磁気式回転角検出器
【課題】回転ドラムの回転角検出における精度が従来に比べて向上可能な磁気式回転角検出器を提供する。
【解決手段】外周面に交番着磁された磁石３を有する磁気ドラム１に対向して配置され、規定ピッチにて配列した複数の磁気センサ素子１２〜１５をセンサ面１０６に配列した磁気センサ１０を有する磁気式回転角検出器において、上記規定ピッチは、第１磁石３ａ及び第２磁石３ｂの各磁力線が上記センサ面と接する第１接点１０８及び第２接点１１１間の距離を元に規定する。
【解決手段】外周面に交番着磁された磁石３を有する磁気ドラム１に対向して配置され、規定ピッチにて配列した複数の磁気センサ素子１２〜１５をセンサ面１０６に配列した磁気センサ１０を有する磁気式回転角検出器において、上記規定ピッチは、第１磁石３ａ及び第２磁石３ｂの各磁力線が上記センサ面と接する第１接点１０８及び第２接点１１１間の距離を元に規定する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転移動体の位置検出に用いられる磁気式回転角検出器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の磁気式回転角検出器は、例えば特許文献１の図１及び図２に示されるように、回転ドラムの外周に着磁角度ピッチλでＮ極及びＳ極が交互に着磁された多極磁気パターンが作る磁界を、上記多極磁気パターンに対向して配置された磁気センサにて検出するものである。即ち、磁気センサとしてＡＭＲ素子などの磁気抵抗効果素子（ＭＲ素子）が用いられ、磁界の変化に対して電気抵抗が変化するという性質を利用することで、回転ドラムの回転による磁界の変化を磁気センサで検知し、磁気センサが出力する正弦波状の信号を元にして回転ドラムの回転角度を検出することができる。
【０００３】
更に詳細に述べると、磁気センサは、ＭＲ素子をアレイ状に並べることにより、位相が互いに９０度ずれた正弦波(Ａ相)及び余弦波（Ｂ相）を出力するよう構成可能である。よって、Ａ相及びＢ相の逆正接演算を行うことで、回転ドラムの回転角が演算可能となる。また、Ａ相及びＢ相の信号は、外乱要因による信号オフセットを除去するために、それぞれ９０度ずつ位相の異なるＡ＋相、Ｂ＋相、Ａ−相、Ｂ−相の４つの信号からＡ＋相とＡ−相の差動増幅信号によりＡ相信号を、Ｂ＋相とＢ−相の差動増幅信号によりＢ相信号をそれぞれ出力する。
【０００４】
上記４種類の信号を出力するためのＭＲ素子の配置ピッチとしては、一般的には特許文献１の図１３に示されているように、回転ドラムの多極磁気パターンの極位置を放射状に延長したときの磁気センサ面との交点（図１３ではＲａ、Ｒｂの位置）に、ＭＲ素子を配置する。しかしながら、このような配置ピッチでは、実際のＡ相及びＢ相の出力信号が９０度の位相差にならないことから、特許文献１の発明では、θ’＝θ（１−２／Ｐ）にて規定された角度θ’の放射状の直線と磁気センサ面との交点から、ＭＲ素子の配置ピッチを規定している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平９−３２９４１１号（特許第2957130号）公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１では、ＭＲ素子の配置ピッチを算出する過程において、図２のＭＲ素子Ｒａ’に印加される磁界（図２中「ｈ」のベクトル）が、ＭＲ素子Ｒｂの位置では、ｈのベクトルの大きさが一定でその角度がθ回転した形で印加されているとの前提条件にて、もともとの着磁間隔θに対する補正項（−２/Ｐ）を計算している。
【０００７】
しかしながら実際には、回転ドラムは曲率を持っているため、ＭＲ素子Ｒａ’と回転ドラムとの間隔、及びＭＲ素子Ｒｂと回転ドラムとの間隔は異なり、ＭＲ素子Ｒｂの位置にて印加される磁界ベクトルｈの大きさは、ＭＲ素子Ｒａの位置における大きさよりも小さくなる。よって、特に回転ドラムの外径が小さく曲率の影響が大きい場合には、特許文献１によるＭＲ素子配置ピッチと、実際に磁気センサ面上に形成される回転ドラムからの磁束密度空間分布のピッチとの間には、ずれが生じる。
【０００８】
また、ＭＲ素子Ｒｂに印加される磁界の方向もＭＲ素子Ｒａ’に印加される磁界の方向に対してθ回転した方向にならず、実際の磁気センサ面上に形成される回転ドラムからの磁束密度空間分布のピッチに対してずれが生じる要因となっている。
【０００９】
回転ドラムからの磁束密度空間分布のピッチと、ＭＲ素子配置ピッチとの間にずれがあると、Ａ相とＢ相との位相差が９０度ではなくなり、また、Ａ＋、Ａ−、Ｂ＋、Ｂ−のそれぞれの位相差にもズレが生じる。このため差動増幅後のＡ相及びＢ相には、理想正弦波に対する波形歪が生じ、Ａ相及びＢ相の出力信号から逆正接演算をする際には、角度検出誤差が生じる。よって、回転ドラムの回転角検出における精度が劣化するという問題がある。
【００１０】
本発明は、このような問題点を解決するためになされたもので、ドラムの回転角検出における精度が従来に比べて向上可能な磁気式回転角検出器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するため、本発明は以下のように構成する。
即ち、本発明の第１態様における磁気式回転角検出器は、円弧状の外周面にその周方向に沿って着磁角度ピッチθで交番着磁された磁石を有して上記周方向へ回転する磁気ドラムに対向して配置される磁気センサを備え、該磁気センサは、上記外周面の接線方向と平行に延在するセンサ面に上記接線方向に沿って規定ピッチにて配列した複数の磁気センサ素子を有する磁気式回転角検出器において、上記規定ピッチは、上記着磁角度ピッチθにて隣接して配置された第１磁石及び第２磁石の各磁力線が上記センサ面と接する第１接点及び第２接点間の距離を元に規定され、ここで、上記第１接点は、上記磁気ドラムの回転中心と上記第１磁石の両端とをそれぞれ結ぶ２直線、及び上記センサ面に接する第１円における上記センサ面との接点であり、上記第２接点は、上記回転中心と上記第２磁石の両端とをそれぞれ結ぶ２直線、及び上記センサ面に接する第２円における上記センサ面との接点である、ことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の一態様における磁気式回転角検出器によれば、磁気センサにおける磁気センサ素子は、磁気ドラムに交番着磁された第１磁石及び第２磁石の各磁力線が磁気センサのセンサ面と接する第１接点及び第２接点間の距離を元に規定したピッチにて配列される。このような構成を採ることで、磁気ドラムの磁石からの磁束密度空間分布のピッチと、磁気センサ素子の配置ピッチとの間のずれは、従来に比べて小さくなる。したがって、磁気ドラムの回転角検出における精度を従来に比べて向上させることができる。特に、大きな曲率を有する、つまり外径が小さい磁気ドラムであっても、磁気ドラムの回転角検出における精度を従来に比べて向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施の形態１による磁気式回転角検出器の全体構成を示す斜視図である。
【図２】図１に示す磁気センサと磁気ドラムとの配置を示す平面図であり、磁気センサ素子の配列ピッチを説明するための図である。
【図３】磁気センサ素子の配列ピッチを導出するために図２を時計回りにθ回転させた図である。
