JP4507208B2

JP4507208B2 - 磁石回転子及びこれを用いた回転角度検出装置

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Publication number: JP4507208B2
Application number: JP2007048422A
Authority: JP
Inventors: 京平相牟田; 正宏増澤; 正裕三田
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 2007-02-28
Filing date: 2007-02-28
Publication date: 2010-07-21
Anticipated expiration: 2027-02-28
Also published as: JP2008209340A

Description

本発明は、永久磁石によって形成される磁束密度分布を利用して回転角度を検出する磁石回転子及びこれを用いた回転角度検出装置に関するものである。

従来から磁気を利用した回転角度検出装置は考案されている。一例として特許文献１に記載される回転角度検出装置を図１１に示す。回転軸２０４の端に同軸に固定された円板２０１の面に、１つの磁石２０２（棒状で２極に着磁したもの）を設置し、その磁石２０２が発生する磁束の方向を固定した磁気センサ２０３で検出して回転軸の回転角度を測定する。回転角度と検出される磁束密度との関係は、図１２に示すように、１回転１周期の波形となる。この検出方法では、回転物の回転角度を非接触で検出することが可能となり、従来の抵抗しゅう動式に比べて格段に信頼性が向上することは自明である。この非接触方式の回転角度検出装置には、１つの磁石２０２から発生する磁束は、永久磁石のＮＳ極の回転する平面と並行な平面上でみると、ある位置から回転軸の中心を向いて観測する際にはサイン状の磁束密度が観測され、その方向とは直交する向きで観測する際にはコサイン状の磁束密度が観測されるため、２方向の磁束が検出可能な磁気センサ又は１方向の磁束が検出可能な磁気センサを２つ組合せることによって回転角度検出装置を構成し、回転角度を検出できる。しかし、この回転角度検出装置は、近年要求の高い精密な回転角度の測定に適用しようとすると、磁気センサ中の素子の具備する角度誤差が大きいため、十分な精度が得られていない。

回転角度検出精度の向上のため、さまざまな方法が検討されている。例えば非特許文献１には図１３に示すように、測定をしたい回転軸３０４に歯車３０５を介して多回転する別の歯車３０１を設置して、その歯車３０１に磁石３０２を配して回転させることにより磁気センサ３０３の角度精度を見かけ上向上させる手法が開示されている。回転角度と検出される磁束密度との関係は一回転多周期の波形となる。しかし、この手法では歯車の精度、機械部品を介することによるヒステリシスの存在や信頼性に問題が生ずる。

また、例えば特許文献２には、図１４に示すようにリング状磁石１０２を多極着磁し、リング状のバックヨーク１０１と共に回転軸に設置して回転子を構成し、磁気センサと共に回転角度検出装置に用い、回転角度を空間的に分周して多周期の電気角を検出し、回転角度検出装置の角度精度を向上させる手法が開示されている。しかし、この多極着磁された永久磁石を持つ回転子で空間的に分周した回転角度検出装置でも、その角度の絶対値は永久磁石（リング状磁石１０２）の着磁ピッチの均一性に大きく依存する。すなわち、着磁ピッチにばらつきがあると、直接、検出する回転角度のずれが発生する。図１４を用いて、この現象をさらに詳細に説明する。図１４は磁石回転子の一部分を軸方向から見た断面図であり、図上のＡ，Ｂ，Ｃで示された部分は着磁用巻線の断面を示す。

