JP2018031617A - 回転角度検出装置及びそれを用いた回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、角度検出誤差を低減しつつ、小型化を図ることを目的とするものである。
【解決手段】永久磁石ユニット１２の形状は、直方体である。また、永久磁石ユニット１２は、回転軸Ｏに沿って見て、長辺と、長辺よりも短い短辺とを有している。さらに、永久磁石ユニット１２は、回転軸Ｏと平行な方向に沿って互いに逆向きに着磁されている２つの直方体部分１２ａ，１２ｂを一体に有している。即ち、永久磁石ユニット１２は、回転軸Ｏと平行な方向に沿って互いに逆向きに着磁され磁界検出部１４に対向する２つの磁極を有している。
【選択図】図２

Description

この発明は、永久磁石ユニットと、この永久磁石ユニットの磁界を検出する磁界検出部とを有する回転角度検出装置、及びそれを用いた回転電機に関するものである。

従来の回転電機の回転角度を検出する装置として、永久磁石と磁界検出部とを用いた回転角度検出装置が知られている。回転電機のシャフト端部には、シャフトと一体となって回転する２極対の永久磁石が取り付けられている。永久磁石の形状は、円柱形である。また、永久磁石は、回転軸方向に着磁されている。さらに、磁気抵抗効果素子を用いた磁界検出部が、永久磁石に対して一定の空隙を介して配置されている。永久磁石端部からの磁界の回転は、磁界検出部で回転角度情報に変換される。

また、永久磁石の中心と磁界検出部の中心とをそれぞれ通る中心軸間に、取り付け誤差による位置ずれが生じると、検出される回転角度に、位置ずれに起因する角度検出誤差が生じる。これに対して、従来の回転角度検出装置では、円柱形の永久磁石を用いることにより、角度検出誤差を抑えている（例えば、特許文献１参照）。

さらに、他の従来の回転角度検出装置では、永久磁石の形状が直方体である。また、永久磁石は、回転軸と垂直な方向に着磁されている（例えば、特許文献２参照）。

特開２０１５−１０５９００号公報 特許第４９４７３２１号公報

特許文献１に示された従来の回転角度検出装置では、円柱形の永久磁石が用いられているため、永久磁石が大型化するという問題がある。
また、特許文献２に示された従来の回転角度検出装置では、永久磁石が回転軸と垂直な方向に着磁されているため、磁界検出部が永久磁石の極に対向しておらず、磁界検出部における検出磁界の大きさが低下し、必要な出力信号を得ることが困難となる。そのため、必要な大きさの出力信号を得るためには、結局、永久磁石の大きさが増大し、小型化が困難となる。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、角度検出誤差を低減しつつ、小型化を図ることができる回転角度検出装置及びそれを用いた回転電機を得ることを目的とする。

この発明に係る回転角度検出装置は、永久磁石ユニット、及び永久磁石ユニットに対向し、永久磁石ユニットの磁界を検出する磁界検出部を備え、永久磁石ユニットの形状は、楕円柱、又は長辺と短辺とを有している直方体であり、永久磁石ユニットは、回転電機のシャフトの回転軸に平行な方向に沿って互いに逆向きに着磁され磁界検出部に対向する２つの磁極を有している。

この発明の回転角度検出装置は、永久磁石ユニットの形状を、楕円柱、又は長辺と短辺とを有している直方体とし、かつ、回転電機のシャフトの回転軸に平行な方向に沿って互いに逆向きに着磁され磁界検出部に対向する２つの磁極を永久磁石ユニットに設けたので、角度検出誤差を低減しつつ、小型化を図ることができる。

この発明の実施の形態１による回転電機の要部を模式的に示す概略断面図である。 図１の回転角度検出装置の要部を示す斜視図である。 図２の回転角度検出装置の要部断面図である。 図２の永久磁石ユニットを磁界検出部側から見た正面図である。 磁界検出部と永久磁石ユニットとの間に位置ずれが生じている状態を示す斜視図である。 図５の位置ずれが生じているときに生じる角度検出誤差を示す説明図である。 図６の位置ずれｒが０．５ｍｍである場合の回転角度θと磁束密度Ｂｒ、Ｂθ、｜Ｂ｜との関係を示すグラフである。 位置ずれｒを変化させた場合の回転角度θと磁束密度｜Ｂ｜との関係を示すグラフである。 位置ずれｒを変化させた場合の回転角度θと角度検出誤差φとの関係を示すグラフである。 図５の永久磁石ユニットを拡大して示す斜視図である。 図１０の永久磁石ユニットと磁界検出部における磁束分布とを示す平面図である。 永久磁石ユニットの縦横比と角度検出誤差との関係を示すグラフである。 永久磁石ユニットの縦横比と図１２の角度検出誤差を磁束密度振幅で除した値との関係を示すグラフである。 永久磁石ユニットの縦横比と図１２の角度検出誤差を磁束密度の縦横比に対する傾きで除した値と関係を示すグラフである。 図４の仮想円の直径が１３ｍｍである場合の永久磁石ユニットの縦横比と磁石面積との関係を示すグラフである。 永久磁石ユニット面積と角度検出誤差を磁束密度振幅で除した値との関係を示すグラフである。 磁石面積に対する角度検出誤差の減少率を示すグラフである。 この発明の実施の形態２による回転角度検出装置の永久磁石ユニットを示す斜視図である。 この発明の実施の形態３による回転角度検出装置の永久磁石ユニットを示す斜視図である。 この発明の実施の形態４による回転角度検出装置の永久磁石ユニットを示す斜視図である。 この発明の実施の形態５による回転角度検出装置の永久磁石ユニットを示す斜視図である。 この発明の実施の形態６による回転角度検出装置の永久磁石ユニットを示す斜視図である。 この発明の実施の形態７による回転角度検出装置の要部を示す斜視図である。 この発明の実施の形態８による回転角度検出装置の要部を示す斜視図である。 実施の形態８の永久磁石ユニット、磁性体部材及び磁界検出部を永久磁石ユニットの縦軸方向に沿って見た側面図である。 この発明の実施の形態９による回転角度検出装置の要部を示す斜視図である。 実施の形態９の永久磁石ユニット、磁性体部材及び磁界検出部を永久磁石ユニットの縦軸方向に沿って見た側面図である。 この発明の実施の形態１０による回転角度検出装置の要部を示す斜視図である。 この発明の実施の形態１１による回転電機の要部を模式的に示す概略断面図である。 この発明の実施の形態１２による回転角度検出装置の永久磁石ユニットを示す斜視図である。

