での振幅比、又はそれらの波形をフーリエ展開した式(1-1)及び式(1-2)のa1、a3、b1及びb3の数値から求められる値を採用することができる。【００９３】
センサデバイスは、例えば図15(d)に示すようにいくつかの位置に配置することができる。図15(d)は、３種類の回転角度検出装置におけるセンサデバイス32e, 32e', 32e''の位置関係をわかりやすくするために便宜的に重ね描いたものである。センサ傾斜角χ、センサ配置角φ'、センサ傾斜角χ'、h'及びε'の定義は図14(c)と同様である。このリング磁石の孔には回転軸となるシャフトを固定することができる。【００９４】
実施例5
実施例3の回転角度検出装置を適用した回転機を図16に模式的に示す。この回転機はモータであり、フレーム73c内には、中心軸としてシャフト71bを有する12極の永久磁石のロータ71aと、フレーム73cの内周面に固定したステータ用コイル73b付きステータ73aとを有する。シャフト71bはベアリング(図示省略)を介してフレーム73cに回転自在に支持されている。磁石回転子71cは、前記ロータ71aに隣り合うようにシャフト71bに同軸に設け、センサデバイス72aは支持部72dを介して、前記磁石回転子71cの直横に配置されるようにフレーム73cに固定した。前記磁石回転子71cから印加される磁束の向きを前記センサデバイス72aで検知し、その出力を演算回路72cで処理し、磁石回転子71cの回転角度を出力した。【００９５】
比較例1
2極に着磁された磁石回転子の円板状磁石11の外周に、図17(a)及び図17(b)に示すようにセンサデバイス2bを配置した回転角度検出装置を作製した。ここでは円板状磁石11の中心Oを原点とし、回転軸をZ軸とした円柱座標系を用いて説明する。円板状磁石11は直径2ro= 26 mm、軸方向厚さt = 8 mmであり、中心部分にシャフト11cを有していた。センサデバイス2bは、前述のセンサデバイス2aと同等のものを使用し、中心Oを通り回転軸線に垂直な平面上（つまり、z = 0）に感磁面の中心が位置するように配置した。Z軸からセンサデバイス2bの中心までの距離(ro＋r1)は23 mmであった。センサデバイス2bの感磁面は回転軸の方向に向けた（すなわち、φ = 0 deg.及びχ = 0 deg.とした）。回転自在に設置した磁石回転子の円板状磁石11をセンサデバイス2bに対して回転させたところ、図17(c)に示すようにセンサデバイス2bの出力電圧は正弦波とはならず、センサブリッジA01（半径方向）の出力はほぼ台形波となり、センサブリッジB01（回転方向）の出力はほぼ三角波となった。演算回路で出力電圧に修正係数kを乗算する処理は行っていない。その結果、図17(d)に示すように、逆正接演算信号は直線とはならず、±20 deg.程度という非常に大きな電気角の誤差が発生した。【００９６】
参考例1
図18(a)及び図18(b)に示すように、センサデバイス2bの感磁面を55°傾けた(χ = 55 deg.)以外は比較例1と同様にして回転角度検出装置を作製した。この回転角度検出装置の回転角度特性を比較例1と同様にして測定したところ、図18(c)及び図18(d)に示すように、各センサブリッジからの出力はほぼ余弦波及びほぼ正弦波となり、角度誤差は±4 deg.程度であった。センサデバイスを傾斜させ、出力波形の高調波成分を減少させることで、比較例1に対して大きな角度検出精度の改善が見られ、修正係数kを用いずに角度誤差を低減できることがわかった。【００９７】
参考例2
図19(a)及び図19(b)に示すように、センサデバイス2bを回転軸方向にh = 15 mm移動して設置した以外は比較例1と同様にして回転角度検出装置を作製した。回転軸（z軸）からセンサデバイス2bの中心(感磁面の中心)までの距離(ro＋r1)は23 mmであった。この回転角度検出装置の回転角度特性を比較例1と同様にして測定したところ、図19(c)及び図19(d)に示すように、わずかに角度誤差が発生したが、比較例1に対して格段に角度誤差を抑制することができた。この回転角度検出装置のセンサ配置角φは約33 deg.であり、最適センサ配置角φbestからは2 deg.以上ずれているため、わずかに角度誤差が発生したと考えられる。この回転角度検出装置をモータに適用したところ、回転角度を高精度に検出することができた。センサデバイスをz方向にずらし、出力波形の高調波成分を減少させることで、修正係数kを用いずに角度誤差を低減できることがわかった。【００９８】
