JP2020030103A - 回転検出システム - Google Patents

Abstract

【課題】回転体の回転検出を正確に行うことの可能な回転検出システムを提供する。【解決手段】この回転検出システムは、磁気検出部と、第１の軟質強磁性回転体と、第１の磁石とを備える。第１の軟質強磁性回転体は、磁気検出部に対し回転軸を中心として回転可能であり、回転軸から第１の距離にある第１の外縁と、自らの回転方向において第１の外縁と異なる位置であって回転軸から第２の距離にある第２の外縁とを含むようになっている。第１の磁石は、磁気検出部に対し、第１の軟質強磁性回転体が静止した状態において磁気検出部を通過する第１の磁力線の方向が回転軸に沿った方向である第１の磁場を付与するようになっている。【選択図】図１

Description

本発明は、物体の回転に伴う磁場の変化を検知することにより、その物体の回転を検出する回転検出システムに関する。

一般に、エンコーダやポテンショメータ等において回転体の回転動作を検出するものとして、例えばその回転体と共に回転するギヤなどの磁性体と、その磁性体の近傍に離間して配置された磁気検出素子と、バイアス磁界を発生するバイアス磁石とを備えた回転検出装置などが用いられている（例えば特許文献１〜３参照）。

特開平７−５５４１６号公報 国際公開第２０１５／０５６３４６号明細書 特開２０１５−１３２４９６号公報

しかしながら、従来の回転検出装置などは、磁気検出素子と磁性回転体との位置ずれにより、回転検出精度が影響されやすい構造であった。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、物体の回転の検出をより正確に行うことの可能な回転検出システムを提供することにある。

本発明の一実施の形態としての回転検出システムは、磁気検出部と、第１の軟質強磁性回転体と、第１の磁石とを備える。第１の軟質強磁性回転体は、磁気検出部に対し回転軸を中心として回転可能であり、回転軸から第１の距離にある第１の外縁と、自らの回転方向において第１の外縁と異なる位置であって回転軸から第２の距離にある第２の外縁とを含むようになっている。第１の磁石は、磁気検出部に対し、第１の軟質強磁性回転体が静止した状態において磁気検出部を通過する第１の磁力線の方向が回転軸に沿った方向である第１の磁場を付与するようになっている。

本発明の一実施の形態としての回転検出システムでは、第１の磁石が磁気検出部に対して付与する第１の磁場における第１の磁力線の方向が、第１の軟質強磁性回転体の回転軸に沿った方向と実質的に一致している。このため、磁気検出部による回転検出精度は、磁気検出部と第１の軟質強磁性回転体との相対位置の影響を受けにくい。

本発明の回転検出システムによれば、磁気検出部による回転検出精度が、磁気検出部と第１の軟質強磁性回転体と磁石との相対位置の変化の影響を受けにくい。このため、小型化した場合であっても、第１の軟質強磁性回転体の回転検出を正確に行うことができる。

第１の実施の形態としての回転検出システムの全体構成例を表す概略図である。 図１に示した回転検出システムの一部構成を模式的に表す斜視図である。 図１に示した検出モジュールの一部構成を模式的に表す斜視図である。 図１に示した回転検出システムの一部構成を模式的に表す正面図である。 図３に示した磁気センサの回路構成を表す回路図である。 図３に示した磁気センサの要部構成を拡大して表す分解斜視図である。 図１に示した回転検出システムの挙動を説明するための説明図である。 図１に示した回転検出システムの挙動を説明するための他の説明図である。 第２の実施の形態としての回転検出システムの一部構成例を表す概略側面図である。 図８Ａに示した回転検出システムの一部構成例を表す概略斜視図である。 第３の実施の形態としての回転検出システムの一部構成例を表す概略斜視図である。 図９Ａに示した回転検出システムの一部構成を模式的に表す正面図である。 図９Ａに示した回転検出システムの一部構成を模式的に表す側面図である。 第４の実施の形態としての回転検出システムの一部構成例を表す概略斜視図である。 第１の変形例としての回転検出システムの一部構成例を表す正面図である。 第２の変形例としての回転検出システムの一部構成例を表す正面図である。 第３の変形例としての回転検出システムの一部構成例を表す正面図である。 第４の変形例としての回転検出システムの一部構成を模式的に表す斜視図である。 第４の変形例としての回転検出システムの一部構成を模式的に表す正面図である。 第５の変形例としての回転検出システムの一部構成を模式的に表す斜視図である。 参考例としての回転検出システムの一部構成例を表す正面図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、説明は以下の順序で行う。
１．第１の実施の形態
１つの磁石により磁場を形成し、１つの回転ヨークの回転角度を検出する回転検出システムの例。
２．第２の実施の形態
２つの磁石により磁場を形成し、１つの回転ヨークの回転角度を検出する回転検出システムの例。
３．第３の実施の形態
１つの磁石により磁場を形成し、同期回転する２つの回転ヨークの回転角度を検出する回転検出システムの例。
４．第４の実施の形態
２つの磁石により磁場を形成し、同期回転する２つの回転ヨークの回転角度を検出する回転検出システムの例。
５．変形例

＜１．第１の実施の形態＞
［回転検出システムの構成］
最初に、図１から図３を参照して、本発明における第１の実施の形態としての回転検出システムの構成について説明する。図１は、その回転検出システムの全体構成例の概略を表すブロック図である。また、図２は、回転検出システムの主要な構成要素を表す斜視図である。なお、図２では、後述する回転ヨーク１１および磁石６のみを記載している。

図１に示したように、この回転検出システムは、被測定物としての回転モジュール１と、その回転モジュール１の回転角度の検出を行う検出モジュール２とを備えている。なお、この回転検出システムは、本発明の「回転検出システム」に対応する一具体例である。

