技術 回転角検出装置および回転速度検出装置

0050

図５は本実施例の回転角検出装置の断面図を示す。本実施例はモータ部１００と回転角検出部２００とで構成される。

0051

モータ部１００は、複数の固定磁極と複数の回転磁極との磁気的作用により複数の回転磁極が回転することにより回転トルクを発生するものであって、複数の固定磁極を構成するステータ１１０及び複数の回転磁極を構成するロータ１２０から構成される。ステータ１１０は、ステータコア１１１と、ステータコア１１１に装着されたステータコイル１１２から構成されている。ロータ１２０は、ステータ１１０の内周側に空隙を介して対向配置され、回転可能に支持されている。本実施例では、モータ１００として、三相交流式の表面磁石型同期モータを用いている。

0052

筐体は、円筒状のフレーム１０１と、フレーム１０１の軸方向両端部に設けられた第１ブラケット１０２および第２ブラケット１０３から構成されている。第１ブラケット１０２の中空部には軸受１０６が、第２ブラケット１０３の中空部には軸受１０７がそれぞれ設けられている。これらの軸受は回転軸１２１を回転可能なように支持している。

0053

フレーム１０１と第１ブラケット１０２との間にはシール部材（図示せず）が設けられている。シール部材は、環状に設けられたＯリングであり、フレーム１０１と第１ブラケット１０２によって軸方向及び径方向から挟み込まれて圧縮する。これにより、フレーム１０１と第１ブラケット１０２との間を封止でき、フロント側を防水できる。また、フレーム１０１と第２ブラケット１０３との間もシール部材（図示せず）により防水されている。

0054

ステータ１１０は、ステータコア１１１と、ステータコア１１１に装着されたステータコイル１１２から構成され、フレーム１０１の内周面に設置されている。ステータコア１１１は、複数の珪素鋼板を軸方向に積層して形成した磁性体（磁路形成体）であり、円環状のバックコアと、バックコアの内周部から径方向内側に突出して、周方向に等間隔に配置された複数のティースから構成されている。

0055

複数のティースのそれぞれには、ステータコイル１１２を構成する巻線導体が集中的に巻回されている。複数の巻線導体は、ステータコイル１１２の一方のコイルエンド部（第２ブラケット１０３側）の軸方向端部に並置された結線部材によって相毎に電気的に接続され、さらには３相巻線として電気的に接続されている。３相巻線の結線方式にはΔ（デルタ）結線方式とＹ（スター）結線方式がある。本実施例では、Δ（デルタ）結線方式を採用している。

0056

ロータ１２０は、回転軸１２１の外周面上に固定されたロータコアと、ロータコアの外周表面に固定された複数のマグネットと、マグネットの外周側に設けられたマグネットカバー１２２ａ，１２２ｂとを備えている。マグネットカバー１２２は、マグネットのロータコアからの飛散を防止するためのものであって、ステンレス鋼（俗称ＳＵＳ）などの非磁性体から形成された円筒部材又は管状部材である。

0057

次に、回転角検出部２００の構成を説明する。

0058

回転角検出部２００は、磁界センサ２０１とセンサ磁石２０２とで構成されている。回転角検出部２００はハウジング２０３と第２ブラケット１０３とで囲まれた空間に設置されている。センサ磁石２０２は回転軸１２１と連動して回転する軸に設置されており、回転軸１２１が回転位置を変えると、それに応じて発生する磁界方向が変化する。この磁界方向を磁界センサ２０１で検出することにより回転軸１２１の回転角（回転位置）を計測できる。

0059

センサ磁石２０２は、２極着時された２極磁石、あるいは４極以上に着磁された多極磁石である。

0060

磁界センサ２０１は、磁界の方向に応じて出力信号が変化するものであり、磁気抵抗素子で構成する。磁気抵抗素子には異方性磁気抵抗素子（Anisotropic magnetresisitance、ＡＭＲ）と巨大磁気抵抗素子（giant magnetoresistance、ＧＭＲ）、トンネル磁気抵抗素子（tunneling magnetoresistance、ＴＭＲ）などがある。本実施例では、巨大磁気抵抗素子（ＧＭＲ素子）を磁界センサ２０１に用いた。

0061

磁界センサ２０１は、磁界センサの設置場所の磁界の方向θmを、磁界センサが持つ基準角度θm0を基準として検出する。すなわち、θ＝θm−θm0に対応する信号を出力する。本実施例で用いた磁界センサ２０１は２個のＧＭＲ素子で構成されており、それぞれcos（θm−θm0）、およびcos（θm−θm0）に比例した信号を出力する。

0062

磁界センサ２０１はセンサ支持台２０６により第２ブラケット１０３に固定されている。センサ支持台２０６は磁束方向に影響を与えないように、アルミニウムや樹脂など磁化率が１.１以下の材料で構成するのが好ましい。本実施例ではアルミニウムで構成した。

0063

なお、磁界センサ２０１はモータ部に対して固定されていればよく、第２ブラケット１０３以外の構成要素に固定してももちろん構わない。モータ部に対して固定されていれば、回転軸１２１の回転角が変化してセンサ磁石２０２の方向が変化した場合、磁界センサ２０１部での磁界方向変化を検出することで回転軸１２１の回転角を検出することができるからである。

0064

磁界センサ２０１にはセンサの配線２０８が接続されている。センサの配線２０８により磁界センサ２０１の出力信号を伝送する。

0065

磁界センサ２０１は、センサ素子部３０１と検出回路部３０２とから構成される。センサ素子部３０１には複数個のＧＭＲ型素子がブリッジ構成で入っている。検出回路部３０２はＧＭＲ素子に印加する電圧を供給する駆動回路部とＧＭＲ素子の出力信号を検出・処理する信号処理回路で構成される。

0066

センサ素子部３０１の構成を述べる。

0067

図２４に示すように、センサ素子部３０１は、ＧＭＲ素子５１で構成されるブリッジ構成を２組有する。それぞれのブリッジをＣＯＳブリッジとＳＩＮブリッジと呼ぶ。２つのブリッジはＧＭＲ素子の固定磁化層の磁化方向θpが異なる。ＣＯＳブリッジでは、θp＝０（Ｒ1（５１Ａ−１）とＲ3（５１Ａ−３））とθp＝１８０°（Ｒ2（５１Ａ−２）とＲ4（５１Ａ−４））に設定している。したがって、磁界方向θの角度原点をθp＝０にとると、前述の通り、信号電圧ΔＶ＝Ｖ2−Ｖ1はcosθに比例した信号を出力する。

図２４

0068

0069

ここでｅ0は、図２４のｅ端子に印加する電圧であり、ブリッジの励起電圧と呼ぶ。一方、ＳＩＮブリッジでは、固定磁化層の磁化方向θpをθp＝９０°（Ｒ1（５１Ｂ−１）とＲ3（５１Ｂ−３））とθp＝２７０°（Ｒ2（５１Ｂ−２）とＲ4（５１Ｂ−４））に設定している。そのため、磁界方向θの角度原点をθp＝０にとると：

図２４

0070

となり、sinθに比例した信号を出力する。したがって、２つのブリッジの出力信号の比をとるとtanθになるので、磁界方向θは以下のように求まる：

0071

0072

ＡrcＴan関数は±９０°の範囲しか出力しないが、後述のようにΔＶsとΔＶcの符号を適切に考慮することで、０〜３６０°の全角度範囲にわたって磁界角度θを計測することができる。

0073

次に、検出回路部３０２の構成を図２５を用いて述べる。

図２５

0074

図２５は本実施例の検出回路部３０２の構成を示すブロック図である。検出回路部３０２は駆動回路部３４０と信号処理部３５０から構成される。駆動回路部３４０はセンサ素子部３０１のブリッジの励起電圧を供給する回路群であり、正極性出力回路３４１をブリッジのｅ端子に接続し、負極性出力回路３４５をｇ端子に接続する。本実施例では、正極性出力回路３４１は５Ｖの直流電圧を出力し、負極性出力回路３４５はアース電位を出力するようにした。

図２５

0075

なお、負極性出力回路３４５は、励起電圧印加時に、正極性出力回路と比べて「負電位」の電圧を出力するという意味で「負極性」と呼ぶものであり、必ずしもアース電位に対して負の電圧を出力するわけではない。

0076

また、ＧＭＲ素子ブリッジを励起しない期間、すなわち、磁界方向θmに応じたセンサ出力を測定しない期間においては、正極性出力回路との正負の状態は不問である。例えば、後述の実施例では、ＧＭＲ素子ブリッジを励起しない期間には、正極性出力回路と負極性出力回路の出力電圧を等しくしている。

0077

信号処理部３５０は、センサ素子部３０１の出力信号を検出・処理する。センサ素子部３０１内のＣＯＳブリッジのＶ２，Ｖ１端子の信号は検出回路３５１Ａで差動検出され、１０倍程度に増幅される。この信号をＡＤ変換器（アナログ−デジタル変換器）３５２Ａでデジタル信号に変換した後、角度算出部３７１に入力される。ＳＩＮブリッジの出力信号も同様に処理され、角度算出部３７１に入力される。