比較例2
多極のリング磁石21の外周に、図20(a)及び図20(b)に示すようにセンサデバイス2bを配置した回転角度検出装置を作製した。リング磁石21は、外周面に12極の磁極を有し、内径 = 22.5 mm、外径 = 25 mm及び軸方向厚みt = 4 mmであった。リング磁石21の内周面側には、リング状軟磁性体ヨークを有し、その貫通孔にシャフトを固定した。リング状軟磁性体ヨーク及びシャフトは図示を省略した。リング磁石21外周からセンサデバイス2b中心までの距離は約3 mmであり、センサデバイス2bはセンサ傾斜角χ = 0 deg.で配置した。リング磁石21は12極着磁であるため、機械角で360 deg.回転すると6周期の出力が得られた。つまり機械角が60 deg.で電気角の1周期となる。演算回路で出力電圧に修正係数kを乗算する処理は行っていない。この回転角度検出装置(χ = 0 deg.)の場合、歪み具合に差はあるが、比較例1の回転角度検出装置と同様、センサブリッジA01（半径方向）の出力がほぼ台形波となり、センサブリッジB01（回転方向）の出力がほぼ三角波となった（図20(c)を参照）。その結果、図20(d)及び図20(e)に示すように、電気角1周期あたりの角度誤差は±10 deg.以上と非常に大きな値であった。【００９９】
参考例3
図21(a)及び図21(b)に示すように、センサデバイス2bをセンサ傾斜角χ = 55 deg.で配置した以外、比較例2と同様にして回転角度検出装置を構成した。この回転角度検出装置においては、各センサブリッジからの出力は、図21(c)に示すようにほぼ正弦波及びほぼ余弦波であり、電気角の角度誤差は、図21(d)及び図21(e)に示すように±3 deg.程度となり、比較例2に比べて大きな角度誤差の改善が見られた。この回転角度検出装置をモータに適用したところ、回転角度を高精度に検出することができた。【０１００】
参考例4
図22(a)及び図22(b)に示すように、回転軸からセンサデバイス2bの中心(感磁面の中心)までの距離rsが24 mm、回転軸方向への移動距離h = 4 mmの位置にセンサデバイス2bを設置し、センサ傾斜角χ = 24.6 deg.に傾けた以外、比較例2と同様にして回転角度検出装置を構成した。この回転角度検出装置をモータに適用したところ、回転角度を高精度に検出することができた。【０１０１】
実施例6
比較例1、参考例1、参考例2及び実施例6のセンサデバイスを、それぞれセンサデバイス2b1、2b2、2b3及び2b4とし、それらの位置関係がわかるように図23に重ねて示す。ここで磁石回転子の2極の円板状磁石11は共通する。前述のように、センサデバイスの配置を、比較例1(センサデバイス2b1)から参考例1又は2(センサデバイス2b2又は2b3)のように変更すると角度誤差を低減することができたが、センサデバイスを傾斜させたり、z方向に大きくずらしたりすることが、回転角度検出装置を軸方向に薄型化するうえで不利な場合がある。そこで、センサデバイスのz方向距離hを小さくし、感磁面を磁石回転子の軸に直交させたセンサデバイス2b4を有する回転角度検出装置（実施例6）を作製し、前述の振幅補正方法1の手法を適用して回転角度検出を行った。参考例1又は2の配置(センサデバイス2b2又は2b3)から実施例6の位置(センサデバイス2b4)にセンサデバイスずらすと角度誤差は大きくなったが、さらに演算回路で出力電圧に修正係数kを乗算する処理を行うことにより、参考例1又は2に比べても実施例6は角度誤差を小さくすることができた。なお、実施例6は、参考例1又は2と同様に出力波形の高調波成分を減少させることにより角度誤差を低減している。【０１０２】
実施例7及び8
