JP2008151774A - 回転角度検出装置および回転機 - Google Patents

Abstract

【課題】回転角度の検出精度が高い回転角度検出装置および回転機を提供する。
【解決手段】Ｎ極対の磁極を有する磁石回転子（但し、Ｎは２以上の整数である。）と、前記磁石回転子から印加される磁束に応じて磁石回転子の回転角度を検出するための４個のホールセンサとを備え、
前記４個のホールセンサは、感磁軸を前記磁石回転子の径方向に向けて配置した第１及び第２の径方向用ホールセンサと、感磁軸を前記磁石回転子の周方向に向けて配置した第１及び第２の周方向用ホールセンサとで構成されることを特徴とする回転角度検出装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、回転軸の回転角度を検出する回転角度検出装置および回転機に関する。

特許文献１には、図９に示すように、回転軸４０３に支持された円板状で２極の磁石４００と、前記磁石４００の円周付近に磁気センサＡ及びＢを配置した回転角度センサが開示されている。磁気センサＡ及びＢはホール素子であり、磁界の強さを検知して、回転角度の検知に用いる。円周方向でみると、円板の中心Ｏと磁気センサＡの略中心とを通る直線４１２、および中心Ｏと磁気センサＢの略中心とを通る直線４１１とがなす角度が機械角で概ね９０ｄｅｇ．になるように配置されている。磁気センサとしては、ホール素子の他にＭＲ素子を使用することができる。ここで、機械角とは円板の周囲を１周する角度を３６０ｄｅｇ．とするものである。

特許文献２には、図１０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、前記エンコーダは前記ロータの磁界（永久磁石の漏れ磁束）を検出する磁気センサ５２２を有する。磁気センサを周方向に機械角で９０ｄｅｇ．の間隔をおいて４個配置し、互いに１８０ｄｅｇ．の位置で対向する磁気センサ間の信号の差動をとることができる。

特許文献３には、図１１に示すように、検出マグネットの端面と周面の各々を多極に着磁した回転角度検出装置が開示されている。具体的には、（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、（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、（ａ）に示すように、等間隔に例えば４８対（９６極）の磁極６０３ｂ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６０３に適長間隔を有して平行に、また、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（３６０ｄｅｇ．／４８）／４）異なるように、磁極６０３ｂをそれぞれ検出する為のホール素子又はＭＲ素子である２個の磁気検出素子６０２ｄ，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、また、後述するように、３対の磁極６０３ａがなす電気角について等角度（機械角では（３６０ｄｅｇ．／３）／３）に位相が異なるように、磁極６０３ａを検出する為のホール素子又はＭＲ素子である３個の磁気検出素子６０２ａ〜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。

特開２００３−０７５１０８号公報（図４、段落００２８、段落００５１） 特開２０００−０７８８０９号公報（図１、図２、段落０００４） 特開２００１−３４３２０６号公報（図１、図２、段落００１３）

特許文献１には、１箇所に複数の磁気センサを配置し、出力値を平均してより高い精度の出力値を得る旨も記載されている。しかし、２極の磁石を用いるため、高い精度で回転角度を検出することは難しい。

特許文献２は、２極の永久磁石を用いるため、高い精度で回転角度を検出することが難しい。

特許文献３は、多極（２極より多い）の永久磁石（検出マグネット）を用いているが、リング状の永久磁石の周面と端面を別々のピッチで多極着磁している。磁極６０３ａと磁極６０３ｂについて、各々を別の磁気センサ（磁気検出素子）で検知するために、磁気センサ（磁気検出素子）６０２ａ〜６０２ｅを異なる位置に３次元的に配置するので、極めて高精度の位置あわせが必要になる。しかし、磁気センサの配置が少々ずれたとしても回転角度を検出する必要のある用途に適用しようとすると、精度よく回転角度を検出することは難しい。

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および回転機を提供することを目的とする。

本発明の回転角度検出装置は、Ｎ極対の磁極を有する磁石回転子（但し、Ｎは２以上の整数である。）と、前記磁石回転子から印加される磁束に応じて磁石回転子の回転角度を検出するための４個のホールセンサとを備え、
前記４個のホールセンサは、感磁軸を前記磁石回転子の径方向に向けて配置した第１及び第２の径方向用ホールセンサと、感磁軸を前記磁石回転子の周方向に向けて配置した第１及び第２の周方向用ホールセンサとで構成されることを特徴とする。

