JP4992641B2 - 回転角検出装置および回転角検出方法 - Google Patents

Description

本発明は、回転角検出装置および回転角検出方法に関するものである。

回転軸の回転角を磁気により測定するための従来の技術としては、回転軸を挟んで対向した一対の静止した磁石と、この一対の磁石の間に配置され回転軸上に設けられた１つの磁気センサとを備え、回転する磁気センサが磁石間の磁界を検出するものがある。このような装置では、一対の磁石の間に配置された磁気センサが回転軸と共に回転し、回転に応じて磁気センサからの出力信号が変化するので、出力信号の大きさに基づいて回転軸の回転角を知ることができる。回転角を磁気により測定する装置の例としては、例えば特許文献１に開示されたものある。
特許第３２６４１５１号公報

しかしながら、上述した構成の回転角検出装置においては、磁界を検出する磁気センサが１つであるために、±４５°の角度範囲でしか高い計測精度を得ることができない。そのため、回転軸の一周をつうじて回転角を精度良く検出することが困難となる。

本発明は、上記した問題点を鑑みてなされたものであり、回転軸の一周をつうじて回転角を精度良く検出できる回転角検出装置および回転角検出方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明による回転角検出装置は、回転軸の回転角を検出する回転角検出装置であって、回転軸の径方向に並置されて互いに対向する一対の磁石によって第１、第２および第３の磁界をそれぞれ発生し、回転軸の周方向に並んで配置された第１、第２および第３の磁界発生部と、第１、第２および第３の磁界発生部における一方の磁石の回転軌跡と他方の磁石の回転軌跡との間に位置し、回転軸の周方向に並置された複数の磁気センサと、を備え、回転軸の回転に応じて、第１、第２および第３の磁界発生部と複数の磁気センサとが相対的に回転し、第１および第２の磁界の方向が回転軸に対して外向き且つ第３の磁界の方向が回転軸に対して内向き、或いは、第１および第２の磁界の方向が回転軸に対して内向き且つ第３の磁界の方向が回転軸に対して外向きであり、複数の磁気センサは、第１および第２の磁気抵抗効果素子をそれぞれ有しており、第１の磁気抵抗効果素子のピン層の磁化方向は回転軸の径方向と交差しており、第２の磁気抵抗効果素子のピン層の磁化方向は回転軸の径方向に沿っていることを特徴とする。

また、本発明による回転角検出方法は、回転軸の回転角を検出する方法であって、回転軸の径方向に並置されて互いに対向する一対の磁石によって第１、第２および第３の磁界をそれぞれ発生する第１、第２および第３の磁界発生部を、回転軸の周方向に並んで配置し、第１および第２の磁気抵抗効果素子を各々有する複数の磁気センサを、第１、第２および第３の磁界発生部における一方の磁石の回転軌跡と他方の磁石の回転軌跡との間に位置するように回転軸の周方向に並置し、回転軸の回転に応じて第１、第２および第３の磁界発生部と複数の磁気センサとを相対的に回転させ、第１および第２の磁界の方向が回転軸に対して外向き且つ第３の磁界の方向が回転軸に対して内向き、或いは、第１および第２の磁界の方向が回転軸に対して内向き且つ第３の磁界の方向が回転軸に対して外向きとなるように一対の磁石を配置し、第１の磁気抵抗効果素子のピン層の磁化方向を回転軸の径方向と交差させるとともに第２の磁気抵抗効果素子のピン層の磁化方向を回転軸の径方向に沿わせ、第１の磁気抵抗効果素子によって第１および第２の磁界を検出し、第２の磁気抵抗効果素子によって第３の磁界を検出することにより回転軸の回転角を検出することを特徴とする。