比較例2、参考例3、参考例4、実施例7及び実施例8のセンサデバイスを、それぞれセンサデバイス2b11、2b12、2b13、2b14及び2b15とし、それらの位置関係がわかるように図24に重ねて示す。ここで磁石回転子の12極のリング磁石21は共通する。前述のように、センサデバイスの配置を比較例2(センサデバイス2b11)から参考例3又は4(センサデバイス2b12又は2b13)のように変更すると、角度誤差を低減することができたが、参考例3又は4のようにセンサデバイスを配置するためには、その傾斜面が軸方向に突出した取付用部品が必要となるため、回転角度検出装置を軸方向に薄型化するうえで不利な場合がある。そこで、センサデバイスの感磁面を磁石回転子の軸に直交させた、実施例7又は8(鎖線で表示したセンサデバイス2b14又はセンサデバイス2b15)の回転角度検出装置を作製し、前述の振幅補正方法1の手法を適用して回転角度検出を行った。参考例3又は4の配置(センサデバイス2b12又は2b13)から実施例7又は8の位置(センサデバイス2b14又は2b15)にセンサデバイスずらすと角度誤差は大きくなったが、さらに演算回路で出力電圧に修正係数kを乗算する処理を行うことにより、参考例3又は4に比べても実施例7又は8の角度誤差を小さくすることができた。【０１０３】
センサデバイスを設けた位置において、磁石回転子の形成するB⊥とB//とを測定し磁束密度振幅比K'(= B⊥/B//)を得る方法を、実施例6の回転角度検出装置を例に説明する。実施例6のセンサデバイスを配置した位置において、磁石回転子の形成するB⊥とB//とを測定している状態を示す模式図を図25に示す。この例では磁石回転子として円板状磁石11を用いているが、リング磁石21を用いた場合でも測定方法は同様である。まず、円板状磁石11に対してセンサデバイス2b4の位置を決定し、その感磁面の中心(図25では鎖線が直交する点)の座標を求めた。ついで、センサデバイス2b4を取り外し、代りにホールセンサプローブを用いてB⊥とB//とを測定した。具体的には、まず実線で示すようにホールセンサプローブ41の感磁中心を前記感磁面の中心であった座標に合わせて、かつホールセンサプローブ41の感磁軸を円板状磁石11の半径方向に配置し、円板状磁石11を回転させてB⊥を測定した。ついで、プローブを90°傾けて、点線で示すようにホールセンサプローブ41の感磁中心を前記感磁面の中心であった座標に合わせて、かつホールセンサプローブ41の感磁軸を円板状磁石11の回転方向に配置し、円板状磁石を回転させてB//を測定した。測定したB⊥及びB//から、K'(= B⊥/B//)を求め、その値を修正係数kとして用いた。いずれの測定でもホールセンサプローブ41の長手方向を磁石回転子の軸方向に直交させた。図25では感磁軸がホールセンサプローブの長手方向に直交しているガウスメーターを用いたが、感磁軸がホールセンサプローブの長手方向に平行であるガウスメーターを用いることも可能である。
【図１（ａ）】
2009099054.tif 000008
【図１（ｂ）】
2009099054.tif 000009
【図２（ａ）】
2009099054.tif 000010
【図２（ｂ）】
2009099054.tif 000011
【図２（ｃ）】
2009099054.tif 000012
【図３】
2009099054.tif 000013
【図４】
2009099054.tif 000014
【図５】
2009099054.tif 000015
【図６】
2009099054.tif 000016
【図７（ａ）】
2009099054.tif 000017
【図７（ｂ）】
2009099054.tif 000018
【図７（ｃ）】
2009099054.tif 000019
【図８（ａ）】
2009099054.tif 000020
【図８（ｂ）】
2009099054.tif 000021
【図８（ｃ）】
2009099054.tif 000022
【図９（ａ）】
2009099054.tif 000023
【図９（ｂ）】
2009099054.tif 000024
【図９（ｃ）】
2009099054.tif 000025
【図１０】
2009099054.tif 000026
【図１１】
2009099054.tif 000027
【図１２】
2009099054.tif 000028
【図１３】
2009099054.tif 000029
【図１４（ａ）】
2009099054.tif 000030
【図１４（ｂ）】
2009099054.tif 000031
【図１４（ｃ）】
2009099054.tif 000032
【図１５（ａ）】
2009099054.tif 000033
【図１５（ｂ）】
2009099054.tif 000034
【図１５（ｃ）】
2009099054.tif 000035
【図１５（ｄ）】
2009099054.tif 000036
【図１６】
2009099054.tif 000037