本発明の他の回転角度検出装置は、Ｎ極対の磁極を有する磁石回転子（但し、Ｎは２以上の整数である。）と、前記磁石回転子から印加される磁束に応じて磁石回転子の回転角度を検出するための４個のホールセンサとを備え、
前記４個のホールセンサは、感磁軸を前記磁石回転子の径方向に向けて配置した第１及び第２の径方向用ホールセンサと、感磁軸を前記磁石回転子の周方向に向けて配置した第１及び第２の周方向用ホールセンサとで構成され、
前記第１の径方向用ホールセンサ及び前記第２の周方向用ホールセンサは、磁石回転子の周方向で（２ｓ_１−１）×３６０／（４Ｎ）ｄｅｇ．の角度（但し、ｓ_１は０を含む自然数である。）を為すように設けられ、
前記第２の径方向用ホールセンサ及び前記第１の周方向用ホールセンサは、磁石回転子の周方向で（２ｓ_２−１）×３６０／（４Ｎ）ｄｅｇ．の角度（但し、ｓ_２は０を含む自然数である。）を為すように設けられ、
前記第１の径方向用ホールセンサ及び前記第２の周方向用ホールセンサの出力を合成し、前記第２の径方向用ホールセンサ及び前記第１の周方向用ホールセンサの出力を合成することにより、回転角度を検出することを特徴とする。

さらに、前記第１及び第２の径方向用ホールセンサは磁石回転子の周方向で（２ｓ_３−１）×３６０／（４Ｎ）ｄｅｇ．の角度（但し、ｓ_３は０を含む自然数である。）を為すように設けられていることが好ましい。

本発明の回転機は、上述の回転角度検出装置を備えることを特徴とする。

ここで、回転角度に応じた回転角度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。

本発明によれば、回転角度の検出精度が高い回転角度検出装置、および回転機を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態について図を参照しつつ説明する。なお、これら実施形態により本発明が必ずしも限定されるものではない。

（実施形態１）
図１は、本発明の回転角度検出装置における磁気センサの配置を説明する概略図であって、(ａ)は正面図であり、（ｂ）は電気角（ｄｅｇ．）に対するセンサ出力、検出角度及び角度誤差の関係を示すグラフである。図１（ａ）では、磁石回転子のリング状永久磁石１ａの周方向（リング状永久磁石１ａの回転方向）に沿って４個のホールＩＣ４１，４２，４３，４４を配置した。２個のホールＩＣ４１及び４２は磁界検出方向をリング状永久磁石１ａの中心に向け、他の２個のホールＩＣ４３及び４４は磁界検出方向をリング永久磁石１ａの周方向に向けた。隣り合うホールＩＣ同士の間隔は電気角で９０ｄｅｇ．とした。ホールＩＣ４１及び４４の出力を足し合わせたａ出力と、ホールＩＣ４２及び４３の出力を足し合わせたｂ出力とを、図１（ｂ）の電気角−センサ出力のグラフに示す。ａ出力を第１のオペアンプに入力し、ｂ出力を第２のオペアンプに入力し、第１及び第２のオペアンプの出力をＡＤ変換器に入力し、その出力を角度演算器に入力し、その出力として検出角度を得た。検出角度の誤差は電気角で最大６．４ｄｅｇ．を得た。

（実施形態２，３）
図２は、本発明の他の回転角度検出装置における磁気センサの配置を説明する概略図である。図２（ａ）は、図１においてホールセンサ４１を反時計回りの周方向にλずらして配置した構成に相当する。図２（ｂ）は、図１においてホールセンサ４３及び４４を共に反時計回りの周方向にλずらして配置した構成に相当する。