図１４に一部を示すリング状磁石１０２は、複数の配向部１０２ａ，１０２ｂ，１０２ｃ，１０２ｄを有し、各々の配向部は（着磁前の段階で既に）太矢印で示されているラジアル方向に配向されている、いわゆるラジアルリング磁石であり、等間隔で８極着磁を行った。理想的な着磁用巻線の位置がＡとすると、この巻線位置で着磁されるリング状磁石１０２の磁極ピッチも、回転角度に対する磁束密度Ｂを示す図１５のグラフ中のＡの曲線で示されるように、理想的に左右の磁極位置から等間隔となり、回転角度４５ｄｅｇ．で磁束密度がゼロクロスするため、回転角度も理想に近いものになる。一方、着磁用巻線がＢ或いはＣの位置にずれて配置されていた場合、リング状磁石１０２において、磁極間の境界線の位置は着磁磁場に依存するために、これら巻線位置のずれに応じて永久磁石の磁極ピッチも図１５中のＢ若しくはＣで示される曲線のように、理想的な正弦波からずれた波形になり、ゼロクロス点が４５ｄｅｇ．からずれるため回転角度の角度誤差が増加する。着磁ピッチずれの現象は、着磁用巻線の位置、着磁ヨークの寸法精度、着磁ヨーク内での回転子の中心ずれなどのさまざまな要因でも発生する。現在の技術では着磁ピッチのずれは工業的に生産可能な値として約０．５ｍｍに抑えることが限界であり、さらに高精度の回転角度検出装置を実現することが難しい。

また、周方向に磁束密度分布を持つ多極の永久磁石回転子は、任意の表面磁束密度分布を得ることは困難である。ラジアル異方性リング磁石、極異方性リング磁石、等方性リング磁石いずれにおいても、着磁ヨーク内周部の着磁用巻線部と、ヨーク部の比率を変化させることで、ある程度表面磁束密度分布を変化させることが出来るが、細かい調整が必要になったり、表面磁束密度分布ごとに着磁ヨークを用意する必要が出てくる。

また、特許文献３には、２色成形の手法を用いて磁石部とヨーク部を一体に形成したロータとそれを用いた回転機が開示されているが、着磁ピッチのずれを防ぎ、回転角度の検出精度を向上することは開示されていない。

特開２００５−１２７３７８号公報特開２０００−０６００８０号公報特開２００５−０２０９９１号公報 Dirk Hammerschmidt，「Giant Magneto Resistors Sensor Technology and Automotive Applications」，２００５ SAE International，２００５−０１−０４６２，ｐ．６３

本発明は、以上の様な磁石回転子の着磁ピッチのずれを防ぎ、回転角度検出装置において回転角度を高い精度で検出することを目的とする。

本発明の磁石回転子は、周方向に磁束密度分布を有する磁場を形成する磁石回転子であって、
リング形状を有する軟磁性の内周部と前記内周部の外周に配置した外周部を備え、
前記外周部は複数の異方性磁石片を一体に成形したボンド磁石で構成され、
前記異方性磁石片はおのおの１軸異方性を有し、外周面が突出した凸曲面であり、
前記異方性磁石片は、１軸異方性の方向が磁石回転子の外周から回転軸中心に向うものと、１軸異方性の方向が磁石回転子の回転軸中心から外周に向うものとが隣り合って配置されていることを特徴とする。

前記磁石回転子において、前記異方性磁石片の磁極外半径ｒが磁石回転子の外接円の半径より小さいことが望ましい。なお、本発明では、磁石回転子の径方向における磁石片の厚みが磁極境界から磁極中央に向って増加する。たとえば、外周面が凸曲面である磁石片を用いる。各々の磁石片は１軸に配向されており、隣り合う磁石片の配向の向きが異なる。隣り合う磁極の境界で前記磁石片の１軸の配向方向が変わる。

本発明の他の磁石回転子は、周方向に磁束密度分布を有する磁場を形成する磁石回転子であって、
リング形状を有する軟磁性の内周部と前記内周部の外周に配置した外周部を備え、
前記外周部は複数の異方性磁石片を一体に成形したボンド磁石で構成され、
前記異方性磁石片はおのおの１軸異方性を有し、その両端部から中央部に向って厚くなり、前記内周リング部と接する面を２つの曲面で構成し、
前記異方性磁石片は、１軸異方性の方向が磁石回転子の外周から回転軸中心に向うものと、１軸異方性の方向が磁石回転子の回転軸中心から外周に向うものとが隣り合って配置されていることを特徴とする。

上記の本発明の他の磁石回転子では、１軸異方性の仮成形体を連結して本成形し、異方性磁石片の内周リング部と接する面を２つの曲面で構成することが望ましい。これによって磁石回転子の磁束密度分布を正弦波にすることができる。