（回転モジュール１）
図１および図２に示したように、回転モジュール１は、例えばシャフト１０と、そのシャフト１０の周囲を取り囲むように設けられた円環状の回転ヨーク１１とを有する。回転ヨーク１１は、例えばパーマロイなどの軟質強磁性体を含んでおり、回転ヨーク１１の開口１１Ｋに挿通されるシャフト１０に対し直接もしくは間接的に取り付けられている。回転ヨーク１１は、検出モジュール２に対し、シャフト１０と一体となって回転軸１Ｊを中心として回転方向Ｂθへ回転可能に設けられている。回転ヨーク１１の周縁部には、回転方向Ｂθに沿って凸部１Ｔと凹部１Ｕとが交互に所定の間隔で周期的に複数ずつ配置されている。回転モジュール１の回転動作により、検出モジュール２におけるセンサ部３（後出）に対して最も近い位置に凸部１Ｔが存在する状態と、センサ部３に対して最も近い位置に凹部１Ｕが存在する状態とが交互に繰り返されることとなる。したがって、回転モジュール１は、自らの回転動作により、センサ部３に対して付与される磁石６からの磁場の磁力線６Ｌ（後出）の周期的な変化をもたらすことができる。なお、凸部１Ｔは、回転軸１Ｊから距離ｒ１にある外縁ＯＬ１を含んでいる。凹部１Ｕは、回転軸１Ｊから距離ｒ２にある外縁ＯＬ２を含んでいる。また、回転ヨーク１１における凸部１Ｔの総数または凹部１Ｕの総数を、回転ヨーク１１の歯数という。
回転ヨーク１１は、本発明の「第１の軟質強磁性回転体」に対応する一具体例である。また、凸部１Ｔは本発明の「第１の凸部」に対応する一具体例であり、凹部１Ｕは本発明の「第１の凹部」に対応する一具体例である。さらに、磁石６は、本発明の「第１の磁石」に対応する一具体例である。

（検出モジュール２）
検出モジュール２は、センサ部３と、演算回路４と、磁石６とを備えている。検出モジュール２のうち、センサ部３および演算回路４は、例えば図３に示したように同一の基板７に設けられているが、これに限定されるものではなく、異なる複数の基板に設けられていてもよい。なお、図３は、図１に示した検出モジュール２の一部構成の概略を模式的に表す斜視図である。

（センサ部３）
図１に示したように、センサ部３は、磁気センサ３１と磁気センサ３２とを有している。磁気センサ３１は、回転ヨーク１１の回転に伴う磁場の磁力線６Ｌの変化を検知して第１の信号Ｓ１を演算回路４へ出力するようになっている。同様に、磁気センサ３２は、回転ヨーク１１の回転に伴う磁場の磁力線６Ｌの変化を検知して第２の信号Ｓ２を演算回路４へ出力するようになっている。但し、図３に示したように、磁気センサ３１は検知軸Ｊ３１を有し、磁気センサ３２は検知軸Ｊ３１と実質的に直交する検知軸Ｊ３２を有するので、第１の信号Ｓ１の位相と第２の信号Ｓ２の位相とは互いに異なっている。例えば回転ヨーク１１の回転角度θに対し、第１の信号Ｓ１がｓｉｎθに従う抵抗値の変化を表すものであるとき、第２の信号Ｓ２はｃｏｓθに従う抵抗値の変化を表すものである。

図４は、検出モジュールの一部構成を模式的に表す正面図である。図４に示したように、センサ部３は、回転軸方向Ｂｚと直交する径方向Ｂｒにおいて、回転ヨーク１１の外縁１１Ｇと磁石６との間に配置されている。したがって、センサ部３は、回転軸方向Ｂｚにおいて回転ヨーク１１と重なり合う位置から外れている。なお、回転軸方向Ｂｚは、回転軸１Ｊの延在方向である。

図５は、センサ部３の回路図である。図５に示したように、磁気センサ３１は、例えば４つの磁気抵抗効果（ＭＲ；Magneto-Resistive effect）素子２３（２３Ａ〜２３Ｄ）を含むホイートストンブリッジ回路（以下、単にブリッジ回路）２４と、差分検出器２５とを含んでいる。同様に、磁気センサ３２は、４つのＭＲ素子２６（２６Ａ〜２６Ｄ）含むブリッジ回路２７と、差分検出器２８とを含んでいる。

ブリッジ回路２４は、ＭＲ素子２３ＡおよびＭＲ素子２３Ｂの一端同士が接続点Ｐ１において接続され、ＭＲ素子２３ＣおよびＭＲ素子２３Ｄの一端同士が接続点Ｐ２において接続され、ＭＲ素子２３Ａの他端とＭＲ素子２３Ｄの他端とが接続点Ｐ３において接続され、ＭＲ素子２３Ｂの他端とＭＲ素子２３Ｃの他端とが接続点Ｐ４において接続されている。ここで、接続点Ｐ３は電源Ｖｃｃと接続されており、接続点Ｐ４は接地されている。接続点Ｐ１，Ｐ２は、それぞれ差分検出器２５の入力側端子と接続されている。この差分検出器２５は、接続点Ｐ３と接続点Ｐ４との間に電圧が印加されたときの接続点Ｐ１と接続点Ｐ２との間の電位差（ＭＲ素子２３Ａ，２３Ｄのそれぞれに生ずる電圧降下の差分）を検出し、第１の信号Ｓ１として演算回路４へ向けて出力するものである。同様に、ブリッジ回路２７は、ＭＲ素子２６ＡおよびＭＲ素子２６Ｂの一端同士が接続点Ｐ５において接続され、ＭＲ素子２６ＣおよびＭＲ素子２６Ｄの一端同士が接続点Ｐ６において接続され、ＭＲ素子２６Ａの他端とＭＲ素子２６Ｄの他端とが接続点Ｐ７において接続され、ＭＲ素子２６Ｂの他端とＭＲ素子２６Ｃの他端とが接続点Ｐ８において接続されている。ここで、接続点Ｐ７は電源Ｖｃｃと接続されており、接続点Ｐ８は接地されている。接続点Ｐ５，Ｐ６は、それぞれ差分検出器２８の入力側端子と接続されている。この差分検出器２８は、接続点Ｐ７と接続点Ｐ８との間に電圧が印加されたときの接続点Ｐ５と接続点Ｐ６との間の電位差（ＭＲ素子２６Ａ，２６Ｄのそれぞれに生ずる電圧降下の差分）を検出し、第２の信号Ｓ２として演算回路４へ向けて出力するものである。