（表面磁束密度分布と角度誤差）
図３は、参考例における磁石回転子の磁界とセンサ素子の位置関係について説明する概略図であって、（ａ）は正面図であり、(ｂ)は電気角（ｄｅｇ．）に対するセンサ出力、検出角度及び角度誤差の関係を示すグラフである。図３(ａ)では、磁石回転子のリング状永久磁石１ａについて、各磁極内の磁化の向きを直線状の太矢印で表し、磁極表面から発生する磁束１ｅを曲線状の太矢印で表す。磁気センサ部２は矢印ｙの向きで磁束１ｅを受けている。λは表面磁束密度分布を測定したときのｓｉｎ波の１波長（電気角で３６０ｄｅｇ．）に相当し、リング状永久磁石１ａでは一対の磁極表面における周方向の長さに相当する。ｒは、リング状永久磁石１ａの径方向に沿ってみたときの、磁気センサ部２の中心とリング状永久磁石１ａ外周面の距離（ギャップの寸法に近い値）に相当する。リング状永久磁石１ａを周方向にθ＝９０ｄｅｇ．だけずらすと、磁気センサ部２は矢印ｘの向きの磁束を受けるようになる。なお、参考例又は本発明に関わる角度等については、図３（ａ）に示す。まず、磁石回転子の回転中心ｏと点ｐを結ぶ点線ｏｐ上にあり、且つ磁石回転子１ａの表面から距離ｒの位置に中心を配置した磁気センサ部２を基準とする。すると、磁気センサ部２ｒは、磁気センサ部２に対して周方向に電気角でθ異なる位置にあると言える。θを公転角と称する。磁気センサ部２ｒの中心と磁石回転子の回転中心ｏを結ぶ点線と、磁気センサ部２ｒの感磁軸とが為す角度ξについては、自転角と称する。ただし、実施形態ではξ＝０とする。φは、磁石回転子の機械的な回転を表す機械角である。

（作用）
回転方向に２Ｎ極を持つ磁石回転子について説明する。この磁石回転子はＮ極対の磁石を持っていると言い換えてもよく、Ｎ回の軸対称性を有している。ある基準角の機械角φは電気角θによって［数１］で表される。

この磁石回転子から出てくる磁界を単純化の為に軸方向に無限に長い磁石回転子であると仮定すると（すなわち、軸方向には磁界は一様に分布していると仮定する）、磁石回転子から発生する空間の磁界をベクトルとして考え、半径方向の磁界成分Ｈrと回転方向の磁界成分Ｈθとは、円筒座標系であらわされた測定位置(ｒ，φ)の関数として次の［数２］の関数で近似可能である。

さらに、基本波成分がゼロでない、すなわち、Ａ_１がゼロではない場合、ｒがある程度大きくなり、三次以上の高調波がＡ_１で表されるところの基本波に比して小さい時には［数３］のように簡略化可能である。

これは、測定点に対して磁石回転子が角度θだけ動くと磁界の向きがθ変化することを意味する。すなわち、磁界の大きさに関係なく、磁界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事を意味している。なお、上記で無限に長いとし上式ではｃｏｓ信号とｓｉｎ信号の振幅の大きさを同一のＡ_１としたが、一般に軸が有限長の場合等には、ｃｏｓの項とｓｉｎの項に掛かる係数の大きさが異なる場合もある。この、係数の大きさが異なる場合、条件によって振幅をそろえる振幅調整が必要となる。

さて、上記のように同時にｃｏｓとｓｉｎの信号を得るためには同じホールセンサを用いた場合、ホールセンサ配置に９０ｄｅｇ．の位相差が必要となる。この位相差を得るためには、多くの組み合わせが可能である。すなわち、ホールセンサは一方向に異方性（すなわち、感磁軸）を持っているために、回転子の中心から法線方向に引いた線に対するホールセンサ自体のなす角度ξを任意に取る事が可能であるが、角度ξは、０ｄｅｇ．、±９０ｄｅｇ、±１８０ｄｅｇ．のいずれかであることが好ましい。このξを自転角と称する。

ホールセンサの位置を固定する場合、第１のホールセンサを電気角で０（ゼロ）ｄｅｇ．の位置に、第２のホールセンサを電気角でθの位置に配置したとする。公転角θ＝９０ｄｅｇ．の所に第２のホールセンサを配置した場合には、第１のホールセンサと第２のホールセンサの自転角ξを同一角度にする事によりｃｏｓθとｓｉｎθの関係を持つ信号を得ることが可能となる。また、第１のホールセンサを基準にした場合、すなわち、第１のホールセンサの公転角が０ｄｅｇ．とし、自転角が０ｄｅｇ．とした場合、第２のホールセンサを公転角θ＝４５ｄｅｇ．とし、自転角ξ＝−４５ｄｅｇ．とする事でも同様な信号を得ることが可能であるし、公転角θ＝１８０ｄｅｇ．とし、自転角ξ＝９０ｄｅｇ．とすることでも同様な信号を得ることが可能である。