【図４】３次元磁界シミュレーションにて得られた磁気センサ素子面上での磁束密度空間分布を示すグラフである。
【図５】本発明の実施の形態２による磁気式回転角検出器において、外径の異なる磁気ドラムに対して磁気センサを共用する場合、外径寸法を補正するために用いられるグラフの一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明の実施形態である磁気式回転角検出器について、図を参照しながら以下に説明する。尚、各図において、同一又は同様の構成部分については同じ符号を付している。
【００１５】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１よる磁気式回転角検出器５１の構成を示す図である。磁気式回転角検出器５１は、基本的構成部分として磁気センサ１０を備え、本実施形態ではさらに磁気ドラム１及び回転角度演算部２０を設けている。
【００１６】
磁気ドラム１は、駆動部３０に相当する例えばモータ軸などの回転軸と共に回転する円板状の回転体であり、磁気センサ１０に磁界変化を与える回転ドラムに相当する。磁気ドラム１の外周部全周には、磁気媒体２が備わる。磁気媒体２は、ドラム回転方向（周方向）１ａに沿って着磁角度ピッチθ（図２）にて磁極が交互に着磁され、複数の磁石３を形成している。ここで一つの磁石３は、一対のＮ極及びＳ極からなるものに相当し、各磁石３は、着磁角度ピッチθに相当する角度幅（θ）にて形成されている。また、磁極が交互に着磁されているとは、Ｎ極及びＳ極の向きが反転するように着磁角度ピッチθにて交互に着磁されていることを指す。磁気媒体２は、例えばフェライトやネオジムなどの磁石材料からなり、磁性粉を樹脂材料と混ぜ合わせて成形する方法や、塗料に磁性粉を混ぜて塗布するなどの方法により作製される。
【００１７】
本実施の形態では、図１に示すように、磁気ドラム１は、さらに磁石４を設けたトラックを有する構成である。磁石４は、磁気ドラム１の一回転における原点位置を信号出力するためのもので、一周内に一つだけ着磁された部分である。しかしながら、本実施の形態はこれに限定されるものではなく、一回転内の絶対位置を検出可能とするトラックであれば、その形態は問わない。また、一回転内の絶対位置を出力しないインクリメンタルタイプの回転角センサにも本実施の形態は適用可能である。
【００１８】
磁気センサ１０は、磁気媒体２の外周面の接線方向１ｂ（図２）と平行に延在するセンサ面１０６を有する板状の部材であり、図２に示すように、磁気ドラム１の磁気媒体２に対向して、かつ磁気媒体２と間隔Ｇを空けて配置される。センサ面１０６には、磁気媒体２により発生する磁界を検知する複数の磁気センサ素子が接線方向１ｂに沿って詳細後述する規定ピッチにて配列されている。尚、図２は、磁気ドラム１と、磁気センサ１０に備わる複数の磁気センサ素子との相対的な位置関係を示している。また、図２に示すように、上記間隔Ｇは、磁気媒体２とセンサ面１０６との最近接箇所における距離に相当する。
【００１９】
上記磁気センサ素子としては、磁気抵抗効果素子（ＡＭＲ素子）や、巨大磁気抵抗効果素子（ＧＭＲ素子）、トンネル効果磁気抵抗素子（ＴＭＲ素子）などが使用可能である。本実施の形態では、上記磁気センサ素子として、代表して磁気抵抗効果素子（ＡＭＲ素子、以下、「ＭＲ素子」と記す。）を使用する。磁気センサ１０では、図２に示すように、
ＭＲ素子１２、２２が所定のセンサピッチＰにて等間隔に配列されており、ＭＲ素子１２に対して１３〜１５が、ＭＲ素子２２に対して２３〜２５が以下に説明する所定の距離をあけて配置されている。尚、ＭＲ素子１２〜１５及びＭＲ素子２２〜２５は、その長手方向が磁気媒体２における磁極の配列方向、換言すると磁気ドラム１の周方向、と直交するように配置される。
【００２０】
上述したように磁気媒体２は着磁角度ピッチθにて磁極が交互に着磁されていることから、図２に示すように磁気媒体２の磁石３は、ドラム回転方向（周方向）１ａに沿って、ハッチング無にて示され第１磁石に相当する磁石３ａと、ハッチングが付され第２磁石に相当する磁石３ｂとが交互に配置される。磁気ドラム１の一回転における着磁波数をＭとすると、着磁角度ピッチθは、３６０／Ｍにて規定され、磁気センサ１０の出力としては、ＭＲ素子を用いた場合には磁石３ａと磁石３ｂとを区別できないため、磁気ドラム１の一回転に対して着磁波数Ｍの正弦波を出力する。このとき、磁気ドラム１の着磁角度ピッチθに対して、ＭＲ素子１２、１３、１４、１５は、ＭＲ素子配置ピッチＰを元に規定された、Ｐ／４の間隔で配置される。このようなピッチにてＭＲ素子１２〜１５を配列することで、ＭＲ素子１２〜１５のそれぞれは、Ａ＋相、Ｂ＋相、Ａ−相、Ｂ−相を出力する。
【００２１】
ＭＲ素子２２に関するＭＲ素子２２〜２５の配列方法も上述のＭＲ素子１２〜１５の場合と同様である。ＭＲ素子１２〜１５及びＭＲ素子２２〜２５は、ピッチＰの間隔で配置されている。よって、ＭＲ素子１２と２２、ＭＲ素子１３と２３、ＭＲ素子１４と２４、ＭＲ素子１５と２５の、それぞれからの出力の位相は同一となり、別々の信号出力として回路上で信号加算される、もしくはＭＲ素子上で直列接続されて一つの信号出力として出力される。
以下には、上記ＭＲ素子配置ピッチＰの決定方法を説明する。
【００２２】
まず、上記ＭＲ素子配置ピッチＰは、磁石３ａ及び磁石３ｂの各磁力線がセンサ面１０６と接する、センサ面１０６における第１接点１０８と第２接点１１１との間の直線距離にて規定される。
【００２３】
即ち、図２において例えば磁石３ｂの左端に位置する、磁気ドラム１の表面上における点１０２は、Ｎ極であり、その磁力線は、磁気ドラム１の表面に対して垂直に放射される。一方、磁石３ｂの右端に位置する、磁気ドラム１の表面上における点１０４は、Ｓ極であり、その磁力線は、磁気ドラム１の表面に対して垂直に入射する。よって、磁石３ｂにおける磁力線は、２つの点１０２，１０４を結ぶような楕円形にて空間的に分布し、磁気センサ１０の各ＭＲ素子１２〜１５に対して磁界変化を及ぼす。このとき、ＭＲ素子は、図の左右方向の磁界変化にしか感度を持たない。これらのことより、ドラム回転方向（周方向）１ａにおける磁石３ｂの中心位置の、磁気ドラム１の直径方向における直線（図２では点線にて示す）１２０と、センサ面１０６との交点位置１３０をＭＲ素子の設置位置とすることは、不適切であることがわかる。
【００２４】
つまり、第２接点１１１は、以下のような接点に相当する。即ち、上記点１０２と磁気ドラム１の回転中心１０１とを結んだ放射状の直線１０３、上記点１０４と磁気ドラム１の回転中心１０１とを結んだ放射状の直線１０５、及び、センサ面１０６の３つの直線に接し、第２円に相当する楕円１０７を描く。この楕円１０７がセンサ面１０６に接する点が第２接点１１１に相当する。
【００２５】
これと同様に、第１接点１０８は、磁石３ａに関して求まる。つまり、磁石３ａの右端に位置する、磁気ドラム１の表面上における点１１２と回転中心１０１とを結んだ放射状の直線１１４、上記線１０５、及び、センサ面１０６の３つの直線に接し、第１円に相当する円１１０を描く。この円１１０がセンサ面１０６に接する点が第１接点１０８に相当する。
そして、第１接点１０８と第２接点１１１との間隔をＭＲ素子配置ピッチＰとする。
【００２６】
