JP5064492B2 - 磁気式回転角検出器 - Google Patents

Description

本発明は、回転移動体の位置検出に用いられる磁気式回転角検出器に関する。

従来の磁気式回転角検出器は、例えば特許文献１の第１図に示されているように、回転ドラムの外周に着磁ピッチλで交番着磁された磁気媒体がつくる磁界を、磁気センサにて検出するものである。磁気センサには磁気抵抗効果素子（ＭＲ素子）が用いられ、該磁気センサは、磁界に対して電気抵抗が変化するというＭＲ素子の性質を利用するものである。ＭＲ素子の抵抗変化率は、磁界の方向に殆ど関係なく磁界の大きさに依存する。回転ドラムが回転することによる磁界の強度変化をＭＲ素子で検知し、これにより得られる正弦波状の出力信号から回転角度を検出することができる。

回転角度検出の高分解能化と高精度化のためには、磁気センサからの正弦波状の出力信号を電気的に内挿することで実現できるが、これは磁気センサ出力の正弦波の歪みが小さく理想的な正弦波に近いことが条件になる。しかし、ＭＲ素子単体の出力は、磁界強度とＭＲ感度特性とが非線形であることから、多くの場合、磁気センサの出力波形は、理想的な正弦波とはならず、高調波の歪みが重畳される。

磁気センサの正弦波状の出力信号から上述の高調波成分を除去するためには、ｎ次高調波に対し、互いにλ／ｎだけ離れた素子同士の出力を差し引くか、あるいはλ／（２ｎ）だけ離れた素子同士の出力を足し合わせることにより、ｎ次の高調波成分を相殺することにより実現できる。
このように、ＭＲ素子の配置と、信号の差動または加算の演算とにより、磁気センサの出力信号から高調波成分を除去することで理想正弦波に近い出力信号を得ることができ、回転体の位置および回転角度を高精度で検出することができる。

特許第２５２９９６０号

上述したように、磁気センサの出力信号から高調波成分を除去するには、互いに所定の間隔だけ離れたＭＲ素子同士の出力を加算または減算することで実現できる。しかし、回転ドラムは円弧状であるのに対し、磁気センサは平板状である。よって、回転ドラムと各ＭＲ素子との間の実効的な距離の違いにより、各ＭＲ素子が受ける磁界強度が異なる。
その結果、各ＭＲ素子の出力信号振幅にアンバランスが生じる。これにより、各ＭＲ素子の出力の加算または減算を行っても、逆位相で相殺しきれない成分が残る。よって、磁気センサの出力信号波形に高調波歪みが残り、回転検出の高精度化の妨げになっていた。

尚、特開昭５６−９０２１３号公報には、ＭＲ素子を利用した位置検出器において、磁気記憶媒体に対する磁気センサの距離について周囲温度変化の影響を受けにくくする機構が開示されている。しかしながら、当該公報の発明では、磁気センサの中心に対して各ＭＲ素子を仮に対称に配置したとしても、各ＭＲ素子からの信号出力の差動の方向を反転させていない。よって、当該公報の発明では、対称配置による高調波成分のキャンセル機能は働かない。

また、ＭＲ素子は、磁界の方向に対して出力にわずかな違いが見られる。これはヒステリシスと呼ばれる。ヒステリシスは、磁界の方向、すなわち極性により素子感度が異なるために見られる現象である。交番着磁されたドラムが回転することにより、Ｓ極およびＮ極がＭＲ素子を交互に通過し、ＭＲ素子から、１波ごとに交互に振幅と波形とが異なる出力が得られる。

よって、ヒステリシスの影響を除去するには、互いにλ、または（２ｎ＋１）λ（ｎは整数）だけ離れたＭＲ素子同士の出力を足し合わせる。これにより、２波分を平均化して、極性によるＭＲ素子の感度の違いを相殺し、ヒステリシスの影響を除去することができる。

しかし、上述のように、回転ドラムと各ＭＲ素子との間の実効的な距離の違いにより、各ＭＲ素子が受ける磁界強度は異なる。よって、各ＭＲ素子の出力信号振幅にアンバランスが生じる。その結果、磁気センサの出力信号波形からヒステリシスの除去が不完全となり、回転検出の高精度化の妨げになっていた。

尚、特開昭６２−１９２６１５号公報には、磁気エンコーダ用磁気ヘッドにおいて、ＭＲ素子を（２ｕ−１）λ（ｕは正の整数）の間隔で配置することで、ヒステリシスを消去することが開示されている。しかしながら当該公報は、基板の対称軸を中心にしてＭＲ素子を対称に配置することを開示していない。

