WO2008062778A1 - Dispositif de détection d'angle de rotation, dispositif de rotation et procédé de détection d'angle de rotation - Google Patents

Dispositif de détection d'angle de rotation, dispositif de rotation et procédé de détection d'angle de rotation Download PDF

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WO2008062778A1
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sensor
sensor device
magnet rotor
rotation angle
bridge
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Kyohei Aimuta
Osamu Shimoe
Masahiro Mita
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Hitachi Metals, Ltd.
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    • G01D5/2451—Incremental encoders

Definitions

  • Rotation angle detection device rotating machine, and rotation angle detection method
  • the present invention relates to a rotation angle detection device that detects a rotation angle of a rotation shaft or the like, a rotating machine, and a rotation angle detection method.
  • Japanese Patent Application Laid-Open No. 2003-075108 is a disk-shaped magnet that rotates in the circumferential direction of the disk, and detects the strength of a magnetic field, and calculates a value according to the rotation angle of the magnet.
  • a plurality of magnetic sensors for outputting are disclosed, and the plurality of magnetic sensors disclose a rotation angle sensor disposed near the circumference of the magnet on a plane substantially perpendicular to the rotation center line of the magnet.
  • FIG. 4 discloses a rotation angle sensor provided with a two-pole disk-shaped magnet supported by a rotation shaft and magnetic sensors A and B in the vicinity of the circumference of the magnet.
  • Magnetic sensors A and B are Hall elements, which detect the strength of the magnetic field and calculate the rotation angle.
  • the angle between the straight line passing through the center 0 of the disk-shaped magnet and the center of the magnetic sensor A and the straight line passing through the center 0 and the center of the magnetic sensor B is about 90 degrees in mechanical angle (ie 90 °).
  • magnetic sensors A and B are provided.
  • the mechanical angle is an angle of 360 degrees around the disk.
  • These magnetic sensors A and B are provided at positions offset in the rotational axis direction with respect to the magnet.
  • FIG. 6 of JP-A-2003-075108 discloses a rotation angle sensor having magnetic sensors A and B whose surface is inclined with respect to the rotation axis.
  • the output sharply decreases. There is a problem that it is difficult to detect. Furthermore, when the temperature of the environment changes, the output fluctuates greatly in response to the characteristic change of the magnet (change in the amount of magnetic flux), so it was impossible to detect a stable rotation angle.
  • Magnetic sensors A and B are not magnetic sensors that detect changes in the direction of magnetic flux. That is, when the Hall element is inclined with respect to the direction of the magnetic flux, only the magnetic flux component perpendicular to the plane of the Hall element can be detected, and the output becomes small. Because of this, each magnetic In order to increase the magnetic flux density received by the sensor to obtain the maximum output, the magnetic sensors A and B (hole elements) are offset from the rotating magnet in the rotational axis direction or inclined to the rotating axis. There is. In order to detect a change in the direction of the magnetic flux, it is necessary to correct the amplitude of the variations of the plurality of outputs by an external circuit, which complicates the configuration.
  • Japanese Patent Laid-Open No. 2003-075108 describes a method of averaging the output values of a plurality of magnetic sensors provided at one place. This method is a signal processing method of adjusting the amplitude of the output by the circuit, and a method of suppressing the distortion of the output itself is disclosed.
  • MR elements can be used as magnetic sensors.
  • An MR sensor using an MR element is a magnetic sensor that obtains a waveform output of two cycles for one cycle of an electrical angle. Therefore, the corresponding angular force is obtained when the output Vo has a predetermined value. There is a problem that 3 ⁇ 4 exist and it is impossible to determine the absolute angle
  • Japanese Patent Laid-Open No. 2000-078809 discloses, as shown in FIG. 21, a servomotor provided with a rotor 515 having permanent magnets 517 and an encoder 502 for detecting the rotational position of the aforementioned rotor.
  • the permanent magnet has two-pole anisotropy
  • the encoder 502 has a magnetic sensor 522 for detecting the magnetic field (leakage flux of the permanent magnet) of the rotor 515.
  • the magnetic sensor of the servomotor described in Japanese Patent Laid-Open No. 2000-078809 is not a spin valve.
  • Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-343206 discloses a rotation angle detection device in which each of an end surface and a peripheral surface of a detection magnet is magnetized in multiple poles as shown in FIGS. 22 (a) to 22 (c). ing. Specifically, as shown in FIG. 22 (a), a disc-shaped detection magnet 603 (disc) concentrically provided on the rotary shaft 606 is provided. On one surface of the detection magnet 603, as shown in FIG. 22 (b), for example, three pairs (six poles) of magnetic poles 603a are magnetized side by side at equal intervals concentrically. Further, as shown in FIG.
  • the detection magnet 6 A detection substrate 602 is provided in parallel with an interval of an appropriate length at 03 and rotatably with respect to the rotation shaft 606.
  • the detection substrate 602 is provided with two detection poles for detecting the magnetic pole 603b so that the phase differs by 1 ⁇ 4 ((360 deg./48)/4 at mechanical angle) with respect to the electrical angle formed by the 48 pairs of magnetic poles 603b.
  • Magnetic detection elements 602 d and 602 e are provided along the circumferential surface of the detection magnet 603.
  • Detection elements 602 a to 602 c are provided along one surface of the detection magnet 603. Hall elements or MR elements are used as the magnetic detection elements 602a to 602e.
  • Japanese Patent Laid-Open No. 2 Japanese Patent Laid-Open No. 2
  • the magnetic detection element of the rotation angle detection device described in 001-343206 is not a spin valve.
  • Japanese Utility Model Application Publication No. 62-076607 (FIG. 1), the rotation angle of a rotating magnet is obtained using a ferromagnetic magnetic sensor to which a sine wave signal SW is applied and a ferromagnetic magnetic sensor to which a cosine wave signal CW is applied.
  • a rotation angle detection device for detecting Discloses a rotation angle detection device for detecting.
  • the rotation angle detection device described in Japanese Utility Model Application Publication No. 62-076607 requires a signal generation unit for applying SW and CW to a ferromagnetic magnetic sensor, and there is a problem that the device becomes complicated and large. Also, it can be seen from the disclosed graph (FIG. 6) that a magnetic sensor is used to obtain a waveform output of two cycles for one cycle of the electrical angle.
  • This ferromagnetic magnetic sensor is an MR sensor that uses the magnetoresistive effect of ferromagnetic metals. As can be seen from the thin film pattern (FIG. 7), the MR sensor is given longitudinal shape anisotropy and used. When magnetization is rotated, smooth rotation can not be obtained because the magnetization is nonuniformly suppressed according to the angle formed by the direction of magnetization and the direction of anisotropy. Therefore, waveform distortion occurs in the output, and it is difficult to detect the rotation angle with high accuracy.
  • Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-303536 discloses a rotation angle detection sensor in which a sensor substrate is opposed to an end face of a two-pole disc-like magnet provided at an end of a rotation shaft. doing. JP 20
  • Figure 3 of 02- 303 536 discloses an arrangement in which the center of a sensor substrate having four GMR elements is on the center line (rotation axis) of the rotation axis !.
  • This GMR element is provided with a pinned magnetic layer and is specified as a spin valve type giant magnetoresistive element.
  • JP 2002-303536 In the rotation angle detection sensor, one sensor substrate is provided on the extension of the center of the rotation axis so that the centers coincide with each other, and the magnet is supported in a cantilever manner on the rotation axis. Therefore, it can not be applied to a structure (double-ended type) in which the magnet passes through the shaft. In addition, it is difficult to detect the rotation angle with high accuracy, because the rotation of the magnet is easily deviated. If you try to increase the accuracy of the center of rotation (suppressing the rotation of the magnet), the device will become larger.
  • Japanese Patent Application Laid-Open No. 2006-010346 (FIG. 4) is a magnetic detection method in which a change in magnetic flux caused by the rotation of a magnet provided on a rotating member is detected by a magnetoresistive element to measure the amount of movement of external armature Disclose the position sensor of As described in FIG. 3 of JP-A-2006-010346, the angular error of the output increases when the magnetoresistive element deviates to the center axial force of the magnet or the direction of the arrow L due to the assembling process or the processing dimensional error. Resulting in. Therefore, it is difficult to detect the rotation angle with high accuracy.
  • Japanese Patent Laid-Open Publication No. 2006-208025 (FIGS. 1 and 5) is a magnetoresistance effect element which outputs a cosine wave and a sine wave having a phase difference of 1 ⁇ 4 cycle, which is one cycle per rotation of a signal magnet.
  • a magnetic sensor comprising a bias magnet.
  • the magnetic sensor described in JP-A-2006-208025 attempts to detect an absolute angle by adding a bias magnet to the MR element.
  • the ratio of the magnetic field of the bias magnet to the magnetic field of the magnet rotor fluctuates the amplitude of the output of the magnetic sensor. That is, when the magnetic field strength of the magnet rotor is large, the output of the magnetic sensor is reversed, and the distortion of the output also becomes large.
  • the ratio B / B force of the magnetic field (B) of B exceeds .7, making it difficult to obtain a sinusoidal output.
  • the magnetoresistive element is not limited to the magnetoresistive element (MR element) using the AMR effect, but it may be a magnetoresistive element that uses the GMR effect. It is described in [0029]. However, the invention described in JP-A-2006-208025 is to obtain an output of one cycle per rotation of the signal magnet by adding a bias magnet.
  • the magnetoresistive effect element used is a device that includes a spin valve type giant magnetoresistive effect element, and is an element in which a stacked type giant magnetoresistive effect element and a sin- gle stack structure are repeated in multiple stages. Functionally the same as the MR element except that the rate of change in magnetoresistance is greater than that of the MR element. Point).
  • the stacked giant magnetoresistive element has the same problems as the MR element described in the previous paragraph by using a bias magnet.
  • JP-A-61-142782 (FIG. 1) is formed by arranging a magnetic recording medium and a pattern forming surface of a ferromagnetic magnetoresistive element disposed opposite to the magnetic recording medium so as to form a predetermined angle with each other.
  • a position detecting device is disclosed in which the angle between the surface and the longitudinal direction of the pattern is set to 1 to 45 °.
  • Japanese Patent Application Laid-Open No. 61-142782 can provide a position detection device in which the instability of the detection output is suppressed and the position shift of the output peak value is eliminated by applying a bias magnetic field in the direction of the magnetization easy axis of the MR element. Described. While, as can be seen from FIG. 2 described in JP-A-61-142782, a signal of resistance change rate is obtained in a certain angle range near the center between the NS poles! //! Because it can not be used as an absolute angle sensor.
  • JP 2007-40850 A (FIG. 5) shows components Bx and By in two axial directions parallel to the magnet surface of the magnetic flux density and orthogonal to each other at one space point above the ring magnet surface.
  • a rotation angle sensor in which a magnetosensitive portion having two magnetoelectric conversion elements to be magnetosensitive is disposed.
  • One space point where the magnetically sensitive portions are arranged is a position where the absolute values of the amplitudes of the changes of the components Bx and By due to the rotation of the magnet become equal.
  • the magnetically sensitive portion senses the biaxial components of Bx and By parallel to the surface of the magnet by the Z-axis direction component Bz of the force magnetic flux density described.
  • the sensors 12X and 12Y are respectively specified to the Hall elements. In order to make two sensors intersect three-dimensionally as shown in FIG. 5 of JP 2007-40850 A, it is necessary to form notches for fitting each other. However, when the magnetosensitive surface of the Hall element is located at one space point in one sensor, the notch is located at the one space point in the other sensor, so that a deviation occurs strictly. That is, the rotation angle sensor described in Japanese Patent Application Laid-Open No.
  • 2007-40850 does not simultaneously detect Bx, By, and Bz by one magnetosensitive surface on one substrate.
  • the sensor when the sensor is disposed inside the outer diameter of the magnet, there is a problem that the sensor strikes the magnet when the axis of rotation is deviated.
  • the Hall element Because it is a child, the output drops sharply.
  • a resolver is attached to a drive motor mounted on an IBRID car to detect the rotation angle of the rotating shaft, and control is performed by switching between the current for driving the motor and the current regenerated from the motor. Is going.
  • the resolver has a shape similar to a motor, and has a yoke wound with a coil on each of the rotating shaft side and the fixed (housing) side.
  • the positional information of the yokes on the rotating shaft side can be obtained by utilizing the fact that the yokes face each other and function in the same manner as the transformer, and the positional information is converted into a rotational angle. Since the force also includes the yoke and coil, there is a problem that the winding is complicated, large, heavy and expensive. Therefore, there is an increasing need for a sensor which is compact and lightweight and which detects an angle of rotation with high accuracy by suppressing an increase in error, but the configuration of the prior art does not achieve sufficient accuracy.
  • an object of the present invention is to provide a rotation angle detection device and a rotary machine with high detection accuracy of the rotation angle.
  • the present inventors have detected the direction of the magnetic field when the magnet rotor rotates by detecting the direction of the magnetic field with a sensor device using a spin valve type giant magnetoresistance effect element.
  • the inventors have found that the rotation angle of the magnet rotor can be measured with high accuracy, and conceived the present invention.
  • a magnet rotor having magnetic poles of four or more poles on its surface, a sensor device for detecting a magnetic flux from the magnet rotor, and a plurality of sensor devices obtained from the sensor device.
  • a rotation angle detection device comprising: an electronic circuit unit that outputs a rotation angle signal according to a rotation angle of the magnet rotor using a signal, wherein the sensor device is a rotating magnetic field generated in the vicinity of the rotating magnet.
  • a plurality of spin-valve giant magnetoresistance effect elements which output two or more phase signals different from each other (having a fixed layer and a free layer, the fixed layer magnetization direction is fixed, and the free layer magnetization direction is in the direction of the magnetic field Rotate accordingly (A magnetoresistive element), and the plurality of spin valve type giant magnetoresistive elements comprises: a first spin valve type giant magnetoresistive element having a reference magnetic sensitive direction; and the first spin valve And a second spin valve type giant magnetoresistive effect element having a magnetosensitive direction different from that of the giant magnetic magnetoresistive effect element.
  • outputting the rotation angle signal according to the rotation angle means performing processing including arctangent calculation. Specifically, it is processing of digitally performing arctangent operation.
  • the spin valve giant magnetoresistive element When the magnet rotor rotates, the spin valve giant magnetoresistive element itself does not mechanically rotate, but the magnetization direction of the free layer of the spin valve giant magnetoresistive element magnetically rotates. .
  • the period of rotation of the magnetization direction in the free layer is 1 / ⁇ (N is an integer of 2 or more) times the period of the magnet rotor, and the resolution becomes high.
  • the above-mentioned rotation angle detection device is preferably provided on a rotating machine.
  • a second rotation angle detection device comprises a magnet rotor having magnetic poles of four or more poles on its surface, a first sensor device and a second sensor device for detecting the direction of magnetic flux from the magnet rotor.
  • the first sensor device incorporates a sensor bridge X01 and a sensor bridge Y01 in which the magnetization directions of the fixed layers are orthogonal to each other, and the second sensor devices are mutually fixed layers.
  • a sensor bridge X02 and a sensor bridge Y02 whose magnetization directions are orthogonal are built in, and each of the sensor bridge X01, ⁇ 1, ⁇ 02 and ⁇ 02 is a spin valve type giant magnetoresistive effect element (having a fixed layer and a free layer, The fixed layer magnetization direction is fixed, and the free layer magnetization direction is a full bridge of a magnetic resistance element rotating in accordance with the direction of the magnetic field, and the spins of adjacent sides in the full bridge are The fixed layer magnetization directions of the valve-type giant magnetoresistance effect element are antiparallel, and by applying a voltage to each of the full bridges, the angle between the fixed layer magnetization direction and the free layer magnetization direction is made. A differential output is obtained, and an angle signal is obtained based on the differential output.
  • the four spin-valve giant magnetoresistive elements correspond to four elements (elements) constituting an electrical full bridge circuit.
  • the differential output is fully It is the difference between the two outputs obtained at the midpoint of the edge.
  • a first rotation angle signal (cosine signal) is obtained based on angle information independently detected by the sensor bridge X01 and the sensor bridge Y02, and the sensor bridge Y01 and the sensor bridge X02 are independent. It is preferable to obtain a second rotation angle signal (sine signal) delayed by 90 degrees in electrical angle from the first rotation angle signal, based on the angle information detected in the above.
  • a sine signal is a waveform in which one wavelength corresponds to an electrical angle of 360 degrees. In other words, it is a waveform that can be divided into a fundamental wave of an ideal sine wave (sin) and harmonics that cause rotation angle errors, when Fourier series expansion is performed.
  • the cosine signal is a waveform that can be divided into the fundamental wave and the harmonics of the ideal cosine wave (cos) when Fourier series expansion is performed.
  • the magnet rotor is a multi-pole magnetized magnet rotor having two or more pole pairs.
  • One pole pair corresponds to one N pole and one S pole adjacent to it.
  • it is a magnet rotor of 6 pole pair.
  • the sensor bridge has orthogonal magnetization directions in the fixed layer of the element.
  • the magnet rotor and the sensor are arranged so as to satisfy the relationship that the free layer of the spin valve type giant magnetoresistance effect element, which is an element, rotates when the magnet rotor rotates. Indicates that the device distance is set.
  • the rotation angle can be accurately determined even if the positions of the sensor devices are not 90 degrees in phase difference. It can be measured to
  • the rotation angle detection device has a first sensor device that outputs two pieces of angle information, and a second sensor device that outputs two pieces of angle information, and the output from the first sensor device is A first sinusoidal output signal having a smaller harmonic content rate than the output signals 01 and 02 from the one output signal 01 and the one output signal 02 output from the second sensor device
  • the output signals 03 and 04 have a first synthesizer, and the other output signal 03 output from the first sensor device and the other output signal 04 output from the second sensor device.
  • V lower than the harmonic content ratio, a second sinusoidal output signal (the second sinusoidal output signal is 90 ° in phase with the first sinusoidal output signal. deg.
  • the second sine wave output signal and the second sine wave output signal are input to an inverse tangent calculation device to obtain a rotation angle signal of the magnet rotor as an output. preferable.
  • Inversion means for performing the signal processing after inverting at least one of the signals output from the first sensor device or the second sensor device further has a detection accuracy of the rotation angle. It is preferable for enhancing.
  • the inversion includes the case where one is inverted and the case where three are substantially equivalent to a state in which one is inverted by inverting three.
  • the full bridge is preferred because the signal magnitude is halved! /.
  • a spin valve giant magnetoresistive effect element on only one side of the bridge as an element and using a simple electrical resistance on the other side, unnecessary components due to asymmetry (a signal that is not necessary to obtain an accurate rotation angle) Component) increases. Therefore, the four elements use a full bridge which is a spin valve type giant magnetoresistive element.
  • the sensor bridge Y01 and the sensor bridge Y02 have the same magnetic sensing direction with one direction of the rotation direction of the magnet rotor, and the angle information detected by the sensor bridge X01
  • a first rotation angle signal (cosine signal) is obtained by performing differential amplification on the angle signal obtained by inverting the angle information detected by the sensor bridge Y02, and the sensor bridge Y01 and the sensor bridge A signal processing portion for obtaining a second rotation angle signal (sine signal) delayed by 90 ° in electrical angle from the first rotation angle signal by differentially amplifying angle information detected independently at X02 Have.
  • the first rotation angle signal (cosine signal) is input to the signal processing portion having the first signal, and the differential outputs from the sensor bridges Y01 and X02 are input to the respective differential amplifiers, and then the difference is obtained.
  • the sensor bridge has a circuit configuration in which the signal of the dynamic amplifier output is input to a signal processing unit for obtaining a second rotation angle signal (sign signal) to obtain a second rotation angle signal (signal sine signal). Input differential output from Y02 to differential amplifier In this case, the sensor bridge X01, X02 and Y02 are connected in reverse polarity.
  • the input polarity of the voltage applied to the sensor bridge Y02 is inverted from the sensor bridges X01, X02 and Y02!
  • the fixed layer magnetization direction is different from the rotation direction of the magnet rotor in the direction in which the output signal increases, and the sensor bridge X01 and the sensor
  • the first rotation angle signal (cosine signal) is obtained by performing differential amplification on the angle information independently detected by the bridge Y02, and is independently detected by the sensor bridge Y01 and the sensor bridge X02. It is preferable to have a signal processing portion for differentially amplifying angle information to obtain a second rotation angle signal (sine signal) delayed by 90 degrees in electrical angle from the first rotation angle signal.
  • a first rotation angle signal (cosine signal) is obtained by differentially amplifying the angle information detected by the sensor bridge X01 and the angle signal obtained by inverting the angle information detected by the sensor bridge Y02. And differentially amplifying angle information independently detected by the sensor bridge Y01 and the sensor bridge X02, and delaying the electrical angle by 90 ° from the first rotation angle signal, Signal processing for obtaining a rotation angle signal (sine signal), and analog-to-digital conversion of the angle information detected by the four sensor bridges independently to invert the polarity of only the digital signal obtained from the Y02 signal. It is preferable to treat.
  • the differential outputs from the sensor bridges X01 and Y02 are input to respective differential amplifiers, and the summing circuit is provided to obtain the first rotation angle signal (cosine signal) from the differential amplifier outputs.
  • the first rotation angle signal (cosine signal) is input to the signal processing section to obtain the first rotation angle signal, and the differential outputs from the sensor bridges Y01 and X02 are input to the respective differential amplifiers, and then the differential amplifier outputs are obtained. It is preferable to take a circuit configuration to obtain a second rotation angle signal (sine signal) by inputting the signal to a signal processing portion having an addition circuit for obtaining a second rotation angle signal (sine signal).
  • An analog-to-digital converter that converts the first rotation angle signal (cosine signal) and the second rotation angle signal (sine signal) into digital signals, and the converted digital signals are calculated into angle signals It is preferable to have an angle signal portion.
  • the first sensor device and the second sensor device may be electrically connected to each other by the magnet rotor. This is preferred V, which is placed at a position approximately 90 ⁇ 180 n deg. Away at the corner ( ⁇ is an integer). It is preferable that the first sensor device and the second sensor device be installed at a position approximately 90 degrees away from each other at the electrical angle of the magnet rotor! .
  • an angle formed by the first sensor device and the second sensor device is preferably represented by ⁇ 90 + 180 N deg. In electrical angle.
  • Another sensor having the same configuration as the first sensor device group including the first sensor device and the second sensor device, and the sensor device used in the first sensor device group Devices and the second sensor device group having the same relative arrangement as that of the first sensor device group, wherein the first sensor device group and the second sensor device group are mutually connected
  • the electrical angle is preferably 180 n deg. (Where n is an integer), and it is preferable to install it.
  • a fifth signal is obtained by averaging four signals obtained by inputting the signals from the sensor bridges ⁇ 01, ⁇ 01, ⁇ 02 and ⁇ 02 to respective differential amplifiers, to obtain a fifth signal, and the fifth It is preferable to output a failure detection signal by comparing the difference between the signal and a preset DC voltage.
  • the absolute value of the difference is preferably about 1 ⁇ 8 or less of the amplitude value of the original four signals, in order to allow deviation occurring when the respective waveforms are distorted.
  • the third rotation angle detection device of the present invention is a rotation angle detection device including a magnet rotor having magnetic poles of two or more poles on its surface, and a sensor device for detecting the direction of the magnetic flux from the magnet rotor.
  • the sensor device whose distance between the center of the sensor device and the central axis of rotation of the magnet rotor is larger than the radius of the magnet rotor is a sensor bridge X01 and a sensor bridge Y01 in which the fixed layer magnetization directions are orthogonal to each other.
  • the sensor bridge X01 and Y01 are each a force S spin valve type giant magnetoresistance effect device (having a fixed layer and a free layer, the fixed layer magnetization direction is fixed, and the free layer magnetization direction is a magnetic field Of the sensor bridge X01 and the sensor bridge X01).
  • the fixed layer magnetization directions of the spin valve type giant magnetoresistance effect elements of the electrically adjacent sides are antiparallel, and a voltage is applied to each of the sensor bridges X01 and Y01 to form the fixed layer.
  • An output according to an angle formed by the magnetization direction and the magnetization direction of the free layer is obtained, and an angle signal is obtained based on the output.
  • the thickness t of the magnet corresponds to the dimension of the magnet in the rotation axis direction.
  • the center of the sensor device is the center of the spin valve giant magnetoresistive element or, if there are a plurality of spin bulb giant magnetoresistive elements, the center point is approximately equidistant therefrom. Since the thickness of the spin valve giant magnetoresistive element is sufficiently thinner than the magnet rotor, the center may be on the substrate forming the spin valve giant magnetoresistive element. That is, it can be said that the center of the sensor device is on the sensor surface.
  • a magnet rotor having magnetic poles of two or more poles on its surface, and a first sensor device and a second sensor device for detecting the direction of magnetic flux from the magnet rotor.
  • a rotation angle detection device wherein a distance between a center of the first sensor device and a rotation center axis of the magnet rotor is larger than a radius of the magnet rotor. The distance between the central axis of rotation of the magnet rotor and the center axis of rotation of the magnet rotor is larger than the radius of the magnet rotor, and the first sensor device incorporates a sensor bridge X01 and a sensor bridge Y01 whose magnetization directions are perpendicular to each other.
  • the second sensor device incorporates a sensor bridge X02 and a sensor bridge Y02 whose fixed layer magnetization directions are orthogonal to each other, and each of the sensor bridges X01, Y01, ⁇ 02 and ⁇ 02 is a sensor.
  • Purge circuit of a single-valve giant magnetoresistive element (having a fixed layer and a free layer, the fixed layer magnetization direction is fixed, and the free layer magnetization direction rotates according to the direction of the magnetic field)
  • the sensor bridge ⁇ 01, ⁇ ⁇ ⁇ 01, ⁇ 02 and ⁇ 02 the magnetization direction of the fixed layer of the spin valve type giant magnetoresistive element on the electrically adjacent side is antiparallel, and the sensor bridge ⁇ 01, ⁇ 01, ⁇ 02 and ⁇ ⁇ 02
  • an output according to the angle between the magnetization direction of the fixed layer and the magnetization direction of the free layer is obtained, and an angle signal is obtained based on the output. It is preferable that a voltage to each of the ridges 02
  • the plane including the fixed layer magnetization directions of the sensor bridges X01 and Y01 and the plane including the fixed layer magnetization directions of the sensor bridges ⁇ ⁇ 02 and ⁇ 02 are respectively referred to as sensor surfaces.
  • the definition of% will be described later.
  • the centers of the first sensor device and the second sensor device are separated from the plane passing through the thickness center point of the magnet rotor and perpendicular to the rotation axis in the rotation axis direction of the magnet rotor. Is preferred.
  • Two or four spin-valve giant magnetoresistive elements are used, each corresponding to two or four elements (elements) constituting an electric herb bridge circuit or a full bridge circuit.
  • a first rotation angle signal (corsine signal) is obtained based on angle information independently detected by the sensor bridge X01 and the sensor bridge ⁇ 02.
  • a second rotation angle signal delayed 90 degrees in electrical angle from the first rotation angle signal based on angle information independently detected by the sensor bridge Y01 and the sensor bridge ⁇ 02 (sign signal It is preferred to obtain
  • the magnet rotor is preferably a magnet rotor magnetized to two or more poles. Two poles correspond to one N pole and one S pole adjacent to it (also referred to as one pole pair). There are three sensor bridge forces in the sensor device, and the sensor bridge has orthogonal magnetization directions in the fixed layer of the element. In the vicinity of the magnet rotor, the distance between the magnet rotor and the sensor device is set so as to satisfy the relation that the free layer of the spin valve type giant magnetoresistive element, which is an element, rotates when the magnet rotor rotates. Indicates the set state. In particular, when two sensor devices are used, since the elements are arranged at an angle of 90 degrees in the sensor bridge in one sensor device, the positions of the sensor devices are not 90 degrees in phase difference. Also, the rotation angle can be measured accurately.
  • the full bridge circuit is preferable because the signal magnitude is halved.
  • a spin valve giant magnetoresistive element on one side of a bridge circuit as an element and using a simple electrical resistance on the other side, unnecessary components due to asymmetry Signal components that are not necessary to obtain a proper rotation angle. Therefore, we use a full bridge circuit in which the four elements are spin valve giant magnetoresistive elements.
  • the third and fourth rotation angle detecting devices an analog that converts the first rotation angle signal (cosine signal) and the second rotation angle signal (sine signal) into digital signals It is preferable to have a digital conversion unit and an angle operation unit that calculates the converted digital signal into an angle signal.
  • first sensor device and the second sensor device are disposed at positions separated by approximately 90 ⁇ 180 n deg. In electrical angle of the magnet rotor ( ⁇ is an integer). Furthermore, it is preferable that the first sensor device and the second sensor device be disposed at an electrical angle of approximately 90 degrees away from each other at an electrical angle of the magnet rotor. ! / ⁇
  • an angle formed by the first sensor device and the second sensor device is preferably represented by ⁇ 90 + 180 N deg. In electrical angle.
  • a fifth signal is obtained by averaging four signals obtained by inputting the signals from the sensor bridges ⁇ 01, ⁇ 01, ⁇ 02 and ⁇ 02 to respective differential amplifiers, and the fifth signal is obtained. It is preferable to output a failure detection signal by comparing the difference between the signal and a preset DC voltage.
  • the absolute value of the difference is preferably about 1 ⁇ 8 or less of the amplitude value of the original four signals, in order to allow deviation occurring when the respective waveforms are distorted.
  • a fifth rotation angle detection device is a rotation angle detection device including a magnet rotor having a two-pole magnet and a sensor device for detecting the direction of magnetic flux from the magnet rotor,
  • the device has a plurality of spin-valve giant magnetoresistance elements (having a fixed layer and a free layer, the fixed layer magnetization direction is fixed, and the free layer magnetization direction is rotated according to the direction of the magnetic field) And the magnetic flux is made to intersect the magnetic sensing surface so that the amplitudes of the magnetic flux density components orthogonal to each other in the magnetic sensing surface become equal in amplitude.
  • the sensor device is provided for a child.
  • the two-pole magnet may be in the form of a disk, a ring, a rectangle, etc., as long as one N pole and one S pole are magnetized. .
  • the two-pole magnet is magnetized along the direction orthogonal to the rotation axis of the magnet rotor.
  • the rotation axis corresponds to the center line of the object (rotary body or rotation axis) whose rotation angle is to be measured.
  • a seventh rotation angle detection device is a rotation angle detection device including a magnet rotor having a two-pole magnet, and a sensor device for detecting the direction of magnetic flux from the magnet rotor.
  • the sensor device comprises a plurality of spin-valve giant A magnetoresistive element having a free layer, a fixed layer magnetization direction being fixed, and a free layer magnetization direction formed of a magnetoresistive element rotating in accordance with the direction of a magnetic field;
  • a line connecting the center of thickness of the magnet rotor and the center of the magnetic sensitive surface of the sensor device is a sensor arrangement angle at an angle formed by passing through the center of thickness of the magnet rotor and perpendicular to the rotation axis.
  • ⁇ be the sensor tilt angle X when a plane passing through the thickness center point of the magnet rotor and perpendicular to the axis of rotation is the sensor tilt angle X.
  • the sensor device is provided so as to be in any of the ranges, and the sensor device incorporates a sensor bridge A01 and a sensor bridge B01 in which the fixed layer magnetization directions are orthogonal to each other, and the sensor bridges A01 and B01 are respectively The bridge circuit of the spin valve type giant magnetoresistance effect element, wherein the magnetization direction of the fixed layer of the spin valve type giant magnetoresistance effect element of the electrically adjacent side of the bridge circuit is antiparallel, and the sensor bridge By applying a voltage to each of A01 and B01, an output according to the angle between the fixed layer magnetization direction and the free layer magnetization direction is obtained, and an angle signal is obtained based on the output. I assume.
  • the rotation angle detection device having the two-pole magnet can measure an absolute angle with respect to one rotation of the magnet rotor. Therefore, it is suitable for measurement of mechanical rotation (measurement of mechanical angle).