尚、このような第１接点１０８及び第２接点１１１は、ここでは図２に示すように、ドラム回転方向１ａにおける磁石３ａの中央が磁気センサ１０のセンサ面１０６に最も接近して、上記中央とセンサ面１０６との距離が上記間隔Ｇとなるように配置した磁石３ａと、該磁石３ａに隣接する磁石３ｂとに着目して求められている。しかしながら、ＭＲ素子配置ピッチＰを決定するに当たり、磁石３ａ及び磁石３ｂは、必ずしもそのように配置する必要はなく、間隔Ｇを形成する位置に対して、隣接する２つの磁石３ａ及び磁石３ｂが近接するように配置すればよい。
【００２７】
以下には、図２に示す状態においてＭＲ素子１２〜１５の配置に関する配置ピッチＰを導出する方法について、具体的に説明する。尚、上述のように、ＭＲ素子２２〜２５の配置に関してもＭＲ素子１２〜１５の場合と同様である。
図３は、図２を磁気ドラム１の回転中心１０１（点Ｏとする）を中心に、時計回りにθ回転させた図である。また、図２において、ドラム回転方向１ａにおける磁石３ｂの中心位置を通る直線１２０の傾きをＱ（＝ｔａｎθ）とすると、時計回りにθ回転させることにより、直線１２０が回転後のＸ軸（Ｘ’軸と呼ぶ）となる。図３において、点Ｏを原点とすると、上記第２接点１１１を形成する上記楕円１０７の中心は、Ｘ’軸上にあるため、上記中心の座標は、（ｘ０,０）とおける。また、磁気ドラム１の外径をＲ、磁石３ｂの右端の上記点１０４（点Ａとする）の、θ回転後の座標を点Ａ'とすると、点Ａ'の座標（ｘ１，ｙ１）は、（Ｒｃｏｓ（θ／２），−Ｒｓｉｎ（θ／２））とおける。また、上記第１接点１０８（点Ｂと呼ぶ）の、θ回転後の座標を点Ｂ’とすると、点Ｂ’の座標（ｘ２，ｙ２）は、（Ｇｃｏｓθ，−Ｇｓｉｎθ）とおける。また、上記第２接点１１１（点Ｃと呼ぶ）の、θ回転後の座標を接点Ｃ’とすると、接点Ｃ’の座標（ｘ３，ｙ３）は、下記のように表される。
【００２８】
楕円の一般的な式は、
【００２９】
【数１】
【００３０】
上記点Ａ’を通る直線１０５の式は、ｙ＝（ｙ１／ｘ１）ｘ である。
また、図３において、センサ面１０６を示す直線の式は、
ｙ＝（１／Ｐ）（ｘ−ｘ２）＋ｙ２ となる。
【００３１】
また、直線１０５と楕円１０７とは、点Ａ'（ｘ１，ｙ１）にて接するという条件、及び、センサ面１０６と楕円１０７とは、接点Ｃ’（ｘ３，ｙ３）にて接するという条件から、楕円１０７の中心座標ｘ０は、ｘ１、ｙ１、Ｑ、Ａ（＝−（１／Ｐ）ｘ２＋ｙ２にて定義する）を用いて、以下の様に求められる。
【００３２】
【数２】
【００３３】
上記ｘ１、ｙ１、Ｑ、Ａは、磁気ドラム１の外径Ｒ、磁気ドラム１とセンサ面１０６との間隔Ｇ、及び、各磁石３の着磁角度ピッチθを用いて表されるため、上記ｘ０もＲ、Ｇ、θを用いて以下のように表される。
【００３４】
【数３】
【００３５】
また、上記ｘ０より、センサ面１０６との接点Ｃ'（ｘ３，ｙ３）は以下のようになる。
【００３６】
【数４】
【００３７】
以上のように求められた接点Ｃ’を反時計回りにθ回転させて元に戻すことにより、点Ｃ（Ｘ３、Ｙ３）が求まる。よって、ＭＲ素子１２〜１５の配列を規定する配置ピッチＰは、Ｒ、Ｇ、θを用いてＰ＝Ｘ３にて規定される。上述のように配置ピッチＰは、センサ面１０６における第１接点１０８と第２接点１１１との間の直線距離にて規定され、ＭＲ素子１２〜１５と、ＭＲ素子２２〜２５とは、それぞれ配置ピッチＰの間隔で配置され、各ＭＲ素子間は、それぞれＰ／４の間隔で配置される。尚、この配置は一例であり、配置ピッチＰの間隔で、より多くのＭＲ素子を配置することも可能であり、またＭＲ素子１２〜１５のみで検出器を構成することも可能である。
【００３８】
また、配置ピッチＰ内に配置されるＭＲ素子の数は、本実施形態に示す４個に限られず、後述するように、配置ピッチＰを基準として、相当する電気角位置に波形歪を除去するためのＭＲ素子を配置することも可能である。
また、ＭＲ素子１２〜１５、及びＭＲ素子２２〜２５は、別々の信号出力として取り出す他に、例えばＭＲ素子１２と１４の反転出力するＭＲ素子用いてブリッジ出力としてＭＲ素子１２と１４の中点電位を取り出すことも可能である。
【００３９】
以下では、磁気センサ１０において、ＭＲ素子１２〜１５の場合について、上述したようなピッチにてＭＲ素子１２〜１５を配置することが有効であることを、３次元磁界シミュレーションにて求めたセンサ面１０６上での磁束密度空間分布のピッチと、本実施形態におけるＭＲ素子１２〜１５の配置ピッチとを比較することで検証する。
検証に当たり２つの条件を設定する。第１条件として、磁気ドラムの外径１００ｍｍ、着磁波数Ｍ＝５１２、着磁角度ピッチθ＝３６０／５１２、磁気ドラムと磁気センサとの間隔Ｇ＝０．５ｍｍとし、第２条件として、磁気ドラムの外径５０ｍｍ、着磁波数Ｍ＝２５６、着磁角度ピッチθ＝３６０／２５６、磁気ドラムと磁気センサとの間隔Ｇ＝０．５ｍｍとする。
【００４０】
図４に、シミュレーションにて求めた磁束密度空間分布波形の例を示す。磁気ドラムの曲率の影響で、センサ面上の外側に行く程、つまり間隔Ｇの位置から離れる程、磁力が低下しているが、このときのゼロクロス間隔により磁束密度空間分布のピッチを算出する。その結果、磁気ドラムの外径が１００ｍｍの場合、シミュレーションにて求めた磁束密度空間分布のピッチは、６１７．３６μｍであるのに対し、本実施の形態によるＭＲ素子の配置ピッチＰは、６１７．３９μｍであり、その誤差は、０．００５％（電気角０．０１８度）である。また、磁気ドラムの外径が５０ｍｍの場合、シミュレーションにて求めた磁束密度空間分布のピッチは、６２１．３０μｍであるのに対し、本実施の形態によるＭＲ素子の配置ピッチＰは、６２１．３９μｍであり、その誤差は、０．００１５％（電気角０．０５４度）である。このように、本実施の形態によるＭＲ素子の配置ピッチＰがシミュレーション値に対して非常に近い値を得ることができる。
【００４１】
一般に、逆正接演算時に正弦波と余弦波とが電気角９０度の位相差から誤差Δ［度］を有する場合の角度検出誤差は、３６０×ＳｉｎΔ／Ｍ［度］となる。上述の誤差を角度検出誤差に当てはめると、外径１００ｍｍの磁気ドラムで、約０．１３秒となり、外径５０ｍｍの磁気ドラムで、約０．７６秒となる。
【００４２】
このとき、上記特許文献１によるＭＲセンサピッチは、上述の条件で、磁気ドラムの外径が１００ｍｍの場合、６１７．３３μｍであり、誤差０．００５％（電気角０．０１８度、角度検出誤差０．１３秒）であり、磁気ドラムの外径が５０ｍｍの場合、６２１．０９μｍであり、誤差０．０１３４％（電気角０．１２度、角度検出誤差１．６８秒）である。このように、特に磁気ドラムの外径が小さい場合、本実施の形態による配列ピッチの方が実際の磁束密度空間分布のピッチに近く、より高精度な回転角検出器を得ることができるのがわかる。
【００４３】
また、一般的にＭＲ素子の出力に含まれる波形歪成分を除去するために、例えば基本正弦波に対して２次の歪成分を除去する場合には、ＭＲ素子を電気角１８０度の位置に配置して差動をとる（ブリッジを組む）ことにより、下記のＭＲ１及びＭＲ２の出力の差動後波形から２次歪成分を除去することが知られている。
【００４４】
ＭＲ１：ｓｉｎθ＋αｓｉｎ２θ
ＭＲ２：ｓｉｎ（θ＋π）＋αｓｉｎ２（θ＋π）＝−ｓｉｎθ＋αｓｉｎ２θ
【００４５】