又、特開平３−２５７３２６号公報には、磁気センサにおいて、小型化のために、正弦波信号出力部を形成するＭＲ素子と、余弦波信号出力部を形成するＭＲ素子とを同数ずつ交互に配列することが開示されている。しかしながら当該公報は、ＭＲ素子に接続される電源端子及び接地端子の配置位置について、一切、開示していない。

さらに特開２００５−２１４９２０号公報には、磁気センサにおいて、高調波成分を除去するため、複数のＭＲ素子から得られる変位検出信号を重ね合わせることが開示されている。又、当該公報では、ＭＲ素子を対称に配置する旨の記載はあるものの、それ以外の結線方法でも良い旨を記載しており、上記対称配置の優位性については何ら記載していない。

本発明は、上述したような問題点を解決するためになされたもので、回転体の位置および回転角度を高精度にて検出可能な、磁気式回転角検出器を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は以下のように構成する。
即ち、本発明の第１態様における磁気式回転角検出器は、円弧状の外周にその周方向に沿って着磁ピッチλで交番着磁された磁気媒体を有し上記周方向へ回転する回転ドラムと、上記外周に対向して配置される基板に互いに平行に配列され上記回転ドラムの回転に伴う上記磁気媒体の磁界の強度変化を検出する複数の磁気センサ素子とを有する磁気式回転角検出器において、それぞれ複数の上記磁気センサ素子を有する素子群と、各素子群の出力端が接続される差動増幅器とを備える。ここで、上記素子群は、各素子群の出力信号から２次以上の高調波成分を互いに相殺する配列にて上記磁気センサ素子を配置し、かつ上記基板に対称軸を中心にして線対称にて配置される。上記対称軸は、上記回転ドラムの径方向に延びる直線上の一点であり全ての上記磁気センサ素子に対する上記基板上の重心位置を通り上記回転ドラムの回転軸に平行な軸である。それぞれの上記素子群に備わる上記磁気センサ素子は、それぞれ同一形態にてかつ上記対称軸を中心にして線対称にて上記基板に配列される。それぞれの素子群に備わり上記磁気センサ素子に接続される電源端子及び接地端子は、素子群間において上記対称軸を中心にして線対称に配置される。上記差動増幅器からの出力信号に基づいて上記回転ドラムの位置及び回転角を検出することを特徴とする。

本発明の第１態様における磁気式回転角検出器によれば、対称軸を中心に線対称にて基板に素子群を配置する。それぞれの素子群には、それぞれ同一形態にて基板上に磁気センサ素子が配列される。各素子群における磁気センサ素子は、対称軸を中心にして線対称にて配置されている。したがって、ｎ次の高調波成分を互いに打ち消して相殺するように配置した素子による高調波除去が不十分だったとしても、対称性を利用して再度除去することができる。また、磁気センサ素子のヒステリシスに起因する歪みについても同様に除去することができる。その結果、ｎ次高調波歪み及びヒステリシスによる歪みをほぼ完全又は完全に除去できるので、回転ドラムの位置及び角度を高精度に検出することができる。

本発明の実施の形態１による磁気式回転角検出器の全体構成を示す斜視図である。 図１に示す磁気式回転角検出器に備わる磁気センサ素子の配置を示した図である。 図１に示す磁気式回転角検出器に備わる磁気センサ素子の配線図である。 磁気センサ素子を線対称に配置しない場合を説明するための図である。 磁気センサ素子を線対称に配置した場合を説明するための図である。 本発明の実施の形態２による磁気式回転角検出器に備わる磁気センサ素子の配置を示した図である。 図５に示す磁気式回転角検出器に備わる磁気センサ素子の配線図である。

符号の説明

１ 磁気ドラム、 ２ 磁気検出器、 ２ｂ 対称軸、 ３ 差動増幅器、
１１ 磁気媒体、 １２ 回転軸、 ５０ 磁気センサ素子、
５１，５２ 素子群、 ５９ 重心位置、 ６３，６４ 素子群、 ６９ 重心位置、
１０１、１０２ 磁気式回転角検出器。

本発明の実施形態である磁気式回転角検出器について、図を参照しながら以下に説明する。尚、各図において、同一又は同様の構成部分については同じ符号を付している。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１よる磁気式回転角検出器１０１を示す構成図である。磁気式回転角検出器１０１は、回転体の一例であり回転ドラムに相当する磁気ドラム１と、磁気センサ素子５０と、差動増幅器３とを備え、差動増幅器３からの出力信号に基づいて磁気ドラム１の位置及び回転角を検出する。

磁気ドラム１は、円形回転体の外周部全周に磁気媒体１１を有し、回転軸１２を中心に周方向１ｃに回転する。磁気媒体１１には、周方向１ｃに沿って着磁ピッチλにて磁極が交番着磁されている。