  • the resolution of the detection angle can be multiplied by N with respect to the two poles because the number of poles is large.
  • the double-ended type magnet rotor is better than a cantilever type (a magnet rotor whose rotation axis extends on only one side). There is no shake of the rotation axis, and the rotation angle can be detected with high accuracy. Furthermore, the double-supported magnet rotor, the inner one can make the detection device smaller. (Eighth Rotation Angle Detection Device)
  • An eighth rotation angle detection device of the present invention is a rotation angle detection device including a magnet rotor having four or more magnetic poles and a sensor device for detecting the direction of magnetic flux from the magnet rotor,
  • the sensor device comprises a plurality of spin-valve giant magnetoresistance elements (having a fixed layer and a free layer, the fixed layer magnetization direction is fixed, and the free layer magnetization direction is rotated according to the direction of the magnetic field And the magnetic flux is made to intersect with the magnetic sensing surface so that the amplitudes of the magnetic flux density components orthogonal to each other in the magnetic sensing surface become equal.
  • the sensor device is provided for the magnet rotor.
  • the magnet rotor having four or more magnetic poles may be such that at least two N poles and two S poles are magnetized.
  • a magnet rotor provided with a multipole magnet in which four or more magnetic poles are magnetized on the circumferential surface along the circumferential direction, or a large number of segment magnets (two poles) arranged around a rotation axis.
  • an integrated magnet rotor is an integrated magnet rotor.
  • a ninth rotation angle detection device is a rotation angle detection device comprising a magnet rotor having four or more magnetic poles and a sensor device for detecting the direction of magnetic flux from the magnet rotor,
  • a device is provided! /, Characterized in that.
  • a tenth rotation angle detection device is a rotation angle detection device comprising: a magnet rotor having four or more magnetic poles; and a sensor device for detecting the direction of magnetic flux from the magnet rotor,
  • the sensor device comprises a plurality of spin-valve giant magnetoresistance elements (having a fixed layer and a free layer, the fixed layer magnetization direction is fixed, and the free layer magnetization direction is rotated according to the direction of the magnetic field
  • a magnetosensitive surface formed of a resistive element Let a line connecting the center of thickness of the rotor and the center of the magnetosensitive surface of the sensor device make an angle with a plane passing through the center of thickness of the magnet rotor and perpendicular to the rotation axis as a sensor arrangement angle ⁇ .
  • the sensor device is provided so as to be in any of the ranges, and the sensor device incorporates a sensor bridge A01 and a sensor bridge B01 in which the fixed layer magnetization directions are orthogonal to each other, and the sensor bridges A01 and B01 are respectively The bridge circuit of the spin valve type giant magnetoresistance effect element, wherein the magnetization direction of the fixed layer of the spin valve type giant magnetoresistance effect element of the electrically adjacent side of the bridge circuit is antiparallel, and the sensor bridge By applying a voltage to each of A01 and B01, an output according to the angle between the fixed layer magnetization direction and the free layer magnetization direction is obtained, and an angle signal is obtained based on the output. I assume.
  • the distance between the center of the magnetosensitive surface of the sensor device and the rotation axis of the magnet rotor is larger than the radius of the magnet rotor.
  • the magnetosensitive surface is relative to the rotation axis of the magnet rotor.
  • the sensor device incorporates a sensor bridge A01 and a sensor bridge B01 in which the fixed layer magnetization directions are orthogonal to each other, and the sensor bridges A01 and B01 are respectively the spin valve type giant magnetoresistive element In the bridge circuit, the fixed layer magnetization directions of the spin valve type giant magnetoresistance effect elements of the electrically adjacent sides are antiparallel to each other, and a voltage is applied to each of the sensor bridges A01 and B01. It is preferable to obtain an output according to the angle between the magnetization direction of the fixed layer and the magnetization direction of the free layer by applying a voltage, and to obtain an angle signal based on the output.
  • the distance between the center of the magnetosensitive surface of the sensor device and the rotation axis of the magnet rotor passes through the thickness center point of the magnet rotor larger than the radius of the magnet rotor and on the rotation axis. From the vertical plane, the center of the magnetosensitive surface of the sensor device is away from the rotational direction of the magnet rotor, and the sensor device has sensor bridge AO 1 and sensor bridge BO 1 whose fixed layer magnetization directions are orthogonal to each other. And the sensor bridge AO 1 and BO 1 are In each of the bridge circuits of the spin valve type giant magnetoresistive effect elements, the magnetization directions of the fixed layers of the spin valve type giant magnetoresistive elements of the electrically adjacent sides are antiparallel, respectively. By applying a voltage to each of the sensor bridges A01 and B01, an output corresponding to the angle between the magnetization direction of the fixed layer and the magnetization direction of the free layer is obtained, and an angle signal is obtained based on the output. Is preferred.
  • the distance between the center of the magnetosensitive surface of the sensor device and the rotation axis of the magnet rotor is equal to or less than the radius of the magnet rotor, and the magnetosensitive surface is relative to the rotation axis of the magnet rotor.
  • the sensor device incorporates a sensor bridge A01 and a sensor bridge B01 in which the fixed layer magnetization directions are orthogonal to each other, and the sensor bridges A01 and B01 are respectively the spin valve type giant magnetoresistive element In the bridge circuit, the fixed layer magnetization directions of the spin valve type giant magnetoresistance effect elements of the electrically adjacent sides are antiparallel to each other, and a voltage is applied to each of the sensor bridges A01 and B01. It is preferable to obtain an output according to the angle between the magnetization direction of the fixed layer and the magnetization direction of the free layer by applying a voltage, and to obtain an angle signal based on the output.
  • the distance between the center of the magnetosensitive surface of the sensor device and the rotation axis of the magnet rotor is equal to or less than the radius of the magnet rotor and greater than 0, passing through the thickness center point of the magnet rotor and
  • the center of the magnetosensitive surface of the sensor device is away from the plane perpendicular to the rotation axis in the direction of the rotation axis of the magnet rotor, and the sensor device has a sensor bridge A01 and a sensor bridge B01 in which the fixed layer magnetization directions are orthogonal to each other.
  • the sensor bridges A01 and B01 are respectively bridge circuits of the spin valve type giant magnetoresistance effect elements, and the bridge circuits are spin valve type giant magnetoresistance effect elements on electrically adjacent sides.
  • the magnetization direction of the fixed layer is antiparallel to that of the free layer magnetization by applying a voltage to each of the sensor bridges A01 and B01. Obtaining an output corresponding to the angle between rectangular direction, to obtain an angle signal based on the output favored arbitrariness.
  • the center of the magnetosensitive surface of the sensor device is a central point that is approximately equidistant from the plurality of spin valve giant magnetoresistive elements. Since the thickness of the spin valve giant magnetoresistance effect element is sufficiently thinner than that of the magnet rotor, the center is the spin valve giant magnetoresistance effect. As long as it is on the substrate on which the element is formed,.
  • each element is an element (element) of 2 or 4 elements constituting an electric herb bridge circuit or a full bridge circuit. Equivalent to. Four are preferred to get high output.
  • An analog-digital conversion unit that converts the signal (cosine signal) of sensor bridge A01 and the signal (sine signal) of sensor bridge B01 into a digital signal
  • an angle calculation unit that calculates the converted digital signal into an angle signal It is preferable to have
  • At least one or more sensor devices other than the above-described sensor devices may be disposed in the vicinity of the magnet rotor, and signals obtained from these may be synthesized and calculated to obtain a rotation angle signal.
  • a rotating machine according to the present invention is characterized by comprising any one of the above-described rotation angle detecting devices.
  • a generator and a motor are mentioned as a specific example of a rotary machine.
  • the rotation angle detection method of the present invention uses a magnet rotor having magnetic poles of four or more poles on its surface, a sensor device for detecting the direction of magnetic flux from the magnet rotor, and a plurality of signals obtained from the sensor device. And an electronic circuit unit that outputs a rotation angle signal corresponding to the rotation angle of the magnet rotor, using two or more phase signals different from a rotating magnetic field generated in the vicinity of the rotating magnet using the rotation angle detection device A process including arctangent calculation is performed using two signals that are detected from the device, combined in the electronic circuit unit, and combined, and a rotation angle signal corresponding to the rotation angle of the magnet rotor is output. It is characterized by
  • the electronic circuit unit From the rotating magnetic field generated in the vicinity of the magnet rotor, two or more different phase signals are detected by the sensor device and synthesized by the electronic circuit section, and the two circuits combined are used to perform the arc tangent operation And a rotation angle signal corresponding to the rotation angle of the magnet rotor is output.
  • the electronic circuit unit performs processing including arctangent operation. Specifically, the arctangent operation is processed digitally.
  • the rotation angle detection device of the present invention has high detection accuracy of the rotation angle, and thus is suitable for a rotating machine that needs to be miniaturized such as a drive motor mounted on a hybrid vehicle.
  • FIG. 1 (a) is a schematic front view showing an example of a rotation angle detection device of the present invention.
  • FIG. 1 (b) is a schematic side view showing an example of the rotation angle detection device of the present invention, and the lower side from the alternate long and short dash line is a partial sectional view showing the magnet rotor in cross section.
  • FIG. 2 (a) is a schematic view showing an arrangement of sensor elements in a sensor device used for the rotation angle detection device of the first embodiment.
  • FIG. 2 (b) is a schematic view showing the arrangement of sensor elements in another sensor device used in the rotation angle detection device of the first embodiment.
  • FIG. 2 (c) is a circuit diagram showing the connection between sensor elements and terminals in the sensor device of FIG. 2 (a).
  • Fig. 2 (d) is a circuit diagram showing a connection between a sensor element and a terminal in the sensor device of Fig. 2 (b).
  • FIG. 3 is a view showing an example of a circuit used for the rotation angle detection device of the first embodiment.
  • FIG. 4 is a schematic front view showing another example of a magnet rotor used in the rotation angle detection device of the present invention.
  • FIG. 5 is a schematic front view showing still another example of a magnet rotor used in the rotation angle detection device of the present invention.
  • FIG. 6 is a schematic cross-sectional view showing an example of a rotating machine of the present invention.
  • FIG. 7 (a) is a schematic cross-sectional view showing another example of the rotary machine of the present invention.
  • FIG. 7 (b) is a schematic cross-sectional view showing still another example of the rotating machine of the present invention.
  • FIG. 7 (c) is a schematic cross-sectional view showing still another example of the rotary machine of the present invention.
  • FIG. 7 (d) is a schematic cross-sectional view showing still another example of the rotary machine of the present invention.
  • FIG. 8 (a) is a schematic cross-sectional view showing still another example of the rotating machine of the present invention.
  • FIG. 8 (b) is a schematic cross-sectional view showing still another example of the rotary machine of the present invention.
  • FIG. 8 (c) is a schematic cross-sectional view showing still another example of the rotating machine of the present invention.
  • 9 (a)] A schematic view showing an arrangement of elements (elements) in a sensor device used for a rotation angle detection device of Example 2.
  • FIG. 9 (b) is a bridge circuit diagram showing a connection between an element and a terminal in which the fixed layer magnetization direction is in the X and -X directions in the sensor device of FIG. 9 (a).
  • FIG. 9 (c) is a bridge circuit diagram showing the connection between an element and a terminal in which the fixed layer magnetization direction is in the Y and -Y directions in the sensor device of FIG. 9 (a).
  • FIG 9 (d) is a schematic view showing the arrangement of elements (elements) in another sensor device used in the rotation angle detection device of the second embodiment.
  • FIG. 9 (e) This is a bridge circuit diagram showing a connection between an element and a terminal in which the pinned layer magnetization direction is in the ⁇ and ⁇ directions in the sensor device of FIG. 9 (d).
  • FIG. 9 (f) This is a bridge circuit diagram showing the connection between an element and a terminal whose fixed layer magnetization direction is in the ⁇ and - ⁇ directions in the sensor device of FIG. 9 (d).
  • FIG. 10 It is a figure which shows another example of the circuit used for the rotation angle detection apparatus of Example 2.
  • FIG. Garden 11 (a) It is a schematic cross section which shows the rotary machine of this invention as described in Example 2.
  • FIG. 10 It is a figure which shows another example of the circuit used for the rotation angle detection apparatus of Example 2.
  • FIG. Plant 11 (a) It is a schematic cross section which shows the rotary machine of this invention as described in Example 2.
  • FIG. 11 (b) A partial enlarged view showing a rotation angle detection device in a rotary machine of the present invention described in Embodiment 2.
  • FIG. 11 (b) A partial enlarged view showing a rotation angle detection device in a rotary machine of the present invention described in Embodiment 2.
  • FIG. 11 (c) Another partially enlarged view showing the rotation angle detection device in the rotary machine of the present invention described in Embodiment 2.
  • FIG. 11 (c) Another partially enlarged view showing the rotation angle detection device in the rotary machine of the present invention described in Embodiment 2.
  • FIG. 12 (a) A schematic front view showing a rotation angle detection device of an embodiment 3.
  • FIG. 12 (a) A schematic front view showing a rotation angle detection device of an embodiment 3.
  • Example 12 (b)] is a schematic side view showing the rotation angle detection device of Example 3, and the lower side of the alternate long and short dash line is a partial cross sectional view showing the magnet rotor in cross section.
  • FIG. 13 It is a schematic diagram which shows an example of the rotation angle detection apparatus of Example 3.
  • FIG. 13 It is a schematic diagram which shows an example of the rotation angle detection apparatus of Example 3.
  • FIG. 14 It is a schematic diagram which shows another example of the rotation angle detection apparatus of Example 3.
  • FIG. 14 It is a schematic diagram which shows another example of the rotation angle detection apparatus of Example 3.
  • FIG. 15 (a)] is a schematic view showing still another example of the rotation angle detection device of the embodiment 3.
  • FIG. Garden 15 (b)] It is a graph which shows the sensor output of the rotation angle detection apparatus of FIG. 15 (a).
  • FIG. 15 (d) is a graph showing detection angles and angular errors of the rotation angle detection device of FIG. 15 (a)
  • 16 (a) is a schematic view showing still another example of the rotation angle detection device of the embodiment 3.
  • FIG. Garden 16 (b)] It is a graph which shows the sensor output of the rotation angle detection apparatus of FIG. 16 (a).
  • FIG. 16 (d)] is a graph showing the detection angle and angle error of the rotation angle detector of FIG. 16 (a).
  • Garden 17] is a view showing another example of a circuit used for the rotation angle detector of Example 3.
  • 18 (a) is a schematic view showing another example of a sensor device used for the rotation angle detection device of embodiment 3.
  • FIG. 16 (d)] is a graph showing the detection angle and angle error of the rotation angle detector of FIG. 16 (a).
  • Garden 17] is a view showing another example of a circuit used for the rotation angle detector of Example 3.
  • 18 (a) is a schematic view showing another example of a sensor device used for the rotation angle detection device of embodiment 3.
  • FIG. 18 (b) is a schematic view showing still another example of a sensor device used for the rotation angle detection device of embodiment 3.
  • FIG. 18 (b) is a schematic view showing still another example of a sensor device used for the rotation angle detection device of embodiment 3.
  • FIG. 18 (c) is a schematic view showing still another example of the sensor device used for the rotation angle detection device of the embodiment 3.
  • FIG. 18 (c) is a schematic view showing still another example of the sensor device used for the rotation angle detection device of the embodiment 3.
  • FIG. 19 A diagram showing still another example of a circuit used for the rotation angle detection device of the third embodiment.
  • 20 A diagram showing still another example of a circuit used for the rotation angle detection device of the third embodiment.
  • FIG. 21 is a view showing still another example of the circuit used for the rotation angle detection device of the third embodiment.
  • Garden 22 (a) is a schematic front view showing another example of the rotation angle detection device of the third embodiment.
  • FIG. 22 (b) is a sectional view taken on line AA of FIG. 22 (a).
  • 22 (c)] is a graph showing the sensor output of the rotation angle detection device of FIG. 22 (a).
  • FIG. 22 (d)] is a graph showing a sensor output of the rotation angle detection device of FIG. 22 (a).
  • FIG. 22 (e)] is a graph showing the detection angle and angle error of the rotation angle detection device of FIG. 22 (a) garden 22 (f)] The detection angle and angle error of the rotation angle detection device of FIG. 22 (a) I will see it in an enlarged manner.
  • FIG. 24 (a) is a schematic front view showing still another example of the rotation angle detection device of the third embodiment.
  • FIG. 24 (b) is a sectional view taken on line AA of FIG. 24 (a).
  • FIG. 24 (e)] is a graph showing the detection angle and angle error of the rotation angle detection device of FIG. 24 (a) garden 24 (f)] The detection angle and angle error of the rotation angle detection device of FIG. 24 (a) I will see it in an enlarged manner.
  • FIG. 25 (a)] is a schematic view showing still another example of the rotation angle detection device of the embodiment 3.
  • FIG. 25 (b)] is a schematic view showing still another example of the rotation angle detection device of the embodiment 3.
  • Garden 26] It is a schematic diagram which shows another example of the rotation angle detection apparatus of Example 3.
  • FIG. 25 (b)] is a schematic view showing still another example of the rotation angle detection device of the embodiment 3.
  • Garden 27 (a)] is a graph showing radial distance dependency of the sensor bridge output of the present invention.
  • Garden 27 (b)] is a graph showing circumferential distance dependency of the sensor bridge output of the present invention.
  • 27 (c)] is a graph showing the radial distance dependency of the IC output.
  • FIG. 27 (e) is a graph showing the sensor bridge output characteristics of the sensor device with respect to the distance from the rotor surface of the output voltage characteristics of the sensor device and Hall IC 27 (f) to the magnetic flux density.
  • Garden 29 A diagram showing still another example of a circuit used for the rotation angle detection device of the present invention.
  • Garden 30 (a) is a schematic front view showing still another example of the rotation angle detection device of the present invention.
  • FIG. 30 (b) is a sectional view taken on line AA of FIG. 30 (a).
  • FIG. 31 (a) is a schematic front view showing another example of the rotation angle detection device of the embodiment 4.
  • FIG. 31 (a) is a schematic front view showing another example of the rotation angle detection device of the embodiment 4.
  • 31 (b) is a schematic side view showing another example of the rotation angle detection device of the fourth embodiment, and the lower side from the alternate long and short dash line is a partial cross sectional view showing the magnet rotor in cross section.
  • 32] is a diagram showing a circuit used for a rotation angle detection device of a fourth embodiment.
  • FIG. 32 (a)] is a schematic front view showing an example of a rotation angle detection device of an embodiment 5.
  • FIG. 32 (a) is a schematic front view showing an example of a rotation angle detection device of an embodiment 5.
  • Garden 33 (d)] is a graph showing the detection angle and angle error of the rotation angle detection device of FIG. 33 (a).
  • Garden 34 (a)] A schematic front view showing another example of the rotation angle detection device of the fifth embodiment. It is.
  • 34 (b)] is a schematic side view showing another example of the rotation angle detection device of the fifth embodiment.
  • 34 (c)] It is a graph which shows the sensor output of the rotation angle detection apparatus of FIG. 34 (a).
  • FIG. 34 (d) is a graph showing detection angles and angular errors of the rotation angle detector of FIG. 34 (a).
  • FIG. 35 is a graph showing the relationship between sensor inclination angle% and maximum angle error.
  • FIG. 38 (a)] is a schematic front view showing another example of the rotation angle detection device of the embodiment 7.
  • FIG. Garden 38 (b) is a schematic side view showing another example of the rotation angle detection device of the seventh embodiment.
  • Garden 38 (c)] It is a graph which shows the sensor output of the rotation angle detection apparatus of FIG. 38 (a).
  • FIG. 38 (d)] is a graph showing the detection angle and angle error of the rotation angle detection device of FIG. 38 (a)
  • FIG. 39 (a)] A schematic front view showing another example of the rotation angle detection device of the eighth embodiment It is.
  • FIG. 39 (b) is a schematic side view showing another example of the rotation angle detection device of the eighth embodiment.
  • Fig. 40 (a)] A schematic front view for explaining the positional relationship between the magnetic field of a two-pole magnet and the sensor device It is.
  • FIG. 40 (b) is a sectional view taken on line AA of FIG. 40 (a).
  • FIG. 41 (a) is a schematic front view for explaining the positional relationship between the magnetic field of the magnet rotor having four or more magnetic poles and the sensor device.
  • FIG. 41 (b) It is a sectional view taken on line AA of FIG. 41 (a).
  • 43 (a)] is a graph showing the relationship between Z-direction distance and I B I and B
  • FIG. 44 (a) is a schematic front view showing an example of the rotation angle detection device of the tenth embodiment.
  • FIG. 44 (b) is a cross-sectional view taken along the line AA of FIG. 44 (a).
  • FIG. 34 (a)] is a schematic front view showing another example of the rotation angle detection device of the embodiment 10.
  • FIG. 34 (a) is a schematic front view showing another example of the rotation angle detection device of the embodiment 10.
  • FIG. 45 (b) It is an AA sectional view of FIG. 45 (a).
  • FIG. 45 (d) is a graph showing detection angles and angular errors of the rotation angle detector of FIG. 45 (a).
  • FIG. 45 (e) is a graph showing a detection angle and an angle error of the rotation angle detection device of FIG. 45 (a) in an enlarged manner.
  • FIG. 46 (a) is a schematic front view showing the rotational angle detection device of the eleventh embodiment.
  • FIG. 46 (b) is a sectional view taken on line AA of FIG. 46 (a).
  • FIG. 47 (a) is a schematic front view showing the rotational angle detection device of the twelfth embodiment.
  • FIG. 47 (b) It is AA sectional drawing of FIG. 47 (a).
  • FIG. 48 is a schematic cross-sectional view showing still another example of the rotary machine of the present invention.
  • FIG. 49 is a schematic cross-sectional view showing still another example of the rotary machine of the present invention.
  • the angle detection principle of the rotation angle detection device of the present invention will be described for a magnet rotor having 2N poles (N is a natural number) in the rotation direction.
  • This magnet rotor can be rephrased to have a magnet of N pole pair, and has N times of axial symmetry.
  • the mechanical angle ⁇ ⁇ at a certain reference angle is expressed by equation (1) by the electrical angle ⁇ .
  • Equations (3-1) and (3-2) the fundamental wave component is not zero (ie, A is zero).
  • a magnetoresistance effect element is an element (element) that senses a magnetic field and changes its resistance value, and is usually used to one-dimensionally detect a magnetic field component in the anisotropic direction of the element (element).
  • the entire sensor system is configured by paying attention to the change in resistance when an element (element) is placed in a rotating magnetic field.
  • An element (element) that changes the resistance of cos a (a is the angle formed by the magnetization of the fixed layer and the magnetization of the free layer) with respect to the rotating magnetic field, an element that changes the resistance of ( -cos a ) with the opposite sign ( Element) or an element pair combining them.
  • ⁇ is the rate of change in resistance.
  • the direction of magnetization of the fixed layer is determined by the manufacturing process and does not change due to the movement of the external magnetic field.
  • the magnetization of the free layer is the same as the direction of the external magnetic field, the resistance change depends only on the direction of the external magnetic field, and an operation independent of the magnitude of the absolute value of the magnetic field is possible.
  • an output corresponding to the angle between the magnetic field and the magnetic sensing direction can be obtained, so that waveform output for one period per one electric angle period can be obtained.
  • the tangent angle can be used to determine the absolute angle.
  • the magnetization of the free layer rotates smoothly according to the magnetic flux applied from the magnet rotor. Therefore, it is suitable as an element (element) used in the present invention.
  • the inverse tangent calculation means tan ⁇ from the first sine wave output signal x (eg, a signal obtained from the sensor bridge AO 1) and the second sine wave output signal y (eg, a signal obtained from the sensor bridge B01). It is to find ⁇ that has a relation of y / x.
  • the optimal arrangement is determined as follows. In the coordinate system ( ⁇ , ⁇ , ⁇ ) whose origin is at the center of the magnet rotor, as shown in Fig. 9 (a) to Fig. 9 (c) at the position (X, ⁇ , ⁇ )
  • the fixed layer magnetization direction of the sensor bridge A01 was disposed parallel to the X axis, and the fixed layer magnetization direction of the sensor bridge B01 was disposed parallel to the Y axis (the tangential direction of the magnet rotation). Assuming that the angle between the XY plane and the line connecting the origin of the magnet and the center of the sensor device is the sensor arrangement angle ⁇ , X, Y, and Z when the magnet rotor rotates in the circumferential direction. Flux component in the direction B, ⁇
  • the magnetic moment is considered to approximate to m.
  • B-sm 6 L B ,, n sm 9 m (7-1) m
  • B is the amplitude of B
  • B is the amplitude of B.
  • Space flux density which is the ratio of these
  • the amplitude ratio K is expressed by equation (8).
  • each sensor bridge receives magnetic flux of the same amplitude and 90 ° different in phase. Therefore, the output of each sensor bridge becomes a sine wave or cosine wave without distortion, and an error does not occur in the angle signal after the inverse tangent calculation.
  • B is the amplitude of B
  • B is the amplitude of B
  • the spin valve type giant magnetoresistive effect element is
  • the demagnetizing factor of the magnet rotor or the sensor changes depending on the mounting position of the support.
  • the magnetic moment m can be approximated.
  • the optimum sensor placement angle ⁇ and the optimum sensor inclination eff best are the effective magnetic flux density amplitude ratio K force according to an analysis that can be approximated to the magnetic moment m.
  • the space flux density amplitude ratio K is determined from the magnetic flux density component at an arbitrary point by magnetic field analysis such as the finite element method, and the sensor device is determined such that the effective flux density amplitude ratio K force is obtained.
  • the chair is inclined by% from the XY plane, it is possible to configure the rotation angle detection device with small angle error, and the force S can be obtained.
  • a sensor bridge corresponds to four elements (spin valve type giant magnetoresistance effect elements) assembled in an electric circuit bridge. Furthermore, the one on which two sensor bridges are mounted is called a sensor device.
  • the configuration in which the magnet rotor and the sensor device face each other is called a rotation angle detection device (knit).
  • the rotation angle detection device A unit that combines multiple sensor devices so that they can be attached is called a module.
  • a first rotation angle detection device includes a magnet rotor 1 and a magnetic sensor unit 2 disposed outside the outer periphery of a magnetic rotor. And a housing 3 for fixing the magnetic sensor unit 2.
  • the magnet rotor 1 supports a ring-shaped permanent magnet la having an outer peripheral shape obtained by connecting a plurality of arcs, a soft magnetic ring lb integrally formed on the inner peripheral side of the ring-shaped permanent magnet, and the soft magnetic ring Have a nonmagnetic ring-shaped adapter lc.
  • the magnetic sensor unit 2 includes a plate-like circuit substrate 2c whose peripheral edge facing the magnet rotor 1 is concave, a pair of sensor devices 2a and 2b fixed to the surface of the circuit substrate 2c, the sensor device and A cable 2d and a connector 2e for electrically connecting the circuit substrate 2c to the control circuit, and a nonmagnetic cover 2f covering the sensor device.
  • Two stacked spin valve type giant magnetoresistive elements are mounted on the sensor devices 2a and 2b, respectively (not shown, and the rotation angle of the ring-shaped permanent magnet la is detected by the sensor devices 2a and 2b).
  • the housing 3 is provided with a U-shaped angnole 3a and a bolt 3c for fixing the circuit board 2c so that the sensor devices 2a and 2b face the magnet rotor 1 at a predetermined distance.
  • the details of the magnetic sensor unit 2 will be described later.
  • the housing 3 provided with the magnetic sensor unit 2 is fixed to the main body of the machine tool using the bolting holes 3b, and the magnet rotor 1 is fixed to the rotating shaft of the machine tool using the bolting holes Id. It was fixed so as to be coaxial (The illustration of the machine tool is omitted in Figure 1 (a) and Figure 1 (b)). As shown in FIG. 1 (a), when the rotation shaft of the machine tool was driven with the magnet rotor 1 and the magnetic sensor unit 2 facing each other, the rotation angle could be detected with high accuracy.
  • the magnet rotor 1 comprises a ring-shaped permanent magnet la formed by molding NdFeB-based magnetic powder and a binder, a soft magnetic ring lb formed by molding soft iron powder and a binder, and the soft magnetic ring. It consisted of S45C adapter lc for attaching to a shaft. Magnet rotor 1 has an outer peripheral surface Is magnetized to 12 poles (ie 6 pole pairs). A mechanical angle of 60 deg., Which corresponds to one pole pair, corresponds to an electrical angle of 360 deg.
  • the sensor device 2a and the sensor device 2b form two half bridge circuits as shown in FIG. 2 (a) and FIG. 2 (b) with four spin valve elements, respectively.
  • the terminal 23 was formed and molded with a resin-based material.
  • the sensor device 2a and the sensor device 2b are fixed to the circuit substrate 2c so as to form a mechanical angle of 15 deg. (Ie, an electrical angle of 90 deg.) Around the rotation axis of the magnet rotor 1.
  • the sensor devices 2a and 2b functioned to configure the circuit of FIG. 3 via the cable 2d with the connector 2e.
  • the housing 3 and the U-shaped angle 3a were also made of nonmagnetic SUS316.
  • the radius of the circumscribed circle (shown by a dotted line) of the magnet rotor 1 is 40 mm, and the distance r between the circumscribed circle of the magnet rotor 1 (shown by a dotted line) and the center of the sensor device is 3.5 mm.
  • the thickness t was 25 mm, and the thickness T of the housing 3 was 2 mm (a plate of 2 mm thickness was punched out and formed by drawing). Even if the distance r was increased to 10 mm, it could be used without any problem. Also, even when the thickness t of the magnet rotor 1 was 5 mm, it could be used without any problem.
  • the sensor devices 2a and 2b are formed by molding four spin-valve giant magnetoresistance effect elements 22a, 22b, 22c, 22d as sensor elements. It is internally provided, and is provided with six terminals 23 by a lead frame.
  • the magnetization direction of the fixed layer is fixed in the direction of the thick arrow shown.
  • the thick arrows in the spin valve giant magnetoresistance effect elements 22a and 22e correspond to the direction pointing to the center of the magnet rotor.
  • FIG. 2 (d) are circuit diagrams showing the relationship between the four spin valve giant magnetoresistive elements (shown as electrical resistance in the circuit diagram) of the sensor devices 2a and 2b and the terminals, respectively. is there.
  • a constant voltage Vccx is applied to the spin valve type giant magnetoresistance elements 22a and 22d connected in series, and Voutx is output from the middle point of the connection
  • a constant voltage Vccy was applied to the spin valve giant magnetoresistance effect elements 22b and 22c connected in series to output the midpoint force of the connection, etc.
  • Vouty. Gndx and Gndy correspond to ground (earth potential).
  • the sensor device 2b was similarly connected as shown in FIG. 2 (d).
  • a circuit used for the rotation angle detection device is schematically shown in FIG. 4 half bridge times The paths are connected in parallel, terminals of constant voltage are combined to Vcc, and terminals of ground are combined to Gnd.
  • the spin valve type giant magnetoresistance effect elements 22a, 22b, 22c and 22d correspond to the sensor device 2a of FIG. 2A, and the spin valve type giant magnetoresistance effect elements 22e, 22f, 22g and 22h are as shown in FIG. It corresponds to sensor device 2b of).
  • Each thick arrow represents the magnetization direction of the pinned layer of the spin valve giant magnetoresistive element.
  • a spin valve type giant magnetoresistance effect element 22h is obtained by amplifying the middle point output of the spin valve type giant magnetoresistance effect elements 22d and 22a and the middle point output of the spin valve type giant magnetoresistance effect elements 22g and 22f with a first amplifier. , 22e and the middle point output of the spin valve type giant magnetoresistance effect elements 22b and 22c were amplified by the second operational amplifier. Then, the output of the first operational amplifier and the output of the second operational amplifier were input to the AD converter, and both of the obtained outputs were input to the angle calculator to obtain the value of the detected angle as the final output. As shown in FIGS.
  • ⁇ 15 deg.
  • De 90 deg.
  • This multipolarizing reduces the ⁇ for the eyebrows, making the sensor device smaller in size and having a smaller diameter S.
