JP5012423B2 - 回転角検出装置および回転角検出方法 - Google Patents

Description

本発明は、回転角検出装置および回転角検出方法に関するものである。

回転軸の回転角を磁気により測定するための従来の技術としては、回転軸を挟んで対向した一対の静止した磁石と、この一対の磁石の間に配置され回転軸上に設けられた１つの磁気センサとを備え、回転する磁気センサが磁石間の磁界を検出するものがある。このような装置では、一対の磁石の間に配置された磁気センサが回転軸と共に回転し、回転に応じて磁気センサからの出力信号が変化するので、出力信号の大きさに基づいて回転軸の回転角を知ることができる。回転角を磁気により測定する装置の例としては、例えば特許文献１に開示されたものある。
特許第３２６４１５１号公報

しかしながら、上述した構成の回転角検出装置においては、磁界を検出する磁気センサが１つであるために、±４５°の角度範囲でしか高い計測精度を得ることができない。そのため、回転軸の一周をつうじて回転角を精度良く検出することが困難となる。

本発明は、上記した問題点を鑑みてなされたものであり、回転軸の一周をつうじて回転角を精度良く検出できる回転角検出装置および回転角検出方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、回転軸の回転角を検出する回転角検出装置であって、回転軸の径方向に並置されて互いに対向する一対の磁界形成部材によって第１および第２の磁界をそれぞれ発生し、回転軸の周方向に並んで配置された第１および第２の磁界発生部と、回転軸周りの一部の角度範囲にわたって回転軸の周方向に並置された複数の磁気センサと、を備え、回転軸の回転に応じて、第１および第２の磁界発生部と複数の磁気センサとが相対的に回転し、複数の磁気センサは、第１および第２の磁界発生部における一方の磁界形成部材の回転軌跡と他方の磁界形成部材の回転軌跡との間に位置するか、或いは、複数の磁気センサの回転軌跡が第１および第２の磁界発生部における一方の磁界形成部材と他方の磁界形成部材との間を通過するように配置されており、第１の磁界の方向が回転軸に対して外向き且つ第２の磁界の方向が回転軸に対して内向きであり、一対の磁界形成部材のうち、回転軸の径方向に対し外側に位置する磁界発生部材の一端と回転軸の中心を結ぶ直線と、一対の磁界形成部材のうち、回転軸の径方向に対し外側に位置する磁界発生部材の他端と回転軸の中心を結ぶ直線とが成す角度は、隣り合う磁気センサ同士が回転軸周りに成す角度よりも大きくなっており、磁気センサは、第１の磁気抵抗効果素子を有しており、第１の磁気抵抗効果素子のピン層の磁化方向は回転軸の径方向と交差していることを特徴とする。

また、本発明による回転角検出方法は、回転軸の回転角を検出する方法であって、回転軸の径方向に並置されて互いに対向する一対の磁界形成部材によって第１および第２の磁界をそれぞれ発生する第１および第２の磁界発生部を、回転軸周りの一部の角度範囲にわたって回転軸の周方向に並んで配置し、回転軸の回転に応じて第１および第２の磁界発生部と複数の磁気センサとを相対的に回転させ、複数の磁気センサを、第１および第２の磁界発生部における一方の磁界形成部材の回転軌跡と他方の磁界形成部材の回転軌跡との間に位置するか、或いは、複数の磁気センサの回転軌跡が第１および第２の磁界発生部における一方の磁界形成部材と他方の磁界形成部材の間を通過するように回転軸の周方向に並置し、一対の磁界形成部材のうち、回転軸の径方向に対し外側に位置する磁界発生部材の一端と回転軸の中心を結ぶ直線と、一対の磁界形成部材のうち、回転軸の径方向に対し外側に位置する磁界発生部材の他端と回転軸の中心を結ぶ直線とが成す角度が、隣り合う磁気センサ同士が回転軸周りに成す角度よりも大きくなっている一対の磁界形成部材を、第１の磁界の方向が回転軸に対して外向き且つ第２の磁界の方向が回転軸に対して内向きになるように配置し、第１の磁気抵抗効果素子のピン層の磁化方向を回転軸の径方向と交差させ、第１の磁気抵抗効果素子によって第１および第２の磁界を検出することにより、回転軸の回転角を検出することを特徴とする。