磁気検出器２は、磁気媒体１１に非接触で近接して対向して配置される平板にてなる基板２ａにて形成され、該基板２ａには、磁気媒体１１にて形成される磁場を検知する複数の磁気センサ素子５０が配列されている。磁気センサ素子５０として、磁気抵抗効果素子（ＭＲ素子）や、巨大磁気抵抗効果素子（ＧＭＲ素子）などが使用可能である。実施形態１及び後述の実施形態２では、磁気センサ素子として磁気抵抗効果素子（以下、「ＭＲ」又は「ＭＲ素子」と記す。）を使用する。本実施形態１では、ＭＲ１１１、ＭＲ１１２、ＭＲ１２１、ＭＲ１２２が以下に説明する所定の距離をあけて配置されている。尚、ＭＲ１１１，１１２、１２１、１２２は、その長手方向が磁気媒体１１における磁極の配列方向、換言すると磁気ドラム１の周方向１ｃ、と直交するように配置される。

図２は、磁気ドラム１と、磁気検出器２に備わる素子ＭＲ１１１、ＭＲ１１２、ＭＲ１２１、ＭＲ１２２との相対的な位置関係を模式的に示したものである。磁気検出器２の基板２ａには、図示するように、ＭＲ１１１、１１２、１２１，１２２が互いに平行に配列される。又、これらＭＲ１１１、１１２、１２１，１２２における基板２ａ上の重心位置について、符号「５９」を付す。このような重心位置５９が、図１に示すように、磁気ドラム１の径方向１ａに延びる直線１ｂ上に位置するようにして、磁気検出器２の基板２ａは、磁気媒体１１に対向して非接触に配置される。又、磁気ドラム１の回転軸１２に平行で、重心位置５９を通る直線を対称軸２ｂとする。ＭＲ１１１，１１２、１２１、１２２のそれぞれは、対称軸２ｂに平行に配置されている。

さらに、ＭＲ１１１及びＭＲ１１２にて一方の素子群５１を形成し、ＭＲ１２１及びＭＲ１２２にて他方の素子群５２を形成している。素子群５１と素子群５２とは、対称軸２ｂを中心として線対称にて基板２ａに配置され、各素子群５１，５２では、それぞれ同一形態にて素子ＭＲが配列されている。つまり、素子群５１におけるＭＲ素子の数、隣接するＭＲ素子間の距離、及び電気的接続状態と、素子群５２におけるそれらとは、同一である。又、各素子群５１，５２において、ＭＲ１１１，１１２，１２１，１２２は、素子群５１、５２のそれぞれの出力信号から２次以上の高調波成分を互いに相殺するように配置される。さらに、素子群５１及び素子群５２に配列されているＭＲ１１１，１１２，１２１，１２２は、対称軸２ｂを中心として線対称にて又はほぼ線対称にて配置されている。
尚、各素子群５１，５２に備わるＭＲ素子の数は、本実施形態の２つに限定されず、複数とすることができる。

又、ＭＲ１１１及びＭＲ１１２、並びに、ＭＲ１２１及びＭＲ１２２は、それぞれ、互いにλ／ｎ（ｎは２以上の整数）の距離をあけて配置されている。又、ＭＲ１１１とＭＲ１２１とは、互いにλだけ離れている。尚、ＭＲ１１１とＭＲ１２１との間の距離、つまり各素子群５１，５２において同位置に配列された一対のＭＲ素子間の距離は、λに限定されず、一般的にはλの（２ｍ＋１）倍（ここでｍは整数）に設定することができる。

一方、ＭＲ１１１、ＭＲ１１２、ＭＲ１２１、ＭＲ１２２は、図３に示すように、ホイーストンブリッジ接続し、ＭＲ１１１とＭＲ１１２とを直列接続して、ＭＲ１１１側を接地しＭＲ１１２側を電源に接続する。同様に、ＭＲ１２１とＭＲ１２２とを直列接続して、ＭＲ１２２側を接地しＭＲ１２１側を電源に接続する。
又、図２に示すように、ホイーストンブリッジの出力端子Ａ１、Ａ２は、差動増幅器３に接続される。差動増幅器３は、素子群５１及び素子群５２の差動電圧を出力する。

次に、上述のように構成した磁気式回転角検出器１０１による、磁気ドラム１の位置及び回転角を高精度に検出する方法について述べ、出力信号に含まれる高調波歪み、及びヒステリシスによる歪みが効果的に除去されることについて述べる。