【図１７（ａ）】
2009099054.tif 000038
【図１７（ｂ）】
2009099054.tif 000039
【図１７（ｃ）】
2009099054.tif 000040
【図１７（ｄ）】
2009099054.tif 000041
【図１８（ａ）】
2009099054.tif 000042
【図１８（ｂ）】
2009099054.tif 000043
【図１８（ｃ）】
2009099054.tif 000044
【図１８（ｄ）】
2009099054.tif 000045
【図１９（ａ）】
2009099054.tif 000046
【図１９（ｂ）】
2009099054.tif 000047
【図１９（ｃ）】
2009099054.tif 000048
【図１９（ｄ）】
2009099054.tif 000049
【図２０（ａ）】
2009099054.tif 000050
【図２０（ｂ）】
2009099054.tif 000051
【図２０（ｃ）】
2009099054.tif 000052
【図２０（ｄ）】
2009099054.tif 000053
【図２０（ｅ）】
2009099054.tif 000054
【図２１（ａ）】
2009099054.tif 000055
【図２１（ｂ）】
2009099054.tif 000056
【図２１（ｃ）】
2009099054.tif 000057
【図２１（ｄ）】
2009099054.tif 000058
【図２１（ｅ）】
2009099054.tif 000059
【図２２（ａ）】
2009099054.tif 000060
【図２２（ｂ）】
2009099054.tif 000061
【図２３】
2009099054.tif 000062
【図２４】
2009099054.tif 000063
【図２５】
2009099054.tif 000064
【図２６】
2009099054.tif 000065
【図２７】
2009099054.tif 000066
【図２８】
2009099054.tif 000067
【手続補正書】
【提出日】平成22年12月20日(2010.12.20)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項１３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項１３】
2N極磁石を有する磁石回転子(Nは自然数である)の回転角度を検出する回転角度検出方法であって、
センサデバイスによって前記磁石回転子の半径方向及び回転方向の磁束の周期変動を測定して出力電圧(Vx、Vy)を求め、
前記出力電圧の少なくとも一方に修正係数を乗算して、前記磁石回転子の回転角度θmeasを求めることを特徴とする回転角度検出方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００７】
しかしながら、特開2006-023179号（特許文献1）に記載されたように、位相が90°ずれた2相の正弦波形出力が得られるのは、移動方向と磁気部材に垂直方向の磁束密度振幅比がほぼ1となる場合（磁気部材の着磁ピッチに対して磁極の横方向寸法が極端に長い場合）であり、実際は前記磁束密度振幅が異なるため、磁場検出器からの出力電圧は高次の高調波が重畳した台形状波形及び三角波状波形となる。その結果、位置検出に誤差が生じて精度の良い測定ができなくなる。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３５】
出力電圧のうち、交流電力の小さい方の出力電圧に修正係数kを乗算するのが好ましい。一般に、前記第1の出力電圧に比べて第2の出力電圧の交流電力が小さいので、第2の出力電圧にkを乗算するのが好ましい。つまり、図7(a)に示すように、機械角（横軸）とセンサ出力の波形で囲まれる面積が小さい方の出力電圧に修正係数kを乗算して、図7(b)に示す調整したセンサ出力を用いて回転角を算出する。又は、機械角（横軸）とセンサ出力の波形で囲まれる面積が大きい方の出力電圧に修正係数kを除算して回転角を算出してもよい。また、乗算することで修正係数kとなる2つの数値を算出し、その各々を両方の波形に乗算してもよい。なお、前記式(2)で算出したk'を修正係数kとして使用する場合は、修正係数kは感磁軸が回転方向に向いているセンサブリッジでの出力電圧（第2の出力電圧）に乗算する。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３７】