上記した回転角度検出装置および回転各検出方法においては、複数の磁気センサが、第１および第２の磁界発生部における一方の磁界形成部材の回転軌跡と他方の磁界形成部材の回転軌跡との間に位置するか、或いは、複数の磁気センサの回転軌跡が第１および第２の磁界発生部における一方の磁界形成部材と他方の磁界形成部材の間を通過するように、回転軸の周方向に並置される。これにより、磁界発生部が各磁気センサを通過するか又は各磁気センサが磁界発生部を通過する際に回転角に比例した出力信号を各磁気センサから得ることができるので、各磁気センサからの出力信号を合成することによって、回転軸の一周をつうじて回転角を精度良く得ることができる。更に、第１の磁界発生部における第１の磁界の向き（回転軸に対して外向き）が第２の磁界発生部における第２の磁界の向きと異なっている。これにより、第１の磁界発生部と第２の磁界発生部とでは、磁気センサの出力信号が反転しており、第１の磁界と第２の磁界とを区別して検出することができる。したがって、例えば磁気センサを含む信号処理回路への電源供給が停止し、その後再起動が行われたときに、停止時の状態が起動時まで維持されていない場合でも、第１および第２の磁界を検出している磁気センサを容易に特定できるので、別の磁気センサにおいて検出された磁界が第１、第２の磁界の何れであるかを容易に判断できる。

また、回転角検出装置は、複数の磁気センサが、第２の磁気抵抗効果素子を更に有しており、第２の磁気抵抗効果素子のピン層の磁化方向は回転軸の径方向に沿っていることを特徴としてもよい。第１の磁気抵抗効果素子から出力される出力信号は、第１および第２の磁界発生部の中心を通過する際の電位と、第１および第２の磁界発生部以外の場所における電位とが互いに等しくなる場合がある。このような場合、第１の磁界発生部と第２の磁界発生部との磁界の向きが逆であるので、磁化方向が回転軸の径方向に沿った第２の磁気抵抗効果素子を磁気センサが有することにより、第１および第２の磁界発生部において検出された電位とそれ以外の場所で検出された電位とを区別することができる。これにより、好適に回転角を検出することができる。

また、回転角検出装置は、第１および第２の磁界発生部が、第１および第２の磁界発生部の間に回転軸が位置するように配置されていることを特徴としてもよい。これにより、磁気センサは、第１の磁界発生部において半周分の角度を検出し、第２の磁界発生部において残りの半周分の角度を検出できる。

また、回転角検出装置は、第１および第２の磁界発生部における一対の磁石が、回転軸の周方向に沿って円弧状に湾曲する形状を有することを特徴としてもよい。これにより、磁気センサと一対の磁石との距離が該磁石の一端から他端に亘ってほぼ等しくなり、磁気センサ周辺の磁場の大きさを一定にできる。或いは、第１および第２の磁界発生部における一対の磁石が、回転軸の径方向と交差する方向に沿って延伸する形状を有してもよい。

なお、本願で言う一対の磁界形成部材とは概ね平行な磁場を発生するものであれば良く、一対の永久磁石を径方向に並置する、或いは、永久磁石とヨークを径方向に並置するものであっても良い。或いは、ヨークに複数の磁石を平行に貼りあわせた部材を径方向に並置するものであっても良い。

本発明による回転角検出装置および回転角検出方法によれば、回転軸の一周をつうじて回転角を精度良く検出できる。

[第１実施形態]
以下、添付図面を参照しながら本発明による回転角検出装置および回転角検出方法の第１実施形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、本発明による回転角検出装置の第１実施形態を示す図である。図１（ａ）は回転角検出装置１の平面図を示しており、図１（ｂ）は図１（ａ）に示すＩ−Ｉ線に沿った側面断面図を示している。なお、図１（ａ）において回転軸Ｒの軸方向は紙面に垂直な方向であり、図１（ａ）は回転軸Ｒの軸方向から回転角検出装置１を見た図となっている。また、図１（ｂ）において回転軸Ｒの軸方向は紙面の上下に延びており、図１（ｂ）は回転軸Ｒの中心軸線を含む断面を示している。

本実施形態に係る回転角検出装置１は、回転軸Ｒに取り付けられており、該回転軸Ｒの回転角を検出する装置である。図１（ａ）、図１（ｂ）に示すように、回転角検出装置１は、第１の磁界発生部２と、第２の磁界発生部３と、磁気センサ４ａ〜４ｄと、支持材１５とを備えている。支持材１５は、樹脂製の円形（或いは略正方形）平板状の部材である。支持材１５の中央部分には、回転軸Ｒが、その軸方向と支持材１５の厚さ方向とが一致するように挿通されており、支持材１５と回転軸Ｒとが互いに固定されている。第１および第２の磁界発生部２，３は、支持材１５に固定され、回転軸Ｒと共に回転する。なお、第１および第２の磁界発生部２，３の相対位置は、回転軸Ｒの回転によらず一定である。