上述のいずれかの磁石回転子において、かみこみ量Δｗが０．５ｍｍ以下であることが望ましい。本発明の回転角度検出装置は、上述の磁石回転子と、前記磁石回転子の磁場を検出する磁気センサを備える。

本発明の磁石回転子を製造する際には、結合材を含む永久磁石用粉末を仮成形して第１の仮成形体を作製する工程と、結合材を含む軟磁性粉末を仮成形して第２の仮成形体を作製する工程と、金型内に前記第２の仮成形体を円周状に配置し、前記第２の仮成形体の外周を囲うように前記第１の仮成形体を複数個配列するとともに、前記第１の仮成形体の凸面が外周方向を向いており、
前記第１及び第２の仮成形体を圧縮成形して１体化する工程とを有することを特徴とする。

本発明の他の磁石回転子を製造する際には、結合材を含む永久磁石用粉末を仮成形して第１の仮成形体を作製する工程と、
前記第１の仮成形体の凸面が外周方向を向くように、金型内に複数個の前記第１の仮成形体を円周状に配列する工程と、
前記第１の仮成形体の内周側に、結合材を含む軟磁性粉末を給粉し、圧縮成形して１体化する工程とを有することを特徴とする。

本発明の構成によって、磁石回転子の着磁ピッチのずれを防ぎ、回転角度検出装置において回転角度を高い精度で検出することができる。

以下、図１、図３及び図５（ａ）に係る本発明の磁石回転子及び回転角度検出装置の実施形態について説明する。この磁石回転子は、永久磁石用粉末にバインダ（例えば樹脂）を混ぜ、得られた混合粉を磁場を印加した状態で仮成形して１軸の異方性を有する磁石片用仮成形体を複数個作製する。同様の手法を用いて（但し、磁場の印加は行わない）、バックヨーク用の軟磁性粉末にバインダを混ぜ、得られた混合粉を仮成形してリング状のバックヨーク用仮成形体を作製する。ついで、本成形用金型内にバックヨーク用仮成形体を配置し、その周囲に磁石片用仮成形体を環状に配列し、高圧で圧縮又は圧着し、一体化した後に熱処理でバインダを硬化することで、磁石回転子を得る。バックヨークの軟磁性体として、たとえば鉄系の粉体の圧粉体を用いて永久磁石を含む磁気回路を構成する。磁石回転子の各々の磁極の磁気センサに対向する部分に軟磁性体からなる極表面ヨークを配することも可能である。

さらに、異方性磁石片およびバックヨークの一体成形方法について、より好ましい条件を説明する。平均粒径が５０〜２００μｍの永久磁石用粉末とバインダで構成した永久磁石用粉末コンパウンドを、仮成形用の圧縮成形装置に充填して、成形圧力２００〜４００ＭＰａで仮成形する。仮成形で成形圧力を低めにするのは、本成形の際に永久磁石用粉末と軟磁性粉末との密着性を高めるためである。なお、仮成形体の配向に異方性を付与するために、電磁石で金型内に磁場を印加しながら仮成形を行う。

次に、複数の磁石片用仮成形体を本成形用の圧縮成形装置中の円筒状のキャビティ内に組付け、そこにアトマイズ鉄粉、Ｆｅ−Ｃｏ合金粉末、ナノ結晶粉末等から選ばれる平均粒径が１〜１００μｍの高透磁率軟磁性粉末とバインダで構成した軟磁性粉末コンパウンドを給粉し、磁石片用仮成形体と軟磁性粉末コンパウンドとを同時に仮成形圧力より高い６００〜１０００ＭＰａの成形圧力で一体的に本成形する。キャビティ内に装填した仮成形体と後からキャビティ内へ供給される軟磁性粉末とが、互いに接触して形成する境界面と平行方向に仮成形圧力より高い成形圧力で加圧されると、両者は同時に圧縮されて境界面の面積が小さくなる。その際に仮成形体を構成する粒子と後からキャビティ内へ供給された粒子とが境界面において互いに相手側領域に入り込み、境界面はその断面において凹凸を有する形状となる。この凹凸により境界面における機械的結合が十分に行なわれる。境界面の凹凸量が大きいほど機械的結合強度は大きくなる。なお、バックヨークも予め低圧力で仮成形を行ない、異方性磁石片とバックヨークの仮成形体どうしをキャビティ内で組合せてから本成形しても良い。さらに、仮成形体の接合面に予めバインダや接着剤などを塗布しておいても良い。本成形後に行う加熱硬化処理により結合材や接着剤が溶けて異方性磁石片とバックヨークとに浸透して接合面を強化する。