センサデバイスは、磁石回転子が回転したときに、エレメントであるスピンバルブ型巨大磁気抵抗効果素子の自由層の磁化方向が回転するように、磁石回転子の近傍に設置する。1つのセンサデバイス内のセンサブリッジはエレメント同士が90 deg.傾けて配置されているため、センサデバイス同士を90 deg.位相差を有するように配置しなくても、回転角度を正確に測定できる。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４１】
【図１（ａ）】本発明の回転角度検出装置の一例を示す模式正面図である。
【図１（ｂ）】本発明の回転角度検出装置の一例を示す模式側面図であり、一点鎖線より下側は磁石回転子を断面で示した部分断面図である。
【図２（ａ）】本発明の回転角度検出装置に用いるセンサデバイスの一例を示す模式図である。
【図２（ｂ）】図2(a)のセンサデバイスにおける固定層磁化方向を磁石回転子の半径方向とするエレメントと端子との接続を示すブリッジ回路図である。
【図２（ｃ）】図2(a)のセンサデバイスにおける固定層磁化方向を磁石回転子の回転方向とするエレメントと端子との接続を示すブリッジ回路図である。
【図３】修正係数kの算出方法の一例を示す概念図である。
【図４】回転角度検出装置の一例を示す概念図である。
【図５】回転角度検出装置の他の一例を示す概念図である。
【図６】回転角度検出装置のさらに他の一例を示す概念図である。
【図７（ａ）】実施例1の回転角度検出装置の電圧調整前のセンサ出力を示すグラフである。
【図７（ｂ）】実施例1の回転角度検出装置の電圧調整後のセンサ出力を示すグラフである。
【図７（ｃ）】実施例1の回転角度検出装置の電圧調整前及び調整後の角度誤差を示すグラフである。
【図８（ａ）】実施例2の回転角度検出装置の電圧調整前のセンサ出力を示すグラフである。
【図８（ｂ）】実施例2の回転角度検出装置の電圧調整後のセンサ出力を示すグラフである。
【図８（ｃ）】実施例2の回転角度検出装置の電圧調整前及び調整後の角度誤差を示すグラフである。
【図９（ａ）】実施例3の回転角度検出装置の電圧調整前のセンサ出力を示すグラフである。
【図９（ｂ）】実施例3の回転角度検出装置の電圧調整後のセンサ出力を示すグラフである。
【図９（ｃ）】実施例3の回転角度検出装置の電圧調整前及び調整後の角度誤差を示すグラフである。
【図１０】修正係数kが変化したときの機械角誤差を示すグラフである。
【図１１】修正係数kが変化したときの電気角誤差を示すグラフである。
【図１２】x軸方向（回転軸と垂直な方向）にセンサを移動したときの磁石半径方向の磁束密度B⊥、磁石回転方向の磁束密度B//、及び磁束密度振幅比K'を示すグラフである。
【図１３】z軸方向(回転軸方向)にセンサを移動したときの磁石半径方向の磁束密度B⊥、磁石回転方向の磁束密度B//、及び磁束密度振幅比K'を示すグラフである。
【図１４（ａ）】1極対磁石の磁束とセンサデバイスとの位置関係を示す模式図である。
【図１４（ｂ）】図14(a)のA-A断面図である。
【図１４（ｃ）】1極対磁石の磁束とセンサデバイスとの様々な位置関係を示す模式図である。
【図１５（ａ）】4極対磁石の磁束とセンサデバイスとの位置関係を示す模式図である。
【図１５（ｂ）】図15(a)のA-A断面図である。
【図１５（ｃ）】4極対磁石の磁束とセンサデバイスとの位置関係を示す模式図である。
【図１５（ｄ）】4極対磁石の磁束とセンサデバイスとの様々な位置関係を示す模式図である。
【図１６】本発明の回転角度検出装置を適用した回転機の一例を示す模式断面図である。
【図１７（ａ）】比較例1の回転角度検出装置を示す模式正面図である。
【図１７（ｂ）】比較例1の回転角度検出装置を示す模式側面図である。
【図１７（ｃ）】比較例1の回転角度検出装置のセンサ出力を示すグラフである。
【図１７（ｄ）】比較例1の回転角度検出装置の検出角度及び誤差を示すグラフである。
【図１８（ａ）】参考例1の回転角度検出装置を示す模式正面図である。
【図１８（ｂ）】参考例1の回転角度検出装置を示す模式側面図である。
【図１８（ｃ）】参考例1の回転角度検出装置のセンサ出力を示すグラフである。