第１の磁界発生部２は、回転軸Ｒの径方向に並置された一対の磁石（磁界形成部材）５，６によって構成されている。第２の磁界発生部３は、回転軸Ｒの径方向に並置された一対の磁石７，８によって構成されている。第１および第２の磁界発生部２，３は、回転軸Ｒの周方向に並置されている。第１および第２の磁界発生部２，３は、回転軸Ｒが第１および第２の磁界発生部２，３の間に位置するように回転軸Ｒ周りに１８０°の間隔で配置されている。磁石５〜８は、回転軸Ｒの径方向と交差する方向に沿って延伸する棒状のフェライト磁石又はネオジム磁石である。磁石５〜８の長手方向の幅は、磁気センサ４ａ〜４ｄが検出する角度（すなわち磁気センサ同士が回転軸周りに成す角度）よりも１０°以上大きい角度をカバーする幅であり、磁気センサ４ａ〜４ｄの検出角度を例えば４５°とすると、磁石５〜８は５５°以上カバーできる幅を有する。本構成のようにすることで、第１の磁界発生部２と第２の磁界発生部３とが形成する概ね平行な磁場間のいずれかに、少なくとも一つの磁界検出手段が存在することになる。第１の磁界発生部２の磁石５，６は、回転軸Ｒの径方向と交差する長手方向の一方の側面にＮ極５ａ，６ａを有し、他方の側面にＳ極５ｂ，６ｂを有する。また、第２の磁界発生部３は、回転軸Ｒの径方向と交差する長手方向の一方の側面にＳ極７ｂ，８ｂを有し、他方の側面にＮ極７ａ，８ａを有する。

第１の磁界発生部２は、磁石５，６のＮ極５ａとＳ極６ｂとが互いに対向するように支持材１５に固定されて第１の磁界を発生しており、磁界の方向は回転軸Ｒに対して外向きである。また、第２の磁界発生部３は、磁石７，８のＳ極７ｂとＮ極８ａとが互いに対向するように支持材１５に固定されて第２の磁界を発生しており、磁界の方向は、回転軸Ｒに対して内向きである。

磁気センサ４ａ〜４ｄは、磁石５〜８の間の磁界を検出するためのセンサである。磁気センサ４ａ〜４ｄは、磁石５，７の回転軌跡と磁石６，８の回転軌跡との間に位置し、回転軸Ｒの周方向に並置されており、図示しない支持構造によって定位置に支持・固定され、回転軸Ｒの回転とは関係なく静止している。なお本実施形態では、磁気センサ４ａ〜４ｄは、隣り合う磁気センサの周方向位置同士が回転軸周りに４５°の角度を成すように配置されている。図２に、本実施形態において用いられる磁気センサ４ａ〜４ｄの構成を示す。図２に示すように、磁気センサ４ａ〜４ｄは、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ：Giant Magneto Resistive）素子２０，２１を少なくとも有している。ＧＭＲ素子２０，２１は、同一のパッケージ内に隣り合わせで配置されている。これら一対のＧＭＲ素子２０，２１は、本実施形態における第１および第２の磁気抵抗効果素子に相当し、ＧＭＲ素子２０のピン層２０ａの磁化方向Ｂ１は回転軸Ｒの径方向と交差する（好ましくは直交する）方向に固定されており、ＧＭＲ素子２１のピン層２１ａの磁化方向Ｂ１は回転軸Ｒの径方向に沿うように（好ましくは径方向と平行に）固定されている。

続いて、磁気センサ４ａ〜４ｄの構成について更に詳細に説明する。図３は、ＧＭＲ素子の概念的な構成および作用を示す図である。図３に示すＧＭＲ素子２２は、強磁性層および反強磁性層の交換結合により磁化方向が固定されたピン層２２ａと、強磁性層からなり周囲の磁界によって磁化方向が変化するフリー層２２ｂと、ピン層２２ａおよびフリー層２２ｂに挟まれた電子誘導層２２ｃとによって構成されている。そして、ピン層２２ａの磁化方向Ｂ１とフリー層２２ｂの磁化方向Ｂ２とが互いに平行である場合に素子の電気抵抗が最小となり、ピン層２２ａの磁化方向Ｂ１とフリー層２２ｂの磁化方向Ｂ２が互いに反平行である場合に素子の電気抵抗値が最大となる。従って、ＧＭＲ素子２２の電気抵抗値を検出することにより、磁界の向きを知ることができる。例えば、図３（ａ）および（ｂ）に示すようにピン層２２ａの磁化方向Ｂ１が磁石１６から磁石１７への向きに固定されている場合を考える。図３（ａ）のようにＧＭＲ素子２２が磁石１６，１７のＮ極１６ａとＳ極１７ｂとの間に挟まれると、フリー層２２ｂの磁化方向Ｂ２は周囲の磁界に従って磁石１６のＮ極１６ａから磁石１７のＳ極１７ｂへの向きとなり、磁化方向Ｂ１と平行となって電気抵抗値が最小となる。逆に、図３（ｂ）のようにＧＭＲ素子２２が磁石１６のＳ極１６ｂと磁石１７のＮ極１７ａとの間に挟まれると、フリー層２２ｂの磁化方向Ｂ２は周囲の磁界に従って磁石１７のＮ極１７ａから磁石１６のＳ極１６ｂへの向きとなり、磁化方向Ｂ１と反平行となって電気抵抗値が最大となる。