以下、この発明を実施するための形態について、図面を参照して説明する。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１による回転電機の要部を模式的に示す概略断面図である。図において、回転電機は、円柱状のシャフト１と、シャフト１に固定されている回転子２と、回転子２の外側に配置されている固定子３と、シャフト１及び回転子２の回転角度を検出する回転角度検出装置４とを有している。回転子２は、空隙を介して固定子３に対向している。

固定子３の外周は、フレーム（図示せず）に固定されている。また、固定子３は、鉄心と、鉄心に巻き付けられている複数のコイル３ａとを有している。

シャフト１は、ベアリング（図示せず）を介してフレームに支持されている。これにより、シャフト１は、回転軸Ｏを中心として、固定子３に対して回転子２と一体に回転する。

回転角度検出装置４は、シャフト１の軸方向の一端部に固定されている非磁性体製の磁石保持部材１１と、磁石保持部材１１に保持されている永久磁石ユニット１２と、シャフト１の軸方向の一端部に対向している基板１３と、永久磁石ユニット１２に対向して基板１３に取り付けられ、永久磁石ユニット１２の磁界を検出する磁界検出部１４とを有している。

シャフト１の軸方向の一端部には、磁石保持部材１１及び永久磁石ユニット１２を収容する凹部１ａが設けられている。永久磁石ユニット１２の磁界検出部１４に対向する面は、シャフト１の基板１３に対向する端面と面一になっている。

磁界検出部１４は、一定の空隙を介して永久磁石ユニット１２に対向している。また、磁界検出部１４の中心は、永久磁石ユニット１２の中心軸と同軸となるように配置されている。基板１３は、適切な部材を用いて、回転電機の固定部に保持されている。

磁界検出部１４としては、ＭＲ素子、即ち磁気抵抗効果素子が用いられている。これにより、磁界検出部１４は、検出磁界の強さの変化に対応する電圧信号を出力する。永久磁石ユニット１２がシャフト１と一体となって回転することにより、磁界検出部１４における磁界が変動し、回転電機の回転角度に応じた検出信号が出力されるため、回転電機の回転角度を検出することが可能となる。

磁気抵抗効果素子としては、例えば、トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）効果を利用したＴＭＲ素子が用いられる。但し、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）効果素子、又は異方性磁気抵抗（ＡＭＲ）効果素子等、他の磁気抵抗効果素子を用いることも可能である。

図２は図１の回転角度検出装置４の要部を示す斜視図、図３は図２の回転角度検出装置４の要部断面図であり、永久磁石ユニット１２の横軸方向と平行で、かつ回転軸Ｏを通る断面を示している。

実施の形態１の永久磁石ユニット１２は、１個の永久磁石、例えばネオジム焼結磁石により構成されている。永久磁石ユニット１２の形状は、直方体、即ち全ての面が長方形で構成される六面体である。また、永久磁石ユニット１２は、回転軸Ｏに沿って見て、長辺と、長辺よりも短い短辺とを有している。

さらに、永久磁石ユニット１２は、回転軸Ｏと平行な方向に沿って互いに逆向きに着磁されている２つの直方体部分１２ａ，１２ｂを一体に有している。即ち、永久磁石ユニット１２は、回転軸Ｏと平行な方向に沿って互いに逆向きに着磁され磁界検出部１４に対向する２つの磁極を有している。永久磁石ユニット１２の着磁方向を回転軸Ｏと同じにすることにより、永久磁石ユニット１２を小型化した場合でも適切な強さの磁界を磁界検出部１４に印加することが可能となる。

また、永久磁石ユニット１２は、ある程度の厚みを持つ磁石保持部材１１を介してシャフト１から離されている。永久磁石ユニット１２がシャフト１から離されていることにより、磁界検出部１４において、永久磁石ユニット１２から出る主磁束１２０（図３に点線で示す）が検出されるとともに、シャフト１への漏れ磁束を低減して主磁束１２０の減少を抑制できる。