なお、図５において符号ＪＳ１を付した矢印は、ＭＲ素子２３Ａ〜２３Ｄ，２６Ａ〜２６Ｄの各々における磁化固着層ＳＳ１（後出）の磁化の向きを模式的に表している。すなわち、ＭＲ素子２３Ａ，２３Ｃの各抵抗値は、外部からの信号磁場の変化に応じて互いに同じ向きに変化（増加もしくは減少）し、ＭＲ素子２３Ｂ，２３Ｄの各抵抗値は、いずれも、信号磁場の変化に応じてＭＲ素子２３Ａ，２３Ｃとは反対向きに変化（減少もしくは増加）することを表している。また、ＭＲ素子２６Ａ，２６Ｃの各抵抗値の変化は、外部からの信号磁場の変化に応じてＭＲ素子２３Ａ〜２３Ｄの各抵抗値の変化に対して位相が９０°ずれている。ＭＲ素子２６Ｂ，２６Ｄの各抵抗値は、いずれも、信号磁場の変化に応じてＭＲ素子２６Ａ，２６Ｃとは反対向きに変化する。したがって例えば、回転モジュール１が回転すると、ある角度範囲ではＭＲ素子２３Ａ，２３Ｃでは抵抗値が増大し、ＭＲ素子２３Ｂ，２３Ｃでは抵抗値が減少するという挙動を示す関係にある。その際、ＭＲ素子２６Ａ，２６Ｃの抵抗値は、ＭＲ素子２３Ａ，２３Ｃの抵抗値の変化に例えば９０°だけ遅れて（あるいは進んで）変化し、ＭＲ素子２６Ｂ，２６Ｄの抵抗値は、ＭＲ素子２３Ｂ，２３Ｄの抵抗値の変化に９０°だけ遅れて（あるいは進んで）変化することとなる。

図６に、ＭＲ素子２３，２６の主要部を構成するセンサスタックＳＳの一例を表す。ＭＲ素子２３，２６は、いずれも実質的に同じ構造のセンサスタックＳＳを含んでいる。センサスタックＳＳは、図６に示したように、磁性層を含む複数の機能膜が積層されたスピンバルブ構造をなしている。センサスタックＳＳは、具体的には、一定方向に固着された磁化ＪＳ１を有する磁化固着層ＳＳ１と、特定の磁化方向を発現しない中間層ＳＳ２と、信号磁場の磁束密度に応じて変化する磁化ＪＳ３を有する磁化自由層ＳＳ３とが順に積層されてなるものである。なお、図６は、磁場Ｈ１などの外部磁場が付与されていない無負荷状態を示している。なお、磁化固着層ＳＳ１，中間層ＳＳ２および磁化自由層ＳＳ３は、いずれも単層構造であってもよいし、複数層からなる多層構造であってもよい。

磁化固着層ＳＳ１は、例えばコバルト（Ｃｏ）やコバルト鉄合金（ＣｏＦｅ）、コバルト鉄ボロン合金（ＣｏＦｅＢ）などの強磁性材料からなる。なお、磁化固着層ＳＳ１と隣接するように、中間層ＳＳ２と反対側に反強磁性層（図示せず）を設けるようにしてもよい。そのような反強磁性層は、白金マンガン合金（ＰｔＭｎ）やイリジウムマンガン合金（ＩｒＭｎ）などの反強磁性材料により構成されるものである。その反強磁性層は、例えば正方向のスピン磁気モーメントと逆方向のスピン磁気モーメントとが完全に打ち消し合った状態にあり、隣接する磁化固着層ＳＳ１の磁化ＪＳ１の向きを、正方向へ固定するように作用する。

中間層ＳＳ２は、例えばセンサスタックＳＳのスピンバルブ構造が磁気トンネル接合（ＭＴＪ：Magnetic Tunnel Junction）である場合、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）からなる非磁性のトンネルバリア層であり、量子力学に基づくトンネル電流が通過可能な程度に厚みの薄いものである。ＭｇＯからなるトンネルバリア層は、例えば、ＭｇＯからなるターゲットを用いたスパッタリング処理のほか、マグネシウム（Ｍｇ）の薄膜の酸化処理、あるいは酸素雰囲気中でマグネシウムのスパッタリングを行う反応性スパッタリング処理などによって得られる。また、ＭｇＯのほか、アルミニウム（Ａｌ），タンタル（Ｔａ），ハフニウム（Ｈｆ）の各酸化物もしくは窒化物を用いて中間層ＳＳ２を構成することも可能である。なお中間層ＳＳ２は、例えばルテニウム（Ｒｕ）や金（Ａｕ）などの白金族元素や銅（Ｃｕ）などの非磁性金属により構成されていてもよい。その場合、スピンバルブ構造は巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ：Giant Magneto Resistive effect）膜として機能する。

磁化自由層ＳＳ３は軟質強磁性層であり、例えばコバルト鉄合金（ＣｏＦｅ）、ニッケル鉄合金（ＮｉＦｅ）あるいはコバルト鉄ボロン合金（ＣｏＦｅＢ）などによって構成される。

磁気センサ３１におけるブリッジ回路２４のＭＲ素子２３Ａ〜２３Ｄには、それぞれ電源Ｖｃｃからの電流Ｉ１０が接続点Ｐ３において分流された電流Ｉ１もしくは電流Ｉ２が供給される。ブリッジ回路２４の接続点Ｐ１，Ｐ２からそれぞれ取り出された信号ｅ１，ｅ２が差分検出器２５に流入する。ここで、信号ｅ１は例えば磁化ＪＳ１と磁化ＪＳ３とのなす角度をγとしたときＡｃｏｓ（＋γ）＋Ｂ（Ａ，Ｂはいずれも定数）に従って変化する抵抗変化を表し、信号ｅ２はＡｃｏｓ（−γ）＋Ｂに従って変化する抵抗変化を表す。一方、磁気センサ３２におけるブリッジ回路２７のＭＲ素子２６Ａ〜２６Ｄには、それぞれ電源Ｖｃｃからの電流Ｉ１０が接続点Ｐ７において分流された電流Ｉ３もしくは電流Ｉ４が供給される。ブリッジ回路２７の接続点Ｐ５，Ｐ６からそれぞれ取り出された信号ｅ３，ｅ４が差分検出器２８に流入する。ここで、信号ｅ３はＡｓｉｎ（＋γ）＋Ｂに従って変化する抵抗変化を表し、信号ｅ４はＡｓｉｎ（−γ）＋Ｂに従って変化する抵抗変化を表す。さらに、差分検出器２５からの第１の信号Ｓ１および差分検出器２８からの第２の信号Ｓ２が演算回路４に流入する。演算回路４では、ｔａｎγに応じた抵抗値が算出される。ここで、γはセンサ部３に対する回転モジュール１の回転角度θに相当するので、回転角度θが求められるようになっている。