図４（ａ）および（ｂ）は、図２に示したＧＭＲ素子２０，２１におけるピン層２０ａ，２１ａの磁化方向の設定を示す図である。また、図５は、ＧＭＲ素子２０，２１のピン層２０ａ，２１ａの磁化方向Ｂ１に対する磁化方向Ｂ２の角度に応じた出力信号値を概念的に示すグラフである。図５においては、図４（ａ）に示す状態を回転角０°としている。いま、図４（ａ）に示すように回転軸Ｒの径方向と直交する方向に沿ってピン層２０ａの磁化方向Ｂ１を設定した場合、回転角０°ではピン層２０ａの磁化方向Ｂ１が磁界の向き（Ｎ極５ａからＳ極６ｂへ）と直交しており、図５に示すようにＧＭＲ素子２０からの出力信号は中間値となる。このような場合、ＧＭＲ素子２０は、図５の中間値からグラフの四角で囲った部分、すなわち±２２．５°の範囲では、回転角度にほぼ比例する信号を出力する。

図６に、回転軸Ｒの一周をつうじて各磁気センサ４ａ〜４ｄのＧＭＲ素子２０から出力された信号のグラフを示す。図６に示すａの範囲の出力信号は、図５のグラフの四角で囲った部分における０°±２２．５°に対応する部分である。一方、図６に示すｂの範囲の出力信号は、図５のグラフの四角で囲った部分における１８０°±２２．５°に対応する部分である。図６に示すように、第１の磁界発生部２において検出された出力信号の傾きと（ａの範囲）、第２の磁界発生部３において検出された出力信号の傾き（ｂの範囲）とは傾きが逆になっている。これは、第１および第２の磁界発生部２，３の磁界の向きが逆になっているためである。これにより、磁気センサ４ａ〜４ｄのＧＭＲ素子２０は、第１および第２の磁界発生部２，３を選択的に検知することができる。

なお、図４（ｂ）に示すように回転軸Ｒの径方向と平行にピン層２１ａの磁化方向Ｂ１を設定した場合、回転角０°ではフリー層２１ｂの磁化方向Ｂ１が磁界の向き（Ｎ極５ａからＳ極６ｂへ）と逆となる。このような場合、ＧＭＲ素子２１は、図５に示すグラフの最小値を出力するが、この信号は無視される。

図７に、各磁気センサ４ａ〜４ｄから出力された信号（電圧）を合成したグラフを示す。図７の縦軸は、出力信号の電圧［Ｖ］であり、横軸は回転角［°］である。また、縦軸のＡの範囲は第１の磁界発生部２において磁気センサ４ａ〜４ｄのＧＭＲ素子２０が検出した出力信号の範囲であり、各磁気センサ４ａ〜４ｄからの出力信号と回転角との相関を直線状に合成する為に、必要に応じて出力信号にバイアスを付加している。また、Ｂの範囲は第２の磁界発生部３において磁気センサ４ａ〜４ｄのＧＭＲ素子２０が検出した出力信号の範囲であり、各磁気センサ４ａ〜４ｄからの出力信号と回転角との相関を直線状に合成する為に、出力信号を反転した上で必要に応じてバイアスを付加している。図７に示すように、例えばＡ１は第１の磁界発生部２において磁気センサ４ａから出力される信号（電圧）が適用される角度範囲であり、Ａ２は第１の磁界発生部２において磁気センサ４ｂから出力される信号が適用される角度範囲である。また、Ｂ１は第２の磁界発生部３において磁気センサ４ａから出力される信号が適用される角度範囲であり、Ｂ２は第２の磁界発生部３において磁気センサ４ｂから出力される信号が適用される角度範囲である。このように、検出された出力信号を差動増幅回路において増幅し、４５°の間隔でバイアスを印加することで、図７に示すように３６０°にわたって回転角に比例する信号を得ることができる。

次に、ＧＭＲ素子２１による第１および第２の磁界の検出について説明する。ＧＭＲ素子２１は、第１の磁界発生部２の一対の磁石５，６間を通過する場合と、第２の磁界発生部４の一対の磁石７，８間を通過する場合とでは出力信号が異なる。これは、第１の磁界発生部２磁界の方向は回転軸Ｒに対して外向きであり、第２の磁界発生部３の磁界の方向は回転軸Ｒに対して内向きであるためである。すなわち、図４（ｂ）の説明において述べたように、ＧＭＲ素子２１が第１の磁界発生部２を通過する際には、磁界とピン層２１ａの磁化方向Ｂ１とが反平行状態となるのでＧＭＲ素子２１からの出力信号は最小値となる。一方、ＧＭＲ素子２１が第２の磁界発生部３を通過する際には、磁界とピン層２１ａの磁化方向Ｂ１とが平行状態となるのでＧＭＲ素子２１からの出力信号は最大値となる。これにより、磁気センサ４ａ〜４ｄのＧＭＲ素子２１においても、第１および第２の磁界発生部２，３を選択的に検知することができる。