図４は図２の永久磁石ユニット１２を磁界検出部１４側から見た正面図である。永久磁石ユニット１２の正面形状を規定する４つの端点、即ち四隅は、磁石保持部材１１の直径よりも小さい直径の仮想円１２１に内接するように配置されている。また、永久磁石ユニット１２の大きさは、回転軸Ｏに沿って見たときの長辺の長さである縦軸長さＷと、短辺の長さである横軸長さＨの寸法を用いて規定されている。

図４において、磁界検出部１４の中心位置と永久磁石ユニット１２の中心位置とが回転軸Ｏ上で一致するとき、回転軸Ｏを原点として空間に固定された座標系５０と、同様に回転軸Ｏを原点とする永久磁石ユニット１２の面上に固定された座標系６０との相対関係を用いて、回転角度θを規定できる。

理想的な状態では、磁界検出部１４の中心位置と永久磁石ユニット１２の中心位置とが一致するので、磁界検出部１４又は信号処理系に起因するものを除いて、角度検出誤差は検出されない。

図５は磁界検出部１４と永久磁石ユニット１２との間に位置ずれが生じている状態を示す斜視図である。図２で示したように、磁界検出部１４の中心位置と永久磁石ユニット１２の中心位置とは回転軸Ｏ上で一致するように配置されることが望ましい。しかし、実際は、磁界検出部１４の取り付け誤差、若しくはシャフト１又は永久磁石ユニット１２の工作誤差により、磁界検出部１４の中心位置と永久磁石ユニット１２の中心位置とは、完全には同軸上で一致しない。

即ち、回転軸Ｏからの取り付け位置ずれをｒとした場合、磁界検出部の中心を通る中心軸（以降は回転軸と呼ぶ）Ｏ’は、永久磁石ユニット１２の中心位置を通る回転軸Ｏから見て半径ｒの大きさの円周上を相対的に回転する。

図６は図５の位置ずれが生じているときに生じる角度検出誤差φを示す説明図である。図６では、永久磁石ユニット１２に平行な面上で、永久磁石ユニット１２の中心位置を通る回転軸Ｏと、磁界検出部１４の中心を通る回転軸Ｏ’との位置関係を、位置ずれ量ｒ及び回転角度θを用いて表している。即ち、ｒ及びθを用いて、回転軸Ｏから見たＯ’の位置を表現できる。

取り付け位置ずれが生じていない場合、磁束密度ベクトルＢは原点Ｏで検出され、磁束密度ベクトルＢを用いて回転角度を正確に計算することが可能である。Ｏ及びＯ’が一致する場合、磁束密度ベクトルＢは座標軸ｙと同じ方向となる。このため、磁束密度ベクトルＢを半径方向ｒ及びこれと直交する回転方向θに分解した成分Ｂｒ及びＢθを用いると、磁束密度ベクトルＢから計算される回転角度θ’は次式で表され、実際の回転角度θと一致する。但し、次式では、回転角度１８０°毎に角度補正を必要とする。

θ’＝（π／２）−ｔａｎ^−１（Ｂθ／Ｂｒ）［ｒａｄ］

一方、取り付け位置ずれが生じる場合、磁束密度ベクトルＢは半径ｒ及び回転角度θで規定される位置Ｏ’において検出される。このため、回転角度θ’には、角度検出誤差φが含まれる。そして、角度検出誤差φは、次式で表すことができる。

φ＝θ−θ’＝θ−｛（π／２）−ｔａｎ^−１（Ｂθ／Ｂｒ）｝［ｒａｄ］

ここで、磁界検出部１４と永久磁石ユニット１２との間の取り付け位置ずれが磁束密度振幅及び角度検出誤差に与える影響を確認する。図７は図６の位置ずれｒが０．５ｍｍである場合の回転角度θに対する磁束密度Ｂｒ、Ｂθ、｜Ｂ｜の大きさを示すグラフである。

なお、磁束密度は、いずれも｜Ｂ｜の１次振幅値で規格化した値である。また、図４に示した縦軸長さＷと横軸長さＨとの比Ｗ／Ｈは４である。さらに、磁界検出部１４は、永久磁石ユニット１２から２ｍｍ離されている。

図７に示すように、Ｂｒ及びＢθは、回転角度θに対して、互いに９０°位相が異なる略正弦波状の波形となっている。

これに対して、永久磁石ユニット１２の残留磁束密度を同じとし、永久磁石ユニット１２と磁界検出部１４との距離を同じとし、永久磁石ユニット１２の縦横比を同じとして、取り付け位置ずれｒを０．３ｍｍ、０．４ｍｍ、０．５ｍｍとした場合の磁束密度の大きさ｜Ｂ｜及び角度検出誤差φのグラフは、それぞれ図８及び図９のようになる。

なお、磁束密度の大きさ｜Ｂ｜及び角度検出誤差φは、位置ずれｒ＝０．５ｍｍの場合の振幅値で規格化した値である。

図８及び図９に示すように、位置ずれ量が大きくなるほど｜Ｂ｜の磁束密度振幅が増大しており、角度検出誤差φの大きさも増大している。

角度検出誤差φは、磁界検出部１４における半径方向の磁束密度Ｂｒと、半径方向に直交する方向の磁束密度Ｂθとの比から計算されるので、位置ずれによる角度検出誤差φを低減するためには、磁界検出部１４において、永久磁石ユニット１２から生じる縦軸方向の磁束密度成分Ｂθを低減する必要がある。