上記した回転角度検出装置および回転各検出方法においては、複数の磁気センサが、第１、第２および第３の磁界発生部における一方の磁石の回転軌跡と他方の磁石の回転軌跡との間に位置し、回転軸の周方向に並置される。また、各磁気センサが有する第１の磁気抵抗効果素子のピン層の磁化方向が回転軸の径方向と交差している。これにより、磁界発生部が各磁気センサを通過する際に回転角に比例した出力信号を各磁気センサから得ることができるので、各磁気センサからの出力信号を合成することによって、回転軸の一周をつうじて回転角を精度良く得ることができる。更に、第３の磁界発生部における第３の磁界の向き（回転軸に対して内向き／外向き）が第１、第２の磁界発生部における第１、第２の磁界の向きと異なっており、第２の磁気抵抗効果素子のピン層の磁化方向が回転軸の径方向に沿っている。これにより、第２の磁気抵抗効果素子は、第３の磁界を第１、第２の磁界とは区別して検出することができる。したがって、例えば第１および第２の磁気抵抗効果素子を含む信号処理回路への電源供給が停止し、その後再起動が行われたときに、停止時の状態が起動時まで維持されていない場合でも、第３の磁界を検出している磁気センサを容易に特定できるので、別の磁気センサにおいて検出された磁界が第１、第２の磁界の何れであるかを容易に判断できる。従って、上記した回転角検出装置および回転角検出方法によれば、回転軸の一周をつうじて回転角を精度よく検出できる。

また、回転角検出装置は、第１および第２の磁界発生部が、第１および第２の磁界発生部の間に回転軸が位置するように配置されていることを特徴としてもよい。これにより、磁気センサは、第１の磁界発生部において半周分の角度を検出し、第２の磁界発生部において残りの半周分の角度を検出できる。

また、回転角検出装置は、第１、第２および第３の磁界発生部における一対の磁石が、回転軸の周方向に沿って円弧状に湾曲する形状を有することを特徴としてもよい。これにより、磁気センサと一対の磁石との距離が該磁石の一端から他端に亘ってほぼ等しくなり、磁気センサ周辺の磁場の大きさを一定にできる。或いは、第１、第２および第３の磁界発生部における一対の磁石が、回転軸の径方向と交差する方向に沿って延伸する形状を有してもよい。

また、回転角検出装置は、第３の磁界発生部の周方向位置と、第１もしくは第２の磁界発生部の周方向位置とが成す回転軸周りの角度は、隣り合う磁気センサ同士が成す回転軸周りの角度の３／２倍±５°以内であることを特徴としてもよい。これにより、第１又は第２の磁界発生部の一対の磁石間に存在する磁気センサと隣り合う磁気センサが、第３の磁界発生部の一対の磁石間に好適に存在することができる。

なお、本願で言う一対の磁石とは概ね平行な磁場を発生するものであれば良く、一対の永久磁石を径方向に並置する、或いは、永久磁石とヨークを径方向に並置するものであっても良い。

本発明による回転角検出装置および回転角検出方法によれば、回転軸の一周をつうじて回転角を精度良く検出できる。

以下、添付図面を参照しながら本発明による回転角検出装置および回転角検出方法の実施形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、本発明による回転角検出装置の一実施形態を示す図である。図１（ａ）は回転角検出装置１の平面図を示しており、図１（ｂ）は図１（ａ）に示すＩ−Ｉ線に沿った側面断面図を示している。なお、図１（ａ）において回転軸Ｒの軸方向は紙面に垂直な方向であり、図１（ａ）は回転軸Ｒの軸方向から回転角検出装置１を見た図となっている。また、図１（ｂ）において回転軸Ｒの軸方向は紙面の上下に延びており、図１（ｂ）は回転軸Ｒの中心軸線を含む断面を示している。

本実施形態に係る回転角検出装置１は、回転軸Ｒに取り付けられており、該回転軸Ｒの回転角を検出する装置である。図１（ａ）、図１（ｂ）に示すように、回転角検出装置１は、第１の磁界発生部２と、第２の磁界発生部３と、第３の磁界発生部４と、磁気センサ５ａ〜５ｄと、支持材１５とを備えている。支持材１５は、樹脂製の円形（或いは略正方形）平板状の部材である。支持材１５の中央部分には、回転軸Ｒが、その軸方向と支持材１５の厚さ方向とが一致するように挿通されており、支持材１５と回転軸Ｒとが互いに固定されている。第１、第２および第３の磁界発生部２，３，４は、支持材１５に固定され、回転軸Ｒと共に回転する。なお、第１、第２および第３の磁界発生部２，３，４の相対位置は、回転軸Ｒの回転によらず一定である。