【図１８（ｄ）】参考例1の回転角度検出装置の検出角度及び誤差を示すグラフである。
【図１９（ａ）】参考例2の回転角度検出装置を示す模式正面図である。
【図１９（ｂ）】参考例2の回転角度検出装置を示す模式側面図である。
【図１９（ｃ）】参考例2の回転角度検出装置のセンサ出力を示すグラフである。
【図１９（ｄ）】参考例2の回転角度検出装置の検出角度及び誤差を示すグラフである。
【図２０（ａ）】比較例2の回転角度検出装置を示す模式正面図である。
【図２０（ｂ）】図20(a)のA-A断面図である。
【図２０（ｃ）】比較例2の回転角度検出装置のセンサ出力を示すグラフである。
【図２０（ｄ）】比較例2の回転角度検出装置の検出角度及び誤差を示すグラフである。
【図２０（ｅ）】比較例2の回転角度検出装置の角度誤差を拡大して示すグラフである。
【図２１（ａ）】参考例3の回転角度検出装置を示す模式正面図である。
【図２１（ｂ）】図21(a)のA-A断面図である。
【図２１（ｃ）】参考例3の回転角度検出装置のセンサ出力を示すグラフである。
【図２１（ｄ）】参考例3の回転角度検出装置の検出角度及び誤差を示すグラフである。
【図２１（ｅ）】参考例3の回転角度検出装置の検出角度及び誤差を拡大して示すグラフである。
【図２２（ａ）】参考例4の回転角度検出装置を示す模式正面図である。
【図２２（ｂ）】図22(a)のA-A断面図である。
【図２３】比較例1、参考例1、参考例2及び実施例6のそれぞれのセンサデバイスを重ねて示す概念図である。
【図２４】比較例2、参考例3、参考例4、実施例7及び実施例8のそれぞれのセンサデバイスを重ねて示す概念図である。
【図２５】磁石回転子の半径方向と回転方向の磁束密度振幅を測定する様子を示す模式図である。
【図２６】振幅調整係数K'の算出方法を説明するグラフである。
【図２７】修正係数kを変化させたときのセンサ出力の電圧波形を示すグラフである。
【図２８】修正係数kと機械角誤差との関係を示すグラフである。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４８】
[2] 回転角度検出装置の作用
(1)原理
有限軸長の磁石回転子から発生する磁束密度の振幅は、半径方向と回転方向とで異なる。半径方向の磁束密度成分をBγ、回転方向の磁束密度成分をBθ、半径方向の磁束密度の振幅をB⊥、回転方向の磁束密度の振幅をB//とし、B⊥/B// = K'とする。ここで、高調波成分は省略して考える。磁石回転子直横における、磁石回転子の電気角θeに対する磁束密度の方向成分Bγ及びBθは、それぞれの式(7)及び式(8)の通りになる。
Bγ = B⊥cosθe = K'・B//cosθe      式(7)
Bθ = B//sinθe      式(8)
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５６】
(ii)センサの出力より求めたk'値を用いる方法
所定の位置にセンサを設置し、磁石回転子を一定速度で回転させた場合、センサデバイスの出力波形は周期関数となる。磁石回転子から発生する磁束密度が正弦波状であっても、感磁面内で直交する磁束密度の振幅が異なるため、センサ出力は高調波を含んだ波形となる。センサブリッジからの出力をフーリエ展開すると、下記の式(1-1)及び式(1-2)で表される。
Vx = a1cosθmag + a3cos3θmag + a5cos5θmag + …      式(1-1)
Vy = b1sinθmag + b3sin3θmag + b5sin5θmag + …      式(1-2)
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００７２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００７２】
なお、Vyの波形の位相がVxの波形よりも約90°進んでいる場合は、修正係数kを式(27)で表すことも可能である。
k  = (|a1| - |a3|)/(|b1| + |b3|)      式(27)
【手続補正９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００７９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００７９】
(iii)振幅補正方法2