また、磁石片用仮成形体と軟磁性粉末コンパウンド用の上下パンチを別々に可動できる様にしておくと、仮成形体のパンチ接触面の形状を崩すことなく、同時に加圧することが可能となる。なお、一体成形後には成形体を硬化させるために２５０℃以下の熱処理を行ない、さらに必要に応じてエポキシ樹脂塗装などの表面処理を施してもよい。得られた磁石回転子の孔に回転軸を圧入または接着固定し、最後に着磁して回転体を得る。

仮成形と本成形とに分けて成形することで、磁石片用仮成形体とヨーク用仮成形体の接合力を高めることが可能である。これは粒径の粗い永久磁石用粉末を先に仮成形することで、後から充填される粒径の細かな軟磁性粉末の一部が磁石片用仮成形体側へ食い込み、圧着力を高めるためである。従来の接着剤による接合では、接着層の厚みがばらついたり、接着面の状態によって接着強度が変わるので、安定した接着強度を得ることは難しい。２０ＭＰａ以上の接着強度を有する接着剤を使用しても、接着面積が１／３程度しか確保できず、平均すると実質５ＭＰａ以下の接着強度しか得られないことが多い。これに対して本発明の製造方法では、異方性を有する磁石片とバックヨークの圧着力は接合面の全域で確保されるため、常に安定してせん断応力で１０ＭＰａ以上、さらには１５ＭＰａ以上の圧着強度となる。本発明の製造方法により形成された接合界面はせん断応力および引張応力の何れに対してもほぼ同等の高い圧着強度を有する。

この磁石回転子で構成する場合、２種類の精密磁場発生機構が考えられる。一つは、異方性のボンド磁石を用いて上記磁石片用仮成形体を作り、その仮成形体を組み合わせ、金型の中で本成型させる。仮成形体は金型によって成形されるためにの寸法精度の揃った物が製造される。これらの寸法精度の揃った仮成形体を金型の中で圧着することにより、個々の磁石片の形状が良く揃った物の集合体である磁石回転子が生成される。ここで、永久磁石片が等方性である場合には、個々の永久磁石片の形状が揃っていてもその着磁方向は最終的に着磁磁場の方向によるため、着磁精度に依存してしまう。一方、１軸の異方性を付与したボンド磁石においてはその着磁方向は元々の異方性を付与した方向に固定されているため、磁石回転子を製造した時点で個々の磁石片の形状が揃い、かつ、個々の磁石片の中の磁石着磁方向も一義的に決まるため、各々磁石片において磁気特性の大変良く揃った磁石回転子が実現することが可能である。

また、磁石回転子を構成する各々の磁石片或いはヨークは、本成形時に圧着されるため、成形体を構成する粒子が相互に「かみこみ」現象で強く接合することになる。この「かみこみ」により高い強度での接合が可能となる。一方、「かみこみ」の度合いが大きすぎる場合には磁極間のにじみを生じるため、直径（磁石の部分の直径に相当）５０ｍｍの磁石回転子において、回転角度でΔθが１ｄｅｇ．を超えないように、かみこみ量Δｗ≦０．５ｍｍが望ましい。さらに望ましくは、高い角度精度を必要とする場合、回転角度でΔθが０．２ｄｅｇ．を超えないように、かみこみ量Δｗ≦０．１ｍｍである事がさらに望ましい。後述する図８では磁極間のにじみが抑制され、かみこみ量Δｗ及びそれに対応する回転角度Δθは小さいので、磁極間のにじみは線で表わした。Δｗが小さいので、この磁石回転子を回転角度検出装置に適用した場合、磁極間で磁束密度Ｂのカーブが正確にゼロクロスするので回転角度の高精度検出に大きく寄与する。これに対して、従来技術に係る図１４では、磁極間のにじみが広がり、Δθも大きい。