ＭＲ１１１とＭＲ１１２とは互いにλ／ｎの距離だけ離れているので、両者の差動をとることにより、原理的にはｎ次高調波成分を打ち消しあい、除去することができる。しかし、磁気媒体１１が円弧状であるのに対してＭＲ１１１等を設けた基板２ａは平面であることから、実際には、磁気媒体１１の表面に対するＭＲ１１１とＭＲ１１２との距離は、異なる。よって、ＭＲ１１１とＭＲ１１２との出力振幅には差が生じる。したがって、ＭＲ１１１及びＭＲ１１２の出力の差動をとったとしても、振幅の差の分だけ高調波歪みの成分が残ってしまう。該現象は、磁気ドラム１の直径が小さいほど顕著であり、検出の高精度化の妨げになる。これと同様に、ＭＲ１２１とＭＲ１２２との差動をとる場合でも、高調波歪みの成分が残る。

出力端子Ａ１およびＡ２の出力信号電圧をそれぞれＶ１およびＶ２とする。ＭＲ１１１及びＭＲ１１２のペアと、ＭＲ１２１及びＭＲ１２２のペアとは、互いにλだけ離れた位置に配置され、かつ、電源側と接地側との極性が逆になっている。したがって、Ｖ１とＶ２の信号の主成分Ｓ１及びＳ２は、振幅は同一であるが位相は反転している。即ち、

Ｓ１＝−Ｓ２ ・・・（式１）
となる。

一方、ＭＲ１１１とＭＲ１１２との差動をとったときに、出力振幅のアンバランスのために除去できなかった高調波の歪み成分は、次のように表すことができる。
ＭＲ１１１とＭＲ１１２の差動により生じる歪み成分ｈ１は、ブリッジ回路による差動出力のアンバランスにより残るものであるが、これを近似的に電源側の素子出力から接地側の素子出力の差分をとるという形で表現をすると、

ｈ１＝ｈＭＲ１１２−ｈＭＲ１１１ ・・・（式２）
となる。ここでｈＭＲ１１１及びｈＭＲ１１２は、それぞれＭＲ１１１及びＭＲ１１２に起因する高調波歪み成分である。

同様に、ＭＲ１２１及びＭＲ１２２のペアでは、歪み成分ｈ２は、
ｈ２＝ｈＭＲ１２１−ｈＭＲ１２２ ・・・（式３）
となる。

磁界強度に対する感度特性は、どの素子ＭＲでもほとんど変わらないとすると、ｈＭＲ１１１、ｈＭＲ１１２、ｈＭＲ１２１、ｈＭＲ１２２の大きさは、それぞれ磁気媒体１１と各素子ＭＲとの実効的な距離のみに依存するから、ｆを関数とすると、

ｈ１＝ｆ（ｄ１１２）−ｆ（ｄ１１１） ・・・（式４）
ｈ２＝ｆ（ｄ１２１）−ｆ（ｄ１２２） ・・・（式５）
と表すことができる。ここで、ｄ１１１、ｄ１１２、ｄ１２１、ｄ１２２は、磁気媒体１１と各素子ＭＲとの実効的な距離である。

ＭＲ１１１、１１２、１２１、１２２の配置は、重心位置５９に対して線対称であるので、ｄ１１１＝ｄ１２２、ｄ１１２＝ｄ１２１である。よって、

ｈ１＝ｈ２ ・・・（式６）
となり、出力端子Ａ１及びＡ２からの出力に含まれる歪み成分は、振幅及び極性が同一になる。

以上より、出力信号Ｖ１及びＶ２は、その主成分Ｓ１、Ｓ２と、歪みｈ１、ｈ２との和であるから、

Ｖ１＝Ｓ１＋ｈ１ ・・・（式７）
Ｖ２＝Ｓ２＋ｈ２ ・・・（式８）
である。ただし、上述したように、Ｓ１＝−Ｓ２，ｈ１＝ｈ２である。

出力端子Ａ１及びＡ２は、差動増幅器３に入力されるので、差動出力Ｖ１−Ｖ２は、

Ｖ１−Ｖ２＝（Ｓ１＋ｈ１）−（Ｓ２＋ｈ２）
＝（Ｓ１＋ｈ１）−（−Ｓ１＋ｈ１）
＝２×Ｓ１ ・・・（式９）
となる。

このように、ブリッジ回路による差動で除去し切れなかった歪み成分ｈ１及びｈ２を、本構成により、ほぼ完全又は完全に除去することができる。

以上説明したように、円弧状の磁気ドラム１と平板状の磁気検出器２とを組み合わせた構成において、磁気ドラム１の曲率により、各ＭＲ素子と磁気ドラム１との実効的な距離が異なる場合であっても、各素子群間において対応するＭＲ素子同士を同距離に配置し、かつ、各素子群間において電源側と接地側との極性を逆にし、かつ重心位置５９に対して各ＭＲ素子を線対称に配置することで、ｎ次高調波歪み成分をほぼ完全又は完全に除去することができ、回転体の位置及び回転角度を高精度に検知することが可能となる。