ここで、図１０は図５の永久磁石ユニット１２を拡大して示す斜視図、図１１は図１０の永久磁石ユニット１２と磁界検出部１４における磁束分布とを示す平面図である。磁界検出部１４における理想的な磁束分布は、全ての磁束の向きが永久磁石ユニット１２の横軸方向に平行となる分布である。

しかし、実際の磁束分布では、図１１に示すように、殆どの磁束が永久磁石ユニット１２の横軸方向に平行とはならず、中心部の磁束のみが横軸方向に平行となる。このため、磁界検出部１４の中心位置と永久磁石ユニット１２の中心位置との間に取り付け位置ずれが生じた場合、角度検出誤差φが増大する。

これに対して、本実施の形態では、取り付け位置ずれが生じる場合でも角度検出誤差φを低減するために、永久磁石ユニット１２の縦横比Ｗ／Ｈを変化させる。即ち、永久磁石ユニット１２の端点を上記の仮想円１２１に内接させつつ、縦軸長さＷ及び横軸長さＨを変化させる。

永久磁石ユニット１２の残留磁束密度、永久磁石ユニット１２と磁界検出部１４との距離、及び永久磁石ユニット１２の厚みをそれぞれ一定とし、取り付け位置ずれｒを０．３ｍｍ、０．４ｍｍ、０．５ｍｍとした場合に、縦横比Ｗ／Ｈに対する角度検出誤差φが変動する様子の解析値を図１２に図示している。但し、角度検出誤差は、振幅値を角度検出誤差の最小値で規格化している。また、仮想円１２１の直径は１３ｍｍとした。

図１２によれば、取り付け位置ずれｒが大きいほど角度検出誤差振幅も大きくなっている。但し、縦横比Ｗ／Ｈ＜１では、角度検出誤差が縦横比の増加に対して急激に小さくなっている。これに対して、縦横比１≦Ｗ／Ｈ≦１２では、角度検出誤差振幅の変化は小さくなっている。このため、Ｗ／Ｈは、１以上１２以下が好適である。

即ち、縦横比Ｗ／Ｈ＜１では、角度検出誤差が大きくなるだけでなく、取り付け位置ずれに加えて永久磁石ユニット１２の寸法精度に対する感度が大きい。このため、製造ばらつきに対して角度検出誤差が設計値から大きく外れる懸念がある。

一方、縦横比１≦Ｗ／Ｈ≦１２では、角度検出誤差が小さく、また永久磁石ユニット１２の寸法精度に対する感度が小さいため、製造ばらつきを見込んでも角度検出誤差が設計値から大きく外れる懸念はない。具体的には、仮想円１２１の直径が１３ｍｍである場合、角度検出誤差が最小となる寸法は、縦軸長さＷ＝１２．７ｍｍ、Ｈ＝３．２ｍｍとなる。

図１３は永久磁石ユニット１２の縦横比と図１２の角度検出誤差を磁束密度振幅で除した値との関係を示すグラフ、図１４は永久磁石ユニット１２の縦横比と図１２の角度検出誤差を磁束密度の縦横比に対する傾きで除した値と関係を示すグラフである。なお、図１２から図１４においては、図１５で説明する理由から、Ｗ／Ｈ≧０．５での解析結果を示している。

また、図１２で示した角度検出誤差振幅を、それぞれの場合の磁束密度振幅値で除した値を回転角度θに対して図示したものが図１３である。図８及び図９によれば、磁束密度振幅及び角度検出誤差振幅の値は、取り付け位置ずれの増加に応じて増大している。しかし、図１３では、角度誤差振幅は、取り付け位置ずれの大きさによらず、略同一の曲線上にある。このため、縦横比Ｗ／Ｈが角度検出誤差に及ぼす影響を、図１２に対してより明確に評価できる。

図１４によれば、磁束密度の角度誤差振幅に対する縦横比の変化率、即ち傾きが、２≦Ｗ／Ｈ≦６の範囲で他の範囲よりも小さく、かつ０以上となっている。このため、Ｗ／Ｈは２以上６以下が特に好適であり、永久磁石ユニット１２の寸法をこの範囲に設定することにより、設計値に対してばらつきの小さい回転角度検出装置４を得ることができる。

また、図１２及び図１３によれば、特にＷ／Ｈ＝４の場合に、角度検出誤差φ及び位置ずれｒに対する感度が最低となり、取り付け位置ずれが０．５ｍｍ程度の大きさとなっても角度検出誤差を小さく保つことが可能な回転角度検出装置を得ることができる。

図１５は図４の仮想円１２１の直径が１３ｍｍである場合の縦横比Ｗ／Ｈに対する磁石面積Ｗ・Ｈをプロットしたグラフである。図１５によれば、縦横比Ｗ／Ｈ≧１で、磁石面積Ｗ・Ｈが縦横比Ｗ／Ｈに対して単調に減少している。また、縦横比Ｗ／Ｈ≧１で、磁石面積Ｗ・Ｈを削減することが可能となることが確認できる。