  • the above-described spin valve type giant magnetoresistance effect elements each detect an angle formed by the magnetic sensing direction and the magnetic field direction at the position where the element is disposed.
  • the spin valve type giant magnetoresistance effect device having the magnetic sensing direction in the circumferential direction and the magnetic sensing direction in the radial direction disposed at a position different by 90 degrees in electrical angle with respect to it. It has a bridge configuration combining it with the spin valve type giant magnetoresistive effect element, and distortion of the output signal waveform is canceled compared to the bridge configuration where the spin valve type giant magnetoresistive effect element arranged at the same place is combined. was able to obtain an output closer to a more ideal sine wave.
  • the rotation angle accuracy of the rotation angle detection device of Example 1 was within ⁇ 5 deg. In mechanical angle.
  • the error of the maximum detection angle expressed in mechanical angle becomes smaller as the number of magnetic poles is increased in electric angle.
  • mechanical angle is expressed It becomes a 1/6 rotation angle error. For this reason, it is possible to reduce the detection error more than the force using a magnet rotor having a large number of magnetic poles.
  • the magnet rotor 11 has a ring-shaped permanent magnet 11 a having a circular outer periphery and having an inner peripheral shape in which a plurality of arcs are connected, and a yoke 1 i integrally formed on the inner peripheral side of the ring-shaped permanent magnet 11 a. And an annular soft magnetic ring l ib integrally formed on the inner periphery of the yoke li, and a nonmagnetic ring adapter 1 l c for supporting the soft magnetic ring 1 lb (bolt hole 1 Have an Id).
  • the surface magnetic flux density distribution on the outer peripheral surface of the magnet rotor 11 was brought close to an ideal sin wave by making the magnet thickness inclined for each magnetic pole and forming a convex shape or a lens shape.
  • the rotation angle detection device of the present invention is provided with a magnetic sensor (a pair of sensors arranged in proximity to each other) having a sensor bridge of a spin valve type giant magnetoresistance effect element in proximity to the magnet rotor. Even with a ring-shaped permanent magnet having such a shape, the rotation angle could be detected with high accuracy.
  • FIG. 1 Yet another magnet rotor for use in the rotation angle detection device of the present invention is shown in FIG.
  • the magnet rotor 21 has a plurality of segment magnets 21a arranged on the outer peripheral surface of an annular soft magnetic ring 21b via an adhesive and a nonmagnetic ring adapter for supporting the soft magnetic ring 21b. 21c (having a bolting hole 21d) is provided.
  • the configuration of the magnetic sensor unit 2 is the same as in FIGS. 1 (a) and 1 (b). However, the inner diameter of the housing 13 (only the-part is shown) is smaller than the shape of the housing 3 shown in FIGS. 1 (a) and 1 (b) except in the vicinity of the magnetic sensor unit 2.
  • a thin iron plate 13 b (S 45 C) was fixed to the inner circumferential surface of the housing 13. By providing the iron thin plate 13b in this manner, it is possible to prevent external magnetic disturbance and to further reduce the harmonic component of the magnetic flux from the magnet rotor.
  • FIG. 1 A rotating machine of the present invention is shown in FIG.
  • This rotating machine is a motor, and in the frame 73c, a permanent magnet rotor 71a having a shaft 71b as a central shaft and a stator 73a having a stator coil 73b fixed to the inner peripheral surface of the frame 73c are installed.
  • the shaft 71b was rotatably fixed to the frame 73c via a bearing (not shown).
  • the magnet rotor 71c is mounted on the shaft 71b, and the sensor device 72a is mounted on the frame 73c via the support 72c.
  • the rotating magnetic field of the magnet rotor 71c is detected by the sensor device 72a, and the output thereof is calculated by an arithmetic circuit 7 It processed by 2b and output the rotation angle of the magnet rotor 71c.
  • the magnetization direction of the free layer in the spin valve giant magnetoresistive element in the sensor device 72 a is magnetically rotated.
  • the electrical axis of the magnetization direction of the free layer is indicated by an alternate long and short dash line in the figure.
  • These rotating machines are modified examples of the rotating machine shown in FIG.
  • symbol was abbreviate
  • the supporting portion 72c is replaced with a supporting portion 72f in the rotating machine shown in FIG. 6, and a sensor device 72e is disposed on the end face of the supporting portion 72f.
  • the surface on which the magnetization direction of the free layer in the spin valve giant magnetoresistive element magnetically rotates is made to face the magnet rotor 71c.
  • FIG. 7A the supporting portion 72c is replaced with a supporting portion 72f in the rotating machine shown in FIG. 6, and a sensor device 72e is disposed on the end face of the supporting portion 72f.
  • the surface on which the magnetization direction of the free layer in the spin valve giant magnetoresistive element magnetically rotates is made to face the magnet rotor 71c.
  • the magnet rotor 71c is replaced by a magnet rotor 71d magnetized in multiple poles along the direction of the shaft 71b, and the magnetic field of the end face of the magnet rotor 71d is detected.
  • the sensor device 72g was placed on the support 72h via the support 72h, the output of the sensor device 72g was processed by the arithmetic circuit 72i, and the rotation angle of the magnet rotor was output.
  • the magnet rotor 71c is eliminated, and the rotor 71e having a shape in which the axial length of the permanent magnet rotor 71a is extended is provided to detect the magnetic field of the circumferential surface of the rotor 71e.
  • the sensor device 72j was disposed via the support portion 72k, the output of the sensor device 72j was processed by the arithmetic circuit 72i, and the rotation angle of the magnet rotor was output.
  • the rotary machine shown in FIG. 7 (d) has the configuration of FIG. 7 (a) in which the rotor 71a and the magnet rotor 71c are replaced by a rotor 71e shown in FIG. 7 (c).
  • FIGS. 8 (a), 8 (b) and 8 (c) Still another rotating machine of the present invention is shown in FIGS. 8 (a), 8 (b) and 8 (c).
  • This is an example in which the configuration of the rotating machine shown in FIGS. 7 (a) to 7 (d) is further modified.
  • the magnetic field applied to the sensor device is not a rotating magnetic field.
  • the rotation of the magnetization direction of the free layer of the spin valve giant magnetoresistive element is limited (tilts about the alternate long and short dash line but does not extend to one rotation). Therefore, the length and position of the support in the rotating machine shown in FIGS.
  • a rotating magnetic field component parallel to the plane perpendicular to the dot-and-dash line is applied to the sensor device, so the magnetization direction of the free layer of the spin valve giant magnetoresistive element is Also began to rotate.
  • the above embodiment shows the configuration applied to a rotating machine, the same angle detection can be performed by a position detection device in which the relative movement direction is converted from the circumference to the linear direction. When converted to the linear direction, it can be applied to position detection of a linear motor.
  • the second rotation angle detection device of the present invention is a spin valve as shown in FIGS. 9 (a) to 9 (f) as the sensor devices 2a and 2b shown in FIGS. 2 (a) to 2 (d).
  • Eight resistance effect elements are built in.
  • thick dots and arrows indicate the magnetization direction of the fixed layer in one element.
  • substrates were used in which two elements with the same fixed layer magnetization direction were formed on one substrate.
  • elements whose magnetization directions were fixed layer magnetization in the ⁇ and - ⁇ directions were connected as shown in the circuit diagram in Fig. 9 (b), and a sensor bridge X01 was configured.
  • Eight effect elements are built-in.
  • the elements with the fixed layer magnetization direction in the ⁇ , ⁇ direction are connected as shown in the circuit diagram of FIG. 9 (e), and form a sensor bridge ⁇ 02.
  • the elements whose magnetization directions are fixed in the ⁇ and ⁇ directions are connected as shown in the circuit diagram of Fig. 9 (f), and a sensor bridge ⁇ 02 was constructed.
  • the sensor bridge X01 has the fixed layer magnetization direction in the radial direction of the magnet rotor
  • the sensor bridge Y01 has the fixed layer magnetization direction in the rotational direction (circumferential direction) of the magnet rotor
  • the sensor bridge ⁇ 02 is the magnet rotor
  • the sensor bridge has a fixed layer magnetization direction in the radial direction
  • the sensor bridge ⁇ 02 The sensor device is provided in the rotation angle detection device so as to have the fixed layer magnetization direction in the rotation direction of the magnet rotor.
  • FIG. 9 (a) two spin valve giant magnetoresistance effect elements 22a, 22b, 22c and 22d are connected as shown in FIG. 9 (b) and FIG. It was connected to the terminal 23 of the book and molded integrally with resin to form the sensor device 12a.
  • the thick arrows of the spin valve type giant magnetoresistance effect elements 22a and 22d are arranged parallel to the direction pointing the center of the magnet rotor in FIGS. 1 (a) and 1 (b).
  • V ccx is applied, and Vxl and Vx2 are output from the middle point of the bridge connection.
  • Gndxl, Gndx2, Gndyl and Gndy2 are at ground (earth potential).
  • a force in which four elements each having two elements having the same fixed layer magnetization direction are formed on one substrate, or an element having eight elements formed on one substrate or one element Eight substrates on which elements are formed may be used. Elements can be cut out one by one from a wafer formed in the same direction in all fixed layer magnetization directions, arranged as shown in FIG. 9A, and wired so as to form a bridge. Using the self-pinned spin valve giant magnetoresistance effect element, we can determine the pinned layer magnetization direction of the element.
  • each sensor device incorporates two sensor bridges in which the fixed layer magnetization directions are orthogonal to each other, and the fixed layer magnetization direction of each sensor bridge is determined by the lithography method or the ultra-precise positioning accuracy.
  • the sensor devices are positioned with higher accuracy than in the case where they are mounted on a printed circuit board or the like.
  • By making the fixed layer magnetization directions orthogonal it is possible to obtain the rotation angle with high accuracy.
  • by using the same specifications for the first sensor device and the second sensor device it is possible to prevent mounting errors that occur when using sensor devices of different specifications.
  • the same specifications refer to sensor devices manufactured under the same conditions. For example, when an element is manufactured by a wafer process, a range in which manufacturing conditions are the same even if it is formed on wafers having different ports is referred to as the same specification.
  • each sensor device has two bridge circuits, and a DC voltage is applied between Vcc and Gnd to rotate the magnet. Place the sensor device in the magnetic field of the child Thus, differential outputs can be obtained between Vxl and Vx2 and between Vyl and Vy2, respectively.
  • Differential outputs from these four sensor bridges X01, Y01, X02 and Y02 are amplified by differential amplifiers (op amps 26a, 26b, 26c, 26d, 26e, 26f) as shown in FIG.
  • the first rotation angle signal output from the amplified X01 and Y02, and the second rotation angle signal output from the amplified Y01 and X02 are digitally converted by the AD conversion unit 27, and the angle calculation unit 28
  • the angle calculation is performed in step (7), and a signal (angle signal) corresponding to the electrical angle is finally output.
  • the phase difference between the first rotation angle signal and the second rotation angle signal is different by 90 degrees, and when the first rotation angle signal is regarded as a cosine signal, the second rotation angle signal is a sine. It can be regarded as a signal, and these signal power inverse tangent operations (tan ⁇ are performed to obtain an angle signal corresponding to 0 deg. To 360 deg.).
  • FIG. 11 (a) shows a rotating machine to which the rotation angle detecting device of the present invention is applied.
  • This rotating machine is a motor, and in the frame 73c, a rotor 71a of a permanent magnet having a shaft 71b as a central axis and a stator 73a with a stator coil 73b fixed on the inner peripheral surface of the frame 73c are installed.
  • the shaft 71b is rotatably fixed to the frame 73c via a bearing (not shown).
  • a magnet rotor 71c and a magnet rotor 71d are provided on the shaft 71b so as to be adjacent to the rotor 71a.
  • the sensor devices 72a and 72b were installed on the frame 73c via the support 72d.
  • the direction of the magnetic flux applied from the magnet rotor 71c is detected by the sensor devices 72a and 72b as shown in FIG. 11 (b), and the output is processed by the arithmetic circuit 72c to rotate the magnet rotor 71c. I output the corner.
  • a spin valve type giant magnetoresistance effect element 74a in which a single magnet portion 74c provided in the magnet rotor 71d (shown in FIG. 11C) is supported by a support portion 74b.
  • a Z signal obtained by detecting the sensor bridge X 01 shown in FIG. 9 (b) was derived.
  • the Z signal was used in the arithmetic circuit as a signal corresponding to the period in which the magnet rotor rotates.
  • the magnetization direction of the free layer in the spin valve giant magnetoresistive element in the sensor devices 72 a and 72 b is magnetically rotated.
  • the axis of the magnetic rotation of the magnetization direction of the free layer is indicated by an alternate long and short dash line in the figure.
  • the magnet rotor 1 which is two-pole magnetized on the outer peripheral surface, and the sensor device 12
  • the 12 shows another rotation angle detection device of the present invention provided with a fixed housing 3.
  • the point 0 corresponds to the central axis of rotation of the magnet rotor 1.
  • the two sensor devices 12a and 12b were placed 90 degrees apart from each other.
  • the rotation angle of the ring-shaped permanent magnet la in the magnet rotor 1 can be detected by the sensor devices 12a and 12b (mounted with two spin valve type giant magnetoresistive elements in which the fixed layer magnetization directions are orthogonal to each other).
  • the magnet rotor 1 includes a ring-shaped permanent magnet la, a soft magnetic ring lb integrally formed on the inner peripheral side of the ring-shaped permanent magnet, and a non-magnetic ring-shaped flexible magnetic ring supporting the soft magnetic ring. It has a tar lc.
  • the magnetic sensor unit 2 has a plate-like turn whose peripheral side faces the magnet rotor 1.
  • the configuration of the circuit board etc. of the magnetic sensor unit 2 is the same as that of the magnetic sensor unit 2.
  • the rotational angle detection devices of FIGS. 12 (a) and 12 (b) have the magnetic sensor units 2 and 2 installed.
  • the magnet rotor 1 comprises a ring-shaped permanent magnet la composed of a sintered NdFeB-based permanent magnet, a soft magnetic ring lb formed by molding soft iron powder and a binder, and the soft magnetic ring attached to a rotating shaft For the S45C made of adapter lc.
  • Each sensor device 12a, 12 The same b as the sensor devices 12a and 12b shown in FIGS. 9 (a) to 9 (f) used in Example 2 was used.
  • Each of the circuit boards 2 c was fixed to the housing 3 so that the sensor device 12 a and the sensor device 12 b make an angle of 90 degrees around the rotation center 0 of the magnet rotor 1.
  • the sensor devices 12a and 12b are connected to the connector 2e through the cables 2d and 2d, respectively.
  • the housing 3 and the U-shaped angle 3a were made of nonmagnetic SUS316.
  • the radius r of the magnet rotor 1 is 40 mm, and the center of the sensor device from the outer peripheral surface of the magnet rotor 1
  • a plate of 2 mm in thickness was punched out and formed by drawing). These dimensions indicate the dimensions of the magnet itself. Even if the distance r is increased to 10 mm, it can be used without any problem.
  • FIG. 13 schematically shows only the positional relationship between parts.
  • the sensor devices 12a and 12b were disposed around the disc-shaped magnet 11 at an angle of 90 degrees.
  • the substrate surface of the sensor device 12a was disposed at an inclination angle% with respect to a plane orthogonal to the central axis of the disk-like magnet.
  • FIG. 13 (b) is a side view of the front view shown in FIG. 13 (a) viewed from the direction orthogonal to the central axis, in which the sensor device 12b is located behind the disk-like magnet. Because it is indicated by a dotted line.
  • 13 (c) is a side view seen from a direction different from that of FIG. 13 (b) by 90 degrees.
  • the sensor device 12a is shown behind by the disk-like magnet 11 and is shown by dotted lines.
  • the arrow X01 indicates the fixed layer magnetization direction of one sensor bridge in the sensor device 12b
  • the arrow Y01 indicates the fixed layer magnetic field direction of the other sensor bridge in the sensor device 12b.
  • Arrow X02 indicates the fixed layer magnetization direction of one sensor bridge in sensor device 12a
  • arrow Y02 indicates the fixed layer magnetic field direction of the other sensor bridge in sensor device 12a.
  • the disc-shaped magnet 11 (NdFeB-based bonded magnet magnetized in two poles in the radial direction of the disc) has no through hole for passing the rotation shaft, a support member for fixing the disc-shaped magnet 11 is used.
  • a rotation angle detection device By separately providing at the end of the rotating shaft, it was used as a rotation angle detection device. In the case of Fig.13, it is easy to generate shaft shake because it does not penetrate the shaft. By providing it, it was possible to suppress the angle error due to the shaft shake. Furthermore, by inclining the sensor devices 12a and 12b by%, the error of the detection angle can be further reduced.
  • the sensor device 12a shown in FIGS. 9 (a) to 9 (c) is the same as that used in the second embodiment.
  • the fixed layer magnetization direction of the sensor bridge Y01 was set along the rotation direction of the magnet rotor.
  • the sensor bridge X01 was installed at an angle of 60 degrees with the fixed layer magnetization direction of the sensor bridge Y01 as the rotation axis.
  • the fixed layer magnetization direction of the sensor bridge Y02 was set along the rotation direction of the magnet rotor.
  • the center of the substrate surface of the sensor device was placed on a plane passing through the thickness center point of the magnet rotor and perpendicular to the rotation axis.
  • FIG. 14 schematically shows a rotation angle detection device in which only the magnet rotor 21 and the sensor devices 12a and 12b are shown.
  • the fundamental wave output from the arrow near the character of the sensor bridge X0KX01 embedded in the sensor device 12a, 12b indicates the direction parallel to the fixed layer magnetization direction in the sensor bridge X01 is as shown in the equation (10). Is expressed as cos S using an electrical angle ⁇
  • the fundamental wave outputs from the other outputs that is, Y 01, X 02 and Y 02 are expressed by equations (11-1) to (11-3) according to the electric angle ⁇ .
  • the magnetic flux density from the magnet rotor necessarily includes harmonics that are not limited only to the fundamental wave component.
  • the output signal further includes harmonics. That is, when the output of the sensor device is measured in the vicinity of the magnet rotor, when the rotation angle of the magnet rotor is taken on the horizontal axis and the output of the sensor device is taken on the vertical axis, the fixed layer magnetization direction is in the radial direction.
  • the output of the sensor bridge is trapezoidal (waveform in which the sin curve is trapezoidally distorted), and the output of the sensor bridge whose magnetization direction is oriented in the rotational direction is triangular (sin Distorted waveform). Therefore, the fundamental wave component is increased by adding the outputs of the X02 and Y02 sensor bridges, and the harmonic components are canceled and reduced. It becomes possible. Such signal processing can further reduce the error of the angle signal.
  • equation (9) the sensor device is effectively subjected to magnetic fields of equal amplitude, which are different by 90 degrees in phase.
  • the output from each sensor bridge is expressed by equation (14-1) and equation (14-2).
  • V xm ⁇ ⁇ ⁇ m- V dc ⁇ ⁇ -(14-1)
  • V Ym ⁇ 9 m- V dc ⁇ ⁇ -(14-2)
  • the present invention it is possible to accurately detect the angle of the magnet rotor by equalizing the magnetic field components detected by the two orthogonal axes of the sensor device.
  • the force with the rotating magnet as the magnetic moment m As a magnet actually used, a disk magnet having a thin flat shape in the rotation axis direction is often used. In such a case, IH ⁇ I / I Hr I becomes smaller as it becomes flatter. This ratio is expressed as a function of a number called demagnetizing factor. This ratio also depends on the distance.
  • FIG. 15 (a). is a front view
  • (a2) and (a3) are side views.
  • the second sensor device 12a was placed under the same conditions at different positions of 90 degrees in phase with respect to the first sensor device 12b.
  • the center of the magnet rotor 11 was taken as the origin, and the axis of rotation was represented by a cylindrical coordinate system with the Z axis.
  • Magnet rotor 11 has a diameter 2r of 26 mm, a thickness t of 8 mm (thickness in the direction of the rotational axis)
  • the distance r + r to the center of the screen was 23 mm.
  • the output of the sensor bridge Y01 was inverted and synthesized ( ⁇ ′).
  • the output of each sensor bridge is shown in Fig. 15 (b) to Fig. 15 (d).
  • the output of the sensor bridge X01 is a substantially trapezoidal wave
  • the output of the sensor bridge Y01 is a substantially triangular wave, as shown in FIGS. 15 (c) and 15 (d).
  • the waveform is almost a sine wave from the waveform before synthesis, and distortion of the magnet rotor and variation of the mounting position
  • Fig. 16 (c) and Fig. 16 (d) it was possible to suppress the angular error to ⁇ 3 deg.
  • angular error reduction is possible, and the magnet rotor and sensor By slightly changing the positional relationship of the vise, we confirmed that the angular error was further reduced.
  • the first method is to reverse the voltage applied to Y02 as shown in the circuit diagram of FIG. Sensor bridge Y02 only By connecting Gnd to the Vcc terminal and Vcc to the Gnd terminal, the Y02 output is inverted and input to the operational amplifier 26d
  • FIGS. 18 (a) to 18 (c) schematically show other sensor device arrangements used in the rotation angle detection device of the present invention.
  • the first sensor device 12e is attached to the surface of the circuit board 12s with printed wiring on both sides.
  • the second sensor device 123 By attaching the second sensor device 123 to the back surface of the substrate, “inversion” is achieved such that the output of the sensor bridge Y 02 and the output of the sensor bridge X 01 are in anti-phase relation.
  • the same effect as inverting by wire connection is obtained.
  • FIG. 18 (b) When using the circuit board 12t having the wiring only on one side, as shown in FIG. 18 (b) ⁇ a front view is shown in (bl) and a side view is shown in (b2) ⁇ , the circuit board 12t is used.
  • the same effect can be obtained by mounting the first sensor device 12g on the surface and mounting the sensor device 12h in the reverse direction in the through holes 12u formed by boring the substrate 12t.
  • terminals 24 can be mounted on the side so that both front and back sides can be mounted on the substrate.
  • the same effect can be obtained by configuring the provided sensor device 12i. That is, the through hole is not formed in the substrate of FIG.
  • the sensor device 12g is replaced by the sensor device 12i, and the inverted sensor device 12i is replaced with the through hole and the sensor device 12h (the above 12i and the substrate Place on the same side).
  • the circuit diagram shown in FIG. 19 is a method of applying voltage to the element to the sensor bridge X01, ⁇ 1, ⁇ 02 and ⁇ 02, and the input polarity of the differential amplifier is the same as the circuit of FIG.
  • digital inversion processing is performed only on the input signal from the Y02 output (output of the operational amplifier 26d).
  • This circuit directly performs the necessary calculations without analog inversion as in the previously described embodiment.
  • the addition process may be performed with the output as it is It is possible (the symbol of the resistance between the op amp and the AD converter is the electrical resistance for the summing process).
  • the fundamental wave component phases of the sensor bridge Y01 and the sensor bridge X02 are opposite in phase, the fundamental wave component is canceled in simple addition processing.
  • the output from the sensor bridge X02 is inverted (The connection of inputting the output of the sensor bridge X02 to the op amp 26c is reversed in positive / negative from the connection of the other sensor bridge-operational amplifier), and then from the sensor bridge Y01 It is necessary to perform output and addition processing of The output inversion from the sensor bridge X02 described above can also be performed by reversing the DC voltage application to the sensor bridge X02 as in the example shown in FIG. Such a circuit diagram is shown in FIG.
  • FIGS. 22 (a) and 22 (b) show a rotation angle detection device configured using the multipolar magnet rotor 21 and the first sensor device 12b and the second sensor device 12a.
  • Figures 22 (c) to 22 (f) show graphs showing the output etc. of the results of evaluation of rotational angle characteristics using this device.
  • the magnet rotor 21 is 12-pole magnetized, so It also produced an output of 6 cycles when it was rotated 360 degrees in mechanical angle. In this case, the mechanical angle is 60 de-.
  • the second sensor device 12a was placed under the same conditions at a position different in phase by 90 degrees in electrical angle with respect to the first sensor device 12b.
  • the output of the sensor bridge Y01 was inverted and synthesized ( ⁇ ').
  • the radial components (X01, X02) of the magnet rotor are almost trapezoidal waves, and the rotational direction components ( ⁇ 01, ⁇ 02 ') are almost triangular waves. Waveform distortion was confirmed even after waveform synthesis
  • FIG. 23 (a) shows the results of simulation of the distance dependency of the magnetic flux density of a magnet rotor magnetized in 12 poles with an inner diameter of 45 mm, an outer diameter of 50 mm and a thickness of 4 mm.
  • Figure 23 (b) is obtained from Figure 23 (a)
  • the amplitude of the magnetic flux density B in the radial direction is larger than the amplitude r ⁇ width of the magnetic flux density B in the rotational direction.
  • the results shown in FIG. 22 (c) and FIG. 22 (d) show differences in the amplitude of the magnetic flux density in the radial direction and in the rotational direction (I B
  • ⁇ I indicates experimentally.
  • the angular error was ⁇ 2 deg. In electrical angle.
  • FIGS. 22 (a) and 22 (b) the rotational angle detection device having a configuration in which the sensor devices 12a and 12b are shifted in the Z axis direction by z is shown in FIGS. 24 (a) and 24 (b). Show. Since the amplitudes of the magnetic flux density received by the sensor devices 12a and 12b are equalized, as shown in FIGS. 24 (c) and 24 (d), any of the outputs of ⁇ 01, ⁇ 02, ⁇ 01, and ⁇ 02 'is obtained. The output after waveform synthesis with less distortion was also nearly sinusoidal and nearly cosine. As a result, as shown in FIG. 24 (e) and FIG. 24 (f), the angle error was ⁇ 1 deg. Or less in electrical angle, and it was possible to measure the rotation angle with great accuracy.
  • the first sensor device and the second sensor device were installed at positions having a phase difference of 90 degrees in electrical angle.
  • the first sensor device and the second sensor device do not necessarily have to be placed at an electrical angle of 90 degrees adjacent to each other.
  • the second sensor device 12b is 90 deg. + 180 deg.
  • the fundamental wave of each sensor bridge output is expressed by the equations (16-1) to (16-4) based on the output of the sensor bridge X01.
  • the electrical angle is not limited to 90 deg. And the electrical angle 90 ⁇ 360 deg., But the relative position is 90 ⁇ 180 n. It is possible to take an arbitrary angle of deg. (n is an integer).
  • the distance between the sensor devices is thus increased, the detection accuracy of the rotation angle is restricted by the influence of the assembly accuracy when the rotation angle detection device is attached to the rotation shaft of the motor or the processing device. Sometimes. Therefore, as shown in FIG. 14, it is more preferable to reduce the distance between the sensor devices.
  • a signal of the sensor bridge built in the sensor device 12a and a signal of the sensor bridge built in the sensor device 12b are combined to form a pair of sine waves.
  • the degree to which the fluctuation of the rotation axis of the magnet rotor la affects the rotation angle signal is reduced, which is more than in the case where the sensor devices are concentrated on one side of the rotation axis. It is highly resistant to rotational axis position fluctuation (a deviation from the center of rotation is permitted to some extent, which is larger than that allowed by the motor).
  • a plurality of sensor devices used in this manner are referred to as a sensor device group.
  • FIG. 27 (a) and 27 (b) show the magnet rotor according to the distance characteristics between the sensor and the magnet rotor measured using the sensor device constituted by the spin valve type giant magnetoresistance effect element. The relationship between mechanical angle and output is shown.
  • FIG. 27 (a) shows the measurement results when the distance in the radial direction is changed
  • FIG. 27 (b) shows the measurement results when the distance in the rotational direction is changed.
  • the numbers (2 mm and 20 mm) added by thick arrows in the figure indicate the distance between the sensor and the magnet rotor.
  • FIGS. 27 (c) and 27 (d) show the distance between the sensor and the magnet rotor when a Hall IC is used instead of the sensor device using the spin valve giant magnetoresistance effect element.
  • the relationship between the mechanical angle and the output of the magnet rotor is shown according to the characteristics.
  • Figure 27 (c) shows the measurement results when the radial distance is varied
  • Figure 27 (d) shows the measurement results when the rotational distance is varied. Since Hall IC can detect only the magnetic field strength in one direction only, after measuring the data shown in Fig.
  • FIG. 27 (c) with the magnetic sensitive direction of Hall IC oriented in the radial direction of the magnet rotor, The magnetic sensing direction of the Hall IC was directed toward the rotation method (circumferential direction) of the magnet rotor, and the second measurement was performed to obtain the data shown in Fig. 27 (d).
  • the distance between the sensor and the magnet rotor is increased from 2 mm to 20 mm, the change is large when the Hall IC shown in FIGS. 27 (c) and 27 (d) is used, but FIG. 27 (a) The change in the case of using the sensor device shown in FIG. 27 (b) was relatively small.
  • FIG. 27 (e) when the distance from the rotor surface (spacing: unit mm) is taken on the horizontal axis, It shows the output voltage characteristics by sensor device and Hall IC.
  • Figure 27 (f) shows the sensor bridge output characteristics of the sensor device against the magnetic flux density.
  • An 8-pole magnetized magnet rotor with a diameter of 32 mm was used. In the case of a sensor device, an almost constant output can be obtained even if the distance from the surface of the magnet rotor to the sensor device exceeds 10 mm, while when using a hole, the output is saturated near the rotor. Distortion occurs in the output waveform.
  • the rotation angle detecting device of the present invention using this sensor bridge, the fluctuation of the output voltage and the fluctuation of the output waveform with respect to the applied magnetic field of the output waveform are small as described above. Therefore, it can be said from this measurement result that the resistance against resistance deviation of the sensor, etc. due to the characteristic fluctuation of the magnet rotor, the temperature fluctuation of the magnet rotor, etc. is strong.
  • the rotation angle detection device of the present invention can stably detect the angle signal.
  • a rotation angle detection device In order to enhance the resistance to center fluctuation of the rotation axis, it is preferable to construct a rotation angle detection device by using a plurality of device groups shown in FIG.
  • the resistance to center fluctuation means that the rotation angle is accurately detected even if the distance between the magnet rotor and the sensor device is shifted due to the center of rotation axis being shifted.
  • An example is shown in Figure 28. It has a structure in which two sensor device groups of the first sensor device group (sensor devices 12a and 12b) and the second sensor device group (sensor devices 12o and 12p) are shifted by 90 deg. In mechanical angle. .
  • FIG. 29 An embodiment in which a disconnection detection function is added to the circuit shown in FIG. 10 is shown in FIG. 29 (the part on the right side of the calculation part is not shown).
  • Two sensor devices with two sensor bridges In the rotation angle detection device provided, when the outputs from the four spin valve type giant magnetoresistance elements are arranged by sine signals, four signals of 90 degrees different in phase from one another can be obtained. The average value of these four signals is always constant between the normalized maximum and minimum values. Therefore, the output signals of the sensor bridges X01, Y01, X02 and Y02 'may be branched via resistors (electrical resistance) and averaged (using the operational amplifier 26g) to obtain a constant average signal value at all times. It is possible.
  • the average signal value becomes different from the average value Vavg in the normal state.
  • This signal Vin is compared with the average value Vavg under normal conditions by the window comparator 29, and an error signal (Error) is generated at Vout to indicate abnormality detection.
  • Error error signal
  • a rotation angle detection device configured in the same manner as in FIGS. 22 (a) and 22 (b) except that the magnet rotor is replaced with an 8-pole magnet rotor 31 and that the sensor device is inclined by%. Are shown in FIG. 30 (a) and FIG. 30 (b). The effect of suppressing the electrical angle error of the rotation angle characteristics can be obtained by the inclination angle%.
  • the magnet rotor 1 includes a ring-shaped permanent magnet la, a soft magnetic ring lb integrally formed on the inner peripheral side of the ring-shaped permanent magnet, and a non-magnetic ring-shaped pad magnet supporting the soft magnetic ring. It has a tar lc.
  • the magnetic sensor unit 2 has a plate-like turn whose peripheral side faces the magnet rotor 1.
  • the ring-shaped permanent magnet la is magnetized in two poles, and the direction of the magnetization is arranged to be orthogonal to the rotation axis of the magnet rotor.