同様にヒステリシスによる歪みについても以下のようにほぼ完全又は完全に除去することができる。
ヒステリシスは、主に磁界の極性によるＭＲ素子の感度の違いにより生じるものである。原理的には、距離λだけ離れたＭＲ素子同士の出力を加算することにより、その平均化効果によりヒステリシスを除去することができる。しかし、磁気ドラム１の回転中心から径方向１ａへ延びる直線上に重心位置５９が存在せず、重心位置５９に対して各ＭＲ素子が線対称に配置されていない場合には、各ＭＲ素子と磁気ドラム１との実効的な距離は異なってしまう。よって、各ＭＲ素子が受ける磁界強度が異なるため、ヒステリシスを完全に除去することができない。以上の説明を図４Ａ及び図４Ｂを用いて以下に説明する。

図４Ａは、端子Ａ１に接続される素子群ＭＲＳ１と、端子Ａ２に接続される素子群ＭＲＳ２が、上記対称軸２ｂに対して対称に配置されていない場合を示す。
図２に示すように、各素子群ＭＲＳ１とＭＲＳ２では電源側と接地側とが逆転しているので、端子Ａ１及び端子Ａ２における信号は、互いに極性が反転している。そして、端子Ａ１と端子Ａ２との信号を差動増幅器３で増幅することから、実質的には、端子Ａ１及び端子Ａ２における出力信号の加算演算が行われる。端子Ａ１と端子Ａ２との出力信号は、磁界の方向に対するＭＲ素子の感度と、磁気ドラム１とＭＲ素子との実効的な距離とに依存する。ｆｓ及びｆｎを磁界の方向に対する感度をあらわす関数とすれば、図４Ａに示す構成における最終出力、つまり差動増幅器からの出力は、端子Ａ１と端子Ａ２との出力信号の加算になる。よって、

［最終出力（ａ）］＝Ａ１＋Ａ２
＝ｆｓ（ｄ１）＋ｆｎ（ｄ２） ・・・（式１０）
となる。ここで、ｄ１、ｄ２は、図示するように、素子群ＭＲＳ１及び素子群ＭＲＳ２と磁気ドラム１との距離である。

また、式１０の状態から磁気ドラム１が着磁ピッチλだけ回転すると、素子群ＭＲＳ１およびＭＲＳ２が受ける磁場の方向が反転するから、

［最終出力（ａ）］＝Ａ１＋Ａ２
＝ｆｎ（ｄ１）＋ｆｓ（ｄ２） ・・・（式１１）
となる。

図４Ａの構成では、素子群ＭＲＳ１及び素子群ＭＲＳ２は線対称に配置されていないので、距離ｄ１と距離ｄ２とは等しくない。よって、式１０と式１１とは明らかに異なる。すなわち、磁気ドラム１が回転したときに、１波ごとに最終出力振幅が異なる。よって、ヒステリシスの影響を完全に取り除くことができない。

一方、図４Ｂは、端子Ａ１に接続されている素子群ＭＲＳ１と、端子Ａ２に接続されている素子群ＭＲＳ２とが、上記対称軸２ｂに対して線対称に配置されている場合を示す。この場合の最終出力（ｂ）は、上述の最終出力（ａ）の場合と同様に考えることができるが、ｄ２＝ｄ１である点が異なる。

［最終出力（ｂ）］＝Ａ１＋Ａ２
＝ｆｓ（ｄ１）＋ｆｎ（ｄ２）
＝ｆｓ（ｄ１）＋ｆｎ（ｄ１） ・・・（式１２）
となる。

また、式１２の状態から磁気ドラム１が着磁ピッチλだけ回転すると、素子群ＭＲＳ１及びＭＲＳ２が受ける磁場の方向が反転するから、

［最終出力（ｂ）］＝Ａ１＋Ａ２
＝ｆｎ（ｄ１）＋ｆｓ（ｄ２）
＝ｆｎ（ｄ１）＋ｆｓ（ｄ１） ・・・（式１３）
となるので、式１２と式１３は全く同一となる。

このように、図４Ｂに示す構成によれば、即ち、素子群ＭＲＳ１と素子群ＭＲＳ２とが対称軸２ｂに対して線対称に配置した構成によれば、ＭＲ素子が磁場方向による感度差を有するとしても、各素子群ＭＲＳ１、ＭＲＳ２からは同一の出力を得ることができる。よって、ヒステリシスによる波形の歪みをほぼ完全又は完全に除去することができる。