第１の磁界発生部２は、回転軸Ｒの径方向に並置された一対の磁石６，７によって構成されている。第２の磁界発生部３は、回転軸Ｒの径方向に並置された一対の磁石８，９によって構成されている。第３の磁界発生部４は、回転軸Ｒの径方向に並置された一対の磁石１０，１１によって構成されている。第１、第２および第３の磁界発生部２，３，４は、回転軸Ｒの周方向に並置されている。第１および第２の磁界発生部２，３は、回転軸Ｒが第１および第２の磁界発生部２，３の間に位置するように回転軸Ｒ周りに１８０°の間隔で配置されている。第３の磁界発生部４は、第１の磁界発生部２又は第２の磁界発生部３の周方向位置を基準とした回転軸Ｒ周りの角度が磁気センサ５ａ〜５ｄの並置される角度の３／２倍±５°以内であり、例えば磁気センサ同士の成す角度が４５°である場合、６７．５°の角度を成すように配置されている。磁石６〜１１は、回転軸Ｒの径方向と交差する方向に沿って延伸する棒状のフェライト磁石又はネオジム磁石である。磁石６〜１１の長手方向の幅は、磁気センサ５ａ〜５ｄが検出する角度（すなわち磁気センサ同士の成す角度）よりも１０°以上大きい角度をカバーする幅であり、磁気センサ５ａ〜５ｄの検出角度を例えば４５°とすると、磁石６〜１１は５５°以上カバーできる幅を有する。第１および第２の磁界発生部２，３の磁石６〜９は、回転軸Ｒの径方向と交差する長手方向の一方の側面にＮ極６ａ，７ａ，８ａ，９ａを有し、他方の側面にＳ極６ｂ，７ｂ，８ｂ，９ｂを有する。また、第３の磁界発生部４は、回転軸Ｒの径方向と交差する長手方向の一方の側面にＳ極１０ｂ，１１ｂを有し、他方の側面にＮ極１０ａ，１１ａを有する。

第１の磁界発生部２は、磁石６，７のＮ極６ａとＳ極７ｂとが互いに対向するように支持材１５に固定されて第１の磁界を発生しており、磁界の方向は回転軸Ｒに対して外向きである。第２の磁界発生部３は、磁石８，９のＮ極８ａとＳ極９ｂとが互いに対向するように支持材１５に固定されて第２の磁界を発生しており、第１の磁界と同様に磁界の方向は回転軸Ｒに対して外向きである。また、第３の磁界発生部４は、磁石１０，１１のＳ極１０ｂとＮ極１１ａとが互いに対向するように支持材１５に固定されて第３の磁界を発生しており、磁界の方向は、回転軸Ｒに対して内向きである。

磁気センサ５ａ〜５ｄは、磁石６〜１１の間の磁界を検出するためのセンサである。磁気センサ５ａ〜５ｄは、磁石６，８，１０の回転軌跡と磁石７，９，１１の回転軌跡との間に位置し、回転軸Ｒの周方向に並置されており、図示しない支持構造によって定位置に支持・固定され、回転軸Ｒの回転とは関係なく静止している。なお本実施形態では、磁気センサ５ａ〜５ｄは、隣り合う磁気センサの周方向位置同士が回転軸周りに４５°の角度を成すように配置されている。図２に、本実施形態において用いられる磁気センサ５ａ〜５ｄの構成を示す。図２に示すように、磁気センサ５ａ〜５ｄは、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ：Giant Magneto Resistive）素子２０，２１を少なくとも有している。ＧＭＲ素子２０，２１は、同一のパッケージ内に隣り合わせで配置されている。これら一対のＧＭＲ素子２０，２１は、本実施形態における第１および第２の磁気抵抗効果素子に相当し、ＧＭＲ素子２０のピン層２０ａの磁化方向Ｂ１は回転軸Ｒの径方向と交差する（好ましくは直交する）方向に固定されており、ＧＭＲ素子２１のピン層２１ａの磁化方向Ｂ１は回転軸Ｒの径方向に沿うように（好ましくは径方向と平行に）固定されている。