  • the housing 3 has a U-shaped angle 3a and a bolt 3c for fixing the circuit board 2c so that the sensor device 12a faces the magnet rotor 1 at a predetermined interval. Is provided.
  • the plane of the circuit board 2c on which the sensor device is fixed is inclined with respect to the rotation axis of the magnet rotor. The details of the sensor device and the like will be described later.
  • 31 (a) and 31 (b) have a housing in which the magnetic sensor unit 2 is installed.
  • driving is performed so that the shaft of the machine tool rotates with the magnet rotor 1 and the magnetic sensor unit 2 facing each other.
  • the magnet rotor 1 has a ring-shaped permanent magnet la made of NdFeB-based bonded magnet, a soft magnetic ring lb formed by molding soft iron powder and a binder, and the soft magnetic ring attached to a shaft (rotational shaft) For the S45C made of adapter lc.
  • a full bridge circuit is formed by eight spin-valve giant magnetoresistance effect elements, and ten terminals 23 are formed using a nonmagnetic lead frame, and a resin is formed. The one molded with the base material was used.
  • the sensor device 12a fixes the circuit board 2c to the housing 3 and configures and functions the circuit of FIG. 32 through the cable 2dl connected to the connector 2e.
  • the housing 3 and the U-shaped angle 3a were made of nonmagnetic SUS316. The shape of the U-shaped angle depends on the press shape.
  • the radius r of the magnet rotor 1 is 40 mm.
  • the distance r to the center of the magnet is 3.5 mm, the magnet thickness t of the magnet rotor 1 is 25 mm, the housing 3
  • the thickness T was 2 mm (a plate of 2 mm thickness was punched out and formed by drawing). Distance r 10 m
  • the thickness t of the magnet rotor 1 It could be used without any problem in the case of 5 mm as well.
  • the sensor device 12a used was the same as that used in Example 2.
  • the spin-valve giant magnetoresistance effect elements shown in FIG. 9 (a), which are not shown, are formed on the nonmagnetic substrate by an underlayer (Cr) / fixed layer (Co / Ru / Co) / Cu layer / free layer (Co / MFe) / cap layer (Ta) / laminated in this order, patterned, provided with an electrode film for current conduction, and provided with an insulation coating.
  • one sensor device has two bridge circuits, and a DC voltage is applied between Vcc and Gnd, By placing the sensor device in the magnetic field of the magnet rotor, differential outputs can be obtained between Vxl and Vx2 and between Vyl and Vy2, respectively.
  • the differential outputs outputted from the sensor bridges A01 and B01 are amplified by the differential amplifiers (op amps 26a and 26b) shown in FIG. 32, and are digitally converted by the AD converter 27.
  • the digital signal is angle-computed in the angle computing unit 28 and finally a signal (angle signal) corresponding to the electrical angle is output.
  • the phase difference between the output signal of sensor bridge A01 and the output signal of sensor bridge B01 is 90 degrees, and when the output signal of A01 is regarded as a cosine signal, the output signal of B01 may be regarded as a sine signal. It is possible to obtain an angle signal indicating the rotation angle (absolute angle) of the magnet rotor corresponding to 0 deg. To 360 deg. By performing arctangent operation (arctan) from these signals.
  • the effective magnetic flux density amplitude ratio K between ⁇ and B is 1.0. At this time, the outputs of the sensor bridges ⁇ , ⁇ in the sensor device become sine waves, and no angular error occurs even if the arc tangent operation is performed.
  • FIGS. 34 (a) and 34 (b) show a rotation angle detection device in which the sensor device 12b is disposed on the outer periphery of the magnet rotor 11 magnetized in two poles.
  • the sensor device 12b is disposed on the outer periphery of the magnet rotor 11 magnetized in two poles.
  • Disc-shaped permanent magnet 11 has a diameter 2 r of 26 mm, a thickness t of 8 mm (thickness in the direction of the rotation axis), from the Z axis to the center of the sensor device 12 b The distance r + r was 23 mm.
  • Example 5 shows an example of the sensor arrangement angle ⁇ force deg.
  • the present invention is not limited to this point.
  • Fig. 36 (a) shows the spatial magnetic flux density amplitude ratio and the optimum sensor tilt angle X at each sensor arrangement angle ⁇ .
  • the optimum% force at the same ⁇ is at the ⁇ plane
  • the inclination of the magnetic sensitive surface of the sensor bridge can be both positive and negative.
  • the value of 1 and 2 can be obtained for any ⁇ , but not less than 1 and the effective flux density can not be reduced.
  • the line XX (line connecting two X marks) does not correspond to the embodiment of the present invention, and the area of Point 6 in FIGS. 36 (b), 36 (c) and 37 described later. It becomes the range excluded from.
  • the sensor device can not be placed in a double-ended type in the area overlapping the rotation axis that penetrates the magnet rotor.
  • FIG. 36 (a) shows the relationship between the sensor arrangement angle ⁇ and the optimum sensor inclination angle ⁇ .
  • Angle error 1 deg.
  • the range of the sensor arrangement angle ⁇ and the sensor inclination angle% that fall within the range is shown by the dark area in Fig. 36 (b).
  • an allowable range of at least 2 to 5 deg. Can be obtained at each point of the sensor inclination angle%.
  • the sensor arrangement The angle ⁇ has an acceptable range of at least about 1 to 3 deg.
  • the range of the sensor arrangement angle ⁇ and the optimum sensor tilt angle X that fall within the angle error 2 ° is shown by the dark areas in Fig. 36 (c). The tolerance range further expanded in a band.
  • the rotation angle characteristics of this rotation angle detection device are shown in FIGS. 38 (c) and 38 (d).
  • the distance (r + r) projected on the XY plane to the center of the disk-like permanent magnet 11 and the center of the sensor device 12b (center of the magnetosensitive surface) was also 23 mm.
  • the disc magnet 11 was supported by a shaft l id.
  • the optimum sensor placement angle ⁇ force, etc. are deviated by 2 deg. Or more, so a slight angular error occurs.
  • the rotation angle could be detected with high accuracy by applying this rotation angle detection device to the motor.
  • Figures 39 (a) and 39 (b) show a rotation angle detection device in which a sensor device 12b is provided in the vicinity of the end face of a cylindrical permanent magnet lib magnetized in two poles.
  • a cylindrical coordinate system was used with the center of the cylindrical permanent magnet l ib as the origin and the rotation axis as the Z axis.
  • a magnet rotor equivalent to the shaft l id shown in Fig. 38 (a) was provided on the end face of the circular columnar permanent magnet l ib. This rotation angle detection device was applied to a motor, and the rotation angle was detected with high accuracy by force S.
  • FIG. 40 (a) and FIG. 40 (b) The positional relationship between the magnetic flux of the two-pole magnet and the sensor device in the present invention is shown in FIG. 40 (a) and FIG. 40 (b).
  • FIG. 40 (a) magnetic lines of force generated from the magnetic pole surface of the two-pole disc-shaped magnet 11 of the magnet rotor are represented by curved arrows.
  • the magnetization direction of the magnet is the X axis direction, and
  • the center of the magnetosensitive surface of the vice is on the X axis r away from the magnet surface.
  • Chair 32d is receiving bribes.
  • ⁇ corresponds to the rotation angle of the magnet rotor.
  • the Z axis is an axis passing through the center 0 of the central disk-like magnet 11 and orthogonal to the rotation plane of the magnet, and corresponds to the rotation axis of the magnet rotor.
  • Fig. 40 (b) shows the arrangement of three sensor devices.
  • the sensor device 32d ' is located at the sensor arrangement angle ⁇ ' and is inclined X 'with respect to the XY plane.
  • the center of the sensor device 32 d ′ is h ′ away from the plane passing through the thickness center point of the disc-like magnet 11 and perpendicular to the rotation axis in the Z-axis direction.
  • the direction of the magnetic flux is inclined ⁇ ′ from the X axis.
  • the thickness t of the magnet is the dimension in the Z-axis direction.
  • the thickness center point of the magnet is a point where the center of the magnet in the X-Y cross section intersects with the center of the Z-axis cross section and corresponds to the origin of the XYZ axes.
  • disk-shaped magnet 11 is replaced by a cylindrical magnet with a large thickness t, a ring-shaped magnet with a through hole formed at the center, or a rectangular plate-shaped magnet, the above-mentioned angle etc.
  • the definition of is valid as well.
  • FIGS. 41 (a) and 41 (b) The positional relationship between the magnetic flux of the magnet rotor (four or more poles) and the sensor device in the present invention is shown in FIGS. 41 (a) and 41 (b).
  • FIG. 41 (a) the direction of magnetization in each magnetic pole of the ring-shaped permanent magnet 31 of the magnet rotor is represented by a large thick arrow, and the magnetic flux generated from the surface of the magnetic pole is represented by a large curved arrow.
  • the sensor device 32f receives magnetic flux in the direction of the X axis.
  • ⁇ corresponds to one wavelength (360 ° in electrical angle) of the sine signal when the surface magnetic flux density distribution is measured, and corresponds to the circumferential length of the magnetic pole surface of the ring-shaped permanent magnet 31.
  • r is a ring permanent magnet
  • the sensor device 32f receives a magnetic flux in the direction of the Y-axis.
  • the Z axis is an axis passing through the center 0 of the hole of the ring-shaped permanent magnet 31 and orthogonal to the rotation plane of the magnet, which corresponds to the rotation axis of the magnet rotor.
  • ⁇ is a mechanical angle that represents mechanical rotation of the magnet rotor.
  • FIG. 41 (b) shows the arrangement of two sensor devices 32f and sensor devices 32f.
  • Sensor tilt angle The sensor arrangement angle ⁇ ′, the sensor tilt angles ′, h ′ and ⁇ ′ are the same as in FIG. 40 (b).
  • the thickness center point of the magnet is the point where the center of the ⁇ - ⁇ cross section of the magnet intersects with the center of the ⁇ axis cross section and corresponds to the origin of the ⁇ axis. In the hole of this ring magnet, it is possible to fix the shaft as the rotation axis force S.
  • Magnetic flux density B and B when using a magnet rotor magnetized in 12 poles and having a shape with an inner diameter of 45 mm, an outer diameter of 50 mm, and a dimension of 4 mm in the rotational axis direction
  • FIG. 42 (a) The dependence of the distance between the 0 0 magnet and the sensor device is shown in FIG. 42 (a).
  • Space magnetic flux density amplitude ratio K determined from FIG. 42 (a) and preferred sensor inclination angle% of the sensor device for which the force was also calculated are shown in FIG. 42 (a).
  • the component force is that the effective magnetic flux density amplitude ratio K can be set to 1 if the sensor inclination angle is about 45 60 deg.
  • FIGS. 44 (a) and 44 (b) Still another rotation angle detection device configured using the multipolar magnet rotor 21 and one sensor device 12b is shown in FIGS. 44 (a) and 44 (b).
  • FIGS. 46 (a) and 46 (b) Another rotation angle detection device configured by using the multipole magnet rotor 21 and one sensor device 12b is shown in FIGS. 46 (a) and 46 (b).
  • FIG. 46 (b) is a cross-sectional view taken along the line AA of FIG. 46 (a).
  • a ring-shaped soft magnetic yoke is provided on the inner circumferential surface side of the magnet rotor 21 as shown in FIG. 33 (a), and it is fixed by a shaft fixed to the through hole, but illustration is omitted.
  • This rotation angle detector was applied to a motor, and the rotation angle could be detected with high accuracy.
  • Example 12 show still another rotation angle detection device configured using the multipole magnet rotor 21 and one sensor device 12b.
  • This rotation angle detection device can be applied to a motor to detect the rotation angle with high accuracy.
  • Table 1 exemplifies the optimum combination of the number and shape of the magnet rotor pole, the distance from the magnet surface to the sensor device, the inclination angle X, the axis shift amount z, and the arrangement angle ⁇ calculated from z. .
  • These configurations are combinations that minimize the angular error. From these arrangements, even if the value of the inclination angle X was changed by ⁇ 3 deg., The angle error maintained high accuracy of 1 deg. Or less. In addition, even if the value of the placement angle ⁇ was changed by ⁇ 3 deg., The angular error maintained high accuracy of 1 deg. Or less.
  • FIG. 1 A rotating machine to which the rotation angle detecting device of the present invention is applied is schematically shown in FIG.
  • the sensor device 72a is disposed offset in the Z-axis direction.
  • This rotating machine is a motor, and it is in the frame 73c.
  • the rotor 71a of a permanent magnet of 12 poles having a shaft 71b as a central axis, and a stator 73a with a stator coil 73b fixed on the inner peripheral surface of a frame 73c are installed.
  • the shaft 71b is rotatably fixed to the frame 73c via a bearing (not shown).
  • a magnet rotor 71c is provided coaxially with the shaft 71b so as to be adjacent to the rotor 71a.
  • the sensor device 72a was placed on the frame 73c via the support 72d.
  • the direction of the magnetic flux applied from the magnet rotor 71c was detected by the sensor device 72a, the output thereof was processed by an arithmetic circuit 72c, and the rotation angle of the magnet rotor 71c was output.

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Description

明 細 書
回転角度検出装置、回転機、及び回転角度検出法
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、回転機、及び回 転角度検出法に関する。
背景技術
[0002] 特開 2003-075108号は、円板状に形成され、前記円板の円周方向に回転する磁石 と、磁界の強さを検知して、前記磁石の回転角度に応じた値を出力する複数個の磁 気センサとを備え、前記複数個の磁気センサは前記磁石の回転中心線とほぼ直角 な面上で前記磁石の円周付近に配置されている回転角度センサを開示しており、図 4は回転軸に支持された 2極の円板状の磁石と、前記磁石の円周付近に磁気センサ A及び Bを設けた回転角度センサを開示している。磁気センサ A及び Bはホール素子 であり、磁場の強さを検出して、回転角度を算出する。円板状の磁石の中心 0と磁気 センサ Aの中心とを通る直線、及び中心 0と磁気センサ Bの中心とを通る直線がなす 角度が機械角で約 90 deg. (即ち 90° )になるように磁気センサ A及び Bが設けられてい る。ここで、機械角とは円板の周囲を 1周する角度を 360 deg.とするものである。これら の磁気センサ A及び Bは前記磁石に対して回転軸方向にずらした位置に設けられて いる。また特開 2003-075108号の図 6は、面を回転軸に対して傾けた磁気センサ A及 び Bを有する回転角度センサを開示している。
[0003] しかしながら、ホール素子は回転磁石との間隔 (磁石表面から素子までの距離:ス ぺーシング)が変動すると出力が急激に低下するので、スペーシングずれに弱ぐ高 い精度で回転角度を検出することは難しいという問題がある。さらに環境の温度が変 化すると、磁石の特性変化 (磁束量の変化)に対応して出力が大きく変動してしまうた め、安定した回転角度を検出することができな力 た。
[0004] 磁気センサ A及び B (ホール素子)は磁束の向きの変化を検知する磁気センサでは ない。すなわち、磁束の向きに対してホール素子が傾いている場合、ホール素子の 面に垂直な磁束成分しか検知できず、出力は小さくなる。このため、それぞれの磁気 センサで受ける磁束密度を大きくして最大出力を得るために、磁気センサ A及び B (ホ ール素子)を回転磁石に対して回転軸方向にずらした構成や回転軸に対して傾けた 構成としている。磁束の向きの変化を検知するためには、複数の出力のばらつきを外 部回路で振幅補正する必要があり、構成が複雑になる。
[0005] より精度の高い出力値を得るために、特開 2003-075108号は、 1箇所設けた複数の 磁気センサの出力値を平均する方法を記載している。この方法は、回路によって出 力の振幅を調整する信号処理方法であり、出力の歪み自体を抑制する方法は開示 されて!/、な!/、。またホール素子の他に MR素子を磁気センサとして使用することができ ると記載している。 MR素子 (いわゆる AMR素子)を用いた MRセンサは、電気角の 1周 期に対して 2周期分の波形出力を得る磁気センサとなるため、出力 Voが所定の値の ときに対応する角度力 ¾つ存在し、絶対角度を求めることができないという問題がある
[0006] 特開 2000-078809号は、図 21に示すように、永久磁石 517を有するロータ 515と、前 記ロータの回転位置を検出するエンコーダ 502を備えるサーボモータが開示されてい る。前記永久磁石は 2極の異方性を有し、前記エンコーダ 502は前記ロータ 515の磁 界 (永久磁石の漏れ磁束)を検出する磁気センサ 522を有する。磁気センサ 522を周方 向に機械角で 90 deg.の間隔で 4個配置し、互いに 180 deg.の位置で対向する磁気セ ンサ 522間の信号の差動をとることにより、ロータの回転が偏心している場合でもその 偏心量は相殺され、検出精度の高い絶対位置信号が得られると記載している。しか しながら、特開 2000-078809号に記載のサーボモータの磁気センサはスピンバルブ ではない。
[0007] 特開 2001-343206号は、図 22(a)〜図 22(c)に示すように、検出マグネットの端面と周 面のそれぞれを多極に着磁した回転角度検出装置を開示している。具体的には、図 22(a)に示すように、回転軸 606に同心円状に垂設された円板状の検出マグネット 603( 円板)を備えている。検出マグネット 603の一方の表面には、図 22(b)に示すように、同 心円状に等間隔に例えば 3対 (6極)の磁極 603aが着磁並設されている。また、検出マ グネット 603の周面には、図 22(a)に示すように、等間隔に例えば 48対 (96極)の磁極 60 3bが着磁並設されている。検出マグネット 603の一方の表面側には、検出マグネット 6 03に適長間隔を有して平行に、回転軸 606に対して回動自在に、検出基板 602が設 けられている。検出基板 602には、 48対の磁極 603bがなす電気角について位相が 1/ 4(機械角では (360 deg./48)/4)異なるように、磁極 603bをそれぞれ検出するための 2 個の磁気検出素子 602d及び 602eが、検出マグネット 603の周面に沿って設けられて いる。検出基板 602には、 3対の磁極 603aがなす電気角について位相が 1/3(機械角 では (360 deg./3)/3)異なるように、磁極 603aを検出するための 3個の磁気検出素子 60 2a〜602cが、検出マグネット 603の一方の表面に沿って設けられている。前記磁気検 出素子 602a〜602eとしては、ホール素子又は MR素子を用いる。しかしながら、特開 2
001- 343206号に記載の回転角度検出装置の磁気検出素子はスピンバルブではな い。
[0008] 実開昭 62-076607号 (第 1図）は、正弦波信号 SWを印加した強磁性体磁気センサと 余弦波信号 CWを印加した強磁性体磁気センサを用いて回転マグネットの回転角度 を検出しょうとする回転角度検出装置を開示している。実開昭 62-076607号に記載の 回転角度検出装置は、強磁性体磁気センサに SWと CWを印加するための信号発生 部を必要とし、装置が複雑で大型になるという問題がある。また、開示されたグラフ (第 6図)から、電気角の 1周期に対して 2周期分の波形出力を得る磁気センサを使用して いることが分かる。すなわち、出力 Voが所定の値のときに、対応する角度が 2つ存在 するため、絶対角度を求めることができないという問題もある。この強磁性体磁気セン サは強磁性金属の磁気抵抗効果を利用した MRセンサである。前記 MRセンサは、薄 膜パターン (第 7図)から分かるように、長手方向の形状異方性を付与して用いる。磁 化が回転するときに、磁化の向きと異方性の向きのなす角度に応じて不均一に抑制 されるので、スムーズな回転が得られない。従って出力に波形歪みが発生し、精度よ く回転角度を検出することは困難である。
[0009] 特開 2002-303536号（図 1及び図 2)は、回転軸の端に設けられた 2極の円板状磁石 の端面にセンサ基板を対向させた構成の回転角検出センサを開示している。特開 20
02- 303536号の図 3は、 4個の GMR素子を有するセンサ基板の中心が回転軸の中心 線 (回転軸線)上にある構成を開示して!/、る。この GMR素子はピン止め磁性層を備え ており、スピンバルブ型巨大磁気抵抗効果素子に特定される。特開 2002-303536号 の回転角検出センサは、回転軸の中心の延長線上に、中心が一致するように 1個の センサ基板が設けられており、磁石は回転軸に片持ちで支持されている。そのため、 磁石に軸を貫通させる構造 (両持ち型)には適用できない。また磁石の回転のブレが 発生しやすいため、精度よく回転角度を検出することは難しい。回転軸中心の精度（ 磁石の回転のブレの抑制)を高くしょうとすると、装置が大型化してしまう。
[0010] 特開 2006-010346号（図 4)は、回転部材に設けられた磁石の回転によって生じる磁 束変化を磁気抵抗効果素子によって検出し、外部運動子の移動量を測定する磁気 検出方式のポジションセンサを開示してレ、る。特開 2006-010346号の図 3が記載して いるように、組立工程や加工寸法誤差によって磁気抵抗効果素子が磁石の中心軸 力、ら矢印 Lの向きにずれると、出力の角度誤差は増大してしまう。このため、精度良く 回転角度を検出することが難しくなる。
[0011] 特開 2006-208025号（図 1及び図 5)は、信号磁石の 1回転で 1周期となり、かつ 1/4 周期の位相差を持つ余弦波と正弦波を出力する磁気抵抗効果素子とバイアス磁石 を備える磁気センサを開示している。特開 2006-208025号に記載の磁気センサは、 M R素子にバイアス磁石を付加することで絶対角を検出しょうとしている。しかし、バイァ ス磁石の磁場と磁石回転子の磁場の大きさの比によって磁気センサの出力の振幅が 変動してしまう。つまり磁石回転子の磁場の強さが大きい場合、磁気センサの出力の 反転が起こり、出力の歪みも大きくなる。またバイアス磁石の磁場 (B )と磁石回転子
bias
の磁場 (B )の比 B /B 力 .7を超えると正弦波状の出力を得ることが難しくなり、出
sig sig bias
力に歪みを生じる。磁石回転子の磁場の強さが小さい場合、磁気センサの出力も小 さくなる。このような特徴を有するため、磁石回転子の位置が回転軸方向にずれると、 出力の振幅変動と出力歪み変動の双方が起こり、高い精度で回転角を検出すること は難しい。
[0012] ノ ィァス磁石を有するため、センサデバイスの小型化も難しい。磁気抵抗素子は、 AMR効果を用いた磁気抵抗素子 (MR素子)に限られるものではなぐ GMR効果を用 V、た磁気抵抗素子であってもよレ、旨が特開 2006-208025号の段落 [0029]に記述さ れている。しかし、特開 2006-208025号に記載の発明はバイアス磁石を付加すること によって、信号磁石 1回転について 1周期の出力を得るものであるから、 GMR効果を 用いた磁気抵抗効果素子は、スピンバルブ型巨大磁気抵抗効果素子を包含するも のではなぐ積層型巨大磁気抵抗効果素子洞じ積層構造を繰り返し多段に重ねた 素子。磁気抵抗変化率が MR素子よりも大きい点を除くと、機能的には MR素子と同じ 。）を指している。積層型巨大磁気抵抗効果素子はバイアス磁石を用いることにより前 段落で説明した MR素子と同様の問題点を有する。
[0013] 特開昭 61-142782号 (第 1図）は、磁気記録媒体とそれに対向して配置した強磁性 磁気抵抗素子のパターン形成面とを所定の角度をなすように配置し、パターン形成 面のパターン長手方向とのなす角度を 1〜45° に設定した位置検出装置を開示して いる。特開昭 61-142782号は、 MR素子の磁化容易軸方向にバイアス磁界を印加する ことにより、検出出力の不安定性を抑制し、出力ピーク値の位置シフトをなくした位置 検出装置が提供できると記載している。し力、しながら、特開昭 61-142782号に記載の 第 2図から分かるように、 NS極間の中央近傍ではある角度範囲で抵抗変化率の信号 が得られて!/、な!/、ため、絶対角センサとしては使用できなレ、。
[0014] 特開 2007-40850号 (図 5)は、リング磁石表面の上方の 1空間点に、磁束密度の磁石 表面に平行であり、かつ互いに直交する 2軸方向の成分 Bx及び Byをそれぞれ感磁 する 2つの磁電変換素子を有する感磁部を配置した回転角度センサを開示している 。前記感磁部を配置した 1空間点は、成分 Bx及び Byの磁石の回転による変化の振幅 絶対値が等しくなる位置である。特開 2007-40850号の図 5において、感磁部が磁石 の表面に平行な Bx及び Byの 2軸成分を感磁することは記載されている力 磁束密度 の Z軸方向成分 Bzを感磁することは開示されて!/、な!/、ことから、センサ 12X及び 12Yは それぞれホール素子に特定される。特開 2007-40850号の図 5のように 2つのセンサを 立体的に交差させるには、嵌め合うための切り欠きをそれぞれに形成しておくことが 必要になる。しかし、一方のセンサでホール素子の感磁面が 1空間点に位置している とき、他方のセンサでは切り欠きが前記 1空間点に位置するので、厳密にはズレを生 じる。つまり特開 2007-40850号に記載の回転角度センサは、 1基板上の 1感磁面によ つて Bx、 By及び Bzを同時に検知するものではない。また、磁石の外径より内側にセン サを配置すると、回転軸が軸ズレを起こしたときにセンサが磁石に当たってしまうとい う問題がある。一方、磁石の外径より外側にセンサを離隔して配置すると、ホール素 子であるため、出力が急激に低下する。
[0015] ノ、イブリツド車に搭載する駆動用モータには回転軸の回転角度を検出するために レゾルバが取り付けられており、モータを駆動する電流とモータから回生される電流と を切り替えて制御を行っている。レゾルバはモータに似た形状をしており、回転軸側 と固定 (筐体)側のそれぞれにコイルを巻いたヨークを有する。前記ヨーク同士が対向 してトランスと同様に機能することを利用して、回転軸側のヨークの位置情報を得るこ とができ、その位置情報を回転角度に換算する。し力もヨーク及びコイルを備えるた め、巻き線が複雑であり、大型で重量が嵩むとともに高価であるといった問題がある。 従って、小型'軽量であり、誤差増加を抑制して高い精度で回転角度を検出するセン サのニーズが高まっているが、上記従来技術の構成では十分な精度を得るには至つ ていない。