以上説明したように、本実施形態の磁気式回転角検出器１０１によれば、ｎ次高調波歪み及びヒステリシスによる歪みをほぼ完全又は完全に除去できるので、回転体の位置及び角度を高精度に検出することができる。

実施の形態２．
図５は、本発明の実施の形態２における磁気式回転角検出器１０２の構成を示す図である。磁気式回転角検出器１０２の構成は、磁気式回転角検出器１０１の構成に対して、磁気センサ素子の配置が異なる以外、同一である。よって、同一構成部分についてはここでの説明を省略し、以下には、相違点である磁気センサ素子の配置形態について説明を行う。尚、磁気式回転角検出器１０２における、磁気センサ素子を配列した基板２ａを有する磁気検出器について、符号「６２」を付す。

磁気検出器６２の基板２ａには、図５に示すように、重心位置６９を通る対称軸２ｂを中心として線対称に、２つの素子群６３，６４が配置されている。それぞれの素子群６３，６４には、平板にてなる基板２ａに同一形態にて配列されかつ対称軸としての直線２ｂを中心にして線対称にて、以下に説明する距離にて、各磁気センサ素子が配列されている。素子群６３は、磁気センサ素子としてのＭＲ１３１〜１３８を有し、素子群６４は、ＭＲ１４１〜１４８を有する。尚、各素子群６３，６４に備わるＭＲの数は、本実施形態における８つに限定されず、複数とすることができる。ＭＲ１３１〜１３８、１４１〜１４８は、互いに平行に配列され、又、その長手方向が磁気媒体１１における磁極の配列方向と直交するように配置される。尚、重心位置６９は、ＭＲ１３１〜１３８及びＭＲ１４１〜１４８に対する重心位置である。該重心位置６９は、上述の重心位置５９と同様に、上記直線１ｂ上に位置しかつ対称軸２ｂが通過する。

ＭＲ１３１〜１３８、１４１〜１４８の配置は、以下のようになっている。
まず、ＭＲ１３１とＭＲ１３２、ＭＲ１３３とＭＲ１３４、ＭＲ１３５とＭＲ１３６、ＭＲ１３７とＭＲ１３８の各ペアにおける素子間の距離は、すべてλ／１０である。ＭＲ１３１とＭＲ１３３との間の距離、及びＭＲ１３５とＭＲ１３７との間の距離は、それぞれλ／６である。さらに、ＭＲ１３１とＭＲ１３５との間の距離は、λ／２である。また、ＭＲ１４１〜１４８における配置距離も、ＭＲ１３１〜１３８の場合に同様である。さらに、ＭＲ１３１とＭＲ１４１との距離は、（１５／１４）λである。

尚、２つの素子群６３，６４がそれぞれ８つのＭＲを有する場合、上述のＭＲ１３１とＭＲ１４１とに相当するような、素子群間にて同位置に配列された一対の磁気センサ素子間の距離は、上記（１５／１４）λに限定するものではなく、一般的に、（２ｍ＋１±（１／１４））λに設定することができる。ここで、ｍは整数である。

図６には、ＭＲ１３１〜１３８、１４１〜１４８までの１６個の磁気センサ素子の電気的配線を示す。ＭＲ１３１からＭＲ１３８が直列接続され、同様にＭＲ１４１からＭＲ１４８も直列接続される。これらの中点電位の出力端子をＡ１及びＡ２とし、端子Ａ１及び端子Ａ２は、差動増幅器３に接続される。
上述した各ＭＲ素子の配置距離、及び電気的配線状態によれば、端子Ａ１、Ａ２から出力される信号において高調波成分を互いに相殺することができる。

このように構成される磁気式回転角検出器１０２における動作、つまり回転検出方法について説明する。
まず、ＭＲ１３１からＭＲ１３４の４本の磁気センサ素子は、折り返し配線になっており、電気的に直列に接続されている。よって、ＭＲ１３１〜１３４では、４本の磁気センサ素子単体の出力の和と等価の信号が出力される。同様に、ＭＲ１３５からＭＲ１３８も直列に接続されており、ＭＲ１３５〜１３８でも、４本の磁気センサ素子単体の出力の和と等価の信号が出力される。この結果、端子Ａ１の出力は、ＭＲ１３１〜１３４の和と、ＭＲ１３５〜１３８の和との差動をとったものとなる。

一方、ｎ次の高調波歪みは、互いにλ／ｎだけ離れた素子同士の出力の差動をとるか、λ／（２ｎ）だけ離れた素子同士の出力を足し合わせることにより、ｎ次成分を打ち消し合い除去することができる。図５の配置では、ＭＲ１３１とＭＲ１３２、ＭＲ１３３とＭＲ１３４、ＭＲ１３５とＭＲ１３６、ＭＲ１３７とＭＲ１３８の各ペアでは、λ／１０の距離にて離れた磁気センサ素子同士の出力を加算するのと等価である。よって、上記各ペアにより、５次高調波歪みを除去することができる。