さらには、２つのホールセンサの公転角θ＝０ｄｅｇ．とし、第１のホールセンサの自転角ξ＝０ｄｅｇ．とし，第２のセンサ素子の自転角ξ＝９０ｄｅｇ．として同一個所に２つのホールセンサを設けても同様な信号を得ることが可能となる。これらを、さらに拡張して考える場合、第１のホールセンサと第２のホールセンサとの公転角差をΔθ、第１のホールセンサと第２のホールセンサとの自転角差をΔξとした場合に、［数４］の関係となるΔθとΔξの組み合わせであれば良い。

さらに、磁石回転子が多磁極対からなっているため、電気角で第２のホールセンサは上記の角度に止まらず一周期を単位とした角度を移動した場所（電気角で３６０ｄｅｇ．×ｎに対応する場所であり、整数ｎはプラスマイナスいずれでもよい。）に設置されても同様な信号を得ることが可能である。すなわち、［数５］の関係となるθとξの組み合わせであれば良い（ただし、ｎは任意の整数）。これが最も一般化された式になる。

（適合する磁気センサ）
以上の磁気センサを実現するための磁気センサとして、ホール素子を有するホールセンサがある。ホール素子は磁界の「大きさ」を検知してその出力電圧値が変化するセンサ素子であり、通常は、センサ素子の面に対して垂直に加わる磁界成分を一次元的に検知するように使用されている（この向きが感磁軸に相当する。）。ホールセンサの平坦な面（感磁部分：モールドされた面で最も広い面に相当する。）に感磁軸は直交する。さらに詳しくは、ホールセンサの出力は、ホールセンサの感磁部分における磁界の感磁軸方向成分に比例する。本発明においては、ホールセンサを回転磁界中に入れた場合の電圧変化に着目してセンサシステム全体を構成している。回転磁界に対してｃｏｓα（αは基準方向に対して磁界がなす角度）の電圧変化をするホールセンサ、符号が逆の（−ｃｏｓα）の電圧変化をするホールセンサ、あるい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、ｃｏｓαに比例する電圧を出力するホールセンサを適用することにより、［数６］として、下記Ｖｏｕｔが出力される。数６でδは出力電圧の印加磁界Ｈｉｎに対する変化率である。

一般的に、ホール素子を有するホールセンサはその感磁軸を磁石回転子の方に向けて設置し、複数個の配置を行う場合には電気角で所定の位置に置き（上記の公転角θ）、上記の自転角ξを変化させることない。ホールセンサでは必ず空間的に異なる位置にのみ設置されなければならないため、ホールセンサを磁気センサとして利用した場合には、その設置場所にも制約を受けるが、本発明においてはこのξを変えることも含まれており、同一機械角の位置に配置した場合でも異なる位相差を持つことが可能になる。

（複数の磁気センサによる高調波成分の削減）
以上の作用説明では、理想的に磁石回転子を回転させた場合に時間、空間的にｓｉｎあるいはｃｏｓの高調波のない磁界が発生していると仮定しているが、実際には数２において、高調波成分（高調波歪）Ａ_３，Ａ_５，・・・はゼロと限らない。むしろ、高調波成分は存在すると仮定するほうが一般的である。簡単に表せば数式７のように表される。

すなわち、歪の成分となる高調波成分はＨｒ，Ｈθそれぞれの基本波に対して含まれる割合が等しく、それぞれｃｏｓ成分，ｓｉｎ成分が主である。この高調波成分を減少させるために、複数の磁気センサを配置して、高調波成分のみを大幅に低減する方法を発明した。

（磁気センサを２個から４個にすると角度誤差が小さくなる理由）
磁気センサが４個の場合、回転子から出てくる磁界を検出した時にｒ方向（半径方向）成分が台形波形になりやすく、θ方向（回転方向）成分が三角波になりやすく、比較すると、それぞれの高調波は逆位相の関係になる。第１のホールセンサは磁界のｒ方向成分、第２のホールセンサは磁界のθ方向成分を検出するように電気角（公転角）で９０ｄｅｇ．離れた位置に自転角−９０ｄｅｇ．で配置する。その際に、それぞれのホールセンサから出力される基本波の位相は一致させる事が可能であり、その場合にそれぞれのホールセンサから出力される主たる高調波とは逆位相の関係になる。具体的に、第１のホールセンサをθ＝０ｄｅｇ．ξ＝０ｄｅｇ．とし、第２のホールセンサをθ＝９０ｄｅｇ．ξ＝０ｄｅｇ．とし、第３のホールセンサをθ＝１８０ｄｅｇ．ξ＝９０ｄｅｇ．とし、第４のホールセンサをθ＝２７０ｄｅｇ．ξ＝−９０ｄｅｇ．とした場合、各ホールセンサからの出力をＶｏｕｔ_１〜Ｖｏｕｔ_４と表す。