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0016] そこで、本発明の目的は、回転角度の検出精度が高い回転角度検出装置及び回 転機を提供することである。
課題を解決するための手段
[0017] 上記目的に鑑み鋭意研究の結果、本発明者等は、磁石回転子が回転したときの磁 場の方向を、スピンバルブ型巨大磁気抵抗効果素子を用いたセンサデバイスで検知 することにより磁石回転子の回転角度が精度良く測定できることを見いだし、本発明 に想到した。
[0018] (第一の回転角度検出装置）
すなわち、本発明の第一の回転角度検出装置は、 4極以上の磁極を表面に有する 磁石回転子と、前記磁石回転子からの磁束を検知するセンサデバイスと、前記セン サデバイスから得られる複数の信号を用いて前記磁石回転子の回転角に応じた回 転角信号を出力する電子回路部とを備えた回転角度検出装置であって、前記セン サデバイスは、回転磁石の近傍に発生する回転磁界から異なる 2つ以上の位相信号 を出力する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界の向きに応じて回転す る磁気抵抗素子)を有し、前記複数のスピンバルブ型巨大磁気抵抗効果素子は、基 準になる感磁方向を有する第 1のスピンバルブ型巨大磁気抵抗効果素子と、前記第 1のスピンバルブ型巨大磁気抵抗効果素子とは異なる感磁方向を有する第 2のスピン バルブ型巨大磁気抵抗効果素子とを備えることを特徴とする。
[0019] ここで、回転角に応じた回転角信号を出力するとは、逆正接演算を含む処理を行う ことである。具体的には逆正接演算をデジタルで行う処理である。
[0020] 前記磁石回転子が回転すると、前記スピンバルブ型巨大磁気抵抗効果素子自体 は機械的に回転しないが、前記スピンバルブ型巨大磁気抵抗効果素子の自由層の 磁化方向は磁気的に回転する。
[0021] 前記自由層における磁化方向の回転の周期は磁石回転子の周期に対して 1/^倍（ Nは 2以上の整数)となり、分解能が高くなる。上述の回転角度検出装置は回転機に 設けるのが好ましい。
[0022] (第二の回転角度検出装置）
本発明の第二の回転角度検出装置は、 4極以上の磁極を表面に有する磁石回転 子と、前記磁石回転子からの磁束の向きを検知する第一のセンサデバイス及び第二 のセンサデバイスとを備えた回転角度検出装置であって、前記第一のセンサデバイ スは、互いに固定層磁化方向が直交するセンサブリッジ X01とセンサブリッジ Y01とを 内蔵し、前記第二のセンサデバイスは、互いに固定層磁化方向が直交するセンサブ リッジ X02とセンサブリッジ Y02とを内蔵し、前記センサブリッジ X01 ,ΥΟ 1，Χ02及び Υ02 は、それぞれが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界の向きに応じて回転する 磁気抵抗素子)のフルブリッジであり、前記フルブリッジ中の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、前記フルブリッジの 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差動出力を得て、前記差動出力を基にして角度信号を得るこ とを特徴とする。
[0023] 4個のスピンバルブ型巨大磁気抵抗効果素子は電気的なフルブリッジ回路を構成 する 4個のエレメント (素子)に相当する。差動出力は、オペアンプを利用してフルブリ ッジの中点で得られる 2つ出力の差動をとつたものである。
[0024] 前記センサブリッジ X01と前記センサブリッジ Y02とで独立に検出される角度情報を 基に第一の回転角度信号 (コサイン信号)を得て、前記センサブリッジ Y01と前記セン サブリッジ X02とで独立に検出される角度情報を基に、前記第一の回転角度信号か ら電気角で 90 deg.遅れている第二の回転角度信号 (サイン信号)を得るのが好ましい 。サイン信号とは、 1波長が電気角 360 deg.に相当する波形である。詳しく言い換える と、フーリエ級数展開したときに、理想的正弦波 (sin)の基本波と回転角度誤差の原因 となる高調波とに分けること力できる波形である。コサイン信号とは、フーリエ級数展 開したときに、理想的余弦波 (cos)の基本波と高調波とに分けることができる波形であ
[0025] 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 1つの S極に相当する。例えば、図 5のよう に 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 サブリッジ力 ¾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。
[0026] 磁石回転子の近傍とは、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という関係を満たすように、磁石回 転子とセンサデバイスの距離が設定されている状態を指す。このように、 1つのセンサ デバイス内のセンサブリッジでエレメント同士が 90 deg.傾けて配置されているため、セ ンサデバイス同士の位置が 90 deg.位相差になっていなくても、回転角度を正確に測 定できる。
[0027] 前記回転角度検出装置は、 2つの角度情報を出力する第一のセンサデバイスと、 2 つの角度情報を出力する第二のセンサデバイスとを有し、前記第一のセンサデバイ スから出力される一方の出力信号 01と、前記第二のセンサデバイスから出力される一 方の出力信号 02とから、前記出力信号 01及び 02よりも高調波含有率の小さい第一の 正弦波状出力信号を得る第 1合成器を有し、前記第一のセンサデバイスから出力さ れる他方の出力信号 03と、前記第二のセンサデバイスから出力される他方の出力信 号 04とから、前記出力信号 03及び 04よりも高調波含有率の小さ V、第二の正弦波状出 力信号 (前記第二の正弦波状出力信号は前記第一の正弦波状出力信号と位相が 90 deg.異なる。）を得る第 2合成器を有し、前記第一の正弦波状出力信号と前記第二の 正弦波状出力信号を逆正接演算装置に入力し、出力として磁石回転子の回転角度 信号を得るのが好ましい。
[0028] 逆正接演算とは、第一の正弦波状出力信号 Xと、第二の正弦波状出力信号 yとから 、 tan Θ =y/xの関係となる Θを求めることを指す。前記第一のセンサデバイス又は第 二のセンサデバイスから出力される信号のうち、少なくとも 1つを反転した後に前記信 号処理を行うための、反転手段を有することが、回転角度の検出精度をさらに高める 上で好ましい。前記反転には、 1つを反転させる場合と、 3つを反転させることで実質 的に 1つを反転した状態と等価にする場合とを含む。
[0029] ハーフブリッジでは信号の大きさが半分になるのでフルブリッジが好まし!/、。エレメ ントとしてブリッジの 1辺のみにスピンバルブ型巨大磁気抵抗効果素子を用いかつ他 辺には単なる電気抵抗を用いる場合、非対称性に起因する不要成分 (正確な回転角 を得るには必要でない信号成分)が増える。従って 4つのエレメントがスピンバルブ型 巨大磁気抵抗効果素子であるフルブリッジを用いる。
[0030] 前記センサブリッジ Y01及び前記センサブリッジ Y02は、それぞれの感磁方向が磁 石回転子の回転方向の 1方向に対して同一の角度を持ち、前記センサブリッジ X01で 検出される角度情報と、前記センサブリッジ Y02で検出される角度情報を反転した角 度信号とを、差動増幅を行うことにより第一の回転角度信号 (コサイン信号)を得て、前 記センサブリッジ Y01と前記センサブリッジ X02とで独立に検出される角度情報を差動 増幅して前記第一の回転角度信号から電気角で 90 deg.遅れた、第二の回転角度信 号 (サイン信号)を得る信号処理部分を有する。
[0031] 前記センサブリッジ X01及び Y02からの差動出力を、それぞれ個別の差動増幅器に 入力した後に、前記差動増幅器出力の信号を第一の回転角度信号 (コサイン信号)を 得る差動増幅器を有する信号処理部分に入力し第一の回転角度信号 (コサイン信号 )を得て、前記センサブリッジ Y01及び X02からの差動出力を、それぞれ個別の差動増 幅器に入力した後に、前記差動増幅器出力の信号を第二の回転角度信号 (サイン信 号)を得ることを目的とする信号処理部分に入力し第二の回転角度信号 (信号サイン 信号)を得る回路構成をとり、センサブリッジ Y02からの差動出力を差動増幅器に入力 する際に、センサブリッジ X01、 X02及び Y02とは極性を反転させた接続を行う。
[0032] センサブリッジ Y02に印加する電圧の入力極性がセンサブリッジ X01、 X02及び Y02 とは反転して!/、るのが好ましレ、。
[0033] 前記センサブリッジ Y01及び前記センサブリッジ Y02は、それぞれの固定層磁化方 向が磁石回転子の回転方向に対して異なる方向が出力信号の増加する方向であり 、前記センサブリッジ X01と前記センサブリッジ Y02とで独立に検出される角度情報と を差動増幅を行うことにより第一の回転角度信号 (コサイン信号)を得て、前記センサ ブリッジ Y01と前記センサブリッジ X02とで独立に検出される角度情報を差動増幅して 前記第一の回転角度信号から電気角で 90 deg.遅れた、第二の回転角度信号 (サイ ン信号)を得る信号処理部分を有するのが好ましい。
[0034] 前記センサブリッジ X01で検出される角度情報と、前記センサブリッジ Y02で検出さ れる角度情報を反転した角度信号とを、差動増幅を行うことにより第一の回転角度信 号 (コサイン信号)を得る信号処理と、前記センサブリッジ Y01と前記センサブリッジ X02 とで独立に検出される角度情報を差動増幅して前記第一の回転角度信号から電気 角で 90 deg.遅れた、第二の回転角度信号 (サイン信号)を得る信号処理とを、前記の 4つのセンサブリッジで検出された角度情報を独立にアナログ-デジタル変換を行い、 Y02信号から得られたデジタル信号のみを極性反転させて処理するのが好ましい。
[0035] 前記センサブリッジ X01及び Y02からの差動出力を、それぞれ個別の差動増幅器に 入力した後に、前記差動増幅器出力を第一の回転角度信号 (コサイン信号)を得る加 算回路を有する信号処理部分に入力して第一の回転角度信号 (コサイン信号)を得 て、前記センサブリッジ Y01及び X02からの差動出力を、それぞれ個別の差動増幅器 に入力した後に、前記差動増幅器出力を第二の回転角度信号 (サイン信号)を得る加 算回路を有する信号処理部分に入力して第二の回転角度信号 (サイン信号)を得る 回路構成をとるのが好ましい。
[0036] 前記第一の回転角度信号 (コサイン信号)と前記第二の回転角度信号 (サイン信号） とをデジタル信号に変換するアナログ-デジタル変換部と、変換されたデジタル信号 を角度信号に演算する角度信号部とを有するのが好ましい。
[0037] 前記第一のセンサデバイスと第二のセンサデバイスとは互いに磁石回転子の電気 角においてほぼ 90 ± 180n deg.離れた位置 (ηは整数)に設置されているこのが好まし V、。前記第一のセンサデバイスと第二のセンサデバイスとは互いに磁石回転子の電 気角にお!/、てほぼ 90 deg.離れた位置に設置されて!/、るのが好まし!/、。
[0038] 前記磁石回転子の磁極対の数が Nの場合に、第一のセンサデバイスと第二のセン サデバイスのなす角度は電気角で ± 90+ 180N deg.で表されるのが好ましい。
[0039] 前記前記第一のセンサデバイス及び前記第二のセンサデバイスを有する第一のセ ンサデバイス群と、前記第一のセンサデバイス群で用いたセンサデバイスと、同一構 成の、別のセンサデバイスからなり、相対的な配置が前記第一のセンサデバイス群の 配置と同じである第二のセンサデバイス群とを備え、前記第一のセンサデバイス群と 前記第二のセンサデバイス群とは互いに電気角で 180n deg.(nは整数)離れた場所に 設置されてレ、るのが好ましレ、。
[0040] 前記センサブリッジ X01，Y01，X02及び Y02からの信号をそれぞれ個別の差動増幅 器に入力した後に得られる 4つの信号を演算処理し、故障信号を出力するのが好ま しい。
[0041] 前記センサブリッジ Χ01，Υ01，Χ02及び Υ02からの信号をそれぞれ個別の差動増幅 器に入力して得られる 4つの信号を平均することにより第 5の信号を得て、前記第 5の 信号と、あらかじめ設定された直流電圧との差を比較して、故障検出信号を出力する のが好ましい。前記差の絶対値は、それぞれの波形が歪んでいる場合に生じるずれ を許容するため、元の 4信号の振幅値の 1/8程度以下にするのが好ましい。
[0042] (第三の回転角度検出装置）
本発明の第三の回転角度検出装置は、 2極以上の磁極を表面に有する磁石回転 子と、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を備えた回転角 度検出装置であって、前記センサデバイスの中心と前記磁石回転子の回転中心軸 の距離は、前記磁石回転子の半径よりも大きぐ前記センサデバイスは、互いに固定 層磁化方向が直交するセンサブリッジ X01とセンサブリッジ Y01とを内蔵し、前記セン サブリッジ X01及び Y01は、それぞれ力 S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界の向 きに応じて回転する磁気抵抗素子)のブリッジ回路であり、前記センサブリッジ X01及 ひ Ύ01において、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 X01及び Y01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 じた出力を得て、前記出力を基にして角度信号を得ることを特徴とする。
[0043] 前記磁石の厚み 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センサ面上にある といえる。
[0044] (第四の回転角度検出装置）
本発明の第四の回転角度検出装置は、 2極以上の磁極を表面に有する磁石回転 子と、前記磁石回転子からの磁束の向きを検知する第一のセンサデバイス及び第二 のセンサデバイスとを備えた回転角度検出装置であって、前記第一のセンサデバイ スの中心と前記磁石回転子の回転中心軸の距離は、前記磁石回転子の半径よりも 大きぐ前記第二のセンサデバイスの中心と前記磁石回転子の回転中心軸の距離は 、前記磁石回転子の半径よりも大きぐ前記第一のセンサデバイスは、互いに固定層 磁化方向が直交するセンサブリッジ X01とセンサブリッジ Y01とを内蔵し、前記第二の センサデバイスは、互いに固定層磁化方向が直交するセンサブリッジ X02とセンサブ リッジ Y02とを内蔵し、前記センサブリッジ X01、 Y01、 Χ02及び Υ02は、それぞれがスピ 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界の向きに応じて回転する磁気抵抗素子)のプリ ッジ回路であり、前記センサブリッジ Χ01、 Υ01、 Χ02及び Υ02において、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 Χ01、 Υ01、 Χ02及び Υ02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を得て、 前記出力を基にして角度信号を得ることを特徴とする。 [0045] 前記センサブリッジ X01、 Y01、 Χ02及び Υ02の固定層磁化方向を含む平面が前記 磁石回転子の回転軸に対して傾レ、てレ、るのが好ましレ、。
[0046] センサブリッジ X01及び Y01の固定層磁化方向を含む平面、及びセンサブリッジ Χ02 及び Υ02の固定層磁化方向を含む平面を、それぞれセンサ面と称する。 ％の定義は 後述する。
[0047] 前記第一のセンサデバイス及び前記第二のセンサデバイスの中心は、前記磁石回 転子の厚み中心点を通りかつ回転軸に垂直な平面から、磁石回転子の回転軸方向 に離れているのが好ましい。
[0048] スピンバルブ型巨大磁気抵抗効果素子は 2個又は 4個用いられ、それぞれが電気 的なハーブブリッジ回路又はフルブリッジ回路を構成する 2個又は 4個のエレメント (素 子)に相当する。
[0049] 前記第三及び第四の回転角度検出装置において、前記センサブリッジ X01と前記 センサブリッジ Υ02とで独立に検出される角度情報を基に第一の回転角度信号 (コサ イン信号)を得て、前記センサブリッジ Y01と前記センサブリッジ Χ02とで独立に検出さ れる角度情報を基に、前記第一の回転角度信号から電気角で 90 deg.遅れている第 二の回転角度信号 (サイン信号)を得るのが好ましい。
[0050] 前記磁石回転子は、 2極以上に着磁をされた磁石回転子であるのが好ましい。 2極 は 1つの N極及びそれと隣接する 1つの S極に相当する (1極対とも称する)。センサデバ イス中にはセンサブリッジ力 ¾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。磁石回転子の近傍とは、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という関係を満たす ように、磁石回転子とセンサデバイスの距離が設定されている状態を指す。特に 2つ のセンサデバイスを用いる場合、 1つのセンサデバイス内のセンサブリッジでエレメン 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の位置が 90 deg.位 相差になっていなくても、回転角度を正確に測定できる。
[0051] ハーフブリッジ回路では信号の大きさが半分になるのでフルブリッジ回路が好まし い。エレメントとしてブリッジ回路の 1辺にスピンバルブ型巨大磁気抵抗効果素子を用 いかつ他辺には単なる電気抵抗を用いる場合、非対称性に起因する不要成分 (正確 な回転角度を得るには必要でない信号成分)が増える。従って 4つのエレメントがスピ ンバルブ型巨大磁気抵抗効果素子になっているフルブリッジ回路を用いる。
[0052] 前記第三及び第四の回転角度検出装置において、前記第一の回転角度信号 (コ サイン信号)と前記第二の回転角度信号 (サイン信号)とをデジタル信号に変換するァ ナログ-デジタル変換部と、変換されたデジタル信号を角度信号に演算する角度演 算部とを有するのが好ましレ、。
[0053] 前記第一のセンサデバイスと第二のセンサデバイスとは互いに前記磁石回転子の 電気角においてほぼ 90 ± 180n deg.離れた位置 (ηは整数)に設置されているのが好ま しい。さらに、前記第一のセンサデバイスと第二のセンサデバイスとは互いに前記磁 石回転子の電気角にお!/、てほぼ 90 deg.離れた位置に設置されて!/、るのが好まし!/ヽ
〇
[0054] 前記磁石回転子の磁極対の数が Nの場合に、第一のセンサデバイスと第二のセン サデバイスのなす角度は電気角で ± 90+ 180N deg.で表されるのが好ましい。
[0055] 前記第一のセンサデバイス及び前記第二のセンサデバイスを有する第一のセンサ デバイス群と、前記第一のセンサデバイス群で用いたセンサデバイスと、同一構成の 、別のセンサデバイスからなり、相対的な配置が前記第一のセンサデバイス群の配置 と同じである第二のセンサデバイス群とを備え、前記第一のセンサデバイス群と前記 第二のセンサデバイス群とは互いに電気角で 180n deg.(nは整数)離れた場所に設置 されているのが好ましい。
[0056] 前記センサブリッジ X01、 Y01、 Χ02及び Υ02からの信号をそれぞれ個別の差動増幅 器に入力した後に得られる 4つの信号を演算処理し、故障信号を出力するのが好ま しい。
[0057] 前記センサブリッジ Χ01、 Υ01、 Χ02及び Υ02からの信号をそれぞれ個別の差動増幅 器に入力して得られる 4つの信号を平均することにより第 5の信号を得て、前記第 5の 信号と、あらかじめ設定された直流電圧との差を比較して、故障検出信号を出力する のが好ましい。前記差の絶対値は、それぞれの波形が歪んでいる場合に生じるずれ を許容するため、元の 4信号の振幅値の 1/8程度以下にするのが好ましい。
[0058] (第五の回転角度検出装置） 本発明の第五の回転角度検出装置は、 2極磁石を有する磁石回転子と、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た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場の向 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、磁束を前記感磁面と 交差させて、前記感磁面内で直交する磁束密度成分同士の振幅の大きさが等しくな るように、前記磁石回転子に対して前記センサデバイスが設けられていることを特徴 とする。振幅の大きさが等しいとは、直交する実効磁束密度の振幅比 K =B /B eff effl) //ef が 1となる状態を指す。より詳細には、 Κ =0·93 1·08とする。より望ましくは、 Κ =0 ffl eff eff
.96 1.04とする。理想的には、 = 1.0とする。
eff
[0059] 前記 2極磁石は、 1つの N極と 1つの S極が着磁されているものであればよぐその形 状の例としては円板状、リング状、矩形状等が挙げられる。前記 2極磁石は前記磁石 回転子の回転軸線と直交する向きに沿って着磁されている。回転軸線は、回転角度 を測定したい対象 (回転体又は回転軸)の中心線に相当する。
[0060] (第六の回転角度検出装置）
本発明の第六の回転角度検出装置は、 2極磁石を有する磁石回転子と、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場の向 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、空間磁束密度の振 幅比 K =B /B ≠1となる位置で、前記感磁面内で直交する実効磁束密度の振幅
0 0 0
比 =B /B が 1となるように、前記磁石回転子に対して前記センサデバイスが eff effi) //effl)
設けられて!/、ることを特徴とする。
[0061] (第七の回転角度検出装置）
本発明の第七の回転角度検出装置は、 2極磁石を有する磁石回転子と、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 あってゝ
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場の向きに 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、
前記磁石回転子の厚み中心点と前記センサデバイスの感磁面の中心を結ぶ線が 、前記磁石回転子の厚み中心点を通りかつ回転軸線に垂直な平面に対してなす角 度をセンサ配置角 φとし、前記磁石回転子の厚み中心点を通りかつ回転軸線に垂 直な平面が前記感磁面となす角度をセンサ傾斜角 Xとしたとき、 φ及び Xが、
(Ά)Φ :- 1·6〜1·5 deg.力、つ％： -57.6〜- 62.2 deg.である範囲、
(b :- 1·5〜1·6 deg.かつ％ :57·6〜62·2 deg.である範囲、
(ο) :33.8—36.6 deg.かつ :- 2·7〜3·1 deg.である範囲、
(ά)φ : 19.2—22.8 deg.かつ :87.4—92.4 deg.である範囲、
(θ) :67.1—70.8 deg.かつ :84.2—97.7 deg.である範囲、又は
(ϋφ :81·4〜98·7 deg.かつ : 158·6〜201·2 deg.である範囲
のいずれかの範囲内となるように前記センサデバイスを設け、前記センサデバイスは 、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を得て、前記出力を基にし て角度信号を得ることを特徴とする。
[0062] 前記 2極磁石を有する回転角度検出装置は、前記磁石回転子の回転の 1周に対し て絶対角度を測定できる。従って、機械的な回転の測定 (機械角の測定)に適してい る。他方、後述する 4極以上の磁極を有する磁石回転子を有する回転角度検出装置 は、極数が多い分、検出角度の分解能を 2極に対して N倍化できる。
[0063] 磁石回転子を回転自在に支持して回転角度検出装置を構成するには、片持ち型（ 片側にのみ回転軸が延びる磁石回転子)よりも両持ち型の磁石回転子の方が回転軸 のブレがなく、高い精度で回転角度を検出できる。さらに、両持ち型の磁石回転子、 内側の方が検出装置を小さくできる。 [0064] (第八の回転角度検出装置）
本発明の第八の回転角度検出装置は、 4極以上の磁極を有する磁石回転子と、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 磁場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、磁束を前 記感磁面と交差させて、前記感磁面内で直交する磁束密度成分同士の振幅の大き さが等しくなるように、前記磁石回転子に対して前記センサデバイスが設けられてい ることを特徴とする。
[0065] ここで、 4極以上の磁極を有する磁石回転子は、少なくとも 2つの N極と 2つの S極が 着磁されているものであればよい。例えば、円周方向に沿って周面に 4極以上の磁 極を着磁した多極磁石を備える磁石回転子、又は回転軸を周回するように多数のセ グメント磁石 (2極)を配列して一体化した磁石回転子が挙げられる。
[0066] (第九の回転角度検出装置）
本発明の第九の回転角度検出装置は、 4極以上の磁極を有する磁石回転子と、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 磁場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、空間磁束 密度の振幅比 K =B /B ≠1となる位置で、前記感磁面内で直交する実効磁束密
0 丄 0 〃0
度の振幅比 K =B /B が 1となるように、前記磁石回転子に対して前記センサ eff effO //effO
デバイスが設けられて!/、ることを特徴とする。
[0067] (第十の回転角度検出装置）
本発明の第十の回転角度検出装置は、 4極以上の磁極を有する磁石回転子と、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 磁場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、前記磁石 回転子の厚み中心点と前記センサデバイスの感磁面の中心を結ぶ線が、前記磁石 回転子の厚み中心点を通りかつ回転軸線に垂直な平面に対してなす角度をセンサ 配置角 φとし、前記磁石回転子の厚み中心点を通りかつ回転軸線に垂直な平面が 前記感磁面となす角度をセンサ傾斜角 Xとしたとき、 φ及び Xが、
z≠0、 % =0、かつ φ =4.5—25 deg.である範囲、又は
ζ = 0、 φ =0、かつ χ =40〜60 deg.である範囲
のいずれかの範囲内となるように前記センサデバイスを設け、前記センサデバイスは 、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を得て、前記出力を基にし て角度信号を得ることを特徴とする。
[0068] 前記センサデバイスの感磁面の中心と前記磁石回転子の回転軸線の距離は、前 記磁石回転子の半径よりも大きぐ前記感磁面が前記磁石回転子の回転軸線に対し て傾いており、前記センサデバイスは、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 じた出力を得て、前記出力を基にして角度信号を得るのが好ましい。
[0069] 前記センサデバイスの感磁面の中心と前記磁石回転子の回転軸線の距離は、前 記磁石回転子の半径よりも大きぐ前記磁石回転子の厚み中心点を通りかつ回転軸 線に垂直な平面から、前記センサデバイスの感磁面の中心は磁石回転子の回転軸 線方向に離れており、前記センサデバイスは、互いに固定層磁化方向が直交するセ ンサブリッジ AO 1とセンサブリッジ BO 1とを内蔵し、前記センサブリッジ AO 1及び BO 1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 角度に応じた出力を得て、前記出力を基にして角度信号を得るのが好ましい。
[0070] 前記センサデバイスの感磁面の中心と前記磁石回転子の回転軸線の距離は、前 記磁石回転子の半径以下であり、前記感磁面が前記磁石回転子の回転軸線に対し て傾いており、前記センサデバイスは、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 じた出力を得て、前記出力を基にして角度信号を得るのが好ましい。
[0071] 前記センサデバイスの感磁面の中心と前記磁石回転子の回転軸線の距離は、前 記磁石回転子の半径以下かつ 0より大であり、前記磁石回転子の厚み中心点を通り かつ回転軸線に垂直な平面から、前記センサデバイスの感磁面の中心は磁石回転 子の回転軸線方向に離れており、前記センサデバイスは、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を得て、前記出力を基にして角度信号を得るのが好ま しい。
[0072] センサデバイスの感磁面の中心とは、複数のスピンバルブ型巨大磁気抵抗効果素 子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レ、。
[0073] ここで、スピンバルブ型巨大磁気抵抗効果素子は 2個又は 4個用いられ、それぞれ が電気的なハーブブリッジ回路又はフルブリッジ回路を構成する 2個又は 4個のエレメ ント (素子)に相当する。高い出力を得るためには 4個の方が好ましレ、。
[0074] センサブリッジ A01の信号 (コサイン信号)とセンサブリッジ B01の信号 (サイン信号)と をデジタル信号に変換するアナログ-デジタル変換部と、変換されたデジタル信号を 角度信号に演算する角度演算部とを有するのが好ましい。
[0075] 上述のセンサデバイスとは別のセンサデバイスを、磁石回転子の近傍に少なくとも 1 個以上配置し、これらから得られた信号を合成して演算し、回転角度信号を得ること もできる。
[0076] (回転機）
本発明の回転機は、前記いずれかの回転角度検出装置を備えることを特徴とする 。回転機の具体例としては、発電機及びモータが挙げられる。特に、ハイブリッド車に 搭載する駆動用モータに前記回転角度検出装置を適用することが、軽量化の観点 力、らも好ましい。
[0077] (回転角検出方法）
本発明の回転角検出方法は、 4極以上の磁極を表面に有する磁石回転子と、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、前記センサデバイスから 得られる複数の信号を用いて前記磁石回転子の回転角に応じた回転角信号を出力 する電子回路部とを備える回転角度検出装置を用い、回転磁石の近傍に発生する 回転磁界から異なる 2つ以上の位相信号を前記センサデバイスから検出して電子回 路部で合成し、合成された 2つの信号を用いて逆正接演算を含む処理を行って、前 記磁石回転子の回転角に応じた回転角信号を出力することを特徴とする。
[0078] 磁石回転子の近傍に発生する回転磁界から、異なる 2つ以上の位相信号を前記セ ンサデバイスにより検出して電子回路部で合成し、合成された 2つの信号を用いて逆 正接演算を含む処理を行って、前記磁石回転子の回転角に応じた回転角信号を出 力することを特徴とする。前記電子回路部は逆正接演算を含む処理を行う。具体的 には逆正接演算をデジタルで処理する。 発明の効果
[0079] 本発明の回転角度検出装置は、回転角度の検出精度が高いため、ハイブリッド車 に搭載する駆動用モータ等の小型化が必要な回転機に好適である。
図面の簡単な説明
[0080] [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)]実施例 1の回転角度検出装置に用いるセンサデバイスにおけるセンサ素子 の配置を示す模式図である。
[図 2(b)]実施例 1の回転角度検出装置に用いる他のセンサデバイスにおけるセンサ 素子の配置を示す模式図である。
[図 2(c)]図 2(a)のセンサデバイスにおけるセンサ素子と端子との接続を示す回路図で ある。
[図 2(d)]図 2(b)のセンサデバイスにおけるセンサ素子と端子との接続を示す回路図で ある。
[図 3]実施例 1の回転角度検出装置に用いる回路の一例を示す図である。
[図 4]本発明の回転角度検出装置に用いる磁石回転子の他の一例を示す模式正面 図である。
[図 5]本発明の回転角度検出装置に用いる磁石回転子のさらに他の一例を示す模 式正面図である。
[図 6]本発明の回転機の一例を示す模式断面図である。
[図 7(a)]本発明の回転機の他の一例を示す模式断面図である。
[図 7(b)]本発明の回転機のさらに他の一例を示す模式断面図である。
[図 7(c)]本発明の回転機のさらに他の一例を示す模式断面図である。
[図 7(d)]本発明の回転機のさらに他の一例を示す模式断面図である。
[図 8(a)]本発明の回転機のさらに他の一例を示す模式断面図である。
[図 8(b)]本発明の回転機のさらに他の一例を示す模式断面図である。
[図 8(c)]本発明の回転機のさらに他の一例を示す模式断面図である。 園 9(a)]実施例 2の回転角度検出装置に用いるセンサデバイスにおけるエレメント (素 子)の配置を示す模式図である。
[図 9(b)]図 9(a)のセンサデバイスにおける X，-X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 9(c)]図 9(a)のセンサデバイスにおける Y，-Y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。
園 9(d)]実施例 2の回転角度検出装置に用いる他のセンサデバイスにおけるエレメン ト (素子)の配置を示す模式図である。
[図 9(e)]図 9(d)のセンサデバイスにおける Χ，-Χ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 9(f)]図 9(d)のセンサデバイスにおける Υ，-Υ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。
園 10]実施例 2の回転角度検出装置に用いる回路の他の一例を示す図である。 園 11(a)]実施例 2に記載の本発明の回転機を示す模式断面図である。
園 11(b)]実施例 2に記載の本発明の回転機における回転角度検出装置を示す部分 拡大図である。
園 11(c)]実施例 2に記載の本発明の回転機における回転角度検出装置を示す他の 部分拡大図である。
園 12(a)]実施例 3の回転角度検出装置を示す模式正面図である。
園 12(b)]実施例 3の回転角度検出装置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。
園 13]実施例 3の回転角度検出装置の一例を示す模式図である。
園 14]実施例 3の回転角度検出装置の他の一例を示す模式図である。
園 15(a)]実施例 3の回転角度検出装置のさらに他の一例を示す模式図である。 園 15(b)]図 15(a)の回転角度検出装置のセンサ出力を示すグラフである。
園 15(c)]図 15(a)の回転角度検出装置のセンサ出力を示すグラフである。
園 15(d)]図 15(a)の回転角度検出装置の検出角度及び角度誤差を示すグラフである 園 16(a)]実施例 3の回転角度検出装置のさらに他の一例を示す模式図である。 園 16(b)]図 16(a)の回転角度検出装置のセンサ出力を示すグラフである。
園 16(c)]図 16(a)の回転角度検出装置のセンサ出力を示すグラフである。
園 16(d)]図 16(a)の回転角度検出装置の検出角度及び角度誤差を示すグラフである 園 17]実施例 3の回転角度検出装置に用いる回路の他の一例を示す図である。 園 18(a)]実施例 3の回転角度検出装置に用いるセンサデバイスの他の一例を示す模 式図である。
園 18(b)]実施例 3の回転角度検出装置に用いるセンサデバイスのさらに他の一例を 示す模式図である。
園 18(c)]実施例 3の回転角度検出装置に用いるセンサデバイスのさらに他の一例を 示す模式図である。
園 19]実施例 3の回転角度検出装置に用いる回路のさらに他の一例を示す図である 園 20]実施例 3の回転角度検出装置に用いる回路のさらに他の一例を示す図である 園 21]実施例 3の回転角度検出装置に用いる回路のさらに他の一例を示す図である 園 22(a)]実施例 3の回転角度検出装置の他の一例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。
園 22(c)]図 22(a)の回転角度検出装置のセンサ出力を示すグラフである。
園 22(d)]図 22(a)の回転角度検出装置のセンサ出力を示すグラフである。
園 22(e)]図 22(a)の回転角度検出装置の検出角度及び角度誤差を示すグラフである 園 22(f)]図 22(a)の回転角度検出装置の検出角度及び角度誤差を拡大して示すダラ フでめる。
園 23(a)]磁石回転子の磁束密度の距離依存性を示すグラフである。
園 23(b)]磁石回転子の B /Bと好ましい傾き角％との距離依存性を示すグラフである
Θ r [図 24(a)]実施例 3の回転角度検出装置のさらに他の一例を示す模式正面図である。
[図 24(b)]図 24(a)の A-A断面図である。
園 24(c)]図 24(a)の回転角度検出装置のセンサ出力を示すグラフである。
園 24(d)]図 24(a)の回転角度検出装置のセンサ出力を示すグラフである。
園 24(e)]図 24(a)の回転角度検出装置の検出角度及び角度誤差を示すグラフである 園 24(f)]図 24(a)の回転角度検出装置の検出角度及び角度誤差を拡大して示すダラ フでめる。
園 25(a)]実施例 3の回転角度検出装置のさらに他の一例を示す模式図である。 園 25(b)]実施例 3の回転角度検出装置のさらに他の一例を示す模式図である。 園 26]実施例 3の回転角度検出装置のさらに他の一例を示す模式図である。
園 27(a)]本発明のセンサブリッジ出力の半径方向の距離依存性を示すグラフである 園 27(b)]本発明のセンサブリッジ出力の周方向の距離依存性を示すグラフである。 園 27(c)]ホール IC出力の半径方向の距離依存性を示すグラフである。
園 27(d)]ホール IC出力の周方向の距離依存性を示すグラフである。
[図 27(e)]センサデバイス及びホール ICの出力電圧特性の回転子表面からの距離依 園 27(f)]磁束密度に対するセンサデバイスのセンサブリッジ出力特性を示すグラフで ある。
園 28]本発明の回転角度検出装置のさらに他の一例を示す模式図である。
園 29]本発明の回転角度検出装置に用いる回路のさらに他の一例を示す図である。 園 30(a)]本発明の回転角度検出装置のさらに他の一例を示す模式正面図である。
[図 30(b)]図 30(a)の A-A断面図である。
園 31(a)]実施例 4の回転角度検出装置の他の一例を示す模式正面図である。
園 31(b)]実施例 4の回転角度検出装置の他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。 園 32]実施例 4の回転角度検出装置に用いる回路を示す図である。
園 33(a)]実施例 5の回転角度検出装置の一例を示す模式正面図である。
園 33(b)]実施例 5の回転角度検出装置の一例を示す模式側面図である。
園 33(c)]図 33(a)の回転角度検出装置のセンサ出力を示すグラフである。
園 33(d)]図 33(a)の回転角度検出装置の検出角度及び角度誤差を示すグラフである 園 34(a)]実施例 5の回転角度検出装置の他の一例を示す模式正面図である。 園 34(b)]実施例 5の回転角度検出装置の他の一例を示す模式側面図である。 園 34(c)]図 34(a)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 34(d)]図 34(a)の回転角度検出装置の検出角度及び角度誤差を示すグラフである
[図 35]センサ傾斜角％と最大角度誤差の関係を示すグラフである。
園 36(a)]各センサ配置角 φにおける、空間磁束密度振幅比 Kと最適センサ傾斜角
%の関係を示すグラフである。
園 36(b)]角度誤差 1 deg.以内に収めるセンサ配置角 φとセンサ傾斜角 の範囲を 園 36(c)]角度誤差 2 deg.以内に収めるセンサ配置角 φと最適センサ傾斜角％の範 [図 37]図 36(a)〜図 36(c)に記載の角度誤差、実効磁束密度振幅比 K 、最適センサ 傾斜角％及び最適センサ配置角 Φの関係を示す表である。
園 38(a)]実施例 7の回転角度検出装置の他の一例を示す模式正面図である。 園 38(b)]実施例 7の回転角度検出装置の他の一例を示す模式側面図である。 園 38(c)]図 38(a)の回転角度検出装置のセンサ出力を示すグラフである。
園 38(d)]図 38(a)の回転角度検出装置の検出角度及び角度誤差を示すグラフである 図 39(a)]実施例 8の回転角度検出装置の他の一例を示す模式正面図である。 図 39(b)]実施例 8の回転角度検出装置の他の一例を示す模式側面図である。 図 40(a)]2極磁石の磁場とセンサデバイスの位置関係を説明するための模式正面図 である。
[図 40(b)]図 40(a)の A-A断面図である。
[図 41(a)]4極以上の磁極を有する磁石回転子の磁場とセンサデバイスの位置関係を 説明するための模式正面図である。
[図 41(b)]図 41(a)の A-A断面図である。
園 42(a)]磁石回転子の磁束密度の距離依存性を示すグラフである。
園 42(b)]磁石回転子の空間磁束密度振幅比 Kと及び好ましいセンサ傾斜角％の距
0
離依存性を示すグラフである。
園 43(a)]Z方向距離と I B I及び B |の関係を示すグラフである。
r I Θ
園 43(b)]回転角度と I B
r I及び I B
Θ Iの関係を示すグラフである。
[図 44(a)]実施例 10の回転角度検出装置の一例を示す模式正面図である。
[図 44(b)]図 44(a)の A-A断面図である。
園 44(c)]図 44(a)の回転角度検出装置のセンサ出力を示すグラフである。
園 44(d)]図 44(a)の回転角度検出装置の検出角度及び角度誤差を示すグラフである 園 44(e)]図 44(a)の回転角度検出装置の検出角度及び角度誤差を拡大して示すダラ フである。
園 45(a)]実施例 10の回転角度検出装置の他の一例を示す模式正面図である。
[図 45(b)]図 45(a)の A-A断面図である。
園 45(c)]図 45(a)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 45(d)]図 45(a)の回転角度検出装置の検出角度及び角度誤差を示すグラフである
[図 45(e)]図 45(a)の回転角度検出装置の検出角度及び角度誤差を拡大して示すダラ フである。
[図 46(a)]実施例 11の回転角度検出装置を示す模式正面図である。
[図 46(b)]図 46(a)の A-A断面図である。
[図 47(a)]実施例 12の回転角度検出装置を示す模式正面図である。
[図 47(b)]図 47(a)の A-A断面図である。 [図 48]本発明の回転機のさらに他の一例を示す模式断面図である。
[図 49]本発明の回転機のさらに他の一例を示す模式断面図である。
発明を実施するための最良の形態
[0081] (1)回転角度検出原理
回転方向に 2N極 (Nは自然数)を有する磁石回転子について、本発明の回転角度 検出装置の角度検出原理を説明する。この磁石回転子は N極対の磁石を有している と言い換えることができ、 N回の軸対称性を有している。ある基準角の機械角 Θ は電 m 気角 Θ によって式 (1)で表される。特に、 2極 (N=l)の場合は式 (2)で表され、電気角 el
と機械角が等しくなる。
[0082] [数 1]
C + ■ ■ ■(!)