本実施の形態では、これまで永久磁石ユニット１２の縦横比Ｗ／Ｈに着目して議論を行ってきたが、実際は、永久磁石ユニット１２の寸法に応じて角度検出誤差は変化する。

図１６は、縦横比Ｗ／Ｈ＝４で固定した際、取り付け位置ずれが０．３ｍｍ、０．４ｍｍ、０．５ｍｍのそれぞれの場合について、縦軸長さＷと横軸長さＨとの積Ｗ・Ｈから求めた永久磁石ユニット１２の面積に対して、角度検出誤差振幅をプロットしたグラフである。

図１６によれば、永久磁石ユニット１２の面積が大きいほど、即ち、仮想円１２１の直径が大きいほど、角度検出誤差が低下していることが確認できる。なお、図１６では、仮想円１２１の直径が１３．０ｍｍ、１１．１ｍｍ、９．１ｍｍ、６．４ｍｍ、４．８ｍｍの５つの場合を示している。

図１７に磁石面積に対する角度検出誤差の減少率を示す。図１７によれば、取り付け位置ずれに対する角度検出誤差の感度は、永久磁石ユニット１２の面積がＷ・Ｈ＜１０となる場合に、Ｗ・Ｈ≧１０の場合よりも大きくなっている。現実的には、取り付け位置ずれを抑えるための組立精度を上げる必要が生じるため、回転軸Ｏに沿って見たときの永久磁石ユニット１２の面積Ｗ・Ｈを１０ｍｍ^２以上とすることが望ましい。即ち、仮想円１２１の直径が４．８ｍｍ以上となる範囲で永久磁石ユニット１２の縦横比を適切な値に保つ必要がある。

ここで、上記の特許文献１には、軸方向に着磁された永久磁石を用い、しかも永久磁石の形状を直方体とした構成も示されている。しかし、永久磁石の縦横比Ｗ／Ｈが１以下となっているため、角度検出誤差が増大してしまう。これに対して、本実施の形態では、永久磁石ユニット１２の縦横比を１以上に調整することにより、角度検出誤差を低減することが可能となっている。

また、上記の特許文献２には、着磁方向を回転軸方向に垂直な径方向として、永久磁石を直方体形状として、永久磁石の縦横比を調整することにより角度検出誤差を低減する技術が示されている。しかし、特許文献２の例では、径方向着磁のため磁界検出部が永久磁石の極に対向できず、磁界検出部へ適切な大きさの磁界を印加することが困難であるから、永久磁石を小型化することが困難である。

これに対して、本実施の形態では、２組の磁極を有する直方体磁石を用いて回転軸方向に沿って磁界が印加される構成としているため、磁界検出部１４で平行磁場を得ることが可能であり、角度検出誤差を低減しつつ磁界検出部１４に磁界を集中させることが可能であり、永久磁石ユニット１２及び回転角度検出装置４を小型化することができる。これにより、回転角度検出装置４を搭載した回転電機も小型化することができる。

また、回転角度検出装置４の角度検出誤差を低減することにより、回転子２の回転角度に応じて各コイル３ａに適切な電流指令を与えることができ、これにより適切なトルクを発生させつつトルク脈動を低減することができる。

実施の形態２．
次に、図１８はこの発明の実施の形態２による回転角度検出装置４の永久磁石ユニット１２を示す斜視図である。実施の形態２の永久磁石ユニット１２は、同一の２個の永久磁石である第１及び第２の分割磁石１５，１６を着磁方向が逆向きになるように組み合わせて構成されている。他の構成は、実施の形態１と同様である。

このように、第１及び第２の分割磁石１５，１６を組み合わせて永久磁石ユニット１２を構成しても、実施の形態１と同様の効果が得られる。また、１つの永久磁石ユニット１２を互いに異なる着磁方向を有するように着磁する場合、着磁ヨークが複雑となるだけでなく、着磁位置がずれることにより角度検出誤差が増加する懸念がある。これに対して、同一の分割磁石１５，１６を組み合わせる場合、着磁ヨークが複雑とならず、着磁位置がずれる恐れもない。また、未着磁領域を避けられるため、角度検出誤差をさらに低減することができる。

実施の形態３．
次に、図１９はこの発明の実施の形態３による回転角度検出装置４の永久磁石ユニット１２を示す斜視図である。実施の形態３では、第１及び第２の分割磁石１５，１６が空隙１７を介して互いに平行に配置されている。これにより、磁界検出部１４に対向する２つの磁極間には、着磁されていない領域が設けられている。実施の形態３の永久磁石ユニット１２は、第１及び第２の分割磁石１５，１６と空隙１７とを有している。他の構成は、実施の形態２と同様である。

このような構成では、縦横比Ｗ／Ｈを規定するための縦軸の長さＷは、分割磁石１５，１６又は空隙１７の縦軸の長さに等しく規定される。また、横軸の長さＨは、分割磁石１５，１６及び空隙１７の横軸の長さを合わせた長さに等しく規定される。

このような構成によっても、実施の形態２と同様の効果が得られる。また、第１及び第２の分割磁石１５，１６を離して配置することにより、磁界検出部１４に印加される平行な磁界の成分がより増大し、角度検出誤差をさらに低減することができる。

実施の形態４．
次に、図２０はこの発明の実施の形態４による回転角度検出装置４の永久磁石ユニット１２を示す斜視図である。実施の形態４では、第１及び第２の分割磁石１５，１６の間に非磁性体からなるスペーサ１８が設けられている。これにより、磁界検出部１４に対向する２つの磁極間には、着磁されていない領域が設けられている。実施の形態４の永久磁石ユニット１２は、第１及び第２の分割磁石１５，１６とスペーサ１８とを有している。