0078

角度算出部３７１での演算処理について述べる。式（数８）からわかるように、ＡrcＴan［ΔＶs／（−ΔＶc）］を計算すれば、磁界角度θは求まる。しかし、これには２つの問題がある：（ａ）第１は、ＡrcＴan（）関数は−９０°〜９０°の範囲しか求まらないため、３６０°の全方向を知ることができない。（ｂ）第２は、ΔＶcの絶対値が小さくなると、ΔＶcの誤差の影響が大きくなり、θの算出精度が悪くなる。

0079

問題（ｂ）に対処するため角度算出部３７１では以下の方法でθを求める。まず、ΔＶcとΔＶsの絶対値の大小関係を判定する。｜ΔＶc｜が｜ΔＶs｜より大きい場合には、

0080

により角度θを求める。逆に、｜ΔＶc｜が｜ΔＶs｜より小さい場合には、

0081

により角度θを求める。このようにすることで、分母が小さくなることによる計算誤差拡大を防ぐ。

0082

問題（ａ）には以下の方法で対処する。ΔＶcとΔＶsの正負から、θが第何象限に入っているかを判定し（象限判定）、それと（数９），（数１０）で算出する値とを組み合わせることで、０〜３６０°の範囲にわたってθを正しく算出する。

0083

以上の方法で、磁界の角度θが求まる。しかし、後述の通り、回転軸１２１の回転角度と磁界の角度とは、必ずしも一致しない。両者を明確に区別するために、本明細書ではこれ以降、磁界の角度（方向）を磁界角度θmと表し、回転軸１２１の回転角度をロータ角θrと表す。

0084

後述の通り、磁気抵抗素子を用いた回転角検出装置においては、磁界角度θmとロータ角θrとを明確に区別することが本質的に重要である。

0085

また、高精度な回転角検出装置を実現するには、磁界角度θmとロータ角θrとを正しく対応づけることが必要であり、この方法を次に述べる。

0086

次に、磁界センサ２０１の出力信号の補正方法について述べる。

0087

磁気抵抗型素子を用いた磁界センサ２０１の大きさはレゾルバと比べると小さく、典型的には５mm角程度である。このように磁界センサの大きさが小さいことにより、設置誤差による角度誤差が増大する課題がある。以下に具体的に述べる。

0088

今、図６に示すように、長さＬ［mm］の磁界センサを取り付ける際、長さＬ方向に垂直な方向の取付誤差をδｘ［mm］とする。以下の議論では、磁界センサの基準角度θm0は長さＬ方向であると考えても一般性を失わない。すると、取付誤差δｘによる設置角度のズレδθは以下の式で表される。

図６

0089

0090

磁界角検出装置が示す回転角にδθmだけの誤差が含まれることになる。

0091

磁界センサの機械的な取付誤差δｘは典型的には０.２mmである。磁界センサの長さＬ＝１００mmの場合、角度誤差δθmは０.１°（degree）となり許容範囲の精度である。一方、Ｌ＝５mmの場合、角度誤差δθmは２.３°となる。これは回転角検出装置として十分な精度が得られないことを示す。

0092

取付誤差の許容度を増大する目的で、磁界センサ２０１のモジュール長さＬを１００mm程度に大きくすることは可能である。しかし、そのような場合であっても、モジュール内での磁気抵抗素子ブリッジ５５の設置、ワイヤボンディング、モールド工程において上記のδｘに相当する取付誤差が発生する。モジュール内の磁気抵抗素子ブリッジ４４の大きさはさらに小さいので、δｘによる角度ズレの影響は大きい。

0093

また、モジュールサイズを大きくすることは、取付誤差の許容度を増大できるという点で利点はあるが、一方、小型・軽量であるという磁気抵抗素子型磁気センサの利点を十分に生かせないという問題がある。

0094

センサ磁石２０２が発生する磁界の方向θmと回転軸の回転角度θrとは、必ずしも一致しない。これには少なくとも以下の３つがある。（１）磁界方向θmの原点（ゼロ点）と回転軸の回転角度θrの原点とが一致していない要因、（２）磁石が発生する磁界が平行磁界からズレていることによる要因、（３）磁石の着磁誤差による要因、である。

0095

（１）の磁界方向θmの原点と回転角度θr原点の不一致の原因は、上記ような磁気センサの設置誤差，センサ磁石２０２を回転軸１２１に設置する際の機械誤差などがある。これら２つの原点を合わせる方法については、後述する。ここでは、θmとθrの原点は一致している場合を考える。

0096

（２）センサ磁石２０２が発生する磁界が平行磁界の場合は、回転軸の回転角度θrと磁界角度θmとが一致する。しかし、平行磁界ではない場合にはθrとθmとでズレが生じる。このことを図７を用いて説明する。図７はセンサ磁石２０２の周辺部近傍Ｐ点に磁界センサ２０１を配置した際の、Ｐ点での磁界方向を模式的に示したものである。いま、センサ磁石が生成する磁界が平行磁界であれば、センサ磁石２０２が角度θrだけ回転した場合、Ｐ点での磁界方向は点線矢印５１１で図示した方向になり、磁界角度θmはセンサ磁石２０２の回転角度θrと等しくなる。一方、磁界が平行磁界でない場合にはＰ点での磁界方向は磁界５１２のようになり、回転角度θrとズレが生じる。このズレ量をδと定義する。すなわち、δ＝θm−θrと定義する。

図７

0097

一般に、磁石から動径方向に漏れ出る磁界は平行磁界ではない。例えば、特開２００８−１５１７７４（特許文献３）に記載されているように、磁石の回転面内で測定した磁界強度ベクトルの動径成分Ｈrと径方向成分Ｈθとは以下の式で表される：

0098

0099

ここで、定数Ｃは、１〜２程度の値の定数である。ここで、高調波成分Ａ3＝Ａ5＝０で、かつＣ＝１の場合は、Ｈr＝Ａ1cosθ，Ｈθ＝Ａ1sinθとなり、平行磁界を表す。この場合は回転軸角度θrと磁界角度θmとが一致する。

0100

ここで、磁界方向角度θmのθrからのズレ量δを次式で定義する：

0101

0102

例えば、Ａ1＝１，Ａ3＝−０.１２，Ａ5＝０.０１４，Ｃ＝１.２６８の場合について、（数１２），（数１３）を用いて計算される磁界方向角度θmとロータ角θrとのズレ量δを計算した結果を図８に示す。この条件では、ズレ量δは±１５°程度であり、かなり大きい。また、回転軸の回転角度θrの位置によりズレ量δが変化するため、単純な方法、例えば０°と３６０°との間の線形補間では補正できないことがわかる。

図８

0103

図８のズレ量分布をもとにしてセンサ磁石２０２の近傍の磁界方向分布を模式的に示したのが図９である。このように、図８のズレ量分布は、磁界がセンサ磁石の周辺で広がっていることに対応している。また、θr＝０，９０°，１８０°，２７０°においてズレ量δがゼロになることは、図９からわかるように磁界の対称性に起因する。

図８

図９

0104

（３）センサ磁石を着磁する際の着磁誤差があると、回転軸の回転角度θrと磁界角度θmとの対応関係に誤差が生じる。

0105

（回転角検出装置の校正方法）
以上（１）〜（３）で述べたように、磁気抵抗素子を用いた磁界検出装置では、磁界角度θmという実体を伴う物理量があること、そしてその物理量θmとセンサ磁石の回転角度θrとは別の物理量なので、条件によってはズレが生じると理解することが重要である。本明細書では、この差をズレ量δと定義している。

0106

言い換えると、磁界センサ２０１が正しく調整されている場合、磁界センサ２０１は磁界角度θmを正しく計測している。したがって、（ａ）磁界センサ２０１を正しく調整することと、（ｂ）磁界角度θmとセンサ磁石２０２の回転角度θrとの対応関係を正しく求めることが重要である。

0107

以下に、これら（ａ），（ｂ）の調整をするための具体的手段を述べる。

0108

まず（ａ）「磁界センサを正しく調整する」については、具体的にはオフセットの調整が重要である。ここでオフセットには、磁界センサ２０１を構成する磁気抵抗素子のバラツキなどに起因する磁界センサのオフセットと、磁界センサの出力信号を検出・処理する検出回路のオフセットがある。

0109

いずれのオフセットも、磁界センサの出力信号にオフセットが重畳されることになる。すると、ＣＯＳブリッジの出力信号とＳＩＮブリッジの出力信号との比をとってもtanθと等しくならない。したがって、磁界角度θmを正しく計測できない。

0110

オフセット調整の具体的手順は、θm＝０においてＳＩＮブリッジの信号出力のオフセットをゼロに調整し、θm＝９０°においてＣＯＳブリッジの信号出力のオフセットをゼロに調整する。