この関係を利用して、位置関係を合わせることで２つのホールセンサからの基本波同士を足し合わせ、同時に主たる３次高調波成分は逆位相となるように足し合わせて低減し、振幅が等しく、かつ９０ｄｅｇ．位相の異なる２信号を得ることができ、その結果角度誤差を少なくすることが可能になる。ここで、各出力の正負の符号は、ホールセンサの面の表裏に対応するので、［数９］が成立する様に適宜配置できる。

数８では、一般には１ではない係数Ｋｍのために出力振幅は異なるが、このように２つのホールセンサの出力を合成することにより、必ず等しい振幅を得ることができる。第１及び第２のホールセンサ、第３及び第４のホールセンサがそれぞれ磁石回転子に対し、例えば磁石回転子中心から等しい距離、周方向で等しい角度差（＝電気的に９０ｄｅｇ．異なる。）となるように配置すれば、条件を満足する。ホールセンサの配置が容易になる。

数８での基本波にたいする３次高調波の割合はＡ_３／Ａ_１であるのに対し、
数９でのそれは、（Ｋｍ−１）／(Ｋｍ+１)×Ａ_３／Ａ_１ となる。したがって、ホールセンサを２個から４個に増やすことにより、逆正接演算から得られる回転角度の誤差の最も大きな原因である３次高調波を（Ｋｍ−１）／(Ｋｍ＋１)に減少させることができる。

実施形態１の構成で検討したところ、Ｋｍはおよそ１．４から２であった。したがって、ホールセンサを２個から４個に増やすことにより、波形歪すなわち角度誤差を、ホールセンサ２個の場合の３割から１割程度までに低減できた。さらに４個のホールセンサからの出力振幅を調整すれば、実質的には上記Ｋｍを１にできるため、波形歪による角度誤差の原因は、３次歪から、さらに小さな値である５次歪に移る。

従来技術のように、ホールセンサを回転軸に対して同一方向を向けた場合には、すべてのホールセンサがＨｒを検知するため、ホールセンサを２個から４個に増やしても、上述の効果は現れない。一方、回転軸に対して、ほぼ軸対称に４個のホールセンサを配置した場合には、回転軸の偏芯（変動）に対して、回転角度の誤差の増大が抑えられるという特徴があった。本発明では、ホールセンサを完全に軸対称配置にすることができないために、完全には抑制できないが、同相出力を得るホールセンサの一方を他方の軸対称の位置に最も近い場所に設置することにより（Ｎ＝８の場合）、遜色なく、１０分の１程度に抑えられることを確認した。

磁石回転子が、例えば１２極の場合は、ホールＩＣ１２ａに対してホールＩＣ１２ｂは周方向に機械角φ異なる位置に配置されているため（φ＝１５ｄｅｇ．）、電気角θの位相差がある（θ＝９０ｄｅｇ．）。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、一組のホールＩＣを狭い領域に収めて小型化することができた。

（極数による回転角度誤差減少）
最大検出角度誤差を機械角で表すと、電気角誤差が磁極数の数に応じて減少していく。このため、磁極数の多い磁石回転子を用いる本発明は、より検出誤差を少なくすることが可能になる。１２極の磁石回転子では、２極の磁石回転子を用いた場合に比べ、６分の１の機械角で表した回転角度誤差に減少する。
磁石回転子の極対数をモータの極対数と同じにする場合、高精度のモータ制御が容易になる。また、磁石回転子に代えてモータの磁石を利用して回転角度を求めることもできる。
２極磁石よりも外に漏れる磁束が少ないので、外部に対する磁気的影響も小さい。
磁石回転子の機械的回転周期よりもホールセンサの受ける磁界の回転周期が１／Ｎ倍（Ｎは２以上の整数）となり、分解能が高くなる。上述の回転角検出装置は回転機に設けるとよい。