スペーサ１８の形状は、直方体である。スペーサ１８の縦軸の長さは、第１及び第２の分割磁石１５，１６の縦軸の長さと同じである。スペーサ１８は、縦軸長さ全体で第１及び第２の分割磁石１５，１６に接している。また、スペーサ１８の厚さ寸法は、第１及び第２の分割磁石１５，１６の厚さ寸法と同じである。他の構成は、実施の形態３と同様である。

このような構成では、縦横比Ｗ／Ｈを規定するための縦軸の長さＷは、分割磁石１５，１６又はスペーサ１８の縦軸の長さに等しく規定される。また、横軸の長さＨは、分割磁石１５，１６及びスペーサ１８の横軸の長さを合わせた長さに等しく規定される。

このような構成によっても、実施の形態３と同様の効果が得られる。また、空隙１７の代わりに非磁性体からなるスペーサ１８を用いることにより、第１及び第２の分割磁石１５，１６間の位置ずれを抑えることができる。

実施の形態５．
次に、図２１はこの発明の実施の形態５による回転角度検出装置４の永久磁石ユニット１２を示す斜視図である。実施の形態５では、第１及び第２の分割磁石１５，１６間に、第３の分割磁石１９が設けられている。第３の分割磁石１９の形状は、直方体である。第３の分割磁石１９は、第１及び第２の分割磁石１５，１６の短軸、即ち回転軸Ｏに沿って見た第１及び第２の分割磁石１５，１６の短辺に平行な方向に着磁されている。実施の形態５の永久磁石ユニット１２は、第１及び第２の分割磁石１５，１６と第３の分割磁石１９とを有している。

第３の分割磁石１９の縦軸の長さは、第１及び第２の分割磁石１５，１６の縦軸の長さと同じである。第３の分割磁石１９は、縦軸長さ全体で第１及び第２の分割磁石１５，１６に接している。また、第３の分割磁石１９の厚さ寸法は、第１及び第２の分割磁石１５，１６の厚さ寸法と同じである。縦横比Ｗ／Ｈは、図２１に示す通りに規定される。他の構成は、実施の形態２と同様である。

このような構成によっても、実施の形態２と同様の効果が得られる。また、第１及び第２の分割磁石１５，１６の間に第３の分割磁石１９を配置することにより、磁界検出部１４に印加される平行な磁束密度成分を増大させ、角度検出誤差をさらに低減することができる。

実施の形態６．
次に、図２２はこの発明の実施の形態６による回転角度検出装置４の永久磁石ユニット１２を示す斜視図である。実施の形態６では、第１の分割磁石１５の磁界検出部１４とは反対側に第１の磁性体片２０が配置されている。また、第２の分割磁石１６の磁界検出部１４とは反対側に第２の磁性体片２１が配置されている。そして、第１及び第２の磁性体片２０，２１の間に第３の分割磁石１９が配置されている。

第１及び第２の磁性体片２０，２１の形状は、直方体である。第１及び第２の磁性体片２０，２１縦軸の長さは、第１及び第２の分割磁石１５，１６の縦軸の長さと同じである。第１及び第２の磁性体片２０，２１の横軸の長さは、第１及び第２の分割磁石１５，１６の横軸の長さと同じである。

第１及び第２の磁性体片２０，２１の厚さ寸法は、第３の分割磁石１９の厚さ寸法と同じである。第３の分割磁石１９は、第１及び第２の分割磁石１５，１６の短軸、即ち回転軸Ｏに沿って見た第１及び第２の分割磁石１５，１６の短辺に平行な方向に着磁されている。これにより、第２の分割磁石１６から、第２の磁性体片２１、第３の分割磁石１９、第１の磁性体片２０、第１の分割磁石１５の順に流れる磁界が形成されている。

第１の磁性体片２０は、縦軸長さ全体で第１の分割磁石１５に接している。第２の磁性体片２１は、縦軸長さ全体で第２の分割磁石１６に接している。第３の分割磁石１９は、縦軸長さ全体で第１及び第２の磁性体片２０，２１に接している。第１及び第２の分割磁石１５，１６の間には、空隙１７が設けられている。実施の形態６の永久磁石ユニット１２は、第１及び第２の分割磁石１５，１６と空隙１７と第１及び第２の磁性体片２０，２１と第３の分割磁石１９とを有している。縦横比Ｗ／Ｈは、図２２に示す通りに規定される。他の構成は、実施の形態５と同様である。

このような構成によっても、実施の形態５と同様の効果が得られる。また、第１及び第２の磁性体片２０，２１を用いることにより、分割磁石１５，１６，１９の減磁を抑制することができる。

なお、実施の形態６では、第１及び第２の分割磁石１５，１６間に空隙１７が形成されているが、空隙１７の代わりに実施の形態４で示したスペーサ１８を配置してもよい。

実施の形態７．
次に、図２３はこの発明の実施の形態７による回転角度検出装置４の要部を示す斜視図である。実施の形態７では、永久磁石ユニット１２の磁界検出部１４とは反対側の面が矩形の平板状の磁性体部材２２に接合されている。回転軸Ｏに沿って見たとき、磁性体部材２２の面積は、永久磁石ユニット１２の面積よりも大きい。