0111

したがって、磁界角度θmの原点を知る必要がある。しかし、設計上は回転軸の回転角θrと磁界角度θmとの対応関係が既知であっても、磁界センサ２０１の取付誤差、またはセンサ磁石２０２の取付誤差や製造誤差のために、正確なθm原点が不明である。

0112

本実施例では以下の手段で磁界角度原点を求める。その手段のフローを図１０に示した。

図１０

0113

まず回転軸１２１の回転角θrの原点を任意の位置に設定する。この任意に原点を設定した回転軸座標をθr′とする。

0114

次に、回転軸１２１を一定速度でＮ回転させる。ここでＮ≧１である。回転させながら回転角度θr′と磁界角度θmとの関係を測定する。ここで、磁界角度θmの値は磁界センサ２０１の信号から計算する。回転角度θrの値は、実際には時刻ｔを測定して計算する。その方法は後で詳述する。

0115

Ｎ回転分のθr′とθmとの関係を測定するには、始点位置と終点位置を知る必要があるが、これには磁界角度θmの測定を用いる。すなわち、測定開始時のθm値と同じθm値が得られるまでの期間計測すればよい。なお、Ｎ回転分計測する際には、同じθm値がＮ回繰り返されるまで計測する。

0116

θr′とθmの関係を測定したら、次式によりズレ量δ′を計算する。

0117

0118

このようにしてズレ量δ′が回転角θr′の関数として求まる。図１１（ａ）はこれを模式的に示したものである。

図１１

0119

（δ′，θr′）の測定データの個数は、１回転につき１００点程度取得すればよい。

0120

次に、δ′値のθr′に関する加重平均値を求める。

0121

0122

実際の（δ′，θr′）の測定データは離散的データなので、（数６）において積分処理は積算処理として処理される。

0123

なお、回転軸を一定速度で回転させているので、（δ′，θr′）の測定データを等時間間隔でサンプリングすれば、θr′のサンプリング点は等間隔になるので、（数６）は次式のようにδ′の平均値算出に簡略化される。

0124

0125

したがって、回転軸を一定速度で回転させ、かつ等時間間隔で（δ′，θr′）の測定値をサンプリングすると、より好ましい。

0126

（数６）または（数７）で求めたδ′av値を用いて、回転角座標を次式で定義し直す。

0127

0128

0129

このように定義すると、δ値とθr値との関係は図１１（ｂ）のようになる。すなわち、δの加重平均値はゼロになる。これは、（数６）または（数７）から明らかである。

図１１

0130

このようにズレ量δの加重平均値がゼロの場合、θrとθmの原点が一致する。これは、図９に示したような磁界分布の対称性によるものである。

図９

0131

次に、この回転角座標θrにおいて、θr＝θm＝０の位置で回転軸を停止させ、磁界センサ２０１のＳＩＮブリッジ信号がゼロになるようにオフセット調整する。次に、θr＝９０°の位置で回転軸を停止させ、磁界センサのＣＯＳブリッジ信号がゼロになるようにオフセット調整する。

0132

このようにして、磁界センサ２０１のオフセット調整を完了する。

0133

以上の説明から明らかなように、θr原点とθm原点とを精度良く一致させるには、δ′avを精度よく求めることが重要である。本方法では、（数６）または（数７）で表される通り、全ての測定データ点を用いてδ′av値を算出するので、個々の測定誤差，測定ノイズによる影響を受けにくく、２つの原点を精度よく一致させることができる。

0134

また、回転軸の回転回数Ｎを増やすほど、測定データ点数が増えるため、測定誤差やノイズの影響が低減され、精度が向上する。

0135

次に、（ｂ）「磁界角度θmとセンサ磁石２０２の回転角度θrとの対応関係を正しく求める」方法を述べる。

0136

（ａ）に述べた方法により磁界センサ２０１のオフセット調整は完了しているので、磁界センサ２０１の信号から求めた磁界角度θmは、磁界センサ２０１の設置場所での磁界方向を正しく表している。したがって、（数１４）で定義されるズレ量δと磁界角度θmとの関係から、次式により回転角θrが求まる。

0137

0138

具体的な方法を以下に述べる。

0139

回転軸１２１を一定速度で１回転以上回転させ、１回転に対応する期間で回転軸θrと磁界角度θmとを測定する。ここで、θrは時刻から算出し、磁界角度θmは磁界センサ２０１の出力信号から算出する。

0140

測定するデータ点数（サンプリング点数）は、本実施例では１回転で１００点にした。サンプリング点数は大きいほど回転角度θrが精度良く求まる。一方、サンプリング点数が多いと補正演算を行う信号処理回路のメモリを多く消費する。したがって、両者のバランスから適当な大きさに設定する。

0141

測定した（θr，θm）のデータ点から、各データ点でのズレ量δを（数１９）式により求めることで、δをロータ角θrの関数として得る。これを図１２（ａ）に示す。次に、このデータを基にして、δを磁界角度θmの関数に変換する。これを図１２（ｂ）に示す。このようにして、磁界角度θmを引数としたδの参照表（Look-up Table）を得る。

図１２

0142

このように、磁界角度θmを引数にした参照表にすることで、実測データから算出した磁界角度θmから、そのθmに対応したズレ量δを算出できるようになる。これが、本実施例のポイントである。

0143

この参照表を、磁界センサ２０１の信号処理回路のメモリ部に記憶・保持させる。これで校正を完了する。

0144

回転角検出回路の動作時、すなわち、回転角度を計測する際の信号処理方法を次に述べる。

0145

まず、磁界センサ２０１からの出力信号に基づいて磁界角度θmを算出する。具体的には、磁界センサからは−cosθmに比例した信号Ｖcosと、sinθmに比例した信号Ｖsinとが出力されるので、次式を用いてθmを算出する。

0146

0147

次に、（δ，θm）の参照表を用いてθm値に対応するズレ量δを求める。参照表にθm値と等しい値がない場合には、近傍の値から補間して対応するδ値を算出する。本実施例では、補間法として線形補間を用いた。線形補間法はＣＰＵの演算時間を要する乗算の回数が少ないため、高速に演算できるという利点がある。

0148

回転角θrは、θr＝θm−δとして求まる。

0149

この方法により、従来の方法では電気角で±１０°程度の計測誤差があったのに対し、本方法を用いると、計測誤差は電気角で±０.６°に減少し、計測精度が向上した。

0150

本実施例で重要なことは、参照表の引数をロータ角θrではなく、磁界角度θmにしていることである。この理由は、計測時に磁界センサ２０１が計測するのは磁界角度θmだからである。このため、実測値θmから直接、対応するズレ量δを知ることができる。

0151

（δ，θm）の参照表として、θmを等間隔で作成することで参照表の読み出し処理の高速化と参照表用メモリの低減を達成できる。その具体的方法を以下に述べる。以下の説明では、参照表の入力変数θmを変数「ｘ」とし、参照表から読み出される値（関数値）δを「ｆ（ｘ）」とする。

0152

入力変数ｘの最小値をｘmin＝ｘ［０］、最大値をｘmax＝ｘ［Ｎmax］とし、この範囲をＮmax個に等間隔で分割する。ｆ（ｘ）を離散化した関数をｆｎ［ｎ］とし、ｆ（ｘ）＝ｆ（ｘ［ｎ］）＝ｆｎ［ｎ］と定義する。すると、任意の入力値ｘに対し、

0153

を計算し、得られた値ｉｘの整数部をｎ、小数部をｒとする。すると

0154

これは、入力値ｘの最近傍値ｘ［ｎ］とｘ［ｎ＋１］とに対応する参照表値ｆｎ［ｎ］とｆｎ［ｎ＋１］とを用いて、１次関数で補間したものである（すなわち、線形補間した）。

0155

（数３２）の「Ｎmax／（ｘmax−ｘmin）」値は、参照表作成時（すなわち、校正時）に計算しておき定数として処理回路のメモリに保管しておく。このようにすると、回転角検出装置の動作時の処理では、除算処理が不要になる。一般に、マイクロコントローラでは除算処理には長時間を要するので、本方法により高速化する。

0156

また、この方法では、任意の入力値ｘに対して参照表の参照位置を（数２２）で表される１回の演算で特定できるので、高速化できる。

0157

本方法では、参照表に保存するデータはｆｎ［ｎ］（ｎ＝０〜Ｎmax），ｘmin，ｘmax，Ｎmax／（ｘmax−ｘmin）のみであり、ｘ［ｎ］（ｎ＝０〜Ｎmax）のデータは不要である。したがって、保管用メモリが低減できる。

0158

回転軸１２１の回転角度θrを求める方法を以下に述べる。

0159

図１３は、回転軸１２１が一定速度ωで回転している時の測定時刻ｔと回転軸１２１の回転角度θrとの関係を示したものである。一定速度ωで回転しているので、ｔとθrは比例関係にある。