N
[0083] [数 2] θ„, =θε1 ■ ■ - (2)
[0084] 単純化のために軸方向に無限に長い磁石回転子を仮定する (すなわち、軸方向に は磁場は一様に分布して V、ると仮定する)。このとき磁石回転子から発生する磁場を 測定位置 (Γ， Θ )の関数とした空間べ外ルで表すと、半径方向の磁場成分 Ηと回転方 向の磁場成分 Η とはそれぞれ式 (3-1)及び式 (3-2)で近似できる。
Θ
[0085] 園
Hr (r, θ)≡ 4 cos θβ1 + A, cos Wel +A5cos50el+ (3.1)
Ηθ{τ,θ)≡ Al sm + sin3¾ +A5sm59eI +…… ■ ■ ■ (3-2)
[0086] さらに、式 (3-1)及び式 (3-2)において、基本波成分がゼロでなく（すなわち Aがゼロ
1 ではない）場合、 rがある程度大きく 3次以上の高調波が Aで表される基本波に比して
1
小さいときには、式 (4-1)及び式 (4-2)のように簡略化可能である。
[0087] [数 4]
Hr(r, ≡4c。s , · · · (4-1)
Η {,;θ)≡Αιύηθβ1 · · · (4-2) [0088] これは、測定点に対して磁石回転子が角度 Θ だけ動くと磁場の向きが Θ 変化す
m el ることを意味する。すなわち、磁場の大きさに関係なぐ磁場の方向を検知することに より磁石回転子の回転角度が測定可能であることを意味している。
[0089] (2)スピンバルブ型巨大磁気抵抗効果素子
前述の原理による磁気センサを実現するためのエレメント (素子)として、スピンバル ブ型巨大磁気抵抗効果素子がある。磁気抵抗効果素子は磁場を感知してその抵抗 値が変化するエレメント (素子)であり、通常はエレメント (素子)の異方性方向の磁場成 分を一次元的に検知するように使用される。本発明においては、エレメント (素子)を回 転磁場中に入れた場合の抵抗変化に着目してセンサシステム全体を構成している。 回転磁場に対して cos a ( aは固定層の磁化と自由層の磁化とのなす角)の抵抗変化 をするエレメント (素子)、符号が逆の (-cos a )の抵抗変化をするエレメント (素子)、又は それらを組み合わせた素子対を用いる。直流電圧印加時に、 cos αに比例する電圧 を出力するエレメント (素子)を適用することにより、式 (5)に示すように R が出力される
res
。式 (5)において、 δは抵抗変化率である。
[0090] [数 5コ es = res + = es0 (l + ^cos «) . . . (5)
K OS "
[0091] スピンバルブ型巨大磁気抵抗効果素子を使用した場合、固定層の磁化の向きは製 造工程によって決まり、外部磁場の動きによって変化しない。一方、自由層の磁化は 、外部磁場の方向と同一であることから、抵抗変化は外部磁場の方向にのみ依存し 、磁場の絶対値の大きさにはよらない動作が可能となる。このように、スピンバルブ型 巨大磁気抵抗効果素子では、磁場と感磁方向のなす角度に応じた出力が得られる ため、電気角の 1周期に対して 1周期分の波形出力が得られ、逆正接演算によって絶 対角度を求めることができる。また磁石回転子から印加される磁束に応じて自由層の 磁化はスムーズに回転する。このため、本発明に使用するエレメント (素子)として適し ている。なお、逆正接演算とは、第一の正弦波状出力信号 x(例えばセンサブリッジ AO 1から得る信号)、及び第二の正弦波状出力信号 y (例えばセンサブリッジ B01から得る 信号)から、 tan Θ =y/xの関係となる Θ を求めることである。 [0092] 上記において、 Hと H の振幅は等しいとして説明を行った力 S、磁石回転子の軸方
r Θ
向寸法 (すなわち磁石回転子厚み)が有限である場合、振幅は等しくならない。以下 に、振幅が等しくないときの角度演算方法を説明する。図 33(a)及び図 33(b)に示すよ うに、原点にある永久磁石の外周近傍にセンサデバイスを設置する場合、その最適 配置は以下のように求まる。磁石回転子の中心を原点とする座標系 (Χ,Υ,Ζ)において 、位置 (X，Υ，Ζ )に図 9(a)〜図 9(c)で示すように内部に平行反平行方向の固定層磁化 方向を有するスピンバルブ型巨大磁気抵抗効果素子がブリッジ接続されているセン サデバイス 2aを配置する（図 33(a)及び図 33(b)にお!/、ては、 Y =0、 X = r + r、 Z =0であ
s s 0 1 s る）。センサブリッジ A01の固定層磁化方向を X軸と平行に配置し、センサブリッジ B01 の固定層磁化方向は Y軸と平行 (磁石回転の接線方向）に配置した。 X-Y平面と、前 記磁石の原点とセンサデバイスの中心とを結ぶ線とがなす角をセンサ配置角 φとす ると、磁石回転子が円周方向に Θ 回転したときの X，Y及び Z方向の磁束成分 B、Β
m X Y 及び Βはそれぞれ式 (6- 1)、式 (6-2)及び式 (6-3)で表される。ただし、磁石回転子を 1
Ζ
個の磁気モーメント mに近似して考えた。
[0093] [数 6] m
B -cos , (2 cos ^ - sin (6- 1)
—m
B、- sin ， (6-2)
4TTR3
m
B7 cos ,,(3 cos . sin ) (6-3)
4π 3
[0094] このとき、 Bを B とし、残りの Y軸に直交する成分を B と表すと、式 (7- 1)及び式 (7-2
X II 丄
)となる。
[0095] [数 7] m
B -sm 6L = B,, n sm 9m (7-1) m
B {(2 cos 2 φ - sin' φ)+ (3 cos φ · sin (7-2)
[0096] B は B の振幅であり、 B は B の振幅である。これらの振幅比である空間磁束密 度振幅比 Kは、式 (8)で表される。
[0097] [数 8] ：^■ · ■ - (8)
[0098] Ζ =0の場合は、 Β =0であるため、 Β と Β はともに Χ-Υ平面内に存在する。 Ζ ≠0 の場合、すなわちあるセンサ配置角 Φ(Φ =90 deg.を除く)の位置にセンサデバイス を設置すると、センサデバイスの中心では X-Y平面から ε傾いた平面 (以下、 ε面と 称する)内で空間磁束密度振幅比 Κの回転磁場が得られる。
[0099] 特開 2002-303536号に記載の、回転軸の端に設けられた 2極の円板状磁石の端面 にセンサ基板を対向させた構成における空間磁束密度振幅比 Κは、式 (7-1)及び式（
7-2)に φ =90 deg.を代入することで得られ、 K =1となる。よって、各センサブリッジは 同一振幅で 90 deg.位相の異なる磁束を受ける。そのため、各センサブリッジの出力 は、歪むことなく正弦波又は余弦波となり、逆正接演算後の角度信号に誤差は発生 しない。
[0100] 一方、図 33(a)及び図 33(b)に示すのように、 φ =0 deg.の場合、空間磁束密度振幅 比 K =B /B =2で、 90 deg.位相の異なる磁束を受けることとなり、センサ出力は正 弦波とはならず、図 33(c)に示されるようにセンサブリッジ A01の出力はほぼ台形波、セ ンサブリッジ B01の出力はほぼ三角波となる。その結果、図 33(d)に示すように、 ±20 d eg.という非常に大きな誤差が発生してしまう。このとき、センサブリッジ B01の固定層 磁化方向を回転軸として X傾けたとき、センサデバイス内のスピンバルブ型巨大磁気 抵抗効果素子が実効的に受ける磁束密度の Y方向成分 B 、それに直交する方向 の成分 B 、及び実効磁束密度振幅比 K は、それぞれ式 (9-1)、式 (9-2)及び式 (9-3
)で表される。 B は B の振幅であり、 B は B の振幅である。
[0101] [数 9コ = ^。 cos θ„, · cos ( -ε)= Bleff0 cos θη ■ ■ · (9.1)
B lleff =B^0 smem =B„ ■ ■ · (9-2)
β
Ke£f ^^^K0 cos{z-s) , , - (9-3)
^ o [0102] 直交する実効磁束密度の振幅比 K =Β /Β が 1となる状態、つまり振幅の大 eff 丄 effl) //effO
きさを等しい状態にするのが好ましい。 K の好ましい範囲は Κ =0·93〜1·08であり、 eff eff
より好ましくは Κ =0·96〜1·04であり、理想的には Κ = 1.0である。
eff eff
[0103] χを最適センサ傾斜角 χ [式 (9-3)において K = 1.0のときの％が％ である。 ] best eff best にした場合、センサデバイスの固定層磁化方向を感磁面内で回転させても角度誤差 は発生しない。これは、図 9(a)〜図 9(c)に示すように、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を直交させて、 ォのセンサブリッジ力 ¾軸の直交関係に なっていれば、感磁面内で固定層磁化方向を回転させてもセンサブリッジの出力の 位相が Θ に対して進むか又は遅れるだけで、出力の振幅及び出力の精度には影響 m
しないためである。以上のようにして、前記スピンバルブ型巨大磁気抵抗効果素子は
、 Bx、 By及び Bzの 3軸成分を有する磁束の方向を検知する。
[0104] ここで、磁石回転子を磁気モーメント mに近似した力 S、実際には回転軸方向に薄い 扁平形状をした円板状磁石が多く用いられるため、磁石回転子の反磁場係数やセン サデバイスの取り付け位置に依存して、空間磁束密度振幅比 Kは変化する。しかし
0
ながら、センサデバイスの取り付け位置を、磁石回転子表面とのギャップの距離が数 mmになるように離した場合、磁気モーメント mで近似可能となる。
[0105] 上記のように、 2極着磁の磁石においては、磁気モーメント mに近似可能な解析によ つて、実効磁束密度振幅比 K 力 となる、最適センサ配置角 φ 及び最適センサ傾 eff best
斜角％ を求めること力 Sできる。し力もながら、多極に着磁されたリング磁石のように、 best
着磁パターンが複雑な場合は、磁気モーメント mでの解析が困難となってくる。このよ うな場合は、有限要素法などの磁場解析によって、任意の点の磁束密度成分から空 間磁束密度振幅比 Kを求め、実効磁束密度振幅比 K 力 となるように、センサデバ
0 eff
イスを X-Y平面から％傾ければ、角度誤差の少ない回転角度検出装置を構成するこ と力 Sできる。
[0106] 本明細書において、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に相当する。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を対向 させる構成を回転角度検出装置 ( ニット)と称する。なお、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。
[0107] 本発明を以下の実施例により図面を用いてさらに詳細に説明する力 本発明はこ れらに限定されるものではない。
[0108] (実施例 1)
本発明の第一の回転角度検出装置は、図 1(a)及び図 1(b)に示すように、磁石回転 子 1と、磁気回転子の外周の外側に配置された磁気センサ部 2と、前記磁気センサ部 2を固定するハウジング 3で構成されている。磁石回転子 1は、複数の円弧を連結した 外周形状を有するリング状永久磁石 la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 lbと、前記軟磁性リングを支持する非磁性リング状のァダプ タ lcを備える。磁気センサ部 2は、磁石回転子 1に対向する周縁が凹面である板状の 回路用基板 2cと、前記回路用基板 2cの面に固定した一対のセンサデバイス 2a，2bと、 前記センサデバイス及び回路用基板 2cと制御用回路とを電気的に接続するケープ ル 2d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。前記セ ンサデバイス 2a，2bには、それぞれ 2つの積層スピンバルブ型巨大磁気抵抗効果素子 が搭載されており（図示せず、センサデバイス 2a，2bによってリング状永久磁石 laの回 転角を検出することができる。ハウジング 3には、センサデバイス 2a，2b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ノレ 3a及びボルト 3cが設けられている。なお、磁気センサ部 2の詳細については後述する
〇
[0109] 磁気センサ部 2を設置したハウジング 3は、ボルト止め用孔 3bを用いて工作機械本 体に固定し、工作機械の回転シャフトに磁石回転子 1は、ボルト止め用孔 Idを用いて 同軸となるように固定した (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 2を対向させた状態で工作機械の回転シ ャフトを駆動させたところ、高い精度で回転角を検出することができた。
[0110] 磁石回転子 1は、 NdFeB系磁粉とバインダーとを成形してなるリング状永久磁石 laと 、軟鉄粉とバインダーとを成形してなる軟磁性リング lbと、前記軟磁性リングを回転シ ャフトに取り付けるための S45C製のアダプタ lcで構成した。磁石回転子 1は、外周面 が 12極 (すなわち 6極対)に着磁されている。 1極対に相当する機械角 60 deg.が電気 角の 360 deg.に相当する。センサデバイス 2a及びセンサデバイス 2bは、それぞれスピ ンバルブ素子 4個で図 2(a)及び図 2(b)に示すように 2つのハーフブリッジ回路を構成し 、非磁性リードフレームを利用して 6個の端子 23を形成し、樹脂系材料でモールドし たものを用レ、た。センサデバイス 2aとセンサデバイス 2bとは磁石回転子 1の回転軸を 中心として機械角で 15 deg. (すなわち電気角で 90 deg.)をなすよう、回路用基板 2cに 固定した。センサデバイス 2a，2bはコネクタ 2e付きケーブル 2dを介して図 3の回路を構 成するようにして機能させた。ハウジング 3及びコ字型アングル 3aも非磁性 SUS316で 構成した。
[0111] 磁石回転子 1の外接円 (点線で図示)の半径は 40 mm、磁石回転子 1の外接円 (点線 で図示)とセンサデバイスの中心との距離 rは 3.5 mm、磁石回転子 1の厚さ tは 25 mm、 ハウジング 3の厚さ Tは 2 mm(2 mm厚の板材を打ち抜き、絞りで形成した)であった。距 離 rを 10 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た。また、磁石回転子 1の厚さ tは 5 mmの場合でも同様に問題なく使用することができた。
[0112] センサデバイス 2a及び 2bは、図 2(a)及び図 2(b)に示すように、センサ素子として 4個 のスピンバルブ型巨大磁気抵抗効果素子 22a，22b，22c，22dをモールドの内部に有し 、リードフレームによる 6本の端子 23を備える。それぞれのスピンバルブ型巨大磁気抵 抗効果素子は図示した太矢印の向きに固定層の磁化方向が固定されている。スピン バルブ型巨大磁気抵抗効果素子 22a及び 22eの太矢印は、磁石回転子の中心を指 す向きに相当する。図 2(c)及び図 2(d)は、それぞれセンサデバイス 2a及び 2bの 4個の スピンバルブ型巨大磁気抵抗効果素子 (回路図で電気抵抗として図示)と端子の関 係を示す回路図である。センサデバイス 2aにおいては、図 2(c)に示すように、直列接 続したスピンバルブ型巨大磁気抵抗効果素子 22a及び 22dに定電圧 Vccxを印加して 、接続の中点から Voutxを出力し、直列接続したスピンバルブ型巨大磁気抵抗効果 素子 22b及び 22cに定電圧 Vccyを印加して、接続の中点力、ら Voutyを出力した。 Gndx 及び Gndyは接地 (アース電位)に相当する。センサデバイス 2bも、図 2(d)に示すように 、同様に接続した。
[0113] 回転角度検出装置に用いる回路を、図 3に概略的に示す。 4つのハーフブリッジ回 路を並列接続し、定電圧の端子を Vccにまとめ、接地の端子を Gndにまとめた。スピン バルブ型巨大磁気抵抗効果素子 22a，22b，22c，22dは図 2(a)のセンサデバイス 2aに対 応し、スピンバルブ型巨大磁気抵抗効果素子 22e，22f，22g，22hは図 2(b)のセンサデバ イス 2bに対応する。それぞれの太矢印はスピンバルブ型巨大磁気抵抗効果素子の 固定層の磁化方向を表す。スピンバルブ型巨大磁気抵抗効果素子 22d，22aの中点 出力とスピンバルブ型巨大磁気抵抗効果素子 22g、 22fの中点出力を第一のォペア ンプで増幅し、スピンバルブ型巨大磁気抵抗効果素子 22h，22eの中点出力とスピン バルブ型巨大磁気抵抗効果素子 22b、 22cの中点出力を第二のオペアンプで増幅し た。ついで、第一のオペアンプの出力と第二のオペアンプの出力を A-D変換器に入 力し、得られる出力を両方とも角度演算器に入力し、検出角度の値を最終的な出力 として得た。図 1(a)及び図 1(b)に示すように、センサデバイス 2aに対してセンサデバイ ス 2bは周方向に機械角 φ異なる位置に配置されているため、電気角 Θの位相差が ある（12極の場合は φ = 15 deg.、 Θ =90 deg.である)。一方が磁石回転子の周方向 に沿った磁束を受けているときに、他方は Θ遅れた磁束を受けている。このように多 極化することで Θに対する φが小さくなり、センサデバイスを狭い領域に収めて小型 ィ匕すること力 Sでさた。
[0114] 上記スピンバルブ型巨大磁気抵抗効果素子は、それぞれ素子が配置された場所 における感磁方向と磁場方向とのなす角を検知している。本実施例では上記のよう に周方向に感磁方向を有するスピンバルブ型巨大磁気抵抗効果素子と、それに対 して電気角で 90 deg.異なる位置に配置された、半径方向に感磁方向を有するスピン バルブ型巨大磁気抵抗効果素子とを組み合わせるブリッジ構成になっており、同一 場所に配置されたスピンバルブ型巨大磁気抵抗効果素子を組み合わせたブリッジ構 成に比べて、出力信号波形の歪みが相殺されて、より理想的な正弦波に近い出力を 得ることカできた。実施例 1の回転角度検出装置の回転角精度は、機械角で ± 5 deg .以内に収まった。
[0115] 機械角で表した最大検出角度の誤差は、電気角で表すとその磁極数が多いほど 小さくなる。つまり、電気角で表したときの回転角誤差が同じであっても、 2極の磁石 回転子を用いた場合に比べ、 12極の磁石回転子を用いた場合では機械角で表すと 1/6の回転角誤差になる。このため、多磁極数の磁石回転子を用いる方力 より検出 誤差を少なくすることが可能になる。
[0116] 本発明の回転角度検出装置に用いる他の磁石回転子を図 4に示す。磁石回転子 1 1は、外周が円形でありかつ複数の円弧を連結した内周形状を有するリング状永久 磁石 11aと、前記リング状永久磁石 11aの内周側に一体に形成されたヨーク l ieと、前 記ヨーク l ieの内周に一体に形成された円環状の軟磁性リング l ibと、前記軟磁性リ ング 1 lbを支持する非磁性リング状のアダプタ 1 lc (ボルト止め用孔 1 Idを有する)を備 える。磁極ごとに磁石厚さに勾配をつけて凸形状又はレンズ状とすることにより、磁石 回転子 11の外周面における表面磁束密度分布を理想的な sin波に近づけた。本発明 の回転角度検出装置は、磁石回転子に近接してスピンバルブ型巨大磁気抵抗効果 素子のセンサブリッジを有する磁気センサ (近接して配置する一対のセンサ)設けたの で、図 4に示すような形状を有するリング状永久磁石であっても高い精度で回転角を 検出できた。
[0117] 本発明の回転角度検出装置に用いるさらに他の磁石回転子を図 5に示す。磁石回 転子 21は、複数のセグメント状磁石 21aを円環状の軟磁性リング 21bの外周面に接着 剤を介して配列するとともに、前記軟磁性リング 21bを支持する非磁性リング状のァダ プタ 21c (ボルト止め用孔 21dを有する)を備える。磁気センサ部 2の構成は図 1(a)及び 図 1(b)と同様である。ただし、ハウジング 13(—部のみ図示)は、図 1(a)及び図 1(b)のハ ウジング 3の形状に対して、磁気センサ部 2の近傍以外の部分で内径を小さくした。ハ ウジング 13の内周面には鉄の薄板 13b(S45C)を固着した。このように鉄の薄板 13bを 設けることにより、外部からの磁気的擾乱を防ぎ、磁石回転子からの磁束の高調波成 分をより低減すること力 Sできる。
[0118] 本発明の回転機を図 6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を有するステータ 73aとを設置した。シャフト 71bはベアリング ( 図示省略)を介してフレーム 73cに回転自在に固定した。磁石回転子 71cはシャフト 71 bに設け、センサデバイス 72aは支持部 72cを介してフレーム 73cに設置した。前記磁 石回転子 71cの回転磁界を前記センサデバイス 72aで検知し、その出力を演算回路 7 2bで処理し、磁石回転子 71cの回転角を出力した。この回転機では、磁石回転子 71c が回転すると、センサデバイス 72a中のスピンバルブ型巨大磁気抵抗効果素子にお ける自由層の磁化方向が磁気的に回転した。前記自由層の磁化方向の電気的な軸 を、図中に一点鎖線で示した。
[0119] 本発明の他の回転機を図 7(a)〜図 7(d)に示す。これらの回転機は、図 6に示す回転 機を変形した例である。一部同様の部材については符号を省略した。同じ符号を用 いた部分は同様の部材を示す。図 7(a)に示す回転機は、図 6に示す回転機に対して 、支持部 72cを支持部 72fに置換し、支持部 72fの端面にセンサデバイス 72eを配置し たものである。スピンバルブ型巨大磁気抵抗効果素子における自由層の磁化方向が 磁気的に回転する面を、磁石回転子 71cに対向させた。図 7(b)に示す回転機は、シャ フト 71bの向きに沿って多極に着磁した磁石回転子 71dで磁石回転子 71cを置き換え 、前記磁石回転子 71dの端面の磁界を検知するように支持部 72hを介してセンサデバ イス 72gを配置し、その出力を演算回路 72iで処理し、磁石回転子の回転角を出力し た。図 7(c)に示す回転機は、磁石回転子 71cをなくし、永久磁石のロータ 71aの軸方向 長さを延長した形状のロータ 71eを設け、前記ロータ 71e周面の磁界を検知するように 支持部 72kを介してセンサデバイス 72jを配置し、その出力を演算回路 72iで処理し、 磁石回転子の回転角を出力した。図 7(d)に示す回転機は、図 7(a)の構成において、 ロータ 71a及び磁石回転子 71cを図 7(c)に示すロータ 71eに置換したものである。
[0120] 本発明のさらに他の回転機を図 8(a)、図 8(b)及び図 8(c)に示す。図 7(a)〜図 7(d)に 示す回転機の構成をさらに変形した例である。図 7(a)、図 7(b)及び図 7(d)に示す回転 機において、磁石回転子又はロータが機械的に回転しても、センサデバイスに印加 される磁界は回転磁界ではないので、スピンバルブ型巨大磁気抵抗効果素子の自 由層の磁化方向の回転は制限される (一点鎖線を中心にして傾くが、 1回転には及ば ない。）。そこで、図 7(a)、図 7(b)及び図 7(d)に示す回転機における支持部の長さや位 置を、それぞれ図 8(a)、図 8(b)及び図 8(c)に示すように変更した。その結果、磁石回転 子又はロータが機械的に回転すると、一点鎖線に垂直な面に平行な回転磁界成分 がセンサデバイスに印加されるため、スピンバルブ型巨大磁気抵抗効果素子の自由 層の磁化方向も回転するようになった。 [0121] なお、以上の実施例では回転機に適用した構成を示したが、同様な角度検出は相 対的な移動方向を円周から直線方向に変換した位置検出装置でも可能である。直 線方向に変換した場合は、リニアモータの位置検出等に応用可能である。
[0122] (実施例 2)
本発明の第二の回転角度検出装置は、図 2(a)〜図 2(d)に示すセンサデバイス 2a，2b を、図 9(a)〜図 9(f)に示すように、スピンバルブ型巨大磁気抵抗効果素子 8個で 2つの フルブリッジ回路を構成し、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たセンサデバイス 12a，12bに変更した以外、実施例 1の第一 の回転角度検出装置と同様にして作製した。図 1(a)及び図 1(b)の距離 rを 10 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た。また、磁石回転子 1の厚さ tは 5 m mの場合でも同様に問題なく使用することができた。
[0123] 図 9(a)に示すように、 1つのセンサデバイス 12a内には、エレメントとして X，Y，-X，-Y方 向のいずれかを固定層磁化方向としたスピンバルブ型巨大磁気抵抗効果素子が 8個 内蔵されてレ、る。図中の太レ、矢印は 1個のエレメントにおける固定層磁化方向を表す 。一つの基板に固定層磁化方向が同じである 2個のエレメントを形成したものを 4個用 いた。これら 8個のエレメントについて、 Χ，-Χ方向を固定層磁化方向とするエレメント は図 9(b)の回路図のように接続し、センサブリッジ X01を構成した。同様に Υ，-Υ方向を 固定層磁化方向とするエレメントは図 9(c)の回路図のように接続し、センサブリッジ Υ0 1を構成した。 χ，-χ方向は反平行の関係にあり、 Υ，-Υ方向は反平行の関係にあり、 X 及び- X方向は、 Υ及び- Υ方向と直交するように形成した。
[0124] 同様に、図 9(d)に示す通り、もう 1つのセンサデバイス 12b内には、 Χ，Υ，-Χ，_Υ方向の いずれかを固定層磁化方向としたスピンバルブ型巨大磁気抵抗効果素子が 8個内 蔵されてレ、る。 Χ，-Χ方向を固定層磁化方向とするエレメントは図 9(e)の回路図のよう に接続されており、センサブリッジ Χ02を構成する。同様に Υ，-Υ方向を固定層磁化方 向とするエレメントは図 9(f)の回路図のように接続されており、センサブリッジ Υ02を構 成した。センサブリッジ X01は磁石回転子の半径方向に固定層磁化方向を有し、セン サブリッジ Y01は磁石回転子の回転方向 (周方向)に固定層磁化方向を有し、センサ ブリッジ Χ02は磁石回転子の半径方向に固定層磁化方向を有し、センサブリッジ Υ02 は磁石回転子の回転方向に固定層磁化方向を有するようにセンサデバイスを回転 角度検出装置に設けた。
[0125] 図 9(a)では、 2個のスピンバルブ型巨大磁気抵抗効果素子 22a，22b，22c及び 22dを 図 9(b)及び図 9(c)のように結線し、リードフレームによる 10本の端子 23と接続し、樹脂 で一体にモールドしてセンサデバイス 12aを形成した。スピンバルブ型巨大磁気抵抗 効果素子 22a及び 22dの太矢印は、図 1(a)及び図 1(b)において磁石回転子の中心を 指す向きと平行となるように配置した。図 9(b)のブリッジ回路では、一定の直流電圧 V ccxを印加して、ブリッジ接続の中点から Vxlと Vx2とを出力する。 Gndxl、 Gndx2、 Gnd yl及び Gndy2は接地 (アース電位)である。なお、図 9(a)では、一つの基板に固定層磁 化方向が同じである 2個のエレメントを形成したものを 4個用いた力 8つのエレメント を一つの基板に形成したものや 1つのエレメントを形成した基板 8個用いてもよい。固 定層磁化方向をすベて同じ向きに形成したウェハから、エレメントを 1個ずつ切り出し 、図 9(a)のように配列し、ブリッジを組むように配線することもできる。セルフピン構造 のスピンバルブ型巨大磁気抵抗効果素子を用いて、エレメントの固定層磁化方向を 決定することあでさる。
[0126] このように、それぞれのセンサデバイスは固定層磁化方向が直交した 2個のセンサ ブリッジを内蔵しており、それぞれのセンサブリッジの固定層磁化方向は、リソグラフィ 手法又は超精密な位置決め精度を有する機械による部品配置でエレメントを形成す ることにより、センサデバイス同士をプリント基板等に実装する場合に比べ、より高精 度に位置決めを行う。固定層磁化方向を直交させることで、高い精度で回転角度を 得ることが可能になる。また、第一のセンサデバイスと第二のセンサデバイスに同一 仕様のものを用いることにより、異なる仕様のセンサデバイスを用いる場合に発生す る実装時の誤りを回避すること力できる。同一仕様のものとは、同じ条件で作製したセ ンサデバイスのことである。例えば、エレメントをウェハープロセスで作製する際に、口 ットの異なるウェハ上に形成されていても製造条件が同一である範囲を同一の仕様と 称する。
[0127] 図 9(a)〜図 9(f)で示されている通り、各センサデバイスはブリッジ回路を 2個有してお り、 Vccと Gnd間に直流電圧を印加して、磁石回転子の磁界内にセンサデバイスを置 くことにより、 Vxlと Vx2間と、 Vylと Vy2間にそれぞれ差動出力を得ることができる。こ の 4つのセンサブリッジ X01，Y01，X02及び Y02から出力される差動出力は、図 10に示 すようにそれぞれ差動増幅器 (オペアンプ 26a，26b，26c，26d，26e，26f)によって増幅され 、増幅された X01及び Y02から出力される第一の回転角度信号、及び増幅された Y01 及び X02から出力される第二の回転角度信号は、 A-D変換部 27でデジタル変換され 、角度演算部 28において角度演算が行われ、最終的に電気角に対応する信号 (角 度信号)が出力される。この場合、第一の回転角度信号と第二の回転角度信号の位 相差は 90 deg.異なっており、第一の回転角度信号をコサイン信号とみなしたときに、 第二の回転角度信号をサイン信号とみなすことが可能であり、これらの信号力 逆正 接演算 (tan— を行うことで、 0 deg.から 360 deg.に対応した角度信号を得る。
[0128] 図 11(a)に、本発明の回転角度検出装置を適用した回転機を示す。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が設置 されている。シャフト 71bはベアリング (図示省略)を介してフレーム 73cに回転自在に固 定されている。前記ロータ 71aに隣り合うように、磁石回転子 71c及び磁石回転子 71d をシャフト 71bに設けた。支持部 72dを介してセンサデバイス 72a，72bをフレーム 73cに 設置した。前記磁石回転子 71cから印加される磁束の向きを、図 11(b)に示すように前 記センサデバイス 72a，72bで検知し、その出力を演算回路 72cで処理し、磁石回転子 71cの回転角を出力した。なお、演算回路 72cには、磁石回転子 71d (図 11(c)に示す） に設けた 1個の磁石部 74cを支持部 74bで支えられたスピンバルブ型巨大磁気抵抗効 果素子 74a (図 9(a)に示すセンサデバイス 12aにおいて、図 9(b)に示すセンサブリッジ X 01のみとしたものを用いた)で検知することにより得られる Z信号を導いた。 Z信号は磁 石回転子力 回転する周期に対応する信号とし演算回路で利用した。この回転機で は、磁石回転子 71cが回転すると、センサデバイス 72a，72b中のスピンバルブ型巨大 磁気抵抗効果素子における自由層の磁化方向が磁気的に回転した。前記自由層の 磁化方向の磁気的な回転の軸を、図中に一点鎖線で示した。
[0129] (実施例 3)
図 12(a)及び図 12(b)に、外周面に 2極着磁された磁石回転子 1と、センサデバイス 12 aを支持する磁気センサ部 2及びセンサデバイス 12bを支持する磁気センサ部 2を固
1 2 定したハウジング 3とを備えた本発明の他の回転角度検出装置を示す。点 0は磁石 回転子 1の回転中心軸に相当する。 2個のセンサデバイス 12a， 12bは 90 deg.互いに離 れた場所に設置した。センサデバイス 12a，12b (それぞれ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を搭載した)によって磁石回転子 1にお けるリング状永久磁石 laの回転角度を検出することができた。
[0130] 磁石回転子 1は、リング状永久磁石 la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 lbと、前記軟磁性リングを支持する非磁性リング状のァダプ タ lcを備える。磁気センサ部 2は、周縁の側面が磁石回転子 1に対向する板状の回
1
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 12aと、前記セン サデバイス及び回路用基板 2cと制御用回路とを電気的に接続するケーブル 2d及び
1 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 (図 12(b)では図示を省略した )とを有する。磁気センサ部 2も、回路用基板等の構成は磁気センサ部 2と同様にし
2 1
た (ケーブル 2dの端はコネクタ 2eに接続されている。）。図 12(b)に示すように、ハウジ ング 3には、センサデバイス 12a，12b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 。それぞれの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 中心軸に垂直な面に対して傾斜させた。センサデバイス等の詳細については後述す
[0131] 図 12(a)及び図 12(b)の回転角度検出装置は、磁気センサ部 2及び 2を設置したハ
1 2
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、工作機械の回転シ ャフトに磁石回転子 1を (ボルト止め用孔 Idを用いて)同軸となるように固定して (図 12(a )及び図 12(b)では工作機械の図示を省略した)使用した。図 12(a)に示すように、磁石 回転子 1と磁気センサ部 2及び 2とを対向させた状態で工作機械の回転シャフトを駆
1 2
動させたところ、高い精度で回転角度を検出することができた。
[0132] 磁石回転子 1は、 NdFeB系焼結型永久磁石で構成したリング状永久磁石 laと、軟鉄 粉とバインダーを成形してなる軟磁性リング lbと、前記軟磁性リングを回転シャフトに 取り付けるための S45C製のアダプタ lcで構成した。それぞれのセンサデバイス 12a，12 bは、実施例 2で用いた図 9(a)〜図 9(f)に示すセンサデバイス 12a，12bと同様のものを 用いた。センサデバイス 12aとセンサデバイス 12bは磁石回転子 1の回転中心 0を中心 にして 90 deg.の角度をなすよう、それぞれの回路用基板 2cをハウジング 3に固定した 。センサデバイス 12a，12bはコネクタ 2eにつながるケーブル 2d，2dを介して図 10の回
1 2
路を構成して機能させた。ハウジング 3及びコ字型アングル 3aは非磁性 SUS316で構 成した。
[0133] 磁石回転子 1の半径 rは 40 mm、磁石回転子 1の外周面からセンサデバイスの中心
0
までの距離 rは 3.5 mm、磁石回転子 1の厚さ tは 25 mm、ハウジング 3の厚さ Tは 2 mm(
1
2 mm厚の板材を打ち抜き、絞りで形成した)であった。これらの寸法は磁石自体の寸 法を示す。なお、距離 rを 10 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
1
た。また、磁石回転子 1の厚さ tは 5 mmの場合でも同様に問題なく使用することができ た。