永久磁石ユニット１２は、磁性体部材２２の中央部に接合され固定されている。永久磁石ユニット１２及び磁性体部材２２は、磁石保持部材１１（図１）に保持されている。他の構成は、実施の形態１と同様である。

このような構成によっても、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。また、永久磁石ユニット１２に磁性体部材２２が接していることにより、永久磁石ユニット１２の減磁耐力を向上させることができる。

実施の形態８．
次に、図２４はこの発明の実施の形態８による回転角度検出装置４の要部を示す斜視図である。実施の形態８では、永久磁石ユニット１２の磁界検出部１４とは反対側の面が磁性体部材２３に接合されている。磁性体部材２３の形状は、直方体である。

磁性体部材２３の縦軸の長さは、永久磁石ユニット１２の縦軸の長さと同じである。磁性体部材２３の横軸の長さは、永久磁石ユニット１２の横軸の長さと同じである。即ち、回転軸Ｏに沿って見たとき、永久磁石ユニット１２の面積は磁性体部材２３の面積と同じであり、磁性体部材２３の磁界検出部１４側の面全体が永久磁石ユニット１２に接している。磁性体部材２３の厚さ寸法は、永久磁石ユニット１２の厚さ寸法よりも大きい。他の構成は、実施の形態１と同様である。

このような構成によっても、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。また、永久磁石ユニット１２に磁性体部材２３が接していることにより、永久磁石ユニット１２の減磁耐力を向上させることができる。さらに、図２５に示すように、漏れ磁束９０を低減することができる。従って、角度検出誤差をさらに低減することができる。

実施の形態９．
次に、図２６はこの発明の実施の形態９による回転角度検出装置４の要部を示す斜視図である。実施の形態９では、永久磁石ユニット１２の磁界検出部１４とは反対側の面が磁性体部材２４に接合されている。磁性体部材２４の形状は、直方体である。

磁性体部材２４の縦軸の長さは、永久磁石ユニット１２の縦軸の長さよりも短い。磁性体部材２４の横軸の長さは、永久磁石ユニット１２の横軸の長さよりも短い。即ち、回転軸Ｏに沿って見たとき、磁性体部材２４の面積は永久磁石ユニット１２の面積よりも小さい。また、磁性体部材２４の磁界検出部１４側の面全体が永久磁石ユニット１２に接している。磁性体部材２４の厚さ寸法は、永久磁石ユニット１２の厚さ寸法よりも大きい。他の構成は、実施の形態１と同様である。

このような構成によっても、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。また、永久磁石ユニット１２に磁性体部材２４が接していることにより、永久磁石ユニット１２の減磁耐力を向上させることができる。さらに、図２７に示すように、漏れ磁束９０を実施の形態８よりもさらに低減することができ、角度検出誤差をさらに低減することができる。

なお、実施の形態７〜９の永久磁石ユニット１２を実施の形態２、３、４、５又は６と同様の構成としてもよく、この場合、実施の形態２、３、４、５又は６と同様の効果を得ることができる。

実施の形態１０．
次に、図２８はこの発明の実施の形態１０による回転角度検出装置４の要部を示す斜視図である。実施の形態１０では、実施の形態３の永久磁石ユニット１２の磁界検出部１４とは反対側の面が磁性体部材２５に接合されている。磁性体部材２５の形状は、直方体又は矩形の平板である。

磁性体部材２５の縦軸の長さは、永久磁石ユニット１２の縦軸の長さと同じである。磁性体部材２５の横軸の長さは、永久磁石ユニット１２の横軸の長さと同じである。但し、磁性体部材２５の横軸の長さは、第１及び第２の分割磁石１５，１６の横軸の長さの和よりも、空隙１７の分だけ長い。他の構成は、実施の形態３と同様である。

このような構成によっても、実施の形態３と同様の効果を得ることができる。また、永久磁石ユニット１２に磁性体部材２５が接していることにより、永久磁石ユニット１２の減磁耐力を向上させることができる。さらに、磁界検出部１４に印加される磁束密度の平行成分が増加し、角度検出誤差を低減することができる。

実施の形態１１．
次に、図２９はこの発明の実施の形態１１による回転電機の要部を模式的に示す概略断面図である。実施の形態１１では、磁界検出部１４及び永久磁石ユニット１２の配置が実施の形態１に対して入れ替えられている。即ち、基板１３及び磁界検出部１４がシャフト１に固定されている。これにより、磁界検出部１４は、シャフト１と一体となって回転する。

また、永久磁石ユニット１２は、適切な部材を用いて、回転電機の固定部に取り付けられている。他の構成は、実施の形態１と同様である。

このような構成によっても実施の形態１と同様の効果を得ることができる。また、永久磁石ユニット１２がシャフト１に固定されないので、シャフト１が磁性体である場合にも、漏れ磁束を低減することができ、角度検出誤差を低減することができる。

なお、実施の形態１１の永久磁石ユニット１２を実施の形態２、３、４、５又は６と同様の構成としてもよく、この場合、実施の形態２、３、４、５又は６と同様の効果を得ることができる。
また、実施の形態７〜１０についても、磁界検出部１４をシャフト１に固定し、永久磁石ユニット１２及び磁性体部材２２，２３，２４，２５を回転電機の固定部に取り付けてもよい。