回転角度は、磁石回転子がその軸線を中心にして機械的に１回転した場合を、３６０ｄｅｇ．とするものである。電気角度は、磁石回転子の磁束密度Ｂの分布を測定したときに、隣り合うＮ極とＳ極（すなわち磁極２つ分）について得られるＢの分布の１周期分を３６０ｄｅｇ．とするものである。したがって、８極の磁石回転子であれば、電気角度＝３６０ｄｅｇ．は回転角度＝４５ｄｅｇ．に相当する。

磁気センサとしては、ホール素子、ＭＲ素子、ＧＭＲ素子、スピンバルブＭＲ素子、グラニュラー形ＧＭＲ素子、トンネルＭＲ素子から選ばれるいずれかの素子を有する磁気センサが使用可能である。

以下、実施例について説明する。ただし、本発明は必ずしもこれら実施例に限定されるものではない。

図１（ａ）の断面図は、２色成形の手法で作製した磁石回転子である。リング状のバックヨーク用の仮成形体の外周に、磁石片用の仮成形体を複数個並べて配置し、本成形することで一体化した。各磁極は一つの仮成形体に対応しており、仮成形の際に１軸の異方性を付与した。本成形で圧縮された仮成形体の部分は異方性ボンド磁石となった。各磁石片２ａ，２ｂ及び２ｃは隣り合う磁石片同士で異極、すなわち、ある磁石片がＮ極であれば、隣はＳ極であるように着磁した。

図１（ｂ）、は図１（ａ）の磁極形状を変えた磁石回転子の一部断面図であり、（ａ）よりも更に波形歪みを抑制した正弦波に近づけた表面磁束密度分布を得ることができた。磁石回転子の外接円の半径１０ｍｍ、磁極数８極で、前記半径よりも小さい円弧（この円弧の半径を磁石外半径ｒと称する。）を、周方向の磁極中心と原点の２点を結んだ直線上で、磁石外周から磁石中心方向へｒ離れた位置に描き、それを表面の磁極形状として構成した。図２（ａ）のグラフにおいて、磁石回転子の外接円の位置を表面とし、この表面から０．２ｍｍ離隔した位置で測定した磁束密度Ｂの分布を示し、図２（ｂ）の棒グラフに第３次高調波発生率を示す。この結果、ｒ＝１０ｍｍすなわち、表面が円形状の場合は磁束密度分布は略台形波になったが、ｒ＝３ｍｍにすると、磁石密度分布が略三角波になることが分かった。またその際の第３次高調波発生率は０％をまたがって変化していることから、rを調整することで、略正弦波が得られることも分かった。これは、磁石片の形状によって磁石片とＢ測定用のプローブ間のギャップが変わり、パーミアンス係数が変化するためである。図１（ｂ）や図２（ｂ）のように磁石回転子の径方向における磁石厚さを、磁石の両端部から中央部に向って増大する形状とすることで、より波形歪みを抑制した正弦波の表面磁束密度分布を得ることができ、特に高い精度で回転角度を検出することができた。

磁束密度Ｂは、磁石回転子の外接円から所定の距離をおいてガウスメータのプローブ（ホール素子を内臓するプローブ）の先端の側面が磁石回転子に対向するように配置して測定した。この際、プローブの長手方向は磁石回転子の回転方向（又は円周方向）と平行に配置した。

第３次高調波発生率（％）は、数１の数式で表わされる。基本波の振幅Ａ_１、２次高調波の振幅Ａ_２、３次高調波の振幅Ａ_３、４次高調波の振幅Ａ_４、５次高調波の振幅Ａ_５とする。ただし、偶数高調波のＡ_２及びＡ_４はゼロである。高調波が基本波を台形波状に歪ませる場合、第３次高調波発生率はプラスである。高調波が基本波を鋭い三角波状に歪ませる場合、第３次高調波発生率はマイナスである。