（参考形態１）
図４は参考形態に係る回転角度検出装置を説明するための概略図であって、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図（下半分は一部断面図）である。図４（ａ）の回転角度検出装置は、磁石回転子１と、磁気センサ部２と、前記磁気センサ部を固定したハウジング３で構成されており、ホールＩＣ１２ａ，１２ｂ（ホール素子とオペアンプを一体化したホールセンサ）によってリング状永久磁石１ａの回転角度を検出する。磁気センサとしてホールＩＣ１２ａ、１２ｂを用いている。図４のホールＩＣは、磁力線が向かってくる向き（磁石回転子の中心からみて半径方向に相当）に対して、ホールＩＣの感磁軸を平行にして配置する。図４（ｂ）に示すように、ホールＩＣの端子を回路用基板２ｃに突き立てて固定する。さらにホールＩＣ１２ａ，１２ｂの信号を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る。磁石回転子を多極とし磁気センサ配置を近接させることにより、回転角度を検出する。ホールＩＣの数や配置（すなわち、磁気センサ部）を除いた部分は、本発明の実施形態でも同様のものを用いる。

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１ａと、前記リング状永久磁石の内周側に一体に形成された軟磁性リング１ｂと、前記軟磁性リングを支持する非磁性リング状のアダプタ１ｃを備える。磁気センサ部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ホールＩＣ１２ａ，１２ｂと、前記ホールＩＣ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及びコネクタ２ｅと、前記ホールＩＣを覆う非磁性カバー２ｆとを有する。ハウジング３には、ホールＩＣ１２ａ，１２ｂが所定の間隔をもって磁石回転子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およびボルト３ｃが設けられている。

図４の回転角度検出装置を使用するため、磁気センサ部２を設置したハウジング３を（ボルト止め用孔３ｂを用いて）工作機械本体に固定し、工作機械の回転シャフトに磁石回転子１を（ボルト止め用孔１ｄを用いて）同軸となるように固定する（図４では工作機械の図示を省略する。）。図４（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ると、実施形態１の磁気センサ部を適用した構成では、高い精度で回転角度を検出することができた。

ここで、磁石回転子１は、ＮｄＦｅＢ系磁粉とバインダーを成形してなるリング状永久磁石１ａと、軟鉄粉とバインダーを成形してなる軟磁性リング１ｂ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１ｃで構成する。ホールＩＣ１２ａ，１２ｂは磁石回転子１の回転中心からみて１５ｄｅｇ．の角度（機械角：φ）を為すよう、回路用基板２ｃに固定する。ハウジング３及びコ字型アングル３ａも非磁性ＳＵＳ３１６で構成する。
磁石回転子１の外接円（点線で図示）の半径：４０ｍｍ
磁石回転子１の外接円（点線で図示）とホールＩＣ中心の距離ｒ：３．５ｍｍ
磁石回転子１の厚さｔ：２５ｍｍ
ハウジング３の厚さＴ：２ｍｍ （２ｍｍ厚の板材を打ち抜き、絞りで形成する。）
なお、距離ｒを変えてみたところ、ｒ＝１０ｍｍの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を５ｍｍの場合でも同様に問題なく使用することができた。

（参考形態２）
図５は、他の参考形態の回転角度検出装置における磁気センサの配置を説明する概略図であって、(ａ)は正面図であり、（ｂ）は電気角（ｄｅｇ．）に対するセンサ出力、検出角度及び角度誤差の関係を示すグラフである。図５（ａ）では、磁石回転子のリング状永久磁石１ａの周囲に４個のホールＩＣ３１，３２，３３，３４を電気角で９０ｄｅｇ．、１８０ｄｅｇ．及び９０ｄｅｇ．の間隔で周方向（リング状永久磁石１ａの回転方向）に沿って配置する。各々のホールＩＣは磁界検出方向をリング状永久磁石１ａの中心を向いているが、隣り合うホールＩＣの磁界検出方向は逆向きとする。ホールＩＣ３１及び３２の出力を足し合わせたａ出力と、ホールＩＣ３３及び３４の出力を足し合わせたｂ出力とを、図５（ｂ）の電気角−センサ出力のグラフに示す。検出角度の誤差は電気角で最大２２ｄｅｇ．を得た。