続いて、磁気センサ５ａ〜５ｄの構成について更に詳細に説明する。図３は、ＧＭＲ素子の概念的な構成および作用を示す図である。図３に示すＧＭＲ素子２２は、強磁性層および反強磁性層の交換結合により磁化方向が固定されたピン層２２ａと、強磁性層からなり周囲の磁界によって磁化方向が変化するフリー層２２ｂと、ピン層２２ａおよびフリー層２２ｂに挟まれた電子誘導層２２ｃとによって構成されている。そして、ピン層２２ａの磁化方向Ｂ１とフリー層２２ｂの磁化方向Ｂ２とが互いに平行である場合に素子の電気抵抗が最小となり、ピン層２２ａの磁化方向Ｂ１とフリー層２２ｂの磁化方向Ｂ２が互いに反平行である場合に素子の電気抵抗値が最大となる。従って、ＧＭＲ素子２２の電気抵抗値を検出することにより、磁界の向きを知ることができる。例えば、図３（ａ）および（ｂ）に示すようにピン層２２ａの磁化方向Ｂ１が磁石１６のＮ極１６ａから磁石１７のＳ極１７ｂへの向きに固定されている場合を考える。図３（ａ）のようにＧＭＲ素子２２が磁石１６，１７のＮ極１６ａとＳ極１７ｂとの間に挟まれると、フリー層２２ｂの磁化方向Ｂ２は周囲の磁界に従って磁石１６のＮ極１６ａから磁石１７のＳ極１７ｂへの向きとなり、磁化方向Ｂ１と平行となって電気抵抗値が最小となる。逆に、図３（ｂ）のようにＧＭＲ素子２２が磁石１６のＳ極１６ｂと磁石１７のＮ極１７ａとの間に挟まれると、フリー層２２ｂの磁化方向Ｂ２は周囲の磁界に従って磁石１７のＮ極１７ａから磁石１６のＳ極１６ｂへの向きとなり、磁化方向Ｂ１と反平行となって電気抵抗値が最大となる。

図４（ａ）および（ｂ）は、図２に示したＧＭＲ素子２０，２１におけるピン層２０ａ，２１ａの磁化方向の設定を示す図である。また、図５は、ＧＭＲ素子２０，２１のピン層２０ａ，２１ａの磁化方向Ｂ１に対する磁化方向Ｂ２の角度に応じた出力信号値を概念的に示すグラフである。図５においては、図４（ａ）に示す状態を回転角０°としている。いま、図４（ａ）に示すように回転軸Ｒの径方向と直交する方向に沿ってピン層２０ａの磁化方向Ｂ１を設定した場合、回転角０°ではピン層２０ａの磁化方向Ｂ１が磁界の向き（Ｎ極６ａからＳ極７ｂへ）と直交しており、図５に示すようにＧＭＲ素子２０からの出力信号は中間値となる。このような場合、ＧＭＲ素子２０は、図５の中間値からグラフの四角で囲った部分、すなわち±２２．５°の範囲では、回転角度にほぼ比例する信号を出力する。

なお、図４（ｂ）に示すように回転軸Ｒの径方向と平行にピン層２１ａの磁化方向Ｂ１を設定した場合、回転角０°ではフリー層２１ｂの磁化方向Ｂ１が磁界の向き（Ｎ極６ａからＳ極７ｂへ）と逆となる。このような場合、ＧＭＲ素子２１は、図５に示すグラフの最小値を出力するが、この信号は無視される。

磁気センサ５ａ〜５ｄのＧＭＲ素子２０は、図５に示すグラフにおいて、３３７．５〜２２．５°（第１の磁界発生部２）もしくは１５７．５〜２０２．５°（第２の磁界発生部３）といった角度幅４５°の範囲において角度にほぼ比例した信号を出力する。図６に、各磁気センサ５ａ〜５ｄのから出力された信号（電圧）のグラフを示す。図６の縦軸は、出力信号の電圧［Ｖ］であり、横軸は回転角［度］である。また、縦軸のＡの範囲は第１の磁界発生部２において磁気センサ５ａ〜５ｄのＧＭＲ素子２０が検出した出力信号の範囲であり、各磁気センサ５ａ〜５ｄからの出力信号と回転角との相関を直線状に合成する為に、必要に応じて出力信号にバイアスを付加している。また、Ｂの範囲は第２の磁界発生部３において磁気センサ５ａ〜５ｄのＧＭＲ素子２０が検出した出力信号の範囲であり、各磁気センサ５ａ〜５ｄからの出力信号と回転角との相関を直線状に合成する為に、必要に応じて出力信号にバイアスを付加している。図６に示すように、例えばＡ１は第１の磁界発生部２において磁気センサ５ａから出力される信号（電圧）が適用される角度範囲であり、Ａ２は第１の磁界発生部２において磁気センサ５ｂから出力される信号が適用される角度範囲である。また、Ｂ１は第２の磁界発生部３において磁気センサ５ａから出力される信号が適用される角度範囲であり、Ｂ２は第２の磁界発生部３において磁気センサ５ｂから出力される信号が適用される角度範囲である。このように、検出された出力信号を差動増幅回路において増幅し、４５°の間隔でバイアスを印加することで、図６に示すように３６０°にわたって回転角に比例する信号を得ることができる。