このとき、基準となるＭＲ素子配置ピッチが実際の磁束密度空間分布波形ピッチに対してΔずれていると、差動後の正弦波形に上記の場合では２次歪が残る。
【００４６】
ＭＲ１：ｓｉｎθ＋αｓｉｎ２θ
ＭＲ２：ｓｉｎ（θ＋π＋Δ／２）＋αｓｉｎ２（θ＋π＋Δ／２）
＝−ｓｉｎ（θ＋Δ／２）＋αｓｉｎ２（θ＋Δ／２）
差動後の２次歪残留成分：−２αｓｉｎ（Δ／４）ｃｏｓ（２θ＋Δ／４）
（振幅２αｓｉｎ（Δ／４）の２次歪成分が残る）
【００４７】
上記特許文献１において磁気ドラムの外径が５０ｍｍの場合、Δ＝０．１２度から２次歪残留成分は、α＝５０％のとき０．０５％残留するのに対し、本実施の形態の構成では、Δ＝０．０５４度から、２次歪残留成分は０．０２％となる。よって、波形歪が低減することにより、角度検出精度を向上させることができる。
【００４８】
実施の形態２
一般に、異なる外径の磁気ドラムに対して磁気センサを共通して適用する場合、実施の形態１で述べたように、例えば外径１００ｍｍのドラムで着磁波数５１２とすると、外径５０ｍｍのドラムでは着磁波数を２５６にする、即ち外径に対して着磁波数を比例させて変更することにより、ＭＲセンサ面上での磁束密度空間分布波形ピッチをほぼ共通化させることができる。
【００４９】
しかしながら、実施の形態１で述べたシミュレーションにより求められた磁束密度空間分布波形ピッチは、磁気ドラム１と磁気センサ１０との間隔Ｇを０．５ｍｍとした場合で、磁気ドラムの外径が１００ｍｍで、６１７．３６μｍであるのに対して、磁気ドラムの外径が５０ｍｍの場合には、６２１．３０μｍとなり、両者に共通した磁気センサを適用した場合には、誤差が０．６４％（電気角２．３度）発生する。
【００５０】
本実施の形態では、例えば外径１００ｍｍの磁気ドラムを基準の磁気ドラムとした場合、実施の形態１にて求められる、ＭＲ素子１２〜１５、２２〜２５に関する配置ピッチＰは、Ｐ＝６１７．３９μｍである。この基準磁気ドラムに対して、他の外径、例えば外径５０ｍｍの磁気ドラムでは、６２１．３９μｍと求められるＭＲ素子配置ピッチＰを、磁気ドラムの外径を５０ｍｍから小さくして４９．６８ｍｍとすることにより、ＭＲ素子配置ピッチＰを６１７．３９μｍとすることができる。このように磁気ドラムの外径を変化させることで、外径１００ｍｍの上記基準磁気ドラムと磁束密度空間分布のピッチを共通化することができる。
【００５１】
また、磁気ドラムの外径を例えば２００ｍｍのように、上記基準磁気ドラムよりも大きくする場合には、逆にＭＲ素子の配置ピッチＰは、６１５．５１μｍと小さくなる。よって、磁気ドラムの外径を２００ｍｍよりも大きくすることにより、例えば外径２００．６４ｍｍとすることにより、ＭＲ素子配置ピッチＰは、６１７．３９μｍとなり、上記基準磁気ドラムの場合と同じになる。したがって、磁束密度空間分布のピッチを共通化することができ、異なる外径の磁気ドラムに対して同一の磁気センサを用いることができ、かつ高精度にて角度検出を行うことが可能となる。
【００５２】
上述の説明では、磁気ドラムの外径が５０ｍｍ、１００ｍｍ、２００ｍｍの場合を例に採ったが、本実施の形態はこれに限るものではない。即ち、外径がΦ１で、着磁波数がＭ１である基準磁気ドラムに対して、磁気センサを共用化したい他の磁気ドラムの着磁波数がＭ２のとき、その外径Φ２は、Φ１×（Ｍ２／Ｍ１）×βにて求めることができる。ここで、βは、Φ１＜Φ２のときβ＞１、Φ１＞Φ２のときβ＜１という補正項に相当し、磁気ドラムと磁気センサとの間隔Ｇが一定の値を取る条件の下で、実施の形態１の算式にて求まる配置ピッチＰ、及び磁気ドラムの外径を元に求めることができる。
【００５３】
即ち、上記間隔Ｇは、磁気ドラム及び磁気センサの組み付け上の制約から、一意に設定される値である。間隔Ｇの値が設定されることで、磁気センサを共用化したい他の磁気ドラムの外径に対して実施の形態１に示した算式にて、ＭＲ素子の配置ピッチＰを求めることができる。一方、磁気センサ共用化のための、磁気ドラムの外径の上記補正項としてのβに関して、予め、図５に示すような、βと、基準配置ピッチからのズレとの関係を求めておく。上記基準配置ピッチとは、間隔Ｇ＝０．５で、外径Φ１の上記基準磁気ドラムに対するＭＲ素子の配置ピッチＰに相当する。尚、図５に示す点線は、磁気ドラムの外径Φ１＝１００ｍｍ、Φ２＝５０ｍｍのときの、βと、基準ピッチからのズレとの関係を示し、実線は、外径Φ２＝２００ｍｍのときの、βと、基準ピッチからのズレとの関係を示している。
【００５４】
そして、例えば図５に示すような、βと、基準ピッチからのズレとの関係から、基準ピッチからのズレがない、つまり図５の縦軸における「１００％」に対するβ値を求め、磁気センサ共用化用の磁気ドラムの外径Φ２を求めることができる。
【００５５】
このように磁気ドラムの外径を補正することで、外径が異なる磁気ドラムに対して共通の磁気センサを用いることが可能となる。よって、磁気ドラムの外径ごとに磁気センサを用意する必要が無くなり、低コスト化を図ることができると共に、磁気ドラムの外径の差に対する角度検出精度の劣化が無く、かつ高精度な磁気式回転角検出器を得ることが可能となる。
【符号の説明】
【００５６】
１ 磁気ドラム、 ３ 磁石、 １０ 磁気センサ、 １２〜１５ ＭＲ素子、
５１ 磁気式回転角検出器、
１０６ センサ面、 １０７ 第２円、 １０８ 第１接点、 １１０ 第１円、
１１１ 第２接点。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転移動体の位置検出に用いられる磁気式回転角検出器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の磁気式回転角検出器は、例えば特許文献１の図１及び図２に示されるように、回転ドラムの外周に着磁角度ピッチλでＮ極及びＳ極が交互に着磁された多極磁気パターンが作る磁界を、上記多極磁気パターンに対向して配置された磁気センサにて検出するものである。即ち、磁気センサとしてＡＭＲ素子などの磁気抵抗効果素子（ＭＲ素子）が用いられ、磁界の変化に対して電気抵抗が変化するという性質を利用することで、回転ドラムの回転による磁界の変化を磁気センサで検知し、磁気センサが出力する正弦波状の信号を元にして回転ドラムの回転角度を検出することができる。
【０００３】
更に詳細に述べると、磁気センサは、ＭＲ素子をアレイ状に並べることにより、位相が互いに９０度ずれた正弦波(Ａ相)及び余弦波（Ｂ相）を出力するよう構成可能である。よって、Ａ相及びＢ相の逆正接演算を行うことで、回転ドラムの回転角が演算可能となる。また、Ａ相及びＢ相の信号は、外乱要因による信号オフセットを除去するために、それぞれ９０度ずつ位相の異なるＡ＋相、Ｂ＋相、Ａ−相、Ｂ−相の４つの信号からＡ＋相とＡ−相の差動増幅信号によりＡ相信号を、Ｂ＋相とＢ−相の差動増幅信号によりＢ相信号をそれぞれ出力する。
【０００４】