[0134] 図 12(a)及び図 12(b)においてリング状永久磁石 1を 2極の円板状磁石 11に置き換え た実施例を図 13に示す。図 13は部品同士の位置関係のみを略記して示す。円板状 磁石 11の周囲に 90 deg.の角度をおいてセンサデバイス 12a， 12bを配置した。センサ デバイス 12aの基板面は円板状磁石の中心軸に直交する面に対して傾き角％傾けて 配置した。図 13(b)は、図 13(a)に示す正面図を前記中心軸に直交する方向きから見 た側面図であり、この図においてセンサデバイス 12bは円板状磁石の背後に位置す るので点線で示す。図 13(c)は、図 13(b)とは 90 deg.異なる方向から見た側面図であり 、この図においてセンサデバイス 12aが円板状磁石 11の背後に位置するので点線で 示す。矢印 X01はセンサデバイス 12b中の一方のセンサブリッジの固定層磁化方向を 示し、矢印 Y01はセンサデバイス 12b中の他方のセンサブリッジの固定層磁界方向を 示す。矢印 X02はセンサデバイス 12a中の一方のセンサブリッジの固定層磁化方向を 示し、矢印 Y02はセンサデバイス 12a中の他方のセンサブリッジの固定層磁界方向を 示す。円板状磁石 11(円板の径方向に 2極着磁した NdFeB系ボンド磁石)には回転シ ャフトを通すための貫通孔がないので、円板状磁石 11を固定するための支持部材を 回転シャフトの端に別途設けることで、回転角度検出装置として使用した。図 13の場 合、シャフトを貫通していないため軸ブレが発生し易いが、複数のセンサデバイスを 設けることで軸ブレによる角度誤差を抑制することができた。さらに、センサデバイス 1 2a，12bを％傾けることで、検出角度の誤差をさらに小さくすることができた。
[0135] 本実施例において、図 9(a)〜図 9(c)に示すセンサデバイス 12aは、実施例 2で使用し たものと同様のものを使用した。なお、センサブリッジ Y01の固定層磁化方向は、磁石 回転子の回転方向に沿って設置した。センサブリッジ X01は、前記センサブリッジ Y01 の固定層磁化方向を回転軸として 60 deg.傾けて設置した。センサブリッジ Y02の固定 層磁化方向は、磁石回転子の回転方向に沿って設置した。センサブリッジ X02は、前 記センサブリッジ Y02の固定層磁化方向を回転軸として 60 deg.傾けて設置した。すな わち、傾き角％ =60 deg.とした。この際、磁石回転子の厚み中心点を通りかつ回転 軸に垂直な平面上に、センサデバイスの基板面の中心を設置した。
[0136] (Y02信号の反転）
磁石回転子 21とセンサデバイス 12a， 12bのみを示した回転角度検出装置を図 14に 模式的に示す。センサデバイス 12a，12bに内蔵されたセンサブリッジ X0KX01の文字 の近くに記載した矢印はセンサブリッジ X01における固定層磁化方向に平行な向きを 示す)からの基本波出力は、式 (10)に示すように電気角 Θ を用いて cos S と表される
〇
[0137] [数 10]
X01 = cos eel · ■ ■ (10)
[0138] これに対応して、他の出力、すなわち、 Y01，X02及び Y02からの基本波出力は、電 気角 Θ により式 (11-1)〜式 (11-3)と表される。
[0139] [数 11]
Y01 = -smeel = cos(9e/+90(deg.)) · ■ ' (11-1)
X02 = sin θβ, = cos(0e -90(deg.)) · ■ - (11-2)
Y02 - cos Qel · ■ ■ (11-3)
[0140] これらの 4個の出力信号を図 10で示したようにそれぞれ差動増幅器 (本実施例では オペアンプ)で増幅し、その後段の差動増幅器 (オペアンプ)で 2個のサイン信号とコサ イン信号に合成することにより、高調波成分の少ない信号を得ることが可能である。な お、センサブリッジ X01からの信号とセンサブリッジ Y02からの信号 (Y02信号と称する） を合成する場合、それぞれの基本波成分は同相であり、これらの信号を差動増幅す ると基本波が相殺されることになるため、 Y02信号を何らかの方法で反転させて合成 する必要がある。 Y02信号を反転させることにより、反転された Y02'信号は式 (12)で表 される。
[0141] [数 12]
YO2 ' = -cos 0rf = cos(0rf+18O(deg.)) ■ · - (12)
[0142] (Y02信号の反転の方法）
図 10の回路図において、 Y02信号を反転させるために、センサブリッジ Y02のブリツ ジ出力から、一段目の差動増幅器への入力端への配線を、他のブリッジとはプラスと マイナスを逆にする (即ち、反転させる)ことで実現できた。なお、このセンサブリッジ Y0 2からの出力を反転させる方法は、図 10の方法以外でも可能である。
[0143] (2デバイス 4ブリッジの重要性）
前述のように、逆正接演算により回転角度を表す角度信号を得るには、サイン信号 とコサイン信号の 2信号が必要である。センサブリッジ X01とセンサブリッジ Y01の出力 は、それぞれの信号がコサイン信号とサイン信号に対応しており、この 2個のセンサブ リッジのみでも回転角度出力を得ることは可能である。しかし、上述の式 (3)にあるよう に、磁石回転子からの磁束密度は必ずしも基本波成分のみではなぐ高調波を含ん でいる。また、式 (9-1)〜(9_3)に示すように、傾き角％や、軸ずらし量 zをセンサデバイ スに設けない場合は、センサデバイスの設置位置における半径方向と回転方向の磁 束密度が異なることから、さらに出力信号は高調波を含むこととなる。すなわち、磁石 回転子の近傍でセンサデバイスの出力を測定する場合、磁石回転子の回転角度を 横軸に、センサデバイスの出力を縦軸にとった場合、固定層磁化方向が半径方向を 向いているセンサブリッジの出力は台形波状 (sinカーブが台形的に歪んだ波形)とな り、固定層磁化方向が回転方向を向いているセンサブリッジの出力は三角波状 (sin力 ーブが三角形的に歪んだ波形)になる。このため、さらに X02と Y02のセンサブリッジの 出力を加えることで基本波成分を増加させ、かつ高調波成分を相殺して減少させる ことが可能になる。このような信号処理により、角度信号の誤差をより低減することが できる。
[0144] % =60,-60 deg.の場合、センサブリッジ X01の固定層磁化方向の磁界 Hxと、センサ ブリッジ Y01の固定層磁化方向の磁界 Hyは、式 (13-1)及び式 (13-2)で表される。
[0145] [数 13] m
Hx ^ -jcos^ ■ ■ ■ (13-1)
H, =- ~ ^sin^, . . . (13-2)
[0146] 式 (9)より、センサデバイスは実効的に 90 deg.位相の異なる、等しい振幅の磁界を 受けることになる。このとき、各センサブリッジからの出力は式 (14-1)及び式 (14-2)で 表される。
[0147] [数 14]
Vxm =^∞^m -Vdc ■ ■ - (14-1)
VYm =^^9m-Vdc ■ ■ - (14-2)
[0148] これら出力の比を逆正接演算すると式 (15)で表される。
[0149] [数 15]
=em · · - (is)
Figure imgf000046_0001
このように、本発明では、センサデバイスの直交する 2軸が検出する磁界成分を等し くすることにより、磁石回転子の角度を正確に検出することができる。ここで、回転す る磁石を磁気モーメント mとした力 実際に使用される磁石は、回転軸方向に薄い扁 平形状をした円板磁石が多く用いられる。このような場合は、扁平になるほど、 I H Θ I / I Hr Iは小さくなる。この比率は、反磁界係数と呼ばれる数の関数で表される。 この比率は距離にも依存する。また、上記では、 I Hr I = I Ηθ Iとするために傾き 角 Xを用いたが、センサデバイスを原点と (Ι¾，0，π/2)を通る直線と平行に移動させる（ すなわち、回転磁石の軸方向 (z軸の方向)に移動させる)ことで同様の効果を得ること も可能である。これは、軸方向の移動によって磁束の方向と、回転軸とのなす角が変 化するため X傾けることと同様の効果が得られるためである。この移動量を軸ずらし 量 zと呼ぶ。
[0151] (2つのセンサデバイスでの実測値）
2極に着磁された磁石回転子 11の外周に、第一のセンサデバイス 12bと第二のセン サデバイス 12aを配置して構成した回転角度検出装置を図 15(a)に模式的に示た。（al )は正面図、（a2)と (a3)は側面図である。第二のセンサデバイス 12aは、第一のセンサ デバイス 12bに対して 90 deg.位相の異なる位置に同じ条件で配置した。磁石回転子 1 1の中心を原点とし、回転軸を Z軸とした円柱座標系で表した。磁石回転子 11の直径 2rは 26 mm、厚さ tは 8 mm (厚さは回転軸方向における寸法)、 Z軸からセンサデバイ
0
スの中心までの距離 r +rは 23 mmであった。
0 1
[0152] 波形合成 (差動)を行うために、センサブリッジ Y01の出力を、反転して (ΥΟΙ')合成し た。図 15(b)〜図 15(d)に各センサブリッジの出力を示す。図 15(b)に示すように、センサ ブリッジ X01の出力はほぼ台形波に、センサブリッジ Y01の出力はほぼ三角波となつ た力 図 15(c)及び図 15(d)に示すように、 X01と Y01'、 Y01と Χ02を合成し、高調波成分 を減少させることで、角度誤差を ± 5 deg.と、大幅に低減した。し力もながら、合成後 の波形力、らも明らかのように、理想的な正弦波とは言いがたぐ完全に波形ひずみを 除去出来ていない。これは、合成前の波形のひずみが非常に大きい、すなわち半径 方向と回転方向の磁界が大きく異なるためである。
[0153] 第一のセンサデバイス 12bと第二のセンサデバイス 12aを Z軸方向に- 15 mm平行移 動した以外は、図 15(a)と同様に構成した回転角度検出装置を図 16(a)に模式的に示 た。すなわち、磁石回転子 z = -15 mmの位置にセンサデバイス 12a， 12bを配置した。 図 16(b)〜図 16(d)に各センサブリッジの出力を示す。センサデバイスが受ける磁束密 度の振幅を揃える様に構成しため、図 16(b)に示すように合成前の波形からほぼ正弦 波であり、磁石回転子のひずみや、取り付け位置のばらつきを波形合成によって除 去することで、図 16(c)及び図 16(d)に示すように、 ± 3 deg.にまで角度誤差を抑えるこ とができた。さらなる調整により、角度誤差低減は可能であり、磁石回転子とセンサデ バイスの位置関係を、わずかに変えることで、さらに角度誤差が低減することを確認し た。
[0154] (Y02信号を反転させる他の方法 1)
前述の通り、回転角度信号を計算する場合にセンサブリッジ Y02からの出力を反転 させる必要がある。センサブリッジ Y02出力の反転方法は、上述の差動増幅器入力端 の操作以外にいくつかの方法がある。第一に、図 17に回路図を示すように、 Y02への 印加電圧を逆転する方法が挙げられる。センサブリッジ Y02のみ Vcc端子に Gndを、 G nd端子に Vccを接続することにより、 Y02出力が反転してオペアンプ 26dに入力される
[0155] (Y02信号を反転させる他の方法 2)
図 18(a)〜図 18(c)に、本発明の回転角度検出装置に用いる他のセンサデバイス配 置を模式的に示す。図 18(a){正面図を (al)に、側面図を (a2)に示す }に示すように、両 面にプリント配線を有する回路用基板 12s表面に第一のセンサデバイス 12eを取り付 け、前記基板の裏面に第二のセンサデバイス 12¾取り付けることでセンサブリッジ Y0 2の出力とセンサブリッジ X01の出力が逆相関係となるように、 "反転"が達成される。 基板表面に第二のセンサデバイスを取り付ける場合のように、結線による反転と同様 の効果が得られる。
[0156] 片面にのみ配線を有する回路基板 12tを使用する際には、図 18(b){正面図を (bl)に 、側面図を (b2)に示す }に示すように、回路基板 12t表面に第一のセンサデバイス 12g を取り付け、前記基板 12tをくりぬいて形成した貫通孔 12uにセンサデバイス 12hを裏 向きに実装することで同一の効果が得られる。もちろん、図 18(c) {正面図を (cl)に、 側面図を (c2)に示す }に示すように、表裏両面のいずれでも基板上に実装可能となる ように、側面に端子 24を設けたセンサデバイス 12iを構成することでも同一の効果が得 られる。すなわち、図 18(b)の基板において貫通孔を形成せず、センサデバイス 12gを センサデバイス 12iで置き換え、貫通孔及びセンサデバイス 12hの代わりに反転したセ ンサデバイス 12iを (先の 12iと基板の同じ側に)配置する。このような実装方法により、 所望の位相関係を有する電気信号を得ることができる。
[0157] (他の回路の例） 図 19に示す回路図は、センサブリッジ X01 ,ΥΟ 1，Χ02及び Υ02に対するエレメントへの 電圧印加方法及び差動増幅器 の入力極性は図 17の回路と同一だ力 S、後段のアナ ログ-デジタル変換部 (A-D変換部)の内部において、 Y02出力からの入力信号 (オペ アンプ 26dの出力)のみにデジタル的な反転処理を行ったものである。この回路は、先 に説明した実施例のようにアナログ的な反転を経ずに、直接必要な計算を実行した ものである。
[0158] (加算回路によるサイン信号とコサイン信号の生成）
以上に、 4つのセンサブリッジからの出力に差動処理を行うことで位相の 90 deg.異 なる 2信号を得た例を説明した。別の方法として、 4つのセンサブリッジからの出力に 加算処理を行うことでも同様な 2信号を得ることが可能である。これは前述の実施例で 行った反転手法とは異なり、図 20に示すように、センサブリッジ X02からの出力を差動 増幅器に入力する際に他のセンサブリッジからの出力を差動増幅器に入力する極性 とは反転した接続を行う方法である。式 (10)及び式 (11-1)〜(11_3)に示された通り、セ ンサブリッジ X01とセンサブリッジ Y02との基本波成分の位相は同相であるため、加算 処理を出力のまま行うことが可能である (オペアンプと A-D変換部の間にある抵抗の 記号は加算処理のための電気抵抗である。）。これに対し、センサブリッジ Y01とセン サブリッジ X02との基本波成分位相は逆相のため、単純な加算処理では基本波成分 を相殺することになる。このため、センサブリッジ X02からの出力を反転し (センサブリツ ジ X02の出力をォペアアンプ 26cに入力する結線が他のセンサブリッジ-オペアンプ の結線とはプラスマイナスを逆にした)、その後にセンサブリッジ Y01からの出力と加算 処理を行う必要がある。なお、上述のセンサブリッジ X02からの出力反転は、図 17で 示した例のように、センサブリッジ X02への直流電圧印加を逆極性にすることでも可能 である。このような回路図を図 21に示す。
[0159] 多極の磁石回転子 21と第一のセンサデバイス 12b及び第二のセンサデバイス 12aを 用いて構成された回転角度検出装置を図 22(a)及び図 22(b)に示す。この装置を用い て、回転角度特性の評価を行った結果の出力等を示すグラフを図 22(c)〜図 22(f)に 示す。磁石外周力、らセンサデバイス 12a，12bの中心までの距離は約 3 mmであり、傾き 角％ =0でセンサデバイスを配置した。磁石回転子 21は、 12極着磁であるため、いず れも機械角で 360 deg.回転すると 6周期の出力が得られた。この場合、機械角が 60 d eg.で電気角の 1周期となる。第二のセンサデバイス 12aは、第一のセンサデバイス 12b に対して電気角で 90 deg.位相の異なる位置に同じ条件で配置した。波形合成 (差動) を行うために、センサブリッジ Y01の出力を、反転して (ΥΟΙ')合成した。図 22(c)〜図 22 (d)に示すように、磁石回転子の半径方向成分 (X01，X02)はいずれもほぼ台形波、回 転方向成分 (Υ01，Υ02')はほぼ三角波となり、波形合成後も波形ひずみが確認できた
〇
[0160] 図 23(a)に、内径 45 mm、外径 50 mm、厚さ 4 mmの 12極に着磁された磁石回転子の 磁束密度の距離依存性をシミュレーションにより求めた結果を示す。図 23(b)は、図 23 (a)から求めた | B | / | B |と、 | B I / I B I力、ら算出したセンサデバイスの好ま
Θ r Θ r
しい傾き角％を示す。半径方向の磁束密度 Bの振幅は回転方向の磁束密度 B の振 r Θ 幅よりも大きいこと力 S分力、る。図 22(c)及び図 22 (d)に示した結果は、図 23(a)で示した ように、半径方向と回転方向の磁束密度の振幅に差がある（ I B
r I > I B
Θ I )ことを 実験的に示している。その結果、図 22(e)及び図 22(f)に示すように、角度誤差は電気 角で ± 2 deg.となった。
[0161] 一方、図 22(a)及び図 22(b)でセンサデバイス 12a及び 12bを Z軸方向に zずらした構 成の回転角度検出装置を図 24(a)及び図 24(b)に示す。センサデバイス 12a，12bが受 ける磁束密度の振幅を揃えるように構成しているため、図 24(c)及び図 24(d)に示すよ うに、 Χ01，Χ02，Υ01，Υ02'いずれの出力も歪が少なぐ波形合成後の出力もほぼ正弦 波及びほぼ余弦波となった。その結果、図 24(e)及び図 24(f)に示すように、角度誤差 は電気角で ± 1 deg.以下であり、非常に精度良く回転角度を測定することが可能とな つた。
[0162] (多極の場合の設置場所のバリエーション）
以上の実施例においては、すべて第一のセンサデバイスと第二のセンサデバイス が電気角で 90 deg.の位相差を有する位置に設置されている例を述べた。しかし、第 一のセンサデバイスと第二のセンサデバイスは必ずしも電気角で 90 deg.の隣接個所 に設置する必要はない。例えば、図 25(a)示すように、磁石回転子 laの周囲で、第一 のセンサデバイス 12aから、第二のセンサデバイス 12bが電気角で 90 deg. + 180 deg. 離れた位置に設置された場合、センサブリッジ X01の出力を基準にして、それぞれの センサブリッジの出力のを基本波は式 (16-1)〜(16-4)で表される。
[0163] [数 16]
X01 - cos θβ1 ■ · · (16-1)
Y01 = - η θΒΐ = cos(erf+90(deg.)) ■ · ' (16.2)
X02 = sm(ee,+l 80(deg.)) = - sin 6e, = cos(Se,+90(deg.)) ■ · - (16-3)
Y02 = cos(Oel +180(deg.)) = ~cos Qd ■ · · (16.4)
[0164] ここで、 X02を反転して、 Y01出力と X02反転出力とを差動処理する必要がある。 X01 出力と Y02出力とは、反転処理のないまま差動増幅器の入力端に入力可能である。 なお、位相関係を変えずに配置と結線を変えることで、図 25(b)に示すようにセンサデ バイス 12j及びセンサデバイス 12bを用い、同様の精度で回転角度を検知することも可 能である。よって、上記の第一のセンサデバイスと第二のセンサデバイスの設置位置 に関しては、電気角で 90 deg.及び、電気角 90 ± 360 deg.に限定されるものではなぐ その相対位置は 90 ± 180n deg.(nは整数)の任意の角度を取ることが可能である。た だし、このようにセンサデバイス同士の間隔を広げると、回転角度検出装置をモータ や加工装置の回転軸に付け合せる際に、組立て精度の影響を受けて回転角度の検 出精度が制約されることがある。従って、図 14に示すように、センサデバイス同士の間 隔を小さくするのがより好ましレ、。
[0165] (ほぼ反対側に 2センサデバイスを設置）
上記の第一のセンサデバイスと第二のセンサデバイスの設置位置をさらに限定し、 機械角で 180 deg.に近い角度に設置することで磁石回転子の取り付けてある回転軸 の芯ぶれに対する角度誤差を低減することが可能である。この場合、磁石回転子の 磁極対数を Nとすると (Nは自然数)、第一のセンサデバイスと第二のセンサデバイスの なす角度は電気角で ± 90+ 180N deg.で表される。その構成の一例を図 26に示す。
[0166] 図 26に示す構成において、回転軸中心が変動し、センサデバイス 12aに回転軸中 心が近づき、逆にセンサデバイス 12bから回転軸中心が遠ざ力 た場合、センサデバ イス 12aが受ける磁界の強さはセンサデバイス 12bが受ける磁界の強さよりも強くなる。 しかし本発明にお!/、ては、センサデバイス 12aに内蔵されて!/、るセンサブリッジの信号 と、センサデバイス 12bに内蔵されているセンサブリッジの信号とを合成して 1組のサイ ン信号及びコサイン信号を得るため、磁石回転子 laの回転軸の変動が回転角度信 号に影響する度合いが軽減され、回転軸の片側にセンサデバイスを集中して配置す る場合に比べて、さらに回転軸位置変動に対して耐性が強い (回転中心からのズレが ある程度許容される。モータで許容されるズレよりも大きい)。このようにして使われる 複数のセンサデバイスをセンサデバイス群と称する。
[0167] (スピンバルブ GMR素子を用いることによるスペーシング耐性）
センサデバイスのエレメントにスピンバルブ型巨大磁気抵抗効果素子を用いること により、磁界強度の変動に対しても安定したセンサブリッジ出力を得ることが可能であ る。図 27(a)及び図 27(b)に、スピンバルブ型巨大磁気抵抗効果素子によって構成され たセンサデバイスを用いて測定した、センサ-磁石回転子間の距離特性に応じた磁 石回転子の機械角と出力の関係を示す。図 27(a)は半径方向の距離を変動させたと きの測定結果を示し、図 27(b)は回転方向の距離を変動させたときの測定結果を示す 。図中に太い矢印で付加した数字 (2 mm、 20 mm)はそれぞれセンサ-磁石回転子間 の距離を示す。
[0168] 一方、図 27(c)及び図 27(d)は、スピンバルブ型巨大磁気抵抗効果素子を用いたセ ンサデバイスの代わりにホール ICを用いた場合のセンサ-磁石回転子間の距離特性 に応じた、磁石回転子の機械角と出力の関係を示す。図 27(c)は半径方向の距離を 変動させたときの測定結果を示し、図 27(d)は回転方向の距離を変動させたときの測 定結果を示す。なお、ホール ICは 1方向の磁界の強さのみしか検出できないため、ホ ール ICの感磁方向を磁石回転子の半径方向に向けて図 27(c)に示すデータを測定し た後、ホール ICの感磁方向を磁石回転子の回転方法 (周方向)に向けて 2回目の測 定を行い図 27(d)に示すデータを得た。センサ-磁石回転子間の距離を 2 mmから 20 mmに増やすと、図 27(c)及び図 27(d)に示すホール ICを用いた場合では変化が大き いが、図 27(a)及び図 27(b)に示すセンサデバイスを用いた場合の変化は相対的に小 さく抑えられた。
[0169] 図 27(e)に、回転子表面からの距離 (スペーシング：単位 mm)を横軸にとったときのセ ンサデバイス及びホール ICによる出力電圧特性を示す。図 27(f)に、磁束密度に対す るセンサデバイスのセンサブリッジ出力特性を示す。 32 mmの直径を有する 8極着磁 の磁石回転子を用いた。センサデバイスの場合は、磁石回転子の表面からセンサデ バイスまでの距離が 10 mmを超えてもほぼ一定の出力が得られるのに対し、ホール を用いた場合には、回転子近傍では出力が飽和して出力波形にひずみが起きてい る。逆に磁石回転子の表面からホール ICまでの距離が大きくなると、磁石回転子から の磁束密度が急速に減少するため、出力電圧が低下している。このセンサブリッジを 用いた本発明の回転角度検出装置においては、上記のように出力電圧の変動、及 び出力波形の印加磁界に対する出力波形の変動が少ない。よって、磁石回転子の 芯ぶれ、磁石回転子の温度変化等による特性変動、センサの取り付け誤差等に対 する耐性が強いことがこの測定結果から言える。本発明の回転角度検出装置では角 度信号を安定して検出することができる。
[0170] (複数のセンサデバイスを設置する方式）
回転軸の中心変動に対する耐性を強化する場合、図 26に示すデバイス群を複数 個用いて回転角度検出装置を構成するのが好ましい。中心変動に対する耐性とは、 回転軸の中心がずれることにより、磁石回転子とセンサデバイス間の距離がずれたと しても、回転角度を正確に検出することをいう。その 1例を図 28に示す。第一のセンサ デバイス群（センサデバイス 12a，12b)及び第二のセンサデバイス群（センサデバイス 1 2o, 12p)の 2つのセンサデバイス群を機械角で 90 deg.ずらした位置に設置した構造を 有する。これらセンサデバイス群力 の出力信号を合成してアナログ-デジタル変換 部又は角度信号計算部に入力することにより、回転軸中心が変動した場合にも平均 化され、安定した回転角度信号が得られる。なお 2以上で磁極数の約数の値のセン サデバイス群を設けることが可能であり、それぞれのセンサデバイス群は回転方向等 間隔に設置するのが好ましい。例えば、点線で図示したように、さらに第三のセンサ デバイス群 (センサデバイス 12p，12r)を付加することもできる。
[0171] (断線検出）
図 10で示した回路に断線検出機能を付加した実施例を図 29に示す (演算部分より 右側の部分は図示を省略した)。 2つのセンサブリッジを内蔵するセンサデバイスを 2 個備える回転角度検出装置において、 4個のスピンバルブ型巨大磁気抵抗効果素 子からの出力は、サイン信号で整理すると、それぞれ 90 deg.づっ位相の異なる 4つ の信号が得られる。この 4つの信号の平均値は、常に正規化された最大値と最小値 の中間の一定直となる。このため、センサブリッジ X01，Y01，X02及び Y02'の出力信号 を、抵抗 (電気抵抗)を介して分岐し平均することにより (オペアンプ 26gを用いる)、常 に一定の平均信号値を得ることが可能である。仮に断線又はブリッジ故障により、前 記出力信号の少なくとも 1つが得られなくなった場合には、上記平均信号値は正常時 の平均値 Vavgとは異なる値となる。この信号 Vinをウィンドウコンパレータ 29で正常時 の平均値 Vavgと比較し、異常検出を知らせるためのエラー信号 (Error)が Voutで発生 する。
[0172] (差動動作による雑音抑止）
以上、述べてきた回路構成では、伝送部分で土サイン信号及び士コサイン信号の 4 信号を平衡伝送する。外部からノイズが印加された場合にも同相のノイズが大部分で あるため、伝送される信号を差動増幅するとノイズがほぼキャンセルされ、センサデバ イスから終段の演算部分までの伝送時の雑音耐性が高!/、と!/、う利点も有して!/、る。
[0173] 磁石回転子を 8極の磁石回転子 31に置き換えた点と、センサデバイスを％傾けた点 以外は、図 22(a)及び図 22(b)と同様に構成した回転角度検出装置を図 30(a)及び図 3 0(b)に示す。傾き角％によって回転角度特性の電気角誤差を抑制する効果を得るこ とができた。
[0174] (実施例 4)
図 31(a)及び図 31(b)に、外周面に 2極着磁された磁石回転子 1と、センサデバイス 12 aを支持する磁気センサ部 2を固定したハウジング 3とを、用いた回転角度検出装置 を示す。一点鎖線の交差する点は磁石回転子 1の回転軸である。センサデバイス 12a (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ツ 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 laの回転角度を検出 すること力 Sでさた。
[0175] 磁石回転子 1は、リング状永久磁石 la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 lbと、前記軟磁性リングを支持する非磁性リング状のァダプ タ lcを備える。磁気センサ部 2は、周縁の側面が磁石回転子 1に対向する板状の回
3
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 12aと、前記セン サデバイス及び回路用基板 2cと制御用回路とを電気的に接続するケーブル 2dl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 (図 31(b)では図示を省略した )とを有する。リング状永久磁石 laは 2極に着磁されており、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。図 31(b)に示すように、ハウジング 3 には、センサデバイス 12a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傾けた。 なお、センサデバイス等の詳細については後述する。
[0176] 図 31(a)及び図 31(b)の回転角度検出装置は、磁気センサ部 2を設置したハウジング
3
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 Idを用いて)同軸となるように固定して作製した (図 31(a)及び図 31(b)では工作機械の図示を省略した)。図 31(a)に示すように、磁石回転 子 1と磁気センサ部 2を対向させた状態で工作機械のシャフトが回転するように駆動
3
させたところ、高い精度で回転角度を検出することができた。
[0177] 磁石回転子 1は、 NdFeB系ボンド磁石で構成したリング状永久磁石 laと、軟鉄粉と バインダーを成形してなる軟磁性リング lb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 lcで構成した。センサデバイス 12aは、スピンバ ルブ型巨大磁気抵抗効果素子 8個で図 9(a)に示すようにフルブリッジ回路を構成し、 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た ものを用いた。センサデバイス 12aは回路用基板 2cをハウジング 3に固定し、コネクタ 2 eにつながるケーブル 2dl，を介して図 32の回路を構成して機能させた。ハウジング 3及 びコ字型アングル 3aは非磁性 SUS316で構成した。コ字型アングルの形状はプレス成 形による。磁石回転子 1の半径 rは 40 mm、磁石回転子 1の外周面からセンサデバイ
0
スの中心までの距離 rは 3.5 mm、磁石回転子 1の磁石の厚さ tは 25 mm、ハウジング 3
1
の厚さ Tは 2 mm(2 mm厚の板材を打ち抜き、絞りで形成した)であった。距離 rを 10 m
1 mまで大きくした場合でも問題なく使用することができた。また、磁石回転子 1の厚さ t は 5 mmの場合でも同様に問題なく使用することができた。
[0178] 本実施例において、センサデバイス 12aは実施例 2で使用したものと同様のものを用 いた。
[0179] なお、図示は省略している力 図 9(a)に示すそれぞれのスピンバルブ型巨大磁気 抵抗効果素子は、非磁性基板上に、下地層 (Cr)/固定層 (Co/Ru/Co)/Cu層/自由層 (Co/MFe)/キャップ層 (Ta)/という順に積層してパターユングし、通電用の電極膜を設 け、絶縁被覆を施したものである。
[0180] 図 9(a)〜図 9(c)に示されているように、 1個のセンサデバイスはブリッジ回路を 2個有 しており、 Vccと Gnd間に直流電圧を印加して、磁石回転子の磁場内にセンサデバイ スを置くことにより、 Vxlと Vx2間と、 Vylと Vy2間にそれぞれ差動出力を得ることができ る。センサブリッジ A01及び B01から出力されるこの差動出力は、図 32に示す差動増 幅器 (オペアンプ 26a，26b)によって増幅され、 A-D変換部 27でデジタル変換される。こ のデジタル信号は、角度演算部 28において角度演算され、最終的に電気角に対応 する信号 (角度信号)が出力される。ここでセンサブリッジ A01の出力信号とセンサプリ ッジ B01の出力信号の位相差は 90 deg.であり、 A01の出力信号をコサイン信号とみな したときに、 B01の出力信号をサイン信号とみなすことが可能であり、これらの信号か ら逆正接演算 (arctan)を行うことで、 0 deg.から 360 deg.に対応した磁石回転子の回転 角度 (絶対角 )を示す角度信号を得る。
[0181] (実施例 5)
前述の式 (9-1)〜(9_3)は、センサデバイスを X傾けることで、 Kより小さい任意の実 効磁束密度振幅比を得られることを示している。例えば、 X =60 deg.としたとき、 B
丄 と B の実効磁束密度振幅比 K は 1.0となる。このとき、センサデバイス内のセンサブ リッジ ΑΟΙ,ΒΟΙの出力は正弦波状となり、逆正接演算を行っても角度誤差は発生しな い。
[0182] 2極に着磁された磁石回転子 11の外周にセンサデバイス 12bを配置して構成した回 転角度検出装置を図 34(a)及び図 34(b)に示す。磁石回転子 11の中心を原点とし、回 転軸を Z軸とした円柱座標系で考える。円板状永久磁石 11の直径 2 rは 26 mm、厚さ t は 8 mm (厚さは回転軸方向における寸法)、 Z軸からセンサデバイス 12bの中心までの 距離 r +rは 23 mmであった。 z = 0 mmの位置に、 = 55 deg.でセンサデバイス 12b(
0 1
センサデバイス 12aと同等のもの)を配置し、センサデバイス 12bに対して回転自在に 設置した磁石回転子 11を回転させて、図 34(c)及び図 34(d)に示すグラフを得た。図 33 (a)及び図 33(b)に示す構成の回転角度検出装置では、図 33(c)に示すように、センサ ブリッジ X01の出力はほぼ台形波に、センサブリッジ Y01の出力はほぼ三角波となつ た。この波形歪みの影響を受けて、図 33(d)に示すように、逆正接演算信号も直線と はならず、 ± 20 deg.という大きな角度誤差が生じた。これに対して図 34(a)及び図 34(b )に示す構成の回転角度検出装置では、図 34(c)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った。角度誤差は ± 4 deg.程度となり、図 3 3(a)及び図 33(b)に示す構成と比較して大きな改善が見られた。なお、図 34(a)では、 磁石を支持するシャフトの図示を省略したが、図 33(a)に示すシャフト 11cと同等の位 置にシャフトを設けて回転させた。
[0183] 永久磁石の外周側面の近傍（ φ =0 deg.)にセンサデバイスを配置した、図 34(a)及 び図 34(b)に示す構成において、センサ傾斜角％を変化させたときの最大角度誤差 を測定した結果を図 35に示す。一般的に角度誤差を 1 deg.程度に抑えると、正確な 回転角度測定を行っていると言える。センサ傾斜角 Xは 60.0 deg.1点に限定されるこ となぐ約 58.8 deg.から 61.1 deg.にわたる広いセンサ傾斜角範囲で角度誤差を小さく 押さえることができた。従ってセンサ傾斜角 Xに対して広い許容度を有していると言 える。図 34(a)及び図 34(b)に示す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。
[0184] (実施例 6)
実施例 5はセンサ配置角 φ力 deg.についての例を示した力 本発明はこの点に限 定されるものではない。図 36(a)に各センサ配置角 φにおける、空間磁束密度振幅比 と最適センサ傾斜角 Xを示す。同一の φにおいて最適％力 ¾点あるのは、 ε面に
0
対してセンサブリッジの感磁面の傾きは正負の両方をとることができるためである。図 36(a)より、任意の φにおいて は 1〜2の値をとるが、 1未満にはならず、実効磁束密
0
度振幅比 Κ を 1にするようにセンサデバイスを％傾けることで、誤差なく回転角度を eff
検出することが可能である。従って、特開 2002-303536号に記載の回転角検出セン サのように、回転軸線上にセンサ中心が位置するように、磁石回転子の軸端にセン サデバイスを対向して配置しなければならないという、設置箇所の制約は発生しない
〇
[0185] 図 36(a)の右上隅の X印（ χ = 180 deg.かつ φ =90 deg.)は特開 2002-303536号に 記載の構成に相当する。この X印の条件では磁石を片持ちで支持することが必要と なり、磁石回転子を両持ちで支持することはできない。特開 2006-010346号に記載の 構成のように磁気センサを回転軸線と直交する Lの向きにずらしただけの場合、 ％は 変化せず、 X印は Φの向きに平行移動する。従って、 X - Xの線上 (2つの X印を結 ぶ線上)は、本願発明の実施例には該当せず、後述する図 36(b)，図 36(c)及び図 37の Point6の領域から除外する範囲になる。磁石回転子を貫通させる回転軸と重なる領 域には、両持ち型ではセンサデバイスを配置できなレ、。
[0186] 図 36(a)は最適センサ傾斜角 χのセンサ配置角 φの関係を示す。角度誤差 1 deg.