次に、ＧＭＲ素子２１による第１、第２および第３の磁界の検出について説明する。ＧＭＲ素子２１は、第１の磁界発生部２の一対の磁石６，７間および第２の磁界発生部３の一対の磁石８，９間を通過する場合と、第３の磁界発生部４の一対の磁石１０，１１間を通過する場合とでは出力信号が異なる。これは、第１および第２の磁界発生部２，３の磁界の方向は回転軸Ｒに対して外向きであり、第３の磁界発生部４の磁界の方向は回転軸Ｒに対して内向きであるためである。すなわち、図４（ｂ）の説明において述べたように、ＧＭＲ素子２１が第１、第２の磁界発生部２，３を通過する際には、磁界とピン層２１ａの磁化方向Ｂ１とが反平行状態となるのでＧＭＲ素子２１からの出力信号は最小値となる。一方、ＧＭＲ素子２１が第３の磁界発生部４を通過する際には、磁界とピン層２１ａの磁化方向Ｂ１とが平行状態となるのでＧＭＲ素子２１からの出力信号は最大値となる。これにより、磁気センサ５ａ〜５ｄのＧＭＲ素子２１は、第３の磁界発生部４を選択的に検知することができる。

以下、回転角の検出について更に具体的に説明する。図７は、回転角度が０°の位置関係を示す図である。この場合、第１の磁界発生部２の一対の磁石６，７間に磁気センサ５ａがあり、第２の磁界発生部３の一対の磁石８，９間に磁気センサ５ｄがある。このとき、磁気センサ５ａは回転角０°を検出し、磁気センサ５ｄは回転角１３５°を検出している。この場合、第３の磁界発生部４の一対の磁石１０，１１間に磁気センサ５ｂがあるので、隣り合う磁気センサ５ａが出力する信号を採用する（図６のα点）。

また、図８は、回転角度が４５°の位置関係を示す図である。図８に示すように、第１の磁界発生部２の一対の磁石６，７間に磁気センサ５ａ，５ｂがあり、このとき磁気センサ５ａ，５ｂが回転角４５°を検出している（図６のβ点）。この場合、第３の磁界発生部４の一対の磁石１０，１１間に磁気センサ５ｃがあるので、隣り合う磁気センサ５ｂが出力する信号を採用する。すなわち、２つの磁気センサ５ａ，５ｂが第１の磁界発生部２の一対の磁石６，７間に存在する場合には、磁気センサ５ａ，５ｂの切り替え時であり、回転角検出装置１の信号処理回路側において判定することもできる。

図９は、回転角度が２０２．５°の位置関係を示す図である。図９に示すように、第２の磁界発生部３の一対の磁石８，９間に磁気センサ５ａがある。このとき、磁気センサ５ａは回転角２２．５°を検出している。この場合、第１の磁界発生部２の一対の磁石６，７および第３の磁界発生部４の一対の磁石１０，１１間に磁気センサ５ｂ，５ｃ，５ｄが存在しないので、磁気センサ５ａが正しい角度を検出していると判断する。そして、第３の磁界発生部４の磁界が何れの磁気センサにおいても検出されないので、第２の磁界発生部３の磁界が磁気センサ５ａにより検出されていると判別でき、１８０°が加算されて２０２．５°であると信号回路側によって判断される。

また、図１０は、回転角度が２２５°の位置関係を示す図である。図１０に示すように、第２の磁界発生部２の一対の磁石６，７間に磁気センサ５ａ，５ｂがある。このとき、磁気センサ５ａ，５ｂが回転角４５°を検出している。そして、第３の磁界発生部４の磁界が何れの磁気センサにおいても検出されないので、第２の磁界発生部３の磁界が磁気センサ５ａ，５ｂにより検出されていると判別でき、１８０°が加算されて２２５°であると信号回路側によって判断される。