図６は本発明の回転機を説明する概略図である。図６（ａ），（ｂ）は同じ回転機を異なる断面で見たものである。図６（ｂ）のホールＩＣ８２ｂは、図６（ａ）のホールＩＣ８２ａの面（ホールＩＣの感磁軸に垂直な面である。）を磁石回転子７１ｃの周方向（θ方向）に沿った向き（（ａ）のホールＩＣの面（その感磁軸に垂直な面）とは直交する向き）に変更し、周方向にずらした位置に配置したものである。

図６（ａ）に示すように、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を設置したものである。シャフト７１ｂはベアリング（図示省略）を介してフレーム７３ｃに回転自在に固定した。さらに、磁石回転子７１ｃをシャフト７１ｂに設け、支持部７２ｎを介してホールＩＣ８２ａをフレーム７３ｃに設置する。なお、この回転機には、ホールＩＣ８２ａと同じ径方向用ホールＩＣ８２ｃ（図示せず）と、ホールＩＣ８２ｂと同じ周方向用ホールＩＣ８２ｄ（図示せず）も備える。

前記磁石回転子７１ｃの回転磁界を前記ホールＩＣ８２ａ、ホールＩＣ８２ｂ、ホールＩＣ８２ｃ及びホールＩＣ８２ｄで検知し、それらの４つの出力を演算回路７２ｍに入力・合成して２つの出力を得て、前記２つの出力を逆正接演算し、磁石回転子７１ｃの回転角度を得た。前記磁化方向の磁気的な回転の軸を、図中に鎖線で示す。

実施形態１の構成をモータに適用した場合、感磁軸が磁石回転子の径方向を向いているホールＩＣ４１，４２は、図６(ａ)のホールＩＣ８２ａのように磁石回転子と対向して配置する。実施形態１の構成で、感磁軸が磁石回転子の周方向を向いているホールＩＣ４３，４４は、図６(ｂ)のホールＩＣ８２ｂのように前記ホールＩＣ４１，４２とは９０°異なる向きとなるように配置する。

図７は本発明の他の回転機を説明する概略図であり、図６の構成を変形した応用例である。図７（ａ）は、図６（ｂ）において、磁化方向をシャフトの軸方向に沿った向きに変更した磁石回転子７１ｄを用い、支持部７２ｎを支持部７１ｏに置換し、ホールＩＣ８２ｂを端子の長さを短くしたホールＩＣ８２ｃに置換し、ホールＩＣ８２ｃの面で磁石回転子７１ｄの磁界を検知する。図７（ｂ）は、感磁軸の向きがシャフトに平行な向きになるように配置したホールＩＣ８２ｄとそれを支持する支持部７２ｐを設けた点が図７（ａ）と異なるが、同じ回転機を異なる断面で見たものであり、ホールＩＣ８２ｃとホールＩＣ８２ｄで磁石回転子の回転磁界を検知し、１つの演算回路で処理し、磁石回転子の回転角度を検出する。図７（ｃ）及び（ｄ）は、おのおの、図６（ａ）及び（ｂ）の構成において、ロータ７１ａ及び磁石回転子７１ｃを、ロータ７１ｅに置換したものであり、同じ回転機を異なる断面でみたものであり、ホールＩＣ８２ａとホールＩＣ８２ｃで磁石回転子７１ｅの回転磁界を検知し、１つの演算回路で処理し、磁石回転子の回転角度を検出する。

図８は、ｒ／λと角度誤差の関係を示すグラフである。図８中には２種類の回転角度検出装置で得られたデータを記載している。Ａは、図４に示した回転角検出装置のホールＩＣ４１と４４の２出力で角度誤差を評価したプロットであり、Ｂは、図１に示した回転角検出装置のすべてのホールＩＣを用いて角度誤差を評価したプロットである。各々、Ａ：図４、Ｂ：図１という具合に対応している。このグラフより、図４のようにホールＩＣの感磁軸がｒ方向のみを向いている構成に比べて、図１のようにホールＩＣの感磁軸がｒ方向とθ方向を向いている構成では角度誤差が小さくなることがわかる。また、Ａに比べてＢは、磁石回転子外周面とホールセンサ中心の距離を離すにつれて、大幅に誤差の減少する様子が分かる。図４の構成の誤差の原因、すなわち磁界の歪である３次高調波の基本波にたいする割合が、距離に対して減衰する様子であり、図１の場合には、３次高調波より５次高調波が支配的となっており、この５次高調波成分の基本波にたいする割合が距離に対して減衰する様子を示したと考えられる。