回転角度検出装置の他の一実施形態を図5に概念的に示す。6極対磁石近傍の所望の位置に設置したセンサデバイス32によって磁石回転子31aの回転に伴う磁束の向きを検知し、センサブリッジの出力電圧Vxのみあらかじめ算出しておいた修正係数kで除算(すなわち、可変抵抗器を用いて分圧)して、A-D変換補正部27に入力する。これらの出力電圧（Vx/k、Vy）を角度演算部28にて逆正接演算することで角度を検出する。この方法は、検出角度と実際の回転角度を評価しながら、修正係数kを決定することができるものである。
【手続補正１０】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００８０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００８０】
(iv)振幅補正方法3
回転角度検出装置のさらに他の一実施形態を図6に概念的に示す。6極対磁石近傍の所望の位置に設置したセンサデバイス32によって磁石回転子31aの回転に伴う磁束の向きを検知し、センサブリッジの出力電圧（Vx, Vy）をそれぞれオペアンプ26a, 26bに入力する。その際、Vxの増幅率をAとし、Vyの増幅率をA・kとして電圧を調整する。その後、A-D変換補正部27に入力し、出力電圧（A・Vx、k・A・Vy）を角度演算部28にて逆正接演算することで角度を検出する。この方法は、センサブリッジ出力を増幅できるので、増幅部を差動にすることで、耐ノイズ性を向上できる等の利点がある。
【手続補正１１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００８６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００８６】
実施例4
6極対磁石回転子（外直径50 mm、内直径45 mm及び軸方向厚み4 mmのNdFeB系ボンド磁石）における磁石半径方向の磁束密度振幅B⊥、回転方向の磁束密度振幅B//、及び両者から求めた磁束密度振幅比K'の測定位置依存性を評価した。磁石回転子外周表面（磁石厚み方向の中央）を基準位置とし、x軸方向（回転軸と垂直な方向）にr1ずらした位置におけるB⊥、B//及びK'の測定結果を図12に示す。磁石回転子から発生する磁束密度振幅はB⊥が大きく、磁束密度振幅比K'は測定範囲内において1.4〜1.9であった。
【手続補正１２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００８９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００８９】
磁石回転子として1極対磁石を用いたときの磁束とセンサデバイス32aとの位置関係を図14(a)及び図14(b)に示す。曲線状の片矢印は、2極の円板状磁石11の磁極表面から発生する磁力線を表す。Z軸は、円板状磁石11の中心O（磁石の厚み中心点）を原点として磁石の回転平面と直交する軸で、磁石回転子の回転軸に相当する。X軸及びY軸は、前記中心Oを原点としてそれぞれZ軸に垂直な軸であり、図14(a)で示す位置関係にあるときの磁石の磁化方向をX軸とし、磁化方向と直交する方向をY軸とした。センサデバイス32aの感磁面の中心は磁石表面からr1離れたX軸上にあり（z = 0、φ = 0°）、その感磁面はZ軸と直交する（χ = 0°）ように配置した。このとき、センサデバイス32aは半径方向の磁束密度成分Brのみを受けている。θmは磁石回転子の回転角度に相当する。例えば、図14(a)の状態の円板状磁石11を円周方向に機械角θmで90 deg.だけ回転させると、センサデバイス32aは回転方向の磁束密度成分Bθのみを受けるようになる。
【手続補正１３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００９０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００９０】