図１３

0160

図１３からわかるように、任意の時刻ｔでの回転角θr（ｔ）は次式で表される：

図１３

0161

ここでＴは１回転に要する時間（周期）である。周期Ｔは、磁界センサ２０１で測定される磁界角度θmが開始時（ｔ＝０）と同じ値になるまでの時間を測定することで求まる。

0162

一定速度で回転している場合には、（数２４）を用いて回転角θrを知ることができる。ここで重要なことは、θrを設定するのにあらたにエンコーダなどの校正装置を必要としないことである。

0163

図１３および（数２４）では、時刻ｔ＝０でのθr位置をゼロとしたが、任意の値であってもθrの原点位置がシフトするだけで相対位置は同様に求まることは明らかである。θrとθmとの原点位置の関係は上述の方法で一致させることができる。

図１３

0164

次に、回転速度が時刻により既知の割合で変化する場合を考える。回転速度ωの変化率Ａ（ｔ）が時間変化すると考えて、ω（ｔ）＝ω0＊Ａ（ｔ）とする。この場合、時刻ｔでの回転角θr（ｔ）は次式で求まる。

0165

0166

例えば、一定加速度で回転速度が変化する場合や、回転速度が既知の割合で変動する（リップルがある）場合などは、（数２５）を用いることで、時刻ｔでの回転角θrを求めることができる。

0167

本実施例では、磁界センサ２０１で実測された磁界角度θmを用いて参照表からズレ量δを算出し、ロータ角θrを求める。したがって、磁界角度θmに対してズレ量δが一義的に決まる必要がある。

0168

センサ磁界２０１が２極磁石の場合は、この条件を満たす。２極磁石とは１個のＮ極と１個のＳ極とを有する磁石である。２極磁石では、回転軸１２１が１回転した際、磁界角度θmも１周期変化するので、上記の条件を満たす。

0169

したがって、本発明は、センサ磁石として２極磁石を用いた場合には、磁石，センサの設置誤差，磁石の着磁誤差、など任意の誤差要因を補正できるため、特に大きな効果を得ることができる。

0170

センサ磁石として多極磁石を用いた場合を述べる。Ｎ極とＳ極をＮ組有する（２Ｎ）極磁石を考える。この場合、磁石が１回転すると磁界角度はＮ周期変化する。ここで、各周期をセクタと呼ぶ。すなわち、（２Ｎ）極磁石はＮセクタを有する。

0171

１セクタの範囲では、磁界角度θmに対してズレ量δは一義的に決まる。したがって、（２Ｎ）極磁石で、セクタ間の着磁誤差が無視できる範囲の場合には、本発明の補正方法は有効である。

0172

また、回転軸１２１の使用範囲が１セクタよりも小さい場合にも、使用範囲内でθmからδが一義的に決定するので、有効である。

0173

セクタ間の着磁誤差が無視できない多極磁石を用いる場合には、光学的エンコーダなどの回転位置検出器を回転軸１２１に取り付けて、現在どのセクタに属しているかのセクタ情報を取得する。そして、このセクタ情報を用いて磁界角度θmに対応するズレ量δを求めればよい。この場合の回転位置検出器に必要な角度分解能は、どのセクタに属しているか認識できるだけの分解能で十分である。

0174

また、回転角度移動量から、現在の所属セクタは算出できるので、どのセクタに所属しているかの所属情報を検出回路部３０２内に記憶しておいてもよい。所属セクタ情報と実測された磁界角度θmとからズレ量δを算出できる。この場合、センサ磁界２０１の複数のセクタのうちのひとつに、機械的な切り欠きを形成するなどして、磁界分布を変えることで、特定のセクタを磁気的に識別できるようにしておくとよい。

0175

磁気抵抗素子を用いて回転角を検出する装置において、回転軸の回転角と磁界センサの出力値との対応関係を測定し、それを用いて補正を行う方法は、例えば特許公報第３７９９２７０号に記載されている。

0176

しかしながら、この従来例では回転軸の回転角と磁気抵抗素子の出力電圧との関係を近似式で表して補正をおこなっている。近似式を用いた場合には、回転角と磁気抵抗素子の出力電圧との関係は、複雑な場合、すなわち、本実施例の図１２に即して言えば、δとθmの関係（以下「δ−θm分布」と呼ぶ）が複雑な形状の場合には、近似式も複雑にしなければならず、補正計算に必要な演算時間が増加してしまうという問題がある。本実施例では、δ−θm分布が複雑な形状であっても、近傍データ点間の線形補間で処理できるので、演算時間が短くてすむ。

図１２

0177

また、近似式で表す場合には、δ−θm分布が複雑な形状な場合、近似式では誤差が大きくなる傾向がある。本実施例では、δ−θm分布がどのような形状であっても対応できる。

0178

本発明において、簡単な磁界分布補正法を併用してもよい。すなわち、参照表作成時には、磁界角度θmの代わりに、何らかの補正処理を施した角度（補正角度）θadjを用いて、

0179

としてズレ量を算出し、δと補正角度θadjとの関係を（θadjを引数にして）参照表を作成する。計測時には、磁界センサ２０１から計測される磁界角度θmから補正角度θadjを計算した後、θr＝θadj−δにより、正しいロータ角θrが求まる。

0180

磁界角度θmの代わりに補正角度θadjを用いることでズレ量δが小さくなれば、補正の精度が向上する。また、特に、補正角度を用いることで、ズレ量δの角度依存性が小さくなれば、補間によるδ値算出の精度が向上するため、参照表のデータ点数が少なくても正確な補正が可能になる。したがって、参照表のデータ点数を削減でき、少ないメモリ量で補正が可能になる。

0181

また、特許公報第３７９９２７０号に記載された方法では、回転軸の回転角と磁気抵抗素子の出力電圧との関係を計測する際、回転軸の回転角を既知の値に設定する必要があるため、ロータリーエンコーダを別途用意して補正のための計測を行う。これに対して、本発明では、エンコーダを別途用意することなく、上述の通り補正を完了できる。

0182

以上のように製作した回転角検出装置をシステムに組み込む際の構成を述べる。本実施例では、自動車の電動パワーステアリング装置に回転角検出装置を組み込む場合を述べる。

0183

図１４は電動パワーステアリング装置を模式的に示したものである。

図１４

0184

電動パワーステアリング装置のシステムとしての角度原点（システム原点）にシステムを設定し、その状態での回転軸１２１の回転角θr0を読み出す。具体的には、磁界センサ２０１の信号を測定して磁界角度θmを求め、ズレ量δの参照表を用いることで回転軸１２１の回転角θrが求まる。そして、システム原点に対応する回転角θr0を、電動パワーステアリング装置の制御装置（電子コントロール・ユニットＥＣＵ）に記憶・保管する。

0185

回転角検出装置のシステムへの設置時に組み付け誤差があった場合でも、システム原点に対応する回転角θr0値がわかっていれば誤差の補償ができる。

0186

パワーステアリング装置などのシステムにおいて必要な情報は、システムとしての角度θsysである。本実施例によれば、磁界センサ２０１の出力信号から得られる磁界角度θmから、システムとしての角度θsysが正確に得られる。

0187

本発明による第２の実施例を図２６および図２７を用いて述べる。本実施例は、磁界センサ２０１の温度特性を大幅に改善させる方法である。

0188

磁気抵抗素子を用いた回転角センサでは、温度がわかると計測精度が劣化するという課題があった。すなわち、温度特性が悪いという課題である。本実施例では磁界センサ２０１の検出方法を改善することで磁界センサ２０１の温度特性を改善する。

0189

磁気抵抗素子での温度特性の劣化の原因は、磁界センサ２０１を構成するセンサ素子部３０１の出力信号にオフセット電圧が重畳するためである。この点を説明する。（数６）においてＧＭＲ係数Ｇ／Ｒは温度変化するので、ΔＶcの値は温度が変わると変化する。しかし、（数６），（数７），（数８）からわかるように、磁界角θmは、ΔＶsとΔＶcの比から算出されるため、係数Ｇ／Ｒの温度変化は相殺されるため、計測値から算出されるθ値は、理想的には温度変化しないはずである。

0190

しかし、実際のＧＭＲ素子のブリッジではΔＶcやΔＶsにオフセット電圧が重畳する。

0191

0192

したがって、比ΔＶs／ΔＶcがtanθに等しくならず、また、比ΔＶs／ΔＶcを求めても分子と分母のＧＭＲ係数Ｇ／Ｒは相殺せず温度により変化することになる。

0193

このため、室温において検出回路３５１Ａにおいてオフセット調整して、オフセット電圧ΔＶc（ｏｆｓ）を除去して正しい磁界角度θmが求まるようにしても、温度を変えるとオフセット値が変化するため、正しいθm値が得られない。これが温度特性が劣化する原因である。