本発明の回転角度検出装置におけるホールセンサの配置を説明する概略図である。 本発明の他の回転角度検出装置におけるホールセンサの配置を説明する概略図である。 磁石回転子の磁界とホールセンサの位置関係について説明する概略図である。 参考形態に係る他の回転角度検出装置を示す概略図である。 他の参考形態の回転角度検出装置におけるホールセンサの配置を説明する概略図である。 本発明の回転機を説明する概略図である。 本発明の他の回転機を説明する概略図である。 ｒ／λと角度誤差の関係を示すグラフである。 従来の回転角度検出装置を示す概略図である。 従来の回転角度検出装置を示す概略図である。 従来の回転角度検出装置を示す概略図である。

符号の説明

１：磁石回転子、１ａ：リング状永久磁石、１ｂ：軟磁性リング、１ｃ：アダプタ、
１ｄ：ボルト止め用孔、１ｅ：磁束、
２：磁気センサ部、
２ｃ：回路用基板、２ｄ：ケーブル、２ｅ：コネクタ、２ｆ：非磁性カバー、
２ｒ：磁気センサ部、
３：ハウジング、３ａ：コ字型アングル、３ｂ：ボルト止め用孔、３ｃ：ボルト、
１２ａ，１２ｂ：ホールＩＣ、
３１，３２，３３，３４：ホールＩＣ、
４１，４２，４３，４４：ホールＩＣ、
７１ａ：ロータ、７１ｂ：シャフト、７１ｃ：磁石回転子、
７１ｄ：磁石回転子、７１ｅ：ロータ、
７２ｍ：演算回路、７２ｎ：支持部、
７２ｏ：支持部、７２ｐ：支持部、
７３ａ：ステータ、７３ｂ：ステータ用コイル、７３ｃ：フレーム、
８２ａ：ホールＩＣ、８２ｂ：ホールＩＣ、８２ｃ：ホールＩＣ、８２ｄ：ホールＩＣ、

Claims (4)

1. Ｎ極対の磁極を有する磁石回転子（但し、Ｎは２以上の整数である。）と、前記磁石回転子から印加される磁束に応じて磁石回転子の回転角度を検出するための４個のホールセンサとを備え、
   前記４個のホールセンサは、感磁軸を前記磁石回転子の径方向に向けて配置した第１及び第２の径方向用ホールセンサと、感磁軸を前記磁石回転子の周方向に向けて配置した第１及び第２の周方向用ホールセンサとで構成されることを特徴とする回転角度検出装置。
2. Ｎ極対の磁極を有する磁石回転子（但し、Ｎは２以上の整数である。）と、前記磁石回転子から印加される磁束に応じて磁石回転子の回転角度を検出するための４個のホールセンサとを備え、
   前記４個のホールセンサは、感磁軸を前記磁石回転子の径方向に向けて配置した第１及び第２の径方向用ホールセンサと、感磁軸を前記磁石回転子の周方向に向けて配置した第１及び第２の周方向用ホールセンサとで構成され、
   前記第１の径方向用ホールセンサ及び前記第２の周方向用ホールセンサは、磁石回転子の周方向で（２ｓ_１−１）×３６０／（４Ｎ）ｄｅｇ．の角度（但し、ｓ_１は０を含む自然数である。）を為すように設けられ、
   前記第２の径方向用ホールセンサ及び前記第１の周方向用ホールセンサは、磁石回転子の周方向で（２ｓ_２−１）×３６０／（４Ｎ）ｄｅｇ．の角度（但し、ｓ_２は０を含む自然数である。）を為すように設けられ、
   前記第１の径方向用ホールセンサ及び前記第２の周方向用ホールセンサの出力を合成し、前記第２の径方向用ホールセンサ及び前記第１の周方向用ホールセンサの出力を合成することにより、回転角度を検出することを特徴とする回転角度検出装置。
3. 請求項２において、前記第１及び第２の径方向用ホールセンサは磁石回転子の周方向で（２ｓ_３−１）×３６０／（４Ｎ）ｄｅｇ．の角度（但し、ｓ_３は０を含む自然数である。）を為すように設けられていることを特徴とする回転角度検出装置。
4. 請求項１ないし３のいずれかに記載の回転角度検出装置を備えることを特徴とする回転機。
   

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