（演算回路４）
演算回路４は、図１に示したように、例えばローパスフィルタ（ＬＰＦ：low-pass filter）４２Ａ，４２Ｂと、Ａ／Ｄ変換部４３Ａ，４３Ｂと、フィルタ４４Ａ，４４Ｂと、波形整形部４５と、角度演算部４６とを有している。

ローパスフィルタ４２Ａは、磁気センサ３１と接続されており、磁気センサ３１から第１の信号Ｓ１が入力されるようになっている。ローパスフィルタ４２Ａに入力された第１の信号Ｓ１は、Ａ／Ｄ変換部４３Ａとフィルタ４４Ａとを経由して波形整形部４５に入力されるようになっている。同様に、ローパスフィルタ４２Ｂは、磁気センサ３２と接続されており、磁気センサ３２から第２の信号Ｓ２が入力されるようになっている。ローパスフィルタ４２Ｂに入力された第２の信号Ｓ２は、Ａ／Ｄ変換部４３Ｂとフィルタ４４Ｂとを経由して波形整形部４５に入力されるようになっている。

波形整形部４５は、例えば磁気センサ３１から発信された第１の信号Ｓ１と磁気センサ３２から発信された第２の信号Ｓ２とについ波形を整形するものである。波形整形部４５は、例えば、オフセット電圧の相違、振幅の相違、あるいは磁気センサ３１および磁気センサ３２と回転ヨーク１１との相対角度の相違などを検出する検出回路と、それらの相違の補正を行う補償回路とを含んでいる。

角度演算部４６は、第１の信号Ｓ１および第２の信号Ｓ２に基づいて、回転ヨーク１１の回転方向Ｂθへの回転角度θの大きさの算出を行うＩＣ回路である。角度演算部４６は、算出した変位量（回転角度θ）に関する情報を含む第３の信号Ｓ３を外部へ出力するようになっている。

（磁石６）
磁石６は、センサ部３を挟んで回転ヨーク１１と反対側に位置する。磁石６は、回転ヨーク１１およびセンサ部３に向けて磁力線６Ｌを含む磁場を付与するものである。センサ部３は、磁気センサ３１および磁気センサ３２により、磁力線６Ｌの方向の変化を検出する。磁石６がセンサ部３に付与する磁場は、図４に示したように、センサ部３を通過する位置において回転軸１Ｊに沿った方向の磁力線６Ｌを有する。磁力線６Ｌの方向は、回転ヨーク１１の回転により周期的に変動する。回転ヨーク１１が磁石６およびセンサ部３に対して静止した状態において、センサ部３を通過する磁力線６Ｌの方向は、回転軸１Ｊに沿った方向である。回転軸１Ｊに沿った方向とは、回転軸１Ｊに対して完全平行、すなわち０°の方向に限定されず、例えば回転軸１Ｊに対して±３０°以下の角度をなす方向を意味する。したがって、変動する磁力線６Ｌの方向の振幅の中心は、例えば回転軸１Ｊと完全一致となる０°が望ましいが、その０°を中心として例えば±３０°以下の角度で傾いていてもよい。また、変動する磁力線６Ｌの方向の振幅は、例えば±５°程度であるとよい。ここで、回転ヨーク１１の凹部１Ｕが磁石６に最接近している状態では、磁力線６Ｌの方向は、センサ部３を通過する位置において、回転軸方向Ｂｚと実質的に一致している。なお、磁石６の着磁方向Ｊ６は、例えば回転軸方向Ｂｚと実質的に一致しているとよい。

［回転検出システムの動作および作用］
本実施の形態の回転検出システムでは、回転ヨーク１１の回転角度を、センサ部３、演算回路４および磁石６を含む検出モジュール２によって検出することができる。

この回転検出システムでは、回転方向Ｂθへの回転ヨーク１１の回転に伴い、回転ヨーク１１の凸部１Ｔが磁石６へ接近したり磁石６から遠ざかったりする。このような動作に伴い、磁石６が発生する磁力線６Ｌのベクトルが逐次変化する。具体的には、例えば図７Ａに示したように、回転ヨーク１１の凸部１Ｔが磁石６から遠ざかっている状態、すなわち、凹部１Ｕが磁石６に接近している状態では、磁石６が発生する磁力線６Ｌ０は回転軸方向Ｂｚと実質的に一致したベクトルＶ０を有する。これに対し、凸部１Ｔが磁石６に接近している状態では、磁石６が発生する磁力線６Ｌ１は回転軸方向Ｂｚに対して僅かに傾いたベクトルＶ１を有する。したがって、回転ヨーク１１が回転軸１Ｊを中心として回転方向Ｂθへ回転することにより、すなわち、磁石６に対する凸部１Ｔの相対位置の連続した変化に伴い、図７Ｂに示したように、磁力線６ＬのベクトルＶは歳差運動を行うこととなる。このとき、磁石６に対する凸部１Ｔの接近のサイクルと、磁力線６ＬのベクトルＶの変化のサイクルとは一致する。センサ部３は、回転ヨーク１１の回転面（回転軸１Ｊと直交する面）に平行な平面への射影に相当する、径方向Ｂｒに沿ったＢｒ成分および回転方向Ｂθに沿ったＢθ成分を含む第１の信号Ｓ１および第２の信号Ｓ２をそれぞれ出力する。それらの第１の信号Ｓ１および第２の信号Ｓ２を用いて、演算回路４により、回転ヨーク１１の回転角度や角速度を求める。