上記４種類の信号を出力するためのＭＲ素子の配置ピッチとしては、一般的には特許文献１の図１３に示されているように、回転ドラムの多極磁気パターンの極位置を放射状に延長したときの磁気センサ面との交点（図１３ではＲａ、Ｒｂの位置）に、ＭＲ素子を配置する。しかしながら、このような配置ピッチでは、実際のＡ相及びＢ相の出力信号が９０度の位相差にならないことから、特許文献１の発明では、θ’＝θ（１−２／Ｐ）にて規定された角度θ’の放射状の直線と磁気センサ面との交点から、ＭＲ素子の配置ピッチを規定している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平９−３２９４１１号（特許第2957130号）公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１では、ＭＲ素子の配置ピッチを算出する過程において、図２のＭＲ素子Ｒａ’に印加される磁界（図２中「ｈ」のベクトル）が、ＭＲ素子Ｒｂの位置では、ｈのベクトルの大きさが一定でその角度がθ回転した形で印加されているとの前提条件にて、もともとの着磁間隔θに対する補正項（−２/Ｐ）を計算している。
【０００７】
しかしながら実際には、回転ドラムは曲率を持っているため、ＭＲ素子Ｒａ’と回転ドラムとの間隔、及びＭＲ素子Ｒｂと回転ドラムとの間隔は異なり、ＭＲ素子Ｒｂの位置にて印加される磁界ベクトルｈの大きさは、ＭＲ素子Ｒａの位置における大きさよりも小さくなる。よって、特に回転ドラムの外径が小さく曲率の影響が大きい場合には、特許文献１によるＭＲ素子配置ピッチと、実際に磁気センサ面上に形成される回転ドラムからの磁束密度空間分布のピッチとの間には、ずれが生じる。
【０００８】
また、ＭＲ素子Ｒｂに印加される磁界の方向もＭＲ素子Ｒａ’に印加される磁界の方向に対してθ回転した方向にならず、実際の磁気センサ面上に形成される回転ドラムからの磁束密度空間分布のピッチに対してずれが生じる要因となっている。
【０００９】
回転ドラムからの磁束密度空間分布のピッチと、ＭＲ素子配置ピッチとの間にずれがあると、Ａ相とＢ相との位相差が９０度ではなくなり、また、Ａ＋、Ａ−、Ｂ＋、Ｂ−のそれぞれの位相差にもズレが生じる。このため差動増幅後のＡ相及びＢ相には、理想正弦波に対する波形歪が生じ、Ａ相及びＢ相の出力信号から逆正接演算をする際には、角度検出誤差が生じる。よって、回転ドラムの回転角検出における精度が劣化するという問題がある。
【００１０】
本発明は、このような問題点を解決するためになされたもので、ドラムの回転角検出における精度が従来に比べて向上可能な磁気式回転角検出器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するため、本発明は以下のように構成する。
即ち、本発明の第１態様における磁気式回転角検出器は、円弧状の外周面にその周方向に沿って着磁角度ピッチθで交番着磁された磁石を有して上記周方向へ回転する磁気ドラムに対向して配置される磁気センサを備え、該磁気センサは、上記外周面の接線方向と平行に延在するセンサ面に上記接線方向に沿って規定ピッチにて配列した複数の磁気センサ素子を有する磁気式回転角検出器において、上記規定ピッチは、上記着磁角度ピッチθにて隣接して配置された第１磁石及び第２磁石の各磁力線が上記センサ面と接する第１接点及び第２接点間の距離を元に規定され、ここで、上記第１接点は、上記磁気ドラムの回転中心と上記第１磁石の両端とをそれぞれ結ぶ２直線、及び上記センサ面に接する第１円における上記センサ面との接点であり、上記第２接点は、上記回転中心と上記第２磁石の両端とをそれぞれ結ぶ２直線、及び上記センサ面に接する第２円における上記センサ面との接点である、ことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の一態様における磁気式回転角検出器によれば、磁気センサにおける磁気センサ素子は、磁気ドラムに交番着磁された第１磁石及び第２磁石の各磁力線が磁気センサのセンサ面と接する第１接点及び第２接点間の距離を元に規定したピッチにて配列される。このような構成を採ることで、磁気ドラムの磁石からの磁束密度空間分布のピッチと、磁気センサ素子の配置ピッチとの間のずれは、従来に比べて小さくなる。したがって、磁気ドラムの回転角検出における精度を従来に比べて向上させることができる。特に、大きな曲率を有する、つまり外径が小さい磁気ドラムであっても、磁気ドラムの回転角検出における精度を従来に比べて向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施の形態１による磁気式回転角検出器の全体構成を示す斜視図である。
【図２】図１に示す磁気センサと磁気ドラムとの配置を示す平面図であり、磁気センサ素子の配列ピッチを説明するための図である。
【図３】磁気センサ素子の配列ピッチを導出するために図２を時計回りにθ回転させた図である。
【図４】３次元磁界シミュレーションにて得られた磁気センサ素子面上での磁束密度空間分布を示すグラフである。
【図５】本発明の実施の形態２による磁気式回転角検出器において、外径の異なる磁気ドラムに対して磁気センサを共用する場合、外径寸法を補正するために用いられるグラフの一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明の実施形態である磁気式回転角検出器について、図を参照しながら以下に説明する。尚、各図において、同一又は同様の構成部分については同じ符号を付している。
【００１５】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１よる磁気式回転角検出器５１の構成を示す図である。磁気式回転角検出器５１は、基本的構成部分として磁気センサ１０を備え、本実施形態ではさらに磁気ドラム１及び回転角度演算部２０を設けている。
【００１６】
磁気ドラム１は、駆動部３０に相当する例えばモータ軸などの回転軸と共に回転する円板状の回転体であり、磁気センサ１０に磁界変化を与える回転ドラムに相当する。磁気ドラム１の外周部全周には、磁気媒体２が備わる。磁気媒体２は、ドラム回転方向（周方向）１ａに沿って着磁角度ピッチθ（図２）にて磁極が交互に着磁され、複数の磁石３を形成している。ここで一つの磁石３は、一対のＮ極及びＳ極からなるものに相当し、各磁石３は、着磁角度ピッチθに相当する角度幅（θ）にて形成されている。また、磁極が交互に着磁されているとは、Ｎ極及びＳ極の向きが反転するように着磁角度ピッチθにて交互に着磁されていることを指す。磁気媒体２は、例えばフェライトやネオジムなどの磁石材料からなり、磁性粉を樹脂材料と混ぜ合わせて成形する方法や、塗料に磁性粉を混ぜて塗布するなどの方法により作製される。
【００１７】
本実施の形態では、図１に示すように、磁気ドラム１は、さらに磁石４を設けたトラックを有する構成である。磁石４は、磁気ドラム１の一回転における原点位置を信号出力するためのもので、一周内に一つだけ着磁された部分である。しかしながら、本実施の形態はこれに限定されるものではなく、一回転内の絶対位置を検出可能とするトラックであれば、その形態は問わない。また、一回転内の絶対位置を出力しないインクリメンタルタイプの回転角センサにも本実施の形態は適用可能である。
【００１８】
磁気センサ１０は、磁気媒体２の外周面の接線方向１ｂ（図２）と平行に延在するセンサ面１０６を有する板状の部材であり、図２に示すように、磁気ドラム１の磁気媒体２に対向して、かつ磁気媒体２と間隔Ｇを空けて配置される。センサ面１０６には、磁気媒体２により発生する磁界を検知する複数の磁気センサ素子が接線方向１ｂに沿って詳細後述する規定ピッチにて配列されている。尚、図２は、磁気ドラム１と、磁気センサ１０に備わる複数の磁気センサ素子との相対的な位置関係を示している。また、図２に示すように、上記間隔Ｇは、磁気媒体２とセンサ面１０６との最近接箇所における距離に相当する。