ここで、ＧＭＲ素子２０では、第１および第２の磁界発生部２，３の中心を通過する際の中点電位（図５のＣの部分）と、第１および第２の磁界発生部２，３以外の場所における電位とが互いに等しくなる場合がある。このとき、ＧＭＲ素子２１の出力信号は、第１および第２の磁界発生部２，３以外の場所においては殆ど出力信号が得られない。これにより、ＧＭＲ素子２１は、ＧＭＲ素子２０が第１および第２の磁界発生部２，３において検出した中点電位と、第１および第２の磁界発生部２，３以外で検出した電位とを区別することができる。

以下、回転角の検出について更に具体的に説明する。図８は、回転角度が０°の位置関係を示す図である。この場合、第１の磁界発生部２の一対の磁石５，６間に磁気センサ４ａがあり、第２の磁界発生部３の一対の磁石７，８間に磁気センサ４ｄがある。このとき、磁気センサ４ａは回転角０°を検出し、磁気センサ４ｄは回転角１３５°を検出している。この場合、第１の磁界発生部２の一対の磁石５，６間に磁気センサ４ａがあるので、磁気センサ４ａが出力する信号を採用する（図６のα点）。

また、図９は、回転角度が４５°の位置関係を示す図である。図９に示すように、第１の磁界発生部２の一対の磁石５，６間に磁気センサ４ａ，４ｂがあり、このとき磁気センサ４ａ，４ｂが回転角４５°を検出している（図６のβ点）。この場合、第２の磁界発生部３の一対の磁石７，８間に磁気センサはないので、磁気センサ４ａが出力する信号を採用する。すなわち、２つの磁気センサ４ａ，４ｂが第１の磁界発生部２の一対の磁石５，６間に存在する場合には、磁気センサ４ａ，４ｂの切り替え時であり、回転角検出装置１の信号処理回路側において判定することもできる。

図１０は、回転角度が２０２．５°の位置関係を示す図である。図１０に示すように、第２の磁界発生部３の一対の磁石７，８間に磁気センサ４ａがある。このとき、磁気センサ４ａは回転角２２．５°を検出している。この場合、第１の磁界発生部２の一対の磁石５，６間に磁気センサ４ｂ，４ｃ，４ｄが存在しないので、磁気センサ４ａが正しい角度を検出していると判断する。そして、磁気センサ４ａの検出した電圧より磁界の向きが第１の磁界発生部と異なるので、第２の磁界発生部３の磁界が磁気センサ４ａにより検出されていると判別でき、１８０°が加算されて２０２．５°であると信号回路側によって判断される。

また、図１１は、回転角度が２２５°の位置関係を示す図である。図１１に示すように、第２の磁界発生部３の一対の磁石７，８間に磁気センサ４ａ，４ｂがある。このとき、磁気センサ４ａ，４ｂが回転角４５°を検出している。そして、第１の磁界発生部２の磁界が何れの磁気センサにおいても検出されないので、第２の磁界発生部３の磁界が磁気センサ４ａ，４ｂにより検出されていると判別でき、１８０°が加算されて２２５°であると信号回路側によって判断される。

本実施形態による回転角検出方法は、以上の構成を備える回転角検出装置１を用いて好適に実施できる。すなわち、本実施形態による回転角検出方法は、回転軸Ｒの回転角を検出する方法であって、回転軸Ｒの径方向に並置されて互いに対向する一対の磁石５〜８によって第１および第２の磁界をそれぞれ発生する第１および第２の磁界発生部２，３を、回転軸Ｒ周りの一部の角度範囲にわたって回転軸Ｒの周方向に並んで配置し、回転軸Ｒの回転に応じて第１および第２の磁界発生部２，３と複数の磁気センサ４ａ〜４ｄとを相対的に回転させ、複数の磁気センサ４ａ〜４ｄを、第１および第２の磁界発生部２，３における一方の磁石５，７の回転軌跡と他方の磁石６，８の回転軌跡との間に位置するように回転軸Ｒの周方向に並置し、回転軸Ｒと交差する方向の一端と他端とが回転軸Ｒ周りに成す角度が、隣り合う磁気センサ４ａ〜４ｄ同士が回転軸Ｒ周りに成す角度よりも大きくなっている一対の磁石５〜８を、第１の磁界の方向が回転軸Ｒに対して外向き且つ第２の磁界の方向が回転軸Ｒに対して内向きになるように配置し、ＧＭＲ素子２０のピン層２０ａの磁化方向Ｂ１を回転軸Ｒの径方向と交差させ、ＧＭＲ素子２０によって第１および第２の磁界を検出することにより、回転軸Ｒの回転角を検出する。