0194

信号電圧ΔＶcにオフセット電圧が発生する原因は、ブリッジを構成する素子の特性にバラツキがあるため、θ＝９０°（すなわち、cosθ＝０）においても４個の素子の抵抗値が等しくならないためである。

0195

図２６は本実施例で用いる磁界センサ２０１内のブリッジの構成を示す模式図である。

0196

本実施例では磁界センサ２０１を構成するセンサ素子部３０１内のＣＯＳブリッジは、４個のＧＭＲ素子５１−１，５１−２，５１−３，５１−４を有する。図２６はこれらの素子の結線方法を示したものである。また、図２６では図示を省略したが、ＳＩＮブロックについても同様である。以下、ＣＯＳブロックを用いて説明する。

0197

ＧＭＲ素子５１−１と５１−４とを有するハーフブリッジは、正極性出力回路ｅ１（３４１）と負極性出力回路ｇ１（３４５）に結線され、ＧＭＲ素子５１−１と５１−４の接続部を信号端子Ｖ１とする。

0198

ＧＭＲ素子５１−２と５１−３とを有するハーフブリッジは、正極性出力回路ｅ２（３４２）と負極性出力回路ｇ２（３４６）に結線され、ＧＭＲ素子５１−２と５１−３の接続部を信号端子Ｖ２とする。

0199

信号端子Ｖ1と信号端子Ｖ2とは検出回路３５１に結線され、それらの差動電圧ΔＶ＝Ｖ2−Ｖ1を信号として検出する。

0200

本実施例の特徴は、４個のＧＭＲ素子で構成されるブリッジ回路に供給する電源電圧として、２つのハーフブリッジでそれぞれ異なる電圧ｅ１，ｅ２を供給することにある。このような構成にすることで後述のようにオフセット電圧を除去することが可能になる。

0201

図２６に記したように、ＧＭＲ素子５１−１，５１−２，５１−３，５１−４の抵抗値をそれぞれＲ1，Ｒ2，Ｒ3，Ｒ4とする。

0202

ＧＭＲ素子Ｒ1（５１−１）とＲ3（５１−３）の固定磁性層１３の磁化方向をθp＝０とする。また、ＧＭＲ素子Ｒ2（５１−２）とＲ4（５１−４）の固定磁性層１３の磁化方向をθp＝１８０°とする。自由磁性層の磁化方向θfは外部磁界で決まるので４個のＧＭＲ素子で同一となるため、Δθf2＝θf−θp2＝θf−θp1−π＝Δθ1＋πの関係が成り立つ。Δθ1は、θp＝０を基準としているので、Δθ1＝θとする。したがって、（数１）式からわかるように、Ｒ１，Ｒ３では（数２）式が成り立つ（ｎ＝１，３）。また、Ｒ2，Ｒ4では（数３）式が成り立つ（ｎ＝２，４）。

0203

図２６のブリッジ回路での端子１，２間の差電圧Δｖ＝ｖ2−ｖ1は以下のようになる：

0204

0205

ここで、ＧＭＲ素子以外のケースにも拡張し、一般的な以下のケースを考える。ブリッジ回路で対向する１組であるＲ1，Ｒ3は以下のように変化する場合を考える（ｎ＝１，３）：

0206

0207

対向する別の組であるＲ2，Ｒ4は以下のように変化する場合を考える（ｎ＝２，４）：

0208

0209

具体的な例としてＧＭＲ素子の場合を考えると、磁界の方向がθ＝９０°の時の値がＲn0に対応する。これは式（数２），（数３）と式（数２９），（数３０）を比較すれば明らかである。

0210

まず、ΔＲ＝０の場合の図２６のブリッジ回路端子１，２間の差電圧Δｖ＝ｖ2−ｖ1は、式（数２８）から以下のように求まる：

0211

ΔＲ＝０の時の値なので、Δｖ０と定義する。次に、ΔＲ≠０の場合を求めると以下のようになる：

0212

0213

0214

式（数３２）の第１項の分子は、式（数３１）の分子と同一である。したがって、Δｖ０＝０とすれば、式（数３２）から以下の比例関係が得られる。

0215

ここで、比例係数Ｃは式（数３３）である。

0216

すなわち、電圧差（ｅ２−ｅ１）を調整することで式（数３１）で定義されるΔｖ０がゼロにすれば、図２６のブリッジ回路の信号電圧Δｖにはオフセット電圧が取り除かれ、Δｖは変化量ΔＲに比例するという望ましい特性が実現できる。

0217

本実施例では２組のハーフブリッジ回路に印加する励起電圧ｅ１，ｅ２を個別に調整できることが本質的である。この点を明確にするために、従来例との違いを明確にする。

0218

従来の構成（図４）では、４個のＧＭＲ素子のバラツキなどの原因により、θ＝９０°の場合でも関係式「Ｒ1Ｒ3＝Ｒ2Ｒ4」が満たされず、式（数４）の分子がゼロにならない。すなわち、信号電圧Δｖにオフセット電圧が残る。式（数３１）に即して述べると、関係式「Ｒ1Ｒ3＝Ｒ2Ｒ4」が満たされた理想的なブリッジでは、ｅ１＝ｅ２の時（数３１）の第１項と第２項がともにゼロになる。しかし、素子のばらつきなどの要因で関係式「Ｒ1Ｒ3＝Ｒ2Ｒ4」が満たされない場合には、（数３１）の第１項はゼロにならず、オフセット電圧が発生する。これに対し、本実施例では、式（数３１）からわかるように、電圧差（ｅ２−ｅ１）を調整することでθ＝９０°の時点でΔｖ０をゼロに設定することができる。これにより、上記の通りオフセット電圧を除去できるわけである。

図４

0219

次に図２６の構成のセンサ素子ブリッジについて、温度特性を考察する。

0220

物質の抵抗値の温度特性は以下の形で表される。

0221

式（数３２）の第１項の分子に式（数３５）を代入して数式を整理すると、（１＋ａΔＴ）倍になることがわかる。したがって、ある温度でΔｖ０＝０としてあれば、任意の温度についてΔｖ０＝０になる。

0222

すなわち、本実施例によれば、ある温度、例えば室温でΔｖ０＝０になるように電圧差（ｅ２−ｅ１）を調整すれば、任意の温度についてΔｖ０＝０となり、式（数３４）の比例関係が得られる。すなわち、オフセットがない信号を広い温度範囲で実現できる。

0223

このように本実施例によれば、磁界検出装置を作成後の検査・調整工程を１つの温度、例えば室温にて調整するのみでよいので、検査・調整工程の工程数を大幅に低減できる。

0224

次に、ＧＭＲ素子を使った磁界検出装置を考える。Ｒ1，Ｒ3は式（数２）より以下のようになる：

0225

式（数２９）とを比較すると、ＧＭＲ素子を用いた場合の差電圧信号は以下のようになる。

0226

すなわち、磁界方向θの余弦（cosine）に比例した信号が得られる。そこで、これをΔＶcと記す。

0227

定数Ｃは式（数３３）から求まる値である。

0228

本実施例の回転角検出装置では、モータ部１００の構成は実施例１と同じである。回転角検出部２００の構成は実施例１と同様であるが、磁界センサ２０１を上記の構成に置き換えたものである。また、磁界センサ２０１が計測する磁界角度θmとロータ角θrとを対応づける補正方法は実施例１と同じである。

0229

本実施例によれば、温度特性が改善され、かつ磁界補正により高精度なロータ角度計測ができるため、広い温度範囲で高精度に動作する回転角検出装置を実現できる。

0230

本実施例では、磁界センサ２０１の検出回路部３０２のバイアス電圧設定（Δｅ＝ｅ２−ｅ１の調整）を室温において行うだけで、広い温度範囲で正確なロータ角度計測ができるため、製品の校正・調整工程が少なくて済み、低コストな回転角検出装置を提供できる。

0231

次に、本発明による第３の実施例として、検出回路部３０２の回路的なオフセットを低減する構成を述べる。本実施例の回転角検出装置では、モータ部１００の構成は実施例１と同じである。回転角検出部２００の構成は実施例２と同様である
図２７を用いて本実施例を述べる。

0232

本実施例では検出回路に起因するオフセット電圧を除去することで高精度に磁界検出を行う。

0233

図２７は、図２６に示した構成のＧＭＲ素子のハーフブリッジに印加する励起電圧波形を示したものである。図２６のｅ１，ｅ２端子に印加する励起電圧波形をそれぞれＶｅ（１），Ｖｅ（２）とし、ｇ１，ｇ２端子に印加する励起電圧波形をそれぞれＶｇ（１），Ｖｇ（２）とする。またこのときの差電圧信号ΔＶ＝Ｖ2−Ｖ1も図２７に示した。

0234

時刻ｔ1においては、Ｖｅ（ｉ），Ｖｇ（ｉ）端子ともに基準電圧Ｖagを印加する（ｉ＝１，２）。すなわち、ブリッジ回路の正極性側端子ｅ１と負極性側端子ｇ１とが共に同一電位Ｖagであるから、Ｖ1端子，Ｖ2端子ともに信号電圧はＶagになる。したがって、差電圧信号ΔＶ＝Ｖ2−Ｖ1はゼロになる。