また、ＭＲ１３１とＭＲ１３３、ＭＲ１３２とＭＲ１３４、ＭＲ１３５とＭＲ１３７、ＭＲ１３６とＭＲ１３８の各ペアでは、λ／６の距離にて離れた磁気センサ素子同士の出力を加算するのと等価である。よって、これらのペアにより、３次高調波歪みを除去することができる。

さらに、ＭＲ１３１〜１３４の各磁気センサ素子群と、ＭＲ１３５〜１３８の磁気センサ素子群とにおいて、それぞれ対応する磁気センサ素子は、互いにλ／２だけ離れて配置されている。例えば、ＭＲ１３１とＭＲ１３５、ＭＲ１３２とＭＲ１３６、…の各ペアは、互いにλ／２離れて配置されている。そして、端子Ａ１は、ＭＲ１３１〜１３４の各磁気センサ素子群と、ＭＲ１３５〜１３８の磁気センサ素子群との差動をとる構成となっている。よって、該構成によれば、逆位相の信号を加算することと同等の効果となるので、２次高調波、さらに、偶数次高調波も除去することができる。
これまでの構成によれば、端子Ａ１の出力は、偶数次、３次、５次の各高調波を除去した信号となることがわかる。
同様に、ＭＲ１４１〜１４８の素子群６４側の端子Ａ２の出力も、偶数次、３次、５次の各高調波を除去した信号となることがわかる。

次に、端子Ａ１及び端子Ａ２における出力信号を差動増幅器３に入力する。端子Ａ１を有する素子群６３と、端子Ａ２を有する素子群６４とでは、電源側と接地側とが互いに逆向きになっているので、端子Ａ１及び端子Ａ２は、逆相の信号を出力する。よって、最終出力である端子Ａ１と端子Ａ２の差動は、加算演算と同等の効果となる。
ところで、端子Ａ１に接続された素子群６３の各磁気センサ素子と、端子Ａ２に接続された素子群６４の各磁気センサ素子とは、互いに（１５／１４）λの距離だけ離して配置されている。よって、端子Ａ１及び端子Ａ２の出力が加算されることで、７次高調波を除去することができることがわかる。

上述のように、端子Ａ１側の素子群６３と、端子Ａ２側の素子群６４とは、対称軸２ｂに対して線対称に配置されている。よって、実施の形態１で述べたように、端子Ａ１または端子Ａ２に接続されている素子群６３，６４において、偶数次、３次、５次の高調波除去の際に、円弧状の磁気ドラム１と平板状の磁気検出器６２との配置に起因する振幅アンバランスによる歪みが完全に除去できなかったとしても、端子Ａ１及び端子Ａ２の出力の差動を取ることで、残された歪み成分を除去することができる。

また、上述のように、端子Ａ１側の素子群６３と、端子Ａ２側の素子群６４とは（１５／１４）λだけ離れているため、７次高調波を除去可能である。このとき、端子Ａ１の素子群６３と、端子Ａ２の素子群６４とは、重心６９に対して対称に配置されているので、振幅のアンバランスはほとんど無く、７次成分をほぼ完全又は完全に除去することができる。

さらに、端子Ａ１に接続された素子群６３と、端子Ａ２に接続された素子群６４とは、互いに（１５／１４）λだけ離れているが、近似的にはλとみなすことができる。ヒステリシスを除去する場合、実施の形態１に記載のとおり、互いにλだけ離れた素子同士の出力を足し合わせることにより実現できる。素子群６３と素子群６４とは、重心６９に対して対称に配置されているので、両者の振幅のアンバランスはほとんど無い。よって、ヒステリシスによる歪みもほぼ完全又は完全に除去することができる。

以上説明したように、本実施形態２における磁気式回転角検出器１０２によれば、偶数次、３次、５次、７次の高調波歪みと、ヒステリシスによる歪みとを同時にほぼ完全又は完全に除去することができる。したがって、高精度な角度検出が可能となる。

なお、上述の様々な実施形態のうちの任意の実施形態を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するように構成することができる。
本発明は、添付図面を参照しながら好ましい実施形態に関連して充分に記載されているが、この技術の熟練した人々にとっては種々の変形や修正は明白である。そのような変形や修正は、添付した請求の範囲による本発明の範囲から外れない限りにおいて、その中に含まれると理解されるべきである。

又、２００７年４月２０日に出願された、日本国特許出願Ｎｏ．特願２００７−１１１１４５号の明細書、図面、特許請求の範囲、及び要約書の開示内容の全ては、参考として本明細書中に編入されるものである。