本実施形態の回転角検出装置１および回転角検出方法においては、複数の磁気センサ４ａ〜４ｄが、第１および第２の磁界発生部２，３における一方の磁石５，７の回転軌跡と他方の磁石６，８の回転軌跡との間に位置するように、回転軸Ｒの周方向に並置される。これにより、各磁界発生部２，３が各磁気センサ４ａ〜４ｄを通過する際に回転角に比例した出力信号を各磁気センサ４ａ〜４ｄから得ることができるので、各磁気センサ４ａ〜４ｄからの出力信号を合成することによって、回転軸Ｒの一周をつうじて回転角を精度良く得ることができる。更に、第１の磁界発生部２における第１の磁界の向き（回転軸に対して外向き）が第２の磁界発生部３における第２の磁界の向きと異なっている。これにより、第１の磁界発生部２と第２の磁界発生部３とでは、磁気センサ４ａ〜４ｄの出力信号が反転しており、第１の磁界と第２の磁界とを区別して検出することができる。したがって、例えば磁気センサを含む信号処理回路への電源供給が停止し、その後再起動が行われたときに、停止時の状態が起動時まで維持されていない場合でも、第１および第２の磁界を検出している磁気センサを容易に特定できるので、別の磁気センサにおいて検出された磁界が第１、第２の磁界の何れであるかを容易に判断できる。

次に、本発明者が本実施形態の回転角検出装置１を試作し、回転軸Ｒの回転角を検出した結果について説明する。

図１２（ａ）は、図１に示した第１の磁界発生部２における、各磁気センサ４ａ〜４ｄのＧＭＲ素子２０からの出力信号（電圧）を示すグラフである。また、図１２（ａ）には理想的な計算値も示されている。図１２（ａ），図１２（ｂ）の横軸は、第１の磁界発生部２の中心の角度をγ１とした場合の±２２．５°の範囲を示している。また、図１２（ｂ）は、図１２（ａ）に示したＧＭＲ素子２０の出力信号と理想値との角度誤差［°］を示すグラフである。第１の磁界発生部２の中心の角度γ１から±２２．５°の範囲においては、実測値と計算値とに格段の差がないことが分かる。そして、角度誤差においても、理想値との差がおよそ±０.３０［°］であり、理想的な計算値とほとんど差がない。このことから、図１のように磁気センサ４ａ〜４ｄを配置し、ＧＭＲ素子２０のピン層２０ａの磁化方向Ｂ１を回転軸Ｒの径方向に対して垂直に設定することにより、磁気センサ４ａ〜４ｄからの出力信号が理想値に近づくことが見出された。

また、図１３（ａ）は、図１に示した第２の磁界発生部３における、各磁気センサ４ａ〜４ｄのＧＭＲ素子２０からの出力信号（電圧）を示すグラフである。また、図１３（ａ）には理想的な計算値も示されている。図１３（ａ），図１３（ｂ）の横軸は、第２の磁界発生部３の中心の角度をγ２とした場合の±２２．５°の範囲を示している。また、図１３（ｂ）は、図１３（ａ）に示したＧＭＲ素子２０の出力信号と理想値との角度誤差［°］を示すグラフである。第２の磁界発生部３の中心の角度γ２から±２２．５°の範囲においても、実測値と計算値とにほとんど差がないとことが分かる。そして、角度誤差においても、理想値との差がおよそ±０.２０［°］であり、検出された回転軸の回転角が理想的な計算値に近いことが分かる。このことから、図１のように磁気センサ４ａ〜４ｄを配置し、ＧＭＲ素子２０のピン層２０ａの磁化方向Ｂ１を回転軸Ｒの径方向に対して垂直に設定することにより、磁気センサ４ａ〜４ｄからの出力信号が理想値に近づくことが見出された。

図１４は、ＧＭＲ素子２０のＨ−Ｒ（磁界−電気抵抗）曲線を示す図である。この実施形態においては、ＧＭＲ素子２０のＨ−Ｒ曲線における飽和領域側のみの磁界を利用して回転軸Ｒの回転角を検出した。図１４に示すように、飽和領域は、例えばＧＭＲ素子２０が１８０°から±２２．５度（１５７．５°、２０２．５°）の時にＨ−Ｒ曲線を概ね直線で近似した場合の直線Ｌから外れる点を変曲点と規定し、変曲点よりも外側となる領域である。ＧＭＲ素子２０は、飽和領域側の磁界のみを検出対象として設定する。図１５は、ＧＭＲ素子２０の飽和領域および非飽和領域における回転角の検出値と、理想的な計算値との誤差を示すグラフである。図１５に示すように、非飽和領域において検出された回転角度の誤差は、計算値に対して±２．５０［°］の範囲内であるのに対し、飽和領域において検出された回転角度の誤差は±０．５０［°］の範囲内に収まっている。