0235

したがって、検出回路３５１の出力電圧Vdet（ｔ）が時刻ｔ1で示す電圧Vdet（ｔ1）は、検出回路３５１に起因するオフセット電圧である。時刻ｔ2において、正極性出力回路３４１からは正極性パルス６１１が出力され、負極性出力回路３４５からは負極性パルス６１２が出力される。これにより、差電圧信号ΔＶ＝Ｖ2−Ｖ1には磁界方向に応じた信号電圧が発生する。

0236

時刻ｔ2とｔ1との差信号：ΔＶdet＝Ｖdet（ｔ2）−Ｖdet（ｔ1）は、検出回路３５１に起因するオフセット電圧を除去した信号電圧となる。このようにして、検出回路系に起因するオフセット電圧を除去し、高精度な磁界検出ができる。

0237

同様にして、ΔＶdet＝Ｖdet（ｔ4）−Ｖdet（ｔ3）は時刻ｔ4における信号電圧となる。

0238

このように、本実施例においては、図２６に示すブリッジ回路において４つの端子ｅ１，ｅ２，ｇ１，ｇ２を同一の電圧（図２７ではＶag）に設定し、この時点の検出回路の電圧Ｖsig（ｔ1）を基準信号として差し引くことが本質的である。これにより、ＧＭＲ素子に起因するオフセット電圧と検出回路に起因するオフセット電圧とを確実に分離することができる。

0239

また、本実施例では、基準信号Ｖdet（ｔ1）を先に測定してから、ＧＭＲ素子を励起した信号電圧Ｖdet（ｔ2）を求め、信号電圧ΔＶdet＝Ｖdet（ｔ2）−Ｖdet（ｔ1）を求めている。このような順序にすることで、信号測定時（サンプリング時）と信号処理後の出力信号との時間遅れ（タイムラグ）を最小化している。これは、例えばモータの回転角の計測など高速応答性が要求される磁界検出回路において特に重要な構成である。

0240

本実施例では、ＧＭＲ素子を励起して通電するのは、正極性パルス６１１および負極性パルス６１２を印加する期間のみである。したがって、低消費電力な磁界検出装置が実現できる。具体的には、印加電圧期間のデューティ比を１０％に設定すると、消費電力は１０分の１になる。

0241

本実施例では、ＧＭＲ素子で消費される電力を低減することができるため、通電によるＧＭＲ素子の熱発生（ジュール熱）を低減でき、温度上昇によるＧＭＲ素子の特性変化も抑制できる利点がある。

0242

また、本実施例においては、正極性パルス６１１の電圧振幅と負極性パルス６１２の電圧振幅とを概ね等しい値に設定した。このようにすると、信号電圧Ｖ1，Ｖ2の電圧値がゼロ点検出時（図２７の時刻ｔ1）と信号検出時（時刻ｔ2）とで大きく変化しないので、差動検出器３５１の同相信号除去比ＣＭＲＲの要求性能が少なくて済む、という利点がある。

0243

本発明による第４の実施例を図２８と図２９を用いて述べる。本実施例は、第２の実施例と同様の構成において、磁界センサ２０１の構成を下記の通り変更したものである。

0244

図２８は本実施例で用いる磁界センサ２０１のセンサ素子部３０１の構成を示す図である。図２９は本実施例で用いる励起電圧波形と検出タイミングを示す図である。

0245

図２８に示すように、本実施例ではセンサ素子部３０１から出る端子数を減らし、センサ素子部３０１と検出回路部３０２との間の配線数を少なくした構成である。図２８に図示したように、ＧＭＲ素子で構成された各ハーフブリッジのｇ端子を共通に結線する。また、ＣＯＳブリッジのｅ２端子とＳＩＮブリッジのｅ２端子とを共通にする。

0246

前述の通り、磁界センサ２０１の温度特性劣化の要因である信号オフセット電圧は、ＧＭＲ素子の特性バラツキにより生じるものである。したがって、オフセット電圧をゼロにするためのバイアス電圧Δｅ＝ｅ２−ｅ１の最適値は、ＣＯＳブリッジ用の値とＳＩＮブリッジ用の値とで異なる。

0247

そこで、本実施例では、ＣＯＳブリッジ用の励起電圧とＳＩＮブリッジ用の励起電圧を時間的にずらして印加することで、配線の共通化を可能にし、センサ素子部３０１の端子数の削減を可能にした。

0248

図２９は、本実施例で用いる励起電圧波形と検出タイミングを示す図であり、第３の実施例における図２７に対応するものである。ＣＯＳブリッジとＳＩＮブリッジの共通ｅ２端子への印加電圧は、ＣＯＳ用正極性パルス６２１とＳＩＮ用正極性パルス６２２とを時間的にずらして印加する。ｇ端子には、負極性パルス６１２を印加する。

0249

このようにすると、ＣＯＳブリッジの信号電圧ΔＶcとＳＩＮブリッジの信号電圧ΔＶsとは図２９に示したように変化する。時刻ｔ0でゼロ点信号Ｖzを測定する。そして、時刻ｔ1でＣＯＳブリッジの信号を取得し、時刻ｔ2でＳＩＮブリッジの信号を取得する。

0250

このようにして、ＣＯＳブリッジとＳＩＮブリッジとも、各々のブリッジに最適な励起電圧バイアスΔｅを印加した状態で信号を測定しているので、信号電圧のオフセットは除去される。したがって、第２の実施例に記載した通り、良好な温度特性を持った磁界センサ２０１が得られる。

0251

なお、本実施例ではセンサ素子部３０１の構成を図２８のようにしたが、これは一例にすぎず、ｅ端子あるいはｇ端子を共通化する、その他の組み合わせにおいても本実施例が適用できることは言うまでもない。

0252

本発明による第５の実施例を図１を用いて述べる。

図１

0253

本実施例は、磁界センサを回転角検出装置筐体の外側に設置したものである。このような構成にすることで、磁界センサの取り付けを容易にする。また、磁界センサの配線を回転角検出装置筐体の外側に取り出す必要がなくなるので、特に防水構造の回転角検出装置において組み立て・製作が容易になる。

0254

本実施例の回転角検出装置はモータ部と回転角検出部２００とから構成されている。モータ部の構成は第１の実施例１のモータ部と同様である。

0255

回転角検出部２００は、回転軸１２１に設置されたセンサ磁石２０２と、モータ部筐体に取り付けられたハウジング２０３と、磁界センサ２０１とで構成されている。

0256

本実施例では防水仕様の回転角検出装置としている。そのため、ハウジング２０３と第２ブラケット１０３との間にシール部材２１０を挿入している。これにより、ハウジング２０３−第２ブラケット１０３−フレーム１０１−第１ブラケット１０２とで防水性を確保している。本明細書では、このように外部環境から防水性を確保する境界を「防水境界」と呼ぶ。

0257

防水境界を構成する部材間にはシール部材などを挿入することで、その内部に水が入り込まないような構造にする。したがって、防水境界に電気配線を通す場合には、樹脂でモールドしたコネクタで防水境界を構成し、その内部と外部にそれぞれ電気配線を接続するなどの方法で構成しなければならない。

0258

磁界センサ２０１は、ハウジング２０３の外側に設置する。本実施例においては、このように防水境界の外側に磁界センサ２０１が設置されているため、その信号の配線２０８も防水境界の外側にあり、防水境界を交差する必要がない。したがって、信号の配線２０８の構成が簡単な構成ですむという利点がある。

0259

センサ磁石２０２と磁界センサ２０１との間にハウジング２０３が位置しているため、ハウジング２０３の材料と形状は、一定の条件を満たす必要がある。

0260

ハウジング２０３には、磁化率χが０.０１以下の材料を用いる。このようにすると、比透磁率μr＝１＋χは０.９９〜１.０１の範囲になり、空気の比透磁率１とほぼ同じになる。したがって、静磁界はハウジング２０３の存在に影響されない。このような材料としては、アルミニウム（χ＝２×１０-5），銅（χ＝−９×１０-6）や銅の合金（黄銅，白銅など），樹脂などがある。

0261

ハウジング材料として金属材料を用いることが好ましい場合がある。樹脂材料と比較して、金属材料の方が機械強度が強い、加工が容易であるなどの理由による。ハウジングとして金属を用いる場合には、磁化率の条件に加えて以下の制約がある。すなわち、時間的に変化する磁界を検出できなくてはならない。

0262

回転軸１２１が周波数ｆ［Ｈｚ］で回転すると、センサ磁石２０２も回転するため、ハウジング２０３を横切る磁界は時間変化をする。磁界センサが十分に磁界を検出できるようにするために、ハウジング２０３のうちセンサ磁石２０２と磁界センサ２０１の間の部分の厚さｔ（単位は［ｍ］）は以下の条件を満たすように設定した。