【００１９】
上記磁気センサ素子としては、磁気抵抗効果素子（ＡＭＲ素子）や、巨大磁気抵抗効果素子（ＧＭＲ素子）、トンネル効果磁気抵抗素子（ＴＭＲ素子）などが使用可能である。本実施の形態では、上記磁気センサ素子として、代表して磁気抵抗効果素子（ＡＭＲ素子、以下、「ＭＲ素子」と記す。）を使用する。磁気センサ１０では、図２に示すように、
ＭＲ素子１２、２２が所定のセンサピッチＰにて等間隔に配列されており、ＭＲ素子１２に対して１３〜１５が、ＭＲ素子２２に対して２３〜２５が以下に説明する所定の距離をあけて配置されている。尚、ＭＲ素子１２〜１５及びＭＲ素子２２〜２５は、その長手方向が磁気媒体２における磁極の配列方向、換言すると磁気ドラム１の周方向、と直交するように配置される。
【００２０】
上述したように磁気媒体２は着磁角度ピッチθにて磁極が交互に着磁されていることから、図２に示すように磁気媒体２の磁石３は、ドラム回転方向（周方向）１ａに沿って、ハッチング無にて示され第１磁石に相当する磁石３ａと、ハッチングが付され第２磁石に相当する磁石３ｂとが交互に配置される。磁気ドラム１の一回転における着磁波数をＭとすると、着磁角度ピッチθは、３６０／Ｍにて規定され、磁気センサ１０の出力としては、ＭＲ素子を用いた場合には磁石３ａと磁石３ｂとを区別できないため、磁気ドラム１の一回転に対して着磁波数Ｍの正弦波を出力する。このとき、磁気ドラム１の着磁角度ピッチθに対して、ＭＲ素子１２、１３、１４、１５は、ＭＲ素子配置ピッチＰを元に規定された、Ｐ／４の間隔で配置される。このようなピッチにてＭＲ素子１２〜１５を配列することで、ＭＲ素子１２〜１５のそれぞれは、Ａ＋相、Ｂ＋相、Ａ−相、Ｂ−相を出力する。
【００２１】
ＭＲ素子２２に関するＭＲ素子２２〜２５の配列方法も上述のＭＲ素子１２〜１５の場合と同様である。ＭＲ素子１２〜１５及びＭＲ素子２２〜２５は、ピッチＰの間隔で配置されている。よって、ＭＲ素子１２と２２、ＭＲ素子１３と２３、ＭＲ素子１４と２４、ＭＲ素子１５と２５の、それぞれからの出力の位相は同一となり、別々の信号出力として回路上で信号加算される、もしくはＭＲ素子上で直列接続されて一つの信号出力として出力される。
以下には、上記ＭＲ素子配置ピッチＰの決定方法を説明する。
【００２２】
まず、上記ＭＲ素子配置ピッチＰは、磁石３ａ及び磁石３ｂの各磁力線がセンサ面１０６と接する、センサ面１０６における第１接点１０８と第２接点１１１との間の直線距離にて規定される。
【００２３】
即ち、図２において例えば磁石３ｂの左端に位置する、磁気ドラム１の表面上における点１０２は、Ｎ極であり、その磁力線は、磁気ドラム１の表面に対して垂直に放射される。一方、磁石３ｂの右端に位置する、磁気ドラム１の表面上における点１０４は、Ｓ極であり、その磁力線は、磁気ドラム１の表面に対して垂直に入射する。よって、磁石３ｂにおける磁力線は、２つの点１０２，１０４を結ぶような楕円形にて空間的に分布し、磁気センサ１０の各ＭＲ素子１２〜１５に対して磁界変化を及ぼす。このとき、ＭＲ素子は、図の左右方向の磁界変化にしか感度を持たない。これらのことより、ドラム回転方向（周方向）１ａにおける磁石３ｂの中心位置の、磁気ドラム１の直径方向における直線（図２では点線にて示す）１２０と、センサ面１０６との交点位置１３０をＭＲ素子の設置位置とすることは、不適切であることがわかる。
【００２４】
つまり、第２接点１１１は、以下のような接点に相当する。即ち、上記点１０２と磁気ドラム１の回転中心１０１とを結んだ放射状の直線１０３、上記点１０４と磁気ドラム１の回転中心１０１とを結んだ放射状の直線１０５、及び、センサ面１０６の３つの直線に接し、第２円に相当する楕円１０７を描く。この楕円１０７がセンサ面１０６に接する点が第２接点１１１に相当する。
【００２５】
これと同様に、第１接点１０８は、磁石３ａに関して求まる。つまり、磁石３ａの右端に位置する、磁気ドラム１の表面上における点１１２と回転中心１０１とを結んだ放射状の直線１１４、上記線１０５、及び、センサ面１０６の３つの直線に接し、第１円に相当する円１１０を描く。この円１１０がセンサ面１０６に接する点が第１接点１０８に相当する。
そして、第１接点１０８と第２接点１１１との間隔をＭＲ素子配置ピッチＰとする。
【００２６】
尚、このような第１接点１０８及び第２接点１１１は、ここでは図２に示すように、ドラム回転方向１ａにおける磁石３ａの中央が磁気センサ１０のセンサ面１０６に最も接近して、上記中央とセンサ面１０６との距離が上記間隔Ｇとなるように配置した磁石３ａと、該磁石３ａに隣接する磁石３ｂとに着目して求められている。しかしながら、ＭＲ素子配置ピッチＰを決定するに当たり、磁石３ａ及び磁石３ｂは、必ずしもそのように配置する必要はなく、間隔Ｇを形成する位置に対して、隣接する２つの磁石３ａ及び磁石３ｂが近接するように配置すればよい。
【００２７】
以下には、図２に示す状態においてＭＲ素子１２〜１５の配置に関する配置ピッチＰを導出する方法について、具体的に説明する。尚、上述のように、ＭＲ素子２２〜２５の配置に関してもＭＲ素子１２〜１５の場合と同様である。
図３は、図２を磁気ドラム１の回転中心１０１（点Ｏとする）を中心に、時計回りにθ回転させた図である。また、図２において、ドラム回転方向１ａにおける磁石３ｂの中心位置を通る直線１２０の傾きをＱ（＝ｔａｎθ）とすると、時計回りにθ回転させることにより、直線１２０が回転後のＸ軸（Ｘ’軸と呼ぶ）となる。図３において、点Ｏを原点とすると、上記第２接点１１１を形成する上記楕円１０７の中心は、Ｘ’軸上にあるため、上記中心の座標は、（ｘ０,０）とおける。また、磁気ドラム１の外径をＲ、磁石３ｂの右端の上記点１０４（点Ａとする）の、θ回転後の座標を点Ａ'とすると、点Ａ'の座標（ｘ１，ｙ１）は、（Ｒｃｏｓ（θ／２），−Ｒｓｉｎ（θ／２））とおける。また、上記第１接点１０８（点Ｂと呼ぶ）の、θ回転後の座標を点Ｂ’とすると、点Ｂ’の座標（ｘ２，ｙ２）は、（Ｇｃｏｓθ，−Ｇｓｉｎθ）とおける。また、上記第２接点１１１（点Ｃと呼ぶ）の、θ回転後の座標を接点Ｃ’とすると、接点Ｃ’の座標（ｘ３，ｙ３）は、下記のように表される。
【００２８】
楕円の一般的な式は、
【００２９】
【数１】
【００３０】
上記点Ａ’を通る直線１０５の式は、ｙ＝（ｙ１／ｘ１）ｘ である。
また、図３において、センサ面１０６を示す直線の式は、
ｙ＝（１／Ｐ）（ｘ−ｘ２）＋ｙ２ となる。
【００３１】
また、直線１０５と楕円１０７とは、点Ａ'（ｘ１，ｙ１）にて接するという条件、及び、センサ面１０６と楕円１０７とは、接点Ｃ’（ｘ３，ｙ３）にて接するという条件から、楕円１０７の中心座標ｘ０は、ｘ１、ｙ１、Ｑ、Ａ（＝−（１／Ｐ）ｘ２＋ｙ２にて定義する）を用いて、以下の様に求められる。
【００３２】
【数２】
【００３３】
上記ｘ１、ｙ１、Ｑ、Ａは、磁気ドラム１の外径Ｒ、磁気ドラム１とセンサ面１０６との間隔Ｇ、及び、各磁石３の着磁角度ピッチθを用いて表されるため、上記ｘ０もＲ、Ｇ、θを用いて以下のように表される。
【００３４】
【数３】
【００３５】
また、上記ｘ０より、センサ面１０６との接点Ｃ'（ｘ３，ｙ３）は以下のようになる。
【００３６】
【数４】