本実施形態による回転角検出方法は、以上の構成を備える回転角検出装置１を用いて好適に実施できる。すなわち、本実施形態による回転角検出方法は、回転軸Ｒの回転角を検出する方法であって、回転軸Ｒの径方向に並置されて互いに対向する一対の磁石６〜１１によって第１、第２および第３の磁界をそれぞれ発生する第１、第２および第３の磁界発生部２，３，４を、回転軸Ｒの周方向に並んで配置された状態で回転軸Ｒと共に回転させる。そして、ＧＭＲ素子２０，２１を各々有する複数の磁気センサ５ａ〜５ｄを、第１、第２および第３の磁界発生部２，３，４における一方の磁石６，８，１０の回転軌跡と他方の磁石７，９，１１の回転軌跡との間に位置するように回転軸Ｒの周方向に並置し、第１および第２の磁界の方向が回転軸Ｒに対して外向き且つ第３の磁界の方向が回転軸に対して内向きにし、ＧＭＲ素子２０のピン層２０ａの磁化方向Ｂ１を回転軸の径方向と交差させるとともにＧＭＲ素子２１のピン層２１ａの磁化方向Ｂ１を回転軸Ｒの径方向に沿わせ、ＧＭＲ素子２０によって第１および第２の磁界を検出し、ＧＭＲ素子２１によって第３の磁界を検出することにより回転軸Ｒの回転角を検出する。

本実施形態の回転角検出装置１および回転角検出方法においては、複数の磁気センサ５ａ〜５ｄが、第１、第２および第３の磁界発生部２，３，４における一方の磁石６，８，１０の回転軌跡と他方の磁石７，８，１１の回転軌跡との間に位置し、回転軸Ｒの周方向に並置される。また、各磁気センサ５ａ〜５ｄが有するＧＭＲ素子２０のピン層２０ａの磁化方向Ｂ１が回転軸Ｒの径方向と直交している。これにより、各磁界発生部２，３，４が各磁気センサ５ａ〜５ｄを通過する際に回転角に比例した出力信号を各磁気センサ５ａ〜５ｄから得ることができるので、各磁気センサ５ａ〜５ｄからの出力信号を合成することによって、回転軸Ｒの一周をつうじて回転角を精度良く得ることができる。更に、第３の磁界発生部４における第３の磁界の向き（回転軸に対して内向き／外向き）が第１、第２の磁界発生部２，３における第１、第２の磁界の向きと異なっており、ＧＭＲ素子２１のピン層２１ａの磁化方向Ｂ１が回転軸Ｒの径方向に沿っている。これにより、ＧＭＲ素子２１は、第３の磁界を第１、第２の磁界とは区別して検出することができる。したがって、例えばＧＭＲ素子２０，２１を含む信号処理回路への電源供給が停止し、その後再起動が行われたときに、停止時の状態が起動時まで維持されていない場合でも、第３の磁界を検出している磁気センサ５ａ〜５ｄを容易に特定できるので、別の磁気センサ５ａ〜５ｄにおいて検出された磁界が第１、第２の磁界の何れであるかを容易に判断できる。このように、上記した回転角検出装置および回転角検出方法によれば、回転軸Ｒの一周をつうじて回転角を精度よく検出できる。

次に、本発明者が本実施形態の回転角検出装置１を試作し、回転軸Ｒの回転角を検出した結果について説明する。

図１１（ａ）は、図１に示した配置における、各磁気センサ５ａ〜５ｄのＧＭＲ素子２０からの３３７．５°〜２２．５°における出力信号（電圧）を示すグラフである。また、図１１（ａ）には理想的な計算値も示されている。また、図１１（ｂ）は、図１１（ａ）に示したＧＭＲ素子２０の出力信号と理想値との角度誤差［度］を示すグラフである。３３７．５°〜２２．５°の範囲においては、実測値と計算値とに格段の差がないことが分かる。そして、角度誤差においても、理想値との差がおよそ±０・３０［度］であり、理想的な計算値とほとんど差がない。このことから、図１のように配置し、ＧＭＲ素子２１の飽和領域の磁界を検出する場合には、磁気センサ５ａ〜５ｄからの出力信号が理想値に近づくことが見出された。