0263

ここで、δskin（単位は［ｍ］）はハウジング２０３の構成材料の表皮の厚さ（skin depth）であり、ρはハウジングの抵抗率［Ωｍ］、μ0は真空の透磁率（＝４π×１０-7）、μrはハウジング２０３の材料の比透磁率で、磁化率χとはμr＝１＋χの関係がある。また、ｆは回転軸１２１の最高回転周波数であり、Ｎpはセンサ磁石の磁極数を２で除したものである。すなわち、Ｎp＊ｆは１秒間に磁界が変化する繰り返し周波数を表す。

0264

（数３８）式から、ハウジング２０３のうちセンサ磁石２０２と磁界センサ２０１の間の部分の厚さｔ（単位は［ｍ］）について、次式が導かれる：

0265

具体的には、Ｎp＝４（８極磁石）、回転周波数１５,０００rpm、材料としてアルミニウム（抵抗率ρ＝２.７５×１０-8Ωｍ）を用いた場合、ハウジング２０３の板厚の条件は（数３９）から１.３mm以下になる。

0266

また、Ｎp＝４（８極磁石），回転周波数１５,０００rpm，材料として真鍮、すなわちＣｕ（６５％）−Ｚｎ（３５％）合金（抵抗率ρ＝６×１０-8Ωｍ）を用いた場合、ハウジング２０３の板厚の条件は（数３９）から１.９mm以下になる。

0267

時間的に変動する磁界が物質中を通過すると、物質内の自由電子が渦電流を発生するため物質を通過する磁界の強度が減衰する。図１６は、板厚１.３mmの種々の材料について、実効的回転周波数と磁界の透過率との関係を示したものである。図１６の横軸の実効的回転周波数とはＮp×ｆであり、１秒間に磁界が回転する回数に等しい。低抵抗な材料ほど表皮効果厚さδskinが減少し、通過する磁界が弱まることがわかる。磁界センサ２０１で磁界方向を検出できるような十分な磁界強度を得るには、磁界透過率を０.６以上にする必要がある。これが（数３８）の条件である。

図１６

0268

この理由から、ハウジング２０３の構成部分のうち、センサ磁石２０２と磁界センサ２０１の間の部分について上記の条件を満たせばよいことがわかる。つまり、その他の部分は、より厚くても良い。

0269

以上の解析に基づき、本実施例ではハウジング２０３の材料をアルミニウムを用い、センサ磁石２０２と磁界センサ２０１の間の部分についてはその板厚を１.３mmにした。これにより回転軸が１５,０００rpmで回転させた場合でも、回転角を十分精度よく検出する回転角検出装置が得られる。

0270

また、図１に示したように磁界センサ２０１は回転軸中心線２２６上に配置するのが好ましい。さらに正確に言うと、磁界センサ２０１内のセンサ素子部３０１が回転軸中心線２２６上に配置されるようにするのが好ましい。この理由は、センサ磁石２０２が形成する磁界分布は、回転軸中心線２２６上において、最も平行磁界に近づくため、磁界分布の補正量が少なくなるためである。磁界分布に起因する磁界角度θmとロータ角θrとのズレ量が許容範囲に入る場合は、補正が不要になり、さら好ましい。

図１

0271

本発明による第６の実施例を述べる。

0272

本実施例で用いる回転角度検出装置は図１に示したものと同じである。

図１

0273

この回転角検出装置では、磁界センサ２０１がハウジング２０３の外側に設置されている。そのため、回転角検出装置を設置した場所の近傍に鉄などの磁性体構造物があると、それによりセンサ磁石２０２が発生する磁界の空間分布が影響を受ける場合がある。磁界の空間分布が変化すると、回転軸１２１の回転角θrと磁界センサ２０１が検知する磁界角度θmとの関係が変わってしまう。

0274

このような場合、従来例のように校正用のアクチュエータ−エンコーダを用いて回転角検出装置を校正してからシステムに組み込む方法では、システムに組み込んだ後、正しい回転角θrを計測することができない。

0275

本実施例では、回転角検出装置をシステム内に組み込んだ状態で、回転軸１２１を一定速度でＮ回転させることでθrとθmとの対応関係を計測する。その具体的方法は、第１の実施例に記載した通りである。

0276

このように本実施例では、回転角検出装置をシステム中に組み込んだ状態で校正を行うので、近傍の磁性体構造物の影響で磁界の空間分布が変化した場合でも、変化した空間分布でのθrとθmとの対応関係を計測する。したがって、正しいシステム中でも正しい回転角θrを計測することができる。

0277

本発明による第７の実施例を図１７および図１８を用いて述べる。

図１７

図１８

0278

図１７は本実施例による回転角検出装置の断面図である。図１８は図１７の右側から見た側面図であり、図１８のＡ−Ｂ間断面図が図１７である。

図１７

図１８

0279

本実施例のモータ部１００の構成は第３の実施例と同様である。

0280

回転角検出部２００は、磁界センサ２０１，センサ磁石２０２，ハウジング２０３，カバー２２１などで構成される。

0281

本実施例の特徴は、回転角検出部２００がカバー２２１を有することである。カバー２２１は磁化率χが１００以上の材料を用いる。

0282

磁化率χが１００以上の材料で構成したカバー２２１で回転角検出部２００を覆うことで、磁気シールド効果が生じる。このため、回転角検出装置の周辺近傍に磁性体が配置された場合でも、センサ磁石２０２が形成する磁界の空間分布は影響を受けにくくなる。このようにして、回転角検出装置が設置される環境の影響が大幅に低減し、正確な回転角を計測できる。

0283

磁化率χが１００以上の材料としては、軟鉄（χ＝２０００），鉄（χ＝５０００），珪素鋼（χ＝７０００），ミュー・メタル（χ＝１００,０００）などがある。本実施例では、鉄を用いた。

0284

ハウジング２０３はセンサ磁石２０２と磁界センサ２０１との間に位置するので、その材料として磁化率が０.０１以下の材料を用いる。本実施例ではハウジング材料として厚さ１.３mmのアルミニウムを用いた。

0285

ハウジング２０３とモータ部１００との間にはシール部材２１０を挿入することで、防水性をもたせている。すなわち、本実施例では、ハウジング２０３およびモータ部１００とで防水境界を構成している。

0286

磁界センサ２０１はセンサ支持台２０６を介して第２ブラケット１０３に固定されている。センサ支持台２０６は、磁化率が０.０１以下の材料で構成することにより磁界分布の擾乱を防いでいる。

0287

磁界センサ２０１は、防水境界の外側に設置されているので、組み立てが容易になる。特に、センサ信号の配線２０８の回転角検出装置からの取り出しが容易になっている。

0288

カバー２２１には孔２２３が設けられている。孔２２３は配線２０８の取り出し口としての機能と、水抜き機能とを兼ねている。すなわち、回転角検出部２００の内部に水がたまった場合に、水が抜け出せるようにしている。水の磁化率はχ＝−９×１０-6なので、静磁界の分布に影響は与えない。しかし、長期間にわたって水が入っていると、回転角検出装置内のサビ発生や絶縁不良などの問題を引き起こす可能性があるので、侵入した水は外部に出すことが好ましい。

0289

なお、本実施例では図１８に示したように、孔を３方向に設けることで、回転角検出装置がどのような方向に設置された場合でも、内部の水が抜けるようにしている。

図１８

0290

高透磁率材料で構成したカバー２２１を回転角検出部２００に設置すると、センサ磁石２０２から発生する磁界の空間分布が変化する。具体的には、磁石から発生した磁束は、高透磁率材料中を通りやすいからである。

0291

この場合、カバー２２１を設置した後で、先に述べた方法で回転軸１２１の回転角θrと磁界角度θmとの関係を測定し、校正すればよい。

0292

本実施例では、回転角検出装置を設置する外部環境からは磁界分布の影響が十分小さいので、システム中に設置した後に再度校正しなくても十分な計測精度が得られる。

0293

本発明による第８の実施例を図１９および図２０を用いて述べる。

図１９

図２０

0294

図１９は本実施例による回転角検出装置の断面図である。図２０は図１９の右側から見た側面図であり、図２０のＡ−Ｂ間断面図が図１９である。

図１９

図２０

0295

本実施例のモータ部１００の構成は第３の実施例と同様である。

0296

回転角検出部２００の構成は第４の実施例と同様である。但し、本実施例では磁界センサ２０１をセンサ磁石２０２の回転軸中心線２２６上に設置していることが特徴である。

0297

センサ磁石の回転軸中心線上では磁界の空間分布は平行磁界に近いので、磁界の補正量が低減する利点がある。

0298

また、本実施例では、ハウジング２０３に直接、磁界センサ２０１を設置しているため、センサ支持台２０６が不要になり、簡単な構成になる利点がある。

0299

（回転速度検出装置）
本発明による第９の実施例を図２１，図２２を用いて述べる。

図２１

0300

図２１は本発明による回転速度計測装置の構成を示す断面図である。

図２１

0301

本実施例は、回転速度を計測しようとする対象と同期して回転する回転軸１２１と、回転軸１２１に固定されたセンサ磁石２０２，センサ磁石が発生する磁界の方向を検出する磁界センサ２０１とから構成されている。回転軸１２１は軸受２６２を介して筐体２６１に回転支持されている。磁界センサ２０１はハウジング２０３に固定されている。