【００３７】
以上のように求められた接点Ｃ’を反時計回りにθ回転させて元に戻すことにより、点Ｃ（Ｘ３、Ｙ３）が求まる。よって、ＭＲ素子１２〜１５の配列を規定する配置ピッチＰは、Ｒ、Ｇ、θを用いてＰ＝Ｘ３にて規定される。上述のように配置ピッチＰは、センサ面１０６における第１接点１０８と第２接点１１１との間の直線距離にて規定され、ＭＲ素子１２〜１５と、ＭＲ素子２２〜２５とは、それぞれ配置ピッチＰの間隔で配置され、各ＭＲ素子間は、それぞれＰ／４の間隔で配置される。尚、この配置は一例であり、配置ピッチＰの間隔で、より多くのＭＲ素子を配置することも可能であり、またＭＲ素子１２〜１５のみで検出器を構成することも可能である。
【００３８】
また、配置ピッチＰ内に配置されるＭＲ素子の数は、本実施形態に示す４個に限られず、後述するように、配置ピッチＰを基準として、相当する電気角位置に波形歪を除去するためのＭＲ素子を配置することも可能である。
また、ＭＲ素子１２〜１５、及びＭＲ素子２２〜２５は、別々の信号出力として取り出す他に、例えばＭＲ素子１２と１４の反転出力するＭＲ素子用いてブリッジ出力としてＭＲ素子１２と１４の中点電位を取り出すことも可能である。
【００３９】
以下では、磁気センサ１０において、ＭＲ素子１２〜１５の場合について、上述したようなピッチにてＭＲ素子１２〜１５を配置することが有効であることを、３次元磁界シミュレーションにて求めたセンサ面１０６上での磁束密度空間分布のピッチと、本実施形態におけるＭＲ素子１２〜１５の配置ピッチとを比較することで検証する。
検証に当たり２つの条件を設定する。第１条件として、磁気ドラムの外径１００ｍｍ、着磁波数Ｍ＝５１２、着磁角度ピッチθ＝３６０／５１２、磁気ドラムと磁気センサとの間隔Ｇ＝０．５ｍｍとし、第２条件として、磁気ドラムの外径５０ｍｍ、着磁波数Ｍ＝２５６、着磁角度ピッチθ＝３６０／２５６、磁気ドラムと磁気センサとの間隔Ｇ＝０．５ｍｍとする。
【００４０】
図４に、シミュレーションにて求めた磁束密度空間分布波形の例を示す。磁気ドラムの曲率の影響で、センサ面上の外側に行く程、つまり間隔Ｇの位置から離れる程、磁力が低下しているが、このときのゼロクロス間隔により磁束密度空間分布のピッチを算出する。その結果、磁気ドラムの外径が１００ｍｍの場合、シミュレーションにて求めた磁束密度空間分布のピッチは、６１７．３６μｍであるのに対し、本実施の形態によるＭＲ素子の配置ピッチＰは、６１７．３９μｍであり、その誤差は、０．００５％（電気角０．０１８度）である。また、磁気ドラムの外径が５０ｍｍの場合、シミュレーションにて求めた磁束密度空間分布のピッチは、６２１．３０μｍであるのに対し、本実施の形態によるＭＲ素子の配置ピッチＰは、６２１．３９μｍであり、その誤差は、０．００１５％（電気角０．０５４度）である。このように、本実施の形態によるＭＲ素子の配置ピッチＰがシミュレーション値に対して非常に近い値を得ることができる。
【００４１】
一般に、逆正接演算時に正弦波と余弦波とが電気角９０度の位相差から誤差Δ［度］を有する場合の角度検出誤差は、３６０×ＳｉｎΔ／Ｍ［度］となる。上述の誤差を角度検出誤差に当てはめると、外径１００ｍｍの磁気ドラムで、約０．１３秒となり、外径５０ｍｍの磁気ドラムで、約０．７６秒となる。
【００４２】
このとき、上記特許文献１によるＭＲセンサピッチは、上述の条件で、磁気ドラムの外径が１００ｍｍの場合、６１７．３３μｍであり、誤差０．００５％（電気角０．０１８度、角度検出誤差０．１３秒）であり、磁気ドラムの外径が５０ｍｍの場合、６２１．０９μｍであり、誤差０．０１３４％（電気角０．１２度、角度検出誤差１．６８秒）である。このように、特に磁気ドラムの外径が小さい場合、本実施の形態による配列ピッチの方が実際の磁束密度空間分布のピッチに近く、より高精度な回転角検出器を得ることができるのがわかる。
【００４３】
また、一般的にＭＲ素子の出力に含まれる波形歪成分を除去するために、例えば基本正弦波に対して２次の歪成分を除去する場合には、ＭＲ素子を電気角１８０度の位置に配置して差動をとる（ブリッジを組む）ことにより、下記のＭＲ１及びＭＲ２の出力の差動後波形から２次歪成分を除去することが知られている。
【００４４】
ＭＲ１：ｓｉｎθ＋αｓｉｎ２θ
ＭＲ２：ｓｉｎ（θ＋π）＋αｓｉｎ２（θ＋π）＝−ｓｉｎθ＋αｓｉｎ２θ
【００４５】
このとき、基準となるＭＲ素子配置ピッチが実際の磁束密度空間分布波形ピッチに対してΔずれていると、差動後の正弦波形に上記の場合では２次歪が残る。
【００４６】
ＭＲ１：ｓｉｎθ＋αｓｉｎ２θ
ＭＲ２：ｓｉｎ（θ＋π＋Δ／２）＋αｓｉｎ２（θ＋π＋Δ／２）
＝−ｓｉｎ（θ＋Δ／２）＋αｓｉｎ２（θ＋Δ／２）
差動後の２次歪残留成分：−２αｓｉｎ（Δ／４）ｃｏｓ（２θ＋Δ／４）
（振幅２αｓｉｎ（Δ／４）の２次歪成分が残る）
【００４７】
上記特許文献１において磁気ドラムの外径が５０ｍｍの場合、Δ＝０．１２度から２次歪残留成分は、α＝５０％のとき０．０５％残留するのに対し、本実施の形態の構成では、Δ＝０．０５４度から、２次歪残留成分は０．０２％となる。よって、波形歪が低減することにより、角度検出精度を向上させることができる。
【００４８】
実施の形態２
一般に、異なる外径の磁気ドラムに対して磁気センサを共通して適用する場合、実施の形態１で述べたように、例えば外径１００ｍｍのドラムで着磁波数５１２とすると、外径５０ｍｍのドラムでは着磁波数を２５６にする、即ち外径に対して着磁波数を比例させて変更することにより、ＭＲセンサ面上での磁束密度空間分布波形ピッチをほぼ共通化させることができる。
【００４９】
しかしながら、実施の形態１で述べたシミュレーションにより求められた磁束密度空間分布波形ピッチは、磁気ドラム１と磁気センサ１０との間隔Ｇを０．５ｍｍとした場合で、磁気ドラムの外径が１００ｍｍで、６１７．３６μｍであるのに対して、磁気ドラムの外径が５０ｍｍの場合には、６２１．３０μｍとなり、両者に共通した磁気センサを適用した場合には、誤差が０．６４％（電気角２．３度）発生する。
【００５０】
本実施の形態では、例えば外径１００ｍｍの磁気ドラムを基準の磁気ドラムとした場合、実施の形態１にて求められる、ＭＲ素子１２〜１５、２２〜２５に関する配置ピッチＰは、Ｐ＝６１７．３９μｍである。この基準磁気ドラムに対して、他の外径、例えば外径５０ｍｍの磁気ドラムでは、６２１．３９μｍと求められるＭＲ素子配置ピッチＰを、磁気ドラムの外径を５０ｍｍから小さくして４９．６８ｍｍとすることにより、ＭＲ素子配置ピッチＰを６１７．３９μｍとすることができる。このように磁気ドラムの外径を変化させることで、外径１００ｍｍの上記基準磁気ドラムと磁束密度空間分布のピッチを共通化することができる。
【００５１】
また、磁気ドラムの外径を例えば２００ｍｍのように、上記基準磁気ドラムよりも大きくする場合には、逆にＭＲ素子の配置ピッチＰは、６１５．５１μｍと小さくなる。よって、磁気ドラムの外径を２００ｍｍよりも大きくすることにより、例えば外径２００．６４ｍｍとすることにより、ＭＲ素子配置ピッチＰは、６１７．３９μｍとなり、上記基準磁気ドラムの場合と同じになる。したがって、磁束密度空間分布のピッチを共通化することができ、異なる外径の磁気ドラムに対して同一の磁気センサを用いることができ、かつ高精度にて角度検出を行うことが可能となる。