［回転検出システムの効果］
このように本実施の形態の回転検出システムによれば、回転ヨーク１１が、センサ部３に対し回転軸１Ｊを中心として回転可能であり、回転軸１Ｊから距離ｒ１にある外縁ＯＬ１と、回転軸１Ｊから距離ｒ２にある外縁ＯＬ２とを含んでいる。このため、回転ヨーク１１の回転に伴う、磁石６の磁力線６ＬのベクトルＶのわずかな変動を、センサ部３により検出することができる。ここで、磁力線６Ｌがセンサ部３を通過する位置における磁力線６ＬのベクトルＶは、回転軸１Ｊに沿った方向である。このため、回転ヨーク１１とセンサ部３と磁石６との相対位置の精度が及ぼす、センサ部３からの出力信号の波形への影響を抑制できる。その結果、本実施の形態の回転検出システムによれば、回転検出システムを小型化した場合であっても、回転ヨーク１１の回転検出を正確に行うことができる。

ところが、例えば図１４（Ａ）〜（Ｃ）に示した参考例としての回転検出システムのように、回転体１０１１の径方向Ｂｒに沿った磁力線１１０６Ｌを発生させる磁石１１０６を配置した場合には、回転体１０１１とセンサ部１１０３と磁石１１０６との相対位置が、センサ部３の検出精度に大きな影響を与えてしまう。具体的には、回転体１０１１とセンサ部１１０３と磁石１１０６との相対位置が適切である場合には、図１４の（Ｂ）に示したように、第１の信号Ｓ１の波形および第２の信号Ｓ２の波形は良好である。しかしながら、回転体１０１１とセンサ部１１０３と磁石１１０６との相対位置がわずかに例えば径方向Ｂｒにずれた場合、例えば図１４の（Ａ）に示したように第１の信号Ｓ１の波形に歪みが生じたり、図１４の（Ｃ）に示したように第２の信号Ｓ２の波形に歪みが生じたりする。また、このような参考例の回転検出システムでは、回転体１０１１の回転軸方向Ｂｚへの位置ずれによっても、検出精度が低下しやすい。なお、上記した特許文献１の位置センサは、図１４の（Ａ）〜（Ｃ）に示した参考例に該当すると考えられる。

これに対し、本実施の形態の回転検出システムによれば、上記参考例としての回転検出システムと比較して、回転ヨーク１１とセンサ部３と磁石６との相対位置の許容範囲が広い。このため、回転ヨーク１１とセンサ部３と磁石６との配置位置のずれに起因する回転検出精度の低下を回避しやすい。したがって、小型化した場合であっても、その製造性にも優れる。

＜２．第２の実施の形態＞
次に、図８Ａおよび図８Ｂを参照して、本発明における第２の実施の形態としての回転検出システムの構成について説明する。上記第１の実施の形態の回転検出システムは、１つの回転ヨーク１１および１つのセンサ部３に対し、１つの磁石６を備えるようにした。これに対し、第２の実施の形態の回転検出システムは、図８Ａおよび図８Ｂに示したように、１つの回転ヨーク１１および１つのセンサ部３に対し、２つの磁石６Ａ，６Ｂを備えている。第２の実施の形態の回転検出システムはこの点を除き、他は第１の実施の形態の回転検出システムと実質的に同じ構成を有する。なお、図８Ａは、回転軸方向Ｂｚから眺めた第２の実施の形態の回転検出システムを表す側面図である。図８Ｂは、第２の実施の形態の回転検出システムの主たる構成要素を表す斜視図である。

図８Ａおよび図８Ｂに示したように、磁石６Ａおよび磁石６Ｂは回転方向Ｂθに沿って離間して隣り合うように配置されている。センサ部３は、回転方向Ｂθにおいて磁石６Ａと磁石６Ｂとの間に配置され、径方向Ｂｒにおいて磁石６Ａおよび磁石６Ｂと回転ヨーク１１との間に配置されている。磁石６Ａおよび磁石６Ｂは、いずれも回転軸方向Ｂｚに沿って着磁されており、それぞれ磁力線６ＡＬおよび磁力線６ＢＬを含む磁場を発生させるようになっている。磁力線６ＡＬおよび磁力線６ＢＬは、図８Ｂに示したように、それらがセンサ部３を通過する位置において回転軸１Ｊに沿った方向の、実質的に互いに平行のベクトルを有する。

このように、第２の実施の形態においても、上記第１の実施の形態と同様の効果が期待できる。そのうえ、第２の実施の形態では、隣接配置された磁石６Ａおよび磁石６Ｂにより磁力線６ＡＬおよび磁力線６ＢＬを発生させ、それら磁力線６ＡＬおよび磁力線６ＢＬがセンサ部３を通過する位置において、磁力線６ＡＬおよび磁力線６ＢＬが回転軸１Ｊに沿った方向のベクトルを有するようにした。このため、センサ部３の近傍において磁力線６ＡＬと磁力線６ＢＬとが反発し合う不安定領域が生じ、その不安定領域の近傍を回転ヨーク１１の凸部１Ｔが通過した際に磁力線６ＡＬのベクトルの向きおよび磁力線６ＢＬのベクトルの向きが敏感に変化することとなる。よって、第２の実施の形態では、第１の実施の形態と比較してセンサ部３においてより大きな出力変化が得られる。

＜３．第３の実施の形態＞
次に、図９Ａから図９Ｃを参照して、本発明における第３の実施の形態としての回転検出システムの構成について説明する。図９Ａは、第３の実施の形態としての回転検出システムの一部構成例を表す概略斜視図である。図９Ｂは、図９Ａに示した回転検出システムの一部構成を模式的に表す正面図である。さらに図９Ｃは、図９Ａに示した回転検出システムの一部構成を模式的に表す側面図である。上記第１の実施の形態の回転検出システムは、１つのセンサ部３および１つの磁石６に対し、１つの回転ヨーク１１を配置した回転モジュール１を備えている。これに対し、第３の実施の形態の回転検出システムは、図９Ａおよび図９Ｂに示したように、１つのセンサ部３および１つの磁石６に対し、２つの回転ヨーク１１Ａ，１１Ｂを配置した回転モジュール１Ａを備えている。第３の実施の形態の回転検出システムはこの点を除き、他は第１の実施の形態の回転検出システムと実質的に同じ構成を有する。なお、回転ヨーク１１Ａおよび回転ヨーク１１Ｂは、それぞれ、本発明の「第１の軟質強磁性回転体」および「第２の軟質強磁性回転体」に対応する一具体例である。