また、図１２（ａ）は、図１に示した配置における、各磁気センサ５ａ〜５ｄのＧＭＲ素子２０からの１５７．５°〜２０２．５°における出力信号（電圧）を示すグラフである。また、図１２（ａ）には理想的な計算値も示されている。また、図１２（ｂ）は、図１２（ａ）に示したＧＭＲ素子２０の出力信号と理想値との角度誤差［度］を示すグラフである。１５７．５°〜２０２．５°の範囲においても、実測値と計算値とにほとんど差がないとことが分かる。そして、角度誤差においても、理想値との差がおよそ±０・２０［度］であり、検出された回転軸の回転角が理想的な計算値に近いことが分かる。このことから、図１のように配置し、ＧＭＲ素子２０の飽和領域の磁界を検出することにより、磁気センサ５ａ〜５ｄからの出力信号が理想値に近づくことが見出された。

図１３は、ＧＭＲ素子２０のＨ−Ｒ（磁界−電気抵抗）曲線を示す図である。この実施形態においては、ＧＭＲ素子２０のＨ−Ｒ曲線における飽和領域側のみの磁界を利用して回転軸Ｒの回転角を検出した。図１３に示すように、飽和領域は、例えばＧＭＲ素子２０が１８０°から±２２．５度（１５７．５°、２０２．５°）の時にＨ−Ｒ曲線を概ね直線で近似した場合の直線Ｌから外れる点を変曲点と規定し、変曲点よりも外側となる領域である。ＧＭＲ素子２０は、飽和領域側の磁界のみを検出対象として設定する。図１４は、ＧＭＲ素子２０の飽和領域および非飽和領域における回転角の検出値と、理想的な計算値との誤差を示すグラフである。図１４に示すように、非飽和領域において検出された回転角度の誤差は、計算値に対して±２．５０［度］の範囲内であるのに対し、飽和領域において検出された回転角度の誤差は±０．５０［度］の範囲内に収まっている。

本発明による回転角検出装置および回転角検出方法は、上記した実施形態に限られるものではなく、他に様々な変形が可能である。例えば、上記実施形態では、磁石６〜１１が回転軸Ｒの径方向と交差する方向に沿って延伸する棒状のものを用いたが、湾曲した磁石を用いてもよい。これにより、磁気センサと一対の磁石との距離が該磁石の一端から他端に亘ってほぼ等しくなり、磁気センサ周辺の磁場の大きさを一定にできる。

また、上記実施形態では第１および第２の磁界の向きを回転軸Ｒに対して外向きとし、第３の磁界の向きを回転軸Ｒに対して内向きとしたが、第１および第２の磁界の向きを回転軸Ｒに対して内向きとし、第３の磁界の向きを回転軸Ｒに対して外向きとしてもよい。

また、上記実施形態では第１、第２および第３の磁界発生部を回転させる構造としたが、複数の磁気センサを回転させる構造としてもよい。

本発明による回転角検出装置の一実施形態の構成を示す図である。（ａ）回転角検出装置の平面図を示している。（ｂ）（ａ）に示すＩ−Ｉ線に沿った側面断面図を示している。 本実施形態において用いられる磁気センサの構成を示す図である。 ＧＭＲ素子の概念的な構成および作用を示す図である。 （ａ）（ｂ）図２に示したＧＭＲ素子におけるピン層の磁化方向の設定例を示す図である。 図４（ａ）の設定に対応するＧＭＲ素子からの出力信号値を概念的に示すグラフである。 各磁気センサから出力された信号を合成した結果を示すグラフである。 回転角０°における各磁界発生部と磁気センサとの位置関係を示す図である。 回転角４５°における各磁界発生部と磁気センサとの位置関係を示す図である。 回転角２０２．５°における各磁界発生部と磁気センサとの位置関係を示す図である。 回転角２２５°における各磁界発生部と磁気センサとの位置関係を示す図である。 （ａ）図１に示した配置における、ＧＭＲ素子からの出力信号を示すグラフである。（ｂ）（ａ）に示したＧＭＲ素子の出力信号と理想値との角度誤差を示すグラフである。 （ａ）図１に示した配置における、ＧＭＲ素子からの出力信号を示すグラフである。（ｂ）（ａ）に示したＧＭＲ素子の出力信号と理想値との角度誤差を示すグラフである。 ＧＭＲ素子のＨ−Ｒ（磁界−電気抵抗）曲線を示す図である。 ＧＭＲ素子の飽和領域および非飽和領域における回転角の検出値と、理想的な計算値との誤差を示すグラフである。