【００５２】
上述の説明では、磁気ドラムの外径が５０ｍｍ、１００ｍｍ、２００ｍｍの場合を例に採ったが、本実施の形態はこれに限るものではない。即ち、外径がΦ１で、着磁波数がＭ１である基準磁気ドラムに対して、磁気センサを共用化したい他の磁気ドラムの着磁波数がＭ２のとき、その外径Φ２は、Φ１×（Ｍ２／Ｍ１）×βにて求めることができる。ここで、βは、Φ１＜Φ２のときβ＞１、Φ１＞Φ２のときβ＜１という補正項に相当し、磁気ドラムと磁気センサとの間隔Ｇが一定の値を取る条件の下で、実施の形態１の算式にて求まる配置ピッチＰ、及び磁気ドラムの外径を元に求めることができる。
【００５３】
即ち、上記間隔Ｇは、磁気ドラム及び磁気センサの組み付け上の制約から、一意に設定される値である。間隔Ｇの値が設定されることで、磁気センサを共用化したい他の磁気ドラムの外径に対して実施の形態１に示した算式にて、ＭＲ素子の配置ピッチＰを求めることができる。一方、磁気センサ共用化のための、磁気ドラムの外径の上記補正項としてのβに関して、予め、図５に示すような、βと、基準配置ピッチからのズレとの関係を求めておく。上記基準配置ピッチとは、間隔Ｇ＝０．５で、外径Φ１の上記基準磁気ドラムに対するＭＲ素子の配置ピッチＰに相当する。尚、図５に示す点線は、磁気ドラムの外径Φ１＝１００ｍｍ、Φ２＝５０ｍｍのときの、βと、基準ピッチからのズレとの関係を示し、実線は、外径Φ２＝２００ｍｍのときの、βと、基準ピッチからのズレとの関係を示している。
【００５４】
そして、例えば図５に示すような、βと、基準ピッチからのズレとの関係から、基準ピッチからのズレがない、つまり図５の縦軸における「１００％」に対するβ値を求め、磁気センサ共用化用の磁気ドラムの外径Φ２を求めることができる。
【００５５】
このように磁気ドラムの外径を補正することで、外径が異なる磁気ドラムに対して共通の磁気センサを用いることが可能となる。よって、磁気ドラムの外径ごとに磁気センサを用意する必要が無くなり、低コスト化を図ることができると共に、磁気ドラムの外径の差に対する角度検出精度の劣化が無く、かつ高精度な磁気式回転角検出器を得ることが可能となる。
【符号の説明】
【００５６】
１ 磁気ドラム、 ３ 磁石、 １０ 磁気センサ、 １２〜１５ ＭＲ素子、
５１ 磁気式回転角検出器、
１０６ センサ面、 １０７ 第２円、 １０８ 第１接点、 １１０ 第１円、
１１１ 第２接点。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
円弧状の外周面にその周方向に沿って着磁角度ピッチθで交番着磁された磁石を有して上記周方向へ回転する磁気ドラムに対向して配置される磁気センサを備え、該磁気センサは、上記外周面の接線方向と平行に延在するセンサ面に上記接線方向に沿って規定ピッチにて配列した複数の磁気センサ素子を有する磁気式回転角検出器において、
上記規定ピッチは、上記着磁角度ピッチθにて隣接して配置された第１磁石及び第２磁石の各磁力線が上記センサ面と接する第１接点及び第２接点間の距離を元に規定され、ここで、上記第１接点は、上記磁気ドラムの回転中心と上記第１磁石の両端とをそれぞれ結ぶ２直線、及び上記センサ面に接する第１円における上記センサ面との接点であり、上記第２接点は、上記回転中心と上記第２磁石の両端とをそれぞれ結ぶ２直線、及び上記センサ面に接する第２円における上記センサ面との接点である、
ことを特徴とする磁気式回転角検出器。
【請求項２】
上記磁気ドラムの外径をＲ、上記磁気ドラムと上記磁気センサとの間隔をＧ、上記第１磁石と上記第２磁石との上記着磁角度ピッチをθとしたとき、上記第１円又は上記第２円における中心座標（Ｘ０、Ｙ０）は、下記式にて表される、
Ｘ０＝ｘ０ｃｏｓθ
Ｙ０＝ｘ０ｓｉｎθ
請求項１記載の磁気式回転角検出器。
【請求項３】
上記磁気ドラムを基準磁気ドラムとし、該基準磁気ドラムの第１外径φ１とは異なる第２外径φ２を有する第２磁気ドラムに対して、上記基準磁気ドラムに対して求めた上記規定ピッチに従い磁気センサ素子を配列した上記磁気センサを共用する磁気式回転角検出器において、上記基準磁気ドラムの着磁波数をＭ１、上記第２磁気ドラムの着磁波数をＭ２として、上記第２磁気ドラムの上記第２外径φ２は、下記式、
φ２＝φ１×（Ｍ２／Ｍ１）×β
φ１＜φ２のとき、β＞１ φ１＞φ２のとき、β＜１
にて規定される、請求項１又は２記載の磁気式回転角検出器。
【請求項１】
円弧状の外周面にその周方向に沿って着磁角度ピッチθで交番着磁された磁石を有して上記周方向へ回転する磁気ドラムに対向して配置される磁気センサを備え、該磁気センサは、上記外周面の接線方向と平行に延在するセンサ面に上記接線方向に沿って規定ピッチにて配列した複数の磁気センサ素子を有する磁気式回転角検出器において、
上記規定ピッチは、上記着磁角度ピッチθにて隣接して配置された第１磁石及び第２磁石の各磁力線が上記センサ面と接する第１接点及び第２接点間の距離を元に規定され、ここで、上記第１接点は、上記磁気ドラムの回転中心と上記第１磁石の両端とをそれぞれ結ぶ２直線、及び上記センサ面に接する第１円における上記センサ面との接点であり、上記第２接点は、上記回転中心と上記第２磁石の両端とをそれぞれ結ぶ２直線、及び上記センサ面に接する第２円における上記センサ面との接点である、
ことを特徴とする磁気式回転角検出器。
【請求項２】
上記磁気ドラムの外径をＲ、上記磁気ドラムと上記磁気センサとの間隔をＧ、上記第１磁石と上記第２磁石との上記着磁角度ピッチをθとしたとき、上記第１円又は上記第２円における中心座標（Ｘ０、Ｙ０）は、下記式にて表される、
Ｘ０＝ｘ０ｃｏｓθ
Ｙ０＝ｘ０ｓｉｎθ
請求項１記載の磁気式回転角検出器。
【請求項３】
上記磁気ドラムを基準磁気ドラムとし、該基準磁気ドラムの第１外径φ１とは異なる第２外径φ２を有する第２磁気ドラムに対して、上記基準磁気ドラムに対して求めた上記規定ピッチに従い磁気センサ素子を配列した上記磁気センサを共用する磁気式回転角検出器において、上記基準磁気ドラムの着磁波数をＭ１、上記第２磁気ドラムの着磁波数をＭ２として、上記第２磁気ドラムの上記第２外径φ２は、下記式、
φ２＝φ１×（Ｍ２／Ｍ１）×β
φ１＜φ２のとき、β＞１ φ１＞φ２のとき、β＜１
にて規定される、請求項１又は２記載の磁気式回転角検出器。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１１−２２６９１２（Ｐ２０１１−２２６９１２Ａ）
【公開日】平成２３年１１月１０日（２０１１．１１．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−９６８３２（Ｐ２０１０−９６８３２）
【出願日】平成２２年４月２０日（２０１０．４．２０）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１１月１０日（２０１１．１１．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年４月２０日（２０１０．４．２０）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
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