回転ヨーク１１Ａと回転ヨーク１１Ｂとは、回転軸方向Ｂｚにおいて互いに離間して隣り合うようにシャフト１０に固定配置されている。したがって、回転ヨーク１１Ａと回転ヨーク１１Ｂとは、回転軸１Ｊを中心として同期回転可能である。センサ部３は、回転軸方向Ｂｚにおいて、回転ヨーク１１Ａと回転ヨーク１１Ｂとの間に配置されているとよい（図９Ｂ参照）。

回転ヨーク１１Ａおよび回転ヨーク１１Ｂは、いずれも上記第１の実施の形態における回転ヨーク１１と実質的に同じ構成を有する。すなわち、回転ヨーク１１Ａは、回転軸１Ｊから距離ｒ１にある外縁ＯＬ１と、回転軸１Ｊから距離ｒ２にある外縁ＯＬ２とを含んでいる。回転ヨーク１１Ａは、外縁ＯＬ１を含む凸部１ＡＴと外縁ＯＬ２を含む凹部１ＡＵとを、回転方向Ｂθに沿って交互に複数ずつ有する。同様に、回転ヨーク１１Ｂは、回転軸１Ｊから距離ｒ３にある外縁ＯＬ３と、回転軸１Ｊから距離ｒ４にある外縁ＯＬ４とを含んでいる。回転ヨーク１１Ｂは、外縁ＯＬ３を含む凸部１ＢＴと外縁ＯＬ２を含む凹部１ＢＵとを、回転方向Ｂθに沿って交互に複数ずつ有する。図９Ｃに示したように、回転方向Ｂθにおいて、回転ヨーク１１Ａにおける凸部１ＡＴと凹部１ＡＵとの配置ピッチと、回転ヨーク１１Ｂにおける凸部１ＢＴと凹部１ＢＵとの配置ピッチとは実質的に一致している。そのうえ、回転軸方向Ｂｚにおいて、凸部１ＡＴの延長上に凹部１ＢＵが位置すると共に凸部１ＢＴの延長上に凹部１ＡＵが位置する。

このように、第３の実施の形態においても、上記第１の実施の形態と同様の効果が期待できる。そのうえ、第３の実施の形態の回転モジュール１Ａでは、回転軸方向Ｂｚにおいて隣り合う２枚の回転ヨーク１１Ａおよび回転ヨーク１１Ｂを有するようにしたので、第１の実施の形態と比較して、回転検出精度に対する回転軸方向Ｂｚにおけるセンサ部３および磁石６の位置ずれの影響がより低減される。これは、磁石６から発生する磁場における回転方向Ｂθに沿ったＢθ成分と、磁石６から発生する磁場における径方向Ｂｒに沿ったＢｒ成分とが９０°の位相差で回転ヨーク１１Ａおよび回転ヨーク１１Ｂの回転と動機して正弦波状に変化するからである。また、２枚の回転ヨーク１１Ａおよび回転ヨーク１１Ｂは、回転軸方向Ｂｚにおいて一定の間隔を有するようにシャフト１０に固定されるので、センサ部３と回転ヨーク１１Ａおよび回転ヨーク１１Ｂとの回転軸方向Ｂｚの位置ずれは、センサ部３とシャフト１０との位置合わせにより管理することができる。さらに、回転ヨーク１１Ａと回転ヨーク１１Ｂとの間にセンサ部３を配置することにより、例えばセンサ部３が回転軸方向Ｂｚに沿って回転ヨーク１１Ａから遠ざかる方向にずれた場合、センサ部３は必然的に回転軸方向Ｂｚに沿って回転ヨーク１１Ｂに近づくこととなる。このため、回転ヨーク１１Ａから遠ざかることでセンサ部３に及ぶ磁場の磁束密度が低下したとしても、回転ヨーク１１Ｂがセンサ部３に近づくことによりセンサ部３に及ぶ磁場の磁束密度が補完されることとなる。したがって、本実施の形態の回転検出モジュールでは、センサ部３と回転モジュール１Ａとの回転軸方向Ｂｚにおける位置ずれの影響によって検出感度が低下するのを防ぐことができる。

＜４．第４の実施の形態＞
次に、図１０を参照して、本発明における第４の実施の形態としての回転検出システムの構成について説明する。図１０は、第４の実施の形態としての回転検出システムの一部構成例を表す概略斜視図である。この第４の実施の形態の回転検出システムは、図１０に示したように、１つのセンサ部３に対し、２つの磁石６Ａ，６Ｂと、２つの回転ヨーク１１Ａ，１１Ｂとを備えている。すなわち、第４の実施の形態の回転検出システムは、上記第２の実施の形態の回転検出システムと上記第３の実施の形態の回転検出システムとを組み合わせた構成を有する。

第４の実施の形態においても、上記第１の実施の形態と同様の効果が期待できる。さらに、第４の実施の形態では、第１の実施の形態と比較してセンサ部３においてより大きな出力変化が得られるうえ、第１の実施の形態と比較して、回転検出精度に対する回転軸方向Ｂｚにおけるセンサ部３および磁石６の位置ずれの影響がより低減される。

＜５．変形例＞
以上、いくつかの実施の形態を挙げて本発明を説明したが、本発明はそれらの実施の形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。例えば、上記第２の実施の形態では、２つの磁石６Ａ，６Ｂを回転ヨーク１１の回転方向Ｂθに沿って並べるようにしたが、本発明はこれに限定されない。

（第１の変形例）
本発明では、例えば図１１Ａに示した第１の変形例としての回転検出システムのように、磁石６Ａと磁石６Ｂとが、回転軸方向Ｂｚにおいて離間して隣り合うように配置されていてもよい。第１の変形例においても、磁石６Ａが発生する磁力線６ＡＬおよび磁石６Ｂが発生する磁力線６ＢＬは、センサ部３を通過する位置において回転軸１Ｊに沿った方向である。また、センサ部３は、回転軸方向Ｂｚにおいて磁石６Ａと磁石６Ｂとの間に配置されているとよい。このように、２つの磁石６Ａおよび磁石６Ｂを回転軸方向Ｂｚに並べることにより、磁力線６ＡＬ，６ＢＬのうち回転軸方向Ｂｚに延びる部分は、１つの磁石６のみを配置した場合の磁力線６Ｌのうち回転軸方向Ｂｚに延びる部分よりも長くすることができる。よって、回転軸方向Ｂｚにおけるセンサ部３と回転ヨーク１１との相対位置ずれに伴う回転検出精度への影響がより低減される。なお、図１１Ａは、本発明の第１の変形例としての回転検出システムの要部を拡大して表す正面図である。