本発明は、回転移動体の位置検出に用いられる磁気式回転角検出器に適用可能である。

Claims (2)

1. 円弧状の外周にその周方向に沿って着磁ピッチλで交番着磁された磁気媒体を有し上記周方向へ回転する回転ドラムと、上記外周に対向して配置される基板に互いに平行に配列され上記回転ドラムの回転に伴う上記磁気媒体の磁界の強度変化を検出する複数の磁気センサ素子とを有する磁気式回転角検出器において、
   それぞれ複数の上記磁気センサ素子を有する素子群であって、各素子群の出力信号から２次以上の高調波成分を互いに相殺する配列にて上記磁気センサ素子を配置し、かつ上記基板に対称軸を中心にして線対称にて配置される素子群と、
   各素子群の出力端が接続される差動増幅器とを備え、
   上記対称軸は、上記回転ドラムの径方向に延びる直線上の一点であり全ての上記磁気センサ素子に対する上記基板上の重心位置を通り上記回転ドラムの回転軸に平行な軸であり、
   それぞれの上記素子群に備わる上記磁気センサ素子は、それぞれ同一形態にてかつ上記対称軸を中心にして線対称にて上記基板に配列され、それぞれの素子群は上記磁気センサ素子の数および隣接する上記磁気センサ素子間の距離が同一で、
   上記素子群間にて同位置に配列された一対の磁気センサ素子間の距離は、上記着磁ピッチλの（２ｍ＋１±（１／１４））倍であり（ｍは整数）、
   上記磁気センサ素子に接続される電源端子は素子群間において上記対称軸を中心にして線対称に配置され、かつ上記磁気センサ素子に接続される接地端子は素子群間において上記対称軸を中心にして線対称に配置され、
   上記差動増幅器からの出力信号に基づいて上記回転ドラムの位置及び回転角を検出することを特徴とする磁気式回転角検出器。
2. 円弧状の外周にその周方向に沿って着磁ピッチλで交番着磁された磁気媒体を有し上記周方向へ回転する回転ドラムと、上記外周に対向して配置される基板に互いに平行に配列され上記回転ドラムの回転に伴う上記磁気媒体の磁界の強度変化を検出する複数の磁気センサ素子とを有する磁気式回転角検出器において、
   それぞれ複数の上記磁気センサ素子を有する素子群であって、各素子群の出力信号から２次以上の高調波成分を互いに相殺する配列にて上記磁気センサ素子を配置し、かつ上記基板に対称軸を中心にして線対称にて配置される素子群と、
   各素子群の出力端が接続される差動増幅器とを備え、
   上記対称軸は、上記回転ドラムの径方向に延びる直線上の一点であり全ての上記磁気センサ素子に対する上記基板上の重心位置を通り上記回転ドラムの回転軸に平行な軸であり、
   それぞれの上記素子群に備わる上記磁気センサ素子は、それぞれ同一形態にてかつ上記対称軸を中心にして線対称にて上記基板に配列され、それぞれの素子群は上記磁気センサ素子の数および隣接する上記磁気センサ素子間の距離が同一で、
   上記素子群間にて同位置に配列された一対の磁気センサ素子間の距離は、上記着磁ピッチλの（２ｍ＋１±（１／１４））倍であり（ｍは整数）、
   上記磁気センサ素子に接続される電源端子及び接地端子は、素子群間において上記対称軸を中心にして線対称に配置され、
   上記差動増幅器からの出力信号に基づいて上記回転ドラムの位置及び回転角を検出し、
   上記素子群は、第１素子群及び第２素子群を有し、第１素子群及び第２素子群のそれぞれは、電気的に直列に接続された８つの磁気センサ素子を有し、及び、これらの磁気センサ素子が一端の磁気センサ素子からの距離が順に、λ／１０、λ／６、（λ／６＋λ／１０）、λ／２、（λ／２＋λ／１０）、（λ／２＋λ／６）、（λ／２＋λ／６＋λ／１０）に位置決めされる配置を有し、
   上記第１素子群及び上記第２素子群において同位置に配置される一対の磁気センサ素子間のそれぞれの距離は（１５／１４）λであり、
   上記第１素子群及び上記第２素子群におけるそれぞれの上記出力端は、直列に接続された８つの磁気センサ素子の電気的中点に配置されて上記差動増幅器に接続され、
   上記差動増幅器は、上記第１素子群及び上記第２素子群の出力を用いて差動出力を得て、２次、３次、５次、７次の高調波歪とヒステリシスによる歪が除去された正弦波信号を出力する、
   ことを特徴とする磁気式回転角検出器。

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