図１（ｂ）のように半径が一定ではない磁石回転子を、半径が一定である磁石回転子（すなわち、外形が円形である磁石回転子）を必要とする用途に適用するため、外形の凹みを埋めるために、前記凹みを埋められる形状の仮成形体（すなわち非磁性体の粉末からなる仮成形体）を作製した。この仮成形体を図１（ｂ）の磁石回転子を得るための仮成形体と共に一体成形することで、図１（ｂ）と同じ配向と正弦波状の磁束密度分布を有すると共に外形が円形である磁石回転子を得ることができた。

図３（ｂ）は、外周面を円周形状に保ちつつ、正弦波状の表面磁束密度分布を得ることができた磁石回転子の一部断面図である。図３（ｂ）では半径１０ｍｍ、磁極数８極で、磁石表面上の磁極境界の点（点ａ，ｂ）を直線で結ぶ。ついで、前記直線と周方向の磁極中心と磁石中心の２点を結んだ直線の交点（点ｃ）と、磁石表面上の磁極境界の点ａまたはｂを通る、磁石中心側に原点を持つ円弧（半径ｒ）を点ａ，ｂごとにそれぞれ描き、磁石表面と点ａ，ｃ，ｂを結ぶ領域から、各円が重複する領域を除いた領域を磁極とする磁石回転子とした図４（Ａ）に磁束密度分布（磁石回転子の外接円からから０．２ｍｍ離れた位置で測定した分布）を示し、図４（Ｂ）に第３次高調波発生率を示す。図４（Ａ）に示すように、円弧を描かない構造（図３（ａ）に対応）は、すなわち、磁石表面と点ａ，ｂ，ｃを結ぶ領域を磁極形状とする構造は、磁束密度分布として略台形波が得られ、ｒ＝１０ｍｍとすると（図３（ｂ）に相当）、略三角波が得られることが分かった。図４（Ｂ）に示すように、第３次高調波発生率は０％をまたがって変化していることから、ｒを調整することで、略正弦波が得られることも分かった。これらは、パーミアンス係数の変化によって得られる。磁石回転子の極数が増加すると、１つの磁極あたりの磁石体積が極端に減少するが、磁石とヨークのみの構造で円筒状の磁石回転子を構成することができた。

図５（ａ）は磁石回転子の他の実施例の一部を拡大した断面図であり、図５（ｂ）は比較例である。図５（ａ）の磁石回転子において、径方向で磁石を内周側に配置し、ヨークを外周側に配置した場合、図６に示すように、磁極中心で著しい磁束密度の低下が見られた。図５の（ｂ）のような磁石回転子を回転角度検出装置に適用する場合、モータのステータに該当する鉄製のヨークを用いないため、磁石回転子表面から外部に磁束が発生し難い。鉄製のヨークの肉厚を薄くしても、磁束密度の低下しか招かない。したがって、図５の（ａ）等のように磁石回転子の外周は磁石で構成されていることが望ましい。

図７は図１の（ａ）の磁石回転子を示す断面図である。図８は図７の磁石回転子を軸方向からみた断面図であってその一部分を拡大したものであり、着磁磁場と配向の様子を示す。図７及び図８を用いて本発明に係る磁石回転子の配向を説明する。図８上のＡ，Ｂ，Ｃで示された部分は着磁用巻線の断面にあたる。永久磁石は、各部分のいずれをとっても太矢印で示されているように、磁極が切り替わる面を境にして配向角度が異なる構成とた。理想的な着磁用巻線の位置がＡとすると、この巻線位置で着磁される磁石の磁極ピッチも回転角に対する磁場強度を示すグラフ（図９）で示されるように理想的に左右の磁極位置から等間隔となり、回転角４５ｄｅｇ．で磁束密度がゼロクロスするため、回転角度の検出精度も理想に近いものになる。一方、着磁用巻線がＢ或いはＣの位置にずれて配置されていた場合でも、前述のラジアルリング磁石と異なり、永久磁石の配向方向が磁極切り替わり部分、すなわち、理想的な場合で磁場がゼロクロス点を境に磁石の配向方向が異なるため、容易に着磁方向が変わることがないため、これら巻線位置Ｂ，Ｃで着磁される磁石の磁極ピッチも図１に挿入された回転角に対する磁場強度の模式図中Ａで示された理想的なゼロクロス位置のままであり、理想的な磁束密度波形に近いものが得られる。図７において、円弧状の矢印は磁石回転子の回転する向き（磁石回転子の円周方向）を示す。また、永久磁石の配向方向が磁極間を境に異なるため、着磁用巻線がずれて配置されていた場合でも、容易に着磁方向が変わることがないため磁束密度のゼロクロス位置の変動幅は小さい。２色成形の手法を用いることで、磁石片の寸法を高精度に成形することで所望の磁極ピッチを得ることができた。