センサデバイスは、例えば図14(c)に示すように様々な位置に配置することができる。図14(c)は、３種類の回転角度検出装置におけるセンサデバイス32b, 32b', 32b''の位置関係をわかりやすくするために便宜的に重ね描いたものである。センサデバイス32bは、X-Y平面上（Z = 0）にセンサデバイスの感磁面の中心を配置し、その感磁面をX-Y平面に対してχ傾けた。センサデバイス32b'は、X-Y平面からZ軸方向にh'離れた位置（センサ配置角φ'の位置）にセンサデバイスの感磁面の中心を配置し、その感磁面をX-Y平面に対してχ'傾けた。センサデバイス32b'の位置において、磁束の方向はX軸からε'傾いている。この場合においても、回転軸線方向は紙面垂直方向であり、半径方向は紙面上方向である。センサデバイス32b''は、その感磁面の中心が磁石回転子の円板状磁石の回転軸線上にあり(φ'' = 90 deg.)、感磁面がX-Y平面に平行(χ'' = 180 deg.)である。この位置における磁束の方向ε'' = 180 deg.である。なお、円板状磁石11を、Z軸方向の厚みtを大きくした円柱状磁石、中心に貫通孔を形成したリング状磁石、又は矩形板状磁石に置き換えても、1極対磁石であれば上述の角度等の定義は同様に成り立つ。
【手続補正１４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００９１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００９１】
磁石回転子として4極対磁石を用いたときの磁束とセンサデバイスとの位置関係を図15(a)及び図15(b)に示す。直線状の太矢印は磁石回転子のリング状永久磁石31bの各磁極内の磁化の向きを表し、曲線状の太矢印は磁極表面から発生する磁束を表す。λは表面磁束密度分布を測定したときの信号の1波長(電気角θeで360 deg.)に相当し、リング状永久磁石31bでは1対の磁極表面の周方向長さに相当する。Z軸は、リング状永久磁石31bの孔の中心Oを通り磁石の回転平面と直交する軸で、磁石回転子の回転軸に相当する。X軸及びY軸は、前記中心Oを原点としてそれぞれZ軸に垂直な軸であり、図15(a)で示す位置関係にあるときの磁石の磁化方向をX軸とし、磁化方向と直交する方向をY軸とした。センサデバイス32cの感磁面の中心はリング状永久磁石31bの表面からr1離れたX軸上にあり（z = 0、φ' = 0°）、その感磁面はZ軸と直交する（χ = 0°）ように配置した。このとき、センサデバイス32cはX軸の向きの磁束を受けている。リング状永久磁石31bを周方向に電気角θeで90 deg.だけ回転させたとき、センサデバイス32cはリング状永久磁石31bの磁極間に位置し、センサデバイス32cはY軸の向きの磁束を受けるようになる。
【手続補正１５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１０１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１０１】
実施例6
比較例1、参考例1、参考例2及び実施例6のセンサデバイスを、それぞれセンサデバイス2b1、2b2、2b3及び2b4とし、それらの位置関係がわかるように図23に重ねて示す。磁石回転子は全ての例に共通で、2極の円板状磁石11である。前述のように、センサデバイスの配置を、比較例1(センサデバイス2b1)から参考例1又は2(センサデバイス2b2又は2b3)のように変更すると角度誤差を低減することができたが、センサデバイスを傾斜させたり、z方向に大きくずらしたりすることが、回転角度検出装置を軸方向に薄型化するうえで不利な場合がある。そこで、センサデバイスのz方向距離hを小さくし、感磁面を磁石回転子の軸に直交させたセンサデバイス2b4を有する回転角度検出装置（実施例6）を作製し、前述の振幅補正方法1の手法を適用して回転角度検出を行った。参考例1又は2の配置(センサデバイス2b2又は2b3)から実施例6の位置(センサデバイス2b4)にセンサデバイスずらすと角度誤差は大きくなったが、さらに演算回路で出力電圧に修正係数kを乗算する処理を行うことにより、参考例1又は2に比べても実施例6は角度誤差を小さくすることができた。なお、実施例6は、参考例1又は2と同様に出力波形の高調波成分を減少させることにより角度誤差を低減している。
【国際調査報告】
2009099054.tif 000068
2009099054.tif 000069
2009099054.tif 000070
2009099054.tif 000071
2009099054.tif 000072
2009099054.tif 000073
2009099054.tif 000074