[第２実施形態]
次に、添付図面を参照しながら本発明による回転角検出装置および回転角検出方法の第２実施形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図１６は、本発明による回転角検出装置の第２実施形態を示す図である。図１６（ａ）は回転角検出装置１０の平面図を示しており、図１６（ｂ）は図１６（ａ）に示すＸＶＩ−ＸＶＩ線に沿った側面断面図を示している。なお、図１６（ａ）において回転軸Ｒの軸方向は紙面に垂直な方向であり、図１６（ａ）は回転軸Ｒの軸方向から回転角検出装置１を見た図となっている。また、図１６（ｂ）において回転軸Ｒの軸方向は紙面の上下に延びており、図１６（ｂ）は回転軸Ｒの中心軸線を含む断面を示している。

図１６（ａ）、図１６（ｂ）に示すように、第２実施形態による回転角検出装置１０は、磁石の形状が回転軸Ｒの周方向に沿って円弧状に湾曲する形状を有する点で、第１実施形態と異なっている。

すなわち、第２実施形態による回転角検出装置１０は、第１の磁界発生部３０と、第２の磁界発生部３１と、磁気センサ４ａ〜４ｄと、支持材１５とを備えている。支持材１５は、樹脂製の円形（或いは略正方形）平板状の部材である。支持材１５の中央部分には、回転軸Ｒが、その軸方向と支持材１５の厚さ方向とが一致するように挿通されており、支持材１５と回転軸Ｒとが互いに固定されている。第１および第２の磁界発生部３０，３１は、支持材１５に固定され、回転軸Ｒと共に回転する。なお、第１および第２の磁界発生部３０，３１の相対位置は、回転軸Ｒの回転によらず一定である。

第１の磁界発生部３０は、回転軸Ｒの径方向に並置された一対の磁石（磁界形成部材）３２，３３によって構成されている。第２の磁界発生部３１は、回転軸Ｒの径方向に並置された一対の磁石３４，３５によって構成されている。第１および第２の磁界発生部３０，３１は、回転軸Ｒの周方向に並置されている。第１および第２の磁界発生部３０，３１は、回転軸Ｒが第１および第２の磁界発生部２，３の間に位置するように回転軸Ｒ周りに１８０°の間隔で配置されている。磁石３２〜３５は、フェライト磁石又はネオジム磁石である。

以上のような構成を有する回転角検出装置１０は、回転軸Ｒの周方向に沿って円弧状に湾曲する磁石３２〜３５であるので、磁気センサ４ａ〜４ｄと一対の磁石との距離が該磁石の一端から他端に亘ってほぼ等しくなり、磁気センサ４ａ〜４ｄ周辺の磁場の大きさを一定にできる。これにより、第１実施形態同様に、回転角の一周をつうじて精度良く回転角を検出することができる。

本発明による回転角検出装置および回転角検出方法は、上記した実施形態に限られるものではなく、他に様々な変形が可能である。上記実施形態では第１および第２の磁界発生部２，３を回転させる構造としたが、複数の磁気センサ４ａ〜４ｄを回転させる構造としてもよい。この場合、複数の磁気センサ４ａ〜４ｄの回転軌跡が第１および第２の磁界発生部２，３における一方の磁石５，７と他方の磁石６，８との間を通過するように複数の磁気センサ４ａ〜４ｄが配置される。

本発明による回転角検出装置の第１実施形態の構成を示す図である。（ａ）回転角検出装置の平面図を示している。（ｂ）（ａ）に示すＩ−Ｉ線に沿った側面断面図を示している。 本実施形態において用いられる磁気センサの構成を示す図である。 ＧＭＲ素子の概念的な構成および作用を示す図である。 （ａ）（ｂ）図２に示したＧＭＲ素子におけるピン層の磁化方向の設定例を示す図である。 図４（ａ）の設定に対応するＧＭＲ素子からの出力信号値を概念的に示すグラフである。 各磁気センサから出力された信号を示すグラフである。 各磁気センサから出力された信号を合成した結果を示すグラフである。 回転角０°における各磁界発生部と磁気センサとの位置関係を示す図である。 回転角４５°における各磁界発生部と磁気センサとの位置関係を示す図である。 回転角２０２．５°における各磁界発生部と磁気センサとの位置関係を示す図である。 回転角２２５°における各磁界発生部と磁気センサとの位置関係を示す図である。 （ａ）図１に示した配置における、ＧＭＲ素子からの出力信号を示すグラフである。（ｂ）（ａ）に示したＧＭＲ素子の出力信号と理想値との角度誤差を示すグラフである。 （ａ）図１に示した配置における、ＧＭＲ素子からの出力信号を示すグラフである。（ｂ）（ａ）に示したＧＭＲ素子の出力信号と理想値との角度誤差を示すグラフである。 ＧＭＲ素子のＨ−Ｒ（磁界−電気抵抗）曲線を示す図である。 ＧＭＲ素子の飽和領域および非飽和領域における回転角の検出値と、理想的な計算値との誤差を示すグラフである。 本発明による回転角検出装置の第２実施形態の構成を示す図である。（ａ）回転角検出装置の平面図を示している。（ｂ）（ａ）に示すＸＶＩ−ＸＶＩ線に沿った側面断面図を示している。