0302

ハウジング２０３は磁界の空間分布を歪ませないために磁化率０.０１以下の材料を用いており、本実施例では樹脂をモールド成型した構造体を用いた。

0303

磁界センサ２０１はセンサ磁石２０２の回転軸中心線２２６上に位置するように設置されている。センサ磁石２０２が発生する磁界は回転軸中心線２２６上では、平行磁界に近いので、この位置に磁界センサ２０１を設置すると回転軸の回転角度θrと磁界角度θmとのズレ量が小さくなるので好ましい。

0304

磁界センサ２０１はＣＯＳブリッジとＳＩＮブリッジとから構成されており、それぞれcosθmおよびsinθmに比例した信号を発生する。ここで比例係数をＢとすると、ＣＯＳブリッジが発生する信号電圧Ｖx＝Ｂcosθmであり、ＳＩＮブリッジが発生する信号電圧Ｖy＝Ｂsinθmと表される。

0305

信号Ｖxの時間微分は以下のようになる。

0306

0307

したがって、磁界角度θmの回転速度ωm＝ｄθm／ｄｔは以下のように求まる。

0308

0309

同様にして、ＳＩＮブリッジの信号電圧Ｖyの時間微分からも以下のように回転速度が求まる。

0310

0311

このようにして磁界角度θmの回転速度が求まる。この方式には以下の特徴がある。

0312

第１に、ＡrcＴan処理（逆正接処理）を行うことなく回転速度が求まることである。さらに、信号電圧に含まれる比例定数Ｂもキャンセルされているので、Ｖxの時間微分とＶyとの除算のみで回転速度が求まる。一般に、ＡrcＴan処理は計算時間を多く必要とするので、本方法では特に高速回転にまで追従する回転速度計測装置を実現できる。

0313

第２に、（数４１）と（数４２）は異なった信号処理を行っているが、両者の結果はいずれも磁界角度θmの回転速度である。したがって、ωm1とωm2とは同一の値になるはずである。言い換えれば、両者の値が異なる場合には、回転速度検出装置に異常が発生したことを示す。

0314

具体的には、測定精度も考慮して、両者の値が一定範囲以上異なった場合に、エラー検知信号を発生する。

0315

図２２は、上記の動作で回転速度を検出する具体的な処理方法を示す処理フロー図である。「Ｚ-1」は１クロック毎の遅延処理を示す。遅延処理により信号の微分処理を行う。（数４１）と（数４２）に対応する処理を行い、ＶxとＶyの絶対値を比較して、大きい方で除算した回転速度値を採用する。このようにすることで、ゼロ近傍値での除算による誤差の増大を回避する。

0316

同時にωm1とωm2の差を演算し、その差の絶対値が一定値ε以上になった場合はエラー検知信号を発生する。

0317

上記では、回転速度検出装置の構成を示したが、先の実施例の回転角検出装置と組み合わせた構成も有用である。具体的には、先の実施例の検出回路部３０２の中に図２２の信号処理を組み込めばよい。このようにすると、回転角θrと回転速度ωを同時に取得することができるので、電動機のベクトル制御のセンサとして有用である。

0318

また、先の実施例の回転角検出装置の中に、図２２の方法での障害検知構成のみを取り込んだ構成も有用である。これにより、障害検知機能をもった回転角検出装置が得られる。本方式の障害検知方式は、少ない演算量で障害検知ができるので、障害発生から検出までの遅れ時間が短縮でき、回転角検出装置の信頼性が高まる。

0319

本発明の第１１の実施例を図２３を用いて述べる。本実施例は、図２１の構成の回転速度検出装置であるが、処理回路をアナログ回路で構成したものである。処理回路のブロック図を図２３に示す。

図２１

図２３

0320

処理回路は、アナログ回路で実装した微分回路と除算回路で構成される。障害検知処理は、コンパレータ回路を用いて行う。

0321

本実施例では、アナログ回路のみで処理回路を実現できるため、リアルタイム処理が可能である。また、マイクロコントローラ回路を必要としないため、高温環境などの耐環境性に優れた回転角度検出装置を提供できる。

0322

本発明の第１２の実施例を図３０を用いて述べる。

0323

本実施例は、第１の実施例で磁界センサ２０１内の検出回路部３０２の設置位置を変えたものである。

0324

第１の実施例では、図３０（ａ）に示したように、磁界センサ２０１内にセンサ素子部３０１と検出回路部３０２を有する構成とした。

0325

これに対して本実施例では、図３０（ｂ）に示したように、センサ素子部３０１のみを図５の磁界センサ２０１の位置に設置する。そして、図５のハウジング２０３よりも外側に検出回路部３０２を設置する（図５には図示せず）。図３０（ｂ）のように、検出回路部３０２の駆動回路部３４０で励起電圧を生成し、信号の配線２０８を経由してセンサ素子部３０１に印加する。センサ素子部からの信号は信号の配線２０８を経由して検出回路部３０２に入力する。それ以降の、信号処理方法や補正方法は実施例１と同様である。

0326

本実施例は、検出回路部３０２をモータ部１００から離れた位置に設置している。検出回路部３０２を構成する信号処理回路は一般に高温や超低温に弱く、−４０℃〜１２５℃程度が動作可能範囲である。一方、モータ部１００は高温な環境に設置されたり、またモータ部１００自体が発熱する使用条件もある。したがって、本実施例のように、検出回路部３０２を離れた位置に設置することで、モータ部１００の許容温度を広げることが可能になるという利点がある。

0327

本実施例の回転角検出装置は、図５のモータ部１００，回転角検出部２００、そして、ハウジングの外側に配置した検出回路部３０２により構成される。

0328

検出回路部３０２は、回転角検出装置を組み込むシステムの電子制御ユニット（Electronic Control Unit、ＥＣＵ）内に組み込んでも良い。また、システムのＥＣＵのマイコンを用いて、角度算出や補正などの信号処理を行ってもよい。このような構成にすることにより、信号処理部の冗長的な無駄を無くし、低コストな回転角検出装置を提供することができる。

0329

また、図３０の（ａ）と（ｂ）の中間的な構成として、図３１に示した構成も使用条件によっては有用な構成である。図３１の構成は、駆動回路部３４０と、検出回路３５１，ＡＤ変換器３５２までをハウジング内の磁界センサ２０１に入れる。そして、検出回路部３０２を離れた位置に設置する。

図３１

0330

検出回路部３０２をハウジング２０３より外側に設置する例を示したが、ハウジングの内側に設置してもよい。

0331

また、第５の実施例のように、磁界センサ２０１をハウジングの外側に設置する場合にも、図３０（ｂ）の構成は有用である。有用な理由は、検出回路部３０２を高温環境から遠ざけることが可能なことや、システムのＥＣＵの機能を共用して信号処理を行うことで冗長的な無駄を省くことなどである。

0332

検出回路部３０２には、角度算出部３７１と補正部３７２とタイミング信号発生器３３１が含まれる。タイミング信号発生器３３１は磁界センサ２０１内のＡＤ変換などを実行するタイミング信号を生成するためのロジック信号である。

0333

磁界センサ２０１はセンサ素子部３０１と駆動回路部３４０、そして検出回路３５１とＡＤ変換器３５３とから構成される。駆動回路部３４０はタイミング信号発生器Ｂ３３２を持ち、タイミング信号発生器Ａ３３１からの信号に基づき、磁界センサ２０１内のタイミング制御を行う。具体的には、励起電圧をパルス化するためのタイミング信号を生成して、正極性出力回路３４１と負極性出力回路３４５に入力する。そして、それと同期してセンサ信号を検出するために、ＡＤ変換器３５２Ａ，３５２Ｂに信号を入力する。

0334

センサ素子部３０１から出力される信号は、検出回路３５１Ａで差動増幅された後、ＡＤ変換器３５２Ａでデジタル信号に変換される。このデジタル信号を信号の配線２０８を経由して検出回路部３０２に伝送する。デジタル信号はシリアル信号の形で伝送すると、信号の配線２０８の本数を低減できるので好ましい。

0335

この構成では、センサ素子部３０１からの信号をデジタル信号に変換してから、デジタル信号の形で信号の配線２０８内を伝送する。したがって、ノイズの影響を受けにくくなるという利点がある。

0336

磁界センサ２０１の構成として図３０（ａ），（ｂ），図３１の３種を述べたが、これらの中間の形態もあり、それらも本発明に含まれることは言うまでもない。