（第２の変形例）
本発明では、例えば図１１Ｂに示した第２の変形例としての回転検出システムのように、磁石６Ａと磁石６Ｂとが回転軸方向Ｂｚにおいて回転ヨーク１１を挟んで対向するように配置されていてもよい。第２の変形例においても、磁石６Ａが発生する磁力線６ＡＬおよび磁石６Ｂが発生する磁力線６ＢＬは、センサ部３を通過する位置において回転軸１Ｊに沿った方向である。また、センサ部３は、回転軸方向Ｂｚにおいて磁石６Ａと磁石６Ｂとの間に配置されているとよい。径方向Ｂｒにおけるスペースが十分に確保できない場合に第２の変形例は第１の変形例よりも有利である。なお、図１１Ｂは、本発明の第２の変形例としての回転検出システムの要部を拡大して表す正面図である。

（第３の変形例）
上記いくつかの実施の形態等では、磁石の着磁方向が回転軸方向Ｂｚに沿うようにしたが、本発明はこれに限定されるものではない。本発明では、例えば図１１Ｃに示した第３の変形例としての回転検出システムのように、磁石６Ａの着磁方向Ｊ６Ａおよび磁石６Ｂの着磁方向Ｊ６Ｂを、回転軸方向Ｂｚと直交する径方向Ｂｒに設定してもよい。但し、この第３の変形例においても、磁石６Ａが発生する磁力線６ＡＬ，６ＢＬは、センサ部３を通過する位置において回転軸１Ｊに沿った方向である。また、センサ部３は、回転軸方向Ｂｚにおいて磁石６Ａと磁石６Ｂとの間に配置されているとよい。なお、図１１Ｃは、本発明の第３の変形例としての回転検出システムの要部を拡大して表す正面図である。

（第４の変形例）
また、本発明では、例えば図１２Ａおよび図１２Ｂに示した第４の変形例としての回転検出システムのように、磁石６にヨーク８Ａ，８Ｂを設けるようにしてもよい。この第４の変形例では、磁石６の着磁方向Ｊ６に沿って磁石６を挟むように一対のヨーク８Ａ，８Ｂを配置している。このようなヨーク８Ａ，８Ｂの存在により、磁力線６Ｌの方向をコントロールできるうえ、センサ部３に対し、磁力線６Ｌに沿った磁束密度をより高めることができる。特に、ヨーク８Ａ，８Ｂは、それぞれ磁石６からセンサ部３へ向かうように湾曲したベント８ＡＴ，８ＢＴを含んでいる。このため、センサ部３を通過する磁力線６Ｌに沿った磁束密度をよりいっそう高めることができる。そのため、本変形例では、より高い検出感度が期待できる。なお、図１２Ａおよび図１２Ｂは、それぞれ、本発明の第４の変形例としての回転検出システムの要部を拡大して表す斜視図および正面図である。ただし、図１２Ａでは、センサ部３の図示を省略している。

（第５の変形例）
また、上記実施の形態等では、回転ヨーク１１における、その回転面内（Ｂｒ−Ｂθ面内）の平面形状を、複数の凸部１Ｔと複数の凹部１Ｕとが交互配置されてなる花びら状としたが、本発明はこれに限定されない。例えば、図１３に示した回転モジュール１Ｂのように、凸部１ＡＴを１つのみ有するカム形状の回転ヨーク５１Ａおよび凸部１ＢＴを１つのみ有するカム形状の回転ヨーク５１Ｂを備えていてもよい。凸部１ＡＴにおける外縁ＯＬ３Ａは、他の部分における外縁ＯＬ４Ａよりも径方向Ｂｒにおいて突出している。同様に、凸部１ＢＴにおける外縁ＯＬ３Ｂは、他の部分における外縁ＯＬ４Ｂよりも径方向Ｂｒにおいて突出している。また、回転方向Ｂθにおいて、凸部１ＡＴの位置と凸部１ＢＴの位置とは互いに異なっている。このようなカム形状の回転ヨーク５１Ａ，５１Ｂを備えることにより、回転ヨーク５１Ａ，５１Ｂが１回転することによって０°〜３６０°の角度情報が得られるので、シャフト１０の回転角の絶対値が判別できる。ところが、図２などに示した花びら形状の回転ヨーク１１の場合、凸部１Ｔおよび凹部１Ｕがそれぞれ複数含まれている。このため、回転ヨーク１１が１回転することによって０°〜３６０°の角度情報が複数回得られることとなり、シャフト１０の回転角の絶対値が困難となる。

一方、図２などに示した花びら形状の回転ヨーク１１の場合、凸部１Ｔおよび凹部１Ｕがそれぞれ複数含まれていることによる利点を有する。例えば従来のレゾルバ等においてモーターの回転角度検出を行う場合、モーターの極数の遇数倍の凹凸を有するヨークであることが制御上望ましいが、本願発明の花びら形状の回転ヨーク１１であればこれに好適である。また、花びら形状の回転ヨーク１１においては、モーターの極数に応じて凸部（凹部）の数を自在に変更可能である。さらに、回転ヨーク１１のように連続した輪郭線を有する凹凸形状のヨークであれば、最小分解能に制限がなく、回転角に対してリニアに変化する角度出力が得られる。ところがエンコーダの場合には、得られる角度の数値の最小分解能は基準となるクロック信号の幅で決定されるので、回転角に対し階段状に変化する角度出力が得られることとなってしまう。

また、上記実施の形態等では、２つの磁気検出素子を備えるようにしたが、本発明では、磁気検出素子の数は２に限定されず、１つのみでもよいし、３以上備えるようにしてもよい。但し、３以上の磁気検出素子を備える場合、それらが互いに異なる位相の信号を出力することが望ましい。