符号の説明

１…回転角検出装置、２…第１の磁界発生部、３…第２の磁界発生部、４ａ〜４ｄ…磁気センサ、５〜８…磁石、２０…ＧＭＲ素子（第１の磁気抵抗効果素子）、２１…ＧＭＲ素子（第２の磁気抵抗効果素子）、２２…ＧＭＲ素子、２０ａ〜２２ａ…ピン層、Ｒ…回転軸、Ｂ１…磁化方向。

Claims (6)

1. 回転軸の回転角を検出する回転角検出装置であって、
   前記回転軸の径方向に並置されて互いに対向する一対の磁界形成部材によって第１および第２の磁界をそれぞれ発生し、前記回転軸の周方向に並んで配置された第１および第２の磁界発生部と、
   前記回転軸周りの一部の角度範囲にわたって前記回転軸の周方向に並置された複数の磁気センサと、
   を備え、
   前記回転軸の回転に応じて、前記第１および第２の磁界発生部と前記複数の磁気センサとが相対的に回転し、
   前記複数の磁気センサは、前記第１および第２の磁界発生部における一方の前記磁界形成部材の回転軌跡と他方の前記磁界形成部材の回転軌跡との間に位置するか、或いは、前記複数の磁気センサの回転軌跡が前記第１および第２の磁界発生部における一方の前記磁界形成部材と他方の前記磁界形成部材との間を通過するように配置されており、
   前記第１の磁界の方向が前記回転軸に対して外向き且つ前記第２の磁界の方向が前記回転軸に対して内向きであり、
   前記一対の磁界形成部材のうち、前記回転軸の径方向に対し外側に位置する前記磁界発生部材の一端と前記回転軸の中心を結ぶ直線と、前記一対の磁界形成部材のうち、前記回転軸の径方向に対し外側に位置する前記磁界発生部材の他端と前記回転軸の中心を結ぶ直線とが成す角度は、隣り合う前記磁気センサ同士が前記回転軸周りに成す角度よりも大きくなっており、
   前記磁気センサは、第１の磁気抵抗効果素子を有しており、前記第１の磁気抵抗効果素子のピン層の磁化方向は前記回転軸の径方向と交差していることを特徴とする、回転角検出装置。
2. 前記複数の磁気センサは、第２の磁気抵抗効果素子を更に有しており、
   前記第２の磁気抵抗効果素子のピン層の磁化方向は前記回転軸の径方向に沿っていることを特徴とする、請求項１に記載の回転角検出装置。
3. 前記第１および第２の磁界発生部は、前記回転軸が前記第１および第２の磁界発生部の間に位置するように配置されていることを特徴とする、請求項１または２に記載の回転角検出装置。
4. 第１および第２の磁界発生部における前記一対の磁界形成部材が、前記回転軸の周方向に沿って円弧状に湾曲する形状を有することを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の回転角検出装置。
5. 第１および第２の磁界発生部における前記一対の磁界形成部材が、前記回転軸の径方向と交差する方向に沿って延伸する形状を有することを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の回転角検出装置。
6. 回転軸の回転角を検出する方法であって、
   前記回転軸の径方向に並置されて互いに対向する一対の磁界形成部材によって第１および第２の磁界をそれぞれ発生する第１および第２の磁界発生部を、前記回転軸の周方向に並んで配置し、前記回転軸の回転に応じて前記第１および第２の磁界発生部と前記複数の磁気センサとを相対的に回転させ、複数の磁気センサを、前記第１および第２の磁界発生部における一方の前記磁界形成部材の回転軌跡と他方の前記磁界形成部材の回転軌跡との間に位置するか、或いは、前記複数の磁気センサの回転軌跡が前記第１および第２の磁界発生部における一方の前記磁界形成部材と他方の前記磁界形成部材との間を通過するように前記回転軸周りの一部の角度範囲にわたって前記回転軸の周方向に並置し、
   前記一対の磁界形成部材のうち、前記回転軸の径方向に対し外側に位置する前記磁界発生部材の一端と前記回転軸の中心を結ぶ直線と、前記一対の磁界形成部材のうち、前記回転軸の径方向に対し外側に位置する前記磁界発生部材の他端と前記回転軸の中心を結ぶ直線とが成す角度が、隣り合う前記磁気センサ同士が前記回転軸周りに成す角度よりも大きくなっている一対の前記磁界形成部材を、前記第１の磁界の方向が前記回転軸に対して外向き且つ前記第２の磁界の方向が前記回転軸に対して内向きになるように配置し、
   第１の磁気抵抗効果素子のピン層の磁化方向を前記回転軸の径方向と交差させ、前記第１の磁気抵抗効果素子によって前記第１および第２の磁界を検出することにより、前記回転軸の回転角を検出することを特徴とする、回転角検出方法。

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