以上のように構成された磁石回転子に着磁を行って磁極を形成するわけであるが、着磁の際に、従来技術と同様に着磁ヨークが必要となる。この着磁ヨークの寸法精度あるいは着磁の際の磁石回転子と着磁ヨークの相対位置のずれが従来技術であるとそのまま磁石回転子の着磁波形のずれとなって現れた。これに対して、上述のように各々の磁極片があらかじめ正確に配向されているために、着磁ヨークと磁石回転子の相対位置が多少ずれていても従来の着磁方式によっても正確な磁極ピッチを得ることが可能となった。

なお、磁極間に隣接する磁石片の配向方向が半径方向に近づくと、ラジアル配向のリング状磁石に近い構成になる。ラジアル配向のリング状磁石は、各部分がほぼ半径方向に配向されている永久磁石であり、着磁方法によって様々な着磁パターンを形成できるが、着磁磁場分布の精度がそのまま磁極ピッチに反映されるため、正確な磁極ピッチの実現が難しい。

したがって、隣接する磁石片の配向方向が半径方向に近づくと、着磁時の磁極ずれが着磁磁場分布に依存するようになってくる。一例として、半径４０ｍｍ、磁極数８極、磁極内の磁石片の数が２個である磁石回転子を用いて配向方向を変化させた場合の磁極ピッチ精度をとったデータを図１０に示す。この結果、磁石片の配向方向を回転子の半径方向から５度以上の角度を付けて傾けることにより、０．５ｄｅｇ．以下の磁極ピッチ精度となることが判明した。又、磁石片の配向方向をさらに傾け、８５ｄｅｇ．以上になると徐々に磁極ピッチの精度が劣化した。この影響は、前記のラジアル配向とは逆に回転方向に平行に配向される事により、磁極間の切り替え部分の精度が下がり、着磁磁場分布に倣いやすくなる事によると考えられる。以上の実験の結果、着磁ピッチの精度を高めるには磁石片の配向方向を回転子の半径方向から５ｄｅｇ．以上の角度を付ける事が望ましく、さらに望ましくは磁石片の配向方向を回転子の半径方向から８５ｄｅｇ．以下の角度を付ける事が望ましい事が判明した。図１、３及び５に示すように、磁極の形状を変えることで、表面磁束密度を調整することができるようになり、高精度の磁極ピッチを得ることが可能になり、従来の磁気センサを用いても高精度の回転角度検出装置を得ることができた。

（比較例）
以上では、いわゆる二色成形の手法を用いて作製した回転子を説明した。これに対して、配向された焼結磁石からなる磁石片を複数作製し、精密に加工し、接着剤を介してバックヨークと共に組み立てることを試みた。しかし、接着剤の部分がギャップとなり、接着ばらつきが生じ、磁極ピッチが不均一になった。隣り合う磁石片の境界と配向の境界を理想的な線上に配置することができず、回転角度を高精度で検出することは難しいことがわかった。

本発明に係る回転角度検出装置は、従来と同等の磁気センサを用いた場合においても回転角度を高精度で検出できる。自動車の分野においては、操舵角度、スロットル角度、アクセルペダル角度、タイヤ角度、クランク角度等をより高い精度で検出することにより自動車を精密に制御できる。また、ロボット及び装置の分野においては、サーボモータの回転角度、ロボットのアーム角度などをより高い精度で検出することにより、精密な制御が可能となる。