また、上記第１の実施の形態では、磁気検出素子として、磁気抵抗効果素子をそれぞれ含む磁気センサ３１および磁気センサ３２を例示して説明したが、本発明はこれに限定されない。すなわち、本発明の磁気検出素子は、磁場の向き（角度）の変化を検出できる素子であれば特に限定されず、例えばホール素子であってもよい。

また、本発明の磁気検出部は、互いに直交する第１の検知軸および第２の検知軸を有する２軸の磁気検出素子を１以上備えていてもよい。あるいは、本発明の磁気検出部は、第１の検知軸を有する第１の磁気検出素子と、その第１の検知軸と直交する第２の検知軸を有する第２の磁気検出素子とを近接配置した磁気検出素子対を、複数備えるようにしてもよい。上記した２軸の磁気検出素子を複数箇所に配置する場合、および、上記した磁気検出素子対を複数箇所に配置する場合、それらの配置ピッチは、いずれにおいても、軟質強磁性回転体の回転方向では、例えば軟質強磁性回転体の凸部の配置ピッチと一致していることが望ましい。また、軟質強磁性回転体の軸方向では、磁石の中心面に対し、複数の２軸の磁気検出素子、または複数の磁気検出素子対は、互いに実質的に等距離にあることが望ましい。

１，１Ａ，１Ｂ…回転モジュール、１Ｔ…凸部、１Ｕ…凹部、１０…シャフト、１１…回転ヨーク、２…検出モジュール、３…センサ部、３１，３２…磁気センサ、４…演算回路、４６…角度演算部、６…磁石、６Ｌ…磁力線、７…基板、８Ａ，８Ｂ…ヨーク、Ｂθ…回転方向、Ｂｒ…径方向、Ｂｚ…回転軸方向、Ｈ１…磁場。

Claims (16)

1. 磁気検出部と、
   前記磁気検出部に対し回転軸を中心として回転可能であり、前記回転軸から第１の距離にある第１の外縁と、自らの回転方向において前記第１の外縁と異なる位置であって前記回転軸から第２の距離にある第２の外縁とを含む第１の軟質強磁性回転体と、
   前記磁気検出部に対し、前記第１の軟質強磁性回転体が静止した状態において前記磁気検出部を通過する第１の磁力線の方向が前記回転軸に沿った方向である第１の磁場を付与する、第１の磁石と
   を備えた
   回転検出システム。
2. 前記第１の軟質強磁性回転体の前記回転軸を中心とした回転に伴い、前記第１の磁力線の方向が周期的に変動し、
   前記磁気検出部は、周期的に変動する前記第１の磁力線の方向を検出する
   請求項１記載の回転検出システム。
3. 前記第１の磁石の着磁方向は、前記回転軸に沿った方向と実質的に一致している
   請求項１または請求項２に記載の回転検出システム。
4. 前記磁気検出部は、前記第１の軟質強磁性回転体と前記第１の磁石との間に配置されている
   請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の回転検出システム。
5. 前記磁気検出部に対し、前記磁気検出部を通過する第２の磁力線の方向が前記回転軸に沿った方向である第２の磁場を付与する第２の磁石をさらに備えた
   請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の回転検出システム。
6. 前記磁気検出部は、前記第１の軟質強磁性回転体と前記第１の磁石との間、または前記第１の軟質強磁性回転体と前記第２の磁石との間に配置されている
   請求項５記載の回転検出システム。
7. 前記第１の磁石と前記第２の磁石とは、前記回転軸に沿った方向において隣り合っている
   請求項５または請求項６に記載の回転検出システム。
8. 前記磁気検出部は、前記回転軸に沿った方向において前記第１の磁石と前記第２の磁石との間に配置されている
   請求項７記載の回転検出システム。
9. 前記第１の磁石と前記第２の磁石とは、前記第１の軟質強磁性回転体の回転方向において隣り合っている
   請求項５または請求項６に記載の回転検出システム。
10. 前記磁気検出部は、前記第１の軟質強磁性回転体の回転方向において前記第１の磁石と前記第２の磁石との間に配置されている
    請求項９記載の回転検出システム。
11. 前記第１の軟質強磁性回転体は、前記第１の外縁を含む第１の凸部と前記第２の外縁を含む第１の凹部とを、前記第１の軟質強磁性回転体の回転方向に沿って交互に複数ずつ有する
    請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載の回転検出システム。
12. 前記回転軸を中心として前記第１の軟質強磁性回転体と同期して回転可能であり、前記回転軸から第３の距離にある第３の外縁と、前記回転軸から第４の距離にある第４の外縁とを含み、前記回転軸に沿った方向において前記第１の軟質強磁性回転体と隣り合う第２の軟質強磁性回転体をさらに備えた
    請求項１から請求項１１のいずれか１項に記載の回転検出システム。
13. 前記磁気検出部は、前記回転軸に沿った方向において、前記第１の軟質強磁性回転体と前記第２の軟質強磁性回転体との間に配置されている
    請求項１２記載の回転検出システム。
14. 前記第１の軟質強磁性回転体は、前記第１の外縁を含む第１の凸部と前記第２の外縁を含む第１の凹部とを、前記第１の軟質強磁性回転体の回転方向に沿って交互に複数ずつ有し、
    前記第２の軟質強磁性回転体は、前記第３の外縁を含む第２の凸部と前記第４の外縁を含む第２の凹部とを、前記第２の軟質強磁性回転体の回転方向に沿って交互に複数ずつ有する
    請求項１２または請求項１３に記載の回転検出システム。
15. 前記回転方向において、前記第１の軟質強磁性回転体における前記第１の凸部と前記第１の凹部との配置ピッチと、前記第２の軟質強磁性回転体における前記第２の凸部と前記第２の凹部との配置ピッチとは実質的に一致しており、
    前記回転軸に沿った方向において、前記第１の凸部の延長上に前記第２の凹部が位置すると共に前記第２の凸部の延長上に前記第１の凹部が位置する
    請求項１４記載の回転検出システム。
16. 前記磁気検出部は、第１の検知軸を有する第１の磁気検出素子と、前記第１の検知軸と交差する第２の検知軸を有する第２の磁気検出素子とを含む
    請求項１から請求項１５のいずれか１項に記載の回転検出システム。

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