実施の形態１２．
次に、図３０はこの発明の実施の形態１２による回転角度検出装置４の永久磁石ユニット１２を示す斜視図である。実施の形態１２の永久磁石ユニット１２の形状は、楕円柱である。即ち、回転軸Ｏに沿って見た永久磁石ユニット１２の正面形状は、楕円形である。他の構成は、実施の形態１と同様である。

このような構成によっても、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。即ち、永久磁石ユニット１２の形状を楕円柱とした場合も、実施の形態１で示した縦横比という考え方を適用できる。

なお、実施の形態２〜１１の永久磁石ユニット１２の形状を楕円柱としてもよい。
また、上記実施の形態では、磁界検出部１４と永久磁石ユニット１２との間の空隙長さを２ｍｍに設定した場合について説明したが、空隙長さは永久磁石ユニット１２の残留磁束密度と磁界検出部１４の仕様とに応じて適宜決定すればよい。
さらに、永久磁石ユニット１２の厚さ寸法は、減磁耐力や永久磁石の動作点を考慮して適切な値に設定すればよい。
さらにまた、上記実施の形態では、円柱状のシャフト１を用いたが、シャフト１の形状は、実際の回転電機の使用状況に応じて任意に変更可能であり、例えば多角柱状であってもよい。
また、永久磁石ユニット１２及び分割磁石１５，１６，１９に用いる永久磁石としては、ネオジム焼結磁石を用いることができるが、これに限定されるものではなく、ネオジムボンド磁石、フェライト磁石、サマリウムコバルト磁石、又はアルニコ磁石などを用いてもよい。

１ シャフト、２ 回転子、３ 固定子、４ 回転角度検出装置、１１ 磁石保持部材、１２ 永久磁石ユニット、１４ 磁界検出部、１５ 第１の分割磁石、１６ 第２の分割磁石、１９ 第３の分割磁石、２０ 第１の磁性体片、２１ 第２の磁性体片、２２，２３，２４，２５ 磁性体部材、Ｏ 回転軸。

Claims (13)

1. 永久磁石ユニット、及び
   前記永久磁石ユニットに対向し、前記永久磁石ユニットの磁界を検出する磁界検出部
   を備え、
   前記永久磁石ユニットの形状は、楕円柱、又は長辺と短辺とを有している直方体であり、
   前記永久磁石ユニットは、回転電機のシャフトの回転軸に平行な方向に沿って互いに逆向きに着磁され前記磁界検出部に対向する２つの磁極を有している回転角度検出装置。
2. 前記永久磁石ユニットの形状は、直方体であり、
   前記回転軸に沿って前記永久磁石ユニットを見たときの長辺の長さＷと短辺の長さＨとの比Ｗ／Ｈは、１以上１２以下である請求項１記載の回転角度検出装置。
3. Ｗ／Ｈが２以上６以下である請求項２記載の回転角度検出装置。
4. Ｗ／Ｈが４である請求項３記載の回転角度検出装置。
5. 前記回転軸に沿って前記永久磁石ユニットを見たときの前記永久磁石ユニットの面積Ｗ・Ｈは、１０ｍｍ^２以上である請求項２から請求項４までのいずれか１項に記載の回転角度検出装置。
6. 前記２つの磁極の間に着磁されていない領域が設けられている請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の回転角度検出装置。
7. 前記永久磁石ユニットは、
   着磁方向が逆向きになるように配置されている２個の永久磁石である第１及び第２の分割磁石と、
   前記第１及び第２の分割磁石の間に配置されている第３の分割磁石と
   を有しており、
   前記第３の分割磁石は、前記回転軸に沿って見た前記第１及び第２の分割磁石の短辺に平行な方向に着磁されている請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の回転角度検出装置。
8. 前記永久磁石ユニットは、
   着磁方向が逆向きになるように配置されている２個の永久磁石である第１及び第２の分割磁石と、
   前記第１の分割磁石の前記磁界検出部とは反対側に配置されている第１の磁性体片と、
   前記第２の分割磁石の前記磁界検出部とは反対側に配置されている第２の磁性体片と、
   前記第１及び第２の磁性体片の間に配置されている第３の分割磁石と
   を有しており、
   前記第３の分割磁石は、前記回転軸に沿って見た前記第１及び第２の分割磁石の短辺に平行な方向に着磁されている請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載の回転角度検出装置。
9. 前記永久磁石ユニットの前記磁界検出部とは反対側の面に接する磁性体部材をさらに備えている請求項１から請求項８までのいずれか１項に記載の回転角度検出装置。
10. 前記回転軸に沿って見た前記磁性体部材の面積が前記永久磁石ユニットの面積以下である請求項９記載の回転角度検出装置。
11. 前記シャフト、
    前記シャフトに固定されている回転子、
    前記回転子に空隙を介して対向している固定子、及び
    請求項１から請求項１０までのいずれか１項に記載の回転角度検出装置
    を備えている回転電機。
12. 前記永久磁石ユニットは、非磁性体製の磁石保持部材を介して前記シャフトに固定されている請求項１１記載の回転電機。
13. 前記磁界検出部は、前記シャフトに固定されている請求項１１記載の回転電機。

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