磁石回転子の１実施例の一部を拡大した断面図である。図１の磁石回転子の特性を示すグラフである。磁石回転子の他の実施例の一部を拡大した断面図である。図３の磁石回転子の特性を示すグラフである。磁石回転子の他の実施例の一部を拡大した断面図である。図５の磁石回転子の特性を示すグラフである。図１の（ａ）の磁石回転子を示す断面図である。図７の磁石回転子の一部を拡大し、着磁磁場と配向の様子を示す断面図である。図８における磁束密度Ｂと回転角の関係を示すグラフである。磁極ピッチのばらつきと磁極片の配向角度の関係を示すグラフである。従来の磁石回転子を示す断面図である。図１１の磁石回転子における磁束密度Ｂと回転角の関係を示すグラフである。従来の他の磁石回転子を示す概略図である。従来例の磁石回転子の一部を拡大し、着磁磁場と配向の様子を示す断面図である。図１４における磁束密度Ｂと回転角の関係を示すグラフである。

符号の説明

１：バックヨーク、２：リング状磁石、２ａ，２ｂ，２ｃ：磁極片、
２ｄ，２ｅ，２ｆ，２ｇ，２ｈ：磁極片、
３：磁気センサ、
１１：バックヨーク、１２：リング状磁石、１２ａ，１２ｂ，１２ｃ：磁極片、
２１：バックヨーク、２２ａ，２２ｂ，２２ｃ：磁極片、
３１：バックヨーク、３２ａ，３２ｂ，３２ｃ：磁極片、
４１：バックヨーク、４２ａ，４２ｂ，４２ｃ：磁極片、
５１ａ，５１ｂ，５１ｃ：フロントヨーク、５２ａ，５２ｂ，５２ｃ：磁極片、
１０１：バックヨーク、１０２：リング状磁石、１０２ａ，１０２ｂ，１０２ｃ，１０２ｄ：配向部、
２０１：円板、２０２：磁石、２０３：磁気センサ、２０４：回転軸、
３０１：歯車、３０２：磁石、３０３：磁気センサ、３０４：回転軸、３０５：歯車

Claims

周方向に磁束密度分布を有する磁場を形成する磁石回転子であって、
リング形状を有する軟磁性の内周部と前記内周部の外周に配置した外周部を備え、
前記外周部は複数の異方性磁石片を一体に成形したボンド磁石で構成され、
前記異方性磁石片はおのおの１軸異方性を有し、外周面が突出した凸曲面であり、
前記異方性磁石片は、１軸異方性の方向が磁石回転子の外周から回転軸中心に向うものと、１軸異方性の方向が磁石回転子の回転軸中心から外周に向うものとが隣り合って配置されていることを特徴とする磁石回転子。
請求項１に記載の磁石回転子において、前記異方性磁石片の磁極外半径ｒが磁石回転子の外接円の半径より小さいことを特徴とする磁石回転子。
周方向に磁束密度分布を有する磁場を形成する磁石回転子であって、
リング形状を有する軟磁性の内周部と前記内周部の外周に配置した外周部を備え、
前記外周部は複数の異方性磁石片を一体に成形したボンド磁石で構成され、
前記異方性磁石片は、おのおの１軸異方性を有し、その両端部から中央部に向って厚くなり、前記内周リング部と接する面を２つの曲面で構成し、
前記異方性磁石片は、１軸異方性の方向が磁石回転子の外周から回転軸中心に向うものと、１軸異方性の方向が磁石回転子の回転軸中心から外周に向うものとが隣り合って配置されていることを特徴とする磁石回転子。
請求項１乃至３のいずれかに記載の磁石回転子において、かみこみ量Δｗが０．５ｍｍ以下であることを特徴とする磁石回転子。
請求項１乃至４のいずれかに記載の磁石回転子と、前記磁石回転子の磁場を検出する磁気センサを備えることを特徴とする回転角度検出装置。