以内に収めるセンサ配置角 φとセンサ傾斜角％の範囲を図 36(b)に濃色の領域で示 す。例えば、角度誤差を 1 deg.以下に抑えたい場合には、センサ傾斜角％は各点で 少なくとも 2〜5 deg.程度の許容範囲が得られ、センサ傾斜角％を固定する場合、セ ンサ配置角 Φは少なくとも 1〜3 deg.程度の許容範囲が得られる。角度誤差 2 deg.以 内に収めるセンサ配置角 φと最適センサ傾斜角 Xの範囲を図 36(c)に濃色の領域で 示す。許容範囲はさらに帯状に広がった。なお、センサ傾斜角％は、 X-Y平面に対 する感磁面の傾きであるから、 X-Y平面を基準にしてセンサデバイスの表裏を反転し た状態は、反転する前の状態と等価になる (すなわち、センサデバイスの出力は同じ になる。）。よって、 X =0 deg.の状態と％ = 180 deg.の状態はセンサデバイスにとって 等価となる。そこで、 180 deg.毎に繰り返される領域については図示を省略した。
[0187] 図 36(a)〜図 36(c)に記載の角度誤差、実効磁束密度振幅比 K 、最適センサ傾斜 角 X及び最適センサ配置角 Φの関係を図 37に示す。図 37は、図 36(a)〜図 36(c)の代 表的な点を抽出したもので、センサデバイスと 2極磁石の関係は、側面配置（φ =0 de g.)、端面配置（Φ =90 deg.),磁石の回転面 (X-Y平面)と感磁面が平行になる配置、 磁石の回転面 (X-Y平面)と感磁面が垂直になる配置等の 6点を抽出した。これらは回 転角度検出装置を構成する上でセンサデバイスを取り付け又は固定し易い配置であ る。それぞれの点に対し、誤差が最小となる 1点と、角度誤差が 1 deg.以内で動作す る角度領域と、角度誤差が 2 deg.以内で動作する角度領域を併せて示した。 φ及び Xの組み合わせを上記の角度領域内に収めたところ、精度の良好な回転角度検出 装置を構成することができた。
[0188] (実施例 7)
磁石の回転面とセンサデバイスの感磁面を平行として、 h= 15 mmの位置にセンサ デバイスを設置した回転角度検出装置を図 38(a)及び図 38(b)に示す。この回転角度 検出装置の回転角度特性を図 38(c)及び図 38(d)に示す。円板状永久磁石 11の中心 力もセンサデバイス 12bの中心 (感磁面の中心)までの、 X-Y平面に投影した距離 (r + r )は 23 mmであった。円板状磁石 11はシャフト l idで支持した。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、図 37に示す表の Point3(最適センサ配置角 Φ = 35.3 deg.、最適センサ傾斜角％ =0 deg.)付近に相当する。最適センサ配 置角 φ 力、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ているが、 図 33((1)( φ =0 deg. , χ =0 deg.)の結果と比較すると、図 38(d)に示すように格段に角 度誤差を抑制することができた。この回転角度検出装置をモータに適用し回転角度 を高精度に検出することができた。
[0189] (実施例 8)
2極に着磁された円柱状永久磁石 l ibの端面近傍にセンサデバイス 12bを設けた回 転角度検出装置を図 39(a)及び図 39(b)に示す。円柱状永久磁石 l ibの中心を原点と し、回転軸を Z軸とした円柱座標系を用いた。円柱状永久磁石 l ibの直径 2 rは 4 mm
、厚さ tは 4 mm (厚さは回転軸方向における寸法)、 Z軸からセンサデバイスの中心 (感 磁面の中心)までの距離 r +rは 1.5 mm、 h = 5 mm、及び％ = 105 deg.であった。円 柱状永久磁石 l ibの端面には、図 38(a)のシャフト l idと同等のものを設け、磁石回転 子を構成した。この回転角度検出装置をモータに適用し回転角度を高精度に検出 すること力 Sでさた。
[0190] 本発明における 2極磁石の磁束とセンサデバイスとの位置関係を図 40(a)及び図 40( b)に示す。図 40(a)において、磁石回転子の 2極の円板状磁石 11の磁極表面から発 生する磁力線を曲線状の矢印で表した。磁石の磁化方向を X軸方向とし、センサデ バイスの感磁面の中心は磁石表面から r離れた X軸上にある。このとき、センサデバ
1
イス 32dは Β を受けている。 Θ は磁石回転子の回転角度に相当する。例えば、図 40( m
a)の状態の円板状磁石 11を円周方向に Θ で 90 deg.だけ回転させると、今度はセン m
サデバイス 32dが B を受けるようになる。 Z軸は、中心円板状磁石 11の中心 0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。
[0191] 図 40(b)は 3通りのセンサデバイスの配置を示した。センサデバイス 32dは、 Z = 0の X- Y平面上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 X傾けた。センサデバイス 32d'は、センサ配置角 φ 'の位置にあり、 X-Y平面に対し て X '傾けた。センサデバイス 32d'の中心は、円板状磁石 11の厚み中心点を通りかつ 回転軸線に垂直な平面から Z軸方向に h'離れている。センサデバイス 32d'の位置に おいて、磁束の方向は X軸から ε '傾いている。センサデバイス 32d"は、その中心が 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（X " = 180 deg.かつ ε " = 180 deg.)である。磁石の厚み tは Z軸方向の寸法で ある。磁石の厚み中心点は、磁石の X-Y断面中央と Z軸断面の中央が交差する点で あり、 XYZ軸の原点に相当する。なお、円板状磁石 11を、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、 2極 磁石であれば上述の角度等の定義は同様に成り立つ。
[0192] 本発明における磁石回転子 (4極以上)の磁束とセンサデバイスの位置関係を図 41(a )及び図 41(b)に示す。図 41(a)において、磁石回転子のリング状永久磁石 31の各磁極 内の磁化の向きは直線状の太矢印で表し、磁極表面から発生する磁束を曲線状の 太矢印で表した。センサデバイス 32fは X軸の向きの磁束を受けている。 λは表面磁 束密度分布を測定したときのサイン信号の 1波長 (電気角で 360 deg.)に相当し、リング 状永久磁石 31では ォの磁極表面の周方向長さに相当する。 rは、リング状永久磁
1
石 31の径方向に沿ってみたときの、センサデバイス 32fの感磁面の中心とリング状永 久磁石 31の表面との距離である。このとき、センサデバイス 32fは X軸の向きの磁束を 受けている。リング状永久磁石 31を周方向に電気角で 90 deg.だけ回転させると、セン サデバイス 32fは Y軸の向きの磁束を受けるようになる。 Z軸は、リング状永久磁石 31の 孔の中心 0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 Θ は、磁石回転子の機械的な回転を表す機械角である。
m
[0193] 図 41(b)は 2通りのセンサデバイス 32f、及びセンサデバイス 32fの配置を示したもの である。センサ傾斜角 センサ配置角 φ '、センサ傾斜角 '、 h'及び ε 'の定義は 図 40(b)と同様である。磁石の厚み中心点は、磁石の Χ-Υ断面中央と Ζ軸断面の中央 が交差する点であり、 ΧΥΖ軸の原点に相当する。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力 Sできる。
[0194] (実施例 9)
上述したように、 2極の磁石回転子と同様、多極に着磁された磁石回転子を用いた 場合においても同様の効果を得ることができる。以下に、シミュレーションと実測を用 いて説明する。内径 45 mm、外径 50 mm、及び回転軸方向における寸法である厚さ 4 mmの形状を有し、 12極に着磁された磁石回転子を用いたときの、磁束密度 B と B
0 0 の磁石とセンサデバイスとの距離依存性を図 42(a)に示す。図 42(a)から求めた空間磁 束密度振幅比 Kと、 力も算出したセンサデバイスの好ましいセンサ傾斜角％を図 4
0 0
2(b)に示す。これにより、 12極着磁に対応した 6周期の 2つの正弦波状信号 (信号同士 は電気角で 90 deg.位相が異なる)を得る。 2極の場合と同様に B は B よりも大きいこ
0 0
とが分かる。そこでセンサ傾斜角を、 45 60 deg.程度にすると、実効磁束密度振幅 比 K を 1とすることができることが分力、つた。
eff
[0195] センサデバイスを傾けることができない用途で使用する際は、 Z方向にセンサデバイ スを平行移動させることで同様の効果を得ることができる。そのときは、円筒座標系の シミュレーションで、磁石半径方向の磁束密度の振幅 I B Iと回転方向の磁束密度 の振幅 I B Iが等しくなる Zを求めればよい。内径 45 mm、外径 50 mm、回転軸方向 における寸法である厚さ 4 mmの形状を有する磁石を用いて、 r= 28 mm (磁石表面か ら 3 mm)の位置で測定したときの、磁束密度の振幅 I B
r Iと I B |の Z方向の依存 性を図 43(a)に、 Zが 3.9 mmの時の回転角度と磁束密度の特性を図 43(b)に示す。 Z = 0では I B I 〉 I B Iだが、 I B I は Zの増加と共に急激に減少し、 Z = 3.9 mm付近
r r
で等しくなり、 Ζ〉3·9では I Β I < I Β Iとなった。その結果、図 43(b)に示すように
r
r- Θ平面で振幅が等しぐ 90 deg.位相の異なる磁束密度を得ることができた。
[0196] (実施例 10) 多極の磁石回転子 21と 1つのセンサデバイス 12bを用いて構成したさらに他の回転 角度検出装置を図 44(a)及び図 44(b)に示す。図 44(b)は図 44(a)の A-A断面図である。 磁石回転子 21の内周面側にはシャフトを通して固定している力 図示は省略した。磁 石回転子外周からセンサデバイス中心までの距離は約 3 mmであり、センサデバイス はセンサ傾斜角％ =0で配置した。図 45(a)及び図 45(b)はセンサ傾斜角 χ = 55 deg. でセンサデバイスを配置した以外、図 44(a)及び図 44(b)に示す回転角度検出装置と 同様に構成した。
[0197] 磁石回転子 21は 12極着磁であるため、いずれも機械角で 360 deg.回転すると 6周期 の出力が得られた。この場合、機械角が 60 deg.で電気角の 1周期となる。図 44(a)及 び図 44(b)に示す回転角度検出装置 ( X =0 deg.)の場合、歪み具合に差はあるが、 図 33(a)及び図 33(b)に示す回転角度検出装置と同様、センサブリッジ A01が台形波、 センサブリッジ B01が三角波となっており、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をであった。一方、図 45(a)及び図 45(b)に示す回転角度検出 装置（X = 55 deg.)においては、各センサブリッジからの出力はほぼ正弦波及びほぼ 余弦波となり、電気角の角度誤差は ± 3 deg.程度となり、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回転角度を高精度に検出すること ができた。
[0198] (実施例 11)
多極の磁石回転子 21と 1つのセンサデバイス 12bを用いて構成したさらに他の回転 角度検出装置を図 46(a)及び図 46(b)に示す。図 46(b)は図 46(a)の A-A断面図である。 磁石回転子 21は、外周面に 12極の磁極を有し、内径 = 22.5 mm、外径 = 25 mm、厚 み t = 4 mmのリング磁石を用いた。磁石回転子 21の内周面側には、図 33(a)に示すよ うにリング状軟磁性体ヨークを有し、その貫通孔に固着されたシャフトにより固定され ているが図示は省略した。リング磁石の中心を通りかつリング磁石の回転面に垂直な 回転軸線からセンサデバイス 12bの中心 (感磁面の中心)までの距離 rsは 24 mmであり 、 h = 4 mm、 χ = 24.6 deg.であった。この回転角度検出装置をモータに適用し回転 角度を高精度に検出することができた。
[0199] (実施例 12) 多極の磁石回転子 21と 1つのセンサデバイス 12bを用いて構成したさらに他の回転 角度検出装置を図 47(a)及び図 47(b)に示す。リング磁石の中心を通りかつリング磁石 の回転面に垂直な回転軸線からセンサデバイス 12bの中心 (感磁面の中心)までの距 離は 22 mmであり、 h = 4 mm、 χ =61.6 deg.であった。この回転角度検出装置をモー タに適用し回転角度を高精度に検出することができた。
[0200] 表 1に、磁石回転子の極数及び形状、磁石表面からセンサデバイスまでの距離、傾 斜角 X、軸ずらし量 z、前記 zから求めた配置角 φの最適な組み合わせを例示した。 これらの構成は、角度誤差を極小にする組み合わせである。これらの配置から、傾斜 角 Xの値を ± 3 deg.変化させても角度誤差は 1 deg.以下の高い精度を維持した。ま た、配置角 Φの値を ± 3 deg.変化させても角度誤差は 1 deg.以下の高い精度を維持 した。なお、傾斜角％及び配置角 φともにプラスの場合を表に示したが、絶対値が同 じでマイナスの場合も同じ結果が得られた。すなわち、 ％ =60 deg.の配置と％ =-60 deg.の配置は同様の精度で角度誤差を抑えられた。また、配置角 φ = 15deg.の配置 と φ =_15deg.の配置の関係も同様であった。
[0201] [表 1]
Figure imgf000063_0001
本発明の回転角度検出装置を適用した回転機を図 48に模式的に示す。センサデ バイス 72aは Z軸方向にずらして配置した。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を設置した。シャフト 71bは ベアリング (図示省略)を介してフレーム 73cに回転自在に固定されている。前記ロータ 71aに隣り合うように、磁石回転子 71cをシャフト 71bに同軸に設けた。支持部 72dを介 してセンサデバイス 72aをフレーム 73cに設置した。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。
本発明の回転角度検出装置を適用した回転機を図 49に模式的に示す。センサデ バイス 82aを z = 0で 傾けて配置した以外は図 48に示す回転機と同様である。

Claims

請求の範囲
[1] 4極以上の磁極を表面に有する磁石回転子と、前記磁石回転子からの磁束を検知す るセンサデバイスと、前記センサデバイスから得られる複数の信号を用いて前記磁石 回転子の回転角に応じた回転角信号を出力する電子回路部とを備えた回転角検出 装置であって、
前記センサデバイスは、回転磁石の近傍に発生する回転磁界から異なる 2つ以上 の位相信号を出力する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界の向きに応 じて回転する磁気抵抗素子)を有し、
前記複数のスピンバルブ型巨大磁気抵抗効果素子は、基準になる感磁方向を有 する第 1のスピンバルブ型巨大磁気抵抗効果素子と、前記第 1のスピンバルブ型巨大 磁気抵抗効果素子とは異なる感磁方向を有する第 2のスピンバルブ型巨大磁気抵抗 効果素子とを備えることを特徴とする回転角検出装置。
[2] 4極以上の磁極を表面に有する磁石回転子と、前記磁石回転子からの磁束の向きを 検知する第 1のセンサデバイス及び第 2のセンサデバイスとを備えた回転角度検出装 置であって、
前記第 1のセンサデバイスは、互いに固定層磁化方向が直交するセンサブリッジ X0 1とセンサブリッジ Y01とを内蔵し、
前記第 2のセンサデバイスは、互いに固定層磁化方向が直交するセンサブリッジ X0 2とセンサブリッジ Y02とを内蔵し、
前記センサブリッジ X01 , Y01 , X02及び Y02は、それぞれが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 層磁化方向が磁界の向きに応じて回転する磁気抵抗素子)のフルブリッジであり、 前記フルブリッジ中の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、
前記フルブリッジ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差動出力を得て、前記差動出力を基に 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。
[3] 請求項 2に記載の回転角度検出装置において、
前記前記第 1のセンサデバイス及び前記第 2のセンサデバイスを有する第 1のセン サデバイス群と、
前記第 1のセンサデバイス群で用いたセンサデバイスと、同一構成の、別のセンサ デバイスからなり、相対的な配置が前記第 1のセンサデバイス群の配置と同じである 第 2のセンサデバイス群とを備え、
前記第 1のセンサデバイス群と前記第 2のセンサデバイス群とは互!/、に電気角で 180 n deg.(nは整数)離れた場所に設置されていることを特徴とする回転角度検出装置。
[4] 請求項 2又は 3に記載の回転角度検出装置において、前記センサブリッジ X01 , Y01 , X02及び Y02からの信号をそれぞれ個別の差動増幅器に入力した後に得られる 4つ の信号を演算処理し、故障信号を出力することを特徴とする回転角度検出装置。
[5] 請求項 2〜4のいずれかに記載の回転角度検出装置において、前記センサブリッジ X 01 , Y01 , X02及び Y02からの信号をそれぞれ個別の差動増幅器に入力して得られる 4つの信号を平均することにより第 5の信号を得て、前記第 5の信号と、あらかじめ設定 された直流電圧との差を比較して、故障検出信号を出力することを特徴とする回転角 度検出装置。
[6] 2極以上の磁極を表面に有する磁石回転子と、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を備えた回転角度検出装置であって、
前記センサデバイスの中心と前記磁石回転子の回転中心軸の距離は、前記磁石 回転子の半径よりも大きぐ
前記センサデバイスは、互いに固定層磁化方向が直交するセンサブリッジ X01とセ ンサブリッジ Y01とを内蔵し、
前記センサブリッジ X01及び Y01は、それぞれが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 が磁界の向きに応じて回転する磁気抵抗素子)のブリッジ回路であり、
前記センサブリッジ X01及び Y01において、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 X01及び Y01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を得て、前記出力を 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。
[7] 2極以上の磁極を表面に有する磁石回転子と、前記磁石回転子からの磁束の向きを 検知する第 1のセンサデバイス及び第 2のセンサデバイスとを備えた回転角度検出装 置であって、
前記第 1のセンサデバイスの中心と前記磁石回転子の回転中心軸の距離は、前記 磁石回転子の半径よりも大きぐ
前記第 2のセンサデバイスの中心と前記磁石回転子の回転中心軸の距離は、前記 磁石回転子の半径よりも大きぐ
前記第 1のセンサデバイスは、互いに固定層磁化方向が直交するセンサブリッジ X0 1とセンサブリッジ Y01とを内蔵し、
前記第 2のセンサデバイスは、互いに固定層磁化方向が直交するセンサブリッジ X0 2とセンサブリッジ Y02とを内蔵し、
前記センサブリッジ X01、 Y01、 Χ02及び Υ02は、それぞれが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 層磁化方向が磁界の向きに応じて回転する磁気抵抗素子)のブリッジ回路であり、 前記センサブリッジ Χ01、 Υ01、 Χ02及び Υ02において、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 Χ01、 Υ01、 Χ02及び Υ02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を得て、 前記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。
[8] 請求項 7に記載の回転角度検出装置において、前記センサブリッジ Χ01、 Υ01、 Χ02 及び Υ02の固定層磁化方向を含む平面が前記磁石回転子の回転軸に対して傾いて いることを特徴とする回転角度検出装置。
[9] 請求項 7に記載の回転角度検出装置において、前記第 1のセンサデバイス及び前記 第 2のセンサデバイスの中心は、前記磁石回転子の厚み中心点を通りかつ回転軸に 垂直な平面から、磁石回転子の回転軸方向に離れていることを特徴とする回転角度 検出装置。
[10] 請求項 7〜9のいずれかに記載の回転角度検出装置において、前記第 1のセンサデ バイス及び前記第 2のセンサデバイスを有する第 1のセンサデバイス群と、
前記第 1のセンサデバイス群で用いたセンサデバイスと、同一構成の、別のセンサ デバイスからなり、相対的な配置が前記第 1のセンサデバイス群の配置と同じである 第 2のセンサデバイス群とを備え、
前記第 1のセンサデバイス群と前記第 2のセンサデバイス群とは互!/、に電気角で 180 n deg.(nは整数)離れた場所に設置されていることを特徴とする回転角度検出装置。
[11] 請求項 7〜10のいずれかに記載の回転角度検出装置において、前記センサブリッジ
X01、 Y01、 Χ02及び Υ02からの信号をそれぞれ個別の差動増幅器に入力した後に得 られる 4つの信号を演算処理し、故障信号を出力することを特徴とする回転角度検出 装置。
[12] 請求項 7〜11のいずれかに記載の回転角度検出装置において、前記センサブリッジ Χ01、 Υ01、 Χ02及び Υ02からの信号をそれぞれ個別の差動増幅器に入力して得られ る 4つの信号を平均することにより第 5の信号を得て、前記第 5の信号と、あらかじめ設 定された直流電圧との差を比較して、故障検出信号を出力することを特徴とする回転 角度検出装置。
[13] 2極磁石を有する磁石回転子と、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た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場の向きに 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、
磁束を前記感磁面と交差させて、前記感磁面内で直交する磁束密度成分同士の 振幅の大きさが等しくなるように、前記磁石回転子に対して前記センサデバイスが設 けられていることを特徴とする回転角度検出装置。
[14] 2極磁石を有する磁石回転子と、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場の向きに 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、
空間磁束密度の振幅比 K =B /B ≠1となる位置で、前記感磁面内で直交する
0 丄 0 〃0
実効磁束密度の振幅比 K =B /B が 1となるように、前記磁石回転子に対して eff effO //effO
前記センサデバイスが設けられていることを特徴とする回転角度検出装置。
[15] 請求項 13又は 14に記載の回転角度検出装置であって、
前記磁石回転子の厚み中心点と前記センサデバイスの感磁面の中心を結ぶ線が 、前記磁石回転子の厚み中心点を通りかつ回転軸線に垂直な平面に対してなす角 度をセンサ配置角 φとし、
前記磁石回転子の厚み中心点を通りかつ回転軸線に垂直な平面が前記感磁面と なす角度をセンサ傾斜角％としたとき、 φ及び Xが、
(Ά) Φ : - 1·6〜1·5 deg.力、つ％： -57.6〜- 62.2 deg.である範囲、
(b : - 1·5〜1·6 deg.かつ％ : 57·6〜62·2 deg.である範囲、
(ο) φ : 33.8—36.6 deg.かつ : - 2·7〜3· 1 deg.である範囲、
(ά) φ : 19.2—22.8 deg.かつ : 87.4—92.4 deg.である範囲、
(e) φ : 67.1—70.8 deg.かつ χ : 84.2—97.7 deg.である範囲、又は
(ϋ φ : 81·4〜98·7 deg.かつ : 158·6〜201·2 deg.である範囲
のいずれかの範囲内となるように前記センサデバイスを設け、
前記センサデバイスは、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を得て、前記出力を 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。
[16] 4極以上の磁極を有する磁石回転子と、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場の向きに 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、
磁束を前記感磁面と交差させて、前記感磁面内で直交する磁束密度成分同士の 振幅の大きさが等しくなるように、前記磁石回転子に対して前記センサデバイスが設 けられていることを特徴とする回転角度検出装置。
[17] 4極以上の磁極を有する磁石回転子と、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場の向きに 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、
空間磁束密度の振幅比 K =B /B ≠1となる位置で、前記感磁面内で直交する
0 丄 0 〃0
実効磁束密度の振幅比 K =B /B が 1となるように、前記磁石回転子に対して eff effO //effO
前記センサデバイスが設けられていることを特徴とする回転角度検出装置。
[18] 4極以上の磁極を有する磁石回転子と、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場の向きに 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、
前記磁石回転子の厚み中心点と前記センサデバイスの感磁面の中心を結ぶ線が 、前記磁石回転子の厚み中心点を通りかつ回転軸線に垂直な平面に対してなす角 度をセンサ配置角 φとし、
前記磁石回転子の厚み中心点を通りかつ回転軸線に垂直な平面が前記感磁面と なす角度をセンサ傾斜角％としたとき、 φ及び Xが、
z≠0、 % =0、かつ φ =4.5〜25deg.である範囲、又は
ζ = 0、 φ =0、かつ χ =40〜60deg.である範囲、
のいずれかの範囲内となるように前記センサデバイスを設け、
前記センサデバイスは、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を得て、前記出力を 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。
[19] 請求項 1〜18のいずれかに記載の回転角検出装置を備えることを特徴とする回転機
〇
[20] 4極以上の磁極を表面に有する磁石回転子と、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、前記センサデバイスから得られる複数の信号を用いて前 記磁石回転子の回転角に応じた回転角信号を出力する電子回路部とを備える回転 角検出装置を用い、
回転磁石の近傍に発生する回転磁界から異なる 2つ以上の位相信号を前記センサ デバイスから検出して電子回路部で合成し、合成された 2つの信号を用いて逆正接 演算を含む処理を行って、前記磁石回転子の回転角に応じた回転角信号を出力す ることを特徴とする回転角検出方法。
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