符号の説明

１…回転角検出装置、２…第１の磁界発生部、３…第２の磁界発生部、４…第３の磁界発生部、５ａ〜５ｄ…磁気センサ、６〜１１…磁石、２０…ＧＭＲ素子（第１の磁気抵抗効果素子）、２１…ＧＭＲ素子（第２の磁気抵抗効果素子）、２２…ＧＭＲ素子、２０ａ〜２２ａ…ピン層、Ｒ…回転軸、Ｂ１…磁化方向。

Claims (6)

1. 回転軸の回転角を検出する回転角検出装置であって、
   前記回転軸の径方向に並置されて互いに対向する一対の磁石によって第１、第２および第３の磁界をそれぞれ発生し、前記回転軸の周方向に並んで配置された第１、第２および第３の磁界発生部と、
   前記第１、第２および第３の磁界発生部における一方の前記磁石の回転軌跡と他方の前記磁石の回転軌跡との間に位置し、前記回転軸の周方向に並置された複数の磁気センサと、
   を備え、
   前記回転軸の回転に応じて、前記第１、第２および第３の磁界発生部と前記複数の磁気センサとが相対的に回転し、
   前記第１および第２の磁界の方向が前記回転軸に対して外向き且つ前記第３の磁界の方向が前記回転軸に対して内向き、或いは、前記第１および第２の磁界の方向が前記回転軸に対して内向き且つ前記第３の磁界の方向が前記回転軸に対して外向きであり、
   前記複数の磁気センサは、第１および第２の磁気抵抗効果素子をそれぞれ有しており、
   前記第１の磁気抵抗効果素子のピン層の磁化方向は前記回転軸の径方向と交差しており、前記第２の磁気抵抗効果素子のピン層の磁化方向は前記回転軸の径方向に沿っていることを特徴とする、回転角検出装置。
2. 前記第１および第２の磁界発生部は、前記回転軸が前記第１および第２の磁界発生部の間に位置するように配置されていることを特徴とする、請求項１に記載の回転角検出装置。
3. 第１、第２および第３の磁界発生部における前記一対の磁石が、前記回転軸の周方向に沿って円弧状に湾曲する形状を有することを特徴とする、請求項１または２に記載の回転角検出装置。
4. 第１、第２および第３の磁界発生部における前記一対の磁石が、前記回転軸の径方向と交差する方向に沿って延伸する形状を有することを特徴とする、請求項１または２に記載の回転角検出装置。
5. 前記第３の磁界発生部の周方向位置と、前記第１もしくは前記第２の磁界発生部の周方向位置とが成す前記回転軸周りの角度は、隣り合う前記磁気センサ同士が成す前記回転軸周りの角度の３／２倍±５°以内であることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の回転角検出装置。
6. 回転軸の回転角を検出する方法であって、
   前記回転軸の径方向に並置されて互いに対向する一対の磁石によって第１、第２および第３の磁界をそれぞれ発生する第１、第２および第３の磁界発生部を、前記回転軸の周方向に並んで配置し、第１および第２の磁気抵抗効果素子を各々有する複数の磁気センサを、前記第１、第２および第３の磁界発生部における一方の前記磁石の回転軌跡と他方の前記磁石の回転軌跡との間に位置するように前記回転軸の周方向に並置し、前記回転軸の回転に応じて前記第１、第２および第３の磁界発生部と前記複数の磁気センサとを相対的に回転させ、
   前記第１および第２の磁界の方向が前記回転軸に対して外向き且つ前記第３の磁界の方向が前記回転軸に対して内向き、或いは、前記第１および第２の磁界の方向が前記回転軸に対して内向き且つ前記第３の磁界の方向が前記回転軸に対して外向きとなるように前記一対の磁石を配置し、
   前記第１の磁気抵抗効果素子のピン層の磁化方向を前記回転軸の径方向と交差させるとともに前記第２の磁気抵抗効果素子のピン層の磁化方向を前記回転軸の径方向に沿わせ、前記第１の磁気抵抗効果素子によって前記第１および第２の磁界を検出し、前記第２の磁気抵抗効果素子によって前記第３の磁界を検出することにより前記回転軸の回転角を検出することを特徴とする、回転角検出方法。

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